Hcmute nghiên cứu điều khiển bộ sạc pin cho xe điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NCKH CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN CHO XE ĐIỆN MÃ SỐ: T2020-31TĐ SKC 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9/2020 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN CHO XE ĐIỆN Mã số: T2020-31TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Nguyễn Vinh Quan Tp Hồ Chí Minh, 9/2020 Luan van TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH & CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN CHO XE ĐIỆN Mã số: T2020-31TĐ Chủ nghiệm đề tài: TS Nguyễn Vinh Quan Thành viên: TS Trần Quang Thọ TS Nguyễn Nhân Bổn Tp Hồ Chí Minh, 9/2020 Luan van MỤC LỤC TRANG Trang tựa MỤC LỤC i LIỆT KÊ HÌNH iii LIỆT KÊ BẢNG v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi CÁC KÝ HIỆU vii THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU viii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS x MỞ ĐẦU xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Xu hướng phát triển pin xe điện 1.2 Các tiêu chuẩn sạc pin xe điện 1.3 Các nghiên cứu liên quan CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN BỘ SẠC PIN XE ĐIỆN 2.1 Nguyên lý hệ thống sạc 2.2 Mạch chỉnh lưu cầu pha 2.3 Mạch tăng áp chiều i Luan van 2.4 Bộ biến đổi cầu H tích cực kép DAB 11 2.5 Nguyên lý điều khiển 13 2.6 Mơ hình pin sạc 16 2.7 Ảnh hưởng nhiệt độ 18 CHƯƠNG KẾT QUẢ KHẢO SÁT 3.1 Cài đặt tham số 21 3.2 Kết nhận xét 21 3.3 Lọc sóng hài 27 CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 Kết đạt .32 4.2 Hướng phát triển .32 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN ii Luan van LIỆT KÊ HÌNH TRANG Hình 1.1 Sơ đồ khối nguyên lý sạc pin xe điện Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch động lực hệ thống sạc pin xe điện Hình 2.2 Dạng sóng điện áp ngõ vào ngõ chỉnh lưu cầu pha Hình 2.3 Sơ đồ mạch tăng áp DC .7 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC Hình 2.5 Dạng sóng điện áp dịng điện nguồn xoay chiều khơng có PFC 10 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý điều khiển mạch tăng áp DC có PFC .10 Hình 2.7 Dạng sóng điện áp dịng điện nguồn có PFC 10 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch DAB .11 Hình 2.9 Dạng sóng điện áp điều khiển xung kích DAB 13 Hình 2.10 Dạng sóng điện áp phía sơ cấp thứ cấp biến áp cách ly 14 Hình 2.11 Trạng thái pin sạc 14 Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý điều khiển DAB 15 Hình 2.13 Đặc tuyến điều khiển sạc 16 Hình 2.14 Đặc tính sạc cell pin 17 Hình 2.15 Khâu điều khiển cơng suất sạc theo nhiệt độ 19 Hình 3.1 Điện áp dòng điện sạc Iref=40A 22 iii Luan van Hình 3.2 Cơng suất sạc nhiệt độ ước lượng pin 22 Hình 3.3 Điện áp dịng điện sạc trung bình 40A có kiểm sốt nhiệt độ .23 Hình 3.4 Cơng suất sạc nhiệt độ có kiểm sốt nhiệt độ 24 Hình 3.5 Điện áp dịng điện sạc Iref=60A 24 Hình 3.6 Công suất sạc nhiệt độ ước lượng 25 Hình 3.7 Điện áp dịng điện sạc có kiểm sốt nhiệt độ 25 Hình 3.8 Cơng suất sạc nhiệt độ ước lượng 26 Hình 3.9 Điện áp dịng điện sạc có kiểm sốt nhiệt độ 26 Hình 3.10 Cơng suất sạc nhiệt độ ước lượng 27 Hình 3.11 Dạng sóng dịng điện điện áp ngõ vào chưa có lọc 27 Hình 3.12 Sóng hài dịng