Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra cho bộ biến đổi dc dc hai chiều ba pha xếp chồng 273396
- 71 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN DUY LONG
THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA
CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU BA PHA XẾP CHỒNG
Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. TẠ CAO MINH
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ này là công trình của riêng tôi do tôi tự thực
hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn
trung thực.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014
Học viên
Nguyễn Duy Long
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ........................................................................................ iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ v
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... .1
Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU. 3
1.1 Vài nét về ô tô điện ................................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử ra đời .................................................................................................... 3
1.1.2. Nhu cầu về ô tô điện ......................................................................................... 4
1.1.3. Phân loại ........................................................................................................... 4
1.2. Bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện ......................................................................... 9
1.2.1. Vị trí vai trò trong ô tô điện .............................................................................. 9
1.2.2. Yêu cầu công nghệ .......................................................................................... 11
1.3. Lựa chọn cấu hình .................................................................................................. 11
1.3.1. Bộ biến đổi DC-DC một chiều không cách ly ................................................ 12
1.3.2. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly ................................................. 13
1.3.3. Lựa chọn cấu hình ........................................................................................... 16
Chương 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THUẬT TOÁN PHÂN PHỐI NĂNG
LƯỢNG ............................................................................................................................ 20
2.1.Nguyên lý hoạt động ............................................................................................... 20
2.1.1.Chế độ hoạt động ............................................................................................. 20
2.1.2.Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 20
2.2.Siêu tụ một sự lựa chọn hợp lý................................................................................ 25
2.3.Thuật toán phân phối năng lượng ........................................................................... 27
2.4.Tính toán thông số mạch ........................................................................................ 28
Chương 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................ 32
3.1. Phương pháp trung bình không gian trạng thái .................................. ………..…..32
3.1.1. Điều kiện áp dụng ........................................................................................... 32
3.1.2. Mô hình hóa .................................................................................................... 33
3.2. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................................... .35
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ................................................................... 35
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp ........................................................................ 39
Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................................................. 44
4.1. Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................................... 44
4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 48
4.2.1. Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha ............................... 48
4.2.2. Kết quả mô phỏng thuật toán phân phối năng lượng ...................................... 49
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 58
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 60
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Xe hybrid đầu tiên Semper Vivus (1900) ............................................................ 3
Hình 1.2. Edixon và chiếc xe Detroit (1914) ...................................................................... 3
Hình 1.3. Cấu hình xe EV ................................................................................................. 5
Hình 1.4. Chiếc xe của năm Nissan Leaf (2011)................................................................ 5
Hình 1.5. Xe hybrid nhanh nhất thế giới Lexus GS 450h (2011) ....................................... 6
Hình 1.6. Cấu hình xe hybrid nối tiếp ................................................................................. 6
Hình 1.7. Cấu hình xe hybrid song song ............................................................................. 7
Hình 1.8. Cấu hình xe hybrid nối tiếp song song ................................................................ 8
Hình 1.9. Cấu hình xe hybrid phức tạp ............................................................................... 8
Hình 1.10. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động ..................................... 9
Hình 1.11. Hệ thống nguồn năng lượng xét đến cấu hình thực tế ..................................... 10
Hình 1.12. Sơ đồ mạch Buck ............................................................................................. 12
Hình 1.13. Sơ đồ mạch Boost ............................................................................................ 12
Hình 1.14. Sơ đồ mạch Buck-Boost .................................................................................. 13
Hình 1.15. Sơ đồ mạch Buck hai chiều ............................................................................. 14
Hình 1.16. Cấu hình mạch buck nhìn từ VH đến VL.......................................................... 14
Hình 1.17. Cấu hình mạch boost nhìn từ VL đến VH ......................................................... 14
Hình 1.18. Sơ đồ mạch Boost hai chiều ............................................................................ 15
Hình 1.19. Sơ đồ mạch Buck-Boost hai chiều .................................................................. 16
Hình 1.20. So sánh độ đập mạch dòng điện theo số pha ................................................... 18
Hình 1.21. Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha không cách ly............................. 18
Hình 1.22. Sơ đồ mạch DC-DC tương đương một pha hai chiều ..................................... 19
Hình 2.1. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều một pha ............................................................. 20
i
Danh mục hình vẽ
Hình 2.2. Dạng xung mở van và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ đồng bộ ............ 21
Hình 2.3. Mạch tương đương trong các khoảng dẫn của van............................................ 22
Hình 2.4. Dạng xung mở van và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ hai van dẫn ...... 23
Hình 2.5. Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van.. .......................... 23
Hình 2.6. Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ đồng bộ kiểu
boost................................................................................................................................... 24
Hình 2.7. Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ hai van dẫn
kiểu boost. .......................................................................................................................... 24
Hình 2.8. Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van ............................ 25
Hình 2.9. Đặc tính của một số nguồn năng lượng. ............................................................ 26
Hình 2.10. Cấu trúc hệ thống với bộ dự trữ năng lượng phụ ............................................ 27
Hình 2.11. Cấu trúc điều khiển thuật toán quản lý năng lượng......................................... 27
Hình 2.12. Van IGBT CM300DU-12F.............................................................................. 31
Hình 3.1. Mạch tương đương một pha .............................................................................. 33
Hình 3.2. Xung điều khiển và dòng IL bỏ qua trễ .............................................................. 33
Hình 3.3. Mạch tương đương trong khoảng ton ................................................................. 33
Hình 3.4. Mạch tương đương trong toff .............................................................................. 34
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện............................................... 35
Hình 3.6. Đồ thị Bode của đối tượng điều khiển dòng...................................................... 37
Hình 3.7. Đồ thị Bode của hệ hở khi có bộ điều khiển ..................................................... 38
Hình 3.8. Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điều khiển dòng điện ............................... 39
Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp ................................................... 39
Hình 3.10. Đồ thị Bode của đối tượng mạch vòng điều khiển điện áp ............................ 40
Hình 3.11. Đồ thị Bode của hệ hở mạch vòng điều khiển điện áp. ................................... 41
Hình 3.12. Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điều khiển điện áp .................................. 42
Hình 3.13. Đồ thị Bode của hệ hở mạch vòng điện áp sau khi chỉnh định. ...................... 42
ii
Danh mục hình vẽ
Hình 3.14. Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điện áp với bộ điều khiển mới ............... 43
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống .......................................................................... 44
Hình 4.2. Sơ đồ mô hình điều khiển động cơ .................................................................... 45
Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều ................................................... 45
Hình 4.4. Mô hình động lực học ô tô quy về một bánh..................................................... 46
Hình 4.5. Mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha ................................................ 47
Hình 4.6. Mạch điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều ................................................ 47
Hình 4.7. Dòng tổng và dòng từng pha ............................................................................. 48
Hình 4.8. Dòng tổng phóng to ........................................................................................... 48
Hình 4.9. Dòng từng pha phóng to .................................................................................... 49
Hình 4.10. Đồ thị tốc độ đặt và tốc độ đo.......................................................................... 49
Hình 4.11. Đồ thị dòng điện trên acquy trong trường hợp a ............................................. 50
Hình 4.12. Dung lượng acquy trong trường hợp a ............................................................ 50
Hình 4.13. Đồ thị các dòng điện trong trường hợp b ........................................................ 51
Hình 4.14. Dung lượng acquy trong trường hợp b ............................................................ 51
Hình 4.15. Đồ thị điện áp siêu tụ trong trường hợp b ....................................................... 52
Hình 4.16. Đồ thị dòng điện siêu tụ trong trường hợp b ................................................... 52
Hình 4.17. Đồ thị dòng điện acquy trong trường hợp c .................................................... 53
Hình 4.18. Đồ thị dung lượng acquy trong trường hợp c .................................................. 53
Hình 4.19. Đồ thị các dòng điện trong trường hợp d ........................................................ 54
Hình 4.20. Đồ thị dung lượng acquy trong trường hợp d .................................................. 54
Hình 4.21. Đồ thị điện áp siêu tụ trong trường hợp d ....................................................... 55
Hình 4.22. Đồ thị dòng điện siêu tụ trong trường hợp d ................................................... 55
iii
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1. Thông số xe ô tô điện i-MiEV .......................................................................... 28
Bảng 4.1. Tham số mô hình mô phỏng ............................................................................. 46
Bảng P.1 Thông số dây quấn ............................................................................................. 60
Bảng P.2. Thông số lõi EE100/60/28 ................................................................................ 61
iv
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
EVs Electric Vehicles Xe ô tô điện
HEVs Hybrid Electric Vehicles Xe điện lai
FCVs Fuel Cell Vehicles Xe pin nhiên liệu
v
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, biến đổi khí hậu là một vấn đề toàn cầu nhức nhối mà tất cả các quốc gia
trên thế giới phải đối mặt, giải quyết. Trung tâm Hadley của Anh chuyên nghiên cứu và
dự đoán thời tiết thông báo: 1/3 hành tinh sẽ chịu ảnh hưởng của hạn hán nếu việc thay
đổi khí hậu không được kiểm soát. Ở nước ta trong mấy năm gần đây hiện tượng mưa
bão lũ lụt xảy ra thường xuyên hơn cũng là do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Ô nhiễm
môi trường mà sâu xa là ô nhiễm không khí là nguyên nhân chủ yếu, là nguyên nhân
chính gây ra những hiện tượng trên. Do đó giảm khí thải làm sạch bầu khí quyển là mối
quan tâm hàng đầu của các quốc gia phát triển cũng như đang phát triển. Một trong
những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí là do khí thải từ các phương tiện giao
thông đặc biệt ở những thành phố, khu đô thị lớn. Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường,
giao thông là tác nhân chính gây ra 60-70% ô nhiễm không khí ở các đô thị Việt Nam
như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng. Làm sao để những phương tiện giao
thông trở nên “sạch” hơn?
