Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2023 Trang 9 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành được đồ án như ngày hơm nay, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Khoa Cơ Khí Động Lực- trường Đại học Sư phạm Kỹ
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, xe điện đang là xu hướng phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới Ở riêng Việt Nam, các dự án xe điện đang được triển khai nghiên cứu phát triển ở các phòng thí nghiệm cũng như các công ty công nghệ Vì vậy, nhóm nghiên cứu chọn hướng thực hiện đề tài về xe điện với 3 lý do quan trọng
Lý do thứ nhất là tình trạng ô nhiễm môi trường, một trong những nguyên nhân hàng đầu thúc đẩy quá trình chuyển đổi thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống thành nhiên liệu sạch không gây hại cho môi trường Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện thân thiện với môi trường [1-2] và Việt Nam chắc chắn không nằm ngoài xu hướng chung của thế giới Hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí của Việt Nam đang vượt quá mức cho phép, trực tiếp ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người mà một trong những nguyên nhân chính là do khí thải từ các phương tiện giao thông [3] Chính vì vậy, việc thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng, diesel bằng những nguồn năng lượng sạch là việc làm cần thiết
Lý do thứ hai là sự phù hợp của xe máy điện thay vì ô tô điện Như chúng ta đã biết, Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ xe máy nhiều nhất thế giới do đặc điểm địa hình đường xá ở Việt Nam có nhiều ngóc ngách, hẻm Nhưng đây cũng chính là nguồn phát khí thải chính của phương tiện giao thông, vì các loại xe máy phổ thông hiện nay không được đảm bảo tiêu chuẩn về an toàn khí thải Nói cách khác, để giảm thiểu tác hại của khí thải xe máy, bảo vệ môi trường, thì việc thay thế xe máy sử dụng nhiên liệu truyền thống bằng xe máy điện là khả thi nhất trong tương lai gần Sử dụng xe máy điện là một giải pháp quan trọng không chỉ thể hiện sự văn minh mà còn phải xem đó là điều thực sự cần thiết để bảo vệ môi trường sống của chính mình và cả cộng đồng
Lý do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng về mặt kỹ thuật, đó là bộ sạc cho pin Để vận hành một chiếc xe điện thì trước tiên cần phải cung cấp điện năng cho pin và bộ sạc pin giữ một vai trò quan trọng Một trong những loại pin sử dụng phổ biến cho xe điện hiện nay là pin Lithium-ion Dòng pin Lithium-ion đã được nghiên cứu và phát triển
2 bởi rất nhiều hãng công nghệ, điển hình như hãng Tesla Cho nên việc sử dụng loại pin này cho xe máy điện sẽ tiết kiệm được thời gian, chi phí vào việc nghiên cứu Tuy nhiên việc sử dụng loại pin này đang gặp phải một vấn đề, đó là loại pin này chỉ được sạc bởi nguồn điện một chiều với một điện áp và cường độ dòng điện nhất định nhưng mạng điện dân dụng ở Việt Nam là điện xoay chiều một pha Do đó muốn ứng dụng áp dụng công nghệ pin Lithium-ion cần có một bộ sạc để khắc phục vấn đề này Bộ sạc này cần phải chuyển đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều và cung cấp chính xác điện áp và cường độ dòng điện để sạc được cho bộ pin Lithium-ion.
Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế và thực hiện mạch nạp pin cho pin lithium sử dụng bộ nguồn xung và có hồi tiếp điện áp
- Tìm hiểu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650
- Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của nguồn xung Flyback, linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng
- Tính toán và thiết kế mạch nạp cho xe máy điện
- Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định của mạch điện.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Biến áp xung và nguồn xung Flyback
- MOSFET 20N60 và MOSFET Driver IR2103
- Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision, Proteus
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các đối tượng trên vào việc thiết kế mạch nạp cho pin và sẽ không nghiên cứu sâu vào thuật toán hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.
Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết: đọc tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để áp dụng vào mạch nạp
Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm Proteus mô phỏng mạch điện Dùng phần mềm STMCubeMX và Keli uVision để lập trình
Thực nghiệm và đánh giá kết quả: tiến hành thử nghiệm mạch, dựa trên các thông số tính toán và kết quả thực nghiệm đưa ra đánh giá hoạt động.
Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của nhóm tác giả Cao Xuân Tuyển và Nguyễn Anh Tuấn đã được đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ [10] Trong nghiên cứu này nhóm tác giả đã sử dụng bộ biến đổi flyback để điều khiển máy biến áp và áp dụng các công thức để tính toán, thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần ở hai chế độ làm việc: chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn Với cùng một nguồn điện đầu vào Vin = 9-15 (VDC), nhóm đã khảo sát với đầu ra lần lượt là Vout = +5 (VDC), Iout = 1,1 (A); Vout = +15 (VDC), Iout = 0,6 (A); Vout = -15 (VDC), Iout = 0,6 (A) Việc mô phỏng bộ nguồn được nhóm tác giả thực hiện bằng phần mềm PSIM Dựa theo kết quả mô phỏng ở hai chế độ làm việc thì cả hai chế độ làm việc của máy biến áp đều làm việc ổn định Bên cạnh đó, bộ nguồn làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn có chất lượng điện áp tốt hơn so với chế độ còn lại Tuy nhiên, kích thước mạch làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn nhỏ hơn, cần nhiều số vòng dây hơn và ở chế độ
4 dòng điện liên tục có kích thước lớn hơn với số vòng dây ít hơn
1.5.2 Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery Charging Applications Reference Design” [11] Nhóm nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium- ion Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100-120(VAC) với tần số 50-60 (Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A) Bộ sạc áp dụng loại nguồn xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion Bộ nguồn này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc Buck-Boost với Vin = 17,5-20,6 (VDC), Iout = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban ngày Sau đó, các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra nguồn điện đầu ra Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Pin Lithium – Ion
Pin Lithium-ion là thiết bị sinh ra điện một chiều thông qua phản ứng hóa học Khi pin phóng điện hay nạp điện, ion lithium di chuyển qua lại giữa các bản cực (bản cực dương và bản cực âm) Thông thường, bản cực dương làm từ vật liệu oxide kim loại với kim loại nền là Cobal, Nickel hay Manganese Bản cực âm làm từ graphite Cả bản cực dương và bản cực âm đều có cấu trúc là những lớp mỏng Ion lithium nằm trong các lớp đó Trong quá trình nạp, ion lithium di chuyển từ cực dương sang cực âm Trong quá trình xả, ion lithium di chuyển từ cực âm sang cực dương Chất điện phân là một phần quan trọng của pin Lithium, cung cấp môi trường dẫn ion Li + di chuyển giữa hai bản cực nhưng cũng đồng thời là dung môi không dẫn điện.[4]
Hình 2.1 Cấu tạo của pin Lithium-ion
Hình 2.2 Cấu tạo của pin Lithium-ion
Hình trên mô tả cấu tạo của pin Lithium-ion dạng miếng dẹt và hình trụ tròn Đây là hai cấu trúc thường được sử dụng trên ô tô
2.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion
Trong quá trình nạp, ion Lithium được giải phóng khỏi điện cực dương Lúc này, ion Lithium sử dụng chất điện phân làm môi trường truyền dẫn, thẩm thấu xuyên qua lớp ngăn cách và gắn vào bản cực âm
Hình 2.3 Quá trình nạp của pin Lithium-ion
Trong quá trình xả, ion Lithium được giải phóng ra khỏi bản cực âm Ion Lithium sử dụng chất điện phân làm môi trường dẫn, thẩm thấu xuyên qua lớp ngăn cách và quay về lại bản cực dương
Hình 2.4 Quá trình xả của pin Lithium-ion [6]
Tại cực dương, phản ứng hóa học xảy ra như sau
LiCoO2 ↔ CoO2 + Li + + e - Tại cực âm, phản ứng hóa học xảy ra như sau
Phản ứng tổng cộng của hai quá trình nạp và xả trong pin:
Trong đó, nạp là chiều thuận, xả là chiều nghịch
Trong quá trình xả, C6 1- (Cathode) bị oxy hoá thành C6 0, Co 4+ bị khử thành Co 3+ , và ngược lại trong quá trình nạp Nếu pin Lithium-Ion được xả quá mức thì một Lithi Coban Oxide bão hòa sẽ biến đổi thành Lithi Oxide, theo một chiều của phản ứng sau:
Nếu pin LCO được nạp quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban IV Oxide, theo một chiều của phản ứng sau [10]:
2.1.3 Đạt tính xả và nạp của pin Lithium-ion
2.1.3.1 Đặt tính xả Đặc tính xả của một pin Lithium-ion được mô tả như hình sau
Hình 2.5 Đặc tính xả của pin Lithim-ion [7]
Trong ví dụ này, dung lượng danh định của pin là C = 3,250 mAh Cường độ dòng điện phóng được định nghĩa là Id = C Để đảm bảo an toàn cho pin, trong ví dụ này, điện áp pin được giới hạn trong khoảng Vb
= 4.2 ÷ 2.5 (V) Đặc tính trên thể hiện dòng điện phóng càng lớn thì điện áp đo được ở pin ứng với một dung lượng càng nhỏ.[4]
2.1.3.2 Đặt tính nạp Đặc tính nạp của một pin Lithium-ion được mô tả như hình sau Trong ví dụ này, dung lượng danh định của pin là C = 3,250 mAh
Hình 2.6 Đặc tính nạp của pin Lithium-ion[7]
Pin Lithium-ion được nạp qua hai giai đoạn, giai đoạn đẳng dòng (CC) và giai đoạn đẳng áp (CV) Ở ví dụ này, trong giai đoạn CC, dòng điện được giữ không đổi I C = 0.3C Khi điện áp của pin đạt được 4.2V, pin được chuyển sang giai đoạn nạp đẳng áp Quá trình nạp kết thúc khi dòng điện nạp nhỏ hơn giá trị định trước, I C = 65mA.[4]
Pin Lithium-ion sẽ hoạt động ổn định trong khoảng từ 3 - 4,2 (V), đây gọi là vùng an toàn của pin Nếu vượt ra ngoài khoảng giá trị ấy thì pin sẽ hoạt động không còn ổn định nữa mà sẽ tìm ẩn nhiều rủi ro và nguy hiểm Vì thế, khi mức điện áp của pin tuột dưới 3
