CHƯƠNG II : NGUỒN NĂNG LƯỢNG CHO ễ Tễ ĐIỆN
c. Tỉ số truyền tay số lựi
3.5. Cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất trong ụ tụ điện
3.5.1. Bộ biến đổi hệ thống điện một chiều (DC-DC converter)
Khối mạch điện cụng suất trờn xe ụ tụ điện gồm cú ba hệ thống điện ỏp một
chiều: ắc quy, siờu tụ điện và DC - link. Để kết nối ba hệ thống điện ỏp một chiều này với nhau, đồng thời đảm bảo khả năng điều khiển tối ưu dũng năng lượng trong cỏc chế độ hoạt động của ụ tụ cần cú cỏc bộ biến đổi DC - DC tăng/hạ ỏp hai chiều (Bidirectional Buck - Boost DC - DC converter) với cỏc chức năng khỏc nhau. Hỡnh
dưới mụ tả tổng thể hệ thống nguồn bao gồm ắc quy, siờu tụ và bộ biến đổi DC -
DC hai chiều.
BỘ BIẾN ĐỔI
DC-DC
HAI CHIỀU
BUCK-BOOST Tới biến tần
và động cơ ẮC QUY BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU BUCK-BOOST 120V 250V DC-Link 300 - 600V SIấU TỤ
Dũng năng lượng hóm tỏi sinh Dũng năng lượng nạp về ắc quy
Dũng năng lượng tức thời khi tăng tốc Dũng năng lượng huy động từ ắc quy
Hỡnh 3.10. Hệ thống nguồn năng lượng với cỏc chế độ hoạt động
Hai bộ biến đổi DC - DC hai chiều đúng vai trũ khỏc nhau trong hệ thống. Bộ biến đổi giữa siờu tụ và DC - link cú vai trũ làm giảm cấp điện ỏp của siờu tụ và huy
động cụng suất lớn từ siờu tụ trong quỏ trỡnh tăng tốc. Mức điện ỏp định mức ở DC -
link cần cú để cấp nguồn cho động cơ hoạt động là 300VDC. Trong quỏ trỡnh hóm
64
trực tiếp siờu tụ vào DC - link thỡ cần lựa chọn siờu tụ cú khả năng chịu được mức
điện ỏp 600VDC. Trờn thực tế, siờu tụ điện được chế tạo với mức điện ỏp nhỏ, chỉ
khoảng vài VDC, module siờu tụ cú mức điện ỏp lớn nhất trờn thị trường hiện nay là 125VDC. Nếu đấu nối tiếp nhiều module để cú điện ỏp 600VDC sẽ khiến giỏ thành bị nõng lờn rất cao, đồng thời gõy khú khăn cho việc điều khiển cõn bằng điện ỏp giữa cỏc module, dẫn tới khả năng nổ toàn bộ siờu tụ. Do vậy, bộ biến đổi DC - DC
này cú vai trũ hạ mức điện ỏp từ 600VDC xuống 250VDC (hai module mắc nối
tiếp) trong quỏ trỡnh hóm tỏi sinh. Đồng thời, nú cú vai trũ huy động một lượng cụng suất lớn trong thời gian ngắn từ siờu tụ để phục vụ quỏ trỡnh tăng tốc cho xe.
Điều này trỏnh được việc phải huy động cụng suất lớn từ ắc quy, do vậy sẽ đảm bảo được tuổi thọ ắc quy.
Bộ biến đổi giữa ắc quy và DC - link cú vai trũ điều phối dũng năng lượng nạp về ắc quy trong quỏ trỡnh hóm tỏi sinh và nõng điện ỏp từ ắc quy lờn DC - link. Ắc quy cú mật độ năng lượng cao nhưng cú mật độ cụng suất thấp. Điều đú cú nghĩa ắc quy cú khả năng tớch trữ lớn, đảm bảo cung cấp năng lượng cho ụ tụ chạy đủ quóng
đường yờu cầu nhưng khả năng phúng và đặc biệt là nạp năng lượng bị hạn chế. Khi
hóm tỏi sinh, tồn bộ năng lượng lớn trả về sẽ được nạp nhanh chúng vào siờu tụ,
chỉ một lượng nhỏ được nạp vào ắc quy sao cho phự hợp với đặc tớnh nạp chậm để
đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy. Bộ biến đổi DC - DC này cũng cho phộp hạ cấp điện
ỏp trờn bộ ắc quy, trỏnh việc đấu nối tiếp nhiều ắc quy gõy khú khăn cho việc cõn bằng tải.