Xuất phát từ yêu cầu trên, hướng nghiên cứu, ứng dụng, thiết kế, chế tạo, ô tô điện trở
thành đề tài nóng hổi trên thế giới. Ở Mỹ, năm 2010, tổng thống Barack Obama tuyên bố
chi 2.4 tỉ đô la cho xe ô tô điện, trong đó 1.5 tỉ đô la cho sản xuất acquy và thiết bị phụ
trợ, 500 triệu đô la cho sản xuất động cơ điện và thiết bị bổ trợ khác, 400 triệu đô la cho
xây dựng cơ sở hạ tầng. Liên minh châu Âu EU sẵn sàng chi 50 triệu bảng giúp đỡ kế
hoạch phát triển ô tô điện. Đức phấn đấu đến năm 2020 trở thành thị trường ô tô điện lớn
nhất thế giới. Đan Mạch cùng các nước như Anh, Phần Lan, Bồ Đào Nha thực hiện giảm
thuế trợ giá bán xe ô tô điện, và nhiều chính sách khuyến khích người sử dụng. Bộ trưởng
Bộ Công nghiệp Tây Ban Nha, Miguel Sebastian tuyên bố: “ Ô tô điện là tương lai và
định hướng cuộc cách mạng công nghiệp ”. Trung Quốc đặt mục tiêu trở thành công
xưởng sản xuất ô tô điện lớn nhất thế giới trong tương lai. Nhật Bản trợ giá 30% cho mỗi
chiếc ô tô điện được bán ra.
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu xe ô tô điện đã được triển khai nhưng mới chỉ trong
bước đầu. Với xu thế đó, đề tài nghiên cứu chế tạo ô tô điện của thầy PGS.TS. Tạ Cao
Minh đang được triển khai đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong đó có hướng
nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC-DC hai chiều hướng tới ứng dụng cho ô tô điện. Từ
đó, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Tạ Cao Minh em đã có cơ hội để nghiên
cứu tìm hiểu đề tài: “Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra
1
Lời nói đầu
cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha xếp chồng ”. Trên cơ sở đó, luận văn này
được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện,
qua đó điều khiển việc trao đổi năng lượng giữa acquy và siêu tụ, hai nguồn năng lượng
chính trong xe ô tô điện, đảm bảo nâng cao chất lượng đáp ứng của xe cũng như kéo dài
tuổi thọ acquy. Sau một thời gian nghiên cứu tìm tòi, dưới sự hướng dẫn tận tình của các
thầy giáo, em đã thu được một số kết quả khả quan, cụ thể là đã thiết kế bộ biến đổi DC-
DC hai chiều và kiểm nghiệm qua mô hình mô phỏng trên máy tính, tạo tiền đề cho việc
thực hiện bộ biến đổi DC-DC hai chiều sử dụng trong ô tô điện.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo
PGS.TS. Tạ Cao Minh, thầy giáo Ths. Nguyễn Duy Đỉnh, kỹ sư Nguyễn Bảo Huy công
tác tại trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ CTI Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, đã giúp em thực hiện được đề tài này. Tuy nhiên, do thời gian có hạn
cũng như còn hạn chế về kiến thức, khả năng làm việc thực nghiệm, luận văn chắc chắn
không tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế, em kính mong nhận được những lời nhận xét,
đánh giá, góp ý của các thầy cô để em khắc phục và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của
luận án.
Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014
Học viên
Nguyễn Duy Long
2
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN
VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU
1.1. Vài nét về ô tô điện
1.1.1. Lịch sử ra đời
Ô tô điện ra đời vào đầu những năm 30 của thế kỉ 19 đánh dấu bằng sự kiện Robert
Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe chuyên chở đầu tiên, sử dụng loại pin
sơ cấp (primary cell) không sạc được. Cũng trong khoảng thời gian này, vào năm 1834
Thomas Davenport, nhà phát minh người Mỹ, phát minh ra động cơ điện một chiều đã
lắp đặt động cơ của ông lên một chiếc ô tô mô hình và chạy được vài vòng ngắn. Năm
1838 một người Scotland là Robert Davidson đã tạo ra một đầu máy kéo chạy bằng điện
đạt tốc độ bốn dặm một giờ (khoảng 6km/h). Năm 1840, một phát minh mới thực sự đưa
xe điện vào đời sống là việc sử dụng đường ray để dẫn điện. Tuy nhiên việc này khiến
cho xe luôn phụ thuộc vào đường ray, việc phát minh ra ắc quy có thể sạc được đã giải
quyết vấn đề này. Edixon, nhà phát minh nổi tiếng người Mỹ, là một trong những người
đầu tiên sử dụng ắc quy loại này cho ô tô điện. Năm 1865, Gaston Plante cùng người
đồng hương của ông là Camille Faure đã thành công trong việc cải thiện chất lượng của
ắc quy, giúp cho xe có thể di chuyển được một quãng đường dài hơn.
Hình 1.1. Xe hybrid đầu tiên Hình 1.2. Edixon và chiếc xe
Semper Vivus (1900) [19]. Detroit (1914) [19].
Đầu thế kỉ 20, với sự ra đời ô tô sử dụng động cơ đốt trong, ô tô điện không thể cạnh
tranh được và rơi vào tình trạng ế ẩm dần biến mất. Sự thụt lùi này là do:
3
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
- Vào thời điểm đó người ta đã tìm được những mỏ dầu với trữ lượng lớn dẫn đến việc
hạ giá thành của dầu và những sản phẩm chế xuất từ dầu. Nhiên liệu cho động cơ đốt
trong trở nên đơn giản.
- Giá thành một chiếc ô tô điện đắt gấp hơn hai lần một chiếc ô tô chạy động cơ đốt trong.
- Ô tô điện chỉ chạy ở tốc độ thấp 24-32km/h trong phạm vi 50-65km trong khi với ô tô
chạy bằng động cơ đốt trong tốc độ và phạm vi hoạt động đạt đến độ hoàn hảo.
Hiện nay bước sang thế kỉ 21, ô tô điện quay trở lại thành một đề tài rất được quan
tâm chú ý. Tại sao lại như vậy, mục 1.1.2 sẽ làm rõ vấn đề này.
1.1.2. Nhu cầu về ô tô điện
Như trong lời nói đầu đã đề cập nhu cầu về ô tô điện hiện nay trở nên bức thiết hơn
bao giờ hết. Đó là do trong hoàn cảnh hiện tại:
- Các nguồn năng lượng dần cạn kiệt, dầu mỏ và các chế xuất từ dầu mỏ cũng không phải
là một ngoại lệ. Vào năm 2004, theo một thống kê của công ty năng lượng hàng đầu thế
giới BP, dầu mỏ chỉ còn đủ dùng trong khoảng 40 năm nữa. Những phương tiện giao
thông sử dụng xăng, dầu sẽ dần biến mất nhường chỗ cho những phương tiện sử dụng
năng lượng tái tạo năng lượng sạch như ô tô điện.
- Ô nhiễm môi trường ngày một trầm trọng, khí thải từ các phương tiện giao thông càng
làm vấn đề thêm nghiêm trọng. Ô tô điện là chìa khóa mở ra một tương lai xanh sạch
trong lành hơn.
