NGHIÊN cứu, THIẾT kế hệ THỐNG KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG CHO XE máy điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG CHO XE MÁY ĐIỆN SVTH: GIÁP THANH LƯƠNG MSSV: 15145286 SVTH: LÊ VĂN MINH MSSV: 15145291 GVHD: TS LÊ THANH PHÚC Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019 LỜI CẢM ƠN Được phân công thầy khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Tp Hồ Chí Minh, sau ba tháng thực đề tài nhóm hồn thành Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm sốt lượng cho xe máy điện” Để hồn thành nhiệm vụ giao, nỗ lực học hỏi thân cịn có hướng dẫn tận tình thầy cơ, bạn bè Chúng tơi chân thành cảm ơn Thầy – TS Lê Thanh Phúc, người hướng dẫn cho suốt thời gian thực tập Mặc dù Thầy bận không ngần ngại dành thời gian để dẫn chúng tôi, định hướng cho chúng tơi, để chúng tơi hồn thành tốt nhiệm vụ Một lần nhóm thực chân thành cảm ơn Thầy chúc Thầy dồi sức khoẻ Xin cảm ơn tất bạn bè, thư viện, internet hỗ trợ suốt thời gian qua Tất người nhiệt tình giúp đỡ, đặc biệt bạn bè Tuy nhiên kiến thức chun mơn cịn hạn chế thân thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung báo cáo khơng tránh khỏi thiếu sót, chúng tơi mong nhận góp ý, bảo thêm quý Thầy Cô Một lần xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô, bạn bè người thân bên cạnh, đồng hành suốt trình thực đề tài TP.HCM, tháng 07 năm 2019 TÓM TẮT Khi sử dụng pin lithium-ion, đặc biệt cho xe điện pin cần phải có hệ thống để giám sát thông số điện áp, dòng điện, nhiệt độ, dung lượng,… để đảm bảo vấn đề hiệu suất an toàn loại pin Sau ba tháng thực đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát lượng cho xe điện”, nhóm nghiên cứu thiết kế hệ thống bao gồm mạch dùng để giám sát điện áp pin lithium-ion 60 cell mắc nối tiếp với điện áp cao xấp xỉ 220V dung lượng 3200mAh, đảm bảo pin không xảy vấn đề nạp xả, hệ thống điều chỉnh dòng điện cho pin nhiên dịng điện chưa ổn định Nhóm thiết kế hộp nhôm dùng để chứa 60 cell pin, đảm bảo pin chứa hộp an tồn, khơng bị ảnh hưởng xe rung lắc Bên cạnh đó, đề tài nhiều vấn đề cần khắc phục cải thiện tương lai vấn đề cân cell, kiểm sốt dịng điện ổn định trình sạc xả pin ABSTRACT When using lithium-ion batteries, especially for electric vehicles, the battery needs a system to monitor parameters such as voltage, current, temperature, capacity, etc… to ensure performance issues and safety of this battery After more than three months of implementing the project "Research and design the battery management system for the electric motorbike", the group has studied and designed the system including circuit used to monitor the voltage of the lithium-ion battery pack 60 The cell connected in series with high voltage is approximately 220V and 3200mAh capacity, ensuring that the battery does not have overcharge and over discharge problems, the system has also adjusted the current for the battery but the current is not stable determined The group also designed the aluminum box to hold 60 cell batteries, making sure the battery is contained in a safe box, unaffected when the car vibrates In addition, the topic also points out many issues that need to be overcome and improved in the future such as cell balance, control of current flow in battery charging and discharging processes MỤC LỤ LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii ABSTRACT iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC HÌNH .ix DANH MỤC CÁC BẢNG xii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Lí chọn đề tài 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Các kết nghiên cứu .2 1.6 Ý nghĩa khoa học tính