17 Tại các bản cực xảy ra các phản ứng hoá học như sau:
Tại cực dương của vật liệu dạng lớp LCO bán phản ứng có phương trình hố học là:
LiCoO2 ↔ CoO2 + Li+ + e- (với sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)
Tại cực âm được làm từ dạng lớp graphite có bán phản ứng xảy ra:
C6 + Li+ + e- ↔ LiC6 (sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)
Phản ứng của hai quá trình sạc và xả trong pin:
C6 + LiCoO2 ↔ LiC6 + CoO2 (sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)
Trong quá trình xả, C61- (Cathode) bị oxy hoá thành C60, Co4+ bị khử thành Co3+, và ngược lại trong quá trình sạc.
Nếu pin Lithium-ion được xả quá mức thì một Lithi Coban Oxit bão hòa sẽ biến đổi thành Lithi Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:
LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO
Nếu pin LCO được sạc quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban IV Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:
18
2.2.3. Cơ chế sạc xả
Một tế bào pin Lithium-ion có q trình sạc gồm 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: sạc ổn dòng
Tại giai đoạn sạc ổn dịng, dịng điện thường được duy trì ở C/2-C (C là dung lượng pin Ah). Nếu dòng điện khi sạc càng lớn, thời gian sạc ổn dòng sẽ càng nhỏ thì thời gian sạc ổn áp sẽ kéo dài. Tuy nhiên, tùy thuộc vào dung lượng còn lại của pin mà thời gian sạc ổn dịng kéo dài khơng quá 1h và tổng thời gian sạc của 2 giai đoạn tối đa là 3 giờ. Khi suất điện động của pin lúc đầy đạt bằng điện áp sạc, bộ sạc sẽ kết thúc q trình sạc ổn dịng và sạc theo chế độ sạc ổn áp. Khi quá trình sạc ổn dịng kết thúc, dung lượng của pin được khơi phục đạt khoảng 70% [9].
Hình 2.12 Đặc tính sạc, xả của pin Lithium-ion [9]
Giai đoạn 2: sạc ổn áp
Tại giai đoạn sạc ồn áp, giữ điện áp sạc pin thường ở mức 4,2V/cell không đổi. Khi dung lượng gần được phục hồi, sức điện động của nó tăng lên làm giảm cường độ dịng điện. Khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới 3% C, kết thúc giai đoạn sạc ổn áp. Lúc này, dung lượng pin đã được hồi phục khoảng 99% [9].
19 Trong quá trình sạc nhiệt độ phải được theo dõi liên tục để nhiệt độ của pin không nên vượt quá 450C dễ gây cháy nổ hay hỏng pin. Một số pin Lithium-ion sử dụng cơng nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể chịu nhiệt độ lên đến 600C khi sạc.
Do tính chất của Lithium-ion khơng được over-charge, pin Lithium-ion không cần và khơng cho phép duy trì áp sạc sau khi dịng điện sạc giảm nhỏ hơn 3% C (pin đầy); nếu xảy ra over-charge pin sẽ nóng và có thể bị nổ. Ngồi ra, để duy trì tuổi thọ của pin, khơng nên sạc vượt quá 100% dung lượng của pin Lithium-ion.
Vì pin Lithium-ion tự phóng điện khi khơng sử dụng (self-discharge), sau khi pin được sạc đầy và ngừng sạc, điện áp của pin lúc hở mạch bắt đầu giảm về mức ổn định tại 3,6 – 3,9V/cell. Mặt khác, sau khi kết thúc sạc điện áp của pin giảm sâu hơn về mức điện áp 3,3 – 3,5V nếu chỉ sạc ổn dòng. Trong một số trường hợp, ngồi việc sử dụng hai q trình sạc ổn áp và sạc ổn dòng, người ta thường sử dụng thêm quá trình sạc xung ngắn để điền đầy pin [9].
Q trình sạc một hệ pin Lithium-ion hồn chỉnh cần 3 bước:
- Chế độ cường độ dịng điện khơng đổi: Constant current (CC) - Cân bằng điện áp giữa các cell: Cell balancing
- Chế độ điện thế không đổi: Constant voltage (CV)
Tại chế độ cường độ dịng điện khơng đổi, thiết bị sạc đặt một dịng điện cố định với một điện áp ổn định tăng dần đến điện áp tới hạn của pin. Trong chế độ cân bằng, thiết bị sạc giảm dần cường độ dòng điện sạc lên pin, hoặc điều khiển dòng điện sạc để điện áp tại mỗi tế bào bằng nhau. Một vài bộ sạc điều khiển cân bằng điện áp theo cách sạc riêng lẻ từng tế bào pin, dẫn đến thời gian sạc dài, việc quá trình cân bằng điện áp được tối ưu hóa giúp giảm thời gian và tăng hiệu năng sạc pin. Cuối chế độ điện thế cân bằng, điện thế sạc pin bằng với điện thế tới hạn của bộ pin, lúc này dòng điện giảm dần về 0, ngay khi cường độ dòng điện của dịng điện sạc dưới 3% giá trị ban đầu, thì ngừng sạc pin. Nếu như sạc/xả vượt ngưỡng giới hạn về điện áp và cường độ dòng điện cho phép, pin có thể bị nổ [9].
