TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Sự gia tăng của các phương tiện đốt trong sử dụng nhiên liệu không tái tạo đã dẫn đến nhiều vấn đề về năng lượng và môi trường Để giảm thiểu sự phụ thuộc vào dầu mỏ và ô nhiễm không khí, nhiều quốc gia đã chuyển sang sử dụng các phương tiện năng lượng mới (NEV) Việc phát triển xe điện, đặc biệt là xe điện chạy bằng pin, đã được đẩy mạnh như một giải pháp hiệu quả cho cuộc khủng hoảng năng lượng và các thách thức môi trường hiện nay.
Cùng với sự tiến bộ của công nghệ pin, việc phát triển sạc trở thành yếu tố quan trọng không thể thiếu Điều này giúp đáp ứng nhu cầu năng lượng cho pin, từ đó đảm bảo hiệu suất hoạt động của xe ô tô điện.
Mục tiêu của đề tài
Khảo sát và mô phỏng vềc công nghệ sạc không dây trên xe điện.
Nội dung đề tài
Tổng quan về xe ô tô điện
Công nghệ sạc không dây (cảm ứng).
Phương pháp khảo sát
Dựa trên các kiến thức và tài liệu nghiên cứu từ mạng, bài báo và nguồn tài liệu cộng đồng, bài viết này tìm hiểu về công nghệ sạc không dây cho xe điện, với sự tham khảo từ Đại học Lạc Hồng.
Kết cấu đề tài
Lý do chọn đề tài
Mục tiêu của đề tài
Chương II Tổng quan về xe điện
Chương III Công nghệ sạc không dây trên xe điện
Khái niệm về công nghệ sạc
Chương IV Dùng matlab mô phỏng sạc cảm ứng
Chương V Kết luận Đại học Lạc Hồng
TỔNG QUAN VỀ XE ĐIỆN
Khái niệm
Ô tô điện, hay còn gọi là xe ô tô chạy bằng pin, là loại xe sử dụng động cơ điện để di chuyển, với nguồn năng lượng được lưu trữ trong pin sạc.
Lịch sử hình thành
Là một công nghệ mới nổi được giới thiệu sau cuộc cách mạng công nghiệp, xe điện đã tồn tại hơn 100 năm
Chiếc xe điện thực dụng đầu tiên được tạo ra bởi Thomas Parker vào năm
Một ví dụ nổi tiếng khác về ô tô điện thời kỳ đầu là ô tô điện của Ferdinand Porsche, được sản xuất tại Đức vào năm 1899
So với động cơ chạy bằng hơi nước và xăng lúc bấy giờ, xe điện chạy êm, dễ lái và không phát ra mùi ô nhiễm nặng
Trước khi Henry Ford phát triển Model T với quy trình sản xuất hàng loạt, xe điện đã đạt được một mức độ thành công đáng kể trong những năm đầu của ngành công nghiệp ô tô.
Năm 1920, xe điện chiếm 28% tổng số xe sản xuất tại Mỹ Tuy nhiên, sự phát triển của xe điện bị chậm lại do giá thành cao và sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện truyền thống.
Từ đầu thế kỷ 21, nghiên cứu về xe điện (EVs) đã gia tăng mạnh mẽ nhằm giải quyết ô nhiễm môi trường và các vấn đề năng lượng Sự hỗ trợ từ chính phủ và ngành công nghiệp đã góp phần nâng cao cơ sở hạ tầng và công nghệ cho xe điện.
Các nhà sản xuất ô tô nổi tiếng như Volkswagen, Mercedes và Ford, đã đề cập đến tham vọng thúc đẩy xe điện Đại học Lạc Hồng
Phân loại
Xe điện chạy pin (BEV)
Hình 2 1 Xe điện chạy pin (BVE)
Xe điện (Battery Electric Vehicles - BEVs) là phương tiện di chuyển hoàn toàn bằng pin, không sử dụng động cơ xăng hay hệ thống phun nhiên liệu Năng lượng cho xe được lưu trữ trong pin sạc, có thể được nạp từ nguồn điện bên ngoài hoặc thông qua hệ thống phanh tái tạo tích hợp trong xe.
Xe điện chạy pin cần nguồn điện đủ để vận hành, vì vậy việc tối ưu hệ thống sạc điện trên đường là rất quan trọng Hiện nay, một số dòng xe điện BEV sở hữu dung lượng pin lớn, cho phép người dùng sử dụng lâu hơn mà không cần phải sạc liên tục.
Hình 2 2 Xe điện Hybrid (HEV)
Xe điện Hybrid, hay còn gọi là xe lai điện, là loại ô tô kết hợp giữa động cơ điện và động cơ đốt trong Ở tốc độ thấp (dưới 30km/h), xe chủ yếu sử dụng động cơ điện, trong khi khi tăng tốc, động cơ điện hỗ trợ cho động cơ truyền thống.
Mặc dù xăng và dầu diesel vẫn là nguồn nguyên liệu chủ yếu cho xe điện HEV, nhưng động cơ điện có khả năng tự tái tạo cũng góp phần quan trọng trong việc giảm thiểu tác động của nhiên liệu xăng đối với môi trường.
Xe Hybrid sạc ngoài (PHEV)
Xe Hybrid sạc ngoài (PHEV) là loại xe kết hợp giữa ô tô điện và ô tô truyền thống, tương tự như HEV Điểm khác biệt chính là PHEV cho phép sạc pin năng lượng từ nguồn điện bên ngoài, trong khi HEV chỉ sử dụng năng lượng từ phanh tái tạo Nhờ vào nguồn điện lớn và chủ động hơn, xe PHEV có động cơ điện hoạt động như động cơ chính, trong khi động cơ xăng đóng vai trò phụ.
