nghiên cứu thiết kế bộ nguồn sạc pin lithium ion xe điện với hiệu suất cao

Phân tích sóng hài bậc nhất bộ biến đổi cộng hưởng Thông thường bộ biến đổi gồm các van bán dẫn có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay chiều

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ NGUỒN SẠC PIN LITHIUM-ION XE ĐIỆN VỚI HIỆU SUẤT CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP _

NGUYỄN QUANG MINH

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Quang Minh

Sinh ngày: 14 tháng 12 năm 1990

Học viên lớp cao học khoá 24 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH Một thành viên Cơ điện và Vật liệu nổ 31

Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion xe điện với hiệu suất cao” do thầy giáo TS Đỗ Đức Tuấn hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng

Thái Nguyên, ngày…….tháng … năm 2023

Học viên

Nguyễn Quang Minh

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận

tình giúp đỡ của thầy giáo TS Đỗ Đức Tuấn, luận văn với đề tài “Nghiên cứu, thiết kế bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion xe điện với hiệu suất cao” đã được hoàn thành

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:

Thầy giáo hướng dẫn TS Đỗ Đức Tuấn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác

giả hoàn thành luận văn Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Minh

MỤC LỤC

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 8

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẠC PIN XE ĐIỆN 12

1.1 Tình hình hiện tại và xu thế phát triển của xe điện 12

1.2 Cấu trúc các bộ biến đổi trong Hệ thống sạc nhanh xe điện 13

1.2.1 Trạm sạc nhanh XFC và phân phối điện năng 13

1.2.2 Trạm sạc XFC phân phối xoay chiều (AC) 14

1.2.3 Trạm sạc XFC phân phối một chiều (DC) 15

1.2.4 Phân tích ưu nhược điểm của 2 loại trạm sạc XFC 16

1.3 Cấu tạo, phân loại và nguyên tắc hoạt động của Pin Lithium-ion 16

1.3.1 Khái niệm 16

1.3.2 Cơ chế sạc và xả 17

1.3.3 Nhiệt độ hoạt động 18

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu 18

1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được 18

1.6 Kết luận chương 18

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 19

2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực 19

2.1.1 Bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng 19

2.1.2 Các cấu trúc bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng 26

2.1.3 Các chế độ hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 32

2.1.4 Mô hình hóa bộ biến đổi cộng hưởng LLC sử dụng xác suất cơ bản 36 2.1.5 Đặc điểm của chức năng tăng điện áp 38

2.1.6 Phạm vi hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC 41

2.1.7 Các mạch chỉnh lưu thông dụng 42

2.1.8 Thiết kế thiết bị mạch động lực 44

2.1.9 Tính toán tổn hao công suất trên mạch động lực 47

2.2 Phân tích và thiết kế mạch điều khiển 52

2.2.1 Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) 52

2.2.2 Cấu trúc điều khiển mạch vòng kín 55

2.2.3 Bộ điều khiển PID 56

2.2.4 Xây dựng sơ đồ điều khiển hệ kín 58

2.3 Kết luận chương 59

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 60

3.1 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống sạc pin 60

3.1.1 Phần mềm mô phỏng PSIM 9.1.1 60

3.1.2 Sơ đồ mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC cầu 1 pha LLC hệ kín 61

3.1.4 Mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC cầu 1 pha LLC 61

3.2 Xây dựng mô hình thực nghiệm 62

3.2.1 Xây dựng mạch điều khiển 62

3.2.2 Xây dựng mạch động lực 69

3.3 Các kết quả thực nghiệm 72

3.3.1 Dạng sóng xung điều khiển 72

3.3.2 Dạng sóng điện áp cuộn thứ cấp 73

3.4 Kết luận chương 74

KẾT LUẬN 74

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1: Lượng xe điện trên toàn thế giới từ năm 2010 đến năm 2022 [1] 12

Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc 1 Module sử dụng biến áp LF [7] 13

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc nhiều Module sử dụng biến áp LF[7] 13

Hình 1 4: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc 1 Module sử dụng biến áp HF[7] 13

Hình 1 5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc nhiều Module sử dụng biến áp HF [7] 14

Hình 1 6: Thông số 1 số trạm sạc EV tại Mỹ [7] 14

Hình 1 7: Sơ đồ trạm sạc XFC phân phối xoay chiều [7] 15

Hình 1 8: Sơ đồ 1 sợi của trạm sạc 1MVA Tesla [7] 15

Hình 1 9: Sơ đồ trạm sạc nhanh XFC phân phối 1 chiều [7] 16

Hình 1 10: Chế độ sạc nhanh của Pin Lithium-Ion 17

Hình 2 1: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực bộ sạc nhanh pin Lithium-Ion [7] 19

Hình 2 2: Sơ đồ dạng sóng chuyển mạch cứng trên van bán dẫn 20

Hình 2 3: Chuyển mạch mềm 20

Hình 2 4: Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng 21

Hình 2 5: Sơ đồ các bộ biến đổi cộng hưởng 21

Hình 2 6: Sơ đồ khối DC/AC lý tưởng 22

Hình 2 7: Dạng xung điện áp đầu ra bộ biến đổi DC/AC lý tưởng 22

Hình 2 8: Dạng dòng 1 chiều đầu vào bộ biến đổi DC/AC 23

Hình 2 9: Mạch chỉnh lưu và lọc 1 chiều đầu ra 23

Hình 2 10: Dạng xung điện áp, dòng điện của bộ chỉnh lưu lý tưởng 24

Hình 2 11: Mạch cộng hưởng tuyến tính 25

Hình 2 12: Ghép nối các khâu trong mô hình gần đúng bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng 25

Hình 2 13: Bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng nối tiếp 26

Hình 2 14: Bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng song song 27

Hình 2 15: Bộ biến đổi cộng hưởng LCC 28

Hình 2 16: Bộ biến đổi LLC cầu 1 pha 29

Hình 2 17: Các cấu trúc khối nghịch lưu 31

Hình 2 18: Sơ đồ máy biến áp tương đương trong mạch LLC 31

Hình 2 25: Mạch biến đổi cộng hưởng LLC bao gồm điện cảm rò rỉ phía thứ cấp

36

Hình 2 26: Mạch tương đương phía thứ cấp 36

Hình 2 27: Mạch tương đương bao gồm quy đổi phía thứ cấp sang phía sơ cấp 37

Hình 2 28: Điện cảm tương đương 𝐿𝑟 và 𝐿𝑝 được đo từ phía sơ cấp với cuộn thứ cấp a) ngắn mạch b) hở mạch 37

Hình 2 29: Mô phỏng các giá trị của k 41

Hình 2 30: Vùng hoạt động của bộ biến đổi LLC 42

Hình 2 31: Sơ đồ mạch chỉnh lưu với biến áp có điểm trung tính 43

Hình 2 32: Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 43

Hình 2 33: Sơ đồ mạch chỉnh lưu nhân đôi điện áp 44

Hình 2 34: Sơ đồ nguyên lý Biến áp tần số cao 44

Hình 2 35: Sơ đồ dạng sóng cuộn sơ cấp và thứ cấp máy biến áp 45

Hình 2 36: Dòng điện trên cuộn cảm và Diode 46

Hình 2 37: Tổn hao chuyển mạch trên Diode và IGBT 48

Hình 2 38: Biểu đồ hiệu suất bộ sạc nhanh pin Lithium-Ion xe điện 52

Hình 2 39: Biểu đồ điện áp xung PWM 53

Hình 2 40: Chu kỳ nhiệm vụ của PWM 54

Hình 2 41: Giá trị trung bình của dạng sóng 54

Hình 2 42: Sơ đồ điều khiển vòng kín 55

Hình 2 43: Sơ đồ nguyên lý điều khiển PID 56

Hình 2 44: Sơ đồ điều khiển hệ kín bộ biến đổi cộng hưởng LLC cầu 1 pha 59

Hình 3 1: Giao diện phần mềm PSIM 9.1.1 60

Hình 3 2: Mô phỏng Bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng LLC cầu 1 pha 61

