Nghiên Cứu, Thiết Kế Hệ Thống Nạp Cho Bình Điện Trên Xe Gắn Máy Điện.pdf

Untitled BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2020 N[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP CHO BÌNH ĐIỆN TRÊN XE GẮN MÁY ĐIỆN SVTH: NGUYỄN TIẾN DŨNG MSSV: 16145349 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: TS LÊ THANH PHÚC Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG NẠP CHO BÌNH ĐIỆN TRÊN XE GẮN MÁY ĐIỆN SVTH: NGUYỄN TIẾN DŨNG MSSV: 16145349 Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ GVHD: TS LÊ THANH PHÚC Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 ii TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨAVIỆTNAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TP Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 02 năm 2020 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: 1.Nguyễn Tiến Dũng MSSV: 16145349 (E-mail: tiendung30102009@gmail.com Điện thoại: 0915888755 ) 2.Nguyễn Hữu Hiệu MSSV: 16145386 (E-mail: 16145386@student.hcmute.edu.vn Điện thoại: 0382331746 ) Ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Lớp: 161452A Khóa: K16 Tên đề tài Nghiên cứu thiết kế hệ thống nạp cho bình điện xe gắn máy điện Nhiệm vụ đề tài - Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống tích trữ lượng xe gắn máy điện - Nghiên cứu thiết kế mạch điện tử - Tìm hiểu lập trình vi điều khiển Atmega 328p - Thiết kế hệ thống nạp cho tích trữ điện cho xe máy - Thử nghiệm đánh giá kết Sản phẩm đề tài - Mạch điện tử điều khiển nạp - Thuyết minh tính tốn thử nghiệm Ngày giao nhiệm vụ đề tài: 28/02/2020 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 22/07/2020 TRƯỞNG BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Lê Thanh Phúc i ii iii iv v LỜI CẢM ƠN Được phân công thầy khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Tp Hồ Chí Minh, sau bốn tháng thực đề tài người nghiên cứu cố gắng hoàn thành Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống nạp cho bình điện xe gắn máy điện” Tuy nhiên số vướng mắc lý chủ quan, người nghiên cứu khơng thể hồn thành tốt mục tiêu đề đề tài Người nghiên cứu xin chân thành cảm ơn tất thầy cô truyền dạy kiến thức, kinh nghiệm, kỹ suốt năm qua, nhờ người nghiên cứu vận dụng thực đồ án Người nghiên cứu xin chân thành cảm ơn Thầy – TS Lê Thanh Phúc anh kỹ sư Đinh Cao Trí, người hướng dẫn, theo sát cho người nghiên cứu suốt thời gian thực đề tài, tạo điều kiện tốt cho người nghiên cứu nghiên cứu phòng lab với đầy đủ trang thiết bị Xin cảm ơn tất bạn bè góp phần khơng nhỏ hỗ trợ người nghiên cứu thực đồ án Tuy nhiên kiến thức chuyên mơn cịn hạn chế thân cịn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót, người nghiên cứu mong nhận góp ý, bảo thêm quý Thầy Cô Một lần xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô, bạn