Các loại động cơ xe điện, loại nào tốt nhất?

Xe điện (EV) đang trở thành giải pháp thay thế xanh phổ biến cho xe động cơ đốt trong (ICE), phương tiện giao thông thống trị trong hơn 100 năm qua. Xe điện hoạt động thông qua động cơ điện chạy bằng năng lượng pin.

Có nhiều loại động cơ được sử dụng cho xe điện. Bài viết này xem xét kỹ lưỡng và đưa ra cái nhìn tổng quan về các loại động cơ EV được sử dụng phổ biến nhất.

Tổng quan về các loại động cơ xe điện

Xe điện sử dụng động cơ kéo có khả năng truyền mô-men xoắn tới các bánh xe. Động cơ điện có thể được chia thành hai loại: động cơ DCđộng cơ AC. Cả hai loại đều có thể được sử dụng trong các ứng dụng EV.

Động cơ DC mạnh mẽ và cho phép điều khiển đơn giản. Chúng có thể được chế tạo dưới dạng động cơ DC có chổi than và không chổi than. Động cơ DC có chổi than là một công nghệ hoàn thiện mang lại chi phí thấp, mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp và điều khiển tốc độ dễ dàng. Những tính năng này rất quan trọng đối với động cơ kéo. Tuy nhiên, động cơ DC có chổi than không được sử dụng rộng rãi trong xe điện vì những nhược điểm của chúng, bao gồm kích thước lớn, hiệu suất thấp và yêu cầu bảo trì thường xuyên do cấu trúc chổi than và bộ thu. Động cơ DC không chổi than có hiệu suất cao hơn nhiều. Những động cơ này sử dụng bộ chuyển mạch/biến tần điện tử thay vì chổi than.

So với động cơ DC, ưu điểm của động cơ AC là hiệu suất cao, ít phải bảo trì hơn, độ tin cậy cao hơn và khả năng tái tạo cho phép trả lại năng lượng phanh cho pin.

Động cơ EV nên có những tính năng gì?​

Hiệu suất động cơ và thiết bị điện tử của xe điện ảnh hưởng trực tiếp đến trọng lượng pin vì lượng điện năng bị mất cần phải được bù đắp. Cứ mỗi 1% hiệu suất thấp hơn sẽ cần thêm 1% năng lượng từ pin (nghĩa là nhiều pin hơn).

Hiệu suất của EV trực tiếp phụ thuộc vào thông số kỹ thuật của động cơ điện. Hiệu suất của động cơ được xác định bởi đặc tính tốc độ mô-men xoắn và tốc độ công suất của động cơ kéo.

Khả năng vượt cấp và tốc độ tối đa là những thông số quan trọng trong những đường cong này. Khả năng cấp động cơ mong muốn đòi hỏi mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, cho phép khởi động và tăng tốc thích hợp. Động cơ EV cần có công suất cao ở tốc độ cao và dải tốc độ rộng trong vùng công suất không đổi như trong Hình 1. Vùng vận hành mô-men xoắn không đổi rất quan trọng ở tốc độ thấp để mang lại khả năng khởi động tốt và lái xe lên dốc. Vùng công suất không đổi xác định tốc độ EV tối đa trên bề mặt phẳng.

1716021071676.png

Hình 1. Mô-men xoắn/công suất – đặc tính động cơ kéo tốc độ.
Khi đạt được tốc độ cơ bản, động cơ đạt đến giới hạn công suất định mức và mô-men xoắn của động cơ giảm tỷ lệ với bình phương tốc độ. Vùng công suất không đổi bắt đầu vượt quá tốc độ cơ bản trong phạm vi từ tốc độ cơ bản đến tốc độ động cơ tối đa. Phạm vi này khác nhau ở các loại động cơ khác nhau và đây là thông số quan trọng khi chọn loại động cơ EV phù hợp. Ngoài ra, phạm vi hoạt động của động cơ có thể được điều chỉnh bằng cách sử dụng các bộ truyền động điều khiển tương ứng.

Việc lựa chọn đặc tính đầu ra thích hợp của động cơ EV là một thách thức vì cần phải tìm ra sự cân bằng giữa hiệu suất tăng tốc và dải tốc độ rộng trong vùng công suất không đổi. Khi tăng vùng công suất không đổi, yêu cầu công suất cho hiệu suất tăng tốc sẽ giảm. Yêu cầu mô-men xoắn tăng lên ảnh hưởng đến kích thước động cơ và giá cuối cùng của nó.

Đây là những tính năng mà chúng ta mong muốn ở động cơ EV:

• Hiệu quả cao
• Công suất tức thời cao
• Đáp ứng mô-men xoắn nhanh
• Mật độ năng lượng cao
• Giá thấp
• Tăng tốc cao
• Độ bền

Bây giờ chúng ta sẽ xem xét các tính năng này được tích hợp như thế nào trong các loại động cơ sau:

1. Động cơ DC
2. Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu (PM BLDC)
3. Động cơ cảm ứng
4. Động cơ nam châm vĩnh cửu
5. Động cơ chuyển mạch từ trở (SRM)

Động cơ DC​

Ưu điểm lớn nhất của động cơ DC trong xe điện là kết cấu chắc chắn và điều khiển đơn giản. Động cơ DC có đặc tính tốc độ mô-men xoắn thích hợp cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp. Nhược điểm chính của chúng là kích thước, hiệu suất thấp, độ tin cậy thấp và khả năng bảo trì cao cũng như tốc độ hạn chế do ma sát giữa chổi than và bộ thu gom. Có hai loại động cơ DC: động cơ DC không chổi than và động cơ DC có chổi than. Loại thứ hai ngày càng bị lép vế vì những tiến bộ trong điện tử công suất.

