Nghiên cứu thiết kế mạch sạc pin sử dụng năng lượng mặt trời cho điện thoại di động

Bài viết Nghiên cứu thiết kế mạch sạc pin sử dụng năng lượng mặt trời cho điện thoại di động đề cập đến thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện, có thể sử dụng cho các thiết bị di động nạp điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời hoặc thông qua nguồn điện lưới mà công suất và độ ổn định của nó vẫn được đảm bảo rất cao.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 79 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CHO ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG STUDYING AND DESIGNING BATTERY CHARGER CIRCUIT USING SOLAR ENERGY FOR MOBILE PHONE Vũ Vân Thanh Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; vuvanthanh85@gmail.com Tóm tắt - Năng lượng tái tạo, lượng mặt trời giới quan tâm nghiên cứu sử dụng Với ưu điểm sẵn có, dồi dào, thân thiện với mơi trường, giải pháp thay cho nguồn lượng khác ngày cạn kiệt Trái Đất [1, 2] Trong năm gần đây, thiết bị di động sử dụng rộng rãi thiếu hoạt động ngày người Tuy nhiên, vấn đề lượng mối quan tâm hàng đầu nhà sản xuất thiết bị di động Vậy giải pháp để hỗ trợ người dùng tốt việc loại bỏ nhược điểm phải kèm theo nạp tìm kiếm chỗ cắm điện? Bài báo đề cập đến thiết kế chuyển đổi lượng mặt trời thành lượng điện, sử dụng cho thiết bị di động nạp điện trực tiếp từ lượng mặt trời thông qua nguồn điện lưới mà công suất độ ổn định đảm bảo cao Abstract - Renewable energy, including Solar Energy, has gained worldwide attention in both research and use Solar energy is:, availabie, abundant, and environment-friendly; so it is an alternative to fossil fuels which are running out [1, 2] In recent years, smart mobile devices have been widely used in all human activities However, their Battery capacity is the biggest concern of any mobile company Then, can we find a way to recharge smart mobile devices without using chargers or electric sockets? This report is about a charger that can transform solar Energy into electric energy This charger can take Solar Power directly or use Grid Electricity Power to charge the device with high capacity and stability Từ khóa - lượng mặt trời; chuyển đổi DC-DC; nạp pin Li-Ion; ổn áp Buck; ổn áp Boost Key words - Solar Power; DC-DC converter; charging batteries Li-Ion; Buck; Boost Đặt vấn đề Hệ thống sạc điện cho thiết bị di động từ nguồn lượng mặt trời ngày ứng dụng rộng rãi Hệ thống sử dụng lượng mặt trời có cấu tạo nhiều cell kết nối lại với Mỗi cell pin lượng mặt trời có kích thước thương mại chuẩn gồm loại 3x6 inch, 5x5 inch, 6x6 inch, điện áp từ 0,51V đến 0,66V, dòng điện tùy thuộc vào chất lượng cell hiệu suất cell Hiện nay, hầu hết sạc pin thường dùng chuyển đổi DC-DC [3] để tạo mức điện áp cung cấp cần thiết Việc thiết kế sạc cho cell Pin Li-Ion với điện áp nạp đầy 4,2V cần chuyển đổi DC-DC có áp ổn định ngõ 4,2V Thông thường, để tăng dung lượng, cell Pin mắc song song lại với Ví dụ mắc cell 1200 mAh lưu trữ lên đến 3600 mAh, nhiên tùy công suất sạc pin Li-Ion mà ta mắc số cell cần thiết Tuy nhiên, điện áp 4.2V từ sạc pin Li-ion nạp cho thiết bị di động được, việc thiết kế thêm sạc cho thiết bị di động bắt buộc Về cấu tạo, sạc mở rộng nâng áp ngõ sạc pin Li-ion từ (3,7V đến 4,2V) lên 5V 12V Như vậy, sạc điện cho thiết bị di động từ lượng mặt trời cần chuyển đổi DC-DC hạ áp (Buck) nâng áp (Boost) [4-7] Trong báo này, nội dung nghiên cứu tập trung vào thiết kế hai chuyển đổi DC-DC kết hợp với lưu trữ điện dùng Pin LiIon để có nạp điện cho thiết bị