Thiết kế cuộn dây và mạch bù LCC trong hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc cho xe tự hành

Bài viết Thiết kế cuộn dây và mạch bù LCC trong hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc cho xe tự hành đề xuất phương pháp thiết kế cuộn dây và mạch bù LCC trong hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc cho xe tự hành. Phương pháp mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn FEA được sử dụng để thiết kế cuộn dây.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) THIẾT KẾ CUỘN DÂY VÀ MẠCH BÙ LCC TRONG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG SẠC CHO XE TỰ HÀNH COILS AND LCC COMPENSATION CIRCUIT DESIGN IN WIRELESS POWER TRANSFER SYSTEM FOR AUTOMATED GUIDED VEHICLE CHARGING APPLICATION Nguyễn Thị Điệp1, Nguyễn Kiên Trung2 1Đại học Điện lực, 2Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Ngày nhận bài: 18/03/2022, Ngày chấp nhận đăng: 18/03/2022, Phản biện: TS Nguyễn Đình Tuyên Tóm tắt: Bài báo đề xuất phương pháp thiết kế cuộn dây mạch bù LCC hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc cho xe tự hành Phương pháp mơ phân tích phần tử hữu hạn FEA sử dụng để thiết kế cuộn dây Đặc tính hệ số kết nối phân tích để thấy ảnh hưởng lệch trục Mạch bù LCC thiết kế cho hai phía truyền nhận Phương pháp phân tích mạch cộng hưởng trình bày chi tiết Ngồi ra, báo cịn đưa điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền Một mơ hình hệ thống sạc 2.5kW xây dựng để xác minh phương pháp thiết kế Kết thực nghiệm hiệu suất hệ thống lớn đạt 90.9% Từ khóa: Truyền điện khơng dây, sạc điện khơng dây, mạch bù LCC, xe tự hành Abstract: This paper proposes a method to design coils and LCC compensation circuits in wireless power transfer systems for automated guided vehicle charging applications The simulation method of finite element analysis (FEA) is used to design the coil The coupling coefficient characteristic is analyzed to determine the effect of the misalignment The LCC compensation circuit is designed for both transmitter and receiver The resonant circuit analysis method is presented in detail In addition, the paper also provides optimal loading conditions to maximize transfer efficiency A 2.5kW charging system prototype was constructed Experimental results show that the maximum system efficiency is achieved by 90.9% Keywords: Wireless power transfer, Wireless Charing, LCC compensation circuit, Automated guided vehicle GIỚI THIỆU CHUNG Xe tự hành (AGV - automatic guided vehicles) có nhiều ưu điểm khả thích ứng tốt, tính linh hoạt cao hành trình tự động, ứng dụng rộng rãi nhà máy sản xuất, logistics Tuy Số 29 nhiên, pin AGV cần sạc lại theo chu kỳ, dẫn đến hiệu suất sử dụng thấp