Nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên Ô tô Điện

Bằng cách nghiên cứu và thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin, chúng ta có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề này, đảm bảo mỗi cell pin hoạt động trong điều kiện tốt nhất và an toàn

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Lý do chọn đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên ô tô điện" bắt nguồn từ nhu cầu cấp thiết trong việc phát triển công nghệ xe điện hiện nay Với xu hướng chuyển dịch toàn cầu từ xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang xe điện để giảm thiểu tác động tới môi trường, việc đảm bảo hiệu suất và an toàn của pin là một yếu tố then chốt Pin là thành phần quan trọng nhất trong xe điện, quyết định trực tiếp đến phạm vi hoạt động, tuổi thọ và độ an toàn của xe Do đó, nghiên cứu và phát triển các giải pháp bảo vệ và cân bằng pin là cực kỳ cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng và đảm bảo an toàn cho người dùng

Thực tế cho thấy, các sự cố liên quan đến pin như cháy nổ và giảm hiệu suất nhanh chóng chủ yếu bắt nguồn từ việc các cell pin không được bảo vệ và cân bằng đúng cách Khi các cell pin trong bộ pin hoạt động không đồng đều, chúng dễ dẫn đến tình trạng quá tải, quá nhiệt, hoặc hư hỏng sớm Điều này không chỉ làm giảm tuổi thọ của pin mà còn tiềm ẩn nguy cơ gây ra các sự cố nghiêm trọng Bằng cách nghiên cứu và thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin, chúng ta có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề này, đảm bảo mỗi cell pin hoạt động trong điều kiện tốt nhất và an toàn nhất

Ngoài ra, việc ứng dụng vi điều khiển STM32F103C8 trong thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng pin còn mang lại những lợi ích vượt trội về mặt công nghệ Vi điều khiển này cho phép giám sát và điều khiển quá trình sạc pin một cách chính xác, tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn.

Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin cho ô tô điện Nhiệm vụ nghiên cứu:

- Tìm hiểu về pin Lithium-ion 18650

- Tìm hiểu lý thuyết về các linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng

- Tính toán và thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên ô tô điện

- Thực nghiệm và đánh giá sự ổn định của mạch điện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các linh kiện điện tử sử dụng trong mạch

- Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision

Phạm vi nghiên cứu của đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên ô tô điện" bao gồm việc phát triển và thử nghiệm hệ thống bảo vệ và cân bằng cho 10 cell pin mắc nối tiếp, sử dụng vi điều khiển STM32F103C8 Nghiên cứu tập trung vào giám sát và điều chỉnh điện áp của từng cell pin, đảm bảo sạc đầy đủ mà không bị quá tải.

Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết: Tham khảo tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để áp dụng vào mạch đề tài

Mô phỏng và điều khiển: Sử dụng phần mềm STMCubeMX để cấu hình các chân và phần mềm Keli uVision để lập trình và nạp code cho vi điều khiển Sử dụng phần mềm proteus 8.17 để mô phỏng và thiết kế mạch in PCB

Thực nghiệm và đánh giá kết quả: Sử dụng mạch hoàn chỉnh để thử nghiệm với bộ pin, quan sát kết quả và thu thập dữ liệu để đưa ra đánh giá.

Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước

1.5.1 Trong nước Đề tài “THIẾT KẾ MẠCH SẠC NHANH VÀ SẠC CÂN BẰNG PIN ĐIỀU KHIỂN BẰNG APP ANDROID” của các tác giả Hà Minh An, Nguyễn Xuân Trường và Đặng Lê Nguyên Vũ đã được đăng trên trang thư viện số của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật T.P HCM [1] Nhóm nghiên cứu này đã thành công trong việc thiết kế mạch sạc nhanh và cân bằng các cell pin, cùng với một ứng dụng Android để điều khiển hệ thống Trong mạch điện này, điện trở Shunt được điều khiển bởi Mosfet 9z24NPbF thông qua transistor C1815 và các chân tín hiệu của Arduino Nano Khi cần thực hiện việc xả hoặc cân bằng pin, tín hiệu kích hoạt sẽ được cấp cho C1815 qua chân tín hiệu của Arduino Nano, làm cho Mosfet 9z24NPbF dẫn điện, khiến điện trở Shunt bắt đầu xả với công suất tối đa đạt 2,5W

1.5.2 Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “Battery management system implementation with the passive control method using MOSFET as a load” được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu như Sinan Kıvrak, Tolga ệzer, Yỹksel Oğuz và Emre Burak Erken [2] Trong nghiờn cứu này, một hệ thống quản lý pin đã được triển khai sử dụng phương pháp cân bằng sạc thụ động Hai bộ vi điều khiển chính là STM32f103C8 và phụ là PIC18f4520 đã được sử dụng để điều khiển hệ thống quản lý pin Quá trình kiểm soát sạc của bộ pin gồm bốn cell pin LiFePO4 với dung lượng 40 Ah, với thông tin dòng điện và điện áp từ từng cell được thu thập bởi bộ điều khiển phụ và truyền tới bộ điều khiển chính Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp cân bằng thụ động hoạt động hiệu quả và các cell pin được sạc thành công Một mạch chuyển đổi từ kỹ thuật số sang tương tự đã được thiết kế sử dụng cấu trúc liên kết bộ chuyển đổi Buck, cho phép MOSFET hoạt động như một điện trở có thể điều chỉnh

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Pin Lithium-ion

2.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của pin Lithium-ion

Trong những năm 1970, M Stanley Whittingham, một nhà hóa học người Anh, đã thực hiện các nghiên cứu về pin sạc lithium khi làm việc tại Exxon Trong quá trình này, ông đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại lithi như là các thành phần chính của điện cực Tuy nhiên, các nghiên cứu này đã gặp phải một số hạn chế khi muốn áp dụng vào thực tế Titan disulfua, một trong những thành phần chính, cần phải được tổng hợp trong môi trường chân không, điều này tạo ra chi phí lớn và phức tạp (tầm khoảng 1000 USD cho mỗi kg titan disulfua vào thời điểm đó) Bên cạnh đó, titan disulfua có khả năng phản ứng với không khí, tạo ra các hợp chất hydro sulfua có mùi hôi khó chịu Do những vấn đề này, Exxon đã quyết định dừng sản xuất pin lithium dựa trên công nghệ của M Stanley Whittingham

Vào năm 1980, giáo sư vật lý John Goodenough người Mỹ, đã phát minh ra một công nghệ mới trong lĩnh vực pin lithium Ông kết hợp lithium coban oxit để tạo ra một loại pin lithium, trong đó lithium có thể di chuyển qua các điện cực dưới dạng ion Li+

Trong khi đó, vào năm 1983, Akira Yoshino, một giáo sư tại Đại học Meijo ở Nhật Bản, đã chế tạo ra một nguyên mẫu pin có thể sạc sử dụng lithium cobalt oxit làm cathode và polyacetylene làm anode Cấu trúc này cho phép các ion lithium di chuyển từ cathode sang anode trong quá trình sạc Phát minh của Yoshino đã mở ra con đường cho việc phát triển pin Lithium- ion (LIB) trong thời đại hiện đại

Sự thương mại hóa của pin lithium-ion bắt đầu từ năm 1991 bởi Sony Energytec Ngày nay, pin lithium đã trở thành loại pin thống trị trên thị trường cho các thiết bị di động và lưu trữ điện UPS trên toàn thế giới, đặc biệt là trong lĩnh vực ô tô điện

Có 4 dạng hình thức phổ biến của pin, bao gồm hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ Trong số các loại pin lithium-ion, có một số loại phổ biến như sau:

- Lithium-Titanate (Li4Ti5O12): Thường được sử dụng cho các ứng dụng ô tô điện, xe đạp, xe máy, và mô tô

- Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2)

Các loại pin này có ứng dụng và đặc tính khác nhau, phục vụ cho các nhu cầu sử dụng khác nhau trong các thiết bị điện tử, ô tô điện, và các ứng dụng di động khác

