Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc nhanh cho xe điện ứng dụng vi điều khiển tms320f28379d

Điềuđó cho thấy vận hành một chiếc xe điện mang lạirất nhiềulợiíchcũngnhưtiết kiệm nhiều khoản chi phí khác nhau.Pin lưutrữ thường là Lithium- lon chắcchắn là thành phầnquan trọng nhất c

Trang 1

Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

YSC5.F138

VI ĐIÈƯ KHIỂN TMS320F28379D

HỒ CÔNG TRÌNH1,TRẦN TẤN TÀI1*, VÕ NGỌC HUYỀN TRÂM1,

NGUYỄNHOÀI PHONG1,CHÂUMINH THUYÊN1

}Khoa Công nghệ Điện, Trường Đại học Công nghiệp Thành phổ Hồ Chỉ Minh

Hrantantai@iuh edu vn

T óm tắt Xe điện(EV) đangtrở nên phổ biến hơndo nhữnglợi ích về môi trườngvà kinh tếcủa chúng Tuynhiên, một trong nhữngthách thứcchính màxe điện phải đốimặtlàthời gian sạc lâuvà sốlượng hạm sạc cònhạn chế.Bàibáo này trình bày nghiêncứu, thiết kế bộ sạc nhanh choxe điện sửdụng vi điều khiển TMS320F28379D Bộ sạc nhanh bao gồm bộchỉnh lưu, bộchuyển đổi tăngáp PFCvàbộchuyển đổi DC-

DC cáchlỵ Bộđiềukhiểnkiểm soát dòng điện sạc, dòng điệnlưới vàquá trìnhsạc bằng cáckỹthuật xử

lýtín hiệusố thực hiện trên vi điều khiểnTMS320F28379D Bộsạc nhanh có thể sạc cho pin xe điện 36 V, nângcaohệ sốcông suấtđầuvàovà đảmbảo an toàn trong quá trình hoạt động Hiệu suất của bộsạcđược

đánh giábằngkết quả môphỏng và thực nghiệm

Từ khóa Xe điện, sạc nhanh, nâng cao hệ số công suất

RESEARCH AND DESIGN FAST CHARGER FOR ELECTRIC VEHICLES USING

TMS320F28379D MICROCONTROLLER

Abstract Electricvehicles (EVs) are becoming more popular due to theirenvữonmental and economic benefits However, one ofdie main challenges facing electric vehicles is the long charging time and die

limited numberof charging stations This paper presentsthe research anddesignof a fast charger forelectric

vehicles using die TMS320F28379Dmicrocontroller The fastcharger consists of a rectifier, a PFC boost converter and an isolated DC-DCconverter The controllercontrols the charging current, gữd current and charging process using digital signal processing techniques implemented on the TMS320F28379D microcontroller The fast charger can charge 36V electric vehicle batteries, improving the input power

factorandensuring safety during operation The performance of the charger is evaluated by simulation and experimental results

Keywords Electric vehicles (EVs),Fast charge, Powerfactor correction(PFC)

1 GIỚI THIỆU

Ngoàinhững ýnghĩa tích cực vềmặt môi hường, các phương tiện sử dụng điện có những ưu điểm vượt hộihơn sovớiđộng cơ huyềnthống Chúng có momen lớn, khảnăng tăng tốc tốt, hiệu suất chuyển đổi

năng lượng cao hơn từ 2 5 lần so với động cơ đốt hong[1], cộng với việc chiphínhiên liệu vàbảodưỡng cũng thấp hơn do có ít cácthành phầnchuyển độngtrên xe Điềuđó cho thấy vận hành một chiếc xe điện mang lạirất nhiềulợiíchcũngnhưtiết kiệm nhiều khoản chi phí khác nhau.Pin lưutrữ (thường là Lithium-

lon) chắcchắn là thành phầnquan trọng nhất của xe điện,vì chi phí, họng lượng cũng như độ tin cậyvà

