Lời nói đầu Hiện nay vấn đề môi trường ô nhiễm đang là một vấn đề đáng quan tâm. Đặc biệt, khí thải do các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu đốt trong góp một phần lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trường. Mặt khác nguồn nhiên liệu sử dung cho các phương tiện này cũng đang dần cạn kiệt. Theo thống kê của Hiệp hội các nhà sản xuất ô tô thế giới (OICA), hiện có khoảng 1,2 tỉ chiếc ô tô đang lưu thông trên toàn cầu, tiêu tốn cỡ 1.000 tỉ lít xăng và dầu diesel mỗi năm. Tuyệt đại đa số trong số này là ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Khí thải do số ô tô này sinh ra là nguyên nhân khiến 38 ngàn người chết sớm mỗi năm do các bệnh liên quan đến hô hấp, tim mạch và các căn bệnh ung thư (năm 2015) 1. Do đó, việc đặt ra những hướng giải quyết như sử dụng nhiên liệu điện như xe máy điện, ô tô điện… để thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang là giải pháp tốt. Đời sống con người ngày một tăng. Nhu cầu đi lại bằng ô tô cũng ngày một tăng theo, Giám đốc điều hành Tập đoàn General Motors (GM) Mary Barra, vừa đưa ra một cam kết táo bạo với các nhà đầu tư rằng hãng sẽ kiếm lời từ xe điện vào năm 2021. Do đó việc đưa sản phẩm ô tô điện để phát triển rộng rãi là rất cần thiết. Trong quyển báo cáo này, em xin được trình bày về: “Mạch bù và điều khiển dịch pha cho hệ thống sạc động không dây cho ô tô điện” Trong quá trình thực hiện, được dự hướng dẫn tận tình của TS. Nguyễn Kiên Trung, em đã hoàn thành được Đồ án này cùng với các kết quả mô phỏng đã đáp ứng được đầy đủ nội dung yêu cầu. Em xin chân thành cảm ơn Sinh viên thực hiện Giáo viên hướng dẫn TS. Nguyễn Kiên Trung CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẠC KHÔNG DÂY CHO Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Đặt vấn đề Để cải thiện cho tình trạng ô nhiễm hiện nay, việc sử dụng ô tô điện để thay thế cho các loại ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch là rất cần thiết. Ô tô điện có khá nhiều ưu điểm như thân thiện với môi trường, đã được nêu ở phần lời nói đầu. Bên cạnh đó, xe ô tô điện được cho là có cơ chế đảm bảo an toàn cho người lái tốt hơn xe có động cơ đốt trong. Trong trường hợp xảy ra tai nạn, hệ thống điện sẽ ngắt trực tiếp từ pin và động cơ sẽ ngừng hoạt động nhanh hơn, giúp cho tài xế và những hành khách khác trong xe giảm thiểu nguy cơ chấn thương nặng hoặc tử vong. Một nghiên cứu ở Mỹ vào năm ngoái cũng cho biết, chi phí tiêu hao nhiên liệu (điện năng) của ô tô điện sau 100 km chỉ tương đương 1,8 lít xăng, nếu quy ra giá trị bằng tiền. Ngoài ra, xe điện chạy trên động cơ bằng điện và do đó không cần phải bôi trơn động cơ. Theo tính toán của Tesla, hãng xe điện lớn nhất thế giới, chi phí bảo dưỡng của ô tô điện chỉ bằng chưa đầy 30% xe chạy bằng các nhiên liệu khác. Xe ô tô điện cũng mang lại sự thoái mái cho người trên xe. Tiếng động của ô tô điện gần như chỉ có thể nhận biết khi xe di chuyển với tốc độ cao. Độ ồn của động cơ, đặc biệt khi đi với vận tốc dưới 30kmh, rất khó để nhận thấy. Tuy nhiên, vấn đề hiện nay là chi phí xe ô tô điện đến từ pin chiếm tỷ lệ khá lớn. Chi phí từ pin trung bình khoảng 1012 ngàn USD (chiếm 40% giá trị của một chiếc xe điện). Bên cạnh đó ô tô điện cũng tồn tại nhiều nhược điểm. Cơ sở hạ tầng chưa được phát triển để có thể xây dựng các trạm sạc điện. Ô tô điện với một lượng pin nhất định nên