Thiết kế bộ sạc ắc quy cho ô tô điện
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hà nội, 1-2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ SẠC ẮC QUY CHO Ơ TƠ ĐIỆN Trưởng mơn : Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực : Ai muốn nhận file mô Lớp : tất tài liệu MSSV : xin mail vào: Giáo viên duyệt : truongbk209@gmail.com Hà nội, 1-2018 LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết kế sạc ắc quy cho ô tô điện em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Sinh viên thực MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ i DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ii DANH MỤC VIẾT TẮT ii LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô điện 1.2 Một số loại ô tô điện thị trường nước 1.2.1 Xe ô tô lai điện động đột 1.2.2 Xe ô tô điện 100% dùng điện 1.3 Ắc quy ô tô điện 1.4 Vai trò tương lai xe ô tô điện Chương ẮC QUY LITHIUM-ION 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Cấu tạo ắc quy/ Pin Li-ion 11 2.2.1 Điện cực dương 11 2.2.2 Điện cực âm 12 2.2.3 Chất điện ly 12 2.2.4 Dung môi 13 2.2.5 Vật cách điện 13 2.3 Phân loại 14 2.4 Nguyên lý hoạt động ắc quy(Pin) Li-ion 14 Chương 17 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO ẮC QUY LI-ION 17 3.1 Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi 17 3.1.1 Q trình sạc dòng điện khơng đổi 18 3.1.2 Quá trình sạc với điện áp không đổi 18 3.1.3 Vấn đề an tồn q trình sạc 19 3.2 Phương pháp sạc với mức dòng điện 19 3.3 Phương pháp sạc xung 21 3.4 Phương pháp sạc tăng áp 22 Chương 26 BỘ CHỈNH LƯU VÀ BỘ BUCK 26 4.1 Bộ chỉnh lưu 26 4.2 Bộ Buck 26 Chương 30 THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 30 5.1 Thiết kế mạch lực 30 5.1.1 Tính tốn điện cảm L mạch Buck 32 5.1.2 Tính tốn điện dung tụ đầu C 34 5.1.3 Tính chọn Mosfet Diode 35 5.2 Thiết kế hệ thống điều khiển 36 5.2.1 Lưu đồ điều khiển trình sạc 36 5.2.2 Mơ hình hóa biến đổi Buck 37 5.2.3 Bộ điều khiển điện áp 40 5.2.4 Bộ điều khiển dòng điện 43 Chương 46 MÔ PHỎNG 46 6.1 Mô mạch lực 46 6.1.1 Khối Buck 46 6.1.2 Khối tạo xung 46 6.1.3 Dòng điện điện áp 48 6.2 Mô khối điều khiển 50 6.2.1 Mô đáp ứng điều khiển điện áp 51 6.2.1 Mơ đáp ứng điều khiển dòng điện 51 KẾT LUẬN 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 54 PHỤ LỤC 55 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Một số thiên tai nghiêm trọng Hình Dự báo doanh số xe điện Hình Xe ô tô lai điệnđộng đốt Hình Mẫu Tesla Model S trạm sạc Tesla Supercharger Hình Sơ đồ ắc quy Hình Một bình ắc quy Lithium-ion Hình Cấu trúc ắc quy Lithium-ion Hình 2 Mặt cắt mang ắc quy Li-ion hình trụ 14 Hình Mặt cắt ngang Pin Li-ion lăng trụ 14 Hình Quá trình sạc xả ắc quy Lithium-ion 15 Hình Quá trình sạc CC-CV 17 Hình Một ô tô điện bị cháy sạc Anh 18 Hình 3 Q trình sạc với mức dòng điện 20 Hình Mơ hình sạc xung 22 Hình Quá trình sạc phương pháp khác 23 Hình Dung lượng lại ắc quy sạcphương pháp khác 23 Hình Phương pháp nạp tăng áp 24 Hình Dung lượng ắc quy phụ thuộc vào thời gian sạc 24 Hình Sự sụt giảm dung lương ắc quy trình sử dụng 25 Hình Sơ đồ chỉnh lưu điển hình 26 Hình Sơ đồ mạch biến đổi kiểu Buck pha 27 Hình Dòng điện qua cuộn cảm đầu Buck pha 28 Hình 4 Độ đập mạch điện áp tụ 29 Hình Hiệu suất làm việc ứng với số pha 29 i Danh mục hình vẽ Hình Sơ đồ khối mạch lực 30 Hình Đặc tính sạc Pin Li-ion 31 Hình Sơ đồ tổng quát buck 32 Hình Sự biến thiên dòng điện theo thời gian buck 32 Hình 5 Quá trình nạp điện cho tụ 34 Hình Sơ đồ thuật toán sạc 36 Hình Sơ đồ mạch biến đổi kiểu Buck 37 Hình Đồ thị bode hàm truyền đối tượng 41 Hình Đồ thị bode hàm truyền hệ hở Ghv(s) 43 Hình 10 Đồ thị Bode hàm Gi(s) 44 Hình 11 Đồ thị hàm bode hàm truyền hệ hở Ghi(s) 45 Hình Sơ đồ khối buck 46 Hình Khối tạo xung 47 Hình Hình dạng xung cưa 47 Hình Hình dạng xung PWM 48 Hình Dạng dòng điện pha 48 Hình 6 Độ đập mạch dòng điện trước tụ điện 49 Hình Độ đập mạch điện áp tụ điện 49 Hình Sơ đồ điều khiển 50 Hình Sơ đồ mạch điều khiển điện áp 50 Hình 10 Sơ đồ mạch điều khiển dòng điện 51 Hình 11 Dạng điện áp đầu 51 Hình 12 Dạng dòng điện đầu 52 ii Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1 Một số mẫu ắc quy sử dụng thị trường Bảng Ưu nhược điểm ắc quy/ Pin Li-ion 10 Bảng 2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương 11 Bảng Đặc trung loại carbon 12 Bảng Các mơ hình dòng điện mức khác 21 iii Danh mục viết tắt DANH MỤC VIẾT TẮT AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện chiều PWM Pulse-Width Modulation Điều chế độ rộng xung PM Phase Margin Độ dự trữ pha Const Constance Cố định PI Proportional Integral Bộ điều khiển tỉ lệ-tích phân iv Chương Thiết kế mạch lực mạch điều khiển T1 4,18*104 K p K T 2*600* 2, 70*106 0,13 4,18*104 * p s R ( p) 3, 24*103 * p K 308, 64 i K sT2 2*600* 2, 70*106 Hàm truyền hệ hở sau: Gh( s ) R( s ) * Gv( s ) Vậy hàm truyền hệ hở là: Ghv ( s ) 0, 2508s 600 3,655*10 s 1,364*106 s 0,00324s 12 Ta có đồ thị bobe hàm truyền hệ hở tìm được: Hình Đồ thị bode hàm truyền hệ hở Ghv(s) Nhận thấy độ dự trữ pha 65,60 tần số cắt 26,8 (kHz) đạt tiêu chuẩn đặt 5.2.4 Bộ điều khiển dòng điện Điều khiển dòng điện cần tìm hàm truyền dòng điện hệ số điều chế D Ta có: Vin 600(V ) Vin (R.C.s+1) i L (s) R 0,67() G i (s) = = với ˆ R.L.C.s +Ls+R d(s) L 282( H ) C 4( F ) Ta hàm truyền điều khiển dòng điện: i L (s) 1,608*103 * s 600 G i (s) = ˆ 7,558*1010 * s 0, 282*103 * s 0,67 d(s) 43 Chương Thiết kế mạch lực mạch điều khiển Sự dụng điều khiển PI làm tăng hệ số khuếch đại dải tần số thấp, giảm nhiễu tần số thấp giảm sai lệch tĩnh Muốn làm ta phải đưa thêm điểm “không” nghịch đảo (inverted zero) vào hệ số khuếch đại vòng lặp tần số fL Để không thay đổi độ trữ pha θ mong muốn tần số fc fL ≤ fc/10 thành phần I làm giảm độ giữ trữ pha Sử dụng lệnh bode phần mềm Matlap để vẽ đồ thị bode hàm Gi(s): Hình 10 Đồ thị Bode hàm Gi(s) Từ đồ thị ta thấy độ dự trữ pha 900 tần số cắt 339(kHz) Ta chọn điều khiển PI để điều khiển dòng điện hệ thống Bộ điều khiển PI có dạng: Gci ( s ) Gci _ (1 Li ) s Để hạn chế ảnh hưởng thay đổi độ trữ pha θ, ta lựa chọn tần số ωLi 1/10 tần số cắt ωc(339kHz) Vậy Li 33,9( kHz) Hệ số Gci_0 chọn cho: Gci ( j ) * Gi ( j ) c Mà : Gci ( j ) c Gci _ * ( Li ) 1,005* Gci _ C Ta thay vào hàm truyền sử dụng câu lênh: [mag,phase]=bode(Gi,2*pi*339*10^3) ta được: Gi ( j ) 2 *339*103 0,9991 Gci _ 0,996 0,9991*1,005 Vậy: 44 Chương Thiết kế mạch lực mạch điều khiển Gci ( s ) Gci _ (1 Bộ PI có dạng: Gci ( s ) k P Li s ) 0,996*(1 2 *33,9*103 ) s kI k P 0,996 k I 212148 s Ta có hàm truyền hệ hở sau: Gh ( s ) Gci ( s ) * Gi ( s ) Ta hàm truyền hệ hở sau: Ghi ( s ) 1, 6022*103 s 938, s 1, 27*108 7,558*1010 s3 0, 000282s 0, 67 s Hình 11 Đồ thị hàm bode hàm truyền hệ hở Ghi(s) Nhận thấy điều khiển PI đáp ứng đủ yêu cầu điều khiển đặt 45 Chương Mô Chương MƠ PHỎNG 6.1 Mơ mạch lực 6.1.1 Khối Buck Nếu dùng Buck khối Buck đơn khối gồm Mosfet, Diode cuộn dây, tụ điện Nhưng Buck pha có số thây đổi, hình ảnh Buck pha Hình Sơ đồ khối buck Do ắc quy có công suất lớn, lên tới 60(kWh), thời gian mô lâu, nên em sử dụng tải tương đương R để kiểm chứng thiết kế mạch lực 6.1.2 Khối tạo xung Do tạo xung PWM cho buck nên khối tạo xung cần xung cưa trễ pha với góc 3600/6=600 Tần số xung 100 (kHz) 46 Chương Mơ Hình Khối tạo xung Vì điều khiển Buck nên ta cần khối phát xung cưa gồm xung cưa giống tần số, lệch góc 600 Hình Hình dạng xung cưa 47 Chương Mô Như chung ta có đồ thị xung PWM có hệ số điều chế D bị dịch pha góc 600 Hình Hình dạng xung PWM 6.1.3 Dòng điện điện áp Hình Dạng dòng điện pha Ta thấy dạng dòng điện pha tương tự lệch pha góc 600 48 Chương Mơ Hình 6 Độ đập mạch dòng điện trước tụ điện Ta thấy sai số dòng điện thấp, dòng điện đặt 643,5(A) sai số lớn chưa đến 0,3(A) Điều cho thấy điều khiển đạt tiêu chuẩn thiết kế Hình Độ đập mạch điện áp tụ điện 49 Chương Mô Nhận thấy thời gian đáp ứng hệ thống nhanh, khả bám điện áp đặt tốt, sai số gần không đáng kể, sai số lớn vào khoảng 0,25(V) Vậy điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế đặt 6.2 Mô khối điều khiển Hình Sơ đồ điều khiển Do ắc quy có cơng suất lên tới 60(kWh), thời gian mơ lớn Trong mô để thuận lợi em thay ắc quy tải R tương đương Ta có mạch điều khiển dòng điện điện áp Hình Sơ đồ mạch điều khiển điện áp 50 Chương Mơ Hình 10 Sơ đồ mạch điều khiển dòng điện 6.2.1 Mơ đáp ứng điều khiển điện áp Ta cho thay đổi điện áp đặt từ 430(V) xuống 420(V) lại cho lên 430(V) để kiểm tra điều khiển điện áp Hình 11 Dạng điện áp đầu Ta thấy điện áp đầu bám mức điện áp đặt Tại thời điểm chuyển mạch, độ đập mạch lớn, khoảng thời gian ngắn, điện áp ổn định lại Nên điều khiển điện áp đáp ứng yêu cầu 6.2.1 Mô đáp ứng điều khiển dòng điện Cũng giống mô điều khiển điện áp, ta mơ q trình chuyển từ 143(A) lên 643,5(A) xuống lại mắc 143(A) 51 Chương Mô Hình 12 Dạng dòng điện đầu Ta thấy dòng điện bám nhanh theo giá trị đặt, thời điểm chuyển mạch, độ đập mạch lớn thời gian ngắn Bộ điều khiển đạt yêu cầu 52 Kết luận KẾT LUẬN Sau trình học tập nghiên cứu, em thu nhiều kiến thức bổ ích Đề tài “Thiết kế sạc ắc quy cho ô tô điện” đề tài hay bổ ích, vừa giúp em vận dụng kiến thức ghế nhà trường, vừa giúp em tăng hiểu biết vấn đề thực tế xã hội Giúp em hiểu kiến khơng xa với thực tế Việc hồn thành đề tài giúp em kiểm nghiệm lại kiến thức tảng Việc sử dụng linh hoạt Buck pha mang lại nhiều lợi ích Trong giới hạn đồ án em thu số kết sau: Nghiên cứu tình hình chung ô tô điện tương lai phát triển Các phương pháp sạc có, phương pháp có ưu nhược điểm Thiết kế Buck pha Thiết kế hệ thống điều khiển q trình sạc Mơ kiểm chứng điều khiển Nhưng tồn vấn đề chưa giải Chưa thể mô ắc quy mà dùng tải R tương đương Chỉ thực tính tốn mơ Buck pha Chưa thể làm sản phẩm thực mà mô Matlap Em cố gắng tiếp tục tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết Em xin chân thành cám ơn q thầy mơn Tự Động Hóa Cơng Nghiệp – Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đặc biệt thầy TS tận tình hướng dẫn, bảo, giúp đỡ em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cám ơn Hà nội, ngày tháng năm 20118 Sinh viên thực 53 Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Elie Ayoub*, Nabil Karami, “Review on The Charging Techniques of a Li-ion Battery”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, pp 50-55 [2] Ikeya, T Sawada, N Murakami, J I Kobayashi, K Hattori, M Murotani, N …,“Multi-step constant-current charging method for an electric vehicle nickel/metal hydride battery with high-energy efficiency and long cycle life”, Journal of power sources, 2002, pp 6-12 [3] Liu, Y.H Hsieh, C H & Luo, Y F., “Search for an optimal five-step charging pattern of Li-ion batteries using consecutive orthogonal arrays”, IEEE Transactions on Industrial Electronic, 2011, pp 654-661 [4] Mohamed A Shrud, Ahmad Kharaz, Ahmed S Ashur, Mustafa Shater and Ismail Benyoussef, “A Study of Modeling and Simulation for Interleaved Buck Converter”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2010, pp 28-35 [5] Weixiang Shen, Thanh Tu Vo, Ajay Kapoor, “Charging Algorithms of Lithium-Ion Batteries: an Overview”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2011, pp 15671572 [6] Kae Wong, David Evans, “Merits of multiphase buck DC/DC converters in small form factor applications”, Texas Instruments,2015 [7] P.H.L Notten, J.H.G Op het Veld, J.R.G van Beek, “Boostcharging Li-ion batteries: A challenging new charging concept”, Journal of Power Sources 145, 2005, pp 89-94 [8] Nguyễn Duy Đỉnh, “”Quy trình nạp ắc quy Lithium-ion”, Tạp chí tự động hóa ngày nay, 2012, số 144(12/2012) [49] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, giảng mơn học, 2014 [10] Nguyễn Dỗn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2009 [11] Trang web: www.tesla.com/models?redirect=no, lần truy cập cuối 1/1/2018 54 Phụ lục PHỤ LỤC P1 Các số liệu dùng mô Bảng P.1 Tham số Buck Tham số Giá trị Điện áp đầu vào 600 V Điện áp đầu 430 V , 420 V Dòng điện cao 643,5 A Dòng điện thấp 143 A Tải tương đương 0,67 Ω Tần số 100 kHz Điện cảm L 47 µH Điện dung C µF P2 Chương trình tính tốn vẽ đồ thị bode Matlap v=600; >> r=0.67; >> l=282*10^-6; >> c=4*10^-6; >> Gv=tf([0 v],[l*c l/r 1]) Gv = 600 1.128e-09 s^2 + 0.0004209 s + Continuous-time transfer function 55 Phụ lục >> bode(Gv) >> Rv=tf([4.18^10-4 1],[3.24*10^-3 0]) Rv = 1.628e06 s + -0.00324 s Continuous-time transfer function >> Rv=tf([4.18*10^-4 1],[3.24*10^-3 0]) Rv = 0.000418 s + -0.00324 s Continuous-time transfer function >> Gh=Gv*Rv Gh = 0.2508 s + 600 3.655e-12 s^3 + 1.364e-06 s^2 + 0.00324 s Continuous-time transfer function >> bode(Gh) >> Gi=tf([v*r*c v],[r*l*c l r]) Gi = 0.001608 s + 600 7.558e-10 s^2 + 0.000282 s + 0.67 Continuous-time transfer function >> bode(Gi) 56 Phụ lục >> Gci=tf([0.996 0.996*2*pi*33.9*10^3],[1]) Gci = 0.996 s + 2.121e05 Continuous-time transfer function >> Gci=tf([0.996 0.996*2*pi*33.9*10^3],[1 0]) Gci = 0.996 s + 2.121e05 -s Continuous-time transfer function >> Gh1=Gci*Gi Gh1 = 0.001602 s^2 + 938.7 s + 1.273e08 7.558e-10 s^3 + 0.000282 s^2 + 0.67 s Continuous-time transfer function >> bode(Gh1) 57 ... đề tài hay thiết thực nên em chọn : Thiết kế sạc ắc quy điện cho ô tô điện Bản đồ án gồm nội dung sau: Khảo sát loại ắc quy thường dùng cho ô tô điện Khảo sát phương pháp nạp ắc quy loại LI-ion... VỀ Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô điện 1.2 Một số loại ô tô điện thị trường ngồi nước 1.2.1 Xe tơ lai điện động đột 1.2.2 Xe ô tô điện 100% dùng điện 1.3 Ắc quy. .. tơ điện di chuyển xa hơn, đâu Dưới ô tô điện sạc điện trạm sạc điện miễn phí Hình Mẫu Tesla Model S trạm sạc Tesla Supercharger bang California (Mỹ) 1.3 Ắc quy ô tô điện Việc thiết kế ắc quy