Kiểm soát sạc của một bộ pin bao gồm bốn ô đã được thực hiện.Thông tin nhận được từ các cảm biến dòng điện và điện áp được thu thập từ mỗi ô bằngcách sử dụng bộ điều khiển phụ và được gử
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về pin
2.1.1 Lịch sử hình thành của pin
Hình 2.1 Sơ đồ sự phát triển của pin qua từng giai đoạn
- Năm 1748: Benjamin Franklin đã đặt thuật ngữ "battery" để mô tả một mảng các tấm thủy tinh đã được mang điện.
- Năm 1780 đến 1786:Luigi Galvani đã chứng minh những gì chúng ta hiểu ngày nay là cơ sở điện của xung thần kinh và đã cung cấp nền móng nghiên cứu cho các nhà phát minh sau này như Volta để tạo ra các pin năng lượng.
- Năm 1800: Alessandro Volta đã phát minh ra "Voltaic Pile" và khám phá ra phương pháp thực tế đầu tiên để tạo ra điện Cấu tạo gồm các đĩa xen kẽ nhau của kẽm và đồng với các mảnh bìa cứng ngâm trong dung dịch nước muối giữa các kim loại, từ đó Voltaic Pile tạo ra dòng điện đầu tiên Vật dẫn điện kim loại được sử dụng để truyền điện năng qua khoảng cách lớn hơn Voltaic Pile của Alessandro Volta là "pin năng lượng nước" đầu tiên tạo ra một dòng điện đáng tin cậy và ổn định.
- Năm 1836: Voltaic Pile không thể cấp điện trong một thời gian dài Người Anh, John F.Daniell đã phát minh ra Cell Daniell sử dụng hai chất điện phân: đồng sunfat và kẽm sunfat Cell Daniell có tuổi thọ lâu hơn so với pin Voltaic Pile Loại pin này, tạo ra khoảng 1.1 volt, được sử dụng để cấp điện cho các vật dụng như hệ thống điện báo, điện thoại và chuông cửa, và đã phổ biến trong các gia đình trong hơn 100 năm.
- Năm 1839: William Robert Grove đã phát triển cell pin nhiên liệu đầu tiên, tạo ra điện bằng cách kết hợp hydro và oxy.
- Năm 1839 đến 1842: Những nhà phát minh đã tạo ra các cải tiến cho các loại pin sử dụng điện cực lỏng để tạo điện Bunsen (1842) và Grove (1839) đã phát minh ra các loại pin thành công nhất.
- Năm 1859:Nhà phát minh người Pháp, Gaston Plante đã phát triển pin chì-axit plumbic lưu trữ dung lượng thực tiễn đầu tiên trên thế giới và có khả năng sạc lại (pin thứ cấp hay còn gọi là ắc quy) Loại pin này chủ yếu được sử dụng trong ô tô ngày nay.
- Năm 1899:Waldemar Jungner, một kỹ sư người Thụy Điển, đã đạt được một phát minh quan trọng bằng việc phát triển pin niken-cadmium Đây được coi là bước khởi đầu cho việc sử dụng pin lưu trữ như chúng ta thấy ngày nay.
-Năm 1901: Thomas Alva Edison, một nhà phát minh xuất sắc, đã tạo ra một phát minh quan trọng trong lĩnh vực pin lưu trữ, đó là pin Ni-Fe Edison sử dụng sắt làm vật liệu anode (-) và oxit niken làm vật liệu cathode (+) trong tế bào pin của mình.
Hình 2.2 Một số ứng dụng của pinPin đã trở thành nguồn năng lượng phổ biến cho rất nhiều thiết bị cá nhân và gia đình, cũng như các ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp Với sự đa dạng về chủng loại như đồng hồ đeo tay, đồ chơi cho trẻ em, điện thoại di động, máy tính bảng, cho đến những ứng dụng cỡ lớn như pin xe điện.
Khả năng lưu trữ năng lượng của pin đã và đang chứng tỏ tính ưu việt và tiện lợi, không chỉ trong hiện tại mà còn trong tương lai dài Sự tiến bộ trong công nghệ pin đang diễn ra liên tục, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tối ưu hóa và sử dụng pin một cách hiệu quả hơn Nhờ vào những cải tiến này, pin sẽ tiếp tục đóng góp quan trọng vào cuộc sống hàng ngày và cả vào những ứng dụng công nghiệp phức tạp trong tương lai.
Gồm một số loại pin sau đây:
Pin (ắc quy) axit chì
Khái quát về pin axit chì
Vào năm 1859, pin axit chì đã được phát minh và trở thành loại pin lâu đời nhất vẫn đang được sử dụng cho đến ngày nay Chúng đã được áp dụng rộng rãi trong tất cả các loại xe hơi, kể cả các mẫu xe điện từ thế kỷ 19 Pin axit chì là một loại pin ướt, thường chứa dung dịch axit sulfuric nhẹ trong một hộp chứa để thay thế cho việc dùng axit trực tiếp (được gọi là "pin khô") Mặc dù điều này làm tăng giá thành sản phẩm, nhưng ưu điểm chính của pin axit-chì là chi phí sản xuất thấp.
Tuy nhiên, điều cần lưu ý là pin axit-chì tạo ra khí nguy hiểm khi sử dụng, và nếu bị sạc quá mức, tức là quá điện, pin có nguy cơ nổ Điều này đặt ra một thách thức lớn về an toàn khi sử dụng pin này Ngoài ra, tuổi thọ của pin axit-chì không được đánh giá cao, điều này có nghĩa là người dùng thường phải thay pin khá thường xuyên.
Mặc dù pin axit-chì đã có lịch sử dài và đóng góp đáng kể cho nhiều ngành công nghiệp, nhưng việc nắm vững các vấn đề an toàn và nâng cao hiệu suất pin là thách thức mà các nhà khoa học và nhà sản xuất đang nỗ lực giải quyết.
Một số đặc tính có trên pin axit chì:
- Pin axit chì ngập nước
Pin axit chì ngập nước là một loại pin chì axit đặc biệt, trong đó bản cực dương bao gồm chì đioxit và bản cực âm của chì được chia nhỏ Cả hai vật liệu hoạt động này phản ứng với chất điện phân axit sulfuric khi phóng điện, tạo thành chì sulfate, và các phản ứng này đảo ngược khi pin được sạc lại Pin được thiết kế với các lưới chì để hỗ trợ vật liệu hoạt động, và các ô riêng lẻ được kết nối để tạo thành pin trong một hộp nhựa. Tuy nhiên, cấu trúc pin có thể khác nhau đáng kể tùy thuộc vào mục đích và ứng dụng của pin.
- Pin axit chì có thể điều chỉnh bằng van (VRLA) và chất điện phân trong pin được cố định bằng gel hoặc tấm lót thủy tinh hấp thụ (AGM)
Pin axit chì là loại pin thứ cấp (có thể sạc lại), trong đó các tế bào pin đã được đóng lại nhưng vẫn có van cho phép khí thoát ra nếu áp suất bên trong vượt quá ngưỡng quy định.
Việc điều chỉnh pin bằng VRLA có thể dựa trên hai phương pháp chính: sử dụng sợi thủy tinh (AGM) hoặc dạng gel thông qua công nghệ gel Phương pháp này cho phép lưu thông khí bên trong pin Nhờ quá trình tái tổ hợp, sự thất thoát nước do nạp quá mức được giảm xuống dưới 10% Điều này mang lại lợi ích là pin không cần phải bảo trì và có thể được cài đặt theo hướng tự do Một lợi thế quan trọng khác của pin được điều chỉnh bằng van VRLA là không có rò rỉ chất lỏng, giúp đảm bảo an toàn khi lắp đặt ở các khu vực xa hay khó tiếp cận.
Pin Lithium-ion (Li-ion)
Hình 2.6 Pin Li-ion Pin Li-ion, còn được gọi là pin lithium-ion tái sạc, là một loại pin có khả năng sạc lại.Trong quá trình nạp điện, các ion Lithi di chuyển từ cực dương sang cực âm, còn trong khi trong quá trình xả sẽ xảy ra quá trình ngược lại Pin Li-ion thường sử dụng các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp, trong đó các ion lithi xâm nhập và lấp đầy khoảng trống giữa các lớp này, tạo ra các phản ứng hóa học.
Các vật liệu điện cực thường được sử dụng trong pin Li-ion bao gồm các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp như LiCoO2, LiMnO2 và graphite Đối với cực âm, các hợp chất oxide kim loại chuyển tiếp được sử dụng, trong khi đối với cực dương, graphite là vật liệu chủ yếu Dung dịch điện phân giữa các cực cho phép các ion lithi di chuyển từ một cực này sang cực khác, cho phép sự truyền dẫn ion lithi Tuy nhiên, điều kiện quan trọng là dung dịch này không được dẫn điện.
