CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI. Lý do chọn đề tài. Hiện nay xe điện đang ngày càng phát triển và trở thành một phương án tiềm năng cho việc thay thế xe chạy bằng nhiên liệu.
Xe điện được xem là giải pháp hoàn hảo để giải quyết tình trạng về ô nhiễm môi trường cũng như cạn kiện nguồn nhiên liệu khí đốt. Xe điện với những ưu điểm nổi bật có thể kể đến như: vận hành êm ái, tiện nghi và kinh tế hơn so với xe chạy bằng nhiên liệu. Ngoài ra động cơ điện nhỏ nên ít tốn diện tích hơn so với động cơ đốt trong tạo ra không gian nội thất rộng rãi và thoải mái ở trong xe. Với tính năng thân thiện môi trường, không thải các chất độc hại ra môi trường, và các ưu điểm kể trên, xe điện đang được khuyến khích nghiên cứu và sản xuất trên thế giới.
Các công nghệ về sạc điện, tích trữ năng lượng trong xe điện đang ngày càng phát triển. Các công ty hoạt động trong lĩnh vực này cũng gặt hái được những thành công vô cùng lớn tiêu biểu như công ty Tesla của Elon Musk, tiêu biểu là chiếc model 3 của tập đoàn Tesla đánh dấu một bước phát triển vượt bậc trong ngành công nghiệp xe điện trên toàn thế giới. Các thành phần cấu thành nên các bộ sạc cho xe điện chủ yếu là các bộ biến đổi công suất dùng để biến đổi năng lượng điện thành các dạng tương ứng cho các chức năng của xe. Xe điện đã được phát triển từ năm 2012, hiện nay cả thế giới đang đang hướng đến nghiên cứu và phát triển xe điện, tuy nhiên trong thập kỷ vừa qua xe điện phát triển nhiều nhất tại các khu vực US, China và Europe.
Tính tới cuối năm 2021 đã có khoảng 6.75 triệu chiếc xe điện được bán ra ngoài thị trường[1]. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Thị Kiều Trinh 2 Hình 1.1: Doanh số xe điện đã được bán ra trên toàn thế giới từ năm 2012-2021. Nền công nghiệp xe điện đang hướng tới sản xuất hàng loạt các loại xe chạy thuần điện và không phụ thuộc vào nền công nghiệp khí đốt. Cấu trúc cơ bản của một chiếc xe ô tô chạy thuần điện được thể hiện như bên hình dưới.
3 1 DC fast charger Gear Inverter Motor box OBC LDC 12V Battery HV Battery Hình 1.2: Cấu tạo cơ bản của một chiếc xe thuần điện. Năng lượng cung cấp cho xe điện được lấy từ nguồn điện 1 pha hoặc 3 pha. Nếu nguồn điện là 3 pha thì sẽ đi qua bộ DC fast charger được xếp vào nhóm Off-Board charger, thường nguồn này sẽ được sạc ở các trạm sạc điện nơi công cộng có công suất cao với vận tốc sạc nhanh khoảng nhỏ hơn 1 tiếng. Đối với sạc điện từ nguồn 1 pha (thông thường sạc ở nhà) nguồn điện sẽ đi qua bộ OBC (On-Board Charger) là một bộ sạc nhỏ gọn được gắn ngay trong xe.
Tuy nhiên hiện nay với những bộ OBC có công suất lớn hơn thì nguồn điện đầu vào có thể dùng hai hoặc cả ba pha. Bộ sạc này có thời gian sạc chậm hơn so với bộ DC fast charger, thường khoảng vài tiếng. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Thị Kiều Trinh 3 Năng lượng điện sau khi đi qua bộ sạc sẽ được lưu trữ tại HV Battery (Hight Voltage Battery), điện áp ở đây vào khoảng 240~380 [V] DC. Sau đó nguồn điện này sẽ đi qua bộ inverter có nhiệm vụ biến đổi từ dạng DC sang dạng AC cung cấp cho động cơ giúp xe chạy.
Ngoài ra trên xe chạy bằng điện cũng được trang bị các thiết bị cần thiết như đèn, máy lạnh, máy sưởi, quạt…. Các thiết bị này lấy từ nguồn điện 12V nên nguồn điện từ HV Battery sẽ phải đi qua bộ Low-voltage DC/DC charger (LDC) để sạc cho pin 12V. Trong luận văn này sẽ nghiên cứu bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng LLC được ứng dụng trong bộ OBC. Một bộ OBC truyền thống cần phải có hai phần: bộ biến đổi AC/DC và bộ biến đổi DC/DC.
Công suất của các bộ OBC ngày càng được nghiên cứu và phát triển để có được công suất cao hơn. Trong những dòng xe EVs ban đầu công suất của bộ OBC rơi vào khoảng 3.3kW, tuy nhiên hiện tại các mức công suất của bộ OBC đã được sản suất là 6.4kW, 11kW và có xu hướng ngày càng tăng để có thể rút ngắn thời gian sạc điện cho xe, mang tới cho người dùng nhiều trải nghiệm tốt hơn về xe điện. Tuy nhiên các bộ OBC được sản suất ra cần phải tuân thủ theo một số tiêu chuẩn nhất định được trình bày trong phần dưới đây. Một số tiêu chuẩn khi thiết kế bộ OBC trong xe điện [2] • Phân loại các cấp công suất sạc và loại cắm điện (Plug types).
SAE J1772 Power Rating US Plug Type China Level [kW] Europe AC Level-1 3.7-22 SAE J1772 Type 1 IEC62196-2 GB/T20234 Type 2 AC AC Level-2 n/a n/a ≤22 Tesla AC Level-3 22-43.5 SAE J3068 IEC62196-2 GB/T20234 Type 2 AC Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Thị Kiều Trinh 4 CCS Combo1 CCS Combo2 GB/T20234 (SAE (IEC62196-3) ≤200 DC J1772/IEC62196-3) Tesla DC Level-3 Supercharger CHAdeMO (IEC62196-3 Type 4) Bảng 1-1: Phân loại các cấp công suất charge và loại cắm điện (Plug types).1, ta thấy rằng dựa vào công suất, bộ sạc OBC được chia theo các level khác nhau, trong đó sạc AC có 3 Level với công suất tăng dần, còn sạc DC có công suất lớn thuộc DC-Level 3. Ứng với mỗi mức công suất có các chuẩn cho đầu cắm sạc khác nhau ở Mỹ, Châu Âu và Trung Quốc. Hình ảnh sau trình bày các loại cắm sạc của mỗi loại sạc xoay chiều hoặc sạc một chiều: Type 1 Type 2 **Pin Name PE – Protective Earth Plug-type AC (Chassis ground) CP – Control Pilot AC Charging (Post-insertion signaling) PP – Proximity Pilot (Chassis ground) CP PP L1 – Phase 1 L1 ACN L2 – Phase 2 Socket L1 PE ACN L3 – Phase 3 PP CP ACN – Neutral AC Pin PE L2 L3 DC+ Direct Current (+) DC- Direct Curent (-) Maximum power: 7kW Maximum power: 22kW Combo CCS1 Combo CCS2 CHAdeMo DC Plug-type DC Charging 1 CP PP 3 2 L1 ACN 4 Socket L1 PE ACN DC+ DC- PP CP 7 PE L2 L3 9 8 10 DC+ DC- DC+ DC- Maximum power: 100kW Maximum power: 250kW Maximum power: 400kW Hình 1.3: Phân loại các loại sạc và loại cắm sạc theo công suất được sử dụng ở Châu Âu và Bắc Mỹ. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Thị Kiều Trinh 5 • Tiêu chuẩn điện áp, dòng điện và công suất của các cấp công suất.
Standard Voltage [V] Current [A] Peak Power [kW] SAE J1772 Type 1 1𝜙 120 ≤16 1.16 Tesla Supercharger 480 ≤300 140 GB/T 20234 DC 750 ≤250 187.5 CHAdeMO 500 ≤400 200 CCS Combo1 600 ≤125 75 CCS Combo 2 1000 ≤200 200 Bảng 1-2: Tiêu chuẩn điện áp, dòng điện và công suất của các loại cắm điện. Bảng 1-2 trình bày về tiêu chuẩn điện áp đầu vào, giới hạn dòng tối đa cũng như công suất tối đa của bộ sạc OBC ứng với mỗi chuẩn khác nhau đang được sử dụng trên thế giới như đã trình bày trên bảng 1-1. • Thông tin về các bộ OBC đã được sản xuất bởi các hãng xe lớn trên thế giới. • EV Model Motor Battery OBC Rating Capacity Range [mi] Rating [kW] [kWh] [kW] Smart Fortwo ED 55 17.2 Huyndai Ioniq Elec.6 Europe Kia Soul EV 81 30 110 6.6 Renault Zoe 80 41 250 43 VW e-Golf 100 35.2 US Ford Focus Electric 107 60 238 6.5 115 BAIC EC180 30 Level-2 22 101 Chery eQ 30 Level-2 China 32 157 JAC iEV7 S/E 50 Level-2 24 125 JMC E200 30 Level-2 17.3 95 Bảng 1-3: Thông số kĩ thuật về công suất của một số hãng sản xuất xe điện trên thế giới.
Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Thị Kiều Trinh 6 Từ bảng 1-3 ta có thể thấy rằng hầu hết các bộ OBC được chế tạo trên thế giới đều có công suất nằm trong khoảng từ 6.4kW và nằm trong cấp công suất AC-Level 2. Tuy nhiên xu hướng phát triển hiện tại trong ngành công nghiệp này là đang cố gắng tăng mức công suất để rút ngắn thời gian sạc pin. Ngoài ra mật độ công suất cũng là mối quan tâm lớn trông thiết kế OBC, vì OBC là hệ thống sạc được tích hợp trên xe vì vậy hệ thồng này không thể chiếm thể tích lớn. Bên cạnh các mục tiêu về kỹ thuật, thế giới cũng đang hướng tới mục tiêu về kinh tế là giảm giá thành bộ sạc để xe điện có thể chạm tới tay của nhiều khách hàng hơn.
Hiện nay xu hướng phát triển và mục tiêu mà cả ngành công nghiệp xe điện đang hướng tới trong năm 2020 và 2025 cho các bộ biến đổi DC/DC và OBC trong xe điện được trinh bày trong bảng 1. Technical Target Cost Specific Power Power Density Efficiency Component Year [$/kW] [kW/kg] [kW/L] [%] DC/DC 2020 <50 >1.6 98% Bảng 1-4: Các mục tiêu ngành công nghiệp xe điện đang hướng tới vào năm 2020 và 2025. Hình dưới đây trình bày về công suất định mức của các bộ sạc OBC đã được sản suất tại một số hãng xe lớn trên thế giới. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên HVTH: Nguyễn Thị Kiều Trinh 7 OBC 43kW Power-rating 43kW 22kW 22kW 22kW 22kW 22kW AC-Level 3 22kW 19.5-17kW 17kW AC-Level 2 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 11kW 7.7kW AC-Level 1 Brands Hình 1.4: Công suất định mức của các bộ OBC được sản xuất bởi các hãng xe lớn trên thế giới.
Nhìn chung tổng quan tình hình trên thế giới, hầu hết các hãng xe lớn trên thế giới, đều đã sản xuất được những bộ OBC từ công suất 3.3kW đến 11 kW, và các mức công suất này cũng là những mức công suất phổ biến nhất hiện nay. Một số hãng hiện nay cũng đã sản xuất được những bộ OBC có mức công suất cao hơn tuy nhiên phổ biến nhất vẫn là 6.6kW đến 11kW. Bộ OBC trong luận văn này sẽ được sạc từ nguồn đầu vào là 240VAC, 2-phase với công suất cực đại là 11kW. Hệ thống OBC này thuộc cấp công suất AC-Level 2.
Để đạt được công suất 11kW, thì theo tiêu chuẩn của Tesla thì điện áp lớn nhất trên pin là 800VDC. Vì vậy bộ biến đổi AC/DC của hệ thống OBC này sẽ có điện áp đầu ra là 820VDC, điện áp này chính là điện áp đầu vào của bộ biến đổi DC/DC của OBC và điện áp pin sẽ được sạc từ 460VDC đến 800VDC. Hệ thống OBC nghiên cứu trong luận văn này được thể hiện trong hình dưới. Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS.
