Do an nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sạc nhanh cho pin lithium ion ứng dụng vi điều khiển

Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA oOo -i i iiiiiiiiiiiiiiiii iiiiiii i i i i CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc oOo i i ii i i i i i i i i i i i i i i i iiiiiiii iiiiiiiiiiii NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i i i i i i i Họ tên sinh viên : Lớp : Ngành : Kỹ thuật Điện – Điện tử Chuyên ngành : Tự động hóa i i i i i i i iiiiiiiiiiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiii i ii iiiiiiiii i ii i i i i i i Đề tài: i NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ SẠC NHANH CHO PIN LITHIUM-ION ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN i i i i i i i i i i i i i i i Nội dung: - Chương 1: Tổng quan xe đạp, xe máy ô tô điện i i i i i i i i i i i i - Chương 2: Công nghệ pin Lithium-ion - Chương 3: Công nghệ sạc sạc nhanh pin Lithium-ion - Chương 4: Các biến đổi DC-DC tổng quan vi điều khiển pic 16f877a - Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực chương trình điểu khiển i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i mạch sạc pin Lithium-ion i - i i Chương 6: Mô hình kết luận đề tài i i i i i i i i Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Quốc Huy i i i i i i i Giáo viên duyệt: TS Nguyễn Hoàng Mai i i i i i i Ngày giao đề tài: 28/01/2015 i i i i Ngày nộp đề tài: 02/06/2015 i SVTH: i i i Lớp: i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển iiii Ngày … tháng … năm 2015 Thông qua môn (ký ghi rõ họ tên) i i iiiiiii i iiiiii i i i i i i i i i i Ngày … tháng … năm 2015 Giáo viên duyệt (ký ghi rõ họ tên) i i iiii iii i i iii ii i Ngày … tháng … năm 2015 Giáo viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) i i iiiii iiiii iiiiiii i i i i i i i i i i i iiiii i i TS Nguyễn Hoàng Mai i i i i i i iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii i i Ngày … tháng … năm 2015 Sinh viên thực (ký ghi rõ họ tên) i TS Lê Quốc Huy i i i i iiii i iiiiii i i i i i TS Trương Thị Bích Thanh i i i i i i i i i i i iii Ngày … tháng … năm 2015 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG BẢO VỆ (ký ghi rõ họ tên) i i i i i SVTH: Lớp: i i i i i i i i i i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển LỜI CẢM ƠN i i Đề tài sạc nhanh pin Lithium-ion mẻ với sinh viên chúng em Để i i i i i i i i i i i i i i i i nghiên cứu địi hỏi phải tìm tịi, nghiên cứu nhiều tài liệu chủ yếu tài liệu nước i i i i i i i i i i i i i i i i i i ngoài, yêu cầu với chế độ sạc nhanh Nhưng giúp đỡ hướng dẫn tận i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i tình Thầy Lê Quốc Huy em hoàn thành đồ án tốt nghiệp theo yêu cầu giao i i i i i i i i i i i i i i i i i i Em xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô Khoa Điện Bộ môn Tự i i i i i i i i i i i i i i i i i i động hóa đặc biệt Thầy Lê Quốc Huy tận tình giúp đỡ em hồn thành đồ án i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Em xin chân thành cảm ơn! i iiiiiiiiiii i i i i iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2015 iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii iii i i iiiiiiii i i i Sinh viên thực i i i MỤC LỤC i Đề mục Trang i SVTH: Lớp: Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển Đề tài đồ án Lời cảm ơn Mục lục Lời mở đầu i i i i i i i i Chương 1: TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY, Ô TÔ ĐIỆN .8 1.1 Nhu cầu sử dụng xe điện 1.1.1 Vì lại sử dụng xe điện? 1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điện .8 1.1.3 Ưu nhược điểm loại xe điện 1.2 Giới thiệu loại xe điện thị trường nước 1.2.1 Xe ô tô 1.2.1.1 Xe ô tô lai điện – động đốt .9 1.2.1.2 Xe ô tô điện 100% 10 1.2.2 Xe máy điện 10 1.2.3 Xe đạp điện 11 1.3 Giới thiệu loại xe điện sử dụng pin lithium-ion 12 1.3.1 HKBIKE 13 1.3.2 AIMA 14 1.3.3 GIANT 17 1.4 Vai trò tương lai xe điện 18 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Chương 2: CÔNG NGHỆ PIN LITHIUM-ION .20 2.1 Giới thiệu chung 20 2.2 Nguyên tắc hoạt động pin lithium-ion 21 2.2.1 Các phản ứng điện cực .22 2.2.