Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện616

Mở đầu Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày nghiêm trọng, tài nguyên hóa thạch ngày cạn kiệt thúc đẩy việc sử dụng lượng xanh Xe điện phương tiện sử dụng lượng xanh hiệu ngày phổ biến giới Hiện nay, vấn đề chi phí hạn chế lớn xe điện quãng đường di chuyển ngắn công nghệ lưu trữ lượng cho xe điện có mật độ lượng thấp, tuổi thọ hạn chế, kích thước chi phí lớn Giải pháp ứng dụng cơng nghệ truyền điện không dây sạc động không dây cho xe điện đề xuất thực để mở rộng phạm vi di chuyển xe điện Trong hệ thống này, xe điện vừa vừa sạc, phạm vi di chuyển xe điện mở rộng mà giúp giảm đáng kể dung lượng kích thước ắc quy Hệ thống sạc động khơng dây lúc sạc cho nhiều xe điện, thích hợp với nhiều loại xe điện khác xe bus điện, ô tô điện Các lý thúc đẩy việc nghiên cứu phát triển hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện Tuy nhiên, chuyển động xe đường sạc tạo nhiều thách thức việc thiết kế điều khiển hệ thống Hiện nay, r ất nhiều vấn đề, giải pháp hệ thống sạc động không dây cần tiếp tục nghiên cứu phát triển Do đó, tác giả lựa chọn đề tài “nghiên u hệ thống truyền điện không dây ứng d ụng sạc động không dây cho xe điện” Những vấn đề tồn hướng nghiên cứu luận án Hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện có đặc điểm hệ số kết nối điện từ đường truyền nhận xe thay đổi xe di chuyển Điều làm đập mạch cơng suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ ắc quy Từ đặt vấn đề thiết kế cuộn dây nhằm giảm độ dao động hệ số kết nối điện từ để giảm đập mạch công suất Hơn nữa, vấn đề nâng cao hiệu suất toàn hệ thống WPT quan trọng Để đạt hiệu suất cao toàn hệ thống WPT cần phải nâng cao hiệu suất phần hiệu suất truyền, hiệu suất biến đổi công suất giảm thiểu biến đổi điện tử công suất h ệ thống Mặt khác, h ệ thống sạc động khơng dây có nhiều loại xe điện có u cầu mức công suất sạc khác chạy đường tương tác với đường truyền Vì vậy, vấn đề điều khiển công suất sạc theo yêu cầu EV cần thiết Từ tồn trên, hướng nghiên cứu luận án là: - Nghiên cứu, thiết kế cuộn dây sử dụng phương pháp mô phân tích phần tử hữu hạn FEA nhằm giảm đập mạch công suất - Nghiên cứu thiết kế, điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống - Nghiên cứu thiết kế, điều khiển công suất - Nghiên cứu thực nghiệm xác minh tính đắn phương pháp thiết kế, điều khiển đề xuất Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Luận án thực nghiên cứu, đề xuất cấu trúc phương pháp điều khiển hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc động không dây cho xe điện với mục tiêu sau: Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất; Thiết kế điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống; Điều khiển công suất tải Đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu phần sau hệ thống WPT ứng dụng sạc không dây động cho xe điện: Bộ ghép từ; Mạch bù; Các biến đổi điện tử công suất Phạm vi nghiên cứu Luận án tập trung nghiên cứu phần đảm bảo truyền lượng không dây với hiệu suất cao cho xe điện từ phía sơ cấp đến bus DC phía thứ cấp Vì vậy, để giới hạn phạm vi nghiên cứu đề tài đưa số giả thiết sau: Không xem xét vấn đề điều khiển quản lý lượng ắc quy xe, giống nhiều nghiên cứu khác th ế giới, coi tồn phía sau hệ thống truyền điện không dây từ bus DC tới tải phụ tải tương đương có trở kháng thay đổi tùy thuộc vào trạng thái sạc ắc quy; Xem xét q trình truyền lượng mơ đun truyền – nhận từ nguồn đầu vào chiều nghịch lưu tần số cao phía sơ cấp đến tải tương đương phía sau biến đổi điều khiển phối hợp trở kháng, chưa xem xét đến vấn đề chuyển đổi từ mô đun sang mô đun khác đường truyền; Khoảng cách truyền 150mm khơng thay đổi q trình xe di chuyển; Xe di chuyển đường sạc với tốc độ không vượt 40km/h Ý nghĩa khoa học đề tài Về lý luận: Truyền điện không dây để sạc cho xe điện trình di chuyển giải pháp thúc đẩy phổ biến xe điện tương lai gần giải vấn đề tăng thời gian quãng đường di chuyển dung lượng hạn chế ắc quy xe Hệ thống truyền lượng dựa sở cảm ứng điện từ cuộn dây kết nối điện từ với hướng nghiên cứu quan tâm Nghiên cứu nhằm giải đề đảm bảo hiệu suất truyền cao nhất, giảm độ đập mạch công suất cuộn nhận di chuyển, nâng cao hiệu suất, điều khiển dịng cơng suất phía phụ tải loại xe điện với yêu cầu mức công suất khác Bằng phương pháp tính tốn mơ phần tử