phạm vilái củaxebị ảnh hưởng mạnh bởicácđặc tính pin[ 2], [3].Ngoài ra, pin phải được quảnlý và đặc

biệt làsạc lại đúng cáchđể khaitháctối đa công suất và duytrìtuổi thọ của pin.Một dong những hạn chế

của nólà phạmvi hoạtđộng vàmất nhiềuthờigian để sạc pin điện hơn so với các phương tiện truyền thống Đối vớithị trường đầyhứa hẹnnày, côngnghệsạc nhanh nhận được nhiều sựquan tâmcaotừ cả nhà sản xuất và giới học thuật, trong đó bộ chuyển đổicông suất đóngvài hò không thể thiếu tronghệthốngsạc

Bộ sạcchậm thường hoạt động ở mức0.1-0.2C,trong khi tốc độsạc nhanhthường đạt mức 1-2C [9]

Trang 2

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(ỴSC2023)-IUH

Cấutrúc của một bộsạc cơ bẳn baogồmmộtbộchuyển đổi AC-DC có hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC), tiếptheolà bộ chuyển đổiDC-DC và bộlọc đàu ra, nhưHình 1 Bộ sạc nhanh về cơ bản là mộtbộ nguồn cung cấp điện AC/DC được điều khiển, lấy điện từlưới điện AC 1 pha hoặc 3 pha chuyển đổi thành dòng điện DCphù hợp để nạp chopin Côngsuấtsạc cho cácbộ pin trên xe điện từ vài trăm kw đến vài trăm

nghìn kw nên ảnh hưởng của bộchuyển đổi đốivói lưới điệnrấtđáng kể Do đó, đầu vào của bộ chuyển

đổi thường đượchiệuchỉnh hệ sốcông suất nhằmtránhtổn thất dỉện năng và tối ưu các thành phần cấp nguồn Điều này có thể thực hiện bằng cách sử dụng càu chỉnhlưu kết hợp vói mạch PFC tích cực.Mục

tiêu củanó là điều chỉnhsaochodòngđiệnđầuvào cùngphavàbámtheo dạng hỉnh sin của điện ápđàu vào,từ đỏ nâng hệ số công suấtlêngần bằng 1và giảmđộ méo dạng hài THD gần về 0 Tiếp theo là các

bộ chuyển đổiDC-DC,đasố các bộchuyểnđổinguồn cho ứng dụngsạc pinnày sử dụngmộtmáybiếnáp

cao tần để cách ly với EMI đầu rào,bảo vệnguồn và tải khicố sự số, tănghiệusuất Mộtđạc điểm nữa là

tí lệ chuyển đổicao hơn các bộchuyển đổi DC-DC thông thường, không bị giớihạn bởití lệ chukỳD

Tụ DC

Điện áp AC

dầu vão

Bộ lọc AC đầu váo

Bô chuyền đồi tăng áp PFC

Bô chuyển đồi DC/DC cách ly

\/

Bộ lọc DC ngõ ra Điện áp sạc

ngỏ rá

+ DSP / Vi điều khiển ♦

Hình 1 Cấu trúc chung của các bộ chuyền đồi cho ứng dụng sạc Pin Quá trình sạc nhanhchopin lithium-ion được đặc trungbỏihaigiai đoạn chính:dòng điện không đổi (CC)

và điên ápkhôngđổi (CV),như thể hiệntrong Hình 2 Pin được sạcbằng dòng điệnkhông đổicho đến khi

đỉện áp đạtđến mức định trước Từthời điểm này, điện áp được giữkhôngđổitrongkhi dòngđiệngiảm

dần cho đến khi dung lượngpin được nạp đầy 100% [10].Do đó, giai đoạn đầu ra của bộ sạc phải có khả

năng hoạt động dưới dạng nguồndòng hoặc nguồn điện áp và đượctriền khaithôngqua giai đoạn chuyền

