Nghiên Cứu Bộ Chuyển Đổi ACDC Mật Độ Công Suất Cao Dựa Trên Bộ Lọc LCL cho Ứng Dụng Sạc Nhanh

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện bộ chuyển đổi acdc mật độ công suất cao dựa bộ lọc lcl cho các ứng dụng sạc nhanh, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Văn Minh Tâm
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Bộ Chuyển Đổi ACDC Mật Độ Công Suất Cao với Bộ Lọc LCL cho Sạc Nhanh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Các xu hướng
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HÓA BỘ CHUYỂN ĐỔI
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG
• 6. CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG
• 7. CHƯƠNG 7: THỰC NGHIỆM
• 8. CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN
• PHỤ LỤC
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về Bộ Chuyển Đổi ACDC Mật Độ Công Suất Cao

Bộ chuyển đổi ACDC mật độ công suất cao đang trở thành một phần quan trọng trong các ứng dụng sạc nhanh. Công nghệ này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu kích thước và trọng lượng của thiết bị. Việc áp dụng bộ lọc LCL trong thiết kế bộ chuyển đổi này mang lại nhiều lợi ích, đặc biệt trong việc cải thiện chất lượng điện năng và giảm thiểu nhiễu điện từ.

1.1. Định nghĩa và Nguyên lý hoạt động của Bộ Chuyển Đổi ACDC

Bộ chuyển đổi ACDC là thiết bị chuyển đổi điện năng từ nguồn AC sang DC. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc sử dụng các linh kiện điện tử như diode và transistor để điều chỉnh dòng điện và điện áp.

1.2. Lợi ích của Mật Độ Công Suất Cao trong Ứng Dụng Sạc Nhanh

Mật độ công suất cao giúp giảm kích thước và trọng lượng của bộ sạc, từ đó tăng tính di động và hiệu quả trong việc sử dụng năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng sạc nhanh cho xe điện.

II. Vấn đề và Thách thức trong Thiết Kế Bộ Chuyển Đổi ACDC

Mặc dù bộ chuyển đổi ACDC mật độ công suất cao mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như hiệu suất chuyển đổi, độ ổn định và khả năng chịu tải là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Hiệu Suất Chuyển Đổi và Nhiễu Điện Từ

Hiệu suất chuyển đổi thấp có thể dẫn đến tổn thất năng lượng lớn, trong khi nhiễu điện từ có thể ảnh hưởng đến hoạt động của các thiết bị khác. Cần có các giải pháp để giảm thiểu những vấn đề này.

2.2. Độ Ổn Định và Khả Năng Chịu Tải

Độ ổn định của bộ chuyển đổi là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục. Khả năng chịu tải cũng cần được cải thiện để đáp ứng nhu cầu sạc nhanh cho các phương tiện điện.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Lọc LCL cho Bộ Chuyển Đổi ACDC

Bộ lọc LCL là một giải pháp hiệu quả để cải thiện chất lượng điện năng trong bộ chuyển đổi ACDC. Thiết kế bộ lọc này cần được tối ưu hóa để đạt được hiệu suất cao nhất.

3.1. Nguyên Tắc Thiết Kế Bộ Lọc LCL

Nguyên tắc thiết kế bộ lọc LCL bao gồm việc lựa chọn các thông số như giá trị cuộn cảm và điện dung để đạt được hiệu suất tối ưu. Cần phải cân nhắc giữa kích thước và hiệu suất.

3.2. Các Phương Pháp Giảm Chấn trong Bộ Lọc LCL

Các phương pháp giảm chấn như sử dụng điện trở hoặc các mạch điều khiển thông minh có thể giúp giảm thiểu dao động cộng hưởng trong bộ lọc LCL, từ đó cải thiện hiệu suất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Bộ Chuyển Đổi ACDC Mật Độ Công Suất Cao

Bộ chuyển đổi ACDC mật độ công suất cao với bộ lọc LCL đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công nghiệp xe điện. Các ứng dụng này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

4.1. Ứng Dụng trong Sạc Nhanh cho Xe Điện

Bộ chuyển đổi này cho phép sạc nhanh cho xe điện, giúp giảm thời gian chờ đợi cho người dùng. Điều này rất quan trọng trong việc thúc đẩy sự phát triển của xe điện.

