(Tiểu luận) môn học hệ thống điện – điện tử ô tô đề tài thiết kế mạch nạp pin lithum ion

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO  MÔN HỌC: HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Ô TÔ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH NẠP PIN LITHUM - ION Lớp: 03CLC, Thứ tiết – - GVHD: TS LÊ THANH PHÚC SVTH: MSSV Phan Hồng Phúc 20 Nguyễn Hữu Lộc Nguyễn Minh Dũng Phạm Đăng Anh Hiếu Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2022 20 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA THỰC HIỆN BÁO CÁO HỌC KỲ I NĂM HỌC 2022-2023 Tỉ lệ hoàn STT MSSV Họ Tên Nhiệm vụ 20145547 Nguyễn Hữu Lộc Lắp mạch 100% 20145099 Phan Hồng Phúc Viết code 110% 20145152 Phạm Đăng Anh Hiếu Soạn ppt, word 90% 20145473 Nguyễn Minh Dũng Lắp mạch 100% thành (%) Ghi chú: - Tỷ lệ % = 100%: Mức độ phần trăm sinh viên tham gia - Trưởng nhóm: Phan Hồng Phúc SĐT: 0942339267 Nhận xét giáo viên ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng… năm 2022 (Ký tên) TS Lê Thanh Phúc Mục Lục CHƯƠNG I: TỔNG QUAN .1 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục tiêu nghiên cứu .3 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu .3 1.4 Đối tượng nghiên cứu .3 1.5 Phương pháp nghiên cứu .3 1.6 Kết mong muốn đạt .3 1.7 Bảng tiến độ công việc CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Lithium – Ion 2.1.1 Pin Lithium – Ion gì? .5 2.1.2 Phân loại 2.1.3 Cấu tạo .8 2.1.4 Công dụng 12 2.1.5 Nguyên lý hoạt động 14 2.1.6 Đặc tính xả nạp pin Lithium-ion 16 2.2 Arduino 17 2.2.1 Arduino ? .17 2.2.2 Phân loại 19 2.2.3 Cấu tạo 22 2.2.4 Công dụng 24 2.2.5 Nguyên lý hoạt động 24 CHƯƠNG 3: TRÌNH BÀY THIẾT KẾ, LẬP TRÌNH, LẮP ĐẶT HỆ THỐNG (BẢN VẼ, MƠ HÌNH, MƠ PHỎNG KÍCH THƯỚC) 26 3.1 Chuẩn bị vật dụng, thiết bị công cụ: 26 3.2 Lập luận, tính tốn thiết kế 29 3.3 Mô thiết kế: 29 3.4 Lập trình Arduino 30 3.5 Sơ đồ mạch điện thực tế thiết kế mạch nạp pin Lithium cell: 32 CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM, THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, THẢO LUẬN 33 4.1 Một số hình ảnh việc thực nghiệm mơ hình mạch nạp pin Lithium: 33 4.2 Kết thực nghiệm 34 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN, ĐỀ XUẤT 35 5.1 Đạt thành tựu nào? 35 5.2 Kết thực so với mục tiêu đề 35 5.3 Đánh giá, kiến nghị 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Lý chọn đề tài 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 môi trường Ví dụ lượng khí thải độc hại thải môi 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 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 - Trong bối cảnh nước ta phát triển cách nhanh chóng, nói Việt Nam đà phát triển thành nước công nghiệp thời gian tới, vai trị ngành cơng nghệ xe máy điện, ô tô điện nói chung công nghiệp sản xuất pin xe máy điện, tơ điện nói riêng quan trọng - Khoa học kỹ thuật ngày phát triển, máy móc cơng nghệ đại xuất ngày nhiều Để thiết kế xe điện chỉnh pin tơ, hay pin xe điện phần thiếu Việc sản xuất pin cho xe đóng vai trị vơ quan trọng việc cải thiện phương tiện giao thông, đời sống hoạt động sản xuất người Nó mang lại nhiều tiện ích với hầu hết ngành công nghiệp Đặc biệt ngành giao thông vận tải ngành công nghệ điện tử Chi tiết như: ô