Hình 3 3: Điện áp cuộn thứ cấp (Vsec) 62

Hình 3 4: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vòng kín 62

Hình 3 5: KIT phát triển LAUNCH XL-F28379D C2000 [9] 63

Hình 3 6: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn mạch điều khiển 64

Hình 3 7: Khối nguồn trên mạch thực 64

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý khối MCU mạch điều khiển 65

Hình 3 9: Sơ đồ khối MCU mạch thực 65

Hình 3 10: Sơ đồ nguyên lý mạch PWM 65

Hình 3 11: Khối PMW trên mạch thực 66

Hình 3 12: Khối đo điện áp AC trên mạch thực 66

Hình 3 13: Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp DC 67

Hình 3 14: Khối đo điện áp DC trên mạch thực 67

Hình 3 15: Sơ đồ nguyên lý khối đo cường độ dòng điện 68

Hình 3 16: Khối đo cường độ dòng điện trên mạch thực 68

Hình 3 17: Sơ đồ mạch van bán dẫn 4 IGBT 69

Hình 3 18: Biến áp sử dụng lõi Ferrite TDK-PC40 UU101x115x25 69

Hình 3 19: Mạch cộng hưởng LC 70

Hình 3 20: Mạch hoàn chỉnh chạy thử với tải điện trở 71

Hình 3 21: Mạch hoàn chỉnh chạy thử với bộ pin sạc Lithium-Ion 71

Hình 3 22: Dạng sóng xung điện áp trên 2 IGBT cùng 1 nhánh van với tải 40% 72

Hình 3 23: Dạng sóng xung điện áp trên 2 IGBT lắp ở 2 nhánh và nhóm khác nhau với tải 40% 72

Hình 3 24: Dạng sóng điện áp cuộn thứ cấp với tải 40% 73

Hình 3 25:Dạng sóng đặc tính khi tăng tải 73

Hình 3 26: Dạng sóng đặc tính khi giảm tải 74

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1: Ưu nhược điểm của hệ thống phân phối AC và DC 16 Bảng 2: Các phương pháp điều chỉnh hệ số PID 58

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BEV Battery Electric Vehicle Xe điện chạy bằng pin HEV Hybrid Electric Vehicle Xe xăng lai điện

PHEV Plug-in Hybrid Electric Vehicle Xe xăng lai điện có cổng sạc IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế XFC Extreme Fast Charging Trạm sạc siêu nhanh

PFC Power Factor Correction Hiệu chỉnh hệ số công suất

RES Renewable Energy Sources Nguồn năng lượng tái tạo

PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng rung

ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp qua 0 ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dòng điện qua 0 SRC Series Resonant Converter Cộng hưởng nối tiếp

PRC Parallel Resonant converter Cộng hưởng song song

SPRC Series-Parallel Resonant converter Cộng hưởng nối tiếp – song song

EMI Electromagnetic interference Nhiễu điện từ

FHA First Harmonic Analysis Phân tích sóng hài bậc nhất IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transitor có cực điều khiển cách

ly

PID Proportional Integral Derivative Tỷ lệ, tích phân, vi phân

PV Process Variable Biến quá trình DSP Digital Signal Processor Bộ xử lý tín hiệu số

MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài

Năm 2015 số xe điện trên toàn cầu đạt 1,6~1,7 triệu xe thì đến năm 2022, số xe điện đã đạt 26 triệu xe (tăng gần 16 lần trong 7 năm), có thể nói là phát triển như vũ bão, vượt xa tốc độ phát triển của động cơ hơi nước, động cơ đốt trong trong lịch sử

Đầu năm 2022, do ảnh hưởng của dịch COVID 19 và chiến tranh Nga - Ukraina nổ ra đẩy giá xăng dầu tăng lên đỉnh điểm, cao gấp 1,9 lần so với cùng kỳ năm 2020 làm giảm sức hút của các loại xe động cơ đốt trong Cùng với sự hỗ trợ từ chính phủ của nhiều nước, trong đó có Việt Nam, người tiêu dùng đã bắt đầu chuyển hướng sang sử dụng xe điện Nhiều hãng xe dự kiến đến năm 2030 ~ 2040 sẽ dừng sản xuất xe xăng Hãng xe Vinfast của Việt Nam cũng đã dừng sản xuất xe xăng và chuyển hoàn toàn sang xe điện từ tháng 8/2022

Hiện thị phần xe điện chỉ chiếm 5~10% toàn ngành, nhưng tỷ lệ này sẽ dần chuyển dịch Theo dự đoán đến hết năm 2025 tỷ lệ xe điện sẽ là 20%, đến năm 2030 sẽ là 40%, đến năm 2040 toàn bộ xe mới bán ra sẽ là xe điện

Các trạm sạc xe điện đã và đang được xây dựng rất nhiều trên toàn thế giới Xe điện có nhiều ưu điểm hơn xe động cơ đốt trong về hiệu năng sử dụng cũng như mức độ ảnh hưởng tới môi trường Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của xe điện là thời gian sạc, quãng đường sử dụng và tuổi thọ của pin Giải quyết 3 vấn đề này là nhiệm vụ cấp thiết đặt ra đối với khoa học hiện nay

Trên cơ sở đó em lựa chọn nghiên cứu về Bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion xe điện với hiệu suất cao để giảm thời gian sạc pin của xe điện

2 Đối tượng nghiên cứu

- Bộ nguồn sạc pin Lithium-ion với biến áp cách ly AC/AC - Bộ nguồn sạc pin Lithium-ion với biến áp tần số cao

3 Phạm vi nghiên cứu

Mô hình sạc pin Lithium-ion, Cell pin LiB và Pack pin LiBP sử dụng cho

các ứng dụng có công suất lớn, các mạch sạc nhanh cell tích cực với hiệu suất cao

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Thiết kế, chế tạo bộ nguồn sạc nhanh pin Lithium-Ion với hiệu suất cao Tối ưu hoá dòng điện sạc theo 2 chế độ ổn dòng và ổn áp để giảm thời gian sạc cho pin Lithium-ion xe điện

5 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá, tổng hợp Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Thông qua nghiên cứu tổng quan để xác định vấn đề cần giải quyết về lý thuyết và thiết kế thuật toán giải quyết vấn đền, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thực nghiệm

6 Kết cấu của luận văn:

Luận văn gồm 03 chương:

- Chương 1: Tổng quan hệ thống sạc pin xe điện

- Chương 2: Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển - Chương 3: Mô phỏng và thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẠC PIN XE ĐIỆN 1.1 Tình hình hiện tại và xu thế phát triển của xe điện

Bắt đầu từ thập niên 60, 70 của thế kỷ trước, thế giới phải đối mặt với hai vấn đề lớn Các nguồn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, than đá bắt đầu cạn kiệt Môi trường ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng, trong đó nguồn phát thải lớn là từ các phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô chạy bằng xăng dầu Trong bối cảnh đó, xe điện được xem là giải pháp tối ưu giúp giải quyết cả 2 vấn đề lớn này Hiện nay, trên thị trường đang lưu hành 3 loại xe điện chính, bao gồm: BEV – xe chạy hoàn toàn bằng điện; HEV – xe Hybrid, sử dụng động cơ xăng/dầu làm nguồn động lực chính, nhưng kèm thêm động cơ điện hỗ trợ khi khởi hành hoặc khi tăng tốc; PHEV - xe sử dụng song song điện và xăng/dầu, có cổng kết nối để sạc pin cũng như cổng nạp nhiên liệu cho động cơ xăng/dầu