Có thể nói ô tô điện là giải pháp tối ưu cho hai vấn đề kể trên, đó là lí do tại sao nó
đang ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của các quốc gia trên toàn thế giới, của ngành
công nghiệp sản xuất ô tô cũng như của các nhà khoa học.
1.1.3. Phân loại
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều hãng đã tung ra sản phẩm của riêng mình như
Nissan, Toyota, Audi, Mercedes-Benz, BMW,… tuy nhiên về mặt kỹ thuật có thể chia
làm ô tô điện ba loại chính:
- EVs (electric vehicles) sử dụng hoàn toàn năng lượng điện thay thế hoàn toàn động cơ
đốt trong với hệ truyền động điện điều khiển hoàn toàn. Hình 1.3 minh họa cấu hình loại
này. Trong đó: B là acquy (battery), P bộ biến đổi (Power converter), M: động cơ điện
(motor), T: bộ truyền động (transmission). Ta thấy cấu hình của xe điện EV khá đơn giản
4
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
với năng lượng chủ yếu lấy từ acquy (battery) qua bộ biến đổi điện tử công suất cung cấp
cho động cơ M truyền động cho bánh xe.
B P M T
Hình 1.3. Cấu hình xe EV.
Một số xe loại này xuất hiện trên thị trường có thể kể đến là Nissan Leaf, Mitsubishi
iMiEV, Tesla Roadster, Honda Fit.
Hình 1.4. Chiếc xe của năm Nissan Leaf (2011) [20].
Phần lớn các xe EVs này chỉ có thể đi được khoảng 100-200 dặm sau đó phải nạp ắc quy
(việc bao gồm thêm siêu tụ có thể cải thiện vấn đề này), xe chạy bằng xăng có thể chạy
300 dặm mới cần đổ xăng. Thêm vào đó, thời gian nạp đầy ắc quy là từ 4-8 tiếng (mặc dù
thời gian nạp đến 80% dung lượng ắc quy chỉ mất 30 phút) điều này có thể gây bất tiện
cho người sử dụng. Một điều nữa cần phải kể đến là giá thành của ắc quy cực kì đắt và tất
nhiên trong quá trình hoạt động, cần được thay thế một vài lần. Tuy vậy đây chỉ là khó
khăn về mặt kỹ thuật, các nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực tìm ra công nghệ mới (mắc
thêm siêu tụ là một ví dụ) nhằm cải thiện chất lượng ắc quy với dung lượng lớn, kích
thước nhỏ, giảm thời gian nạp, giảm giá thành. Do đó, EVs được hy vọng là chiếc xe của
tương lai.
Cuối cùng, đây là loại xe mà luận án này hướng đến nghiên cứu.
- HEVs (hybrid electric vehicles) thuật ngữ xe lai hybrid vehicles không còn xa lạ với
người tiêu dùng. Một loạt các thương hiệu mới đã ra đời như Toyota Prius, Toyota
Highlander Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Lexus RX 400 h, Honda Insight, Honda Civic
Hybrid, Honda Accord Hybrid, và Ford Escape Hybrid…
5
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Hình 1.5. Xe hybrid nhanh nhất thế giới Lexus GS 450h (2011) [20].
Điều này cho thấy đây là loại xe đang chiếm lĩnh thị trường ô tô điện hiện nay. Vậy
‘hybrid’ có ý nghĩa như thế nào? Một phương tiện được gọi là hybrid khi nó kết hợp được
hai hay nhiều nguồn năng lượng. Đối với loại xe đang nhắc đến ở đây, nó sử dụng cả
xăng và điện. Việc chạy bằng ắc quy và xăng cho phép xe lai kết hợp được mômen của
động cơ đốt trong và động cơ điện, giảm tiêu thụ nhiên liệu đáng kể khi so sánh với các
loại xe chạy bằng xăng thông thường. Có thể nói loại này là một bước chuyển ‘quá độ’ từ
xe chạy bằng xăng sang xe chạy bằng điện.
Xe hybrid có bốn cấu hình cơ bản:
+ Cấu hình nối tiếp
F E
G T
B P M
Hình 1.6. Cấu hình xe Hybrid nối tiếp.
Hình 1.5 minh họa cấu hình loại này. Trong đó F là bình nhiên liệu (fuel tank) cung cấp
cho động cơ đốt trong E quay máy phát G sinh ra điện, nguồn điện này dùng để nạp
acquy hoặc trực tiếp cung cấp cho động cơ điện truyền động cho bánh xe. Loại này có ưu
điểm thiết kế đơn giản, tuy nhiên việc bao gồm ba động cơ: động cơ đốt trong E máy phát
G và động cơ điện M làm giảm hiệu suất của xe đồng thời kích thước của xe cũng là một
vấn đề khi nó bao gồm cả ba loại động cơ này.
Loại này có sáu chế độ hoạt động:
6
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
1) Chế độ chỉ có acquy hoạt động (battery alone mode).
2) Chế độ chỉ có động cơ đốt trong-máy phát (engine alone mode).
3) Chế độ kết hợp: động cơ đốt trong-máy phát và acquy (combined mode).
4) Chế độ chia công suất: công suất động cơ đốt trong-máy phát sẽ được phân
chia một phần truyền động cho xe một phần nạp acquy (power split mode).
5) Chế độ nạp acquy khi xe đứng yên (stationary charging mode).
6) Chế độ hãm tái sinh (regenerative braking mode).
+ Cấu hình song song
F E
T
B P M
Hình 1.7. Cấu hình xe hybrid song song.
Khác với loại nối tiếp, loại song song cho phép cả động cơ đốt trong E cả động cơ
điện M truyền động cho bánh xe. Hình 1.6 minh họa cấu hình loại này. Động cơ đốt trong
và động cơ điện được nối với trục của bánh xe thông qua hai khớp nối, do đó công suất
truyền động có thể do động cơ đốt trong hoặc động cơ điện thực hiện hoặc do đồng thời
cả hai động cơ thực hiện. Điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu giảm khí thải. Động cơ điện
có thể được dùng như một máy phát để nạp cho acquy khi xe hãm tái sinh hoặc hấp thụ
công suất từ động cơ đốt trong khi công suất đầu ra của động cơ đốt trong lớn hơn
công suất yêu cầu truyền động cho xe. Rõ ràng loại này ưu điểm hơn loại nối tiếp do chỉ
sử dụng hai động cơ: động cơ đốt trong E và động cơ điện M, do đó kích thước của loại
này cũng nhỏ hơn so với loại nối tiếp với cùng chất lượng đáp ứng. Tương tự như xe cấu
hình nối tiếp, loại xe cấu hình song song cũng có sáu chế độ hoạt động: motor alone
mode, engine alone mode, combined mode, power split mode, stationary charging mode,
regenerative braking mode.
+ Cấu hình nối tiếp-song song
Loại này là loại kết hợp của hai loại trên. Dù sở hữu ưu điểm của hai loại trên nhưng
đồng thời cũng mang nhược điểm của hai loại trên hơn nữa cấu hình loại này khá phức
7
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
tạp và có giá thành cao. Tuy nhiên với tiến bộ của kỹ thuật điều khiển và sản xuất, một số
dòng xe hybrid đã thực hiện theo cấu hình này.
F E
G T
B P M
Hình 1.8. Cấu hình xe hybrid nối tiếp song song.
+ Cấu hình phức tạp
Như tên gọi của nó cấu hình loại này phức tạp và không thể phân loại thành một trong ba
loại trên. Loại này khá giống loại nối tiếp song song, sự khác nhau ở chỗ công suất trong
loại nối tiếp-song song chảy theo một chiều từ động cơ đốt trong E xuống làm quay máy
phát G, còn trong loại xe này công suất chảy theo hai chiều: ngoài chiều từ động cơ đốt
trong E xuống máy phát M/G còn chiều ngược lại từ acquy qua bộ biến đổi P quay động
cơ M/G quay động cơ đốt trong E truyền động cho xe.
F E
P M/G T
B P M
Hình 1.9. Cấu hình xe hybrid phức tạp.
