Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc pin nhanh cho xe ô tô điện

Bài viết Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc pin nhanh cho xe ô tô điện đề xuất phương án thiết kế cũng như tính toán các tham số của bộ sạc pin nhanh cho ô tô điện được sử dụng đặt tại các trạm sạc pin.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 37 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ SẠC PIN NHANH CHO XE Ô TÔ ĐIỆN DESIGN OF FAST CHARGERS FOR ELECTRIC VEHICLES Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nhhieu@dut.udn.vn, tthieu@dut.udn.vn Tóm tắt - Mạch chỉnh lưu cầu pha diode kết hợp với chuyển đổi DC/DC có cấu trúc tồn cầu đơi chủ động (Dual Active Bridge - DAB) nghiên cứu, đề xuất để dùng làm sạc pin nhanh cho ô tơ điện Bộ sạc pin có khả truyền tải công suất lớn để cung cấp lượng cho ô tô điện khoảng thời gian ngắn Các phần tử tính tốn thiết kế đảm bảo hiệu suất hoạt động cao, cách ly an toàn lưới pin xe ô tô thông qua máy biến áp cao tần, hạn chế sử dụng phần tử thụ động để giảm kích thước Q trình tính tốn, lựa chọn phần tử mô thực phần mềm Matcad Matlab-Simulink cho thấy hiệu suất sạc xung quanh giá trị 90% với thời gian sạc đầy 80% dung lượng pin vòng 25 phút, cấu trúc điều khiển phù hợp với đặc tính sạc pin Abstract - Three-phase diode rectifier and Dual Active Bridge converter are selected to design model of the fast charger for electric vehicles The advantage of model is high efficiency, galvanic isolation, and low volume It is capable of providing high power for electric vehicles in short time Fast charger components are designed to ensure high performance After determining the value of basic elements of circuit like IGBT, leakage inductance, we simulate the model based on Matlab-Simulink The results show that the efficiency is about 90% with output voltage from 240 VDC to 400 VDC The time to obtain 80% of battery State of Charge is about 25 minutes Từ khóa - tơ điện; sạc pin nhanh; mạch tồn cầu đơi chủ động DAB; cách ly an toàn; AC/DC Key words - electric vehicle; fast charger; Dual Active Bridge; galvanic isolation; AC/DC Đặt vấn đề Nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày bị cạn kiệt, phương tiện giao thông sử dụng động đốt ngày gây sức ép vấn đề nhiên liệu tác động tiêu cực đến mơi trường khơng khí Mặt khác, xu phát triển sử dụng nguồn lượng mới, lượng ngày phổ biến, trình sản xuất điện Với ưu điểm bật mình, xe tơ điện chiếm lĩnh thay xe sử dụng động đốt trong tương lai khơng xa Do đó, việc chuẩn bị sở hạ tầng phục vụ cho phát triển xe điện, trạm sạc điện vấn đề cấp thiết Hiện nay, có nhiều nghiên cứu hãng sản xuất nhiều loại sạc pin khác Bộ sạc pin thường phân thành cấp dựa công suất sạc [1], [2] Bộ sạc pin cấp 1, cấp có công suất cực đại 3,3 kW 14,4 kW Với cơng suất này, thiết kế sạc pin nhỏ, gọn khối lượng vừa phải, không gây tốn nhiều