đổibc-DC

Bài báotrìnhbày thiết kế, môphỏng và đỉềukhiển một bộchuyển đổi AC-DC choứngdụngsạc nhanh trên

xe điện sử dụngbộpin36V, côngsuất 150W cấu hình được đề xuất bao gồm một bộ chuyển đổi PFC

AC/DC truyền thống vàbộ chuyển đổi DC/DC Thuận 2khóa, các trạngthái sạc và điềukhiển công suất chuyển đổi được thực hiện trênbộ xử lý tín hiệusốTMS320F28379D

Hình 2 Các chế độ sạc nhanh của pin Lithium-ion

2 Bộ CHUYẾN ĐÔI PFC TRUYỀN THỐNG VÀ THUẬN 2 KHÓA

Bộchuyển đổi tăng áp PFC phía trước, theosaulàbộchuyển đổi thuậnhaikhóalà tổ hợp được đề xuất sử

dụng Bộ chuyển đổi PFCphía trước được sử dụng vìnó làm giảm sóng hài dòng điện giảmvói hiệu chỉnh

hệ số côngsuất.Bộ điều chỉnh PFC tíchcực sử dụng công tắc bán dẫn và các phầntử lưutrữ năng lượng

(cuộncảm và/hoặc tụđiện)đểđịnh hình dòng điện đầu vào sao cho nó có dạngđiên áp đầuvào trong khi cung cấp điện áp đàu ra cố thểđiều chỉnh Vói nhiều ưu điểmvà tính úngdụngcao, đâylà loại PFC phổ

Trang 3

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH

biến nhất được sửdụng trong cácbộnguồn hiệnnay Thiết kế chi tiết của bộchuyển đỗi tăng áp PFC được

mô tả trong [4] cấu trúcbộ chuyển đồi được thểhiện trong Hình 3

Hình 3 Cấu hình được đề xuất sử dụng cho bộ sạc

2.1 Cấu hình và tính toán thiết kế bộ chuyển đổi PFC truyền thống

Hình 4 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi tăng áp PFC Hình4 cho thấy sơ đồ khối của bộchuyển đồi tăng áp PFC trongbộ sạc pinEV

Mốiquan hệ giữa điện ápAC đầu vào và điện ápngõ ra:

Vọ _ 1

Vm \-d

Dòngđiện đầuvào trungbình[6]:

T = ° _

v AC,.ivW

Dòng điện trungbình qua đi-ốt [6]:

Po

D.avẽ ỹ vo

Dòngđiện đỉnh qua cuộn cảm:

Cuộn cảm đầu ràovàtụ lọc ngõ ra:

^AC.ỈM

%ripple

2~

%rippỉe

r 2

ACMữl /1

Po

*$PP' acmin

')P Vo

'O

-P<0

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

L = 1

n

Trongđó:

vo : Điệnáp một chiều ngõ ra

AKỠ: Độ gợn điệnápngõra

Trang 4

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH vin : Điện áp đầu vào

Po : Côngsuấtngố ra

VAC : Điệnáp xoay chiềuđầu vào

Q/ữRipple: Độgọn dòng điện qua cuộn cảm

fỊine : Tầnsốnguồn điện xoay chiều đầu vào

2.2 Cấu hình và tính toán thiết kế bộ chuyển đỗi thuận 2 khóa

Bộchuyển đổi thuận2khóa đuợc mô tả trong Hình5 Hai khóa bán dẫn MOSFET Mỵ và M2 Haiđiốt khử

từ và DC2 đuợc kết nối quanguồn điện áp đầu vào và cuộn sơ cấp má}7 biến áp Hai điốt Drì, Dr2 ở

phía thứ cấp máy biếnáp là đi ốt chỉnh luu Phuongphápnàysử dụng haiđiốt khử từđể đặtlạilõicủa máy biến áp

