Trên ô tô điện, khi người lái đạp ga, ắc quy trong ô tô sẽ cung cấp điện cho stator, làm cho rotor quay tạo ra năng lượng cơ học để làm quay bánh xe. Thông thường, động cơ điện được cung cấp năng lượng từ ắc quy. Dưới đây là bài giới thiệu và phân tích các loại động cơ điện đang được sử dụng phổ biến trên ô tô điện và ô tô hybrid.
Bố trí động cơ điện trên xe
Có nhiều cách bố trí động cơ điện trên ô tô điện. Có thể dùng 1 motor cho cầu trước hoặc cầu sau, 2 motor cho cầu trước và cầu sau (hình 1) hoặc motor điện được lắp vào từng bánh xe (hình 2).
Các loại động cơ điện và hoạt động
Động cơ xe điện: AC hay DC?
Dòng điện xoay chiều (AC) và dòng điện một chiều (DC) là hai loại dòng điện khác nhau. Như tên gọi của chúng, dòng điện một chiều là dòng hạt điện tích chỉ chạy theo một hướng, trong khi dòng điện xoay chiều đổi chiều liên tục theo tần số.
Động cơ DC có thể được tìm thấy trong xe điện, nhưng chỉ là những động cơ nhỏ, sử dụng cho gạt mưa (wiper motor), kính điện (power window motor), cửa trời (sun roof)…, chứ không phải để kéo bánh xe. Để ô tô điện chạy được người ta dùng động cơ điện xoay chiều (AC motor).
Các loại động cơ điện: không đồng bộ và đồng bộ
Có hai loại động cơ điện xoay chiều được sử dụng để tạo lực kéo cho xe điện: không đồng bộ (hay còn gọi là cảm ứng) và đồng bộ.
Trong động cơ không đồng bộ hay còn gọi là động cơ cảm ứng, rotor quay để “bắt kịp” với từ trường quay do stator tạo ra. Loại động cơ điện này được biết đến với công suất đầu ra cao và là loại động cơ phổ biến trên các phương tiện giao thông sử dụng điện.
Mặt khác, trong động cơ đồng bộ, rotor quay cùng tốc độ với từ trường. Điều này cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp, lý tưởng cho việc lái xe trong đô thị. Một lợi thế khác là kích thước của nó: động cơ đồng bộ có kích thước nhỏ và trọng lượng thấp.
Động cơ điện được cung cấp năng lượng như thế nào?
Trước khi động cơ điện không đồng bộ hoặc đồng bộ của xe quay, điện đi qua một số bước trước khi nó đến đích cuối cùng là tạo ra lực kéo.
Dòng AC và DC ở đâu trong ô tô điện?
Đừng nhầm lẫn giữa động cơ xoay chiều trong ô tô điện và các loại nguồn điện áp. Có thể sử dụng điện xoay chiều hoặc một chiều tùy thuộc vào việc bạn đang cắm trực tiếp vào lưới điện hay sử dụng một loại trạm sạc. Trong khi động cơ điện trên ô tô sử dụng điện xoay chiều thì ắc quy nạp bằng điện một chiều. Do đó, cần phải có bộ chuyển đổi từ điện xoay chiều sang một chiều, lắp ngay trên xe hoặc ngoài xe.
Nguồn điện từ lưới điện luôn là nguồn xoay chiều, sẽ đi qua mạch sạc (Bộ chuyển đổi AC to DC) trên xe điện sau đó sẽ nạp cho pin. Các trạm sạc nhanh trên đường cao tốc, bãi đậu xe … thực hiện quá trình chuyển đổi AC sang DC, có nghĩa là năng lượng nạp cho pin truyền thẳng vào ô tô dưới dạng dòng điện một chiều. Ô tô điện biến dòng một chiều thành xoay chiều cung cấp cho động cơ điện thông qua bộ chuyển đổi điện (DC-AC Converter).
Hệ thống truyền động điện bên trong xe điện
Trong một chiếc ô tô điện, động cơ điện chỉ là bộ phận của một đơn vị lớn hơn được gọi là hệ thống truyền động điện (Powertrain). Bộ điều khiển điện tử công suất (PEC – Power Electronic Control), phụ trách các thiết bị điện tử công suất, điều khiển nguồn điện sạc pin và motor hộp số điều chỉnh mô-men xoắn và tốc độ quay.
Việc chế tạo các bộ phận khác nhau của động cơ xe điện đòi hỏi những kỹ sư có chuyên môn cao. Ví dụ, để chế tạo một stator, phải quấn 2 km dây đồng vào các rãnh mà không làm hỏng lớp gốm cách điện. Hiệu suất của hệ thống truyền động điện không ngừng được cải thiện, với những cải tiến kỹ thuật, dẫn đến hiệu suất của xe tốt hơn và có nhiều tính năng hơn.
