Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:141

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển dòng năng lượng theo hướng gia tăng tuổi thọ ắc quy. Việc này sẽ thông qua việc giảm thiểu hai yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy là tần số, dòng điện đỉnh và tổn hao nội tại của ắc quy. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy siêu tụ điện trong ô tô điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÙI ĐĂNG QUANG NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN NĂNG LƯỢNG CHO HỆ THỐNG NGUỒN LAI ẮC QUY - SIÊU TỤ ĐIỆN TRONG Ô TÔ 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. Tạ Cao 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 suốt thời gian làm nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Tạ Cao Minh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả đạt được là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày … … tháng … … năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS. Tạ Cao Minh Bùi Đăng Quang i
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc của tôi tới thầy hướng dẫn PGS.TS. Tạ Cao Minh người luôn đứng bên tôi với sự kiên nhẫn và uyên bác về chuyên môn luôn động viên và giúp đỡ tôi những lúc khó khăn nhất. Tôi xin cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và anh chị em nghiên cứu sinh ở Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện và Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng và Sáng tạo công nghệ đã luôn động viên và tạo điều kiện cho tôi cũng như góp ý trong suốt quá trình nghiên cứu. Trong quá trình làm nghiên cứu sinh, mỗi dịp báo cáo sáu tháng hay báo cáo chuyên môn hàng tháng của nghiên cứu sinh ở cả hai đơn vị Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp và Viện Điện Viện Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, tôi luôn nhận được sự góp ý và đánh giá của những người thầy khả kính. Tôi xin đặc biệt gửi lời cảm ơn tới các thầy PGS.TS. Bùi Quốc Khánh, PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn, PGS.TS. Trần Trọng Minh, PGS.TS. Nguyễn Quang Địch và GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang đã có những phản biện sắc sảo, những góp ý đáng quý về mặt chuyên môn cũng như trình bày những khi tôi báo cáo khoa học. Nhưng góp ý này đã giúp tôi rất nhiều trong suốt quá trình nghiên cứu. Cám ơn các bạn Vũ Hoàng Phương, Võ Duy Thành, Đào Phương Nam, Nguyễn Văn Quyền (Bộ môn Cơ học ứng dụng, Viện cơ khí), Nguyễn Bảo Huy, Nguyễn Duy Đỉnh, Nguyễn Văn Hùng đã kiên nhẫn cùng tôi trao đổi chuyên môn để tôi có thể có những cái nhìn khách quan hơn trong việc giải quyết các vấn đề khúc mắc. Quan trọng nhất, tôi xin cảm ơn gia đình. Con cám ơn bố mẹ luôn ở bên con để động viên và ủng hộ con. Cám ơn vợ đã thông cảm cho mình trong những hôm đi sớm về khuya mà không một lời than phiền. Cám ơn hai thiên thần nhỏ bé của bố đã tiếp thêm sức cho bố vững bước đi trên con đường nghiên cứu đã rất dài và vẫn còn rất dài. Cuối cùng, sau khi viết quyển luận án này, tôi nhìn lại chặng đường nghiên cứu thì tôi mới thấy tôi nên cám ơn rất nhiều người, nên trong lời cảm ơn này nếu tôi có bỏ sót ai thì kính mong người đó thông cảm bỏ qua cho tôi. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... ii MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................. vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... vii DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................................... ix MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN ........... 3 1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu ............................................................... 3 1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện............. 3 1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs ............... 7 1.2 Cấu trúc của EVs .......................................................................................... 9 1.2.1 Động cơ sử dụng trên EVs ..................................................................... 9 1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng ................................................... 12 1.2.3 Các bộ biến đổi công suất..................................................................... 17 1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm ....................................................................... 20 1.3 Các phương pháp quản lý năng lượng trong ô tô điện ................................. 21 1.3.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển ............................................ 21 1.3.2 Các phương pháp tối ưu ....................................................................... 24 1.4 Mục tiêu nghiên cứu và giới hạn nội dung nghiên cứu ................................ 26 1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................ 26 1.4.2 Giới hạn nội dung nghiên cứu .............................................................. 27 1.4.3 Phương pháp nghiên cứu ...................................................................... 29 1.4.4 Kết quả dự kiến .................................................................................... 30 Chương 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN ..................................................................................................................... 31 2.1 Mô hình hóa động lực học ô tô điện ............................................................ 31 2.2 Mô hình hóa động cơ .................................................................................. 35 2.3 Mô hình hóa ắc quy .................................................................................... 37 2.4 Mô hình hóa siêu tụ điện ............................................................................ 39 iii
