Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống sạc động cho ô tô điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống sạc động cho ô tô điện NGUYỄN TUẤN AN an.nt20160018@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Chuyên ngành Tự động hóa cơng nghiệp Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Chữ ký GVHD Bộ môn: Viện: Tự động hóa cơng nghiệp Điện HÀ NỘI, 1/2021 ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Tên đề tài tốt nghiệp: “Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống sạc động cho ô tô điện” Giáo viên hướng dẫn Ký ghi rõ họ tên Lời cảm ơn Đồ án tốt nghiệp môn học cuối tuổi sinh viên đánh đấu cho hành trình dài năm học trường Bách Khoa Hà Nội khép lại Sắp rời xa giảng đường, xa thầy cô xa bạn bè mái trường Bách Khoa Hà Nội Qua đồ án em xin gửi lời cảm ơn thầy cô trường đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung thầy viện Điện thầy cô môn điều khiển tự động hóa nói riêng tận tình dạy dỗ, hướng dẫn trang bị cho em kiến thức bổ ích năm học qua Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo TS Nguyễn Kiên Trung chị TS Nguyễn Thị Điệp tập thể APES LAB trang bị cho em kiến thức sở vật chất để em hồn thành đồ án Và cuối em xin gửi lời cảm ơn đến bố mẹ, ông bà, người thân gia đình, bạn bè ln sát cánh động viên góp ý để em hồn thành năm học trường Bách Khoa Hà Nội Em xin trân thành cảm ơn! Tóm tắt nội dung đồ án Đồ án:” Điều khiển nâng cao hiệu suất sạc động cho ô tô điện” nhằm đưa giải pháp nâng cao hiệu suất hệ thống sạc không dây cho đối tượng ô tô điện thông qua việc nghiên cứu mạch bù LCC hai phía cấu trúc điều khiển trở kháng tối ưu, cách thức ước lượng hệ số kết nối truyền nhận biến đổi điện tử cơng suất Hệ thống em nghiên cứu có cơng suất 1.5 [kW] hoạt động tần số 85[kHz] với cấu trúc cuộn truyền cuộn nhận thực mô qua phần mềm Powersim, Ltspice, Matlab/Simulink thiết kế mạch qua phần mềm Altium thực thực nghiệm với vi điều khiển STM32 C2000 Nội dung đồ án thực thông qua chương nhằm thực đề xuất chính:  Thiết kế mạch bù LCC nâng cao hiệu suất truyền giảm tổn hao chuyển mạch  Cấu trúc điều khiển trở kháng tối ưu nâng cao hiệu suất hệ thống  Sử dụng chỉnh lưu tích cực thay cho chỉnh lưu diode kết hợp boost converter phía nhận  Sử dụng lọc Kalman ước lược hệ số kết nối cuộn truyền nhận Đồ án đạt thiết kế mạch bù LCC hai phía, sử dụng cấu trúc chỉnh lưu tích cực phía nhận xây dựng cấu trúc điều khiển bám trở kháng tối ưu thuật toán Kalman ước lượng hệ số kết nối truyền nhận Đã kiểm chứng đề xuất thông qua mô thực nghiệm Kết thực nghiệm hiệu suất hệ thống đạt 80% điều khiển trở kháng tối ưu Sinh viên thực Ký ghi rõ họ tên MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẠC KHÔNG DÂY Đặt vấn đề Vấn đề môi trường Xu phát triển ô tô điện Các phương pháp sạc pin cho ô tô điện Hệ thống sạc không dây cho ô tô điện Nguyên lý truyền điện không dây Cấu trúc chung hệ thống sạc không dây động 10 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ MẠCH BÙ LCC PHÍA .12 Giới thiệu mạch bù 12 Thiết kế mạch bù LCC hai phía 14 Tính tốn cơng suất cho hệ thống sạc không dây động 17 Tính tốn thơng số cho mạch bù LCC phía 18 CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN NÂNG CAO HIỆU SUẤT PHÍA NHẬN 19 Hiệu suất truyền lượng hệ thống sạc không dây động 19 Phương pháp điều khiển bám trở kháng tối ưu .19 Ước lượng trở kháng tối ưu cấu trúc điều khiển bám trở kháng tối ưu 20 Phương pháp đồng pha .23 Phương pháp điều khiển dịch pha 24 Ước lượng hệ số kết nối 26 Thiết kế điều khiển bám trở kháng tối ưu 27 CHƯƠNG LỌC KALMAN VÀ ƯỚC LƯỢNG HỆ SỐ KẾT NỐI 30 Tổng quan lọc Kalman 30 Mô hình hóa hệ thống sạc khơng dây động 30 Ứng dụng lọc Kalman vào ước lượng hệ số kết nối 34 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 37 Mô hệ thống 37 Mô vòng hở 37 Mô cấu trúc điều khiển bám trở kháng tối ưu 39 So sánh hiệu suất hệ thống 42 Mô áp dụng thuật toán Kalman ước lượng hệ số kết nối43 Thực nghiệm 46 Thực nghiệm mạch bù LCC phía 47 Thực nghiệm điều khiển nâng cao hiệu suất 48 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hình ảnh xả khí thải nhà máy công nghiệp Hình 1.2 Hình ảnh xả khí thải phương tiện giao thơng Hình 1.3 Xe điện Tesla Model X Hình 1.4 Xe bus điện Vinfast .3 Hình 1.5 Biểu đồ tăng trưởng tơ điện giới đầu năm 2019 Hình 1.6 Top 10 thị trường xe điện giới theo lượng bán năm 2019 Hình 1.7 Ô tô điện “Made in VietNam” Vinfast Hình 1.8 Đánh giá khả sử dụng ô tô điện số nước Đông Nam Á Hình 1.9 Tỷ trọng giá thành pin xe điện .6 Hình 1.10 Sạc có dây Tesla Hình 1.11 Sạc tĩnh .7 Hình 1.12 Hệ thống đường sạc động chạy thử nghiệm Anh Hình 1.13 Cấu tạo máy biến áp Hình 1.14 Nguyên lý làm việc thiết bị gia nhiệt cảm ứng Hình 1.15 Nguyên lý truyền điện khơng dây từ trường cộng hưởng 10 Hình 1.16 Cấu trúc hệ thống truyền điện không dây cho ô tô điện .11 Hình 2.1 Các cấu trúc mạch bù 12 Hình 2.2 Cấu trúc sạc khơng dây cuộn truyền cuộn nhận mạch LCC phía 13 Hình 2.3 Mơ hình xấp xỉ FHA 14 Hình 2.4 Mơ hình xấp xỉ FHA kích thích nguồn đầu vào 14 Hình 2.5 Mơ hình xấp xỉ FHA kích thích nguồn đầu .16 Hình 3.1 Hình ảnh mơ tả hiệu suất phận hệ thống 19 Hình 3.2 Sơ đồ rút gọn hệ thống xét đến nội trở cuộn dây 20 Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống với chỉnh lưu tích cực tồn cầu phía nhận 22 Hình 3.4 Mơ hình trở kháng tối ưu 22 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống có điều khiển trở kháng tối ưu 23 Hình 3.6 Cấu trúc điều khiển .23 Hình 3.7 Sơ đồ mạch phía nhận 24 Hình 3.8 Sơ đồ chỉnh lưu tích cực toàn cầu 25 Hình 3.9 Các trạng thái điều khiển van 25 Hình 3.10 Dạng dịng điện, điện áp trước chỉnh lưu dạng xung điều kiển van 26 Hình 3.11 Mơ hình xấp xỉ FHA 26 Hình 3.12 Đồ thị nhận dạng hệ thống 28 Hình 3.13 Đồ thị bode đối tượng 28 Hình 3.14 Đồ thị bode đối tượng có điều khiển 29 Hình 4.1 Mơ hình quy đổi phía nhận 31 Hình 4.2 Cấu trúc rời rạc hóa ma trận A chu kỳ 33 Hình 4.3 Lưu đồ thật tốn ước lượng hệ số kết nối Ka 35 Hình 4.4 Quá trình làm việc lọc Kalman 35 Hình 5.1 Sơ đồ mơ hệ thống vịng hở 37 Hình 5.2 Khối nghịch lưu 37 Hình 5.3 Khối mạch bù LCC hai phía 37 Hình 5.4 Dạng dịng điện điện áp van 38 Hình 5.5 Dạng dòng điện điện áp sau