nghiên cứu thiết kế bộ sạc cho xe ô tô điện

Năng lượng từ hệ thống pin được đưa qua bộ điều khiển sạc DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC nhằm mục đích là điều chỉnhcông suất và cung cấp nguồn diện xoay chiều cho động cơ điện EM làm việc

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý sạc cho ô tô điện

Hình 2 1 Cấu trúc hệ thống sạc xe điện

Cấu trúc của một xe điện bao gồm hệ thống pin, chúng có vai trò chính là cung cấp năng lượng cho xe điện vận hành Hệ thống này lấy năng lượng từ nguồn điện lưới thông qua bộ sạc Việc sạc có hai loại sạc cơ bản là sử dụng dòng điện xoay chiều hoặc dòng điện một chiều Nếu sử dụng nguồn sạc AC từ ổ cắm hoặc các trạm sạc AC, thì dòng điện sẽ đi qua cáp sạc tới bộ chuyển đổi AC/DC trên xe để nạp năng lượng cho pin Trong trường hợp sử dụng nguồn sạc DC thì dòng điện đi thẳng vào pin, làm tăng tốc độ sạc cho xe điện Năng lượng từ hệ thống pin được đưa qua bộ điều khiển sạc DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC nhằm mục đích là điều chỉnh công suất và cung cấp nguồn diện xoay chiều cho động cơ điện (EM) làm việc để truyền động đến các bánh xe.[1]

Các phương pháp sạc

Nguồn năng lượng cho một chiếc ô tô điện là đến từ pin, vì thế các nhà sản xuất luôn thúc đẩy phát triển các phương án sạc cho ô tô điện có thể đạt được tốc độ sạc nhanh hơn đồng thời ít gây ra vấn đề hư hỏng cho tuổi thọ pin Hiện nay, chủ yếu có các hương pháp sạc cho ô tô điện cơ bản như: phương pháp sạc dòng điện không đổi,phương pháp sạc điện áp không đổi và phương pháp sạc giai đoạn.

2.2.1 Phương pháp sạc điện áp không đổi:

Khi điện áp không đổi thì toàn bộ dòng điện sẽ chảy từ bộ sạc pin đến pin cho đến khi pin đạt đến điện áp được đặt trước Dòng điện sau đó sẽ giảm dần đến giá trị tối thiểu ở mức điện áp này Pin có thể được kết nối với bộ sạc pin để duy trì ở "điện áp nổi" hoặc sạc nhỏ giọt để bù đắp cho sự tự xả thông thường của pin.

Phương pháp sạc điện áp không đổi thuận tiện khi sử dụng và có thể ngăn chặn việc sạc pin quá mức trong các giai đoạn sạc sau Tuy nhiên, trong giai đoạn sạc đầu tiên, hiệu suất điện ở cả hai đầu của pin thấp sẽ tạo ra dòng sạc lớn hơn. Dòng điện dao động có thể khiến tấm pin bị cong vênh và làm tăng nhiệt độ của pin, ảnh hưởng tiêu cực đến tuổi thọ của pin Mặt khác, nếu điện áp sạc được đặt quá thấp, pin có thể không được sạc đầy, điều này cũng có thể làm giảm tuổi thọ của pin.

2.2.2 Phương pháp sạc dòng điện không đổi:

Việc sử dụng bộ sạc dòng điện không đổi để điều khiển đơn giản và dễ quản lý là rất quan trọng, vì dòng sạc không đủ có thể dẫn đến thời gian sạc kéo dài không cần thiết Tuy nhiên, việc chọn dòng sạc quá cao có thể dẫn đến tình trạng sạc quá mức trong các giai đoạn sạc sau, điều này có thể ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe và tuổi thọ của pin

2.2.3 Phương pháp sạc theo từng giai đoạn:

Phương pháp sạc giai đoạn thường bao gồm phương pháp sạc hai giai đoạn và phương pháp sạc ba giai đoạn:

1 Phương pháp sạc 2 giai đoạn (CCCV - Constant Current/Constant Voltage) thì bao gồm 2 giai đoạn đầu của phương pháp 3 giai đoạn.

2 Phương pháp sạc 3 giai đoạn: (TSCM / TSCA - “Three-stage charging method" or

Phương pháp sạc ba giai đoạn là một phương pháp sạc pin tiên tiến trong công nghệ sạc pin hiện đại Trong phương pháp này, quá trình sạc được chia thành ba giai đoạn khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất sạc và bảo vệ pin.

● Giai đoạn 1: Sạc dòng điện không đổi - Trong giai đoạn này, pin được sạc với một dòng điện ổn định cho đến khi điện áp ở cả hai đầu của pin đạt đến một mức nhất định Điều này giúp pin nhanh chóng đạt đến mức sạc ban đầu mà không gây hại cho pin.

● Giai đoạn 2: Sạc điện áp không đổi - Khi điện áp đạt đến mức nhất định, quá trình sạc sẽ chuyển sang sạc ở điện áp không đổi Điều này giúp duy trì điện áp ổn định và bảo vệ pin khỏi việc sạc quá mức.

● Giai đoạn 3: Sạc nhỏ giọt - Sau khi pin đã được sạc đầy, quá trình sạc sẽ chuyển sang chế độ sạc nhỏ giọt để duy trì mức sạc và bảo vệ pin khỏi việc bị xả hết năng lượng.

Hình 2 2 Hoạt động sạc của pin tiêu chuẩn [7],[8]

Phương pháp sạc ba giai đoạn kết hợp các ưu điểm của cả sạc dòng điện không đổi và sạc điện áp không đổi, giúp tránh các vấn đề về dòng sạc quá mức ở giai đoạn đầu và dễ dàng sạc quá mức ở giai đoạn sau Điều này cũng giúp tăng hiệu suất sạc và có thể đáp ứng nhu cầu sạc của các loại pin như pin lithium iron phosphate (Pin LiFePO4).

Bộ pin của ô tô điện

Bộ pin là nơi lưu trữ năng lượng đồng thời cung cấp điện cho các hoạt động của ô tô điện từ việc làm quay mô tơ điện để dẫn động các bánh xe, các hệ thống điện của ô tô, Ô tô điện hiện nay đã và đang sử sử dụng phổ biến 3 loại pin: Pin Axit-Chì; Pin Niken kim loại Hydrua (NiMH) và Lithium-ion (Li-ion).

Pin/ắc quy Axit- Chì có khối lượng nặng, chứa nhiều chất độc hại ảnh hưởng đến sức khỏe người dùng và môi trường Chúng thường được dùng để cung cấp nguồn điện thấp 12V trên ô tô điện.

Pin Niken kim loại Hydrua (NiMH) và Li-ion đây là hai loại pin có kích thước nhỏ và nhẹ hơn nên thường được dùng để cung cấp nguồn điện áp cao (pin cao áp) cho mô tơ điện từ đó truyền động cho các bánh xe [3]

Bảng 2 1 So sánh các thông số kỹ thuật các loại pin ô tô điện:

STT Loại pin Axit-chì Nikel

2 Điện áp định mức của tế bào pin (V) 2.1 1.35 1.35 3.2-3.7

3 Mật độ năng lượng (Wh/L) 60-100 60-150 100-300 200-735

7 Nhiệt độ cho phép sạc hiệu quả (0 C) -20 đến 50 0 đến

8 Nhiệt độ cho phép xả hiệu quả (0 C) -20 đến 50 -20 đến

Hiện tại, số lượng xe PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) và BEV (Battery Electric Vehicle) đang tăng nhanh trên toàn cầu; cả hai loại xe đều sử dụng pin Li-ion Pin lithium-ion dựa vào cực âm và cực dương làm nguyên liệu cho phản ứng điện hóa Dung dịch điện phân đóng vai trò là chất dẫn điện, tạo điều kiện cho các ion Li+ chuyển động giữa hai điện cực Bảng 2.2 tóm tắt các thành phần, chức năng của chúng và vật liệu được sử dụng trong pin.

Bảng 2 2 Thành phần, chức năng và vật liệu của pin Li-ion [1]

Thành phần Chức năng Vật liệu

Giải phóng ion Li+ tới điện cực âm trong quá trình sạc.

Nhận ion Li+ trong quá trình xả pin(phóng điện).

Bột Lithium oxit hoặc phốt phát (LiCoO2, LiMn2O4, LiFePO4, )

Nhận ion Li+ từ cực dương tới trong quá trình sạc.

Giải phóng ion Li+ trong quá trình xả pin.

Chất điện phân Tạo môi trường cho sự trao đổi ion giữa các điện cực.

Muối Lithium và dung môi hữu cơ, ví dụ LiPF6 và dethyl Carbonat.

Ngăn cản sự ngắn mạch giữa

2 điện cực; -Cho phép các ion Li+ đi qua các lỗ phân tách nhỏ.

2.3.1 Nguyên lý làm việc sạc và xả của pin Li-ion :

Hình 2 3 Nguyên lý hoạt động của Pin Li-ion (Sạc)[3]

Khi pin được sạc, các nguyên tử lithium trong Lithium oxit hoặc photphat được tách ra ở điện cực dương (+) Do tính không ổn định cao của chúng, các nguyên tử lithium ngay lập tức bị phân tách thành các ion Li+ và electron (e-) Các ion Li+ tích điện dương bị hút về phía điện cực âm, đi qua dung dịch điện phân và bị giữ lại trong lớp than chì Các electron tích điện âm không thể đi qua dung dịch điện phân nên buộc phải đi qua mạch tích điện để đến điện cực âm Khi tất cả các ion Li+ đã di chuyển về cực âm, pin được coi là đã sạc đầy.Các ion Li+ ở cực âm luôn ở trạng thái không ổn định.

Hình 2 4 Minh hoạ nguyên lý hoạt động của Pin Li-ion (Xả)[3]

Khi pin đang được sử dụng (đã xả), nó được kết nối với một tải Trong quá trình này, các ion lithium (Li+) và electron (e-) di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương và điện cực dương nhận được oxit kim loại ổn định Để hai điện cực cân bằng điện tích, mỗi khi ion lithium di chuyển bên trong pin từ cực âm sang cực dương, một electron sẽ di chuyển từ cực âm sang cực dương ở mạch ngoài, tạo ra dòng điện cung cấp năng lượng cho tải Khi tất cả các ion lithium đã di chuyển đến điện cực dương Khi pin đã xả hết thì sẽ tiến hành sạc lại cho chu kỳ sạc/xả tiếp theo.

2.3.2 Phân loại các loại Pin:

Dựa vào chất liệu điện cực dương, pin Li-ion có thể chia làm 6 loại: LCO (Lithium Cobalt Oxide - LiCoO2), LMO (Lithium Manganese Oxide - LiMn2O4), LTO (Lithium Titanate - Li4Ti5O12), LFP (Lithium Iron Phosphate - LiFePO4), NMC (Lithium Niken Mangan Coban Oxide - LiNiMnCoO2) và NCA (Lithium

Niken Cobalt Aluminium Oxide -LiNiCoAlO2) Mỗi loại pin đều có những đặc điểm và ứng dụng khác nhau So sánh các thông số kỹ thuật cũng như phạm vi sử dụng của từng loại được trình bày ở bảng 2.3:

Bảng 2 3 So sánh các thông số đánh giá các loại Pin Li-ion và úng dụng [3]

Các thông số đánh giá

Các loại pin Li-ion

LCO LMO LTO LFO NMC NCA Điện áp tế bào pin (V) 3.0-4.2 3.0-4.2 1.8-2.85 ≥3.0-4.2 3.0-4.2 3.0-4.2 Điện áp nạp/ xả 0,7-1C

(0 C) 150 250 Chịu nhiệt độ cao nhất 270 210 150

Các thiết bị điện tử thông dụng

Các thiết bị côngcần suất khá lớn

Các thiết bị lưu điện, ô tô điện

Các thiết bị, xe máy và ô tô điện

Thiết bị; xe máy và ô tô điện, công nghiệp

Thiết bị y tế, thiết bị công nghiệp, ô tô điện

Bộ khuếch đại mạch bảo vệ nối đất - GFCI Transimpedance Amplifier

2.4.1 Sự nguy hiểm của dòng điện

Tổn thương do dòng điện là một dạng chấn thương cơ thể do tiếp xúc trực tiếp hoặc gián tiếp với nguồn điện Sự nguy hiểm của tổn thương điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cường độ dòng điện, loại dòng điện (xoay chiều hoặc một chiều), đường dẫn của dòng điện qua cơ thể, và thời gian tiếp xúc Dòng điện có thể gây ra các tổn thương nghiêm trọng như bỏng, rối loạn nhịp tim, và thậm chí là tử vong Tác động của dòng điện đến cơ thể có thể được hiểu qua một số lý do chính sau: nhiệt gây ra bởi dòng điện có thể làm hư hại mô và tế bào; tác động của điện trường có thể phá vỡ chức năng bình thường của hệ thần kinh và tim Các vụ tai nạn điện thường xảy ra trong gia đình hoặc tại các công trường, và đôi khi do sự cố hệ thống điện.

Hình 2 5 Biểu đồ tác động của dòng điện I theo thời gian T đến cơ thể con người [9]

AC-1: Không cảm nhận được

AC-2: Cảm nhận được nhưng không có phản ứng cơ bắp

AC-3: Co cơ với hiệu ứng đảo ngược

AC-4: Có thể gây ra hiệu ứng không đảo ngược

AC-4.1: Có khả năng gây rung thất tim với xác suất lên đến 5%

AC-4.2: Xác suất rung thất tim từ 5–50%

AC-4.3: Xác suất rung thất tim lớn hơn 50%

2.4.2 Bộ ngắt mạch nối đất - Ground Fault Circuit Interrupter (GFCI) Đảm bảo an toàn là điều quan trọng nhất trong mọi tình huống và một cách để đạt được điều này là thông qua việc phát hiện dòng điện mặt đất Khung ô tô được nối đất thông qua phích cắm sạc Tuy nhiên, có thể xảy ra lỗi khiến dây tiếp xúc với khung xe, dẫn đến một tình huống nguy hiểm tiềm ẩn Để ngăn chặn điều này xảy ra, chúng ta cần cảnh giác và đo dòng điện nối đất thường xuyên (phải bé hơn 6mA khi hoạt động bình thường) Nếu dòng điện lớn hơn 20mA, mạch GFCI sẽ ngắt và rơle sẽ mở ra, dừng quá trình sạc và đảm bảo an toàn, tránh hư hỏng xe [3]

Hiểu các rủi ro điện cơ bản là rất quan trọng để đảm bảo an toàn xung quanh điện. Cháy và điện giật là hai trong số những mối nguy hiểm phổ biến nhất, nhưng chúng ta có thể dựa vào GFCI để bảo vệ mình khỏi những mối nguy hiểm đó Nó liên tục theo dõi dòng điện bằng cách cho cả dây nóng và dây trung tính qua máy biến dòng (CT), như minh họa trong sơ đồ dưới:

Hình 2 6 Hoạt động của máy biến dòng (CT)

1.Dòng điện đi qua cơ thể

2.CT phát hiện sự mất cân bằng dòng điện

3 Khi dòng điện không cân bằng, có khả năng một phần dòng điện rò có thể chạy qua cơ thể và gây ra điện giật GFCI nhận biết điều này, có thể giúp ngăn chặn bằng cách ngắt và dừng mạch.

Với các tiêu chuẩn UL-Underwriters Laboratory đã đưa ra các yêu cầu nghiêm ngặt đối với GFCI (UL 943) để đảm bảo chúng ngắt nhanh chóng, trong vòng 1 giây, khi phát hiện thấy lỗi 6 mA (milliamp) Trong thực tế, GFCI thậm chí còn hoạt động tốt hơn, tắt chỉ trong 0,1 giây hoặc ít hơn 0,03 giây đối với lỗi 20 mA Điều quan trọng cần lưu ý là một người trưởng thành khỏe mạnh thường có thể chịu được cú sốc lên tới 50-100 milliamp trước khi nguy cơ tử vong trở nên cao đáng kể Bằng cách tuân thủ các tiêu chuẩn này và thực hiện các biện pháp phòng ngừa an toàn,có thể đảm bảo một môi trường điện an toàn và bảo mật cho mọi người.

2.4.3 Mạch chuyển đổi dòng điện thành điện áp - Transimpedance amplifier

Mạch chuyển đổi dòng điện thành điện áp - Transimpedance amplifier (TIA) thường được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu dòng điện thành tín hiệu điện áp tương ứng Loại khuếch đại này đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng cảm biến, nơi mà dòng điện rất nhỏ phát ra từ cảm biến cần được chuyển đổi sang điện áp để dễ dàng đo lường và xử lý hơn Đây là bộ khuếch đại có phản hồi âm Cùng với bộ khuếch đại, một điện trở phản hồi duy nhất (Rf) được kết nối với đầu đảo của Bộ khuếch đại như hình:

Hình 2 7 Mạch khuếch đại transimpadance đơn giản

Dòng vào của một Op-Amp sẽ bằng không do trở kháng đầu vào cao của nó, sử dụng định luật kirchhoff về dòng điện ta được công thức:

2.4.4 Bộ chỉnh lưu chính xác - Precision rectifier

Bộ chỉnh lưu chính xác (Precision rectifier) được dùng để chỉnh lưu tín hiệu mà không có sự mất mát hoặc độ trễ đáng kể Nó chuyển đổi tín hiệu biến thiên theo cả hai chiều (âm và dương) thành tín hiệu chỉ có phần dương hoặc phần âm, mà không gặp phải các vấn đề phát sinh từ sự thay đổi ngưỡng hoặc thời gian trễ Bộ chỉnh lưu chính xác thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như trong việc đo lường hoặc điều khiển, nơi cần có sự chính xác và ổn định cao trong quá trình xử lý tín hiệu.

Hình 2 8 Mạch chỉnh lưu chính xác

● Khi điện áp đầu vào Vin > 0:

- Diode D1 không dẫn: không có dòng điện nào qua D1, vẫn đến mạch bên trái chứa R1 và Vin bị cô lập.

- Diode D2 dẫn, điện trở R2 nối với đất ảo (điểm tại đầu vào không đảo của op-amp, ở mức 0V trong op-amp lý tưởng được cấu hình như vậy), đầu ra lúc này Vout 0V.

● Khi điện áp đầu vào Vin < 0:

- Diode D1 dẫn: dòng điện qua R1 và D, vào đầu đảo của op-amp.

- Diode D2 không dẫn: khi D2 không dẫn op-amp phát ra một điện áp để đẩy đầu vào đảo của nó bằng với mặt đất ảo (0V), dẫn đến một tình huống mà op-amp phát ra một điện áp được tỷ lệ của điện áp đầu vào.

Hệ số khuếch đại: Vì Vout cần đảm bảo đầu vào đảo là một đất ảo (0V), điện áp tại đầu vào đảo là sụt áp qua R1, và được gây ra bởi Vin Sau đó op-amp sẽ khuếch đại điện áp này theo tỷ lệ âm của R1 so với R2, dẫn đến một đầu ra là phiên bản tỷ lệ âm của điện áp đầu vào trong nữa chu kỳ âm.

Hình 2 9 Đồ thị mối quan hệ giữa Vout và Vin

Các linh kiện điện tử sử dụng cho đề tài

Hình 2 10 Cấu tạo Arduino nano [4]

Arduino là một nền tảng phát triển phần cứng và phần mềm mã nguồn mở được thiết kế để dễ dàng lập trình và điều khiển các thiết bị điện tử Arduino bao gồm các board vi điều khiển như Arduino Uno, Arduino Mega, Arduino Nano, vv và môi trường phát triển tích hợp (IDE) để viết và nạp chương trình vào board.

Arduino được sử dụng rộng rãi trong cộng đồng điện tử sáng tạo để tạo ra các dự án từ đơn giản đến phức tạp như: đo lường, tự động hóa, robot, IoT, và nhiều ứng dụng khác Với sự linh hoạt và dễ sử dụng, Arduino đã trở thành công cụ hữu ích cho các nhà phát triển, học sinh, sinh viên và tất cả những ai muốn khám phá thế giới của điện tử [4]

Bảng 2 4 Thông số kỹ thuật của Arduino nano

Vi điều khiển ATmega328P-AU Điện áp hoạt động 5V-DC ( chỉ cấp qua cổng USB)

Tần số hoạt động 16MHZ

Dòng tiêu thụ khoảng 40mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC

Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)

Số chân Analog 8 ( độ phân giải 10 bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 40mA

Dòng ra tối đa (5V) 500mA

Dòng ra tối đa (3,3V) 50mA

Arduino Nano là một trong những phiên bản phổ biến nhất trong dòng sản phẩm Arduino, được ưa chuộng bởi khả năng linh hoạt và tính năng ưu việt của nó trong việc thiết kế các mạch điện tử đa dạng, từ điều khiển LED đến đo lường nhiệt độ và độ ẩm, hiển thị kết quả lên màn hình LCD, cũng như nhiều ứng dụng khác Với giá cả phải chăng, dễ dàng sử dụng, Arduino Nano trở thành công cụ lý tưởng không chỉ cho những người mới bắt đầu mà còn cho cả những người đã có kinh nghiệm trong lĩnh vực điện tử và lập trình, cung cấp một giải pháp hoàn hảo cho cả việc học tập và phát triển dự án.

Opamp là tên viết tắt của operational amplifier - bộ khuếch đại thuật toán hoạt động hoặc một thiết bị tuyến tính có tất cả các đặc tính cần thiết để khuếch đại tín hiệu

DC một cách gần như lý tưởng Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong điều hòa, lọc tín hiệu hoặc thực hiện các phép toán như cộng, trừ, nhân và chia.

Opamp bản chất là một thiết bị khuếch đại điện áp được thiết kế để sử dụng các thành phần phản hồi bên ngoài như điện trở và tụ điện giữa đầu ra và đầu vào của nó. Các thành phần phản hồi này xác định chức năng kết quả hoặc "thuật toán" của bộ khuếch đại và với các cấu hình phản hồi khác nhau, bao gồm điện trở, tụ điện hoặc cả hai, bộ khuếch đại có thể thực hiện nhiều hoạt động khác nhau, do đó có tên là bộ khuếch đại hoạt động [12]

Opamp là thiết bị ba cực có hai cực trở kháng đầu vào cao Đầu vào đảo ngược, được đánh dấu bằng dấu âm (-) và đầu vào không đảo ngược, được đánh dấu bằng dấu dương (+), tạo thành hai đầu vào.

Thiết bị đầu cuối thứ ba là cổng đầu ra của opamp, có thể được sử dụng làm thiết bị đầu cuối khuếch đại hoặc nguồn điện cho điện áp hoặc dòng điện Vì thế Opamp phù hợp để cách cải thiện hiệu suất của các mạch điện tử.

Hình 2 11 Cấu tạo OP-AMP

2.5.2.2 Các đặc tính của opamp:

● Độ lợi vòng lặp hở

Mức tăng vòng lặp là thước đo độ khuếch đại tín hiệu khi nó đi qua vòng phản hồi trong hệ thống điều khiển Trong một hệ thống phản hồi lý tưởng, độ lợi của vòng lặp sẽ vô cùng lớn, nghĩa là tín hiệu sẽ được khuếch đại mà không bị suy hao Tuy nhiên, trong các hệ thống thực tế, độ lợi vòng lặp hở luôn hữu hạn và thường nằm trong khoảng từ 20.000 đến 200.000 Điều này có nghĩa là một lượng tín hiệu bị mất khi đi qua vòng phản hồi, nhưng hệ thống vẫn có thể kiểm soát hiệu quả quá trình được điều chỉnh.

● Trở kháng đầu vào Đây là tỷ số giữa điện áp đầu vào và dòng điện đầu vàonó thể mức điện áp cần thiết để tạo ra một lượng dòng điện nhất định ở đầu vào của op-amp Trong một op-amp lý tưởng, tỷ lệ này sẽ là vô hạn, nghĩa là sẽ không có dòng điện chạy vào các cực đầu vào Tuy nhiên, do nhiều yếu tố khác nhau như lỗi sản xuất hoặc đặc tính vật liệu, luôn có một số dòng điện rò rỉ trong op-amps Dòng điện rò rỉ này thường ở mức vài pico amp, nhưng nó có thể thay đổi tùy thuộc vào op-amp cụ thể được sử dụng.

Một op-amp lý tưởng không được có điện trở ở đầu ra, điều này sẽ cho phép nó cung cấp dòng điện tối đa cho tải mà không bị sụt áp Ngoài ra,không được có điện trở trong bên trong op-amp, điều này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của nó. Tuy nhiên thì trong thực tế sẽ luôn có một số điện trở trong và trở kháng đầu ra trong op-amp, mặc dù chúng thường rất nhỏ Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến khả năng điều khiển tải và duy trì điện áp đầu ra ổn định của op-amp.

Một op-amp lý tưởng phải có khả năng khuếch đại tín hiệu ở bất kỳ tần số nào, từ tần số DC đến tần số AC cao nhất,mà không có bất kỳ sự suy giảm hoặc biến dạng Tuy nhiên, trongn thực tế thì tất cả các op-amp đều có băng thông hạn chế nên chúng chỉ có thể khuếch đại tín hiệu trong một dải tần số cụ thể Băng thông của op-amp được xác định bởi tích băng thông khuếch đại của nó, là tích của mức tăng và tần số tại đó mức tăng giảm xuống 0 dB.

Opamp có điện áp đầu ra bằng 0 khi chênh lệch điện áp giữa các đầu vào của nó bằng 0 Điều này là do op-amp khuếch đại sự khác biệt giữa các đầu vào của nó, vì vậy nếu các đầu vào có cùng mức điện áp thì đầu ra cũng phải bằng 0 Tuy nhiên, OPamp có một số điện áp bù ở đầu ra khi đầu vào ở cùng mức điện áp Độ lệch điện áp này thường được gây ra bởi điện áp bù đầu vào không khớp, dòng điện lệch hoặc các yếu tố bên trong khác.

2.5.2.3 Nguyên lý hoạt động của opamp:

● Hoạt động vòng lặp mở của opamp: Điện áp đầu ra của op-amp được xác định bởi sự chênh lệch giữa điện áp đầu vào, mức tăng vòng hở và lượng phản hồi Độ lợi của vòng kín được xác định bằng tỷ lệ của điện trở phản hồi với điện trở đầu vào

● Hoạt động vòng lặp đóng:

Op-amp có phản hồi trong cấu hình vòng kín sẽ nhận đồng thời cả hai tín hiệu đầu vào, một tín hiệu là đầu vào ban đầu và tín hiệu còn lại là đầu vào phản hồi Phản hồi làm giảm mức tăng tổng thể của mạch và cải thiện độ ổn định của nó Độ lợi vòng kín được xác định bởi mạng phản hồi, thường là một bộ chia điện trở Tỷ lệ của điện trở phản hồi với điện trở đầu vào quyết định mức tăng tổng thể của bộ khuếch đại.

2.5.3 Biến dòng - Current Transformer (CT)

Điều chế độ rộng xung - PWM (Pulse-width modulation)

- Xung là sự thay đổi giữa các trạng thái cao và thấp của mức điện áp, được lặp lại theo một tần suất nhất định Trong PWM (Pulse Width Modulation), đặc tính quan trọng của xung bao gồm tần số và tỷ lệ chu kỳ.

- Tần số (frequency): Đây là số lần mà chu kỳ xung được lặp lại trong một khoảng thời gian cố định, thường được đo bằng Hz (Hertz) Tần số quyết định tần suất của các xung và ảnh hưởng đến tính linh hoạt của hệ thống và độ mịn của điều khiển.

- Tỷ lệ chu kỳ (duty cycle):Là tỷ lệ thời gian mà xung ở trạng thái cao so với tổng thời gian của một chu kỳ xung Thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm hoặc tỷ lệ Tỷ lệ chu kỳ xác định mức cao so với thấp của tín hiệu PWM và ảnh hưởng đến mức điện áp trung bình hoặc công suất.

- PWM (Pulse-width modulation): Là phương pháp điều chế độ rộng xung trong đó điện áp tải đầu ra được điều khiển dựa trên sự thay đổi độ rộng của xung Dạng sóng điều chế độ rộng xung (PWM) là sóng vuông có chu kỳ không đổi bao gồm thời gian mức cao và thời gian mức thấp có thể thay đổi.

 Nguyên lý hoạt động của phương pháp điều chế độ rộng xung PWM:

PWM (Pulse Width Modulation) là một phương pháp điều khiển mạch điện dựa trên nguyên lý đóng mở tải điện theo chu kỳ và điều chỉnh thời gian mỗi chu kỳ ở trạng thái bật hoặc tắt Các linh kiện bán dẫn thực hiện chức năng đóng mở mạch Cụ thể, cách hoạt động của PWM như sau:

PWM tạo ra xung dòng điện có chiều hướng cố định và điều chỉnh thời gian ở mỗi chu kỳ khi tín hiệu ở trạng thái bật Điều này cho phép kiểm soát lượng dòng điện chảy qua mỗi thiết bị trong mạch PWM hoạt động dưới dạng tín hiệu kỹ thuật số, với hai trạng thái bật - tắt, thường được biểu diễn bằng các giá trị 0-1 trong hệ nhị phân Do đó, mỗi chu kỳ có thời gian bật càng lâu, thì tải sẽ hoạt động càng nhiều Ví dụ, nếu thời gian bật chiếm 80% của chu kỳ, thì tải sẽ hoạt động ở mức độ 80% của công suất tối đa Trong trường hợp thời gian bật quá ngắn, đèn LED có thể không tắt hoàn toàn, tạo cảm giác như đang chiếu sáng liên tục Nếu xung PWM được đặt là0%, tức là thời gian bật là 0, tín hiệu sẽ là mức thấp và tải sẽ không hoạt động.

TIÊU CHUẨN SẠC J1772

Các cấp độ sạc của xe điện hiện nay

 Các cấp độ sạc cho xe điện (EV)

Việc sạc xe điện (EV) có thể được phân thành ba cấp độ: Cấp 1, Cấp 2 và Cấp 3. Mỗi cấp độ khác nhau về tốc độ sạc và công suất đầu ra Nhìn chung, mức sạc cao hơn sẽ dẫn đến thời gian sạc nhanh hơn do công suất đầu ra từ bộ sạc tăng lên.

Sạc EV cấp 1, là tùy chọn sạc chậm nhất cho xe điện, cung cấp công suất tối đa 1,8 kW khi sử dụng ổ cắm điện xoay chiều AC 120 volt Phương thức sạc này phổ biến ở Bắc Mỹ và bao gồm một đầu phích cắm gia dụng 3 chân tiêu chuẩn ở 1 đầu và đầu nối EV J1772 (Loại 1) ở đầu kia, kết nối với xe.Ngược lại, bộ sạc Cấp 1 không có sẵn ở Châu Âu vì nguồn điện dân dụng tiêu chuẩn ở đó là 230 volt.

● Tốc độ sạc EV cấp 1:

Sạc EV cấp 1 là tùy chọn sạc chậm nhất đối với xe điện, mất từ 22 đến 40 giờ để sạc đầy pin tiêu chuẩn cho xe điện (BEV) từ khi hết pin Với kiểu sạc này, một giờ sạc sẽ cung cấp cho xe EV 1 quãng đường đi được từ 3-

7 dặm (4-11 km) Cả xe điện chạy pin (BEV) và xe hybrid (PHEV) có thể sử dụng bộ sạc EV Cấp 1 và chúng thường được cung cấp miễn phí khi mua xe.

Bộ sạc EV cấp 1 thường được sử dụng ở nhà như một bộ sạc nhỏ giọt hoặc để dự phòng khi không có trạm sạc Cấp 2 hoặc Cấp 3 Do tốc độ sạc chậm, bộ sạc EV Cấp 1 thường không được dùng để sạc xe trong hầu hết các tình huống bên ngoài [6]

Bảng 3 1 Tiêu chuẩn sạc cho cấp 1

Mức sạc Đầu nối loại

Thời gian sạc ước tính (40kWh)

Phạm vi ước tính mỗi giờ để sạc

Tại nhà; tình huống dự phòng

Hình 3 1 Đầu sạc cấp 1 theo tiêu chuẩn J1772 (loại 1)

Bộ sạc EV Cấp 2 nhanh hơn đáng kể so với bộ sạc Cấp 1 và sử dụng ổ cắm AC có điện áp từ 208 đến 240 volt ở Bắc Mỹ và 230 volt (một pha) hoặc 400 volt (ba pha) ở Châu Âu Ở Bắc Mỹ, bộ sạc Cấp 2 có thể cung cấp công suất lên tới 19,2 kW (80 A), trong khi ở Châu Âu, chúng có thể cung cấp công suất lên tới 22 kW.

Những bộ sạc này có thể được trang bị nhiều tính năng bổ sung khác nhau như thẻ RFID ( Radio-Frequency Identification): là một công nghệ sử dụng sóng vô tuyến để truyền tải dữ liệu từ thẻ được gắn vào vật thể đến một thiết bị đọc để xác định hoặc theo dõi vật thể đó Thẻ RFID thường được sử dụng để xác định và truy cập thông tin từ xa một cách nhanh chóng và tiện lợi Trong ngữ cảnh sạc xe điện, thẻ RFID có thể được sử dụng để xác định và xác thực người dùng hoặc để quản lý quy trình sạc), cân bằng tải và kết nối mạng OCCP (Giao thức điểm sạc mở) Ở Bắc Mỹ và Nhật Bản, loại đầu nối EV được sử dụng là J1772 (Loại 1), trong khi ở Châu Âu, đầu nối Mennekes (Loại 2) được sử dụng phổ biến.

Trạm sạc cấp 2 có thể có cáp buộc (gắn cố định vào trạm) hoặc được thiết lập không dây chỉ bằng ổ cắm để bạn kết nối cáp sạc Hiện tại, sạc EV Cấp 2 là cấp độ lắp đặt bộ sạc EV phổ biến nhất trên toàn thế giới, mặc dù việc triển khai bộ sạc Cấp 3 ngày càng tăng [6]

● Tốc độ sạc EV cấp 2:

Bộ sạc cấp 2 nhanh hơn đáng kể so với bộ sạc cấp 1, nhanh hơn tới 19 lần tùy thuộc vào tốc độ chấp nhận sạc và công suất đầu ra của xe Nếu bạn sử dụng bộ sạc Cấp 2 trong một giờ, bạn có thể đi được quãng đường từ 10-75 dặm (16-120 km).

Các trạm sạc công cộng thường sử dụng sạc cấp 2,và loại thiết bị sạc này có thể được lắp đặt tại nhà, nơi làm việc và nhiều nơi công cộng khác như khách sạn, khu bán lẻ, siêu thị Sạc cấp 2 là tốt nhất để sạc qua đêm hoặc khi đang làm việc.

Bảng 3 2 Tiêu chuẩn sạc cho cấp 2

Mức sạc Đầu nối loại

Thời gian sạc ước tính (40kWh)

Phạm vi ước tính mỗi giờ để sạc

Tại nơi làm việc;khách sạn; sạc qua đêm tại nhà,

Bảng 3 3 Đầu sạc cấp 2 theo tiêu chuẩn khu vực Bắc Mỹ và Châu Âu

Khu vực Bắt Mỹ Châu Âu

Cả sạc EV cấp 1 và cấp 2 đều được coi là bộ sạc EV loại AC Để hiểu rõ hơn về sạc EV cấp 3, chúng ta cần phân biệt giữa bộ sạc EV loại AC và DC.

● Sự khác biệt giữa sạc EV AC và EV DC:

Hình 3 2 Sự khác biệt giữa sạc EV AC và EV DC

Có hai loại dòng điện để sạc xe điện (EV) - AC (Dòng điện xoay chiều) và DC(Dòng điện một chiều) Mạng lưới điện cung cấp năng lượng dưới dạng AC, nhưng xe điện lưu trữ năng lượng của chúng trong pin, giữ nguồn điện ở DC.

Sạc loại AC liên quan đến việc sử dụng bộ sạc tích hợp trên xe để chuyển đổi nguồn AC thành nguồn DC Việc chuyển đổi này diễn ra khá chậm.Tuy nhiên, với sạc loại DC, quá trình chuyển đổi nguồn điện diễn ra tại trạm sạc trước khi được cung cấp cho xe [6] Điều này có nghĩa là trạm sạc có thể bỏ qua các hạn chế của bộ sạc tích hợp trên xe điện và cung cấp nhiều năng lượng hơn, giúp sạc EV DC nhanh hơn sạc EV AC.

Sạc EV cấp 3, còn được gọi là sạc nhanh DC, là một lựa chọn nhanh hơn nhiều so với sạc EV cấp 2 Nó được coi là tùy chọn sạc mạnh mẽ và nhanh nhất hiện có trên thị trường Để thực hiện điều này, trạm sạc Cấp 3 sử dụng nguồn điện ba pha, với 480 volt ở Bắc Mỹ và 400 volt ở Châu Âu.Các trạm sạc có bộ sạc có thể tạo ra công suất hơn 360 kW.

Trạm sạc Cấp 3 được trang bị nhiều chức năng và tính năng khác nhau, bao gồm phân phối điện năng động, cáp giao thức đa sạc và kết nối mạng thông qua OCPP. Ngoài ra còn có bộ sạc Cấp 3 cố định và trạm sạc Cấp 3 di động.

Các đầu nối được sử dụng để sạc EV cấp 3 là CCS (Combine charging system), Chademo và Tesla supercharg (NACS) [6]

● Tốc độ sạc của EV cấp 3:

Tiêu chuẩn sạc J1772

Tiêu chuẩn sạc cho ô tô điện có vai trò quan trọng trong việc đảm bảo tính tương thích, an toàn và hiệu suất của hệ thống sạc và xe điện Xác định giao diện vật lý giữa phích cắm sạc và xe điện Nó bao gồm các yếu tố như kích thước, hình dạng và cách kết nối giữa phích cắm và đầu cắm trên xe Đồng thời quy định cách truyền dữ liệu giữa phích cắm và xe điện, cho phép truyền thông để kiểm soát quá trình sạc và truyền thông giữa các thiết bị Hiện nay, tiêu chuẩn sạc cho ô tô điện trên thế giới có nhiều tiêu chuẩn khác nhau Vì vậy, tùy vào thị trường tại mỗi quốc gia mà các hãng xe điện lại chọn tiêu chuẩn cho bộ sạc phù hợp với

Bảng 3 6 Các đầu sạc theo tiêu chuẩn của từng khu vực

Bắc Mỹ Nhật Bản Trung Quốc Châu Âu và phần còn lại.

Cổng kết nối J1772 (type 1) J1772 (type 1) GB/T Mennekes

Cổng kết nối CHAdeMO CCS1 GB/T CCS2

3.2.1 Giới tiêu chung về tiêu chuẩn sạc J1772 Để thực hiện sạc pin xe điện từ nguồn điện lưới cần thực hiện 3 chức năng chính đó là:

1 Chuyển Đổi AC Sang DC (Chỉnh lưu): Điều đầu tiên cần làm là chuyển đổi điện năng xoay chiều (AC) từ lưới điện, thường có tần số 50 - 60 Hz và ở nhiều mức điện áp khác nhau, sang dòng điện một chiều (DC) mà pin của xe có thể sử dụng. Quá trình này gọi là chỉnh lưu.

2 Điều Tiết Điện Áp Cung Cấp (Điều khiển và điều tiết điện áp): Sau khi điện đã được chuyển sang DC, bước tiếp theo là điều chỉnh điện áp phù hợp với nhu cầu của pin, dựa trên các yếu tố như điện áp pin, dung lượng, và đặc tính hóa học của pin Điều này đảm bảo rằng pin được sạc một cách an toàn và hiệu quả.

3 Kết nối vật lý: Đây là bước cuối cùng, nơi người dùng cần thực hiện kết nối vật lý giữa xe và thiết bị sạc (EVSE) bằng cách cắm cáp sạc vào xe Đây là hành động thực tế để bắt đầu quá trình sạc.

Bảng 3 7 Bốn cấp độ sạc của SAE J1772 [9]

Phương pháp sạc Điện áp (V) Pha Dòng điện tối đa, liên tục (A)

Công suất tối đa (kW)

Phương phấp sạc Điện áp (V) Pha Dòng điện tối đa (A) Công suất tối đa (kW)

H ình 3 3 Sơ đồ dẫn điện của hệ thống sạc [9]

3.2.2 Cấu tạo cổng kết nối - Connecter Charge

Bảng 3 8 Chức năng các chân của Phích cắm J1772 - Type 2 Đầu chốt Chức năng

L1 AC line 1 - Dây nguồn 1 pha hoặc 3 pha L2 AC line 2 - Dây nguồn 3 pha

L3 AC line 3 - Dây nguồn 3 pha

N AC Neutral- Dây trung tính của nguồn điện

PE Protective Earth - dây nối đất

PP "Proximity Pilot," hay còn gọi là "plug present", cung cấp một tín hiệu cho hệ thống điều khiển của xe ô tô để ngăn chặn việc di chuyển trong khi kết nối với thiết bị cung cấp điện cho xe điện (EVSE; tức là trạm sạc), và đồng thời kích hoạt nút mở khóa trên xe.

CP "Control Pilot" hay còn gọi là “chân điều khiển” là một đường truyền thông tin được sử dụng để giao tiếp về mức độ sạc giữa xe và thiết bị cung cấp điện cho xe (EVSE) Nó có thể được xe điều khiển để khởi đầu quá trình sạc và chứa các thông tin khác Tín hiệu này là một sóng vuông có tần số 1 kHz tại ±12 volt được tạo ra bởi EVSE để phát hiện sự hiện diện của xe, truyền tải dòng điện sạc tối đa cho phép, và điều khiển việc bắt đầu và kết thúc quá trình sạc.

Hình 3 4 Sơ đồ kết nối giữa EVSE và xe ô tô điện [9]

Phương pháp sạc AC cấp 1 và cấp 2 là việc lấy dòng điện AC có nối đất từ mạng lưới điện tới bộ sạc trang bị trên EV thông qua thiết bị cung cấp điện - EVSE bằng dây cáp phù hợp Với phương pháp này EVSE có thể sử dụng linh hoạt tại nhà, nơi làm việc hay những nơi công cộng

Hình 3 5 Cấu hình liên kết điều khiển và truyền dữ liệu [9]

3.2.4 Điều khiển và dữ liệu

Mạch điều khiển - control pilot là yếu tố chủ chốt để đảm bảo quá trình hoạt động diễn ra mượt mà khi kết nối giữa thiết bị cung cấp điện với ô tô điện Chức năng chính là điều chỉnh và giám sát quá trình truyền năng lượng giữa EVSE và xe điện(EV) trong quá trình sạc.

Hình 3 6 Mạch điều khiển điển hình [9]

Hình 3 7 Mạch điều khiển tương đương [9]

Bảng 3 9 Thông số mạch điều khiển - control pilot của EVSE [9]

Tham số Ký hiệu Đơn vị đo

Tín hiệu mức cao Voch Volts 12.00 12.60 11.40

Tín hiệu mức thấp Vocl Volts -12.00 -12.60 -11.40

Tần số Fo Hz 1000 10220 980 Độ rộng xung Pwo ms Điều chỉnh theo bảng Độ rộng xung ±25às

Thời gian tăng Trg ms - 2 -

Thời gian giảm Trg ms - 2 -

Giá trị linh kiện đầu ra Điện trở nguồn R1 Ohms 1000 1030 970

Tổng điện dung EVSE - không dây cáp

Tổng điện dung EVSE - có dây cáp

Bảng 3 10 Thông số mạch điều khiển - control pilot của EV [9]

Tham số Ký hiệu Đơn vị đo Giá trị danh định Giá trị lớn nhất Giá trị nhỏ nhất Điện trở tải - trạng thái B

R2B Ohms 2740 2822 2658 Điện trở tải - trạng thái C

R2C Ohms 882 908 856 Điện trở tải - trạng thái D

3.2.4.1 Chức năng điều khiển – Control pilot

- Xác định kết nối với phương tiện: Thiết bị cung cấp điện cho xe điện (EVSE) có thể xác định liệu đầu nối đã được cắm vào cổng sạc của xe hay chưa và kết nối chính xác với xe điện bằng cách đo điện trở R3, như được minh họa trong Hình 3.6 Diode D1 giúp EVSE trong việc phân biệt giữa việc kết nối với một EV/PHEV so với các tải có trở kháng thấp khác có thể xuất hiện nhằm đảm bảo an toàn.

- EVSE sẵn sàng cung cấp năng lượng: Thiết bị cung cấp điện cho xe điện (EVSE) có khả năng báo hiệu cho xe điện rằng đã sẵn sàng để cung cấp năng lượng Điều này được thực hiện thông qua việc kích hoạt bộ dao động và phát tín hiệu sóng vuông theo như mô tả trong Hình 3.6 EVSE sẽ không kích hoạt các contactor trừ khi dao động ký đang hoạt động và đúng theo đặc điểm được chỉ ra trong Hình đồ thị 3.10 Trong các trạng thái cụ thể được liệt kê trong Bảng 3.11, EVSE có thể cung cấp tín hiệu điều khiển ở dạng tín hiệu DC hoặc tín hiệu dao động - xung PWM Tuy nhiên, bộ giao dao động thường chỉ được bật trong Trạng thái B, Trạng thái C hoặc Trạng thái D Việc dao động ở các trạng thái khác chỉ nên xảy ra một cách chuyển tiếp, theo đúng quy định trong Bảng 3.13.

- EV sẵn sàng nhận năng lượng: Khi sẵn sàng nhận năng lượng từ EVSE thì lúc này EV sẽ đóng công tắc S2 như hình minh họa hình sau khi EV phát hiện tín hiệu xung điều khiển từ EVSE EV cũng có thể ngưng nhận năng lương từ EVSE bằng cách mở công tắc S2.

- Xác định nhu cầu thông gió của EV: Thiết bị cung cấp điện EVSE có thể xác định xem EV có nhu cầu cần thông gió khi sạc trong nhà hay khi sạc với mức năng lượng cao dẫn đến tăng nhiệt EVSE sẽ cảm nhận điện áp đã được quy định ở bảng —-, từ đó EVSE sẽ phát tín hiệu thông gió cho hệ thống quạt bên ngoài.

- Xác minh tính liên tục nối đất của thiết bị: Dây nối đất cung cấp đường về cho dòng điện điều khiển Để đảm bảo rằng nối đất của EVSE được kết nối ăn toàn với khung xe trong suốt quá trình sạc Nếu mất tín hiệu này EVSE sẽ ngay lập tức ngưng viẹc cung cấp năng lượng cho EV [9]

3.2.4.2 Quá trình giao tiếp giữa EVSE và ô tô điện:

- Khi đợi kết nối với xe thì EVSE tạo ra một điện áp cố định +12V.

- Khi đã được kết nối với ô tô điện, giả sử công tắc S2 mở, điện trở 2.74KOhm của bộ sạc trên xe sẽ kéo điện áp +12V xuống +9V, điện áp này được EVSE đo tại đầu ra chân CP Lúc này, EVSE sẽ cảm nhận được và bắt đầu tạo ra một sóng vuông 1kHz với điện áp +9V, -12V Có một diode sẽ duy trì -12V, đây là yêu cầu cho việc sạc AC cấp 1 lẫn cấp 2 Mục chính là để đảm bảo an toàn trong quá trình sạc, nhầm để đảm bảo an toàn trong quá trình sạc và tránh nguy cơ từ các yếu tố ngoại vi như việc chạm vào các phần dẫn điện trong thiết bị sạc.

Hình 3 8 Tín hiệu chân CP, PP trên xe khi kết nối

Chú thích: (1) tín hiệu chân PP ; (2) tín hiệu chân CP

- Nếu xe yêu cầu dòng sạc AC, lúc này bộ sạc trên xe sẽ đóng công tắt S2 Điều này sẽ làm cho một điện trở 1.3 KOhm song song với điện trở 2.74 KOhm, đưa điện trở tương đương của 2 điện trở này về mức hiệu quả 882 Ohm Với điện trở này thì nó sẽ kéo phần điện áp dương từ +9V về +6V EVSE sẽ hiểu đây là yêu cầu cung cấp năng lượng AC và đóng rơle tiếp điện cung cấp dòng điện AC cho xe bắt đầu sạc Nếu một điện trở 270 Omh được kích hoạt, phần dương của sóng vuông sẽ bị kéo xuống +3V, thông báo cho EVSE biết rằng pin của xe phát ra các khí nguy hiểm trong quá trình sạc, và yêu cầu một quạt thông gió trong những khu vực kín Trừ khi EVSE được trang bị để xác minh rằng một quạt như vậy đang hoạt động, nó không được đóng rơle tiếp điện Nhưng thực tế, rất ít nhà sản xuất ô tô đã đưa ra những loại pin như vậy vào các sản phẩm của họ do liên quan vấn đề về trách nhiệm pháp lý, và gần như tất cả đều sử dụng giá trị điện trở 1.3KΩ.

Hình 3 9 Tín hiệu chân CP, PP trên xe khi đang sạc

Chú thích: (1) tín hiệu chân PP ; (2) tín hiệu chân CP

NGHIÊN CỨU VÀ THIẾT KẾ BỘ SẠC AC 7KW

Nghiên cứu và thiết kế mạch điện

Qua quá trình tiến hành nghiên cứu và phân tích các phương pháp và mức sạc khác nhau, nhóm chúng em nhận thấy rằng mức sạc 7kW là sự lựa chọn tối ưu nhất. Mức sạc này không chỉ đáp ứng được nhu cầu sạc đa dạng của người dùng, mà còn phù hợp với nhiều địa điểm sạc khác nhau như tại nơi làm việc, ở nhà, và tại các khu vực công cộng Chính vì thế, chúng em đã quyết định chọn mức sạc 7kW cho đề tài nghiên cứu và thiết kế bộ sạc dành cho xe ô tô điện

Phương án thực hiện:Thiết kế bản vẽ mạch điện trên phần mềm protues

Vật liệu sử dụng bảng mạch:Phíp đồng.

Phương pháp gia công: Tiến hành thực hiện thiết kế, gia công từng mạch thành phánau đó thực nghiệm nhằm đánh giá những mạch đã hoạt động như đã thiết kế Sau đó gộp lại và thiết kế thành 1 mạch hoàn chỉnh, Cuối cùng thực hiện gia công và lắp linh kiện điện tử.

4.1.1 Thiết kế mạch điều khiển nguồn AC

 Mục tiêu thiết kế : Chức năng chính của mạch này là điều khiển rơle chuyển đổi giữa hai trạng thái: mở và đóng Khi rơle được kích hoạt thông qua mạch này, nó có thể kích hoạt hoặc ngắt kết nối bộ sạc trong trường hợp hệ thống sạc.

Mạch này có thể được sử dụng để điều khiển quá trình sạc của pin hoặc bộ điều khiển pin bằng cách kích hoạt hoặc ngắt dòng điện vào pin sạc Điều này giúp bảo vệ pin khỏi bị sạc quá mức và giúp pin hoạt động hiệu quả hơn.

 Lựa chọn các linh kiện điện tử:

1 Transistor (TIP122): Đây là các transistor chuyển mạch để kích hoạt hoặc ngắt relay TIP122 là transistor NPN ,sử dụng để tạo ra các cổng điều khiển đối với relay tương ứng.

2 Các diode 1N4148 (D1 và D2) : diode trong mạch này được sử dụng để ngăn EMF (Electromotive Force - lực điện động) phản lại 1 lực điện động từ làm hỏng transistor 2N2222A EMF phản lại là một đỉnh điện áp xảy ra khi dòng điện chảy qua cuộn dây bị ngắt đột ngột, gây ra một đỉnh điện áp có thể làm hỏng các linh kiện gần đó Các diot cung cấp một đường dẫn để dòng điện tiếp tục chảy theo cùng một hướng, giúp tan hơi năng lượng từ cuộn dây và bảo vệ transistor khỏi hỏng hóc Điều này đặc biệt quan trọng trong mạch này vì transistor được sử dụng để chuyển đổi relay, có thể tạo ra EMF phản lại đáng kể khi nó tắt Bằng cách bao gồm các diot, mạch có thể chuyển đổi relay một cách an toàn mà không làm hỏng transistor.

3 Điện trở R5, R7, R8 (2.2K và 47R): Các điện trở này hạn chế dòng điện tới điốt và transistor để bảo vệ chúng.

4 Tụ điện (C4, C5): Làm giảm nhiễu điện và ổn định dòng điện cung cấp cho cổng base của transistor.

Hình 4 3 Các loại tụ điện

5 Các Relay 1 và Relay 2: Relay hoạt động như một công tắc điện từ được sử dụng để bật hoặc tắt các mạch lớn bằng điện áp và dòng điện nhỏ Relay đảm bảo chỉ cấp điện cho xe khi an toàn và cần thiết.

Tiến hành thiết kế mạch relay trên protues:

Hình 4 4 Sơ đồ nguyên lý điều khiển relay

 Nguyên lý hoạt động của mạch : Nguyên lý hoạt động cơ bản của mạch này là sử dụng transistor để kích hoạt relay, điều này thường được dùng trong các mạch đóng/cắt hoặc chuyển mạch Tùy thuộc vào tín hiệu điều khiển Relay L và Relay

N, dòng điện sẽ được cho phép chạy qua relay hoặc bị ngắt, mở hoặc đóng một mạch điện khác Diode bảo vệ transistor khỏi dòng điện ngược khi relay ngắt.

4.1.2 Thiết kế mạch tín hiệu điều khiển - Control pilot

 Mục tiêu thiết kế: Việc thiết kế mạch điều khiển nhằm mục đích giao tiếp giữa thiết bị cung cấp điện EVSE và xe điện EV Chức năng chính của mạch này là quản lý quá trình sạc, dựa vào việc đọc các điện áp trạng thái đã được quy định mà EVSE nhận biết yêu cầu cần cung cấp năng lượng của EV hay việc báo lỗi trong quá trình sạc.

 Lựa chọn linh kiện điện tử:

1 Điện trở: Các điện trở R4, R5 tạo thành một cầu phân áp, để đưa vào chân không đâo của Op-amp nhằm sao sánh để tạo ra tín hiệu có mức cao là +12V, mức thấp - 12V.

Hình 4 5 Cầu phần áp Điện trở R4 và R5 tạo cầu phân áp đầu ra 2.5V đầu vào 5V:

10�Ω + 10�Ω Điện trở R7, R8, R9 tạo thành mạch phân áp để vi điều khiển có thể đọc tín hiệu mà EV muốn truyền tải đến EVSE.

Hình 4 6 Mạch đọc tín hiệu Điện áp đầu ra tại chân PWM_TEST nằm dưới mức điện áp 5V và tương ứng với các trạng thái maf tiêu chuẩn J1772 đã quy định Dựa vào định luật Kirchhoff về dòng điện:

 Từ công thức trên ta có bảng tương ứng mức điện áp theo từng trạng thái sạc:

Bảng 4 1 Điện áp đo danh nghĩa của các trạng thái

Trạng thái của ô tô Điện áp danh nghĩa (Vdc) Mô tả trạng thái của ô tô Điện áp vi điều khiển đọc được (Volt)

Trạng thái A 12 Xe chưa được kết nối 4.53

Trạng thái B 9 EVSE đã kết với xe nhưng chưa sẵn sàng sạc 4.14

Trạng thái C 6 Xe đang được sạc và không yêu cầu sự thông gió 3.74

Trạng thái D 3 Xe đang được sạc và yêu cầu sự thông gió 3.35

Trạng thái E 0 EVSE không được kết nối, không có điện áp 2.96

Trạng thái F -12 EVSE có sự cố 1.4

2 Op-amp LM358: Sử dụng Op-amp LM258 để biến đổi tín hiệu PWM 0 - 5V từ Arduino thành tín hiệu ±12V Đây là tín hiệu cần để thực hiện việc điều khiển và giao tiếp với xe điện.

3 Diode TVS - (Transient Voltage Suppressor) Để đảm bảo rằng không có điện áp bất thường nào xảy ra trên dây dẫn đầu. TVS này làm việc bằng cách giới hạn các điện áp tạm thời và đột ngột, bảo vệ hệ thống khỏi các tác động có hại của sự cố điện áp cao, từ đó tăng cường độ tin cậy và an toàn cho toàn bộ hệ thống sạc.

Hình 4 8 Ký hiệu diode TVS

 Nguyên lý hoạt động của mạch:Op-amp LM358 có chức năng chuyển đổi tín hiệu PWM 0 - 5V thành ±12V Khi tín hiệu ở mức 0V thì lúc này điện áp đầu không đảo lớn nên đầu ra là +12V và khi tín hiệu ở mức cao +5V, điện áp này lớn hơn điện áp đầu vào không đảo (>2.5V) điện áp đầu ra là -12V Khi EV và EVSE được liên kết với nhau thif các điện trở trên xe sẽ kéo điện áp tại chân CP xuống các mức theo từng trạng thái đã quy định Một mạch phân áp sẽ chuyển đổi điện áp đấy về các mức mà vi điều khiểu - Arduino có thể việc đọc tín hiều ADC, và đưa ra những điều khiển phù hợp và chính xác.

Hình 4 9 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển - Control pilot

 Chương trình đọc điện áp chân CP:Được xây dựng để theo dõi điện áp của chân

CP trong khoảng cho phép qua từng trạng thái EVSE giao tiếp với EV để biết các trạng thái đang hoạt động bình thường và chính xác.

Hình 4 10 Lưu đồ giải thuật chương trình đọc điện áp chân CP

Gia công và lắp đặt mạch

Nhóm thực hiện thiết kế từng mạch thành phần: mạch điều khiển nguồn, mạch tín hiệu điều khiển - Control pilot, mạch bảo vệ nối đất GFCI và chạy mô phỏng trên Proteus những mạch thành phần này Đồng thời, nhóm tiến hành chế tạo các mạch này trong thực tế để kiểm tra xem chúng có hoạt động đúng như mô phỏng hay không Cuối cùng, nhóm gộp các mạch này lại với nhau thành một mạch sạc tổng thể.

Hình 4 18 Mạch sạc tổng thể

Khi đã có mạch tổng thể cho bộ sạc thì nhóm tiến hành việc thiết kế mạch in, sử dụng tính năng PCB layout của proteus Việc thiết kế này nhằm mục đích tạo ra mạch sạc mà mà các linh kiện được sắp xếp gọn gàng và dễ dàng trong việc lắp đặt.

Hình 4 19 Thiết kế mạch PCB

 Chương trình chính của hệ thống sạc: chương trình chính lấy các thông số tín hiệu từ các chương trình con và kiểm soát dòng điện và điện áp trong mức cho phép mà bộ sạc có thể cung cấp an toàn Việc đọc điện áp chân CP bằng cách sử dụng cầu phân áp để đưa các tín hiệu 12V, 9V,6V, thành các điện áp áp hơn từ đó Arduino có thể đọc tín hiệu ADC và nhận biết được đang ở trạng thái sạc nào, nhằm thông báo và điều khiển chính xác Kiểm tra dòng rò có vượt quá mức quy định hay không Tất cả các chức năng trên nhằm đảm bảo hệ thống sạc diễn ra một cách hiệu quả và an toàn Chương trình được thực hiện dựa trên lưu đồ bên dưới:

Hình 4 20 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển sạc cho EVSE

Chương trình bắt đầu bằng việc đo điện áp và dòng điện từ module PZEM-004T, nếu điện áp đo được lớn hơn 250V (lỗi quá áp) hoặc dòng điện lớn hơn 32A (lỗi quá dòng) thì hệ thống sạc sẽ dừng lại Cùng với đó 1 số lỗi khác như là có dòng điện rò, không đo được điện áp mức thấp và không đo được điện áp của các trạng thái sạc, khi đó chương trình sẽ dừng lại và báo lỗi Nếu chương trình không xảy ra lỗi thì xét tới các trạng thái sạc Trong trường hợp EVSE đang ở trạng thái A, hệ thống sẽ kiểm tra giá trị PVC (giá trị được gán từ chương trình đọc điện áp chân CP), nếu giá trị PVC là 9V, 6V hoặc 3V sẽ chuyển sang trạng thái B thì hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái B Nếu giá trị điện áp không phải là 3 điện áp trên thì hệ thống sẽ kiểm tra lại trạng thái Khi đang ở trạng thái B, đo được giá trị PVC là 12V thì hệ thống sẽ được chuyển về trạng thái A Còn nếu giá trị đo được của PVC là 6V hoặc 3V và GFCI_TEST không đạt thì hệ thống sẽ báo lỗi GFCI khi đang sạc, ngược lại nếu kiểm tra GFCI_TEST đạt thì hệ thống sẽ đóng relay và chuyển sang trạng thái C. Cuối cùng, đo giá trị PVC ở trạng thái C bằng 12V hoặc 9V thì hệ thống sẽ ngắt relay và nhảy về trạng thái B, hoạt động nhằm đảm bảo hệ thống sạc hoạt động đúng tiêu chuẩn và bảo vệ mạch Ngược lại, hệ thống sẽ được giữ nguyện ở trạng thái C và EVSE sẽ tiếp tục cung cấp điện cho EV.

Hình 4 21 Bộ sạc hoàn chỉnh

Hình 4 22 Mạch sạc sau khi lắp đặt

Thực nghiệm và đánh giá

Tiến hành dùng bộ Picoscope đo xung các chân tín hiệu (CP, PP) để kiểm tra bộ sạc trên xe và thiết bị cung cấp điện (EVSE) đang ở các trạng thái hoạt động khác nhau Đồng thời đánh giá tín hiệu của EVSE có đạt những yêu câu như đã quy định trong tiêu chuẩn J1772.

4.3.1 Trạng thái chưa kết nối giữa EV và EVSE

Tiến hành đo xung các chân tín hiệu (CP, PP) đang ở trạng thái chưa cắm sạc cho xe:

Hình 4 23 Tín hiệu CP, PP trên xe khi chưa sạc Chú thích: (1) tín hiệu chân PP ; (2) tín hiệu chân CP

Khi đo 2 chân tín hiệu trên xe, chân PP dùng cổng C (màu xanh lá) có tín hiệu điện áp 5V và chân CP dùng cổng A (màu xanh dương) có tín hiệu điện áp là 0V khi chưa cắm sạc.

Hình 4 24 Tín hiệu CP, PP trên bộ EVSE khi chưa sạcChú thích: (1) tín hiệu chân PP ; (2) tín hiệu chân CP

Khi đo trên thiết bị cung cấp điện EVSE, chân tín hiệu CP có điện áp là 12V và chân PP đo thấy 0V Điều này là đúng với tiêu chuẩn được đề ra trong J1772.

4.3.2 Trạng thái khi đã kết nối giữa EV và EVSE

Tiến hành đo xung các chân tín hiệu (CP, PP) đang ở trạng thái đã kết nối giữa xe và thiết bị cung cấp điện.

Hình 4 25 Tín hiệu CP, PP trên xe khi đã kết nối Chú thích: (1) tín hiệu chân PP ; (2) tín hiệu chân CP

Chân PP dùng cổng C (màu xanh lá) có tín hiệu điện áp 3V do có 1 điện trở 480 ohm ở chân PP kéo điện áp 5V của xe vể 3V Khi chân PP có tín hiệu điện áp 3V báo cho bộ sạc trên xe biết rằng đầu nối đã kết nối cổng sạc của xe Chân CP dùng cổng A (màu xanh dương) có tín hiệu xung vuông với tần số là 1000 Hz (sai số ± 2 %) có mức điện áp giao động trong khoảng từ -12V tới 9V khi đã kết nối Với tín hiệu này, EVSE nhận biết và hiển thị thông báo lên màn hình LCD và báo cho EV biết EVSE sẵn sàng cung cấp năng lượng cho xe.Với độ rộng xung là 50% thì EVSE có thể cung cấp dòng điện tối đa 30A, lúc này EV tiếp nhận tín hiệu này và sẳn sàng nhận nguồn năng lượng này.

4.3.3 Trạng thái khi đang sạc

Tiến hành đo xung các chân tín hiệu (CP, PP) đang ở trạng thái đang sạc.

Hình 4 26 Tín hiệu CP, PP trên xe khi đang sạc Chú thích: (1) tín hiệu chân PP ; (2) tín hiệu chân CP

Chân PP dùng cổng C (màu xanh lá) lúc này vẫn duy trì ở mức tín hiệu điện áp là 3V nhằm đảm bảo đầu nối và cổng sạc không tách rời nhau trong quá trình sạc đang diễn ra Chân CP dùng cổng A (màu xanh dương) có tín hiệu xung vuông với tần số là

1000 Hz (sai số ± 2 %) có mức điện áp giao động trong khoảng từ -12V tới 6V khi xe đang sạc Với tín hiệu này, EVSE nhận biết EV chấp nhận cho sạc và EVSE sẽ đóng relay để cung cấp năng lượng cho xe, khi đó màn hình LCD sẽ hiển thị trạng thái đang sạc.

4.3.4 Các thông số của xe khi đang sạc

Sau khi kết nối đầu sạc với cổng sạc của xe, quá trình sạc bắt đầu Nhóm em đã sử dụng thiết bị AUTECH để đọc các thông số quan trọng trên xe Kết quả cho thấy điện áp nguồn cung cấp cho bộ sạc là 225V, dòng điện sạc là 20A, nhiệt độ không khí xung quanh pin là 45°C, và công suất sạc đạt 4334W.

Hình 4 27 Các thông số đo trên xe khi đang sạc

Đánh giá kết quả đạt được

Sau khi hoàn thiện mạch sạc, nhóm đã thành công trong việc sạc cho xe ô tô điệnRenault ZOE50 Khi đầu sạc được kết nối, xe sẽ hiển thị trạng thái kết nối bằng đèn LED màu vàng nhấp nháy Khi quá trình sạc bắt đầu, đèn LED sẽ chuyển sang màu xanh dương, như hình minh họa bên dưới:

Hình 4 28 Ô tô điện đang được sạc

Với công suất nhóm đo được khi thực hiện sạc giao động khoảng 4,4kW thì thời gian sạc từ 93% - 97% là 16 phút Vậy nên với bộ sạc này, ước tính sạc từ lúc 0% đến lúc sạc đầy sẽ mất 6 tiếng 40 phút để sạc, kết quả này phù hợp với tiêu chuẩn đã được đưa ra là từ 2 đến 13 tiếng đối với mức sạc cấp 2 Điều này cho thấy rằng bộ sạc hoạt động hiệu quả và đúng với chuẩn quy định.

Hình 4 29 Phần trăm pin được sạc

Khi thực hiện quá trình sạc, bộ sạc của nhóm hiển thị các thông số kỹ thuật quan trọng như điện áp và dòng điện đang cung cấp cho xe điện So với kết quả đo điện của thiết bị AUTECH, sự chênh lệch là rất nhỏ Đồng thời, màn hình LCD của bộ sạc hiển thị trạng thái sạc một cách rõ ràng Ví dụ, hình bên dưới minh họa trạng thái sạc đang diễn ra với điện áp đo được là 225V và dòng điện là 19.5A.

Hình 4 30 Thông số tại bộ sạc

Khi muốn ngắt kết nối và chấm dứt việc sạc, lúc này này nhấn nút sạc trên taplo của xe, khi đó xe sẽ ngắt công tắc S2 (nhìn hình 3 6) EVSE ssex nhận biết sự thay đổi này để ngắt relay và LCD sẽ báo “Ngưng sạc” và tiến hành rút đầu nối ra khỏi xe kết thúc quá trình sạc

Hình 4 31 Hiện thị trạng thái ngưng sạc trên EVSE

Dựa vào các thông số kĩ thuật đã đo được thông qua bộ AUTECH và Picoscope, nhóm em đã xem xét các thông số này với bộ sạc đi kèm với xe để từ đó đánh giá được rằng bộ sạc của nhóm có tính thực tế và hiệu quả cao.

Bảng 4 2 So sánh thông số kỹ thuật

Thông số Bộ sạc nhóm thiết kế Bộ sạc đi kèm xe

Renault ZE 50 Điện áp đầu vào (VAC) 220 – 250 220 – 250 Điện áp đầu ra (VAC) 220 – 250 220 – 250

Dòng điện sạc tối đa

Phương pháp sạc AC AC

Nhiệt độ hoạt động -30 °C đến 50 °C -30 °C đến 50 °C

Chu kỳ làm việc của xung tín hiệu 50% 10%

Công suất sạc tối đa

Bảo vệ quá dòng Có Có

Hiện thị trạng thái LCD LED