2.5 Mô hình hóa bộ DC-DC ............................................................................. 43 2.6 Mô phỏng hệ thống sử dụng phương pháp biểu diễn EMR.......................... 49 2.7 Kết luận chương: ........................................................................................ 54 Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN ............................... 56 3.1 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số ................................ 56 3.1.1 Lý thuyết Ragone - cơ sở lựa chọn tần số cắt........................................ 56 3.1.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên tần số cho quản lý năng lượng trên ô tô điện ................................................................................ 58 3.1.3 Thiết kế bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ................................ 58 3.1.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số . 59 3.1.5 Đánh giá kết quả .................................................................................. 64 3.2 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương pháp điều khiển mờ . ................................................................................................................... 64 3.2.1 Khái niệm bộ điều khiển mờ ................................................................ 65 3.2.2 Một số công bố về áp dụng điều khiển mờ cho quản lý năng lượng trên ô tô điện ............................................................................................................ 65 3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ cho quản lý năng lượng .............................. 66 3.2.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ ..................................... 70 3.2.5 Đánh giá kết quả .................................................................................. 73 3.3 Thiết kế bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp .................................. 74 3.4 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện bằng phương pháp quy hoạch động ................................................................................................................... 79 3.4.1 Lý thuyết phương pháp quy hoạch động ............................................... 79 3.4.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp quy hoạch động cho quản lý năng lượng trên ô tô điện ..................................................................................................... 80 3.4.3 Triển khai phương pháp quy hoạch động cho quản lý năng lượng trên ô tô điện ............................................................................................................ 82 3.4.4 Đánh giá kết quả .................................................................................. 89 3.5 Giải bài toán tối ưu đơn mục tiêu bằng phương pháp biến phân .................. 90 3.6 Kết luận...................................................................................................... 98 Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG THỜI GIAN THỰC CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN.............................................................................. 100 4.1 Khái niệm mô phỏng thời gian thực trong ngành công nghiệp ô tô............ 100 4.2 Phân loại mô phỏng HIL trong các hệ thống có sử dụng truyền động điện 100 4.3 Xây dựng hệ thống mô phỏng HIL cấp tín hiệu (Signal level HIL simulation) trên cơ sở bộ HIL 402 của hãng Typhoon...................................................................... 102 iv
4.4 Xây dựng mô hình mô phỏng HIL thu nhỏ (Reduced-Scale HIL Simulation).. ................................................................................................................. 108 4.5 Kết luận:................................................................................................... 117 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 118 Các đóng góp của luận án .................................................................................. 118 Các hạn chế của luận án .................................................................................... 118 Hướng nghiên cứu tiếp theo............................................................................... 119 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................... 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 122 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa Ft N Lực phát động FΣ N Lực cản tổng FI N Lực quán tính Frr N Lực cản lăn Fwind N Lực cản gió FG N Lực trọng trường g m/s2 Gia tốc trọng trường α rad Góc nghiêng của đường so với phương ngang M kg Trọng lượng xe v m/s Tốc độ xe v' m/s2 Gia tốc xe ωM rad/s Vận tốc góc động cơ vwind m/s Tốc độ gió ρ kg/m3 Mật độ không khí crr Hệ số cản lăn Cd Hệ số khí động học của xe Af m2 Diện tích cản gió vwind m/s Tốc độ gió r m Bán kính bánh xe PM kW Công suất động cơ Pyc kW Công suất yêu cầu i Tỷ số truyền lực chính TΣ Nm Mô men cản tổng TM Nm Mô men động cơ quy về bánh xe phát động Kb Hằng số sức điện động Kt Hằng số mômen vi
