Nghiên cứu thiết kế bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion xe điện hiệu suất cao

Cấu trúc các bộ biến đổi trong Hệ thống sạc nhanh xe điện 1. Trạm sạc nhanh XFC và phân phối điện năng

Đối với các hệ thống được phân phối DC, một bộ biến đổi AC/DC trung tâm đặt ngay sau máy biến áp cách ly tần số thấp được sử dụng để tạo ra một hệ thống BUS DC, cung cấp phương pháp hiệu quả hơn về phân phối và lưu trữ điện năng. Khi sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion lithi di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, các thiết bị điện tử cầm tay. Hiện nay, LIB đang được chú trọng phát triển, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không. Do pin lithi-ion chứa hợp chất của Li rất dễ cháy khi tiếp xúc với không khí và chứa dung dịch điện ly dễ cháy, nên nó rất nguy hiểm khi được sạc và xả với cường độ dòng điện lớn. Do đó, các quy chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin thường. Các lĩnh vực nghiên cứu về pin lithium-ion bao gồm kéo dài vòng đời pin, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí pin. Cơ chế sạc và xả. Quá trình điều tiết sạc/xả một tế bào pin Li-ion và một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh như sau:. Đối với một tế bào pin Li-ion được sạc/xả qua hai giai đoạn:. 1) Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC) 2) Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV). 10: Chế độ sạc nhanh của Pin Lithium-Ion Đối với một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần 3 giai đoạn 1) Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC) 2) Chế độ cân bằng dòng điện. 3) Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV).

Các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được

Nhiệt độ giới hạn của pin khi sạc quan trọng hơn nhiệt độ xả (nhiệt độ lúc sử dụng). Trong quá trình sạc, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên do điện trở trong của pin, đây là nguyên nhân làm giảm hiệu năng pin, khi nhiệt độ tăng lên trên 450C pin sẽ bị chai nhanh chóng.

Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Nhận xét: Ta thấy cả ba cấu trúc cộng hưởng nêu trên đều gặp phải một nhược điểm lớn là năng lượng tuần hoàn cũng như tổn hao chuyển mạch khi điện áp đầu vào cao làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi, không phù hợp với bộ biến đổi DC/DC cách ly có điện áp đầu vào cao từ PFC. Do đó, để đạt được hiệu suất cao trong dải tải rộng, với điện áp đầu vào cao (100~300 VDC) từ PFC, ta sẽ chọn bộ biến đổi cộng hưởng LLC do có thể đạt cộng hưởng ở điều kiện không tải và năng lượng tuần hoàn trong mạch thấp hơn so với các cấu trúc cộng hưởng nêu trên. Bộ biến đổi cộng hưởng LLC với các tính năng chuyển mạch mềm và hoạt động ở tần số cao, đã được áp dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, như bộ sạc pin trên bo mạch (OBC), nguồn điện viễn thông, trình điều khiển diode phát quang, và các thế hệ năng lượng tái tạo.

- Dải hoạt động của tần số chuyển mạch rộng: để bao trùm dải hoạt động của độ lợi điện áp rộng, dải hoạt động của tần số biến đổi cần thiết cũng lớn, điều này thách thức thiết kế và tối ưu hóa các thành phần từ tính, mạch điều khiển cổng và bộ lọc nhiễu điện từ (EMI);. Từ dạng sóng của điện áp đầu vào mạng cộng hưởng 𝑉𝑎𝑏, có thể thấy rằng so với chế độ vận hành nửa cầu, trong một chu kỳ chuyển mạch, có hai chu kỳ hoàn chỉnh của 𝑉𝑎𝑏, do đó, tần số chuyển mạch vận hành tương đương trong chế độ vận hành này được nhân đôi. Vì máy biến áp có sẵn điện cảm từ hóa (𝐿𝑚) nên được sử dụng làm điện cảm nối tiếp với điện cảm cộng hưởng (𝐿𝑟). Thực tế cũng tồn tại điện cảm rò rỉ ở phía thứ cấp, nếu bỏ qua sẽ gây ra lỗi thiết kế đáng kể. Hình 3.1 thể mạch tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong đó điện cảm rò rỉ bên thứ cấp cũng được xem xét. 25: Mạch biến đổi cộng hưởng LLC bao gồm điện cảm rò rỉ phía thứ cấp Khi điện trở tải được phản xạ về phía sơ cấp, nó sẽ khác với giá trị thực thu được bằng cách chỉ nhân nó với tỷ số dây quấn. Do đó, ta sử dụng mạch tương đương phía thứ cấp như trong Hình 2.26. 26: Mạch tương đương phía thứ cấp. Các phương trình cho dòng điện xoay chiều và thành phần hình sin cơ bản của điện áp sóng vuông ở đầu vào của bộ chỉnh lưu diode như sau:. Mạch tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng LLC bao gồm quy đổi tương đương các phần tử bên thứ cấp sang phía sơ cấp, được thể hiện trong Hình 2.27. 27: Mạch tương đương bao gồm quy đổi phía thứ cấp sang phía sơ cấp Từ mạch trên, mức tăng điện áp thu được là:. Trên thực tế, và được đo từ phía sơ cấp máy biến áp với phía thứ cấp ngắn mạch và hở mạch tương ứng, như thể hiện trong Hình 2.28. 28: Điện cảm tương đương 𝐿𝑟 và 𝐿𝑝 được đo từ phía sơ cấp với cuộn thứ cấp a) ngắn mạch.

