Nghiên cứu điều khiển bộ sạc pin cho xe điện

Thêm vào đó, các bộ sạc này thường được chế tạo với các thông số ổn dòng và ổn áp cho một loại pin cố định, không có khả năng điều chỉnh.. Mục tiêu của đề tài Trên cơ sở phân tích nhu cầ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN

CHO XE ĐIỆN

MÃ SỐ: T2020-31TĐ

S K C 0 0 7 2 8 7

Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

Chủ nghiệm đề tài: TS Nguyễn Vinh Quan

Tp Hồ Chí Minh, 9/2020

ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN

CHO XE ĐIỆN

Mã số: T2020-31TĐ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN

i

MỤC LỤC

Trang tựa

MỤC LỤC i

LIỆT KÊ HÌNH iii

LIỆT KÊ BẢNG v

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

CÁC KÝ HIỆU vii

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS x

MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Xu hướng phát triển pin của xe điện 1

1.2 Các tiêu chuẩn bộ sạc pin xe điện 3

1.3 Các nghiên cứu liên quan 4

CHƯƠNG 2 ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN XE ĐIỆN 2.1 Nguyên lý hệ thống sạc 6

2.2 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha 6

2.3 Mạch tăng áp một chiều 7

ii

2.4 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB 11

2.5 Nguyên lý điều khiển 13

2.6 Mô hình bộ pin sạc 16

2.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ 18

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ KHẢO SÁT 3.1 Cài đặt tham số 21

3.2 Kết quả và nhận xét 21

3.3 Lọc sóng hài 27

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 4.1 Kết quả đạt được 32

4.2 Hướng phát triển 32

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC

BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN

iii

LIỆT KÊ HÌNH

TRANG

Hình 1.1 Sơ đồ khối nguyên lý bộ sạc pin xe điện 2

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ thống sạc pin xe điện 6

Hình 2.2 Dạng sóng điện áp ngõ vào và ngõ ra của bộ chỉnh lưu cầu 1 pha 7

Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC 7

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC 9

Hình 2.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn xoay chiều khi không có PFC 10

