Đồ án nghiên cứu, xây dựng và quản lý khối pin lithium ion chuẩn 12v

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Theo thống kê của cục đăng kiểm Việt Nam tính từ tháng 8 năm 2022 đến tháng 9 năm 2022, số lượng ô tô xe máy trên cả nước rơi vào khoảng 5 triệu chiếc[1] Phần lớn nguồn ắc quy trên các phương tiện này đều là loại ắc quy axit chì được sử dụng qua hàng thế kỉ Ắc quy axit chì được sử dụng rộng rãi trong đời sống hằng ngày như cung cấp điện năng cho các thiết bị chiếu sáng ở nơi không có nguồn điện Là nguồn cho các thiết bị mô hình thực tập điện ở các bộ môn ô tô Ắc quy là bộ phận không thể thiếu trên ô tô, xe máy, việc tiếp xúc, sử dụng ắc quy có thể gây ra những nguy hiểm tiềm tàng, độc hại ảnh hưởng đến môi trường sống, hệ sinh thái và sức khoẻ gia đình.

Hình 1 1 Biểu đồ thống kê số lượng ô tô, xe máy của cục đăng kiểm Việt Nam[1].

Như Bs Nguyễn Trung Nguyên, phụ trách Trung tâm Chống độc đã chia sẻ:"Việc thu gom bình ắc quy cũ không đảm bảo, dẫn tới trường hợp bị ngấm, thấm xuống đất, phát tán ra môi trường xung quanh dưới dạng bụi có thể sẽ vào nguồn nước,đất gây ô nhiễm, ảnh hưởng đến thức ăn, người dân sống trong khu vực đó sẽ hít phải bụi và dẫn tới bị ngộ độc chì"[2] Chính vì những hạn chế như trên của ắc quy axit chì,ngày nay các nhà khoa học đã nghiên cứu ra một loại năng lượng mới để thay thế đó là pin Lithium ion Chính sự ra đời của pin Lithium đã tạo ra cuộc cách mạng hóa trong ngành công nghiệp năng lượng không sử dụng nhiên liệu hóa thạch và rất nhiều lợi ích cho cuộc sống của con người Pin Lithium đang ngày càng được sử dụng phổ biến trên các thiết bị điện tử như điện thoại, đồ gia dụng, các loại phương tiện xe máy điện, xe hơi, máy bay, hay các thiết bị điện tử tinh vi hơn trên tàu vũ trụ hay trạm không gian Đặc biệt công nghệ pin Lithium thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp sản xuất ô tô và xe máy điện Pin Lithium Ion hay còn gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, viết tắt là LIB, thuộc loại pin sạc Đây là một tổ hợp bao gồm nhiều tế bào, như pin axit-chì và nhiều loại pin khác Pin sử dụng kim loại Lithium hoặc hợp kim Lithium làm vật liệu điện cực âm và sử dụng dung dịch điện giải không dính Ngày nay Pin Lithum ion được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xe điện bởi vì các các ưu điểm của nó như: mật độ năng lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, tốc độ tự xả lâu và vòng đời sử dụng dài hơn Từ những ưu điểm của pin Lithium-Ion, nhóm quyết định nghiên cứu, tiến hành thực nghiệm, mô phỏng, quản lí pin Lithium ion, từ đó xây dựng bộ nguồn pin Lithium ion 12V tương tự như ắc quy axit chì được xem như là một nguồn năng lượng thay thế an toàn và hiệu quả.

Giới hạn đề tài

 Chỉ là nguồn tích trữ năng lượng thay thế cho ắc quy axit chì để vận hành một số mô hình hệ thống điện trên ô tô, dùng để khởi động xe máy.

 Chưa khảo sát tính năng khởi động động cơ trên ô tô như ắc quy axit chì.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

 Xây đựng được khối pin 12V để vận hành một số hệ thống và khởi động xe máy.

 Ứng dụng được phần mềm Matlab để mô phỏng 1 cell pin, 1 khối pin.

 Ứng dụng phần mềm Matlab tiến hành tính toán thông số để lựa chọn ghép nối.

 Phần mềm phải hoạt động tốt và cho ra các thông số đồ thị tương đối chính xác về trạng thái của pin, dung lượng pin, điện áp của pin, để từ đó đánh giá sự thay đổi so với các thông số được đo trên cell pin cũng như khối pin thực tế.

Nội dung nghiên cứu

 Thu thập thông số cell đơn

 Lựa chọn ghép nối theo thông số mong muốn

 Ghép nối bộ nguồn Pin, thiết kế bộ kiểm soát phóng nạp Pin

 Thực nghiệm xây dựng đặc tuyến phóng nạp Pin

 Đề xuất các phương án sạc Pin

Phương pháp thực hiện

 Đầu tiên chọn loại pin làm thí nghiệm, sau đó dựa vào pin đã chọn tiến hành thu thập thông số về điện áp, dung lượng, nội trở của pin.

 Tiến hành xây dựng mạch điện tương đương cho pin Lithium ion bằng phần mềm Matlab dựa vào các thông số đã thu thập.

 Xây dựng đồ thị biễu diễn sự tương quan giữa các thông số, sau khi đánh giá được sự sai lệch giữa thông số mô phỏng và thông số đo được thực tế thì tiến hành tính toán lựa chọn ghép nối.

 Tìm hiểu về mạch bảo vệ cho pin và tiến hành xây dựng bằng phần mềm Altium, sau đó tiến hành in mạch.

 Tiến hành đóng khối pin bằng các dụng cụ đã chuẩn bị và thực nghiệm xây dựng đặc tuyến phóng nạp pin.

 Sau cùng đề xuất các phương án sạc pin và nghiệm thu kết quả.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về pin li - ion

2.1.1 Khái niệm về Pin Li – ion

Pin Lithium ion, hoặc pin Li - ion , là một loại pin có thể sạc lại trong đó các ion Li+ trao đổi giữa các điện cực âm sang dương trong quá trình phóng điện và quay trở lại khi được sạc Loại pin này được cấu tạo gồm các thành phần cơ bản là chất điện phân đóng vai trò như môi trường di chuyển giữa hai cực âm và dương của pin, qua thời gian dài nghiên cứu và ứng dụng loại pin này đang dần được cải thiện về khả năng tích trữ năng lượng cũng như độ bền theo thời gian Pin sử dụng các hợp chất Lithium làm vật liệu điện cực:

 Vật liệu chế tạo điện cực dương là oxit kim loại điển hình như: Lithium Cobalt Oxide (LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) bao phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm.

 Vật liệu điện cực âm là Glaphite Cacbon phủ trên bộ thu dòng điện. Bản chất của quá trình tạo ra dòng điện trong pin là sự chuyển động của các hạt tích điện giữa cực dương và cực âm Khi pin được xả hết, điện tích chính chứa trong pin sẽ là điện dương và không thể được sử dụng để cấp nguồn cho phần cứng cần thiết trong thiết bị Sau khi chúng ta cắm nguồn, quá trình sạc diễn ra, pin sẽ được cấp lại phần điện tích âm bị thiếu trong quá trình sử dụng Khi con số sạc bão hòa có nghĩa là pin đã đầy Và như vậy, quá trình sạc và xả của pin.

Lý do chính tại sao pin Li – ion thường được sử dụng là mật độ năng lượng nó cao Một tế cell pin Li-ion nhỏ có thể chứa rất nhiều năng lượng Hơn thế nữa, pin Li- ion cung cấp thời gian sạc tốt hơn và nhiều chu kỳ xả sạc hơn trước khi hỏng hóc Nếu bạn sử dụng Lithium nguyên chất làm điện cực pin, pin sẽ có thể lưu trữ năng lượng lớn hơn nhiều nhưng không thể sạc lại Vì vậy, nó phụ thuộc vào vật liệu điện cực, có thể tác động mạnh mẽ đến hiệu suất của pin Mức năng lượng trong pin phụ thuộc vào số lượng ion Li+ và e- có trên một đơn vị diện tích của điện cực.

Hình 2 1 Một loại Pin Lithium NCR18650 của hãng Panasonic

Lần lượt vào các năm 1970, 1980, 1983, các nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, giáo sư vật lý người Mỹ John Goodenough, giáo sư Đại học Meijo, Nhật Bản Akira Yoshino đã có những phát hiện nghiên cứu và phát triển nền tảng pin Li - ion Pin Li - ion sau đó đã được thương mại hoá và phát triển đầu tiên bởi công ty SONY (Nhật Bản) từ đầu những năm 90 và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm đã được bán ra thị trường Lợi nhuận thu được rơi vào khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000 Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ viên pin được đưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46% từ

1999 đến 2005 Ngày nay, Li - ion đã dần trở thành dòng pin thống trị trên thị trường thế giới, pin được sử dụng cho các thiết bị di động, thiết bị lưu trữ điện UPS và đặc biệt là ô tô điện.

Hình 2 2 Lịch sử phát triển pin lithium-ion trải qua sự phát triển của 3 giáo sư

Công nghệ này nhanh chóng ngày càng trở thành nguồn năng lượng tiêu chuẩn của thị trường trên một mảng rộng, từ đó tính năng của pin Li - ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin được ứng dụng ngày ngày rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau Nhằm đáp ứng yêu cầu của thị trường, các thiết kế càng được cải tiến và phát triển, bao gồm những viên pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ,những tấm được thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah) Hiện nay pin Li - ion được ứng dụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính xách tay,mạng điện tử quân đội, máy radio, máy dò mìn … Trong tương lai, pin Li

-ion còn được ứng dụng trong khinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh…Hiện nay, các công trình nghiên cứu về Pin Li - ion vẫn tiếp tục được tiến hành và dựa trên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực chất lượng tốt hơn, giá thành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất công nghiệp.

2.1.3 Ưu, nhược điểm và các ứng dụng Ưu điểm

 Điệp áp cao: So với các loại pin thông thường khác thì pin lithium có điện áp cao hơn, một cell pin lithium có mức điện áp từ 3,7V – 3,8V.

 Về mật độ lưu trữ năng lượng lớn: Mức năng lượng thực tế của pin có thể đạt được là 555Wh/kg Mức năng lượng này cao hơn từ 3 đến 4 lần so với các loại pin Ni-Cd hay Ni-MH.

