Trong q trình phát triển công nghiệp, việc quan tâm tới môi trường cần thiết Một cách thay phương tiện chạy nhiên liệu hóa thạch phương tiện chạy điện Điện nhiên liệu dồi dào, sử dụng điện không gây khí thải CO2 tác động tới mơi trường Xe đạp xe máy điện dần trở nên phổ biến Trong đó, nghành tơ điện đánh giá đầy tiềm năm tới Đây nghành cơng nghiệp cịn mẻ, có nhiều điểm tích cực có hạn chế cần khắc phục để phổ biến Trong tơ điện ắc quy coi trái tim, thành phần quan trọng Ơ tơ điện có nhiều đề tài hay để tìm hiểu nghiên cứu Một số : “Thiết kế sạc sạc ắc quy cho ô tô điện”
GIỚI THIỆU VỀ Ô TÔ ĐIỆN VÀ ẮC QUY TRONG Ô TÔ ĐIỆN
Nhu cầu sử dụng ô tô điện
Việc sử dụng ô tô điện có rất nhiều lợi ích như:
- Hạn chế khí thải CO2 tới môi trường
- Ô tô điện khi hoạt động sẽ không gây ra tiếng ồn như ô tô chạy động cơ đốt trong
- Vì không phải tạo ra năng lượng từ đốt nhiên liệu lên nó không hề thải ra môi trường cacbonic (Co2)
Điện năng hiện diện khắp nơi và dễ dàng tiếp cận, giúp người sử dụng ô tô điện giảm thiểu việc bảo dưỡng xe Điều này không chỉ tiết kiệm chi phí bảo trì như thay thế phụ tùng và thay dầu, mà còn mang lại sự thuận tiện cho người lái.
Bên cạnh đó cũng còn nhiều hạn chế, khiến cho việc phát triển ô tô điện gặp nhiều khó khăn:
- Trở ngại đầu tiên là giá thành sản phẩm rất đắt, có thể lên tới hơn một trăm ngàn đô la Mỹ tính tới thời điểm 2017
Việc không thể di chuyển liên tục trên quãng đường dài là một nhược điểm quan trọng Mặc dù đã có nhiều dự án xây dựng các trạm nạp điện, nhưng việc phổ biến chúng vẫn gặp nhiều khó khăn.
- Mất nhiều thời gian để nạp đầy ắc quy cho ô tô điện thường vào khoảng 6-8 giờ
Do những hạn chế hiện tại, ngành ô tô điện tại Việt Nam chưa thể phát triển mạnh mẽ, trong khi sản xuất ô tô điện chủ yếu tập trung ở các quốc gia tiên tiến như Mỹ, Nhật Bản và châu Âu.
Việc sử dụng ô tô điện ngày càng trở nên phổ biến do giá trị lâu dài của chúng trong bối cảnh môi trường được chú trọng Theo thống kê, số lượng ô tô điện tăng lên qua từng năm, đồng thời mạng lưới trạm sạc ắc quy cũng đang được mở rộng để đáp ứng nhu cầu này.
H1.1 Dự báo về doanh số bán xe ô tô điện.
Ắc quy ô tô điện hiện nay
Ắc quy hay còn gọi là Pin(Battety) là một nguồn điện hóa gồm một hay nhiều tế bào điện(cell) mắc nối tiếp hay song song với nhau
Hiện nay, trên thị trường có hai loại ắc quy chính là ắc quy dùng điện môi và ắc quy Lithium Ắc quy điện môi, như ắc quy chì axít, là công nghệ cũ, có giá thành rẻ và an toàn trong vận hành, hầu như không xảy ra cháy nổ Tuy nhiên, do công nghệ lạc hậu, ắc quy này có mật độ năng lượng thấp, công suất không lớn, kích thước và khối lượng lớn, tuổi thọ sử dụng ngắn và khó tái chế.
Dòng ắc quy(Pin) Lithium-ion là công nghệ mới mang rất nhiều ưu điểm vượt trội so với dòng ắc quy truyền thống :
- Pin Lithium có kích thước và khối lượng nhỏ hơn rất nhiều so với ắc quy dùng điện môi
- Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, có tốc độ xả tự thấp
- Pin Lithium có kích thước và khối lượng nhỏ hơn rất nhiều so với ắc quy dùng điện môi
- Pin Lithium có kích thước và khối lượng nhỏ hơn rất nhiều so với ắc quy dùng điện môi
Tuy có là dòng PIN công nghệ mới như PIN Lithium cũng có một số nhược điểm như sau:
- Chúng đắt nhất so với NiCd và NiMH
- Chúng có thể bốc cháy hoặc nổ nếu tiếp xúc với nhiệt độ cao
- Nếu như một viên pin được sạc quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ
- Họ có tuổi thọ pin ngắn hơn so với pin NiCd và NiMH của cùng một điện áp
Pin lithium-ion, mặc dù có một số nhược điểm, vẫn là loại pin phổ biến nhất trong các loại ô tô điện hiện nay nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội của nó.