Giải nhiệt cho động cơ điện.
Khi làm việc, động cơ điện trên ô tô sinh ra một lượng nhiệt khá lớn nhất là ở chế độ tải lớn. Việc giải nhiệt bằng không khí không hiệu quả nên người ta thường dùng hệ thống giải nhiệt bằng chất lỏng (hình 4).
Tuổi thọ động cơ điện
Tuổi thọ của motor điện phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố nên rất khó ước tính. Trong điều kiện lý tưởng, tuổi thọ tối ưu từ 15-20 năm. So với động cơ đốt trong, động cơ ô tô điện có ít bộ phận hơn, đồng nghĩa với việc bảo dưỡng ít hơn và dễ dàng hơn.
Công suất đầu ra của ô tô điện
Đối với ô tô điện, công suất đầu ra liên quan đến sự chênh lệch giữa điện năng cung cấp (đầu vào) và năng lượng cơ học “hữu ích” (đầu ra). Tỷ lệ này được gọi là hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nhiệt và ma sát có thể khiến một phần năng lượng bị thất thoát trên đường đi, nghĩa là động cơ không biến toàn bộ điện năng từ ắc quy thành công có ích.
Công suất đầu ra của một chiếc ô tô điện phụ thuộc vào khối lượng của động cơ và công suất của dòng điện vào. Ví dụ, Renault ZOE tạo ra công suất 100 kW với mô-men xoắn 245 Nm.
Loại động cơ nào được sử dụng trong xe điện hybrid?
Xe hybrid sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện AC chạy bằng pin. Thông thường, pin trên xe hybrid chỉ có thể được sạc lại thông qua phanh tái sinh khi giảm tốc độ, nghĩa là phần lớn công việc được thực hiện bởi động cơ đốt trong.
Tuy nhiên, ngày nay, một loại loại hybrid phổ biến hơn: Xe hybrid có giắc cắm sạc – Plug-in Hybrid Electric. Xe hybrid Plug-in, được trang bị ổ cắm sạc chuyên dụng, động cơ điện và động cơ đốt trong để mang lại hiệu quả tốt nhất.
Động cơ không đồng bộ
Động cơ cảm ứng không đồng bộ không phải là mới. Nó đã được phát minh bởi hai nhà nghiên cứu độc lập: Nikola Tesla và Galileo Ferraris. Mặc dù nhà phát minh người Ý đã phát triển động cơ này lần đầu tiên vào năm 1885 nhưng Nikola Tesla là người đầu tiên nộp bằng sáng chế vào năm 1888.
Việc phát minh ra động cơ cảm ứng là một trong những thành tựu lớn nhất trong việc sử dụng điện để phục vụ cuộc sống của nhân loại. Ngày nay, việc sử dụng loại động cơ này rất phổ biến, đến mức rất khó tưởng tượng cuộc sống hàng ngày mà không có nó. Nhiều thiết bị điện sử dụng các động cơ này và đại đa số động cơ công nghiệp là loại cảm ứng không đồng bộ.
Động cơ cảm ứng không đồng bộ
Tất cả các động cơ điện đều có hai phần chính. Phần đứng yên gọi là stator và phần quay gọi là rotor. Stator – thường là một khung bằng thép có các rãnh và các cuộn dây đồng quấn trên các rãnh. Các cuộn dây này được nuôi bằng dòng điện xoay chiều 3 pha đã được chuyển đổi từ điện một chiều do ắc quy cung cấp nhờ ECU điều khiển qua thiết bị điện tử công suất. Dòng điện này tạo ra một từ trường quay trong stator. Tốc độ của từ trường quay được gọi là tốc độ đồng bộ.
Hoạt động của loại động cơ như sau: Điện áp xoay chiều được đặt vào cuộn dây và chúng tạo ra từ trường quay. Từ trường quay này cảm ứng và sinh ra điện áp trong rotor khiến xuất hiện dòng điện. Dòng điện này tạo ra từ trường quay của chính nó trong rotor, chậm hơn từ trường quay của stator. Lực sinh ra giữa hai từ trường nêu trên làm rotor quay được gọi là lực Lorentz. Chuyển động quay của rotor được truyền đến các bánh xe ô tô thông qua bánh răng giảm tốc.
Động cơ nói trên được gọi là không đồng bộ vì từ trường quay của rotor và stator không đồng bộ với nhau. Khi nhấn bàn đạp ga, từ trường quay của rotor chậm hơn một chút so với stator. Khi giảm tốc, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện (phanh tái sinh), thì từ trường quay của rotor sẽ đi trước stator. Sự khác biệt trong từ trường quay này được gọi là độ “trượt” và thường lên tới 5% tùy thuộc vào kiểu động cơ.
