TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ý thức bảo vệ môi trường và sự quan tâm đến việc cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần nâng cao, con người dẫn chuyển từ phương tiện di chuyển dùng xăng hay dầu diesel sang một nguồn nhiên liệu nhân tạo và thân thiện với môi trường hơn. Đó là điện năng, cụ thể hơn là xu hướng phát triển và sử dụng xe ô tô và xe máy điện Và dựa vào tình hình thực tế, xe máy là một phương tiện di chuyển phổ biến và có nhu cầu sử dụng cao hơn hẳn so với xe ô tô hay các phương tiện di chuyển khác Do đó, xe máy điện ngày càng dành được sự quan tâm từ các hãng xe và người tiêu dùng tại Việt Nam Điều đó làm tăng lên một nhu cầu về việc nghiên cứu và phát triển về các hệ thống, thiết bị sử dụng pin trên phương tiện di chuyển.
Và bộ sạc cho pin giữ một vai trò quan trọng trong việc vận hành xe điện thông qua việc cung cấp điện năng cho pin Bên cạnh đó, pin Lithium-ion là dòng pin đã được nghiên cứu và phát triển bởi rất nhiều hãng công nghệ, điển hình như hãng Tesla Do đó việc ứng dụng công nghệ pin này trên xe máy điện sẽ an toàn và tiết kiệm thời gian, chi phí nghiên cứu Tuy nhiên, tồn tại một vấn đề, đó là loại pin này chỉ được sạc bởi nguồn điện một chiều với một điện áp và cường độ dòng điện nhất định nhưng mạng điện dân dụng ở Việt Nam là điện xoay chiều một pha Do đó muốn ứng dụng áp dụng công nghệ pin Lithium-ion cần có một bộ sạc để khắc phục vấn đề này Bộ sạc này cần phải chuyển đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều và cung cấp chính xác điện áp và cường độ dòng điện để sạc được cho bộ pin Lithium-ion.
Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung.
- Nghiên cứu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650.
- Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của nguồn xung Flyback, linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng.
- Tính toán và thiết kế mạch nạp cho xe máy điện.
- Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định của mạch điện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Biến áp xung và nguồn xung Flyback.
- MOSFET 11N90 và MOSFET Driver IR2103
- Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision, SIMetrix
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các đối tượng trên vào việc thiết kế mạch nạp cho xe máy điện và sẽ không nghiên cứu sâu vào thuật toán hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết: thu thập tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để áp dụng vào mạch nạp.
Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm mô phỏng SIMetrix mạch điện và dùng phần mềm STMCubeMX và Keli uVision để lập trình.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả: tiến hành thử nghiệm mạch, dựa trên các thông số tính toán và kết quả thực nghiệm đưa ra đánh giá hoạt động.
Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của nhóm tác giả Cao Xuân Tuyển và Nguyễn Anh Tuấn đã được đăng trên tạp chí Khoa và Công nghệ [1] Nhóm tác giả đã tính toán, thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần ở hai chế độ làm việc: chế độ làm việc dòng điên liên tục và gián đoạn Trong nghiên cứu này, bộ biến đổi Flyback đã được sử dụng để điều khiển máy biến áp và áp dụng các công thức để tính toán được các thông số cần thiết ở ba mức nguồn điện đầu ra khác nhau với cùng một nguồn điện đầu vào Với cùng một nguồn điện đầu vào V in = 9-15 (VDC), nhóm đã khảo sát với đầu ra lần lượt là V out = +5 (VDC), I out = 1,1 (A); V out = +15 (VDC), I out = 0,6 (A); V out
= -15 (VDC), I out = 0,6 (A) Việc mô phỏng bộ nguồn được nhóm tác giả thực hiện bằng phần mềm PSIM Dựa theo kết quả mô phỏng ở hai chế độ làm việc thì cả hai chế độ làm việc của máy biến áp đều làm việc ổn định Bên cạnh đó, bộ nguồn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn có chất lượng điện áp tốt hơn so với chế độ còn lại Tuy nhiên, kích thước mạch làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn nhỏ hơn, cần nhiều số vòng dây hơn và ở chế độ dòng điện liên tục có kích thước lớn hơn với số vòng dây ít hơn.
1.5.2 Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery Charging Applications Reference Design” [2] được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium-ion Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào V in = 100 -12 (VAC) với tần số 50-
60 (Hz) và nguồn điện ở đầu ra là V out = 21 (VDC), I out = 9,5 (A) Bộ sạc áp dụng loại nguồn xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W. Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion Bộ nguồn này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc Buck-Boost với
V in = 17,5-20,6 (VDC), I out = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban ngày Sau đó, các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra nguồn điện đầu ra V out 10 (VDC), I out = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs vào ban đêm.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ bản về nguồn xung
2.1.1 Các yếu tố sử dụng trong nguồn xung a Các đặc trưng về độ tự cảm của cuộn cảm Định luật biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một cuộn cảm theo phương trình: v = L(di/dt)
Với: L là độ tự cảm của cuộn cảm (H).
(di/dt) là sự biến thiên của dòng điện theo thời gian.
Các đặc điểm quan trọng của của cuộn cảm theo định luật về độ tự cảm: Điện áp qua cuộn cảm có giá trị khi và chỉ khi dòng điện biến thiên theo thời gian. Nếu đặt vào cuộn cảm dòng điện một chiều không đổi thì sẽ không có điện áp qua nó (ngoại trừ trường hợp có sự rơi áp nhỏ trên cuộn dây đồng).
Trong cuộn cảm, điện áp có thể thay đổi ngay lập tức còn cường độ dòng điện thì không (điều này chỉ xảy ra khi giá trị điện áp là vô cùng) Điện áp rơi trên cuộn cảm càng lớn khi cường độ dòng diện thay đổi càng nhanh.
Dưới đây là hình minh họa các đặc điểm về điện áp của cuộn cảm:
Hình 2.1 Mối quan hệ của điện áp và dòng điện trong cuộn cảm [4]
5 b Sự vận hành của dòng điện
Theo hiện tượng tự cảm, dòng điện qua cuộn cảm không tăng hay giảm đột ngột mà tăng dần và giảm dần theo thời gian.
Có hai chế độ vận hành dòng điện trong cuộn cảm:
Chế độ vận hành liên tục (CO – Continuous Operation): cường độ dòng điện trong cuộn cảm I L tăng từ giá trị I đến I đỉnh rồi lại giảm xuống I khi công tắc đóng cứ như vậy liên tục tăng rồi giảm, nhưng sẽ không bao giờ giảm về 0.
Chế độ vận hành không liên tục (DO – Discontinuous Operation): khi công tắc đóng, cường độ dòng điện trong cuộn cảm I L tăng từ 0 đến I đỉnh và cường độ dòng diện lại trở về 0 khi công tắc mở. c Biến áp trong nguồn xung
Yếu tố chính sử dụng trong đề tài chính là biến áp xung, khác với biến áp thường thì cuộn dây trong biến áp xung đồng thời đóng vai trò như một cuộn cảm và mỗi biến áp thường có hai hoặc nhiều cặp cuộn dây từ tính Dưới đây là sơ đồ mô tả bộ biến áp:
Hình 2.2 Sự vận hành biến áp [4]
6 Đối với một biến áp, điện áp đầu vào và đầu ra phụ thuộc vào số vòng dây quấn. Cuộn dây nào có số vòng dây cao hơn thì điện áp cao hơn nhưng dòng điện thấp hơn và ngược lại Dấu chấm trên biến áp xác định cực của nó so với cuộn dây khác, đảo chiều dấu chấm dẫn đến đảo chiều cực tính và dòng điện đầu ra. d Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) Điều chế độ rộng xung là phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra Điện áp đầu ra phụ thuộc vào độ rộng của chuỗi xung vuông trong một chu kỳ T p Và điện áp này được điều khiển trực tiếp bởi một công tắc trong bộ chuyển đổi bằng cách đóng/mở Cho ra điện áp một chiều V OUT được tính như trong hình sau:
Hình 2.3 Hình dáng và điện áp của PWM [4]
( / ) ở đây được gọi là chu kỳ hoạt động (thời gian mà công tắc mở chia cho thời gian của một chu kỳ), còn V PK là điện áp đỉnh.
