Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe máy điện đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC HÌNH ix DANH MỤC CÁC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lí chọn đề tài .1 1.2 Mục đích đề tài .1 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Các kết nghiên cứu 1.6 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài 1.7 Kết dự kiến đạt .4 1.8 Bố cục đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Lithium-Ion 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Lịch sử phát triển pin lithium-ion 2.1.3 Nguyên tắc hoạt động 2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion 2.1.5 Ưu nhược điểm pin lithium-ion 10 2.1.6 Cơ chế sạc xả 11 2.1.7 Vấn đề Over-charging (quá nạp) Pin Lithium-ion 14 iv 2.1.8 Vấn đề cân cell (cell balancing) 15 2.1.9 Sự ảnh hưởng nhiệt độ đến trình sạc pin Lithium ion 16 2.1.10 Các yêu cầu sử dụng pin Li-ion .17 2.2 Giới thiệu vi điều khiển Atmega 328P 17 2.2.1 Thông số kĩ thuật 18 2.2.2 Cấu trúc chung vi điều khiển Atmega 328P 19 2.2.3 Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Timer/Counter0 VĐK Atmega 328P 21 2.2.4 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC – Analog to Digital Converter) Atmega 328P 24 2.3 Một số linh kiện bán dẫn khác .26 2.3.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) .26 2.3.2 Photocoupler (Opto quang) 28 2.3.3 Điện trở 29 2.4 Diode mạch chỉnh lưu 31 2.4.1 Các loại diode .31 2.4.2 Mạch chỉnh lưu 32 CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33 3.1 Sơ đồ hệ thống mạch sạc Pin Lithium-ion ( 60 Cells) 33 3.2 Tính tốn thiết kế mạch nạp 33 3.3 Tính tốn thiết kế mạch nguồn nuôi vi điều khiển .35 3.4 Tính tốn, thiết kế mạch điều khiển .38 3.5 Sơ đồ toàn mạch 44 3.6 Tính tốn, thiết kế pin 60 cells Lithium-ion 46 3.6.1 Thiết kế gia công giá cố định pin 46 3.6.2 Thiết kế gia công hộp đựng pin 49 v 3.6.3 Bố trí gắn hộp pin lên xe .55 3.6.4 Ưu, nhược điểm hướng cải tiến 55 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 57 4.1 Thực nghiệm cho cell pin lithum-ion mắc nối tiếp 57 4.2 Thực nghiệm cho 60 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 5.1 Kết luận 59 5.2 Hạn chế đề tài 59 5.3 Kiến nghị 59 vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ADC: Analog to Digital Converter BMS: Battery Management System CC: Constant Current CNC: Computer Numerical Control CTC: Clear Timer on Time Compare Match CV: Current Voltage EV: Electric Vehicle GND: Ground IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor LCO: Lithium coban oxit LFP: Lithium sắt phosphate LiFePO4 LIB: Pin Li-ion hay pin lithium-ion LMO: Lithium mangan oxit LiMn2O4, Li2MnO3 LTO: Liti titanat Li4Ti5O12 NCA: Liti niken coban nhôm oxit LiNiCoAlO2 NMC: Lithium niken mangan coban oxit LiNiMnCoO2 POE: Poly oxyethylene PWM: Pulse Width Modulation SOC: State of Charge VAC: Volts Alternating Current VDC: Volts Direct Current VĐK: Vi điều khiển vii Các đơn vị dùng nghiên cứu Bảng đơn vị hệ đo lường quốc tế SI Đại lượng Đơn vị Tên đầy đủ Chiều dài mm Mili-mét Khối lượng kg Kilogram Thời gian s,h Giây, Cường độ dòng điện A Ampe Điện áp V Volt Nhiệt độ C Celsius Áp suất PSI Pound per square inch Tần số MHz Mega hertz Điện dung µF Micro Fara viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Quá trình xả sạc pin li-ion Hình 2.2 Đặc tính sạc, xả pin lithium-ion 12 Hình 2.3 Atmega 328P 18 Hình 2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega 328P 19 Hình 2.5 Các chân Atmega 328P 20 Hình 2.6 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 21 Hình 2.7 Sơ đồ khối timer/counter0 Atmega 328P 22 Hình 2.8 Chế độ Fast PWM 24 