Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

71
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án thực hiện nghiên cứu, đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện với các mục tiêu sau: Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất. Thiết kế và điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống. Điều khiển công suất ra tải. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Điệp NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY CHO XE ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Điệp NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY CHO XE ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. TS. Trần Trọng Minh Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án được ghi rõ nguồn gốc. Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Trần Trọng Minh Nguyễn Thị Điệp i
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trần Trọng Minh, TS. Nguyễn Kiên Trung đã dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, định hướng, tạo động lực, hỗ trợ tôi để hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn tới ban lãnh đạo Khoa Điều khiển và Tự động hóa, ban lãnh đạo Trường Đại học Điện Lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi làm nghiên cứu sinh. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn, cơ sở vật chất, các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên nhóm “Wireless Charging” của Apes Lab, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình đã luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng 11 năm 2020 ii
Mục lục Mục lục ...................................................................................................................... iii Danh mục chữ viết tắt ................................................................................................ vi Danh mục các ký hiệu ............................................................................................. viii Danh mục các bảng................................................................................................... xii Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................................. xiii Mở đầu ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................... 1 2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án ............................. 3 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................... 4 Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 4 Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 4 Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 4 4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................... 5 Về lý luận............................................................................................................ 5 Về thực tiễn ........................................................................................................ 6 5. Dự kiến các kết quả đạt được ............................................................................. 6 6. Bố cục của luận án .............................................................................................. 6 Chương 1. Tổng quan ................................................................................................. 8 1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 8 1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ................................................................ 12 1.2.1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây.................................................... 12 1.2.2 Tổng quan về bộ ghép từ ......................................................................... 15 1.2.3 Tổng quan về mạch bù ............................................................................ 19 1.2.4 Tổng quan về bộ biến đổi công suất và các phương pháp điều khiển ..... 22 1.2.5 Các vấn đề khác ....................................................................................... 24 1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu ................................................ 25 1.4 Kết luận chương 1 .......................................................................................... 26 iii
