BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------ĐỒN THANH TÙNG

NGHIÊN CỨUTHUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN
BỘ BIẾN ĐỔI DC - DC CẦU HÌNH XẾP CHỒNG

Chuyên ngành: Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. TẠ CAO MINH

Hà Nội – Năm 2014


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan bản luận văn thạc sĩ này là cơng trình của riêng tơi do tơi tự
thực hiện dưới sự dướng dẫn của PGS. TS. Tạ Cao Minh. Các số liệu và kết quả là
hoàn toàn trung thực.
Để hồn thành luận văn này tơi chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong mục
tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác. Nếu phát
hiện có sự sao chép tơi xin hồn tốn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, ngày 11 tháng 03 năm 2014
Học viên

Đoàn Thanh Tùng

Mục lục

MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................vii
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NĂNG LƯỢNG TRONG
XE ĐIỆN ..................................................................................................................... 3
1.1.2. Lợi ích của ơ tơ điện: .................................................................................. 4
1.1.3. Ơ tơ điện trong q khứ:............................................................................. 4
1.1.4. Ơ tơ điện ngày nay: .................................................................................... 5
1.1.5. Xu thế trong tương lai: ............................................................................... 6
1.2. Hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện: ................................................ 6
1.2.1. Các phần tử dự trữ năng lượng:.................................................................. 6
1.2.2. Các cấu trúc của hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện: ............... 9
1.2.3. Vị trí và vai trò bộ biến đổi DC – DC trong hệ truyền động ô tô điện: ... 13
1.2.4. Yêu cầu công nghệ: .................................................................................. 14
CHƯƠNG 2 – LỰA CHỌN CẤU HÌNH VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BỘ
BIẾN ĐỔI DC – DC ................................................................................................. 16
2.1.Tổng quan các cấu hình mạch DC – DC: ........................................................ 16
2.1.1. Bộ biến đổi buck (buck converter): .......................................................... 16
2.1.2. Bộ biến đổi boost (boost converter): ........................................................ 17
2.1.3. Bộ biến đổi DC – DC hai chiều không cách ly: ...................................... 19
2.1.3. Bộ biến đổi DC – DC hai chiều có cách ly: ............................................ 22
2.1.4. Lựa chọn cấu hình: ................................................................................... 24
2.2. Các thuật toán điều khiển bộ biến đổi DC – DC: ........................................... 26
2.2.1. Điều khiển điện áp (VMC): ...................................................................... 27
2.2.2. Điều khiển dòng điện (CMC): .................................................................. 28

2.2.3. Điều khiển tối ưu: ..................................................................................... 29
-i-


Mục lục
2.2.4. Lựa chọn chiến lược điều khiển: .............................................................. 29
CHƯƠNG 3 – NGUN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH TỐN HỌC CỦA BỘ
BIẾN ĐỔI DC – DC ................................................................................................. 31
3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC – DC hai chiều: ............................ 31
3.1.1. Quy đổi cấu hình: ..................................................................................... 31
3.1.2. Phân tích ngun lý hoạt động: ................................................................ 32
3.2. Mơ hình hóa hệ thống: .................................................................................... 34
3.2.1. Phương pháp mơ hình hóa:....................................................................... 34
3.2.2. Điều kiện áp dụng phương pháp trung bình khơng gian trạng thái: ........ 37
3.2.3. Áp dụng phương pháp trung bình khơng gian trạng thái: ........................ 37
CHƯƠNG 4 – TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC
HAI CHIỀU .............................................................................................................. 43
4.1. Tính tốn thơng số thiết kế mạch lực: ............................................................ 43
4.1.1. Yêu cầu bài toán: ...................................................................................... 43
4.1.2. Thông số ô tô và hệ thống dự trữ năng lượng: ......................................... 43
4.1.3. Lựa chọn điểm làm việc cho bộ biến đổi: ................................................ 45
4.1.4. Lựa chọn van và tần số chuyển mạch: ..................................................... 46
4.1.5. Tính chọn cuộn cảm: ................................................................................ 47
4.1.6. Tính chọn tụ lọc đầu ra phía DC-Bus:...................................................... 48
4.2. Thiết kế bộ điều khiển: ................................................................................... 49
4.2.1. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển theo đồ thị Bode: ............................ 49
4.2.2. Áp dụng thiết kế bộ điều khiển PI bằng đồ thị Bode: .............................. 51
4.3. Mô phỏng hệ thống bộ biến đổi DC – DC hai chiều tải trở: .......................... 57
4.3.1. Bộ biến đổi DC – DC với hai mạch vòng điều khiển: ............................. 57
4.3.2. Bộ biến đổi DC – DC với một mạch vòng điều khiển dòng điện: ........... 62

CHƯƠNG 5 – MƠ PHỎNG TỒN BỘ HỆ THỐNG XE ĐIỆN ............................ 64
5.1. Giới thiệu sơ đồ mô phỏng: ............................................................................ 64
5.1.1. Hệ thống quản lý năng lượng: .................................................................. 64
5.1.2. Hệ thống HESS và tải động cơ IPM: ....................................................... 68

-ii-


Mục lục
5.1.3. Hệ thống động lực học ô tô: ..................................................................... 70
5.2. Mô phỏng và kết quả: ..................................................................................... 72
5.2.1. Điều kiện tiến hành mô phỏng: ................................................................ 72
5.2.2. Kết quả mô phỏng hệ xe điện i-MiEV truyền thống: ............................... 74
5.2.3. Kết quả mô phỏng hệ thống xe điện cải tiến với hệ HESS: ..................... 75
KẾT LUẬN ............................................................................................................... 80
TÀI LIỆU HAM KHẢO ........................................................................................... 82
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 84

-iii-


Danh mục hình vẽ

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Chiếc xe điện đầu tiên năm 1932 [6]. ......................................................... 3
Hình 1.2. Ơ tơ điện thời kỳ đầu. .................................................................................. 4
Hình 1.3. Xe Chevrolet Volt – 2011. .......................................................................... 5
Hình 1.4. Xe ơ tơ điện i-MiEV được đưa ra thị trường [7]. ........................................ 6
Hình 1.5. Mật độ năng lượng và mật độ công suất của các hệ thống lưu trữ năng
lượng [13]. ................................................................................................................... 8

Hình 1.6. Các cấu hình có thể của hệ HESS với 2 nguồn và 1 tải. ........................... 10
Hình 1.7. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động. ............................ 14
Hình 2.1. Bộ biến đổi buck [14]. ............................................................................... 17
Hình 2.2. Bộ biến đổi boost [14]. .............................................................................. 18
Hình 2.3. Biến đổi mạch DC – DC hai chiều từ mạch Buck và Boost cơ bản. ........ 19
Hình 2.4. (a) Buck-boost hai chiều, (b) Two back-to-back connected. .................... 20
Hình 2.5. Một cấu trúc khác của bộ biến đổi hai chiều không cách ly. .................... 20
Hình 2.6. Bộ biến đổi DC – DC hai chiều ba pha xếp chồng [14]. .......................... 21
Hình 2.7. Cấu trúc phổ biến của các bộ biến đổi DC – DC hai chiều cách ly. ......... 22
Hình 2.8. Mạch Half-Bridge hai chiều. ..................................................................... 23
Hình 2.9. Mạch Full-Bridge hai chiều. ..................................................................... 23
Hình 2.10. (a) Tỉ lệ đập mạch dòng điện đầu vào ở chế độ buck, (b) Tỉ lệ đập mạch
dòng điện đầu ra chế độ buck [22]. ........................................................................... 25
Hình 2.11. (a) Bộ biến đổi DC – DC hai chiều bốn pha xếp chồng, (b) Dạng dịng
điện trên cuộn cảm. ................................................................................................... 26
Hình 2.12. Cấu trúc bộ điều khiển mờ. ..................................................................... 28
Hình 2.13. Chiến lược điều khiển bộ biến đổi DC – DC [13]. ................................. 29
Hình 3.1. Cấu hình bộ biến đổi hai chiều DC - DC bốn pha xếp chồng. .................. 31
Hình 3.2. Cấu hình bộ biến đổi hai chiều DC - DC 1 pha. ....................................... 32
Hình 3.3. Đồ thị xung và dịng điện iL ở chế độ buck. .............................................. 32
Hình 3.4. Đồ thị xung và dòng điện iL ở chế độ boost. ............................................. 33

-iv-


Danh mục hình vẽ
Hình 3.5. Hai trạng thái đóng cắt trong một chu kì phát xung. ................................ 34
Hình 3.6. Cấu hình mạch tổng quát và dạng xung phát. ........................................... 37
Hình 3.7. Cấu hình mạch trong khoảng thời gian ton. ............................................... 38
Hình 3.8. Cấu hình mạch trong khoảng thời gian toff. ............................................... 38

Hình 4.1. Đặc tình phóng điện của siêu tụ. ............................................................... 45
Hình 4.2. Đồ thị Imax(L) và Imin(L). ........................................................................... 48
Hình 4.3.Sơ đồ hai mạch vịng điều chỉnh. ............................................................... 49
Hình 4.4. Biểu đồ Bode của bộ PI [3]. ...................................................................... 50
Hình 4.5. Đồ thị Bode hàm KGid(jω). ....................................................................... 52
Hình 4.6. Đồ thị Bode hệ hở đối tượng dịng. ........................................................... 53
Hình 4.7. Đáp ứng step khi có bộ PI. ........................................................................ 54
Hình 4.8. Đồ thị Bode hàm KGvi(jω). ....................................................................... 55
Hình 4.9. Đồ thị Bode hệ hở đối tượng áp. ............................................................... 56
Hình 4.10. Đáp ứng bước nhảy khi có bộ điều khiển. .............................................. 56
Hình 4.11. Sơ đồ mơ phỏng hàm truyền hai mạch vịng điều khiển. ........................ 57
Hình 4.12. Đáp ứng bước nhảy của hệ kín................................................................ 57
Hình 4.13. Sơ đồ mơ phỏng hệ thống hai mạch vịng điều khiển. ............................ 58
Hình 4.15. Đáp ứng điện áp đầu ra DC-Bus. ............................................................ 59
Hình 4.16. Đáp ứng dịng điện IL tổng. ..................................................................... 59
Hình 4.17. Dịng điện cuộn cảm trên từng pha. ........................................................ 59
Hình 4.18. Đáp ứng điện áp ra DC-Bus. ................................................................... 61
Hình 4.19. Đáp ứng dịng điện IL tổng. ..................................................................... 61
Hình 4.20. Dịng điện cuộn cảm trên bốn pha. ......................................................... 61
Hình 4.21. Sơ đồ mơ phỏng điều khiển dịng điện.................................................... 62
Hình 4.22. Đáp ứng dịng điện IL tổng. ..................................................................... 63
Hình 4.23. Đáp ứng dịng điện IL trên từng pha. ....................................................... 63
Hình 5.1. Mơ hình mơ phỏng tồn bộ hệ thống xe điện. .......................................... 64
Hình 5.2. Thuật tốn phân phối năng lượng. ............................................................ 65
Hình 5.3. Sơ đồ cấu trúc mô phỏng hệ thống EM..................................................... 66
-v-


Danh mục hình vẽ
Hình 5.4. Sơ đồ khối của thuật tốn. ......................................................................... 67

Hình 5.5. Sơ đồ mơ phỏng của hệ Hess với động cơ IPM. ....................................... 68
Hình 5.6. Mơ hình mô phỏng hệ thống điều khiển động cơ IPM. ............................ 69
Hình 5.7. Sơ đồ mơ phỏng động lực học xe điện. ..................................................... 71
Hình 5.8. Lượng đặt mơmen khi nhấn chân ga hoặc chân phanh. ............................ 73
Hình 5.9. Sự thay đổi tốc độ xe điện trong q trình mơ phỏng. .............................. 74
Hình 5.10. Giá trị các đại lượng của hệ thống pin Li-ion. ........................................ 75
Hình 5.11. Giá trị các dịng điện trung bình trên DC-Bus. ....................................... 76
Hình 5.12. Các đại lượng của Battery. ...................................................................... 76
Hình 5.13. Các đại lượng của siêu tụ. ....................................................................... 77
Hình 5.14. Dịng điện pha bộ biến đổi DC – DC cho battery. ..................................78
Hình 5.15. Dịng điện pha bộ biến đổi DC – DC cho siêu tụ....................................78
Hình 5.16. Điện áp DC-Bus. ..................................................................................... 79

-vi-


Danh mục bảng biểu

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Giá trị các phần tử trong mạch…………………………….………...….12
Bảng 3.1. Phương trình trạng thái cho hai trường hợp đóng cắt……………….….34
Bảng 4.1. Thơng số xe điện và hệ thống dự trữ năng lượng....................................43
Bảng 5.1. Thông số mô phỏng hệ Hess và động cơ IPM.........................................69
Bảng 5.2. Thơng số mơ hình mơ phỏng xe điện......................................................72

-vii-


Lời nói đầu


LỜI NĨI ĐẦU
Ngày nay, khoa học kĩ thuật đang rất phát triển. Nhiều công nghệ, vật liệu mới
được tạo ra để đáp ứng nhu cầu sản xuất cũng như tiêu dùng của xã hội. Tuy nhiên
kèm theo đó là sự giảm sút của nguồn nguyên vật liệu và năng lượng. Đặc biệt là
nhiên liệu xăng dầu. Với lượng phương tiện giao thông ngày một tăng, nguy cơ
thiếu nhiên liệu xăng dầu là điều sẽ xảy ra. Đồng thời khói bụi tăng cao gây hiệu
ứng nhà kính, ảnh hưởng tới sức khỏe con người. Vậy chúng ta cần làm gì?
Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đã bắt đầu nghiên cứu và đưa
ra loại phương tiện giao thơng mới, đó là xe điện. Đặc biệt là ô tô điện. Vì lượng
xăng dầu mà ô tô tiêu thụ là rất lớn nên phương án sử dụng ô tô điện thay thế cho ô
tô truyền thống là rất cần thiết. Trên thị trường hiện nay đã có rất nhiều chủng loại ô
tô điện từ các xe lai (hybrid electric vehicles) sử dụng kết hợp xăng và điện; đến các
xe thuần điện (pure electric vehicles) của các nhà sản xuất lớn như Nissan, Ford,
Misubishi, Chevrolet,…
Trong trường đại học Bách Khoa, trung tâm CTI do PGS.TS. Tạ Cao Minh
phụ trách cũng đang nghiên cứu đề tài cấp Nhà nước về ô tô điện mã số
KC03.08/11-15. Và phần đặc biệt đang được quan tâm nghiên cứu là hệ thống lưu
trữ và phân phối năng lượng trong ô tô điện với mục tiêu điều khiển ơ tơ hoạt động
có hiệu suất cao nhất, tiết kiệm năng lượng nhất.
Luận văn nghiên cứu thuật toán điều khiển bộ biến đổi DC – DC là thành phần
đóng vai trị quan trọng thiết yếu, giúp điều khiển và cho phép dòng năng lượng trao
đổi giữa nguồn và động cơ xe ô tô một cách linh hoạt, hiệu quả. Sau đó, bộ biến đổi
DC – DC được ghép nối với tồn hệ thống ơ tơ điện bao gồm hệ thống quản lý năng
lượng, hệ thống truyền động và tải. Tồn bộ cơng việc của luận văn được trình bày
trong 5 chương.
 Chương 1 sẽ giới thiệu về vị trí và vai trị của bộ biến đổi DC - DC trong
ơ tơ điện từ đó đưa ra các yêu cầu công nghệ.

-1-



Lời nói đầu
 Chương 2 sẽ thực hiện cơng việc lựa chọn cấu hình mạch và thuật tốn
điều khiển sao cho phù hợp với các yêu cầu từ chương 1 đưa ra.
 Chương 3 giới thiệu cấu hình bộ biến đổi DC - DC đã lựa chọn và trình
bày phương pháp mơ hình hóa đưa ra mơ hình tốn học cho đối tượng.
 Chương 4 thiết kế hệ thống điều khiển theo thuật tốn đã chọn ở chương
2 và mơ phỏng hệ thống điều khiển bộ biến đổi DC – DC độc lập.
 Và cuối cùng chương 5 thực hiện mơ phỏng tồn hệ thống ơ tơ điện.
Cuối cùng tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Tạ Cao Minh, giám đốc
trung tâm sáng tạo công nghệ CTI, đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện cho tác giả
trong tồn bộ q trình nghiên cứu và hồn thiện luận văn. Đồng thời tác giả cũng
xin bày tỏ lòng trân trọng biết ơn tới các thầy cô giảng viên tại bộ mơn Tự động hóa
XNCN, Viện Điện, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; các cán bộ trung tâm CTI
đã hỗ trợ, giúp đỡ tác giả trong qua trình thực hiện luận văn.

-2-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN PHỐI NĂNG LƯỢNG
TRONG XE ĐIỆN
1.1. Giới thiệu về ô tô điện:
1.1.1. Lịch sử phát triển:
Xe ô tô điện không phải mới phát triển trong những giai đoạn gần đây. Nó đã
xuất hiện cách đây hơn 120 năm và thậm chí cịn thơng dụng hơn xe chạy xăng vào
thời kì đầu của xe hơi. Do khó khăn trong việc khởi động xe bằng cách quay tay ở
những chiếc ô tô chạy xăng nên xe điện rất được phụ nữ ưa chuộng. Và theo các

nhà sử học, cũng vì được phụ nữ ưa chuộng mà xe điện trở thành kiêng kị đối với
các quý ông, không người đàn ông nào muốn bị bắt gặp đang ngồi trên một chiếc ô
tô chạy điện.
Vào khoảng những năm 1832 và 1839, Robert Anderson người Scotland đã
phát minh ra loại xe điện chuyên chở đầu tiên (hình 1.1). Năm 1842, hai nhà phát
minh người Mỹ là Thomas Davenport và Scotmen Robert Davidson trở thành
những người đầu tiên đưa pin vào sử dụng cho ô tô điện. Đến những năm 1865,
Camille Faure đã thành công trong việc nâng cao khả năng lưu trữ điện trong pin,
giúp cho xe điện có thể di chuyển một quãng đường dài hơn. Pháp và Anh là hai
quốc gia đầu tiên đưa ô tô điện vào phát triển trong hệ thống giao thơng vào cuối
thế kỷ 18.

Hình 1.1. Chiếc xe điện đầu tiên năm 1932 [6].
-3-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
Tuy nhiên, đến đầu những thế kỷ 20, ô tô điện trở nên yếu thế so với ô tô sử
dụng động cơ đốt trong bởi các nguyên nhân như giá thành, về mặt kỹ thuật và do
sự phát hiện những mỏ dầu lớn trên thế giới. Kết quả là đến năm 1935, ô tô điện đã
gần như biến mất do không thể cạnh tranh được với xe chạy động cơ đốt trong.
1.1.2. Lợi ích của ơ tơ điện:
Trên thế giới nguồn tài nguyên không phải là vô hạn đặc biệt là nhiên liệu như
xăng dầu, khí đốt. Mặt khác vấn đề ơ nhiễm mơi trường, khói bụi gây hiệu ứng nhà
kính càng ngày càng nghiêm trọng. Do vậy có thể nói ơ tơ điện sẽ trở thành một xu
thế tất yếu trong tương lai không xa. Bởi lẽ:
 Về khía cạnh năng lượng: điện năng là nguồn năng lượng rất linh hoạt,
nó có thể được chuyển hóa từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau, trong
đó có nguồn năng lượng tái tạo vơ tận như năng lượng gió, mặt trời,
sóng biển, v.v.

 Về khía cạnh mơi trường: ơ tơ điện là một giải pháp hiệu quả nhất vì nó
hồn tồn khơng sinh ra khí thải.
1.1.3. Ơ tơ điện trong q khứ:

Hình 1.2. Ơ tơ điện thời kỳ đầu.
Có nhiều hãng sản xuất xe điện vào thời đó như Babcock Electric (1916 1912), Baker Electric (1899 - 1916), Ohio Electric (1908 - 1918)… Detroit Electric
là nhà sản xuất xe điện nổi tiếng nhất và tồn tại lâu nhất, từ 1907 đến tận 1942.

-4-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
Chính vợ của Henry Ford, Clara Ford, đã nảy sinh mâu thuẫn với chồng khi không
lựa chọn sản phẩm của gia đình là Model T, thay vào đó là một chiếc Detroit
Electric 1914. Bà thường dùng chiếc xe đó để đi thăm bạn bè và họ hàng.
Trong thời kỳ xảy ra khủng hoảng năng lượng những năm 1970, Serbing Vanguard Citicar được lựa chọn thay cho các phương tiện giao thông khác, tạo nên
cơn sốt xe cỡ nhỏ. Cho tới 1977, nhà sản xuất đã bán được tới 2.300 chiếc Citicar
có giới hạn chạy 80 km và tốc độ tối đa 45 km/h. Khách hàng cũng có thể lựa chọn
nâng cấp từ phiên bản 3,5 mã lực lên 5 mã lực với tốc độ tối đa lên khoảng 60
km/h.Vỏ nhựa có tới 5 lựa chọn màu. Thiết kế nhỏ gọn giúp bán kính quay xe chỉ
có 3m. Đến 1976, số lượng Citicar tiêu thụ đã đưa Serbing - Vanguard lên vị trí thứ
6 tại Mỹ (sau GM, Ford, Chrysler, AMC và Checker). Sau đó, tập đồn Commuter
Vehicles đã mua lại thiết kế Citicar và đổi tên là Commuta - Car. Phiên bản nâng
cấp được tiếp tục sản xuất vào năm 1979, có khoảng 2 nghìn chiếc Comuta-car và
Comuta-van đã được xuất xưởng. Với 4.300 chiếc, Citicar, hay Comuta-car, hiện
đang giữ kỷ lục về lượng xe điện sản xuất trong lịch sử ngành ơ tơ.
1.1.4. Ơ tơ điện ngày nay:
Tại Châu Âu, xe plug-in hybrid và các bộ biến đổi điện tử cơng suất là những
vấn đề chính được quan tâm nghiên cứu. Ơ tơ điện lai (plug-in hybrid electric
vehicle) (hình 1.3) là loại xe sử dụng hỗn hợp cả năng lượng xăng và điện. Thuật

ngữ “plug-in” cho biết xe có bộ nạp tích hợp sẵn. Một số loại xe hybrid được lưu
hành tại Việt Nam như Toyota Prius, Ford, v.v.

Hình 1.3. Xe Chevrolet Volt – 2011.
-5-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
Tại Nhật Bản, các hãng ô tô lớn lần lượt đưa ra các mẫu xe thuần điện (pure
EVs) ra thị trường. Hình 1.2 thể hiện một chiếc xe ô tô điện i-MiEV chụp tại triển
lãm Ô tô Vietnam Motor Show 2010.

Hình 1.4. Xe ơ tơ điện i-MiEV được đưa ra thị trường [7].
1.1.5. Xu thế trong tương lai:
Về mặt cấu hình xe, ơ tơ điện thuần (pure EV) mới là tương lai của ơ tơ điện,
các cấu hình xe lai (hybrid) chỉ là bước đệm về công nghệ trong quá trình quá độ từ
xe chạy động cơ đốt trong lên xe điện.
Về mặt thị trường, tới năm 2015 theo dự báo Châu Á - Thái Bình Dương sẽ là
thị trường lớn nhất về ô tô điện.

1.2. Hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện:
1.2.1. Các phần tử dự trữ năng lượng:
Hệ thống dự trữ năng lượng là thành phần quan trọng trong xe điện. Nó cung
cấp điện năng cho xe hoạt động. Có bốn đặc điểm chúng ta cần xét đến khi lựa chọn
các phần tử dự trữ năng lượng, đó là mật độ năng lượng (energy-density), mật độ
công suất (power-density), thời gian nạp và tuổi thọ (lifetime). Mật độ năng lượng
cao sẽ giúp cho xe ô tô điện đi được quãng đường dài hơn, đây cũng là một thách
thức lớn mà các nhà sản xuất đang rất quan tâm. Mật độ cơng suất cao nói lên khả
năng có thể cung cấp một lượng lớn điện năng trong một khoảng thời gian ngắn.
Điều này sẽ hỗ trợ cho xe điện lúc tăng tốc nhanh. Thời gian nạp nhanh là điều cần

-6-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
thiết khi ta thực hiện quá trình hãm tái sinh. Và cuối cùng tuổi thọ cao là điều mà
người sử dụng luôn luôn mong đợi.
Trên thị trường hiện có nhiều loại pin hoặc ắc quy được sử dụng làm kho dự
trữ năng lượng. Ta có thể kể đến một số loại sau:
 Ắc quy axit chì: Chì cực dương và ơxit chì cực âm nhúng trong dung
dịch axit sunfuric. Ắc quy chì đã được sử dụng trong xe điện lai HEV.
Tuy nhiên, ắc quy chì có mật độ năng lượng, tuổi thọ thấp và độc hại
với môi trường.
 Pin Nikel-Metal Hydride (NiMH): Cực dương là Niken OxyHydroxide,
cực âm là hợp kim Vanadium, Titanium, Nicken và một số kim loại
khác. Loại pin này có mật độ cơng suất gấp hai lần ắc quy chì axit,
khơng độc, tuổi thọ tương đối cao nhưng giá thành đắt.
 Pin Lithium-Ion: Cực dương có thể làm từ Cobalt Oxide, Manganese
Oxide, Iron Phosphate, Nickel Manganese Cobalt Oxide hoặc Nickel
Cobalt Aluminum Oxide; cực âm là Cacbon và chất điện môi là muối
Lithium. Đây là loại pin đang rất phổ biến. Nó có mật độ năng lượng,
tuổi thọ cao, mật độ cơng suất trung bình và không độc hại. Công nghệ
pin Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide đang được sử dụng cho
xe điện.
 Pin Nikel-Cadmium: loại pin rất bền ngay cả khi phóng hết cơng suất
cũng khơng hư hại gì. Tuy nhiên giá thành loại pin này rất đắt và độc
hại.
 Fuel-Cell (FC): Sử dụng phản ứng giữa H2 và O2 để sinh ra điện. FC có
mật độ năng lượng rất cao nhưng mật độ công suất lại thấp và độ an
tồn khơng cao.
 Ultracapacitop/Supercapacitor(UC/SC): là loại tụ điện có điện dung lớn

thường bao gồm nhiều siêu tụ cỡ hàng nghìn Fara mắc nối tiếp và song
song với nhau tạo thành. Siêu tụ có mật độ năng lượng nhỏ nhưng mật

-7-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
độ cơng suất lớn. Nó có thể phóng ra dịng điện gấp nhiều lần so với
dung tích và tuổi thọ cao.
Hình 1.5 cho ta thấy tương quan giữa các loại phần tử dự trữ năng lượng về
mật độ công suất (specific power) và mật độ năng lượng (specific energy).

Hình 1.5. Mật độ năng lượng và mật độ cơng suất của các hệ thống lưu trữ
năng lượng [13].
Pin Li-ion với mật độ năng lượng lớn, mật độ công suất trung bình, tuổi thọ
cao, giá thành khơng q đắt, khơng độc hại đang được sử dụng là nguồn lưu trữ
năng lượng chính cho nhiều loại ơ tơ thuần điện. Ví dụ trong xe thuần điện
Mitsubishi i-MiEV, hệ thống pin Li-ion 330V được mắc trực tiếp vào đầu của
nghịch lưu điều khiển cho hệ truyền động ô tô. Tuy nhiên việc chỉ sử dụng một
nguồn lưu trữ năng lượng là pin Li-ion cũng còn tồn tại một số nhược điểm. Thứ
nhất, điện áp của ác quy sẽ suy giảm theo dung lượng khiến cho điện áp DC-Bus
(phía trước nghịch lưu) là không ổn định, dẫn đến chất lượng điều khiển cho bộ
nghịch lưu DC/AC là không cao. Thứ hai, pin Li-ion khơng thể phóng nạp với dịng
điện q lớn trong một khoảng thời gian ngắn vì điều này làm giảm tuổi thọ của pin
rất nhanh, trong khi xe điện lại thường xuyên tăng giảm tốc độ cần phải huy động
công suất tức thì lớn.

-8-



Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
Với mục tiêu khắc phục được hai nhược điểm nêu trên, các hệ thống lưu trữ
năng lượng lai ghép được đề xuất và nghiên cứu, thường được gọi là HESS (Hybrid
Energy Storage System). Trong hệ HESS, người ta sử dụng trên hai nguồn lưu trữ
năng lượng phối hợp với nhau. Trong luận văn này, một hệ HESS với hai nguồn lưu
trữ năng lượng là hệ thống pin Li-ion và siêu tụ điện sẽ được sử dụng. Pin Li-ion có
mật độ năng lượng cao sẽ là nguồn cung cấp năng lượng chính và hệ thống siêu tụ
điện với mật độ công suất cao sẽ là nguồn năng lượng hỗ trợ khi xe ô tô điện tăng
giảm tốc độ. Bộ biến đổi DC- DC là phần thiết kế chính sẽ điều khiển, phân phối
năng lượng và duy trì điện áp DC-Bus ổn định.
1.2.2. Các cấu trúc của hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện:
Như trên trình bày, hệ thống lưu trữ năng lượng sẽ gồm có pin Li-ion và siêu
tụ điện. Khi kết hợp với bộ biến đổi DC – DC, ta sẽ có tất cả 7 cấu hình ghép nối
như hình 1.6.

Vdcbus

Vbt

dc - dc

Vdcbus

Vsc

Vbt

Load

Vsc

Load

(a)

(b)

-9-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
dc - dc

Vsc

dc - dc

Vdcbus

Vbt

Vbt

Vsc

Load

Load

(c)


(d)
dc – dc 1

dc – dc 2

Vdcbus

dc – dc 2

dc – dc 1

Vdcbus

Vsc

Vbt

Vbt

Load

dc – dc 1

dc – dc 2

Vsc
Load

(e)


Vsc

Vdcbus

(f)
Vdcbus

Vbt
Load

(g)
Hình 1.6. Các cấu hình có thể của hệ HESS với 2 nguồn và 1 tải.
-10-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
Cấu hình đơn giản nhất ở H.1.6a, ở đây không sử dụng bộ biến đổi DC – DC
nên tồn tại nhiều nhược điểm:
 Sự phân phối công suất giữa 2 nguồn lưu trữ năng lượng không được
điều khiển. Nó làm việc một cách thụ động.
 Do điện áp pin Li-ion thay đổi chậm trong quá trình làm việc nên siêu
tụ điện không phát huy được hết công suất.
 Điện áp DC-Bus thay đổi tác động tới hệ thống nghịc lưu ở phía sau.
Cấu trúc ở hình 1.6b cũng bị nhược điểm như ở H.1.6a ngoại trừ Vdcbus đã
được điều khiển.
Cấu trúc hình 1.6c và 1.6d đều sử dụng một bộ biến đổi DC – DC. Ở hình
1.6d, bộ biến đổi DC – DC điều khiển dòng năng lượng cho hệ thống pin Li-ion,
điều này có thể hạn chế được dòng điện nạp/xả cho pin, nâng cao tuổi thọ cho pin
nhưng không giữ ổn định được Vdcbus, nảy sinh vấn đề cân bằng điện áp siêu tụ và
cũng không sử dụng hiệu quả siêu tụ điện. Đối với cấu trúc hình 1.6c, pin Li-ion

phải có điện áp cao bằng Vdcbus và có phạm vi suy giảm điện áp hẹp trong q trình
làm việc để Vdcbus khơng bị thay đổi nhiều. Do có bộ điều khiển dịng năng lượng
cho siêu tụ, hệ phân phối năng lượng ở hình 1.6c có nhiều ưu điểm hơn và cũng
được quan tâm nghiên cứu nhiều hơn để ứng dụng cho xe điện. Tuy nhiên nó vẫn
cịn tồn tại một nhược điểm đó là khơng điều khiển được dòng nạp/xả cho hệ thống
pin một cách trực tiếp, có thể giảm tuổi thọ của pin Li-ion.
Cấu trúc ở hình 1.6e là sự kết hợp của 2 hệ thống ở hình 1.6c và 1.6d nên nó
có ưu điểm của cả hai cấu trúc đó. Việc phân phối dòng năng lượng từ hệ thống pin
và siêu tụ được thực hiện một cách chủ động, linh hoạt. Điện áp DC-Bus được giữ
ổn định mặc cho điện áp siêu tụ thay đổi trong một dải rộng. Cả hệ thông pin và
siêu tụ điện đều có thể được thiết kế với mức điện áp thấp hơn nên việc cân bằng áp
dễ dàng hơn, nâng cao tính an tồn của hệ thống. Tuy nhiên với cấu trúc này, ta cần
có hai bộ biến đổi DC – DC công suất lớn làm cho hệ thống phức tạp hơn, có giá
thành chi phí cao hơn.

-11-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
Hai cấu trúc ở hình 1.6f và 1.6g được tạo thành từ hai cấu trúc tương ứng ở
hình 1.6d và 1.6c bằng việc sử dụng thêm một bộ biến đổi DC – DC điều khiển ở
DC-Bus. Điều này có thể giúp cho năng lượng được trao đổi qua lại giữa hệ thống
pin với siêu tụ mà không phụ thuộc vào DC-Bus. Tuy nhiên bộ biến đổi DC – DC
thêm vào phải chịu được công suất của tất cả tải, do đó tăng chi phí nhiều hơn so
với các cấu trúc từ 1.6c tới 1.6e.
Bảng 1.1 tổng kết lại các cấu trúc phân phối năng lượng cho hệ HESS.
Bảng 1.1. Giá trị các phần tử trong mạch
Cấu trúc

H.1.6a H.1.6b


H.1.6c

H.1.6d

H.1.6e

H.1.6f

H.1.6g

Đặc điểm
DC - DC

0

1

1

1

2

2

2

N


Y

N

N

Y

Y

Y

Thấp

Thấp

Cao

Thấp

Cao

Cao

Cao

Điều khiển Isc

N


N

Y

N

Y

Y

Y

Điều khiển Ibt

N

N

N

Y

Y

Y

Y

0


1

0

1

1

2

1

converter
Constant Vdcbus
Sự thay đổi điện
áp siêu tụ

Bộ DC – DC từ
Vbt tới Vdcbus

Trong luận văn này, dựa vào các phân tích ở trên, cấu trúc phân phối năng
lượng cho hệ HESS được lựa chon nghiên cứu và thiết kế là cấu trúc ở hình 1.6e sử
dụng hai bộ biến đổi DC- DC cho mỗi phần tử dự trữ năng lượng.

-12-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
1.2.3. Vị trí và vai trị bộ biến đổi DC – DC trong hệ truyền động ô tô điện:
Bộ biến đổi DC – DC đóng vai trị rất quan trọng trong ô tô điện. Cùng với hệ

thống pin Li-ion, siêu tụ chúng tạo thành khối mạch điện công suất trong xe ô tô. Để
kết nối ba hệ thống điện áp một chiều này với nhau, đồng thời điều khiển tối ưu
dòng năng lượng trong các chế độ hoạt động, ơ tơ cần có các bộ biến đổi DC - DC
cho phép dòng năng lượng chảy theo hai chiều. Hai bộ biến đổi DC - DC trong hệ
thống như hình 1.7 tuy cùng là bộ biến đổi hai chiều DC - DC nhưng chức năng của
chúng là khác nhau.
 Bộ biến đổi DC - DC kết nối giữa Battery và DC-link có nhiệm vụ điều phối
dịng năng lượng nạp về Battery trong quá trình hãm tái sinh và nâng điện
áp từ ắc quy lên DC - link. Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao nhưng mật
độ cơng suất thấp. Do đó chúng có khả năng tích trữ năng lượng lớn và cho
phép ô tô đi một quãng đường dài. Tuy nhiên, do quá trình biến đổi trong
pin là các q trình điện hóa, do đó pin Li-ion khơng thể phóng hoặc nạp
được nhanh. Chính vì điều này, trong quá trình hãm tái sinh, chỉ một phần
nhỏ năng lượng được nạp về Battery sao cho phù hợp với đặc tính nạp chậm
để đảm bảo tuổi thọ của Battery.
 Bộ biến đổi giữa siêu tụ và DC-link có vai trị thay đổi điện áp của siêu tụ
và huy động công suất lớn từ siêu tụ trong quá trình tăng tốc. Mức điện áp
định mức ở DC-link cần có để cấp nguồn cho động cơ hoạt động là
330VDC. Trong quá trình hãm tái sinh, điện áp DC-link có thể dâng tới
600VDC. Trên thực tế, siêu tụ điện được chế tạo với mức điện áp nhỏ, chỉ
khoảng vài VDC, module siêu tụ có mức điện áp chịu được lớn nhất trên thị
trường là 125VDC [11]. Nếu đấu nối tiếp nhiều module để có điện áp
600VDC sẽ khiến giá thành bị nâng lên rất cao, đồng thời gây khó khăn cho
việc cân bằng điện áp giữa các module, dẫn tới khả năng nổ toàn bộ dàn
siêu tụ. Do vậy, các bộ biến đổi DC - DC này có vai trị hạ mức điện áp từ
600VDC xuống 250VDC (hai module mắc nối tiếp) trong q trình hãm tái
sinh. Đồng thời nó có vai trị huy động một lượng công suất lớn trong thời
gian ngắn từ siêu tụ để phục vụ quá trình tăng tốc cho xe. Điều này trành

-13-



Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
được việc phải huy động công suất lớn từ Battery, do vậy cũng sẽ đảm bảo
được tuổi thọ của Battery.
Battery phóng điện
(Năng lượng lớn, cơng suất trung bình)
Dịng năng lượng nạp battery
(Chậm)

Dòng năng lượng hãm tái sinh

BATTERY
BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC
HAI CHIỀU
DC-Link
330 – 600V

250V
Dòng năng lượng nạp siêu tụ
(Nhanh)

SIÊU TỤ
BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC
HAI CHIỀU
250V

Chế độ siêu tụ phóng năng lượng
(Cơng suất lớn, năng lượng thấp)


Hình 1.7. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động.
1.2.4. Yêu cầu công nghệ:
Ngày nay, các yếu tố như hiệu suất, kích thước, cơng suất, độ phức tạp, giá
thành và sự ảnh hưởng tới môi trường luôn được quan tâm và là các tiêu chí quan
trọng để đánh giá một sản phẩm. Bộ DC –DC hai chiều trong ô tô điện cũng vậy, nó
cần phải đạt được các tiêu chí kĩ thuật cũng như các u cầu cơng nghệ đặt ra như
sau:
 Bộ biến đổi DC - DC phải cho phép dòng năng lượng chảy theo hai
chiều.
 Bộ biến đổi DC - DC phải hoạt động với công suất lớn (lên tới vài chục
kW) để đáp ứng được tốc độ cho ô tô điện.
-14-


Chương 1: Tổng quan hệ thống phân phối năng lượng trong xe điện
 Bộ biến đổi DC - DC bị giới hạn về kích thước và trọng lượng. Nó cần
phải nhỏ gọn khi đặt trong một hệ thống tổng thể. Khi đó chiếc xe điện
sẽ có thể giảm kích thước cũng như trọng lượng, năng lượng tiêu hao
do trọng lượng xe sẽ ít hơn.
 Bộ biến đổi DC - DC phải được thiết kế sao cho tổn hao khi chuyển
mạch, trong quá trình làm việc, v.v. là bé nhất để nâng cao hiệu suất
sản phẩm.
Với các yêu cầu công nghệ dành cho bộ biến đổi DC - DC như trên, luận văn
này sẽ lựa chọn và tìm ra cấu hình cụ thể, thích hợp để giải quyết các vấn đề đó.
Đồng thời nghiên cứu, đưa ra thuật tốn điều khiển phân phối dòng năng lượng một
cách phù hợp cho hai bộ biến đổi DC – DC hai chiều. Đối tượng đang được nghiên
cứu của đề tài cấp nhà nước KC03.08/11-15 là chiếc xe điện Mitsubishi i-MiEV
cùng với 2 hệ thống siêu tụ điện 66F-125V của hãng Maxwell. Xe i-MiEV chỉ có hệ
thống Battery nối trực tiếp vào bộ nghịch lưu DC/AC. Do đó luận văn sẽ cải tiến hệ
thống lưu trữ năng lượng vốn có của chiếc xe bằng cách tích hợp thêm hệ thống

siêu tụ điện và 2 bộ biến đổi DC – DC hai chiều như trên đã trình bày để tạo ra một
cấu trúc phân phối năng lượng lai ghép, nâng cao tuổi thọ của Battery cũng như
hiệu suất của xe. Nội dung chính của luận văn vẫn tập trung vào công việc lựa chọn
và thiết kế bộ biến đổi DC – DC hai chiều sao cho phù hợp với công nghệ đã nêu
trong các chương tiếp theo (từ chương 2 cho tới chương 4). Ở chương cuối, bộ biến
đổi DC – DC đã được thiết kế sẽ được ghép nối với toàn bộ hệ thống xe điện. Công
cụ mô phỏng Matlab-Simulink được sử dụng để mô phỏng và kiểm chứng các kết
quả.

-15-


Chương 2: Lựa chọn cấu hình và thuật tốn điều khiển cho bộ biến đổi DC - DC

CHƯƠNG 2 – LỰA CHỌN CẤU HÌNH VÀ THUẬT TỐN ĐIỀU
KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC – DC

2.1.Tổng quan các cấu hình mạch DC – DC:
Nhìn chung các bộ biến đổi DC – DC có thể chia ra 2 nhóm sau:
 Nhóm cấu hình cách ly (sử dụng biến áp).
 Nhóm cấu hình khơng cách ly (sử dụng cuộn cảm).
2.1.1. Bộ biến đổi buck (buck converter):
Là bộ biến đổi khơng cách ly có tác dụng giảm điện áp 1 chiều, tức là điện áp
ra của bộ biến đổi nhỏ hơn điện áp vào. Đây là cấu hình khơng cách ly đơn giản với
1 van bán dẫn. Hình 2.1 mơ tả cấu tạo và luật phát xung điều khiển mạch buck.
Khi van Q1 dẫn, nguồn Vin cung cấp năng lượng ra tải và cho cuộn dây L.
Điện áp trên cuộn dây bằng chênh lệch điện áp giữa Vin và Vout. Dòng iL tăng từ iL1
tới iL2.
Khi Q1 khóa, iL tiếp tục chảy theo chiều cũ, năng lượng dự trữ trong L cung
cấp dòng ra tải. Lúc này điốt D1 vào dẫn thay Q1. Điện áp trên cuộn dây L lúc này

bằng – Vout, nên dòng điện iL giảm dần.
Quan hệ giữa điện áp vào và ra:
Vout  D.Vin

-16-

(2.1)