thiết kế chế tạo sạc không dây cho pin xe điện

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU EVS: Vehicle Electric System Hệ thống điện xe NEV: New Energy Vehicle Xe năng lượng mới CWPT: Contactless Wireless Power Transfer Truyền tải điện khô

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về sạc không dây

2.1.1 Khái ni ệm về sạc không dây

Sạc không dây là một công nghệ cho phép truyền tải năng lượng từ nguồn điện tới thiết bị cần sạc mà không cần dây cáp vật lý nối giữa hai thiết bị Trong một hệ thống sạc không dây, nguồn điện thường tạo ra một trường từ điện hoặc từ trường từ, và thiết bị cần sạc có thể nhận năng lượng từ trường này và chuyển đổi thành điện năng để sạc pin hoặc pin của thiết bị

Công nghệ sạc không dây thường được sử dụng trong các thiết bị di động như điện thoại di động, đồng hồ thông minh, tai nghe không dây và bàn phím không dây Tuy nhiên, nó cũng có thể được áp dụng trong các lĩnh vực khác như xe điện, công nghệ y tế và gia dụng

Hình 2.1 Hình ảnh các thiết bị điện tử sạc không dây [6]

Việc loại bỏ dây cáp trong quá trình sạc mang lại nhiều lợi ích như tiện lợi, tiết kiệm thời gian và góp phần giảm thiểu rối loạn dây dẫn và hỏng hóc về cơ cấu vật lý Tuy nhiên, công nghệ sạc không dây cũng đối diện với một số thách thức như hiệu suất sạc thấp hơn so với sạc dây, hạn chế về khoảng cách và tiêu thụ năng lượng cao hơn trong quá trình truyền tải

Hình 2.2 Mô quá sự truyền năng lượng không dây [6]

2.1.2 Lịch sử hình thành và phát tri ển của công nghệ sạc không dây

Công nghệ sạc không dây, hay còn được gọi là sạc không dây qua trường từ (wireless charging), đã trải qua một quá trình phát triển dài từ khi nó được phát minh đầu tiên cho đến ngày nay Dưới đây là một tổng quan về lịch sử hình thành của công nghệ sạc không dây:

1 Thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20:

Năm 1831, nhà khoa học Michael Faraday phát hiện và nghiên cứu về nguyên tắc của trường từ điện từ (electromagnetic induction) Faraday nghiên cứu về trường điện từ xung quanh một dây dẫn có dòng điện một chiều chạy qua Khi nghiên cứu những vấn đề này, Faraday đã thành lập khái niệm cơ bản về trường điện từ trong vật lý từ đó mở ra cơ sở cho việc phát triển công nghệ sạc không dây

Nikola Tesla, một nhà khoa học và nhà phát minh người Serbia, đã nghiên cứu và phát triển nhiều công nghệ điện từ Trong đó, ông đã nghiên cứu về truyền tải năng lượng không dây và đề xuất các hệ thống truyền điện không dây, như Wardenclyffe Tower

Tesla đã thực hiện nhiều thí nghiệm với sóng điện từ và từ trường, tạo điều kiện cho sự phát triển của các công nghệ không dây sau này

Các nhà khoa học khác như, James Maxwell, Oersted, cũng đóng góp vào việc nghiên cứu và phát triển công nghệ truyền tải điện không dây

William C Brown, một nhà khoa học Mỹ, đã phát triển công nghệ truyền dẫn điện không dây sử dụng sóng vi ba Ông đã thực hiện các thí nghiệm về khả năng truyền tải năng lượng không dây qua không gian không khí

Công nghệ sạc không dây bắt đầu thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ

Năm 1981, đăng ký bằng sáng chế đầu tiên về sạc không dây được ghi nhận

Trong giai đoạn này, các nghiên cứu và thử nghiệm được tiến hành để phát triển các phương pháp truyền tải năng lượng không dây sử dụng trường từ điện từ

Trong giai đoạn này, nhiều nghiên cứu tiếp tục về truyền tải năng lượng không dây, nhưng chủ yếu là ở mức độ thí nghiệm và nghiên cứu cơ bản Công nghệ sạc không dây sử dụng sóng vi ba đã được tiếp tục nghiên cứu và phát triển, nhưng vẫn chưa phổ biến rộng rãi trong thực tế

Trong giai đoạn này có nhiều thách thức về hiệu suất, an toàn và chi phí vẫn còn tồn tại và cần phải được giải quyết Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu về việc sử dụng sóng radio và sóng tần số cao, Anten và điện cực, nghiên cứu về công nghệ truyền tải năng lượng

8 để truyền tải năng lượng không dây Các nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các kỹ thuật truyền tải, giảm nhiễu và tăng cường hiệu suất

Nhiều công ty và tổ chức nghiên cứu đã bắt đầu tập trung vào phát triển công nghệ sạc không dây

Các công ty như Qualcomm, Broadcom, và Intel đã tiến hành nghiên cứu và phát triển các giải pháp truyền tải năng lượng không dây, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp

Năm 2007, Palm Inc đã giới thiệu thiết bị sạc không dây Touchstone, được sử dụng cho điện thoại Palm Pre Đây là một trong những lần đầu tiên công nghệ sạc không dây được đưa ra thị trường tiêu dùng

Trong khoảng thời gian này, công ty Powermat cũng đã phát triển các thiết bị sạc không dây sử dụng công nghệ sợi dẫn điện không dây, tuy nhiên, chưa đạt được sự phổ biến rộng rãi

Chuẩn sạc không dây Qi đã được Wireless Power Consortium (WPC) giới thiệu vào năm 2010 Đây là một bước quan trọng trong việc tạo ra một chuẩn sạc không dây phổ biến và tương thích trên nhiều thiết bị

Công nghệ sạc không dây cho xe điện

2.2.1 Sự ra đời của hệ thống sạc không dây trên xe đi ện

Sự ra đời của hệ thống sạc không dây dành cho xe điện là một bước tiến quan trọng trong việc cải thiện tiện ích và tính tiện lợi của việc sạc cho các phương tiện di động Dưới đây là một số điểm quan trọng về sự ra đời của công nghệ này:

Sự gia tăng của xe điện trong các thị trường phát triển đang tạo ra nhu cầu ngày càng cao về các giải pháp sạc tiện lợi Sạc không dây giảm bớt sự cần thiết phải kết nối dây cáp truyền thống, tăng cường sự tiện lợi cho người dùng Bên cạnh đó công nghệ truyền năng lượng không dây đã phát triển đáng kể, cho phép truyền năng lượng một cách hiệu quả qua khoảng cách lớn, điều này là cần thiết đối với việc sạc xe điện Đi kèm với sự phát triển của cơ sở hạ tầng sạc không dây, bao gồm cả trạm sạc công cộng và trạm sạc cá nhân, đã tạo điều kiện thuận lợi cho triển khai công nghệ sạc không dây cho xe điện

Các nhà sản xuất xe hơi đang nhìn nhận tiềm năng của công nghệ sạc không dây và tích hợp nó vào các mô hình xe điện mới, giúp thúc đẩy sự tiếp nhận và phát triển của công nghệ này Việc xác định các tiêu chuẩn và quy định về sạc không dây cho xe điện, cùng với việc đảm bảo tính tương thích giữa các hệ thống sạc và các mô hình xe điện, đang giúp tạo ra một môi trường ổn định cho sự phát triển của công nghệ

Hình 2.4 Trạm sạc không dây cho ô tô [8]

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống sạc không dây trên xe đi ện

Trong bước tiến vượt bậc của công nghệ, sạc không dây cho xe điện đang là một khái niệm đầy hứa hẹn, thu hút sự quan tâm của cả người tiêu dùng và ngành công nghiệp xe hơi Sạc không dây cho xe điện đơn giản là việc truyền năng lượng từ nguồn sạc đến xe mà không cần sử dụng dây cáp vật lý

Tính năng chính của sạc không dây là khả năng truyền năng lượng qua không gian một cách hiệu quả và an toàn Điều này được thực hiện thông qua việc áp dụng các phương pháp truyền năng lượng không dây như truyền điện từ, truyền từ trường, hoặc truyền qua sóng radio

Một hệ thống sạc không dây cho xe điện thường bao gồm hai phần chính: trạm sạc (transmitter) và thiết bị nhận (receiver) Trạm sạc tạo ra một trường từ hoặc trường điện để truyền năng lượng, trong khi thiết bị nhận được đặt trong xe điện để nhận và chuyển đổi năng lượng thành điện năng để sạc pin

Sạc không dây cho xe điện mang lại nhiều lợi ích như tiện lợi, tiết kiệm thời gian và tiết kiệm công sức Nó cũng giúp giảm bớt sự rối loạn và mất mát năng lượng do dây cáp, tạo ra một trải nghiệm sạc an toàn và dễ dàng hơn cho người dùng

Hình 2.5 Sơ đồ khối của công nghệ sạc không dây trên xe điện [2]

Nguyên lý hoạt động của sạc không dây cho xe điện dựa trên việc truyền năng lượng từ nguồn sạc đến pin của xe mà không cần dùng đến dây cáp vật lý Quá trình này bao gồm các bước sau: Trạm sạc không dây (Transmitter) tạo ra một trường từ hoặc trường điện

13 xung quanh bằng cách sử dụng cuộn dây dẫn điện (Coil) và một nguồn điện Dòng điện chạy qua cuộn dây này, tạo ra một trường từ hoặc trường điện ở gần đó Trong xe điện, một thiết bị nhận ( Receiver ) được đặt gần trạm sạc Thiết bị này bao gồm một cuộn dây dẫn điện Khi thiết bị nhận đặt trong phạm vi của trường từ hoặc trường điện, năng lượng từ trường này sẽ được thu nhận bởi cuộn dây trong thiết bị nhận Cuộn dây trong thiết bị nhận sẽ chuyển đổi năng lượng từ trường từ thành năng lượng điện Điều này thường được thực hiện thông qua các mạch điện tử như một mạch biến đổi, biến đổi năng lượng từ dạng không dây thành dạng điện có thể sử dụng để sạc pin của xe điện Năng lượng điện thu được từ trạm sạc không dây được sử dụng để sạc pin của xe điện thông qua các mạch sạc điều khiển Pin (BMS) sẽ được sạc dần dần cho đến khi đạt đến mức độ đầy đủ hoặc được thiết bị điều khiển quy định Quá trình truyền năng lượng không dây cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo an toàn cho người dùng và hiệu suất của quá trình sạc Các mạch điều khiển được sử dụng để đảm bảo rằng việc truyền năng lượng được thực hiện một cách hiệu quả và an toàn nhất có thể Để cho phép truyền công suất từ cuộn dây truyền tải đến cuộn dây nhận, nguồn điện xoay chiều từ lưới điện được chuyển đổi thành tần số cao (HF) AC thông qua bộ chuyển đổi AC/DC và DC/AC Để nâng cao hiệu quả của hệ thống tổng thể, kết hợp cả cấu trúc liên kết chuỗi và song song được thực hiện trên cả truyền và mặt nhận

Các cuộn dây nhận, thường được gắn bên dưới xe, chuyển đổi từ trường từ dao động thành tín hiệu tần số cao (HF) AC Tín hiệu (HF) AC sau đó được chuyển đổi thành DC để hỗ trợ ổn định, và được sử dụng bởi pin trên bo mạch Để đảm bảo an toàn và ổn định trong quá trình hoạt động, hệ thống bao gồm kiểm soát, liên lạc và quản lý pin

Các tấm ferit phẳng từ tính được sử dụng ở cả hai bên phát và bên thu để giảm bất kỳ sự rò rỉ có hại nào của từ trường và để cải thiện phân bố từ trường.

Truyền điện không dây

2.3.1 Khái ni ệm truyền điện không dây

Truyền điện không dây là quá trình truyền tải năng lượng từ một điểm đến một điểm khác thông qua không khí hoặc chân không, mà không cần sử dụng dây dẫn hoặc các phương tiện vật lý khác Công nghệ này có thể được áp dụng để cung cấp năng lượng tức

14 thời hoặc liên tục cho các thiết bị và hệ thống khác nhau, từ thiết bị điện tử cá nhân đến các ứng dụng công nghiệp và cơ sở hạ tầng

2.3.2 Nguyên tắc truyền công suất

Truyền điện giữa hai cuộn dây được dựa trên nguyên tắc cảm ứng lẫn nhau, tiếp đó, khi một cuộn dây được kết nối với nguồn điện áp xoay chiều, một dòng điện xoay chiều sẽ được tạo ra trong đó Khi sự tiếp xúc giữa cuộn dây này với cuộn dây khác xảy, lực điện động sẽ được tạo ra trong các cuộn dây đó

Công suất được truyền từ một cuộn dây sang cuộn dây khác thông qua cảm ứng lẫn nhau giữa chúng, với không khí và môi trường xung quanh làm lõi của nó Điều này cho phép truyền điện không dây từ một điểm đến một điểm khác mà không cần sử dụng dây dẫn truyền thống

Hình 2.6 Truyền công suất hai cuộn dây ghép nối không bù trừ [4]

Chỉ số phụ "p" và "s" được sử dụng để đề cập đến cuộn dây sơ cấp và thứ cấp tương ứng lp và ls là thông lượng rò rỉ của cuộn sơ cấp và thứ cấp Một phép đo tốt về chất lượng của ghép nối và do đó truyền công suất giữa hai cuộn dây được xác định bằng hệ số ghép nối, k

Cảm kháng lẫn nhau giữa hai cuộn dây phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí tương đối của hai cuộn dây Từ định luật Faraday về suất điện từ cảm ứng trong cuộn thứ cấp do dòng điện IP trong cuộn sơ cấp đưa ra:

Nếu thứ cấp được để hở, thì hiệu điện thế này bằng điện áp hở mạch, VOC Nếu đặt ngắn mạch ngang qua cuộn thứ cấp, thì cường độ dòng điện ngắn mạch, Isc, bằng điện áp chia cho trở kháng của cuộn thứ cấp, do đó:

Khả năng truyền tải điện năng tối đa của một cuộn dây thứ cấp không bù được đưa ra bởi:

Pmax: Công suất cực đại

Phương trình (4) cũng có thể đư ợc xác minh với sự trợ giúp của định lý truyền công suất cực đại Nếu công suất cần truyền vượt quá thì cần bù thứ cấp

2.3.3 Các phương thức truyền điện không dây

2.3.3.1 Truyền điện không dây đi ện dung

Công nghệ truyền bánh răng từ tính không dây (CWPT) có chi phí thấp và tính đơn giản, sử dụng cấu trúc hình học và cơ học tiên tiến của khớp nối tụ điện, rất hữu ích cho các ứng dụng công suất thấp

Hình 2.7 Sơ đồ cộng hưởng của mạch nối tiếp [1]

Trong CWPT, tụ điện được sử dụng để truyền điện từ nguồn đến máy thu thay vì sử dụng cuộn dây hoặc nam châm Điện áp AC chính được áp dụng cho bộ chuyển đổi cầu H, dù đã được hiệu chỉnh hệ số công suất của mạch điện AC tần số cao được tạo ra bởi cầu H đi qua các tụ ghép ở phía máy thu Khác với IPT, CWPT hoạt động cho cả điện áp cao và dòng điện thấp Để giảm trở kháng giữa bên phát và bên thu trong sắp xếp cộng hưởng, cuộn cảm bổ sung được thêm vào chuỗi với các tụ điện ghép nối Sự sắp xếp này cũng giúp cho phép chuyển mạch mềm vào mạch điện Tương tự, AC nhận được điện áp được chuyển đổi thành

DC cho pin hoặc tải với sử dụng mạch chỉnh lưu và mạch lọc Mức độ hiệu quả hoàn toàn phụ thuộc vào kích thước của tụ điện ghép nối và khoảng cách giữa hai tấm

Với một khoảng cách không khí nhỏ, CWPT cung cấp hiệu suất tốt hơn và các ràng buộc lĩnh vực đã được phát triển giữa hai bản tụ điện

2.3.3.2 Truyền điện không dây bằng bánh răng từ

Phương pháp truyền bánh răng từ tính WPT khác biệt với cả CWPT và IPT Trong phương pháp này, hai nam châm vĩnh cửu (PM) được đặt cạnh nhau và có cấu hình đối lập với hệ thống sạc không dây EVCS dựa trên cáp đồng trục Nguồn điện chính, như hiện tại, được đưa vào cuộn dây của máy phát để tạo ra một mô-men xoắn cơ học trên PM sơ cấp Bằng cách sử dụng mô-men xoắn cơ học này, PM sơ cấp quay và tạo ra mô-men xoắn trên

PM thứ cấp thông qua tương tác cơ học Trong quá trình hai lần đồng bộ, PM sơ cấp hoạt

17 động như máy phát điện và PM thứ cấp nhận năng lượng và cung cấp cho pin thông qua bộ chuyển đổi điện và BMS

Hình 2.8 Sơ đồ truyền điện không dây bánh răng từ tính [1]

Truyền điện cảm ứng IPT là một phương pháp truyền tải năng lượng từ nguồn đến thiết bị mục tiêu thông qua truyền tải không dây dựa trên nguyên lý của trường từ cảm ứng

Phương pháp này sử dụng nguyên lý của trường từ cảm ứng để truyền tải năng lượng từ nguồn đến thiết bị mục tiêu Khi một dòng điện đi qua một cuộn dây dẫn, nó tạo ra một trường từ xung quanh cuộn dây đó Thiết bị nhận năng lượng được đặt trong phạm vi của trường từ cảm ứng Khi thiết bị nhận được đặt gần cuộn dây tạo ra trường từ, năng lượng từ trường từ này được thu nhận bởi cuộn dây trong thiết bị nhận.Năng lượng từ trường từ cảm ứng được chuyển đổi thành điện năng thông qua cuộn dây trong thiết bị nhận Điện năng này sau đó có thể được sử dụng để cung cấp nguồn năng lượng cho các thiết bị hoặc sạc pin

Hình 2.9 Sơ đồ bộ truyền lực cảm ứng truyền thống [1] Điện áp AC chính được chuyển đổi thành AC HF và sau đó được cung cấp cho máy phát Máy thu hoặc cuộn thứ cấp nhận điện bằng cách tương tác với trường từ Điện năng nhận được được chuyển đổi thành DC để sạc bộ lưu trữ điện của xe điện thông qua các thiết bị điện tử công suất bổ sung và bộ lọc mạch điện Bổ sung mạng trong cấu hình nối tiếp và/hoặc song song được thêm vào cả cuộn dây sơ cấp và thứ cấp không chỉ để tạo ra hiệu ứng cộng hưởng như mô tả trong hình vẽ

: là tần số cộng hưởng của cuộn sơ cấp và thứ cấp cuộn dây,

L và C: là tụ điện tự cảm và cộng hưởng giá trị của cuộn dây máy phát và máy thu tương ứng

: là cảm kháng giữa hai cuộn dây và : là tự độ tự cảm của cuộn dây máy phát và cuộn dây máy thu tương ứng k: hệ số ghép nối

Hệ thống quản lý pin (BMS)

Do hiệu suất cao và tính ứng dụng cao, pin lithium-ion đã được sử dụng cho thiết bị di động thiết bị điện tử và xe điện và ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn cho các ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như các phương tiện di chuyển nhỏ (xe máy điện, xe ô tô điện, điện thoại thông minh, v.v.) Tuy nhiên, pin lithiumion có nguy cơ tái nguy hiểm và điện giật nếu sử dụng không đúng cách Để sử dụng pin lithium-ion hiệu quả cao một cách an toàn và hiệu quả, cần có hệ thống quản lý pin (BMS)

2.4.1 Vai trò của hệ thống quản lý pin

BMS liên tục theo dõi tình trạng của từng cell pin, đảm bảo rằng chúng đang hoạt động trong giới hạn an toàn và cân bằng điện tích giữa các cell pin để đảm bảo rằng pin hoạt động với hiệu suất tối đa Dưới đây là vai trò của một hệ thống quản lý pin BMS Đảm bảo an toàn và độ tin cậy của pin Lithium: An toàn là điều tối quan trọng khi nói đến pin và sự cố của pin có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng BMS liên tục theo dõi hiệu suất của pin và đảm bảo rằng pin hoạt động trong giới hạn an toàn, ngăn chặn tình trạng sạc quá mức hoặc xả quá mức nguy hiểm

Tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin: BMS có thể tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin bằng cách cân bằng điện tích giữa các ô, ngăn ngừa hư hỏng do sạc quá mức hoặc xả quá mức và xác định thời điểm pin cần bảo trì

Theo dõi tình trạng pin và phát hiện lỗi: BMS liên tục theo dõi tình trạng của các tế bào pin và có thể phát hiện lỗi, cho phép can thiệp kịp thời và ngăn ngừa các sự cố nghiêm trọng hơn xảy ra

Ngăn ngừa sạc quá mức và xả quá mức:Việc sạc hoặc xả pin quá mức có thể dẫn đến hư hỏng không thể phục hồi, làm giảm tuổi thọ và hiệu suất tổng thể của pin BMS có thể ngăn việc sạc quá mức hoặc xả quá mức, đảm bảo rằng pin hoạt động trong giới hạn an toàn

2.4.2 Cách thức hoạt động của hệ thống quản lý pin

Một hệ thống quản lý pin sẽ được tích hợp các cảm biến, vi xử lý, phần mềm để thực hiện chức năng quản lý và bảo vệ pin Hệ thống quản lý pin sẽ nhận các tín hiệu về nhiệt độ, điện áp, cường độ dòng điện, dung lượng trong pin, nhờ vào các cảm biến và vi xử lý

Từ đó sẽ theo dõi và điều khiển dòng điện vào và ra của pin, đảm bảo sự cân đối giữa nạp và xã pin hay còn gọi là quản lý năng lượng Các cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến vi xử lý trong BMS để giám sát các yếu tố nhiệt độ, điện áp, dòng điện để ngắt quá trình sạc không các tình huống nguy hiểm như: quá sạc, quá xả, ngắn mạch

Hình 2.17 Các dữ liệu đầu vào của hệ thống quản lý pin [7]

ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ SẠC KHÔNG DÂY

Hệ thống sạc xe điện không dây tĩnh

Hệ thống sạc xe điện không dây tĩnh (S-WEVCS) là một công nghệ sạc tiên tiến cho xe điện, giúp nâng cao tiện ích và tiện lợi cho người dùng S-WEVCS sử dụng nguyên lý truyền năng lượng không dây để cung cấp điện cho xe điện mà không cần kết nối dây vật lý giữa bộ truyền và bộ nhận Cấu trúc của S-WEVCS bao gồm một bộ truyền được lắp đặt dưới mặt đường và một bộ nhận được lắp trên xe điện Khi xe điện đỗ trên bề mặt chứa bộ truyền, hệ thống sẽ tự động kích hoạt quá trình sạc S-WEVCS không chỉ tiết kiệm thời gian cho người dùng mà còn giúp giảm bớt lượng khí thải và tiếng ồn do loại bỏ cần thiết của dây sạc vật lý Đồng thời, S-WEVCS cũng giúp tối ưu hóa việc sử dụng không gian công cộng và hạ tầng giao thông, đặc biệt là trong các khu vực đô thị đông đúc

Hình 3.1 Hệ thống sạc không dây tĩnh [1]

Biểu đồ minh họa sắp xếp cơ bản của hệ thống sạc xe điện không dây tĩnh (WEVCS) Cuộn sơ cấp thường được đặt dưới lòng đường hoặc bề mặt đất, kèm theo nguồn điện bổ sung từ bộ chuyển đổi và mạch điện Cuộn thu, còn được gọi là cuộn thứ cấp, thường được lắp đặt ở phía trước, sau hoặc ở trung tâm của xe điện Năng lượng nhận được từ cuộn thu được chuyển đổi từ AC sang DC bằng bộ chuyển đổi và sau đó được lưu trữ trong pin dự phòng Để đảm bảo an toàn, hệ thống điều khiển điện năng và quản lý pin được trang bị mạng truyền thông không dây để nhận dữ liệu từ bất kỳ nguồn cấp nào Thời gian sạc phụ

37 thuộc vào mức nguồn năng lượng, kích thước của bệ sạc và khoảng cách giữa hai cuộn dây Khoảng cách trung bình giữa chỗ đậu xe và xe là khoảng 150–300 mm WEVCS tĩnh có thể được lắp đặt tại các khu vực đậu xe, bãi đậu, nhà riêng hoặc khu thương mại

Hệ thống sạc xe điện không dây động

Hệ thống sạc xe điện không dây động (D-WEVCS) là một giải pháp tiện lợi cho việc sạc pin của xe điện trong quá trình di chuyển D-WEVCS thường bao gồm một cặp cuộn dây, một cuộn dây trên mặt đường và một cuộn dây dưới đáy của xe Khi xe điện di chuyển qua đường, nguồn điện từ cuộn dây dưới đường sẽ tạo ra một từ trường điện từ, và cuộn dây trên xe sẽ thu được năng lượng từ từ trường này và chuyển đổi thành điện để sạc pin

D-WEVCS cho phép xe điện sạc pin một cách tự động và không cần dừng lại, giúp tăng tính tiện lợi và tiết kiệm thời gian cho người lái Hơn nữa, hệ thống này không đòi hỏi cấu trúc cố định như các trạm sạc truyền thống, cho phép việc triển khai linh hoạt ở nhiều địa điểm khác nhau như đường phố, đường cao tốc, hoặc bãi đậu xe công cộng

Mặc dù D-WEVCS mang lại nhiều ưu điểm về tiện lợi, nhưng nó cũng đặt ra một số thách thức, bao gồm việc phải đảm bảo rằng hệ thống sạc có thể hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện thời tiết và đảm bảo an toàn cho người điều khiển và người đi đường

Hình 3.2 Hệ thống sạc không dây động [1]

Như thể hiện trong hình vẽ, các cuộn dây sơ cấp được đặt dưới bề mặt của đường bê tông ở một khoảng cách nhất định, được cung cấp bởi nguồn điện xoay chiều tần số cao và

38 các mạch bù để hỗ trợ lưới vi mô và/hoặc các nguồn năng lượng tái tạo.Tương tự như hệ thống sạc xe điện không dây tĩnh (WEVCS tĩnh), cuộn dây thứ cấp được gắn dưới xe Khi xe điện đi qua cuộn dây trên đường, nó sẽ thu nhận năng lượng từ từ trường tạo ra bởi cuộn dây sơ cấp và chuyển đổi thành điện một chiều để sạc pin thông qua bộ chuyển đổi điện và hệ thống quản lý pin (BMS)

Việc sạc thường xuyên các xe điện sẽ giảm tổng lượng pin yêu cầu khoảng 20% so với xe điện hiện tại Đối với hệ thống sạc xe điện không dây động (D-WEVCS), các tấm đệm máy phát và bộ nguồn các phân đoạn cần được cài đặt trên các vị trí cụ thể và được xác định trước trên các tuyến đường Các phân đoạn cung cấp điện thường được chia thành các phân đoạn tập trung và riêng biệt về tần số điện Trong phân đoạn cung cấp điện tập trung, một số lượng lớn cuộn dây (khoảng 5–10 m) được lắp đặt trên mặt đường, nơi các bộ sạc nhỏ được sử dụng

Tổng thể, việc cài đặt cơ sở hạ tầng ban đầu cho công nghệ này sẽ đòi hỏi chi phí đáng kể Với sự hỗ trợ của các phương tiện tự hành trong tương lai, việc tạo ra một kết nối hoàn hảo giữa cuộn dây máy phát và máy thu có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền tải điện năng tổng thể Hệ thống sạc xe điện không dây động có thể dễ dàng tích hợp vào nhiều ứng dụng vận tải EV, bao gồm cả xe tải nhẹ, xe buýt, đường sắt và giao thông công cộng nhanh chóng

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB/SIMULINK

Lựa chọn và tính toán thông số của các khối

Theo như hình 2.8 để mô phỏng ta cần sử dụng các linh kiện sau

AC/DC inventer: sử dụng 4 IGBT

Liên kết bù nối tiếp: tụ điện

Tụ lọc trước khi qua tải

Với tần số là 50kHz, điện áp vào là 400V, độ tử cảm là 0.001H Ta sẽ tính toán được điện dung tụ là 0.000000010132F

Hình 4.1 Bên phát năng lượng không Matlab/Simulink

Dòng điện DC (Vin) sẽ qua mạch nghịc lưu 4 IGBT để thành dòng điện xoay chiều AC và khối Pulse sẽ tạo ra xung PWM cho các chân G của igbt để tần số sau ngịch lưu là 50kHz và khối Logical sẽ chiều khiển đóng mở IGBT Khi IGBT 1,4 mở thì IGBT 2,3 đóng và ngược lại Như vậy dòng điện sau nghịch lưu là dòng AC 400 Volt, 50kHz Từ đó dòng điện AC này qua cuộn dây L1 sẽ làm cho từ thông biến thiên và phát năng lượng

Hình 4.2 Bên nhận năng lượng

Cuộn dây L2 sẽ nhận năng lượng là dòng AC có tần số 50kHz, sẽ qua mạch chỉnh lưu cầu 4 diode để thành dòng DC và vào Pin (R) Tuy nhiên cần sử dụng thêm tụ C3 để lọc dòng điện trước khi vào Pin Tần số sau khi chỉnh lưu là 100kHz, dựa vào yếu tố này ta cần chọn điện dụng của tụ C3 hợp lý để điện áp vào pin phù hợp

Hình 4.3 Thông số của cuộn sơ cấp và thứ cấp

Hình 4.4 Thông số của tụ điện trong liên kết bù S-S

Hình 4.5 Thông số của tụ lọc C3

Mô hình hệ thống trên simulimk

Hình 4.6 Mô phỏng hệ thống sạc không dây trên Matlab/Simulink

Dòng điện qua cuộn sơ cấp

Hình 4.7 Đồ thị dòng điện qua cuộn sơ cấp

Dòng điện qua cuộn thứ cấp

Hình 4.8 Đồ thị dòng điện qua cuộn thứ cấp

Hình 4.9 Đồ thị dòng điện qua tải

THIẾT KẾ MÔ HÌNH SẠC KHÔNG DÂY CHO PIN-LITHIUM

Sơ đồ thiết kế

Cần thiết kế hệ thống sạc không dây có điện áp V ra 48V với công suất P là 10kW

Ta thiết kế tương tự như mô phỏng Với các dữ liệu đầu ra trên thì ta cần chọn tần số hoạt động và tính độ tự cảm L của cuộn sơ cấp

Chọn F là 50kHz, thì tính toán độ tự cảm L của cuộn sơ cấp có giá trị là 0.00000007334H, tụ điện C có giá trị là 13uF

Từ độ tự cảm L ta thiết kế được cuộn dây có 6 vòng với đường kính dây đồng là 1,5mm, đường kính trong là 1cm

Hình 5.1 Thông số cuộn sơ cấp và thứ cấp trong mô hình

Hình 5.2 Thông số tụ điện trong liên kết bù S-S trong mô hình

Hình 5.3 Thông số tụ lọc C3 trong mô hình

Hình 5.4 Dòng điện qua cuộn sơ cấp

Hình 5.5 Dòng điện qua cuộn thứ cấp

Hình 5.6 Dòng điện qua tải

Các linh kiện

Sử dụng bộ nguồn có điện áp là 48Volt làm Vin

Sự dụng 4 IGBT để biến đổi thành dòng AC và tăng tần số lên 50kHz và việc điều khiển chân G của IGBT

Tụ điện có điện dung 13uF

Hai cuộn biến áp có độ tự cảm 0.00000000733H

Dưới dây là các linh kiện đã chuẩn bị được:

Hình 5.8 Cuộn sơ cấp và thứ cấp

Hình 5.9 Tụ để bù trong mạch nối tiếp (S-S)

Hình 5.10 Chỉnh lưu cầu bốn diode

Hình 5.11 Tụ lọc trước khi vào pin

Sơ đồ mạch điện

Bên phát: Về cầu nghịch lưu sử dụng 4 IGBT IGBT có 3 chân G,C,E Chia làm hai cặp, cặp trên là igbt 1,2, cặp dưới là igbt 3,4 Chân C của igbt 1,2 sẽ nối với nhau và nối với nguồn dương DC 48Volt, chân E của igbt 3,4 sẽ nối với nhau và nối với nguồn âm DC Chân E của igbt 1 nối với chân C của igbt 3 ra nguồn AC 1, Chân E của igbt 2 nối với chân

C của igbt 4 ra nguồn AC 2 Dùng Adruino để điều khiển các chân G của 4 igbt để tần số sau nghịch lưu là 50kHz

Từ nguồn AC1 ta mắc nối tiếp với tụ điện và cuộn dây sơ cấp, đầu còn lại của cuộn dây ta mắc vào nguồn AC 2

Bên nhận: Cuộn dây sơ cấp sẽ truyền năng lượng đến cu ộn thứ cấp, dòng điện trong cuộn thứ cấp là AC ta sẽ dùng cầu diode chỉnh lưu thành DC, qua tụ lọc rồi vào Pin

Hình 5.12 Bên phát năng lượng

Hình 5.13 Bên nhận năng lượng

Hình 5.14 Toàn bộ mô hình

Code của arduino điều khiển igbt và hoạt động của code

#include const int PWM_FREQUENCY = 50000; const int PWM_PERIOD = (1000000 / PWM_FREQUENCY); const int PWM_PIN_IGBT1 = 3; // IGBT 1 const int PWM_PIN_IGBT2 = 5; // IGBT 2 const int PWM_PIN_IGBT3 = 6; // IGBT 3 const int PWM_PIN_IGBT4 = 9; // IGBT 4 void setup() { pinMode(PWM_PIN_IGBT1, OUTPUT); pinMode(PWM_PIN_IGBT2, OUTPUT); pinMode(PWM_PIN_IGBT3, OUTPUT); pinMode(PWM_PIN_IGBT4, OUTPUT);

TCCR1A = _BV(COM1A1) | _BV(COM1B1) | _BV(WGM11) | _BV(WGM10);

TCCR1B = _BV(WGM13) | _BV(WGM12) | _BV(CS11);

Timer1.pwm(PWM_PIN_IGBT1, 0); // Set PWM for IGBT1

Timer1.pwm(PWM_PIN_IGBT2, 0); // Set PWM for IGBT2

Timer1.pwm(PWM_PIN_IGBT3, 0); // Set PWM for IGBT3

Timer1.pwm(PWM_PIN_IGBT4, 0); // Set PWM for IGBT4

} void loop() { digitalWrite(PWM_PIN_IGBT1, HIGH); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT2, LOW); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT3, LOW); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT4, HIGH); delayMicroseconds(PWM_PERIOD / 2); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT1, LOW); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT2, LOW); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT3, LOW); digitalWrite(PWM_PIN_IGBT4, LOW); delayMicroseconds(PWM_PERIOD / 2);

Khai báo và cấu hình: Khai báo TimerOne.h Bởi vì tần số là 50kHz Sau đó, các hằng số được khai báo để cấu hình tần số PWM và chu kỳ PWM

Khai báo chân IGBT: Các chân Arduino được sử dụng để điều khiển các IGBT được khai báo và cấu hình là OUTPUT Các chân 3,5,6,9 là các chân sẽ tạo ra xung pwm điều khiển chân G của IGBT

Cấu hình timer1 cho PWM: Các thanh ghi (TCCR1A, TCCR1B) được cấu hình để tạo ra tín hiệu PWM trên chân OC1A (dùng để điều khiển IGBT 1 và 2) và OC1B (dùng để điều khiển IGBT 3 và 4) Đồng thời, cấu hình thanh ghi OCR1A và OCR1B để thiết lập chu kỳ và độ rộng xung PWM

Khởi tạo và thiết lập PWM: Timer1 được khởi tạo với chu kỳ PWM được cung cấp, sau đó PWM được thiết lập cho từng chân IGBT thông qua hàm Timer1.pwm()

Hàm loop(): Trong hàm loop(), đoạn code chuyển đổi các IGBT theo một chu kỳ cố định Ban đầu, IGBT 1 và 4 được bật và IGBT 2 và 3 được tắt Sau đó, sau một khoảng thời gian (PWM_PERIOD / 2), tất cả các IGBT đều được tắt Thời gian chờ này chia thành hai để chuyển đổi trạng thái của IGBT một cách đối xứng trong một chu kỳ PWM.