Nghiên cứu bộ điều khiển sạc pin cho xe điện

Để cung cấp năng lượng cho các loại xe điện thì các bộ sạc xe điện cũng được nghiên cứu để có thể vừa tối ưu được hiệu suất cao vừa đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.. + Các chỉ ti

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN SẠC PIN

CHO XE ĐIỆN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 11/2022

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2022

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Nguyễn Chí Nhân Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/05/1997 Nơi sinh: TP.HCM

Quê quán: Cần Giờ, TP.HCM Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 763 ấp Bình An, xã Bình Khánh, huyện Cần Giờ, Tp

Hồ Chí Minh

Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0988183748

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 9/2015 đến 12/ 2019

Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Ngành học: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử

Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế hệ thống điện gió tại dự án Thanh Phong huyện Thạnh Phú – tỉnh Bến Tre

Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 23/07/2019 tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Người hướng dẫn: TS Trần Quang Thọ

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

1/2020 - nay Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Cao

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 9 năm 2022

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Tiến Sỹ Trần Quang Thọ– Người hướng dẫn khoa học đã trực tiếp dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo trong Khoa Điện – Điện tử đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu Mặc dù tôi đã dành nhiều thời gian nghiên cứu, tìm hiểu kiến thức liên quan, tuy nhiên trong Luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót, hạn chế Tôi kính mong Quý thầy cô, các chuyên gia, những người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình

và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng góp, giúp đỡ để đề tài được hoàn thiện hơn Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 9 năm 2022

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN iii

LỜI CẢM ƠN iv

DANH SÁCH CÁC BẢNG vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH viii

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

Chương MỞ ĐẦU 1

Tính cần thiết của đề tài 1

Nhiệm vụ của đề tài 3

Giới hạn của đề tài 3

Các bước tiến hành 3

Tính thực tiễn 3

Phương pháp nghiên cứu 4

Nội dung đề tài 4

Tiến độ thực hiện đề tài 5

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN 6

1.1 Hiện trạng của các bộ sạc cho xe điện hiện nay 6

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 7

1.3 Các tiêu chuẩn về bộ sạc trên thế giới 9

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Cấu hình phần cứng 15

2.2 Các thành phần của bộ sạc 17

2.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha 17

2.2.2 Mạch tăng áp DC 19

2.2.3 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB 21

2.3 Nguyên lý điều khiển bộ sạc 29

2.3.1 Mô hình Pin sạc 29

2.3.2 Tìm hiểu về chế độ sạc cho pin Li-ion 31

2.3.2 Nguyên lý điều khiển 33

Chương 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 38

3.1 Tham số cài đặt 38

3.2 Kết quả khảo sát 39

3.2.1 Thông số mạch 39

Chương 4 TỔNG KẾT 47

4.1 Kết luận 47

4.2 Định hướng cho tương lai của đề tài 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2-1: Các công nghệ mạch chuyển đổi dựa trên số công tắc bán dẫn 16

Bảng 2-2: Thông số của mô hình Pin sạc khảo sát 30

Bảng 3-1: Thông số khảo sát 38

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 0.1: Lượng khí thải phát ra hằng năm từ năm 1750 đến 2020 [1] 2

Hình 0.2: Lượng khí thải từ việc đốt nhiên liệu theo khu vực [2] 2

Hình 1.1: Tiêu chuẩn về nguồn và bộ sạc của các nước và khu vực trên thế giới [7] 11 Hình 1.2: Các tiêu chuẩn đối với các bộ sạc theo SAE International [8] 12

Hình 1.3: Bộ sạc Onboard trên xe điện [9] 13

Hình 1.4: Sơ đồ bộ sạc Offboard cho xe điện [10] 14

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết nguyên lý hoạt động của bộ sạc xe điện 17

Hình 2.3: Mạch chỉnh lưu cầu một pha 17

Hình 2.4 (a): Dạng sóng điện áp đầu vào của nguồn xoay chiều 18

(b): Dạng sóng sau khi đã qua bộ chỉnh lưu 18

Hình 2.5: Mạch tăng áp DC 19

Hình 2.6: Ứng dụng của bộ DAB 22

Hình 2.7: Sơ đồ mạch bộ biến đổi tích cực kép DAB 22

Hình 2.8: Mô tả công suất truyền của DAB dựa trên nguyên lý dịch pha 23

Hình 2.9: Mô tả dạng sóng của bộ DAB xung kích các công tắc bán dẫn S1, S2, S3, S4 và dòng điện, điện áp qua cuộn kháng [28] 23

