Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc hai chiều cho ô tô điện
- 45 trang
- file .pdf
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc hai chiều
cho ô tô điện
DƯƠNG DUY ĐÔN
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. Tạ Cao Minh
Viện: Điện
Chữ ký của GVHD
HÀ NỘI, 04/2021
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: Dương Duy Đôn
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc hai chiều cho ô tô điện
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CA190094
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 06/05/2021 với các nội dung sau:
- Sửa lỗi thiếu 1 khối chức năng trong hình 2.10
- Lỗi thiếu một số trích dẫn ở chương 2.
Ngày 11 tháng 05 năm 2021
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
Tạ Cao Minh
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn hai Thầy hướng dẫn, PGS.TS. Tạ Cao
Minh và TS. Nguyễn Duy Đỉnh, các thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng
nghiên cứu khoa học cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn
thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô khoa Điện trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội đã tận tình giảng dạy cho tôi trong thời gian học tập.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người luôn sẵn sàng sẻ chia và
giúp đỡ tôi trong học tập và cuộc sống.
Do giới hạn kiến thức của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong sự
chỉ dẫn và đóng góp của các Thầy, Cô để bản luận văn của tôi được hoàn thiện
hơn. Xin chân thành cảm ơn!
Tóm tắt nội dung luận văn
Với việc triển khai "lưới điện thông minh" đang ngày càng được đẩy
mạnh trên thế giới, cũng như các nghiên cứu về nhà thông minh, một thị trường
tiềm năng cho bộ sạc hai chiều bên trong ô tô điện đang hình thành. Bộ sạc bên
trong ô tô điện (OBC) được đặt bên trong xe, hoạt động như một liên kết giữa pin
điện áp DC và điện áp lưới AC với các ổ cắm điện ở bất kỳ đâu, do đó hoạt động
ở dải điện áp phổ biến (85Vrms - 265Vrms) với công suất danh định trong phạm
vi từ 1,5kW đến 22kW. Để tối đa hóa công suất tác dụng do các OBC này tạo ra,
cần thiết kế với bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất (PFC) để định hình dòng
điện xoay chiều theo hình sin và cùng pha với điện áp xoay chiều. Do đó, OBC
hai chiều nhất thiết phải yêu cầu PFC hai chiều.
Luận văn tập trung vào vấn đề chuyển mạch mềm toàn dải cho bộ biến đổi
totem-pole PFC và phương pháp điều khiển Interleaved tương ứng nhằm nâng
cao hiệu suất cho bộ sạc hai chiều trong ô tô điện.
Chương I của luận văn giới thiệu về công nghệ sạc ô tô hai chiều, ứng
dụng của nó trong thực tế, giới thiệu cấu hình sạc hai chiều.
Chương II trình bày phương pháp chuyển mạch mềm cho bộ biến đổi
totem-pole PFC, phương pháp mở rộng dải hoạt động chuyển mạch mềm ra toàn
dải. Phương pháp điều khiển phù hợp và các yêu cầu phần cứng cũng được trình
bày ở chương này. Một mô phỏng được tiến hành đề xác minh khả năng chuyển
mạch mềm toàn dải.
Chương III trình bày phương pháp điều khiển Interleaved phù hợp nhằm
đảm bảo hoạt động chuyển mạch mềm, cải thiện THD cho bộ biến đổi totem-pole
PFC. Mô phỏng để xác minh khả năng đáp ứng của phương pháp.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO Ô TÔ
ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC CHO BỘ SẠC HAI CHIỀU..................1
1.1 Các phương pháp sạc ô tô điện. ..................................................................1
1.2 Công nghệ sạc ô tô hai chiều. .....................................................................4
1.3 Cấu hình bộ sạc hai chiều cho ô tô điện. .....................................................7
1.4 Thách thức. .............................................................................................. 11
1.5 Phạm vi nội dung nghiên cứu. .................................................................. 12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TOÀN DẢI CHO
BỘ BIẾN ĐỔI TOTEM-POLE PFC .............................................................. 13
2.1 Chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM) và giới hạn dải chuyển mạch
mềm.. ................................................................................................................ 13
2.2 Phương pháp chuyển mạch mềm toàn dải cho bộ biến đổi Totem-pole
PFC… ............................................................................................................... 17
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN INTERLEAVED TOTEM-
POLE PFC ....................................................................................................... 23
3.1 Ý nghĩa của phương pháp Interleaved ...................................................... 23
3.2 Các phương pháp điều khiển Interleaved PFC .......................................... 26
3.3 Phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất ............................................ 28
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ............................................................................... 34
4.1 Kết luận ................................................................................................... 34
4.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai.......................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 35
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện tử công suất trong ô tô điện ...................................2
Hình 1.2 Sơ đồ sạc không dây trên ô tô................................................................3
Hình 1.3 Sạc thông qua cuộn dây động cơ ...........................................................4
Hình 1.4 Mô tả về sự chuyển đổi giữa hai chế độ G2V và V2G theo nhu cầu của
mạng lưới điện năng ............................................................................................4
Hình 1.5 Chiều năng lượng của pin ô tô điện trong các chế độ G2V, V2G, V2H .5
Hình 1.6 Phân loại OBC hai chiều .......................................................................6
Hình 1.7 (a) Cấu trúc OBC module gồm 3 OBC 1 pha. (b) Cấu trúc OBC 3 pha .8
Hình 1.8 Thành phần cơ bản của một bộ OBC hai chiều 1 pha ............................8
Hình 1.9 Cấu hình bộ biến đổi DC-DC hai chiều DAB kiểu LCCL đối xứng.......9
Hình 1.10 Cấu hình bộ boost PFC thông thường ................................................ 10
Hình 1.11 (a) Cấu hình Bridgeless PFC đơn giản (b) Cấu hình totem-pole PFC 10
Hình 1.12 Cấu hình bộ biến đổi PFC hai chiều .................................................. 11
Hình 2.1 Cấu hình bộ biến đổi tăng áp Totem-pole PFC .................................... 13
Hình 2.2 Phương pháp điều khiển dòng điện trong chế độ CrCM ...................... 14
Hình 2.3 Tạo xung ZCD bằng biến dòng ........................................................... 15
Hình 2.4 (a) Trạng thái bộ biến đổi trước khoảng thời gian Deadtime Td khi điện
áp đầu vào dương, tụ ký sinh Coss1 được xả về 0 trong khi tụ Coss2 được sạc
đến điện áp đầu ra Vout. (b) Trong thời gian Td, 2 tụ ký sinh mắc song song với
nhau. ................................................................................................................. 15
Hình 2.5 Dạng sóng chuyển mạch chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM)
(a) Khi Vn>Vout/2 (b) Khi Vn <= Vout/2 [45]. ................................................. 16
Hình 2.6 Giới hạn chuyển mạch mềm khi bộ biến đổi hoạt động ở chế độ dòng
điện CrCM. ....................................................................................................... 16
Hình 2.7 Trạng thái bộ biến đổi khi Vn > 0. ...................................................... 17
Hình 2.8 (a) Dạng dòng điện và điện áp chuyển mạch gần mềm (b) Dạng dòng
điện và điện áp chuyển mạch mềm khi tăng thời gian dẫn của van S11 thêm 1
khoảng Tr. ......................................................................................................... 18
Hình 2.9 (a) Dòng đảo chiều Ir qua cuộn L trong khoảng thời gian Tr. (b) Chiều
dòng xả Coss2 và dòng nạp Coss1 trong khoảng thời gian Td. (c) Diễn biến dòng
điện qua cuộn L và điện áp trên tụ Coss2 trong thời gian Tr và Td .................... 19
Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi Totem-pole PFC để đạt chuyển mạch
mềm toàn dải. .................................................................................................... 21
Hình 2.11 Mô phỏng hệ thống theo cấu trúc điều khiển Hình 2.9....................... 21
Hình 2.12 Mô phỏng bộ biến đổi Totem-pole PFC chuyển mạch thung lũng khi
cho van S12 ngắt tại thời điểm xung ZCD (van S11 đóng vai trò van boost, van
S12 đóng vai trò van đồng bộ) ........................................................................... 22
Hình 2.13 Mô phỏng bộ biến đổi Totem-pole PFC chuyển mạch mềm khi van
S12 ngắt trễ hơn tín hiệu ZCD một khoảng Td ( van S11 đóng vai trò van boost,
van S12 đóng vai trò van đồng bộ) .................................................................... 22
Hình 3.1 Cấu hình Interleaved 2 pha totem-pole PFC hai chiều ......................... 23
Hình 3.2 Trạng thái mạch boost truyền thống .................................................... 24
Hình 3.3 Trạng thái mạch Interleaved boost ...................................................... 25
Hình 3.4 Mối tương quan giữa độ rộng xung và tỷ lệ giữa đập mạch dòng điện
đầu vào với đập mạch dòng điện trên cuộn L mạch Interleaved boost 2 pha ...... 26
Hình 3.5 (a) Giản đồ xung phương pháp Interleaved vòng hở. (b) Cấu trúc điều
khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vòng hở....................................... 27
Hình 3.6 (a) Giản đồ xung phương pháp điều khiển Interleaved vòng kín. (b) Cấu
trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vòng kín. ...................... 28
Hình 3.7 Dạng dòng điện khi tăng TON để đảm bảo độ dịch pha ........................ 29
Hình 3.8 Dạng dòng điện khi tăng cả TON và TR để đảm bảo độ dịch pha ........ 30
Hình 3.9 (a) Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất. (b)
Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved đề xuất. ................. 31
Hình 3.10 Mô phỏng hệ thống trong điều kiện Vn 220V , VOUT 400V ,
POUT 3, 3kW (a) Dòng điện đầu vào với phương án xen kênh đề xuất, THD =
18,7% khi không có bộ lọc EMI đầu vào. (b) Dòng điện đầu vào I n , dòng điện
trên cuộn L1 , L2 với phương án xen kênh đề xuất.............................................. 32
Hình 3.11 Giản đồ thể hiện THD dòng điện đầu vào của 2 phương pháp
interleaved được mô phỏng tại các mức tải khác nhau ....................................... 33
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân loại sạc ô tô điện theo công suất ...................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO Ô TÔ
ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC CHO BỘ SẠC HAI CHIỀU
Ô tô điện đã trở nên được quan tâm nhiều hơn trong ngành công nghiệp ô tô
do lượng khí thải CO2 thấp hơn và hiệu suất vượt trội so với xe chạy bằng nhiên
liệu hóa thạch [1]. Nhiều quốc gia, như Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc, Ấn Độ và
một số nước thuộc Liên minh Châu Âu, đã thiết lập các chính sách khuyến khích
của chính phủ để hỗ trợ sự phát triển của ô tô điện [2], [3]. Ví dụ, Mỹ và Canada
đã công bố chính sách Phương tiện Không phát thải, trợ giá cho việc bán các
phương tiện phát thải cực thấp và không phát thải, đồng thời cải thiện hệ thống
sạc ở những nơi công cộng. Trung Quốc cung cấp các khoản trợ cấp tài chính cho
các ô tô điện tiết kiệm năng lượng. Ấn Độ cũng đặt mục tiêu chỉ sản xuất ô tô
điện vào năm 2030. Là thị trường ô tô lớn nhất của Liên minh châu Âu, Đức
cũng miễn thuế 10 năm và trợ giá cho ô tô điện. Do đó, để đáp ứng nhu cầu ngày
càng tăng của ô tô điện, điều quan trọng là phải phát triển các bộ sạc và chuẩn bị
cơ sở hạ tầng điện toàn cầu cho nhu cầu năng lượng lớn sắp tới.