(V/cell), có nghĩa lúc này pin đang xảy ra hiện tượng quá xả (over-discharge), ta nên ngắt pin ra khỏi mạch để tránh những hư hỏng có thể xảy ra Còn nếu tiếp tục xả pin đến dưới 2,7 (V/cell) thì lập tức pin sẽ chuyển sang trạng thái sleep, nếu muốn sạc lại pin thì phải sử dụng bộ sạc chuyên dụng gồm 4 chế độ gồm 2 chế độ sạc ổn dòng (constant current), ổn áp (constant voltage) giống phương pháp sạc thông thường và 2 chế độ pre-charge và activation được sử dụng để khôi phục hoạt động của pin
Các nhà sản xuất pin sẽ luôn để mức điện áp của pin trong khoảng 40% Tuy nhiên, nếu trong thời gian dài pin sẽ xảy ra hiện tượng tự xả (self-discharge) và điện áp của pin sẽ giảm dần Để tránh hiện tượng quá xả (over-discharge), chúng ta cần thường xuyên kiểm tra và sạc lại định kỳ nếu trong một khoảng thời gian dài pin không được sử dụng tới
2.1.5 Thiết kế bố trí pin Lithium-ion trên xe Tesla Model S Để đạt được điện áp dẫn động các động cơ điện trên xe điện, các pin Lithium được mắc nối tiếp với nhau Để tăng cường độ dòng điện xả của bộ pin, các pin Lithium đơn được bố trí song song Như vậy, bộ pin trên ô tô điện là cấu trúc gồm nhiều pin Lithium mắc song song và nối tiếp Thông thường bộ pin được bố trí dưới gầm xe để giảm trọng tâm xe.[4]
Hình 2.7 Bố trí bộ pin trên Tesla Model S [8]
Trên xe Tesla Model S năm 2012, bộ pin bao gồm 7,104 pin Linthium-ion đơn, loại
18650 Lithium Nickel Manganese Oxide Tổng năng lượng của bộ pin là 85 kWh.[4]
Hình 2.8 Hình dạng các pin Lithium đơn trên Tesla Model S [9]
Bộ pin này có 16 module riêng rẽ mắc nối tiếp với nhau, mỗi module có 444 pin Lithium
11 đơn (cell) Trong mỗi module, 74 cell mắc song song thành từng cụm, với điện áp danh định là 3.6V Mỗi module có 6 cụm mắc nối tiếp với nhau tạo ra điện áp 21.6V Như vậy điện áp tổng cộng bộ pin với 16 module mắc nối tiếp là 345.6V.[4]
Hình 2.9 Hình ảnh 1 module pin trên Tesla Model S [9]
Bộ nguồn chuyển mạch cao tần
2.2.1 Giới thiệu về bộ nguồn chuyển mạch cao tần
Trong kỹ thuật điện tử, bộ nguồn nuôi kiểu chuyển mạch (hay còn gọi là bộ nguồn xung) là bộ nguồn nuôi thực hiện biến đổi điện sơ cấp DC sang tần số siêu âm, sau đó thông qua biến áp và chỉnh lưu để cho ra các mức điện áp DC khác ổn định làm nguồn nuôi các mạch điện Năng lượng điện được đưa qua các transistor đóng mở theo chế độ chuyển mạch, nên được gọi là Switching Tần số và độ rộng kỳ mở transistor (duty cycle) được điều chỉnh thông qua phản hồi âm từ điện áp ra, để năng lượng truyền qua vừa đủ, nhằm giữ cho điện áp ra ổn định
Ngày nay các nguồn ổn áp kiểu xung có điều khiển chiếm vị trí thống trị trong các máy điện tử Đó là do chúng đảm bảo hiệu suất biến đổi cao, tiêu tán năng lượng thấp, điều khiển bật tắt thuận lợi, thiết kế mềm dẻo, trọng lượng và không gian chiếm chỗ thấp
Bộ nguồn chuyển mạch (SMPS – Switching Mode Power Supply) làm việc với hiệu suất cao (từ 80 ÷ trên 90%), dải điện áp làm việc rộng và kích thước, trọng lượng nhỏ nhẹ Hiện nay có nhiều sơ đồ bộ nguồn đóng cắt khác nhau, mỗi sơ đồ lại có dải thông số và phạm vi ứng dụng riêng Các bộ nguồn đóng cắt có công suất từ vài W đến vài chục kW, có tần số
12 hoạt động đến vài MHz và với các cấp điện áp khác nhau [10]
Tần số làm việc của bộ nguồn chuyển mạch (tần số chuyển mạch) thường cao (từ 10kHz ÷ 500kHz) Vì nếu tần số thấp thì khó lọc thứ cấp, kích thước linh kiện (cuộn chặn, tụ lọc) lớn, giá thành cũng như kích thước của nguồn tăng Nếu tần số quá cao thì năng lượng điện sẽ phát xạ tại chỗ, khi đó năng lượng điện sẽ biến thành năng lượng từ trường, điện trường và nhiệt, làm giảm hiệu suất của bộ nguồn Hơn nữa, trong dải tần 10kHz ÷500kHz, máy biến áp dùng lõi ferit, Moly Permaloy có độ từ thẩm hiệu dụng lớn, nên số vòng dây sẽ giảm đi rất nhiều, tức là giảm được kích thước và trọng lượng của máy biến áp, cuộn chặn so với bộ nguồn thông thường có cùng công suất Phần chuyển mạch chính sử dụng các BJT và MOSFET công suất lớn, tần số chuyển mạch công suất rất nhỏ, toả nhiệt đơn giản
Từ các đặc điểm trên làm cho nguồn chuyển mạch có các ưu điểm sau: Phần tử chuyển mạch tích cực hoạt động ở một trong hai chế độ đóng hoặc ngắt nên khả năng truyền tải công suất lớn hơn nhiều so với ở chế độ tuyến tính Nhờ vậy hiệu suất cao (80 – 90%) [10]
2.2.2 Các yếu tố sử dụng trong bộ nguồn
2.2.2.1 Các đặc trưng về độ tự cảm của cuộn cảm
Hiện tượng cảm ứng điện từ xảy ra khi có dòng điện chạy qua và có sự biến thiên cường độ dòng điện gây ra sự biến thiên từ thông trong mạch kín
Các đặc điểm quan trọng của của cuộn cảm theo định luật về độ tự cảm:
- Điện áp trên cuộn dây chỉ xuất hiện khi có sự biến thiên dòng điện
- Đối với mạch một chiều: Hiện tượng tự cảm xảy ra khi đóng và ngắt mạch
- Đối với mạch xoay chiều: Hiện tượng tự cảm luôn xảy ra
- Trong cuộn cảm, điện áp có thể thay đổi ngay lập tức còn cường độ dòng điện thì không (điều này chỉ xảy ra khi giá trị điện áp là vô cùng)
2.2.2.2 Sự vận hành của dòng điện
Có hai chế độ vận hành dòng điện trong cuộn cảm:
Chế độ vận hành liên tục (CO – Continuous Operation): cường độ dòng điện trong cuộn cảm 𝐼 𝐿 tăng từ giá trị I đến Iđỉnh rồi lại giảm xuống I khi công tắc đóng cứ như vậy liên tục
13 tăng rồi giảm, nhưng sẽ không bao giờ giảm về 0
