Sau khi những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong được đưa vào sử dụng phổ biến ở các nước công nghiệp phát triển, đến những năm 30 của thế kỉ XIX, những chiễc xe điện đầu tiên do nhà kho
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐỨC THỌ MƠ HÌNH HỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ PHÓNG NẠP CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN, ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ Hà Nội – 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131995071000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN ĐỨC THỌ MƠ HÌNH HỐ VÀ ĐIỀU KHIỂN CHẾ ĐỘ PHÓNG NẠP CỦA SIÊU TỤ ĐIỆN, ỨNG DỤNG CHO Ô TÔ ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ NGƯỜI HƯỚNG DẪN: PGS.TS: TẠ CAO MINH Hà Nội – 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn tốt nghiệp: “Mơ hình hóa điều khiển chế độ phóng nạp siêu tụ điện , ứng dụng cho ô tô điện” tự thực hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Tạ Cao Minh Để hồn thành luận văn này, tơi sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên thực Nguyễn Đức Thọ LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn tới Viện đào tạo sau đại học, Bộ môn Tự động hoá XNCN thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi cho tơi q trình tơi thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới thầy PGS.TS Tạ Cao Minh, người định hướng tận tình bảo, hướng dẫn để tơi hoàn thành luận văn thạc sĩ Cuối tơi xin cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp động viên giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập, nghiên cứu làm việc Hà nội , ngày tháng năm 2014 Nguyễn Đức Thọ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY SỬ DỤNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Lịch sử hình thành phát triển xe điện 1.2 Tình hình xu hướng phát triển xe điện giới Việt Nam 1.3 Ắc quy sử dụng ô tô điện 1.3.1 Định nghĩa ắc quy 1.3.2 Một số thông số ắc quy 1.3.3 Tổng quan loại ắc quy thông dụng 10 1.4 Cấu tạo đặc tính phóng nạp ắc quy chì axit 12 1.4.1 Cấu tạo 12 1.4.2 Q trình phóng nạp ắc quy chì – axit 13 1.5 Phương pháp sạc cho ắc quy 18 1.5.1 Phương pháp sạc dịng khơng đổi 18 1.5.2 Phương pháp sạc áp không đổi 19 1.6 Phân tích mơ hình ắc quy chì axit 19 1.6.1 Các giả thiết mơ hình ắc quy 20 1.6.2 Phương trình động học ắc quy chì axit 21 1.6.3 Trạng thái nạp 22 1.6.4 Mơ hình kết mô ắc quy 23 CHƯƠNG 2: THIẾT BỊ TÍCH TRỮ NĂNG LƯỢNG SIÊU TỤ ĐIỆN 25 2.1 Tổng quan siêu tụ 25 2.1.1 Lịch sử phát triển 25 2.1.2 Nguyên lý 26 2.1.3 Phân loại siêu tụ điện 28 2.1.4 Cơ chế lưu trữ lượng tụ điện lớp kép EDLC 29 2.1.5 Giả điện dung – Pseudo capacitance 32 2.2 Mô hình hóa siêu tụ điện 34 2.2.1 Mạch tương đương phổ biến 34 2.2.2 Mơ hình ba nhánh 36 2.2.3 Mô hình đường dây truyền tải 39 2.3 Mơ mơ hình siêu tụ điện 41 CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC – DC 45 3.1 Sử dụng siêu tụ ô tô điện 45 3.2 Mơ hình hóa biến đổi DC – DC hai chiều BUCK – BOOST 47 3.2.1 Phân tích mơ hình biến đổi BOOST 47 3.2.2 Phân tích mơ hình biến đổi BUCK 49 3.2.3 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC 50 3.3 Tính tốn thơng số mô biến đổi DC – DC hai chiều 55 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC – DC 58 4.1 Mô tả hệ thống điều khiển 58 4.2 Thiết kế điều khiển cho chế độ buck 59 4.2.1 Thiết kế vòng điều khiển dòng điện chế độ buck 60 4.2.2 Thiết kế vòng điều khiển điện áp bên cho chế độ buck 64 4.3 Thiết kế điều khiển cho chế độ boost 66 4.3.1 Thiết kế vòng điều khiển dòng điện chế độ boost 66 4.3.2 Thiết kế vòng điều khiển điện áp bên chế độ boost 70 4.4 Phân tích điều khiển biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào 71 4.4.1 Chế độ hoạt động Boost 71 4.4.2 Chế độ buck 74 4.5 Kết mô 75 4.5.1 Kết