TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Trước tình trạng cạn kiệt nguyên liệu chất đốt và nguồn dầu khí, nhu cầu sử dụng nhiên liệu mới và sạch để thay thế các nguồn hiện tại trong vận chuyển ngày càng cấp thiết Năng lượng điện nổi lên như một giải pháp khả thi, giúp giảm thiểu tác động xấu đến môi trường so với các loại nguyên liệu hóa thạch Cụ thể, lượng khí thải độc hại từ phương tiện vận chuyển sử dụng năng lượng điện thấp hơn nhiều so với phương tiện chạy bằng xăng, dầu hay khí đốt.
Hệ thống xe điện đang ngày càng phát triển trên toàn cầu, với các nhà sản xuất tập trung vào các phương tiện phổ biến như ô tô điện, mô tô điện và xe đạp điện Công nghệ thiết kế bộ điều khiển cho xe điện ngày càng hiện đại, mang đến nhiều tính năng tiện ích và giúp người dùng dễ dàng điều khiển cũng như thích ứng với nguồn nhiên liệu mới.
Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của Việt Nam, ngành công nghệ xe máy điện và ô tô điện đang trở thành yếu tố quan trọng trong quá trình chuyển đổi thành nước công nghiệp Đặc biệt, nền công nghiệp sản xuất pin cho xe máy điện và ô tô điện đóng vai trò then chốt trong sự phát triển bền vững của ngành này.
Khoa học kỹ thuật đang phát triển mạnh mẽ, với sự xuất hiện ngày càng nhiều của máy móc công nghệ hiện đại Pin ô tô và pin xe điện là những thành phần thiết yếu trong thiết kế xe điện, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện phương tiện giao thông và nâng cao chất lượng cuộc sống Sản xuất pin không chỉ mang lại tiện ích cho ngành giao thông vận tải mà còn cho nhiều ngành công nghiệp khác như công nghệ điện tử, bao gồm ô tô, xe máy, laptop, điện thoại thông minh và máy tính bảng.
Nền công nghiệp sản xuất pin, đặc biệt là pin Lithium, đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ hiệu quả năng lượng tái tạo như năng lượng gió và mặt trời Việc sử dụng pin Lithium giúp hạn chế phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, từ đó giảm phát thải khí nhà kính và ô nhiễm môi trường.
Pin Lithium đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghệ điện tử, cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị như nhiệt kế, khóa xe từ xa, con trỏ laser, máy nghe nhạc MP3, máy trợ thính, máy tính và hệ thống dự phòng pin Ngoài ra, pin Lithium cũng được sử dụng phổ biến trong đồ chơi điều khiển từ xa, mang lại hiệu suất vượt trội so với các loại pin truyền thống.
Pin Lithium-Ion (pin Li-Ion) đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghệ ô tô và xe máy, cung cấp năng lượng thiết yếu cho hàng triệu người hàng ngày Công nghệ này ngày càng được ưa chuộng nhờ vào trọng lượng nhẹ, mật độ năng lượng cao và khả năng sạc lại, được ứng dụng rộng rãi từ máy tính xách tay và điện thoại di động cho đến xe hybrid và xe điện.
Sử dụng ắc quy chì trên xe điện thường chỉ cho phép di chuyển từ 60 - 80 km mỗi lần sạc, khiến xe trở nên cồng kềnh và chậm chạp Ngược lại, pin Lithium với mật độ năng lượng cao cho phép xe điện di chuyển quãng đường xa hơn, thậm chí lên đến hàng trăm km nếu được trang bị công nghệ tiên tiến Những lợi ích này đã thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất pin Lithium-Ion.
Mặc dù pin Li-ion đã được thương mại hóa rộng rãi, nghiên cứu khoa học về loại pin này vẫn tiếp tục nhằm nâng cao hiệu suất và dung lượng Một vấn đề quan trọng cần giải quyết là đảm bảo an toàn khi sử dụng pin, bao gồm việc quản lý điện áp, bảo vệ chống quá dòng và quá nhiệt, cũng như tối ưu hóa quá trình sạc để tiết kiệm thời gian.