Động cơ DC không chổi than nam châm vĩnh cửu (PM BLDC)​

Động cơ PM BLDC sử dụng nam châm vĩnh cửu thay vì cuộn dây rôto. Vì chúng không bao gồm tổn hao rôto nên hiệu suất của chúng cao hơn động cơ cảm ứng. Động cơ PM BLDC có vùng hoạt động công suất không đổi ngắn do trường nam châm vĩnh cửu của chúng bị suy yếu do trường stato. Vì xe điện yêu cầu vùng công suất không đổi rộng hơn nên điều này có thể được mở rộng bằng cách sử dụng điều khiển góc dẫn trong đó phạm vi tốc độ có thể đạt tới ba đến bốn lần tốc độ cơ bản.

Nam châm vĩnh cửu cũng hạn chế mô-men xoắn của động cơ ở mức cao. Các nam châm bị ảnh hưởng đáng kể bởi nhiệt độ cao làm giảm mật độ từ thông còn sót lại và do đó làm giảm công suất mô-men xoắn của động cơ. Lực cơ học và giá nam châm là nhược điểm lớn nhất của loại động cơ này. Lực ly tâm tăng lên do tốc độ quay của động cơ cao hơn có thể gây ra các vấn đề về an toàn do nam châm có thể bị đứt.

Động cơ cảm ứng (IM)​

Loại động cơ này rất phổ biến trong xe điện vì cấu trúc đơn giản, độ tin cậy cao, độ bền cao, bảo trì đơn giản, và chi phí thấp và hoạt động ở các điều kiện môi trường khác nhau. IM có thể bị mất kích thích một cách tự nhiên nếu biến tần gặp lỗi, một lợi thế an toàn quan trọng đối với xe điện. Điều khiển vectơ hướng trường của IM được tiêu chuẩn hóa về mặt công nghiệp. Nhược điểm của IM là hiệu suất thấp hơn một chút (so với động cơ PM), tổn thất điện năng cao hơn (tăng do tổn thất lồng) và hệ số công suất tương đối thấp. Sự suy yếu của từ thông có thể được sử dụng để mở rộng phạm vi tốc độ trong vùng hoạt động công suất không đổi. Vùng này có thể được mở rộng bằng cách sử dụng bộ biến tần kép. Tổn thất rôto cũng có thể được giảm bớt bằng cách thiết kế động cơ cẩn thận.

1716021673624.png

Hình 2: Cấu tạo của động cơ cảm ứng.

Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM)​

PMSM, tương tự như BLDC, có nam châm vĩnh cửu trong rôto. Không giống như động cơ BLDC có dạng sóng điện động ngược hình thang (EMF), PMSM có EMF phía sau hình sin. Chúng có cấu trúc đơn giản, hiệu suất cao và mật độ công suất cao, do đó chúng thích hợp để sử dụng làm động cơ kéo (phổ biến trong các loại xe hybrid, xe điện và xe buýt).

Động cơ PMSM có hiệu suất cao hơn so với IM. Hạn chế của loại này là chi phí cao, tổn thất dòng điện xoáy trong PM ở tốc độ cao và rủi ro về độ tin cậy do có thể làm đứt nam châm.

Có hai loại động cơ PMSM: nam châm vĩnh cửu gắn trên bề mặt (SPM) và nam châm vĩnh cửu bên trong truyền động động cơ đồng bộ nam châm (IPM). Động cơ IPM có hiệu suất tốt hơn SPM, nhưng nhược điểm là thiết kế phức tạp của chúng.

Động cơ từ trở chuyển mạch (SRM)​

Lợi ích của SRM là thành phần mô-men xoắn cao, cho phép sử dụng chúng trong nhiều ứng dụng như năng lượng gió, hệ thống khởi động máy phát điện trong động cơ tua-bin khí và các ứng dụng hàng không vũ trụ hiệu suất cao.

Hơn nữa, ưu điểm của chúng trong xe điện bao gồm độ bền, điều khiển đơn giản, hiệu suất cao, vùng hoạt động công suất không đổi rộng, khả năng chịu lỗi và đặc tính tốc độ mô-men xoắn hiệu quả. Vì chúng không chứa chổi than, bộ thu hoặc nam châm nên việc bảo trì SRM rất đơn giản, hiệu quả và giá của chúng rất cạnh tranh. Việc không có nam châm giúp loại bỏ vấn đề về lực cơ học, cho phép động cơ hoạt động ở tốc độ cao. Vì cuộn dây của động cơ không được sử dụng nên không có tổn thất đồng trong rôto, đảm bảo nhiệt độ rôto thấp hơn các loại động cơ khác. Vì các pha không được kết nối nên động cơ SRM có thể tiếp tục hoạt động ngay cả khi một trong các pha bị ngắt kết nối. Rôto SRM có quán tính thấp hơn các loại động cơ khác.

