Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện616

Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, tài
nguyên hóa thạch ngày càng cạn kiệt thúc đẩy việc sử dụng năng lượng
xanh. Xe điện là phương tiện sử dụng năng lượng xanh hiệu quả và
ngày càng phổ biến trên thế giới. Hiện nay, ngồi vấn đề chi phí thì
hạn chế lớn nhất của xe điện là quãng đường di chuyển ngắn do công
nghệ lưu trữ năng lượng cho xe điện vẫn có mật độ năng lượng thấp,
tuổi thọ hạn chế, kích thước và chi phí lớn. Giải pháp ứng dụng công
nghệ truyền điện không dây trong sạc động không dây cho xe điện
được đề xuất thực hiện để mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện.
Trong hệ thống này, xe điện có thể vừa đi vừa sạc, phạm vi di chuyển
của xe điện không những được mở rộng mà cịn giúp giảm đáng kể
dung lượng và kích thước của ắc quy. Hệ thống sạc động khơng dây
có thể cùng một lúc sạc cho nhiều xe điện, có thể thích hợp với nhiều
loại xe điện khác nhau như xe bus điện, ô tô điện... Các lý do trên thúc
đẩy việc nghiên cứu và phát triển hệ thống WPT ứng dụng trong sạc
động không dây cho xe điện. Tuy nhiên, sự chuyển động của xe trên
làn đường sạc tạo ra nhiều thách thức trong việc thiết kế điều khiển hệ
thống. Hiện nay, còn r ất nhiều vấn đề, giải pháp trong hệ thống sạc
động không dây cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Do đó, tác giả
lựa chọn đề tài “nghiên cứ u hệ thống truyền điện không dây ứng d ụng
trong sạc động không dây cho xe điện”.
2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án
Hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động khơng dây cho xe điện
có đặc điểm là hệ số kết nối điện từ giữa đường truyền và bộ nhận trên
xe thay đổi khi xe di chuyển. Điều đó làm đập mạch công suất, ảnh
hưởng tới tuổi thọ của ắc quy. Từ đó đặt ra vấn đề thiết kế cuộn dây
nhằm giảm độ dao động của hệ số kết nối điện từ để giảm đập mạch
công suất. Hơn nữa, vấn đề nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống WPT
là rất quan trọng. Để đạt được hiệu suất cao trong toàn hệ thống WPT

cần phải nâng cao hiệu suất của từng phần như hiệu suất truyền, hiệu
suất của các bộ biến đổi công suất và giảm thiểu các bộ biến đổi điện
tử công suất trong h ệ thống. Mặt khác, trong h ệ thống sạc động khơng
dây có nhiều loại xe điện có u cầu mức cơng suất sạc khác nhau
cùng chạy trên đường và tương tác với đường truyền. Vì vậy, vấn đề
1


điều khiển công suất sạc theo yêu cầu của các EV là cần thiết. Từ
những tồn tại trên, hướng nghiên cứu của luận án là:
- Nghiên cứu, thiết kế cuộn dây sử dụng phương pháp mơ phỏng phân
tích phần tử hữu hạn FEA nhằm giảm đập mạch công suất.
- Nghiên cứu thiết kế, điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống.
- Nghiên cứu thiết kế, điều khiển công suất.
- Nghiên cứu thực nghiệm xác minh tính đúng đắn của các phương
pháp thiết kế, điều khiển đã đề xuất.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án thực hiện nghiên cứu, đề xuất cấu trúc và phương pháp
điều khiển hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động
không dây cho xe điện với các mục tiêu sau: Thiết kế cuộn dây giảm
đập mạch công suất; Thiết kế và điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ
thống; Điều khiển công suất ra tải.
Đối tượng nghiên cứu
Luận án nghiên cứu về các phần sau trong hệ thống WPT ứng dụng
trong sạc không dây động cho xe điện: Bộ ghép từ; Mạch bù; Các bộ
biến đổi điện tử công suất.
Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu phần đảm bảo truyền năng lượng
không dây với hiệu suất cao cho xe điện từ phía sơ cấp đến bus DC ở

phía thứ cấp. Vì vậy, để giới hạn phạm vi nghiên cứu đề tài đưa ra một
số giả thiết sau: Không xem xét vấn đề điều khiển quản lý năng lượng
ắc quy trên xe, vì vậy giống như nhiều nghiên cứu khác trên th ế giới,
coi toàn bộ phía sau hệ thống truyền điện khơng dây từ bus DC tới tải
là một phụ tải tương đương có trở kháng thay đổi tùy thuộc vào trạng
thái sạc của ắc quy; Xem xét quá trình truyền năng lượng trên một mô
đun truyền – nhận từ nguồn đầu vào một chiều của bộ nghịch lưu tần
số cao phía sơ cấp đến tải tương đương phía sau của bộ biến đổi điều
khiển phối hợp trở kháng, chưa xem xét đến vấn đề chuyển đổi từ mô
đun này sang mô đun khác trên đường truyền; Khoảng cách truyền
bằng 150mm và không thay đổi trong quá trình xe di chuyển; Xe di
chuyển trên làn đường sạc với tốc độ không vượt quá 40km/h.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận: Truyền điện không dây để sạc cho xe điện ngay trong
quá trình di chuyển là giải pháp thúc đẩy sự phổ biến của xe điện trong
2


tương lai gần vì có thể giải quyết vấn đề tăng được thời gian cũng như
quãng đường di chuyển trên dung lượng hạn chế của ắc quy trên xe.
Hệ thống truyền năng lượng dựa trên cơ sở cảm ứng điện từ giữa các
cuộn dây kết nối điện từ với nhau là hướng nghiên cứu chính hiện nay
đang được quan tâm. Nghiên cứu này nhằm giải quyết những vẫn đề
như đảm bảo hiệu suất truyền cao nhất, giảm được độ đập mạch công
suất khi cuộn nhận di chuyển, nâng cao hiệu suất, điều khiển được
dịng cơng suất khi phía phụ tải là các loại xe điện với yêu cầu mức
công suất khác nhau. Bằng phương pháp tính tốn và mơ phỏng phần
tử hữu hạn, luận án đã phân tích q trình điện từ và đưa ra thiết kế
cấu trúc mô đun hóa cho hệ thống các cuộn cảm ghép nối về từ trường
với nhau đảm bảo hệ số kết nối điện từ tương đối phẳng, như vậy giảm

được đập mạch của công suất trên tải khi cuộn nhận di chuyển. Hiệu
suất truyền cơng suất được tối ưu hóa nhờ q trình cộng hưởng ở tần
số 85 kHz với các mạch bù tr ở kháng LCC, ngay cả khi hệ số kết nối
thay đổi liên tục theo vị trí của cuộn nhận so với các cuộn truyền. Về
mặt điều khiển luận án cũng giải quyết các vấn đề liên quan đến đảm
bảo hoạt động của bộ biến đổi điện tử công suất trong ch ế độ cộng
hưởng, điều khiển dịng cơng suất từ phía truyền cũng như phía nhận.
Về thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng thông
qua mô hình thực nghiệm chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn. Hệ
thống truyền năng lượng không dây ứ ng dụng trong sạc động cho xe
điện thực sự nâng cao tính thuận tiện, hiệu quả và sự an tồn trong q
trình phổ biến loại xe này trong tương lai.
5. Dự kiến các kết quả đạt được
- Thiết kế cuộn dây giảm đập mạch công suất.
- Nâng cao được hiệu suất của hệ thống.
- Điều khiển được công suất.
6. Bố cục của luận án
Luận án chia thành 4 chương, chương 1 trình bày nghiên cứu tổng
quan về hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động khơng dây cho xe
điện. Chương 2 trình bày thiết kế hệ thống: thiết kế cấu trúc, thiết kế
cuộn dây giảm đập mạch công suất, thiết kế mạch bù tối đa hiệu suất
truyền. Chương 3 đề xuất hai phương pháp điều khiển nâng cao hiệu
suất của hệ thống là phương pháp điều khiển bám cộng hưởng và
phương pháp điều khiển bám tải tối ưu. Chương 4 đề xuất phương
pháp điều khiển cơng suất đầu ra chỉ từ phía sơ cấp, nhằm đáp ứng
3


mức công suất sạc cho các loại xe điện khác nhau. Phần cuối cùng là
kết luận về những đóng góp của luận án, những hạn chế và hướng phát

triển của đề tài.
Chương 1. Tổng quan
1.1 Giới thiệu chung
Hệ thống sạc động không dây cho xe điện đã và đang được nghiên
cứu, phát triển, hứa hẹn làm cho việc sử dụng xe điện tiện lợi hơn và
an tồn hơn. Các cơng trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ thống WPT
ứng dụng trong sạc động khơng dây cho xe điện có thể được đưa vào
cấp độ thương mại với chi phí hợp lý. Tuy nhiên, để thương mại hóa
vẫn cịn rất nhiều vấn đề cần nghiên cứu, phát triển như mức công suất
truyền, khoảng cách truyền, hiệu suất khi xe di chuyển thẳng hướng
và lệch bên, điều khiển đóng/ cắt các cuộn dây theo vị trí của xe, điều
khiển quản lý quá trình sạc cho ắc quy, vấn đề tốc độ, vấn đề an tồn,
chi phí... Do vậy, các nghiên cứu mở rộng về hệ thống WPT ứng dụng
sạc động không dây cho xe điện là rất cần thiết.
Để nghiên cứu tổng quan về hệ thống WPT ứng dụng trong sạc
không dây động cho xe điện, xem xét một cấu trúc điển hình của hệ
thống WPT như trên Hình 1.1. Nghiên cứu về hệ thống WPT ứng dụng
trong sạc không dây động có thể được chia thành ba phần chính như
sau: Bbộ ghép từ; Mạch bù; Cấu trúc và phương pháp điều khiển các
bộ biến đổi điện tử công suất.
Mạch bù
thứ cấp

Chỉnh lưu
tần số cao

Bộ ĐK
quản lý
Bộ ĐK
phối hợp năng lượng

trở kháng
ắc quy

Ắc quy

Cuộn dây
thứ cấp
Drive

Động cơ

Làn đường sạc

Các cuộn
dây sơ cấp

~
Nguồn xoay
chiều

AC/DC
(PFC)

Nghịch lưu
tần số cao

Mạch bù
sơ cấp

Hình 1.1 Cấu trúc của hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động

không dây cho xe điện
4


1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu
1.2.1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây
Sự khác biệt giữa bộ sạc không dây và bộ sạc cắm dây thông
thường là thay vì sử dụng một biến áp hoặc cáp sạc thì sử dụng các
cuộn dây truyền và nhận tách rời nhau. Nguyên lý làm việc của hệ
thống giống như máy biến áp chỉ khác là hai cuộn dây tách rời nhau
hay điện năng được truyền qua khơng khí. Với một công suất truyền
nhất định, cần ph ải tạo mạch cộng hưởng phía thứ cấp để giảm cơng
suất định mức của cuộn dây, giảm tổn th ất đồng trên cuộn dây; cần tạo
mạch cộng hưởng phía sơ cấp để giảm cơng suất định mức của bộ biến
đổi điện tử công suất, giảm tổn thất trên bộ biến đổi công suất, tăng
hiệu suất truyền. Do đó, hệ thống WPT điện năng phải được truyền ở
chế độ cộng hưởng từ.
1.2.2 Bộ ghép từ
Trong hệ thống WPT dây cần có ít nhất hai bộ ghép từ để truyền
và nhận điện năng, bộ ghép từ phía sơ cấp và bộ ghép từ phía thứ cấp.
Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện,
các bộ ghép từ phía sơ cấp được sắp đặt cố định dưới lòng đường tạo
thành làn đường truyền hay làn đường sạc cho xe điện. Bộ ghép từ
phía thứ cấp thường được đặt dưới gầm xe điện. Khi xe điện di chuyển
dọc theo làn đường sạc, điện năng được truyền từ phía sơ cấp sang
phía thứ cấp nhờ các bộ ghép từ này.
Đường truyền trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không
dây cho xe điện được chia thành hai loại chính, loại thứ nhất là đường
truyền kiểu đường dài, loại thứ hai là đường truyền kiểu đoạn. Hiệu
suất truyền và nhiễu điện từ của đường truyền kiểu đoạn có thể tốt như

trong hệ thống sạc tĩnh. Tuy nhiên, cấu trúc đường truyền kiểu đoạn
yêu cầu số lượng lớn các mạch bù và bộ biến đổi cơng suất, u cầu
mạch xác định vị trí xe và yêu cầu các điều khiển khác làm cho h ệ
thống phức tạp hơn. Một nhược điểm khác của cấu trúc đường truyền
kiểu đoạn là khi xe điện di chuyển giữa hai cuộn truyền liền kề, công
suất đầu ra đập mạch và giảm đáng kể khi bộ nhận lệch bên. Như vậy,
có thể thấy đường truyền kiểu đoạn phù hợp với hệ thống sạc động vì
nhiễu điện từ thấp và hiệu suất cao. Tuy nhiên, việc thiết kế và điều
khiển hệ thống phức tạp. Để có thể đưa các nghiên cứu vào ứng dụng
thực tế, các cấu trúc và đặc điểm của đường truyền đặc biệt khi có lệch
bên cần được nghiên cứu, phát triển.
5


1.2.3 Mạch bù
Trong hệ thống WPT điện năng được truyền qua khe hở khơng khí
làm cho hệ số kết nối điện tử nhỏ và điện cảm rò lớn. Sự cộng hưởng
là chìa khóa trong hệ thống WPT để truyền điện với công suất lớn và
hiệu suất cao Các mạch bù được sử dụng để tạo thành mạch cộng
hưởng trong hệ thống WPT.
Gần đây, mạch bù LCC đã được ứng dụng khá thành công trong
sạc tĩnh với nhiều ưu điểm như đạt được hiệu suất cao đối với cả tải
nặng và tải nhẹ; tần số cộng hưởng không phụ thuộc vào hệ số kết nối
k và điều kiện tải; đạt được điều kiện chuyển mạch mềm ZVS cho van.
Nhiều nghiên cứu gần đây cũng sử dụng mạch bù LCC trong sạc động.
Tuy nhiên, phương pháp tính tốn mạch bù trong hệ thống sạc động
cần phải xem xét kỹ lưỡng hơn các vấn đề như sự kết nối điện từ của
các cuộn dây truyền với nhau, hiệu suất truyền tối đa, vùng tần số đạt
điều kiện chuyển mạch mềm ZVS,…
1.2.4 Bộ biến đổi điện tử công suất và các phương pháp điều khiển

Trong hệ thống WPT, chức năng chính của các bộ biến đổi cơng
suất phía sơ cấp là tạo ra dịng điện tần số cao đưa đến các cuộn dây
sơ cấp. Phía thứ cấp, thơng thường sử d ụng một bộ chỉnh lưu tần số
cao để biến đổi dòng xoay chiều tần số cao thành dòng một chiều sạc
cho ắc quy. Ngồi ra, phía thứ cấp có thể có các bộ biến đổi DC/DC
để điều phối hợp trở kháng, điều khiển và quản lý năng lượng ắc quy.
Phụ thuộc vào nơi thực hiện điều khiển, phương pháp điều khiển
trong hệ thống sạc động được phân loại thành điều khiển phía sơ cấp,
điều khiển phía thứ cấp, điều khiển phối hợp hai phía. Trong h ệ thống
WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, xe điện di
chuyển liên tục trên đường nên rất khó để điều khiển kết hợp hai phía.
Do đó, phương pháp điều khiển độc lập ở mỗi phía được ưa thích. Hơn
nữa, trong hệ thống sạc động nhiều xe điện cùng di chuyển trên làn
đường sạc và nhận điện năng từ đường truyền. Do đó, hệ thống u
cầu có cơng suất lớn, mức cơng suất u cầu cho hệ thống xe bus điện
có thể lên đến hàng trăm kW. Các bộ biến đổi công suất nhiều pha là
giải pháp để đáp ứng yêu cầu công suất truyền lớn. Ngoài ra, trong hệ
thống sạc động tần số làm việc cao cũng gây khó khăn trong việc thiết
kế, điều khiển vịng kín. Như vậy, cấu trúc và phương pháp điều khiển
các bộ biến đổi nhằm đáp ứng yêu cầu của hệ thống cần được nghiên
cứu và phát triển.
6


1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu
Nhiệm vụ của luận án là nghiên cứu hệ thống WPT ứng dụng trong
sạc động không dây cho xe điện. Để thực hiện được các nội dung
nghiên cứu, phương hướng thực hiện của luận án như sau: Thiết kế
cuộn dây: Sử dụng phương pháp FEA trên phần mềm Ansys Maxwell;
Thiết kế mạch bù. Phương pháp phân tích mạch, mơ phỏng mơ hình

tham số gộp được sử dụng để thiết kế mạch bù; Nghiên cứu cấu trúc
và phương pháp điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất. Xây
dựng cấu trúc và phương pháp điều khiển nâng cao hiệu suất, điều
khiển công suất thông qua điều khiển các bộ biến đổi điện tử công
suất. Sử dụng các phần mềm LTspice, PSIM để thực hiện mô phỏng
kiểm ch ứng; Nghiên cứu thực nghiệm. Sử dụng máy phân tích, đo và
nhận dạng các tham số và đặc tính cộng hưởng của hệ thống WPT.
1.4 Kết luận chương 1
Chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống WPT ứng dụng trong
sạc động không dây cho xe điện. Trên cơ sở phân tích tình hình nghiên
cứu trên thế giới, thấy rằng điện khí hóa phương tiện giao thơng r ất
cần thiết vì các vấn đề năng lượng và môi trường. Sạc động không dây
cung cấp nền tảng cho sự thâm nhập th ị trường của xe điện mà không
phụ thuộc vào công nghệ ắc quy. Các thành tựu nghiên cứu về hệ thống
cũng như về từng phần trong hệ thống như thiết kế bộ ghép từ, mạch
bù, bộ biến đổi điện tử công suất đã được phân tích, chỉ ra những vấn
đề cịn tồn tại và phương hướng giải quyết.
Chương 2. Thiết kế hệ thống
Tóm tắt nội dung
Chương 2 thực hiện thiết kế cấu trúc hệ thống, thiết kế cuộn dây và
mạch bù với mục đích giảm đập mạch cơng suất và hiệu suất cao.
2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống
Cấu trúc hệ thống được đề xuất thiết kế như trên Hình 2.1, đường
truyền được thiết kế theo kiểu đoạn và được mơ đun hóa. Phía sơ cấp
gồm nhiều mơ đun truyền, mỗi mơ đun truyền gồm ba cuộn dây. Mỗi
cuộn dây truyền được nối với một mạch bù riêng, nối song song với
nhau và được cấp nguồn bởi một bộ nghịch lưu duy nhất nhằm giảm
số lượng các bộ biến đổi công suất. Cấu trúc này có một số ưu điểm
như có thể điều khiển bật/tắt các mơ đun theo vị trí của bộ nh ận để
tăng hiệu suất hệ thống và giảm nhiễu điện từ, dễ dàng mở rộng đường

truyền mà không cần thay đổi thiết kế, dễ dàng thiết kế tụ bù, các cuộn
7


dây được phân đoạn nên giá trị điện áp đỉnh trên mỗi cuộn dây giảm,
giá trị điện áp đỉnh đặt lên các tụ bù cũng giảm.
Phía sơ cấp
Mơ đun truyền 01
S1

i1

L f1

S3

Cf 1

Phía thứ cấp
C1
iL 1

L1
i Lr

i2

U DC

A

u AB

Lf2
B

Cf 2

C2
iL2

L2

C3

L3

Lr

i3
S4

S2

L f3

Cf3

iL3

RL

ir
Cr

Cfr

Lfr

R Leq

BBĐ điều
Bộ chỉnh lưu
khiển
phối hợp
tần số cao
trở kháng

.
Làn đường truyền

Mơ đun truyền n

Hình 2. 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống
2.2 Thiết kế bộ ghép từ
2.2.1 Đặt vấn đề
Nghiên cứu tổng quan đã chỉ ra vấn đề tồn tại của đường truyền
kiểu đoạn là khi xe điện di chuyển đến vị trí giữa các bộ truyền liền kề
thì cơng suất nhận được trên tải giảm hay có hiện tượng đập mạch
công suất khi xe di chuyển dọc đường truyền làm ảnh hưởng tới tuổi
thọ ắc quy. Do đó, giải pháp giảm đập mạch công suất bằng phương

pháp thiết kế cuộn dây bằng mô phỏng phần tử hữu hạn FEA được đề
xuất thực hiện.
2.2.2 Thiết kế cấu trúc bộ ghép từ
Cấu trúc bộ ghép từ gồm ba lớp, lớp thứ nhất là các cuộn dây đơn
cực hình ch ữ nhật, lớp thứ hai là các thanh ferrite được đặt bên dưới
các cuộn dây để dẫn từ và tăng cường kết nối điện từ giữa các cuộn
dây truyền với cuộn dây nhận, lớp thứ ba là tấm chắn nhơm có tác
dụng che chắn rị từ trường ra mơi trường xung quanh. Các bộ truyền,
nhận được ký hiệu lần lượt là T1, T2, T3, R và được xếp úp mặt phía
cuộn dây vào nhau để truyền và nhận điện năng.
2.2.3 Thiết kế bộ ghép từ phía truyền
Mỗi bộ ghép từ phía truyền được thiết kế bao gồm ba cuộn dây đơn
cực giống hệt nhau có kích thước 400mmx400mmx48mm, đặt trong
8


cùng một mặt phẳng và được quấn cùng chiều, mỗi cuộn dây quấn 10
vòng. Cuộn dây truyền này được đặt cạnh một cuộn truyền khác nhằm
tránh vùng công suất thấp khi vị trị trí của bộ nhận ở giữa các cuộn
dây truyền. Mơ hình mơ phỏng 3D của một mơ đun bộ ghép từ được
xây dựng trên phần mềm Ansys Maxwell và được biểu diễn trên Hình
2. 3.

Hình 2. 3 Mơ hình Maxwell 3D của một mơ đun bộ ghép từ
2.2.4 Thiết kế bộ ghép từ phía nhận
Kích thước cuộn dây nhận được thiết kế bằng phương pháp mô
phỏng FEA nhằm giảm sự dao động của hệ số kết nối để giảm đập
mạch công suất. Kết quả mô phỏng FAE các giá trị điện cảm tự cảm,
hỗ cảm, hệ số kết nối của bộ ghép từ trên một mô đun truyền nhận
được liệt kê trên Bảng 2. 1.

Bảng 2. 1 Kích thước và thơng số của bộ truyền và nhận
Thơng s
Giỏ tr
Thụng s
Giỏ tr
400mm
500mm
lt
lr
400 mm
400mm
wt
wr
48mm
48mm
lwt
lwr
2mm
150mm
hAl
da
5mm
10
hm
n
4.8mm
hc
102 àH
-11.937 àH
Li (i=1ữ 3)

M1
120àH
-20.903àH
Lr
M2
0.14
-12.474 àH
Kr
M3
c tính của hệ số kết nối khi bộ nhận di chuyển lệch bên được
khảo sát như trên Hình 2.5. Khi bộ nhận di chuyển lệch bên hệ số kr
giảm mạnh, Kr = 0.044 khi lệch bên theo hướng y bằng ±40%. Như
vậy, hệ số kết nối điện từ thay đổi khi bộ nhận di chuyển trong hệ
thống sạc động, hệ số kết nối này giảm mạnh khi bộ nhận di chuyển
9


lệch bên. Kết quả mô phỏng vùng từ trường trên phần mềm Ansys
Maxwell chỉ ra sự phát xạ từ trường của hệ thống thiết kế đạt mức an
toàn ở khoảng cách 400mm từ hệ thống.

Hình 2. 5 Đồ thị đặc tính của hệ số kết nối khi bộ nhận lệch bên
2.3 Thiết kế mạch bù
2.3.1 Đặt vấn đê
Hệ thống WPT có đặc điểm là hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa ở
giá trị tải tối ưu. Ngoài ra, hệ thống WPT ứng dụng cho sạc động có
hiện tượng kết nối điện từ giữ a các cuộn truyền với nhau. Do đó, đặt
ra vấn đề thiết kế mạch bù để hiệu suất truyền đạt giá trị tối đa tại điểm
làm việc định mức và có xem xét đến hiện tượng kết n ối điện từ của
các cuộn truyền với nhau.

2.3.2 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng
Nguyên lý làm việc của mạch được phân tích bằng phương pháp
phân tích sóng hài cơ bản. Sơ đồ mạch Hình 2. 8 là mạch điện tuyến
tính nhiều nguồn nên có thể sử dụng phương pháp xếp chồng để phân
tích mạch. Từ đó, rút ra được mối quan hệ của các thông số của mạch
bù.
C1

I1
L f1

IL1

jωM 1rI Lr

Cf1
jωM 12 IL2

I AB

I2

C2
Lf2

UAB

jωM 13IL3

I L2

L2
jωM 2rI Lr

Cf2
jωM 21 IL1

C3

I3

L1

L f3

jωM 23IL3

IL3

L3

ILr

Lr

Cr

L fr

Ir

jωM 1rI L1
jωM 2rI L2

C fr

Uab

jωM 3rI L3

jωM 3rILr

Cf3
jωM 31I L1

jωM 32IL3

Hình 2. 8 Sơ đồ mạch xấp xỉ tương đương
10


2.3.2 Phân tích điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền
Giá trị của hiệu suất truyền tối đa và tải tối ưu của hệ thống được
trình bày trong các biểu thức dưới đây:
m ax

RL .opt

k 2r Q iQ r
3 k 2rQ iQ r

3
2 2
fr

L

Rr

2

3
3 kr2 Qi Qr

(2. 33)
(2. 34)

Hiệu suất truyền chỉ đạt giá trị tối đa ở một giá trị của tải, được gọi
là giá trị tải tối ưu. Ngồi ra, biểu thức (2. 33) có thể dùng để đánh giá,
ước lượng hiệu suất mong muốn của hệ thống.
2.3.4 Tính tốn thơng số mạch bù LCC
Các thơng số của mạch bù LCC được tính tốn để thỏa mãn công
suất yêu cầu; thỏa mãn các điều kiện cộng hưởng; thỏa mãn điều kiện
tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền; giá trị của hệ số kết nối Kr = 0.14.
Các thông số của hệ thống, thông số mạch bù tính tốn được trình bày
trong Bảng 2. 4.
Bảng 2. 4 Thông số hệ thống và mạch bù
Thông số
Giá trị
Thông số

Giá trị
1,5kW
400V
P out
Ub
310V
85kHz
UDC
fsw
53.33Ω
120 μH
RL.opt
Lr
102 μH
0,14Ω
Li
Rr
0,13Ω
0.14
Ri
Kr
52.6 μH
95 nF
Lfi
C3
66.5 nF
28.9 μH
C fi
L fr
93.7 nF

120.9 nF
C1
Cfr
123.2 nF
38.5 nF
C2
Cr
2.4 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
2.4.1 Kết quả mô phỏng
Các kết quả mơ phỏng đặc tính trở kháng đầu vào Zin = UAB/IAB
trên phần mềm Ansys Electronics liên kết với mơ hình mạch từ của
cuộn dây đã thiết kế trên phần mềm Ansys Maxwell được đưa ra trên
Hình 2. 13. Kết quả cho thấy có một điểm tần số cộng hưởng khơng
đổi và bằng 85kHz với bất kỳ giá trị nào của tải. Nếu hệ thống được
điều khiển phối hợp trở kháng để giữ trở kháng tải ở giá trị tải tối ưu
11


thì vùng tần số ZVS của hệ thống này sẽ cố định, trong vùng 35kHz ÷
85kHz.
Hình 2. 14 là đặc tính mơ ph ỏng hiệu suất truyền. Với mạch bù
LCC đã thiết kế, tần số cộng hưởng luôn bằng 85kHz và khơng phụ
thuộc vào vị trí của bộ nhận cũng như không phụ thuộc vào tải, hiệu
suất truyền đạt giá trị lớn nhất bằng 94.6%. Hình 2. 16 là đặc tính cơng
suất và hiệu suất của h ệ thống khi bộ nhận di chuyển dọc đường truyền
(đường nét liền). Công suất đầu ra trung bình bằng 1.4 kW, độ đập
mạch cơng suất là ±10%. Hiệu suất trung bình của hệ thống đạt 91.8%,
với hiệu suất truyền là 94.6% và hiệu suất của bộ nghịch lưu là 97%.

Hình 2. 13 Đặc tính trở kháng đầu vào

Hình 2. 14 Đặc tính hiệu suất truyền

Hình 2. 16 Kết quả mơ phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất
của hệ thống
12


2.4.2 Kết quả thực nghiệm
Hình 2. 18 là mơ hình thực nghiệm một mô đun truyền nhận của hệ
thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện đã được
thiết lập trong phịng thí nghiệm. Các cuộn dây truyền và nhận sử dụng
dây đồng nhiều lõi để giảm tổn thất xoay chiều khi làm việc ở tần số
cao. Các thanh ferrite PE40 được sử dụng để tăng khả năng dẫn từ. Tụ
màng polypropylen được sử dụng làm dụng làm tụ bù vì tổn hao nhỏ
và khả năng chịu dòng điện cao ở tần số lớn. Sử dụng các van
MOSFET SIC CMF20120D để tăng hiệu suất của bộ nghịch lưu.
Kết quả thực nghiệm dạng điện áp/dòng điện đầu ra của bộ nghịch
lưu được đưa ra trên Hình 2.19a, điều kiện chuyên mạch mềm ZVS
cho van đạt được. Hình 2.19b là dạng điện áp trên tải tối ưu, tần số
điện áp ra bằng 85kHz, bằng tần số cộng hưởng. Hình 2.16 là kết quả
thực nghiệm (đường nét đứt) công suất đầu ra và hiệu suất hệ thống.
Giá trị của công suất đầu ra trung bình đo được bằng 1.38kW, độ đập
mạch cơng suất bằng ± 9.5%, hiệu suất trung bình của hệ thống đo
được bằng 89.5%.

Hình 2. 18 Mơ hình thực nghiệm

Hình 2. 19 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp/dòng điện
13

2.5 So sánh kết quả nghiên cứu
Để chứng minh lợi ích của hệ thống thiết kế đề xuất, kết quả thiết
kế được so sánh với các thiết kế tương tự khác. Về thiết kế cuộn dây,
đặc tính hệ số kết nối khi bộ nhận di chuyển lệch bên được khảo sát,
đây là cơ sở để thực hiện các điều khiển nâng cao trong hệ thống. Mạch
bù LCC được thiết kế theo tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền và xem
xét đến hiện tượng kết nối điện từ của các cuộn truyền với nhau. Thiết
kế này có ưu điểm là hiệu suất truyền đạt được giá trị tối đa tại điểm
thiết kế, thông số của mạch bù nhỏ hơn, phương pháp tính tốn mạch
bù đơn giản hơn.
2.6 Kết luận chương 2
Thông qua phương pháp thiết kế cuộn dây đã đề xuất, hệ số kết nối
trung bình khi xe di chuyển dọc đường truyền đạt được bằng 0.14 với
độ dao động nhỏ (± 6%), đặc tính của hệ số kết nối khi xe di chuyển
lệch hướng đã được khảo sát để biết rõ hơn đặc điểm của đường truyền,
làm cơ sở cho việc điều khiển nâng cao hiệu suất. Mạch bù LCC hai
phía được thiết kế theo giá trị tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền tại
điểm thiết kế và có xem xét đến sự kết nối điện từ của các cuộn dây
truyền với nhau. Kết quả thực nghiệm giá trị của cơng suất ra trung
bình bằng 1.38kW và độ đập mạch công suất ra đo được là ±9.5% khi
bộ nhận di chuyển dọc đường truyền. Hiệu suất thực nghiệm trung
bình của hệ thống đạt được là 89.5%.
Chương 3. Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống
Tóm tắt nội dung
Hiệu suất là một trong những tiêu chí quan tr ọng nhất trong h ệ
thống WPT. Để nâng cao hiệu suất của tồn hệ thống thì cần phải nâng
cao hiệu suất của từng phần trong hệ thống. Hai giải pháp nâng cao
hiệu suất của hệ thống được đề xuất trong phần này là điều khiển bám

cộng hưởng và điều khiển bám tải tối ưu.
3.1 Điều khiển bám cộng hưởng
3.1.1 Đặt vấn đề
Ở chương 2, mạch bù LCC đã được thiết kế đảm bảo điều kiện
chuyển mạch mềm ZVS cho MOSFET. Tuy nhiên, trong q trình làm
việc thơng số của các phần tử thụ động trong h ệ thống có thể bị thay
đổi làm cho hệ thống làm việc xa điểm cộng hưởng, giảm hiệu suất
của hệ thống. Điều kiện chuyển mạch của MOSFET thay đổi, hiệu suất
14


của bộ nghịch lưu giảm. Để nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu,
phương pháp điều khiển bám cộng hưởng được đề xuất thực hiện.
3.1.2 Thiết kế điều khiển bám cộng hưởng
Trong điều kiện làm việc thực tế, các thông số của hệ thống như
thông số của cuộn dây, thông số của mạch bù có thể bị thay đổi, làm
cho điểm tần số làm việc xa tần số cộng hưởng. Dẫn tới diện tích vùng
ZVS lớn hơn hoặc van chuyển mạch ở điều kiện ZCS, làm tăng tổn
thất chuyển mạch và giảm hiệu suất của toàn h ệ thống. Phương pháp
điều khiển bám cộng hưởng thực hiện thu nhỏ vùng diện tích ZVS
hoặc thay đổi điều kiện chuyển mạch mềm cho van từ ZCS sang ZVS
để giảm tổn thất chuyển mạch, nâng cao hiệu suất.
t dead
PWM1,2
PWM3,4

tdead

0

t

0

t

Ts

uAB
+UDC

T s/2

0

t

-U DC
i AB
IZCS

t
IH

0

IM.AB

IL

t
t 0t 1 2

t3

Hình 3. 1 Điểm đo dịng điện của phương pháp điều khiển bám cộng
hưởng
Phía sơ cấp

Phía thứ cấp

Mơ đun truyền

i1

I DC
S1

S3
A

i AB

uAB
UDC

i2

Lf1

Lf2

Cf1

i L2

i3

Cf3

iL3

Mosfet driver
Điều khiển bám
cộng hưởng

Lf3

C3

L1

i Lr
L2

L3

Lr
Làn đường sạc động

S2

C2

Cf2

B
S4

C1

i L1

RL

ir
Cr

Cfr

Lfr

RLeq

BBĐ điều
Bộ chỉnh lưu
tần số cao khiển phối hợp
trở kháng

Đo dịng

Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám cộng hưởng
Thuật toán điều khiển được thực hiện bằng việc đo dòng điện đầu
ra của bộ nghịch lưu IM.AB ở mỗi chu kỳ ngắt của bộ điều khiển PWM,
15


thời điểm đo được thiết lập t 1 là thời điểm kết thúc thời gian chuyển
mạch tdead như trên Hình 3. 1. Giá trị của dòng điện i AB đo được sẽ
quyết định việc tăng, giảm hay giữ nguyên tần số chuyển mạch fsw.
Cấu trúc điều khiển bám cộng hưởng đề xuất được trình bày trên
Hình 3. 3. Phương pháp điều khiển chỉ thực hiện ở phía sơ cấp, cảm
biến thực hiện đo dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu và đưa tới bộ
điều khiển bám cộng hưởng. Bộ điều khiển bám cộng hưởng tạo tín
hiệu điều khiển đưa đến Mosfet diver, xung mở van thích hợp được
tạo ra nhằm điều khiển bám cộng hưởng, từ đó hiệu suất của bộ nghịch
lưu được cải thiện.
3.1.3 Kết quả mơ phỏng
Hình 3. đưa ra kết quả mô phỏng hiệu suất của hệ thống và hiệu
suất của bộ nghịch lưu khi thông số của mạch bù, cuộn dây phía sơ
cấp thay đổi, trong hai trường hợp khơng có điều khiển và có điều
khiển. Khi khơng có điều khiển bám cộng hưởng, hiệu suất của bộ
nghịch lưu HNL lớn hơn 95% khi a thay đổi trong phạm vi từ -5% đến
+5%, HNL nhỏ hơn 95% khi a thay đổi trong khoảng từ -10% đến -5%
và từ +5% đến +10%. Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng đạt
hiệu quả mong muốn khi thông số cuộn dây và mạch bù phía truyền
thay đổi trong ph ạm vi ±7.5%, hiệu suất của bộ nghịch lưu đạt được
trên 95%, hiệu suất của hệ thống được cải thiện.

Hình 3. 4 Đặc tính hiệu suất khi thơng số của hệ thống thay đổi

3.2 Điều khiển bám tải tối ưu
3.2.1 Đặt vấn đề
Tối đa hiệu suất truyền là một trong nh ững tiêu chí quan trọng để
nâng cao hiệu suất toàn bộ hệ thống WPT. Hiệu suất truyền của hệ
16


thống WPT ch ỉ đạt giá trị tối đa ở một giá trị xác định của trở kháng
tải, được gọi là giá trị tải tối ưu. Tuy nhiên, trở kháng tải trong ứng
dụng sạc cho xe điện lại thay đổi theo trạng thái sạc của ắc quy. Hơn
nữa, trong hệ thống sạc động giá tr ị trở kháng tối ưu lại thay đổi theo
vị trí của bộ nhận. Từ đó đặt ra bài toán điều khiển trở kháng tải bám
theo giá trị trở kháng tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền.
Phía sơ cấp

Phía thứ cấp

Mơ đun truyền
I DC

i1
S1

S3
A

uAB
U

i2

i AB

L f2

B

DC

i3

S2

C1

Cf1

iL1
C2

C f2

iL2

Lf3

C3

iL3

Cf3

RLe

RL
L1

i Lr
L2

Lr

Cr

D1
L fr

a

uab

iab
L3

Mosfet driver

D3

ir

C fr

Bộ Boost

RLeq

b
D4

Làn đường sạc
động

S4

Lf1

D2

Điều khiển
bám trở
kháng tối ưu

Hình 3. 6 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu
Bộ chỉnh
lưu cầu
diode

RL

RL

8
2

RLe

RLe

Bộ Boost

RLe

R Leq

(1 D) 2 RLeq

Hình 3. 7 Quá trình chuyển đổi giá trị của trở kháng tải
3.2.2 Phân tích lý thuyết
Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu được biểu diễn như
trên Hình 3. 6, phương pháp điều khiển được thực hiện bằng điều
chỉnh hệ số D của bộ Boost ở phía thứ cấp.
a) Phân tích khả năng điều khiển bám tải tối ưu
Mục tiêu điều khiển trở kháng bám tải tối ưu được thực hiện bằng
cách điều khiển bộ Boost phía thứ cấp. Khái niệm về điều khiển bám
tải tối ưu được giải thích theo sơ đồ chuyển đổi trở kháng như trong
Hình 3. 7.
Giá trị của trở kháng tải tối ưu được quy đổi từ phía trước ra phía
sau bộ chỉnh lưu diode được biểu diễn như sau:
RLe .opt

2

8

2 2
fr

L

Rr

3
3 k r2QiQr

(3.2)

Giá trị của trở kháng tải tương đương quy đổi từ phía sau về phía
trước bộ Boost:
RLe (1 D) 2 RLeq
(3.3)
17


Biểu thức (3.3) cho thấy, khi giá trị của RLeq thay đổi theo trạng thái
làm việc của tải thì có thể điều chỉnh giá trị của hệ số điều chỉnh D để
điều chỉnh giá trị của tải RLe bám theo giá trị RLe.opt. Tuy nhiên, để điều
khiển bám tải tối ưu thì giá trị của tải tối ưu theo cần được biết. Giá trị
này có thể biết được khi biết giá trị của hệ số kết nối điện từ kr.
b) Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía thứ cấp
Biểu thức ước lượng giá trị của hệ số kết nối điện từ theo giá trị của

dòng điện/ điện áp một chiều sau bộ chỉnh lưu như sau:
kr

2 2 L fr
U AB Li Lr

Rr
ULe
Lfr

8 L fr
2

(3. 8)

ILe

Biểu thức (3. 8) cho thấy để ước lượng hệ số kr cần phải đo các giá
trị của điện áp/dòng điền một chiều sau bộ chỉnh lưu phía thứ cấp.
Bộ Boost

RL.e
RL

i Lr
Lr

D1

ir

Cr

Cfr

L fr

a

D3

LB

DB

uab

SB

CB

U0

RL.eq

b
D4
I

D2

Le

ULe
Đo điện áp/
dịng điện
Ước lượng hệ
số kết nối
(3.8)

Mosfet Driver
Tính tốn tải
tương đương

Ước lượng tải
tối ưu (3.2)

-

R Le
RLe. opt

+

Bộ điều
khiển

Hình 3. 9 Cấu trúc điều khiển tải tối ưu
c) Phân tích cấu trúc điều khiển
Từ các phân tích trên, cấu trúc điều khiển bám cộng hưởng được
đề xuất như trên Hình 3. 9. Khi coi phía truyền là cố định, ở phía nhận

điện áp ULe/dòng điện ILe đầu ra của chỉnh lưu được đo lường. Hệ số
kết nối được ước lượng theo biểu thức (3. 8), tải tối ưu tương đương
được ước lượng theo biểu thức (3.2) và phản hồi tới bộ điều khiển thực
hiện điều khiển bám tải tối ưu.
3.2.3 Kết quả mơ phỏng và thực nghiệm
Kết quả đặc tính hiệu suất truyền khi bộ nhận ở các vị trí khác nhau
và điều khiển trở kháng tối ưu được đưa ra trên Hình 3. 12. Kết quả,
khi điều khiển bám tải tối ưu hiệu suất được cải thiện 6% so với khi
điều khiển trở kháng tối ưu cố định.
18


Hình 3. 14 đưa ra kết quả thực nghiệm hiệu suất của hệ thống. Hiệu
suất hệ thống được nâng lên khi có điều khiển bám cộng hưởng. Tuy
nhiên, hiệu suất của toàn bộ hệ thống đạt 74.8%, hiệu suất này vẫn
thấp do phía thứ cấp sử dụng hai bộ biến đổi là chỉnh lưu và bộ boost.

Hình 3. 12 Đặc tính hiệu suất truyền theo vị trí bộ nhận

Hình 3. 14 Kết quả thực nghiệm hiệu suất hệ thống
3.3 So sánh kết quả nghiên cứu
Để chứng minh lợi ích của phương pháp điều khiển đề xuất, kết
quả đã được so sánh với các nghiên cứu tương tự khác.
3.4 Kết luận chương 3
Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng đã nâng cao được hiệu
suất của bộ nghịch lưu. Hiệu suất của bộ nghịch lưu đạt được trên 95%,
hiệu suất của của h ệ thống mô phỏng đạt trên 90% khi thông số của
cuộn dây và mạch bù thay đổi trong phạm vi từ -7.5% đến +7.5%. Khi
xe di chuyển lệch hướng làm thay đổi giá trị của hệ số kết nối kr , thay
đổi giá trị tải tối ưu và giảm hiệu suất truyền. Phương pháp điều khiển

bám tải tối ưu được thực hiện để nâng cao hiệu suất truyền. Hiệu suất
truyền đạt được giá trị tối đa khi có điều khiển bám tải tối ưu. Hiệu
suất truyền tăng 6% khi điều khiển bám tải tối ưu so với trường hợp
khi điều khiển trở kháng tối ưu cố định.
19


Chương 4. Điều khiển cơng suất
Tóm tắt nội dung
Trên cơ sở hệ thống đã thiết kế, vấn đề điều khiển công suất đáp
ứng các mức công suất sạc khác nhau cho các loại xe điện khác nhau
được đề xuất thực hiện trong chương này. Ngoài ra, một phương pháp
ước lượng thông số tải chỉ bằng các thông tin đo được ở phía sơ cấp
cũng được trình bày.
4.1 Đặt vấn đề
Trong hệ thống WPT ứng dụng sạc động không dây cho xe điện,
có nhiều loại xe điện khác nhau cùng di chuyển trên làn đường truyền
và tương tác với làn đường truyền. Mỗi xe điện có u cầu một mức
cơng suất sạc khác nhau, từ đó đặt ra vấn đề điều khiển công suất cho
xe điện.
4.2 Cơ sở lý thuyết
4.2.1 Phân tích khả năng điều khiển cơng suất chỉ từ phía sơ cấp
Cơng suất đầu ra có thể được tính như trong biểu thức sau:
Pout =RL Ir2

RL Li Lr
Rr R L
2
L fr

2

kr2 ILi2

L fr

(4. 3)

Biểu thức (4. 3) cho thấy công suất có thể điều chỉnh được thơng
qua điều chỉnh giá trị hiệu dụng của dòng điện cộng hưởng trên các
cuộn truyền ILi. Từ đó, phương pháp điều chỉnh dịch pha được đề xuất
để điều chỉnh giá trị hiệu dụng của UAB để điều chỉnh dòng ILi.
4.2.2 Ước lượng hệ số kết nối k r chỉ từ phía truyền
Để điều khiển công suất đầu ra đáp ứng theo lượng đặt trước từ bên
phía sơ cấp thì thơng tin về cơng suất nhận được ở phía thứ cấp cần
được biết. Cơng suất này có thể ước lượng được thơng qua ước lượng
hệ số kr như biểu thức dưới đây:
kr

1 Rr
2
Li Lr

L2fr
RL

PDC
I Li2

3 Ri

(4. 15)

Như vậy, thông qua việc đo công suất P DC và giá trị hiệu dụng của
dòng điện I Li thì ước lượng được giá trị của hệ số kết nối điện từ kr.
4.2.3 Phân tích, thiết kế bộ điều khiển
Giả thiết rằng phía thứ cấp, giá trị của trở kháng xoay chiều tương
đương được điều khiển bằng giá trị trở kháng tối ưu RL.opt. Sơ đồ cấu
trúc điều khiển cơng suất chỉ ở phía sơ cấp được đề xuất thực hiện như
20


trên Hình 4.3. Giá trị hiệu dụng của dịng điện cộng hưởng trên cuộn
truyền, điện áp/dòng điện một chiều đầu vào của bộ nghịch lưu được
đo và đưa vào bộ điều khiển công suất, bộ điều khiển này phát ra tín
hiệu phù hợp điều khiển dịch pha bộ nghịch lưu tần số cao nh ằm đáp
ứng yêu cầu công suất đặt.
Phía thứ cấp

Phía sơ cấp

S1

I DC
U DC

ZLi

i1

Mơ đun truyền

Lf1 C
f1

S3
A

Cin

iAB

u AB

i2 Lf2
Cf2

iL1

C1
L1

iL2

C2 L
2

i Lr
Lr

Cr

ir
Cfr

L fr
R L.opt

B
S2

i3 L f3

IDC
Bộ điều khiển cơng
suất phía sơ cấp

U DC

ILi

Cf3

i L3

C3

L3

Làn đường sạc

S4

Pref

Hình 4. 3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển công suất
4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm
4.3.1 Kết quả mô phỏng
Để xác minh phương pháp điều khiển đề xuất, hệ thống WPT được
mô phỏng trên phần mềm PSIM và LTspice. Kết quả mơ phỏng vịng
kín đáp ứng cơng suất khi giá trị công suất đặt thay đổi từ 0.8kW tới
1.2kW được đưa ra trên Hình 4. 7. Kết quả cho thấy giá trị của công
suất ước lượng, công suất tải bám theo giá trị đặt trước với thời gian
đáp ứng là 1.1ms và sai lệch tĩnh bằng 0.5%.

Hình 4. 7 Kết quả mô phỏng đáp ứng công suất theo giá trị đặt trước
4.3.2 Kết quả thực nghiệm
Các kết quả thực nghiệm kiểm chứng mạch điều khiển cơng suất
đầu ra vịng kín được đưa ra trên Hình 4. 11 và Hình 4. 12. Kết quả
cho thấy hệ thống đáp ứng yêu cầu điều khiển với sai lệch tĩnh thấp.
21


Hình 4. 11 Kết quả thực nghiệm khi cơng suất đặt giảm từ 600W
xuống 400W

Hình 4. 12 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt bằng 400W, bộ
nhận di chuyển thẳng hướng và lệch hướng
22

4.4 So sánh kết quả nghiên cứu
Để minh chứng những lợi ích phương pháp đề xuất, thực hiện so
sánh với các hệ thống tương tự khác. Phương pháp đề xuất tiết kiệm
được bộ biến đổi công suất; Phương pháp ước lượng thông số đơn
giản, dễ thực hiện; Phương pháp đề xuất có thể thực hiện điều khiển
cơng suất đầu ra theo mức yêu cầu sạc của các loại xe điện nhau.
4.5 Kết luận chương 4
Chương 4 đã đề xuất một phương pháp mới điều khiển công suất
đầu ra trong hệ thống sạc động không dây cho xe điện. Cấu trúc điều
khiển hai mạch vịng được thực hiện chỉ từ phía sơ cấp. Một phương
pháp ước lượng thông số đơn giản chỉ từ phía thứ cấp được đề xuất
thực hiện. Cơng suất đầu ra được điều khiển đáp ứng theo mức yêu
cầu với sai lệch nhỏ hơn 5%.
Kết luận
Trong luận án này, các cơ sở lý thuyết, các phương pháp thiết
kế và điều khiển hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động khơng dây
cho xe điện được lần lượt trình bày.
Trước tiên, hệ thống được thiết kế theo cấu trúc mô đun ở phía
truyền với nhiều ưu điểm như dễ dàng mở rộng đường truyền, dễ dàng
thiết kế tụ bù, có thể điều khiển bật/tắt các mô đun truyền theo vị trí
của xe điện để tăng hiệu suất và giảm nhiễu điện từ. Tiếp theo, bộ ghép
từ được thiết kế bằng phương pháp mơ phỏng phân tích phần tử hữu
hạn FEA trên ph ần mềm Ansys Maxwell nhằm giảm đập mạch cơng
suất. Hệ số kết nối điện từ trung bình khi xe di chuyển dọc đường
truyền bằng 0.14, độ dao động bằng ± 6% , đặc tính của hệ số kết nối
khi xe di chuyển lệch hướng đã được khảo sát để biết rõ hơn đặc điểm
của hệ thống. Mạch bù LCC hai phía được thiết kế theo giá trị tải tối
ưu để tối đa hiệu suất truyền và có xem xét đến sự kết nối điện từ của
các cuộn dây truyền với nhau. Kết quả, tần số cộng hưởng không phụ

thuộc vào hệ số kết nối và tải, đạt được điều kiện chuyển mạch mềm
ZVS cho SIC MOSFET, hiệu suất truyền đạt được giá trị cao trong
một dải rộng tần số, thông số mạch bù nhỏ - là cơ sở để thiết kế các hệ
thống công suất lớn. Độ đập mạch công suất đầu ra bằng 9.5%, hiệu
suất thực nghiệm trung bình của hệ thống đạt 89.5%.
Trên cơ sở hệ thống đã thiết kế, các phương pháp điều khiển nâng
cao hiệu suất của hệ thống được hiện, bao gồm điều khiển bám cộng
hưởng và điều khiển bám tải tối ưu. Phương pháp điều khiển bám cộng
23


hưởng được thực hiện trong trường hợp thông số của cuộn dây và
mạch bù thực tế thay đổi so với thơng số thiết kế. Ngồi ra, phương
pháp này cịn có tác dụng thu hẹp vùng chuyển mạch mềm ZVS của
bộ nghịch lưu. Phương pháp điều khiển đạt hiệu quả mong muốn khi
thông số của cuộn dây và mạch bù thay đổi trong phạm vi từ -7.5%
đến +7.5%, hiệu suất của bộ nghịch lưu đạt được trên 95%, hiệu suất
mô phỏng của của h ệ thống đạt được trên 90%. Phương pháp điều
khiển bám tải tối ưu được thực hiện trong trường hợp xe điện di chuyển
làm thay đổi giá trị của hệ số kết nối kr, thay đổi giá trị tải tối ưu và
giảm hiệu suất truyền. Kết quả, khi điều khiển bám tải tối ưu thì hiệu
suất truyền đạt giá trị tối đa, hiệu suất truyền tăng 6% so với trường
hợp điều khiển trở kháng tối ưu cố định.
Cuối cùng, phương pháp điều khiển công suất được đề xuất thực
hiện để đáp ứng các mức công suất sạc khác nhau cho các loại xe điện
khác nhau cùng di chuyển trên làn đường truyền. Phương pháp điều
khiển chỉ thực hiện ở phía sơ cấp và sử dụng một phương pháp ước
lượng hệ số kết nối mới, dễ thực hiện. Kết quả công suất đầu ra đáp
ứng yêu cầu điều khiển.
Những đóng góp của luận án:

- Đề xuất cấu trúc đường truyền kiểu mô đun, thiết kế bộ ghép từ
giảm đập mạch công suất và thiết kết mạch bù LCC tối đa hiệu suất
truyền.
- Đề xuất phương pháp điều khiển bám cộng hưởng và bám tải tối
ưu nâng cao hiệu suất.
- Đề xuất phương pháp điều khiển công suất đầu ra theo yêu cầu của
các loại xe điện khác nhau.
- Xây dựng hệ thống thực nghiệm kiểm chứng các kết quả tính tốn,
thiết kế.
Những hạn chế của luận án và các nghiên cứu trong tương lai
- Trong tương lai thực hiện mở rộng đường truyền và thực hiện điều
khiển đóng/cắt các mơ đun truyền theo vị trí bộ nhận.
- Cấu trúc bộ biến đổi điều khiển bám tải tối ưu bao gồm chỉnh lưu
diode và bộ boost, cấu trúc nhiều bộ biến đổi này làm cho hiệu suất
của toàn hệ thống thấp. Trong tương lai đề xuất thay thế chỉnh lưu
diode và bộ boost bằng bộ chỉnh lưu đồng bộ để tăng hiệu suất hệ
thống.
24