- FCVs (fuel cell vehicles) một loại xe mới đem lại nhiều lợi ích hơn so với xe sử dụng
động cơ đốt trong thông thường là xe pin nhiên liệu FCVs. Nó sử dụng một bộ pin nhiên
liệu mà cực dương tích khí giàu hydro, cực âm tích khí giàu oxy phát ra điện áp một
chiều nuôi động cơ. Loại này được kì vọng sẽ hoạt động trong phạm vi rộng, đi được xa
hơn EVs, giảm khí thải khoảng 75% so với xe xăng, chạy êm hơn hiệu suất cao hơn do sử
dụng trực tiếp nhiên liệu mà không cần đốt cháy như xe động cơ đốt trong. Tuy nhiên
công nghệ này vẫn còn mới và rất đắt đỏ là thách thức cho sự phát triển của loại xe này.
8
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
1.2. Bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện
1.2.1. Vị trí vai trò trong ô tô điện
Sử dụng bộ biến đổi DC-DC hai chiều là một xu hướng nổi bật trong các hệ thống
công suất như trong các loại ô tô điện EVs, HEVs, FCVs, trong các ứng dụng năng lượng
tái tạo… Trong ứng dụng ô tô điện, nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc điều
khiển dòng năng lượng giúp tăng hiệu suất, tính năng của xe. Khối mạch điện công suất
trong ô tô điện EV gồm có ba hệ thống điện áp một chiều: ắc quy, siêu tụ và DC-link có
vai trò vị trí khác nhau. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều làm nhiệm vụ kết nối chúng lại với
nhau, nhằm mục đích điều khiển tối ưu dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động của
ô tô. Điều này được minh họa trên hình 1.10.
Hình 1.10. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động [13].
Trên hình vẽ ta thấy có hai bộ biến đổi DC-DC hai chiều với chức năng khác nhau.
Bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu tụ và DC-link làm nhiệm vụ giảm áp từ DC-link
nạp vào cho siêu tụ trong quá trình xe hãm tái sinh và giải phóng năng lượng từ siêu tụ
tăng áp trả về DC-link khi xe khởi động, tăng tốc và leo dốc. Mức điện áp mà DC-link
cần có để cấp nguồn cho động cơ là 330VDC. Trong quá trình hãm tái sinh mức điện áp
này có thể dâng lên cỡ 600VDC. Trên thị trường hiện nay một module siêu tụ chỉ chịu
được mức điện áp tối đa là 125VDC. Nếu nối trực tiếp DC-link với siêu tụ cần nhiều
module mắc nối tiếp, tuy nhiên cách làm này có thể khiến giá thành đội lên rất cao thêm
vào đó việc cân bằng áp giữa các siêu tụ là khó khăn, tiềm ẩn nguy cơ nổ cả dàn siêu tụ.
9
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Do đó cần có bộ biến đổi DC-DC hai chiều để hạ áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai
modules mắc nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh. Trong quá trình khởi động, tăng tốc,
leo dốc năng lượng từ siêu tụ được giải phóng hỗ trợ ắc quy nhằm tránh huy động công
suất lớn từ ắc quy, đảm bảo tuổi thọ ắc quy.
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều giữa ắc quy và DC-link cũng làm nhiệm vụ tương tự
là nạp năng lượng cho ắc quy trong quá trình hãm tái sinh và ngược lại nâng áp từ ắc quy
đến DC-link. Trong suốt quá trình xe chạy, với khả năng tích trữ năng lượng lớn, ắc quy
sẽ đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho xe di chuyển trên một quãng đường dài. Tuy
nhiên do bản chất của ắc quy là thực hiện các phản ứng hóa học, thời gian phóng nạp
chậm, nên phần lớn năng lượng trong quá trình hãm tái sinh sẽ được nạp vào siêu tụ, chỉ
một phần nhỏ sẽ được nạp vào acquy đảm bảo tuổi thọ của ắc quy.
Với cấu hình trên, do có hai bộ biến đổi DC-DC làm tăng độ phức tạp của hệ thống,
giảm độ tin cậy, tăng giá thành, giảm hiệu suất của hệ. Trong thực tế, bộ biến đổi DC-DC
kết nối giữa acquy và DC-link có thể không cần thiết khi ta sử dụng acquy có cấp điện áp
bằng DC-link và được mắc trực tiếp vào DC-link (cấu hình xe i-MiEV).
Hình 1.11. Hệ thống nguồn năng lượng xét đến cấu hình thực tế.
Điều này làm tăng hiệu suất, độ tin cậy của hệ thống cũng như giảm giá thành so với cấu
hình có sử dụng bộ biển đổi DC-DC như hình 1.10 ở trên. Tuy nhiên, bộ biến đổi DC-DC
kết nối giữa siêu tụ và DC-link là không thể thiếu được; vì nếu không có bộ biến đổi DC-
DC, siêu tụ chỉ thực hiện chức năng như một tụ lọc thông thường mà mất đi chức năng
quan trọng của nó là nguồn năng lượng phụ trao đổi năng lượng trong quá trình xe tăng
10
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
tốc hoặc hãm tái sinh. Hơn nữa bằng cách điều khiển dòng điện trao đổi giữa DC-link và
siêu tụ, ta có thể điều khiển gián tiếp dòng điện trao đổi giữa acquy và DC-link đảm bảo
tuổi thọ acquy (điều này sẽ được phân tích kỹ hơn trong chương 2). Tóm lại từ ưu nhược
điểm của hai cấu hình và có xét đến cấu hình thực tế của xe ô tô điện, em đã lựa chọn cấu
hình có một bộ biến đổi DC-DC (như hình 1.11) làm nghiên cứu, nói một cách cụ thể
hơn, mục tiêu của luận án này là nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu
tụ và DC-link nhằm thỏa mãn các tiêu chí: giải phóng năng lượng từ siêu tụ hỗ trợ acquy
trong quá trình xe khởi động, tăng tốc hoặc leo dốc; nạp năng lượng vào siêu tụ trong quá
trình xe hãm tái sinh; hạn chế dòng điện trao đổi giữa acquy và DC-link ở mức cho phép.
1.2.2. Yêu cầu công nghệ
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều được ứng dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong ô tô điện,
các ứng dụng năng lượng mới: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,… trong các vệ tinh.
Mỗi ứng dụng có một yêu cầu công nghệ khác nhau, đối với ô tô điện, những yêu cầu cụ
thể đó là:
Về năng lương: cho phép trao đổi năng lượng theo hai chiều.
Về công suất: hoạt động ở công suất lớn (hàng chục kW trở lên).
Về kích thước: yêu cầu nhỏ, gọn phù hợp với thể tích của ô tô.
Về hiệu suất: yêu cầu hiệu suất cao (>95%) giảm tổn thất khi chuyển mạch van.
Các yêu cầu trên sẽ là phương hướng để lựa chọn cấu hình mạch, nguyên lý hoạt
động, cũng như tính chọn các phần tử ở những phần sau.
1.3. Lựa chọn cấu hình
Nhìn chung các bộ DC-DC hai chiều có cấu hình khá phong phú. Nhưng có thể chia
ra làm hai loại lớn là:
- Loại có cách ly (sử dụng máy biến áp).
- Loại không có cách ly (sử dụng cuộn cảm).
Với cùng một công suất, tần số chuyển mạch, loại có cách ly sử dụng máy biến áp
cồng kềnh hơn loại không có cách ly. Vì vậy, theo yêu cầu về kích thước, loại không có
cách ly với ưu thế nhỏ, gọn hơn sẽ được chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án này.
Do đó, loại có cách ly sẽ không được đề cập đến ở đây. Trước khi đến với bộ biến đổi
DC-DC hai chiều không cách ly ta hãy điểm qua các bộ biến đổi DC-DC một chiều
không cách ly ngay sau đây.
11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
NGUYỄN DUY LONG
THIẾT KẾ VÀ KIỂM NGHIỆM
THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN ÁP ĐẦU RA
CHO BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU BA PHA XẾP CHỒNG
Chuyên ngành : Điều khiển và Tự động hóa
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
PGS.TS. TẠ CAO MINH
Hà Nội – Năm 2014
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ này là công trình của riêng tôi do tôi tự thực
hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn
trung thực.
Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát hiện
có sự sao chép tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014
Học viên
Nguyễn Duy Long
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................... i
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ........................................................................................ iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ v
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................................... .1
Chương 1. GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU. 3
1.1 Vài nét về ô tô điện ................................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử ra đời .................................................................................................... 3
1.1.2. Nhu cầu về ô tô điện ......................................................................................... 4
1.1.3. Phân loại ........................................................................................................... 4
1.2. Bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện ......................................................................... 9
1.2.1. Vị trí vai trò trong ô tô điện .............................................................................. 9
1.2.2. Yêu cầu công nghệ .......................................................................................... 11
1.3. Lựa chọn cấu hình .................................................................................................. 11
1.3.1. Bộ biến đổi DC-DC một chiều không cách ly ................................................ 12
1.3.2. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều không cách ly ................................................. 13
1.3.3. Lựa chọn cấu hình ........................................................................................... 16
Chương 2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ THUẬT TOÁN PHÂN PHỐI NĂNG
LƯỢNG ............................................................................................................................ 20
2.1.Nguyên lý hoạt động ............................................................................................... 20
2.1.1.Chế độ hoạt động ............................................................................................. 20
2.1.2.Nguyên lý hoạt động ....................................................................................... 20
2.2.Siêu tụ một sự lựa chọn hợp lý................................................................................ 25
2.3.Thuật toán phân phối năng lượng ........................................................................... 27
2.4.Tính toán thông số mạch ........................................................................................ 28
Chương 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................ 32
3.1. Phương pháp trung bình không gian trạng thái .................................. ………..…..32
3.1.1. Điều kiện áp dụng ........................................................................................... 32
3.1.2. Mô hình hóa .................................................................................................... 33
3.2. Thiết kế bộ điều khiển ........................................................................................... .35
3.2.1. Thiết kế bộ điều khiển dòng điện ................................................................... 35
3.2.2. Thiết kế bộ điều khiển điện áp ........................................................................ 39
Chương 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................................................. 44
4.1. Sơ đồ mô phỏng ..................................................................................................... 44
4.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 48
4.2.1. Kết quả mô phỏng bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha ............................... 48
4.2.2. Kết quả mô phỏng thuật toán phân phối năng lượng ...................................... 49
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 56
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 58
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... 60
Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Xe hybrid đầu tiên Semper Vivus (1900) ............................................................ 3
Hình 1.2. Edixon và chiếc xe Detroit (1914) ...................................................................... 3
Hình 1.3. Cấu hình xe EV ................................................................................................. 5
Hình 1.4. Chiếc xe của năm Nissan Leaf (2011)................................................................ 5
Hình 1.5. Xe hybrid nhanh nhất thế giới Lexus GS 450h (2011) ....................................... 6
Hình 1.6. Cấu hình xe hybrid nối tiếp ................................................................................. 6
Hình 1.7. Cấu hình xe hybrid song song ............................................................................. 7
Hình 1.8. Cấu hình xe hybrid nối tiếp song song ................................................................ 8
Hình 1.9. Cấu hình xe hybrid phức tạp ............................................................................... 8
Hình 1.10. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động ..................................... 9
Hình 1.11. Hệ thống nguồn năng lượng xét đến cấu hình thực tế ..................................... 10
Hình 1.12. Sơ đồ mạch Buck ............................................................................................. 12
Hình 1.13. Sơ đồ mạch Boost ............................................................................................ 12
Hình 1.14. Sơ đồ mạch Buck-Boost .................................................................................. 13
Hình 1.15. Sơ đồ mạch Buck hai chiều ............................................................................. 14
Hình 1.16. Cấu hình mạch buck nhìn từ VH đến VL.......................................................... 14
Hình 1.17. Cấu hình mạch boost nhìn từ VL đến VH ......................................................... 14
Hình 1.18. Sơ đồ mạch Boost hai chiều ............................................................................ 15
Hình 1.19. Sơ đồ mạch Buck-Boost hai chiều .................................................................. 16
Hình 1.20. So sánh độ đập mạch dòng điện theo số pha ................................................... 18
Hình 1.21. Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha không cách ly............................. 18
Hình 1.22. Sơ đồ mạch DC-DC tương đương một pha hai chiều ..................................... 19
Hình 2.1. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều một pha ............................................................. 20
i
Danh mục hình vẽ
Hình 2.2. Dạng xung mở van và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ đồng bộ ............ 21
Hình 2.3. Mạch tương đương trong các khoảng dẫn của van............................................ 22
Hình 2.4. Dạng xung mở van và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ hai van dẫn ...... 23
Hình 2.5. Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van.. .......................... 23
Hình 2.6. Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ đồng bộ kiểu
boost................................................................................................................................... 24
Hình 2.7. Dạng xung điều khiển và dòng điện trên cuộn cảm trong chế độ hai van dẫn
kiểu boost. .......................................................................................................................... 24
Hình 2.8. Mạch tương đương trong các khoảng thời gian dẫn của van ............................ 25
Hình 2.9. Đặc tính của một số nguồn năng lượng. ............................................................ 26
Hình 2.10. Cấu trúc hệ thống với bộ dự trữ năng lượng phụ ............................................ 27
Hình 2.11. Cấu trúc điều khiển thuật toán quản lý năng lượng......................................... 27
Hình 2.12. Van IGBT CM300DU-12F.............................................................................. 31
Hình 3.1. Mạch tương đương một pha .............................................................................. 33
Hình 3.2. Xung điều khiển và dòng IL bỏ qua trễ .............................................................. 33
Hình 3.3. Mạch tương đương trong khoảng ton ................................................................. 33
Hình 3.4. Mạch tương đương trong toff .............................................................................. 34
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện............................................... 35
Hình 3.6. Đồ thị Bode của đối tượng điều khiển dòng...................................................... 37
Hình 3.7. Đồ thị Bode của hệ hở khi có bộ điều khiển ..................................................... 38
Hình 3.8. Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điều khiển dòng điện ............................... 39
Hình 3.9. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp ................................................... 39
Hình 3.10. Đồ thị Bode của đối tượng mạch vòng điều khiển điện áp ............................ 40
Hình 3.11. Đồ thị Bode của hệ hở mạch vòng điều khiển điện áp. ................................... 41
Hình 3.12. Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điều khiển điện áp .................................. 42
Hình 3.13. Đồ thị Bode của hệ hở mạch vòng điện áp sau khi chỉnh định. ...................... 42
ii
Danh mục hình vẽ
Hình 3.14. Đáp ứng bước nhảy của mạch vòng điện áp với bộ điều khiển mới ............... 43
Hình 4.1. Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống .......................................................................... 44
Hình 4.2. Sơ đồ mô hình điều khiển động cơ .................................................................... 45
Hình 4.3. Sơ đồ cấu trúc điều khiển động cơ một chiều ................................................... 45
Hình 4.4. Mô hình động lực học ô tô quy về một bánh..................................................... 46
Hình 4.5. Mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha ................................................ 47
Hình 4.6. Mạch điều khiển bộ biến đổi DC-DC hai chiều ................................................ 47
Hình 4.7. Dòng tổng và dòng từng pha ............................................................................. 48
Hình 4.8. Dòng tổng phóng to ........................................................................................... 48
Hình 4.9. Dòng từng pha phóng to .................................................................................... 49
Hình 4.10. Đồ thị tốc độ đặt và tốc độ đo.......................................................................... 49
Hình 4.11. Đồ thị dòng điện trên acquy trong trường hợp a ............................................. 50
Hình 4.12. Dung lượng acquy trong trường hợp a ............................................................ 50
Hình 4.13. Đồ thị các dòng điện trong trường hợp b ........................................................ 51
Hình 4.14. Dung lượng acquy trong trường hợp b ............................................................ 51
Hình 4.15. Đồ thị điện áp siêu tụ trong trường hợp b ....................................................... 52
Hình 4.16. Đồ thị dòng điện siêu tụ trong trường hợp b ................................................... 52
Hình 4.17. Đồ thị dòng điện acquy trong trường hợp c .................................................... 53
Hình 4.18. Đồ thị dung lượng acquy trong trường hợp c .................................................. 53
Hình 4.19. Đồ thị các dòng điện trong trường hợp d ........................................................ 54
Hình 4.20. Đồ thị dung lượng acquy trong trường hợp d .................................................. 54
Hình 4.21. Đồ thị điện áp siêu tụ trong trường hợp d ....................................................... 55
Hình 4.22. Đồ thị dòng điện siêu tụ trong trường hợp d ................................................... 55
iii
Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 2.1. Thông số xe ô tô điện i-MiEV .......................................................................... 28
Bảng 4.1. Tham số mô hình mô phỏng ............................................................................. 46
Bảng P.1 Thông số dây quấn ............................................................................................. 60
Bảng P.2. Thông số lõi EE100/60/28 ................................................................................ 61
iv
Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
EVs Electric Vehicles Xe ô tô điện
HEVs Hybrid Electric Vehicles Xe điện lai
FCVs Fuel Cell Vehicles Xe pin nhiên liệu
v
Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, biến đổi khí hậu là một vấn đề toàn cầu nhức nhối mà tất cả các quốc gia
trên thế giới phải đối mặt, giải quyết. Trung tâm Hadley của Anh chuyên nghiên cứu và
dự đoán thời tiết thông báo: 1/3 hành tinh sẽ chịu ảnh hưởng của hạn hán nếu việc thay
đổi khí hậu không được kiểm soát. Ở nước ta trong mấy năm gần đây hiện tượng mưa
bão lũ lụt xảy ra thường xuyên hơn cũng là do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Ô nhiễm
môi trường mà sâu xa là ô nhiễm không khí là nguyên nhân chủ yếu, là nguyên nhân
chính gây ra những hiện tượng trên. Do đó giảm khí thải làm sạch bầu khí quyển là mối
quan tâm hàng đầu của các quốc gia phát triển cũng như đang phát triển. Một trong
những nguyên nhân chính gây ô nhiễm không khí là do khí thải từ các phương tiện giao
thông đặc biệt ở những thành phố, khu đô thị lớn. Theo Bộ Tài nguyên và Môi trường,
giao thông là tác nhân chính gây ra 60-70% ô nhiễm không khí ở các đô thị Việt Nam
như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng. Làm sao để những phương tiện giao
thông trở nên “sạch” hơn?
