Bộ nghịch lưu Inverter và Bộ chuyển đổi DC-DC Converter trên ô tô điện

Bộ nghịch lưu chịu trách nhiệm chuyển đổi dòng điện một chiều từ pin (với điện áp khoảng 800 V) thành dòng điện xoay chiều ba pha (với tần số từ 0 đến 1000 Hz và cường độ dòng điện từ 0 đến 500 A), nhằm điều khiển động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu PMSM hoặc động cơ cảm ứng IM, từ đó cung cấp mô-men xoắn tức thì lên đến 500 Nm.

Bộ nghịch lưu có chức năng chính là chuyển đổi dòng điện một chiều thành dòng điện xoay chiều ba pha, đồng thời điều khiển tốc độ động cơ từ 0 đến 20.000 vòng mỗi phút, mô-men xoắn từ 0 đến 1000 Nm, và hỗ trợ phanh tái tạo để thu hồi khoảng 30 phần trăm năng lượng. Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu dựa trên việc sử dụng sáu công tắc (như MOSFET hoặc IGBT) để bật và tắt khoảng 20.000 lần mỗi giây, từ đó tạo ra sóng sin giả lập. Công suất đỉnh của bộ nghịch lưu có thể đạt từ 350 đến 800 kW, ví dụ như trong Tesla Cybertruck là 500 kW. Công thức tính điện áp pha là điện áp pha bằng điện áp một chiều chia cho hai nhân căn bậc ba, nhân với hệ số điều chế m (với m nhỏ hơn hoặc bằng 1).

Bộ nghịch lưu thường có trọng lượng dưới 40 kg, đạt tiêu chuẩn chống nước và bụi IP67 và được làm mát bằng chất lỏng. Cấu trúc phần cứng chính của bộ nghịch lưu bao gồm topology cầu ba pha hai mức, với sáu công tắc.

1.2.1 Cầu ba pha: sáu IGBT hoặc SiC MOSFET

Cầu ba pha bao gồm sáu transistor IGBT hoặc MOSFET làm từ silicon carbide (SiC), ví dụ như dòng sản phẩm CoolSiC™ của Infineon, với khả năng chịu điện áp 1200 V và dòng điện 500 A, đồng thời có tần số chuyển mạch lên đến 100 kHz. Cấu hình của cầu ba pha gồm ba chân (A, B, C), trong đó mỗi chân có hai công tắc. Lợi ích của cấu hình này là đạt hiệu suất lên đến 99 phần trăm, giảm kích thước 50 phần trăm, và giảm nhiệt độ hoạt động thấp hơn 30 độ C.

1.2.2 Gate driver

Gate driver cung cấp sự cách ly điện, chẳng hạn như qua optocoupler hoặc cách ly galvanic, với khả năng chịu điện áp lên đến 2 kV, và thời gian chết từ 100 đến 500 nanogiây để tránh ngắn mạch. Chức năng chính của gate driver là tăng cường dòng điện cho cổng (từ 2 đến 8 A) và bảo vệ chống quá dòng. Các IC phổ biến bao gồm Infineon 1ED020I12 và TI UCC21750. Lưu ý rằng nếu thời gian chết bị thiết lập sai, nó có thể gây méo sóng lên đến 5 phần trăm và giảm hiệu suất tổng thể 2 phần trăm.

1.2.3 Cảm biến

Cảm biến dòng điện sử dụng shunt hoặc cảm biến Hall (như của hãng Lem) để đo dòng điện pha Ia, Ib, và Ic. Cảm biến vị trí rotor sử dụng resolver với độ chính xác ±0.1 độ hoặc encoder. Cảm biến điện áp sử dụng bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC) 16 bit để đo điện áp DC-link. Các cảm biến này được tích hợp với giao thức CAN-FD để giao tiếp với hệ thống quản lý pin (BMS), với chu kỳ cập nhật 50 microgiây.

Tần số chuyển mạch của bộ nghịch lưu dao động từ 10 đến 100 kHz. Bộ điều khiển vi xử lý (MCU) thường sử dụng TI C2000 với tốc độ 200 MHz hoặc Infineon AURIX.