tô, xe máy, đồ dùng điện tử, laptop, điện thoại thơng minh, máy tính bảng… - Cụ thể cơng nghiệp sản xuất pin góp phần nhiều ngành công nghiệp dịch vụ…, đặc biệt Pin Lithium có khả lưu trữ hiệu nguồn lượng có khả tái tạo lượng gió, mặt trời Từ hạn chế việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính giảm nhiễm mơi trường - Đối với ngành công nghệ điện tử: Pin Lithium sử dụng để cung cấp lượng cho thiết bị ngày tăng, nhiệt kế, khóa xe từ xa, trỏ laser, máy nghe nhạc MP3, máy trợ thính, máy tính hệ thống dự phịng pin máy tính Đồ chơi điều khiển từ xa sử dụng pin Lithium, với pin thường xuyên vượt xa đồ chơi - Đối với ngành công nghệ ô tô, xe máy: Pin Lithium-Ion (pin Li-Ion) cung cấp lượng cho sống hàng triệu người ngày Từ máy tính xách tay điện thoại di động xe hybrid xe điện, công nghệ ngày phổ biến nhờ trọng lượng nhẹ, mật độ lượng cao khả sạc lại Thông thường, sử dụng ắc quy chì xe điện để di chuyển 60 - 80 km/lần sạc, kích thước ắc quy có xu hướng to nặng, làm cho xe điện trở nên cồng kềnh chạy chậm Trái lại, dùng pin Lithium, sở hữu mật độ lượng cao, có kích thước khối lượng, xe điện pin Lithium mang lại khả di chuyển quãng đường xa hơn, chí đến hàng trăm km pin sở hữu cơng nghệ cải tiến đột phá Chính tiện ích làm cho ngành công nghiệp sản xuất Pin Lithium- Ion phát triển - Mặc dù thương mại hóa rộng rãi thị trường cơng trình khoa học nghiên cứu pin Li-ion tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao hiệu suất, dung lượng Bên cạnh vấn đề thực tiễn đặt là, làm cách để an toàn sử dụng pin, cụ thể tra điện áp, bảo vệ dòng nhiệt cho pin, sạc pin cách hiệu nhanh để tiết kiệm thời gian - Nhận thấy tầm quan trọng từ điều kiện thực tế ấy, đề tài “ Thiết kế mạch nạp cho hệ cell pin Lithium - ion Sử dụng Arduino điều tra điện áp, bảo vệ dòng nhiệt cho pin.” nhóm em thực nhằm mục đích để tìm hiểu rõ hơn, củng cố mở rộng kiếm thức chuyên môn, đồng thời làm quen với phong cách nghiên cứu khoa học góp phần nâng cao cải tiến hiệu sạc pin LithiumIon 1.2 Mục tiêu nghiên cứu - Nhằm hiểu rõ, chi tiết mạch nạp pin Lithium- Ion, cụ thể khái niệm, ngun lí hoạt động, đặc tính pin, từ mà sử dụng Arduino điều tra điện áp, bảo vệ dòng nhiệt cho pin Cũng cố thêm kiến thức, tích góp làm hành trang cho người kỹ sư ô tô tương lai 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu Pin Lithium – Ion, lịch sử hình thành cải tiến, cấu tạo chung, nguyên lý hoạt động bản, ưu nhược điểm pin Lithium- Ion - Tìm hiểu mạch nạp pin Lithium- Ion, cấu tạo phân loại loại pin - Tìm hiểu so sánh chi tiết loại pin phổ biến, dùng Arduino nghiên cứu thiết kế mạch nạp an toàn sử dụng 1.4 Đối tượng nghiên cứu -Hệ thống mạch nạp pin ô tô , cụ thể dối tượng nghiên cứu : Mạch nạp Lithium-ion 1.5 Phương pháp nghiên cứu -Dựa kiến thức giáo trình mơn “Hệ thống điện- điện tử tơ” sau q trình tiếp thu học hỏi, tiếp thu kiến thức từ Thầy (Cô), từ đời sống, tra cứu từ tài liệu, mạng internet, tổng hợp phân tích thơng tin từ xây dựng báo cáo -Tra cứu chọn lọc thông tin internet tiếng Anh tiếng Việt , từ đưa thơng tin xác cần thiết - Sau từ kiến thức tích lũy, tiến hành thực mô 1.6 Kết mong muốn đạt Tìm hiểu tiếp thu kiến thức, dùng Arduino thiết kế mạch nạp pin Lithium- Ion, điều