Xuất phát từ yêu cầu trên, hướng nghiên cứu, ứng dụng, thiết kế, chế tạo, ô tô điện trở
thành đề tài nóng hổi trên thế giới. Ở Mỹ, năm 2010, tổng thống Barack Obama tuyên bố
chi 2.4 tỉ đô la cho xe ô tô điện, trong đó 1.5 tỉ đô la cho sản xuất acquy và thiết bị phụ
trợ, 500 triệu đô la cho sản xuất động cơ điện và thiết bị bổ trợ khác, 400 triệu đô la cho
xây dựng cơ sở hạ tầng. Liên minh châu Âu EU sẵn sàng chi 50 triệu bảng giúp đỡ kế
hoạch phát triển ô tô điện. Đức phấn đấu đến năm 2020 trở thành thị trường ô tô điện lớn
nhất thế giới. Đan Mạch cùng các nước như Anh, Phần Lan, Bồ Đào Nha thực hiện giảm
thuế trợ giá bán xe ô tô điện, và nhiều chính sách khuyến khích người sử dụng. Bộ trưởng
Bộ Công nghiệp Tây Ban Nha, Miguel Sebastian tuyên bố: “ Ô tô điện là tương lai và
định hướng cuộc cách mạng công nghiệp ”. Trung Quốc đặt mục tiêu trở thành công
xưởng sản xuất ô tô điện lớn nhất thế giới trong tương lai. Nhật Bản trợ giá 30% cho mỗi
chiếc ô tô điện được bán ra.
Tại Việt Nam, việc nghiên cứu xe ô tô điện đã được triển khai nhưng mới chỉ trong
bước đầu. Với xu thế đó, đề tài nghiên cứu chế tạo ô tô điện của thầy PGS.TS. Tạ Cao
Minh đang được triển khai đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong đó có hướng
nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC-DC hai chiều hướng tới ứng dụng cho ô tô điện. Từ
đó, dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Tạ Cao Minh em đã có cơ hội để nghiên
cứu tìm hiểu đề tài: “Thiết kế và kiểm nghiệm thuật toán điều khiển điện áp đầu ra
1
Lời nói đầu
cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều ba pha xếp chồng ”. Trên cơ sở đó, luận văn này
được thực hiện nhằm mục đích nghiên cứu, thiết kế bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện,
qua đó điều khiển việc trao đổi năng lượng giữa acquy và siêu tụ, hai nguồn năng lượng
chính trong xe ô tô điện, đảm bảo nâng cao chất lượng đáp ứng của xe cũng như kéo dài
tuổi thọ acquy. Sau một thời gian nghiên cứu tìm tòi, dưới sự hướng dẫn tận tình của các
thầy giáo, em đã thu được một số kết quả khả quan, cụ thể là đã thiết kế bộ biến đổi DC-
DC hai chiều và kiểm nghiệm qua mô hình mô phỏng trên máy tính, tạo tiền đề cho việc
thực hiện bộ biến đổi DC-DC hai chiều sử dụng trong ô tô điện.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo
PGS.TS. Tạ Cao Minh, thầy giáo Ths. Nguyễn Duy Đỉnh, kỹ sư Nguyễn Bảo Huy công
tác tại trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo Công nghệ CTI Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, đã giúp em thực hiện được đề tài này. Tuy nhiên, do thời gian có hạn
cũng như còn hạn chế về kiến thức, khả năng làm việc thực nghiệm, luận văn chắc chắn
không tránh khỏi những thiếu sót. Vì thế, em kính mong nhận được những lời nhận xét,
đánh giá, góp ý của các thầy cô để em khắc phục và cải tiến các vấn đề còn tồn tại của
luận án.
Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014
Học viên
Nguyễn Duy Long
2
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Chương 1 GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN
VÀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU
1.1. Vài nét về ô tô điện
1.1.1. Lịch sử ra đời
Ô tô điện ra đời vào đầu những năm 30 của thế kỉ 19 đánh dấu bằng sự kiện Robert
Anderson người Scotland đã phát minh ra loại xe chuyên chở đầu tiên, sử dụng loại pin
sơ cấp (primary cell) không sạc được. Cũng trong khoảng thời gian này, vào năm 1834
Thomas Davenport, nhà phát minh người Mỹ, phát minh ra động cơ điện một chiều đã
lắp đặt động cơ của ông lên một chiếc ô tô mô hình và chạy được vài vòng ngắn. Năm
1838 một người Scotland là Robert Davidson đã tạo ra một đầu máy kéo chạy bằng điện
đạt tốc độ bốn dặm một giờ (khoảng 6km/h). Năm 1840, một phát minh mới thực sự đưa
xe điện vào đời sống là việc sử dụng đường ray để dẫn điện. Tuy nhiên việc này khiến
cho xe luôn phụ thuộc vào đường ray, việc phát minh ra ắc quy có thể sạc được đã giải
quyết vấn đề này. Edixon, nhà phát minh nổi tiếng người Mỹ, là một trong những người
đầu tiên sử dụng ắc quy loại này cho ô tô điện. Năm 1865, Gaston Plante cùng người
đồng hương của ông là Camille Faure đã thành công trong việc cải thiện chất lượng của
ắc quy, giúp cho xe có thể di chuyển được một quãng đường dài hơn.
Hình 1.1. Xe hybrid đầu tiên Hình 1.2. Edixon và chiếc xe
Semper Vivus (1900) [19]. Detroit (1914) [19].
Đầu thế kỉ 20, với sự ra đời ô tô sử dụng động cơ đốt trong, ô tô điện không thể cạnh
tranh được và rơi vào tình trạng ế ẩm dần biến mất. Sự thụt lùi này là do:
3
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
- Vào thời điểm đó người ta đã tìm được những mỏ dầu với trữ lượng lớn dẫn đến việc
hạ giá thành của dầu và những sản phẩm chế xuất từ dầu. Nhiên liệu cho động cơ đốt
trong trở nên đơn giản.
- Giá thành một chiếc ô tô điện đắt gấp hơn hai lần một chiếc ô tô chạy động cơ đốt trong.
- Ô tô điện chỉ chạy ở tốc độ thấp 24-32km/h trong phạm vi 50-65km trong khi với ô tô
chạy bằng động cơ đốt trong tốc độ và phạm vi hoạt động đạt đến độ hoàn hảo.
Hiện nay bước sang thế kỉ 21, ô tô điện quay trở lại thành một đề tài rất được quan
tâm chú ý. Tại sao lại như vậy, mục 1.1.2 sẽ làm rõ vấn đề này.
1.1.2. Nhu cầu về ô tô điện
Như trong lời nói đầu đã đề cập nhu cầu về ô tô điện hiện nay trở nên bức thiết hơn
bao giờ hết. Đó là do trong hoàn cảnh hiện tại:
- Các nguồn năng lượng dần cạn kiệt, dầu mỏ và các chế xuất từ dầu mỏ cũng không phải
là một ngoại lệ. Vào năm 2004, theo một thống kê của công ty năng lượng hàng đầu thế
giới BP, dầu mỏ chỉ còn đủ dùng trong khoảng 40 năm nữa. Những phương tiện giao
thông sử dụng xăng, dầu sẽ dần biến mất nhường chỗ cho những phương tiện sử dụng
năng lượng tái tạo năng lượng sạch như ô tô điện.
