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

VŨ MINH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR)
ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

HÀ NỘI - 2011


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

VŨ MINH VƯƠNG

NGHIÊN CỨU CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CHO ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ
NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM MOTOR)
ỨNG DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN ...............................................................1 
1.1.  Lược sử phát triển của ô tô điện ...................................................................1 
1.2.  Những ưu điểm và điểm còn tồn tại của ô tô điện .......................................5 
1.3.  Cấu tạo chung của một hệ truyền động ô tô điện .........................................7 
1.4.  Các động cơ điện có thể sử dụng trong ô tô điện .........................................8 
CHƯƠNG 2 ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU CỰC CHÌM (IPM
MOTOR) ...................................................................................................................11 
2.1.  Giới thiệu chung về IPM ............................................................................11 
2.2.  Đặc tính góc-momen của động cơ ..............................................................13 
2.3.  Mô hình toán học và phương pháp điều chỉnh động cơ .............................14 
2.3.1. 

Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cực ..............................14 

2.3.2. 

Mô tả toán học động cơ IPM trong hệ tọa độ cố định 0αβ .................15 

2.3.3. 

Mô tả toán học động cơ IPM trên hệ tọa độ d-q .................................16 

2.4.  Đặc tính các vùng điều chỉnh .....................................................................18 
2.4.1. 

Vùng momen không đổi......................................................................19 

2.4.2. 

Vùng công suất không đổi ..................................................................19 

Phương pháp điều biến PWM sóng hình sin ......................................27 

3.2.2. 

Nghịch lưu ba pha sử dụng phương pháp điều chế SVM ...................32 

3.3.  Đặc thù của các bộ biến đổi cho ô tô điện ..................................................36 
3.3.1. 

Chuyển mạch mềm (soft-switching) ...................................................37 

3.3.2. 

Bộ biến đổi đa mức (multilevel inverter)............................................43 

3.4.  Bộ nghịch lưu ba mức diode kẹp (3L-NPC) ..............................................55 
CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ..........................................68 
4.1.  Mô hình bộ nghịch lưu ...............................................................................68 
4.2.  Mô phỏng hệ thống.....................................................................................68 
4.2.1. 

Bộ điều chỉnh tốc độ ...........................................................................70 

4.2.2. 

Khối tính id* .........................................................................................70 

4.2.3. 

Khối điều chỉnh dòng điện có bù chéo ...............................................71 

sóng hình sin. ............................................................................................................28
Hình 3.2-2: Dạng tín hiệu điều khiển và dạng điện áp ra PWM. ..............................29
Hình 3.2-3: Quan hệ giữa điện áp đầu ra và điện áp sóng chuẩn khi cải biến. .........31
Hình 3.2-4 Vector không gian và các vector biên chuẩn. .........................................34
Hình 3.3-1: Mô hình điều khiển động cơ của một ô tô. ............................................36
Hình 3.3-2: Mô hình khóa chuyển mạch mềm..........................................................39
Hình 3.3-3: Cấu tạo của bộ nghịch lưu QPRDCL ....................................................40
Hình 3.3-4: Mạch tương đương của bộ nghịch lưu QPRDCL ..................................41
Hình 3.3-5: Các chế độ hoạt động.............................................................................42
Hình 3.3-6: Các dạng sóng thành phần của các khóa chuyển mạch. ........................42
Hình 3.3-7: Dạng điện áp của khóa Sa1 và Sa2 ..........................................................42

 


Hình 3.3-8: Bộ nghịch lưu diode kẹp 3 mức. ............................................................44
Hình 3.3-9: Trạng thái, điện áp điều khiển các chuyển mạch và điện áp ra .............45
Hình 3.3-10: Điện áp pha và điện áp dây của bộ nghịch lưu 3L-NPC .....................46
Hình 3.3-11: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA > 0
...................................................................................................................................47
Hình 3.3-12: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P với dòng điện tải iA < 0
...................................................................................................................................47
Hình 3.3-13: Bộ nghịch lưu dạng flying capacitor 3 mức ........................................49
Hình 3.3-14: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA>0 ..........................50
Hình 3.3-15: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái O sang P, iA4=>7=>14=>16, iA>0 .........53
Hình 3.3-18: Quá trình chuyển mạch từ trạng thái 1=>4=>7=>14=>16, iA
Hình 4.3-5: Hệ số méo dạng điện áp .........................................................................77
Hình 4.3-6: Đáp ứng tốc độ.......................................................................................77
Hình 4.3-7: Đáp ứng dòng điện Ia, Ib, Ic ....................................................................78
Hình 4.3-8: Hệ số méo dạng điện áp. ........................................................................78
Hình 4.3-9: Đáp ứng momen của động cơ. ...............................................................79

