Mô phỏng và thiết kế bộ sạc tích hợp ứng dụng trên xe điện

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRƯƠNG THANH HUY

MƠ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ SẠC TÍCH HỢP ỨNG
DỤNG TRÊN XE ĐIỆN

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã số:

60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08, năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyên
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. Phan Quốc Dũng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Huỳnh Văn Vạn

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 22 tháng 08 năm 2020
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ

: Chủ tịch hội đồng

2. PGS. TS. Phan Quốc Dũng

: Phản biện 1

3. TS. Huỳnh Văn Vạn

: Phản biện 2

4. TS. Trương Phước Hịa

: Thư kí

5. TS. Trần Thanh Ngọc

: Uỷ viên

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT
NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên : Trương Thanh Huy

MSHV : 1670805

Ngày, tháng, năm sinh : 17/12/1992

Nơi sinh : Tây Ninh

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số : 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI : MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ BỘ SẠC TÍCH HỢP ỨNG DỤNG
TRÊN XE ĐIỆN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
 Tìm hiểu bộ sạc tích hợp dùng trên xe điện.
 Lựa chọn cấu hình phù hợp cho bộ sạc có cơng suất 7.4kW.
 Mơ phỏng bộ sạc tích hợp với cấu hình đã chọn trên phần mềm PSIM.

 Thiết kế sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch điện cho bộ sạc 7.4kW trên phần
mềm Altium Designer.
III.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/8/2019

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 3/8/2020

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyên

Tp. HCM, ngày . . . . tháng . . . năm 2020
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyên
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Xin được gửi đến Thầy Nguyễn Đình Tuyên lịng biết ơn và kính trọng sâu sắc

nhất. Cảm ơn Thầy đã cung cấp tài liệu, kiến thức, kinh nghiệm và đã hướng dẫn
tận tình để tơi có thể hồn thành luận văn này. Thầy đã tạo điều kiện để tôi nghiên
cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học mới. Đó
là niềm vinh dự và tự hào khi được học tập và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của
Thầy.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy, Cô trong bộ môn cung cấp
điện, PTN nghiên cứu điện tử công suất, khoa Điện- Điện tử trường đại học Bách
Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ, truyền đạt cho tôi kinh nghiệm, kiến thức
trong suốt q trình tơi học tập và nghiên cứu tại trường.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, nguồn động lực, điểm tựa để tơi có
thể vượt qua khó khăn trong q trình học tập và nghiên cứu.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020

Trương Thanh Huy


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Mục đích nghiên cứu của luận văn là thiết kế bộ sạc tích hợp hai giai đoạn
để sạc cho khối pin có điện áp 360V. Cấu hình tăng áp xen kẽ sẽ được sử dụng
cho giai đoạn đầu để điều chỉnh hệ số công suất và giảm sóng hài (THD). Ở giai
đoạn thứ hai, cấu hình cộng hưởng LLC được sử dụng để chuyển đổi điện áp dcdc có cách ly. Luận văn sẽ tập trung lựa chọn cấu hình phù hợp để giảm kích thước
bộ sạc, và tối ưu hiệu suất chuyển đổi năng lượng dựa trên đặc tính biên độ điện
áp thay đổi lớn khi sạc của khối pin.


ABSTRACT

The main research content of the thesis is designing a two-stage onboard charger
to charge a 360V lithium-ion battery pack. An interleaved boost topology is
employed in the first stage for power factor correction (PFC) and to reduce total

harmonic distortion (THD). In the second stage, a full-bridge inductor-inductorcapacitor (LLC) multi resonant converter is adopted for galvanic isolation dc-dc
conversion. Design considerations focusing on reducing the charger volume, and
optimizing the conversion efficiency over the wide battery pack voltage range are
investigated.


LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết
quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn là trung thực không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo tài liệu đã được trích
dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo yêu cầu.

Tác giả luận văn

Trương Thanh Huy


MỤC LỤC
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN......................................................................................... 1
1.1 Giới Thiệu về bộ sạc tích hợp ............................................................................. 1
1.2 Mục tiêu đề tài...................................................................................................... 2
1.3 Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
1.4 Bố cục luận Văn ................................................................................................... 2
CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ XE ĐIỆN VÀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN .............. 3
2.1 Tiềm năng của thị trường xe điện ...................................................................... 3
2.2 Lưu trữ và chuyển đổi năng lượng trên xe điện ............................................... 6
2.3 Phân loại bộ sạc dành cho xe điện ..................................................................... 7
2.4 Phương pháp sạc pin ........................................................................................... 9
2.5 Cấu hình cơ bản của một bộ sạc ...................................................................... 11

CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN CẤU HÌNH CHO BỘ SẠC TÍCH
HỢP .............................................................................................................................. 14
3.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 14
3.2 Dữ liệu sạc pin Li-ion ........................................................................................ 14
3.3 Cấu hình bộ chuyển đổi AC-DC....................................................................... 16
3.3.1 Giới thiệu bộ chuyển đổi AC-DC ................................................................. 16
3.3.2 Conventional Boost PFC .............................................................................. 18
3.3.3 Interleaved Boost PFC .................................................................................. 20
3.3.4 Cấu hình Bridgeless PFC .............................................................................. 22
3.4 Cấu hình chuyển đổi DC-DC ............................................................................ 24
3.4.1 Giới thiệu bộ chuyển đổi DC-DC trong bộ sạc ............................................ 24
3.4.2 Bộ chuyển đổi Flyback ................................................................................. 25
3.4.3 Cấu hình chuyển đổi Half-Bridge ................................................................. 26
3.4.4 Cấu hình chuyển đổi Full-Bridge ................................................................. 26
3.4.5 Cấu hình Phase-Shift Full Bridge (PSFB) .................................................... 27
3.4.6 Full Bridge Series Resonant Converter (FB-SRC) ....................................... 28


3.4.7 Parallel Resonant Converter (PRC) .............................................................. 30
3.4.8 Series Parallel Resonant Converter (SPRC) ................................................. 31
3.4.9 Full Bridge LLC Resonant Converter........................................................... 33
3.5 Giải thuật điều khiển sạc cho pin lithium-ion ................................................. 36
CHƯƠNG IV: TÍNH TỐN THƠNG SỐ CHO MẠCH SẠC TÍCH HỢP ......... 38
4.1 Thông số thiết kế của bộ sạc ............................................................................. 38
4.2 Tính tốn thơng số cho bộ PFC ........................................................................ 38
4.2.1 giới thiệu cấu hình Interleaved Boost PFC ................................................... 38
4.2.2 Xác định các thơng số của mạch thiết kế...................................................... 41
4.2.3 Tính giá trị cuộn cảm. ................................................................................... 42
4.2.4 Tính thơng số các linh kiện công suất. ......................................................... 42
4.3 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC theo cấu hình Full-Bridge LLC .................. 43

4.3.1 Thơng số thiết kế mạch DC-DC: .................................................................. 43
4.3.2 Tổng quan về bộ chuyển đổi Full-Bridge LLC ............................................ 44
4.3.3 Các bước thiết kế mạch Full-Bridge LLC .................................................... 49
4.3.4 Tính thơng số cho mạch LLC 7.4kW ........................................................... 54
CHƯƠNG V: MÔ PHỎNG BỘ PFC VÀ BỘ DC-DC ............................................ 56
5.1 Bộ Interleaved PFC ........................................................................................... 56
5.1.1 Thông số mô phỏng mạch PFC .................................................................... 56
5.1.2 Kết quả mô phỏng mạch PFC ...................................................................... 57
5.2 Bộ Full-Bridge LLC resonant .......................................................................... 59
5.2.1 Thông số mô phỏng mạch Full-Bridge LLC ................................................. 59
5.2.2 Kết quả mô phỏng mạch full-bridge LLC .................................................... 60
5.3 Mô phỏng tổn thất nhiệt trên mosfet ............................................................... 62
CHƯƠNG VI: THIẾT KẾ MẠCH CHO BỘ SẠC TÍCH HỢP ............................ 66
6.1 Thiết kế mạch Interleaved Boost PFC............................................................. 66
6.1.1 Mô tả thiết kế mạch PFC .............................................................................. 66
6.1.2 Mạch điều khiển với vi điều khiển F280049 ................................................ 66
6.1.3 Thiết kế mạch lái cho SiC MOSFET ............................................................ 67


6.1.4 Thiết kế phần công suất cho mạch ................................................................ 68
6.2 Thiết kế mạch DC-DC theo cấu hình cộng hưởng LLC ................................ 71
6.2.1 Thông số thiết kế mạch LLC. ....................................................................... 71
6.2.2 Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp ...................................................................... 72
6.2.3 Thiết kế mạch hồi tiếp dòng điện ................................................................. 73
6.2.4 Thiết kế mạch công suất ............................................................................... 75
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ........................................ 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 77