Hình 2.10: Đường đặc tính công suất truyền của mạch cầu H tích cực kép [28] 26

Hình 2.11: Đặc tính sự phụ thuộc giữa góc dịch pha và độ tự cảm trong bộ DAB [28] 28

Hình 2.12: Dòng điện ngõ ra của DAB [28] 29

Hình 2.13: Thông số mô phỏng cài đặt cho bộ Pin 31

Hình 2.14: Đường đặc tuyến mô tả của quá trình sạc CC/CV 33

Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bộ sạc [29] 33

Hình 2.16: Mạch điều khiển mạch tăng áp có PFC 34

Hình 2.17: Dạng sóng điều khiển dịch pha của DAB 35

Hình 2.18a: Nguyên lý điều khiển sạc CC/CV 36

Hình 2.18b: Nguyên lý điều chế xung kích DAB 36

Hình 3.1: Mạch điều khiển xung kích PFC 39

Hình 3.2: Mạch phát xung kích cho phía sơ cấp (Gfix) và phía thứ cấp (Gshi) 39

Hình 3.3: Mạch điều khiển tín hiệu sạc CC/CV 40

Hình 3.4: Điện áp ngõ ra của mạch booster so với điện áp tham chiếu 40

Hình 3.5: Dạng sóng xung kích dịch pha mạch DAB 41

Hình 3.6: Dạng sóng dòng điện và điện áp nguồn khi sạc với dòng điện là 50A tại thời điểm 1950s 41

Hình 3.7: Dòng điện trong quá trình sạc CC với dòng 50A 42

Hình 3.8: Điện áp của pin trong quá trình sạc ứng với dòng 50A 42

Hình 3.9: SoC của pin khi sạc ứng với dòng với dòng 50A 42

Hình 3.10 Dạng sóng dòng điện và điện áp khi gần kết thúc quá trình sạc 43

Hình 3.11: Công suất nguồn, công suất sạc (a) và hiệu suất mạch sạc (b) 43

Hình 3.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện khi sạc ở dòng 60A 44

Hình 3.13: Điện áp sạc khi sạc với dòng điện 60A 44

Hình 3.14: Dòng điện khi sạc ở mức 60A 44

Hình 3.15: SoC khi sạc ở dòng 60A 45

Hình 3.16: Dạng sóng dòng điện và điện áp nguồn khi quá trình sạc gần kết thúc 45

Hình 3.17: Công suất của nguồn lưới và công suất sạc (a) và hiệu suất mạch sạc (b) tương ứng với dòng sạc là 60A 46

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

EV: (Electric Vehical) Xe ô tô điện

PFC (Power factor correction) bộ điều chỉnh hệ số công suất

EMI filter (Electro manegtic compatibility) bộ lọc nhiễu điện từ

DAB (Dual Active Bridge) Bộ chỉnh luu cầu tích cực kép

AC (Alternative current) Dòng điện xoay chiều

DC (Direct current) Dòng điện một chiều

BEV (Batery Electric Vehicle) Xe điện sử dụng pin

PHEV (A plug-in hybrid electric vehicle) Xe điện lai sạc điện

HEV (Hybrid Vehicle) Xe điện lai

Vbat Điện áp sạc pin

Ibat Dòng điện sạc pin

Vs Điện áp lưới

Is Dòng điện lưới

G_fix Xung cố định phía sơ cấp

G_shi Xung dịch pha phía thứ cấp

G_boo Xung kích mạch boost

SoC (State of Charge) Trạng thái sạc của pin

Chương MỞ ĐẦU

Tính cần thiết của đề tài

Cùng với sự phát triển của xã hội, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nước đang diễn ra nhanh Đời sống của con người hiện nay không ngừng được cải thiện Nhu cầu đi lại, chuyên chở cũng vậy, các loại phương tiện di chuyển liên tục được sản xuất

và sử dụng nhưng chính vì thế cũng kéo theo những vấn đề chưa được giải quyết triệt

để Cụ thể ở đây chính là các phương tiện di chuyển hiện tại chủ yếu dùng xăng dầu – một nguồn nguyên liệu được cho là có hạn, không những thế, việc đốt xăng dầu còn tạo ra khí thải gây ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính, nguyên nhân chính dẫn đến việc nhiệt độ của trái đất đang dần nóng lên Hình 0.1 dưới đây cho thấy lượng CO2

mà con người thải ra do việc đốt nhiên liệu tính nên năm 2020 Có thể thấy lượng khí

CO2 từ các hoạt động của con người tăng rất nhanh từ đầu những năm 1900, đó cũng

là lúc xe sử dụng động cơ đốt trong ra đời và dần phổ biến Đến năm 2020 con số này