hữu hạn, luận án phân tích trình điện từ đưa thiết kế cấu trúc mơ đun hóa cho hệ thống cuộn cảm ghép nối từ trường với đảm bảo hệ số kết nối điện từ tương đối phẳng, giảm đập mạch công suất tải cuộn nhận di chuyển Hiệu suất truyền công suất tối ưu hóa nhờ q trình cộng hưởng tần số 85 kHz với mạch bù tr kháng LCC, hệ số kết nối thay đổi liên tục theo vị trí cuộn nhận so với cuộn truyền Về mặt điều khiển luận án giải vấn đề liên quan đến đảm bảo hoạt động biến đổi điện tử công suất ch ế độ cộng hưởng, điều khiển dịng cơng suất từ phía truyền phía nhận Về thực tiễn: Các kết nghiên cứu kiểm chứng thơng qua mơ hình thực nghiệm chứng tỏ khả ứng dụng thực tiễn Hệ thống truyền lượng không dây ứ ng dụng sạc động cho xe điện thực nâng cao tính thuận tiện, hiệu an tồn q trình phổ biến loại xe tương lai Dự kiến kết đạt - Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất - Nâng cao hiệu suất hệ thống - Điều khiển công suất Bố cục luận án Luận án chia thành chương, chương trình bày nghiên cứu tổng quan hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện Chương trình bày thiết kế hệ thống: thiết kế cấu trúc, thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất, thiết kế mạch bù tối đa hiệu suất truyền Chương đề xuất hai phương pháp điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống phương pháp điều khiển bám cộng hưởng phương pháp điều khiển bám tải tối ưu Chương đề xuất phương pháp điều khiển cơng suất đầu từ phía sơ cấp, nhằm đáp ứng mức công suất sạc cho loại xe điện khác Phần cuối kết luận đóng góp luận án, hạn chế hướng phát triển đề tài Chương Tổng quan 1.1 Giới thiệu chung Hệ thống sạc động không dây cho xe điện nghiên cứu, phát triển, hứa hẹn làm cho việc sử dụng xe điện tiện lợi an toàn Các cơng trình nghiên cứu hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện đưa vào cấp độ thương mại với chi phí hợp lý Tuy nhiên, để thương mại hóa cịn nhiều vấn đề cần nghiên cứu, phát triển mức công suất truyền, khoảng cách truyền, hiệu suất xe di chuyển thẳng hướng lệch bên, điều khiển đóng/ cắt cuộn dây theo vị trí xe, điều khiển quản lý q trình sạc cho ắc quy, vấn đề tốc độ, vấn đề an tồn, chi phí Do vậy, nghiên cứu mở rộng hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện cần thiết Để nghiên cứu tổng quan hệ thống WPT ứng dụng sạc không dây động cho xe điện, xem xét cấu trúc điển hình hệ thống WPT Hình 1.1 Nghiên cứu hệ thống WPT ứng dụng sạc khơng dây động chia thành ba phần sau: Bbộ ghép từ; Mạch bù; Cấu trúc phương pháp điều khiển biến đổi điện tử công suất Mạch bù thứ cấp Chỉnh lưu tần số cao Bộ ĐK quản lý Bộ ĐK phối hợp lượng trở kháng ắc quy Ắc quy Cuộn dây thứ cấp Drive Động Làn đường sạc Các cuộn dây sơ cấp ~ Nguồn xoay chiều AC/DC (PFC) Nghịch lưu tần số cao Mạch bù sơ cấp Hình 1.1 Cấu trúc hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.2.1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây Sự khác biệt sạc không dây sạc cắm dây thơng thường thay sử dụng biến áp cáp sạc sử dụng cuộn dây truyền nhận tách rời Nguyên lý làm việc hệ thống giống máy biến áp khác hai cuộn dây tách rời hay điện truyền qua khơng khí Với cơng suất truyền định, cần ph ải tạo mạch cộng hưởng phía thứ cấp để giảm công suất định mức cuộn dây, giảm tổn th ất đồng cuộn dây; cần tạo mạch cộng hưởng phía sơ cấp để giảm cơng suất định mức biến đổi điện tử công suất, giảm tổn thất biến đổi công suất, tăng hiệu suất truyền Do đó, hệ thống WPT điện phải truyền chế độ cộng hưởng từ 1.2.2 Bộ ghép từ Trong hệ thống WPT dây cần có hai ghép từ để truyền nhận điện năng, ghép từ phía sơ cấp ghép từ phía thứ cấp Trong hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện, ghép từ phía sơ cấp đặt cố định lòng đường tạo thành đường truyền hay đường sạc cho xe điện Bộ ghép từ phía thứ cấp thường đặt gầm xe điện Khi xe điện di chuyển dọc theo đường sạc, điện truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp nhờ ghép từ Đường truyền hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện chia thành hai loại chính, loại thứ đường truyền kiểu đường dài, loại thứ hai đường truyền kiểu đoạn Hiệu suất truyền nhiễu điện từ đường truyền kiểu đoạn tốt hệ thống sạc tĩnh Tuy nhiên, cấu trúc đường truyền kiểu đoạn yêu cầu số lượng lớn mạch bù biến đổi công suất, yêu cầu mạch xác định vị trí xe yêu cầu điều khiển khác làm cho h ệ thống phức