Nghiên ứu thuật toán điều khiển bộ biến đổi dc dc ấu hình xếp hồng

ấLuận văn nghiên cứu thuật toán điều khi n b biể ộ ến đổi DC –DC là thành phần đóng vai trò quan trọng thi t yế ếu, giúp điều khiển và cho phép dòng năng lượng trao đổi gi a nguữ ồn và đ

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H À N ỘI

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS T Ạ CAO MINH

Hà Nội Năm – 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan bản luận văn ạc sĩth này là công trình c a riêng tôi do tôi t ủ ự

thực hiện dướ ự dưới s ng d n c a PGS TS T Cao Minh Các s ệẫ ủ ạ ố li u và k t qu là ế ảhoàn toàn trung thực

Để hoàn thành luận văn này tôi chỉ ử ụ s d ng nh ng tài liữ ệu được ghi trong m c ụtài li u tham kh o và không sao chép hay s d ng b t k tài li u nào khác N u phát ệ ả ử ụ ấ ỳ ệ ế

hi n có s sao chép tôi xin hoàn toán ch u trách nhiệ ự ị ệm

Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014

Học viên

Đoàn Thanh Tùng

Mục lục

M C L C Ụ Ụ

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH V iv Ẽ DANH MỤC BẢNG BI U vii Ể LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 – Ổ T NG QUAN H TH NG PHÂN PHỆ Ố ỐI NĂNG LƯỢNG TRONG XE ĐIỆN 3

1.1.2 L i ích cợ ủa ô tô điện: 4

1.1.3 Ô tô điện trong quá kh : 4 ứ 1.1.4 Ô tô điện ngày nay: 5

1.1.5 Xu th ế trong tương lai: 6

1.2 H ệ thống phân phối năng lượng trong xe điện: 6

1.2.1 Các ph n t d ầ ử ự trữ năng lượng: 6

1.2.2 Các c u trúc c a h ấ ủ ệ thống phân phối năng lượng trong xe điện: 9

1.2.3 V trí và vai trò b biị ộ ến đổi DC DC trong h truy– ệ ền động ô tô điện: 13

1.2.4 Yêu c u công ngh : 14 ầ ệ CHƯƠNG 2 – Ự L A CH N C U HÌNH VÀ THUỌ Ấ ẬT TOÁN ĐIỀU KHI N B Ể Ộ BIẾN ĐỔI DC – DC 16

2.1.T ng quan các c u hình m ch DC DC: 16 ổ ấ ạ – 2.1.1 B biộ ến đổi buck (buck converter): 16

2.1.2 B biộ ến đổi boost (boost converter): 17

2.1.3 B biộ ến đổi DC –DC hai chiều không cách ly: 19

2.1.3 B biộ ến đổi DC –DC hai chiều có cách ly: 22

2.1.4 Lựa chọ ấn c u hình: 24

2.2 Các thuật toán điều khi n b biể ộ ến đổi DC – DC: 26

2.2.1 Điều khiển điện áp (VMC): 27

2.2.2 Điều khiển dòng điện (CMC): 28

2.2.3 Điều khi n tể ối ưu: 29

Mục lục

2.2.4 Lựa chọn chiến lược điều khi n: 29 ể

BIẾ ĐỔN I DC – DC 31

3.1 Nguyên lý hoạ ột đ ng của bộ biến đổi DC –DC hai chiều: 31

3.1.1 Quy đổ ấi c u hình: 31

3.1.2 Phân tích nguyên lý hoạ ột đ ng: 32

3.2 Mô hình hóa h ệthống: 34

3.2.1 Phương pháp mô hình hóa: 34

3.2.2 Điều ki n áp dệ ụng phương pháp trung bình không gian trạng thái: 37

3.2.3 Áp dụng phương pháp trung bình không gian tr ng thái: 37 ạ CHƯƠNG 4 – TÍNH TOÁN VÀ THI T K H TH NG B BIẾ Ế Ệ Ố Ộ ẾN ĐỔI DC DC – HAI CHIỀU 43

4.1 Tính toán thông s ốthiết kế ạch lực: m 43

4.1.1 Yêu c u bài toán: 43 ầ 4.1.2 Thông s ô tô và h ố ệthống d ựtrữ năng lượng: 43

4.1.3 Lựa chọn điểm làm vi c cho b biệ ộ ến đổi: 45

4.1.4 Lựa chọn van và t n s chuy n m ch: 46 ầ ố ể ạ 4.1.5 Tính ch n cu n cọ ộ ảm: 47

4.1.6 Tính ch n t lọ ụ ọc đầu ra phía DC-Bus: 48

4.2 Thiết kế ộ điề b u khi n: 49 ể 4.2.1 Phương pháp thiế ế ộ điềt k b u khiển theo đồ ị th Bode: 49

4.2.2 Áp d ng thiụ ết kế ộ điề b u khi n PI bể ằng đồ Bode: 51 thị 4.3 Mô ph ng h ỏ ệ thống b biộ ến đổi DC – DC hai chi u tề ải trở: 57

4.3.1 B biộ ến đổi DC –DC với hai mạch vòng điều khi n: 57 ể 4.3.2 B biộ ến đổi DC –DC với m t mộ ạch vòng điều khiển dòng điện: 62

CHƯƠNG 5 – MÔ PH NG TOÀN B H THỎ Ộ Ệ ỐNG XE ĐIỆN 64

5.1 Gi i thiớ ệu sơ đồmô phỏng: 64

5.1.1 H ệthống quản lý năng lượng: 64

5.1.2 H ệthống HESS và tả ộng cơ IPMi đ : 68

Mục lục

5.1.3 H ệthống động lực học ô tô: 70 5.2 Mô ph ng và k t qu : 72 ỏ ế ả5.2.1 Điều ki n ti n hành mô ph ng: 72 ệ ế ỏ5.2.2 K t qu mô ph ng h ế ả ỏ ệ xe điện i-MiEV truy n th ng: 74 ề ố5.2.3 K t qu mô ph ng h ế ả ỏ ệthống xe điện c i ti n vả ế ới hệ HESS: 75

KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU HAM KH O 82 ẢPHỤ Ụ L C 84

Danh m c hình v ụ ẽ

DANH MỤ C HÌNH V Ẽ

Hình 1.1 Chiếc xe điện đầu tiên năm 1932 [6] 3

Hình 1.2 Ô tô điện th i k u 4ờ ỳ đầ Hình 1.3 Xe Chevrolet Volt – 2011 5

Hình 1.4 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trư ng [7] 6ờ Hình 1.5 Mậ ộ năng lượt đ ng và mật độ công su t cấ ủa các hệ ống lưu trữ năng th lượng [13] 8

Hình 1.6 Các cấu hình có th c a hệể ủ HESS v i 2 nguớ ồn và 1 t 10ải Hình 1.7 Hệ ố th ng nguồn năng lượng v i các ch hoớ ế độ ạt động 14