Chương 2. Thiết kế hệ thống .................................................................................... 27 Tóm tắt nội dung................................................................................................... 27 2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống .............................................................................. 28 2.2 Thiết kế bộ ghép từ ......................................................................................... 29 2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 29 2.1.2 Thiết kế cấu trúc bộ ghép từ .................................................................... 30 2.1.3 Thiết kế bộ ghép từ phía truyền ............................................................... 32 2.1.4 Thiết kế bộ ghép từ phía nhận ................................................................. 34 2.2 Thiết kế mạch bù ............................................................................................ 39 2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 39 2.2.2 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng ................................................... 40 2.2.2.1 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn vào UAB ................... 41 2.2.2.2 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn đầu ra ...................... 43 2.2.2.3 Xếp chồng các kết quả ...................................................................... 44 2.2.3 Phân tích điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền ......................... 45 2.2.4 Tính toán thông số mạch bù LCC ........................................................... 48 2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm................................................................. 50 2.3.1 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 50 2.3.2 Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 55 2.4 So sánh kết quả nghiên cứu ............................................................................ 57 2.5 Kết luận chương 2 .......................................................................................... 59 Chương 3. Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống ................................................. 60 Tóm tắt nội dung................................................................................................... 60 3.1 Điều khiển bám cộng hưởng .......................................................................... 60 3.1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 60 3.1.2 Thiết kế điều khiển bám cộng hưởng ...................................................... 61 3.1.3 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 65 3.2 Điều khiển bám tải tối ưu ............................................................................... 68 3.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 68 iv
3.2.2 Phân tích lý thuyết ................................................................................... 69 a) Phân tích khả năng điều khiển bám tải tối ưu ......................................... 70 b) Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía thứ cấp ....................................... 71 c) Phân tích cấu trúc điều khiển .................................................................. 73 3.2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.......................................................... 75 3.3 So sánh kết quả nghiên cứu ............................................................................ 79 3.4 Kết luận chương 3 .......................................................................................... 80 Chương 4. Điều khiển công suất .............................................................................. 82 Tóm tắt nội dung................................................................................................... 82 4.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 82 4.2 Cơ sở lý thuyết................................................................................................ 83 4.2.1 Phân tích khả năng điều khiển công suất chỉ từ phía sơ cấp ................... 83 4.2.2 Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía truyền ......................................... 85 4.2.3 Phân tích, thiết kế bộ điều khiển ............................................................. 88 4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm................................................................. 90 4.3.1 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 90 4.3.2 Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 93 4.4 So sánh kết quả nghiên cứu ............................................................................ 