Mô phỏng và thiết kế bộ sạc tích hợp ứng dụng trên xe điện PFC

Mô phỏng và thiết kế bộ sạc tích hợp ứng dụng trên xe điện PFC. Mục đích nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ sạc tích hợp hai giai đoạn để sạc cho khối pin có điện áp 360V. Cấu hình tăng áp xen kẽ sẽ được sử dụng cho giai đoạn đầu để điều chỉnh hệ số công suất và giảm sóng hài (THD). Ở giai đoạn thứ hai, cấu hình cộng hưởng LLC được sử dụng để chuyển đổi điện áp dcdc có cách ly. Luận văn sẽ tập trung lựa chọn cấu hình phù hợp để giảm kích thước bộ sạc, và tối ưu hiệu suất chuyển đổi năng lượng dựa trên đặc tính biên độ điện áp thay đổi lớn khi sạc của khối pin.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG THANH HUY MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ SẠC TÍCH HỢP ỨNG DỤNG TRÊN XE ĐIỆN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08, năm 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Đình Tuyên (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Phan Quốc Dũng (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: TS Huỳnh Văn Vạn (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 tháng 08 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) PGS TS Nguyễn Văn Nhờ : Chủ tịch hội đồng PGS TS Phan Quốc Dũng : Phản biện TS Huỳnh Văn Vạn : Phản biện TS Trương Phước Hịa : Thư kí TS Trần Thanh Ngọc : Uỷ viên Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS TS Nguyễn Văn Nhờ TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : Trương Thanh Huy MSHV : 1670805 Ngày, tháng, năm sinh : 17/12/1992 Nơi sinh : Tây Ninh Chuyên ngành : Kỹ thuật điện Mã số : 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI : MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ SẠC TÍCH HỢP ỨNG DỤNG TRÊN XE ĐIỆN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :  Tìm hiểu sạc tích hợp dùng xe điện  Lựa chọn cấu hình phù hợp cho sạc có cơng suất 7.4kW  Mơ sạc tích hợp với cấu hình chọn phần mềm PSIM  Thiết kế sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch điện cho sạc 7.4kW phần mềm Altium Designer III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/8/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 3/8/2020 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS TS Nguyễn Đình Tuyên Tp HCM, ngày tháng năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) PGS TS Nguyễn Đình Tuyên TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Xin gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tun lịng biết ơn kính trọng sâu sắc Cảm ơn Thầy cung cấp tài liệu, kiến thức, kinh nghiệm hướng dẫn tận tình để tơi hồn thành luận văn Thầy tạo điều kiện để nghiên cứu, nâng cao kiến thức tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Đó niềm vinh dự tự hào học tập nghiên cứu hướng dẫn Thầy Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô môn cung cấp điện, PTN nghiên cứu điện tử công suất, khoa Điện- Điện tử trường đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh giúp đỡ, truyền đạt cho kinh nghiệm, kiến thức suốt q trình tơi học tập nghiên cứu trường Cuối xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, nguồn động lực, điểm tựa để tơi vượt qua khó khăn q trình học tập nghiên cứu Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 Trương Thanh Huy TÓM TẮT LUẬN VĂN Mục đích