Như vậy, pin Li-ion sử dụng cơ chế di chuyển ion lithi giữa các cực và tận dụng các vật liệu có cấu trúc tinh thể dạng lớp để tạo ra sự trao đổi điện hóa và lưu trữ năng lượng Điều này giúp pin Li-ion có khả năng tái sạc và cung cấp năng lượng hiệu quả cho nhiều thiết bị điện tử khác nhau.
Kể từ cuối những năm 1980, thị trường đã chứng kiến sự xuất hiện của các loại pin lithium có khả năng sạc lại Những loại pin này mang lại mật độ năng lượng đáng kể cao hơn so với các loại pin có khả năng sạc lại khác, tuy nhiên, chi phí của chúng cũng cao hơn rất nhiều Mặc dù vậy, các loại pin lithium đã nhanh chóng trở thành sự lựa chọn phổ biến trên các thiết bị như máy tính xách tay và điện thoại di động, thay thế cho pin NiCad hoặc NiHM, mặc dù những loại pin này có chi phí thấp hơn.
Ngoài ra, công nghệ pin lithium-polymer (Li-po) đã ra đời muộn hơn công nghệ pin lithium-ion Pin lithium-polymer sử dụng chất điện phân rắn, khô hoặc dạng gel thay vì chất điện hóa lỏng như các công nghệ khác Điều này giúp giảm nguy cơ rò rỉ chất điện phân và nguy cơ cháy nổ Tuy nhiên, sản xuất pin lithium-polymer có chi phí cao hơn và tuổi thọ cũng ngắn hơn so với pin lithium-ion cùng kích thước.
Pin lithium-ion (Li-ion) là công nghệ pin tiên tiến sử dụng ion lithium là thành phần chính và có khả năng sạc lại Pin lithium-ion bắt đầu được thương mại hóa bởi Sony Energytec vào năm 1991 Ngày nay, pin lithium-ion đã trở thành loại pin dẫn đầu trên thị trường cho các thiết bị di động và các thiết bị lưu trữ điện UPS trên toàn cầu, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện.
Các thiết bị di động như điện thoại di động, máy ảnh, máy chơi game và máy tính đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày, và pin lithium là nguồn năng lượng quan trọng để cung cấp sự hoạt động cho chúng Tuy nhiên, ứng dụng của loại pin này đã vượt ra khỏi giới hạn của các thiết bị di động.
Pin lithium đang thu hút sự quan tâm đặc biệt và được phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực quân đội, cũng như trong các ứng dụng của các phương tiện di chuyển sử dụng năng lượng điện, như xe đạp điện và xe máy điện Điều này mở ra những triển vọng mới trong việc phát triển các giải pháp vận hành sạch hơn và tiết kiệm năng lượng.
Ngoài ra, pin lithium cũng đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ điện không gián đoạn (UPS) và kỹ thuật hàng không Các hệ thống lưu trữ điện UPS đảm bảo nguồn điện liên tục và ổn định trong trường hợp cúp điện, đồng thời, Pin lithium đảm bảo hiệu suất cao và đáng tin cậy trong việc lưu trữ năng lượng một cách hiệu quả và an toàn. Trong lĩnh vực hàng không, pin lithium đang được sử dụng rộng rãi để cung cấp năng lượng cho các thiết bị và hệ thống điện tử trên máy bay, mang lại tính tin cậy và hiệu suất cao.
Câu chuyện của pin lithium-ion bắt đầu vào những năm 1970, khi thế giới đối mặt với cuộc khủng hoảng năng lượng do tài nguyên dầu mỏ trở nên khan hiếm Trong giai đoạn đó, nhà khoa học M Stanley Whittingham đã dành thời gian để nghiên cứu về các công nghệ năng lượng tiên tiến không phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ hay than đá Trong quá trình nghiên cứu đó, ông đã khám phá ra một loại vật liệu gọi là titanium sulphide, và ông sử dụng kim loại lithi thuần để tạo ra cực âm và cực dương trong pin lithium-ion.
Nỗ lực và khám phá của M Stanley Whittingham đã mở ra một cánh cửa mới trong công nghệ pin, tạo điều kiện để phát triển và ứng dụng rộng rãi các loại pin lithium- ion ngày nay Những phát hiện đó đã giúp thay thế nguồn năng lượng truyền thống bằng cách sử dụng pin lithium-ion, mang lại một sự đột phá trong lĩnh vực lưu trữ và sử dụng năng lượng.
Một người đã đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của pin lithium-ion là nhà khoa học M Stanley Whittingham.
Tuy nhiên, do tính hoạt động mạnh của kim loại Lithi, nó dễ dàng tác động với không khí và gây ra các phản ứng hóa học nguy hiểm Bởi vậy, cách tiếp cận sử dụng lithi thuần làm điện cực dương trong pin không được chấp nhận Đồng thời, tại Đại học Munich, J O Besenhard đã tìm ra tính chất trao đổi ion đối nghịch giữa than chì và cathode sử dụng oxit kim loại.
Như vậy, sự phát triển của pin lithium-ion không chỉ là công trình của M Stanley Whittingham, mà còn là sự kết hợp của nhiều nỗ lực và khám phá từ các nhà khoa học khác nhau trên toàn cầu Các phát hiện đó đã đóng góp quan trọng cho việc xây dựng một mô hình pin lithium-ion an toàn và hiệu quả mà chúng ta sử dụng ngày nay.
Xây dựng trên những khám phá tiền thân của M Stanley Whittingham, nhà khoa học John B Goodenough đã đạt được những bước tiến vượt bậc trong việc phát triển công nghệ pin.
Vào năm 1979, cùng với đồng nghiệp Koichi Mizushima, ông Goodenough đã đạt thành công trong việc phát triển một loại pin sạc có điện áp khoảng 4 V Trong thiết kế này, họ sử dụng lithi Cobalt Oxit (LiCoO2) làm cực dương và lithi thuần làm cực âm. LiCoO2 là một chất dẫn điện dương với tính ổn định cao, cho phép truyền tải các ion lithi và tạo ra dòng điện Khám phá này đã mở ra triển vọng cho việc áp dụng LiCoO2 như một điện cực dương trong thế hệ pin hoàn toàn mới, tạo điều kiện cho việc sạc lại một cách thuận tiện và dễ dàng.
Phương pháp sạc, sử dụng hiệu quả và an toàn pin
2.3.1 Tổng quan về phương pháp sạc
Sạc pin Li-ion là một quá trình giới hạn điện áp, tương tự như hệ thống axit chì. Tuy nhiên, có những điểm khác biệt quan trọng: điện thế trên mỗi cell cao hơn và dung sai điện áp chặt chẽ hơn (khoảng 1%) Trong trường hợp pin axit chì, chúng ta có thể linh hoạt trong việc điều chỉnh điện áp, trong khi đối với pin Li-ion, nhà sản xuất phải tuân thủ chặt chẽ các tham số vì Li-ion không thể chịu được quá áp Hầu hết pin Li-ion được sạc đến mức 4.2V trên mỗi cell với sai số chỉ khoảng +/- 50mV (tương đương khoảng 1,2%).
Mặc dù điện áp cao có thể tăng công suất, tuy nhiên quá trình oxy hóa trong pin cũng là nguyên nhân làm giảm tuổi thọ của pin Quan trọng hơn, nếu sạc pin vượt quá 4.2V trên mỗi cell, nguy cơ mất an toàn sẽ rất cao.
Tóm lại, sạc pin Li-ion yêu cầu chính xác và cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và an toàn Các nhà sản xuất cần tuân thủ các thông số kỹ thuật chặt chẽ để đảm bảo hoạt động tối ưu và tuổi thọ lâu dài của pin.
2.3.2 Sạc với dòng điện không đổi
Quá trình sạc này sử dụng dòng không đổi có giá trị từ 0.5C-1C với dung lượng sạc trong khoảng 0,1 - 0,5C (trong đó C là dung lượng pin tính bằng [Ah]) Tăng dòng sạc không đạt trạng thái sạc đầy một cách nhanh chóng, dù pin có thể đạt đến đỉnh điện áp nhanh hơn với sạc nhanh, nhưng việc sạc bão hòa sẽ mất thời gian đáng kể để hoàn thành Điều chỉnh mức dòng sạc đơn giản chỉ là việc thay đổi thời gian cần thiết cho mỗi giai đoạn Giai đoạn 1 sẽ ngắn hơn, trong khi giai đoạn bão hòa 2 sẽ tốn nhiều thời gian hơn Sạc với dòng cao sẽ nhanh chóng đạt tới khoảng 70% dung lượng pin.
Mức dòng sạc càng cao, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên Trong quá trình sạc, cần theo dõi nhiệt độ cẩn thận, để tránh nguy cơ bùng cháy hoặc nổ pin Thông thường, nhiệt độ
Phosphate (LiFePO4) có thể chịu đựng nhiệt độ lên đến 60°C khi sạc Một số bộ sạc nhanh (quick charge) thực hiện việc sạc với dòng ổn định, điều này cho phép nâng cao giới hạn nhiệt độ mà vẫn đảm bảo thời gian sạc ngắn hơn.
