(Tiểu luận) đồ án tốt nghiệp đề tài thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng

CHƯƠNG 1: Tổng quan về thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng 1.1 Đặt vấn đề Mối quan tâm ngày càng tăng trong việc giảm lượng khí thải gây ô nhiễm do các phương tiện giao t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Giáo viên hướng dẫn : TS NGUYỄN HOÀNG MAI

Sinh viên thực hiện : Trần Ngọc Toàn 105170382

Ngành : Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

1

Đề tài: “Thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng”

Sinh viên thực hiện: Trần Ngọc Toàn

Số thẻ sinh viên: 10517038 Lớp: 17TDH2 Đề tài gồm

Chương 3: Thiết kế phần điều khiển

Giới thiệu tổng quan về vi điều khiển Mô hình hóa bộ Buck ở đầu thu Sữ dụngmột số bộ bù trong cấu trúc điều khiển (bộ bù Lead(PD), bộ bù Lag(PI), bộ bù Lead– Lag(PID)) Thiết kế bộ điều khiển mạch Buck converter

Chương 4: Mô phỏng, lắp ráp và đánh giá kết quả

2

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA ĐIỆN

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIÊhP

Họ và tên sinh viên: Trần Ngọc Toàn Số thẻ sinh viên:105170382Lớp: 17TDH2 Khoa: Điện Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự độnghóa

1 Tên đề tài đồ án:

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRẠM SẠC XE ĐIỆN KHÔNG DỪNG

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

.

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

Chương 1: Tổng quan về thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng.Chương 2: Thiết kế phần động lực

Chương 3: Thiết kế phần điều khiển

Chương 4: Mô phỏng, lắp ráp và đánh giá kết quả

5 Các bản vẽ và đồ thị: Bao gồm X bản vẽ

Bản vẽ số 1:

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Mai

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 10/2021

8 Ngày hoàn thành đồ án: 3/2022

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2022

3

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án tốt nghiệp là nhiệm vụ và yêu cầu của sinh viên để kết thúc khoá học trước khi tốt nghiệp ra trường, đồng thời nó cũng giúp cho sinh viên tổng kết được những kiến thức đã học trong suốt quá trình học tập, cũng như phần nào xác định được công việc mà mình sẽ làm trong tương lai khi tốt nghiệp ra trường

Với đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng”, sau khi

tìm hiểu và tiến hành làm đồ án, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy giáohướng dẫn về đề tài này đã đem lại cho em những kiến thức bổ ích và kinh nghiệmcho công việc tương lai sau này

Trong suốt quá trình làm đồ án với sự nổ lực của bản thân cùng với sự hướng

dẫn tận tình của Thầy: TS Nguyễn Hoàng Mai cùng các thầy cô khác trong khoa

đến nay đồ án của em đã được hoàn thành Mặc dù em đã cố gắng tìm tòi và học hỏi nhưng do kinh nghiệm, kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót trong quá trình làm đồ án Em rất mong nhận được sự giúp đỡ của các thầy cô và các bạn

để em hoàn thiện hơn về kiến thức chuyên môn

Em xin chân thành cảm ơn Thầy: TS Nguyễn Hoàng Mai đã tận tình hướng

dẫn em trong thời gian tìm hiểu và thực hiện Đề tài tốt nghiệp này Sự hướng dẫn, góp ý tận tình của thầy đã là nguồn động viên to lớn giúp em rất nhiều trong quá

trình thực hiện đề tài Và em cũng cảm ơn quý thầy cô trong Khoa Điện đã giúp đỡ

em rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này

Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô trong Khoa Điện thật dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau

Đà Nẵng, ngày … tháng … năm 2022Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Toàn– 17TDH2

CAM ĐOAN

Tôi tên là:Trần Ngọc Toàn, sinh viên lớp 17TDH2 Khoa Điện, trường Đạihọc Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng Tôi xin cam đoan bản đồ án này do tôi tự tínhtoán, thiết kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Hoàng Mai

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà không được ghi.Nếu sai tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Sinh viên thực hiện

Trần Ngọc Toàn – 17TDH2

Mục lục

CHƯƠNG 1: Tổng quan về thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng 9