Nhận thức được tầm quan trọng của các điều kiện thực tế, nhóm em đã chọn đề tài “Thiết kế mạch nạp cho hệ 4 cell pin Lithium-ion” với mục tiêu tìm hiểu và củng cố kiến thức chuyên môn Chúng em sử dụng Arduino để điều tra điện áp, bảo vệ quá dòng và quá nhiệt cho bộ pin, nhằm nâng cao hiệu quả sạc pin Lithium-ion và làm quen với phong cách nghiên cứu khoa học.
Mục tiêu nghiên cứu
Để nắm vững kiến thức về mạch nạp pin Lithium-Ion, chúng ta cần tìm hiểu khái niệm, nguyên lý hoạt động và đặc tính của loại pin này Việc sử dụng Arduino để đo điện áp và bảo vệ pin khỏi tình trạng quá dòng và quá nhiệt sẽ giúp củng cố kiến thức, trang bị hành trang cần thiết cho các kỹ sư ô tô tương lai.
Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu về Pin Lithium – Ion, lịch sử hình thành cải tiến, cấu tạo chung, nguyên lý hoạt động cơ bản, ưu nhược điểm của pin Lithium- Ion
- Tìm hiểu về mạch nạp pin Lithium- Ion, cấu tạo và phân loại cơ bản các loại pin
- Tìm hiểu so sánh chi tiết về loại pin phổ biến, dùng Arduino nghiên cứu thiết kế mạch nạp an toàn khi sử dụng.
Đối tượng nghiên cứu
-Hệ thống về các mạch nạp pin trong ô tô , cụ thể dối tượng được nghiên cứu : Mạch nạp Lithium-ion
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên kiến thức từ giáo trình môn “Hệ thống điện- điện tử ô tô” và quá trình học hỏi từ giảng viên, thực tiễn, cũng như tài liệu và internet, chúng tôi đã tổng hợp và phân tích thông tin để xây dựng báo cáo chi tiết.
-Tra cứu và chọn lọc thông tin trên internet bằng tiếng Anh và tiếng Việt , từ đó đưa ra thông tin chính xác và cần thiết
- Sau đó từ những kiến thức đã tích lũy, tiến hành thực hiện mô phỏng.
Kết quả mong muốn đạt được
Tìm hiểu và áp dụng kiến thức về Arduino để thiết kế mạch nạp pin Lithium-Ion, bao gồm khả năng giám sát điện áp, bảo vệ quá dòng và quá nhiệt cho bộ pin Cuối cùng, thực hiện báo cáo kết quả đạt được.
Bảng tiến độ công việc
Bảng tiến độ công việc
Kết thúc 89 1011 1213 1415 1617 1819 2021 2223 2425 2627 2829 30/11 1/12 Tìm hiểu Arduino và Pin Lithium 8/11 4 11/11 x x
Tìm hiểu hệ thống, cách giao tiếp
Arduino và mạch nạp Pin Lithium
Tìm hiểu, thiết kế, tính toán, lập trình lắp đặt hệ thống
Thử nghiệm, thực nghiệm chạy thử 20/11 10 29/11
Kết luận kiến nghị hướng đề xuất 28/11 4 1/12
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Pin Lithium – Ion
2.1.1 Pin Lithium – Ion là gì?
Pin lithium-ion, hay pin Li-ion, là loại pin sạc lại, trong đó các ion lithium di chuyển từ điện cực âm sang điện cực dương trong quá trình xả và quay trở lại khi sạc Pin Li-ion sử dụng hợp chất lithium làm vật liệu cho điện cực, mang lại hiệu suất cao và tuổi thọ dài.
Vật liệu cho điện cực dương thường được sử dụng là oxit kim loại như Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2) và Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), được phủ lên một cực góp điện bằng lá nhôm.
Vật liệu làm điện cực âm trong pin Li-ion là Graphite Carbon phủ trên cực góp điện Pin Li-ion được thương mại hóa lần đầu bởi công ty SONY (Nhật Bản) vào đầu những năm 90, và đến năm 1999, đã có hơn 400 triệu pin được tiêu thụ, mang lại lợi nhuận khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000 Đến năm 2005, thị trường đã có hơn 1,1 tỷ pin với giá trị vượt 4 tỷ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% so với năm 1999 Trong tương lai, các sản phẩm pin Li-ion với giá cả hợp lý, tính năng cao và công nghệ an toàn sẽ ngày càng thu hút sự quan tâm của thị trường.