tạp Một nhược điểm khác cấu trúc đường truyền kiểu đoạn xe điện di chuyển hai cuộn truyền liền kề, công suất đầu đập mạch giảm đáng kể nhận lệch bên Như vậy, thấy đường truyền kiểu đoạn phù hợp với hệ thống sạc động nhiễu điện từ thấp hiệu suất cao Tuy nhiên, việc thiết kế điều khiển hệ thống phức tạp Để đưa nghiên cứu vào ứng dụng thực tế, cấu trúc đặc điểm đường truyền đặc biệt có lệch bên cần nghiên cứu, phát triển 1.2.3 Mạch bù Trong hệ thống WPT điện truyền qua khe hở khơng khí làm cho hệ số kết nối điện tử nhỏ điện cảm rò lớn Sự cộng hưởng chìa khóa hệ thống WPT để truyền điện với công suất lớn hiệu suất cao Các mạch bù sử dụng để tạo thành mạch cộng hưởng hệ thống WPT Gần đây, mạch bù LCC ứng dụng thành công sạc tĩnh với nhiều ưu điểm đạt hiệu suất cao tải nặng tải nhẹ; tần số cộng hưởng không phụ thuộc vào hệ số kết nối k điều kiện tải; đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS cho van Nhiều nghiên cứu gần sử dụng mạch bù LCC sạc động Tuy nhiên, phương pháp tính tốn mạch bù hệ thống sạc động cần phải xem xét kỹ lưỡng vấn đề kết nối điện từ cuộn dây truyền với nhau, hiệu suất truyền tối đa, vùng tần số đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS,… 1.2.4 Bộ biến đổi điện tử công suất phương pháp điều khiển Trong hệ thống WPT, chức biến đổi cơng suất phía sơ cấp tạo dịng điện tần số cao đưa đến cuộn dây sơ cấp Phía thứ cấp, thông thường sử d ụng chỉnh lưu tần số cao để biến đổi dòng xoay chiều tần số cao thành dòng chiều sạc cho ắc quy Ngồi ra, phía thứ cấp có biến đổi DC/DC để điều phối hợp trở kháng, điều khiển quản lý lượng ắc quy Phụ thuộc vào nơi thực điều khiển, phương pháp điều khiển hệ thống sạc động phân loại thành điều khiển phía sơ cấp, điều khiển phía thứ cấp, điều khiển phối hợp hai phía Trong h ệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện, xe điện di chuyển liên tục đường nên khó để điều khiển kết hợp hai phía Do đó, phương pháp điều khiển độc lập phía ưa thích Hơn nữa, hệ thống sạc động nhiều xe điện di chuyển đường sạc nhận điện từ đường truyền Do đó, hệ thống u cầu có cơng suất lớn, mức cơng suất yêu cầu cho hệ thống xe bus điện lên đến hàng trăm kW Các biến đổi công suất nhiều pha giải pháp để đáp ứng yêu cầu cơng suất truyền lớn Ngồi ra, hệ thống sạc động tần số làm việc cao gây khó khăn việc thiết kế, điều khiển vịng kín Như vậy, cấu trúc phương pháp điều khiển biến đổi nhằm đáp ứng yêu cầu hệ thống cần nghiên cứu phát triển 1.3 Đề xuất phương hướng thực nghiên cứu Nhiệm vụ luận án nghiên cứu hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện Để thực nội dung nghiên cứu, phương hướng thực luận án sau: Thiết kế cuộn dây: Sử dụng phương pháp FEA phần mềm Ansys Maxwell; Thiết kế mạch bù Phương pháp phân tích mạch, mơ mơ hình tham số gộp sử dụng để thiết kế mạch bù; Nghiên cứu cấu trúc phương pháp điều khiển biến đổi điện tử công suất Xây dựng cấu trúc phương pháp điều khiển nâng cao hiệu suất, điều khiển công suất thông qua điều khiển biến đổi điện tử công suất Sử dụng phần mềm LTspice, PSIM để thực mô kiểm ch ứng; Nghiên cứu thực nghiệm Sử dụng máy phân tích, đo nhận dạng tham số đặc tính cộng hưởng hệ thống WPT 1.4 Kết luận chương Chương trình bày tổng quan hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện Trên sở phân tích tình hình nghiên cứu giới, thấy điện khí hóa phương tiện giao thơng r ất cần thiết vấn đề lượng mơi trường Sạc động không dây cung cấp tảng cho thâm nhập th ị trường xe điện mà không phụ thuộc vào công nghệ ắc quy Các thành tựu nghiên cứu hệ thống phần hệ thống thiết kế ghép từ, mạch bù, biến đổi điện tử công suất phân tích, vấn đề cịn tồn phương hướng giải Chương Thiết kế hệ thống Tóm tắt nội dung Chương thực thiết kế cấu trúc hệ thống, thiết kế cuộn dây mạch bù với mục đích giảm đập mạch cơng suất hiệu suất cao 2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống Cấu trúc hệ thống đề xuất thiết kế Hình 2.1, đường truyền thiết kế theo kiểu đoạn mơ đun hóa Phía sơ cấp gồm nhiều mô đun truyền, mô đun truyền gồm ba cuộn dây Mỗi cuộn dây truyền nối với mạch bù riêng, nối song song với cấp nguồn nghịch lưu nhằm giảm số lượng biến đổi công suất Cấu trúc có số ưu điểm điều khiển bật/tắt mơ đun theo vị trí nh ận để tăng hiệu suất hệ thống giảm nhiễu điện từ, dễ dàng mở rộng đường truyền mà không cần thay đổi thiết kế, dễ dàng thiết kế tụ bù, cuộn dây phân đoạn nên giá trị điện áp đỉnh cuộn dây giảm, giá trị điện áp đỉnh đặt lên tụ bù giảm Phía sơ cấp Mơ đun truyền 01 S1 i1 L f1 S3 Cf Phía thứ cấp C1 iL L1 i Lr i2 U DC A u AB Lf2 B Cf C2 iL2 L2 C3 L3 Lr i3 S4 S2 L f3 Cf3 iL3 RL ir Cr Cfr Lfr R Leq BBĐ điều Bộ chỉnh lưu khiển phối hợp tần số cao trở kháng Làn đường truyền Mơ đun truyền n Hình Sơ đồ cấu trúc hệ thống 2.2 Thiết kế ghép từ 2.2.1 Đặt vấn đề Nghiên cứu tổng quan vấn đề tồn đường truyền kiểu đoạn xe điện di chuyển đến vị trí truyền liền kề cơng suất nhận tải giảm hay có tượng đập mạch công suất xe di chuyển dọc đường truyền làm ảnh hưởng tới tuổi thọ ắc quy Do đó, giải pháp giảm đập mạch cơng suất phương pháp thiết kế cuộn dây mô phần tử hữu hạn FEA đề xuất thực 2.2.2 Thiết kế cấu trúc ghép từ Cấu trúc ghép từ gồm ba lớp, lớp thứ cuộn dây đơn cực hình ch ữ nhật, lớp thứ hai ferrite đặt bên cuộn dây để dẫn từ tăng cường kết nối điện từ cuộn dây truyền với cuộn dây nhận, lớp thứ ba chắn nhơm có tác dụng che chắn rị từ trường mơi trường xung quanh Các truyền, nhận ký hiệu T1, T2, T3, R xếp úp mặt phía cuộn dây vào để truyền nhận điện 2.2.3 Thiết kế ghép từ phía truyền Mỗi ghép từ phía truyền thiết kế bao gồm ba cuộn dây đơn cực giống hệt có kích thước 400mmx400mmx48mm, đặt mặt phẳng quấn chiều, cuộn dây quấn 10 vòng Cuộn dây truyền đặt cạnh cuộn truyền khác nhằm tránh vùng cơng suất thấp vị trị trí nhận cuộn dây truyền Mô hình mơ 3D mơ đun ghép từ xây dựng phần mềm Ansys Maxwell biểu diễn Hình Hình Mơ hình Maxwell 3D mơ đun ghép từ 2.2.4 Thiết kế ghép từ phía nhận Kích thước cuộn dây nhận thiết kế phương pháp mô FEA nhằm giảm dao động hệ số kết nối để giảm đập mạch công suất Kết mô FAE giá trị điện cảm tự cảm, hỗ cảm, hệ số kết nối ghép từ mô đun truyền nhận liệt kê Bảng Bảng Kích thước thông số truyền nhận Thông số Giá trị Thông số Giá trị 400mm 500mm lt lr 400 mm 400mm wt wr 48mm 48mm lwt lwr 2mm 150mm hAl da 5mm 10 hm n 4.8mm hc 102 µH -11.937 àH Li (i=1ữ 3) M1 120àH -20.903àH Lr M2 0.14 -12.474 µH Kr M3 Đặc tính hệ số kết nối nhận di chuyển lệch bên khảo sát Hình 2.5 Khi nhận di chuyển lệch bên hệ số kr giảm mạnh, Kr = 0.044 lệch bên theo hướng y ±40% Như vậy, hệ số kết nối điện từ thay đổi nhận di chuyển hệ thống sạc động, hệ số kết nối giảm mạnh nhận di chuyển lệch bên Kết mô vùng từ trường phần mềm Ansys Maxwell phát xạ từ trường hệ thống thiết kế đạt mức an tồn khoảng cách 400mm từ hệ thống Hình Đồ thị đặc tính hệ số kết nối nhận lệch bên 2.3 Thiết kế mạch bù 2.3.1 Đặt vấn đê Hệ thống WPT có đặc điểm hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa giá trị tải tối ưu Ngoài ra, hệ thống WPT ứng dụng cho sạc động có tượng kết nối điện từ giữ a cuộn truyền với Do đó, đặt vấn đề thiết kế mạch bù để hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa điểm làm việc định mức có xem xét đến tượng kết n ối điện từ cuộn truyền với 2.3.2 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng Nguyên lý làm việc mạch phân tích phương pháp phân tích sóng hài Sơ đồ mạch Hình mạch điện tuyến tính nhiều nguồn nên sử dụng phương pháp xếp chồng để phân tích mạch Từ đó, rút mối quan hệ thông số mạch bù C1 I1 L f1 IL1 jωM 1rI Lr Cf1 jωM 12 IL2 I AB I2 C2 Lf2 UAB jωM 13IL3 I L2 L2 jωM 2rI Lr Cf2 jωM 21 IL1 C3 I3 L1 L f3 jωM 23IL3 IL3 L3 ILr Lr Cr L fr Ir jωM 1rI L1 jωM 2rI L2 C fr Uab jωM 3rI L3 jωM 3rILr Cf3 jωM 31I L1 jωM 32IL3 Hình Sơ đồ mạch xấp xỉ tương đương 10 2.3.2 Phân tích điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền Giá trị hiệu suất truyền tối đa tải tối ưu hệ thống trình bày biểu thức đây: m ax RL opt k 2r Q iQ r k 2rQ iQ r 2 fr L Rr 3 kr2 Qi Qr (2 33) (2 34) Hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa giá trị tải, gọi giá trị tải tối ưu Ngoài ra, biểu thức (2 33) dùng để đánh giá, ước lượng hiệu suất mong muốn hệ thống 2.3.4 Tính tốn thơng số mạch bù LCC Các thơng số mạch bù LCC tính tốn để thỏa mãn cơng suất yêu cầu; thỏa mãn điều kiện cộng hưởng; thỏa mãn điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền; giá trị hệ số kết nối Kr = 0.14 Các thông số hệ thống, thông số mạch bù tính tốn trình bày Bảng Bảng Thông số hệ thống mạch bù Thông số Giá trị Thông số Giá trị 1,5kW 400V P out Ub 310V 85kHz UDC fsw 53.33Ω 120 μH RL.opt Lr 102 μH 0,14Ω Li Rr 0,13Ω 0.14 Ri Kr 52.6 μH 95 nF Lfi C3 66.5 nF 28.9 μH C fi L fr 93.7 