Hệ thống truyền động trên xe điện Tesla Model S

Xe điện không phải là phương tiện mới trên thế giới. Trong lịch sử của nhân loại, xe điện thậm chí còn ra đời trước xe sử dụng động cơ đốt trong. Tuy nhiên do hạn chế của nguồn năng lượng điện tích trữ được trên xe rất hạn chế nên xe điện bị xe dùng động cơ đốt trong lấn át. Ngày nay, với sự phát triển của công nghệ pin điện, động cơ điện không chổi than và công nghệ điện - điện tử, xe điện đang từng bước lấy lại vị thế của mình trên thị trường ô tô. Sự khác biệt căn bản giữa ô tô truyền thống sử dụng động cơ đốt trong và ô tô điện chính là ở động cơ dẫn động và hệ truyền động. Động cơ dẫn động và hệ truyền động trên ô tô điện đơn giản hơn trên xe động cơ đốt trong rất nhiều. Trong bài viết này sẽ giới thiệu về hệ truyền động trên xe Tesla Model S.
1. Tổng quan

1 – Bộ biến tần, 2 -  Động cơ điện, 3 – Trục dẫn động trái, 4 – Hộp số (hộp giảm tốc), 5 – Trục dẫn động phải
Hình 1. Hệ thống dẫn động cầu sau trên xe điện Tesla Model S

 

1 – Bộ biến tần, 2 –  Lỗ thông hơi bộ biến tần, 3 – Lỗ thông hơi hộp số, 4, 9, 13 – Các gối đỡ hộp số, 5 – Động cơ điện, 6 – Cảm biến encorder động cơ điện, 7 – Bầu làm mát, 8 – Đường nước làm mát vào, 10, 14 –  Trục dẫn động trái, phải, 11, 12 – Nút xả, nạp dầu hộp số

Hình 2. Cấu tạo chi tiết hệ dẫn động cầu sau trên xe Tesla Model S

Động cơ điện, hộp số và biến tần tạo thành cụm động cơ dẫn động trên xe điện. Chúng được lắp ráp sẵn với nhau trong phòng sạch để đảm bảo tính tích hợp cao và tính đơn giản của hệ dẫn động. Khối động cơ này sau đó được cố định vào xe thông qua các gối đỡ ở vỏ hộp số và vỏ động cơ điện.

Trên tất cả các loại động cơ điện đều phải có sự thay đổi của từ trường để tạo ra chuyển động quay và mô men xoắn. Trong nhưng động cơ có chổi than việc này được thực hiện bằng cơ cấu chổi than cổ góp. Trong những động cơ xoay chiều không chổi than thì sự thay đổi từ trường là do tính chất của dòng điện biến thiên dạng sóng hình sin. Động cơ điện dùng trên xe điện là động cơ không chổi than nên nó cần phải có bộ biến tần. Bộ biến tần sẽ biến đổi dòng điện 1 chiều từ khối pin thành 3 dòng điện xoay chiều trong stato của động cơ điện. Ba dòng điện này được bố trí lệch pha nhau 120⁰ để tạo ra từ trường quay trong stato. Từ trường này tạo ra dòng điện trên rô to của động cơ. Và dòng điện này lại tạo ra từ trường thứ hai đối nghịch với từ trường ở stato. Hai từ trường này tương tác với nhau và tạo ra mô men quay của động cơ. Tốc độ quay của động cơ điện phụ thuộc vào tần số dòng điện xoay chiều được bộ biến tần cung cấp. Trong khi đó mô men xoắn của động cơ thì phụ thuộc vào cường độ dòng điện của dòng điện xoay chiều.

Trên xe Tesla Model S sử dụng một động cơ có tốc độ tối đa tới 16000 vòng/phút. Động cơ có 2 cấu hình:

Hộp số là loại giảm tốc một tốc độ với tỉ số truyền là 9,37:1.

2. Động cơ điện

Động cơ điện xoay chiều 3 pha gồm có 2 phần chính là rô to và stato được đặt trong một vỏ bằng nhôm đúc. Một phần của vỏ động cơ dùng chung với vỏ hộp số. Thiết kế này để đảm bảo tính tích hợp giữa động cơ và hộp số, không cho tách rời chúng khỏi nhau. Đồng thời nó cũng giúp giảm trọng lượng và giá thành của hệ truyền động.