Xe ô tô điện này được đánh giá là tối ưu hơn so với BEV và HEV nhờ khả năng di chuyển quãng đường xa hơn, đồng thời tiết kiệm từ 30-60% nhiên liệu xăng hoặc dầu diesel, theo nghiên cứu của Đại học Lạc Hồng.
Xe điện nhiên liệu Hydro (FCEV)
Hình 2 3 Xe điện nhiên liệu Hydro
FCEV là dòng xe điện dùng pin nhiên liệu để vận hành giúp chuyển khí Hydro thành điện năng cung cấp năng lượng cho máy móc
Xe điện sử dụng nhiên liệu Hydro được trang bị ngăn xếp pin nhiên liệu, yêu cầu nạp khí hydro tại các trạm chuyên dụng để chuyển hóa năng lượng trong ngăn xếp và cung cấp cho động cơ xe hoạt động hiệu quả.
Xe ô tô điện FCEV không phát thải khí trong quá trình vận hành, nhưng vẫn tồn tại một số tranh cãi về tác động môi trường liên quan đến quá trình sản xuất pin nhiên liệu Hydro Đại học Lạc Hồng.
Cấu tạo xe ô tô điện
Hình 2 4 Cấu tạo xe ô tô điện
Xe ô tô điện có ít bộ phận chuyển động hơn đến 90% so với ô tô sử dụng động cơ đốt trong Một số bộ phận chính của xe ô tô điện bao gồm: động cơ điện, bộ điều khiển, pin, hệ thống tái tạo năng lượng và bộ truyền động.
Động cơ điện là thành phần quan trọng trên xe ô tô điện, cung cấp năng lượng cần thiết để quay các bánh xe Các loại động cơ này có thể là DC (một chiều) hoặc AC (xoay chiều), tuy nhiên, động cơ AC vẫn được sử dụng phổ biến hơn trong các mẫu xe hiện nay.
Ô tô điện sử dụng pin để lưu trữ năng lượng cần thiết cho hoạt động của xe Khi pin được sạc đầy, xe điện có thể hoạt động Công suất của pin càng cao, thì phạm vi di chuyển của xe càng lớn.
Pin Lithium được sử dụng phổ biến trong các loại ô tô điện hiện nay, nhờ vào tỷ lệ xả thải thấp, giúp bảo vệ môi trường Đại học Lạc Hồng.
Sạc dẫn điện (sử dụng bộ sạc pin)
Bộ sạc pin ô tô điện được tích hợp trong pin, có khả năng kiểm soát mức điện áp thông qua việc điều chỉnh tốc độ sạc.
Ngoài ra, bộ sạc pin còn có thể theo dõi nhiệt độ của pin để duy trì tuổi thọ của pin lâu dài.
Cách thức hoạt động của ô tô điện
Để hiểu cách hoạt động của ô tô điện, bạn cần hiểu được sự khác biệt giữa AC (dòng điện xoay chiều) và DC (dòng điện một chiều)
- Dòng điện xoay chiều (AC) là dòng điện trong đó các electron di chuyển theo chu kỳ
- Dòng điện một chiều (DC) là dòng điện trong đó các electron chạy theo một hướng
Hình 2 5 Điện AC và DC
Pin trong xe ô tô điện hoạt động với dòng điện một chiều (DC), nhưng để cung cấp lực kéo cho xe, dòng điện này phải được chuyển đổi thành dòng điện xoay chiều (AC) thông qua bộ biến tần.
Khi bạn thực hiện nhấn bàn đạp ga, các điều này sẽ xảy ra:
- Nguồn điện được chuyển đổi từ DC (một chiều) thành AC (xoay chiều)
Bàn đạp ga gửi tín hiệu đến bộ điều khiển, giúp điều chỉnh tốc độ xe bằng cách thay đổi tần số nguồn điện xoay chiều từ biến tần đến động cơ.
- Động cơ kết nối sau đó sẽ quay các bánh xe thông qua một bánh răng
Khi bạn nhấn phanh hoặc giảm tốc độ xe, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện, tạo ra năng lượng và nạp lại vào pin.
CÔNG NGHỆ SẠC KHÔNG DÂY TRÊN XE ĐIỆN
Sạc không dây (sạc cảm ứng)
Hình 3 2Sạc cảm ứng. Đại học Lạc Hồng
Hiện nay, các loại sạc cho xe điện chủ yếu là sạc cắm điện, thường được đặt tại nhà, cơ quan hoặc các trạm thu phí Mặc dù sạc cắm dây phổ biến, nhưng nó có nhược điểm như thời gian sạc lâu, bất tiện và nguy cơ rò rỉ điện trong môi trường ẩm ướt, gây nguy hiểm cho người sử dụng Gần đây, công nghệ sạc không dây cho xe điện đã được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, mang lại giải pháp thay thế tiện lợi mà không cần sử dụng cáp nguồn.
Xe điện sử dụng sạc không dây mang lại sự tiện lợi và an toàn hơn so với việc sạc bằng dây cắm Công nghệ sạc không dây là một trong những ứng dụng nổi bật trong lĩnh vực truyền dẫn năng lượng.
Hệ thống truyền điện không dây (WPT) cho phép truyền năng lượng qua không khí với khoảng cách từ vài mm đến vài trăm mm, đạt hiệu suất trên 90% Trong ứng dụng sạc không dây cho xe điện, WPT được chia thành hai loại: sạc không dây tĩnh và sạc không dây động.