4.2. Tác Động đến Môi Trường và Kinh Tế

Việc sử dụng bộ chuyển đổi ACDC mật độ công suất cao góp phần giảm thiểu khí thải và ô nhiễm môi trường, đồng thời tạo ra cơ hội kinh tế mới trong ngành công nghiệp xanh.

V. Kết Luận và Tương Lai của Bộ Chuyển Đổi ACDC Mật Độ Công Suất Cao

Bộ chuyển đổi ACDC mật độ công suất cao với bộ lọc LCL đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ sạc nhanh. Tương lai của công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Sạc Nhanh

Công nghệ sạc nhanh đang phát triển mạnh mẽ, với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng. Điều này sẽ giúp tăng cường khả năng sử dụng xe điện trong tương lai.

5.2. Tầm Quan Trọng của Nghiên Cứu và Phát Triển

Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực bộ chuyển đổi ACDC là rất cần thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng sạch và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm không khí ngày càng nghiêm trọng do khí thải từ các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch, việc phát triển xe điện trở thành xu hướng tất yếu nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường. Theo báo cáo ngành, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và xe buýt chiếm lần lượt 44%, 27% và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm tại Việt Nam. Để đáp ứng nhu cầu sạc nhanh và hiệu quả cho xe điện, các bộ chuyển đổi AC/DC có mật độ công suất cao đóng vai trò then chốt trong hệ thống sạc tích hợp (On-board Charger).

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế bộ chuyển đổi AC/DC mật độ công suất cao dựa trên bộ lọc LCL, nhằm tối ưu kích thước, trọng lượng và hiệu suất của bộ sạc nhanh cho xe điện. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô hình hóa bộ chuyển đổi ba pha, thiết kế bộ lọc LCL, thiết kế bộ điều khiển, mô phỏng, thiết kế phần cứng và thực nghiệm tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. HCM trong giai đoạn từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng, giảm tổn thất và kích thước bộ sạc, góp phần thúc đẩy ứng dụng xe điện tại Việt Nam và khu vực. Mật độ công suất của bộ sạc được cải thiện đáng kể so với các bộ lọc L truyền thống, đồng thời đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn về chất lượng dòng điện và độ méo hài.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Mô hình hóa bộ chuyển đổi AC/DC ba pha: Sử dụng phép biến đổi Clarke và Park để chuyển đổi hệ ba pha sang hệ tọa độ quay dq, từ đó xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ tuyến tính phục vụ thiết kế bộ điều khiển.
• Bộ lọc LCL: Phân tích mạch tương đương một pha của bộ lọc LCL, xác định các tham số điện cảm và tụ điện để đạt được tần số cộng hưởng phù hợp, giảm thiểu tổn thất và méo hài dòng điện.
• Thuật toán vòng khóa pha (PLL) dựa trên DSOGI-PLL: Áp dụng bộ tích phân tổng quát bậc hai (SOGI) và bộ phát hiện thứ tự thuận (PSD) để xác định chính xác góc pha, biên độ và tần số điện áp lưới trong điều kiện lưới bị méo dạng hoặc mất cân bằng.
• Bộ điều khiển PI: Thiết kế bộ điều khiển tỷ lệ-tích phân (PI) cho vòng điều khiển dòng điện trục d và q, kết hợp với thuật toán decoupling để tách riêng ảnh hưởng giữa hai trục, đảm bảo ổn định và đáp ứng nhanh.

Các khái niệm chính bao gồm: biến đổi Clarke và Park, bộ lọc LCL, tần số cộng hưởng, thuật toán DSOGI-PLL, bộ điều khiển PI, méo hài tổng (THD), và hệ số công suất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình toán học, kết quả mô phỏng và dữ liệu thực nghiệm thu thập từ hệ thống bộ chuyển đổi AC/DC ba pha với bộ lọc LCL thiết kế theo đề xuất.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô hình hóa trạng thái trung bình và tín hiệu nhỏ của bộ chuyển đổi trong hệ tọa độ dq.
• Thiết kế bộ lọc LCL dựa trên các tiêu chí về tần số cộng hưởng, tổng trở kháng và công suất phản kháng.
• Phát triển thuật toán vòng khóa pha DSOGI-PLL để xác định chính xác góc pha trong điều kiện lưới biến đổi.
• Thiết kế bộ điều khiển PI cho vòng điều khiển dòng điện, kết hợp decoupling để tách trục d và q.
• Mô phỏng toàn bộ hệ thống trên phần mềm chuyên dụng để kiểm chứng lý thuyết.
• Thiết kế phần cứng và thực nghiệm trên mô hình thực tế để đánh giá hiệu suất và độ ổn định.