 Vòng đời dài: Thông thường các loại pin có thể đạt được vòng đời hơn 500 lần, thậm chí có thể lên đến mức 1000 lần Một số loại pin lithium khác có thể đạt được mức vòng đời 2000 lần, đặc biệt là những loại thiết bị xả dòng nhỏ thì tuổi thọ có thể cao hơn nữa.

 An toàn khi sử dụng: Pin Lithium được xác nhận an toàn với người sử dụng với việc không gây ô nhiễm hay độc hại đối với môi trường.

 Quá trình sạc có thể nhanh hơn: một trong những ưu điểm tuyệt vời của loại pin này chính là có tốc độ sạc nhanh Trong khoảng thời gian 30 phút, có thể tiến hành nạp được 80% dung lượng pin.

 Mức nhiệt độ làm việc phù hợp: Mức nhiệt độ làm việc của pin lithium được xác định từ -25 – 45 độ C Các sản phẩm mới được dự kiến sẽ mở rộng mức nhiệt độ làm việc từ -40 – 70 độ C.

Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li – ion vẫn tồn tại những nhược điểm nhất định có thể kể đến như:

 Giá thành tương đối cao: do pin có chi phí sản xuất và chế tạo đắt hơn gần 40% so với các loại pin khác.

 Khá nhạy cảm và dễ dàng suy giảm hiệu năng sử dụng bởi nhiệt, dải nhiệt độ tối ưu của pin khi sạc: -25 đến 45 độ C và khi xả: 20 đến 70 độ C.

 Pin có hiệu ứng tự xả: pin giảm dần dung lượng khoảng 5-10%/tháng, sự lão hóa của pin diễn ra và xảy ra ngay cả khi chúng không được sử dụng.

Khi ứng dụng của pin Li-ion ra đời, pin được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử (máy tính, điện thoại, đồ gia dụng, làm thiết bị lưu trữ điện năng trong các ngành sử dụng năng lượng tái tạo) Tuy nhiên, với những ưu điểm vượt trội, pin Li- ion ngày càng được sử dụng rộng rãi cho các loại xe điện và xe hybrid Tính đến năm 2014, 73% thị trường pin Li-ion dành cho xe điện và xe hybrid.

Hình 2 3 Thị trường pin Li - ion 2008 – 2014

Cấu tạo pin Li - Ion

Một viên pin Li - ion thường được cấu tạo bởi điện cực âm làm bằng than chì, điện cực dương thường làm bằng Lithium Cobalt oxide (LiCoO 2 ) và chất điện phân chứa muối Lithium như LiPF 6 , LiBF 4 hoặc LiCIO 4 Các ion Li+ di chuyển qua lại giữa hai điện cực trong quá trình nạp và xả điện, phóng các electron để tạo thành dòng điện Pin Li - ion thường có mật độ nạp rất cao, lưu trữ được rất nhiều năng lượng và có thể nạp điện khi pin vẫn còn đầy.

Hình 2 4 Sơ đồ các thành phần Pin Li - ion [4]

2.2.1 Điện cực dương Ởđiện cực dương (Cathode), vật liệu dùng để làm điện cực là các oxit kim loại Lithium dạng LiMO 2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn

hay các hợp chất thay thế một phần cho nhau giữa các kim loại M Pin Li - ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất và đưa ra thị trường dùng LiCoO 2 (do Goodenough và Mizushina nghiên cứu và chế tạo) làm điện cực dương, có cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, ký hiệu Li+ Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn 2 O 4 (Spinel) hoặc các vật liệu có dung lượng cao hơn như LiNi 1-x Co x O 2 [3].

Những yêu cầu cần phải đảm bảo cho các vật liệu dùng làm điện cực dương:

 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 pin Li - ion đầu tiên do hãng Sony sản xuất thì dùng than cốc làm điện cực âm Vật liệu nền than cốc cho dung lượng tương đối cao, 180mAh/g và bền trong dung dịch propylene thay thế bởi graphitic hoạt động, đặc biệt là Mesocarbon Microbead (MCMB) carbon MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn 300 mAh/g và diện tích bề mặt nhỏ, vì vậy việc làm thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao Mới đây, các loại hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hoá Một số pin dùng graphite tự nhiên, khả dụng đi cùng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thế carbon cứng cho dung lượng cao hơn với vật liệu graphite [3].

Bảng thống kê các tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau.

Bảng 2 1 Đặc trưng của các loại carbon.

Dung Dung lượng Kích Diện

Carbon Loại lượng không đảo thước tích riêng ngược phần tử bề mặt mAh/g) được (mAh/g) (D 50 m) (m 2 /g)

Từ bảng trên, ta thấy vật liệu làm điện cực âm sẽ quyết định dung lượng pin.

Có bốn loại chất điện li được sử dụng trong pin Li - ion đó là chất điện li dạng lỏng, các chất điện li dạng gel, chất điện li cao phân tử (polime) và chất điện li dạng gốm Cụ thể như sau:

 Chất điện li dạng lỏng là những muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) được hoà tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate (EC, EMC).

 Chất điện li dạng gel là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hoà tan muối và dung môi trong polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel.

 Chất điện li dạng polime là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thành thông qua sự hoà 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 có các ưu điểm khác nhau nhưng nói chung, các chất điện li này phải có khả năng dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí …

Hầu hết chất điện li trong pin Li - ion dùng muối LiPF 6 do muối này có độ dẫn ion cao (lớn hơn 10 -3 S/cm), hệ số dẫn ion Li + trong chất điện li cao (khoảng 0,35) và bền trong quá trình điện hoá, ít bị ô nhiễm Bên cạnh đó,có nhiều muối khác cũng được quan tâm, nổi bật là LiBF 4 , ngoài ra có các muối khác là LiClO 4 , LiCF 3 SO 3 nhưng ít được dùng do kém bền hơn và có nồng độ ion Li + thấp hơn so với LiPF 6 Để tăng khả năng dẫn ion Li + trong chất điện li của các pin Li - ion có thể sử dụng hỗn hợp gồm các dung môi hữu cơ pha trộn theo một tỉ lệ thích hợp các dung môi thường dùng là: ethylene carbonate (EC), dimethyl carbonate (DMC), ethyl methyl carbonate (EMC) và diethyl carbonate (DEC), methyl Acetate (MA) Các nghiên cứu đã được công bố cho thấy LiPF 6 với nồng độ 1M hoà tan trong dung môi EC:

MA theo tỉ lệ 1:1 sẽ tạo thành dung dịch có độ dẫn cao (lớn hơn 10 -3 S/cm) [3].

Bảng 2 2 Muối dùng trong chất điện li cho pin Li - ion

Tên Công thức lượng Các tạp Nhận xét hoá học phân tử chất

Lithium Li PF 6 151,9 (15ppm) Thường được hexafluorophosphate HF sử dụng.

Lithium Li BF 4 93,74 (15ppm) Hút ẩm kém tetrafluoroborate HF hơn LiPF6

Lithium perchlorate Li ClO 4 106,39 các muối

HF khác khi khô. (75ppm)

Lithium Li AsF 6 195,85 (75ppm) Độc tính cao hexafluoroarsennate HF (chứa Arsen).

Bị ăn mòn ở Lithium triflate Li SO 3 CF 3 156,01 H 2 O thế cao hơn

Lithium không bị ăn mòn ở thế bisperfluoroenthane- LiN(SO 2 C 2 F 5 ) 2 387 N/A dưới 4,4V. sulfonimide (BETI)

Các dung môi được sử dụng rất đa dạng, bao gồm các hợp chất Cacbonat, hợp chất Ete và hợp chất Axetat được sử dụng làm chất thay thế cho chất điện phân rắn. Trọng tâm hiện tại của ngành là các hợp chất cacbonat thể hiện độ bền cao, độ an toàn tốt và khả năng tương thích với các vật liệu điện cực Các dung môi Cacbonat tinh khiết điển hình có độ dẫn nội tại nhỏ hơn 10-7 S/cm, hằng số điện môi lớn hơn

3 và dung hợp các muối Lithium cao Các dung môi hữu cơ được sử dụng bao gồm Etylen Cacbonat (EC), Polypropylen Cacbonat (PC), Dimetyl Cacbonat (DMC), Etyl Metyl Cacbonat (EMC), Dietyl Cacbonat (DEC), Dimetyl Ete (DME), Axetonitril (AN), Tetrahydrofuran (THF),  - Butyrolactone (  BL).

Trong các pin Li - ion , vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng (10m  30m) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương Ngày nay,các loại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp chế tạo từ vật liệu poliolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất tốt, độ ổn định hoá học tốt và giá cả chấp nhận được Các vật liệu Nonwoven cũng được nghiên cứu, song không những sử dụng rộng rãi do khó tạo được các màng có độ dày đồng đều, độ bền cao.

Nhìn chung, các vật liệu cách điện dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

 Có độ bền cơ học cao.

 Không bị thay đổi kích thước.

 Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực.

 Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1 m.

 Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân.

 Phù hợp và ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực.

Nguyên lý hoạt động của pin Li – Ion

Nguyên liệu ở hai điện cực là các chất phản ứng của phản ứng điện hóa trong pin Li - ion ; ion Li+ di chuyển giữa 2 điện cực trong môi trường là dung dịch điện ly Trong quá trình phản ứng, ion Li+ dịch chuyển trong hai điện cực Các vật liệu làm điện cực hiện nay có thể cho ion Li+ xâm nhập hay rời khỏi mạng tinh thể, mà việc xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng không hoặc ít xảy ra.

Trong quá trình xả, ion Li+ (mang điện dương) dịch chuyển từ cực âm (Anode) qua dung dịch điện ly, tới cực dương, tại đây nguyên liệu của cực dương phản ứng với ion Li+ Để điện tích tại 2 điện cực được cân bằng, trong lòng pin, với mỗi ion Li+ đi từ cực âm sang cực dương (Cathode), thì ở mạch ngoài, có một electron di chuyển cùng hướng từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.