Trong quá trình sạc ổn định, điện áp tại hai đầu cực của pin tăng dần Khi điện áp đạt đến giá trị bằng sức điện động của pin ở trạng thái đầy, bộ sạc chuyển sang chế độ sạc ổn áp và kết thúc giai đoạn sạc ổn dòng Thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1 giờ (tùy thuộc vào dung lượng ban đầu còn lại của pin) Khi kết thúc giai đoạn sạc ổn dòng, dung lượng pin đã được khôi phục khoảng 70%.
Trong nhiều tình huống (sạc nhanh), người ta thường ưa chuộng việc sử dụng ngay (phương pháp "sạc và sử dụng") Dù việc này giúp tiết kiệm thời gian sạc và đơn giản hóa thiết kế bộ sạc, tuy nhiên, nó cũng có tác động tiêu cực đến tuổi thọ của pin Để bảo ảm tuổi thọ pin theo thông số do nhà sản xuất đề xuất, người ta thường phải thực hiện cả giai đoạn 2 là sạc ổn áp, nó thường mất nhiều thời gian hơn so với giai đoạn sạc ổn dòng Tuy nhiên tổng thời gian cho cả 2 quá trình sạc ổn dòng và ổn áp là 3h.
2.3.3 Sạc với điện áp không đổi
Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc được duy trì ổn định ở mức 4,2 V/cell Khi pin bắt đầu hồi phục dung lượng, sức điện động tăng lên, dẫn đến giảm dần dòng điện sạc. Khi dòng điện sạc giảm xuống dưới mức 3% dung lượng pin, chế độ sạc ổn áp sẽ kết thúc.
Khi đạt khoảng 99% dung lượng, pin Li-ion không được phép duy trì áp sạc cao hơn nữa (dòng điện sạc giảm xuống dưới 3%) vì pin Li-ion không thể chịu quá sạc (overcharge) Quá trình sạc quá mức có thể gây nóng pin và nguy cơ gây nổ Hơn nữa, không nên sạc pin Li-ion vượt quá 100% dung lượng, vì điều này sẽ làm giảm tuổi thọ của pin.
Nếu pin được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp mở mạch của pin sẽ từ từ giảm về mức ổn định khoảng 3,6-3,9V/cell Tuy nhiên, khi chỉ sạc nhanh (sạc ổn định), sau khi ngừng sạc, áp pin sẽ giảm sâu hơn, xuống khoảng 3,3-3,5V Điều này xảy ra vì pin Li-ion có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng (self-discharge). Để đạt được quá trình sạc đầy pin một cách hiệu quả, ngoài việc sử dụng phương pháp sạc ổn dòng và ổn áp, người ta thường kết hợp kỹ thuật sạc xung ngắn Ví dụ, khi điện áp pin đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay Sau đó, khi điện áp pin giảm xuống còn 4,05V/cell, hệ thống sạc sẽ tiếp tục đưa áp sạc lên 4,2V/cell để tiếp tục quá trình sạc.
Quá trình đóng mở như vậy sẽ được thực hiện liên tục, giữ cho điện áp pin ổn định trong khoảng 4,05-4,2V/cell Nhờ vậy, pin được nạp sâu hơn, tránh hiện tượng quá sạc (overcharging) và kéo dài tuổi thọ của pin.
2.3.4 Over-charging (sạc quá mức) và over-discharging (xả quá mức) của pin Li-ion
Các pin Li-ion hoạt động an toàn trong phạm vi điện thế vận hành được quy định. Tuy nhiên, nếu pin bị sạc với điện áp cao hơn so với mức quy định, chúng có thể trở nên không ổn định Khi sạc kéo dài trên mức 4.3V, quá trình mạ của lithium kim loại trên anode diễn ra, gây hiện tượng vật liệu cathode trở thành một tác nhân oxy hóa, dẫn đến sự mất ổn định và sản sinh carbon dioxide (CO2) Áp suất trong pin sẽ tăng, và nếu sạc vẫn tiếp tục, thiết bị ngắt dòng (CID) có nhiệm vụ ngắt kết nối dòng tại mức 1,380kPa (200psi) để đảm bảo an toàn Nếu áp suất tiếp tục tăng cao hơn, có thể xảy ra vụ nổ màng an toàn ở mức 3,450kPa (500psi), dẫn đến nguy cơ cháy nổ của pin.
Không chỉ riêng pin Li-ion, các pin chì và nickel-based cũng tiềm ẩn mối nguy hiểm về an toàn khi bị quá tải Chúng có khả năng tan chảy và gây hỏa hoạn nếu không được sử dụng đúng cách Điều này đã dẫn đến việc rút lại pin nickel-based để đảm bảo an toàn Do đó, việc thiết kế chính xác và sử dụng các hệ thống pin đúng cách là vô cùng quan trọng. Để bảo vệ pin Li-ion khỏi việc xả quá thấp, cần có các biện pháp phòng ngừa. Thiết bị ngắt sẽ ngừng dòng điện khi pin giảm xuống mức khoảng 3.0V/cell Nếu quá trình xả vẫn tiếp tục xuống mức khoảng 2.70V/cell hoặc thấp hơn, mạch bảo vệ của pin sẽ chuyển pin vào chế độ ngủ Điều này dẫn đến tình trạng không ổn định của pin và không thể nạp lại bằng hầu hết các bộ sạc Để tránh tình trạng pin rơi vào trạng thái ngủ,người ta thường thực hiện sạc một phần trước khi lưu trữ pin trong thời gian dài.
Linh kiện điện tử sử dụng trong mạch
Các linh kiện điện tử là những thành phần cơ bản không liên tục, được sử dụng để kết hợp thành mạch điện hoặc thiết bị điện tử, và có những tính năng cụ thể.
Có nhiều tiêu chí để phân loại linh kiện điện tử Tuy nhiên, trong việc phân tích mạch và mô hình hóa mạch tương đương để tính toán các tham số của mạch, phân loại dựa trên tác động đến tín hiệu điện được coi là phù hợp nhất Trong phân loại này, tác động đến dòng điện DC từ nguồn cung cấp thường được bỏ qua trừ khi có yêu cầu đặc biệt như công suất lớn, toả nhiệt, tạo nhiễu, v.v.
Linh kiện tích cực là những linh kiện tạo ra tác động phi tuyến lên nguồn cung cấp AC/DC để tạo ra tín hiệu mới trong mạch tương đương Các linh kiện này thường được biểu diễn bằng các máy phát tín hiệu như diode, transistor, và còn được gọi là linh kiện kích hoạt.
Linh kiện thụ động không cung cấp nguồn cho mạch và thường có mối quan hệ tuyến tính với điện áp, dòng điện và tần số, bao gồm các linh kiện như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, biến áp.
Linh kiện điện cơ là những linh kiện kết hợp giữa thành phần điện và cơ học, ví dụ như thạch anh, relay, công tắc, và chúng được sử dụng để tác động điện liên kết với các yếu tố cơ học trong mạch.
2.4.2.1 Giới thiệu Điện trở (Resistance) là một linh kiện điện tử được cấu tạo từ những loại vật liệu ít dẫn điện Vì được cấu tạo từ những vật liệu ít dẫn điện nên nó được dùng để cản trở dòng điện chạy trong mạch Mức độ cho dòng điện chạy qua nhiều hay ít phụ thuộc vào hệ số điện trở ký hiệu là R trong Resistance Đơn vị của R là Ohm.
Hình 2.9 Hình ảnh điện trở thực tế
Ký hiệu của điện trở trong một số mạch:
Hình 2.10 Ký hiệu điện trở trong mạch điện
Tùy vào cách phân loại mà có thể phân chia điện trở thành nhiều nhóm để tiện cho việc sử dụng.
- Phân loại theo cấu tạo: Có thể chia điện trở thành nhiều loại tùy vào cấu tạo của nó như là: trở sứ, trở cacbon,…
- Phân loại theo chức năng: Điện trở có giá trị cố định là loại phổ biến trong mạch điện. Tuy nhiên có một số loại điện trở có hệ số điện trở thay đổi tùy vào cấu tạo và nó cũng được ứng dụng vào nhiều mạch phù hợp như là:
+ Nhiệt điện trở: dùng để làm cảm biến nhiệt độ Loại điện trở này có đặc điểm là có hệ số điện trở thay đổi khi nhiệt độ thay đổi Trên thị trường hiện tại đang có 2 loại đó là nhiệt điện trở dương(NTC) với nhiệt độ tăng thì điện trở tăng và nhiệt điện trở âm(PTC) với nhiệt độ tăng thì điện trở giảm.
