Hệ thống Điện – Điện tử ô tô Đề tài thiết kế mạch nạp cho ắc quy

Với sự gia tăng của xe điện EV, cơ sở hạ tầng sạc đã trở thành một yếu tố quan trọng trong việc áp dụng rộng rãi ô tô điện." Mạch sạc cho ắc quy ô tô có nhiệm vụ cung cập năng lượng điện

TRUONG DAI HOC SU PHAM KY THUAT TP

HCM KHOA CO KHi DONG LUC

sweuewse

HCMUTE

MÔN HỌC: HỆ THÓNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Ô TÔ

DE TAI: THIET KE MACH NAP CHO AC

Tp Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2024

DANH SACH THANH VIEN THAM GIA THUC HIEN BAO CAO

HOC KY IT NAM HOC 2023-2024

Ị 22145328 Phan Thanh Duy Lắp mạch 100

Ghi chú:

- Tý lệ % = 100%: Mức độ phần trăm của từng sinh viên tham gia

- Trưởng nhóm: Phan Thanh Duy

Nhận xét của giảng viên

Tp Hô Chí Minh, ngày tháng năm

2024

(Kỹ tên)

TS Lê Thanh Phúc

NHAN XET CUA GIANG VIEN

MUC LUC

CHUONG 1: TONG QUAN

1.1 Lý do chọn đề tài - 5 ST 1111 1 1t T1 1 1212 121121 reg 6 I1 6 )) 0 8 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYÊẾT ©52:2222222222222211122221122712 222.22 te 10

2.1.3 Cầu tạo ACCU 0.2211 22211222111121121111211121212011 21110 11g re 11

2.1.6 Các giai đoạn sạc của accu axit chỉ theo phương pháp dòng điện không đôi

c11111111111 11111101111 TH 115 1111111111 TK HH 11111 11 kg g1 1111111111111 T111 11kg 18

"(co na s32 19 2.2 Arduino G1111 11111 111111111 161111111111 111 E11 16111116111 K11 E11 1111111181111 11 110021116 19

PA NG.4iii0i01: 0/202 0(()10ì0ïc[:adiiiẳiẳaaẳ 19

PA» ¡Ti 0v :cRịađầaaaaaAỶAẮAAAAÁAÁAÁAÁAÁAAAẮAẮAẮIẮẰẮẰA 19

2.2.3 Cầu tạo của Arduino uno RÂ -:-222:2221222111221112711211211 121.1 xe 20

CHUONG 3: TRINH BAY THIET KE, LAP TRINH, LAP DAT HE THONG (BAN VE, MO HINH, MO PHONG KICH THUOC)

3.1 Chuẩn bị vật dụng, thiết bị va cOmg CW ccc cecccccccccecesessceeeeseesesesersteeeees 22 3.2 Lập luận, tính toán thiết kế - 5 S1 111112112111 112120112 reg 25 3.3 Mô phỏng thiết kế 50 T1 1 11211121 121121 12121 eg 25

CHƯƠNG 4: THỨ NGHIỆM, THỰC NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ, THẢO LUẬN 4.1 Một số hình ảnh của việc thực nghiệm mô hình mạch sạc ắc quy 36

CHƯƠNG 5: KÉT LUẬN, KIÊN NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIẾN, ĐÈ XUẤT

5.1 Đạt được những thành tựu nào? - c0 221122112111 121 1112211111112 211 k2 36

5.3 Đánh giá, kiến nghị À 5 St TETE1211 71211 11 E221 tre 36 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 5 S21 1211 11211 221 1 1111121 rya 37

CHUONG 1: TONG QUAN

1.1 Ly do chon dé tai

Ngành công nghiệp ô tô là một lĩnh vực rộng lớn bao gồm việc thiết ké, phát triển, sản xuất, tiếp thị và bán các loại phương tiện, bao gồm ô tô, xe

tải, và các phương tiện cơ giới khác Đây là một ngành có tính cạnh tranh

cao với những tiến bộ đáng kế về công nghệ trong những năm qua."

Một khía cạnh quan trọng của ngành công nghiệp ô tô là phát triển các mạch sạc hiệu quả và đáng tin cậy cho ắc quy ô tô Với sự gia tăng của xe

điện (EV), cơ sở hạ tầng sạc đã trở thành một yếu tố quan trọng trong việc

áp dụng rộng rãi ô tô điện."