bè bên cạnh, đồng hành người nghiên cứu suốt trình thực đề tài TP.HCM, tháng 08 năm 2020 i TÓM TẮT Mạch sạc người nghiên cứu thiết kế cho xe máy điện nghiên cứu có nguồn 300V dòng điện tối đa khoảng 1A từ nguồn điện xoay chiều 220V Mạch thiết kế dựa nguồn xung flyback Trong trình thực người nghiên cứu tìm hiểu nguyên lý hoạt động nguồn xung cách tính tốn thiết kế, ngồi cần phải tìm hiểu UC3843 hàm hồi tiếp cách ly thông qua TL431 opto quang Sau tìm hiểu người nghiên cứu dựa vào mạch chuẩn có sẵn, mạch hạ áp với đầu 12V 4A hãng Texas Instruments Quá trình thực mạch này, người nghiên cứu phải thực mạch nhỏ ví dụ mạch tạo xung, mạch cấp nguồn cho UC3843, tiến hành đo kiểm xung PWM đầu đồng thời thử tác động thay đổi độ rộng xung chu kỳ làm việc UC3843 thông qua việc làm giả tín hiệu hồi tiếp nhờ biến trở Sau hoàn thành xong mạch nhỏ hiểu rõ đặc tính UC3843 mạch hồi tiếp, người nghiên cứu tiến hành làm mạch điện lớn hạ áp 12V 4A Sau thực mạch hạ áp người nghiên cứu tính tốn thiết kế lại số phận để mạch đưa điện áp mong muốn kết hợp với phương pháp thực nghiệm, tiến hành khoanh vùng yếu tố nguyên nhân, thử thay đổi giá trị linh kiện để quan sát tác động lên điện áp đầu Tuy nhiên số hạn chế kiến thức, nên người nghiên cứu khơng thể hồn thành mạch với đầu điện áp 300V dự kiến Mạch có đầu khoảng 100V không đáp ứng nhu cầu sạc pin., nguyên nhân sai lệch giá trị hàm hồi tiếp khiến cho tín hiệu hồi tiếp bị sai Tuy nhiên thời gian có hạn nên nguồi nghiên cứu không kịp khắc phục lỗi ii Nhận xét: Ta thấy lúc mạch cho điện áp khơng đổi mức 12V, biến áp có kêu rè rẻ nhè nhẹ Xung PWM đưa chế độ khơng tải có độ rộng nhỏ, mạch điện không tải nên độ sụt áp lên tải nên IC cần đưa xung nhẹ để giữ điện áp mức 12V Tiến hành đưa mạch thử tải với bóng đèn halogen 12V-36W Hình 3.22 Kết đo thử tải với bóng đèn halogen Nhận xét: Khi bât bóng đèn lên, điện áp đầu có sụt giảm đơi chút, nhiên đưa trở mức 12V ban đầu cách nhanh chóng, nhiên dịng diện mức 2.51A không đạt so với yêu cầu Biến áp xuất tiếng kêu rè to lúc chạy không tải Nguyên nhân xác định hai vấn đề sau: Do quấn biến áp chưa chặt, khiến cho hoạt đông biến áp suất tiếng kêu làm giảm hiệu suất biến áp Do sai số linh kiện mạch chũng dây hàn tay nên xảy tượng nhiễu tín hiệu feedback, dẫn tới sai lệch cảu dịng điện đầu 3.5 Điều chỉnh thơng số linh kiện mạch 12V để thiết kế mạch sạc Sau hoàn thành mạch hạ áp theo chuẩn, người nghiên cứu bắt đầu tính tốn lại phần cần thiết để thay đổi để đạt mức điện áp đầu 300V Những phần cần thay đổi biến áp mạch hồi tiếp 41 3.5.1 Tính tốn biến áp Cơng suất đầu ra: Pout= 300 x = 300W 300 Công suất đầu vào: Pin = 0,8 = 375W Điện áp đầu vào chiều nhỏ nhất: 375 (1 − 0,2) = 120V 100 50 VDCmin = √2 (85)2 − Điện áp chiều cao nhất: VDCmax = √2 Vlinemax = √2 265 = 