Nghiên cứu, thiết kế bộ sạc hai chiều cho ô tô điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, thiết kế sạc hai chiều cho ô tô điện DƯƠNG DUY ĐÔN duongduydon@gmail.com Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giáo viên hướng dẫn: PGS TS Tạ Cao Minh Viện: Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 04/2021 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Dương Duy Đôn Đề tài luận văn: Nghiên cứu, thiết kế sạc hai chiều cho ô tô điện Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: CA190094 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 06/05/2021 với nội dung sau: - Sửa lỗi thiếu khối chức hình 2.10 Lỗi thiếu số trích dẫn chương Ngày 11 tháng 05 năm 2021 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn Tạ Cao Minh CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin trân trọng cảm ơn hai Thầy hướng dẫn, PGS.TS Tạ Cao Minh TS Nguyễn Duy Đỉnh, thầy tận tình hướng dẫn, định hướng nghiên cứu khoa học cho tơi q trình học tập việc hoàn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô khoa Điện trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tận tình giảng dạy cho thời gian học tập Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người sẵn sàng sẻ chia giúp đỡ học tập sống Do giới hạn kiến thức thân cịn nhiều thiếu sót hạn chế, kính mong dẫn đóng góp Thầy, Cô để luận văn hồn thiện Xin chân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung luận văn Với việc triển khai "lưới điện thông minh" ngày đẩy mạnh giới, nghiên cứu nhà thông minh, thị trường tiềm cho sạc hai chiều bên tơ điện hình thành Bộ sạc bên ô tô điện (OBC) đặt bên xe, hoạt động liên kết pin điện áp DC điện áp lưới AC với ổ cắm điện đâu, hoạt động dải điện áp phổ biến (85Vrms - 265Vrms) với công suất danh định phạm vi từ 1,5kW đến 22kW Để tối đa hóa cơng suất tác dụng OBC tạo ra, cần thiết kế với biến đổi điều chỉnh hệ số công suất (PFC) để định hình dịng điện xoay chiều theo hình sin pha với điện áp xoay chiều Do đó, OBC hai chiều thiết phải yêu cầu PFC hai chiều Luận văn tập trung vào vấn đề chuyển mạch mềm toàn dải cho biến đổi totem-pole PFC phương pháp điều khiển Interleaved tương ứng nhằm nâng cao hiệu suất cho sạc hai chiều ô tô điện Chương I luận văn giới thiệu công nghệ sạc tơ hai chiều, ứng dụng thực tế, giới thiệu cấu hình sạc hai chiều Chương II trình bày phương pháp chuyển mạch mềm cho biến đổi totem-pole PFC, phương pháp mở rộng dải hoạt động chuyển mạch mềm toàn dải Phương pháp điều khiển phù hợp yêu cầu phần cứng trình bày chương Một mơ tiến hành đề xác minh khả chuyển mạch mềm tồn dải Chương III trình bày phương pháp điều khiển Interleaved phù hợp nhằm đảm bảo hoạt động chuyển mạch mềm, cải thiện THD cho biến đổi totem-pole PFC Mô để xác minh khả đáp ứng phương pháp HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO Ô TÔ ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC CHO BỘ SẠC HAI CHIỀU 1.1 Các phương pháp sạc ô tô điện 1.2 Công nghệ sạc ô tô hai chiều 1.3 Cấu hình sạc hai chiều cho ô