Mạch sạc cho ắc quy ô tô có nhiệm vụ cung cập năng lượng điện cân thiệt đề sạc lại bộ ắc quy của xe Các mạch này thường bao gôm một sô

thành phân, bao gôm nguôn điện, công sạc, cáp sạc và mạch điêu khiên.!"

Nguồn điện cho mạch sạc có thê khác nhau tùy thuộc vào phương pháp sạc được sử dụng Chủ yếu có ba loại phương thức sạc: sạc AC,sạc nhanh

DC,sac không dây.”

Một mạch sạc cho ắc quy trên ô tô mang đến nhiều lợi ích quan trọng

giup tang tính tiện dụng và hiệu suất của xe điện Trước hết, nó đảm bảo

quá trình sạc tiện lợi và đáng tin cậy Với một mạch sạc riêng biệt, chủ sở

hữu xe điện có thê dễ đàng kết nối xe với nguồn điện, cho dù ở nhà, nơi làm

việc hay các trạm sạc công cộng Điều nảy loại bỏ nhu cầu sử dụng các thiết

bị sạc đặc biệt hoặc phụ thuộc hoàn toàn vào hạ tầng sạc ngoài Thêm vào

đó, mạch sạc có thể được thiết kế đề hỗ trợ khả nang sạc nhanh, piảm đáng

kế thời gian cần để nạp lại năng lượng cho ắc quy Điều này rất hữu ích

trong các chuyền đi dài hoặc khi có hạn chế về thời gian

Lợi ích khác của mạch sạc là khả năng tối ưu hóa hiệu suất sạc Các mạch sạc tiên tiễn tích hợp hệ thống quản lý sạc thông minh, theo dõi và

điều chỉnh quá trinh sạc dựa trên các yếu tố như nhiệt độ ắc quy, mức điện

áp và tốc độ sạc Điều này đảm bảo ắc quy được sạc một cách hiệu quả và

an toàn nhất, kéo dài tuổi thọ và hiệu suất của nó Hơn nữa, mạch sạc có thể

tích hợp khả năng sạc thông minh, cho phép giao tiếp với lưới điện hoặc

nguồn năng lượng tái tạo Điều này cho phép tận dụng giá điện giờ thấp

hoặc tích hợp năng lượng tái tạo, giảm chị phí sạc và piảm lượng khí thải

carbon.”!

Hơn nữa, mạch sạc cung câp thông tin và đữ liệu quan trọng về qua

trình sạc Nó có thể theo dõi thống kê sạc, tiêu thụ năng lượng và lịch sử

sạc,cung cấp người dùng thông tin chỉ tiết giúp tôi ưu hóa các mô hình và

thói quen sạc Dữ liệu này cũng có thể được sử dụng bởi các nhà sản xuất và

nhà cung cấp dịch vu dé cải tiến hạ tầng sạc, phát triển công nghệ ắc quy tốt

hơn và nâng cao trải nghiệm sạc tông thể cho chủ sở hữu xe điện

Tóm lại, một mạch sạc cho ắc quy trên ô tô mang lại những lợi ích như sạc tiện lợi và đáng tin cậy, khả năng sạc nhanh, hiệu suất tối ưu hóa và khả

năng tích hợp với hệ thống lưới thông minh Những lợi ích này đóng góp

vào tính thực tế, khả dụng và bền vững của xe điện, giúp làm cho chúng trở

nên dễ tiếp cận và hấp dẫn hơn đối với nhiơng người tiêu dùng và góp phần

vào việc thúc đây sự phô biến rộng rãi của phương tiện đi chuyên bằng năng

lượng điện."