Hình 2.9 Cấu tạo IGBT kênh N 27 Hình 2.10 Ngun lí hoạt động Opto quang 29 Hình 2.11 Cấu tạo diode bán dẫn 31 Hình 2.12 Cấu tạo diode zenner 31 Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng 32 Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu tồn sóng 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống 33 Hình 3.2 Cầu diode KBL610 34 Hình 3.3 Đặc tính cầu diode KBL610 34 Hình 3.4 Mạch cầu chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều sang chiều 35 Hình 3.5 IC LM7805 36 Hình 3.6 Tụ hóa 25V-1000uF 36 Hình 3.7 Tụ gốm 104 37 Hình 3.8 Thạch anh SMD 16Mhz 37 Hình 3.9 Tụ gốm 22pF 37 Hình 3.10 Mạch nguồn sử dụng để nuôi VĐK 37 Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán mạch điều khiển 39 ix Hình 3.12 Các thơng số kĩ thuật IGBT 25N120 40 Hình 3.13 PC 817 41 Hình 3.14 Diode zenner 1N4740A 41 Hình 3.15 Điện trở 42 Hình 3.16 Mạch điều khiển 42 Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 44 Hình 3.18 Mạch sau thiết kế 45 Hình 3.19 Mạch sau đưa vào hộp nhôm 45 Hình 3.20 Ảnh 3D từ phần mềm Inventor-Giá đỡ pin 46 Hình 3.21 Bản vẽ kích thước giá đỡ pin(mm) 47 Hình 3.22 Tấm lót bảo vệ chống phóng điện điện cực hàn nối với nha 47 Hình 3.23 Bản vẽ kích thước lót(mm) 47 Hình 3.24 Gắn vào pin mô 48 Hình 3.25 Hình thực tế cụm 10 pin 48 Hình 3.26 Hộp pin thử nghiệm mica 49 Hình 3.27 Vách nhỏ (số lượng 2) 50 Hình 3.28 Bản vẽ kích thước vách nhỏ(mm) 50 Hình 3.29 Vách lớn phay rãnh CNC (số lượng 2) 50 Hình 3.30 Bản vẽ kích thước vách lớn phay rãnh CNC(mm) 51 Hình 3.31 Đế (số lượng 1) 51 Hình 3.32 Bản vẽ kích thước đế(mm) 51 Hình 3.33 Tai hộp (số lượng 2) 52 Hình 3.34 Bản vẽ kích thước tai hộp (mm) 52 Hình 3.35 Nắp hộp (số lượng 1) 52 Hình 3.36 Bản vẽ kích thước nắp hộp(mm) 53 x Hình 3.37 Hộp pin dự kiến để gia công CNC 53 Hình 3.38 Bản vẽ kích thước hộp nhơm 54 Hình 3.39 Hộp pin sau thiết kế xong 54 Hình 3.40 Vị trí hộp pin gắn xe 55 xi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật vi điều khiển Atmega 328P 18 Bảng 2.2 Giá trị điện trở theo vòng màu 30 Bảng 3.1 Các thông số pin Lithium-ion 46 Bảng 4.1 Kết sạc cells pin lithium-ion nối tiếp từ 12V, ngắt sạc đạt 16V 57 Bảng 4.2 Kết xả cells pin lithium-ion nối tiếp từ 16V, ngắt xả 12V 57 Bảng 4.3 Kết sạc 60 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 210V, ngắt đạt 220V 58 xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lí chọn đề tài Hầu hết phương tiện giao thông sử dụng động đốt với nhiên liệu hóa thạch, động có hiệu suất khơng cao thải mơi trường gần phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính Kết nghiên cứu tháng đầu năm 2017, khí thải phương tiện giao thơng tạo 55% khí NOx, 56% khí CO, 6% khí SO2 Chính điều tạo động lực cho nghiên cứu xoay quanh việc phát triển dòng xe sử dụng nguồn lượng tiết kiệm hơn, xe điện (EV - Electric Vehicle) bước tiến lớn giải vấn đề ô nhiễm mơi trường vấn đề nhiên liệu hóa thạch ngày cạn dần[1] Xe máy điện sử dụng điện thay cho xăng dầu, xe máy điện hồn tồn khơng có khí thải mơi trường hoạt động Việc sử dụng xe điện xu chung quốc gia phát triển giới biện pháp bảo vệ môi trường Với phát triển không ngừng ngành điện tử, công nghệ thông tin với xu sử dụng xe điện để thay dòng xe truyền thống sử dụng động đốt Thế Giới nay, nhà sản xuất xe máy điện lớn Thế Giới Tesla, Toyota, Yamaha, Honda hay VinFast (Việt Nam) áp dụng nguồn lượng cho dòng xe điện họ pin Lithium-Ion với nhiều ưu điểm mà loại pin mang lại như: Giúp giảm khối lượng xe, tuổi thọ pin cao, quãng đường di chuyển xa, thời gian sạc ngắn so với ắc-quy,… Tuy nhiên để phát huy hết ưu điểm Pin Lithium-ion, nhà sản xuất phải nghiên cứu chế tạo