Hình 2.1 Bộ ến đổ bi i buck [14] 17

Hình 2.2 Bộ ến đổ bi i boost [14] 18

Hình 2.3 Biến đổi m ch DC DC hai chi u t mạ – ề ừ ạch Buck và Boost cơ bản 19

Hình 2.4 (a) Buck-boost hai chi u, (b) Two back- -back connected 20ề to Hình 2.5 Một cấu trúc khác c a bộ ến đổủ bi i hai chi u không cách ly 20ề Hình 2.6 Bộ ến đổ bi i DC DC hai chi u ba pha x p ch ng [14] 21– ề ế ồ Hình 2.7 Cấu trúc ph bi n c a các b biổ ế ủ ộ ến đổi DC – DC hai chi u cách ly 22ề Hình 2.8 Mạch Half-Bridge hai chi u 23ề Hình 2.9 Mạch Full-Bridge hai chi u 23ề Hình 2.10 (a) Tỉ ệ đậ l p mạch dòng điện đầu vào ch buck, (b) T l p m ch ở ế độ ỉ ệ đậ ạ dòng điện đầu ra ch buck [22] 25ế độ Hình 2.11 (a) Bộ ến đổ bi i DC – DC hai chiều b n pha x p ch ng, (b) D ng dòng ố ế ồ ạ điện trên cu n c m 26ộ ả Hình 2.12 Cấu trúc b ộ điều khi n m 28ể ờ Hình 2.13 Chiến lược điều khi n b biể ộ ến đổi DC DC [13] 29–

Hình 3.1 Cấu hình b biộ ến đổi hai chi u DC - ề DC bốn pha x p ch ng 31ế ồ Hình 3.2 Cấu hình b biộ ến đổi hai chi u DC - ề DC 1 pha 32

Hình 3.3 Đồ ị xung và dòng điệ th n iL ởchế độ buck 32

Hình 3.4 Đồ ị xung và dòng điệ th n iL ởchế độ boost 33

Danh m c hình v ụ ẽ

Hình 3.5 Hai trạng thái đóng cắt trong m t chu kì phát xung 34ộHình 3.6 Cấu hình m ch tổạ ng quát và d ng xung phát 37ạHình 3.7 Cấu hình m ch trong khoảạ ng th i gian tờ on 38Hình 3.8 Cấu hình m ch trong khoảạ ng th i gian tờ off 38Hình 4.1 Đặc tình phóng điện c a siêu t 45ủ ụHình 4.2 Đồ ị th Imax(L) và Imin(L) 48Hình 4.3.Sơ đồ hai m ch vòng đi u ch nh 49ạ ề ỉHình 4.4 Biểu đồ Bode c a bộ PI [3] 50ủHình 4.5 Đồ ị th Bode hàm KGid(jω) 52Hình 4.6 Đồ ị th Bode hệ ở đối tượ h ng dòng 53Hình 4.7 Đáp ứng step khi có b PI 54ộ

Hình 4.8 Đồ thị Bode hàm KGvi(jω) 55Hình 4.9 Đồ ị th Bode hệ ở đối tượ h ng áp 56Hình 4.10 Đáp ứng bước nh y khi có b ả ộ điều khi n 56ểHình 4.11 Sơ đồ mô ph ng hàm truy n hai m ch vòng đi u khi n 57ỏ ề ạ ề ểHình 4.12 Đáp ứng bước nh y c a h kín 57ả ủ ệHình 4.13 Sơ đồ mô ph ng h th ng hai mỏ ệ ố ạch vòng điều khi n 58ểHình 4.15 Đáp ứng điện áp đầu ra DC-Bus 59Hình 4.16 Đáp ứng dòng điện IL t ng 59ổHình 4.17 Dòng điện cu n c m trên t ng pha 59ộ ả ừHình 4.18 Đáp ứng điện áp ra DC-Bus 61Hình 4.19 Đáp ứng dòng điện IL t ng 61ổHình 4.20 Dòng điện cu n c m trên b n pha 61ộ ả ốHình 4.21 Sơ đồ mô phỏng điều khiển dòng điện 62Hình 4.22 Đáp ứng dòng điện IL t ng 63ổHình 4.23 Đáp ứng dòng điện ILtrên từng pha 63Hình 5.1 Mô hình mô phỏng toàn b h thộ ệ ống xe điện 64Hình 5.2 Thu t toán phân phậ ối năng lượng 65Hình 5.3 Sơ đồ ấ c u trúc mô ph ng h th ng EM 66ỏ ệ ố

Danh m c hình v ụ ẽ

Hình 5.4 Sơ đồ kh i c a thu t toán 67ố ủ ậHình 5.5 Sơ đồ mô ph ng c a h Hess v i đỏ ủ ệ ớ ộng cơ IPM 68Hình 5.6 Mô hình mô phỏng h thệ ống điều khiển động cơ IPM 69Hình 5.7 Sơ đồ mô phỏng động l c h c xe đi n 71ự ọ ệHình 5.8 Lượng đặt mômen khi nh n chân ga ho c chân phanh 73ấ ặHình 5.9 Sự thay đổ ố ộ xe điệi t c đ n trong quá trình mô ph ng 74ỏHình 5.10 Giá trị các đ i lư ng c a hệ ốạ ợ ủ th ng pin Li-ion 75Hình 5.11 Giá trị các dòng điện trung bình trên DC-Bus 76Hình 5.12 Các đại lượng c a Battery 76ủHình 5.13 Các đại lượng c a siêu t 77 ủ ụHình 5.14 Dòng điện pha b biộ ến đổi DC DC cho battery 78 –Hình 5.15 Dòng điện pha b biộ ến đổi DC DC cho siêu t 78 – ụHình 5.16 Điện áp DC-Bus 79

Danh m c b ng bi u ụ ả ể

DANH MỤ C B NG BI U Ả Ể

B ng 4.1 Thông s ả ố xe điện và h ệthống d ựtrữ năng lượng 43

B ng 5.1 Thông s mô ph ng h ả ố ỏ ệ Hess và động cơ IPM 69

B ng 5.2 Thông s mô hình mô phả ố ỏng xe điện 72

Lời nói đầu

L ỜI NÓI ĐẦ U Ngày nay, khoa học kĩ thuật đang rất phát tri n Nhi u công ngh , v t li u mể ề ệ ậ ệ ới đượ ạo ra để đáp ức t ng nhu c u s n xuầ ả ất cũng như tiêu dùng của xã h i Tuy nhiên ộkèm theo đó là sự gi m sút c a ngu n nguyên v t liả ủ ồ ậ ệu và năng lượng Đặc bi t là ệnhiên liệu xăng dầu Với lượng phương tiện giao thông ngày một tăng, nguy cơ thiếu nhiên liệu xăng dầu là điều s xẽ ảy ra Đồng th i khói bờ ụi tăng cao gây hiệu

ứng nhà kính, ảnh hưởng t i s c khớ ứ ỏe con người V y chúng ta c n làm gì? ậ ầ

xăng dầu mà ô tô tiêu th là r t lụ ấ ớn nên phương án sử ụng ô tô điệ d n thay th cho ô ế

tô truy n th ng là r t c n thi t Trên th ề ố ấ ầ ế ị trường hiện nay đã có rất nhi u ch ng lo i ô ề ủ ạ

tô điệ ừn t các xe lai (hybrid electric vehicles) s d ng k t hử ụ ế ợp xăng và điện; đến các

xe thuần điện (pure electric vehicles) c a các nhà s n xu t lủ ả ấ ớn như Nissan, Ford, Misubishi, Chevrolet,…

ph ụ trách cũng đang nghiên cứu đề tài ấp Nhà nướ c c v ề ô tô điện mã s ố

trữ và phân phối năng lượng trong ô tô điện v i mớ ục tiêu điều khi n ô tô hoể ạt động

có hiệu su t cao nh t, ti t kiệm năng lượấ ấ ế ng nh t ấ

Luận văn nghiên cứu thuật toán điều khi n b biể ộ ến đổi DC –DC là thành phần đóng vai trò quan trọng thi t yế ếu, giúp điều khiển và cho phép dòng năng lượng trao