Nguyên lý hoạt động mạch Flyback:
Mạch biến áp xung sử dụng mạch Flyback hoạt động như một cuộn cảm hay một thiết bị lưu giữ năng lượng từ trường.
Hình 2.4 Sơ đồ mạch Flyback [5]
Hình 2.5 Dòng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [5]
Mạch Flyback hoạt động như sau: trong khi khoá Q1 đóng và dẫn dòng điện chảy vào cuộn sơ cấp, cuộn này tích trữ năng lượng vào trong biến áp xung Và dòng điện I P trong cuộn sơ cấp sẽ tăng tuyến tính lên cao nhất Mặt khác, diode D1 của cuộn thứ cấp sẽ không dẫn và do đó sẽ không có dòng điện trong cuộn thứ cấp Suốt khoảng thời gian này, dòng ra tải sẽ được cung cấp chỉ bởi tụ lọc đầu ra C1.
Hình 2.6 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải) [12]
Sau đó, khi khóa Q1 ngắt và dòng điện trong cuộn sơ cấp dừng lại, năng lượng tích trữ trong biến áp xung này được đảo ngược và chuyển sang cuộn sơ cấp Dòng điện này không chỉ cung cấp cho tải mà còn sạc cho tụ C1, như là cách sạc lại cho tụ để có thể cung cấp lại cho tải vào giai đọan khóa Q1 đóng.
Một điều lưu ý khi áp dụng mạch Flyback là điện áp trong biến áp xung sẽ tồn tại giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp dù chúng không dẫn trong cùng một thời gian Khi khóa Q1 ngắt, điện áp đầu vào V DC kết hợp với điện áp ngược do cuộn thứ cấp tác dụng ngược trở lại Do đó, khóa Q1 yêu cầu phải chịu đựng được độ lớn của hai điện áp này Điện áp V RO được tính theo công thức sau:
Hình 2.7 Đồ thị điện áp V RO [5]
Và tổng điện áp cực đại lên khóa Q1 là:
Mạch Flyback có hai chế độ hoạt động, đó là chế độ dòng điện không liên tục(Discontinuous Conduction Mode – DCM) và chế độ dòng điện liên tục (ContinuousConduction Mode – CCM).
Sự thay đổi của dòng điện trong chế độ dòng điện không liên tục, DCM, được diễn tả như hình dưới đây.
Hình 2.8 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng không liên tục [5]
Một điều khác nhau giữa DCM và CCM là ở DCM, dòng điện trong cuộn thứ cấp sẽ giảm về 0A (điểm I) trước khi dòng ở cuộn sơ cấp bắt đầu chu kỳ dẫn tiếp theo (điểm F). Khoảng thời gian này được gọi là thời gian chết T dt Trung bình dòng điện đầu ra ở cuộn thứ cấp là trung bình của tam giác GHI nhân với tỉ lệ ngắt của khóa Q1, T off / T.
Chế độ DCM sẽ tạo cho diode đầu ra D1 ở cuộn thứ cấp sự chuyển mạch tốt hơn bởi vì dòng điện đi qua diode sẽ về 0A trước khi nó phân cực ngược, và năng lượng tích trữ trong máy biến áp cũng ít hơn giúp giảm kích thước của máy biển áp Tuy nhiên, dòng điện đầu ra của nó sẽ thấp hơn so với chế độ CCM Vì thế, chế độ dòng điện không liên tục thường được ứng dụng trong các mạch có đầu ra điện áp cao và dòng thấp.
Dòng điện của chế độ dòng điện liên tục, CCM sẽ được thể hiện qua hình sau:
Hình 2.9 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng liên tục [5]
Có thể thấy rằng, hai chế độ CCM và DCM có dạng dòng điện tương đối giống nhau và chế độ hoạt động được quyết định bởi độ cảm từ hóa và dòng tải đầu ra Điểm khác nhau giữa dạng dòng điện của hai chế độ chính là sự lưu trữ dòng điện trong hai cuộn dây vì không có thời gian chết T dt Ở chế độ CCM, dòng điện trong cuộn sơ cấp có một bước đệm và độ dốc của dòng điện được tăng từ bước đệm đó Trong khoảng thời gian khóa Q1 ngắt, dòng điện trong cuộn thứ cấp có dạng kết hợp giữa hình tam giác cộng với bước đệm có độ lớn từ điểm V đến W Và tương tự khi khóa Q1 bắt đầu giai đoạn đóng, dòng điện trong cuộn sơ cấp cũng có một dòng điện đệm với độ lớn từ điểm M đến N.
Mặc dù giả sử dòng điện đầu ra ở hai chế độ là bằng nhau, nhưng dòng điện ở chế độ DCM cho đỉnh dòng điện Ipeak cao hơn so với ở chế độ CCM Do đó, mạch hoạt động ở chế độ DCM cần có bộ lọc LC lớn để loại bỏ đi gợn sóng dòng điện này.
Chế độ dòng điện liên tục, CCM, được áp dụng trong các mạch đòi hỏi đầu ra điện áp thấp và dòng cao.
Pin Lithium-ion
Pin Lithium-ion 18650 có cấu tạo giống với những pin Lithium-ion khác Cấu tạo gồm
4 phần chính: điện cực dương, điện cực âm, màng ngăn điện và dung dịch điện ly.
Hình 2.10 Cấu tạo của pin Lithium-ion [6] Điện cực dương: Điện cực dương thường được làm từ LiCoO 2 và LiMnO 4 Khi Coban là vật liệu cơ sở có thể cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, giảm hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài Giá thành của pin cao do Coban, là một kim loại kém bền nhiệt và hiếm Vật liệu cơ sở rẻ và phổ biến hơn Coban là Mangan, có hiệu năng cao thấp hơn, vòng đời ngắn hơn, nhưng được khắc phục bằng khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin [8].
Năm 2017, LiFePO 4 được nghiên cứu để áp dụng cho pin có kích thước lớn dùng cho các bộ pin của xe điện do giá rẻ và công suất cao, mặc dù vật liệu này dẫn điện kém và bắt buộc dùng chất phụ gia dẫn điện là cacbon. Điện cực âm:
Cực âm được làm từ graphite và các vật liệu cacbon khác, vì giá thành rẻ và phổ biến. Chúng có độ dẫn điện tốt và cho phép ion Lithi xen kẽ vào cấu trúc của mạng Cacbon, điều đó giúp nó dự trữ năng lượng do cấu trúc tinh thể có khả năng phình to đến 10% Silicon cũng có thể dùng làm vật liệu cực âm do nó chứa được ion Lithi trong cấu trúc, thậm chí có thể chứa nhiều hơn Cacbon Tuy nhiên, Silicon có thể phồng to hơn 400% thể tích ban đầu khi các ion Lithi xen kẽ trong mạng, làm phá vỡ kết cấu pin và phản ứng với Lithi gây ra các vết nứt gãy vật liệu Vết nứt này sẽ bị phân hủy thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte Interphase khi dung dịch điện ly tiếp xúc trực tiếp với những lớp Si bên trong, quá trình khuếch tán của Li + bị hạn chế, làm giảm công suất pin cũng như dung lượng của điện cực và độ bền của cực âm Nhiều nghiên cứu được tiến hành để làm giảm sự biến đổi cấu trúc do các vết nứt gãy của Si, bằng cách tổng hợp Si dưới dạng hạt nano, sợi nano, ống nano, cấu trúc xốp của nano và dạng khối cầu rỗng [8].
