Vì động cơ xe điện được cung cấp bằng nguồn một chiều nên điều khiển dòng năng lượng đi theo hai chiều đồng nghĩa với điều khiển dòng điện đi theo hai chiều: từ nguồn tới tải và ngược lại. Mặc dù nguồn một chiều cấp cho động cơ là ắc- qui có khả năng phát và thu năng lượng nhưng quá trình hãm diễn ra nhanh yêu cầu phải có thiết bị hấp thụ năng lượng trả về hiệu quả. Tụ điện là sự lựa chọn phù hợp bởi nó có khả năng phóng nạp nhanh hơn ắc-qui. Với sự phát triển của ngành điện hóa học, thay vì dùng tụ điện thông thường trong tình huống cần phóng nạp điện năng nhanh, giờ đây chúng ta có siêu tụ cho sự lựa chọn tốt hơn.
Siêu tụ là tụ điện hai lớp có mật độ năng lượng và công suất cao. Các loại siêu tụ ngày nay có cấu tạo gồm hai điện cực ngăn cách nhau bởi một màng xốp. Các điện cực được làm bằng vật liệu có khả năng dẫn điện cao như than hoạt tính. Diện tích bề mặt trung bình tính trên 1g vật liệu làm điện cực khoảng 2000m2 khiến lớp vật liệu bề mặt rất mỏng và có diện tích lớn. Với đặc điểm này điện dung riêng của siêu tụ đạt tới 250F/g [8]. Điện áp danh định của một tế bào siêu tụ phụ thuộc vào công nghệ chế tạo các điện cực. Thông thường điện áp này từ 1V tới 2.8V. Trong thực tế để có được siêu tụ với điện áp làm việc lớn hơn ta cần ghép nối tiếp nhiều tế bào siêu tụ tương tự như cách ghép tụ điện. Như vậy siêu tụ là thiết bị điện có đặc điểm điện áp làm việc thấp và dòng điện làm việc cao khiến quá trình phóng nạp năng lượng trong thời gian ngắn, hiệu quả hơn rõ rệt so với tụ điện thông thường. Ví dụ với siêu tụ điện áp danh định 300Vdc, dòng điện định mức 200Adc và điện dung 20F, siêu tụ có thể nạp một năng lượng 40kW trong thời gian 20s. Năng lượng này lớn gấp 20 lần lượng năng lượng nếu ta sử dụng tụ điện thông thường và đủ để ta sử dụng trong quá trình tăng tốc xe mà không cần dùng tới năng lượng từ nguồn một chiều [6].
Mặc dù siêu tụ có nhiều ưu điểm nhưng chúng không thể thay thế hoàn toàn cho ắc-qui trong xe điện. Lý do đơn giản vì công suất ắc-qui tích trữ lớn hơn hàng chục lần so với siêu tụ, hơn nữa ắc-qui có thể phóng nạp hàng nghìn lần mà không
63
hư hỏng. Ý tưởng do Juan W. Dixon và Micah E. Ortuzar [8], được phát triển bởi Hiroshi Nomura, Takashi Imai [17] là việc ghép nối siêu tụ với nguồn điện áp một chiều giúp tăng khả năng vận hành xe điện trong các chế độ làm việc khác nhau. Siêu tụ và nguồn ắc-qui được ghép song song. Khi động cơ có nhu cầu trao đổi năng lượng lớn với nguồn trong khoảng thời gian ngắn thì siêu tụ được đưa vào làm việc, ví dụ như quá trình khởi động (tăng tốc) hay hãm tái sinh.
Hình 4.3. Cấu hình điều khiển hãm tái sinh dùng siêu tụ [6]
Sơ đồ nguyên lý điều khiển phối hợp làm việc giữa siêu tụ và ắc-qui cung cấp cho động cơ truyền động xe điện được trình bày trên hình 4.3. Phía siêu tụ gồm ba thành phần chính là bộ DC-DC converter, điện cảm LS và siêu tụ. Bộ DC-DC làm việc ở hai chế độ buck và boost. Chế độ boost dùng khi tăng tốc xe. Lúc đó siêu tụ phóng điện. Chế độ buck khi xe hãm tái sinh và siêu tụ thu năng lượng từ quá trình hãm.
Trong quá trình boost, van IGBT T1 nhận tín hiệu điều khiển ON/OFF từ bộ điều khiển nhằm truyền năng lượng cần thiết từ phía siêu tụ sang phía tải và nguồn một chiều. Khi T1 đóng, năng lượng từ siêu tụ nạp vào cuộn cảm LS. Khi T1 ngắt, năng lượng tích tụ trong LS được đưa tới tụ C qua đi-ốt D2 và sau đó tới nguồn ắc- qui. Trong quá trình buck, bộ biến đổi DC-DC điều khiển dòng năng lượng từ phía tải và ắc-qui nạp vào siêu tụ. Quá trình này được thực hiện bằng cách điều khiển van IGBT T2. Khi động cơ hãm tái sinh, dòng năng lượng có chiều đi vào ắc-qui và siêu tụ. Van T2 đóng, dòng năng lượng của quá trình hãm tái sinh được tích một
Nghịch lưu ô`n ngu I ai t I ù b I 1 T 2 T 2 D 1 D Boost Buck siêu tu I siêu tu V Siêu tụ + − + − Nguồn một chiều s L
64
phần vào cuộn cảm LS. Khi T2 ngắt, lượng năng lượng này được đưa nạp lại vào siêu tụ.
Bên cạnh những ưu điểm của hệ ghép nối giữa siêu tụ và nguồn ắc-qui trong vận hành xe điện, nhược điểm của phương pháp này ở chỗ hệ thống cần bổ sung bộ DC-DC converter, siêu tụ và thuật toán điều khiển phức tạp. Sau đây ta tìm hiểu hai phương pháp điều khiển vận hành xe điện mà năng lượng có thể đi theo hai chiều mà không cần bổ sung thêm bộ biến đổi hay siêu tụ.