Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện

vi Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế WPT Wireless Power Transfer Truyền điện không dây FEA Finite Eleme

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Điệp

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY

ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Điệp

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY

ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố Các thông tin trích dẫn trong luận án được ghi rõ nguồn gốc

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS Trần Trọng Minh

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2020

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Điệp

ii

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trần Trọng Minh, TS Nguyễn Kiên Trung đã dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, định hướng, tạo

động lực, hỗ trợ tôi để hoàn thành luận án này

Tôi xin trân trọng cảm ơn tới ban lãnh đạo Khoa Điều khiển và Tự động hóa, ban lãnh đạo Trường Đại học Điện Lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi làm nghiên cứu sinh

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn, cơ sở vật chất, các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên nhóm “Wireless Charging” của Apes Lab, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh

Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình đã luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này

Hà Nội, tháng 11 năm 2020

iii

Mục lục

Mục lục iii

Danh mục chữ viết tắt vi

Danh mục các ký hiệu viii

Danh mục các bảng xii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị xiii

Mở đầu 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án 3

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4

Mục tiêu nghiên cứu 4

Đối tượng nghiên cứu 4

Phạm vi nghiên cứu 4

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài 5

Về lý luận 5

Về thực tiễn 6

5 Dự kiến các kết quả đạt được 6

6 Bố cục của luận án 6

Chương 1 Tổng quan 8

1.1 Giới thiệu chung 8

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu 12

1.2.1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây 12

1.2.2 Tổng quan về bộ ghép từ 15

1.2.3 Tổng quan về mạch bù 19

1.2.4 Tổng quan về bộ biến đổi công suất và các phương pháp điều khiển 22

1.2.5 Các vấn đề khác 24

1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu 25

1.4 Kết luận chương 1 26

iv

Chương 2 Thiết kế hệ thống 27

Tóm tắt nội dung 27

2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống 28

2.2 Thiết kế bộ ghép từ 29

2.2.1 Đặt vấn đề 29

2.1.2 Thiết kế cấu trúc bộ ghép từ 30

2.1.3 Thiết kế bộ ghép từ phía truyền 32

2.1.4 Thiết kế bộ ghép từ phía nhận 34

2.2 Thiết kế mạch bù 39

2.2.1 Đặt vấn đề 39

2.2.2 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng 40

2.2.2.1 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn vào UAB 41

2.2.2.2 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn đầu ra 43

2.2.2.3 Xếp chồng các kết quả 44

2.2.3 Phân tích điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền 45

2.2.4 Tính toán thông số mạch bù LCC 48

2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 50

2.3.1 Kết quả mô phỏng 50

2.3.2 Kết quả thực nghiệm 55

2.4 So sánh kết quả nghiên cứu 57

2.5 Kết luận chương 2 59

Chương 3 Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống 60

Tóm tắt nội dung 60

3.1 Điều khiển bám cộng hưởng 60

3.1.1 Đặt vấn đề 60

3.1.2 Thiết kế điều khiển bám cộng hưởng 61

3.1.3 Kết quả mô phỏng 65

3.2 Điều khiển bám tải tối ưu 68

3.2.1 Đặt vấn đề 68

v

3.2.2 Phân tích lý thuyết 69

a) Phân tích khả năng điều khiển bám tải tối ưu 70

b) Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía thứ cấp 71

c) Phân tích cấu trúc điều khiển 73

3.2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 75

3.3 So sánh kết quả nghiên cứu 79

3.4 Kết luận chương 3 80

Chương 4 Điều khiển công suất 82

Tóm tắt nội dung 82

4.1 Đặt vấn đề 82

4.2 Cơ sở lý thuyết 83

4.2.1 Phân tích khả năng điều khiển công suất chỉ từ phía sơ cấp 83

4.2.2 Ước lượng hệ số kết nối k r chỉ từ phía truyền 85

4.2.3 Phân tích, thiết kế bộ điều khiển 88

4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm 90

4.3.1 Kết quả mô phỏng 90

4.3.2 Kết quả thực nghiệm 93

4.4 So sánh kết quả nghiên cứu 96

4.5 Kết luận chương 4 98

Kết luận 99

Những đóng góp của luận án: 100

Những hạn chế của luận án và các nghiên cứu trong tương lai 100

Danh mục các công trình đã công bố của luận án 101

Danh mục các công bố chính 101

Danh mục các công bố liên quan 102

Tài liệu tham khảo 103 Phụ lục PL1

vi

Danh mục chữ viết tắt

Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt

IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế WPT Wireless Power Transfer Truyền điện không dây

FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn

KAIST Korea Advanced Institute of

Science and Technology

Viện Khoa học và công nghệ tiên tiến Hàn Quốc

OLEV On-Line Electric Vehicle Xe điện sạc trực tuyến

SUV Sports Utility Vehicle Xe điện thể thao đa dụng

ORNL Oak Ridge National Laboratory Phòng thí nghiệm quốc gia Oak

Ridge, Hoa Kỳ PFC Power Factor Corection Hiệu chỉnh hệ số công suất

ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dòng điện không

ICNIRP International Commissionn

Non-Ionizing Radiation Protection

Ủy ban quốc tế bảo vệ bức xạ ion hóa

CFR Code of Federal Regulations Quy định liên bang của Hoa Kỳ

vii

SAE Society of Automotive

Engineers

Hiệp hội kỹ sư ô tô

viii

Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu Mô tả

L 1 , L 2 Điện cảm tự cảm của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp

M Điện cảm hỗ cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

I 1 , I 2 Dòng điện chảy trong cuộn dây sơ cấp, thứ cấp

φ 12 Góc lệch pha giữa dòng 𝐼̇1 và 𝐼̇2

𝑈̇21 , 𝑈̇12 Điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được sinh ra do hiện tượng

cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây

S 1 , S 2 Công suất truyền đến cuộn dây L1 và L2

S 3 , S 4 Công suất được cấp bởi bộ biến đổi điện tử công suất

S 12 , S 21 Công suất trao đổi giữa hai cuộn dây

P 12 Công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp

Q Tổng công suất phản kháng vào hai cuộn dây

k Hệ số kết nối điện từ (hệ số kết nối)

T1, T2, T3, R Tên các cuộn dây truyền số 1, 2, 3 và cuộn dây nhận

l t , l r Chiều dài cuộn dây truyền, nhận

w t , w r Chiều rộng cuộn dây truyền, nhận

ix

l wt , l wr Độ rộng cuộn dây bộ truyền, bộ nhận

h Al , h c , h f Độ dầy của tấm chắn nhôm, cuộn dây và tấm ferrite

d r Vị trí bộ nhận (độ dịch chuyển của cuộn nhận theo hướng x)

l m Độ lệch bên theo hướng y

i,j Chỉ số của các cuộn dây truyền, i,j = 1, 2, 3

L i , L r Điện cảm tự cảm của cuộn truyền thứ i, cuộn nhận

M ij Điện cảm hỗ cảm của các cuộn dây truyền i với cuộn dây truyền j

k ij Hệ số kết nối điện từ giữa cuộn dây truyền thứ i với cuộn dây

truyền thứ j

M i Tổng điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền Ti với các cuộn truyền khác

k 1r , k 2r , k 3r Hệ số kết nối của cuộn truyền T1, T2, T3 với cuộn nhận R

k r Tổng hệ số kết nối của ba cuộn truyền với cuộn nhận

K r Hệ số kết nối trung bình của ba cuộn truyền với cuộn nhận

U DC Điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu phía sơ cấp

U AB Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp

U ab Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp

S1, S2, S3, S4 Tên gọi của các MOSFET trong sơ đồ nghịch lưu phía sơ cấp

L fi Điện cảm bù phía sơ cấp

C fi Tụ bù nhánh dưới phía sơ cấp

C i Tụ bù nhánh trên phía sơ cấp

L fr Điện cảm bù phía thứ cấp

C fr Tụ bù nhánh dưới phía thứ cấp

C r Tụ bù nhánh trên phía thứ cấp

M ir Điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền thứ i với cuộn nhận

