Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI ĐĂNG QUANG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG NGUỒN LAI ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG Ô TÔ ĐIỆN Ng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BÙI ĐĂNG QUANG

NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG NGUỒN LAI

ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG Ô TÔ ĐIỆN

Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số: 9520216

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội – 2020

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Tạ Cao Minh

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án:

Quản lý năng lượng hiện đang là hướng nghiên cứu quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu về ô tô điện, một phương tiện di chuyển được coi là sẽ thay thế hoàn toàn cho ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần Hiện nay, các ô tô điện thương phẩm sử dụng chủ yếu

ắc quy làm thiết bị lưu trữ năng lượng chính Ắc quy đang được cho

là thiết bị phù hợp nhất với ô tô điện với những ưu thế nổi trội về mật

độ năng lượng lớn và khả năng vận hành trong các điều kiện khắc nghiệt Tuy nhiên, nhược điểm về khả năng huy động công suất (mật

độ công suất thấp) và thu hồi năng lượng (quá trình sạc xảy ra chậm) giới hạn khả năng hãm tái sinh và huy động công suất của hệ thống Với đặc điểm vận hành của thiết bị di chuyển nói chung việc tăng tốc

và giảm tốc diễn ra thường xuyên dẫn đến huy động công suất theo cả hai chiều cũng biến động mạnh, đây là nguyên nhân chính gây suy giảm tuổi thọ ắc quy Vì những lý do này mà các nghiên cứu trong hướng nghiên cứu về quản lý năng lượng sử dụng thêm siêu tụ để trợ giúp ắc quy trong việc thu hồi năng lượng và huy động công suất ngắn hạn, việc này sẽ giúp gia tăng quãng đường di chuyển của ô tô điện cũng như tuổi thọ của ắc quy

Khi hệ thống lưu trữ năng lượng chuyển từ sử dụng duy nhất ắc quy thành hệ thống lưu trữ năng lượng lai ắc quy – siêu tụ sẽ phát sinh vấn đề phân phối công suất yêu cầu từ hệ thống cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng Luận án này sẽ tập trung vào việc quản lý năng lượng (phân phối công suất cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng) sao cho hiệu quả trong mục tiêu tối đa hóa tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá trị cao nhất trên ô tô điện

Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu của luận án:

Trong phạm vi luận án, tác giả sẽ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống để khảo sát nhu cầu năng lượng của một trường hợp cụ thể để

từ đó thiết kế bộ điều khiển với nguyên tắc chung cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai siêu tụ - ắc quy Các bộ điều khiển được thiết kế dựa trên các phương pháp dựa trên tần số và điều khiển mờ thuộc nhóm các phương pháp dựa trên luật điều khiển và phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programing) Mục tiêu của các bộ điều khiển là giải quyết vấn đề tối đa hóa tuổi thọ ắc quy với các biến trạng thái là điện

áp siêu tụ, dòng điện yêu cầu của hệ thống và tốc độ xe, cùng với đó

biến điều khiển là dòng điện đặt cho ắc quy Việc điều khiển dòng điện

ắc quy được dựa trên bộ DC-DC nối giữa siêu tụ và DC bus chính là điện áp ắc quy

Các kết quả được mô phỏng kiểm chứng và đánh giá, riêng kết quả của phương pháp dựa trên tần số được kiểm chứng bằng hệ thống

mô phỏng thời gian thực HIL 402 của hãng Typhoon

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu

Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện được chia làm ba loại là ô

tô lai (lai xăng điện HEVs), ô tô thuần điện sử dụng ắc quy (EVs) và

ô tô thuần điện sử dụng fuel cell (FCEVs) Mỗi loại xe đều có ưu nhược điểm riêng, tuy nhiên có thể tựu chung các ưu điểm của xe điện là:

Ưu điểm:

 Khả năng hãm tái sinh

 Thân thiện với môi trường

 Hệ truyền động có thể sinh mô-men xoắn lớn, có khả năng chịu quá tải tốt và đáp ứng mô-men nhanh

 Có thể bố trí linh động động cơ

 Mô-men xoắn động cơ có thể được tính toán được thông qua các đại lượng đo được của động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác

Các nhược điểm của HEVs, FCEVs là khả năng thu hồi năng lượng và độ an toàn về nhiệt độ khiến cho tương lai của HEVs, FCEVs

là không khả quan Vì vậy, tương lai thuộc về xe EVs cũng là đối tượng của nghiên cứu của luận án

