Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Nghiên cứu chế độ hãm tái sinh trong vận hành ô tô điện

Study on Regenerative Braking Mode in Operation of Electric Vehicles

Phùng Văn Trang*, Tạ Cao Minh**

*Trường Đại học Mỏ - Địa chất, **Trường ĐH Bách khoa Hà Nội

e-Mail: trangtdh2@gmail.com, minhtc-auto@mail.hut.edu.vn

Tóm tắt Hãm tái sinh giúp quản lý năng lượng từ nguồn hiệu

quả hơn và tăng phạm vi vận hành của ô tô điện.

Nhiều phương pháp hãm tái sinh đã được đề xuất

nhưng hầu hết sử dụng thuật toán phức tạp nhằm điều

khiển dòng năng lượng đi từ động cơ trở về nguồn khi

xe hãm. Bài báo này trình bày một phương pháp đơn

giản nhưng hiệu quả điều khiển động cơ một chiều

không chổi than truyền động cho ô tô điện có khả

năng trả năng lượng về nguồn khi hãm bằng cách thay

đổi thứ tự đóng cắt các van trong nghịch lưu. Thuật

toán được kiểm nghiệm từ mô hình mô phỏng trên

phần mềm Matlab/Simulink.

Abstract Regenerative braking helps to manage power source

more efficiently and to increase the operation range of

an electric vehicle (EV). To drive the energy flowing

back to the battery when the vehicle brakes, almost all

techniques of regeneration braking in literature use

complex algorithms. In this paper, the authors present

a simple but effective technique to control a brushless

DC motor driving EV to transfer power back to the

source during braking mode. The presented technique

is verified by a simulation using Matlab/Simulink.

Chữ viết tắt BLDC Brushless DC Motor

PWM Pulse – Width Modulation

Back EMF Back Electromotive Force

1. Đặt vấn đề Ô tô điện hầu hết sử dụng năng lượng dự trữ trong

ắcqui. Do dung lượng ắcqui có hạn nên phạm vi vận

hành của xe bị hạn chế. Đây là tồn tại lớn nhất của xe

ô tô điện hiện nay.

Trong truyền động ô tô điện, động cơ một chiều không

chổi than là một trong những sự lựa chọn hàng đầu vì

động cơ có cấu trúc đơn giản, dải tốc độ làm việc

rộng, mô-men khởi động lớn, hiệu suất làm việc cao…

Xe điện có các chế độ vận hành chính là tăng tốc, chạy

ổn định và phanh hãm ứng với chế độ động cơ và chế

độ hãm của động cơ truyền động. Trong khi động cơ

truyền động tiêu thụ công suất từ nguồn khi vận hành

ở chế độ động cơ, nó lại đưa năng lượng trở lại nguồn

khi hãm tái sinh. Vì vậy việc nghiên cứu chế độ hãm

tái sinh là nhu cầu bức thiết giúp vận hành ô tô điện

hiệu quả hơn.

Ở chế độ hãm tái sinh động cơ BLDC, sức phản điện

động trên cuộn dây các pha stator được tăng áp nhằm

bơm năng lượng trở lại nguồn (ắcqui). Phương pháp

sử dụng siêu tụ nối song song với nguồn cấp [2], [3]

giúp thu năng lượng trong quá trình xe hãm vào siêu

tụ. Năng lượng này sau đó được nạp lại ắcqui hay

phục vụ quá trình xe tăng tốc. Tuy nhiên phương pháp

dùng siêu tụ cần thêm bộ tăng áp, siêu tụ và thuật toán

điều khiển phức tạp. Chế độ nghịch lưu hai van dẫn

trong điều khiển hãm tái sinh động cơ BLDC [1] cũng

là giải pháp được quan tâm. Mặc dù vậy phương án

này có đặc điểm trong một chu kỳ điều khiển ở chế độ

hãm, động cơ truyền động vẫn có thời điểm tiêu thụ

công suất từ nguồn. Kết quả là hiệu suất thu năng

lượng về nguồn không cao.

Trong bài báo này, các tác giả trình phương pháp điều

khiển hãm tái sinh động cơ BLDC đơn giản, không

cần sử dụng thêm bộ tăng áp hay siêu tụ, hiệu suất

hãm tái sinh cao do năng lượng trả lại nguồn trong cả

quá trình hãm.