2.1.2 Pin Lithium-ion là gì

Pin Lithium-ion, còn có cái tên khác là pin Li-on và thường được viết tắt là LIB, là một loại pin sạc có khả năng lưu trữ và phóng điện năng lượng thông qua sự di chuyển của các ion Lithium giữa hai điện cực: cực âm và cực dương

Hình 2.1 Pin Lithium Ion 18650 Pin Lithium nói chung được chia thành 2 loại, bao gồm: Pin Lithium-ion và Pin Lithium kim loại

Pin Lithium ion đã xuất hiện từ lâu và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ngành công nghiệp, đồ điện tử (điện thoại, máy tính) và đồ gia dụng Hiện nay, pin Li-on ngày càng phát triển rộng rãi và bắt đầu được ứng dụng trên các dòng xe điện hay các ngành kỹ thuật chuyên dụng

Với cấu tạo đặc biệt gồm các tế bào năng lượng, pin Lithium-ion không chỉ cung cấp nguồn điện ổn định và dài lâu mà còn góp phần vào việc bảo vệ môi trường nhờ khả năng tái sử dụng và tái chế

2.1.3 Cấu tạo của pin Lithium-ion

Pin Li-ion có cấu tạo gồm 4 thành phần cơ bản: điện cực dương, điện cực âm và chất điện phân, vật cách điện

Hình 2.2 Cấu tạo pin li-ion có điện [3]

Cực dương (Cathode): Cực dương thường được cấu tạo từ các vật liệu như LiCoO2 và LiMnO4 Trong cấu trúc phân tử của nó, các phân tử oxit cobalt liên kết với nguyên tử lithium Khi có dòng điện đi qua, các nguyên tử lithium nhanh chóng tách ra, tạo thành các ion lithium dương (Li+) Cực dương này cho phép dòng điện di chuyển qua mạch ngoài Trong quá trình sạc pin, các ion lithium được lưu giữ trong cực dương

Cực âm (Anode): Cực âm thường được chế tạo từ than chì (graphene) và các vật liệu carbon khác, với chức năng lưu giữ các ion lithium (Li+) trong cấu trúc tinh thể của nó Cực âm quyết định công suất và điện áp của pin, và đây cũng là nguồn gốc của các ion Lithium

Vật cách điện: Vật cách điện đóng vai trò như một hàng rào vật lý giữa cực dương và

7 cực âm, giữ cho chúng cách xa nhau Thường được làm từ nhựa PE hoặc PP

Chất điện phân: Chất điện phân là một loại chất lỏng lấp đầy giữa hai cực và có một lớp màng ngăn chặn giữa chúng Chất điện phân chủ yếu là ống dẫn cho các ion Lithium kết nối giữa cực dương và cực âm Nó được hình thành từ dung môi, muối và các chất phụ gia 2.1.4 Nguyên tắc hoạt động của pin Lithium-ion

Pin Li-ion hoạt động bằng cách các ion Li+ tách ra từ vật liệu của cực dương và di chuyển vào các "khoảng trống" trong vật liệu của cực âm Các vật liệu cho cực dương thường được phủ một lớp nhôm, trong khi cực âm được phủ một lớp đồng, tạo thành các điện cực của pin Li-ion Để đảm bảo an toàn và ngăn ngừa đoản mạch, các điện cực này được cách điện cẩn thận

Trong quá trình sạc, cực dương hoạt động như một chất oxi hóa, trong khi cực âm hoạt động như một chất khử Tại cực dương, các ion Li+ tách ra và di chuyển vào các lớp carbon graphite của cực âm Khi xả pin, quá trình này diễn ra ngược lại: các ion Li+ tách ra từ cực âm và điền vào các khoảng trống trong lớp oxit của vật liệu cực dương Quá trình sạc và xả của pin Li-ion không làm thay đổi cấu trúc của các vật liệu điện cực

Hình 2.3 Mô tả quá trình điện hóa trong Pin Li-ion [4]

Các phản ứng tại các điện cực trong pin Li-ion bao gồm các phản ứng điện hóa xảy ra tại bề mặt tiếp xúc giữa điện cực và dung dịch Các phản ứng này thuộc loại phản ứng không đồng nhất, trong đó động lực chủ yếu là do sự tách và điền kẽ các ion qua các quá trình sạc và xả

2.1.5 Cơ chế nạp và xả

Các khái niệm cơ bản về cân bằng cell trong bộ pin

2.2.1 Vấn đề cân bằng cell pin (Cell balancing)

Cân bằng cell là trạng thái mà tất cả các cell riêng lẻ trong một hệ thống pin đều có công suất và điện áp tương đương Trong quá trình kết nối các cell lithium-ion nối tiếp và song song, các nhà sản xuất đảm bảo rằng chúng có cùng điện áp và thành phần hóa học Tuy nhiên, sau khi bộ pin được sử dụng và thực hiện sạc và xả, giá trị điện áp của từng cell riêng lẻ có thể thay đổi, dẫn đến sự mất cân bằng của cell trong một khoảng thời gian Trong trường hợp các cell được kết nối song song, chúng sẽ cân bằng lẫn nhau tự nhiên thông qua điện áp tương hỗ, nên việc cân bằng cell không phải là một vấn đề lớn đối với các bộ pin có các cell mắc song song

Tuy nhiên, việc cân bằng cell đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất của bộ pin trong trường hợp nhiều cell được kết nối nối tiếp Cell yếu nhất trong số các cell này sẽ xác định dung lượng tổng thể của bộ pin Trong quá trình cân bằng cell, việc phân phối lại pin được thực hiện để cải thiện tổng dung lượng của bộ pin, tăng tuổi thọ của các cell và cung cấp năng lượng tối đa cho bộ pin

Hình 2.6 Cân bằng các cell khi sạc và xả [7]

Trong quá trình mất cân bằng cell, các cell trong bộ pin thường có sự thay đổi về dung lượng và ở các mức trạng thái sạc (SoC) khác nhau Trong trường hợp không có cân bằng cell hoặc sự phân phối lại, quá trình xả của bộ pin sẽ dừng lại khi cell có dung lượng thấp nhất hết hoặc khi dung lượng tổng thể của bộ pin bằng với cell yếu nhất trong bộ pin Điều này có thể dẫn đến việc sử dụng không hiệu quả và giảm tuổi thọ của bộ pin Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ được sạc đầy trước, điều này có thể gây ra tình trạng không mong muốn và làm giảm hiệu suất tổng thể của bộ pin Sự khác biệt về điện trở, công suất, nhiệt độ, chu kỳ sạc/xả và lão hóa các cell có thể dẫn đến tình trạng mất cân bằng cell 2.2.2 Các loại cân bằng cell a Cân bằng cell thụ động

Trong phương pháp này, năng lượng dư thừa sẽ được đốt cháy từ các cell có năng lượng cao hơn cho đến khi nó phù hợp với cell có điện áp hoặc năng lượng thấp nhất trong bộ pin, là một quá trình cân bằng cell một cách thụ động

Hình 2.7 Cân bằng cell thụ động [8]

Với việc sử dụng điện trở shunt, điện áp dư thừa sẽ bị tiêu tán dưới dạng nhiệt Trong đó, mỗi cell nối tiếp có điện trở rẽ nhánh riêng được kết nối thông qua một công tắc như MOSFET Hình 2.8 mô tả hiện tượng này

Hình 2.8 Điện trở shunt và mosfet xả điện áp dư [9]

Mạch ví dụ trên thể hiện bốn cell, mỗi cell kết nối với một điện trở shunt qua một công tắc như Mosfet Bộ điều khiển đo điện áp của tất cả các cell và kích hoạt Mosfet cho cell có điện áp cao nhất so với các cell còn lại Khi Mosfet được kích hoạt, cell đó bắt đầu phóng điện qua các điện trở Với giá trị của các điện trở được biết trước, ta có thể dự đoán lượng điện tích đang được tiêu hao Tụ điện được kết nối song song với cell được sử dụng để lọc các biến động điện áp trong quá trình chuyển mạch Điều này là ổn khi yêu cầu cân bằng nhỏ Tuy nhiên, khi sử dụng lâu dài thì lượng cân bằng cần thiết để tối ưu hóa năng lượng sẵn có có thể sẽ tăng lên Kết quả là lượng năng lượng bị mất đi do nhiệt ngày càng tăng Điều này cũng có thể tăng thời gian sạc khi cố gắng đạt SoC tối đa cho bộ pin