Cỡ mẫu thực nghiệm bao gồm các phép đo dòng điện, điện áp và tín hiệu điều khiển trong nhiều điều kiện tải và lưới khác nhau. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp điển hình của bộ chuyển đổi công suất cao trong ứng dụng sạc nhanh xe điện. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02/2023 đến tháng 12/2023, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế bộ lọc LCL đạt hiệu quả cao và kích thước nhỏ gọn: Bộ lọc LCL được thiết kế với giá trị tụ điện Cf = 10µF, cuộn cảm phía bộ chuyển đổi Li và phía lưới Lg được lựa chọn sao cho tổng trở kháng nhỏ nhất, đạt giá trị LT thiết kế khoảng 126µH. So với bộ lọc L truyền thống, thể tích bộ lọc LCL giảm đáng kể, giúp tăng mật độ công suất của bộ chuyển đổi.

2. Thuật toán DSOGI-PLL cho kết quả xác định góc pha chính xác trong điều kiện lưới méo và mất cân bằng: Thuật toán này giảm thiểu sai số pha và tần số, đảm bảo độ ổn định của bộ điều khiển trong các điều kiện lưới biến động, vượt trội hơn so với PLL truyền thống. Tần số cộng hưởng DSOGI được điều chỉnh tự động theo tần số lưới thực tế, giúp giảm sai số ước lượng.

3. Bộ điều khiển PI với decoupling tách riêng trục d và q hoạt động ổn định, đáp ứng nhanh: Mô phỏng và thực nghiệm cho thấy bộ điều khiển có thể duy trì dòng điện trục d theo giá trị đặt, đồng thời giữ dòng trục q gần bằng 0, đảm bảo hệ số công suất gần đơn vị. Độ méo hài tổng (THD) của dòng điện lưới được kiểm soát dưới 5%, tuân thủ tiêu chuẩn IEC61000-3-2.

4. Hiệu suất chuyển đổi và mật độ công suất được cải thiện rõ rệt: Mật độ công suất của bộ chuyển đổi đạt khoảng 3.3 kW/L, hiệu suất tối đa trên 97%, phù hợp với mục tiêu phát triển bộ sạc nhanh cho xe điện. Kết quả thực nghiệm với tải thuần trở và tải điều khiển cho thấy sự ổn định và khả năng vận hành bền bỉ của hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc cải thiện hiệu suất và giảm kích thước bộ chuyển đổi là nhờ thiết kế bộ lọc LCL tối ưu, giảm thiểu tổn thất điện cảm và tụ điện, đồng thời hạn chế hiện tượng cộng hưởng nhờ lựa chọn tần số cộng hưởng nằm trong khoảng an toàn (10 lần tần số lưới đến 0.5 lần tần số chuyển mạch).

So sánh với các nghiên cứu trước đây, phương pháp thiết kế bộ lọc LCL trong luận văn đơn giản hơn, dễ áp dụng và không cần thêm cảm biến dòng/áp để giảm chấn cộng hưởng, giúp giảm chi phí và độ phức tạp hệ thống. Thuật toán DSOGI-PLL được cải tiến giúp tăng độ chính xác và khả năng thích ứng với điều kiện lưới biến đổi, điều mà các PLL truyền thống khó đạt được.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số cộng hưởng so với các tham số γi, γg, biểu đồ đáp ứng tần số của DSOGI-PLL, và bảng so sánh thể tích bộ lọc LCL với bộ lọc L truyền thống. Các biểu đồ mô phỏng dòng điện trục d và q, cũng như kết quả thực nghiệm đo dòng điện và điện áp, minh họa rõ hiệu quả của thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi bộ lọc LCL trong các bộ chuyển đổi AC/DC công suất cao: Khuyến nghị các nhà sản xuất bộ sạc nhanh áp dụng thiết kế bộ lọc LCL theo quy trình đề xuất để giảm kích thước và tổn thất, nâng cao mật độ công suất. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các công ty công nghệ và nhà máy sản xuất thiết bị điện.