65 Xung PWM Đo nhiệt độ ắc quy MẠCH ĐO VÀ GIÁM SÁT TRẠNG THÁI ẮC QUY DC DC Link BỘ ĐIỀU KHIỂN DềNG NĂNG LƯỢNG Đo dũng, ỏp một chiều Xung PWM Cảm biến nhiệt độ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC HAI CHIỀU ẮC QUY BỘ NẠP
ẮC QUY Lưới điệndõn dụng
SIấU TỤ
Đo dũng,
ỏp một chiều Đo dũng, ỏp một chiều
DC
Hỡnh 3.11. Hệ thống nguồn năng lượng cho ụ tụ điện
Với cỏi nhỡn ở cấp độ hệ thống, cỏc nguồn năng lượng và bộ biến đổi phải được quản lý và điểu khiển một cỏch đồng bộ, thống nhất như thể hiện trờn hỡnh 3.11. Mạch đo và giỏm sỏt trạng thỏi ắc quy cú nhiệm vụ đo lường, thu thập, tổng hợp cỏc giỏ trị nhiệt độ, dũng điện, điện ỏp phúng, nạp ắc quy trong cỏc chế độ và đưa thụng tin về bộ điều khiển trung tõm để giỏm sỏt, hiển thị và điều tiết. Bộ điều khiển dũng
năng lượng nhận tớn hiệu từ bộ điều khiển trung tõm, từ thụng tin về dũng điện, điện
ỏp một chiều đo được, tớnh toỏn và phỏt ra xung PWM điều khiển hai bộ biến đổi DC - DC tăng / hạ ỏp hai chiều. Bộ điều khiển dũng năng lượng cú trỏch nhiệm phõn phối, quản lý và điều khiển tối ưu húa dũng năng lượng trao đổi giữa nguồn và tải trong cỏc chế độ hoạt động.
66 Điện ỏp thấp Điện ỏp cao Chế độ Boost (tăng ỏp) Chế độ Buck (hạ ỏp) + - + - T1 T2 D1 D2
Hỡnh 3.12. Cấu hỡnh cơ bản của bộ biến đổi DC - DC tăng / hạ ỏp hai chiều
Cấu hỡnh cơ bản và nguyờn lý hoạt động của bộ biến đổi DC - DC hai chiều
tương đối đơn giản, được minh họa trờn cỏc hỡnh 3.12, 3.13 và 3.14. Chế độ boost (tăng ỏp) được thực hiện như sau: trước tiờn van IGBT T2 mở, cuộn khỏng được
nạp điện. Sau đú, T2 khúa lại, cuộn khỏng phúng điện mở thụng diode D1, nạp điện vào tụ. Chu kỳ tiếp theo lại được thực hiện như vậy, tụ khụng thể phúng điện ngược trở lại do T1 khụng mở và D1 phõn cực ngược. Do đú điện ỏp của tụ sẽ dõng cao dần lờn. Đõy là chế độ hoạt động tăng ỏp. Chế độ buck (hạ ỏp) được thực hiện như
sau: trước tiờn T1 mở, tụ phúng điện qua cuộn cảm nạp vào ắc quy. Sau đú van T1
khúa lại, năng lượng cũn thừa trong cuộn cảm được giải phúng qua D2. Tựy thuộc vào tỷ số đúng cắt (duty cycle) mà điện ỏp phớa ắc quy sẽ thấp hơn điện ỏp trờn tụ với một tỷ lệ tương ứng.
