Tải bản đầy đủ

Động cơ điện ôtô, lịch sử cấu tạo và hoạt động

BÀI VIẾT TÌM HIỂU VỀ Ô TÔ ĐIỆN

Nguyễn Văn Dũng

I.Giới thiệu:
1. Lịch sử .
Kỷ nguyên của truyền động điện có thể coi như bắt đầu từ thế kỷ 19 khi Tesla
phát minh ra động cơ không đồng bộ năm 1888. Từ đó, động cơ điện dần dần thay
thế động cơ hơi nước, vốn được coi là động lực cho cách mạng công nghiệp lần
thứ nhất (thế kỷ 18) và lần thứ hai (thế kỷ 19).
Sự ra đời của các van bán dẫn công suất lớn như diode, BJT, thyristor, triac và
tiếp đó là IGBT thực sự mang đến cho truyền động điện một sự biến đổi lớn về
chất và lượng. Các van bán dẫn chịu điện áp ngày càng cao và khả năng dẫn dòng
ngày càng lớn đã tạo nên các cấu hình bộ biến đổi ngày càng đa dạng: chỉnh lưu
(AC/DC converter), nghịch lưu (DC/AC converter, inverter), bộ biến đổi một chiều
(DC/DC converter) và bộ biến đổi xoay chiều (AC/AC converter) cho phép điều
khiển dòng năng lượng cấp cho động cơ một cách hợp lý, phù hợp với yêu cầu
công nghệ.
Hành tinh của chúng ta đang đối mặt với vấn đề nóng dần lên do hiệu ứng nhà
kính do khí thải công nghiệp và sinh hoạt. Nguồn nhiên liệu và đặc biệt là nhiên
liệu tự nhiên đang dần bị cạn kiệt. Chất lượng của cuộc sống, thậm chí sự tồn tại

của nhân loại đang bị đe dọa. Hơn bao giờ hết, khoa học và công nghệ là phương
tiện hữu hiệu để con người khai thác và gìn giữ thiên nhiên. Các nghiên cứu bùng
nổ về năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, địa nhiệt và
năng lượng sóng biển không chỉ là một trào lưu trong vòng gần hai thập kỷ qua,
mà còn là một xu hướng không thể tránh khỏi để tạo ra lưới điện thông minh và
linh hoạt. Các bộ biến đổi công suất DC/DC đã trở lại thành đề tài nghiên cứu nóng
hổi. Chúng có chức năng tăng hoặc hạ áp (boost/buck), kết nối các thiết bị sơ cấp
(tuốc bin sức gió hoặc các tấm pin năng lượng mặt trời) với các bộ biến đổi khác
1


(như nghịch lưu DC/AC) để cung cấp năng lượng cho lưới điện quốc gia hoặc các
hộ tiêu thụ.
Trong việc khai thác các nguồn năng lượng mới, các bộ lưu điện công suất lớn
(energy storages) đóng vai trò vô cùng quan trọng, giúp điều hòa và ổn định lưới
điện, khắc phục bản chất thay đổi của các nguồn năng lượng thiên nhiên (cường độ
ánh sáng mặt trời do thời tiết, ngày-đêm, cường độ và hướng gió).
Ô tô điện được dự báo là phương tiện di chuyển trong tương lai để giải quyết
vấn đề cạn kiệt nguồn xăng dầu và ô nhiễm môi trường do ô tô chạy xăng gây ra.
Không chỉ đơn thuần là phương tiện di chuyển, ô tô còn là một trong những đối
tượng mà những công nghệ mới nhất phục vụ con người được tích hợp để tăng tính
tiện nghi và an toàn. Ô tô điện cũng là một trong những ứng dụng mà các thành tựu
của truyền động điện và điện tử công suất được góp mặt: từ các công nghệ điều
khiển động cơ, điều khiển chuyển động tối ưu, cho đến chất lượng của các bộ biến
đổi công suất, hay khả năng lưu trữ điện của các loại nguồn.
2. Giới thiệu về ô tô điện.

Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, việc tìm kiếm các nguồn
năng lượng thay thế trong tương lai đang diễn ra. Các nhà sản xuất ôtô cho rằng,
trong tương lai, các nguồn năng lượng mà nhân loại sử dụng sẽ rất đa dạng, trong
đó điện và hydro là có triển vọng nhất.
Dựa trên những dự báo đó, ngành công nghiệp ôtô thế giới đang hướng tới và
phát triển những mẫu xe chạy điện, điện xăng, điện và hydro để chuẩn bị cho
tương lại.
Năm 2012 sẽ là năm nhiều mẫu ôtô chạy điện, điện xăng điện được bán rộng
rãi và 2015 sẽ đánh dấu sự thương mại hóa của những chiếc ôtô sử dụng năng
lượng hydro.