nghịch lưu 38 Hình 5.6 Dạng dịng điện đầu tải 38 Hình 5.7 Cấu trúc hệ thống có chỉnh lưu tồn cầu phía nhận 39 Hình 5.8 Cấu trúc điều khiển bám trở kháng tối ưu phần mềm Powersim 9.1 39 Hình 5.9 Dạng dịng điện tín hiệu đầu khối đồng pha 40 Hình 5.10 Dạng xung đầu sau khối dịch pha 40 Hình 5.11 Dạng điện áp dịng điện trước chỉnh lưu 40 Hình 5.12 Giá trị trở kháng đặt đáp ứng trở kháng 41 Hình 5.13 Dạng dịng điện điện áp van bán dẫn 41 Hình 5.14 Sơ đồ hệ thống sử dụng chỉnh lưu diode kết hợp boost converter 42 Hình 5.15 Sơ đồ hệ thống sử dụng chỉnh lưu tích cực 42 Hình 5.16 Sơ đồ hệ thống sử dụng chỉnh lưu diode kết hợp boost converter 43 Hình 5.17 Đồ thị hiệu suất hệ thống 43 Hình 5.18 Mơ hình ước lượng Kalman Matlab/Simulink 44 Hình 5.19 Hệ số kết nối thực hệ số kết nối ước lượng Kalman 44 Hình 5.20 Tác động nhiễu 45 Hình 5.21 Hiệu suất hệ thống 45 Hình 5.22 Hệ số kết nối 46 Hình 5.23 Hệ thống thực nghiệm 47 Hình 5.24 Các cuộn dây truyền 47 Hình 5.25 Các mạch bù phía truyền phía nhận 47 Hình 5.26 Dạng dịng điện điện áp trước chỉnh lưu 48 Hình 5.27 Sơ đồ thực nghiệm 48 Hình 5.28 Dạng tín hiệu vào mạch đồng pha 49 Hình 5.29 Xung đầu vào hai van nhánh 49 Hình 5.30 Dạng điện áp trước chỉnh lưu 50 Sau hồn thiện thực nghiệm vịng hở ta tiến hành thực nghiệm vịng kín điều khiển trở kháng tối ưu bám với giá trị trở kháng cố định Đặt giá trị trở kháng tối ưu cố định 40Ω di chuyển xe đồng trục vị trí cuộn truyền thứ ba ta thu kết sau đây: Trở kháng tối ưu vị trí cuộn truyền thứ ba Điện trở (ohm) 41 40.5 40 39.5 39 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 38.5 Thời gian trích mẫu Trở kháng thực Trở kháng đặt Hình 5.35 Đồ thị giá trở kháng tối ưu Do giá trị trở kháng tối ưu trước chỉnh lưu giá trị tỷ số điện áp dòng điện trước chỉnh lưu giá trị khơng đo trực tiếp mà đo gián tiếp thông qua tỷ số dòng điện điện áp hiệu dụng trước chỉnh lưu thực cách lấy giá trị đọc từ ADC vi điều khiển sau dùng giá trị để tính giá trị trở kháng tối ưu giá trị hình Hình 5.35 Từ đồ thị giá trị trở kháng tối ưu ta thấy giá trị bám với giá trị đặt 40 Ω sai lệch bé ±1 Ω Kết đạt yêu cầu hệ thống Do thời gian hạn chế nên em chưa thể áp dụng lọc Kalman để ước lược hệ số kết nối cuộn truyền nhận từ đưa vào vi điều khiển để tìm giá trị trở kháng tối ưu em sử dụng cơng thức ước lượng hệ số kết nối chương để tìm giá trị trở kháng tối ưu từ điều khiển bám giá trị trở kháng tối ưu 28.4 28.2 28 27.8 27.6 27.4 27.2 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97 Điện trở (ohm) Giá trị trở kháng tối ưu thực giá trị trở kháng tối ưu ước lượng vị trí đồng trục tâm cuộn truyền thứ 200mm Thời gian trích mẫu Trở kháng tối ưu thực Trở kháng tối ưu ước lượng Hình 5.36 Đồ thị trở kháng tối ưu 52 Từ đồ thị thấy giá trị trở kháng thực bám với giá trị trở kháng ước lượng giá trị trở kháng xấp xỉ 28Ω Sau điều khiển vịng kín bám trở kháng tối ưu ta tiến hành thực nghiệm tính hiệu suất hệ thống theo hai kịch bản: Kịch 1: Kiểm chứng hiệu suất hệ thống với chỉnh lưu tích cực phía nhận giá trị trở kháng tối ưu 40Ω so với hệ thống sử dụng chỉnh lưu diode phía nhận