Đặt vấn đề Mối quan tâm ngày càng tăng trong việc giảm lượng khí thải gây ô nhiễm do các phương tiện giao thông vận tải đã dẫn đến việc áp dụng các phương tiện chạy bằng các nguồn năng lượng tương đối sạch hơn, chẳng hạn như pin, pin nhiên liệu, v., thay cho các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (ICE). Phương tiện sử dụng điện (EV) đang được rất nhiều học viện và các ngành công nghiệp nỗ lực nghiên cứu để cải thiện hiệu suất tổng thể nhằm thay thế cho phương tiện IEC. Các giải pháp khác nhau đang được áp dụng để tăng tính chủ động của các phương tiện như chế tạo pin có mật độ năng lượng cao hơn, làm giãn pin trong quá trình tăng tốc và tái tạo bằng cách cung cấp và hấp thụ công suất đỉnh hiện tại bằng siêu tụ điện, sắp xếp nhanh bộ sạc, sạc khi đang di chuyển, v. Pin trên bo mạch thường được sạc tại nhà hoặc tại nhà ga / bãi đậu xe thông qua bộ sạc pin dẫn điện.
Trong hầu hết các bộ sạc pin, nguồn điện chỉ truyền từ lưới điện đến pin và vì lý do này, chúng thường được gọi là bộ sạc pin một chiều (UBC); bên cạnh đơn giản về mạch, UBC có khả năng kết nối lưới điện giảm và giảm độ suy giảm pin. Mặt khác, một số bộ sạc pin quản lý dòng điện chạy theo cả hai hướng và có thể thực hiện hoạt động phụ trợ có lợi cho lưới điện, chẳng hạn như hấp thụ công suất đỉnh hoặc bù công suất phản kháng. Những bộ sạc pin này được gọi là bộ sạc pin hai chiều (BBC). Việc sạc xe điện có thể được thực hiện bằng hai cách: sạc có dây hoặc sạc không dây.
Sạc có dây sử dụng các phương tiện kết nối giữa nguồn điện và sạc đầu vào của xe. Mặc dù sạc có dây rất phổ biến, nhưng vấn đề với dây điện lộn xộn và vấn đề an toàn trong môi trường ẩm ướt là một nhược điểm lớn của loại sạc này. Trong vài năm gần đây, mối quan tâm lớn đang tăng lên đối với việc truyền tải điện không dây. Công nghệ này tuy còn mới ở Việt Nam nhưng chắc chắc trong tương lai không xa chúng ta sẽ làm chủ được công nghệ này.
Với vai trò là sinh viên tự động hoá, việc nghiên cứu công nghệ này là cần thiết và có thể sẽ phục vụ cho công việc sau này. Từ những nhu cầu và ý nghĩa trên, chúng em đã lựa chọn đồ án tốt nghiệp với nội dung: “Điều khiển sạc xe điện không dừng”. Đề tài có nhiệm vụ chính là: Thiết kế phần động lực Thiết kế phần điều khiển Sinh viên: Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Mai Mô phỏng và đánh giá kết quả 1.1 Khái niệm WPTS Các thiết bị kích hoạt nguồn cung cấp qua từ trường được gọi là hệ thống truyền điện không dây (WPTS).
Công nghệ sạc không dây mang lại một số lợi thế so với pin có dây như: không cần thiết bất kỳ phích cắm, cáp hoặc ổ cắm nào; an toàn trong quá trình sạc; không sợ chuyển năng lượng trong bất kỳ điều kiện môi trường nào, v. Vì những lý do này, WPTS dự kiến sẽ đóng một vai trò quan trọng trong quá trình sạc pin cho xe điện trong tương lai.2 Cấu trúc hệ thống WPTS cơ bản Hình 1.1 Cấu trúc WPTS cơ bản WPTS có cấu trúc như Hình 1. Nó có cấu tạo gồm hai phần: phần phát và phần thu. Máy phát được chôn vào mặt đường và được cung cấp bởi nguồn điện, bộ thu được lắp trong xe điện và cung cấp năng lượng cho pin trong xe, phần còn lại là tải của WPTS và được đại diện bằng một điện trở trong Hình 1.