ẮC QUY LITHIUM-ION
Pin Li-ion, hay còn gọi là pin lithium-ion (viết tắt là LIB), là một loại pin sạc phổ biến Trong quá trình sạc, các ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả khi pin được sử dụng.
Pin lithium-ion (LIB) thường sử dụng điện cực với cấu trúc tinh thể dạng lớp, cho phép các ion lithium (Li) xâm nhập và lấp đầy khoảng trống giữa các lớp trong quá trình sạc và xả, từ đó kích hoạt phản ứng hóa học Các vật liệu điện cực phổ biến cho cực dương bao gồm các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và lithium như LiCoO2, LiMnO2, trong khi cực âm thường sử dụng graphite Dung dịch điện ly trong pin cho phép các ion Li di chuyển giữa các cực, nhưng cần đảm bảo rằng dung dịch này không dẫn điện.
Pin lithium-ion (LIB) thường được sử dụng cho các thiết bị điện di động, đặc biệt là pin sạc cho điện thoại và máy tính bảng Với mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ thấp và khả năng tự xả ít, LIB ngày càng trở nên phổ biến Hiện nay, ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội và ứng dụng cho các phương tiện di chuyển điện cũng như trong lĩnh vực hàng không.
Pin Li-ion được kỳ vọng sẽ thay thế ắc quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện, mang lại môi trường sạch hơn Việc này không chỉ nâng cao an toàn sử dụng bằng cách loại bỏ dung dịch điện ly chứa axit mà còn hạn chế phát thải kim loại nặng ra môi trường, trong khi vẫn đảm bảo điện thế tương đương với ắc quy truyền thống.
2.2 Cấu tạo của ắc quy/ Pin Li-ion Ắc quy hay còn gọi là Pin Li-ion có cấu tạo gồm 3 thành phần cơ bản là: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân Ngoài ra còn một số thành thần khác
Vật liệu điện cực dương thường sử dụng LiCoO2 và LiMnO4, trong đó LiCoO2 có cấu trúc giả tứ diện cho phép ion liti khuếch tán theo hai chiều Những vật liệu này mang lại công suất riêng và công suất theo thể tích lớn, đồng thời hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và tuổi thọ dài Tuy nhiên, nhược điểm của chúng là giá thành cao do chứa coban, một kim loại hiếm, và độ bền nhiệt kém.
Vật liệu cơ sở mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán theo ba chiều, đang được chú ý vì tính rẻ và phổ biến hơn so với coban, đồng thời có hiệu năng và vòng đời dài hơn nếu khắc phục một số hạn chế như khả năng hòa tan trong dung dịch điện ly, làm giảm độ bền và công suất pin Dù vật liệu cực dương chứa coban là phổ biến nhất, các nghiên cứu đang được đầu tư vào những vật liệu khác để giảm giá thành và tăng công suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được kỳ vọng sẽ mang lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như pin xe điện nhờ vào giá thành thấp và công suất cao, mặc dù vật liệu này có độ dẫn điện kém và cần sử dụng phụ gia dẫn điện cacbon.
Vật liệu âm cực phổ biến như graphite và các loại cacbon khác được ưa chuộng nhờ giá thành rẻ, độ dẫn điện tốt và khả năng chứa ion liti, cho phép dự trữ năng lượng hiệu quả với cấu trúc có thể phình ra tới 10% Silicon cũng được sử dụng làm vật liệu âm cực vì khả năng chứa ion liti vượt trội, nhưng khi hấp thụ ion liti, silicon có thể phình ra hơn 400% thể tích ban đầu, dẫn đến nguy cơ phá vỡ cấu trúc pin Mặc dù silicon có tiềm năng, phản ứng của nó với ion liti có thể gây ra nứt gãy, làm lộ các lớp silicon tiếp xúc với dung dịch điện ly và hình thành lớp điện ly rắn SEI, gây cản trở quá trình khuếch tán ion liti và giảm dung lượng cũng như công suất của pin Để khắc phục vấn đề này, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm giảm thiểu biến đổi cấu trúc do nứt gãy của silicon, bao gồm việc tổng hợp silicon dưới dạng sợi nano, ống nano, khối cầu rỗng, hạt nano và cấu trúc xốp nano.