Hiệu suất thường thấy của động cơ cảm ứng không đồng bộ 3 pha sử dụng trong ô tô điiện khoảng 90%. Do tính mạnh mẽ, đơn giản, tuổi thọ cao và vật liệu không độc hại, động cơ này được sử dụng rộng rãi. Ngoài ra, đặc tính đáp ứng quá tải tốt nên nó thường được sử dụng làm động cơ bánh trước trong ô tô điện dẫn động 4 bánh (AWD – All Wheel Drive).
Ưu điểm
- Hiệu suất tốt
- Giá thành rẻ
- Không cần nguyên liệu đất hiếm
- Độ tin cậy gần như hoàn hảo
Nhược điểm
- Nhu cầu làm mát lớn hơn
- Mật độ năng lượng thấp hơn
- Hiệu suất thấp hơn so với các động cơ khác
Các ô tô điện sử dụng động cơ AC không đồng bộ: Audi e-Tron SUV, Mercedes-Benz EQC, Tesla Model S, Tesla Model 3, Tesla Model X và Tesla Model Y bố trí dẫn động bánh trước.
Động cơ đồng bộ với nam châm vĩnh cửu
Sự khác biệt cơ bản giữa động cơ cảm ứng không đồng bộ và động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ là cách mà từ trường quay trong rotor và stator được tạo ra và tương tác với nhau. Trong động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ, có một từ trường quay tự nhiên, được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu đặt trong rotor. Từ trường quay của rotor và stator trong các động cơ này bị khóa nên không trượt.
Nam châm vĩnh cửu trong rotor là một trong những yếu tố chính giúp tăng công suất riêng và hiệu suất động cơ. Công suất riêng tăng lên có nghĩa là công suất cao với khối lượng và kích thước nhỏ. Chính vì vậy, động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu được sử dụng trong xe lai có giắc sạc PHEV. Động cơ điện trong những chiếc xe này được đặt trong hộp số nơi có hạn chế về không gian.
Nam châm vĩnh cửu được làm từ vật liệu đất hiếm, chủ yếu nhập từ Trung Quốc. Nhằm giảm sự phụ thuộc vào Trung quốc, nhiều nhà sản xuất ô tô điện cố gắng giảm sử dụng đất hiếm trong động cơ điện. Tuy nhiên, động cơ nam châm vĩnh cửu đồng bộ có hiệu suất rất cao, lên tới 94-95%. Người ta sử dụng nó trong ô tô chỉ có một động cơ điện.
Ưu điểm erm uy
- Hiệu quả rất cao
- Nhu cầu làm mát thấp
- Mật độ năng lượng cao
Nhược điểm
- Chi phí sản xuất cao
- Sử dụng đất hiếm
- Nguy cơ bị khử từ
Động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong (IPMSynRM) – loại động cơ mới trong xe điện.
Chúng ta đã biết về động cơ cảm ứng (induction motor) và động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (PMSM – permanent magnet sychronous motor) với các ưu nhược điểm. Các kỹ sư Tesla đã phát triển động cơ từ trở đồng bộ nam châm vĩnh cửu bên trong động cơ IPMSynRM (Internal Permanent Magnet – Synchronous Reluctance Motor) (hình 7) giúp cải thiện hiệu suất thêm vài phần trăm so với động cơ cảm ứng.
Động cơ điện IPM-SynRM đầu tiên được sử dụng trên Tesla Model 3, hiện cũng được sử dụng trong các xe Tesla model khác. Ban đầu, Tesla sử dụng động cơ điện cảm ứng (hoặc không đồng bộ) (do Nikola Tesla phát minh ra). Trong Model 3, công ty đã sử dụng động cơ IPM-SynRM (Nam châm vĩnh cửu bên trong – động cơ từ trở đồng bộ), còn được gọi là Động cơ từ trở đồng bộ có hỗ trợ nam châm vĩnh cửu PMa-SynRM. Đây là loại kết hợp loại động cơ nam châm vĩnh cửu bên trong với loại rotor động cơ từ trở đồng bộ để đạt được đặc tính mong muốn hơn trong ứng dụng trên xe điện với hiệu suất cao ở cả dải tốc độ thấp và cao. Tesla không phải là hãng đầu tiên sử dụng loại động cơ này, nhưng phiên bản của nó được coi là loại tốt nhất (đơn giản là vì hiệu suất cao và phạm vi hoạt động của xe Tesla).
Động cơ điện nam châm vĩnh cửu đồng bộ được sử dụng trên các xe: Hyundai IONIQ 5, Kia EV6, Tesla Model S, 3, X, Y bố trí ơ cầu sau. Jaguar i-pace, Audi e-tron GT, and Porsche Taycan, VW cũng sử dụng động cơ loại này.