Theo báo cáo của IEA, tổng số xe điện trên thế giới đã tăng từ mức không đáng kể vào năm 2010 lên đến hơn 26 triệu xe vào năm 2022 (Hình 1.1), trong đó xe chạy hoàn toàn bằng điện (BEV) dẫn đầu công cuộc mở rộng của xe điện [1]

Hình 1 1: Lượng xe điện trên toàn thế giới từ năm 2010 đến năm 2022 [1]

Từ Hình 1.1, có thể nhận thấy rằng doanh số bán xe điện toàn cầu đang có xu hướng tăng mạnh và vẫn chủ yếu tập trung ở các thị trường Trung Quốc, Mỹ, Châu Âu Trong năm 2022 có gần 10 triệu xe mới đăng ký Tại Trung Quốc, doanh số BEV năm 2022 tăng 60% so với năm 2021, đạt 4,4 triệu và doanh số PHEV tăng gần gấp ba lên 1,5 triệu, đưa Trung Quốc trở thành thị trường chiếm 1 nửa số xe điện trên toàn thế giới với tổng cộng 13,8 triệu chiếc

Mặc dù doanh số bán xe điện còn thấp so với xe động cơ đốt trong truyền thống, song các nước đều đang thể hiện sự quan tâm đến loại phương tiện này Tại Việt Nam, Công ty Vinfast đã bắt kịp xu hướng của thế giới và đi tắt đón đầu, chuyển hoàn toàn từ sản xuất xe xăng sang sản xuất xe điện từ đầu năm 2023 với nhiều mẫu xe mới được ra mắt và bước đầu xuất khẩu 02 lô xe sang thị trường Mỹ

1.2 Cấu trúc các bộ biến đổi trong Hệ thống sạc nhanh xe điện 1.2.1 Trạm sạc nhanh XFC và phân phối điện năng

Bộ sạc nhanh một chiều hiện đại biến đổi dòng điện xoay chiều 3 pha thành dòng điện 1 chiều mong muốn theo 2 giai đoạn biến đổi

• Giai đoạn 1: Biến đổi AC/DC với hiệu chỉnh hệ số công suất, biến đổi điện áp xoay chiều 3 pha thành điện áp 1 chiều trung gian

• Giai đoạn 2: Biến đổi DC/DC, biến đổi điện áp 1 chiều trung gian thành điện áp 1 chiều cần thiết để sạc pin Lithium-Ion

Điện áp đầu ra được cách ly hoàn toàn với điện áp đầu vào, có thể sử dụng 1 trong 2 phương pháp mô tả sau đây:

• Phương án 1 là sử dụng biến áp cách ly tần số thấp (tần số dòng điện xoay

chiều 3 pha) Dòng điện sau khi ra khỏi biến áp có tần số không đổi và có

điện áp trung gian theo tỷ số của biến áp, sau đó tiếp tục được chỉnh lưu và hiệu chỉnh PFC trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/DC để cấp điện cho pin Khâu DC/DC phía sau là bộ biến đổi không cách ly

Hình 1 2: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc 1 Module sử dụng biến áp LF [7]

Hình 1 3: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc nhiều Module sử dụng biến áp LF[7]

• Phương án thứ 2 là sử dụng biến áp cách ly tần số cao trong bộ biến đổi

DC/DC để cung cấp điện cho pin sau giai đoạn chỉnh lưu và hiệu chỉnh PFC

Hình 1 4: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc 1 Module sử dụng biến áp HF[7]

Hình 1 5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc nhiều Module sử dụng biến áp HF [7]

Trong thực tế, để đảm bảo công suất của bộ pin sạc thì sẽ kết hợp nhiều module nối song song với nhau để tăng công suất đầu ra, rút ngắn thời gian sạc

Hình 1 6: Thông số 1 số trạm sạc EV tại Mỹ [7]

Hình 1.6 thể hiện thông số của một số trạm sạc phổ biến tại Mỹ Dễ dàng nhận thấy công suất sạc càng cao thì thời gian sạc càng nhanh

1.2.2 Trạm sạc XFC phân phối xoay chiều (AC)

Đối với hệ thống kết nối xoay chiều, máy biến áp tần số thấp biến đổi điện lưới thành điện áp 250~480VAC cung cấp cho BUS AC BUS AC phân phối cho mỗi bộ sạc qua một bộ biến đổi AC/DC riêng biệt Sơ đồ này bao gồm nhiều bộ biến đổi AC/DC (DC/AC), làm tăng độ phức tạp và chi phí

Hình 1 7: Sơ đồ trạm sạc XFC phân phối xoay chiều [7]

Ưu điểm của phân phối AC: tính phổ biến và khả năng mở rộng của các bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, của các thiết bị đóng cắt và bảo vệ, cũng như các tiêu chuẩn, quy chuẩn của hệ thống phân phối điện xoay chiều Hầu hết các trạm XFC hiện đại đều là hệ thống kết nối xoay chiều, ví dụ trạm XFC Tesla ở Mountain View, California được trình bày trong Hình 1.8

Hình 1 8: Sơ đồ 1 sợi của trạm sạc 1MVA Tesla [7]

1.2.3 Trạm sạc XFC phân phối một chiều (DC)

Đối với các hệ thống được phân phối DC, một bộ biến đổi AC/DC trung tâm đặt ngay sau máy biến áp cách ly tần số thấp được sử dụng để tạo ra một hệ thống BUS DC, cung cấp phương pháp hiệu quả hơn về phân phối và lưu trữ điện năng

Để phù hợp với dải điện áp pin Lithium-Ion trong xe điện hiện đại (lên đến 400VDC), điện áp BUS DC thường nhỏ hơn 1000 V Ở mức điện áp này, thiết kế

của các trạm sạc XFC có các BUS DC phải tuân thủ tiêu chuẩn như các trạm sạc XFC với BUS AC thông thường Tuy nhiên mỗi bộ sạc chỉ bao gồm 1 bộ biến đổi DC/DC, loại bỏ hoàn toàn các bộ biến đổi AC/DC (DC/AC) riêng biệt

Hình 1 9: Sơ đồ trạm sạc nhanh XFC phân phối 1 chiều [7]

Việc giảm số lượng các bộ biến đổi AC/DC (DC/AC) dẫn tới giảm chi phí lắp đặt, hệ thống phân phối DC cũng không có công suất phản kháng, điều này giúp đơn giản hóa việc điều khiển

1.2.4 Phân tích ưu nhược điểm của 2 loại trạm sạc XFC

Hệ thống phân phối AC Hệ thống phân phối DC

Bảng 1: Ưu nhược điểm của hệ thống phân phối AC và DC

1.3 Cấu tạo, phân loại và nguyên tắc hoạt động của Pin Lithium-ion 1.3.1 Khái niệm

Pin Li-ion hay pin lithi-ion, pin lithium-ion (LIB) là một loại pin sạc Trong quá trình sạc, các ion Lithi chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng) LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực âm là các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp như LiCoO2 , LiMnO2 , v.v….; dùng cho điện cực dương là graphite Dung dịch điện ly của pin có khả năng dẫn ion lithi, cho phép các ion lithi chuyển dịch từ cực này sang cực khác Tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện

Khi xả, pin phóng điện qua mạch ngoài, electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương) Ion Lithi di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương Khi sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion lithi di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode

LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, các thiết bị điện tử cầm tay Hiện nay, LIB đang được chú trọng phát triển, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không