Đồ thị thể hiệu suất chỉnh lưu tích cực chỉnh lưu diode xe di chuyển đồng trục Hiệu suất (%) 100 80 60 40 20 -200 200 400 600 800 1000 Vị trí (mm) Chỉnh lưu tích cực Chỉnh lưu diode Hình 5.37 Đồ thị hiệu suất hệ thống Với vị trí 0mm vị trí đồng trục cuộn nhận vị trí cuộn truyền thứ Từ đồ thị hiệu suất thấy hiệu suất hệ thống với hai trường hợp chỉnh lưu diode phía nhận chỉnh lưu tích cực cuộn nhận cuộn truyền (-200mm 1000mm) thấp 60% vị trí cuộn nhận di chuyển phía cuộn truyền hiệu suất hệ thống chỉnh lưu tích cực ln đạt từ 75% đến 79% Đối với hệ thống sử dụng chỉnh lưu diode hiệu suất hệ thống đạt từ 60% đến 74% Từ đồ thị hiệu suất thấy hiệu suất hệ thống sử dụng chỉnh lưu tích cực phía nhận cao sử dụng chỉnh lưu diode đề xuất sử dụng chỉnh lưu tích cực thay chỉnh lưu diode phía nhận làm tăng hiệu suất hệ thống Kịch 2: Kiểm chứng hiệu suất hệ thống dùng chỉnh lưu tích cực phía nhận trường hợp có bám trở kháng tối ưu với trường hợp trở kháng cố định 40Ω 53 100 Đồ thị thể hiệu suất hệ thống có điều khiển bám trở kháng tối ưu bám trở kháng cố định di chuyển đồng trục Hiệu suất (%) 80 60 40 20 -200 200 400 600 800 1000 Vị trí (mm) Trở kháng cố định Điều khiển bám trở kháng tối ưu Hình 5.38 Đồ thị hiệu suất hệ thống Với vị trí 0mm vị trí cuộn nhận đồng trục cuộn truyền thứ Từ đồ thị hiệu suất thấy hệ thống có điều khiển trở kháng tối ưu ổn định 80% suốt q trình cuộn nhận di chuyển phía cuộn nhận hệ thống trở kháng cố định hiệu suất đạt từ 75% đến 79% cuộn nhận di chuyển cuộn truyền Từ thấy điều khiển bám trở kháng tối ưu làm cho hiệu suất hệ thống cao trở kháng cố định điều khiển trở kháng tối ưu hiệu suất ổn định so với việc điều khiển trở kháng cố định 54 KẾT LUẬN Trong đồ án tốt nghiệp với đề tài:” Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống sạc động cho tơ điện” em trình bày phát triển ô tô điện phương tiện giao thơng sử dụng điện nay, lợi ích mà phương tiện giao thông sử dụng điện mang lại, tác động tích cực phương tiện giao thông sử dụng điện đến môi trường sống Tuy nhiên chưa thể phát với tiềm tác động mà mang lại vấn đề tích trữ lượng thời gian sạc, quãng đường di chuyển…Với đồ án tốt nghiệp em xin đề xuất thực số giải pháp nâng cao hiệu suất sạc động cho ô tô điện giúp giải vấn về tích trữ lượng, vấn đề thời gian sạc quãng đường di chuyển Các đề xuất là: Thiết kế mạch bù LCC nâng cao hiệu suất truyền nhận, đạt chuyển mạch mềm ZVS giảm tổn hao đóng cắt - Cấu trúc điều khiển trở kháng tối ưu nâng cao hiệu suất hệ thống sạc động - Sử dụng mạch chỉnh lưu tích cực thay chỉnh lưu diode kết hợp boost converter nhằm giảm tổn hao biến đổi - Sử dụng lọc Kalman để ước lượng hệ số kết nối cuộn dây truyền nhận Qua đồ án tốt nghiệp em hiểu rõ cấu trúc, nguyên lý hệ thống truyền điện không dây, biến đối điện tử công suất, cách thiết kế biến đổi điện tử cơng suất, hiểu rõ dịng vi điều khiển stm32, C200 thành thạo phần mềm mô điện tử công suất Powersim, Ltspice, Matlab/Simulink thành thạo phần mềm thiết kế mạch Altium, phần mềm lập trình Keil uVision5, Code Composer Studio Ngồi qua đồ án giúp em hoàn thiện số kỹ mềm