Thiết kế hệ thống sạc ắc quy cho ô tô điện

Trong q trình phát triển công nghiệp, việc quan tâm tới môi trường cần thiết Một cách thay phương tiện chạy nhiên liệu hóa thạch phương tiện chạy điện Điện nhiên liệu dồi dào, sử dụng điện không gây khí thải CO2 tác động tới mơi trường Xe đạp xe máy điện dần trở nên phổ biến Trong đó, nghành tơ điện đánh giá đầy tiềm năm tới Đây nghành cơng nghiệp cịn mẻ, có nhiều điểm tích cực có hạn chế cần khắc phục để phổ biến Trong tơ điện ắc quy coi trái tim, thành phần quan trọng Ơ tơ điện có nhiều đề tài hay để tìm hiểu nghiên cứu Một số : “Thiết kế sạc sạc ắc quy cho ô tô điện”

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI V IỆN Đ IỆN  Đề tài: Thiết kế hệ thống sạc ắc quy cho ô tô điện Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Kiên Trung Sinh viên thực : Nguyễn Văn Quang Lớp : CN-KT ĐK TĐH K61 Mã số sinh viên : 2016 6609 Hà Nội,1/6/2019 LỜI NĨI ĐẦU Trong q trình phát triển công nghiệp, việc quan tâm tới môi trường cần thiết Một cách thay phương tiện chạy nhiên liệu hóa thạch phương tiện chạy điện Điện nhiên liệu dồi dào, sử dụng điện không gây khí thải CO2 tác động tới mơi trường Xe đạp xe máy điện dần trở nên phổ biến Trong đó, nghành tơ điện đánh giá đầy tiềm năm tới Đây nghành cơng nghiệp cịn mẻ, có nhiều điểm tích cực có hạn chế cần khắc phục để phổ biến Trong tơ điện ắc quy coi trái tim, thành phần quan trọng Ơ tơ điện có nhiều đề tài hay để tìm hiểu nghiên cứu Một số : “Thiết kế sạc sạc ắc quy cho ô tô điện” Báo cáo đồ án em gồm nội dung sau: Khảo sát loại ắc quy dùng ô tô điện Khảo sát phương pháp sạc ắc quy Li-ion Chọn phương pháp sạc thiết kế sạc ắc quy theo phương pháp Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS Nguyễn Kiên Trung nhiệt tình bảo để em hồn thành đồ án Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nguyễn Văn Quang Contents CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô điện 1.2 Ắc quy ô tô điện Chương : ẮC QUY LITHIUM-ION 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Cấu tạo ắc quy/ Pin Li-ion 2.2.1 Điện cực dương 2.2.2 Điện cực âm 2.2.3 Chất điện ly 2.3 Nguyên lý hoạt động ắc quy(Pin) Li-ion Chương 10 CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO ẮC QUY LI-ION 10 3.1 Phương pháp sạc dịng điện khơng đổi, điện áp khơng đổi 11 3.2 Phương pháp sạc với mức dòng điện 12 3.3 Phương pháp sạc xung 13 3.4 Phương pháp sạc tăng áp 13 Chương 15 THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 15 4.1 Thiết kế mạch lực 15 4.2 Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu ba pha 16 4.3 Thiết kế mạch Boost converter 17 4.3.1 Tính tốn mạch Boost 18 4.3.2Mơ hình hóa Boost 19 4.3 Thiết kế mạch Buck converter 21 5.3.1 Tính tốn điện cảm L mạch Buck 22 5.3.2 Tính tốn điện dung tụ đầu C 25 5.3.3 Tính chọn Mosfet Diode 26 5.3.4 Mơ hình hóa biến đổi Buck 27 5.3.5 Bộ điều khiển điện áp 29 5.3.6 Bộ điều khiển dòng điện 32 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 34 5.2 Lưu đồ điều khiển trình sạc 34 CHƯƠNG :MÔ PHỎNG 36 6.1 Mô mạch lực 36 6.1.1 Khối Buck 36 6.1.2 Khối tạo xung 37 6.1.3 Dòng điện điện áp 39 6.2 Mô khối điều khiển 44 6.2.1 Mô đáp ứng điều khiển điện áp 45 6.2.1 Mô đáp ứng điều khiển dòng điện 45 KẾT LUẬN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô điện Việc sử dụng tơ điện có nhiều lợi ích như: - Hạn chế khí thải CO2 tới mơi trường - Ơ tơ điện hoạt động khơng gây tiếng ồn ô tô chạy động đốt - Vì khơng phải tạo lượng từ đốt nhiên liệu lên