Bộ sạc pin đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của ô tô điện.
Thời gian sạc và tuổi thọ của pin có liên quan đến các đặc tính của bộ sạc pin. Bộ
sạc pin phải hiệu quả và đáng tin cậy, với mật độ năng lượng cao, chi phí thấp,
khối lượng và trọng lượng thấp. Do vậy, các nghiên cứu về sạc cho ô tô điện sẽ
tiếp tục được đẩy mạnh, đặc biệt là các nghiên cứu về sạc hai chiều do sự phát
triển của lưới điện thông minh, năng lượng tái tạo, nhà thông minh…
Chương I sẽ giới thiệu các phương pháp sạc cho ô tô điện hiện nay, giới
thiệu về công nghệ sạc hai chiều, trình bày cấu hình của bộ sạc được lựa chọn,
các thách thức và phạm vi nghiên cứu của luận văn.
1.1 Các phương pháp sạc ô tô điện.
Bộ sạc pin cho ô tô điện có thể được phân loại theo mức công suất. Tùy
theo từng quốc gia, vùng lãnh thổ, chủng loại xe mà bộ sạc ô tô điện có các cách
phân loại công suất khác nhau (Bảng 1.1).
Bảng 1.1 Phân loại sạc ô tô điện theo công suất
Loại sạc Vị trí Công suất Đầu vào
1 pha
Mức 1 (sạc Bộ sạc bên trong 1,5kW –
100-120 VAC (Nhật - Mỹ)
chậm) ô tô 3,5kW
220 VAC (Châu Âu)
1 pha hoặc 3 pha
Mức 2 (sạc Bộ sạc bên trong 3,5kW –
200-240 VAC (Nhật - Mỹ)
trung bình) ô tô hoặc trạm sạc 22kW
400 VAC (Châu Âu)
Mức 3 Bộ sạc bên trong
>22kW 3 pha hoặc VDC
(sạc nhanh) ô tô hoặc trạm sạc
1
Hầu hết quá trình sạc ô tô điện có thể diễn ra tại nhà qua đêm trong nhà để
xe, nơi ô tô điện có thể được cắm vào ổ cắm tiện lợi để sạc Mức 1 (sạc chậm).
Sạc mức 2 thường được mô tả là phương pháp chính cho cả cơ sở tư nhân và
công cộng. Các nghiên cứu hiện tại và trong tương lai tập trung vào sạc mức 2.
Sạc mức 2 cung cấp năng lượng dồi dào và có thể được thực hiện trong hầu hết
các điều kiện khác nhau, nhưng yêu cầu phải có đầu kết nối chuyên dụng. Thông
thường, các giải pháp một pha được sử dụng cho mức 1 và 2. Mức 3 và sạc
nhanh một chiều dành cho các ứng dụng thương mại và công cộng, hoạt động
giống như một trạm xăng và thường sử dụng điện áp ba pha đầu vào. Các trạm
sạc công cộng có khả năng cung cấp sạc mức 2 hoặc 3 và được lắp đặt tại các bãi
đậu xe, trung tâm mua sắm, khách sạn, trạm dừng nghỉ, nhà hàng, v.v.
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện tử công suất trong ô tô điện
Bộ sạc cho ô tô điện có thể được phân loại thành bộ sạc trên ô tô (OBC –
On-Board Charger) và bộ sạc bên ngoài ô tô hay trạm sạc (EVSE – Electric
Vehicle Service Equipment) với dòng điện một chiều hoặc hai chiều. Sạc một
chiều có ưu điểm là hạn chế các yêu cầu về phần cứng, đơn giản hóa vấn đề kết
nối và tốt hơn đối với tuổi thọ của pin. Hệ thống sạc hai chiều hỗ trợ sạc từ lưới
điện, đẩy năng lượng từ pin trở lại lưới để ổn định điện lưới hoặc cấp cho phụ tải
ở bên ngoài [4]. Các bộ sạc trên ô tô điện thường chỉ sử dụng sạc mức 1 và mức
2 vì các hạn chế về trọng lượng, không gian và chi phí. Trong khi đó, trạm sạc ít
bị hạn chế bởi kích thước và trọng lượng.
Hệ thống sạc trên ô tô có thể phân loại thành sạc có dây hoặc không dây.
Hệ thống sạc có dây sử dụng tiếp xúc trực tiếp giữa nguồn và đầu vào bộ sạc [5].
Sạc không dây là một phương pháp sạc được quan tâm không chỉ đối với các
nghiên cứu về ô tô điện mà còn đối với các ngành khác như đồ gia dụng, robot,
thiết bị y tế. Bản chất của phương pháp này là một bộ sạc trên xe kết hợp với hệ
thống thu phát không dây. Phương pháp sạc không dây đã và đang được phát
triển cho mức 1 và 2 [6] [7] và có thể sạc khi đứng yên (sạc tĩnh) [8] hoặc di
chuyển (sạc động) [9] [10]. Phương pháp này cho phép người dùng sạc ô tô ngay
2
tại vị trí dừng đỗ mà không cần bất cứ một dây kết nối trực tiếp nào, hoặc được
sử dụng để tạo ra các làn đường sạc cho ô tô điện.
Hình 1.2 Sơ đồ sạc không dây trên ô tô.
Để giảm thiểu trọng lượng, khối lượng và chi phí, việc tích hợp chức năng
sạc vào hệ thống truyền động điện đã được đề xuất [11]. Bộ sạc tích hợp được
phát triển lần đầu tiên vào năm 1985 [12] và đã được cấp bằng sáng chế bởi
Rippel và Cocconi vào các năm 1990, 1992 và 1994. Thời điểm hoạt động của bộ
sạc này và hoạt động của động cơ là không đồng thời với nhau. Trong bộ sạc tích
hợp, cuộn dây động cơ được sử dụng như cuộn cảm lọc hoặc máy biến áp cách ly
và bộ biến tần điều khiển động cơ đóng vai trò như một bộ chuyển đổi AC-DC
hai chiều. Ưu điểm quan trọng nhất là khả năng sạc nhanh hai chiều (Mức 2 và
3), công suất cao, chi phí thấp, có thể điều chỉnh hệ số công suất bằng 1. Điều
khiển phức tạp và phần cứng bổ sung là những thách thức đối với việc triển khai
trong các sản phẩm thương mại. Công ty Ford Motor hiện có triển khai hệ thống
truyền động động cơ kết hợp với hệ thống nạp ắc quy trên động cơ không đồng
bộ ba pha. Một bộ sạc tích hợp có cách ly dựa trên động cơ xoay chiều được sử
dụng trong ngành công nghiệp ô tô được trình bày trong [13]. Có một số ứng
dụng cho xe máy điện và xe hai bánh được giới thiệu trong [14]. Một hệ thống
sạc tích hợp điển hình được trình bày trong Hình 1.3.
3
Hình 1.3 Sạc thông qua cuộn dây động cơ
1.2 Công nghệ sạc ô tô hai chiều.
Thay vì chỉ đơn thuần là một tải của hệ thống điện, pin ô tô điện có thể
được sử dụng như một bộ lưu trữ năng lượng di động. Tiềm năng này đã dẫn đến
khái niệm xe điện hòa lưới (V2G – Vehicle to Grid). Ngoài việc sạc pin cho ô tô
điện, V2G cho phép chủ sở hữu của xe bơm năng lượng từ pin vào lưới theo lịch
trình và tỷ lệ năng lượng được xác định trước. Toàn bộ năng lượng truyền đi
được ghi nhận bằng công tơ hai chiều và công ty điện lực có trách nhiệm trả phí
cho chủ sở hữu xe.
Hình 1.4 Mô tả về sự chuyển đổi giữa hai chế độ G2V và V2G theo nhu cầu của mạng
lưới điện năng
Xe điện hoạt động ở chế độ V2G có thể san tải, cạo tải đỉnh (Hình 1.4), hỗ
trợ công suất phản kháng, điều chỉnh công suất hoạt động, cải thiện độ ổn định và
lọc sóng hài [15] – [17]. Mặt khác, chủ sở hữu xe có thể kiếm thêm doanh thu
bằng cách bán điện cho lưới điện, giúp giảm chi phí vận hành xe. Bộ sạc ô tô
4
điện thông thường có đặc tính một chiều, cho phép sạc chậm hoặc sạc nhanh.
Việc triển khai công nghệ V2G yêu cầu bộ sạc chuyên dụng cho phép trao đổi
hai chiều giữa lưới điện và pin ô tô điện [18]. Hơn nữa, các bộ sạc hai chiều sẽ
cho phép chủ sở hữu sử dụng xe của họ như một nguồn áp cung cấp cho các mục
đích khác như cung cấp điện từ xe sang các thiết bị trong nhà (Vehicle-to-Home
– V2H) hoặc từ xe ra tải (Vehicle-to-Load - V2L) trong thời gian mất điện lưới
hoặc từ xe sang xe (Vehicle-to-Vehicle - V2V) trong trường hợp trong trường
hợp khẩn cấp [19] [20].
Khái niệm về bộ sạc hai chiều cho ô tô điện với công nghệ V2G và V2H
được mô tả khái quát trong Hình 1.5. Khi ô tô được kết nối với lưới điện, năng
lượng có thể được truyền đến hoặc từ pin (G2V và V2G). Trong trường hợp
không có lưới điện hoặc mất điện, pin của ô tô điện có thể hoạt động như nguồn
điện áp để cung cấp cho các tải mong muốn. Hệ thống này không nhằm mục đích
lưu trữ năng lượng theo thời gian thực, nó là một hệ thống lưu trữ năng lượng
phụ trợ.
Hình 1.5 Chiều năng lượng của pin ô tô điện trong các chế độ G2V, V2G, V2H
Chìa khóa để sử dụng pin ô tô điện cho mục đích V2G và V2H đó là triển
khai khả năng sạc hai chiều cho bộ sạc bên trong xe (OBC). OBC cung cấp khả
năng sạc trực tiếp từ lưới điện xoay chiều và được sử dụng rộng rãi trong ngành
công nghiệp ô tô vì sự tiện lợi của nó, đặc biệt là so với các giải pháp sạc bên
ngoài ô tô có chi phí cao và khối lượng lớn [21] [22]. OBC là một bộ phận quan
trọng của bất kỳ ô tô điện nào. Nó giúp trao đổi năng lượng giữa pin điện áp DC
và lưới điện một pha hoặc ba pha. OBC một chiều phổ biến vì yêu cầu phần cứng
đơn giản và mức độ suy giảm pin thấp [23]. Tuy nhiên, sự phát triển hiện tại của
ô tô điện đã bộc lộ tiềm năng của OBC hai chiều.