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC có PFC 10

Hình 2.7 Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn khi có PFC 10

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch DAB 11

Hình 2.9 Dạng sóng điện áp điều khiển xung kích bộ DAB 13

Hình 2.10 Dạng sóng điện áp phía sơ cấp và thứ cấp biến áp cách ly 14

Hình 2.11 Trạng thái pin sạc 14

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý điều khiển bộ DAB 15

Hình 2.13 Đặc tuyến điều khiển sạc 16

Hình 2.14 Đặc tính sạc của các cell pin 17

Hình 2.15 Khâu điều khiển công suất sạc theo nhiệt độ 19

Hình 3.1 Điện áp và dòng điện sạc khi Iref=40A 22

iv

Hình 3.2 Công suất sạc và nhiệt độ ước lượng của bộ pin 22

Hình 3.3 Điện áp và dòng điện sạc trung bình 40A khi có kiểm soát nhiệt độ 23

Hình 3.4 Công suất sạc và nhiệt độ khi có kiểm soát nhiệt độ 24

Hình 3.5 Điện áp và dòng điện sạc khi Iref=60A 24

Hình 3.6 Công suất sạc và nhiệt độ ước lượng 25

Hình 3.7 Điện áp và dòng điện sạc khi có kiểm soát nhiệt độ 25

Hình 3.8 Công suất sạc và nhiệt độ ước lượng 26

Hình 3.9 Điện áp và dòng điện sạc khi có kiểm soát nhiệt độ 26

Hình 3.10 Công suất sạc và nhiệt độ ước lượng 27

Hình 3.11 Dạng sóng dòng điện và điện áp ngõ vào khi chưa có bộ lọc 27

Hình 3.12 Sóng hài dòng điện đo tại thời điểm 9.99s khi chưa lọc 28

Hình 3.13 Sóng hài dòng điện phóng to đo tại thời điểm 9.99s khi chưa lọc 28

Hình 3.14 Dạng sóng dòng điện và điện áp ngõ vào sau khi lọc 30

Hình 3.15 THD dòng điện đo tại thời điểm 9.99s sau khi lọc 30

Hình 3.16 THD và dạng sóng dòng điện phóng to đo tại t=9.99s khi có lọc 31

v

LIỆT KÊ BẢNG

Trang

Bảng 1-1 Các tiêu chuẩn đối với bộ sạc 3

Bảng 2-1 Tham số mô hình ghép các cell của bộ pin 18

Bảng 3-1 Tham số hệ thống khảo sát 21

Bảng 3-2 Thông số của bộ lọc 29

vi

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

OBC (on-board battery charger) sạc on-board

V2G (Vehicle-to-grid) công nghệ xe điện nối lưới

G2V (Grid-to-vehicle) công nghệ xe điện nối lưới

EMI (electromagnet interferences) nhiễu điện từ

PFC (power factor correction)

BEV (battery electric vehicle)

PWM (Pulse-width-modulation) Điều rộng xung

CC (constant current) ổn dòng

CV (constant voltage) ổn áp

Level 2 Tiêu chuẩn sạc cấp 2

DAB (Dual-active bridge) cầu H tích cực kép

THD (total harmonic distortion) độ méo hài toàn phần

Pcha Công suất sạc pin

Ibat Dòng điện sạc pin

Vbat Điện áp sạc pin

Vs Điện áp nguồn lưới

Is Dòng điện nguồn lưới

viii

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Ngày 10 tháng 9 năm 2020

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu điều khiển bộ sạc pin cho xe điện

- Mã số: T2020-31TĐ

- Chủ nhiệm: TS Nguyễn Vinh Quan

- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM

- Thời gian thực hiện: tháng 2 đến 12 năm 2020

4 Kết quả nghiên cứu:

ix

Mô hình đã được mô phỏng trên Matlab/Simulink và cho thấy phương pháp điều khiển bộ sạc đề xuất có hệ số công suất cao với khả năng sạc nhanh linh hoạt

5 Sản phẩm:

1 bài báo khoa học đăng trên tạp chí quốc tế IJAEMS

6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:

+ Về mặt giáo dục: Báo cáo có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu liên quan và góp phần nâng cao năng lực nghiên cứu của những người tham gia + Về kinh tế- xã hội: việc ứng dụng phương pháp điều khiển đề xuất giúp cho thiết

bị sạc có khả năng sạc nhanh linh hoạt với hệ số công suất cao Điều này cũng thúc đẩy phát triển sản phẩm với giá thành rẻ, làm tăng khả năng bảo mật và chuyển giao công nghệ

Trưởng Đơn vị

(ký, họ và tên)

Chủ nhiệm đề tài (ký, họ và tên)

TS Nguyễn Vinh Quan

Coordinator: Dr Vinh-Quan Nguyen

Members: Dr Quang-Tho Tran

Implementing institution: Hochiminh City University of Technology & Education Duration: from February to December 2020

2 Objective:

The authors have proposed a method for controlling battery chargers for electric hicles using a dual-active bridge

ve-3 Creativeness and innovativeness:

This report presented a strategy for the battery charger of electric vehicles with ability

of flexible constant current and constant voltage control In addition, the effect of the battery temperature is considered The DC-bus voltage is also controlled depending

on the setting value according the charging standards In addition, a power factor correction booster is also controlled to achieve a higher power factor for improving power quality of the battery charger

4 Research results:

The simulated results on Matlab/Simulink have validated the performance of the sented controller

pre-5 Products:

A scientific paper published on IJAEMS

6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:

xi

The proposed method for controlling flexibly the battery chargers for electric hicles This also helps manufacturers enhance the capacity of maintenance, privacy, and competition on the market

ve-xii

MỞ ĐẦU Tính cần thiết

Sự ô nhiễm môi trường ngày càng tăng do khí thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch của các phương tiện giao thông đã thúc đẩy sự phát triển của các loại xe điện, đặc biệt là ô tô điện Các nguồn năng lượng cấp cho xe điện vận hành thường được dự trữ thông qua các loại pin hoặc acquy khác nhau với các yêu cầu sạc khác nhau Các pin này hầu hết thường được sạc từ nguồn điện lưới thông qua các bộ biến đổi để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều thành nguồn một chiều phù hợp để sạc cho các bộ pin Để nâng cao hiệu suất cho bộ sạc, một hệ thống sạc thường gồm có một bộ chỉnh lưu và một bộ cầu H tích cực kép DAB (dual-active bridge) Bộ điều khiển thường gồm có điều khiển bus dc, điều khiển hệ số công suất PFC (power factor correction)

và điều khiển ổn dòng hoặc ổn áp cho pin

Tuy nhiên, đa số các bộ sạc thông thường hiện nay chỉ điều khiển ổn dòng hoặc ổn

áp cho pin Các loại này chủ yếu phù hợp với loại a xít chì và hệ số công suất cũng chưa được quan tâm Trong khi đó, các bộ pin thế hệ mới như pin lithum-ion có yêu cầu sạc kết hợp ổn dòng trước, sau khi sức điện động bộ pin đạt đến một ngưỡng điện

áp nhất định mới chuyển sang điều khiển sạc ổn áp Thêm vào đó, nhiệt độ của bộ pin khi sạc cũng chưa được xem xét Điều này ảnh hưởng đến an toàn của hệ thống sạc pin Do đó, cần phải có một hệ thống sạc linh hoạt vừa ổn dòng vừa ổn áp cho pin với các thông số của pin cho trước Các bộ sạc đáp ứng khả năng sạc linh hoạt này thường được cung cấp từ các hãng xe điện nổi tiếng của nước ngoài Tesla, Nissan, Mitsubishi, BMW, Audi, Jaguar Tuy nhiên, giá thành thường rất đắt Thêm vào đó, các bộ sạc này thường được chế tạo với các thông số ổn dòng và ổn áp cho một loại pin cố định, không có khả năng điều chỉnh Thật ra, các kỹ thuật và công nghệ sạc của các hãng này cũng chưa có các công bố chi tiết do phải giữ bí mật công nghệ vì

áp lực cạnh tranh trên thị trường

xiii

Hơn nữa, trong nhu cầu thực tế, có khi cần sạc nhanh cho pin nhưng không thể điều chỉnh Có những khi cần tăng tuổi thọ pin và giảm đỉnh tải cho lưới điện nên cần sạc chậm vào ban đêm nhưng cũng không thể điều chỉnh Ngoài ra, khi các bộ sạc công suất lớn cho ô tô điện được nhập khẩu có giá thành cao, khi bị hư hỏng khó có thể sửa chữa Thông tin các bộ sạc được kết nối qua các ứng dụng trên internet để nhà sản xuất theo dõi cũng ảnh hưởng đến việc bảo mật Nguyên nhân chủ yếu là do chưa làm chủ công nghệ sản xuất bộ sạc nên khó khăn trong việc chủ động tích hợp tính năng tự động hóa ở mức độ cao

Mục tiêu của đề tài

Trên cơ sở phân tích nhu cầu sạc pin của xe điện, các tác giả đã nghiên cứu và

đề xuất giải pháp điều khiển bộ sạc pin dành cho xe điện có khả năng ổn dòng và ổn

áp cũng như hệ số công suất cao

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Dựa vào việc phân tích bộ sạc sử dụng nguồn lưới, báo cáo này tập trung nghiên cứu điều khiển: bus DC, nâng cao hệ số công suất PFC, ổn định dòng sạc, ổn định điện áp sạc, và kiểm soát nhiệt độ của bộ pin

Báo cáo cũng tập trung nghiên cứu điều khiển bộ sạc sử dụng nguồn lưới 1 pha cho loại pin Lithium-ion

