Thiết kế bộ nguồn công suất lớn cho động cơ một chiều của ngư lôi sử dụng pin lithium-ion

Bài viết thiết kế bộ nguồn công suất lớn cho động cơ một chiều của ngư lôi sử dụng pin lithium-ion đề xuất phương án tạo ra bộ nguồn có điện áp cao, dòng xả lớn bằng cách kết nối các tế bào pin loại NMC có điện áp danh định là 3.7V và dung lượng 30Ah.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 75 (03/2021) No 75 (03/2021) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: http://sj.sgu.edu.vn/ THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CÔNG SUẤT LỚN CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CỦA NGƯ LÔI SỬ DỤNG PIN LITHIUM-ION The design on a high power battery pack for a torpedo dc motor using lithium-ion cells TS Nguyễn Huy Hùng(1), ThS Tống Nhật Phương(2) Trường Đại học Sài Gòn Trường Đại học Bách khoa TP.HCM (1) (2) TÓM TẮT Bài báo thiết kế nguồn công suất lớn cho động chiều ngư lôi sử dụng pin lithium-ion đề xuất phương án tạo nguồn có điện áp cao, dòng xả lớn cách kết nối tế bào pin loại NMC có điện áp danh định 3.7V dung lượng 30Ah Các tế bào pin giám sát giám sát pin (BMS: Battery Management System) để đảm bảo an toàn tế bào pin nâng cao tuổi thọ nguồn Việc kết nối tế bào pin thực kết cấu khí cứng vững, dạng module có khả chống va đập Các thơng số yêu cầu khối nguồn kiểm tra thực nghiệm đảm bảo tính khả thi phương án đề xuất Từ khóa: hệ thống giám sát pin, nguồn công suất cao, pin lithium-ion, pin lithium NMC, pin lithium phốt phát sắt (LiFePO4) ABSTRACT In this paper, an approach is proposed for the design on a high power battery pack for a torpedo DC motor using Lithium-ion cells The battery pack is done by using serial NMC cells with nominal voltage 3.7V and capacity 30Ah A battery management system (BMS) is required to monitor each cell of the battery pack within the appropriate operating range, which guarantees a safe operation and a longer life of the battery pack The cells are linked together by mechanical parts to protect an impact The proposed approach verifies its validity by the experimental battery pack parameters Keywords: battery management system, high power battery pack, lithium-ion cell, lithium nikel manganese cobalt oxide cell (NMC), lithium iron phosphate cell cung cấp cho động điện để đẩy ngư lôi hướng đến mục tiêu Trước hệ nguồn cho ngư lôi Nga viện trợ sử dụng ắc-quy sau vài năm phải thay gây lãng phí, tốn Mặt khác nhược điểm ắc quy sử dụng 60% lượng tích trữ nên để đạt dung lượng mong muốn Giới thiệu Trong năm gần nhằm đại hóa vũ khí cho lực lượng Hải quân Các trung tâm, viện nghiên cứu Hải quân cho đời nhiều sản phẩm nghiên cứu khoa học thiết kế chế tạo hệ động lực cho ngư lôi set-40 hay set-50 Trong phần quan trọng hệ động lực nguồn Email: nghhung@sgu.edu.vn 12 NGUYỄN HUY HÙNG - TỐNG NHẬT PHƯƠNG TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN kích thước lượng ắc quy lớn Hệ thống nguồn cung cấp chiều công suất lớn có hiệu suất cao sử dụng sử dụng tế bào pin lithium-ion ứng dụng nhiều lĩnh vực xe điện [1-4] Pin lithium-ion có mật độ cơng suất cao đơn vị trọng lượng, có hiệu suất nạp, xả cao tuổi thọ dài so với ắc quy [5] Tuy nhiên loại pin đòi hỏi khắt khe điện áp Nếu điện áp sạc cho pin vượt điện áp cực đại cho phép xả vượt điện áp cực tiểu gây hư hỏng pin Để kéo dài tuổi thọ pin cần phải có hệ thống quản lý việc nạp xả pin gọi BMS (Battery Management System) để giám sát tế bào pin nhằm đảm bảo ln vùng điện áp hoạt động an toàn [6], [7] Để tạo điện áp mong muốn tế bào pin mắc nối tiếp với Do mắc nối tiếp nên xả sạc điện tế bào pin có điện áp phải nằm phạm vi an tồn Nếu có tế bào pin nằm ngồi vùng an tồn BMS ngắt dòng xả dòng nạp Trong ứng dụng cơng suất cao ngồi việc mắc nối tiếp để đạt điện áp mong muốn việc mắc song song tế bào pin mắc song song nhiều nhánh nối tiếp để tạo nguồn có dung lượng lớn Tuy nhiên dòng xả lớn nên