Chế độ vận hành không liên tục (DO – Discontinuous Operation): khi công tắc đóng, cường độ dòng điện trong cuộn cảm IL tăng từ 0 đến Iđỉnh và cường độ dòng diện lại trở về 0 khi công tắc mở
2.2.2.3 Biến áp trong nguồn xung
Biến áp trong nguồn xung hay còn gọi là biến áp xung là yếu tố chính sử dụng trong đề tài, Biến áp xung là thiết bị dùng để truyền tải điện năng Người ta sử dụng nó để biến đổi xung điện áp hoặc cường độ xung giúp chuyển đổi năng lượng điện với hiệu suất cao khác với biến áp thường, cuộn dây trong biến áp xung đồng thời đóng vai trò như một cuộn cảm và mỗi biến áp thường có hai hoặc nhiều cặp cuộn dây từ tính
Dưới đây là sơ đồ mô tả bộ biến áp:
Hình 2.10 Sự vận hành biến áp [13]
2.2.2.4 Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM)
Phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra Để thay đổi độ rộng của chuổi xung vuông ta dùng cách đóng, mở dòng điện liên tục điện áp một chiều 𝑉 𝑂𝑈𝑇 được tính như trong hình sau:
Hình 2.11 Hình dáng và điện áp của PWM [14]
(𝑇 𝑂𝑁 /𝑇 𝑃 ) ở đây được gọi là chu kỳ hoạt động (thời gian mà công tắc mở chia cho thời gian của một chu kỳ), còn 𝑉 𝑃𝐾 là điện áp đỉnh
2.2.3 Bộ nguồn chuyển mạch kiểu FLYBACK
Nguyên lý hoạt động mạch Flyback:
Mạch biến áp xung sử dụng mạch Flyback hoạt động như một cuộn cảm hay một thiết bị lưu giữ năng lượng từ trường
Hình 2.12 Sơ đồ mạch Flyback [15]
Hình 2.13 Dòng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [15]
Nguyên lý hoạt động của mạch Flyback: khi đóng khoá Q1 thì sẽ có dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp, lúc này cuộn sẽ tích trữ năng lượng Dòng điện IP trong cuộn sơ cấp sẽ tăng tuyến tính lên cao nhất Mặt khác, trong cuộn thứ cấp sẽ không có điện, lúc này tụ C1 sẽ xả dòng điện ra tải và diode D1 sẽ không cho dòng điện chạy ngược về cuộn thứ cấp
Hình 2.14 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải) [14]
Sau đó, dòng điện trên cuộn sơ cấp sẽ dừng lại khi khóa Q1 ngắt, cuộn thứ cấp sẽ nhận năng lượng tích trữ trong biến áp xung sau khi được đảo ngược Dòng điện này không chỉ cung cấp cho tải mà còn sạc lại cho tụ C1
Một điều lưu ý khi áp dụng mạch Flyback là khi khoá Q1 ngắt, điện áp đầu vào VDC kết hợp với điện áp ngược do cuộn thứ cấp tác dụng ngược trở lại Do đó, khóa Q1 yêu cầu phải chịu đựng được độ lớn của hai điện áp này Điện áp VRO được tính theo công thức sau:
Hình 2.15 Đồ thị điện áp V RO [15]
Và tổng điện áp cực đại lên khóa Q1 là:
Mạch Flyback có hai chế độ hoạt động, đó là chế độ dòng điện không liên tục (Discontinuous Conduction Mode – DCM) và chế độ dòng điện liên tục (Continuous Conduction Mode – CCM)
Sự thay đổi của dòng điện trong chế độ dòng điện không liên tục, DCM, được diễn tả như hình dưới đây
Hình 2.16 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng không liên tục [15]
Các linh kiện điện tử khác sử dụng trong đề tài
2.3.1.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản
Diode bán dẫn (diode) là loại linh kiện bán dẫn chỉ cho phép dòng điện đi qua nó theo một chiều mà không theo chiều ngược lai, bao gồm 2 lớp bán dẫn p (điện cực Anode và n (điện cực Cathode) kết hợp lại với nhau
Hình 2.18 Cấu tạo của diode [16]
Sự tích điện âm (bên lớp p) và điện dương (bên lớp n) hình thành một điện áp gọi là điện áp tiếp xúc (UTX) Khi sự chuyển động khuếch tán của các điện tích giữa 2 lớp bán dẫn chấm dứt thì diode ở trạng thái cân bằng, UTX ở trạng thái cân bằng khoảng 0.7V (đối với bán dẫn Si) và 0.3V (đối với bán dẫn Ge)
Diode chỉ dẫn điện một chiều từ anode sang cathode nên phải đặt một điện áp cao hơn ở anode, UAK >0 và ngược chiều với UTX Muốn có dòng đi qua diode thì UAK>UTX, khi đó một phần của điện áp Uak sẽ dùng để cân bằng với điện áp tiếp xúc, phần còn lại được dùng để tạo dòng điện thuận qua diode
Khi UAK >0, ta nói diode phân cực thuận và dòng điện qua diode gọi là dòng điện thuận (có chiều từ anode qua cathode) Khi Uak đã đủ cân bằng với điện áp tiếp xúc thì diode trở nên dẫn điện rất tốt (điện trở rất thấp khoảng vài chục Ohm) nên phần điện áp dùng để tạo ra dòng điện thuận (0.1-0.5V) thường nhỏ hơn nhiều so với phần điện áp cân bằng (khoảng 0.6V) tùy theo dòng thuận vài chục mA đến vài A
Hình 2.19 Cấu trúc diode phân cực thuận
Hình 2.20 Cấu trúc diode phân cực nghịch
Khi diode phân cực ngược, cực âm nối với cực A và cực dương nối với cực K Cực dương hút các electron, cực âm hút các lỗ hổng ra xa vùng tiếp giáp p-n khiến cho dòng điện bị chặn không thể đi qua được Lúc này, nếu có dòng điện chạy ngược qua diode được gọi là dòng rò, giá trị của nó sẽ bằng không đối với diode lý tưởng
2.3.1.2 Đường đặc tính Volt – Ampere của diode (V- I)
Hình 2.21 Đặc tính V-A của một diode bán dẫn lý tưởng [17] Đặc tính V-A của diode là đồ thị mô tả quan hệ giữa dòng điện qua diode theo điện áp UAK đặt vào nó Có thể chia đặc tuyến này thành hai giai đoạn:
- giai đoạn ứng với UAK = 0.7>0 mô tả quan hệ dòng áp khi diode phân cực thuận
- giai đoạn ứng với UAK = 0.70, dòng điện đi từ D xuống S