- Ô nhiễm môi trường ngày một trầm trọng, khí thải từ các phương tiện giao thông càng
làm vấn đề thêm nghiêm trọng. Ô tô điện là chìa khóa mở ra một tương lai xanh sạch
trong lành hơn.
Có thể nói ô tô điện là giải pháp tối ưu cho hai vấn đề kể trên, đó là lí do tại sao nó
đang ngày càng trở thành mối quan tâm lớn của các quốc gia trên toàn thế giới, của ngành
công nghiệp sản xuất ô tô cũng như của các nhà khoa học.
1.1.3. Phân loại
Hiện nay, trên thị trường có rất nhiều hãng đã tung ra sản phẩm của riêng mình như
Nissan, Toyota, Audi, Mercedes-Benz, BMW,… tuy nhiên về mặt kỹ thuật có thể chia
làm ô tô điện ba loại chính:
- EVs (electric vehicles) sử dụng hoàn toàn năng lượng điện thay thế hoàn toàn động cơ
đốt trong với hệ truyền động điện điều khiển hoàn toàn. Hình 1.3 minh họa cấu hình loại
này. Trong đó: B là acquy (battery), P bộ biến đổi (Power converter), M: động cơ điện
(motor), T: bộ truyền động (transmission). Ta thấy cấu hình của xe điện EV khá đơn giản
4
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
với năng lượng chủ yếu lấy từ acquy (battery) qua bộ biến đổi điện tử công suất cung cấp
cho động cơ M truyền động cho bánh xe.
B P M T
Hình 1.3. Cấu hình xe EV.
Một số xe loại này xuất hiện trên thị trường có thể kể đến là Nissan Leaf, Mitsubishi
iMiEV, Tesla Roadster, Honda Fit.
Hình 1.4. Chiếc xe của năm Nissan Leaf (2011) [20].
Phần lớn các xe EVs này chỉ có thể đi được khoảng 100-200 dặm sau đó phải nạp ắc quy
(việc bao gồm thêm siêu tụ có thể cải thiện vấn đề này), xe chạy bằng xăng có thể chạy
300 dặm mới cần đổ xăng. Thêm vào đó, thời gian nạp đầy ắc quy là từ 4-8 tiếng (mặc dù
thời gian nạp đến 80% dung lượng ắc quy chỉ mất 30 phút) điều này có thể gây bất tiện
cho người sử dụng. Một điều nữa cần phải kể đến là giá thành của ắc quy cực kì đắt và tất
nhiên trong quá trình hoạt động, cần được thay thế một vài lần. Tuy vậy đây chỉ là khó
khăn về mặt kỹ thuật, các nhà nghiên cứu vẫn đang nỗ lực tìm ra công nghệ mới (mắc
thêm siêu tụ là một ví dụ) nhằm cải thiện chất lượng ắc quy với dung lượng lớn, kích
thước nhỏ, giảm thời gian nạp, giảm giá thành. Do đó, EVs được hy vọng là chiếc xe của
tương lai.
Cuối cùng, đây là loại xe mà luận án này hướng đến nghiên cứu.
- HEVs (hybrid electric vehicles) thuật ngữ xe lai hybrid vehicles không còn xa lạ với
người tiêu dùng. Một loạt các thương hiệu mới đã ra đời như Toyota Prius, Toyota
Highlander Hybrid, Toyota Camry Hybrid, Lexus RX 400 h, Honda Insight, Honda Civic
Hybrid, Honda Accord Hybrid, và Ford Escape Hybrid…
5
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Hình 1.5. Xe hybrid nhanh nhất thế giới Lexus GS 450h (2011) [20].
Điều này cho thấy đây là loại xe đang chiếm lĩnh thị trường ô tô điện hiện nay. Vậy
‘hybrid’ có ý nghĩa như thế nào? Một phương tiện được gọi là hybrid khi nó kết hợp được
hai hay nhiều nguồn năng lượng. Đối với loại xe đang nhắc đến ở đây, nó sử dụng cả
xăng và điện. Việc chạy bằng ắc quy và xăng cho phép xe lai kết hợp được mômen của
động cơ đốt trong và động cơ điện, giảm tiêu thụ nhiên liệu đáng kể khi so sánh với các
loại xe chạy bằng xăng thông thường. Có thể nói loại này là một bước chuyển ‘quá độ’ từ
xe chạy bằng xăng sang xe chạy bằng điện.
Xe hybrid có bốn cấu hình cơ bản:
+ Cấu hình nối tiếp
F E
G T
B P M
Hình 1.6. Cấu hình xe Hybrid nối tiếp.
Hình 1.5 minh họa cấu hình loại này. Trong đó F là bình nhiên liệu (fuel tank) cung cấp
cho động cơ đốt trong E quay máy phát G sinh ra điện, nguồn điện này dùng để nạp
acquy hoặc trực tiếp cung cấp cho động cơ điện truyền động cho bánh xe. Loại này có ưu
điểm thiết kế đơn giản, tuy nhiên việc bao gồm ba động cơ: động cơ đốt trong E máy phát
G và động cơ điện M làm giảm hiệu suất của xe đồng thời kích thước của xe cũng là một
vấn đề khi nó bao gồm cả ba loại động cơ này.
Loại này có sáu chế độ hoạt động:
6
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
1) Chế độ chỉ có acquy hoạt động (battery alone mode).
2) Chế độ chỉ có động cơ đốt trong-máy phát (engine alone mode).
3) Chế độ kết hợp: động cơ đốt trong-máy phát và acquy (combined mode).
4) Chế độ chia công suất: công suất động cơ đốt trong-máy phát sẽ được phân
chia một phần truyền động cho xe một phần nạp acquy (power split mode).
5) Chế độ nạp acquy khi xe đứng yên (stationary charging mode).
6) Chế độ hãm tái sinh (regenerative braking mode).
+ Cấu hình song song
F E
T
B P M
Hình 1.7. Cấu hình xe hybrid song song.
Khác với loại nối tiếp, loại song song cho phép cả động cơ đốt trong E cả động cơ
điện M truyền động cho bánh xe. Hình 1.6 minh họa cấu hình loại này. Động cơ đốt trong
và động cơ điện được nối với trục của bánh xe thông qua hai khớp nối, do đó công suất
truyền động có thể do động cơ đốt trong hoặc động cơ điện thực hiện hoặc do đồng thời
cả hai động cơ thực hiện. Điều này giúp tiết kiệm nhiên liệu giảm khí thải. Động cơ điện
có thể được dùng như một máy phát để nạp cho acquy khi xe hãm tái sinh hoặc hấp thụ
công suất từ động cơ đốt trong khi công suất đầu ra của động cơ đốt trong lớn hơn
công suất yêu cầu truyền động cho xe. Rõ ràng loại này ưu điểm hơn loại nối tiếp do chỉ
sử dụng hai động cơ: động cơ đốt trong E và động cơ điện M, do đó kích thước của loại
này cũng nhỏ hơn so với loại nối tiếp với cùng chất lượng đáp ứng. Tương tự như xe cấu
hình nối tiếp, loại xe cấu hình song song cũng có sáu chế độ hoạt động: motor alone
mode, engine alone mode, combined mode, power split mode, stationary charging mode,
regenerative braking mode.
+ Cấu hình nối tiếp-song song
Loại này là loại kết hợp của hai loại trên. Dù sở hữu ưu điểm của hai loại trên nhưng
đồng thời cũng mang nhược điểm của hai loại trên hơn nữa cấu hình loại này khá phức
7
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
tạp và có giá thành cao. Tuy nhiên với tiến bộ của kỹ thuật điều khiển và sản xuất, một số
dòng xe hybrid đã thực hiện theo cấu hình này.
F E
G T
B P M
Hình 1.8. Cấu hình xe hybrid nối tiếp song song.
+ Cấu hình phức tạp
Như tên gọi của nó cấu hình loại này phức tạp và không thể phân loại thành một trong ba
loại trên. Loại này khá giống loại nối tiếp song song, sự khác nhau ở chỗ công suất trong
loại nối tiếp-song song chảy theo một chiều từ động cơ đốt trong E xuống làm quay máy
phát G, còn trong loại xe này công suất chảy theo hai chiều: ngoài chiều từ động cơ đốt
trong E xuống máy phát M/G còn chiều ngược lại từ acquy qua bộ biến đổi P quay động
cơ M/G quay động cơ đốt trong E truyền động cho xe.
