Mô hình hoá và mô phỏng hệ truyền động điện cho ô tô điện sử dụng 4 động cơ đặt trong bánh xe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
NGUYỄN NGỌC TUẤN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-------------------------------------

KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGUYỄN NGỌC TUẤN

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO
ÔTÔ ĐIỆN SỬ DỤNG 4 ĐỘNG CƠ ĐẶT TRONG BÁNH XE

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

KHÓA 2012B

HÀ NỘI, 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
------------------------------

NGUYỄN NGỌC TUẤN

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CHO
ÔTÔ ĐIỆN SỬ DỤNG 4 ĐỘNG CƠ ĐẶT TRONG BÁNH XE

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
HƯỚNG DẪN CHÍNH

: TS. DƯƠNG NGỌC KHÁNH

HƯỚNG DẪN PHỤ

: PGS.TS. TẠ CAO MINH

HÀ NỘI, 2013


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn
của TS. Dương Ngọc Khánh và PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả
trình bày trong luận văn là độc lập, hoàn toàn trung thực.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2013
Tác giả

Nguyễn Ngọc Tuấn

1

LỜI CẢM ƠN
Dưới sự hướng dẫn của tập thể hướng dẫn TS.Dương Ngọc Khánh và
PGS.TS. Tạ Cao Minh, sự giúp đỡ và tạo điều kiện của các thầy giáo trong Bộ
môn Ô tô và xe chuyên dụng, của Viện cơ khí động lực, cùng sự hỗ trợ của
các bạn đồng nghiệp, tác giả đã được thực hiện và hoàn thành được các nội
dung nghiên cứu chính của đề tài.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới các giáo viên hướng dẫn, tới tập thể các thầy
giáo, các cán bộ trong Bộ môn và Viện chuyên nghành, cảm ơn sự giúp đỡ
của các bạn đồng nghiệp, trong thời gian thực hiện luận văn đã hết sức nhiệt
tình hướng dẫn, giúp đỡ, hỗ trợ và tạo điều kiện để luận văn đạt được những
kết quả nhất định.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới đề tài T2013-18 do TS.Dương Ngọc Khánh làm
chủ nhiệm, đã hỗ trợ kinh phí và tạo điều kiện để kết quả nghiên cứu của luận
văn được đóng góp cho đề tài T2013-18.
Xin trân trọng cảm ơn!

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ 2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ........................................................................ 5
CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT............................................................................ 7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................... 8
MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 10
Chương 1

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu............................................. 12

1.1.

Ô tô điện ....................................................................................... 12

1.2.

Hệ thống động lực điện trên ô tô ................................................... 15

1.2.1.

Động cơ điện sử dụng trên ô tô ..................................................... 15

1.2.1.1. Động cơ một chiều (DC Motor) .................................................... 17
1.2.1.2. Động cơ không đồng bộ ................................................................ 22
1.2.1.3. Động cơ xoay chiều đồng bộ ba pha.............................................. 24
1.2.2.

Đặc tính động cơ và đặc tính ô tô điện .......................................... 29

1.2.3.

Các hệ truyền động điện trên ô tô điện .......................................... 34

1.2.3.1. Hệ truyền động động cơ đồng bộ ba pha ....................................... 35
1.2.3.2. Hệ truyền động động cơ một chiều (DC) và động cơ một chiều
không chổi than (BLDC) ............................................................... 38
1.2.3.3. Hệ truyền động động cơ đặt trong bánh xe (In-Wheel-Motor) ....... 42
1.3.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới ................................................ 44

1.4.

Tình hình nghiên cứu và phát triển của ô tô điện trong nước ......... 45

1.5.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................. 47

Chương 2

Xây dựng mô hình mô phỏng hệ truyền động của ô tô điện sử
dụng 4 động cơ đặt trong bánh xe ........................................... 48

3


2.1.

Mô hình mô phỏng chuyển động của xe ........................................ 48

2.3.

Mô hình mô phỏng trong Matlab - Simulink ................................. 56

2.3.1.

Mô hình động cơ điện ................................................................... 57

2.3.2.

Mô hình mô phỏng chuyển động của bánh xe ............................... 58

2.4.

Mô phỏng khảo sát khả năng động lực học của xe ........................ 59

Chương 3

Đề xuất bộ điều khiển hỗ trợ chuyển động quay vòng ............. 62

3.1.

Động học quay vòng của ô tô 4 bánh dẫn hướng ........................... 62

3.1.1.

Động học hệ thống lái 4WS với các bánh xe cầu sau quay cùng
chiều các bánh xe cầu trước .......................................................... 64

3.1.2.

Động học hệ thống lái 4WS với bánh xe cầu trước quay ngược
chiều bánh xe cầu sau.................................................................... 67

3.2.

Xác định quỹ đạo chuyển động khi quay vòng đúng ..................... 69

3.3.

Đề xuất bộ điều khiển hỗ trợ quay vòng ........................................ 70

3.4.

Mô hình mô phỏng trên Matlab-Simulink ..................................... 78

3.5.

Kết quả mô phỏng điều khiển chuyển động quay vòng ................. 79

3.5.1.

Chuyển làn ở tốc độ cao ................................................................ 79

3.5.2.