đổi gi a nguữ ồn và động cơ xe ô tô một cách linh ho t, hi u qu Sau ạ ệ ả đó, bộ ến đổ bi i

DC – DC được ghép n i v i toàn h thố ớ ệ ống ô tô điện bao g m h th ng quồ ệ ố ản lý năng lượng, h th ng truyệ ố ền động và t i Toàn b công vi c c a luả ộ ệ ủ ận văn được trình bày trong 5 chương

 Chương 1 sẽ ớ gi i thi u v v trí và vai trò c a b bi n đ i DC - DC trong ệ ề ị ủ ộ ế ổ

ô tô điệ ừ đó đưa ra các yêu cần t u công ngh ệ

Lời nói đầu

 Chương 2 sẽ ự th c hi n công vi c l a ch n c u hình m ch và thu t toán ệ ệ ự ọ ấ ạ ậđiều khi n sao cho phù h p v i các yêu c u t ể ợ ớ ầ ừ chương 1 đưa ra

 Chương 3 ớgi i thi u c u hình b biệ ấ ộ ến đổi DC - DC đã lựa ch n và trình ọ

 Chương 4 thi t k h thế ế ệ ống điều khi n theo thuể ật toán đã chọ ở chương n

2 và mô ph ng h ỏ ệthống điều khi n b biể ộ ến đổi DC – DC độc lập

 Và cuối cùng chương 5 ự th c hi n mô ph ng toàn h thệ ỏ ệ ống ô tô điện

trung tâm sáng t o công ngh ạ ệ CTI, đã tận tình hướng d n, tẫ ạo điều ki n cho tác gi ệ ảtrong toàn b quá trình nghiên c u và hoàn thi n luộ ứ ệ ận văn Đồng th i tác gi ờ ả cũng xin bày t lòng trân tr ng biỏ ọ ết ơn tới các th y cô gi ng viên t i b môn T ng hóa ầ ả ạ ộ ự độ

đã hỗ ợ, giúp đỡ tr tác gi trong qua trình th c hi n luả ự ệ ận văn

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

CHƯƠNG 1 – Ổ T NG QUAN H Ệ THỐ NG PHÂN PH ỐI NĂNG LƯỢ NG

TRONG XE ĐIỆ N

1.1 Gi i thi u v ớ ệ ề ô tô điệ n:

1.1.1 L ch s phát triị ử ển:

Xe ô tô điện không ph i m i phát tri n trong nhả ớ ể ững giai đoạn gần đây Nó đã

nh ng chi c ô tô chữ ế ạy xăng nên xe điện rất được ph n ụ ữ ưa chuộng Và theo các nhà s hử ọc, cũng vì được ph n ụ ữ ưa chuộng mà xe điện tr thành kiêng k i vở ị đố ới các quý ông, không người đàn ông nào mu n b b t gố ị ắ ặp đang ngồi trên m t chi c ô ộ ế

tô chạy điện

những người đầu tiên đưa pin vào sử ụng cho ô tô điện Đế d n những năm 1865,

quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát tri n trong h ể ệ thống giao thông vào cuối thế ỷ k 18

Hình 1.1 Chiếc xe điện đầu tiên năm 1932 [6]

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

Tuy nhiên, đến đầu nh ng th k ữ ế ỷ 20, ô tô điện tr nên y u th so v i ô tô s ở ế ế ớ ử

dụng động cơ đốt trong b i ở các nguyên nhân như giá thành, về ặ ỹ m t k thuật và do

s phát hi n nh ng m d u l n trên ự ệ ữ ỏ ầ ớ thế ớ gi i K t qu ế ả là đến năm 1935, ô tô điện đã

gần như biến m t do không th cấ ể ạnh tranh được với xe chạy động cơ đốt trong.1.1.2 L i ích cợ ủa ô tô điện:

Trên th gi i ngu n tài nguyên không ph i là vô hế ớ ồ ả ạn đặc bi t là nhiên liệ ệu như xăng dầu, khí đốt M t khác vặ ấn đề ô nhiễm môi trường, khói b i gây hi u ng nhà ụ ệ ứkính càng ngày càng nghiêm tr ng Do v y có th ọ ậ ể nói ô tô điện s thành m t xu ẽ trở ộ

thế ấ ếu trong tương la t t y i không xa Bở ẽi l :

 V khía cề ạnh năng lượng: điện năng là nguồn năng lượng r t linh ho t, ấ ạ

nó có th ể được chuy n hóa t nhi u nguể ừ ề ồn năng lượng khác nhau, trong

đó có nguồn năng lượng tái t o vô tạ ận như năng lượng gió, m t tr i, ặ ờsóng biển, v.v

 V khía c nh ề ạ môi trường: ô tô điện là m t gi i pháp hi u qu nh t vì nó ộ ả ệ ả ấhoàn toàn không sinh ra khí th ải

1.1.3 Ô tô điện trong quá kh : ứ

Hình 1.2 Ô tô điện th i k u ờ ỳ đầ

Có nhi u hãng s n xuề ả ất xe điện vào thời đó như Babcock Electric (1916 - 1912), Baker Electric (1899 - 1916), Ohio Electric (1908 - 1918)… Detroit Electric

là nhà s n xuả ất xe điện n i ti ng nh t và t n t i lâu nh t, t ổ ế ấ ồ ạ ấ ừ 1907 đến t n 1942 ậ

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

l a ch n s n ph m cự ọ ả ẩ ủa gia đình là Model T, thay vào đó là một chi c Detroit ế

Trong th i k x y ra kh ng hoờ ỳ ả ủ ảng năng lượng những năm 1970, Serbing -

cơn sốt xe c nh Cho t i 1977, nhà s n xuỡ ỏ ớ ả ất đã bán đượ ớc t i 2.300 chi c Citicar ế

có gi i h n ch y 80 km và tớ ạ ạ ốc độ ối đa 45 km/h Khách hàng cũng có thể ự t l a chọn nâng c p t phiên b n 3,5 mã l c lên 5 mã l c v i tấ ừ ả ự ự ớ ốc độ ối đa lên khoả t ng 60 km/h.V nh a có t i 5 l a ch n màu Thi t k nh g n giúp bán kính quay xe ch ỏ ự ớ ự ọ ế ế ỏ ọ ỉ

có 3m Đến 1976, s lư ng Citicar tiêu th ố ợ ụ đã đưa Serbing - Vanguard lên v trí th ị ứ

cấp được ti p t c s n xuế ụ ả ất vào năm 1979, có khoảng 2 nghìn chi c Comuta-car và ếComuta-van đã được xuất xưởng V i 4.300 chi c, Citicar, hay Comuta-car, hiớ ế ện đang giữ ỷ k lục về lượng xe điệ ản s n xu t trong lấ ịch sử ngành ô tô

1.1.4 Ô tô điện ngày nay:

T i Châu Âu, xe plug-in hybrid và các b biạ ộ ến đổi điệ ửn t công su t là nh ng ấ ữ

vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu Ô tô điện lai (plug-in hybrid electric vehicle) (hình 1.3) là lo i xe s d ng h n h p c ạ ử ụ ỗ ợ ả năng lượng xăng và điện Thuật

ng ữ “plug in” cho biế- t xe có b n p tích h p s n M t s ộ ạ ợ ẵ ộ ố loại xe hybrid được lưu hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford, v.v

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

T i Nh t B n, các hãng ô tô l n lạ ậ ả ớ ần lượt đưa ra các mẫu xe thuần điện (pure EVs) ra th ị trường Hình 1.2 th hi n m t chiể ệ ộ ếc xe ô tô điện i-MiEV ch p t i triụ ạ ển lãm Ô tô Vietnam Motor Show 2010

Hình 1.4 Xe ô tô điện i-MiEV được đưa ra thị trư ng [7 ờ ]

1.1.5 Xu th ế trong tương lai:

V m t c u hình xe, ô tô ề ặ ấ điện thu n (pure EV) mầ ới là tương lai của ô tô điện, các c u hình xe lai (hybrid) ch ấ ỉ là bước đệm v công ngh ề ệ trong quá trình quá độ ừ t

xe chạy động cơ đốt trong lên xe điện

V m t th ề ặ ị trường, tới năm 2015 theo dự báo Châu Á - Thái Bình Dương sẽlà thị trư ng l n nh t v ờ ớ ấ ề ô tô điện

1.2 H ệ thố ng phân ph ối năng lượng trong xe điệ n:

1.2.1 Các ph n t d ầ ử ự ữ năng lượ tr ng:

H ệ thống d ựtrữ năng lượng là thành ph n quan trầ ọng trong xe điện Nó cung

cấp điện năng cho xe hoạt động Có bốn đặc điểm chúng ta c n xét n khi l a ch n ầ đế ự ọ

công su t (power-density), th i gian n p và tu i th (lifetime) Mấ ờ ạ ổ ọ ật độ năng lượng

thứ ớc l n mà các nhà s n xuả ất đang rất quan tâm Mật độ công su t cao nói lên kh ấ ảnăng có thể cung c p mấ ột lượng lớn điện năng trong một kho ng th i gian ng n ả ờ ắĐiều này s h tr ẽ ỗ ợ cho xe điện lúc tăng tốc nhanh Th i gian nờ ạp nhanh là điều c n ầ

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

thiết khi ta th c hi n quá trình hãm tái sinh Và cu i cùng tu i th ự ệ ố ổ ọ cao là điều mà ngườ ử ụng luôn luôn mong đợi s d i

Trên th ị trường hi n có nhi u lo i pin hoệ ề ạ ặc ắc quy đượ ử ục s d ng làm kho d ự

trữ năng lượng Ta có th k n mể ể đế ột số ạ lo i sau:

d ch axit sunfuric ị Ắc quy chì đã được s dử ụng trong xe điện lai HEV Tuy nhiên, c quy chì có mắ ật độ năng lượng, tu i th ổ ọ thấp và độc hại

với môi trường

c c âm là h p kim Vanadium, Titanium, Nicken và m t s kim loự ợ ộ ố ại khác Lo i pin này có mạ ật độ công su t g p hai l n c quy chì axit, ấ ấ ầ ắkhông độc, tu i th ổ ọ tương đối cao nhưng giá thành đắt

tuổi th cao, mọ ật độ công su t trung bình và không c h i Công ngh ấ độ ạ ệ

xe điện

 Pin Nikel-Cadmium: lo i pin r t b n ngay c khi phóng h t công suạ ấ ề ả ế ất

h i ạ

 Fuel-Cell (FC) S d ng ph n ng gi a H: ử ụ ả ứ ữ 2 và O2 để sinh ra điện FC có

mật độ năng lượng rất cao nhưng mật độ công su t l i thấ ạ ấp và độ an toàn không cao

 Ultracapacitop/Supercapacitor(UC/SC): là loạ ụ điện có điệi t n dung l n ớthường bao g m nhi u siêu t c hàng nghìn Fara m c n i ti p và song ồ ề ụ ỡ ắ ố ếsong v i nhau t o thành Siêu t có mớ ạ ụ ật độ năng lượng nh ỏ nhưng mật

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

độ công su t l n Nó có th ấ ớ ể phóng ra dòng điện g p nhi u l n so v i ấ ề ầ ớdung tích và tu i th cao ổ ọ

Hình 1.5 cho ta thấy tương quan giữa các lo i ph n t d ạ ầ ử ự trữ năng lượng v ề

mật độ công su t (specific power) và mấ ậ ột đ năng lượng (specific energy)

Hình 1.5 Mậ ột đ năng lượng và mật độ công suất của các hệ thống lưu trữ

Pin Li-ion v i mớ ật độ năng lượng l n, mớ ật độ công su t trung bình, tu i th ấ ổ ọ

năng lượng chính cho nhi u lo i ề ạ ô thu n tô ầ điện Ví d trong xe thuụ ần điện Mitsubishi i-MiEV, h ệ thống pin Li-ion 330V được m c tr c tiắ ự ếp vào đầu của nghịch lưu điều khi n cho h truyể ệ ền động ô tô Tuy nhiên vi c ch s d ng mệ ỉ ử ụ ột nguồn lưu trữ năng lượng là pin Li-ion cũng còn tồ ạn t i m t s ộ ố nhược điểm Th ứ

(phía trước nghịch lưu) là không ổn định, dẫn đến chất lượng đ ềi u khi n cho b ể ộ

điện quá l n trong m t kho ng th i gian ngớ ộ ả ờ ắn vì điều này làm gi m tu i th c a pin ả ổ ọ ủ

r t nhanhấ , trong khi xe điệ ại thường xuyên tăng giản l m tốc độ ầ c n ph i huy ng ả độcông suất tức thì l n ớ

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

năng lượng ph i h p v i nhau Trong luố ợ ớ ận văn này, mộ ệt h HESS v i hai nguớ ồn lưu

trữ năng lượng là h ốệth ng pin Li-ion và siêu t ụ điện s ẽ đượ ử ục s d ng Pin Li-ion có

mật độ năng lượng cao s là ngu n cung cẽ ồ ấp năng lượng chính và h ệ thống siêu t ụđiện v i mật độớ công su t cao s là nguấ ẽ ồn năng lượng h tr ỗ ợ khi xe ô tô điện tăng

gi m tả ốc độ B biộ ến đổi DC- DC là ph n thi t k chính s ầ ế ế ẽ điều khi n, phân phể ối

1.2.2 Các c u trúc c a h ấ ủ ệ thống phân phối năng lượng trong xe điện:

t ụ điện Khi k t h p v i b biế ợ ớ ộ ến đổi DC DC, ta s có t t c 7 c u hình ghép n– ẽ ấ ả ấ ối như hình 1.6

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

nên t n t i nhiồ ạ ều nhược điểm:

điều khi n Nó làm vi c m t cách th ng ể ệ ộ ụ độ

t ụ điện không phát huy được hết công su ất

 Điện áp DC-Bus thay đổi tác động t i h th ng nghớ ệ ố ịc lưu ở phía sau

C u trúc hấ ở ình 1.6b cũng bị nhược điểm như ở H.1.6a ngo i tr Vạ ừ dcbus đã được điều khi n ể