+ Quang trở: được cấu thành từ những phần tử quang điện có điện trở thay đổi khi ánh sáng chiếu vào Giá trị điện trở của quang trở thay đổi theo cường độ ánh sáng thay đổi. + Biến trở: cấu thành từ một thanh điện trở dài vào 1 thanh trượt trên thanh điện trở đó. Bằng việc thanh trượt di chuyển trên thanh điện trở ở các vị trí khác nhau nên điện trở thay đổi theo vị trí của thanh trượt.
+ Biến trở phổ biến là 2 loại: biến trở trượt và biến trở xoay Biến trở thường được bắt gặp trong trong các ứng dụng điều chỉnh như: điều chỉnh volume cho các thiết bị Audio,điều chỉnh điện áp đầu ra cho các mạch giảm áp, …
2.4.2.3 Ứng dụng Điện trở là một trong những linh kiện phổ biến bật nhất trong mạch điện tử Để sử dụng được điện trở ta cần hiểu rõ một số thông số sau:
- Hệ số điện trở: Hệ số điện trở thể hiện mức độ cản trở dòng điện của điện trở Ký hiệu là R Đơn vị là Ohm.
- Giá trị điện trở thường được ký hiệu bằng vạch màu đối với điện trở cắm và được ký hiệu đối với điện trở dán Cách đọc giá trị điện trở như sau:
- Đối với điện trở cắm: để đọc được giá trị điện trở cắm cần nắm một số quy ước sau: + Giá trị màu: “đen, nâu, đỏ, cam, vàng, lục, lam, tím, xám, trắng” tương ứng với các chữ số “0,1,2,3,4,5,6,7,8,9”.
“Vàng kim, bạc, không màu” tương ứng với các giá trị sai số của điện trở
Hình 2.12 Vòng màu điện trở + Giá trị điện trở: Hệ số x Số mũ của 10 (sai số)
+ Hệ số quy định từ 1 đến 2 vạch màu đầu tiên Ví dụ: vàng tím tương ứng với 47.
+ Đen là 0 Vàng kim là ±5% Giá trị của điện trở là: 47(±5%) Ohm
+ Một số loại điện trở công suất có kí hiệu cả giá trị công suất bằng vạch màu.
Hình 2.13 Điện trở công suất
- Giá trị của điện trở là 47(±5%) Ohm công suất 1W.
- Đối với điện trở dán:
Giá trị điện trở sẽ được viết trên thân của điện trở dán: chữ R tương ứng với dấu phẩy trong số thập phân R47 tương ứng với giá trị 0,47 Ohm 4R7 là 4,7 Ohm. Đối với điện trở giá trị lớn hơn thì giá trị tương ứng với Hệ số x Số mũ của 10.
Ví dụ: 470 thì 47 là hệ số 0 là số mũ của 10 470 tương ứng với giá trị 47 Ohm.
471 có giá trị là 470 Ohm 472 có giá trị là 4,7K Ohm.
Công suất điện trở: thể hiện mức tiêu thụ năng lượng tối đa của điện trở Từ công suất điện trở có thể tính toán được dòng điện tối đa mà điện trở có thể chịu được bằng công thức
Một số linh kiện điện tử trên ô tô
Ngoài một số linh kiện điện tử đã nêu ở mục 2.4 thì trên ô tô còn một số linh kiện điện tử khác Sau đây, chúng ta cùng nhau đi tìm hiểu.
Là một thanh kim loại mỏng sẽ bị cháy khi dòng điện quá lớn chạy qua nó, bằng cách này sẽ ngắt dòng điện và bảo vệ mạch điện khỏi bị hư hỏng.
Bảng 2.7 Phân loại cầu chì
Phân loại Số lượng mỗi loại
Phân loại theo môi trường hoạt động - Cầu chì cao áp
Phân loại theo cấu tạo Cầu chì hở
Phân loại theo số lần sử dụng - Cầu chì sử dụng 1 lần
- cầu chì sử dụng nhiều lần bằng cách cách có thể thay thế lỗi chì.
Phân loại theo dòng điện - Cầu chì một chiều
- Cầu chì xoay chiều 3 pha
Cầu chì là một thiết bị đóng cắt trong hệ thống điện, hoạt động dựa trên nguyên lý tự chảy để loại bỏ mạch khi dòng điện tăng đột biến Chức năng chính của cầu chì là bảo vệ giới hạn dòng điện mà nó cho phép đi qua.
- Ở trạng thái bình thường: dòng điện chạy trong mạch nhỏ hơn dòng điện giới hạn mà cầu chì cho phép chạy qua, nhiệt lượng sinh ra không gây nóng chảy, mạch được cân bằng về nhiệt.
- Ở trạng thái ngắn mạch: dòng điện chạy trong mạch lớn hơn dòng điện giới hạn mà cầu chì cho phép chạy qua, nhiệt lượng tăng đột biến làm cho sự nóng chảy sợi dây chì diễn ra, từ đó ngắn mạch ở 2 đầu cầu chì.
Cầu chì được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực do tính năng an toàn mà nó mang lại, giá thành lại rẻ Một số lĩnh vực sử dụng cầu chì có thể nhắc tới như:
- Trong tụ điện, máy biến áp, bộ chuyển đổi nguồn,
- Trong các thiết bị điện tử thông minh như điện thoại, laptop,
- Tích hợp trong các màn hình LCD.
- Trong các bộ điều khiển đồ chơi như xe điều khiển từ xa,
Nhiệt điện trở hay còn gọi là thermistor là một biến trở nhiệt độ dùng để phát hiện nhiệt độ dựa trên điện trở kháng Nhiệt điện trở rất nhạy cảm với nhiệt độ và nó có thể cản trở dòng điện rất tốt Nhiệt điện trở có điện trở kháng thay đổi khi nhiệt độ thay đổi.
Công thức tính sự thay đổi trở kháng:
- ΔR là lượng thay đổi trở kháng
- ΔT là lượng thay đổi nhiệt độ
- k là hệ số nhiệt điện trở
Theo hệ số k, nhiệt điện trở chia làm hai loại:
- Nếu k > 0, trở kháng tăng khi nhiệt độ tăng, nghĩa là nhiệt điện trở thuần Ký hiệu là PTC.
- Nếu k < 0, trở kháng tăng khi nhiệt độ giảm, nghĩa là nhiệt điện trở nghịch Ký hiệu là NTC.
Hình 2.28 Phân loại nhiệt điện trở (PTC,NTC)
Ngoài ra, nhiệt điện trở còn phân loại theo vật liệu:
- Nhiệt điện trở làm bằng platinum: Platinum là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất, nhờ độ chính xác cao và phạm vi tuyến tính rộng với nhiệt độ Nhiệt điện trở làm bằng vật liệu này có trở kháng tăng theo mức độ nhiệt độ tăng.
- Nhiệt điện trở làm bằng đồng hoặc niken: các loại điện trở này có độ chính xác kém và phạm vi tuyến tính với nhiệt độ còn hạn chế.
Nhiệt điện trở là một thành phần điện tử được hình thành từ sự kết hợp của các bột oxit Thông thường, hỗn hợp bột này bao gồm 2-3 loại oxit kim loại và oxit kẽm trong tỉ lệ và khối lượng cố định Sau đó, hỗn hợp được ép chặt vào một vỏ bọc gốm và vật liệu cách nhiệt Tiếp theo, nó sẽ được nung ở nhiệt độ cao Sự dẫn điện của hỗn hợp sẽ thay đổi tùy thuộc vào mức độ nhiệt được áp dụng.
Hình 2.29 Cấu tạo nhiệt điện trở
Thiết bị nhiệt điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý tăng trở điện của kim loại khi nhiệt độ tăng lên (hiện tượng nhiệt điện trở suất) Điều này có nghĩa là khi nhiệt độ môi trường thay đổi, trở kháng của thiết bị nhiệt điện trở cũng thay đổi tương ứng Qua đó, người ta sử dụng thiết bị này để đo và suy ra giá trị nhiệt độ dựa trên sự thay đổi của trở kháng.
Phạm vi nhiệt độ thông thường mà thiết bị nhiệt điện trở có thể đo đạc nằm trong khoảng từ -50 độ C đến 150 độ C.
Nhiệt điện trở có ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực trong đời sống như:
- Ứng dụng trong các vi mạch điện tử
- Ứng dụng trong vật dụng đồ điện trong gia đình như nồi cơm điện, ấm siêu tốc,
- Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp như dự báo thời tiết, y tế,
Cuộn cảm là một loại linh kiện điện tử thụ động, thường được sử dụng trong mạch điện với dòng điện biến đổi theo thời gian, như các mạch xoay chiều.