đã vượt con số 35 tỉ tấn, một con số đáng báo động Hình 0.2 cho thấy lượng khí thải

CO2 theo từng khu vực, có thể thấy phần lớn nằm ở các nước đông dân cư, các nước phát triển và đang phát triển nơi mà các máy móc thiết bị cũng như các phương tiện giao thông truyền thống được sử dụng rất nhiều Vì thế, cần có những giải pháp giảm thiểu sự ảnh hưởng của các tác động xấu này

Để giảm lượng khí phát thải này, việc cần thiết là phải tìm một nguồn năng lượng có thể thay thế được cho các thiết bị, máy móc sử dụng nguồn năng lượng truyền thống

Cụ thể là từ các nguồn năng lượng tái tạo đồng thời cũng cần tìm 1 giải pháp hiệu quả hơn để lưu trữ nguồn năng lượng này

Hình 0.1: Lượng khí thải phát ra hằng năm từ năm 1750 đến 2020 [1]

Hình 0.2: Lượng khí thải từ việc đốt nhiên liệu theo khu vực [2]

Từ đó xe điện EV (Electric Vehical) ra đời Xe điện sử dụng năng lượng chính từ điện năng, vì thế không tạo ra khí thải gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra động cơ điện cũng hoạt động êm ái hơn, ít tạo ra tiếng ồn hơn so với động cơ đốt trong dùng xăng dầu

Để cung cấp năng lượng cho các loại xe điện thì các bộ sạc xe điện cũng được nghiên cứu để có thể vừa tối ưu được hiệu suất cao vừa đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng Tuy nhiên, các nghiên cứu về các bộ sạc cho xe điện hiện nay vẫn chưa nhiều, đặc biệt là ở Việt Nam

Nhiệm vụ của đề tài

- Nghiên cứu bộ sạc cho xe điện với hiệu suất cao, đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật cũng như sự an toàn trong lúc sạc

Giới hạn của đề tài

- Nghiên cứu bộ sạc sử dụng cầu H tích cực kép (Bi-Directional DAB) cho xe điện ở mức Lv2

Các bước tiến hành

- Tổng quan về bộ sạc cho xe điện EV (Electric Vehicle)

- Tìm hiểu các thành phần của bộ sạc, ảnh hưởng của các tham số trong suốt quá trình sạc

- Nghiên cứu điều khiển, mô phỏng bộ sạc bằng phần mềm MATLAB/SIMULINK, nhằm đảm bảo tính trực quan trong quá trình khảo sát

- Kết luận và đưa ra hướng phát triển của đề tài

Phương pháp nghiên cứu

- Đề tài sử dụng các phương pháp sau:

+Phương pháp phân tích: được thực hiện bằng cách phân tích nguyên lý hoạt động của

bộ sạc giúp cho đề tài có cách tiếp cận tổng quát, khoa học và xác định đúng hướng nghiên cứu

+ Phương pháp mô phỏng: phương pháp điều khiển bộ sạc đã được kiểm tra trên phần mềm MATLAB/Simulink để thể hiện tính trực quan và độ tin cậy cao trong miền khảo sát mong muốn

+ Các chỉ tiêu kỹ thuật của giải pháp điều khiển đều đã được xem xét một cách định lượng dựa vào các ràng buộc về dòng sạc, điện áp sạc cũng như nhiệt độ bộ pin trong khi sạc

Nội dung đề tài

Chương mở đầu

Chương 1: Tổng quan về bộ sạc cho xe điện

1.1 Hiện trạng và xu hướng của các bộ sạc xe điện hiện nay

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3 Các tiêu chuẩn về bộ sạc trên thế giới

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Nguyên lý hoạt động của bộ sạc

2.2 Các thành phần của bộ sạc

2.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha

2.2.2 Mạch tăng áp DC

2.2.3 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB

2.2.4 Nguyên lý điều khiển bộ sạc

Chương 3: Mô phỏng hệ thống trong phần mềm MATLAB/SIMULINK

3.1 Tham số cài đặt

3.2 Kết quả mô phỏng

Chương 4: Tổng kết

Tiến độ thực hiện đề tài

Tháng 2/2021: Nhận đề tài, tìm kiếm tài liệu liên quan và viết chương MỞ ĐẦU, chương