375V Điện áp dội ngược cuộn thứ cấp: VRO = Độ tự cảm cuộn sơ cấp: 0,45 1− 0,45 120 = 98,2V (120 0,45)2 LP = = 35,3 10−6 H = 35,3uH 375 110000 Với KRF = hoạt động với đầu điện áp cao dòng thấp nên người nghiên cứu chọn chế độ hoạt động DCM Tính tốn giá trị cá dịng điện IEDC = ∆I = Pin VDC Dmax VDCmin Dmax LP fSW peak IDS IDSrms = = 375 = 6,9A 120 0,45 120 0,45 35,5.10−6 110000 = 6,9 + = 13,8 A 13,8 = 13,8 A 13,8 0,45 √ ( ) ) ] = [3 6,9 + ( = 5,345 A 42 Đường kính dây cuộn biến áp √IDSrms √5,345 = = 1,15 mm 2 DP = DS = √IOUT √1 = = 0,5 mm 2 Vì dòng điện đầu mong muốn 1A Cỡ dây cuộn thứ cấp cấp nguồn cho IC giữ nguyên mạch hạ áp 0,4mm Lõi biến áp ta chọn sử dụng ER42 Số vòng dây tối thiể cuộn sơ cấp NPmin 13,8 0,7 = 3,28 vòng = 0,3 7,07 10−4 35,3 10−6 Tỉ số vòng dây cuộn thứ cấp sơ cấp NPS = NP VRO 98,2 = = = 0,32 NS VOUT + VF 300 + 0,5 Ở người nghiên cứu chọn diode Schottky cao áp DGP30 với điện áp rơi diode 0,5V Tỉ lệ số vòng dây cuộn thứ cấp cấp nguồn nuôi với cuộn sơ cấp giữ nguyên NPA = Sau tính tốn người nghiên cứu chọn số vịng dây cuộn sau: NP = 50 vòng, NS= 150 vịng, NA= vịng Vì đường kính dây cuộn thứ cấp lớn khoảng 1mm nên quấn vừa cho biến áp ER42 với số vòng 50 nên người nghiên cứu chọn lại đường kính dây DP = 0,6 mm DS= 0,2 mm, đường kính dây ảnh hưởng tới dịng diện mà khơng ảnh hưởng tới điện áp Người nghiên cứu điều chỉnh lại cỡ dây giá trị dịng điện khơng mong muốn Tính tốn khe hở từ biến áp 43 502 ) = 6,22 10−3 (m) = 6,2 (mm) G = 40 π 7,07 10 ( − 35,5.1000 2800 −4 Cách quấn biến áp xung áp dụng giống quấn biến áp cho mạch điện 12V 3.5.2 Tính tốn mạch hồi tiếp điện áp Vì mạch đầu thay đổi điện áp cao nên phải thay đổi giá trị mạch hồi tiếp hình 3.12 để đưa điện áp với yêu cầu đầu 300V Cặp giá trị điện trở cầu phân áp chọn RFBU = 297,5kΩ, RFBB = 2.49kΩ để đáp ứng công thức VR = VOUT 300 = = 2,5 V R FBU 297,5 1+ 1+ R FBB 2,5 Giá trị RLED = 32,5 kΩ để giảm dòng qua opto mức 10mA Giá trị RTLbias = 25kΩ để hạn dòng qua TL431 Các giá trị lại giữ nguyên, người nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm thay đổi giá trị điện trở linh kiện mạch hồi tiếp đạt giá trị đầu mong muốn 3.5.3 Thay đổi linh kiện khác Vì điện áp đầu lần cảu mạch 300V nên linh kiện nối trực tiếp với đầu phải chịu điện áp cao COUT tụ 100uF 450V nối song song với Diode zener 10V 1.5KE10A DOUT diode Schottky cao áp DGP30 Các điện trở RLED, RTLbias, RFBB, RFBU đổi qua điện trở công suất 3W 44 3.6 Tiến hành thực nghiệm Sau tính tốn người nghiên cứu tiến hành hàn cho mạch thực tế hình Hình 3.24 Mạch thực tế mạch 300V 3.6.1 Thử nghiệm lần Hình 3.25.