20
2.2.4. Pin Lithium-ion 18650 trên Tesla model S và bộ sạc NEMA 14-30
Bộ pin trên Tesla model S bao gồm hàng nghìn tế bào pin 18650 giống nhau, tùy thuộc vào kích thước gói. Ví dụ, gói G85 có 7104 tế bào pin với tổng dung lượng là 85kW. Với 7104 tế bào pin sẽ được chia thành 16 mơ-đun mắc nối tiếp, mỗi mơ-đun chứa 6 nhóm gồm 74 ơ được đấu song song; 6 nhóm sau đó được đấu nối tiếp trong mô-đun.
Trong đồ án này, khi thiết kế mạch nạp, nhóm đã dựa theo thơng số của bộ sạc điện NEMA 14-30 dành cho Tesla model S có thơng số như sau:
- Điện áp đầu vào 208 - 250V AC, 60Hz - Dòng điện ngắt là 30A
Đồng thời, bộ sạc điện NEMA 14-30 cho phép tạo tới 24A khi sạc với đầu nối di động. Với dòng điện sạc là 24A sạc cho bộ pin của Tesla Model S thì đối với mỗi tế bào pin sẽ được sạc với dòng điện là 0.32A.
Hiện nay, phịng thì nghiệm của trường có bộ pin 18650 được sử dụng cho xe máy điện gồm 60 pin mắc nối tiếp với nha. Để sạc mỗi tế bào pin cần điện áp 4,2V. Do đó, điện áp cần dùng để sạc bộ pin này là tối thiểu 252V.
Từ đó, nhóm em thiết kế mạch sạc pin cho xe điện với thông số sạc là điện áp tối thiểu 252V và dòng điện 0,32A.
2.3. Các linh kiện điện tử được sử dụng trong đề tài 2.3.1. Diode
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cơ bản
Diode là linh kiện điện tử được làm từ vật liệu bán dẫn, bao gồm 2 lớp bán dẫn p và n kết hợp tạo thành lớp tiếp xúc p-n. Trong đó, điện cực A (Anode) là điện cực bán dẫn p và điện cực K (Cathode) là điện cực bán dẫn n.
21
Hình 2.13 Cấu tạo của diode [11]
Khi diode phân cực thuận, cực dương nối với cực A và cực âm nối với cực K của diode. Cực dương đẩy các lỗ hổng mang điện tích dương trong bán dẫn p về phía vùng tiếp giáp p-n, cực âm cũng đẩy các electron trong bán dẫn n về vùng tiếp giáp p-n làm cho lỗ hổng và electron hút nhau lúc này dịng điện có thể chạy qua được.
Hình 2.14 Cấu trúc diode phân cực thuận (bên trái) và phân cực nghịch (bên phải) [10]
Khi diode phân cực ngược, cực âm nối với cực A và cực dương nối với cực K. Cực dương hút các electron, cực âm hút các lỗ hổng ra xa vùng tiếp giáp p-n khiến cho dòng điện bị chặn khơng thể đi qua được. Lúc này, nếu có dịng điện chạy ngược qua diode được gọi là dòng rị, giá trị của nó sẽ bằng khơng đối với diode lý tưởng.
22
b. Đường đặc tính Volt – Ampere của diode (V- I)
Hình 2.15 Đặc tính V-A của diode [10]
Vùng phân cực thuận: khi 0 < VD < VTD, diode bắt đầu dẫn dòng điện, dịng này có giá trị ID rất nhỏ. Khi VD > VTD dòng điện qua diode tăng nhanh và bước vào trạng thái ổn định. VD lúc này gọi là điện áp thuận đặt lên diode. Trong đó, VTD là điện áp đóng.
Vùng phân cực ngược: khi VD < 0, dịng qua diode giảm dẫn về 0, dịng điện đó khơng tắt liền mà tiếp tục dẫn theo chiều ngược lại với tốc độ giảm ban đầu. Sau môt thời gian ngắn dòng điện sẽ bị ngắt hồn tồn và khả năng dẫn dịng điện theo chiều ngược cũng bị mất.
Vùng đánh thủng: khi VD < -VBR, VBR là điện áp đánh thủng (breakdown voltage), diode bị phá hủy.
c. Các loại diode và ký hiệu dùng trong đề tài
Small signal diode: được sử dụng nhiều nhất cho các ứng dụng chung như bộ chỉnh lưu, mạch ngưỡng, mạch tụ điện hay mạch tạo sóng.