1.1 Đặt vấn đề 9

1.1.1 Khái niệm WPTS 10

1.1.2 Cấu trúc hệ thống WPTS cơ bản 10

1.2 Tổng quan về cảm ứng điện từ 10

1.2.1 Luận điểm Maxwell thứ nhất – điện trường xoáy 10

1.2.2 Luận điểm Maxwell thứ hai- dòng điện dịch 12

1.2.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ 14

1.3 Các phương pháp nạp pin 15

1.3.1 Nạp với dòng điện không đổi 15

1.3.2 Nạp với điện áp không đổi 15

1.3.3 Phương pháp nạp kết hợp dòng và áp 15

1.4 Các hệ thống liên quan đến đề tài 16

1.4.1 WPTS quy nạp 16

1.4.2 WPTS cưỡng bức 17

1.4.3 WPTS cộng hưởng 18

1.5 Hệ thống thực hiện trong đề tài 20

1.6 Các ưu và nhược điểm của sạc không dây với sạc có dây 20

1.6.1 Ưu điểm 20

1.6.2 Nhược điểm 21

1.7 Các nghiên cứu liên quan cụ thể đã có 21

1.7.1 Primary-Side Power Flow Control of Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Charging 21

1.7.2 Overview of Wireless Charging Technologies for Electric Vehicles 22

CHƯƠNG 2: Thiết kế phần động lực 24

2.1 Giới thiệu phần động lực 24

2.1.1 Mục tiêu 24

2.1.2 Giới thiệu 24

2.1.3 Giới thiệu về các linh kiện có trong hệ thống 24

2.2 Sơ đồ khối phần động lực 32

2.2.1 Chỉnh lưu cầu diode 33

2.2.2 Bộ nghịch lưu cầu 1 pha 33

2.2.3 Hệ thống khớp nối 34

2.2.4 Bộ chuyển đổi Buck converter (DC-DC) 37

2.3 Tính toán phần động lực 38

2.3.1 Tính chọn cuộn dây và tụ ở hệ thống khớp nối 38

2.3.2 Bộ chỉnh lưu Diode 42

2.3.3 Bộ nghịch lưu tần số cao 42

2.3.4 Bộ Buck converter (DC-DC) 43

2.4 Sơ đồ chi tiết phần động lực 44

2.5 Thiết kế, tính toán phần bảo vệ 44

CHƯƠNG 3: Thiết kế phần điều khiển 47

3.1 Tổng quan về adruino 47

3.1.1 Giới thiệu về adruino 47

3.1.2 Chức năng 47

3.1.3 Phần cứng của Adruino Uno R3 47

3.2 Tổng quan về esp8266 48

3.2.1 Cấu tạo của ESP8266 48

3.2.2 Tính năng của ESP8266 49

3.2.3 Chức năng của ESP8266 trong đồ án 50

3.3 Sơ đồ khối toàn bộ của toàn bộ hệ thống 50

3.4 Thiết kế bộ điều khiển đầu phát 50

3.5 Thiết kế bộ điều khiển ở đầu thu 50

3.5.1 Mô hình hóa bộ Buck 50

3.5.2 Một số bộ bù sử dụng trong cấu trúc điều khiển DC/DC converter 53

3.5.3 Thiết kế bộ điều khiển mạch Buck converter 56

CHƯƠNG 4: Mô phỏng, lắp ráp và đánh giá kết quả 63

4.1 Mô phỏng Matlab 63

Hình ảnh

Hình 1.1 Cấu trúc WPTS cơ bản 10

Hình 1.2 Từ trường biến thiên ra điện xoáy 11

Hình 1.3 Nguyên lý cơ bản thiết kế hệ thống điện không dây 15

Hình 1.4 Sơ đồ sạc pin theo phương pháp nạp kết hợp 16

Hình 1.5 Sơ đồ mạch của WPTS quy nạp 17

Hình 1.6 Sơ đồ mạch các loại cấu trúc WPTS cộng hưởng 19

Hình 2.1 Phân cực diode thuận(trái),phân cực diode ngược(phải) 25

Hình 2.2 Đặc tính vôn-ampe của diode 26

Hình 2.3 Cấu trúc bán dẫn của Mosfet 26

Hình 2.4 Kí hiệu quy ước và hình dáng của Mosfet 27

Hình 2.5 Quá trình mở của Mosfet 28

Hình 2.6 Quá trình khóa của Mosfet 29

Hình 2.7 Cấu tạo của tụ điện 31

Hình 2.8 Cấu tạo của cuộn cảm 31

Hình 2.9 Sơ đồ khối phần động lực 32

Hình 2.10 chỉnh lưu cầu diode 33

Hình 2.11 Sơ đồ mạch nghịch lưu cầu 1 pha 34

Hình 2.12 Hệ thống khớp nối 35

Hình 2.13 Bộ chuyển đổi Buck converter 37

Hình 2.14 Sơ đồ hệ thống khớp nối 38

Hình 2.15 Đồ thị hiển thị hiệu suất theo giá trị hệ số ghép nối k(0≤k≤0.5) 41

Hình 2.16 Sơ đồ chi tiết phần động lực 44

Hình 2.17 Vị trí đặt dây chảy để bảo vệ 45

Hình 4.1 Mạch động lực 61

Hình 4.2 Bộ điều khiển Buck 64

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

ICE:Internal Combustion Engine

EV: Electric Vehicles

UBC: Unidirectional Battery Chargers

BBC:Bidirectional Battery Chargers

WPTS: Wireless Power Transfer Systems

SS: Series – Series SP: Series – Parallel PS: Parallel – Series

PP: Parallel – Parallel PFC: Power factor correction

CHƯƠNG 1: Tổng quan về thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe

điện không dừng 1.1 Đặt vấn đề

Mối quan tâm ngày càng tăng trong việc giảm lượng khí thải gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông vận tải đã dẫn đến việc áp dụng các phương tiện chạy bằng các nguồn năng lượng tương đối sạch hơn, chẳng hạn như pin, pin nhiên liệu, v.v., thay cho các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (ICE) Phương tiện sử dụng điện (EV) đang được rất nhiều học viện và các ngành công nghiệp nỗ lực nghiên cứu để cải thiện hiệu suất tổng thể nhằm thay thế cho phương tiện IEC Các giải pháp khác nhau đang được áp dụng để tăng tính chủ động của các phương tiện như chế tạo pin có mật độ năng lượng cao hơn, làm giãn pin trong quá trình tăng tốc

và tái tạo bằng cách cung cấp và hấp thụ công suất đỉnh hiện tại bằng siêu tụ điện, sắp xếp nhanh bộ sạc, sạc khi đang di chuyển, v.v Pin trên bo mạch thường được sạc tại nhà hoặc tại nhà ga / bãi đậu xe thông qua bộ sạc pin dẫn điện

Trong hầu hết các bộ sạc pin, nguồn điện chỉ truyền từ lưới điện đến pin và vì lý

do này, chúng thường được gọi là bộ sạc pin một chiều (UBC); bên cạnh đơn giản về mạch, UBC có khả năng kết nối lưới điện giảm và giảm độ suy giảm pin Mặt khác, một

số bộ sạc pin quản lý dòng điện chạy theo cả hai hướng và có thể thực hiện hoạt động phụtrợ có lợi cho lưới điện, chẳng hạn như hấp thụ công suất đỉnh hoặc bù công suất phản kháng Những bộ sạc pin này được gọi là bộ sạc pin hai chiều (BBC)

Việc sạc xe điện có thể được thực hiện bằng hai cách: sạc có dây hoặc sạc không dây Sạc có dây sử dụng các phương tiện kết nối giữa nguồn điện và sạc đầu vào của xe Mặc dù sạc có dây rất phổ biến, nhưng vấn đề với dây điện lộn xộn và vấn đề an toàn trong môi trường ẩm ướt là một nhược điểm lớn của loại sạc này Trong vài năm gần đây, mối quan tâm lớn đang tăng lên đối với việc truyền tải điện không dây

Công nghệ này tuy còn mới ở Việt Nam nhưng chắc chắc trong tương lai không xa chúng ta sẽ làm chủ được công nghệ này Với vai trò là sinh viên tự động hoá, việc nghiên cứu công nghệ này là cần thiết và có thể sẽ phục vụ cho công việc sau này

Từ những nhu cầu và ý nghĩa trên, chúng em đã lựa chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung: “Điều khiển sạc xe điện không dừng” Đề tài có nhiệm vụ chính là:Thiết kế phần động lực

Thiết kế phần điều khiển

Mô phỏng và đánh giá kết quả

1.1.2 Cấu trúc hệ thống WPTS cơ bản

Hình 1.1 Cấu trúc WPTS cơ bản

WPTS có cấu trúc như Hình 1.1 Nó có cấu tạo gồm hai phần: phần phát và phần thu Máy phát được chôn vào mặt đường và được cung cấp bởi nguồn điện, bộ thu được lắp trong xe điện và cung cấp năng lượng cho pin trong xe, phần còn lại là tải của WPTS và được đại diện bằng một điện trở trong Hình 1.1 Mỗi phần của WPTS bao gồm một thiết bị ghép nối và một bộ chuyển đổi điện năng Ngoài ra để

hệ thống hoạt động thì phần phát và phần thu đều có một bộ điều khiển điện tử (ECU) Hai ECU chi phối hoạt động của WPTS Nhiệm vụ quản lý được chia thành hai tầng: cấp trên (up lever) cung cấp cho việc quản lý phần nguồn; trong khi phần dưới ( down level) điều khiển bộ chuyển đổi công suất

1.2 Tổng quan về cảm ứng điện từ

1.2.1 Luận điểm Maxwell thứ nhất – điện trường xoáy

Xét một mạch kín đứng yên trong từ trường biến thiên Từ thông qua mạch kín đóthay đổi làm trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng,chứng tỏ trong mạch phải tồn tại một trường lực lạ Phân tích các kết quả thực

nghiệm của Faraday, Maxwell cho rằng, trường lực lạ ở đây chính là điện trường Nhưng điện trường này không phải là điện trường tĩnh, vì như ta đã biết, điện trường tĩnh không thể làm di chuyển điện tích theo mạch kín được Maxwell cho rằng điện trường đó phải là điện trường xoáy.

