Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp xe điện toàn cầu đang chứng kiến bước chuyển dịch mạnh mẽ với hơn 6.75 triệu phương tiện được tiêu thụ tính đến cuối năm 2021, đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc tối ưu hóa hạ tầng cung cấp năng lượng. Trong cấu trúc bộ sạc tích hợp trên xe (On-Board Charger - OBC), tầng biến đổi DC/DC đóng vai trò cốt lõi trong việc kiểm soát dòng áp nạp cho khối pin cao áp Lithium-ion. Mục tiêu kỹ thuật của ngành ô tô điện quốc tế định hướng đến năm 2025 đòi hỏi tầng biến đổi DC/DC phải đạt hiệu suất vận hành trên 98% cùng mật độ công suất vượt mức 1.6 kW/kg nhằm giảm thiểu không gian chiếm dụng và trọng lượng trên xe. Tuy nhiên, các bộ biến đổi cộng hưởng truyền thống thường gặp trở ngại lớn do hiện tượng dòng quẩn gây suy hao năng lượng nghiêm trọng và làm quá nhiệt linh kiện bán dẫn.

Công trình "Nghiên cứu bộ biến đổi LLC cộng hưởng hiệu suất cao cho ứng dụng OBC trong xe điện" do học viên Nguyễn Thị Kiều Trinh thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Tiến sĩ Nguyễn Đình Tuyên tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 09/2022 đến tháng 12/2022. Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất cho hệ thống OBC cấp độ AC-Level 2 có công suất định mức 7.4 kW, điện áp đầu vào 400 VDC và dải điện áp sạc pin biến thiên từ 220V đến 380V. Luận văn đặt mục tiêu phân tích bản chất cơ chế sinh dòng quẩn trong cấu trúc cầu kép Dual-Bridge LLC (DBLLC), đề xuất giải thuật điều khiển tần số thích nghi để loại bỏ hoàn toàn khoảng thời gian vô công, tối ưu hóa thiết kế máy biến áp tích hợp và thực nghiệm kiểm chứng thành công trên chip vi điều khiển DSP.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết chuyển mạch mềm (Soft Switching) trong điện tử công suất tần số cao, bao gồm cơ chế bật không điện áp (Zero Voltage Switching - ZVS) cho khóa bán dẫn sơ cấp và ngắt không dòng điện (Zero Current Switching - ZCS) cho diode chỉnh lưu thứ cấp. Phương pháp giải tích mạch miền thời gian (Time-Domain Analysis) kết hợp xấp xỉ sóng hài bậc nhất (First Harmonic Approximation - FHA) được áp dụng để mô hình hóa chính xác các trạng thái động của bộ biến đổi DBLLC. Bên cạnh đó, lý thuyết sạc pin Lithium-ion 3 giai đoạn tiêu chuẩn gồm dòng không đổi (Constant Current - CC), công suất không đổi (Constant Power - CP) và điện áp không đổi (Constant Voltage - CV) được tích hợp làm cơ sở xác định dải hoạt động của bộ sạc.

Các khái niệm then chốt được triển khai bao gồm: Bể cộng hưởng LLC (tạo bởi tụ cộng hưởng Cr, điện cảm dò Lr và điện cảm từ hóa Lm của máy biến áp); Hiện tượng dòng quẩn (Circulating Interval - khoảng thời gian dòng điện cuộn cảm dò bằng đúng dòng điện từ hóa sơ cấp khiến công suất truyền qua tải bị triệt tiêu); Điều chế độ rộng xung PWM kết hợp tần số đáp ứng thích nghi (Adaptive Frequency - fa); và Đặc tính hệ số khuếch đại điện áp (Voltage Gain) theo chu kỳ nhiệm vụ D.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu kỹ thuật từ datasheet của các linh kiện bán dẫn tiên tiến như Silicon Carbide (SiC) MOSFET chịu điện áp 1200V, Gallium Nitride (GaN) FET 650V và tiêu chuẩn sạc quốc tế SAE J1772. Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống máy hiện sóng kỹ thuật số, đầu đo vi sai và tải điện tử công suất cao trong phòng thí nghiệm Điện tử công suất.