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Ô tô truyền thống (ô tô sử dụng động ICEVs Internal combustion engine vehicles cơ đốt trong) EVs Electric Vehicles Ô tô thuần điện sử dụng ắc quy HEVs Hybrid Electric Vehicles Ô tô sử dụng động cơ lai xăng điện FCEVs Fuel Cell Electric Vehicles Ô tô thuần điện sử dụng fuel cell EHB Electrical Hybrid Boat Tàu thủy sử dụng động cơ lai xăng điện ESS Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng HESS Hybrid Energy Storage System Hệ thống lưu trữ năng lượng lai SC Supercapacitor Siêu tụ SoC State-of-Charge Trạng thái nạp EMR Energetic Macroscopic Representation Biểu diễn vĩ mô năng lượng DoD Depth of Discharge Độ sâu phóng Động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu IPM Interior Permanent Magnet Motor nam châm chìm EM Energy Management Quản lý năng lượng DP Dynamic Programming Quy hoạch động PMP Pontryagin’s Minimum Principle Nguyên lý cực đại Pontryagin HIL Hardware in the loop simulation Mô phỏng thời gian thực LPF Low-Pass Filter Bộ lọc thông thấp MPC Model Predictive Control Điều khiển dự báo OCV Open-Circuit Voltage Điện áp hở mạch vii
DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Bảng các tham số của chu trình ECE. .................................................................. 27 Bảng 2.1: Bảng tra hệ số lực cản lăn [79] ........................................................................... 32 Bảng 2.2: Bảng tra hệ số khí động học của ô tô [79] ............................................................ 34 Bảng 2.3: Bảng các tham số của xe ô tô điện i-MiEV. ......................................................... 34 Bảng 2.4: Thông số kỹ thuật động cơ IPM trên ô tô i-MiEV ................................................ 36 Bảng 3.1: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số ............................................................................................................... 64 Bảng 3.2. Bảng suy luận mờ ................................................................................................ 69 Bảng 3.3: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số ............................................................................................................... 73 Bảng 3.4: Kết quả các phương pháp quản lý năng lượng: Mờ, dựa theo tần số và kết hợp ... 78 Bảng 3.5. Tham số hệ thống ................................................................................................ 84 Bảng 3.6: Đánh giá chất lượng dòng điện của phương pháp biến phân với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa và các các phương pháp dựa trên luật điều khiển .......... 98 viii
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Các cấu trúc truyền động của ô tô lai [2] ......................................................... 4 Hình 1.2. Fuel cell ......................................................................................................... 5 Hình 1.3. Ô tô điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009)................................... 6 Hình 1.4. Ô tô điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010) ......................................... 6 Hình 1.5. Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng 8 năm 2016)..................................... 6 Hình 1.6. Ragone plane[4] ............................................................................................. 7 Hình 1.7. Cấu trúc (a) và mặt cắt của pin li-ion (b) ........................................................ 8 Hình 1.8. Các loại động cơ sử dụng cho ô tô điện......................................................... 10 Hình 1.9. Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Shahid Beheshti, Iran .... 12 Hình 1.10. Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của Trường Đại học Cranfield, Anh 13 Hình 1.11. Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của trường Pontificia Universidad Catolica de Chile, Chi lê...................................................................................................... 14 Hình 1.12. Cấu trúc nguồn năng lượng cho xe điện của nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm L2EP ..................................................................................................................... 15 Hình 1.13. Cấu trúc trực tiếp (passive topology) cho hệ HESS ....................................... 16 Hình 1.14. Cấu trúc bán chủ động (semi-active topology) cho hệ HESS......................... 16 Hình 1.15. Cấu trúc chủ động (active topology) cho hệ HESS........................................ 17 Hình 1.16. Biến tần nguồn áp......................................................................................... 18 Hình 1.17. Cấu hình hệ thống mạch lực cho ô tô điện của Hori lab ................................ 