BKA-2020-137995

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Tạ Cao Minh Hà Nội – 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết khoa học trình bày luận án thành nghiên cứu thân suốt thời gian làm nghiên cứu sinh hướng dẫn khoa học PGS.TS Tạ Cao Minh chưa xuất công bố tác giả khác Các kết đạt xác trung thực Hà Nội, ngày … … tháng … … năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Tạ Cao Minh Bùi Đăng Quang i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, xin bày tỏ biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn PGS.TS Tạ Cao Minh người đứng bên với kiên nhẫn uyên bác chuyên môn động viên giúp đỡ tơi lúc khó khăn Tơi xin cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp anh chị em nghiên cứu sinh Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp, Viện Điện Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Sáng tạo công nghệ động viên tạo điều kiện cho tơi góp ý suốt trình nghiên cứu Trong trình làm nghiên cứu sinh, dịp báo cáo sáu tháng hay báo cáo chuyên môn hàng tháng nghiên cứu sinh hai đơn vị Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp Viện Điện Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa, tơi ln nhận góp ý đánh giá người thầy khả kính Tơi xin đặc biệt gửi lời cảm ơn tới thầy PGS.TS Bùi Quốc Khánh, PGS.TS Nguyễn Văn Liễn, PGS.TS Trần Trọng Minh, PGS.TS Nguyễn Quang Địch GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang có phản biện sắc sảo, góp ý đáng q mặt chun mơn trình bày tơi báo cáo khoa học Nhưng góp ý giúp tơi nhiều suốt q trình nghiên cứu Cám ơn bạn Vũ Hoàng Phương, Võ Duy Thành, Đào Phương Nam, Nguyễn Văn Quyền (Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện khí), Nguyễn Bảo Huy, Nguyễn Duy Đỉnh, Nguyễn Văn Hùng kiên nhẫn tơi trao đổi chun mơn để tơi có nhìn khách quan việc giải vấn đề khúc mắc Quan trọng nhất, xin cảm ơn gia đình Con cám ơn bố mẹ ln bên để động viên ủng hộ Cám ơn vợ thơng cảm cho hôm sớm khuya mà không lời than phiền Cám ơn hai thiên thần nhỏ bé bố tiếp thêm sức cho bố vững bước đường nghiên cứu dài dài Cuối cùng, sau viết luận án này, tơi nhìn lại chặng đường nghiên cứu tơi thấy nên cám ơn nhiều người, nên lời cảm ơn tơi có bỏ sót kính mong người thơng cảm bỏ qua cho ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ ix MỞ ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Khái quát đối tượng nghiên cứu 1.1.1 Phân loại ô tô điện ưu điểm nhược điểm ô tô điện 1.1.2 Khái quát thiết bị lưu trữ lượng sử dụng EVs 1.2 Cấu trúc EVs 1.2.1 Động sử dụng EVs 1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ lượng 12 1.2.3 Các biến đổi công suất 17 1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm 20 1.3 Các phương pháp quản lý lượng ô tô điện 21 1.3.1 Các phương pháp dựa luật điều khiển 21 1.3.2 Các phương pháp tối ưu 24 1.4 Mục tiêu nghiên cứu giới hạn nội dung nghiên cứu 26 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu 26 1.4.2 Giới hạn nội dung nghiên cứu 27 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu 29 1.4.4 Kết dự kiến 30 Chương 2: TÔ ĐIỆN MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô 31 2.1 Mô hình hóa động lực học tơ điện 31 2.2 Mơ hình hóa động 35 2.3 Mơ hình hóa ắc quy 37 2.4 Mơ hình hóa siêu tụ điện 39 iii 2.5 Mô hình hóa DC-DC 43 2.6 Mô hệ thống sử dụng phương pháp biểu diễn EMR 49 2.7 Kết luận chương: 54 Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 56 3.1 Điều khiển dịng lượng cho tơ điện theo tần số 56 3.1.1 Lý thuyết Ragone - sở lựa chọn tần số cắt 56 3.1.2 Một số công bố áp dụng phương pháp điều khiển dựa tần số cho quản lý lượng ô tô điện 58 3.1.3 Thiết kế điều khiển lượng dựa tần số 58 3.1.4 Mô hệ thống sử dụng điều khiển lượng dựa tần số 59 3.1.5 Đánh giá kết 64 3.2 Điều khiển dịng lượng cho tô điện phương pháp điều khiển mờ 64 3.2.1 Khái niệm điều khiển mờ 65 3.2.2 Một số công bố áp dụng điều khiển mờ cho quản lý lượng ô tô điện 65 3.2.3 Thiết kế điều khiển mờ cho quản lý lượng 66 3.2.4 Mô hệ thống sử dụng điều khiển mờ 70 3.2.5 Đánh giá kết 73 3.3 Thiết kế điều khiển mờ kết hợp lọc thông thấp 74 3.4 Điều khiển dòng lượng cho ô tô điện phương pháp quy hoạch động 79 3.4.1 Lý thuyết phương pháp quy hoạch động 79 3.4.2 Một số công bố áp dụng phương pháp quy hoạch động cho quản lý lượng ô tô điện 80 điện 3.4.3 Triển khai phương pháp quy hoạch động cho quản lý lượng ô tô 82 3.4.4 Đánh giá kết 89 3.5 Giải toán tối ưu đơn mục tiêu phương pháp biến phân 90 3.6 Kết luận 98 Chương 4: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 100 4.1 Khái niệm mô thời gian thực ngành công nghiệp ô tô 100 4.2 Phân loại mô HIL hệ thống có sử dụng truyền động điện 100 4.3 Xây dựng hệ thống mơ HIL cấp tín hiệu (Signal level HIL simulation) sở HIL 402 hãng Typhoon 102 iv 4.4 Xây dựng mơ hình mơ HIL thu nhỏ (Reduced-Scale HIL Simulation) 108 4.5 Kết luận: 117 KẾT LUẬN 118 Các đóng góp luận án 118 Các hạn chế luận án 118 Hướng nghiên cứu 119 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 122 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Ft FΣ FI Frr Fwind FG g α M v v' ωM vwind ρ crr Cd Af vwind r PM Pyc i TΣ TM Kb Kt Đơn vị N N N N N N m/s2 rad kg m/s m/s2 rad/s m/s kg/m3 m2 m/s m kW kW Nm Nm Ý nghĩa Lực phát động Lực cản tổng Lực quán tính Lực cản lăn Lực cản gió Lực trọng trường Gia tốc trọng trường Góc nghiêng đường so với phương ngang Trọng lượng xe Tốc độ xe Gia tốc xe Vận tốc góc động Tốc độ gió Mật độ khơng khí Hệ số cản lăn Hệ số khí động học xe Diện tích cản gió Tốc độ gió Bán kính bánh xe Công suất động Công suất yêu cầu Tỷ số truyền lực Mơ men cản tổng Mơ men động quy bánh xe phát động Hằng số sức điện động Hằng số mômen vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt ICEVs Internal combustion engine vehicles Ơ tơ truyền thống (ô tô sử dụng động đốt trong) EVs Electric Vehicles Ơ tơ điện sử dụng ắc quy HEVs Hybrid Electric Vehicles Ơ tơ sử dụng động lai xăng điện FCEVs Fuel Cell Electric Vehicles Ơ tơ điện sử dụng fuel cell EHB Electrical Hybrid Boat Tàu thủy sử dụng động lai xăng điện ESS Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng HESS Hybrid Energy Storage System Hệ thống lưu trữ lượng lai SC Supercapacitor Siêu tụ SoC State-of-Charge Trạng thái nạp EMR Energetic