Pin Li-ion sử dụng bốn loại chất điện li: chất điện li dạng lỏng, chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm Trong đó, chất điện li dạng lỏng bao gồm các muối chứa ion Li+ như LiPF6 và LiClO4, được hòa tan trong các dung môi hữu cơ có gốc carbonate như EC và EMC.
Chất điện li dạng gel là vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hòa tan muối và dung môi trong polymer có khối lượng phân tử lớn, hình thành gel Trong khi đó, chất điện li dạng polymer là dung dịch lỏng với pha dẫn ion được hình thành từ việc hòa tan muối Lithium trong polymer có khối lượng phân tử lớn Cuối cùng, chất điện li dạng gốm là vật liệu vô cơ ở trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+.
Mỗi loại chất điện li đều có những ưu điểm riêng, nhưng nhìn chung, chúng cần có khả năng dẫn ion Li+ hiệu quả, độ ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như độ ẩm và không khí.
2.3 Nguyên lý hoạt động của ắc quy(Pin) Li-ion
Trong pin liti-ion, các chất phản ứng chủ yếu bao gồm nguyên liệu của điện cực âm và dương, cùng với dung dịch điện ly, tạo ra môi trường thuận lợi cho sự di chuyển của ion liti.
2 điện cực Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy
Trong quá trình phản ứng, ion liti di chuyển giữa hai điện cực, chủ yếu thông qua các vật liệu điện cực cho phép ion liti xâm nhập vào mạng tinh thể mà không làm xáo trộn đáng kể vị trí của các nguyên tử khác Quá trình này bao gồm việc xâm nhập liti (lithiation) và rời khỏi mạng tinh thể (deintercalation), cho phép ion liti tham gia vào các phản ứng hóa học một cách hiệu quả.
Khi xả, ion liti (có điện tích dương) di chuyển từ cực âm (anode) thường là graphite, qua dung dịch điện ly đến cực dương, nơi mà vật liệu dương cực phản ứng với ion liti Để duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai cực, mỗi ion Li di chuyển từ cực âm sang cực dương thì một electron cũng chuyển động từ cực âm sang cực dương trong mạch ngoài, tạo ra dòng điện chảy từ cực dương sang cực âm.
Trong quá trình sạc pin, electron di chuyển từ điện cực dương (nay trở thành cực âm) về điện cực âm (nay đóng vai trò cực dương) dưới tác động của điện áp Ion lithium (Li) tách khỏi cực dương và di chuyển trở lại cực âm Do đó, pin thay đổi vai trò giữa cực dương và cực âm trong quá trình sạc và xả Tên gọi của các điện cực được xác định dựa trên bản chất của phản ứng và trạng thái mà chúng đang hoạt động Trong hầu hết các nghiên cứu khoa học, cực âm (anode) và cực dương (cathode) được đặt tên theo trạng thái xả của pin.
Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động của Pin
Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
LiCoO2 {\displaystyle \rightleftharpoons }CoO2 + Li + + e -
Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)
C6 + LiCoO2 {\displaystyle \rightleftharpoons } LiC6 + CoO2
Như vậy khi sạc, C6 0 (anode) bị khử thành C6 1-, Co 3+ bị oxi hóa thành Co 4+ , và ngược lại khi xả
CÁC PHƯƠNG PHÁP SẠC CHO ẮC QUY LI-ION
Tùy vào mục đính hướng tới và lợi ích chúng mang lại mà chúng ta có 4 cách sạc phổ biến nhất:
Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi(Trickle charge)
Phương pháp sạc năm mức dòng điện
Phương pháp sạc xung ngắn
Phương pháp sạc tăng áp
3.1 Phương pháp sạc dòng điện không đổi, điện áp không đổi
Quá trình điều tiết sạc của một tế bào Pin Li-ion và một hệ Pin Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào nối tiếp, có sự khác biệt rõ rệt Đối với Pin Li-ion, quá trình sạc/xả diễn ra qua hai giai đoạn chính.
