Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ôtô điện v2g có bù sóng hài
- 91 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp
ô tô điện V2G có bù sóng hài
HỒ TRỌNG ĐẠT
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Tạ Cao Minh
Viện : Điện
HÀ NỘI, 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp
ô tô điện V2G có bù sóng hài
HỒ TRỌNG ĐẠT
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Tạ Cao Minh
Chữ ký của GVHD
Viện : Điện
HÀ NỘI, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Hồ Trọng Đạt
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ô tô điện V2G có bù sóng hài
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CA190089
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
30/10/2020 với các nội dung sau:
- Đã bổ sung thông tin trong phần:
• Tham chiếu tài liệu trích dẫn mô hình hóa bộ biến đổi.
• Thiết kế bộ điều khiển.
• Kết quả mô phỏng.
- Đã sửa một số lỗi chính tả và câu từ trong chương mô phỏng và kết quả.
Ngày 05 tháng 11 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
Tạ Cao Minh Hồ Trọng Đạt
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Họ và tên giáo viên hướng dẫn chính: PGS. TS. Tạ Cao Minh
2. Cơ quan: Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
3. Email: [email protected] ĐT : 0912.640.199
4. Nội dung
Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ô tô điện V2G có bù sóng hài
Hà Nội, Ngày 21 tháng 10 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)
Tạ Cao Minh
Lời cảm ơn
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. TS Tạ Cao Minh, thầy
đã hướng dẫn em rất nhiều khi em còn là sinh viên năm thứ tư Đại học và đã tin
tưởng giao đề tài thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong quá trình
thực hiện đề tài, mặc dù đang công tác tại nước ngoài nhưng thầy luôn sắp xếp thời
gian họp trực tuyến nghe báo cáo tiến độ, đóng góp ý kiến chi tiết và giúp em định
hướng nghiên cứu rõ ràng hơn trong quá trình thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Duy Đỉnh, thầy
luôn hướng dẫn tỉ mỉ, chia sẽ kinh nghiệm học tập và nghiên cứu khoa học. Những
góp ý của thầy là động lực giúp em rèn luyện tính cẩn thận và cố gắng hoàn thiện
đề tài luận văn thạc sĩ.
Tóm tắt nội dung luận văn
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ô tô điện V2G có bù sóng hài
a) Lý do chọn đề tài
Ô tô điện được xem là phương tiện giao thông của tương lai bởi không chỉ là
phương tiện an toàn, tiện lợi, thân thiện với mọi người, mà còn là giải pháp giúp
bảo vệ môi trường và giải quyết vấn đề an ninh năng lượng. Xe điện mang trong
mình kho năng lượng lớn, trong khi thời gian di chuyển chỉ chiếm khoảng 4-5%,
thời gian còn lại xe được đỗ tại các bãi đỗ xe công cộng. Điều này thực sự hữu
dụng khi hàng chục ngàn xe điện đỗ tại các khu đỗ xe ban ngày, khi các chủ sở
hữu xe đang làm việc tại công sở. Nếu các chủ xe bán điện (trả năng lượng lại lưới
điện) thì có thể cung cấp năng lượng cho các thời điểm nhu cầu công suất đỉnh, mà
không cần phải xây mới thêm nhà máy điện và mang lại nguồn thu nhập thụ động
cho chủ xe. Công nghệ xe điện lớn mạnh kéo theo sự phát triển của nhiều công
nghệ khác như: công nghệ pin (pin Lithium-ion), công nghệ điều khiển, công nghệ
sạc,…
Đề tài hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế và chiến lược điều khiển cho bộ
nạp cho ô tô điện hỗ trợ V2G đạt hiệu suất cao.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC được
tích hợp cùng bộ biến đổi hai chiều AC/DC tạo thành bộ nạp cho ô tô điện có hỗ
trợ V2G.
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
Thứ nhất là thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng CLLC.
Thứ hai là nâng cao hiệu suất bộ biến đổi bằng phương pháp chỉnh lưu đồng
bộ. Qua phân tích các phương pháp chỉnh lưu đồng bộ và thách thức của chỉnh lưu
đồng bộ sau đó xây dựng chiến lược điều khiển phù hợp.
c) Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết: Sử dụng lý thuyết cơ sở và nâng cao ngành Kỹ thuật Điều khiển
và Tự động hóa (Truyền động điện, Điều khiển truyền động điện, Điện tử công
suất, Điều khiển điện tử công suất , Lý thuyết điều khiển, Mô hình hóa…) trong:
Nghiên cứu, thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng CLLC.
Mô hình hóa bộ biến đổi cộng hưởng CLLC bằng phương pháp toán học.
Nghiên cứu phương pháp điều khiển chỉnh lưu đồng bộ nhằm nâng cao hiệu
suất bộ biến đổi.
Nghiên cứu phương pháp bù sóng hài.
Mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để mô phỏng và
kiểm chứng hoạt động của bộ biến đổi.
d) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Trong nội dung luận văn, bộ biến đổi cộng hưởng CLLC được lựa chọn bởi
các ưu điểm chính là chuyển mạch mềm trên toàn dải, hoạt động tần số cao và hiệu
suất cao. Bộ biến đổi sau đó được mô hình hóa bằng phương pháp toán học là cơ
sở để thiết kế các bộ điều khiển.
Phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi hai chiều DC/DC thông thường chỉ
điều khiển nghịch lưu phía sơ cấp và chỉnh lưu diode phía thứ cấp. Tổn hao dẫn
qua diode lớn đặc biệt với dòng cao, vì vậy nhằm tăng hiệu suất bộ biến đổi cần
thực hiện chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp. Chỉnh lưu đồng bộ cần phải đáp ứng các
vùng làm việc của bộ biến đổi CLLC tại các tần số trên và dưới tần số cộng hưởng.
e) Hướng phát triển tiếp theo của đề tài
Nghiên cứu và tìm hiểu sâu bộ biến đổi cộng hưởng CLLC: Kỹ thuật thiết
kế, chiến lược điều khiển nâng cao giúp cho bộ biến đổi hai chiều DC/DC đạt được
hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn.
Học Viên
Hồ Trọng Đạt
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ SẠC Ô TÔ ĐIỆN ............. 1
1.1 Tổng quan về sự phát triển của xe điện...................................................... 1
1.1.1 Lịch sử phát triển và xu thế tất yếu của ô tô điện ....................... 1
1.1.2 Tính năng kỹ thuật ưu việt của ô tô điện so với ô tô xăng .......... 2
1.1.3 Tương lai ô tô điện tại Việt Nam ................................................ 3
1.2 Các loại bộ sạc ô tô điện ............................................................................ 4
1.2.1 Phân loại các bộ sạc .................................................................... 4
1.2.2 Lựa chọn bộ sạc .......................................................................... 7
CHƯƠNG 2. BỘ SẠC Ô TÔ ĐIỆN HỖ TRỢ V2G .......................................... 9
2.1 Tổng quan về xe nối lưới V2G................................................................... 9
2.1.1 Ứng dụng V2G cân bằng tải cao điểm ...................................... 11
2.1.2 Hiệu suất chuyển đổi ................................................................. 11
2.1.3 Xu hướng thế giới về V2G ........................................................ 12
2.2 Công nghệ pin Lithium-ion (Li-ion) ........................................................ 12
2.2.1 Một số vấn đề trong quá trình sạc pin Li-ion ............................ 13
2.2.2 Xu hướng công nghệ và xu hướng về giá pin Li-ion ................ 18
2.3 Mô hình hóa ắc quy Li-ion ....................................................................... 19
2.4 Tính toán công suất bộ sạc ....................................................................... 20
2.5 Thiết kế, cấu trúc bộ sạc ô tô điện............................................................ 21
2.5.1 Thông số yêu cầu ...................................................................... 21
2.5.2 Lựa chọn cấu trúc bộ sạc V2G .................................................. 22
CHƯƠNG 3. BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC/DC ......................................... 24
3.1 Bộ biến đổi DC/DC hai chiều có cách ly ................................................. 24
3.1.1 Tổng quan bộ biến đổi DC/DC hai chiều có cách ly ................ 24
3.1.2 Chiến lược điều khiển dịch pha ................................................ 26
3.2 Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC ................................................................ 29
3.2.1 Giới thiệu bộ biến đổi cộng hưởng ........................................... 29
3.2.2 Thiết lập biểu thức toán học ...................................................... 31
3.2.3 Tính toán thiết kế các phần tử bộ biến đổi cộng hưởng ............ 35
3.2.4 Thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng CLLC thực nghiệm .............. 37
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ...................................................... 42
4.1 Mô hình hóa bộ biến đổi DC/DC ............................................................. 42
4.2 Thiết kế các bộ điều khiển ....................................................................... 44
4.2.1 Thiết kế các bộ đo lường điện áp và dòng điện ........................ 45
4.2.2 Bộ điều khiển dòng điện ........................................................... 46
4.2.3 Bộ điều khiển điện áp ............................................................... 47
4.3 Chỉnh lưu đồng bộ ................................................................................... 47
4.3.1 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi dưới tần số cộng hưởng... 48
4.3.2 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi tại tần số cộng hưởng ...... 50
4.3.3 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi trên tần số cộng hưởng .... 50
4.3.4 Chỉnh lưu đồng bộ (Synchronous Rectification_SR) ............... 52
4.3.5 Chiến lược điều khiển chỉnh lưu đồng bộ ................................. 54
4.4 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC/DC.................................................... 57
4.5 Bộ biến đổi hai chiều AC/DC .................................................................. 59
4.5.1 Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi AC/DC ..................................... 59
4.5.2 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi AC/DC ................................ 60
4.5.3 Tính toán thiết kế bộ điều khiển ............................................... 62
4.5.4 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi AC/DC .................................... 65
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 69
