Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật điều khiển và tự động hóa: Nghiên cứu hệ thống truyền điện không dây ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Điệp

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY
ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY
CHO XE ĐIỆN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Nguyễn Thị Điệp

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐIỆN KHÔNG DÂY
ỨNG DỤNG TRONG SẠC ĐỘNG KHÔNG DÂY
CHO XE ĐIỆN
Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 9520216

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. Trần Trọng Minh

Hà Nội - 2020


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong luận án này là
thành quả nghiên cứu của bản thân tôi trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Các kết
quả trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng được các tác giả khác cơng bố.
Các thơng tin trích dẫn trong luận án được ghi rõ nguồn gốc.

Hà Nội, ngày 18 tháng 11 năm 2020
Người hướng dẫn khoa học

Tác giả luận án

PGS.TS Trần Trọng Minh

Nguyễn Thị Điệp

i


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trần Trọng Minh, TS.
Nguyễn Kiên Trung đã dành nhiều thời gian tâm huyết hướng dẫn, định hướng, tạo
động lực, hỗ trợ tơi để hồn thành luận án này.
Tôi xin trân trọng cảm ơn tới ban lãnh đạo Khoa Điều khiển và Tự động hóa, ban
lãnh đạo Trường Đại học Điện Lực đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi trong q
trình tơi làm nghiên cứu sinh.

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy cô trong Bộ mơn Tự động hóa Cơng nghiệp,
Viện Điện, Phịng Đào tạo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã giúp đỡ tôi về mặt
chuyên môn, cơ sở vật chất, các thủ tục trong q trình học tập, hồn thành luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên nhóm “Wireless Charging”
của Apes Lab, bạn bè và đồng nghiệp đã hỗ trợ, quan tâm giúp đỡ, động viên tôi trong
thời gian tôi làm nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tơi xin gửi những tình cảm u q nhất đến các thành viên trong gia
đình đã ln động viên, hỗ trợ tơi về mọi mặt để tơi hồn thành luận án này.

Hà Nội, tháng 11 năm 2020

ii


Mục lục
Mục lục ...................................................................................................................... iii
Danh mục chữ viết tắt ................................................................................................ vi
Danh mục các ký hiệu ............................................................................................. viii
Danh mục các bảng................................................................................................... xii
Danh mục các hình vẽ, đồ thị .................................................................................. xiii
Mở đầu ........................................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài...................................................................................... 1
2. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án ............................. 3
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................... 4
Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 4
Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 4
Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 4
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài ............................................................................... 5
Về lý luận............................................................................................................ 5
Về thực tiễn ........................................................................................................ 6

5. Dự kiến các kết quả đạt được ............................................................................. 6
6. Bố cục của luận án .............................................................................................. 6
Chương 1. Tổng quan ................................................................................................. 8
1.1 Giới thiệu chung ............................................................................................... 8
1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ................................................................ 12
1.2.1 Cơ sở lý thuyết truyền điện không dây.................................................... 12
1.2.2 Tổng quan về bộ ghép từ ......................................................................... 15
1.2.3 Tổng quan về mạch bù ............................................................................ 19
1.2.4 Tổng quan về bộ biến đổi công suất và các phương pháp điều khiển ..... 22
1.2.5 Các vấn đề khác ....................................................................................... 24
1.3 Đề xuất phương hướng thực hiện nghiên cứu ................................................ 25
1.4 Kết luận chương 1 .......................................................................................... 26
iii


Chương 2. Thiết kế hệ thống .................................................................................... 27
Tóm tắt nội dung................................................................................................... 27
2.1 Thiết kế cấu trúc hệ thống .............................................................................. 28
2.2 Thiết kế bộ ghép từ ......................................................................................... 29
2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 29
2.1.2 Thiết kế cấu trúc bộ ghép từ .................................................................... 30
2.1.3 Thiết kế bộ ghép từ phía truyền ............................................................... 32
2.1.4 Thiết kế bộ ghép từ phía nhận ................................................................. 34
2.2 Thiết kế mạch bù ............................................................................................ 39
2.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 39
2.2.2 Phân tích nguyên lý mạch cộng hưởng ................................................... 40
2.2.2.1 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn vào UAB ................... 41
2.2.2.2 Khi mạch điện chỉ được kích thích bởi nguồn đầu ra ...................... 43
2.2.2.3 Xếp chồng các kết quả ...................................................................... 44
2.2.3 Phân tích điều kiện tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền ......................... 45

2.2.4 Tính tốn thơng số mạch bù LCC ........................................................... 48
2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm................................................................. 50
2.3.1 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 50
2.3.2 Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 55
2.4 So sánh kết quả nghiên cứu ............................................................................ 57
2.5 Kết luận chương 2 .......................................................................................... 59
Chương 3. Điều khiển nâng cao hiệu suất hệ thống ................................................. 60
Tóm tắt nội dung................................................................................................... 60
3.1 Điều khiển bám cộng hưởng .......................................................................... 60
3.1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 60
3.1.2 Thiết kế điều khiển bám cộng hưởng ...................................................... 61
3.1.3 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 65
3.2 Điều khiển bám tải tối ưu ............................................................................... 68
3.2.1 Đặt vấn đề ................................................................................................ 68
iv


3.2.2 Phân tích lý thuyết ................................................................................... 69
a) Phân tích khả năng điều khiển bám tải tối ưu ......................................... 70
b) Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía thứ cấp ....................................... 71
c) Phân tích cấu trúc điều khiển .................................................................. 73
3.2.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm.......................................................... 75
3.3 So sánh kết quả nghiên cứu ............................................................................ 79
3.4 Kết luận chương 3 .......................................................................................... 80
Chương 4. Điều khiển cơng suất .............................................................................. 82
Tóm tắt nội dung................................................................................................... 82
4.1 Đặt vấn đề ....................................................................................................... 82
4.2 Cơ sở lý thuyết................................................................................................ 83
4.2.1 Phân tích khả năng điều khiển cơng suất chỉ từ phía sơ cấp ................... 83
4.2.2 Ước lượng hệ số kết nối kr chỉ từ phía truyền ......................................... 85

4.2.3 Phân tích, thiết kế bộ điều khiển ............................................................. 88
4.3 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm................................................................. 90
4.3.1 Kết quả mô phỏng ................................................................................... 90
4.3.2 Kết quả thực nghiệm ............................................................................... 93
4.4 So sánh kết quả nghiên cứu ............................................................................ 96
4.5 Kết luận chương 4 .......................................................................................... 98
Kết luận..................................................................................................................... 99
Những đóng góp của luận án: ............................................................................. 100
Những hạn chế của luận án và các nghiên cứu trong tương lai .......................... 100
Danh mục các cơng trình đã cơng bố của luận án .................................................. 101
Danh mục các cơng bố chính.............................................................................. 101
Danh mục các cơng bố liên quan ........................................................................ 102
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 103
Phụ lục ....................................................................................................................PL1

v


Danh mục chữ viết tắt

Chữ viết tắt Tiếng anh

Tiếng việt

IEA

International Energy Agency

Cơ quan năng lượng quốc tế

WPT

Wireless Power Transfer

Truyền điện khơng dây

FEA

Finite Element Analysis

Phân tích phần tử hữu hạn

Korea Advanced Institute of

Viện Khoa học và công nghệ

Science and Technology

tiên tiến Hàn Quốc

OLEV

On-Line Electric Vehicle

Xe điện sạc trực tuyến

SUV

Sports Utility Vehicle

Xe điện thể thao đa dụng

ORNL

Oak Ridge National Laboratory

Phịng thí nghiệm quốc gia Oak
Ridge, Hoa Kỳ

PFC

Power Factor Corection

Hiệu chỉnh hệ số cơng suất

EV

Electric Vehicle

Xe điện

AC

Alternating Current

Dịng điện xoay chiều

DC

Direct Current

Dịng điện một chiều

SS

Series Series

Nối tiếp nối tiếp

SP

Series Parallel

Nối tiếp song song

PP

Parallel Parallel

Song song song song

PS

Parallel Series

Song song nối tiếp

ZPA

Zero Phase Angle

Góc pha không

ZVS

Zero Voltage Switching

Chuyển mạch điện áp không

ZCS

Zero Current Switching

Chuyển mạch dịng điện khơng

ICNIRP

International Commissionn Non- Ủy ban quốc tế bảo vệ bức xạ
Ionizing Radiation Protection
ion hóa

CFR

Code of Federal Regulations

KAIST

Quy định liên bang của Hoa Kỳ

vi

SAE

Society of Automotive
Engineers

Hiệp hội kỹ sư ô tô

V2G

Vehicle to Grid

Xe điện nối lưới

vii


Danh mục các ký hiệu

Ký hiệu

Mô tả

L1, L2

Điện cảm tự cảm của cuộn dây sơ cấp, thứ cấp

M

Điện cảm hỗ cảm của cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

I 1 , I2

Dòng điện chảy trong cuộn dây sơ cấp, thứ cấp

φ12

Góc lệch pha giữa dịng 𝐼1̇ và 𝐼2̇

𝑈̇21, 𝑈̇12

Điện áp trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được sinh ra do hiện tượng
cảm ứng điện từ giữa hai cuộn dây

S1, S2

Công suất truyền đến cuộn dây L1 và L2

S3, S4

Công suất được cấp bởi bộ biến đổi điện tử công suất

S12, S21

Công suất trao đổi giữa hai cuộn dây

P12

Công suất tác dụng truyền từ phía sơ cấp sang phía thứ cấp

Q

Tổng công suất phản kháng vào hai cuộn dây

k

Hệ số kết nối điện từ (hệ số kết nối)

ω0

Tần số góc cộng hưởng

fsw

Tần số chuyển mạch

f0

Tần số cộng hưởng

Qs

Hệ số chất lượng cuộn dây thứ cấp

C1

Tụ bù phía sơ cấp

C2

Tụ bù phía thứ cấp

Rr-SS, Rr-PS,
Rr-SP, Rr-PP

Trở kháng phản xạ từ phía thứ cấp về phía sơ cấp trong các mạch
bù SS, PS, SP, PP

T1, T2, T3, R

Tên các cuộn dây truyền số 1, 2, 3 và cuộn dây nhận

lt, lr

Chiều dài cuộn dây truyền, nhận

wt, wr

Chiều rộng cuộn dây truyền, nhận
viii


lwt, lwr

Độ rộng cuộn dây bộ truyền, bộ nhận

da

Khoảng cách truyền

hAl, hc, hf

Độ dầy của tấm chắn nhôm, cuộn dây và tấm ferrite

dr

Vị trí bộ nhận (độ dịch chuyển của cuộn nhận theo hướng x)

lm

Độ lệch bên theo hướng y

i,j

Chỉ số của các cuộn dây truyền, i,j = 1, 2, 3

Li, Lr

Điện cảm tự cảm của cuộn truyền thứ i, cuộn nhận

Mij

Điện cảm hỗ cảm của các cuộn dây truyền i với cuộn dây truyền j

kij

Hệ số kết nối điện từ giữa cuộn dây truyền thứ i với cuộn dây
truyền thứ j

Mi

Tổng điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền Ti với các cuộn truyền khác

k1r, k2r, k3r

Hệ số kết nối của cuộn truyền T1, T2, T3 với cuộn nhận R

kr

Tổng hệ số kết nối của ba cuộn truyền với cuộn nhận

Kr

Hệ số kết nối trung bình của ba cuộn truyền với cuộn nhận

UDC

Điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu phía sơ cấp

UAB

Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp

Uab

Điện áp đầu vào của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp

S1, S2, S3, S4

Tên gọi của các MOSFET trong sơ đồ nghịch lưu phía sơ cấp

Lfi

Điện cảm bù phía sơ cấp

Cfi

Tụ bù nhánh dưới phía sơ cấp

Ci

Tụ bù nhánh trên phía sơ cấp

Lfr

Điện cảm bù phía thứ cấp

Cfr

Tụ bù nhánh dưới phía thứ cấp

Cr

Tụ bù nhánh trên phía thứ cấp

Mir

Điện cảm hỗ cảm của cuộn truyền thứ i với cuộn nhận

ILi

Dòng điện cộng hưởng trên các cuộn dây truyền
ix


Ii

Dòng điện chảy trên các điện cảm bù Lfi

ULr

Điện áp cảm ứng trên cuộn dây nhận

ILfr

Dòng điện trên điện cảm bù phía thứ cấp

Ir

Dịng điện trên tụ bù nhánh trên phía thứ cấp

IAB

Dịng điện đầu ra của bộ nghịch lưu phía sơ cấp

RL

Trở kháng tương đương phía xoay chiều

η

Hiệu suất truyền

Qi

Hệ số phẩm chất của cuộn truyền Ti

Qr

Hệ số phẩm chất của cuộn nhận R

ηmax

Hiệu suất truyền lý thuyết tối đa

RL.opt

Trở kháng tối ưu

Pout

Cơng suất đầu ra

Ioff

Dịng điện khóa

R1 , R2 , R3

Điện trở của cuộn dây truyền T1, T2, T3

Ri

Điện trở của cuộn dây truyền Ti

t1

Thời điểm kết thúc thời gian chuyển mạch

tdead

Thời gian chết

IM.AB

Giá trị của dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu tại điểm đo t1

IM.AB.avg

Giá trị trung bình cộng của IM.AB trong tám chu kỳ gần nhất

IH, IL

Dòng giới hạn mức trên, mức dưới
Trở kháng tải tương đương nhìn từ phía đầu vào bộ chỉnh lưu cầu

RL, RLe, RLeq

diode, từ phía đầu vào bộ Boost, từ đầu vào của bộ điều khiển quản

lý năng lượng ắc quy về phía tải

D

Hệ số điều chỉnh của bộ Boost

ULe

Điện áp một chiều đầu ra của bộ chỉnh lưu phía thứ cấp

ILe

Dịng điện một chiều đầu ra của chỉnh lưu phía thứ cấp

x


Gid

Hàm truyền giữa giá trị dòng điện vào bộ boost và hệ số điều chỉnh
d

LB, CB

Điện cảm và điện dung của bộ Boost

Gc(s)

Hàm truyền của bộ điều khiển Lead - Lag

ZMi

Trở kháng tương đương của các cuộn truyền sang nhau

Zs

Trở kháng phía thứ cấp nhìn từ phía cuộn dây thứ cấp về phía tải

ZPi

Trở kháng phản xạ của cuộn dây nhận tới mỗi cuộn truyền

ZLi

Trở kháng tương đương của mỗi cuộn dây truyền

PDC

Công suất một chiều đầu vào bộ nghịch lưu

ILi

Giá trị hiệu dụng của dòng cộng hưởng trên các cuộn dây truyền

α

Góc dịch pha

I*Li

Dịng điện cộng hưởng đặt

Pout.ref

Cơng suất đầu ra đặt

Pout.est

Công suất đầu ra ước lượng

kr.est

Hệ số kết nối ước lượng

GP(s)

Hàm truyền của bộ điều khiển công suất

GI(s)

Hàm truyền của điều khiển dòng điện

xi


Danh mục các bảng
Bảng 1. 1 Một số thành tựu của hệ thống sạc động không dây cho xe điện .............. 9
Bảng 1. 2 Giá trị tụ bù phía sơ cấp của các mạch bù cơ bản [56] ............................ 20
Bảng 2. 1 Tham số mô tả cấu trúc của cuộn dây ...................................................... 31
Bảng 2. 2 Giá trị điện cảm hỗ cảm, hệ số kết nối giữa các cuộn dây truyền với nhau

.................................................................................................................................. 33
Bảng 2. 3 Kích thước và thơng số của bộ truyền và nhận ........................................ 36
Bảng 2. 4 Thông số hệ thống và mạch bù ................................................................ 49
Bảng 2. 5 Giá trị điện áp, dòng điện đỉnh của các phần tử trong mô phỏng LTspice
.................................................................................................................................. 54
Bảng 2. 6 So sánh thiết kế đề xuất với các nghiên cứu khác ................................... 57
Bảng 3. 1 So sánh phương pháp điều khiển bám cộng hưởng ................................. 79
Bảng 4. 1 So sánh phương pháp điều khiển công suất ............................................. 97

xii


Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 0.1 Thị trường xe điện giai đoạn 2013 – 2018 ([1]) .......................................... 1
Hình 1.1 Cấu trúc chung của hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động khơng dây cho
xe điện....................................................................................................................... 11
Hình 1.2 Hệ thống WPT với cấu trúc hai cuộn dây ................................................. 12
Hình 1.3 Các loại đường truyền trong hệ thống sạc động ([39]) ............................. 17
Hình 1.4 Cấu trúc đường truyền kiểu đường dài với lõi ferrite ............................... 17
Hình 1.5 Đường truyền kiểu đoạn trong hệ thống thực nghiệm của ORNL ([10]) .. 18
Hình 1.6 Cấu trúc các mạch bù cơ bản. a) SS. b) SP. c) PS. d) PP. ......................... 20
Hình 1.7 Các cấu trúc các mạch bù a) SPS; b) LC; c) LCC ..................................... 21
Hình 2. 1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống ............................................................................ 27
Hình 2. 2 Cấu trúc bộ ghép từ của một mơ đun truyền và nhận............................... 31
Hình 2. 3 Mơ hình Maxwell 3D của một mơ đun bộ ghép từ .................................. 32
Hình 2. 4 Kết quả mơ phỏng FEA của hệ số kết nối ................................................ 35
Hình 2. 5 Đặc tính của hệ số kết nối khi bộ nhận lệch bên ...................................... 37
Hình 2. 6 Phát xạ từ trường trong mơ phỏng Maxwell. ........................................... 37
Hình 2. 7 Sơ đồ cấu trúc một mô đun truyền nhận với mạch bù LCC hai phía ....... 39
Hình 2. 8 Sơ đồ mạch xấp xỉ tương đương .............................................................. 41

Hình 2. 9 Trạng thái mạch ở chế độ cộng hưởng ..................................................... 42
Hình 2. 10 Sơ đồ thay thế khi có nội trở các cuộn dây ............................................ 46
Hình 2. 11 Đặc tính hiệu suất truyền lý thuyết tối đa với kr = 0.14 ......................... 48
Hình 2. 12 Mơ hình mơ phỏng trên phần mềm Ansys Electronics .......................... 50
Hình 2. 13 Đặc tính trở kháng đầu vào..................................................................... 51
Hình 2. 14 Đặc tính hiệu suất truyền ........................................................................ 51
Hình 2. 15 Dạng sóng điện áp và dịng điện trong mơ phỏng Ltspice ..................... 53
Hình 2. 16 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất của hệ thống .. 54
Hình 2. 17 Kết quả mơ phỏng, thực nghiệm công suất và hiệu suất của hệ thống ở các
mức UDC khác nhau .................................................................................................. 54
Hình 2. 18 Mơ hình thực nghiệm ............................................................................. 55
Hình 2. 19 Kết quả thực nghiệm dạng sóng điện áp/dịng điện ............................... 56
Hình 3. 1 Điểm đo dòng điện của phương pháp điều khiển bám cộng hưởng ......... 62
Hình 3. 2 Lưu đồ thuật tốn phương pháp điều khiển bám cộng hưởng.................. 63
Hình 3. 3 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám cộng hưởng ........................................ 64
xiii


Hình 3. 4 Đặc tính hiệu suất khi thơng số của hệ thống thay đổi ............................. 65
Hình 3. 5 Đặc tính chuyển mạch của MOSFET ....................................................... 67
Hình 3. 6 Cấu trúc hệ thống điều khiển bám tải tối ưu ............................................ 70
Hình 3. 7 Quá trình chuyển đổi giá trị của trở kháng tải .......................................... 70
Hình 3. 8 Sơ đồ mạch thay thế ................................................................................. 72
Hình 3. 9 Cấu trúc điều khiển tải tối ưu ................................................................... 74
Hình 3. 10 Kết quả mơ phỏng FEA và kết quả ước ượng hệ số kr từ phía thứ cấp .. 75
Hình 3. 11 Kết quả mô phỏng hiệu suất theo giá trị trở kháng tải ........................... 76
Hình 3. 12 Đặc tính hiệu suất truyền theo vị trí bộ nhận ......................................... 76
Hình 3. 13 Mơ hình thực nghiệm điều khiển bám trở kháng tối ưu ......................... 77
Hình 3. 14 Kết quả thực nghiệm hiệu suất hệ thống ................................................ 78
Hình 4. 1 Sơ đồ rút gọn của sơ đồ Hình 2.10 ........................................................... 83

Hình 4. 2 Tín hiệu điều khiển van S1, S2, S3, S4 và dạng điện áp ra của nghịch lưu
.................................................................................................................................. 85
Hình 4. 3 Sơ đồ cấu trúc điều khiển cơng suất ......................................................... 88
Hình 4. 4 Sơ đồ khối cấu trúc một mạch vòng điều khiển ....................................... 89
Hình 4. 5 Sơ đồ khối cấu trúc hai mạch vịng điều khiển ........................................ 89
Hình 4. 6 Kết quả mô phỏng FEA và ước lượng hệ số kết nối kr từ phía sơ cấp ..... 91
Hình 4. 7 Kết quả mô phỏng đáp ứng công suất theo giá trị đặt trước .................... 92
Hình 4. 8 Kết quả mơ phỏng dạng sóng điện áp/ dịng điện .................................... 92
Hình 4. 9 Kết quả mơ phỏng đặc tính cơng suất đầu ra theo góc dịch pha .............. 93
Hình 4. 10 Kết quả thực nghiệm dạng điện áp/dòng điện đầu ra của nghịch lưu và
dịng cộng hưởng trên cuộn dây truyền .................................................................... 94
Hình 4. 11 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt giảm từ 600W xuống 400W .... 95
Hình 4. 12 Kết quả thực nghiệm khi công suất đặt bằng 400W, bộ nhận di chuyển
thẳng hướng và lệch hướng ...................................................................................... 96

xiv


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. Theo báo
cáo của cơ quan năng lượng quốc tế IEA (International Energy Agency), xe điện đang
được phát triển nhanh chóng trong khoảng hơn mười năm trở lại đây. Hình 0.1 là
thống kê của IEA về sự phát triển của thị trường xe điện giai đoạn 2013-2018, trong
năm 2018 số lượng xe điện tăng thêm là hơn 5 triệu xe, tăng 63% so với năm 2017,
ước tính nhu cầu sử dụng xe điện sẽ tăng lên khoảng 44 triệu xe/năm vào năm 2030

Electric car stock (millions)

[1].
Other PHEV

6

Other BEV

5

United States
PHEV
United States BEV

4
3

Europe PHEV

2

Europe BEV

1

China PHEV

China BEV

0

2013

2014

2015

2016

2017

2018

Hình 0.1 Thị trường xe điện giai đoạn 2013 – 2018 ([1])

Trong hệ thống đường sắt, tàu điện đã được phát triển và ứng dụng vào thực tế.
Tàu điện có ưu điểm là dễ dàng lấy được điện năng từ đường ray hoặc hệ thống thanh
trượt vì tàu điện chạy trên đường ray cố định, nhược điểm là không linh hoạt như xe
điện. Tuy nhiên, xe điện lại không dễ dàng nhận điện năng từ đường ray như tàu điện.
Thay vào đó là một hệ thống ắc quy có cơng suất và dung lượng lớn được trang bị
trên xe để xe điện có thể chạy được trong một khoảng cách nhất định. Hiện nay, các
thiết bị lưu trữ năng lượng cho xe điện vẫn có mật độ năng lượng thấp, tuổi thọ hạn
chế, kích thước và chi phí lớn. Trong khi mật độ năng lượng của xe xăng là
12000Wh/kg thì mật độ năng lượng của ắc quy lithium-ion được thương mại cho xe
1


điện chỉ đạt 90 ÷ 100 Wh/kg [2]. Tuy nhiên, chi phí sạc cho xe điện rẻ hơn chi phí sử
dụng xăng. Đây cũng là một ưu điểm làm tăng tính hấp dẫn của xe điện.
Các bộ sạc cho xe điện hiện nay chủ yếu là sạc cắm dây, các bộ sạc này thường
được đặt tại nhà, nơi làm việc hoặc tại các trạm sạc tập trung. Xe điện sử dụng sạc

cắm dây có nhược điểm là thời gian sạc dài, bất tiện, có nguy cơ rị điện trong mơi
trường ẩm ướt, làm nguy hiểm cho người sử dụng. Gần đây, các bộ sạc không dây
cho xe điện đã và đang được nghiên cứu, phát triển mạnh mẽ. Sạc không dây là một
công nghệ tiềm năng thay thế cho sạc cắm dây mà không cần sử dụng dây cáp điện.
Xe điện sử dụng sạc không dây sẽ tiện lợi hơn và an toàn hơn so với sử dụng sạc cắm
dây.
Sạc điện không dây là một trong những ứng dụng nổi bật của công nghệ truyền
điện không dây (WPT – Wireless Power Transfer). Hệ thống WPT cho phép truyền
năng lượng qua khơng khí với khoảng cách từ vài mm đến vài trăm mm, hiệu suất có
thể đạt được trên 90% [3]. Hệ thống WPT ứng dụng trong sạc không dây cho xe điện
được chia thành hai loại là sạc không dây tĩnh và sạc không dây động. Sạc không dây
tĩnh là bộ sạc mà khi sạc xe điện cần phải đỗ đúng vị trí của bộ truyền để nhận điện
năng từ bộ truyền. Hiện nay, các bộ sạc không dây tĩnh đã được thương phẩm bởi
một số tập đoàn sản xuất xe điện lớn trên thế giới như WiTricity, Qualcomm... [4].
Một số nhà sản xuất xe điện cung cấp bộ sạc không dây như một tùy chọn khi mua
xe điện. Tuy nhiên, nhược điểm của các bộ sạc này là thời gian sạc dài, khoảng cách
di chuyển sau mỗi lần sạc ngắn, dung lượng và trọng lượng của ắc quy lớn [5].
Sạc khơng dây động là giải pháp có thể khắc phục được các nhược điểm trên của
sạc không dây tĩnh. Trong hệ thống sạc khơng dây động, xe điện có thể vừa đi vừa
sạc. Hệ thống này không những mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện mà còn giúp
giảm đáng kể dung lượng và kích thước của ắc quy. Nếu 20% quãng đường di chuyển
được trang bị hệ thống sạc 40kW, khoảng cách di chuyển của xe điện có thể mở rộng
thêm ít nhất 80% [6]. Đường truyền năng lượng trong hệ thống sạc khơng dây động
có thể được tạo thành bằng cách sắp xếp nhiều bộ truyền giống như các bộ truyền của
sạc không dây tĩnh dưới lịng đường. Như vậy, thay vì mỗi xe điện sở hữu riêng một
bộ sạc tĩnh thì các bộ sạc tĩnh này có thể được sắp xếp, điều khiển tạo thành làn đường
sạc động cho xe. Hệ thống sạc không dây động 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, ơ tơ điện…
vì vậy hiệu quả sử dụng cao hơn nhiều so với các hệ thống sạc khác. Hiện nay, các
hệ thống sạc không dây động đang trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm, công suất

2


truyền có thể lên tới 80kW, khoảng cách truyền lên tới 500mm [7]. Gần đây, các hệ
thống sạc động đang được nghiên cứu, phát triển với nhiều công nghệ và kỹ thuật
khác nhau. Ngồi ra, chính phủ nhiều nước trên thế giới có các chính sách ưu đãi
nhằm tăng cường việc sử dụng xe điện vì các mục đích xã hội.
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 rất nhiều vấn đề, giải pháp trong hệ thống sạc không dây động cần tiếp tục nghiên
cứu và phát triển. Do đó, tác giả lựa chọn đề tài “nghiên cứu hệ thống truyền điện
không dây ứng dụng 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 cơng suất, ảnh hưởng tới tuổi thọ của ắc quy [8-12]. 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. Hiệu
suất của tồn hệ thống WPT bằng tích hiệu suất của từng phần trong hệ thống. Do đó,
để đạt được hiệu suất cao trong toàn hệ thống WPT cần phải nâng cao hiệu suất của
từng phần trong hệ thống như hiệu suất truyền, hiệu suất của các bộ biến đổi điện tử
công suất và giảm thiểu các bộ biến đổi điện tử công suất trong hệ thống [13-16].
Mặt khác, trong hệ thống sạc động khơng dây cho xe điện có nhiều loại xe điện có
u cầu mức cơng suất sạc khác nhau cùng chạy trên đường và tương tác với đường
truyền. Do đó, vấn đề điều khiển cơng suất sạc theo yêu cầu của các xe điện là cần
thiết.
Ngoài ra, các vần đề khác như thiết kế, điều khiển hệ thống với khoảng cách truyền

xa, công suất truyền lớn, vấn đề dị vị trí xe để điều khiển đóng/cắt các đoạn của
đường truyền, chọn đường đi cho xe… cũng cần được nghiên cứu, phát triển [17],
[18].
Từ những tồn tại trên, hướng nghiên cứu của luận án là:
3


-

Nghiên cứu, thiết kế cuộn dây sử dụng phương pháp mơ phỏng phân tích phần
tử hữu hạn FEA (Finite Element Analysis) trên phần mềm Ansys Maxwell

-

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 động
không dây cho xe điện:
-

Bộ ghép từ trong hệ thống WPT.
Mạch bù.
Các bộ biến đổi điện tử công suất.

Phạm vi nghiên cứu
Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, năng lượng
được truyền không dây từ làn đường sạc đến xe điện. Năng lượng nhận được trên xe
điện sẽ được đưa vào bus DC của hệ thống, sau đó phần quản lý năng lượng trên xe
điều khiển, cung cấp một phần cho xe di chuyển và phần còn lại sẽ được sạc vào hệ
thống ắc quy của xe. Như vậy, có thể chia hệ thống thành hai phần, phần thứ nhất
đảm bảo truyền năng lượng không dây cho xe điện tới bus DC của hệ thống với hiệu
4


suất cao. Phần thứ hai do hệ thống điều khiển quản lý năng lượng ắc quy trên xe phụ
trách. Nghiên cứu này tập trung giải quyết vấn đề đảm bảo truyền năng lượng không
dây 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 thế giới, coi tồn bộ phía sau hệ thống
truyền điện không dây từ bus DC tới phụ 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 khơng thay đổi trong q trình xe di
chuyển.
Tốc độ xe điện không vượt quá 40km/h.

4. Ý nghĩa khoa học của đề tài
Về lý luận
Hệ thống truyền điện khơng dây sạc cho xe điện ngay trong q trình di chuyển
là giải pháp thúc đẩy sự phổ biến của xe điện trong 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 cơng 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 mơ 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 công suất trên tải khi cuộn
nhận di chuyển. Hiệu suất truyền công suất được tối ưu hóa nhờ q trình cộng hưởng
ở tần số 85 kHz với các mạch bù trở kháng LCC, ngay cả khi hệ số kết nối thay đổi
5


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 chế 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 thơng qua mơ hình thực nghiệm
chứng tỏ khả năng ứng dụng thực tiễn. Hệ thống truyền năng lượng không dây ứng
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 cơng suất.

6. Bố cục của luận án
Tồn bộ quyển luận án được chia thành bốn chương nội dung và phần kết luận,
các nội dung cơ bản như sau:
Chương 1 trình bày nghiên cứu tổng quan về hệ thống truyền điện không dây ứng
dụng trong sạc động không dây cho xe điện. Thực hiện phân tích, đánh giá các cơng
trình nghiên cứu về hệ thống đã được công bố, chỉ ra các vấn đề còn tồn tại, đưa ra
những vấn đề mà luận án cần tập trung giải quyết, đề xuất phương hướng thực hiện
các nhiệm vụ nghiên cứu của luận án.
Chương 2 trình bày về vấn đề thiết kế hệ thống. Đầu tiên, thiết kế cấu trúc hệ

thống được trình bày. Sau đó, bộ ghép từ được thiết kế bằng phương pháp phân tích
phần tử hữu hạn FEA để giảm độ dao động của hệ số kết nối điện từ, từ đó giảm đập
mạch cơng suất. Cuối cùng, mạch bù LCC được đề xuất thiết kế theo giá trị tải tối ưu
để tối đa hiệu suất truyền.

6


Chương 3 đề xuất các phương pháp điều khiển nâng cao hiệu suất của hệ thống.
Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng nhằm nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu
trong trường hợp thông số của hệ thống bị thay đổi so với thiết kế ban đầu do điều
kiện làm việc thực tế. Phương pháp điều khiển bám tải tối ưu nhằm tối đa hiệu suất
truyền khi xe điện di chuyển trên làn đường truyền.
Chương 4 đề xuất phương pháp điều khiển cơng suất đầu ra chỉ từ phía sơ cấp
nhằm đáp ứng các mức công suất sạc khác nhau cho các loại xe điện khác nhau. Ngoài
ra, một phương pháp ước lượng hệ số kết nối điện từ mới, dễ thực hiện được đề xuất
thực hiện chỉ từ phía sơ cấp, từ đó điều khiển cơng suất đầu ra theo yêu cầu.
Phần cuối cùng của luận án là kết luận về những đóng góp của luận án, những hạn
chế và hướng nghiên cứu tiếp theo.

7


Chương 1. Tổng quan
1.1 Giới thiệu chung
Hiện nay, các phương tiện giao thông sử dụng nguyên liệu xăng dầu làm gia tăng
khí thải nhà kính. Do đó, xe điện được đề xuất sử dụng để đạt được giao thông thân
thiện với môi trường. Trong những năm gần đây, nhiều quốc gia có chính sách ưu đãi
về thuế với xe điện, số lượng xe điện được đưa vào sử dụng đã tăng nhưng vẫn chưa
thực sự hấp dẫn với người tiêu dùng [1]. 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. Mặc
dù, công nghệ sản xuất ắc quy đã và đang phát triển nhưng vẫn cịn nhiều hạn chế
như chi phí lớn, kích thước lớn, trọng lượng lớn và mật độ lưu trữ năng lượng thấp.
Với cơng nghệ ắc quy hiện tại thì xe điện không thể đạt được phạm vi di chuyển như
xe xăng. Gần đây, giải pháp ứng dụng WPT trong sạc động không dây cho xe điện
được đề xuất thực hiện để mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện.
Truyền điện không dây là phương thức truyền điện năng từ nguồn đến tải qua
khơng khí mà khơng cần sử dụng các đầu nối vật lý. Lịch sử phát triển của hệ thống
WPT bắt đầu từ việc xây dựng phương trình Maxwell vào năm 1862. Maxwell đã mô
tả các hiện tượng của sóng vơ tuyến trong các phương trình Maxwell. Sau đó, Henry
Poynting đã minh họa sóng điện từ như một dòng chảy năng lượng và được sử dụng
trong định lý Poynting vào năm 1884. Nikola Tesla đã nghiên cứu về nguyên tắc
truyền điện không dây vào cuối thế kỷ 19 [19]. Tuy nhiên, các thí nghiệm của Tesla
khơng được khai thác ở mức độ thương mại vì lỳ do khơng an toàn, hiệu suất thấp và
giá thành đắt. Sau các thử nghiệm ban đầu của Tesla, sóng điện từ được sử dụng cho
các ứng dụng liên lạc không dây. Ngày nay, đề xuất của Tesla đã trở thành hiện thực
với sự ra đời của các công nghệ bán dẫn tiên tiến. Hệ thống WPT hữu ích trong các
mơi trường làm việc mà các đầu nối vật lý gây bất tiện, nguy hiểm hoặc khơng thể
thực hiện và đặc biệt thích hợp cho xe điện.
Hệ thống WPT ứng dụng sạc cho xe điện chia thành hai loại, sạc không dây tĩnh
và sạc không dây động. Với sạc không dây tĩnh, khi sạc xe điện phải dừng lại và đỗ
đúng vị trí của bộ truyền để nhận năng lượng từ bộ truyền. Các bộ sạc khơng dây tĩnh
có điều kiện kết nối điện từ tốt, hiệu suất có thể đạt được trên 90% [3], [20]. Tuy
nhiên, khoảng cách di chuyển sau mỗi lần sạc của xe điện không tăng so với sạc cắm
8


dây. Để tăng khoảng cách di chuyển thì xe điện phải được sạc thường xuyên hoặc
được trang bị ắc quy có dung lượng lớn hơn. Tuy nhiên, các giải pháp này đều phát
sinh chi phí. Do đó, hệ thống sạc động không dây là một công nghệ nhiều hứa hẹn có

thể mở rộng phạm vi di chuyển của xe, xe điện có thể vừa di chuyển trên đường vừa
sạc [6], [7]. Như vậy, khoảng cách di chuyển của xe điện tăng lên trong khi có thể sử
dụng ắc quy với dung lượng nhỏ nhất.
Bảng 1. 1 Một số thành tựu của hệ thống sạc động không dây cho xe điện

Học viện/tập đồn
UC Berkeley [21]

Cơng suất

Tần số

Khoảng

Hiệu suất

(kW)

(kHz)

cách (mm)

(%)

60

0,4

76

60

10

80

170

83

170

71

3

KAIST University, Korea
(OLEV) [22-25]

15

Oak Ridge National
Laboratory (ORNL) [10]

20

22–23

125–175

90

EV System Lab & Nissan
Research Centre [27]

0.3

100

170

77-90

North Carolina State
University, USA [9], [28]

1

90

100

>84

University of Auckland,
New Zealand [29], [30]

20-30

12.9

500

85

Japan Railway Technical
Research Institute

50

10

7.5

-

20

60

Bảng 1. 1 liệt kê một số thành tựu nổi bật của hệ thống WPT ứng dụng trong sạc
động không dây cho xe điện đã và đang được thử nghiệm trong thời gian gần đây.
UC Berkeley đã tiến hành một thử nghiệm về hệ thống sạc động cho xe điện dựa trên
công nghệ WPT vào cuối thập niên 90. Hệ thống này được thử nghiệm cho xe bus,
có cơng suất truyền 60kW, khoảng cách truyền 76mm, đường truyền dài 213m. Do
công nghệ bán dẫn hạn chế, tần số làm việc chỉ đạt 400 Hz, hiệu suất đạt được là
60%[21]. Kết quả của nghiên cứu này đã mở ra các hướng nghiên cứu nhằm cải thiện
hiệu suất của hệ thống sạc không dây động. Viện khoa học và công nghệ tiên tiến
9