Tĩnh là bộ sạc mà khi sạc xe điện cần đỗ đúng vị trí của bộ phát thì mới nhận điện nguồn từ máy phát
Sạc không dây động là giải pháp khắc phục nhược điểm của sạc không dây tĩnh, cho phép xe điện vừa di chuyển vừa được sạc Hệ thống này không chỉ mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện mà còn giảm dung lượng và kích thước pin Nếu 20% quãng đường được trang bị hệ thống sạc 40kW, xe điện có thể kéo dài quãng đường di chuyển thêm ít nhất 80%.
Hệ thống sạc không dây động cho phép sạc đồng thời nhiều xe điện, bao gồm cả xe buýt và ô tô điện, mang lại hiệu quả sử dụng vượt trội so với các hệ thống sạc truyền thống.
Nguyên lý hoạt động
Sạc không dây hoạt động dựa trên việc trao đổi năng lượng giữa hai tấm đệm, với một tấm đặt trên mặt đất và tấm còn lại nằm dưới gầm xe Bệ sạc trên mặt đất có kích thước khoảng 1m2, trong khi bệ nhận trên ô tô được tích hợp trong một thiết bị nhỏ gọn Ngoài miếng đệm tùy chọn gắn trên xe, hệ thống còn bao gồm một trạm sạc cảm ứng, góp phần nâng cao tiện ích cho người dùng.
Hệ thống sạc không dây tĩnh cho xe điện bao gồm một sơ đồ khối cơ bản, trong đó nguồn điện xoay chiều từ lưới được chuyển đổi thành tần số cao (HF) AC qua bộ chuyển đổi AC/DC và DC/AC Để nâng cao hiệu quả, cấu trúc liên kết bù được áp dụng cho cả bên truyền và nhận Cuộn dây nhận, thường được gắn dưới xe, chuyển đổi từ trường dao động thành tần số HF AC, sau đó được chuyển đổi thành DC ổn định để cung cấp năng lượng cho pin trên bo mạch Hệ thống cũng tích hợp kiểm soát, hệ thống liên lạc và quản lý pin nhằm đảm bảo an toàn và ổn định hoạt động Các tấm ferit phẳng từ tính được sử dụng để giảm thiểu rò rỉ từ thông và cải thiện sự phân bố từ thông.
Truyền điện không dây
Truyền điện không dây là phương pháp truyền tải năng lượng qua không khí hoặc chân không mà không cần sử dụng dây dẫn hay các thiết bị vật lý khác Phương pháp này có khả năng cung cấp năng lượng một cách tức thời hoặc liên tục, mang lại nhiều ứng dụng tiềm năng trong cuộc sống hiện đại.
4.2 Nguyên tắc truyền dân công suất
Truyền điện giữa hai cuộn dây dựa trên nguyên tắc cảm ứng lẫn nhau, trong đó khi một cuộn dây kết nối với nguồn điện áp xoay chiều, nó tạo ra một thông lượng xoay chiều Thông lượng này khi liên kết với các cuộn dây khác sẽ tạo ra lực điện động Công suất được truyền giữa hai cuộn dây ghép nối với nhau, với không khí và môi trường xung quanh làm lõi.
Hình 3 4 Truyền công suất hai cuộn dây ghép nối không bù trừ
Chỉ số phụ "p" và "s" đại diện cho cuộn dây sơ cấp và thứ cấp, trong khi lp và ls tương ứng là thông lượng rò rỉ của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
Một phép đo tốt về chất lư ợng của ghép nối và do đó truyền công suất giữa hai cuộn dây được cho bằng hệ số ghép nối, k
Cảm kháng lẫn nhau giữa hai cuộn dây phụ thuộc vào khoảng cách và vị trí tư ơ ng đối của hai cuộn dây Đại học Lạc Hồng
Từ định luật Faraday về suất điện từ cảm ứng trong cuộn thứ cấp do dòng điện IP trong cuộn sơ cấp đư ợc cho bởi: ind s P
Nếu cuộn thứ cấp để hở, hiệu điện thế sẽ bằng điện áp hở mạch (VOC) Khi đặt ngắn mạch qua cuộn thứ cấp, cường độ dòng điện ngắn mạch (Isc) sẽ bằng điện áp hở chia cho trở kháng của cuộn thứ cấp.
Khả năng truyền tải điện năng tối đa của một cuộn dây thứ cấp không bù đư ợc đư a ra bởi: max 2 oc sc
Pmax: Công suất cực đại
Phương trình (4) có thể được xác minh thông qua định lý truyền công suất cực đại Khi công suất cần truyền vượt quá P max, việc bù thứ cấp là cần thiết.
4.3 Các phương thức truyền điện không dây
Truyền điện không dây cho xe điện chạy bằng pin (BEV) bao gồm các công nghệ như truyền điện cảm ứng, truyền điện không dây điện dung, truyền điện không dây bằng bánh răng từ tính và chuyển giao công suất cảm ứng (RIPT) Những công nghệ này mang lại giải pháp tiện lợi và hiệu quả cho việc sạc và cung cấp năng lượng cho các phương tiện điện.
4.3.1 Truyền điện không dây điện dung
Công nghệ CWPT với chi phí thấp và thiết kế đơn giản, kết hợp cấu trúc hình học và cơ học tiên tiến của khớp nối tụ điện, mang lại lợi ích lớn cho các ứng dụng công suất thấp Đại học Lạc Hồng.
Hình 3 5Sơ đồ cộng hưởng của mạch nối tiếp
Hệ thống CPWT sử dụng tụ điện để truyền điện từ nguồn đến máy thu, thay vì sử dụng cuộn dây hay nam châm Điện áp AC chính được áp dụng cho bộ chuyển đổi cầu H, mặc dù đã điều chỉnh hệ số công suất AC tần số cao được tạo ra bởi cầu H và đi qua các tụ ghép nối ở phía máy thu Khác với IPT, CWPT hoạt động hiệu quả với cả điện áp cao và dòng điện thấp Để giảm trở kháng giữa bên phát và bên thu, cuộn cảm bổ sung được thêm vào chuỗi với các tụ điện ghép nối, giúp chuyển mạch mềm vào mạch điện.