18 Hình 1.18. Cấu trúc mạch lực bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly .............................. 19 Hình 1.19. Chiến lược điều khiển cho bộ biến đổi DC-DC hai chiều cách ly nhiều cổng 19 Hình 1.20. Các lớp điều khiển của bộ điều khiển trung tâm trên ô tô điện ...................... 20 Hình 1.21. Các phương pháp quản lý năng lượng [2] ..................................................... 23 Hình 1.22. Cấu trúc điều khiển hệ năng lượng lai ắc quy và siêu tụ cho ô tô điện ........... 27 Hình 1.23. Biểu đồ chu trình chuẩn ECE........................................................................ 28 Hình 1.24. Siêu tụ 62F-125VDC của Nessape ................................................................ 28 Hình 1.25. Hệ thống ắc quy của ô tô i-MiEV ................................................................. 29 Hình 1.26. Động cơ IPM của ô tô i-MiEV...................................................................... 29 Hình 2.1. Các thành phần lực tác động lên ô tô [78] ..................................................... 31 Hình 2.2. Độ méo của lốp và lực cản lăn trên đường cứng (a) và đường mềm (b) [79] . 32 Hình 2.3. Lực cản gió .................................................................................................. 33 Hình 2.4. Sơ đồ thay thế động cơ nam châm chìm trong hệ tọa độ quay đồng bộ.......... 37 Hình 2.5. Cấu trúc siêu tụ (tụ hai lớp) (a) và tụ thường (b) ........................................... 39 Hình 2.6. Cấu trúc chi tiết siêu tụ ................................................................................. 39 ix
Hình 2.7. Các dạng mô hình siêu tụ sử dụng mạch điện tương đương........................... 41 Hình 2.8. Mô hình cơ sở của bộ biến đổi converter DC-DC hai chiều .......................... 43 Hình 2.9. Bộ biến đổi Interleave DC-DC không cách ly ............................................... 44 Hình 2.10. Mô tả bộ biến đổi DC-DC ............................................................................ 45 Hình 2.11. Mô hình trung bình của bộ biến đổi DC-DC hai chiều .................................. 45 Hình 2.12. Đặc tính động lực học của xe theo tốc độ...................................................... 46 Hình 2.13. Đặc tính công suất theo tốc độ ...................................................................... 47 Hình 2.14. Đặc tính mô men theo tốc độ ........................................................................ 47 Hình 2.15. Đặc tính thời gian tăng tốc của xe ................................................................. 48 Hình 2.16. Đặc tính gia tốc tối đa của xe ........................................................................ 48 Hình 2.17. Các phần tử của ô tô điện biểu diễn bằng EMR............................................. 50 Hình 2.18. “tuning path” và “control path” của bộ điều khiển DC-DC và động cơ ......... 51 Hình 2.19. Mô hình mô phỏng xe ô tô điện i-MiEV bằng EMR .................................... 53 Hình 2.20. Tốc độ đặt và tốc độ thực của xe trong mô phỏng trong hai chu trình ECE ... 53 Hình 2.21. Dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với hai chu trình ECE54 Hình 3.1. Đặc tính Ragone của các thiết bị lưu trữ năng lượng ..................................... 56 Hình 3.2. Đặc tính Ragone của ắc quy [4] .................................................................... 57 Hình 3.3. Đặc tính Ragone của tụ điện [4].................................................................... 57 Hình 3.4. Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ................... 60 Hình 3.5. Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ................... 60 Hình 3.6. Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số........................ 61 Hình 3.7. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số ................................................................................. 61 Hình 3.8. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số .................................................................................................. 62 Hình 3.9. Mô hình mô phỏng hệ thống năng lượng trong xe ô tô điện i-MiEV bằng MATLAB dựa trên phương pháp biểu diễn EMR ................................................................ 63 Hình 3.10. Bộ điều khiển mờ ......................................................................................... 65 Hình 3.11. Cấu trúc bộ điều khiển mờ cho ô tô điện i-MiEV .......................................... 67 Hình 3.12. Mờ hóa dòng điện yêu cầu (Itract) .................................................................. 67 Hình 3.13. Mờ hóa SoC của siêu tụ ................................................................................ 68 Hình 3.14. Khâu giải mờ cho giá trị đặt dòng điện ắc quy .............................................. 70 Hình 3.15. Mô hình bộ điều khiển mờ trong Matlab ....................................................... 70 Hình 3.16. Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ........................................................ 71 Hình 3.17. Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển mờ........................................................ 71 Hình 3.18. Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển mờ............................................................ 72 x