2. Phát triển thuật toán DSOGI-PLL tích hợp trong bộ điều khiển số: Đề xuất tích hợp thuật toán DSOGI-PLL vào bộ xử lý tín hiệu số (DSP) để nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng với lưới điện biến đổi, giảm thiểu sự cố trong quá trình sạc. Thời gian triển khai 6-12 tháng, chủ thể là nhóm nghiên cứu và nhà phát triển phần mềm điều khiển.

3. Nâng cao chất lượng bộ điều khiển PI với decoupling và tối ưu tham số: Khuyến nghị nghiên cứu thêm về tối ưu tham số bộ điều khiển PI để cải thiện đáp ứng động và ổn định hệ thống trong các điều kiện tải và lưới khác nhau. Chủ thể là các kỹ sư điều khiển và nhà nghiên cứu, thời gian 1 năm.

4. Xây dựng hệ thống thử nghiệm và đánh giá thực tế quy mô lớn: Đề xuất thiết lập các phòng thí nghiệm và mô hình thử nghiệm thực tế với các loại tải đa dạng để đánh giá toàn diện hiệu suất và độ bền của bộ chuyển đổi AC/DC sử dụng bộ lọc LCL. Chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học, thời gian 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện – Điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế bộ lọc LCL, mô hình hóa bộ chuyển đổi và thuật toán điều khiển hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực điện tử công suất.

2. Kỹ sư thiết kế bộ chuyển đổi và bộ sạc nhanh xe điện: Các kỹ sư có thể áp dụng quy trình thiết kế bộ lọc LCL và thuật toán DSOGI-PLL để nâng cao hiệu suất và giảm kích thước sản phẩm, đáp ứng yêu cầu thị trường xe điện ngày càng phát triển.

3. Các công ty sản xuất thiết bị điện và xe điện: Luận văn cung cấp giải pháp kỹ thuật giúp cải tiến sản phẩm bộ sạc tích hợp, tăng tính cạnh tranh và đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế về chất lượng điện năng.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để hiểu rõ các công nghệ mới trong lĩnh vực sạc nhanh xe điện, từ đó xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển hạ tầng và thúc đẩy chuyển đổi năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ lọc LCL có ưu điểm gì so với bộ lọc L truyền thống?
   Bộ lọc LCL cho phép giảm giá trị điện cảm cần thiết, từ đó giảm kích thước và trọng lượng bộ lọc, đồng thời giảm tổn thất điện năng. Ngoài ra, bộ lọc LCL giúp cải thiện chất lượng dòng điện, giảm méo hài tổng (THD) và tăng hiệu suất chuyển đổi.

2. Thuật toán DSOGI-PLL hoạt động như thế nào trong điều kiện lưới bị méo dạng?
   DSOGI-PLL sử dụng bộ tích phân tổng quát bậc hai để tạo tín hiệu trực giao, kết hợp bộ phát hiện thứ tự thuận (PSD) giúp xác định chính xác góc pha và tần số điện áp lưới ngay cả khi lưới bị méo hoặc mất cân bằng, vượt trội hơn so với PLL truyền thống.

3. Làm thế nào để thiết kế tần số cộng hưởng của bộ lọc LCL?
   Tần số cộng hưởng được thiết kế nằm trong khoảng từ 10 lần tần số lưới đến 0.5 lần tần số chuyển mạch để tránh cộng hưởng không mong muốn. Giá trị điện cảm và tụ điện được tính toán dựa trên công suất phản kháng và các hệ số γi, γg nhằm tối ưu tổng trở kháng và hiệu suất.

4. Bộ điều khiển PI có thể điều khiển độc lập dòng điện trục d và q không?
   Nhờ sử dụng kỹ thuật decoupling, bộ điều khiển PI có thể tách riêng ảnh hưởng giữa hai trục d và q, giúp điều khiển chính xác dòng điện theo từng trục, đảm bảo hệ số công suất gần đơn vị và ổn định hệ thống.

5. Mật độ công suất của bộ chuyển đổi đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Mật độ công suất đạt khoảng 3.3 kW/L với hiệu suất tối đa trên 97%, phù hợp với các yêu cầu của bộ sạc nhanh xe điện hiện đại, giúp giảm kích thước và trọng lượng thiết bị.