DC được sử dụng để sạc pin thông qua mạch chỉnh lưu và mạch lọc, với hiệu suất phụ thuộc vào kích thước của tụ điện ghép nối và khoảng cách giữa hai tấm Đối với khoảng cách không khí nhỏ, CWPT mang lại hiệu suất cao hơn và cải thiện các ràng buộc trường giữa hai bản tụ điện.
4.3.2 Truyền điện không dây bánh răng từ tính
Bánh răng từ tính WPT có sự khác biệt rõ rệt so với CWPT và IPT Phương pháp này sử dụng hai nam châm vĩnh cửu (PM) được đặt cạnh nhau, khác với WEVCS dựa trên cáp đồng trục Đại học Lạc Hồng.
Nguồn điện chính được đưa vào cuộn dây máy phát, tạo ra mô-men xoắn cơ khí trên PM sơ cấp Khi PM sơ cấp quay, nó tạo ra mô-men xoắn trên PM thứ cấp thông qua tương tác cơ học Trong quá trình đồng bộ, PM chính hoạt động như máy phát điện, cung cấp năng lượng cho PM thứ cấp, giúp nạp pin thông qua bộ chuyển đổi điện và BMS.
Hình 3 6 Sơ đồ truyền điện không dây bánh răng từ tính.
IPT truyền thống, được phát triển bởi Nikola Tesla vào năm 1914, là công nghệ chuyển đổi nguồn điện không dây, dựa trên các cấu trúc sạc EV hiện đại Công nghệ này đã được thử nghiệm và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ miliwatt (mW) đến kilowatt (kW), nhằm cung cấp nguồn điện không tiếp xúc từ nguồn đến máy thu Đại học Lạc Hồng cũng đã tham gia vào nghiên cứu và phát triển công nghệ này.
Hệ thống truyền lực cảm ứng truyền thống sử dụng điện áp AC chính để chuyển đổi thành nguồn AC HF cung cấp cho máy phát Máy thu hoặc cuộn thứ cấp nhận điện thông qua sự thay đổi từ trường, và nguồn điện này sau đó được chuyển đổi thành DC để lưu trữ trong bộ lưu trữ điện của xe điện (EV) nhờ vào thiết bị điện tử công suất bổ sung và bộ lọc mạch điện So với IPT truyền thống, việc bổ sung mạng trong cấu hình nối tiếp và song song cho cả cuộn dây sơ cấp và thứ cấp nhằm tạo ra trường hợp cộng hưởng đã được trình bày trong sơ đồ.
Trong đó: f r : là tần số cộng hưởng của cuộn sơ cấp và thứ cấp cuộn dây,
L và C: là tụ điện tự cảm và cộng hưởng giá trị của cuộn dây máy phát và máy thu tương ứng
L m : là cảm kháng giữa hai cuộn dây
L P và L S : là tự độ tự cảm của cuộn dây máy phát và cuộn dây máy thu tương ứng Đại học Lạc Hồng
Khi tần số cộng hưởng của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp phù hợp, việc truyền điện trở nên hiệu quả Tần số hoạt động của RIPT dao động từ hàng chục đến vài trăm kilohertz Trong khoảng tần số này, từ thông được tạo ra mà không cần lõi từ tính sẽ ảnh hưởng xấu đến độ tự cảm lẫn nhau, dẫn đến giảm hệ số ghép nối (k) Hệ số ghép nối trong RIPT thường nằm trong khoảng từ 0,2 đến 0,3, với độ cao tối thiểu yêu cầu liên quan đến EV là 150–300 mm.
Trong đó: k: hệ số ghép nối
Lm: là cảm kháng giữa hai cuộn dây
L P và L S : là tự độ tự cảm của cuộn dây máy phát và cuộn dây máy thu tương ứng
L m : là cảm kháng giữa hai cuộn dây
Phương trình (2) được sử dụng để tính toán hệ số ghép nối, trong đó sự ghép nối chặt chẽ giữa cuộn chính và cuộn thứ cấp sẽ làm tăng giá trị điện cảm lẫn nhau Việc sử dụng các lõi ferit từ tính trong nhiều cấu trúc khác nhau giúp cải thiện hệ số ghép nối cho máy biến áp không dây Ở mức tự do cao, hiệu ứng thời gian có thể ảnh hưởng đến hiệu quả truyền tải điện, do đó, thiết kế thường xem xét sử dụng dây litz mỏng với dây xoắn được cách điện riêng lẻ Điều này không chỉ giảm mệnh giá kháng asitic mà còn nâng cao hệ số chất lượng (Q) của cuộn dây, với Q có thể được tính bằng phương trình (3).
Phương trình (3) xác định tần số(f) và độ tự cảm (L) của cuộn sơ cấp hoặc cuộn thứ cấp, và R là điện trở của cuộn dây Đại học Lạc Hồng
Liên kết bù
Trong hệ thống sạc không dây tĩnh cho xe điện, các tụ bù được lắp đặt kết hợp theo cả hai cách nối tiếp và song song trên cả máy phát và máy thu Hình 3.8 minh họa sơ đồ liên kết bù, cho thấy cách thức hoạt động của các tụ bù trong hệ thống này.