1 – Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)
2 – Chế độ điện thế không đổi : constant voltage (CV)
Hình 3.1 Quá trình sạc CC-CV
Quá trình sạc dòng điện không đổi :
Quá trình sạc CC là việc duy trì dòng điện sạc vào ắc quy ở mức không đổi, thường phụ thuộc vào dòng điện định mức của từng ắc quy, dao động từ C/2 đến C Thời gian lý tưởng để hoàn tất quá trình sạc ổn định này thường kéo dài khoảng 3 giờ.
Các loại ắc quy có nhiệt độ định mức cao cho phép dòng điện lớn hơn, từ đó rút ngắn thời gian sạc Đối với ắc quy Lithium-ion, nhiệt độ định mức dao động từ 45 đến 50 độ C Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp hai đầu ắc quy sẽ tăng dần cho đến khi đạt điện áp định mức tối đa (4,2V cho một cell), lúc này quá trình sạc ổn dòng sẽ kết thúc Thông thường, quá trình này phục hồi khoảng 70% dung lượng của ắc quy.
Quá trình sạc với điện áp không đổi :
Quá trình sạc ổn áp cho ắc quy Lithium-ion thường duy trì điện áp ở mức 4,2V/cell Khi ắc quy được sạc, sức điện động dần phục hồi về 4,2V, dẫn đến dòng điện trong ắc quy giảm dần Khi dòng điện nhỏ hơn khoảng 3% C, quá trình sạc ổn áp có thể kết thúc, giúp ắc quy phục hồi khoảng 99% dung lượng Ưu điểm của phương pháp này là nguyên lý sạc đơn giản và dễ dàng sửa chữa thay thế khi gặp sự cố.
Nhược điểm: Thời gian sạc mất nhiều thời gian
3.2 Phương pháp sạc với 5 mức dòng điện
Phương pháp sạc pin được chia thành 5 bước, với dòng điện vào khác nhau và giảm dần theo từng mức Khi điện áp của pin đạt giá trị đã được cài đặt trước, bộ sạc sẽ chuyển sang bước tiếp theo Mỗi bước sạc sẽ đạt dòng điện theo giá trị đã xác định.
Hình 3.2 Quá trình sạc với 5 mức dòng điện
Trong phương pháp này, việc xác định 5 mức dòng điện là rất quan trọng và quyết định đến hiệu quả của phương pháp Tuy nhiên, việc xác định các mức dòng điện này gặp nhiều khó khăn Để giải quyết vấn đề này, người ta sử dụng phương pháp PSO – tối ưu hạt Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm tăng tuổi thọ lên hơn 57% và giảm thời gian sạc xuống 11,2% so với phương pháp sạc CC-CV.
Nhược điểm: Phương pháp sạc phức tạp
Mỗi một loại ắc quy sẽ có 5 mức sạc khác nhau, sẽ có thời gian sạc khác nhau
Phương pháp này tập trung vào việc phân bố đều các ion trong ắc quy điện phân, giúp tăng tốc độ sạc và kéo dài tuổi thọ của ắc quy Đặc biệt, xác định tần số sạc là yếu tố quan trọng nhất, ảnh hưởng đến thời gian sạc nhanh hay chậm cho ắc quy Lithium-ion.
Khi sạc bằng phương pháp xung, điện áp sạc được giám sát liên tục để đảm bảo luôn thấp hơn mức tối đa cho phép Các mô hình sạc có khả năng điều chỉnh điện áp này thông qua việc thay đổi biên độ, độ rộng của xung và thời gian nghỉ giữa các xung.
Hình 3.4 Mô hình sạc bằng xung
Tuy nhiên, không có phương pháp cụ thể nào để xác định tần số xung tối ưu, người ta phải dùng thực nghiệm để xác định
3.4 Phương pháp sạc tăng áp
Bản chất phương pháp này là CC-CV nhưng có thêm giai đoạn đầu tiên là sạc với mức điện áp cao, qua đó giảm thời gian sạc nhiều
Phương pháp tăng áp được xem như một giải pháp sạc nhanh cho các ắc quy lithium-ion, cho phép sạc với điện áp tối đa từ 4,2V đến 4,3V Trong quá trình sạc, dòng điện trên mỗi cell sẽ giảm dần cho đến khi ắc quy đạt trạng thái đầy.