Haikhóa bán dẫn đuợc điều khiển đóng cắt đồng thời Sau đó, hai điốt khử từ Da và DC2 đuợc phân cục

thuận và đua năngluọngtừ hóa trong má}7 biến áp trở lại nguồn điện áp đầu vào ỈZ5 Các điốtkẹpkết nối

cáccục cống của công tắc A^vàý^với nguồn vs- Do đó, ngay cả khi điện áp thoát của các công tắc phía trên vs tăng lên một chút cũngkhiếncác điốt tiến hành kẹp chúng bằng với Py[7]

Việc đặtlại lõi máy biến áp rất quan trọng để vận hành an toàn bộ chuyển đổi Forward hai khóa Nếu lõi khôngđuợc đặtlạihoàntoàn, ngày càngnhiều năng luọng sẽ đuợc tích lũy trong lõi máy biến áp trong các

chukỳ chuyển mạch tiếp theo, làm cho lõi bão hòa và dẫn đến hỏng bộ chuyển đổi [7] Do đó, có một giá trị tối đa cho phépcủa hệsố chu kỳ làm việc Ạmax =0.5 mà nguời ta nên tránhđể đảm bảo bộ chuyển đổi hoạt động an toàn

Hàmtruyền điện ápDC cóthế có giátrị lón nhấtvànhỏnhất sau [7]:

'in

(8)

vỈM

Tỷ số vòng dâycủamá}7 biến áp[7]:

Dòng điện đỉnh chạy qua cuộn sơ cấp máy biếnáp [7]:

n

Dòng điện đỉnh qua cuộn cảm từ hóa đuợc giảđịnh là 10%dòngđiện đỉnhcủa cuộn sơ cấp [7]:

Trang 5

Giá tri điện cảm nhỏnhấtcủa cuộn cảm từhóasơcấpmáybiến áp [7]:

mas f-^aễ

Tỉ lệ chu kỳ chuyển mạch:

Vc

Dòng điện qua hai đi-ốt chỉnh lưu:

Dòngđiện qua hai đi-ốt kẹp:

Bộlọc ngõ ra:

T > ^o(l —fi.min) z17\

f If-Rcf

Trongđó:

v o : Điện ápngõ ra

I o : Dòng điệnngõ ra

Vin: Điện áp đầu vào

T)c : Hiệusuất máy biến áp

3 THIẾT KẾ Bộ ĐIỀU KHIỂN

Bộđỉều khiểnbao gồm 2 phần chính: Điều khiển cho phần biếnđỗiPFC AC-DC,điều khiển cho phần biến đỗi DC-DC Trong đó phần điều khiển DC-DC bao gồm bộđiều khiển công suất sạc cho pin cấu trúc tống

quátbộđiều khiển được thểhiện trong Hình6

Hình 6 Cấu trúc tổng quát bộ điều khiển của mô hình

Trang 6

Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈƯH

3.1 Cấu trúc bộ điều khiển PFC AC/DC

Vref

Hình 7 Cấu trúc bộ điều khiển mạch PFC

Bộ chuyển đổiđảmbảođiệnáp đầu ra duy trì không đổi bất chấp sụthayđổi của điện áp đầuvào hoặc tải Bêncạnh đó, nó làmchodòng điện đầuvàobámtheosụ thay đổi của điệnáp đầu vào, vớitrạngthái dòng điệncócùngphavàcùngdạngsónghình sin Theo cách này,mộtvòng điều khiển sẽ không đáp ứng được

yêu cầu của toàn hệ thống Thông thuòng phương pháp xửlý là sử dụng bộ điều khiển kép Vòng ngoài hoạtđộngnhu vòng điều khiển điện áp và vòngtrong là vòng điều khiển dòng điện Vòng ngoài duy trì điệnápđầu ra không đổi, trong khivòngbêntrongđảmbảodòng điện đầuvào của hệtìiốngtheodõihình dạng của điện áp đầu vào Đầu ra của vòng lặp bên ngoài đuợc gửiđếnvòng lặp bêntrongdưới dạngđầu

vào Cấutrúc điều khiển hệthống đuợc thể hiện trong Hình 7

Saukhilay mâu, điện áp đâu ra DC được so sánh với điện áp tham chiêu ,giá trị sai sô điện áp được

gửi đênbộđiêu khiên PI của vòng điêu khiên điệnáp, trong đó DC và r6j được cân băng băng thuật toán

điêu khiển tuơng ứng, đêđiệnáp đâu ra DC có thê duy trì on định Giá trị đâura của bộ điêu khiên PI vòng

điện áp được nhân với R , là giá trị của điệnáp đâu vào Vìhình dạng của giá trị điện áp đâuvào là hình sin sau đã qua chỉnh luu, nên chúng tathu được tín hiệu có dạng sónghình sin chỉnh lưu Ta đặt tín hiệu này làm tham chiếu của dòng điện quacuộncảm , sai số gửivàobộđiều khiển PIvòng lặp dòng điện.Bằng thuật toántươngúng, và cũng được điều chỉnh gần bằng nhau Như vậy chúng ta có thể

giữ cho dòng điện đầuvàocùngphavớiđiện áp đầuvào và đạt đuợc mục tiêu hiệu chỉnh hệ số công suất

3.2 Cấu trúc bộ điều khiễn DC/DC và trạng thái sạc

Mô hình sửdụng bộ chuyển đổi thuận 2khóavậnhành ở chế độ CCM, cấu trúcnày có 2 khóa được điều

khiển ngắtđồngthờivới nhau nên chỉ dùngmột tín hiệuđiềukhiển Như đấ được đềcập,mô hình sửdụng

chế độ cc/cv để sạc cho pin, vậy sẽ cần đến2vòng điều khiển riêng biệt nhau, mộtvòngđiều khiển điện

áp và mộtvòngđiều khiển dòngđiện Bộ điều khiển PI được sửdụngđể điều chỉnhđiện áp và dòng điện sạc chopin

Ở đây, tại mỗi thời điểm chỉ cómộtvòng lặp hoạt động, tuơngứngvới mỗi chế độ sạc khác nhau Điều này được thựchiệnbởi một bộ điều khiển chế độsạc, đuợc thể hiện như Hình8

ở chế độ cc, dòng điện sạc ỈB được đặt ởmột giá trị định mức Khi điện áp pin đạt đến giá trị tối đa,

bộ điều khiển chuyển sang chế độcv Trong chế độ cv, dòng điện sạc giảmdầnđếnkhinó đạt đuợc một giá trị xác định truớc ỈB cur9 pinxemnhuđã đuợc sạc đầy, ta chuyển trạngthái sang chế độnghỉ

Trang 7

Hình 8 Cấu trúc bộ điều khiển mạch DC/DC và trạng thái sạc

3.3 Thiết kế mạch cảm biến

Để điều khiển các giátrị dòng điện vàđiện ápnhưmong muốn, ta cần sử dụng các mạch cảm biến để lấy cáctín hiệu hồi tiếp từ mạch công suất Để đạtđược sự tuyếntính củatín hiệu cũng nhu an toàn, bộ cảm

biến được thiếtkếcách ly với phần côngsuấtbằngcách sử dụng các opamp cách ly và một mạch khuếch

đạivi sai để lấy một ngõra duy nhất [8], đượcthể hiện như Hình9 Vo và Vin có quan hệ như sau:

Hình 9 Cấu trúc mạch cảm biến áp

Đối với dòng điện, ta sử dụngIC cảm biến dòng ACS712, ưu điểm củanólàítcácthànhphần đi kèm,đảm

bảo sự tuyếntínhvàcách ly donósử dụng cảm biến từHall[11] Bằng cáchnày, điện áp và dòng điện có thểđược điều chỉnhthành mức điện áp ADC thích họp, đối với vi điều khiển TMS320F287379D là3,3V