Hình 3 9 Liên kết bù, (a) nối tiếp – nối tiếp, (b) nối tiếp – song song, (c) song song – nối tiếp, (d) song song – song song
Bốn loại cấu trúc liên kết bù bao gồm nối tiếp – nối tiếp (SS), nối tiếp - song song (SP), song song – nối tiếp (PS) và song song - song song (PP), như được thể hiện trong Hình 3.9 Nguồn bù cần thiết để loại bỏ sự lệch pha giữa dòng điện nhằm giảm thiểu công suất phản kháng Việc lắp đặt mạng bù thứ cấp giúp tối đa hóa khả năng truyền tải điện năng và nâng cao hiệu suất Cấu trúc liên kết mạng cũng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể trong WPT Hệ thống WCS bù PS và PP được thiết kế để bảo vệ cuộn dây nguồn khi cuộn dây thu không hoạt động Dù tạo ra môi trường an toàn, hệ thống này không thể truyền đủ điện khi có sự lệch pha giữa nguồn và máy thu, đồng thời yêu cầu cuộn cảm nối tiếp bổ sung để điều chỉnh dòng điện nguồn trong mạch cộng hưởng Giá trị dung lượng phụ thuộc vào khớp nối từ tính và yếu tố chất lượng.
Giá trị của tụ bù sơ cấp không giảm, và vết lõm trên điện cảm lẫn nhau trong WCS được bù dựa trên SP, cho phép truyền công suất cao hơn so với hệ thống phân cấp Tuy nhiên, hiệu quả của nó phụ thuộc lớn vào sự thay đổi của tải SS cấu trúc liên kết bù là lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng EV nhờ vào hai lợi thế chính: giá trị của tụ điện trong nguồn và máy thu các bên được độc lập.
Tần số cộng hưởng của nguồn và máy thu không bị ảnh hưởng bởi điện cảm lẫn nhau và tải, mà phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Để đạt được tần số hoạt động mong muốn, điện dung thứ cấp được xác định sao cho độ tự cảm của cuộn thứ cấp được bù hoàn toàn tại tần số đó Tất cả giá trị cấu trúc liên kết của điện dung thứ cấp sẽ được cung cấp bởi các yếu tố liên quan.
0 : là tần số hoạt động hoặc cộng hưởng tần số của hệ thống
Q p : Hệ số chất lượng cuộn sơ cấp
Q s : Hệ số chất lượng cuộn thứ cấp
Tụ điện sơ cấp được lựa chọn cho tất cả các cấu trúc liên kết bù nhằm đảm bảo trở kháng nhìn từ phía nguồn là điện trở, giúp dòng điện đầu vào và điện áp đồng pha Bảng dưới đây cung cấp giá trị của điện dung C p, hệ số chất lượng sơ cấp Q p và hệ số chất lượng thứ cấp Q s cho tất cả các cấu trúc liên kết tại tần số cộng hưởng 0.
Bảng 3 1Giá trị của điện dung sơ cấp C p , hệ số chất lượng sơ cấp Q P và hệ số chất lượng thứ cấp Q S
Cấu trúc liên kết Điện dung C p Hệ số chất lượng cuộn sơ cấp, Q P
Hệ số chất lượng cuộn thứ cấp, Q S Đại học Lạc Hồng
Ở đây hệ số chất lượng là tỷ số giữa công suất phản kháng trong mạch và công suất tác dụng được chuyển giao và R L là điện trở tải
Cuộn sơ cấp được bù để giảm định mức VA của nguồn cung cấp, từ đó cải thiện hệ số công suất, trong khi cuộn thứ cấp được bù để tăng cường khả năng truyền công suất Việc này chỉ khả thi khi trở kháng phản xạ không đáng kể so với điện cảm tự cảm sơ cấp Để hiểu rõ hơn về khả năng truyền, hãy tham khảo chuỗi bù thứ cấp như trong hình (3.10).
Hình 3 10 Dòng thứ cấp bù
Xếp hạng VA của 'cuộn dây' để truyền công suất tối đa có thể được đưa ra bởi:
Đưa các giá trị của Vcoil và Icoil vào (8) và sắp xếp, nhận đư ợc xếp hạng
VA về hệ số chất lượng:
R L : Điện trở tải Đại học Lạc Hồng
Isc là dòng điện ngắn mạch thứ cấp, trong đó Voc và Isc được xác định qua các phương trình đã nêu Phần thực của công suất lớn nhất được cung cấp cho tải, trong khi phần ảo đại diện cho công suất phản kháng do cuộn dây cung cấp Tỷ lệ giữa phần thực và phần ảo cho thấy hệ số phẩm chất của cuộn thứ cấp Bảng 3.2 tóm tắt các giá trị công suất thực và công suất phản kháng của thứ cấp không bù, bù nối tiếp và bù song song đối với tải điện trở, liên quan đến hệ số chất lượng.
Bảng 3 2 Tóm tắt giá trị công suất thực và công suất phản kháng
Thông số cuộn dây ( Max giá trị)
Không bù Bù nối tiếp Bù song song
V I V OC I SC (1 jQ Q s ) s V OC I SC (1 jQ Q s ) s
Công suất phản kháng do cuộn dây tạo ra có dấu âm do tải thực tế trên cuộn dây bao gồm cả điện trở và điện dung, như minh họa trong hình.
Theo bảng (3.2), đối với cuộn dây được bù, khả năng truyền tải công suất tối đa tăng lên gấp 2Q lần, trong khi định mức VA tăng lên Qs × (1 + Qs^2) so với cuộn không bù.
Tất cả bốn cấu trúc liên kết đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn cấu trúc phù hợp chủ yếu dựa vào loại ứng dụng cụ thể.
Đối với ứng dụng sạc pin, việc sử dụng nguồn dòng điện và nguồn điện áp không đổi là điều cần thiết Do đó, cấu trúc liên kết cung cấp điện áp hoặc dòng điện ổn định sẽ mang lại lợi ích cho các ứng dụng này.