Quay vòng ở tốc độ thấp ............................................................... 82

KẾT LUẬN .................................................................................................. 84
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 85

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Iư

Dòng điện phần ứng

Fz

Phản lực pháp tuyến của mặt
đường

Φư

Từ thông phần ứng

Iw

Mô men quán tính của bánh xe

Φkt

Từ thông kích từ

rb

Bán kính hiệu dụng của bánh xe

M

Khối lượng toàn bộ của xe

φx

Hệ số bám dọc

G

Trọng lượng toàn bộ của xe

φy

Hệ số bám ngang

Gt

Trọng lượng phân ra cầu trước α

Góc lệch bên của bánh xe

Gs

Trọng lượng phân ra cầu sau

Cd

Hệ số cản khí động học

x

Vận tốc theo phương dọc

ρ

khối lượng riêng của không khí.

y

Vận tốc theo phương ngang

F

diện tích cản chính diện của ô tô



Gia tốc góc quay thân xe

N

Lực gió bên (Lực ngang)



Vận tốc góc quay thân xe

Fd

Lực cản leo dốc

 *

Vận tốc góc quay thân xe theo
Pω
lý thuyết

Lực cản không khí

Mk

Momen kéo [N.m]

Hệ số cản khi leo dốc

Me

Mô men xoắn của động cơ
Pa
[N.m]

Lực quán tính

Mkfl

Momen kéo bánh trước trái

Pj

Lực li tâm

Mkfr

Momen kéo bánh trước phải

Jz

Momen quan tinh quay truc z

Mkrl

Momen kéo bánh sau trái

i0

Tỷ số truyền của hệ thống

Mkrr

Momen kéo bánh sau phải

η

hiệu suất của hệ thống

V

Vận tốc xe [m/s]

rđ

bán kính lăn bánh xe [m]

Fx

Lực dọc

f

Hệ số cản lăn

Fy

Lực ngang

Pf

lực cản lăn

Fc

Lực cản tác dụng lên xe

C

Trọng tâm xe

sx

độ trượt dọc

B

chiều rộng cơ sở của xe;

sy

độ trượt ngang

L

Chiều dài cơ sở của xe

sr;φr

hai tham số phụ tính độ trượt
a
và độ bám

i

5

khoảng cách từ trọng tâm xe tới
cầu trước


Cα

độ cứng góc lệch bên bánh xe
b
[N/rad]

khoảng cách từ trọng tâm xe tới
cầu sau

δi

là góc quay bánh xe phía trong
R
quỹ đạo quay vòng

bán kính quay của trọng tâm xe

δo

là góc quay bánh xe phía
R1
ngoài quỹ đạo quay vòng

Khoảng cách từ tâm quay tức
thời O tới trục dọc của xe

c1

khoảng cách từ tâm quay tức
c2
thời O tới cầu trước

khoảng cách từ tâm quay tức thời
O tới cầu sau

δfl

Góc quay bánh xe trước trái

δrl

Góc quay bánh xe sau trái

δfr

Góc quay bánh xe trước phải

δrr

Góc quay bánh xe sau phải

Fxfl

Lực dọc tác dụng lên bánh xe
Fyfl
trước trái

Lực ngang tác dụng lên bánh xe
trước trái

Fxfr

Lực dọc tác dụng lên bánh xe
Fyfr
trước phải

Lực ngang tác dụng lên bánh xe
trước phải

Fxrl

Lực dọc tác dụng lên bánh xe
Fyrl
sau trái

Lực ngang tác dụng lên bánh xe
sau trái

Fxrr

Lực dọc tác dụng lên bánh xe
Fyrr
sau phải

Lực ngang tác dụng lên bánh xe
sau phải

IHC-tt

Cường độ dòng điện hiệu
IHC-st
chỉnh của động cơ trước trái

Cường độ dòng điện hiệu chỉnh
của động cơ sau trái

IHC-tp

Cường độ dòng điện hiệu

IHC-sp
chỉnh của động cơ trước phải

Cường độ dòng điện hiệu chỉnh
của động cơ sau phải

6


CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
EV

Xe điện (Electric Vehicle)

HEV

Xe hybrid (Hybrid Electric Vehicle)

DC

Dòng điện một chiều (Direct Current)

AC

Dòng điện xoay chiều (Alternating Current)

Back-EMF

Sức phản điện động (Back - Electromotive Force)
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (Permanent Magnet

Synchronous Motor)
Động cơ một chiều không chổi than (Brushless Direct
Curent)
Động cơ nam châm vĩnh cửu rotor cực lồi (Surface Magnet
Machine)
Động cơ nam châm vĩnh cửu rotor cực chìm (Interior
Magnet Machine)
Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance Motor)

PMSM
BLDC
SPM
IPM
SynRM

FOC

Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor)
Transistor có cực điều khiển cách ly (Insulated Gate Bipolar
Transistor)
Điều khiển tựa từ thông rotor (Field Oriented Control)

DTC

Điều khiển trực tiếp momen (Direct Torque Control)

PWM

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation)

VDC

Điện áp một chiều (Volt Direct Current)

IWM

OLEV

Động cơ đặt trong bánh xe (In - Wheel - Motor)
Viện Khoa học và Công nghệ tiên tiến Hàn Quốc (Korea
Advanced Institute of Science and Technology)
Xe bus điện không dây (OnLine Electric Vehicle)

