Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra cho bộ biến đổi DC DC hai chiều ba pha xếp chồng

Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra cho bộ biến đổi DC DC hai chiều ba pha xếp chồng Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra cho bộ biến đổi DC DC hai chiều ba pha xếp chồng luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN DUY LONG

THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU BA PHA XẾP CHỒNG

Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS.TS TẠ CAO MINH

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ này là công trình của riêng tôi do tôi tự thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Tạ Cao Minh Các số liệu và kết quả là hoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện

có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014

Học viên

Nguyễn Duy Long

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ i

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU iv

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT v

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU 3 1.1Vài nét về ô tô điện 3

1.1.1 Lịch sử ra đời 3

1.1.2 Nhu cầu về ô tô điện 4

1.1.3 Phân loại 4

1.2.Bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện 9

1.2.1 Vị trí vai trò trong ô tô điện 9

1.2.2 Yêu cầu công nghệ 11

1.3 Lựa chọn cấu hình 11

1.3.1 Bộ biến đổi DC-DC một chiều không cách ly 12

1.3.2 Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly 13

1.3.3 Lựa chọn cấu hình 16

Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THUẬT TOÁN PHÂN PHỐI NĂNG LƯỢNG 20

2.1.Nguyên lý hoạt động 20

2.1.1.Chế độ hoạt động 20

2.1.2.Nguyên lý hoạt động 20

2.2.Siêu tụ một sự lựa chọn hợp lý 25

2.3.Thuật toán phân phối năng lượng 27

2.4.Tính toán thông số mạch 28

Chương 3 MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 32

3.1 Phương pháp trung bình không gian trạng thái ……… … 32

3.1.1 Điều kiện áp dụng 32

3.1.2 Mô hình hóa 33

3.2 Thiết kế bộ điều khiển 35

3.2.1 Thiết kế bộ điều khiển dòng điện 35

3.2.2 Thiết kế bộ điều khiển điện áp 39

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 44

4.1 Sơ đồ mô phỏng 44

4.2 Kết quả mô phỏng 48

4.2.1 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha 48

4.2.2 Kết quả mô phỏng thuật toán phân phối năng lượng 49

KẾT LUẬN 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

PHỤ LỤC 60

Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Xe hybrid đầu tiên Semper Vivus (1900) 3

Hình 1.2 Edixon và chiếc xe Detroit (1914) 3

Hình 1.3 Cấu hình xe EV 5

Hình 1.4 Chiếc xe của năm Nissan Leaf (2011) 5

Hình 1.5 Xe hybrid nhanh nhất thế giới Lexus GS 450h (2011) 6

Hình 1.6 Cấu hình xe hybrid nối tiếp 6

Hình 1.7 Cấu hình xe hybrid song song 7

Hình 1.8 Cấu hình xe hybrid nối tiếp song song 8

Hình 1.9 Cấu hình xe hybrid phức tạp 8

Hình 1.10 Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động 9

Hình 1.11 Hệ thống nguồn năng lượng xét đến cấu hình thực tế 10

Hình 1.12 Sơ đồ mạch Buck 12

Hình 1.13 Sơ đồ mạch Boost 12

Hình 1.14 Sơ đồ mạch Buck-Boost 13

Hình 1.15 Sơ đồ mạch Buck hai chiều 14

Hình 1.16 Cấu hình mạch buck nhìn từ VH đến VL 14

Hình 1.17 Cấu hình mạch boost nhìn từ VL đến VH 14

Hình 1.18 Sơ đồ mạch Boost hai chiều 15

Hình 1.19 Sơ đồ mạch Buck-Boost hai chiều 16

Hình 1.20 So sánh độ đập mạch dòng điện theo số pha 18

Hình 1.21 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha không cách ly 18

Hình 1.22 Sơ đồ mạch DC-DC tương đương một pha hai chiều 19

Hình 2.1 Bộ biến đổi DC-DC hai chiều một pha 20

Danh mục hình vẽ

Hình 2.2 Dạng xung mở van và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ đồng bộ 21

Hình 2.3 Mạch tương đương trong các khoảng dẫn của van 22

Hình 2.4 Dạng xung mở van và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ hai van dẫn 23

Hình 2.5 Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van 23

Hình 2.6 Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ đồng bộ kiểu boost 24

Hình 2.7 Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ hai van dẫn kiểu boost 24

Hình 2.8 Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van 25

Hình 2.9 Đặc tính của một số nguồn năng lượng 26

Hình 2.10 Cấu trúc hệ thống với bộ dự trữ năng lượng phụ 27

Hình 2.11 Cấu trúc điều khiển thuật toán quản lý năng lượng 27

Hình 2.12 Van IGBT CM300DU-12F 31

Hình 3.1 Mạch tương đương một pha 33

Hình 3.2 Xung điều khiển và dòng IL bỏ qua trễ 33

Hình 3.3 Mạch tương đương trong khoảng ton 33

Hình 3.4 Mạch tương đương trong toff 34

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 35

Hình 3.6 Đồ thị Bode của đối tượng điều khiển dòng 37

Hình 3.7 Đồ thị Bode của hệ hở khi có bộ điều khiển 38

Hình 3.8 Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điều khiển dòng điện 39

Hình 3.9 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 39

Hình 3.10 Đồ thị Bode của đối tượng mạch vòng điều khiển điện áp 40

Hình 3.11 Đồ thị Bode của hệ hở mạch vòng điều khiển điện áp 41

Hình 3.12 Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điều khiển điện áp 42

Hình 3.13 Đồ thị Bode của hệ hở mạch vòng điện áp sau khi chỉnh định 42

Danh mục hình vẽ

Hình 3.14 Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điện áp với bộ điều khiển mới 43