Dung dịch điện ly là môi trường vận chuyển ion Lithi giữa các điện cực trong quá trình pin được sạc và xả Do đó, dung dịch điện ly dùng trong pin Lithium-ion có độ dẫn ion tốt, đồng thời để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch khi sạc và xả thì dung dịch điện ly phải là chất không dẫn điện Dung dịch điện ly dùng cho pin Lithium-ion chứa muối Lithi, như LiPF 6 , LiBF 4 hay LiClO 4 trong dung môi hữu cơ như Ethylene Carbonate, Dimethyl Carbonate, và Dietyl Cacbonate Trong lần sạc đầu tiên, các dung môi hữu cơ dễ bị phân hủy ở cực âm hình thành lớp điện ly rắn giao pha làm giảm độ dẫn của âm cực [8].
Một vài thông số của pin Lithium-ion 18650:
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của pin Lithium-ion 18650
Công suất thông thường: 2600 mAh (0,52A discharge; 2,75V)
Công suất điển hình: 2550 mAh (0,52A discharge; 2,75V) Công suất nhỏ nhất: 2500 mAh (0,52A discharge; 2,75V) Điện áp thông thường 3,7V Điện trở nội ≤ 70mΩ Điện áp ngắt xả 3,0V Điện áp sạc tối đa 4,2 ± 0,05V
Dòng điện sạc tiêu chuẩn 0,52A
Dòng điện xả tiêu chuẩn 0,52A
Dòng điện xả xung tối đa 2,6A
Kích thước Đường kính 18,4mm, chiều cao 65,2mm o o
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion
Nguyên liệu ở hai điện cực là các chất phản ứng của phản ứng điện hóa trong pin Lithium-ion; ion Lithi di chuyển giữa 2 điện cực trong môi trường là dung dịch điện ly.
Trong quá trình phản ứng, ion Lithi dịch chuyển trong hai điện cực Các vật liệu làm điện cực hiện nay có thể cho ion Lithi xâm nhập hay rời khỏi mạng tinh thể, mà việc xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng không hoặc ít xảy ra.
Trong quá trình xả, ion Lithi (mang điện dương) dịch chuyển từ cực âm (Anode) qua dung dịch điện ly, tới cực dương, tại đây nguyên liệu của cực dương phản ứng với ion Lithi. Để điện tích tại 2 điện cực được cân bằng, trong lòng pin, với mỗi ion Lithi đi từ cực âm sang cực dương (Cathode), thì ở mạch ngoài, có 1 electron di chuyển cùng hướng từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Trong lúc sạc, quá trình ngược lại diễn ra, dưới điện áp đặt vào pin, electron đi từ cực dương của pin (nay đóng vai trò cực âm), ion Lithi bị tách ra khỏi cực dương dịch chuyển về cực âm của pin (nay đã trở thành cực dương) Cực của pin sẽ đảo chiều trong hai quá trình xả và sạc Và cách gọi cực dương hay âm phải xác định theo bản chất của phản ứng dựa trên quá trình xả.
Hình 2.11 Quá trình sạc và xả của pin Lithium-ion [7]
Tại các bản cực xảy ra các phản ứng hoá học như sau:
Tại cực dương của vật liệu dạng lớp LCO bán phản ứng có phương trình hoá học là:
LiCoO 2 ↔ CoO 2 + Li + + e - (với sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)
Tại cực âm được làm từ dạng lớp graphite có bán phản ứng xảy ra:
C 6 + Li + + e - ↔ LiC 6 (sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)
Phản ứng của hai quá trình sạc và xả trong pin:
C 6 + LiCoO 2 ↔ LiC 6 + CoO 2 (sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)
Trong quá trình xả, C 6 1- (Cathode) bị oxy hoá thành C 6 0 , Co 4+ bị khử thành Co 3+ , và ngược lại trong quá trình sạc.
Nếu pin Lithium-ion được xả quá mức thì một Lithi Coban Oxit bão hòa sẽ biến đổi thành Lithi Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:
Nếu pin LCO được sạc quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban IV Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:
Một tế bào pin Lithium-ion có quá trình sạc gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: sạc ổn dòng
Tại giai đoạn sạc ổn dòng, dòng điện thường được duy trì ở C/2-C (C là dung lượng pin Ah) Nếu dòng điện khi sạc càng lớn, thời gian sạc ổn dòng sẽ càng nhỏ thì thời gian sạc ổn áp sẽ kéo dài Tuy nhiên, tùy thuộc vào dung lượng còn lại của pin mà thời gian sạc ổn dòng kéo dài không quá 1h và tổng thời gian sạc của 2 giai đoạn tối đa là 3 giờ Khi suất điện động của pin lúc đầy đạt bằng điện áp sạc, bộ sạc sẽ kết thúc quá trình sạc ổn dòng và sạc theo chế độ sạc ổn áp Khi quá trình sạc ổn dòng kết thúc, dung lượng của pin được khôi phục đạt khoảng 70% [9].
Hình 2.12 Đặc tính sạc, xả của pin Lithium-ion [9]
Giai đoạn 2: sạc ổn áp
Tại giai đoạn sạc ồn áp, giữ điện áp sạc pin thường ở mức 4,2V/cell không đổi Khi dung lượng gần được phục hồi, sức điện động của nó tăng lên làm giảm cường độ dòng điện.Khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới 3% C, kết thúc giai đoạn sạc ổn áp Lúc này, dung lượng pin đã được hồi phục khoảng 99% [9].
Trong quá trình sạc nhiệt độ phải được theo dõi liên tục để nhiệt độ của pin không nên vượt quá 45 0 C dễ gây cháy nổ hay hỏng pin Một số pin Lithium-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO 4 ) có thể chịu nhiệt độ lên đến 60 0 C khi sạc.
Do tính chất của Lithium-ion không được over-charge, pin Lithium-ion không cần và không cho phép duy trì áp sạc sau khi dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3% C (pin đầy); nếu xảy ra over-charge pin sẽ nóng và có thể bị nổ Ngoài ra, để duy trì tuổi thọ của pin, không nên sạc vượt quá 100% dung lượng của pin Lithium-ion.
Vì pin Lithium-ion tự phóng điện khi không sử dụng (self-discharge), sau khi pin được sạc đầy và ngừng sạc, điện áp của pin lúc hở mạch bắt đầu giảm về mức ổn định tại 3,6 – 3,9V/cell Mặt khác, sau khi kết thúc sạc điện áp của pin giảm sâu hơn về mức điện áp 3,3 – 3,5V nếu chỉ sạc ổn dòng Trong một số trường hợp, ngoài việc sử dụng hai quá trình sạc ổn áp và sạc ổn dòng, người ta thường sử dụng thêm quá trình sạc xung ngắn để điền đầy pin [9].