2. Vận hành động cơ BLDC bốn góc

phần tư Trên đồ thị đặc tính cơ của động cơ, mặt phẳng tọa độ

được chia thành bốn góc phần tư như chỉ ra ở H.1.

Góc phần tư thứ I và thứ III thể hiện động cơ vận hành

ở chế độ động cơ với chiều quay thuận và ngược. Góc

phần tư thứ II và thứ IV có mô-men trái dấu với tốc

độ, vì vậy mô-men sinh ra lực hãm và động cơ phát

năng lượng trở lại nguồn. Điểm khác biệt cơ bản giữa

chế độ động cơ và chế độ hãm tái sinh là độ lệch pha

giữa dòng điện và sức phản điện động. Trong chế độ

động cơ của động cơ BLDC, dòng điện pha và sức

phản điện động trùng pha nhau. Với chế độ hãm tái

sinh, trong khi pha của sức phản điện không đổi do

chiều quay của động cơ không đổi, để điều khiển hãm

tái sinh ta điều khiển dòng điện lệch pha (chậm pha)

hơn sức phản điện 1800 . Biểu thức mô-men tức thời

pha a là:

( ) ( )( ) a a

a

E t i tT t

w (1)

Trong đó Ea(t) , ia(t) lần lượt là sức phản điện động và

dòng điện tức thời pha a, w là vận tốc góc rotor.

Biểu thức (1) cho thấy khi động cơ hãm tái sinh, dấu

của mô-men tức thời pha a thay đổi vì pha của dòng

điện thay đổi trong khi tốc độ động cơ có chiều như

cũ. Kết quả là công suất tiêu thụ tức thời pha a

( ) ( ). 0a aP t T t , hay pha a sinh năng lượng trả lại

301

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

nguồn. H.2 cho thấy sự khác nhau giữa dòng điện cần

điều chế trong hai chế độ động cơ và hãm tái sinh

trong điều khiển động cơ BLDC.

H.1 Mặt phẳng tọa độ momen – tốc độ.

(a) (b)

H.2 Sức phản điện động và dòng điện các pha ở chế độ

động cơ (a), hãm tái sinh (b).

H.3 Nghịch lưu làm việc với động cơ BLDC.

Chiến lược điều khiển động cơ BLDC ở chế độ động

cơ hay hãm tái sinh được thực hiện thông qua luật

đóng cắt các van điện tử trong nghịch lưu. H.3 mô tả

nghịch lưu làm việc với động cơ BLDC ba pha. Tụ Cp

có chức năng tích trữ một phần năng lượng trả về

nguồn khi động cơ hãm tái sinh. Tùy theo yêu cầu

dòng điện trên các pha động cơ mà bộ điều khiển phát

xung đóng cắt các van S1 – S6 trong nghịch lưu.

3. Điều khiển hãm tái sinh động cơ

BLDC chế độ một van dẫn 3.1. Nguyên lý làm việc

Do tính chất tuần hoàn của dòng điện cũng như sức

phản điện động các pha, một chu kỳ 2p được chia

thành sáu vùng đều nhau. Trong phương pháp điều

khiển hãm tái sinh chế độ một van dẫn, sức phản điện

động các pha là căn cứ xác định van nào trong nghịch

lưu được điều khiển.

Giả sử động cơ truyền động xe điện đang ở chế độ

động cơ thì nhận được tín hiệu hãm tái sinh và rotor

đang nằm trong góc phần sáu thứ nhất.

Eab

S1 S3

S4 S6

D1 D3

D4 D6

Vbatt C

VL

H.4 Hãm tái sinh một van dẫn trong góc phần sáu thứ nhất.

Trên H.2 ta thấy trong góc phần sáu thứ nhất, sức

phản điện động pha a có giá trị lớn nhất. Muốn điều

khiển dòng năng lượng quay trở về nguồn ta chỉ cần

điều khiển đóng ngắt van S4. Khi van S4 đóng, sức

phản điện pha a và pha b trở thành nguồn áp và dòng

điện khép vòng qua hai pha a, b thông qua van S4 và

đi-ốt D6. Khi ngắt S4, dòng điện trở lại nguồn theo

đường đi qua hai đi-ốt D1 và D6 như trên H.4.