I Li Dòng điện cộng hưởng trên các cuộn dây truyền

x

I i Dòng điện chảy trên các điện cảm bù L fi

U Lr Điện áp cảm ứng trên cuộn dây nhận

I Lfr Dòng điện trên điện cảm bù phía thứ cấp

I r Dòng điện trên tụ bù nhánh trên phía thứ cấp

I AB Dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp

R L Trở kháng tương đương phía xoay chiều

Q i Hệ số phẩm chất của cuộn truyền Ti

Q r Hệ số phẩm chất của cuộn nhận R

η max Hiệu suất truyền lý thuyết tối đa

R L.opt Trở kháng tối ưu

P out Công suất đầu ra

I off Dòng điện khóa

R 1 , R 2 , R 3 Điện trở của cuộn dây truyền T1, T2, T3

R i Điện trở của cuộn dây truyền Ti

t 1 Thời điểm kết thúc thời gian chuyển mạch

t dead Thời gian chết

I M.AB Giá trị của dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu tại điểm đo t1

I M.AB.avg Giá trị trung bình cộng của I M.AB trong tám chu kỳ gần nhất

I H , I L Dòng giới hạn mức trên, mức dưới

R L , R Le , R Leq

Trở kháng tải tương đương nhìn từ phía đầu vào bộ chỉnh lưu cầu diode, từ phía đầu vào bộ Boost, từ đầu vào của bộ điều khiển quản

lý năng lượng ắc quy về phía tải

D Hệ số điều chỉnh của bộ Boost

U Le Điện áp một chiều đầu ra của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp

I Le Dòng điện một chiều đầu ra của chỉnh lưu phía thứ cấp

xi

G id

Hàm truyền giữa giá trị dòng điện vào bộ boost và hệ số điều chỉnh

d

L B , C B Điện cảm và điện dung của bộ Boost

G c (s) Hàm truyền của bộ điều khiển Lead - Lag

Z Mi Trở kháng tương đương của các cuộn truyền sang nhau

Z s Trở kháng phía thứ cấp nhìn từ phía cuộn dây thứ cấp về phía tải

Z Pi Trở kháng phản xạ của cuộn dây nhận tới mỗi cuộn truyền

Z Li Trở kháng tương đương của mỗi cuộn dây truyền

P DC Công suất một chiều đầu vào bộ nghịch lưu

I Li Giá trị hiệu dụng của dòng cộng hưởng trên các cuộn dây truyền

I* Li Dòng điện cộng hưởng đặt

P out.ref Công suất đầu ra đặt

P out.est Công suất đầu ra ước lượng

k r.est Hệ số kết nối ước lượng

G P (s) Hàm truyền của bộ điều khiển công suất

G I (s) Hàm truyền của điều khiển dòng điện

xii

Danh mục các bảng

Bảng 1 1 Một số thành tựu của hệ thống sạc động không dây cho xe điện 9

Bảng 1 2 Giá trị tụ bù phía sơ cấp của các mạch bù cơ bản [56] 20

Bảng 2 1 Tham số mô tả cấu trúc của cuộn dây 31

Bảng 2 2 Giá trị điện cảm hỗ cảm, hệ số kết nối giữa các cuộn dây truyền với nhau 33

Bảng 2 3 Kích thước và thông số của bộ truyền và nhận 36

Bảng 2 4 Thông số hệ thống và mạch bù 49

Bảng 2 5 Giá trị điện áp, dòng điện đỉnh của các phần tử trong mô phỏng LTspice 54

Bảng 2 6 So sánh thiết kế đề xuất với các nghiên cứu khác 57

Bảng 3 1 So sánh phương pháp điều khiển bám cộng hưởng 79

Bảng 4 1 So sánh phương pháp điều khiển công suất 97

xiii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 0.1 Thị trường xe điện giai đoạn 2013 – 2018 ([1]) 1

Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện 11

Hình 1.2 Hệ thống WPT với cấu trúc hai cuộn dây 12

Hình 1.3 Các loại đường truyền trong hệ thống sạc động ([39]) 17

Hình 1.4 Cấu trúc đường truyền kiểu đường dài với lõi ferrite 17

Hình 1.5 Đường truyền kiểu đoạn trong hệ thống thực nghiệm của ORNL ([10]) 18

Hình 1.6 Cấu trúc các mạch bù cơ bản a) SS b) SP c) PS d) PP 20

Hình 1.7 Các cấu trúc các mạch bù a) SPS; b) LC; c) LCC 21

Hình 2 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 27

Hình 2 2 Cấu trúc bộ ghép từ của một mô đun truyền và nhận 31

Hình 2 3 Mô hình Maxwell 3D của một mô đun bộ ghép từ 32

Hình 2 4 Kết quả mô phỏng FEA của hệ số kết nối 35

Hình 2 5 Đặc tính của hệ số kết nối khi bộ nhận lệch bên 37

Hình 2 6 Phát xạ từ trường trong mô phỏng Maxwell 37

Hình 2 7 Sơ đồ cấu trúc một mô đun truyền nhận với mạch bù LCC hai phía 39

Hình 2 8 Sơ đồ mạch xấp xỉ tương đương 41

Hình 2 9 Trạng thái mạch ở chế độ cộng hưởng 42

Hình 2 10 Sơ đồ thay thế khi có nội trở các cuộn dây 46

Hình 2 11 Đặc tính hiệu suất truyền lý thuyết tối đa với kr = 0.14 48

Hình 2 12 Mô hình mô phỏng trên phần mềm Ansys Electronics 50

Hình 2 13 Đặc tính trở kháng đầu vào 51

Hình 2 14 Đặc tính hiệu suất truyền 51

Hình 2 15 Dạng sóng điện áp và dòng điện trong mô phỏng Ltspice 53

Hình 2 16 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất của hệ thống 54

Hình 2 17 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất của hệ thống ở các mức UDC khác nhau 54

Hình 2 18 Mô hình thực nghiệm 55

Hình 2 19 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp/dòng điện 56

Hình 3 1 Điểm đo dòng điện của phương pháp điều khiển bám cộng hưởng 62

Hình 3 2 Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển bám cộng hưởng 63

Hình 3 3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám cộng hưởng 64

xiv

Hình 3 4 Đặc tính hiệu suất khi thông số của hệ thống thay đổi 65

Hình 3 5 Đặc tính chuyển mạch của MOSFET 67

Hình 3 6 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu 70

Hình 3 7 Quá trình chuyển đổi giá trị của trở kháng tải 70

Hình 3 8 Sơ đồ mạch thay thế 72

Hình 3 9 Cấu trúc điều khiển tải tối ưu 74

Hình 3 10 Kết quả mô phỏng FEA và kết quả ước ượng hệ số kr từ phía thứ cấp 75

Hình 3 11 Kết quả mô phỏng hiệu suất theo giá trị trở kháng tải 76

Hình 3 12 Đặc tính hiệu suất truyền theo vị trí bộ nhận 76

Hình 3 13 Mô hình thực nghiệm điều khiển bám trở kháng tối ưu 77

Hình 3 14 Kết quả thực nghiệm hiệu suất hệ thống 78

Hình 4 1 Sơ đồ rút gọn của sơ đồ Hình 2.10 83

Hình 4 2 Tín hiệu điều khiển van S1, S2, S3, S4 và dạng điện áp ra của nghịch lưu 85