5
OBC hai chiều được phân loại thành OBC một giai đoạn và OBC hai giai
đoạn. Cả hai loại OBC này đều được phân loại là OBC một pha và OBC ba pha
(Hình 1.6). Thời gian sạc tỷ lệ nghịch với mức năng lượng. Do yêu cầu về thời
gian sạc ngắn hơn, OBC hai chiều công suất cao hơn được mong đợi trong tương
lai. Nhìn chung, OBC hai chiều hiện nay chủ yếu được chế tạo để sử dụng ở mức
2 với công suất từ 3,5kW đến 22kW. OBC mức 1 hướng đến chi phí thấp và công
suất thấp, không phù hợp với các ứng dụng trao đổi năng lượng theo hai chiều.
Sạc hai chiều mức 3, với dải công suất từ 22kW trở lên, giảm thiểu thời gian sạc
trong khi công suất xả hầu hết được giới hạn ở mức 6,6kW đến 12kW, do tuổi
thọ pin và dung lượng bị suy giảm [24], [25].
Hình 1.6 Phân loại OBC hai chiều
Các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới đã thể hiện sự quan tâm của họ
trong việc phát triển OBC hai chiều. Ví dụ: Nissan đã phát triển chức năng V2H
cho mẫu Leaf 2013 của mình và tất cả các xe Leaf thế hệ tiếp theo sẽ có khả năng
V2G. Vào năm 2019, Tesla và thương hiệu xe điện Trung Quốc, BYD Tang, đã
triển khai các chức năng V2L và V2V. Các công ty Honda và BMW cũng phát
triển OBC hai chiều. Vào năm 2020, hầu hết các OBC có thể đạt được mức công
suất từ 6kW đến 10kW, trong khi một số có thể đạt tới 22kW như ở trên xe
Renault Zoe. Hơn nữa, mật độ năng lượng của OBC hiện ở mức 3,3kW/L và hiệu
suất cao nhất ước tính hơn 97%. Công suất và mật độ công suất của OBC dự kiến
sẽ đạt lần lượt là 4kW/kg và 4,6kW/L, trong khi hiệu suất tối đa là 98% [26].
Ngày càng có nhiều tiêu chuẩn vận hành cho OBC được áp dụng. Thứ nhất,
OBC hoạt động ở chế độ sạc cần đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện của lưới
điện [27]. Ví dụ, tổng độ méo hài (THD) của dòng điện phải nhỏ hơn 7% để tuân
thủ các yêu cầu 519 của Hội Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) [28]. Nhiều quốc gia
tuân theo quy định riêng của họ về giới hạn sóng hài, chẳng hạn như SAE J2894
ở Hoa Kỳ [29], IEC 61000 ở Châu Âu [30]. Thứ hai, khi OBC hai chiều hoạt
động như một nguồn năng lượng dự phòng (ví dụ: V2L, V2V), nó phải tuân theo
6
các tiêu chuẩn của lưới điện siêu nhỏ (Microgrid), chẳng hạn như tiêu chuẩn
IEEE 1547 [31] và Tiêu chuẩn UL 1741 [32]. Cuối cùng, các tiêu chuẩn kết nối
OBC phải được đáp ứng với SAE JI772 ở Hoa Kỳ [33], IEC 62196 ở Châu Âu
[34].
Mặc dù OBC hai chiều có những lợi ích rõ ràng, nhưng nó vẫn mang lại
những thách thức mới. Thứ nhất, bộ sạc hai chiều cần phải tương thích với các
chức năng lưới điện thông minh tiên tiến. Do đó, cập nhật lưới điện và cơ sở hạ
tầng là một mối quan tâm lớn. Thứ hai, mặc dù OBC hai chiều có một số ưu
điểm như cạo đỉnh và điều chỉnh tần số cho lưới điện, nhưng nó có một số tác
động tiềm ẩn đến sự suy giảm của pin do hoạt động sạc hoặc xả thường xuyên.
Chính phủ hoặc các cơ quan cần cung cấp các chính sách động lực bổ sung như
hỗ trợ tài chính để khuyến khích người tiêu dùng tiềm năng lựa chọn ô tô điện có
khả năng sạc hai chiều. Mặt khác, việc giám sát và bảo vệ an toàn trong chế độ
V2G và G2V là cần thiết. Lưới điện thông minh cũng phải đủ tin cậy để đáp ứng
được V2G. Một thách thức khác là vì OBC được đặt trong xe hơi, nó phải được
tối ưu về kích thước và trọng lượng, để tăng không gian cho các thiết bị khác và
mở rộng phạm vi hoạt động của xe.
Do đó, các nghiên cứu về sạc hai chiều đã và đang được đẩy mạnh với các
hướng nghiên cứu chủ đạo bao gồm nâng cao hiệu suất bộ biến đổi, nâng cao mật
độ công suất nhằm tối ưu kích thước bộ sạc, kết nối EV với lưới điện thông
minh, nhà thông minh, …
1.3 Cấu hình bộ sạc hai chiều cho ô tô điện.
Như đã nêu ở phần trước, OBC được phân loại theo cấu hình hai giai đoạn
và cấu hình một giai đoạn. Đối với kiến trúc OBC hai giai đoạn, một bộ biến đổi
AC/DC PFC phía trước mắc nối tiếp với một bộ DC/DC tích cực cách ly. Bộ
chuyển đổi AC/DC PFC được sử dụng để cung cấp điện áp một chiều có thể điều
khiển được và đáp ứng các yêu cầu về sóng hài của lưới điện. Bộ chuyển đổi
DC/DC cách ly cung cấp khả năng cách ly điện và điều chỉnh nguồn điện cung
cấp cho pin. Hầu hết các xe điện sử dụng OBC hai giai đoạn trong ngành công
nghiệp ô tô [35]. Mặt khác, cấu hình một giai đoạn đã xuất hiện trong các ứng
dụng OBC vì tụ điện liên kết DC của OBC hai giai đoạn rất lớn và có tuổi thọ
hạn chế. Thật vậy, việc loại bỏ tụ điện liên kết DC và chỉ bao gồm một bộ
chuyển đổi AC/DC biệt lập, có thể tạo ra bộ sạc có mật độ năng lượng cao hơn
và giảm chi phí phần cứng [36].
Trong những năm gần đây, phạm vi công suất của OBC hai chiều đã tăng
lên đáng kể, thậm chí đã đạt Mức 3. Việc tiêu thụ công suất cao phù hợp hơn với
nguồn điện 3 pha – thường có tại các cơ sở thương mại và công nghiệp, trong khi
nguồn cung cấp một pha thường phổ biến hơn và được sử dụng trong các ứng
dụng dân dụng. Tuy nhiên, EV phải có khả năng được sạc ở bất kỳ vị trí nào. Do
đó, các thiết kế của OBC phải có thể hoạt động hết công suất với nguồn cung cấp
một pha và ba pha [37].
Các cấu hình OBC ba pha đã xuất hiện trên thị trường để đáp ứng nhu cầu
điện năng cao. Có hai cách tiếp cận trong cấu hình ba pha và cả hai cách này đều
7
có thể hoạt động ở chế độ một pha hoặc ba pha. Cấu hình đầu tiên, được thể hiện
trong Hình 1.7a là một cấu hình module bao gồm nhiều bộ OBC một pha được
kết nối với từng pha của điện lưới. Cấu hình thứ hai, được thể hiện trong Hình
1.7b, minh họa cấu hình bộ OBC ba pha. So với cấu hình ba pha, cấu hình dạng
module có độ tin cậy và khả năng chuyển đổi công suất tốt hơn [38]. Mặc dù cấu
hình module cần nhiều van bán dẫn và cảm biến hơn, các linh kiện của nó có thể
được lựa chọn ở ngưỡng dòng điện thấp hơn, cho nên có giá thành rẻ hơn. Ngoài
ra, cấu hình module còn linh hoạt hơn cho khách hàng trọng việc lựa chọn công
suất sạc tối đa xe. Một số nhà sản xuất, chẳng hạn như Current Ways, đã đề xuất
OBC hai chiều có công suất ở mức 22kW sử dụng cấu trúc này.
Hình 1.7 (a) Cấu hình OBC 3 pha dạng module gồm 3 OBC 1 pha. (b) Cấu trúc OBC 3
pha
Bộ sạc pin hai chiều cho ô tô điện được giới thiệu trong luận văn này được
thiết kế theo cấu hình module như Hình 1.7a. Mỗi module là một bộ sạc hai giai
đoạn, bao gồm hai bộ biến đổi nguồn dùng chung một liên kết DC. Một bộ trao
đổi năng lượng với lưới điện và một bộ trao đổi năng lượng với pin ô tô điện
(Hình 1.8).
Hình 1.8 Thành phần cơ bản của một bộ OBC hai chiều 1 pha
8
Để trao đổi năng lượng với lưới điện, sử dụng một bộ biến đổi AC-DC hai
chiều cấu trúc cầu. Bộ biến đổi này hoạt động như bộ PFC với dòng điện hình sin
và hệ số công suất bằng 1 trong chế độ hoạt động G2V. Trong chế độ V2G và
V2H, bộ biến đổi này hoạt động như một biến tần. Ở chế độ V2G, bộ chuyển đổi
hoạt động như nguồn dòng được điều khiển để đẩy năng lượng lên lưới. Ở chế độ
V2H, bộ biến đổi hoạt động như một nguồn điện áp với đầu ra có dạng sóng sin
để cung cấp cho các tải trong nhà.
Để trao đổi năng lượng với pin của xe, sử dụng một bộ biến đổi DC-DC hai
chiều với cấu trúc cầu tích cực kép (DAB) [39]. Cấu trúc DAB là cấu trúc kết
hợp hai tính chất đó là cho phép dòng năng lượng dịch chuyển theo hai chiều và
khả năng cách ly điện. Hình 1.9 mô tả cấu trúc bộ biến đổi DC-DC hai chiều
DAB kiểu CLLC đối xứng.
Hình 1.9 Cấu hình bộ biến đổi DC-DC hai chiều DAB kiểu LCCL đối xứng
Khi đã hiểu thành phần cơ bản của OBC, rõ ràng là để tạo ra OBC hai
chiều, cần phải có PFC hai chiều. Tuy nhiên, để thiết kế PFC hai chiều, cũng cần
phải hiểu hoạt động cơ bản của PFC một chiều. Như đã nêu ở trên, PFC là bộ
phận trao đổi năng lượng với lưới của OBC, điều khiển dòng điện xoay chiều
theo hình sin và cùng pha với điện áp xoay chiều, đồng thời điều khiển điện áp
liên kết DC. Bộ boost PFC thông thường có cấu trúc như Hình 1.10, bao gồm
một bộ chỉnh lưu thụ động được nối tiếp với một bộ biến đổi boost thông thường.