1.3.1 PWM: Tạo sóng sin

Phương pháp điều chế xung biên độ sin (SPWM) hoạt động bằng cách so sánh sóng sin với sóng tam giác, mang lại sự đơn giản nhưng gây méo hài lên đến 10 phần trăm. Phương pháp điều chế xung theo vector không gian (SVPWM) sử dụng tám vector trong hình lục giác, giúp tiết kiệm 15.47% điện áp.

Hình minh họa: So sánh SVPWM với SPWM, cho thấy sóng sạch hơn và tăng hiệu suất 15 phần trăm (mô phỏng trong MATLAB Simulink). Công thức vector không gian là vector

Vs= (2/3)x(Va+ a xVb+ a^2xVc), trong đó a=e^j x 2 pi/3.

Lợi ích của SVPWM là tổng độ méo hài (THD) dưới 5 phần trăm và sử dụng điện áp một chiều tốt hơn 1.154 lần so với SPWM.

1.3.2 FOC (Field Oriented Control)

Ý tưởng cốt lõi của điều khiển hướng trường (FOC) là chuyển đổi tọa độ abc sang dq để điều khiển độc lập, với Id=0 để kiểm soát từ thông và Iq để kiểm soát mô-men xoắn.

Hình minh họa là sơ đồ khối FOC cho PMSM, bao gồm biến đổi Clarke/Park, bộ điều khiển PI, và SVPWM.

Các bước thực hiện trong chu kỳ 100 micro giây bao gồm:

-Đo dòng điện Ia, Ib, Ic và góc θ;

-Biến đổi Clarke để tính αβ bằng Ia và (Ib trừ Ic) chia căn bậc ba;

-Biến đổi Park để tính Id=α x cos θ+β x sin θ, và Iq=- α x sin θ + β x cos θ;

-Sử dụng bộ điều khiển PI để tính Vd cho từ thông và Vq cho mô-men xoắn;

-Biến đổi Park nghịch đảo kết hợp SVPWM để tạo PWM. Công thức tính mô-men xoắn điện:

Te=(3/2) x p x (λpm x Iq)+ (Ld – Lq) x Id x Iq.

Ưu điểm của FOC là đáp ứng nhanh và hiệu suất lớn hơn 97 % trên toàn dải tốc độ.

Trong Tesla Model 3 và Model Y, bộ nghịch lưu sử dụng công nghệ SiC với công suất 350 kW, kết hợp FOC và SVPWM, đạt hiệu suất 99 phần trăm và tăng hành trình xe thêm 10%. Trong mẫu xe BYD Seal, bộ nghịch lưu 8-in-1 sử dụng SiC với trọng lượng dưới 30 kg. Các phương pháp tối ưu bao gồm overmodulation (với m lớn hơn 1) để tăng 20% mô-men xoắn và điều khiển dự đoán mô hình dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI MPC) để giảm ripple 50%.

Bộ chuyển đổi DC-DC converter đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện của xe điện EV, nơi nó chịu trách nhiệm điều chỉnh và chuyển đổi điện áp một chiều giữa các mức khác nhau để hỗ trợ các chức năng vận hành.

Đầu tiên, chế độ Buck hoạt động bằng cách giảm điện áp từ mức cao 400 V xuống mức thấp hơn là 12 V hoặc 48 V, nhằm cung cấp năng lượng cho các phụ tải phụ trợ như hệ thống đèn, âm thanh và các thiết bị điện tử khác trong xe. Chế độ này đảm bảo rằng các thiết bị phụ tải nhận được nguồn điện ổn định và phù hợp với yêu cầu hoạt động của chúng.

Thứ hai, chế độ Boost thực hiện việc tăng điện áp tại liên kết DC (DC-link) trong các hệ thống hybrid, giúp tối ưu hóa hiệu suất của động cơ và pin bằng cách nâng cao điện áp đầu vào cho các bộ phận cần năng lượng cao hơn. Chế độ này đặc biệt hữu ích trong việc hỗ trợ chuyển đổi năng lượng giữa pin và động cơ điện trong các xe hybrid.