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2. 1 Lượng xe điện bán ra tại các nước theo từng năm ......................................... 3
Hình 2. 2 Dự báo về tăng trưởng của thị trường xe điện trong những năm tới .............. 4
Hình 2. 3 Dự báo về tăng trưởng của thị trường xe điện trong những năm tới .............. 5
Hình 2. 4 Dự báo tăng trưởng của thị trường sạc cho xe điện........................................ 5
Hình 2. 5 Cấu trúc năng lượng trên xe điện ................................................................... 6
Hình 2. 6 Phương pháp sạc pin Li-ion, (a) CC-CV, (b) MCC-CV .............................. 10
Hình 2. 7 Các phương pháp sạc nhanh, (a) CC-CV với xung âm, (b) sạc xung với tần số biến thiên11
Hình 2. 8 (a) Sơ đồ khối của mạch PFC, (b) mạch tương đương ................................. 12
Hình 2. 9 Một số cấu hình đóng cắt cho bộ DC-DC ................................................... 12
Hình 2. 10 Một số cấu hình chỉnh lưu ngõ ra ............................................................... 13
Hình 3. 1 Đồ thị sạc của một viên pin Li-ion ............................................................... 15
Hình 3. 2 Đồ thị sạc của một khối pin Li-ion 360V công suất 3.2kW ......................... 16
Hình 3. 3 Cấu hình PFC trong bộ sạc tích hợp ............................................................ 17
Hình 3. 4 Dạng sóng dịng điện khi hoạt động ở chế độ CCM .................................... 17
Hình 3. 5 Dạng sóng dịng điện khi hoạt động ở chế độ DCM ................................... 18
Hình 3. 6 Dạng sóng dịng điện khi hoạt động ở chế độ CRM .................................... 18
Hình 3. 7 Cấu hình PFC một pha.................................................................................. 19
Hình 3. 8 Cấu hình Boost PFC cải tiến với hai MOSFET mắc song song ................... 19
Hình 3. 9 Cấu hình Interleaved boost PFC ................................................................... 20
Hình 3. 10 Các chế độ hoạt động của cấu hình Interleaved PFC ................................. 22
Hình 3. 11 Dạng sóng dịng điện của mạch Interleaved PFC ....................................... 22
Hình 3. 12 Cấu hình Bridgeless PFC ............................................................................ 23
Hình 3. 13 Cấu hình chuyển đổi Flyback ..................................................................... 25
Hình 3. 14 Cấu hình chuyển đổi Half-Bridge ............................................................... 26
Hình 3. 15 Cấu hình Full-Bridge .................................................................................. 27
Hình 3. 16 Cấu hình Phase-Shift Full Bridge ............................................................... 28
Hình 3. 17 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi DC-DC cộng hưởng ..................................... 28
Hình 3. 18 Cấu hình Full Bridge Resonant Converter ................................................. 29
Hình 3. 19 Độ lợi cấu hình FB-SRC tại các giá trị Q khác nhau ................................ 29
Hình 3. 20 Cấu hình Parallel Resonant Converter........................................................ 30

Hình 3. 21 Độ lợi cấu hình PRC ................................................................................... 31
Hình 3. 22 Sơ đồ khối cấu hình SPRC ......................................................................... 32
Hình 3. 23 Độ lợi cấu hình SPRC................................................................................. 33
Hình 3. 24 Cấu hình Full Bridge LLC .......................................................................... 33
Hình 3. 25 Độ lợi cấu hình Full Bridge LLC ............................................................... 34


Hình 3. 26 Biểu đồ sạc cho pin lithium-ion .................................................................. 36
Hình 4. 1 Cấu hình Interleaved PFC............................................................................. 39
Hình 4. 2 Dịng ngõ vào và dịng trên mỗi nhánh......................................................... 40
Hình 4. 3 Gía trị đỉnh- đỉnh của gợn dịng điện ngõ vào .............................................. 40
Hình 4. 4 Bộ chuyển đổi Full-Bridge LLC với cấu hình chỉnh lưu Full-Bridge ở thứ cấp ... 44
Hình 4. 5 Mạch tương đương của cấu hình LLC.......................................................... 45
Hình 4. 6 Đồ thị hệ số cộng hưởng theo hệ số chất lượng ........................................... 46
Hình 4. 7 Chiều dịng điện trong nửa chu kỳ dương .................................................... 47
Hình 4. 8 Chiều dịng điện trong nửa chu kì âm........................................................... 48
Hình 4. 9 Mạch tương đương của bộ LLC khi hoạt động ở chế độ tự do .................... 48
Hình 4. 10 Tác động của hệ số chất lượng Q tới độ lợi điện áp ngõ ra ........................ 50
Hình 4. 11 Ảnh hưởng của m đến độ lợi điện áp ngõ ra .............................................. 51
Hình 4. 12 Tìm Fxmin theo Qmax và m ............................................................................ 52
Hình 4. 13 Tìm Kmax trên đồ thị theo Qmax và m ........................................................ 53
Hình 5. 1 Sơ đồ mơ phỏng bộ PFC xen kẽ ................................................................... 56
Hình 5. 2 Sơ đồ điều khiển khối PFC khi hoạt động độc lập ....................................... 57
Hình 5. 3 Tín hiệu điều khiển Ig_ref, và tín hiệu dịng điện Ig .................................... 57
Hình 5. 4 Dịng điện và điện áp ngõ vào ...................................................................... 58
Hình 5. 5 Dịng điện trên mỗi cuộn cảm so với dòng điện ngõ vào ............................. 58
Hình 5. 6 Tín hiệu dịng điện ngõ vào và dòng điện trên hai cuộn cảm trong mỗi chu kì điều khiển 59
Hình 5. 7 Điện áp ngõ ra (Vlink) của bộ PFC .............................................................. 59
Hình 5. 8 Sơ đồ mơ phỏng khối Full-Bridge LLC ....................................................... 60
Hình 5. 9 Sơ đồ điều khiển khối LLC khi hoạt động độc lập ....................................... 60