Công nghệ pin Li-ion đang nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn trên thị trường nhờ vào những cải tiến liên tục trong tính năng Các thiết kế pin ngày càng đa dạng, bao gồm pin hình ống trụ lượn xoắn ốc và pin mặt cắt lăng trụ, với kích thước từ nhỏ (0,1 Ah) đến lớn (160 Ah) Hiện nay, pin Li-ion được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như điện thoại, máy tính xách tay, cũng như trong quân đội, radio, và máy dò mìn Dự đoán rằng trong tương lai, pin Li-ion sẽ còn được sử dụng trong các lĩnh vực như khinh khí cầu, tàu không gian và vệ tinh.
Pin Li-ion có tốc độ tự phóng điện thấp, chỉ từ 2% đến 8% mỗi tháng, và hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ rộng, cho phép nạp điện ở nhiệt độ từ -20 °C đến 60 °C.
Pin Li-ion có thể hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ -40 °C đến 65 °C, cho phép ứng dụng đa dạng và rộng rãi Điện thế của pin Li-ion dao động từ 2,5V đến 4,2V, gấp gần 3 lần so với pin NiCd và NiMH, đồng thời cần ít đơn vị cấu tạo hơn Pin Li-ion còn có khả năng phóng điện nhanh với tốc độ liên tục 5C và chế độ xung lên đến 25C Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi bật, pin Li-ion cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định Các ưu và nhược điểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng 2.1.
-Kín, không cần bảo trì.
-Dải nhiệt độ hoạt động rộng.
-Thời gian hoạt động dài.
-Tốc độ tự phóng chậm.
-Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao.
-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao.
-Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao.
-Không có hiệu ứng nhớ.
-Giá trung bình ban đầu cao.
-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao.
-Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện. -Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bị quá tải.
-Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép. -Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH.
Bảng 2.1 Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion.
Các nghiên cứu về Pin Li-ion vẫn đang diễn ra, với mục tiêu cải thiện chất lượng điện cực và giảm chi phí sản xuất Những kết quả thu được sẽ giúp phát triển các phương pháp chế tạo tối ưu, phù hợp với quy mô sản xuất công nghiệp.
Pin Li-ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau, thường có 2 nhóm là: dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ.
2.1.2.1 Pin Lithium – Ion dạng trụ
Mặt cắt ngang của một pin Li-ion dạng trụ được mô tả trong hình sau:
Hình 2.1 Mặt cắt ngang một pin Li-ion trụ.
2.1.2.2 Pin Lithium – ion lăng trụ phằng
Mặt cắt của pin lăng trụ phẳng có cấu tạo tương tự như phiên bản trụ, với điểm khác biệt là sử dụng trục tâm phẳng thay vì trục tâm trụ.
Hình 2.2 Mặt cắt của một pin Li-ion lăng trụ.
Hình 2.3 Phần đầu và các điện cực của pin Liion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cựcâm), 40Ah (vỏ trung hoà)
Pin Lithium có cấu tạo gồm 3 thànhphần cơ bản: điện cực dương, điện cựcâm và chất điện phân Ngoài ra còn có một số thành phần khác
Hình 2.4 Cấu tạo pin li-on có điệncực dương là LiCoO 2
Vật liệu được sử dụng làm điện cực dương trong pin Li-ion bao gồm LicoO2 và LiMnO4, với cấu trúc phân tử chứa Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium tách ra nhanh chóng, tạo thành ion dương Li+ Để đảm bảo hiệu suất, các vật liệu điện cực dương phải đáp ứng những yêu cầu nhất định.
Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium.
Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium.
Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li +
Hệ số khuếch tán ion Li + lớn.
Không tan trong dung dịch điện li.
Loại vật liệu Dung lượng riêng (mAh/g)
Thế trung bình (V) Ưu - Nhược điểm
LiCoO2 155 3,88 Thông dụng, giá Co đắt
LiNi0,7Co0,3O2 190 3,70 Giá thành trung bình.