thực tiễn đề tài .3 1.7 Kết dự kiến đạt 1.8 Bố cục đề tài CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .5 2.1 Pin Lithium-Ion 2.1.1 Giới thiệu chung 2.1.2 Lịch sử phát triển pin lithium-ion 2.1.3 Nguyên tắc hoạt động 2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion 2.1.5 Ưu nhược điểm pin lithium-ion .10 2.1.6 Cơ chế sạc xả 11 2.1.7 Vấn đề Over-charging (quá nạp) Pin Lithium-ion .14 2.1.8 Vấn đề cân cell (cell balancing) 15 2.1.9 Sự ảnh hưởng nhiệt độ đến trình sạc pin Lithium ion 16 2.1.10 Các yêu cầu sử dụng pin Li-ion 17 2.2 Giới thiệu vi điều khiển Atmega 328P 17 2.2.1 Thông số kĩ thuật .17 2.2.2 Cấu trúc chung vi điều khiển Atmega 328P 19 2.2.3 Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Timer/Counter0 VĐK Atmega 328P .21 2.2.4 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC – Analog to Digital Converter) Atmega 328P 24 2.3 Một số linh kiện bán dẫn khác 26 2.3.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 26 2.3.2 Photocoupler (Opto quang) 28 2.3.3 Điện trở 29 2.4 Diode mạch chỉnh lưu 31 2.4.1 Các loại diode 31 2.4.2 Mạch chỉnh lưu 32 CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG .33 3.1 Sơ đồ hệ thống mạch sạc Pin Lithium-ion ( 60 Cells) .33 3.2 Tính tốn thiết kế mạch nạp 33 3.3 Tính tốn thiết kế mạch nguồn ni vi điều khiển 35 3.4 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển 38 3.5 Sơ đồ toàn mạch .44 3.6 Tính tốn, thiết kế pin 60 cells Lithium-ion 46 3.6.1 Thiết kế gia công giá cố định pin 46 3.6.2 Thiết kế gia công hộp đựng pin .49 3.6.3 Bố trí gắn hộp pin lên xe 55 3.6.4 Ưu, nhược điểm hướng cải tiến .55 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 57 4.1 Thực nghiệm cho cell pin lithum-ion mắc nối tiếp 57 4.2 Thực nghiệm cho 60 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 5.1 Kết luận 59 5.2 Hạn chế đề tài 59 5.3 Kiến nghị 59 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ADC: Analog to Digital Converter BMS: Battery Management System CC: Constant Current CNC: Computer Numerical Control CTC: Clear Timer on Time Compare Match CV: Current Voltage EV: Electric Vehicle GND: Ground IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor LCO: Lithium coban oxit LFP: Lithium sắt phosphate LiFePO4 LIB: Pin Li-ion hay pin lithium-ion LMO: Lithium mangan oxit LiMn2O4, Li2MnO3 LTO: Liti titanat Li4Ti5O12 NCA: Liti niken coban nhôm oxit LiNiCoAlO2 NMC: Lithium niken mangan coban oxit LiNiMnCoO2 POE: Poly oxyethylene PWM: Pulse Width Modulation SOC: State of Charge VAC: Volts Alternating Current VDC: Volts Direct Current VĐK: Vi điều khiển Các đơn vị dùng nghiên cứu Bảng đơn vị hệ đo lường quốc tế SI Đại lượng Đơn vị Tên đầy đủ Chiều dài mm Mili-mét Khối lượng kg Kilogram Thời gian s,h Giây, Cường độ dòng điện A Ampe Điện áp V Volt Nhiệt độ C Celsius Áp suất PSI Pound per square inch Tần số MHz Mega hertz Điện dung µF Micro Fara DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Q trình xả sạc pin li-ion Hình 2.2 Đặc tính sạc, xả pin lithium-ion 12 Hình 2.3 Atmega 328P 18 Hình 2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega 328P 19 Hình 2.5 Các chân Atmega 328P 20 Hình 2.6 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 21 Hình 2.7 Sơ đồ khối timer/counter0 Atmega 328P .22 Hình 2.8 Chế độ Fast PWM 24 Hình 2.9 Cấu tạo IGBT kênh N 27 Hình 2.10 Ngun lí hoạt động Opto quang 29 Hình 2.11 Cấu tạo diode bán dẫn 31 Hình 2.12 Cấu tạo diode zenner 31 Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng 32 Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu tồn sóng 32 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống .33 Hình 3.2 Cầu