Luận án Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy - Siêu tụ điện trong ô tô điện

LỜI CAM ĐOAN . i

LỜI CẢM ƠN . ii

MỤC LỤC . iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT . vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT . vii

DANH MỤC BẢNG . viii

DANH MỤC HÌNH VẼ . ix

MỞ ĐẦU . 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN . 3

1.1 Khái quát về đối tượng nghiên cứu . 3

1.1.1 Phân loại ô tô điện và các ưu điểm và nhược điểm của ô tô điện . 3

1.1.2 Khái quát về các thiết bị lưu trữ năng lượng sử dụng trên EVs . 7

1.2 Cấu trúc của EVs . 9

1.2.1 Động cơ sử dụng trên EVs . 9

1.2.2 Cấu trúc hệ thống lưu trữ năng lượng . 12

1.2.3 Các bộ biến đổi công suất. 17

1.2.4 Bộ điều khiển trung tâm . 20

1.3 Các phương pháp quản lý năng lượng trong ô tô điện . 21

1.3.1 Các phương pháp dựa trên luật điều khiển . 21

1.3.2 Các phương pháp tối ưu . 24

1.4 Mục tiêu nghiên cứu và giới hạn nội dung nghiên cứu . 26

1.4.1 Mục tiêu nghiên cứu . 26

1.4.2 Giới hạn nội dung nghiên cứu . 27

1.4.3 Phương pháp nghiên cứu . 29

1.4.4 Kết quả dự kiến . 30

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô

TÔ ĐIỆN . 31

2.1 Mô hình hóa động lực học ô tô điện . 31

2.2 Mô hình hóa động cơ . 35

2.3 Mô hình hóa ắc quy . 37

2.4 Mô hình hóa siêu tụ điện . 39

pdf141 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 16/02/2022 | Lượt xem: 513 | Lượt tải: 4download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu các phương pháp điều khiển năng lượng cho hệ thống nguồn lai ắc quy - Siêu tụ điện trong ô tô điện, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
i t d t i t    (2.26) Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 45 Hình 2.10. Mô tả bộ biến đổi DC-DC Áp dụng phương pháp trung bình hóa mạch đóng cắt để mô hình hóa bộ DC-DC hai chiều: Mô hình trung bình của bộ biến đổi DC-DC hai chiều được thể hiện trong Hình 2.11. Mạch van được thay thế bằng một máy biến áp lý tưởng có hệ số biến đổi d(t):1, trong đó d(t) đại diện cho hệ số điều chế của van MOSFET trong chế độ nạp: 1 2 2 1 ( ). ( ). u d t u i d t i    (2.27) Hình 2.11. Mô hình trung bình của bộ biến đổi DC-DC hai chiều Mô hình trung bình của bộ biến đổi DC-DC hai chiều được viết như sau: L L L DC SC DC L inv di L R I DU U dt du C DI I dt            (2.28) Như vậy mô hình này mang tính phi tuyến và muốn điều khiển bằng các phương pháp tuyến tính thì ta phải sử dụng phương pháp tuyến tính hóa quanh điểm làm việc. Điểm cân bằng của mô hình được xác định khi giải phương trình (2.29) với điều kiện diL/dt = 0 và duDC/dt = 0 vì khi mô hình ổn định thì biến thiên dòng điện và điện áp bằng 0. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 46 Khi đó ta có: L L SC DC R i u D u   (2.29) Do điện trở cuộn dây RL là vô cùng nhỏ nên ta có thể bỏ qua sụt áp trên cuộn dây khi đó ta có: SC DC u D u  (2.30) Mô hình này đã chính xác vì nó phản ánh đúng bản chất bộ biến đổi như đã phân tích trên. Với những tính toán động lực học được trình bày ở phần 2.1 và giới hạn của công suất động cơ cũng như khả năng huy động năng lượng của riêng ắc quy (phần 2.2 và 2.3), ta có họ đặc tính động lực học của xe như sau: Hình 2.12. Đặc tính động lực học của xe theo tốc độ 0 200 400 600 800 1.000 1.200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Đặc tính động học của xe theo tốc độ Lực cản gió Lực cản lăn Lực cản tổng N km/h Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 47 Hình 2.13. Đặc tính công suất theo tốc độ Hình 2.14. Đặc tính mô men tối đa theo tốc độ 0 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Đặc tính công suất theo tốc độ Công suất yêu cầu Công suất động cơ 0 200 400 600 800 1.000 1.200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Đặc tính mô men tối đa theo tốc độ Mô men cản tổng Mô men động cơ W km/h km/h Nm Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 48 Hình 2.15. Đặc tính khả năng tăng tốc của xe Hình 2.16. Đặc tính gia tốc tối đa của xe Như vậy, ta có thể rút ra một số tham số quan trọng như sau: - Tốc độ tối đa của xe là: 148 km/h - Thời gian tăng tốc lên tốc độ tối đa: 72 giây Kết quả của mô hình này có thể được sử dụng cho các nghiên cứu tiếp theo về điều khiển hệ thống năng lượng của ô tô điện. 28s; 130km/h Tốc độ xe 72s; 148km/h 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 10 20 30 40 50 60 70 80 T ố c đ ộ ( km /h ) Thời gian (s) 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 km/h m/s2 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 49 2.6 Mô phỏng hệ thống sử dụng phương pháp biểu diễn EMR Trong phạm vi luận án, tác giả sẽ sử dụng phương pháp biểu diễn EMR để mô phỏng kiểm chứng thuật toán của hệ thống.  Phương pháp biểu diễn EMR Energetic Macroscopic Representation (EMR) là phương pháp biểu diễn vĩ mô năng lượng, được sử dụng phổ biến trong các hệ điện – cơ nhằm mục đích xây dựng, biểu diễn hệ thống, phục vụ cho thiết kế điều khiển và mô phỏng kiểm nghiệm. EMR được xây dựng dựa trên những nguyên lý nền tảng sau đây: - Nguyên lý tương tác: Các phần tử trong hệ thống liên kết hai chiều với nhau dựa trên nguyên lý “tác động” (action) và “phản ứng” (reaction). Tích giữa giá trị đại lượng tác động và phản ứng là năng lượng trao đổi giữa các phần tử. - Nguyên lý nhân quả: Tính chất nhân quả tích phân được sử dụng trong EMR, điều này được thể hiện trong các phần tử tích lũy (Accumulation elements), diễn tả mối quan hệ phụ thuộc theo thời gian giữa các biến (cụ thể, biến đầu ra là tích phân của các biến đầu vào). Các phần tử còn lại của phương pháp đều dùng để biểu diễn các mối quan hệ không phụ thuộc vào thời gian. - Nguyên lý nghịch đảo: Được sử dụng trong thiết kế điều khiển, với mong muốn đầu ra bám theo lượng đặt, cấu trúc điều khiển của hệ thống xem như mô hình nghịch đảo của từng phần tử. Có hai loại mô hình nghịch đảo, phụ thuộc vào phần tử EMR. - Mô hình nghịch đảo trực tiếp: áp dụng với các phần tử không có tích lũy - Mô hình nghịch đảo gián tiếp: áp dụng với các phần tử có tích lũy. Trong trường hợp này, cấu trúc điều khiển cần có thêm các đại lượng đo lường từ hệ thống, các bộ điều khiển trong hệ phản hồi vòng kín thông thường  Các phần tử cơ bản của EMR Các phần tử cơ bản của EMR sẽ gồm: - Phần tử nguồn (Source elements) dùng để biểu diễn các đối