khơng thải mơi trường cacbonic (Co2) - Điện có đâu dễ dàng cung cấp.Người sử dụng dụng ô tô điện phải bảo dưỡng xe tiết kiệm chi phí bảo dưỡng thay phụ tùng, thay dầu Bên cạnh cịn nhiều hạn chế, khiến cho việc phát triển tơ điện gặp nhiều khó khăn: - Trở ngại giá thành sản phẩm đắt, lên tới trăm ngàn la Mỹ tính tới thời điểm 2017 - Việc di chuyển liên tục quãng đường dài coi nhược điệm quan trọng, nhiều dự án xây dựng trạm nạp điện phổ biến - Mất nhiều thời gian để nạp đầy ắc quy cho ô tô điện thường vào khoảng 6-8 Do nhược điểm Việt Nam chưa thể phát triển ô tô điện, ngành sản xuất ô tô điện tập trung phát triển nước tiên tiến Mỹ, Nhật, Eu Nhưng việc sử dụng ô tô điện mang giá trị lâu dài, mà môi trường ngày quan tâm Bởi theo thống kê tơ điện ngày sử dụng nhiều qua năm Đi đôi với việc phát triển ô tô điện mạng lưới sạc ắc quy cho ô tô điện phát triển H1.1 Dự báo doanh số bán xe ô tô điện 1.2 Ắc quy ô tô điện Ắc quy hay gọi Pin(Battety) nguồn điện hóa gồm hay nhiều tế bào điện(cell) mắc nối tiếp hay song song với Hình 1.2 Sơ đồ ắc quy Các ắc quy có thị trường ắc quy dùng điện môi ắc quy Lithium Ắc quy điện môi ắc quy chì axít cơng nghệ cũ nên rẻ vận hành an tồn khơng có cháy nổ Tuy nhiên công nghệ cũ nên mật độ lượng thấp, dẫn đến công suất không lớn Mặt khác khối lượng kích thước lại lớn, tuổi thọ sử dụng thấp khó tái chế Dịng ắc quy(Pin) Lithium-ion công nghệ mang nhiều ưu điểm vượt trội so với dòng ắc quy truyền thống : - Pin Lithium có kích thước khối lượng nhỏ nhiều so với ắc quy dùng điện mơi - Pin Li-ion có mật độ lượng cao, hiệu ứng nhớ nhỏ, có tốc độ xả tự thấp - Pin Lithium có kích thước khối lượng nhỏ nhiều so với ắc quy dùng điện mơi - Pin Lithium có kích thước khối lượng nhỏ nhiều so với ắc quy dùng điện mơi Tuy có dịng PIN cơng nghệ PIN Lithium có số nhược điểm sau: - Chúng đắt so với NiCd NiMH - Chúng bốc cháy nổ tiếp xúc với nhiệt độ cao - Nếu viên pin sạc nhanh, gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ - Họ có tuổi thọ pin ngắn so với pin NiCd NiMH điện áp Pin lithium-ion có nhiều ưu điểm vài nhược điểm loại pin sử dụng phổ biến loại ô tô điện Chương : ẮC QUY LITHIUM-ION 2.1 Giới thiệu chung Pin Li-ion hay pin lithi-ion, có viết tắt LIB, loại pin sạc Trong trình sạc, ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, ngược lại trình xả (quá trình sử dụng) LIB thường sử dụng điện cực hợp chất mà cấu trúc tinh thể chúng có dạng lớp, q trình sạc xả, ion Li xâm nhập điền đầy khoảng trống lớp này, nhờ phản ứng hóa học xảy Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương hợp chất xít kim loại chuyển tiếp Li, LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm graphite Dung dịch điện ly pin cho phép ion Li chuyển dịch từ cực sang cực nghĩa có khả dẫn ion Li, nhiên, yêu cầu dung dịch không dẫn điện LIB thường dùng cho thiết bị điện di động, phổ biến pin sạc cho thiết bị điện tử cầm tay Pin Li-ion có mật độ lượng cao, hiệu ứng nhớ nhỏ, bị tự xả Hiện nước phát triển, LIB trọng phát triển quân đội, ứng dụng cho phương tiện di chuyển chạy điện kĩ thuật hàng khơng Nó kì vọng thay cho ắc qui chì tơ, xe máy loại xe điện Hơn nữa, việc thay cho ắc qui chì cịn hứa hẹn việc đảm bảo mơi trường sạch, nâng cao an tồn sử dụng tránh việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit, hạn chế phát thải kim loại nặng môi trường, pin Li-ion đảm bảo điện ngang với ắc qui 2.2 Cấu tạo ắc quy/ Pin Li-ion Ắc quy hay gọi Pin Li-ion có cấu tạo gồm thành phần là: điện cực dương, điện cực âm chất điện phân Ngồi cịn số thành thần khác 2.2.1 Điện cực dương Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO LiMnO4 Vật liệu sở coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedral (giả tứ diện), cho phép ion liti khuếch tán theo chiều Đây vật liệu lí tưởng có khả cung cấp cơng suất riêng lớn, cơng suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế tượng tự xả, có điện cao vịng đời dài Hạn chế giá cao chứa coban kim loại hiếm, bền nhiệt Vật liệu sở mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán theo ba chiều Vật liệu quan tâm mangan rẻ phổ biến coban, có hiệu cao hơn, vòng đời dài hơn, vài hạn chế khác khắc phục Những hạn chế bao gồm khả hòa tan vật liệu mangan dung dịch điện ly, làm điện cực bền giảm công suất pin.Vật liệu cực dương chứa coban loại phổ biến nhất, nhiên vật liệu khác đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành, tăng công suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu dẫn điện việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon bắt buộc 2.2.2 Điện cực âm Vật liệu âm cực thường dùng graphite vật liệu cacbon khác Chúng rẻ phổ biến có độ dẫn điện tốt có cấu trúc cho phép ion liti xen kẽ vào lớp mạng cacbon, nhờ dự trữ lượng cấu trúc tinh thể phình tới 10% Silicon dùng vật liệu âm cực chứa ion liti, chí nhiều cacbon, nhiên “chứa” ion liti, silicon phình đến 400% thể tích ban đầu, phá vỡ kết cấu pin Silicon dùng làm điện âm cực nhiên phản ứng với Li gây nứt gãy vật liệu Vết nứt làm lớp Si bên tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly nên bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha solid electrolyte interphase (SEI) bề mặt Si hình thành Lớp SEI dày lên ngăn chặn q trình khuếch tán Li+ làm giảm dung lượng điện cực công suất pin giảm độ bền âm cực Nhiều nỗ lực thực nhằm giảm thiểu biến đổi cấu trúc nứt gãy Si, tổng hợp Si dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, cấu trúc xốp nano 2.2.3 Chất điện ly Có bốn loại chất điện li sử dụng Pin Li-ion: chất điện li dạng lỏng, chất: điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) chất điện li dạng gốm + Chất điện li dạng lỏng: muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) hoà tan dung mơi hữu có gốc carbonate (EC, EMC) + Chất điện li dạng gel: loại vật liệu dẫn ion tạo cách hoà tan muối dung môi polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel + Chất điện li dạng polimer: dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion hình thành thơng qua hồ tan muối Lithium vật liệu polime có khốilượng phân tửlớn + Chất điện li dạng gốm: vật liệu vô trạng thái rắn có khả dẫn ion Li+ Mỗi loại chất điện li có ưu điểm khác Nhưng nói chung chất điện li phải có khả dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, chịu ảnh hưởng mơi trường độ ẩm, khơng khí … 2.3 Ngun lý hoạt động ắc quy(Pin) Li-ion Các chất phản ứng phản ứng điện hóa pin liti-ion nguyên liệu điện cực âm dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển điện cực Dịng điện chạy mạch ngồi pin pin chạy Ion liti di chuyển hai điện cực trình phản ứng Đa phần nguyên liệu điện cực vật liệu cho phép ion liti xâm nhập mạng tinh thể, mà khơng làm xáo trộn vị trí ngun tử cịn lại mạng q trình xâm nhập liti (lithiation, intercalation/intercalation/insertion process), ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể (deintercalation/delithiation/extraction process) Khi xả, ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode), thường