Diode xung: là diode hoạt động như diode thơng thường nhưng có thể hoạt động với tần số cao từ vài chục KHz lên đến MHz.
23 Silicon rectifier diode: sử dụng để chỉnh lưu AC thành DC bằng ứng dụng cầu chỉnh lưu. Diode loại này có khả năng dẫn dịng lên đến vài trăm ampere với điện trở thuận nhỏ và điện trở ngược lên đến MΩ. Và thường được dùng trong các bộ nguồn, bộ lưu điện, bộ biến tần. Khi phân cực thuận dịng điện lớn hơn dịng định mức thì nhiệt độ của diode loại này sẽ tăng.
Diode Schottky: khi phân cực thuận độ sụt áp của diode schottky thấp khoảng 0,15- 0,45V cho phép ngắt nhanh, tốc độ chuyển mạch cao, và giúp giảm tổn hao công suất.
2.3.2. MOSFET
a. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của MOSFET
MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) là Transistor hiệu ứng trường oxit kim loại bán dẫn. MOSFET hoạt động dựa trên nguyên tắc hiệu ứng từ trường trên lớp chuyển tiếp oxit kim loại và bán dẫn. MOSFET có khả năng đóng ngắt nhanh khoảng vài MHz nên thường được ứng dụng trong các mạch nguồn xung và các mạch điều khiển điện áp cao.
Hiện nay, MOSFET được chia thành 2 loại chính: N-MOSFET và P-MOSFET. Và mỗi loại được chia thành tăng cường (enhancement) và suy giảm (depletion). MOSFET có 3 cực G (Gate), D (Drain), S (Source). Trong đó, cực G-S được gắn trong mạch điều khiển, cực D- S được gắn trong mạch cơng suất.
24
Hình 2.16 Ký hiệu của MOSFET [13]
Đối với MOSFET loại N, khi chưa đặt điện áp VGS tại cực G-S, đặt điện áp VDS tại cực D-S. Tại cực D, lớp tiếp xúc p-n phân cực ngược nên dịng điện khơng thể đi qua hai cực D- S, MOSFET không dẫn. Khi đặt điện áp VGS tại cực G-S và cực dương tại G, thì hai bản cực tại G và Substrate sẽ tạo ra một trường điện từ đẩy các electron về phía cực G tạo thành cầu dẫn điện tại hai cực D và S, lúc này dịng điện có thể đi qua hai cực D-S, MOSFET dẫn.
25
b. Đặc tính V-I của MOSFET có 3 vùng:
Cutoff mode_ vùng nghịch: tại vùng này MOSFET đóng, điện áp đặt vào cực G-S VGS
< VTh (trong đó VTh là điện áp đóng của MOSFET).
Triode mode (Linear Active)_vùng tích cực: tại vùng này điện áp đặt vào cực G-S VGS
> VDS, VGS > VTh. Lúc này, MOSFET dẫn, VGS tăng dẫn đến ID tăng theo.
Saturation_vùng bão hòa: tại vùng này điện áp đặt vào cực G-S VGS < VDS, VGS > VTh. Lúc này, MOSFET dẫn, VGS tăng nhưng ID đạt trạng tháo bão hịa giữ giá trị khơng đổi.
Trong điện tử công suất, MOSFET chỉ sử dụng ở 2 vùng: vùng nghịch và vùng tích cực.
26
2.3.3. Điện trở
Điện trở là linh kiện điện tử thụ động được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử hiện nay. Điện trở cấu tạo gồm hai dây dẫn được gắn vào hai bên của một vật kém dẫn điện. Mục đích khi sử dụng điện trở là để cản trở dòng điện và hạn chế dòng điện trong mạch. Dòng điện bị hạn chế làm giảm theo định luật Ohm:
I = U
R
Trong đó: I là cường độ dòng điện (A) U là điện áp (V)
R là điện trở (Ω)
Đường đặc tuyến V-I của điện trở tuyến tính loại 5k Ω và 10k Ω theo định luật Ohm:
Hình 2.19 Đặc tuyến V-I của điện trở [12]
Phân loại điện trở:
Theo tính chất:
Điện trở tuyến tính (linear resistor): điện trở có trở kháng cố định khi thay đổi giá trị điện áp đặt vào nó. Điện trở loại này có đồ thị V-I là đường thẳng và tuân theo định luật Ohm.
27 Điện trở phi tuyến tính (non–linear resistor): là điện trở có trở kháng thay đổi theo nhiệt độ, điện áp hay ánh sáng. Đồ thị của điện trở phi tuyến tính không tuân theo định luật Ohm.
Theo giá trị:
Điện trở có giá trị khơng đổi (fixed resistor): là điện trở có giá trị khơng đổi trong q trình sử dụng.