2



Ôtô chạy điện hiện nay đã đạt được nhiều tiến bộ trong kỹ thuật sản xuất. Tại
triển lãm ôtô Tokyo vừa diễn ra đầu tháng 12/2011, các nhà sản xuất hàng đầu thế
giới như Mercedes Benz, Toyota, Nissan đều giới thiệu những mẫu xe điện rất ưu
việt.
Các mẫu xe chạy đều có trọng lượng nhẹ, kích thước nhỏ và pin nhiên liệu với
dung lượng lớn, có thể sạc ở nhà và có quãng đường chạy dài hơn. Xe ôtô điện
hiện nay có thể chạy trên quãng đường 100-105 km với tốc độ tối đa từ 70-75km/h.
Về mặt kĩ thuật, hiện nay ô tô chạy điện có 2 nhược điểm quan trọng đó là
năng lượng dự trữ thấp (khoảng 100 lần thấp hơn ô tô dùng động cơ nhiệt truyền
thống) và giá thành ban đầu cao hơn (khoảng 30-40% cao hơn so với ô tô dùng
động cơ nhiệt). Những chướng ngại khác cần được giải quyết để đưa ô tô chạy điện
vào ứng dụng trong thực tế một cách đại trà là khả năng gia tốc, thời gian nạp điện,
vần đề sưởi và điều hòa không khí.
Số ô tô bán được (1000chiếc/năm)

Biểu đồ thể hiện số lượng ô tô điện năm 2010.
II.Cấu trúc tổng quan về chuyển đổi DC-DC trong ô tô điện:
Mô hình.
1.1 khái niêm ổ địa.
Không có ổ điện thuần túy, ứng dụng hybrid đầy đủ với khoảng cách điện của
một vài km nội thành tốc độ và gia tốc lai Plugin với tùy chọn quản lý khoảng cách
1.

3


điển hình như đi làm hàng ngày để làm việc bằng tinh khiết ổ điện. Sáng tạo cao
trong sự phát triển của phân khúc này của công nghệ ổ đĩa và nó là một thách thức
cho tất cả các nhà sản xuất xe để phát triển các khái niệm trên một mặt tối ưu sử
dụng tiềm năng chức năng của công nghệ hybrid và mặt khác có thể được thực
hiện một cách hiệu quả trong một loạt các ứng dụng.
Một mục tiêu cơ bản trong quyết định thiết kế là để xác định một kiến trúc mà cả
hai đáp ứng yêu cầu hiện tại và cũng có thể cung cấp khả năng mở rộng cho các
mẫu thiết kế trong tương lai. Các yêu cầu về sự phối hợp cao với các ổ đĩa thông
thường, cũng như các kinh nghiệm lái xe điển hình của BMW cho các ứng dụng,
cũng đóng một vai trò quyết định trong việc lựa chọn kỹ thuật khái niệm cho các ổ
đĩa lai của ActiveHybrid 5
Dựa trên những nhận xét này, một thiết kế hybrid song song đã được lựa chọn
với khả năng lái xe điện cho khái niệm hệ thống truyền lực của ActiveHybrid 5.
Một máy điện tích hợp có không gian của chuyển đổi và chức năng khởi động mômen xoắn thông thường được thực hiện bởi một nội bộ truyền ly hợp. Một tách hợp
được nằm giữa các máy điện và động cơ đốt trong. Điều này cho phép động cơ đốt
bị ngắt kết nối từ ổ đĩa và do đó làm cho lái xe có thể hoàn toàn sử dụng động cơ
đốt trong. Đối với chiếc xe điện hiệu suất tối ưu, cũng như thoải mái và đặc tính
đáp ứng trong thời gian bắt đầu của động cơ đốt, thiết kế có một đơn vị riêng biệt
đã được tích hợp như là một khối bổ sung động cơ trong các ổ đĩa vành đai Hình 1
minh họa kiến trúc hệ thống truyền lực của ActiveHybrid 5.

4


Hình 1: Hệ thống truyền lực.
1.2

Hệ thống khởi động.
Sự bắt đầu của động cơ đốt điện của lái xe đặc biệt quan trọng đối với đầy đủ hệ
truyền động hybrid điện. Để thực hiện đầy đủ các yêu cầu cho việc này động cơ bắt
đầu đã được tích hợp thêm một hệ thống khởi động. Hệ thống này bao gồm một
pin 12V, có thể được mạ kẽm phân lập từ pin 12V cung cấp điện, và một động cơ
khởi động trong ổ đĩa vành đai trong đó có lợi thế đáng kể trong một khởi động
thông thường liên quan đến NVH chất lượng. Khởi động động cơ là một móng
vuốt cực máy với các thiết bị điện tử điện tích hợp. Sửa đổi vào ổ đĩa vành đai đảm
bảo rằng chuyển năng lượng cơ học có thể xác định được một cách chắc chắn với
trục khuỷu.

