Các loại động cơ sử dụng
cho ô tô điện

Theo dự báo của tạp chí Discovery, ô tô điện là 1 trong 5
công nghệ bùng nổ trong năm 2011. Ban biên tập xin giới
thiệu với bạn đọc loạt bài viết về ô tô điện. Dưới đây là bài
báo thứ hai, bài thứ nhất được in trong tạp chí số tháng
05/2011.
Thay vì sử dụng động cơ đốt trong (Internal Combustion
Engine), ô tô điện được truyền động bằng động cơ điện.
Trong bài báo này, trước tiên những ưu điểm của động cơ
điện so với động cơ đốt trong và yêu cầu của động cơ cho ô
tô điện sẽ được làm rõ. Sau đó, các tác giả giới thiệu và phân
tích ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng của một số loại
động cơ đã, đang và sẽ được sử dụng cho ô tô điện. Một số
kiến thức chuyên môn có thể khó hiểu đối với những bạn đọc
không cùng chuyên ngành, chúng tôi cố gắng diễn giải chúng
một cách trực quan, dễ hiểu. Khi cần tìm hiểu sâu, bạn đọc có
thể tham khảo những tài liệu được liệt kê ở cuối bài báo.
1. Ưu điểm của
động cơ điện
Động cơ điện
không sử dụng
nhiên liệu đốt
(xăng, dầu) và
không thải ra khí
carbonic gây ô nhiễm môi trường – đó là ưu điểm hiển nhiên
so với động cơ đốt trong. Bên cạnh đó, động cơ điện còn có
những ưu điểm vượt trội về khả năng điều khiển, cho phép

khó thực hiện đối với động cơ đốt trong.
2. Yêu cầu về động cơ cho ô tô điện
Động cơ truyền động cho ô tô điện có những yêu cầu riêng,
có những điểm khác so với động cơ dùng trong công nghiệp.
Nhìn chung, loại động cơ này cần có những yêu cầu được
phân tích dưới đây.
a. Khối lượng nhẹ, kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất
lớn.
Động cơ truyền động cho ô tô điện thường có công suất từ
khoảng 30 kW cho tới 100 kW và hơn thế nữa. Với công suất
này, nếu sử dụng động cơ thông thường trong công nghiệp,
khối lượng động cơ sẽ rất lớn, làm tăng tự trọng của xe (khối
lượng net), dẫn đến tiêu tốn năng lượng, giảm quãng đường
đi được mỗi lần nạp điện (một thông số rất quan trọng của ô
tô điện).
b. Dải điều chỉnh tốc độ rộng.
Xe ô tô thông thường có dải tốc độ từ 0 đến khoảng 150
km/h, điều này đòi hỏi động cơ phải hoạt động trong một dải
tốc độ rất rộng.
c. Đặc tính làm
việc phù hợp với
đặc tính của ô tô.
Ta biết rằng, khi ô
tô khởi động và
chạy ở tốc độ thấp,
mômen sinh ra cần phải lớn, khi xe chạy ở tốc độ cao thì chỉ
cần mômen nhỏ. Động cơ điện có hai vùng làm việc:
- Vùng I: dưới tốc độ cơ bản (vùng mômen không đổi)
- Vùng II: trên tốc độ cơ bản (vùng công suất không đổi)