Xét một mạch kín đứng yên trong từ trường biến thiên Từ thông qua mạch kín đó thay đổi làm trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng, chứng tỏ trong mạch phải tồn tại một trường lực lạ Phân tích các kết quả thực nghiệm của Faraday, Maxwell cho rằng, trường lực lạ ở đây chính là điện trường Nhưng điện trường này không phải là điện trường tĩnh, vì như ta đã biết, điện trường tĩnh không thể làm di chuyển điện tích theo mạch kín được Maxwell cho rằng điện trường đó phải là điện trường xoáy

Khác với điện trường tĩnh, điện trường xoáy có các đường sức khép kín và lưu thông của vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo một được cong bất kỳ không những phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối, mà còn phụ thuộc vào hình dạng đường cong mà ta tính lưu thông Vì thế lưu thông của vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo một được cong kín bất kỳ là khác không Chính vì vậy, điện trường xoáy đóng vai trò là trường lực lạ, tạo ra suất điện động làm di chuyển điện tích trong mạch, tạo thành dòng điện khép kín

Hình 1.2 Từ trường biến thiên ra điện xoáy

Dựa vào định luật Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ, Maxwell đã xây dựng một phương trình diễn tả định lượng luận điểm thứ nhất của mình:

Phương trình (1.1) được gọi là phương trình Maxwell – Faraday ở dạngtích phân Nó diễn tả đặc tính xoáy của điện trường Trong đó, vế phải thể hiện tốc độbiến thiên của từ thông qua diện tích S; vế trái là lưu thông của vectơ cường độ điện

trường xoáy dọc theo chu tuyến L bao quanh S Ở dạng vi phân, phương trìnhMaxwell-Faraday có dạng:

Trong đó, toán tử vi phân rot E là một vec tơ có các thành phần được xác định bởi định thức:

Do đó (1.2) tương đương với hệ ba phương trình đại số:

1.2.2 Luận điểm Maxwell thứ hai- dòng điện dịch

Ở luận điểm thứ nhất, Maxwell cho rằng mọi từ trường biến thiên đều sinh rađiện trường (xoáy) Phân tích các hiện tượng điện từ khác Maxwell khẳng định phải có

điều ngược lại: “Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều làm xuất hiện từ trường”

luận điểm thứ hai của Maxwell

Vì từ trường là dấu hiệu cơ bản nhất và tất yếu của mọi dòng điện, nên, nếu

sự biến thiên của điện trường tạo ra từ trường thì sự biến thiên của điện trường đó

có tác dụng như một dòng điện Maxwell gọi đó là dòng điện dịch, để phân biệt với

dòng điện dẫn -là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích

Dòng điện dịch có tính chất cơ bản giống dòng điện dẫn ở chỗ nó gây ra từ trường Nhưng nó không giống dòng điện dẫn về bản chất: dòng điện dẫn là do sự chuyển dời có hướng của các điện tích trong một môi trường dẫn nào đó; còn dòng điện dịch là do sự biến thiên của điện trường sinh ra Vì thế, khác với dòng điện dẫn, dòng điện dịch có thể tồn tại ngay cả trong điện môi hoặc trong chân không; dòng điện dịch không có tác dụng nhiệt Joule - Lenz như dòng điện dẫn

Để hình dung về dòng điện dịch, ta xét một mạch điện xoay chiều gồm tụ điện C mắc nối tiếp với một bóng đèn Đèn sáng bình thường, điều này có phải dòng điện đã chạy qua tụ điện không? Không phải! Do tụ điện liên tục phóng điện và nạp điện nên trong dây dẫn và đèn luôn tồn tại dòng điện dẫn xoay chiều Còn giữa hai bản tụ điện, mạch hở nên không có dòng điện dẫn Nhưng hiệu điện thế giữa hai bản tụ luôn

biến thiên làm điện trường trong lòng tụ biến thiên, sinh ra dòng điện dịch Như vậy dòng điện dẫn trong dây dẫn của mạch điện đã được đóng kín bằng dòng điện dịch trong lòng tụ điện.