tượng có sự trao đổi năng lượng với hệ thống. Với EMR, phần tử nguồn được biểu diễn bằng một hình ô van màu xanh lá cây với một đầu vào và một đầu ra - Phần tử tích lũy (Accumulation elements) dùng để biểu diễn những đối tượng có sự tích lũy năng lượng. EMR biểu diễn phần tử tích lũy bằng hình chữ nhật màu cam có một đường chéo với hai đầu vào và hai đầu ra. Đặc điểm quan trọng của phần tích lũy là tính chất nhân quả: đại lượng đầu ra là hàm tích lũy của các đại lượng đầu vào - Phần tử biến đổi (Conversion elements) dùng để biểu diễn các đối tượng có thể chuyển đổi năng lượng. Với biến đổi năng lượng cùng thứ nguyên (monophysics conversion) EMR biểu diễn bằng một hình vuông màu cam với hai đầu vào, hai đầu ra và một tín hiệu điều khiển. Với biến đổi năng lượng khác thứ nguyên (multiphysics conversion) thì hình vuông sẽ được thay bằng hình tròn so với cùng thứ nguyên - Phần tử liên kết (Coupling elements) dùng để biểu diễn các đối tượng có vai trò phân phối năng lượng trong hệ thống. Về mặt biểu diễn thì phần tử liên kết chính là tổ hợp của nhiều phần tử biến đổi. Hệ thống mô phỏng dùng EMR của luận án sẽ sử dụng các phần tử như trong Hình 2.17 Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 50 Hình 2.17. Các phần tử của ô tô điện biểu diễn bằng EMR  Kết nối các phần tử EMR và hoàn thiện hệ thống biểu diễn Sau khi biểu diễn tất cả các đối tượng bằng các phần tử EMR, ta thực hiện bước hoàn thiện hệ thống bằng cách ghép nối các phần tử, giải quyết các xung đột (nếu có) và điền đầy đủ các đại lượng trên các đường “ action” và “ reaction” Tới đây, ta có thể xác định một số đặc điểm của hệ thống. Chẳng hạn, với trường hợp P>0, chiều của dòng năng lượng đi từ “upstream source” đến “downstream source”, ta có: Đường tác động (action – path): Ubat → Utract → EV Usc → Isc → Ich Đường phản ứng (reaction – path): EV → Utract → Ubat Ich → Isc → Usc Đặc biệt, ta cần xác định rõ “tuning path” và “Control path”. Đây sẽ là cơ sở để thiết kế hệ thống điều khiển sau này.  Thiết kế điều khiển với hệ thống biểu diễn bằng EMR Với hệ thống được biểu diễn bằng EMR, hệ điều khiển được thiết kế dựa trên phương pháp: mỗi một phần tử của hệ thống được coi như một hệ thống con và sẽ có một bộ điều khiển riêng, được thiết kế dựa trên nguyên lý nghịch đảo. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 51 Nguyên lý nghịch đảo trong EMR sử dụng nghịch đảo của mô hình đối tượng để làm bộ điều khiển cho chính đối tượng đó. Việc sử dụng công cụ EMR sẽ đảm bảo từng hệ thống con điều khiển ổn định thì toàn bộ hệ thống lớn cũng được điều khiển ổn định. Tuy nhiên, việc nghịch đảo chỉ có thể áp dụng với đối tượng là chỉ có thành phần tích phân và thành phần quán tính. Còn với đối tượng chứa thành phần vi phân thì việc nghịch đảo để điều khiển đối tượng là không khả thi. Khi đó, ta cần tổng hợp bộ điều khiển cho đối tượng đó thay vì nghịch đảo trực tiếp. Việc thiết kế bộ điều khiển cho từng hệ thống con sẽ giúp làm giảm khối lượng tính toán so với việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống hoàn chỉnh. Đây là một trong những ưu điểm của EMR. Về cơ bản, cấu trúc của cả hệ thống vẫn là cấu trúc điều khiển nối tầng (cascaded control). Tuy nhiên, khác với phương pháp thiết kế truyền thống khi ta thiết kế các vòng điều khiển từ trong ra ngoài, với EMR, ta thiết kế các bộ điều khiển cho các hệ thống con từ ngoài vào trong, với quy ước rằng: khi thiết kế bộ điều khiển cho đối tượng vòng ngoài thì vòng trong sẽ có hàm truyền G(s) = I. Tổng kết các bước thực hiện phương pháp EMR Bước 1. Hoàn thiện hệ thống biểu diễn các đối tượng bằng các phần tử EMR Bước 2. Xác định “tuning path” Bước 3. Biểu diễn sự nghịch đảo từng phần tử hệ thống bằng các phần tử điều khiển và điền đầy đủ các biến điều khiển Bước 4. Xác định “control path” Bước 5. Ước lượng, tính toán các biến cần phản hồi hoặc các biến nhiễu cần bù mà không thể thực hiện đo trực tiếp Bước 6. Thiết kế bộ điều khiển cho từng phần tử Bước 7. Hoàn thiện, mô phỏng và kiểm nghiệm  Mô phỏng hệ thống Hình 2.18. “tuning path” và “control path” của bộ điều khiển DC-DC và động cơ Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 52 Với các thành phần của hệ thống đã được mô hình hóa từ phần 2.1 đến 2,5 và sử dụng công cụ EMR như Hình 2.17, tác giả có được mô hình đối tượng. Bước tiếp theo sẽ là thiết kế bộ điều khiển. Như biểu diễn trên Hình 1.22 hoặc Hình 2.19 hệ thống cần thiết lập hai bộ điều khiển cho bộ DC-DC và động cơ IPM vì vậy cần xác định “tuning path” và “control path”cho hai thành phần này như Hình 2.18 Với việc biểu diễn lại hệ thống như trong Hình 2.19 thì bộ điều khiển cần tổng hợp sẽ gồm: - Bộ điều khiển dòng điện cho cuộn cảm thay vì phải tổng hợp cả bộ điều khiển cho bộ DC-DC - Bộ điều khiển cho động cơ IPM với hai mạch vòng dòng điện và tốc độ - Bộ điều khiển cho khung xe vì xét theo quan điểm EMR về năng lượng thì khung xe chính là thành phần tích lũy động năng của xe Với hệ thống có quán tính chậm như năng lượng trên ô tô điện (200 giây cho một chu trình lái) thì việc đáp ứng điều khiển của các bộ điều khiển (tính bằng mili giây) sẽ gần như tức thời, vì vậy ta không cần các bộ điều khiển cao cấp. Trong phạm vi luận án, tác giả tổng hợp các bộ điều khiển như sau: - Một bộ PI cho bộ điều khiển dòng điện cho cuộn cảm - Một bộ PI cho bộ điều khiển tốc độ động cơ IPM - Hai bộ PI cho bộ điều khiển dòng điện của động cơ IPM trên hai hệ tọa độ d và q - Một bộ P cho thành phần tích lũy động năng (vì thực tế phần tử này không điều khiển được nên hệ số KP phải sử dụng phương pháp dò) Ngoài ra, để không mất tính tổng quát của hệ thống, như trong Hình 2.19 vẫn xuất hiện khâu chiến lược. Đây chính là mục tiêu chính của luận án khi sử dụng các chiến lược khác nhau để phân chia công suất cho hai thiết bị lưu trữ năng lượng của hệ thống là siêu tụ và ắc quy. Tiến hành mô phỏng hệ thống để khảo sát đặc tính hệ thống với chu trình thử ECE như đã trình bày trong phần 1.4.2 Hình 1.23. Mục tiêu của việc mô phỏng khảo sát hệ thống là xác định mức yêu cầu về công suất của xe khi hoạt động với chu trình chuẩn. Công suất yêu cầu được sử dụng kết quả để phân tích, đánh giá và thiết kế bộ điều khiển cho quản lý năng lượng. Do chu trình được chọn là chu trình nội đô với quãng đường thử là rất ngắn (0,99 km) so với khả năng di chuyển trong một lần sạc của ô tô i-MiEV (160km) và tốc độ hoạt động ở vùng thấp nên giả thiết điện áp ắc quy biến động không đáng kể. Khi đó dòng điện yêu cầu ở DC link có thể được sử dụng để làm đại diện cho công suất yêu cầu. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 53 Hình 2.19. Mô hình mô phỏng xe ô tô điện i-MiEV bằng EMR Hình 2.20. Tốc độ đặt và tốc độ thực của xe trong mô phỏng trong hai chu trình ECE Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 54 Hình 2.21. Dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với hai chu trình ECE Kết quả thu được trên Hình 2.20 cho thấy tốc độ thực đã bám với tốc độ đặt vì vậy có thể kết luận các bộ điều khiển vòng trong đã hoạt động tốt và dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với chu trình lái ECE như trên Hình 2.21 là đủ tin cậy. Như đã trình bày ở trên, việc quản lý năng lượng trong phạm vi luận án về bản chất là phân chia công suất cho hai thiết bị lưu trữ năng lượng của hệ thống là siêu tụ và ắc quy. Do đã giả thiết là điện áp ắc quy biến động không đáng kể nên việc phân chia công suất có thể coi là phân chia dòng điện yêu cầu thành hai hướng đi vào siêu tụ và ắc quy. Như vậy, cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển quản lý năng lượng là phân chia dòng điện yêu cầu trong Hình 2.21 cho hai thiết bị lưu trữ năng lượng của hệ thống thông qua hệ số điều chế của bộ DC-DC hai chiều. 2.7 Kết luận chương: Quá trình mô hình hóa là một bước quan trọng để xây dựng bộ điều khiển dòng năng lượng. Trong chương này, tác giả đã xây dựng mô hình mô phỏng các thành phần cấu thành hệ thống gồm: - Động lực học ô tô điện - Động cơ IPM - Ắc quy - Siêu tụ - Bộ dc-dc Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 55 Các mô hình được xây dựng dựa trên các mô hình toán. Bằng việc xây dựng đầy đủ mô hình động lực học của xe và thiết kế các bộ điều khiển vòng trong, tác giả đã khảo sát được yêu cầu về năng lượng của xe trong một chu trình chuẩn của mô hình được lựa chọn. Quá trình xây dựng mô hình toán học được thực hiện trên nền tảng là phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả của quá trình mô hình hóa và mô phỏng hệ thống năng lượng trong ô tô điện là dòng điện yêu cầu của xe ô tô điện i-MiEV hoạt động với chu trình lái ECE trong Hình 2.21. Đây là cơ sở để tiến hành các công việc tiếp theo của luận án gồm: - Tiếp tục sử dụng mô hình để thiết kế các bộ điều khiển thời gian thực cho hệ thống quản lý năng lượng trong ô tô điện. Việc tạo giá trị đặt cho dòng điện đi vào siêu tụ thông qua hệ số điều chế của bộ DC-DC được thực hiện bởi khâu chiến lược trong Hình 2.19. - Sử dụng kết quả mô phỏng về dòng điện yêu cầu để thiết kế các bộ điều khiển tối ưu cho hệ thống quản lý năng lượng trong ô tô điện - Xây dựng hệ thống mô phỏng thời gian thực kiểu Hardware-in-the-loop tổng thể cho ô tô điện. Các kết quả nghiên cứu của chương này được công bố trong các bài báo sau: - Những kết quả nghiên cứu về động lực học ô tô điện được công bố trong công trình số (16). - Những kết quả nghiên cứu về động cơ IPM được công bố trong công trình số (3) và (8). - Những kết quả nghiên cứu về siêu tụ được công bố trong công trình số (13) và (15) - Những kết quả nghiên cứu về bộ biến đổi DC-DC được công bố trong công trình số (6), (9), (12) và (14). Các kết quả nghiên cứu liên quan đến bộ biến đổi DC-DC là cơ sở để tác giả có hướng nghiên cứu tiếp theo khi phối hợp các hệ thống điện tử công suất phục vụ cho việc quản lý hệ thống năng lượng trên ô tô điện. Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 56 Chương 3: THIẾT KẾ CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRONG Ô TÔ ĐIỆN Như đã trình bày ở phần 1.4.2, trong phạm vi luận án, tác giả sẽ tập trung nghiên cứu bốn phương pháp điều khiển áp dụng cho bộ quản lý năng lượng cho ô tô điện là: Phương pháp dựa trên tần số, điều khiển mờ, phương pháp quy hoạch động (DP) và phương pháp biến phân. Chương này sẽ thiết kế bộ điều khiển dựa trên bốn phương pháp trên và thêm một phương pháp tổ hợp giữa điều khiển mờ và phương pháp dựa trên tần số. 3.1 Điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số Như đã trình bày ở phần 1.3, phương pháp điều khiển dòng năng lượng cho ô tô điện theo tần số dựa trên hằng số thời gian của mỗi thiết bị lưu trữ năng lượng để phân phối dòng năng lượng. Phương pháp này dựa trên cơ sở dữ liệu đã có của một chu trình điển hình để phân tích off-line để chọn hằng số thời gian. Về bản chất bộ điều khiển của phương pháp này khá đơn giản chỉ sử dụng một bộ lọc thông cao (LPF) hoặc thông thấp (HPF) để lọc tín hiệu đo thành tín hiệu đặt. Phương pháp dựa trên tần số phân phối dòng điện với tần số thích hợp đến từng thiết bị lưu trữ năng lượng, mục tiêu của phương pháp là gia tăng tuổi thọ ắc quy. Cơ sở lý luận của phương pháp này dựa trên lý thuyết Ragone plots. 3.1.1 Lý thuyết Ragone - cơ sở lựa chọn tần số cắt Như đã trình bày ở phần 1.2.2 Theo [3, 4], thiết bị lưu trữ năng lượng có ba tham số được cho là quan trọng nhất gồm: mật độ năng lượng, mật độ công suất và hằng số thời gian như biểu diễn trên Hình 3.1 Hình 3.1. Đặc tính Ragone của các thiết bị lưu trữ năng lượng Dựa trên mật độ năng lượng và mật độ công suất có thể thấy trong phạm vi luận án, thiết bị có mật độ năng lượng cao là ắc quy li-ion được coi là nguồn chính (main-source) cung cấp năng lượng cho hệ thống, thiết bị có mật độ công suất cao được coi là nguồn phụ trợ (sub- Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 57 source) hỗ trợ nguồn chính trong các trường hợp cần huy động công suất lớn mà nếu nguồn chính phải huy động sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ thậm chí không thể huy động như quá trình tăng tốc và hãm tái sinh. Hiệu suất sử dụng của thiết bị phụ thuộc vào điểm làm việc và mỗi thiết bị có đường đặc tính năng lượng-công suất gọi là Ragone plots. Mức độ ảnh hưởng của công suất huy động có thể thấy trên Hình 3.2, Hình 3.3 Hình 3.2. Đặc tính Ragone của ắc quy [4] Hình 3.3. Đặc tính Ragone của tụ điện [4] Tuy nhiên, trong phần này tham số được quan tâm nhất là hằng số thời gian của hai thiết bị lưu trữ năng lượng được sử dụng là ắc quy li-ion và siêu tụ. Cũng theo [3, 4], thiết bị lưu trữ năng lượng hoạt động hiệu quả và có tuổi thọ cao khi hoạt động với biến động năng lượng hằng số thời gian cao hơn hằng số thời gian của chính nó. Nói cách khác là tần số biến động năng lượng càng cao thì ảnh hưởng càng xấu đến khả năng làm việc cũng như tuổi thọ của thiết bị lưu trữ năng lượng. Vì vậy tác giả quan tâm đến hằng Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 58 số thời gian của từng thiết bị lưu trữ năng lượng và lấy đó làm cơ sở thiết kế chiến lược quản lý năng lượng. Như vậy, tần số sẽ là cơ sở để thiết kế chiến lược điều khiển 3.1.2 Một số công bố về áp dụng phương pháp điều khiển dựa trên tần số cho quản lý năng lượng trên ô tô điện Phương pháp điều khiển dựa trên tần số thường dựa trên các bộ lọc thông thấp (Low Pass Filter – LPF) hoặc thông cao (High Pass Filter – HPF) để tạo giá trị đặt cho bộ điều khiển thiết bị lưu trữ năng lượng. Đây là phương pháp rất hiệu quả và đơn giản dựa trên đặc điểm về hằng số thời gian của thiết bị lưu trữ năng lượng. Do đặc điểm của từng thiết bị lưu trữ năng lượng, chiến lược phân phối dòng năng lượng sẽ dựa vào tần số dòng điện phụ tải yêu cầu để tách các thành phần dòng điện phù hợp để đưa về thiết bị lưu trữ năng lượng. Ví dụ đối với hệ HESS sử dụng siêu tụ và ắc quy thì dòng điện có tần số cao và biến thiên lớn sẽ được điều khiển để đưa đưa vào siêu tụ, các dòng điện có tần số thấp và biến thiên nhỏ sẽ được đưa vào ắc quy. Năm 2009, trong [89] chiến lược này đã được áp dụng cho hệ thống năng lượng sử dụng fuel-cell, ắc quy và siêu tụ với hai bộ LPF để tách thành phần dòng điện có tần số phù hợp đưa vào ắc quy và fuel-cell còn thành phần còn lại sẽ được siêu tụ đảm nhận. Công bố này được kiểm chứng bằng thực nghiệm có xét đến khả năng huy động công suất của siêu tụ trong cả hai chiều dương và âm tuy nhiên không đề cập đến cơ sở để chọn băng thông (bandwidth) cho cả hai bộ LPF. Tương tự như trên, nhưng trong [90] vào năm 2012, các tác giả cũng sử dụng fuel-cell, ắc quy và siêu tụ nhưng lại chia làm hai cấu hình (topology) với fuel-cell và ắc quy là hai nguồn chính của hai cấu hình và trong cả hai cấu hình đều sử dụng siêu tụ làm nguồn phụ trợ. Và cũng như trong công bố trên, các kết quả được kiểm chứng bằng thực nghiệm có xét đến khả năng huy động công suất của siêu tụ trong cả hai chiều dương và âm tuy nhiên không đề cập đến cơ sở để chọn băng thông (bandwidth) cho cả hai bộ LPF. Để nâng cấp bộ điều khiển đến năm 2015 trong [27] đã sử dụng công cụ thích nghi để điều chỉnh hằng số thời gian của bộ LPF theo giá trị điện áp siêu tụ trong hệ HESS sử dụng ắc quy li-ion và siêu tụ theo nguyên tắc điện áp siêu tụ cao (tức là còn đầy) thì điều chỉnh theo hướng huy động nhiều năng lượng từ siêu tụ và ngược lại. Tuy nhiên, nhóm tác giả cũng chưa trình bày nguyên tắc để đưa ra công thức chọn hằng số thời gian theo điện áp siêu tụ cũng như chưa xét đến trường hợp hãm tái sinh. Theo hướng tối ưu cho bộ LPF, năm 2017 trong [28] nhóm tác giả ở Pháp đã sử dụng thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO-Particle Swarm Optimization) để tối ưu hóa cả kích thước hệ thống và tìm giá trị tối ưu cho bộ LPF. Nhóm tác giả có đề cập đến việc điều khiển thời gian thực tuy nhiên, với thuật toán quá phức tạp này nhóm tác giả mới dừng lại ở mô phỏng trên MATLAB. Không chỉ thành công trong xe điện, thuật toán đơn giản và hiệu quả này còn được áp dụng trên xe lai (HEVs) [47] với kết quả thực nghiệm cho thấy hiệu quả đáng kể là giảm 5,9% lượng nhiên liệu tiêu thụ và tăng 23% hiệu quả sử dụng ắc quy. 3.1.3 Thiết kế bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số Các bước để xây dựng chiến lược điều khiển gồm: Phân tích dòng điện yêu cầu trong một trường hợp điển hình, lựa chọn tần số cắt và tiến hành mô phỏng đánh giá Thiết kế các bộ điều khiển cho hệ thống năng lượng trong ô tô điện ___________________________________________________________________________ 59  Phân tích tần số dòng điện yêu cầu từ phía phụ tải Với cơ sở lý luận ở phần 3.1.1, tác giả tiến hành phân tích dòng điện yêu cầu của hệ thống đã có trên Hình 2.21 Bước đầu tiên này nhằm mục đích phân tích phổ dòng điện để làm cơ sở tính chọn tần số cho chiến lược chia dòng năng lượng. Tác giả đã tiến hành mô phỏng hệ thống với hệ năng lượng chỉ duy nhất có ắc quy để tìm ra dòng điện yêu cầu của hệ thống phụ tải. Do hằng số thời gian của ắc quy là 100 giây nên hằng số thời gian phân tích cần phải là bội số của hằng số thời gian lớn nhất và thời gian của một chu trình chuẩn bằng hai lần hằng số thời gian của ắc quy nên tần số được lựa chọn để phân tích phổ dòng điện là 0,005 Hz tương đương với hằng số thời gian là 200 giây. Kết quả phân tích phổ sẽ được sử dụng để đánh giá từ đó lựa chọn hàng số thời gian cho bộ lọc thông thấp sử dụng trong phạm vi luận án. Việc lựa chọn hằng số thời gian tuân theo lý thuyết Ragone plots.  Nguyên tắc lựa chọn tần số Theo lý thuyết Ragone plots, ắc quy sẽ hoạt động hiệu quả nhất tại hằng số thời gian tối ưu của ắc quy dẫn đến toàn bộ năng lượng của dòng bậc cao sẽ được đưa vào siêu tụ. Khi đó dung lượng siêu tụ phải được thiết kế đủ để hấp thu năng lượng khi hãm và phát huy công suất khi tăng tốc. Nếu thực hiện điều này trong thực tế sẽ cần một lượng rất lớn siêu tụ kéo theo giá thành và trọng lượng của HESS sẽ rất lớn. Với những lý do trên, bài toán tối ưu mà thực tế yêu cầu đó là với lượng ắc quy và siêu tụ sẵn có, cần phân giá trị đặt cho mỗi thiết bị là bao nhiêu thì tối ưu.  Lựa chọn tần số Kết quả phân tích phổ dòng điện trên Hình 2.21 cho thấy: - Dòng điện nằm ở tần số 0,05 Hz tương ứng với hằng số thời gian 20 giây có biên độ lớn - Các hằng số thời gian trong vùng 30 tới 49 giây không có biên độ lớn nên ảnh hưởng không đáng kể lên ắc quy. - Hằng số thời gian thấp hơn 20 sẽ làm giảm tuổi thọ ắc quy do các sóng hài có biên độ lớn đều nằm trong vùng hằng số thời gian lớn hơn 20 Vì những lý do trên, hằng số thời gian được sử dụng để làm cơ sở cho chiến lược quản lý năng lượng là 20 giây 3.1.4 Mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển năng lượng dựa trên tần số Như đã trình bày ở trên, mô hình của Chương 2 sẽ được sử dụng để thiết kế các bộ điều khiển thời gian t

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_cac_phuong_phap_dieu_khien_nang_luong_cho.pdf
Tài liệu liên quan