tô điện 1.4 Thách thức 11 1.5 Phạm vi nội dung nghiên cứu 12 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN MẠCH MỀM TOÀN DẢI CHO BỘ BIẾN ĐỔI TOTEM-POLE PFC 13 2.1 Chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM) giới hạn dải chuyển mạch mềm 13 2.2 Phương pháp chuyển mạch mềm toàn dải cho biến đổi Totem-pole PFC… 17 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN INTERLEAVED TOTEMPOLE PFC 23 3.1 Ý nghĩa phương pháp Interleaved 23 3.2 Các phương pháp điều khiển Interleaved PFC 26 3.3 Phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất 28 CHƯƠNG KẾT LUẬN 34 4.1 Kết luận 34 4.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện tử công suất ô tô điện Hình 1.2 Sơ đồ sạc khơng dây ô tô Hình 1.3 Sạc thơng qua cuộn dây động Hình 1.4 Mơ tả chuyển đổi hai chế độ G2V V2G theo nhu cầu mạng lưới điện Hình 1.5 Chiều lượng pin tô điện chế độ G2V, V2G, V2H Hình 1.6 Phân loại OBC hai chiều .6 Hình 1.7 (a) Cấu trúc OBC module gồm OBC pha (b) Cấu trúc OBC pha Hình 1.8 Thành phần OBC hai chiều pha Hình 1.9 Cấu hình biến đổi DC-DC hai chiều DAB kiểu LCCL đối xứng .9 Hình 1.10 Cấu hình boost PFC thơng thường 10 Hình 1.11 (a) Cấu hình Bridgeless PFC đơn giản (b) Cấu hình totem-pole PFC 10 Hình 1.12 Cấu hình biến đổi PFC hai chiều 11 Hình 2.1 Cấu hình biến đổi tăng áp Totem-pole PFC 13 Hình 2.2 Phương pháp điều khiển dịng điện chế độ CrCM 14 Hình 2.3 Tạo xung ZCD biến dòng 15 Hình 2.4 (a) Trạng thái biến đổi trước khoảng thời gian Deadtime Td điện áp đầu vào dương, tụ ký sinh Coss1 xả tụ Coss2 sạc đến điện áp đầu Vout (b) Trong thời gian Td, tụ ký sinh mắc song song với 15 Hình 2.5 Dạng sóng chuyển mạch chế độ dòng điện biên giới gián đoạn (CrCM) (a) Khi Vn>Vout/2 (b) Khi Vn 17 Hình 2.8 (a) Dạng dịng điện điện áp chuyển mạch gần mềm (b) Dạng dòng điện điện áp chuyển mạch mềm tăng thời gian dẫn van S11 thêm khoảng Tr 18 Hình 2.9 (a) Dịng đảo chiều Ir qua cuộn L khoảng thời gian Tr (b) Chiều dòng xả Coss2 dòng nạp Coss1 khoảng thời gian Td (c) Diễn biến dòng điện qua cuộn L điện áp tụ Coss2 thời gian Tr Td 19 Hình 2.10 Cấu trúc điều khiển biến đổi Totem-pole PFC để đạt chuyển mạch mềm toàn dải 21 Hình 2.11 Mơ hệ thống theo cấu trúc điều khiển Hình 2.9 21 Hình 2.12 Mơ biến đổi Totem-pole PFC chuyển mạch thung lũng cho van S12 ngắt thời điểm xung ZCD (van S11 đóng vai trị van boost, van S12 đóng vai trị van đồng bộ) 22 Hình 2.13 Mơ biến đổi Totem-pole PFC chuyển mạch mềm van S12 ngắt trễ tín hiệu ZCD khoảng Td ( van S11 đóng vai trị van boost, van S12 đóng vai trị van đồng bộ) 22 Hình 3.1 Cấu hình Interleaved pha totem-pole PFC hai chiều 23 Hình 3.2 Trạng thái mạch boost truyền thống 24 Hình 3.3 Trạng thái mạch Interleaved boost 25 Hình 3.4 Mối tương quan độ rộng xung tỷ lệ đập mạch dòng điện đầu vào với đập mạch dòng điện cuộn L mạch Interleaved boost pha 26 Hình 3.5 (a) Giản đồ xung phương pháp Interleaved vịng hở (b) Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vịng hở 27 Hình 3.6 (a) Giản đồ xung phương pháp điều khiển Interleaved