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực – dung dịch điện phân 23 2.3 Cấu tạo pin li-on .23 2.3.1 Điện cực dương 23 2.3.2 Điện cực âm 24 2.3.3 Chất điện li 25 2.3.4 Dung môi .26 2.3.5 Vật cách điện .26 2.4 Phân loại .27 2.4.1 Pin li-on dạng trụ 27 2.4.2 Pin li-on dạng lăng trụ phẳng .27 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Chương 3: CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM-ION 29 3.1 Sạc pin li-on 29 3.1.1 Quá trình sạc ổn dòng 30 3.1.2 Quá trình sạc ổn áp .31 3.1.3 Over-charging over-discharging pin li-on 31 3.1.4 Một số nguyên tắc sạc pin li-on 32 3.2 Tốc độ sạc xã pin 32 3.3 Chế độ sạc nhanh pin li-on 33 3.3.1 Phân loại chế độ sạc pin 34 3.3.2 Điều kiện để sạc nhanh pin li-on 34 i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i SVTH: i i i i i i i i i i i i i Lớp: i i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển 3.3.3 Ảnh hưởng sạc nhanh đến tuổi thọ pin 35 3.4 Nhận xét 35 i i i i i i i i i i i Chương 4: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC & TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 36 4.1 Khái quát biến đổi DC-DC 36 4.2 Bộ biến đổi Buck nguyên lý hoạt động 36 4.3 Vi điều khiển PIC16F677A 40 4.3.1 Sơ đồ khối VĐK PIC16F877A 40 4.3.2 Chức chân VĐK PIC16F877A 42 4.3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM 44 4.3.3.1 Giới thiệu phương pháp 44 4.3.3.2 Nguyên lý phương pháp 44 4.3.4 Giới thiệu ADC PIC16F877A 46 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Chương 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MẠCH SẠC PIN LI-ON 48 5.1 Sơ đồ khối hệ thống mạch sạc pin li-on 48 5.2 Tính tốn, thiết kế mạch động lực 49 5.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu pha 49 5.2.2 Mạch nguồn nuôi VĐK IC mạch 50 5.2.3 Mạch nạp theo nguyên lý buck 50 5.2.3.1 Tính tốn hệ số duty cycle (D) 51 5.2.3.2 Tính chọn giá trị cuộn cảm (L) 51 5.2.3.3 Tính chọn giá trị tụ (C) 51 5.2.3.4 Tính chọn van MOSFET 52 5.2.3.5 Tính chọn Diode 52 5.2.3.6 Chọn IC điều khiển MOSFET 52 5.3 Thiết kế mạch điền khiển .52 5.4 Tính chọn phần tử mạch đo lường 55 5.4.1 Đo dòng điện sạc 55 5.4.2 Đo điện áp sạc 56 5.4.3 Đo nhiệt độ pin 57 5.5 Chương trình điều khiển 58 5.5.1 Lưu đồ thuật toán 58 5.5.2 Chương trình điều khiển 59 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Chương 6: MƠ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ĐỀ TÀI .60 6.1 Mơ hình đề tài .60 6.1.1 Mạch điều khiển 60 6.1.2 Mạch nguồn, mạch động lực khối đo lường 61 6.1.3 Mơ hình tổng thể 62 6.2 Kết luận đề tài .62 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Phụ lục 1: Chương trình điều khiển 64 i i i i i i Tài liệu tham khảo 74 i SVTH: i i Lớp: Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển LỜI MỞ ĐẦU i i Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ đại, đặc biệt i i i i i i i i i i i i i i i i i i công nghệ điện tử dẫn đến đời hàng loạt loại thiết bị di động máy tính xách i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i tay, điện thoại di động, xe đạp, xe máy, ô tô điện Để đảm bảo thiết bị