nF 120.9 nF C1 Cfr 123.2 nF 38.5 nF C2 Cr 2.4 Kết mô thực nghiệm 2.4.1 Kết mơ Các kết mơ đặc tính trở kháng đầu vào Zin = UAB/IAB phần mềm Ansys Electronics liên kết với mơ hình mạch từ cuộn dây thiết kế phần mềm Ansys Maxwell đưa Hình 13 Kết cho thấy có điểm tần số cộng hưởng khơng đổi 85kHz với giá trị tải Nếu hệ thống điều khiển phối hợp trở kháng để giữ trở kháng tải giá trị tải tối ưu 11 vùng tần số ZVS hệ thống cố định, vùng 35kHz ÷ 85kHz Hình 14 đặc tính mơ ph ỏng hiệu suất truyền Với mạch bù LCC thiết kế, tần số cộng hưởng 85kHz không phụ thuộc vào vị trí nhận khơng phụ thuộc vào tải, hiệu suất truyền đạt giá trị lớn 94.6% Hình 16 đặc tính cơng suất hiệu suất h ệ thống nhận di chuyển dọc đường truyền (đường nét liền) Công suất đầu trung bình 1.4 kW, độ đập mạch cơng suất ±10% Hiệu suất trung bình hệ thống đạt 91.8%, với hiệu suất truyền 94.6% hiệu suất nghịch lưu 97% Hình 13 Đặc tính trở kháng đầu vào Hình 14 Đặc tính hiệu suất truyền Hình 16 Kết mô phỏng, thực nghiệm công suất hiệu suất hệ thống 12 2.4.2 Kết thực nghiệm Hình 18 mơ hình thực nghiệm mơ đun truyền nhận hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện thiết lập phịng thí nghiệm Các cuộn dây truyền nhận sử dụng dây đồng nhiều lõi để giảm tổn thất xoay chiều làm việc tần số cao Các ferrite PE40 sử dụng để tăng khả dẫn từ Tụ màng polypropylen sử dụng làm dụng làm tụ bù tổn hao nhỏ khả chịu dòng điện cao tần số lớn Sử dụng van MOSFET SIC CMF20120D để tăng hiệu suất nghịch lưu Kết thực nghiệm dạng điện áp/dòng điện đầu nghịch lưu đưa Hình 2.19a, điều kiện chuyên mạch mềm ZVS cho van đạt Hình 2.19b dạng điện áp tải tối ưu, tần số điện áp 85kHz, tần số cộng hưởng Hình 2.16 kết thực nghiệm (đường nét đứt) công suất đầu hiệu suất hệ thống Giá trị công suất đầu trung bình đo 1.38kW, độ đập mạch cơng suất ± 9.5%, hiệu suất trung bình hệ thống đo 89.5% Hình 18 Mơ hình thực nghiệm Hình 19 Kết thực nghiệm dạng sóng điện áp/dịng điện 13 2.5 So sánh kết nghiên cứu Để chứng minh lợi ích hệ thống thiết kế đề xuất, kết thiết kế so sánh với thiết kế tương tự khác Về thiết kế cuộn dây, đặc tính hệ số kết nối nhận di chuyển lệch bên khảo sát, sở để thực điều khiển nâng cao hệ thống Mạch bù LCC thiết kế theo tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền xem xét đến tượng kết nối điện từ cuộn truyền với Thiết kế có ưu điểm hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa điểm thiết kế, thông số mạch bù nhỏ hơn, phương pháp tính tốn mạch bù đơn giản 2.6 Kết luận chương Thông qua phương pháp thiết kế cuộn dây đề xuất, hệ số kết nối trung bình xe di chuyển dọc đường truyền đạt 0.14 với độ dao động nhỏ (± 6%), đặc tính hệ số kết nối xe di chuyển lệch hướng khảo sát để biết rõ đặc điểm đường truyền, làm sở cho việc điều khiển nâng cao hiệu suất Mạch bù LCC hai phía thiết kế theo giá trị tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền điểm thiết kế có xem xét đến kết nối điện từ cuộn dây truyền với Kết thực nghiệm giá trị công suất trung bình 1.38kW độ đập mạch cơng suất đo ±9.5% nhận di chuyển dọc đường truyền Hiệu suất thực nghiệm trung bình hệ thống đạt 89.5% Chương Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống Tóm tắt nội dung Hiệu suất tiêu chí quan tr ọng h ệ thống WPT Để nâng cao hiệu suất tồn hệ thống cần phải nâng cao hiệu suất phần hệ thống Hai giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống đề xuất phần điều khiển bám cộng hưởng điều khiển bám tải tối ưu 3.1 Điều khiển bám cộng hưởng 3.1.1 Đặt vấn đề Ở chương 2, mạch bù LCC thiết kế đảm bảo điều kiện chuyển mạch mềm ZVS cho MOSFET Tuy nhiên, q trình làm việc thơng số phần tử thụ động h ệ thống bị thay đổi làm cho hệ thống làm việc xa điểm cộng hưởng, giảm hiệu suất hệ thống Điều kiện chuyển mạch MOSFET thay đổi, hiệu suất 14 nghịch lưu giảm Để nâng cao hiệu suất nghịch lưu, phương pháp điều khiển bám cộng hưởng đề xuất thực 3.1.2 Thiết kế điều khiển bám cộng hưởng Trong điều kiện làm việc thực tế, thông số hệ thống thông số cuộn dây, thơng số mạch bù bị thay đổi, làm cho điểm tần số làm việc xa tần số cộng hưởng Dẫn tới diện tích vùng ZVS lớn van chuyển mạch điều kiện ZCS, làm tăng tổn thất chuyển mạch giảm hiệu suất toàn h ệ thống Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng thực thu nhỏ vùng diện tích ZVS thay đổi điều kiện chuyển mạch mềm cho van từ ZCS sang ZVS