Điện áp đầu mạch thử nghiệm lần 45 Kết quả: Giá trị điện áp đầu thấp so với mong muốn, khoảng 75V, không đạt yêu cầu Điện áp không ổn định Nghi vấn: Có thể biến áp, tỷ lệ sống vịng dây NPS khơng đủ để đưa điện áp đầu vào khoảng 300V Cách khắc phục: Thử thay đổi tăng số vòng dây cuộn thứ cấp lên 200 vịng có nghĩa tỉ lệ NPS = 0,25 thử nghiệm lần với biến áp có NPS = 0,25 3.6.2 Thử nghiệm lần hai với biến áp có NPS = 0,25 Kết quả: Giá trị điện áp đầu khơng thay đổi nhiều so với lần đo thứ nhất, VOUT vào khoảng 78V Vẫn đạ yêu cầu điện áp đầu 300V Vì ngun nhân khơng phải biến áp Hình 3.26 Điện áp đầu mạch lần đo thứ hai Nghi vấn: Có thể mạch hồi tiếp bị sai Tiến hành kiểm tra giá trị điện áp đầu vào chân ISENSE UC3843 ta giá trị sau 46 Hình 3.27 Giá trị điện áp chân ISENSE lần đo thử thứ Điện áp đưa vào chân ISENSE có lúc vọt q mức 1V q nhiều,dịng đỉnh xung có lúc đạt giá trị khoảng 12V IC giảm độ rộng xung để giảm cường độ dòng điện xuống, điều nguyên nhân khiến điện áp đầu không mong muốn Cách khắc phục: Thử thay dổi giá trị điện trở RCS Ở người nghiên cứu thay đổi điện trở RCS từ 0,75 Ω nâng lên thành 3,3Ω Đồng thời quấn lại biến áp cũ với tỉ lệ NPS = 0,3 47 3.6.3 Thử nghiệm lần ba với thay đổi gía trị RCS= 3,3 Ω Kết quả: Giá trị điện áp đầu không thay đổi nhiều, VOUT = 75V Trong điện áp chân ISENSE IC đo hình Hình 3.28 Giá trị điện áp vào chân ISENSE lần đo thứ ứng với RCS= 3,3Ω Ta thấy dòng đỉnh xung giảm giá trị xuống khoảng – 8V, thấp so với lần đo thứ Tuy nhiên thay đổi không ảnh hưởng nhiều tới giá trị điện áp đầu nên suy nguyên nhân Nghi vấn: Thử thay đổi giá trị điện trở Ropto, điện trở liên quan trực tiếp đến độ lợi mạch hồi tiếp áp cho UC3843 Ropto = 1kΩ tăng lên 25kΩ 48 3.6.4 Thử nghiệm lần bốn với Ropto =25kΩ Kết quả: Điện áp đầu thiện lên khoảng 100V Hình 3.29 Giá trị VOUT lần đo thứ tăng Ropto Tuy nhiên tiếp tục tăng giá trị Ropto giá trị VOUT lại tiếp tục khơng thay đổi Vì đầu cải thiện lên tới mức 100V chưa đạt so với yêu cầu Tiến hành đo giá trị điện áp chân tham chiếu R TL431, chân VFB UC3843 ta có kết sau 49 Hình 3.30 Giá trị điện áp chân VFB Hình 3.31 Giá trị điện áp VR chân tham chiếu TL431 Ta thấy điện áp VR chân tham chiếu TL431 thấp, đỉnh xung khoảng 1,5V Điều có nghãi suốt q trình hoạt động, TL431 chưa mở cổng dẫn dòng điện qua opto quang Tuy nhiên tín hiệu hồi tiếp chân VFB có tín hiệu điện áp hồi về, nguyên nhân gây nên điện áp đầu không mong muốn 50 3.7 Tìm hiểu nguyên nhân sai lệch điện áp đầu Như nêu mục 3.6.4, vấn đề ta cần tìm hiểu TL431 chưa dẫn xuất tín hiệu điện áp hồi tiếp chân VFB UC3843 Để rõ điều ta phân tích lại mạch hồi tiếp (hình 3.12) mạch hạ áp 12V Xét TL431 chưa dẫn, tức VR < 2,5V: Điện áp chân opto 12V, điện áp chân opto cố định mức 10V nhờ diode zener Suy mức chênh lệc điện áp hai chân opto 2V Trong datasheet pc817 ta có điện áp tối hai chân 1,2 opto VFM= 4V Nếu mức điện áp này, opto vào trạng thái hoạt động không ổn định (unstable mode) kiểm soát Trở lại với mạch đầu 