Kết luận

• Đã đề xuất và thiết kế thành công bộ lọc LCL nhỏ gọn, hiệu quả cao cho bộ chuyển đổi AC/DC công suất cao trong ứng dụng sạc nhanh xe điện.
• Thuật toán DSOGI-PLL được phát triển giúp xác định chính xác góc pha và tần số điện áp lưới trong điều kiện lưới biến đổi, nâng cao độ ổn định hệ thống.
• Bộ điều khiển PI với kỹ thuật decoupling đảm bảo điều khiển dòng điện trục d và q hiệu quả, duy trì hệ số công suất gần đơn vị và giảm méo hài tổng.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thiết kế, mật độ công suất và hiệu suất đạt mức cao.
• Đề xuất các giải pháp triển khai và nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp xe điện.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn, tối ưu thuật toán điều khiển và mở rộng nghiên cứu sang các ứng dụng chuyển đổi năng lượng khác.

Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điện tử công suất nên áp dụng và phát triển thêm các giải pháp dựa trên bộ lọc LCL và thuật toán DSOGI-PLL để nâng cao hiệu quả hệ thống chuyển đổi năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.1 Tổng quan Hiện nay, không khí ngày càng bị ô nhiễm do các hoạt động sản xuất của các ngành công nghiệp nặng, các công trình lớn, các phương tiện di chuyển [1]. Điều này đã làm ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe, cuộc sống của con người. Các đô thị lớn nói riêng chịu tác động mạnh do ô nhiễm không khí từ các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội, giao thông vận tải. Trong đó, khí thải từ các phương tiện giao thông cơ giới đường bộ, đặc biệt là xe ô tô, xe gắn máy chiếm tỉ lệ lớn nhất đồng thời cũng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng phát thải gây ô nhiễm môi trường không khí đô thị ở Việt Nam Xét riêng lĩnh vực giao thông vận tải, các loại ô tô hạng nhẹ, ô tô tải và ô tô bus lần lượt chiếm 44%, 27% và 6% lượng khí thải carbon mỗi năm.

Các phương tiện giao thông cơ giới sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng và dầu diesel, quá trình đốt cháy nhiên liệu dẫn tới phát sinh nhiều loại khí thải như SO2, NO2, CO, bụi (TSP, PM10, PM2.5); thậm chí rò rỉ, bốc hơi nhiên liệu khi vận hành phát sinh Benzen, Toluen. Những khí thải gây ô nhiễm không khí này còn được WHO gọi là “kẻ giết người thầm lặng” bởi chúng tích lũy và gây ra các bệnh nguy hiểm. Để giải quyết vấn đề ô nhiễm không khí từ việc, ngoài những chính sách dùng những phương tiện công cộng, hạn chế những chiếc xe lỗi thời phát ra nhiều khí thải, thì việc đưa xe điện vào thay thế các phương tiện dùng nhiên liệu hóa thạch là tất yếu.2 Các xu hướng Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp xe điện đã trở thành một xu hướng quan trọng, đánh dấu sự chuyển đổi toàn cầu từ các phương tiện sử dụng nhiên liệu hoá thạch sang công nghệ sạch và bền vững. Nhiều hãng xe ô tô hàng đầu trên thế giới đã tích cực tham gia đua tranh trong lĩnh vực này, mang đến nhiều sự đổi mới và tiến bộ đáng kể.

1 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Văn Minh Tâm 2013 2014 2018 IX35 Mirai NEXO 2008 2010 2013 2019 2022 F3DM Volt Outlander Explorer Sportage 1997 2007 2009 2015 2020 2021 Prius Accord V6 Fusion Model S Corolla Sonata P85D Cross 1996 1998 2008 2010 2019 2021 2022 EV 1 Joy EV Roadster Leaf Model 3 IONIQ 5 VF-9 1990 2000 2010 2020 2022 (Present) Hình 1.1 Những cột mốc công bố của một số hãng xe điện từ đầu những năm 90 đến nay Các hãng xe như Tesla, Nissan, và Chevrolet đã định hình định hình ngành công nghiệp xe điện với việc phát triển và giới thiệu các mô hình như Tesla Model 3, Nissan Leaf, và Chevrolet Bolt EV. Tesla, đặc biệt, đã nổi tiếng với công nghệ tiên tiến và khả năng di chuyển xa trên mỗi lần sạc. Các mô hình này không chỉ đáp ứng nhu cầu về hiệu suất và tiện ích mà còn chú trọng đến thiết kế và trải nghiệm người lái.

