Hệ thống truyền động là một hệ thống các bộ phận trong xe, có chức năng chuyển đổi năng lượng hóa học từ nhiên liệu thành năng lượng cơ học để đẩy xe. Hệ thống truyền động bao gồm các bộ phận như hệ thống phát điện, hệ thống truyền động và các bộ phận cơ khí để chuyển động.

Xe động cơ đốt trong (ICE) có nhiều bộ phận chuyển động phức tạp. Các thành phần chính bao gồm động cơ, hộp số và trục truyền động, cùng với các bộ phận khác của hệ thống khí thải, hệ thống xả và hệ thống làm mát động cơ. Đối với xe điện, thiết kế hệ thống truyền động và các bộ phận của nó đơn giản hơn nhiều so với xe động cơ đốt trong truyền thống.

Sơ đồ hệ thống truyền động EV

Hệ thống truyền động của một chiếc xe điện thông thường bao gồm một bộ pin, một bộ biến tần để truyền công suất và một động cơ điện thông qua bộ truyền động giảm tốc cuối cùng. Đối với xe hybrid và xe hybrid cắm điện, hệ thống truyền động còn có các thành phần bổ sung, chẳng hạn như động cơ đốt trong (ICE), hộp số chuyên dụng và hệ thống xả.

Các thành phần chính của hệ thống truyền động xe điện bao gồm:

• Bộ pin Bộ pin bao gồm các cell pin được kết nối theo nhóm nối tiếp và song song. Giới hạn điện áp và dòng điện của pin được xác định bởi số lượng kết nối nối tiếp và song song để kiểm soát công suất đầu ra.
• Bộ biến tần cho Hệ thống Phanh Lực Kéo. Bộ biến tần chuyển đổi dòng điện một chiều từ bộ pin thành dòng điện xoay chiều để cung cấp cho động cơ điện. Một tính năng quan trọng khác là hệ thống phanh điện, giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống phanh cơ học bằng cách giảm thiểu hao mòn không cần thiết.
• Động cơ điện và hộp số giảm tốc Động cơ điện tạo ra năng lượng cơ học để đẩy xe bằng cách dựa vào động lực học của điện năng được cung cấp bởi hộp số. Hộp số truyền động cuối chuyển đổi điện năng đầu vào từ động cơ thành mô-men xoắn cao truyền đến các bánh xe để tăng tốc cho xe. Để tối ưu hóa tuổi thọ pin và phạm vi lái xe, xe điện được thiết kế với tỷ số truyền động cuối cụ thể phù hợp với xe và điều kiện lái xe. Các tỷ số này là tỷ số giữa tốc độ đầu vào của động cơ và tốc độ đầu ra của bánh xe. Tỷ số truyền động cuối cao hơn dẫn đến mô-men xoắn cao hơn hoặc khả năng tăng tốc tốt hơn, trong khi tỷ số truyền động cuối thấp hơn cho phép xe đạt tốc độ tối đa.
• Bộ sạc tích hợp (OBC) OBC điều khiển dòng điện AC nhận được qua cổng sạc và chuyển đổi thành dòng điện DC để lưu trữ pin.

Nhiều phần mềm khác nhau hoạt động với các thành phần hệ thống truyền động cụ thể của xe điện (EV) để trao đổi và xử lý dữ liệu. Phần mềm hệ thống này được gọi là bộ điều khiển điện tử (ECU). Một ví dụ điển hình là ECU hệ thống truyền động, điều khiển bộ chuyển đổi DC/AC để điều chỉnh lượng và tần số điện áp cung cấp cho động cơ dựa trên dữ liệu đầu vào từ người lái khi tăng tốc và phanh.

Các ECU khác cần có trong hệ thống truyền động của xe điện bao gồm hệ thống quản lý pin (BMS) để theo dõi tình trạng của bộ pin, bộ chuyển đổi DC/DC để chuyển đổi điện áp từ bộ pin sang các bộ phận phụ trợ của xe như cần gạt nước kính chắn gió, đèn và cửa sổ chỉnh điện dựa trên nhu cầu điện áp, hệ thống quản lý nhiệt để điều khiển chương trình cơ sở cần thiết để duy trì nhiệt độ thích hợp cho hệ thống truyền động và mô-đun điều khiển thân xe để điều khiển các bộ phận phụ trợ như cửa sổ chỉnh điện và gương chiếu hậu.

Đối với xe điện, mỗi thành phần có thể được phân loại thành ba loại hệ thống truyền động:

• Hệ thống phát điện: Pin, OBC
• Hệ thống cung cấp điện (truyền tải): Bộ chuyển đổi DC/AC (biến tần kéo), bộ chuyển đổi DC/DC, BMS
• Linh kiện cơ khí: Động cơ điện, hệ thống truyền động cuối, linh kiện cho các thiết bị điện tử như cửa sổ chỉnh điện và gương chiếu hậu.