chi phí sử dụng cao Gần đây, giải pháp sạc không dây cho AGV đề xuất [1] Sạc không dây dựa cơng nghệ truyền điện khơng dây 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) (WPT – wireless power transfer) cung cấp điện mà khơng cần kết nối vật lý Sạc khơng dây cho AGV tận dụng thời gian dừng ngắn trình vận hành để sạc pin Với giải pháp này, AGV thay pin thủ công thông thường, giảm thời gian hao phí phải sạc pin định kỳ, cải thiện tuổi thọ ắc quy, an tồn (có thể làm việc môi trường dầu, ẩm ướt, bụi bẩn), giảm chi phí phụ tùng thay chi phí làm việc Trong hệ thống WPT, điện truyền nhờ điện cảm hỗ cảm cuộn dây truyền nhận, điện cảm rị khơng đóng góp trực tiếp để truyền cơng suất tích tực Vì khe hở khơng khí lớn cuộn dây truyền nhận làm cho hệ thống WPT có điện cảm rò lớn điện cảm hỗ cảm nhỏ hay hệ số kết nối điện từ nhỏ [2] Hệ số kết nối điện từ phụ thuộc vào khoảng cách truyền, độ lệch bên cuộn dây truyền nhận, kích thước cuộn dây Để tăng hệ số kết nối điện từ, thiết kế cuộn dây quan trọng [3] Trong đó, mạch bù sử dụng để bỏ qua điện cảm rị quan trọng Thơng thường thêm vào tụ bù sử dụng tụ ký sinh cuộn dây để tạo thành mạch cộng hưởng, cách gọi phương pháp cộng hưởng từ Ở dải tần số kHz, mạch cộng hưởng tạo cách đưa thêm tụ bù vào mạch Theo cách nối tụ bù với cuộn dây truyền nhận, có bốn mạch bù mạch bù SS (Series Series), mạch bù SP (Series Parallel), mạch bù PP (Parallel Parallel) mạch bù PS (Parallel Series) [4], [5] 12 Với mạch bù SP, PS, PP tần số cộng hưởng phụ thuộc vào hệ số kết nối Tuy nhiên, hệ thống sạc không dây, cuộn dây truyền đặt cố định trạm sạc cuộn dây nhận đặt AGV Khi sạc AGV đỗ vị trí của truyền Do đó, khó tránh khỏi thay đổi khe hở khơng khí lệch trục cuộn dây truyền nhận, nói cách khác hệ số kết nối điện từ thay đổi Điều làm giảm hiệu suất hệ thống Để đạt hiệu suất cao cần có phương pháp trì cộng hưởng Có hai phương pháp thường sử dụng điều khiển tần số [6] phối hợp trở kháng [7], giải pháp làm cho hệ thống phức tạp Với mạch bù SS, tần số cộng hưởng độc lập với hệ số kết nối điều kiện tải Tuy nhiên, nhược điểm dòng điện cuộn dây sơ cấp lại thay đổi theo hệ số kết nối [8] Lợi ích có dịng điện cuộn dây sơ cấp không đổi cuộn dây làm việc điều kiện định mức, việc điều khiển công suất đơn giản hóa Bài báo đề xuất thiết kế mạch bù LCC hai phía cho hệ thống WPT ứng dụng sạc cho AGV Với cấu trúc đề xuất, tần số cộng hưởng độc lập với hệ số kết nối điều kiện tải Hiệu suất truyền cao trường hợp tải nặng tải nhẹ Ngồi ra, dịng điện phía sơ cấp khơng đổi khơng phụ thuộc vào tính chất tải hệ số kết nối Hệ số cơng suất đạt gần cho biến đổi phía sơ cấp thứ cấp toàn phạm vi hệ số kết nối điều kiện tải Vì vậy, dễ dàng đạt hiệu suất cao cho