Điều đáng chú ý là các loại xe điện khác nhau có thể có các yêu cầu sạc

cụ thể và khả năng tương thích với các tiêu chuẩn sạc khác nhau, chẳng hạn

như CHAdeMO, CCS§ (Hệ thống sạc kết hợp) hoặc mạng Supercharger độc

quyén cua Tesla Khi công nghệ tiến bộ, các mạch sạc đang phát triển để hỗ

trợ mức năng lượng cao hơn, thời g1an sạc nhanh hơn và tăng khả năng

tương tác gitra cac mang sạc khác nhau

Nhìn chung, việc phát triển các mạch sạc hiệu quả và đáng tin cậy là rất quan trọng cho sự phát trién của thị trường xe điện và thiết lập cơ sở hạ tầng

sạc mạnh mẽ để hỗ trợ số lượng xe điện ngày càng tăng trên đường Nhận

thấy được tầm quan trọng của mạch sạc ác quy trên ô tô Chính vi thé dé tài

“thiết kế mạch nạp cho ắc quy” được nhóm em thực hiện nhằm mục đích là

để tìm hiểu rõ hơn, củng cố và mớ rộng kiếm thức chuyên môn, đồng thời

làm quen với phong cách nghiên cứu khoa học góp phần nâng cao cải tiến

hiệu quả của mạch nạp cho ắc quy

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu khi mô hình hóa mạch sạc ắc quy ô tô bằng Arduino là tạo ra

mô phỏng của hệ thống sạc phản ánh chính xác hoạt động và hiệu suất của

nó Bằng cách sử dụng Arduino, một nền tang vi điều khiển nguồn mở, mục

đích là phát triên một nguyên mẫu chức năng có thể giám sát và kiểm soát

quá trình sạc Điều nảy bao gồm mô hình hóa sự tương tác giữa pin, mạch

sạc và các thành phần khác nhau như bộ điều chỉnh điện áp, cảm biến dòng

điện và thuật toán điều khiến Quá trình mô hình hóa cho phép thử nghiệm

và tối ưu hóa cấu hình sạc, điều chỉnh điện áp và dòng điện cũng như triển

khai các tính năng an toàn như bảo vệ quá tải Bằng cách mô hình hóa chính

xác mạch sạc ắc quy ô tô bằng Arduino, nhằm cũng cô thêm kiến thức, tích

sóp làm hành trang cho một người kỹ sư ô tô trong tương lai và đánh p1á

các tỉnh huống sạc khác nhau, xác định các vấn đề tiềm ân và tỉnh chỉnh hệ

thống để đảm bảo sạc hiệu quả và an toàn cho xe

1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu về Ác quy, lịch sử hình thành cải tiến, cầu tạo chung, nguyên

lý hoạt động cơ bản, ưu nhược điểm của Ác quy Tìm hiểu về mạch nạp Ác

quy, cầu tạo và phân loại cơ bản các loại Ắc quy So sánh chi tiết về loại Ắc

quy phô biến, dùng Arduino nghiên cứu thiết kế mạch nạp an toàn khi sử

dụng

1.4 Phạm vi nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

Khi lập mô hình mạch sạc ắc quy ô tô bằng Arduino, phạm vi bao gồm một số khía cạnh chính của hệ thống sạc Thứ nhất, quá trinh mô hình hóa

bao gồm việc hiểu và thể hiện các đặc tính và hoạt động điện của các bộ

phân như pin, mạch sạc, bộ điều chỉnh điện áp và cảm biến Điều nay bao

gồm mô hình hóa cấu hình điện áp và dòng điện, chu kỳ sạc/xả và phản ứng

của hệ thống với các điều kiện tải khác nhau Thứ hai, phạm vi mở rộng

sang phát triển các thuật toán điều khiên và logic điều chỉnh quá trình sạc,

đảm bảo các thông số sạc và cơ chế bảo vệ tối ưu Điều nảy có thể liên quan

đến việc lập mô hình các chế độ sạc, chẳng hạn như dòng điện không đôi

hoặc điện áp không đổi và triển khai các tính năng an toàn như bảo vệ quá

dòng và quá áp Dựa trên kiến thức và giáo trình về môn “Hệ thống điện-

điện tử ô tô” sau quá trình tiếp thu và học hỏi, tiếp thu kiến thức từ Thây, tra

cứu từ tài liệu, mạng internet, tông hợp và phân tích thông tin từ đó xây

dựng bao cao.”