MFC

Model Following Control

CVT

Bộ chuyển đổi vô cấp (Continuously Variable Transmission)
Hệ thống lái hai bánh trước dẫn hướng (Front Wheel
Steering)
Hệ thống lái bốn bánh dẫn hướng ( Four Wheels Steering)
Điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (Proportional-IntegralDerivative )

SRM
IGBT

KAIST

FWS
4WS
PID

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều ............................... 18
Hình 1-2: Động cơ BLDC (a) và cảm biến Hall (b) ...................................... 21
Hình 1-3: Cấu trúc của động cơ SPM (a) và IPM (b,c) ................................. 25
Hình 1-4: Động cơ từ trở đồng bộ - SynRM ................................................. 26
Hình 1-5: Động cơ từ trở thay đổi - SRM ..................................................... 27
Hình 1-6: Đặc tính làm việc của ô tô ............................................................ 31
Hình 1-7: Đặc tính làm việc lý tưởng ........................................................... 31
Hình 1-8: Đặc tính ngoài động cơ đốt trong (a) và đặc tính lực kéo của xe sử
dụng hộp số 4 cấp (b) ................................................................................... 32
Hình 1-9: Đặc tính động cơ điện (a) và đặc tính lực kéo của xe khi sử dụng
động cơ điện (b) ........................................................................................... 33
Hình 1-10: Sơ đồ truyền động điện trên xe điện sử dụng 04 động cơ điện .... 35
Hình 1-11: Hệ truyền động động cơ xoay chiều ........................................... 36
Hình 1-12: Sơ đồ mạch lực biến đổi điện áp của động cơ đồng bộ ............... 36
Hình 1-13: Quy ước hệ trục tọa độ trong động cơ ba pha ............................. 37
Hình 1-14: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ PMSM .................................... 38
Hình 1-15: Đặc tính điều chỉnh tốc độ dưới tốc độ cơ bản (a) và trên tốc độ cơ
bản (b) của động cơ DC................................................................................ 39
Hình 1-16: Sơ đồ truyền động điện động cơ DC (a) và bộ biến đổi DC-DC (b)
..................................................................................................................... 40
Hình 1-17: Sơ đồ điều khiển tốc độ động cơ BLDC ..................................... 41
Hình 1-18: Mô hình động cơ điện đặt trong bánh xe .................................... 43

Hình 1-19: Động cơ điện đặt trong bánh xe phía sau .................................... 43
Hình 2-1: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi chuyển động................................... 48
Hình 2-2: Sơ đồ lực tác dụng lên bánh xe chủ động ..................................... 49
Hình 2-3: Sơ đồ xác định lực dọc và lực ngang ............................................ 51
8


Hình 2-4: Sơ đồ lực tác dụng lên xe khi chuyển động quay vòng ................. 54
Hình 2-5: Mô hình mô phỏng ô tô điện ........................................................ 56
Hình 2-6: Đặc tính động cơ điện sử dụng mô phỏng .................................... 57
Hình 2-7: Mô hình mô phỏng động cơ điện .................................................. 58
Hình 2-8: Mô hình mô phỏng chuyển động của bánh xe............................... 58
Hình 2-9: Mô hình mô phỏng hệ thống lái 4 bánh dẫn hướng ....................... 59
Hình 2-10: Biến thiên vận tốc của xe khi tăng tốc với tỉ số truyền bộ truyền
lực cuối cùng thay đổi .................................................................................. 60
Hình 2-11: Biến thiên vận tốc của xe khi leo dốc 150, không sử dụng truyền
lực cuối ........................................................................................................ 61
Hình 3-1: Các sơ đồ động học hệ thống lái ................................................... 62
Hình 3-2: Quay vòng trái với hệ thống lái FWS ........................................... 63
Hình 3-3: Quy ước dấu của góc quay vành lái .............................................. 64
Hình 3-4: Bánh xe cầu trước và cầu sau quay cùng chiều ............................. 65
Hình 3-5: Bánh xe cầu trước và cầu sau quay ngược chiều ........................... 67
Hình 3-6: Sơ đồ mạch điều khiển hai vòng kín ............................................. 71
Hình 3-7: Sơ đồ hệ thống điều khiển chuyển động hỗ trợ quay vòng ............ 72
Hình 3-8: Sơ đồ điều khiển động cơ điện ..................................................... 73
Hình 3-9: Cấu trúc bộ điều khiển mờ ........................................................... 74
Hình 3-10: Các giá trị ngôn ngữ của các tín hiệu vào/ra ............................... 76
Hình 3-11: Sơ đồ mô hình mô phỏng chuyển động quay vòng ..................... 78
Hình 3-12: Mô hình tính toán giá trị tham chiếu của xe ................................ 79
Hình 3-13: Mô hình bộ điều khiển................................................................ 79

Hình 3-14: Chuyển làn với góc quay vô lăng 600 tại tốc độ gần 60 km/h...... 81
Hình 3-15: Xe quay vòng với góc quay vô lăng bằng 2400 tại tốc độ 30km/h
..................................................................................................................... 83