Quá trình sạc một hệ pin Lithium-ion hoàn chỉnh cần 3 bước:
- Chế độ cường độ dòng điện không đổi: Constant current (CC)
- Cân bằng điện áp giữa các cell: Cell balancing
- Chế độ điện thế không đổi: Constant voltage (CV)
Tại chế độ cường độ dòng điện không đổi, thiết bị sạc đặt một dòng điện cố định với một điện áp ổn định tăng dần đến điện áp tới hạn của pin Trong chế độ cân bằng, thiết bị sạc giảm dần cường độ dòng điện sạc lên pin, hoặc điều khiển dòng điện sạc để điện áp tại mỗi tế bào bằng nhau Một vài bộ sạc điều khiển cân bằng điện áp theo cách sạc riêng lẻ từng tế bào pin, dẫn đến thời gian sạc dài, việc quá trình cân bằng điện áp được tối ưu hóa giúp giảm thời gian và tăng hiệu năng sạc pin Cuối chế độ điện thế cân bằng, điện thế sạc pin bằng với điện thế tới hạn của bộ pin, lúc này dòng điện giảm dần về 0, ngay khi cường độ dòng điện của dòng điện sạc dưới 3% giá trị ban đầu, thì ngừng sạc pin Nếu như sạc/xả vượt ngưỡng giới hạn về điện áp và cường độ dòng điện cho phép, pin có thể bị nổ [9].
2.2.4 Pin Lithium-ion 18650 trên Tesla model S và bộ sạc NEMA 14-30
Bộ pin trên Tesla model S bao gồm hàng nghìn tế bào pin 18650 giống nhau, tùy thuộc vào kích thước gói Ví dụ, gói G85 có 7104 tế bào pin với tổng dung lượng là 85kW. Với 7104 tế bào pin sẽ được chia thành 16 mô-đun mắc nối tiếp, mỗi mô-đun chứa 6 nhóm gồm 74 ô được đấu song song; 6 nhóm sau đó được đấu nối tiếp trong mô-đun.
Trong đồ án này, khi thiết kế mạch nạp, nhóm đã dựa theo thông số của bộ sạc điện NEMA 14-30 dành cho Tesla model S có thông số như sau:
- Điện áp đầu vào 208 - 250V AC, 60Hz
- Dòng điện ngắt là 30A Đồng thời, bộ sạc điện NEMA 14-30 cho phép tạo tới 24A khi sạc với đầu nối di động.
Với dòng điện sạc là 24A sạc cho bộ pin của Tesla Model S thì đối với mỗi tế bào pin sẽ được sạc với dòng điện là 0.32A.
Giới thiệu phần mềm STM32CubeMX
2.4.1 Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX
Phần mềm STM32CubeMX được hãng ST phát triển từ phần mềm STM32 Micro Explorer Khi chưa có phần mềm STM32 Micro Explorer, việc lập trình đối với các vi điều khiển ARM là rất khó, từ đó các nhà phát triển đã tạo ra các thư viện để lập trình đơn giản hơn nhưng việc sử dụng chúng vẫn còn rất phức tạp.
Từ đó, hãng ST đã tạo ra phần mềm STM32 Micro Explorer để cấu hình ngoại vi và tạo project dựa theo các thư viện đó Sau nhiều phiên bản cải tiến, STM32CubeMX được ra đời, đây là một phần mềm hoàn thiện giúp người dùng lập trình một cách dễ dàng.
2.4.2 Giao diện và các cài đặt cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX
Sau khi khởi động phần mềm, giao diện ban đầu của phần mềm như sau:
Hình 2.30 Cửa sổ ban đầu của phần mềm
Tại đây, người dùng có thể mở lại các project gần đây, bắt đầu project với ACCESS
TO MCU SELECTOR để lập trình cho bất kì MCU STM32 nào, ACCESS TO BOARD SELECTOR để lập trình cho một board của hãng STM32 và ACCESS TO EXAMPLE SELECTOR đề truy cập vào một project mẫu.
Trong đề tài này, vi điều khiển được sử dụng là STM32F103C8 nên chúng ta bắt đầu project với ACCESS TO MCU SELECTOR.
Hình 2.31 Cửa sổ chọn vi điều khiển
Nhập tên vi điều khiển tại ô Part Number, chọn STM32F103C8 và bấm Start Project để bắt đầu lập trình Sau khi chọn vi điều khiển, ta chọn chân điều khiển và các chế độ điều khiển.
Hình 2.32 Cửa sổ cài đặt cấu hình cho vi điều khiển
Hình 2.33 Chức năng của các chân được chọn
Chọn chân điều khiển như sau:
- PD0 và PD1: liên kết với thạch anh ngoài
- PA8: là kênh Timer 1 channel 1
- PA13 và PA14: dùng khi nạp chương trình không cần nhấn nút reset để chạy chương trình
Tại đây, ta có thể chọn các chế độ cho ADC và Timer như hình sau:
Trong chương trình, chế độ ADC2 là IN1 tương ứng với chân nhận tín hiệu ADC là PA1.
Chọn cách tạo xung PWM thông thường cho PA8:
Hình 2.35 Cách tạo xung cho chân PA8
Cài đặt bộ đếm cho Timer:
Chọn các thông số Prescaler (PSC), Counter Period (ARR)_giá trị lớn nhất của bộ đếm sao cho tần số của xung PWM đạt mong muốn Trong đề tài này, tần số của xung PWM là 100KHz và tính tần số theo công thức sau:
Trong đó: F CLK : là xung đồng hồ, ta chọn là 72MHz
Từ đó, ta chọn PSC = 1 và ARR = 719.
Hình 2.37 Chế độ tạo xung tại chân PA8
Có 2 chế độ cho PWM:
- Mode 1: Ở chế độ đếm lên thì ngõ ra sẽ ở mức logic 1 khi CNT < CRR và ở mức 0 nếu
- Mode 2: Ở chế độ đếm lên thì ngõ ra sẽ ở ở mức 1 nếu CNT > CRR và mức logic 0 khi
Sau khi chọn chế độ cho các chân điều khiển, ta cài đặt cấu hình thời gian cho ADC và tần số xử lí của vi điều khiển.
Hình 2.38 Cấu hình thời gian của vi điều khiển
Chọn chế độ thông qua bộ phân tần PLLCLK cho System Clock và chọn các thông số liên qua để HCLK đạt 72MHz.
Hoàn thành lập trình với STM32CubeMX, bấm vào GENERATE CODE để tạo project và tiếp tục lập trình các chức năng khác trên phần mềm Keil C
Hình 2.39 Cửa sổ đặt tên và tạo code cho vi điều khiển 2.5 Giới thiệu phần mềm Keil C
2.5.1 Tổng quan về phần mềm Keil C uvision 5
Hiện nay, trên thề giới có rất nhiều phần mềm dùng để lập trình C cho các vi điều khiển như IAR, Keil C, Chúng được gọi là môi trường phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) Và Keil C là một trong những phần mềm IDE tốt nhất dùng để lập trình cho các vi điều khiển lõi ARM do hãng ST phát hành Phần mềm Keil C uvision 5 là một phiên bản của phần mềm Keil C.
2.5.2 Giao diện làm việc của phần mềm Keil C uvision 5
Sau khi hoàn thành chọn cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX, ta mở project bằng phần mềm Keil uvision 5 để lập trình.
Hình 2.40 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5
Giao diện chính của Keil uvision 5 có 3 vùng:
- Vùng 1: là vị trí của các cửa sổ project, tại đây chọn main.c để lập trình code tại vùng
2, đồng thời cũng có thể quàn lý các thư viện, chương trình con và các tập tin trong project.
- Vùng 2: người dùng sẽ lập trình code tại đây.
- Vùng 3: Build Output Đây là vùng hiển thì quá trình biên dịch chương trình Đồng thời vùng này cũng hiển thị cho ta biết số lỗi (Error) và cảnh bào (Warning) của project.
Nội dung của chương trình tại vùng 2:
Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu ADC từ biến trở, chuyển đổi dữ liệu từ ADC sang xungPWM sau đó xuất ra tại chân PA8 Tín hiệu xung này là đầu vào của IR2103 điều khiểnMOSFET nhịp xung với tần số 50KHz.