Động cơ đồng bộ kích từ bằng điện
Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao nhất nhưng nhược điểm chính liên quan đến đất hiếm. Để giải quyết những vấn đề này, một số nhà sản xuất như BMW, Renault và Smart sử dụng động cơ đồng bộ không yêu cầu vật liệu đất hiếm trong xe hybrid.
Thay vì sử dụng nam châm vĩnh cửu trong rotor để tạo ra dòng điện, những động cơ này sử dụng chổi than và vòng tiếp điện (hệt như rotor máy phát điện xoay chiều trên ô tô). Theo BMW, loại động cơ này cho hiệu suất lên tới 93%, gần bằng hiệu suất của động cơ nam châm vĩnh cửu. Mặc dù loại động cơ này có vẻ rất hứa hẹn, nhưng thực tế do sử dụng chổi than nên phải thay thế trong quá trình chạy. Hy vọng là trong tương lai gần sẽ có chổi than không mòn!
Ưu điểm
- Hiệu suất rất cao
- Giá thành rẻ hơn so với động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu
- Không có nguy cơ khử từ
- Không cần đất hiếm
Nhược điểm
- Chổi than có tuổi thọ không cao
Loại động cơ này được sử dụng trên BMW iX3, iX, i4; Renault Megane E-TECH và Smart EQ.
Hộp số trong ô tô điện: không cần hộp số hoặc với hộp số 2 cấp
Động cơ điện có ba đặc tính giúp giải quyết các vấn đề kỹ thuật trong quá trình phát triển hộp số và trong hầu hết các trường hợp, hộp số trở nên không cần thiết. Những đặc tính này là mô-men xoắn cao khi không quay, tốc độ cao và tốc độ tối đa được giới hạn.
Mục đích của hộp số chủ yếu là giúp tăng mô-men. Nếu động cơ điện có mô-men cao từ 0 vòng/phút thì không cần tăng thông qua tỷ số truyền.
Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là vòng tua cao. Vì tốc độ động cơ điện có thể lên đến 20.000 vòng/phút, với mô-men cao trong toàn dải, tốc độ tối đa có thể dễ dàng đạt được chỉ với cặp bánh răng. Tốc độ tối đa giới hạn tự động bằng điện tử của ô tô điện là lý do cuối cùng. Điều này xảy ra không chỉ vì không có hộp số mà do năng lượng riêng tương đối thấp của ắc quy so với nhiên liệu hóa thạch.
Chúng ta hãy xem BMW i4 eDrive 40 để hiểu rõ hơn về điều này. Nó có mô-men xoắn cực đại 430Nm từ 0-5000 vòng/phút và tỷ số truyền động qua bánh răng kết hợp là 11,115:1. Điều đó có nghĩa là mô-men xoắn của bánh xe là 4780 Nm. Giả sử tốc độ tối đa của ô tô là 190 km/h, động cơ quay với tốc độ 16.500 vòng / phút. Ở tốc độ đường cao tốc điển hình là 130 km/h, động cơ quay với tốc độ xấp xỉ 11.300 vòng/phút. Như bạn có thể thấy: động cơ điện có đủ dải vòng tua máy để đáp ứng tất cả các yêu cầu chuyển động của xe mà không cần hộp số.
Hộp số 2 cấp trên Porsche và Audi chạy điện
Xe điện Porsche Taycan và Audi E-Tron GT đều sử dụng hộp số hai cấp ở động cơ phía sau. Mặc dù ô tô điện có thể không cần hộp số nhưng lý tưởng nhất là tỷ số truyền nhỏ ở tốc độ thấp đến trung bình để tăng tốc nhanh hơn và tỷ số truyền cao ở tốc độ cao để giảm vòng quay của động cơ điện.
Tại sao chúng ta cần giảm tốc độ quay động cơ khi xe chạy tốc độ cao? Trước hết, giảm vòng quay của động cơ giúp tăng hiệu suất của nó (ít sức điện động ngược và dòng điện fuco) và do đó phạm vi hoạt động của ô tô cũng được cải thiện. Lý do thứ hai là khả năng đạt được tốc độ tối đa cao hơn mà động cơ không cần quay quá nhanh.
Việc sử dụng hộp số hai tốc độ trên xe điện gặp khó khăn kỹ thuật trong việc xử lý mô-men xoắn lớn và tức thời mà động cơ điện tạo ra. Tuy nhiên, một số nhà sản xuất hiện đang phát triển thành công hộp số hai cấp cho ô tô điện.
Trong thời gian tới chúng ta có thể thấy nhiều mẫu xe điện sử dụng hộp số 2 cấp thay vì chỉ thấy trên những xe sang như Porsche Taycan và Audi e-Tron GT.
PGS-TS Đỗ Văn Dũng
Tài liệu tham khảo:
1-https://www.arenaev.com/different_types_of_electric…
2- https://www.renaultgroup.com/…/learn-all-you-need-to…/