b. Động cơ không đồng bộ (Induction Motor – IM)
Động cơ IM có ưu điểm giá thành thấp, thông dụng, dễ chế
tạo. Với kỹ thuật hiện nay, hoàn toàn có thể thực hiện các
thuật toán điều khiển vector tiên tiến cho động cơ IM, đáp
ứng các yêu cầu công nghệ cần thiết. Nhược điểm của động
cơ IM là có hiệu suất thấp. Các hãng xe của Hoa Kỳ như GM
phần lớn sử dụng động cơ IM làm động cơ truyền động, lý do
là xe ở Mỹ chủ yếu chạy trên đường cao tốc, khoảng cách
dài, đường trong đô thị cũng rộng và thoáng; khi đó động cơ
IM sẽ phát huy được tối đa hiệu suất của mình, tổn thất
không lớn. Ở Việt Nam, đường của chúng ta chủ yếu là nhỏ,
hẹp, đông đúc, xe thường chạy ở tốc độ thấp và hay phải
dừng, đỗ. Với chế độ hoạt động như vậy, động cơ IM 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.
c. Động cơ từ trở đồng bộ (Synchronous Reluctance
Motor - SynRM)
Động cơ SynRM có cấu trúc stator giống động cơ xoay chiều
thông thường với dây quấn và lõi sắt từ. Rotor của động cơ
được thiết kế gồm các lớp vật liệu từ tính và phi từ tính đan
xen nhau như ta thấy trên hình 4. Cấu trúc này khiến cho từ
trở dọc trục và từ trở ngang trục của động cơ khác nhau, sinh
ra mômen từ trở làm động cơ quay.

Hình 4. Cấu trúc động cơ từ trở đồng bộ - SynRM
[3] (a) và so sánh rotor động cơ SynRM với động cơ
IM của ABB (b).
d. Động cơ từ trở thay đổi (Switched Reluctance Motor –
SRM)

đang tiến hành nghiên cứu về thiết kế và điều khiển loại động
cơ này, cho đến nay đã có những kết quả ban đầu được công
bố trong các tài liệu [4].

Hình 6. Đường sức từ tại các vị trí điển hình trong quá
trình hoạt động của SRM.
e. Động cơ một chiều không chổi than (Brushless DC
motor - BLDC motor)
Động cơ BLDC trên thực tế là một loại động cơ đồng bộ nam
châm vĩnh cửu. Điểm khác biệt cơ bản so với những 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.
Động cơ được điều khiển dựa vào tín hiệu từ các cảm biến
Hall xác định vị trí của rotor như hình 7. Nhược điểm cơ bản
của động cơ BLDC là có nhấp nhô mômen lớn, xuất hiện 6
xung mômen trong 1 chu kì, 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) được đề xuất bởi
tác giả Tạ Cao Minh [5, 6] và hiện nay đã đi vào ứng dụng
cho thiết bị trợ lái vô lăng của công ty NSK tại Nhật Bản.

Hình 7. Cấu trúc động cơ BLDC (a) và các cảm biến Hall
(b).

Hình 8. Nguyên lý điều khiển động cơ BLDC [3].

trục và ngang trục khác nhau [7].

Hình 11. Đặc tính sinh mômen của động cơ IPM.
4. Kết luận
Trong bài báo này, các tác giả đã phân tích ưu điểm của động
cơ điện và những yêu cầu của động cơ dùng cho ô tô điện, từ
đó đưa ra nhu cầu bức thiết phát triển ngành chế tạo động cơ
ở nước ta. Phần chính của bài báo là một khảo sát mang tính
tổng quát về những loại động cơ đã, đang, và sẽ được sử
dụng làm động cơ truyền động cho ô tô điện, có thể nói là
một định hướng cho việc lựa chọn động cơ trong nghiên cứu
ô tô điện.
Tài liệu tham khảo
[1]. Hori, Y.; , "Future vehicle society based on electric
motor, capacitor and wireless power supply", Power
Electronics Conference (IPEC), 2010 International, pp.2930-
2934, 21-24 June 2010.
[2]. Xue, X.D.; Cheng, K.; Cheung, N.C.; , "Selection of
Electric Motor Drives for Electric Vehicles", Power
Engineering Conference, 2008. AUPEC '08, Australasian
Universities, pp.1-6, 14-17 Dec. 2008.
[3]. B.K. Bose, Modern Power Electronics and AC
Drives, Prentice Hall, 2001.
[4]. Bao-Huy Nguyen, Cao-Minh Ta, “Finite Element
Analysis, Modeling and Torque Distribution Control for
Switched Reluctance Motors with High Non-linear
Inductance Characteristics”, IEEE International Electric
Machines and Drives Conference (IEMDC 2011), pp. 703-
708, Niagara Falls, 15 –18 May 2011.
[5]. CaoMinh Ta, Shuji Endo, "Motor and Drive Control