Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp xe điện, việc thiết kế bộ sạc tích hợp hiệu quả cho pin lithium-ion trở thành một vấn đề cấp thiết. Theo ước tính, thị trường xe điện toàn cầu đã đạt khoảng 5,2 triệu bộ pin được bán ra, trong đó bộ sạc tích hợp chiếm tới 90% trong 1,6 triệu bộ sạc nhanh nhất. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế bộ sạc tích hợp công suất 7,4 kW cho pin lithium-ion 360V, nhằm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi và giảm thiểu méo hài tổng (THD) trong quá trình sạc.

Mục tiêu chính của luận văn là mô phỏng và thiết kế bộ sạc tích hợp gồm hai giai đoạn: giai đoạn đầu sử dụng cấu hình Interleaved Boost để điều chỉnh hệ số công suất (PFC) và giảm sóng hài, giai đoạn thứ hai áp dụng bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC full-bridge để cách ly và chuyển đổi điện áp DC-DC. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc lựa chọn cấu hình phù hợp, mô phỏng trên phần mềm PSIM và thiết kế mạch trên Altium Designer trong khoảng thời gian từ tháng 8/2019 đến tháng 8/2020 tại TP. Hồ Chí Minh.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sạc pin lithium-ion, giảm kích thước bộ sạc và cải thiện độ bền của pin, góp phần thúc đẩy ứng dụng xe điện tại Việt Nam và khu vực, đồng thời hỗ trợ các nhà sản xuất trong việc phát triển sản phẩm thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết điều chỉnh hệ số công suất (PFC): Sử dụng cấu hình Interleaved Boost PFC nhằm giảm sóng hài tổng (THD) và cải thiện hệ số công suất đầu vào. Các khái niệm chính bao gồm Continuous Conduction Mode (CCM), Discontinuous Conduction Mode (DCM), và Critical Conduction Mode (CRM), giúp phân tích hoạt động của bộ chuyển đổi trong các điều kiện dòng điện khác nhau.

  2. Lý thuyết bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC full-bridge: Áp dụng mô hình cộng hưởng gồm cuộn cảm Lr, tụ điện Cr và cuộn cảm magnetizing Lm để tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi DC-DC với khả năng chuyển đổi điện áp rộng và cách ly galvanic. Các khái niệm chính gồm Zero Voltage Switching (ZVS), Zero Current Switching (ZCS), và các vùng hoạt động của bộ chuyển đổi cộng hưởng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng khác bao gồm: sóng hài tổng (THD), điều chỉnh công suất (PWM), hiệu suất chuyển đổi, và các cấu hình mạch AC-DC, DC-DC phổ biến như Half-Bridge, Full-Bridge, Phase-Shift Full Bridge (PSFB), Flyback, Resonant Converter (SRC, PRC, SPRC).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng và thiết kế thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu pin lithium-ion 360V công suất 3,2 kW, thông số kỹ thuật linh kiện bán dẫn SiC MOSFET, và các đặc tính mạch điện từ các báo cáo ngành và tài liệu học thuật.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng mạch Interleaved Boost PFC và Full-Bridge LLC trên phần mềm PSIM để đánh giá hiệu suất, sóng hài, và tổn thất nhiệt. Thiết kế mạch nguyên lý và PCB trên Altium Designer, đồng thời phân tích nhiệt MOSFET bằng mô hình nhiệt.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Tập trung vào thiết kế mạch công suất 7,4 kW phù hợp với pin lithium-ion 360V, lựa chọn cấu hình mạch dựa trên so sánh hiệu suất và tổn thất giữa các cấu hình PFC và DC-DC phổ biến.

  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 8/2019 đến tháng 8/2020, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng, thiết kế mạch, và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất và giảm sóng hài của Interleaved Boost PFC: Mô phỏng cho thấy cấu hình Interleaved Boost PFC giảm sóng hài tổng (THD) xuống dưới 10%, cải thiện hệ số công suất lên trên 0,95, cao hơn so với cấu hình Boost truyền thống có THD khoảng 20% và hệ số công suất 0,85.

  2. Hiệu quả chuyển đổi của bộ chuyển đổi Full-Bridge LLC: Bộ chuyển đổi cộng hưởng LLC đạt hiệu suất chuyển đổi trên 96% trong dải điện áp pin từ 320V đến 420V, giảm tổn thất nhiệt trên MOSFET khoảng 15% so với các cấu hình Half-Bridge hoặc Phase-Shift Full Bridge.

  3. Giảm kích thước và tổn thất nhiệt: Thiết kế mạch trên Altium Designer với mô hình 3D giúp tối ưu hóa bố trí linh kiện, giảm kích thước bộ sạc khoảng 20% so với thiết kế truyền thống. Mô phỏng nhiệt cho thấy MOSFET SiC hoạt động ổn định với nhiệt độ dưới 85°C trong điều kiện tải tối đa.

  4. Tính ổn định và khả năng điều chỉnh: Thuật toán điều khiển dòng trung bình giúp duy trì hoạt động ổn định của mạch PFC trong chế độ CCM, đồng thời bộ chuyển đổi LLC có khả năng điều chỉnh tần số để thích ứng với biến đổi điện áp pin, đảm bảo hiệu suất cao trong suốt quá trình sạc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả cao đến từ việc sử dụng cấu hình Interleaved Boost PFC, giúp giảm dòng gợn và tổn thất trên linh kiện bán dẫn, đồng thời cải thiện hệ số công suất đầu vào. So sánh với các nghiên cứu gần đây cho thấy kết quả tương đồng hoặc vượt trội về hiệu suất và giảm THD.

Bộ chuyển đổi Full-Bridge LLC với khả năng chuyển đổi cộng hưởng và ZVS giúp giảm tổn thất chuyển mạch, tăng tuổi thọ linh kiện và giảm nhiệt độ hoạt động. Kết quả mô phỏng nhiệt và bố trí PCB 3D minh họa rõ ràng sự tối ưu trong thiết kế, có thể trình bày qua biểu đồ nhiệt độ MOSFET và sơ đồ bố trí linh kiện.

Việc lựa chọn cấu hình mạch dựa trên phân tích chi tiết các mô hình PFC và DC-DC phổ biến, đồng thời cân nhắc chi phí, hiệu suất và độ bền, phù hợp với yêu cầu thực tế của bộ sạc pin lithium-ion công suất 7,4 kW.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai sản xuất bộ sạc tích hợp Interleaved Boost PFC và Full-Bridge LLC: Đẩy mạnh ứng dụng cấu hình này trong các bộ sạc pin lithium-ion công suất từ 7 kW trở lên, nhằm nâng cao hiệu suất và giảm tổn thất, dự kiến hoàn thành trong vòng 12 tháng, do các nhà sản xuất thiết bị điện tử thực hiện.

  2. Phát triển thuật toán điều khiển dòng trung bình cho PFC: Tối ưu hóa thuật toán điều khiển để duy trì hoạt động ổn định trong chế độ CCM, giảm thiểu sóng hài và tăng tuổi thọ linh kiện, áp dụng trong vòng 6 tháng bởi nhóm nghiên cứu và kỹ sư phần mềm.

  3. Tối ưu hóa thiết kế PCB và mô hình 3D: Áp dụng thiết kế PCB 3D trên Altium Designer để giảm kích thước và cải thiện tản nhiệt, hoàn thiện trong 9 tháng, do đội ngũ thiết kế phần cứng đảm nhiệm.

  4. Nâng cao chất lượng linh kiện SiC MOSFET: Lựa chọn và thử nghiệm các loại MOSFET SiC có thông số kỹ thuật phù hợp để giảm tổn thất nhiệt và tăng hiệu suất chuyển đổi, tiến hành trong 6 tháng, phối hợp giữa nhà cung cấp linh kiện và nhóm nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà sản xuất bộ sạc pin lithium-ion: Nghiên cứu cung cấp giải pháp thiết kế bộ sạc tích hợp hiệu quả, giúp cải thiện sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

  2. Kỹ sư thiết kế mạch điện công suất: Tham khảo các cấu hình PFC và DC-DC hiện đại, cùng phương pháp mô phỏng và thiết kế PCB 3D để nâng cao kỹ năng và hiệu quả công việc.

  3. Nhà nghiên cứu trong lĩnh vực xe điện và năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về bộ sạc tích hợp, hỗ trợ phát triển các công nghệ mới trong ngành.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật điện tử công suất: Tài liệu tham khảo chi tiết về mô hình, thuật toán điều khiển và thiết kế mạch, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ sạc tích hợp Interleaved Boost PFC có ưu điểm gì so với Boost truyền thống?
    Interleaved Boost PFC giảm sóng hài tổng (THD) xuống dưới 10%, cải thiện hệ số công suất lên trên 0,95, trong khi Boost truyền thống có THD khoảng 20% và hệ số công suất 0,85. Điều này giúp giảm tổn thất và tăng hiệu quả sử dụng điện.

  2. Tại sao chọn bộ chuyển đổi Full-Bridge LLC cho giai đoạn DC-DC?
    Full-Bridge LLC cho hiệu suất chuyển đổi trên 96%, giảm tổn thất nhiệt và hỗ trợ cách ly galvanic, phù hợp với dải điện áp pin rộng từ 320V đến 420V, giúp bảo vệ pin và tăng tuổi thọ thiết bị.

  3. Làm thế nào để giảm tổn thất nhiệt trên MOSFET trong bộ sạc?
    Sử dụng MOSFET SiC với khả năng chuyển mạch nhanh và tổn thất thấp, kết hợp thiết kế PCB 3D tối ưu hóa tản nhiệt và điều khiển ZVS giúp giảm nhiệt độ hoạt động dưới 85°C.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng và thiết kế bộ sạc?
    Phần mềm PSIM được dùng để mô phỏng mạch điện và đánh giá hiệu suất, trong khi Altium Designer hỗ trợ thiết kế mạch nguyên lý, PCB và mô hình 3D, giúp tối ưu hóa bố trí linh kiện.

  5. Bộ sạc tích hợp này có thể áp dụng cho loại pin nào?
    Nghiên cứu tập trung vào pin lithium-ion 360V công suất 7,4 kW, phù hợp với các loại pin dùng trong xe điện hiện đại, đặc biệt là các xe lai và xe điện có yêu cầu sạc nhanh và hiệu quả cao.

Kết luận

  • Thiết kế bộ sạc tích hợp gồm Interleaved Boost PFC và Full-Bridge LLC đạt hiệu suất chuyển đổi trên 96% và giảm sóng hài tổng dưới 10%.
  • Mô phỏng và thiết kế PCB 3D giúp giảm kích thước bộ sạc khoảng 20% và kiểm soát nhiệt độ MOSFET dưới 85°C.
  • Thuật toán điều khiển dòng trung bình duy trì hoạt động ổn định trong chế độ CCM, tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ linh kiện.
  • Giải pháp phù hợp cho pin lithium-ion 360V công suất 7,4 kW, hỗ trợ phát triển xe điện và các ứng dụng năng lượng tái tạo.
  • Đề xuất triển khai sản xuất và nâng cao chất lượng linh kiện trong vòng 6-12 tháng để ứng dụng rộng rãi.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo về tối ưu hóa thuật toán điều khiển và tích hợp các công nghệ mới nhằm nâng cao hiệu quả bộ sạc. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để thúc đẩy ngành công nghiệp xe điện phát triển bền vững.