Cân bằng thụ động là phương pháp ít được ưa chuộng vì nó đốt cháy năng lượng dư thừa, dẫn đến hiệu quả thấp hơn Phương pháp này không mang lại bất kỳ sự cải thiện nào về thời gian chạy pin Tuy nhiên, đây là phương pháp có chi phí thấp, không lãng phí năng lượng trong quá trình cân bằng b Cân bằng cell chủ động

Cân bằng cell chủ động là quá trình điều chỉnh tỷ lệ năng lượng giữa các cell trong một pin hoặc một bộ pin, thông qua việc chuyển dòng điện hoặc làm mất điện áp từ các cell đang có điện áp cao đến các cell đang yếu hơn, nhằm đảm bảo rằng mỗi cell hoạt động ổn định và có tuổi thọ kéo dài

Hình 2.9 Cân bằng cell hoạt động trong khi sạc [8]

Hình 2.9 cho thấy trong quá trình sạc, cell thứ hai có SoC cao nhất sẽ truyền năng lượng đến các cell khác có SoC thấp hơn để đảm bảo rằng quá trình sạc không dừng lại nếu chưa sạc hết công suất cho toàn bộ cell của bộ pin

Ngược lại, như được hiển thị trong Hình 2.10, các cell có SoC cao hơn sẽ truyền năng lượng đến cell có SoC thấp nhất trong quá trình xả, đảm bảo rằng không còn năng lượng chưa sử dụng nào trong bộ pin và bộ pin hoạt động trong thời gian dài hơn

Hình 2.10 Cân bằng cell hoạt động trong quá trình xả [8]

Cân bằng cell chủ động là một quá trình nhanh chóng giúp cải thiện hiệu quả sử dụng pin và nâng cao tuổi thọ Tuy nhiên, trong quá trình truyền năng lượng giữa các tế bào, có thể có sự mất mát năng lượng nhất định (10-20%) Cân bằng chủ động đòi hỏi một giải pháp phức tạp hơn và có quy mô lớn hơn.

Giới thiệu các phần mềm sử dụng trong đề tài

2.3.1 Giới thiệu phần mềm STM32CubeMX a Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX

Trong lĩnh vực phát triển hệ thống nhúng, việc cấu hình và khởi tạo vi điều khiển một cách nhanh chóng và hiệu quả là yếu tố then chốt STM32CubeMX, một phần mềm miễn phí do STMicroelectronics phát triển, đã trở thành công cụ đắc lực cho các kỹ sư và nhà phát triển Phần mềm này hỗ trợ cấu hình ngoại vi, cài đặt clock, tính toán dòng tiêu thụ và tạo

16 các dự án cho nhiều dòng chip ARM STM32 STM32CubeMX giúp quá trình tạo dự án trở nên đơn giản hơn thông qua giao diện trực quan, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn các ngoại vi cần thiết và cài đặt clock mà không cần phải viết mã b Một số tính năng chính

Cấu hình Ngoại vi và Clock

STM32CubeMX cung cấp một giao diện đồ họa trực quan cho phép người dùng cấu hình các ngoại vi của vi điều khiển STM32 Người dùng có thể dễ dàng bật hoặc tắt các ngoại vi theo nhu cầu của dự án, cài đặt các thông số và thiết lập clock cho hệ thống Việc này giúp đơn giản hóa quá trình cấu hình và đảm bảo rằng các thông số kỹ thuật được cài đặt chính xác theo yêu cầu của dự án Đồng thời, tính năng này cũng giúp người dùng tối ưu hóa sự linh hoạt và hiệu suất của hệ thống nhúng

Tính toán Dòng Tiêu Thụ

Phần mềm cung cấp tính năng tính toán dòng tiêu thụ của hệ thống dựa trên cấu hình hiện tại Điều này giúp người dùng dễ dàng tối ưu hóa thiết kế của mình để đạt được hiệu suất năng lượng cao nhất, kéo dài tuổi thọ pin trong các ứng dụng di động hoặc thiết bị nhúng Tính năng này cung cấp cái nhìn tổng quan về mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống, giúp kỹ sư đưa ra quyết định thiết kế thông minh và tiết kiệm năng lượng

Tạo Dự Án Cho Nhiều Dòng Chip STM32

STM32CubeMX hỗ trợ tạo các dự án cho nhiều dòng chip ARM STM32 khác nhau Phần mềm tự động tạo mã khởi tạo dựa trên cấu hình của người dùng, giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình phát triển Điều này giúp người dùng dễ dàng chuyển đổi giữa các dự án và nền tảng phần cứng khác nhau mà không gặp khó khăn

Giao Diện Trực Quan và Dễ Sử Dụng

STM32CubeMX có giao diện người dùng trực quan, giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế và cấu hình Người dùng có thể dễ dàng lựa chọn và cài đặt các ngoại vi, clock và các thông số khác thông qua các bước hướng dẫn trên màn hình, mà không cần phải viết mã thủ công Điều này làm tăng tính linh hoạt và sự dễ sử dụng của phần mềm, giúp người dùng tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu suất làm việc

Thư Viện STM32Cube HAL

Phần mềm đi kèm với thư viện STM32Cube HAL (Hardware Abstraction Layer), giúp chuẩn hóa và đồng nhất mã nguồn giữa các dòng vi điều khiển STM32 Thư viện này cung cấp các hàm API dễ sử dụng, giúp người dùng tương tác với phần cứng một cách hiệu quả và đơn giản Sự có mặt của thư viện này giúp rút ngắn thời gian phát triển và tăng tính ổn định của mã nguồn

Ví dụ Mẫu và Tài Liệu Hướng Dẫn

STM32CubeMX đi kèm với nhiều ví dụ mẫu và tài liệu hướng dẫn chi tiết Các ví dụ mẫu này giúp người dùng dễ dàng bắt đầu và học hỏi cách sử dụng các ngoại vi và thư viện HAL Tài liệu phong phú cung cấp thông tin chi tiết về các tính năng và cách sử dụng phần mềm, hỗ trợ người dùng trong quá trình phát triển Điều này giúp người dùng tiếp cận thông tin một cách dễ dàng và nhanh chóng, giảm thiểu thời gian tìm hiểu và học hỏi

2.3.2 Giới thiệu phần mềm Keil C a Tổng quan về phần mềm Keil C uvision 5

Keil àVision 5 là một mụi trường phỏt triển tớch hợp (IDE) được Arm phỏt triển, phổ biến trong việc phát triển phần mềm và firmware cho các vi điều khiển dựa trên kiến trúc Arm Cortex-M Với giao diện người dựng đồ họa trực quan, àVision 5 mang lại sự tiện lợi và dễ sử dụng cho các nhà phát triển IDE này hỗ trợ nhiều loại vi điều khiển, từ các dòng Cortex-M của Arm đến cỏc dũng khỏc từ cỏc nhà sản xuất khỏc nhau Đặc biệt, àVision 5 tích hợp trình biên dịch và công cụ debug, giúp người dùng dễ dàng thực hiện các quy trình phát triển từ việc viết mã nguồn đến kiểm tra và debug

Ngoài ra, nó cung cấp một bộ chỉnh sửa mã nguồn linh hoạt với tính năng IntelliSense, hỗ trợ quản lý dự án và thư viện, cùng các tính năng tiên tiến như phân tích mã nguồn và mô phỏng Túm lại, với cỏc tớnh năng và chức năng đa dạng, Keil àVision 5 là một cụng cụ không thể thiếu trong quá trình phát triển phần mềm và firmware nhúng b Giao diện sử dụng trong phần mềm Keil C uVision 5

Sau khi cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX, phần mền Keil uvision 5 sẽ xuất hiện để lập trình

Hình 2.11 Cửa sổ chính trong phần mềm Keil uVision 5 Giao diện chính của Keil uvision 5 được chia thành ba vùng khác nhau:

Khu vực 1: Nơi chứa các cửa sổ project

Khu vực 2: Là nơi mà người dùng sẽ viết mã code

Khu vực 3: Build Output là nơi hiển thị quá trình biên dịch chương trình, cũng như số lỗi (Error) và cảnh báo (Warning) của dự án

Hình 2.12 Cửa sổ để lựa chọn mạch nạp code

Trong dự án này, nhóm nghiên cứu áp dụng vi điều khiển STM32F103C8 và mạch nạp ST-Link V2 Khi cả hai được liờn kết với mỏy tớnh, phần mềm Keil àVision 5 sẽ tự động nhận diện chúng

2.3.3 Giới thiệu phần mềm Proteus a Tổng quan về phần mềm Proteus

Trong lĩnh vực điện tử, việc thiết kế, mô phỏng và kiểm tra mạch điện tử trước khi đưa vào sản xuất thực tế là một bước cực kỳ quan trọng nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của sản phẩm Để hỗ trợ quá trình này, nhiều phần mềm thiết kế và mô phỏng mạch điện tử đã ra đời, trong đó Proteus là một trong những công cụ phổ biến và mạnh mẽ nhất Proteus dùng để thiết kế và mô phỏng mạch điện tử, được phát triển bởi Labcenter Electronics Proteus hỗ trợ các kỹ sư và nhà thiết kế trong việc tạo ra các nguyên mẫu và kiểm tra các mạch điện tử trước khi thực hiện trên phần cứng thực tế b Các tính năng chính

Proteus cung cấp nhiều tính năng mạnh mẽ cho thiết kế và mô phỏng mạch điện tử Phần mềm cho phép người dùng vẽ sơ đồ mạch điện tử thông qua giao diện đồ họa trực quan, chọn các linh kiện từ thư viện phong phú và kết nối chúng để tạo ra các mạch điện tử phức tạp Điều này giúp người dùng dễ dàng tạo và chỉnh sửa các thiết kế mạch điện tử theo yêu cầu của dự án

Ngoài ra, Proteus hỗ trợ mô phỏng cả mạch tương tự (analog) và số (digital), giúp người dùng kiểm tra chức năng của mạch, đo lường các tín hiệu và quan sát hành vi của các linh kiện trong môi trường mô phỏng Khả năng này cho phép các kỹ sư kiểm tra và xác nhận hoạt động của mạch điện trước khi thực hiện trên phần cứng thực tế, giảm thiểu rủi ro và chi phí Đối với thiết kế PCB, Proteus cung cấp các công cụ từ việc vẽ bố cục linh kiện, tạo các lớp mạch đến định tuyến các đường dây kết nối Phần mềm cung cấp khả năng xem trước 3D của PCB để người dùng có thể kiểm tra và xác nhận thiết kế của mình Tính năng này giúp đảm bảo rằng PCB sẽ được sản xuất chính xác và phù hợp với thiết kế ban đầu

Một trong những tính năng nổi bật của Proteus là khả năng mô phỏng vi điều khiển (MCU) như PIC, AVR, ARM và Arduino Người dùng có thể tải mã chương trình vào vi

Các linh kiện điện tử được sử dụng trong đề tài

2.4.1 Board STM32F103C8 a Giới thiệu Board STM32F103C8

Board STM32F103C8 là một trong những bo mạch được ưa chuộng dựa trên vi điều khiển STM32F103C8T6 của STMicroelectronics Với vi xử lý ARM Cortex-M3 có tốc độ xử lý lên đến 72 MHz và bộ nhớ flash 64 KB, bo mạch này mang lại khả năng xử lý mạnh mẽ và linh hoạt Nó đi kèm với các cổng giao tiếp như UART, SPI, I2C và GPIO, cung cấp sự linh hoạt trong việc kết nối và tương tác với các thiết bị ngoại vi Board cũng hỗ trợ debug và nạp firmware thông qua giao diện SWD hoặc ST-Link Các tính năng bổ sung bao gồm LED và nút bấm tích hợp, giúp trong quá trình kiểm tra và debug

Hình 2.13 Cấu tạo của STM32F103C8 [10] Đồng thời, STM32F103C8 board tương thích với nhiều môi trường phát triển phần mềm như Keil, STM32CubeIDE và Arduino IDE, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển và debug ứng dụng nhúng Nhờ vào tính linh hoạt và mạnh mẽ, board STM32F103C8 được xem là một lựa chọn phổ biến và lý tưởng cho các dự án phát triển phần cứng và phần mềm nhúng

Thông số cơ bản của board STM32F103C8 như sau:

Tần số hoạt động: 72 MHz

Giao tiếp: UART, SPI, I2C, USB

Nguồn USB: 5V b Chức năng GPIO trên vi điều khiển STM32F103C8

GPIO (General Purpose Input/Output) của STM32F103C8T6 là một phần quan trọng cho phép vi điều khiển giao tiếp với các thiết bị ngoại vi STM32F103C8 có 37 chân GPIO, chia thành các port A, B và C, mỗi port có tối đa 16 chân Các chân GPIO có thể được cấu hình làm đầu vào hoặc đầu ra, đầu vào analog cho ADC, hoặc thực hiện các chức năng thay thế như UART, SPI, I2C và PWM Ngoài ra, chúng có thể tạo ra ngắt khi có sự thay đổi trạng thái

Hình 2.14 Cấu trúc cơ bản 1 chân GPIO [11]

Trong STM32F103C8T6, các khối Input Driver và Output Drive của GPIO (General Purpose Input/Output) đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu vào và ra Dưới đây là một mô tả chi tiết về từng khối:

Input Driver: Input Driver chịu trách nhiệm quản lý và xử lý các tín hiệu đầu vào từ các chân GPIO Các chức năng chính của Input Driver bao gồm:

Input Floating: Chế độ này không có bất kỳ điện trở kéo lên hoặc kéo xuống nào, cho phép chân GPIO tự do "nổi" (floating) Đây là chế độ mặc định khi chân GPIO được cấu hình làm đầu vào

Input Pull-Up: Trong chế độ này, chân GPIO được kết nối với nguồn điện thông qua một điện trở kéo lên bên trong Điều này đảm bảo rằng chân GPIO sẽ luôn ở mức logic cao khi không có tín hiệu đầu vào

Input Pull-Down: Tương tự như pull-up, nhưng trong trường hợp này, chân GPIO được kết nối với mặt đất thông qua một điện trở kéo xuống bên trong Điều này đảm bảo rằng chân GPIO sẽ luôn ở mức logic thấp khi không có tín hiệu đầu vào

Analog Mode: Chế độ này cho phép chân GPIO xử lý các tín hiệu analog, thường được sử dụng với bộ chuyển đổi analog-số (ADC) để đọc giá trị điện áp biến đổi liên tục

Các chế độ này được cấu hình thông qua các thanh ghi điều khiển như GPIOx_CRL và GPIOx_CRH

Output Drive chịu trách nhiệm quản lý và điều khiển các tín hiệu đầu ra từ vi điều khiển tới các thiết bị ngoại vi Các chức năng chính của Output Drive bao gồm:

Output Push-Pull: Chế độ này cho phép chân GPIO cung cấp cả mức logic cao và mức logic thấp, với khả năng dẫn dòng điện cả vào và ra Đây là chế độ phổ biến nhất cho các ứng dụng đầu ra vì nó cung cấp mức điện áp ổn định và khả năng điều khiển tốt

Output Open-Drain: Trong chế độ này, chân GPIO chỉ có thể kéo xuống mức logic thấp hoặc ở trạng thái nổi Để có được mức logic cao, một điện trở kéo lên ngoài thường được yêu cầu Chế độ này thường được sử dụng trong các giao tiếp bus như I2C, nơi nhiều thiết bị có thể kéo dây xuống nhưng không đẩy nó lên cao

Alternate Function Push-Pull: Chế độ này sử dụng các chức năng thay thế của chân GPIO nhưng vẫn duy trì khả năng đẩy/pull tín hiệu

Alternate Function Open-Drain: Chế độ này sử dụng các chức năng thay thế của chân GPIO nhưng chỉ có thể kéo xuống mức logic thấp hoặc ở trạng thái nổi

Các chế độ này cũng được cấu hình thông qua các thanh ghi điều khiển GPIOx_CRL và GPIOx_CRH, tương tự như Input Driver