Hình 3.19. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ ..................................................................................................................... 72 Hình 3.20. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ ..................................................................................................................... 73 Hình 3.21. Cấu trúc bộ điều khiển kết hợp mờ và bộ lọc thông thấp ............................... 74 Hình 3.22. Phân tích phổ dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ .................................. 75 Hình 3.23. Mô hình bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp trong Matlab .............. 75 Hình 3.24. Dòng điện ắc quy với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp ............... 76 Hình 3.25. Dòng điện siêu tụ với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp ............... 76 Hình 3.26. Điện áp siêu tụ với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp ................... 77 Hình 3.27. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp ............................................................................. 77 Hình 3.28. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với bộ điều khiển mờ kết hợp bộ lọc thông thấp .................................................................................................... 78 Hình 3.29. Quá trình tính toán của phương pháp quy hoạch động................................... 84 Hình 3.30. Lưu đồ thuật toán tính toán giá trị tối ưu bằng phương pháp DP cho quản lý năng lượng trong ô tô điện ........................................................................................................... 86 Hình 3.31. Dòng điện ắc quy với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa . 87 Hình 3.32. Dòng điện siêu tụ với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa . 87 Hình 3.33. Điện áp siêu tụ với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa ..... 88 Hình 3.34. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa .......................................................... 88 Hình 3.35. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu với phương pháp quy hoạch động theo hướng rời rạc hóa ...................................................................................... 89 Hình 3.36. Lưu đồ tính toán giá trị tối ưu cho giá trị đặt dòng điện ắc quy ..................... 93 Hình 3.37. Dòng điện yêu cầu ........................................................................................ 95 Hình 3.38. Dòng điện đặt ắc quy được xác định bằng phương pháp biến phân ............... 95 Hình 3.39. Dòng điện siêu tụ được xác định bằng phương pháp biến phân ..................... 95 Hình 3.40. Điện áp siêu tụ được xác định bằng phương pháp biến phân ......................... 96 Hình 3.41. Dòng điện ắc quy, dòng điện bộ biến đổi DC-DC và dòng điện yêu cầu được xác định bằng phương pháp biến phân................................................................................. 96 Hình 3.42. Dòng điện ắc quy, dòng điện siêu tụ và dòng điện yêu cầu được xác định bằng phương pháp biến phân ....................................................................................................... 97 Hình 4.1. Mô phỏng HIL cấp tín hiệu......................................................................... 101 Hình 4.2. Mô phỏng HIL cấp công suất...................................................................... 101 Hình 4.3. Mô phỏng HIL cấp cơ khí........................................................................... 102 xi
Hình 4.4. Cấu trúc mô phỏng thời gian thực cấp tín hiệu sử dụng HIL 402 của Typhoon cho ô tô điện i-MiEV......................................................................................................... 103 Hình 4.5. Cấu trúc giao tiếp giữa HIL 402 và board mạch DSP .................................. 104 Hình 4.6. Cấu trúc hệ thống phần cứng của i-MiEV trong HIL402 ............................. 104 Hình 4.7. Hệ thống mô phỏng thời gian thực sử dụng HIL402 và board mạch DSP .... 105 Hình 4.8. Tốc độ, dòng điện yêu cầu, dòng điện của siêu tụ và dòng điện của ắc-quy trong mô hình HIL của Typhoon ................................................................................................ 105 Hình 4.9. Đặc tính tốc độ xe trong mô hình HIL của Typhoon ................................... 106 Hình 4.10. Dòng điện yêu cầu trong mô hình HIL của Typhoon .................................. 106 Hình 4.11. Dòng điện ắc quy trong mô hình HIL của Typhoon .................................... 106 Hình 4.12. Dòng điện siêu tụ trong mô hình HIL của Typhoon .................................... 107 Hình 4.13. Phân tích phổ dòng điện yêu cầu tại tần số 0.01 Hz..................................... 107 Hình 4.14. Phân tích phổ dòng điện của siêu tụ tại tần số 0.01 Hz ................................ 