Cấu trúc hình 1.6c và 1.6d đều s d ng m t b biử ụ ộ ộ ến đổi DC DC hình – Ở1.6d, b biộ ến đổi DC – DC điều khiển dòng năng lượng cho h ệ thống pin Li-ion, điều này có th h n ch ể ạ ế được dòng điện n p/x cho pin, nâng cao tu i th cho pin ạ ả ổ ọnhưng không gi ữ ổn định được Vdcbus, n y sinh vả ấn đề cân bằng điện áp siêu t và ụcũng không sử ụ d ng hi u qu siêu t ệ ả ụ điện Đối v i c u trúc hình 1.6c, pin Li-ion ớ ấ

phải có điện áp cao b ng Vằ dcbus và có ph m vi suy giạ ảm điện áp h p trong quá trình ẹlàm việc để Vdcbus không b ị thay đổi nhi u Do có b ề ộ điều khiển dòng năng lượng cho siêu t , h phân phụ ệ ối năng lượng hình 1.6c có nhiở ều ưu điểm hơn và cũng

còn t n t i mồ ạ ột nhược điểm đó là không điều khiển được dòng n p/x cho h ạ ả ệ thống pin m t cách trộ ực tiếp, có thể ảm tuổi thọ ủa pin Li gi c -ion

C u trúc hình 1.6e là s k t h p c a 2 h ấ ở ự ế ợ ủ ệthống hình 1.6c và 1.6d nên nó ở

có ưu điểm c a c hai củ ả ấu trúc đó Việc phân phối dòng năng lượng t h th ng pin ừ ệ ố

và siêu t ụ được th c hi n m t cách ch ng, linh hoự ệ ộ ủ độ ạt Điện áp DC Bus đượ- c gi ữ

ổn định mặc cho điện áp siêu t ụ thay đổi trong m t d i r ng C h thông pin và ộ ả ộ ả ệsiêu t ụ điệ đền u có th ể được thiết kế ớ v i mức điện áp thấp hơn nên vi c cân b ng áp ệ ằ

d ễ dàng hơn, nâng cao tính an toàn của h ệ thống Tuy nhiên v i c u trúc này, ta cớ ấ ần

có hai b biộ ến đổi DC DC công su t l n làm cho h – ấ ớ ệ thống ph c tứ ạp hơn, có giá thành chi phí cao hơn

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

Hai c u ấ trúc ở hình 1.6f và 1.6g đượ ạc t o thành t hai cừ ấu trúc tương ứng ởhình 1.6d và 1.6c b ng vi c s d ng thêm m t b biằ ệ ử ụ ộ ộ ến đổi DC – DC điều khi n ể ởDC-Bus Điều này có th ể giúp cho năng lượng được trao đổi qua l i gi a h ạ ữ ệ thống pin v i siêu t mà không ph ớ ụ ụ thuộc vào DC-Bus Tuy nhiên b biộ ến đổi DC DC –thêm vào ph i chả ịu được công su t c a t t c t iấ ủ ấ ả ả , do đó tăng chi phí nhiều hơn so

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

1.2.3 V trí và vai trò b ị ộ biến đổi DC – DC trong h truyệ ề n đ ộng ô tô điện:

B biộ ến đổi DC – DC đóng vai trò rất quan trọng trong ô tô điện Cùng v h ới ệ

thống pin Li-ion, siêu t ụchúng tạo thành kh i mố ạch điện công suất trong xe ô tô Để

k t n i ba h ế ố ệ thống điện áp m t chi u này vộ ề ới nhau, đồng thời điều khi n tể ối ưu dòng năng lượng trong các ch hoế độ ạt động, ô tô c n có các b biầ ộ ến đổi DC - DC

chúng là khác nhau

 B biộ ến đổi DC - DC k t n i giế ố ữa Battery và DC-link có nhi m v ệ ụ điều phối

pin là các quá trình điện hóa, do đó pin Li-ion không th phóng ho c n p ể ặ ạ

nh ỏ năng lượng được ạn p v Battery sao cho phù h p về ợ ới đặc tính n p chạ ậm

để đả m b o tu i th c a Battery ả ổ ọ ủ

 B biộ ến đổi gi a siêu t và DC-ữ ụ link có vai trò thay đổi điện áp c a siêu t ủ ụ

và huy động công su t l n t siêu t ấ ớ ừ ụ trong quá trình tăng tốc Mức điện áp

định m c ứ ở DC-link cần có để ấ c p nguồn cho động cơ hoạt động là

330VDC Trong quá trình hãm tái sinh, điện áp DC-link có th dâng tể ới 600VDC Trên th c t , siêu t ự ế ụ điện được ch t o v i mế ạ ớ ức điện áp nh , ch ỏ ỉkho ng vài VDC, module siêu t có mả ụ ức điện áp chịu đượ ớc l n nh t trên th ấ ịtrường là 125VDC [11] Nếu đấu n i ti p nhiố ế ều module để có điệ n áp 600VDC s khi n giá thành b nâng lên rẽ ế ị ất cao, đồng thời gây khó khăn cho

vi c cân bệ ằng điện áp gi a các module, d n t i kh ữ ẫ ớ ả năng nổ toàn b dàn ộsiêu t Do v y, các b biụ ậ ộ ến đổi DC - DC này có vai trò h mạ ức điện áp t ừ

sinh Đồng thời nó có vai trò huy động một lượng công su t l n trong th i ấ ớ ờgian ng n t siêu t ph c v ắ ừ ụ để ụ ụ quá trình tăng tốc cho xe Điều này trành

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

được vi c phệ ải huy động công su t l n t Battery, do vấ ớ ừ ậy cũng sẽ đả m b o ảđược tu i th c a Battery ổ ọ ủ

Dòng năng lượng nạp battery

( Chậm ) Dòng năng lượng hãm tái sinh

Battery phóng điện

( Năng lượng lớn công suất trung bình , )

Chế độ siêu tụ phóng năng lượng

(C ông suất lớn năng lượng thấp , )

Hình 1.7 H ệthống nguồn năng lượng v i các ch hoớ ế độ ạt động

1.2.4 Yêu c u công ngh : ầ ệ

Ngày nay, các y u t ế ố như hiệu su t, kích ấ thước, công suất, độ ph c t p, giá ứ ạ

trọng để đánh giá mộ ảt s n ph m B DC DC hai chiẩ ộ – ều trong ô tô điện cũng vậy, nó

Chương 1: Tổng quan h th ng phân phệ ố ối năng lượng trong xe điện

 B biộ ến đổi DC - DC b gi i h n v ị ớ ạ ề kích thước và trọng lượng Nó cần

ph i nh gả ỏ ọn khi đặt trong m t h ộ ệthống t ng thổ ể Khi đó chiếc xe điện

do trọng lượng xe s ẽ ít hơn

 B biộ ến đổi DC - DC phải được thi t k sao cho t n hao khi chuyế ế ổ ển

m ch, trong quá trình làm vi c, v.v là bé nhạ ệ ất để nâng cao hi u suệ ất

thống lưu trữ năng lượng v n có c a chi c xe b ng cách tích h p thêm h ống ố ủ ế ằ ợ ệ thsiêu t ụ điện và 2 b biộ ến đổi DC DC hai chi– ều như trên đã trình bày để ạ t o ra một

c u trúc phân phấ ối năng lượng lai ghép, nâng cao tuổi th cọ ủa Battery cũng như

hi u su t c a xe N i dung chính c a luệ ấ ủ ộ ủ ận văn vẫ ận t p trung vào công vi c l a chệ ự ọn

và thi t k b biế ế ộ ến đổi DC DC hai chi u sao cho phù h p v i công ngh – ề ợ ớ ệ đã nêu trong các chương tiếp theo (t ừ chương 2 cho tới chương 4) Ở chương cuối, b bi n ộ ế