1.5 Kết quả mong muốn làm được

Khi tiễn hành nghiên cứu thiết kế mạch sạc cho ắc quy ô tô bằng Arduino, có thể đạt được một số kết quả mong muốn Arduino cung cấp một

nền tảng linh hoạt và dễ tiếp cận để tạo mẫu và triển khai mạch sạc Nó

cung cấp nhiều loại cảm biến, mô-đun và thư viện tương thích có thể được

sử dụng để giám sát và kiểm soát quá trình sạc một cách hiệu quả, bao gồm

đảm bảo an toàn, tối ưu hóa hiệu quả sạc, thân thiện với người dùng và có

khả năng tích hợp với các công nghệ thông minh Bằng cách đạt được

những kết quả này, nghiên cứu nhằm mục đích phát triển mạch sạc đáng tin

cậy, hiệu quả và công nghệ tiên tiến cho ắc quy ô tô.P!

Bảng tiên dộ công việc

CHUONG 2: CO SO LY THUYET

2.1 Accu

ACCU thông thường được gọi là ắc quy là thiết bị được tái sử dụng nhiều lan bằng cách sạc lại Accu trong ô tô thường được gọi là ACCU khới động để phân biệt với loại ACCU sử dụng ở các lĩnh vực khác

Vai trò chính của ắc quy trên xe ô tô là cung cấp điện cho quá trình khởi động xe Ngoài ra, bình ắc quy còn cung cấp điện khi xe chưa khởi động hoặc tắt máy Đa số Accu khởi động là loại accu chi — axit Dac điểm của loại accu nêu

trên là có thể tạo ra dòng điện có cường độ lớn, trong khoảng /hời gian ngắn

(5 +10), có khả năng cung cấp dòng điện lớn (200 800A) ắc quy chỉ cung cấp điện cho hệ thống đèn và âm thanh Còn về điều hòa xe thì phải cần nỗ máy mới

Điện áp cung cấp của accu là 6V, 12V hoặc 24V Điện áp accu thường là

12V đối với xe du lịch hoặc 24V cho xe tải Muốn điện áp cao hơn ta đấu nối tiếp các accu 12V lại với nhau,?!

ACCU khởi động cung cấp điện khi:F1

+ Động cơ ngừng hoạt động: dùng cho các thiết bị điện phụ, hoặc là các

thiết bị điện khác khi động cơ không hoạt động như hệ thống đèn, âm thanh

và hệ thông an ninh

+ Động cơ khởi động: dùng cho máy khởi động và cung cấp dòng điện cho

hệ thống đánh lửa trong suốt thời gian động cơ đang khởi động Việc khởi động xe là chức năng quan trọng nhất của accu

+ Động cơ đang hoạt động: hỗ trợ cho hệ thống nạp khi nhu cầu về tải điện trên xe vượt qua khả năng của hệ thống nạp Cả accu và máy phát đều cấp điện khi nhu cầu đòi hỏi cao

Hình 2.2 Ác quy và hệ thống điện trên 6 tô

Trên ôtô có thê sử dụng hai loại accu đê khởi động: accu axit và accu kiêm Nhưng thông thường sử dụng loại accu axit vì sức điện động của mỗi cặp bản cực cao hơn, có điện trở trong nhỏ và đảm bảo chế độ khởi động tốt, mặc dù accu

kiềm cũng có những ưu điểm.l

2.1.3 Cấu tạo Accu

Một bình accu trên ô tô bao gôm một dung dịch acid sunfuric loãng và các bản cực âm đương Một bình accu được chia thành nhiều ngăn(thông thường ô tô

có 6 ngăn) mỗi một ngăn có nhiều bản cực, tất cả được nhúng trong dung dịch

kẽ nhau, ngăn cách với nhau bằng các tấm ngăn Mỗi ngăn như vậy được coi là một accu đơn Các accu đơn được nối với nhau bằng các cầu nối và tạo thành binh accu Ngan dau va ngan cuối có hai đầu tự do gol la cac đầu cực của accu Dung dịch điện phan trong accu là axit sunfuric, được chứa trone từng ngăn theo mức quy định thường không ngập các bản cực quá 10 + 15 mm

Vỏ accu được chế tạo bằng các loại nhựa ebonit hoặc cao su cứng, có độ bền

va kha năng chịu được axit cao Bên trong vỏ được ngăn thành các khoang riêng biệt, ở đáy có sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống (giữa đáy bình và khối bản cực) nhằm chống việc chập mạch do chất tác dụng rơi xuống đáy trong quá trình sử dụng

Khung của các tấm bản cực được chế tạo bằng hợp kim chi - stibi (Sb) với thành phần 87 + 95% Pb + 5 -13% Sb Cac lưới của bản cực dương được chế tạo

từ hợp kim Pb-Sb có pha thêm 1,3%Sb + 0,2% Kali và được phủ bởi lớp bột

dioxit chỉ Pb02 ở dạng xốp tạo thành bản cực dương Các lưới của bản cực âm có pha 0,2%Ca + 0,1% Cu và được phủ bởi bột chì Tắm ngăn giữa hai bản cực làm bằng nhựa PVC và sợi thủy tỉnh có tác dụng chống chập mạch giữa các bản

dương và âm nhưng cho axit đi qua được.)