điện đo thời điểm 9.99s chưa lọc 28 Hình 3.13 Sóng hài dịng điện phóng to đo thời điểm 9.99s chưa lọc 28 Hình 3.14 Dạng sóng dịng điện điện áp ngõ vào sau lọc .30 Hình 3.15 THD dịng điện đo thời điểm 9.99s sau lọc 30 Hình 3.16 THD dạng sóng dịng điện phóng to đo t=9.99s có lọc 31 iv Luan van LIỆT KÊ BẢNG Trang Bảng 1-1 Các tiêu chuẩn sạc .3 Bảng 2-1 Tham số mơ hình ghép cell pin 18 Bảng 3-1 Tham số hệ thống khảo sát .21 Bảng 3-2 Thông số lọc 29 v Luan van DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT OBC (on-board battery charger) sạc on-board V2G (Vehicle-to-grid) công nghệ xe điện nối lưới G2V (Grid-to-vehicle) công nghệ xe điện nối lưới EMI (electromagnet interferences) nhiễu điện từ PFC (power factor correction) BEV (battery electric vehicle) PWM (Pulse-width-modulation) Điều rộng xung CC (constant current) ổn dòng CV (constant voltage) ổn áp Level Tiêu chuẩn sạc cấp DAB (Dual-active bridge) cầu H tích cực kép THD (total harmonic distortion) độ méo hài toàn phần vi Luan van CÁC KÝ HIỆU Vmax Biên độ điện áp  nhiệt độ fsw Tần số chuyển mạch  Tần số góc Pcha Cơng suất sạc pin Ibat Dòng điện sạc pin Vbat Điện áp sạc pin Vs Điện áp nguồn lưới Is Dòng điện nguồn lưới Cdc Tụ lọc phía DC L1 Điện cảm lọc phía DC Cf Tụ lọc ngõ vào Lf Điện cảm lọc ngõ vào Cfo Tụ lọc ngõ Lfo Điện cảm lọc ngõ vii Luan van Trần Quang Thọ Hình 3.14 Dạng sóng dịng điện điện áp ngõ vào sau lọc Hình 3.15 THD dịng điện đo thời điểm 9.99s sau lọc Dạng sóng dịng điện điện áp nguồn lưới cấp cho sạc sau sử dụng lọc hình 3.14 đến 3.16 cho thấy sóng hài giảm đáng kể cụ thể THD dòng điện 3.54% tiêu chuẩn nối lưới 30 Luan van Trần Quang Thọ Hình 3.16 THD dạng sóng dịng điện phóng to đo t=9.99s có lọc 31 Luan van Trần Quang Thọ CHƯƠNG KẾT LUẬN 4.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Song song với nghiên cứu cải thiện công nghệ pin dành cho xe điện, việc nghiên cứu sạc dùng cho xe điện để đảm bảo an toàn nhiệt cho trình sạc giảm thời gian sạc hãng sản xuất xe điện thực mạnh mẽ nhằm tăng tính cạnh tranh thị trường Tuy nhiên, kỹ thuật công nghệ sạc hãng xe điện chưa công bố phổ biến áp lực cạnh tranh thị trường Báo cáo trình bày nguyên lý xây dựng mơ hình điều khiển sạc có tích hợp tính ổn dịng, ổn áp kiểm soát nhiệt độ pin sạc Với phương pháp ước lượng nhiệt độ đề xuất điều khiển công suất sạc theo nhiệt độ giúp cho hệ thống sạc pin xe điện an toàn hơn, hạn chế vụ cháy nổ sạc điện cho xe Các kết khảo sát cho thấy phương pháp điều khiển đề xuất giúp cho hệ thống sạc pin nhanh không gây nhiệt cho pin sạc Ngồi ra, tính PFC xem xét để đảm bảo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết bị sạc Thêm vào đó, sóng hài dịng điện sạc nằm giới hạn cho phép tiêu chuẩn nối sạc tích hợp lọc sóng hài 4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Để hệ thống sạc ứng dụng hiệu tăng khả chế tạo chuyển giao công nghệ, đề tài cần nghiên cứu thêm phần sau: + Giải pháp lọc sóng hài cho sạc + Điều khiển theo nhiệt độ sử dụng phương pháp dự báo + Nâng cấp tiêu chuẩn sạc lên cấp cao sử dụng nguồn lưới pha 32 Luan van Trần Quang Thọ + Xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng giải pháp đề xuất để tăng khả ứng dụng 33 Luan van Trần Quang