1.3

Hệ thống ổ địa điện.

Hình 2: Sơ đồ hệ thống ổ điên.
Điện tử công suất là đơn vị điều khiển trung tâm trong hệ thống ổ điện. Ngoài
việc cung cấp năng lượng của điện A / C máy nén, các thiết bị điện tử điện chứa
các công cụ chuyển đổi DC / DC và các biến tần độ rộng xung điều chế các chất
lỏng làm mát đảm bảo rằng các thiết bị điện tử điện có thể duy trì chức năng của
nó trong tất cả các hoạt động và trong một phạm vi rộng các điều kiện nhiệt.
Bộ chuyển đổi DC / DC giả định các chức năng của phát điện thông thường
trong xe và cung cấp cho hệ thống xe điện 12V với năng lượng cần thiết. Sử dụng
các thiết bị điện tử điện điện áp DC HV được chuyển đổi thành điện áp xe 12V,
cung cấp theo yêu cầu công suất đầu ra tối đa của DC / DC là 2,4 kW và 2,8 kW.
5


Xung kiểm soát biến tần (PWR) điều khiển máy sử dụng một IGBT B6 mạch
cầu nó chuyển đổi điện áp DC HV vào một giai đoạn 3 dòng điện xoay chiều, điều
khiển máy Bidirectionality đảm bảo rằng cả hai mô tơ và hoạt động phát điện.
Máy điện tử là một máy tính đồng bộ kích thích rotor sử dụng 16 cực cặp với
các nam châm vĩnh cửu. Stato bao gồm 24 cuộn dây làm mát bằng chất lỏng E. Sử
dụng kiểm soát lĩnh vực định hướng các máy điện cung cấp nguồn điện tối đa 40
kW và mô-men xoắn tối đa 210 Nm.
1.4 Pin Lithium-ion điện áp cao.
Pin Lithium-ion điện áp cao được đặc trưng bởi một thiết kế nhỏ gọn và mô-đun,
mật độ năng lượng cao và mức caotiêu chuẩn an toàn.
Pin HV bao gồm 96 tế bào lithium phosphat sắt kết nối trong mỗi loạt 12 tế bào
được sắp xếp trong một mô-đun nhỏ gọn và hàn bằng tia laser. Ngoài ra, các tế bào
có thể được cân bằng cùng một trạng thái phí bằng cách sử dụng CSCS. CSCS 8
được kết nối trong pin HV trung vào một kiểm soát đơn vị, thông qua một dụng cụ
nội bộ. Nó chứa các chức năng quản lý pin và kích hoạt chuyển tiếp trong pin HV,
cũng như một van làm lạnh.
2. Các bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi DC-DC là bộ biến đổi công suất bán dẫn, có hai cách để thực hiện
các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ điện chuyển mạch và dùng
các điện cảm chuyển mạch. Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở
các mạch công suất lớn.
biến đổi DC-DC hạ áp (buck ) .
- biến đổi DC-DC tăng áp (boots ).
- biến đổi DC-DC đảo dấu điện áp (buck-boost/inverting ).
3.

Hệ thống bộ biến đổi DC-DC.

Các chế độ hoạt động của ô tô cần có các bộ biến đổi DC-DC tăng / hạ áp hai
chiều (Bidirectional Buck-Boost DC-DC converter) với các chức năng khác nhau.
Hình 3 mô tả tổng thể hệ thống nguồn bao gồm ắc quy, siêu tụ và bộ biến đổi DCDC hai chiều.

6


Hình 3. Hệ thống nguồn năng lượng với các chế độ hoạt động.
Hai bộ biến đổi DC-DC hai chiều đóng vai trò khác nhau trong hệ thống. Bộ
biến đổi giữa siêu tụ và DC-link có vai trò làm giảm cấp điện áp của siêu tụ và huy
động công suất lớn từ siêu tụ trong quá trình tăng tốc. Mức điện áp định mức ở
DC-link cần có để cấp nguồn cho động cơ hoạt động là 300VDC. Trong quá trình
hãm tái sinh năng lượng, điện áp DC-link có thể dâng lên lới 600VDC. Nếu đấu
nối trực tiếp siêu tụ vào DC-link thì cần lựa chọn siêu tụ có khả năng chịu được
mức điện áp 600VDC. Trên thực tế, siêu tụ điện được chế tạo với mức điện áp nhỏ,
chỉ khoảng vài VDC, module siêu tụ có mức điện áp lớn nhất trên thị trường hiện
nay là 125VDC [1]. Nếu đấu nối tiếp nhiều module để có điện áp 600VDC sẽ
khiến giá thành bị nâng lên rất cao, đồng thời gây khó khăn cho việc điều khiển
cân bằng điện áp giữa các module, dẫn tới khả năng nổ toàn bộ siêu tụ. Do vậy, bộ
biến đổi DC-DC này có vai trò hạ mức điện áp từ 600VDC xuống 250VDC (hai
module mắc nối tiếp) trong quá trình hãm tái sinh. Đồng thời, nó có vai trò huy
động một lượng công suất lớn trong thời gian ngắn từ siêu tụ để phục vụ quá trình
tăng tốc cho xe. Điều này tránh được việc phải huy động công suất lớn từ ắc quy,
do vậy sẽ đảm bảo được tuổi thọ ắc quy.
Bộ biến đổi giữa ắc quy và DC-link có vai trò điều phối dòng năng lượng nạp
về ắc quy trong quá trình hãm tái sinh và nâng điện áp từ ắc quy lên DC-link. Ắc
7


quy có mật độ năng lượng cao nhưng có mật độ công suất thấp. Điều đó có nghĩa
ắc quy có khả năng tích trữ lớn, đảm bảo cung cấp năng lượng cho ô tô chạy đủ
quãng đường yêu cầu nhưng khả năng phóng và đặc biệt là nạp năng lượng bị hạn
chế. Khi hãm tái sinh, toàn bộ năng lượng lớn trả về sẽ được nạp nhanh chóng vào
siêu tụ, chỉ một lượng nhỏ được nạp vào ắc quy sao cho phù hợp với đặc tính nạp
chậm để đảm bảo tuổi thọ cho ắc quy. Bộ biến đổi DC-DC này cũng cho phép hạ
cấp điện áp trên bộ ắc quy, tránh việc đấu nối tiếp nhiều ắc quy gây khó khăn cho
việc cân bằng tải.

Hình 4. Hệ thống nguồn năng lượng cho ô tô điện.
Với cái nhìn ở cấp độ hệ thống, các nguồn năng lượng và bộ biến đổi phải được
quản lý và điểu khiển một cách đồng bộ, thống nhất như thể hiện trên Hình 4.
Mạch đo và giám sát trạng thái ắc quy có nhiệm vụ đo lường, thu thập, tổng hợp
các giá trị nhiệt độ, dòng điện, điện áp phóng, nạp ắc quy trong các chế độ và đưa
thông tin về bộ điều khiển trung tâm để giám sát, hiển thị và điều tiết. Bộ điều
khiển dòng năng lượng nhận tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm, từ thông tin về
dòng điện, điện áp một chiều đo được, tính toán và phát ra xung PWM điều khiển
hai bộ biến đổi DC-DC tăng / hạ áp hai chiều. Bộ điều khiển dòng năng lượng có
trách nhiệm phân phối, quản lý và điều khiển tối ưu hóa dòng năng lượng trao đổi
giữa nguồn và tải trong các chế độ hoạt động.

8


Hình 5. Cấu hình cơ bản của bộ biến đổi DC-DC tăng / hạ áp hai chiều.
Cấu hình cơ bản và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC-DC hai chiều
tương đối đơn giản, được minh họa trên các Hình 5, 6 và 7. Chế độ boost (tăng áp)
được thực hiện như sau: trước tiên van IGBT T2 mở, cuộn kháng được nạp điện.
Sau đó, T2 khóa lại, cuộn kháng phóng điện mở thông diode D1, nạp điện vào tụ.
Chu kỳ tiếp theo lại được thực hiện như vậy, tụ không thể phóng điện ngược trở lại
do T1 không mở và D1 phân cực ngược. Do đó điện áp của tụ sẽ dâng cao dần lên.
Đây là chế độ hoạt động tăng áp. Chế độ buck (hạ áp) được thực hiện như sau:
trước tiên T1 mở, tụ phóng điện qua cuộn cảm nạp vào ắc quy. Sau đó van T1 khóa
lại, năng lượng còn thừa trong cuộn cảm được giải phóng qua D2. Tùy thuộc vào
tỷ số đóng cắt (duty cycle) mà điện áp phía ắc quy sẽ thấp hơn điện áp trên tụ với
một tỷ lệ tương ứng.

Hình 6. Minh họa chế độ hoạt động tăng áp.

9


Hình 7. Minh họa chế độ hoạt động hạ áp
4. Bộ chuyển đổi DC-DC 25kw/dm3 sử dụng điốt SiC:
4.1 Giới thiệu về bộ biến đổi DC-DC dùng điốt SiC.
Sự phát triển của các loại xe cực thấp là một cách thức lớn cho ngành công nghệ
ô tô và trở thành nhiều hơn và nhiều hơn nữa một trình điều khiển công nghệ cho
các thiết bị điện tử điện. Thành phần quan trọng, cho dù nói về chiếc xe điện hoặc
hybrid, pin nhiên liệu, mạnh mẽ và có hiệu quả chuyển đổi DC / DC cao. Rõ ràng
cho thấy khả năng tiết kiệm điện lên đến 24% cho các loại xe nội thành phục hồi
năng lượng bị hãm.

Hình 8:Hệ thống truyền động hybrid với công suất cao DC / DC chuyển đổi.
Xe điện thuần túy có các hạn chế do mật độ năng lượng thấp của pin so với
các nhiên liệu thông thường. Một cách tiếp cận hấp dẫn hơn là sử dụng nhiên liệu
trong động cơ đốt trong hoặc một tế bào nhiên liệu để cung cấp nhu cầu điện liên
tục, và hệ thống lưu trữ năng lượng điện cho phục hồi sức khoẻ.

10


Pin là không phải luôn luôn lưu trữ của sự lựa chọn cho các ứng dụng lực kéo,
bởi vì họ không có thể được sạc nhanh chóng và tồn tại chỉ có một số giới hạn của
chu kỳ sạc / xả. Trong khi đó, siêu tụ điện có thể chịu phí rất cao và xả dòng chảy
cung cấp một số lượng gần như không giớ hạn của chu kỳ.

Hình 9: Một chuyển đổi DC / DC nhận một lưu trữ năng lượng điện "lý tưởng" với
điện áp đầu cuối không đổi.
Vấn đề chính với các tụ điện là điện áp đầu cuối thay đổi như là một chức
năng của năng lượng lưu trữ.Một khớp nối trực tiếp với ổ đĩa đòi hỏi một biến tần
với một đánh giá rất cao hiện nay.Tất cả các đánh giá hệ thống của chúng tôi đã chỉ
ra rằng chèn một công cụ chuyển đổi DC / DC giữa các tụ điện và biến tần ổ đĩa
dẫn đến giảm chi phí hệ thống tổng thể.
4.2 Chuyển đổi topo hình học.
Chúng ta đã thiết lập các mục tiêu để thực hiện một công cụ chuyển đổi siêu
nhỏ gọn, nên có sự phát sinh:
Tích hợp trực tiếp vào một đơn vị lưu trữ điện. Để bao gồm một loạt các ứng
dụng, chúng tôi đã chỉ định một phạm vi linh hoạt điện áp từ 100V của V1 cho
phía điện áp thấp (VLV), và từ V1+10 V đến 450V trên phía điện áp cao (VHV).
V1 được phép cho toàn bộ phạm vi điện áp trong thời gian hoạt động. Chuyển đổi
với công suất đầu ra danh nghĩa của 100kW phải có khả năng để xử lý các dòng
điện lên tới 300A theo cả hai hướng, và phù hợp với một khối lượng 4 lít, tương
đương với kích thước của một cuốn sách .
Một cách đơn giản chuyển mạch tăng/ hạ áp được lựa chọn đã được lựa chọn, vì
số lượng thấp của các thành phần thụ động. Điều này đặc biệt quan trọng bởi vì các
thành phần thụ động xác định khối lượng chuyển đổi. Đối với tỷ lệ điện áp cho
VHV / VLV thấp hơn 4.5:1 thì sơ đồ tăng/ hạ áp là thích hợp. Hạn chế chính phải
được xem xét trong một ứng dụng là VLV điện áp luôn luôn được thấp hơn so với
VHV điện áp.

11


Hình 10: Sơ đồ tăng/hạ áp
4.3 Khái niệm nhiều pha.
Sử dụng giai đoạn N cho một công cụ chuyển đổi DC / DC cung cấp nhiều lợi thế
hơn một khái niệm giai đoạn duy nhất:
Tần số cơ bản của các gợn sóng điện áp và hiện tại cao và điện áp thấp DC-link
được N lần tần số chuyển đổi. các gợn tải trọng hiện tại cho cả hai tụ điện DC-link
được giảm 1 / N. Chi phí cho các bộ lọc EMI được rất nhiều lại duced theo cách
này.
Ngoài ra, tổng khối lượng của cuộn cảm chính là giảm 1 / N, vì khối lượng này
là tỷ lệ thuận với tổng năng lượng từ trường lưu trữ trong các lõi từ.
Mặt khác, một số lượng lớn của các giai đoạn cũng gây ra một số nhược điểm.
Cổng mạch điều khiển và cảm biến hiện tại cho cân bằng giai đoạn hiện nay là cần
thiết. Để đánh giá số lượng tối ưu của giai đoạn có liên quan đến mật độ năng
lượng, chúng tôi tính toán tổng khối lượng cho điện dẫn chính (s), kiểm soát và
logic điều khiển, mô-đun điện và thanh dẫn xe buýt như là một chức năng của số
lượng giai đoạn N. Như thể hiện trong hình 9, tối thiểu là khá hình xảy ra giữa 7 và
16 giai đoạn. Với hơn khoảng 12 giai đoạn khối lượng cho các trình điều khiển cửa
khẩu và các mối liên kết trở nên chiếm ưu thế để tổng khối lượng chuyển đổi tăng
lên một lần nữa. Lấy tất cả các kết quả này, chúng tôi đã chọn N = 12. Con số này
thậm chí còn thuận lợi hơn bởi vì nó có thể được chia cho 2, 3, 4 và 6, và cung cấp
cho chúng ta một sự linh hoạt tuyệt vời trong việc hình thành các phân nhóm của
các giai đoạn. Một tối ưu hóa đối với EMI và hiệu quả tải một phần có thể theo
cách này.

12


Hình 11: Sơ đồ quan hệ khối lượng và pha.
Với N = 12, giai đoạn mỗi chân phải có khả năng để xử lý một hiện tại RMS 25A
để đáp ứng các chi tiết kỹ thuật sản lượng điện. Logic điều khiển phức tạp được
thực hiện kỹ thuật số bằng cách sử dụng một cổng mảng lập trình Cyclone II từ
Altera. FPGA này bao gồm các thế hệ mẫu xung, 12 bộ lọc cảm biến tín hiệu hiện
tại, và 12 vòng điều khiển tốc độ cao kỹ thuật số hiện nay. Giao diện CAN-Bus và
kiểm soát vòng lặp điện áp được thực hiện trong một XC164 Infineon vi điều
khiển.
4.4 chuyển đổi tần số.
Việc lựa chọn chuyển đổi tần số ở cửa off giữa chuyển đổi hiệu quả và khối
lượng. Thiết bị MOSFET không phù hợp cho cơ thể điốt nội tại. Do đó, chúng tôi
tập trung vào IGBTs kết hợp với điốt Si và điốt SiC. Hình10 cho thấy điều khiển
bật của tốc độ cao 600V IGBT-2 từ một điốt Si 600V và một điốt SiC. Với một điốt
SiC, khi bật thiệt hại được giảm tới 1/3 các thiệt hại gây ra bởi cực nhanh 600V
điốt Si p / n. Các covery lại đảo ngược hiện tại của các điốt Si gây ra một đỉnh cao
vào hiện tại IGBT dẫn đến khi bật có thiệt hại cao. Điốt SiC Schottky có khả năng
phục hồi và do đó giúp làm giảm đỉnh cao hiện tại giảm.

13


Hình 12: Sơ đồ so sánh điốt Si và điốt SiC của IGBT điện áp 600V.
Trong hình 13 kiểu tắt được hiển thị. Các điốt SiC cho thấy lợi thế nhỏ cũng trong
trường hợp này, có lẽ là kết quả từ việc thiếu một điện áp phục hồi về phía trước.
Điều này không có liên quan đối với những tổn thất khi tắt,tuy nhiên vì phần chi
phối của các thiệt hại gây ra bởi phần đuôi hiện tại của IGBT.

Hình 13: Sơ đồ so sánh điốt Si và SiC của IGBT khi trạng thái tắt.
14


Chúng ta đánh giá IGBTs từ các nhà sản xuất bán dẫn khác nhau. Những tổn thất
chuyển mạch và dẫn đã được tính toán bằng cách sử dụng MathCAD. Các kết quả
chính được thể hiện trong hình 12 và 13. Các dòng điện trong những con số này
tương ứng với dòng điện dẫn RMS. Do hành vi thoáng qua trên của điốt, hai thiết
bị với điốt SiC cho thấy chuyển lỗ thấp nhất. Các thiết bị này cũng là lựa chọn tốt
nhất đối với tổng số thiệt hại. Xem xét các đặc điểm trong hình13, lợi thế so với
một giải pháp silicon tất cả không phải là rất lớn nhưng có ý nghĩa.

Hình 14: Chuyển đổi thiệt hại của IGBTs khác nhau với tổn thất diode cảm ứng ở
chế độ hạ.
VLV=200V, VHV=400V, RGate=2Ω, TJunction=125°C

Để đạt được thỏa hiệp tốt nhất giữa mật độ công suất và hiệu quả do đó chúng ta
quyết định sử dụng tốc độ cao IGBT 600V-2 và 600V điốt SiC, cả hai từ vô tận.
Chuyển đổi thấp thiệt hại của các IGBTs đưa đến một tần số chuyển đổi của
100kHz. Mặc dù điện áp bão hòa rất cao của IGBTs (2.7V), tỷ lệ giữa chuyển
mạch và tổn thất sản xuất vẫn còn ở trên 03:01.

15


Hình 15:Tổng công suất tản ở 100kHz trong chế độ hạ.
Tổng công suất tản trong chuyển đổi IGBT một chân pha khoảng 100W ở điện
áp 400V DC-link và 25A điện dẫn hiện tại (RMS).
4.5 Hiệu quả tính toán.
Với tất cả các khâu hoạt động, hiệu quả tổng thể tính chuyển đổi cao hơn 95%
sản lượng dòng trên 40A. Một lợi thế lớn của điều khiển kỹ thuật số là khả năng
thông qua số lượng các giai đoạn hoạt động tùy thuộc vào nhu cầu thực tế hiện nay.
Trong ví dụ được đưa ra trong hình 16, số lượng các giai đoạn hoạt động
chuyển từ 1 đến 3 tại 24A, từ 3 tới 6 tại 68A, và từ 6 đến 12 tại 144A. G ia tăng
hiệu quả là khoảng 3% ở mức 10% sản lượng hiện tại tối đa (30A). Ở dòng nhỏ
hơn, cải thiện hiệu quả cao hơn, ví dụ như khoảng 12% tại 10A sản lượng hiện tại.

Hình 16 : Sơ đồ tính chuyển đổi hiệu quả trong chế độ hạ áp
V =280V, V =400V.
LV
HV
Áp dụng một tải trọng tùy thuộc giai đoạn kiểm soát làm cho nó có thể để đạt
được hiệu quả trên 97% so với một loạt các tải trọng hiện tại (10% đến 100%).
Điều này đặc biệt quan trọng kể từ khi chuyển đổi hoạt động chủ yếu trong điều
kiện tải một phần trong các ứng dụng ô tô dự định.
4.6 Thiết bị điện thụ động.
Nhằm vào một mật độ năng lượng của 25kW/dm ³, nó không còn có thể sử
dụng các thành phần thụ động tiêu chuẩn. Đối với các cuộn cảm chính, chúng ta
16


đánh giá một số khác nhau các loại cuộn cảm, dựa trên lõi phe-rit, vật liệu vô định
hình và MPP. Mục tiêu là để giảm thiểu khối lượng phần cảm theo những hạn chế
giống như một độ cao bão hòa và tổng thiệt hại thấp. Bốn của cuộn cảm được thể
hiện trong hình 17, các dữ liệu kỹ thuật của các cuộn cảm được tóm tắt trong Bảng
1. Chúng ta sử dụng một cuộn cảm kháng với một lõi vật liệu vô định hình bởi vì
kích thước, chi phí và lý do có sẵn.

Hình 17: Các cuộn cảm.
Với thiết kế điện dẫn các khoản lỗ đồng cấp một hệ thống làm mát hiệu quả của
các cuộn dây ra ngoài, cuộn cảm được đúc trong một vỏ kim loại. DC-link tụ điện
C2 được chia trong bốn ngân hàng tụ điện riêng biệt với 30uF. Ba giai đoạn được
kết nối với mỗi dãy tụ điện, kết quả trong một tần số cơ bản của điện áp tần số
300kHz. Mỗi tụ điện cùng với các DC-link phổ biến tụ điện C1 (300uF) thông qua
các cuộn cảm lọc (0.1uH).

17


Bảng 1: Tổng quan về bốn cuộn cảm.

Thiết kế DC-link này giữ kích thước vật lý của các thành phần thụ động nhỏ,
ngăn ngừa dao động nội bộ, và cung cấp một đặc tính hiệu quả của bộ lọc EMI .
Tất cả các tụ trong cả DC liên kết được xếp chồng lên nhau . So với các tụ điện
có một khả năng gợn rất cao hiện tại và không có độ bền vấn đề khi hoạt động cao
nhiệt độ.
Với hình dạng gạch của các tụ điện lá, khối lượng có sẵn có thể được sử dụng rất
hiệu quả.Cả hai DC- links bao gồm một điện dung của 420μF/450V, mà có thể
được thực hiện trong một khối lượng khoảng 350cm ³. Điện dung này là cần thiết
để ổn định vòng lặp kiểm soát và chịu được một bãi chứa tải theo điều kiện điện áp
đầy đủ, hiện tại và cao.
4.7 Các điện tử tích hợp.
Các công cụ chuyển đổi toàn bộ được tích hợp khung nhôm theo IP64các thiết
18


kế cơ khí đã được thực hiện bằng cách sử dụng 3D xây dựng công cụ Pro-en-zim.
Vi mạch làm mát đã được lựa chọn bởi vì khối lượng rất nhỏ và kháng nhiệt thấp.

Hình 18: Ba DCB chất nền, một nửa trình điều khiển cầu nối gắn trên một máy
làm lạnh vi mô.
Các kích thước của tản nhiệt vi 75mm x45mm, với độ dày chỉ 7mm. Ba chất
nền, bao gồm một IGBT nửa cầu, được gắn trên một mát duy nhất. Bốn trong số
những làm mát được sử dụng trong chuyển đổi các cản nhiệt khoảng 0.3Kcm ² / W.
Xây dựng, đầu nguồn làm mát được bố trí với các tụ điện xung (C2) mà được nạp
với dòng rất cao.

19


Hình 19: Các thiết bị với tản nhiệt cùng với các chất lỏng làm mát.
Ổ cắm nguồn được thiết kế để làm mát mười hai cuộn cảm chính gắn trực tiếp
vào các nguồn với vỏ nhôm của nọ, như thể hiện trong hình 16.

20


Hình 20: Các công cụ chuyển đổi hoàn toàn.
Chính xác cảm biến tại đầu vào chuyển đổi tổng sản lượng được tích hợp trong
các thiết bị đầu cuối điện. Bộ chuyển đổi có ba thiết bị đầu cuối cho các loại cáp
được bảo vệ với một mặt cắt ngang đồng 70mm ². Hai thiết bị đầu cuối là cho VLV
và các kết nối cực dươngVHV và là một trong những kết nối tiêu cực phổ biến.
4.8 So sánh các mẫu thực nghiệm.
Các công cụ chuyển đổi mới được phát triển là nhỏ hơn 3,5 lần so với trước đó
và cung cấp khoảng 40% hơn sản lượng điện.

Bảng 2: Số liệu kỹ thuât.

21


III. Xu thế phát triển.

22


Khuynh hướng sử dụng ô tô than thiện với môi trường đang là mục tiêu hướng
tới của nhân loại. Xe hơi dùng động cơ điện không nằm ngoài mục tiêu đó.
Vào nhưng năm đầu của thế kỷ 21 sự phát triển của ô tô điện đi theo sự cải
thiện, hoàn thiện những phát minh của công nghệ. Ô tô điện được sử dụng trong các
thanh phố sạch ít gây ra tiếng ồn. Do đó ô tô điện là xu thế của sự phát triển của
khoa học ngày nay.

Tài liệu tham khảo
[1]. Tim Burress, “The Progression of Commercially Available EV/HEV
Technologies and Ongoing Research”, Presentation in International Energy
Conversion Engineering Conference, Nashville, Tennessee, July 26, 2010.
[2]. CIPS_Neapel_Eckardt(1).
[3]. b5.2_griebel_bmw.
[4].System Solutions for Hybrid and Electric Vehicles_updated
[5]. Chương 9: Xu hướng phát triển động cơ ô tô nhằm làm giảm ô nhiễm môi
trường
Mục Lục:
I.Giới thiệu:
1. Lịch sử .
2. Giới thiệu về ô tô điện.
II.Cấu trúc tổng quan về chuyển đổi DC-DC trong ô tô điện:

23

1
1
2
3


1.Mô hình.

4

khái niêm ổ địa.
Hệ thống khởi động.
Hệ thống ổ địa điện.
Pin Lithium-ion điện áp cao
2.Các bộ biến đổi DC-DC.
3.Hệ thống bộ biến đổi DC-DC.
4. Bộ chuyển đổi DC-DC 25kw/dm3 sử dụng điốt SiC:
4.1 Giới thiệu về bộ biến đổi DC-DC dùng điốt.
4.2 Chuyển đổi topo hình học.
4.3 Khái niệm nhiều pha.
1.1
1.2
1.3
1.4

4.4 chuyển đổi tần số.

4
5
5
6
6
6
10
10
11
12
13

4.5 Hiệu quả tính toán.
4.6 Thiết bị điện thụ động.
4.7 Các điện tử tích hợp.
4.8 So sánh các mẫu thực nghiệm.
III. Xu thế phát triển.
Tài liệu tham khảo.

16
16
18
20
22
22

24



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×