CHƯƠNG 1.1 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN PIN CỦA XE ĐIỆN Sự ô nhiễm môi trường ngày càng tăng do khí thải từ các nguồn năng lượng hóa thạch của các phương tiện giao thông đã thúc đẩy sự phát triển của các loại xe điện [1]. Điện khí hóa phương tiện giao thông là một trong những phương pháp khả thi đầy tiềm năng nhằm giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường. Sự phổ biến của xe điện trong tương lai sẽ tác động đáng kể đến nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là lĩnh vực lưới điện. Nhiều nước phát triển đã thực hiện các chính sách để thúc đẩy việc triển khai xe điện làm cho việc sử dụng xe điện trong những năm gần đây ngày càng nhiều [2].
Năng lượng vận hành của các xe điện được lưu trữ trong các bộ pin (battery pack), các bộ pin này ở dạng điện một chiều. Do đó, cần có các bộ sạc để chuyển đổi điện năng từ lưới điện xoay chiều sang một chiều để sạc cho các bộ pin. Sự phát triển của xe điện cũng giúp cho ngành công nghệ pin và bộ sạc đã được cải thiện đáng kể [3] do có sự đầu tư lớn của các hãng ô tô. Mặc dù xe điện có những đóng góp tích cực về kinh tế và môi trường, tuy nhiên, các bộ sạc pin cho xe điện cũng đã gây ra những tác động tiêu cực đến vận hành lưới điện hiện có [4]–[7].
Các tác động đó chủ yếu gây ra những tải đỉnh cho hệ thống điện vào ban ngày. Vì vậy, các bộ sạc pin có vai trò quan trọng trong việc phát triển xe điện, công suất sạc và thời gian sạc sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của pin. Các yêu cầu đối với bộ sạc pin cần phải đảm bảo hiệu quả và tin cậy, chi phí thấp, trọng lượng nhẹ và an toàn trong vận hành. Bộ sạc xe điện phải đảm bảo dòng điện được tạo ra với độ méo thấp để giảm thiểu tác động tiêu cực đến chất lượng điện năng và phải có hệ số công suất cao để tối đa hóa công suất thực có sẵn từ nguồn lưới.
Các nguồn năng lượng cấp cho xe điện vận hành thường được dự trữ thông qua các loại pin khác nhau với các yêu cầu sạc khác nhau. Loại pin chủ yếu được sử dụng hiện nay là Lithium-ion [8]. Loại pin này có các ưu điểm như mật độ năng lượng cao, nhẹ, giá thành rẻ, không độc hại, có thể sử dụng công nghệ sạc nhanh. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất của loại pin này là có thể gây cháy nổ khi thông số kỹ thuật sạc không phù hợp.
Yếu tố quan trọng nhất của quá trình sạc là nhiệt độ, nếu không được kiểm 1 Luan van Trần Quang Thọ soát tốt sẽ dễ dàng dẫn đến cháy nổ [9]. Thêm vào đó, nhiệt độ cao trong quá trình sạc cũng làm cho quá trình hình thành xen kẽ các lớp điện phân rắn càng nhanh. Điều này dẫn đến sự gia tăng điện trở nội của pin nên khả năng lưu trữ và tuổi thọ của pin cũng giảm đáng kể [10]. Mặc dù có những tác động tiêu cực đến lưới điện, sự phổ biến của các hệ thống sạc pin xe điện cũng có thể mang lại các lợi ích tích cực cho công nghệ hệ thống điện thông minh V2G (Vehicle-to-grid) một khi có sự quản lý tốt hệ thống điện này [11]– [13].
Nguyên lý một hệ thống sạc sử dụng nguồn lưới xoay chiều bao gồm các thành phần được thể hiện trong sơ đồ khối ở hình 1. Trong đó, ngõ vào của bộ sạc thường phải có bộ lọc nhiễu điện từ (EMI filter) nhằm đảm bảo sóng hài bậc cao của bộ sạc không được phát vào lưới điện. Bộ chỉnh lưu (Rectifier) được dùng để chuyển đổi nguồn lưới xoay chiều sang nguồn điện một chiều để sạc cho bộ pin. Mạch PFC (power factor correction) được dùng để tăng áp DC kết hợp với điều khiển hệ số công suất cho bộ sạc.
