Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ THIẾT KẾ MẠCH NẠP CHO XE ĐIỆN SỬ DỤNG BIẾN ÁP XUNG GVHD: TS LÊ THANH PHÚC SVTH: ĐINH PHÚC DUY NGUYỄN QUANG HUY S K L0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chuyên ngành: Cơng nghệ Kỹ thuật Ơ tơ Tên đề tài THIẾT KẾ MẠCH NẠP CHO XE ĐIỆN SỬ DỤNG BIẾN ÁP XUNG SVTH : ĐINH PHÚC DUY MSSV: SVTH : MSSV: GVHD: 18145318 NGUYỄN QUANG HUY 18145361 TS LÊ THANH PHÚC TP Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2022 CHƯƠNG THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH 4.1 Mô tả mạch thử nghiệm - Ở sơ đồ mạch hình 3.1, nguồn điện đầu vào nguồn điện xoay chiều 220 vôn, 50 hertz chỉnh lưu thành điện chiều có điện áp 310 vơn (độ gợn cao) Tiếp đến điện áp đưa qua mạch flyback để san phẳng dòng điện cho đầu 320 vơn chiều (có độ gợn thấp) Trong mạch flyback chân Drv IC nguồn NCP1203P60 xuất tín hiệu điện áp theo dạng xung PWM xung cao khoảng 12V, Xung PWM xuất chân Drv NCP1203P60 qua điện trở 10 ohm vào chân Gate IGBT FGA25N120 kích cho IGBT đóng ngắt với tần số 60000 hertz Điều làm cho dịng điện chiều bên phía sơ cấp đóng ngắt liên tục sinh từ trường biến thiên bên biến áp xung Sự biến thiên từ trường cảm ứng sang cuộn thứ cấp, sinh điện áp cuộn thứ cấp Để điều tra điện áp đầu nhắm ổn định điện áp nhóm sử dụng mạch hồi tiếp gồm opto quang PC817, zener TL431 mạch cầu phân áp Để thuận tiện việc thực nghiệm nhóm dùng biến trở để thay đổi tỉ số mạch cầu phân áp giúp thay đổi tín hiệu hồi tiếp IC NCP1203P60 Từ thay đổi giới hạn điện áp đầu Đối với sơ đồ mass hai bên thứ cấp sơ cấp khác - Qua qua trình thử nghiệm nhóm rút lưu ý cấp điện cho mạch hoạt động cần cấp nguồn 15 vơn cho IC nguồn trước sau cấp nguồn đầu vào cho mạch Điều giúp IC hoạt động ổn định thời gian dài tránh hư hỏng 4.2 Thử nghiệm bảng cắm Testboard - Để tiết kiệm thời gian việc lắp mạch thử nghiệm, nhóm tiến hành lắp mạch bảng Testboard Vì nên nhóm tiết kiệm nhiều thời gian thay linh kiện sửa chữa mạch nhỏ thành phần hệ thống Ngoài bảng Testboard cịn có ưu điểm giá thành rẻ so với bảng PCB đục lỗ có kích thước diện tích mạch 67 Hình 4.1 Mạch thử nghiệm Testboard 4.3 Thử nghiệm mạch PCB đục lỗ - Sau thử nghiệm thu kết tốt bảng Testboard nhóm chuyển sang hàn mạch lên PCB cho bớt nhiễu tín hiệu giúp làm gọn mạch tăng tính thẩm mỹ Bảng mạch hàn PCB đục lỗ mà nhóm sử dụng bảng mạch PCB màu xanh mặt đồng có đục lỗ, với thơng số diện tích mạch 15x20 (mm) 68 Hình 4.2 Mạch thiết kế PCB 4.4 Đo độ rộng xung PWM theo chế độ hoạt động mạch điện - Cùng với việc đo điện áp đầu nhóm tiến hành sử dụng máy đo xung để quan sát xung xuất từ IC NCP1203P60 Từ giúp nhóm thuận tiện việc chẩn đoán hư hỏng hệ thống - Với trạng thái IC NCP1203P60 xuất xung với độ rộng khác để ổn định điện áp đầu tránh tải điện áp gây hư hỏng cho linh kiện toàn hệ thống + Khi điện áp đầu chưa đạt ngưỡng độ rộng xung IC NCP1203P60 sau: Hình 4.3 Độ rộng xung chưa đạt ngưỡng 69 + Khi điện áp đầu ngưỡng chế độ skipping cycle diễn