Ở đây, việc chuyển mạch của van boost được điều chỉnh sao cho dòng điện đầu
vào tỷ lệ với điện áp xoay chiều. PFC hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM),
chế độ dẫn tới hạn (CrCM) hoặc chế độ dẫn không liên tục (DCM). CCM và
CrCM được sử dụng phổ biến nhất, trong đó CCM có ưu điểm là độ đập mạch
dòng điện thấp hơn, đặt ít áp lực hơn trên van bán dẫn và cuộn cảm và yêu cầu bộ
lọc đầu vào nhỏ hơn, nhưng đồng thời cũng khiến cho van bán dẫn chuyển mạch
cứng ở cả trạng thái dẫn và ngắt, do đó tổn thất chuyển mạch cao hơn. Mặt khác,
CrCM cho phép chuyển mạch dòng điện bằng không (ZCS) và có thể chuyển đổi
điện áp bằng không (ZVS) do dòng điện đạt đến 0 trong mỗi chu kỳ chuyển
mạch, giảm tổn thất khi chuyển mạch nhưng đồng thời tạo ra đập mạch dòng
điện lớn gấp đôi dòng điện trung bình, làm tăng áp lực lên các phần tử trong
mạch. Đối với các ứng dụng công suất cao hơn (≥3,5kW), thông thường sẽ hoạt
động ở chế độ CCM, vì nếu không, áp lực lên các phần tử của bộ biến đổi sẽ quá
cao [40].
9
Hình 1.10 Cấu hình bộ boost PFC thông thường
Một nhược điểm rõ ràng của mạch boost PFC cấu trúc thông thường liên
quan đến khả năng dẫn hai chiều là sự hiện diện của các điốt thụ động cả trong
cầu chỉnh lưu và điốt nhanh trong mạch boost, và do đó chúng cần phải được loại
bỏ. Bước đầu tiên theo hướng này là đưa van bán dẫn và diode chuyển mạch
nhanh vào thay thế cho cầu chỉnh lưu điốt, hay còn gọi là mạch chỉnh lưu PFC
không cầu điốt (bridgeless PFC). Sự tích hợp này có lợi thế về mặt tổn hao, vì số
lượng bán dẫn khi dẫn dòng giảm từ 3 xuống 2, đặc biệt là giảm tổn hao dẫn. Hai
cấu trúc bridgeless PFC đơn giản và nhỏ gọn là bridgeless PFC cơ bản và totem-
pole PFC được thể hiện trong Hình 1.11. Trong các cấu trúc này, các van bán dẫn
thay phiên nhau hoạt động như van boost sau mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới và bị
tắt đi (cấu trúc bridgeless PFC cơ bản) hoặc hoạt động như điốt của mạch boost
(totem-pole PFC) ở chu kỳ lưới còn lại. Trước đây, bridgeless PFC cơ bản là cấu
trúc được ưa thích, với cấu trúc totem-pole PFC bị bỏ qua do tổn hao khôi phục
ngược lớn trong diode nội của MOSFET khi hoạt động ở chế độ CCM.
Hình 1.11 (a) Cấu hình Bridgeless PFC đơn giản (b) Cấu hình totem-pole PFC
10
Hình 1.12 Cấu hình bộ biến đổi PFC hai chiều
Tuy nhiên, trong những tiến bộ gần đây, cấu trúc totem-pole PFC ngày càng
được sử dụng nhiều hơn khi thay thế các điốt chỉnh lưu còn lại bằng MOSFET,
cho phép đảo chiều dòng điện. Điều đó tạo ra cấu trúc PFC hai chiều, cấu trúc
totem-pole PFC hai chiều được thể hiện trong Hình 1.12. Người ta cũng phát
hiện ra rằng các kỹ thuật như chế độ dòng điện tam giác (TCM) và chuyển mạch
thung lũng (Valley switching), cho phép chuyển mạch khi điện áp thấp hoặc
bằng không khi phóng năng lượng trên tụ ký sinh của van boost bằng dòng điện
âm ngắn hạn, làm tăng hiệu suất của cấu trúc totem-pole PFC.
Thông qua nghiên cứu tài liệu cho thấy rằng hiện nay hầu hết các OBC hai
chiều 1 pha được đề xuất trong các tài liệu khoa học đang sử dụng cấu trúc
totem-pole PFC hai chiều được trình bày trong Hình 1.12 [41] - [43]. Điều này
cho thấy rằng có thể thiết kế một bộ biến đổi totem-pole PFC hai chiều cho OBC
hoạt động hiệu quả. Vì lý do đó, bộ biến đổi totem-pole PFC hai chiều sẽ là cấu
trúc AC-DC được lựa chọn cho bộ OBC trong luận văn thạc sĩ này.
1.4 Thách thức.
Một bộ biến đổi totem-pole PFC 1,5kW cùng phương pháp điều khiển của
nó được trình bày trong [44]. Tuy nhiên, giá thành của các van bán dẫn Wide
Bandgap (WBG) vẫn cao hơn rất nhiều so với van bán dẫn Silicon thông thường.
Mặt khác, việc sử dụng van Si ở chế độ dòng điện liên tục (CCM) khiến cho tổn
hao khôi phục ngược của van bán dẫn là đáng kể. Tổn hao chuyển mạch thấp chỉ
có thể đạt được khi hoạt động ở chế độ dòng điện dẫn tới hạn (CrCM) hoặc chế
độ dòng điện gián đoạn (DCM) cho phép chuyển mạch cộng hưởng và do đó
giảm tổn hao chuyển mạch.
Với kỹ thuật điều chế được đề xuất trong [45], phạm vi hoạt động của
chuyển mạch mềm được giới hạn ở |vn| ≤ Vout/2. Đối với điện áp đầu vào lớn
hơn, chuyển mạch thung lũng (Valley switching) phải được sử dụng để giảm tổn
thất chuyển mạch. ZVS toàn dải trong toàn bộ chu kỳ lưới có thể đạt được bằng
kỹ thuật điều chế [46] [47], có tên là chế độ dòng điện tam giác (TCM) do dòng
điện dẫn hình tam giác, đòi hỏi tính toán số phức tạp [46] hoặc kết quả đo [47] để
xác định các thông số thời gian cần thiết để vận hành bộ biến đổi.
11
Một nhược điểm của bộ totem-pole PFC hoạt động ở chế độ TCM là đập
mạch dòng điện đầu vào lớn, đòi hỏi bộ lọc EMI chế độ vi sai (Differential mode
- DM) lớn. Một phương pháp làm tăng tần số và giảm độ đập mạch dòng điện,
tạo điều kiện giảm kích thước bộ lọc DM đó là phương pháp Interleaved được đề
cập trong [48]. Tuy nhiên, điều khiển Interleaved không được mô tả chi tiết và
không cho phép chuyển mạch mềm trong toàn bộ chu kỳ lưới khi áp dụng vào
bài toán này.
1.5 Phạm vi nội dung nghiên cứu.
Luận văn trình bày những phân tích và mô tả về bộ biến đổi Interleaved
Totem-pole PFC, áp dụng cho bộ sạc hai chiều cho ô tô điện. Chương 2 giải thích
cụ thể phương pháp chuyển mạch mềm trong chế độ TCM đồng thời mô tả chi
tiết cấu hình điều chế chuyển mạch mềm toàn dải. Các biểu thức cho phép tính
toán trực tiếp các tham số thời gian cần thiết để vận hành bộ chuyển đổi và để đạt
được ZVS toàn dải cũng được nêu trong chương này. Chương 3 đề cập đến các
phương pháp điều khiển Interleaved, sau đó đề xuất một phương pháp điều khiển
Interleaved cho bộ biến đổi Totem-pole PFC hoạt động ở chế độ TCM.
Bộ sạc hai chiều cho ô tô điện được nghiên cứu thiết kế trong luận văn này
có công suất tối đa 19,8kW. Bao gồm 6 module OBC 1 pha có công suất 3,3kW
và được chia làm 3 pha, mỗi pha gồm 2 module OBC mắc song song. Dải điện áp
hoạt động đầu vào từ 85 – 265 Vrms.
12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TOÀN DẢI CHO
BỘ BIẾN ĐỔI TOTEM-POLE PFC
MOSFET là sự lựa chọn chủ yếu cho các bộ OBC hai chiều so với các van
bán dẫn khác vì tính ứng dụng rộng rãi, công suất và giá thành của nó. Trên thực
tế, các van bán dẫn WBG (wide bandgap) như SiC và GaN, cung cấp nhiều ưu
điểm hơn các van bán dẫn Silicon (Si) thông thường. Các van bán dẫn WBG có
trường phá vỡ cao hơn cho phép chúng hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, điện áp cao
và có thể được tối ưu hóa để có điện trở dẫn nhỏ hơn. Các van bán dẫn này đang
trở thành một giải pháp hấp dẫn cho các OBC. Tuy nhiên, các van WBG hiện có
giá thành cao hơn khá nhiều so với van Silicon thông thường. Do đó, việc lựa
chọn van bán dẫn MOSFET đồng thời áp dụng các phương pháp điều khiển
chuyển mạch mềm cho van MOSFET vẫn cho thấy tính thực tiễn cao hơn.
Chương II trình bày phương pháp chuyển mạch mềm toàn dải cho bộ biến đổi
totem-pole PFC hoạt động ở chế độ dòng điện tam giác (TCM). Mặc dù chế độ
dòng điện CCM được khuyên dùng hơn cho các ứng dụng công suất lớn do ứng
suất lên các phần tử trong mạch là thấp hơn trong khi CrCM, DCM, TCM được
khuyên dùng cho các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, nhưng với việc lựa chọn
cấu hình 3 pha dạng module cho OBC, mỗi pha của OBC có thể được ghép song
song bởi nhiều bộ OBC 1 pha hoạt động ở chế độ dòng điện tam giác, qua đó giải
quyết được vấn đề ứng suất lên các phần tử trong mạch.
2.1 Chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM) và giới hạn dải chuyển
mạch mềm.
Hình 2.1 Cấu hình bộ biến đổi tăng áp Totem-pole PFC
Lợi ích chính của bộ biến đổi totem-pole PFC hoạt động ở chế độ dòng điện
tới hạn (CrCM) so với chế độ liên tục (CCM) là tổn thất khi diode tăng áp
chuyển từ trạng thái phân cực thuận sang trạng thái phân cực ngược được loại bỏ.
Ngoài ra, việc chuyển mạch mềm (ZVS) hoặc gần mềm (VS) có thể đạt được do
sự cộng hưởng của tụ ký sinh trên van tăng áp và diode tăng áp với cuộn tăng áp.
Trong khi đó, cả chế độ dòng điện liên tục và chế độ dòng điện gián đoạn (DCM)
đều không thể đạt chuyển mạch mềm mà không cần thêm một mạch snubber tích
13
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc hai chiều
cho ô tô điện
DƯƠNG DUY ĐÔN
[email protected]
Ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. Tạ Cao Minh
Viện: Điện
Chữ ký của GVHD
HÀ NỘI, 04/2021
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: Dương Duy Đôn
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc hai chiều cho ô tô điện
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CA190094
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 06/05/2021 với các nội dung sau:
- Sửa lỗi thiếu 1 khối chức năng trong hình 2.10
- Lỗi thiếu một số trích dẫn ở chương 2.