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống 44

Hình 4.2 Sơ đồ mô hình điều khiển động cơ 45

Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều 45

Hình 4.4 Mô hình động lực học ô tô quy về một bánh 46

Hình 4.5 Mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha 47

Hình 4.6 Mạch điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều 47

Hình 4.7 Dòng tổng và dòng từng pha 48

Hình 4.8 Dòng tổng phóng to 48

Hình 4.9 Dòng từng pha phóng to 49

Hình 4.10 Đồ thị tốc độ đặt và tốc độ đo 49

Hình 4.11 Đồ thị dòng điện trên acquy trong trường hợp a 50

Hình 4.12 Dung lượng acquy trong trường hợp a 50

Hình 4.13 Đồ thị các dòng điện trong trường hợp b 51

Hình 4.14 Dung lượng acquy trong trường hợp b 51

Hình 4.15 Đồ thị điện áp siêu tụ trong trường hợp b 52

Hình 4.16 Đồ thị dòng điện siêu tụ trong trường hợp b 52

Hình 4.17 Đồ thị dòng điện acquy trong trường hợp c 53

Hình 4.18 Đồ thị dung lượng acquy trong trường hợp c 53

Hình 4.19 Đồ thị các dòng điện trong trường hợp d 54

Hình 4.20 Đồ thị dung lượng acquy trong trường hợp d 54

Hình 4.21 Đồ thị điện áp siêu tụ trong trường hợp d 55

Hình 4.22 Đồ thị dòng điện siêu tụ trong trường hợp d 55

Danh mục bảng số liệu

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 2.1 Thông số xe ô tô điện i-MiEV 28

Bảng 4.1 Tham số mô hình mô phỏng 46

Bảng P.1 Thông số dây quấn 60

Bảng P.2 Thông số lõi EE100/60/28 61

Danh mục từ viết tắt

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, biến đổi khí hậu là một vấn đề toàn cầu nhức nhối mà tất cả các quốc gia trên thế giới phải đối mặt, giải quyết Trung tâm Hadley của Anh chuyên nghiên cứu và

dự đoán thời tiết thông báo: 1/3 hành tinh sẽ chịu ảnh hưởng của hạn hán nếu việc thay đổi khí hậu không được kiểm soát Ở nước ta trong mấy năm gần đây hiện tượng mưa bão lũ lụt xảy ra thường xuyên hơn cũng là do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu Ô nhiễm môi trường mà sâu xa là ô nhiễm không khí là nguyên nhân chủ yếu, là nguyên nhân chính gây ra những hiện tượng trên Do đó giảm khí thải làm sạch bầu khí quyển là mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia phát triển cũng như đang phát triển Một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí là do khí thải từ các phương tiện giao thông đặc biệt ở những thành phố, khu đô thị lớn Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường, giao thông là tác nhân chính gây ra 60-70% ô nhiễm không khí ở các đô thị Việt Nam như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng Làm sao để những phương tiện giao thông trở nên “sạch” hơn?

Xuất phát từ yêu cầu trên, hướng nghiên cứu, ứng dụng, thiết kế, chế tạo, ô tô điện trở thành đề tài nóng hổi trên thế giới Ở Mỹ, năm 2010, tổng thống Barack Obama tuyên bố chi 2.4 tỉ đô la cho xe ô tô điện, trong đó 1.5 tỉ đô la cho sản xuất acquy và thiết bị phụ trợ, 500 triệu đô la cho sản xuất động cơ điện và thiết bị bổ trợ khác, 400 triệu đô la cho xây dựng cơ sở hạ tầng Liên minh châu Âu EU sẵn sàng chi 50 triệu bảng giúp đỡ kế hoạch phát triển ô tô điện Đức phấn đấu đến năm 2020 trở thành thị trường ô tô điện lớn nhất thế giới Đan Mạch cùng các nước như Anh, Phần Lan, Bồ Đào Nha thực hiện giảm thuế trợ giá bán xe ô tô điện, và nhiều chính sách khuyến khích người sử dụng Bộ trưởng

Bộ Công nghiệp Tây Ban Nha, Miguel Sebastian tuyên bố: “ Ô tô điện là tương lai và định hướng cuộc cách mạng công nghiệp ” Trung Quốc đặt mục tiêu trở thành công xưởng sản xuất ô tô điện lớn nhất thế giới trong tương lai Nhật Bản trợ giá 30% cho mỗi chiếc ô tô điện được bán ra

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu xe ô tô điện đã được triển khai nhưng mới chỉ trong bước đầu Với xu thế đó, đề tài nghiên cứu chế tạo ô tô điện của thầy PGS.TS Tạ Cao Minh đang được triển khai đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong đó có hướng nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC-DC hai chiều hướng tới ứng dụng cho ô tô điện Từ

đó, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh em đã có cơ hội để nghiên cứu tìm hiểu đề tài: “Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra

Lời nói đầu

cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha xếp chồng ” Trên cơ sở đó, luận văn này được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện, qua đó điều khiển việc trao đổi năng lượng giữa acquy và siêu tụ, hai nguồn năng lượng chính trong xe ô tô điện, đảm bảo nâng cao chất lượng đáp ứng của xe cũng như kéo dài tuổi thọ acquy Sau một thời gian nghiên cứu tìm tòi, dưới sự hướng dẫn tận tình của các thầy giáo, em đã thu được một số kết quả khả quan, cụ thể là đã thiết kế bộ biến đổi DC-

DC hai chiều và kiểm nghiệm qua mô hình mô phỏng trên máy tính, tạo tiền đề cho việc thực hiện bộ biến đổi DC-DC hai chiều sử dụng trong ô tô điện

Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh, thầy giáo Ths Nguyễn Duy Đỉnh, kỹ sư Nguyễn Bảo Huy công tác tại trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ CTI Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đã giúp em thực hiện được đề tài này Tuy nhiên, do thời gian có hạn cũng như còn hạn chế về kiến thức, khả năng làm việc thực nghiệm, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Vì thế, em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá, góp ý của các thầy cô để em khắc phục và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của luận án

Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014

Học viên

Nguyễn Duy Long

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN

VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU

1.1 Vài nét về ô tô điện

1838 một người Scotland là Robert Davidson đã tạo ra một đầu máy kéo chạy bằng điện đạt tốc độ bốn dặm một giờ (khoảng 6km/h) Năm 1840, một phát minh mới thực sự đưa

xe điện vào đời sống là việc sử dụng đường ray để dẫn điện Tuy nhiên việc này khiến cho xe luôn phụ thuộc vào đường ray, việc phát minh ra ắc quy có thể sạc được đã giải quyết vấn đề này Edixon, nhà phát minh nổi tiếng người Mỹ, là một trong những người đầu tiên sử dụng ắc quy loại này cho ô tô điện Năm 1865, Gaston Plante cùng người đồng hương của ông là Camille Faure đã thành công trong việc cải thiện chất lượng của

ắc quy, giúp cho xe có thể di chuyển được một quãng đường dài hơn

Hình 1.1 Xe hybrid đầu tiên

Semper Vivus (1900) [19]

Hình 1.2 Edixon và chiếc xe Detroit (1914) [19]