không thể đáp ứng được quãng đường dài trong khi đó mất khá nhiều thời gian để có thể sạc đầy cho acquy ô tô. Để có thể đáp ứng được quãng đường xe chạy dài hơn, phải cần một acquy dung lượng lớn hơn. Do đó giá thành và kích thước của ô tô cũng phải tăng lên. Để có thể cạnh tranh được với động cơ đốt trong, thì cần phải khắc phục được những hạn chế trên. Đó là một thách thức lớn cho vấn đề sạc pin cho ô tô điện. Do vậy chúng ta cần phải tập trung nghiên cứu về vấn đề này. Với cách sạc điện phổ biến bằng dây như hiện nay, thiết kế bộ sạc không quá phức tạp mà vẫn đạt được hiệu suất sạc cao. Tuy nhiên nó vẫn tồn tại nhiều nhược điểm.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HĨA CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN II ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH BÙ VÀ ĐIỀU KHIỂN DỊCH PHA TRONG HỆ THỐNG SẠC ĐIỆN KHÔNG DÂY CHO Ô TÔ ĐIỆN Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Kiên Trung Hà Nội, tháng 01 năm 2019 Muc luc Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Mơ hình hệ thống sạc điện khơng dây cho tơ điện Hình 2: Hiệu suất hệ thống Hình Bốn thiết kế mạch bù Hình Sơ đồ hệ thống mạch bù LCC Hình 5: Sơ đồ mạch bù LCC hai phía cho hệ thống sạc động khơng dây Hình 6: Mạch cộng hưởng tương đương Hình 7: Mạch cộng hưởng tương đương kích thích nguồn vào Hình 8: Mạch cộng hưởng tương đương kích thích nguồn Hình Đặc tính cơng suất hiệu suất nhận di chuyển Hình 10: Sơ đồ mạch biến tần DC/AC bên sơ cấp dạng sóng van điều khiển Hình 11 Sơ đồ mạch logic điều khiển dịch pha Hình 12 Đồ thị dạng sóng điều khiển dịch pha Hình 13: Sơ đồ mơ hệ thống Hình 14 Góc điều chế θ với điện áp điều khiển V_m khác Hình 15 Cấu trúc mơ tổng qt phần mềm PSIM Hình 16 Sơ đồ mơ điều chế dịch pha mạch mô inverter tần số cao phần mềm PSIM Hình 17 Kết dạng sóng thu q trình điều khiển dịch pha Hình 18: Sơ đồ mơ mạch bù LCC hai phía phần mềm PSIM Hình 19: Dạng điện áp dòng điện đầu vào đầu mạch bù LCC Hình 20: Đồ thị cơng suất vào cơng suất góc điều chế θ = 50 Hình 21: Đồ thị cơng suất vào cơng suất góc điều chế θ = 150 Hình 22: Đồ thị cơng suất với góc điều chế θ khác GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Giá trị thông số mạch bù Bảng 2: Kết mô giá trị điện áp dòng điện đỉnh thành phần mạch Bảng 3: Giá trị công suất hiệu suất với góc điều chế θ khác GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp Lời nói đầu Hiện vấn đề mơi trường ô nhiễm vấn đề đáng quan tâm Đặc biệt, khí thải phương tiện giao thơng sử dụng nhiên liệu đốt góp phần lớn đến vấn đề ô nhiễm môi trường Mặt khác nguồn nhiên liệu sử dung cho phương tiện dần cạn kiệt Theo thống kê Hiệp hội nhà sản xuất ô tô giới (OICA), có khoảng 1,2 tỉ tơ lưu thơng tồn cầu, tiêu tốn cỡ 1.000 tỉ lít xăng dầu diesel năm Tuyệt đại đa số số tơ sử dụng nhiên liệu hóa thạch Khí thải số tơ sinh nguyên nhân khiến 38 ngàn người chết sớm năm bệnh liên quan đến hô hấp, tim mạch bệnh ung thư (năm 2015) [1] Do đó, việc đặt hướng giải sử dụng nhiên liệu điện xe máy điện, ô tơ điện… để thay cho nhiên liệu hóa thạch giải pháp tốt Đời sống người ngày tăng Nhu cầu lại ô tô ngày tăng theo, Giám đốc điều hành Tập đoàn General Motors (GM) Mary Barra, vừa đưa cam kết táo bạo với nhà đầu tư hãng kiếm lời từ xe điện vào năm 2021 Do việc đưa sản phẩm tơ điện để phát triển rộng rãi cần thiết Trong báo cáo này, em xin trình bày về: “Mạch bù điều khiển dịch pha cho hệ thống sạc động khơng dây cho tơ điện” Trong q trình thực hiện, dự hướng dẫn tận tình TS Nguyễn Kiên Trung, em hoàn thành Đồ án với kết mô đáp ứng đầy đủ nội dung yêu cầu Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Kiên Trung GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẠC KHÔNG DÂY CHO Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Đặt vấn đề Để cải thiện cho tình trạng nhiễm nay, việc sử dụng tô điện để thay cho loại ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch cần thiết Ơ tơ điện có nhiều ưu điểm thân thiện với môi trường, nêu phần lời nói đầu Bên cạnh đó, xe tơ điện cho có chế đảm bảo an tồn cho người lái tốt xe có động đốt Trong trường hợp xảy tai nạn, hệ thống điện ngắt trực tiếp từ pin động ngừng hoạt động nhanh hơn, giúp cho tài xế hành khách khác xe giảm thiểu nguy chấn thương nặng tử vong Một nghiên cứu Mỹ vào năm ngối cho biết, chi phí tiêu hao nhiên liệu (điện năng) ô tô điện sau 100 km tương đương 1,8 lít xăng, quy giá trị tiền Ngoài ra, xe điện chạy động điện khơng cần phải bơi trơn động Theo tính tốn Tesla, hãng xe điện lớn giới, chi phí bảo dưỡng ô tô điện chưa đầy 30% xe chạy nhiên liệu khác Xe ô tô điện mang lại thoái mái cho người xe Tiếng động ô tô điện gần nhận biết xe di chuyển với tốc độ cao Độ ồn động cơ, đặc biệt với vận tốc 30km/h, khó để nhận thấy Tuy nhiên, vấn đề chi phí xe ô tô điện đến từ pin chiếm tỷ lệ lớn Chi phí từ pin trung bình khoảng 10-12 ngàn USD (chiếm 40% giá trị xe điện) Bên cạnh tơ điện tồn nhiều nhược điểm Cơ sở hạ tầng chưa phát triển để xây dựng trạm sạc điện Ô tô điện với lượng pin định nên đáp ứng quãng đường dài nhiều thời gian để sạc đầy cho acquy tơ Để đáp ứng quãng đường xe chạy dài hơn, phải cần acquy dung lượng lớn Do giá thành kích thước tơ phải tăng lên Để cạnh tranh với động đốt trong, cần phải khắc phục hạn chế Đó thách thức lớn cho vấn đề sạc pin cho ô tô điện Do cần phải tập trung nghiên cứu vấn đề Với cách sạc điện phổ biến dây nay, thiết kế sạc không phức tạp mà đạt hiệu suất sạc cao Tuy nhiên tồn nhiều nhược điểm Các trạm sạc GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp bất tiện, gây vấp ngã cáp sạc nguy hiểm ảnh hưởng đến tính mạng q trình cắm sạc điện rị rỉ điện mơi trường âm ướt Và để xây dựng trạm sạc cho ô tơ điện, cần tốn nhiều diện tích thời gian sạc tơ lâu Do phương pháp sạc không dây đề xuất Tuy nhiên với phương pháp sạc không dây chưa khắc phục phần hành trình xe chạy dung lượng pin Phải đến hàng để nạp đủ lượng cho xe Trong việc đổ xăng vài phút Và việc cải thiện chất lượng acquy vấn đề không đơn giản Các yêu cầu vê mật độ lượng cao, mật độ công suất cao, giá phải chăng, tuổi thọ lâu dài, an toàn độ tin cậy tốt, nên đáp ứng đồng thời Vì vậy, phương pháp sạc không dây động cho ô tô điện đưa vào nghiên cứu Phương pháp sạc không dây động cho ô tô điện phương pháp sạc pin không dây cho ô tô ô tô di chuyển đường Với phương pháp này, sạc không dây gắn cố định đường xe chạy, người sử dụng tơ điện tiết kiệm nhiều thời gian sạc, quãng đường di chuyển xa lộ trình qua trạm sạc động Và dung lượng pin khơng cần phải q lớn, giảm giá thành cho tơ Tuy nhiên chi phí để xây dựng trạm sạc động cao thách thức lớn cho việc thiết kế Hiệu suất sạc không mong muốn xe di chuyển liên tục đường sạc Gần đây, hệ thống sạc không dây thử nghiệm cho ô tô điện phát triển