Hình 4 3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển công suất 88

Hình 4 4 Sơ đồ khối cấu trúc một mạch vòng điều khiển 89

Hình 4 5 Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều khiển 89

Hình 4 6 Kết quả mô phỏng FEA và ước lượng hệ số kết nối kr từ phía sơ cấp 91

Hình 4 7 Kết quả mô phỏng đáp ứng công suất theo giá trị đặt trước 92

Hình 4 8 Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp/ dòng điện 92

Hình 4 9 Kết quả mô phỏng đặc tính công suất đầu ra theo góc dịch pha 93

Hình 4 10 Kết quả thực nghiệm dạng điện áp/dòng điện đầu ra của nghịch lưu và dòng cộng hưởng trên cuộn dây truyền 94

Hình 4 11 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt giảm từ 600W xuống 400W 95

Hình 4 12 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt bằng 400W, bộ nhận di chuyển thẳng hướng và lệch hướng 96

1

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, tài nguyên hóa thạch ngày càng cạn kiệt thúc đẩy việc sử dụng năng lượng xanh Xe điện là phương tiện sử dụng năng lượng xanh hiệu quả và ngày càng phổ biến trên thế giới Theo báo cáo của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency), xe điện đang được phát triển nhanh chóng trong khoảng hơn mười năm trở lại đây Hình 0.1 là thống kê của IEA về sự phát triển của thị trường xe điện giai đoạn 2013-2018, trong năm 2018 số lượng xe điện tăng thêm là hơn 5 triệu xe, tăng 63% so với năm 2017, ước tính nhu cầu sử dụng xe điện sẽ tăng lên khoảng 44 triệu xe/năm vào năm 2030 [1]

Hình 0.1 Thị trường xe điện giai đoạn 2013 – 2018 ([1])

Trong hệ thống đường sắt, tàu điện đã được phát triển và ứng dụng vào thực tế Tàu điện có ưu điểm là dễ dàng lấy được điện năng từ đường ray hoặc hệ thống thanh trượt vì tàu điện chạy trên đường ray cố định, nhược điểm là không linh hoạt như xe điện Tuy nhiên, xe điện lại không dễ dàng nhận điện năng từ đường ray như tàu điện Thay vào đó là một hệ thống ắc quy có công suất và dung lượng lớn được trang bị trên xe để xe điện có thể chạy được trong một khoảng cách nhất định Hiện nay, các thiết bị lưu trữ năng lượng cho xe điện vẫn có mật độ năng lượng thấp, tuổi thọ hạn chế, kích thước và chi phí lớn Trong khi mật độ năng lượng của xe xăng là 12000Wh/kg thì mật độ năng lượng của ắc quy lithium-ion được thương mại cho xe

Xe điện sử dụng sạc không dây sẽ tiện lợi hơn và an toàn hơn so với sử dụng sạc cắm dây

Sạc điện không dây là một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ truyền điện không dây (WPT – Wireless Power Transfer) Hệ thống WPT cho phép truyền năng lượng qua không khí với khoảng cách từ vài mm đến vài trăm mm, hiệu suất có thể đạt được trên 90% [3] Hệ thống WPT ứng dụng trong sạc không dây cho xe điện được chia thành hai loại là sạc không dây tĩnh và sạc không dây động Sạc không dây tĩnh là bộ sạc mà khi sạc xe điện cần phải đỗ đúng vị trí của bộ truyền để nhận điện năng từ bộ truyền Hiện nay, các bộ sạc không dây tĩnh đã được thương phẩm bởi một số tập đoàn sản xuất xe điện lớn trên thế giới như WiTricity, Qualcomm [4] Một số nhà sản xuất xe điện cung cấp bộ sạc không dây như một tùy chọn khi mua

xe điện Tuy nhiên, nhược điểm của các bộ sạc này là thời gian sạc dài, khoảng cách

di chuyển sau mỗi lần sạc ngắn, dung lượng và trọng lượng của ắc quy lớn [5] Sạc không dây động là giải pháp có thể khắc phục được các nhược điểm trên của sạc không dây tĩnh Trong hệ thống sạc không dây động, xe điện có thể vừa đi vừa sạc Hệ thống này không những mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện mà còn giúp giảm đáng kể dung lượng và kích thước của ắc quy Nếu 20% quãng đường di chuyển được trang bị hệ thống sạc 40kW, khoảng cách di chuyển của xe điện có thể mở rộng thêm ít nhất 80% [6] Đường truyền năng lượng trong hệ thống sạc không dây động

có thể được tạo thành bằng cách sắp xếp nhiều bộ truyền giống như các bộ truyền của sạc không dây tĩnh dưới lòng đường Như vậy, thay vì mỗi xe điện sở hữu riêng một

bộ sạc tĩnh thì các bộ sạc tĩnh này có thể được sắp xếp, điều khiển tạo thành làn đường sạc động cho xe Hệ thống sạc không dây động có thể cùng một lúc sạc cho nhiều xe điện, có thể thích hợp với nhiều loại xe điện khác nhau như xe bus điện, ô tô điện…

vì vậy hiệu quả sử dụng cao hơn nhiều so với các hệ thống sạc khác Hiện nay, các

hệ thống sạc không dây động đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, công suất

3

truyền có thể lên tới 80kW, khoảng cách truyền lên tới 500mm [7] Gần đây, các hệ thống sạc động đang được nghiên cứu, phát triển với nhiều công nghệ và kỹ thuật khác nhau Ngoài ra, chính phủ nhiều nước trên thế giới có các chính sách ưu đãi nhằm tăng cường việc sử dụng xe điện vì các mục đích xã hội

Các lý do trên thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện Tuy nhiên, sự chuyển động của xe trên làn đường sạc tạo ra nhiều thách thức trong việc thiết kế, điều khiển hệ thống Hiện nay, còn rất nhiều vấn đề, giải pháp trong hệ thống sạc không dây động cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển Do đó, tác giả lựa chọn đề tài “nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện”

2 Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án

Hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện có đặc điểm là hệ

số kết nối điện từ giữa đường truyền và bộ nhận trên xe thay đổi khi xe di chuyển Điều đó làm đập mạch công suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ của ắc quy [8-12] Từ đó đặt

ra vấn đề thiết kế cuộn dây nhằm giảm độ dao động của hệ số kết nối điện từ để giảm đập mạch công suất

Hơn nữa, vấn đề nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống WPT là rất quan trọng Hiệu suất của toàn hệ thống WPT bằng tích hiệu suất của từng phần trong hệ thống Do đó,

để đạt được hiệu suất cao trong toàn hệ thống WPT cần phải nâng cao hiệu suất của từng phần trong hệ thống như hiệu suất truyền, hiệu suất của các bộ biến đổi điện tử công suất và giảm thiểu các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống [13-16] Mặt khác, trong hệ thống sạc động không dây cho xe điện có nhiều loại xe điện có yêu cầu mức công suất sạc khác nhau cùng chạy trên đường và tương tác với đường truyền Do đó, vấn đề điều khiển công suất sạc theo yêu cầu của các xe điện là cần thiết

Ngoài ra, các vần đề khác như thiết kế, điều khiển hệ thống với khoảng cách truyền

xa, công suất truyền lớn, vấn đề dò vị trí xe để điều khiển đóng/cắt các đoạn của đường truyền, chọn đường đi cho xe… cũng cần được nghiên cứu, phát triển [17], [18]

Từ những tồn tại trên, hướng nghiên cứu của luận án là:

4

- Nghiên cứu, thiết kế cuộn dây sử dụng phương pháp mô phỏng phân tích phần

tử hữu hạn FEA (Finite Element Analysis) trên phần mềm Ansys Maxwell nhằm giảm đập mạch công suất

- Nghiên cứu thiết kế, điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống

- Nghiên cứu thiết kế, điều khiển công suất

- Nghiên cứu thực nghiệm xác minh tính đúng đắn của các phương pháp thiết

kế, điều khiển đã đề xuất

3 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án thực hiện nghiên cứu, đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện với các mục tiêu sau:

- Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất

- Thiết kế và điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống

- Điều khiển công suất ra tải

Đối tượng nghiên cứu

Luận án nghiên cứu về các phần sau trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện:

5

suất cao Phần thứ hai do hệ thống điều khiển quản lý năng lượng ắc quy trên xe phụ trách Nghiên cứu này tập trung giải quyết vấn đề đảm bảo truyền năng lượng không dây hiệu suất cao cho xe điện từ phía sơ cấp đến bus DC ở phía thứ cấp Vì vậy, để giới hạn phạm vi nghiên cứu, đề tài đưa ra một số giả thiết sau:

- Không xem xét vấn đề điều khiển quản lý năng lượng ắc quy trên xe, vì vậy giống như nhiều nghiên cứu khác trên thế giới, coi toàn bộ phía sau hệ thống truyền điện không dây từ bus DC tới phụ tải là một phụ tải tương đương có trở kháng thay đổi tùy thuộc vào trạng thái sạc của ắc quy

- Xem xét quá trình truyền năng lượng trên một mô đun truyền – nhận từ nguồn đầu vào một chiều của bộ nghịch lưu tần số cao phía sơ cấp đến tải tương đương phía sau của bộ biến đổi điều khiển phối hợp trở kháng, chưa xem xét đến vấn đề chuyển đổi từ mô đun này sang mô đun khác trên đường truyền

- Khoảng cách truyền bằng 150mm và không thay đổi trong quá trình xe di chuyển

- Tốc độ xe điện không vượt quá 40km/h

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Về lý luận

Hệ thống truyền điện không dây sạc cho xe điện ngay trong quá trình di chuyển

là giải pháp thúc đẩy sự phổ biến của xe điện trong tương lai gần vì có thể giải quyết vấn đề tăng được thời gian cũng như quãng đường di chuyển trên dung lượng hạn chế của ắc quy trên xe Hệ thống truyền năng lượng dựa trên cơ sở cảm ứng điện từ giữa các cuộn dây kết nối điện từ với nhau là hướng nghiên cứu chính hiện nay đang được quan tâm Nghiên cứu này nhằm giải quyết những vẫn đề như đảm bảo hiệu suất truyền cao nhất, giảm được độ đập mạch công suất khi cuộn nhận di chuyển, nâng cao hiệu suất, điều khiển được dòng công suất khi phía phụ tải là các loại xe điện với yêu cầu mức công suất khác nhau Bằng phương pháp tính toán và mô phỏng phần tử hữu hạn, luận án đã phân tích quá trình điện từ và đưa ra thiết kế cấu trúc mô đun hóa cho hệ thống các cuộn cảm ghép nối về từ trường với nhau đảm bảo hệ số kết nối điện từ tương đối phẳng, như vậy giảm được đập mạch công suất trên tải khi cuộn nhận di chuyển Hiệu suất truyền công suất được tối ưu hóa nhờ quá trình cộng hưởng

ở tần số 85 kHz với các mạch bù trở kháng LCC, ngay cả khi hệ số kết nối thay đổi

6

liên tục theo vị trí của cuộn nhận so với các cuộn truyền Về mặt điều khiển luận án cũng giải quyết các vấn đề liên quan đến đảm bảo hoạt động của bộ biến đổi điện tử công suất trong chế độ cộng hưởng, điều khiển dòng công suất từ phía truyền cũng như phía nhận

Về thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông qua mô hình thực nghiệm chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn Hệ thống truyền năng lượng không dây ứng dụng trong sạc động cho xe điện thực sự nâng cao tính thuận tiện, hiệu quả và sự an toàn trong quá trình phổ biến loại xe này trong tương lai

5 Dự kiến các kết quả đạt được

- Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất

- Nâng cao được hiệu suất của hệ thống

- Điều khiển được công suất

Chương 2 trình bày về vấn đề thiết kế hệ thống Đầu tiên, thiết kế cấu trúc hệ thống được trình bày Sau đó, bộ ghép từ được thiết kế bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn FEA để giảm độ dao động của hệ số kết nối điện từ, từ đó giảm đập mạch công suất Cuối cùng, mạch bù LCC được đề xuất thiết kế theo giá trị tải tối ưu

để tối đa hiệu suất truyền

7

Chương 3 đề xuất các phương pháp điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng nhằm nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu trong trường hợp thông số của hệ thống bị thay đổi so với thiết kế ban đầu do điều kiện làm việc thực tế Phương pháp điều khiển bám tải tối ưu nhằm tối đa hiệu suất truyền khi xe điện di chuyển trên làn đường truyền

Chương 4 đề xuất phương pháp điều khiển công suất đầu ra chỉ từ phía sơ cấp nhằm đáp ứng các mức công suất sạc khác nhau cho các loại xe điện khác nhau Ngoài

ra, một phương pháp ước lượng hệ số kết nối điện từ mới, dễ thực hiện được đề xuất thực hiện chỉ từ phía sơ cấp, từ đó điều khiển công suất đầu ra theo yêu cầu

Phần cuối cùng của luận án là kết luận về những đóng góp của luận án, những hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp theo

8

Chương 1 Tổng quan

1.1 Giới thiệu chung

Hiện nay, các phương tiện giao thông sử dụng nguyên liệu xăng dầu làm gia tăng khí thải nhà kính Do đó, xe điện được đề xuất sử dụng để đạt được giao thông thân thiện với môi trường Trong những năm gần đây, nhiều quốc gia có chính sách ưu đãi

về thuế với xe điện, số lượng xe điện được đưa vào sử dụng đã tăng nhưng vẫn chưa thực sự hấp dẫn với người tiêu dùng [1] Ngoài vấn đề chi phí thì hạn chế lớn nhất của xe điện là quãng đường di chuyển ngắn do công nghệ lưu trữ năng lượng Mặc

dù, công nghệ sản xuất ắc quy đã và đang phát triển nhưng vẫn còn nhiều hạn chế như chi phí lớn, kích thước lớn, trọng lượng lớn và mật độ lưu trữ năng lượng thấp Với công nghệ ắc quy hiện tại thì xe điện không thể đạt được phạm vi di chuyển như

xe xăng Gần đây, giải pháp ứng dụng WPT trong sạc động không dây cho xe điện được đề xuất thực hiện để mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện

Truyền điện không dây là phương thức truyền điện năng từ nguồn đến tải qua không khí mà không cần sử dụng các đầu nối vật lý Lịch sử phát triển của hệ thống WPT bắt đầu từ việc xây dựng phương trình Maxwell vào năm 1862 Maxwell đã mô

tả các hiện tượng của sóng vô tuyến trong các phương trình Maxwell Sau đó, Henry Poynting đã minh họa sóng điện từ như một dòng chảy năng lượng và được sử dụng trong định lý Poynting vào năm 1884 Nikola Tesla đã nghiên cứu về nguyên tắc truyền điện không dây vào cuối thế kỷ 19 [19] Tuy nhiên, các thí nghiệm của Tesla không được khai thác ở mức độ thương mại vì lỳ do không an toàn, hiệu suất thấp và giá thành đắt Sau các thử nghiệm ban đầu của Tesla, sóng điện từ được sử dụng cho các ứng dụng liên lạc không dây Ngày nay, đề xuất của Tesla đã trở thành hiện thực với sự ra đời của các công nghệ bán dẫn tiên tiến Hệ thống WPT hữu ích trong các môi trường làm việc mà các đầu nối vật lý gây bất tiện, nguy hiểm hoặc không thể thực hiện và đặc biệt thích hợp cho xe điện

Hệ thống WPT ứng dụng sạc cho xe điện chia thành hai loại, sạc không dây tĩnh

và sạc không dây động Với sạc không dây tĩnh, khi sạc xe điện phải dừng lại và đỗ đúng vị trí của bộ truyền để nhận năng lượng từ bộ truyền Các bộ sạc không dây tĩnh

có điều kiện kết nối điện từ tốt, hiệu suất có thể đạt được trên 90% [3], [20] Tuy nhiên, khoảng cách di chuyển sau mỗi lần sạc của xe điện không tăng so với sạc cắm