Trong lúc sạc, quá trình ngược lại diễn ra, dưới điện áp đặt vào pin, electron đi từ cực dương của pin (nay đóng vai trò cực âm), ion Li+ bị tách ra khỏi cực dương dịch chuyển về cực âm của pin (nay đã trở thành cực dương) Cực của pin sẽ đảo chiều trong hai quá trình xả và sạc Và cách gọi cực dương hay âm phải xác định theo bản chất của phản ứng dựa trên quá trình xả [5].

2.3.1 Các quá trình cơ bản xảy ra trong Pin Li - ion

Phản ứng điện hóa liên quan đến sự dịch chuyển ở giao diện dung dịch điện cực là một loại phản ứng được coi là quá trình không đồng nhất Động lực của các phản ứng không đồng nhất này thường được điều chỉnh bằng cách tách ion và lấp đầy kẽ thông qua các quá trình phóng điện và tích điện Một mô hình quá trình điện hóa của pin Li - ion được phác thảo như sau [3]:

Hình 2 5 Quá trình điện hóa của Pin Li - ion [4].

Phương trình tổng quát:← nap LiMO 2 +C → phong Li C+Li 1-x MO 2

Bên cạnh đó, nếu pin Lithium-ion được xả quá mức thì một Lithi Coban Oxit bão hòa sẽ biến đổi thành Lithi Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:

LiCoO 2 + Li + + e - → Li 2 O + CoO Nếu pin LCO được sạc quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban

IV Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:

Một tế bào pin Lithium-ion có quá trình sạc gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: sạc ổn dòng

Tại giai đoạn sạc ổn dòng, dòng điện thường được duy trì ở C/2-C (C là dung lượng pin Ah) Nếu dòng điện khi sạc càng lớn, thời gian sạc ổn dòng sẽ càng nhỏ thì

13 thời gian sạc ổn áp sẽ kéo dài Tuy nhiên, tùy thuộc vào dung lượng còn lại của pin mà thời gian sạc ổn dòng kéo dài không quá 1h và tổng thời gian sạc của 2 giai đoạn tối đa là 3 giờ Khi suất điện động của pin lúc đầy đạt bằng điện áp sạc, bộ sạc sẽ kết thúc quá trình sạc ổn dòng và sạc theo chế độ sạc ổn áp Khi quá trình sạc ổn dòng kết thúc, dung lượng của pin được khôi phục đạt khoảng 70% [7].

Hình 2 6 Đặc tính sạc, xả của pin Lithium-ion [7].

Giai đoạn 2: sạc ổn áp

Tại giai đoạn sạc ồn áp, giữ điện áp sạc pin thường ở mức 4,2V/cell không đổi Khi dung lượng gần được phục hồi, sức điện động của nó tăng lên làm giảm cường độ dòng điện Khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới 3% C, kết thúc giai đoạn sạc ổn áp Lúc này, dung lượng pin đã được hồi phục khoảng 99% [7].

Trong quá trình sạc nhiệt độ phải được theo dõi liên tục để nhiệt độ của pin không nên vượt quá 45 0 C dễ gây cháy nổ hay hỏng pin Một số pin Lithium-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO 4 ) có thể chịu nhiệt độ lên đến

Do tính chất của Lithium-ion không được over-charge, pin Lithium-ion không cần và không cho phép duy trì áp sạc sau khi dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%

C (pin đầy); nếu xảy ra over-charge pin sẽ nóng và có thể bị nổ Ngoài ra, để duy trì tuổi thọ của pin, không nên sạc vượt quá 100% dung lượng của pin Lithium-ion.

Vì pin Lithium-ion tự phóng điện khi không sử dụng (self-discharge), sau khi pin được sạc đầy và ngừng sạc, điện áp của pin lúc hở mạch bắt đầu giảm về mức ổn định tại 3,6 – 3,9V/cell Mặt khác, sau khi kết thúc sạc điện áp của pin giảm sâu hơn về mức điện áp 3,3 – 3,5V nếu chỉ sạc ổn dòng Trong một số trường hợp, ngoài việc sử dụng hai quá trình sạc ổn áp và sạc ổn dòng, người ta thường sử dụng thêm quá trình sạc xung ngắn để điền đầy pin [7].

Quá trình sạc một hệ pin Lithium-ion hoàn chỉnh cần 3 bước:

 Chế độ cường độ dòng điện không đổi: Constant current (CC)

 Cân bằng điện áp giữa các cell: Cell balancing

 Chế độ điện thế không đổi: Constant voltage (CV)

Tại chế độ cường độ dòng điện không đổi, thiết bị sạc đặt một dòng điện cố định với một điện áp ổn định tăng dần đến điện áp tới hạn của pin Trong chế độ cân bằng, thiết bị sạc giảm dần cường độ dòng điện sạc lên pin, hoặc điều khiển dòng điện sạc để điện áp tại mỗi tế bào bằng nhau Một vài bộ sạc điều khiển cân bằng điện áp theo cách sạc riêng lẻ từng tế bào pin, dẫn đến thời gian sạc dài, việc quá trình cân bằng điện áp được tối ưu hóa giúp giảm thời gian và tăng hiệu năng sạc pin Cuối chế độ điện thế cân bằng, điện thế sạc pin bằng với điện thế tới hạn của bộ pin, lúc này dòng điện giảm dần về 0, ngay khi cường độ dòng điện của dòng điện sạc dưới 3% giá trị ban đầu, thì ngừng sạc pin Nếu như sạc/xả vượt ngưỡng giới hạn về điện áp và cường độ dòng điện cho phép, pin có thể bị nổ [7].

2.3.3 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực – dung dịch điện phân

Sự xen vào của ion Li + xảy ra trong khoảng 0,2   0,0V, điện tích tiêu thụ trong khoảng 0,8 0,2V (phụ thuộc Li/Li + ) là do sự khử của các thành phần điện phân tại bề mặt điện cực Phản ứng này được gọi là lớp chuyển tiếp rắn - điện phân (lớp chuyển tiếp không gian) và các phản ứng xảy ra từ các chất điện phân có trạng thái nhiệt động ổn định Quá trình đó diễn ra liên tục cho đến khi bề mặt điện cực được bao bọc hoàn toàn và độ dày lớp chuyển tiếp xuất hiện ít nhất đủ để tạo ra hiệu ứng xuyên hầm của các điện tử Các điều kiện mà từ đó pin được tạo thành quyết định các tính chất và độ dày của lớp chuyển tiếp, độ dày của lớp chuyển tiếp có thể thay đổi (15   900A 0 ) trên cùng một điện cực Sự tạo thành lớp chuyển tiếp ổn định là điều kiện quyết định tới sự tạo thành Pin Mặt khác, sự khử chất điện phân tiếp tục xảy ra, lớp chuyển tiếp cũng rất quan trọng để có cấu trúc ổn định của cực âm graphite Nếu không có lớp chuyển tiếp, sẽ rất nguy hiểm bởi các phân tử dung môi cũng tham gia vào quá trình điền kẽ và dẫn tới sự phá huỷ cấu trúc graphite. Tính chất của lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đến một số yếu tố quan trọng của pin trong quá trình sử dụng: độ an toàn, hiện tượng tự phóng, dung lượng Pin và việc sử dụng pin ở nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao.

Cả vật liệu âm cực và dung dịch điện phân cũng đóng vai trò quyết định tới quá trình tạo thành lớp chuyển tiếp và các tính chất hoá học của chúng Các phản ứng với các thành phần khác nhau tại các bề mặt điện cực là vô cùng quan trọng trong việc tìm hiểu rõ hơn về sự tạo thành lớp chuyển tiếp và khống chế các tính chất của nó, đồng thời nâng cao phẩm chất của pin [3].

Phân loại

Để phục vụ nhu cầu sử dụng ở đa dạng các điều kiện, Pin Li – ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau, nổi bật có 2 nhóm là: dạng hình trụ và dạng trụ phẳng.

2.4.1 Pin Li - ion dạng trụ

Mặt cắt ngang của một Pin Li - ion dạng trụ được mô tả qua hình sau:

Hình 2 7 Mặt cắt ngang Pin Li - ion dạng trụ [3].

2.4.2 Pin Li - ion dạng trụ phẳng

Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự như phiên bản trụ, chỉ khác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm trụ.

Hình 2 8 Mặt cắt của một pin Li - ion lăng trụ [3].

Vỏ của pin sử dụng thép tráng Nikel hoặc thép không gỉ 304L Vỏ được phủ kín bằng một trong hai cách điển hình: TIG hoặc hàn bằng máy laser.

Hình 2 9 Phần đầu và các điện cực của pin Li - ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cực âm), 40Ah (vỏ trung hoà) [3].

Các thông số cần thiết đánh giá pin

Dung lượng pin là lượng điện mà pin có thể tạo ra tại một điện áp xác định. Đơn vị của dung lượng pin là mAh hoặc Ah Ví dụ: dung lượng trên pin ghi là 2000 mAh, có nghĩa là theo dung lượng danh nghĩa, nó có thể cung cấp một dòng điện

2000 mA (2A) cho thiết bị sử dụng liên tục trong một giờ thì hết pin. Đây là chỉ số tượng trưng cho sức mạnh của các loại pin Pin có chỉ số mAh càng lớn thì càng mạnh Tuy nhiên, dung lượng ghi trên pin chỉ là mức danh nghĩa, tùy theo chất lượng pin thì dung lượng thực tế có thể có thể xấp xỉ bằng dung lượng danh nghĩa hoặc có thể thấp hơn nếu viên pin kém chất lượng.

2.5.2 Điện áp pin Đây là một trong những thông số quan trọng để đánh giá pin, là điện áp danh định mà pin tạo ra khi hoạt động, thường được tính bằng Volt (V). Điện áp của pin càng lớn, pin càng mạnh và có khả năng làm việc với các thiết bị điện tử yêu cầu điện áp cao Pin tiểu thông thường (pin AA, AAA) có hiệu điện thế khoảng 1,5V, trong khi pin laptop có hiệu điện thế khoảng 12V.

Thực tế, với các loại pin Niken Cadimi (NiCd), Nickel Metal Hydrid (NiMH), điện áp thường khoảng 1,2V mỗi viên Với pin Alkaline và các loại pin không sạc được thì điện áp cao hơn, thường là 1,5V mỗi viên Điện áp của pin phải phù hợp với chỉ định của thiết bị Dùng pin không đúng điện áp có thể làm hỏng thiết bị của bạn.