Với nguyên lý điều khiển như trên, van S4 sẽ hoạt

động trong góc phần sáu thứ nhất và thứ hai, van S6

ứng với góc phần sáu thứ ba và tư, van S2 làm việc ở

góc phần sáu thứ năm và thứ sáu. Rõ ràng khi động cơ

hãm tái sinh dùng thuật toán điều khiển một van dẫn

chỉ có dòng đi từ phía tải về nguồn.

3.2. Điều chế độ rộng xung (PWM)

H.5 Dòng điện pha khi hãm tái sinh

Vẫn xét chế độ hãm tái sinh trong góc phần sáu thứ

nhất, H.5 mô tả pha dòng điện ứng với trạng thái đóng

cắt của các van. Trong một chu kỳ xung PWM, khi

van S4 và đi-ốt D6 dẫn, dòng điện qua cuộn dây hai

pha a, b tăng. Ngược lại khi khi hai đi-ốt D1 và D6 dẫn

thì dòng điện qua hai pha giảm. Đây là cơ sở cho phép

ta xác định luật đóng cắt van S4 trong thuật toán điều

chỉnh dòng điện. Như vậy ở phương pháp điều khiển

hãm tái sinh một van dẫn, trong hai góc phần sáu thứ

nhất và hai, tương ứng với 1200 điện, dòng điện pha a

được điều khiển thông qua việc điều khiển van S4

bằng luật điều chỉnh độ xung PWM. Tương tự ở 1200

điện tiếp theo, dòng điện pha b được điều khiển ứng

với đóng mở van S6, và trong hai góc phần sáu thứ

4 6S D

ON

1 6D D

ON

4 6S D

ON

1 6D D

ON

t

tTrạng thái van

Dòng điện

L

L

L

R

R

R

a

bc

bE

aE

cE

1S

4S

3S

6S

5S

2S

1D 3D 5D

4D 6D2D

battV pC

Ph

a a

P

ha

c

aphadòng i

Pha

b

pha EMF

0 60 120 180 240 300 360

1 2 3 4 5 66 1

Mô

-men

0

Ph

a a

P

ha

c

aphadòng i

Pha

b

pha EMF

0 60 120 180 240 300 360

1 2 3 4 5 66 1

Mô

-men

0

Tốc độ

Mô-men

Quay thuận

Chế độ hãm

Quay ngược

Chế độ hãm

Quay ngược

Chế độ động cơ

Mô-men

Tốc độ

Quay ngược

Chế độ hãm

Quay thuận

Chế độ hãm

Quay ngược

Chế độ động cơ

Quay thuận

Chế độ động cơ

III

III IV

302

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

năm và sáu, dòng pha c được điều khiển dựa vào thuật

toán đóng mở van S2. H.6 đưa ra thuật toán đóng cắt

van S4 rotor đang nằm trong góc phần sáu thứ nhất.

H.6 Điều khiển dòng điện trong góc phần sáu thứ nhất.

Từ các phân tích trên ta đưa ra sơ đồ phát xung PWM

góc dẫn 1200 cho mỗi van trong ba van nhánh dưới là

S4, S6 và S2 như H.7. Khi góc dẫn mỗi pha là 1200 thì

tại một thời điểm chỉ có một trong ba dòng điện pha

được điều chỉnh. Chất lượng điều chỉnh vì thế bị giảm

sút. Thay vào đó trong thực tế ta có thể dùng thuật

toán phát xung PWM cho góc dẫn 1800 của mỗi một

trong ba van nhánh dưới như thể hiện trên H.8.

H.7 Phương pháp phát xung PWM góc dẫn 1200.

H.8 Phương pháp phát xung PWM góc dẫn 1800.

Với cấu hình điều chế PWM góc dẫn 1800 cho mỗi

van phía dưới thì có những thời điểm hai van đưa vào

hoạt động và có hai dòng điện ở hai pha được điều

khiển. Nguyên tắc điều khiển này giúp tăng chất lượng

đáp ứng dòng điện.

4. Mô phỏng và đánh giá kết quả Sơ đồ mô phỏng hai chế độ động cơ và hãm tái sinh

của động cơ truyền động ô tô điện trình bày trong H.9.

Các phần chính trong mô hình mô phỏng bao gồm:

Động cơ truyền động BLDC

Nghịch lưu với nguồn cấp là ắcqui

Bộ điều chỉnh độ rộng xung PWM

Bộ điều khiển dòng điện

Khâu tạo dòng điện đặt

Bộ điều chỉnh tốc độ

Khâu đo dòng và đo tốc độ.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

20

40

60

80

100toc do [rad/s]

time [s] H.10 Đáp ứng tốc độ động cơ.