9


MỞ ĐẦU
Tiếp theo sự phát triển ô tô hybrid, ô tô điện đang được nhiều hãng ô
tô nghiên cứu phát triển nhằm khắc phục các yếu điểm của nhiên liệu hóa
thạch về ô nhiễm môi trường và tình hình cạn kiệt nguồn nhiên liệu. Tại Việt
Nam, đối tượng này chưa nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học,
giới doanh nghiệp cũng như các nhà làm chính sách, nên chưa có nhiều
nghiên cứu về ô tô điện.
Ô tô điện nhằm cải thiện ô nhiễm môi trường, nhưng gặp phải khó
khăn về vấn đề cung cấp năng lượng điện để hoạt động. Ô tô điện có hai
nhược điểm quan trọng là năng lượng dữ trữ thấp và giá thành cao hơn. Các
vấn đề cần cải thiện ở ô tô điện là khả năng tăng tốc, bán kính sử dụng, vấn đề
về nạp và thay mới nguồn năng lượng điện.
Việc đặt các động cơ trong bánh xe cho phép ta điều khiển các bánh
xe một cách độc lập từ đó dẫn tới khả năng điều khiển lực kéo và điều khiển
chuyển động của xe một cách linh hoạt hơn. Quá trình chuyển động của xe sẽ
được điều khiển thông qua việc điều khiển công suất của các động cơ điện.
Mặt khác, khi bố trí động cơ điện trong bánh xe ta sẽ rút gọn được hệ thống
truyền lực, giảm được khối lượng của xe, tăng thời gian làm việc của pin. Do
vậy, luận văn đã lựa chọn hướng nghiên cứu này để tìm hiểu, khảo sát và mô
phỏng về hệ truyền động trên ô tô điện. Vấn đề này đã được nhiều hãng xe
trên thế giới nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm như Volkswagen, Mercedes,
Ford ... Vấn đề tối ưu hóa hệ truyền động trên xe có ý nghĩa lớn trong việc tiết
kiệm năng lượng trên ô tô điện. Nếu xe hoạt động với hiệu suất cao, đồng

nghĩa với việc năng lượng sinh ra được tận dụng triệt để, giúp tiết kiệm năng
lượng ở pin hoặc ắc quy, làm tăng quãng đường đi được trên một lần nạp pin.
Hiện nay một số công trình nghiên cứu trong nước về hệ thống truyền lực ô tô
điện đang còn sơ khai, đặc biệt là ô tô với 4 bánh dẫn động độc lập bằng 4
10


động cơ điện. Luận văn nghiên cứu, khảo sát động lực học của ô tô điện với
hệ truyền động 4 động cơ điện, dẫn động trực tiếp 4 bánh xe không sử dụng
bộ giảm tốc và so sánh với ô tô sử dụng bộ giảm tốc thông qua mô hình mô
phỏng được xây dựng bằng công cụ Matlab - Simulink.
Đối tượng luận văn nghiên cứu là mô hình về ô tô điện loại nhỏ hoạt
động trong thành phố. Các hệ thống trên xe được mô hình hóa tương tự các xe
sử dụng động cơ đốt trong, luận văn chỉ thay đổi mô hình hệ thống truyền lực
với 4 động cơ điện có đặc tính xác định trước.

11


Chương 1
1.1.

Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Ô tô điện
Ô tô điện được phát minh bởi Frenchman Gustave Trouvé vào năm

1881, với động cơ một chiều (DC) 0.1 mã lực sử dụng acquy chì-axit. Khối
lượng toàn bộ của xe là 160kg. Năm 1883, hai giáo sư người Anh đã chế tạo
một xe điện tương tự. Những phát minh này chưa thể đi tới chế tạo xe điện để

sử dụng thời bấy giờ. Vận tốc xe chỉ đạt 15 km/h và quãng đường đi được là
16 km nên không thể sử dụng hiệu quả. Năm 1864, trong cuộc đua từ Paris
đến Rouen ô tô điện có thể chạy quãng đường dài 1135 km trong thời gian 48
giờ 53 phút với tốc độ trung bình 23.3 km/h. Tốc độ này là khá cao và phù
hợp với tình hình giao thông lúc đó.
Hai mươi năm sau đó là thời điểm mà xe điện cạnh tranh với xe hơi sử
dụng động cơ xăng. Xe điện được đưa vào sử dụng đầu tiên là Electroboat của
hai kỹ sư Morris và Salom. Xe này được sử dụng như là một taxi ở thành phố
NewYork. Xe điện Electroboat có nhiều ưu điểm hơn so với xe kéo ngựa,
nhưng giá thành xe khá cao (khoảng $3000 so với $1200). Xe có thể được sử
dụng ở tay số 3 trong 4 giờ với khoảng thời gian nạp lại là 90 phút, và được
dẫn động bởi 2 động cơ có công suất 1.5 mã lực, đạt tốc độ tối đa cho phép là
32 km/h trong dải hoạt động 40 km.
Phát minh kỹ thuật quan trọng nhất trong thời điểm đó là sự ra đời của
hệ thống phanh nạp lại do kỹ sư người Pháp M.A. Darracq thiết kế trên chiếc
xe hai chỗ ngồi vào năm 1897. Phương pháp này cho phép thu hồi lại động
năng của xe trong khi phanh và nạp lại cho ắc quy, điều này nâng cao hiệu
quả dẫn động của xe. Đó là một trong những đóng góp quan trọng nhất cho
công nghệ xe điện và xe lai điện vì khả năng cung cấp hiệu suất sử dụng năng
lượng cao hơn các loại phương tiện khác.