108 Hình 4.15. Phân tích phổ dòng điện của ắc-quy tại tần số 0.01 Hz................................ 108 Hình 4.16. Siêu tụ 56F/16,2VDC của hãng Maxwell.................................................... 109 Hình 4.17. Thiết kế cơ sở cho bộ biến đổi công suất .................................................... 109 Hình 4.18. Card vi điều khiển DSP TMS32F28069M .................................................. 110 Hình 4.19. Thiết kế cơ sở mạch đo ............................................................................... 110 Hình 4.20. Ắc quy làm thí nghiệm ............................................................................... 111 Hình 4.21. Mô hình mô phỏng HIL thu nhỏ của hệ thống quản lý năng lượng .............. 112 Hình 4.22. Cấu trúc hệ thống thực nghiệm ................................................................... 113 Hình 4.23. Xung vuông từ chân PWM của vi điều khiển quan sát trên Oscilloscope .... 113 Hình 4.24. Dòng điện siêu tụ quan sát trên máy tính qua truyền nhận dữ liệu nối tiếp với vi điều khiển ................................................................................................................... 114 Hình 4.25. Xung PWM các nhánh van interleaved ở chế độ nạp siêu tụ ....................... 115 Hình 4.26. Dòng điện các nhánh van ở chế độ nạp siêu tụ ............................................ 115 Hình 4.27. Xung PWM các nhánh van interleaved ở chế độ xả siêu tụ ......................... 115 Hình 4.28. Dòng điện các nhánh van ở chế độ xả ......................................................... 116 Hình 4.29. Dòng điện đặt , dòng điện tổng các nhánh van quan sát trên máy tính ........ 116 Hình 4.30. Đập mạch dòng điện siêu tụ ....................................................................... 117 xii
Mở đầu ___________________________________________________________________________ MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của luận án: Quản lý năng lượng hiện đang là hướng nghiên cứu quan trọng của lĩnh vực nghiên cứu về ô tô điện, một phương tiện di chuyển được coi là sẽ thay thế hoàn toàn cho ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong tương lai gần. Hiện nay, các ô tô điện thương phẩm sử dụng chủ yếu ắc quy làm thiết bị lưu trữ năng lượng chính. Ắc quy đang được cho là thiết bị phù hợp nhất với ô tô điện với những ưu thế nổi trội về mật độ năng lượng lớn và khả năng vận hành trong các điều kiện khắc nghiệt. Tuy nhiên, nhược điểm về khả năng huy động công suất (mật độ công suất thấp) và thu hồi năng lượng (quá trình sạc xảy ra chậm) giới hạn khả năng hãm tái sinh và huy động công suất của hệ thống. Với đặc điểm vận hành của thiết bị di chuyển nói chung việc tăng tốc và giảm tốc diễn ra thường xuyên dẫn đến huy động công suất theo cả hai chiều cũng biến động mạnh, đây là nguyên nhân chính gây suy giảm tuổi thọ ắc quy. Vì những lý do này mà các nghiên cứu trong hướng nghiên cứu về quản lý năng lượng sử dụng thêm siêu tụ để trợ giúp ắc quy trong việc thu hồi năng lượng và huy động công suất ngắn hạn, việc này sẽ giúp gia tăng quãng đường di chuyển của ô tô điện cũng như tuổi thọ của ắc quy. Khi hệ thống lưu trữ năng lượng chuyển từ sử dụng duy nhất ắc quy thành hệ thống lưu trữ năng lượng lai ắc quy – siêu tụ sẽ phát sinh vấn đề phân phối công suất yêu cầu từ hệ thống cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng. Luận án này sẽ tập trung vào việc quản lý năng lượng (phân phối công suất cho từng thiết bị lưu trữ năng lượng) sao cho hiệu quả trong mục tiêu tối đa hóa tuổi thọ ắc quy, thành phần có giá cao nhất trên ô tô điện. Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Luận án sẽ tập trung vào việc thiết kế các bộ điều khiển dòng năng lượng theo hướng gia tăng tuổi thọ ắc quy. Việc này sẽ thông qua việc giảm thiểu hai yếu tố ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy là tần số, dòng điện đỉnh và tổn hao nội tại của ắc quy Phương pháp nghiên cứu của luận án: Các phương pháp quản lý năng lượng được chia làm hai hướng chính là các phương pháp dựa trên luật điều khiển và các phương pháp tối ưu hóa. Các phương pháp dựa trên luật điều khiển dựa trên kiến thức và kinh nghiệm của người thiết kế về đối tượng để tổng hợp các bộ điều khiển. Các phương pháp này có ưu điểm là trực quan và phù hợp với điều khiển thời gian thực. Tuy nhiên, do hoàn toàn phụ thuộc vào kiến thức và kinh nghiệm của người thiết kế mà không dựa trên các thuật toán tối ưu nên không thể đạt tới kết quả tối ưu. Các phương pháp tối ưu hóa đặt vấn đề cần giải quyết vào bối cảnh của phương pháp tối ưu hóa và sử dụng các công cụ toán học để tìm lời giải tối ưu. Thường các phương pháp tối ưu hóa sẽ tồn tại các ràng buộc, hàm mục tiêu (cost function) và hàm phạt (penalty in the cost function). Các lý thuyết tối ưu giải quyết dựa trên các ràng buộc, hàm mục tiêu và hàm phạt để đưa ra giá trị cực tiểu hoặc cực đại làm kết quả. Các phương pháp tối ưu hóa có ưu điểm là giải bài toán tối ưu cho kết quả tối ưu toàn cục, trong khi đó các phương pháp cận tối ưu cho kết quả tiệm cận tối ưu và có khả năng điều khiển thời gian thực. Tuy nhiên, nhược điểm của các phương pháp tối ưu hóa là sự phức tạp trong giải quyết vấn đề dẫn đến các phương pháp này đòi hỏi rất cao về tài nguyên tính toán và không thể điều khiển thời gian thực. Các phương 1
