Thiết kế bộ nạp acquy axit chì với khả năng điều chỉnh dòng nạp, tự động ngắt khi acquy đầy

PHẦN MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết đề tài Đất nước ta bước đường công nghiệp hoá đại hóa Là nước phát triển dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật đại nhu cầu tự động hóa trình sản xuất ngày đề cao Ngày công nghiệp, mạch điều khiển kỹ thuật số với chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt dễ dàng thay đổi cấu trúc tham số luật điều khiển Nó làm tăng tốc độ xử lý, tính tác động nhanh có độ xác cao dẫn đến nâng cao độ chuẩn hoá hệ thống truyền động điện điều khiển tự động Trong xu việc áp dụng vào mạch nạp acquy tự động sử dụng rộng rãi có đặc tính ưu việt Như biết acquy thiết bị cấp nguồn chiều sử dụng phổ biến công nghiệp lĩnh vực khác Chính việc nghiên cứu, chế tạo acquy nguồn nạp acquy cần thiết, ảnh hưởng lớn tới dung lượng độ bền acquy 2.Mục đích đề tài - Nghiên cứu công nghệ nạp acquy Lithium-ion - Thiết kế nạp acquy axit chì với khả điều chỉnh dòng nạp, tự động ngắt acquy đầy Cùng với thông số trình nạp điện áp, dòng điện điều khiển tự động để đảm bảo an toàn cho trình nạp tăng độ bền cho acquy Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1.Đối tượng nghiên cứu Căn vào mục đích nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài xác định đối tượng nghiên cứu cụ thể là: (1) Cấu tạo nguyên lý hoạt động bình Lithium-ion, thiết bị hỗ trợ trình nạp acquy, (2) Vi điều khiển ATmega 16L thuộc họ AVR phục vụ điều khiển cho trình nạp, (3) Một số khâu phụ trợ khác hỗ trợ trình điều khiển mạch 3.2.Phạm vi nghiên cứu Về mặt nội dung: - Nạp acquy 310V,10A - Điều khiển trình nạp Về mặt thời gian: Toàn thời gian nghiên cứu chế tạo mạch thực khoảng thời gian tháng từ nhận đề tài 4.Phương pháp nghiên cứu khoa học - Khảo sát hoạt động phóng nạp acquy axit - Xây dựng quy trình nạp acquy - Thiết kế mạch công suất nạp acquy 5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học - Mạch tự động điều khiển trình nạp acquy với thời gian ngắn chất lượng acquy trì mức cao - Đề xuất cấu trúc mạch công suất cho điều khiển nạp acquy 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Thử nghiệm: Xây dựng thành công mạch nạp acquy 331V, 10A cho ô tô điện CHƯƠNG : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NẠP ACQUY 1.1 Cấu trúc chung bình Acquy Acquy nguồn cung điện chiều cho thiết bị điện công nghiệp đời sống hàng ngày Có nhiều loại acquy phổ biến thường gặp thực tế acquy chì axít Acquy Lithium-ion Cấu trúc acquy đơn gồm có phân khối cực dương, phân khối cực âm, ngăn Phân khối cực cực tên ghép lại với Cấu tạo cực acquy gồm có phần khung xương chất tác dụng trát lên Khung xương cực âm cực dương có cấu tạo giống nhau, chúng đúc từ chì có pha thêm ÷ - 8% ăngtimoang (Sb) tạo hình mắt lưới Phụ gia Sb thêm vào chì làm tăng độ dẫn điện cải thiện tính đúc Trong thành phần chất tác dụng có thêm khoảng 3% chất nở (các muối hưu cơ) để tăng độ xốp, độ bền lớp chất tác dụng Nhờ tăng độ xốp mà cải thiện độ thấm sâu chất dung dịch điện phân vào lòng cực, đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học cực tăng thêm Phần đầu cực có vấu, cực dương acquy đơn hàn với tạo thành khối cực dương, cực âm hàn với nhauthành khối cực âm Số lượng cực acquy Số lượng cực acquy thường từ 5÷8, bề dầy cực dương