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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒN THANH TÙNG NGHIÊN CỨUTHUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC CẦU HÌNH XẾP CHỒNG Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS TẠ CAO MINH Hà Nội – Năm 2014 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131910391000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ công trình riêng tơi tơi tự thực dướng dẫn PGS TS Tạ Cao Minh Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Để hồn thành luận văn tơi sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép tơi xin hồn tốn chịu trách nhiệm Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014 Học viên Đoàn Thanh Tùng Mục lục MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU vii LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG – TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NĂNG LƯỢNG TRONG XE ĐIỆN 1.1.2 Lợi ích tơ điện: 1.1.3 Ô tô điện khứ: 1.1.4 Ơ tơ điện ngày nay: 1.1.5 Xu tương lai: 1.2 Hệ thống phân phối lượng xe điện: 1.2.1 Các phần tử dự trữ lượng: 1.2.2 Các cấu trúc hệ thống phân phối lượng xe điện: 1.2.3 Vị trí vai trị biến đổi DC – DC hệ truyền động ô tô điện: 13 1.2.4 Yêu cầu công nghệ: 14 CHƯƠNG – LỰA CHỌN CẤU HÌNH VÀ THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC 16 2.1.Tổng quan cấu hình mạch DC – DC: 16 2.1.1 Bộ biến đổi buck (buck converter): 16 2.1.2 Bộ biến đổi boost (boost converter): 17 2.1.3 Bộ biến đổi DC – DC hai chiều không cách ly: 19 2.1.3 Bộ biến đổi DC – DC hai chiều có cách ly: 22 2.1.4 Lựa chọn cấu hình: 24 2.2 Các thuật toán điều khiển biến 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 khiển tối ưu: 29 -i- Mục lục 2.2.4 Lựa chọn chiến lược điều khiển: 29 CHƯƠNG – NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC 31 3.1 Nguyên lý hoạt động biến đổi DC – DC hai chiều: 31 3.1.1 Quy đổi cấu hình: 31 3.1.2 Phân tích nguyên lý hoạt động: 32 3.2 Mơ hình hóa hệ thống: 34 3.2.1 Phương pháp mơ hình hóa: 34 3.2.2 Điều kiện áp dụng phương pháp trung bình khơng gian trạng thái: 37 3.2.3 Áp dụng phương pháp trung bình khơng gian trạng thái: 37 CHƯƠNG – TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC HAI CHIỀU 43 4.1 Tính tốn thông số thiết kế mạch lực: 43 4.1.1 Yêu cầu toán: 43 4.1.2 Thông số ô tô hệ thống dự trữ lượng: 43 4.1.3 Lựa chọn điểm làm việc cho biến đổi: 45 4.1.4 Lựa chọn van tần số chuyển mạch: 46 4.1.5 Tính chọn cuộn cảm: 47 4.1.6 Tính chọn tụ lọc đầu phía DC-Bus: 48 4.2 Thiết kế điều khiển: 49 4.2.1 Phương pháp thiết kế điều khiển theo đồ thị Bode: 49 4.2.2 Áp dụng thiết kế điều khiển PI đồ thị Bode: 51 4.3 Mô hệ thống biến đổi DC – DC hai chiều tải trở: 57 4.3.1 Bộ biến đổi DC – DC với hai mạch vòng điều khiển: 57 4.3.2 Bộ biến đổi DC – DC với mạch vòng điều