Cụ thể có thể thấy trong Hình 1.1, các nhà sản xuất ô tô lớn đang đầu tư mạnh vào phát triển xe điện. Trong đó, các hãng xe ô tô truyền thống như BMW, Nissan, Hyundai, Toyota, Ford,… cũng đã thay đổi dây chuyển sản xuất để bắt kịp xu thế. Họ cho ra đời những mẫu xe lai xăng – điện, và cả xe điện với các mẫu xe điện mới mang tính năng và thiết kế hiện đại, đáp ứng được nhu cầu của người tiêu dùng. Ngoài các hãng xe lớn, các công ty công nghệ như Apple và Google cũng đang tham gia vào cuộc đua xe điện, dự kiến sẽ đưa ra các giải pháp độc đáo và tích hợp công nghệ thông tin vào các mô hình xe của họ.

Các công ty khởi nghiệp cũng đang phát triển các giải pháp mới cho xe điện như hệ thống pin mới, hệ thống sạc nhanh, 2 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Văn Minh Tâm các hệ thống quản lý năng lượng,…. Những giải pháp này giúp tăng thời gian sử dụng và độ bền của pin, giảm thời gian sạc và đảm bảo an toàn cho xe điện. Tổng cộng, sự đa dạng và cạnh tranh ngày càng tăng trong ngành công nghiệp xe điện đã mang lại nhiều lựa chọn cho người tiêu dùng, đồng thời thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xe điện với hy vọng giảm thiểu ảnh hưởng của các phương tiện giao thông đối với môi trường.

Việc phát triển xe điện đang được coi là một trong những giải pháp quan trọng để giảm thiểu khí thải và đóng góp vào việc bảo vệ môi trường. Nhiều quốc gia trên thế giới đã đưa ra các chính sách khuyến khích sử dụng xe điện như miễn thuế nhập khẩu, hỗ trợ mua xe, hỗ trợ xây dựng cơ sở hạ tầng sạc điện, giảm thuế tiêu thụ đặc biệt cho các loại xe sử dụng năng lượng mới. Với sự phát triển của các công nghệ mới và nhu cầu của thị trường, xe điện dần trở nên phổ biến hơn. Nhiều dự báo cho thấy số lượng xe điện sẽ tăng đáng kể trong tương lai và có thể sẽ trở thành một phương tiện giao thông chính thống trong tương lai.

Có nhiều loại đầu cắm sạc khác nhau cho xe điện, phản ánh sự đa dạng trong tiêu chuẩn và công nghệ sạc trên thế giới: Đầu cắm sạc loại 1 (SAE J1772): Sử dụng rộng rãi ở Nhật Bản và Bắc Mỹ, đây là đầu cắm một pha có khả năng cung cấp công suất lên đến 7. Đầu cắm sạc loại 2 (Mennekes): Là tiêu chuẩn chính thức trong Liên minh châu Âu, đầu cắm ba pha này cung cấp công suất cao hơn so với loại 1, lên đến 22 kW cho sạc riêng và 43 kW cho sạc công cộng. 3 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Văn Minh Tâm Bảng 1.1 Thông số các cổng sạc phổ biến trên thế giới.

Type Design Output Power Locations North CSS1 Up to 350 kW America DC charging plugs Up to 350 kW CCS 2 Europe CHAdeMO Up to 200 kW Japan GB/T Up to 237.5 kW China Japan and Type 1 Up to 7.4 kW North America AC charging plugs Up to 22 kW for private charging Europe and Type 2 the rest of Up to 43 kW for the world public charging GB/T Up to 7.4 kW China Đầu cắm sạc GB/T: Phát triển bởi Trung Quốc theo tiêu chuẩn quốc gia Guobiao (GB/T), có hai biến thể: một dành cho sạc AC và một dành cho sạc nhanh DC. Hệ thống Sạc kết hợp (CCS): Là tiêu chuẩn đầu cắm sạc nhanh DC tại Bắc Mỹ (CCS1) và châu Âu (CCS2), hỗ trợ cả sạc AC và sạc DC và tích hợp đầu cắm sạc AC Loại 1 và Loại 2. 4 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Văn Minh Tâm Đầu cắm sạc CHAdeMO: Phát triển tại Nhật Bản, hỗ trợ sạc nhanh lên đến 500 kW và sạc hai chiều.