1

Tháng 3/ 2021: Tiến hành nghiên cứu các tài liệu liên quan, viết chương 2

Tháng 4,5,6/ 2021: Tổng hợp tài liệu và tiến hành mô phỏng

Tháng 7,8,9,10/ 2021: Viết và hoàn thành chương 1,2

Tháng 11/ 2021: Báo cáo chuyên đề, lắng nghe góp ý về hướng đi của đề tài

Tháng 1,2,3/ 2022: Hoàn thành chương 3,4

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN

1.1 Hiện trạng của các bộ sạc cho xe điện hiện nay

Sự thiếu hụt về vấn đề nhiên liệu về nhiên liệu cũng như vấn đề ô nhiễm môi trường và nóng lên toàn cầu hiện nay do phát thải từ các loại xe dùng động cơ đốt trong truyền thống

đề ra một bài toán cần phải giải quyết Từ đó việc nghiên cứu xe điện được thúc đẩy để giảm thiểu lượng khí thải phát ra môi trường

Chiếc xe chạy bằng điện đầu tiên được ra đời vào năm 1834, tuy nhiên ở thời điểm đó xe chạy bằng điện chưa được sử dụng rộng rãi cũng như cân nhắc để có thể thay thế xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch Tuy nhiên với sự phát triển của công nghệ hiện nay, thời điểm

mà các nguồn năng lượng tái tạo đang được chú trọng cũng như công nghệ về vật liệu về pin đang có những bước tiến mới Công nghệ về xe điện cũng đang dần có bước chuyển mình mạnh mẽ và được nghiên cứu bởi nhiều hãng xe lớn trên thế giới với nhiều mẫu xe

đã và đang đi vào sử dụng hằng ngày

Ưu điểm là ở đó, tuy nhiên xe điện vẫn có những nhược điểm như quãng đường di chuyển còn ngắn, mất nhiều thời gian để sạc đầy cũng như chi phí ban đầu phải bỏ ra lớn So với

xe truyền thống thì chỉ cần đổ đầy nhiên liệu không mất quá nhiều thời gian cũng như có thể dự trữ khi đi đường dài Tuy nhiên hiện nay cũng đã có nhiều tập đoàn lớn đưa vào hoạt động các loại xe với công nghệ mới giúp rút ngắn thời gian sạc, cũng như có thể đi được quãng đường xa hơn Đơn cử như hãng xe điện Tesla với sản phẩm Tesla Model X P100D

có thể đi được 542 km chỉ sau 1 lần sạc

Các yếu tố ảnh hưởng đến quãng đường đi được cho một lần sạc của một chiếc xe điện phuộc thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ pin lưu trữ năng lượng trong xe và của động

cơ Loại pin dùng chủ yếu trong công nghệ sản xuất xe điện hiện nay đó chính là ion Các pin này được kết nối với nhau tạo thành một bộ pin (battery pack) Năng lượng lưu trữ trong các bộ pin này là ở dạng một chiều Ưu điểm của pin Lithium-ion là mật độ lưu trữ năng lượng lớn, tuổi thọ cao khối lượng nhẹ và kích thước nhỏ gọn thân thiện với

Lithium-môi trường so với ac-quy Tuy nhiên cũng có nhược điểm là nhạy cảm và dễ hư hỏng bởi nhiệt, nghĩa là công nghệ của bộ sạc cũng phải chú ý đến nhiệt độ phát ra trong suốt quá trình sạc

Ngoài ra vẫn còn một vấn đề vô cùng quan trọng cần phải suy xét đến đó chính là thời gian sạc đầy cho pin Thời gian sạc càng ngắn tính tiện dụng càng cao Tuy nhiên việc tăng công suất sạc để giảm thiểu thời gian cũng phải nằm trong tiêu chuẩn cho phép, ở đây cụ thể là nhiệt độ của bộ pin đã nêu trên Nhiệt độ hay cường độ sạc thế nào còn tùy thuộc vào từng loại bộ pin cụ thể Nếu nhiệt độ quá cao sẽ dễ dẫn đến cháy nổ hoặc làm nhanh quá trình hóa rắn giữa các lớp điện phân khiến nội trở của pin tăng lên, dẫn đến hiện tượng “chai” làm rút ngắn tuổi thọ pin

Việc nghiên cứu các bộ sạc có góp phần cho sự phát triển trong tương lai của xe điện Đóng góp vào việc rút ngắn thời gian sạc cũng như đảm bảo tuổi thọ của pin

1.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

 Nghiên cứu trong nước

Nghiên cứu mô hình sạc năng lượng cho xe điện và phương án bố trí mô hình trên đường phục vụ du lịch tại thành phố đà nẵng