Ngày 11 tháng 05 năm 2021
Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn
Tạ Cao Minh
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Lời cảm ơn
Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn hai Thầy hướng dẫn, PGS.TS. Tạ Cao
Minh và TS. Nguyễn Duy Đỉnh, các thầy đã tận tình hướng dẫn, định hướng
nghiên cứu khoa học cho tôi trong quá trình học tập cũng như trong việc hoàn
thành luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô khoa Điện trường Đại Học Bách Khoa Hà
Nội đã tận tình giảng dạy cho tôi trong thời gian học tập.
Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, những người luôn sẵn sàng sẻ chia và
giúp đỡ tôi trong học tập và cuộc sống.
Do giới hạn kiến thức của bản thân còn nhiều thiếu sót và hạn chế, kính mong sự
chỉ dẫn và đóng góp của các Thầy, Cô để bản luận văn của tôi được hoàn thiện
hơn. Xin chân thành cảm ơn!
Tóm tắt nội dung luận văn
Với việc triển khai "lưới điện thông minh" đang ngày càng được đẩy
mạnh trên thế giới, cũng như các nghiên cứu về nhà thông minh, một thị trường
tiềm năng cho bộ sạc hai chiều bên trong ô tô điện đang hình thành. Bộ sạc bên
trong ô tô điện (OBC) được đặt bên trong xe, hoạt động như một liên kết giữa pin
điện áp DC và điện áp lưới AC với các ổ cắm điện ở bất kỳ đâu, do đó hoạt động
ở dải điện áp phổ biến (85Vrms - 265Vrms) với công suất danh định trong phạm
vi từ 1,5kW đến 22kW. Để tối đa hóa công suất tác dụng do các OBC này tạo ra,
cần thiết kế với bộ biến đổi điều chỉnh hệ số công suất (PFC) để định hình dòng
điện xoay chiều theo hình sin và cùng pha với điện áp xoay chiều. Do đó, OBC
hai chiều nhất thiết phải yêu cầu PFC hai chiều.
Luận văn tập trung vào vấn đề chuyển mạch mềm toàn dải cho bộ biến đổi
totem-pole PFC và phương pháp điều khiển Interleaved tương ứng nhằm nâng
cao hiệu suất cho bộ sạc hai chiều trong ô tô điện.
Chương I của luận văn giới thiệu về công nghệ sạc ô tô hai chiều, ứng
dụng của nó trong thực tế, giới thiệu cấu hình sạc hai chiều.
Chương II trình bày phương pháp chuyển mạch mềm cho bộ biến đổi
totem-pole PFC, phương pháp mở rộng dải hoạt động chuyển mạch mềm ra toàn
dải. Phương pháp điều khiển phù hợp và các yêu cầu phần cứng cũng được trình
bày ở chương này. Một mô phỏng được tiến hành đề xác minh khả năng chuyển
mạch mềm toàn dải.
Chương III trình bày phương pháp điều khiển Interleaved phù hợp nhằm
đảm bảo hoạt động chuyển mạch mềm, cải thiện THD cho bộ biến đổi totem-pole
PFC. Mô phỏng để xác minh khả năng đáp ứng của phương pháp.
HỌC VIÊN
Ký và ghi rõ họ tên
MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO Ô TÔ
ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC CHO BỘ SẠC HAI CHIỀU..................1
1.1 Các phương pháp sạc ô tô điện. ..................................................................1
1.2 Công nghệ sạc ô tô hai chiều. .....................................................................4
1.3 Cấu hình bộ sạc hai chiều cho ô tô điện. .....................................................7
1.4 Thách thức. .............................................................................................. 11
1.5 Phạm vi nội dung nghiên cứu. .................................................................. 12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TOÀN DẢI CHO
BỘ BIẾN ĐỔI TOTEM-POLE PFC .............................................................. 13
2.1 Chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM) và giới hạn dải chuyển mạch
mềm.. ................................................................................................................ 13
2.2 Phương pháp chuyển mạch mềm toàn dải cho bộ biến đổi Totem-pole
PFC… ............................................................................................................... 17
CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN INTERLEAVED TOTEM-
POLE PFC ....................................................................................................... 23
3.1 Ý nghĩa của phương pháp Interleaved ...................................................... 23
3.2 Các phương pháp điều khiển Interleaved PFC .......................................... 26
3.3 Phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất ............................................ 28
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ............................................................................... 34
4.1 Kết luận ................................................................................................... 34
4.2 Hướng phát triển của luận văn trong tương lai.......................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 35
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện tử công suất trong ô tô điện ...................................2
Hình 1.2 Sơ đồ sạc không dây trên ô tô................................................................3
Hình 1.3 Sạc thông qua cuộn dây động cơ ...........................................................4
Hình 1.4 Mô tả về sự chuyển đổi giữa hai chế độ G2V và V2G theo nhu cầu của
mạng lưới điện năng ............................................................................................4
Hình 1.5 Chiều năng lượng của pin ô tô điện trong các chế độ G2V, V2G, V2H .5
Hình 1.6 Phân loại OBC hai chiều .......................................................................6
Hình 1.7 (a) Cấu trúc OBC module gồm 3 OBC 1 pha. (b) Cấu trúc OBC 3 pha .8
Hình 1.8 Thành phần cơ bản của một bộ OBC hai chiều 1 pha ............................8
Hình 1.9 Cấu hình bộ biến đổi DC-DC hai chiều DAB kiểu LCCL đối xứng.......9
Hình 1.10 Cấu hình bộ boost PFC thông thường ................................................ 10
Hình 1.11 (a) Cấu hình Bridgeless PFC đơn giản (b) Cấu hình totem-pole PFC 10
Hình 1.12 Cấu hình bộ biến đổi PFC hai chiều .................................................. 11
Hình 2.1 Cấu hình bộ biến đổi tăng áp Totem-pole PFC .................................... 13
Hình 2.2 Phương pháp điều khiển dòng điện trong chế độ CrCM ...................... 14
Hình 2.3 Tạo xung ZCD bằng biến dòng ........................................................... 15
Hình 2.4 (a) Trạng thái bộ biến đổi trước khoảng thời gian Deadtime Td khi điện
áp đầu vào dương, tụ ký sinh Coss1 được xả về 0 trong khi tụ Coss2 được sạc
đến điện áp đầu ra Vout. (b) Trong thời gian Td, 2 tụ ký sinh mắc song song với
nhau. ................................................................................................................. 15
Hình 2.5 Dạng sóng chuyển mạch chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM)
(a) Khi Vn>Vout/2 (b) Khi Vn <= Vout/2 [45]. ................................................. 16
Hình 2.6 Giới hạn chuyển mạch mềm khi bộ biến đổi hoạt động ở chế độ dòng
điện CrCM. ....................................................................................................... 16
Hình 2.7 Trạng thái bộ biến đổi khi Vn > 0. ...................................................... 17
Hình 2.8 (a) Dạng dòng điện và điện áp chuyển mạch gần mềm (b) Dạng dòng
điện và điện áp chuyển mạch mềm khi tăng thời gian dẫn của van S11 thêm 1
khoảng Tr. ......................................................................................................... 18
Hình 2.9 (a) Dòng đảo chiều Ir qua cuộn L trong khoảng thời gian Tr. (b) Chiều
dòng xả Coss2 và dòng nạp Coss1 trong khoảng thời gian Td. (c) Diễn biến dòng
điện qua cuộn L và điện áp trên tụ Coss2 trong thời gian Tr và Td .................... 19
Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển bộ biến đổi Totem-pole PFC để đạt chuyển mạch
mềm toàn dải. .................................................................................................... 21
Hình 2.11 Mô phỏng hệ thống theo cấu trúc điều khiển Hình 2.9....................... 21
Hình 2.12 Mô phỏng bộ biến đổi Totem-pole PFC chuyển mạch thung lũng khi
cho van S12 ngắt tại thời điểm xung ZCD (van S11 đóng vai trò van boost, van
S12 đóng vai trò van đồng bộ) ........................................................................... 22
Hình 2.13 Mô phỏng bộ biến đổi Totem-pole PFC chuyển mạch mềm khi van
S12 ngắt trễ hơn tín hiệu ZCD một khoảng Td ( van S11 đóng vai trò van boost,
van S12 đóng vai trò van đồng bộ) .................................................................... 22
Hình 3.1 Cấu hình Interleaved 2 pha totem-pole PFC hai chiều ......................... 23
Hình 3.2 Trạng thái mạch boost truyền thống .................................................... 24
Hình 3.3 Trạng thái mạch Interleaved boost ...................................................... 25
Hình 3.4 Mối tương quan giữa độ rộng xung và tỷ lệ giữa đập mạch dòng điện
đầu vào với đập mạch dòng điện trên cuộn L mạch Interleaved boost 2 pha ...... 26
Hình 3.5 (a) Giản đồ xung phương pháp Interleaved vòng hở. (b) Cấu trúc điều
khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vòng hở....................................... 27
Hình 3.6 (a) Giản đồ xung phương pháp điều khiển Interleaved vòng kín. (b) Cấu
trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vòng kín. ...................... 28
Hình 3.7 Dạng dòng điện khi tăng TON để đảm bảo độ dịch pha ........................ 29
Hình 3.8 Dạng dòng điện khi tăng cả TON và TR để đảm bảo độ dịch pha ........ 30
Hình 3.9 (a) Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất. (b)
Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved đề xuất. ................. 31
Hình 3.10 Mô phỏng hệ thống trong điều kiện Vn 220V , VOUT 400V ,
POUT 3, 3kW (a) Dòng điện đầu vào với phương án xen kênh đề xuất, THD =
18,7% khi không có bộ lọc EMI đầu vào. (b) Dòng điện đầu vào I n , dòng điện
trên cuộn L1 , L2 với phương án xen kênh đề xuất.............................................. 32
Hình 3.11 Giản đồ thể hiện THD dòng điện đầu vào của 2 phương pháp
interleaved được mô phỏng tại các mức tải khác nhau ....................................... 33
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân loại sạc ô tô điện theo công suất ...................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO Ô TÔ
ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC CHO BỘ SẠC HAI CHIỀU
Ô tô điện đã trở nên được quan tâm nhiều hơn trong ngành công nghiệp ô tô
do lượng khí thải CO2 thấp hơn và hiệu suất vượt trội so với xe chạy bằng nhiên
liệu hóa thạch [1]. Nhiều quốc gia, như Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc, Ấn Độ và
một số nước thuộc Liên minh Châu Âu, đã thiết lập các chính sách khuyến khích
của chính phủ để hỗ trợ sự phát triển của ô tô điện [2], [3]. Ví dụ, Mỹ và Canada
đã công bố chính sách Phương tiện Không phát thải, trợ giá cho việc bán các
phương tiện phát thải cực thấp và không phát thải, đồng thời cải thiện hệ thống
sạc ở những nơi công cộng. Trung Quốc cung cấp các khoản trợ cấp tài chính cho
các ô tô điện tiết kiệm năng lượng. Ấn Độ cũng đặt mục tiêu chỉ sản xuất ô tô
điện vào năm 2030. Là thị trường ô tô lớn nhất của Liên minh châu Âu, Đức
cũng miễn thuế 10 năm và trợ giá cho ô tô điện. Do đó, để đáp ứng nhu cầu ngày
càng tăng của ô tô điện, điều quan trọng là phải phát triển các bộ sạc và chuẩn bị
cơ sở hạ tầng điện toàn cầu cho nhu cầu năng lượng lớn sắp tới.
