Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài. Chương 2: Giới thiệu về xe điện và bộ sạc xe điện. Chương 3: Phân tích và lựa chọn cấu hình cho bộ sạc tích hợp. Chương 4: Tính toán thông số cho bộ sạc tích hợp.
Chương 5: Mô phỏng bộ sạc tích hợp trên phần mềm PSIM. Chương 6: Thiết kế phần cứng cho bộ sạc tích hợp. 3 CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ XE ĐIỆN VÀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN 2.1 Tiềm năng của thị trường xe điện Thị trường xe điện đã phát triển nhanh chóng trong mười năm qua, với lượng xe chở khách chạy điện vượt mức 5 triệu chiếc trong năm 2018, tăng 63% so với năm 2017. Khoảng 43% lượng xe điện lưu thông trên đường là ở Trung Quốc – tương đương 2,3 triệu chiếc.
Con số này đối với Châu Âu là 24% và Hoa Kỳ là 22%.1 cho thấy tốc độ tăng trưởng của thị trường xe điện ở các nước theo mỗi năm. Số lượng bộ sạc dành cho xe điện được bán ra trên toàn thế giới ước tính khoảng 5.2 triệu bộ vào cuối năm 2018, tăng 44% so với năm trước. Tăng trưởng nhanh nhất vẫn là các bộ sạc tích hợp được gắn sẵn trên xe ước tính chiếm khoảng 90% trong 1.6 triệu bộ sạc được bán ra trong năm 2018.2 mô tả tăng trưởng trạm sạc theo năm tính đến cuối năm 2018. 1 Lượng xe điện bán ra tại các nước theo từng năm 4 Hình 2.
2 Dự báo về tăng trưởng của thị trường xe điện trong những năm tới Chính phủ ở các nước có thị trường ô tô lớn đang siết chặt các tiêu chuẩn về xả thải khí CO2 dành cho xe sử dụng động cơ đốt trong. Các chính sách đó góp phần thúc đẩy sự tăng trưởng của xe điện trong những năm tới và được dự báo vào năm 2025 lượng xe điện sẽ chiếm 5% tại Mỹ, 11% tại châu Âu và 20% tại Trung Quốc.3 dự báo về mức tăng trưởng của thị trường xe điện trong giai đoạn 2020-2025 có thể thấy thị trường Trung Quốc đang dẫn đầu cuộc đua về xe điện. Theo các nghiên cứu của IDTechEx trên thị trường xe điện thì vào năm 2030 sẽ có hơn 100 triệu xe chạy điện tham gia giao thông trên toàn thế giới bao gồm xe ô tô, xe buýt, xe tải và xe container. Do đó nhu cầu về các bộ sạc dành cho lĩnh vực xe điện cũng không hề nhỏ, từ đó thúc đẩy sự phát triển hơn nữa các công nghệ sạc trên xe điện.
Theo dự báo của IDTechEx, vào năm 2030 thị trường cơ sở hạ tầng và các thiết bị sạc cho xe điện có thể lên đến 40 tỉ đô la mỗi năm, mang đến một cơ hội rất lớn cho các công ty nằm trong chuỗi cung ứng các bộ sạc cho xe điện. Từ đó tạo ra các cơ hội cũng như thách thức nhằm đưa ra các công nghệ sạc mới. 3 Dự báo về tăng trưởng của thị trường xe điện trong những năm tới Hình 2. 4 Dự báo tăng trưởng của thị trường sạc cho xe điện 6 2.2 Lưu trữ và chuyển đổi năng lượng trên xe điện Hình 2.
5 Cấu trúc năng lượng trên xe điện Hình 2.5 cho thấy cấu trúc năng lượng điển hình của một xe điện. Trên xe sẽ có một bộ pin điện áp cao (300-400V) và dung lượng lớn (khoảng 10kWh) được lắp cố định trên xe với chức năng lưu trữ năng lượng. Trên xe điện có ba bộ chuyển đổi công suất, đóng vai trò chuyển đổi năng lượng trên mạch gồm bộ chuyển đổi công suất dẫn động, bộ chuyển đổi công suất cho các thiết bị và bộ chuyển đổi công suất cho quá trình sạc. Bộ chuyển đổi công suất dẫn động gồm một bộ nghịch lưu điều khiển động cơ và bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều.