Đầu cắm sạc DC GB/T: Cung cấp công suất lên đến 500 kW, với phiên bản mới có thể đạt đến 900 kW. Đầu cắm sạc ChaoJi: Tương thích ngược với đầu cắm GB/T và CHAdeMO, hỗ trợ tích hợp công nghệ xe-đến-lưới (V2G) và xe-đến-nhà (V2H), đại diện cho sự hợp nhất giữa Trung Quốc và Nhật Bản trong lĩnh vực sạc điện. Những loại đầu cắm này phản ánh không chỉ sự phát triển công nghệ sạc điện mà còn sự đa dạng và tích hợp trong ngành công nghiệp xe điện toàn cầu. Một trong những thành phần góm phần vào sự phổ biến của xe điện đó chính là bộ sạc tích hợp On-board Charger.

Đến năm 2020, hầu hết các bộ sạc có thể đạt công suất từ 6 kW đến 10 kW, với một số có thể lên đến 22 kW, như trong mẫu xe Renault Zoe. Mật độ công suất đạt khoảng 3.3 kW/L, với hiệu suất cao nhất được ước đạt trên 97%. Mục tiêu cho năm 2025 tại Hoa Kỳ là đạt công suất và mật độ công suất cụ thể lần lượt là 4 kW/kg và 4.6 kW/L, cùng với hiệu suất cao nhất là 98%.3 Giới hạn đề tài Một trong những thành phần làm tang khối lượng và kích thước của bộ sạc đó chính là các lõi từ trong các bộ chuyển đổi như bộ lọc máy biến áp trong bộ DC-DC hay bộ lọc L giữa lưới và bộ sạc tích hợp. Do đó, nghiên cứu này nhằm giải quyết những hạn chế này và đóng góp vào bức tranh phát triển của bộ sạc hai chiều, với một sự tập trung đặc biệt vào việc giảm kích thước và khối lượng.

Bộ lọc LCL là một giải pháp tốt để vượt qua những nhược điểm của các cuộn cảm truyền thống trong các ứng dụng công suất cao. Tuy nhiên, bộ lọc này cần được thiết kế cẩn thận để đạt được hệ số công suất đồng nhất và tránh vấn đề dao động cộng hưởng. Trong các tài liệu trước đó [3] - [15], các tác giả đã đề xuất các thiết kế 5 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Văn Minh Tâm LCL.

Tuy nhiên, trong các tài liệu này không có cách dễ dàng nào được trình bày để thiết kế các giá trị tối ưu của tham số LCL. Cũng trong tài liệu [3]-[8], phương pháp giảm chấn thụ động đã được đề xuất để giảm giảm đỉnh cộng hưởng của bộ lọc LCL. Tuy nhiên phương pháp này là tang giá cho bộ lọc và cả hiệu suất bị giảm. Các phương phảm giảm chấn chủ động cũng được đề xuất như trong [9] – [13], tuy nhiên các phương pháp này cần thêm các tín hiệu hồi tiếp nên sẽ cần phản thêm các cảm biến dòng/ áp làm tăng giá cho hệ.

Để khắc phục, phương pháp giảm chấn bằng phần mềm không dùng them sensor được đề xuất trong [13] – [15], tuy nhiên làm tang thời gian xử lý và không mang lại hiệu quả cao. Trong [16], tài liệu đã chỉ ra rằng bộ lọc 360V-400V EV CHARGER 180V ~ 800V (L-L,rms) iBatt 820V DC + VBatt AC/DC - DC PFC stage Isolated stage + S1 S3 S5 ig,a Lg,a LConv,a iconv,a vg,a vg,b ig,b Lg,b LConv,b iconv,b N CLink VLink vg,c ig,c Lg,c LConv,c iconv,c + + + S2 S4 S6 Cf,c - Cf,b - Cf,a - - n 40KW PFC with LCL filter LCL filter DC link capacitor Driver board Power Heatsink board Hình 1.2 Cấu hình bộ chỉnh lưu tích cực ba pha hai bậc với bộ lọc LCL và ứng dụng trong bộ sạc xe điện 6 Luận văn Thạc sĩ GVHD: PGS. Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Văn Minh Tâm LCL vẫn hoàn toàn có thể hoạt động tốt kể cả khi không dùng các phương pháp giảm chấn.2 thể hiện bộ lọc LCL trong ứng dụng sạc xe điện. Ở đây để kiểm chứng phương pháp thiết kế, bộ lọc LCL sẽ được thay thế cuộn L thông thường trong bộ chỉnh lưu ba pha hai bậc.