Chức năng chính của cuộn cảm là lưu trữ năng lượng dưới dạng từ năng, được tạo ra bởi từ trường khi dòng điện chạy qua Nó cũng gây trễ pha dòng điện so với điện áp một góc 90°. Đặc tính của cuộn cảm được xác định bằng độ tự cảm, được đo bằng đơn vị henri (H) trong hệ đo lường quốc tế Giá trị độ tự cảm càng cao, cuộn cảm sẽ tạo ra từ trường mạnh hơn và lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Cuộn cảm là một linh kiện điện tử có phụ thuộc vào tần số dẫn điện chỉ ở tần số thấp.
Hình 2.31 Cấu tạo cuộn cảm
Cấu tạo của cuộn cảm có thể được phân thành các loại sau: cuộn cảm không có lõi, cuộn cảm có lõi bằng bột từ ép, cuộn cảm có lõi bằng sắt từ và cuộn cảm có biến đổi điện cảm.
Cuộn cảm có thể được tạo thành bằng cách quấn dây dẫn điện thành các vòng. Kích thước và thiết diện của dây dẫn, cũng như số lượng vòng, được lựa chọn dựa trên công suất và độ tự cảm mong muốn của cuộn cảm.
Với dòng điện một chiều (DC), dòng điện có cường độ và chiều không thay đổi (tần số bằng 0) Trong trường hợp này, cuộn dây hoạt động tương tự như một điện trở có điện trở gần bằng 0, hay nói cách khác, nó được xem như một đường mạch ngắn Dòng điện chạy qua cuộn dây tạo ra một từ trường (B) có cường độ và hướng không thay đổi.
Phần mềm sử dụng
Trong quá trình thực hiện các thí nghiệm có sự hỗ trợ của các phần mềm của hãng STMicroelectronics đó là STMStudio cùng với STMCubeMonitor.
- Đây là 2 phần mềm hỗ trợ giám sát sự thay đổi của các biến chương trình theo thời gian thực được hãng cung cấp miễn phí.
- Các phần mềm đều được hỗ trợ các hệ điều hành thông dụng như Windows, Mac, Linux.STM Studio bổ sung hoàn hảo cho các công cụ sửa lỗi truyền thống để tinh chỉnh các ứng dụng Nó rất phù hợp để gỡ lỗi các ứng dụng không thể dừng lại, chẳng hạn như các ứng dụng điều khiển động cơ.
Hình 2.37 STM-STUDIO Điểm mạnh -yếu của từng phần mềm:
- Điểm mạnh của cả 2 phần mềm đều có khả năng theo dõi các biến hệ thống thông qua thời gian thực, không ảnh hưởng đến sự hoạt động của chương trình.
- CubeMonitor: điểm mạnh là việc xây dựng những đường đồ thị có sự thay đổi chậm, quan sát theo thời gian dài.
- STMStudio: Quan sát sự thay đổi nhanh chóng và trực quan - chi tiết.
Hình 2.38 Phần mềm Altium designer 2018
Altium Designer, trước đây được gọi là Protel DXP, là một phần mềm tiên tiến được sử dụng để thiết kế mạch điện tử Được phát triển bởi Altium Limited, nó đã trở thành một trong những công cụ mạnh mẽ nhất trong lĩnh vực của mình.
Altium Designer cung cấp nhiều tính năng, bao gồm:
- Giao diện thân thiện với người dùng cho các tác vụ thiết kế, quản lý và chỉnh sửa Nó đơn giản hóa các tác vụ như biên dịch, quản lý tệp và kiểm soát phiên bản cho các tài liệu thiết kế.
- Hỗ trợ mạnh mẽ cho thiết kế tự động, định tuyến dựa trên thuật toán được tối ưu hóa và phân tích lắp ráp thành phần Nó hỗ trợ tìm giải pháp thiết kế hoặc sửa đổi mạch, thành phần và danh sách mạng hiện có dựa trên các tham số mới.
- Dễ dàng mở, xem và in các tệp thiết kế mạch, cung cấp thông tin toàn diện về các thành phần, danh sách mạng, dữ liệu bản vẽ, kích thước, số lượng, v.v.
- Một thư viện thành phần phong phú và toàn diện, bao gồm các thành phần nhúng, thành phần kỹ thuật số, thành phần tương tự, v.v.
- Vị trí và chỉnh sửa đối tượng linh hoạt trên các lớp cơ khí, cho phép xác định các quy tắc thiết kế, tùy chỉnh các lớp PCB, chuyển đổi liền mạch từ sơ đồ sang - PCB và vị trí thành phần chính xác trên PCB.
- Mô phỏng mạch PCB 3D, mang đến sự thể hiện thực tế của mạch trong không gian ba chiều Nó hỗ trợ tích hợp MCAD-ECAD, liên kết trực tiếp với các mô hình BƯỚC, kiểm tra khoảng cách cách điện và cấu hình cho cả chế độ xem 2D và 3D.
- Altium Designer trao quyền cho các kỹ sư điện tử với các khả năng tiên tiến của nó và cung cấp một nền tảng mạnh mẽ để thiết kế mạch hiệu quả và sáng tạo.
Autodesk Inventor là phần mềm thiết kế xây dựng quy mô 3D, phong cách thiết kế, hình mẫu và kiểm tra sáng tạo độc đáo những sản phầm Inventor tạo ra những nguyên mẫu mô phỏng chuẩn xác khối lượng, áp lực đè nén, độ ma sát, tải trọng, … của những đối tượng người tiêu dùng mẫu sản phẩm trong thiên nhiên và môi trường 3D Các công cụ mô phỏng, nghiên cứu và phân tích được tích hợp trong Inventor được cho phép người dùng phong cách thiết kế từ khuôn đúc cơ bản đến nâng cao như phong cách thiết kế chi tiết cụ thể máy, trực quan hóa mẫu sản phẩm Inventor còn được tích hợp CAD và những công cụ tiếp xúc phong cách thiết kế nhằm mục đích nâng cao hiệu suất thao tác của CAD và giảm thiếu phát sinh lỗi, tiết kiệm chi phí thời hạn Ứng dụng của Inventor:
- Xây dựng thuận tiện cụ thể, quy mô 3D
- Xuất bản vẽ chuẩn xác, nhanh gọn
- Thiết kế chi tiết cụ thể các bề mặt kim loại
- Thiết kế cụ thể chi tiết các thành phần nhỏ trong chi tiết máy
- Thiết kế sản phẩm nhựa và làm khuôn
- Thiết kế điện - điện tử
CÁC PHƯƠNG PHÁP NỐI PIN VÀ NGUYÊN LÝ SẠC CÂN BẰNG
Một số phương pháp đấu nối cell pin
Việc sử dụng pin phục vụ cho các thiết bị có tính di động đã xuất hiện từ rất lâu.
Cứ mỗi thiết bị lại có một điện áp khác nhau cùng với công suất và dòng điện khác nhau.
Vì vậy không có một loại pin nào đáp ứng được tất cả các thiết bị Từ đó cần có nhu cầu liên kết các khối pin lại với nhau để phù hợp hơn với các thiết bị.
3.1.1 Đấu nối kiểu nối tiếp
Hình 3.1 Đấu pin kiểu nối tiếp Đấu nối pin kiểu nối tiếp là việc đấu nối cell pin bằng cách đấu cực âm của cell này vào cực dương của cell kia Mục đích của kỹ thuật này là tăng điện áp hoạt động của cả khối pin để phù hợp với tải.
Các thông số của phương pháp:
Giải thích: Khi dòng điện chảy trong khối pin và chảy qua tải thì dòng điện qua các cell là bằng nhau với việc mạch nối tiếp Vì vậy giới hạn dòng xả tối đa của khối pin phải là giới hạn xả tối đa nhỏ nhất Imin Tương tự như vậy đối với đại lượng dung lượngC.
Phương pháp đấu nối này thường được bắt gặp trong các thiết bị điện tử thông dụng như remote, đèn pin,…
3.1.2 Đấu nối pin kiểu song song
Hình 3.2 Đấu pin kiểu song song
Nối pin kiểu song song là kỹ thuật đấu nối cực dương với cực dương cực âm với cực âm của các cell pin. Ưu điểm của phương pháp này là tăng dòng xả cực đại của khối pin đồng thời cũng tăng lên dung lượng khối pin.
Các thông số của phương pháp:
Vì là mắc song song nên dòng điện mà khối pin xả bằng tổng dòng mà các cell có thể xả được Đồng thời dung lượng pin cũng tăng lên.
Là kiểu đấu nối kết hợp giữa nối tiếp và song song Một số kiểu đấu nối hỗn hợp như sau:
Hình 3.3 Đấu pin kiểu hỗn hợp Đặc trưng của phương pháp hỗn hợp là kết hợp ưu điểm của các phương pháp thành phần với nhau như sự tăng lên dòng điện của phương pháp đấu song song và tăng lên điện áp của phương pháp nối tiếp Khi sử dụng phương pháp đấu nối hỗn hợp khối pin sẽ thường dược ký hiệu bởi đặc điểm đấu nối của nó như 3s2p,5s2p,….