acquy thường từ 1,3÷1,5mm, cực âm thường mỏng 0,2÷0,3mm Số cực âm acquy thường nhiều số cực âm nhằm tận dụng triệt để diện tích tham gia phản ứng cực Tấm ngăn bố trí cực âm dương có tác dụng ngăn cách tránh va đập cực Tấm ngăn làm vật liệu polyvinylclo bề dày 0,8÷1,2 có dạng lượn sóng, bề mặt ngăn có lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua Acquy nguồn lượng có tính chất thuận nghịch: tích trữ lượng dạng hoá giải phóng lượng dạng điện Quá trình acquy cấp điện cho mạch gọi trình phóng điện, trình acquy dự trữ lượng gọi trình nạp điện 1.2 Phân loại Acquy Cho đến có nhiều loại acquy khác sản xuất tuỳ thuộc vào điều kiện yêu cầu cụ thể loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm việc Cũng tính kinh tế kỹ thuật acquy liệt kê số loại sau: - Acquy chì (acquy axit) - Ac quy kiềm - Ac quy không lamen acquy kiềm - Ac quy kẽm-bạc - Acquy lithium - ion Tuy nhiên thực tế acquy Lithium ion acquy kiềm sử dụng với công dụng tốt thời gian sử dụng lâu cường độ nạp chịu tác dụng dòng điện cao hơn, + Một số ưu điểm Acquy Lithium-ion sau - Chúng nhẹ kiểu Pin nạp lại với kích thước Những điện cực Pin Lithium-Ion làm vật liệu nhẹ Lithium Carbon Lithium nguyên tố phản ứng hoá học mạnh , có nghĩa có nhiều lượng lưu trữ trạng thái nguyên tử Sự chuyển đổi mang lại mật độ lượng cao Pin Lithium-Ion Đây phép so sánh mật độ lượng : Pin Lithium-Ion thông thường lưu trữ 150W-giờ / kg đa số đạt 60-70 Wgiờ Trong Pin dựa thành phần Acid đạt 25Wgiờ/kg Điều có nghĩa dùng 6kg Pin dựa thành phần Acid có lượng với 1kg Pin Lithium-Ion Đó điều khác lớn - Chúng giữ mức lượng điện nạp Pin Lithium-Ion 5% mức lượng / tháng , Pin NiMH 20% mức lượng/tháng - Chúng “hiệu ứng nhớ” , điều có nghĩa bạn không cần phải dùng hết Pin sạc lại số Pin hoá học khác Pin Lithium-Ion có tuổi thọ hàng nghàn chu kì sạc điện Điều nghĩa Pin Lithium – Ion điều không thuận tiện Chúng có vài điều bất hợp lí : Chúng giảm giá trị rời khỏi hãng sản xuất Chúng có tuổi thọ từ hai đến ba năm sau sản xuất mặc bạn có dùng hay không sử dụng đến - Chúng dễ bị tổn thương nhiệt độ Sức nóng nguyên nhân để Pin Lithium-Ion thoái hoá - Nếu bạn hoàn toàn không sạc lại Pin Lithium-Ion , bị hỏng Điều tương tự Pin dựa NiCd - Pin Lithium-Ion phải có mạch quản lí On-board bên máy tính Mạch tăng giá thành thiết bị - Có tình cờ , Pin Lithium-Ion bị lỗi , gây cháy thành lửa 1.3 Acquy Lithium-ion 1.3.1 Các đặc tính Acquy Lithium-ion - Hình 1.2: Đặc tính nạp acquy Li-ion Ắc quy Li-ion loại ắc quy sử dụng nhiều thiết bị điện thoại di động, máy tính xách tay, xe điện, … Khác với ắc quy axit-chì, ắc quy Li-ion đắt tiền bù lại, có tuổi thọ dài hơn, khối lượng nhẹ hơn, thể tích nhỏ cho phép nạp với tốc độ nhanh nhiều Do chất hóa học đặc biệt nên ắc quy Li-ion có quy trình sạc riêng, không giống loại ắc quy khác Hình 1.2 mô tả giai đoạn sạc ắc quy Lithium-ion tiêu chuẩn gồm: Sạc ổn dòng, sạc ổn áp Trong trình sạc ổn dòng, dòng điện giữ không đổi Dòng điện sạc lớn, trình sạc ổn dòng ngắn trình sạc ổn áp dài Tuy vậy, tổng thời gian sạc giai đoạn thường không 3h Đồng thời, dòng điện lớn làm tăng nhiệt độ acquy Trong trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát nhiệt độ cao làm cho acquy bốc cháy phát nổ Thông thường, nhiệt độ không nên vượt 450C Một số ắc quy Li-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) đẩy