Bộ sạc pin đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của ô tô điện.
Thời gian sạc và tuổi thọ của pin có liên quan đến các đặc tính của bộ sạc pin. Bộ
sạc pin phải hiệu quả và đáng tin cậy, với mật độ năng lượng cao, chi phí thấp,
khối lượng và trọng lượng thấp. Do vậy, các nghiên cứu về sạc cho ô tô điện sẽ
tiếp tục được đẩy mạnh, đặc biệt là các nghiên cứu về sạc hai chiều do sự phát
triển của lưới điện thông minh, năng lượng tái tạo, nhà thông minh…
Chương I sẽ giới thiệu các phương pháp sạc cho ô tô điện hiện nay, giới
thiệu về công nghệ sạc hai chiều, trình bày cấu hình của bộ sạc được lựa chọn,
các thách thức và phạm vi nghiên cứu của luận văn.
1.1 Các phương pháp sạc ô tô điện.
Bộ sạc pin cho ô tô điện có thể được phân loại theo mức công suất. Tùy
theo từng quốc gia, vùng lãnh thổ, chủng loại xe mà bộ sạc ô tô điện có các cách
phân loại công suất khác nhau (Bảng 1.1).
Bảng 1.1 Phân loại sạc ô tô điện theo công suất
Loại sạc Vị trí Công suất Đầu vào
1 pha
Mức 1 (sạc Bộ sạc bên trong 1,5kW –
100-120 VAC (Nhật - Mỹ)
chậm) ô tô 3,5kW
220 VAC (Châu Âu)
1 pha hoặc 3 pha
Mức 2 (sạc Bộ sạc bên trong 3,5kW –
200-240 VAC (Nhật - Mỹ)
trung bình) ô tô hoặc trạm sạc 22kW
400 VAC (Châu Âu)
Mức 3 Bộ sạc bên trong
>22kW 3 pha hoặc VDC
(sạc nhanh) ô tô hoặc trạm sạc
1
Hầu hết quá trình sạc ô tô điện có thể diễn ra tại nhà qua đêm trong nhà để
xe, nơi ô tô điện có thể được cắm vào ổ cắm tiện lợi để sạc Mức 1 (sạc chậm).
Sạc mức 2 thường được mô tả là phương pháp chính cho cả cơ sở tư nhân và
công cộng. Các nghiên cứu hiện tại và trong tương lai tập trung vào sạc mức 2.
Sạc mức 2 cung cấp năng lượng dồi dào và có thể được thực hiện trong hầu hết
các điều kiện khác nhau, nhưng yêu cầu phải có đầu kết nối chuyên dụng. Thông
thường, các giải pháp một pha được sử dụng cho mức 1 và 2. Mức 3 và sạc
nhanh một chiều dành cho các ứng dụng thương mại và công cộng, hoạt động
giống như một trạm xăng và thường sử dụng điện áp ba pha đầu vào. Các trạm
sạc công cộng có khả năng cung cấp sạc mức 2 hoặc 3 và được lắp đặt tại các bãi
đậu xe, trung tâm mua sắm, khách sạn, trạm dừng nghỉ, nhà hàng, v.v.
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện tử công suất trong ô tô điện
Bộ sạc cho ô tô điện có thể được phân loại thành bộ sạc trên ô tô (OBC –
On-Board Charger) và bộ sạc bên ngoài ô tô hay trạm sạc (EVSE – Electric
Vehicle Service Equipment) với dòng điện một chiều hoặc hai chiều. Sạc một
chiều có ưu điểm là hạn chế các yêu cầu về phần cứng, đơn giản hóa vấn đề kết
nối và tốt hơn đối với tuổi thọ của pin. Hệ thống sạc hai chiều hỗ trợ sạc từ lưới
điện, đẩy năng lượng từ pin trở lại lưới để ổn định điện lưới hoặc cấp cho phụ tải
ở bên ngoài [4]. Các bộ sạc trên ô tô điện thường chỉ sử dụng sạc mức 1 và mức
2 vì các hạn chế về trọng lượng, không gian và chi phí. Trong khi đó, trạm sạc ít
bị hạn chế bởi kích thước và trọng lượng.
Hệ thống sạc trên ô tô có thể phân loại thành sạc có dây hoặc không dây.
Hệ thống sạc có dây sử dụng tiếp xúc trực tiếp giữa nguồn và đầu vào bộ sạc [5].
Sạc không dây là một phương pháp sạc được quan tâm không chỉ đối với các
nghiên cứu về ô tô điện mà còn đối với các ngành khác như đồ gia dụng, robot,
thiết bị y tế. Bản chất của phương pháp này là một bộ sạc trên xe kết hợp với hệ
thống thu phát không dây. Phương pháp sạc không dây đã và đang được phát
triển cho mức 1 và 2 [6] [7] và có thể sạc khi đứng yên (sạc tĩnh) [8] hoặc di
chuyển (sạc động) [9] [10]. Phương pháp này cho phép người dùng sạc ô tô ngay
2
tại vị trí dừng đỗ mà không cần bất cứ một dây kết nối trực tiếp nào, hoặc được
sử dụng để tạo ra các làn đường sạc cho ô tô điện.
Hình 1.2 Sơ đồ sạc không dây trên ô tô.
Để giảm thiểu trọng lượng, khối lượng và chi phí, việc tích hợp chức năng
sạc vào hệ thống truyền động điện đã được đề xuất [11]. Bộ sạc tích hợp được
phát triển lần đầu tiên vào năm 1985 [12] và đã được cấp bằng sáng chế bởi
Rippel và Cocconi vào các năm 1990, 1992 và 1994. Thời điểm hoạt động của bộ
sạc này và hoạt động của động cơ là không đồng thời với nhau. Trong bộ sạc tích
hợp, cuộn dây động cơ được sử dụng như cuộn cảm lọc hoặc máy biến áp cách ly
và bộ biến tần điều khiển động cơ đóng vai trò như một bộ chuyển đổi AC-DC
hai chiều. Ưu điểm quan trọng nhất là khả năng sạc nhanh hai chiều (Mức 2 và
3), công suất cao, chi phí thấp, có thể điều chỉnh hệ số công suất bằng 1. Điều
khiển phức tạp và phần cứng bổ sung là những thách thức đối với việc triển khai
trong các sản phẩm thương mại. Công ty Ford Motor hiện có triển khai hệ thống
truyền động động cơ kết hợp với hệ thống nạp ắc quy trên động cơ không đồng
bộ ba pha. Một bộ sạc tích hợp có cách ly dựa trên động cơ xoay chiều được sử
dụng trong ngành công nghiệp ô tô được trình bày trong [13]. Có một số ứng
dụng cho xe máy điện và xe hai bánh được giới thiệu trong [14]. Một hệ thống
sạc tích hợp điển hình được trình bày trong Hình 1.3.
3
Hình 1.3 Sạc thông qua cuộn dây động cơ
1.2 Công nghệ sạc ô tô hai chiều.
Thay vì chỉ đơn thuần là một tải của hệ thống điện, pin ô tô điện có thể
được sử dụng như một bộ lưu trữ năng lượng di động. Tiềm năng này đã dẫn đến
khái niệm xe điện hòa lưới (V2G – Vehicle to Grid). Ngoài việc sạc pin cho ô tô
điện, V2G cho phép chủ sở hữu của xe bơm năng lượng từ pin vào lưới theo lịch
trình và tỷ lệ năng lượng được xác định trước. Toàn bộ năng lượng truyền đi
được ghi nhận bằng công tơ hai chiều và công ty điện lực có trách nhiệm trả phí
cho chủ sở hữu xe.
Hình 1.4 Mô tả về sự chuyển đổi giữa hai chế độ G2V và V2G theo nhu cầu của mạng
lưới điện năng
Xe điện hoạt động ở chế độ V2G có thể san tải, cạo tải đỉnh (Hình 1.4), hỗ
trợ công suất phản kháng, điều chỉnh công suất hoạt động, cải thiện độ ổn định và
lọc sóng hài [15] – [17]. Mặt khác, chủ sở hữu xe có thể kiếm thêm doanh thu
bằng cách bán điện cho lưới điện, giúp giảm chi phí vận hành xe. Bộ sạc ô tô
4
điện thông thường có đặc tính một chiều, cho phép sạc chậm hoặc sạc nhanh.
Việc triển khai công nghệ V2G yêu cầu bộ sạc chuyên dụng cho phép trao đổi
hai chiều giữa lưới điện và pin ô tô điện [18]. Hơn nữa, các bộ sạc hai chiều sẽ
cho phép chủ sở hữu sử dụng xe của họ như một nguồn áp cung cấp cho các mục
đích khác như cung cấp điện từ xe sang các thiết bị trong nhà (Vehicle-to-Home
– V2H) hoặc từ xe ra tải (Vehicle-to-Load - V2L) trong thời gian mất điện lưới
hoặc từ xe sang xe (Vehicle-to-Vehicle - V2V) trong trường hợp trong trường
hợp khẩn cấp [19] [20].
Khái niệm về bộ sạc hai chiều cho ô tô điện với công nghệ V2G và V2H
được mô tả khái quát trong Hình 1.5. Khi ô tô được kết nối với lưới điện, năng
lượng có thể được truyền đến hoặc từ pin (G2V và V2G). Trong trường hợp
không có lưới điện hoặc mất điện, pin của ô tô điện có thể hoạt động như nguồn
điện áp để cung cấp cho các tải mong muốn. Hệ thống này không nhằm mục đích
lưu trữ năng lượng theo thời gian thực, nó là một hệ thống lưu trữ năng lượng
phụ trợ.
Hình 1.5 Chiều năng lượng của pin ô tô điện trong các chế độ G2V, V2G, V2H
Chìa khóa để sử dụng pin ô tô điện cho mục đích V2G và V2H đó là triển
khai khả năng sạc hai chiều cho bộ sạc bên trong xe (OBC). OBC cung cấp khả
năng sạc trực tiếp từ lưới điện xoay chiều và được sử dụng rộng rãi trong ngành
công nghiệp ô tô vì sự tiện lợi của nó, đặc biệt là so với các giải pháp sạc bên
ngoài ô tô có chi phí cao và khối lượng lớn [21] [22]. OBC là một bộ phận quan
trọng của bất kỳ ô tô điện nào. Nó giúp trao đổi năng lượng giữa pin điện áp DC
và lưới điện một pha hoặc ba pha. OBC một chiều phổ biến vì yêu cầu phần cứng
đơn giản và mức độ suy giảm pin thấp [23]. Tuy nhiên, sự phát triển hiện tại của
ô tô điện đã bộc lộ tiềm năng của OBC hai chiều.
