ĐẨY NHANH QUÁ TRÌNH ĐIỆN KHÍ HÓA DI ĐỘNG NGOÀI Ô TÔ VỚI BỘ BIẾN TẦN KÉO SIC DẠNG MÔ-ĐUN VÀ CÔNG SUẤT CAO

Vận tải hàng hóa, xe địa hình và xe công nghiệp, ứng dụng hàng hải và hàng không đóng góp hơn 55% [1] tổng lượng khí thải nhà kính từ động cơ đốt trong. Việc điện khí hóa các hệ thống truyền động này có thể tạo ra sự khác biệt lớn trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, số lượng lớn các đơn vị đang hoạt động trên toàn thế giới có liên quan đến sự đa dạng về loại và nền tảng.

Để phát triển các xe điện mới một cách nhanh chóng, các kỹ sư cần mọi sự trợ giúp có thể. Sự khác biệt không chỉ đơn thuần là về mặt vật lý, về mặt kích thước, hình dạng và hạn chế về trọng lượng. Các yêu cầu về chức năng và an toàn điện, cũng như điều kiện môi trường phụ thuộc rất nhiều vào các ứng dụng và thị trường địa lý. Mặt khác, tình hình cạnh tranh giữa tất cả các nhà sản xuất đòi hỏi phải đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng.

Về hiệu suất và độ tin cậy, silicon carbide (SiC) là công nghệ bán dẫn điện được lựa chọn. Trong khi nỗi lo về phạm vi hoạt động là một vấn đề khiến thị trường xe ô tô chở khách chuyển từ silicon sang SiC tiết kiệm năng lượng hơn, thì các phương tiện như xe buýt hoạt động trên các tuyến đường đã biết và xe địa hình di chuyển quãng đường tương đối ngắn. Đối với các ứng dụng này, khả năng điện áp cao của SiC cho phép sạc nhanh hơn với thời gian quay vòng ngắn hơn và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao giúp tối đa hóa độ tin cậy. Hơn nữa, các mô-đun yêu cầu ít thiết bị SiC hơn để chia sẻ nhiệm vụ và MOSFET SiC có thể nhỏ hơn so với điện áp đánh thủng so với các đối tác silicon của chúng. Do đó, cũng có thể tiết kiệm được kích thước mô-đun.

Tuy nhiên, các thiết bị điện SiC không phải là sự thay thế trực tiếp cho MOSFET silicon hoặc IGBT. Sắp xếp điều khiển cổng thích hợp để đảm bảo chuyển đổi nhanh và mượt ở tần số cao không phải là điều đơn giản. Có những thách thức khác bao gồm tích hợp các thành phần phần cứng, đặc biệt là bộ biến tần và mô-đun nguồn thông minh, cũng như thiết lập và hiệu chỉnh phần mềm điều khiển động cơ.

Phát triển nhanh chóng

Để giúp vượt qua những thách thức trong quá trình phát triển và đẩy nhanh thời gian đưa ra thị trường các mô-đun nguồn SiC mạnh mẽ và đáng tin cậy (Hình 1), CISSOID đã sản xuất một nền tảng bộ biến tần kéo SiC và thiết kế tham chiếu. Các nhà sản xuất hệ truyền động có thể sử dụng nền tảng này để xây dựng các hệ thống có khả năng hoạt động từ điện áp pin lên đến 850V. Phần cứng có dạng mô-đun và có thể mở rộng để tạo ra các thiết kế có nhiều mức công suất khác nhau.

Hình 1. Thiết kế tham chiếu bộ biến tần SiC điện áp cao của CISSOID.

Thiết kế tham chiếu giải quyết các khía cạnh của bộ biến tần vốn nổi tiếng là khó và tốn thời gian để thực hiện đúng. Các thành phần cốt lõi bao gồm mô-đun nguồn thông minh (IPM) 3 pha 1200V, đã được tích hợp với trình điều khiển cổng được tối ưu hóa cho các ứng dụng SiC và được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao (Hình 2). Bộ điều khiển cung cấp dòng điện cổng cực đại vượt quá 10A và có thể hoạt động ở nhiệt độ môi trường lên đến 125°C.

Hình 2. Mô-đun nguồn thông minh (IPM) bao gồm tầng nguồn SiC với bộ làm mát chân cắm và bộ điều khiển cổng gắn trên cùng [2].