24 c Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu kỹ thuật số (Analog to Digital Converter- ADC)

ADC (Analog-to-Digital Converter) là một bộ chuyển đổi tín hiệu từ dạng điện áp tương tự thành dạng dữ liệu số, trong đó mỗi giá trị số biểu diễn một mức điện áp trong hệ thống nhị phân Hình dưới đây minh họa sơ đồ khối của một ADC

Hình 2.15 Sơ đồ khối của một ADC Độ phân giải (resolution): Sử dụng để chỉ số bit cần thiết để lưu trữ tất cả các giá trị số (digital) sau quá trình chuyển đổi tại đầu ra

Hình 2.16 Biểu đồ thể hiện độ phân giải 3 bit và 16 bit [12]

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

Mô tả hệ thống

Mạch cân bằng các cell pin trên ô tô điện là một hệ thống quan trọng giúp duy trì hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của bộ pin Trong nghiên cứu này, nhóm đã phát triển mạch cân bằng cho 10 cell pin mắc nối tiếp Để đảm bảo mỗi cell pin đều được sạc đầy mà không bị quá sạc, mạch cân bằng được thiết kế sử dụng vi điều khiển STM32F1C308 làm bộ điều khiển chính Quá trình điều khiển được mô tả theo sơ đồ bên dưới

Hình 3.1 Sơ đồ mô tả quá trình điều khiển của hệ thống

Vi điều khiển STM32F1C308 sẽ đọc điện áp của 10 cell pin liên tục thông qua các kênh ADC kết hợp DMA Trong quá trình sạc, vi điều khiển liên tục giám sát điện áp của từng cell Khi một cell pin đạt đến mức điện áp đầy đã được lập trình (ví dụ: 4.2V), vi điều khiển sẽ xuất ra điện áp 3,3V vào chân số 1 của opto cách ly quang Lúc này, transistor quang dẫn cho phép điện áp vào chân G để kích hoạt MOSFET Khi MOSFET dẫn, kết hợp với điện trở sứ mắc song song với pin, tạo ra một đường dẫn thứ hai để ngắt dòng sạc vào cell đó Ngược lại, với những cell chưa đầy, vi điều khiển sẽ xuất ra điện áp 0V, khiến transistor quang của opto không dẫn và không có điện áp vào chân G của MOSFET Do đó, MOSFET không dẫn, và dòng sạc tiếp tục đi vào cell đó cho đến khi đầy Quá trình này đảm bảo rằng các cell pin đều được sạc đầy đồng đều, giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của bộ pin

Mặc dù ô tô điện thực tế sử dụng hàng trăm đến hàng nghìn cell pin để cung cấp năng lượng cho việc vận hành, nghiên cứu về mạch cân bằng cho 10 cell pin có thể coi là một mô

36 hình thu nhỏ của hệ thống lớn hơn Các kỹ thuật và phương pháp phát triển cho mạch cân bằng 10 cell pin có thể áp dụng và mở rộng để quản lý một hệ thống pin lớn hơn trên ô tô điện thực tế

Việc cân bằng cell pin không chỉ cải thiện hiệu suất và tuổi thọ của pin, mà còn đảm bảo an toàn khi sử dụng ô tô điện Một hệ thống pin được cân bằng tốt sẽ giảm nguy cơ hư hỏng, cháy nổ và các sự cố không mong muốn, giúp duy trì hiệu suất ổn định và đáng tin cậy cho ô tô điện.

Tính toán hệ thống

3.2.1 Tính toán mạch nguồn nuôi vi điều khiển Để đảm bảo vi điều khiển STM32F1C308 hoạt động ổn định, việc cung cấp nguồn điện phù hợp và ổn định là rất quan trọng Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng một mạch giảm áp với đầu vào là điện áp của 10 cell pin nối tiếp và đầu ra là 5V ổn định để nuôi vi điều khiển Nhóm nghiên cứu sẽ sử dụng mạch giảm áp với chip XL7015 cho phép đầu vào từ 8V đến 80V

Thông số điện áp đầu vào

10 cell pin Li-ion mắc nối tiếp có điện áp đầu vào thay đổi tùy thuộc vào trạng thái sạc của các cell:

• Điện áp danh định của mỗi cell: 3.7V

• Tổng điện áp danh định: 10 x 3.7V = 37V

• Điện áp khi xả sâu: 10 x 2.5V = 25V

Sơ đồ các chân của mạch giảm áp XL7015

Dưới đây là sơ đồ các chân của mạch giảm áp XL7015

Hình 3.2 Sơ đồ chân mạch giảm áp XL7015 VIN: Điện áp đầu vào, chân này nhận điện áp DC từ nguồn cung cấp, thường trong dải từ 5V đến 80V

VOUT: Đây là chân đầu ra điện áp Chân này cung cấp điện áp DC đã giảm theo mong muốn, thường là từ 1.25V đến 20V, tùy theo cách bạn điều chỉnh mạch

GND (bên trái): Đây là chân nối đất (ground) cho điện áp đầu vào Chân này kết nối với cực âm của nguồn điện DC đầu vào

GND (bên phải): Đây là chân nối đất (ground) cho điện áp đầu ra Chân này kết nối với cực âm của tải muốn cấp điện áp đã giảm

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn để nuôi vi điều khiển

Trong quá trình hoạt động, điện áp đầu vào được cung cấp cho IC XL7015 Cuộn cảm và diode hoạt động cùng với transistor nội bộ của IC để chuyển đổi điện áp đầu vào thành điện áp đầu ra thấp hơn Tụ điện Cout làm mịn điện áp đầu ra, trong khi điện trở phân áp tạo ra điện áp phản hồi để điều chỉnh điện áp đầu ra Vi điều khiển bên trong IC so sánh điện áp phản hồi với điện áp tham chiếu nội bộ (1.25V) và điều chỉnh độ rộng xung của tín hiệu điều khiển, giữ cho điện áp đầu ra ổn định Khi điện áp đầu ra đạt mức mong muốn, IC điều chỉnh để duy trì điện áp này, ngay cả khi có sự thay đổi ở tải hoặc điện áp đầu vào Như vậy, mạch này giúp giảm điện áp đầu vào từ 8V-80V xuống điện áp đầu ra ổn định theo mong muốn, sử dụng IC XL7015 và các thành phần phụ trợ như cuộn cảm, diode, tụ điện và điện trở phân áp

Như vậy sử dụng mạch giảm áp XL7015 là phù hợp vì giá trị điện áp lớn nhất của 10 cell mắc nối tiếp là 42V vẫn đảm bảo được ngưỡng đầu vào của mạch giảm áp XL7015 và mạch cho ra điện áp ổn định là 5V để nuôi vi điều khiển

3.2.2 Tính toán giá trị của cầu phân áp

ADC trong STM32F103 là bộ ADC có 12bit tức là có 2 12 = 4096 giá trị tương ứng với 0V là 0, 1.65V là 2047, 3.3V là 4095 Giá trị điện áp đầu vào bộ ADC được cung cấp trên các chân được thiết lập đọc ADC trong STM32CubeMX có giá trị bằng với giá trị cấp nguồn cho vi điều khiển VDD (+3V3) Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu sử dụng ADC kết hợp với DMA để đọc điện áp của 10 cell riêng biệt

Vì vi điều khiển chỉ đọc được giá trị điện áp từ 0V đến 3.3V nên ta cần phải sử dụng cầu phân áp để giảm giá trị điện áp của các cell xuống để vi điều khiển có thể đọc được

Hình 3.4 Mạch cầu phần áp hai điện trở

Ta có công thức: Vout = Vcc

Ta sử dụng công thức trên để tính toán giá trị điện trở phù hợp nhằm tạo ra cầu phân áp với Vout nhỏ hơn 3.3V và đảm bảo điện trở không bị quá nóng trong quá trình hoạt động

Tương ứng với mỗi cell, ta sẽ sử dụng một cầu phân áp, do đó cần mười cầu phân áp với 10 cell mắc nối tiếp (từ một cell đến mười cell nối tiếp) Giá trị điện áp cao nhất cho 10 cell mắc nối tiếp là 42V Vì vậy, giá trị điện trở đảm bảo các điều kiện trên là: R1 = 27k ohm và