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 73
A 1. Khảo sát vùng làm việc của bộ biến đổi CLLC ....................................... 73
A 2. Xây dựng hàm truyền đạt ......................................................................... 74
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Những lợi ích của xe điện so với xe chạy xăng, dầu [2]. ........................ 2
Hình 1.2 Thị phần xe điện từ 2013-2017 trên thế giới [3]. .................................... 2
Hình 1.3 Xe ô tô điện Mitsubishi i-MiEV 2012. ................................................... 4
Hình 1.4 Các hệ thống sạc trong giai đoạn 2010 – 2017 [3]. ................................ 4
Hình 1.5 Các cổng sạc cho dòng xe Nissan Leaf. .................................................. 6
Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống sạc không dây cho ô tô điện. ..................................... 6
Hình 2.1 Quy trình sạc pin Li-ion [17]. ............................................................... 13
Hình 2.2 Các vùng làm việc của pin Li-ion [18]. ................................................ 15
Hình 2.3 Hệ thống cân bằng áp thụ động [20]. .................................................... 17
Hình 2.4 Biểu đồ xu hướng giá pin Li-ion [23]. .................................................. 19
Hình 2.5 Đặc tính xả của pin. ............................................................................... 20
Hình 2.6 Đặc tính sạc của pin. ............................................................................. 20
Hình 2.7 Hệ thống pin Li-ion của xe ô tô điện i-MiEV. ...................................... 21
Hình 2.8 Cấu trúc bộ sạc ô tô điện hỗ trợ V2G.................................................... 22
Hình 3.1 Ứng dụng điển hình bộ biến đổi hai chiều DC/DC [26]. ...................... 24
Hình 3.2 Phân loại các bộ biến đổi DC/DC có cách ly [25]. ............................... 25
Hình 3.3 Cấu trúc điển hình bộ biến đổi DAB..................................................... 26
Hình 3.4 Mạch tương đương của điều khiển phase-shift. .................................... 26
Hình 3.5 Dạng sóng biến đổi IBDC phương pháp dịch pha truyền thống [26]. .. 27
Hình 3.6 Dạng sóng bộ biến đổi IBDC phương pháp EPS [26]. ......................... 28
Hình 3.7 Cấu trúc cơ bản của bộ SRC và LLC. ................................................... 30
Hình 3.8 Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC. ............................................................ 31
Hình 3.9 Mô hình mạch tương đương chế độ BCM. ........................................... 31
Hình 3.10 Mô hình biến đổi FHA về phía sơ cấp chế độ BCM........................... 32
Hình 3.11 Mô hình biến đổi FHA chế độ RM. .................................................... 33
Hình 3.12 Độ tăng điện áp theo tần số chuyển mạch trong các điều kiện tải. ..... 33
Hình 3.13 Điện áp và dòng điện khi bộ biến đổi làm việc vùng 1....................... 34
Hình 3.14 Điện áp và dòng điện tại tần số cộng hưởng. ...................................... 34
Hình 3.15 Điện áp và dòng điện khi bộ biến đổi làm việc vùng 2....................... 35
Hình 3.16 Mạch tương đương sau khi quy đổi thứ cấp về sơ cấp. ...................... 35
Hình 3.17 Các bước thiết kế các phần tử CLLC. ................................................ 36
Hình 3.18 Độ tăng điện áp khi Lm=300uH. ........................................................ 38
Hình 3.19 Độ tăng điện áp khi Lm=200uH. ........................................................ 39
Hình 3.20 Độ tăng điện áp khi Lm=100uH. ........................................................ 39
Hình 3.21 Độ tăng điện áp trong chế độ BCM. ................................................... 40
Hình 3.22 Độ tăng điện áp chế độ RM ................................................................ 40
Hình 4.1 Mô hình hàm truyền đối tượng điều khiển điện áp. .............................. 44
Hình 4.2 Mô hình hàm truyền rút gọn đối tượng điều khiển điện áp. ................. 44
Hình 4.3 Chiến lược điều khiển điện áp và dòng điện chế độ sạc pin. ................ 45
Hình 4.4 Mạch đo lường điện áp phía sơ cấp. ..................................................... 45
Hình 4.5 Mạch đo lường điện áp thứ cấp. ........................................................... 45
Hình 4.6 Mạch đo lường dòng điện thứ cấp. ....................................................... 46
Hình 4.7 Mạch đo dòng sơ cấp. ........................................................................... 46
Hình 4.8 Đáp ứng vòng hở và hàm truyền kín cho chế độ BCM chế độ dòng bằng
hằng. ..................................................................................................................... 47
Hình 4.9 Đáp ứng vòng hở và hàm truyền kín cho chế độ BCM chế độ điện áp
hằng. ..................................................................................................................... 47
Hình 4.10 Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC sử dụng van GaN. ............................ 48
Hình 4.11 Bộ biến đổi CLLC tại các trạng thái P, N, O. ..................................... 48
Hình 4.12 Trạng thái P1 dưới tần số cộng hưởng. ............................................... 49
Hình 4.13 Trạng thái P2 dưới tần số cộng hưởng. ............................................... 49
Hình 4.14 Trạng thái “O” dưới tần số cộng hưởng.............................................. 49
Hình 4.15 Trạng thái deadtime dưới tần số cộng hưởng. .................................... 50
Hình 4.16 Dạng sóng dòng điện dưới tần số cộng hưởng. .................................. 50
Hình 4.17 Trạng thái N trên tần số cộng hưởng. ................................................. 50
Hình 4.18 Trạng thái P1 trên tần số cộng hưởng. ................................................ 51
Hình 4.19 Trạng thái P2 trên tần số cộng hưởng. ................................................ 51
Hình 4.20 Trạng thái deadtime trên tần số cộng hưởng. ..................................... 51
Hình 4.21 Dạng sóng dòng điện trên tần số cộng hưởng..................................... 52
Hình 4.22 Cảm biến điện áp Vds chỉnh lưu đồng bộ. .......................................... 53
Hình 4.23 Sơ đồ tổng quan chiến lược điều khiển chỉnh lưu đồng bộ. ............... 53
Hình 4.24 Dạng điều chỉnh chỉnh lưu đồng bộ. ................................................... 54
Hình 4.25 Tín hiệu SR có tần số chuyển mạch dưới tần số cộng hưởng. ............ 55
Hình 4.26 Quan hệ giữa Tr và T1. ....................................................................... 55
Hình 4.27 Lưu đồ chiến lược điều khiển SR. ...................................................... 57
Hình 4.28 Sơ đồ mô phỏng điều khiển Matlab/Simulink. ................................... 57
Hình 4.29 Khâu điều khiển và phát xung. ........................................................... 58
Hình 4.30 Chiến lược điều khiển xung đồng bộ cho phép lọc bỏ nhiễu. ............ 58
Hình 4.31 Dạng dòng điện sạc cho pin. ............................................................... 59
Hình 4.32 Dạng điện áp sạc cho pin. ................................................................... 59
Hình 4.33 Cấu trúc bộ biến đổi AC/DC............................................................... 60
Hình 4.34 Chế độ chỉnh lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ dương. .................... 60
Hình 4.35 Chế độ chỉnh lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ âm. .......................... 61
Hình 4.36 Chế độ nghịch lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ dương.................... 61
Hình 4.37 Chế độ nghịch lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ âm. ........................ 62
Hình 4.38 Cấu trúc điều khiển mạch Boost. ........................................................ 63
Hình 4.39 Mô hình tín hiệu nhỏ của khâu điện áp. .............................................. 63
Hình 4.40 Mô phỏng bộ biến đổi hai chiều AC/DC. ........................................... 65
Hình 4.41 Điện áp ra bộ biến đổi AC/DC. ........................................................... 65
Hình 4.42 Dạng dòng điện vào và điện áp vào chế độ chỉnh lưu. ....................... 66
Hình 4.43 Dạng dòng điện vào và điện áp vào chế độ nghịch lưu. ..................... 66
Hình 4.44 THD dòng điện vào chế độ chỉnh lưu. ................................................ 66
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các loại công nghệ sạc và ứng dụng [6]................................................. 5
Bảng 1.2 Thời gian sạc cần thiết cho xe ô tô điện i-MiEV. ................................... 7
Bảng 2.1 Phân loại các xe ô tô điện [10]. .............................................................. 9
Bảng 2.2 Tổng hợp các công nghệ Li-ion phổ biến. ............................................ 13
Bảng 2.3 Các đặc tính điện lý hóa của pin Li-ion và các loại pin khác. .............. 18
Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật của cell pin xe i-MiEV [24]. .................................... 21
Bảng 2.5 Các thông số yêu cầu của bộ sạc. ......................................................... 22
Bảng 3.1 Phân loại cấu trúc DC/DC hai chiều có cách ly. .................................. 25
Bảng 3.2 Yêu cầu bộ biến đổi cộng hưởng CLLC. ............................................. 38
Bảng 4.1 Tham số các biến mô hình trạng thái. .................................................. 43
Bảng 4.2 Quan hệ giữa dòng điện cộng hưởng và tín hiệu điều khiển SR. ......... 54
Bảng 4.3 Thông số bộ biến đổi AC/DC. .............................................................. 64
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ SẠC Ô TÔ ĐIỆN
1.1 Tổng quan về sự phát triển của xe điện
1.1.1 Lịch sử phát triển và xu thế tất yếu của ô tô điện
Sự phát triển của phương tiện giao thông được xem là thành tựu lớn trong
cuộc sống hiện đại, đóng góp vào sự phát triển kinh tế và đáp ứng nhu cầu đi lại
của con người. Tuy nhiên, các phương tiện giao thông cũng gây ra những vấn đề
nghiêm trọng đến môi trường và cuộc sống con người. Ô nhiễm không khí, hiệu
ứng nhà kính, nóng lên toàn cầu là những vấn đề chúng ta đang phải đối mặt.