vịng kín (b) Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vịng kín 28 Hình 3.7 Dạng dòng điện tăng TON để đảm bảo độ dịch pha 29 Hình 3.8 Dạng dịng điện tăng TON TR để đảm bảo độ dịch pha 30 Hình 3.9 (a) Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất (b) Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved đề xuất 31 Hình 3.10 Mơ hệ thống điều kiện Vn  220V , VOUT  400V , POUT  3, 3kW (a) Dòng điện đầu vào với phương án xen kênh đề xuất, THD = 18,7% khơng có lọc EMI đầu vào (b) Dòng điện đầu vào I n , dòng điện cuộn L1 , L2 với phương án xen kênh đề xuất 32 Hình 3.11 Giản đồ thể THD dòng điện đầu vào phương pháp interleaved mô mức tải khác 33 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại sạc ô tô điện theo công suất CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO Ô TÔ ĐIỆN VÀ LỰA CHỌN CẤU TRÚC CHO BỘ SẠC HAI CHIỀU Ơ tơ điện trở nên quan tâm nhiều ngành công nghiệp ô tô lượng khí thải CO2 thấp hiệu suất vượt trội so với xe chạy nhiên liệu hóa thạch [1] Nhiều quốc gia, Hoa Kỳ, Canada, Trung Quốc, Ấn Độ số nước thuộc Liên minh Châu Âu, thiết lập sách khuyến khích phủ để hỗ trợ phát triển ô tô điện [2], [3] Ví dụ, Mỹ Canada cơng bố sách Phương tiện Khơng phát thải, trợ giá cho việc bán phương tiện phát thải cực thấp không phát thải, đồng thời cải thiện hệ thống sạc nơi công cộng Trung Quốc cung cấp khoản trợ cấp tài cho ô tô điện tiết kiệm lượng Ấn Độ đặt mục tiêu sản xuất ô tô điện vào năm 2030 Là thị trường ô tô lớn Liên minh châu Âu, Đức miễn thuế 10 năm trợ giá cho tơ điện Do đó, để đáp ứng nhu cầu ngày tăng ô tô điện, điều quan trọng phải phát triển sạc chuẩn bị sở hạ tầng điện toàn cầu cho nhu cầu lượng lớn tới Bộ sạc pin đóng vai trị quan trọng phát triển ô tô điện Thời gian sạc tuổi thọ pin có liên quan đến đặc tính sạc pin Bộ sạc pin phải hiệu đáng tin cậy, với mật độ lượng cao, chi phí thấp, khối lượng trọng lượng thấp Do vậy, nghiên cứu sạc cho ô tô điện tiếp tục đẩy mạnh, đặc biệt nghiên cứu sạc hai chiều phát triển lưới điện thông minh, lượng tái tạo, nhà thông minh… Chương I giới thiệu phương pháp sạc cho ô tô điện nay, giới thiệu cơng nghệ sạc hai chiều, trình bày cấu hình sạc lựa chọn, thách thức phạm vi nghiên cứu luận văn 1.1 Các phương pháp sạc ô tô điện Bộ sạc pin cho ô tơ điện phân loại theo mức cơng suất Tùy theo quốc gia, vùng lãnh thổ, chủng loại xe mà sạc tơ điện có cách phân loại công suất khác (Bảng 1.1) Bảng 1.1 Phân loại sạc ô tô điện theo công suất Loại sạc Vị trí Cơng suất Đầu vào pha Mức (sạc Bộ sạc bên 1,5kW – 100-120 VAC (Nhật - Mỹ) chậm) ô tô 3,5kW 220 VAC (Châu Âu) pha pha Mức (sạc Bộ sạc bên 3,5kW – 200-240 VAC (Nhật - Mỹ) trung bình) tơ trạm sạc 22kW 400 VAC (Châu Âu) Mức (sạc nhanh) Bộ sạc bên >22kW ô tô trạm sạc pha VDC Hầu hết q trình sạc tơ điện diễn nhà qua đêm nhà để xe, nơi tơ điện cắm vào ổ cắm tiện lợi để sạc Mức (sạc chậm) Sạc mức thường mô tả phương pháp cho sở tư nhân cơng cộng Các nghiên cứu tương lai tập trung vào sạc mức Sạc mức cung cấp lượng dồi thực hầu hết