R2 = 1.8k ohm 3.2.3 Tính toán đường dẫn thứ hai đi tắc qua các cell pin

Vì giá trị điện áp của các cell pin lớn hơn giá trị điện áp mà vi điều khiển có thể nhận được nên cần phải sử dụng opto cách ly quang để cách ly điện áp từ các cell pin đánh ngược về chết vi điều khiển, nhóm nghiên cứu chọn opto cách ly quang PC817 Chân đầu vào và đầu ra của opto PC817 cần đấu thêm một điện trở 1K ohm mắc nối tiếp để hạn dòng tránh cho LED và transistor quang trong opto bị chết vì dòng đầu vào và đầu ra của opto PC817 có giá trị lớn nhất là 50mA

Hình 3.5 Opto cách ly quang PC817 Tiếp theo nhóm nghiên cứu sử dụng mosfet và điện trở sứ (điện trở công suất) để tạo ra đường dẫn thứ hai đi tắc qua các cell pin nếu như các cell pin đó đầy trước trong quá trình sạc Cần phải mắc nối tiếp điện trở sứ trước chân Drain (D) của mosfet để làm tải xả bớt điện áp dư thừa đi tắc qua các cell pin dưới dạng nhiệt và giá trị trở kháng cần phải lớn hơn giá trị nội trở của pin để ngăn tình trạng pin xả ngược ra ngoài

Dựa vào công thức: r = Rt

Trong đó: r là nội trở của pin

V là điện áp ban đầu của pin khi không có tải

Vt là điện áp đo được giữa hai cực của pin khi có tải

Rt giá trị điện trở test Đo được điện áp pin khi chưa có tải là 4.2V, có tải là 4.1V, điện trở test là 10 ohm, tính được nội trở của pin là r = 243m ohm

Từ đó nhóm nghiên cứu chọn điện trở sứ loại 10ohm 5W

Hình 3.6 Điện trở sứ 10 ohm 5W

Nhóm nghiên cứu sử dụng mosfet 30N06 kênh N, vì điện áp kích vào chân G để mosfet mở tối đa rất thấp Vgs(th) chỉ khoảng 2.5V phù hợp với hệ thống của nhóm, điện áp kích vào chân G của mosfet dao động từ 2,5V đến 4V, hơn nữa dòng điện tối đa mosfet có thể chịu được là 30A ở 25 độ C và điện áp tối đa VDS là 60V lớn hơn điện áp tối đa của 10 cell pin mắc nối tiếp là 42V nên sẽ đảm bảo mosfet hoạt động bình thường, không quá áp, không quá dòng và hoạt động ở vùng tích cực

Hình 3.7 Mosfet gián 30N06 Trong cấu tạo của mosfet thì giữa chân G và S, chân D và S, chân D và G đều có một con tụ, vậy vì ta cần mắc thêm một điện trở 10k ohm ở chân G và S để xả điện áp tích trữ trên tụ từ đó giúp cho mosfet ngưng dẫn ngay lập tức khi điện áp kích vào chân G không còn nữa.

Thiết kế và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus 8.17

3.3.1 Mục đích của việc mô phỏng

Mô phỏng giúp kiểm tra xem mạch điện có hoạt động đúng như mong đợi hay không Bằng cách này, ta có thể phát hiện và sửa chữa các lỗi trong thiết kế trước khi tiến hành chế tạo Phát hiện lỗi sớm trong giai đoạn mô phỏng giúp tránh được việc phải thay đổi thiết kế sau khi mạch đã được chế tạo, từ đó giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất Mô phỏng cho phép thử nghiệm và so sánh các phương án thiết kế khác nhau để tìm ra phương án tối ưu nhất Hơn nữa ta có sử dụng mô phỏng để thử các loại linh kiện giống nhau nhưng khác thông số để xem xét loại nào, thông số nào sẽ hoạt động tốt nhất, tối ưu nhất, hiệu suất nhất 3.3.2 Thiết kế và mô phỏng hệ thống

Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý tổng quát Trên đây là sơ đồ nguyên lí tổng quát của hệ thống Gồm 10 cell pin mắc nối tiếp, 1 vi điều khiển STM32F103C8T6, 10 cầu phân áp, 10 opto cách ly quang, 11 mosfet và 10 điện trở sứ

Ho c IT - D ien T u ( Da ng N gu yen)

Khi công tắc ở chế độ “OFF” thì hệ thống không hoạt động, khi bật công tắc sang chế độ “ON” hệ thống bắt đầu hoạt động Điện áp BAT10 (10 cell pin mắc nối tiếp) luôn chờ tại chân D của mosfet IRFB3607PBF Khi bật công tắc sang “ON” lúc này sẽ có điện áp vào chân G của mosfet kích cho mosfet mở và điện áp đi từ chân D qua chân S và vào chân Vin của mạch giảm áp XL7015 để hạ áp xuống còn 5V để nuôi vi điều khiển Điện áp từng cell pin nối tiếp (từ cell 1 đến 10 cell nối tiếp) đi qua từng cầu phân áp tương ứng để giảm áp rồi đi vào 10 chân đọc tín hiệu ADC được thiết lập sẵn trong vi điều khiển STM32F103C8T6

Vi điều khiển đọc tín hiệu liên tục từ 10 kênh ADC Nếu cell pin nào đầy nó sẽ xuất tín hiệu 3.3V ra chân tương ứng được thiết lập sẵn vào chân số 1 của opto quang cách ly, lúc này LED trong opto phát sáng và transistor quang dẫn và điện áp từ chân C qua chân E của transistor quang và vào chân G của mosfet làm cho trở kháng giữa hai chân D và S giảm xuống rất thấp, lúc này mosfet đã mở hoàn toàn tạo ra đường dẫn thứ hai cho dòng sạc đi tắc qua các cell pin đã đầy Ngược lại nếu các cell pin nào chưa đầy thì vi điều khiển sẽ xuất ra tín hiệu 0V nên LED không sáng dẫn đến transistor quang không dẫn nên mosfet không mở, lúc này không có đường dẫn thứ hai đi tắc qua pin nữa nên pin vẫn tiếp tục được sạc

❖ Kết quả mô phỏng hệ thống

Trong quá trình mô phỏng hệ thống, nhóm nghiên cứu đã gắn thêm các công cụ có trong proteus như: Đồng đồ đo điện áp, đo dòng điện, máy đo xung để theo dõi sự hoạt động của hệ thống

Lần mô phỏng thứ nhất: Nhóm chúng tôi sử dụng đúng các linh kiện điện tử đã tính toán ở phía trên để mô phỏng hệ thống Kết quả hệ thống hoạt động ổn định, hiệu suất cao, đúng như mong đợi đã đặt ra, các thông số hiển thị trên đồng hồ đo điện áp, đo dòng điện, máy đo xung gần đúng với lí thuyết tính toán trước đó

Lần mô phỏng thứ hai: Nhóm chúng tôi sử dụng các linh kiện điện tử với các thông số khác với thông số đã tính toán ở phía trên để mô phỏng hệ thống Kết quả hệ thống báo lỗi và không hoạt động

3.3.3 Thiết kế mạch thử nghiệm và mạch in PCB

Sau khi mô phỏng và thiết kế mạch trên phần mền Proteus 8.17 được kết quả như

44 mong đợi thì nhóm tiến hành thiết kế mạch thử nghiệm

Hình 3.9 Mạch thử nghiệm cân bằng 10 cell

Sau khi thử nghiệm trên mạch thử nghiệm được kết quả như mong muốn nhóm tiến hành thiết kế mạch in PCB trên phần mền Proteus 8.17

Hình 3.10 Sơ đồ đi dây mạch PCB Kiểu đi dây này giành cho thiết kế PCB một lớp

Hình 3.11 Mạch mô phỏng trong phần mền Proteus 8.17 Với mạch mô phỏng giúp xác định và hình dung được các vị trí của các linh kiện điện tử trong mạch, từ đó sắp xếp và thiết kế sao cho nhỏ gọn nhất.