diode KBL610 .34 Hình 3.3 Đặc tính cầu diode KBL610 34 Hình 3.4 Mạch cầu chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều sang chiều .35 Hình 3.5 IC LM7805 36 Hình 3.6 Tụ hóa 25V-1000uF 36 Hình 3.7 Tụ gốm 104 37 Hình 3.8 Thạch anh SMD 16Mhz .37 Hình 3.9 Tụ gốm 22pF 37 Hình 3.10 Mạch nguồn sử dụng để ni VĐK 37 Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán mạch điều khiển .39 Hình 3.30 Bản vẽ kích thước vách lớn phay rãnh CNC(mm) Hình 3.31 Đế (số lượng 1) Hình 3.32 Bản vẽ kích thước đế(mm) 51 Hình 3.33 Tai hộp (số lượng 2) Hình 3.34 Bản vẽ kích thước tai hộp (mm) Hình 3.35 Nắp hộp (số lượng 1) 52 Hình 3.36 Bản vẽ kích thước nắp hộp(mm) Nắp có thiết kế lỗ 10mm để làm đầu âm, dương đầu cực acquy Hình 3.37 Hộp pin dự kiến để gia cơng CNC 53 Hình 3.38 Bản vẽ kích thước hộp nhơm Hình 3.39 Hộp pin sau thiết kế xong Khối lượng hộp pin chứa pin 5.5 kg Trong khối lượng hộp nhơm 2.5kg 54 3.6.3 Bố trí gắn hộp pin lên xe Phương án Bố trí miếng sắt taro lỗ 10mm hàn lên khung sườn xe sau cố định hộp pin bulong 10mm qua chân hộp nhôm gắn vào miếng sắt taro Chuẩn bị, tiến hành - Cắt miếng nhơm kích thước 50x50x10mm - Cắt miếng sắt kích thước 50x50x10mm - Khoan lỗ tròn tâm tất d = 8,5 mm taro 10 mm - Hàn miếng sắt vào khung xe - Hàn miếng nhôm vào đáy hộp - Lắp hộp pin vào cho lỗ bên đồng tâm siết bulong cho chặt để cố định hộp pin xe Hình 3.40 Vị trí hộp pin gắn xe 3.6.4 Ưu, nhược điểm hướng cải tiến Ưu điểm  Chất liệu hộp từ nhôm tản nhiệt tốt  Nhẹ sắt, cứng bền nhựa mica 55  Có tính thẩm mỹ  Tính an tồn cao Nhược điểm  Chi phí gia cơng hộp cịn cao  Hộp pin chưa chống nước được, chưa thể chạy trời mưa  Giá đỡ pin phải dán để ghép lại chưa chắn Hướng cải tiến  Giảm chi phí gia cơng: Mua nhơm, tự cắt cho kích thước Chỉ gia công phay rãnh trượt giá pin máy NC  Nghiên cứu phương án phay mica thay dán ghép giá đỡ pin chưa chắn  Thiết kế để bỏ mạch sạc vào hộp 56 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 4.1 Thực nghiệm cho cell pin lithum-ion mắc nối tiếp Sử dụng mạch nạp 18V có sẵn mạch điều khiển theo hình 3.16 (thay điện trở 100k-2W thành điện trở 1k, điện trở 590k thành điện trở 30k, sử dụng giá trị PWM khác) thu kết sau: Bảng 4.1 Kết sạc cells pin lithium-ion nối tiếp từ 12V, ngắt sạc đạt 16V STT Cường độ dòng điện I (A) xấp xỉ 1.8-0.8 1.8-0.8 1.8-0.8 1.5-0.8 1.5-0.8 Thời gian t (h) Ghi 2.8 2.8 2.8 4.0 3.9 *1.8-0.8: Dòng điện thay đổi từ 1.8A0.8A Nhận xét: Mạch điều khiển điều chỉnh dòng điện cho pin cell Điều chỉnh dòng sạc ban đầu 1.8A nhằm giảm thời gian sạc cho pin Khi điện áp pin tăng lên, dịng điện qua pin giảm, dòng điện qua pin biến thiên lớn, ảnh hưởng đến thời gian sạc pin Khi cho dịng ban đầu 1.5A thời gian sạc pin tăng lên, dòng điện ổn định Khi điện áp pin đạt xấp xỉ 16V (mỗi cell xấp xỉ 4V) VĐK bắt đầu ngắt sạc, trình ngắt khơng diễn điện áp trung bình cell thay đổi lên xuống dịng sạc điều chỉnh xung PWM, ADC VĐK nhận giá trị điện áp thay đổi liên tục nên trình ngắt diễn chậm (sau khoảng 20 phút ngắt hẳn) Tuy nhiên mạch đảm bảo cho pin không xảy vấn đề overcharging Bảng 4.2 Kết xả cells pin lithium-ion nối tiếp từ 16V, ngắt xả 12V STT Cường độ dòng xả Thời gian t (h) Iload (A) xấp xỉ 1.25 1.2 1.2 1.2 1.15 Ghi 57 Nhận xét: Thực nghiệm xả cells pin với dịng xả khoảng 2A để tính công suất dung lượng thực tế pin Trên lý thuyết, pin lithium-ion 18650 3200mAh cung cấp cho tải 3.2A (điện áp pin từ 16.8V-10V) vòng 1h Với kết thực nghiệm ta có kết pin lithium xả dòng 2.5A vòng 1h (từ 16V-12V) Qua cho thấy dung lượng thực pin lithium xấp xỉ dung lượng mà nhà sản xuất đưa Việc tính cơng suất dung lượng xác pin khó ta cần