Ví dụ, khi trên một viên pin ghi hiệu điện thế là 3.7V, có nghĩa là từ lúc đầy pin đến lúc hết pin, hiệu điện thế trung bình của pin là 3.7V Hiệu điện thế đó là hiệu điện thế trung bình 3.7V, chứ không phải pin được cấp đều đều 3.7V Khi pin đầy thì hiệu điện thế có thể lên đến 4.2V, khi pin yếu thì chỉ còn dưới 3V.

Nội trở pin là điện trở giữa hai cực của pin, thể hiện sự đối lập của dòng điện bên trong pin Đơn vị đo nội trở pin là milliohms Nội trở của pin khiến cho việc sạc pin thêm lâu hơn, dẫn đến sinh ra nhiệt trên pin khi sạc.

Thông thường, khi pin lưu trữ được sạc và xả trong một thời gian dài sẽ có xu hướng giảm dần hiệu suất của pin Đồng thời điện trở pin sẽ tăng lên cho đến khi pin không thể sạc được nữa Lúc đó, khi sử dụng nội trở pin sẽ gây ra tình trạng sụt áp trên pin Đặc biệt, khi nội trở pin cao thì điện áp pin sẽ tụt rất nhanh, gây ra hiện tượng dung lượng pin ảo. Đo nội trở pin là cách làm thông dụng giúp đánh giá được chất lượng, dòng xả của pin trong thiết bị Đặc biệt, với các pin cũ, chúng ta có thể dựa vào nội trở để kiểm tra, xử lý sự cố, kiểm tra hiệu suất để biết pin đó còn có thể sử dụng hay không Do vậy, nội trở pin thấp là một trong những yêu cầu cơ bản của pin trong các ứng dụng kỹ thuật số Theo những chia sẻ của các thợ điện, pin có nội trở dao động từ 0.1

– 0.2 ohm được đánh giá là tốt nhất Thông thường các pin mới sẽ có nội trở thấp, các loại pin cũ sẽ càng có nội trở cao.

Công thức xác định nội trở:

 là điện áp ban đầu của pin khi chưa có tải

 là điện áp trên hai cực của pin khi đã có tải

 là điện trở của tải

Dòng sạc là tốc độ nạp điện của pin Thông số với đơn vị là C Thường một viên pin muốn bảo đảm tuổi thọ, thì không nên sạc quá chỉ số C Ví dụ pin Li – ion thường có chỉ số sạc là 1C Có nghĩa là viên pin 2000mAh thì có thể sạc tối đa 2000mA Nếu sạc quá thì giảm tuổi thọ pin và có thể gây cháy nổ Và tất nhiên dòng sạc tối đa cũng là dựa vào dung lượng thực.

Dòng xả là khả năng cấp điện của một viên pin Thông số với đơn vị là C Ví dụ: 1C, 2C, 10C v.v…Pin có dòng xả 1C có nghĩa là nếu pin có dung lượng 2000mAh, thì pin có thể xả tối đa 2000mA, nếu xả quá mức, có thể gây giảm tuổi thọ pin, thậm chí có thể gây cháy nổ Pin có dòng xả 2C có nghĩa là nếu pin có dung lượng

2000mAh, thì pin có thể xả tối đa 4000mA, nếu xả quá thì có thể giảm tuổi thọ hoặc gây cháy nổ.

Thông số dung lượng và dòng xả tối đa là hai thông số nhiều người hay nhầm lẫn, phần lớn là nhầm lẫn dung lượng là dòng xả Pin đề 2000mAh thì nghĩ pin chỉ xả được 2000mA Tuy nhiên khả năng xả của pin hoàn toàn khác, muốn biết ngoài việc coi dung lượng pin, còn phải biết chỉ số xả của pin là bao nhiêu Với pin

Li - ion dòng xả thường là 2C, pin LiFe thì dòng cả có thể lên đến 10C, 20C, thậm chí 40-50C Dòng xả tối đa được tính theo dung lượng thực, công thức tính dòng xả:

Dòng xả (A) = Dung lượng ịnh mức của pin (mAh) × C − Rate (C) (2.2) định mức của pin (mAh) × C − Rate (C) (2.2)

2.5.6 Thông số SOC của pin Lithium-Ion

Xác định được năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng của nó khi được sạc đầy giúp cho người dùng biết được rằng pin sẽ tiếp tục hoạt động trong bao lâu trước khi cần sạc lại Điều này tương tự như việc cần biết lượng nhiên liệu còn lại trong bình xăng của ô tô Thì ở đây khái niệm SOC (State of charge) có nghĩa là trạng thái sạc, được định nghĩa là công suất khả dụng được biểu thị bằng phần trăm (%) Từ đó SOC được xác định như sau:

Trong đó θ mà mức độ % của pin θ 100% là pin được sạc đầy 100%.

Hệ thống kiểm soát pin BMS – Battery Management System

Battery Management System (BMS) là một hệ thống quản lý pin được sử dụng trong nhiều ứng dụng điện tử, xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng BMS đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát, điều khiển và bảo vệ pin, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của chúng.

BMS được thiết kế để đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của pin thông qua việc giám sát và kiểm soát các thông số quan trọng như điện áp, dòng, nhiệt độ và trạng thái của từng gói pin hoặc viên pin trong hệ thống BMS thu thập dữ liệu từ các cảm biến và sử dụng các thuật toán phân tích để phân tích và hiểu các thông số này Dữ liệu này sau đó được sử dụng để đưa ra quyết định và hành động phù hợp để duy trì và nâng cao hiệu suất của pin.

Ba trong những chức năng quan trọng của BMS đó là kiểm soát điện áp, dòng và khả năng sạc cân bằng Thứ nhất, hệ thống giám sát điện áp của pin để đảm bảo rằng không có pin nào vượt quá giới hạn an toàn hoặc điện áp thấp hơn dịnh mức Điều này giúp tránh các tình huống nguy hiểm như quá nạp hoặc quá xả pin, gây tổn thương và mất tuổi thọ của pin.

Thứ hai, BMS cũng giám sát dòng đi qua pin để đảm bảo rằng dòng không vượt quá khả năng chịu tải của pin Điều này giúp ngăn ngừa các tình trạng quá tải, quá xả hoặc quá dòng, gây ảnh hưởng đến tuổi thọ, hiệu suất của pin và giữ cho pin luôn hoạt động trong phạm vi an toàn.

Ngoài ra, BMS cũng chịu trách nhiệm đảm bảo độ cân bằng điện áp giữa các pin BMS đảm bảo rằng mỗi viên pin trong hệ thống được sạc đầy và duy trì trong phạm vi điện áp an toàn Quá trình sạc cân bằng thường được thực hiện bằng cách chuyển đổi dòng điện từ các ô pin có điện áp cao hơn sang các ô pin có điện áp thấp hơn Điều này đồng nghĩa với việc sạc các ô pin có điện áp thấp hơn nhiều hơn các ô pin có điện áp cao hơn để đạt đến một mức điện áp chung và cân bằng giữa các ô pin.

Hình 2 10 Cơ chế hoạt động mạch BMS

XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Các thiết bị và linh kiện

3.1.1 Thiết bị hàn BIFRC DH20 PRO+

BIFRC DH20 là một thiết bị hàn điểm cầm tay phổ biến trên thị trường chuyên dùng để hàn cell pin Thiết bị tích hợp một cặp bút hàn có thể tháo rời dễ dàng, đầu cực mạ vàng có độ dẫn điện tốt và điện trở tiếp xúc thấp, một bộ thép hàn, một dây cáp sạc chuẩn type C.

Mặt trước của thiết bị với 2 cổng Output dùng để kết nối với cặp bút hàn, 4 tín hiệu đèn phía bên trái thể hiện mức độ pin của thiết bị, 4 tín hiệu pin phía bên phải thể hiện mức độ cường độ hàn của thiết bị với tổng cộng 9 mức độ.

Mặt sau của thiết bị với nút bấm tích hợp các chức năng: khởi động, tắt, thay đổi mức độ cường độ hàn Một cổng Input micro USB 5V 3A dùng để sạc, một cổng Output USB 5V 2.4A, thiết bị còn có thể được sử dụng như một bộ sạc dự phòng Thông số kỹ thuật thiết bị:

Tên Spot welding machine BIFRC DH20 PRO+

Chất liệu Vỏ kim loại

Dung lượng pin 5500mAh Đầu ra hàn 4.2V – 639A Độ dày hàn 0.1 – 0.15 mm Đầu ra USB 5V - 2.4A

Cơ chế hoạt động của máy:

Pin của thiết bị phải luôn được sạc đầy trước khi sử dụng Để Bật / Tắt nguồn

- Nhấn và giữ nút trong 3 giây và sau đó nhả nút sau khi nghe âm thanh khởi động. Nhấn nút nhanh chóng, nếu máy rung vang lên báo hiệu đã thay đổi Nhấn một lần và ta có thể thêm 1-9 cấp độ và cấp độ thứ 9 có độ hàn mạnh nhất.

Hoạt động hàn bắt đầu từ cấp độ 1, thiết bị sẽ bắt đầu hàn sau 0,5 giây khi phát hiện các vật phẩm Có thể điều chỉnh nguồn điện để phù hợp với các công việc hàn khác nhau Nếu công tắc mức cao để bảo vệ và khởi động lại dòng điện, bạn có thể kết nối đầu vào USB Máy sẽ tự động tắt nguồn sau 15 phút hoạt động. Đầu ra USB sẽ tự động được kích hoạt sau khi kết nối Khi dòng điện đầu ra nhỏ hơn 50mAh, thiết bị sẽ tự động cắt nguồn điện đầu ra Nhấn nhanh nút để tiếp tục đầu ra nguồn.

Thiết bị đồng thời có thể cảnh báo lỗi, thiết bị sẽ rung kèm phát ra tiếng bíp sau khi bật nếu thiết bị tồn tại lỗi Thiết bị cũng có thể tự động cập nhật Chương trình cơ sở - Cổng được nâng cấp được bảo quản, có thể được nâng cấp lên chương trình cơ sở mới nhất.