điều kiện khác nhau, u cầu phải có đầu kết nối chun dụng Thơng thường, giải pháp pha sử dụng cho mức Mức sạc nhanh chiều dành cho ứng dụng thương mại công cộng, hoạt động giống trạm xăng thường sử dụng điện áp ba pha đầu vào Các trạm sạc cơng cộng có khả cung cấp sạc mức lắp đặt bãi đậu xe, trung tâm mua sắm, khách sạn, trạm dừng nghỉ, nhà hàng, v.v Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống điện tử công suất ô tô điện Bộ sạc cho tơ điện phân loại thành sạc ô tô (OBC – On-Board Charger) sạc bên ngồi tơ hay trạm sạc (EVSE – Electric Vehicle Service Equipment) với dòng điện chiều hai chiều Sạc chiều có ưu điểm hạn chế yêu cầu phần cứng, đơn giản hóa vấn đề kết nối tốt tuổi thọ pin Hệ thống sạc hai chiều hỗ trợ sạc từ lưới điện, đẩy lượng từ pin trở lại lưới để ổn định điện lưới cấp cho phụ tải bên [4] Các sạc ô tô điện thường sử dụng sạc mức mức hạn chế trọng lượng, khơng gian chi phí Trong đó, trạm sạc bị hạn chế kích thước trọng lượng Hệ thống sạc tơ phân loại thành sạc có dây khơng dây Hệ thống sạc có dây sử dụng tiếp xúc trực tiếp nguồn đầu vào sạc [5] Sạc không dây phương pháp sạc quan tâm không nghiên cứu ô tô điện mà ngành khác đồ gia dụng, robot, thiết bị y tế Bản chất phương pháp sạc xe kết hợp với hệ thống thu phát không dây Phương pháp sạc không dây phát triển cho mức [6] [7] sạc đứng yên (sạc tĩnh) [8] di chuyển (sạc động) [9] [10] Phương pháp cho phép người dùng sạc ô tơ vị trí dừng đỗ mà khơng cần dây kết nối trực tiếp nào, sử dụng để tạo đường sạc cho tơ điện Hình 1.2 Sơ đồ sạc không dây ô tô Để giảm thiểu trọng lượng, khối lượng chi phí, việc tích hợp chức sạc vào hệ thống truyền động điện đề xuất [11] Bộ sạc tích hợp phát triển lần vào năm 1985 [12] cấp sáng chế Rippel Cocconi vào năm 1990, 1992 1994 Thời điểm hoạt động sạc hoạt động động không đồng thời với Trong sạc tích hợp, cuộn dây động sử dụng cuộn cảm lọc máy biến áp cách ly biến tần điều khiển động đóng vai trị chuyển đổi AC-DC hai chiều Ưu điểm quan trọng khả sạc nhanh hai chiều (Mức 3), cơng suất cao, chi phí thấp, điều chỉnh hệ số công suất Điều khiển phức tạp phần cứng bổ sung thách thức việc triển khai sản phẩm thương mại Cơng ty Ford Motor có triển khai hệ thống truyền động động kết hợp với hệ thống nạp ắc quy động không đồng ba pha Một sạc tích hợp có cách ly dựa động xoay chiều sử dụng ngành cơng nghiệp tơ trình bày [13] Có số ứng dụng cho xe máy điện xe hai bánh giới thiệu [14] Một hệ thống sạc tích hợp điển hình trình bày Hình 1.3 Hình 3.2 Trạng thái mạch boost truyền thống Bộ biến đổi Interleaved boost đơn giản hai hay nhiều biến đổi boost hoạt động song song, lệch pha 360°/n (n số nhánh song song) Lấy ví dụ cụ thể với Interleaved PFC pha (Hình 3.3) Dịng điện đầu vào tổng hai dịng điện dẫn IL1 IL2 Vì đập mạch dịng điện cuộn cảm lệch pha nhau, chúng có xu hướng triệt tiêu lẫn giảm đập mạch dòng điện đầu vào Việc triệt tiêu đập mạch dòng điện đầu vào tốt xảy độ rộng xung 50% Dòng điện đầu tụ điện tổng hai dòng điện chảy qua điốt (I1 + I2) trừ dòng