nghiên cứu luận văn thiết kế sạc tích hợp hai giai đoạn để sạc cho khối pin có điện áp 360V Cấu hình tăng áp xen kẽ sử dụng cho giai đoạn đầu để điều chỉnh hệ số công suất giảm sóng hài (THD) Ở giai đoạn thứ hai, cấu hình cộng hưởng LLC sử dụng để chuyển đổi điện áp dcdc có cách ly Luận văn tập trung lựa chọn cấu hình phù hợp để giảm kích thước sạc, tối ưu hiệu suất chuyển đổi lượng dựa đặc tính biên độ điện áp thay đổi lớn sạc khối pin ABSTRACT The main research content of the thesis is designing a two-stage onboard charger to charge a 360V lithium-ion battery pack An interleaved boost topology is employed in the first stage for power factor correction (PFC) and to reduce total harmonic distortion (THD) In the second stage, a full-bridge inductor-inductorcapacitor (LLC) multi resonant converter is adopted for galvanic isolation dc-dc conversion Design considerations focusing on reducing the charger volume, and optimizing the conversion efficiency over the wide battery pack voltage range are investigated LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo tài liệu trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo theo yêu cầu Tác giả luận văn Trương Thanh Huy MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới Thiệu sạc tích hợp 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Bố cục luận Văn CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ XE ĐIỆN VÀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN 2.1 Tiềm thị trường xe điện 2.2 Lưu trữ chuyển đổi lượng xe điện 2.3 Phân loại sạc dành cho xe điện 2.4 Phương pháp sạc pin 2.5 Cấu hình sạc 11 CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU HÌNH CHO BỘ SẠC TÍCH HỢP 14 3.1 Giới thiệu 14 3.2 Dữ liệu sạc pin Li-ion 14 3.3 Cấu hình chuyển đổi AC-DC 16 3.3.1 Giới thiệu chuyển đổi AC-DC 16 3.3.2 Conventional Boost PFC 18 3.3.3 Interleaved Boost PFC 20 3.3.4 Cấu hình Bridgeless PFC 22 3.4 Cấu hình chuyển đổi DC-DC 24 3.4.1 Giới thiệu chuyển đổi DC-DC sạc 24 3.4.2 Bộ chuyển đổi Flyback 25 3.4.3 Cấu hình chuyển đổi Half-Bridge 26 3.4.4 Cấu hình chuyển đổi Full-Bridge 26 3.4.5 Cấu hình Phase-Shift Full Bridge (PSFB) 27 3.4.6 Full Bridge Series Resonant Converter (FB-SRC) 28 3.4.7 Parallel Resonant Converter (PRC) 30 3.4.8 Series Parallel Resonant Converter (SPRC) 31 3.4.9 Full Bridge LLC Resonant Converter 33 3.5 Giải thuật điều khiển sạc cho pin lithium-ion 36 CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN THƠNG SỐ CHO MẠCH SẠC TÍCH HỢP 38 4.1 Thông số thiết kế sạc 38 4.2 Tính tốn thơng số cho PFC 38 4.2.1 giới thiệu cấu hình Interleaved Boost PFC 38 4.2.2 Xác định thông số mạch thiết kế 41 4.2.3 Tính giá trị cuộn cảm 42 4.2.4 Tính thơng số linh kiện cơng suất 42 4.3 Thiết kế chuyển đổi DC-DC theo cấu hình Full-Bridge LLC 43 4.3.1 Thông số thiết kế mạch DC-DC: 43 4.3.2 Tổng quan chuyển đổi Full-Bridge LLC 44 4.3.3 Các bước thiết kế mạch Full-Bridge LLC 49 4.3.4 Tính thơng số cho mạch LLC 7.4kW 54 CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG BỘ PFC VÀ BỘ DC-DC 56 5.1 Bộ Interleaved PFC 56 5.1.1 Thông số mô mạch PFC 56 5.1.2 Kết mô mạch PFC 57 5.2 Bộ Full-Bridge LLC resonant 59 5.2.1 Thông số mô mạch Full-Bridge LLC 59 5.2.2 Kết mô mạch full-bridge LLC 60 5.3 Mô tổn thất nhiệt mosfet 62 CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ MẠCH CHO BỘ SẠC TÍCH HỢP 66 6.1 Thiết kế mạch Interleaved Boost PFC 66 6.1.1 Mô tả thiết kế mạch PFC 66 6.1.2 Mạch điều khiển với vi điều khiển F280049 66 6.1.3 Thiết kế mạch lái cho SiC MOSFET 67 6.1.4 Thiết kế phần công suất cho mạch 68 6.2 Thiết kế mạch DC-DC theo cấu hình cộng hưởng LLC 71 6.2.1 Thông số thiết kế mạch LLC 71 6.2.2 Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp 72 6.2.3 Thiết kế mạch hồi tiếp dòng điện 73 6.2.4 Thiết kế mạch công suất 75 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 65 Hình 19 Kết mơ nhiệt mosfet mạch DC-DC 66 CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ MẠCH CHO BỘ SẠC TÍCH HỢP 6.1 Thiết kế mạch Interleaved Boost PFC 6.1.1 Mô tả thiết kế mạch PFC Mạch chuyển đổi AC-DC theo cấu hình Interleaved boost PFC với cơng suất 7.4kW dùng cho sạc tích hợp Phần mạch công suất sử dụng SiC (silicon carbide) MOSFET để tăng hiệu suất Các SiC MOSFET lái mạch lái cách ly, mạch điều khiển sử dụng MCU C2000 hãng Texas Instruments Thiết kế hoạt động chế độ CCM đạt 98% hiệu suất điện áp ngõ vào 240VAC công suất 7.4kW Mạch điều khiển nhận tín hiệu hồi tiếp dịng điện điện áp, tín hiệu điều khiển dụng xung PWM Mạch lái MOSFET cách ly tín hiệu điều khiển mạch điều khiển mạch công suất Mạch lái giúp bảo vệ MOSFET bị vọt lốt điện áp ngắn mạch Các tính mạch  Mật độ lượng cao, hiệu suất cao công suất thiết kế 7.4kW  Sử dụng MOSFET hiệu suất cao với mạch lái cách ly  Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển có khả tính toán nhanh, khả triển khai giải thuật điều khiển linh hoạt  Hiệu suất 96% hoạt động đầy tải, PFC lên đến 0.99 THD nhỏ 2%  Điện áp ngõ điều khiển khoảng từ 450V đến 650V 6.1.2 Mạch điều khiển với vi điều khiển F280049 Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển F280049 thuộc dòng C2000 hãng Texas Instruments, dòng vi điều khiển thiết kế chuyên cho ứng dụng điện tử công suất Thiết kế sử dụng mạch điều khiển dạng thẻ cắm có bán sẵn thị trường hình 6.1, với tính sau 67  Mạch có tích hợp sẵn mạch nạp theo chuẩn JTAG giúp dễ dàng nạp chương trình tìm lỗi kết nối với máy tính theo thời gian thực  Nguồn cấp vào linh hoạt, cấp thơng qua chân cắm nguồn mạch, thông qua khe cắm 100 chân phía Chỉ cần cấp điện áp 5V mạch có sẵn khối nguồn để tạo mức điện áp khác cho vi điều khiển  Tất ngõ vào tín hiệu hồi tiếp có sẵn lọc RC diode bảo vệ Hình Mạch điều khiển với vi điều khiển F280049C 6.1.3 Thiết kế mạch lái cho SiC MOSFET Mạch lái giúp cách ly tín hiệu điều khiển từ MCU đến MOSFET, giúp chuyển tín hiệu xung PWM từ MCU thành tín hiệu điều khiển để điều khiển MOSFET Mạch sử dụng IC UCC21530 với tính như:  Mạch thiết kế nhỏ gọn, lái lúc hai SiC MOSFET  Dòng điều khiển tối đa lên đến 4A, tần số 500kHz  Hai chế độ bảo vệ MOSFET dòng áp  Cách li điện áp tối đa 8kV điện áp đỉnh 5.7kV điện áp rms 68 Hình Sơ đồ nguyên lý mạch lái với IC UCC21530 Hình Thiết kế PCB mạch lái SiC MOSFET 6.1.4 Thiết kế phần công suất cho mạch a Thiết kế khối cấp nguồn Khối nguồn mạch chuyển điện áp từ mức điện áp DC sau chỉnh lưu cầu diode sang mức điện áp 5V DC để cung cấp cho toàn mạch Nguồn cấp cho mạch thiết kế nguồn cách ly theo cấu hình fly-back sử dụng IC điều khiển UCC28700, tín hiệu hồi tiếp áp lấy từ phía sơ cấp nên khơng cần phải sử dụng opto cách ly cho phần hồi tiếp