Đầu thế kỉ 20, với sự ra đời ô tô sử dụng động cơ đốt trong, ô tô điện không thể cạnh tranh được và rơi vào tình trạng ế ẩm dần biến mất Sự thụt lùi này là do:

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

- Vào thời điểm đó người ta đã tìm được những mỏ dầu với trữ lượng lớn dẫn đến việc

hạ giá thành của dầu và những sản phẩm chế xuất từ dầu Nhiên liệu cho động cơ đốt trong trở nên đơn giản

- Giá thành một chiếc ô tô điện đắt gấp hơn hai lần một chiếc ô tô chạy động cơ đốt trong

- Ô tô điện chỉ chạy ở tốc độ thấp 24-32km/h trong phạm vi 50-65km trong khi với ô tô chạy bằng động cơ đốt trong tốc độ và phạm vi hoạt động đạt đến độ hoàn hảo

Hiện nay bước sang thế kỉ 21, ô tô điện quay trở lại thành một đề tài rất được quan tâm chú ý Tại sao lại như vậy, mục 1.1.2 sẽ làm rõ vấn đề này

1.1.2 Nhu cầu về ô tô điện

Như trong lời nói đầu đã đề cập nhu cầu về ô tô điện hiện nay trở nên bức thiết hơn bao giờ hết Đó là do trong hoàn cảnh hiện tại:

- Các nguồn năng lượng dần cạn kiệt, dầu mỏ và các chế xuất từ dầu mỏ cũng không phải

là một ngoại lệ Vào năm 2004, theo một thống kê của công ty năng lượng hàng đầu thế giới BP, dầu mỏ chỉ còn đủ dùng trong khoảng 40 năm nữa Những phương tiện giao thông sử dụng xăng, dầu sẽ dần biến mất nhường chỗ cho những phương tiện sử dụng năng lượng tái tạo năng lượng sạch như ô tô điện

- Ô nhiễm môi trường ngày một trầm trọng, khí thải từ các phương tiện giao thông càng làm vấn đề thêm nghiêm trọng Ô tô điện là chìa khóa mở ra một tương lai xanh sạch trong lành hơn

Có thể nói ô tô điện là giải pháp tối ưu cho hai vấn đề kể trên, đó là lí do tại sao nó đang ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của các quốc gia trên toàn thế giới, của ngành công nghiệp sản xuất ô tô cũng như của các nhà khoa học

1.1.3 Phân loại

Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều hãng đã tung ra sản phẩm của riêng mình như Nissan, Toyota, Audi, Mercedes-Benz, BMW,… tuy nhiên về mặt kỹ thuật có thể chia làm ô tô điện ba loại chính:

- EVs (electric vehicles) sử dụng hoàn toàn năng lượng điện thay thế hoàn toàn động cơ đốt trong với hệ truyền động điện điều khiển hoàn toàn Hình 1.3 minh họa cấu hình loại này Trong đó: B là acquy (battery), P bộ biến đổi (Power converter), M: động cơ điện (motor), T: bộ truyền động (transmission) Ta thấy cấu hình của xe điện EV khá đơn giản

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

với năng lượng chủ yếu lấy từ acquy (battery) qua bộ biến đổi điện tử công suất cung cấp cho động cơ M truyền động cho bánh xe

TP

Hình 1.3 Cấu hình xe EV

Một số xe loại này xuất hiện trên thị trường có thể kể đến là Nissan Leaf, Mitsubishi iMiEV, Tesla Roadster, Honda Fit

Hình 1.4 Chiếc xe của năm Nissan Leaf (2011) [20]

Phần lớn các xe EVs này chỉ có thể đi được khoảng 100-200 dặm sau đó phải nạp ắc quy (việc bao gồm thêm siêu tụ có thể cải thiện vấn đề này), xe chạy bằng xăng có thể chạy

300 dặm mới cần đổ xăng Thêm vào đó, thời gian nạp đầy ắc quy là từ 4-8 tiếng (mặc dù thời gian nạp đến 80% dung lượng ắc quy chỉ mất 30 phút) điều này có thể gây bất tiện cho người sử dụng Một điều nữa cần phải kể đến là giá thành của ắc quy cực kì đắt và tất nhiên trong quá trình hoạt động, cần được thay thế một vài lần Tuy vậy đây chỉ là khó khăn về mặt kỹ thuật, các nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực tìm ra công nghệ mới (mắc thêm siêu tụ là một ví dụ) nhằm cải thiện chất lượng ắc quy với dung lượng lớn, kích thước nhỏ, giảm thời gian nạp, giảm giá thành Do đó, EVs được hy vọng là chiếc xe của tương lai

Cuối cùng, đây là loại xe mà luận án này hướng đến nghiên cứu

- HEVs (hybrid electric vehicles) thuật ngữ xe lai hybrid vehicles không còn xa lạ với người tiêu dùng Một loạt các thương hiệu mới đã ra đời như Toyota Prius, Toyota Highlander Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Lexus RX 400 h, Honda Insight, Honda Civic Hybrid, Honda Accord Hybrid, và Ford Escape Hybrid…

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Hình 1.5 Xe hybrid nhanh nhất thế giới Lexus GS 450h (2011) [20]

Điều này cho thấy đây là loại xe đang chiếm lĩnh thị trường ô tô điện hiện nay Vậy

‘hybrid’ có ý nghĩa như thế nào? Một phương tiện được gọi là hybrid khi nó kết hợp được hai hay nhiều nguồn năng lượng Đối với loại xe đang nhắc đến ở đây, nó sử dụng cả xăng và điện Việc chạy bằng ắc quy và xăng cho phép xe lai kết hợp được mômen của động cơ đốt trong và động cơ điện, giảm tiêu thụ nhiên liệu đáng kể khi so sánh với các loại xe chạy bằng xăng thông thường Có thể nói loại này là một bước chuyển ‘quá độ’ từ

xe chạy bằng xăng sang xe chạy bằng điện

Xe hybrid có bốn cấu hình cơ bản:

+ Cấu hình nối tiếp

G

EF

T

Hình 1.6 Cấu hình xe Hybrid nối tiếp

Hình 1.5 minh họa cấu hình loại này Trong đó F là bình nhiên liệu (fuel tank) cung cấp cho động cơ đốt trong E quay máy phát G sinh ra điện, nguồn điện này dùng để nạp acquy hoặc trực tiếp cung cấp cho động cơ điện truyền động cho bánh xe Loại này có ưu điểm thiết kế đơn giản, tuy nhiên việc bao gồm ba động cơ: động cơ đốt trong E máy phát