“Việc xây dựng mô hình cung cấp năng lượng sử dụng năng lượng mặt trời cho xe điện đóng vai trò lớn và ý nghĩa quan trọng cho các phương tiện phục vụ du lịch xanh tại Đà Nẵng Bài báo đã phân tích quá trình tối ưu các phương án cung cấp năng lượng để nạp điện cho xe điện trong thời gian ngắn nhất và tiết kiệm năng lượng nhất Mô hình đã được chế tạo và bố trí theo các phương án tại các điểm dừng của xe điện trong thời gian vận chuyển khách tại thành phố Đà Nẵng Kết quả sau khi tối ưu các phương án đã đưa ra các thông số của năng lượng để so sánh và đánh giá được nhu cầu sử dụng năng lượng mặt trời

để cung cấp cho xe điện trong tương lai Bài báo cũng đã đưa ra các giải pháp trong quá trình cung cấp năng lượng cho xe điện để tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm môi trường góp phần phát triển bền vững trong vấn đề giao thông sạch trong cả nước” [3]

 Nghiên cứu ngoài nước

Bi-Directional, Dual Active Bridge Reference Design for Level 3 Electric Vehicle Charging Stations

“Thiết kế tham khảo này cung cấp một cái nhìn tổng quan về việc triển khai bộ chuyển đổi DC-DC (DAB) một pha Ứng dụng trong các trạm sạc EV và các ứng dụng lưu trữ năng lượng.” [4]

Simultaneous quick-charging system for electric vehicle

“Xe điện (EV) đã nhận được sự quan tâm sâu sắc và được triển khai trên toàn cầu do các đặc tính có lợi của nó bao gồm hiệu quả năng lượng cao hơn và tác động môi trường thấp hơn Theo kết quả của nghiên cứu, nhiệt độ môi trường xung quanh ảnh hưởng mạnh mẽ đến hành vi sạc EV Sạc trong mùa hè dẫn đến tốc độ sạc cao hơn, do đó, thời gian sạc ngắn hơn Hơn nữa, đã phát triển hệ thống sạc có thể hỗ trợ sạc nhanh đồng thời cho xe điện trong cả mùa đông và mùa hè so với hệ thống sạc nhanh thông thường.” [5]

An Overview of Electric Vehicles Fast Charging Infrastructure

“This paper describes electric vehicle charging infrastructure, which is an important element of the mobility market It presents electric vehicle functional groups, where smart chargers are the most popular and provide lots of benefits in respect to offline ones It also depicts chargers types according to a connector type, charger power and its application It investigates communication protocols, referring to applicable electric vehicles standards Different charging modes allows to charge an electric vehicle, where a series of complex conditions are desirable in order to ensure as well as AC and DC charging with high power level DC communication method is described and analysed together with ISO 15118 standard and its structure In addition it describes OCCP protocol which ensures communication between an operator and the charger.”[6]

Design of Ultra-Fast Electric Vehicle Battery Charger

“As the world move towards using Electric Vehicles (EVs) as a sustainable way of commuting, the demand for finding solutions to charge EVs as quickly as filling a fuel tank

of an Internal Combustion Engine (ICE) vehicle increases In this paper, the performance

Discontinuous Inductor Conduction Mode (DICM) are assessed for Ultra-Fast Charging (UFC) of low voltage EV batteries such as the one used in golf carts Besides, state-space modeling for the Cuk converter operating in DICM is carried out to design the output current controller The designs were simulated and verified using MATLAB/Simulink, and the results show that the size and the complexity of the controller can be reduced when the Cuk converter operates in DICM, meeting the requirements of international standards.”[7]

1.3 Các tiêu chuẩn về bộ sạc trên thế giới

Các chủng loại xe điện hiện nay

Battery Electric Vehicle (BEV):

Battery Electric Vehicle (BEV) thường được gọi với cái tên EV (Electric Vehicle) là loại

xe sử dụng hoàn toàn động cơ điện với bộ pin có thể nạp lại được và không dùng động cơ xăng truyền thống Xe BEV tích điện trong các bộ pin có dung lượng lớn và được dùng để chạy động cơ điện hay các bộ phận sử dụng điện khác vì thế xe BEV không thải ra khí gây

ô nhiễm môi trường Xe BEV được nạp điện bằng các nguồn bên ngoài Bộ nạp này được phân loại dựa trên tốc độ nạp đầy pin trên mỗi xe BEV [8]

Plug-in Hybrid Electric Vehicle (PHEV):

Plug-in Hybrid Electric Vehicle hay PHEV Còn được gọi là xe điện lai có thể hoạt động với nguồn năng lượng từ Pin hay với cả nhiên liệu đốt truyền thống