đổi DC – DC đã được thi t k s ế ế ẽ được ghép n i v i toàn b h thố ớ ộ ệ ống xe điện Công

qu ả

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

CHƯƠNG 2 – Ự L A CH N C U HÌNH VÀ THU Ọ Ấ ẬT TOÁN ĐIỀ U

2.1.1 B ộ biế n đ ổi buck (buck converter):

Là b biộ ến đổi không cách ly có tác d ng giụ ảm điện áp 1 chi u, tề ức là điện áp

ra c a b biủ ộ ến đổi nh ỏ hơn điện áp vào Đây là cấu hình không cách ly đơn giản v i ớ

1 van bán d n Hình 2.1 mô t c u t o và luẫ ả ấ ạ ật phát xung điều khi n mể ạch buck.Khi van Q1 d n, ngu n Vẫ ồ in cung cấp năng lượng ra t i và cho cu n dây L ả ộĐiện áp trên cu n dây b ng chênh lộ ằ ệch điện áp gi a Vữ in và Vout Dòng iLtăng từ iL1tới iL2

Khi Q1 khóa, iL p t c ch y theo chitiế ụ ả ều cũ, năng lượng d ự trữ trong L cung

c p dòng ra tấ ải Lúc này điốt D1 vào d n thay Qẫ 1 Điện áp trên cu n dây L lúc này ộ

b ng Vằ – out, nên dòng điện iL giảm dần

Quan hệ ữa điệ gi n áp vào và ra:

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

Hình 2.1 B biộ ến đổi buck [14]

2.1.2 B ộ biế n đ ổi boost (boost converter):

Là lo i b biạ ộ ến đổi không cách ly có tác dụng tăng điện áp m t chi u (Vộ ề out >

dây L và 1 t ụ điện C

Khi van Q1 d n, ngu n Vẫ ồ in cung cấp năng lượng cho cu n dây L Vộ L = Vin, dòng điện iLchạy qua van Q1 tăng tuyến tính t iừ L1 t i iớ L2 Trong su t th i gian Qố ờ 1

dẫn, đầu ra b biộ ến đổi được cung c p dòng b i t Cấ ở ụ o T Cụ o phải có điện dung đủ

lớn để cung c p dòng tấ ải với ự ụs s t áp Vout nh nh ỏ ất

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DCKhi van Q1 khóa, iL p t c ch y theo chitiế ụ ả ều cũ Nguồn Vin cùng với năng lượng d tr trên cu n dây L cung cự ữ ộ ấp năng lượng ra tải Điốt D1 d n dòng iẫ L tới

n p cho t Cạ ụ o Điện áp trên cu n dây Vộ L = Vout V– in theo chiều ngượ ạc l i nên dòng

V V

D



Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC2.1.3 B ộ biế n đ ổ i DC – DC hai chi u không cách ly: ề

kh ả năng truyề ải năng lượn t ng theo hai chi u Đi u này là do ph n t ề ề ầ ử điốt không cho dẫn dòng theo chiều ngược lại Vì th ta thay th ph n t ế ế ầ ử điốt bằng van bán d n ẫ

có điều khiển như ở hình 2.3

Hình 2.3 Biến đổi m ch DC DC hai chi u t m cạ – ề ừ ạ h Buck và Boost cơ bản Theo hình 2.3c, chi u t Về ừ H sang VL được g i là chi u gi m áp hay chiọ ề ả ều Buck, còn chiều ngượ ạc l i là chiều tăng áp hay chiều Boost Ở đây, người ta thường

thức (2.1) còn chiều boost được kí hiệu là D’ = 1- D

Có một vài nhược điểm t ừ sơ đồ trên:

 Khi có s chênh lự ệch điện áp l n gi a Vớ ữ H và VL, b biộ ến đổi có kh ảnăng không làm việc

 Khi dòng điện qua cu n c m l n c ộ ả ớ ỡ vài trăm Ampe, việc thi t k cu n ế ế ộ

c m s ph c tả ẽ ứ ạp, kích thước cũng như công suấ ổt t n hao c a cu n củ ộ ảm

s l n ẽ ớ

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

M t s c u hình DC DC hai chiộ ố ấ – ều khác được đề xuất để kh c ph c mắ ụ ột trong hai nhược điểm trên có th k t i b biể ể ớ ộ ến đổi buck-boost và b biộ ến đổi Cuk Hình 2.4a là cấu hình cơ bản c a b biủ ộ ến đổi buck-boost hai chi u C n chú ý r ng ề ầ ằ

c c tính c a m ch b ự ủ ạ ị ngược chiều nhau, điều này có th gâể y khó khăn cho nhiều

ứng d ng Vụ ấn đề này có th ể được gi i quy t bả ế ằng cách đưa thêm vào các phầ ửn t van điều khiển như ở hình 2.4b C u hình m i này có tên gầ ớ ọi “two back- -back toconnected converter”

Hình 2.5 Một cấu trúc khác c a bộ ến đổủ bi i hai chi u không cách ly ềCác cấu trúc không cách ly nhìn chung đều xu t phát t ấ ừ nguyên lý cơ ả b n của

m ch buck và m ch boost, k t h p thêm các linh ki n khác Hình 2.5 th hi n mạ ạ ế ợ ệ ể ệ ột

b biộ ến đổi khác có c u trúc khá phấ ức tạ đã được đưa ra ới các ưu điểm:p v

 Là một cấu trúc đố ứi x ng

 Có độ đậ p mạch dòng điện th p c hai phía ấ ở ả

 Làm việc với dải điện áp và d i duty r ng ả ộ

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

 Bên trong cấu hình đã có bảo v ệngắn m ch ạ

 C u trúc ch có 2 van bán dấ ỉ ẫn đơn giản cho mạch điều khi n ể

cuộn c m Mu n th c hiả ố ự ện điều này, ta cần tăng số pha lên cho b biộ ến đổi DC –

DC hai chi u Hình 2.6 th hi n b biề ể ệ ộ ến đổi DC DC hai chi u ba pha x p ch ng, – ề ế ồtrên th c t ta có th g p m ch này v i c u hình có nhiự ế ể ặ ạ ớ ấ ều pha hơn (4 pha ,6 pha, 16 pha, 32 pha,…) Tuy nhiên c n xem xét nên s d ng bao nhiêu pha thì h p lý vì s ầ ử ụ ợ ốpha càng nhi u thì h ề ệthống điều khi n phát xung càng phể ức tạp

Hình 2.6 Bộ ến đổ bi i DC DC hai chi u ba pha x p ch ng [14] – ề ế ồ

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

 M ch làm viạ ệc được ở ải công suất lớ d n, có th ể đạt tới 100kW

 Thực hiện được việc trao đổi năng lượng theo hai chi u ề

 Dòng điện đượ ếc x p ch ng vồ ới nhau để ảm độ đậ gi p m ch ạ

 Mạch có hiệu su t cao ấ

 M ch không cách ly nên khi hoạ ạt động d x y ra s c ễ ả ự ố

 S d ng nhiử ụ ều van nên tăng tổn thất trên van

2.1.3 B ộ biế n đ ổ i DC – DC hai chi u có cách ly: ề

H u h t các b ầ ế ộbiến đổi DC DC hai chi u cách ly có c– ề ấu trúc như trong hình 2.7 C u trúc này bao g m hai b ấ ồ ộbiến đổi DC AC chuy n m ch t– ể ạ ần số cao và một

bi n áp xung t n s cao ch yế ầ ố ủ ếu để cách ly hai phía v i nhau Các b ớ ộDC – AC đều