Mỗi phần của WPTS bao gồm một thiết bị ghép nối và một bộ chuyển đổi điện năng. Ngoài ra để hệ thống hoạt động thì phần phát và phần thu đều có một bộ điều khiển điện tử (ECU). Hai ECU chi phối hoạt động của WPTS. Nhiệm vụ quản lý được chia thành hai tầng: cấp trên (up lever) cung cấp cho việc quản lý phần nguồn; trong khi phần dưới ( down level) điều khiển bộ chuyển đổi công suất.2 Tổng quan về cảm ứng điện từ 1.1 Luận điểm Maxwell thứ nhất – điện trường xoáy Xét một mạch kín đứng yên trong từ trường biến thiên.
Từ thông qua mạch kín đó thay đổi làm trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng. Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng, chứng tỏ trong mạch phải tồn tại một trường lực lạ. Phân tích các kết quả thực Sinh viên: Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Mai nghiệm của Faraday, Maxwell cho rằng, trường lực lạ ở đây chính là điện trường.
Nhưng điện trường này không phải là điện trường tĩnh, vì như ta đã biết, điện trường tĩnh không thể làm di chuyển điện tích theo mạch kín được. Maxwell cho rằng điện trường đó phải là điện trường xoáy. Xét một mạch kín đứng yên trong từ trường biến thiên. Từ thông qua mạch kín đó thay đổi làm trong mạch xuất hiện dòng điện cảm ứng.
Sự xuất hiện dòng điện cảm ứng, chứng tỏ trong mạch phải tồn tại một trường lực lạ. Phân tích các kết quả thực nghiệm của Faraday, Maxwell cho rằng, trường lực lạ ở đây chính là điện trường. Nhưng điện trường này không phải là điện trường tĩnh, vì như ta đã biết, điện trường tĩnh không thể làm di chuyển điện tích theo mạch kín được. Maxwell cho rằng điện trường đó phải là điện trường xoáy.
Khác với điện trường tĩnh, điện trường xoáy có các đường sức khép kín và lưu thông của vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo một được cong bất kỳ không những phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối, mà còn phụ thuộc vào hình dạng đường cong mà ta tính lưu thông. Vì thế lưu thông của vectơ cường độ điện trường xoáy dọc theo một được cong kín bất kỳ là khác không. Chính vì vậy, điện trường xoáy đóng vai trò là trường lực lạ, tạo ra suất điện động làm di chuyển điện tích trong mạch, tạo thành dòng điện khép kín.2 Từ trường biến thiên ra điện xoáy Dựa vào định luật Faraday về hiện tượng cảm ứng điện từ, Maxwell đã xây dựng một phương trình diễn tả định lượng luận điểm thứ nhất của mình: Phương trình (1.1) được gọi là phương trình Maxwell – Faraday ở dạng tích phân. Nó diễn tả đặc tính xoáy của điện trường.
Trong đó, vế phải thể hiện tốc độ biến thiên của từ thông qua diện tích S; vế trái là lưu thông của vectơ cường độ điện Sinh viên: Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Mai trường xoáy dọc theo chu tuyến L bao quanh S. Ở dạng vi phân, phương trình Maxwell-Faraday có dạng: Trong đó, toán tử vi phân rot E là một vec tơ có các thành phần được xác định bởi định thức: Do đó (1.2) tương đương với hệ ba phương trình đại số: 1.2 Luận điểm Maxwell thứ hai- dòng điện dịch Ở luận điểm thứ nhất, Maxwell cho rằng mọi từ trường biến thiên đều sinh ra điện trường (xoáy). Phân tích các hiện tượng điện từ khác Maxwell khẳng định phải có điều ngược lại: “Mọi điện trường biến thiên theo thời gian đều làm xuất hiện từ trường” luận điểm thứ hai của Maxwell.
Vì từ trường là dấu hiệu cơ bản nhất và tất yếu của mọi dòng điện, nên, nếu sự biến thiên của điện trường tạo ra từ trường thì sự biến thiên của điện trường đó có tác dụng như một dòng điện. Maxwell gọi đó là dòng điện dịch, để phân biệt với dòng điện dẫn -là dòng chuyển dời có hướng của các điện tích. Dòng điện dịch có tính chất cơ bản giống dòng điện dẫn ở chỗ nó gây ra từ trường. Nhưng nó không giống dòng điện dẫn về bản chất: dòng điện dẫn là do sự chuyển dời có hướng của các điện tích trong một môi trường dẫn nào đó; còn dòng điện dịch là do sự biến thiên của điện trường sinh ra.
Vì thế, khác với dòng điện dẫn, dòng điện dịch có thể tồn tại ngay cả trong điện môi hoặc trong chân không; dòng điện dịch không có tác dụng nhiệt Joule - Lenz như dòng điện dẫn. Để hình dung về dòng điện dịch, ta xét một mạch điện xoay chiều gồm tụ điện C mắc nối tiếp với một bóng đèn. Đèn sáng bình thường, điều này có phải dòng điện đã chạy qua tụ điện không? Không phải! Do tụ điện liên tục phóng điện và nạp điện nên trong dây dẫn và đèn luôn tồn tại dòng điện dẫn xoay chiều. Còn giữa hai bản tụ điện, mạch hở nên không có dòng điện dẫn.
Nhưng hiệu điện thế giữa hai bản tụ luôn Sinh viên: Hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Mai biến thiên làm điện trường trong lòng tụ biến thiên, sinh ra dòng điện dịch. Như vậy dòng điện dẫn trong dây dẫn của mạch điện đã được đóng kín bằng dòng điện dịch trong lòng tụ điện. Với giả thuyết về dòng điện dịch, bằng cách vận dụng định lý Ampère về lưu thông của vectơ cường độ từ trường, Maxwell đã thiết lập được biểu thức định lượng cho luận điểm thứ hai của mình: Phương trình (1.5) được gọi là phương trình Maxwell-Ampère ở dạng tích phân.
Dt j Trong đó là mật độ dòng điện dẫn, là mật độ dòng điện dịch; vế phải biểu diễn cường độ dòng điện toàn phần (gồm dòng điện dẫn và dòng điện dịch) chảy qua tiết diện S; vế trái là lưu thông của vectơ cường độ từ trường dọc theo chu tuyến L bao quanh S. Ở dạng vi phân, phương trình Maxwell-Ampère có dạng: Phương trình (1.6) tương đương với hệ ba phương trình đại số: Kết luận: theo lý thuyết của Maxwell khi có một điện trường biến thiên thì sẽ sinh ra một từ trường biến thiên bao quanh nó đến lượt từ trường biến thiên này làm cho các hạt mang điện dao động và lại sinh ra một điện trường biến thiên và cứ thế điện trường và từ trường biến thiên được lan truyền trong không gian với vận tốc cỡ 300.3 Hiện tượng cảm ứng điện từ Khi có sự biến thiên của từ thông gửi qua diện tích giới hạn bởi một mạch điện kín thì trong mạch xuất hiên dòng điện cảm ứng. Hiện tượng cảm ứng điện từ chứng tỏ: nhờ có từ trường ta có thể tạo ra dòng điện. Dòng điện cảm ứng trong mạch điện kín phải có chiều sao cho từ trường mà nó sinh ra chống lại sự biến thiên của từ thông qua mạch (định luật Lenz) Sinh viên: Hướng dẫn: TS.
Nguyễn Hoàng Mai Từ thông gửi qua vòng dây thay đổi khi dịch chuyển nó trong từ trường. Để tìm biểu thức của suất điện động cảm ứng, ta dịch chuyển một vòng dây dẫn kín (C) trong từ trường để từ thông gửi qua vòng dây thay đổi.