ra, lúc xung IC NCP1203P60 sau: Hình 4.4 Độ rộng xung ngưỡng  Tại độ rộng xung giảm xuống điện áp đầu bắt đầu giảm xuống + Khi điện áp đầu khơng cịn q ngưỡng điện áp bắt đầu tăng trở lại độ rộng xung IC NCP1203P60 sau: Hình 4.5 Độ rộng xung khơng cịn q ngưỡng  Khi điện áp đầu giảm xuống làm cho điện gửi chân FB từ mạch ổn định điện áp đầu giảm IC NCP1203P60 tăng dần độ rộng xung để tăng điện áp đầu trở lại 70 4.5 Thử nghiệm thời gian dài không tải với tải - Thử nghiệm với khơng tải: + Nhóm tiến hành cấp điện xoay chiều 220V, 50hz đo điện áp đầu mạch Hình 4.6 Điện áp đầu mạch chạy không tải + Kết mạch chạy không tải đạt mục tiêu đề cho mức điện áp đầu 310V - Thử nghiệm với tải: + Nhóm tiến hành cấp điện xoay chiều 220V, 50hz với tải đầu hai bóng đèn sợi đốt 60W-250V mắc nối tiếp với đo điện áp đầu mạch + Do bóng đèn chịu điện áp 250V nên nhóm mắc hai bóng đèn theo kiểu nối tiếp để bảo vệ bóng đèn tránh q dịng cho mạch + Nhóm tiến hành điều chỉnh điều áp đầu 314V thu kết cường độ dịng điện 0,21A 71 Hình 4.7 Điện áp, cường độ dòng điện nhiệt độ đầu có tải + Do điện trở hai bóng đèn mắc nối tiếp nhiều nên cường độ dịng đạt 0,21A Vì cơng suất đầu thu thấp mục tiêu ban đầu + Bên cạnh nhiệt độ linh kiện tăng lên cao + Nhóm tiến hành nâng điện áp đầu cao đạt kết sau: Hình 4.8 Điện áp đầu chỉnh cao 72 + Kết thu điện áp đầu đạt 324V với cường độ dòng điện đạt 0,21A + Nhiệt độ mạch lúc cao 4.6 Sản phẩm hoàn chỉnh đánh giá tổng thể 4.6.1 Sản phẩm hoàn chỉnh - Giúp tăng tính thẩm mỹ tiện lợi sử dụng nhóm tiến hành làm phần vỏ sạc ghi lưu ý sử dụng Hình 4.9 Sản phẩm hồn chỉnh - Trên sản phẩm có thơng tin như: + Tên sản phẩm + Đầu vào (Input): 220VAC 1,2A 50Hz + Đầu (Output): 320VDC + Ghi đầu cắm nguồn chuyển thành 15V + Ghi nguồn đầu vào + Những lưu ý sử dụng sạc 73 Hình 4.10 Nhưng lưu ý sử dụng sạc + Khi sử dụng sạc cần cắm nguồn chuyển thành 15V sau cắm nguồn đầu vào Hình 4.11 Các dạng giắc đầu + Để thuận tiện việc lựa chọn nhóm làm đầu với nhiều loại giắc + Ngồi ra, nhóm cịn ký hiệu cực âm (-) dương (+) để người dùng không bị nhẫm lẫn sử dụng tranh hư hại cho thiết bị, pin, nguồn 4.6.2 Đánh giá tổng thể - Việc thử nghiệm mạch Testboard, PCB đục lỗ mang lại kết tốt sau: + Tiết kiệm thời gian + Tiết kiệm chi phí + Mang đến thuận tiện việc sửa chữa hư hỏng + Bên cạnh điện áp đầu đạt kết mong đợi 74 - Nhóm đạt điện áp đầu mục tiêu ban đầu, mạch cịn cho điện áp đầu cao mục tiêu ban đầu - Sản phẩm sử dụng thời gian dài với đầu điện áp ổn định nhiệt độ linh kiện cao - Dù sản phẩm hồn chỉnh nhìn gọn gàng tổng thể đạt tối ưu mẫu mã - Một nhược điểm khác sản phẩm cần phải cắm nguồn chuyển thành 15V trước cắm nguồn đầu vào, điều gây bất tiện cho người sử dụng 75 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận - Trong khoảng thời gian thực đề tài thiết kế mạch nạp cho xe điện dùng biến áp xung, nhóm thực hồn thành nội dung sau: + Tìm hiều thông số pin Lithium-ion, pin xe Chevrolet Bolt pin xe Tesla Model S Từ xác định mục