Phịng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge Hoa Kỳ Hiệu kiểm tra gần 90% cho công suất 3kW [2] Các nghiên cứu Đại học Michigan-Dearborn đạt khoảng cách 200 mm, Hệ thống kW truyền điện không dây DC-DC hiệu cao 95, 7% [3] Từ kết vậy, nhìn thấy hệ thống truyền điện không dây cho ô tô điện sẵn sàng sạc động sạc tĩnh Tuy nhiên, để làm cho có sẵn để thương mại hóa quy mơ lớn, việc thiết kể để tối ưu hố hiệu suất, thiết lập tiêu chuẩn cơng nghiệp, làm cho q trình sạc hiệu hơn, cần quan tâm nghiên cứu Trong báo cáo đồ án em nên tổng quan hệ thống sạc điện không dây cho tơ điện, sau sâu vào nghiên cứu mạch bù phương pháp dịch pha để cải thiện hiệu suất hệ thống GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp 1.2 Hệ thống sạc động không dây cho ô tô điện a Cấu trúc nguyên lý làm việc hệ thống Hình 1: Mơ hình hệ thống sạc điện khơng dây cho tơ điện Đầu tiên dịng điện xoay chiều AC (điện lưới) chuyển đổi thành dòng chiều DC qua biến đổi AC/DC với điều chỉnh hệ số công suất PFC (power factor correction) Sau dịng điện chiều DC chuyển thành dòng điện xoay chiều AC tần số cao để truyền vào cuộn dây thơng qua mạch bù sơ cấp Dịng điện tần số cao cuộn dây tạo từ trường xen kẽ, gây điện áp AC cuộn dây nhận Dòng điện qua mạch bù bên thứ cấp Nhờ mạch bù bên sơ cấp thứ cấp mà công suất truyền hiệu suất hệ thống cải thiện đáng kể Cuối cùng, dòng điện AC chỉnh lưu để sạc Pin cho tơ điện Từ Hình 1, ta thấy hệ thống sạc điện không dây cho ô tô điện bao gồm phần sau: Cuộn dây truyền cuộn dây nhận tách rời Mạch bù Các biến đổi điện tử công suất GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp b Hiệu suất của hệ thống Hệ thống sạc không dây cho xe điện dựa công nghệ WPT (wireless power transfer) Sử dụng điện từ trường để truyền công suất cho xe điện qua khoảng khơng khí cỡ 150mm Hệ thống IPT (inductive power transfer) nghiên cứu có hiệu suất chuyển đổi DC/DC 96% với công suất đầu 7kW [4], kết làm cho sạc không dây so sánh với sạc có dây Hầu hết hệ thống IPT trọng tâm vào ứng dụng sạc tĩnh Ơ tơ điện phải đỗ sạc nhận lượng qua phát Ngoài ra, phát truyền lệch cơng suất đầu hiệu suất giảm đáng kể Sạc động công nghệ sạc đầy hứa hẹn giúp thúc đẩy việc sử dụng xe ô tô điện Khi ô tô điện di chuyển đường, cấp lượng liên tục Khoảng cách di chuyển tơ điện mở rộng, sử dụng ắc quy với dung lượng nhỏ - làm giảm khối lượng ô tô điện Nếu 20% đường di chuyển trang bị hệ thống sạc động 40kW, dải di chuyển ô tô điện mở rộng 80% [5] Hình 2: Hiệu suất hệ thống Một hệ thống sạc khơng dây bao gồm khối hình 2, khối tương ứng có hiệu suất khác Như ta biết, hiệu suất hệ thống đạt tích hiệu suất khối với Ví dụ hình 2, sau qua biến đổi điện tử công suất, mạch bù cuộn dây với hiệu suất 99%, 95%, 95%, 98% 98% hiệu suất truyền hệ thống lại 85% Do vậy, để nâng cao hiệu suất GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp hệ thống, ta cần phải nâng cao hiệu suất thành phần hệ thống Trong phạm vi nghiên cứu đồ án II, em trình bày phần mạch bù LCC chương II điều khiển dịch pha chương III Chương IV chương V kết mô kết hệ thống đạt GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp CHƯƠNG II: MẠCH BÙ LCC 2.1 Giới thiêu chung Trong hệ thống sạc điện không dây, cuộn dây đặt cách xa với rò rỉ lớn Việc thiết kế mạch bù để loại bỏ điện cảm rò rỉ cuộn dây thật cần thiết Trong thiết kế hệ thống sạc không dây đầu tiên, mạch