di động ổn định, có hiệu suất cao việc ứng dụng lượng mặt trời Phần trình bày nghiên cứu hạ áp, tăng áp Đây sở cho việc thiết kế hệ thống sạc cho thiết bị di động trình bày Phần Cuối cùng, kết thực nghiệm chứng tỏ việc sử dụng rời rạc hai sạc pin Li-ion (Buck) sạc thiết bị di động (Boost) đạt hiệu suất cao, đảm bảo yêu cầu thực tiễn sản phẩm Bộ hạ áp (Buck) sạc điện cho Pin Li-Ion Hình Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp kiểu Buck Hình cho thấy thành phần mạch gồm: nguồn vào nguồn tạo từ lượng mặt trời, khóa chuyển mạch (có thể dùng Transistor MosFet), cuộn lọc, diode, tụ lọc Điện áp đầu vào đóng cắt để tạo thành chuỗi xung có độ rộng điều chế Điện áp lọc qua mạch lọc LC Ở đầu ra, điện áp chiều thấp so với điện áp vào Diode D có tác dụng dịng điện cho điện cảm khóa K ngắt Do mạch không sử dụng linh kiện tiêu tán công suất (R) công suất nguồn không bị mát mạch điều chỉnh điện áp nên hiệu suất biến đổi Buck lý tưởng đạt tới 100% Khi khóa K đóng, điện áp chuyển tới cuộn cảm Do khác điện áp đầu vào đầu ra, dịng qua cuộn cảm tăng lên, gây tượng phóng điện cuộn cảm Trong thời gian khóa K mở, khơng có dịng từ cuộn cảm qua tải mà cịn có dịng tụ điện phóng (do tụ điện nạp suốt thời gian này) Dòng áp khóa K đóng tính tốn phương trình sau: 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑉𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝐿 ; 𝑣ớ𝑖 = 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝐿 Vũ Vân Thanh 80 𝑉𝑖𝑛 −𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 ∆iL(on) = ( 𝐿 )*DT (1) D: chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Khi chuyển đổi ngắt, điện áp đầu vào đặt vào cuộn cảm xóa bỏ Tuy nhiên từ dịng qua cuộn cảm khơng thể thay đổi tức thời, điện áp cuộn cảm giữ khoảng khơng đổi.Ta có phương trình dịng, áp khóa K ngắt: 𝑉𝐿 = −𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝐿 ∆iL(off) = − 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝐿 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 ; với 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 =− Bộ nâng áp (Boost) sạc điện cho thiết bị di động Mạch Boost mạch có có giá trị áp trung bình đầu cao điện áp đầu Đó lý mạch Boost sử dụng chuyển đổi tăng áp Bộ chuyển đổi mắc song song với nguồn đầu bị ngắt theo chu kì, lượng cung cấp từ cuộn cảm nguồn làm giá trị áp trung bình đầu tăng lên Nguyên lý, cấu tạo mạch cho Hình 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝐿 (1 − 𝐷)𝑇 (2) Tụ điện phóng điện cung cấp vào tải thời gian khóa cắt, (dịng qua tải bao gồm cuộn cảm tụ điện) Sự biến đổi liên tục cuộn cảm tạo nên xung dịng điện Hình VL VinVload IL IMax IMin Hình Sơ đồ nguyên lý mạch ổn áp kiểu Boost -Vload ∆iL TO TON TOFF N DT T T (1-D)T DỊNG DC TRUNG BÌNH RA TẢI 𝑉𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 = 𝐿 ∆iL(on) = Hình Giản đồ xung áp dòng điện cuộn dây Từ (1) (2) ta có quan hệ Vin Vload ∆iL(on) + ∆iL(off) = => 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝐷 D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1), < Vload < Vin Với chuyển đổi Buck, vấn đề thường đặt sau: Cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ Vload, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, để xác định giá trị điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định điện áp ngõ Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ngõ xác định phạm vi thay đổi D: 𝐷𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑉𝑖𝑛,𝑚𝑎𝑥 , 𝐷𝑚𝑎𝑥 = Cuộn cảm đóng vai trị quan trọng tất cấu trúc nguồn xung Trong chu kỳ khóa K đóng, cuộn cảm nối trực tiếp với nguồn tích lượng dạng từ trường lõi điện cảm 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 𝑉𝑖𝑛,𝑚𝑖𝑛 Căn từ vấn đề ta thiết kế ổn áp Buck với Vin khoảng 6,5V đến 24V Vout 4,2V ổn định Hình Tấm lượng mặt trời (72cell) ổn áp Buck Pin Liion Hình Mạch ổn áp Buck nạp điện cho Pin Li-Ion 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 𝑉𝑖𝑛 ∗𝐷𝑇 với 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 = 𝑉𝑖𝑛 𝐿 (3) 𝐿 D: chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) Khi khóa K mở, dịng điện từ nguồn nạp vào cuộn cảm đột ngột bị cắt Do tính chất trì dịng điện cuộn cảm, cuộn cảm trì dịng điện qua cách sinh điện áp lớn cực Vì nhánh từ nguồn qua khóa K bị cắt, nên nhánh qua diode Do vậy, dòng điện từ điện cảm chạy qua diode, nạp cho tụ C cấp cho tải 𝑉𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 − 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝐿 ∆iL(off) = 𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡 (𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 )(1−𝐷)𝑇 𝐿 (4) Về nguyên tắc, điện áp cuộn cảm tạo lớn khơng bị giới hạn điện áp vào Chỉ cần đạt cân công suất: 𝑃𝑖𝑛 = 𝑉𝑖𝑛 ∗ 𝐼𝑖𝑛 ∗ 𝜏 = 𝑃𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 ∗ 𝐼𝑙𝑜𝑎𝑑 Do vậy, tạo điện áp cao, dòng phải đủ nhỏ Từ (3) (4) ta có quan hệ áp vào Vin Vload 𝑉𝑖𝑛 ∆iL(on) + ∆iL(off) = => 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 1−𝐷 D thay đổi từ đến (không bao gồm giá trị 1), < Vin < Vload Tương tự ổn áp Buck, toán thường gặp sau: cho biết phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ Vload, độ dao động điện áp ngõ cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iload,min, xác định giá trị điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch phạm vi thay đổi chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định điện áp ngõ Phạm vi thay đổi điện áp ngõ vào giá trị điện áp ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(88).2015 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 Từ ta thiết kế mạch ổn áp Boost thực tế Hình với áp vào từ 3,7V đến 4,2V áp ngõ 5,2V ổn định Hình Mạch ổn áp Boost sạc cho thiết bị di động Thiết kế nạp cho thiết bị di động lượng mặt trời kết đạt 4.1 Thiết kế nạp cho thiết bị di động lượng mặt trời hiệu suất cao 4.1.2 Pin Li-Ion Pin Li-on 18650 có điện áp 3,7V, kích thước nhỏ đường kính 18mm, cao 65mm, dung lượng lớn từ 1000 ~ 3000 mAh, tuổi thọ pin sạc khoảng 500 lần, độ an toàn cao,thường dùng làm pin Laptop, để tăng dung lượng pin ta mắc song song nhiều cell lại, đề tài thiết kế cho việc mắc song song cell pin dung lượng đạt từ 6000 ~ 18000 mAh mà công suất đảm bảo 4.1.3 Mạch ổn áp Buck Mục đích để hạ áp cho áp ổn định mong muốn mà hiệu suất phải cao Ta chọn mạch ổn áp có sơ đồ nguyên lý Hình Trong sơ đồ nguyên lý này, ta dùng LM317 mắc nối tiếp với nhau, U1 đóng vai trị làm nguồn dịng, U2 đóng vai trị hạ áp ổn áp ngõ theo ý thiết kế (phụ thuộc RV1, R2) Ưu điểm phương án thiết kế giúp cho giá trị dòng áp mạch theo mục tiêu thiết kế tác giả Hơn nữa, cịn giúp tăng cơng suất chịu đựng mạch dịng áp ngõ vào lớn Ngồi ra, u cầu mạch cần thêm chức bảo vệ pin nạp đầy U1 U2 LM317EMP VI R13 ADJ VO LM317EMP R1 VI VO 0.47R/5W 0.47R/5W +(7-32V) R4 R6 500 15K C1 R2 1000uF 25V Q2 + 39 U3 10K C2 R3 A1013 RV2 120 1−𝑉𝑖𝑛𝑚𝑖𝑛 , 81 ADJ 𝐷𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 ngõ xác định phạm vi thay đổi D: 𝐷𝑚𝑖𝑛 = 1−𝑉𝑖𝑛𝑚𝑎𝑥 TL431 CELL PIN LIPO D1 1000uF Q1 D468 RV1 10K R5 LED 22K - 0V Hình Sơ đồ thiết kế mạch ổn áp Buck 𝑅𝑣1 