Ứng dụng công nghệ sạc không dây động cho xe điện

Xe điện là phương tiện sử dụng năng lượng xanh hiệu quả và ngày càng phổ biến trên thế giới. Ngoài 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 còn nhiều hạn chế như chi phí lớn, kích thước lớn, trọng lượng lớn và mật độ lưu trữ năng lượng thấp. Với công nghệ ắc quy hiện tại thì xe điện không thể đạt được hiệu suất cao như xe xăng.

 

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 công 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 12.000Wh/kg thì mật độ năng lượng của ắc quy lithium-ion được thương mại cho xe điện chỉ đạt 90 ÷ 100 Wh/kg. 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 rò điện trong môi 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.

PGS.TSKH Ngô Đăng Lưu (Đại học Quốc gia TP.HCM) chia sẻ, 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 không khí với khoảng cách từ vài mm đến vài trăm mm, hiệu suất có thể đạt được trên 90%. 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 một số tập đoàn sản xuất xe điện lớn trên thế giới như WiTricity, Qualcomm thương mại hóa. 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. Vì vậy, sạc không dây động là công nghệ nhiều hứa hẹn có thể mở rộng phạm vi di chuyển của xe điện. có thể vừa di chuyển trên đường vừa sạc. Khoảng cách di chuyển của xe điện sẽ tăng lên trong khi có thể sử dụng ắc quy với dung lượng nhỏ nhất.

 

PGS.TSKH Ngô Đăng Lưu chia sẻ, trong hệ thống sạc không 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%.

 

Đường truyền năng lượng trong hệ thống sạc không 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 lòng 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, ô tô 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 truyền có thể lên tới 80kW, khoảng cách truyền lên tới 500mm.

 

 

Hệ thống truyền điện không dây sạc cho xe điện ngay trong quá 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. Về 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 toàn trong quá trình phổ biến loại xe này trong tương lai.

 

Xe điện có đặc điểm vừa đi vừa sạc nên sẽ làm đập mạch công suất tải, do đó cần thiết kế để giảm đập mạch công suất đầu ra thông qua thiết kế cuộn dây trên phần mềm mô phỏng Ansys Maxwell. Ngoài ra, trong hệ thống WPT, các cuộn dây truyền và nhận tách rời nhau, điện năng được truyền qua không khí làm cho hệ số kết nối điện từ nhỏ, điện cảm rò lớn, công suất phản kháng cao và hiệu suất thấp, nên sẽ cần thiết kế mạch bù LCC cho cả hai phía sơ cấp và thứ cấp.

 

Ở phía sơ cấp, mạch bù LCC được thiết kế có tính đến sự kết nối điện từ giữa các cuộn dây truyền với nhau nhằm giảm công suất phản kháng, đạt điều kiện chuyển mạch mềm ZVS cho van, tăng hiệu suất. Ở phía thứ cấp, mạch bù LCC được thiết kế nhằm tối đa hiệu suất truyền. Các thiết kế đề xuất được kiểm chứng trên mô hình mô phỏng Ansys Maxwell, Ansys Electronics, Ltspice và trên mô hình thực nghiệm. Mạch bù LCC hai phía được thiết kế theo giá trị tải tối ưu để tối đa hiệu suất truyền tại điểm thiết kế và có xem xét đến sự kết nối điện từ của các cuộn dây truyền với nhau.

 

Mặt khác, cũng cần khảo sát thêm đặc tính của hệ số kết nối khi bộ nhận ở vị trí lệch bên, thông số mạch bù nhỏ hơn (là cơ sở thiết kế các hệ thống công suất lớn) và hiệu suất truyền lớn. Những đặc điểm của hệ thống đã được phân tích sẽ là cơ sở để thực hiện điều khiển nâng cao hiệu suất trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện.

Hiệu suất là một trong những tiêu chí quan trọng nhất trong hệ thống WPT. Cấu trúc thông thường của một hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, bao gồm bộ chỉnh lưu phía truyền, bộ nghịch lưu tần số cao, cuộn dây và mạch bù, các bộ biến đổi công suất phía nhận. Hiệu suất của toàn hệ thống bằng tích hiệu suất của từng phần trên. Vì vậy, để nâng cao hiệu suất của toàn hệ thống thì cần phải nâng cao hiệu suất của từng phần trong hệ thống. Trong điều kiện thực tế, thông số của các phần tử thụ động trong hệ thống có thể thay đổi làm thay đổi điều kiện chuyển mạch của van, làm giảm hiệu suất của bộ nghịch lưu. Ngoài ra, khi xe điện di chuyển trên làn đường sạc có thể di chuyển lệch bên làm cho hiệu suất truyền giảm. Do đó, hai giải pháp nâng cao hiệu suất của hệ thống được đề xuất bao gồm: (1) Điều khiển bám cộng hưởng để nâng cao hiệu suất của bộ nghịch lưu tần số cao; (2) điều khiển bám tải tối ưu nhằm nâng cao hiệu suất truyền khi xe điện di chuyển lệch hướng.

 

Phương pháp điều khiển bám cộng hưởng được thực hiện trong trường hợp thông số của cuộn dây và mạch bù thực tế thay đổi so với thông số thiết kế làm cho tần số làm việc xa tần số cộng hưởng, hiệu suất giảm. Ngoài ra, phương pháp này còn có tác dụng thu hẹp vùng chuyển mạch mềm ZVS của bộ nghịch lưu. Kết quả, hiệu suất của bộ nghịch lưu đạt được trên 95%, hiệu suất của của hệ thống mô phỏng đạt trên 90% khi thông số của cuộn dây và mạch bù thay đổi trong phạm vi dưới ±7,5%.

 

Khi xe di chuyển làm thay đổi giá trị của hệ số kết nối kr, thay đổi giá trị tải tối ưu và giảm hiệu suất truyền. Phương pháp điều khiển bám tải tối ưu được thực hiện để nâng cao hiệu suất truyền. Kết quả, hiệu suất truyền đạt được giá trị tối đa khi có điều khiển bám tải tối ưu. Hiệu suất truyền tăng 6% khi điều khiển bám tải tối ưu so với trường hợp khi điều khiển trở kháng tối ưu cố định.

 

Trong hệ thống WPT, chức năng chính của các bộ biến đổi công suất phía sơ cấp là tạo ra dòng điện tần số cao đưa đến các cuộn dây sơ cấp. Các bộ biến đổi phía sơ cấp có thể có bao gồm bộ chỉnh lưu PFC, bộ DC/DC điều chỉnh điện áp một chiều đầu vào của bộ nghịch lưu, bộ nghịch lưu tần số cao. Phía thứ cấp, thông thường sử dụng một bộ chỉnh lưu tần số cao để biến đổi dòng xoay chiều tần số cao thành dòng một chiều. Sau đó, các bộ biến đổi DC/DC được sử dụng để điều phối hợp trở kháng, điều khiển và quản lý năng lượng ắc quy. Bộ biến đổi phía sơ cấp có thể là bộ biến đổi nguồn áp hoặc nguồn dòng. Các bộ biến đổi nguồn dòng cần thêm một điện cảm lớn, làm cho hệ thống cồng kềnh. Do vậy, sự lựa chọn phổ biến nhất ở phía sơ cấp là các bộ biến đổi nguồn áp. Phụ thuộc vào nơi thực hiện điều khiển, phương pháp điều khiển trong hệ thống sạc động được phân loại thành điều khiển phía sơ cấp, điều khiển phía thứ cấp, điều khiển phối hợp hai phía.

 

Trong hệ thống WPT ứng dụng trong sạc động không dây cho xe điện, xe điện di chuyển liên tục trên đường nên rất khó để điều khiển kết hợp hai phía. Do đó, phương pháp điều khiển độc lập ở mỗi phía được ưa thích. Hơn nữa, trong hệ thống sạc động không dây nhiều xe điện cùng di chuyển trên làn đường sạc và nhận điện năng từ đường truyền. Do đó, hệ thống yêu cầu có công suất lớn, mức công suất yêu cầu cho hệ thống xe bus điện có thể lên đến hàng trăm kW. Các bộ biến đổi công suất nhiều pha là giải pháp để đáp ứng yêu cầu công suất truyền lớn.

 

Một phương pháp mới, đó là điều khiển công suất đầu ra trong hệ thống sạc động không dây cho xe điện. Cấu trúc điều khiển hai mạch vòng được thực hiện chỉ từ phía sơ cấp. Một phương pháp ước lượng thông số đơn giản chỉ từ phía thứ cấp được đề xuất thực hiện. Công suất đầu ra được điều khiển đáp ứng theo mức yêu cầu với sai lệch nhỏ hơn 5%.

 

AI đóng vai trò hỗ trợ người dùng giám sát trạng thái pin khi đang sử dụng, theo dõi thời gian ước tính để đạt đến trạng thái pin đầy hoặc cạn. Đồng thời, các thông số này được gửi đến hệ thống điều khiển xe để thực hiện các điều chỉnh cần thiết, việc tối ưu hóa tốc độ di chuyển trung bình khoảng 45 km/h hoặc tùy thiết lập.

Các doanh nghiệp, tổ chức, đơn vị hoặc cá nhân có nhu cầu có thể liên hệ trực tiếp Công ty TNHH MTV Năng lượng mặt trời Anh Minh Global, hoặc liên hệ Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học và Công nghệ (CESTI, thuộc Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM) để được tư vấn hỗ trợ triển khai.

 

Thông tin liên hệ

Công ty TNHH MTV Năng lượng mặt trời Anh Minh Global

Điện thoại: 0916517318

Email: dangluungo2019@gmail.com

Website: https://anhminhglobal.com

 

Phòng Giao dịch Công nghệ

Địa chỉ: 79 Trương Định, phường Bến Thành, Quận 1, TP.HCM

Điện thoại: (028) 3822 1635 - Fax: (028) 3829 1957

Email: giaodichcongnghe@cesti.gov.vn