Biến trở (variable resistor): là loại điện trở có giá trị thay đổi được trong q trình sử dụng bằng cách xoay núm hoặc chỉnh bằng vít.
Theo chức năng:
Điện trở chính xác: là loại điện trở có dung sai thấp, giá trị thực tế của điện trở sấp xỉ với giá trị danh nghĩa.
Điện trở nóng chảy (fusible resistor): khi cơng suất của dịng điện trên điện trở chưa vượt qua giới hạn thì nó hoạt động như một điện trở thơng thường. Khi cơng suất dịng điện vượt giới hạn thì nó hoạt động như một cầu chì, để bảo vệ mạch điện.
Điện trở nhiệt (thermistor): giá trị điện trở suất của loại này có thể thay đổi theo nhiệt độ. Điện trở nhiệt có hai loại có 2 loại: Positive temperature coefficient (PTC) hệ số nhiệt độ dương_điện trở tăng khi nhiệt độ tăng và Negative temperature coefficient (NTC) hệ số nhiệt độ âm_điện trở giảm khi nhiệt độ tăng.
Quang trở (photo resistor LDR): giá trị trở kháng của điện trở này có thể thay đổi tùy thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào nó.
28
Hình 2.20 Phân loại điện trở [15] 2.3.4. IC nguồn L7805CV 2.3.4. IC nguồn L7805CV
IC nguồn là một linh kiện điện tử dùng để điều chỉnh và duy trì điện áp đầu ra ở một mức điện áp cố định. Trong đề tài này, IC nguồn được sử dụng là L7805CV giúp duy trì điện áp ở mức 5V cố định để làm nguồn cho vi điều khiển.
29
Hình 2.21 Cấu tạo của L7805CV [12]
Các thông số cơ bản của L7805CV:
- VI: điện áp nguồn thường sử dụng từ 8V - 20V - VO: điện áp xuất ra là 5V
Để điện áp đầu ra cố định không bị nhiễu, L7805CV được kết hợp với tụ như sau:
Hình 2.22 Sơ đồ kết nối L7805CV [16] 2.3.5. Cuộn cảm 2.3.5. Cuộn cảm
Cuộn cảm là một linh kiện điện tử thụ động, được cấu tạo từ một sợi dây đồng cách điện quấn thành nhiều vòng xung quanh lõi, lõi của cuộn cảm có thể là khơng khí, sắt từ, Ferit ....
30
Hình 2.23 Cuộn cảm và ký hiệu của cuộn cảm [17]
Cuộn cảm không phân biệt cực. Khi đặt vào hai đầu cuộn cảm một điện áp một chiều có tần số bằng 0 thì cuộn cảm hoạt động như một điện trở có khơng có trở kháng, đồng thời dịng điện sinh ra một từ trường B có cường độ và chiều khơng đổi. Khi dịng điện đặt vào là dòng điện xoay chiều, cuộn cảm sẽ sinh ra từ trường B và suất điện động cảm ứng ε thay đổi.
Dựa vào định luật cảm ứng Faraday ta có:
ε = −dΦB dt
Trong đó:
ε: là suất điện động cảm ứng (V)
ΦB: là độ biến thiên từ thông (Wb) T: thời gian biến thiên từ thơng (s)
Vì từ trường B và suất điện động ε của cuộn cảm có khả năng chống lại nguyên nhân gây ra nó nên cuộn cảm ngăn dịng điện xoay chiều và cho dịng điện một chiều đi qua. Từ đó, cuộn cảm được sử dụng để làm cuộn lọc, ngăn dòng điện cao tần, và dùng để làm cuộn cộng hưởng.
31 Phân loại cuộn cảm:
Theo phạm vi ứng dụng: cuộn cảm được chia thành 3 loại cuộn cảm âm tần, cuộn cảm trung tần và cuộn cảm cao tần.
Theo hình dáng: cuộn cảm loại cắm và loại dán Theo cấu tạo: cuộn cảm loại có lõi và loại khơng lõi.
2.3.6. IR2103
IC (Integrated Circuit) là một mạch tích hợp gồm nhiều linh kiện bán dẫn và linh kiện thụ động. Chúng được kết hợp để thực hiện một nhiệm vụ được định sẵn.
IR2103 là IC điều khiển MOSFET hay IGBT điện áp cao và tốc độ xử lí nhanh với các kênh đầu ra bên thấp và cao phụ thuộc. Đầu vào logic tương ứng với đầu ra tiêu chuẩn CMOS hoặc LSTTL, mức điện áp logic là 3,3V. Các trình điều khiển đầu ra có giai đoạn đệm dòng xung bên cao được thiết kế để tối thiểu dẫn truyền chéo trình điều khiển. Kênh đầu ra có thể