nhiên liệu xe chạy Tuy nhiên, hai loại sạc pin này, công suất không đủ cung cấp cho xe điện có dung lượng pin lớn di chuyển đoạn đường dài Bộ sạc pin cấp sạc nhanh, có công suất lớn, thường dao động từ 50 kW đến 100 kW [3], cơng suất cực đại lên đến 240 kW Do đó, kích thước khối lượng sạc lớn gây ảnh hưởng đến hoạt động xe điện Bộ thường nằm bên xe, cung cấp trực tiếp điện áp chiều cho khối pin bên Tuy nhiên, sạc pin khơng có cách ly an tồn đầu vào đầu ra, nên hệ thống pin dễ bị hư hỏng có cố từ lưới điện cố từ sạc pin Trong báo này, tác giả đề xuất phương án thiết kế tính tốn tham số sạc pin nhanh cho ô tô điện sử dụng đặt trạm sạc pin Bộ sạc có cơng suất lớn (50 kW), thời gian sạc nhanh, thời gian sạc đầy 80% dung lượng pin khoảng 25-30 phút, có cách ly an toàn lưới pin, hiệu suất làm việc cao, cấu trúc nhỏ gọn có phần tử thụ động cấu trúc Lựa chọn tham số cho sạc pin Để thiết kế sạc pin tương thích với nhiều loại xe điện có mặt thị trường, nhóm tác giả khảo sát thơng số, cấu trúc pin mẫu xe pin xe phổ biến thị trường, từ đưa thông số chung để thiết kế sạc Bộ chuyển đổi AC/DC Đầu sạc chậm Bộ Pin xe Bộ điều khiển sạc DC/ AC EM Đầu sạc nhanh Hình Cấu trúc chung xe điện Hình miêu tả cấu trúc chung phần lớn xe ô tô điện [4] Cấu trúc xe điện bao gồm hệ thống pin đóng vai trị việc cung cấp lượng cho xe điện, hệ thống pin lấy lượng từ lưới điện thông qua sạc pin chậm gắn xe, sạc pin nhanh trạm sạc Năng lượng từ hệ thống pin đưa qua điều khiển sạc DC/DC nghịch lưu DC/AC nhằm điều chỉnh dịng cơng suất cung cấp điện áp xoay chiều cho động điện (EM) để truyền động đến bánh xe Hệ thống pin xe điện hãng thiết kế sao cho có vịng đời dài, dung lượng lớn, nhỏ, nhẹ để không làm tốn nhiên liệu Công nghệ pin Li-ion thường sử dụng cho hệ thống pin xe điện Bảng trình bày thơng số hệ thống pin số loại xe phổ biến thị trường Nguyễn Hữu Hiếu, Trịnh Trung Hiếu 38 Bảng Thông số hệ thống pin xe điện Tên xe Dung lượng pin (kWh) Quảng đường (dặm) Công nghệ pin BMW i3 22 81 Li-ion Chervolet Spark EV 19 82 Li-ion Fiat 500E 24 84 Li-ion Hình Cấu trúc chỉnh lưu cầu pha diode Ford Focus Electric 23 76 Li-ion Kia Soul EV 27 93 Li-ion-polymer Mercedes Bclass 28 85 Li-ion Nissan LEAF 30 107 Li-ion Ứng với thông số chung sạc, dựa tài liệu [5], ta chọn được loại diode RURG80100 hãng Fairchild có dịng điện thuận trung bình IF(AV)=80 A, điện áp rơi lớn đạt 1,9 V 3.2 Mạch biến đổi DC/DC 3.2.1 Lựa chọn cấu trúc mạch Tesla Model S 85 265 Li-ion Volkswagen E-Golf 24 83 Li-ion Theo thông số hệ thống pin xe điện khác Bảng 1, thấy dung lượng pin trung bình loại xe dao động từ 20 - 30 kWh, riêng xe hãng Tesla có cơng suất hệ thống pin cao hơn, 85 kWh Quãng đường phần lớn loại xe dao động từ 80 đến 100 dặm Điện áp lúc thấp đạt 240 VDC, lúc đầy pin 400 VDC, dòng điện sạc cực đại dao động từ 130 A đến 160 A, tuỳ loại xe Như vậy, thông số sạc tính tốn phải