nhiệt độ sạc lên đến 600C Một số sạc nhanh (quick charge) thực bơm dòng ổn định vào acquy (sạc ổn dòng) đó, giới hạn nhiệt độ lớn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hay thời gian sạc nhanh ngắn Trong trình sạc ổn dòng, điện áp đầu cực ắc quy tăng dần Khi điện áp đạt sức điện động ắc quy lúc đầy, sạc kết thúc trình sạc ổn dòng chuyển sạc chế độ sạc ổn áp Toàn thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng lại ban đầu ắc quy) Kết thúc trình sạc ổn dòng, dung lượng ắc quy phục hồi khoảng 70% Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta đem sử dụng (phương pháp “charge-and-run”) Điều làm giảm bớt thời gian sạc đồng thời làm cho thiết kế sạc đơn giản nhiều mặt khác làm giảm tuổi thọ acquy Để đảm bảo tuổi thọ acquy theo thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành giai đoạn sạc ổn áp - thường thời gian nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường giữ không đổi 4,2V/cell Do dung lượng ắc quy phục hồi dần, sức điện động tăng lên làm cho dòng điện giảm dần Khi dòng điện giảm nhỏ 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc Lúc này, dung lượng ắc quy đạt khoảng 99% Khác với ắc quy acid-chì, ắc quy Li-ion không cần không phép trì áp sạc sau ắc quy đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ 3%C) tính chất ắc quy Li-ion không cho phép over-charge; cố over-charge làm nóng ắc quy gây nổ Ngoài ra, theo chuyên gia, không nên sạc acquy Li-ion vượt 100% dung lượng làm giảm tuổi thọ ắc quy Nếu acquy sạc đầy, sau ngừng sạc, điện áp hở mạch ắc quy giảm dần mức ổn định khoảng 3,6 - 3,9V/cell Trái lại, sạc nhanh (sạc ổn dòng) sau ngừng sạc, áp ắc quy giảm sâu khoảng 3,3 3,5V Do ắc quy Li-ion có tính chất tự phóng điện không sử dụng (selfdischarge) nên số trường hợp, để điền đầy ắc quy, việc sử dụng trình ổn dòng, ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn Chẳng hạn, áp ắc quy đạt 4,2V/cell, trình sạc dừng Lúc này, điện áp pin giảm dần; điện áp ắc quy giảm 4,05V/cell hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục trình sạc áp Việc đóng cắt diễn liên tục Nhờ vậy, điện áp ắc quy giữ ổn định khoảng 4,05 – 4,2V/cell, đó, làm ắc quy nạp sâu hơn, tránh tượng over-charging kéo dài tuổi thọ ắc quy 1.3.2 Trạng Thái làm việc Acquy Lithium-ion Có nhiều Pin Lithium-Ion bên Ắc quy có nhiều hình dạng kích thước , bên chúng Những Pin Lithium-Ion hình trụ nhìn tương tự Pin AA chúng hình lăng trụ có nghĩa chúng hình vuông hình chữ nhật Trong máy tính bao gồm thành phần sau : - Một nhiều cảm biến nhiệt (temperature sensor ) để theo dõi nhiệt độ Ắc quy Bộ chuyển đổi điện áp mạch điều chỉnh (voltage converter and regulator circuit ) để trì mức độ an toàn điện áp dòng điện Kết nối máy tính bảo vệ ( notebook connector ) cho phép công suất luồng thông tin vào Ắc quy Theo dõi điện áp ( voltage tap ) để theo dõi dung lượng riêng Pin nhỏ bên Ắc quy Theo dõi trạng thái nạp điện Ắc quy (battery charge state monitor ) , máy tính nhỏ để điều khiển tất trình nạp để chắn Ắc quy nạp nhanh chóng đầu đủ Nếu Ắc quy nóng trình nạp sử dụng , máy tính giảm dòng điện để giảm nhiệt độ xuống Nếu bạn dùng máy tính xe ô tô mà nóng , máy tính ngăn bạn dùng máy tính nhiệt độ hạ xuống Nếu Pin nhỏ hoàn toàn phóng hết điện , Ắc quy đóng lại không Pin nhỏ bị hỏng Nó gửi thông tin tới máy tính yêu