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 1.25(1+ Hình Hệ thống sạc điện cho thiết bị di động thực tế Hệ thống sạc điện cho thiết bị di động Hình bao gồm thành phần chính: lượng mặt trời, pin liIon,mạch ổn áp Buck, mạch ổn áp Boost 4.1.1 Tấm lượng mặt trời Tấm lượng mặt trời 72 cell chọn nhằm mục đích đảm bảo nguồn cung cấp cho mạch ổn áp Buck để trì lượng nạp cho pin Li-Ion Bảng cho kết khảo sát mức lượng lượng mặt trời 72 Cell gắn với mạch ổn áp Buck (V2out) không gắn (V1out) điều kiện trời khơng mưa Trong đó, mức điện áp tốt từ lượng mặt trời 6,5V đến 9V gắn với ổn áp Buck, áp từ 6,5V trở lên qua mạch ổn áp Buck đảm bảo công suất để mạch ổn áp Buck tạo 4,2V nạp cho Pin Li-Ion Kết thu khoảng thời gian từ 8h-16h STT Thời gian 18h-6h 6h-8h, 16h-18h 8h-10h, 15h-16h 10h-15h V1out 8V-10V 10V-15V 15V-20V 20V-24V V2out 4V-5,01V 5,01V-6,5V 6,5V-7,5V 7,5V-9V 𝑅𝑣1 )=4.2V => 𝑅2 = 2.36 Chọn R2=120Ω, => RV1=283,2Ω, nên ta chọn RV1 biến trở để linh hoạt việc chọn giá trị áp ngõ với việc điều chỉnh biến trở RV1 Dòng mạch quy định U1 Do mạch sạc PIN yêu cầu dòng lớn 0,8A, ta chọn 𝑖𝑙𝑜𝑎𝑑 = 𝑉𝑟𝑒𝑓 = 𝑅1 +𝑅13 1,25 = 1,32A 0,47+0,47 Như U1 ngồi chức đảm bảo cơng suất hoạt động cho tồn mạch, cịn đóng vai trị nguồn dòng cung cấp cho mạch với dòng 1.32A 4.1.4 Mạch ổn áp Boost Ứng dụng MC34063A để thực chức mạch ổn áp Boost, ta có sơ đồ nguyên lý Hình J1 J4 R11 0.22/5W CONN-SIL1 L1 R7 100u D2 R12 DIODE 1N4733A 180R R9 AU-Y1005-R 22K 180R VCC D+ DGND U4 SWC SWE CT V- DRC IPK V+ CINV Q3 C5 TIP41C 1000uF J2 MC34063 R8 R10 CONN-SIL1 6.8K 2.2 C4 1nF 1000uF J5 Bảng Kết khảo sát mức điện áp thu lượng mặt trời 72 cell 𝑅2 C3 5VDC 1000uF J3 CONN-SIL1 CONN-SIL1 Hình Sơ đồ thiết kế mạch ổn áp Boost Mục đích nâng áp cho áp ổn định mong muốn mà hiệu suất phải cao Ứng dụng MC34063 IC điều khiển PWM đa với dòng trực tiếp lên tới 1,5A Bản thân IC có chức bảo vệ q dịng cho mạch, thiết kế thích hợp Vũ Vân Thanh 82 Với sơ đồ kết nối Hình 8, mạch MC34063 thực chức nâng áp Ta cần áp mạch 5,2V với cơng thức tính: 𝑉𝑙𝑜𝑎𝑑 = 1,25 (1 + 𝑅10 𝑅9 ) = 5,2𝑉 Chọn R9=22kΩ=> R10=6,9kΩ, ta chọn R10 biến trở để điều chỉnh áp ngõ phù hợp giá trị trở 6,8kΩ Như áp mạch phụ thuộc vào giá trị điện trở R9 R10, không phụ thuộc vào điện áp ngõ vào đo mạch thỏa mãn điều kiện thiết kế nâng áp ngõ ra, cho dù áp ngõ vào thay đổi từ 3,7V đến 4,2V từ mạch nạp pin Li-Ion pin Li-ion 4.2 Kết đạt sạc điện cho thiết bị di động lượng mặt trời Các kết đo tiến hành cho hai trường hợp khơng tải có tải hai loại sạc: sạc lượng mặt trời sạc Nokia nhà sản xuất Tất phương pháp đo thực máy sóng Agilent 500Mhz Phịng Thí nghiệm Điện tử, Khoa Điện tử Viễn thơng Thiết bị di động sạc thí nghiệm Nokia E71 với dung lượng Pin 1500mAh Điện áp mạch ổn áp Buck gắn tải pin Li-Ion 4,02V, kết đo máy sóng chế độ đo DC số Volt/div=2, kết dạng sóng hiển thị vạch Điện áp cấp cho ngõ vào mạch ổn áp Boost 4.02V 0V Hình Kết đo áp mạch Buck gắn pin Li-ion 4.2.1 Trường hợp sạc di động khơng có tải (khơng sạc thiết bị di động) Điện áp ngõ mạch ổn áp Boost có giá trị hiển thị máy sóng Hình 10, với thiết lập máy sóng chế độ đo DC với số Volt/Div =2 5.2V ổn áp Boost tự thiết kế, cịn Hình 11b kết sạc nhà sản xuất cung cấp Thiết lập máy sóng chế độ AC với Volt/Div =5mV/div, Time/Div =50us/Div 200us/Div (a) (b) Hình 11 Áp gợn ngõ sạc khơng có tải Áp gợn mạch tự thiết kế có giá trị xấp xỉ 15mV, tần số gợn 10Khz Với sạc nhà sản xuất cho kết áp gợn xấp xỉ 10mV, tần số gợn 6,6Khz Đánh giá: với trường hợp không tải sạc cho kết tương đương nhau, độ ổn định sạc nhà sản xuất không chênh lệch lớn (