G và động cơ điện M làm giảm hiệu suất của xe đồng thời kích thước của xe cũng là một vấn đề khi nó bao gồm cả ba loại động cơ này

Loại này có sáu chế độ hoạt động:

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

1) Chế độ chỉ có acquy hoạt động (battery alone mode)

2) Chế độ chỉ có động cơ đốt trong-máy phát (engine alone mode)

3) Chế độ kết hợp: động cơ đốt trong-máy phát và acquy (combined mode) 4) Chế độ chia công suất: công suất động cơ đốt trong-máy phát sẽ được phân chia một phần truyền động cho xe một phần nạp acquy (power split mode) 5) Chế độ nạp acquy khi xe đứng yên (stationary charging mode)

6) Chế độ hãm tái sinh (regenerative braking mode)

+ Cấu hình song song

E

T F

B

Hình 1.7 Cấu hình xe hybrid song song

Khác với loại nối tiếp, loại song song cho phép cả động cơ đốt trong E cả động cơ điện M truyền động cho bánh xe Hình 1.6 minh họa cấu hình loại này Động cơ đốt trong

và động cơ điện được nối với trục của bánh xe thông qua hai khớp nối, do đó công suất truyền động có thể do động cơ đốt trong hoặc động cơ điện thực hiện hoặc do đồng thời

cả hai động cơ thực hiện Điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu giảm khí thải Động cơ điện

có thể được dùng như một máy phát để nạp cho acquy khi xe hãm tái sinh hoặc hấp thụ công suất từ động cơ đốt trong khi công suất đầu ra của động cơ đốt trong lớn hơn công suất yêu cầu truyền động cho xe Rõ ràng loại này ưu điểm hơn loại nối tiếp do chỉ

sử dụng hai động cơ: động cơ đốt trong E và động cơ điện M, do đó kích thước của loại này cũng nhỏ hơn so với loại nối tiếp với cùng chất lượng đáp ứng Tương tự như xe cấu hình nối tiếp, loại xe cấu hình song song cũng có sáu chế độ hoạt động: motor alone mode, engine alone mode, combined mode, power split mode, stationary charging mode, regenerative braking mode

+ Cấu hình nối tiếp-song song

Loại này là loại kết hợp của hai loại trên Dù sở hữu ưu điểm của hai loại trên nhưng đồng thời cũng mang nhược điểm của hai loại trên hơn nữa cấu hình loại này khá phức

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

tạp và có giá thành cao Tuy nhiên với tiến bộ của kỹ thuật điều khiển và sản xuất, một số dòng xe hybrid đã thực hiện theo cấu hình này

F

E

T G

Hình 1.8 Cấu hình xe hybrid nối tiếp song song

+ Cấu hình phức tạp

Như tên gọi của nó cấu hình loại này phức tạp và không thể phân loại thành một trong ba loại trên Loại này khá giống loại nối tiếp song song, sự khác nhau ở chỗ công suất trong loại nối tiếp-song song chảy theo một chiều từ động cơ đốt trong E xuống làm quay máy phát G, còn trong loại xe này công suất chảy theo hai chiều: ngoài chiều từ động cơ đốt trong E xuống máy phát M/G còn chiều ngược lại từ acquy qua bộ biến đổi P quay động

cơ M/G quay động cơ đốt trong E truyền động cho xe

EF

- FCVs (fuel cell vehicles) một loại xe mới đem lại nhiều lợi ích hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường là xe pin nhiên liệu FCVs Nó sử dụng một bộ pin nhiên liệu mà cực dương tích khí giàu hydro, cực âm tích khí giàu oxy phát ra điện áp một chiều nuôi động cơ Loại này được kì vọng sẽ hoạt động trong phạm vi rộng, đi được xa hơn EVs, giảm khí thải khoảng 75% so với xe xăng, chạy êm hơn hiệu suất cao hơn do sử dụng trực tiếp nhiên liệu mà không cần đốt cháy như xe động cơ đốt trong Tuy nhiên công nghệ này vẫn còn mới và rất đắt đỏ là thách thức cho sự phát triển của loại xe này

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

1.2 Bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện

1.2.1 Vị trí vai trò trong ô tô điện

Sử dụng bộ biến đổi DC-DC hai chiều là một xu hướng nổi bật trong các hệ thống công suất như trong các loại ô tô điện EVs, HEVs, FCVs, trong các ứng dụng năng lượng tái tạo… Trong ứng dụng ô tô điện, nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc điều khiển dòng năng lượng giúp tăng hiệu suất, tính năng của xe Khối mạch điện công suất trong ô tô điện EV gồm có ba hệ thống điện áp một chiều: ắc quy, siêu tụ và DC-link có vai trò vị trí khác nhau Bộ biến đổi DC-DC hai chiều làm nhiệm vụ kết nối chúng lại với nhau, nhằm mục đích điều khiển tối ưu dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động của

ô tô Điều này được minh họa trên hình 1.10

Hình 1.10 Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động [13]

Trên hình vẽ ta thấy có hai bộ biến đổi DC-DC hai chiều với chức năng khác nhau

Bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu tụ và DC-link làm nhiệm vụ giảm áp từ DC-link nạp vào cho siêu tụ trong quá trình xe hãm tái sinh và giải phóng năng lượng từ siêu tụ tăng áp trả về DC-link khi xe khởi động, tăng tốc và leo dốc Mức điện áp mà DC-link cần có để cấp nguồn cho động cơ là 330VDC Trong quá trình hãm tái sinh mức điện áp này có thể dâng lên cỡ 600VDC Trên thị trường hiện nay một module siêu tụ chỉ chịu được mức điện áp tối đa là 125VDC Nếu nối trực tiếp DC-link với siêu tụ cần nhiều module mắc nối tiếp, tuy nhiên cách làm này có thể khiến giá thành đội lên rất cao thêm vào đó việc cân bằng áp giữa các siêu tụ là khó khăn, tiềm ẩn nguy cơ nổ cả dàn siêu tụ

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Do đó cần có bộ biến đổi DC-DC hai chiều để hạ áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai modules mắc nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh Trong quá trình khởi động, tăng tốc, leo dốc năng lượng từ siêu tụ được giải phóng hỗ trợ ắc quy nhằm tránh huy động công suất lớn từ ắc quy, đảm bảo tuổi thọ ắc quy