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận

Đề tài dựa vào phân tích các ưu điểm và khuyết điểm của các nghiên cứu đã được công bố gần đây trên các tạp chí khoa học chuyên ngành có uy tín để làm cơ sở cho giải pháp đề xuất Việc phân tích nguyên lý hoạt động của bộ sạc là nền tảng để đề tài đề xuất giải pháp điều khiển bộ sạc linh hoạt

xiv

Lựa chọn phương pháp nghiên cứu

+ Phương pháp phân tích: được thực hiện bằng cách phân tích nguyên lý hoạt động của bộ sạc giúp cho đề tài có cách tiếp cận tổng quát, khoa học và xác định đúng hướng nghiên cứu

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

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

Nội dung của báo cáo

Cấu trúc của đề tài bao gồm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Điều khiển bộ sạc pin

Chương 3: Kết quả khảo sát

Chương 4: Kết luận

Đóng góp mới về mặt khoa học của báo cáo

Kỹ thuật điều khiển bộ sạc pin có ổn dòng và ổn áp linh hoạt Đồng thời có tính năng PFC và kiểm soát nhiệt độ của bộ pin nhằm đảm bảo an toàn cho quá trình sạc

Ý nghĩa thực tiễn

xv

Phương pháp điều khiển bộ sạc linh hoạt sẽ giúp mở rộng ứng dụng sạc cho các bộ pin với những dung lượng khác nhau Hơn nữa, đề tài cũng tạo điều kiện cho việc chế tạo và làm chủ công nghệ với giá thành thấp để tăng khả năng cạnh tranh của thiết bị cũng như nâng cao tính bảo mật

Trần Quang Thọ

1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN PIN CỦA XE ĐIỆN

Sự ô nhiễm môi trường ngày càng tăng do khí thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch của các phương tiện giao thông đã thúc đẩy sự phát triển của các loại xe điện [1] Điện khí hóa phương tiện giao thông là một trong những phương pháp khả thi đầy tiềm năng nhằm giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường Sự phổ biến của xe điện trong tương lai sẽ tác động đáng kể đến nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là lĩnh vực lưới điện Nhiều nước phát triển đã thực hiện các chính sách để thúc đẩy việc triển khai xe điện làm cho việc sử dụng xe điện trong những năm gần đây ngày càng nhiều [2] Năng lượng vận hành của các xe điện được lưu trữ trong các bộ pin (battery pack), các bộ pin này ở dạng điện một chiều Do đó, cần có các bộ sạc để chuyển đổi điện năng từ lưới điện xoay chiều sang một chiều để sạc cho các bộ pin Sự phát triển của

xe điện cũng giúp cho ngành công nghệ pin và bộ sạc đã được cải thiện đáng kể [3]

do có sự đầu tư lớn của các hãng ô tô Mặc dù xe điện có những đóng góp tích cực về kinh tế và môi trường, tuy nhiên, các bộ sạc pin cho xe điện cũng đã gây ra những tác động tiêu cực đến vận hành lưới điện hiện có [4]–[7] Các tác động đó chủ yếu gây

ra những tải đỉnh cho hệ thống điện vào ban ngày Vì vậy, các bộ sạc pin có vai trò quan trọng trong việc phát triển xe điện, công suất sạc và thời gian sạc sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của pin Các yêu cầu đối với bộ sạc pin cần phải đảm bảo hiệu quả và tin cậy, chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và an toàn trong vận hành Bộ sạc xe điện phải đảm bảo dòng điện được tạo ra với độ méo thấp để giảm thiểu tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng và phải có hệ số công suất cao để tối đa hóa công suất thực có sẵn từ nguồn lưới