Thiết lập các chức năng trong vi điều khiển STM32F103C8

3.4.1 Đọc ADC nhiều kênh trên STM32F103C8 sử dụng DMA Để đọc điện áp của 10 cầu phân áp trên vi điều khiển STM32F103C8, cần sử dụng chức năng ADC với DMA để tự động chuyển đổi và lưu trữ các giá trị điện áp, thực hiện trên phần mềm STM32CubeMX và sau đó sinh code Đầu tiên thiết lập xung clock

Hình 3.12 Thiết lập xung clock Chọn System Core -> RCC -> Crystal/Ceramic Resonator

Tiếp theo cấu hình 2 chân nạp code thông qua mạch ST-Link V2, chọn System Core -> SYS -> Debug

Hình 3.13 Cấu hình 2 chân nạp code

Serial Wire cho phép vi điều khiển được cấu hình để nạp code thông qua các chân SWDIO và SWCLK Chúng ta sử dụng mạch nạp ST-Link để kết nối với vi điều khiển STM32F103C8T6 qua các chân này

Hình 3.14 Hai chân nạp code trên STM32F103C8 Chân PA13 tương ứng với chân SWDIO và PA14 là SWCLK

Tiếp theo thiết lập 10 chân đọc điện áp trên vi khiển với chức năng ADC, chọn

Analog -> ADC1 -> tích chọn từ IN0 đến IN9

Hình 3.15 Cấu hình 10 chân đọc giá trị điện áp (ADC)

Hình 3.16 10 chân ADC trên STM32F103C8 Giá trị điện áp Vout từ cầu phân áp thứ nhất ứng với chân ADC1_IN0 (chân PA0), tiếp tục lần lượt cho đến cầu phân áp thứ mười ứng với chân ADC1_IN9 (chân PB1)

Hình 3.17 Cấu hình các mode hoạt động của ADC Continuous Conversion Mode (Chế độ chuyển đổi liên tục)

49 Ở chế độ này, ADC thực hiện các lần chuyển đổi liên tục mà không dừng lại Sau khi hoàn tất một lần chuyển đổi, ADC tự động bắt đầu lại từ đầu, ở đây nhóm Disabled Continuous Conversion Mode và sẽ code bên phần mềm Keil C cập nhật ADC 0.5s một lần Scan Conversion Mode (Chế độ quét)

Chế độ này cho phép ADC quét và chuyển đổi nhiều kênh liên tục Khi chế độ quét được bật, ADC sẽ tuần tự quét qua các kênh đã chọn và thực hiện chuyển đổi trên từng kênh một

Hình 3.18 Chọn thứ tự để đọc giá trị các kênh ADC Mục "Rank" được sử dụng để xác định thứ tự ưu tiên cho các kênh ADC khi cấu hình chế độ quét (Scan Mode) Khi cấu hình ADC để quét nhiều kênh, cần chỉ định thứ tự mà các kênh sẽ được quét và chuyển đổi "Rank" cho phép xác định thứ tự này Mỗi kênh được cấu hình với một giá trị "Rank" cụ thể, và ADC sẽ quét và chuyển đổi các kênh theo thứ tự từ

50 thấp đến cao của giá trị "Rank" Ở đây có 10 kênh nên sẽ có 10 Rank, kênh PA0 có vị trí rank là 1, lần lượt cho đến kênh PB1 là rank 10

Tốc độ lấy mẫu của cả 10 kênh là 239.5 Cycles, với tốc độ lấy mẫu này thì những câu lệnh trong hàm while (1) sẽ được thực hiện với tốc độ vừa phải, MCU sẽ thực hiện lấy mẫu ADC liên tục

Hình 3.19 Thiết lập tính năng DMA cho ADC1 Để thiết lập DMA cho ADC1 trong thẻ Configuration, chọn DMA Settings -> ADC1 -> Add -> mục Mode chon Circular

Sau khi cấu hình xong, xuất ra code, và lập trình trên phần mềm Keil C

Hình 3.20 Khai báo biến mảng để nhận dữ liệu DMA từ ADC

51 Định nghĩa một mảng để lưu trữ dữ liệu DMA từ ADC, với số phần tử bằng số lượng kênh ADC Trong trường hợp này, có 10 kênh ADC nên số phần tử của mảng là 10 Kiểu dữ liệu của mảng này được chọn là uint16_t để phù hợp với cấu hình độ rộng dữ liệu DMA half word đã được thiết lập trước đó trong phần mềm CubeMX

Hình 3.21 Hàm khởi động đọc dữ liệu từ 10 kênh ADC bằng DMA

Mỗi lần vòng lặp while (1) chạy, nó sẽ khởi động quá trình đọc dữ liệu từ 10 kênh ADC và sau đó dừng lại 500 ms trước khi thực hiện lại quá trình Điều này cho phép hệ thống đọc giá trị điện áp từ các kênh ADC một cách đều đặn

Sau khi đọc 10 kênh ADC bằng DMA ta được bảng sau:

Bảng 3.1 Giá trị đọc được của 10 kênh ADC kết hợp DMA

Giá trị điện áp của cầu phân áp (V) Giá trị đọc ADC trong vi điều khiển Cầu phân áp thứ 1 = 0.28 adc_values [0] = 381 ~ 391

Cầu phân áp thứ 2 = 0.56 adc_values [1] = 762 ~ 774

3.4.2 Lọc tín hiệu ADC bằng bộ lọc Kalman Để ổn định và giảm nhiễu tín hiệu giữa vi điều khiển và bên ngoài vào nhóm đã sử

52 dụng bộ lọc Kalman để xử lý tín hiệu analog trên STM32F103C8

Hình 3.22 Tạo 10 tệp tiêu đề Kalamn riêng biệt

Có 10 kênh ADC khác nhau vì vậy tạo 10 tệp tiêu đề với cấu trúc #include

Hình 3.23 Khai báo biến u và adc_kalman

Sử dụng mảng u [10] để lưu trữ 10 giá trị ADC chưa được lọc và mảng adc_kalman

[10] để lưu trữ 10 giá trị đã được lọc

Hình 3.24 Tạo hàm khởi tạo cho bộ lọc Kalman Tạo một hàm khởi tạo cho mỗi bộ lọc Kalman và gọi nó cho từng kênh ADC, các giá trị adc_kalman là các giá trị ADC đã được lọc

Sau khi lọc 10 kênh ADC ta được bảng sau:

Bảng 3.2 Giá trị của 10 kênh ADC sau khi qua bộ lọc Kalman

Giá trị ADC chưa được lọc Giá trị ADC đã được lọc adc_values [0] = 381 ~ 391 adc_kalman [0] = 386.461578 adc_values [1] = 762 ~ 774 adc_kalman [1] = 770.517639 adc_values [2] = 1164 ~ 1174 adc_kalman [2] = 1169.18188 adc_values [3] = 1546 ~ 1556 adc_kalman [3] = 1549.39966 adc_values [4] = 1928 ~ 1937 adc_kalman [4] = 1932.55579 adc_values [5] = 2326 ~ 2335 adc_kalman [5] = 2329.25952 adc_values [6] = 2690 ~ 2703 adc_kalman [6] = 2695.38721 adc_values [7] = 3065 ~ 3073 adc_kalman [7] = 3070.32544 adc_values [8] = 3507 ~ 3518 adc_kalman [8] = 3512.31934 adc_values [9] = 3904 ~ 3917 adc_kalman [9] = 3910.45361

3.4.3 Thiết lập các giá trị tham chiếu và giá trị điện áp thực tế

Thiết lập các giá trị tham chiếu

Các giá trị tham chiếu là giá trị điện áp mà nhóm thiết lập sẵn cho vi điều khiển, thiết lập điện áp này có thể thay đổi tùy thuộc mục đích sử dụng, ở đây nhóm sẽ thiết lập các cell được cân bằng tại điện áp là 3.9V

Theo công thức tính toán cầu phân áp: Vout = Vcc áp dụng cho các cell có điện áp

= 0.24375V Vậy thiết lập giá trị điện áp tham chiếu trên vi điều khiển là:

Cell 2 = (Giá trị cầu phân áp thứ 1) + 0.24375

Hình 3.25 Thiết lập các giá trị tham chiếu cho vi điều khiển Thiết lập các giá trị tham chiếu trong vòng lập while (1), A[0] ứng với Cell 1 lần lượt A[9] là Cell 10 và adc_kalman[0] ứng với giá trị cầu phân áp thứ 1 lần lượt adc_kalman là giá trị cầu phân áp thứ 9

Thiết lập các giá trị điện áp thực tế

Các giá trị điện áp thực tế là giá trị thực của các cầu phân áp được vi điều khiển đọc được theo bảng 3.1 và bảng 3.2

Vì các giá trị adc_kalman mà vi điều khiển đọc được đang làm tín hiệu số, ta cần chuyển chúng sang dạng điện áp để ứng với giá trị thực tế

Hình 3.26 Chuyển đổi tín hiệu số sang điện áp Đoạn mã tính toán các giá trị điện áp từ các giá trị ADC đã lọc Cụ thể, nó chia các giá trị ADC cho 4096 (tổng số cấp độ chuyển đổi ADC) và nhân với điện áp tối đa (3.3V), kết quả được lưu trữ trong mảng voltages

Sau quá trình chuyển đổi ta có được bảng sau:

Bảng 3.3 Giá trị điện áp thực tế mà vi điều khiển đọc được

Giá trị điện áp của cầu phân áp (V) Giá trị điện áp thực tế

Cầu phân áp thứ 1 = 0.28 voltages [0] = 3.74

3.4.4 So sánh và xuất tín hiệu điều khiển để cân bằng các cell

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH

Lắp đặt bộ pin thực nghiệm gồm 60 cell pin mắc nối tiếp

Sau khi thử nghiệm thành công trên bản mạch hàn, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hệ thống để sạc và cân bằng mỗi cell pin ở mức 3.9V để khôi phục bộ pin gồm 60 cell pin mắc nối tiếp tương ứng với mức điện áp là 234V

Hình 4.2 Module pin đã bị hư hỏng các cell pin bên trong

Hình 4.3 1 module pin còn sử dụng được Đầu tiên nhóm nghiên cứu kiểm tra bộ pin cũ, trong đó có 5 module pin gồm 10 cell pin mắc nối tiếp đã bị hư hỏng các cell bên trong và chỉ còn 1 module pin còn sử dụng được nên nhóm nghiên cứu đã tháo rã các module bị hư hỏng và bổ sung thêm 50 cell pin mới để khôi phục lại bộ pin

Hình 4.4 Đo điện áp và phân loại các cell pin mới Sau đó nhóm nghiên cứu đo điện áp hiện tại của 50 cell pin và phân loại chúng ra theo 2 nhóm đó là nhóm có giá trị điện áp thấp hơn 3.9V và nhóm có giá trị điện áp cao hơn 3.9V thì cần xả bớt xuống dưới mức 3.9V Tiếp theo chia 50 cell pin ra thành 5 module pin, mỗi module pin gồm 10 cell pin, tiến hành sạc và cân bằng mỗi module pin là 39V tương ứng với mỗi cell pin trong module pin là 3.9V

Hình 4.5 Sắp xếp các cell pin vào phiến cam Sau khi đã sạc và cân bằng xong 10 cell pin của 1 module pin, tiếp theo nhóm nghiên cứu sắp xếp các cell pin vào 2 phiến cam và cố định lại để tạo thành 1 module pin

Hình 4.6 Hàn nối tiếp các cell pin lại với nhau Sau đó nhóm nghiên cứu hàn 10 cell pin lại với nhau theo kiểu mắc nối tiếp (đầu âm của cell thứ nhất được hàn với đầu dương của cell thứ hai) cứ thế tiếp tục cho đến khi 10 cell pin được hàn nối tiếp với nhau tạo thành 1 module pin hoàn chỉnh với giá trị điện áp là 39V

Hình 4.7 Hàn nối tiếp 6 module pin lại với nhau Tiếp theo nhóm nghiên cứu hàn 6 module pin lại với nhau theo kiểu mắc nối tiếp (đầu âm của module thứ nhất được hàn với đầu dương của module thứ hai) cứ thế tiếp tục cho đến khi 6 module pin được hàn nối tiếp lại với nhau tạo thành 1 bộ pin hoàn chỉnh gồm 60 cell pin được mắc nối tiếp và có giá trị điện áp khoảng 234V

Hình 4.8 Thử nghiệm bộ pin bằng 2 bóng đèn 220V/60W Sau đó nhóm nghiên cứu đo điện áp và thử lại bộ pin bằng cách đấu 2 bóng đèn 220V/60W nối tiếp lại với nhau để làm tải kiểm tra bộ pin Kết quả 2 bóng đèn sáng tốt chứng tỏ bộ pin hoạt động tốt.

Thử nghiệm hệ thống trên bản mạch hàn

Nhóm nghiên cứu sử dụng hệ thống trên bản mạch hàn để thử nghiệm bảo vệ và cân bằng 10 cell pin trong lúc sạc

Hình 4.9 Nguồn sạc 40V với dòng 0.8A Nhóm nghiên cứu sử dụng máy PINTEK để sạc 10 cell pin mắc nối tiếp với dòng sạc là 0.8A và mức điện áp là 40V Và sử dụng máy Tektronix để theo dõi xung xuất ra từ vi điều khiển trong suốt quá trình sạc

Hình 4.10 Điện áp viên thứ nhất khi mới bắt đầu sạc Hình (4.10) là điện áp đo được của cell pin thứ nhất lúc mới bắt đầu sạc là 3.56V, vi điều khiển đọc giá trị ADC liên tục và so sánh điện áp hiện tại của cell pin thứ nhất với giá trị được lập trình sẵn cho vi điều khiển là 3.9V

Hình 4.11 Tín hiệu điện áp từ vi điều khiển khi bắt đầu sạc Lúc này 3.56V bé hơn 3.9V nên vi điều khiển xuất ra tín hiệu ở chân B12 là 0V tương ứng với giá trị đo được trên máy đo xung ở trên hình (4.11) là xung đang ở mức thấp (0V)

Có nghĩa là pin vẫn được sạc tiếp tục

Hình 4.12 Điện áp viên thứ nhất khi gần đạt 3.9V Hình (4.12) cho thấy 3.88V là điện áp đo được của cell pin thứ nhất lúc sạc gần 3.9V,

66 vi điều khiển đã bắt đầu xuất tín hiệu điện áp dao động ở mức 2.04V đến 2.97V

Hình 4.13 Tín hiệu điện áp từ vi điều khiển khi gần đạt 3.9V Quan sát xung trên hình (4.13) ta sẽ thấy được độ rộng xung ở khoảng 90%

Hình 4.14 Điện áp viên thứ nhất khi đạt 3.9V Hình (4.14) là điện áp đo được của cell pin thứ nhất lúc đạt 3.9V, vi điều khiển đọc giá trị ADC liên tục trong suốt quá trình sạc và lúc này vi điều khiển đọc điện áp hiện tại của cell pin thứ nhất là 3.9V bằng với giá trị được thiết lập sẵn

Hình 4.15 Tín hiệu điện áp từ vi điều khiển khi đạt 3.9V

Vi điều khiển xuất ra tín hiệu 3.3V ở chân B12 tương ứng với giá trị xung cao đo được trên máy đo xung ở trên hình (4.15) Lúc này mosfet đã mở hoàn toàn, mở đường dẫn thứ hai cho dòng sạc đi tắc qua cell pin thứ nhất nên cell pin thứ nhất ngưng sạc

Hình 4.16 Thử nghiệm mạch trên bản mạch in

Bảng 4.1 Thông số điện áp (V) và độ rộng xung tín hiệu (%) của 10 cell pin cell pin

Bắt đầu sạc Sau 120 phút sạc Sau 150 phút sạc Điện áp Độ rộng xung Điện áp Độ rộng xung Điện áp Độ rộng xung

Tiêu đề	Nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên Ô tô Điện
Tác giả	Lê Đình Duy, Nguyễn Chí Công
Người hướng dẫn	TS. Lê Thanh Phúc
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	100
Dung lượng	9,01 MB