Thứ ba, chế độ Bidirectional cho phép bộ chuyển đổi hoạt động hai chiều, hỗ trợ quá trình phanh tái sinh (regenerative braking) để thu hồi năng lượng từ phanh và chuyển nó trở lại pin, đồng thời hỗ trợ công nghệ Vehicle-to-Grid (V2G), nơi xe điện có thể cung cấp năng lượng ngược lại cho lưới điện. Điều này góp phần nâng cao hiệu quả năng lượng tổng thể của hệ thống.

Về cấu trúc (Topology), bộ chuyển đổi sử dụng kiểu Synchronous buck-boost không cách ly, nghĩa là nó không có biến áp cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra, giúp giảm kích thước và chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu suất cao trong việc điều chỉnh điện áp lên hoặc xuống.

L di/dt= V_in-(1-D) V_o, trong đó:

L -độ tự cảm của cuộn cảm, di/dt – tốc độ thay đổi dòng điện,

V_in – điện áp đầu vào,

D – chu kỳ làm việc (duty cycle)

V_o – điện áp đầu ra.

Phương trình này mô tả mối quan hệ giữa các thông số điện trong quá trình tăng điện áp.

Về thiết kế, bộ chuyển đổi được tối ưu hóa để đảm bảo ripple dòng điện (sự dao động dòng điện) nhỏ hơn 30%, giúp giảm nhiễu và tăng độ ổn định của hệ thống. Tần số hoạt động của bộ chuyển đổi nằm trong khoảng từ 50 kHz đến 200 kHz, cho phép nó xử lý nhanh chóng các biến đổi điện áp mà không gây ra tổn hao năng lượng lớn.

Cung cấp công suất từ 3 kW đến 5 kW cho các phụ tải hoạt động ở mức điện áp 12 V, chẳng hạn như hệ thống điều khiển điện tử, đèn pha và các thiết bị an toàn trong xe điện. Nhờ đó, nó góp phần vào việc duy trì hiệu suất và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống điện trong xe.

Trong thực tế, bộ chuyển đổi DC-DC được áp dụng rộng rãi trong các mẫu xe điện phổ biến. Ví dụ, trong xe Tesla Model 3, bộ chuyển đổi Buck được sử dụng để giảm điện áp từ pin cao áp xuống 12 V, cung cấp năng lượng cho các hệ thống phụ trợ như đèn pha, động cơ cửa sổ và bơm nước làm mát. Tương tự, trong Nissan Leaf, chế độ Bidirectional hỗ trợ phanh tái sinh, cho phép thu hồi năng lượng từ bánh xe và lưu trữ lại vào pin, giúp tăng phạm vi di chuyển lên đến 20-30% trong điều kiện đô thị. Một ứng dụng khác là trong hệ thống hybrid của Toyota Prius, nơi bộ chuyển đổi Boost tăng điện áp DC-link để hỗ trợ động cơ điện, đồng thời chế độ Bidirectional cho phép trao đổi năng lượng với lưới điện qua V2G, góp phần vào các dự án năng lượng thông minh tại Nhật Bản.

Trong thực tế, bộ chuyển đổi DC-DC được áp dụng rộng rãi trong các mẫu xe điện phổ biến. Ví dụ, trong xe Tesla Model 3, bộ chuyển đổi Buck được sử dụng để giảm điện áp từ pin cao áp xuống 12 V, cung cấp năng lượng cho các hệ thống phụ trợ như đèn pha, động cơ cửa sổ và bơm nước làm mát. Tương tự, trong Nissan Leaf, chế độ Bidirectional hỗ trợ phanh tái tạo, cho phép thu hồi năng lượng từ bánh xe và lưu trữ lại vào pin, giúp tăng phạm vi di chuyển lên đến 20-30% trong điều kiện đô thị. Một ứng dụng khác là trong hệ thống hybrid của Toyota Prius, nơi bộ chuyển đổi Boost tăng điện áp DC-link để hỗ trợ động cơ điện, đồng thời chế độ Bidirectional cho phép trao đổi năng lượng với lưới điện qua V2G, góp phần vào các dự án năng lượng thông minh tại Nhật Bản.