bù đặt bên sơ cấp thứ cấp hệ thống [6] Khi hệ số kết nối hệ thống giảm xuống 0,3 Mạch bù bên sơ cấp thứ cấp khuyến khích để có đặc tính linh hoạt tiên tiến Do cuộn dây có tính cảm kháng, để bù đắp lại rò rỉ, cách đơn giản thêm tụ điện bên Hình Bốn thiết kế mạch bù Như trình bày Hình 3, tùy thuộc vào cách tụ điện kết nối với cuộn dây, có bốn cách để thiết kế mạch bù nối tiếp – nối tiếp (a), nối tiếp – song song (b), song song – nối tiếp (c) song song – song song (d) Các cấu trúc có ưu điểm đơn giản, dễ thiết kế, nhiên nhạy cảm với biến thiên tham số mạch Hiệu suất bị phân tách điều kiện tải thay đổi trường hợp nối tiếp – nối tiếp tần số cộng GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 10 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp vào dịng điện phía truyền Phương pháp điều chế dịch pha cho inverter đề xuất để điều khiển dịng điện phía truyền từ cơng suất phía nhận ổn định Trong báo cáo em đề xuất phương pháp dịch pha, điều khiển để thay đổi cơng suất phía nhận 3.2 Sơ đồ cấu trúc điều khiển Sơ đồ mạch nghịch lưu full-bridge DC/AC biểu diễn hình Với điện áp đầu vào nguồn chiều có điện áp Điện áp đầu mạch nghịch lưu cộng hưởng lấy từ hai chân A B, ký hiệu Điện áp nối với mạch bù, trình bày phần II Và điện áp đầu phụ thuộc vào khâu điều chế dịch pha Đó góc dịch pha hai chân, chân A chân B mạch Theo sơ đồ hình 10a, với mạch chỉnh lưu thông thường, hai van S1 S3 đồng thời dẫn dịng điện qua AB chạy từ A tới B, tương tự hai van S2 S4 dẫn dịng điện qua AB lại chạy từ B tới A Do hình thành nên điện áp xoay chiều dạng xung vng qua chân, chân A chân B, có dạng điện áp hình 10b Để thuận lợi cho việc điều chỉnh điện áp đầu ra, người ta sử dụng phương pháp dịch pha Với nguyên lý, hai van bên mở hai van cịn lại khóa, lúc dịng điện khép vịng hai van khóa Đây cịn gọi tượng trùng dẫn Khi điện áp qua AB Hoạt động dạng sóng ổn định biểu diễn Hình 10c, có lệch pha van, dạng đồ thị điện áp đầu thay đổi theo Đoạn AB CD tương ứng đồ thị điện áp thời điểm hai van S1, S2 S3, S4 dẫn, gây tượng trùng dẫn điện áp lúc đạt giá trị Đoạn BC DE tương ứng đồ thị điện áp thời điểm hai van S1, S3 S2, S4 dẫn Độ dài đoạn AB cịn gọi góc lệch pha van, đoạn BC ký hiệu θ hình gọi độ rộng xung Để thay đổi giá trị tức thời điện áp đầu inverter, ta cần thay đổi giá trị θ Với nguyên lý đó, ta đề xuất mơ hình mạch điều khiển dịch pha inverter hình 11 Các tín hiệu xung đầu điều khiển điều chế dịch pha Bao gồm so sánh, D - Flip Flop, RS – Flip Flop số cổng logic not, and xor GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 22 Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp Hình 10: Sơ đồ mạch biến tần DC/AC bên sơ cấp dạng sóng van điều khiển Tín hiệu điện áp điều chế () từ điều khiển đưa để so sánh với dang xung tam giác, ta xung PWM hình Trong sườn lên xung PWM xác định thay đổi xung S4, sườn xuống xung GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 23 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp PWM xác định thay đổi xung S2 Xung clock (CLK) tạo cách so sánh xung điện áp nhỏ với xung tam giác Tín hiệu clock đưa vào chân CLK D-FF chân R RS-FF Các xung S1 đến S4 tạo biểu thức logic: = XOR{Q(RS),(D)} = XOR{Q(RS),Q(D)} = XOR{Q’(RS),Q(D)} = XOR{Q’(RS),(D)} Với Q’(RS) = AND{Q(RS),NOT(PWM )} Hình 11 Sơ đồ mạch logic điều khiển dịch pha Đồ thị dạng sóng điều chế dịch pha thể hình 12 Độ rộng xung