vấn đề nhiệt cần phải quan tâm xử lý báo đề xuất phương án tạo khối pin có điện áp 90V±10V với dịng phóng liên tục lên đến 560A thời gian phút 30 giây đồng thời phải đảm bảo khối lượng không 105Kg, nhiệt độ không 70 độ Các kết đo thực nghiệm chứng minh hợp lý phương án đề xuất Đặt vấn đề Trong ngư lôi SET-40U cần có nguồn DC cung cấp cho động điện DC với công suất 38Kw để đẩy ngư lôi tiến đến mục tiêu với yêu cầu tiêu kỹ thuật sau: - Điện áp: 90V±10V; - Dòng phóng liên tục: 560A±10A; - Thời gian phóng phút 30 giây; - Kích thước pin: dài 1075±5 mm; rộng: 340±2mm; cao 300±2mm; - Trọng lượng nguồn:  105Kg; - Có cấu hiệu chỉnh trọng tâm theo phương ngang dọc; - Nhiệt độ làm việc  700C; - Tuổi thọ: năm; - Hệ thống BMS giám sát tế bào pin Thiết kế khối nguồn công suất cao 2.1 Lựa chọn tế bào pin Hiện có hai dịng pin lithium phổ biến loại Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2) - NMC Loại FiFePO4 có điện áp danh định tế bào 3.2V, loại NMC có điện áp danh định 3.7V Cả hai loại có nhiều dung lượng khác tương ứng với tế bào có trọng lượng dung lượng Giả sử loại dung lượng 30Ah trong lượng hai loại tế bào pin LiFePO4 NMC Vì việc chọn lựa loại tế bào NMC cho số lượng tế bào loại LiFeO4 trọng lượng tiêu cần xem xét nên loại tế bào NMC ưu tiên chọn với thông số Bảng đây: 13 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 75 (03/2021) Bảng Thông số pin lithium loại NMC Thông số Giá trị Dung lượng 30Ah Điện áp hoạt động 2.75V–4.2V Kích thước Dày: 6.05±0.15mm, rộng 161±0.5mm, cao: 230.5±0.5mm Số lần nạp xả > 2000 lần Dòng xả liên tục lớn 174A Dòng xả lớn dạng xung 232A Trọng lượng 505 15g Theo sơ đồ hình tế bào nối tiếp dòng xả nhánh hay tế bào 112A nhỏ giá trị cho phép tế bào NMC 174A Ngồi chọn sơ đồ khác hình 2.2 Sơ đồ kết nối điện Để đạt yêu cầu điện áp 90V±10V sử dụng tế bào pin loại NMC có thơng số Bảng cần phải mắc nối tiếp 24 tế bào pin vùng điện áp hoạt động 66V đến 100.8V bao trọn vẹn vùng điện áp yêu cầu 80 đến 100V Theo yêu cầu dòng phóng liên tục 560A phút 30 giây nguồn cần có dung lượng > 80Ah Tuy nhiên theo datasheet pin NMC cung cấp từ nhà sản xuất A123 phạm vi từ 2.75V đến 3.3V dung lượng trữ tế bào gần 8Ah nhánh với 24 tế bào mắc nối tiếp cho dung lượng 22Ah vùng điện áp từ 80V đến 100V Như cần tối thiếu nhánh với 24 tế bào nối tiếp mắc song song để đạt dung lượng theo yêu cầu Nhưng để đạt hệ số an tồn số nhánh chọn phương án đề nghị nhánh với sơ đồ Hình đây: Hình Sơ đồ nối dây tế bào theo phương án 24 khối Trong Hình 2, tế bào nối song song thành khối nối tiếp 24 khối lại với tương đương sơ đồ Hình Giải pháp có ưu điểm cần sử dụng BMS với 24 ngõ vào để giám sát tất tế bào, nhược điểm khối có dịng 560A qua điều làm nóng dẫn dẫn phải có kích thước lớn làm chiếm chỗ không gian, gia tăng trọng lượng tổng khối nguồn Do giải pháp Hình với BMS giám sát đề xuất để thực Hình Hình Sơ đồ nối dây tế bào pin theo phương án nhánh 14 NGUYỄN HUY HÙNG - TỐNG NHẬT PHƯƠNG TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Hình Sơ đồ nối dây tế bào phương án đề xuất xem nhánh nguồn cách ly Các chân P- BMS nối với đưa đến chân âm tải chân âm nguồn sạc Cực dương nhánh nối lại với nối đến cực dương tải sạc 2.3 Thiết kế khí Khối nguồn chia thành khối nhỏ Mỗi khối 24 tế bào pin mắc nối tiếp với Các tế bào pin khối nhỏ lắp lên khung đỡ cách ly Hình 4a Hình 4b Trong Hình gồm có nhánh nhánh có 24 tế bào Trong nhánh có BMS có 24 ngõ vào nối đến 24 tế bào để giám sát điện áp tế bào Ngõ B- BMS nối đến cực âm nhánh chân P- với B- BMS MOSFET mắc song song Khi MOSFET dẫn chân P- B- xem nối tắt (thông mạch) Các MOSFET điều khiển ngắt điều khiển BMS điện áp tế bào ngõ vào thấp cao dòng vượt 120A Lúc a b Hình Một khối gồm 24 tế bào nối tiếp thiết kế solidworks 15 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 75 (03/2021) Tương tự thực cho khối khối đặt vào khung bảo vệ nối với theo sơ đồ Hình dẫn