 


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3-1: Bảng trạng thái van ............................................................................. 33
Bảng 3.2: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của bộ nghịch lưu 3L-NPC .... 49
Bảng 3.3: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-NPC
.............................................................................................................................. 52
Bảng 3.4: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 3L-FLC ............................ 53
Bảng 3.5: Quá trình dẫn dòng của các khóa trong pha A của bộ nghịch lưu 3L-FLC
.............................................................................................................................. 55
Bảng 3.6: Bảng trạng thái chuyển mạch (pha A) của 5L-CHB ........................... 56
Bảng 3.7: Trạng thái của ba vector không ........................................................... 61
Bảng 3.8: Thời gian tác động của vector Vref trong vùng I .................................. 63
Bảng 3.9: Vector điện áp và các trạng thái chuyển mạch .................................... 63
Bảng 3.10: Thời gian và thứ tự chuyển mạch của các khóa trong vùng I-2a ...... 67
Bảng 3.11: Trình tự chuyển mạch giữa các vùng I~VI........................................ 68

 


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
EV


Diode

Đi - ốt

DC-motor

Direct Current Motor

Động cơ điện một chiều

IM

Induction Motor

Động cơ không đồng bộ

BLDC

Brushless Direct Current

Động cơ một chiều không chổi

Motor

than

SRM

Switched Reluctance Motor


Gate Turn-Off Thyristor

Thyristor khóa được bằng cực
điều khiển

MOSFET

Metal-Oxide-Semiconductor

Tranzito trường

Field-Effect Tranzitor
BJT

Bipolar Junction Transistor

 

Tranzito lưỡng cực


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, thực tế phát triển của ngành công nghiệp phải đối mặt với hai sự
thay đổi chính là nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường. Công nghiệp phát triển
và nhu cầu đi lại gia tăng kéo theo hàng loạt phương tiện giao thông vận tải cũng
phát triển, khí thải từ các phương tiện giao gian tăng, theo số liệu ước tính khoảng
80% CO, 60% HC và 40% NOx trong bầu khí quyển sinh ra từ các phương tiện giao
thông, đặc biệt là ô tô. Để làm giảm khí thải có hại tới môi trường, các nhà khoa học
trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển hệ thống phương tiện giao thông phát sinh
ít khí thải, đó là ô tô điện, trong đó sử dụng động cơ điện thay thế động cơ đốt trong

Học viên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy giáo, PGS. TS. Tạ Cao
Minh đã hết lòng giúp đỡ và chỉ bảo tận tình cho học viên trong thời gian thực hiện
luận văn này. Nếu không có sự hướng dẫn nhiệt tình của Thầy thì chắc chắn học
viên không thể hoàn thành tốt luận văn được.
Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các Thầy giáo, Cô giáo của
Viện Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi để học viên có thể
hoàn thành luận văn đúng thời hạn.
Hà Nội, ngày 28 tháng 09 năm 2011
Học viên
Vũ Minh Vương

 


 


 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN
1.1. Lược sử phát triển của ô tô điện
Đứng trước những thách thức về vấn đề khí thải gây hiệu ứng nhà kính và khả
năng cạn kiệt các nguồn năng lượng tự nhiên dưới lòng đất như dầu mỏ, khí đốt,
than đá,… thế giới đang tích cực nghiên cứu thế hệ phương tiện tiếp theo sử dụng
năng lượng điện – xe điện (Electric Vehicle - EV), trọng tâm là ô tô điện. Ô tô điện
đã có lịch sử phát triển lâu đời, từ những năm 90 của thế kỷ trước đã trở thành trọng

tốc độ tại thời điểm bấy giờ, 100km/h. Sau đó vào ngày 29 tháng 4 năm 1899, ông
còn đưa ra một phiên bản mới cho xe điện có hình dạng giống quả Rocket, có thể
chạy với vận tốc tối đa lên tới 105,88km/h. Năm 1900, có 4200 ô tô được bán ra thị
trường, trong đó có 40% là xe chạy bằng động cơ hơi nước, 38% xe chạy bằng động
cơ điện và 22% xe chạy bằng động cơ xăng dầu. Cũng trong năm này, một công ty
về xe điện của Pháp tên là B.G.S đã chế tạo thành công xe điện với tốc độ lớn nhất
có thể đạt là 64km/h, và có thể chạy được khoảng 150km sau mỗi lần sạc.

Hình 1.1-2: Camille Jenatzy trong chiếc Jamais Contente năm 1899.

