Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện từ pin thành năng lượng cơ học để quay bánh xe, là thành phần cốt lõi của xe BEV (xe chạy hoàn toàn bằng pin) và hybrid (xe kết hợp động cơ đốt trong và điện). Trong BEV, động cơ điện là nguồn động lực duy nhất, giúp xe chạy êm ái, không khí thải, với hiệu suất lên đến 90-95% (so với 20-30% của động cơ đốt trong). Trong hybrid, động cơ điện hỗ trợ động cơ xăng/diesel, giúp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khí thải. Sau đây là một số loại động cơ điện được sử dụng trên ô tô điện và ô tô hybrid:
1. ĐỘNG CƠ DC (DIRECT CURRENT)
1.1. Cấu tạo và nguyên lý
Động cơ DC dùng dòng điện một chiều trực tiếp từ pin, gồm stator (nam châm cố định hoặc cuộn từ) và rotor (cuộn dây quay).
Nguyên lý: Dòng điện qua cuộn rotor tạo từ trường tương tác với stator, sinh torque theo quy tắc bàn tay phải. Công thức torque: M = B * I * L * sinθ, với B từ trường, I dòng, L chiều dài dây, θ góc.
-Brushed DC: Chổi than (brush) chuyển dòng điện vào rotor, cấu tạo đơn giản nhưng gây ma sát.
ơBrushless DC (BLDC): Không chổi than, dùng biến tần điện tử và cảm biến Hall để điều khiển dòng 3 pha, êm ái hơn.
Đặc tuyến: Torque cao ở tốc độ thấp (constant torque đến base speed), sau đó giảm (field weakening). Hiệu suất: 85-90%.
1.2. Phương pháp điều khiển
-PWM cho Brushed: Điều chỉnh điện áp để thay đổi tốc độ.
=Vector Control cho BLDC: Kiểm soát dòng điện theo vector (d-q axis), tối ưu torque. Công thức: I_d = 0 (cho torque max), I_q = M / (k*Φ).
1.3. Ưu nhược điểm và ứng dụng
Ưu: Torque cao ở tốc độ thấp (phù hợp hybrid khởi động), dễ điều khiển.
Nhược: Bảo dưỡng cao (brushed mòn chổi than), hiệu suất thấp hơn AC.
Ứng dụng: Honda Insight hybrid dùng BLDC cho hỗ trợ nhẹ, BEV giá rẻ như Renault Twizy. Theo Power Motor (2024), BLDC chiếm 15% hybrid do chi phí thấp.
Sơ đồ BLDC – Stator với nam châm vĩnh cửu, rotor quay không chổi than; Đặc tuyến torque-tốc độ với vùng constant torque.
2. ĐỘNG CƠ AC ĐỒNG BỘ (PMSM – PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR)
2.1. Cấu tạo và nguyên lý
PMSM là loại AC đồng bộ, với rotor có nam châm vĩnh cửu (neodymium hoặc samarium-cobalt). Nguyên lý: Biến tần tạo dòng AC 3 pha, từ trường quay đồng bộ với rotor (tốc độ rotor = tốc độ từ trường), tạo torque. Công thức torque: M = (3/2) * p * Φ * I_q * sinδ, với p số cặp cực, Φ từ thông, I_q dòng quadrature, δ góc tải.
Cấu tạo: Stator cuộn dây 3 pha, rotor nam châm, biến tần và cảm biến vị trí (resolver/encoder).
Đặc tuyến: Torque cao và phẳng ở tốc độ thấp (constant torque đến 1.000-2.000 rpm), sau đó giảm nhưng công suất ổn định. Hiệu suất: 95%, cao nhất ở 80% tải.
2.2. Phương pháp điều khiển
-Field Oriented Control (FOC): Phân tích dòng thành I_d (từ trường) và I_q (torque), với I_d = 0 cho hiệu suất max. Sử dụng PI controller cho vòng lặp.
Direct Torque Control (DTC): Điều khiển trực tiếp torque và từ thông mà không cần cảm biến vị trí, nhanh nhưng có ripple.
Ví dụ: Trong Nissan Leaf, FOC giúp torque 280 Nm tức thì.
2.3. Ưu nhược điểm và ứng dụng
Ưu: Hiệu suất cao, torque mạnh (lên 500 Nm), kích thước nhỏ, êm ái.
Nhược: Giá cao do nam châm hiếm (neodymium giá tăng 20% năm 2025), nhạy cảm nhiệt (quá 150°C giảm từ thông).
Ứng dụng: Nissan Leaf (BEV), Toyota Prius (hybrid). Theo IEA (2025), PMSM chiếm 60% BEV nhờ mật độ công suất cao (kW/kg).
So sánh với Induction: PMSM hiệu quả hơn 5% ở tốc độ thấp, phù hợp hybrid đô thị.
Minh họa: Bảng so sánh PMSM vs Induction – PMSM: Hiệu suất 95%, Induction: 90%; Đặc tuyến với torque phẳng.