LiNi0,8Co0,2O2 205 3,73 Giá thành trung bình.
Bảng 2.2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.
=> Từ bảng ta thấy tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thế trung bình của pin.
Loại pin Li-ion đầu tiên được sản xuất bởi Sony sử dụng than cốc làm điện cực âm, với dung lượng tương đối cao đạt 180mAh/g và độ bền tốt trong dung dịch propylene Đặc biệt, vật liệu graphitic hoạt động như Mesocarbon Microbead (MCMB) carbon có dung lượng riêng cao hơn 300 mAh/g và diện tích bề mặt nhỏ, giúp tăng tính an toàn và không thể làm giảm dung lượng Gần đây, các loại carbon được sử dụng làm điện cực âm đã trở nên đa dạng hơn.
Một số pin sử dụng graphite tự nhiên có giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng bằng vật liệu graphite giúp tăng dung lượng Cực âm của pin được cấu tạo từ than chì (graphene) và các vật liệu carbon khác, có chức năng lưu giữ các ion Lithium L+ trong cấu trúc tinh thể Tính chất và đặc điểm vật lý của các loại carbon khác nhau được trình bày trong bảng 2.3.
Loại vật liệu Dung lượng riêng (mAh/g) Thế trung bình (V) Ưu - Nhược điểm
LiNi0,9Co0,1O2 220 3,76 Có dung lượng riêng cao nhất.
LiNiO2 200 3,55 Phân li mạnh nhất.
LiMn2O4 120 4,00 Mn rẻ, tính độc hại thấp, ít phân li.
Bảng 2.3 Đặc trưng của các loại carbon.
=> Từ bảng ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin.
Có bốn loại chất điện li chính được sử dụng trong pin Li-ion: chất điện li dạng lỏng, chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm.
Chất điện li dạng lỏng: là những muối chứa ion Li.
(LiPF6, LiClO4) được hoàatan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC).
Chất điện li dạng gel là vật liệu dẫn ion được hình thành từ việc hòa tan muối và dung môi trong polymer có khối lượng phân tử lớn, tạo ra một cấu trúc gel.
Chất điện li dạng polimer là dung dịch lỏng chứa pha dẫn ion, được tạo ra từ việc hòa tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn.
Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+.
Mỗi loại chất điện li đều có những ưu điểm riêng, nhưng chung quy lại, chúng cần phải có khả năng dẫn ion Li+ hiệu quả, độ ổn định cao và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như độ ẩm và không khí.
Dung lượ ng không đảo ngược được (m Ah/g)
Repsol LQNC Than cốc dạng kim 234 104 45 6,7
Arduino
Arduino là nền tảng mã nguồn mở cho phép người dùng xây dựng các ứng dụng điện tử với khả năng kết nối và tương tác hiệu quả Nó hoạt động như một máy tính thu nhỏ, giúp lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần công cụ chuyên biệt để nạp mã.
Arduino là nền tảng mã nguồn mở lý tưởng cho việc phát triển các dự án điện tử, bao gồm bảng mạch lập trình (vi điều khiển) và phần mềm IDE (Môi trường phát triển tích hợp) trên máy tính, giúp viết và tải mã lên bo mạch.
Nền tảng Arduino đã trở nên phổ biến đối với những người mới bắt đầu trong lĩnh vực điện tử nhờ vào tính tiện lợi của nó Khác với các bo mạch lập trình truyền thống, Arduino cho phép tải mã mới qua cáp USB mà không cần phần cứng riêng biệt Hơn nữa, Arduino IDE sử dụng phiên bản đơn giản của C++, giúp người dùng dễ dàng học lập trình Arduino cũng cung cấp mẫu chuẩn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp cận các chức năng của bộ vi điều khiển.
Dự án Arduino không chỉ cung cấp các công cụ biên dịch truyền thống mà còn phát triển một môi trường phát triển tích hợp (IDE) và công cụ dòng lệnh, giúp người dùng dễ dàng lập trình và phát triển ứng dụng.