tra điện áp, bảo vệ q dịng nhiệt cho pin Sau thực báo cáo kết 1.7 Bảng tiến độ công việc Bảng tiến độ công việc Công việc Bắt Số Kết cách giao tiếp Arduino mạch nghiệm chạy thử Kết luận kiến nghị hướng đề xuất 12/11 1/12 26 27 28 29 30/11 22 23 24 25 18 19 20 21 x 17/11 x x 16 17 11/11 x nạp Pin Lithium Tìm hiểu, thiết kế, tính tốn, lập trình 16/11 lắp đặt hệ thống Thử nghiệm, thực 14 15 8/11 12 13 Pin Lithium Tìm hiểu hệ thống, 9 10 11 đầu ngày thúc Tìm hiểu Arduino x 23/11 20/11 10 29/11 28/11 1/12 CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Lithium – Ion 2.1.1 Pin Lithium – Ion gì? Pin lithium ion hay pin Li- ion loại pin sạc lại ion lithium di chuyển từ điện cực âm đến cực dương trình xả, trở lại sạc Pin li -ion sử dụng hợp chất lithium làm vật liệu điện cực: - Vật liệu làm điện cực dương oxit kim loại điển hình như: Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), phủ cực góp điện nhôm - Vật liệu làm điện cực âm Glaphite Cacbon phủ cực góp điện Pin Li-ion thương mại hoá phát triển công ty SONY (Nhật Bản) từ đầu năm 90 tới năm 1999 có 400 triệu pin thương phẩm Lợi nhuận thu khoảng 1,86 tỷ USD năm 2000 Tới 2005 có 1,1 tỷ pin đưa thị trường với giá trị tỉ USD, giá thành giảm xuống 46% từ 1999 đến 2005 Trong tương lai, sản phẩm với giá hiệu dụng, tính cao, cơng nghệ an tồn ngày thị trường quan tâm Cơng nghệ nhanh chóng trở thành nguồn lượng chuẩn thị trường mảng rộng, tính pin Li-ion tiếp tục cải tiến làm cho pin ứng dụng ngày rộng rãi phạm vi ứng dụng khác Nhằm đáp ứng yêu cầu thị trường, thiết kế ngày cải tiến phát triển, bao gồm pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, pin thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah) Hiện pin Li-ion ứng dụng rộng rãi đồ điện tử pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử quân đội, radio, máy dị mìn dự đốn pin Li-ion cịn ứng dụng khinh khí cầu, tàu khơng gian, vệ tinh Pin Li-ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2% ÷ 8% tháng) có dải nhiệt độ hoạt động rộng (nạp điện nhiệt độ từ −20° C ÷ 60° C), phóng điện nhiệt độ từ −40° C ÷ 65° C) cho phép chúng ứng dụng cách đa dạng rộng rãi Điện pin Li-ion đạt khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp lần so với pin NiCd hay pin NiMH, cần đơn vị cấu tạo cho pin Pin Li-ion cho khả phóng điện tốc độ cao Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, chế độ xung 25C Bên cạnh ưu điểm pin Li-ion có nhược điểm định Những ưu, nhược đểm pin Li-ion tóm tắt bảng 2.1 Ưu điểm Nhược điểm -Kín, khơng cần bảo trì -Giá trung bình ban đầu cao -Chu kỳ sống dài -Giảm khả nhiệt độ cao -Dải nhiệt độ hoạt động rộng -Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện -Thời gian hoạt động dài -Dung lượng bị giảm nóng lên bị -Tốc độ tự phóng chậm tải -Khả nạp nhanh -Bị thủng bị toả nhiệt bị ép -Khả phóng điện có tốc độ -Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ cơng suất cao lượng thấp NiCd NiMH -Hiệu lượng, điện lượng cao -Năng lượng riêng mật độ lượng cao -Khơng có hiệu ứng nhớ Bảng 2.1 Ưu - Nhược điểm Pin Li-ion Hiện cơng trình nghiên cứu Pin Li-ion tiếp tục tiến hành sở kết thu chế tạo điện cực chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng sản xuất công nghiệp