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-40

-20

0

20

40

60

80Mo men [Nm]

time [s] H.11 Đáp ứng mô-men.

0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-30

-20

-10

0

10

20

30EMF và dong dien pha a

time [s] H.12 Sức phản điện động và dòng điện pha a.

0.42 0.425 0.43 0.435 0.44 0.445 0.45 0.455 0.46-15

-10

-5

0

5

10

15Dong ba pha [A]

time [s] H.13 Dòng điện ba pha ở chế độ hãm tái sinh.

1

0

4SIa đặt

Ia phản hồi

PWM

Ea

E b

E c

S 4

S 6

S 2

I II III IV V VI

tw

tw

tw

tw

tw

tw

Ea

E b

E c

S 4

S 6

S 2

tw

tw

tw

tw

tw

tw

Chế độ động cơ Chế độ hãm tái sinh

Đóng tải Hãm tái sinh

Tăng tốc

Dòng điện

EMF

303

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

H.9 Sơ đồ điều khiển tổng quát động cơ BLDC.

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-100

-50

0

50

100Dong nguon [A]

time [s] H.14 Dòng điện nguồn.

Thông số động cơ, ắcqui, các bộ điều khiển dòng điện

và tốc độ được đưa ra trong phần phụ lục. Ở đây các

bộ điều chỉnh dòng điện ba pha và tốc độ là các bộ PI.

Tham số bộ PI tính toán dựa theo [4]. Khâu tạo dòng

điện đặt có nhiệm vụ tạo dòng điện đặt cho ba pha đáp

ứng nhu cầu của tải. Dòng điện đặt có hai thông số là

biên độ và góc pha. Trong khi biên độ được lấy từ đầu

ra của bộ điều chỉnh tốc độ, pha dòng điện đặt dựa

trên vị trí rotor.

Chế độ hãm tái sinh của động cơ truyền động được

thực hiện trong trường hợp xe ô tô điện phanh hãm khi

thả dốc với yêu cầu giữ tốc độ không đổi – gần định

mức. Mô-men do trọng lực xe khi thả dốc tính bằng

1/10 mô-men định mức.

Với giá trị đặt của tốc độ gần định mức 90 rad/s, tăng

tốc trong khoảng thời gian từ 0-0.1s, tải lúc vận hành

ở chế độ động cơ là Tđc = 60Nm tác động tại thời điểm

t = 0.2s, sau đó tại thời điểm t = 0.4s động cơ hãm tái

sinh với mô-men hãm lúc thả dốc là Thãm= -19Nm (=-

1/10 Tđm) ta thấy đáp ứng tốc độ động cơ tốt trong cả

hai chế độ động cơ và hãm. H.10 chỉ ra bộ điều khiển

ở chế độ hãm tái sinh cho đáp ứng tốc bám tốt theo tốc

độ đặt.

H.11 đưa ra đáp ứng mô-men của động cơ BLDC

trong chế độ động cơ và chế độ hãm tái sinh. Trong cả

hai chế độ, động cơ đáp ứng nhanh và chính xác theo

mô-men tải.

Trên H.12 là dạng sóng dòng điện và sức phản điện

pha a. Tại thời điểm t = 0.4s, xe chuyển từ chế độ

động cơ sang chế độ hãm, sức phản điện động và dòng

điện pha a lệch pha nhau 1800. Trước đó khi xe điện

vận hành ở chế độ động cơ thì sức phản điện động và

dòng điện trùng pha nhau. Kết quả này phù hợp với lý

thuyết khi ta điều khiển hãm tái sinh động cơ BLDC.

Dòng điện ba pha trong chế độ hãm lệch pha nhau

1200 trên H.13 có biên độ bằng nhau ở pha âm và lệch

nhau ở pha dương vì các dòng điện chỉ được điều chế

trong pha âm.

Đồ thị dòng điện vào/ra nguồn (pin) trên H.14 cho ta

thấy động cơ và nguồn trao đổi năng lượng trong quá

trình tăng tốc hay đóng tải. Khi hãm tái sinh, dòng

năng lượng chỉ đi theo chiều từ động cơ về nguồn. Kết

quả này phản ánh đúng nguyên lý điều khiển hãm tái

sinh chế độ một van dẫn.