Xe điện được cho là thân thiện môi trường, là phương tiện của tương lai. Ô
tô điện đã có lịch sử phát triển gần 150 năm và có nhiều giai đoạn thăng trầm.
Chiếc ô tô điện mang dáng vẻ hiện đại được chế tạo bởi Thomas Parker vào năm
1895. Ô tô điện nhanh chóng bước vào thời đại hoàng kim trong những năm đầu
thế kỷ 20. Mặc dù tốc độ chưa cao (khoảng 30~40 km/h) nhưng ô tô điện nhanh
chóng được con người đương thời ưa thích. Vào những năm 1900s, ô tô điện cá
nhân và taxi điện xuất hiện nhiều trên các con đường tại các thành phố lớn ở Mỹ
và Châu Âu. Nhưng thời đại hoàng kim ấy không kéo dài lâu. Ô tô dùng động cơ
đốt trong tuy rất ồn và thải ra khí quyển nhiều chất độc hại, nhưng lại có ưu thế
vượt trội về tốc độ và độ dài của hành trình. Ô tô điện rơi vào lãng quên trong
những năm 1920s đến 1980s.
Vào thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20, thời đại phục hưng của ô tô điện bắt
đầu với hai lý do chủ yếu. Thứ nhất, nhiên liệu hóa thạch không phải là nguồn
năng lượng vô hạn. Thứ hai, theo các bản báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về
biến đổi khí hậu (IPPC), loài người chịu trách nhiệm chính cho sự nóng lên toàn
cầu. So với thời kỳ tiền cách mạng công nghiệp, nhiệt độ Trái đất đã tăng 0.80C
vào năm 1980s. Để không vượt ngưỡng nguy hiểm 20C, các nhà khoa học đã chỉ
ra rằng đến 2050, loài người phải giảm lượng khí thải carbon xuống 50% mức hiện
tại, và tiếp tục giảm lượng khí thải carbon gần về con số 0.
Theo báo cáo năm 2018 của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), giao thông
vận tải chịu trách nhiệm cho 24.34% lượng khí thải carbon mỗi năm. Xét riêng
lĩnh vực giao thông vận tải, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và ô tô bus lần lượt
chiếm 44%, 27%, và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm [1].
Các con số nói trên đủ tính thuyết phục để ô tô điện trở thành mối quan tâm
của các tổ chức quốc tế, các chính phủ, các công ty ô tô, các nhà nghiên cứu và
người tiêu dùng. Một số mẫu ô tô điện tiêu biểu đã ra mắt và chiếm lĩnh thị trường
Nhật, Mỹ, Châu Âu như Mitsubishi iMiEV năm 2009, Nissan Leaf năm 2010,
Tesla Model S năm 2012. Cho đến nay, mỗi tập đoàn ô tô lớn trên thế giới đều đã
1
phát triển một mẫu ô tô điện gắn với thương hiệu của riêng mình, như BMW i3,
Mercedes B-Class Electric Drive, Volkswagen E-Golf, Mitsubishi i-MiEV,
…Hình 1.1 mô tả một số lợi ích của xe điện khi so sánh với xe truyền thống chạy
bằng xăng, dầu.
Hình 1.1 Những lợi ích của xe điện so với xe chạy xăng, dầu [2].
Theo [3], trong năm 2017, trên phạm vi toàn cầu, xe điện chỉ chiếm 3 triệu
xe (1.3% thị phần). Con số này tăng lên 3% trong năm 2020 và được dự báo tăng
nhanh lên tới 55% vào năm 2040, tức trung bình hơn 2.5% một năm.
Hình 1.2 Thị phần xe điện từ 2013-2017 trên thế giới [3].
1.1.2 Tính năng kỹ thuật ưu việt của ô tô điện so với ô tô xăng
Theo [1], ô tô điện tận dụng được các ưu thế vượt trội của động cơ điện so
với động cơ đốt trong như nhỏ gọn, tốc độ đáp ứng nhanh cỡ ms, điều khiển trực
tiếp được mô men, cho phép hãm tái sinh trả năng lượng về cho pin. Điều này giúp
cho ô tô điện hoạt động an toàn, tin cậy và tiết kiệm hơn nhiều so với xe ô tô chạy
bằng động cơ đốt trong. Chính sự khác biệt này đặt ra những vấn đề thực tế cần
nghiên cứu để khai thác triệt để sự ưu việt kể trên.
2
1.1.2.1. Khả năng đáp ứng mô men nhanh và chính xác
Đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh gấp 100 lần so với động cơ đốt
trong. Nếu như mô men của động cơ điện có thể được thay đổi sau từng chu kỳ 1
ms, thì mô men của động cơ đốt trong chỉ có thể thay đổi sau từng 100~500 ms.
Thông qua việc tận dụng đặc tính này, hệ thống phanh ABS không còn cần thiết
phải trang bị cho ô tô điện nữa. Khi ô tô điện chuyển động trên mặt đường trơn
trượt, bộ điều khiển trên xe có thể phát tín hiệu điều khiển giảm mô men một cách
nhanh chóng, tăng tính an toàn cho xe.
1.1.2.2. Khả năng hãm tái sinh trong quá trình phanh và xuống dốc
Động năng của xe có thể chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua bộ
biến đổi công suất (biến tần) để sạc trở lại vào hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe
(pin hoặc siêu tụ điện).
1.1.2.3. Khả năng trao đổi năng lượng vào lưới
Xe điện mang trong mình kho năng lượng lớn, trong khi thời gian di chuyển
chỉ chiếm khoảng 4-5% [4], thời gian còn lại xe được đỗ tại các bãi đỗ xe công ty,
siêu thị, chung cư. Chính điều này cho phép ô tô điện có một chức năng nữa là cân
bằng lưới điện: sạc điện vào ban đêm, còn ban ngày có thể trả năng lượng trở lại
vào lưới điện. Điều này thực sự hữu dụng khi hàng chục ngàn xe điện đỗ tại các
khu đỗ xe ban ngày, khi các chủ sở hữu xe đang làm việc tại công sở. Nếu các chủ
xe bán điện (trả năng lượng lại lưới điện) thì có thể cung cấp năng lượng cho các
thời điểm nhu cầu công suất đỉnh (peak demand), mà không cần phải xây mới thêm
nhà máy điện và mang lại nguồn thu nhập thụ động cho chủ xe.
1.1.3 Tương lai ô tô điện tại Việt Nam
Vấn đề biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu đang trở nên rất được quan tâm
không chỉ các nước phát triển mà là của toàn thế giới. Bên cạnh là các vấn đề về
chi phí năng lượng, an ninh năng lượng nên các chính phủ các nước đã có các
chính sách khuyến khích sản xuất và sử dụng xe điện thay thế xe chạy bằng xăng,
dầu [5].
Tại Việt Nam, Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ
(CTI), Đại học Bách khoa Hà Nội đã đi đầu trong việc triển khai nghiên cứu ô tô
điện với đề tài cấp Nhà nước KC03.08/11-15, được thực hiện trong 4 năm 2012-
2015. Hình 1.3 là mẫu xe ô tô điện từ Nhật Bản được nhóm tác giả sử dụng như
“nguyên liệu” để giải mã và thiết kế điều khiển. Tập đoàn FPT đã tập trung phát
triển phần mềm điều khiển ô tô điện và từ năm 2018 tập đoàn Vingroup đã triển
khai sản xuất ô tô (chạy xăng), và có lộ trình sản phẩm xe bus điện trong tương lai.
3
Hình 1.3 Xe ô tô điện Mitsubishi i-MiEV 2012.
1.2 Các loại bộ sạc ô tô điện
1.2.1 Phân loại các bộ sạc
Về cơ bản có thể chia công nghệ sạc pin xe điện thành 2 loại, sạc thường (sạc
chậm) và sạc nhanh [6]. Sạc thường là các bộ sạc công suất nhỏ, đi kèm theo xe
hoặc được trang bị thêm, cho phép sạc đầy pin trong nhiều giờ. Sạc thường được
ứng dụng sạc cho xe qua đêm tại nhà hoặc sạc trong lúc chủ xe đang làm việc tại
công ty. Trong khi đó, sạc nhanh là công nghệ sạc ổn dòng, cho phép sạc đến 70%
dung lượng pin trong vài chục phút. Sạc nhanh được lựa chọn khi cần sạc pin trong
thời gian ngắn để di chuyển ví dụ như trên đường cao tốc.