Với giả thuyết về dòng điện dịch, bằng cách vận dụng định lý Ampère vềlưu thông của vectơ cường độ từ trường, Maxwell đã thiết lập được biểu thức địnhlượng cho luận điểm thứ hai của mình:

Phương trình (1.5) được gọi là phương trình Maxwell-Ampère ở dạng tíchphân

Trong đój là mật độ dòng điện dẫn, là mật độ dòng điện dịch; vế phải

biểu diễn cường độ dòng điện toàn phần (gồm dòng điện dẫn và dòng điện dịch)chảy qua tiết diện S; vế trái là lưu thông của vectơ cường độ từ trường dọc theo chutuyến L bao quanh S

Ở dạng vi phân, phương trình Maxwell-Ampère có dạng: Phương trình (1.6) tươngđương với hệ ba phương trình đại số:

Kết luận: theo lý thuyết của Maxwell khi có một điện trường biến thiên thì

sẽ sinh ra một từ trường biến thiên bao quanh nó đến lượt từ trường biến thiên này làm cho các hạt mang điện dao động và lại sinh ra một điện trường biến thiên và

cứ thế điện trường và từ trường biến thiên được lan truyền trong không gian với vận tốc cỡ 300.000 km/giây (tương đương với vận tốc ánh sáng)

1.2.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ

Khi có sự biến thiên của từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiên dòng điện cảm ứng (định luật cảm ứng điện từ) Hiện tượng cảm ứng điện từ chứng tỏ: nhờ có từ trường ta có thể tạo ra dòng điện.Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín phải có chiều sao cho từ trường mà

nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch (định luật Lenz)

D t

Từ thông gửi qua vòng dây thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường.

Để tìm biểu thức của suất điện động cảm ứng, ta dịch chuyển một vòng dâydẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi Khi đó côngcủa lực từ tác dụng lên dòng điện cảm ứng có giá trị:

Trong đó:

A: là công lực từ: là dòng điện cảm ứng: là từ thông gửi qua thiết diện vòng dây

Hình 1.3 Nguyên lý cơ bản thiết kế hệ thống điện không dây

1.3 Các phương pháp nạp pin và đo dung lượng pin

1.3.1 Nạp với dòng điện không đổi

Đây là phương pháp nạp pin sao cho trong quá trình nạp giữ ổn định dòng nạp

ở mộtgiá trị không đổi Phương pháp nạp này cho phép chọn được dòng nạp thích hợp với mọi loại pin, để sạc nhanh pin

Ưu điểm: Thời gian sạc ngắn, đảm bảo tuổi thọ của pin

Nhược điểm: Sạc không no

Khắc phục nhược điểm: Có thể nạp theo 2 mức để giảm thời gian nạp Lúc đầu nạp với dòng khoảng 0,3-0,6C Sau khi pin đạt dung lượng 70% thì giảm dòng nạp xuống 0,1C Trong đó C là dung lượng của pin (Ah)

1.3.2 Nạp với điện áp không đổi

Phương pháp nạp với điện áp nạp không đổi yêu cầu các pin được mắc song song với nguồn nạp

Ưu điểm: Pin được sạc no.

Nhược điểm: Thời gian sạc pin dài

1.3.3 Phương pháp nạp kết hợp dòng và áp

Đây là phương pháp tổng hợp của hai phương pháp trên Nó tận dụng được những ưu điểm của mỗi phương pháp Quá trình nạp gồm 2 giai đoạn:Giai đoạn 1: Nạp theo chế độ ổn dòng với dòng ổn định bằng 0,2C cho tớikhi pin đạt dung lượng khoảng 70% Điện áp mỗi ngăn cell pin trong quá trình nàytăng dần

Giai đoạn 2: Đây là giai đoạn nạp phục hồi cho pin Khi pin đạt dunglượng trên 70% chuyển sang chế độ sạc ổn áp Trong giai đoạn này dòng điện sạc

sẽ giảm dần về 0 khi pin được sạc đầy

Hình 1.4 Sơ đồ sạc pin theo phương pháp nạp kết hợp

Nhận xét: Phương pháp nạp kết hợp dòng và áp khắc phục được các nhược điểm của 2 phương pháp còn lại, có tác dụng nạp no pin, thời gian nạp ngắn

Kết luận: Với đề tài “Thiết kế hệ thống điều khiển sạc xe điện không dừng” chọn phương pháp nạp kết hợp dòng và áp để sạc cho pin

1.3.4 Phương pháp đo dung lượng pin

1.4 Các hệ thống liên quan đến đề tài

Dựa vào khai thác các đặc tính của điện trường, từ trường và điện từ trường chúng

ta có ba công nghệ khác nhau có thể được sử dụng để xây dựng một WPTS Ba công nghệnày được gọi là quy nạp, bức xạ và cộng hưởng; chúng khai thác tính chất

ghép nối của điện trường, từ trường hoặc điện trường, từ trường kết hợp với nhau thành sóng điện từ tương ứng.