Với: s là số cell nối tiếp, 5s là 5 cell nối tiếp. p là số cell song song, 2p tức là 2 cell song song.
- Tính toán thông số của khối pin ghép song song các cell.
- Giả sử các cell pin có giá trị giống nhau và với Uc(V), I(A), C(mAh).
- Thì điện năng của mỗi cell là
- Vậy thì lượng điện năng tổng cộng của cả khối pin là :
- Từ đó tính toán ra được dung lượng khối pin bằng
- Vậy dung lượng của khối pin mắc hỗn hợp bằng dung lượng của 1 cell nhân cho số cell song song.
Một số phương pháp cân bằng cell pin
Có 2 phương pháp chính để cân bằng cell pin đó là cân bằng chủ động và cân bằng thụ động.
- Cân bằng chủ động: là kỹ thuật cân bằng sử dụng viên pin có điện áp cao sạc cho viên pin có điện áp thấp hơn.
Hình 3.5 Cân bằng chủ động
- Cân bằng thụ động: là kỹ thuật dùng thêm 1 tải để xả điện áp của cell pin đầy đi.
Hình 3.6 Cân bằng thụ động
Kỹ thuật cân bằng chủ động khá lý tưởng về mặt kỹ thuật tuy nhiên thực tế khi thiết kế lại cực kì khó khăn vì thực tế một khối pin lớn sẽ có rất nhiều cell pin nối tiếp với nhau Điều đó làm khó khăn trong việc thiết kế các đường truyền năng lượng trong phương pháp cân bằng chủ động.
Ngược lại kỹ thuật cân bằng thụ động sẽ đơn giản hơn trong việc thiết kế mạch điện tuy nhiên nhược điểm của nó là tiêu tốn năng lượng do lượng pin dư thừa sẽ được xả qua một tải khác Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách sử dụng những cell pin có điện áp bằng nhau Từ đó quá trình cân bằng sẽ giảm lại giúp giảm sự hao phí về năng lượng của pin.
Các nghiên cứu ngoài nước:
- “New Active Charge Balancing Methods and Algorithms for Lithium-Ion Battery Systems”
Trong bài viết này, tác gỉả đã viết về các phương pháp và thuật toán cân bằng cho hệ thống pin lithium-ion Thông qua bài viết này, thu được một số kết quả như sau:
Cân bằng điện tích chủ động là một kỹ thuật mới nổi để thực hiện cân bằng hiệu mới được đề xuất trong tài liệu này, luận án nhằm khắc phục hiệu quả và hạn chế về năng lượng của các kiến trúc cân bằng hiện tại Sáu phương pháp này khác nhau nhưng có liên quan với nhau về nguyên tắc làm việc Chung cho tất cả, chúng dựa vào việc sử dụng bộ chuyển đổi DC/DC không cách ly và một MOSFET chuyển mạch ma trận Tùy thuộc vào dòng điện và ma trận công tắc cấu hình, chúng có thể cân bằng các ô tùy ý của hệ thống pin ở mức cao dòng điện Các ô liền kề có thể được cân bằng đồng thời Hiệu suất so sánh dựa trên mô phỏng số hàng loạt bằng cách sử dụng tính toán và đo lường giá trị hiệu suất của nguyên mẫu bộ chuyển đổi DC/DC Sự cân bằng tham gia ở đây các thuật toán đã được thực hiện trong MATLAB So với giới thiệu phương pháp, phương pháp cân bằng hoạt động cổ điển C2St2C (Cell-to-stack-to-cell) và cân bằng thụ động cũng được phân tích Đối với cài đặt hệ thống nhất định với tám nối tiếp các tế bào pin, các mô phỏng cho thấy hiệu quả cân bằng tổng thể lên tới 93,6%, so với 89,6% đối với C2St2C và giảm thời gian cân bằng lên tới 27,5% Dung lượng khả dụng tăng từ 97,1% trong hệ thống cân bằng thụ động lên 99,7% cho các phương pháp mới dẫn đến dung lượng pin cao hơn 2,6% Hệ thống mô phỏng đã được thiết lập để chứng minh nguyên tắc làm việc của các phương pháp mới và xác minh các tính toán số Cuối cùng, một nguyên mẫu phần cứng đã được phát triển trong đó tích hợp hai trong số các loại cân bằng được đề xuất Các thử nghiệm đầu tiên đã xác nhận nó khả năng chủ động cân bằng các trạng thái khác nhau về mức sạc của các ô trong ắc quy hệ thống với hiệu quả cao.
- “Overview of cell balancing methods for Li-ion battery technology”
Trong bài viết này, tác giả mô tả tổng quan các phương pháp cân bằng cell pin. Thông qua bài viết này, thu một số kết quả như sau:
Pin Li-ion bị ảnh hưởng bởi nhiều tính năng như quá điện áp, thiếu điện áp, dòng điện nạp và xả quá mức, thoát nhiệt và mất cân bằng điện áp tế bào Một trong những yếu tố quan trọng nhất là sự mất cân bằng tế bào làm thay đổi từng điện áp tế bào trong bộ pin theo thời gian và do đó làm giảm dung lượng pin nhanh chóng Để tăng tuổi thọ của bộ pin, các ô pin phải được cân bằng thường xuyên để duy trì sự khác biệt giữa các ô càng nhỏ càng tốt Có nhiều kỹ thuật cân bằng tế bào khác nhau đã được trình bày cho bộ pin Nó được phân loại là phương pháp cân bằng tế bào thụ động và chủ động dựa trên điện áp tế bào và trạng thái sạc (SOC) Kỹ thuật cân bằng tế bào thụ động là cân bằngSOC của các tế bào bằng cách tiêu tán năng lượng từ các tế bào SOC cao hơn và tạo thành tất cả các tế bào có SOC tương tự tương đương với SOC tế bào cấp thấp nhất Tế bào hoạt động cân bằng chuyển năng lượng từ tế bào SOC cao hơn sang tế bào SOC thấp hơn, do đó SOC của các tế bào sẽ bằng nhau Bài đánh giá này giới thiệu tổng quan về các phương pháp cân bằng tế bào được đề xuất khác nhau để pin Li-ion có thể được sử dụng trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng và ô tô.
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG QUẢN LÝ PIN BMS
Giới thiệu hệ thống BMS
BMS (Battery Management System) là hệ thống quản lý pin với vai trò là một bộ quản lý, xử lý các thông số của bộ pin.
Tại sao cần có hệ thống BMS? Đối với quá trình hoạt động của một viên pin hoặc một khối pin thì thông số mà người dùng cần quan tâm đó là lượng còn lại nhiều hay ít của pin trong ngôn ngữ kỹ thuật là SoC đơn vị là % pin Để một viên pin hoạt động tốt thì điều kiện hoạt động của pin phải nằm trong giới hạn mà một viên pin có thể chịu được. Vậy những giới hạn đó là gì ?
- Đầu tiên là điện áp: Đối với một cell pin Lithium ion thì chúng có giới hạn điện áp hoạt động từ 2,5V điện áp cut off và điện áp sạc đầy 4,2V.
- Dòng xả: Tùy vào cấu tạo của một viên pin mà dòng xả tối đa của pin có thể nằm ở khoảng 10A, 20A, 50A hoặc thậm chí là hàng trăm Ampe đối với dòng pin Lithium Polime.
- Nhiệt độ hoạt động: để một thiết bị có khả năng hoạt động tốt thì nó phải nằm trong ngưỡng nhiệt độ hoạt động cho phép đối vơi pin Lithium ion thì nhiệt độ hoạt động nằm trong ngưỡng: 5% - 45%. Để đảm bảo từng cell pin có thể hoạt động theo đúng điều kiện đó thì hệ thống BMS ra đời với các chức năng như sau:
+ Kiểm soát sự xả pin không quá các giới hạn của pin.
+ Sạc pin ở trạng thái cân bằng
+ Xác định trạng thái sạc SoC hay phần trăm pin và thông báo cho người dùng.
+ Kiểm soát nhiệt độ hoạt động của khối pin ở điều kiện tối ưu nhất.
Hình 4.1 Sơ đồ khối mạch BMS tham khảo
Mô hình được xây dựng vào tham khảo từ nhiều nguồn tại liệu khác nhau Sau đó được thiết kế lại cho phù hợp với các khối pin hiện tại Đồng thời nó cũng mô tả chi tiết hơn các thành phần trong hệ thống từ đó giúp việc triển khai mô hình được dễ dàng Hoạt động của mô hình:
Trong mô hình bao gồm 3 vi điều khiển trong đó có 2 MCU slave với vai trò quản lý điện áp và cân bằng Một slave quản lý 7 cell , một slave quản lý 8 cell.
Vi điều khiển master thực hiện nhận dữ liệu từ slave thông qua SPI protocol. Đồng thời master đóng vai trò quản lý sạc-xả, kiểm soát nhiệt độ bằng việc thu thập dữ liệu từ các cảm biến Master còn có vai trò tính toán các thông số để xuất ra màn hình hiển thị.