3. ĐỘNG CƠ AC KHÔNG ĐỒNG BỘ (INDUCTION MOTOR)
3.1. Cấu tạo và nguyên lý
Induction Motor (Asynchronous) dùng dòng AC để tạo từ trường quay trong stator, cảm ứng dòng điện trong rotor (lồng sóc hoặc cuộn dây), tạo torque theo nguyên lý Faraday. Không dùng nam châm vĩnh cửu. Công thức torque: M = (3 * p * V^2 * s * R2) / (2 * ω_s * (R2^2 + (s * X2)^2)), với s trượt tốc độ, R2 điện trở rotor, X2 điện kháng.
Cấu tạo: Stator cuộn dây 3 pha, rotor thanh đồng/aluminum, biến tần kiểm soát tần số và trượt (s = (ω_s – ω_r)/ω_s).
Đặc tuyến: Torque max ở trượt 20-30%, giảm ở tốc độ cao; vùng constant power rộng. Hiệu suất: 90%, cao ở tải cao.
3.2. Phương pháp điều khiển
-Scalar Control (V/f): Giữ tỷ lệ điện áp/tần số constant, đơn giản nhưng torque không chính xác.
-Vector Control: Phân tích vector từ thông, điều khiển I_d và I_q độc lập cho torque max.
=DTC: Kiểm soát trực tiếp, nhanh nhưng ripple cao ở tốc độ thấp.
Ví dụ: Tesla Model S dùng DTC cho Induction, đạt torque 600 Nm.
3.3. Ưu nhược điểm và ứng dụng
Ưu: Bền bỉ (không nam châm), rẻ tiền (thấp hơn PMSM 30%), chịu nhiệt tốt (lên 200°C).
Nhược: Hiệu suất thấp hơn PMSM (90%), torque thấp ở tốc độ thấp (cần field weakening).
Ứng dụng: Tesla Model S (BEV), hybrid công nghiệp như Ford F-150. Theo IDTechEx (2025), Induction phù hợp BEV tốc độ cao do không phụ thuộc nam châm.
So sánh với SRM: Induction êm hơn nhưng SRM rẻ hơn.
Sơ đồ Induction Motor – Stator tạo từ trường quay, rotor cảm ứng; Đặc tuyến với peak torque ở trượt thấp.)
4. ĐỘNG CƠ SRM (SWITCHED RELUCTANCE MOTOR)
4.1. Cấu tạo và nguyên lý
SRM dùng nguyên lý lực hút từ trường, với stator cuộn dây và rotor lõi sắt không cuộn. Biến tần bật/tắt dòng điện theo vị trí rotor để tạo torque. Công thức torque: M = (1/2) * i^2 * dL/dθ, với i dòng, L điện cảm, θ góc.
Cấu tạo: Đơn giản, stator 6-8 cực, rotor 4-6 cực, chịu nhiệt cao.
Đặc tuyến: Torque ripple cao, nhưng phẳng ở tốc độ trung bình; hiệu suất 85-90%.
4.2. Phương pháp điều khiển
-Current Chopping: Giới hạn dòng ở tốc độ thấp để giảm ripple.
-Angle Control: Điều chỉnh góc bật/tắt dựa trên vị trí rotor (dùng encoder).
Ví dụ: Ford F-150 hybrid dùng SRM cho off-road, chịu va đập tốt.
4.3. Ưu nhược điểm và ứng dụng
-Ưu: Rẻ (không nam châm), bền, không cần làm mát phức tạp.
-Nhược: Ồn (rung động do ripple), hiệu suất thấp ở tốc độ cao.
-Ứng dụng: Thử nghiệm trên hybrid như Ford, BEV off-road. Theo MDPI (2022), SRM tăng 20% thị phần nhờ chi phí thấp.
So sánh với PMSM: SRM rẻ hơn 40%, nhưng ripple cao hơn.
Minh họa: Bảng ưu nhược – SRM: Rẻ, bền; PMSM: Hiệu quả cao; Đặc tuyến với ripple torque.
5. CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ KHÁC VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
5.1. Các loại khác
-Wound Rotor Synchronous: Rotor cuộn dây thay nam châm, điều khiển từ thông linh hoạt. Công thức: Φ = N * I_f, với N vòng dây, I_f dòng kích từ. Đặc tuyến: Torque điều chỉnh rộng, phù hợp hybrid lớn như BMW i8.
-Axial Flux Motor: Từ trường theo trục, nhỏ gọn (dày 1/3 radial flux). Nguyên lý tương tự PMSM nhưng mật độ công suất cao (5 kW/kg). Ứng dụng: Ferrari SF90 hybrid cho hiệu suất cao.
5.2. Ứng dụng trên BEV và Hybrid
-BEV: Tesla dùng Induction cho Model 3 (bền, rẻ); Rivian dùng PMSM cho torque cao ở off-road.
-Hybrid: Toyota Prius dùng PMSM cho hiệu quả đô thị; Honda Accord hybrid dùng BLDC cho tiết kiệm. Theo EVgo (2025), dual-motor (PMSM + Induction) phổ biến cho AWD, như Porsche Taycan.
Case study: Tesla Model Y – Dual PMSM cho 500 km phạm vi, torque 700 Nm.
Leave A Comment