67 Tớch năng lượng vào cuộn cảm Cuộn cảm phúng năng lượng Nạp năng lượng vào tụ điện T1 D1 T2 D2 T1 D1 T2 D2 Chế độ Boost (tăng ỏp) + - + - + - + -
Hỡnh 3.13. Minh họa chế độ hoạt động tăng ỏp
Tụ điện phúng năng lượng Nạp năng lượng vào cuộn cảm Cuộn cảm phúng năng lượng T1 D1 T2 D2 T1 D1 T2 D2 Chế độ Buck (hạ ỏp) + - + - + - + -
Hỡnh 3.14. Minh họa chế độ hoạt động hạ ỏp 3.5.2. Bộ biến tần
Về cấu trỳc tổng quỏt, hệ biến tần cho ụ tụ điện cũng tương tự như cỏc hệ biến tần quen thuộc khỏc (hỡnh 3.15). Đõy là cấu hỡnh nghịch lưu (Inveter) hay cũn được gọi là bộ biến đổi DC - AC (DC - AC Converter), cú nhiệm vụ biến đổi nguồn điện một chiều được tớch trữ trong ắc qui hoặc siờu tụ điện thành nguồn điện xoay chiều cung cấp cho động cơ điện. Động cơ điện một chiều truyền thống (với chổi than và cổ gúp) khụng được sử dụng, mà thay vào đú là cỏc động cơ xoay chiều với cỏc ưu thế nổi bật.
Tựy theo loại động cơ mà bộ biến đổi tương ứng cú thể cú tờn gọi khỏc nhau,
như Bộ chuyển mạch (Commutator) là cỏch gọi phổ biến của bộ biến đổi dựng cho
động cơ điện dạng súng hỡnh thang (BLDC Motor). Tuy nhiờn, nguyờn lý chung của
cỏc bộ biến đổi này là như nhau và được mụ tả trong hỡnh 3.15, với 2 khối: khối cụng suất và khối điều khiển. Cỏc van bỏn dẫn dựng trong khối cụng suất thường là IGBT. Khối điều khiển thường sử dụng kỹ thuật điều biến độ rộng xung (PWM) để
68
đúng mở cỏc van cụng suất, theo cỏc luật điều khiển lựa chọn. Cỏc luật điều khiển
này (vớ dụ: giữ tỷ số V/f bằng hằng số, điều khiển tựa từ thụng roto, điều khiển trực tiếp mụmen, v.v.) khụng được trỡnh bày ở đề tài này.
Xung PWM Tớn hiệu mở van DC Link + - Động cơ 3 pha nam chõm vĩnh cửu DRIVER (cỏch ly và
khuếch đại xung điều khiển đúng mở van) Điều biến độ rộng xung PWM Điều khiển dũng điện, điện ỏp Đo dũng 3 pha Tớn hiệu
điều khiển Lượng đặtdũng, ỏp
Khối cụng suất
Khối điều khiển
Hỡnh 3.15. Cấu trỳc tổng quỏt của biến tần
Tuy nhiờn, cũng giống như động cơ, biến tần dựng cho ụ tụ điện cú những khỏc
biệt về mặt cấu trỳc cụ thể và phương phỏp điều khiển, so với biến tần sử dụng
trong cụng nghiệp, để phự hợp với đặc tớnh của tải. Với đặc tớnh cú dạng hyperbol, hỡnh 3.16 minh họa hiệu suất của biến tần và của động cơ sử dụng cho ụ tụ điện
(trường hợp cụ thể là xe Toyota Prius Hybrid) trong cỏc vựng làm việc khỏc nhau.
Chỳng ta thấy hiệu suất tối ưu của hệ thống (bộ biến đổi - động cơ) cú thể lờn tới 90 - 92 %.
69
70
3.6. Lựa chọn phương ỏn mạch lực
3.6.1. Cấu trỳc mạch lực biến tần động cơ
Hỡnh 3.17. Cấu trỳc biến tần động cơ
Ưu điểm:
- Đơn giản.
- Cấu trỳc điều khiển chỉ sử dụng cỏc phương phỏp điều khiển đối với động cơ lựa chọn.
Nhược điểm:
- Hạn chế trong việc huy động cụng suất.