Hình Hình dạng khối pin hồn chỉnh thiết kế solidworks thể Hình Hình Các thành dẫn tạo thành điện cực thiết kế solidworks Hình Khối nguồn hồn chỉnh với nắp đậy khung bảo vệ thiết kế solidworks từ cực tế bào BMS làm số lượng dây nhiều cực nóng lên dịng lớn nên dây bị hỏng lớp nhự cách điện Để khắc phục điều board mạch thiết kế Hình áp sát vào cực thay dây dẫn Sử dụng connector để nối từ board mạch BMS Kết thực Hệ thống thực xưởng khí xác Phịng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh 3.1 Gia cơng mạch in nối dây từ tế bào đến BMS Trong q trình thi cơng việc nối dây Hình Mạch in thay dây nối từ tế bào BMS 16 NGUYỄN HUY HÙNG - TỐNG NHẬT PHƯƠNG TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN 3.2 Kết đo kiểm - Kích thước thực tế: 1075x340x300; - Trọng lượng: 96Kg; - Điện áp: max 100V, 80V; - Dòng điện xả: dao động từ 540A đến 580A sử dụng tải dung dịch muối Nên nước muối nóng lên làm tăng khả dẫn; - Thời gian xả BMS ngắt mạch: 12 phút; - Nhiệt độ đo cực dòng lên 500A phút thứ hai 550C giữ nguyên giá trị đến sau 10 phút xả; - Với dịng nạp 15A thời gian sạc đầy khoảng tiếng Khối nguồn kích thước đưa hoàn toàn vào bên ngư lơi Hình Hình Khối nguồn cơng suất cao đưa vào bên ngư lôi 560A thời gian 12 phút Kết hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu đặt thời gian xả phút 30 giây Trọng lượng khối nguồn sau thực yêu cầu 9Kg Điều chứng tỏ giải pháp đề xuất phù hợp với yêu cầu thiết kế đặt Kết luận Nghiên cứu đề xuất phương án tạo khối nguồn công suất lớn cách ghép nối tiếp 24 tế bào pin ghép song song nhánh 24 tế bào pin để đạt điện áp 90V±10V với dịng phóng liên tục lên đến Lời cảm ơn Nghiên cứu thực Phịng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống tài trợ Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh khn khổ Đề tài mã số TX2020-20b-01 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F P Tredeau, B G Kim, Z M Salameh, “Performance evaluation of lithium cobalt cells and the suitability for use in electric vehicles”, in Proc IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf VPPC, 2008, 1–5 [2] H Qian, J Zhang, J.-S Lai, W Yu, “A high-efficiency grid-tie battery energy storage system”, IEEE Trans Power Electron, 26(3), 886–896, 2011 17 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 75 (03/2021) [3] J D Dogger, B Roossien, F D J Nieuwenhout, “Characterization of Li-ion batteries for intelligent management of distributed gridconnected storage”, IEEE Trans Energy Convers, 26(1), 256–263, 2011 [4] M Zheng, B Qi, H Wu, “A Li-ion battery management system based on CAN-bus for electric vehicles”, in Proc 3rd IEEE Conf Industrial Electronics and Applications ICIEA 2008, 2008, 1180– 1184 [5] F Baronti, G Fantechi, R Roncella, R Saletti, “Design of a module switch for battery pack reconfiguration in high-power applications”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1330 – 1335, 2012 [6] Manenti, A Abba, A Merati, S M Savaresi, A Geraci, “A new BMS architecture based on cell redundancy”, IEEE Trans Ind Electron, 58(9), 4314–4322, 2011 [7] H Kim, K Shin, “DESA: Dependable, efficient, scalable architecture for management of large-scale batteries”, IEEE Trans Ind Informat, 99, 2011 Ngày nhận bài: 11/11/2020 Biên tập xong: 15/3/2021 18 Duyệt đăng: 20/3/2021 ... lượng ắc quy lớn Hệ thống nguồn cung cấp chiều cơng suất lớn có hiệu suất cao sử dụng sử dụng tế bào pin lithium-ion ứng dụng nhiều lĩnh vực xe điện [1-4] Pin lithium-ion có mật độ cơng suất cao... không 70 độ Các kết đo thực nghiệm chứng minh hợp lý phương án đề xuất Đặt vấn đề Trong ngư lơi SET-40U cần có nguồn DC cung cấp cho động điện DC với công suất 38Kw để đẩy ngư lôi tiến đến mục... khối nguồn sau thực yêu cầu 9Kg Điều chứng tỏ giải pháp đề xuất phù hợp với yêu cầu thiết kế đặt Kết luận Nghiên cứu đề xuất phương án tạo khối nguồn công suất lớn cách ghép nối tiếp 24 tế bào pin