Hình 1.4 minh họa sự tăng trưởng và tương quan giữa các công nghệ sạc
trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2017. Tính đến năm 2017, trên toàn thế giới có
khoảng 3 triệu bộ sạc chậm được bán ra, thường là kèm theo xe. Trong khi đó, chỉ
có khoảng 100 nghìn hệ thống sạc nhanh công cộng được ghi nhận trên toàn cầu.
Hình 1.4 Các hệ thống sạc trong giai đoạn 2010 – 2017 [3].
Về kỹ thuật, công nghệ sạc pin xe điện còn có thể chia nhỏ thành nhiều loại,
gọi là các “level”. Theo [7] có thể chia công suất bộ sạc thành 3 mức (level). Tuy
nhiên cũng có thể chia nhành nhiều nhóm nhỏ hơn. Bảng 1.1 mô tả tóm tắt về cách
phân chia các level theo công suất sạc.
4
Bảng 1.1 Các loại công nghệ sạc và ứng dụng [6].
Công Quãng đường đi được Thời
Ứng dụng
suất trên mỗi giờ sạc gian sạc
Level 1 – 2.4 – 3.7 5 – 16 Bộ sạc kèm theo
10 – 20 km
sạc chậm kW giờ xe, sạc tại nhà
Level 2 – 6.6 – 7 Bộ sạc 1 pha tại
30 – 45 km 2 – 5 giờ
sạc chậm kW nơi công cộng
Level 2 – 11 - 22 30 phút – Trạm sạc công
50 - 130 km
sạc nhanh kW 2 giờ cộng điện 3 pha
Level 3 – 20 - 60
50 kW 250 – 300 km
sạc nhanh phút
Trạm sạc công
Level 4 – sạc 20 - 40
120 kW 400 – 500 km cộng trên đường
siêu nhanh phút
cao tốc
Level 5 – sạc 10 – 15
350 kW 1000+ km
siêu nhanh phút
Trong các công nghệ sạc kể trên, các công nghệ sạc chậm (level 1 và 2) sử
dụng điện lưới xoay chiều 1 pha và sạc thông qua bộ sạc công suất nhỏ trong xe
(onboard charger). Công nghệ sạc nhanh sử dụng công nghệ sạc một chiều (DC
charging) và sạc trực tiếp vào hệ thống pin, không qua bộ sạc tích hợp sẵn mà qua
một hệ thống bộ biến đổi – gọi là trạm sạc (charging station). Công nghệ sạc càng
lớn thì thời gian sạc càng ngắn, và các yêu cầu về cơ sở hạ tầng cho trạm sạc càng
cao. Bên cạnh đó, để hấp thụ được năng lượng lớn trong thời gian ngắn, bản thân
hệ thống điện trong xe cũng cần được nâng cấp, tăng khả năng chống chịu, dẫn
dòng. Cũng cần lưu ý thêm, mặc dù công suất sạc lớn cho phép giảm thời gian sạc,
nó cũng làm tăng tốc độ suy giảm tuổi thọ pin, hay nói cách khác, làm pin “chai”
nhanh hơn.
Trên xe một số mẫu ô tô điện thường được trang bị 2 cổng sạc: một cổng
sạc để sạc chậm qua onboard charger (sạc điện xoay chiều 1 pha), một cổng khác
để sạc nhanh – sạc qua trạm sạc (sạc trực tiếp nguồn DC cho pin). Hình 1.5 mô tả
cổng sạc của dòng xe Nissan Leaf với cổng sạc chuẩn CHAdeMo (sạc nhanh) và
cổng sạc chuẩn SAE J1772 (sạc chậm). Xe ô tô điện Mitsubishi i-MiEV cũng được
trang bị hai cổng sạc theo chuẩn kết nối này.
5
Hình 1.5 Các cổng sạc cho dòng xe Nissan Leaf.
Ngoài ra, công nghệ sạc không dây (wireless charger) cũng được biết đến
bởi tính tiện dụng không cần cắm dây trực tiếp. Công nghệ sạc này cho phép năng
lượng điện truyền từ nguồn điện sạc cho pin dựa trên nguyên lý sạc điện cảm ứng
(inductive charging) giữa cuộn dây được đặt trong xe và cuộn dây đặt tại trạm sạc.
Về mặt nguyên lý truyền tải năng lượng, sạc điện không dây giống chiếc bếp từ đã
trở nên phổ biến trong nhiều gia đình. Thiết bị gồm cuộn sơ cấp nối với nguồn và
cuộn thứ cấp nối với tải. Cuộn sơ cấp được cấp điện xoay chiều tần số cao, tần số
này càng cao thì hiệu suất truyền tải càng lớn. Dòng điện xoay chiều sinh ra từ
trường biến thiên, cảm ứng qua cuộn thứ cấp và sinh ra dòng điện chạy trong cuộn
thứ cấp.
Bộ chỉnh lưu Nghịch lưu tần số
Nguồn điện lưới Cuộn dây truyền
PFC cao
Trạm sạc
Bên trong xe
Bộ biến đổi Chỉnh lưu tần số
Pin Li-ion Cuộn dây nhận
DC/DC cao
Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống sạc không dây cho ô tô điện.
Theo [8], trong cấu trúc hệ thống sạc điện không dây được mô tả như Hình
1.6. Theo đó nguồn điện xoay chiều từ lưới điện được biến đổi thành nguồn điện
một chiều bằng việc sử dụng bộ chỉnh lưu có điều chỉnh hệ số công suất (rectifier
PFC). Sau đó một bộ nghịch lưu tần số cao (high frequency inverter) được sử dụng
để tạo ra nguồn điện xoay chiều tần số cao và cấp điện cho phía sơ cấp của hệ
thống sạc. Năng lượng được truyền không dây từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp,
sau đó dòng điện tần số cao bên thứ cấp lại được biến đổi ngược lại thành nguồn
điện một chiều thông qua bộ chỉnh lưu tần số cao (high frequency rectifier). Phía
sau bộ chỉnh lưu tần số cao là một bộ biến đổi DC/DC dùng để điều khiển phối
6
hợp trở kháng trong hệ thống sạc để đạt hiệu suất truyền cao nhất, đồng thời điều
khiển quá trình sạc pin trên xe ô tô điện. Ngoài việc ứng dụng để sạc không dây
cho ô tô điện khi xe đứng yên, thì hệ thống sạc này còn đang được phát triển để
sạc cho xe điện ngay cả khi xe đang chạy trên đường, được gọi là sạc động.
1.2.2 Lựa chọn bộ sạc
Để lựa chọn công suất bộ sạc phù hợp ta sẽ tính toán ví dụ sau. Xe ô tô điện
Mitsubishi i-MiEV 2012, pin Li-ion có công suất 16 kWh, và mỗi lần pin được sạc
đầy xe chạy được quãng đường 100 km [9]. Như vậy, với nhu cầu đi lại quãng
đường dài 20 km trong thành phố, với mức tiệu thụ tính toán là 0.16 kWh/km,
tương ứng với các công suất bộ sạc ta tính toán được thời gian sạc tương ứng cần
thiết như sau:
Bảng 1.2 Thời gian sạc cần thiết cho xe ô tô điện i-MiEV.
Công Quãng đường Năng lượng Thời
suất di chuyển tiêu thụ gian sạc
0.16
Level 1 – sạc chậm 3.3 kW 20 km ~ 1 giờ
kWh/km
0.16
Level 2 – sạc chậm 6.6 kW 20 km ~ 30 phút
kWh/km
0.16
Level 2 – sạc nhanh 19.2 kW 20 km ~ 10 phút
kWh/km
0.16
Level 3 – sạc nhanh 50 kW 20 km < 4 phút
kWh/km
Level 4 – sạc siêu 0.16
120 kW 20 km < 2 phút
nhanh kWh/km
Qua Bảng 1.2 có thể thấy với công nghệ sạc chậm level 1 và level 2 có thể
đáp ứng được nhu cầu di chuyển quãng đưỡng 20 km với thời gian sạc không phải
là quá lâu tương ứng là 1 giờ và 30 phút. Với những chủ xe khó tính hơn có thể
lựa chọn bộ sạc level 2 – sạc nhanh (công suất bộ sạc 19.2 kW) có thể chỉ sạc trong
thời gian chưa đến 10 phút là di chuyển được.
Kết luận:
Như vậy ta thấy rằng xe ô tô điện là loại phương tiện giao thông của tương
lai và là đích đến của mọi xã hội, mọi quốc gia trong thế kỷ 21. Ô tô điện không
chỉ là phương tiện an toàn, tiện lợi, thân thiện với mọi người, mà còn là một giải
pháp bắt buộc phải thực hiện để bảo vệ môi trường và giải quyết vấn đề an ninh
năng lượng. Xe điện mang trong mình kho năng lượng lớn, chính điều này cho
phép xe điện có thể cấp trả năng lượng lại lưới điện khi nhu cầu sử dụng điện tăng
7
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp
ô tô điện V2G có bù sóng hài
HỒ TRỌNG ĐẠT
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Tạ Cao Minh
Viện : Điện
HÀ NỘI, 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp
ô tô điện V2G có bù sóng hài
HỒ TRỌNG ĐẠT
[email protected]
Ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Giảng viên hướng dẫn : PGS. TS. Tạ Cao Minh
Chữ ký của GVHD
Viện : Điện
HÀ NỘI, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn : Hồ Trọng Đạt
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ô tô điện V2G có bù sóng hài
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CA190089
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác
nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
30/10/2020 với các nội dung sau:
- Đã bổ sung thông tin trong phần:
• Tham chiếu tài liệu trích dẫn mô hình hóa bộ biến đổi.