PWM đạt với góc dịch pha hai xung hai chân A B Khi điện áp điều chế thay đổi, góc dịch pha thay đổi theo, cạnh xung S1 S3 đồng thời đẩy đối diện với góc /2 so với đỉnh xung tam giác Vì góc pha điện áp sau nghịch lưu khơng phụ thuộc vào tín hiệu điều chế Nhận thấy, với chu kỳ dạng sóng điện áp thu đầu iverter, cần hai chu kỳ xung tam giác Do vậy, để đạt dạng điện áp có tần số đầu inverter, ta cần GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 24 Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp phải đưa xung tam giác có giá trị tần số Theo quan hệ hình học, góc dịch pha phụ thuộc vào tín hiệu điện áp điều chế biểu diễn theo công thức (24), với giá trị đỉnh tín hiệu xung tam giác, giá trị điện áp điều chế = Hình 12 Đồ thị dạng sóng điều khiển dịch pha GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 25 (24) Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp CHƯƠNG IV: MƠ PHỎNG HỆ THỐNG Để chứng minh phân tích trước đó, mẫu thử nghiệm hệ thống thiết kế Với tần số 85kHz công suất đầu khoảng 1,5kW Với sơ đồ mô biểu diễn hình 13 Để điều khiển cơng suất đầu ra, ta cần thay đổi độ rộng xung điều chế θ Từ góc θ, qua khâu biến đổi điều khiển, điện áp cho từ inverter cộng hưởng Điện áp đưa vào mạch bù LCC cuộn dây để truyền không dây qua cuộn nhận Tại đây, ta đạt giá trị công suất đầu mong muốn Hình 13: Sơ đồ mơ hệ thống Hình 14 biểu diễn điện áp điều khiển khác đưa vào so sánh với xung tam giác Các kết điện áp đưa Theo quan hệ hình học, ta tính góc điều chế θ thơng qua cơng thức (25): (25) Trong đó: giá trị điện áp điều khiển, điện áp đỉnh xung tam giác Hình 14 Góc điều chế θ với điện áp điều khiển khác Để đơn giản cho q trình mơ phỏng, lấy Do ta có biểu thức thơng qua góc θ GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 26 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp (26) Hệ thống thử nghiệm mô PSIM, với cấu trúc tổng qt cho hình 15 Theo cơng thức (26), góc θ đầu vào qua chia đưa vào chân điều chế dịch pha Hình 15 Cấu trúc mô tổng quát phần mềm PSIM 4.1 Điều khiển dịch pha Hình 16 (a) Sơ đồ mô điều khiển dịch pha phần mềm PSIM GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 27 Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp Hình 16.(b) Mạch mơ inverter tần số cao phần mềm PSIM Hình 17 Kết dạng sóng thu q trình điều khiển dịch pha GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 28 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp Hình 16 (a), sơ đồ mô điều chế dịch pha Xung clock đầu vào tạo cách cho điện áp nhỏ so sánh với xung tam giác Sơ đồ mạch bao gồm hai so sánh, D – Flip Flop, RS – Flip Flop số cổng logic trình bày chương Các xung điện áp đầu từ S1 đến S4 truyền tới mạch inverter cộng hưởng tần số cao, biểu diễn hình 16 (b) Bộ inverter cộng hưởng cấp nguồn chiều DC có giá trị 310V đầu vào Với hai chân A B ta có giá trị điện áp biểu diễn hình 17d Với góc điều chế θ = 100 độ, ta thu kết hình 17 Hình 17a, thể điện áp điều khiển với xung tam giác Xung thể hình 17b, ta thấy có khoảng hai xung đẩy lên mức cao, van dẫn, tạo nên khoảng điện áp điện áp đầu Tương tự với van thể hình 16c Nhận thấy kết mơ thu với lý thuyết 4.2 Mạch bù LCC Từ công thức chương kết thông số mạch bù bảng 1, ta tiến hành mô mạch bù PSIM thể hình 18 Để kết mơ đạt sát với thực tế hơn, cuộn bù bên sơ cấp thứ cấp, ta thêm điện trở có giá trị nhỏ mắc nối tiếp với cuộn