hệ thống để kiểm sốt q trình nạp xả pin cách kĩ lưỡng để đảm bảo tính an toàn hiệu cho người sử dụng 1.2 Mục đích đề tài  Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết pin lithium-ion 18650  Tính tốn, thiết kế xây dựng mạch quản lí lượng cho xe máy điện sử dụng động xoay chiều khơng đồng pha 220V-1.5kWh  Tính tốn, thiết kế chế tạo hộp chứa pin lithium-ion 18650 Hình 3.30 Bản vẽ kích thước vách lớn phay rãnh CNC(mm) Hình 3.31 Đế (số lượng 1) Hình 3.32 Bản vẽ kích thước đế(mm) 51 Hình 3.33 Tai hộp (số lượng 2) Hình 3.34 Bản vẽ kích thước tai hộp (mm) Hình 3.35 Nắp hộp (số lượng 1) 52 Hình 3.36 Bản vẽ kích thước nắp hộp(mm) Nắp có thiết kế lỗ 10mm để làm đầu âm, dương đầu cực acquy Hình 3.37 Hộp pin dự kiến để gia cơng CNC 53 Hình 3.38 Bản vẽ kích thước hộp nhơm Hình 3.39 Hộp pin sau thiết kế xong Khối lượng hộp pin chứa pin 5.5 kg Trong khối lượng hộp nhơm 2.5kg 54 3.6.3 Bố trí gắn hộp pin lên xe Phương án Bố trí miếng sắt taro lỗ 10mm hàn lên khung sườn xe sau cố định hộp pin bulong 10mm qua chân hộp nhôm gắn vào miếng sắt taro Chuẩn bị, tiến hành - Cắt miếng nhơm kích thước 50x50x10mm - Cắt miếng sắt kích thước 50x50x10mm - Khoan lỗ trịn tâm tất d = 8,5 mm taro 10 mm - Hàn miếng sắt vào khung xe - Hàn miếng nhôm vào đáy hộp - Lắp hộp pin vào cho lỗ bên đồng tâm siết bulong cho chặt để cố định hộp pin xe Hình 3.40 Vị trí hộp pin gắn xe 3.6.4 Ưu, nhược điểm hướng cải tiến Ưu điểm  Chất liệu hộp từ nhôm tản nhiệt tốt  Nhẹ sắt, cứng bền nhựa mica 55  Có tính thẩm mỹ  Tính an tồn cao Nhược điểm  Chi phí gia cơng hộp cao  Hộp pin chưa chống nước được, chưa thể chạy trời mưa  Giá đỡ pin phải dán để ghép lại chưa chắn Hướng cải tiến  Giảm chi phí gia cơng: Mua nhơm, tự cắt cho kích thước Chỉ gia cơng phay rãnh trượt giá pin máy NC  Nghiên cứu phương án phay mica thay dán ghép giá đỡ pin chưa chắn  Thiết kế để bỏ mạch sạc vào hộp 56 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 4.1 Thực nghiệm cho cell pin lithum-ion mắc nối tiếp Sử dụng mạch nạp 18V có sẵn mạch điều khiển theo hình 3.16 (thay điện trở 100k-2W thành điện trở 1k, điện trở 590k thành điện trở 30k, sử dụng giá trị PWM khác) thu kết sau: Bảng 4.1 Kết sạc cells pin lithium-ion nối tiếp từ 12V, ngắt sạc đạt 16V STT Cường độ dòng điện I (A) xấp xỉ 1.8-0.8 1.8-0.8 1.8-0.8 1.5-0.8 1.5-0.8 Thời gian t (h) Ghi 2.8 2.8 2.8 4.0 3.9 *1.8-0.8: Dòng điện thay đổi từ 1.8A0.8A Nhận xét: Mạch điều khiển điều chỉnh dịng điện cho pin cell Điều chỉnh dòng sạc ban đầu 1.8A nhằm giảm thời gian sạc cho pin Khi điện áp pin tăng lên, dòng điện qua pin giảm, dịng điện qua pin biến thiên lớn, ảnh hưởng đến thời gian sạc pin Khi cho dòng ban đầu 1.5A thời gian sạc pin tăng lên, dịng điện ổn định Khi điện áp pin đạt xấp xỉ 16V (mỗi cell xấp xỉ 4V) VĐK bắt đầu ngắt sạc, q trình ngắt khơng diễn điện áp trung bình cell thay đổi lên xuống dịng sạc điều chỉnh xung PWM, ADC VĐK nhận giá trị điện áp thay đổi liên tục nên trình ngắt diễn chậm (sau khoảng 20 phút ngắt hẳn) Tuy nhiên mạch đảm bảo cho pin không xảy vấn đề overcharging Bảng 4.2 Kết xả cells pin lithium-ion nối tiếp từ 16V, ngắt xả 12V STT Cường độ dòng xả Thời gian t (h) Iload (A) xấp xỉ 1.25 1.2 1.2 1.2 1.15 Ghi 57 Nhận xét: Thực nghiệm xả cells pin với dịng xả khoảng 2A để tính cơng suất dung lượng thực tế pin Trên lý thuyết, pin lithium-ion 18650 3200mAh cung cấp cho tải 3.2A (điện áp pin từ 16.8V-10V) vòng 1h Với kết thực nghiệm ta có kết pin lithium xả dịng 2.5A vịng 1h (từ 16V-12V) Qua cho thấy dung lượng thực pin lithium xấp xỉ dung lượng mà nhà sản xuất đưa Việc tính cơng suất dung lượng xác pin khó ta cần trạng thái đầy đủ cell