9

dây Để tăng khoảng cách di chuyển thì xe điện phải được sạc thường xuyên hoặc được trang bị ắc quy có dung lượng lớn hơn Tuy nhiên, các giải pháp này đều phát sinh chi phí Do đó, hệ thống sạc động không dây là một công nghệ nhiều hứa hẹn có thể mở rộng phạm vi di chuyển của xe, xe điện có thể vừa di chuyển trên đường vừa sạc [6], [7] Như vậy, khoảng cách di chuyển của xe điện tăng lên trong khi có thể sử dụng ắc quy với dung lượng nhỏ nhất

Bảng 1 1 Một số thành tựu của hệ thống sạc động không dây cho xe điện

Học viện/tập đoàn Công suất

(kW)

Tần số (kHz)

Khoảng cách (mm)

Hiệu suất (%)

10

Hàn Quốc (KAIST) đã có nhiều đóng góp cho các nghiên cứu về hệ thống sạc động KAIST đã xây dựng một số hệ thống sạc động OLEV (On-Line Electric Vehicles) thử nghiệm cho xe bus và xe SUV KAIST thử nghiệm một hệ thống sạc động cho xe bus với công suất truyền bằng 60kW, khoảng cách truyền là 170mm, hiệu suất đạt trên 71% Hệ thống sạc động cho xe SUV cũng được thử nghiệm với công suất truyền bằng 15kW, khoảng cách truyền là 170mm, hiệu suất lớn nhất đạt được là 83% [22-25] Phòng thí nghiệm quốc gia ORNL (Oak Ridge National Laboratory) của Mỹ, nghiên cứu phát triển hệ thống sạc động sử dụng các bộ truyền kiểu đoạn Hệ thống truyền công suất 20kW, khoảng cách truyền từ 125-175 mm, hiệu suất đạt được lên tới 90% [10], [26] Ngoài ra, còn nhiều các viện nghiên cứu, các tập đoàn đã và đang nghiên cứu thử nghiệm các hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho

xe điện

Như vậy có thể thấy rằng, các hệ thống sạc động không dây cho xe điện đã và đang được nghiên cứu, phát triển, hứa hẹn làm cho việc sử dụng xe điện tiện lợi hơn và an toàn hơn Các công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện có thể được đưa vào cấp độ thương mại với chi phí hợp

lý Tuy nhiên, để thương mại hóa vẫn còn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu, phát triển như mức công suất truyền, khoảng cách truyền, hiệu suất khi xe di chuyển thẳng hướng và lệch bên, điều khiển đóng/ cắt các cuộn dây theo vị trí của xe, điều khiển quản lý quá trình sạc cho ắc quy, vấn đề tốc độ, vấn đề an toàn, chi phí Do vậy, các nghiên cứu mở rộng về hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện là rất cần thiết

Để nghiên cứu tổng quan về hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, xem xét một cấu trúc điển hình của hệ thống như trên Hình 1.1 Hệ thống WPT bao gồm hai phía cách điện với nhau, được gọi là phía sơ cấp và phía thứ cấp

Ở phía sơ cấp, các cuộn dây sơ cấp được đặt cố định dưới lòng đường tạo thành làn đường sạc động cho xe Nguồn điện lưới xoay chiều được chuyển thành nguồn một chiều nhờ bộ chỉnh lưu PFC Sau đó, nguồn một chiều được biến đổi thành nguồn xoay chiều tần số cao nhờ bộ nghịch lưu tần số cao để đưa tới các cuộn dây sơ cấp thông qua mạch bù sơ cấp Dòng điện tần số cao trong các cuộn dây sơ cấp phát ra từ trường xoay chiều Ở phía thứ cấp, cuộn dây nhận được đặt dưới gầm xe điện cảm ứng được một điện áp xoay chiều tần số cao Bằng cách cộng hưởng với mạch bù phía thứ cấp, công suất và hiệu suất truyền được cải thiện đáng kể Nguồn xoay chiều tần số cao này được chỉnh lưu và đưa đến bộ điều khiển phối hợp trở kháng, bộ điều

11

khiển quản lý năng lượng ắc quy, một phần sạc cho ắc quy và một phần đưa đến drive điều khiển động cơ trong xe điện Bộ điều khiển phối hợp trở kháng có chức năng điều khiển trở kháng nhằm tối đa hiệu suất truyền

Cuộn dây thứ cấp

Bộ ĐK quản lý năng lượng

ắc quy

Chỉnh lưu tần số cao

Bộ ĐK phối hợp trở kháng

~

Mạch bù thứ cấp

Động cơ Drive

Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe

điện

Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện có nhiều thiết bị liên quan đến nhiều lĩnh vực như điện từ, điện tử công suất, truyền thông, cơ khí và kỹ thuật điện Nghiên cứu về hệ thống WPT phức tạp do tính đa ngành và sự không chắc chắn của hệ thống như từ trường ở tần số cao có mật độ thấp, thay đổi theo khoảng cách Sự cộng hưởng trong hệ thống là chìa khóa để truyền năng lượng với hiệu suất cao Nghiên cứu về hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện có thể được chia thành ba phần chính như sau:

- Nghiên cứu về bộ ghép từ Bộ ghép từ trong hệ thống WPT bao gồm các cuộn dây sơ cấp, thứ cấp được xây dựng với cấu trúc có lớp ferrite để tăng kết nối điện từ và có tấm chắn nhôm để che chắn từ trường rò ra môi trường xung quanh

- Nghiên cứu về mạch bù

- Nghiên cứu về cấu trúc và phương pháp điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất

12

Để xem xét cụ thể các vấn đề còn tồn tại của hệ thống, mục 1.2 sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu trên thế giới về các phần trên của hệ thống

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

1.2.1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây

Để xem xét các vấn đề thiết kế, điều khiển hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, trước tiên cần xem xét cơ sở lý thuyết cơ bản của hệ thống WPT Sự khác biệt giữa bộ sạc không dây và bộ sạc cắm dây thông thường là thay vì sử dụng một biến áp hoặc cáp sạc thì sử dụng các cuộn dây truyền và nhận tách rời nhau Nguyên lý làm việc của hệ thống giống như máy biến áp chỉ khác là hai cuộn dây tách rời nhau hay điện năng được truyền qua không khí Để rõ hơn cơ

sở lý thuyết của hệ thống WPT, xem xét hệ thống gồm hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp có sơ đồ cấu trúc được trình bày trên Hình 1.2 [3]

+ _

Hình 1.2 Hệ thống WPT với cấu trúc hai cuộn dây

Trong đó:

L 1 , L 2 Điện cảm tự cảm của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp

M Điện cảm hỗ cảm của hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

I 1 , I 2 Dòng điện hiệu dụng chảy trong hai cuộn dây L 1 , L 2

φ 12 Góc lệch pha giữa dòng điện 𝐼̇1 và 𝐼̇2

𝑈̇21, 𝑈̇12 Điện áp cảm ứng trên cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được sinh ra do

hiện tượng cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây

S 1 , S 2 Công suất biểu kiến đi vào cuộn dây L1, L2

13

S 3 , S 4 Công suất biểu kiến được cấp bởi bộ biến đổi điện tử công suất, đưa

vào mạch bù

S 12 , S 21 Công suất biểu kiến trao đổi giữa hai cuộn dây

Khi chưa xét đến mạch bù, với giả thiết bỏ qua nội trở của các cuộn dây và tổn

thất từ, công suất biểu kiến trao đổi giữa cuộn dây L 1 và cuộn dây L 2 có thể được tính toán như trong các biểu thức (1.1) và (1.2) dưới đây

lệch pha φ 12 = π/2 nghĩa là dòng điện I 1 sớm pha hơn dòng điện I 2 ¼ chu kỳ

Tổng công suất biểu kiến đi vào hai cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được tính như trong biểu thức (1.4)