Bộ biến đổi DC-DC hai chiều giữa ắc quy và DC-link cũng làm nhiệm vụ tương tự

là nạp năng lượng cho ắc quy trong quá trình hãm tái sinh và ngược lại nâng áp từ ắc quy đến DC-link Trong suốt quá trình xe chạy, với khả năng tích trữ năng lượng lớn, ắc quy

sẽ đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho xe di chuyển trên một quãng đường dài Tuy nhiên do bản chất của ắc quy là thực hiện các phản ứng hóa học, thời gian phóng nạp chậm, nên phần lớn năng lượng trong quá trình hãm tái sinh sẽ được nạp vào siêu tụ, chỉ một phần nhỏ sẽ được nạp vào acquy đảm bảo tuổi thọ của ắc quy

Với cấu hình trên, do có hai bộ biến đổi DC-DC làm tăng độ phức tạp của hệ thống, giảm độ tin cậy, tăng giá thành, giảm hiệu suất của hệ Trong thực tế, bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa acquy và DC-link có thể không cần thiết khi ta sử dụng acquy có cấp điện áp bằng DC-link và được mắc trực tiếp vào DC-link (cấu hình xe i-MiEV)

Hình 1.11 Hệ thống nguồn năng lượng xét đến cấu hình thực tế

Điều này làm tăng hiệu suất, độ tin cậy của hệ thống cũng như giảm giá thành so với cấu hình có sử dụng bộ biển đổi DC-DC như hình 1.10 ở trên Tuy nhiên, bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu tụ và DC-link là không thể thiếu được; vì nếu không có bộ biến đổi DC-

DC, siêu tụ chỉ thực hiện chức năng như một tụ lọc thông thường mà mất đi chức năng quan trọng của nó là nguồn năng lượng phụ trao đổi năng lượng trong quá trình xe tăng

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

tốc hoặc hãm tái sinh Hơn nữa bằng cách điều khiển dòng điện trao đổi giữa DC-link và siêu tụ, ta có thể điều khiển gián tiếp dòng điện trao đổi giữa acquy và DC-link đảm bảo tuổi thọ acquy (điều này sẽ được phân tích kỹ hơn trong chương 2) Tóm lại từ ưu nhược điểm của hai cấu hình và có xét đến cấu hình thực tế của xe ô tô điện, em đã lựa chọn cấu hình có một bộ biến đổi DC-DC (như hình 1.11) làm nghiên cứu, nói một cách cụ thể hơn, mục tiêu của luận án này là nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu

tụ và DC-link nhằm thỏa mãn các tiêu chí: giải phóng năng lượng từ siêu tụ hỗ trợ acquy trong quá trình xe khởi động, tăng tốc hoặc leo dốc; nạp năng lượng vào siêu tụ trong quá trình xe hãm tái sinh; hạn chế dòng điện trao đổi giữa acquy và DC-link ở mức cho phép 1.2.2 Yêu cầu công nghệ

Bộ biến đổi DC-DC hai chiều được ứng dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong ô tô điện, các ứng dụng năng lượng mới: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,… trong các vệ tinh Mỗi ứng dụng có một yêu cầu công nghệ khác nhau, đối với ô tô điện, những yêu cầu cụ thể đó là:

 Về năng lương: cho phép trao đổi năng lượng theo hai chiều

 Về công suất: hoạt động ở công suất lớn (hàng chục kW trở lên)

 Về kích thước: yêu cầu nhỏ, gọn phù hợp với thể tích của ô tô

 Về hiệu suất: yêu cầu hiệu suất cao (>95%) giảm tổn thất khi chuyển mạch van Các yêu cầu trên sẽ là phương hướng để lựa chọn cấu hình mạch, nguyên lý hoạt động, cũng như tính chọn các phần tử ở những phần sau

1.3 Lựa chọn cấu hình

Nhìn chung các bộ DC-DC hai chiều có cấu hình khá phong phú Nhưng có thể chia

ra làm hai loại lớn là:

- Loại có cách ly (sử dụng máy biến áp)

- Loại không có cách ly (sử dụng cuộn cảm)

Với cùng một công suất, tần số chuyển mạch, loại có cách ly sử dụng máy biến áp cồng kềnh hơn loại không có cách ly Vì vậy, theo yêu cầu về kích thước, loại không có cách ly với ưu thế nhỏ, gọn hơn sẽ được chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án này

Do đó, loại có cách ly sẽ không được đề cập đến ở đây Trước khi đến với bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly ta hãy điểm qua các bộ biến đổi DC-DC một chiều không cách ly ngay sau đây

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

1.3.1 Bộ biến đổi DC-DC một chiều không cách ly

a Băm xung một chiều nối tiếp (Buck converter)

Sơ đồ loại này được thể hiện trên hình 1.12 Nguyên lý của mạch đơn giản như sau:

lúc đầu van T dẫn điện năng lượng từ nguồn sẽ được cấp ra tải, đồng thời nạp năng lượng

cho cuộn cảm L Khi van T khóa điện cảm phóng năng lượng tích lũy trong giai đoạn

trước và duy trì dòng điện theo chiều cũ chảy qua điot đệm D Tùy theo tỉ số đóng cắt

(duty cycle) mà điện áp phía tải sẽ thấp hơn điện áp phía nguồn một lượng tương ứng

D E

Rt

Hình 1.12 Sơ đồ mạch Buck

Tùy thuộc vào dạng tải và tham số điều chỉnh mà chế độ dòng điện tải có thể liên tục

hay gián đoạn, thường mong muốn chế độ dòng điện là liên tục bởi lẽ trong chế độ này,

tổn hao ít hơn chế độ dòng gián đoạn

b Băm xung một chiều song song (Boost converter)

Hình 1.13 minh họa sơ đồ loại này Quá trình năng lượng xảy ra như sau: khi van T

dẫn, toàn bộ điện áp nguồn được đặt lên cuộn cảm L, dòng điện từ nguồn chảy qua điện

cảm và cuộn cảm được nạp năng lượng Trong giai đoạn này diot D khóa, tụ C có nhiệm

vụ cung cấp năng lượng ra tải trong giai đoạn này, vì vậy tụ C là nhất thiết phải có trong