Hình 5. 10 Điện áp trên Sp3 và dịng điện qua Sp4 ..................................................... 61
Hình 5. 11 Điện áp trên tụ Cr và dòng điện qua cuộn cảm Lr...................................... 61
Hình 5. 12 Điện áp trên cuộn sơ cấp của biến áp ......................................................... 61
Hình 5. 13 Dịng điện qua cuộn sơ cấp ......................................................................... 62
Hình 5. 14 Dịng điện qua pin....................................................................................... 62
Hình 5. 15 Thơng số mơ phỏng của mosfet trong phần mềm PSIM ............................ 63
Hình 5. 16 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng nhiệt trên mosfet trong mạch PFC ................. 64
Hình 5. 17 Kết quả mơ phỏng nhiệt trên mosfet trong mạch PFC ............................... 64
Hình 5. 18 Sơ đồ nguyên lý mô phỏng nhiệt trên mosfet trong mạch DC-DC ............ 64
Hình 5. 19 Kết quả mơ phỏng nhiệt trên mosfet trong mạch DC-DC .......................... 65
Hình 6. 1 Mạch điều khiển với vi điều khiển F280049C ............................................. 67
Hình 6. 2 Sơ đồ nguyên lý mạch lái với IC UCC21530 ............................................... 68
Hình 6. 3 Thiế kế PCB của mạch lái SiC MOSFET .................................................... 68
Hình 6. 4 Sơ đồ nguyên lý khối cấp nguồn .................................................................. 69
Hình 6. 5 Sơ đồ nguyên lý khối cảm biến dòng ........................................................... 70


Hình 6. 6 Sơ đồ nguyên lý hồi tiếp áp ngõ vào ............................................................ 70
Hình 6. 7 Sơ đồ nguyên lý phần cơng suất của mạch PFC........................................... 71
Hình 6. 8 Thiết kế 3D của mạch PFC ........................................................................... 71
Hình 6. 9 Sơ đồ nguyên lý mạch hồi tiếp điện áp phía sơ cấp ..................................... 72
Hình 6. 10 Mạch hồi tiếp điện áp cách ly cho cuộn sơ cấp .......................................... 73
Hình 6. 11 Sơ đồ mạch hồi tiếp dịng điện ................................................................... 73
Hình 6. 12 Mạch khuếch đại tín hiệu hồi tiếp dịng điện ............................................. 74
Hình 6. 13 Mạch hồi tiếp dịng điện qua pin ................................................................ 74
Hình 6. 14 Sơ đồ nguyên lý mạch cơng suất LLC........................................................ 75
Hình 6. 15 Thiết kế 3D mạch LLC ............................................................................... 75


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2. 1 Cấu trúc năng lượng trên xe điện ................................................................... 7
Bảng 2. 2 So sánh bộ sạc tích hợp giữa các dịng xe trên thị trường.............................. 9
Bảng 3. 1 Thông số sạc của khối pin ............................................................................ 16
Bảng 3. 2 So sánh cấu hình AC-DC cho bộ sạc tích hợp ............................................. 24
Bảng 3. 3 So sánh các cấu hình DC-DC cho bộ sạc tích hợp ....................................... 36
Bảng 4. 1 Thơng số thiết kế của bộ sạc tích hợp .......................................................... 38
Bảng 5. 1 Thông số mô phỏng bộ PFC......................................................................... 56
Bảng 5. 2 Thông số mô phỏng mạch Full-Bridge LLC ................................................ 60
Bảng 6. 1 Thông số thiết kế khối nguồn ....................................................................... 69
Bảng 6. 2 Thông số thiết kế mạch LLC ........................................................................ 72


1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Giới Thiệu về bộ sạc tích hợp
Nguồn dự trữ dầu mỏ không phải là vô tận, do đó cần thiết phải tìm một nguồn năng
lượng thay thế khác trong tương lai. Điều đó càng trở nên cấp bách khi việc đốt dầu gây
ra các tác động tiêu cực đến môi trường. Ngày nay, phần lớn các loại xe đều sử dụng
động cơ đốt trong nhưng các hãng sản xuất xe vẫn xem xét sử dụng các loại động cơ
khác nhau để giảm thiểu tác hại đến mơi trường. Cơng nghệ sản xuất và tích trữ năng
lượng trên pin ngày càng phát triển dẫn đến giải pháp sử dụng năng lượng điện rất có
tiềm năng. Các xe lai sử dụng hai động cơ khác nhau, thường là một động cơ điện và
một động cơ đốt trong, hoặc hoàn toàn dùng động cơ điện đang ngày càng được quan
tâm và dần trở nên phổ biến.
Cùng với sự phát triển của công nghệ pin, giá pin dành cho xe điện đã giảm
nhiều trong những năm qua làm cho khỏa cách về giá giữa các xe sử dụng năng lượng
hóa thạch và xe dùng năng lượng điện khơng cịn chênh lệch nhiều. Xe điện dần trở nên
phổ biến, tuy nhiên để tăng tốc độ sạc pin và giảm thời gian sạc vẫn là một yếu tố để
khách hàng cân nhắc khi lựa chọn xe điện. Một xe sử dụng động cơ đốt trong mất từ 35 phút để đổ đầy bình nhiên liệu, trong khi đó xe điện mất rất nhiều thời gian để sạc đầy

khối pin trên xe. Hơn thế nữa, việc thiếu các bộ sạc và các trạm sạc công cộng cũng là
một vấn đề lớn ngăn cản người tiêu dùng đến với xe điện.
Để giải quyết vấn đề sạc pin cho xe điện, ngoài các trạm sạc cơng cộng với
cơng suất lớn chỉ có thể tìm thấy ở những thành phố lớn của các nước phát triển nơi mà
xe ô tô điện khá phổ biến. Phần lớn khoảng 90% lượng xe điện hiện nay vẫn sạc chủ
yếu tại nhà hoặc gara thông qua một bộ sạc được nhà sản xuất gắn cố định trên xe, bộ
sạc này sẽ lấy điện trực tiếp từ lưới điện dân dụng chuyển đổi thành điện áp DC và sạc
đầy khối pin trên xe một bộ sạc như vậy được gọi là bộ sạc tích hợp. Thị trường bộ sạc
tích hợp dành cho xe điện cịn mới mẻ và được dự đốn sẽ bùng nổ trong thời gian tới


2

khi mà lượng xe chạy điện được dự báo sẽ chiếm đến 50% lượng xe lưu thông trên
đường vào năm 2030.
1.2 Mục tiêu đề tài
Thiết kế bộ sạc tích hợp với công suất 7.4kW cho xe điện. Nghiên cứu cấu hình PFC
xen kẽ để điều chỉnh hệ số cơng suất cho ngõ vào bộ sạc. Nghiên cứu phương pháp
chuyển đổi cộng hưởng LLC để áp dụng cho phần chuyển đổi DC-DC ngõ ra của bộ
sạc.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu sẽ gồm hai phần: Mô phỏng và thiết kế
Mô phỏng: Sử dụng phần mềm PSIM để mô phỏng đánh giá hiệu quả của cấu hình
PFC xen kẽ cho bộ chuyển đổi AC-DC ngõ vào và cấu hình Full-Bridge LLC cho bộ
chuyển đổi DC-DC ngõ ra khi hoạt động ở công suất 7.4kW.
Thiết kế: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, thiết kế PCB và dựng mơ hình 3D trên phần mềm
Altium Designer. Từ sơ đồ ngun lý tính tốn chi phí linh kiện cho một bộ sạc.
1.4 Bố cục luận Văn
Nội dung chính của luận văn được thể hiện qua 6 chương
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài.

Chương 2: Giới thiệu về xe điện và bộ sạc xe điện.
Chương 3: Phân tích và lựa chọn cấu hình cho bộ sạc tích hợp.
Chương 4: Tính tốn thơng số cho bộ sạc tích hợp.
Chương 5: Mơ phỏng bộ sạc tích hợp trên phần mềm PSIM.
Chương 6: Thiết kế phần cứng cho bộ sạc tích hợp.


3

CHƯƠNG II: GIỚI THIỆU VỀ XE ĐIỆN VÀ BỘ SẠC CHO XE ĐIỆN

2.1 Tiềm năng của thị trường xe điện
Thị trường xe điện đã phát triển nhanh chóng trong mười năm qua, với lượng xe chở
khách chạy điện vượt mức 5 triệu chiếc trong năm 2018, tăng 63% so với năm 2017.
Khoảng 43% lượng xe điện lưu thông trên đường là ở Trung Quốc – tương đương 2,3
triệu chiếc. Con số này đối với Châu Âu là 24% và Hoa Kỳ là 22%. Hình 2.1 cho thấy
tốc độ tăng trưởng của thị trường xe điện ở các nước theo mỗi năm.
Số lượng bộ sạc dành cho xe điện được bán ra trên tồn thế giới ước tính khoảng 5.2
triệu bộ vào cuối năm 2018, tăng 44% so với năm trước. Tăng trưởng nhanh nhất vẫn là
các bộ sạc tích hợp được gắn sẵn trên xe ước tính chiếm khoảng 90% trong 1.6 triệu bộ
sạc được bán ra trong năm 2018. Hình 2.2 mơ tả tăng trưởng trạm sạc theo năm tính đến
cuối năm 2018.

Hình 2. 1 Lượng xe điện bán ra tại các nước theo từng năm


4

Hình 2. 2 Dự báo về tăng trưởng của thị trường xe điện trong những năm tới
Chính phủ ở các nước có thị trường ơ tơ lớn đang siết chặt các tiêu chuẩn về xả thải

khí CO2 dành cho xe sử dụng động cơ đốt trong. Các chính sách đó góp phần thúc đẩy
sự tăng trưởng của xe điện trong những năm tới và được dự báo vào năm 2025 lượng xe
điện sẽ chiếm 5% tại Mỹ, 11% tại châu Âu và 20% tại Trung Quốc. Hình 2.3 dự báo về
mức tăng trưởng của thị trường xe điện trong giai đoạn 2020-2025 có thể thấy thị trường
Trung Quốc đang dẫn đầu cuộc đua về xe điện.
Theo các nghiên cứu của IDTechEx trên thị trường xe điện thì vào năm 2030 sẽ có
hơn 100 triệu xe chạy điện tham gia giao thơng trên tồn thế giới bao gồm xe ơ tơ, xe
buýt, xe tải và xe container. Do đó nhu cầu về các bộ sạc dành cho lĩnh vực xe điện cũng
khơng hề nhỏ, từ đó thúc đẩy sự phát triển hơn nữa các công nghệ sạc trên xe điện. Theo
dự báo của IDTechEx, vào năm 2030 thị trường cơ sở hạ tầng và các thiết bị sạc cho xe
điện có thể lên đến 40 tỉ đô la mỗi năm, mang đến một cơ hội rất lớn cho các công ty
nằm trong chuỗi cung ứng các bộ sạc cho xe điện. Từ đó tạo ra các cơ hội cũng như
thách thức nhằm đưa ra các công nghệ sạc mới.


5

Hình 2. 3 Dự báo về tăng trưởng của thị trường xe điện trong những năm tới

Hình 2. 4 Dự báo tăng trưởng của thị trường sạc cho xe điện


6

2.2 Lưu trữ và chuyển đổi năng lượng trên xe điện

Hình 2. 5 Cấu trúc năng lượng trên xe điện
Hình 2.5 cho thấy cấu trúc năng lượng điển hình của một xe điện. Trên xe sẽ có một
bộ pin điện áp cao (300-400V) và dung lượng lớn (khoảng 10kWh) được lắp cố định
trên xe với chức năng lưu trữ năng lượng. Trên xe điện có ba bộ chuyển đổi cơng suất,

đóng vai trị chuyển đổi năng lượng trên mạch gồm bộ chuyển đổi công suất dẫn động,
bộ chuyển đổi công suất cho các thiết bị và bộ chuyển đổi công suất cho q trình sạc.
Bộ chuyển đổi cơng suất dẫn động gồm một bộ nghịch lưu điều khiển động cơ và bộ
chuyển đổi DC-DC hai chiều. Bộ này hoạt động ở hai chế độ dẫn động và thắng tái sinh.
Khi hoạt động ở chế độ dẫn động năng lượng được chuyển từ khối pin sang động cơ
điện làm quay động cơ điện kéo xe di chuyển. Ở chế độ thắng tái sinh năng lượng chuyển
từ động cơ điện ngược lại khối pin, khi hoạt động ở chế độ này động cơ điện đóng vai
trị như máy phát điện và bộ nghịch lưu hoạt động với vai trò chỉnh lưu. Bộ chuyển đổi
DC-DC hai chiều đặt ở ngõ vào khối này giúp điều khiển quá trình sạc xả cho khối pin.
Bộ chuyển đổi công suất cho các thiết bị trên xe là bộ DC-DC. Bộ chuyển đổi
này là bộ hạ áp, giúp chuyển đổi mức điện áp cao từ pin xuống mức điện áp thấp thường


7

là 12V cung cấp cho các thiết bị trên xe như điều hịa khơng khí, hệ thống chiếu sáng,
hệ thống âm thanh giải trí… Bộ chuyển đổi này phải là bộ chuyển đổi cách ly để cách
ly về mặt điện thiết bị trên xe với nguồn pin điện áp cao, để đảm bảo an toàn cho người
sử dụng khỏi các nguy hiểm tiềm ẩn về điện.
Thành phần điện tử công suất cịn lại là bộ sạc tích hợp để chuyển đổi năng lượng từ
điện áp lưới sạc cho khối pin. Thơng thường bộ sạc tích hợp sẽ gồm hai phần. Đầu tiên
là bộ chuyển đổi AC-DC kết hợp với điều chỉnh hệ số công suất, tiếp theo là bộ chuyển
đổi DC-DC để sạc cho khối pin và cách ly về điện giữa xe và lưới điện [1]. Thông
thường, tất cả các bộ sạc thương mại trên thị trường truyền tải năng lượng theo một
chiều từ lưới điện đến xe. Tuy nhiên, vì hầu hết thời gian của xe điện là đậu một chỗ,
trung bình khoảng 95% thời gian trong vịng đời xe. Người ta cho rằng bộ pin này có
thể chuyển năng lượng từ xe lên lưới điện và ngược lại. Kỹ thuật được đề xuất này gọi
là V2G (Vehicle To Grid), để thực hiện được điều này bộ sạc tích hợp trên xe điện phải
là bộ sạc hai chiều. Khi xe điện đậu ở gara và kết nối với lưới điện qua bộ sạc hai chiều
nó có thể trả năng lượng ngược về lưới điện.

2.3 Phân loại bộ sạc dành cho xe điện

Cấp độ
sạc
Câp 1

Cấp 2

Cấp 3

Điện áp ngõ
vào

Công suất
sạc

Quãng đường
đi được sau 1h
sạc

110V AC

1.4kW

~7.2km

3.8kW

~20km

220V AC

200-450V
DC

Gía thành
500$-800$

3000$-5000$
7.2kW

~42km

>50 kW

~60km/10phút
sạc

Bảng 2. 1 Cấu trúc năng lượng trên xe điện

30000$160000$


8

Bộ sạc cấp 1: Bộ sạc tích hợp cấp độ một thích hợp đối với các xe lai PHEV (Petrolhybrid electric vehicles), hoặc các loại xe không yêu cầu cao về thời gian sạc. Bộ sạc
cấp một phù hợp với đối tượng khách hàng di chuyển ngắn khoảng 40km một ngày hoặc
những khách hàng khơng có bãi đổ xe với cơ sở hạ tầng phù hợp cho các bộ sạc lớn hơn.
Bộ sạc cấp một được khuyến khích sử dụng đối với những khách hàng di chuyển khoảng
4000km/năm.

Bộ sạc cấp 2: Bộ sạc cấp hai là một cấp độ sạc phổ biến đối với xe điện, bộ sạc lấy
điện trực tiếp từ lưới điện (thường mức điện áp 220V/AC) thông qua các ổ cắm điện
công suất cao. Bộ sạc cấp hai có tốc độ sạc đa dạng do dải cơng suất trải dài từ 3.6kW
lên đến 19.2kW, hoặc quãng đường đi được lên đến trên 100km sau mộ giờ sạc. Bộ sạc
cấp hai sạc nhanh hơn nhiều so với bộ sạc cấp một do sạc ở dòng điện và điện áp lớn.
Tuy nhiên, cơng suất sạc càng lớn thì cần phải có cơ sở hạ tầng tốt, tùy thuộc vào cơ sở
hạ tầng ở mỗi khu vực mà nhà sản xuất sẽ lựa chọn công suất sạc phù hợp với dịng xe
bán ra ở khu vực đó.
Tất cả các nhà sản xuất đều khuyên khách hàng sử dụng bộ sạc cấp hai, dù chi phí
bỏ ra cao hơn nhưng hiệu quả mang lại sẽ rất lớn, bộ sạc cấp hai giúp tiết kiệm được
thời gian sạc, một trong những phiền phức khi sử dụng xe điện. Bộ sạc cấp hai có thể là
bộ sạc tích hợp trên xe hoặc trạm sạc rời lắp tại gara, trạm sạc công cộng.
Bộ sạc cấp 3: Bộ sạc cấp ba thường là các trạm sạc nhanh, bộ sạc sẽ cung cấp dòng
điện DC trực tiếp vào xe. Với công suất sạc lớn thường trên 50kW, sạc 10 phút có thể
đi được 100km do đó bộ sạc cấp ba cần được triển khai với cơ sở hạ tầng phức tạp đi
kèm. Chi phí triển khai thấp nhất khoảng 25000$ cho một trạm sạc đơn lẻ thông thường,
và khoảng 60000$ cho trạm sạc thông minh. Trạm sạc cấp ba thường được triển khai
theo dạng cụm để giảm chi phí giá thành.


9

Loại xe
Nissan leaf
BMW
Active E
Ford Focus
Mitsubishi I
Honda Fit

Dung lượng
pin
loại pin
24 kWh
Li-ion
32 kWh
Li-ion
23 kWh
Li - ion
16 kWh
Li-ion
20 kWh
Li-ion

Quãng
Công suất bộ
Thời gian
đường đi khi
sạc tích hợp
sạc đầy
sạc đầy
3.3 kW

160 km

8h

7.2 kW

160 km

4h -5h

6.6 kW

120 km

3h – 4h

3.3 kW

100 km

4h-5h

3.3 kW

120 km

3h

Bảng 2. 2 So sánh bộ sạc tích hợp giữa các dịng xe trên thị trường

2.4 Phương pháp sạc pin
Nhìn vào bảng 2.2 có thể thấy gần như các xe điện trên thị trường hiện này đều
sử dụng pin Li-ion, pin Li-ion có mật độ năng lượng cao hơn so với các loại pin có thành
phần hóa học khác như pin chì-axit, nickel-cadmium hoặc Ni-metal. Trong xe điện, mật
độ năng lượng và khối lượng pin là thông số quan trọng quyết định đến quãng đường xe
đi được sau mỗi lần sạc. Do đó pin li-on gần như chiếm lĩnh toàn bộ thị trường pin dành
cho xe điện. Cần lưu ý rằng, mặc dù công nghệ pin đã giúp kéo dài tuổi thọ, tăng mật

độ năng lượng, giảm trọng lượng và giá thành nhưng pin vẫn là thành phần chiếm tỉ
trọng lớn về giá thành và khối lượng của xe điện.
Nhiều phương pháp sạc pin đã được đề xuất để sạc cho xe điện, cần lưu ý rằng
tuổi thọ và mật độ năng lượng trên mỗi viên pin không chỉ được quyết định bởi thành
phần hóa học của nó mà cịn bị tác động bởi phương pháp sạc. Phương pháp sạc như
trong hình 2.6a được gọi là phương pháp CC-CV (Constant Currente – Constan Voltage)
một trong những phương pháp sạc phổ biến cho các loại pin. Ý tưởng của phương pháp
sạc này là sạc viên pin ở một dịng điện tối đa khơng đổi, dòng điện này thường được
quy định bởi nhà sản xuất cho đến khi điện áp của pin tăng đến giá trị đỉnh, tại giá trị


10

này duy trì điện áp sạc cố định cho đến khi dòng sạc trên pin giảm xuống dưới 10% so
với dịng sạc tối đa thì được tính là hồn thành một chu kỳ sạc [2]. Để tăng khả năng
nạp năng lượng của pin một phương pháp sạc tương tự CC-CV đã được đề xuất gọi là
MCC-CV (multi-stage constant Current – Constant Voltage), thay vì sạc pin ở một giai
đoạn ổn dịng và một giai đoạn ổn áp như CC-CV thì phương pháp này sẽ chia quá trình
sạc

thành

nhiều

giai

đoạn

nhỏ

hơn

như

trong

hình

1.6b.

Hình 2. 6 Phương pháp sạc pin Li-ion, (a) CC-CV, (b) MCC-CV
Hai phương pháp sạc như trên đều bị giới hạn khả năng truyền tải năng lượng do quá
trình phân cực như phân cực ohm, phân cực điện hóa và phân cực nhất quán. Nhiều
phương pháp sạc mới, giúp giảm ảnh hưởng của quá trình phân cực đang được nghiên
cứu phát triển. Một trong những hướng tiếp cận đó là kết hợp thêm các giai đoạn xả pin
trong chu kỳ sạc để tăng khả năng nạp năng lượng của pin [3]. Hướng tiếp cận này có
thể áp dụng đối với cả phương pháp CC-CV và MCC-CV để tăng hiệu suất. Ví dụng
đơn giản về áp dụng kỹ thuật này vào phương pháp sạc CC-CV được trình bày trong
hình 2.7a. Một phương pháp sạc khác được đề xuất là sạc xung với tần số thay đổi [4].
Trong phương pháp sạc này, một tần số xung tối ưu được xác định liên tục để phân phối
các ion vào chất điện phân. Giữa các xung này sẽ có những khoảng nghỉ được tính tốn
để trung hịa và khuếch tán ion. Các khoảng nghỉ này được xác định bằng giải thuật tìm


11

điểm cơng suất cực đại để xác định dịng điện tối đa mà pin có thể nhận được theo thời
gian thực. Hình 2.7b mơ tả về dạng sóng của phương pháp sạc xung với tần số biến
thiên. Sử dụng kỹ thuật này sẽ đạt được hiệu suất cao hơn khi so sánh với phương pháp
CC-CV hoặc sạc với tần số cố định.

Hình 2. 7 Các phương pháp sạc nhanh, (a) CC-CV với xung âm, (b) sạc xung với tần số
biến thiên

2.5 Cấu hình cơ bản của một bộ sạc
Đầu tiên là bộ chuyển đổi AC-DC gồm các thành phần chính như lọc EMI, chuyển
đổi PFC (Power Factor Correction), bộ chỉnh lưu và tụ liên kết DC như hình 2.8a. Bộ
chuyển đổi PFC được điều khiển với tín hiệu tần số cao để điều chỉnh dòng điện xoay
chiều theo tần số và điện áp lưới. Lý tưởng nhất là bộ AC-DC hoạt động như một tải trở
như hình 2.8b, để loại bỏ tổng méo dạng sóng hài và tối ưu hóa hiệu suất truyền tải.