để giảm tổn thất chuyển mạch, nâng cao hiệu suất t dead PWM1,2 PWM3,4 tdead t t Ts uAB +UDC T s/2 t -U DC i AB IZCS t IH IM.AB IL t t 0t t3 Hình Điểm đo dòng điện phương pháp điều khiển bám cộng hưởng Phía sơ cấp Phía thứ cấp Mơ đun truyền i1 I DC S1 S3 A i AB uAB UDC i2 Lf1 Lf2 Cf1 i L2 i3 Cf3 iL3 Mosfet driver Điều khiển bám cộng hưởng Lf3 C3 L1 i Lr L2 L3 Lr Làn đường sạc động S2 C2 Cf2 B S4 C1 i L1 RL ir Cr Cfr Lfr RLeq BBĐ điều Bộ chỉnh lưu tần số cao khiển phối hợp trở kháng Đo dịng Hình 3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám cộng hưởng Thuật tốn điều khiển thực việc đo dịng điện đầu nghịch lưu IM.AB chu kỳ ngắt điều khiển PWM, 15 thời điểm đo thiết lập t thời điểm kết thúc thời gian chuyển mạch tdead Hình Giá trị dòng điện i AB đo định việc tăng, giảm hay giữ nguyên tần số chuyển mạch fsw Cấu trúc điều khiển bám cộng hưởng đề xuất trình bày Hình 3 Phương pháp điều khiển thực phía sơ cấp, cảm biến thực đo dòng điện đầu nghịch lưu đưa tới điều khiển bám cộng hưởng Bộ điều khiển bám cộng hưởng tạo tín hiệu điều khiển đưa đến Mosfet diver, xung mở van thích hợp tạo nhằm điều khiển bám cộng hưởng, từ hiệu suất nghịch lưu cải thiện 3.1.3 Kết mơ Hình đưa kết mô hiệu suất hệ thống hiệu suất nghịch lưu thơng số mạch bù, cuộn dây phía sơ cấp thay đổi, hai trường hợp khơng có điều khiển có điều khiển Khi khơng có điều khiển bám cộng hưởng, hiệu suất nghịch lưu HNL lớn 95% a thay đổi phạm vi từ -5% đến +5%, HNL nhỏ 95% a thay đổi khoảng từ -10% đến -5% từ +5% đến +10% Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng đạt hiệu mong muốn thông số cuộn dây mạch bù phía truyền thay đổi ph ạm vi ±7.5%, hiệu suất nghịch lưu đạt 95%, hiệu suất hệ thống cải thiện Hình Đặc tính hiệu suất thơng số hệ thống thay đổi 3.2 Điều khiển bám tải tối ưu 3.2.1 Đặt vấn đề Tối đa hiệu suất truyền nh ững tiêu chí quan trọng để nâng cao hiệu suất toàn hệ thống WPT Hiệu suất truyền hệ 16 thống WPT ch ỉ đạt giá trị tối đa giá trị xác định trở kháng tải, gọi giá trị tải tối ưu Tuy nhiên, trở kháng tải ứng dụng sạc cho xe điện lại thay đổi theo trạng thái sạc ắc quy Hơn nữa, hệ thống sạc động giá tr ị trở kháng tối ưu lại thay đổi theo vị trí nhận Từ đặt toán điều khiển trở kháng tải bám theo giá trị trở kháng tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền Phía sơ cấp Phía thứ cấp Mơ đun truyền I DC i1 S1 S3 A uAB U i2 i AB L f2 B DC i3 S2 C1 Cf1 iL1 C2 C f2 iL2 Lf3 C3 iL3 Cf3 RLe RL L1 i Lr L2 Lr Cr D1 L fr a uab iab L3 Mosfet driver D3 ir C fr Bộ Boost RLeq b D4 Làn đường sạc động S4 Lf1 D2 Điều khiển bám trở kháng tối ưu Hình Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu Bộ chỉnh lưu cầu diode RL RL RLe RLe Bộ Boost RLe R Leq (1 D) RLeq Hình Quá trình chuyển đổi giá trị trở kháng tải 3.2.2 Phân tích lý thuyết Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu biểu diễn Hình 6, phương pháp điều khiển thực điều chỉnh hệ số D Boost phía thứ cấp a) Phân tích khả điều khiển bám tải tối ưu Mục tiêu điều khiển trở kháng bám tải tối ưu thực cách điều khiển Boost phía thứ cấp Khái niệm điều khiển bám tải tối ưu giải thích theo sơ đồ chuyển đổi trở kháng Hình Giá trị trở kháng tải tối ưu quy đổi từ phía trước phía sau chỉnh lưu diode biểu diễn sau: RLe opt 2 fr L Rr 3 k r2QiQr (3.2) Giá trị trở kháng tải tương đương quy đổi từ phía sau phía trước Boost: RLe (1 D) RLeq (3.3) 17 Biểu thức (3.3) cho thấy, giá trị RLeq thay đổi theo trạng thái làm việc tải điều chỉnh giá trị hệ số điều chỉnh D để điều chỉnh giá trị tải RLe bám theo giá trị RLe.opt Tuy nhiên, để điều khiển bám tải tối ưu giá trị tải tối ưu theo cần biết Giá trị biết biết giá trị hệ số kết nối điện từ kr b) Ước lượng hệ số kết nối kr từ phía thứ cấp Biểu thức ước lượng giá trị hệ số kết nối điện từ theo giá trị dòng điện/ điện áp chiều sau chỉnh lưu sau: kr 2 L fr U AB Li Lr Rr ULe Lfr L fr (3 8) ILe Biểu thức (3 8) cho thấy để ước lượng hệ số kr cần phải đo giá trị điện áp/dòng điền chiều sau chỉnh lưu phía thứ cấp Bộ Boost RL.e RL i Lr Lr D1 ir Cr Cfr L fr a D3 LB DB uab SB CB U0 RL.eq b D4 I D2 Le ULe Đo điện áp/ dòng điện Ước lượng hệ số kết nối (3.8) Mosfet Driver Tính toán tải tương đương Ước lượng tải tối ưu (3.2) - R Le RLe opt + Bộ điều khiển Hình Cấu trúc điều khiển tải tối ưu c) Phân tích cấu trúc điều khiển Từ phân tích trên, cấu trúc điều khiển bám cộng