5
OBC hai chiều được phân loại thành OBC một giai đoạn và OBC hai giai
đoạn. Cả hai loại OBC này đều được phân loại là OBC một pha và OBC ba pha
(Hình 1.6). Thời gian sạc tỷ lệ nghịch với mức năng lượng. Do yêu cầu về thời
gian sạc ngắn hơn, OBC hai chiều công suất cao hơn được mong đợi trong tương
lai. Nhìn chung, OBC hai chiều hiện nay chủ yếu được chế tạo để sử dụng ở mức
2 với công suất từ 3,5kW đến 22kW. OBC mức 1 hướng đến chi phí thấp và công
suất thấp, không phù hợp với các ứng dụng trao đổi năng lượng theo hai chiều.
Sạc hai chiều mức 3, với dải công suất từ 22kW trở lên, giảm thiểu thời gian sạc
trong khi công suất xả hầu hết được giới hạn ở mức 6,6kW đến 12kW, do tuổi
thọ pin và dung lượng bị suy giảm [24], [25].
Hình 1.6 Phân loại OBC hai chiều
Các hãng sản xuất ô tô lớn trên thế giới đã thể hiện sự quan tâm của họ
trong việc phát triển OBC hai chiều. Ví dụ: Nissan đã phát triển chức năng V2H
cho mẫu Leaf 2013 của mình và tất cả các xe Leaf thế hệ tiếp theo sẽ có khả năng
V2G. Vào năm 2019, Tesla và thương hiệu xe điện Trung Quốc, BYD Tang, đã
triển khai các chức năng V2L và V2V. Các công ty Honda và BMW cũng phát
triển OBC hai chiều. Vào năm 2020, hầu hết các OBC có thể đạt được mức công
suất từ 6kW đến 10kW, trong khi một số có thể đạt tới 22kW như ở trên xe
Renault Zoe. Hơn nữa, mật độ năng lượng của OBC hiện ở mức 3,3kW/L và hiệu
suất cao nhất ước tính hơn 97%. Công suất và mật độ công suất của OBC dự kiến
sẽ đạt lần lượt là 4kW/kg và 4,6kW/L, trong khi hiệu suất tối đa là 98% [26].
Ngày càng có nhiều tiêu chuẩn vận hành cho OBC được áp dụng. Thứ nhất,
OBC hoạt động ở chế độ sạc cần đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng điện của lưới
điện [27]. Ví dụ, tổng độ méo hài (THD) của dòng điện phải nhỏ hơn 7% để tuân
thủ các yêu cầu 519 của Hội Kỹ sư Điện và Điện tử (IEEE) [28]. Nhiều quốc gia
tuân theo quy định riêng của họ về giới hạn sóng hài, chẳng hạn như SAE J2894
ở Hoa Kỳ [29], IEC 61000 ở Châu Âu [30]. Thứ hai, khi OBC hai chiều hoạt
động như một nguồn năng lượng dự phòng (ví dụ: V2L, V2V), nó phải tuân theo
6
các tiêu chuẩn của lưới điện siêu nhỏ (Microgrid), chẳng hạn như tiêu chuẩn
IEEE 1547 [31] và Tiêu chuẩn UL 1741 [32]. Cuối cùng, các tiêu chuẩn kết nối
OBC phải được đáp ứng với SAE JI772 ở Hoa Kỳ [33], IEC 62196 ở Châu Âu
[34].
Mặc dù OBC hai chiều có những lợi ích rõ ràng, nhưng nó vẫn mang lại
những thách thức mới. Thứ nhất, bộ sạc hai chiều cần phải tương thích với các
chức năng lưới điện thông minh tiên tiến. Do đó, cập nhật lưới điện và cơ sở hạ
tầng là một mối quan tâm lớn. Thứ hai, mặc dù OBC hai chiều có một số ưu
điểm như cạo đỉnh và điều chỉnh tần số cho lưới điện, nhưng nó có một số tác
động tiềm ẩn đến sự suy giảm của pin do hoạt động sạc hoặc xả thường xuyên.
Chính phủ hoặc các cơ quan cần cung cấp các chính sách động lực bổ sung như
hỗ trợ tài chính để khuyến khích người tiêu dùng tiềm năng lựa chọn ô tô điện có
khả năng sạc hai chiều. Mặt khác, việc giám sát và bảo vệ an toàn trong chế độ
V2G và G2V là cần thiết. Lưới điện thông minh cũng phải đủ tin cậy để đáp ứng
được V2G. Một thách thức khác là vì OBC được đặt trong xe hơi, nó phải được
tối ưu về kích thước và trọng lượng, để tăng không gian cho các thiết bị khác và
mở rộng phạm vi hoạt động của xe.
Do đó, các nghiên cứu về sạc hai chiều đã và đang được đẩy mạnh với các
hướng nghiên cứu chủ đạo bao gồm nâng cao hiệu suất bộ biến đổi, nâng cao mật
độ công suất nhằm tối ưu kích thước bộ sạc, kết nối EV với lưới điện thông
minh, nhà thông minh, …
1.3 Cấu hình bộ sạc hai chiều cho ô tô điện.
Như đã nêu ở phần trước, OBC được phân loại theo cấu hình hai giai đoạn
và cấu hình một giai đoạn. Đối với kiến trúc OBC hai giai đoạn, một bộ biến đổi
AC/DC PFC phía trước mắc nối tiếp với một bộ DC/DC tích cực cách ly. Bộ
chuyển đổi AC/DC PFC được sử dụng để cung cấp điện áp một chiều có thể điều
khiển được và đáp ứng các yêu cầu về sóng hài của lưới điện. Bộ chuyển đổi
DC/DC cách ly cung cấp khả năng cách ly điện và điều chỉnh nguồn điện cung
cấp cho pin. Hầu hết các xe điện sử dụng OBC hai giai đoạn trong ngành công
nghiệp ô tô [35]. Mặt khác, cấu hình một giai đoạn đã xuất hiện trong các ứng
dụng OBC vì tụ điện liên kết DC của OBC hai giai đoạn rất lớn và có tuổi thọ
hạn chế. Thật vậy, việc loại bỏ tụ điện liên kết DC và chỉ bao gồm một bộ
chuyển đổi AC/DC biệt lập, có thể tạo ra bộ sạc có mật độ năng lượng cao hơn
và giảm chi phí phần cứng [36].
Trong những năm gần đây, phạm vi công suất của OBC hai chiều đã tăng
lên đáng kể, thậm chí đã đạt Mức 3. Việc tiêu thụ công suất cao phù hợp hơn với
nguồn điện 3 pha – thường có tại các cơ sở thương mại và công nghiệp, trong khi
nguồn cung cấp một pha thường phổ biến hơn và được sử dụng trong các ứng
dụng dân dụng. Tuy nhiên, EV phải có khả năng được sạc ở bất kỳ vị trí nào. Do
đó, các thiết kế của OBC phải có thể hoạt động hết công suất với nguồn cung cấp
một pha và ba pha [37].
Các cấu hình OBC ba pha đã xuất hiện trên thị trường để đáp ứng nhu cầu
điện năng cao. Có hai cách tiếp cận trong cấu hình ba pha và cả hai cách này đều
7
có thể hoạt động ở chế độ một pha hoặc ba pha. Cấu hình đầu tiên, được thể hiện
trong Hình 1.7a là một cấu hình module bao gồm nhiều bộ OBC một pha được
kết nối với từng pha của điện lưới. Cấu hình thứ hai, được thể hiện trong Hình
1.7b, minh họa cấu hình bộ OBC ba pha. So với cấu hình ba pha, cấu hình dạng
module có độ tin cậy và khả năng chuyển đổi công suất tốt hơn [38]. Mặc dù cấu
hình module cần nhiều van bán dẫn và cảm biến hơn, các linh kiện của nó có thể
được lựa chọn ở ngưỡng dòng điện thấp hơn, cho nên có giá thành rẻ hơn. Ngoài
ra, cấu hình module còn linh hoạt hơn cho khách hàng trọng việc lựa chọn công
suất sạc tối đa xe. Một số nhà sản xuất, chẳng hạn như Current Ways, đã đề xuất
OBC hai chiều có công suất ở mức 22kW sử dụng cấu trúc này.
Hình 1.7 (a) Cấu hình OBC 3 pha dạng module gồm 3 OBC 1 pha. (b) Cấu trúc OBC 3
pha
Bộ sạc pin hai chiều cho ô tô điện được giới thiệu trong luận văn này được
thiết kế theo cấu hình module như Hình 1.7a. Mỗi module là một bộ sạc hai giai
đoạn, bao gồm hai bộ biến đổi nguồn dùng chung một liên kết DC. Một bộ trao
đổi năng lượng với lưới điện và một bộ trao đổi năng lượng với pin ô tô điện
(Hình 1.8).
Hình 1.8 Thành phần cơ bản của một bộ OBC hai chiều 1 pha
8
Để trao đổi năng lượng với lưới điện, sử dụng một bộ biến đổi AC-DC hai
chiều cấu trúc cầu. Bộ biến đổi này hoạt động như bộ PFC với dòng điện hình sin
và hệ số công suất bằng 1 trong chế độ hoạt động G2V. Trong chế độ V2G và
V2H, bộ biến đổi này hoạt động như một biến tần. Ở chế độ V2G, bộ chuyển đổi
hoạt động như nguồn dòng được điều khiển để đẩy năng lượng lên lưới. Ở chế độ
V2H, bộ biến đổi hoạt động như một nguồn điện áp với đầu ra có dạng sóng sin
để cung cấp cho các tải trong nhà.
Để trao đổi năng lượng với pin của xe, sử dụng một bộ biến đổi DC-DC hai
chiều với cấu trúc cầu tích cực kép (DAB) [39]. Cấu trúc DAB là cấu trúc kết
hợp hai tính chất đó là cho phép dòng năng lượng dịch chuyển theo hai chiều và
khả năng cách ly điện. Hình 1.9 mô tả cấu trúc bộ biến đổi DC-DC hai chiều
DAB kiểu CLLC đối xứng.
Hình 1.9 Cấu hình bộ biến đổi DC-DC hai chiều DAB kiểu LCCL đối xứng
Khi đã hiểu thành phần cơ bản của OBC, rõ ràng là để tạo ra OBC hai
chiều, cần phải có PFC hai chiều. Tuy nhiên, để thiết kế PFC hai chiều, cũng cần
phải hiểu hoạt động cơ bản của PFC một chiều. Như đã nêu ở trên, PFC là bộ
phận trao đổi năng lượng với lưới của OBC, điều khiển dòng điện xoay chiều
theo hình sin và cùng pha với điện áp xoay chiều, đồng thời điều khiển điện áp
liên kết DC. Bộ boost PFC thông thường có cấu trúc như Hình 1.10, bao gồm
một bộ chỉnh lưu thụ động được nối tiếp với một bộ biến đổi boost thông thường.