96 4.5 Kết luận chương 4 .......................................................................................... 98 Kết luận..................................................................................................................... 99 Những đóng góp của luận án: ............................................................................. 100 Những hạn chế của luận án và các nghiên cứu trong tương lai .......................... 100 Danh mục các công trình đã công bố của luận án .................................................. 101 Danh mục các công bố chính.............................................................................. 101 Danh mục các công bố liên quan ........................................................................ 102 Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 103 Phụ lục ....................................................................................................................PL1 v
Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế WPT Wireless Power Transfer Truyền điện không dây FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn Korea Advanced Institute of Viện Khoa học và công nghệ KAIST Science and Technology tiên tiến Hàn Quốc OLEV On-Line Electric Vehicle Xe điện sạc trực tuyến SUV Sports Utility Vehicle Xe điện thể thao đa dụng Phòng thí nghiệm quốc gia Oak ORNL Oak Ridge National Laboratory Ridge, Hoa Kỳ PFC Power Factor Corection Hiệu chỉnh hệ số công suất EV Electric Vehicle Xe điện AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều SS Series Series Nối tiếp nối tiếp SP Series Parallel Nối tiếp song song PP Parallel Parallel Song song song song PS Parallel Series Song song nối tiếp ZPA Zero Phase Angle Góc pha không ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dòng điện không International Commissionn Non- Ủy ban quốc tế bảo vệ bức xạ ICNIRP Ionizing Radiation Protection ion hóa CFR Code of Federal Regulations Quy định liên bang của Hoa Kỳ vi
Society of Automotive Hiệp hội kỹ sư ô tô SAE Engineers V2G Vehicle to Grid Xe điện nối lưới vii
Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Mô tả L1, L2 Điện cảm tự cảm của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp M Điện cảm hỗ cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp I 1 , I2 Dòng điện chảy trong cuộn dây sơ cấp, thứ cấp φ12 Góc lệch pha giữa dòng 𝐼1̇ và 𝐼2̇ Điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được sinh ra do hiện tượng 𝑈̇21, 𝑈̇12 cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây S1, S2 Công suất truyền đến cuộn dây L1 và L2 S3, S4 Công suất được cấp bởi bộ biến đổi điện tử công suất S12, S21 Công suất trao đổi giữa hai cuộn dây P12 Công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp Q Tổng công suất phản kháng vào hai cuộn dây k Hệ số kết nối điện từ (hệ số kết nối) ω0 Tần số góc cộng hưởng fsw Tần số chuyển mạch f0 Tần số cộng hưởng Qs Hệ số chất lượng cuộn dây thứ cấp C1 Tụ bù phía sơ cấp C2 Tụ bù phía thứ cấp Rr-SS, Rr-PS, Trở kháng phản xạ từ phía thứ cấp về phía sơ cấp trong các mạch Rr-SP, Rr-PP bù SS, PS, SP, PP T1, T2, T3, R Tên các cuộn dây truyền số 1, 2, 3 và cuộn dây nhận lt, lr Chiều dài cuộn dây truyền, nhận wt, wr Chiều rộng cuộn dây truyền, nhận viii
lwt, lwr Độ rộng cuộn dây bộ truyền, bộ nhận da Khoảng cách truyền hAl, hc, hf Độ dầy của tấm chắn nhôm, cuộn dây và tấm ferrite dr Vị trí bộ nhận (độ dịch chuyển của cuộn nhận theo hướng x) lm Độ lệch bên theo hướng y i,j Chỉ số của các cuộn dây truyền, i,j = 1, 2, 3 Li, Lr Điện cảm tự cảm của cuộn truyền thứ i, cuộn nhận Mij Điện cảm hỗ cảm của các cuộn dây truyền i với cuộn dây truyền j Hệ số kết nối điện từ giữa cuộn dây truyền thứ i với cuộn dây kij truyền thứ j Mi Tổng điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền Ti với các cuộn truyền khác k1r, k2r, k3r Hệ số kết nối của cuộn truyền T1, T2, T3 với cuộn nhận R kr Tổng hệ số kết nối của ba cuộn truyền với cuộn nhận Kr Hệ số kết nối trung bình của ba cuộn truyền với cuộn nhận UDC Điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu phía sơ cấp UAB Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp Uab Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp S1, S2, S3, S4 Tên gọi của các MOSFET trong sơ đồ nghịch lưu phía sơ cấp Lfi Điện cảm bù phía sơ cấp Cfi Tụ bù nhánh dưới phía sơ cấp Ci Tụ bù nhánh trên phía sơ cấp Lfr Điện cảm bù phía thứ cấp Cfr Tụ bù nhánh dưới phía thứ cấp Cr Tụ bù nhánh trên phía thứ cấp Mir Điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền thứ i với cuộn nhận ILi Dòng điện cộng hưởng trên các cuộn dây truyền ix