hưởng đề xuất Hình Khi coi phía truyền cố định, phía nhận điện áp ULe/dịng điện ILe đầu chỉnh lưu đo lường Hệ số kết nối ước lượng theo biểu thức (3 8), tải tối ưu tương đương ước lượng theo biểu thức (3.2) phản hồi tới điều khiển thực điều khiển bám tải tối ưu 3.2.3 Kết mơ thực nghiệm Kết đặc tính hiệu suất truyền nhận vị trí khác điều khiển trở kháng tối ưu đưa Hình 12 Kết quả, điều khiển bám tải tối ưu hiệu suất cải thiện 6% so với điều khiển trở kháng tối ưu cố định 18 Hình 14 đưa kết thực nghiệm hiệu suất hệ thống Hiệu suất hệ thống nâng lên có điều khiển bám cộng hưởng Tuy nhiên, hiệu suất toàn hệ thống đạt 74.8%, hiệu suất thấp phía thứ cấp sử dụng hai biến đổi chỉnh lưu boost Hình 12 Đặc tính hiệu suất truyền theo vị trí nhận Hình 14 Kết thực nghiệm hiệu suất hệ thống 3.3 So sánh kết nghiên cứu Để chứng minh lợi ích phương pháp điều khiển đề xuất, kết so sánh với nghiên cứu tương tự khác 3.4 Kết luận chương Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng nâng cao hiệu suất nghịch lưu Hiệu suất nghịch lưu đạt 95%, hiệu suất của h ệ thống mô đạt 90% thông số cuộn dây mạch bù thay đổi phạm vi từ -7.5% đến +7.5% Khi xe di chuyển lệch hướng làm thay đổi giá trị hệ số kết nối kr , thay đổi giá trị tải tối ưu giảm hiệu suất truyền Phương pháp điều khiển bám tải tối ưu thực để nâng cao hiệu suất truyền Hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa có điều khiển bám tải tối ưu Hiệu suất truyền tăng 6% điều khiển bám tải tối ưu so với trường hợp điều khiển trở kháng tối ưu cố định 19 Chương Điều khiển cơng suất Tóm tắt nội dung Trên sở hệ thống thiết kế, vấn đề điều khiển công suất đáp ứng mức công suất sạc khác cho loại xe điện khác đề xuất thực chương Ngoài ra, phương pháp ước lượng thông số tải thơng tin đo phía sơ cấp trình bày 4.1 Đặt vấn đề Trong hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện, có nhiều loại xe điện khác di chuyển đường truyền tương tác với đường truyền Mỗi xe điện có yêu cầu mức cơng suất sạc khác nhau, từ đặt vấn đề điều khiển công suất cho xe điện 4.2 Cơ sở lý thuyết 4.2.1 Phân tích khả điều khiển cơng suất từ phía sơ cấp Cơng suất đầu tính biểu thức sau: Pout =RL Ir2 RL Li Lr Rr R L L fr kr2 ILi2 L fr (4 3) Biểu thức (4 3) cho thấy cơng suất điều chỉnh thông qua điều chỉnh giá trị hiệu dụng dòng điện cộng hưởng cuộn truyền ILi Từ đó, phương pháp điều chỉnh dịch pha đề xuất để điều chỉnh giá trị hiệu dụng UAB để điều chỉnh dòng ILi 4.2.2 Ước lượng hệ số kết nối k r từ phía truyền Để điều khiển công suất đầu đáp ứng theo lượng đặt trước từ bên phía sơ cấp thơng tin cơng suất nhận phía thứ cấp cần biết Cơng suất ước lượng thơng qua ước lượng hệ số kr biểu thức đây: kr Rr Li Lr L2fr RL PDC I Li2 Ri (4 15) Như vậy, thông qua việc đo công suất P DC giá trị hiệu dụng dịng điện I Li ước lượng giá trị hệ số kết nối điện từ kr 4.2.3 Phân tích, thiết kế điều khiển Giả thiết phía thứ cấp, giá trị trở kháng xoay chiều tương đương điều khiển giá trị trở kháng tối ưu RL.opt Sơ đồ cấu trúc điều khiển cơng suất phía sơ cấp đề xuất thực 20 Hình 4.3 Giá trị hiệu dụng dòng điện cộng hưởng cuộn truyền, điện áp/dòng điện chiều đầu vào nghịch lưu đo đưa vào điều khiển công suất, điều khiển phát tín hiệu phù hợp điều khiển dịch pha nghịch lưu tần số cao nh ằm đáp ứng u cầu cơng suất đặt Phía thứ cấp Phía sơ cấp S1 I DC U DC ZLi i1 Mô đun truyền Lf1 C f1 S3 A Cin iAB u AB i2 Lf2 Cf2 iL1 C1 L1 iL2 C2 L i Lr Lr Cr ir Cfr L fr R L.opt B S2 i3 L f3 IDC Bộ điều khiển cơng suất phía sơ cấp U DC ILi Cf3 i L3 C3 L3 Làn đường sạc S4 Pref Hình Sơ đồ cấu trúc điều khiển công suất 4.3 Kết mô thực nghiệm 4.3.1 Kết mô Để xác minh phương pháp điều khiển đề xuất, hệ thống WPT mô phần mềm PSIM LTspice Kết mô vịng kín đáp ứng cơng suất giá trị cơng suất đặt thay đổi từ 0.8kW tới 1.2kW đưa Hình Kết cho thấy giá trị công suất ước lượng, công suất tải bám theo giá trị đặt trước với thời gian đáp ứng 1.1ms sai lệch tĩnh 0.5% Hình Kết mô đáp ứng công suất theo giá trị đặt trước 4.3.2 Kết thực nghiệm Các kết thực nghiệm kiểm chứng mạch điều khiển công suất đầu vịng kín đưa Hình 11 Hình 12 Kết cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu điều khiển với sai lệch tĩnh thấp 21 Hình 11 Kết thực nghiệm công suất đặt giảm từ 600W xuống 400W Hình 12 Kết thực nghiệm cơng suất đặt 400W, nhận di chuyển thẳng hướng lệch hướng 22 