Bộ này hoạt động ở hai chế độ dẫn động và thắng tái sinh. Khi hoạt động ở chế độ dẫn động năng lượng được chuyển từ khối pin sang động cơ điện làm quay động cơ điện kéo xe di chuyển. Ở chế độ thắng tái sinh năng lượng chuyển từ động cơ điện ngược lại khối pin, khi hoạt động ở chế độ này động cơ điện đóng vai trò như máy phát điện và bộ nghịch lưu hoạt động với vai trò chỉnh lưu. Bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều đặt ở ngõ vào khối này giúp điều khiển quá trình sạc xả cho khối pin.
Bộ chuyển đổi công suất cho các thiết bị trên xe là bộ DC-DC. Bộ chuyển đổi này là bộ hạ áp, giúp chuyển đổi mức điện áp cao từ pin xuống mức điện áp thấp thường 7 là 12V cung cấp cho các thiết bị trên xe như điều hòa không khí, hệ thống chiếu sáng, hệ thống âm thanh giải trí… Bộ chuyển đổi này phải là bộ chuyển đổi cách ly để cách ly về mặt điện thiết bị trên xe với nguồn pin điện áp cao, để đảm bảo an toàn cho người sử dụng khỏi các nguy hiểm tiềm ẩn về điện. Thành phần điện tử công suất còn lại là bộ sạc tích hợp để chuyển đổi năng lượng từ điện áp lưới sạc cho khối pin. Thông thường bộ sạc tích hợp sẽ gồm hai phần.
Đầu tiên là bộ chuyển đổi AC-DC kết hợp với điều chỉnh hệ số công suất, tiếp theo là bộ chuyển đổi DC-DC để sạc cho khối pin và cách ly về điện giữa xe và lưới điện [1]. Thông thường, tất cả các bộ sạc thương mại trên thị trường truyền tải năng lượng theo một chiều từ lưới điện đến xe. Tuy nhiên, vì hầu hết thời gian của xe điện là đậu một chỗ, trung bình khoảng 95% thời gian trong vòng đời xe. Người ta cho rằng bộ pin này có thể chuyển năng lượng từ xe lên lưới điện và ngược lại.
Kỹ thuật được đề xuất này gọi là V2G (Vehicle To Grid), để thực hiện được điều này bộ sạc tích hợp trên xe điện phải là bộ sạc hai chiều. Khi xe điện đậu ở gara và kết nối với lưới điện qua bộ sạc hai chiều nó có thể trả năng lượng ngược về lưới điện.3 Phân loại bộ sạc dành cho xe điện Quãng đường Cấp độ Điện áp ngõ Công suất đi được sau 1h Gía thành sạc vào sạc sạc Câp 1 110V AC 1.8kW ~20km Cấp 2 220V AC 3000$-5000$ 7.2kW ~42km 200-450V ~60km/10phút 30000$- Cấp 3 >50 kW DC sạc 160000$ Bảng 2. 1 Cấu trúc năng lượng trên xe điện 8 Bộ sạc cấp 1: Bộ sạc tích hợp cấp độ một thích hợp đối với các xe lai PHEV (Petrol- hybrid electric vehicles), hoặc các loại xe không yêu cầu cao về thời gian sạc. Bộ sạc cấp một phù hợp với đối tượng khách hàng di chuyển ngắn khoảng 40km một ngày hoặc những khách hàng không có bãi đổ xe với cơ sở hạ tầng phù hợp cho các bộ sạc lớn hơn.
Bộ sạc cấp một được khuyến khích sử dụng đối với những khách hàng di chuyển khoảng 4000km/năm. Bộ sạc cấp 2: Bộ sạc cấp hai là một cấp độ sạc phổ biến đối với xe điện, bộ sạc lấy điện trực tiếp từ lưới điện (thường mức điện áp 220V/AC) thông qua các ổ cắm điện công suất cao. Bộ sạc cấp hai có tốc độ sạc đa dạng do dải công suất trải dài từ 3.6kW lên đến 19.2kW, hoặc quãng đường đi được lên đến trên 100km sau mộ giờ sạc. Bộ sạc cấp hai sạc nhanh hơn nhiều so với bộ sạc cấp một do sạc ở dòng điện và điện áp lớn.
Tuy nhiên, công suất sạc càng lớn thì cần phải có cơ sở hạ tầng tốt, tùy thuộc vào cơ sở hạ tầng ở mỗi khu vực mà nhà sản xuất sẽ lựa chọn công suất sạc phù hợp với dòng xe bán ra ở khu vực đó. Tất cả các nhà sản xuất đều khuyên khách hàng sử dụng bộ sạc cấp hai, dù chi phí bỏ ra cao hơn nhưng hiệu quả mang lại sẽ rất lớn, bộ sạc cấp hai giúp tiết kiệm được thời gian sạc, một trong những phiền phức khi sử dụng xe điện. Bộ sạc cấp hai có thể là bộ sạc tích hợp trên xe hoặc trạm sạc rời lắp tại gara, trạm sạc công cộng. Bộ sạc cấp 3: Bộ sạc cấp ba thường là các trạm sạc nhanh, bộ sạc sẽ cung cấp dòng điện DC trực tiếp vào xe.
Với công suất sạc lớn thường trên 50kW, sạc 10 phút có thể đi được 100km do đó bộ sạc cấp ba cần được triển khai với cơ sở hạ tầng phức tạp đi kèm. Chi phí triển khai thấp nhất khoảng 25000$ cho một trạm sạc đơn lẻ thông thường, và khoảng 60000$ cho trạm sạc thông minh. Trạm sạc cấp ba thường được triển khai theo dạng cụm để giảm chi phí giá thành. 9 Dung lượng Quãng Công suất bộ Thời gian Loại xe pin đường đi khi sạc tích hợp sạc đầy loại pin sạc đầy 24 kWh Nissan leaf 3.3 kW 160 km 8h Li-ion BMW 32 kWh 7.2 kW 160 km 4h -5h Active E Li-ion 23 kWh Ford Focus 6.6 kW 120 km 3h – 4h Li - ion 16 kWh Mitsubishi I 3.3 kW 100 km 4h-5h Li-ion 20 kWh Honda Fit 3.3 kW 120 km 3h Li-ion Bảng 2.
2 So sánh bộ sạc tích hợp giữa các dòng xe trên thị trường 2.4 Phương pháp sạc pin Nhìn vào bảng 2.2 có thể thấy gần như các xe điện trên thị trường hiện này đều sử dụng pin Li-ion, pin Li-ion có mật độ năng lượng cao hơn so với các loại pin có thành phần hóa học khác như pin chì-axit, nickel-cadmium hoặc Ni-metal. Trong xe điện, mật độ năng lượng và khối lượng pin là thông số quan trọng quyết định đến quãng đường xe đi được sau mỗi lần sạc. Do đó pin li-on gần như chiếm lĩnh toàn bộ thị trường pin dành cho xe điện. Cần lưu ý rằng, mặc dù công nghệ pin đã giúp kéo dài tuổi thọ, tăng mật độ năng lượng, giảm trọng lượng và giá thành nhưng pin vẫn là thành phần chiếm tỉ trọng lớn về giá thành và khối lượng của xe điện.
Nhiều phương pháp sạc pin đã được đề xuất để sạc cho xe điện, cần lưu ý rằng tuổi thọ và mật độ năng lượng trên mỗi viên pin không chỉ được quyết định bởi thành phần hóa học của nó mà còn bị tác động bởi phương pháp sạc. Phương pháp sạc như trong hình 2.6a được gọi là phương pháp CC-CV (Constant Currente – Constan Voltage) một trong những phương pháp sạc phổ biến cho các loại pin. Ý tưởng của phương pháp sạc này là sạc viên pin ở một dòng điện tối đa không đổi, dòng điện này thường được quy định bởi nhà sản xuất cho đến khi điện áp của pin tăng đến giá trị đỉnh, tại giá trị 10 này duy trì điện áp sạc cố định cho đến khi dòng sạc trên pin giảm xuống dưới 10% so với dòng sạc tối đa thì được tính là hoàn thành một chu kỳ sạc [2].