Driver BMS là một mạch đảm nhiệm vai trò chính là mạch sạc cân bằng và thu thập tín hiệu điện áp từng cell pin.
4.2.2.2 Chức năng đóng cắt điện áp khi sạc
Kỹ thuật được sử dụng trong đề tài này là cân bằng thụ động với nguyên lý như sau:
Hình 4.3 Cơ cấu kích fet cân bằng khi điện áp cell lớn hơn 4.2V
Bảng 4.1 Chức năng cúa một số linh kiện
Tên linh kiện Chức năng Điện trở 330R-LED Báo tín hiệu kích dẫn mosfet
Opto PC817 Truyền và cách ly tín hiệu cho mạch pin. Điện trở 1k-10k Treo điện áp tại 0V và xấp xỉ 4,2V.
Mosfet AO3404 Đóng cắt dòng điện qua trở tải 6.2R Điện trở 6.2R Điện trở xả đóng vai trò là tải trong mạch cân bằng thụ động Control 1, Control 2 là chân tín hiệu điều khiển từ Main board.
Batt 1, Batt2 là các chân nối với các cell pin tương ứng.
- Control 1, Control 2: là chân tín hiệu điều khiển từ Main board.
- Hoạt động: Khi sạc pin dòng điện đi vào cell trên cùng, qua lần lượt các cell rồi về GND Khi không có tín hiệu ở chân Control, Opto không dẫn điện áp tại chân G của Mosfet là 0V Mosfet đóng làm cho dòng điện đi qua 2 cực của pin.
- Khi có tín hiệu ở chân Control, opto dẫn làm cho điện áp tại cực G của Mosfet xấp xỉ điện áp của cell pin Mosfet dẫn làm cho dòng điện đi qua trở không qua pin làm cho các cell pin đầy không được sạc Tất cả có 15 cell được đấu nối tiếp như sau:
Tín hiệu ở chân Control do 2 slave MCU điều khiển dựa vào việc đọc điện áp các cell pin. Điện trở 20R đóng vai trò là tải trong kỹ thuật cân bằng thụ động Đồng thời Mosfet đóng vai trò như một công tắc điện tử trong mạch cân bằng Mosfet loại N được kích dương ở điện áp xấp xỉ 4,2V ở mạch này Cần lựa chọn mosfet phù hợp vì đặc tính có khả năng kích dẫn ở dòng rất lớn thì điện áp kích dẫn của mosfet cũng lớn theo.
Trong quá trình sử dụng pin, một vấn đề đáng chú ý đó là việc sạc quá đầy và xả quá cạn của pin Vì thế cần thiết kế mạch cân bằng để giải quyết vấn đề này.
Thông số mạch cân bằng:
- Điện thế sạc đầy trên mỗi cell: 4.2V
- Điện thế xả cạn trên mỗi cell: 2.75V
- Dòng sạc tối đa: 4A Điện áp từng cell được đọc bởi mạch cầu phân áp Sau đó được tính toán sau:
Hình 4.5 Mạch đọc điện áp từng cell pin
Bảng 4.2 Chức năng các chân pin
Tên linh kiện Chức năng
Chân nối trực tiếp các điểm điện áp với cell pin
Chân tín hiệu gửi về MCU
Các điện trở Câu thành mạch cầu phân áp giúp chia nhỏ điện áp.
Chân cell được nối với các chân đọc ADC của Slave MCU Vì điện áp của bộ đọc ADC đọc được từ 0-3V3 nên điện trở sẽ được chọn sao cho sau phép chia thì điện áp đỉnh sẽ nằm trong khoảng từ 0-3V3.
Công thức tính toán như sau:
Theo như công thức thì yếu tố quyết định độ chỉnh xác của việc đọc điện áp từng cell đó là điện trở R1 và R2 Vì vậy cần bước đầu chọn điện trở có độ sai số thấp. Đồng thời sau khi thi công mạch cần hiệu chỉnh giá trị điện trở trong thuật toán tính toán thu thập tín hiệu Hiệu chỉnh bằng cách dùng một thiết bị đo điện áp có độ chính xác cao Đo điện áp tại từng cell và tính toán ngược ra giá trị điện trở R1 và R2 trong thuật toán.
4.2.3 Thiết kế main board BMS
Main board BMS được thiết kế như một mạch chứa các vi điều khiển nhận tín hiệu và điều khiển Driver Đồng thời nó cũng thực hiện chức năng hiển thị thông tin, thu thập nhiệt độ và điều khiển quạt, đóng cắt nguồn cấp, cho tải hoặc nguồn sạc pin, đo dòng điện,…
4.2.3.1 Chức năng đóng cắt điện áp nguồn và điện áp sạc
Thuật toán điều khiển
Các giá trị điện áp được đọc vào các chân Analog của MCU Thông qua cầu phân áp để giảm điện áp về dưới 3V3 vì vi điều khiển STM32 chỉ hỗ trợ đọc Analog tới 3V3. Dải giá trị Analog mà vi điều khiển có thể đọc được lên đến 12 bit Tương ứng với 0-
4095 nên khả năng đọc được giá trị với độ phân giải thấp Ưu điểm của sự chi tiết này là đọc được giá trị chính xác Tuy nhiên nhược điểm là nhiễu nhiều do có bất cứ sự thay đổi điện áp nào cũng sẽ bị MCU bắt được Vì vậy cần thông qua một hàm lọc Kalman Filter để giảm nhiễu Giá trị sau lọc nhiễu sẽ được tính toán chuyển đổi sang giá trị điện áp thực của từng cell Nếu cell có điện áp cao hơn 4,2V thì chân control tương ứng kích ở mức 1 làm cho Mosfet mở để dòng điện không đi qua pin nữa.
Dữ liệu điện áp từng cell cũng được gửi về Master MCU.
Thuật toán xử lý chung đối với Main MCU:
Hình 4.52 Sơ đồ thuật toán điều khiển cho Main MCU
Master MCU đảm nhiệm nhiều vai trò nên để sự vẫn hành không xảy ra chậm trễ thì nhóm đã sử dụng kỹ thuật timer để thực hiện xây dựng các hàm delayMicroSecond phục vụ các tác vụ cần thời gian delay nhỏ Sử dụng timer để các chương trình có thể hoạt động độc lập mà không phụ thuộc vào nhau đồng thời để việc lấy mẫu dòng điện diễn ra chính xác.
Trong đó có các hàm xử lý tín hiệu riêng biệt sau:
Giá trị điện áp từng cell được nhận từ Slave sẽ được cộng tổng để ra được giá trị điện áp toàn bộ rồi gửi thực hiện kiểm tra Nếu điện áp nằm ở khoảng cho phép thì tiến hành cho phép sạc, xả Nếu không thì sẽ ngắt sạc hoặc xả tương ứng với điều kiện.
Trong hàm xử lý tín hiệu dòng điện thực hiện các lệnh sau:
Hình 4.54 Các lệnh trong hàm xử lý tín hiệu dòng điện
Tương tự như thuật toán kiểm soát điện áp Dữ liệu đo dòng điện được đọc qua chân Analog ở chế độ Direct Memory Access Sau đó chuyển về giá trị điện áp rồi chuyển về dòng điện với độ phân giải 66mV/1A theo datasheet Chương trình kiểm tra sau đó thực hiện đóng cắt xả tương ứng. Đọc tín hiệu cảm biến nhiệt độ:
Hình 4.55 Đọc tín hiệu nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ được đọc theo chuẩn giao tiếp 1 Wire Dữ liệu được đọc chuyển đổi trực tiếp sang độ C theo datasheet Sau đó kiểm tra điều kiện nhiệt độ và bật tắt quạt ở 35 độ C
Thuật toán tính toán SoC:
Hình 4.56 Hàm tính toán SoC
Sơ lược về thông số SoC thì đây là viết tắt của từ State of Charge có nghĩa là trạng thái sạc nó thể hiện độ đầy của pin như thế nào, thể hiện qua đơn vị %.
Vậy SoC được tính bằng dung lượng pin hiện tại chia cho dung lượng pin lúc đầy của một khối pin.
: là dung lượng pin của khối pin lúc đầy.
: là dung lượng pin hiện tại.
Khi đó dung lượng pin tiêu hao sẽ được đo đạc hoặc ước lượng để có thể tính toán ra được dung lượng pin tiêu hao Trong đề tài này sử dụng phương pháp đếm Coulomd tức là đếm trực tiếp lượng pin hao hụt trong những khoảng thời gian mà nó sử dụng.
Công thức tính SoC sẽ được viết lại dưới dạng:
Vì sự thay đổi SoC diễn ra chậm, lượng tụt giảm dung lượng nhỏ trong thời gian lấy mẫu nên sẽ có trường hợp sự sụt giảm quá nhỏ khiến cho phép tính bỏ qua dẫn đến sai lệch nên cần tạo một biến đệm để cộng dồng các giá trị suy giảm nhỏ sau đó cập nhật và tính toán ở một khoảng thời gian lớn hơn.