1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên

EVs

EVs sử dụng nguồn năng lượng chính là ắc quy tuy nhiên để gia tăng hiệu quả sử dụng ắc quy thì EVs sẽ cần các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ Để làm rõ mục đích sử dụng của các nguồn năng lượng

ta cần quan tâm đến mật độ công suất và mật độ năng lượng

Hai tham số quan trọng nhất của ESS được cho là quan trọng nhất chính là mật độ công suất và mật độ năng lượng Trong đó, mật độ năng công suất được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng huy động công suất, đơn vị là W/kg Mật độ năng lượng được tính dựa

trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng lưu trữ năng lượng, đơn vị là Wh/kg Hai tham số này là cơ sở để so sánh các thiết bị lưu trữ năng lượng khi đánh giá tính phù hợp của thiết bị lưu trữ năng lượng được

sử dụng trên EVs Đặc tính mật độ công suất và mật độ năng lượng được gọi là Ragone plane

 Quá trình tự xả khi không sử dụng chậm (low self-discharge)

 Cho phép nạp với dòng định mức lớn và cho phép sạc nhanh

 Cho phép sạc nhồi (sạc khi ắc quy chưa kiệt) mà ít ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy

 Có thể hoạt động ở dải nhiệt độ rộng

Do các đặc điểm vận hành của EVs nên thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ cần có những yêu cầu như sau:

 Mật độ công suất lớn

 Khả năng huy động dòng điện (di/dt) lớn

 Tuổi thọ nạp xả cao

 Khả năng thu hồi năng lượng lớn

 Hiệu suất cao

 Tự trọng nhỏ

Với các tiêu chí kể trên thì siêu tụ là hai thiết bị lưu trữ năng lượng phù hợp nhất để hỗ trợ pin li-ion trong HESS

1.3 Cấu trúc của EVs sử dụng trong luận án

Trong phạm vi nghiên cứu, EVs sẽ được cấu thành từ các thành phần chính sau đây (Hình 1.22):

 Động cơ và các cơ cấu truyền động

 Hệ thống lưu trữ năng lượng

 Các bộ biến đổi công suất

 Bộ điều khiển trung tâm

Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển hệ năng lượng lai ắc quy và siêu tụ

cho ô tô điện

1.4 Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện

Quản lý năng lượng trong ô tô điện nói chung (gồm cả EVs, HEVs và FCEVs) nhằm ba mục đích: Kéo dài tuổi thọ ắc quy, gia tăng quãng đường đi và cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong (ICE) [41] Như vậy, thì quản lý năng lượng được đưa về bài toán tối ưu hóa Trong phạm vi luận án, tác giả chia quản lý năng lượng thành hai nhóm chính là 1) nhóm các phương pháp dựa trên luật điều khiển và 2) các phương pháp tối ưu, như trên Hình 1.21 Dưới đây là một số phương pháp phù hợp với quản lý năng lượng trên ô tô điện

a) Các phương pháp điều khiển dựa trên các luật điều khiển tiền định

 Phương pháp on/off

Đây là phương pháp đơn giản, dễ thực hiện và bền vững nhất và

đã được thực hiện trong ADVISOR để mô phỏng cũng như triển khai thực tế trên Honda Insight và Toyota Prius [2] Phương pháp này dựa trên các tín hiệu của thiết bị lưu trữ năng lượng để ra quyết định sử dụng nguồn năng lượng nào

Hình 1.21 Các phương pháp quản lý năng lượng [2]

 Phương pháp dựa trên tần số

Phương pháp điều khiển dựa trên tần số thường dựa trên các bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter – LPF) hoặc thông cao (High Pass

Filter – HPF) để tạo giá trị đặt cho bộ điều khiển thiết bị lưu trữ năng lượng Đây là phương pháp rất hiệu quả và đơn giản dựa trên đặc điểm

về hằng số thời gian của thiết bị lưu trữ năng lượng

b) Các phương pháp điều khiển dựa trên trí tuệ nhân tạo

 Phương pháp điều khiển mờ

Phương pháp điều khiển mờ cũng là phương pháp được quan tâm khi nói đến quản lý năng lượng vì phương pháp này rất gần với việc

ra quyết định của người lái Phương pháp này rất phù hợp với các hệ thống có điều kiện hoạt động bất định như ô tô

