Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhu cầu sử dụng xe điện (Electric Vehicles - EVs) xuất phát từ mục tiêu giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái tạo và hạn chế ô nhiễm môi trường do các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong gây ra. Trong nhóm các phương tiện năng lượng mới (New Energy Vehicles - NEV), xe điện đóng vai trò trọng tâm. Đi cùng sự phát triển của công nghệ pin lưu trữ, việc sạc điện là yếu tố then chốt duy trì vận hành phương tiện. Tuy nhiên, phương thức sạc có dây truyền thống bộc lộ các hạn chế về thao tác cắm nối vật lý, nguy cơ hỏng hóc cơ cấu tiếp xúc, rối loạn dây dẫn và tính bất tiện trong điều kiện thời tiết xấu. Đề tài "Thiết kế, chế tạo sạc không dây cho pin xe điện" được tác giả Trần Hồ Minh Quang thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Đỗ Văn Dũng tại Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm giải quyết vấn đề truyền tải điện năng không tiếp xúc cho phương tiện giao thông.

Về tình hình nghiên cứu, đề tài điểm qua các công trình tiêu biểu:

  • Trong nước: Hướng nghiên cứu trạm sạc không dây tự động công suất 80 kW khi ô tô di chuyển vào làn sạc của PGS.TSKH. Ngô Đăng Lưu; mô hình sạc không dây động của TS. Nguyễn Kiên Trung cùng nhóm nghiên cứu phòng thí nghiệm APES (Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội) giới thiệu năm 2018.
  • Ngoài nước: Nghiên cứu của Đại học Stanford (2017) về hệ thống truyền tải điện không dây động cho xe điện ("Dynamic Wireless Power Transfer System for Electric Vehicle Charging"); nghiên cứu của Viện Công nghệ Massachusetts - MIT (2018) về tối ưu hóa hiệu suất và an toàn truyền năng lượng ("Efficient and Safe Wireless Power Transfer for Electric Vehicle Charging"); bài báo tổng quan trên tạp chí IEEE Access (2019) về xu hướng và thách thức kỹ thuật của công nghệ sạc không dây.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 4 nhiệm vụ chính:

  1. Thiết kế và phát triển một hệ thống sạc không dây có khả năng chuyển đổi công suất từ một nền sạc đến một xe điện mà không cần đến kết nối vật lý.
  2. Tối ưu hóa hiệu suất sạc và khả năng truyền tải công suất của hệ thống sạc không dây nhằm đảm bảo quá trình sạc ổn định cho xe điện.
  3. Thực hiện các biện pháp an toàn và giao thức bảo vệ người dùng, phương tiện và cơ sở hạ tầng sạc trong quá trình sạc không dây.
  4. Đánh giá hiệu suất và hiệu quả của hệ thống thông qua các bài kiểm tra, mô phỏng và xác thực, so sánh với phương pháp sạc truyền thống.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống truyền tải điện không dây bằng phương pháp cảm ứng điện từ (Inductive Power Transfer - IPT) ứng dụng cho khối pin Lithium trên xe điện.
  • Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát lý thuyết về các cấu trúc bù công suất, tiêu chuẩn sạc, cấu trúc cuộn dây; thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink với điện áp vào 400V DC; thiết kế, chế tạo phần cứng mô hình thực nghiệm quy mô nhỏ sử dụng nguồn 48V DC, công suất danh định tính toán 10 kW, tần số làm việc 50 kHz, điều khiển đóng cắt cầu nghịch lưu bằng vi điều khiển Arduino. Nghiên cứu hoàn thành và bảo vệ trong năm 2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

Nghiên cứu dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ được Michael Faraday phát hiện năm 1831 và các phát triển ban đầu của Nikola Tesla. Trong hệ thống truyền công suất cảm ứng (IPT), năng lượng được truyền qua khe hở không khí giữa cuộn dây sơ cấp (phía phát) và cuộn dây thứ cấp (phía thu) thông qua hiện tượng hỗ cảm.

Các công thức toán học cơ bản được tác giả sử dụng gồm:

  • Hệ số ghép nối giữa hai cuộn dây ($k$): $$k = \frac{M}{\sqrt{L_p L_s}} \quad (0 < k < 1)$$ Trong đó $M$ là độ hỗ cảm, $L_p$ và $L_s$ lần lượt là độ tự cảm của cuộn sơ cấp và thứ cấp.
  • Suất điện động cảm ứng trên cuộn thứ cấp theo định luật Faraday: $$U_{oc} = j\omega M I_p$$
  • Dòng điện ngắn mạch phía thứ cấp: $$I_{sc} = \frac{j\omega M I_p}{j\omega L_s} = \frac{M I_p}{L_s}$$
  • Công suất cực đại truyền tải khi không sử dụng mạch bù: $$P_{\max} = \frac{\omega M^2 I_p^2}{2 L_s}$$
  • Tần số cộng hưởng của mạch: $$f_{res} = \frac{1}{2\pi \sqrt{L C}}$$
  • Hệ số phẩm chất của cuộn dây ($Q$): $$Q = \frac{\omega L}{R}$$

Cấu trúc mạch bù cộng hưởng

Do khe hở không khí giữa hai cuộn dây trong ứng dụng xe điện thường dao động từ 150 mm đến 300 mm, hệ số ghép nối $k$ đạt mức thấp (khoảng 0,2 đến 0,3), gây ra từ thông rò rỉ lớn và suy giảm công suất truyền tải. Để khắc phục hiện tượng lệch pha giữa dòng điện và điện áp cũng như bù đắp công suất phản kháng, hệ thống bắt buộc phải tích hợp mạng bù cộng hưởng ở cả hai phía sơ cấp và thứ cấp.

Cấu trúc bù Ký hiệu Đặc điểm điện dung sơ cấp ($C_p$) Hệ số chất lượng sơ cấp ($Q_p$) Hệ số chất lượng thứ cấp ($Q_s$)
Nối tiếp - Nối tiếp SS $C_p = \frac{L_s C_s}{L_p}$ $Q_p = \frac{\omega_0 L_p R_L}{M^2 \omega_0^2}$ $Q_s = \frac{\omega_0 L_s}{R_L}$
Nối tiếp - Song song SP $C_p = \frac{L_s C_s}{L_p - \frac{M^2}{L_s}}$ $Q_p = \frac{\omega_0 L_p L_s^2}{M^2 R_L}$ $Q_s = \frac{R_L}{\omega_0 L_s}$
Song song - Nối tiếp PS $C_p = \frac{L_p}{\omega_0^2 L_p^2 + \frac{M^4 \omega_0^2}{L_s^2 C_s^2 R_L^2}}$ $Q_p = \frac{R_L L_p^2}{M^2 \omega_0 L_s}$ $Q_s = \frac{\omega_0 L_s}{R_L}$
Song song - Song song PP $C_p = \frac{L_p - \frac{M^2}{L_s}}{\omega_0^2 \left(L_p - \frac{M^2}{L_s}\right)^2 + \frac{M^4 R_L^2}{\omega_0^2 L_s^4}}$ $Q_p = \frac{R_L L_s^2 \left(L_p L_s - M^2\right)}{M^2 \omega_0 L_s^3}$ $Q_s = \frac{R_L}{\omega_0 L_s}$

Tác giả lựa chọn cấu trúc nối tiếp - nối tiếp (SS) cho hệ thống do ưu điểm vượt trội: giá trị tụ điện bù ở phía nguồn và máy thu độc lập hoàn toàn với điều kiện biến thiên của tải và điện cảm lẫn nhau. Nhờ đó, tần số cộng hưởng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào độ tự cảm của bản thân các cuộn dây, giúp nguồn phát duy trì hệ số công suất ổn định mà không phát sinh thêm thành phần phản kháng ảo phản xạ ngược về cuộn phát.

Tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Khóa luận tổng hợp và tham chiếu ba tiêu chuẩn sạc không dây hiện hành:

  1. Tiêu chuẩn SAE J2954-2016: Hướng dẫn kỹ thuật chuẩn hóa truyền điện không dây cho phương tiện xe nhẹ cố định, xác định 4 cấp công suất (WPT-1: 3,7 kW; WPT-2: 7,7 kW; WPT-3: 11 kW; WPT-4: 22 kW), hoạt động ở dải tần số 81,38 - 90 kHz (tần số trung tâm 85 kHz), yêu cầu hiệu suất tối thiểu đạt trên 85% trong khoảng cách gầm xe từ 100 đến 250 mm.
  2. Tiêu chuẩn Qi (Wireless Power Consortium - WPC): Phạm vi công suất thấp từ 5 đến 15 W, tần số từ 87 đến 205 kHz, khoảng cách truyền tối đa 4 cm.
  3. Tiêu chuẩn A4WP (Alliance for Wireless Power Transfer): Sử dụng hiện tượng cộng hưởng từ ở dải tần ISM 6,78 MHz, công suất lên tới 50 W, giao tiếp quản lý sạc ngoài băng tần qua giao thức Bluetooth Low Energy (BLE) ở tần số 2,4 GHz, cho phép truyền năng lượng ở khoảng cách lên đến vài mét và nạp đồng thời nhiều thiết bị.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp tổng quan tài liệu: Phân tích các ấn phẩm khoa học, tài liệu chuyên ngành về điện tử công suất, cảm ứng điện từ và hệ thống quản lý pin (BMS).
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink (khối Simscape Electrical) để mô hình hóa bộ nghịch lưu cầu H, mạch ghép hỗ cảm Mutual Inductance, mạng bù SS, chỉnh lưu và tải tiêu thụ.
  • Phương pháp thực nghiệm kỹ thuật: Lựa chọn linh kiện, quấn cuộn dây dẫn, lắp ráp mạch lực biến đổi điện áp, lập trình vi điều khiển Arduino tạo tín hiệu điều biến độ rộng xung (PWM) và chạy thử nghiệm mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống sạc không dây được chia thành hai khối chức năng chính: khối phát năng lượng (Transmitter) và khối nhận năng lượng (Receiver).

Kiến trúc hệ thống

  1. Khối phát năng lượng (Transmitter):
    • Nguồn cấp điện một chiều (Vin).
    • Bộ nghịch lưu toàn cầu (Full-bridge Inverter) gồm 4 van đóng cắt IGBT nhằm biến đổi điện áp DC thành điện áp xoay chiều AC tần số cao.
    • Khối điều khiển vi xử lý Arduino xuất tín hiệu PWM tần số 50 kHz kích mở luân phiên hai cặp van chéo nhau (IGBT 1-4 và IGBT 2-3).
    • Tụ điện bù mắc nối tiếp ($C_p$) kết hợp với cuộn sơ cấp ($L_p$).
  2. Khối nhận năng lượng (Receiver):
    • Cuộn cảm ứng thứ cấp ($L_s$) tiếp nhận từ trường biến thiên qua khe hở không khí.
    • Tụ điện bù mắc nối tiếp ($C_s$).
    • Bộ chỉnh lưu cầu 4 diode biến đổi dòng điện AC tần số cao thành dòng DC.
    • Tụ lọc phẳng điện áp ($C_3$) kết nối với khối pin Lithium hoặc tải giả lập.

Thông số kỹ thuật mô phỏng và phần cứng

Tham số hệ thống Giá trị trong mô phỏng (Chương 4) Giá trị tính toán/thực tế (Chương 5)
Điện áp đầu vào ($V_{in}$) 400 V DC 48 V DC
Tần số làm việc ($f$) 50 kHz 50 kHz
Công suất thiết kế định mức ($P$) Không nêu cụ thể 10 kW
Điện áp đầu ra tải yêu cầu ($V_{out}$) Không nêu cụ thể 48 V DC
Độ tự cảm cuộn sơ cấp ($L_1/L_p$) 1 mH ($1 \times 10^{-3}$ H) 1,435 $\mu$H ($14,35 \times 10^{-7}$ H)
Độ tự cảm cuộn thứ cấp ($L_2/L_s$) 1 mH ($1 \times 10^{-3}$ H) 1,435 $\mu$H ($14,35 \times 10^{-7}$ H)
Điện trở nội cuộn dây ($R_1, R_2$) 0,01 $\Omega$ Không công bố
Hỗ cảm danh định ($L_m$) 0,1 mH ($0,1 \times \sqrt{1 \times 10^{-6}}$ H) Không công bố
Điện dung tụ bù sơ cấp ($C_1$) 10,132 nF ($1,0132 \times 10^{-8}$ F) 12 $\mu$F - 13 $\mu$F
Điện dung tụ bù thứ cấp ($C_2$) 10,132 nF ($1,0132 \times 10^{-8}$ F) 12 $\mu$F - 13 $\mu$F
Điện dung tụ lọc ngõ ra ($C_3$) 220 $\mu$F ($220 \times 10^{-6}$ F) 220 $\mu$F ($0,00022$ F)
Quy cách cuộn dây vật lý Mô hình phần mềm 6 vòng dây đồng, $\Phi = 1,5$ mm, $\Phi_{trong} = 1$ cm

Triển khai mạch điều khiển Arduino

Mạch điều khiển sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp thư viện TimerOne để tạo xung kích chính xác ở tần số 50 kHz (chu kỳ tương ứng $T = 20,\mu\text{s}$). Bốn chân xuất tín hiệu kích xung PWM được phân bổ cho 4 cực G của IGBT gồm chân D3 (IGBT 1), chân D5 (IGBT 2), chân D6 (IGBT 3) và chân D9 (IGBT 4).

Cơ chế điều khiển trong chương trình:

  • Cấu hình các thanh ghi định thời Timer 1 (TCCR1A, TCCR1B) và thiết lập giá trị ngưỡng so sánh ngắt (OCR1A, OCR1B) dựa trên tần số xung nhịp hệ thống F_CPU.
  • Quá trình chuyển mạch luân phiên thực hiện trong hàm lặp loop(): Cặp van chéo IGBT 1 và 4 được kích dẫn trong nửa chu kỳ đầu, trong khi cặp IGBT 2 và 3 ở trạng thái khóa. Sau khoảng thời gian trễ một nửa chu kỳ (PWM_PERIOD / 2), trạng thái được đảo ngược đối xứng để tạo ra điện áp AC đối xứng cấp cho cuộn sơ cấp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 trình bày bối cảnh chung của việc chuyển đổi phương tiện giao thông sang xe điện, khẳng định sạc không dây là bước phát triển cần thiết nhằm tối ưu hóa sự tiện nghi và an toàn cho người dùng. Tác giả tổng thuật các nghiên cứu trong nước (trạm sạc 80 kW của PGS.TSKH Ngô Đăng Lưu, mô hình lab tour 2018 của TS. Nguyễn Kiên Trung) và các công trình quốc tế tại Stanford, MIT và IEEE Access. Chương này cũng xác định rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, phương pháp triển khai 6 bước, dự kiến kết quả đạt được cùng ý nghĩa khoa học - thực tiễn của đề tài.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chuyên sâu về công nghệ sạc không dây:

  • Phân tích lịch sử từ thí nghiệm cảm ứng điện từ của Michael Faraday (1831), các ý tưởng truyền điện của Nikola Tesla, thí nghiệm sóng vi ba của William C. Brown (thập niên 1960-1980), sự hình thành chuẩn Qi năm 2010 đến các xu hướng hiện đại.
  • Trình bày chi tiết 3 phương thức truyền điện không dây: truyền điện dung (CWPT), truyền bằng bánh răng từ tính (sử dụng hai nam châm vĩnh cửu quay đồng bộ) và truyền điện cảm ứng (IPT).
  • Phân tích toán học 4 cấu trúc mạng bù cộng hưởng (SS, SP, PS, PP); chứng minh khả năng truyền tải công suất cực đại của cuộn dây được bù tăng lên $2Q$ lần so với cuộn không bù.
  • Khảo sát kết cấu hình học cuộn dây (tròn, vuông, chữ nhật, lục giác); phân tích ưu thế giảm tổn hao dòng xoáy của cuộn dây tròn do không có góc nhọn sắc cạnh; khảo sát hình dạng các tấm ferrite định hình từ thông.
  • Trình bày các tiêu chuẩn kỹ thuật SAE J2954-2016, Qi và A4WP; phân tích vai trò của hệ thống quản lý pin (BMS) trong việc giám sát nhiệt độ, điện áp, đo đếm dòng điện Coulomb và bảo vệ an toàn cell pin Lithium-ion.

Chương 3: Ứng dụng của công nghệ sạc không dây

Chương 3 tập trung phân tích hai hình thức ứng dụng chính trên ô tô điện:

  • Hệ thống sạc xe điện không dây tĩnh (Static Wireless Electric Vehicle Charging System - S-WEVCS): Bộ truyền đặt ngầm dưới nền bãi đỗ xe hoặc sàn gara, bộ nhận gắn dưới gầm xe, khoảng cách truyền tải trung bình từ 150 đến 300 mm. Quá trình sạc tự động kích hoạt khi phương tiện đỗ đúng vị trí căn chỉnh.
  • Hệ thống sạc xe điện không dây động (Dynamic Wireless Electric Vehicle Charging System - D-WEVCS): Các dải cuộn dây sơ cấp được chôn liên tục dọc theo làn đường giao thông thành từng phân đoạn cấp điện (chiều dài mỗi đoạn từ 5 đến 10 m). Xe điện tiếp nhận năng lượng trực tiếp khi đang chuyển động, giúp giảm nhu cầu dung lượng pin trên xe xuống khoảng 20%, mở ra giải pháp cho xe tải nhẹ, xe buýt và phương tiện công cộng đô thị.

Chương 4: Mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

Chương 4 thực hiện mô phỏng kiểm chứng lý thuyết trên phần mềm Matlab/Simulink:

  • Lựa chọn thông số linh kiện: nguồn cấp 400V DC; mạch nghịch lưu 4 van IGBT; tần số chuyển mạch 50 kHz; khối hỗ cảm có $L_1 = L_2 = 1,\text{mH}$, điện trở nội $0,01,\Omega$, hỗ cảm $0,1,\text{mH}$; tính toán tụ bù nối tiếp tương ứng $C = 1,0132 \times 10^{-8},\text{F}$ ($10,132,\text{nF}$); mạch chỉnh lưu 4 diode và tụ lọc $C_3 = 220,\mu\text{F}$.
  • Kết quả mô phỏng thể hiện dạng sóng dao động hình sin của dòng điện qua cuộn sơ cấp (biên độ đỉnh xấp xỉ 1000A trong giai đoạn quá độ và ổn định quanh mức biên độ xác lập), dòng điện cuộn thứ cấp dao động đối xứng ở tần số 50 kHz và dòng điện một chiều sau chỉnh lưu cấp vào tải được lọc phẳng đạt mức ổn định.

Chương 5: Thiết kế mô hình sạc không dây cho pin-lithium

Chương 5 chuyển hóa từ mô phỏng lý thuyết sang chế tạo mô hình thực nghiệm:

  • Tính toán thiết kế hệ thống sạc công suất 10 kW với ngõ ra 48V, tần số hoạt động 50 kHz. Cuộn cảm ứng được tính toán và chế tạo thực tế gồm 6 vòng dây đồng có tiết diện đường kính 1,5 mm, đường kính trong lòng cuộn đạt 1 cm, độ tự cảm đo đạc đạt mức $1,435,\mu\text{H}$.
  • Chuẩn bị linh kiện thực tế: bộ nguồn 48V DC, 4 van bán dẫn IGBT, tụ điện bù $13,\mu\text{F}$, bộ cầu 4 diode chỉnh lưu, tụ hóa lọc nguồn $220,\mu\text{F}$ và bo mạch vi điều khiển Arduino.
  • Kết nối mạch điện hoàn chỉnh theo sơ đồ: nguồn 48V cấp vào cầu H IGBT; Arduino điều khiển cực G của IGBT qua các chân PWM D3, D5, D6, D9 tạo tần số 50 kHz; ngõ ra AC nối tiếp qua tụ bù và cuộn sơ cấp. Phía thứ cấp nhận năng lượng, chỉnh lưu cầu diode, lọc tụ phẳng và cấp vào khối pin Lithium.
  • Trình bày toàn bộ mã nguồn Arduino bằng thư viện TimerOne cùng lưu đồ thuật toán phân chia chu kỳ đóng cắt van.

Chương 6: Kết luận

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được sau quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp: tác giả đã nắm vững cơ sở lý thuyết, nguyên lý vận hành của hệ thống sạc IPT, thực hiện tính toán lựa chọn linh kiện, xây dựng thành công mô hình mô phỏng trên phần mềm Simulink và gia công lắp ráp hoàn thiện mô hình thực nghiệm phần cứng. Đồng thời, chương này thẳng thắn ghi nhận sự cố hư hỏng mô hình thực tế và đề ra định hướng phát triển tối ưu hóa hệ thống sạc trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả đạt được

  • Về mặt mô phỏng: Thiết lập hoàn chỉnh mô hình hệ thống sạc cảm ứng không dây trên Matlab/Simulink với bộ biến đổi nghịch lưu cầu H IGBT tần số 50 kHz, mạng bù cộng hưởng SS và chỉnh lưu thứ cấp. Các đồ thị dạng sóng ghi nhận dòng điện cuộn sơ cấp, dòng điện cảm ứng cuộn thứ cấp và dòng tải DC đã chứng minh nguyên lý truyền năng lượng qua liên kết hỗ cảm.
  • Về mặt thực nghiệm: Chế tạo thành công khối cuộn dây sơ cấp và thứ cấp (6 vòng, dây đồng 1,5 mm), lắp ráp hoàn chỉnh mạch lực cầu H IGBT, lập trình thuật toán điều khiển PWM 50 kHz chính xác trên nền tảng vi điều khiển Arduino qua thư viện TimerOne, kết nối liên kết bù nối tiếp $13,\mu\text{F}$ và khối chỉnh lưu lọc nguồn ngõ ra.

Đóng góp của đề tài

  1. Hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về các công nghệ sạc không dây, phân tích chuyên sâu các phương thức ghép nối từ tính và so sánh định lượng 4 cấu trúc mạng bù công suất cơ bản (SS, SP, PS, PP).
  2. Cập nhật chi tiết các khung tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế dành cho xe điện, đặc biệt là tiêu chuẩn SAE J2954-2016 cùng các yêu cầu an toàn từ trường và vai trò của hệ thống quản lý pin BMS.
  3. Hiện thực hóa quy trình thiết kế từ tính toán lý thuyết, mô phỏng kiểm chứng số liệu bằng phần mềm chuyên ngành đến triển khai chế tạo phần cứng thực tế với các linh kiện bán dẫn công suất và vi điều khiển phổ biến.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế được ghi nhận

  • Sự cố thực nghiệm: Mặc dù mô hình phần cứng đã được lắp ráp và chế tạo hoàn chỉnh, tuy nhiên hệ thống đã gặp sự cố chập cháy linh kiện vào phút cuối trước buổi nghiệm thu, khiến đồ án chưa thể đo đạc đầy đủ các thông số thực nghiệm về hiệu suất truyền tải, tổn hao nhiệt và độ ổn định thực tế trên tải pin Lithium.
  • Hạn chế về nhân lực và điều kiện làm việc: Đồ án do một sinh viên tự thực hiện trọn vẹn phần thực nghiệm và mô phỏng mà không có sự tham gia phối hợp của thành viên cùng nhóm, dẫn đến những giới hạn về mặt thời gian khảo sát và tối ưu hóa hệ thống bảo vệ mạch lực.
  • Phạm vi thử nghiệm: Chưa tích hợp hoàn chỉnh các vòng phản hồi điều khiển kín (Closed-loop control) để tự động điều chỉnh tần số theo tải thực tế cũng như chưa tích hợp mạch giao tiếp truyền dữ liệu giữa bộ sạc và khối pin BMS.

Hướng phát triển tiếp

  • Tái chế tạo và khắc phục hoàn thiện mô hình phần cứng, bổ sung các cơ chế bảo vệ chống ngắn mạch, bảo vệ quá dòng, quá áp và quá nhiệt cho dàn van IGBT.
  • Nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu hình học cuộn dây (tích hợp tấm chắn nhôm và thanh ferrite định hình từ thông) nhằm nâng cao hệ số ghép nối $k$ và giảm thiểu từ trường rò rỉ ra môi trường xung quanh.
  • Ứng dụng các thuật toán điều khiển thích nghi để duy trì tần số cộng hưởng khi khoảng cách truyền tải hoặc vị trí tâm cuộn dây bị lệch (misalignment).

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa đang nghiên cứu các đề tài liên quan đến xe điện, trạm sạc điện và điện tử công suất.
  • Các nhóm nghiên cứu thực hiện đồ án thiết kế mạch cộng hưởng: Tham khảo cách thiết lập mô hình mô phỏng hỗ cảm Mutual Inductance trên phần mềm Matlab/Simulink và cách tính toán giá trị tụ bù cộng hưởng SS.
  • Kỹ sư thực hành: Tham khảo sơ đồ nguyên lý ghép nối mạch lực cầu H IGBT và đoạn mã nguồn cấu hình trực tiếp thanh ghi vi điều khiển Arduino tạo xung kích đối xứng tần số cao 50 kHz.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao tác giả lựa chọn cấu trúc mạng bù nối tiếp - nối tiếp (SS) cho hệ thống sạc không dây xe điện?

Cấu trúc bù SS được lựa chọn vì mang lại ưu điểm: giá trị điện dung của tụ bù ở cả phía sơ cấp và phía thứ cấp hoàn toàn độc lập với sự thay đổi của tải điện trở ($R_L$) cũng như độ hỗ cảm ($M$). Do đó, tần số cộng hưởng của hệ thống chỉ phụ thuộc vào độ tự cảm của bản thân các cuộn dây, giúp hệ thống duy trì hệ số công suất ổn định mà không phát sinh thêm thành phần phản kháng ảo phản xạ ngược về cuộn phát.

2. Hệ thống mô phỏng và mô hình thực tế vận hành ở mức điện áp và tần số bao nhiêu?

Hệ thống mô phỏng trên Matlab/Simulink (Chương 4) sử dụng nguồn vào 400V DC, tần số chuyển mạch 50 kHz. Mô hình thiết kế và chế tạo phần cứng (Chương 5) sử dụng nguồn vào 48V DC, tần số nghịch lưu 50 kHz, điện áp đầu ra tải danh định 48V DC với mục tiêu công suất tính toán là 10 kW.

3. Tiêu chuẩn SAE J2954-2016 được văn bản trích dẫn quy định các cấp công suất nào cho sạc không dây xe điện?

Tiêu chuẩn SAE J2954-2016 quy định 4 lớp công suất đầu vào tối đa cho hệ thống sạc tĩnh xe nhẹ: WPT-1 (3,7 kW), WPT-2 (7,7 kW), WPT-3 (11 kW) và WPT-4 (22 kW). Tiêu chuẩn này quy định dải tần số hoạt động từ 81,38 đến 90 kHz (tần số trung tâm 85 kHz), hiệu suất truyền tải tối thiểu phải đạt trên 85% với khoảng cách khe hở không khí từ 100 đến 250 mm.

4. Kết cấu vật lý của cuộn dây truyền năng lượng trong mô hình thực nghiệm được chế tạo như thế nào?

Theo số liệu tại Chương 5 của đồ án, cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được gia công thực tế với thông số: quấn 6 vòng bằng dây đồng có đường kính tiết diện 1,5 mm, đường kính trong của cuộn dây đạt 1 cm, độ tự cảm đo được đạt mức $1,435,\mu\text{H}$.

5. Kết quả thực nghiệm mô hình phần cứng của đồ án đạt được đến đâu và gặp phải sự cố gì?

Tác giả đã hoàn thành việc chuẩn bị linh kiện, gia công cuộn dây, kết nối mạch lực cầu H IGBT, lập trình mã nguồn Arduino tạo xung kích 50 kHz và lắp ráp toàn bộ mô hình hoàn chỉnh. Tuy nhiên, theo ghi nhận tại kết luận của đồ án, mô hình phần cứng sau khi chế tạo đã gặp sự cố bị chập cháy ở thời điểm vận hành thử nghiệm cuối cùng, do đó chưa thực hiện được các phép đo kiểm định lượng trên tải pin thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, chế tạo sạc không dây cho pin xe điện" của sinh viên Trần Hồ Minh Quang đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết về truyền công suất không dây IPT, các cấu trúc mạch bù và tiêu chuẩn kỹ thuật sạc xe điện quốc tế. Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng trên Matlab/Simulink chứng minh sự truyền tải năng lượng ở tần số 50 kHz cũng như hiện thực hóa phần cứng điều khiển cầu nghịch lưu IGBT bằng Arduino. Mặc dù mô hình thực tế gặp sự cố chập cháy ở giai đoạn thử nghiệm cuối cùng, các tính toán lý thuyết, quy trình thiết kế mạch và giải thuật lập trình trong đồ án vẫn cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho các nghiên cứu tiếp nối về sạc không dây cho phương tiện giao thông.