Một số lưu ý khi sử dụng thiết bị:

 Chỉ nên hàn các tấm niken dưới 0,15mm (Có thể hàn 0,15mm).

 Hàn khi pin trên 70% để có hiệu quả hàn tốt hơn.

 Chú ý đến vị trí của bút hàn, nếu áp lực của chất hàn quá lỏng, nó sẽ làm vỡ tấm niken.

 Áp lực của bút hàn quá chặt, mối hàn sẽ bị mất nhiều tuần.

3.1.2 Thiết bị kiểm tra pin LIITOKALA LII-500

Liitokala Lii-500 là một thiết bị bộ sạc cao cấp và thông minh với 4 ngăn sạc độc lập Bộ sạc với các chức năng nổi bật như: sạc, kiểm tra dung lượng, phát hiện nội trở, chống phân cực ngược, bảo vệ ngắn mạch, bảo vệ quá dòng, kiểm soát nhiệt độ,… Bộ sạc còn tự động theo dõi khi pin đang trong quá trình sạc và kiểm tra.

Liitokala Li-500 được dùng cho bất kỳ dòng pin có dạng hình trụ điển hình như pin Lithium-ion, pin NI-MH, pin AAA, và các dòng pin dùng cho đèn, dụng cụ thiết bị điện, kỹ thuật số, cán sản phẩm điện tử khác Bộ sạc luôn đảm bảo các yếu tố an toàn, tiện lợi, di động và cực kỳ mạnh mẽ, là trợ thủ đắc lực khi dùng ở nhà hoặc đi du lịch.

Tính năng của bộ sạc:

 Linh hoạt thay đổi dòng sạc theo ý muốn (300mA/500mA/700mA/1000mA).

 Các dòng pin khác nhau có thể cùng sạc độc lập ở từng ngăn

 Bộ sạc với một màn hình LED hiển thị rõ ràng các thông số cần thiết của một viên pin: điện áp, cường độ dòng, thời gian, công suất, dung lượng và nội trở.

 Chế độ CHARGE – Sạc, mỗi ngăn làm việc độc lập tùy chọn dòng sạc và loại pin.

 Chế độ FAST TEST – Kiểm tra nhanh, 4 ngăn có thể nhanh chóng kiểm tra dung lượng pin Chế độ với 2 quy trình (xả,sạc đầy) để có thể xác định dung lượng pin.

 Chế độ NOR TEST – Kiểm tra bình thường, chế độ có 3 quy trình để xác định dung lượng pin (sạc đầy, xả sạc và sạc đầy).

 3 chế độ CHARGE – FAST TEST – NOR TEST có thể hoạt động đồng thời.

 Các chức năng bảo vệ: sạc – xả quá dòng, ngắn mạch, chống phân cực ngược,…

 Đầu ra tiêu chuẩn USB 5V/1000mA.

 Được trang bị bộ chuyển đổi nguồn chuyên dụng Điện áp đầu vào một chiều: 12V/2A.

Thiết bị hoạt động với 4 chế độ chính.

1 CHARGE MODE – Chế độ sạc

Khi kích hoạt bộ sạc, màn hình LED sáng Nếu pin không được lắp vào hoặc pin kém, màn hình sẽ hiển thị “Null”.

Khi pin được lắp, bộ sạc đưa pin kết nối với nguồn điện, bộ sạc sẽ đo điện trở trong 3 giây, sau đó hệ thống sẽ tự động ở chế độ sạc và dòng sạc sẽ tự động là 500mAh Thông qua nút CURRENT có thể tùy ý chọn dòng điện sạc 300mAh, 500mAh, 700mAh, 1000mAh. Ởchế độ này, ta có thể thay đổi cách sạc độc lập, dòng điện khác nhau và pin khác nhau một cách ngẫu nhiên Tuy nhiên phải luôn chú ý chọn dòng sạc theo kích thước dung lượng pin Dòng 500mAh sẽ luôn an toàn nhất Thông qua các nút (1,2,3,4) ta có thể xem dung lượng sạc (mAh), thời gian sạc (h), nội trở (mR), dòng sạc (mA), điện áp (V) Khi đã được sạc đầy, màn hình LED sẽ hiển thị KẾT THÚC để thông báo quá trình đã hoàn tất.

2 FAST TEST – Kiểm tra nhanh

Thiết bị sau khi được kích hoạt với nguồn điện, và với 8 giây để điều chỉnh chọnMODE FAST TEST, chọn dòng điện CURRENT cần thiết, thiết bị sẽ khóa và tiến hành quy trình của chế độ Quy trình kiểm tra dung lượng nhanh được thể hiện ở sơ đồ dưới.

Cách xác định dung lượng pin:

 Sạc đầy và ghi nhận dung lượng

3 NOR TEST – Kiểm ra thông thường Chế độ với 3 quy trình chính:

 Sạc đầy, ghi nhận dung lượng

 Xả sạch một lần nữa

Thiết bị sau khi được kích hoạt với nguồn điện, chọn MODE NOR TEST Khi vào chế độ, ta có thể tùy chọn sử dụng dòng điện 300mAh/500mAh/700mAh/1000mAh thông qua nút CURRENT trong 8 giây.

Khi pin được sạc đầy, hệ thống sẽ tự động chuyển sang chế độ xả với dòng xả là giá trị mặc định, đồng thời sẽ ghi lại dữ liệu xả để xác định dung lượng pin Khi

END xuất hiện trên màn hình, chế độ kết thúc, giá trị tham chiếu hiển thị trên màn hình LED là giá trị dung lượng thực tế của pin Sau khi kết thúc chế độ, bộ sạc cũng sẽ sạc lại pin với các thông số hiện tại đã chọn và cho đến khi sạc đầy.

Hình 3 5 Màn hình LED của thiết bị

Thông số thiết bị được thể hiện ở bảng dưới

Bảng 3 2 Thông số Liitokala Lii-500

Charging Current 300mAh/500mAh/700mAh/1000mAh

Hình 3 6 mạch cân bằng chủ động

Thiết kế phần cứng

3.2.1 Mô hình khối pin Lithium – ion

Qua những phân tích về tính năng, ưu nhược điểm và đánh giá về giá thành của các loại pin Li - ion trên thị trường hiện có Nhóm chọn bộ nguồn điện để tính toán thiết kế là bộ nguồn điện Lithium-ion với pin là loại Pin Lishen - LS LR1865LA với các thông số cơ bản sau [8]:

Bảng 3 5 Thông số kỹ thuật của pin.

Dung lượng 2000 mAh Điện áp thông thường 3,6V Điện áp sạc tối đa 4,2 ± 0,05V

Dòng xả liên tục 20A Điện trở nội 10~15 mΩ

Kích thước Đường kính 18,4 mm

Nhiệt độ hoạt động Sạc: 0 - 45 o C, xả: 20 - 60 o C

 Thể tích của mỗi cell pin ( 3 ) được tính theo công thức [9]:

 Năng lượng của một cell pin [9]:

+ (Ah): Dung lượng 1 cell pin.

 Năng lượng riêng theo thể tích [9]:

 Năng lượng riêng theo khối lượng [9]:

Trong đó: : khối lượng một cell pin (kg).

Hình 3 23 Pin Li - ion Lishen 18650 [9]

Thông thường, ta sẽ có hai phương pháp phổ biến để mắc nối các cell pin với nhau: song song, nối tiếp Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, thông số khối nguồn pin mong muốn, yêu cầu sử dụng cho các bộ tải, ta sẽ chọn ra các cách kết nối các cell pin thành bộ nguồn với thông số tương ứng.

Hình 3 24 Phương pháp mắc nối cell pin

Phương pháp 1: mắc song song

 Kết nối cực (+) với cực (+), cực (-) với cực (-)

 Đặc điểm của khối pin mắc song song sẽ duy trì được mức điện áp, dung lượng của khối pin sẽ được gia tăng, thời lượng khối pin có thể cấp nguồn cho thiết bị tải được nâng cao Ký hiệu: 1P, 2P, 3P.

 Kết nối cực (+) với cực (-), cực (-) với cực (+)

 Đặc điểm của khối pin mắc nối tiếp sẽ duy trì mức dung lượng giúp nâng cao mức điện áp Ký hiệu: 1S, 2S, 3S.

 Để có được bộ nguồn 12V – 60Ah, ta ghép nối 90 cell pin với nhau với mô hình 3S30P, theo chiều nối tiếp có 3 dãy cho điện áp tối đa 12.6V và theo chiều song song có 30 cell cho dung lượng 60Ah:

+ Điện áp tối đa của bộ nguồn là: 3 x 4.2V = 12.6 V

+ Kích thước khối pin:x 90 = 1.600 lít

Theo tính toán trên, thông số bộ nguồn có được là 12.6V – 60Ah Với trọng lượng chỉ 4,185 kg và thể tích chiếm thấp hơn 2 lít, thấp hơn so với ắc quy có giá trị thông số tương đương, thể hiện ưu điểm của bộ nguồn Lithium-ion về mặt thiết kế so với ắc quy thông thường.

Lựa chọn phương án thiết kế

 Phương án 1: Ghép nối tiếp 3 cell pin thành một dãy, ghép 30 dãy song song với nhau.

Hình 3 25 Sơ đồ ghép nối theo phương án 1

Phương án với ưu điểm dễ bố trí, dễ hình dung Nhược điểm là khó cân bằng giữa các cell pin, bộ nguồn mất cân đối, thẩm mỹ không cao, việc có chiều dài >> chiều rộng khiến tính ứng dụng bị hạn chế.

 Phương án 2: Ghép nối bộ nguồn thành 3 cụm nối tiếp, mỗi cụm có 30 cell ghép song song.

Phương án với ưu điểm là cân bằng cell tốt, khả năng tách rời thành 3 bộ nguồn cho phép bố trí phân tán bộ nguồn Tuy nhiên, nhược điểm là kết nối phức tạp, tổng thể bộ nguồn mất cân đối, thẩm mỹ không cao, có chiều dài >> chiều rộng khiến tính ứng dụng bị hạn chế.