Thọ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R Teodorescu, M Liserre, and P Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaic and Wind Power Systems 2011 [2] Z Darabi and M Ferdowsi, “Aggregated impact of plug-in hybrid electric vehicles on electricity demand profile,” IEEE Transactions on Sustainable Energy, vol 2, no pp 501–508, 2011, doi: 10.1109/TSTE.2011.2158123 [3] N Imanishi and O Yamamoto, “Rechargeable lithium–air batteries: characteristics and prospects,” Mater Today, vol 17, no 1, pp 24–30, 2014, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702113004586 [4] J Y Yong, V K Ramachandaramurthy, K M Tan, and N Mithulananthan, “A review on the state-of-the-art technologies of electric vehicle, its impacts and prospects,” Renew Sustain Energy Rev., vol 49, pp 365–385, 2015, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702113004586 [5] C H Dharmakeerthi, N Mithulananthan, and T K Saha, “Overview of the impacts of plug-in electric vehicles on the power grid,” 2011, doi: 10.1109/ISGT-Asia.2011.6167115 [6] R C G II, L Wang, and M Alam, “The impact of plug-in hybrid electric vehicles on distribution networks: A review and outlook,” Renew Sustain Energy Rev., vol 15, pp 544–553, 2011 [7] M Aziz and T Oda, “Simultaneous quick-charging system for electric vehicle,” in 9th International Conference on Applied Energy, ICAE2017, 2017, pp 1811–1816 [8] Y Miao, P Hynan, A Von Jouanne, and A Yokochi, “Current li-ion battery technologies in electric vehicles and opportunities for advancements,” 34 Luan van Trần Quang Thọ Energies, vol 12, no 6, 2019, doi: 10.3390/en12061074 [9] P Sun, R Bisschop, H Niu, and X Huang, “A Review of Battery Fires in Electric Vehicles,” Fire Technol., vol 56, pp 1361–1410, 2020, doi: 10.1007/s10694-019-00944-3 [10] V A Marcis, A V J S Praneeth, L Patnaik, and S S Williamson, “Analysis of CT-CV Charging Technique for Lithium-ion and NCM 18650 Cells over Temperature Range,” in Proceedings of the IEEE International Conference on Industrial Technology, 2020, vol 2020-Feb, pp 947–952, doi: 10.1109/ICIT45562.2020.9067186 [11] M A Masrur et al., “Military-Based Vehicle-to-Grid and Vehicle-to-Vehicle Microgrid - System Architecture and Implementation,” IEEE Transactions on Transportation Electrification, vol 4, no pp 157–171, 2017, doi: 10.1109/TTE.2017.2779268 [12] H KLAINA, I PICALLO, P LOPEZ-ITURRI, J J ASTRAIN, and L AZPILICUETA, “Aggregator to Electric Vehicle LoRaWAN based Communication Analysis in Vehicle-to-Grid Systems in Smart Cities,” IEEE Access, 2020 [13] X Chen and K.-C Leung, “Non-cooperative and Cooperative Optimization of Scheduling with Vehicle-to-Grid Regulation Services,” IEEE Trans Veh Technol., vol 69, no 1, pp 114–130, 2020 [14] M Yilmaz and P T Krein, “Review of battery charger topologies, charging power levels, and infrastructure for plug-in electric and hybrid vehicles,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 28, no pp 2151–2169, 2013, doi: 10.1109/TPEL.2012.2212917 [15] S Zou, J Lu, A Mallik, and A Khaligh, “Modeling and Optimization of an Integrated Transformer for Electric Vehicle On-Board Charger Applications,” IEEE Trans Transp Electrif., vol 4, no 2, pp 