Mô Phỏng và Thiết Kế Bộ Sạc Tích Hợp Ứng Dụng Trên Xe Điện

• Tác giả: Trương Thanh Huy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Đình Tuyên
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Mô Phỏng Và Thiết Kế Bộ Sạc Tích Hợp Ứng Dụng Trên Xe Điện
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới Thiệu về bộ sạc tích hợp
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Bố cục luận Văn
• 2. CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ XE ĐIỆN VÀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN
• 2.1. Tiềm năng của thị trường xe điện
• 2.2. Lưu trữ và chuyển đổi năng lượng trên xe điện
• 2.3. Phân loại bộ sạc dành cho xe điện
• 2.4. Phương pháp sạc pin
• 2.5. Cấu hình cơ bản của một bộ sạc
• 3. CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU HÌNH CHO BỘ SẠC TÍCH HỢP
• 3.1. Dữ liệu sạc pin Li-ion
• 3.2. Cấu hình bộ chuyển đổi AC-DC
• 3.2.1. Giới thiệu bộ chuyển đổi AC-DC
• 3.2.2. Conventional Boost PFC
• 3.2.3. Interleaved Boost PFC
• 3.2.4. Cấu hình Bridgeless PFC
• 3.3. Cấu hình chuyển đổi DC-DC
• 3.3.1. Giới thiệu bộ chuyển đổi DC-DC trong bộ sạc
• 3.3.2. Bộ chuyển đổi Flyback
• 3.3.3. Cấu hình chuyển đổi Half-Bridge
• 3.3.4. Cấu hình chuyển đổi Full-Bridge
• 3.3.5. Cấu hình Phase-Shift Full Bridge (PSFB)
• 3.3.6. Full Bridge Series Resonant Converter (FB-SRC)
• 3.3.7. Parallel Resonant Converter (PRC)
• 3.3.8. Series Parallel Resonant Converter (SPRC)
• 3.3.9. Full Bridge LLC Resonant Converter
• 3.4. Giải thuật điều khiển sạc cho pin lithium-ion
• 4. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHO MẠCH SẠC TÍCH HỢP
• 4.1. Thông số thiết kế của bộ sạc
• 4.2. Tính toán thông số cho bộ PFC
• 4.2.1. giới thiệu cấu hình Interleaved Boost PFC
• 4.2.2. Xác định các thông số của mạch thiết kế
• 4.2.3. Tính giá trị cuộn cảm
• 4.2.4. Tính thông số các linh kiện công suất
• 4.3. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC theo cấu hình Full-Bridge LLC
• 4.3.1. Thông số thiết kế mạch DC-DC
• 4.3.2. Tổng quan về bộ chuyển đổi Full-Bridge LLC
• 4.3.3. Các bước thiết kế mạch Full-Bridge LLC
• 4.3.4. Tính thông số cho mạch LLC
• 5. CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG BỘ PFC VÀ BỘ DC-DC
• 5.1. Bộ Interleaved PFC
• 5.1.1. Thông số mô phỏng mạch PFC
• 5.1.2. Kết quả mô phỏng mạch PFC
• 5.2. Bộ Full-Bridge LLC resonant
• 5.2.1. Thông số mô phỏng mạch Full-Bridge LLC
• 5.2.2. Kết quả mô phỏng mạch full-bridge LLC
• 5.2.3. Mô phỏng tổn thất nhiệt trên mosfet
• 6. CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ MẠCH CHO BỘ SẠC TÍCH HỢP
• 6.1. Thiết kế mạch Interleaved Boost PFC
• 6.1.1. Mô tả thiết kế mạch PFC
• 6.1.2. Mạch điều khiển với vi điều khiển F280049
• 6.1.3. Thiết kế mạch lái cho SiC MOSFET
• 6.1.4. Thiết kế phần công suất cho mạch
• 6.2. Thiết kế mạch DC-DC theo cấu hình cộng hưởng LLC
• 6.2.1. Thông số thiết kế mạch LLC
• 6.2.2. Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp
• 6.2.3. Thiết kế mạch hồi tiếp dòng điện
• 6.2.4. Thiết kế mạch công suất
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về thiết kế bộ sạc tích hợp cho xe điện

Bộ sạc tích hợp cho xe điện đang trở thành một phần quan trọng trong ngành công nghiệp ô tô. Với sự gia tăng của xe điện, nhu cầu về các giải pháp sạc hiệu quả và tiết kiệm năng lượng ngày càng cao. Thiết kế bộ sạc tích hợp không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất sạc mà còn giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới trong thiết kế bộ sạc tích hợp, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường xe điện.