1.4.1 WPTS quy nạp

WPTS quy nạp sử dụng từ trường để truyền tải điện Khi dòng điện dichuyển qua dây dẫn, nó tạo ra một từ trường tròn xung quanh dây dẫn, nếu đặt mộtcuộn dây (mạch dẫn kín) trong từ trường này sẽ thu được dòng diện cảm ứng.Nguyên lý hoạt động:

WPTS quy nạp dựa trên định luật Faraday về cảm ứng điện từ Mạch điện của một WPTS quy nạp được thể hiện trong Hình 1.2, trong đó LT và LR là độ tự cảm của cuộn dây phát và cuộn dây thu, M là độ tự cảm lẫn nhau của chúng, và RS

và RL là điện trở của cuộn dây phát và cuộn dây thu

Hình 1.5 Sơ đồ mạch của WPTS quy nạp

Khi dòng điện xoay chiều IT chạy qua cuộn dây phát LT thì xung quanhcuộn dây sẽ có một từ trường biến thiên theo thời gian Khi đặt cuộn dây thu LRtrong từ trường biến thiên này thì từ thông đi qua cuộn dây LR cũng biến thiên dẫnđến việc hình thành dòng điện cảm ứng IR

Khi đặt hai cuộn dây LT và LR nằm trong từ trường của chúng tạo ra sẽ xảy

ra hiện tượng hỗ cảm Đây là nguyên nhân sinh ra hai điện áp xoay chiều jωMIωMIMIR và-jωMIωMIMIT như trên Hình 1.2

Ưu điểm:

Phương thức truyền tải điện đơn giản

Hiệu quả cao hơn đối với khoảng cách nhỏ (vài

mm) Không gây hại đến sức khỏe con người

Giá thành chế tạo thấp

Nhược điểm:

Chỉ hoạt động hiệu quả trong khoảng cách rất nhỏ, khả năng truyền điện

ở khoảng cách xa rất thấp

Tăng nhiệt điện trở.

Nó cũng yêu cầu thiết bị điện tử truyền động và cuộn dây làm tăng

độ phức tạp và chi phí sản xuất

1.4.2 WPTS cưỡng bức

Các WPTS bức xạ có thể truyền điện với hiệu suất cao trong một khoảng cách dài Điều này có được bằng cách thực hiện một hướng truyền sóng điện từ Việc truyền tải điện qua sóng cao tần cho phép truyền tải điện ở khoảng cách xa hơn(1 đến 10m)

Nguyên lý hoạt động: gần giống như pin mặt trời, thiết bị phát tạo ra tia laser( hoặc sóng đơn sắc chuẩn trực), thiết bị thu là các tế bào bán dẫn quang điện có khảnăng biến đổi năng lượng sóng sang năng lượng điện

Sự hấp thụ của khí quyển gây ra tổn thất

Giống như chiếu tia, phương pháp này yêu cầu một đường ngắm trực tiếp từ đầu phát đến đầu thu

Gây hại đến sức khỏe con người

1.4.3 WPTS cộng hưởng

Sơ đồ mạch WPTS cộng hưởng gần giống như WPTS quy nạp, khác ở chỗ

có thêm tụ điện được ghép vào cuộn dây

Có nhiều cách để tạo nên khớp nối cộng hưởng: tụ điện có thể được ghép nốisong song hoặc nối tiếp với cuộn dây ở phía đầu phát hoặc đầu thu Ta có 4 cấu trúc cộng hưởng: Series–Series (SS), Series–Parallel (SP), Parallel–Series (PS), Parallel– Parallel (PP) Mỗi cấu trúc liên kết phù hợp với mỗi ứng dụng khác nhau nhưng đều hướng đến việc giảm công suất phản kháng ở đầu phát và nâng cao khả năng nhận năng lượng ở đầu thu Công nghệ này cho phép một cuộn dây phát một

từ trường với tần số cộng hưởng và sau đó truyền năng lượng cho một cuôn dây nhận với cùng tần số cộng hưởng

Ưu điểm:

So với WPTS quy nạp, WPTS cộng hưởng hiệu quả hơn về mặt hệ

số chất lượng và hệ số công suất

Có thể truyền điện đến khoảng cách xa hơn so với WPTS quy nạp (khoảng vài mét)

Công suất cố thể được truyền ngay cả với nhửng trở ngại giữa đầu phát và đầu thu

Không giống như WPTS bức xạ, nó không được coi là có hại cho cơ thể con người

Giá thành chế tạo vừa phải

Nhược điểm:

Không thể truyền điện quá 2 mét

Hiệu quả của nó là khoảng 50% ở độ cao 2m

1.5 Hệ thống thực hiện trong đề tài

Các tiêu chí cần chú ý khi lựa chọn công nghệ sạc không dây là:

Khoảng cách truyền điện không dây

Hiệu suất của công nghệ sạc không

dây Giá thành của hệ thống

Vấn đề ảnh hưởng đến sức khỏe con người

Hiệu suất truyền tải 90% ở khoảng

vài MHz40-50% Hiệu suất cao với

khoảng cách dưới 2m,trên 2m hiệu suất đạtkhoảng 50%

Căn cứ vào bảng so sánh, so với các công nghệ khác thì công nghệ sạc không dây WPTS cộng hưởng phù hợp cho ứng dụng sạc xe không dừng

1.6 Các ưu và nhược điểm của sạc không dây với sạc có dây

1.6.1 Ưu điểm

Các ưu điểm của sạc không dây trên xe điện:

Không cần mang theo cáo sạc cồng kềnh trên

xe Sử dụng sạc thuận tiện

An toàn vì không kết nối có

dây Bảo trì miễn phí

Miễn nhiễm với bụi bẩn và nước

Việc sử dụng không gian bên trong xe sẽ tăng lên nếu các trạm sạc không dâyphổ biến Việc bảo dưỡng phích cắm điện thường xuyên không được thực hiện trong quátrình sạc không dây Trạm sạc có thể dễ dàng tránh được bụi bẩn và nước

1.6.2 Nhược điểm

Mặc dù sạc không dây trên xe điện là một lựa chọn hấp dẫn, nhưng cũng

có một số nhược điểm Những bất lợi là:

Công suất truyền tải không cao bằng sạc có dây nên kéo theo đó thời gian sạc cũng kéo dài

Tổn hao năng lượng nhiều so với sạc có

dây Tiêu chuẩn hóa hệ thống sạc

Khó khăn khi lắp đặt và bảo trì nên kéo theo chi phí tăng cao

Xe phải đỗ đúng với vị trí lắp đặt cuộn dây bên mạch sạc

1.7 Các nghiên cứu liên quan cụ thể đã có

1.7.1 Primary-Side Power Flow Control of Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Charging

Tác giả: John M Miller, Fellow, IEEE, Omer C Onar, and Madhu ChinthavaliNăm xuất bản: 2014

Link full text: https://ieeexplore.ieee.org/document/6994754

Bài báo cáo này trình bày về các phần sau:

Chương 1: Tổng quan

- Tối ưu hóa hiệu quả của trạm sạc không dây WPT

- Kiểm soát và tối ưu hóa dòng điện

- Lý thuyết vật lí của WPT và điện từ học

- Ứng dụng

- Sạc không dây không dừng

Chương 2: Hệ thống sạc điện không dây ORNL(Oak Ridge

- Mô hình và mô phỏng của trạm WPT

Chương 4: Kết quả thực nghiệm

Chương 5: Xem xét trong thực tế

- Sai lệch dung sai của cuộn dây

- Ảnh hưởng của khoảng cách từ tính lên tần số

- Từ trường rò

Chương 6: Kết luận

1.7.2 Overview of Wireless Charging Technologies for Electric Vehicles

Tác giả: Chun Qiu- The University of Hong Kong, Liu Chunhua- City University

of Hong Kong, K.T Chau- The University of Hong Kong

Năm xuất bản: 2014

Link full text: https://www.researchgate.net/publication/279529918

Bài báo cáo này trình bày về các phần sau:

Chương 1: Giới thiệu

Chương 2: Hệ thống sạc điện không dây WPT (WIRELESS

POWER TRANSFER)

- Nguyên lý truyền điện cảm ứng

- WPT cộng hưởng

- Các dự án sạc xe điện không dây hiện tại

Chương 3: Bộ chuyển đổi nguồn điện hiệu suất cao (EFFICIENT POWER CONVERTER)

Chương 4: MISALLIGNMENT TOLERANCE

- Thiết kế cấu trúc lõi ferit tối ưu

- Hệ thống đệm DD-DDQ

- Kiểm soát thích ứng phạm vi của cộng hưởng từ

Chương 5: Điều khiển bộ biến đổi công suất

Chương 6: Điều chế biên độ điện dung

Chương 7: Các vấn đề an toàn

CHƯƠNG 2: Thiết kế phần động lực 2.1 Giới thiệu phần động lực

Chức năng của Arduino: trong đồ án sử dụng 2 Arduino Uno làm bo mạch chủ điều khiển ở đầu phát và đầu thu Ở đầu phát, Arduino có chức năng xuất xung

