Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt và ô nhiễm môi trường gia tăng, ô tô điện đã trở thành xu hướng tất yếu trong ngành giao thông vận tải toàn cầu. Theo ước tính, lượng phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu xăng dầu tăng nhanh kéo theo nguy cơ thiếu hụt nguồn nguyên liệu và tác động tiêu cực đến sức khỏe con người do khí thải gây hiệu ứng nhà kính. Luận văn tập trung nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ biến đổi DC – DC hai chiều trong hệ thống phân phối năng lượng của xe ô tô điện, nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động và tuổi thọ của hệ thống lưu trữ năng lượng.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống lưu trữ năng lượng lai ghép (Hybrid Energy Storage System - HESS) gồm pin Lithium-Ion và siêu tụ điện, được ứng dụng trên xe điện Mitsubishi i-MiEV. Thời gian nghiên cứu chủ yếu giai đoạn trước năm 2014, tại Trung tâm Sáng tạo Công nghệ CTI, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Mục tiêu cụ thể là thiết kế cấu hình bộ biến đổi DC – DC hai chiều bốn pha xếp chồng, lựa chọn thuật toán điều khiển phù hợp để phân phối năng lượng hiệu quả giữa các nguồn lưu trữ, đồng thời duy trì điện áp DC-Bus ổn định.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ ô tô điện tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu suất vận hành xe điện. Các chỉ số hiệu suất như công suất bộ biến đổi lên tới vài chục kW, điện áp DC-Bus ổn định ở mức 250-330V, cùng với việc giảm tổn hao năng lượng và tăng tuổi thọ pin là những tiêu chí đánh giá thành công của đề tài.

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:

  • Lý thuyết biến đổi DC – DC hai chiều: Bao gồm cấu hình mạch buck, boost, buck-boost và các cấu hình nhiều pha xếp chồng nhằm tăng công suất và giảm độ đập mạch dòng điện. Cấu hình bốn pha xếp chồng được lựa chọn do cân bằng giữa hiệu suất, độ phức tạp và kích thước.

  • Phương pháp điều khiển điện tử công suất: Các thuật toán điều khiển điện áp (Voltage Mode Control - VMC), điều khiển dòng (Current Mode Control - CMC) và điều khiển tối ưu (Optimization based control). Trong đó, điều khiển dòng kết hợp hai mạch vòng (điều khiển dòng và điện áp) được áp dụng để đảm bảo phân phối năng lượng chính xác và ổn định điện áp DC-Bus.

  • Phương pháp mô hình hóa trung bình không gian trạng thái: Sử dụng để xây dựng mô hình toán học tuyến tính hóa bộ biến đổi DC – DC hai chiều bốn pha xếp chồng, giúp thiết kế bộ điều khiển PI hiệu quả.

Các khái niệm chính bao gồm: mật độ năng lượng và mật độ công suất của hệ thống lưu trữ năng lượng, điện áp DC-Bus, duty cycle (chu kỳ làm việc), và các trạng thái đóng cắt của van bán dẫn trong bộ biến đổi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các thông số kỹ thuật của xe điện Mitsubishi i-MiEV, hệ thống pin Li-ion 330V, siêu tụ điện 66F-125V của hãng Maxwell, cùng các tài liệu chuyên ngành về điện tử công suất và điều khiển tự động. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phân tích cấu hình mạch và lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC – DC dựa trên các tiêu chí công suất, hiệu suất, kích thước và độ tin cậy.

  • Xây dựng mô hình toán học bằng phương pháp trung bình không gian trạng thái, tuyến tính hóa quanh điểm làm việc để thiết kế bộ điều khiển PI.

  • Thiết kế thuật toán điều khiển kết hợp điều khiển dòng và điện áp, sử dụng bộ điều khiển PI truyền thống cho các mạch vòng.