Mạch hoạt động chế độ DCM để giảm tổn thất đóng cắt giải thuật 69 điều khiển kết hợp tần số điều khiển dòng đỉnh cuộn sơ cấp tín hiệu điều khiển dựa theo tải ngõ góp phần tăng hiệu suất mạch Điện áp ngõ vào 310VDC ± 5% Điện áp ngõ 5VDC ± 5% Công suất ngõ tối đa 5W Tần số làm việc tối đa 120 kHz Hiệu suất 86% Bảng Thông số thiết kế khối nguồn Hình Sơ đồ nguyên lý khối cấp nguồn b Hồi tiếp dòng điện điện áp Để đo dòng điện ngõ vào mạch sử dụng IC hồi tiếp hiệu ứng trường ACS716KLATR Ngõ cảm biến khuếch đại opamp OPA237 để khuếch đại tín hiệu điện áp đưa vào chân ADC vi điều khiển 70 Hình Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến dòng Điện áp ngõ vào AC đo theo sơ đồ nguyên lý hình 6.6 tín điện áp qua mạch lọc RC trước đưa vào chân ADC vi điều khiển Hình 6 Sơ đồ nguyên lý hồi tiếp áp ngõ vào 71 Hình Sơ đồ ngun lý phần cơng suất mạch PFC Hình Thiết kế 3D mạch PFC 6.2 Thiết kế mạch DC-DC theo cấu hình cộng hưởng LLC 6.2.1 Thông số thiết kế mạch LLC Mạch DC-DC cho sạc tích hợp thiết kế với tính sau: Điện áp ngõ vào 600V DC Điện áp ngõ 280-400V DC 72 Công suất ngõ 7.4kW Dòng điện ngõ ta 25A Hiệu suất tối đa 98% Tần số PWM 200kHz Bảng Thông số thiết kế mạch LLC Trong phần mạch cộng hưởng LLC phần mạch điều khiển sử dụng mạch MCU F280049C phần mạch lái dùng IC UC21350 mạch PFC mục 6.1 6.2.2 Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp Vi điều khiển C2000 nằm phía sơ cấp biến áp, phần mạch hồi tiếp điện áp cuộn sơ cấp cần sử dụng cầu phân áp để chia điện áp xuống mức thấp phù hợp với điện áp chân hồi tiếp MCU Tín hiệu hồi tiếp đệm qua opam để giảm trở kháng trước đưa vào chân hồi tiếp MCU Hình Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp điện áp phía sơ cấp Điện áp pin nằm phần cuộn thứ cấp, đo để hồi tiếp điện áp cuộn sơ cấp phải sử dụng IC cách ly AMC1311 để cách ly điện phần sơ cấp thứ cấp biến áp hình 6.10 73 Hình 10 Mạch hồi tiếp điện áp cách ly cho cuộn sơ cấp 6.2.3 Thiết kế mạch hồi tiếp dịng điện Trên mạch có ba vị trí hồi tiếp dịng điện gồm dịng điện qua cuộn sơ cấp, dòng điện cuộn thứ cấp dòng điện từ mạch qua pin Đố với dòng điện qua cuộn sơ cấp dòng điện cuộn thứ cấp đực hồi tiếp qua cuộn dây dùng opam khuếch đại tín lên hình 6.10 6.11 Hình 11 Sơ đồ mạch hồi tiếp dịng điện 74 Hình 12 Mạch khuếch đại tín hiệu hồi tiếp dịng điện Dòng điện từ mạch qua pin hồi tiếp qua điện trở, tín hiệu hồi tiếp từ điện trở đưa qua IC cách ly AMC1302 qua opamp đệm trước đưa vào chân hồi tiếp vi điều khiển hình 6.13 Hình 13 Mạch hồi tiếp dịng điện qua pin 75 6.2.4 Thiết kế mạch cơng suất Hình 14 Sơ đồ ngun lý mạch cơng suất LLC Hình 15 Thiết kế 3D mạch LLC 76 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Trong luận văn này, giới thiệu sạc tích hợp, phân tích thơng số, lựa chọn cấu hình, tính tốn thơng số để mơ thiết kế phần cứng cho sạc có cơng suất 7.4kW Cấu hình Interleaved boost PFC sử dụng giai đoạn đầu để điều chỉnh hệ số công suất, giảm THD giảm kích thước linh kiện từ tính Trong giai đoạn tiếp theo, chuyển đổi cộng hưởng LLC sử dụng để đạt hiệu suất chuyển đổi lượng cao, đồng thời hoạt động hiệu dải điện áp thay đổi rộng pin sạc Kết mô cho thấy ưu điểm cấu hình lựa chọn Ở giai đoạn PFC cho thấy hệ số công suất đạt lên đến 98% giá trị THD dòng điện nhỏ 4% Trong phần chuyển đổi cộng hưởng LLC, tổn