tiêu, đối tượng nghiên cứu khoanh vùng phạm vi nghiên cứu hướng phát triển đề tài + Tra cứu tài liệu tìm hiểu ảnh hưởng thơng số linh kiện điện tử IC NCP1203P60 IGBT Driver FGA25N120 Để dựa tài liệu để tiến hành tạo mạch điện thử nghiệm + So sánh khác công suất cách hoạt động loại nguồn xung đưa phương án dựa nguồn xung Flyback + Học cách tính tốn thơng số cần thiết vật liệu cách thức để quấn biến áp xung + Thử nghiệm với mạch cắm bảng Testboard, bảng PCB khắc phục sai sót sau lần thất bại để đạt kết đáp ứng gần với mục đích ban đầu 5.2 Kiến nghị - Trong q trình thực đề tài, dù nhóm đạt mục tiêu điện áp cường độ dòng điện theo mục đích đề tài cịn nhiều thiếu sót cần khắc phục Dù đạt mục tiêu đề ban đầu, nhiên, kết thực tế công suất mạch nhỏ so với tính tốn Do đó, đề tài cần cải thiện hiệu suất Khi hoạt động, nhiệt độ linh kiện cao Vì mạch cần có phương án giải nhiệt tốt cho linh kiện IGBT - Nhóm giải vấn đề điều tra điện áp đầu để ổn định điện áp đầu chưa điều tra điện áp pin lớn Do cần bổ sung điều chỉnh mạch điều tra điện áp để điều tra điện áp pin lớn Cụ thể sử dụng STM32F103C8T6 để điều tra điện áp từ pin lớn 76 - Bên cạnh đó, khả thời gian thực có hạn nên nhóm chưa tiến hành làm mạch in sản phẩm nhỏ gọn Do đó, đề tài cần bổ sung thêm mạch in sản phẩm nhỏ gọn - Ngoài ra, để sử dụng sạc cần phải cấp nguồn cho IC nguồn xung NCP1203P60 trước, điều gây bất tiện cho người dùng Cần có giải pháp để khắc phục nhược điểm Phương án nhóm đề thiết kế mạch nguồn cho sử dụng đầu cắm điện 220VAC - 50hertz cấp nguồn IC nguồn xung NCP1203P60 trước qua mạch chỉnh lưu - Nên nghiêng cứu nguồn điện ba pha, sau ứng dụng vào mạch chỉnh lưu để tạo nguồn điện đầu vào biến áp xung ba pha Vì nguồn điện dân dụng pha không phù hợp để sạc pin Lithium-ion Sự điều chỉnh giúp đề tài tối ưu khả thi 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Xuân Tuyển Nguyễn Anh Tuấn (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ làm việc dòng điện liên tục gián đoạn máy biến áp nguồn chuyển mạch cao tần, Tạp chí khoa học cơng nghệ, Tập 74, Số 12, Trang 115 [2] Texas Instrument (2016), 120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery Charging Applications Reference Design [3] Jun-Hao Fan Sheng-yu Tseng (2021), Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System Applications, Electronics 2021, 10, 414 [4] Texas Instrument (2019), Switching Regulator Fundamentals [5] Texas Instruments (2013), “AN – 776 20 Watt Simple Switcher Forward Converter” [6] Abraham I Pressman, Keith Billings, Taylor Morey (2011), Switching power supply handbook 3rd Edition [7] Victor Josan, 3d Illustration of Lithium-ion battery structure, industrial high current batteries [8] Panasonic, Lithium Ion Batteries Technical Handbook, 2007 [9] Hopax, The major components of the lithium-ion battery Internet: https://www.hopaxfc.com/en/blog/the-4-major-components-of-the-lithium-ion-battery, 25/03/2022 [10] Panasonic, NCR 18650B Internet: https://www.imrbatteries.com/content/panasonic_ncr18650b-2.pdf, 25/03/2022 [11] General Motors, Drive unit and battery at the heart of Chevrolet Bolt EV Internet: https://media.chevrolet.com/media/us/en/chevrolet/news.detail.html/content/Pages/news/us/e n/2016/Jan/naias/chevy/0111-bolt-du.html, 25/03/2022 [12] Tech Insights, A Review of the Chevy Bolt Powertrain Internet: https://www.techinsights.com/blog/review-chevy-bolt-powertrain, 25/03/2022 [13] Observer, Tesla’s Battery Business Is The Secret Engine Of Its Insane Stock Price Internet: https://observer.com/2020/08/tesla-battery-technology-stock-surge-analysis/, 25/03/2022 [14] EVTV Monitor/Controller Internet: 78 http://media3.ev-tv.me/TeslaModuleController.pdf, 25/03/2022 [15] Hariprasad, Battery Management System in Electric Vehicles, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), Vol Issue 05, May-2020 [16] TS Lê Minh Phương (2013), “Các linh kiện bán dẫn bản” [17] Nguyễn Đình Tuấn, Điốt gì? Cấu tạo phân loại nguyên lý hoạt động điốt?, https://www.tailieucokhi.net/2018/05/di-ot-la-gi-cau-tao-phan-loai-va-nguyen-ly-hoat-dongdi-ot.html, 30/03/2022 [18] Bách khoa toàn thư mở Wikipedia, 30/03/2022 [19] Thinkin (2006), RHRG30120 [20] ON Semiconductor, “The TL431 in the Control of Switching Power Supplies” [21] Electronics Tutorials, Insulated Gate Bipolar Transistor, https://www.electronicstutorials.ws/power/insulated-gate-bipolar-transistor.html, 30/03/2022 [22] Kocher, IGBT gì? Tìm hiểu cấu tạo cách đo IGBT bếp từ, https://kocher.vn/igbt-lagi-cau-tao-cach-do-va-kiem-tra-igbt-trong-bep-tu.htm, 30/03/2022 [23] Google hình ảnh, Internet [24] Nguyễn Thanh Hải Lê Vĩnh Phúc (2021), Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung, Đồ án tốt nghiệp, Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM [25] Thomas Gamsjäger, “Electronic Engineering 2: Resistors, Elementary Resistor Circuits and the Resistor Paradox” [26] STMicroelectronics, L7815CV Datasheet, https://datasheetspdf.com/pdf- file/1465554/STMicroelectronics/L7815CV.html, 30/03/2022 [27] Thomas L.Floyd, “The Basic Capacitor”, 30/03/2022 [28] Components101 (2018), PC817 Photo-Coupler IC [29] Nguyễn Hữu Phước (2021), Những kiến thức cần biết ghép quang (Opto) [30] ON Semiconductor (2015), NCP1203 [31] Anycar, Các bước kiểm tra thay cầu chì xe tơ, nycar.vn/cac-buoc-kiem-trava-thay-the-cau-chi-cua-xe-o-to-t50643.html, 30/03/2022 79 [32] Thegioiic, Cầu Chì Ống Thủy Tinh, https://www.thegioiic.com/products/cau-chi-ongthuy-tinh, 30/03/3022 [33] Jean Picard (2010), “Under the Hood of Flyback SMPS Designs” [34] Dr Ray Ridley (2005), Flyback Converter snubber design, Switching Power Magazine [35] Lưu Đức Vũ Bình, Nguyễn Trần Nguyên Vũ (2020), Nghiên cứu, thiết kế hệ thống cung cấp điện áp thấp cho tải điện xe máy điện [36] Huỳnh Tấn Duy Võ Lê Việt Nhân (2021), Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát lượng cho xe máy điện, Đồ án tốt nghiệp, Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM 80