Ii Dòng điện chảy trên các điện cảm bù Lfi ULr Điện áp cảm ứng trên cuộn dây nhận ILfr Dòng điện trên điện cảm bù phía thứ cấp Ir Dòng điện trên tụ bù nhánh trên phía thứ cấp IAB Dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp RL Trở kháng tương đương phía xoay chiều η Hiệu suất truyền Qi Hệ số phẩm chất của cuộn truyền Ti Qr Hệ số phẩm chất của cuộn nhận R ηmax Hiệu suất truyền lý thuyết tối đa RL.opt Trở kháng tối ưu Pout Công suất đầu ra Ioff Dòng điện khóa R1 , R2 , R3 Điện trở của cuộn dây truyền T1, T2, T3 Ri Điện trở của cuộn dây truyền Ti t1 Thời điểm kết thúc thời gian chuyển mạch tdead Thời gian chết IM.AB Giá trị của dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu tại điểm đo t1 IM.AB.avg Giá trị trung bình cộng của IM.AB trong tám chu kỳ gần nhất IH, IL Dòng giới hạn mức trên, mức dưới Trở kháng tải tương đương nhìn từ phía đầu vào bộ chỉnh lưu cầu RL, RLe, RLeq diode, từ phía đầu vào bộ Boost, từ đầu vào của bộ điều khiển quản lý năng lượng ắc quy về phía tải D Hệ số điều chỉnh của bộ Boost ULe Điện áp một chiều đầu ra của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp ILe Dòng điện một chiều đầu ra của chỉnh lưu phía thứ cấp x
Hàm truyền giữa giá trị dòng điện vào bộ boost và hệ số điều chỉnh Gid d LB, CB Điện cảm và điện dung của bộ Boost Gc(s) Hàm truyền của bộ điều khiển Lead - Lag ZMi Trở kháng tương đương của các cuộn truyền sang nhau Zs Trở kháng phía thứ cấp nhìn từ phía cuộn dây thứ cấp về phía tải ZPi Trở kháng phản xạ của cuộn dây nhận tới mỗi cuộn truyền ZLi Trở kháng tương đương của mỗi cuộn dây truyền PDC Công suất một chiều đầu vào bộ nghịch lưu ILi Giá trị hiệu dụng của dòng cộng hưởng trên các cuộn dây truyền α Góc dịch pha I*Li Dòng điện cộng hưởng đặt Pout.ref Công suất đầu ra đặt Pout.est Công suất đầu ra ước lượng kr.est Hệ số kết nối ước lượng GP(s) Hàm truyền của bộ điều khiển công suất GI(s) Hàm truyền của điều khiển dòng điện xi
Danh mục các bảng Bảng 1. 1 Một số thành tựu của hệ thống sạc động không dây cho xe điện .............. 9 Bảng 1. 2 Giá trị tụ bù phía sơ cấp của các mạch bù cơ bản [56] ............................ 20 Bảng 2. 1 Tham số mô tả cấu trúc của cuộn dây ...................................................... 31 Bảng 2. 2 Giá trị điện cảm hỗ cảm, hệ số kết nối giữa các cuộn dây truyền với nhau .................................................................................................................................. 33 Bảng 2. 3 Kích thước và thông số của bộ truyền và nhận ........................................ 36 Bảng 2. 4 Thông số hệ thống và mạch bù ................................................................ 49 Bảng 2. 5 Giá trị điện áp, dòng điện đỉnh của các phần tử trong mô phỏng LTspice .................................................................................................................................. 54 Bảng 2. 6 So sánh thiết kế đề xuất với các nghiên cứu khác ................................... 57 Bảng 3. 1 So sánh phương pháp điều khiển bám cộng hưởng ................................. 79 Bảng 4. 1 So sánh phương pháp điều khiển công suất ............................................. 97 xii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị Hình 0.1 Thị trường xe điện giai đoạn 2013 – 2018 ([1]) .......................................... 1 Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện....................................................................................................................... 11 Hình 1.2 Hệ thống WPT với cấu trúc hai cuộn dây ................................................. 12 Hình 1.3 Các loại đường truyền trong hệ thống sạc động ([39]) ............................. 17 Hình 1.4 Cấu trúc đường truyền kiểu đường dài với lõi ferrite ............................... 17 Hình 1.5 Đường truyền kiểu đoạn trong hệ thống thực nghiệm của ORNL ([10]) .. 18 Hình 1.6 Cấu trúc các mạch bù cơ bản. a) SS. b) SP. c) PS. d) PP. ......................... 