kỹ làm việc nhóm, kỹ thuyết trình, kỹ giải vấn đề, kỹ đọc tài liệu kỹ thuật… Ơ tơ điện phát triển mạnh mẽ giới nhiên hệ thống sạc động cho tơ điện cịn trình nghiên cứu phát triển chưa thể áp dụng thực qua đồ án em mong muốn tương lai gần có nhiều hệ thống sạc động đưa vào áp dụng thực thực tế - 55 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://vnmha.gov.vn/ban-tin-quy-khcnhtqt-135/nhiet-do-cua-toan-cau-nonglen-1-5-do-2859.html [2] https://xedoisong.vn/thi-truong/toan-canh-thi-truong-xe-o-to-dien-the-gioidau-nam-2019-tesla-model-3-dang-o-ngoi-vua-32648.html [3] https://nld.com.vn/kinh-te/tuong-lai-nao-cho-oto-dien-tai-viet-nam20180223095746805.htm [4] https://bnews.vn/xe-buyt-dien-cua-vinfast-co-the-chay-den-260km-sau-moilan-sac/175166.html [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] M Fu, C Ma, and X Zhu, “A cascaded boost-buck converter for highefficiency wireless power transfer systems,” IEEE Trans Ind Informatics, vol 10, no 3, pp 1972–1980, 2014, doi: 10.1109/TII.2013.2291682 [7] W X Zhong and S Y R Hui, “Maximum energy efficiency tracking for wireless power transfer systems,” IEEE Trans Power Electron., vol 30, no 7, pp 4025–4034, 2015, doi: 10.1109/TPEL.2014.2351496 57 58 PHỤ LỤC Code vi điều khiển C2000: Chương trình chương trình ngắt thực điều khiển: // Included Files // #include "F28x_Project.h" #include "math.h" // Globals #define pi 3.141592654 #define VoltageGain 18.0 #define CurrentGain 0.79 #define length 100 #define #define #define #define #define #define w2 2.8523e+11 Lfr 2.8900e-05 Rr 0.14 Ri 0.13 Cfr 1.2090e-07*1.1 ILi 1.6 float V_array[length]; float I_array[length]; float Ropt_array[length]; Uint16 HalfBeta = 100; //HalfBeta = Beta/2 Uint16 ADCA_value = 0; Uint16 ADCB_value = 0; // Function Prototypes // void InitEPWM5(void); void InitEPWM4(void); void InitEPWM1(void); void InitEPWM2(void); void InitEPWM3(void); void InitGPIO(void); void InitADC(void); float LowPassFilter (float currentVal, float oldVal); Uint16 VoltageController(float V_SP, float V_fb); float ImpedanceController(float Ropt, float ILfr); float OptimumImpedanceCal(float Vab, float ILfr); void UpdateHalfBeta(float HalfBeta); interrupt void epwm5ISR(void); interrupt void adcb1_isr(void); interrupt void adca1_isr(void) { while(AdcbRegs.ADCINTFLG.bit.ADCINT1 == 0) {} ADCA_value = AdcaResultRegs.ADCRESULT0; ADCB_value = AdcbResultRegs.ADCRESULT0; AdcaRegs.ADCINTFLGCLR.bit.ADCINT1 = 1; //clear ADCINT1 flag channel A AdcbRegs.ADCINTFLGCLR.bit.ADCINT1 = 1; //clear ADCINT1 flag channel B PieCtrlRegs.PIEACK.all = PIEACK_GROUP1; static static static static static static static static static static static unsigned int times = 0; unsigned int thoigian0 = 0; unsigned int thoigian1 = 0; unsigned int i = 0; unsigned int count = 0; float V_fb = 0; float ILfr = 0; float Vab = 0; float Irec = 0; float M = 16e-6; float Ropt = 30; Vab = ((float)ADCA_value)*VoltageGain*3/4095; Irec = ((float)ADCB_value)*CurrentGain*3/4095; V_fb = LowPassFilter(Vab , V_fb); ILfr = LowPassFilter(Irec , ILfr); times ++; if(times == 20) 59 { if(thoigian0