5. Kết luận Phương pháp điều khiển hãm tái sinh chế độ một van

dẫn cho động cơ BLDC truyền động ô tô điện không

những đáp ứng yêu cầu điều chỉnh tốc độ xe mà còn

thu năng lượng trở lại nguồn. Tính đơn giản, hiệu quả

của thuật toán là ưu điểm của phương pháp. Năng

lượng thu được trong chế độ hãm tái sinh sẽ làm tăng

phạm vi vận hành của xe, đáp ứng tốt hơn yêu cầu của

người vận hành.

Phụ lục: Thông số động cơ Công suất định mức: P = 18 kW

Điện trở một pha: R = 0.382

Điện cảm một pha: L = 11.48 10-3

H

Tốc độ không tải: 0 216w rad/s

Tốc độ định mức: 94.24w rad/s

Dòng điện định mức; Iđm = 43 A

Mô-men định mức: Tđm = 191 Nm

Mô-men quán tính J = 0.185 kg.m2

Hệ số mô-men: Kt = 2.4 Nm/A

Hệ số sức phản điện: Ke = 2.25 V/rad/s

Số đôi cực: p = 4

Điện áp định mức: V=640 V

BLDCNghÞch

luu

§o dßng

ddt

+ läc

teta

PWMBé §K

dßng

Dßng

®Æt-

-

-

-

-+

T¶i

Encoder

i*a

i*b

i*c 6 xung

Tèc ®é ®Æt

Ubat

PI

Braking

Monitoring

Khởi động

Không tải

Có tải

Hãm tái sinh

304

Hội nghị toàn quốc về Điều khiển và Tự động hoá - VCCA-2011

VCCA-2011

Tài liệu tham khảo [1] Bobba P.B, Jajagopal K.R: “Compact

Regenerative Braking Scheme for a PM BLDC

Motor Driven Electrical Two-Wheeler”, Power

Electronics, Drives and Energy Systems

(PEDES) & 2010 Power India Joint

International Conference, pp. 1-5, 2010.

[2] Dixon J.W, Ortuzar M.E: “Ultracapacitors+DC-

DC Converters in Regenerative Braking

System”, IEEE AESS Systems Magazine, pp.16-

21, 2002.

[3] Grobovic P.J, Moigne P.L., “The Ultracapacitor

– Based Controlled Electrics Drives with

Braking and Ride – Through Capability:

Overview and Analysis”, IEEE Transactions on

Industrial Electronics, Vol. 58, No. 3, pp. 925 –

936, 2011.

[4] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc

Hải, Dương Văn Nghi: Điều ch nh tự động

tru ền động điện, NXB Khoa học và K thuật Hà

Nội, 2001.

[5] Krishnan R: Permanent Magnet Synchronous

and Brushless DC Motor Drive, Taylor &

Francis Group, New York, 2010.

Phùng Văn Trang tốt nghiệp đại

học năm 2009 và hoàn thành

chương trình Thạc sĩ năm 2011 tại

trường Đại học Bách khoa Hà Nội.

Hiện nay anh công tác tại bộ môn

Tự động hóa, trường Đại học Mỏ -

Địa chất. Hướng nghiên cứu chính

của anh là mô hình hóa và điều

khiển các hệ truyền động điện.

Tạ Cao Minh tốt nghiệp đại học

tại Tiệp Khắc năm 1986, bảo vệ

luận án Tiến sĩ tại Canada năm

1997, và có 6 năm làm việc trong

môi trường đại học và công nghiệp

Nhật Bản (1998 - 2004); là tác giả

của 12 sáng chế tại Nhật Bản, M

và 30 bài báo trên các tạp chí, tập

san hội nghị quốc tế. Hiện nay

PGS. Minh công tác tại Bộ môn Tự động hóa, ĐH

Bách khoa HN và giữ vai trò Giám đốc Trung tâm

Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ của

trường. Hướng nghiên cứu của PGS. Minh tập trung

vào điều khiển các hệ truyền động điện, điện tử công

suất, các ứng dụng cho ô tô điện và năng lượng mới.

PGS. Minh hiện là Chủ tịch Chi hội IEEE Việt Nam,

và được trường NTUST Đài Loan mời thỉnh giảng

năm 2010.

305