20 Hình 1.7 Các cấu trúc các mạch bù a) SPS; b) LC; c) LCC ..................................... 21 Hình 2. 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ............................................................................ 27 Hình 2. 2 Cấu trúc bộ ghép từ của một mô đun truyền và nhận............................... 31 Hình 2. 3 Mô hình Maxwell 3D của một mô đun bộ ghép từ .................................. 32 Hình 2. 4 Kết quả mô phỏng FEA của hệ số kết nối ................................................ 35 Hình 2. 5 Đặc tính của hệ số kết nối khi bộ nhận lệch bên ...................................... 37 Hình 2. 6 Phát xạ từ trường trong mô phỏng Maxwell. ........................................... 37 Hình 2. 7 Sơ đồ cấu trúc một mô đun truyền nhận với mạch bù LCC hai phía ....... 39 Hình 2. 8 Sơ đồ mạch xấp xỉ tương đương .............................................................. 41 Hình 2. 9 Trạng thái mạch ở chế độ cộng hưởng ..................................................... 42 Hình 2. 10 Sơ đồ thay thế khi có nội trở các cuộn dây ............................................ 46 Hình 2. 11 Đặc tính hiệu suất truyền lý thuyết tối đa với kr = 0.14 ......................... 48 Hình 2. 12 Mô hình mô phỏng trên phần mềm Ansys Electronics .......................... 50 Hình 2. 13 Đặc tính trở kháng đầu vào..................................................................... 51 Hình 2. 14 Đặc tính hiệu suất truyền ........................................................................ 51 Hình 2. 15 Dạng sóng điện áp và dòng điện trong mô phỏng Ltspice ..................... 53 Hình 2. 16 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất của hệ thống .. 54 Hình 2. 17 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất của hệ thống ở các mức UDC khác nhau .................................................................................................. 54 Hình 2. 18 Mô hình thực nghiệm ............................................................................. 55 Hình 2. 19 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp/dòng điện ............................... 56 Hình 3. 1 Điểm đo dòng điện của phương pháp điều khiển bám cộng hưởng ......... 62 Hình 3. 2 Lưu đồ thuật toán phương pháp điều khiển bám cộng hưởng.................. 63 Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám cộng hưởng ........................................ 64 xiii
Hình 3. 4 Đặc tính hiệu suất khi thông số của hệ thống thay đổi ............................. 65 Hình 3. 5 Đặc tính chuyển mạch của MOSFET ....................................................... 67 Hình 3. 6 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu ............................................ 70 Hình 3. 7 Quá trình chuyển đổi giá trị của trở kháng tải .......................................... 70 Hình 3. 8 Sơ đồ mạch thay thế ................................................................................. 72 Hình 3. 9 Cấu trúc điều khiển tải tối ưu ................................................................... 74 Hình 3. 10 Kết quả mô phỏng FEA và kết quả ước ượng hệ số kr từ phía thứ cấp .. 75 Hình 3. 11 Kết quả mô phỏng hiệu suất theo giá trị trở kháng tải ........................... 76 Hình 3. 12 Đặc tính hiệu suất truyền theo vị trí bộ nhận ......................................... 76 Hình 3. 13 Mô hình thực nghiệm điều khiển bám trở kháng tối ưu ......................... 77 Hình 3. 14 Kết quả thực nghiệm hiệu suất hệ thống ................................................ 78 Hình 4. 1 Sơ đồ rút gọn của sơ đồ Hình 2.10 ........................................................... 83 Hình 4. 2 Tín hiệu điều khiển van S1, S2, S3, S4 và dạng điện áp ra của nghịch lưu .................................................................................................................................. 85 Hình 4. 3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển công suất ......................................................... 88 Hình 4. 4 Sơ đồ khối cấu trúc một mạch vòng điều khiển ....................................... 89 Hình 4. 5 Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vòng điều khiển ........................................ 89 Hình 4. 6 Kết quả mô phỏng FEA và ước lượng hệ số kết nối kr từ phía sơ cấp ..... 91 Hình 4. 7 Kết quả mô phỏng đáp ứng công suất theo giá trị đặt trước .................... 