a). Yêu cầu đối với mạch BMS
Với yêu cầu về quá trình nạp – xả pin Li-ion đã trình bày ở các phần trước, mỗi bộ pin Li-ion cần có một mạch quản lý các chế độ làm việc của pin (BMS – Batery Management System) với các yêu cầu sau:
- Điều khiển việc nạp pin theo đúng chu trình dòng – áp, ngắt nạp đúng điện áp; - Bảo vệ quá dòng, quá áp, thấp áp;
- Bảo vệ quá nhiệt;
- Duy trì SOC ở mức >20%;
- Cân bằng dung lượng các cell [38];
b). Thiết kế mạch BMS
Các nghiên cứu trước đã chỉ ra mạch BMS sử dụng cho 01 cell Li-ion 4.2V- 2.2Ah sử dụng IC TP4056 [52] với sơ đồ sau:
Hình 3.6: Nguyên lý mạch BMS TP4056
Tuy nhiên với bộ pin 48V-33Ah gồm 180 cell ghép nối với nhau thì việc chế tạo và lắp đặt 180 mạch BMS cho mỗi cell rất phức tạp, tốn rất nhiều thời gian và chi phí, làm tăng đáng kể thể tích và khối lượng của bộ nguồn mà không thể cân bằng cho các cell, làm cho dung lượng và tuổi thọ bộ pin giảm nhanh chóng trong quá trình sử dụng.
65
Trong nghiên cứu này, xuất phát từ yêu cầu và tính năng phải đạt được của bộ nguồn, tác giả đề xuất thiết kế chế tạo một mạch BMS 48V-33Ah cho cả bộ nguồn gồm các khối:
- Khối điều khiển cân bằng cell và gom kênh tín hiệu analog điện áp; - Khối ổn áp và cung cấp nguồn
- Khối điều khiển trung tâm; - Khối giao tiếp.
- Khối bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt khi nạp – xả;
Hình 3.7: Sơ đồ khối mạch BMS (Chi tiết bản vẽ thiết kế xem Phụ lục 1).
Khối cân bằng cell: sử dụng 2 IC điều khiển cân bằng cell LTC3300 của Linear Technology. Mỗi IC nhận tín hiệu và điều khiển 6 nút nối tiếp. 12 bộ cảm biến điện áp cell và 12 bộ chấp hành để nhận tín hiệu và điều khiển cần bằng cell. (Hình 3.8, 3.9, 3.10).
66
Hình 3.8: Sơ đồ mạch điện khối điều khiển cân bằng cell
67
Hình 3.10: Cụm thu thập tín hiệu điện áp của cell thứ 3
Khối vi điều khiển trung tâm: Một MCU dùng để điều khiển chu trình nạp xả, ghi đọc nhật ký phóng nạp và giao tiếp với thiết bị ngoại vi… Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng MCU PIC18F47J53.
Hình 3.11: Khối MCU, ổn áp nguồn và giao tiếp USB
Khối cung cấp và ổn áp nguồn: Nguồn 3.3V được cung cấp bằng IC ổn áp LT1761ES5-3.3.
Khối giao tiếp: Mạch BMS giao tiếp ngoại vi bằng giao thức USB thông qua IC chuyển đổi LTM2884CY.
68
Khối điều khiển và bảo vệ nạp – xả: Để theo dõi, giám sát điện áp và dòng điện nạp – xả của các cell, tác giả sử dụng cặp IC LTC 6804 và LTC 6802
Hình 3.12: Khối giám sát và thu thập dữ liệu cell
Cụm thu thập và gom kênh tín hiệu analog nhiệt độ gồm 2 IC LTC1380IGN, mỗi IC nhận tín hiệu từ 6 cảm biến nhiệt.
Hình 3.13: Khối thu thập và xử lý dữ liệu nhiệt độ
Khối khuếch đại công suất điều khiển cân bằng cell gồm 12 MOSFET RQJ3003PGDQALT có điện áp hoạt động 30V, dòng điện 3A, kết hợp với bộ lọc thông thấp kiểu RC để lọc tín hiệu điện áp của cell.
Ngoài ra, để đảm bảo các tính năng hoạt động và tính năng an toàn, mạch BMS được bố trí các linh kiện phụ trợ khác như: cảm biến đo dòng, cầu chì tự phục hồi, các bộ lọc nguồn…
c). Chế tạo và thử nghiệm mạch BMS
69
Hình 3.14: Sơ đồ bố trí linh kiện mạch BMS
Hình 3.15: Sơ đồ đi dây mặt trên mạch BMS
Hình 3.16: Sơ đồ đi dây mặt dưới mạch BMS
Đặt hàng gia công board mạch và gia công SMT để hàn các linh kiện lên board, lắp tản nhiệt và các giắc cắm, board mạch có dạng sau:
70
Hình 3.17: Board mạch sau khi gia công
Đấu nối mạch BMS và bộ pin và hàn mạch và các giắc đấu nối nguồn điện, giắc giao tiếp và đèn báo mức dung lượng pin. Sau đó bao gói bộ pin bằng giấy cách điện.
Hình 3.18: Bộ pin sau khi đóng gói và vỏ hộp
Chọn hộp nhựa đựng dụng cụ xách tay có kích thước vừa với bộ pin và gia công lại vỏ hộp. Vì bộ pin và mạch BMS cần tản nhiệt nên nắp hộp được gia công bằng nhôm tấm có độ dày 3mm, khoan các lỗ bắt vít, lỗ bắt tay xách và phay lỗ bắt giắc cắm nguồn. Sau đó lắp bộ pin vào vỏ hộp. Bộ pin hoàn chỉnh có khối lượng 10,84kg và kích thước 308 x 183 x 144 mm (Dài x Rộng x Cao), thể tích 8,11 lit bao gồm cả vỏ hộp.
71
Hình 3.19: Bộ pin hoàn chỉnh và lắp lên xe