Dự án Arduino, ra mắt vào năm 2005 tại Học viện Thiết kế Tương tác Ivrea, Ý, đã trở thành một công cụ hữu ích cho cả sinh viên và chuyên gia, giúp họ dễ dàng và tiết kiệm chi phí trong việc tạo ra các thiết bị tương tác với môi trường Những thiết bị này sử dụng cảm biến và thiết bị truyền động, với các ví dụ phổ biến như rô bốt đơn giản, bộ điều nhiệt và máy dò chuyển động, rất phù hợp cho những người mới bắt đầu trong lĩnh vực sở thích này.
Arduino cung cấp nhiều loại bo mạch với các khả năng khác nhau, nhờ vào tính chất nguồn mở, người dùng có thể tùy chỉnh và phát triển các bo mạch mới với nhiều chức năng đa dạng Dưới đây là một số loại bo mạch Arduino phổ biến.
Uno là lựa chọn lý tưởng cho những người mới bắt đầu với Arduino, cung cấp đầy đủ các tính năng cần thiết để khởi đầu Board này có 14 chân đầu vào/đầu ra digital, trong đó 6 chân hỗ trợ đầu ra PWM, cùng với 6 đầu vào analog Nó được trang bị kết nối USB, giắc cắm nguồn, nút reset và nhiều linh kiện khác Bạn chỉ cần kết nối Uno với máy tính qua cáp USB hoặc cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin để bắt đầu sử dụng.
Hình 2.7: Arduino Uno (R3) Lilypad Arduino
LilyPad là công nghệ dệt e-textile do Leah Buechley phát triển, hợp tác với SparkFun Mỗi thiết bị LilyPad được thiết kế để dễ dàng gắn lên quần áo thông qua chỉ dẫn điện Công nghệ này bao gồm các đầu vào, đầu ra, điện và bo mạch cảm biến, chuyên dụng cho e-textile, và đặc biệt, LilyPad còn có khả năng rửa được.
RedBoard có thể lập trình qua cáp USB Mini-B bằng Arduino IDE và hoạt động trên Windows 8 mà không cần thay đổi cài đặt bảo mật Với chip USB/FTDI và thiết kế phẳng ở mặt sau, RedBoard cung cấp độ ổn định cao và thuận tiện cho việc nhúng vào các dự án Để tải mã lên, chỉ cần cắm bo mạch và chọn "Arduino UNO" từ menu Bạn có thể cấp nguồn cho RedBoard qua USB hoặc qua đầu cắm nguồn cái, với bộ điều chỉnh nguồn trên bo mạch có khả năng xử lý từ 7 đến 15V DC.
Arduino Mega là phiên bản nâng cấp của Arduino UNO, với 14 chân đầu vào/đầu ra digital (trong đó 14 chân có thể sử dụng làm đầu ra PWM) và 16 chân đầu vào analog Bo mạch này được trang bị kết nối USB, giắc cắm nguồn và nút reset, cung cấp mọi thứ cần thiết để hỗ trợ vi điều khiển Người dùng chỉ cần kết nối với máy tính qua cáp USB hoặc cấp nguồn bằng bộ chuyển đổi AC-DC hoặc pin Với số lượng chân phong phú, Arduino Mega rất lý tưởng cho các dự án yêu cầu nhiều đầu vào hoặc đầu ra digital, như điều khiển nhiều đèn LED hoặc nút bấm.
Hình 2.10: Arduino Mega (R3) Arduino Leonardo
Bo mạch Arduino Leonardo là sản phẩm đầu tiên tích hợp vi điều khiển USB, mang lại lợi ích về giá cả và sự đơn giản Với khả năng xử lý USB trực tiếp, Leonardo hỗ trợ các thư viện mã phong phú, cho phép mô phỏng các thiết bị như bàn phím máy tính, chuột và nhiều thiết bị khác.
Có nhiều loại bo mạch Arduino sử dụng cho các mục đích khác nhau, nhưng hầu hết Arduino có các thành phần như dưới đây:
Nguồn (USB / Đầu cắm nguồn cái)
Bo mạch Arduino có hai cách cấp nguồn: qua cáp USB (5V) hoặc qua đầu cắm nguồn cái Cổng USB, được đánh số (1), không chỉ cung cấp điện mà còn cho phép tải mã lên bo mạch, trong khi đầu cắm nguồn cái, được đánh số (2), cũng là một lựa chọn để cấp nguồn cho Arduino UNO.