 Phương pháp 3: Ghép nối bộ nguồn thành 3 cụm nối tiếp, mỗi cụm có 30 cell ghép nối song song sắp xếp theo cấu trúc 5x6.

Phương án với ưu điểm là cân bằng cell tốt, ghép nối đơn giản, tổng thể cấu trúc khối cân bằng, đảm bảo tính thẩm mỹ, tính ứng dụng, chỉ cần sử dụng một mạch BMS cho cả bộ nguồn Nhược điểm là khó tách rời thành 3 khối riêng biệt với mục đích bố trí phân tán để tận dụng không gian trống.

Sau khi bàn bạc, đánh giá, cân nhắc ưu nhược điểm của cả ba phương án trên, nhóm quyết định thiết kế, chế tạo bộ nguồn theo phương án 3.

Hình 3 28 Bộ nguồn bước đầu được cố định trên khay pin

Hình 3 29 Bộ nguồn bước đầu được cố định trên khay pin

Hình 3 30 Bộ nguồn sau khi hoàn tất đấu nối

Hình 3 31 Hộp dụng khối pin

Hình 3 32 Mô hình khối Pin sau khi hoàn tất

3.2.2 Mạch quản lý pin BMS

3.2.2.1 Yêu cầu đối với mạch BMS

Với yêu cầu về quá trình nạp – xả pin Li - ion đã trình bày ở các phần trước, mỗi bộ pin Li - ion cần có một mạch quản lý các chế độ làm việc của pin (BMS – Batery Management System) với các yêu cầu sau:

 Điều khiển việc nạp pin theo đúng chu trình dòng – áp, ngắt nạp đúng điện áp

 Bảo vệ quá dòng, quá sạc, quá xả, ngắn mạch

 Cân bằng dung lượng các cell

Mạch BMS hoạt động dựa trên sự kết hợp của 2 loại IC chính HY2213 và DW01 Với DW01 chịu trách nhiệm xử lý các trường hợp quá dòng, quá sạc, quá xả và ngắn mạch, trong khi đó HY2213 chịu trách nhiệm cân bằng dung lượng các cell pin Bên cạnh đó, một số thành phần kết hợp tạo nên mạch có thể kể đến như: 10 MOSFET AOD472 kênh N, tụ điện, điện trở, transitor điện áp cao,…

Xuất phát từ yêu cầu và tính năng phải đạt được của bộ nguồn, nhóm đã thiết kế chế tạo bộ mạch BMS cho cả bộ nguồn gồm các khối:

 Khối bảo vệ quá dòng, quá sạc, quá xả và ngắn mạch

 Khối điều khiển sạc cân bằng cell

Khối bảo vệ được được thể hiện qua phần mạch như Hình 3.33 Hai đầu cực Batt+ và S3 lần lượt biểu thị cực dương và cực âm của cell pin IC DW01 chịu trách nhiệm nhận biết điện áp của cell pin bằng cách thông qua mạch chia điện áp bên trong giữa hai chân VSS và VDD, từ đó điều khiển các chân OD (Overdischarge) và

OC (Overcharge) thông qua các transistor Q2 và Q3. Đồng thời, IC DW01 cũng liên tục giám sát tình trạng quá dòng hoặc ngắn mạch thông qua việc đo điện áp ở chân cảm biến dòng điện hay ở đây chính là chân

VM Như Hình 3.32 có thể thấy rằng chân VSS được kết nối với cực dương của cell kèm điện trở R24, chân VDD kết nối với cực âm của cell kèm tụ điện C1 Tụ điện và điện trở giúp triệt tiêu độ nhiễu từ bộ sạc.

Hình 3 33 Khối bảo vệ BMS Khối điều khiển sạc cân bằng

Khối điều khiển sạc cân bằng được thể hiện qua phần mạch như Hình 3.34 với IC HY2213 chịu trách nhiệm chính Hai chân VSS và VDD lần lượt được kết nối với hai chân âm nguồn và dương nguồn của cell pin với nhiệm vụ so sánh phát hiện quá sạc Tín hiệu đầu ra được truyền đến chân OUT được sử dụng để điều khiển cổng của MOSFET.

Như mạch dưới, một MOSFET cải tiến kênh N được sử dụng để đi kèm với

Xây dựng đặc tuyến khối pin bằng phần mềm MATLAB

3.3.1.1 Mô hình mạch điện tương đương ECM (Equivalent – Circuit Models) Để xây dựng mô hình toán học cho Pin – Lithium Ion, hiện nay có hai cách: cách thứ nhất sử dụng mô hình mạch điện tương đương (Equivalent – Circuit Models) và cách thứ hai là xây dựng mô hình dựa trên các tính chất vật lý, hóa học ở cấp độ phân tử Trong báo cáo này, chúng em dựa trên mô hình mạch điện tương đương [22] Mô hình mạch điện tương đương sẽ biểu diễn động học của pin dựa trên mạch điện và các quan hệ phi tuyến Nếu chúng ta đề cập đến càng nhiều đặc tính động học của pin thì mô hình động học sẽ càng phức tạp Trong báo cáo này chúng em xây dựng mô hình mạch điện tương đương của cell pin chỉ xét đến quan hệ giữa SOC và OCV của cell, và ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc Sau khi mô phỏng thành công 1 cell thì tiến hành tính toán và mô phỏng khối pin.

3.3.1.2 Mối quan hệ giữa điện áp hở mạch OCV và trạng thái sạc SoC

Mô hình điện áp hở mạch là mô hình đơn giản nhất cho Pin – Lithium Ion, được biểu diễn trên Hình 3.45, đây là mô hình cho pin lý tưởng Trong mô hình này OCV là điện áp hở mạch, v(t) là điện áp trên hai cực của pin, điện áp này không là một hàm theo dòng điện Mô hình điện áp hở mạch có đặc điểm là đơn giản, tuy nhiên không phản ánh đầy đủ các tính chất động học của pin Khi pin được nạp đầy thì điện áp hở mạch cao hơn khi pin được xả, do vậy để nâng cao độ chính xác của mô hình thì người ra thêm vào tham số đó là SOC, tham số này phụ thuộc vào trạng thái nạp của pin.

Hình 3 45 Mô hình điện áp hở mạch OCV.

Như đã đề cập ở chương 2, SOC được kí hiệu là z(t) và được định nghĩa là khi cell pin được nạp đầy thì z 0%, khi pin xả hoàn toàn thì z =0% Nếu gọi Q là tổng dung lượng của pin khi được nạp vào và được xả ra từ z =100% đến z =0%, khi đó Q có đơn vị là Ah hoặc mAh Khi đó SOC được mô tả như sau:

− ( ) Tích phân 2 vế, ta được: ( ) = ( 0 ) − 1 ∫ ̇()= ( ) (3.8)

Trong đó dấu của i(t) là dương khi pin xả, là âm khi pin sạc Bổ sung thêm một hệ số ( ) đặc trưng cho tính không lý tưởng của pin, sau đó rời rạc hóa phương trình trên tại thời điểm k với thời gian trích mẫu Δ , ta được phương trình vi phân:

Thành phần ( ) được k được gọi là hiệu suất coulomb, khi nạp thì ( ) ( ( )) khi nạp và ( ) < ( ( )) khi xả, điều này biểu thị cho tính không lý tưởng của pin, pin bị mất năng lượng do quá trình sinh nhiệt trên điện trở R, và do đó hiệu quả năng lượng của pin là không hoàn hảo Để mô tả

54 chính xác hơn nữa động học của pin ta cần kể đến điện áp khuếch tán.

3.3.1.4 Mô hình điện áp khuếch tán Điện áp khuếch tán liên quan đến hiện tượng phân cực hóa gây ra hiện tượng suy giảm điện áp đáng kể ở hai đầu cực của pin so với điện áp hở mạch khi có dòng điện đi qua, minh họa hiện tượng này như trên hình Khi không có dòng điện đi qua điện áp không ngay lập tức trở về bằng với điện áp hở mạch OCV ban đầu mà phải mất một khoảng thời gian nào đó.

Hình 3 47 Hiện tượng điến áp khuếch tán của pin. Để mô tả hiện tượng này, mô hình pin được đưa thêm vào cặp điện trở và tụ điện mắc song song như mô tả dưới đây:

Hình 3 48 Mô hình pin kể đến hiện tượng phân cực tuyến tính. Điện áp hai đầu cực của pin được tính như sau:

55 Để xác định 1 ( ), ta đùng mối quan hệ ( ) = 1 ( ) + 1 ( ),

Khi đó phương trình được viết lại như sau ( ) = ( ) +

Vì điện trở mắc song song vơi tụ điện nên 1 ( ) = 1 ( ) suy ra

Thay vào công thức, ta được phương trình:

Bảng 3 6 Thông số đầu vào

Thông số Kí hiệu Giá trị Đơn vị đo lường Điện áp thông thường 3.7 V Điện áp khi sạc đầy 4.2 V Điện áp cực tiểu khi xả 2.4 V

Hiệu suất Cu-lông khi sạc ℎ 0.98

Hiệu suất Cu-lông khi xả ℎ 0.86

3.3.2.1 Thực nghiệm thu thập thông số nội trở

Nội trở của pin được thu thập dựa trên biểu thức: r = V 1 − V 2 (3.19)

V 1 : điện áp ban đầu giữa 2 cực của pin khi chưa có tải

V 2 : điện áp giữa 2 cực của pin sau khi đã được kế nối tải r: nội trở của pin

Phương pháp xác định nội trở:

 Bước 1: Chuẩn bị công cụ thực nghiệm bao gồm: thiết bị thu thập thông số, 1 cell pin, tải phù hợp.

 Bước 2: Sử dụng thiết bị, điều chỉnh về thang đo điện áp 1 chiều DC và đo điện áp tại 2 cực của pin trước và sau khi kết nối tải.

 Bước 3: Áp dụng biểu thức (3.19) để xác định nội trở của pin.