Mở đầu ___________________________________________________________________________ pháp cận tối ưu có thể đạt được kết quả tốt trong điều khiển thời gian thực tuy nhiên các phương pháp này yêu cầu rất khắt khe với mô hình đối tượng (một việc không dễ giải quyết trong thực tế). Trong phạm vi luận án, tác giả sẽ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống để khảo sát nhu cầu năng lượng của một trường hợp cụ thể để từ đó thiết kế bộ điều khiển với nguyên tắc chung cho hệ thống lưu trữ năng lượng lai siêu tụ - ắc quy. Các bộ điều khiển được thiết kế bằng cả hai nhóm phương pháp dựa trên luật điều khiển và nhóm phương pháp tối ưu hóa. Với nhóm các phương pháp dựa trên luật điều khiển thì hai phương pháp được chọn là phương pháp tần số và điều khiển mờ. Với nhóm các phương pháp tối ưu hóa thì hai phương pháp được chọn là quy hoạch động (Dynamic Programing) và biến phân. Mục tiêu của các bộ điều khiển là giải quyết vấn đề tối đa hóa tuổi thọ ắc quy với các biến trạng thái là điện áp siêu tụ, dòng điện yêu cầu của hệ thống và tốc độ xe, cùng với đó biến điều khiển là dòng điện đặt cho ắc quy. Việc điều khiển dòng điện ắc quy được dựa trên bộ DC-DC nối giữa siêu tụ và DC bus chính là điện áp ắc quy. Các kết quả được mô phỏng kiểm chứng và đánh giá, riêng kết quả của phương pháp dựa trên tần số được kiểm chứng bằng hệ thống mô phỏng thời gian thực HIL 402 của hãng Typhoon. Đóng góp của luận án: Tác giả đề xuất hai thuật toán mới trong quản lý năng lượng là: - Thuật toán kết hợp giữa bộ điều khiển mờ với bộ điều khiển dựa trên tần số; - Thuật toán sử dụng phương pháp biến phân. Cấu trúc luận án: Luận án được chia làm 4 chương, gồm: Chương 1: Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện. Chương này sẽ trình bày về các cấu trúc đã và đang được nghiên cứu của ô tô điện cũng như tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về ô tô điện nói chung và quản lý năng lượng cho ô tô điện nói riêng Chương 2: Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện. Phần này đề cập đến quá trình mô hình hóa toàn bộ hệ thống với các thành phần động lực học của ô tô điện, các thiết bị lưu trữ năng lượng và các cơ cấu chấp hành gồm động cơ và các bộ biến đổi. Sau đó, với những mô hình đã có tác giả tiến hành mô phỏng hệ thống để có được đặc tính cơ bản của hệ thống. Đây là cơ sở để thiết kế bộ điều khiển. Chương 3: Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện. Chương này thiết kế và tính toán các bộ điều khiển cho hệ thống bằng các phương pháp điều khiển thời gian thực và các phương pháp tối ưu hóa Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng thời gian thực cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện. Chương này trình bày các phương pháp xây dựng mô hình và kết quả của mô phỏng thời gian thực và mô hình thực nghiệm Kết luận. Đây là phần trình bày về đánh giá các kết quả đạt được, các hạn chế của luận án và hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu. 2
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu 1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện Trong phạm vi nghiên cứu, ô tô điện được chia làm ba loại là ô tô lai (lai xăng điện), ô tô thuần điện sử dụng ắc quy và ô tô thuần điện sử dụng fuel cell. Trong phạm vi luận án, tác giả viết tắt ô tô lai là HEVs, ô tô thuần điện sử dụng ắc quy là EVs, ô tô thuần điện sử dụng fuel cell là FCEVs a) Ô tô lai (HEVs) HEVs sử dụng cả động cơ đốt trong và động cơ điện với các cấu trúc như Hình 1.1 gồm các cấu trúc nối tiếp, song song, nối tiếp – song song và phức hợp. Ưu điểm của HEVs: - Đưa động cơ đốt trong vào vùng tối ưu trong gần như toàn quá trình hoạt động - Quãng đường đi trong một lần đổ xăng được gia tăng - Có thể hãm tái sinh bằng ắc quy Nhược điểm của HEVs: - Vẫn phải sử dụng động cơ đốt trong không thân thiện với môi trường - Khả năng hãm tái sinh còn hạn chế Với những ưu nhược điểm kể trên, HEVs hiện đang là loại ô tô điện phổ biến nhất trên thị trường và hầu hết các hãng xe đều có phiên bản thương mại với doanh số chỉ trong quý bốn năm 2019 đã lên đến 100.233 chiếc [1]. Tuy nhiên, HEVs chỉ được coi là bước quá độ chuyển từ ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang ô tô thuần điện (được đánh giá là ô tô của tương lai) để khắc phục những nhược điểm còn tồn tại của của HEVs b) Ô tô điện fuel cell (FCEVs): FCEVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính fuel cell Về phương diện hóa học fuel cell là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hydro và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện thì fuel cell là bình khí hydro kết hợp với ôxy trong không khí để biến thành điện với sản phẩm phụ là nước (H2O) Ưu điểm của FCEVs: - Hệ truyền động có thể sinh mô-men xoắn lớn, có khả năng chịu quá tải tốt và đáp ứng mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây) - Có thể bố trí linh động động cơ vào từng bánh xe hoặc truyền động một cầu hay hai cầu như ô tô truyền thống 3