hoạt động tốt i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i cần phải có nguồn lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, i SVTH: i i i i i Lớp: i i i i i i i i i i i i i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển dùng lại nhiều lần đặc biệt gọn, nhẹ, an toàn Việc đời loại pin/acquy đáp i ứng phần yêu cầu Trong nhiều năm loại pin NiCd (Nikel Cadimium) sau i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i NiMH (Nikel Metal Hydride) sử dụng rộng rãi Các loại pin Lithium ion i i i i i i i i i i i i i i i i i (Li-ion) xuất thị trường từ đầu năm 90 kỉ trước chiếm lĩnh i i i i i i i i i i i i i i i i i i i thị trường nhờ nhiều ưu điểm bật, dung lượng cao Năm 2003 thị trường i i i i i i i i i i i i i i i i i pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD tiếp tục tăng trưởng, với pin Li-ion mức i i i i i i tăng trưởng đạt từ 6% - 8% i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Mặc dù thương mại hóa rộng rãi thị trường cơng trình khoa học i i i i i i i i i i i i i i i i i nghiên cứu pin Li-ion tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao hiệu suất, dung i i i i i i i i i i i i i i i i i lượng, tính an toàn pin giảm giá thành sản phẩm Bên cạnh vấn đề i thực tiễn đặt làm cách để sạc pin cách hiệu nhanh để tiết kiệm i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i thời gian Được hướng dẫn thầy Lê Quốc Huy chúng em đến tìm hiểu đề tài: i i i i i i i i i i i i i i i i i i i “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển”, i i i i i i i i i i i i i i i i i ứng dụng thực tế nhắm đến thiết kế mạch sạc pin Li-ion xe đạp điện i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Trong suốt trình làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều ý kiến đóng góp từ i i i i i i i i i i i i i i i i i i i thầy cô bạn bè Em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Lê Quốc Huy tận tình i i i i i i i i i i i i i i i i i i i hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp i i i i i i i i i i i i i i i i i i i thời gian quy định i i i i Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2015 i i i i i Sinh viên thực i SVTH: Lớp: i i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển Chương 1: TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY, Ô TÔ ĐIỆN i i i i i i i i i i 1.1 Nhu cầu sử dụng xe điện i i i i i i i i 1.1.1 Vì lại lựa chọn sử dụng xe điện? i i i i i i i i i Trước tình hình nguyên liệu chất đốt nguồn dầu khí ngày cạn kiệt nhu cầu sử dụng nguồn dạng nhiên liệu thay nguồn nhiên liệu sử dụng thời việc vận hành loại phương tiện vận chuyển (xe, tàu, máy bay…) nhu cầu cấp thiết Năng lượng điện lên dạng lượng phù hợp để thay cho loại nguyên liệu hóa thạch gây nhiều vấn đề xấu cho mơi trường Ví dụ lượng khí thải độc hại thải mơi trường loại phương tiện vận chuyển dùng lượng điện thấp nhiều, gần không đáng kể, so với loại phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Chúng ta khơng có ngạc nhiên hệ thống xe điện đời ngày phát triển giới Hầu hết nhà sản xuất tập trung phát triển hệ thống xe điện phương tiện phổ biến như: xe ô tô điện, xe mô tô điện, xe đạp điện, … Công nghệ ngày phát triển đại lĩnh vực thiết kế điều khiển với nhiều tính cho xe điện, tạo nhiều thuận tiện cho việc điều khiển thích ứng với phương tiện sử dụng nguồn nhiên liệu i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điện i i i i i i Xe điện sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp máy bốc hàng chạy điện, máy xếp hàng…trong phương tiện giao thông lại xe ô tô điện, xe máy điện đặc biệt phổ biến