355–363, 2018 35 Luan van Trần Quang Thọ [16] Y Luo, G Feng, S Wan, S Zhang, V Li, and W Kong, “Charging scheduling strategy for different electric vehicles with optimization for convenience of drivers, performance of transport system and distribution network,” Energy, vol 194, 2020, doi: 10.1016/j.energy.2019.116807 [17] S Sachan, S Deb, and S N Singh, “Different charging infrastructures along with smart charging strategies for electric vehicles,” Sustain Cities Soc., vol 60, 2020, doi: 10.1016/j.scs.2020.102238 [18] J Pokrzywa, “SAE International standards work, including communication protocols and connectors, fast charge, batteries.” 2011 [19] G Kissel, “SAE International releases new fast-charging combo coupler standard (SAE J1772) for plug-in electric and electric vehicles,” Global Battery Systems, GM, and SAE, 2012 https://www.greencarcongress.com/2012/10/j1772-20121015.html [20] I Publications, “IET Code of Practice for Electric Vehicle Charging Equipment 4th Edition,” The IET, 2020 https://www.cef.co.uk/catalogue/products/4892783-code-of-practice-forelectric-vehicle-charging-equipment-4th-edition [21] N D Đỉnh, “Một số thách thức công nghệ sạc nhanh ô tô điện,” Tự động hóa ngày nay, vol 227, pp 62–65, 2020 [22] Y Ma, L Wu, Y Guan, and Z Peng, “The capacity estimation and cycle life prediction of lithium-ion batteries using a new broad extreme learning machine approach,” J Power Sources, vol 476, 2020, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320308855 [23] Z Lyu, R Gao, and X Li, “A partial charging curve-based data-fusion-model method for capacity estimation of Li-Ion battery,” J Power Sources, vol 483, 2021, [Online] Available: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378775320314257 36 Luan van Trần Quang Thọ [24] M Y Metwly, M S Abdel-Majeed, A S Abdel-Khalik, R A Hamdy, M S Hamad, and S Ahmed, “A Review of Integrated On-Board EV Battery Chargers: Advanced Topologies, Recent Developments and Optimal Selection of FSCW Slot/Pole Combination,” IEEE Access, vol pp 85216–85242, 2020, doi: 10.1109/ACCESS.2020.2992741 [25] H Zhao, Y Shen, W Ying, S S Ghosh, M R Ahmed, and T Long, “A Single- And Three-Phase Grid Compatible Converter for Electric Vehicle OnBoard Chargers,” IEEE Trans Power Electron., vol 35, no 7, pp 7545–7562, 2020, doi: 10.1109/TPEL.2019.2956653 [26] M Bayati, M Abedi, G B Gharehpetian, and M Farahmandrad, “SinusoidalRipple Current Control in Battery Charger of Electric Vehicles,” IEEE Trans Veh Technol., vol 69, no 7, pp 7201–7210, 2020 [27] C Gaudin and S Chalies, “Video viewing in teacher education and professional development: A literature review,” Educ Res Rev., vol 16, pp 41–67, 2015, doi: 10.1016/j.edurev.2015.06.001 [28] G Barone et al., “A dual active bridge dc-dc converter for application in a smart user network,” 2014 Australasian Universities Power Engineering Conference, AUPEC 2014 - Proceedings 2014, doi: 10.1109/AUPEC.2014.6966538 [29] T Instruments, “Bi-Directional , Dual Active Bridge Reference Design for Level Electric Vehicle Charging Stations,” Texas Instruments, no June pp 1–51, 2019 [30] E E Henao-Bravo, C A Ramos-Paja, A J Saavedra-Montes, D GonzálezMontoya, and J