Hình 1.13 Sơ đồ mạch Boost

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Trong giai đoạn này diot D khóa, tụ C có nhiệm vụ cung cấp năng lượng ra tải trong giai đoạn này, vì vậy tụ C là nhất thiết phải có trong mạch này Khi van T bị khóa, năng lượng của cuộn kháng và của nguồn sẽ cấp ra tải Nhờ nhận thêm năng lượng tích lũy trong giai đoạn trước trong điện cảm nên điện áp trên tải sẽ lớn hơn điện áp nguồn E Trong giai đoạn này, tụ C được tích năng lượng

c Băm xung một chiều nối tiếp-song song (Buck-Boost converter)

Bộ biến đổi loại này cho phép điều chỉnh điện áp tải Ut lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp nguồn E Hoạt động của mạch như sau: khi van T dẫn, điện cảm L được trực tiếp nạp năng lượng từ nguồn E

1.3.2 Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly

Cũng giống như loại một chiều, các bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly chia

ra làm ba loại cơ bản:

+ Buck

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

+ Boost

+ Buck-Boost

Ta sẽ lần lượt điểm qua các bộ này

a Bộ biến đổi Buck hai chiều

Đây là sự kết hợp hoàn hảo giữa mạch Buck và mạch Boost thông thường Sơ đồ mạch được minh họa như trên hình 1.15

Gate d S d

L u

V H

Hình 1.15 Sơ đồ mạch Buck hai chiều

Nếu nhìn từ VH đến VL ta thấy rõ cấu hình của mạch buck, ngược lại nếu nhìn từ VLđến VH lại thấy cấu hình của mạch boost Điều này nói lên rằng bộ biến đổi có thể thực hiện giảm áp theo chiều từ trái sang phải, và tăng áp theo chiều ngược lại

S

C H

D d

u D

S d

L u

V H

C L V L

Hình 1.16 Cấu hình mạch buck

nhìn từ VH đến VL

D d

u D

S d

nhìn từ VL đến VH Nói rõ hơn, nếu ta chỉ phát xung cho Su (van trên) van dưới Sd không phát xung điều khiển, ta có mạch buck giảm áp từ VH xuống VL Ngược lại, nếu ta chỉ phát xung cho van

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

dưới Sd mà không phát xung điều khiển van trên Su, ta có mạch boost tăng áp từ VL đến

VH Như vậy mạch sẽ có đầy đủ các chế độ dòng điện thông thường: dòng liên tục, dòng gián đoạn, dòng ở biên giới liên tục và gián đoạn Nhưng đó mới chỉ là sự hoạt động độc lập giữa hai van, nếu ta phối hợp hoạt động của chúng lại với nhau ta sẽ có một chế độ hoạt động thứ tư mà mạch thông thường không có được: chế độ dẫn đồng bộ Trong chế

độ này dòng có thể âm, dương nói cách khác dòng chảy theo hai chiều Với chiều dòng điện quy ước chạy từ trái sang phải; nếu phần dương lớn hơn, chiều truyền năng lượng sẽ

từ VH đến VL; nếu phần âm lớn hơn, chiều truyền năng lượng từ VL đến VH Điều này thể hiện tính chất hai chiều của mạch Một điều nữa ta cần quan tâm trước khi đến với mạch boost hai chiều đó là mạch là hai chiều có cả tăng áp và giảm áp vậy tại sao vẫn gọi là buck (khái niệm mà lâu nay khi nhắc đến ta nghĩ ngay đến việc giảm áp) Ta nhớ lại ở phần trên, trong ô tô điện bộ biến đổi DC-DC hai chiều làm nhiệm vụ kết nối nguồn (ắc quy hoặc siêu tụ) với DC-link Việc đặt nguồn (ắc quy hoặc siêu tụ) ở phía điện áp cao

VH dẫn đến việc chiều truyền năng lượng chủ yếu (trong quá trình xe chạy ổn định) là từ

VH đến VL cũng đồng thời là chiều giảm áp Điều này lí giải vì sao bộ có tên là Buck hai chiều

b Bộ biến đổi Boost hai chiều

Cũng giống như mạch Buck hai chiều, mạch Boost là sự kết hợp giữa mạch Boost và mạch Buck thông thường Sơ đồ mạch được minh họa trên hình 1.18 Điểm khác biệt duy nhất với mạch Buck hai chiều đó là nguồn ắc quy hoặc siêu tụ đặt ở phía điện áp thấp Theo cách này, ắc quy hoặc siêu tụ chỉ phải chịu mức điện áp nhỏ hơn DC-link

D d

u

D S

(Siêu tụ)

(DC-link)

Hình 1.18 Sơ đồ mạch Boost hai chiều

Mạch sẽ hoạt động chủ yếu ở chế độ boost tăng áp trong quá trình làm việc bình thường của xe, chiều truyền năng lượng chủ yếu là chiều từ ắc quy hoặc siêu tụ đến DC-link

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Trong chế độ hãm tái sinh (khi xe xuống dốc, giảm tốc độ), năng lượng được truyền theo chiều ngược lại

c Bộ biến đổi Buck-Boost hai chiều

Sơ đồ loại này được minh họa như trên hình 1.19

D d

u D S

Hình 1.19 Sơ đồ mạch Buck-Boost hai chiều

Nguyên lý đơn giản của loại này như sau: trong quá trình hoạt động bình thường van S1, S4 dẫn, cuộn cảm L được nạp năng lượng, khi các van S1, S4 khóa lại cuộn cảm L duy trì dòng theo chiều cũ qua các diot song song ngược S2 và S3, phóng năng lượng ra DC-link; trong quá trình hãm tái sinh các van S2, S3 dẫn nạp năng lượng cho cuộn cảm L, khi các van này khóa lại, L duy trì dòng theo chiều cũ qua các diot song song ngược S1,

S4 nạp năng lượng cho ắc quy hoặc siêu tụ

Từ yêu cầu thứ hai, như đã đề cập đến ở trên, em đã lựa chọn cấu hình không cách ly

sử dụng cuộn cảm với ưu điểm nhỏ gọn so với sừ dụng máy biến áp (cấu hình cách ly) Trong loại không cách ly có ba loại là buck, boost và buck-boost Có thể dễ dàng nhận thấy, loại buck-boost sử dụng nhiều van hơn hai loại kia nên điều khiển phức tạp hơn, giá thành đắt hơn, thêm vào đó tổn thất (khi chuyển mạch) tăng lên khi số van tăng Như vậy chỉ còn lại hai loại là buck và boost Điểm khác biệt duy nhất giữa hai loại này

là vị trí đặt nguồn Với mạch buck nguồn đặt ở phía điện áp cao, cấp điện áp mà siêu tụ