khiển dòng điện: 62 CHƯƠNG – MƠ PHỎNG TỒN BỘ HỆ THỐNG XE ĐIỆN 64 5.1 Giới thiệu sơ đồ mô phỏng: 64 5.1.1 Hệ thống quản lý lượng: 64 5.1.2 Hệ thống HESS tải động IPM: 68 -ii- Mục lục 5.1.3 Hệ thống động lực học ô tô: 70 5.2 Mô kết quả: 72 5.2.1 Điều kiện tiến hành mô phỏng: 72 5.2.2 Kết mô hệ xe điện i-MiEV truyền thống: 74 5.2.3 Kết mô hệ thống xe điện cải tiến với hệ HESS: 75 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU HAM KHẢO 82 PHỤ LỤC 84 -iii- Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Chiếc xe điện năm 1932 [6] Hình 1.2 Ơ tơ điện thời kỳ đầu Hình 1.3 Xe Chevrolet Volt – 2011 Hình 1.4 Xe tơ điện i-MiEV đưa thị trường [7] Hình 1.5 Mật độ lượng mật độ công suất hệ thống lưu trữ lượng [13] Hình 1.6 Các cấu hình hệ HESS với nguồn tải 10 Hình 1.7 Hệ thống nguồn lượng với chế độ hoạt động 14 Hình 2.1 Bộ biến đổi buck [14] 17 Hình 2.2 Bộ biến đổi boost [14] 18 Hình 2.3 Biến đổi mạch DC – DC hai chiều từ mạch Buck Boost 19 Hình 2.4 (a) Buck-boost hai chiều, (b) Two back-to-back connected 20 Hình 2.5 Một cấu trúc khác biến đổi hai chiều không cách ly 20 Hình 2.6 Bộ biến đổi DC – DC hai chiều ba pha xếp chồng [14] 21 Hình 2.7 Cấu trúc phổ biến biến đổi DC – DC hai chiều cách ly 22 Hình 2.8 Mạch Half-Bridge hai chiều 23 Hình 2.9 Mạch Full-Bridge hai chiều 23 Hình 2.10 (a) Tỉ lệ đập mạch dịng điện đầu vào chế độ buck, (b) Tỉ lệ đập mạch dòng điện đầu chế độ buck [22] 25 Hình 2.11 (a) Bộ biến đổi DC – DC hai chiều bốn pha xếp chồng, (b) Dạng dòng điện cuộn cảm 26 Hình 2.12 Cấu trúc điều khiển mờ 28 Hình 2.13 Chiến lược điều khiển biến đổi DC – DC [13] 29 Hình 3.1 Cấu hình biến đổi hai chiều DC - DC bốn pha xếp chồng 31 Hình 3.2 Cấu hình biến đổi hai chiều DC - DC pha 32 Hình 3.3 Đồ thị xung dòng điện i L chế độ buck 32 Hình 3.4 Đồ thị xung dòng điện i L chế độ boost 33 -iv- Danh mục hình vẽ Hình 3.5 Hai trạng thái đóng cắt chu kì phát xung 34 Hình 3.6 Cấu hình mạch tổng quát dạng xung phát 37 Hình 3.7 Cấu hình mạch khoảng thời gian ton 38 Hình 3.8 Cấu hình mạch khoảng thời gian toff 38 Hình 4.1 Đặc tình phóng điện siêu tụ 45 Hình 4.2 Đồ thị I max(L) Imin(L) 48 Hình 4.3.Sơ đồ hai mạch vịng điều chỉnh 49 Hình 4.4 Biểu đồ Bode PI [3] 50 Hình 4.5 Đồ thị Bode hàm KGid(jω) 52 Hình 4.6 Đồ thị Bode hệ hở đối tượng dòng 53 Hình 4.7 Đáp ứng step có PI 54 Hình 4.8 Đồ thị Bode hàm KGvi(jω) 55 Hình 4.9 Đồ thị Bode hệ hở đối tượng áp 56 Hình 4.10 Đáp ứng bước nhảy có điều khiển 56 Hình 4.11 Sơ đồ mơ hàm truyền hai mạch vịng điều khiển 57 Hình 4.12 Đáp ứng bước nhảy hệ kín 57 Hình 4.13 Sơ đồ mơ hệ thống hai mạch vịng điều khiển 58 Hình 4.15 Đáp ứng điện áp đầu DC-Bus 59 Hình 4.16 Đáp ứng dịng điện I L tổng 59 Hình 4.17 Dịng điện cuộn cảm pha 59 Hình 4.18 Đáp ứng điện áp DC-Bus 61 Hình 4.19 Đáp ứng dòng điện I L tổng 61 Hình 4.20 Dòng điện cuộn