phát triển xe đạp điện i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1.1.3 Ưu nhược điểm loại xe điện i i i i i i i i Xe điện có nhiều ưu điểm bật thân thiện với môi trường, tiết kiệm lượng tiền bạc sử dụng so với loại xe chạy nhiên liệu khác… i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Ví dụ: theo tốn tiết kiệm mà HKBIKE đưa so sánh dòng xe đạp điện HKBIKE zinger extra phiên nâng cấp tiết kiệm 47 lần so với xe máy [1], cụ thể là: i i i i i i i i i i i i i i i i HKBIKE zinger extra phiên nâng cấp i SVTH: i i i Lớp: i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i XE MÁY i i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển lần sạc đầy 90 km, lần sạc đầy hết 0,65 số điện (Wh) 0,65 Wh x 2.000 đồng = 1.300 đồng i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Đổ đầy bình xăng 210 km, bình đầy 5,5 lít 5,5 lít x 26.150 đ/1 lít = 144.000 đồng i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Như hết 1km hết 14,4 đồng i i Như hết km hết 685,71 đồng i i i i i i i i i Hình 1.1: Ưu điểm xe điện so với xe máy i i i i i i i i i i Tuy nhiên nhược điểm lớn xe điện giới hạn chạy cho lần sạc chưa cao (tối đa khoảng 90 km với xe HKBIKE zinger extra), lần sạc đầy tốn nhiều thời gian (khoảng 6h)… i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1.2 Giới thiệu loại xe điện thị trường nước ii i i i i i i i i i i i i i 1.2.1 Xe ô tô ii i i 1.2.1.1 Xe ô tô lai điện-động đốt i i i i i i i i Hình 1.2: Xe tơ lai điện-động đốt i i i i i i i i i Xe hybrid, thường gọi xe lai hay xe lai điện, loại xe sử dụng hai nguồn động lực: Động đốt động điện Hoạt động xe kết hợp hoạt động động đốt động điện cho tối ưu Một điều khiển định động đốt hoạt động, động điện hoạt động hai hoạt động i i i i i i i i i SVTH: i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Lớp: i i i Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển Ví dụ lợi ích rõ ràng xe lai điều kiện đường xá Việt Nam là: gặp đèn đỏ, hay kẹt xe xe lai, khơng có động hoạt động khơng mát cơng suất vơ ích i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Sự nỗ lực đáng kể phát triển thương mại hóa xe lai điện tạo nhà sản xuất người Nhật Năm 1997 Toyota cho mắt dòng sedan Prius Nhật, Honda cho dòng xe Civic Civic Hybrid Những xe lưu thông tồn giới Chúng đạt đến tính tiêu thụ nhiên liệu tuyệt hảo Toyota Prius dịng xe Honda có giá trị lịch sử chúng xe lai vào thương mại hóa kỷ nguyên đáp ứng vấn đề tiêu thụ nhiên liệu xe.[2] i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1.2.1.2 Xe ô tô điện 100 % i i i i i i Chúng ta thấy ví dụ với dòng xe Cadillac ELR, với hệ thống động điện hình chữ T với pin lithium ion bốn động điện Nó sử dụng điện nguồn lượng để vận hành mà khơng sử dụng xăng sản xuất khói xe Khi lượng pin thấp, ELR liên tục chuyển sang chế độ mở rộng phạm vi cho phép lái xe hàng trăm dặm i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i Hình 1.3: Xe tơ điện 100 % i i i i i i i 1.2.2 Xe máy điện ii i i Ngồi hệ thống tơ điện hệ thống xe máy điện nhà sản xuất quan tâm nhà sản xuất EVINO hay BIANCO Yamaha Họ bắt tay vào việc chế tạo loại xe máy chạy điện có chức tương tự xe máy chạy xăng Theo số tài liệu nghiên cứu tình hình phát triển xe điện Việt Nam ta thấy: “ Những xe máy điện thị trường thết kế chủ yếu theo mẫu xe Yamaha Bianco Evino, số giống loại xe máy tay ga hành Tuy chạy điện nhà sản xuất để nắp bình xăng giả phía sau cho giống với xe chạy xăng Xe lắp vành đúc giảm xóc xe gắn máy i i i i i i i i i i i i SVTH: i i i i i i i i i i Lớp: i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 10 i i