Trong đó: Ud là điện áp phân cực, Rd là nội trở phân cực Sau khi gián đoạn hóa, ta được phương trình thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và dòng điện sạc được thể hiện trong PT 1.9 Tk là
TỔNG QUAN XE ĐẠP ĐIỆN, XE MÁY ĐIỆN, Ô TÔ ĐIỆN
NHU CẦU SỬ DỤNG XE ĐIỆN HIỆN NAY
1.1.1 Vì sao lại lựa chọn sử dụng xe điện ?
Trước tình hình các nguyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng nguồn và dạng nhiên liệu mới và sạch thay thế những nguồn nhiên liệu đang sử dụng hiện thời trong việc vận hành các loại phương tiện vận chuyển (xe, tàu, máy bay…) là một nhu cầu cấp thiết Năng lượng điện nổi lên như là một dạng năng lượng phù hợp để thay thế cho các loại nguyên liệu hóa thạch đang gây ra nhiều vấn đề xấu cho môi trường hiện nay Ví dụ như lượng khí thải độc hại thải ra môi trường của các loại phương tiện vận chuyển dùng năng lượng điện thấp hơn nhiều, gần như không đáng kể, so với do các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây ra
Chúng ta sẽ không có gì ngạc nhiên khi hệ thống xe điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới hiện nay Hầu hết các nhà sản xuất tập trung phát triển hệ thống xe điện là những phương tiện phổ biến như: xe ô tô điện, xe mô tô điện, xe đạp điện, … Công nghệ ngày càng phát triển và hiện đại trong lĩnh vực thiết kế bộ điều khiển với nhiều tính năng cho xe điện, tạo nhiều thuận tiện cho việc điều khiển cũng như thích ứng với phương tiện sử dụng nguồn nhiên liệu mới này
Xe điện có thể được sạc ở nhà hoặc các điểm sạc công cộng, không cần đến các trạm xăng Điều này mang lại sự tiện lợi và tiết kiệm thời gian cho người dùng Ngoài ra, chi phí vận hành xe điện thường thấp hơn so với xe động cơ đốt trong, do giá trị nhiên liệu thấp và chi phí bảo dưỡng thấp
Mặt khác, nhiều quốc gia và các tổ chức đã đưa ra các chính sách khuyến khích sử dụng xe điện Các biện pháp ưu đãi thuế, giảm giá mua xe, hỗ trợ tài chính cho hạ tầng sạc, và các phần thưởng khác đã tạo điều kiện thuận lợi và hấp dẫn hơn để chuyển đổi sang sử dụng xe điện
1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điên
Cá nhân: Người dùng cá nhân là một đối tượng chính trong việc sử dụng xe điện, sử dụng nó cho mục đích cá nhân, đi lại hàng ngày hoặc trong các chuyến đi dài Người dùng cá nhân thường đánh giá cao các lợi ích môi trường và tiết kiệm năng lượng của xe điện
Doanh nghiệp và tổ chức: Ngày càng có nhiều doanh nghiệp và tổ chức chọn sử dụng xe điện để đáp ứng nhu cầu di chuyển của nhân viên hoặc trong hoạt động kinh doanh Các công ty giao hàng, dịch vụ taxi, dịch vụ chăm sóc sức khỏe các doanh nghiệp cũng đang chuyển đổi sang xe điện để giảm chi phí nhiên liệu, quảng cáo hình ảnh thân thiện với môi trường và tuân thủ các quy định về khí thải Hiện tịa, tại Việt Nam hãng Vinfast cũng đã thành lập hang tãi xe điện, cụ thể ngày 14.4, Công ty CP Di chuyển xanh và thông minh GSM (Green - Smart - Mobility) đã chính thức đưa dịch vụ taxi thuần điện đầu tiên tại VN vào hoạt động, với sự kiện này đã đánh dấu kỷ nguyên xe điện chạy dịch vụ bắt đầu
Công cộng và giao thông công cộng: Xe điện cũng được sử dụng trong các phương tiện giao thông công cộng như xe buýt, xe điện đô thị và xe điện trên các tuyến đường sắt
1.1.3 Ưu Điểm - Nhược Điểm Của Xe Điện
Xe điện sở hữu nhiều ưu điểm nổi trội, bao gồm thân thiện với môi trường nhờ giảm phát thải khí nhà kính Chúng cũng giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể do hiệu suất cao hơn động cơ đốt trong Hơn nữa, chi phí vận hành xe điện thấp hơn đáng kể so với xe động cơ xăng hoặc diesel, mang lại lợi ích tiết kiệm tiền đáng kể cho người dùng.
GIỚI THIỆU VỀ CÁC LOẠI XE TRÊN THỊ TRƯỜNG
1.2.1 Xe ô tô a Xe ô tô lai điện động cơ đốt trong
Xe hybrid, thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: Động cơ đốt trong và động cơ điện Hoạt động của xe này là sự kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu nhất
Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động Ví dụ một lợi ích rõ ràng của xe lai ở điều kiện đường xá Việt Nam là: khi gặp đèn đỏ, hay khi kẹt xe thì trên xe lai, không có động cơ nào hoạt động do đó không mất mát công suất vô ích
Sự nỗ lực đáng kể nhất trong sự phát triển và thương mại hóa xe lai điện được tạo ra bởi các nhà sản xuất người Nhật Năm 1997 Toyota đã cho ra mắt dòng sedan Prius ở Nhật, Honda cũng cho ra dòng xe Civic và Civic Hybrid Những chiếc xe trên hiện đang lưu thông trên toàn thế giới Chúng có thể đạt đến tính năng tiêu thụ nhiên liệu tuyệt hảo Điển hình:
Toyota: Toyota là một trong những nhà sản xuất hàng đầu của xe xăng lai điện Các mẫu xe nổi tiếng của họ bao gồm Toyota Prius (hybrid), Toyota Camry Hybrid và Toyota RAV4 Hybrid
Honda: Honda cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như Honda Accord Hybrid, Honda Insight và Honda CR-V Hybrid
Ford: Ford cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như Ford Fusion Hybrid và Ford Escape Hybrid Họ cũng đã giới thiệu mẫu xe điện tự sạc Ford Escape Plug-in Hybrid Hyundai/Kia: Hyundai và Kia cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như Hyundai Ioniq Hybrid và Kia Niro Hybrid Họ cũng có các mẫu xe điện tự sạc như Hyundai Ioniq Plug-in Hybrid và Kia Niro Plug-in Hybrid
Chevrolet: Chevrolet cung cấp mẫu xe xăng lai điện Chevrolet Malibu Hybrid và Chevrolet Volt, một mẫu xe điện tự sạc
Lexus: Lexus, thương hiệu cao cấp của Toyota, có nhiều mẫu xe xăng lai điện trong danh mục sản phẩm của họ, bao gồm Lexus ES Hybrid, Lexus RX Hybrid và Lexus NX Hybrid
BMW: BMW cung cấp các mẫu xe xăng lai điện như BMW 3 Series Hybrid và BMW 5 Series Hybrid Họ cũng có mẫu xe điện tự sạc BMW 330e và BMW 530e b Xe ô tô điện 100 %
Chúng ta có thể thấy ở đây một ví dụ với dòng xe Cadillac ELR, với một hệ thống động cơ điện hình chữ T với pin lithium ion và bốn động cơ điện Nó sử dụng điện như là nguồn năng lượng chính để vận hành mà không sử dụng xăng hoặc sản xuất khói xe Khi năng lượng của pin thấp, ELR liên tục chuyển sang chế độ mở rộng phạm vi cho phép lái xe hàng trăm dặm
Xe máy điện ngày càng được các nhà sản xuất như EVINO và BIANCO của Yamaha chú trọng phát triển Các mẫu xe điện hiện nay trên thị trường chủ yếu được thiết kế theo 2 mẫu xe Bianco và Evino của Yamaha, có chức năng tương tự như xe máy chạy xăng Các mẫu xe này được đánh giá là có kiểu dáng giống với xe tay ga truyền thống, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng mong muốn sử dụng xe điện tiện lợi và thân thiện với môi trường.
Với thiết kế giả lập xe xăng, xe máy điện sở hữu nắp bình nhiên liệu giả phía sau, vành đúc và giảm xóc tương tự xe gắn máy Mặc dù sử dụng bình ắc quy, xe vẫn được trang bị cốp chứa đồ rộng rãi dưới yên Thay thế động cơ truyền thống, hệ thống truyền động của xe máy điện dựa vào bình ắc quy đặt dưới gầm, cung cấp năng lượng duy trì quãng đường 80 km sau mỗi lần sạc trong 3 giờ Xe đạt vận tốc tối đa 40 km/h, vượt trội so với xe đạp điện về tốc độ nhờ công suất mạnh mẽ hơn.
Tuy nhiên, do dáng xe “nhái” theo kiểu xe ga của các hãng nổi tiếng, nên không có bàn đạp Về mặt kỹ thuật, xe máy điện được vận hành theo nguyên lý truyền động, dạng động cơ điện một chiều truyền động bằng trục chính của động cơ qua hộp giảm tốc để kéo xe thông qua xích hoặc bánh răng với năng lượng lấy từ bình ắc-quy khô được đặt bên trong thân xe Bình ắc quy dùng cho xe điện được nạp bằng nguồn điện từ 90 đến 204V Với xe điện sản xuất trong nước, bình ắc quy được sử dụng thường là hàng của Nhật, có độ trữ lâu, chất lượng ổn định
Ngược lại bình ắc quy xe điện nhập từ Trung Quốc hay bị hư, chảy nước vàcháy Nay người ta thay thế acquy bằng pin lithium ion khắc phục được nhược điểm trên và có kiểu dáng rất bắt mắt: Mẫu xe máy điện mang tên EVINO được Yamaha mô tả là chiếc xe dành cho khách hàng thường xuyên phải di chuyển trên các quãng đường ngắn, mong muốn một chiếc xe máy điện có giá cả phải chăng EVINO có kích thước tổng thể 1.675 mm dài, 645 mm rộng và 1.005 mm cao, sử dụng pin lithium-ion
Trên thị trường hiện nay loại phương tiện xe điện phổ biến nhất là xe đạp điện, một số nước phát triển ở Châu Á cũng đã và đang phát triển mạnh loại phương tiện như xe đạp điện và xe mô tô điện … Việc phát triển hệ thống xe đạp điện dựa trên cơ sở nhu cầu thực tế của người sử dụng Một xe điện nói chung thì nhược điểm lớn nhất chính là nguồn điện cung cấp cho xe hoạt động, chính vì vậy việc phát triển các loại xe mô tô điện hay xe ô tô điện lại kém phát triển hơn xe đạp điện
Chính vì các yếu tố về nguồn điện cung cấp, quãng đường di chuyển ngắn, phương tiện nhỏ gọn và tốc độ vừa phải là ưu điểm lớn để ngành sản xuất xe đạp điện ngày càng phát triển Nhiều loại xe đạp điện ra đời với nhiều tính năng và có tính thẩm mỹ cao Các nhà sản xuất dã cho ra đời nhiều dòng xe đạp điện khác nhau với nguồn nhiên liệu được cung cấp bởi ác quy hoặc pin như là NIJIA, XMEN, ZOOMER, GIANT, AIMA, HKBIKE…trong đó nổi trội lên có dòng xe đạp điện sử dụng pin Lithium-ion của AIMA và HKBIKE Kiêu hãnh và lộng lẫy là các mĩ từ chính xác nhất để miêu tả chiếc xe đạp điện HKBIKE zinger extra Xe được thiết kế theo phong cách hiện đại trẻ trung và tinh tế Hòa trộn với yếu tố thẩm mỹ chiếc xe đạp zinger extra còn được trang bị những công nghệ tân tiến nhất tạo nên một chiếc xe hoàn hảo, đầy đam mê và chinh phục không giới hạn
1.2.4 Giới thiệu về các loại xe điện sử dụng pin lithium-ion
Theo một báo cáo nghiên cứu thị trường gần đây, tương lai của xe điện thuộc về công nghệ pin Lithium ion Đây là công nghệ đáng mơ ước bởi hiệu suất vượt trội và khả năng tiết kiệm lý tưởng Thế giới ngày càng quan tâm đến vấn đề bảo vệ môi trường, hạn chế các chất độc hại Pin Lithium-ion là pin công nghệ cao, hiện đại, được ứng dụng trong những lĩnh vực sản xuất pin cho smartphone và tablet, và ngành xe điện cũng không phải ngoại lệ Trên xe điện, pin Lithium-ion có nhiều ưu điểm mật độ năng lượng cao cho phép pin kích thước nhỏ và nhẹ mà xe vẫn đi được quãng đường lớn ; điện áp ổn định giúp bảo vệ động cơ tốt Ngoài ra về mặt môi trường, pin sạch và thân thiện hơn Công nghệ pin Lithium ion ra đời tạo một bước đột phá mới cho loại hình xe điện
Nguyên tắc hoạt động của Pin Lithium-ion
Hình 1 1: Phác họa quá trình điện hóa trong Pin Lithium-ion
Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion dựa vào sự tách các ion Li+ từ vật liệu điện cực dương điền kẽ vào các "khoảng trống" ở vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng làm điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng (với vật liệu điện cực âm) hoặc bằng nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành các điện cực cho pin Li-ion, các cực này được đặt cách điện để đảm bảo an toàn và tránh bị tiếp xúc dẫn đến hiện tượng đoản mạch
Trong quá trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trò là chất oxi hoá còn vật liệu điện cực âm đóng vai trò là chất khử, tại cực dương, các ion Li+ được tách ra và điền kẽ vào giữa các lớp graphite carbon Trong quá trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trò là chất oxi hoá còn vật liệu điện cực âm đóng vai trò là chất khử, tại cực dương, các ion Li+ được tách ra và điền kẽ vào giữa các lớp graphite carbon Trong quá trình phóng thì quá trình xảy ra ngược lại, ion Li+ tách ra từ cực âm và điền kẽ vào khoảng trống giữa các lớp oxi trong vật liệu điện cực dương Các quá trình phóng và nạp của pin Li-ion không làm thay đổi cấu trúc của các vật liệu dùng làm điện cực
1.3.1 Các phản ứng tại các điện cực
Các phản ứng điện hoá bao gồm sự dịch chuyển tại một bề mặt danh giới điện cực - dung dịch, chúng thuộc loại phản ứng được coi là các quá trình không đồng nhất Động lực của các phản ứng không đồng nhất này thường được quy định bởi sự tách và điền kẽ các ion thông qua quá trình phóng và quá trình nạp Mô hình của quá trình điện hoá trong một pin Li ion được phác hoạ như sau:
1.3.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân
Quá trình xen ion Li+ diễn ra ở khoảng điện thế từ 0,2 đến 0,0 V, trong khi điện tích tiêu thụ ở khoảng từ 0,8 đến 0,2 V (phụ thuộc vào Li/Li+) là do phản ứng khử của các thành phần điện phân tại bề mặt điện cực Quá trình này tạo thành lớp chuyển tiếp rắn điện phân, ngăn cách không gian giữa chất điện phân và điện cực Các phản ứng xảy ra tại lớp chuyển tiếp này có trạng thái nhiệt động ổn định và diễn ra liên tục cho đến khi bề mặt điện cực được phủ kín Cùng với đó, độ dày của lớp chuyển tiếp sẽ tăng dần cho đến khi đạt đến độ dày đủ để tạo hiệu ứng xuyên hầm của các electron.
Sự hình thành lớp chuyển tiếp ổn định rất quan trọng trong việc chế tạo pin, quyết định các đặc tính và độ dày của lớp này Lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến độ an toàn, hiện tượng tự phóng, dung lượng pin và khả năng sử dụng pin ở cả nhiệt độ cao và thấp Quá trình khử chất điện phân tiếp tục diễn ra, làm ổn định lớp chuyển tiếp và bảo vệ cực âm graphite không bị phá hủy bởi các phân tử dung môi xâm nhập.
Cấu tạo Pin Lithium-ion
Pin Li-ion có cấu tạo gồm 3 thành phần cơ bản: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân Ngoài ra còn có một số thành phần khác
Hình 1 2: Cấu tạo Pin Lithium-ion
Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn hay các hợp chất thay thế một phần cho nhau giữa các kim loại M Pin Li ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo
Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặc các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi1 xCoxO2 Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầu sau:
- Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium
- Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium
- Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+
- Hệ số khuếch tán ion Li+ lớn
- Không tan trong dung dịch điện li
- Giá thành rẻ Đặc trưng điện áp và dung lượng của vật liệu làm điện cực dương nói chung được thống kê trong bảng sau :
Loại vật liệu Dung lượng riêng
(mAh/g) Thể tích trung bình Ưu – nhược điểm
LiCoO2 155 3,88 Thông dụng, giá cả đắt
LiNi0,7Co0,3O 190 3,70 Giá thành trung bình
LiNi0,8Co0,2O2 205 3,73 Giá thành trung bình
LiNi0,9Co0,1O2 220 3,76 Có dung lượng riêng cao nhất
LiNiO2 200 3,55 Phân li mạnh nhất
LiMn2O4 120 4,00 Mn rẻ, tính độ hại thấp, ít phân li
Bảng 1 1: Bảng vật liệu làm pin
Từ bảng ta thấy tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thế trung bình của pin
Ban đầu, Sony tạo ra pin Li-ion với cực âm than cốc, có dung lượng cao (180mAh/g) và bền trong dung dịch propylene Sau đó, carbon graphitic được sử dụng, đặc biệt là Mesocarbon Microbead (MCMB), có dung lượng cao hơn (300 mAh/g), diện tích bề mặt nhỏ và tính an toàn cao Ngày nay, nhiều loại carbon được dùng làm cực âm, bao gồm cả graphite tự nhiên giá rẻ, nhưng các vật liệu carbon cứng hơn vẫn cho dung lượng cao hơn.
Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê trong bảng sau:
Dung lượng không đảo ngược được (mAh/g)
Repsol LQNC Than cốc dạng kim 234 104 45 6,7
Bảng 1 2: Đặc trưng của các loại carbon
Từ bảng ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin
Pin Li-ion sử dụng bốn loại chất điện ly chính, bao gồm chất điện ly dạng lỏng, gel, polime và gốm Mỗi loại chất điện ly có những đặc điểm và ứng dụng riêng trong quá trình sản xuất và hoạt động của pin Li-ion.
- Chất điện li dạng lỏng: là những muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) được hoà tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC)
Chất điện li dạng gel là vật liệu dẫn ion được tạo nên khi hòa tan muối và dung môi trong polyme có khối lượng phân tử lớn, tạo thành một cấu trúc dạng gel.
- Chất điện li dạng polimer: là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thông qua sự hoà tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn
- Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+
- Mỗi loại chất điện li có các ưu điểm khác nhau Nhưng nói chung, các chất điện li này phải có khả năng dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí …
Dung môi được sử dụng rất đa dạng, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và hợp chất acetate, chúng được dùng thay thế cho chất điện phân khô Tiêu điểm hiện nay của ngành công nghiệp là các hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an toàn tốt và có tính tương thích với các vật liệu làm điện cực
Các dung môi carbonate nguyên chất điển hình có độ dẫn thực chất dưới 10-7S/cm, hằng số điện môi lớn hơn 3, và dung hợp các muối Lithium cao Một số dung môi hữu cơ được dung như: ethylene carbonate(EC), plopylene carbonate(PC), dimethyl carbonate(DMC), ethylmethyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC), dimethyletherDME), acetonitrile(AN), tetrahydrofuran(THF), Butyrolacton
Trong các pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng (10 m
30 m) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương Ngày nay, các loại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp chế tạo từ vật liệu poliolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất tốt, độ ổn định hoá học tốt và giá cả chấp nhận được
Các vật liệu Nonwoven cũng được nghiên cứu, song không những sử dụng rộng rãi do khó tạo được các màng có độ dày đồng đều, độ bền cao
Nhìn chung, các vật liệu cách điện dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:
Có độ bền cơ học cao
Không bị thay đổi kích thước
Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực
Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1m
Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân
1.4.6 Mô hình hóa Pin Lithium-ion
Mô hình hóa pin lithium ion đóng vai trò thiết yếu trong việc hiểu được mối quan hệ giữa các đại lượng không thể đo lường trực tiếp với những đại lượng có thể quan sát được Các phương trình điện hóa và điều kiện môi trường ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của pin lithium ion Do đó, mô hình hóa pin lithium ion được xây dựng để mô tả những mối quan hệ này, tạo tiền đề cho việc phát triển mô hình nhiệt mô tả quá trình trao đổi nhiệt trong pin.
1.4.6.1 Mô hình hóa pin Lithium sử dụng mạch tương đương
Mô hình động học của pin được mô tả bằng cách sử dụng một mô hình mạch tương đương được đưa ra như hình 2.1
Uocv là điện áp hở mạch R0 là nội trở của pin
Rd1, Rd2, …, R dn là các điện trở phân cực trong các mạng tụ điện trở C d1 , Cd2,
…, C dn là các tụ điện phân cực trong các mạng tụ điện trở Ud1, Ud2, …, U dn là điện áp phân cực rơi trên mạng tụ điện trở
Ub là điện áp trên hai cực của Pin I là dòng tải
Hình 1 3: Mô hình tương đương của Pin
Mạng tụ điện trở RC thể hiện tính chất quá độ của điện áp trên hai cực pin khi dòng điện qua pin thay đổi Trên lý thuyết, đặc tính động học của mô hình pin sẽ càng giống đặc tính động học trên thực tế khi càng nhiều mạng tụ điện trở được mô tả Tuy nhiên, việc mô tả càng nhiều mạng tụ điện trở sẽ dẫn đến khối lượng tính toán càng nhiều Để đơn giản hóa mô hình pin, mô hình tương đương rút gọn của pin được đưa ra như hình 1.4 Mô hình này gồm: Điện áp hở mạch Uocv(t)
Một mạng tụ điện trở R1 và C1 tương ứng là điện trở phân cực và tụ điện phân cực i(t) là dòng tải Dòng điện i(t) di chuyển trong pin có chiều dòng điện như trên hình, trong điều kiện sạc thì i(t)>0, trong điều kiện xả thì i(t) 0) và rw là trọng lượng; khi trọng lượng nhỏ hơn, tốc độ thay đổi cao hơn ∆U được cho phép
Tính toán thiết kế mạch động lực
Trong phạm vi của luận văn này, lựa chọn sơ đồ bộ sạc 1 Module với biến áp tần số cao
Hình 2 2: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực
2.2.1 Dẫn xuất của thuật toán sạc MPC được đề xuất
Theo Phần 2.1, MPC có thể dự đoán trạng thái tương lai thông qua phương trình không gian trạng thái và thông tin hiện tại Để tìm đầu vào dự đoán tối ưu, MPC sử dụng trình tối ưu hóa nhằm tìm giải pháp tối ưu.
Trước hết, giả sử thời gian lấy mẫu là ki và ki > 0, biến trạng thái x (ki) có thể thu được bằng cách đo thông tin hiện tại của thực vật; định nghĩa của tham số đầu vào được hiển thị trong Phương trình (2.9) và Nc đại diện cho độ dài điều khiển
Với thông tin thời gian lấy mẫu hiện tại x(k i), khả năng dự đoán biến trạng thái tương lai N p có thể được thực hiện Độ dài dự đoán của thời gian lấy mẫu này được biểu thị bằng ký hiệu N p Các biến trạng thái dự đoán cho cây được thể hiện dưới dạng các công thức toán học.
Phương trình (10) thể hiện phép dự đoán trạng thái của hệ thống sau m bước kể từ thời điểm lấy mẫu của ki Chiều dài của đoạn điều khiển phải nhỏ hơn chiều dài dự đoán Np.
Biến trạng thái dự đoán có thể được tính toán thông qua tham số đầu vào dự đoán, như Phương trình (2.11) trình bày
Biến đầu ra dự đoán trong Phương trình (2.12) có thể được tính toán thông qua biến trạng thái dự đoán trong Phương trình (9)
N N N i P i i i i i C y k k CAx k CB i k y k k CA x k CAB i k CB i k y k k CA x k CA B i k CAB i k CB i k y k N k CA x k CA B i k CA B i k CA B i k N
Một véc tơ đầu ra và đầu vào mới đã được xác định trong Phương trình (2.13) và Phương trình (2.14) Đối với hệ thống đầu ra đơn đầu vào (SISO), kích thước của véc tơ Y lần lượt là Np và Nc; Phương trình (2.11).
(2.14) được hợp nhất thành Phương trình (2.15)
Với mục đích tính toán ∆I tối ưu hóa hàm chi phí, Phương trình (2.15) đã được thay thế bằng Phương trình (2.18) để thu được Phương trình (16) Tiếp đến, Phương trình (2.16) được vi phân từng phần để có Phương trình (2.17) Giá trị nhỏ nhất của hàm chi phí đạt được khi Phương trình (2.17) bằng 0 Từ đó, giá trị ∆I tối ưu được dự đoán theo Phương trình (16).
CA CA B CA B CA B CA B
Cuối cùng, ∆U thu được từ Phương trình (2.18) có thể được sử dụng để tính toán đầu vào của trạng thái tiếp theo, như Phương trình (2.19) trình bày
0 i k ( 1) i max T W T (2.20) Như một phương tiện để giảm sự gia tăng nhiệt độ sạc, các ràng buộc được hiển thị trong Phương trình (2.20) đã được thêm vào điều khiển dự đoán mô hình Bằng cách có hạn chế này, thuật toán được đề xuất có thể thay đổi giới hạn trên của dòng sạc theo nhiệt độ tăng trong quá trình sạc, cho phép cải thiện mức tăng nhiệt độ Trong
(2.12) phương trình này, ∆T là sự gia tăng nhiệt độ và WT là trọng lượng của sự gia tăng nhiệt độ
Hình 2 3: Sơ đồ khối của bộ sạc điều khiển dự đoán mô hình (MPC)
2.2.3 Bộ chuyển đổi DC/DC cộng hưởng a Tổng quan
Các bộ chuyển đổi DC/DC hoạt động dựa trên nguyên lí điều chỉnh độ rộng xung PWM Điện áp hay dòng điện đầu ra được điều khiển thông qua việc thay đổi độ rộng xung cấp cho các van bán dẫn Các bộ chuyển đổi PWM có ưu điểm là nguyên lý đơn giản, dễ điều khiển và ổn định Nhưng trong xu hướng phát triển, các bộ chuyển đổi Điện tử công suất (ĐTCS) ngày nay phải đáp ứng các yêu cầu như kích thước nhỏ gọn, mật độ công suất cao Điều này đòi hỏi các bộ chuyển đổi phải làm việc ở tần số cao hơn Vấn đề về tổn hao do chuyển mạch cứng của các bộ chuyển đổi theo điều chế độ rộng xung thông thường dẫn đến sự ra đời các bộ chuyển đổi cộng hưởng Đặc biệt là khi tần số chuyển mạch lớn, việc chuyển mạch cứng cũng gây ra các xung động điện từ trên điện cảm đường dây, phát tán sóng điện từ tần số cao ra xung quanh, ảnh hưởng đến các linh kiện điện tử khác trong mạch
Bộ chuyển đổi cộng hưởng khắc phục được nhược điểm của bộ chuyển đổi thông thường nhờ có mạch cộng hưởng làm điện áp hoặc dòng điện có dạng hình sin Các van chuyển mạch khi dòng điện hoặc điện áp qua không, gọi tắt là chuyển mạch mềm, giúp giảm tổn hao Do đó, bộ chuyển đổi cộng hưởng có thể hoạt động ở tần số cao hơn, kích thước nhỏ hơn và đạt hiệu suất cao từ 90% đến 98%.
Hình 2 4: Cấu trúc chung của bộ chuyển đổi DC/DC cộng hưởng
Cấu trúc chung của bộ chuyển đổi DC/DC cộng hưởng cho trên Hình 2.4, bao gồm ba phần chính: sơ đồ van bán dẫn, mạng mạch dao động LC, chỉnh lưu và mạch lọc một chiều Cấu trúc này cho thấy bộ chuyển đổi cộng hưởng gồm các quá trình biến đổi DC – khâu trung gian tần số cao – chỉnh lưu, nghĩa là DC/AC/DC Khâu chỉnh lưu biến đổi AC/DC thường bao gồm máy biến áp cách ly Các loại bộ chuyển đổi cộng hưởng khác nhau chỉ do phần mạng mạch dao động, có thể là mạng cộng hưởng nối tiếp, mạng cộng hưởng song song, mạng LCC và mạng LLC, như thể hiện trên Hình 2.5
Hình 2 5: Sơ đồ tổng quát các bộ chuyển đổi cộng hưởng
Quá trình phân tích bộ chuyển đổi cộng hưởng được tiến hành theo phương pháp sóng hài bậc nhất, trước hết cho riêng từng khâu trong sơ đồ cấu trúc b Phân tích sóng hài bậc nhất bộ chuyển đổi cộng hưởng
Thông thường bộ chuyển đổi gồm các khóa bán dẫn có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay chiều 𝑢 𝑠 (𝑡) có dạng xung chữ nhật từ điện áp một chiều đầu vào 𝑈 𝑔 , với tần số 𝑓 𝑠 gần bằng tần số cộng hưởng 𝑓 𝑜 của mạng mạch dao động Khi đó mạng mạch dao động sẽ phản ứng với thành phần tần số cơ bản 𝑓 𝑠 và với các thành phần sóng hài bậc cao
𝑛𝑓 𝑠 , n = 2, 3, … Do tính chọn lọc của mạng mạch dao động các thành phần tần số cao sẽ bị suy giảm Do đó có thể gần đúng chỉ cần tính tới thành phần điện áp và dòng điện hình sin ở tần số cơ bản 𝑓 𝑠 c Phân tích sơ đồ mạch biến đổi DC/AC lý tưởng
Hình 2 6: Sơ đồ mạch DC/AC lý tưởng
Sơ đồ mạch bộ chuyển đổi DC/AC lý tưởng cho trên hình 2.6 Đầu vào của bộ chuyển đổi là điện áp nguồn một chiều 𝑈 𝑔 , đầu ra là dạng xung chữ nhật với tần số 𝑓 𝑠 , như biểu diễn trên hình 2.7 Điện áp đầu ra 𝑢 𝑠 (𝑡) có thể phân tích ra chuỗi Fourier:
Trong đó 𝑠 = 2𝜋𝑓 𝑠 là tần số góc Thành phần sóng cơ bản của điện áp ra bằng:
𝜋 sin(𝜔 𝑠 𝑡) = 𝑈 𝑠1 sin(𝜔 𝑠 𝑡) Như vậy sóng cơ bản điện áp ra có biên độ 4𝑈 𝑔 /𝜋 và đồng pha với điện áp ra dạng xung chữ nhật, như biểu diễn trên hình 28
Hình 2 7: Dạng xung điện áp đầu ra bộ chuyển đổi DC/AC lý tưởng
Như biểu diễn trên hình 2.7, thông thường dòng đầu ra khâu DC/AC 𝑖 𝑠 (𝑡) có thể gần đúng cho có dạng sin, với biên độ𝐼 𝑠 nào đó, lệch pha so với điện áp 𝑢 𝑠 (𝑡) một góc 𝑠 :
Hình 2 8: Dạng dòng 1 chiều đầu vò bộ biến đổi DC/AC
Thiết kế mạch điều khiển và chọn phương pháp điều khiển
Hình 2 35: Khối điều khiển (MCU)
2.3.1.2 Khối đo cường độ dòng điện
Hình 2 36: Khối đo dòng điện
2.3.1.3 Khối đo điện áp một chiều
Hình 2 37: Khối đo điện áp một chiều
2.3.1.4 Khối đo điện áp xoay chiều
Hình 2 38: Khối đo điện áp xoay chiều
Hình 2 39: Khối giải mã xung
2.3.2 Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM)
2.3.2.1 Khái niệm Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là kỹ thuật điều chế (thay đổi) độ rộng của xung (sự chênh lệch thời gian giữa xung “ON” và “OFF”) mà không làm thay đổi tần số của tín hiệu điện, được sử dụng để mã hóa 1 tín hiệu điện tương tự thành một tín hiệu xung Mặc dù kỹ thuật điều chế này có thể được sử dụng để mã hóa thông tin để truyền tải, việc sử dụng chính của nó là cho phép điều khiển nguồn điện cung cấp cho các thiết bị điện, đặc biệt là tải quán tính như động cơ Ngoài ra, PWM là một trong hai thuật toán chính được sử dụng trong bộ sạc pin quang điện năng lượng mặt trời, và giám sát điểm công suất cực đại
Tín hiệu điện có 2 loại cơ bản là “Tín hiệu tương tự” và “Tín hiệu số” Trước kia khi công nghệ chưa phát triển, ta dùng tín hiệu tương tự để điều khiển thiết bị Ví dụ để điều khiển độ sáng của bóng đèn sợi đốt, ta chỉ cần mắc nối tiếp vào 1 biến trở, khi xoay biến trở điều chỉnh dòng điện đi qua bóng đèn thì độ sáng của đèn sẽ thay đổi, đồng thời gây ra tổn hao công suất dưới dạng nhiệt trong điện trở Đó là một sơ đồ không hiệu quả, nhưng chấp nhận được vì tổng công suất thấp Tuy nhiên với những ứng dụng có công suất cao hơn hoặc có yêu cầu đặc biệt thì cần phải có một phương pháp điều chỉnh công suất hiệu quả và giá thành thấp PWM là giải pháp cho vấn đề này Ưu điểm chính của PWM đó là tổn hao công suất trên các thiết bị đóng cắt rất thấp Khi khóa chuyển mạch tắt thì không có dòng điện đi qua, và khi bật thì nguồn sẽ được đưa sang phụ tải, và hầu như không có sụt áp trên thiết bị chuyển mạch Tổn hao công suất gần như bằng không PWM cũng hoạt động tốt với điều khiển kỹ thuật số, vì tính chất bật/tắt, ta có thể dễ dàng thiết lập chu kỳ làm việc cần thiết
PWM (Pulse Width Modulation) cũng được ứng dụng trong một số hệ thống truyền thông, với chu kỳ làm việc của sóng PWM được sử dụng để truyền tải thông tin qua kênh truyền dẫn.
Hình 2 40: Từ thông trong cuộn cảm điều chế xung
Một ví dụ về PWM trong một cuộn cảm lý tưởng được cấp bởi một nguồn điện áp được biến điệu thành một loạt các xung, dẫn đến một dòng điện dạng hình sin trong cuộn inductor, gây ra một dạng sóng dòng điện càng mịn hơn, khi tần số chuyển mạch tăng Lưu ý rằng dạng sóng dòng điện là tích phân của dạng sóng điện áp
PWM có thể được tạo ra bằng mạch kỹ thuật số Tín hiệu sẽ có dạng các xung vuông, tức là có hai trạng thái cao (5V - nguồn) hoặc thấp (0V - mát).
Giá trị trung bình của điện áp (hay dòng điện) cung cấp cho tải được kiểm soát bằng cách thay đổi việc đóng cắt giữa nguồn và tải với tốc độ rất nhanh Thời gian đóng càng lâu so với thời gian cắt, thì tổng công suất cung cấp cho tải càng cao
Tần số đóng cắt PWM phải cao hơn nhiều so với tần số ảnh hưởng đến tải (các thiết bị sử dụng điện), để dạng sóng cuối cùng được đưa tới tải phải càng mịn càng tốt Tần số đóng cắt của nguồn cấp có thể rất khác nhau tùy thuộc vào tải và ứng dụng, ví dụ:
Việc đóng cắt phải được thực hiện với tần số vài Hz với một bếp điện;
Tần số hoạt động của PWM phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể Ví dụ, PWM có thể hoạt động ở tần số 120 Hz trong bộ điều chỉnh độ sáng đèn sợi đốt, vài kHz đến vài chục kHz trong bộ điều khiển động cơ, vài chục đến vài trăm kHz trong các bộ khuếch đại âm thanh và bộ nguồn máy tính Tần số càng cao thì độ gợn sóng đầu ra càng nhỏ và hệ thống càng hoạt động êm hơn.
Thuật ngữ “chu kỳ làm việc” mô tả tỷ lệ giữa thời gian 'ON' với thời gian điều chỉnh hoặc 'chu kỳ' làm việc; chu kỳ làm việc thấp tương ứng với công suất thấp, bởi vì nguồn điện bị cắt trong phần lớn thời gian điều chỉnh Chu kỳ làm việc được thể hiện theo phần trăm, 100% là bật hoàn toàn
PWM thay đổi tốc độ của động cơ của thiết bị để chúng chỉ tiêu thụ điện năng cần thiết mà không gây ra tổn thất dòng điện không sử dụng dưới dạng nhiệt
PWM là một cách để điều khiển các thiết bị tương tự với một đầu ra kỹ thuật số Nói một cách khác là ta có thể xuất tín hiệu điều chế từ thiết bị kỹ thuật số như MCU để điều khiển thiết bị tương tự Đó là một trong những phương tiện chính mà MCU điều khiển các thiết bị tương tự như động cơ tốc độ thay đổi, đèn có thể điều chỉnh độ sáng, bộ truyền động và loa Tuy nhiên, PWM không phải là đầu ra tương tự thực sự PWM “làm giả” một kết quả giống như tín hiệu tương tự bằng cách sử dụng công suất theo các xung, hoặc các đoạn ngắn của điện áp được điều chỉnh
Hình 2 41: Biểu đồ điện áp xung tín hiệu
Xung có chu kỳ cố định T và độ rộng xung t0 Khi thay đổi t0 từ 0 đến T, điện áp đầu ra sẽ thay đổi từ 0 đến Umax Điện áp trung bình Ud được tính theo công thức sau: Ud = (Umax * t0) / T.
𝑇Thực nghiệm cho thấy, nếu thay đổi thời gian của chu kì T từ ∞ → t 1 (t1 ≈ 0) thì xung ra càng mịn Tức là khi tăng thời gian của chu kì thì thời gian OFF của tín hiệu cũng tăng lên nên ta thấy một khoảng thời gian không có điện áp ra trên tín hiệu Nếu ta dùng tín hiệu này điều khiển một động cơ DC thì thấy rằng khi tăng chu kì T thì động cơ sẽ có một khoảng thời gian dừng rất dài Nếu giảm thời gian T xuống gần về 0 thì động cơ sẽ thay đổi tốc độ một cách tuyến tính
PWM hoạt động bằng cách tạo xung dòng điện một chiều và thay đổi khoảng thời gian mà mỗi xung ở trạng thái “bật” để kiểm soát lượng dòng điện chạy đến một thiết bị chẳng hạn như đèn LED PWM là kỹ thuật số, có nghĩa là nó có hai trạng thái: bật và tắt (tương ứng với 1 và 0 trong hệ nhị phân)
Mỗi xung được bật càng lâu, đèn LED sẽ càng sáng Do khoảng thời gian giữa các xung quá ngắn nên đèn LED không thực sự tắt Nói cách khác, nguồn điện của đèn LED bật và tắt quá nhanh (hàng nghìn lần mỗi giây) đến mức đèn LED thực sự vẫn sáng mà không nhấp nháy Điều này được gọi là làm mờ PWM, và mạch như vậy chỉ được gọi là mạch điều chỉnh độ sáng LED PWM
Tính chọn các phần tử của mạch đo lường
2.4.1 Đo dòng điện sạc Để đo dòng ta dùng IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712
Hình 2 50: IC Hall cảm biến dòng chuyên dụng ASC712
Tóm tắt về các đặc tính cơ bản của IC đo dòng ACS712 như sau: Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp
Băng thông của thiết bị được thiết định thông qua chân FILTER mới Thời gian tăng của ngừ ra để đỏp ứng với dũng ngừ vào là 5às
Tổng lỗi ngỏ ra tại TA = 25°C là 1.5% Dạng đóng gói SOIC8 với các chân nhỏ Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ Điện áp cách điện tối thiểu 2.1kV RMS từ chân 1-4 đến chân 5-8 Nguồn vận hành đơn 5V Độ nhạy ngõ ra từ 96 đến 104mV/A Điện áp ngõ ra tương ứng với dòng DC hoặc AC Điện áp offset (lệch) ngõ ra cực kỳ ổn định
Sự trễ từ gần bằng zero
Ngõ ra tỉ lệ trực tiếp với ngõ vào từ nguồn cung cấp Tính toán sai số phép đo:
Ta dùng bộ chuyển đổi ADC 10 bit của pic 16f877a nên ta có:
Với độ nhạy của ASC712 là từ 96 mV/A đến 104 mV/A ta lấy trung bình là 100mV/A Ta có sai số phép đo:
2.4.2 Đo điện áp Để đo điện áp ta dùng cầu phân áp bằng điện trở độ chính xác 1% Ta có công thức tính điện trở phân áp để lấy điện áp về đưa vào đầu vào ADC của vi điều khiển từ điện áp ra của mạch DC/DC cấp cho pin/ắc-quy khi sạc:
Tỷ lệ điện trở cầu áp được tính bằng cách chia điện áp đầu vào DC cực đại (VINmax) cho điện áp cực đại của ADC (VDD) Trong trường hợp này, điện áp đầu vào DC cực đại là 35,2 V và điện áp cực đại của ADC là 5 V, nên tỷ lệ điện trở cầu áp sẽ là VINmax / VDD = 35,2 V / 5 V = 7,04.
R2 / R1 + R2 = 5/ 35.2 = 0.142 Chọn R1 = 60 kΩ và R2 = 10 kΩ để đảm bảo dòng điện trong mạch đo rất nhỏ (cỡ 32,5V/110 kΩ = 0,503 mA ) ta có: Vđo = V×0,14286 hay V = Vđo×7 Để đo nhiệt độ ta dùng IC cảm biến nhiệt độ sử dụng các phần tử bán dẫn LM35 IC này có đầu ra trực tiếp là điện áp tỉ lệ với nhiệt độ cần đo với độ nhạy 10mV/oC Dải nhiệt độ từ 55oC đến 150oC với sai số 0,5oC.
Kết luận chương
Trong chương 2 trình bày thuật toán sạc Li-ion sử dụng điều khiển dự đoán mô hình Bộ sạc điều khiển dự đoán mô hình (MPC) tính toán dòng sạc thích hợp dựa trên SOC hiện tại, sử dụng mô hình mạch tương đương của pin.
So với phương pháp sạc CC-CV 1.0 C thông thường, thời gian sạc, nhiệt độ tối đa tăng và nhiệt độ trung bình tăng có thể được cải thiện sự gia tăng nhiệt độ sạc và tốc độ sạc của pin Li-ion
Nêu tổng quan về các cấu trúc cộng hưởng cho bộ biến đổi AC/DC, DC/DC Các cấu trúc được phân tích ưu, nhược điểm như cấu trúc song song (PRC), cấu trúc nối
Hình 2 52: Hình dáng và sơ đồ của chân IC bán dẫn đo nhiệt độ LM35
Để thiết kế Bộ sạc pin lithium-ion hiệu suất cao đáp ứng nhu cầu công suất và hiệu suất, mạch phân áp SRC và cấu trúc SPRC được sử dụng Bộ biến đổi cộng hưởng LLC toàn cầu 1 pha được lựa chọn với biến áp cách ly tần số cao, phương pháp điều khiển vòng kín PID chế độ rộng xung PWM Thuật toán điều khiển được xây dựng để ổn định điện áp đầu ra ở 100V và cân bằng dòng điện, đảm bảo điện áp đầu ra theo sát giá trị đặt trước với điện áp đầu vào cao và dải rộng từ tầng PFC.
CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHİỆM
Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống sạc pin
3.1.1 Phần mềm mô phỏng PSIM 9.1.1
PSIM 9.1.1 là một công cụ mô phỏng điện tử hoàn chỉnh cung cấp nhiều cảm biến và thiết bị đo đa dạng như: dao động, máy phân tích sóng, màn hình và nhiệt, theo dõi dòng điện trực tiếp và gián tiếp cũng như làm việc với các động cơ AC và DC Dữ liệu để chúng ta có thể hiểu hoạt động đầy đủ của mạch điện
Trong quá trình mô phỏng, bạn có thể thấy các tham số trực tiếp, dòng điện, điện áp và các tham biến khác bằng cách sử dụng các phép dò Chương trình này có sức mạnh lớn trong việc hiển thị và cá nhân hóa sóng Bạn có thể dễ dàng thay đổi màu sắc của sóng, thay đổi đơn vị đo lường của nó, tính toán độ lớn và điểm giao nhau của sóng Một trong những lợi thế của PSIM 9.1.1 là khả năng trao đổi với MATLAB và Simulink để mô phỏng chính xác hơn Trên thực tế, kết quả của chương trình này có thể được nhập dưới dạng dữ liệu toán học
3.1.2 Sơ đồ mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC toàn cầu 1 pha LLC mạch kín
Xây dựng sơ đồ mạch động lực trên phần mềm PSIM 9.1.1
Hình 3 1: Mo phỏng khố biến đổi DC/DC cộng hưởng LLC cách ly
3.1.3 Mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC toàn cầu 1 pha LLC
Cài đặt mô phỏng với các thông số như sau: Điện áp vào: 𝑉 𝑖𝑛 = 380𝑉
Tần số chuyển mạch: 10kHz Điện dung cộng hưởng 𝐶 𝑟 = 3𝜇𝐹 Điện cảm cộng hưởng: 𝐿 𝑟 = 83.25 ∗ 10 −6 𝐻 Điện cảm từ hóa: 𝐿 𝑚 = 520 ∗ 10 −6 𝐻
Biến áp xung có số vòng cuộn sơ cấp bằng cuộn thứ cấp Điện trở tải: 𝑅 𝑙𝑜𝑎𝑑 = 0,48Ω
Kết quả mô phỏng có trong các hình dưới đây:
Hình 3 2: Điện áp cuộn sơ cấp (Vpri)
Hình 3 3: Điện áp cuộn thứ cấp (Vsec)
Hình 3 4: Điện áp sau chỉnh lưu
Xây dựng mô hình thực nghiệm
3.2.1 Xây dựng mạch điều khiển
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín PID
Hình 3 5: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín
Lựa chọn phần cứng để xây dựng mạch điều chế độ rộng xung cấp cho mạch đóng/mở van bán dẫn sử dụng 4 IGBT Trong phạm vi của luận văn này em sử dụng KIT phát triển LAUNCHXL-F28379D C2000 của hãng Texsas Instruments a KIT phát triển LAUNCHXL-F28379D C2000
Hình 3 6: Kit phát triển LAUNCH XL-F23879D C2000 {9}
LAUNCHXL-F28379D là một công cụ phát triển và đánh giá chi phí hợp lý dành cho các sản phẩm TMS320F2837xD , TMS320F2837xS và TMS320F2807x trong hệ sinh thái bộ phát triển TI MCU LaunchPad ™ tương thích với nhiều plug-in BoosterPacks (được đề xuất trong Mô-đun bổ sung BoosterPack ™ được đề xuất trong phần tính năng bên dưới) Phiên bản mở rộng này của bộ công cụ phát triển LaunchPad hỗ trợ kết nối hai BoosterPacks Bộ công cụ phát triển LaunchPad cung cấp một nền tảng được tiêu chuẩn hóa và dễ sử dụng để sử dụng trong khi phát triển ứng dụng tiếp theo của bạn
Thông số kỹ thuật chính:
- Kết nối USB XDS100v2 JTAG cách ly để Debug theo thời gian thực và lập trình vào bộ nhớ Flash
- Hỗ trợ sẵn các nút và đèn LED có thể lập trình
- C28xCPU kép 200 MHz và CLA kép, Flash 1 MB, ADC 16 bit hoặc 12 bit, bộ so sánh, DAC 12 bit, bộ lọc sinc delta-sigma, HRPWM, eCAP, eQEP, CAN …
- Hỗ trợ hai Mô-đun Plug-in BoosterPack ™
- Đầu nối bộ thu phát CAN cách ly
- Tải xuống miễn phí phần mềm lập trình Code Composer Studio ™ IDE từ trang web chính hãng
- Tải xuống miễn phí trình điều khiển thiết bị C2000Ware và các dự án mẫu
- Hỗ trợ nền tảng DesignDRIVE
- Hỗ trợ phần mềm PowerSUITE
- Hỗ trợ mục tiêu được nhúng MathWorks
- Giao diện thân thiện, dễ dàng sử dụng b Bo mạch điều khiển
Xây dựng khối nguồn kết nối trực tiếp với KIT F28379D để thực hiện các thao tác điều khiển, cách ly, đo lường
Khối nguồn sử dụng các nguồn điện áp chính là 3,3VDC, 5VDC, 12VDC
Hình 3 7: Khối nguồn trên mạch thực
* Khối MCU (phần kết nối MCU)
Kết nối trực tiếp với các chân GPIO của Kit F28379D, thực hiện các giao thức vào/ra
Hình 3 8: Sơ đồ khối MCU mạch thực
* Khối điều chế độ rộng xung PWM
Khối này tạo ra các xung PWM cấp ra các chân PWM output P2, P4
Hình 3 9: Khối PMW trên mạch thực
* Khối đo điện áp xoay chiều
Khối này bố trí sẵn các chân kết nối để đo điện áp xoay chiều
Hình 3 10: Khối đo điện áp AC trên mạch thực
* Khối đo điện áp một chiều
Khối này bố trí sẵn các chân kết nối để đo điện áp một chiều
Hình 3 11: Khối đo điện áp ĐC trên mạch thực
* Khối đo cường độ dòng điện
Khối này bố trí sẵn các chân kết nối để đo cường độ dòng điện
Hình 3 12: Khối đo cường độ dòng điện trên mạch thực
3.2.2 Xây dựng mạch thực nghiệm
Hình 3 13: Hệ thống thực nghiệm bộ sạc pin a Mạch van bán dẫn:
Hình 3 14: Van bán dẫn gồm 4 IGBT b Biến áp cách ly tần số cao
Hình 3 15: Biến áp lõi Ferrite TDK-PC40 UU101x115x25 c Mạch cộng hưởng LLC
Hình 3 16: Mạch cộng hưởng LLC d Sơ đồ mạch hoàn chỉnh
Hình 3 17: Sơ đồ mạch hoàn chỉnh với tải điện trở e Sơ đồ mạch hoàn chỉnh thử với tải Pin Lithium-ion
Hình 3 18: Sơ đồ hoàn chỉnh với tải Pin Lithium-ion
Các kết quả thực nghiệm
3.3.1 Kết quả mô phỏng phương pháp sạc nhanh được để xuất Để khảo sát sự hiệu quả của phương pháp sạc dựa trên việc điều khiển nhiệt độ sạc, quá trình sạc pin với hai trường hợp: sạc 1 cell pin và sạc 30 cell pin mắc nối tiếp được mô phỏng Mô hình mô phỏng phương pháp được đề xuất được đưa ra như hình
Hệ số PI của bộ điều khiển là: P@ và I = 1.5×30 Dòng điện lớn nhất cho phép là 40A
Hình 3 19: Dòng điện xạc trong quá trình sạc 01 Cell pin
Hình 3 20: Điện áp sạc trên 01 Cell pin
Hình 3 21: Trạng thái SoC trong quá trình sạc 01 Cell pin
Hình 3 22: Nhiệt độ của Pin trong quá trình sạc 01 Cell pin
Kết quả mô phỏng cho thấy, phương pháp này có thể sạc đầy pin chỉ với 3100s, nhiệt độ cao nhất trong quá trình sạc là 320°F (tức 47°C), đây cũng là mức nhiệt độ an toàn trong quá trình sạc
* Mô phỏng phương pháp sạc nhanh được đề xuất với 30 cells pin mắc nối tiếp
Hình 3 23: Dòng điện sạc với 30 Cell pin mắc nối tiếp
Hình 3 24: Dạng điện áp sạc với 30 Cell pin mắc nối tiếp
Hình 3 25: Trạng thái SoC trong quá trình sạc 30 Cell pin
Hình 3 26: Nhiệt độ của Pin trong quá trình sạc 30Cell pin
Tương tự với trường hợp sạc với điện áp nhỏ, kết quả mô phỏng cho thấy, phương pháp này có thể sạc đầy pin chỉ với 3100s, nhiệt độ cao nhất trong quá trình sạc là 320°F (tức 47°C) Dòng điện trong quá trình sạc được thay đổi nhằm giữ cho nhiệt độ lớn nhất trong quá trình sạc được cố định là 320°F
Hình 3 27 Sung mở van IGBT
Hình 3 28: Điện áp cộng hưởng tại đầu ra cuộn thứ cấp
Kết quả đo được thực nghiệm với OSCILLOSCOPE: PROTEK – 5100.
Kết luận chương
Luận văn đã trình bày quá trình hình thành và phát triển của xe điện, tổng quan về hệ thống pin Lihtium được sử dụng trong xe điện cũng như các tiêu chuẩn sạc pin trong xe điện Các phương pháp sạc đang được sử dụng trong xe điện được tình bày và phương pháp sạc pin dựa trên điều khiển nhiệt độ pin trong quá trình sạc được đề xuất Luận văn cũng đã đưa ra cách thiết kế bộ biến đổi cho bộ sạc pin Việc so sánh giữa các phương pháp sạc thông thường và phương pháp sạc nhanh được đề xuất được thực hiện trên phần mềm mô phỏng
Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp được đề xuất cho hiệu quả tốt hơn các phương pháp thông thường khác, khi cho thời gian sạc ngắn mà vẫn đảm bảo được tuổi thọ của pin Từ đó kết luận, luận văn đã đạt yêu cầu đề bài đưa ra
[1] H Chaudhry and T Bohn, "A V2G application using DC fast charging and its impact on the grid," in Proc IEEE Trans Elect Conf and Expo (ITEC), 2012, pp 1-6
[2] B Singh, S Gairola, B N Singh, A Chandra, and K Al-Haddad, "Multipulse AC–DC converters for improving power quality: a review," IEEE Trans Power Electron., vol 23, pp 260-281, 2008
[3] B Singh, B N Singh, A Chandra, K Al-Haddad, A Pandey, and D P Kothari, "A review of three-phase improved power quality AC-DC converters," IEEE Trans Ind Electron., vol 51, pp 641-660, 2004
[4] J Dannehl, C Wessels, and F W Fuchs, "Limitations of VoltageOriented PI Current Control of Grid-Connected PWM Rectifiers With LCL Filters," IEEE Trans Ind Electron., vol 56, 2009
[5] P Verdelho and G Marques, "DC voltage control and stability analysis of PWM-voltage- type reversible rectifiers," IEEE Trans Ind Electron., vol 45, pp 263-273, 1998
[6] M Malinowski, M P Kazmierkowski, and A M Trzynadlowski, "A comparative study of control techniques for PWM rectifiers in AC adjustable speed drives," IEEE Trans Power Electron., vol 18, pp 1390-1396, 2003
[7] S Vazquez, J A Sanchez, J M Carrasco, J I Leon, and E Galvan, "A model-based direct power control for three-phase power converters," IEEE Trans Ind Electron., vol
[8] D Zhi, L Xu, B W Williams, L Yao, and M Bazargan, "A new direct power control strategy for grid connected voltage source converters," in Proc Int Conf Elect Machines and Syst (ICEMS), 2008, pp 1157-1162
[9] A Bouafia, F Krim, and J.-P Gaubert, "Fuzzy-logic-based switching state selection for direct power control of three-phase PWM rectifier," IEEE Trans Ind Electron., vol 56, pp 1984-1992, 2009
[10] J Hu, L Shang, Y He, and Z Zhu, "Direct active and reactive power regulation of grid-connected DC/AC converters using sliding mode control approach," IEEE Trans Power Electron., vol 26, pp 210222, 2011
[11] J Rodriguez, M Kazmierkowski, J Espinoza, P Zanchetta, H AbuRub, H Young, et al., "State of the Art of Finite Control Set Model Predictive Control in Power
Electronics," IEEE Trans Power Electron., 2013
[12] S Kouro, P Cortés, R Vargas, U Ammann, and J Rodríguez, "Model predictive control—A simple and powerful method to control power converters," IEEE Trans Ind
[13] P Cortés, J Rodríguez, P Antoniewicz, and M Kazmierkowski, "Direct power control of an AFE using predictive control," IEEE Trans Power Electron., vol 23, pp 2516-2523, 2008
[14] H Eskandari-Torbati and D Arab Khaburi, "Direct Power Control of three phase PWM rectifier using Model Predictive Control and SVM switching," in Proc Power Electron., Drive Syst and Tech Conf (PEDSTC), 2013, pp 193-198
[15] S Muslem Uddin, P Akter, S Mekhilef, M Mubin, M Rivera, and J Rodriguez,
"Model predictive control of an active front end rectifier with unity displacement factor," in Proc IEEE Int Conf Circuits and Systems (ICCAS), 2013, pp 81-85
[16] J Rodriguez, J Pontt, C A Silva, P Correa, P Lezana, P Cortés, et al., "Predictive current control of a voltage source inverter," IEEE Trans Ind Electron., vol 54, pp 495-