Macroscopic Representation Biểu diễn vĩ mô lượng DoD Depth of Discharge Độ sâu phóng IPM Interior Permanent Magnet Motor Động đồng kích thích vĩnh cửu nam châm chìm EM Energy Management Quản lý lượng DP Dynamic Programming Quy hoạch động PMP Pontryagin’s Minimum Principle Nguyên lý cực đại Pontryagin HIL Hardware in the loop simulation Mô thời gian thực LPF Low-Pass Filter Bộ lọc thông thấp MPC Model Predictive Control Điều khiển dự báo OCV Open-Circuit Voltage Điện áp hở mạch vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Bảng tham số chu trình ECE 27 Bảng 2.1: Bảng tra hệ số lực cản lăn [79] 32 Bảng 2.2: Bảng tra hệ số khí động học ô tô [79] 34 Bảng 2.3: Bảng tham số xe ô tô điện i-MiEV 34 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật động IPM ô tô i-MiEV 36 Bảng 3.1: Đánh giá chất lượng dòng điện phương pháp điều khiển dòng lượng cho ô tô điện theo tần số 64 Bảng 3.2 Bảng suy luận mờ 69 Bảng 3.3: Đánh giá chất lượng dòng điện phương pháp điều khiển dịng lượng cho tơ điện theo tần số 73 Bảng 3.4: Kết phương pháp quản lý lượng: Mờ, dựa theo tần số kết hợp 78 Bảng 3.5 Tham số hệ thống 84 Bảng 3.6: 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 98 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các cấu trúc truyền động tơ lai [2] Hình 1.2 Fuel cell Hình 1.3 Ơ tơ điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng năm 2009) Hình 1.4 Ơ tơ điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010) Hình 1.5 Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng năm 2016) Hình 1.6 Ragone plane[4] Hình 1.7 Cấu trúc (a) mặt cắt pin li-ion (b) Hình 1.8 Các loại động sử dụng cho ô tô điện 10 Hình 1.9 Cấu trúc nguồn lượng cho xe điện trường Shahid Beheshti, Iran 12 Hình 1.10 Cấu trúc nguồn lượng cho xe điện Trường Đại học Cranfield, Anh 13 Hình 1.11 Cấu trúc nguồn lượng cho xe điện trường Pontificia Universidad Catolica de Chile, Chi lê 14 Hình 1.12 Cấu trúc nguồn lượng cho xe điện nhóm nghiên cứu thuộc phịng thí nghiệm L2EP 15 Hình 1.13 Cấu trúc trực tiếp (passive topology) cho hệ HESS 16 Hình 1.14 Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology) cho hệ HESS 16 Hình 1.15 Cấu trúc chủ động (active topology) cho hệ HESS 17 Hình 1.16 Biến tần nguồn áp 18 Hình 1.17 Cấu hình hệ thống mạch lực cho ô tô điện Hori lab 18 Hình 1.18 Cấu trúc mạch lực biến đổi DC-DC hai chiều cách ly 19 Hình 1.19 Chiến lược điều khiển cho biến đổi DC-DC hai chiều cách ly nhiều cổng 19 Hình 1.20 Các lớp điều khiển điều khiển trung tâm ô tô điện 20 Hình 1.21 Các phương pháp quản lý lượng [2] 23 Hình 1.22 Cấu trúc điều khiển hệ lượng lai ắc quy siêu tụ cho ô tô điện 27 Hình 1.23 Biểu đồ chu trình chuẩn ECE 28 Hình 1.24 Siêu tụ 62F-125VDC Nessape 28 Hình 1.25 Hệ thống ắc quy ô tô i-MiEV 29 Hình 1.26 Động IPM ô tô i-MiEV 29 Hình 2.1 Các thành phần lực tác động lên ô tô [78] 31 Hình 2.2 Độ méo lốp lực cản lăn đường cứng (a) đường mềm (b) [79] 32 Hình 2.3 Lực cản gió 33 Hình 2.4 Sơ đồ thay động nam châm chìm hệ tọa độ quay đồng 37 Hình 2.5 Cấu trúc siêu tụ (tụ hai lớp) (a) tụ thường (b) 39 Hình 2.6 Cấu trúc chi tiết siêu tụ 39 ix