cảm bốn pha 61 Hình 4.21 Sơ đồ mơ điều khiển dịng điện 62 Hình 4.22 Đáp ứng dịng điện I L tổng 63 Hình 4.23 Đáp ứng dịng điện I L pha 63 Hình 5.1 Mơ hình mơ tồn hệ thống xe điện 64 Hình 5.2 Thuật tốn phân phối lượng 65 Hình 5.3 Sơ đồ cấu trúc mô hệ thống EM 66 -v- Danh mục hình vẽ Hình 5.4 Sơ đồ khối thuật toán 67 Hình 5.5 Sơ đồ mơ hệ Hess với động IPM 68 Hình 5.6 Mơ hình mơ hệ thống điều khiển động IPM 69 Hình 5.7 Sơ đồ mơ động lực học xe điện 71 Hình 5.8 Lượng đặt mơmen nhấn chân ga chân phanh 73 Hình 5.9 Sự thay đổi tốc độ xe điện q trình mơ 74 Hình 5.10 Giá trị đại lượng hệ thống pin Li-ion 75 Hình 5.11 Giá trị dịng điện trung bình DC-Bus 76 Hình 5.12 Các đại lượng Battery 76 Hình 5.13 Các đại lượng siêu tụ 77 Hình 5.14 Dòng điện pha biến đổi DC – DC cho battery 78 Hình 5.15 Dịng điện pha biến đổi DC – DC cho siêu tụ 78 Hình 5.16 Điện áp DC-Bus 79 -vi- Danh mục bảng biểu DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Giá trị phần tử mạch…………………………….……… ….12 Bảng 3.1 Phương trình trạng thái cho hai trường hợp đóng cắt……………….….34 Bảng 4.1 Thơng số xe điện hệ thống dự trữ lượng 43 Bảng 5.1 Thông số mô hệ Hess động IPM .69 Bảng 5.2 Thơng số mơ hình mơ xe điện 72 -vii- Lời nói đầu LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, khoa học kĩ thuật phát triển Nhiều công nghệ, vật liệu tạo để đáp ứng nhu cầu sản xuất tiêu dùng xã hội Tuy nhiên kèm theo giảm sút nguồn nguyên vật liệu lượng Đặc biệt nhiên liệu xăng dầu Với lượng phương tiện giao thông ngày tăng, nguy thiếu nhiên liệu xăng dầu điều xảy Đồng thời khói bụi tăng cao gây hiệu ứng nhà kính, ảnh hưởng tới sức khỏe người Vậy cần làm gì? Trên giới nói chung Việt Nam nói riêng bắt đầu nghiên cứu đưa loại phương tiện giao thơng mới, xe điện Đặc biệt tơ điện Vì lượng xăng dầu mà ô tô tiêu thụ lớn nên phương án sử dụng ô tô điện thay cho ô tô truyền thống cần thiết Trên thị trường có nhiều chủng loại ô tô điện từ xe lai (hybrid electric vehicles) sử dụng kết hợp xăng điện; đến xe điện (pure electric vehicles) nhà sản xuất lớn Nissan, Ford, Misubishi, Chevrolet,… Trong trường đại học Bách Khoa, trung tâm CTI PGS.TS Tạ Cao Minh phụ trách nghiên cứu đề tài cấp Nhà nước ô tô điện mã số KC03.08/11-15 Và phần đặc biệt quan tâm nghiên cứu hệ thống lưu trữ phân phối lượng ô tô điện với mục tiêu điều khiển ô tô hoạt động có hiệu suất cao nhất, tiết kiệm lượng Luận văn nghiên cứu thuật toán điều khiển biến đổi DC – DC thành phần đóng vai trò quan trọng thiết yếu, giúp điều khiển cho phép dòng lượng trao đổi nguồn động xe ô tô cách linh hoạt, hiệu Sau đó, biến đổi DC – DC ghép nối với tồn hệ thống tơ điện bao gồm hệ thống quản lý lượng, hệ thống truyền động tải Tồn cơng việc luận văn trình bày chương Chương giới thiệu vị trí vai trị biến đổi DC - DC ô tô điện từ đưa u cầu cơng nghệ -1-