Tại giao điện chính của phần mềm có một số công cụ chính như sau:
Build: dùng để biên dịch chương trình mà vi điều khiển có thể hiểu từ chương trình mà người sử dụng viết.
Download: Nhấn giữ nút reset và bấm Load đồng thời để nạp chương trình cho vi điều khiển.
Option for Target: dùng để chọn vi điều khiển cần nạp chương trình và chọn mạch nạp cho vi điều khiển.
Trong đồ án này vi điều khiển được sử dụng là STM32F103C8 và mạch nạp là ST- Link V2 Phần mềm Keil C uvision 5 sẽ tự nhận vi điều khiển và mạch nạp khi cả hai đã liên kết với máy tính.
Hình 2.41 Cửa sổ chọn mạch nạp code
Giới thiệu phần mềm SIMetrix/SIMPLIS
2.6.1 Tổng quan phần mềm SIMetrix:
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS được phát triển bởi các kỹ sư của công ty SIMetrix Technologies Ltd Thuật toán cốt lõi mô phỏng tương tự trong SIMetrix dựa trên phần mềm Spice được phát triển bởi nhóm CAD / IC tại khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính, đại học California tại Berkeley và trình mô phỏng kỹ thuật số có nguồn gốc từ XSPICE được phát triển bởi Phòng thí nghiệm công nghệ thông tin và khoa học máy tính Viện Công nghệ Georgia.
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS tích hợp hai gói mô phỏng: SIMetrix và SIMPLIS Về cơ bản SIMPLIS simulator giống như SIMetrix nhưng nó được dùng để mô phỏng các hệ thống chuyển mạch với tốc độ rất cao và khá chính xác.
Phát triển phần mềm SIMetrix-SIMPLIS đã đáp ứng nhu cầu về mô phỏng trong lĩnh vực điện tử về hệ thống số cũng như hệ thống chuyển mạch công suất.
2.6.2 Giao diện làm việc của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS
Khởi động phần mềm và chọn chế độ mô phỏng SIMetrix
Hình 2.42 Tạo mạch mô phỏng với dạng SIMetrix
Hình 2.43 Giao diện làm việc chính của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS
Giao diện chính của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS có các phần sau:
- Vùng 1: là nơi đặt các linh kiện, nối dây và hiện kết quả mô phỏng.
- Vùng 2: là nơi quản lí các thành phần của một project.
- Vùng 3: là nơi hiển thị các lỗi và tiến độ mô phỏng project.
Thanh tác vụ có công dụng cơ bản như: mở bản mô phỏng mới, mở bản mô phỏng đã lưu, lưu bản mô phỏng, phóng to, thu nhỏ, xoay chiều linh kiện,
Thanh công cụ chứa các linh kiện như điện trở, tụ, cuộn cảm, nguồn, diode,
MOSFET, Opamp, IGBT và JFET, cũng có thể tìm kiếm linh kiện trên thanh công cụ
Dùng để bắt đầu và tạm dùng mô phỏng.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Nguyên lý hoạt động của mạch điện
Nguồn điện đầu vào của mạch sạc là nguồn điện xoay chiều 220V - 50Hz, do đó nguồn điện này sẽ được đưa vào mạch cầu chỉnh lưu toàn sóng để chỉnh lưu thành dòng điện một chiều Tuy nhiên, điện áp một chiều ở ngõ ra có biên dạng sóng nhấp nhô, không ổn định cho hệ thống Vì thế, một tụ điện sẽ được mắc ở ngõ ra của cầu chỉnh lưu nhằm san phẳng điện áp này.
Hình 3.2 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha [12]
Hình 3.3 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lưu [12]
3.2.2 Mạch snubber (mạch đập xung gai)
Mạch snubber là một thiết bị bảo vệ mạch điện khỏi các xung đột điện áp và hiệu ứng dao động còn sót lại Khi MOSFET ngắt liên tục, điện áp tại cực Drain tăng vọt có thể làm MOSFET cháy [24] Và mạch snubber làm giảm sự tăng vọt của điện áp mà không làm thay đổi tần số của mạch chính. Đối với mạch điện sử dụng trong đề tài này là kiểu Flyback nên sử dụng mạch snubber kiểu Registor Capacitor Diode (RCD) bao gồm điện trở, diode và tụ được mắc vào mạch như hình sau:
Hình 3.4 Mạch snubber kiểu RCD [22]
Hình 3.5 Điện áp ở cực Drain của MOSFET khi không có mạch snubber [23]
Hình 3.6 Điện áp ở cực Drain của MOSFET khi có mạch snubber [23]
3.2.3 Điện trở kích đóng, ngắt MOSFET
Tốc độ chuyển giữa hai trạng thái đóng, ngắt đầu ra của MOSFET có thể được điều khiển bởi điện trở kích đóng và ngắt Tốc độ chuyển và thời gian đóng, ngắt có thể đạt được bởi giá trị của các điện trở của hai cổng điều khiển lần lượt là R DRp và R DRn Dưới đây là cấu tạo của một MOSFET kênh N [25].
Hình 3.7 Mô hình MOSFET kênh N [12]
Trong cấu tạo của MOSFET, có những tụ ký sinh và những tụ này ảnh hướng đến quá trình đóng, ngắt của MOSFET Do đó, chúng ta phải xem xét đến các tụ ký sinh này.
Hình 3.8 Các tụ ký sinh trong MOSFET
Quá trình kích MOSFET gồm có ba phần chính.
Hình 3.9 Đồ thị V GS khi kích đóng [11]
Quá trình từ T 0 đến T 1 : tại thời điểm T 0 , cực G bắt đầu được cấp nguồn và điện áp V GS bắt đầu tăng từ 0 Lúc này hầu hết dòng điện qua cực G đều nạp cho tụ C GS Và cũng có một lượng nhỏ dòng nạp qua tụ C GD nhưng tụ này có giá trị điện dung C GD nhỏ hơn tụ C GS nên có thể xem đây là thời kỳ nạp cho tụ C GS Giai đoạn này còn được gọi là ON_delay, bởi vì cả dòng điện và điện áp qua nguồn vẫn chưa thay đổi và MOSFET vẫn ở trạng thái ngắt.
Quá trình từ T 1 đến T 2 : đây là giai đoạn MOSFET gần như dẫn hoàn toàn Lúc này điện áp V GS tăng rất chậm hoặc thậm chí không tăng và điện áp V GD tăng nhanh.
Giai đoạn từ T 2 sang T 3 : MOSFET hoàn thiện chu kỳ kích đóng tại giai đoạn này Tụ
C GS và C GD được nạp và V GS tăng đến điểm cuối cùng.
Quá trình kích ngắt MOSFET diễn ra ngược lại với quá trình kích đóng. a Điện trở kích đóng
Như đã trình bày ở trên, dòng điện qua cực G và điện áp V GS không có phương trình nên không thể tính điện trở một cách chính xác Trong thực tế, có nhiều cách khác để tính ra các giá trị này, nhưng hãng IR Rectifier đã đưa ra một phương pháp đơn giản nhưng lại có độ hiệu quả cao.
Hình 3.10 Quá trình kích đóng [12]
Gọi I av là dòng kích trung bình, t sw là thời gian chuyển mạch từ lúc bắt đầu quá trình kích đóng đến khi MOSFET đóng hoàn toàn, tương ứng với khoảng thời gian từ T 1 đến T 3 trong phân phân tích ở trên.
Với V GS là điện áp trung bình trong khoảng thời gian từ T 2 đến T 3 được nhà sản xuất cung cấp trong datasheet.