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ Hình 1.1. Các cấu trúc truyền động của ô tô lai [2] - Mô-men xoắn động cơ có thể được tính toán được thông qua các đại lượng đo được của động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác. - Mật độ năng lượng lớn (gấp 10 lần ắc quy li-ion) - Việc nạp lại nhiên liệu (thay bình khí hydro) chỉ mất vài phút (có thể so sánh với thời gian đổ xăng cho xe ô tô truyền thống, thậm chí nhanh hơn) Nhược điểm của FCEVs: - Giá thành cao - Hiệu suất thấp - Không an toàn (nếu rò khí hydro có thể phát nổ) - Không sử dụng được nếu trời quá nóng hoặc quá lạnh - Không có khả năng hãm tái sinh 4
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ Hình 1.2. Fuel cell Với những phân tích trên, FCEVs tuy được nghiên cứu và phát triển song song với EVs nhưng sẽ không phù hợp với một nước nhiệt đới với nhiệt độ mùa hè lên đến 400C như Việt Nam hoặc các nước quá lạnh. Ngoài ra, với việc không có khả năng hãm tái sinh thì FCEVs bắt buộc phải có các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi năng lượng trong quá trình phanh hãm. Có thể kết luận với những nhược điểm khó khắc phục như vậy thì FCEVs khó có thể cạnh tranh với EVs trong tương lai gần. c) Ô tô điện ắc quy (EVs) EVs sử dụng duy nhất động cơ điện với hệ thống lưu trữ năng lượng chính là ắc quy. Ưu điểm của EVs: - Hệ truyền động có thể sinh mô-men xoắn lớn, có khả năng chịu quá tải tốt và đáp ứng mô-men nhanh (có thể đáp ứng trong thời gian tính bằng mili giây) - Có thể bố trí linh động động cơ vào từng bánh xe hoặc truyền động một cầu hay hai cầu như ô tô truyền thống - Mô-men xoắn động cơ có thể tính toán được thông qua các đại lượng đo được của động cơ qua đó áp đặt mô men nhanh và chính xác. - Có khả năng hãm tái sinh nên có khả năng tiết kiệm năng lượng cũng như hỗ trợ phanh cơ khí Nhược điểm của EVs: - Bộ phận lưu trữ năng lượng có kích thước cồng kềnh - Trọng lượng bộ lưu trữ năng lượng lớn - Thời gian nạp năng lượng quá lâu so với đổ xăng, dầu - Quãng đường đi được bị hạn chế do dung lượng bộ phận lưu trữ năng lượng - Giá thành bộ phận lưu trữ năng lượng quá cao EVs được coi là ô tô của tương lai, tuy nhiên trong thời điểm hiện tại, với những giới hạn về công nghệ lưu trữ năng lượng mà thị phần của EVs đang khiêm tốn so với HEVs nhưng đang vượt trội so với FCEVs (22.237 so với 2.006 trong doanh số năm 2019) [1]. Hiện nay trên thị trường châu Âu, Bắc Mỹ và Nhật Bản đã có các phiên bản ô tô chỉ chạy bằng động cơ điện là Mitsubishi iMiEV, Nissan Leaf và Tesla .v.v. Để khắc phục các nhược điểm của EVs hướng phát triển tiếp theo của EVs sẽ là 5
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ - Nghiên cứu sử dụng công nghệ nano carbon để chế tạo pin, ắc quy Lithium thế hệ mới để tăng nguồn năng lượng tích trữ trên một đơn vị thể tích, tăng tuổi thọ, giảm kích thước, giảm thời gian nạp. - Điều khiển hệ thống phanh, tối ưu hóa nguồn năng lượng trong quá trình chuyển động và quá trình hãm, dừng EVs. - Sử dụng thêm siêu tụ hoặc các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ để có thể thu hồi năng lượng một cách nhanh chóng trong quá trình phanh hãm. - Sử dụng công nghệ truyền điện không dây (Wireless Power Transmission) để nạp điện không tiếp xúc cho EVs liên tục trong quá trình di chuyển. Hình 1.3. Ô tô điện Misubishi iMiEV (ra mắt tháng 7 năm 2009) Hình 1.4. Ô tô điện Nissan Leaf (ra mắt tháng 12 năm 2010) Hình 1.5. Xe Tesla Model X P100D (ra mắt tháng 8 năm 2016) 6
Tổng quan về quản lý năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs Như đã phân tích ở phần 1.1.1, EVs sẽ sử dụng nguồn năng lượng chính là ắc quy tuy nhiên để gia tăng hiệu quả sử dụng ắc quy thì EVs sẽ cần các thiết bị lưu trữ năng lượng phụ trợ. Để làm rõ mục đích sử dụng của các nguồn năng lượng ta cần quan tâm đến mật độ công suất và mật độ năng lượng Khái niệm mật độ công suất và mật độ năng lượng Theo [3], hệ lưu trữ năng lượng trên ô tô điện được quan tâm nghiên cứu từ rất sớm (1968) và hai tham số được cho là quan trọng nhất của ESS là mật độ công suất và mật độ năng lượng. Trong đó, mật độ năng công suất được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng huy động công suất, đơn vị là W/kg. Mật độ năng lượng được tính dựa trên tỉ số giữa trọng lượng và khả năng lưu trữ năng lượng, đơn vị là Wh/kg. Hai tham số này là cơ sở để so sánh các thiết bị lưu trữ năng lượng, khi đánh giá tính phù hợp của thiết bị lưu trữ năng lượng được sử dụng trên các thiết bị di chuyển sử dụng động cơ điện như ô tô, tàu hỏa hoặc tàu thủy. Tuy nhiên, theo thông thường hai tham số này thường tỉ lệ nghịch với nhau (Hình 1.6) nên việc lựa chọn sẽ cần có trọng số để xác định thiết bị lưu trữ năng lượng tối ưu (đặc tính mật độ công suất và mật độ năng lượng được đặt tên là Ragone plane). Hình 1.6. Ragone plane[4] a) Pin li-ion Hiện nay, hầu hết các ô tô thuần điện thương phẩm sử dụng duy nhất ắc quy li-ion (Hình 1.7) làm nguồn lưu trữ năng lượng chính (ESS) vì các lý do sau đây [5]: - Độ tin cậy cao - Mật độ năng lượng lớn - Quá trình tự xả khi không sử dụng chậm (low self-discharge) - Cho phép nạp với dòng định mức lớn và cho phép sạc nhanh - Cho phép sạc nhồi (sạc khi ắc quy chưa kiệt) mà ít ảnh hưởng đến tuổi thọ ắc quy - Có thể hoạt động ở dải nhiệt độ rộng 7