- Mới đầu ắc quy có dung lượng thấp do sử dụng hết
- Ban đầu điện áp đặt vào là 4.3 V dòng diện ở mức rất cao, lên dến 4,5C
- Sau đó dòng điện giảm xuống ở mức thấp hơn nhiều.-Thời gian sạc tăng áp khoảng
14 chừng 5 phút Đồ thị dung lượng và nhiệt độ Pin ở các phương pháp a) Imax = 4.5 C, Vbmax = 4.2 V b) Ibmax = 4.5 C, Vbmax = 4.3 V c) Ismax = 1 C, Vsmax = 4.2 V
Sau đây là một số so sánh phương pháp nạp tăng áp với phương pháp truyền thống :
Chú thích: a) Sạc áp 4,2(V) b) Sạc áp 4,3(V) c) (CC-CV) (1C 4,2V)
Phương pháp này phổ biến trên thị trường nhờ khả năng sạc nhanh, có thể đạt khoảng 30% chỉ trong 5 phút đầu mà không làm giảm đáng kể tuổi thọ của ắc quy Trong khi đó, các phương pháp khác thường gặp khó khăn trong việc tối ưu hóa thuật toán.
THIẾT KẾ MẠCH LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
Mạch sạc ắc quy bao gồm: mạch lực, mạch điều khiển, mạch đo lường
Mạch lực bao gồm việc sử dụng chỉnh lưu cầu ba pha diode để chuyển đổi điện áp lưới thành nguồn một chiều Tiếp theo, điện áp được tăng lên đến 600V thông qua mạch boost Cuối cùng, mạch buck được sử dụng để giảm điện áp xuống mức yêu cầu.
- Mạch điều khiển: điều khiển xung PWM để điều khiển điện áp và dòng điện sạc phù hợp
Mạch đo lường được sử dụng để đo các thông số như nhiệt độ, điện áp và dòng điện của pin li-ion trong quá trình sạc Trong đồ án này, chúng tôi chỉ tập trung vào việc đo điện áp và dòng điện.
- Trong phạm vi đồ án, tập trung vào thiết kế mạch DC/DC Buck và điều khiển mạch nạp
Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch lực
Trong đồ án này em thiết kế bộ sạc với thông số: Đầu tiên là thông số pin:
1C= 60k/420 = 143 Ah Điện trở tương đương: RB0/143=2.94
Tiếp theo là thông số bộ sạc:
Sạc ổn áp 420 V Điện áp đầu vào mạch BUCK là:Vin= 600V
Vout= 420-430V Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm mạch Buck: i L 10% I L Độ đập mạch trên đầu ra tụ C một chiều mạch Buck :
4.2 Thiết kế mạch chỉnh lưu cầu ba pha
Do tải ắc quy có công suất lớn lên đến 60kW, việc lựa chọn sơ đồ ba pha là cần thiết để ngăn ngừa mất cân bằng điện áp lưới và cải thiện chất lượng điện áp chỉnh lưu Sơ đồ chỉnh lưu cầu ba pha có thể được áp dụng mà không cần sử dụng máy biến áp.
Thông số của chỉnh lưu cầu ba pha bao gồm điện áp lưới ba pha là 220V, 50Hz, với biên độ dao động cho phép là ±10% so với giá trị tiêu chuẩn Điều này có nghĩa là khi điện áp giảm, điện áp chỉnh lưu vẫn phải đạt tiêu chuẩn Điện áp chỉnh lưu lý thuyết được tính là U d,max = 2,34 x 220V = 514,8V Trong khi đó, điện áp chỉnh lưu thực tế được xác định là U d,max = 2,34 x (0,9 x 220V) = 463,32V.
Khi ắc quy được sạc tăng áp, dòng sạc đạt mức 4.5Cd3.5A, do đó cần lựa chọn công suất chỉnh lưu lớn hơn công suất mạch buck trong quá trình này.
Ta chọn dòng chỉnh lưu: I d 700 A
Lựa chọn van bán dẫn:
Dòng trung bình qua van trong sơ đồ cầu ba pha:
I I A Điện áp ngược lớn nhất đặt lên van, tính tới trường hợp điện áp nguồn lên cao nhất, hơn 10% định mức là:
Giả sử điều kiện mát tự nhiên, van gắn lên tản nhiệt Khi đó phải chọn van có dòng cho phép ít nhất là: I V av , 700 A
Van phải chọn hệ số dự trữ quá điện áp k u 2, nghĩa là: max 2.592,8 1185.6
Có thể chọn diode VS-SD400C12C của Vishay sản xuất, có V dm 1200;
V V,I dm 15 mA Thông số đầy đủ của diode tìm được trên Internet địa chi: www.mouser.com
Tính toán bảo vệ van:
- Áp to mát CB phía đầu vào bảo vệ chống ngắn mạch sơ đồ van
Trong sơ đồ cầu, khi không sử dụng máy biến áp (MBA), cần lắp thêm các điện cảm để hạn chế tốc độ tăng dòng di/dt.