Một lưu ý là t sw lớn hay nhỏ phụ thuộc vào dòng kích , t sw càng nhỏ thì thời gian chuyển mạch càng nhanh và tổn hao trên linh kiện càng giảm Do đó t sw thường được chọn theo tiêu chí thiết kế và phù hợp với tần số sóng mang Thời gian chuyển mạch t sw tối ưu khi được kích bởi IC driver và thường được chọn là: t sw = (3÷4)(t d(on) +t r ) (3.3)
Từ các biểu thức trên, ta có:
Vậy, giá trị điện trở kích đóng được xác định. b Điện trở kích ngắt
Với IC Driver, chúng được cung cấp chân kích đóng và chân kích ngắt riêng biệt Khi đó điện trở kích ngắt được chọn với giá trị nhỏ hơn điện trở kích đóng bởi vì để việc kích ngắt xảy ra nhanh hơn, giúp giảm Dead Time.
Hình 3.11 Quá trình kích ngắt [12]
Có: V GE = (R G(off) + R DRn ).C RESoff (3.6)
Mà ta cần V GE < V T của khóa, do đó:
C RESoff dV dt Để thực hiện một mạch kích thì việc chọn các giá trị điện trở kích đóng và ngắt cần phải được tính toán cẩn thận bởi vì chúng ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch và tránh được các hư tổn lên các linh kiện khác.
Khi dùng MOSFET để điều khiển mạch, ta thường sẽ có hai cách cơ bản như hình sau
Hai kiểu kích MOSFET này phân biệt nhau ở vị trí trước hay sau tải Với mạch kích phía cao, MOSFET sẽ nối đến nguồn cao áp và tải tiêu thụ nối đất, gọi là phía cao (high side).
Hình 3.12 Mạch kích N-MOSFET phía cao (bên trái) và phía thấp (bên phải)
Trong mạch kích phía cao, để cho MOSFET đóng thì V GS phải lớn hơn V GE (với MOSFET 11N90 có V GE = 5V) Khi MOSFET đóng thì V DS = 0, tức là toàn bộ áp V DD sẽ rơi trên tải, điều này có nghĩa là V S ≈ V DD = 310V Mặt khác, V GS = V G - V S , nhưng V G có giá trị là 7,5V < 310V của V S nên MOSFET sẽ không mở được.
Trong mạch kích phía thấp, khi MOSFET đóng thì V DS ≈ 0V Cực S nối đất nên V D ≈
V S = 0 Và toàn bộ áp V DD = 310 V sẽ rơi trên tải và không ảnh hưởng đến V S Do đó, chỉ cần
V GS > V GE là ta có thể điều khiển MOSFET dù cho V DD lớn hơn rất nhiều.
Vì vậy, để điều khiển cho mạch phía cao phức tạp hơn nhiều so với mạch phía thấp Với nguồn vào của biến áp xung là 310V thì ta cần một điện áp V G lớn hơn 310V để có thể kích đóng MOSFET, ví dụ như tạo nguồn điện áp cách ly hay mạch Bootstrap Vì thế nên nhóm sẽ chọn cách điều khiển MOSFET phía thấp để có thể đơn giản hóa quá trình điều khiển.
Tính toán thiết kế các thành phần trong mạch
3.3.1 Tính toán điện trở kích đóng, ngắt MOSFET
Trong mạch kích đóng và ngắt MOSFET này, điện trở kích trong hai trường hợp cần công suất nhỏ 0,25W nhưng để đảm bảo tính an toàn của mạch, điện trở kích khóa bán dẫn này sẽ được chọn là loại điện trở 2W.
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của mạch khóa dẫn động công suất IR2103
Tham số Kí hiệu Đơn vị
Min Trung bình Max Điện áp nổi phía cao V B V S +10 - V S +20 Điện áp bù phía cao V S - - 600 V Điện áp đầu ra phía cao V HO V S - V B Điện áp nguồn V CC 10 - 20 Điện áp đầu ra phía thấp V LO 0 - V CC
Mức logic HIN&LIN V IN 0 - V CC
Dòng rò điện áp bù I LK - - 50 uA
Dòng tĩnh QBS I QBS - 30 55 Điện trở nội phía cao R DRp - 55 - Ω) Điện trở nội phía thấp R DRn - 32 - Ω)
Bảng 3.2 Thông số cơ bản của MOSFET 11N90
Tham số Kí hiệu Đơn vị
Min Trung bình Max Điện áp D-S V DS - 900 - Điện áp ngưỡng G-S V GE(th) 3,0 5,0 Điện áp kích G-S V GS ±30 V Điện áp G-S đủ để mở cổng V GS(min) 5 - - Điện áp thuận của diode V SD - - 1,4
Tốc độ biến thiên điện áp đầu ra dV/dt - 4 - V/ns
60 Điện tích cổng G Q G - 60 80 nC Điện tích cổng G-D C GD - 23 30 pF Điện tích cổng G-S C GS - 15 - pF Điện dung cổng G-D C GD - 47 - pF
Dòng rò G-E I GES - - 100 nA Điện dung đầu vào C iss - 2530 3290 pF Điện dung đầu ra C oss - 215 280 Điện trở kích đóng R G(on)
Từ công thức (3.5), suy ra
Chọn R G(on) = 13 Ω. Điện trở kích ngắt R G(off)
3.3.2 Tính toán biến áp xung Ở Việt Nam, dòng điện dân dụng là dòng điện xoay chiều 1 pha có giá trị trong khoảng 85-220V với tần số 50Hz Do đó, ta sẽ có V ACmin = 85V và V ACmax = 220V.
Ta sẽ dùng dòng điện một chiều được chỉnh lưu bởi cầu diode nên V DC sẽ được tính theo công thức như sau:
Yêu cầu đầu ra để nạp cho pin Lithium-ion là 320V – 0,3A nên ta sẽ có công suất đầu ra sẽ là:
Giả sử hiệu suất của mạch ở mức 70%, E ff = 70%, ta sẽ xác định được công suất đầu vào:
Bên cạnh đó, điện áp của dòng điện xoay chiều cũng sẽ được làm phẳng nhờ tác dụng của tụ điện, với hai yếu tố C DC và D ch Với:
C DC : giá trị của tụ điện đầu vào C in tính trên một Wattage công suất đầu vào Với dải điện áp xoay chiều đã xác định ở trên, C DC = 2 – 3 uF Ta sẽ chọn C DC = 3uF.
D ch : tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào C in Tỉ số này được tham khảo như trong hình sau:
Hình 3.13 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào
Xác định các yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra của biên áp xung.
Bảng 3.3 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra
Tần số chuyển mạch 50KHz
Do yêu cầu đầu ra cần điện áp cao và dòng điện thấp, nên ta sẽ chọn chế độ dòng điện không liên tục cho việc tính toán biến áp xung này. Đầu tiên, ta sẽ chọn tỉ lệ điện áp cũng như tỉ lệ vòng dây của biến áp xung. n =
Trong đó: V F là độ sụt áp của diode chỉnh lưu đầu ra Trong mạch sử dụng loại
Mà D max là tỉ lệ thời gian dẫn của MOSFET D max được tính như sau:
Với T ONmax là thời gian dẫn tối đa để duy trì chế độ DCM Để hoạt động ở chế độ dòng điện không liên tục, ta cần phải có thời gian chết T dt với giá trị nhỏ nhất là 0.2T Do đó,
T ONmax có giá trị tối đa là 0,7T.
Tiếp theo, để đảm bảo MOSFET 11N90 không bị cháy trong quá trình hoạt động, cần
Mà MOSFET 11N90 có V DS = 900V, đáp ứng đủ yêu cầu làm việc và có thể chịu được những xung gai hoặc nhiễu điện áp trong quá trình làm việc.