- Việc hóm tỏi sinh hạn chế do hạn chế về khả năng nhận năng lượng của ắc quy. - Điện ỏp DC bus cao
3.6.2. Cấu trỳc mạch lực biến tần động cơ cú siờu tụ
71
Ưu điểm:
- Đơn giản.
- Cấu trỳc điều khiển chỉ sử dụng cỏc phương phỏp điều khiển đối với động cơ lựa chọn.
- Huy động cụng suất tốt nhờ đặc tớnh xả của siờu tụ. - Hóm tỏi sinh hiệu quả nhờ đặc tớnh nạp của siờu tụ.
Nhược điểm:
- Điện ỏp DC bus cao.
- Phải cú hệ thống nạp tụ ban đầu để đảm bảo an toàn cho hệ thống năng lượng. - Giỏ trị điện ỏp DC siờu tụ phải chịu cao.
- Giỏ thành cao do giỏ siờu tụ hiện nay đang cũn rất đắt.
3.6.3. Cấu trỳcmạch lực biến tần động cơ sử dụng bộ DC/DC hai chiều
72 Tớch năng lượng vào cuộn cảm Cuộn cảm phúng năng lượng Nạp năng lượng vào tụ điện T1 D1 T2 D2 T1 D1 T2 D2 Chế độ Boost (tăng ỏp) + - + - + - + - Tụ điện phúng năng lượng Nạp năng lượng vào cuộn cảm Cuộn cảm phúng năng lượng T1 D1 T2 D2 T1 D1 T2 D2 Chế độ Buck (hạ ỏp) + - + - + - + -
Hỡnh 3.20. Cỏc chế độ hoạt động của bộ biến đổi DC-DC hai chiều
Ưu điểm:
- Huy động cụng suất tốt nhờ đặc tớnh xả của siờu tụ. - Hóm tỏi sinh hiệu quả nhờ đặc tớnh nạp của siờu tụ. - Điện ỏp DC bus thấp.
Nhược điểm:
- Phức tạp trong điều khiển.
- Cụng suất hóm tỏi sinh phụ thuộc thờm vào cụng suất của bộ DC/DC.
- Phải cú hệ thống nạp tụ ban đầu để đảm bảo an toàn cho hệ thống năng lượng. - Giỏ thành cao do giỏ siờu tụ hiện nay đang cũn rất đắt.
73
3.6.4. Cấu trỳc mạch lực biến tần động cơ sử dụng bộ DC/DC hai chiều riờng biệt cho siờu tụ và ắc quy biệt cho siờu tụ và ắc quy
Hỡnh 3.21. Cấu trỳc mạch lực biến tần động cơ sử dụng bộ DC/DC hai chiều riờng
biệt cho siờu tụ và ắc quy
Ưu điểm:
- Huy động cụng suất tốt nhờ đặc tớnh xả của siờu tụ. - Hóm tỏi sinh hiệu quả nhờ đặc tớnh nạp của siờu tụ. - Tận dụng tối đa đặc tớnh của siờu tụ.
- Điện ỏp DC bus thấp.
Nhược điểm:
- Phức tạp trong điều khiển.
- Cụng suất hóm tỏi sinh phụ thuộc thờm vào cụng suất của bộ DC/DC. - Giỏ thành cao do giỏ siờu tụ hiện nay đang cũn rất đắt.
- Phải cú 2 bộ DC/DC nờn cấu trỳc điều khiển phức tạp hơn và giỏ thành cao hơn. Trong phạm vi đề tài, ta chọn cấu trỳc mạch lực biến tần động cơ cú siờu tụ.
74
3.7. Lựa chọn phương ỏn điều khiển
Trong phạm vi đề tài, chỳng ta sẽ tận dụng động cơ cú sẵn trờn chiếc Mitsubishi i-
MiEV vỡ vậy cỏc phương ỏn điều khiển sẽ dựa trờn cấu trỳc mạch lực đó chọn ở
mục 3.6 và ỏp dụng cho động cơ khụng đồng bộ nam chõm vĩnh cửu.