Các nguồn năng lượng cấp cho xe điện vận hành thường được dự trữ thông qua các loại pin khác nhau với các yêu cầu sạc khác nhau Loại pin chủ yếu được sử dụng hiện nay là Lithium-ion [8] Loại pin này có các ưu điểm như mật độ năng lượng cao, nhẹ, giá thành rẻ, không độc hại, có thể sử dụng công nghệ sạc nhanh Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của loại pin này là có thể gây cháy nổ khi thông số kỹ thuật sạc không phù hợp Yếu tố quan trọng nhất của quá trình sạc là nhiệt độ, nếu không được kiểm

Trần Quang Thọ

2

soát tốt sẽ dễ dàng dẫn đến cháy nổ [9] Thêm vào đó, nhiệt độ cao trong quá trình sạc cũng làm cho quá trình hình thành xen kẽ các lớp điện phân rắn càng nhanh Điều này dẫn đến sự gia tăng điện trở nội của pin nên khả năng lưu trữ và tuổi thọ của pin cũng giảm đáng kể [10]

Mặc dù có những tác động tiêu cực đến lưới điện, sự phổ biến của các hệ thống sạc pin xe điện cũng có thể mang lại các lợi ích tích cực cho công nghệ hệ thống điện thông minh V2G (Vehicle-to-grid) một khi có sự quản lý tốt hệ thống điện này [11]–[13]

Nguyên lý một hệ thống sạc sử dụng nguồn lưới xoay chiều bao gồm các thành phần được thể hiện trong sơ đồ khối ở hình 1.1 Trong đó, ngõ vào của bộ sạc thường phải

có bộ lọc nhiễu điện từ (EMI filter) nhằm đảm bảo sóng hài bậc cao của bộ sạc không được phát vào lưới điện Bộ chỉnh lưu (Rectifier) được dùng để chuyển đổi nguồn lưới xoay chiều sang nguồn điện một chiều để sạc cho bộ pin Mạch PFC (power factor correction) được dùng để tăng áp DC kết hợp với điều khiển hệ số công suất cho bộ sạc Bộ biến đổi DC/DC converter dung để điều khiển dòng và điện áp sạc cho bộ pin có tính năng cách ly thông qua biến áp cao tần Bộ biến đổi DC/DC có thể

ở dạng một chiều (Unidirectional DC/DC converter) hoặc dạng hai chiều tional DC/DC converter) Thông thường, các bộ sạc có tính năng V2G (vehicle-to-grid) và G2V (grid-to-vehicle) sẽ yêu cầu sử dụng các bộ biến đổi hai chiều

(Bidirec-EMI filter

AC

source Rectifier PFC

DC/DC converter Filter Battery

Hình 1.1 Sơ đồ khối nguyên lý bộ sạc pin xe điện

Có nhiều phương thức sạc điện cho các xe điện [14], trong khuôn khổ báo cáo này chủ yếu đề cập đến các bộ sạc kèm theo xe Hình thức sạc này được gọi là sạc on-board OBC (on-board battery charger) [15] Các bộ sạc loại này thường dùng cho loại

xe điện thuần pin BEV (battery electric vehicle)

Trần Quang Thọ

3

1.2 CÁC TIÊU CHUẨN BỘ SẠC PIN XE ĐIỆN

Các bộ pin xe điện (Battery pack) được dùng để dự trữ năng lượng cho vận hành động

cơ điện của xe thường ở dạng một chiều, trong khi các nguồn sạc phổ biến lại lấy từ lưới điện xoay chiều Do đó, để các bộ pin xe điện được sạc điện một cách an toàn và hiệu quả thông qua các bộ sạc, các bộ sạc này cần đạt được các tính năng kỹ thuật dựa vào các tiêu chuẩn của ngành ô tô SAE (Society of Automotive Angineers) Bảng 1-1 Các tiêu chuẩn đối với bộ sạc

Việc kiểm soát tốt bộ sạc pin cho xe điện sẽ góp phần tích cực cho hiệu quả sạc của lưới điện và hệ thống phương tiện giao thông [16], [17] Các tiêu chuẩn chủ yếu qui định về các thông số kỹ thuật của bộ sạc như định mức công suất, dòng sạc, điện áp sạc [18]–[20] được thể hiện ở Bảng 1-1