- Mắc thêm R và C song song với van bán dẫn để bảo vệ tốc độ tăng điện áp du/dt
4.3 Thiết kế mạch Boost converter Điện áp đầu vào từ chỉnh lưu cầu 3pha, tính cho trường hợp lưới điện xuốn thấp nhất: Uin=U d ,max 2,34.(0.9 U 2 ) 2,34.0,9.220 463.32( ) V Điện áp đầu ra: Uo`0V
Khi ắc quy sạc tăng áp, dòng sạc có giá trị lớn là 4.5Cd3.5A, do đó cần chọn công suất Boost lớn hơn công suất của mạch buck trong quá trình sạc.
Xác định hệ số điều chế: 1 1 463.32 0.228
U Đối với Boost converter dòng trung bình qua cuộn cảm biểu diễn qua tải:
Vì dòng điện qua lớn nên… Độ đập mạch dòng điện qua tải: i L DT s U in
Trong khoảng thời gian t x điện áp trên tụ giảm đi U C U out nên
Dòng điện đỉnh qua van: max max 194.25
Dòng trung bình qua van và diode:
Trong đồ án này, tôi tập trung vào thiết kế bộ chuyển đổi buck 6 pha, với nghiên cứu về mạch chỉnh lưu và boost chỉ nhằm mục đích mô phỏng trên Matlab Tuy nhiên, trong thực tế, việc thiết kế mạch boost 6 pha là cần thiết.
4.3.2Mô hình hóa bộ Boost
Mô hình đóng cắt bộ Boost
Hình Sơ đồ bộ biến đổi kiểu boost
(a) Khi khóa H dẫn dòng, điôt D khóa (b) Khi khóa H không dẫn, điôt D dẫn dòng.
Có thể viết được phương trình trạng thái ( với 2 biến trạng thái i L và v C cho sơ đồ 4.2 (a) và 4.2 (b) như sau:
(4.19) Biến đổi về dạng ma trận:
(4.20) Chọn hàm đóng cắt u sao cho khi H dẫn dòng u = 1, khi H không dẫn u = 0 Thay h1 = u, h2 = 1 – u :
(4.21) Biến đổi ta được mô hình hàm đóng cắt mạch Boost như sau:
(4.21) Tiến hành trung bình hóa và mô hình trung bình tín hiệu nhỏ:
Tiến hành trung bình hóa ta thay : x1 i L o ,x2 v C o ,d u o vào phương trình trên Suy ra hệ trung bình hóa:
(4.22) Điểm làm việc cân bằng được tính bằng cách cho đạo hàm bên vế phải của hệ trên bằng 0
(4.23) d e hệ số lấp đầy xung ở điểm làm việc cân bằng
Ta thay biến trạng thái và biến điều khiển có biến động nhỏ :
Vào (4.22) bỏ qua tích của hai biến động nhỏ, thu được:
Chúng ta biến đổi được về dạng:
Từ đây, ta suy ra được mô hình hàm truyền giữa điện áp đầu ra và hệ sô điều chế d:
Biến đổi được về dạng: 2
4.3 Thiết kế mạch Buck converter
Thông số yêu cầu: Điện áp đầu vào mạch BUCK là:Vin= 600V
Vout= 420-430V Độ đập mạch dòng qua cuộn cảm mạch Buck: i L 10% I L Độ đập mạch trên đầu ra tụ C một chiều mạch Buck : v 0.5% V
Bộ buck là bộ giảm áp chuyển mạch rất đơn giản, chỉ đóng và mở các khóa theo chu kỳ
Nguyên tắc hoạt động của van dẫn là khi có điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra, điện áp này được áp dụng lên điện cảm Điều này dẫn đến việc dòng điện trong điện cảm sẽ tăng dần theo thời gian.
Khi van khóa, cuộn cảm duy trì dòng điện sẽ tạo ra điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Lúc này, điện áp trên cuộn cảm ngược dấu với khi van dẫn và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, dẫn đến dòng điện qua cuộn cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra có giá trị lớn để đảm bảo dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép Ở trạng thái xác lập, dòng điện qua cuộn cảm thay đổi tuần hoàn, với giá trị dòng điện cuối chu kỳ trước bằng với giá trị dòng điện đầu chu kỳ sau.