F E
P M/G T
B P M
Hình 1.9. Cấu hình xe hybrid phức tạp.
- FCVs (fuel cell vehicles) một loại xe mới đem lại nhiều lợi ích hơn so với xe sử dụng
động cơ đốt trong thông thường là xe pin nhiên liệu FCVs. Nó sử dụng một bộ pin nhiên
liệu mà cực dương tích khí giàu hydro, cực âm tích khí giàu oxy phát ra điện áp một
chiều nuôi động cơ. Loại này được kì vọng sẽ hoạt động trong phạm vi rộng, đi được xa
hơn EVs, giảm khí thải khoảng 75% so với xe xăng, chạy êm hơn hiệu suất cao hơn do sử
dụng trực tiếp nhiên liệu mà không cần đốt cháy như xe động cơ đốt trong. Tuy nhiên
công nghệ này vẫn còn mới và rất đắt đỏ là thách thức cho sự phát triển của loại xe này.
8
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
1.2. Bộ biến đổi DC-DC trong ô tô điện
1.2.1. Vị trí vai trò trong ô tô điện
Sử dụng bộ biến đổi DC-DC hai chiều là một xu hướng nổi bật trong các hệ thống
công suất như trong các loại ô tô điện EVs, HEVs, FCVs, trong các ứng dụng năng lượng
tái tạo… Trong ứng dụng ô tô điện, nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc điều
khiển dòng năng lượng giúp tăng hiệu suất, tính năng của xe. Khối mạch điện công suất
trong ô tô điện EV gồm có ba hệ thống điện áp một chiều: ắc quy, siêu tụ và DC-link có
vai trò vị trí khác nhau. Bộ biến đổi DC-DC hai chiều làm nhiệm vụ kết nối chúng lại với
nhau, nhằm mục đích điều khiển tối ưu dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động của
ô tô. Điều này được minh họa trên hình 1.10.
Hình 1.10. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động [13].
Trên hình vẽ ta thấy có hai bộ biến đổi DC-DC hai chiều với chức năng khác nhau.
Bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu tụ và DC-link làm nhiệm vụ giảm áp từ DC-link
nạp vào cho siêu tụ trong quá trình xe hãm tái sinh và giải phóng năng lượng từ siêu tụ
tăng áp trả về DC-link khi xe khởi động, tăng tốc và leo dốc. Mức điện áp mà DC-link
cần có để cấp nguồn cho động cơ là 330VDC. Trong quá trình hãm tái sinh mức điện áp
này có thể dâng lên cỡ 600VDC. Trên thị trường hiện nay một module siêu tụ chỉ chịu
được mức điện áp tối đa là 125VDC. Nếu nối trực tiếp DC-link với siêu tụ cần nhiều
module mắc nối tiếp, tuy nhiên cách làm này có thể khiến giá thành đội lên rất cao thêm
vào đó việc cân bằng áp giữa các siêu tụ là khó khăn, tiềm ẩn nguy cơ nổ cả dàn siêu tụ.
9
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Do đó cần có bộ biến đổi DC-DC hai chiều để hạ áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai
modules mắc nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh. Trong quá trình khởi động, tăng tốc,
leo dốc năng lượng từ siêu tụ được giải phóng hỗ trợ ắc quy nhằm tránh huy động công
suất lớn từ ắc quy, đảm bảo tuổi thọ ắc quy.
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều giữa ắc quy và DC-link cũng làm nhiệm vụ tương tự
là nạp năng lượng cho ắc quy trong quá trình hãm tái sinh và ngược lại nâng áp từ ắc quy
đến DC-link. Trong suốt quá trình xe chạy, với khả năng tích trữ năng lượng lớn, ắc quy
sẽ đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho xe di chuyển trên một quãng đường dài. Tuy
nhiên do bản chất của ắc quy là thực hiện các phản ứng hóa học, thời gian phóng nạp
chậm, nên phần lớn năng lượng trong quá trình hãm tái sinh sẽ được nạp vào siêu tụ, chỉ
một phần nhỏ sẽ được nạp vào acquy đảm bảo tuổi thọ của ắc quy.
Với cấu hình trên, do có hai bộ biến đổi DC-DC làm tăng độ phức tạp của hệ thống,
giảm độ tin cậy, tăng giá thành, giảm hiệu suất của hệ. Trong thực tế, bộ biến đổi DC-DC
kết nối giữa acquy và DC-link có thể không cần thiết khi ta sử dụng acquy có cấp điện áp
bằng DC-link và được mắc trực tiếp vào DC-link (cấu hình xe i-MiEV).
Hình 1.11. Hệ thống nguồn năng lượng xét đến cấu hình thực tế.
Điều này làm tăng hiệu suất, độ tin cậy của hệ thống cũng như giảm giá thành so với cấu
hình có sử dụng bộ biển đổi DC-DC như hình 1.10 ở trên. Tuy nhiên, bộ biến đổi DC-DC
kết nối giữa siêu tụ và DC-link là không thể thiếu được; vì nếu không có bộ biến đổi DC-
DC, siêu tụ chỉ thực hiện chức năng như một tụ lọc thông thường mà mất đi chức năng
quan trọng của nó là nguồn năng lượng phụ trao đổi năng lượng trong quá trình xe tăng
10
Chương 1. Giới thiệu về ô tô điện và bộ biến đổi DC-DC hai chiều
tốc hoặc hãm tái sinh. Hơn nữa bằng cách điều khiển dòng điện trao đổi giữa DC-link và
siêu tụ, ta có thể điều khiển gián tiếp dòng điện trao đổi giữa acquy và DC-link đảm bảo
tuổi thọ acquy (điều này sẽ được phân tích kỹ hơn trong chương 2). Tóm lại từ ưu nhược
điểm của hai cấu hình và có xét đến cấu hình thực tế của xe ô tô điện, em đã lựa chọn cấu
hình có một bộ biến đổi DC-DC (như hình 1.11) làm nghiên cứu, nói một cách cụ thể
hơn, mục tiêu của luận án này là nghiên cứu thiết kế bộ biến đổi DC-DC kết nối giữa siêu
tụ và DC-link nhằm thỏa mãn các tiêu chí: giải phóng năng lượng từ siêu tụ hỗ trợ acquy
trong quá trình xe khởi động, tăng tốc hoặc leo dốc; nạp năng lượng vào siêu tụ trong quá
trình xe hãm tái sinh; hạn chế dòng điện trao đổi giữa acquy và DC-link ở mức cho phép.
1.2.2. Yêu cầu công nghệ
Bộ biến đổi DC-DC hai chiều được ứng dụng rất rộng rãi đặc biệt là trong ô tô điện,
các ứng dụng năng lượng mới: năng lượng mặt trời, năng lượng gió,… trong các vệ tinh.
Mỗi ứng dụng có một yêu cầu công nghệ khác nhau, đối với ô tô điện, những yêu cầu cụ
thể đó là:
Về năng lương: cho phép trao đổi năng lượng theo hai chiều.
Về công suất: hoạt động ở công suất lớn (hàng chục kW trở lên).
Về kích thước: yêu cầu nhỏ, gọn phù hợp với thể tích của ô tô.
Về hiệu suất: yêu cầu hiệu suất cao (>95%) giảm tổn thất khi chuyển mạch van.
Các yêu cầu trên sẽ là phương hướng để lựa chọn cấu hình mạch, nguyên lý hoạt
động, cũng như tính chọn các phần tử ở những phần sau.
1.3. Lựa chọn cấu hình
Nhìn chung các bộ DC-DC hai chiều có cấu hình khá phong phú. Nhưng có thể chia
ra làm hai loại lớn là:
- Loại có cách ly (sử dụng máy biến áp).
- Loại không có cách ly (sử dụng cuộn cảm).
Với cùng một công suất, tần số chuyển mạch, loại có cách ly sử dụng máy biến áp
cồng kềnh hơn loại không có cách ly. Vì vậy, theo yêu cầu về kích thước, loại không có
cách ly với ưu thế nhỏ, gọn hơn sẽ được chọn làm đối tượng nghiên cứu của luận án này.
Do đó, loại có cách ly sẽ không được đề cập đến ở đây. Trước khi đến với bộ biến đổi
DC-DC hai chiều không cách ly ta hãy điểm qua các bộ biến đổi DC-DC một chiều
không cách ly ngay sau đây.
11