Trong quá trình sạc chuyển động của các phương tiện giao thông đường bộ hoặc hệ thống một ray, điện áp rơi trong điện kháng rò rỉ lớn đòi hỏi xếp hạng điện áp nguồn cao hơn Để giải quyết vấn đề này, việc đền bù loạt trở nên hấp dẫn vì nó cho phép giảm điện áp nguồn xuống mức quản lý được Điện dung thứ cấp bù nối tiếp cung cấp điện áp tải thứ cấp ổn định, trong khi điện dung thứ cấp bù song song đảm bảo dòng điện tải thứ cấp ổn định Ở phía sơ cấp, tụ điện nối tiếp giảm điện áp sơ cấp, trong khi tụ điện song song giúp ổn định dòng điện sơ cấp lớn Điều này dẫn đến việc giảm đáng kể sự chuyển giao dòng điện Hệ thống này cũng duy trì hệ số công suất thống nhất bằng cách rút ra công suất hoạt động tại tần số onant mà không thêm phần ảo vào cuộn dây máy phát SS này WCS dựa trên cấu trúc liên kết cung cấp tùy chọn sạc pin tốt hơn với điện áp và dòng điện không đổi cho pin.
Cấu trúc liên kết biến áp không dây
Trong hệ thống sạc không dây, bộ phát và bộ thu được cấu tạo từ nhiều lớp thành phần, nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện Điều này giúp giảm thiểu sự khác biệt về điện từ và cải thiện hiệu quả chi phí.
Tấm đệm biến áp không dây bao gồm ba thành phần chính: cuộn dây, vật liệu che chắn như ferit và tấm nhôm, cùng với các lớp bảo vệ và nâng đỡ Đại học Lạc Hồng.
Hình 3 11 Các phương - chiều tấm đệm.
Hình trên cho thấy nhiều dạng xem của các tấm đệm biến áp không dây
Phương ngang (X & Y) và phương thẳng đứng cung cấp một thiết kế với hệ số khớp nối tuyệt vời, cùng với các yếu tố chất lượng cho cuộn dây không tải Điều này đạt được nhờ vào khả năng chịu lệch ngang cao hơn của hệ thống.
6.1 Hình dạng của các cuộn dây
Trong sạc không dây cho xe điện, biến áp không dây lõi không khí đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi điện năng từ nguồn sang các bên thu Các thiết kế máy biến áp không dây sử dụng nhiều hình dạng cuộn dây phẳng, bao gồm hình tròn, hình chữ nhật và các cấu trúc kết hợp, nhằm nâng cao hiệu suất và khắc phục vấn đề lệch lạc giữa tấm đệm máy phát và máy thu.
Hình 3 12 Hình dạng của cuộn dây
Cuộn dây sạc không dây gồm hai phần quan trọng: miếng phân cực (PP) và miếng đệm không phân cực (NPP) Miếng phân cực được chế tạo từ nhiều cuộn dây với các hình dạng khác nhau, nhằm tạo ra các thành phần vuông góc, thẳng đứng và song song.
Các miếng đệm không phân cực được thiết kế với hình dạng cuộn dây đơn, chỉ tạo ra các thành phần vuông góc và thẳng đứng của từ thông NPP bao gồm các hình dạng cuộn dây như hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật và hình lục giác.
Cuộn dây tròn là một cấu trúc phổ biến trong máy biến áp không dây, giúp giảm thiểu dòng điện xoáy trong hệ thống Cấu trúc này không có cạnh, góp phần tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.
Bằng cách điều chỉnh đường kính giữa các kênh, chúng ta có thể kiểm soát sự phân bố từ thông Đường kính tâm nhỏ hơn sẽ cải thiện hệ số ghép nối, trong khi sự gia tăng đường kính tâm sẽ mở rộng sự phân bố từ thông ở các khu vực có biên độ thấp hơn.
Khi khoảng cách bù đắp giữa hai cuộn dây đạt khoảng ± 40%, công suất máy thu giảm đến tối thiểu
Cuộn dây hình vuông và hình chữ nhật thích hợp cho việc sắp xếp trong một mảng với các mặt thẳng hàng Tuy nhiên, thiết kế với các cạnh góc sắc nét của chúng có thể làm tăng độ tự cảm, dẫn đến dòng điện xoáy và tăng trở kháng, điều này khiến chúng không phù hợp cho các ứng dụng công suất cao.
Các cuộn dây hình chữ nhật cho thấy chiều ngang lớn hơn, sai lệch so với cuộn dây hình tròn và hình vuông
Hình dạng cuộn dây lục giác tối ưu hóa hiệu suất truyền công suất ở vị trí trung tâm giữa máy phát và cuộn dây máy thu Tuy nhiên, công suất sẽ giảm đáng kể khi tiếp cận mép của cuộn dây.
Cấu trúc ferit từ tính là một thành phần quan trọng trong máy biến áp không dây, giúp phân loại từ thông trong phạm vi công suất trung bình đến cao.
Cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn để tránh bất kỳ vấn đề sức khỏe và an toàn
Ngoài việc ảnh hưởng đến hiệu quả ghép nối giữa các cuộn dây, sự thiếu tấm chắn để giảm từ thông rò rỉ còn gây ra những tác động tiêu cực đáng kể Đại học Lạc Hồng.
Hình 3 13 Hình dạng tấm ferit từ
Các vấn đề khác
Vấn đề về an toàn
Hệ thống WPT trong sạc không dây cho xe điện giúp giảm thiểu nguy cơ điện giật Tuy nhiên, quá trình sạc không dây tạo ra một từ trường tần số cao giữa các cuộn dây truyền và nhận Khoảng cách không khí lớn giữa chúng là một yếu tố quan trọng cần lưu ý.