  • Mô phỏng toàn bộ hệ thống xe điện trên nền tảng Matlab-Simulink để kiểm chứng hiệu quả thuật toán và cấu hình thiết kế.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn chuẩn bị và thực hiện từ năm 2012 đến 2014, với cỡ mẫu mô phỏng chi tiết các trạng thái vận hành của bộ biến đổi và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC – DC hai chiều bốn pha xếp chồng: Cấu hình này cho phép đạt công suất lên tới 100 kW, giảm độ đập mạch dòng điện so với các cấu hình ít pha hơn. Mô phỏng cho thấy độ đập mạch dòng điện giảm khoảng 30% so với cấu hình ba pha, đồng thời kích thước và tổn hao được kiểm soát hợp lý.

  2. Thuật toán điều khiển kết hợp hai mạch vòng PI: Giữ điện áp DC-Bus ổn định ở mức 250-330V với sai số dưới 2%, đồng thời điều khiển dòng điện pin Li-ion và siêu tụ điện không vượt quá giới hạn cho phép, giúp nâng cao tuổi thọ pin. So với điều khiển một mạch vòng, phương pháp này cải thiện độ ổn định điện áp lên khoảng 15%.

  3. Mô hình toán học trung bình không gian trạng thái: Mô hình hóa chính xác đặc tính động học của bộ biến đổi, cho phép thiết kế bộ điều khiển PI với đáp ứng bước nhạy bén, thời gian ổn định dưới 0.1 giây trong mô phỏng.

  4. Mô phỏng toàn bộ hệ thống xe điện: Khi tích hợp bộ biến đổi DC – DC hai chiều với hệ thống HESS, xe điện i-MiEV cải tiến có khả năng tăng tốc nhanh hơn 20% và giảm tổn hao năng lượng khoảng 10% so với hệ thống chỉ sử dụng pin Li-ion.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của cấu hình bốn pha là do khả năng xếp chồng dòng điện, giảm tổn hao trên cuộn cảm và van bán dẫn, đồng thời giảm độ đập mạch dòng điện giúp hệ thống vận hành êm ái hơn. Thuật toán điều khiển hai mạch vòng PI tận dụng ưu điểm của điều khiển dòng và điện áp, đảm bảo phân phối năng lượng linh hoạt giữa pin và siêu tụ, đồng thời duy trì điện áp DC-Bus ổn định.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả mô phỏng phù hợp với báo cáo của các hãng sản xuất bộ biến đổi công suất, đồng thời cải tiến về mặt thuật toán điều khiển giúp tăng tuổi thọ pin và hiệu suất tổng thể. Việc sử dụng mô hình toán học trung bình không gian trạng thái là bước tiến quan trọng giúp giảm thiểu sai số trong thiết kế điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đáp ứng bước của điện áp DC-Bus, biểu đồ dòng điện qua pin và siêu tụ, cũng như bảng so sánh hiệu suất và tổn hao năng lượng giữa các cấu hình khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thực nghiệm bộ biến đổi DC – DC bốn pha xếp chồng trên xe điện thực tế trong vòng 12 tháng tới để đánh giá hiệu suất và độ bền trong điều kiện vận hành thực tế. Chủ thể thực hiện: Trung tâm Sáng tạo Công nghệ CTI.

  2. Phát triển thuật toán điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) để thay thế bộ điều khiển PI, nhằm nâng cao khả năng thích ứng với biến đổi mô hình và điều kiện vận hành không ổn định. Thời gian nghiên cứu dự kiến 18 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu điều khiển tự động.

  3. Tối ưu hóa thiết kế cuộn cảm và van bán dẫn nhằm giảm tổn hao chuyển mạch và kích thước bộ biến đổi, hướng tới sản phẩm thương mại nhỏ gọn, hiệu suất cao. Thời gian thực hiện 24 tháng, chủ thể: phòng thí nghiệm điện tử công suất.

  4. Mở rộng nghiên cứu hệ thống lưu trữ năng lượng lai ghép với các loại pin mới như pin thể rắn hoặc pin lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC) để nâng cao mật độ năng lượng và tuổi thọ. Thời gian nghiên cứu 36 tháng, chủ thể: viện nghiên cứu vật liệu năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp mô hình toán học và thuật toán điều khiển bộ biến đổi DC – DC hai chiều, giúp phát triển các hệ thống điều khiển điện tử công suất.

  2. Chuyên gia phát triển xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng: Thông tin về cấu hình HESS và phân phối năng lượng giữa pin Li-ion và siêu tụ điện hỗ trợ thiết kế hệ thống năng lượng hiệu quả.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành điện tử công suất, điều khiển tự động: Tài liệu chi tiết về phương pháp mô hình hóa trung bình không gian trạng thái và thiết kế bộ điều khiển PI là nguồn học liệu quý giá.

  4. Doanh nghiệp sản xuất bộ biến đổi điện tử công suất: Nghiên cứu giúp cải tiến sản phẩm bộ biến đổi DC – DC với hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn, đáp ứng yêu cầu công nghiệp ô tô điện.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ biến đổi DC – DC hai chiều là gì và tại sao cần thiết trong xe điện?
    Bộ biến đổi DC – DC hai chiều cho phép dòng năng lượng chảy theo cả hai chiều giữa các nguồn lưu trữ và DC-Bus, giúp phân phối năng lượng linh hoạt, duy trì điện áp ổn định và bảo vệ tuổi thọ pin. Ví dụ, trong quá trình tăng tốc, siêu tụ điện cung cấp công suất lớn tức thời, còn khi hãm tái sinh, năng lượng được nạp lại pin.

  2. Tại sao chọn cấu hình bốn pha xếp chồng cho bộ biến đổi?
    Cấu hình bốn pha xếp chồng giảm độ đập mạch dòng điện, chia nhỏ dòng qua từng pha giúp giảm tổn hao và kích thước cuộn cảm, đồng thời tăng công suất tối đa lên đến 100 kW, phù hợp với yêu cầu xe điện hiện đại.

  3. Phương pháp trung bình không gian trạng thái giúp gì trong thiết kế điều khiển?
    Phương pháp này cho phép xây dựng mô hình toán học tuyến tính hóa bộ biến đổi DC – DC với các trạng thái đóng cắt khác nhau, giúp thiết kế bộ điều khiển PI chính xác, đảm bảo đáp ứng nhanh và ổn định trong vận hành.

  4. Điều khiển hai mạch vòng có ưu điểm gì so với điều khiển một mạch vòng?
    Điều khiển hai mạch vòng (dòng và điện áp) giúp kiểm soát chính xác dòng điện qua pin và siêu tụ, đồng thời duy trì điện áp DC-Bus ổn định, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ hệ thống so với điều khiển một mạch vòng đơn giản.

  5. Làm thế nào để nâng cao tuổi thọ pin trong hệ thống HESS?
    Bằng cách sử dụng bộ biến đổi DC – DC điều khiển dòng điện pin, hạn chế dòng nạp/xả quá lớn, phối hợp với siêu tụ điện cung cấp công suất tức thời, giảm tải cho pin, từ đó kéo dài tuổi thọ pin. Mô phỏng cho thấy tuổi thọ pin có thể tăng lên đáng kể khi áp dụng chiến lược này.

Kết luận

  • Luận văn đã lựa chọn và thiết kế thành công bộ biến đổi DC – DC hai chiều bốn pha xếp chồng phù hợp với yêu cầu công suất và hiệu suất của xe điện Mitsubishi i-MiEV.
  • Thuật toán điều khiển hai mạch vòng PI giúp duy trì điện áp DC-Bus ổn định và phân phối năng lượng hiệu quả giữa pin Li-ion và siêu tụ điện.
  • Mô hình toán học trung bình không gian trạng thái là công cụ thiết yếu trong thiết kế và phân tích bộ biến đổi công suất.
  • Mô phỏng toàn hệ thống cho thấy cải tiến hệ thống lưu trữ năng lượng lai ghép giúp tăng hiệu suất vận hành và tuổi thọ pin.
  • Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm thực nghiệm, phát triển thuật toán điều khiển nâng cao và tối ưu hóa thiết kế phần cứng.

Để tiếp tục phát triển công nghệ ô tô điện tại Việt Nam, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn, đồng thời mở rộng nghiên cứu về hệ thống lưu trữ năng lượng lai ghép và điều khiển điện tử công suất.