12


Xe điện đầu tiên có thể đạt tới 100 km/h là xe “La Jamais Contente” cũng do
một người Pháp là Camille Jenatzy chế tạo.
Tuy nhiên, sự vượt trội của xe sử dụng động cơ xăng với công suất
lớn hơn, linh hoạt hơn và tính năng sử dụng dễ dàng hơn thì xe điện bắt đầu
biến mất. Nhược điểm của xe điện là hiệu suất và quãng đường đi được là
ngắn, thời gian duy trì của acquy thấp và chi phí lại quá cao. Xe điện được

giới thiệu lần cuối cùng vào năm 1905. Trong gần 60 năm, chỉ có những xe
điện xe phục vụ trong lĩnh vực thể thao như đánh gôn; những xe giao hàng và
xe hoạt động trong các công viên.
Năm 1945, ba nhà nghiên cứu tại Bell Laboratories đã phát minh ra
một loại linh kiện được sử dụng khá phổ biến hiện nay là Transistor, đó là
cuộc cách mạng hoá thế giới điện và điện tử. Transistor nhanh chóng thay thế
các ống chân không và ngay sau đó Thyristor được phát minh, thiết bị này
cho phép điều khiển được dòng điện cao hơn với điện thế cao hơn. Điều này
cho phép điều chỉnh công suất cung cấp cho động cơ điện mà không phải sử
dụng biến trở hiệu suất thấp, và cho phép chạy động cơ xoay chiều AC ở các
tần số khác nhau (biến tần). Năm 1966, General Motors (GM) đã chế tạo
chiếc Electrovan, được dẫn động bởi các động cơ điện sử dụng bộ chuyển đổi
bằng Thyristor. Xe điện đặc biệt nhất của thời kỳ này là Lunar Roving, được
các nhà du hành vũ trụ Apollo sử dụng trên Mặt Trăng. Khối lượng toàn bộ
của xe là 209 kg và có thể chở tải 490 kg, quãng đường đi được là 65 km.
Trong những năm 1960 và 1970, các vấn đề về ô nhiễm môi trường đã
thúc đẩy các nghiên cứu về xe điện. Tuy nhiên, mặc dù có những tiến bộ
trong kỹ thuật chế tạo ắc quy và điện tử công suất nhưng hiệu suất và phạm vi
hoạt động của xe vẫn là một cản trở lớn. Kỷ nguyên xe điện hiện đại lên đến
đỉnh điểm là trong thập niên 80 và những năm đầu thập niên 90 với sự ra mắt
của một vài xe của các hãng như GM với xe EV1 và hãng PSA với xe 106
13


Electric. Những xe điện này vẫn có vận tốc và phạm vi hoạt động giới hạn.
Một lý do nữa đó là năng lượng của ắc quy được chứa trong các điện cực
bằng kim loại, có khối lượng nặng hơn so với động cơ xăng có cùng công
suất. Vì vậy, công nghiệp ô tô đã từ bỏ xe điện để mở đường cho sự nghiên
cứu xe lai điện. Công nghệ ắc quy chưa phát triển đủ cho sự phát triển của xe
điện. Khả năng tích trữ năng lượng điện trên một đơn vị khối lượng và thể

tích là nhỏ. Nguồn năng lượng điện này chỉ cho phép xe điện có một vài ứng
dụng đặc biệt như tại sân bay, nhà ga xe lửa, trên các tuyến đường phân phối
thư, cũng như trên các xe golf… Vì thế, những năm gần đây, nghiên cứu về
công nghệ ô tô tiên tiến đã chuyển sang xe lai điện HEV (Hybrid Electric
Vehicle) cũng như là xe dùng pin nhiên liệu (Full-cell Vehicle).
 Dưới đây là một số xe điện đã được chế tạo:
Năm 1914, Detroit Electric được sản xuất, xe sử
dụng pin Ni-Fe, có khả năng di chuyển trong
phạm vi 80 dặm, vận tốc trung bình 9m/s
(~20mph).
Năm 1974, xe điện Zagato Elcar được phát
minh, có khả năng di chuyển 35 dặm với vận
tốc trung bình 15 m/s (~ 35 mph). Xe sử dụng
ắc quy chì – xit.

Năm 1980, xe điện Commuter Vehicles
CommutaCar được phát minh. có khả năng di
chuyển 40 dặm với vận tốc trung bình 13 m/s (~
30 mph). Xe sử dụng ắc quy chì – axit.

14


Năm 1997, Hãng Chevrolet sản xuất xe S10
EV, có khả năng chạy 95 dặm với loại pin
NiMH
Năm 1998, Hãng Ford sản xuất xe Ford Ranger
EV, có khả năng chạy 82 dặm, sử dụng pin
NiMH.

Năm 1999, hãng General Motors sản xuất xe
EV1, có khả năng chạy 140 dặm, sử dụng pin
NiMH.

Năm 2000, xe điện Thanks city có vận tốc 25
m/s (~55mph), tuy nhiên quãng đường đi được
khá ngắn với chỉ 45 dặm. Xe sử dụng loại pin
mới, pin NiCd.
Năm 2003, xe AC Propulsion tZero có thể chạy
được 302 dặm chỉ với 1 lần xạc, vận tốc tối đa
lên đến 27 m/s (~60mph). Xe sử dụng pin
Lithium.
1.2.