cầu phải nạp điện vào Pin Mạch điều khiển Ắc quy máy tính nhỏ tiêu thụ mức lượng 5% / tháng Pin trạng thái nghỉ CHƯƠNG BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 2.1 BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU 2.1.1 Khái quát xung áp chiều Bộ xung áp chiều (bộ biến đổi áp chiều) sử dụng ngắt bán dẫn dùng để biến đổi điện áp chiều thành chuỗi xung áp, nhờ thay đổi trị số điện áp đầu Hình 2.1 Bộ xung áp chiều Bộ xung áp chiều có chức biến đổi điện áp chiều, có ưu điểm thay đổi điện áp phạm vi rộng với hiệu suất biến đổi cao tổn thất biến đổi chủ yếu phần tử đóng cắt nhỏ So với phương pháp thay đổi điện áp chiều để điều chỉnh tốc độ động chiều phương pháp điều chỉnh biến trở, máy phát chiều, biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, chỉnh lưu có điều khiển phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể: điều chỉnh tốc độ đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm lượng, kinh tế hiệu cao, đồng thời đảm bảo trạng thái hãm tái sinh động Cùng với phát triển ứng dụng ngày rộng rãi linh kiện bán dẫn công suất lớn tạo nên mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ, độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ Điện áp trung bình đầu điều khiển theo mức mong muốn điện áp đầu vào số (acquy, pin) biến thiên (đầu chỉnh lưu), tải thay đổi 2.1.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp Điện áp trung bình đầu điều khiển theo mức mong muốn điện áp đầu vào số (acquy, pin) biến thiên (đầu chỉnh lưu), tải thay đổi 2.1.2 Phương pháp điều chỉnh điện áp a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung Nội dung phương pháp thay đổi t1, giữ nguyên T suy giá trị trung bình điện áp thay đổi độ rộng là: (2.1) Trong đặt: hệ số lấp đầy, gọi tỉ số chu kỳ Như theo phương pháp dải điều chỉnh Ura rộng (0[...]... trị điện áp , dòng điện trong mạch động lực để đưa về mạch điều khi n , sau đó mạch điều khi n sẽ cho các tín hiệu điều khi n đến bộ điều khi n để điều khi n quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong mạch lực 3.1.3 Khởi động chương trình PSIM Khi khởi động chương trình PSIM thì Psim schematic sẽ khởi động đầu tiên , vào file New chương trình sẽ suất hiện như sau : 16 3.2.Mạch công suất nạp Acquy 3.2.1... mạch đang nạp và cảnh báo sự cố 26 Hình 6.32 Mặt trên mạch điều khi n Hệ thống mạch in được thiết kế làm 2 bảng mạch Một bảng mạch gồm phần mạch đệm, xử lý tín hiệu đo và nguồn điều khi n, mạch còn lại là mạch lực và mạch driver Hình 6.33 Mặt dưới mạch điều khi n 27 3.3.5 Cấu trúc điều khi n HÌnh 6.36 Cấu trúc mạch nạp acquy Hình 6.37 Kết nối giữa vi điều khi n và các mạch phụ trợ Hệ thống điều khi n sử... hàm truyền đạt rời rạc của bộ điều khi n: b Bộ điều khi n điên áp Bộ điều khi n điện áp tổng hợp được từ tài liệu [8] Chọn tần số trích mẫu mạch vòng điện áp bằng 1/10 tần số trích mẫu của mạch vòng dòng điện, nghĩa là 4kHz Thay phép rời rạc hóa vào hàm truyền đạt của bộ điều khi n điện áp, thu được hàm truyền đạt rời rạc của bộ điều khi n: 30 3.3.7 Lưu đồ chương trình điều khi n 31 Hình 3.14 Lưu đồ... 3.3.6 Lập trình bộ điều khi n số Bộ điều khi n dòng điện Bộ điều khi n dòng điện tổng hợp được theo tài liệu [8] trong đó, fx là hệ số điều tần, ei là sai lệch dòng điện Sử dụng phép rời rạc hóa ZOH: 29 trong đó, z là toán tử rời rạc, Ts là thời gian