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 mô-đun mắc nối tiếp, mỗi mô-đun chứa 6 nhóm gồm 74 ô 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 thông số của bộ sạc điện NEMA 14-30 dành cho Tesla model S có thông 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, phòng 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 dòng 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 không thể đi qua được. Lúc này, nếu có dòng điện chạy ngược qua diode được gọi là dòng rò, giá trị của nó sẽ bằng không 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, dòng 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, dòng qua diode giảm dẫn về 0, dòng điện đó không 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 hoàn toàn và khả năng dẫn dòng 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 thông 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 dòng 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 dòng điện lớn hơn dòng 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 công 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 dòng điện không 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 dòng 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 hòa giữ giá trị không 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 không đổi (fixed resistor): là điện trở có giá trị không đổi trong quá trình sử dụng.
Biến trở (variable resistor): là loại điện trở có giá trị thay đổi được trong quá 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 công suất của dòng điện trên điện trở chưa vượt qua giới hạn thì nó hoạt động như một điện trở thông thường. Khi công suất dòng 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
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
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 không 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 không có trở kháng, đồng thời dòng điện sinh ra một từ trường B có cường độ và chiều không đổi. Khi dòng 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 thông (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 dòng điện xoay chiều và cho dòng 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 không 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 được sử dụng để điều khiển MOSFET hoặc IGBT công suất kênh N ở cấu hình bên cao hoạt động lên đến 600 volt.
32 Các thông số cơ bản của IR2103:
- VCC: điện áp nguồn của IR2103 từ 10V đến 20V - VS: điện áp bù kênh cao từ -5V đến 600V
- VB: điện áp nguồn kênh cao từ VS +10V đến VS +20V - VHO: điện áp ra kênh cao từ VS đến VB
- VLO: điện áp ra kênh thấp từ 0 đến VCC
- VIN: điện áp vào kênh LIN và HIN từ 0 đến VCC
Để IR2103 hoạt động một cách ổn định, xung tại chân HO và LO không bị nhiễu khi điều khiển MOSFET hay IGBT thì IR2103 phải kết hợp với các linh kiện khác theo như mạch sau:
33 Cách điều khiển xung đầu vào và đầu ra của IR2103:
Hình 2.26 Xung điều khiển đầu vào và đầu ra của IR2103 [18]
Tại chân HO, khi điện áp tại chân HIN và LIN ở mức HIGH thì điện áp tại chân HO là HIGH, khi khi điện áp tại chân HIN và LIN ở mức LOW hay khác nhau thì điện áp tại chân HO là LOW.
Tại chân LO, khi điện áp tại chân HIN và LIN ở mức LOW thì điện áp tại chân LO là HIGH, khi khi điện áp tại chân HIN và LIN ở mức HIGH hay khác nhau thì điện áp tại chân LO là LOW.
Ngoài ra, IR2103 có bộ deadtime bên trong giúp ngăn chặn dẫn truyền chéo, chức năng này được ứng dụng để điều khiển MOSFET hay IGBT trong mạch Full-Bridge.
2.3.7. Tụ điện
Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động có khả năng lưu trữ năng lương điện, lọc và điều chỉnh điện năng. Tụ điện có cấu tạo cơ bản gồm: 2 bản cực kim loại được đặt song song với nhau và được ngăn cách bằng chất điện môi có thể là giấy, mica, không khí, gốm, hóa chất .... Tùy thuộc vào chất điện môi thì tụ sẽ có tên tương ứng.
34
Hình 2.27 Cấu tạo và ký hiệu của tụ điện [19]
Đặt vào hai bản cực của tụ một điện áp thì tụ sẽ bắt đầu tích điện. Bản cực được nối với cực dương sẽ tích điện dương, bản cực nối với cực âm sẽ tích điện âm. Khi tụ trữ đủ điện tích thì nó có thể phóng điện và tạo ra dòng điện. Vì có khả năng tích điện và phóng điện nên tụ điện không dẫn dòng điện một chiều nhưng lại dẫn được dòng xoay chiều.
Khả năng tích trữ điện tích của tụ điện gọi là điện dung và được biểu diễn dưới dạng công thức sau:
C = Q
U
Trong đó: C là điện dung (F, Farad) Q là điện lượng (C, Coulomb) U là hiệu điện thế (V, Volt)
35 Phân loại tụ điện:
36
2.3.8. Board STM32F103C8
Board STM32F103C8 là board vi điều khiển có chip là STM32F103 thuộc họ F1 với lõi ARM COTEX M3 do hãng ST sản xuất.
Với board STM32F103C8, hiện nay có nhiều phần mềm lập trình được sử dụng như IAR, Keil C, .... Thư viện để lập trình cũng rất đa dạng như: STM32snippets, STM32Cube LL, STM32Cube HAL, Standard Peripheral Libraries, Mbed core. Để nạo được chương trình cho board cần phải có mạch nạp, một số loại mạch nạp phổ biến: ULINK, J-LINK , CMSIS- DAP, STLINK.
37 Sơ lược về thông số của board STM32F103C8:
- Tốc độ xử lí tối đa 72Mhz.
- Bộ nhớ: bộ nhớ Flash 64 kbytes và 20 kbytes SRAM Quản lý nguồn, clock và reset:
- Điện áp nguồn cho board 5V, điện áp nguồn cho chip STM32F1 là 2-3,6V - Bộ dao động thạch anh ngoài từ 4Mhz đến 16 Mhz.
- Thạch anh nội dùng dao động RC ở mode 8Mhz hoặc 32KHz. 2 bộ ADC 12 bit với tổng là 10 kênh:
- Khoảng giá trị chuyển đổi từ 0 – 3,6 V
- Có chế độ lấy mẫu một kênh hoặc nhiều kênh. - Có thể đồng bộ hóa với timer điều khiển nâng cao
7 bộ Timer:
- 3 Timer 16 bit hỗ trợ các mode Input Capture/ Output Compare/ PWM. - 1 Timer 16 bit điều khiển nâng cao có khả năng bảo vệ ngắt Input, dead-time. - 2 Watchdog Timer để bảo vệ và kiểm tra lỗi.
- 1 Systick Timer 24 bit đếm xuống cho hàm Delay,….
DMA: 7 kênh DMA hỗ trợ DMA cho timers, ADC, USART, I2C, SPI.
Vi điều khiển có 9 giao diện giao tiếp gồm: 2 giao diện giao tiếp I2C, 3 USART, 2 SPI, 1 giao diện giao tiếp CAN, 1 giao diện tốc độ đầy đủ USB 2.0
38
2.4. Giới thiệu phần mềm STM32CubeMX 2.4.1. Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX 2.4.1. Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX