Kiểm tra mạng CAN

 

Power Electronics và Battery (Pin)

Battery là thành phần không thể thiếu trong việc phát triển xe điện. Khối pin chính cung cấp năng lượng cho xe, thường gọi là battery pack hay là propulsion battery, được ghép song song và nối tiếp lại với nhau từ hàng ngàn viên pin nhỏ, mỗi viên pin nhỏ này gọi là 1 cell.

Trong khi việc sản xuất ra một cell pin là công việc của các kỹ sư hóa học và vật liệu, thì việc ghép hàng ngàn viên pin này nối tiếp, song song với nhau thành 1 battery pack, đảm bảo cho chúng vận hành an toàn, hiệu quả và chính xác lại nằm trong khả năng của một kỹ sư Power Electronics.

Vậy power electronics làm được gì trong việc sản xuất battery pack cho xe điện.

Hai hệ thống mà mình có thể đề cập đến đó là BATTERY MANAGERMENT SYSTEM (BMS) và BATTERY TESTING SYSTEM (BTS).

Trong khi BMS đã rất quen thuộc, luôn được gắn liền trên tất cả các dạng của battery pack, có chức năng chính là để cân bằng dòng điện, điện áp giữa các cell trong hàng ngàn cell được ghép nối tiếp và song song xuyên suốt quá trình sạc và xả của pin, trong nhiều trường hợp BMS có tích hợp giám sát nhiệt độ, bảo vệ, và các chức năng IOT.

Nếu như BMS là một mạch điện tử công suất nhỏ dùng cho việc điều khiển cân bằng, bảo vệ và giám sát, thì BTS lại có công suất lớn hơn rất nhiều, nó không được gắn trực tiếp lên battery pack mà nằm ngoài tại khâu sản xuất, tham gia vào quá trình test xạc xả của battery pack tại nhà máy lắp ráp trước khi battery pack được đưa đến tay người dùng.

Các bộ converter dùng cho BTS được thiết kế với yêu cầu kỹ thuật rất cao, nó phải có khả năng làm việc với một dãi điện áp pin rất rộng, đôi khi phải sạc cho pin ở mức từ 0V cho đến hàng ngàn Volts. Dòng điện sạc xả lên tới vài trăm Amperes. Chưa hết, vì tốc độ xạc xả của pin là rất nhanh do đó dynamic response của dòng điện được yêu cầu là rất nhanh. Chính vì vậy, việc lựa chọn topology, thiết kế phần cứng, điều khiển cho một bộ BTS là rất khó khăn.

Dưới đây là dự án mà nhóm nghiên cứu của mình từng làm cho một công ty Hàn Quốc vào cuối năm 2020.

Yêu cầu kỹ thuật rất gắt do nhà sản xuất muốn test battery pack lên đến 2000V (có thể là battery của xe tải, tàu thủy hoặc máy khai thác...). Công suất 60kW. Mạch phải có khả năng đáp ứng dòng ngõ ra tăng từ 0A lên 200A trong 25ms, và khả năng sạc pin tại điện áp 0V với dòng 200A (nhiều bạn sẽ ngạc nhiên). Bên cạnh đó, khả năng dẫn công suất theo cả 2 chiều là bắt buộc (xạc và xả), nghĩa là bidirectional.

Ở dự án có dãi điện áp rộng như thế này thì 3-stage là lựa chọn khó tránh khỏi. Stage đầu tiên là mạch active front-end nối lưới, có chức năng PFC và điều khiển điện áp dc-link lên 750V. Sau đó là một solid state transformer có chức năng cách ly và nâng áp dc-link từ 750V lên 2000V. Cuối cùng là stage thứ 3, dùng để giao tiếp với battery. Mình tham gia trực tiếp vào việc thiết kế solid stage transformer (stage 2), tạo ra điện áp 2000Vdc.

Với mức điện áp và công suất cao như thế này thì khó khăn đầu tiên nhóm mình gặp phải đó là lựa chọn topology. Tại thời điểm đó, 1700V SiC mosfet là linh kiện có mức điện áp cao nhất mình có thể dùng ở dãi công suất cao thế này. Do đó, để đáp ứng áp ra tới 2000V, mình đã phải sử dụng topology với kỹ thuật ghép song song ngõ vào và nối tiếp ngõ ra (Input parallel output series), dựa trên mạch LLC resonant converter với tần số resonant khoảng 50kHz.

Khó khăn thứ 2 là việc thiết kế gate driver cho các mosfet, khi common-mode, EMI noises là rất lớn khi đóng cắt ở 2000V. Nhóm mình đã thất bại ở lần thiết kế đầu khi xử dụng các loại gatedriver thông thường. Thật may mắn khi ở version thứ 2 với sự giúp đỡ của công ty tài trợ, một mạch gate driver sử dụng công nghệ khử nhiễu khá mới đối với mình tại thời điểm đó gọi là DIFFERENTIAL PWM đã giải quyết được vấn đề.

Một khó khăn khác đối với mạch này là thiết kế transformer khi điện áp và công suất quá cao thì cách ly và nhiệt độ cần phải được lưu ý vì quá trình sạc xả có thể diễn ra liên tục hàng giờ đồng hồ (nhóm đã phải thiết kế lại transformer 2 lần để pass được aging test và dielectric test).

Trên đây là bài viết khái quát về vai trò của power electronics trong việc sản xuất pin xe điện dựa trên một chút kinh nghiệm thực tế của mình. Sẽ còn rất nhiều thứ khác liên quan mà có thể mình chưa từng làm qua. Hy vọng qua đây mọi người đặc biệt là các bạn sinh viên trẻ biết thêm được các ứng dụng khác nhau của power electronics, nâng cao niềm hứng thú và đam mê nghiên cứu môn học này. Mình tin rằng power electronics sẽ là chìa khóa cho mọi sự đổi mới phần cứng trong tương lai gần.

Để làm chủ được công nghệ, các nước phát triển bỏ ra rất rất nhiều tiền cho việc R&D, từ những cái nhỏ nhất. Các nước hùng mạch thì tập trung vào phần cứng thứ đòi hỏi rất nhiều thời gian và tiền của và đặc biệt là kinh nghiệm kiến thức. Đổi lại, khi đã làm chủ được công nghệ phần cứng cốt lõi, họ tha hồ đổi mới sản phẩm thu lợi nhuận lâu dài.

Rằm tháng Giêng, 2023.

Một năm mới bình an.

Thân!

Trần Ngọc Hải.

3-phase 6-switches rectifier (mạch chỉnh lưu 3 pha 6 khóa).

TS. Trần Ngọc Hải

Mạch này được xử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp và xe điện (on-board charger, inverter, các cây fast charger cho xe điện cũng có thể dùng cấu hình này....) có chức năng chuyển đổi điện áp xoay chiều 3 pha sang điện áp DC. Ngoài ra, mạch còn có khả năng điều khiển công suất theo cả 2 chiều (bidirectional) nghĩa là nó có thể sử dụng như 1 inverter, chuyển đổi điện áp DC sang AC để hòa lưới hoặc chạy tải động cơ 3 pha.

Đây cũng là dự án đầu tiên mình làm cho một công ty Hàn Quốc vào năm 2017. Yêu cầu đưa ra là rất khó khăn so với công nghệ tại thời điểm 2017.

- Công suất: 7kW

- Power density,mật độ công suất phải lớn hơn 2kw/L (hầu hết các sản phẩm thương mại tại thời điểm đó đều dưới 1kW/L.

- Thời gian hold-up time >= 8ms (cái này làm giảm power density vì tụ dc-link phải có năng lượng đủ lớn để giữ cho hệ thống duy trì được thêm 8ms sau khi đã tắt khỏi nguồn).

- On-response time < 20ms.

- Điện áp ngõ ra dao động rộng (wide range): 70V-420V (phải dùng thêm mạch Buck phía sau nên hệ thống là 2 stages)

- Đặc biệt là điện áp ngõ vào cũng wide range: 187V-528V (L-L,rms),

Ngoài ra, vì đây là sản phẩm thương mại nên các yêu cầu về THD, PF, EMI đều phải tuân theo chuẩn.

Thông thường những dự án thế này công ty Hàn chỉ cho mình 1 năm, nhưng lúc đó họ đặt hàng dự án kép nên tụi mình có 18 tháng để hoàn thành 2 bộ, 7kW và 40kW (có dịp mình sẽ viết về bộ này sau, nó sử dụng cấu hình khác hoàn toàn, Vienna Rectifier).

Và mình là người được giao design chính toàn bộ mạch rectifier này.

Vì hold-up time là bắt buộc nên tụ dc-link không thể giảm, mình chỉ có thể giảm volume của bộ lọc ngõ vào (input filter).

Đối với những mạch rectifier 3 pha công suất cao thì volume của input filter thường là lớn nhất, nếu chỉ sử dụng cuộn L truyền thống thì không đạt yêu cầu nên mình phải chọn LCL filter.

Ngay cả khi dùng LCL filter, tần số đóng cắt cũng phải được đẩy lên đến 90kHz với thỏa được yêu cầu. Chính vì vậy SiC mosfet đã được sử dụng để đáp ứng được với yêu cầu đóng cắt tần số cao như thế (tại thời điểm 2017, tất cả những sản phẩm thương mại đều là Si-based fet/igbt, SiC devices chưa mature nên chỉ xuất hiện tại phòng thí nghiệm). Cuối cùng thì dự án cũng thành công, đáp ứng được mọi yêu cầu của khách hàng đưa ra.

Thời đó, vừa qua Hàn là mình đã được giao ngay cho dự án này, thế là cắm đầu cắm cổ làm, học, hầu như ngày nào cũng ngồi lab từ 9h sáng đến 2h sáng, cái gì cũng mới, cái gì cũng phải học. Đến lúc xong và nhìn lại thì rất vui vì đã học được nhiều thứ.

- Lần đầu tiên được tiếp xúc và sử dụng SiC fet, cái mà mình thậm chí không biết là cái gì khi ở VN.

- Design được 1 bộ LCL filter hoàn chỉnh, từ chọn core, đến các giá trị L,C, tần số, volume, stability, không thừa, không thiếu công suất... sau này thì magnetic design cũng trở thành 1 hướng nghiên cứu của mình.

- Ngoài ra còn nhưng vấn đề về lựa chọn switches, sensor mình cũng học được rất nhiều, đặc biệt là lập trình DSP với style code chuyên nghiệp hơn so với hồi ở VN.

Đằng sau sự "hoành tráng"

Ngày 9/10/2019, giải Nobel Hóa Học được trao cho 3 nhà khoa học John Goodenough, Stanley Whittingham và Akira Yoshino vì phát minh ra pin lithilium để cung cấp năng lượng điện cho đồ dùng điện tử di động - như điện thoại di động, máy tính laptop, và bây giờ là xe hơi điện.

Nhưng phát minh và sự thành công của người này lại trở thành số phận và nỗi đau khổ cho nhiều người khác. Muốn chế tạo pin lithilium, người ta phải khai thác đất hiếm. Sự thật về các mỏ đất hiếm bóc lột sức lao động con người thậm tệ, gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe, và tàn phá khủng khiếp môi trường ngày một lộ ra.

Bên cạnh những cường quốc kinh tế, với những thương hiệu đồ dùng điện tử hàng tỷ dollard - có vẻ sạch sẽ, lịch sự, giàu có, được hàng trăm triệu người ngưỡng mộ và khen ngợi, là các đất nước nghèo đói, rách nát, tàn tạ vì bị khai thác đến tận cùng của giới hạn.

Đã đến lúc cần phải đặt ra những câu hỏi chua cay:

1. Liệu sự phát triển ấy có xứng đáng?

2. Phải chăng sự giàu có mà người ta thu được có công bằng cho hơn 7 tỷ người trên hành tinh này?

3. Phát minh pin lithilium sẽ có thể cứu rỗi thế giới này chăng? Người ta sẽ ăn được lithilium khi cơn đói khát ập tới?

 

Bosch Common Rail

 

Nguyên lý hoạt động, điều khiển của xe Hybrid. The Principle of operation and Control in Hybrid.

Giới thiệu xe Hybrid (Chương 1). Introduction to Hybrid vehicle (Chapter 01).

Tổng quan, phân loại hệ thống đánh lửa, phân loại hệ thống đánh lửa

Ứng dụng Fuzzy Logic để điều khiển hộp số tự động trên Ô tô

Xe độ chế

CÁC CHÚ Ý KHI ĐỌC SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỆN

 

ƯU ĐIỂM CỦA XE ĐIỆN

 

(Biên soạn: Vietnam Automotive Engineering)

Bài dưới đây sẽ so sánh ưu điểm của xe điện so với xe sử dụng động cơ đốt trong.

Một chiếc xe được gọi là thuần xe điện, thuật ngữ tiếng Anh gọi là BEV – Battery Electric Vehicle. So với động cơ đốt trong thì xe điện sẽ có nhiều ưu điểm hơn. Cụ thể như sau:

1) So sánh về hiệu quả truyền lực

- Xe điện được dẫn động bởi mô tơ điện với hộp số đơn cấp (single speed gearbox), việc này phụ thuộc vào tốc độ và mô men xoắn của động cơ điện. Hiệu suất truyền lực (75 -95)%. Điều này có nghĩa là, với cùng một lượng công suất ở bánh xe, pin điện áp cao sẽ sử dụng ít năng lượng hơn so với xe động cơ đốt trong.

2) Động cơ đốt trong có hiệu suất (18 – 24)%, động cơ Diesel có hiệu suất cao hơn một chút so với động cơ xăng. Nhưng hiệu suất của chúng nhỏ hơn 4 lần so với động cơ điện. So với động cơ điện, để cùng một lượng công suất bánh xe, động cơ đốt trong phải tiêu tốn năng lượng gấp 4 lần.

3) Quá trình tăng tốc

- Hầu hết, xe điện sử dụng động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu (An permanent magnet synchronous electric motor) có đặc tính về sức kéo và tăng tốc là lý tưởng. Tại vị trí tốc độ 0 km/h xe điện có thể tăng tốc với tốc độ lớn nhất chỉ trong một thời gian rất ngắn.

- Động cơ đốt trong khó thể tăng tốc nhanh được khi xe ở tốc độ cầm chừng. Việc tăng tốc này cần có thời gian dài hơn bởi vì do ảnh hưởng tính năng động lực học của động cơ (cụ thể do quán tính cơ khí, hệ thống tuộc bô tăng áp đáp ứng chậm, quá trình đáp ứng hòa khí, quá trình sinh công,...).

4) Sự tin cậy

- Động cơ điện trên xe điện có ít chi tiết hơn so với xe sử dụng động cơ đốt trong. Do vậy, động cơ điện sẽ ít hư hỏng hơn. Bên cạnh đó, với đặc tính của động cơ điện có công suất và mô men cao nên không nhất thiết phải sử dụng hộp số nhiều cấp (multi – stage gearbox). Chỉ cần một hộp số đơn cấp là đủ. Các chi tiết là rất ít và gọn nhẹ.

- Động cơ đốt trong có nhiều chi tiết chuyển động, thêm vào đó có rất nhiều hệ thống (hệ thống nhiên liệu, hệ thống nạp, hệ thống xử lý khí xả, …) nên có thể dễ dẫn đến hư hỏng hơn so với động cơ điện. Do đặc tính về mô men của động cơ đốt trong nên cần trang bị hộp số nhiều cấp (multi – stage gearbox), chứng tỏ chúng rất phức tạp và khả năng có thể có nhiều hư hỏng. Ngoài ra, động cơ đốt trong có khối lượng lớn hơn động cơ điện, tăng khối lượng trên xe. Đây cũng là yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tăng tốc của xe, tăng tiêu hao nhiên liệu.

5) Phân phối mô men xoắn

- Đối với xe điện sử dụng 4 bánh chủ động toàn thời gian (AWD) tính năng ổn định khi vào cua có thể được cải thiện do việc điều khiển mô men xoắn tại các bánh xe. So với động cơ đốt trong, động cơ điện có mô men xoắn đáp ứng nhanh hơn và có thể điều tiết mô men tại các bánh xe là tối ưu, tức là khi vào cua các bánh ở phía rẽ là cần quay chậm lại, các bánh phía đối diện cần quay nhanh lên một chút. Việc đáp ứng này là nhanh, kịp thời từ đó tính năng cân bằng của xe điện là tối ưu.

- Động cơ đốt trong có đóng góp hạn chế vào sự ổn định của xe, hầu hết các trường hợp, hệ thống cân bằng điện tử (ESC, ESP, VSD, DSC,…) nó chỉ làm giảm tốc độ tại các bánh vào cua, còn các bánh đối diện nó không thể tăng tốc độ lên được. Do vậy khả năng đáp ứng về cân bằng, ổn định xe khi vào cua là chậm, hạn chế hơn so với xe điện.

6) Chi phí bảo dưỡng, sửa chữa.

- Vì động cơ điện có ít chi tiết nên chi phí bảo dưỡng sữa chữa sẽ dễ dàng và giá thành sẽ rẻ hơn. Hầu kết các quốc gia trên thế giới giá thành về năng lượng điện là nhỏ hơn so với nhiên liệu truyền thống (xăng, dầu,…). Hơn thế nữa, một số xe điện ngoài hệ thống phanh thủy lực còn có thể trang bị kèm hệ thống phanh tái sinh (Regenerative Braking System) theo nghiên cứu hệ thống phanh tái sinh có tuổi thọ lớn hơn so với phanh thủy lực.

- Đối với xe sử dụng động cơ đốt trong. Để duy trì tình trạng hoạt động tốt, động cơ đốt trong cần định kỳ bảo dưỡng (bảo dưỡng) thay lọc gió, lọc nhiên liệu, bugi, dầu bôi trơn, v.v.). Vì lý do này, xe chạy bằng động cơ đốt trong sẽ có chi phí bảo dưỡng đắt hơn xe điện.

7) Khí xả

- Đối với xe điện không sinh ra khí xả gây ô nhiễm môi trường.

- Đối với xe sử dụng động cơ đốt trong phát thải ra khí độc hại (CO2, HC, CO, NOx, PM,…). Chính những khí này đã gây ảnh hưởng đến môi trường sống, sức khỏe của nhân loại rất nhiều. Do vậy, từ năm 1969, tại Châu Âu tiêu chuẩn Euro đã ra đời và đặt ra nhiều tiêu chí để đánh giá khí xả.

Vậy tại sao hiện nay xe điện chưa phổ biến rộng?

https://www.facebook.com/VietnamAutomotiveEnigneering/posts/386264183066505

PHANH TÁI SINH - REGENERATIVE BRAKING SYSTEM

Viết lúc rảnh khi dịch

Hệ thống phanh tái sinh được trang bị trên xe lai (Hybrid), quá trình phanh tái sinh này sẽ giúp cho bình điện ắc quy Hybrid được nạp lại (bình này có 168 cells mỗi cells 1,2 VDC, như vậy 168 x 1,2 = 201.6 VDC).

Quá trình phanh tái sinh diễn ra chủ yếu khi xe xuống dốc, lúc này mô tơ - máy phát (MG2 - Motor Generator 2) sẽ kích hoạt và ở chế độ này MG2 sẽ hoạt động như là máy phát điện.

Hệ thống phanh trên xe lai có hai loại phanh chính đó là phanh thủy lực và phanh tái sinh, bên cạnh đó còn có chế độ phanh động cơ (Engine Brake - Khi kéo cần số về vị trí B).

Chế độ phanh tái sinh hoạt động và nạp lại cho bình Hybrid bao nhiêu điện thì nó phải dựa vào trạng thái sạc (SoC - State of Charge) của bình Hybrid. Ví dụ: Ở hình 1, giả dụ tổng lực phanh là 100%. Nếu SoC của bình là 60% rồi thì lực phanh tái sinh chỉ hoạt động ít lại (40%) còn 60% lực phanh sẽ dành cho phanh thủy lực.

Khi SoC của bình là 30% thì lực phanh tái sinh chiếm 70%, còn 30% là lực phanh thủy lực.

Kết luận: nếu bình ắc quy Hybrid có điện áp sụt đi quá nhiều thì cần lực phanh tái sinh lớn và ngược lại. Và việc kích hoạt phanh tái sinh hoạt động là dựa vào tín hiệu của các cảm biến báo về, đặc biệt là cảm biến dòng điện tại bình Hybrid, bên cạnh đó còn có cảm biến nhiệt độ của bình (thường bố trí 3 con cảm biến nhiệt độ). Sau đó, ECU điều khiển bình Hybrid (HV ECU) sẽ ra lệnh kích hoạt chế độ phanh tái sinh hoạt động, bằng cách kích hoạt MG2.

Hệ thống phanh thủy lực được điều khiển thông qua hệ thống điều khiển trượt (có tích hợp hệ thống phanh ABS). Việc điều khiển này nhờ vào bơm và các soleniod điện từ trong cơ cấu chấp hành (actuator) điều khiển áp lực dầu đến tác động vào má phanh.

Tài liệu xe điện - xe lai (Hybrid Vehicle).

 Tài liệu xe điện - xe lai (Hybrid Vehicle).

CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA XE LAI

 CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CỦA XE LAI
(Viết lúc rảnh của dịch COVID-19)

 

Hình 1: Các chế độ hoạt động xăng, điện hoặc lai xăng và điện ứng với các điều kiện tải.

Hình 2: Các chi tiết bố trí cụ thể trên xe lai gồm các chi tiết không thể thiếu: bình ắc quy Hybrid (Hybrid Vehicle Battery), Bộ khuếch đại điện áp và chuyển đổi điện áp (Inverter with Converter), Mô tơ - máy phát (MG1), mô tơ - máy phát (MG2), bộ chia công suất (Power Splitting Device), động cơ đốt trong (ICE - Internal Combustion Engine), bình phụ (Auxiliary Battery - 12VDC), dây cao áp (High Voltage Cables),...

Hình 3: Chế độ vừa khởi động và tải nhẹ, lúc bắt đầu chạy mô tơ điện (MG2) sẽ hoạt động, lấy nguồn năng lượng từ bình ắc quy Hybrid.

Hình 4: Khi nhận thêm tải và bắt đầu tăng tốc nhẹ mô tơ MG1 sẽ khởi động động cơ đốt trong.

Hình 5: Với chế độ tải nhẹ, tốc độ không đổi, chạy trên đường bằng động cơ đốt trong (ICE) sẽ truyền công suất tới bánh xe và MG1 thông qua bộ chia công suất (PSD - Power Splitting Device), lúc này MG1 sẽ trở thành máy phát và cung cấp năng lượng cho MG2 thông qua bộ (khuếch đại điện áp và chuyển đổi điện áp- tiếng Anh là bộ Inverter with Converter). Bộ này gồm:

*Bộ khuếch đại điện áp (chuyển điện áp điện bình ắc quy (201.6V DC) sang điện áp 650V DC), rồi từ đó sẽ qua bộ Inverter (chuyển điện áp 650V DC sang 650V AC) cung cấp cho các MG. Cần chú ý rằng MG (Motor Generator) lúc thì nó là động cơ, lúc thì nó trở thành máy phát điện để nạp điện lại cho bình Hybrid ( Hybrid Vehicle Battery). Ví dụ:

a) Cần khởi động động cơ đốt trong (ICE) thì MG1 lúc này nó là một động cơ để khởi động động cơ đốt trong, sau khi ICE đã nổ máy thì lúc này MG1 là máy phát.

b) MG2 lúc đầu sẽ là động cơ để dẫn động các bán xe chủ động. Nhưng khi xe xuống dốc, tài xế đạp bàn đạp phanh thì lúc này MG2 sẽ trở thành máy phát và sạc lại cho bình HV Battery, tức là ở chế độ phanh tái sinh Regenerative Braking System.

Hình 6: Chế độ keo dốc, lúc này MG2 sẽ nhận thêm điện áp từ bình ắc quy Hybrid (HV Battery).

Hình 7: Chế độ xuống dốc (phanh tái sinh) đi ở tay số D. Lúc này tài xế đạp bàn đạp phanh MG2 sẽ trở thành máy phát và sạc lại cho bình Hybrid.

Hình 8: Chế độ phanh tái + phanh động cơ (Engine Brake) sinh khi tài xế kéo cần số về vị trí B. Bên cạnh MG2 trở thành máy phát sạc lại cho bình Hybrid thì MG1 sẽ dẫn động động cơ đốt trong (ICE) để nhằm mục đích phanh động cơ (nhiên liệu lúc này bị cắt giảm).

Hình 9: Ở tay số lùi R (Reverse) thì MG1 sẽ là động cơ điện để dẫn động.