Tuy nhiên, theo các tiêu chuẩn như bảng trên, qui định về giới hạn nhiệt độ chưa được yêu cầu cụ thể Chẳng hạn, với AC cấp 2 (Level 2), công suất bộ sạc on-board sử dụng nguồn 1 pha có thể lên đến 20kW Với mức công suất sạc này, năng lượng tổn hao sinh ra đáng kể và làm cho nhiệt độ bộ sạc tăng cao mặc dù bộ sạc vẫn đạt tiêu

Trần Quang Thọ

4

chuẩn qui định Điều này có thể dẫn đến khả năng gây ra cháy nổ nếu không kiểm soát nhiệt độ bộ sạc một cách hiệu quả Mức sạc dùng nguồn lưới AC cao nhất của bảng này là cấp 3 (Level 3) với công suất tối đa bằng 50kW Ngoài ra, các mức độ sạc siêu nhanh của cấp 5 lên tới 350kW [21] được dùng cho các trạm sạc công cộng cũng chưa có qui định cụ thể về nhiệt độ Do đó, có thể thấy rằng, các tiêu chuẩn về

xe điện hiện nay chưa thật sự hoàn thiện và chuẩn hóa cho toàn cầu

Trong thực tế, vẫn có các hiện tượng cháy nổ các bộ sạc hoặc bộ pin do nhiệt độ tăng cao Để các bộ sạc xe điện vận hành hiệu quả và an toàn, việc kiểm soát nhiệt độ bộ pin và bộ sạc cần phải được thực hiện thông qua các giải thuật điều khiển Do đó, việc nghiên cứu sâu các bộ sạc này cần được thực hiện để có thể điều khiển hiệu quả hơn và an toàn hơn Điều này làm cơ sở cho việc tích hợp công nghệ thông minh nhân tạo dễ dàng hơn Khi đó, việc điều khiển bộ sạc theo các tính năng ổn dòng và ổn áp cũng như có kiểm soát nhiệt độ một cách linh hoạt sẽ trở nên dễ dàng hơn

1.3 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN

Qui trình thông thường của một bộ sạc gồm các bước sau:

1 Kiểm tra: kết nối cắm sạc, dung lượng bộ pin, trạng thái SoC và chất lượng bộ pin

2 Thực hiện sạc ổn dòng cho đến khi đạt điện áp cực đại

3 Thực hiện sạc ổn áp cho đến khi dòng sạc nhỏ giọt thì dừng sạc

Nếu bước đầu cho kết quả đạt tiêu chuẩn thì mới thực hiện quá trình sạc ở bước 2 và

3 Trong quá trình sạc, có thể có hoặc không có tính năng kiểm soát nhiệt độ bộ pin cũng như của bộ sạc Bước đầu thường chỉ có trong các bộ sạc thông minh Đối với các bộ sạc thông thường, bước đầu thường bị bỏ qua để giảm giá thành thiết bị Vì vậy, có thể gặp rủi ro khi bộ pin không đạt chất lượng tiêu chuẩn Bước kiểm tra ban đầu của quá trình sạc có thể sử dụng các giải thuật khác nhau [22], [23] Trong khuôn khổ báo cáo này chỉ nghiên cứu kỹ thuật sạc ổn dòng, ổn áp, và kiểm soát nhiệt độ Các hệ thống sạc và pin trong thực tế được thương mại hóa bởi các tập đoàn ô tô hàng đầu thế giới gần như không công bố chi tiết kỹ thuật cũng như công nghệ sạc Họ phải giữ bí mật công nghệ do áp lực cạnh tranh trên thị trường Các nghiên cứu bởi