1.1. Tầm quan trọng của bộ sạc tích hợp trong xe điện

Bộ sạc tích hợp đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng từ lưới điện sang pin xe điện. Nó giúp tối ưu hóa hiệu suất sạc và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Việc sử dụng công nghệ mới trong thiết kế bộ sạc tích hợp sẽ giúp cải thiện hiệu suất sạc và giảm thời gian sạc cho người dùng.

1.2. Xu hướng phát triển công nghệ sạc tích hợp

Công nghệ sạc tích hợp đang phát triển mạnh mẽ với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các bộ sạc hai chiều, cho phép xe điện không chỉ nhận năng lượng mà còn có thể trả năng lượng ngược lại cho lưới điện.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế bộ sạc tích hợp

Mặc dù công nghệ sạc tích hợp đã có những bước tiến đáng kể, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải giải quyết. Một trong những vấn đề lớn nhất là hiệu suất sạc và thời gian sạc. Nhiều người tiêu dùng vẫn lo ngại về thời gian sạc lâu hơn so với việc đổ xăng. Ngoài ra, việc thiếu cơ sở hạ tầng sạc công cộng cũng là một rào cản lớn đối với sự phát triển của xe điện.

2.1. Thách thức về hiệu suất sạc

Hiệu suất sạc là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế bộ sạc tích hợp. Các bộ sạc hiện tại thường gặp khó khăn trong việc duy trì hiệu suất cao trong suốt quá trình sạc, đặc biệt là khi pin gần đầy.

2.2. Vấn đề về cơ sở hạ tầng sạc

Thiếu hụt cơ sở hạ tầng sạc công cộng là một trong những rào cản lớn nhất đối với sự phát triển của xe điện. Nhiều khu vực vẫn chưa có đủ trạm sạc, khiến người tiêu dùng lo ngại về khả năng sạc xe khi cần thiết.

III. Phương pháp thiết kế bộ sạc tích hợp hiệu quả

Để thiết kế bộ sạc tích hợp hiệu quả, cần áp dụng các phương pháp và công nghệ tiên tiến. Việc sử dụng cấu hình PFC xen kẽ và chuyển đổi cộng hưởng LLC là hai trong số những giải pháp chính được nghiên cứu. Những phương pháp này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm kích thước và chi phí sản xuất.

3.1. Cấu hình PFC xen kẽ trong bộ sạc

Cấu hình PFC xen kẽ giúp điều chỉnh hệ số công suất và giảm sóng hài trong quá trình sạc. Điều này không chỉ cải thiện hiệu suất mà còn giúp bảo vệ các linh kiện điện tử trong bộ sạc.

3.2. Chuyển đổi cộng hưởng LLC cho bộ sạc

Cấu hình chuyển đổi cộng hưởng LLC được sử dụng để chuyển đổi điện áp DC-DC có cách ly. Phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm kích thước bộ sạc.

IV. Ứng dụng thực tiễn của bộ sạc tích hợp cho xe điện

Bộ sạc tích hợp không chỉ được sử dụng trong xe điện mà còn có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng thực tiễn của bộ sạc tích hợp bao gồm việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử, hệ thống năng lượng tái tạo và nhiều hơn nữa. Nghiên cứu này sẽ xem xét các ứng dụng tiềm năng của bộ sạc tích hợp trong tương lai.

4.1. Ứng dụng trong hệ thống năng lượng tái tạo

Bộ sạc tích hợp có thể được sử dụng để kết nối các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió với lưới điện. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và giảm thiểu tác động đến môi trường.

4.2. Cung cấp năng lượng cho thiết bị điện tử

Bộ sạc tích hợp cũng có thể được áp dụng để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử khác nhau, từ điện thoại di động đến các thiết bị gia dụng. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển công nghệ sạc.

V. Kết luận và tương lai của bộ sạc tích hợp cho xe điện

Bộ sạc tích hợp cho xe điện đang trên đà phát triển mạnh mẽ. Với sự gia tăng của xe điện và nhu cầu về các giải pháp sạc hiệu quả, bộ sạc tích hợp sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp ô tô. Nghiên cứu và phát triển công nghệ mới sẽ giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất, từ đó thúc đẩy sự phát triển của thị trường xe điện.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ sạc tích hợp

Công nghệ sạc tích hợp sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và tính năng. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc phát triển các bộ sạc hai chiều và các giải pháp sạc nhanh hơn.