- P - Mosfet: điện áp điều khiển mở mosfet UGS VTH và Vgs> Vds
- Chế độ bão hòa (Zone saturation): VGS < VDS, VGS > VTH Lúc này Mosfet dẫn, VGS tăng nhưng giá trị IDS không tăng do đạt giá trị ngưỡng
Hình 2.24 Đặc tính V-I của MOSFET [19]
2.3.3 Điện trở Điện trở là linh kiện điện tử thông dụng hiện này có chức năng hạn chế, cản trở dòng điện trong mạch, ngoài ra còn có chức năng điều chỉnh mức độ tín hiệu, chia điện áp, kích hoạt các linh kiện chủ động như transistor, mosfet,… Đặc tính của một điện trở lý tưởng được biểu diễn dựa trên định luật Ohm:
𝑅 Với: I là cường độ dòng điện (A)
R là điện trở (Ω) Đường đặc tuyến V-I của điện trở tuyến tính loại 5k Ω và 10k Ω theo định luật Ohm:
Hình 2.25 Đặc tuyến V-I của điện trở [17]
Ký hiệu của điện trở
Giá trị của mỗi điện trở được thể hiện ở trên mỗi điện trở bằng các vạch màu và ta có thể đọc được giá trị của nó bằng một qui ước chung Giá trị được tính ra thành đơn vị Ohm
Hình 2.27 Qui ước đọc giá trị điện trở [13]
IC nguồn là một linh kiện điện tử dùng để điều chỉnh và duy trì điện áp đầu ra ở một mức điện áp cố định Trong đề tài này, IC nguồn được sử dụng là L7805CV giúp duy trì điện
Hình 2.26: a Điện trở thường b Biến trở c Biến áp
26 áp ở mức 5V cố định để làm nguồn cho vi điều khiển
Hình 2.28 Cấu tạo của L7805CV [13]
Các thông số cơ bản của L7805CV:
- VI: điện áp nguồn thường sử dụng từ 8V - 20V
- VO: điện áp xuất ra là 5V Để điện áp đầu ra cố định không bị nhiễu, L7805CV được kết hợp với tụ như sau:
Hình 2.29 Sơ đồ kết nối L7805CV [21]
Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, được cấu tạo từ một sợi dây đồng cách điện quấn thành nhiều vòng xung quanh lõi, sinh ra từ trường khi có dòng điện chạy qua Phân loại dựa trên chất liệu làm lõi của cuộn cảm
Hình 2.31 Ký hiệu của cuộn cảm [22]
Khi có dòng điện đi qua cuộn dây thì cuộn dây sẽ sinh ra một từ trường Nếu đặt một dòng điện một chiều đi qua cuộn cảm thì nó cũng sẽ sinh ra một từ trường có cường độ và chiều không đổi Còn nếu đặt một dòng điện xoay chiều vào cuộn cảm thì sẽ sinh ra từ trường biến thiên
Các phần mềm sử dụng trong đề tài
2.4.1.1 Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX
Phần mềm STM32CubeMX được hãng ST phát triển từ phần mềm STM32 Micro Explorer Khi chưa có phần mềm STM32 Micro Explorer, việc lập trình đối với các vi điều khiển ARM là rất khó, từ đó các nhà phát triển đã tạo ra các thư viện để lập trình đơn giản hơn nhưng việc sử dụng chúng vẫn còn rất phức tạp
Từ đó, hãng ST đã tạo ra phần mềm STM32 Micro Explorer để cấu hình ngoại vi và tạo project dựa theo các thư viện đó Sau nhiều phiên bản cải tiến, STM32CubeMX được ra đời, đây là một phần mềm hoàn thiện giúp người dùng lập trình một cách dễ dàng
2.4.1.2 Giao diện và các cài đặt cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX
Sau khi khởi động phần mềm, giao diện ban đầu của phần mềm như sau:
Hình 2.39 Cửa sổ ban đầu của phần mềm
Tại đây, người dùng có thể mở lại các project gần đây, bắt đầu project với ACCESS TO MCU SELECTOR để lập trình cho bất kì MCU STM32 nào, ACCESS TO BOARD SELECTOR để lập trình cho một board của hãng STM32 và ACCESS TO EXAMPLE SELECTOR đề truy cập vào một project mẫu
Trong đề tài này, vi điều khiển được sử dụng là STM32F103C8 nên chúng ta bắt đầu project với ACCESS TO MCU SELECTOR
Hình 2.40 Cửa sổ chọn vi điều khiển
Nhập tên vi điều khiển tại ô Part Number, chọn STM32F103C8 và bấm Start Project để bắt đầu lập trình Sau khi chọn vi điều khiển, ta chọn chân điều khiển và các chế độ điều khiển
Hình 2.41 Cửa sổ cài đặt cấu hình cho vi điều khiển
Hình 2.42 Chức năng của các chân được chọn
Chọn chân điều khiển như sau:
- PD0 và PD1: liên kết với thạch anh ngoài
- PA0: là kênh Timer 2 channel 1
- PA4: là chân nhận tín hiệu INPUT
- PA13 và PA14: dùng khi nạp chương trình không cần nhấn nút reset để chạy chương trình
Chọn cách tạo xung PWM thông thường cho PA0:
Hình 2.43 Cách tạo xung cho chân PA0
Cài đặt bộ đếm cho Timer:
Chọn các thông số Prescaler (PSC), Counter Period (ARR)_giá trị lớn nhất của bộ đếm sao cho tần số của xung PWM đạt mong muốn
Hình 2.45 Chế độ tạo xung tại chân PA0
Có 2 chế độ cho PWM
- Mode 1: Ở chế độ đếm lên thì ngõ ra sẽ ở mức logic 1 khi CNT < CRR và ở mức 0 nếu CNT > CRR
- Mode 2: Ở chế độ đếm lên thì ngõ ra sẽ ở ở mức 1 nếu CNT > CRR và mức logic 0 khi CNT < CRR
Sau khi chọn chế độ cho các chân điều khiển, ta cài đặt cấu hình thời gian cho ADC và tần số xử lí của vi điều khiển
Hình 2.46 Cấu hình thời gian của vi điều khiển
Chọn chế độ thông qua bộ phân tần PLLCLK cho System Clock và chọn các thông số liên qua để HCLK đạt 72MHz
Hoàn thành lập trình với STM32CubeMX, bấm vào GENERATE CODE để tạo project và tiếp tục lập trình các chức năng khác trên phần mềm Keil C
Hình 2.47 Cửa sổ đặt tên và tạo code cho vi điều khiển
2.4.2.1 Tổng quan về phần mềm Keil C uvision 5