trích mẫu; do việc trích mẫu thực hiện bằng Timer có tần số 50kHz, Ts = 20 Thay phép rời rạc hóa vào hàm truyền đạt của bộ điều khi n dòng điện, thu được... /W E M C LR 10K R 14 Hình6.31 Mạch vi điều khi n chính Mạch điều khi n sử dụng vi điều khi n DSPIC30F4011 Tần số hoạt động 7,33x8 Mhz Trên mạch tích hợp nút bấm Hiển thị để điều khi n quá trình hiển thị các tham số dòng và áp nạp Nút ấn start/stop để bắt đầu/dừng quá trình nạp Màn hình lcd 16x2 được tích hợp để hiển thị các thông số nạp bao gồm : dòng nạp, điện áp acquy, trạng thái hệ thống Led1, Led2,... chuyển mạch S sẽ luân phiên dẫn dòng trong bộ giảm áp Việc điều khi n đóng mở chuyển mạch S được thực hiện bởi bộ điều chếđộ rộng xung (PWM) với tần số đóng cắt là , D là chu kỳ nhiệm vụ được xác định là: Với tON là thời gian van S dẫn và tOFF là thời gian van S ngắt Do điện áp cực gate của van không được so sánh với đất nên trong điều khi n van cần chú ý tới nguồn điều khi n Với các ứng dụng thông thường... đo dòng điện Thuyết minh hoạt động Dòng điện qua cảm biến hall được biến đổi thành điện áp trong khoảng 05V tương ứng với dòng điện trong khoảng-20A đến 20A Điện áp này đã tương thích với đầu vào của bộ biến đổi ADC trong vi điều khi n IC U3A, U3B làm nhiệm vụ so sánh dòng tải với giá trị đặt Tín hiệu đầu ra của U21, U22 sẽ được đưa tới khâu ADC của vi điều khi n, đồng thời đưa tới U2A, U2B so sánh dòng. .. mở tốt So với cách ly bằng biến áp xung, điện áp điều khi n không có đoạn quá độ Hình 6.49 là kết quả đo dòng và áp khi đang nạp ắc quy ở chế độ ổn dòng 33 Hình 6.48 UGS khi điều khi n bằng driver cách ly quang Hình 6.49 Đồ thị dòng và áp trên ắc quy khi nạp với điện áp 310V, dòng 9,8A(50mV/A) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] http://www.epa.gov/reg5oair/mobile/auto_emis.html http://www.avere.org/www/staticAdminMgr.php?... dải từ 5% tới 95% toàn chu kỳ Chu kỳ nhiệm vụ D được điều chỉnh bởi mạch điều khi n Dòng điện chạy trong cuộn cảm L bao gồm một thành phần dòng xoay chiều Thành phần này là độc lập với dòng điện tải IO Với dòng ra IO một chiều chạy trong cuộn cảm L thì lõi ferrit của cuộn cảm chỉ hoạt động ở một nửa của đường từ trễ Do vậy, cuộn cảm L nên được thiết kế để lõi không bị bão hòa Để lõi tránh bão hòa, lõi... 3.3.8 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM Kết quả thực nghiệm Thực nghiệm driver dùng cách ly quang Hình 6.48 thể hiện tín hiệu điều khi n đóng mở van MOSFET bằng ic cách ly quang A3120 trong quá trình nạp aquy, Tín hiệu gửi tới 2 ic driver A3120 lệch pha 180o Tín hiệu điều khi n mở van kênh A bị nhiễu tác động nhiều hơn kênh B nhưng vẫn đảm bảo các van đóng mở tốt So với cách ly bằng biến áp xung, điện áp điều khi n ... hoạt động phóng nạp acquy axit - Xây dựng quy trình nạp acquy - Thiết kế mạch công suất nạp acquy 5.Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 5.1 Ý nghĩa khoa học - Mạch tự động điều khi n trình nạp acquy. .. mạch động lực để đưa mạch điều khi n , sau mạch điều khi n cho tín hiệu điều khi n đến điều khi n để điều khi n trình đóng cắt van bán dẫn mạch lực 3.1.3 Khởi động chương trình PSIM Khi khởi động. .. Moving Average với độ rộng buffer 3.3.6 Lập trình điều khi n số Bộ điều khi n dòng điện Bộ điều khi n dòng điện tổng hợp theo tài liệu [8] đó, fx hệ số điều tần, ei sai lệch dòng điện Sử dụng