92 Hình 4. 8 Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp/ dòng điện .................................... 92 Hình 4. 9 Kết quả mô phỏng đặc tính công suất đầu ra theo góc dịch pha .............. 93 Hình 4. 10 Kết quả thực nghiệm dạng điện áp/dòng điện đầu ra của nghịch lưu và dòng cộng hưởng trên cuộn dây truyền .................................................................... 94 Hình 4. 11 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt giảm từ 600W xuống 400W .... 95 Hình 4. 12 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt bằng 400W, bộ nhận di chuyển thẳng hướng và lệch hướng ...................................................................................... 96 xiv
Mở đầu 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, tài nguyên hóa thạch ngày càng cạn kiệt thúc đẩy việc sử dụng năng lượng xanh. Xe điện là phương tiện sử dụng năng lượng xanh hiệu quả và ngày càng phổ biến trên thế giới. Theo báo cáo của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency), xe điện đang được phát triển nhanh chóng trong khoảng hơn mười năm trở lại đây. Hình 0.1 là thống kê của IEA về sự phát triển của thị trường xe điện giai đoạn 2013-2018, trong năm 2018 số lượng xe điện tăng thêm là hơn 5 triệu xe, tăng 63% so với năm 2017, ước tính nhu cầu sử dụng xe điện sẽ tăng lên khoảng 44 triệu xe/năm vào năm 2030 [1]. Other PHEV 6 Electric car stock (millions) Other BEV 5 United States 4 PHEV United States BEV 3 Europe PHEV 2 Europe BEV 1 China PHEV 0 China BEV 2013 2014 2015 2016 2017 2018 Hình 0.1 Thị trường xe điện giai đoạn 2013 – 2018 ([1]) Trong hệ thống đường sắt, tàu điện đã được phát triển và ứng dụng vào thực tế. Tàu điện có ưu điểm là dễ dàng lấy được điện năng từ đường ray hoặc hệ thống thanh trượt vì tàu điện chạy trên đường ray cố định, nhược điểm là không linh hoạt như xe điện. Tuy nhiên, xe điện lại không dễ dàng nhận điện năng từ đường ray như tàu điện. Thay vào đó là một hệ thống ắc quy có công suất và dung lượng lớn được trang bị trên xe để xe điện có thể chạy được trong một khoảng cách nhất định. Hiện nay, các thiết bị lưu trữ năng lượng cho xe điện vẫn có mật độ năng lượng thấp, tuổi thọ hạn chế, kích thước và chi phí lớn. Trong khi mật độ năng lượng của xe xăng là 12000Wh/kg thì mật độ năng lượng của ắc quy lithium-ion được thương mại cho xe 1
điện chỉ đạt 90 ÷ 100 Wh/kg [2]. Tuy nhiên, chi phí sạc cho xe điện rẻ hơn chi phí sử dụng xăng. Đây cũng là một ưu điểm làm tăng tính hấp dẫn của xe điện. Các bộ sạc cho xe điện hiện nay chủ yếu là sạc cắm dây, các bộ sạc này thường được đặt tại nhà, nơi làm việc hoặc tại các trạm sạc tập trung. Xe điện sử dụng sạc cắm dây có nhược điểm là thời gian sạc dài, bất tiện, có nguy cơ rò điện trong môi trường ẩm ướt, làm nguy hiểm cho người sử dụng. Gần đây, các bộ sạc không dây cho xe điện đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ. Sạc không dây là một công nghệ tiềm năng thay thế cho sạc cắm dây mà không cần sử dụng dây cáp điện. Xe điện sử dụng sạc không dây sẽ tiện lợi hơn và an toàn hơn so với sử dụng sạc cắm dây. Sạc điện không dây là một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ truyền điện không dây (WPT – Wireless Power Transfer). Hệ thống WPT cho phép truyền năng lượng qua không khí với khoảng cách từ vài mm đến vài trăm mm, hiệu suất có thể đạt được trên 90% [3]. Hệ thống WPT ứng dụng trong sạc không dây cho xe điện được chia thành hai loại là sạc không dây tĩnh và sạc không dây động. Sạc không dây tĩnh là bộ sạc mà khi sạc xe điện cần phải đỗ đúng vị trí của bộ truyền để nhận điện năng từ bộ truyền. Hiện nay, các bộ sạc không dây tĩnh đã được thương phẩm bởi một số tập đoàn sản xuất xe điện lớn trên thế giới như WiTricity, Qualcomm... [4]. Một số nhà sản xuất xe điện cung cấp bộ sạc không dây như một tùy chọn khi mua xe điện. Tuy nhiên, nhược điểm của các bộ sạc này là thời gian sạc dài, khoảng cách di chuyển sau mỗi lần sạc ngắn, dung lượng và trọng lượng của ắc quy lớn [5]. Sạc không dây động là giải pháp có thể khắc phục được các nhược điểm trên của sạc không dây tĩnh. Trong hệ thống sạc không dây động, xe điện có thể vừa đi vừa sạc. Hệ thống này không những mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện mà còn giúp giảm đáng kể dung lượng và kích thước của ắc quy. Nếu 20% quãng đường di chuyển được trang bị hệ thống sạc 40kW, khoảng cách di chuyển