Phương pháp phân tích dựa trên việc thiết lập hệ phương trình vi phân trạng thái mô tả dòng điện và điện áp của bể cộng hưởng qua 3 phân khoảng thời gian đóng cắt trong một nửa chu kỳ: phân khoảng t0-t1 (nạp năng lượng), phân khoảng t1-t2 (giảm dòng) và phân khoảng t2-t3 (xuất hiện dòng quẩn). Thuật toán điều khiển tần số thích nghi được mô phỏng số trên phần mềm PSIM để khảo sát độ ổn định động học trước khi nạp vào phần cứng.

Cỡ mẫu thực nghiệm được thiết kế hoàn chỉnh ở mức công suất thử nghiệm 3 kW, thực hiện đo kiểm chọn mẫu có chủ đích tại 3 mốc công suất đại diện gồm 2.0 kW, 2.6 kW và 3.0 kW trên toàn dải điện áp đầu ra từ 220V đến 380V. Phương pháp chọn mẫu này cho phép đánh giá đầy đủ đặc tính chuyển mạch mềm và tổn hao nhiệt của bộ biến đổi từ giai đoạn nạp dòng lớn đến giai đoạn bão hòa điện áp. Mô hình điều khiển thời gian thực được lập trình trực tiếp trên vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28377D của Texas Instruments trong khung thời gian hoàn thành từ tháng 09/2022 đến tháng 02/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu làm rõ cơ chế gây tổn hao của hiện tượng dòng quẩn trong bộ biến đổi DBLLC. Khi dòng điện trên cuộn cảm dò Lr bằng dòng trên cuộn cảm phản thân Lm, công suất truyền sang phía thứ cấp bằng 0, khiến dòng điện chỉ chạy quẩn ở mạch sơ cấp. Hiện tượng này làm tăng giá trị hiệu dụng dòng điện RMS thêm từ 20% đến 35%, trực tiếp làm gia tăng tổn thất dẫn vô công trên các linh kiện bán dẫn.

Thứ hai, giải thuật điều khiển tần số thích nghi fa theo chu kỳ nhiệm vụ D đã triệt tiêu hoàn toàn 100% thời gian diễn ra dòng quẩn trên toàn dải điện áp sạc 220V - 380V. Việc loại bỏ dòng quẩn giúp giảm hơn 18.5% tổng tổn thất công suất trên các khóa chuyển mạch so với phương pháp vận hành tần số cố định.

Thứ ba, so sánh kỹ thuật cho thấy cấu trúc DBLLC sử dụng toàn bộ khóa SiC MOSFET vượt trội hơn cấu trúc 3 bậc 3L-LLC trong hệ thống 400V - 7.4 kW. Cấu trúc DBLLC loại bỏ được 2 diode kẹp áp phía sơ cấp, giảm thiểu tổn thất dẫn trực tiếp và tinh gọn diện tích mạch in PCB, đạt hiệu suất mô phỏng cực đại 97.6% và hiệu suất thực nghiệm đạt 96.8% ở mức tải 3 kW.

Thứ tư, thiết kế máy biến áp tích hợp sử dụng lõi từ Ferrite kết hợp dây bện nhiều sợi Litz wire đạt hệ số lấp đầy cửa sổ cuộn dây 0.38. Cấu trúc này tận dụng trực tiếp điện cảm dò nội tại của máy biến áp làm điện cảm cộng hưởng Lr, loại bỏ hoàn toàn nhu cầu sử dụng cuộn cảm rời bên ngoài, tối ưu hóa mật độ công suất toàn hệ thống.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp cải thiện hiệu suất bắt nguồn từ việc duy trì chế độ chuyển mạch mềm ZVS tuyệt đối cho toàn bộ các khóa bán dẫn phía sơ cấp mà không gây biến dạng xung điện áp. Khi tần số đóng ngắt được điều chỉnh thích nghi theo điện áp pin, góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp cộng hưởng luôn được giữ ở mức tối ưu, triệt tiêu hoàn toàn lượng năng lượng phản kháng tích lũy vô ích trong lõi từ.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị quỹ đạo trạng thái mặt phẳng pha (State Trajectory) giữa dòng điện iLr và điện áp tụ Cr, kết hợp bảng phân bổ tổn thất nhiệt chi tiết giữa Mosfet, Diode và Lõi biến áp. Kết quả phân tích cho thấy tổn thất dẫn trên mỗi khóa SiC giảm mạnh từ 48.2W xuống còn 36.5W tại công suất định mức khi áp dụng tần số thích nghi. So với các nghiên cứu về bộ biến đổi Full-Bridge LLC truyền thống, giải pháp DBLLC kết hợp tần số đáp ứng giữ đường đặc tính Gain ổn định và không làm phát sinh nhiễu điện từ EMI nghiêm trọng khi pin thay đổi trạng thái nạp.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp thuật toán điều khiển tần số thích nghi vào firmware vi điều khiển DSP TMS320F28377D nhằm duy trì thời gian đáp ứng vòng lặp kín dưới 50 micro giây, hướng tới mục tiêu đưa hiệu suất chuyển đổi thực tế chạm ngưỡng 97.5% cho toàn bộ dải công suất sạc 7.4 kW trước quý 4 năm 2024, do nhóm kỹ sư điều khiển phần mềm nhúng tại các trung tâm R&D xe điện chủ trì thực hiện.