trạng thái đầy đủ cell pin 4.2 Thực nghiệm cho 60 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp Bảng 4.3 Kết sạc 60 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 210V, ngắt đạt 220V STT Cường độ dòng điện I (A) xấp xỉ 0.4 0.4 0.5 0.5 0.5 Thời gian t (h) Ghi 1 0.8 0.8 0.8 *Cho dòng 0.4A 0.5A nhằm giảm thiểu nguy cân cell pin Nhận xét: Tương tự cells, q trình ngắt cho 60 cells khơng ngắt (khoảng 20 phút ngắt hẳn) Nhóm thực nghiệm với dòng sạc 0.5A điều khiển ngắt sạc điện áp pin đạt 220V hệ thống chưa kiểm sốt vấn đề cân cell, sạc lên cao gây nguy cân cell lớn Với số liệu ta ước lượng rằng, giả sử dịng điện ổn định 1A thời gian sạc từ 180V lên 240V khoảng 3h 58 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận  Hệ thống kiểm soát điện áp pin ngăn chặn tình trạng nạp xả, qua giúp pin có tuổi thọ lâu đảm bảo an toàn cho người sử dụng  Việc nghiên cứu hệ thống quản lý lượng cho xe điện sử dụng pin lithium-ion bước đầu cho thấy kết khả quan, hết nhóm thực nghiên cứu, khắc phục phát triển hệ thống tương lai 5.2 Hạn chế đề tài Quá trình điều tiết sạc/xả tế bào pin Li-ion hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào pin lắp nối tiếp với mức điện cao tương đối khác biệt thế:  Việc đảm bảo cân cell pin chưa giải  Chưa điều chỉnh dòng sạc ổn định  Chưa kiểm soát dung lượng pin 5.3 Kiến nghị  Việc nghiên cứu thực nghiệm với nguồn điện áp cao (220V) nguy hiểm nên cần phải cẩn trọng, dù có sai sót nhỏ gây ảnh hưởng lớn đến an toàn cản trở việc thực nghiệm  Trong trình thực nghiệm hay xảy cháy nổ gây ảnh hưởng lớn đến thời gian hoàn thành đồ án  Đề tài nhiều vấn đề cần khắc phục cải thiện như: Cân cell, vấn đề nhiệt độ, dòng sạc chưa ổn định,… nên cần nhiều thời gian để nghiên cứu tính tốn 59 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Duy Tấn: Nghiên cứu tối ưu tính làm việc Pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ, tập 20, số K6-2017 [2] M.Brandl, G.Hall , Battery Management System For Electric Vehicle, 2016 [3] Research Article “A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on Android Client”, https://www.hindawi.com/journals/je/2017/2579084/ [4] Bách Khoa toàn thư mở, “Pin Lithium-ion”, https://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_Liion [5] C.Wood, Lithium-ionbatteries, https://www.explainthatstuff.com/how-lithium-ionbatteries-work.html [6] Atmel, ATmega328P, Datasheet, 2015 [7] “Điều chế PWM gì”, http://viettech.edu.vn/news/dieu-che-pwm-la-gi/ [8] “Why is IGBT a voltage control device”, https://www.quora.com/Why-is-IGBT-avoltage-control-device [9] Trần Thu Hà (Chủ biên), Điện tử bản, NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh [10] Bách Khoa tồn thư mở, “Photocouple”, https://en.wikipedia.org/wiki/Opto isolator [11] “Tìm hiểu Diode bán dẫn gì”, http://dammedientu.vn/tim-hieu-diode-ban-danla-gi/ [12] “Diode gì, Tìm hiểu chức Diode”, https://testostore.vn/diot-vamach-chinh-luu-la-gi-nguyen-tac-cau-tao/ 60 Phụ Lục Chương trình C cho hệ thống: /******************************************************* Project : Batterry Management System Version : 1.0 Date : 9/7/2019 Author : Company : Comments: Chip type : ATmega328P Program type : Application AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz Memory model : Small External RAM size :0 Data Stack size : 512 *******************************************************/ #include #include float giatriADC; // Declare your global variables here // Timer output compare A interrupt service routine interrupt [TIM0_COMPA] void timer0_compa_isr(void) { if (giatriADC >= 815) { 61 OCR0A = 0; PORTC.5 = 1; } else if (giatriADC