Thiết kế hệ thống truyền động EV

Hiệu suất, phạm vi hoạt động và hiệu quả tổng thể của EV có thể được tối ưu hóa ở cấp độ thành phần, kiến ​​trúc và điều khiển.

Ví dụ, pin, động cơ và đầu máy được định cỡ ở cấp độ linh kiện để đáp ứng các yêu cầu lái xe mục tiêu, chẳng hạn như lái xe trong thành phố ngắn hoặc lái xe trên đường cao tốc dài. Ngoài ra, kiến ​​trúc hệ thống truyền động của xe điện (EV) có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của xe bằng cách tích hợp và chuyển đổi nhiều chế độ lái dựa trên điều kiện vận hành. Chế độ lái là cấu hình cụ thể của các linh kiện cho các trường hợp sử dụng cụ thể, chẳng hạn như tăng tốc xe (mô-men xoắn cao) hoặc tăng tốc liên tục (tốc độ cao). ECU bổ sung cho các kiến ​​trúc phần cứng hiện có để chuyển đổi các tín hiệu điều khiển bướm ga do người lái khởi tạo thành các lệnh cho pin và động cơ để đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất, chẳng hạn như tăng tốc từ 0-60 dặm/giờ với công suất gần tối ưu. Các chính sách điều khiển tối ưu được xác định bằng các thuật toán như lập trình động, nguyên lý tối thiểu Pontiriyakin hoặc các chiến lược tiết kiệm năng lượng tương đương.

Vai trò của điện tử công suất

Mục tiêu chính trong thiết kế hệ thống truyền động của xe điện là hiệu suất, vì hiệu suất cao hơn dẫn đến khả năng quản lý nhiệt và phạm vi hoạt động tốt hơn. Hiệu suất thấp hơn dẫn đến tổn thất năng lượng cao hơn, tạo ra nhiều nhiệt hơn, đòi hỏi phải tăng kích thước xe điện để tản nhiệt. Một yếu tố quan trọng khác trong việc cải thiện hệ thống truyền động của xe điện là mật độ năng lượng (công suất được cung cấp trên một đơn vị thể tích xe).

Để đạt được cả hai mục tiêu này, bên cạnh thiết kế hệ thống truyền động, các công tắc điện tử công suất dựa trên chất bán dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và mật độ công suất. Nhu cầu xe điện tăng theo cấp số nhân đang thúc đẩy nghiên cứu sâu rộng về các công tắc điện tử công suất dựa trên silicon (Si), chẳng hạn như IGBT và MOSFET, nhằm cải thiện đặc tính đóng cắt và đạt hiệu suất cao hơn.

Ngoài ra, người ta cũng ngày càng quan tâm đến việc sử dụng MOSFET silicon carbide (SiC), xét đến tiềm năng cải thiện hiệu suất và giảm kích thước của bộ chuyển đổi điện:

• Là một thiết bị có dải thông rộng, MOSFET SiC mang lại nhiều lợi thế cho ngành công nghiệp xe điện. MOSFET SiC có tổn hao chuyển mạch và độ dẫn điện thấp hơn so với IGBT hoặc MOSFET Si, ​​những yếu tố thiết yếu để tăng phạm vi hoạt động của xe điện.
• Các thiết bị chuyển mạch SiC có nhiệt độ mối nối cao hơn là 175°C so với 150°C của các thiết bị Si, cho phép thiết kế các hệ thống truyền động tích hợp với yêu cầu làm mát thấp hơn.
• Ngoài ra, tần số chuyển mạch cao của các thiết bị dựa trên SiC cũng làm giảm kích thước của các linh kiện thụ động như tụ điện liên kết DC, cuộn cảm tăng áp và bộ lọc EMI. Những đặc tính này của các thiết bị bán dẫn dựa trên SiC làm giảm kích thước tổng thể của hệ thống truyền động, gián tiếp dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn trong xe điện (EV).

Ngoài việc cải thiện hiệu quả, các nhà sản xuất chất bán dẫn cũng đang cải thiện công nghệ đóng gói silicon để giải quyết nhiều ứng dụng ô tô khác nhau, chẳng hạn như quản lý nhiệt và cải thiện các gói chất bán dẫn để hỗ trợ mật độ công suất khó khăn.

Bất kể vật liệu bán dẫn nào, Si hay SiC, các giải pháp dựa trên IGBT và MOSFET đang được phát triển để quản lý nhiệt độ cao, nhằm giảm kích thước và chi phí của xe điện bằng cách giảm nhu cầu về hệ thống làm mát đắt tiền. Các mô-đun IGBT 750V nhỏ gọn, làm mát kép, với ECU nhiệt độ cấp chip và cảm biến dòng điện đã được triển khai cho các ứng dụng biến tần kiểm soát lực kéo 400V. Ngoài ra, các gói MOSFET gắn bề mặt tiên tiến và hệ thống làm mát gắn trên đỉnh cho phép các gói biến tần kiểm soát lực kéo nhỏ gọn hơn, giúp giảm kích thước của xe.