Luận án: Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng sạc động xe điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Điệp NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY CHO XE ĐIỆN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Điệp NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY CHO XE ĐIỆN Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9520216 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. Trần Trọng Minh Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố. Các thông tin trích dẫn trong luận án được ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2020 Người hướng dẫn khoa học Tác giả luận án PGS.TS Trần Trọng Minh Nguyễn Thị Điệp i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trần Trọng Minh, TS. Nguyễn Kiên Trung đã dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, định hướng, tạo động lực, hỗ trợ tôi để hoàn thành luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn tới ban lãnh đạo Khoa Điều khiển và Tự động hóa, ban lãnh đạo Trường Đại học Điện Lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình tôi làm nghiên cứu sinh. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Tự động hóa Công nghiệp, Viện Điện, Phòng Đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi về mặt chuyên môn, cơ sở vật chất, các thủ tục trong quá trình học tập, hoàn thành luận án.

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên nhóm “Wireless Charging” của Apes Lab, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian tôi làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tôi xin gửi những tình cảm yêu quý nhất đến các thành viên trong gia đình đã luôn động viên, hỗ trợ tôi về mọi mặt để tôi hoàn thành luận án này. Hà Nội, tháng 11 năm 2020 ii Mục lục Mục lục. iii Danh mục chữ viết tắt.

vi Danh mục các ký hiệu. viii Danh mục các bảng. xii Danh mục các hình vẽ, đồ thị. xiii Mở đầu.

Tính cấp thiết của đề tài. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu. 4 Mục tiêu nghiên cứu.

4 Đối tượng nghiên cứu. 4 Phạm vi nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học của đề tài. 5 Về thực tiễn.

Dự kiến các kết quả đạt được. Bố cục của luận án .1 Giới thiệu chung .2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu .1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây.2 Tổng quan về bộ ghép từ .3 Tổng quan về mạch bù .4 Tổng quan về bộ biến đổi công suất và các phương pháp điều khiển .3 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu .4 Kết luận chương 1. 26 iii Chương 2. Thiết kế hệ thống.

27 Tóm tắt nội dung.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống .2 Thiết kế bộ ghép từ .2 Thiết kế cấu trúc bộ ghép từ .3 Thiết kế bộ ghép từ phía truyền .4 Thiết kế bộ ghép từ phía nhận .2 Thiết kế mạch bù .2 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng .1 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn vào UAB .2 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn đầu ra .3 Xếp chồng các kết quả .3 Phân tích điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền .4 Tính toán thông số mạch bù LCC .3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.1 Kết quả mô phỏng .2 Kết quả thực nghiệm .4 So sánh kết quả nghiên cứu .5 Kết luận chương 2. Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống. 60 Tóm tắt nội dung.1 Điều khiển bám cộng hưởng .2 Thiết kế điều khiển bám cộng hưởng .3 Kết quả mô phỏng .2 Điều khiển bám tải tối ưu .2 Phân tích lý thuyết. 69 a) Phân tích khả năng điều khiển bám tải tối ưu.

70 b) Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía thứ cấp. 71 c) Phân tích cấu trúc điều khiển .3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.3 So sánh kết quả nghiên cứu .4 Kết luận chương 3. Điều khiển công suất. 82 Tóm tắt nội dung.1 Phân tích khả năng điều khiển công suất chỉ từ phía sơ cấp .2 Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía truyền .3 Phân tích, thiết kế bộ điều khiển .3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.1 Kết quả mô phỏng .2 Kết quả thực nghiệm .4 So sánh kết quả nghiên cứu .5 Kết luận chương 4.

99 Những đóng góp của luận án:. 100 Những hạn chế của luận án và các nghiên cứu trong tương lai. 100 Danh mục các công trình đã công bố của luận án. 101 Danh mục các công bố chính.