Hình 2.7 Cấu trúc ph bi n c a các b biổ ế ủ ộ ến đổi DC – DC hai chi u cách ly ề

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

Có hai cấu hình cơ bản ph bi n c a b ổ ế ủ ộ DC – DC hai chi u cách ly mà ta ềthường g p là b ặ ộ Half-Bridge hai chiều và Full-Bridge hai chiều như ở hình 2.8 và hình 2.9

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

 Kích thước máy bi n áp s lế ẽ ớn khi tăng công suấ ủt c a b biộ ến đổi

 S d ng nhiử ụ ều van điều khi n mà v n ph i chể ẫ ả ịu dòng điện l n chớ ạy

2.1.4 L a chự ọ n cấu hình:

cùng với ưu nhược điểm của các b biộ ến đổ ừa đưa ra ởi v trên, ta ti n hành lế ựa chọn

một cấu hình phù h p nh ợ ất

Đố ới v i yêu c u công su t, nh ng b biầ ấ ữ ộ ến đổi cách ly b gi i h n công su tị ớ ạ ấ, không phù h p v i yêu c u hàng ch c kW cợ ớ ầ ụ ủa xe ô tô điện ộ B DC DC hai chi– ều không cách ly có th ể tăng số pha để chia nh ỏ dòng điện và có th ể tăng công suất lên

t i 100kW ớ

Đối v i yêu c u hi u suớ ầ ệ ất và kích thước: ngày nay, công ngh ệ kĩ thuật luôn hướng t i hi u suớ ệ ất cao và kích thước nh g n Khi cùng m t công su t và t n s ỏ ọ ở ộ ấ ầ ốđóng cắt, biến áp luôn có kích thướ ớn hơn so vớc l i cuộn dây Điều này nói lên r ng ằ

b biộ ến đổi cách ly s ẽ có kích thước c ng kồ ềnh, đồng th i t n hao trên máy bi n áp ờ ổ ếcũng sẽ cao hơn bộ ế đổ bi n i không cách ly

Như vậy, cùng v i kh ớ ả năng truyề ải năng lượn t ng theo hai chi u, ta th y cề ấ ấu hình b ộ DC – DC hai chi u nhi u pha x p ch ng là r t phù h p về ề ế ồ ấ ợ ới ô tô điện Tuy nhiên có hai vấn đề ề độ v tin c y khi hoậ ạt động do không có cách ly và t n th t khi ổ ấtăng số van lên c n ph i gi i quy t Yêu cầ ả ả ế ầu cách ly trong ô tô điện không quá nghiêm ngặt, đồng th i ta có th s d ng thêm nhi u thi t b hay m ch ph ờ ể ử ụ ề ế ị ạ ụ trợ để

b o v , gi m t n thả ệ ả ổ ất và tăng độ tin c y cho b biậ ộ ến đổi Nhưng nếu s ố pha tăng nhi u quá nề hư 16 hay 32 pha thì mạch s r t c ng k nh, ph c t p Do v y, c n xem ẽ ấ ồ ề ứ ạ ậ ầxét c u hình DC DC hai chi u nên có bao nhiêu pha ấ – ề

Trong một ứng d ng th c t c a hãng Texas Instrument v i b biụ ự ế ủ ớ ộ ến đổi DC –

DC hai chi u không cách ly, khi các thông s mề ố ạch như điện áp vào ra, điện c m, t ả ụ

pha của bộ ến đổ bi i (hình 2.10)

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

(a)

(b) Hình 2.10 (a) T l p mỉ ệ đậ ạch dòng điệ đần u vào ởchế độ buck, (b) T l p ỉ ệ đậ

mạch dòng điện đầu ra ch buck [22] ế độ

D a vào hình 2.10, ta th y b biự ấ ộ ến đổi 6 pha có độ đậ p mạch dòng điện nhỏ Tuy nhiên vấn đề cân bằng dòng điện gi a các pha vữ ẫn tương đối ph c t p, nên c u ứ ạ ấ

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DChình DC DC hai chi u b n pha x p ch– ề ố ế ồng như trong hình 2.11 sẽ đượ ực l a ch n ọ

để thi t k ế ế và điều khi n ể

(a)

(b) Hình 2.11 (a) Bộ ến đổ bi i DC – DC hai chiều b n pha x p ch ng, (b) D ng ố ế ồ ạ

dòng điện trên cu n c m ộ ảNhư chương 1 đã trình bày, phía đầu vào Vin s ẽ là điện áp c a h ủ ệ thống pin Li-ion ho c siêu t ặ ụ điện B biộ ến đổ ẽi s hoạt động ch yủ ế ởu ch boost, và ch ho t ế độ ỉ ạ

động ch buck khi có hãm tái sinh ở ế độ

2.2 Các thuật toán điề u khi n b bi ể ộ ến đổ i DC – DC:

Các thuật toán điều b biộ ến đổi DC DC có th – ể chia ra làm ba loại:

 Loại điều khiển điện áp (Voltage mode control)

 Loại điều khi n dòng (Current mode control) ể

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

 Loại điều khi n tể ối ưu (Optimization based)

2.2.1 Điề u khi n đi n áp (VMC): ể ệ

Loại điều khi n này r t ph bi n cho các b biể ấ ổ ế ộ ến đổi điệ ửn t công suất Điện

áp được đo về, qua b ộ điều khiển điện áp s ẽ đưa ra xung điều khi n cho các van bán ể

d n Ta có th k ra mẫ ể ể ột số loại VMC như sau:

 B u khi n PID: là thuộ điề ể ật toán điều khi n truy n th ng ph biể ề ố ổ ến được

áp d ng ch cho mụ ỉ ạch vòng điều khiển điện áp Để xây dựng được b ộPID, ta c n bi t mô hình toán h c cầ ế ọ ủa đối tượng cần điều khi n, ể sau đó

đi xác định các tham s Kố p, Ki và Kd M c tiêu c a b PID là gi cho ụ ủ ộ ữ

vào các điểm c c và t n s ự ầ ố đáp ứng c a đ i tư ng ủ ố ợ

 B ộ điều khi n theo d i tr (Hysteretic VMC): ể ả ễ ở đây sai lệch đ ệi n áp được điều khiển sao cho không vượt quá m t d i giá tr mong mu n ộ ả ị ốPhương pháp này cũng giống PID có th th c hi n b ng c thi t b ể ự ệ ằ ả ế ịtương tự và s Tuy nhiên, HVMC gây ra nhi u t n s cao u ra ố ễ ầ ố ở đầ