Truyền và nhận từ trường rò trong hệ thống sạc không dây (WPT) cần được kiểm soát về biên độ và tần số để đảm bảo an toàn Việc xác định vùng an toàn là rất quan trọng, nhằm đảm bảo mật độ từ thông tuân thủ các hướng dẫn an toàn khi con người ở vị trí thông thường, như đứng ngoài xe hoặc ngồi trong xe Ngoài ra, các xe điện thường được làm bằng thép, một vật liệu có khả năng che chắn từ trường hiệu quả.
Với sự phát triển mạnh mẽ của xe điện, nghiên cứu về xe điện nối lưới V2G (Vehicle to Grid) đang trở thành một chủ đề nóng trong lĩnh vực lưới điện thông minh V2G tập trung vào việc tối ưu hóa sự tương tác giữa việc sạc xe điện và lưới điện, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.
Quy trình sạc xe điện tối ưu hóa mang lại nhiều lợi ích cho lưới điện, vì ắc quy trong xe điện hoạt động như kho năng lượng Điều này giúp kết nối dễ dàng hơn với các nguồn năng lượng không ổn định như năng lượng gió Khi thay thế chỉnh lưu điôt phía thứ cấp bằng van điều khiển, hệ thống sạc không dây có khả năng trao đổi năng lượng hai chiều, tối ưu hóa lợi ích cho mô hình V2G (Vehicle to Grid).
Tiêu chuẩn sạc không dây cho xe điện
Hiện nay, có nhiều tiêu chuẩn cho các ứng dụng sạc không dây, chủ yếu được xây dựng thông qua sự hợp tác giữa các đối tác trong ngành Tiêu chuẩn QI, do Wireless Power Consortium (WPC) xác định, áp dụng cho các ứng dụng trong dải công suất từ 5 đến 15 watt.
W Nó giới hạn chiều dài khe hở không khí tối đa để cung cấp điện là 4 cm và dải tần hoạt động là 87–205 kHz Một tiêu chuẩn khác là tiêu chuẩn Rezence được thiết kế bởi Alliance 4 Wireless Power Transfer (A4WP) Nó được thiết kế để cung cấp năng lượng lên đến 50 W ở tần số 6,78 MHz
Khi truyền điện cho xe cộ, yêu cầu kỹ thuật cao hơn so với các ứng dụng nhỏ, vì vậy không thể áp dụng các tiêu chuẩn thông thường Tuy nhiên, cả người tiêu dùng lẫn nhà sản xuất đều cần các tiêu chuẩn để thúc đẩy thương mại hóa và chiếm lĩnh thị trường nhanh chóng Đến năm 2016, vẫn chưa có tiêu chuẩn nào cho việc sạc không dây của xe điện, điều này đã gây cản trở cho việc triển khai rộng rãi công nghệ này.
Công nghệ truyền điện không dây (WPT) trong ô tô đang gặp thách thức do các nhà sản xuất lo ngại về rủi ro khi đầu tư vào công nghệ chưa sẵn sàng cho thị trường Để đảm bảo chất lượng tối thiểu của hệ thống sạc và điều kiện hoạt động an toàn, cần có các tiêu chuẩn cho phép so sánh giữa nhiều hệ thống từ các nhà sản xuất khác nhau Hướng dẫn SAE J2954-2016, được áp dụng vào tháng 5 năm 2016, là nỗ lực đầu tiên nhằm tiêu chuẩn hóa WPT cho xe điện, mặc dù việc sử dụng nó không bắt buộc, nhưng mang lại cái nhìn tổng quan về các mục tiêu có thể đạt được trong nhiều thuộc tính khác nhau.
Các tiêu chí cần thiết bao gồm khả năng tương tác và tương thích điện từ, yêu cầu tối thiểu về hiệu suất và an toàn, cũng như giao tiếp và thử nghiệm hệ thống sạc cho xe điện nhẹ.
Hướng dẫn này hiện chỉ áp dụng cho các hệ thống sạc cố định với ba mức công suất: 3,3 kVA, 7,7 kVA và 11,1 kVA Các hệ thống DWPT và WPT tĩnh với công suất cao hơn, phục vụ cho xe tải và xe buýt hạng nặng, sẽ được đề cập trong các hướng dẫn tương lai Hướng dẫn cũng phân loại khoảng cách mặt đất từ 100 đến 250 mm và xác định dung sai sai lệch tối đa mà hệ thống cần tuân thủ.
Bảng 3 3 Tiêu chuẩn nội bộ J2950 để sạc không dây trên xe điện
Các lớp truyền điện không dây
Công suất đầu vào tối đa (kW)
Tần số hoạt động (kHz) 85 ( Tần số: 81.39 – 90) Đại học Lạc Hồng
Những thách thức và trở ngại khi triển khai công nghệ sạc không dây
Mặc dù sạc không dây mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với sạc có dây, nhưng vẫn tồn tại những thách thức về sức khỏe, an toàn và tài chính Các hạn chế về công suất, sự phát triển của cơ sở hạ tầng và thời gian bảo trì cần được giải quyết trước khi có thể áp dụng rộng rãi Đặc biệt, các vấn đề về sức khỏe và an toàn như EMC, nguy cơ hỏa hoạn và các rủi ro điện là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.
Một trong những trở ngại lớn đối với sạc không dây là giới hạn về phạm vi công suất so với bộ sạc cắm vào Để giải quyết vấn đề này, cần phát triển mạng lưới trạm sạc không dây tĩnh và động trên các con đường, điều này đòi hỏi đầu tư cơ sở hạ tầng phù hợp Việc này có thể dẫn đến chi phí tài chính bổ sung cho các tổ chức chính phủ, vì duy trì cấu trúc hiện tại là rất quan trọng để tránh tổn thất lớn do hao mòn và xử lý không đúng cách.