Stato động cơ được ghép từ nhiều là thép kỹ thuật điện có cách rãnh để đặt các cuộn dây và phim cách điện. Cảm biến nhiệt độ stato cũng được đặt trong cuộn dây này. Stato được nối trực tiếp với bộ biến tần, không sử dụng cáp và giắc nối. Thiết kế này giúp giảm trọng lượng, giá thành, giảm tổn hao điện, hư hỏng từ đó năng cao hiệu suất hệ truyền động và phạm vi hoạt động của xe.

Rô to được tạo thành từ các lá thép kỹ thuật điện và có các thanh đồng bố trí đều xung quanh chu vi của rô to (rô to lồng xóc). Cả khối rô to được gắn trên một trục quay với vòng bi ở 2 đầu trục giúp cho rô to quay trong quá trình hoạt động.

1 – Đầu vào 3 cuộn dây stato, 2 – Vòng bi rô to, 3 – Encorder, 4 – Cảm biến encorder, 5 – Rô to, 6 – Stato

Hình 3. Cấu tạo động cơ điện trên xe Model S

Tốc độ động cơ được đo bởi cảm biến hai kênh hiệu ứng Hall. Cảm biến sẽ theo dõi chuyển động quay của các răng trên encoder gắn ở trục của rô to. Tín hiệu ra của cảm biến là hai xung vuông lệch pha nhau 90⁰ . Bo mạch biến tần của động cơ sử dụng tín hiệu tần số của encoder để xác định tốc độ quay của động cơ và sử dụng tín hiệu góc lệch pha giữa hai xung để quyết định chiều quay của động cơ.

4. Bộ biến tần.

Các tín hiệu từ cần số, bàn đạp chân ga, bàn đạp phanh sẽ được gửi tới bộ biến tần. Căn cứ vào các tín hiệu đó, biến tần sẽ tạo ra dòng điện xoay chiều cấp vào động cơ để đảm bảo tạo ra tốc độ, mô men và chiều quay phù hợp giúp xe chuyển động theo ý người điều khiển.
Bộ biến tần là một hệ thống hai chiều. Nó biến đổi dòng điện của pin thành dòng điện cung cấp cho động cơ điện theo hai chiều và tạo ra mô men quay theo 2 chiều tương ứng. Phanh tái tạo được thực hiện bằng cách biến mô men quay âm thành dòng điện nạp ngược lại cho pin. Phanh tái tạo chỉ hoạt động khi hệ thống ổn định thân xe và hệ thống chống bó cứng phanh hoạt động.

1 – Biến tần, 2 – Đầu vào cáp cao áp, 3 – Nắp đậy giắc kết nối cáp cao áp, 4 – Giắc nối điện áp 12V

Hình 4. Bộ biến tần

5. Hộp số

1 – Bánh răng vành chậu, 2 – Vỏ hộp số, 3 – Bánh răng vi sai, 4 – Bánh răng trục trung gian, 5 – Bơm dầu, 6 – Phớt làm kín, 7 – Vòng bi bộ vi sai

Hình 5. Cấu tạo hộp số xe điện

Hộp số trên xe điện là loại giảm tốc một cấp tốc độ, nằm giữa động cơ điện và biến tần. Hộp số được kết nối với bánh sau thông qua hai trục truyền động (bán trục) có chiều dài bằng nhau. Hộp số sử dụng kiểu bố trí ba trục lệch với hai bánh răng giảm tốc. Vỏ hộp số bằng nhôm đúc chứa các trục và bánh răng. Trên vỏ hộp số có các lỗ đổ/ thăm dầu và lỗ xả dầu. Không như hộp số trên xe ô tô truyền thống, hộp số trên xe điện không có các cơ cấu cơ khí liên kết với cần chuyển số, không có chốt hãm khi đỗ xe, không có số 0 (N) và không có số lùi (R). Việc lùi xe được thực hiện bằng cách đảo chiều quay động cơ. Trong khi đó số (N) được thực hiện bằng cách tắt động cơ điện.