Trong khi các xe hybrid bình thường có thể di chuyển vài chục dặm tùy theo thiết kế của nhà sản xuất đến khi nguồn năng lượng từ pin cạn kiệt sau đó động cơ xăng được sử dụng thay thế Loại xe này có thể sử dụng linh hoạt cho các chuyến đi ngắn, trong thành phố khi

mà một lần sạc có thể đảm bảo cho xe hoạt động với nguồn điện trong suốt hành trình Đối với những quãng đường xa và cần phải di chuyển liên tục, xe PHEV cần được sạc đầy lẫn

đổ đầy nhiên liệu xăng, dầu, và có thể nhanh chóng được nạp đầy nhiên liệu ở các trạm dừng chân [8]

Hybrid Electric Vehicle (HEV)

Xe HEV bao gồm cả động cơ điện và động cơ xăng truyền thống Khác với PHEV, xe HEV không thể cắm nguồn để sạc phần pin trong xe Vì thế nguồn pin chỉ sử được sử dụng trong trường hợp nhất định như là khi đi 1 quãng đường ngắn hoặc tốc độ thấp Khi xe cần đi với tốc độ cao thì động cơ đốt trong truyền thống sẽ được sử dụng Nguồn năng lượng điện được sản sinh ra bởi chính hệ thống phanh của xe để nạp lại pin Hệ thống phanh này được gọi là phanh tái sinh, một quá trình mà trong đó động cơ điện giúp giảm tốc độ xe và chuyển một phần năng lượng thành nhiệt bằng hệ thống phanh Lưu ý răng pin trong xe HEV là một nguồn pin có dung lượng rất nhỏ [8]

Cả hai động cơ được điều khiển bởi máy tính trên xe để đảm bảo xe sẽ tiết kiệm nhiên liệu nhất trong từng điều kiện

Tiêu chuẩn về các bộ sạc trên thế giới

Nguồn năng lượng lưu trữ trong bộ pin của xe điện là năng lượng một chiều, trong khi các nguồn điện phổ biến lại là xoay chiều Do có cần có bộ sạc biến đổi năng lượng xoay chiều thành một chiều cung cấp cho bộ pin Ở mỗi vùng và các nước khác nhau đều

có tiêu chuẩn về nguồn điện của bộ sạc Để các bộ pin được sạc và đáp ứng được các tiêu chí về kỹ thuật thì cần phải tuân theo các tiêu chuẩn của hiệp hội ngành ô tô thế giới SAE (Society of Automative Engineer)

Hình 1.1: Tiêu chuẩn về nguồn và bộ sạc của các nước và khu vực trên thế giới [9]

Hình ảnh trên đây là tiêu chuẩn của các nước về thông số nguồn của bộ sạc Có sự khác nhau này là bởi vì cơ sở hạ tầng lưới điện ở mỗi vùng, quốc gia là khác nhau cũng như tùy vào loại xe điện được sạc (PEV/PHEV) Một số các tiêu chuẩn nổi bật như sau:

- IEC 61851-1 Tiêu chuẩn này xác định các mức sạc và đề cập đến các đặc tính và điều kiện hoạt động của thiết bị cung cấp và kết nối với phương tiện

- IEC 62196-1 Chủ yếu quy định phích cắm, ổ cắm, đầu nối xe và đầu vào cho EV / PHEV

- IEC 61980-1 Áp dụng cho các thiết bị để truyền điện không dây từ mạng lưới cung cấp đến các phương tiện giao thông đường bộ chạy bằng điện

- SAE J1772 Bao gồm các yêu cầu chung để tạo điều kiện sạc dẫn điện cho EV / PHEV

ở Bắc Mỹ

Hình 1.2: Các tiêu chuẩn đối với các bộ sạc theo SAE International [10]

Về bộ sạc cho xe điện

Các mức công suất cũng như thời gian sạc được trình bày như hình 1.2

Mức sạc AC level 1 được coi là chế độ sạc chậm khi thời gian sạc khá dài, có thể được sử dụng ở các khu gửi xe qua đêm, khách sạn, khu nghĩ dưỡng, hoặc các hộ dân có nhu cầu Với dòng sạc nhỏ và thời gian như trên xe có thể cắm sạc qua đêm và xe có thể được sạc đầy vào buổi sáng hôm sau mà không ảnh hưởng đến pin

Mức sạc AC level 2 là chế độ sạc trung bình khi mà thời gian sạc có thể dao động từ 7h (ở mức sạc 3.3kW) và nhanh nhất là 22 phút (ở mức sạc 20kW) thì lại thường được sử dụng