Vì trình điều khiển cổng SiC đã được tích hợp với mô-đun nguồn, người dùng có thể bắt đầu dự án của mình bằng giải pháp đã được xác thực và tối ưu hóa cho tốc độ chuyển mạch nhanh và tổn thất thấp, không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng dI/dt và dV/dt cao và có khả năng bảo vệ mạnh mẽ cho các tầng nguồn. Do đó, số lần lặp lại cần thiết để tinh chỉnh hiệu suất mô-đun và đảm bảo quản lý nhiệt phù hợp được giảm đáng kể. Phần cứng bổ sung trong thiết kế tham chiếu bao gồm cảm biến dòng điện DC và dòng điện pha, lọc EMI, bộ làm mát chất lỏng nhỏ gọn và tụ điện liên kết DC mật độ cao. Tụ điện liên kết DC được phát triển riêng cho nền tảng biến tần và bao gồm nhiều tùy chọn điện áp và dòng điện.

Kiểm soát và hiệu chuẩn phần mềm

Để hoàn thiện thiết kế tham chiếu, còn có một bảng điều khiển động cơ điện, với bộ xử lý và phần mềm dành riêng cho ứng dụng, cả hai đều được chứng nhận trước theo tiêu chuẩn ISO 26262, ASIL cấp D về an toàn chức năng. Phần mềm điều khiển động cơ cho phép điều chỉnh nhiều loại mà không ảnh hưởng đến chứng nhận an toàn chức năng, mang lại sự linh hoạt để tối ưu hóa hành vi của động cơ theo yêu cầu trong trường hợp sử dụng cuối. Người dùng có thể chạy phần mềm ứng dụng tùy chỉnh của riêng họ trên phần mềm này.

Bảng điều khiển được thiết kế xung quanh bộ điều khiển lập trình tại hiện trường (FPCU) Silicon Mobility OLEA ^® T222. Phương pháp này cho phép thiết kế tham chiếu kết hợp tính linh hoạt dựa trên phần mềm của bộ xử lý thông thường với khả năng tăng tốc phần cứng để đảm bảo hiệu suất thời gian thực lên đến tốc độ động cơ mong muốn cao nhất. Bằng cách bao gồm bảng điều khiển, thiết kế tham chiếu cũng giúp người dùng tránh được những thách thức tích hợp cơ học và điện thông thường khi kết hợp bảng điều khiển và Mô-đun nguồn thông minh.

OLEA ^® APP INVERTER là phần mềm điều khiển linh hoạt và có thể tùy chỉnh hoàn toàn (Hình 3), phù hợp với bất kỳ cấu hình hệ thống truyền động điện và phạm vi công suất nào nhờ bộ cấu hình và thông số hiệu chuẩn có thể được sửa đổi ngoại tuyến hoặc theo thời gian thực. Phần mềm cũng đi kèm với một khuôn khổ gỡ lỗi và hiệu chuẩn bao gồm giao diện đồ họa. 

Hình 3. Phần mềm điều khiển OLEA ^® APP INVERTER cung cấp nhiều tính năng để điều chỉnh và tối ưu hóa hoạt động của động cơ. Sử dụng OLEA ^® COMPOSER, các nhà phát triển có thể rút ngắn thời gian cần thiết để tối ưu hóa phần mềm điều khiển động cơ (xem thanh bên để biết thêm thông tin về quy trình bốn bước để thực hiện việc này). 

Hiệu suất biến tần SiC Sau khi các thông số được thiết lập, động cơ có thể được kiểm tra và hiệu quả của sự kết hợp biến tần-động cơ có thể được lập bản đồ. Hình 4a và 4b so sánh hiệu suất của biến tần dựa trên SiC với biến tần silicon-IGBT được thử nghiệm trong các điều kiện thực tế tương tự.

Hình 4a. Hiệu suất biến tần SiC lên đến 260kW @ 13500rpm, cho thấy hiệu quả trên toàn bộ phạm vi tốc độ và mô-men xoắn.
​​Hình 4b. Biến tần dựa trên silicon lên đến 120kW @ 11500rpm, có khả năng mô-men xoắn bị suy giảm (xem điểm giao nhau) trong các điều kiện tương đương.

Các biểu đồ hiệu suất này cho thấy hiệu suất cao hơn của đường truyền dựa trên SiC đảm bảo trải nghiệm người dùng vượt trội. Khi tốc độ và nhu cầu tải tăng lên, mô-men xoắn của động cơ khi vận hành từ ổ đĩa dựa trên IGBT giảm đáng kể do hiệu suất thấp hơn; hiện tượng tự tỏa nhiệt liên quan đến tổn thất năng lượng trong thiết bị không thể tiêu tan nếu không tăng đáng kể khả năng làm mát. Ngược lại, ổ đĩa dựa trên SiC hiệu suất cao có thể cung cấp mô-men xoắn gần hơn với cực đại trên phạm vi tốc độ và tải rộng hơn nhiều.