ỨNG DỤNG CỦA SẠC KHÔNG DÂY
Hệ thống sạc xe điện không dây tĩnh (S-WEVCS)
WEVCS tạo ra một môi trường thân thiện với người dùng, giúp người tiêu dùng dễ dàng tiếp cận các giải pháp sạc an toàn Với khả năng thay thế bộ sạc một cách đơn giản và chỉ cần sự tham gia tối thiểu của trình điều khiển, WEVCS tĩnh giải quyết hiệu quả các vấn đề an toàn, bao gồm nguy cơ tai nạn khi di chuyển và điện giật.
Hình 4 1 Hệ thống sạc không dây tĩnh
Hình ảnh minh họa cấu trúc cơ bản của hệ thống WEVCS tĩnh, trong đó cuộn sơ cấp được lắp đặt dưới mặt đất hoặc đường đi, kết hợp với nguồn điện bổ sung và mạch điện Cuộn dây thu, hay cuộn dây thứ cấp, thường được đặt dưới xe điện (EV) ở vị trí trước, sau hoặc trung tâm Năng lượng thu được sẽ được chuyển đổi từ AC sang DC thông qua bộ chuyển đổi và sau đó nạp vào pin dự phòng.
Hệ thống kiểm soát điện năng và quản lý pin được trang bị mạng truyền thông không dây, cho phép nhận bất kỳ nguồn cấp dữ liệu nào, đảm bảo an toàn cho 34 vấn đề liên quan.
Thời gian sạc phụ thuộc vào mức năng lượng nguồn, kích thước bệ sạc và khoảng cách khe hở không khí giữa hai đầu cuộn dây
Khoảng cách trung bình giữa các ánh sáng trọng lượng xe khoảng 150–300 mm
WEVCS tĩnh có thể được lắp đặt trong các khu vực đậu xe, bãi đậu xe, nhà ở, thương mại
Bảng 4 1 Bảng thông số của các viện nghiên cứu về sạc không dây
Vị trí đặt bộ sạc tĩnh
Khoảng cách khe hở không khí (mm)
Tần số hoạt động (kHz)
Xe du lịch và SUV
Xe thể thao Trung tâm xe
Xe búyt Trung tâm, trước hoặc sau
TBA Đại học Lạc Hồng
Hệ thống sạc xe điện không dây động (D-WEVCS)
Hệ thống sạc xe điện không dây (D-WEVCS) là giải pháp tối ưu giúp giải quyết các vấn đề về phạm vi và chi phí cho xe điện (EV) Việc sạc thường xuyên hoặc lắp đặt pin lớn hơn không chỉ tốn kém mà còn làm tăng trọng lượng của xe D-WEVCS không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn hỗ trợ tự động hóa trong tương lai của ngành xe điện.
Hình 4 3Sơ đồ của hệ thống sạc điện không dây động. Đại học Lạc Hồng
Hình 4 4 Sơ đồ của hệ thống sạc điện không dây động
Các cuộn dây sơ cấp được lắp đặt trong bê tông đường với khoảng cách nhất định, sử dụng điện áp và nguồn xoay chiều tần số cao, cùng với các mạch bù để kết nối với lưới vi mô và/hoặc hệ thống năng lượng tái tạo (RES).
Giống như WEVCS tĩnh, cuộn dây thứ cấp được lắp đặt dưới xe Khi xe điện di chuyển qua máy phát, nó sẽ thu nhận từ trường qua cuộn dây và chuyển đổi thành điện một chiều để sạc pin thông qua bộ chuyển đổi điện và hệ thống quản lý pin (BMS).
Việc sạc thường xuyên xe điện (EVs) có thể giảm tổng dung lượng pin yêu cầu khoảng 20% so với hiện tại Đối với hệ thống sạc không dây cho xe điện (WEVCS), các tấm đệm máy phát và bộ nguồn cần được lắp đặt tại các vị trí cụ thể trên các tuyến đường đã được xác định Các hệ thống cung cấp điện chủ yếu được chia thành hai loại: sơ đồ tần số điện tập trung và riêng Trong sơ đồ cung cấp điện tập trung, một lượng lớn cuộn dây (khoảng 5–10 m) được lắp đặt trên mặt đường, nơi sử dụng nhiều miếng sạc nhỏ.
Nhìn chung, việc cài đặt cơ sở hạ tầng ban đầu cho việc này công nghệ sẽ rất tốn kém
Trong tương lai, xe hơi tự lái sẽ tạo ra sự kết nối hoàn hảo giữa cuộn dây máy phát và máy thu, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải điện năng Công nghệ WEVCS động có thể được tích hợp dễ dàng tại Đại học Lạc Hồng.
37 trong nhiều ứng dụng vận chuyển EV, chẳng hạn như xe tải nhẹ, xe buýt, đường sắt và vận tải nhanh
Bảng 4 2 Tóm tắt thông số sạc không dây động của một số viên nghiên cứu
MÔ PHỎNG CÔNG NGHỆ SẠC KHÔNG DÂY TRÊN MATLAB
Bảng 5 1 Chi tiết dựng sơ đồ sạc không dây mô phỏng matlab
13 Mux 3 Đại học Lạc Hồng
Hình 5 1 Sơ đồ điều khiển sạc không dây (sạc động)
Hình 5 2 Dòng điện cuộn sơ cấp Lp Đại học Lạc Hồng
Hình 5 3 Dòng điện cuộn sơ cấp Lp
Hình 5 4 Dòng điện cuộn thứ cấp Ls Đại học Lạc Hồng
Hình 5 5 Công suất khi ở tần số cơ bản của cuộn sơ cấp và thứ cấp Đại học Lạc Hồng