Sau khi thực nghiệm thu được bảng giá trị tương ứng với 5 cell như sau:

Lấy giá trị nội trở trung bình giữa các cell, ta được giá trị nội trở chung: r = r

3.3.2.2 Thực hiện xây dựng mô phỏng dựa trên mô hình 3RC

 Hệ số điện áp điều khiển mạch hở (OCV) của pin Li-ion:

 Nhân 2 vế cho Rân 2 vế cho Rn 2 vế cho Rế chân 2 vế cho Ro R1, ta ế ế ế c phân 2 vế cho Rế ế n trình như sau:ình như sau:nhân 2 vế cho R nhân 2 vế cho Rế sau::

 ế các nhánh RC còn lại tương tự, ta được:c nhân 2 vế cho Rác nhánh RC còn lại tương tự, ta được:nhân 2 vế cho R RC còn lại tương tự, ta được:ế i tế ế n tế , ta ế ế ế c:

 Công thức biểu diễn SOC:n thân 2 vế cho Rế c biế u: diế n SOC:

 Qu:an hân 2 vế cho Rế iế a ế iế n ác nhánh RC còn lại tương tự, ta được:p hân 2 vế cho Rế ế chân 2 vế cho R OCV vế cho Rà trình như sau:ế n thân 2 vế cho Rác nhánh RC còn lại tương tự, ta được:i sế c SOC:

 Điện áp giữa 2 cực của pin: v(t) = OCV(t) − v 1 (t) − v 2 (t) − v 3 (t) − i(t) × R in (3.27)

3.3.2.3 Đặc tuyến của cell pin

Lần lượt xây dựng các khối chức năng dựa trên các biểu thức nêu trên mô phỏng quá trình xả của pin với dòng tải 2A áp dụng dựa trên biểu thức tổng quát tính điện áp giữa 2 cực của pin.

Hình 3 49 Khối mô phỏng biểu thị đặc tính xả của pin

 Cế thân 2 vế cho Rế vế cho Rế i công thức biểu diễn SOC:n thân 2 vế cho Rế c chân 2 vế cho Ro nhân 2 vế cho Rác nhánh RC còn lại tương tự, ta được:nhân 2 vế cho R RC ế ế u: tiên:n:

Hình 3 50 Khối khởi tạo dòng i(t)

 Biểu thức cho thấy dòng điện ( được xây dựng từ Simulink, sẽ cho ) đi đến các nhánh RC và thực hiện công thức đã ra điện áp 1 ( ) như Hình 3.50.

Hình 3 51 Biểu thức nhánh RC thứ 1 được xây dựng dựa trên các khối Simulink

 Tương tự với các nhánh RC còn lại:

 Khối điện áp hở mạch OCV theo SOC

Tương tự để xây dựng khối mô hình biểu thị quá trình sạc pin với dòng ổn định 0.5A, ta chỉ cần thay đổi dòng đầu vào là 0.5A Và để phù hợp với điều kiện dấu của i(t) là dương khi pin xả, là âm khi pin sạc, ta hiệu chỉnh dòng thành -0.5A.

Hình 3 56 Khối mô phỏng biểu thị đặc tính sạc của pin 3.3.2.4 Kết quả

Đề xuất phương pháp sạc

3.4.1 Sạc thông qua bộ sạc Adapter Đây là bộ dụng cụ hỗ trợ sạc dùng cho sạc bộ nguồn pin, dụng cụ được kết nối thẳng trực tiếp từ nguồn điện thông dụng, được kiểm soát và quản lý thông qua bộ Adapter trước khi nguồn năng lượng có thể đến với bộ nguồn pin Phương pháp với ưu điểm đảm bảo ưu tiên tính an toàn, dễ dàng kiểm soát nguồn điện áp và dòng sạc phù hợp cho bộ nguồn, tính ứng dụng cao hỗ trợ người dùng tiết kiệm thời gian theo dõi.

 Chế độ sạc: dòng điện không đổi và điện áp không đổi

Hình 3 59 Bộ nguồn sạc Adapter

3.4.2 Sạc thông qua bộ nguồn đa năng Wanptek

Wanptek là bộ nguồn đa năng, là nguồn cung cấp điện cho các trang thiết bị dân dụng, điện tử Thiết bị với màn hình led hiển thị điện áp, dòng điện, công suất, kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, có thể điều chỉnh nguồn điện áp, dòng điện, công suất với độ chính xác cao Đảm bảo độ ổn định nguồn điện áp, giới hạn dòng điện, hoạt động đơn giản với 3 nút vặn điều chỉnh Bên cạnh đó, thiết bị còn trang bị quạt điều khiển theo nhiệt độ để tản nhiệt, bảo vệ quá áp, bảo vệ quá dòng và quá nhiệt.

 Điện áp đầu vào: 110/220 VAC – 50/60Hz

Với các tính năng kể trên, đây có thể xem là phương án sạc tối ưu dành cho bộ nguồn pin Tuy nhiên, thiết bị có kích thước khá to hơn so với các phương pháp khác khiến tính linh hoạt khi sử dụng bị hạn chế là một điểm trừ.

3.4.3 Sạc thông qua bộ sạc ắc quy FOXSUR

Bộ sạc ắc quy FOXSUR 12V – 100Ah là bộ sạc cao cấp giúp sạc nhanh ắc quy ô tô, xe máy Bộ sạc có chế độ khử sunfat, chống chập cực, sạc nhanh và tự ngắt thông minh Bộ nạp với thiết kế nhỏ gọn, kích thước tầm tay tiện dụng và là thiết bị thông dùng trên thị trường.

 Điện áp đầu vào: AC 100 ~ 240V – 50/60Hz

 Công suất định mức: DC 12V – 5/6A Max

 Sạc cho nguồn có dung lượng: 4 ~ 100 Ah

 Các tính năng: Bảo vệ chống ngược cực, bảo vệ chống chập mạch đầu ra, bảo vệ quá áp, bảo vệ quá nhiệt.

Sản phẩm với màn hình hiển thị LCD hiện thị điện áp, dòng sạc, nhiệt độ, báo lỗi nếu có, chức năng sạc thông minh ba giai đoạn: sạc nhanh khi dung lượng bộ nguồn dưới 80%, sạc hấp thụ khi dung lượng bộ nguồn từ 80 – 95%, sạc thả nổi trên 95% Bên cạnh đó, bộ sạc còn trang bị quạt làm mát giúp tản nhiệt hiệu quả Sơ bộ, đây là bộ sạc thông dụng trên thị trường, đã khẳng định được sự hiệu quả khi sử dụng, có thể đảm bảo tính an toàn và hiệu quả khi sử dụng.

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG

Mạch BMS

Sau khi hoàn thành sản phẩm mạch quản lý Pin BMS, nhóm đã xây dựng một khối pin nhỏ với thông số 12.6V – 6Ah với mục đích thực nghiệm, kiểm tra mạch Sau khi trải qua các bước thử nghiệm, mạch được nghiệm thu với các thông số đáp ứng sau:

Hình 4 1 Thử nghiệm mạch Bảng 4 1 Thông số sản phẩm mạch BMS sau thực nghiệm Điện áp đầu ra ~12.6V

Mức điện áp phát hiện ~4.25V quá sạc

Mức điện áp phát hiện ~2.6V quá xả

 Cắt sạc khi có tín hiệu một trong ba cell pin

 Cắt xả khi có tín hiệu một trong ba cell pin chạm đáy 2.6V

 Phát hiện ngắn mạch, ngắt kết nối giữa nguồn – tải, nguồn – sạc

 Cân bằng giữa các cell pin với độ chênh lệch thấp

Sơ bộ mạch có thể kết nối với bộ nguồn pin, sử dụng ổn định trên các tải, có thể tái sử dụng khi sạc với bộ nguồn 12.6V Đồng thời, mạch đáp ứng được các tính năng bảo vệ như phát hiện quá sạc, quá xả, ngắn mạch, đáp ứng được tính năng sạc cân bằng giữa các cell pin với mức chênh lệch 0.05V.

Bộ nguồn pin

 Chế độ sạc: ổn dòng và ổn áp

Thực nghiệm được áp dụng trên bộ nguồn 12.6V – 60Ah, dung lượng ban đầu của khối pin là 11.15V với pack pin số 1 3.8V pack pin số 2 3.75V, pack pin số 3 3.6V.

Kết quả thực nghiệm cho thấy, để có thể sạc đầy và đảm bảo độ cân bằng giữa

3 pack pin, thời gian cần thiết để đạt được yêu cầu rơi vào khoảng 13 giờ đồng hồ, Adapter có tích hợp đèn led thông báo, sau khi được sạc đầy, đã có sự hiển thị màu xanh lá của Adapter Bộ nguồn được sạc đầy cho mức điện áp 12.59V với pack pin số 1 4.2V, pack pin số 2 4.19V, pack pin số 3 4.2V Do đó, để có thể gia tăng khả năng sạc tiết kiệm thời gian, ta phải cân nhắc thay đổi bộ Adapter với dòng sạc lớn hơn.

Bảng 4 2 Thông số thực nghiệm sạc bằng Adapter

Từ 19h05 đến 8h55 Điện áp khối nguồn Ban đầu: 11.15V Sạc đầy: 12.59V Điện áp pack pin số 1 3.8V 4.2V Điện áp pack pin số 2 3.75V 4.19V Điện áp pack pin số 3 3.6V 4.2V

 Sạc với bộ nguồn đa năng Wanptek

Vì vấn đề thời gian, thực nghiệm chỉ được áp dụng sạc trên khối pin thử nghiệm dung lượng nhỏ Kết quả cho thấy, ta có thể điều chỉnh một cách linh hoạt điện áp đầu vào cho bộ nguồn, điều chỉnh dòng sạc tăng giảm theo ý muốn Kết quả, với khối pin 12.6V – 6Ah, quá trình sạc kèm cân bằng diễn ra trong khoảng gần 3 tiếng đồng hồ Bộ nguồn pin đạt được mức điện áp 12.62V.