 Phương pháp mạng nơ ron nhân tạo

Phương pháp trí tuệ nhân tạo cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm trong những năm gần đây cho quản lý năng lượng trên ô tô điện Về nguyên tắc, đây là là một phương pháp tốt có thể đạt tới công năng cao nhưng lại đòi hỏi tài nguyên cho việc tính toán lớn

c) Các phương pháp tối ưu toàn cục (Global Optimization)

 Nguyên lý cực đại Pontryagin (Pontryagin’s minimum principle

d) Các phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu time Optimization)

(Real- Cực tiểu hóa đương lượng (equivalent fuel consumption minimization strategy (ECMS))

Phương pháp ECMS cũng dựa trên hàm mục tiêu có thành phần

là mức tiêu thụ nhiên liệu nhưng biến hàm mục tiêu toàn cục (global cost function) thành hàm mục tiêu địa phương (local cost function) [2] Như vậy, bản chất của phương pháp vẫn là dựa trên các phương

pháp tối ưu toàn cục như DP hay PMP để thiết kế chiến lược điều khiển

 Điều khiển dự báo (Model predictive control (MPC))

Điều khiển dự báo chuyển bài toán điều khiển tối ưu (optimal control) thành bài toán tối ưu hóa (optimization) bằng cách dự đoán các thông tin của xe và các điều kiện khác dựa trên mô hình và các trạng thái trước đó của xe Việc dự toán này sẽ giúp cho việc tính toán đưa ra giá trị điều khiển bằng phương pháp tối ưu hóa sẽ là giá trị tối

ưu nếu mô hình hoàn toàn chính xác Tuy nhiên, việc đưa ra mô hình hoàn toàn chính xác là việc bất khả thi cũng như việc bản thân xe cũng

có và gặp những đại lượng bất định nên bài toán chỉ được coi là cận tối ưu Mặc dù phương pháp chỉ là cận tối ưu nhưng đây lại là phương pháp có khả năng điều khiển thời gian thực

1.5 Mục tiêu nghiên cứu và giới hạn nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu

Với những tìm hiểu về đối tượng là EVs sử dụng hệ thống lưu trữ năng lượng lai, nội dung của bản luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển dòng năng lượng theo hướng gia tăng quãng đường

đi và tuổi thọ ắc quy Việc điều khiển dòng năng lượng sẽ phải phối hợp chặt chẽ với điều khiển bộ biến đổi công suất

Cấu hình cụ thể của hệ thống được trình bày trên Hình 1.22

Giới hạn nội dung nghiên cứu

Trên cơ sở thông tin và các phân tích trên, kết hợp với điều kiện thí nghiệm và cơ sở vật chất hiện có phục vụ cho nghiên cứu, luận án thực hiện các nội dung nghiên cứu trên cơ sở như sau:

 Đối với việc quản lý năng lượng, các kết quả của nghiên cứu sẽ dựa trên chu trình chuẩn nội đô của châu Âu ECE [77]

 Các thành phần được mô hình hóa gồm: Ô tô điện trên cơ sở chiếc

EV i-MiEV của hãng Mitsubishi, siêu tụ sử dụng chiếc 0062C0-125R0S của hãng Nesscape với dung lượng 62F điện áp định mức 125VDC, ắc quy là hệ thống với dung lượng 50Ah điện

EMHSR-áp định mức 330V, động cơ truyền động là loại IPM công suất 47kW với các thông số xác định bằng thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

Việc nghiên cứu của luận án được thực hiện với các bước cụ thể như sau:

 Tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu

 Chọn lựa cấu trúc cho hệ thống

 Chọn lựa các phương pháp cũng như các phương án điều khiển phù hợp với đối tượng nghiên cứu

 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện

để khảo sát nhu cầu năng lượng của một quá trình cụ thể để từ đó tính toán, thiết kế các bộ điều khiển vòng ngoài (vòng quản lý năng lượng)

 Thiết kế được bộ điều khiển năng lượng cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai siêu tụ - ắc quy với các điều khiển thời gian thực là điều khiển dựa trên tần số, điều khiển mờ và phương pháp phối hợp giữa điều khiển mờ và tần số

 Thiết kế được bộ điều khiển năng lượng cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai siêu tụ - ắc quy với các thuật toán tối ưu là phương pháp quy hoạch động và phương pháp biến phân