để kích mở cá IGBT trong mạch nghịch lưu Ở đầu thu Arduino dùng để xuất xung điều khiển MOSFET trong mạch Buck converter và kết nối với LCD để hiển thị cácthông số yêu cầu như điện áp, dòng điện…

2.2.2 Trình điều khiển IR2110

Vì xung xuất ra từ Arduino có điện áp từ 0 đến 5V mà điện áp để kích IGBT

ở mức 18V, MOSFET ở mức 9-12V nên ta cần dùng đến trình điều khiển IR2110

để tạo ra xung kích phù hợp để kích mở các linh kiện bán dẫn

Chức năng của các chân:

1 LO cho trình điều khiển cổng bên thấp

2 COM đường dẫn trả về cho cấu hình bên thấp

3 VCC chân cấp nguồn cho phía thấp

5 VS đường dẫn trả về dấu phẩy động cho ổ đĩa bên cao

6 VB cung cấp nổi cho ổ đĩa bên cao

7 HO tín hiệu đầu ra cho mosfet bên cao

9 VĐ Nguồn điện + 5V

10 HIN Đầu vào tín hiệu PWM cho mặt cao

11 SD pin tắt máy để tắt hệ thống tự động

12 LIN Đầu vào tín hiệu PWM cho phía thấp

13 VSS Tiếp đất cung cấp điện

2.2.3 LCD

Trong đồ án sử dụng màn LCD 16x2 để hiển thị các thông số ở mạch sạc pin đầu thu

2.2.4 Các linh kiện công suất

Các linh kiện công suất khác như: Diode, IGBT, MOSFET được sử dụng

để thiết kế mạch truyền điện không dây

Diode gồm hai lớp bán dẫn loại P và N dược ghép tĩnh điện với nhau, thông thường diode được tạo bởi hai lớp bán dẫn Silic loại P và N, bán dẫn loại P là loại bán dẫn dẫn điện bởi các hạt lỗ trống mang điện tích dương Bán dẫn loại N dẫn điện bởi các hạt mang điện tích âm

MOSFET có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điều khiển cực nhỏ Trong đó cực G là cực điều khiển được cách ly hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn còn lại bởi lớp điện môi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxide-silic (SiO2) Hai cực còn lại là cực gốc S và cực máng D Cực máng là cực đón các hạt mang điện

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor): Transistor có cực điều khiển cách

ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫnp-n-p giữa emiter với collector

2.2.5 Các linh kiện khác

Các linh kiện khác như tụ điện, cuộn cảm được sử dụng để thiết kế mạch truyền điện không dây Tụ điện là một loại linh kiện điện tử thụ động, là một hệ haivật dẫn và ngăn cách nhau bởi một lớp cách điện Khi có chênh lệch điện thế tại hai bề mặt, tại các bề mặt sẽ xuất hiện điện tích cùng điện lượng nhưng trái dấu Cuộn cảm (hay cuộn từ, cuộn từ cảm) là một loại linh kiện điện tử thụ động tạo từ một dây dẫn điện với vài vòng quấn, sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua.Trong đó đặc biệt chú ý là phần cuộn cảm truyền điện, nó được thiết kế khácvới cuộn cảm thông thường, diện tích bề mặt của nó lớn hơn Hình ảnh dưới đâycho ta thấy rõ cấu tạo cuộn cảm truyền điện không dây:

2.3 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.7 Sơ đồ khối của hệ thống

Hệ thống nguồn cung cấp:

Gồm nguồn điện xoay chiều 220VAC: cung cấp điện cho tất cả hệ thống

Bộ chỉnh lưu Diode: chuyển dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều DC

Mạch nghịch lưu tần số cao: tạo nguồn điện xoay chiều tần số cao cấp cho hệ thống khớp nối để truyền điện không dây

Bộ chuyển đổi Buck converter (DC-DC): giúp biến đổi nguồn điện

DC để sạc cho pin xe điện

Tải: ở đề tài này là pin cung cấp năng lượng cho xe điện

Bộ phát xung: có vai trò tạo xung kích để kích mở các van bán dẫn ở mạch nghịch lưu

Bộ điều khiển: có vai trò là bộ xử lý cấp tín hiệu để phát xung PWM điều khiển van bán dẫn tròn mạch Buck converter

LCD: có nhiệm cụ hiển thị các thông số như dòng điện, điện áp sạc cho pin.Cảm biến: có nhiệm vụ gửi tín hiệu về điện áp và dòng điện về bộ điều khiển

2.3.1 Chỉnh lưu cầu diode

Chức năng chỉnh lưu cầu Diode: chuyển dòng điện xoay chiều sang dòng điện một chiều DC

Hình 2.8 chỉnh lưu cầu diode