Hệ thống động lực điện trên ô tô

1.2.1. Động cơ điện trên ô tô
Động cơ điện là thiết bị điện cơ học giúp chuyển điện năng thành cơ
năng. Cơ năng này được sử dụng để kéo bánh xe chủ động trên ô tô, quay
bánh công tác của bơm, cánh quạt, chạy máy nén … Các động cơ điện được
sử dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghệ cao như ô tô (xe điện, xe hybrid
15


…), máy bay …, trong lĩnh vực dân dụng (máy xay, khoan, quạt gió) và trong
công nghiệp.
 Cơ chế hoạt động của các động cơ điện:
Kết cấu của động cơ điện thường gồm hai bộ phận kết cấu chính là
mạch từ và dây quấn. Mạch từ của động cơ điện là hai khối thép đồng trục,
giữa hai khối thép có khe hở để đảm bảo chúng có thể quay tương đối với

nhau. Khối đứng yên gọi là phần tĩnh hay Stator, khối quay được gọi là phần
quay hay rôto. Các dây quấn của máy điện quay được đặt ở hai phía khe hở
trong các rãnh hoặc trên các cực từ của stator và rôto. Các động cơ điện hoạt
động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ. Trong động cơ điện luôn có hai
phần: phần cảm và phần ứng. Phần cảm có nhiệm vụ sinh ra từ trường ở khe
hở lúc không tải. Từ trường này thường là cực tính thay đổi. Phần ứng có
nhiệm vụ cảm ứng được sức điện động khi có chuyển động tương đối với từ
trường khe hở. Nếu từ trường khe hở có cực tính thay đổi sức điện động là
xoay chiều; nếu từ trường khe hở có cực tính không đổi, sức điện động là một
chiều.
Nguyên lý làm việc của các loại động cơ điện đều dựa vào hai định
luật điện từ cơ bản là định luật sức điện động cảm ứng và định luật về lực
điện từ. Dựa vào hai định luật cơ bản này ta thấy rằng dòng điện trong từ
trường chịu tác dụng của một lực từ. Nếu dây dẫn được khép mạch, hai nhánh
đối xứng của mạch sẽ chịu các lực tác dụng ngược chiều nhau (ngẫu lực) theo
phương vuông góc với véc tơ đường sức từ, ngẫu lực này tạo ra mô men làm
quay cuộn dây.
Trên ô tô điện hiện nay có thể sử dụng một số loại động cơ như sơ đồ
dưới đây:

16


Động cơ điện sử
dụng cho ô tô
điện

Động cơ một
chiều (DC
Motor)

Động cơ một chiều
không chổi than
(BLDC Motor)

Động cơ không
đồng bộ

Động cơ đồng bộ

Động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu (PMSM)

Động cơ nam châm vĩnh
cửu cực lồi (SPM motor)

Động cơ từ trở thay
đổi (SRM Motor)

Động cơ từ trở
đồng bộ

Động cơ nam châm vĩnh cửu
cực chìm (IPM motor)

1.2.1.1. Động cơ một chiều (DC Motor)
Động cơ một chiều sử dụng dòng điện một chiều và yêu cầu có phần
kích từ mới có thể hoạt động được. Động cơ một chiều được sử dụng trong
các ứng dụng đặc biệt yêu cầu mô men khởi động cao hoặc yêu cầu tăng tốc
êm ở một dải tốc độ rộng. Động cơ một chiều có ưu điểm nổi bật là rất dễ

điều khiển. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều khiển chưa phát triển,
động cơ một chiều là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều
khiển tốc độ, mômen. Nhược điểm của loại động cơ này là cần bộ vành góp,
chổi than, có tuổi thọ thấp, đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, không
phù hợp với điều kiện nóng ẩm. Khi công nghệ bán dẫn và kỹ thuật điều
khiển phát triển mạnh, động cơ một chiều dần bị thay thế bởi các loại động cơ
khác.

17


Hình 1-1: Nguyên lý hoạt động động cơ điện một chiều
Động cơ một chiều gồm ba thành phần chính sau:
 Stator hay phần cảm:
Phần cảm của động cơ một chiều có các cực từ đứng yên (cực từ chính, cực từ
phụ và gông máy. Cực từ chính gồm có lõi sắt cực từ và dây quấn kích từ
lồng ngoài lõi sắt cực từ. Các cuộn dây kích từ đặt trên các cực này được nối
tiếp với nhau. Cực từ chính có nhiệm vụ tạo ra từ thông chính trong máy, hình
thành cấu trúc từ trường.
Ngoài ra trên động cơ một chiều có bố trí các cực từ phụ có nhiệm vụ hạn chế
tia lửa điện trên chổi than - cổ góp, cải thiện đổi chiều của động cơ.
 Rotor hay phần ứng:
Phần ứng (đặt trên các ổ đỡ) quay trong không gian giữa các cực từ. Trên
phần ứng có lõi sắt dẫn từ, và dây quấn phần ứng. Khi có dòng điện đi qua,
phần ứng sẽ trở thành một nam châm điện. Phần ứng, có dạng hình trụ, được
nối với với trục ra để kéo tải. Với động cơ một chiều nhỏ, phần ứng quay
trong từ trường do các cực tạo ra, cho đến khi cực bắc và cực nam của nam
châm hoán đổi vị trí tương ứng với góc quay của phần ứng. Khi sự hoán đổi