Bộ biến đổi DC/DC converter dung để điều khiển dòng và điện áp sạc cho bộ pin có tính năng cách ly thông qua biến áp cao tần. Bộ biến đổi DC/DC có thể ở dạng một chiều (Unidirectional DC/DC converter) hoặc dạng hai chiều (Bidirec- tional DC/DC converter). Thông thường, các bộ sạc có tính năng V2G (vehicle-to- grid) và G2V (grid-to-vehicle) sẽ yêu cầu sử dụng các bộ biến đổi hai chiều. AC EMI DC/DC Rectifier PFC Filter Battery source filter converter Hình 1.
Sơ đồ khối nguyên lý bộ sạc pin xe điện Có nhiều phương thức sạc điện cho các xe điện [14], trong khuôn khổ báo cáo này chủ yếu đề cập đến các bộ sạc kèm theo xe. Hình thức sạc này được gọi là sạc on- board OBC (on-board battery charger) [15]. Các bộ sạc loại này thường dùng cho loại xe điện thuần pin BEV (battery electric vehicle). 2 Luan van Trần Quang Thọ 1.2 CÁC TIÊU CHUẨN BỘ SẠC PIN XE ĐIỆN Các bộ pin xe điện (Battery pack) được dùng để dự trữ năng lượng cho vận hành động cơ điện của xe thường ở dạng một chiều, trong khi các nguồn sạc phổ biến lại lấy từ lưới điện xoay chiều.
Do đó, để các bộ pin xe điện được sạc điện một cách an toàn và hiệu quả thông qua các bộ sạc, các bộ sạc này cần đạt được các tính năng kỹ thuật dựa vào các tiêu chuẩn của ngành ô tô SAE (Society of Automotive Angineers). Các tiêu chuẩn đối với bộ sạc Việc kiểm soát tốt bộ sạc pin cho xe điện sẽ góp phần tích cực cho hiệu quả sạc của lưới điện và hệ thống phương tiện giao thông [16], [17]. Các tiêu chuẩn chủ yếu qui định về các thông số kỹ thuật của bộ sạc như định mức công suất, dòng sạc, điện áp sạc [18]–[20] được thể hiện ở Bảng 1-1. Tuy nhiên, theo các tiêu chuẩn như bảng trên, qui định về giới hạn nhiệt độ chưa được yêu cầu cụ thể.
Chẳng hạn, với AC cấp 2 (Level 2), công suất bộ sạc on-board sử dụng nguồn 1 pha có thể lên đến 20kW. Với mức công suất sạc này, năng lượng tổn hao sinh ra đáng kể và làm cho nhiệt độ bộ sạc tăng cao mặc dù bộ sạc vẫn đạt tiêu 3 Luan van Trần Quang Thọ chuẩn qui định. Điều này có thể dẫn đến khả năng gây ra cháy nổ nếu không kiểm soát nhiệt độ bộ sạc một cách hiệu quả. Mức sạc dùng nguồn lưới AC cao nhất của bảng này là cấp 3 (Level 3) với công suất tối đa bằng 50kW.
Ngoài ra, các mức độ sạc siêu nhanh của cấp 5 lên tới 350kW [21] được dùng cho các trạm sạc công cộng cũng chưa có qui định cụ thể về nhiệt độ. Do đó, có thể thấy rằng, các tiêu chuẩn về xe điện hiện nay chưa thật sự hoàn thiện và chuẩn hóa cho toàn cầu. Trong thực tế, vẫn có các hiện tượng cháy nổ các bộ sạc hoặc bộ pin do nhiệt độ tăng cao. Để các bộ sạc xe điện vận hành hiệu quả và an toàn, việc kiểm soát nhiệt độ bộ pin và bộ sạc cần phải được thực hiện thông qua các giải thuật điều khiển.
Do đó, việc nghiên cứu sâu các bộ sạc này cần được thực hiện để có thể điều khiển hiệu quả hơn và an toàn hơn. Điều này làm cơ sở cho việc tích hợp công nghệ thông minh nhân tạo dễ dàng hơn. Khi đó, việc điều khiển bộ sạc theo các tính năng ổn dòng và ổn áp cũng như có kiểm soát nhiệt độ một cách linh hoạt sẽ trở nên dễ dàng hơn.3 CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN Qui trình thông thường của một bộ sạc gồm các bước sau: 1. Kiểm tra: kết nối cắm sạc, dung lượng bộ pin, trạng thái SoC và chất lượng bộ pin 2.
Thực hiện sạc ổn dòng cho đến khi đạt điện áp cực đại 3. Thực hiện sạc ổn áp cho đến khi dòng sạc nhỏ giọt thì dừng sạc Nếu bước đầu cho kết quả đạt tiêu chuẩn thì mới thực hiện quá trình sạc ở bước 2 và 3. Trong quá trình sạc, có thể có hoặc không có tính năng kiểm soát nhiệt độ bộ pin cũng như của bộ sạc. Bước đầu thường chỉ có trong các bộ sạc thông minh.
Đối với các bộ sạc thông thường, bước đầu thường bị bỏ qua để giảm giá thành thiết bị. Vì vậy, có thể gặp rủi ro khi bộ pin không đạt chất lượng tiêu chuẩn. Bước kiểm tra ban đầu của quá trình sạc có thể sử dụng các giải thuật khác nhau [22], [23]. Trong khuôn khổ báo cáo này chỉ nghiên cứu kỹ thuật sạc ổn dòng, ổn áp, và kiểm soát nhiệt độ.
Các hệ thống sạc và pin trong thực tế được thương mại hóa bởi các tập đoàn ô tô hàng đầu thế giới gần như không công bố chi tiết kỹ thuật cũng như công nghệ sạc. Họ phải giữ bí mật công nghệ do áp lực cạnh tranh trên thị trường. Các nghiên cứu bởi 4 Luan van Trần Quang Thọ các nhà khoa học đã được công bố công khai trên các tạp chí khoa học có thật sự được ứng dụng trong sản phẩm của các hãng hay không vẫn khó biết chính xác. Các nghiên cứu liên quan đến các bộ sạc đã được công bố [24] với các kiểu nguồn lưới xoay chiều 1 pha và 3 pha.
Kỹ thuật sạc on-board trong [25]–[27] sử dụng các bộ lọc ngõ vào của bộ sạc với lưới 1 pha và 3 pha và quan tâm chủ yếu đến phần chỉnh lưu. Để nâng cao hiệu suất cho bộ sạc, ngoài việc lọc nhiễu ở ngõ vào, các hệ thống sạc hiện nay thường gồm có một bộ chỉnh lưu và một bộ cầu H tích cực kép DAB (dual- active bridge) [28]–[30]. Bộ điều khiển của hệ thống này thường gồm có điều khiển bus dc, điều khiển PFC và điều khiển ổn dòng hoặc ổn áp cho pin [31], [32]. Hơn nữa, nghiên cứu trong [32] tập trung điều khiển bus dc trong trạm sạc sử dụng kết hợp điện mặt trời nối lưới.
Kỹ thuật chuyển mạch điện áp zero trong [33] đề nghị xem xét đến sự phụ thuộc thời gian của dòng chuyển mạch và tụ chuyển mạch thông qua hàm chi phí. Kỹ thuật dịch nhiều pha để giảm độ gợn dòng điện trong [34] đã ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của bộ sạc khi có dòng nhỏ. Công bố trong [35] sử dụng kỹ thuật bù để giảm độ gợn dòng điện nhằm giảm kích thước mạch lọc. Kỹ thuật trong [36] điều khiển bộ sạc kết hợp nguồn lưới và pin mặt trời sử dụng điều khiển chế độ trượt.
Hầu hết các nghiên cứu trên chưa có quan tâm đến vấn đề nhiệt của bộ pin khi thực hiện các giải pháp điều khiển bộ sạc.