***LƯU Ý: Không sử dụng nguồn điện lớn hơn 20 Vôn sẽ làm hư Arduino Điện áp thích hợp cho hầu hết các mô hình Arduino là từ 6 đến 12 Vôn.
Chân (5V, 3.3V, GND, Analog, Kỹ thuật số, PWM, AREF)
Các chân trên Arduino là điểm kết nối dây để xây dựng mạch, thường có đầu cắm bằng nhựa đen giúp dễ dàng cắm dây vào bo mạch Arduino có nhiều loại chân khác nhau, mỗi loại được đánh dấu trên bo mạch và phục vụ cho các chức năng riêng biệt.
GND (3): Viết tắt của ‘Ground’ Có một số chân GND trên Arduino, có thể sử dụng bất kỳ chân nào để nối đất cho mạch.
5V (4) & 3.3V (5): Chân 5V cấp nguồn 5 vôn, và chân 3.3V cấp nguồn 3,3 vôn Hầu hết các linh kiện đơn giản sử dụng với Arduino chạy ổn định ở 5 hoặc 3,3 vôn.
Khu vực chân 'Analog In' (A0 đến A5) trên UNO nhận tín hiệu đầu vào từ các cảm biến tương tự, như cảm biến nhiệt độ, và chuyển đổi chúng thành giá trị số có thể đọc được Tiếp theo, từ khu vực chân analog, chúng ta có các chân digital (0 đến 13), được sử dụng cho cả đầu vào digital, chẳng hạn như xác định nút nào được nhấn, và đầu ra digital, như cấp nguồn cho đèn LED.
PWM (8): Trên board Arduino UNO, các chân số 3, 5, 6, 9, 10 và 11 được đánh dấu bằng dấu ngã (~), cho thấy chúng có khả năng hoạt động như chân digital thông thường và đồng thời hỗ trợ điều chế độ rộng xung (PWM).
TRÌNH BÀY THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, LẮP ĐẶT HỆ THỐNG (BẢN VẼ, MÔ HÌNH, MÔ PHỎNG KÍCH THƯỚC)
3.1 Chuẩn bị vật dụng, thiết bị và công cụ:
- Chuẩn bị vật dụng để thiết kế mạch nạp pin lithium:
Mạch cảm biến nhiệt độ NTC thermistor
Led ( xanh, đỏ, vàng ), dây điện, điện trở
IC 7805 (Ổn áp nguồn 5V cấp cho Arduino)
Mạch giảm áp Buck DC-DC
4 đế pin đơn mắc song song
Trước hết, chúng ta sẽ lập trình code nạp vào Arduino mục đích:
Ngắt được khi pin đầy
Bảo vệ khi nhiệt độ cao
3.2 Lập luận, tính toán thiết kế
Thông thường pin lithium có điện áp định mức là 3.7V đến tối đa là 4.2V trên mỗi cell, cho nên điện áp mong muốn đầu ra là V ra = 4.2V
Nguồn 220V được chuyển đổi qua máy biến áp thành 9V, và theo công thức của mạch cầu diode có tụ lọc, dòng điện sau chỉnh lưu đạt khoảng 10V Dòng điện này được sử dụng để ổn áp nguồn 5V cho biến áp, Arduino, relay và mạch biến áp 5V Một đầu còn lại được giảm áp từ 10V xuống 4.2V thông qua tiếp điểm điều khiển của relay, cho phép relay sạc hoặc ngưng sạc pin khi nhận tín hiệu từ Arduino Để giảm thiểu dòng điện xuất ra, chúng ta sử dụng hai điện trở 10K, giúp duy trì dòng điện ở mức 0.21 mA, đảm bảo an toàn cho Arduino.
- Sơ đồ mạch điện khi mô phỏng:
Hình 3.1: Sơ đồ mạch điện
Làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều AC sau máy biến áp thành điện một chiều DC để cấp cho mạch.
Làm nhiệm vụ hạ áp sau chỉnh lưu xuống mức 4.2V để sạc cho pin
+ Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ ở pin và xuất tín hiệu để ngắt sạc khi phát hiện nhiệt độ ở pin cao.