• Thiết kế bộ điều khiển.
• Kết quả mô phỏng.
- Đã sửa một số lỗi chính tả và câu từ trong chương mô phỏng và kết quả.
Ngày 05 tháng 11 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
Tạ Cao Minh Hồ Trọng Đạt
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
1. Họ và tên giáo viên hướng dẫn chính: PGS. TS. Tạ Cao Minh
2. Cơ quan: Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
3. Email: [email protected] ĐT : 0912.640.199
4. Nội dung
Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ô tô điện V2G có bù sóng hài
Hà Nội, Ngày 21 tháng 10 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
(Ký và ghi rõ họ tên)
Tạ Cao Minh
Lời cảm ơn
Đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. TS Tạ Cao Minh, thầy
đã hướng dẫn em rất nhiều khi em còn là sinh viên năm thứ tư Đại học và đã tin
tưởng giao đề tài thạc sĩ tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Trong quá trình
thực hiện đề tài, mặc dù đang công tác tại nước ngoài nhưng thầy luôn sắp xếp thời
gian họp trực tuyến nghe báo cáo tiến độ, đóng góp ý kiến chi tiết và giúp em định
hướng nghiên cứu rõ ràng hơn trong quá trình thực hiện đề tài.
Bên cạnh đó, em cũng xin gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Duy Đỉnh, thầy
luôn hướng dẫn tỉ mỉ, chia sẽ kinh nghiệm học tập và nghiên cứu khoa học. Những
góp ý của thầy là động lực giúp em rèn luyện tính cẩn thận và cố gắng hoàn thiện
đề tài luận văn thạc sĩ.
Tóm tắt nội dung luận văn
Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp ô tô điện V2G có bù sóng hài
a) Lý do chọn đề tài
Ô tô điện được xem là phương tiện giao thông của tương lai bởi không chỉ là
phương tiện an toàn, tiện lợi, thân thiện với mọi người, mà còn là giải pháp giúp
bảo vệ môi trường và giải quyết vấn đề an ninh năng lượng. Xe điện mang trong
mình kho năng lượng lớn, trong khi thời gian di chuyển chỉ chiếm khoảng 4-5%,
thời gian còn lại xe được đỗ tại các bãi đỗ xe công cộng. Điều này thực sự hữu
dụng khi hàng chục ngàn xe điện đỗ tại các khu đỗ xe ban ngày, khi các chủ sở
hữu xe đang làm việc tại công sở. Nếu các chủ xe bán điện (trả năng lượng lại lưới
điện) thì có thể cung cấp năng lượng cho các thời điểm nhu cầu công suất đỉnh, mà
không cần phải xây mới thêm nhà máy điện và mang lại nguồn thu nhập thụ động
cho chủ xe. Công nghệ xe điện lớn mạnh kéo theo sự phát triển của nhiều công
nghệ khác như: công nghệ pin (pin Lithium-ion), công nghệ điều khiển, công nghệ
sạc,…
Đề tài hướng đến việc nghiên cứu, thiết kế và chiến lược điều khiển cho bộ
nạp cho ô tô điện hỗ trợ V2G đạt hiệu suất cao.
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn: Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC được
tích hợp cùng bộ biến đổi hai chiều AC/DC tạo thành bộ nạp cho ô tô điện có hỗ
trợ V2G.
Mục đích nghiên cứu của luận văn:
Thứ nhất là thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng CLLC.
Thứ hai là nâng cao hiệu suất bộ biến đổi bằng phương pháp chỉnh lưu đồng
bộ. Qua phân tích các phương pháp chỉnh lưu đồng bộ và thách thức của chỉnh lưu
đồng bộ sau đó xây dựng chiến lược điều khiển phù hợp.
c) Phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết: Sử dụng lý thuyết cơ sở và nâng cao ngành Kỹ thuật Điều khiển
và Tự động hóa (Truyền động điện, Điều khiển truyền động điện, Điện tử công
suất, Điều khiển điện tử công suất , Lý thuyết điều khiển, Mô hình hóa…) trong:
Nghiên cứu, thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng CLLC.
Mô hình hóa bộ biến đổi cộng hưởng CLLC bằng phương pháp toán học.
Nghiên cứu phương pháp điều khiển chỉnh lưu đồng bộ nhằm nâng cao hiệu
suất bộ biến đổi.
Nghiên cứu phương pháp bù sóng hài.
Mô phỏng: Sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab/Simulink để mô phỏng và
kiểm chứng hoạt động của bộ biến đổi.
d) Tóm tắt cô đọng các nội dung chính và đóng góp mới của tác giả
Trong nội dung luận văn, bộ biến đổi cộng hưởng CLLC được lựa chọn bởi
các ưu điểm chính là chuyển mạch mềm trên toàn dải, hoạt động tần số cao và hiệu
suất cao. Bộ biến đổi sau đó được mô hình hóa bằng phương pháp toán học là cơ
sở để thiết kế các bộ điều khiển.
Phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi hai chiều DC/DC thông thường chỉ
điều khiển nghịch lưu phía sơ cấp và chỉnh lưu diode phía thứ cấp. Tổn hao dẫn
qua diode lớn đặc biệt với dòng cao, vì vậy nhằm tăng hiệu suất bộ biến đổi cần
thực hiện chỉnh lưu đồng bộ phía thứ cấp. Chỉnh lưu đồng bộ cần phải đáp ứng các
vùng làm việc của bộ biến đổi CLLC tại các tần số trên và dưới tần số cộng hưởng.
e) Hướng phát triển tiếp theo của đề tài
Nghiên cứu và tìm hiểu sâu bộ biến đổi cộng hưởng CLLC: Kỹ thuật thiết
kế, chiến lược điều khiển nâng cao giúp cho bộ biến đổi hai chiều DC/DC đạt được
hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn.
Học Viên
Hồ Trọng Đạt
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ SẠC Ô TÔ ĐIỆN ............. 1
1.1 Tổng quan về sự phát triển của xe điện...................................................... 1
1.1.1 Lịch sử phát triển và xu thế tất yếu của ô tô điện ....................... 1
1.1.2 Tính năng kỹ thuật ưu việt của ô tô điện so với ô tô xăng .......... 2
1.1.3 Tương lai ô tô điện tại Việt Nam ................................................ 3
1.2 Các loại bộ sạc ô tô điện ............................................................................ 4
1.2.1 Phân loại các bộ sạc .................................................................... 4
1.2.2 Lựa chọn bộ sạc .......................................................................... 7
CHƯƠNG 2. BỘ SẠC Ô TÔ ĐIỆN HỖ TRỢ V2G .......................................... 9
2.1 Tổng quan về xe nối lưới V2G................................................................... 9
2.1.1 Ứng dụng V2G cân bằng tải cao điểm ...................................... 11
2.1.2 Hiệu suất chuyển đổi ................................................................. 11
2.1.3 Xu hướng thế giới về V2G ........................................................ 12
2.2 Công nghệ pin Lithium-ion (Li-ion) ........................................................ 12
2.2.1 Một số vấn đề trong quá trình sạc pin Li-ion ............................ 13
2.2.2 Xu hướng công nghệ và xu hướng về giá pin Li-ion ................ 18
2.3 Mô hình hóa ắc quy Li-ion ....................................................................... 19
2.4 Tính toán công suất bộ sạc ....................................................................... 20
2.5 Thiết kế, cấu trúc bộ sạc ô tô điện............................................................ 21
2.5.1 Thông số yêu cầu ...................................................................... 21
2.5.2 Lựa chọn cấu trúc bộ sạc V2G .................................................. 22
CHƯƠNG 3. BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC/DC ......................................... 24
3.1 Bộ biến đổi DC/DC hai chiều có cách ly ................................................. 24
3.1.1 Tổng quan bộ biến đổi DC/DC hai chiều có cách ly ................ 24
3.1.2 Chiến lược điều khiển dịch pha ................................................ 26
3.2 Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC ................................................................ 29
3.2.1 Giới thiệu bộ biến đổi cộng hưởng ........................................... 29
3.2.2 Thiết lập biểu thức toán học ...................................................... 31
3.2.3 Tính toán thiết kế các phần tử bộ biến đổi cộng hưởng ............ 35
3.2.4 Thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng CLLC thực nghiệm .............. 37
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ...................................................... 42
4.1 Mô hình hóa bộ biến đổi DC/DC ............................................................. 42
4.2 Thiết kế các bộ điều khiển ....................................................................... 44
4.2.1 Thiết kế các bộ đo lường điện áp và dòng điện ........................ 45
4.2.2 Bộ điều khiển dòng điện ........................................................... 46
4.2.3 Bộ điều khiển điện áp ............................................................... 47
4.3 Chỉnh lưu đồng bộ ................................................................................... 47
4.3.1 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi dưới tần số cộng hưởng... 48
4.3.2 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi tại tần số cộng hưởng ...... 50
4.3.3 Trạng thái làm việc của bộ biến đổi trên tần số cộng hưởng .... 50
4.3.4 Chỉnh lưu đồng bộ (Synchronous Rectification_SR) ............... 52
4.3.5 Chiến lược điều khiển chỉnh lưu đồng bộ ................................. 54
4.4 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC/DC.................................................... 57
4.5 Bộ biến đổi hai chiều AC/DC .................................................................. 59
4.5.1 Lựa chọn cấu trúc bộ biến đổi AC/DC ..................................... 59
4.5.2 Nguyên lý hoạt động bộ biến đổi AC/DC ................................ 60
4.5.3 Tính toán thiết kế bộ điều khiển ............................................... 62
4.5.4 Kết quả mô phỏng bộ biến đổi AC/DC .................................... 65
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 69
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 73
A 1. Khảo sát vùng làm việc của bộ biến đổi CLLC ....................................... 73
A 2. Xây dựng hàm truyền đạt ......................................................................... 74
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Những lợi ích của xe điện so với xe chạy xăng, dầu [2]. ........................ 2