toàn hệ thống Điều kiện chuyển mạch mềm ZVS (Zero voltage Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) switching) đạt cho MOSFET nghịch lưu Ngoài ra, điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền đưa ra, sở để thực điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống Cấu trúc báo gồm phần sau : phần trình bày cấu trúc hệ thống ghép từ, phần thiết kế mạch bù, phần mô thực nghiệm Các kết luận tóm tắt phần chiều tần số cao nhờ nghịch nghịch lưu cầu gồm MOSFET (S1, S2, S3, S4), sau thơng qua mạch bù LCC phía sơ cấp (𝐿𝑓1 , 𝐶𝑓1 , 𝐶1 ) đưa đến cuộn dây truyền 𝐿1 CẤU TRÚC HỆ THỐNG VÀ BỘ GHÉP TỪ thành nguồn chiều Sau đó, lượng chiều đưa qua điều khiển quản lý lượng ắc quy để sạc cho xe tự hành Trong báo xem xét trình truyền điện hệ thống sạc, từ đầu vào UDC nghịch lưu phía sơ cấp đến đầu uab đầu vào chỉnh lưu phía thứ cấp, chưa xem xét đến phần lại hệ thống Dòng điện xoay chiều tần số cao cuộn dây truyền phát từ trường xoay chiều Ở phía thứ cấp, cuộn dây nhận (𝐿2 ) cảm ứng điện áp xoay chiều, sau qua mạch bù LCC phía thứ cấp (𝐿𝑓2 , 𝐶𝑓2 , 𝐶2 ) đưa tới AC/DC chuyển 2.1 Cấu trúc hệ thống Cấu trúc hệ thống sạc không dây cho xe tự hành biểu diễn Hình Hệ thống gồm hai phía sơ cấp thứ cấp tách rời Ở phía sơ cấp, nguồn điện xoay chiều đưa qua AC/DC chuyển thành điện áp chiều Điện áp chiều (𝑈𝐷𝐶 ) chuyển thành điện áp xoay Phía sơ cấp Phía thứ cấp I DC RL S3 S1 C1 A ~ iLf1 UDC uAB B Lf1 Cf1 i1 M L1 i2 L2 C2 D1 i Lf2 Lf2 Cf2 D3 a u ab U0 b Nguồn xoay chiều S4 S2 D4 Ắc quy D2 Bộ điều khiển quản lý lượng ắc quy AC/DC Mosfet driver Hình Cấu trúc hệ thống 2.2 Bộ ghép từ Trong hệ thống WPT, lượng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp nhờ ghép từ Trong thiết kế này, ghép từ gồm truyền nhận có cấu Số 29 trúc giống Cấu trúc 3D mô Maxwell ghép từ Hình Mỗi gồm lớp : lớp thứ cuộn dây đơn cực hình trịn, dây Litz sử dụng nhằm giảm tổn thất xoay chiều làm việc tần số cao Lớp 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) thứ hai ferrite sử dụng để tăng cường kết nối điện từ Lớp thứ ba chắn nhơm, có tác dụng che chắn rị từ trường mơi trường xung quanh Cuộn dây có đường kính 14cm, khoảng cách truyền 4,5cm Mơ FEA thực để xác định giá trị điện cảm tự cảm, hỗ cảm, hệ số kết nối điện Kết mô FEA trường hợp truyền nhận thẳng tâm Bảng Kết mơ hệ số kết nối điện từ có lệch trục cuộn truyền nhận theo hướng x, y Hình Kết cho thấy, truyền nhận thẳng tâm (x = 0cm ; y = 0cm) k lớn 0.25 Khi độ lệch trục tăng dần k giảm dần, k = x = y = ±6 cm Vì cuộn dây hình trịn nên đặc tính k đối xứng cuộn dây lệch trục theo hướng x hướng y z THIẾT KẾ MẠCH BÙ Tấm chắn nhôm Thanh Ferrite Dây Litz y x Hệ số kết nối điện từ k Hình Cấu trúc ghép từ 0.2-0.3 0.3 0.1-0.2 