Hiện nay, trên thề giới có rất nhiều phần mềm dùng để lập trình C cho các vi điều khiển như IAR, Keil C, Chúng được gọi là môi trường phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) Và Keil C là một trong những phần mềm IDE tốt nhất dùng để lập trình cho các vi điều khiển lõi ARM do hãng ST phát hành Phần mềm Keil C uvision
5 là một phiên bản của phần mềm Keil C
2.4.2.2 Giao diện làm việc của phần mềm Keil C uvision 5
Sau khi hoàn thành chọn cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX, ta mở project bằng phần mềm Keil uvision 5 để lập trình
Hình 2.48 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5
Giao diện chính của Keil uvision 5 có 3 vùng:
- Vùng 1: là vị trí của các cửa sổ project, tại đây chọn main.c để lập trình code tại vùng 2, đồng thời cũng có thể quàn lý các thư viện, chương trình con và các tập tin trong project
- Vùng 2: người dùng sẽ lập trình code tại đây
- Vùng 3: Build Output Đây là vùng hiển thì quá trình biên dịch chương trình Đồng thời vùng này cũng hiển thị cho ta biết số lỗi (Error) và cảnh bào (Warning) của project
Nội dung của chương trình tại vùng 2:
Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu ở mức ON/OFF ở chân PA4 Nếu tín hiệu nhận được là OFF
(mức 1) thì vi điều khiển sẽ xuất xung điều khiển với mức duty cycle là 30% ( 22
71100%), còn nếu tín hiệu nhận được là ON (mức 0) thì duty cycle sẽ là 10% ( 7
71100%) Tại giao điện chính của phần mềm có một số công cụ chính như sau:
Build: dùng để biên dịch chương trình mà vi điều khiển có thể hiểu từ chương trình mà người sử dụng viết
Download: Nhấn giữ nút reset và bấm Load đồng thời để nạp chương trình cho vi điều khiển
Option for Target: dùng để chọn vi điều khiển cần nạp chương trình và chọn mạch nạp cho vi điều khiển
Trong đồ án này vi điều khiển được sử dụng là STM32F103C8 và mạch nạp là ST-Link V2 Phần mềm Keil C uvision 5 sẽ tự nhận vi điều khiển và mạch nạp khi cả hai đã liên kết với máy tính
Hình 2.49 Cửa sổ chọn mạch nạp code
2.4.3.1 Tổng quan phần mềm Proteus
Proteus là phần mềm mô phỏng vật lý các mạch điện tử, hay gọi là giả lập linh kiện trên máy tính, giúp chúng ta có thể dễ dàng thao tác và xử lý trực tiếp mà không cần phải nối dây hoặc cần các dụng cụ chuyên dụng để thực hành Phần mềm gồm 2 chương trình chính:
• ISIS cho phép vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch
• ARES dùng để vẽ mạch in
2.4.3.2 Giao diện làm việc của phần mềm Proteus
Hình 2.50 Giao diện vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch
Hình 2.51 Giao diện PCB vẽ mạch in
Giao diện chính của phần mềm Protues có các phần sau:
- Vùng 1: là nơi đặt các linh kiện, nối dây và hiện kết quả mô phỏng
- Vùng 2: là nơi quản lí các thành phần của một project
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Giới thiệu về hệ thống
Hiện nay mạch sạc sử dụng nguồn xung được ứng dụng rất phổ biến trên hầu hết các thiết bị điện tử tiêu dùng, như điện thoại, máy tính, các thiết bị y tế,… và kể cả các phương tiện chạy bằng điện Trên ô tô điện, nguồn điện của xe là từ bộ pin Lithium-ion tạo ra Để có thể quản lý và sử dụng năng lượng từ pin thì trên ô tô cần có hệ thống quản lý pin (BMS - Battery Management System) Vì pin trên xe điện đắt tiền nên trên xe trang bị ECU quản lý pin Hệ thống này kiểm soát đến từng pin đơn, tình trạng sạc và phóng, thông số pin, nhiệt độ, chống cháy nổ, giao tiếp với các hệ thống khác và tài xế thông qua mạng CAN
Ngoài hệ thống quản lý pin thì còn có hệ thống sạc pin để cung cấp năng lượng lại cho pin sau khi sử dụng, để sạc pin được hiệu quả thì phải kết hợp cả hệ thống quản lý pin và hệ thống sạc pin để có thể cân bằng năng lượng của pin trong quá trình sạc tránh gây ra hư hỏng cho pin
Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sạc: kích thước ắc quy, tình trạng phóng điện, mạch sạc trên xe, công suất trạm sạc, thời tiết (mùa lạnh sạc lâu đầy hơn) Người ta phân loại sạc pin xe điện theo 3 cấp độ (level) Cấp độ càng lớn thì tốc độ sạc càng nhanh
Cấp độ sạc mức 1: thường dùng đầu nối chuẩn J1772, 120V Level 1 thường sạc rất chậm, chủ yếu sạc ở nhà
Cấp độ sạc mức 2: 208-240V, giắc cắm chuẩn J1772, được lắp ở nhà, công sở, siêu thị…Bộ sạc cấp độ 2 có thể cung cấp dòng nạp đến 80-100A
Cấp độ sạc mức 3: sạc nhanh và siêu nhanh với điện áp 400-900V Không giống mức 1 &
2 (sử dụng điện xoay chiều), sạc cấp độ 3 sử dụng điện 1 chiều nên không thể bố trí ở nhà
Thời gian để sạc ắc quy xe điện từ 30 phút đến 12 tiếng, tuỳ thuộc kích cỡ của ắc quy và tốc độ sạc của trạm sạc
Trên bộ pin lithium ion, 1 cell pin có điện áp là 4,2V, Như vậy để có điện áp 400-550V sử
45 dụng trên xe điện người ta phải ghép hơn 100 - 200 viên pin đơn Đối với bộ pin mà nhóm sử dụng để thử nghiệm hoạt động của mạch thì có 60 cell pin mắc nối tiếp nhau, mỗi cell có điện áp là 4V và dòng điện là 0,3A Do đó, để sạc cho bộ pin này cần phải phải đáp ứng hai yêu cầu về điện áp và cường độ dòng điện nên điện áp từ bộ sạc phải lớn hơn 240V - 0,3A Nhóm chọn mức điện áp đầu ra cho mạch là 240V – 0,3A với công suất là 72W bên cạnh đó là hồi tiếp điện áp để giữ mức đầu ra ổn định ở 240V Dưới đây là sơ đồ khối của mạch:
Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung có hồi tiếp
Bước 1: Nguồn điện đầu vào là dòng điện dân dụng xoay chiều 220V – 50Hz sẽ đi qua mạch lọc nhiễu
Bước 2: Dòng điện sau khi được lọc sẽ đi qua mạch chỉnh lưu sẽ thành dòng một chiều có điện áp 311V
Bước 3: Sau đó dòng điện 311V sẽ được đưa vào cuộn sơ cấp của biến áp xung, dưới tần số chyển mạch là 100kHz Mạch tạo xung sẽ cung cấp xung PWM cho mosfet để thực hiện việc chuyển mạch
Bước 4: Ở đầu còn lại của biến áp xung là cuộn thứ cấp, dòng điện sẽ được chỉnh lưu lại
46 và cung cấp cho tải đầu ra
Bước 5: Mạch hồi tiếp sẽ lấy mẫu điện áp đầu ra sau đó tính toán và hồi tiếp tính hiệu lại cho mạch tạo xung, mạch tạo xung khi nhận được tính hiệu sẽ thay đổi độ rộng xung và cấp lại cho mạch chuyển Đây là mạch nạp cách ly kiểu Flyback Mạch điện được cách ly bởi biến áp xung nên trong trường hợp có sự cố ở nguồn vào sẽ không ảnh hưởng đến bộ pin
Hình 3.2 Mạch sạc pin lithium - ion
3.2 Tính toán các thành phần trong mạch
3.2.1 Tính toán mạch lọc nhiễu
Do nguồn điện đầu vào là nguồn điện AC 220V – 50Hz lấy từ lưới điện nên cần phải được lọc nhiễu trước khi chỉnh lưu về nguồn điện DC
Hình 3.3 Mạch lọc nhiễu AC đầu vào
Dựa theo những mạch có sẵn, nhóm sử dụng tụ Tenta 275VAC 0,1uF và cuộn 10MH
Hình 3.4 Tụ Tenta 275VAC 0,1uF
3.2.2 Tính toán mạch chỉnh lưu
Nguồn điện đầu vào của mạch là nguồn điện xoay chiều 220V - 50Hz, do đó nguồn điện này sẽ được đưa vào mạch cầu chỉnh lưu toàn sóng để chỉnh lưu thành dòng điện một chiều
Hình 3.6 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lư
Mạch cầu chỉnh lưu nhóm sử dụng diode cầu 25A dẹt 1000V KBJ2510
Hình 3.7 Diode cầu 25A dẹt 1000V KBJ2510
Tuy nhiên, điện áp một chiều ở ngõ ra có biên dạng sóng nhấp nhô, không ổn định cho hệ thống Vì thế, một tụ điện 100uF 400V sẽ được mắc ở ngõ ra của cầu chỉnh lưu nhằm san
3.2.3 Tính toán biến áp xung
Dòng điện sau khi chỉnh lưu sẽ được tính theo công thức:
Yêu cầu đầu ra là 240V - 0,3A nên công suất cần để nạp vào pin là:
Giả sử hiệu suất của mạch ở mức 70%, Eff = 70% nên ta tính toán dựa trên công suất thực tế của mạch trong quá trình mạch hoạt động:
Bên cạnh đó, điện áp của dòng điện xoay chiều cũng sẽ được làm phẳng nhờ tác dụng của tụ điện, với hai yếu tố CDC và Dch Với:
CDC: giá trị của tụ điện đầu vào Cin tính trên một Wattage công suất đầu vào Với dải điện áp xoay chiều đã xác định ở trên, CDC = 2 – 3 uF Ta sẽ chọn CDC = 3uF
Dch: tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào Cin Tỉ số này được tham khảo như trong hình sau:
Hình 3.9 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào
Bảng 3.1 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra
Tần số chuyển mạch 100 KHz
IOutMax là dòng điện tối đa có thể sạc cho pin Lithium – ion
Do yêu cầu đầu ra cần điện áp cao và dòng điện thấp, nên ta sẽ chọn chế độ dòng điện không liên tục cho việc tính toán biến áp xung này Đầu tiên, ta sẽ chọn tỉ lệ điện áp cũng như tỉ lệ vòng dây của biến áp xung n = N P
Sau đó, xác định thời gian dẫn của MOSFET để đạt được yêu cầu đẩu ra mong muốn, với công thức sau:
( 311−1)+(240+1)(1,296) = 4 (às) Tiếp theo, tính độ tự cảm của cuộn sơ cấp Lp:
Từ đó, xác định được dòng điện đi qua cuộn sơ cấp:
Và dòng điện hiệu dụng đi qua cuộn sơ cấp là:
= 0,688 (A) (3.8) Đường kính dây quấn sẽ là:
Và dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp được xác định như sau:
Với Tr là thời gian khởi động lại,
Từ đây, đường kính dây cuộn thứ cấp được xác định là:
Do đường kính dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không có sẵn trên thị trường Vì thế, thay vì dùng một dây có đường kính 0,41 mm và 0,47 mm Nhóm dùng một dây có đường
52 kính 0,5 mm để quấn cuộn dây sơ cấp và thứ cấp
Tiếp đến, xác định số vòng dây cuộn sơ cấp của biến áp xung để ngăn sự bão hòa lõi, Np sẽ được tính bằng công thức:
𝑉 𝐷𝐶 : điện áp một chiều đầu vào qua dây sơ cấp (V) S: diện tích lõi quấn (cm 2 )
F: tần số đóng ngắt mosfet (Hezt) B: là Gausse chọn 1000
Với N pmin = 29,43 vòng, chọn lớn hơn số này để đảm bảo biến áp xung hoạt động tốt và để lại phần còn lại để quấn cuộn thứ cấp Chọn Np = 30 vòng
Từ đây, tính được số vòng dây của cuộn thứ cấp dựa theo tỉ lệ điện áp:
Từ đây, chọn được số vòng dây cho cuộn thứ cấp là 24 vòng
Lõi ferrite của biến áp xung phải có khe hở để ngăn sự bão hòa lõi sớm Chiều dài khe hở được tính theo công thức sau đây:
AL: là hệ số điện cảm của lõi Theo thông số của nhà sản xuất thì đối với lõi ferrite loại EE42 thì giá trị AL sẽ bằng 1029 nH/N 2
Lm: là độ tự cảm của cuộn sơ cấp (nH)
Np: là số vòng của cuộn sơ cấp (vòng)
Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi ferrite (m 2 )
Có được chiều dài khe hở G của lõi là:
Theo thông số của nhà sản xuất, thông số khe hở G của biến áp xung EE42 là 0,25 mm > 0,007 mm Nên biến áp xung này đáp ứng được yêu cầu của mạch
Tính tụ lọc đầu ra C1 của mạch theo dòng điện đầu ra cao nhất của mạch là 0,5A và điện áp rơi trên tụ là 0,05V Điện dung của tụ điện C1 được tính theo công thức:
0,05 = 40 (àF) (3.16) Để mạch hoạt động tốt nhất ta chọn tụ lọc đầu ra là tụ húa 100àF-400V
Có bảng thống kê các số liệu như sau:
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của biến áp xung
Số vòng dây cuộn sơ cấp Np 30 vòng
Số vòng dây cuộn thứ cấp Ns 24 vòng Đường kính dây cuộn sơ cấp 0,5 mm Đường kính dây cuộn thứ cấp 0,5mm khe hở của biến áp xung 0,25 mm
Tụ lọc đầu ra 100àF-400V
3.2.4 Tính toán và chọn mosfet Để có biến áp xung hoạt động khi có dòng DC đi qua thì bắt buộc phải sử dụng MOSFET
54 để tạo tần số đóng ngắt Nhưng ta phải chọn MOSFET sao cho phù hợp
Ta có Dmax là tỉ lệ thời gian dẫn của MOSFET trên một chu kỳ (Duty cycle) Dmax được tính như sau:
Với TONmax là thời gian dẫn tối đa để duy trì chế độ DCM Để hoạt động ở chế độ dòng điện không liên tục, ta cần phải có thời gian chết Tdt với giá trị nhỏ nhất là 0,6T Do đó, TONmax có giá trị tối đa là 0,4T
Thực hiện mạch thực tế
Sau khi tính toán và thiết kế mạch, nhóm đã hàn các linh kiện theo sơ đồ mạch điện
Hình 3.28 Mạch sạc pin hoàn chỉnh
Sau khi làm mạch hàn, nhóm bắt đầu làm mạch in
Hình 3.29 Mạch sạc pin sau khi được in
NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
Thử nghiệm mạch hàn dây
Nhóm tác giả tiến hành thử nghiệm mạch với điện áp đầu vào 220V xoay chiều Với biến áp tự quấn theo số vòng tính toán, và các thông số linh kiện đã được tính toán Nhóm sẽ thử nghiệm mạch với 3 trường hợp:
• Bộ pin lithium – ion 60 viên, 240V – 72W
4.1.1 thử nghiệm mạch không tải
Hình 4.1 Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều, không tải
Khi thử nghiệm không tải, đầu ra của biến áp cho ra điện áp 240V theo như tính toán Nhóm đã thử lần lượt các mức duty cycle với tần số đóng ngắt là 100KHz
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm ở điện áp 220V, không tải
Kết quả khảo sát: Nhận thấy rằng ở mức duty cycle 10% - 30%, điện áp đầu ra sẽ dao động gần mức mong muốn nhất là 240V Khi đưa mức duty cycle lên 40% thì mosfet bị cháy, nên nhóm sẽ tiến hành nghiên cứu ở khoảng duty cycle an toàn cho mosfet là 10% - 30% cho các giai đoạn sau
4.1.2 thử nghiệm mạch với bóng đèn dây tóc 220V – 60W
Hình 4.2 Thử nghiệm với bóng đèn dây tóc 220V - 60W
Khi khảo sát mô hình với 2 bóng đèn dây tóc, mỗi bóng 220V – 60W Nhóm tiến hành thay đổi các khoảng duty cycle với tần số đóng ngắt cố định là 100kHz
Bảng 4.2 Kết quả thử nghiệm với 2 bóng đèn dây tóc 220V - 60W không có hồi tiếp điện áp
Duty cycle (%) Điện áp (V) Cường độ (A) Công suất (W)
Kết quả thử nghiệm: Với tần số 100KHz, khi nhóm nghiên cứu tiến hành tăng dần dần mức duty cycle lên thì các giá trị của mạch như điện áp, cường độ và cả công suất đều tăng theo
Nhóm còn tiến hành thử nghiệm thêm với mạch trên các bóng đèn mắc song song với nhau và có sử dụng hồi tiếp để khảo sát sự thay đổi các giá trị như điện áp, cường độ và công suất của mạch, được thể hiện qua bảng dưới đây:
Bảng 4.3 Kết quả thử nghiệm với bóng đèn dây tóc 220V - 60W mắc song song với nhau và có hồi tiếp điện áp
Số lượng bóng đèn Điện áp (V) Cường độ (A) Công suất (W)
Kết quả thử nghiệm: Vì đây là các bóng đèn được mắc song song với nhau nên giá trị điện áp đầu ra thay đổi không đáng kể, giá trị cường độ dòng điện tăng nhanh dẫn đến công suất đầu ra của mạch cũng tăng nhanh Và sau khi thử nghiệm với 5 bóng đèn song song với nhau, mosfet bị hư hỏng dẫn đến ngắt cầu chì sau khi mạch hoạt động được 5s Như vậy, có thể nói công suất và dòng điện cao nhất mà mạch có thể chịu được là
4.1.3 Thử nghiệm mạch với bộ pin lithium – ion 60 viên
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý nối với bộ pin
Hình 4.4 Bộ pin 240V-72W trên xe máy
Từ thử nghiệm với các mức duty cycle ở trên, nhóm tiếp tục thử nghiệm với tải lớn hơn, là bộ pin liithium – ion 60 viên mắc nối tiếp 240V Kết quả thử nghiệm như sau:
Bảng 4.4 Kết quả thử nghiệm với bộ pin 240V – 72W không có hồi tiếp điện áp
Duty cycle (%) Điện áp (V) Cường độ (A) Công suất (W)
40 _ _ _ Đánh giá: Do sự chệnh lệch của điện áp mà mạch sạc tạo ra được (240V) và điện áp của bộ pin 60 cells (238,8V) thấp nên nhóm nghiên cứu chưa thấy rõ sự hiệu quả của mạch Mặc dù điện áp ở ngõ ra là vừa đủ nhưng dòng điện nạp vào thấp dẫn đến công suất của mạch khi tiến hành sạc với bộ pin là chưa đáng kể
Hình 4.5 Thử nghiệm với bộ pin 240V-72W có hồi tiếp
Thử nghiệm mạch in
Mặc dù đã hoàn thành được mạch in nhưng nhóm đã gặp vấn đề về mặt kỹ thuật và không có đủ thời gian để khắc phục nên nhóm chưa kịp tiến hành khảo sát thực nghiệm bộ sạc trên mạch in và cũng như khong có được bảng thông số thực nghiệm
Độ rộng xung
Từ các kết quả thử nghiệm trên cho thấy, khi độ rộng xung càng lớn thì điện áp và cường độ dòng điện càng tăng Đồng thời nhiệt độ trên các linh kiện cũng tăng cao đòi hỏi phải tản nhiệt tốt để mạch có thể hoạt động ổn định
Hình 4.6 Độ rộng xung PWM 10%
Hình 4.7 Độ rộng xung PWM 30%
Hình 4.8 Sự thay đổi xung PWM khi có hồi tiếp