101 Danh mục các công bố liên quan. 102 Tài liệu tham khảo .PL1 v Danh mục chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt IEA International Energy Agency Cơ quan năng lượng quốc tế WPT Wireless Power Transfer Truyền điện không dây FEA Finite Element Analysis Phân tích phần tử hữu hạn Korea Advanced Institute of Viện Khoa học và công nghệ KAIST Science and Technology tiên tiến Hàn Quốc OLEV On-Line Electric Vehicle Xe điện sạc trực tuyến SUV Sports Utility Vehicle Xe điện thể thao đa dụng Phòng thí nghiệm quốc gia Oak ORNL Oak Ridge National Laboratory Ridge, Hoa Kỳ PFC Power Factor Corection Hiệu chỉnh hệ số công suất EV Electric Vehicle Xe điện AC Alternating Current Dòng điện xoay chiều DC Direct Current Dòng điện một chiều SS Series Series Nối tiếp nối tiếp SP Series Parallel Nối tiếp song song PP Parallel Parallel Song song song song PS Parallel Series Song song nối tiếp ZPA Zero Phase Angle Góc pha không ZVS Zero Voltage Switching Chuyển mạch điện áp không ZCS Zero Current Switching Chuyển mạch dòng điện không International Commissionn Non- Ủy ban quốc tế bảo vệ bức xạ ICNIRP Ionizing Radiation Protection ion hóa CFR Code of Federal Regulations Quy định liên bang của Hoa Kỳ vi Society of Automotive Hiệp hội kỹ sư ô tô SAE Engineers V2G Vehicle to Grid Xe điện nối lưới vii Danh mục các ký hiệu Ký hiệu Mô tả L1, L2 Điện cảm tự cảm của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp M Điện cảm hỗ cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp I 1 , I2 Dòng điện chảy trong cuộn dây sơ cấp, thứ cấp φ12 Góc lệch pha giữa dòng 𝐼1̇ và 𝐼2̇ Điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được sinh ra do hiện tượng 𝑈̇21, 𝑈̇12 cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây S1, S2 Công suất truyền đến cuộn dây L1 và L2 S3, S4 Công suất được cấp bởi bộ biến đổi điện tử công suất S12, S21 Công suất trao đổi giữa hai cuộn dây P12 Công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp Q Tổng công suất phản kháng vào hai cuộn dây k Hệ số kết nối điện từ (hệ số kết nối) ω0 Tần số góc cộng hưởng fsw Tần số chuyển mạch f0 Tần số cộng hưởng Qs Hệ số chất lượng cuộn dây thứ cấp C1 Tụ bù phía sơ cấp C2 Tụ bù phía thứ cấp Rr-SS, Rr-PS, Trở kháng phản xạ từ phía thứ cấp về phía sơ cấp trong các mạch Rr-SP, Rr-PP bù SS, PS, SP, PP T1, T2, T3, R Tên các cuộn dây truyền số 1, 2, 3 và cuộn dây nhận lt, lr Chiều dài cuộn dây truyền, nhận wt, wr Chiều rộng cuộn dây truyền, nhận viii lwt, lwr Độ rộng cuộn dây bộ truyền, bộ nhận da Khoảng cách truyền hAl, hc, hf Độ dầy của tấm chắn nhôm, cuộn dây và tấm ferrite dr Vị trí bộ nhận (độ dịch chuyển của cuộn nhận theo hướng x) lm Độ lệch bên theo hướng y i,j Chỉ số của các cuộn dây truyền, i,j = 1, 2, 3 Li, Lr Điện cảm tự cảm của cuộn truyền thứ i, cuộn nhận Mij Điện cảm hỗ cảm của các cuộn dây truyền i với cuộn dây truyền j Hệ số kết nối điện từ giữa cuộn dây truyền thứ i với cuộn dây kij truyền thứ j Mi Tổng điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền Ti với các cuộn truyền khác k1r, k2r, k3r Hệ số kết nối của cuộn truyền T1, T2, T3 với cuộn nhận R kr Tổng hệ số kết nối của ba cuộn truyền với cuộn nhận Kr Hệ số kết nối trung bình của ba cuộn truyền với cuộn nhận UDC Điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu phía sơ cấp UAB Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp Uab Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp S1, S2, S3, S4 Tên gọi của các MOSFET trong sơ đồ nghịch lưu phía sơ cấp Lfi Điện cảm bù phía sơ cấp Cfi Tụ bù nhánh dưới phía sơ cấp Ci Tụ bù nhánh trên phía sơ cấp Lfr Điện cảm bù phía thứ cấp Cfr Tụ bù nhánh dưới phía thứ cấp Cr Tụ bù nhánh trên phía thứ cấp Mir Điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền thứ i với cuộn nhận ILi Dòng điện cộng hưởng trên các cuộn dây truyền ix Ii Dòng điện chảy trên các điện cảm bù Lfi ULr Điện áp cảm ứng trên cuộn dây nhận ILfr Dòng điện trên điện cảm bù phía thứ cấp Ir Dòng điện trên tụ bù nhánh trên phía thứ cấp IAB Dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp RL Trở kháng tương đương phía xoay chiều η Hiệu suất truyền Qi Hệ số phẩm chất của cuộn truyền Ti Qr Hệ số phẩm chất của cuộn nhận R ηmax Hiệu suất truyền lý thuyết tối đa RL.opt Trở kháng tối ưu Pout Công suất đầu ra Ioff Dòng điện khóa R1 , R2 , R3 Điện trở của cuộn dây truyền T1, T2, T3 Ri Điện trở của cuộn dây truyền Ti t1 Thời điểm kết thúc thời gian chuyển mạch tdead Thời gian chết IM.AB Giá trị của dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu tại điểm đo t1 IM.avg Giá trị trung bình cộng của IM.