ở các trung tâm thương mại, các bãi đỗ xe và các khách sạn…

Cuối cùng là AC level 3, DC level 1 ,2, 3 được coi là chế độ sạc nhanh cho phép sạc đầy pin của xe điện trong khoảng từ 10 đến 30 phút có thể lắp tại các trạm dừng chân trên đường

quốc lộ, các trạm dừng chân nơi cần yêu cầu thời gian sạc nhanh cũng như không có quá nhiều không không gian để xây dựng

Bộ sạc cho xe điện có thể được trang bị bên trong hoặc bên ngoài xe Trong khi các bộ sạc

có công suất nhỏ như AC Lv1 và AC Lv2 có thể được trang bị trong xe (Onboard) thì các

bộ sạc có công suất lớn hơn thì lại được đặt ở ngoài (Offboard)

Ưu điểm của bộ sạc Onboard là có thể sạc bất cứ đâu chỉ với chiếc phích cắm đi kèm, cũng như không quan tâm để các tiêu chuẩn về phích cắm tuy do các hạn chế về linh kiện lớn cũng như không gian hạn chế trong xe nên bộ sạc Onboard cũng bị hạn chế theo thiết kế của xe điện Đồng thời cũng làm tăng giá thành sản xuất của xe Nhiệt độ của các bộ sạc đối với chuẩn sạc lv1 hoặc lv2 dưới 10kW là không đáng kể tuy nhiên với mức công suất cao hơn có thể ảnh hưởng đến quá trình sạc, quá trình vận hành cũng như các chi tiết khác của xe

Hình 1.3: Bộ sạc Onboard trên xe điện [11]

Đối với bộ sạc Offboard là các bộ sạc có công suất cao, thường là các trạm sạc AC lv3, DC lúc này quá trình sạc cần phải lưu tâm nhiều hơn về vấn đề nhiệt độ cũng như chọn giới hạn

công suất đầu ra cho phù hợp với từng loại xe Giá thành sạc cũng chắc chắn cao hơn so với khi sạc trực tiếp từ nguồn điện của sạc Onboard Các trạm sạc Offboard thích hợp hơn cho các công ty cung cấp dịch vụ sạc và các trung tâm thương mại, dịch vụ tích hợp hơn là

hộ gia đình

Bộ sạc ngoài đáp ứng cung cấp đầy đủ công suất sạc định mức còn phải gọn nhẹ, an toàn

và giá thành thấp để có thể mang tính cạnh tranh và hiệu quả hơn so với sử dụng các phương tiện di chuyển truyền thống

Hình 1.4: Sơ đồ bộ sạc Offboard cho xe điện [12]

Qua các thông tin từ chuẩn bộ sạc Hình 1.2 kể trên ta có thể thấy công suất đầu ra của bộ sạc AC Onboard lớn nhất có thể lên đến hơn 19Kw đối với bộ sạc AC lv2, với mức công suất này có thể gây ra nhiệt lượng đáng kể Tuy nhiên trong tiêu chuẩn này vẫn chưa đề cập đến vấn đề nhiệt độ trong quá trình sạc mà chỉ đề cập đến công suất cũng như thời gian sạc Với mỗi bộ pin khác nhau thì sẽ có thông số kỹ thuật về dòng điện và nhiệt độ khác nhau

Vì vậy nghiên cứu bộ sạc có thể thay đổi được dòng sạc cũng như đảm bảo về nhiệt độ trong quá trình sạc giúp mở rộng khả năng sạc cho các loại xe điện cũng như tạo ra các bộ sạc chuẩn hóa hơn cho các loại xe điện Điều đó thúc đẩy xe điện có thể phát triển mạnh

mẽ hơn cũng như tính tiện dụng trong tương lai gần

Hình 2.1: Sơ đồ khối nguyên lý bộ sạc xe điện

Hình 2.1 trình bày sơ đồ khối bộ sạc onboard trên xe điện Nhìn chung bộ sạc được chia làm hai tầng, tầng thứ nhất là tầng AC/DC bao gồm EMI filter Bộ chỉnh lưu có PFC Tầng còn lại là DC/DC converter và mạch lọc trước khi vào Pin Ngoài ra ở tầng DC/DC cũng cần có sự cách ly giữa phần pin của xe và phần lưới để đảm bảo an toàn cho người sử dụng Có nhiều phương pháp, cấu hình mạch DC/DC có thể đáp ứng những yêu cầu trên, phương pháp sử dụng máy biến áp xung cách ly giữa phần nguồn và pin đang là phương pháp được sử dụng phổ biến bởi tính đơn giản và hiệu quả mà nó mang lại [13]

