Nghiên cứu và phát triển sạc nhanh cho xe điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển sạc nhanh cho xe điện ĐỖ BÁ PHÚ Phu.DBCA190100@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển sạc nhanh cho xe điện ĐỖ BÁ PHÚ Phu.DBCA190100@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Viện: Điện Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 2020 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 : Đỗ Bá Phú Đề tài luận văn: Nghiên cứu phát triển sạc nhanh cho xe điện Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Mã số SV: CA190100 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 30/10/2020 với nội dung sau: - Đã sửa hình vẽ phần: • Tổng quan phát triển xe điện • Thiết kế điều khiển • Kết thực nghiệm - Đã sửa số lỗi tả câu từ phần thiết kế điều khiển Ngày 05 tháng 11 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Họ tên giáo viên hướng dẫn chính: TS Nguyễn Kiên Trung Cơ quan: Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Email: trung.nguyenkien1@hust.edu.vn ĐT : 0975976590 Nội dung Đề tài chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Tên đề tài: Nghiên cứu phát triển sạc nhanh cho xe điện Hà Nội, Ngày 21 tháng 10 năm 2020 Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn tới thành viên gia đình tơi tạo điều kiện gửi lời động viên suốt thời gian làm luận văn Tiếp theo, xin gửi lời cảm ơn trân thành đến thầy TS Nguyễn Kiên Trung, người hướng dẫn tơi hồn thành chương trình thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ thực nghiệm triển khai phòng 306 Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa (ICEA), phần đề tài cấp quốc gia, với tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế thiết bị cấp điện di động cho tàu bay Do đó, tơi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quang Địch – giám đốc Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa tạo điều kiện để tơi làm việc hoàn thành luận văn Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn tới bạn Đỗ Ngọc Quý học tập, nghiên cứu triển khai làm luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới em Nguyễn Đức Tài, em Nguyễn Gia Thiều, em Cao Xuân Thịnh thành viên khác tập thể APES Lab hỗ trợ tơi nhiệt tình tồn q trình tơi làm luận văn Tơi xin trân thành cảm ơn Tóm tắt nội dung luận văn a) Nội dung luận văn giải vấn đề sau Xây dựng sở lý thuyết xây dựng mơ hình pin Lithium-ion; Đề xuất phương pháp sạc nhanh mới, Thiết kế điều khiển nhiệt độ; Tính tốn thiết kế biến đổi cho sạc pin; Mô thực nghiệm để kiểm nghiệm lý thuyết b) Phương pháp nghiên cứu công cụ sử dụng Phương pháp nghiên cứu: Khảo sát, phân tích cấu tạo đặc tính hoạt động pin; tìm mối liên hệ đại lượng cần nghiên cứu; đưa mơ hình hóa; thử nghiệm để kiểm tra tính đắn mơ hình Cơng cụ sử dụng: Phần mềm Matlab/Simulink; Vi điều khiển họ C2000 TMS320F28379D c) Kết Luận văn phù hợp với yêu cầu sạc pin cho xe điện có đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu khoa học nước Luận văn đề xuất phương pháp sạc nhanh mới, có kết cho thời gian sạc ngắn mà đảm bảo tuổi thọ pin Hướng phát triển luận văn kiểm nghiệm phương pháp đề xuất điều kiện khác d) Phạm vi nghiên cứu luận văn Luận văn hướng tới phương pháp sạc nhanh cho pin Lithium ion Vấn đề ước lượng giá trị SOC không nghiên cứu luận văn Học viên Đỗ Bá Phú MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN LITHIUM ION TRÊN XE ĐIỆN 1.1 1.2 Tổng quan phát triển xe điện 1.1.1 Quá trình phát triển xe điện 1.1.2 Nhu cầu sử dụng ô tô điện Tổng quan hệ thống pin lithium xe điện 1.2.1 Giới thiệu chung hệ thống pin Lithium ion xe điện 1.2.2 Cấu tạo pin Lithium ion 1.2.3 Nguyên lý hoạt động pin Lithium ion CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA PIN LITHIUM ION 2.1 Mơ hình hóa pin Lithium sử dụng mạch tương đương 2.2 Mô hình hóa q trình trao đổi nhiệt pin Lithium ion CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO PIN LITHIUM ION 11 3.1 Tổng quan phương pháp sạc 11 3.2 Tiêu chuẩn sạc giới hạn việc sạc pin cho xe điện 11 3.3 3.2.1 Tiêu chuẩn sạc pin cho xe điện 11 3.2.2 Các giới hạn sạc pin cho xe điện 13 Phương pháp sạc dòng điện không đổi điện áp không đổi 13 3.3.1 Quá trình sạc pin Lithium ion theo phương pháp dịng điện khơng đổi điện áp khơng đổi 13 3.3.2 Những vấn đề tồn thách thức phương pháp dịng điện khơng đổi điện áp không đổi 14 3.4 Phương pháp sạc nhiều mức dòng điện 15 3.4.1 Quá trình sạc pin Lithium ion theo phương pháp sạc nhiều mức dòng điện 15 3.4.2 Những vấn đề tồn thách thức phương pháp sạc nhiều mức dòng điện 16 3.5 3.6 Phương pháp sạc xung 16 3.5.1 Sạc xung với dịng điện khơng đổi tần số khơng đổi 16 3.5.2 Sạc xung với dịng điện không đổi tần số thay đổi 18 3.5.3 Sạc xung với dòng điện thay đổi tần số không đổi 19 Phương pháp sạc tăng cường 19 i 3.7 3.6.1 Quá trình sạc pin Lihitum ion theo phương pháp sạc tăng cường 19 3.6.2 cường Những vấn đề tồn thách thức phương pháp sạc tăng 21 Phương pháp sạc nhanh đề xuất 21 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CHO BỘ SẠC PIN LITHIUM ION 23 4.1 Cấu trúc module sạc pin phạm vi thiết kế 23 4.2 Cấu trúc chung biến đổi 23 4.3 4.4 4.5 4.2.1 Cấu trúc mạch lực biến đổi AC-DC 24 4.2.2 Cấu trúc mạch lực biến đổi DC-DC 25 Nguyên lý hoạt động biến đổi 25 4.3.1 Nguyên lý hoạt động biến đổi AC-DC 25 4.3.2 Nguyên lý hoạt động biến đổi DC-DC 27 Mơ hình hóa biến đổi 29 4.4.1 Mơ hình hóa biến đổi AC-DC 29 4.4.2 Mô hình hóa biến đổi DC-DC 32 Tính tốn mạch lực thiết kế điều khiển cho biến đổi 41 4.5.1 Tính tốn mạch lực AC-DC 41 4.5.2 Tính tốn mạch lực DC-DC 46 4.5.3 Thiết kế điều khiển 53 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 63 5.1 Kết mô biến đổi 63 5.1.1 Kết mô AC-DC 63 5.1.2 Kết mô biến đổi DC-DC 66 5.2 Kết mô phương pháp sạc 68 5.3 Kết mô phương pháp sạc nhanh đề xuất 80 5.3.1 Mô phương pháp sạc nhanh đề xuất với cell pin 80 5.3.1 Mô phương pháp sạc nhanh đề xuất với 30 cells pin mắc nối tiếp 81 5.4 Nhận xét phương pháp sạc 83 5.5 Kết thực nghiệm sạc pin Lithium ion 83 5.5.1 Hệ thống thực nghiệm 83 5.5.2 Kết thực nghiệm 84 ii CHƯƠNG KẾT LUẬN 87 6.1 Kết luận 87 6.2 Hướng phát triển luận văn tương lai 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88 PHỤ LỤC 91 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hai kiểu ghép nối hệ thống pin Hình 1.2 Quá trình sạc, xả pin Lithium (Nguồn: Wikipedia) Hình 2.1 Mơ hình tương đương pin Hình 2.2 Mơ hình tương đương rút gọn pin Hình 3.1 Bộ sạc 50KW Terra 54 ABB sản xuất 12 Hình 3.2 Dạng dịng điện, điện áp tế bào Pin phương pháp sạc CC-CV 14 Hình 3.3 Dạng dịng điện, điện áp tế bào pin phương pháp sạc nhiều mức dòng điện dựa điện áp ngưỡng 15 Hình 3.4 Dạng dịng điện, điện áp tế bào pin phương pháp sạc nhiều mức dòng điện dựa SOC 15 Hình 3.5 Dạng dòng điện phương pháp CCCF-PC 17 Hình 3.6 Dạng dịng điện điện áp pin trình sạc pin theo phương pháp 17 Hình 3.7 Dạng dịng điện, điện áp pin tồn q trình sạc theo phương pháp CCVF-PC 18 Hình 3.8 Dạng dịng điện phương pháp CCVF-PC 18 Hình 3.9 Dạng dịng điện phương pháp VCCF-PC 19 Hình 3.10 Dạng dịng điện, điện áp pin trình sạc tăng cường 20 Hình 3.11 So sánh dung lượng pin hai phương pháp CCCV thông thường sạc tăng cường 20 Hình 3.12 Dạng nhiệt độ sạc trình sạc theo phương pháp điều khiển nhiệt độ 22 Hình 3.13 Dạng dịng điện sạc theo phương pháp sạc điều khiển nhiệt độ 22 Hình 4.1 Cấu trúc module sạc pin 23 Hình 4.2 Cấu trúc tổng quan sạc pin nghiên cứu 23 Hình 4.3 Cấu trúc mạch lực PFC boost Converter kết hợp cầu chỉnh lưu mạch boost 24 Hình 4.4 Cấu trúc mạch lực PFC boost Converter dạng Half-Bridge 24 Hình 4.5 Cấu trúc mạch lực PFC boost Converetr dạng Full-Bridge 25 Hình 4.6 Cấu trúc biến đổi CLLC cộng hưởng 25 Hình 4.7 Quá trình hoạt động mạch Uvào>0 26 Hình 4.8 Quá trình hoạt động mạch Uvào