2 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

Đầu thể kỉ XX là thời kỳ hoàng kim trong nền công nghiệp ô tô của nước Mỹ.
Các loại ô tô sử dụng động cơ hơi nước, động cơ điện, động cơ xăng dầu ngày càng
trở nên phổ biến. Nhưng ô tô điện là phương tiện có lợi thế hơn các đối thủ cạnh
tranh vì chúng không rung, không có tiếng ồn, không mùi, không cần cơ cấu sang
số cũng như phải chờ thời gian khởi động của các dòng xe khác. Giá thành của các
loại xe điện cũng rẻ hơn so với xe cùng loại. Lúc đó khoảng 3000$ một chiếc xe.
Những từ năm 1920 trở đi, ô tô điện dần dần vắng bóng, nhường chỗ cho sự
hưng thịnh của ô tô chạy bằng động cơ đốt trong.
Nguyên nhân của sự suy tàn này là do:
-

Hệ thống giao thông của nước Mỹ đã được cải thiện đáng kể giữa các thành
phố với nhau và cũng yêu cầu các xe chạy được đoạn đường dài nhất định.

-

-

Pin với hai cực là Ag và Zn, điện áp định mức 512V

-

Tốc độ tối đa 128km/h

3 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

-

Khoảng cách đi được sau hai lần sạc liên tiếp khoảng 150km

-

Tăng tốc từ 0 – 100km/h mất 15,6s

-

Trọng lượng khoảng 1,5 tấn

Hình 1.1-3: Electrovair II (1966).
Năm 1998, sau nhiều lần thử nghiệm, General Motor giới thiệu phiên bản ô tô
điện đầu tiên đưa ra thị trường mang tên EV1, với hai cửa và có thể mang hai hành
khách.


Cùng với sự đầu tư mạnh mẽ của General Motor, các hãng ô tô khác như

Toyota, Honda, Nissan, Tesla… cũng đầu tư rất mạnh vào thị trường đầy tiềm năng
này.
Hãng Toyota trong thập kỷ 90 của thế kỷ trước họ đã giới thiệu rất nhiều loại
xe điện và xe lai điện tiết kiệm nhiên liệu và đã trở thành nhà sản xuất xe điện hàng
đầu thế giới. Một số loại xe tiêu biểu như Toyota Prius, Toyota Rav4 – EV, Toyota
Hybrid,…
Về phía Việt Nam, tình hình xe điện nói riêng và ngành công nghiệp ô tô nói
chung chưa phát triển. Trong những năm qua, hầu hết các loại ô tô trong nước đều
nhập khẩu các linh kiện ở nước ngoài rồi về Việt Nam lắp ráp. Các loại xe điện hiện
nay mà nước ta có đang trong mức độ thử nghiệm. Một số đã được thương mại hóa
như xe đạp điện, còn lại vẫn còn trong giai đoạn trong phòng thí nghiệm. Chúng ta
chủ yếu chỉ sản xuất được xe đạp mang động cơ điện, xe lăn điện hoặc xe 3 bánh
điện. Còn những loại xe khác như xe máy điện hay ô tô điện thì hầu hết nhập khẩu
từ Trung Quốc hoặc nhập toàn bộ linh kiện từ nước ngoài về lắp ráp.
Do những lý do trên, yêu cầu phát triển một dòng xe điện mang thương hiệu
Việt Nam ngày càng cần thiết.
1.2. Những ưu điểm và điểm còn tồn tại của ô tô điện
Bằng việc dùng động cơ điện, ô tô điện có nhiều ưu điểm so với các loại xe
khác:
-

Khả năng điều khiển nhanh và chính xác momen: động cơ đốt trong có thời
gian đáp ứng momen khoảng 100-200ms trong khi động cơ điện cho đáp ứng
momen chỉ từ 1-2ms. Không những thế, momen của động cơ điện có thể được

5 



động cơ mà còn có thể chạy ở chế độ máy phát. Điều này tạo ra khả năng tái
sinh năng lượng dư thừa về nguồn, qua đó góp phần tiết kiệm năng lượng cho
xe.
Tuy nhiên, xe điện cũng có những còn tồn tại:

-

Thời gian sạc pin lâu: vấn đề lớn nhất của xe điện hiện nay là thời gian sạc pin
quá lâu. Từ khi pin có thể sạc lại ra đời cách đây gần 200 năm đến nay, người
ta đã không ngừng nghiên cứu tìm cách rút ngắn thời gian này lại. Hiện nay,
thời gian ngắn nhất mà con người cần để sạc đầy pin là 10 phút – quá lâu so
với thời gian đổ đầy bình xăng.