5.3.1 Tính toán điện cảm L của mạch Buck
Khi Mosfet dẫn, dòng không qua diode:
Khi Mosfet khóa, dòng qua diode:
Hình 4.3 Dạng dòng điện, điện áp của phần tử mạch Buck converter
Giả thiết Uo=const cho thấy dòng qua cuộn cảm trong hai trạng thái đều có dạng tuyến tính Trong chế độ xác lập, giá trị trung bình của điện áp trên cuộn cảm trong một chu kỳ đóng cắt Ts cần phải bằng 0.
T Thay số liệu ban đầu Vo = 430 V và Vin = 600 V , khi sạc tăng áp thì ta được: max max
Thay số liệu ban đầu UoB0, R=2.94 Ω và Vin`0 V thì ta được:
L Độ đập mạch dòng điện qua cuộn cảm:
Khi dòng điện đạt tới 643,5 A, việc sử dụng bộ Buck một pha sẽ dẫn đến dòng qua cuộn dây quá lớn, vì thông thường chỉ thiết kế dòng qua cuộn dây khoảng 100A để đảm bảo kích thước toàn bộ hệ thống Do đó, cần sử dụng bộ Buck 6 pha, trong đó điện cảm của 6 cuộn dây sẽ bằng nhau nhờ tính tương đương của mạch Buck 6 pha và được tính theo công thức: L1 = L2 = L3 = L4 = L5 = L6 = L/6.1/6 (àH).
Hình 4.4 Bộ buck 6 pha Ở đây do dòng điện quá lớn lên sẽ sử dụng bộ Buck 6 pha
Bộ buck 6 pha hoạt động tương tự như bộ buck thông thường, với đặc điểm là điểm cân bằng và độ dao động giống nhau, chỉ khác nhau ở pha Ưu điểm nổi bật của bộ buck nhiều pha là khả năng giảm thiểu độ đập mạch của dòng điện và điện áp.
Giảm độ đập mạch dòng điện là một trong hai tác dụng chính của bộ buck nhiều pha, giúp đáp ứng yêu cầu về độ đập mạch dòng điện thấp (0.5%) trong khi vẫn duy trì dòng điện ra lớn.
Hình 4.5 Dòng điện qua các cuộn cảm và đầu ra của bộ Buck 3 pha
Giảm độ đập mạch điện áp trên tụ C cũng là yếu tố quan trọng khi ta thiết kế bộ sạc
Hình 4.6 Đô đập mạch điện áp trên tụ 5.3.2 Tính toán điện dung tụ đầu ra C
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Khi cắm bộ ắc quy vào bộ sạc, đầu tiên cần kiểm tra xem ắc quy còn sống hay không Nhiệt độ sạc phải nằm trong khoảng từ -10°C đến 55°C; nếu vượt quá khoảng này, ắc quy có thể bị hỏng hoặc gây cháy nổ Sau khi xác định ắc quy còn hoạt động, chúng ta sẽ tiến hành chạy hai chương trình song song để sạc hiệu quả.
Chương trình sạc và kiểm tra nhiệt độ ắc quy bắt đầu khi điện áp đầu vào đạt 430V, chuyển sang chế độ sạc ổn dòng 1C3(A) khi dòng điện đầu ra giảm xuống còn 3C (khoảng 429A) Nếu nhiệt độ pin vượt quá 60 độ C, sẽ chuyển sang chế độ sạc ổn dòng Trong giai đoạn sạc ổn dòng 1C3(A), điện áp ắc quy dần phục hồi đến 420V, tại đây quá trình sạc sẽ được ngừng Khi điện áp đạt 420V và nhiệt độ dưới 60 độ C, ta chuyển sang chế độ sạc ổn áp 420V Trong quá trình sạc ổn áp này, sức điện động của ắc quy phục hồi, dẫn đến dòng điện giảm mạnh, và khi dòng điện giảm xuống còn 3% (khoảng 4,29A), ắc quy sẽ phục hồi khoảng 97%.
Mạch đo dòng áp phản về để điều khiển xung PWM
MÔ PHỎNG
Hình 6 1.1 Sơ đồ khối buck
Do ắc quy có công suất lớn lên tới 60 kWh, thời gian mô phỏng sẽ kéo dài, vì vậy tôi sẽ sử dụng tải tương đương R để kiểm chứng thiết kế mạch lực 6.1.2 Khối tạo xung.
Để tạo xung PWM cho 6 buck, cần thiết lập các xung răng cưa trễ pha với nhau một góc là 3600/6 độ Tần số của các xung này đồng nhất ở mức 100 kHz.
Vì điều khiển 6 Buck nên ta cần khối phát xung răng cưa cũng gồm 6 xung răng cưa giống nhau về tần số, lệch nhau một góc 600
Hình 6.1 3 Hình dạng xung răng cưa Như vậy chung ta sẽ có 6 đồ thị xung PWM có cùng hệ số điều chế D nhưng bị dịch pha nhau 1 góc là 600
39 Hình 6.1.4 Dạng xung PWM của 6 pha
6.1.3 Dòng điện và điện áp
Hình 6.1 5 Dạng dòng điện của 6 pha
Ta thấy dạng dòng điện của 6 pha là tương tự nhau và lệch pha nhau một góc 600
Khi sạc tăng áp ta thấy điện áp ra bám sát giá trị đặt 430 V
D Hình6.1.6 Điện áp ra bám 430V
Khi thực hiện sạc tăng áp, dòng điện có thể đạt mức cao lên đến 643.5A, với sai số dòng điện rất thấp, chỉ khoảng 1.6A, tương đương 0.25% Điều này chứng tỏ rằng bộ điều khiển đã đạt tiêu chuẩn thiết kế.
Hình 6.1.7 Độ đập mạch dòng trước tụ điện
Hình 6.1.8 Độ đập mạch điện áp trên tụ điện Độ đập mạch điện áp trên tụ điện 4.10 3 V, sai số không đáng kể.
Hệ thống cho thấy thời gian đáp ứng nhanh và khả năng bám điện áp tốt, với sai số gần như không đáng kể, chứng tỏ bộ điều khiển đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế Khi dòng điện đạt 643.5A, dòng qua mỗi van khoảng 108A và các van vẫn hoạt động hiệu quả.
Hình 6.1.9 Dạng dòng điện, điện áp mosfet
Hình 6.1.10 Dạng dòng điện và điện áp của diode
Khi sạc ổn áp điện áp ra bám sát giá trị đặt 420V
Hình 6.1.11 Đồ thị biểu diễn điện áp khi sạc ổn áp 420V
Khi sạc ổn dòng, dòng điện trên cuộn cảm bám sát giá đặt 143A
Hình 6.1.12 Dòng điện trên cuôn cảm Dòng điện peak rất lớn đến 600A nhưng chỉ kéo dài rất ngắn nên không ảnh hưởng van và thiết bị
Hệ thống cho thấy thời gian đáp ứng nhanh chóng, khả năng duy trì điện áp ổn định rất tốt và sai số gần như không đáng kể, chứng tỏ bộ điều khiển đạt tiêu chuẩn thiết kế đã đề ra.
6.2 Mô phỏng khối điều khiển
Bộ ắc quy có công suất lên tới 60 kWh cho phép thời gian mô phỏng rất dài Để thuận tiện trong quá trình mô phỏng, ắc quy có thể được thay thế bằng một tải R tương đương.
Ta có mạch điều khiển dòng điện và điện áp :
Hình 6 9 Sơ đồ mạch điều khiển điện áp
Hình 6.2 1 Sơ đồ mạch điều khiển điện áp
Hình 6 2.1 Sơ đồ mạch điều khiển dòng điện
6.2.1 Mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển điện áp
Ta sẽ cho thay đổi điện áp đặt từ 430(V) xuống 420(V) và lại cho lên 430(V) để kiểm tra bộ điều khiển điện áp
Hình 6.2.2 Dạng điện áp đầu ra
Điện áp đầu ra duy trì đúng mức điện áp đặt, mặc dù tại thời điểm chuyển mạch có sự đập mạch lớn Tuy nhiên, chỉ trong khoảng thời gian ngắn, điện áp ra đã ổn định trở lại, cho thấy bộ điều khiển điện áp đáp ứng hiệu quả yêu cầu.
6.2.1 Mô phỏng đáp ứng của bộ điều khiển dòng điện
Cũng giống như mô phỏng bộ điều khiển điện áp, ở đây ta sẽ mô phỏng quá trình chuyển từ 143(A) lên 643,5(A) và xuống lại mắc 143(A)
Hình 6.2.3 Dạng dòng điện đầu ra
Dòng điện phản ứng nhanh với giá trị đặt, cho thấy sự chuyển đổi chế độ diễn ra mạnh mẽ nhưng chỉ trong khoảng thời gian ngắn Bộ điều khiển đáp ứng tốt các yêu cầu đặt ra.