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

phải chịu lớn hơn mức điện áp DC-link Rõ ràng siêu tụ có cấp điện áp càng lớn càng đắt tiền Ngược lại đối với mạch boost, siêu tụ chỉ cần chịu điện áp thấp hơn DC-link, việc cân bằng áp sẽ dễ dàng hơn cũng như giảm giá thành siêu tụ Từ đó, em chọn cấu hình bộ biến đổi DC-DC hai chiều loại Boost làm đối tượng nghiên cứu cho luận án này

Tuy nhiên cấu hình bộ biến đổi DC-DC hai chiều loại boost ở trên còn rất đơn giản Khi mạch hoạt động ở dải công suất lớn, dòng mà van phải chịu là lớn, việc tăng số pha

sẽ chia dòng lớn thành nhiều dòng nhỏ giảm áp lực phải chịu trên van Hơn nữa việc tăng

số pha cũng làm giảm dòng nhấp nhô ra tải Theo tài liệu tham khảo [10] độ nhấp nhô dòng ra tải được tính bằng công thức:

1 1

m o

m f i

Trong đó ∆Io là độ nhấp nhô dòng điện đầu ra, m là số pha, Vo là điện áp đầu ra, T là chu

kỳ trích mẫu, D là chu kỳ nhiệm vụ duty, Lf là điện cảm từng pha Ngoài ra việc giảm độ nhấp nhô dòng tổng đầu ra còn dẫn đến giảm độ nhấp nhô điện áp đầu ra theo công thức:

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Hình 1.20 So sánh độ đập mạch dòng điện theo số pha

Cấu hình của mạch DC-DC ba pha xếp chồng như sau:

V DC

C uc V UC 1

2 2

1-3

Hình 1.21 Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha không cách ly

Với giả thiết các pha giống nhau, các điện cảm có giá trị bằng nhau, các van bán dẫn

có tính chất như nhau, xung điều khiển được phân phối đồng đều đến tất cả các pha, kỹ thuật điều khiển đóng cắt là độc lập giữa các pha, ta có thể phân tích nguyên lý hoạt động

sơ đồ nhiều pha thông qua sơ đồ một pha như trong hình 1.22

Chương 1 Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều

Hình 1.22 Sơ đồ mạch DC-DC tương đương một pha hai chiều

Có thể thấy hai bộ nguồn một chiều ở hai phía: nguồn VDC tượng trưng cho phía link, nguồn VUC là điện áp phía siêu tụ Tụ CDC phía DC-link có tác dụng lọc Cuộn cảm

DC-L được mắc giữa điểm chung của hai van Su, Sd với cực dương của siêu tụ Hai van Su,Sdđược điều khiển phát xung bù nhau Chiều dương quy ước của dòng điện là chiều từ trái sang phải như hình vẽ

Tóm lại từ yêu cầu công nghệ, em đã lựa chọn được cấu hình DC-DC hai chiều ba pha không cách ly làm cơ sở để nghiên cứu thực hiện luận án này Do cấu hình mạch ba pha có thể tương đương với ba mạch một pha xếp chồng nên các phân tích, tìm hiểu nguyên lý cũng như tính toán ở phần sau sẽ thực hiện trên cơ sở mạch một pha

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

Chương 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THUẬT TOÁN

PHÂN PHỐI NĂNG LƯỢNG

Mục tiêu của chương 2 là tìm hiểu nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC hai chiều, sau đó tìm hiểu phân tích thuật toán phân phối năng lượng, làm phương hướng để

mô hình hóa, thiết kế, tổng hợp các bộ điều khiển ở chương sau Sau đây ta sẽ lần lượt đi vào các nội dung chính

2.1 Nguyên lý hoạt động

2.1.1 Chế độ hoạt động

Như đã đề cập đến ở trên, mạch sẽ hoạt động ở hai chế độ:

- Chế độ buck giảm áp (trong quá trình hãm tái sinh)

- Chế độ boost tăng áp (trong quá trình xe tăng tốc, khởi động và chạy ổn định)

Sự phân biệt giữa hai chế độ này dựa trên chiều dòng tổng trung bình qua siêu tụ với quy ước chiều dương đi từ DC-link đến siêu tụ Trong chế độ buck, dòng trung bình là dương, siêu tụ được nạp năng lượng, trong chế độ boost dòng trung bình âm siêu tụ phóng năng lượng

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

Hình 2.1 minh họa bộ biến đổi DC-DC hai chiều một pha Trong đó CDC là tụ lọc phía DC-link, Cuc là siêu tụ (ultracapacitor), hai diot Du, Dd mắc song song ngược với hai van IGBT Su Sd Xung mở hai van là bù nhau

a Chế độ buck

Ở chế độ này dòng trung bình là dương nhưng dòng tức thời có thể có cả âm lẫn dương hoặc dương hoàn toàn, chính vì thế chế độ này bao gồm hai chế độ con: chế độ dẫn dòng đồng bộ bốn van cùng dẫn và chế độ hai van dẫn Sau đây ta đi vào phân tích từng chế độ

 Chế độ bốn van dẫn (chế độ dẫn dòng đồng bộ)

Hình 2.2 minh họa cách phát xung cho các van, dòng điện và điện áp trên cuộn cảm Từ hình 2.2 ta có thể thấy phần dòng điện âm rất bé so với phần dòng dương nên dòng tải trung bình ILoad là dương, nguồn VH (DC-link) là nguồn phát nguồn VL (siêu tụ) là nguồn thu

Gate u Gate d

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

- Trong khoảng thời gian t3, dòng đổi chiều theo chiều ngược lại qua van dưới Sd Dòng điện tiếp tục xuống âm do điện áp trên cuộn cảm bằng –VL Hình 2.3c minh họa mạch tương đương trong khoảng thời gian này

- Trong khoảng thời gian t4, van Sd khóa lại, dòng qua cuộn cảm vẫn duy trì theo chiều

cũ qua diot Du Lúc này dù van Sd được điều khiển mở nhưng dòng vẫn đang âm nên chỉ chảy qua diot Du mà không chảy qua van Sd Hình 2.3d minh họa mạch tương đương trong thời gian này Sau đó lại là khoảng thời gian t1 van Su vào dẫn với điện áp trên van khi chuyển mạch bằng điện áp khi dẫn của diot nên giảm được tổn thất khi chuyển mạch

Hình 2.3 Mạch tương đương trong các khoảng dẫn của van

(a) Trong khoảng thời gian t1 (b) Trong khoảng thời gian t2.