14

2 12

L L ; k được gọi là hệ số hỗ cảm hay hệ số kết nối điện từ giữa

cuộn dây L 1 và cuộn dây L 2

Để tìm cực trị của hàm f(φ 12 ), tiến hành giải hệ phương trình (1.7) dưới đây

12 12

2

12 2

12

00

2

21

41

1

k

-x x k sin

Trong máy biến áp truyền thống hệ số k có giá trị gần bằng 1 Do đó, nếu dòng

điện 𝐼̇2 là dòng điện cảm ứng của dòng điện 𝐼̇1 thì x có giá trị gần bằng 1 Như vậy, theo biểu thức (1.8) thì f(φ 12 ) đạt giá trị lớn nhất khi giá trị của góc pha φ 12 ≈ 180 0

Tuy nhiên, trong hệ thống WPT hệ số k có giá trị gần bằng 0, do vậy f(φ 12 ) đạt giá trị

lớn nhất khi sinφ 12 = 1 hay φ 12 = 90 0 Đây là sự khác biệt giữa hệ thống hai cuộn dây trong máy biến áp truyền thống và trong hệ thống WPT

Khi xét đến mạch bù, hệ thống WPT có hai cách thiết kế mạch bù Cách thứ nhất,

thiết kế tụ điện cộng hưởng với điện cảm rò, các thiết kế này làm cho f(φ 12 ) cao hơn

cuộn dây thì φ 12 = 90 0 và f(φ 12 ) thấp hơn Do đó, tụ điện thường được thiết kế cộng

hưởng với điện cảm rò để f(φ 12 ) tăng lên Tuy nhiên, cách thiết kế này lại có nhược

điểm là toàn bộ hệ thống không thể làm việc ở chế độ cộng hưởng

Trong hệ thống WPT, thông thường giá trị của hệ số kết nối k nhỏ hơn 0,5 Do đó,

tụ điện thường được thiết kế cộng hưởng với điện cảm tự cảm để hệ thống đạt được công suất truyền lớn nhất Trong trường hợp này, hầu hết năng lượng từ trường được lưu trữ trong khe hở không khí giữa hai cuộn dây Tổn thất do từ trễ trong ferrite không liên quan đến công suất mạch từ Tuy nhiên, tổn thất đồng tỷ lệ với bình phương dòng điện Để hiệu suất truyền lớn hơn, dòng điện cảm ứng 𝐼̇2 phải chậm pha hơn dòng điện 𝐼̇1 góc 900 Khi điện áp cảm ứng 𝑈̇12 trên cuộn dây thứ cấp chậm pha hơn dòng điện 𝐼̇1 góc 900, 𝑈̇12 và 𝐼̇2 sẽ cùng pha (nghĩa là phía thứ cấp phải có đặc tính của điện trở thuần) Lúc đó, công suất biểu kiến đầu vào phía sơ cấp S3 phải được

giảm thiểu Khi cos φ 12 = 0, tổng công suất S1 được tính như sau:

Do đó, trong hệ thống WPT điện năng phải được truyền ở chế độ cộng hưởng từ

1.2.2 Tổng quan về bộ ghép từ

Trong hệ thống WPT cần có ít nhất hai bộ ghép từ để truyền và nhận điện năng là

bộ ghép từ phía sơ cấp và bộ ghép từ phía thứ cấp Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, các bộ ghép từ phía sơ cấp được sắp đặt cố định dưới lòng đường tạo thành làn đường truyền hay làn đường sạc cho xe điện Bộ ghép từ phía thứ cấp thường được đặt dưới gầm xe điện Khi xe điện di chuyển dọc

16

theo làn đường sạc, điện năng được truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp nhờ các

bộ ghép từ này

Để hiệu suất của hệ thống WPT cao thì cả hai thông số là hệ số kết nối điện từ và

hệ số phẩm chất của các bộ ghép từ phải lớn [3] Thông thường, với một cấu trúc nhất định, tỷ lệ giữa kích thước của bộ ghép từ và khoảng cách truyền càng lớn thì hệ số kết nối điện từ càng lớn; cuộn dây càng dầy và diện tích vùng ferrite càng lớn thì hệ

số phẩm chất của bộ ghép từ càng cao Bằng cách tăng kích thước và vật liệu của bộ ghép từ thì hiệu suất truyền của hệ thống có thể cao hơn Nhưng đây không phải là giải pháp kỹ thuật tốt Hệ thống cần phải có hệ số kết nối điện từ và hệ số phẩm chất cao hơn với kích thước và giá thành của các bộ ghép từ nhỏ nhất

Hệ số phẩm chất của bộ ghép từ tỷ lệ thuận với tần số, nên hệ thống làm việc ở tần

số cao là giải pháp tốt để tăng giá trị của hệ số phẩm chất Trong hệ thống WPT, giải pháp tăng tần số được lựa chọn để tăng hiệu suất truyền [34], [35] Tuy nhiên, tần số làm việc được quy định bởi tiêu chuẩn J2954 của hiệp hội ô tô điện thế giới SAE Tiêu chuẩn J2954 quy định tần số làm việc định mức áp dụng cho các loại xe hạng nhẹ là 85kHz (trong dải tần từ 81.38 kHz ÷ 90kHz) [36]

Bên cạnh tần số, hệ số kết nối điện từ (phụ thuộc vào thiết kế của bộ ghép từ) là một trong những thông số quan trọng trong hệ thống sạc không dây Với cùng vật liệu và kích thước, cấu trúc hình học của bộ ghép từ cũng tạo ra sự khác biệt của hệ

số kết nối điện từ [20]

Đường truyền trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện được chia thành hai loại chính, loại thứ nhất là đường truyền kiểu đường dài có cấu trúc như Hình 1.3a [37], loại thứ hai là đường truyền kiểu đoạn có cấu trúc như trên Hình 1.3b [38]

Đường truyền kiểu đường dài có thể đơn giản chỉ là hai đường dây như trong [37], [40] hoặc sử dụng thêm lõi ferrite có dạng hình U hoặc hình W như trên Hình 1.4a nhằm tăng hệ số kết nối và khoảng cách truyền như trong [22], [41] Ngoài ra, học viện KAIST của Hàn Quốc đã đề xuất cấu trúc đường truyền có lõi ferrite hình I như trên Hình 1.4b [42] Cấu trúc đường truyền lõi ferrite hình I có ưu điểm so với cấu trúc lõi hình W là khoảng cách truyền không phụ thuộc vào chiều rộng của đường truyền Do đó, đường truyền có thể được xây dựng với chiều rộng rất hẹp Với cùng công suất và khoảng cách truyền, chiều rộng của đường truyền kiểu đường dài với cấu trúc lõi ferrite loại U, W, I tương ứng là 140cm, 80 cm và 10cm[43] Tuy nhiên,

17

trong cấu trúc đường truyền kiểu đường dài bộ nhận chỉ chiếm một phần nhỏ của đường truyền làm cho hệ số kết nối điện từ rất nhỏ, nhiễu điện từ cao, hiệu suất thấp Hiệu suất trong hệ thống OLEV của KAIST chỉ đạt được 74% [43]

Hình 1.3 Các loại đường truyền trong hệ thống sạc động ([39])

W

W

W1

2 Tấm

Hình 1.4 Cấu trúc đường truyền kiểu đường dài với lõi ferrite

Để giảm nhiễu điện từ, đường truyền được chia thành các đoạn ngắn [44], [45] Một bộ biến đổi công suất duy nhất được sử dụng để cấp nguồn cho các đoạn trong đường truyền, các công tắc được sử dụng để bật/tắt các đoạn theo vị trí của xe Do