thất đóng cắt, tổn thất truyền dẫn tổn thất khác tính tốn để giảm tối thiểu đạt hiệu suất tối đa hoạt động với đặc tính điện áp thay đổi sạc pin Trong phần thiết kế phần cứng, phần mạch điều khiển hoàn thành thiết kế sơ đồ nguyên lý thiết mạch in cho phần mạch lái SiC MOSFET, mạch hồi tiếp dòng áp cho hai khối PFC LLC Phần mạch cơng suất hồn thành thiết kế sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch in cho hai khối PFC LLC Hướng phát triển đề tài Hướng phát triển đề tài tiếp tục giai đoạn sau thiết kế phần cứng, làm mạch để kiểm tra thực tế Đo đạc thông số mạch hoạt động so sánh với kết mơ Tìm giải thuật điều khiển tốt cho PFC LLC để tăng hiệu suất, tăng mật độ lượng giảm kích thước mạch sạc 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Yilmaz and P T Krein, “Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels and Infrastructure for Plug-in Electric and Hybrid Vehicles” IEEE Trans Power Electron., vol 28, no 5, pp 2151–2169, May 2012 [2] C Lin, C Hsieh, K Chen, Chia-Hsiang Lin, Chun-Yu Hsieh, and Ke-Horng Chen, “A Li-Ion Battery Charger With Smooth Control Circuit and Built-In Resistance Compensator for Achieving Stable and Fast Charging,” IEEE Trans Circuits Syst Regul Pap., vol 57, no 2, pp 506–517, Feb 2010 [3] W.-Q Tian, J.-H He, J.-C Jiang, L.-Y Niu, and X.-J Wang, “Research onDispatching Strategy for Coordinated Charging of Electric Vehicle Battery Swapping Station,” Power Syst Prot Control, vol 40, no 21, pp 114–119, 2012 [4] Liang-Rui Chen, Roy-Chaoming Hsu, Chuan-Sheng Liu, Wei-Zhan Yen, Neng-Yi Chu, and Yuan-Li Lin, “A Variable Frequency Pulse Charge Strategy for Li-ion Battery,” in IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2005, vol 3, pp 995–1000 [5] S Dusmez, A Cook, and A Khaligh, “Comprehensive Analysis of High Quality Power Converters for Level off-board Chargers,” in 2011 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, 2011, pp 1–10 [6] “ThermoAnalytics: HEV Vehicle Battery Types.” [Online] Available: http://www.thermoanalytics.com/support/publications/batterytypesdoc.html [Accessed: 20-Nov-2012] [7] N Tamai, “Rechargeable Battery Charging Method,” US54422741995 [8] J P M Figueiredo, F L Tofoli, and B L A Silva, “A Review of SinglePhase PFC Topologies Based on the Boost Converter,” in 2010 9th IEEE/IAS 78 International Conference on Industry Applications - INDUSCON 2010, 2010, pp 1–6 [9] Praneeth, A V J S., and Sheldon S Williamson "A Review of Front End AC-DC Topologies in Universal Battery Charger for Electric Transportation." In 2018 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), pp 293-298 IEEE, 2018 [10] D Xu, Z Jindong, C Weiyun, J Jinjun, and F C Lee, “Evaluation of Output Filter Capacitor Current Ripples in Single Phase PFC Converters,” in Power Conversion Conference, 2002, vol 3, pp 1226–1231 [11] Sukesh, N.; Pahlevaninezhad, M.; Jain, “P.K Analysis and implementation of a single stage flyback PV microinverter with soft switching” IEEE Trans Ind Electron 2014, 61, 1819–1833 [12] Huiping, Ye, Xiao Lei, Ma Shiben, and Wang Zhifu "The study of the onboard charger with the bridgeless PFC." In 2011 4th International Conference on Power Electronics Systems and Applications, pp 1-3 IEEE, 2011 [13] Cree/Wolfspeed, C2M0025120D datasheet Rev B, 10-2015 79