Thứ hai, mở rộng cấu trúc phần cứng sang mô hình biến đổi 3 bậc 3L-LLC kết hợp linh kiện bán dẫn lai SiC và GaN cho hệ thống OBC điện áp cao 800V và công suất 11 kW, nhằm đạt mục tiêu nâng mật độ công suất vượt mức 2.2 kW/L trước năm 2025, do các phòng thí nghiệm điện tử công suất phối hợp cùng doanh nghiệp sản xuất ô tô triển khai.

Thứ ba, ứng dụng kỹ thuật máy biến áp phẳng nhiều lớp (Planar Transformer) kết hợp tản nhiệt chất lỏng để giảm thêm 25% tổn hao từ tính và thu nhỏ 30% thể tích khối biến áp trong vòng 12 tháng tới, do nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng từ tính phụ trách.

Thứ tư, xây dựng quy trình thử nghiệm độ tin cậy và kiểm chuẩn tương thích điện từ EMI theo tiêu chuẩn CISPR 25 Class 5 trên xe thương mại, đặt mục tiêu hoàn tất chứng nhận an toàn sạc pin trong giai đoạn 2025-2026, do các trung tâm kiểm định kỹ thuật ô tô và cơ quan quản lý tiêu chuẩn quốc gia đảm nhiệm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư R&D phần cứng ô tô điện: Luận văn cung cấp sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh, phương pháp lựa chọn khóa bán dẫn SiC MOSFET 1200V và quy trình tính toán lõi từ chi tiết cho bộ biến đổi sạc 7.4 kW.

Nhóm kỹ sư lập trình điều khiển nhúng: Bản phân tích toán học và cấu trúc chương trình điều khiển PWM thích nghi trên nền vi xử lý DSP TMS320F28377D là tài liệu tham khảo trực tiếp để hiện thực hóa các giải thuật điều khiển sạc thông minh với thời gian lấy mẫu micro giây.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện: Tài liệu mang lại cái nhìn chuyên sâu về phương pháp giải tích miền thời gian, kỹ thuật phân tích chuyển mạch mềm ZVS/ZCS và mô hình hóa bể cộng hưởng 3 bậc trong các hệ thống biến đổi năng lượng hiện đại.

Doanh nghiệp sản xuất thiết bị sạc và linh kiện phụ trợ xe điện: Công trình cung cấp cơ sở dữ liệu kinh tế - kỹ thuật thực tế để tối ưu chi phí linh kiện, nâng cao tuổi thọ khối pin Lithium-ion 400V và chuẩn bị nền tảng chuyển đổi lên hệ thống trạm sạc siêu nhanh 800V - 11kW.

Câu hỏi thường gặp

Bộ biến đổi DBLLC có ưu điểm nổi bật gì so với Full-Bridge LLC truyền thống trong sạc xe điện? Cấu trúc DBLLC chia điện áp đầu vào 400V thành các phân mức linh hoạt nhờ nhánh T-Type, kết hợp điều chế độ rộng xung PWM với chu kỳ nhiệm vụ D từ 0 đến 0.5. Khác với Full-Bridge LLC phải thay đổi tần số trên dải rộng làm giảm mật độ công suất lõi từ, DBLLC duy trì hệ số khuếch đại ổn định và hiệu suất cao trên 97% trong suốt quá trình nạp pin.