graphite, C6 phản ứng đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, vật liệu dương cực phản ứng với ion liti Để cân điện tích cực, ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) lịng pin, mạch ngồi, lại electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa sinh dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm Khi sạc diễn trình ngược lại, điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương pin (nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở điện cực âm pin (nay đóng vai trị cực dương) Như vậy, pin đảo chiều trình sạc xả Tên gọi điện cực dương hay âm cần xác định dựa theo chất phản ứng trình xảy phản ứng mà ta theo dõi Trong viết (và đa phần báo khoa học), cực âm (anode) cực dương (cathode) pin tên gọi dựa trạng thái xả Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động Pin Bán phản ứng cực dương (cathode) vật liệu dạng lớp LCO viết sau (chiều thuận sạc, chiều nghịch xả): LiCoO2  {\displaystyle \rightleftharpoons }CoO2 + Li+ + eBán phản ứng cực âm (anode) vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận sạc, chiều nghịch xả): C6 + Li+ + e-{\displaystyle \rightleftharpoons }  LiC6 Phản ứng pin (chiều thuận sạc, chiều nghịch xả) C6 + LiCoO2  {\displaystyle \rightleftharpoons } LiC6 + CoO2 Như sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+, ngược lại xả Về phản ứng ln có giới hạn Nếu xả mức (nhét thừa ion liti) liti coban oxit bão hịa dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng chiều sau: LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO Nếu sạc pin LCO lên 5,2 V dẫn đến hình thành coban IV oxit, theo phản ứng chiều sau, điều kiểm chứng nhiễu xạ tia X LiCoO2 → Li+ +e- + CoO2 Chương CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO ẮC QUY LI-ION Tùy vào mục đính hướng tới lợi ích chúng mang lại mà có cách sạc phổ biến nhất: Phương pháp sạc dịng điện khơng đổi, điện áp khơng đổi(Trickle charge) Phương pháp sạc năm mức dòng điện 10 Mạch đo dòng áp phản để điều khiển xung PWM CHƯƠNG :MƠ PHỎNG 6.1 Mơ mạch lực 6.1.1 Khối Buck 36 Hình 1.1 Sơ đồ khối buck Do ắc quy có cơng suất lớn, lên tới 60(kWh), thời gian mô lâu, nên em sử dụng tải tương đương R để kiểm chứng thiết kế mạch lực 6.1.2 Khối tạo xung Do tạo xung PWM cho buck nên khối tạo xung cần xung cưa trễ pha với góc 3600/6=600 Tần số xung 100 (kHz) 37 Hình 6.1 Khối tạo xung Vì điều khiển Buck nên ta cần khối phát xung cưa gồm xung cưa giống tần số, lệch góc 600 Hình 6.1 Hình dạng xung cưa Như chung ta có đồ thị xung PWM có hệ số điều chế D bị dịch pha góc 600 38 Hình 6.1.4 Dạng xung PWM pha 6.1.3 Dòng điện điện áp 39 Hình 6.1 Dạng dịng điện pha Ta thấy dạng dòng điện pha tương tự lệch pha góc 60 Khi sạc tăng áp ta thấy điện áp bám sát giá trị đặt 430 V D Hình6.1.6 Điện áp bám 430V Khi sạc tăng áp dạng dịng điện tăng lên lớn 643.5A, Ta thấy sai số dòng điện thấp, sai số lớn khoảng 1.6(A) 0.25% Điều cho thấy điều khiển đạt tiêu chuẩn thiết kế Hình 6.1.7 Độ đập mạch dịng trước tụ điện 40 Hình 6.1.8 Độ đập mạch điện áp tụ điện Độ đập mạch điện áp tụ điện 4.103 V, sai số không đáng kể Nhận thấy thời gian đáp ứng hệ thống nhanh, khả bám điện áp đặt tốt, sai số gần không đáng kể Vậy điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế đặt Khi dịng điện tăng lên 643.5A dịng điện qua van khoảng 108A, van hoạt động tốt 41 Hình 6.1.9 Dạng dịng điện, điện áp mosfet Hình 6.1.10 Dạng dòng điện điện áp diode Khi sạc ổn áp điện áp