của xe điện có thể mở rộng thêm ít nhất 80% [6]. Đường truyền năng lượng trong hệ thống sạc không dây động có thể được tạo thành bằng cách sắp xếp nhiều bộ truyền giống như các bộ truyền của sạc không dây tĩnh dưới lòng đường. Như vậy, thay vì mỗi xe điện sở hữu riêng một bộ sạc tĩnh thì các bộ sạc tĩnh này có thể được sắp xếp, điều khiển tạo thành làn đường sạc động cho xe. Hệ thống sạc không dây động có thể cùng một lúc sạc cho nhiều xe điện, có thể thích hợp với nhiều loại xe điện khác nhau như xe bus điện, ô tô điện… vì vậy hiệu quả sử dụng cao hơn nhiều so với các hệ thống sạc khác. Hiện nay, các hệ thống sạc không dây động đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, công suất 2
truyền có thể lên tới 80kW, khoảng cách truyền lên tới 500mm [7]. Gần đây, các hệ thống sạc động đang được nghiên cứu, phát triển với nhiều công nghệ và kỹ thuật khác nhau. Ngoài ra, chính phủ nhiều nước trên thế giới có các chính sách ưu đãi nhằm tăng cường việc sử dụng xe điện vì các mục đích xã hội. Các lý do trên thúc đẩy việc nghiên cứu và phát triển hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện. Tuy nhiên, sự chuyển động của xe trên làn đường sạc tạo ra nhiều thách thức trong việc thiết kế, điều khiển hệ thống. Hiện nay, còn rất nhiều vấn đề, giải pháp trong hệ thống sạc không dây động cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Do đó, tác giả lựa chọn đề tài “nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện”. 2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án Hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện có đặc điểm là hệ số kết nối điện từ giữa đường truyền và bộ nhận trên xe thay đổi khi xe di chuyển. Điều đó làm đập mạch công suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ của ắc quy [8-12]. Từ đó đặt ra vấn đề thiết kế cuộn dây nhằm giảm độ dao động của hệ số kết nối điện từ để giảm đập mạch công suất. Hơn nữa, vấn đề nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống WPT là rất quan trọng. Hiệu suất của toàn hệ thống WPT bằng tích hiệu suất của từng phần trong hệ thống. Do đó, để đạt được hiệu suất cao trong toàn hệ thống WPT cần phải nâng cao hiệu suất của từng phần trong hệ thống như hiệu suất truyền, hiệu suất của các bộ biến đổi điện tử công suất và giảm thiểu các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống [13-16]. Mặt khác, trong hệ thống sạc động không dây cho xe điện có nhiều loại xe điện có yêu cầu mức công suất sạc khác nhau cùng chạy trên đường và tương tác với đường truyền. Do đó, vấn đề điều khiển công suất sạc theo yêu cầu của các xe điện là cần thiết. Ngoài ra, các vần đề khác như thiết kế, điều khiển hệ thống với khoảng cách truyền xa, công suất truyền lớn, vấn đề dò vị trí xe để điều khiển đóng/cắt các đoạn của đường truyền, chọn đường đi cho xe… cũng cần được nghiên cứu, phát triển [17], [18]. Từ những tồn tại trên, hướng nghiên cứu của luận án là: 3
- Nghiên cứu, thiết kế cuộn dây sử dụng phương pháp mô phỏng phân tích phần tử hữu hạn FEA (Finite Element Analysis) trên phần mềm Ansys Maxwell nhằm giảm đập mạch công suất. - Nghiên cứu thiết kế, điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống. - Nghiên cứu thiết kế, điều khiển công suất. - Nghiên cứu thực nghiệm xác minh tính đúng đắn của các phương pháp thiết kế, điều khiển đã đề xuất. 3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Luận án thực hiện nghiên cứu, đề xuất cấu trúc và phương pháp điều khiển hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện với các mục tiêu sau: - Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất. - Thiết kế và điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống. - Điều khiển công suất ra tải. Đối tượng nghiên cứu Luận án nghiên cứu về các phần sau trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện: - Bộ ghép từ trong hệ thống WPT. - Mạch bù. - Các bộ biến đổi điện tử công suất. Phạm vi nghiên cứu Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, năng lượng được truyền không dây từ làn đường sạc đến xe điện. Năng lượng nhận được trên xe điện sẽ được đưa vào bus DC của hệ thống, sau đó phần quản lý năng lượng trên xe điều khiển, cung cấp một phần cho xe di chuyển và phần còn lại sẽ được sạc vào hệ thống ắc quy của xe. Như vậy, có thể chia hệ thống thành hai phần, phần thứ nhất đảm bảo truyền năng lượng không dây cho xe điện tới bus DC của hệ thống với hiệu 4