mô biến đổi DC – DC chế độ boost 75 4.5.2 Kết mô chế độ BUCK 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Một số mẫu xe điện giai đoạn 1890 - 1930 Hình 1.2 Một số mẫu xe điện giai đoạn từ 1930 – 1990 Hình 1.3 Một số mẫu xe điện đại Hình 1.4 Cấu tạo ắc quy 12 Hình 1.5 Phản ứng mơ tả q trình phóng điện ắc quy 13 Hình 1.6 Phản ứng mơ tả trình nạp điện cho ắc quy 14 Hình 1.7 Phản ứng mơ tả trình no ắc quy 15 Hình 1.8 Đặc tính phóng điện ngăn ắc quy 16 Hình 1.9 Đặc tính nạp ắc quy 17 Hình 1.10 Mạch tương đương ắc quy 21 Hình 1.11 Mơ hình ắc quy 23 Hình 1.12 Quá trình nạp xả ắc quy chì axit 23 Hình 1.13 Dung lượng ắc quy trình xả 24 Hình 2.1 Cấu trúc tụ điện thơng thường 27 Hình 2.2 Phân loại siêu tụ điện 28 Hình 2.3 Mơ hình lưu trữ lượng lớp kép 29 Hình 2.4 Sơ đồ tương ứng mơ hình EDLC 32 Hình 2.5 Đặc tính dịng điện điện áp 33 Hình 2.6 Mạch tương đương phổ biến EDLC 35 Hình 2.7 Mạch kiểm tra Spyker để đo Rs 36 Hình 2.8 So sánh mơ hình phổ biến liệu thực 37 Hình 2.9 Mơ hình ba nhánh 37 Hình 2.10 Mô tả điện cực xốp giống đường truyền năm thành phần 40 Hình 2.11 Đáp ứng bước điện mơ hình đường truyền 40 Hình 2.12 Đáp ứng điện đầu vào hình sin chiều sâu lỗ xốp thay đổi 41 Hình 2.13 Mơ hình đường truyền có trở kháng phức tạp 41 Hình 2.14 Mạch tương đương phổ biến 42 Hình 2.15 Mơ hình mô siêu tụ điện 43 Hình 2.16 Quá trình nạp siêu tụ điện 43 Hình 2.17 Quá trình xả siêu tụ điện 44 Hình 3.1 Cấu hình điều khiển hãm tái sinh dùng siêu tụ 46 Hình 3.2 Bộ biến đổi DC – DC kiểu BOOST 47 Hình 3.3 Tín hiệu điều khiển biến đổi BOOST 48 Hình 3.4 Bộ biến đổi DC – DC kiểu BOOST 49 Hình 3.5 Tín hiệu điều khiển biến đổi BUCK 50 Hình 3.6 Bộ biến đổi DC – DC hai chiều 51 Hình 3.7 (a) Hai trạng thái chế độ BUCK; (b) Chuỗi xung chuyển mạch chế độ BUCK 52 Hình 3.8 (a) Hai trạng thái chế độ BOOST; (b) Chuỗi xung chuyển mạch chế độ BOOST 54 Hình 3.9 Mơ hình mơ biến đổi DC – DC hai chiều 56 Hình 4.1 Mơ hình đề suất điều khiển tơ điện sử dụng siêu tụ ắc quy 58 Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển biến đổi DC –DC hai chiều 59 Hình 4.3 Chế độ buck biến đổi DC – DC hai chiều 60 Hình 4.4 Vịng điều khiển dòng điện 62 Hình 4.5 Mơ hình mơ mạch vòng dòng điện 63 Hình 4.6 Đáp ứng dịng điện chế độ buck 64 Hình 4.7 Vịng điều khiển bên bên 64 Hình 4.8 Mơ hình mơ mạch vòng điện áp 65 Hình 4.9 Đáp ứng điện áp đầu chế độ buck 65 Hình 4.10 Chế độ boost biến đổi DC – DC hai chiều 66 Hình 4.11 Mơ hình mơ mạch vịng dịng điện 69 Hình 4.12 Đáp ứng dòng điện chế độ boost 69 Hình 4.13 Mơ hình mơ mạch vịng điện áp 70 Hình 4.14 Đáp ứng điện áp chế độ boost 70 Hình 4.15 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào 71 Hình 4.16 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào hoạt động chế độ boost 71 Hình 4.17 Tính tốn tỷ số chu kỳ hai van S1A S2 A 72 Hình 4.18 Tính tốn hệ số truyền 73 Hình 4.19 Chu kỳ chuyển mạch chế độ boost 74 Hình 4.20 Bộ biến đổi hai chiều DC – DC nhiều đầu vào hoạt động chế độ buck 75 Hình 4.21 Mơ hình mơ biến đổi DC – DC hai chiều chế độ boost 76 Hình 4.22 Nguồn lượng chiều 76 Hình 4.23 Điện áp đầu vào biến đổi hai chiều DC – DC chế độ boost 77 Hình 4.24 Điện áp đầu biến đổi hai chiều DC – DC chế độ boost 77 Hình 4.25 Dịng điện chảy qua cuộn cảm iL 78 Hình 4.26 Dịng điện chảy qua tải Iload 78 Hình 4.27 Dung lượng ắc quy siêu tụ chế độ boost 79 Hình 4.28 Mơ hình mơ DC – DC hai chiều chế độ buck 80 Hình 4.29 Điện áp đầu chế độ Buck 80 Hình 4.30 Điện áp siêu tụ điện 81 Hình 4.31 Dung lượng siêu tụ điện 81 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AC Alternating Current DC Direct Current IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor LPF Low Pass Filter PI Proportional-Integral PWM Pulse Width Modulation UC Ultra capacitor SOC State of Charge