bám sát giá trị đặt 420V 42 Hình 6.1.11 Đồ thị biểu diễn điện áp sạc ổn áp 420V Khi sạc ổn dòng, dòng điện cuộn cảm bám sát giá đặt 143A Hình 6.1.12 Dịng điện cn cảm Dịng điện peak lớn đến 600A kéo dài ngắn nên không ảnh hưởng van thiết bị 43 Nhận thấy thời gian đáp ứng hệ thống nhanh, khả bám điện áp đặt tốt, sai số gần không đáng kể Vậy điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế đặt 6.2 Mô khối điều khiển Do ắc quy có cơng suất lên tới 60(kWh), thời gian mô lớn Trong mô để thuận lợi em thay ắc quy tải R tương đương Ta có mạch điều khiển dịng điện điện áp : Hình Sơ đồ mạch điều khiển điện áp Hình 6.2 Sơ đồ mạch điều khiển điện áp 44 Hình 2.1 Sơ đồ mạch điều khiển dòng điện 6.2.1 Mô đáp ứng điều khiển điện áp Ta cho thay đổi điện áp đặt từ 430(V) xuống 420(V) lại cho lên 430(V) để kiểm tra điều khiển điện áp Hình 6.2.2 Dạng điện áp đầu Ta thấy điện áp đầu bám mức điện áp đặt Tại thời điểm chuyển mạch, độ đập mạch lớn, khoảng thời gian ngắn, điện áp ổn định lại Nên điều khiển điện áp đáp ứng yêu cầu 6.2.1 Mô đáp ứng điều khiển dòng điện 45 Cũng giống mô điều khiển điện áp, ta mơ q trình chuyển từ 143(A) lên 643,5(A) xuống lại mắc 143(A) Hình 6.2.3 Dạng dòng điện đầu Ta thấy dòng điện bám nhanh theo giá trị đặt, thời điểm chuyển chế độ, độ đập mạch lớn thời gian ngắn Bộ điều khiển đạt yêu cầu KẾT LUẬN Sau thời gian làm đồ án, em thấy tích lũy nhiều kiến Đề tài” thiết kế sạc ắc quy cho ô tô điện đề tài hay thú vị Trong đồ án em có kết sau: o Nghiên cứu phát triển ô tô điện o Nghiên cứu phương pháp sạc ắc quy o Thiết kế mạch buck pha o Thiết kế điều khiển o Kiến thức lý thuyết điều khiển, kỹ dùng Matlab Bên cạnh cịn nhiều hạn chế: o Chưa thể mô mạch Buck pha o Chưa thể làm mạch thật mà mô matlab 46 Em cố gắng để nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết Em gửi lời cảm ơn sâu sắc tới quý thầy cô mơn Tự động hóa- Trường đại học Bách Khoa Hà Nội Đặc biệt TS Nguyễn Kiên Trung trực tiếp hướng dẫn, bảo em trình làm đồ án TÀI LIỆU THAM KHẢO 1.Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, giảng môn học, 2014 2.Nguyễn Doãn Phước, “Lý thuyết điều khiển tuyến tính”, nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2009 Trần Trọng Minh,”Giáo trình Điện tử cơng suất “, Nhà xuất giáo dục Việt Nam Kae Wong, David Evans, “Merits of multiphase buck DC/DC converters in small form factor applications”, Texas Instruments,2015 47 48 49 Filename: Directory: Template: bao cao an 2.doc G:\Năm III\20182\2TC EE3821 Đồ Án II C:\Users\Admin_PC\AppData\Roaming\Microsoft\Templates \Normal.dotm Title: Subject: Author: User Keywords: Comments: Creation Date: 08-Jun-19 12:15:00 PM Change Number: Last Saved On: 10-Jun-19 10:12:00 AM Last Saved By: quang nguyen Total Editing Time: 2,263 Minutes Last Printed On: 10-Jun-19 10:12:00 AM As of Last Complete Printing Number of Pages: 49 Number of Words: 6,691 (approx.) Number of Characters: 38,142 (approx.) ... Quang Contents CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô điện 1.2 Ắc quy ô tô điện Chương : ẮC QUY LITHIUM-ION 2.1 Giới thiệu... Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng ô tô điện Việc sử dụng tơ điện có nhiều lợi ích như: - Hạn chế khí thải CO2 tới mơi trường - Ô tô điện hoạt động không gây tiếng ồn ô tô. .. xe ô tô điện 1.2 Ắc quy ô tô điện Ắc quy hay gọi Pin(Battety) nguồn điện hóa gồm hay nhiều tế bào điện( cell) mắc nối tiếp hay song song với Hình 1.2 Sơ đồ ắc quy Các ắc quy có thị trường ắc quy