Sierra-Pérez, “Design method of dual active bridge converters for photovoltaic systems with high voltage gain,” Energies, vol 13, no 2020, doi: 10.3390/en13071711 [31] C H Dharmakeerthi, N Mithulananthan, and T K Saha, “Modeling and 37 Luan van Trần Quang Thọ planning of EV fast charging station in power grid,” 2012, doi: 10.1109/PESGM.2012.6345008 [32] A Tazay and Z Miao, “Control of a Three-Phase Hybrid Converter for a PV Charging Station,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 33, no pp 1002–1014, 2018, doi: 10.1109/TEC.2018.2812181 [33] J Everts, F Krismer, J Van Den Keybus, J Driesen, and J W Kolar, “Optimal zvs modulation of single-phase single-stage bidirectional dab ac-dc converters,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol 29, no pp 3954– 3970, 2014, doi: 10.1109/TPEL.2013.2292026 [34] L Zhu, A Taylor, G Liu, and K Bai, “A Multiple-Phase-Shift Control for A SiC-Based EV Charger To Optimize the Light-load Efficiency, Current Stress and Power Quality,” IEEE J Emerg Sel Top Power Electron., vol 6, no 4, pp 2262–2272, 2018 [35] D Patil and V Agarwal, “Compact On Board Single Phase EV Battery Charger with Novel Low Frequency Ripple Compensator and Optimum Filter Design,” IEEE Trans Veh Technol., pp 1948–1956, 2016 [36] A Verma, B Singh, A Chandra, and K Al-Haddad, “An Implementation of Solar PV Array Based Multifunctional EV Charger,” IEEE Transactions on Industry Applications, vol 56, no pp 4166–4178, 2020, doi: 10.1109/TIA.2020.2984742 [37] W Gao, X Li, M Ma, Y Fu, J Jiang, and C Mi, “Case Study of an Electric Vehicle Battery Thermal Runaway and Online Internal Short Circuit Detection,” IEEE POWER Electron., vol 36, no 3, pp 2452–2455, 2021 [38] J Zhang, L Zhang, F Sun, and Z Wang, “An Overview on Thermal Safety Issues of Lithium-ion Batteries for Electric Vehicle Application,” IEEE Access, vol 6, pp 23848–23863, 2018 38 Luan van Trần Quang Thọ [39] D Li, Z Zhang, P Liu, Z Wang, and L Zhang, “Battery Fault Diagnosis for Electric Vehicles Based on Voltage Abnormality by Combining the Long Short-term Memory Neural Network and the Equivalent Circuit Model,” IEEE Trans Power Electron, vol 36, no 2, pp 1303–1315, 2021 [40] C Zhu, X Li, L Song, and L Xiang, “Development of a theoretically based thermal model for lithium ion battery pack,” Journal of Power Sources, vol 223 pp 155–164, 2013, doi: 10.1016/j.jpowsour.2012.09.035 [41] L H Saw, K Somasundaram, Y Ye, and A A O Tay, “Electro-thermal analysis of Lithium Iron Phosphate battery for electric vehicles,” Journal of Power Sources, vol 249 pp 231–238, 2014, doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.10.052 [42] N Omar and E Al, “Lithium iron phosphate based battery – Assessment of the aging parameters and development of cycle life model,” Appl Energy, vol 113, pp 1575–1585, 2014 39 Luan van Trần Quang Thọ PHỤ LỤC BÀI BÁO CÔNG BỐ LIÊN QUAN Quang-Tho Tran, Vinh-Quan Nguyen, Chi-Nhan Nguyen, and Van-Hien Truong, “Control of battery charger for electric vehicles”, International Journal of Advanced Engineering, Management and Science, vol xx, 202x, pp xx-xx 40 Luan van Trần Quang Thọ Luan van Trần Quang Thọ Luan van Trần Quang Thọ Luan van Luan van