18

hoàn tất, dòng điện đảo chiều để xoay chiều các cực bắc và nam của phần
ứng.
 Cổ góp và chổi than:
Cổ góp (còn gọi là vành góp hay vành đổi chiều, dùng để đổi chiều dòng điện
xoay chiều thành một chiều. Cổ góp cũng hỗ trợ sự truyền điện giữa phần ứng
và nguồn điện. Cổ góp được cấu tạo từ các phiến đồng ghép cách điện với
nhau, hợp thành hình trụ tròn. Chổi than làm bằng bột than, có phụ gia đồng
để tăng tính mài mòn, tiếp xúc cổ góp trên đường trung tính hình học, phân
cách giữa hai cực từ chính.
Từ trường trong động cơ một chiều sinh ra chủ yếu do cực từ và dòng
điện phần ứng Iư sinh ra. Khi động cơ chạy không tải, trong dây quấn phần
ứng không có dòng điện, từ trường quay trong máy chỉ do dòng điện kích từ
Ikt tạo nên, từ trường phân bố tương đối đều dưới bề mặt cực từ. Khi làm việc
có tải, ngoài từ trường của cực từ còn có từ trường phần ứng do dòng Iư tạo
nên. Tác dụng của từ trường phần ứng (Φư) lên từ trường cực từ (Φkt) gọi là
phản ứng phần ứng làm hình thành từ trường tổng ở khe hở lúc có tải. Dưới
mỗi cực từ, từ trường phần ứng Φư được chia làm hai phần, một phần Φư cùng
chiểu Φkt nên từ thông được trợ từ, phần còn lại Φư ngược chiểu Φkt nên từ
thông bị khử đi. Nếu như không kể tới hiện tượng bão hòa từ trong máy thì
phần từ thông được tăng lên sẽ bằng phần từ thông bị khử đi nên từ thông
tổng sẽ không đổi. Nếu mạch từ bão hòa thì do tác dụng trợ từ ít hơn tác dụng
khử từ nên từ thông tổng dưới mỗi cực giảm đi một ít, nghĩa là từ thông tổng
sẽ giảm xuống. Khi chổi than đặt trên đường trung tính hình học thì chỉ có
phản ứng ngang trục làm méo từ trường khe hở dẫn đến từ trường ở đường
trung tính khác không nên khi làm việc có tải, đây cũng là một nguyên nhân
ngoài nguyên nhân về kết cấu cổ góp - chổi than, làm cho động cơ dễ phát
sinh tia lửa điện. Do vậy, ta cần sử dụng các cực từ phụ xen giữa cực từ chính
19

để triệu tiêu từ thông Φư bằng cách tạo ra từ thông phụ ngược chiều với Φư
trên đường trung tính hình học. Cũng có thể sử dụng dây quấn cực tự phù
hoặc dây quấn bù mắc nối tiếp dây quấn rotor để tạo ra từ thông kịp thời triệt
tiêu từ thông Φư khi dòng điện tải thay đổi.
 Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC motor – BLDC
motor)
Nhược điểm chủ yếu của động cơ một chiều là có hệ thống cổ góp và
chổi than nên vận hành kém tin cậy, và không an toàn khi hoạt động ở các
môi trường yêu cầu tính rung động lớn, và điều kiện di động cao. Vì yếu tố
này mà động cơ một chiều ít được sử dụng trên ô tô điện. Động cơ một chiều
không chổi than có thể khắc phục nhược điểm trên. Loại động cơ này đang
được chú trọng nghiên cứu để ứng dụng vào các hệ thống yêu cầu cao về điều
chỉnh tốc độ động cơ, và được thí nghiệm để sử dụng trong ô tô điện.
Cấu tạo chung của động cơ BLDC gồm rotor nam châm vĩnh cửu,
stator và bộ cảm biến vị trí:
- Stator: Khác với động cơ một chiều thông thường, stator của động cơ
một chiều không chổi than chứa dây quấn phần ứng. Dây quấn phần
ứng thường là dây quấn ba pha được đấu nối dạng hình Y hoặc Δ tương
tự như máy điện xoay chiều ba pha.
- Rotor: được gắn vào trục động cơ và trên bề mặt rotor có dán các thanh
nam châm vĩnh cửu.
- Bộ phận chuyển mạch điện tử: Ở động cơ một chiều không chổi than vì
dây quấn phần ứng được bố trí trên stator đứng yên nên bộ phận
chuyển mạch điện tử sử dụng transisto công suất chuyển mạch theo vị
trí rotor. Về bản chất bộ chuyển mạch điện tử là nghịch lưu bị động
theo sức điện động của stator. Do đó trong cấu trúc động cơ một chiều
không chổi than cần có cảm biến vị trí rotor. Khi đó, bộ đổi chiều điện
20

tử có thể đảm bảo sự thay đổi chiều của dòng điện trong dây quấn phần
ứng khi rotor quay.
- Bộ cảm biến vị trí rotor: Nhiệm vụ của bộ cảm biến là tạo ra tín hiệu
đồng bộ sức điện động động cơ phục vị cho việc đóng cắt các van bán
dẫn ở bộ chuyển mạch điện tử, thỏa mãn đặc tính làm việc của truyền
động điện.
Một điểm khác biệt nữa của động cơ BLDC so với các động cơ đồng
bộ khác là sức phản điện động (back-EMF) của động cơ có dạng hình thang
do cấu trúc dây quấn tập trung (các loại khác có dạng hình sin do cấu trúc dây
quấn phân tán). Dạng sóng sức phản điện động hình thang khiến cho động cơ
BLDC có đặc tính cơ giống động cơ một chiều, mật độ công suất, khả năng
sinh mômen cao, hiệu suất cao.
Stator
Cảm biến
Hall