đó, nhiễu điện từ trên các phân đoạn làm việc được giảm đáng kể Tuy nhiên, trong dây cấp nguồn chung luôn có một dòng điện tần số cao chạy qua làm giảm hiệu suất của hệ thống Hiệu suất truyền đạt được trong khoảng từ 70% đến 80% Hiệu suất này vẫn thấp hơn nhiều so với hiệu suất của hệ thống sạc tĩnh

Bộ biến đổi sơ cấp

Bộ biến

đổi sơ cấp

a) Đường truyền kiểu đường dài

b) Đường truyền kiểu đoạn

Bộ biến đổi sơ cấp

Bộ biến đổi sơ cấp

Bộ biến đổi sơ cấp đổi sơ cấp Bộ biến

18

Khi mỗi đoạn trong đường truyền đủ ngắn thì mỗi đoạn giống như một pad (bộ truyền) trong hệ thống sạc không dây tĩnh Mỗi bộ biến đổi công suất cấp nguồn cho một bộ truyền, nhiều bộ truyền được bố trí trong một khu vực tạo thành làn đường cho xe chạy như trên Hình 1.5 Các bộ truyền được cấp nguồn theo vị trí bộ nhận, tránh được dòng điện chạy trong dây chung như trong [44], [45] Do đó, hiệu suất truyền và nhiễu điện từ có thể tốt như trong hệ thống sạc tĩnh

Hình 1.5 Đường truyền kiểu đoạn trong hệ thống thực nghiệm của ORNL ([10])

Tuy nhiên, cấu trúc đường truyền kiểu đoạn yêu cầu số lượng lớn các mạch bù, các bộ biến đổi công suất, yêu cầu mạch xác định vị trí xe và yêu cầu các điều khiển khác làm cho hệ thống phức tạp hơn [11], [14], [46] Ngoài ra, giá thành của hệ thống cao hơn hệ thống có cấu trúc đường truyền kiểu đường dài Do đó, trong [47] đưa ra giải pháp một bộ biến đổi công suất cấp nguồn cho vài cuộn dây để giảm chi phí của

hệ thống

Một nhược điểm khác của cấu trúc đường truyền kiểu đoạn là khi xe điện di chuyển giữa hai cuộn truyền liền kề, công suất đầu ra sẽ đập mạch và giảm đáng kể khi bộ nhận lệch bên [8-12] Khi khoảng cách giữa các bộ nhận bằng khoảng 30% chiều dài

bộ nhận, công suất đầu ra đập mạch 50% [10] Công suất đầu ra giảm xuống gần bằng không khi bộ nhận ở vị trí giữa hai bộ truyền trong [9] Công suất đầu ra đập mạch là một trong những vấn đề nghiêm trọng đối với hệ thống sạc động Một số giải pháp giảm đập mạch công suất đầu ra được thực hiện trong các nghiên cứu [48-53] Tuy nhiên, các giải pháp này vẫn còn một số vấn đề cần phải nghiên cứu nâng cao

19

Như vậy, có thể thấy đường truyền kiểu đoạn phù hợp với hệ thống sạc động không

dây cho xe điện vì nhiễu điện từ thấp và hiệu suất cao Tuy nhiên, việc thiết kế và điều khiển hệ thống phức tạp Để có thể đưa các nghiên cứu vào ứng dụng thực tế, các cấu trúc và đặc điểm của đường truyền, đặc biệt khi xe điện di chuyển lệch bên cần được nghiên cứu, phát triển

1.2.3 Tổng quan về mạch bù

Trong hệ thống WPT điện năng được truyền qua khe hở không khí làm cho hệ số kết nối điện tử nhỏ và điện cảm rò lớn Sự cộng hưởng là chìa khóa trong hệ thống WPT để truyền điện với công suất lớn và hiệu suất cao [3] Do đó, các mạch bù được

sử dụng để tạo thành mạch cộng hưởng trong hệ thống WPT

Ở dải tần số kHz, mạch cộng hưởng được tạo ra bằng cách đưa thêm các tụ bù vào mạch Theo cách nối tụ bù với cuộn dây truyền và nhận, có bốn mạch bù cơ bản là mạch bù nối tiếp - nối tiếp (SS – Series Series), mạch bù nối tiếp - song song (SP - Series Parallel), mạch bù song song - song song (PP - Parallel Parallel) và mạch bù song song - nối tiếp (PS - Parallel Series), các cấu trúc mạch bù này được trình bày trên Hình 1.6 [54], [55] Nếu phía sơ cấp sử dụng mạch bù nối tiếp thì bộ biến đổi nguồn áp có thể nối trực tiếp với cuộn dây Nếu phía sơ cấp sử dụng mạch bù song song thì một điện cảm được nối thêm vào mạch để chuyển nguồn áp thành nguồn dòng, sau đó nối với cuộn dây Ở phía thứ cấp, tụ bù thường được thiết kế để cộng hưởng với điện cảm của cuộn dây thứ cấp nhằm giảm dung lượng cuộn dây, tăng hiệu suất truyền Khi dòng điện trên cuộn dây sơ cấp là không đổi, ở phía thứ cấp nếu mạch bù là nối tiếp thì đầu ra giống như nguồn áp, nếu mạch bù là song song thì đầu

ra giống như một nguồn dòng [56]

Để giảm dung lượng của bộ biến đổi, ở phía sơ cấp tụ bù thường được điều chỉnh

để điện áp và dòng điện đầu vào cùng pha trong điều kiện hệ số kết nối và tải nhất định, được gọi là phương pháp điều chỉnh ZPA (Zero Phase Angle) Để tạo điều kiện chuyển mạch mềm cho các bộ biến đổi công suất, mạch bù phía sơ cấp thường được điều chỉnh nhằm tạo ra một phần nhỏ công suất phản kháng để đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS (Zero Voltage Switching) hoặc ZCS (Zero Current Switching) [57], [58] Khi công suất phản kháng được điều chỉnh tương đối nhỏ, các tham số để đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS và ZCS gần với các tham số thiết kế theo phương pháp ZPA

Để tính toán điện dung phía sơ cấp, hệ số phẩm chất tải được định nghĩa như sau:

nếu mạch bù phía thứ cấp là mạch nối tiếp thì Q s = ω 0 L 2 /R L; nếu mạch bù phía thứ

cấp là mạch bù song song thì Q s = R L /ω 0 L 2 , với ω 0 là tần số cộng hưởng Giá trị tụ bù

C1 được tính toán để đạt được điều kiện ZPA ở phía sơ cấp và được đưa ra trong Bảng

1 2 Kết quả cho thấy, với mạch bù SP giá trị của tụ bù thay đổi khi hệ số kết nối thay đổi Với mạch bù PS và PP giá trị của tụ bù phụ thuộc cả vào hệ số kết nối và điều kiện tải Do đó, các mạch bù SP, PS, PP không phù hợp với hệ thống sạc động

có hệ số kết nối thay đổi trong quá trình sạc Các mạch bù cơ bản này có đặc điểm là đơn giản, dễ thiết kế Cấu trúc mạch bù SS vượt trội so với ba cấu trúc còn lại vì tần

21

số cộng hưởng không phụ thuộc vào hệ số kết nối và điều kiện tải Tuy nhiên, các mạch bù này nhạy cảm với sự thay đổi của các thông số, đặc tính hiệu suất và công suất bị phân tách khi hệ số kết nối và tải nhỏ [16]

Khi phía thứ cấp làm việc ở tần số cộng hưởng, trở kháng tải phản xạ về phía sơ cấp có thể được tính như ở biểu thức (1.10) và (1.11) dưới đây