Hạn chế của loại động cơ này là tăng độ rung và tiếng ồn. Ngoài ra, cấu trúc rôto cực lồi và stato gây ra hiện tượng gợn sóng mô-men xoắn cao. Tỷ lệ điện cảm rôto cao cho phép thực hiện điều khiển không cần cảm biến. Thiết kế động cơ phù hợp cho phép vùng hoạt động có công suất không đổi rộng, từ đó cho phép vận hành ở tốc độ cao. SRM có đặc tính tốc độ mô-men xoắn/công suất phù hợp cho các ứng dụng EV.

So sánh và Đánh giá​

Dorrell et al. đã đánh giá các động cơ IPM, IM và SRM và so sánh chúng ở tốc độ quay 1500 vòng/phút và 6000 vòng/phút cũng như công suất tối đa của chúng. Các thông số đang được xem xét bao gồm mô-men xoắn, tổn thất sắt, tổn thất đồng, hiệu suất và mật độ dòng điện. Đối với trường hợp 1500 vòng/phút, mô-men xoắn của IPM và IM cao hơn SRM. IM có tổn thất đồng cao hơn. Cho thấy IPM có hiệu suất cao nhất (91,3%). Tại 6000 vòng/phút, SRM cho giá trị mô-men xoắn cao nhất. IPM lại có hiệu suất cao nhất và cao hơn ở tốc độ cao hơn (SRM 96,1%, IM 95,2%, SRM 88,2%).

DC
IM
PM
SRM
Mật độ điệnthấptrung bìnhrất caotrung bình
Hiệu quảthấptrung bìnhrất caotrung bình
Khả năng kiểm soátrất caorất caocaotrung bình
Độ tin cậytrung bìnhrất caocaorất cao
Sự trưởng thành về công nghệrất caorất caocaocao
Chi phíthấprất thấpcaothấp

Điều đáng chú ý là loại động cơ IM có đầy đủ các đặc tính phù hợp với xe điện. Trong ứng dụng này, an toàn là một trong những yếu tố quan trọng nhất được cân nhắc và các loại SRM và IM mang lại sự an toàn khi lái xe. Tuy nhiên, tốc độ định mức của IM tương đối thấp. PM có hệ số công suất và hiệu suất cao hơn ở vùng tốc độ thấp. Loại SRM không sử dụng bộ thu chổi than và nam châm nên do đó có ít yêu cầu bảo trì hơn. Loại này cũng có tổn thất điện năng thấp hơn các loại khác. Điều này là do các đầu cuộn dây ngắn và tổng chiều dài của chúng. Rôto không có dây dẫn giúp nhiệt độ rôto thấp và làm mát dễ dàng, đây là một trong những ưu điểm chính của động cơ loại SRM. SRM hoạt động ở tốc độ cao trong vùng công suất không đổi rộng và cho phép vận hành ở tốc độ cực cao. Ngoài ra, động cơ còn nhẹ, có tính cạnh tranh và hiệu suất cao.

Nếu xem xét tất cả các đặc điểm thì SRM là loại động cơ phù hợp nhất cho xe điện. Ngay cả với mật độ công suất và hiệu suất tương đối cao, động cơ BLDC không được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng xe điện, chủ yếu là do phạm vi công suất không đổi hạn chế của chúng.

Các loại động cơ được sử dụng phổ biến​

Tesla Model S và Model X sử dụng IM thông thường. Model 3 sử dụng SRM với nam châm vĩnh cửu bên trong stato, được gọi là động cơ từ trở chuyển mạch nam châm vĩnh cửu bên trong (IPM-SRM). Các phiên bản động cơ kép cũng được Tesla giới thiệu — Model 3 sử dụng IM ở phía trước và IPM-SRM ở phía sau. Đó là trường hợp ngược lại đối với Model S và Model X. GM Chevrolet Bolt sử dụng PMSM trong đó nam châm được đặt bên trong rôto. Loại động cơ này cũng được sử dụng bởi Toyota Prius, Nissan Leaf và BMW i3. Mỗi nhà sản xuất đều sử dụng các phương pháp và công nghệ của họ để làm cho động cơ đẩy của họ hiệu quả nhất có thể và sản xuất nhiều loại động cơ giống nhau.

Nguồn tham khảo:

Dorrell, D.G., Popescu, M., Knight, A.M., Evans, L., Staton, D., A., "Comparison of Different Motor Design Drives for Hybrid Electric Vehicles", IEEE, pp. 3352-3359, 2010.

Z., Mounir, El Hachemi Benbouzid, M., Senior Member, Diallo, D., "Electric Motor Drive Selection Issues for HEV Propulsion Systems: A Comparative Study", IEEE, vol. 55, no. 6, pp. 1756-1764, November, 2006
 


Đăng nhập một lần thảo luận tẹt ga
Thành viên mới đăng
Top