 Đánh giá và so sánh các kết quả trên cơ sở gia tăng quãng đường

đi và tuổi thọ ắc quy

 Các kết quả sẽ được mô phỏng kiểm chứng trên Matlab/Simulink

và một phần được triển khai trên hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL402 của hãng Typhoon và mô hình thực nghiệm

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

2.1 Mô hình hóa động lực học ô tô điện

Hình 2.1 Các thành phần lực tác động lên ô tô [78]

Hình 2.1cho ta thấy, lực phát động của xe sẽ được sinh ra tại điểm tiếp xúc của bánh phát động và đường Lực này bắt nguồn từ động cơ, qua hệ thống truyền động chuyển đến bánh phát động Xét trường hợp

thông thường, các lực cản chính là lực cản gió, lực cản lăn và lực kéo của gia tốc trọng trường Khi đó, theo định luật Newton 2 ta có thể viết công thức tính gia tốc của xe như sau:

Lực cản tổng:

FF RF wind F qt (2.4) Trong đó: F∑ là lực cản tổng, Fwind là lực cản gió, FR là lực cản lăn, Fqt là lực quán tính

2.2 Mô hình hóa động cơ

Động cơ được sử dụng trong ô tô i-MiEV là loại IPM với thông

số kỹ thuật như trong bảng 2.4

Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật động cơ IPM trên ô tô i-MiEV

2.3 Mô hình hóa ắc quy

Trạng thái nạp (SoC) của ắc quy tương ứng với dung lượng thể hiện của ắc quy Nó xác định dung lượng còn lại sau suốt một thời gian phóng

t

o

2.4 Mô hình hóa siêu tụ

Dựa vào mạch điện tương đương (Hình 2.7a), ta có phương trình điện áp trên tụ

2.6 Mô phỏng hệ thống sử dụng phương pháp biểu diễn EMR

Hình 2.17 Các phần tử của ô tô điện biểu diễn bằng EMR

Hình 2.18.“tuning path” và “control path” của bộ điều khiển

DC-DC và động cơ

Hình 2.19 Mô hình mô phỏng xe ô tô điện i-MiEV bằng EMR

Hình 2.20 Tốc độ đặt và tốc độ thực của xe trong mô phỏng

Kết quả thu được trên Hình 2.20 cho thấy tốc độ thực đã bám với tốc độ đặt vì vậy có thể kết luận các bộ điều khiển vòng trong đã hoạt

động tốt và dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với chu trình lái ECE như trên Hình 2.21 là đủ tin cậy

Hình 2.21 Dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với

chu trình lái ECE

Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN

3.1 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số

Phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần

số dựa trên hằng số thời gian của mỗi thiết bị lưu trữ năng lượng để phân phối dòng năng lượng Cơ sở lý luận của phương pháp này tác giả dựa trên lý thuyết Ranone plots (Hình 1.6.)

Các bước để xây dựng chiến lược điều khiển gồm: Phân tích dòng điện yêu cầu trong một trường hợp điển hình, lựa chọn tần số cắt và tiến hành mô phỏng đánh giá

Kết quả phân tích phổ dòng điện trên Hình 2.26 cho thấy hằng số thời gian được sử dụng để làm cơ sở cho chiến lược quản lý năng lượng nên là 20 giây

Hình 3.8 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu

với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số

3.2 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương

pháp điều khiển mờ

Trong phạm vi luận án, tác giả chọn SoC của siêu tụ và dòng điện yêu cầu (Itract) đối với DC link làm biến đầu vào Ngoài ra, để tăng tính linh động cho hệ thống, tác giả sử dụng thêm tốc độ của xe để lựa chọn các bảng suy luận mờ Với cấu trúc này, tác giả có thể có thêm

sự lựa chọn cho bảng suy luận mờ với giá trị đầu ra bộ điều khiển mờ với từng cấp tốc độ đảm bảo khả năng huy động công suất từ các thiết

bị lưu trữ năng lượng

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng chu trình thử ECE và chia vận tốc của xe được chia làm ba dải tốc độ là: Tốc độ thấp: từ 0 – 15 km/h, tốc độ tr.bình: từ 15 – 40 km/h, tốc độ cao: trên 40 km/h Hàm liên thuộc biểu diễn dòng điện yêu cầu, SoC siêu tụ và dòng điện ắc quy được trình bày trên Hình 3.12, 3.13 và 3.14

Hình 3.12 Mờ hóa dòng điện yêu cầu (Itract)