6. Bộ vi sai

Bộ vi sai trong hộp số trên xe điện tương tự như trên các xe ô tô truyền thống. Nó có tác dụng để 2 bánh xe có thể quay với tốc độ khác nhau khi xe quay vòng.

7. Trục truyền động

1 – Then hoa, 3,5 – Cao su chụp bụi, 2, 6 – Vòng lăn ngoài của khớp nối, 4 – Bán trục

Hình 6. Trục truyền động

Có kết cấu tương tự như trục truyền động trên ô tô truyền thống với hệ dẫn động cầu trước. Nó bao gồm 2 bán trục 2 bên có chiều dài bằng nhau. Ở hai đầu có 2 khớp nối có tốc độ không đổi và chụp cao su bảo vệ khớp nối khỏi bụi bẩn. Đầu bên trong của bán trục sẽ liên kết vào bộ vi sai, đầu phía ngoài sẽ liên kết vào moay ơ bánh xe bằng then hoa.

8. Dầu bôi trơn

Hộp số có tích hợp một bơm dầu được lai bởi bộ vi sai trong quá trình xe chạy tiến. Thiết kế của hộp số cho phép nó được bôi trơn một cách phù hợp khi xe chạy lùi cho dù lúc này bơm dầu không làm việc. Dầu được hút từ đáy các te thông qua lọc dầu và đường ống, cung cấp đến các bánh răng và ổ bi. Lọc dầu giúp ngăn cho các chất cặn bẩn đi vào bơm dầu, các bánh răng và ổ bi. Sau khi bôi trơn dầu sẽ rơi về đáy các te, ở đây có bố trí nam châm để hút các mạt thép sinh ra trong quá trình làm việc của hộp số tránh việc chúng quay trở lại làm hỏng các bề mặt làm việc của các chi tiết.

9. Hệ thống làm mát

Động cơ điện, hộp số và bộ biến tần dùng chung hệ thống làm mát bằng chất lỏng. Công chất lỏng đi vào từ phía động cơ điện, đi qua hộp số và đi ra ở phía biến tần thông qua hàng loạt các đường ống phía bên trong các bộ phận. Bộ truyền động được làm mát bằng cách sử dụng hỗn hợp glycol/nước tuần hoàn trong hệ thống. Chất làm mát đi từ bộ tản nhiệt, qua bơm, đến ống góp. Vòng làm mát bên trong được chia thành hai đường dẫn bởi ống góp trên nắp vỏ sau động cơ điện.

Chất làm mát từ đáy của ống góp được dẫn vào áo làm mát stato trong vỏ. Từ stato, chất làm mát chảy qua bộ biến tần trước khi ra khỏi bộ truyền động qua cửa xả chất làm mát. Nhiệt được truyền từ các thành phần này sang chất làm mát. Chất làm mát quay trở lại bộ tản nhiệt nơi nhiệt độ của chất làm mát được giảm xuống do không khí chạy qua các cánh tản nhiệt trước khi nó quay lại mạch làm mát. Hệ thống hoạt động ở áp suất từ ​​5 psi (35 kPa) đến 19 psi (130 kPa). Nhiệt độ hệ thống được duy trì dưới 85°C (185°F).

Nước làm mát từ tâm của ống góp được đưa đến trục rôto, trục này rỗng. Chất làm mát chảy vào trục, quay trở lại dọc theo thành bên trong. Mạch làm mát rôto trực tiếp này là một cải tiến mới cho Model S. Chất làm mát quay trở lại từ rôto đi ra khỏi đầu ống góp và chảy qua đường ống làm mát đến bộ làm mát hộp số, sau đó đi ra ngoài qua cửa xả chất làm mát.

Đường ống dẫn khí kết nối phần trên của áo làm mát stato và đầu ra chất làm mát sẽ loại bỏ bóng khí xuất hiện trong hệ thống làm mát.

1 – Ống thông hơi, 2 – Lỗ thông hơi hộp số, 3 – Đường ống nước làm mát, 4 – Đường nước vào, 5 – Ống góp nước làm mát, 6 – Bầu làm mát rô to, 7 – Áo nước làm mát stato, 8 – Lỗ xả dầu hộp số, 9 – Lỗ thăm/nạp dầu số
Hình 7a. Hệ thống làm mát phía bên động cơ điện

1 – Ống thông hơi, 2 – Đường ống nước làm mát, 3 – Bầu làm mát hộp số, 4 – Đường nước ra
Hình 7b. Hệ thống làm mát phía bên biến tần

10. Hoạt động của hệ truyền động.

a. Chuyển số.