tương thích với phần lớn loại xe điện có thị trường Công suất cực đại sạc chọn thiết kế 50 kW, sạc đầy pin vịng 30 phút cơng suất Điện áp đầu vào 380 VAC ba pha lấy từ lưới điện điện lực Điện áp đầu sạc dao động từ 240 đến 400 VDC, phù hợp với điện áp pin Lựa chọn cấu trúc, tính tốn lựa chọn phần tử sạc pin Trạm biến áp 22/0,4 kV Bộ chỉnh lưu AC/DC Bộ chuyển đổi DC/DC Hệ thống pin xe điện Hình Cấu trúc sạc pin nhanh Tương tự với phần lớn sạc pin nhanh nghiên cứu triển khai thị trường, cấu trúc sạc pin nhanh trình bày Hình Bộ sạc lấy điện từ nguồn pha có điện áp 380 VAC, sau chỉnh lưu thành dịng xoay chiều thơng qua chỉnh lưu AC/DC, dịng điện sạc phía đầu chỉnh lưu điều chỉnh cho phù hợp với đặc tính sạc pin thơng qua chuyển đổi DC/DC 3.1 Bộ chỉnh lưu AC/DC Cấu trúc chọn cấu trúc chỉnh lưu cầu ba pha diode, cấu trúc có ưu điểm điện áp đầu có giá trị lớn, cấu trúc đơn giản (do diode phần tử không điều khiển), độ sụt áp diode nhỏ Bảng So sánh đặc điểm cấu trúc DC/DC có cách ly Tiêu chí Flyback Forward HB DAB Điện áp giáng lên khóa Cao Cao Thấp Thấp Dịng điện giáng lên khóa Thấp Thấp Cao Thấp Số lượng khóa Ít Ít Trung bình Nhiều Chuyển mạch Cứng Cứng Mềm Mềm Tổn thất chuyển mạch Lớn Lớn Nhỏ Nhỏ Mạch dập RC Cần thiết Cần thiết Không Không Điều khiển Đơn giản Đơn giản Phức tạp Phức tạp Như giới thiệu Phần 1, sạc thiết kế phải cách ly an toàn đầu vào đầu để đảm bảo xe khơng bị hư hỏng có cố từ lưới điện cố từ sạc pin Vì vậy, chuyển đổi DC/DC phải có cách ly Bằng phương pháp so sánh đặc điểm số cấu trúc mạch DC/DC có cách ly, nhóm tác giả đề xuất bảng so sánh thông số số mạch tiêu biểu Forward [5], Flyback [5], nửa cầu (Half Bridge-HB) [5], tồn cầu đơi chủ động (Dual Active Bridge – DAB) [6], [7] với thông số điện áp dòng điện (Bảng 2) Dựa vào bảng so sánh kết hợp với mục tiêu hướng đến sạc có khả cách ly an tồn, hiệu suất cao, cấu trúc DAB lựa chọn cho cấu trúc mạch DC/DC Hình 4, thể cấu trúc giản đồ xung điều khiển khoá chuyển mạch DAB [8] M1 Vin M3 Cin M2 Lk Vp M4 MBA M5 M7 Cout Vs M6 Hình Cấu trúc mạch DAB M8 Vout ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(114).2017-Quyển 39 đổi góc lệch φ mà độ lớn của góc lệch phụ thuộc vào giá trị điện cảm rị Do đó, giá trị điện cảm rị chọn khơng q nhỏ để dễ dàng điều khiển, không lớn, ảnh hưởng đến giá trị dòng điện lớn đầu Ioutmax, hiệu suất chung mạch Từ (1), giá trị dòng điện đầu mạch DAB xác định công thức: M1, M4 M2, M3 M5, M8 M6, M7 Iout Hình Giản đồ xung điều khiển khóa Cơng suất truyền qua mạch DAB xác định theo công thức [7]:   n.Vin Vout  1     (1) P 2fLK Với φ góc lệch pha điện áp xoay chiều phía sơ cấp phía thứ cấp máy biến áp, n tỉ số biến áp , V in điện áp phía sơ cấp, Vout điện áp phía thứ cấp máy biến áp, LK giá trị điện cảm rò máy biến áp Giá trị góc lệch φ khơng ảnh hưởng tới độ lớn cơng suất mà cịn ảnh hưởng đến hướng cơng suất truyền qua mạch, -π