Các mạch DC/DC có thể được cấu tạo theo nhiều phương thức khác nhau từ dạng đơn giản nhất với chỉ 2 công tắc bán dẫn đến dạng phức tạp như mạch cầu H tích cực kép (DAB) hoặc mạch cộng hưởng (Resonance converter) có đến 8 công tắc bán dẫn Bảng dưới đây trình bày về các công nghệ mạch chuyển đổi dựa trên số công tắc bán dẫn:

Bảng 2-1: Các công nghệ mạch chuyển đổi dựa trên số công tắc bán dẫn

Số lượng công tắc Kiểu bộ chuyển đổi

Dual Cuk [16]

Push pull forward [19]

Push pull flyback [20]

Dual Half Brigde [21, 22 – 23]

Resonance type [27]

Khi sử dụng cùng một loại công tắc như nhau thông thường bộ DC/DC có càng nhiều công tắc sẽ cho ra công suất đầu ra cao hơn [28] Trong đó Bộ chuyển đổi loại DAB bao gồm một máy biến áp giữa hai cầu, trong đó điện cảm của máy biến áp được mô tả là 'L' Dòng công suất được điều khiển bằng cách thay đổi độ lệch pha giữa hai cầu Bộ chuyển đổi DAB

có ưu điểm là đơn giản trong thiết kế và điều khiển cũng như hiệu quả cao

Nguyên lý chi tiết được trình bày như sau:

Điện áp xoay chiều được lấy từ nguồn điện lưới, bộ lọc nhiễu điện từ EMI Filter được kết nối giữa nguồn điện và khối sạc nhằm đáp ứng các tiêu chuẩn về nhiễu ảnh hưởng đến lưới điện Khối chỉnh lưu Rectifier biến dòng điện xoay chiều từ lưới thành một chiều Mạch tăng áp có PFC chức năng tăng điện áp ngõ vào đồng thời điều khiển độ lệch pha giữa tín hiệu điện áp và dòng điện ngõ vào từ đó hướng đến một hệ số công suất đơn vị, cải thiện sóng hài từ đó tối ưu chất lượng của bộ sạc Bộ DC/DC converter điều chỉnh dòng sạc dựa trên trạng thái đang sạc của pin như điện áp, SoC và có thể là nhiệt độ, qua đó điều khiển

công suất được đưa vào bộ pin Bộ biến đồi DC/DC có thể ở dạng 1 chiều (Undirectional DC/DC converter) hoặc hai chiều (Bidirectional DC/DC converter)

Dưới đây là mạch được khảo sát để thiết kế bộ điều khiển mạch sạc xe điện

2.2 Các thành phần của bộ sạc

2.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu một pha

Điện áp được sử dụng để sạc cho pin là điện áp một chiều, nguồn cấp là nguồn xoay chiều một pha có điện áp là 220V, vì vậy cần phải sử dụng bộ chỉnh lưu một pha biến điện áp xoay chiều thành một chiều Đơn giản nhất là sử dụng bộ chỉnh lưu cầu một pha như hình 2.3 Tuy nhiên phương pháp này lại dễ gây ra các sóng hài, ảnh hưởng đến điện áp lưới và

Hình 2.2: Sơ đồ chi tiết nguyên lý hoạt động của bộ sạc xe điện

Hình 2.3: Mạch chỉnh lưu cầu một pha

chất lượng điện năng, vì vậy cần phải sử dụng các bộ lọc sóng hài hoặc bộ điều chỉnh hệ số công suất PFC [26]

Như đã đề cập nguồn điện đầu vào của mạch sạc pin Lv2 có điện áp định mức là 220V Sau khi qua bộ lọc nhiễu thì điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu được tính như sau:

Vrec-o = 0.9*Vs = 0.9*220 = 198 (V) (2.1)

Hình 2.4 (a): Dạng sóng điện áp đầu vào của nguồn xoay chiều

(b): Dạng sóng sau khi đã qua bộ chỉnh lưu

Trong đó:

Vs là nguồn điện xoay chiều từ lưới hoặc trạm sạc

Vrec-o là điện áp trung bình ngõ ra của bộ chỉnh lưu

Điện áp đầu ra của mạch chỉnh lưu không đủ để sạc theo tiêu chuẩn mức sạc Lv2 đã nêu ở hình 2 Do đó điện áp đầu vào ở bộ DAB cần phải lớn hơn giá trị này Thường các giá trị đầu vào của bộ DAB hiện tại có thể lên đến >300VDC [29]

hệ số công suất, giảm tổn hao do sự lệch pha giữa dòng điện và điện áp

Khi đó, công suất tác dụng tức thời bao gồm thành phần một chiều và thành phần dao động với tần số 2 Khi đó phương trình của công suất tác dụng tức thời có dạng: