Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI ĐĂNG QUANG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG NGUỒN LAI ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG Ô TÔ ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội – 2020 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Tạ Cao Minh Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết luận án: Quản lý lượng hướng nghiên cứu quan trọng lĩnh vực nghiên cứu ô tô điện, phương tiện di chuyển coi thay hồn tồn cho tơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch tương lai gần Hiện nay, ô tô điện thương phẩm sử dụng chủ yếu ắc quy làm thiết bị lưu trữ lượng Ắc quy cho thiết bị phù hợp với ô tô điện với ưu trội mật độ lượng lớn khả vận hành điều kiện khắc nghiệt Tuy nhiên, nhược điểm khả huy động công suất (mật độ công suất thấp) thu hồi lượng (quá trình sạc xảy chậm) giới hạn khả hãm tái sinh huy động công suất hệ thống Với đặc điểm vận hành thiết bị di chuyển nói chung việc tăng tốc giảm tốc diễn thường xuyên dẫn đến huy động công suất theo hai chiều biến động mạnh, nguyên nhân gây suy giảm tuổi thọ ắc quy Vì lý mà nghiên cứu hướng nghiên cứu quản lý lượng sử dụng thêm siêu tụ để trợ giúp ắc quy việc thu hồi lượng huy động công suất ngắn hạn, việc giúp gia tăng quãng đường di chuyển ô tô điện tuổi thọ ắc quy Khi hệ thống lưu trữ lượng chuyển từ sử dụng ắc quy thành hệ thống lưu trữ lượng lai ắc quy – siêu tụ phát sinh vấn đề phân phối công suất yêu cầu từ hệ thống cho thiết bị lưu trữ lượng Luận án tập trung vào việc quản lý lượng (phân phối công suất cho thiết bị lưu trữ lượng) cho hiệu mục tiêu tối đa hóa tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá trị cao tô điện Mục tiêu phương pháp nghiên cứu luận án: Trong phạm vi luận án, tác giả mơ hình hóa mơ hệ thống để khảo sát nhu cầu lượng trường hợp cụ thể để từ thiết kế điều khiển với nguyên tắc chung cho hệ thống lưu trữ lượng lai siêu tụ - ắc quy Các điều khiển thiết kế dựa phương pháp dựa tần số điều khiển mờ thuộc nhóm phương pháp dựa luật điều khiển phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programing) Mục tiêu điều khiển giải vấn đề tối đa hóa tuổi thọ ắc quy với biến trạng thái điện áp siêu tụ, dòng điện yêu cầu hệ thống tốc độ xe, với biến điều khiển dòng điện đặt cho ắc quy Việc điều khiển dòng điện ắc quy dựa DC-DC nối siêu tụ DC bus điện áp ắc quy Các kết mô kiểm chứng đánh giá, riêng kết phương pháp dựa tần số kiểm chứng hệ thống mô thời gian thực HIL 402 hãng Typhoon Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện chia làm ba loại ô tô lai (lai xăng điện HEVs), ô tô điện sử dụng ắc quy (EVs) ô tô điện sử dụng fuel cell (FCEVs) Mỗi loại xe có ưu nhược điểm riêng, nhiên tựu chung ưu điểm xe điện là: Ưu điểm:  Khả hãm tái sinh  Thân thiện với môi trường  Hệ truyền động sinh mơ-men xoắn lớn, có khả chịu tải tốt đáp ứng mô-men nhanh  Có thể bố trí linh động động  Mơ-men xoắn động tính tốn thơng qua đại lượng đo động qua áp đặt mơ men nhanh xác Các nhược điểm HEVs, FCEVs khả thu hồi lượng độ an toàn nhiệt độ khiến cho tương lai HEVs, FCEVs không khả quan Vì vậy, tương lai thuộc xe EVs đối tượng nghiên cứu luận án 1.2 Khái quát thiết bị lưu trữ lượng sử dụng EVs EVs sử dụng nguồn lượng ắc quy nhiên để gia tăng hiệu sử dụng ắc quy EVs cần thiết bị lưu trữ lượng phụ trợ Để làm rõ mục đích sử dụng nguồn lượng ta cần quan tâm đến mật độ công suất mật độ lượng Hai tham số quan trọng ESS cho quan trọng mật độ cơng suất mật độ lượng Trong đó, mật độ cơng suất tính dựa tỉ số trọng lượng khả huy động công suất, đơn vị W/kg Mật độ lượng tính dựa tỉ số trọng lượng khả lưu trữ lượng, đơn vị Wh/kg Hai tham số sở để so sánh thiết bị lưu trữ lượng đánh giá tính phù hợp thiết bị lưu trữ lượng sử dụng EVs Đặc tính mật độ cơng suất mật độ lượng gọi Ragone plane Hình 1.6 Ragone plane[4] Thiết bị lưu trữ lượng ắc quy có ưu nhược điểm sau:  Độ tin cậy cao  Mật độ lượng lớn  Quá trình tự xả không sử dụng chậm (low self-discharge)  Cho phép nạp với dòng định mức lớn cho phép sạc nhanh  Cho phép sạc nhồi (sạc ắc quy chưa kiệt) mà ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy  Có thể hoạt động dải nhiệt độ rộng Do đặc điểm vận hành EVs nên thiết bị lưu trữ lượng phụ trợ cần có yêu cầu sau:  Mật độ công suất lớn  Khả huy động dòng điện (di/dt) lớn  Tuổi thọ nạp xả cao  Khả thu hồi lượng lớn  Hiệu suất cao  Tự trọng nhỏ Với tiêu chí kể siêu tụ hai thiết bị lưu trữ lượng phù hợp để hỗ trợ pin li-ion HESS 1.3 Cấu trúc EVs sử dụng luận án Trong phạm vi nghiên cứu, EVs cấu thành từ thành phần sau (Hình 1.22):  Động cấu truyền động  Hệ thống lưu trữ lượng  Các biến đổi công suất  Bộ điều khiển trung tâm Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển hệ lượng lai ắc quy siêu tụ cho ô tô điện 1.4 Tổng quan quản lý lượng ô tô điện Quản lý lượng tơ điện nói chung (gồm EVs, HEVs FCEVs) nhằm ba mục đích: Kéo dài tuổi thọ ắc quy, gia tăng quãng đường cải thiện hiệu suất động đốt (ICE) [41] Như vậy, quản lý lượng đưa tốn tối ưu hóa Trong phạm vi luận án, tác giả chia quản lý lượng thành hai nhóm 1) nhóm phương pháp dựa luật điều khiển 2) phương pháp tối ưu, Hình 1.21 Dưới số phương pháp phù hợp với quản lý lượng ô tô điện a) Các phương pháp điều khiển dựa luật điều khiển tiền định  Phương pháp on/off Đây phương pháp đơn giản, dễ thực bền vững thực ADVISOR để mô triển khai thực tế Honda Insight Toyota Prius [2] Phương pháp dựa tín hiệu thiết bị lưu trữ lượng để định sử dụng nguồn lượng Hình 1.21 Các phương pháp quản lý lượng [2] Phương pháp dựa tần số Phương pháp điều khiển dựa tần số thường dựa lọc thông thấp (Low Pass Filter – LPF) thông cao (High Pass  Filter – HPF) để tạo giá trị đặt cho điều khiển thiết bị lưu trữ lượng Đây phương pháp hiệu đơn giản dựa đặc điểm số thời gian thiết bị lưu trữ lượng b) Các phương pháp điều khiển dựa trí tuệ nhân tạo  Phương pháp điều khiển mờ Phương pháp điều khiển mờ phương pháp quan tâm nói đến quản lý lượng phương pháp gần với việc định người lái Phương pháp phù hợp với hệ thống có điều kiện hoạt động bất định tơ  Phương pháp mạng nơ ron nhân tạo Phương pháp trí tuệ nhân tạo hướng nghiên cứu quan tâm năm gần cho quản lý lượng ô tô điện Về nguyên tắc, là phương pháp tốt đạt tới cơng cao lại địi hỏi tài ngun cho việc tính tốn lớn c) Các phương pháp tối ưu toàn cục (Global Optimization)  Nguyên lý cực đại Pontryagin (Pontryagin’s minimum principle - PMP) Ở đây, tên gọi nguyên lý (principle) mang hàm ý nêu lên tính chất phải có tín hiệu điều khiển tối ưu chưa phải hồn tồn phương pháp xác định tín hiệu điều khiển tối ưu  Phương pháp quy hoạch động (Dynamic Programming - DP) Theo [2], phương pháp quy hoạch động phương pháp cho kết tối ưu tồn cục khơng thể điều khiển thời gian thực yêu cầu tất trạng thái phải biết trước q trình tính tốn lại thực ngược từ cuối lên [35, 36] nên phương pháp thường sử dụng để tạo giá trị tham chiếu so sánh với với phương pháp điều khiển thời gian thực đặc biệt phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu (Real-time Optimization) d) Các phương pháp điều khiển thời gian thực cận tối ưu (Realtime Optimization)  Cực tiểu hóa đương lượng (equivalent fuel consumption minimization strategy (ECMS)) Phương pháp ECMS dựa hàm mục tiêu có thành phần mức tiêu thụ nhiên liệu biến hàm mục tiêu toàn cục (global cost function) thành hàm mục tiêu địa phương (local cost function) [2] Như vậy, chất phương pháp dựa phương pháp tối ưu toàn cục DP hay PMP để thiết kế chiến lược điều khiển  Điều khiển dự báo (Model predictive control (MPC)) Điều khiển dự báo chuyển toán điều khiển tối ưu (optimal control) thành toán tối ưu hóa (optimization) cách dự đốn thơng tin xe điều kiện khác dựa mô hình trạng thái trước xe Việc dự tốn giúp cho việc tính tốn đưa giá trị điều khiển phương pháp tối ưu hóa giá trị tối ưu mơ hình hồn tồn xác Tuy nhiên, việc đưa mơ hình hồn tồn xác việc bất khả thi việc thân xe có gặp đại lượng bất định nên toán coi cận tối ưu Mặc dù phương pháp cận tối ưu lại phương pháp có khả điều khiển thời gian thực 1.5 Mục tiêu nghiên cứu giới hạn nội dung nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Với tìm hiểu đối tượng EVs sử dụng hệ thống lưu trữ lượng lai, nội dung luận án tập trung vào việc thiết kế điều khiển dòng lượng theo hướng gia tăng quãng đường tuổi thọ ắc quy Việc điều khiển dòng lượng phải phối hợp chặt chẽ với điều khiển biến đổi cơng suất Cấu hình cụ thể hệ thống trình bày Hình 1.22 Giới hạn nội dung nghiên cứu Trên sở thông tin phân tích trên, kết hợp với điều kiện thí nghiệm sở vật chất có phục vụ cho nghiên cứu, luận án thực nội dung nghiên cứu sở sau:  Đối với việc quản lý lượng, kết nghiên cứu dựa chu trình chuẩn nội châu Âu ECE [77]  Các thành phần mơ hình hóa gồm: Ơ tơ điện sở EV i-MiEV hãng Mitsubishi, siêu tụ sử dụng EMHSR0062C0-125R0S hãng Nesscape với dung lượng 62F điện áp định mức 125VDC, ắc quy hệ thống với dung lượng 50Ah điện áp định mức 330V, động truyền động loại IPM công suất 47kW với thông số xác định thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu Việc nghiên cứu luận án thực với bước cụ thể sau:  Tổng quan vấn đề cần nghiên cứu   Chọn lựa cấu trúc cho hệ thống Chọn lựa phương pháp phương án điều khiển phù hợp với đối tượng nghiên cứu  Mơ hình hóa mơ hệ thống lượng ô tô điện để khảo sát nhu cầu lượng trình cụ thể để từ tính tốn, thiết kế điều khiển vịng ngồi (vịng quản lý lượng)  Thiết kế điều khiển lượng cho hệ thống lưu trữ lượng lai siêu tụ - ắc quy với điều khiển thời gian thực điều khiển dựa tần số, điều khiển mờ phương pháp phối hợp điều khiển mờ tần số  Thiết kế điều khiển lượng cho hệ thống lưu trữ lượng lai siêu tụ - ắc quy với thuật toán tối ưu phương pháp quy hoạch động phương pháp biến phân  Đánh giá so sánh kết sở gia tăng quãng đường tuổi thọ ắc quy  Các kết mô kiểm chứng Matlab/Simulink phần triển khai hệ thống mô thời gian thực HIL402 hãng Typhoon mơ hình thực nghiệm Chương 2: MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ơ TƠ ĐIỆN 2.1 Mơ hình hóa động lực học tơ điện Hình 2.1 Các thành phần lực tác động lên tơ [78] Hình 2.1cho ta thấy, lực phát động xe sinh điểm tiếp xúc bánh phát động đường Lực bắt nguồn từ động cơ, qua hệ thống truyền động chuyển đến bánh phát động Xét trường hợp 10 động tốt dịng điện u cầu xe tơ điện i-MiEV hoạt động với chu trình lái ECE Hình 2.21 đủ tin cậy Hình 2.21 Dịng điện yêu cầu xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với chu trình lái ECE Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TƠ ĐIỆN 3.1 Điều khiển dịng lượng cho tơ điện theo tần số Phương pháp điều khiển dịng lượng cho ô tô điện theo tần số dựa số thời gian thiết bị lưu trữ lượng để phân phối dòng lượng Cơ sở lý luận phương pháp tác giả dựa lý thuyết Ranone plots (Hình 1.6.) Các bước để xây dựng chiến lược điều khiển gồm: Phân tích dịng điện yêu cầu trường hợp điển hình, lựa chọn tần số cắt tiến hành mô đánh giá Kết phân tích phổ dịng điện Hình 2.26 cho thấy số thời gian sử dụng để làm sở cho chiến lược quản lý lượng nên 20 giây 14 Hình 3.8 Dịng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ dòng điện yêu cầu với điều khiển lượng dựa tần số 3.2 Điều khiển dịng lượng cho tơ điện phương pháp điều khiển mờ Trong phạm vi luận án, tác giả chọn SoC siêu tụ dòng điện yêu cầu (Itract) DC link làm biến đầu vào Ngồi ra, để tăng tính linh động cho hệ thống, tác giả sử dụng thêm tốc độ xe để lựa chọn bảng suy luận mờ Với cấu trúc này, tác giả có thêm lựa chọn cho bảng suy luận mờ với giá trị đầu điều khiển mờ với cấp tốc độ đảm bảo khả huy động công suất từ thiết bị lưu trữ lượng Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng chu trình thử ECE chia vận tốc xe chia làm ba dải tốc độ là: Tốc độ thấp: từ – 15 km/h, tốc độ tr.bình: từ 15 – 40 km/h, tốc độ cao: 40 km/h Hàm liên thuộc biểu diễn dòng điện yêu cầu, SoC siêu tụ dòng điện ắc quy trình bày Hình 3.12, 3.13 3.14 Hình 3.12 Mờ hóa dịng điện u cầu (Itract) 15 Hình 3.13 Mờ hóa SoC siêu tụ SoC Siêu tụ SoC Siêu tụ Hình 3.14 Khâu giải mờ cho giá trị đặt dòng điện ắc quy tác giả sử dụng ba cấp tốc độ có ba bảng suy luận mờ tương ứng Bảng 3.2 Bảng suy luận mờ xây dựng sở  Dịng điện ắc quy khơng phép âm để đảm bảo tuổi thọ ắc quy qua thông số số lần nạp xả  Ở tốc độ cao dịng điện ắc quy cao  Dịng điện u cầu cao dịng điện chia sẻ cho ắc quy cao  Dòng điện ắc quy tỉ lệ nghịch với SoC siêu tụ Bảng 3.2 Bảng suy luận mờ Dòng điện yêu cầu Tốc độ thấp -1 1 2 3 2 3 0 2 0 Dịng điện u cầu Tốc độ trung bình -1 3 3 2 3 3 3 0 16 SoC Siêu tụ Tốc độ cao -1 Dòng điện yêu cầu 4 4 3 5 4 Hình 3.20 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ dòng điện yêu cầu với điều khiển mờ 3.3 Thiết kế điều khiển mờ kết hợp lọc thông thấp Tác giả nhận thấy, điều khiển mờ điều khiển dựa tần số có ưu nhược điểm riêng ưu nhược điểm từ góc nhìn tác giả bù trừ cho Vì tác giả đề xuất phương án sử dụng điều khiển mờ kết hợp lọc thông thấp để gia tăng hiệu điều khiển Hình 3.21 Cấu trúc điều khiển kết hợp mờ lọc thông thấp Ở phần trên, tác giả thiết kế điều khiển mờ kết hợp lọc thông thấp bước tiến hành phân tích phổ giá trị đặt dòng điện đầu điều khiển mờ Sau phân tích, số thời gian sử dụng để làm sở cho chiến lược quản lý lượng 20 giây 17 Hình 3.28 Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ dòng điện yêu cầu với điều khiển mờ kết hợp lọc thơng thấp 3.4 Điều khiển dịng lượng cho ô tô điện phương pháp quy hoạch động Phương pháp quy hoạch động xuất phát từ phát biểu: Mọi khúc cuối quỹ đạo trạng thái tối ưu tối ưu (theo [52]) Trong phạm vi nghiên cứu, chiến lược tối ưu hóa mà nhóm tác giả áp dụng nhằm mục đích gia tăng tuổi thọ ắc quy chiến lược lai giảm thiểu tổn thất chi phí vận hành ắc quy thành phần đắt tiền có chi phí vận hành cao tơ điện Vì thơng số lựa chọn để tối ưu hóa tổn thất nhiệt trình hoạt động ắc quy Dựa cấu hình trình bày Hình 1.21., mối quan hệ dòng điện điện áp hệ thống xác định bởi:  ubat  uSC  (3.7) m  itract  ibat  ichop  ibat  m.i SC  Phương trình trạng thái biểu diễn hệ thống xác định bởi: t  u SC  u SC (0)   iSC ( ) d (3.8) C0   ubat  Vbat  rbat ibat  Biến trạng thái biến điều khiển giới hạn ràng buộc cụ thể sau: 18 uSC _  uSC  uSC _max   uSC (0)  uSC (T )  0,95* uSC _max (3.11)  ibat  itract (3.12) Để giảm thiểu tổn thất ắc quy tồn chu trình, hàm mục tiêu xác định sau: T J   rbat ibat (t )dt (3.13) Hình 3.30 biểu diễn q trình tính tốn phương pháp DP bước tính thứ (k), biết hàm tối ưu bước (k+1) đến N Hình 3.30 Q trình tính tốn phương pháp quy hoạch động Hình 3.35 Dịng điện ắc quy, dịng điện siêu tụ dòng điện yêu cầu với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa 3.5 Giải toán tối ưu đơn mục tiêu phương pháp biến phân Quan sát kết trên, nhận thấy q trình tính tốn hồn tồn khơng chạm đến biên ràng buộc Vì vậy, hệ thống hồn toàn đủ điều kiện để triển khai phương pháp biến phân cho kết tối ưu toàn cục Khi hệ thống mơ hình hóa phương 19 trình trạng thái (3.10) với ràng buộc (3.11), (3.12) toán tối ưu hàm mục tiêu (3.13) có ràng buộc (3.16), (3.17) với hệ hở là: uSC _  uSC  uSC _max  (3.16)  uSC (0)  uSC (T )  0,95* uSC _max (3.17)  ibat  itract Phương trình (3.10) viết lại sau: d (3.19) ( C.uSc2 )  (Vbat  rbat ibat )(ibat  itract ) dt Chọn biến đồng trạng thái λ cho: f ( x, ibat ) g ( x, ibat ) d (3.22)    dt x x Đặt hàm Hamilton sau: 2    f ( x, ibat )  g ( x, ibat )   (rbat ibat  (Vbat  rbat itract )ibat  Vbat itract )  rbat ibat (3.23) Với hàm Hamilton (3.23) phương trình trạng thái biến đồng trạng thái trở thành:  dx H * *  dt     rbat  ibat   Vbat  rbat itract  ibat (t )  Vbat itract (3.26)  d   H   0 dt x  Giải hệ phương trình (3.26) dẫn đến kết x λ xác định Từ đó, luật điều khiển tối ưu ibat* hoàn toàn xác định theo (3.25) Với giả thiết itract coi nhiễu biến thiên biết trước tốn tối ưu tồn cục với điều kiện hàm tường Tuy nhiên, trường hợp itract xác định dạng tường minh nên trình gián đoạn hóa bắt đầu giải phương trình Ngồi ra, biến trạng thái SoC siêu tụ xuất biến đồng trạng thái λ q trình tính tốn, thời điểm cập nhật giá trị itract coi SoC siêu tụ số vậy, từ (3.26) với   A ta có:  1 V * (3.28) ibat  A.( bat  itract ) rbat 20 Q trình tính tốn thể lưu đồ Hình 3.36 Kết luận đánh giá kết Bảng 3.7 so sánh thơng số kỹ thuật chất lượng dòng điện phương pháp biến phân với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa các phương pháp dựa luật điều khiển Kết cho thấy giá trị tham chiếu tạo phương pháp biến phân sau:  Tổn thất nhỏ 2,8 lần so với phương pháp tốt ba phương pháp dựa luật điều khiển thấp 7% so với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa  Giá trị đỉnh dòng điện nhỏ gần 2,3 lần so với điều khiển mờ kết hợp lọc thông thấp thấp 6% so với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa  Tác giả khơng so sánh sóng hài dịng điện đặt cho ắc quy có đập mạch khơng đáng kể Các kết phương pháp biến phân cải thiện q trình rời rạc hóa đưa cuối q trình tính tốn Đây coi giá trị tham chiếu để so sánh với kết phương pháp điều khiển đáp ứng thời gian thực việc nâng cao tuổi thọ ắc quy giảm tổn hao nhiệt Bảng 3.7: Đánh giá chất lượng dòng điện phương pháp biến phân với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa các phương pháp dựa luật điều khiển Năng lượng tiêu THD Dòng Tham số đánh giá tán ắc quy (%) điện ắc cho chu quy lớn Bộ điều khiển trình(Wh) (A) Sử dụng ắc quy 0,2186 323,65 12,5 Bộ điều khiển mờ 0,09681 171,42 7,6 Bộ điều khiển dựa theo tần số 0,08671 159,57 5.5 Bộ điều khiển mờ kết hợp lọc 0,06948 104,17 4.2 thông thấp Phương pháp quy hoạch động 0,0267 1,845 theo hướng rời rạc hóa Phương pháp biến phân 0,0248 1,732 3.6 21 Hình 3.36 Lưu đồ tính tốn giá trị tối ưu cho giá trị đặt dòng điện ắc quy Hình 3.42 Dịng điện ắc quy, dịng điện siêu tụ dòng điện yêu cầu xác định phương pháp biến phân 22 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MƠ PHỎNG THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 4.1 Xây dựng hệ thống mơ HIL cấp tín hiệu (Signal level HIL simulation) sở HIL 402 hãng Typhoon Xây dựng mơ hình hệ thống HIL vi điều khiển Trong phạm vi luận án, Typhoon HIL 402 Typhoon có nhiệm vụ giả lập phần cứng với bước tính 1µs, board mạch DSP dựng sẵn mua kèm theo hệ thống sử dụng vi điều khiển DSP TMS320F2808 hãng Texas Intrustment làm vi điều khiển trung tâm thực cấu trúc điều khiển Hình 4.4 Hình 4.6 Kết thể Hình 4.6 Hình 4.4 Cấu trúc mơ thời gian thực cấp tín hiệu sử dụng HIL 402 Typhoon cho ô tô điện i-MiEV Hình 4.6 Cấu trúc hệ thống phần cứng i-MiEV HIL402 23 Speed (m/s) 20 10 0 50 100 150 200 250 300 350 400 50 100 150 200 250 300 350 400 50 100 150 200 250 300 350 400 It ract (A) 20 10 -10 Is c (A) 20 10 -10 Ib at (A) -5 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 t(s) Hình 4.12 Tốc độ, dịng điện u cầu, dịng điện siêu tụ dòng điện ắc-quy 4.2 Xây dựng mơ hình mơ HIL thu nhỏ (Reduced-Scale HIL Simulation) Trong phạm vi luận án, tác giả xây dựng mơ hình mơ HIL thu nhỏ với sở là:  Siêu tụ 62F/125VDC thay siêu tụ 58F/16,2VDC  Bộ biến đổi công suất DC-DC DC-AC dựa module van công suất thông minh IPM 6MBP50VDA120-50 1200V / 50A  Mạch điều khiển sử dụng card TMS320F28069M Texas Instruments  Ắc quy sử dụng hai 7,2 Ah-12V nối tiếp 4.3 Kết luận: Chương xây dựng thành công hệ thống quản lý lượng cho ô tô điện tảng HIL402 Typhoon bước đầu xây dựng cấu hình vật lý dạng thu nhỏ Các kết nghiên cứu với HIL402 tạo tảng cho việc triển khai kiểm chứng thuật toán khác cho quản lý lượng cho tơ điện cách nhanh chóng Đây coi sở để tiến hành bước nghiên cứu tương lai cho quản lý lượng cho ô tô điện Các kết nghiên cứu với hệ thống sử dụng cấu hình vật lý dạng thu nhỏ minh chứng khả hoạt động mạch điện thực tiền đề để xây dựng hệ thống đủ công suất (full-size) lắp ô tơ điện 24 Hình 4.20 Mơ hình mơ HIL thu nhỏ hệ thống quản lý lượng Hình 4.25 4.27 Dòng điện nhánh van chế độ nạp xả siêu tụ điều khiển vòng kín dịng điện đặt ±2A 25 KẾT LUẬN Các đóng góp luận án Với mục tiêu quản lý lượng cho ô tô điện dựa hệ lưu trữ lượng lai, luận án có số đóng góp sau:  Xây dựng mơ hình thành phần cấu thành hệ thống lượng lai làm sở thiết kế hệ thống điều khiển hồn chỉnh cho tơ điện nói chung quản lý lượng cho tơ điện nói riêng;  Thiết kế xây dựng hệ thống mô Hardware-in-the-loop cho xe ô tô điện tảng HIL 402 Typhoon mơ hình vật lý thu nhỏ Các kết nghiên cứu lý thuyết kiểm chứng phần hệ thống mô Hardware-in-the-loop; Triển khai thuật toán điều khiển thời gian thực gồm điều khiển dựa theo tần số, điều khiển mở, điều khiển phối hợp mờ lọc thông thấp Các kết cho thấy phương pháp phát huy hiệu định theo mục tiêu luận án Ngoài ra, phương pháp tối ưu phương pháp quy hoạch động phương pháp biến phân triển khai để tạo giá trị tham chiếu so sánh với phương pháp điều khiển thời gian thực Trong phương pháp điều khiển khiển trên, tác giả đề hai thuật toán quản lý lượng là: thuật toán kết hợp điều khiển mờ với điều khiển dựa tần số thuật toán sử dụng phương pháp biến phân Các hạn chế luận án Mặc dù kết luận án chứng sở tốn học, mơ mơ thời gian thực, nhiên kết nghiên cứu hạn chế  Chưa thử nghiệm thuật toán tảng tơ thực  Bài tốn tối ưu dừng lại đơn mục tiêu Hướng nghiên cứu Nhắm khắc phục hạn chế luận án, tác giả đề xuất hướng nghiên cứu giải vấn đề cịn tồn luận án  Triển khai thuật toán quản lý lượng ô tô i-MiEV Mitsubishi  Nghiên cứu giải toán tối ưu đa mục tiêu 26 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Bùi Đăng Quang, Tạ Cao Minh, “Quản lý lượng cho ô tơ điện theo hướng tối cực tiểu hóa tổn thất ắc quy phương pháp quy hoạch động” Tạp chí Khoa học Cơng nghệ trường đại học kỹ thuật, số 141/2020, trang 1-7, 2020 Bùi Đăng Quang, Vũ Đình An, Võ Duy Thành, Tạ Cao Minh, “Chiến lược Quản lý cho hệ Năng lượng lai Xe Ơ tơ điện Cơ sở Điều khiển Mờ” Hội nghị – Triển lãm quốc tế Điều khiển Tự động hóa, VCCA-2019, 2019 Phương Trần Văn, Quang Bùi Đăng, Dương Lê Nam and Địch Nguyễn Quang, “Xây dựng hệ thống thử nghiệm cho hệ truyền động nam châm vĩnh cửu, Hội nghị – Triển lãm quốc tế Điều khiển Tự động hóa, VCCA-2019, 2019 Quang Bui Dang, Nguyen Dinh Ngoc,Vu Hoang Phuong and Minh C.Ta., “Implementation of Frequency-Approach-based Energy Management for EVs using Typhoon HIL402”, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC-2019, 2019 Quang Bui Dang, An Vu Dinh, Thanh Vo-Duy, Minh C Ta., “An Energy Management System Based on Fuzzy–LPF for HESS of Electric Vehicles”, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC-2019, 2019 Dai Duong Vu, Hoang Phuong Vu, Anh Tuan Duong, Phi Anh Nguyen, Bao Binh Pho and Bui Quang Dang, “High efficiency gan fet based three port halfbridge converter” The 2019 International Conference on System Science and Engineering (ICSSE), 2019 Bùi Đăng Quang, Tạ Cao Minh, “Quản lý lượng cho ô tô điện theo hướng tối ưu hóa dịng điện ắc quy sử dụng phương pháp quy hoạch động” Chuyên san kỹ thuật điều khiển tự động hóa, Quyển 21, số 3, Trang 54-60, 2018 Nguyen Nhu Hien, Tran Minh Truong, Vu Hoang Phuong, Nguyen Dinh Ngoc, Quang Bui Dang, Nguyen Huy Phuong, “Implementation of PMSM Servo Drive Using Digital Signal Processing”, 11th Regional Conference on Electrical and Electronic Engineering (RCEEE2018), 2018 Duy-Dinh NGUYEN, Goro FUJITA, Quang BUI-DANG, Minh C TA, “Reduced-order Observer-based Control System for 27 Dual-Active-Bridge DC/DC Converter”, IEEE Transactions on Industry Applications, 2018 10 Bùi Đăng Quang, Tạ Cao Minh, “Điều khiển dịng lượng cho tơ điện theo tần số”, Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ Điều khiển Tự động hoá (VCCA2017), 2017 11 Bùi Đăng Quang, Tạ Cao Minh, “Một phương pháp đơn giản hiệu quản lý hệ lượng lai ắc quy - siêu tụ ô tơ điện”, Hội nghị Điều khiển Tự động hóa cho Phát triển bền vững (CASD 2017), 2017 12 Duy-Dinh NGUYEN, Goro FUJITA, Bui Dang Quang, CaoMinh TA, “New Separate Mode Control Strategy for Three-port Converters”, Hội nghị Điều khiển Tự động hóa cho Phát triển bền vững (CASD 2017), 2017 13 Quang BUI-DANG, Minh C TA, “Study on Super Capacitor and its Application in EV Energy Storage System”, The 9th AUN/SEED-Net Regional Conference on Electrical and Electronics Engineering (RCEEE 2016), 2016 14 Duy-Dinh NGUYEN, Goro FUJITA, Quang BUI-DANG, Minh C TA, “A Reduced-order Observer-based Control System in the Frequency Domain for Dual-Active-Bridge Converter” The 4th International Conference on Sustainable Energy Technologies (ICSET 2016), 2016 (best presentation) 15 Bùi Đăng Quang Tạ Cao Minh, “Phương pháp mơ hình hóa siêu tụ điện sử dụng cơng cụ mơ ADVISOR”, Hội nghị Khoa học toàn quốc lần thứ Cơ kỹ thuật Tự động hóa, 2016 16 Bùi Đăng Quang Tạ Cao Minh, “Khảo sát đặc tính động lực học tơ điện sử dụng cơng cụ mơ ADVISOR”, Hội nghị tồn quốc lần thứ Điều khiển Tự động hóa (VCCA2015), 2015 28 ... QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện chia làm ba loại ô tô lai (lai xăng điện HEVs), ô tô điện sử dụng ắc quy (EVs) ô tô điện. .. động  Hệ thống lưu trữ lượng  Các biến đổi công suất  Bộ điều khiển trung tâm Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển hệ lượng lai ắc quy siêu tụ cho ô tô điện 1.4 Tổng quan quản lý lượng ô tô điện Quản... tụ - ắc quy với điều khiển thời gian thực điều khiển dựa tần số, điều khiển mờ phương pháp phối hợp điều khiển mờ tần số  Thiết kế điều khiển lượng cho hệ thống lưu trữ lượng lai siêu tụ - ắc