Thiết lập và hiệu chuẩn đường truyền

Bộ công cụ OLEA ^® COMPOSER giúp người dùng có được động cơ quay theo thông số kỹ thuật của khách hàng. Nó hỗ trợ thực hiện hiệu chuẩn các thông số như điện áp, công suất định mức, tốc độ và mô-men xoắn để đạt được phạm vi làm việc tối ưu. Sau khi hoàn tất, có thể lập bản đồ hiệu suất động cơ-biến tần.

Thiết lập và hiệu chuẩn được hoàn tất trong bốn bước:

Bước 1: Cấu hình thông số phần mềm

• Cấu hình phần mềm OLEA ^® APP INVERTER theo thông số động cơ điện.

Bước 2: Thiết lập phần cứng biến tần

• Thiết lập động cơ điện bao gồm các thành phần như bộ giải quyết và cảm biến nhiệt độ. Kết nối bộ điều khiển điện tử EV (ECU) và giao diện băng ghế (ví dụ CAN, an toàn), giao diện nguồn và làm mát.

• Kiểm tra giao diện an toàn biến tần với băng ghế thử nghiệm.

Bước 3: Hiệu chuẩn hệ thống điều khiển động cơ

• Chế độ vòng hở: hiệu chuẩn chuỗi điều hòa tín hiệu cảm biến dòng điện và điện áp bằng OLEA ^® T222 FPCU.

• Chế độ vòng hở một phần: hiệu chuẩn độ lệch cảm biến vị trí, cho dù sử dụng bộ giải quyết hay cảm biến cảm ứng.

• Chế độ vòng kín dòng điện: điều chỉnh bộ điều khiển PI bên trong của các vectơ ID và IQ để điều khiển hướng trường (FOC).

• Chế độ điều khiển mô-men xoắn: tinh chỉnh vòng điều khiển mô-men xoắn để có phản ứng chính xác và động.

• Chế độ vòng kín tốc độ: hiệu chuẩn bộ điều chỉnh tốc độ.

Bước 4: Tối ưu hóa hệ thống nâng cao

• Điều chỉnh tần số chuyển mạch: điều chỉnh tần số chuyển mạch tùy thuộc vào tốc độ và dòng điện pha.

• Bù thời gian chết: điều chỉnh thuật toán bù thời gian chết để giảm thiểu sóng hài pha-dòng điện.
• Làm yếu từ thông: Tối ưu hóa điểm đặt ID/IQ để vận hành hiệu quả trong vùng mô-men xoắn cực đại trên điện áp (MTPV).

• SVPWM/DPWM: định nghĩa ngưỡng giữa điều chế độ rộng xung vectơ không gian (SVPWM) và điều chế độ rộng xung không liên tục (DPWM), mang lại hiệu suất cao hơn ở tốc độ cao.
Sử dụng phương pháp này cho phép điều chỉnh thiết kế tham chiếu để đạt hiệu suất lớn hơn 99%, hoạt động trên bus 700V, lên đến 4000 vòng/phút, như minh họa bên dưới:

Kết luận

Các ngành xe buýt, xe tải và xe nông nghiệp mang đến cơ hội tốt cho quá trình điện khí hóa và giảm gánh nặng khí thải cho môi trường. Công nghệ điện silicon carbide có thể giúp tối đa hóa cả độ tin cậy và chu kỳ hoạt động của xe, cũng như mang lại hiệu suất vượt trội so với IGBT silicon hoặc MOSFET. Sự phức tạp của việc thiết kế bằng SiC và yêu cầu bắt buộc phải đảm bảo thời gian đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng đòi hỏi một nền tảng phát triển linh hoạt để giúp các nhà thiết kế đáp ứng các mục tiêu cho nhiều loại và loại xe khác nhau. Một thiết kế tham chiếu hoàn chỉnh cung cấp các giải pháp cho những thách thức chính khi thiết kế bằng SiC, đồng thời cho phép tính linh hoạt và khả năng mở rộng để giải quyết các mức công suất và điện áp pin khác nhau để xử lý các loại xe từ nhỏ đến lớn, giúp giảm thiểu hiệu quả các rủi ro trong thiết kế và giúp đẩy nhanh thời gian đưa sản phẩm ra thị trường.

Tài liệu tham khảo

[1] Nguồn: NESTE: Hướng tới tính di động bền vững / Tháng 4 năm 2023: https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards-sustainable-mobility#885e75ed
[2] Mô-đun nguồn thông minh SiC CISSOID: https://www.cissoid.com/sic-power-modules/