Phân tích và thiết kế mạch điều khiển

Như vậy Bộ nguồn sạc nhanh Pin Lithium-Ion sử dụng bộ biến đổi cộng hưởng LLC có hiệu suất chuyển đổi cao, đạt trên 95%. Tổn hao chuyển mạch chiếm tỷ lệ rất nhỏ nhờ chuyển mạch điện áp qua 0 trên IGBT, dòng điện qua 0 trên Diode, tổn hao chủ yếu do tổn hao dẫn của các van bán dẫn.

Cấu trúc điều khiển mạch vòng kín

Hệ thống điều khiển vòng kín được định nghĩa là hệ thống có vòng phản hồi hoặc hệ thống điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi để tạo ra đầu ra. Các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển vòng kín bao gồm bộ phát hiện lỗi, bộ điều khiển, các phần tử phản hồi và bộ nguồn. Tín hiệu phản hồi này có thể nhận được từ các phần tử của phản hồi trong hệ thống điều khiển bằng cách coi đầu ra của hệ thống là đầu vào.

- Hệ thống tự điều chỉnh dòng điện sạc pin Lithium-Ion thông qua các đồng hồ đo điện áp sạc, điện áp pin, cường độ dòng điện sạc.

Bộ điều khiển PID a. Khái niệm

Các bộ điều khiển PID thường được lựa chọn cho nhiều ứng dụng khác nhau, vì lý thuyết tin cậy, được kiểm chứng qua thời gian, đơn giản và dễ cài đặt cũng như bảo trì của chúng. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác. Tốc độ thay đổi của sai số quá trình được tính toán bằng cách xác định độ dốc của sai số theo thời gian (tức là đạo hàm bậc một theo thời gian) và nhân tốc độ này với hệ số tỉ lệ 𝐾𝑝.

Điều chỉnh một vòng điều khiển là điều chỉnh các thông số điều khiển của nó (hệ số tỷ lệ, hệ số tích phân, hệ số vi phân) tới giá trị đáp ứng điều khiển tối ưu.

Xây dựng sơ đồ điều khiển hệ kín

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển. Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp. Các cấu trúc được phân tích ưu, nhược điểm như cấu trúc song song (PRC), cấu trúc nối tiếp (SRC), cấu trúc nối tiếp-song song (SPRC).

Để đáp ứng được yêu cầu về công suất, hiệu suất của Bộ sạc pin Lithium-Ion với hiệu suất cao, em lựa chọn Bộ biến đổi cộng hưởng LLC cầu 1 pha, sử dụng biến áp cách ly tần số cao, phương pháp điều khiển vòng kín PID, điều chế độ rộng xung PWM.

Phần mềm mô phỏng PSIM 9.1.1

- PSIM cũng theo dừi tất cả các thụng tin nhận được và ghi lại từ tương tác của người vận hành cũng như thay đổi hệ thống để phân tích điều tra sâu. Ngoài lợi ích giúp tiết kiệm thời gian hiệu quả, PSIM 9.1.1 còn giảm rủi ro thông qua việc tự động hoá và đảm bảo tuân thủ các chính sách, đẩy nhanh thời gian đáp ứng và báo cáo xuyên hệ thống chính xác.

Xây dựng mạch điều khiển

LAUNCHXL-F28379D là một công cụ phát triển và đánh giá chi phí hợp lý trong hệ phát triển TI MCU LaunchPad ™ tương thích với nhiều plug-in BoosterPacks (được đề xuất trong Mô-đun bổ sung BoosterPack ™ được đề xuất trong phần tính năng bên dưới). Bộ công cụ phát triển LaunchPad cung cấp một nền tảng được tiêu chuẩn hóa và dễ sử dụng để sử dụng trong khi phát triển ứng dụng tiếp theo của bạn. - Tải xuống miễn phí phần mềm lập trình Code Composer Studio ™ IDE, trình điều khiển thiết bị C2000Ware và các dự án mẫu từ trang web chính hãng.

Xây dựng khối nguồn kết nối trực tiếp với KIT F28379D để thực hiện các thao tác điều khiển, cách ly, đo lường.