dây Một đo cơng suất đặt bên phía thứ cấp để đo cơng suất đầu tồn hệ thống Hình 18: Sơ đồ mơ mạch bù LCC hai phía phần mềm PSIM Các đồ thị rằng, hệ đạt điều kiện chuyển mạch ZVS Dòng điện đầu Ia điện áp đầu Va pha (hình 19) GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 29 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp (a) (b) Hình 19: Dạng điện áp dịng điện (a) đầu vào (b) đầu mạch bù LCC Điện áp đỉnh dòng điện đỉnh thành phần từ mạch mô đưa bảng Mosfet đạt chuyển mạch mềm, đỉnh điện áp 180V, đỉnh dòng điện 12,1A Với diode đỉnh điện áp 77V, dòng điện 12,1A Với tụ bù Ca chịu điện áp cao 379V Cfa chịu dòng điện cao 40.1A Do đó, phải dùng nhiều tự bù nối tiếp song song để đạt điện áp dòng điện định mức cao Thông số MOSFET DIODE Cf Ci Cfa GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Điện áp 180V 77V 276V 273.5V 273.3V 30 Dòng điện 12,1A 11,3A 11.9A 10.16A 40.1A Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp Ca 379V 8A Bảng 2: Kết mô giá trị điện áp dòng điện đỉnh thành phần mạch 4.3 Kết Dựa vào sơ đồ mơ trên, với giá trị góc θ khác nhau, thay đổi từ đến π, ta kết công suất đầu vào đầu tương ứng thể bảng Và kết thể đồ thị hình 21 Hình 21 mơ tả quan hệ góc điều chế θ so với công suất đầu vào công suất đầu hệ thống, hình 22 thể hiệu suất đo với giá trị θ khác từ đến π Hình 20: Đồ thị cơng suất vào cơng suất góc điều chế θ = 50 GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 31 Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp Hình 21: Đồ thị cơng suất vào cơng suất góc điều chế θ = 150 θ 10 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 170 175 180 Công suất đầu vào 5.8 11.892 16.498 10.524 228.318 389.298 577.069 778.53 1168.177 1168.177 1328.743 152.3 1530.605 1545.268 1553.809 1557.387 Công suất đầu 5.5 11.214 25.153 98.894 216.216 369.079 547.115 738.213 1107.227 1107.227 1260.03 1377.455 1451.154 1465.007 1473.434 1476.354 Hiệu suất 0.9482 0.9429 0.9492 0.9461 0.9469 0.9481 0.9480 0.9482 0.9480 0.9478 0.9483 0.9484 0.9481 0.9481 0.9482 0.9480 Bảng 3: Giá trị cơng suất hiệu suất với góc điều chế θ khác GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 32 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp Hình 22: Đồ thị cơng suất với góc điều chế θ khác Với góc điều chế θ khác nhau, ta có giá trị cơng suất khác Do vậy, để điều khiển cơng suất bên phía nhận, ta cần điều khiển góc dịch pha cho inverter cộng hưởng Từ kết công suất đầu cơng suất vào ban đầu, ta tính hiệu suất hệ thống với góc pha khác Nhận thấy, giá trị hiệu suất trung bình hệ thống khoảng 94,8% Hiệu suất hệ thống cải thiện đáng kể GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 33 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp Hình 23: Hiệu suất hệ thống thay đổi với góc điều chế θ khác GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 34 Bộ môn Tự động hóa cơng nghiệp KẾT LUẬN Trong báo cáo đồ án này, em giới thiệu hệ thống truyền điện không dây cho ô tô điện Với hệ thống sạc không dây, rõ ràng có nhiều lợi ích so với hệ thống sạc có dây Đặc biệt, đường điện khí hóa, tích hợp hệ thống sạc khơng dây đường, làm cho cơng nghệ xe ô tô điện ngày phát triển Mạch bù LCC hai phía thiết kế phương pháp điều chỉnh đưa vào hệ thống Phương pháp điều khiển đảm bảo điều kiện chuyển mạch mềm ZVS cho MOSFET Các phân tích mạch trình bày để đưa thông số mạch điện phù