Rotor

Cực từ trên
Rotor
(a)

(b)

Hình 1-2: Động cơ BLDC (a) và cảm biến Hall (b)
Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến Hall xác
định vị trí của rotor. Momen sinh ra của động cơ BLDC do tác dụng của từ
trường rotor với dòng điện stator. Do bản chát nguyên lý làm việc, dòng điện

stator trùng pha với sức điện động cảm ứng nên từ trường rotor sẽ vuông góc
21


với dòng điện tương tự như động cơ một chiều. Thời gian sản sinh ra momen
động cơ điện phụ thuộc vào số phiến góp trên động cơ (hiệu ứng sinh momen
nằm trong góc π/n với n là số phiến góp). Do trong động cơ một chiều số
phiến góp lớn nên đập mạch momen không đáng kể. Đối với động cơ BLDC
từ trường rotor quay còn từ trường tổng stator sẽ đứng im trong phạm vi ωt =
π/3. Sau đó từ trường stator sẽ dịch chuyển một góc π/3, do vậy momen động
cơ BLDC đập mạch 6 lần, đây là nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC. Tuy
nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để giảm nhấp nhô mômen.
Một trong những phương pháp hiệu quả nhất là thuật toán điều khiển giả
vector (Pseudo-vector Control – PVC) hiện nay đã đi vào ứng dụng cho thiết
bị trợ lái vô lăng của công ty NSK tại Nhật Bản.
1.2.1.2. Động cơ không đồng bộ
Động cơ không đồng bộ gồm các bộ phận chính sau:
- Phần tĩnh hay stator: đây là phần cảm của động cơ, bao gồm: vỏ máy,
lõi sắt và dây quấn là các phần chủ yếu. Vỏ máy để cố định lõi sắt và
dây quấn. Lõi sắt là phần dẫn từ, được ghép từ những lá thép kỹ thuật
điện hình rẻ quạt có phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện
xoáy khi có sự đổi dấu ở dòng điện xoay chiều. Mặt trong của lá thép
có xẻ rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn được bố trí ở hai bên khe hở trên
lõi thép.Dây quấn luôn được cách điện với lõi sắt. Trong động cơ ba
pha, ba dây quấn stator đặt theo các rãnh lệch nhau 1200 điện, được đấu
nối Y/Δ theo điện áp lưới quy định.
- Phần quay hay rotor: đây là phần ứng của động cơ, gồm lõi thép, dây
quấn, và trục máy. Lõi thép gồm các lõi thép kỹ thuật điện được dập
rãnh mặt ngoài ghép lại, tạo thành các rãnh theo hướng trục, ở giữa có
lỗ để lắp trục. Phía ngoài có rãnh để đặt dây quấn. Nếu là động cơ rotor

lồng sóc thì trên các rãnh của lõi thép rotor đặt các thanh dẫn bằng
22


đồng, hai đầu có đặt hai vòng ngắn mạch tạo thành lồng sóc hoăc trên
các rãnh thép rotor được đúc nhôm, hai đầu đúc vòng ngắn mạch. Nếu
là động cơ rotor dây quấn thì trong các rãnh lõi thép rotor đặt dây quấn
ba pha tương tự trong rotor và thường được đấu nối Y. Ba đầu ra của ba
dây quấn nối với ba vòng tiếp xúc bằng đồng cố định trên trục rotor và
cách điện với trục động cơ. Nhờ ba chổi than tiếp xúc với ba vòng tiếp
xúc, dây quấn được nối với ba điện trở ngoài để mở máy hoặc điều
chỉnh tốc độ.
Động cơ không đồng bộ có kết cấu đơn giản, làm việc chắc chắn, giá
thành thấp nên được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp
với công suất từ vài chục đến hàng nghìn kilooat. Trong công nghiệp, động cơ
không đồng bộ được sử dụng cho các máy cán thép vừa và nhỏ, các máy công
cụ ở nhà máy công nghiệp nhẹ, dùng cho quạt tời hay quạt gió trong hầm mỏ,
các máy gia công nông sản phẩm... Tuy nhiên, do đặc tính điều chỉnh tốc độ
không tốt nên ứng dụng của động cơ không đồng bộ trên xe điện có phần hạn
chế vì yêu cầu của ô tô là cần điều chỉnh tốc độ thường xuyên khi hoạt động.
Trên động cơ không đồng bộ, phạm vi điều chỉnh tốc độ của động cơ nhỏ,
năng lượng tiêu thụ lớn, độ bằng phẳng khi điều chỉnh thấp nên việc ứng dụng
sử dụng trên ô tô đem lại hiệu quả thấp. Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có
thể thực hiện các thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ không
đồng bộ, đáp ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của động cơ
không đồng bộ là có hiệu suất thấp khi yêu cầu điều chỉnh tốc độ liên tục. Với
điều kiện cơ sở hạ tầng giao thông như ở Việt Nam, đường giao thông hẹp,
đông đúc, xe thường chạy ở tốc độ thấp và hay phải dừng, đỗ. Với chế độ
hoạt động như vậy, động cơ đồng bộ sẽ phải thường xuyên chạy ở tốc độ dưới
định mức gây hiệu suất thấp, hạn chế đáng kể quãng đường đi cho một lần

nạp ắc quy.
23