điện đầu chiều Việc Interleaved làm giảm đập mạch dòng điện đầu tụ điện (IOUT) Khi độ rộng xung đạt 0%, 50% 100%, tổng hai dòng điện chảy qua diode tiến tới DC Tại điểm độ rộng xung trên, tụ điện đầu phải lọc đập mạch dòng điện cuộn cảm 24 Hình 3.3 Trạng thái mạch Interleaved boost Các phương trình sau cho thấy tỷ lệ đập mạch dòng điện đầu vào với đập mạch dòng điện cuộn cảm (K) thay đổi với thay đổi độ rộng xung (Hình 3.4) [48] K I IN I L PT 3.1 25 1 D D  0.5 1 D D 1 K D  0.5 D K PT 3.2 PT 3.3 Hình 3.4 Mối tương quan độ rộng xung tỷ lệ đập mạch dòng điện đầu vào với đập mạch dòng điện cuộn L mạch Interleaved boost pha Trong biến đổi PFC, độ rộng xung D số thay đổi theo thay đổi điện áp đầu vào Vin Sự thay đổi độ rộng xung cho ứng dụng phổ biến lớn Việc triệt tiêu đập mạch dòng điện đầu vào 100% suốt chu kỳ điện áp lưới Tuy nhiên, có khả giảm đáng kể đập mạch dòng điện đầu vào 3.2 Các phương pháp điều khiển Interleaved PFC Phương pháp điều khiển Interleaved vòng hở biến đổi totem-pole PFC phương pháp dễ thực phần mềm nhánh làm nhánh điều khiển TON , TR xung ZCD Nhánh cịn lại có TON , TR nhánh làm trễ khoảng thời gian TP Ưu điểm phương pháp giữ độ dịch pha 180 độ hai nhánh, nên ln đảm bảo đập mạch dịng điện đầu vào chu kỳ đóng cắt nhỏ Nhược điểm phương pháp nhánh phụ không phụ thuộc vào xung ZCD gây chuyển mạch mềm, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất tổng biến đổi PFC 26 Hình 3.5 (a) Giản đồ xung phương pháp Interleaved vòng hở (b) Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vòng hở Trong ứng dụng đòi hỏi tối ưu hiệu suất cho biến đổi PFC, người ta thường sử dụng phương pháp điều khiển Interleaved vịng kín với ưu điểm đạt chuyển mạch mềm cho nhánh PFC Tư tưởng phương pháp giữ nguyên nhánh thay đổi thời gian mở van TON nhánh phụ để đảm bảo độ dịch pha giữ 180 độ 27 Hình 3.6 (a) Giản đồ xung phương pháp điều khiển Interleaved vịng kín (b) Cấu trúc điều khiển chuyển mạch phương pháp Interleaved vịng kín 3.3 Phương pháp điều khiển Interleaved đề xuất Việc tăng TON để điều khiển Interleaved khiến cho dịng trung bình tăng lên, gây ảnh hưởng xấu đến THD dòng điện đầu vào (Hình 3.7) Điều triệt tiêu cách tăng TR lên khoảng tương ứng (Hình 3.8) Nhưng TON cần giảm để đảm bảo độ dịch pha nhánh, TR tính tốn tối ưu để đảm bảo chuyển mạch mềm ln xảy nên giảm TR Thay vào TR  đó, TON TR điều chỉnh hai nhánh cho 28 Hình 3.7 Dạng dòng điện tăng TON để đảm bảo độ dịch pha 29 Hình 3.8 Dạng dịng điện tăng TON TR để đảm bảo độ dịch pha Gọi khoảng thời gian điều chỉnh chu kỳ đóng cắt TP , ta có: TP  eT K PT 3.4 Mặt khác: TP  TON  TOFF  TR  TD Trong I ON  U n TON (U n U out )TOFF  L L PT 3.5 I R  (U n  U OUT ).TR U n TD  L L PT 3.6 Để dịng trung bình khơng thay đổi: 30 I ON  I R PT 3.7 Ta tính được: TON  U out  U n TP U out  U n PT 3.8 Do đó, khoảng thời gian TR  TR  | TON | U n U out  U n PT 3.9 Tr Ton Tr_m ΔTon TP /2 eT K If ΔTon ≥ Ton_m If ΔTon < TΔ Ton_s (a) Tr_s TON TR ZCD1 >0 S11 Switching Controller Tr Ton S12 Interleaving Control Δ TON