Trần Quang Thọ

5

các nhà khoa học đã được công bố công khai trên các tạp chí khoa học có thật sự được ứng dụng trong sản phẩm của các hãng hay không vẫn khó biết chính xác Các nghiên cứu liên quan đến các bộ sạc đã được công bố [24] với các kiểu nguồn lưới xoay chiều 1 pha và 3 pha Kỹ thuật sạc on-board trong [25]–[27] sử dụng các

bộ lọc ngõ vào của bộ sạc với lưới 1 pha và 3 pha và quan tâm chủ yếu đến phần chỉnh lưu

Để nâng cao hiệu suất cho bộ sạc, ngoài việc lọc nhiễu ở ngõ vào, các hệ thống sạc hiện nay thường gồm có một bộ chỉnh lưu và một bộ cầu H tích cực kép DAB (dual-active bridge) [28]–[30] Bộ điều khiển của hệ thống này thường gồm có điều khiển bus dc, điều khiển PFC và điều khiển ổn dòng hoặc ổn áp cho pin [31], [32] Hơn nữa, nghiên cứu trong [32] tập trung điều khiển bus dc trong trạm sạc sử dụng kết hợp điện mặt trời nối lưới Kỹ thuật chuyển mạch điện áp zero trong [33] đề nghị xem xét đến sự phụ thuộc thời gian của dòng chuyển mạch và tụ chuyển mạch thông qua hàm chi phí Kỹ thuật dịch nhiều pha để giảm độ gợn dòng điện trong [34] đã ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của bộ sạc khi có dòng nhỏ Công bố trong [35] sử dụng

kỹ thuật bù để giảm độ gợn dòng điện nhằm giảm kích thước mạch lọc Kỹ thuật trong [36] điều khiển bộ sạc kết hợp nguồn lưới và pin mặt trời sử dụng điều khiển chế độ trượt

Hầu hết các nghiên cứu trên chưa có quan tâm đến vấn đề nhiệt của bộ pin khi thực hiện các giải pháp điều khiển bộ sạc

Trong khi đó, các nghiên cứu về vấn đề nhiệt [37]–[42] gây sự cố khi sạc pin hiện nay chưa có các đề xuất giải pháp kết nối hay kiểm soát nhiệt độ với các bộ sạc để đảm bảo an toàn cho hệ thống sạc và pin

Bộ lọc nhiễu ngõ vào thường có dạng LC

Bộ chỉnh lưu cầu 1 pha dùng để chuyển đổi nguồn điện xoay chiều 1 pha sang nguồn điện một chiều

Mạch tăng áp một chiều với tính năng PFC

Bộ chuyển đổi cầu H kép tích cực để thực hiện sạc

Ngoài ra, trước khi nguồn điện sạc được nối vào pin sạc còn có mạch lọc LC ở ngõ

Isolated transformer

Output filter

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ thống sạc pin xe điện

2.2 MẠCH CHỈNH LƯU CẦU 1 PHA

Với tiêu chuẩn bộ sạc cấp 2 có công suất sạc từ 3.3 kW đến 19.2 kW, nguồn cấp cho ngõ vào bộ sạc có thể lấy từ nguồn xoay chiều 1 pha

Với nguồn điện ngõ vào xoay chiều 1 pha có tần số 50Hz như hình 2.2(a), sau khi qua mạch lọc nhiễu điện từ, dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu Vrec_o ở hình 2.2(b) có giá trị trung bình như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC

Trần Quang Thọ

8

Để đảm bảo dòng điện ngõ vào bộ chỉnh lưu đồng pha với điện áp nguồn xoay chiều ngõ vào Vs, dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu được dùng để điều khiển dòng điện của mạch boost Khi đó, công suất tác dụng tức thời của bộ sạc bao gồm thành phần một chiều và thành phần dao động với tần số 2*

 

Trong đó,  là tần số góc của nguồn lưới và bằng 100* rad/s

Thành phần công suất dao động sẽ được lọc bởi tụ điện ngõ ra Cdc1 Vì vậy, dòng điện qua tụ sẽ được xác định như sau:

Với công suất bộ sạc lên đến 19.2kW, điện áp Vdc lên đến 350V và độ nhấp nhô điện