Sau đó, xác định thời gian dẫn của MOSFET để đạt được yêu cầu đẩu ra mong muốn, với công thức sau:
T ON = ( VDC−1)+( Vo+1)(Np/ Ns)
Tiếp theo, tính độ tự cảm của cuộn sơ cấp L p :
Từ đó, xác định được dòng điện đi qua cuộn sơ cấp :
Và dòng điện hiệu dụng đi qua cuộn sơ cấp là:
50000 Đường kính dây quấn sẽ là:
Và dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp được xác định như sau:
Với T r là thời gian khởi động lại,
Từ đây, đường kính dây cuộn thứ cấp được xác định là:
Do đường kính dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không có sẵn trên thị trường Vì thế, thay vì dùng một dây có đường kính 0,39 mm, nhóm dùng một dây có đường kính 0,5mm để quấn cuộn dây sơ cấp và thứ cấp.
Tiếp đến, xác định số vòng dây cuộn sơ cấp của biến áp xung để ngăn sự bão hòa lõi,
N p sẽ được tính bằng công thức:
: điện áp một chiều đầu vào qua dây sơ cấp (V)
T ONmax : thời gian lớn nhất MOSFET đóng (s)
A e : diện tích mặt cắt ngang của lõi biến áp xung, (mm 2 ) dB: sự biến thiên từ thông bão hòa (T)
Với N pmin = 33,01 vòng, chọn lớn hơn số này để đảm bảo biến áp xung hoạt động tốt và để lại phần còn lại để quấn cuộn thứ cấp Chọn N p = 35 vòng.
Từ đây, tính được số vòng dây của cuộn thứ cấp:
Lõi ferrite của biến áp xung phải có khe hở để ngăn sự bão hòa lõi sớm Chiều dài khe hở được tính theo công thức sau đây:
A L : là hệ số điện cảm của lõi Theo thông số của nhà sản xuất thì đối với lõi ferrite loại EE42 thì giá trị A L sẽ bằng 1029 nH/N 2
L m : là độ tự cảm của cuộn sơ cấp (nH)
N p : là số vòng của cuộn sơ cấp (vòng)
A e : diện tích mặt cắt ngang của lõi ferrite (m 2 )
Có được chiều dài khe hở G của lõi là:
Theo thông số của nhà sản xuất, thông số khe hở G của biến áp xung EE42 là 0,25 mm > 0,02 mm Nên biến áp xung này đáp ứng được yêu cầu của mạch.
Hình 3.14 Biến áp xung và khe hở của biến áp xung
Tính tụ lọc đầu ra C 1 của mạch theo dòng điện đầu ra cao nhất của mạch là 0,5A và điện áp rơi trên tụ là 0,05V Điện dung của tụ điện C 1 được tính theo công thức:
Chọn tụ lọc đầu ra C 1 là tụ húa 100àF-400V.
Có bảng thống kê các số liệu như sau:
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của biến áp xung
Số vòng dây cuộn sơ cấp N p 35 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp N s 43 vòng Đường kính dây cuộn sơ cấp 2x0,5 mm Đường kính dây cuộn thứ cấp 2x0,5mm
Tụ lọc đầu ra C 1 100àF-450V
3.3.3 Tính toán mạch snubber Điện áp V RO trong cuộn sơ cấp là do điện áp đầu vào V DC và điện áp ngược trên cuộn thứ cấp tác dụng lên Và điện áp này được tính bằng công thức:
Cuộn sơ cấp có độ tự cảm là: o
68 Độ tự cảm rò trên cuộn sơ cấp là: L Leak = 0,1 L p = 0,1 732 10 −6 = 73 10 −6 (H)
Cường độ dòng điện tại đỉnh trên cuộn sơ cấp: I p = V DC T ON = 320.7,56.10 −6 = 3,30 (A)
Lp 732.10 −6 Điện áp kẹp V Clamp là điện áp an toàn cho linh kiện khi hoạt động Điện áp kẹp càng nhỏ khi hoạt động thì linh kiện càng được bảo vệ Điện áp kẹp V Clamp được tính dựa theo điện V DS của MOSFET 11N90 với một mức độ an toàn là 90%.
Chọn tần số nhiễu là f swmax = 50000 (Hz).
Từ đó, tính được giá điện trở cần thiết cho mạch dập xung gai Snubber bằng công thức:
Trong mạch Snubber, tụ được tính theo công thức dưới đây:
Chọn tụ C Snubber = 22 ηF)F và mức điện áp là 630V.
Và diode cần cho mạch dập xung gai sẽ là một diode phục hồi nhanh (fast recover diode) Do đó, diode UF4007 sẽ được sử dụng.
Mô phỏng mạch nạp bằng phần mềm SiMetrix/SIMPLIS
3.4.1 Mục đích của việc mô phỏng
Trong thiết kế mạch điện, mô phỏng là một bước cực kỳ quan trọng Việc mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của mạch điện bằng các đồ thị điện áp, cường độ dòng điện Mô phỏng sẽ cho chúng ta biết được các giá trị điện áp, cường độ dòng điện ở các linh kiện, từ đó chọn các linh kiện phù hợp nhất cho mạch điện.
Khi chọn các linh kiện mà các thông số hoạt động của nó không phù hợp với mạch điện sẽ làm bị hỏng hoặc thậm chí cháy nổ linh kiện, dẫn đến mất nhiều thời gian và tăng chi phí khi thiết kế thi công mạch điện Chính vì vậy, việc mô phỏng là bước rất quan trọng khi thiết kế mạch điện tử.
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS Elements là phần mềm chuyên mô phỏng các mạch điện tử đặc biệt là các mạch điện liên quan đến nguồn xung như các bộ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC Do đó, trong đồ án thiết kế mạch nạp cho xe điện nhóm sẽ dùng phần mềm này để mô phỏng và nghiên cứu hoạt động của mạch điện.
Hình 3.15 Sơ đồ mạch nạp sử dụng biến áp xung được mô phỏng trên phần mềm SIMetrix/SIMPLIS
3.4.2 Các bước mô phỏng a Mô phỏng điện áp đầu vào và xung điều khiển
Chọn biểu tượng để mô phỏng điện áp và xung (vì phần mềm không có thư viện của board STM32F103C8 và IR2103).
Hình 3.16 Các thông số của điện áp vào và xung
Chọn chế độ hình sin cho nguồn và chế độ pulse cho xung Với điện áp vào, chọn tần số 50Hz, điện áp hiệu dụng (RMS) là 220V Đối với xung chọn tần số 50KHz và thời gian hoạt động là 28%. b Mô phỏng biến áp xung
Chọn ô tìm kiếm, gõ transformer và chọn ideal transformer
Hình 3.17 Các thông số của biến áp xung
Sau khi chọn ideal transformer, cửa sổ cài đặt thông số của biến áp xung hiện lên. Chọn số cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là 1, tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp với thứ cấp là 0,867 nên tỉ số vũng dõy của cuộn thứ cấp với sơ cấp là 1,153, độ tự cảm của cuộn sơ cấp là 732 àH. c Mô phỏng các linh kiện khác
Chọn các linh kiện tụ, điện trở, diode, MOSFET, cuộn cảm Sau đó, có thể thay đổi giá trị của tụ, điện trở và cuộn cảm hay thay đổi loại diode và MOSFET bằng cách nhấp đúp trái chuột vào linh kiện đó.