300V, người nghiên cứu sử dụng diode zener 10V, đầu có điện áp cao 300V nên điện áp hai chân 1,2 opto VFM = 300-10= 290V > 4V Chính khiến cho opto hoạt động không ổn định dẫn tới hồi tiếp sai Việc tìm nguyên nhân giúp người nghiên cứu có ý tưởng cách khắc phục Tuy nhiên thời gian thực đề tài có hạn nên người nghiên cứu khơng kịp khắc phục nguyên nhân Vì mạch chưa thể có đầu 300V đủ điều kiện sạc cho pin xe máy điện 51 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Các nội dung làm được:  Nắm việc hạn chế mạch sạc dự án xe máy điện nghiên cứu Từ xác định mục tiêu hướng cho đề tài  Nắm bắt nguyên lý hoạt dộng cách thiết kế bồ nguồn xung flyback chuyển đổi điện áp, nguyên lý giảm dịng điện thơng qua phương pháp sử dụng biến áp  Nắm bắt kiến thức cách sử dụng linh kiện UC3843, TL431, MOSFET, cách tính tốn thiết kế, quấn biến áp xung  Học tập, rèn luyện cách hàn mạch điên, thiết kế dây mạch điện để hạn chế cố chạm chập nhiễu tín hiệu  Thiết kế, thực mạch chỉnh lưu chấp nguồn DC từ điện áp 220V AC  Thiết kế, thực nguồn xung flyback hạ áp từ 220V AC với kết đầu 12V 2,5A  Rèn luyện khả phân tích vấn cách cụ thể, khoanh vùng lỗi sai thông qua lý thuyết thực nghiệm để tìm nguyên nhân gây hư hỏng Các nội dung chưa đạt được:  Biến áp hoạt động tiếng kêu rè rè, kỹ quấn chưa hồn thiện, quấn khơng chặt  Mạch sạc thiết kế chưa đáp ứng tiêu đề ra, VOUT đạt mức 100V, không đủ điều kiện để sạc cho xe máy điện  Chưa thiết kế mạch in hoàn thiện cho mạch sạc 52 4.2 Kiến nghị  Sử dụng cầu phân áp chân số opto PC817 để đưa mức điện áp chênh lệch chân opto VFM ≤ 4V, phải đảm bảo dòng điện qua opto khoảng 10mA Như opto hoạt động xác nguồn đạt điện áp đầu mong muốn  Sử dụng vi điều khiển thay cho UC3843 vai trò điều khiển xung cho mạch, nhờ tính linh động  Cải thiện quấn biến áp xung, sử dụng máy để đảm bảo biến áp quấn chặt, đồng thời chỉnh khe hở từ cách xác 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tạp chí điện tử khoa học công nghê đại học Đà Nẵng Vol 17, NO.3, 2019 [2] Thư viện điện tử IEEE Xplore/IET Power electronic/ volume 10 [3] “Diode gì, Tìm hiểu chức Diode” , https://testostore.vn/diot-va- machchinh-luu-la-gi-nguyen-tac-cau-tao/ [4] “ Linear regulator and switching regulator”, https://www.rohm.com/electronicsbasics/dc-dc-converters/linear-vs-switching-regulators [5]” Switch mode power supply”, https://www.electronics-tutorials.ws/power/switch-modepower-supply.html [6] “Các loại nguồn xung nguyên lý hoạt động”, https://machdienlythu.vn/cac-loainguon-xung-thong-dung-va-nguyen-ly-hoat-dong [7] UC2842 Datasheet, Texas Instrument [8] TL431 Datasheet, Texas Instrument [9] FQP20N60/FQPF20N60 Datasheet [10] Google hình ảnh [11] Design Guidelines for Off-line Flyback Converters Using Fairchild Power Switch (FPS), On Semiconductor 54