-

Quãng đường chạy được trên một lần sạc hạn chế: dung lượng pin cũng là một
vấn đề lớn của xe điện. Hiện nay, xe điện chưa phổ biến nên vẫn chưa có các
trạm sạc pin công cộng trong khi dung lượng pin thì có hạn. Quãng đường dài

6 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

nhất mà xe điện chạy được ở thời điểm hiện tại khoảng 370km cho một lần sạc
đầy.
-

Trọng lượng pin lớn: cuối cùng, ngoài vấn đề dung lượng và thời gian sạc,
trọng lượng pin cũng là một vấn đề nhức nhối không kém. Trong những mẫu

một động cơ điện và sử dụng nguồn điện một chiều từ ắc quy. Cấu hình này rất đơn
giản và dễ chế tạo nhưng không phát huy được hết ưu điểm của xe điện. Khả năng
sinh momen nhanh và chính xác của động cơ điện không được tận dụng tối đa; khả
năng tái sinh năng lượng bị hạn chế; không tiết kiệm được không gian cho xe.
Ngoài ra, việc có thêm bộ truyền động cơ khí nặng nề làm tăng trọng lượng của xe,
qua đó, tăng công suất của động cơ. Cấu hình này sẽ dần dần được thay thế bởi cấu
hình ô tô điện 2 động cơ (ở hai bánh) và 4 động cơ (ở bốn bánh) trong tương lai.
Ở các cấu hình như vậy, động cơ truyền động trực tiếp cho bánh xe. Các động
cơ được điều khiển độc lập, hoạt động của chúng được điều phối qua một máy tính
trung tâm, bảo đảm tính ổn định và an toàn trong chuyển động của xe. Bên cạnh đó,
việc tích hợp các động cơ đến từng bánh xe sẽ loại bỏ cấu hình bộ truyền cơ khí,
giảm bớt trọng lượng của xe, qua đó, giảm bớt công suất động cơ, giảm bớt giá
thành cho xe.
1.4. Các động cơ điện có thể sử dụng trong ô tô điện
Hệ truyền động sử dụng động cơ điện là trái tim của ô tô điện. Hiện nay,
những loại động cơ sau có khả năng áp dụng làm động cơ truyền động cho xe điện:
động cơ một chiều (DC), động cơ không đồng bộ (IM), động cơ từ trở (SRM), động
cơ một chiều không chổi than (BLDC), động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu chìm
(IPM).
Ưu, nhược điểm, khả năng ứng dụng và lựa chọn động cơ được luận giải cơ
bản như sau:
Động cơ một chiều (DC motor): động cơ DC có ưu điểm nổi bật là rất dễ
điều khiển, hiệu suất cao. Khi công nghệ bán dẫn và kĩ thuật điều khiển chưa phát
triển, động cơ DC là sự lựa chọn hàng đầu cho những ứng dụng cần điều khiển tốc

8 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện


9 


Chương 1: Giới thiệu về ô tô điện

dây quấn stato và động cơ sẽ quay như các loại động cơ khác. Hiện nay SRM mới
chỉ dừng lại ứng dụng cạnh tranh trong một số ít lĩnh vực công suất trung bình trở
xuống.
Động cơ một chiều không chổi than (BLDC): động cơ BLDC có đặc tính cơ
giống động cơ một chiều, mật độ công suất/khối lượng lớn, khả năng sinh momen
cao. Nhược điểm cơ bản của động cơ BLDC là có nhấp nhô momen lớn, xuất hiện 6
xung momen trong 1 chu kỳ, tuy nhiên, có thể sử dụng các thuật toán điều khiển để
giảm nhấp nhô momen. Với những ưu điểm của mình, động cơ BLDC được sử
dụng nhiều bởi các hãng xe của Nhật Bản và Hàn Quốc. Đây cũng là loại động cơ
có nhiều tiềm năng ứng dụng cho xe điện và có thể được nghiên cứu thiết kế, chế
tạo tại Việt Nam.
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực chìm (Interior Permanent
Magnet Motor – IPM): động cơ IPM có những ưu thế gần như tuyệt đối trong ứng
dụng cho xe điện. Động cơ nam châm vĩnh cửu thông thường có nam châm được
gắn trên bề mặt rotor (SPM) vốn đã có đặc tính điều khiển rất tốt. Động cơ IPM có
nam châm được gắn chìm bên trong rotor, dẫn tới sự khác biệt giữa điện cảm dọc
trục và điện cảm ngang trục, từ đó tạo khả năng sinh momen từ trở cộng thêm vào
momen vốn có của động cơ. Đặc tính này khiến động cơ IPM có khả năng sinh
momen/dòng điện rất cao, đặc biệt phù hợp cho xe điện. Mặc dù động cơ IPM hiện
nay có giá thành rất cao do chưa được sản xuất hàng loạt rộng rãi và còn đang trong
quá trình hoàn thiện nghiên cứu về cấu trúc, nhưng đây là động cơ phù hợp nhất để
sử dụng cho xe điện hiện nay và tương lai.

10