3.7.1. Phương phỏp U/f
Hỡnh 3.22. Cấu trỳc biến tần sử dụng phương phỏp U/f vũng hở
Hỡnh 3.23. Cấu trỳc biến tần sử dụng phương phỏp U/f vũng kớn
Ưu điểm:
- Thuật toỏn điều khiển đơn giản - Độ tin cậy cao
Nhược điểm:
- Vựng tần số làm việc cao mụ men tới hạn bị suy giảm
75
3.7.2. Phương phỏp FOC
Hỡnh 3.24. Cấu trỳc biến tần sử dụng phương phỏp FOC
Ưu điểm:
- Độ chớnh xỏc cao.
- Chất lượng truyền động tốt.
- Hoạt động được ở cả 4 gúc phần tư.
Nhược điểm:
- Cấu trỳc điều khiển phức tạp.
76 3.7.3. Phương phỏp DTC Bả ng c họ n lựa ve c tơ điện á p tố i - u Mơ hình độ ng c ơ Ψre f Τre f ve c tơ điện á p điện á p DC d òng p ha A d òng p ha B vị trí ve c tơ từ thơ ng sta to r
Ψ Τ
Hỡnh 3.25. Cấu trỳc biến tần sử dụng phương phỏp DTC
Ưu điểm: - Độ chớnh xỏc cao. - Chất lượng truyền động tốt. - Đỏp ứng momen nhanh. - Khụng cần đo tốc độ quay. Nhược điểm:
- Cấu trỳc điều khiển phức tạp.
- Đũi hỏi vi điều khiển phải cú khả năng tớnh toỏn nhanh. - Xuất hiện xung momen khi làm việc ở vựng tốc độ thấp.
77
KẾT LUẬN
Trong khuụn khổ luận văn cao học, đề tài đó giải quyết được cỏc vấn đề sau: Nghiờn cứu, tỡm hiểu một cỏch tổng quan sự phỏt triển của ụ tụ điện trờn thế giới cũng như ở Việt Nam hiện nay. Tổng kết lại một số nghiờn cứu đỏnh giỏ những
ưu và nhược điểm cũng như khả năng ứng dụng ụ tụ điện trong tương lai.
Tỡm hiểu và đưa ra một số loại nguồn năng lượng sử dụng cho ụ tụ điện và
đặc tớnh húa học, ưu - nhược điểm của từng loại.
Trờn cơ sở tớnh toỏn sức kộo của xe ụ tụ điện, tỏc giảđó rỳt ra kết luận, với ụ
tụ điện thỡ số tay số giảm được tối đa.
Thiết kế, tớnh toỏn và lựa chọn nguồn năng lượng cho một chiếc xe điện cụ thể.
Tỡm hiểu về cỏc bộ biến đổi điện tử cụng suất, lựa chọn phương ỏn mạch lực,
78
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. C. Mi, B. Li, D. Buck, and N. Ota, “Advanced Electro-Thermal Modeling of Lithium-Ion Battery System for Hybrid Electric Vehicle Application,” 2007, pp. 107-111.
2. Leon C Rosario, PhD Thesis. Power and Energy Management of Multiple Energy Storage Systems in Electronic Vehicle, June 2007.
3. Maxwell Technology Co., BMOD0063 Ultracapacitor Module Datasheet, http://www.maxwell.com.
4. H. He, R. Xiong, X. Zang, F. Sun, “State-of-Charge Estimation of the Lithium- Ion Battery Using an Adaptive Extended Kalman Filter Based on an Improved Thevenin Model,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 4, May 2011, pp. 1461- 1469.
5. http://olev.kaist.ac.kr/en/index.php.
6. Joel Schindall, “The Charge of The Ultra-Capacitors”, IEEE Spectrum, November 2007, pp. 42-46.
7. The EV Project. Online: http://www.theevproject.com/.
8. Nguyễn Hữu Cẩn, Dư Quốc Thịnh, Phạm Minh Thỏi, Nguyễn Văn Tài, Lờ Thị Vàng, Lý thuyết ụ tụ mỏy kộo. NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 2000
[1]: James Larminie and John Lowry, Electric Vehicle Technology Explained, ISBN 0-470-85163-5, 2003.
[2]: http://i.mitsubishicars.com/. [3]: http://www.thegioioto.com.vn/.