áp bằng 10V, dung lượng tụ sẽ lên đến 17460 F

Tương tự, để tính điện cảm L1 của mạch boost dựa vào điện áp trên điện cảm được thực hiện như sau:

I L

I ref + - -

V dc

V dc-ref +

Current limiter

G boo

carrier relay

D boo

+ - Limiter Voltage

controller

Current controller

Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC

Nguyên lý điều khiển mạch tăng áp được thể hiện trên hình 2.4 Trong đó, bộ điều khiển áp và dòng một chiều sử dụng loại điều khiển PI Dòng điện bộ chỉnh lưu được bảo vệ quá dòng bởi khâu giới hạn dòng current limiter Độ rộng xung kích PWM

Gboo của transistor mạch boost được điều chế bởi sóng mang carrier nhờ so sánh với giá trị Dboo Khi đó, dạng sóng dòng điện và điện áp ngõ vào của nguồn xoay chiều

có dạng như hình 2.5 Dạng sóng này cho thấy không có sự đồng pha giữa dòng điện

và điện áp, nên không thể đạt được giá trị hệ số công suất đơn vị Bởi vì dòng điện

Iref có dạng một chiều

V dc

V dc-ref +

Current limiter

G boo

carrier relay

Dboo+ - Limiter Voltage

controller

Current controller

X

Vrec-o

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC có PFC

Hình 2.7 Dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn khi có PFC

Do đó, để mạch tăng áp có khả năng đạt hệ số công suất đơn vị, dòng điện đặt Iref cần được điều chỉnh sao cho đồng dạng với điện áp nguồn Vs thông qua dạng sóng điện

Trần Quang Thọ

11

áp ngõ ra bộ chỉnh lưu Vì vậy, nguyên lý mạch điều khiển cần được điều chỉnh như hình 2.6 Trong đó, dạng sóng điện áp ngõ ra của bộ chỉnh lưu Vrec-o được đưa dạng đơn vị, khi nhân với dòng điện đặt sẽ cho dạng sóng dòng điện đặt Iref đồng pha với

áp nguồn Vs Khi đó, dạng sóng điện áp và dòng điện nguồn sẽ có dạng như hình 2.7 Hình này cho thấy sự đồng pha của điện áp và dòng điện nên sẽ đạt hệ số công suất đơn vị

2.4 BỘ BIẾN ĐỔI CẦU H TÍCH CỰC KÉP DAB

Để điều khiển dòng điện và điện áp bộ sạc, một bộ biến đổi DC/DC sử dụng hai bộ cầu H tích cực như hình 2.8 Để đảm bảo an toàn cho phía ngõ ra của bộ sạc, bộ biến đổi DAB (dual-active bridge) có ngõ vào và ngõ ra được cách ly với nhau thông qua một máy biến áp cao tần có tỉ số biến áp bằng 1:1

Công suất truyền qua bộ biến đổi được xác định như sau:

Trần Quang Thọ

13

Trong đó, các đại lượng RLoad, XLr, Vdc và cos gần như không đổi nên bằng một hằng số Cv Vì vậy, có thể dịch góc pha  để điều chỉnh điện áp sạc Vbat cho bộ pin Đây là cơ sở để điều khiển bộ sạc

Một cách tương tự, khi điều khiển dòng cho bộ sạc, dòng điện sạc được xác định như sau:

2.5 NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN

Hình 2.9 Dạng sóng điện áp điều khiển xung kích bộ DAB

Nguyên lý điều khiển bộ sạc được thể hiện trên Hình 2.9 Sóng mang tam giác Vcar

có tần số fsw = 2 kHz được dùng để điều chế xung kích cho bộ DAB Các xung kích

có pha cố định Gfix được tạo ra bằng cách so sánh sóng tam giác với 0 dùng để kích cầu H phía sơ cấp của biến áp Điện áp điều khiển VD và -VD của đại lượng Del trong