Hình 1.2 Thị phần xe điện từ 2013-2017 trên thế giới [3]. .................................... 2
Hình 1.3 Xe ô tô điện Mitsubishi i-MiEV 2012. ................................................... 4
Hình 1.4 Các hệ thống sạc trong giai đoạn 2010 – 2017 [3]. ................................ 4
Hình 1.5 Các cổng sạc cho dòng xe Nissan Leaf. .................................................. 6
Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống sạc không dây cho ô tô điện. ..................................... 6
Hình 2.1 Quy trình sạc pin Li-ion [17]. ............................................................... 13
Hình 2.2 Các vùng làm việc của pin Li-ion [18]. ................................................ 15
Hình 2.3 Hệ thống cân bằng áp thụ động [20]. .................................................... 17
Hình 2.4 Biểu đồ xu hướng giá pin Li-ion [23]. .................................................. 19
Hình 2.5 Đặc tính xả của pin. ............................................................................... 20
Hình 2.6 Đặc tính sạc của pin. ............................................................................. 20
Hình 2.7 Hệ thống pin Li-ion của xe ô tô điện i-MiEV. ...................................... 21
Hình 2.8 Cấu trúc bộ sạc ô tô điện hỗ trợ V2G.................................................... 22
Hình 3.1 Ứng dụng điển hình bộ biến đổi hai chiều DC/DC [26]. ...................... 24
Hình 3.2 Phân loại các bộ biến đổi DC/DC có cách ly [25]. ............................... 25
Hình 3.3 Cấu trúc điển hình bộ biến đổi DAB..................................................... 26
Hình 3.4 Mạch tương đương của điều khiển phase-shift. .................................... 26
Hình 3.5 Dạng sóng biến đổi IBDC phương pháp dịch pha truyền thống [26]. .. 27
Hình 3.6 Dạng sóng bộ biến đổi IBDC phương pháp EPS [26]. ......................... 28
Hình 3.7 Cấu trúc cơ bản của bộ SRC và LLC. ................................................... 30
Hình 3.8 Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC. ............................................................ 31
Hình 3.9 Mô hình mạch tương đương chế độ BCM. ........................................... 31
Hình 3.10 Mô hình biến đổi FHA về phía sơ cấp chế độ BCM........................... 32
Hình 3.11 Mô hình biến đổi FHA chế độ RM. .................................................... 33
Hình 3.12 Độ tăng điện áp theo tần số chuyển mạch trong các điều kiện tải. ..... 33
Hình 3.13 Điện áp và dòng điện khi bộ biến đổi làm việc vùng 1....................... 34
Hình 3.14 Điện áp và dòng điện tại tần số cộng hưởng. ...................................... 34
Hình 3.15 Điện áp và dòng điện khi bộ biến đổi làm việc vùng 2....................... 35
Hình 3.16 Mạch tương đương sau khi quy đổi thứ cấp về sơ cấp. ...................... 35
Hình 3.17 Các bước thiết kế các phần tử CLLC. ................................................ 36
Hình 3.18 Độ tăng điện áp khi Lm=300uH. ........................................................ 38
Hình 3.19 Độ tăng điện áp khi Lm=200uH. ........................................................ 39
Hình 3.20 Độ tăng điện áp khi Lm=100uH. ........................................................ 39
Hình 3.21 Độ tăng điện áp trong chế độ BCM. ................................................... 40
Hình 3.22 Độ tăng điện áp chế độ RM ................................................................ 40
Hình 4.1 Mô hình hàm truyền đối tượng điều khiển điện áp. .............................. 44
Hình 4.2 Mô hình hàm truyền rút gọn đối tượng điều khiển điện áp. ................. 44
Hình 4.3 Chiến lược điều khiển điện áp và dòng điện chế độ sạc pin. ................ 45
Hình 4.4 Mạch đo lường điện áp phía sơ cấp. ..................................................... 45
Hình 4.5 Mạch đo lường điện áp thứ cấp. ........................................................... 45
Hình 4.6 Mạch đo lường dòng điện thứ cấp. ....................................................... 46
Hình 4.7 Mạch đo dòng sơ cấp. ........................................................................... 46
Hình 4.8 Đáp ứng vòng hở và hàm truyền kín cho chế độ BCM chế độ dòng bằng
hằng. ..................................................................................................................... 47
Hình 4.9 Đáp ứng vòng hở và hàm truyền kín cho chế độ BCM chế độ điện áp
hằng. ..................................................................................................................... 47
Hình 4.10 Bộ biến đổi cộng hưởng CLLC sử dụng van GaN. ............................ 48
Hình 4.11 Bộ biến đổi CLLC tại các trạng thái P, N, O. ..................................... 48
Hình 4.12 Trạng thái P1 dưới tần số cộng hưởng. ............................................... 49
Hình 4.13 Trạng thái P2 dưới tần số cộng hưởng. ............................................... 49
Hình 4.14 Trạng thái “O” dưới tần số cộng hưởng.............................................. 49
Hình 4.15 Trạng thái deadtime dưới tần số cộng hưởng. .................................... 50
Hình 4.16 Dạng sóng dòng điện dưới tần số cộng hưởng. .................................. 50
Hình 4.17 Trạng thái N trên tần số cộng hưởng. ................................................. 50
Hình 4.18 Trạng thái P1 trên tần số cộng hưởng. ................................................ 51
Hình 4.19 Trạng thái P2 trên tần số cộng hưởng. ................................................ 51
Hình 4.20 Trạng thái deadtime trên tần số cộng hưởng. ..................................... 51
Hình 4.21 Dạng sóng dòng điện trên tần số cộng hưởng..................................... 52
Hình 4.22 Cảm biến điện áp Vds chỉnh lưu đồng bộ. .......................................... 53
Hình 4.23 Sơ đồ tổng quan chiến lược điều khiển chỉnh lưu đồng bộ. ............... 53
Hình 4.24 Dạng điều chỉnh chỉnh lưu đồng bộ. ................................................... 54
Hình 4.25 Tín hiệu SR có tần số chuyển mạch dưới tần số cộng hưởng. ............ 55
Hình 4.26 Quan hệ giữa Tr và T1. ....................................................................... 55
Hình 4.27 Lưu đồ chiến lược điều khiển SR. ...................................................... 57
Hình 4.28 Sơ đồ mô phỏng điều khiển Matlab/Simulink. ................................... 57
Hình 4.29 Khâu điều khiển và phát xung. ........................................................... 58
Hình 4.30 Chiến lược điều khiển xung đồng bộ cho phép lọc bỏ nhiễu. ............ 58
Hình 4.31 Dạng dòng điện sạc cho pin. ............................................................... 59
Hình 4.32 Dạng điện áp sạc cho pin. ................................................................... 59
Hình 4.33 Cấu trúc bộ biến đổi AC/DC............................................................... 60
Hình 4.34 Chế độ chỉnh lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ dương. .................... 60
Hình 4.35 Chế độ chỉnh lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ âm. .......................... 61
Hình 4.36 Chế độ nghịch lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ dương.................... 61
Hình 4.37 Chế độ nghịch lưu khi điện áp lưới ở nữa chu kỳ âm. ........................ 62
Hình 4.38 Cấu trúc điều khiển mạch Boost. ........................................................ 63
Hình 4.39 Mô hình tín hiệu nhỏ của khâu điện áp. .............................................. 63
Hình 4.40 Mô phỏng bộ biến đổi hai chiều AC/DC. ........................................... 65
Hình 4.41 Điện áp ra bộ biến đổi AC/DC. ........................................................... 65
Hình 4.42 Dạng dòng điện vào và điện áp vào chế độ chỉnh lưu. ....................... 66
Hình 4.43 Dạng dòng điện vào và điện áp vào chế độ nghịch lưu. ..................... 66
Hình 4.44 THD dòng điện vào chế độ chỉnh lưu. ................................................ 66
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Các loại công nghệ sạc và ứng dụng [6]................................................. 5
Bảng 1.2 Thời gian sạc cần thiết cho xe ô tô điện i-MiEV. ................................... 7
Bảng 2.1 Phân loại các xe ô tô điện [10]. .............................................................. 9
Bảng 2.2 Tổng hợp các công nghệ Li-ion phổ biến. ............................................ 13
Bảng 2.3 Các đặc tính điện lý hóa của pin Li-ion và các loại pin khác. .............. 18
Bảng 2.4 Đặc tính kỹ thuật của cell pin xe i-MiEV [24]. .................................... 21
Bảng 2.5 Các thông số yêu cầu của bộ sạc. ......................................................... 22
Bảng 3.1 Phân loại cấu trúc DC/DC hai chiều có cách ly. .................................. 25
Bảng 3.2 Yêu cầu bộ biến đổi cộng hưởng CLLC. ............................................. 38
Bảng 4.1 Tham số các biến mô hình trạng thái. .................................................. 43
Bảng 4.2 Quan hệ giữa dòng điện cộng hưởng và tín hiệu điều khiển SR. ......... 54
Bảng 4.3 Thông số bộ biến đổi AC/DC. .............................................................. 64
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ SẠC Ô TÔ ĐIỆN
1.1 Tổng quan về sự phát triển của xe điện
1.1.1 Lịch sử phát triển và xu thế tất yếu của ô tô điện
Sự phát triển của phương tiện giao thông được xem là thành tựu lớn trong
cuộc sống hiện đại, đóng góp vào sự phát triển kinh tế và đáp ứng nhu cầu đi lại
của con người. Tuy nhiên, các phương tiện giao thông cũng gây ra những vấn đề
nghiêm trọng đến môi trường và cuộc sống con người. Ô nhiễm không khí, hiệu
ứng nhà kính, nóng lên toàn cầu là những vấn đề chúng ta đang phải đối mặt.