0.2 0-0.1 0.1 -6 -4 -2 -4-6 -2 Hình Đặc tính hệ số kết nối điện từ Bảng Thông số ghép từ Thông số Ký hiệu Điện cảm tự cảm 𝐿1 , 𝐿2 cuộn dây truyền, nhận Điện cảm hỗ cảm 𝑀 Hệ số kết nối điện từ 𝑘 Giá trị 110𝜇𝐻 3.1 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng Mạch bù LCC đề xuất thiết kế cho hai phía truyền nhận Hình Sử dụng phương pháp phân tích sóng hài tần số chuyển mạch để phân tích mạch cộng hưởng Điện áp đầu nghịch lưu 𝑼𝐴𝐵 điện áp đầu vào chỉnh lưu 𝑼𝑎𝑏 xấp xỉ nguồn hình sin Để đơn giản trình thiết kế bỏ qua tổn thất phần tử mạch Độ xác phương pháp gần xác minh mô thực nghiệm phần sau Mạch xấp xỉ tương đương Hình đưa Hình 4a Quan hệ điện từ cuộn dây truyền nhận thể nguồn áp phụ thuộc dịng Sơ đồ Hình 4a mạch điện tuyến tính nhiều nguồn, sử dụng nguyên lý xếp chồng để phân tích mạch 27.5 𝜇𝐻 0.25 Quan hệ điện cảm hỗ cảm 𝑀 hệ số kết nối điện từ 𝑘 biểu diễn theo (1) : 𝑘= 14 𝑀 √𝐿1 𝐿2 (1) Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ILf1 L1 C1 I1 L2 I2 ILf2 C2 Lf2 Lf1 UAB jωMI2 Cf1 Uab jωMI1 Cf2 cuộn thứ cấp có điện áp truyền đến cuộn thứ cấp 𝑗𝜔𝑀𝐼′1 Dịng điện cuộn bù 𝐿𝑓2 tính sau : a) I Lf1 L1 C1 I I L2 I C2 Lf2 𝑰′𝐿𝑓2 = Lf2 Lf1 UAB Cf1 jωMI jωMI b) I Lf1 C1 L1 I I L2 I C2 Lf2 Lf2 Lf1 jωMI Cf1 jωMI Uab Cf2 c) Hình Mạch xấp xỉ tương đương Khi mạch điện kích thích nguồn đầu vào 𝑼𝐴𝐵 Hình 4b: Ở phía thứ cấp, Lf2 Cf2 tạo thành mạch cộng hưởng song song, coi trở kháng vơ hạn Do đó, cuộn dây thứ cấp coi hở mạch, tức 𝑰′2 = Tần số cộng hưởng thiết kế tần số chuyển mạch (𝑓0 = 𝑓𝑠𝑤 ), mối quan hệ cộng hưởng biểu diễn (2): 𝐿𝑓2 𝐶𝑓2 = 𝜔2 (2) Với 𝜔 = 2𝜋𝑓0 = 2𝜋𝑓𝑠𝑤 Ở phía sơ cấp, mạch cộng hưởng song song hình thành Trở kháng mạch cộng hưởng vô hạn với nguồn đầu vào 𝑼𝐴𝐵 khơng có dịng điện chảy qua cuộn bù 𝐿𝑓1 , tức 𝑰′𝐿𝑓1 = Mối quan hệ cộng hưởng biểu diễn (3): 𝐶1 = 𝜔2 (3) [𝐿1 −𝐿𝑓1 ] Ở tần số cộng hưởng, khơng có dịng điện chảy qua cuộn bù 𝐿𝑓1 , nên 𝑼𝐶𝑓1 = 𝑼𝐴𝐵 Do đó, dịng điện chảy cuộn dây sơ cấp tính sau: 𝑰′1 = − 1⁄ 𝑼𝐴𝐵 (𝑗𝜔𝐶𝑓1 ) = 𝑼𝐴𝐵 𝑗𝜔𝐿𝑓1 (4) Trên Hình 4b, khơng có dịng chạy Số 29 𝑗𝜔𝐿𝑓2 = 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑼𝐴𝐵 (5) 𝑗𝜔𝐿𝑓1 𝐿𝑓2 Khi mạch kích thích nguồn 𝑼𝑎𝑏 Hình 4c: Cf2 𝑗𝜔𝑀𝑰′1 Ở phía sơ cấp, 𝐿𝑓1 𝐶𝑓1 cộng hưởng song song hoạt động trở kháng vô hạn với cuộn dây sơ cấp Do đó, khơng có dịng điện chảy qua cuộn dây sơ cấp 𝑰′′1 = 0, mối quan hệ tham số vòng cộng hưởng: 𝐿𝑓1 𝐶𝑓1 = 𝜔2 (6) Ở phía thứ cấp, tụ 𝐶2 thiết kế để trì cộng hưởng song song: 𝐶2 = 𝜔2 [𝐿2 −𝐿𝑓2 ] (7) Trong trường hợp khơng có dịng điện chảy qua cuộn bù 𝐿𝑓2 , tức 𝑰′′𝐿𝑓2 = Do điện áp tụ 𝐶𝑓2 điện áp đầu 𝑼𝑎𝑏 , dòng điện chảy cuộn thứ cấp: 𝑰′′2 = − 𝑼𝑎𝑏 ⁄ 𝑗𝜔𝐶𝑓2 =− 𝑼𝑎𝑏 𝑗𝜔𝐿𝑓2 (8) Điện áp phản xạ từ phía thứ cấp phía sơ cấp 𝑗𝜔𝑀𝑰′′2 Do đó, dịng điện cuộn bù 𝐿𝑓1 bằng: 