hợp Thiết kế điều khiển dịch pha cho hệ thống inverter để điều khiển công suất đầu cho hệ thống trình bày Một mẫu mơ hiệu suất 15kW thiết kế xây dựng phần mềm PSIM đạt hiệu suất toàn hệ thống lên đến 94,8% Đồ án giúp em hệ thông lại kiến thức mình, đồng thời có thêm nhiều kiến thức quý báu, chắn giúp ích nhiều công việc tương lai Nhưng hạn chế thời gian, kiến thức kinh nghiệm thực tế, nên đồ án em chắn chưa thể hoàn chỉnh Để hoàn thành đồ án này, nỗ lực thân cịn có giúp đỡ, tạo điều kiện hướng dẫn, bảo tận tình thầy giáo TS Nguyễn Kiên Trung anh chị APES Lab Vì em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy anh chị APES Lab giúp em hoàn thành đồ án Em xin chân thành cảm ơn! GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 35 Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://infonet.vn/o-to-dien-se-duoc-ua-chuong-trong-vai-nam-toi-post256315.info [2] I Systems Control Technology, Roadway Powered Electric Vehicle Project: Track Construction and Testing Program Phase 3D: California PATH Program, Institute of Transportation Studies, University of California, Berkeley, 1994 [3] T.-D Nguyen, S Li, W Li, and C Mi, "Feasibility Study on Bipolar Pads for Efficient Wireless Power Chargers," in Applied Power Electronics Conference and Exposition, Fort Worth, Texas, 2014 [4] J Deng, F Lu, S Li, T Nguyen, and C Mi, “Development of a high efficiency primary side controlled 7kW wireless power charger,” in Proc IEEE Int Elect Veh Conf., 2014, pp 1–6 [5] S Li, W Li, J Deng, T D Nguyen, and C C Mi, “A double-sided LCC compensation network and its tuning method for wireless power transfer,” IEEE Trans Veh Technol., vol 64, no 6, pp 2261–2273, Jun 2015 [6] N H Kutkut and K W Klontz, "Design considerations for power converters supplying the SAE J-1773 electric vehicle inductive coupler," in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1997 APEC '97 Conference Proceedings 1997., Twelfth Annual, 1997, pp 841-847 vol.2 [7] K Lee, Z Pantic, and S M Lukic, “Reflexive field containment in dynamic inductive power transfer systems,” IEEE Trans Power Electron., vol 29, no 9, pp 4592–4602, Sep 2014 [8] J M Miller, P T Jones, J Li, and O C Onar, “ORNL experience and challenges facing dynamic wireless power charging of EV’s,” IEEE Circuits Syst Mag., vol 15, no 2, pp 40–53, May 2015 [9] Siqi Li, and Chunting Chris Mi, “Wireless power transfer for electric vehicle applications”, DOI 10.1109/JESTPE.2014.2319453, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics [10] Z Ye, K Jain, and C Sen, “A full-bridge resonant inverter with modified phase-shift modulation for high-frequency AC power distribution systems”, IEEE Trans Ind Ele, VOL 54, no 5, october 2007 GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG 36 ... pháp sạc không dây động cho ô tô điện đưa vào nghiên cứu Phương pháp sạc không dây động cho ô tô điện phương pháp sạc pin không dây cho ô tô ô tô di chuyển đường Với phương pháp này, sạc không dây. .. Việc thiết kế mạch bù để loại bỏ điện cảm rò rỉ cuộn dây thật cần thiết Trong thiết kế hệ thống sạc không dây đầu tiên, mạch bù đặt bên sơ cấp thứ cấp hệ thống [6] Khi hệ số kết nối hệ thống. .. suất hệ thống GVHD: TS NGUYỄN KIÊN TRUNG Bộ mơn Tự động hóa cơng nghiệp 1.2 Hệ thống sạc động không dây cho ô tô điện a Cấu trúc nguyên lý làm việc hệ thống Hình 1: Mơ hình hệ thống sạc điện