Xe điện được cho là thân thiện môi trường, là phương tiện của tương lai. Ô
tô điện đã có lịch sử phát triển gần 150 năm và có nhiều giai đoạn thăng trầm.
Chiếc ô tô điện mang dáng vẻ hiện đại được chế tạo bởi Thomas Parker vào năm
1895. Ô tô điện nhanh chóng bước vào thời đại hoàng kim trong những năm đầu
thế kỷ 20. Mặc dù tốc độ chưa cao (khoảng 30~40 km/h) nhưng ô tô điện nhanh
chóng được con người đương thời ưa thích. Vào những năm 1900s, ô tô điện cá
nhân và taxi điện xuất hiện nhiều trên các con đường tại các thành phố lớn ở Mỹ
và Châu Âu. Nhưng thời đại hoàng kim ấy không kéo dài lâu. Ô tô dùng động cơ
đốt trong tuy rất ồn và thải ra khí quyển nhiều chất độc hại, nhưng lại có ưu thế
vượt trội về tốc độ và độ dài của hành trình. Ô tô điện rơi vào lãng quên trong
những năm 1920s đến 1980s.
Vào thập kỷ cuối cùng của thế kỷ 20, thời đại phục hưng của ô tô điện bắt
đầu với hai lý do chủ yếu. Thứ nhất, nhiên liệu hóa thạch không phải là nguồn
năng lượng vô hạn. Thứ hai, theo các bản báo cáo của Ủy ban liên chính phủ về
biến đổi khí hậu (IPPC), loài người chịu trách nhiệm chính cho sự nóng lên toàn
cầu. So với thời kỳ tiền cách mạng công nghiệp, nhiệt độ Trái đất đã tăng 0.80C
vào năm 1980s. Để không vượt ngưỡng nguy hiểm 20C, các nhà khoa học đã chỉ
ra rằng đến 2050, loài người phải giảm lượng khí thải carbon xuống 50% mức hiện
tại, và tiếp tục giảm lượng khí thải carbon gần về con số 0.
Theo báo cáo năm 2018 của Cơ quan năng lượng quốc tế (IEA), giao thông
vận tải chịu trách nhiệm cho 24.34% lượng khí thải carbon mỗi năm. Xét riêng
lĩnh vực giao thông vận tải, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và ô tô bus lần lượt
chiếm 44%, 27%, và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm [1].
Các con số nói trên đủ tính thuyết phục để ô tô điện trở thành mối quan tâm
của các tổ chức quốc tế, các chính phủ, các công ty ô tô, các nhà nghiên cứu và
người tiêu dùng. Một số mẫu ô tô điện tiêu biểu đã ra mắt và chiếm lĩnh thị trường
Nhật, Mỹ, Châu Âu như Mitsubishi iMiEV năm 2009, Nissan Leaf năm 2010,
Tesla Model S năm 2012. Cho đến nay, mỗi tập đoàn ô tô lớn trên thế giới đều đã
1
phát triển một mẫu ô tô điện gắn với thương hiệu của riêng mình, như BMW i3,
Mercedes B-Class Electric Drive, Volkswagen E-Golf, Mitsubishi i-MiEV,
…Hình 1.1 mô tả một số lợi ích của xe điện khi so sánh với xe truyền thống chạy
bằng xăng, dầu.
Hình 1.1 Những lợi ích của xe điện so với xe chạy xăng, dầu [2].
Theo [3], trong năm 2017, trên phạm vi toàn cầu, xe điện chỉ chiếm 3 triệu
xe (1.3% thị phần). Con số này tăng lên 3% trong năm 2020 và được dự báo tăng
nhanh lên tới 55% vào năm 2040, tức trung bình hơn 2.5% một năm.
Hình 1.2 Thị phần xe điện từ 2013-2017 trên thế giới [3].
1.1.2 Tính năng kỹ thuật ưu việt của ô tô điện so với ô tô xăng
Theo [1], ô tô điện tận dụng được các ưu thế vượt trội của động cơ điện so
với động cơ đốt trong như nhỏ gọn, tốc độ đáp ứng nhanh cỡ ms, điều khiển trực
tiếp được mô men, cho phép hãm tái sinh trả năng lượng về cho pin. Điều này giúp
cho ô tô điện hoạt động an toàn, tin cậy và tiết kiệm hơn nhiều so với xe ô tô chạy
bằng động cơ đốt trong. Chính sự khác biệt này đặt ra những vấn đề thực tế cần
nghiên cứu để khai thác triệt để sự ưu việt kể trên.
2
1.1.2.1. Khả năng đáp ứng mô men nhanh và chính xác
Đáp ứng mô men của động cơ điện nhanh gấp 100 lần so với động cơ đốt
trong. Nếu như mô men của động cơ điện có thể được thay đổi sau từng chu kỳ 1
ms, thì mô men của động cơ đốt trong chỉ có thể thay đổi sau từng 100~500 ms.
Thông qua việc tận dụng đặc tính này, hệ thống phanh ABS không còn cần thiết
phải trang bị cho ô tô điện nữa. Khi ô tô điện chuyển động trên mặt đường trơn
trượt, bộ điều khiển trên xe có thể phát tín hiệu điều khiển giảm mô men một cách
nhanh chóng, tăng tính an toàn cho xe.
1.1.2.2. Khả năng hãm tái sinh trong quá trình phanh và xuống dốc
Động năng của xe có thể chuyển đổi thành năng lượng điện thông qua bộ
biến đổi công suất (biến tần) để sạc trở lại vào hệ thống lưu trữ năng lượng trên xe
(pin hoặc siêu tụ điện).
1.1.2.3. Khả năng trao đổi năng lượng vào lưới
Xe điện mang trong mình kho năng lượng lớn, trong khi thời gian di chuyển
chỉ chiếm khoảng 4-5% [4], thời gian còn lại xe được đỗ tại các bãi đỗ xe công ty,
siêu thị, chung cư. Chính điều này cho phép ô tô điện có một chức năng nữa là cân
bằng lưới điện: sạc điện vào ban đêm, còn ban ngày có thể trả năng lượng trở lại
vào lưới điện. Điều này thực sự hữu dụng khi hàng chục ngàn xe điện đỗ tại các
khu đỗ xe ban ngày, khi các chủ sở hữu xe đang làm việc tại công sở. Nếu các chủ
xe bán điện (trả năng lượng lại lưới điện) thì có thể cung cấp năng lượng cho các
thời điểm nhu cầu công suất đỉnh (peak demand), mà không cần phải xây mới thêm
nhà máy điện và mang lại nguồn thu nhập thụ động cho chủ xe.
1.1.3 Tương lai ô tô điện tại Việt Nam
Vấn đề biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu đang trở nên rất được quan tâm
không chỉ các nước phát triển mà là của toàn thế giới. Bên cạnh là các vấn đề về
chi phí năng lượng, an ninh năng lượng nên các chính phủ các nước đã có các
chính sách khuyến khích sản xuất và sử dụng xe điện thay thế xe chạy bằng xăng,
dầu [5].
Tại Việt Nam, Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ
(CTI), Đại học Bách khoa Hà Nội đã đi đầu trong việc triển khai nghiên cứu ô tô
điện với đề tài cấp Nhà nước KC03.08/11-15, được thực hiện trong 4 năm 2012-
2015. Hình 1.3 là mẫu xe ô tô điện từ Nhật Bản được nhóm tác giả sử dụng như
“nguyên liệu” để giải mã và thiết kế điều khiển. Tập đoàn FPT đã tập trung phát
triển phần mềm điều khiển ô tô điện và từ năm 2018 tập đoàn Vingroup đã triển
khai sản xuất ô tô (chạy xăng), và có lộ trình sản phẩm xe bus điện trong tương lai.
3
Hình 1.3 Xe ô tô điện Mitsubishi i-MiEV 2012.
1.2 Các loại bộ sạc ô tô điện
1.2.1 Phân loại các bộ sạc
Về cơ bản có thể chia công nghệ sạc pin xe điện thành 2 loại, sạc thường (sạc
chậm) và sạc nhanh [6]. Sạc thường là các bộ sạc công suất nhỏ, đi kèm theo xe
hoặc được trang bị thêm, cho phép sạc đầy pin trong nhiều giờ. Sạc thường được
ứng dụng sạc cho xe qua đêm tại nhà hoặc sạc trong lúc chủ xe đang làm việc tại
công ty. Trong khi đó, sạc nhanh là công nghệ sạc ổn dòng, cho phép sạc đến 70%
dung lượng pin trong vài chục phút. Sạc nhanh được lựa chọn khi cần sạc pin trong
thời gian ngắn để di chuyển ví dụ như trên đường cao tốc.