Bảng 4 3 Thông số thực nghiệm sạc bằng Adapter

 Sạc với bộ sạc FOXSUR

Thực nghiệm được áp dụng trên bộ nguồn 12.6V – 60Ah, dung lượng ban đầu của khối pin là 12.54V với pack pin số 1 4.18V pack pin số 2 4.17V, pack pin số 3 4.18V Kết quả thực nghiệm cho thấy, để có thể sạc đầy và đảm bảo độ cân bằng giữa

3 pack pin, thời gian cần thiết để đạt được yêu cầu rơi vào khoảng 1 giờ hơn đồng hồ, FOXSUR có tích hợp màn hình led thông báo, sau khi được sạc đầy, đã có sự hiển thị ký hiệu 100% trên màn hình led FOXSUR Bộ nguồn được sạc đầy cho mức điện áp 12.75V với pack pin số 1 4.25V, pack pin số 2 4.24V, pack pin số 3 4.25V Sơ bộ, bộ sạc đáp ứng khả năng sạc nhanh, tính an toàn khi có thể tự ngắt sạc khi đầy.

Bảng 4 4 Thông số thực nghiệm sạc bằng FOXSUR

Thời gian sạc ~ 1 tiếng 15 phút

4.2.2 Thử nghiệm trên bóng đèn Halogen

Bóng đèn với thông số 12V – 60/55W Kết quả thực nghiệm cho thấy, bộ nguồn có thể kích hoạt bóng đèn sáng với 2 chế độ Pha và Cos với các thông số đầu

68 ra đo được thông qua thiết bị đồng đồ đo dòng cụ thể.

Hình 4 2 Thiết bị đo dòng

 Chế độ Pha bộ nguồn cho ra dải dòng từ 3 - 4.875A với công suất 57W.

Hình 4 3 Mức dòng đo được khi thực nghiệm trên đèn Halogen chế độ pha

 Chế độ Cos bộ nguồn cho ra dài dòng 3 - 4.8125A với công suất 55.6W.

Hình 4 4 Mức dòng đo được khi thực nghiệm trên đèn Halogen chế độ cos

4.2.3 Thử nghiệm trên mô hình động cơ xe máy

Bộ nguồn được thực nghiệm dùng để đề động cơ xe máy, kết quả bộ nguồn có khả năng kích hoạt thành công động cơ và cho ra thông số đầu ra với dòng tức thời đo được khi đề động cơ thông qua thiết bị đồng hồ đo dòng dao động từ 50 - 85A.

Hình 4 5 Thực nghiệm trên mô hình động cơ xe máy 4.2.4 Thử nghiệm trên Motor 775

Bộ nguồn được thực nghiệm dùng để kích hoạt Motor 775 Motor với thông số 12V – 18000rpm – 150W Thực nghiệm kích hoạt thành công cho motor hoạt động, bộ nguồn cho ra thông số đầu ra với dòng đo được thông qua thiết bị đồng hồ đo dòng, dòng ra đo được dao động từ 2 ~ 2.3A ở chế độ không tải.

4.2.5 Thử nghiệm trên mô hình hệ thống chiếu sáng tự động trên ô tô

Hình 4 7 Thử nghiệm trên mô hình chiếu sáng tự động

Bộ nguồn được thực nghiệm dùng để kích hoạt mô hình chiếu sáng tự động.Thực nghiệm kích hoạt thành công cho mô hình hoạt động ở tất cả các chế độ, đèn đều sáng với cường độ lớn nhất và cho ra thông số phù hợp được đo, kiểm chứng thông qua thiết bị đồng hồ đo VOM.

So sánh với ắc quy

Hình 4 8 Ắc quy 12V – 60Ah Để có thể hình dung một cách rõ ràng hơn về khả năng và tính ứng dụng của bộ nguồn Pin Li – ion, nhóm đã quyết định chọn nguồn Ắc quy với thông số tương ứng 12V – 60Ah để so sánh đối chiếu.

Thông số kỹ thuật Ắc quy:

Bảng 4 5 Thông số kỹ thuật ắc quy

Tên hàng Ắc quy GS khô MF 55D23L

Kiểu ắc quy Miễn bảo dưỡng

Dung lượng 60Ah Điện thế 12V

Kích thước L:232 – W:173 – H:202 – TH:225 Vật liệu làm vỏ bình Nhựa PP

Tiêu chuẩn JIS 55D23L Ắc quy GS là hãng ắc quy GS Yuasa nổi tiếng có xuất xứ từ Nhật Bản Hãng có sự phân bố mặt hàng trên khắp thế giới và có nhà máy sản xuất ở hầu hết các quốc gia Ắc quy GS 12V – 60Ah (55D23L) được đánh giá là một dòng ắc quy có được sự phổ biến và tin dùng nhất hiện nay trên thị trường Ắc quy được sử dụng cho các dòng xe ô tô như:

 Mitsubishi: Outlander Sport, Mirage, Attrage, Lancer, Jolie.

 Mazda: Mazda 2, Mazda 3, Mazda 6, CX-5, CX-9, Mazda 5, MX-5, CX-7, CX-3.

 Nissan: X-trail, Navara, Infiniti, Juke

Có thể thấy được rằng đây là dòng ắc quy đã có chỗ đứng, đã khẳng định được sự uy tín và được ứng dụng trên hầu hết các hãng xe lớn Để có thể so sánh một cách trực quan, nhóm xây dựng Bộ nguồn Pin Li – ion với thông số tương ứng 12.6V – 60Ah. Để có thể đánh giá một cách chính xác và đưa ra quyết định bộ nguồn với cùng thông số 12V – 60Ah nào thực sự tốt hơn, ta so sánh dựa trên nhiều phương diện khác nhau Đầu tiên, xét về phương diện độ thuận lợi khi ứng dụng vào cuộc sống, công việc hằng ngày.

Bộ nguồn ắc quy với:

Bộ nguồn Pin Li – ion với:

 Dung tích cả hộp: 3.456 lít (240x160x9 mm)

 Mức giá dự tính: 2.500.000 VNĐ

Về phương diện tính ứng dụng một cách thuận lợi, có thể thấy rằng cả về cân nặng lẫn dung tích của bộ nguồn, khối nguồn Pin Li – ion chiếm ưu thế một cách vượt trội khi có cùng thông số 12V – 60Ah Đây sẽ là một điểm cộng về tính ứng dụng trong công việc và cuộc sống hằng ngày Bộ nguồn Pin với cân nặng và dung tích nhỏ hơn sẽ khắc phục được điểm hạn chế về sự cồng kềnh của bộ nguồn ắc quy. Tuy nhiên, xét về mức giá thành để có thể sở hữu bộ nguồn, trong khi bộ nguồn ắc quy chỉ với 1.650.000 VNĐ là ta đã có thể mua về với mức thông số 12V – 60Ah, thì bộ nguồn Pin Li – ion phải lên đến 2.500.000 VNĐ.

Về phương diện độ bền, thông thường bộ nguồn ắc quy có tuổi thọ chỉ khoảng

2 năm, trong khi đó bộ nguồn pin Li – ion con số đó có thể lên đến 6 hoặc 7 năm.Điều này có thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng, giúp người dùng không quá đắn đo suy nghĩ về thời hạn của bộ nguồn Về khả năng bảo hành, đối với bộ nguồn ắc quy ta phải gửi lại nhà sản xuất để có thể được bảo hành, việc này có thể tốn thêm một khoảng thời gian không cần thiết Đối với bộ nguồn Pin Li – ion ta có thể tự thay khối pin theo mong muốn, tuy nhiên điều này không đảm bảo được tính an toàn và yêu cầu kỹ thuật có thể dẫn đến một số rủi ro ngoài ý muốn.

Về phương diện thông số kỹ thuật, hiệu suất sử dụng, hai bộ nguồn được thể hiện thông qua các lưu đồ phía dưới.

Hình 4 9 Đặc tính xả của Ắc quy

Hình 4 10 Đặc tuyến xả của bộ nguồn Pin Li – ion

Thông qua đồ thị biểu thị mức độ xả ở mức dòng 5A của 2 bộ nguồn có cùng thông số, bộ nguồn ắc quy mất khoảng 10 giờ đồng hồ để có thể chạm đến điểm cuối cùng của quá trình phóng, trong khi đó bộ nguồn Pin Li – ion mất khoảng 9.7 giờ đồng hồ Ta có thể thấy sự xấp xỉ, tuy nhiên vẫn có sự chênh lệch nhỏ giữa 2 nguồn.

Hình 4 11 Đặc tính sạc của ắc quy

Hình 4 12 Đặc tuyến sạc của bộ nguồn Pin Li - ion

Thông qua đồ thị biểu thị mức độ sạc ở mức dòng 5A của 2 bộ nguồn có cùng thông số, quan sát có thể thấy bộ nguồn ắc quy mất khoảng 14 giờ đồng hồ để có thể sạc từ mức 1.96V đến khi chạm mức thôi nạp, trong khi đó bộ nguồn Pin Li – ion mất khoảng 10 giờ đồng hồ để có thể sạc bộ nguồn từ 11.4V đến khi chạm mức 12.6V Tại đây, ta có thể thấy rằng bộ nguồn Pin Li – ion có khoảng thời gian sạc nhanh hơn so với bộ nguồn ắc quy Tuy nhiên, sự chênh lệch này xảy ra có thể liên quan đến thiết bị dùng để sạc bộ nguồn.

Kết luận, trên đây là những thực nghiệm của bộ nguồn Pin Li – ion trên các mức tải nhỏ và trung, nhóm vẫn chưa có cơ hội được thử nghiệm trên các tải lớn như ô tô Đây là những đánh giá khách quan dựa trên những số liệu thu thập được từ khối nguồn nhóm đã xây dựng, có thể thấy ở cùng một mức thông số 12.6V – 60Ah sử dụng trên các tải mức nhỏ và trung, bộ nguồn Pin Li – ion có thể hoạt động một cách ổn định, các thông số đầu ra đáp ứng yêu cầu của các tải, chiếm ưu thế so với bộ nguồn ắc quy ở một số phương diện Tuy nhiên, để có thể đảm bảo bộ nguồn Pin Li

– ion có thể sử dụng trên các mức tải lớn như ô tô hiện vẫn chưa được thử nghiệm và kiểm chứng, do đó vẫn chưa thể kết luận bộ nguồn nào thực sự ưu thế hơn Tùy theo nhu cầu sử dụng trong cuộc sống, công việc hằng ngày, mục đích sử dụng cho bộ tải như thế nào và độ thân thiện với môi trường mà ta có thể lựa chọn một bộ nguồn phù hợp cho bản thân mình.

Định dạng
Số trang	101
Dung lượng	4,84 MB