𝑰′′𝐿𝑓1 = 𝑗𝜔𝑀𝑰′′2 𝑗𝜔𝐿𝑓1 =− 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑼𝑎𝑏 𝑗𝜔𝐿𝑓1 𝐿𝑓2 (9) 𝑼ab điện áp thụ động tạo theo chế độ dẫn diode D1 đến D4, phải pha với 𝑰𝐿𝑓2 Khi 𝑰′′𝐿𝑓2 = 0, 𝑼𝑎𝑏 pha với 𝑰′𝐿𝑓2 Nếu lấy 𝑼𝐴𝐵 làm tham chiếu, 𝑼𝐴𝐵 𝑼𝑎𝑏 biểu diễn sau : 𝑼𝐴𝐵 = 𝑈𝐴𝐵 ∠00 (10) 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 𝑼𝑎𝑏 = 𝑈𝑎𝑏 ∠−900 (11) Từ biểu thức (10) (11) cho thấy 𝑼𝑎𝑏 chậm pha 𝑼𝐴𝐵 góc 900 Từ phân tích trên, xếp chồng kết nhận được: 𝑼𝐴𝐵 𝑗𝜔𝐿𝑓1 𝑰1 = 𝑰′1 + 𝑰′′1 = = 𝑈𝐴𝐵 ∠−900 𝜔𝐿𝑓1 (12) 𝑰𝐿𝑓1 = 𝑰′ 𝐿𝑓1 + 𝑰′′ 𝐿𝑓1 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑼𝑎𝑏 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑈𝑎𝑏 (13) 𝑰2 = 𝑰′2 + 𝑰′′2 = − 𝑗𝜔𝐿𝑎𝑏 = 𝜔𝐿𝑎𝑏 ∠00 (14) 𝑗𝜔𝐿𝑓1 𝐿𝑓2 = 𝜔𝐿𝑓1 𝐿𝑓2 𝑼 𝑈 𝑓2 ′ 𝑰𝐿𝑓2 = 𝑰 = 𝐿𝑓2 ′′ +𝑰 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑼𝐴𝐵 𝑗𝜔𝐿𝑓1 𝐿𝑓2 𝑓2 𝐿𝑓2 = 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑈𝐴𝐵 𝜔𝐿𝑓1 𝐿𝑓2 ∠−900 Khi xem xét đến điện trở cuộn dây truyền nhận sơ đồ Hình thay sơ đồ mạch Hình R1 L1 I1 I2 L2 R2 ILf2 C2 Lf1 UAB Cf1 Lf2 jωMI2 RL jωMI1 Cf2 Hình Sơ đồ mạch thay Với 𝑅𝐿 trở kháng tải xoay chiều tương đương nhìn từ đầu vào chỉnh lưu phía thứ cấp tới tải ắc quy: 16 𝑅𝐿 𝐼𝐿𝑓2 𝑅𝐿 𝐼𝐿𝑓2 +𝑅1 𝐼12 +𝑅2 𝐼22 = 𝑅𝐿 2 𝐼1 𝐼 𝑅𝐿 +𝑅1 ( ) +𝑅2 (𝐼 ) 𝐼𝐿𝑓2 𝐿𝑓2 (17) Ở phía thứ cấp, phương trình Kirchhoff2 viết cho mạch vịng: (𝑅𝐿 + 𝑗𝜔𝐿𝑓2 )𝑰𝐿𝑓2 − 𝑗𝜔𝐶𝑓2 (𝑅2 + 𝑗𝜔𝐿𝑓2 + 3.2 Điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền C1 Hiệu suất truyền hệ thống tính sau: (15) Từ biểu thức (10) (13); (11) (15) cho thấy điện áp dòng điện đầu vào pha, điện áp dòng điện đầu pha Hệ số công suất đơn vị đạt cho nghịch lưu đầu vào chỉnh lưu đầu Điều kiện cộng hưởng đạt với giá trị hệ số kết nối điều kiện tải Biểu thức (12) cho thấy dịng điện cuộn truyền khơng phụ thuộc vào hệ số kết nối điều kiện tải ILf1 (16) Ở đây, 𝑅𝑏 trở kháng tương đương ắc quy, giá trị 𝑅𝑏 phụ thuộc vào trạng thái sạc ắc quy 𝜂= ∠00 =− 𝑅𝐿 = 𝜋 𝑅𝑏 + { 𝑗𝜔𝐶𝑓2 (𝑰2 − 𝑰𝐿𝑓2 ) = 𝑗𝜔𝐶2 ) 𝑰2 + (18) (𝑰2 − 𝑰𝐿𝑓2 ) − 𝑗𝜔𝑀𝑰1 = Từ (18) rút mối quan hệ sau: { 𝑰2 𝑰𝐿𝑓2 𝑰1 𝑰𝐿𝑓2 = 𝑅 = − 𝑗𝜔𝐿𝐿 𝑘√𝐿1 𝐿2 𝑓2 𝑅2 𝑅𝐿 𝜔2 𝐿𝑓2 ( (19) + 𝐿𝑓2 ) Kết hợp (17) (19), nhận biểu thức: 𝜂= 𝑅𝐿 𝜔2 𝐿2 𝑅 𝑓2 𝑅𝐿2 22 (1+ )+𝑅𝐿(1+ )+ 𝑘 𝑄 𝑄 𝑘 𝑄 𝑄 𝑘 𝑄 𝑄 𝜔 𝐿𝑓2 2 𝑅2 (20) Ở đây, 𝑄1 = 𝜔𝐿1 ⁄𝑅1 ; 𝑄2 = 𝜔𝐿2 ⁄𝑅2 hệ số chất lượng cuộn dây truyền nhận Biểu thức (20) cho thấy hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào thông số cuộn dây truyền nhận, tần số góc 𝜔, thơng số mạch bù 𝐿𝑓2 , hệ số kết nối điện từ k giá trị trở tải xoay chiều tương đương 𝑅𝐿 Khi cấu trúc cuộn dây mạch bù thiết kế, tần số làm việc tần số cộng hưởng hiệu suất truyền hàm với biến số 𝑅𝐿 Hiệu suất truyền tối đa tìm cách giải hệ phương trình sau: Số 29 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 𝜕𝜂 𝜕𝑅𝐿 {𝜕𝜂2 𝜕𝑅𝐿2 =0 (21)