Hình 1.4 minh họa sự tăng trưởng và tương quan giữa các công nghệ sạc
trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2017. Tính đến năm 2017, trên toàn thế giới có
khoảng 3 triệu bộ sạc chậm được bán ra, thường là kèm theo xe. Trong khi đó, chỉ
có khoảng 100 nghìn hệ thống sạc nhanh công cộng được ghi nhận trên toàn cầu.
Hình 1.4 Các hệ thống sạc trong giai đoạn 2010 – 2017 [3].
Về kỹ thuật, công nghệ sạc pin xe điện còn có thể chia nhỏ thành nhiều loại,
gọi là các “level”. Theo [7] có thể chia công suất bộ sạc thành 3 mức (level). Tuy
nhiên cũng có thể chia nhành nhiều nhóm nhỏ hơn. Bảng 1.1 mô tả tóm tắt về cách
phân chia các level theo công suất sạc.
4
Bảng 1.1 Các loại công nghệ sạc và ứng dụng [6].
Công Quãng đường đi được Thời
Ứng dụng
suất trên mỗi giờ sạc gian sạc
Level 1 – 2.4 – 3.7 5 – 16 Bộ sạc kèm theo
10 – 20 km
sạc chậm kW giờ xe, sạc tại nhà
Level 2 – 6.6 – 7 Bộ sạc 1 pha tại
30 – 45 km 2 – 5 giờ
sạc chậm kW nơi công cộng
Level 2 – 11 - 22 30 phút – Trạm sạc công
50 - 130 km
sạc nhanh kW 2 giờ cộng điện 3 pha
Level 3 – 20 - 60
50 kW 250 – 300 km
sạc nhanh phút
Trạm sạc công
Level 4 – sạc 20 - 40
120 kW 400 – 500 km cộng trên đường
siêu nhanh phút
cao tốc
Level 5 – sạc 10 – 15
350 kW 1000+ km
siêu nhanh phút
Trong các công nghệ sạc kể trên, các công nghệ sạc chậm (level 1 và 2) sử
dụng điện lưới xoay chiều 1 pha và sạc thông qua bộ sạc công suất nhỏ trong xe
(onboard charger). Công nghệ sạc nhanh sử dụng công nghệ sạc một chiều (DC
charging) và sạc trực tiếp vào hệ thống pin, không qua bộ sạc tích hợp sẵn mà qua
một hệ thống bộ biến đổi – gọi là trạm sạc (charging station). Công nghệ sạc càng
lớn thì thời gian sạc càng ngắn, và các yêu cầu về cơ sở hạ tầng cho trạm sạc càng
cao. Bên cạnh đó, để hấp thụ được năng lượng lớn trong thời gian ngắn, bản thân
hệ thống điện trong xe cũng cần được nâng cấp, tăng khả năng chống chịu, dẫn
dòng. Cũng cần lưu ý thêm, mặc dù công suất sạc lớn cho phép giảm thời gian sạc,
nó cũng làm tăng tốc độ suy giảm tuổi thọ pin, hay nói cách khác, làm pin “chai”
nhanh hơn.
Trên xe một số mẫu ô tô điện thường được trang bị 2 cổng sạc: một cổng
sạc để sạc chậm qua onboard charger (sạc điện xoay chiều 1 pha), một cổng khác
để sạc nhanh – sạc qua trạm sạc (sạc trực tiếp nguồn DC cho pin). Hình 1.5 mô tả
cổng sạc của dòng xe Nissan Leaf với cổng sạc chuẩn CHAdeMo (sạc nhanh) và
cổng sạc chuẩn SAE J1772 (sạc chậm). Xe ô tô điện Mitsubishi i-MiEV cũng được
trang bị hai cổng sạc theo chuẩn kết nối này.
5
Hình 1.5 Các cổng sạc cho dòng xe Nissan Leaf.
Ngoài ra, công nghệ sạc không dây (wireless charger) cũng được biết đến
bởi tính tiện dụng không cần cắm dây trực tiếp. Công nghệ sạc này cho phép năng
lượng điện truyền từ nguồn điện sạc cho pin dựa trên nguyên lý sạc điện cảm ứng
(inductive charging) giữa cuộn dây được đặt trong xe và cuộn dây đặt tại trạm sạc.
Về mặt nguyên lý truyền tải năng lượng, sạc điện không dây giống chiếc bếp từ đã
trở nên phổ biến trong nhiều gia đình. Thiết bị gồm cuộn sơ cấp nối với nguồn và
cuộn thứ cấp nối với tải. Cuộn sơ cấp được cấp điện xoay chiều tần số cao, tần số
này càng cao thì hiệu suất truyền tải càng lớn. Dòng điện xoay chiều sinh ra từ
trường biến thiên, cảm ứng qua cuộn thứ cấp và sinh ra dòng điện chạy trong cuộn
thứ cấp.
Bộ chỉnh lưu Nghịch lưu tần số
Nguồn điện lưới Cuộn dây truyền
PFC cao
Trạm sạc
Bên trong xe
Bộ biến đổi Chỉnh lưu tần số
Pin Li-ion Cuộn dây nhận
DC/DC cao
Hình 1.6 Cấu trúc hệ thống sạc không dây cho ô tô điện.
Theo [8], trong cấu trúc hệ thống sạc điện không dây được mô tả như Hình
1.6. Theo đó nguồn điện xoay chiều từ lưới điện được biến đổi thành nguồn điện
một chiều bằng việc sử dụng bộ chỉnh lưu có điều chỉnh hệ số công suất (rectifier
PFC). Sau đó một bộ nghịch lưu tần số cao (high frequency inverter) được sử dụng
để tạo ra nguồn điện xoay chiều tần số cao và cấp điện cho phía sơ cấp của hệ
thống sạc. Năng lượng được truyền không dây từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp,
sau đó dòng điện tần số cao bên thứ cấp lại được biến đổi ngược lại thành nguồn
điện một chiều thông qua bộ chỉnh lưu tần số cao (high frequency rectifier). Phía
sau bộ chỉnh lưu tần số cao là một bộ biến đổi DC/DC dùng để điều khiển phối
6
hợp trở kháng trong hệ thống sạc để đạt hiệu suất truyền cao nhất, đồng thời điều
khiển quá trình sạc pin trên xe ô tô điện. Ngoài việc ứng dụng để sạc không dây
cho ô tô điện khi xe đứng yên, thì hệ thống sạc này còn đang được phát triển để
sạc cho xe điện ngay cả khi xe đang chạy trên đường, được gọi là sạc động.
1.2.2 Lựa chọn bộ sạc
Để lựa chọn công suất bộ sạc phù hợp ta sẽ tính toán ví dụ sau. Xe ô tô điện
Mitsubishi i-MiEV 2012, pin Li-ion có công suất 16 kWh, và mỗi lần pin được sạc
đầy xe chạy được quãng đường 100 km [9]. Như vậy, với nhu cầu đi lại quãng
đường dài 20 km trong thành phố, với mức tiệu thụ tính toán là 0.16 kWh/km,
tương ứng với các công suất bộ sạc ta tính toán được thời gian sạc tương ứng cần
thiết như sau:
Bảng 1.2 Thời gian sạc cần thiết cho xe ô tô điện i-MiEV.
Công Quãng đường Năng lượng Thời
suất di chuyển tiêu thụ gian sạc
0.16
Level 1 – sạc chậm 3.3 kW 20 km ~ 1 giờ
kWh/km
0.16
Level 2 – sạc chậm 6.6 kW 20 km ~ 30 phút
kWh/km
0.16
Level 2 – sạc nhanh 19.2 kW 20 km ~ 10 phút
kWh/km
0.16
Level 3 – sạc nhanh 50 kW 20 km < 4 phút
kWh/km
Level 4 – sạc siêu 0.16
120 kW 20 km < 2 phút
nhanh kWh/km
Qua Bảng 1.2 có thể thấy với công nghệ sạc chậm level 1 và level 2 có thể
đáp ứng được nhu cầu di chuyển quãng đưỡng 20 km với thời gian sạc không phải
là quá lâu tương ứng là 1 giờ và 30 phút. Với những chủ xe khó tính hơn có thể
lựa chọn bộ sạc level 2 – sạc nhanh (công suất bộ sạc 19.2 kW) có thể chỉ sạc trong
thời gian chưa đến 10 phút là di chuyển được.
Kết luận:
Như vậy ta thấy rằng xe ô tô điện là loại phương tiện giao thông của tương
lai và là đích đến của mọi xã hội, mọi quốc gia trong thế kỷ 21. Ô tô điện không
chỉ là phương tiện an toàn, tiện lợi, thân thiện với mọi người, mà còn là một giải
pháp bắt buộc phải thực hiện để bảo vệ môi trường và giải quyết vấn đề an ninh
năng lượng. Xe điện mang trong mình kho năng lượng lớn, chính điều này cho
phép xe điện có thể cấp trả năng lượng lại lưới điện khi nhu cầu sử dụng điện tăng
7