(c) Trong khoảng thời gian t3 (d) Trong khoảng thời gian t4

Ta thấy ở chế độ này các van IGBT Su,Sd luôn chuyển từ khóa sang dẫn dưới điện áp diot mắc song song ngược nên giảm được tổn thất khi chuyển mạch, điều mà không thể

có được trong chế độ hai van dẫn dưới đây

 Chế độ hai van dẫn

Hình 2.4 minh họa dạng xung và dạng dòng điện qua cuộn cảm trong chế độ này

- Trong khoảng thời gian t1, van Su được dẫn, điện áp trên cuộn cảm bằng VDC-Vsc >0,

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

dòng trên cuộn cảm tăng

- Trong khoảng thời gian t2, van Su khóa lại, dòng qua cuộn cảm duy trì theo chiều cũ qua diot Dd, lúc này dòng giảm vì điện áp trên cuộn cảm bằng –Vsc Khác với chế độ dẫn đồng bộ, cuối khoảng thời gian t2 dòng chưa về không sau đó tăng lên như trong khoảng thời gian t1 Van Su chuyển từ khóa sang dẫndưới điện áp bằng VDC gây tổn thất lớn khi chuyển mạch

Gate u

Gate d

t 1 t20A

S d

L u

S d

L u

Hình 2.5 Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van

(a) Trong khoảng thời gian t1 (b) Trong khoảng thời gian t2.

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

 Chế độ dẫn đồng bộ

Chế độ này hoàn toàn tương tự như trong chế độ buck, điều khác nhau là dòng trung bình qua cuộn cảm là âm tức siêu tụ là nguồn phát, DC-link là nguồn thu Hình 2.6 minh họa dạng xung điều khiển van và dạng dòng điện trên cuộn cảm Các mạch tương đương trong các khoảng dẫn t1,t2,t3,t4 hoàn toàn giống như trong chế độ buck

Gate u Gate d

t3 t4 t1 t2

0A

Ipeak

tdeadtime

Hình 2.6 Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm

trong chế độ đồng bộ kiểu boost

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

- Trong khoảng thời gian t2 dòng âm và giảm dần chứng tỏ dòng đi qua van dưới Sd chảy

về Vuc Mạch tương đương như trên hình 2.8b

(a) Trong khoảng thời gian t1 (b) Trong khoảng thời gian t2.

Đến đây ta đã biết được nguyên lý của mạch, cách phát xung điều khiển các van và dạng dòng qua điện cảm IL Trước khi đi mô hình hóa hệ thống, ta đi đến một phần rất quan trọng làm phương hướng cho phần mô hình hóa và thiết kế bộ điều khiển ở chương sau, đó chính là thuật toán phân phối năng lượng Trong phần này ta sẽ làm rõ mục đích điều khiển, các biến điều khiển, các mạch vòng điều khiển Để hiểu rõ thêm cấu trúc hệ thống, ta nhấn mạnh lại vai trò và chức năng của siêu tụ

2.2 Siêu tụ một sự lựa chọn hợp lý

Hình 2.9 minh họa các mật độ năng lượng mật độ công suất của acquy, siêu tụ, bánh

đà, pin nhiên liệu (fuel cell) và xăng Từ hình vẽ trên ta thấy, về mật độ năng lượng, xăng kết hợp với động cơ đốt trong sinh ra nhiều năng lượng nhất, về mật độ công suất thì siêu tụ có mật độ công suất cao nhất Pin nhiên liệu có thể so sánh với xăng về mặt năng lượng nhưng về mặt công suất nó lại nhỏ hơn xăng rất nhiều, vì vậy đặc tính khởi động của xe pin nhiên liệu kém hơn so với xe chạy xăng Do đó xe pin nhiên liệu cần một thiết bị có khả năng cung cấp năng lượng lớn trong khoảng thời gian nhỏ (công suất lớn) để đáp ứng yêu cầu khi khởi động, tăng tốc Khác với acquy là nguồn tích trữ, dữ trữ năng lượng điện, thì pin nhiên liệu là thiết bị phát ra điện bằng cách kết hợp oxi và hydro Cũng vì lẽ đó, pin nhiên liệu là một hệ thống phức tạp bao gồm các khay nhiên liệu, các

bộ trao đổi nhiệt, các máy nén khí,…làm tăng giá thành của xe Ngoài ra khi xe hãm tái sinh, vì pin nhiên liệu không thể nạp lại nên toàn bộ năng lượng sinh ra sẽ bị hao phí thành nhiệt năng làm giảm hiệu suất của xe Để nâng cao hiệu suất của xe ta cần một thiết

Chương 2 Nguyên lý hoạt động và thuật toán phân phối năng lượng

bị như siêu tụ làm một nguồn dự trữ năng lượng phụ có thể hấp thụ năng lượng khi hãm tái sinh và giải phóng năng lượng hỗ trợ pin nhiên liệu khi khởi động

Hình 2.9 Đặc tính của một số nguồn năng lượng

Với acquy, do bản chất là thực hiện các phản ứng hóa học, các phản ứng điện hóa, nên có năng lượng nhỏ hơn xăng, tuy nhiên nó có thể nạp lại và tích trữ năng lượng nên

có thể nâng cao hiệu suất của xe Ngoài ra khi xe khởi động tăng tốc, mức công suất huy động là lớn, hay nói cách khác, dòng huy động từ acquy là lớn, nếu acquy thường xuyên phóng,nạp với dòng lớn này sẽ làm giảm tuổi thọ của acquy Siêu tụ với mật độ công suất lớn có nội trở thấp nên siêu tụ có thể nạp, xả với dòng lớn trong khoảng thời gian ngắn

Do đó, siêu tụ cũng thường được sử dụng để hỗ trợ acquy trong quá trình xe khởi động, tăng tốc hoặc leo dốc, trong quá trình hãm tái sinh siêu tụ sẽ nạp phần lớn năng lượng chỉ một phần nhỏ dành cho acquy để đảm bảo tuổi thọ acquy

Tóm lại, cả xe sử dụng acquy và xe dùng pin nhiên liệu đều cần phải có siêu tụ để nâng cao hiệu suất của xe, cải thiện đặc tính khởi động, tăng tốc, do acquy hay pin nhiên liệu đều chỉ đáp ứng được mật độ năng lượng lớn còn mật độ công suất lại nhỏ Siêu tụ