Bản chất của hiện tượng dòng quẩn là gì và tại sao cần phải triệt tiêu? Hiện tượng dòng quẩn xuất hiện khi dòng điện cộng hưởng sơ cấp giảm bằng đúng dòng từ hóa cuộn cảm phản thân Lm của máy biến áp. Trong khoảng thời gian này, công suất truyền qua phía thứ cấp hoàn toàn bằng 0, nhưng dòng điện vẫn chạy quẩn qua các linh kiện sơ cấp. Dòng quẩn làm tăng dòng hiệu dụng RMS từ 20% đến 35%, gây tổn thất dẫn nhiệt lượng vô công nghiêm trọng.

Phương pháp điều khiển tần số thích nghi vận hành như thế nào để loại bỏ dòng quẩn? Bộ điều khiển tự động tính toán và điều chỉnh tần số đóng ngắt fa bám sát theo sự thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D và điện áp pin từ 220V đến 380V. Bằng cách kết thúc chu kỳ đóng cắt ngay tại thời điểm dòng điện sơ cấp bắt đầu chạm ngưỡng dòng từ hóa, khoảng thời gian dòng vô công được rút ngắn về 0 giây, bảo toàn 100% chế độ chuyển mạch mềm ZVS.

Vì sao tác giả lựa chọn khóa SiC MOSFET thay vì GaN FET cho bộ biến đổi 400V - 7.4 kW? Khóa bán dẫn GaN không có diode tích hợp sẵn trong cấu trúc thân nên sinh ra điện áp rơi rất lớn từ 3V đến 5V khi dẫn dòng ngược, làm tăng mạnh tổn thất dẫn ở sơ cấp bộ biến đổi DBLLC. Ngược lại, linh kiện SiC MOSFET chịu được điện áp đánh thủng lên tới 1200V, có đặc tính dẫn ngược ổn định và kiểm soát nhiệt an toàn ở mức công suất cao 7.4 kW.

Mô hình thực nghiệm trên chip DSP TMS320F28377D đã chứng minh tính khả thi ra sao? Mô hình thực nghiệm phần cứng hoàn thiện đã vận hành ổn định tại các mức công suất thử nghiệm 2.0 kW, 2.6 kW và 3.0 kW ở tần số 100 kHz. Kết quả đo kiểm thực tế trên máy hiện sóng khẳng định các dạng sóng dòng điện, điện áp và đáp ứng triệt tiêu dòng quẩn hoàn toàn trùng khớp với mô phỏng PSIM, đạt hiệu suất vận hành thực tế 96.8%.

Kết luận

  • Đã mô hình hóa toàn diện và chứng minh ưu thế của bộ biến đổi cộng hưởng DBLLC so với các cấu trúc truyền thống cho ứng dụng OBC xe điện 400V - 7.4 kW.
  • Xác định chính xác bản chất vật lý của hiện tượng dòng quẩn và đề xuất thành công giải thuật điều khiển tần số thích nghi fa triệt tiêu 100% thời gian vô công.
  • Hoàn thiện phương pháp tính toán thiết kế máy biến áp cao tần tích hợp điện cảm dò với hệ số lấp đầy cửa sổ đạt mức 0.38.
  • Kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình giải tích trên phần mềm PSIM với hiệu suất mô phỏng đạt đỉnh 97.6%.
  • Hiện thực hóa thành công phần cứng điều khiển trên vi xử lý tín hiệu số DSP TMS320F28377D, xác thực khả năng vận hành thực tế đạt hiệu suất 96.8% ở công suất 3 kW.

Công trình đóng góp một giải pháp điều khiển tích hợp tối ưu cả về mặt giải tích toán học lẫn thực nghiệm kỹ thuật, giải quyết triệt để bài toán nâng cao hiệu suất và mật độ công suất cho tầng DC/DC của bộ sạc xe điện. Hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là mở rộng cấu trúc lai 3L-LLC ứng dụng linh kiện SiC và GaN cho hệ thống sạc công suất cao 11 kW - 800V trong giai đoạn 2024-2025. Các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển công nghệ xe điện quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu luận văn để ứng dụng vào quá trình hoàn thiện các dòng sản phẩm sạc thương mại hiệu suất cao.