Biểu thức (1.10) và (1.11) cho thấy khi giá trị của hệ số kết nối k giảm thì giá trị

của trở kháng phản xạ phía sơ cấp cũng giảm Vì phía sơ cấp của cấu trúc bù SS, SP nối với một nguồn áp, cấu trúc PS, PP nối với một nguồn dòng Do đó, khi hệ số kết

nối k giảm, công suất đầu ra trong cấu trúc bù SS, SP sẽ tăng và công suất đầu ra

trong cấu trúc bù PS, PP sẽ giảm Để giữ công suất đầu ra không đổi khi hệ số kết nối thay đổi, cấu trúc mạch bù SPS được đề xuất trong [59], [60] và được biểu diễn trên

Cấu trúc mạch bù LC được đề xuất trong [61], [62] và được thể hiện trên Hình 1.7b Ở tần số cộng hưởng mạch bù LC hoạt động như một nguồn dòng Dòng điện trong cuộn dây sơ cấp không phụ thuộc vào hệ số kết nối và điều kiện tải Do đó, dòng điện phía sơ cấp có thể được điều khiển dễ dàng hơn Hơn nữa, bằng cách điều chỉnh các thông số LC, công suất phản kháng có thể được bù hoàn toàn, công suất thiết kế của bộ biến đổi công suất có thể được giảm thiểu Tuy nhiên, mạch bù LC có nhược điểm là giá trị của điện cảm bù lớn, gần bằng giá trị điện cảm tự cảm của cuộn dây truyền, nhận

Để giảm kích thước của các phần tử mạch trong mạch bù LC, một tụ bù C được thêm vào mạch bù LC tạo thành mạch bù LCC, cấu trúc bù LCC được biểu diễn trên Hình 1.7c Mạch bù LCC đã được ứng dụng khá thành công trong sạc tĩnh, với nhiều

ưu điểm như đạt được hiệu suất cao đối với cả tải nặng và tải nhẹ; tần số cộng hưởng

không phụ thuộc vào hệ số kết nối k và điều kiện tải; đạt được điều kiện chuyển mạch

mềm ZVS cho van [63-65] Các nghiên cứu gần đây cũng sử dụng mạch bù LCC trong sạc động, như trong [12], [53] Tuy nhiên, phương pháp tính toán thông số của mạch bù vẫn cần được xem xét thêm

Với những phân tích trên có thể thấy mạch bù LCC phù hợp với hệ thống WPT ứng dụng trong hệ thống sạc động vì các ưu điểm của nó Tuy nhiên, phương pháp tính toán mạch bù trong hệ thống sạc động cần phải xem xét kỹ lưỡng hơn các vấn đề như

sự kết nối điện từ của các cuộn dây truyền với nhau, hiệu suất truyền tối đa, vùng tần

số đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS,…

1.2.4 Tổng quan về bộ biến đổi công suất và các phương pháp điều khiển

Trong hệ thống WPT, chức năng chính của các bộ biến đổi công suất phía sơ cấp

là tạo ra dòng điện tần số cao đưa đến các cuộn dây sơ cấp Các bộ biến đổi phía sơ cấp có thể có bao gồm bộ chỉnh lưu PFC, bộ DC/DC điều chỉnh điện áp một chiều đầu vào của bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu tần số cao Phía thứ cấp, thông thường sử

23

dụng một bộ chỉnh lưu tần số cao để biến đổi dòng xoay chiều tần số cao thành dòng một chiều Sau đó, các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng để điều phối hợp trở kháng, điều khiển và quản lý năng lượng ắc quy Bộ biến đổi phía sơ cấp có thể là bộ biến đổi nguồn áp hoặc nguồn dòng Các bộ biến đổi nguồn dòng cần thêm một điện cảm lớn, làm cho hệ thống cồng kềnh Do vậy, sự lựa chọn phổ biến nhất ở phía sơ cấp là các bộ biến đổi nguồn áp

Phụ thuộc vào nơi thực hiện điều khiển, phương pháp điều khiển trong hệ thống sạc động được phân loại thành điều khiển phía sơ cấp, điều khiển phía thứ cấp, điều khiển phối hợp hai phía

Phương pháp điều khiển phía sơ cấp được chia thành ba nhóm gồm điều khiển bộ biến đổi DC/DC, điều khiển tần số hoặc dịch pha bộ nghịch lưu tần số cao và phối hợp trở kháng:

- Điều khiển bộ biến đổi DC/DC trước bộ nghịch lưu sử dụng bộ Buck/Boost Nhược điểm của cấu trúc này là có thêm bộ DC/DC là làm giảm hiệu suất của

hệ thống, tăng trọng lượng và chi phí [66]

- Điều khiển tần số được sử dụng ở trong các thiết kế [67-70] Tuy nhiên, khi điều chỉnh tần số có thể làm mất điều kiện cộng hưởng của mạch nên hiệu suất truyền và công suất truyền có thể thấp Ngoài ra, phương pháp điều khiển tần

số chiếm một dải tần số vô tuyến lớn, có thể làm tăng nhiễu điện từ Điều khiển dịch pha nghịch lưu tránh được các nhược điểm của điều khiển tần số nhưng lại yêu cầu truyền thông không dây giữa hai phía sơ cấp và thứ cấp [71-73]

- Phối hợp trở kháng yêu cầu tụ điện hoặc điện cảm cồng kềnh làm tăng trọng lượng, kích thước và độ phức tạp khi điều khiển hệ thống [74]

Phương pháp điều khiển bên phía thứ cấp yêu cầu bổ sung thêm các bộ biến đổi công suất như bộ Buck/Boost, các bộ chỉnh lưu đồng bộ [75-77] Điều khiển hai phía

là sự kết hợp của cả điều khiển phía sơ cấp và thứ cấp [15], [50], [78]

Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, xe điện di chuyển liên tục trên đường nên rất khó để điều khiển kết hợp hai phía Do đó, phương pháp điều khiển độc lập ở mỗi phía được ưa thích

Hơn nữa, trong hệ thống sạc động không dây nhiều xe điện cùng di chuyển trên làn đường sạc và nhận điện năng từ đường truyền Do đó, hệ thống yêu cầu có công suất lớn, mức công suất yêu cầu cho hệ thống xe bus điện có thể lên đến hàng trăm

kW [79] Các bộ biến đổi công suất nhiều pha là giải pháp để đáp ứng yêu cầu công

từ trường tốt

Các hướng dẫn về an toàn được ủy ban quốc tế về bảo vệ bức xạ không ion hóa (ICNIRP - International Commissionn Non-Ionizing Radiation Protection) công bố Theo tiêu chuẩn ICNIRP 1998 [83]:

- Ở dải tần 0.8 ÷ 150 kHz, giới hạn an toàn cho tiếp xúc công cộng là 6.25μT

- Ở dải tần 0.82 ÷ 65 kHz, giới hạn an toàn cho tiếp xúc công cộng là 30.7μT

- Ở dải tần 0.065 ÷ 1 MHz, giới hạn an toàn cho tiếp xúc công cộng là 2/f, f là tần số làm việc với đơn vị đo là Mhz

Theo hướng dẫn của tiêu chuẩn ICNIRP 1998, một số đánh giá an toàn cho cả hệ thống sạc tĩnh và sạc động đã được thực hiện Hệ thống sạc tĩnh công suất 5kW, từ trường trung bình tiếp xúc với người có chiều cao 1500mm là 4.36 μT, đạt tiêu chuẩn

an toàn theo tiêu chuẩn ICNIRP 1998 [15] Với hệ thống sạc động công suất 35kW, mật độ từ trường tại tâm đường 1m là 2.8 μT, đạt tiêu chuẩn an toàn theo tiêu chuẩn ICNIRP 1998 [42]

Dựa trên cơ sở an toàn cho phép, hệ thống WPT công suất cao hơn được phát triển theo tiêu chuẩn ICNIRP 2010 Bên cạnh vấn đề an toàn, giới hạn phát thải cho thiết

bị công nghiệp, khoa học và y tế cũng được quy định bởi CFR 47 (Code of Federal