 B ộ điều khi n m (Fuzzy Logic Control FLC): là thuể ờ – ật toán điều

hình toán h c cọ ủa đối tượng Nó được ứng d ng cho c ụ ả điều khiển điện

áp lẫn dòng điện, nhưng hầu h t khi áp dế ụng cho điệ ửn t công su t thì ấFLC làm việc ở chế độ điề u khi n áp C u hình b ể ấ ộ điều khi n m ể ờ được thể ệ ở hi n hình 2.12 gồm hai đầu vào là sai lệch điện áp và vi phân sai

lệch điện áp Thuật toán FLC tương đối ph c tứ ạp nên thường được thực

hi n trên các vi x lý tín hi u sệ ử ệ ố, vi điều khiển như DSP, DSPIC,…

 B ộ điều khiển trượt (Sliding Mode Control SMC): là c– ấu trúc điều

SMC cũng đượ ử ục s d ng r t ph biấ ổ ến trong lĩnh vực điều khiển điệ ửn t công su t, vì b biấ ộ ến đổi công suất nào cũng làm việc trên m t dộ ải điện

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

b ộ điều khiển trượt luôn có hiện tượng “rung” (“chattering”) làm cho

t n s ầ ố điều khiển thay đổi, cần phải được khắc phục

Hình 2.12 Cấu trúc b ộ điều khi n m ể ờ

Đây là chế độ có b ộ điều khiển dòng điện Nó có th ch có 1 mể ỉ ạch vòng điều khiển dòng điện ho c hai mặ ạch vòng điều khi n c ể ả điện áp lẫn dòng điện Đố ới v i loại hai mạch vòng điều khi n (Cascade control), mể ạch vòng trong là điều khi n ểdòng đ ệi n và mạch vòng ngoài điều khiển điện áp s ẽ làm tăng đặc tính động h c và ọchất lượng h th ng lên nhi u ệ ố ề Nhìn chung có hai phương pháp điều khi n dòng ể

 Điều khiển dòng điện đỉnh: Có th bi t t i v i cái tên là b ể ế ớ ớ ộ điều khi n ể

đặt mong mu n, van bán d n s ố ẫ ẽ đượ điềc u khi n OFF Thuể ật toán điều khi n này gây nhi u và không phù hể ễ ợp cho đối tượng có d i duty r ng ả ộ

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

2.2.3 Điều khi n tể ối ưu:

c a b ủ ộ điều khi n Thu t toán này khá ph c t p nên ể ậ ứ ạ muốn th c hiự ện được c n có h ầ ệthống vi x ử lý, vi điều khi n m nh, có tể ạ ốc độ ử x lý nhanh Công vi c ph i th c hi n ệ ả ự ệ

hình mẫu, sau đó sửa l i c u trúc ho c tham s b ạ ấ ặ ố ộ điều khi n ể Luận văn này sẽkhông đề ậ c p sâu vào thuật toán điều khi n tể ối ưu vì chất lượng b biộ ến đổi DC –

DC không được c i thi n nhiả ệ ều mà độ ph c tứ ạp tăng lên đáng kể

2.2.4 L a ch n chiự ọ ến lược điều khiển:

h ệ thống pin Li-ion và siêu t ụ điện Nhiệm v t ra là phụ đặ ải điều khiển được dòng năng lượng t các ph n t d tr ừ ầ ử ự ữ năng lượng theo ý muốn, đồng th i gi cho dòng ờ ữđiện c a các ph n t ủ ầ ử này không vượt quá m c cho phép và Vứ DCbus ổn định Hình 2.13 th hi n chiể ệ ến lược điều khi n lể ựa chọn

Hình 2.13 Chiến lược điều khi n b biể ộ ến đổi DC – DC [13]

Chương 2: Lựa ch n c u hình và thuọ ấ ật toán điều khi n cho b biể ộ ến đổi DC - DC

D ễ thấy có 3 cách để điều khiển dòng năng lượng, đó là điều khi n dòng ểbattery, điều khi n dòng siêu t ể ụ và điều khi n c hai dòng battery l n siêu t Cách ể ả ẫ ụđiều khi n c ể ả hai dòng điện cho mục đích phân phối năng lượng s không gi ẽ ữ được

VDCbusổn định vì nó không có mạch vòng điều khiển điện áp Còn phương án điều khi n dòng siêu t ể ụ cũng không tốt cho cấu trúc này vì điện áp siêu t ụ thay đổi trong

d i r ng gây ả ộ ảnh hưởng tới điện áp DC-Bus Vì v y, ta s ậ ẽ điều khiển dòng điện cho

h ệthống pin Li-ion ừ v a có th phân phể ối năng lượng, v a có th gi ừ ể ữ cho dòng điện

c a pin theo ý mu n Còn b biủ ố ộ ến đổi DC DC hai chi u phía siêu t s – ề ụ ẽ được điều khi n hai mể ạch vòng điện áp và dòng điện vừa để ữ gi VDCbusổn định vừa trao đổi năng lượng ph thu c theo Battery ụ ộ

Trong luận văn này, các bộ điều khi n Gể i1, Gi2 và Gv2 u s d ng b đề ử ụ ộ điều khi n PI truy n th ng Ta không s d ng b ể ề ố ử ụ ộ điều khi n d i tr hay b ể ả ễ ộ điều khi n ểdòng điện đỉnh (Peak CMC) vì chúng gây ra nhi u cho h th ng B ễ ệ ố ộ điều khi n m ể ờ(FLC) có th áp d ng cho Gể ụ v2 nhưng hệthống s ph c tẽ ứ ạp hơn và không cần thi t ế

Vậy đểthiế ết k các b PI, ta c n có mô hình toán h c c a b biộ ầ ọ ủ ộ ến đổi DC DC hai –

toán học cho b biộ ến đổi DC – DC

Chương 3: Nguyên lý hoạ ột đ ng và mô hình toán h c c a b biọ ủ ộ ến đổi DC –DC

CHƯƠNG 3 – NGUYÊN LÝ HO ẠT ĐỘ NG VÀ MÔ HÌNH TOÁN H Ọ C

C A B Ủ Ộ BIẾN ĐỔ I DC – DC

3.1 Nguyên lý ho ạt độ ng c a b ủ ộ biến đổ i DC DC hai chi u: – ề

3.1.1 Quy đổ ấi c u hình:

Để phân tích nguyên lý mạch, ta đưa ra cấu hình đầy đủ ủ c a b biộ ến đổi DC –

DC hai chiều b n pha x p ch ng th hi n hình 3.1 ố ế ồ ể ệ ở

Hình 3.1 Cấu hình b biộ ến đổi hai chi u DC - ề DC bốn pha x p ch ng ế ồ

C u hình m ch gấ ạ ồm tám van bán d n IGBT ẫ có điốt và t ụ điện m c song song, ắ

b n ố cuộn dây L có giá tr ị điện cảm như nhau, hai tụ điện CH và CL Cách phát xung

không m t tính tấ ổng quát ta quy đổ ấi c u hình m ch b n pha v c u hình m ch 1 pha ạ ố ề ấ ạ

để xét nguyên lý ho t đ ng và mô hình hóa ạ ộ

Cấu hình 1 pha đơn giản ch còn m t cuỉ ộ ộn dây L, điện c m c a cu n dây này ả ủ ộ

b ng m t phằ ộ ần tư điện c m cu n dây m i pha c a m ch b n pha (hình 3.2) T ng ả ộ ỗ ủ ạ ố ổgiá tr ị điện tr ph c a L và van mở ụ ủ ột pha tương đương cũng bằng m t phộ ần tư của

m ch b n pha Các thông s ạ ố ốcòn lại của mạch 1 pha đều gi ng m ch b n pha ố ạ ố