Hình 3.18 Cửa sổ chọn giá trị của điện trở
Hình 3.19 Cửa số chọn giá trị của tụ
Hình 3.20 Cửa sổ chọn giá trị của cuộn cảm
Hình 3.21 Cửa sổ chọn loại diode
Chọn MOSFET tương tự như diode Vì không có MOSFET 11N90 nên nhóm đã chọnMOSFET IPD60R950C6_L0 có giá trị gần giống với MOSFET 11N90. d Mô phỏng toàn bộ mạch điện
Sau khi chọn linh kiện và nối dây thành mạch điện như hình tiến hành cài đặt các thông số mô phỏng tại cửa sổ Choose Analysis tại mục Simulator như sau:
Hình 3.22 Cửa sổ cài đặt các điều kiện mô phỏng
Chọn thời gian mô phỏng là 40ms ứng với 2 chu kì của điện áp đầu vào.
Sau khi chọn điều kiện mô phỏng, chúng ta bấm biểu tượng để bắt đầu chạy mô phỏng.
Hình 3.23 Kết quả mô phỏng
Sau khi mô phỏng, nhận thấy điện áp đầu ra dao động từ 308V đến 342V đạt yêu cầu với thông số ban đầu chọn là điện áp lớn hơn 252V để sạc cho bộ pin.
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
Thử nghiệm với điện áp 24V một chiều
Cấp nguồn điện 24V - 2A từ bộ nguồn, cực dương của nguồn nối với biến áp, cực âm nối với cực S của MOSFET Tải dùng để thử nghiệm là bóng đèn sợi đốt với thông số 12V – 35W.
Khi thử nghiệm với nguồn 24V - 2A, nhóm đã thực hiện thử nghiệm với các tần số khác nhau để khảo sát sự thay đổi về công suất, điện áp và dòng điện tại tải.
Hình 4.2 Thử nghiệm tại tần số 150KHz
Qua các lần thử nghiệm, kết quả được liệt kê dưới bảng sau:
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm với nguồn 24V
Tần số Điện áp Dòng điện Công suất
50KHz 20,51 1,83 37,53W Đánh giá kết quả thực nghiệm: khi thay đổi tần số thì dòng diện thay đổi nhỏ nhưng điện áp thay đổi khá lớn diều này ảnh hưởng đến công suất cũng thay đổi nhiểu mặc dù hiệu suất đạt được cao.
Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều
Với lần thử nghiệm với điện áp đầu vào 220V xoay chiều, nhóm sẽ có một vài thay đổi ở bộ lọc nguồn đầu vào và tụ điện ở đẩu ra so với thí nghiệm trước Với biến áp tự quấn theo số vòng tính toán, và các thông số linh kiện đã được tính toán, mạch nạp cho ra kết quả như sau.
Khi thử nghiệm không tải, đầu ra của biến áp cho ra điện áp 320V theo như tính toán. Tiếp theo, nhóm bắt đầu thử với tải nhỏ để khảo sát tần số xung phù hợp cho mạch và để đảm bảo sự an toàn khi thử nghiệm.
Hình 4.3 Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều
Khi khảo sát mô hình với bóng đèn LED, nhóm đã thử lần lượt ở các tần số 50KHz, 100KHz và 150KHz và giới hạn độ rộng xung là 10% Các kết quả thử nghiệm được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 4.2: Kết quả thử nghiệm ở điện áp 220V
Tần số Điện áp Cường độ dòng điện Công suất
Dựa theo kết quả và mục đích của đề tài, mạch phải tạo ra được điện áp tối thiểu 252V và cường độ dòng điện 0,32A Xét thấy ở các tần số trên, mạch đã đáp ứng được điện áp đầu ra, do đó để tạo được cường độ dòng điện cao hơn, nhóm chọn sẽ điều khiểnMOSFET ở tần số 50KHz.
Từ thử nghiệm và tần số điều khiển, nhóm tiếp tục thử nghiệm với tải lớn hơn, một bóng đèn dây tóc 220V - 60W Kết quả thử nghiệm như sau:
Hình 4.4 Thử nghiệm mạch nạp với bóng đèn dây tóc 220V-60W
Kết quả thử nghiệm: mạch nạp cho ra kết quả 324V-0,32A Ở những lần thử nghiệm đầu, do diode chỉnh lưu RHRP30120 không được tản nhiệt tốt nên nhiệt độ ở diode tăng lên cao dẫn đến diode không thể hoạt động và mạch không thể đạt được kết quả đầu ra mong muốn Do đó, nhóm đã lắp tấm tản nhiệt nhôm để tản nhiệt cho diode và tiếp tục thử nghiệm. Ở lần thử nghiệm này, MOSFET và diode chỉnh lưu có nhiệt độ không quá cao và vẫn hoạt động tốt Và biến áp xung có tiếng kêu nhỏ trong quá trình điểu chỉnh độ rộng xung nhưng khi độ rộng xung được giữ nguyên giá trị thì tiếng kêu rất nhỏ Khi mạch hoạt động, kết quả điện áp và dòng điện dao động trong khoảng sau: điện áp từ 320-321,1V, dòng điện từ 0,324-0,326A.
Độ rộng xung
Khi thử nghiệm để đảm bảo độ an toàn thì độ rộng xung sẽ được tăng từ 0 đến giá trị mà tại đó điện áp đầu ra đạt mục tiêu và hệ thống có thể đáp ứng được Vi điều khiển nhận tín hiệu ADC từ biến trở, xử lí và xuất ra xung PWM có dạng như sau.
Hình 4.5 Độ rộng xung PWM
Từ các kết quả thử nghiệm trên cho thấy, khi độ rộng xung càng lớn thì điện áp và cường độ dòng điện càng tăng Đồng thời nhiệt độ trên các linh kiện cũng tăng cao đòi hỏi phải tản nhiệt tốt để mạch có thể hoạt động ổn định.
Thử nghiệm ở thời gian dài
Từ kết quả thử nghiệm trên, sau khi đạt yêu cầu về điện áp và cường độ dòng điện đầu ra, nhóm tiếp tục tiến hành thử nghiệm mạch trong khoảng thời gian dài hơn để khảo sát tính ổn định của mạch và cũng như sự ổn định của mạch khi hoạt động trong thời gian dài.
Vì thế, nhóm sẽ dựa trên thông số đã có và dùng phần mềm Excel để tạo ra đồ thị biểu diễn về quá trình hoạt động của mạch.
Hình 4.6 Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện theo thời gian
Trong khoảng 50 giây đầu tiên, điện áp tăng nhanh từ 0V lên đến 320V cùng với sự tăng của cường độ dòng điện từ 0A tới 0,32A.
Bên cạnh đó, hai đường biểu diễn của điện áp và cường độ dòng điện cho thấy sự tăng đều và dốc của đồ thị Do đó, nhóm đưa ra kết luận thời gian điện áp và cường độ dòng điện đầu ra khi mạch bắt đầu hoạt động đến mức yêu cầu tương đối ngắn, trong 50 giây.
Trong khoảng thời gian tiếp theo, từ giây 51 đến giây 240, điện áp và cường độ dòng điện dao động trong một khoảng Khoảng dao động này sẽ được trình bày ở đồ thị tiếp theo.
Hình 4.7 Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện theo thời gian
Khoảng dao động của điện áp và cường độ dòng điện đầu ra được thể hiện như trong hình Điện áp sau khi đạt mức yêu cầu ở giây 50 đã tăng lên 327V và sau đó giảm về mức 320V tại giây 70 và dao động trong khoảng 319V-321V.
Bên cạnh đó, cường độ dòng điện đạt được mức 0,32A tại giây 50 và tăng đến 0,325 trong 10 giây tiếp theo Và mức 0,325A được duy trì đến hết quá trình thử nghiệm với khoảng dao động từ 0,323A đến 0,326A.
Với hai đồ thị trên, nhóm có thể kết luận mạch cho khả năng đáp ứng với độ rộng xung nhanh, cho ra kết quả đúng theo yêu cầu của mạch sạc Và trong quá trình hoạt động,mạch chạy ổn định trong một khoảng dao động nhỏ.