4.4 So sánh kết nghiên cứu Để minh chứng lợi ích phương pháp đề xuất, thực so sánh với hệ thống tương tự khác Phương pháp đề xuất tiết kiệm biến đổi công suất; Phương pháp ước lượng thông số đơn giản, dễ thực hiện; Phương pháp đề xuất thực điều khiển công suất đầu theo mức yêu cầu sạc loại xe điện 4.5 Kết luận chương Chương đề xuất phương pháp điều khiển công suất đầu hệ thống sạc động không dây cho xe điện Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng thực từ phía sơ cấp Một phương pháp ước lượng thơng số đơn giản từ phía thứ cấp đề xuất thực Công suất đầu điều khiển đáp ứng theo mức yêu cầu với sai lệch nhỏ 5% Kết luận Trong luận án này, sở lý thuyết, phương pháp thiết kế điều khiển hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện trình bày Trước tiên, hệ thống thiết kế theo cấu trúc mô đun phía truyền với nhiều ưu điểm dễ dàng mở rộng đường truyền, dễ dàng thiết kế tụ bù, điều khiển bật/tắt mơ đun truyền theo vị trí xe điện để tăng hiệu suất giảm nhiễu điện từ Tiếp theo, ghép từ thiết kế phương pháp mơ phân tích phần tử hữu hạn FEA ph ần mềm Ansys Maxwell nhằm giảm đập mạch công suất Hệ số kết nối điện từ trung bình xe di chuyển dọc đường truyền 0.14, độ dao động ± 6% , đặc tính hệ số kết nối xe di chuyển lệch hướng khảo sát để biết rõ đặc điểm hệ thống Mạch bù LCC hai phía thiết kế theo giá trị tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền có xem xét đến kết nối điện từ cuộn dây truyền với Kết quả, tần số cộng hưởng không phụ thuộc vào hệ số kết nối tải, đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS cho SIC MOSFET, hiệu suất truyền đạt giá trị cao dải rộng tần số, thông số mạch bù nhỏ - sở để thiết kế hệ thống công suất lớn Độ đập mạch công suất đầu 9.5%, hiệu suất thực nghiệm trung bình hệ thống đạt 89.5% Trên sở hệ thống thiết kế, phương pháp điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống hiện, bao gồm điều khiển bám cộng hưởng điều khiển bám tải tối ưu Phương pháp điều khiển bám cộng 23 hưởng thực trường hợp thông số cuộn dây mạch bù thực tế thay đổi so với thông số thiết kế Ngồi ra, phương pháp cịn có tác dụng thu hẹp vùng chuyển mạch mềm ZVS nghịch lưu Phương pháp điều khiển đạt hiệu mong muốn thông số cuộn dây mạch bù thay đổi phạm vi từ -7.5% đến +7.5%, hiệu suất nghịch lưu đạt 95%, hiệu suất mô của h ệ thống đạt 90% Phương pháp điều khiển bám tải tối ưu thực trường hợp xe điện di chuyển làm thay đổi giá trị hệ số kết nối kr, thay đổi giá trị tải tối ưu giảm hiệu suất truyền Kết quả, điều khiển bám tải tối ưu hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa, hiệu suất truyền tăng 6% so với trường hợp điều khiển trở kháng tối ưu cố định Cuối cùng, phương pháp điều khiển công suất đề xuất thực để đáp ứng mức công suất sạc khác cho loại xe điện khác di chuyển đường truyền Phương pháp điều khiển thực phía sơ cấp sử dụng phương pháp ước lượng hệ số kết nối mới, dễ thực Kết công suất đầu đáp ứng yêu cầu điều khiển Những đóng góp luận án: - Đề xuất cấu trúc đường truyền kiểu mô đun, thiết kế ghép từ giảm đập mạch công suất thiết kết mạch bù LCC tối đa hiệu suất truyền - Đề xuất phương pháp điều khiển bám cộng hưởng bám tải tối ưu nâng cao hiệu suất - Đề xuất phương pháp điều khiển công suất đầu theo yêu cầu loại xe điện khác - Xây dựng hệ thống thực nghiệm kiểm chứng kết tính tốn, thiết kế Những hạn chế luận án nghiên cứu tương lai - Trong tương lai thực mở rộng đường truyền thực điều khiển đóng/cắt mơ đun truyền theo vị trí nhận - Cấu trúc biến đổi điều khiển bám tải tối ưu bao gồm chỉnh lưu diode boost, cấu trúc nhiều biến đổi làm cho hiệu suất toàn hệ thống thấp Trong tương lai đề xuất thay chỉnh lưu diode boost chỉnh lưu đồng để tăng hiệu suất hệ thống 24 ... nghiên cứu mở rộng hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện cần thiết Để nghiên cứu tổng quan hệ thống WPT ứng dụng sạc không dây động cho xe điện, xem xét cấu trúc điển hình hệ thống. .. tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Luận án thực nghiên cứu, đề xuất cấu trúc phương pháp điều khiển hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc động không dây cho xe điện với mục tiêu... yêu cầu hệ thống cần nghiên cứu phát triển 1.3 Đề xuất phương hướng thực nghiên cứu Nhiệm vụ luận án nghiên cứu hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện Để thực nội dung nghiên cứu,