pin 4.2 Thực nghiệm cho 60 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp Bảng 4.3 Kết sạc 60 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 210V, ngắt đạt 220V STT Cường độ dòng điện I (A) xấp xỉ 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 Thời gian t (h) Ghi 1 0.8 0.8 0.8 *Cho dòng 0.4A 0.5A nhằm giảm thiểu nguy cân cell pin Nhận xét: Tương tự cells, trình ngắt cho 60 cells không ngắt (khoảng 20 phút ngắt hẳn) Nhóm thực nghiệm với dòng sạc 0.5A điều khiển ngắt sạc điện áp pin đạt 220V hệ thống chưa kiểm soát vấn đề cân cell, sạc lên cao gây nguy cân cell lớn Với số liệu ta ước lượng rằng, giả sử dòng điện ổn định 1A thời gian sạc từ 180V lên 240V khoảng 3h 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận  Hệ thống kiểm soát điện áp pin ngăn chặn tình trạng nạp xả, qua giúp pin có tuổi thọ lâu đảm bảo an toàn cho người sử dụng  Việc nghiên cứu hệ thống quản lý lượng cho xe điện sử dụng pin lithium-ion bước đầu cho thấy kết khả quan, hết nhóm thực nghiên cứu, khắc phục phát triển hệ thống tương lai 5.2 Hạn chế đề tài Quá trình điều tiết sạc/xả tế bào pin Li-ion hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào pin lắp nối tiếp với mức điện cao tương đối khác biệt thế:  Việc đảm bảo cân cell pin chưa giải  Chưa điều chỉnh dòng sạc ổn định  Chưa kiểm soát dung lượng pin 5.3 Kiến nghị  Việc nghiên cứu thực nghiệm với nguồn điện áp cao (220V) nguy hiểm nên cần phải cẩn trọng, dù có sai sót nhỏ gây ảnh hưởng lớn đến an toàn cản trở việc thực nghiệm  Trong trình thực nghiệm hay xảy cháy nổ gây ảnh hưởng lớn đến thời gian hồn thành đồ án  Đề tài cịn nhiều vấn đề cần khắc phục cải thiện như: Cân cell, vấn đề nhiệt độ, dòng sạc chưa ổn định,… nên cần nhiều thời gian để nghiên cứu tính tốn 59 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Duy Tấn: Nghiên cứu tối ưu tính làm việc Pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ, tập 20, số K6-2017 [2] M.Brandl, G.Hall , Battery Management System For Electric Vehicle, 2016 [3] Research Article “A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on Android Client”, https://www.hindawi.com/journals/je/2017/2579084/ [4] Bách Khoa toàn thư mở, “Pin Lithium-ion”, https://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_Liion [5] C.Wood, Lithium-ionbatteries, https://www.explainthatstuff.com/how-lithium-ionbatteries-work.html [6] Atmel, ATmega328P, Datasheet, 2015 [7] “Điều chế PWM gì”, http://viettech.edu.vn/news/dieu-che-pwm-la-gi/ [8] “Why is IGBT a voltage control device”, https://www.quora.com/Why-is-IGBT-avoltage-control-device [9] Trần Thu Hà (Chủ biên), Điện tử bản, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh [10] Bách Khoa toàn thư mở, “Photocouple”, https://en.wikipedia.org/wiki/Opto isolator [11] “Tìm hiểu Diode bán dẫn gì”, http://dammedientu.vn/tim-hieu-diode-ban-danla-gi/ [12] “Diode gì, Tìm hiểu chức Diode”, https://testostore.vn/diot-vamach-chinh-luu-la-gi-nguyen-tac-cau-tao/ Phụ Lục Chương trình C cho hệ thống: /******************************************************* Project : Batterry Management System Version : 1.0 Date : 9/7/2019 Author : Company : Comments: Chip type : ATmega328P Program type : Application AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz Memory model : Small External RAM size :0 Data Stack size : 512 *******************************************************/ #include #include float giatriADC; // Declare your global variables here // Timer output compare A interrupt service routine interrupt [TIM0_COMPA] void timer0_compa_isr(void) { if (giatriADC >= 815) { OCR0A = 0; PORTC.5 = 1; } else if (giatriADC