5.2. Tác động của bộ sạc tích hợp đến thị trường xe điện

Bộ sạc tích hợp sẽ có tác động lớn đến thị trường xe điện trong tương lai. Sự phát triển của công nghệ sạc sẽ giúp tăng cường sự chấp nhận của người tiêu dùng đối với xe điện, từ đó thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô.

Tổng quan nghiên cứu

Nguồn dự trữ dầu mỏ không phải là vô tận, do đó cần thiết phải tìm một nguồn năng lượng thay thế khác trong tương lai. Điều đó càng trở nên cấp bách khi việc đốt dầu gây ra các tác động tiêu cực đến môi trường. Ngày nay, phần lớn các loại xe đều sử dụng động cơ đốt trong nhưng các hãng sản xuất xe vẫn xem xét sử dụng các loại động cơ khác nhau để giảm thiểu tác hại đến môi trường. Công nghệ sản xuất và tích trữ năng lượng trên pin ngày càng phát triển dẫn đến giải pháp sử dụng năng lượng điện rất có tiềm năng. Các xe lai sử dụng hai động cơ khác nhau, thường là một động cơ điện và một động cơ đốt trong, hoặc hoàn toàn dùng động cơ điện đang ngày càng được quan tâm và dần trở nên phổ biến. Cùng với sự phát triển của công nghệ pin, giá pin dành cho xe điện đã giảm nhiều trong những năm qua làm cho khỏa cách về giá giữa các xe sử dụng năng lượng hóa thạch và xe dùng năng lượng điện không còn chênh lệch nhiều. Xe điện dần trở nên phổ biến, tuy nhiên để tăng tốc độ sạc pin và giảm thời gian sạc vẫn là một yếu tố để khách hàng cân nhắc khi lựa chọn xe điện. Một xe sử dụng động cơ đốt trong mất từ 3- 5 phút để đổ đầy bình nhiên liệu, trong khi đó xe điện mất rất nhiều thời gian để sạc đầy khối pin trên xe. Hơn thế nữa, việc thiếu các bộ sạc và các trạm sạc công cộng cũng là một vấn đề lớn ngăn cản người tiêu dùng đến với xe điện. Để giải quyết vấn đề sạc pin cho xe điện, ngoài các trạm sạc công cộng với công suất lớn chỉ có thể tìm thấy ở những thành phố lớn của các nước phát triển nơi mà xe ô tô điện khá phổ biến. Phần lớn khoảng 90% lượng xe điện hiện nay vẫn sạc chủ yếu tại nhà hoặc gara thông qua một bộ sạc được nhà sản xuất gắn cố định trên xe, bộ sạc này sẽ lấy điện trực tiếp từ lưới điện dân dụng chuyển đổi thành điện áp DC và sạc đầy khối pin trên xe một bộ sạc như vậy được gọi là bộ sạc tích hợp. Thị trường bộ sạc tích hợp dành cho xe điện còn mới mẻ và được dự đoán sẽ bùng nổ trong thời gian tới khi mà lượng xe chạy điện được dự báo sẽ chiếm đến 50% lượng xe lưu thông trên đường vào năm 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Bộ chuyển đổi AC-DC ngõ vào là một thành phần quan trọng của bộ sạc tích hợp. Lựa chọn đúng cầu hình là vô cùng quan trọng để đáp ứng các yêu cầu về sóng hài dòng điện ngõ vào, điện áp ngõ ra và điều chỉnh hệ số công suất. So sánh khi hoạt động ở chế độ dẫn liên tục (CCM – Continuous Conduction Mode), bộ tăng áp hoạt động ở chế độ dẫn gián đoạn DCM (Discontinuous Conduction Mode) có tổn thất đóng cắt thấp hơn. Tuy nhiên, khi hoạt động ở công suất cao, hoạt động ở chế độ DCM gây ra các tắc nghẽn dòng điện trên linh kiện điện tử. Vì thế, chỉ có chế độ CCM là phù hợp cho ứng dụng công suất lớn như bộ sạc tích hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu sẽ gồm hai phần: Mô phỏng và thiết kế Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng đánh giá hiệu quả của cấu hình PFC xen kẽ cho bộ chuyển đổi AC-DC ngõ vào và cấu hình Full-Bridge LLC cho bộ chuyển đổi DC-DC ngõ ra khi hoạt động ở công suất 7.4kW. Thiết kế: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, thiết kế PCB và dựng mô hình 3D trên phần mềm Altium Designer. Từ sơ đồ nguyên lý tính toán chi phí linh kiện cho một bộ sạc.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Bộ sạc tích hợp hai giai đoạn để sạc cho khối pin có điện áp 360V. Cấu hình tăng áp xen kẽ sẽ được sử dụng cho giai đoạn đầu để điều chỉnh hệ số công suất và giảm sóng hài (THD). Ở giai đoạn thứ hai, cấu hình cộng hưởng LLC được sử dụng để chuyển đổi điện áp dc-dc có cách ly.

Thảo luận kết quả

Bộ chuyển đổi cộng hưởng có nhiều ưu điểm hơn như giảm tổn thất đóng cắt và hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Hoạt động ở tần số cao giúp giảm kích thước các linh kiện từ hóa, dẫn đến tăng mật độ năng lượng. Và tính năng điện áp đóng cắt về sau mỗi chu kì (ZVS – Zero Voltage Switching) giúp loại trừ tác động của một số nhiễu điện từ.

Đề xuất và khuyến nghị

Giải pháp với động từ hành động, target metric, timeline, chủ thể thực hiện

Thiết kế bộ sạc tích hợp với công suất 7.4kW cho xe điện. Nghiên cứu cấu hình PFC xen kẽ để điều chỉnh hệ số công suất cho ngõ vào bộ sạc. Nghiên cứu phương pháp chuyển đổi cộng hưởng LLC để áp dụng cho phần chuyển đổi DC-DC ngõ ra của bộ sạc.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

4 nhóm đối tượng với lợi ích cụ thể và use case

Nhà sản xuất xe điện Nhà sản xuất pin Nhà sản xuất bộ sạc Người tiêu dùng xe điện

Câu hỏi thường gặp

5 câu hỏi, mỗi câu trả lời 50-70 từ với evidence/ví dụ

Câu hỏi 1: Bộ sạc tích hợp là gì? Bộ sạc tích hợp là một bộ sạc được nhà sản xuất gắn cố định trên xe, bộ sạc này sẽ lấy điện trực tiếp từ lưới điện dân dụng chuyển đổi thành điện áp DC và sạc đầy khối pin trên xe.

Câu hỏi 2: Cấu hình PFC xen kẽ là gì? Cấu hình PFC xen kẽ là một cấu hình bộ chuyển đổi AC-DC ngõ vào, được sử dụng để điều chỉnh hệ số công suất và giảm sóng hài (THD).

Câu hỏi 3: Cấu hình cộng hưởng LLC là gì? Cấu hình cộng hưởng LLC là một cấu hình bộ chuyển đổi DC-DC ngõ ra, được sử dụng để chuyển đổi điện áp dc-dc có cách ly.

Câu hỏi 4: Ưu điểm của bộ chuyển đổi cộng hưởng là gì? Bộ chuyển đổi cộng hưởng có nhiều ưu điểm hơn như giảm tổn thất đóng cắt và hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Hoạt động ở tần số cao giúp giảm kích thước các linh kiện từ hóa, dẫn đến tăng mật độ năng lượng.

Câu hỏi 5: Tác dụng của tính năng ZVS là gì? Tính năng ZVS giúp loại trừ tác động của một số nhiễu điện từ.

Kết luận

5 bullet points, đóng góp chính, timeline next steps, call-to-action

Đóng góp chính của luận văn là thiết kế bộ sạc tích hợp hai giai đoạn để sạc cho khối pin có điện áp 360V. Cấu hình tăng áp xen kẽ sẽ được sử dụng cho giai đoạn đầu để điều chỉnh hệ số công suất và giảm sóng hài (THD). Ở giai đoạn thứ hai, cấu hình cộng hưởng LLC được sử dụng để chuyển đổi điện áp dc-dc có cách ly. Bộ chuyển đổi cộng hưởng có nhiều ưu điểm hơn như giảm tổn thất đóng cắt và hiệu suất chuyển đổi cao hơn. Tính năng ZVS giúp loại trừ tác động của một số nhiễu điện từ.

Timeline next steps: Thiết kế và chế tạo bộ sạc tích hợp Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của bộ sạc tích hợp Cải thiện và tối ưu hóa thiết kế bộ sạc tích hợp

Call-to-action: Thiết kế và chế tạo bộ sạc tích hợp để đáp ứng nhu cầu của thị trường xe điện. Thử nghiệm và đánh giá hiệu suất của bộ sạc tích hợp để đảm bảo chất lượng và an toàn. Cải thiện và tối ưu hóa thiết kế bộ sạc tích hợp để tăng hiệu suất và giảm chi phí.