Do pin lithi-ion chứa hợp chất của Li rất dễ cháy khi tiếp xúc với không khí và chứa dung dịch điện ly dễ cháy, nên nó rất nguy hiểm khi được sạc và xả với cường độ dòng điện lớn Do đó, các quy chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin thường Các lĩnh vực nghiên cứu về pin lithium-ion bao gồm kéo dài vòng đời pin, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí pin

1.3.2 Cơ chế sạc và xả

Quá trình điều tiết sạc/xả một tế bào pin Li-ion và một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh như sau:

Đối với một tế bào pin Li-ion được sạc/xả qua hai giai đoạn: 1) Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC)

2) Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV)

Hình 1 10: Chế độ sạc nhanh của Pin Lithium-Ion

Đối với một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần 3 giai đoạn 1) Chế độ dòng điện không đổi: constant current (CC) 2) Chế độ cân bằng dòng điện

3) Chế độ điện thế không đổi: constant voltage (CV)

Ở chế độ dòng điện không đổi, bộ sạc sẽ áp một dòng điện không đổi lên pin thông qua một điện thế ổn định tăng dần cho đến khi đạt đến điện thế tới hạn của pin Ở chế độ cân bằng, bộ sạc giảm dần dòng điện sạc lên pin, hoặc điều tiết bật tắt dòng điện sạc để trạng thái sạc cho từng tế bào pin đạt trạng thái cân bằng trong cả mạch, cho đến khi tất cả các tế bào trong mạch đều cân bằng Ở chế độ điện thế cân bằng, bộ sạc áp một điện thế bằng với điện thế tới hạn của mỗi tế bào nhân với số tế bào ghép nối tiếp lên toàn bộ pin

1.3.3 Nhiệt độ hoạt động

Nhiệt độ giới hạn của pin khi sạc quan trọng hơn nhiệt độ xả (nhiệt độ lúc sử dụng) Việc hoạt động ở nhiệt độ quá cao làm giảm tuổi thọ pin Pin sẽ hoạt động tốt khi sạc ở 5-450C, lúc này có thể sạc tốc độ cao Nhiệt độ thấp hơn, tức 0-50C có thể sạc được nhưng dòng điện sẽ giảm Trong quá trình sạc, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên do điện trở trong của pin, đây là nguyên nhân làm giảm hiệu năng pin, khi nhiệt độ tăng lên trên 450C pin sẽ bị chai nhanh chóng

1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu

- Nghiên cứu thiết kế mô hình thực nghiệm bộ sạc nhanh Pin Lithium – Ion xe điện với hiệu suất cao phù hợp với tiêu chuẩn công nghiệp

- Đề xuất phương pháp ổn định điện áp và cân bằng dòng điện, nâng cao hiệu suất của bộ sạc

- Phân tích tổn hao và đánh giá ảnh hưởng của yếu tố mất cân bằng tham số trên bộ biến đổi

1.5 Các chỉ tiêu kỹ thuật cần đạt được

Nghiên cứu, thiết kế 01 bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion gồm các thông số kỹ thuật chính như sau:

- Nguồn điện vào: 250~380VAC - Công suất bộ sạc: 5kVA

- Bộ pin: 27 pin Lithium-Ion 3,7V ghép nối tiếp

Chương 1 đã giới thiệu tổng quan về tình hình và xu thế phát triển của xe điện và pin Lithium-Ion trên thế giới Các bộ biến đổi điện tử công suất đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng các trạm sạc nhanh xe điện Các bộ sạc nhanh xe điện với hiệu suất cao hiện đang nhận được sự quan tâm rất lớn trên thị trường Đã đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu và dự kiến các đóng góp mới của luận văn

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

2.1 Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực

Hai phương pháp phân phối cho các trạm XFC đã trình bày ở Chương 1 Trong khi phương pháp phân phối AC là giải pháp kết hợp với hệ thống điện và các tiêu chuẩn sẵn có thì phương pháp phân phối DC có tiềm năng phát triển với chi phí thấp hơn và hiệu quả cao hơn

Thách thức lớn đối với bộ biến đổi điện tử công suất nằm ở việc đáp ứng dải điện áp đầu ra và dải công suất rộng của các loại EV trong khi vẫn duy trì hiệu suất cao và mật độ điện năng cao

Trong phạm vi của luận văn này em sẽ lựa chọn sơ đồ bộ sạc 1 Module với biến áp tần số cao để thiết kế Bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion xe điện

Hình 2 1: Sơ đồ nguyên lý mạch động lực bộ sạc nhanh pin Lithium-Ion [7]

Sơ đồ trên gồm 3 phần chính, bao gồm:

- Khối chỉnh lưu AC/DC có nhiệm vụ tạo ra nguồn điện 1 chiều ổn định từ nguồn điện lưới xoay chiều 3 pha có sẵn

- Khối hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) có nhiệm vụ điều chỉnh hệ số công suất sao cho dòng điện đồng pha với điện áp

- Khối biến đổi DC/DC sử dụng biến áp cách ly tần số cao, gồm 2 khối DC/AC và AC/DC Có nhiệm vụ biến đổi dòng điện 1 chiều sau khối PFC thành dòng điện có điện áp 1 chiều mong muốn cung cấp cho pin Trong đó khối DC/AC là khối nghịch lưu cộng hưởng tần số cao có cách ly Khối AC – DC là mạch chỉnh lưu cầu hay nửa cầu

2.1.1 Bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng a Tổng quan

Các bộ biến đổi DC/DC hoạt động dựa trên nguyên lí điều chỉnh độ rộng xung PWM Điện áp hay dòng điện đầu ra được điều khiển thông qua việc thay đổi độ rộng xung cấp cho các van bán dẫn Các bộ biến đổi PWM có ưu điểm là nguyên lý đơn giản, dễ điều khiển và ổn định Theo xu hướng phát triển, các bộ biến đổi Điện tử công suất (ĐTCS) ngày nay phải đáp ứng các yêu cầu như kích thước nhỏ, mật độ công suất cao Điều này đòi hỏi các bộ biến đổi phải làm việc ở tần số cao hơn Vấn đề về tổn hao do chuyển mạch cứng của các bộ biến đổi

theo điều chế độ rộng xung dẫn đến sự ra đời các bộ biến đổi cộng hưởng Đặc biệt là khi tần số chuyển mạch lớn, việc chuyển mạch cứng cũng gây ra các xung động điện từ trên điện cảm đường dây, phát tán sóng điện từ tần số cao ra xung quanh, ảnh hưởng đến các linh kiện điện tử khác trong mạch

Hình 2 2: Sơ đồ dạng sóng chuyển mạch cứng trên van bán dẫn

Các bộ biến đổi cộng hưởng tránh được các nhược điểm trên Do có mạch vòng cộng hưởng trong mạch bộ biến đổi, điện áp hoặc dòng điện có dạng hình sin Các van sẽ chuyển mạch trong điều kiện hoặc dòng qua không (zero current switching – ZCS), hoặc khi điện áp trên van qua không (zero voltage switching – ZVS), gọi chung là chuyển mạch mềm (soft switching) Tổn hao do chuyển mạch giảm đáng kể Điều này dẫn đến các bộ biến đổi cộng hưởng có thể được thiết kế hoạt động với tần số cao hơn, kích thước nhỏ gọn hơn, đạt được hiệu suất cao, từ 90% đến 98%

Hình 2 3: Chuyển mạch mềm

Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng trên Hình 2.4, bao gồm ba phần chính: khối van bán dẫn, khối dao động LC, khối chỉnh lưu và lọc một chiều Cấu trúc này cho thấy bộ biến đổi cộng hưởng gồm các quá trình biến đổi DC – khâu trung gian tần số cao – chỉnh lưu, nghĩa là DC/AC/DC Khâu chỉnh

lưu biến đổi AC/DC thường bao gồm máy biến áp cách ly (như sơ đồ nguyên lý mạch động lực đã lựa chọn trên hình 2.1)

Hình 2 4: Cấu trúc chung của bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng

Các loại bộ biến đổi cộng hưởng khác nhau chỉ do phần mạng cộng hưởng, có thể là mạch cộng hưởng nối tiếp, mạch cộng hưởng song song, mạch LCC và mạch LLC, như thể hiện trên Hình 2.5

Hình 2 5: Sơ đồ các bộ biến đổi cộng hưởng

Quá trình phân tích bộ biến đổi cộng hưởng được tiến hành theo phương pháp sóng hài bậc nhất, trước hết cho riêng từng khối trong sơ đồ cấu trúc

b Phân tích sóng hài bậc nhất bộ biến đổi cộng hưởng

Thông thường bộ biến đổi gồm các van bán dẫn có nhiệm vụ tạo ra điện áp xoay chiều 𝑢𝑠(𝑡) có dạng xung chữ nhật từ điện áp một chiều đầu vào 𝑈𝑔, với tần số 𝑓𝑠 gần bằng tần số cộng hưởng 𝑓𝑜 của mạng mạch dao động Khi đó mạng mạch dao động sẽ phản ứng với thành phần tần số cơ bản 𝑓𝑠 và với các thành phần sóng hài bậc cao 𝑛𝑓𝑠, n = 2, 3, … Do tính chọn lọc của mạng mạch dao động các thành phần tần số cao sẽ bị suy giảm Do đó có thể gần đúng chỉ cần tính tới thành phần điện áp và dòng điện hình sin ở tần số cơ bản 𝑓𝑠

c Phân tích Mạch biến đổi DC/AC lý tưởng

Hình 2 6: Sơ đồ khối DC/AC lý tưởng

Sơ đồ mạch bộ biến đổi DC/AC lý tưởng cho trên hình 2.6 Đầu vào của bộ biến đổi là điện áp nguồn một chiều 𝑈𝑔, đầu ra là dạng xung chữ nhật với tần số 𝑓𝑠, như biểu diễn trên hình 2.7

Điện áp đầu ra 𝑢𝑠(𝑡) có thể phân tích ra chuỗi Fourier:

Như vậy sóng cơ bản điện áp ra có biên độ 4𝑈𝑔/𝜋⁡ và đồng pha với điện áp ra dạng xung chữ nhật, như biểu diễn trên hình 2.7

Hình 2 7: Dạng xung điện áp đầu ra bộ biến đổi DC/AC lý tưởng

Như trên Hình 2.8, thông thường dòng đầu ra khâu DC/AC 𝑖𝑠(𝑡) có thể gần đúng cho có dạng sin, với biên độ⁡𝐼𝑠, lệch pha so với điện áp 𝑢𝑠(𝑡) một góc 𝑠:

𝑖𝑠(𝑡) = 𝐼𝑠sin⁡(𝜔𝑠𝑡 − 𝜑𝑠)

φsIS1

Hình 2 8: Dạng dòng 1 chiều đầu vào bộ biến đổi DC/AC

Khi đó dòng đầu vào một chiều có thể coi là dạng chỉnh lưu của dòng đầu ra như biểu diễn trên hình 2.8 Do đó giá trị trung bình của dòng đầu vào bằng:

Hình 2 9: Mạch chỉnh lưu và lọc 1 chiều đầu ra

Mạch chỉnh lưu và lọc một chiều đầu ra DC biểu diễn trên hình 2.9 Để có điện áp đầu ra DC tương đối bằng phẳng tụ lọc 𝐶𝑓 phải có giá trị đủ lớn, khi đó có thể coi điện áp đầu ra 𝑢𝑜(𝑡) ⁡ = ⁡ 𝑈𝑜⁡ = ⁡𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 Dòng ra tải do đó cũng coi gần đúng bằng 𝑖(𝑡) ⁡ = ⁡𝐼 Như vậy bộ chỉnh lưu cầu chỉ làm nhiệm vụ biến một điện áp xoay chiều có dạng xung chữ nhật đối xứng, biên độ ±𝑈𝑜, thành điện áp một chiều 𝑈𝑜

Hình 2 10: Dạng xung điện áp, dòng điện của bộ chỉnh lưu lý tưởng

Giả thiết dòng đầu ra của mạng cộng hưởng có dạng sin với biên độ 𝐼𝑅 và

Giả sử chỉ tính tới thành phần sóng hài bậc nhất của điện áp đầu ra mạng cộng hưởng, do điện áp 𝑢𝑅(𝑡) có dạng xung chữ nhật biên độ ±⁡𝑈𝑜⁡, thành phần bậc nhất của nó sẽ là:

𝑈𝑅1(𝑡) = 4𝑈0

𝜋 sin⁡(𝜔𝑠𝑡 − 𝜑𝑅)

Các diode chỉnh lưu sẽ chuyển mạch tại các điểm dòng điện qua không, do đó dòng đầu vào chỉnh lưu và điện áp xoay chiều đồng pha nhau, như biểu diễn trên hình 2.10 (a) Các sóng hài bậc nhất cũng thỏa mãn điều này, như biểu diễn trên hình 2.10 (b) Điều này nghĩa là bộ chỉnh lưu đối với đầu ra của mạng cộng hưởng là một tải tương đương thuần trở Điện trở tương đương này bằng:

Nếu điện trở tải là 𝑅⁡ = ⁡ 𝑈𝑜/𝐼, thì điện trở tương đương của mạch chỉnh lưu đối với mạng cộng hưởng bằng:

𝑅𝑒 = 8

𝜋2𝑅 ≈ 0,81𝑅

c Phân tích Mạch cộng hưởng

Ta đã mô hình hóa phần bộ biến đổi gần đúng chỉ tính tới thành phần sóng hài bậc nhất với điện áp đầu ra là 𝑢𝑠1(𝑡), phần chỉnh lưu và lọc một chiều tương

đương với tải thuần trở 𝑅𝑒, phần mạng cộng hưởng chỉ bao gồm các phần tử thụ động L, C Vì vậy có thể dùng lý thuyết mạch tuyến tính để phân tích mạng cộng

Như vậy nếu biết cấu hình mạng cộng hưởng có thể xác định hàm truyền H(s) của mạng, từ biểu thức trên có thể xác định quan hệ giữa biên độ điện áp đầu vào 𝑈𝑠1 với biên độ điện áp đầu ra 𝑈𝑅1 từ hàm truyền H(s) nếu thay 𝑠⁡ = ⁡𝑗𝑠 và

Từ các phân tích ở các phần trên, ghép lại mô hình tương đương bộ biến đổi cộng hưởng gần đúng sóng hài bậc nhất gồm các khâu như trên hình 2.12, ta có thể xác định tỷ số biến đổi điện áp của sơ đồ như sau:

𝑅𝑒 = 8 𝜋2𝑅 𝑀 = 𝑈0

𝑈𝑔 = |𝐻(𝑠)|𝑠=𝑗𝜔𝑠

Biểu thức trên cho thấy hệ số biến đổi điện áp DC/DC của sơ đồ cộng hưởng xác định bởi mạng cộng hưởng tại xung quanh tần số đóng cắt 𝑓𝑠 mà không phụ thuộc vào những yếu tố khác Hệ số M cũng không phụ thuộc tải, dĩ nhiên là trong điều kiện điện trở tương đương 𝑅𝑒 phải ở trong phạm vi mà mạng LC còn là mạch dao động Từ đây với các cấu trúc mạng dao động khác nhau ta có thể xác định được các thông số của bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng một cách dễ dàng

2.1.2 Các cấu trúc bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng a Cấu trúc cộng hưởng nối tiếp (SRC)

Hình 2 13: Bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng nối tiếp

Cấu trúc bộ biến đổi DC/DC cộng hưởng nối tiếp được thể hiện như trên Hình 2.13, trong đó cuộn cảm 𝐿𝑟 và tụ 𝐶𝑟 được mắc nối tiếp với nhau tạo thành mạng cộng hưởng Mạng cộng hưởng làm việc như một nguồn dòng, vì vậy mạch lọc đầu ra chỉnh lưu chỉ sử dụng tụ lọc Khối cộng hưởng và tải hoạt động như một bộ chia điện áp, khi ta thay đổi tần số hoạt động thì trở kháng của mạch sẽ thay đổi, điện áp sẽ được phân vào tải tương ứng với sự thay đổi Điều này dẫn đến hệ số khuếch đại điện áp DC của mạch luôn nhỏ hơn 1 Tại tần số cộng hưởng, trở kháng của mạch dao động gần như bằng 0 nên toàn bộ điện áp đặt lên mạch cộng hưởng sẽ rơi vào tải Hệ số khuếch đại lớn nhất đạt được tại tần số cộng hưởng xấp xỉ bằng 1 Vùng làm việc của bộ biến đổi nằm bên phải tần số cộng hưởng thì bộ biến đổi sẽ đạt được chuyển mạch ZVS, còn nếu làm việc bên trái tần số cộng hưởng (tức tần số bé hơn tần số cộng hưởng) bộ biến đổi sẽ đạt chuyển mạch ZCS

Ưu điểm của cấu trúc SRC là:

- Giảm tổn thất chuyển mạch và nhiễu EMI thông qua chuyển mạch điện áp không (ZVS) dẫn đến nâng cao hiệu suất

- Giảm kích thước các thành phần trong mạch nhờ hoạt động ở tần số cao - Có thể hoạt động khi đầu ra ngắn mạch do tính chất nguồn dòng của mạch cộng hưởng

Nhược điểm của cấu trúc SRC là:

Trong điều kiện non tải tần số đóng cắt phải tăng lên rất lớn để điều chỉnh được điện áp ra do vậy bộ biến đổi này không được dùng trong điều kiện non tải hoặc không tải Hơn nữa việc tần số làm việc lớn hơn nhiều so với tần số cộng hưởng khiến cho trở kháng của mạch cộng hưởng tăng cao Năng lượng tuần hoàn lớn, tổn thất trên các phần tử trên mạch cũng như tổn thất trong quá trình chuyển mạch tăng làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi

b Cấu trúc cộng hưởng song song (PRC)

Hình 2 14: Bộ biến đổi nửa cầu cộng hưởng song song

Sơ đồ bộ biến đổi DC-DC cộng hưởng song song như trên Hình 2.14, các thành phần của mạch cộng hưởng bao gồm cuộn cảm 𝐿𝑟 được mắc song song với tụ 𝐶𝑟 Trong cấu trúc này tải nhìn mạch cộng hưởng như một nguồn áp Tần số cộng hưởng của mạch được tạo nên bởi sự cộng hưởng giữa cuộn cảm 𝐿𝑟và tụ 𝐶𝑟 Vùng làm việc của bộ biến đổi được chọn ở bên trái tần số cộng hưởng để đạt được ZVS Một vấn đề lớn mà cấu trúc song song gặp phải đó là năng lượng tuần hoàn cao ngay cả khi không tải Dòng phía sơ cấp không phụ thuộc nhiều vào tải, dòng điện có thể khép vòng qua khối cộng hưởng ngay cả trong điều kiện không tải, vì vậy tổn thất của mạch lớn ngay cả khi không tải

Ưu điểm của cấu trúc PRC là:

- Khi không tải tần số không phải thay đổi nhiều để giữ được điện áp ra do tính chất nguồn áp của khối cộng hưởng

- Dòng điện chỉnh lưu là liên tục và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu dòng điện lớn

Nhược điểm của cấu trúc PRC là:

- Vùng hoạt động hẹp, dải điện áp điều chỉnh được bị giới hạn, đặc tính khuếch đại điện áp của bộ biến đổi có độ dốc lớn dẫn đến khó điều khiển

- Năng lượng tuần hoàn rất cao ngay cả khi không tải, tổn thất của mạch

Hình 2 15: Bộ biến đổi cộng hưởng LCC

Cấu trúc mạch cộng hưởng LCC bao gồm 3 phần tử: cuộn cảm 𝐿𝑟, tụ 𝐶𝑟và tụ 𝐶𝑝 Đây có thể xem là một cấu trúc lai của 2 cấu trúc trên Điểm đặc biệt của cấu trúc mạch cộng hưởng LCC là nó có hai tần số cộng hưởng do tồn tại hai mạch vòng cộng hưởng Tần số cộng hưởng thấp tạo bởi việc khép vòng mạch cộng hưởng qua cả 3 phần tử 𝐿𝑟, 𝐶𝑟và 𝐶𝑝 trong khi tần số cộng hưởng cao tạo bởi mạch vòng cộng hưởng qua 2 phần tử là cuộn cảm 𝐿𝑟 và tụ 𝐶𝑟 Cấu trúc này có điểm giống với cấu trúc song song là mạch lọc phía thứ cấp sử dụng là loại LC để đồng bộ về trở kháng Vùng làm việc được lựa chọn nằm bên phải tần số cộng hưởng cao để đảm bảo chế độ ZVS Bộ biến đổi cộng hưởng LCC vẫn tồn tại nhược điểm đó là khi điện áp đầu vào tăng thì năng lượng tuần hoàn trong mạch vẫn lớn ngay cả khi non tải, do đó gây tổn thất lớn trong các phần tử cũng như trong quá trình chuyển mạch trên các van

Ưu điểm của cấu trúc LCC là:

- Năng lượng tuần hoàn trong mạch nhỏ hơn bộ PRC

- Kết hợp các đặc tính tốt của hai bộ biến đổi cộng hưởng SRC và PRC

Nhược điểm của cấu trúc LCC là:

- Khi điện áp đầu vào cao, bộ biến đổi làm việc ở tần số cao hơn cách xa tần số cộng hưởng và nhạy cảm với biến thiên của tải

- Năng lượng tuần hoàn và dòng điện ngắt van cao khi điện áp đầu vào cao

Nhận xét: Ta thấy cả ba cấu trúc cộng hưởng nêu trên đều gặp phải một

nhược điểm lớn là năng lượng tuần hoàn cũng như tổn hao chuyển mạch khi điện áp đầu vào cao làm giảm hiệu suất của bộ biến đổi, không phù hợp với bộ biến đổi DC/DC cách ly có điện áp đầu vào cao từ PFC Hai cấu trúc cộng hưởng SRC và PRC sẽ đạt hiệu suất cao nhất khi làm việc tại tần số cộng hưởng và đạt chuyển

mạch ZVS khi làm việc ở tần số cao hơn tần số cộng hưởng; với cấu trúc LCC khi mạch làm việc ở tần số cộng hưởng cao hơn thì hiệu suất sẽ cao hơn và để đạt được chuyển mạch ZVS thì bộ biến đổi cần làm việc ở phía bên phải tần số cộng hưởng

Do đó, để đạt được hiệu suất cao trong dải tải rộng, với điện áp đầu vào cao (100~300 VDC) từ PFC, ta sẽ chọn bộ biến đổi cộng hưởng LLC do có thể đạt cộng hưởng ở điều kiện không tải và năng lượng tuần hoàn trong mạch thấp hơn so với các cấu trúc cộng hưởng nêu trên

d Bộ biến đổi cộng hưởng LLC cầu 1 pha

Hình 2 16: Bộ biến đổi LLC cầu 1 pha

Bộ biến đổi cộng hưởng LLC với các tính năng chuyển mạch mềm và hoạt động ở tần số cao, đã được áp dụng trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau, như bộ sạc pin trên bo mạch (OBC), nguồn điện viễn thông, trình điều khiển diode phát quang, và các thế hệ năng lượng tái tạo

Tuy nhiên, các ứng dụng dải khuếch đại điện áp rộng vẫn là thách thức đối với bộ biến đổi cộng hưởng LLC Trong các ứng dụng có dải điện áp đầu vào hoặc đầu ra rộng, bộ biến đổi cộng hưởng LLC truyền thống gặp phải các vấn đề sau: - Dải hoạt động của tần số chuyển mạch rộng: để bao trùm dải hoạt động của độ lợi điện áp rộng, dải hoạt động của tần số biến đổi cần thiết cũng lớn, điều này thách thức thiết kế và tối ưu hóa các thành phần từ tính, mạch điều khiển cổng và bộ lọc nhiễu điện từ (EMI);

- Dòng điện tuần hoàn cao: điện cảm từ hóa nhỏ được lựa chọn nhiều hơn trong ứng dụng dải khuếch đại điện áp rộng, điều này dẫn đến sự gia tăng dòng điện tuần hoàn trong mạch và tổn thất dẫn tương ứng;

- Suy giảm mật độ công suất: các phần tử thụ động được xác định dựa trên tần số chuyển mạch tối thiểu, do đó cần phải có các phần tử thụ động cồng kềnh để đáp ứng phạm vi hoạt động cần thiết

Để giải quyết các vấn đề nêu trên, nhiều cách tiếp cận khác nhau đã được đề xuất, các giải pháp hiện có có thể được phân loại thành ba nhóm sau:

- Phương pháp thiết kế chính xác; - Chiến lược điều chế lai;

Phương pháp phân tích sóng hài bậc nhất thường được áp dụng tồn tại các lỗi đáng kể khi tần số chuyển mạch cách xa tần số cộng hưởng và hệ số chất lượng bộ biến đổi lớn Cụ thể, mức tăng điện áp lý thuyết thu được từ phương pháp hài bậc nhất thấp hơn so với kết quả mô phỏng, do đó khả năng tăng điện áp mạng cộng hưởng LLC không được sử dụng hết, dẫn đến suy giảm hiệu suất Do đó, phương pháp phân tích dựa trên miền thời gian được sử dụng để thiết kế bộ biến đổi cộng hưởng LLC Bộ biến đổi cộng hưởng LLC có thể được áp dụng cho ứng dụng phạm vi tăng điện áp rộng nhờ độ chính xác cao Nhược điểm chính của phân tích miền thời gian là độ phức tạp cao, đòi hỏi phần mềm tính toán phức tạp Ngoài điều chế tần số xung truyền thống (PFM), bộ biến đổi cộng hưởng LLC còn có các chiến lược điều chế khác, như điều chế dịch pha (PSM), điều chế độ rộng xung (PWM) và điều chế tần số cộng hưởng (RFM) Bằng cách kết hợp các chiến lược điều chế khác nhau này, có thể thu hẹp dải tần số biến đổi hoạt động trong các ứng dụng dải tăng điện áp rộng

• Ưu điểm của bộ biến đổi cộng hưởng LLC:

- Hiệu suất cao, mật độ năng lượng cao do hoạt động tần số hoạt động cao, được giảm kích thước các bộ phận Tận dụng được điện cảm từ hóa 𝐿𝑚 được sử dụng như 1 phần tử của mạng cộng hưởng Hơn nữa phần điện cảm nối tiếp 𝐿𝑟 có thể được tích hợp ngay trong máy biến áp và chính là điện cảm tản của cuộn dây sơ cấp Nhờ những yếu tố này mà kích thước máy biến áp có thể giảm nhỏ đáng kể

- Năng lượng tuần hoàn thấp với thiết kế thích hợp của điện cảm từ hóa, giúp giảm tổn thất dẫn truyền

Với những ưu nhược nêu trên em lựa chọn Bộ biến đổi cộng hưởng LLC cầu 1 pha cho Bộ nguồn sạc pin Lithium-Ion xe điện

Đối với bộ biến đổi cộng hưởng LLC, phần van bán dẫn có nhiệm vụ biến đổi DC/AC, nếu dùng sơ đồ van cầu một pha, đưa ra điện áp đầu ra 𝑢𝑠(𝑡) có dạng chữ nhật đối xứng với biên độ ±⁡𝑈𝑔, tần số 𝑓𝑠 Sơ đồ van bán dẫn có thể thực hiện theo các sơ đồ như biểu diễn trên hình 2.17 Thành phần sóng hài bậc nhất của điện áp ra của khâu DC/AC biểu diễn bởi:

𝑢𝑠1(𝑡) = 4𝑈𝑔

𝜋 sin⁡(𝜔𝑠𝑡)

Hình 2 17: Các cấu trúc khối nghịch lưu

Sau khối nghịch lưu là phần mạch chỉnh lưu diode và lọc một chiều ở đầu ra, với giả thiết tụ lọc 𝐶𝑓 đủ lớn, điện áp một chiều coi là bằng phẳng 𝑢𝑜(𝑡) ⁡ = ⁡𝑈𝑜, có thể coi điện trở tương đương đối với đầu ra mạng cộng hưởng có giá trị:

𝑅𝑒 = 8 𝜋2𝑅

Điện áp xoay chiều ở đầu vào chỉnh lưu diode, là đầu ra của mạng cộng hưởng, có dạng xung chữ nhật đối xứng với biên độ ±⁡𝑈𝑜, vì vậy có thành phần

Hình 2 18: Sơ đồ máy biến áp tương đương trong mạch LLC

Phần mạng cộng hưởng với máy biến áp cách ly phức tạp hơn Máy biến áp xung dùng trong các bộ biến đổi thường có số vòng dây rất ít, thường vài chục vòng, nên có thể bỏ qua điện trở dây quấn Vì vậy ta đi đến sơ đồ tương đương của mạng cộng hưởng như thể hiện trên hình 2.18, các thông số máy biến áp quy đổi về phía sơ cấp nên điện trở tải, sẽ biểu diễn bởi:

𝑅𝑎𝑐 = 𝑛2𝑅𝑒 = 8𝑛 2 𝜋2 𝑅

Hàm truyền của mạng cộng hưởng có thể xác định theo các bước sau đây Trước hết phần mạch nối tiếp có trở kháng bằng:

Trong đó hệ số 1/𝑛 là tỷ số máy biến áp Do mạng cộng hưởng là tuyến tính nên module của hàm truyền H(s) chính là tỷ số giữa biên độ điện áp xoay chiều đầu ra so với biên độ điện áp xoay chiều đầu vào 𝑈𝑅1/𝑈𝑠1

Hệ số biến đổi điện áp 𝑀⁡ = ⁡ 𝑈𝑜/𝑈𝑔 là module của hàm truyền mạng cộng hưởng 𝐻(𝑠) tại s = j, với ⁡ = ⁡2𝜋𝑓 là tần số đóng cắt của sơ đồ

e Ảnh hưởng của tần số tới bộ biến đổi cộng hưởng

- Dòng điện và điện áp trên van không thể ngay lập tức tăng lên hay giảm về 0, do đó quá trình đóng cắt có dòng và áp cao “chuyển mạch cứng” sẽ gây tổn thất rất lớn, nhất là khi tần số đóng cắt lớn Hơn nữa quá trình đóng ngắt cứng này cũng sẽ gây ra các xung điện áp và dòng điện khá lớn trên các van đồng thời phát ra các xung điện từ gây nhiễu cho các thiết bị điện tử xung quanh Do đó giới hạn tần số hoạt động khoảng vài chục kHz

Đối với bộ biến đổi cộng hưởng LLC làm việc ở tần số cộng hưởng, sẽ tạo điều kiện chuyển mạch mềm trên các van ZCS hoặc ZVS, 2 điều kiện này ko thể đồng thời xảy ra Chuyển mạch ZCS sẽ có tổn thất khi mở van, chuyển mạch ZVS có tổn thất khi đóng van, tuy nhiên tổn hao sẽ nhỏ hơn rất nhiều so với chuyển mạch cứng Cho phép tần số chuyển mạch nâng lên đến vài trăm kHz

Bộ biến đổi làm việc ở tần số cộng hưởng sẽ giảm đáng kể kích thước và khối lượng của tụ điện, điện cảm, bộ tản nhiệt, biến áp (nếu tận dụng tụ ký sinh và điện cảm rò rỉ vào mạch cộng hưởng)

Tần số đóng cắt quá nhỏ sẽ tạo ra dòng điện có độ đập mạch cao, không bằng phẳng, công suất không đủ theo yêu cầu, chất lượng của dòng điện đầu ra sẽ không đảm bảo

Tần số hoạt động càng cao dòng điện càng mịn, thì mật độ năng lượng càng cao, giảm kích thước và khối lượng của các phần tử Tuy nhiên nếu vượt qua điểm cộng hưởng thì công suất đầu ra lại giảm đi do cảm kháng của mạch tăng cao

2.1.3 Các chế độ hoạt động của bộ biến đổi cộng hưởng LLC

Có ba chế độ hoạt động cho bộ biến đổi cộng hưởng LLC: 1 Chế độ vận hành cầu;

2 Chế độ vận hành nửa cầu;

3 Chế độ vận hành nhân đôi tần số

Trong phần này, các nguyên tắc hoạt động của ba chế độ vận hành trên sẽ được phân tích

a Chế độ vận hành cầu (FB-LLC)

Đối với chế độ vận hành cầu, tín hiệu cổng cho các công tắc chính được minh họa trong Hình 2.19, trong đó tín hiệu cổng cho S1 và S3 , S2 và S4 giống nhau và có sự lệch pha 180° giữa S1 và S2

Hình 2 19: Chế độ vận hành cầu

Ngoài ra, chu kỳ làm việc của công tắc chính là 0,5 (thời gian chết được bỏ qua) Dạng sóng vận hành điển hình được thể hiện trong Hình 2.20 Điện áp đầu vào bể cộng hưởng 𝑉𝑎𝑏 là dạng sóng vuông có 𝑉𝑖𝑛 dương và âm Dòng điện chạy qua công tắc bằng một nửa dòng điện cộng hưởng 𝑖𝐿𝑟

Hình 2 20: Dạng sóng điển hình cho chế độ FB

b Chế độ vận hành nửa cầu (HB-LLC)

Để hoạt động ở chế độ nửa cầu, tín hiệu cổng cho S3 phải luôn BẬT và tín hiệu cổng cho S2 luôn TẮT Trong trường hợp này, điểm b trong FB-LLC được nối với đất sơ cấp để tạo thành bộ biến đổi cộng hưởng LLC nửa cầu không đối xứng Các tín hiệu cổng cho các công tắc chính được hiển thị trong Hình 2.21

Hình 2 21: Chế độ vận hành nửa cầu

Dạng sóng vận hành điển hình trong chế độ vận hành nửa cầu được thể hiện trong Hình 2.22

Hình 2 22: Dạng sóng điển hình của chế độ HB

So với chế độ vận hành cầu, vận hành nửa cầu có hai đặc điểm sau:

- Dòng điện chạy qua công tắc sơ cấp là khác, vì không có dòng điện chạy qua S2 và dòng điện chạy qua S3 là giống như dòng điện cuộn cảm cộng hưởng 𝑖𝐿𝑟;

- Điện áp tụ cộng hưởng đối xứng với một nửa điện áp đầu vào, do đó, so với chế độ hoạt động toàn cầu, điện áp tụ cộng hưởng đỉnh được tăng lên

c Chế độ vận hành nhân đôi tần số

Một chế độ hoạt động khác cho bộ biến đổi LLC là chế độ hoạt động của bộ nhân đôi tần số Tín hiệu cổng cho công tắc chính được hiển thị trong Hình 2.23

Hình 2 23: Chế độ vận hành nhân đôi tần số

Trong chế độ hoạt động này, chu kỳ hoạt động của hai công tắc phía trên S1 và S2 là 0,75 và có sự lệch pha 180° giữa hai tín hiệu cổng này Từ dạng sóng của điện áp đầu vào mạng cộng hưởng 𝑉𝑎𝑏, có thể thấy rằng so với chế độ vận hành nửa cầu, trong một chu kỳ chuyển mạch, có hai chu kỳ hoàn chỉnh của 𝑉𝑎𝑏, do đó, tần số chuyển mạch vận hành tương đương trong chế độ vận hành này được nhân đôi Do đó, để đạt được dạng sóng hoạt động giống như chế độ hoạt động nửa cầu, có thể chọn một nửa tần số chuyển mạch

Hình 2 24: Dạng sóng điển hình chế độ vận hành nhân đôi tần số

Dạng sóng hoạt động điển hình cho chế độ hoạt động nhân đôi tần số được hiển thị trong Hình 2.24 Rõ ràng, vì tương đương tần số chuyển mạch tăng gấp đôi, có hai giai đoạn chuyển mạch hoàn chỉnh trong cùng một khoảng thời gian Điện áp cực đại trên tụ điện cộng hưởng giống như chế độ hoạt động nửa cầu

2.1.4 Mô hình hóa bộ biến đổi cộng hưởng LLC sử dụng xác suất cơ bản

Để lấy hàm truyền giữa đầu vào và đầu ra của bộ biến đổi cộng hưởng LLC, ta sử dụng phương pháp phân tích sóng hài bậc nhất (FHA) để tạo ra hàm truyền của bộ biến đổi cộng hưởng LLC bao gồm các bước sau:

Bước 1: Thể hiện điện áp và dòng điện sóng vuông đầu vào phía sơ cấp và các thành phần cơ bản của chúng

Bước 2: Kết quả là điện áp và dòng điện sóng vuông lưỡng cực phía thứ cấp cũng được xấp xỉ bằng các thành phần cơ bản của chúng

Bước 3: Các biến phía thứ cấp thu được sau đó được chuyển đến phía chính và hàm truyền đạt được

Vì máy biến áp có sẵn điện cảm từ hóa (𝐿𝑚) nên được sử dụng làm điện cảm nối tiếp với điện cảm cộng hưởng (𝐿𝑟) Thực tế cũng tồn tại điện cảm rò rỉ ở phía thứ cấp, nếu bỏ qua sẽ gây ra lỗi thiết kế đáng kể Hình 3.1 thể mạch tương đương của bộ biến đổi cộng hưởng LLC trong đó điện cảm rò rỉ bên thứ cấp cũng

Hình 2 25: Mạch biến đổi cộng hưởng LLC bao gồm điện cảm rò rỉ phía thứ cấp

Khi điện trở tải được phản xạ về phía sơ cấp, nó sẽ khác với giá trị thực thu được bằng cách chỉ nhân nó với tỷ số dây quấn Do đó, ta sử dụng mạch tương đương phía thứ cấp như trong Hình 2.26

Hình 2 26: Mạch tương đương phía thứ cấp

Các phương trình cho dòng điện xoay chiều và thành phần hình sin cơ bản của điện áp sóng vuông ở đầu vào của bộ chỉnh lưu diode như sau:

𝐼𝑎𝑐 = 𝜋𝐼𝑜

2𝑆𝑖𝑛(𝜔𝑡) (1)