Lẫy chuyển số là một phần trong mô đun điều khiển trụ lái (Steering Column Control Module – SCCM) được bố trí ở trên trụ lái. SCCM gửi các tín hiệu CAN thân xe tốc độ cao 500 kBd tới cổng giao tiếp Tesla phụ thuộc vào số được chọn là: P, R, N hay D. Tín hiệu Can này sau đó được truyền đến bộ biến tần thông qua đường truyền CAN truyền lực tốc độ cao 500 kBd.

* Số N

Khi người lái cần dừng xe trong một khoảng thời gian nhất định như chờ tín hiệu đèn giao thông, lúc này có thể chuyển sang số N và đạp phanh. Khi xe đang ở số N, động cơ điện sẽ không quay. Biến tần lúc này sẽ ở trạng thái chờ. Khi muốn chuyển từ số N sang số D hoặc R thì cần phải đạp phanh.

* Số D (tiến)

Số D có thể được chọn khi xe đang đỗ, đang đi tiến hoặc xe đang đi lùi với tốc độ dưới 5 dặm/giờ. Nếu xe đang ở số N trong thời gian hơn 1 giây và xe chuyển động với tốc độ nhỏ hơn 5m/giờ thì cần phải nhấn bàn đạp phanh để chuyển sang số D hoặc R. Nếu người lái chọn số D khi xe đang ở số N và bàn đạp ga được nhấn thì động cơ sẽ không quay cho đến khi bán đạp ga được nhả ra nhằm đảm bảo an toàn. Nếu xe đang ở số N trong thời gian hơn 1 giây và xe chuyển động với tốc độ nhỏ hơn 0.5 dặm/giờ thì cần phải nhấn bàn đạp phanh và nhả bàn đạp ga để chuyển sang số D hoặc R. Trên những xe cung cấp cho thị trường châu Âu, nếu thao tác chuyển số sai thì xe sẽ chuyển sang số N. Trong khi với những thị trường khác, thì việc này sẽ không làm thay đổi số hiện tại của xe.

* Số R (lùi)

Số lùi có thể chọn được khi xe đi tiến với tốc độ nhỏ hơn 5 dặm/giờ. Tốc độ lùi tối tối đa được giới hạn ở 15 dặm/giờ. Nếu người lái chọn số R khi xe đang ở số N, xe đang đỗ và bàn đạp ga được nhấn thì động cơ sẽ không quay cho đến khi bán đạp ga được nhả ra nhằm đảm bảo an toàn.

Việc xe chạy lùi được thực hiện bằng cách đảo chiều quay của động cơ. Khi xe đang chạy tiến với tốc độ lớn hơn 5 dặm/giờ, việc chuyển sang số R sẽ không được chấp nhận.

* Số P (đỗ)

Phanh đỗ điện tử (Electronic Park Brake-EPB) được kích hoạt để tránh cho xe bị trôi. Và nó sẽ tự động nhả khi người lái chuyển từ số P sang D hoặc N. Hộp số trên xe điện không có cơ cấu chốt hãm như trên xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong.

* Từ chối yêu cầu chuyển số.

Có thể chọn bất kỳ số nào ở bất kỳ thời điểm nào, tuy nhiên, nếu việc chuyển số không phù hợp sẽ không được thực hiện cho đến khi những điều kiện yêu cầu được đáp ứng. Xe sẽ phát ra cảnh báo bằng âm thanh khi chọn số không phù hợp.

* Mô men xoắn nhỏ

Nếu xe đang ở số D hoặc R và bàn đạp ga không được nhấn, một giá trị mô men cố định sẽ được động cơ duy trì để xe chạy với tốc độ chậm giống như hiệu ứng trên xe truyền thống dùng hộp số tự động. Chế độ này có thể được bật tắt bởi người lái thông qua màn hình cảm ứng trên xe.