Làm nhiệm vụ đóng cắt nguồn điện sạc phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển từ Arduino.
Làm vi điều khiển chính để điều khiển các hoạt động của mạch.
+ IC ổn áp 7805: Ổn áp nguồn 5V để cấp cho Arduino, module relay, cảm biến nhiệt độ.
+ Cầu phân áp ở ngõ ra:
Trả mức điện áp hiện tại ở pin về vi điều khiển.
Thông báo trạng thái hiện tại của mạch.
3.4 Lập trình Arduino float voltage; int Temp; void setup() {
To set up the circuit, configure pin A0 as an input for the voltage distribution bridge, pin 9 as an output for the relay, and pin 8 as an input for the temperature sensor Additionally, set pin 5 as an output for the yellow LED, pin 6 for the green LED, and pin 7 for the red LED.
} void loop() { float giatri=analogRead(A0)*(4.2/1023); //Read output voltage voltage = (giatri*2) + 0.5; //Scale
Temp = digitalRead(8); delay(2000); if (Temp == LOW)
{ digitalWrite(9, LOW);//Relay off digitalWrite(5, LOW); digitalWrite(6,LOW); digitalWrite(7,HIGH);//LED Red on
} else if(voltage >= 4.2)//Full battery
{ digitalWrite(9, LOW);//Relay off digitalWrite(5, LOW); digitalWrite(6,HIGH);//LED Green on digitalWrite(7,LOW);
} else if ((voltage < 4.2) and (voltage > 3.6))//Low battery
{ digitalWrite(9, HIGH);//Relay on digitalWrite(5, LOW); digitalWrite(6,LOW); digitalWrite(7,HIGH);//LED Red on
} else if (voltage < 3) //Pin bị chai, hoặc các trường hợp khác
{ digitalWrite(9, LOW);//Relay off digitalWrite(5, HIGH); digitalWrite(6,LOW); digitalWrite(7,LOW);
3.5 Sơ đồ mạch điện thực tế khi thiết kế mạch nạp pin Lithium 4 cell:
Hình 3.2: Sơ đồ mạch điện thực tế
THỬ NGHIỆM, THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, THẢO LUẬN
LUẬN 4.1 Một số hình ảnh của việc thực nghiệm mô hình mạch nạp pin Lithium:
Hình 4.1: Mô hình mạch sạc pin lithium
4.2 Kết quả thực nghiệm Đã thành công trong việc thiết kế mạch pin Lithium- ion, dùng Arduino để bảo vệ quá dòng, quá nhiệt, có thể ngắt mạch khi sạc đầy.
KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN, ĐỀ XUẤT
XUẤT 5.1 Đạt được những thành tựu nào?
Mạch sạc pin Lithium-ion 4 cell được thiết kế thành công với khả năng bảo vệ quá nhiệt và quá dòng thông qua Arduino Mạch tự ngắt khi pin đã đầy, đảm bảo an toàn cho thiết bị Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của pin lithium-ion cùng với các thiết bị như diode và tụ lọc là điều cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất sạc.
5.2 Kết quả thực hiện so với mục tiêu đề ra
Kết quả: đạt được yêu cầu đề ra.
Khuyết điểm: cảm biến nhiệt còn rời, có thể dán dính vào pin để có thể theo dõi nhiệt độ của pin.
Hình 5.1: Khuyết điểm cảm biến
5.3 Đánh giá, kiến nghị a) Đánh giá
Việc thiết kế mạch sạc cho pin lithium 4 cell cần đảm bảo các tính năng bảo vệ như ngăn chặn quá dòng, quá nhiệt, và tự ngắt khi pin đã đầy Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất của pin mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
+ Từ mạch pin Lithium- ion 4 cell 3,7 V có thể phát triển thành các bộ sạc cho xe điện, xe máy điện, các đồ sạc về điện tử.
+ Phát triển thêm màn hình LCD để hiển thị dung lượng pin, tuổi thọ pin.
+ Kết nối wifi, bluetooth, để kết nối với điện thoại, có thể báo cáo tình trạng sạc pin của xe cho điện thoại.