Kết quả
Kết quả hoạt động của hệ thống BMS trong các tính năng cụ thể:
Tính năng đo đạc các thông số:
4.4.1 Đo dòng điện và đóng cắt Dòng điện
Hình 4.57 Dòng điện khi mới khởi động không tải
Hình 4.58 Dòng điện khi có tải điện trở công suất hiển thị trên LCD và đồng hồ VOM Chức năng đo dòng điện hoạt động tốt với dòng điện mà hệ thống tiêu hao là 0,06A khi chưa kết nối tải.
Khi kết nối tải là 2 điện trở công suất 150R 50W thì cho ra giá trị dòng điện là 0,622A dòng điện thực là 0,622-0,061=0,561A. Đồng hồ VOM đo được là 0,55A
Sai số là 2% Nguyên nhân dẫn đến sai số có thể là do những nguyên nhân sau: + Yêu cầu điện áp nuôi cảm biến phải chuẩn 5V dễ dẫn đến sai lệch.
+ Nhiễu do phép đo analog vì tín hiệu cảm biến ở dạng analog.
+ Đồng hồ VOM không đo được chữ số thập phân thứ 3 sau dấu phẩy.
4.4.2 Đo nhiệt độ hoạt động của khối pin
Hình 4.59 Đo nhiệt độ hiển thị trên LCD và VOM
Tính năng đo nhiệt độ hoạt động tốt với sai lệch thiết bị kiểm nghiệm là 0,15 ℃. Nguyên nhân có thể dẫn đến sai số là do:
+ Thời điểm lấy mẫu đo khác nhau Với hệ thống lấy mẫu đo liên tục còn thiết bị đo chỉ lấy giá trị nhiệt độ tức thời.
+ Sai lệch do thao tác đo.
Hình 4.60 Đo điện áp hiển thị trên LCD
Hình 4.61 Đo điện áp hiển thị trên màn hình LCD và đồng hồ VOM Điện áp đo được là 56,667 mV sai lệch với thiết bị đo kiểm nghiệm là xấp xỉ0,05%
Nguyên nhân dẫn đến sai số phép đo điện áp là do sự thay đổi điện trở ở hệ cầu phân áp do nhiệt độ hệ thống thay đổi dẫn đến độ chính xác các giá trị điện trở.
Bảng 4.14 Bảng thống kê các giá trị đo đạc
Thông số: Giá trị hệ thống đo Giá trị đo kiểm nghiệm Sai số
4.4.4 Cụm tính năng sạc cân bằng - đóng cắt điện áp khi quá điện áp sạc
Hình 4.62 Dữ liệu điện áp từng cell lúc mới bắt đầu sạc Khảo sát các thông số mô hình qua phần mềm STMStudio Đây là một phần mềm của hãng hỗ trợ lấy thông số trực tiếp của hệ thống thông qua các dòng vi xử lý của STMicroElectronics. Điện áp cell đầu đạt 4,2V sớm nhất đúng với lý thuyết sạc xả đối với khối pin.Cell 15 là cell có điện áp thấp nhất Dòng điện sạc dao động ở mức 2 Ampe đúng với thông số Adapter sạc.
Hình 4.63 Dữ liệu điện áp từng cell lúc sạc đầy Bảng 4.15 Bảng điện áp trước và sau khi sạc đầy
Cell_1 Cell_2 Cell_3 Cell_4 Cell_5 Cell_6 Cell_7 Cell_8
Cell_9 Cell_10 Cell_11 Cell_12 Cell_13 Cell_14 Cell_15
Sau khi sạc đầy điện áp cả khối pin dao động ở mức 63 V đảm bảo được tính năng đóng cắt điện áp khi sạc đầy của khối pin Tất cả các cell pin cân bằng ở khoảng điện áp 4,2V đúng như thiết lập Tuy nhiên cell đầu tiên và cell cuối cùng có khoảng chênh lệch là 0,05V đối với mốc 4,2V nguyên nhân là do viên pin ở cell đầu tiên sạc đầy trước nên điện áp của nó cao hơn so với mức 4,2V Tương tự cell thứ 15 là cell đầy cuối cùng nên điện áp thấp hơn so với mức 4,2V.
Chênh lệch điện áp lớn nhất giữa các cell khi chưa sạc cân bằng là: 4,2- 3,67=0,53V.
Chênh lệch điện áp lớn nhất giữa các cell khi chưa sạc cân bằng là: 4,242-4,159=0,082V.
Cách khắc phục: Đưa điện áp của các cell về mức gần bằng nhau thì điện áp cân bằng sẽ tối ưu nhất.
Hình 4.64 Hình ảnh thực tế khi các cell 1,2 và 12 được sạc đầy.
Hình 4.65 Hình ảnh thực tế quá trình sạc cân bằng hiển thị trên LCD
Khi khối pin đầy mosfet điều khiển sạc cắt giữ cho mức điện áp vào pin dao động ở mức điện áp 63V. Điện trở công suất nóng lên đạt nhiệt độ 50°C.
Nhóm đề tài tiến hành thí nghiệm xả liên tục qua điện trở công suất để kiểm tra độ bền của điện trở Kết quả cho thấy điện trở vẫn chịu được với điều kiện xả liên tục trong vòng 60p.
Bề mặt xuất hiện các vết ố do nhiệt Giá trị điện trở không có sự thay đổi.
Hình 4.66 Kiểm tra độ bền điện trở công suất
4.4.5 Đo đạc thông số SoC
Thiết lập thí nghiệm để kiểm tra sự chính xác của việc đo đạc thông số SoC.
+ Sử dụng điện trở công suất 150R-50W để đóng vai trò là tải trong quá trình xả.
+ Theo dõi sự thay đổi theo thời gian thực của SoC trên đồ thị thông qua ứng dụng STMCubeMonitor trong vòng 20 phút tương ứng với 1200 giây.
+ Việc xả diễn ra thành 2 giai đoạn Giai đoạn 1 xả với 1 trở công suất trong vòng 720s đầu của quá trình Giai đoạn còn lại xả với 2 trở công suất mắc song song.
Sau khi thí nghiệm cho ra được kết quả đồ thị như sau:
Hình 4.67 Đồ thị tại thời điểm thay đổi tải Thời điểm mới bắt đầu thí nghiệm:
Bảng 4.16 Thông số cụ thể tại các thời điểm thí nghiệm:
Thời điểm (giây) SoC(%) Dòng điện (mA) Điện áp (mV)
Hình 4.68 Thời điểm bắt đầu thí nghiệm
Hình 4.69 Thông số hiển thị trên LCD lúc ban đầu Thời điểm bắt đầu tăng tải:
Bảng 4.17 Bảng thông số cụ thể lúc tăng tải
Thời điểm (giây) SoC(%) Dòng điện (mA) Điện áp (mV)
Hình 4.70 Thời điểm lúc tăng tải
Hình 4.71 Thông số hiển thị trên LCD lúc tăng tải
Thời điểm kết thúc thí nghiệm:
Bảng 4.18 Bảng thông số cụ thể lúc kết thúc thí nghiệm
Thời điểm (giây) SoC(%) Dòng điện (mA) Điện áp (mV)
Hình 4.73 Thông số hiển thị trên LCD lúc kết thúc Bảng 4.19 Bảng tổng hợp 3 thời điểm
Thời điểm (giây) SoC(%) Dòng điện (mA) Điện áp (mV)
Nhận xét: Đường đặc tính sự giảm SoC là đường thẳng phù hợp với điều kiện dòng điện không đổi.
Tại thời điểm tăng dòng thì độ dốc xuống của đường SoC tăng lên
Có sự sụt giảm của điện áp trong quá trình xả tải.
Tính toán, ước lượng kiểm nghiệm:
Dung lượng pin hao hụt trong thời gian thử nghiệm:
Dung lượng tổng theo phép đo:
Kết quả xấp xỉ với dung lượng tổng của khối pin là 6000 mAh.
Từ đó có thể kết luận phương pháp tính toán đo đạc SoC là chính xác Sự sai lệch đến từ việc phép ước lượng chưa chính xác hoặc dòng điện trong quá trình xả có sự thay đổi.
4.4.6 Một số hình ảnh thực nghiệm mô hình trên xe
-Thời điểm cho mô hình lên xe, kết nối với tải động cơ.
Hình 4.74 Mô hình được gắn trên xe
- Thời điểm cho xe vận hành ở đường thẳng, dòng xả của pin đáp ứng được nhu cầu của động cơ hoạt động.
- Thời điểm cho xe leo dốc để chịu tải lớn hơn, pin vẫn đáp ứng được dòng xả cho tải động cơ hoạt động tốt.
Hình 4.76 Xe chạy đường dốc