Trang 8

Hội nghị Khoa học trẻ ìần 5 năm 202 3(YSC202 3)-ĨUH

Bộ chuyển đồi được thiêt kê với thông sô như sau:

Bảng 1 Thông so bộ chuyển đoi được mô phỏng

Điện ápngõ vào 230 VÃC

Tan so chuyển mạch 50 kHz

Tỉ số biến áp 3.159: 1

Điệnápngõ ra 32-42V

TrongHình 11 và 12, cóthểthây răng điện áp và dòng điện đâu vào cùng pha với nhau,với hệsô công suât

phân tích trong một chu kỳ gân lớn hơn0.99, độ méo dạng hài được duytrì dưới 5% Điện áp ngõ ra trên

tụ DC bus của bộ chuyểnđổi PFC được the hiệnởHình 10

Đáp ứng dòng điện 3.3Avà điện ngõ ra 42V của bộ chuyểnđoiDC/DC ở hai trạng thái sạccc và cv qua

bộ điêu khiểnPI được thehiệntrong Hình 15,16

Hình 10 Điện áp ngố ra của bộ chuyển đổi AC/DC PFC [lOOV/div]

Trang 9

Hội nghị ỉữioa học trẻ lần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH

Hình 11 Điện áp đầu vào Vs [200V/div] và dòng điện đầu vào Is [2V/div]

JilGBT/l

Hình 12 Dòng điện qua MOSFET (trên) và dòng điện qua cuộn cảm mạch PFC (duới)

Hình 13 THD của dòng điện và hệ số công suất đầu vào đuợc phân tích trong 1 chu kì

Trang 10

Time (s)

Hình 14 Điện áp trên cuộn sơ cấp (trên) và cuộn thứ cấp (duới) máy biến áp [200v/div] [lOOv/div]

Hình 15 Dòng điện ngõ ra của bộ chuyển đổi DCZDC [Iv/div]

Hình lố Điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổiDC/DC [5v/div]

5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Bộ chuyền đổi tăng áp PFCđược tích hợpvới bộ chuyểnđổithuậnDC-DC hai khóa Để sạc trênmô hình

pin thực tế, ta cần xác định nhiều thông số liên quan như nhiệt độpin, nội trở,tuổi thọ thực tế vàbảođảm cânbằng điệnáp trên các tế bàopin, điêunàynằm ngoài phạm vi nghiêncứucủa bài báo nên môhình thực nghiệmđược thực hiện trên tải trởcócông suất tương đương Mô hình thực nghiệm và mạch điều khiển

đượchiển thị trong Hình 17và 18 Cả hai giai đoạn của bộ chuyển đỗi đều đượcđiềukhiển bởi các DSP

Trang 11

TMS320F28379D vói haibộ điều khiểnđộclập Hình 19 hiển thị điện áp trên tụDCvàđiện áp sạc ngõ

ra, điện áptrên cuộn thứcấp máy biến áp được thểhiện trong Hình 20

Hình 17 Mô hình thực nghiêm

Hình 18 Mạch điều khiển sử dụng DSP TMS320F28379D

CHI ỡn

CHI QH

NXUÍ

CHI Off

None

CHI Off Mean

ft

□ Tngd

Hình 19 (a) Điện áp trên tụ DC 389V [5V/div], (b) Điện áp sạc ngõ ra 42.3V [lOV/div]

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế Bộ Sạc Nhanh Cho Xe Điện Ứng Dụng Vi Điều Khiển TMS320F28379D
Tác giả	Hồ Công Trình, Trần Tấn Tài, Võ Ngọc Huyền Trâm, Nguyễn Hoài Phong, Châu Minh Thuyên
Trường học	Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Khoa Công nghệ Điện
Thể loại	bài báo
Năm xuất bản	2023
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	13
Dung lượng	1,2 MB