Ở đây, việc chuyển mạch của van boost được điều chỉnh sao cho dòng điện đầu
vào tỷ lệ với điện áp xoay chiều. PFC hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM),
chế độ dẫn tới hạn (CrCM) hoặc chế độ dẫn không liên tục (DCM). CCM và
CrCM được sử dụng phổ biến nhất, trong đó CCM có ưu điểm là độ đập mạch
dòng điện thấp hơn, đặt ít áp lực hơn trên van bán dẫn và cuộn cảm và yêu cầu bộ
lọc đầu vào nhỏ hơn, nhưng đồng thời cũng khiến cho van bán dẫn chuyển mạch
cứng ở cả trạng thái dẫn và ngắt, do đó tổn thất chuyển mạch cao hơn. Mặt khác,
CrCM cho phép chuyển mạch dòng điện bằng không (ZCS) và có thể chuyển đổi
điện áp bằng không (ZVS) do dòng điện đạt đến 0 trong mỗi chu kỳ chuyển
mạch, giảm tổn thất khi chuyển mạch nhưng đồng thời tạo ra đập mạch dòng
điện lớn gấp đôi dòng điện trung bình, làm tăng áp lực lên các phần tử trong
mạch. Đối với các ứng dụng công suất cao hơn (≥3,5kW), thông thường sẽ hoạt
động ở chế độ CCM, vì nếu không, áp lực lên các phần tử của bộ biến đổi sẽ quá
cao [40].
9
Hình 1.10 Cấu hình bộ boost PFC thông thường
Một nhược điểm rõ ràng của mạch boost PFC cấu trúc thông thường liên
quan đến khả năng dẫn hai chiều là sự hiện diện của các điốt thụ động cả trong
cầu chỉnh lưu và điốt nhanh trong mạch boost, và do đó chúng cần phải được loại
bỏ. Bước đầu tiên theo hướng này là đưa van bán dẫn và diode chuyển mạch
nhanh vào thay thế cho cầu chỉnh lưu điốt, hay còn gọi là mạch chỉnh lưu PFC
không cầu điốt (bridgeless PFC). Sự tích hợp này có lợi thế về mặt tổn hao, vì số
lượng bán dẫn khi dẫn dòng giảm từ 3 xuống 2, đặc biệt là giảm tổn hao dẫn. Hai
cấu trúc bridgeless PFC đơn giản và nhỏ gọn là bridgeless PFC cơ bản và totem-
pole PFC được thể hiện trong Hình 1.11. Trong các cấu trúc này, các van bán dẫn
thay phiên nhau hoạt động như van boost sau mỗi nửa chu kỳ điện áp lưới và bị
tắt đi (cấu trúc bridgeless PFC cơ bản) hoặc hoạt động như điốt của mạch boost
(totem-pole PFC) ở chu kỳ lưới còn lại. Trước đây, bridgeless PFC cơ bản là cấu
trúc được ưa thích, với cấu trúc totem-pole PFC bị bỏ qua do tổn hao khôi phục
ngược lớn trong diode nội của MOSFET khi hoạt động ở chế độ CCM.
Hình 1.11 (a) Cấu hình Bridgeless PFC đơn giản (b) Cấu hình totem-pole PFC
10
Hình 1.12 Cấu hình bộ biến đổi PFC hai chiều
Tuy nhiên, trong những tiến bộ gần đây, cấu trúc totem-pole PFC ngày càng
được sử dụng nhiều hơn khi thay thế các điốt chỉnh lưu còn lại bằng MOSFET,
cho phép đảo chiều dòng điện. Điều đó tạo ra cấu trúc PFC hai chiều, cấu trúc
totem-pole PFC hai chiều được thể hiện trong Hình 1.12. Người ta cũng phát
hiện ra rằng các kỹ thuật như chế độ dòng điện tam giác (TCM) và chuyển mạch
thung lũng (Valley switching), cho phép chuyển mạch khi điện áp thấp hoặc
bằng không khi phóng năng lượng trên tụ ký sinh của van boost bằng dòng điện
âm ngắn hạn, làm tăng hiệu suất của cấu trúc totem-pole PFC.
Thông qua nghiên cứu tài liệu cho thấy rằng hiện nay hầu hết các OBC hai
chiều 1 pha được đề xuất trong các tài liệu khoa học đang sử dụng cấu trúc
totem-pole PFC hai chiều được trình bày trong Hình 1.12 [41] - [43]. Điều này
cho thấy rằng có thể thiết kế một bộ biến đổi totem-pole PFC hai chiều cho OBC
hoạt động hiệu quả. Vì lý do đó, bộ biến đổi totem-pole PFC hai chiều sẽ là cấu
trúc AC-DC được lựa chọn cho bộ OBC trong luận văn thạc sĩ này.
1.4 Thách thức.
Một bộ biến đổi totem-pole PFC 1,5kW cùng phương pháp điều khiển của
nó được trình bày trong [44]. Tuy nhiên, giá thành của các van bán dẫn Wide
Bandgap (WBG) vẫn cao hơn rất nhiều so với van bán dẫn Silicon thông thường.
Mặt khác, việc sử dụng van Si ở chế độ dòng điện liên tục (CCM) khiến cho tổn
hao khôi phục ngược của van bán dẫn là đáng kể. Tổn hao chuyển mạch thấp chỉ
có thể đạt được khi hoạt động ở chế độ dòng điện dẫn tới hạn (CrCM) hoặc chế
độ dòng điện gián đoạn (DCM) cho phép chuyển mạch cộng hưởng và do đó
giảm tổn hao chuyển mạch.
Với kỹ thuật điều chế được đề xuất trong [45], phạm vi hoạt động của
chuyển mạch mềm được giới hạn ở |vn| ≤ Vout/2. Đối với điện áp đầu vào lớn
hơn, chuyển mạch thung lũng (Valley switching) phải được sử dụng để giảm tổn
thất chuyển mạch. ZVS toàn dải trong toàn bộ chu kỳ lưới có thể đạt được bằng
kỹ thuật điều chế [46] [47], có tên là chế độ dòng điện tam giác (TCM) do dòng
điện dẫn hình tam giác, đòi hỏi tính toán số phức tạp [46] hoặc kết quả đo [47] để
xác định các thông số thời gian cần thiết để vận hành bộ biến đổi.
11
Một nhược điểm của bộ totem-pole PFC hoạt động ở chế độ TCM là đập
mạch dòng điện đầu vào lớn, đòi hỏi bộ lọc EMI chế độ vi sai (Differential mode
- DM) lớn. Một phương pháp làm tăng tần số và giảm độ đập mạch dòng điện,
tạo điều kiện giảm kích thước bộ lọc DM đó là phương pháp Interleaved được đề
cập trong [48]. Tuy nhiên, điều khiển Interleaved không được mô tả chi tiết và
không cho phép chuyển mạch mềm trong toàn bộ chu kỳ lưới khi áp dụng vào
bài toán này.
1.5 Phạm vi nội dung nghiên cứu.
Luận văn trình bày những phân tích và mô tả về bộ biến đổi Interleaved
Totem-pole PFC, áp dụng cho bộ sạc hai chiều cho ô tô điện. Chương 2 giải thích
cụ thể phương pháp chuyển mạch mềm trong chế độ TCM đồng thời mô tả chi
tiết cấu hình điều chế chuyển mạch mềm toàn dải. Các biểu thức cho phép tính
toán trực tiếp các tham số thời gian cần thiết để vận hành bộ chuyển đổi và để đạt
được ZVS toàn dải cũng được nêu trong chương này. Chương 3 đề cập đến các
phương pháp điều khiển Interleaved, sau đó đề xuất một phương pháp điều khiển
Interleaved cho bộ biến đổi Totem-pole PFC hoạt động ở chế độ TCM.
Bộ sạc hai chiều cho ô tô điện được nghiên cứu thiết kế trong luận văn này
có công suất tối đa 19,8kW. Bao gồm 6 module OBC 1 pha có công suất 3,3kW
và được chia làm 3 pha, mỗi pha gồm 2 module OBC mắc song song. Dải điện áp
hoạt động đầu vào từ 85 – 265 Vrms.
12
CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TOÀN DẢI CHO
BỘ BIẾN ĐỔI TOTEM-POLE PFC
MOSFET là sự lựa chọn chủ yếu cho các bộ OBC hai chiều so với các van
bán dẫn khác vì tính ứng dụng rộng rãi, công suất và giá thành của nó. Trên thực
tế, các van bán dẫn WBG (wide bandgap) như SiC và GaN, cung cấp nhiều ưu
điểm hơn các van bán dẫn Silicon (Si) thông thường. Các van bán dẫn WBG có
trường phá vỡ cao hơn cho phép chúng hoạt động tốt ở nhiệt độ cao, điện áp cao
và có thể được tối ưu hóa để có điện trở dẫn nhỏ hơn. Các van bán dẫn này đang
trở thành một giải pháp hấp dẫn cho các OBC. Tuy nhiên, các van WBG hiện có
giá thành cao hơn khá nhiều so với van Silicon thông thường. Do đó, việc lựa
chọn van bán dẫn MOSFET đồng thời áp dụng các phương pháp điều khiển
chuyển mạch mềm cho van MOSFET vẫn cho thấy tính thực tiễn cao hơn.
Chương II trình bày phương pháp chuyển mạch mềm toàn dải cho bộ biến đổi
totem-pole PFC hoạt động ở chế độ dòng điện tam giác (TCM). Mặc dù chế độ
dòng điện CCM được khuyên dùng hơn cho các ứng dụng công suất lớn do ứng
suất lên các phần tử trong mạch là thấp hơn trong khi CrCM, DCM, TCM được
khuyên dùng cho các ứng dụng công suất vừa và nhỏ, nhưng với việc lựa chọn
cấu hình 3 pha dạng module cho OBC, mỗi pha của OBC có thể được ghép song
song bởi nhiều bộ OBC 1 pha hoạt động ở chế độ dòng điện tam giác, qua đó giải
quyết được vấn đề ứng suất lên các phần tử trong mạch.
2.1 Chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM) và giới hạn dải chuyển
mạch mềm.
Hình 2.1 Cấu hình bộ biến đổi tăng áp Totem-pole PFC
Lợi ích chính của bộ biến đổi totem-pole PFC hoạt động ở chế độ dòng điện
tới hạn (CrCM) so với chế độ liên tục (CCM) là tổn thất khi diode tăng áp
chuyển từ trạng thái phân cực thuận sang trạng thái phân cực ngược được loại bỏ.
Ngoài ra, việc chuyển mạch mềm (ZVS) hoặc gần mềm (VS) có thể đạt được do
sự cộng hưởng của tụ ký sinh trên van tăng áp và diode tăng áp với cuộn tăng áp.
Trong khi đó, cả chế độ dòng điện liên tục và chế độ dòng điện gián đoạn (DCM)
đều không thể đạt chuyển mạch mềm mà không cần thêm một mạch snubber tích
13