Đầu nối các Tấm ngăn bằng bản cực ¡ lưới thuỷ tỉnh

bản cực âm là chì xốp (Pb).F1

Hình 2.5 Cấu tạo của bản cực

1 Bản cực âm; 2 Bản cực dương: 3 Vấu cực;

4 Khối bản cực âm; 5 Khối bản cực dương:

Dung dịch điện phân trong acquy khởi động là hôn hợp 36% acid sulfuric

(H2SO4) và 64% nước cất (H2O) Ngày nay, thông thường khi acquy ô tô được nạp đây sẽ có ty trọng là 1.270 ở 20 độ C

Tỷ trọng là trọng lượng của một thể tích chất lỏng so sánh với trọng lượng của nước với cùng một thé tích Tý trọng càng cao thì chất lỏng càng đặc

Một tý trọng kế được sử dụng để đo ty trọng của dung dịch điện phân Chất điện phân trong bình accu đã được nạp điện thì mạnh hơn và nặng hơn chất điện phân trong

accu đã phóng điện.P!

Những cân trọng khi sử dụng accu: Chất điện phân trong bình accu là hỗn

hợp của acid sulfurie và nước Acid sulfÑuric thì có tính ăn mòn rất cao và có thé

gây thương tích trên da và mắt Luôn luôn mang đồ bảo hộ khi tiếp xúc với bình accu Khi bị đung dịch acid dính vào tay phải rửa ngay bằng nhiều nước, khi văng vào mắt phải rửa bằng nước ngay và khám y tế càng sớm càng tốt Khi nạp accu,

khí Hydrogene được giải phóng vì vậy phải tránh xa ngọn lửa và tia lửa điện nếu không có thể gây ra cháy nỗ nghiêm trọng

Vỏ accu làm kín với nhau thành khôi, thường là hình hộp chữ nhật, nhắm bảo vệ các bộ phận bên trone cũng như cô định, định vị các bộ phan của bình Vỏ accu ø1ữ các điện cực và các ngăn riêng rẽ của bình accu Nó được chia thành 6

phân hay 6 ngăn.! Các bản cực được đặt trên các gờ đỡ, giúp cho các bản cực

không bị ngắn mạch khi có vật liệu hoạt tính rơi xuống đáy accu Vỏ được làm từ polypropylen, cao su cứng, và plastic Một vài nhà sản xuất làm vỏ accu có thể nhìn xuyên qua để có thể nhìn thấy được mực dung dịch điện phân mà không cần

mở nắp accu Đối với loại này thường có hai đường để chỉ mức thấp (lower) và

cao (upper) bên ngoài vỏ.!1

Cửa xem tỷ trọng trong ắc quy là một phan của bình ac quy được thiết kê đề kiểm tra mức độ dung dịch điện phân (thường là axit sulfuric pha loãng) bên trong ắc quy Cửa này thường nằm ở phân trên của ắc quy và có thế mở ra để kiểm tra hoặc thêm dung dịch Cửa xem tỷ trọng dùng một quả cầu có thể đo được tý trọng của dung dịch điện phân trong một ngăn.”

2.1.4 Nguyên lí hoạt động accu

2.1.4.1 Hoạt động của một ngăn

Hai kim loại không øiông nhau dat trong dung dịch acid sẽ sinh ra hiệu điện thế giữa hai cực Cực đương làm bằng chỉ oxide PbO,, cực âm lam bang chi Pb Dung dịch điện phân là hỗn hợp acid sunfÑric va nước Chúng tạo nên một phân

2.1.4.2 Các quá trình điện hóa trong accu

Trong accu thường xảy ra hai quá trình hóa học thuận nghịch đặc trưng là