68 Tính tụ lọc đầu ra C1 của mạch theo dòng điện đầu ra cao nhất của mạch là 0,5A và điện áp rơi trên tụ là 0,05V. Điện dung của tụ điện C1 được tính theo cơng thức:
C = IO.Tr
Vdrop = 0,5.8,44.10 −6
0,05 = 84,4 (µF) (3.24)
Chọn tụ lọc đầu ra C1 là tụ hóa 100µF-400V.
Có bảng thống kê các số liệu như sau:
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của biến áp xung
Số vòng dây cuộn sơ cấp Np 35 vòng
Số vịng dây cuộn thứ cấp Ns 43 vịng
Đường kính dây cuộn sơ cấp 2x0,5 mm
Đường kính dây cuộn thứ cấp 2x0,5mm
Tụ lọc đầu ra C1 100µF-450V
3.3.3. Tính tốn mạch snubber
Điện áp VRO trong cuộn sơ cấp là do điện áp đầu vào VDC và điện áp ngược trên cuộn thứ cấp tác dụng lên. Và điện áp này được tính bằng cơng thức:
VRO = Dmax
1 − Dmax. VDCmin = 0,7
1 − 0,7. 120 = 280 (V)
Với Dmax = TONmax
T = 0,5T T = 0,8 Cuộn sơ cấp có độ tự cảm là: Lp = Ro 2,5T ( TON Vo )2 = ( VDC TON)2 2,5T PO = (320.7,56.10−6)2 2,5.500001 .160 = 732 (µH)
69 Độ tự cảm rò trên cuộn sơ cấp là: LLeak = 0,1. Lp = 0,1. 732. 10−6 = 73. 10−6 (H) Cường độ dòng điện tại đỉnh trên cuộn sơ cấp: Ip= VDC TON
Lp = 320.7,56.10
−6
732.10−6 = 3,30 (A)
Điện áp kẹp VClamp là điện áp an toàn cho linh kiện khi hoạt động. Điện áp kẹp càng nhỏ khi hoạt động thì linh kiện càng được bảo vệ. Điện áp kẹp VClamp được tính dựa theo điện VDS của MOSFET 11N90 với một mức độ an toàn là 90%.
VClamp = 0,9. VDS= 0,9.900= 810 (V)
Chọn tần số nhiễu là fswmax = 50000 (Hz).
Từ đó, tính được giá điện trở cần thiết cho mạch dập xung gai Snubber bằng công thức:
RSnubber < 2 . VClamp (VClamp− VRO)
LLeak. Ip2. fswmax = 2.810.
(810 − 280) 73. 10−6. 3,302. 50000 = 21601 (Ω)
Chọn RSnubber = 20k Ω.
Trong mạch Snubber, tụ được tính theo cơng thức dưới đây:
CSnubber > VClamp
Vripple.RSnubber.fswmax = 810
50.20000.50000 = 16,2 (ηF)
Chọn tụ CSnubber = 22 ηF và mức điện áp là 630V.
Và diode cần cho mạch dập xung gai sẽ là một diode phục hồi nhanh (fast recover diode). Do đó, diode UF4007 sẽ được sử dụng.
70
3.4. Mô phỏng mạch nạp bằng phần mềm SiMetrix/SIMPLIS 3.4.1. Mục đích của việc mơ phỏng 3.4.1. Mục đích của việc mơ phỏng
Trong thiết kế mạch điện, mô phỏng là một bước cực kỳ quan trọng. Việc mô phỏng giúp hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động của mạch điện bằng các đồ thị điện áp, cường độ dòng điện. Mô phỏng sẽ cho chúng ta biết được các giá trị điện áp, cường độ dòng điện ở các linh kiện, từ đó chọn các linh kiện phù hợp nhất cho mạch điện.
Khi chọn các linh kiện mà các thơng số hoạt động của nó khơng phù hợp với mạch điện sẽ làm bị hỏng hoặc thậm chí cháy nổ linh kiện, dẫn đến mất nhiều thời gian và tăng chi phí khi thiết kế thi cơng mạch điện. Chính vì vậy, việc mơ phỏng là bước rất quan trọng khi thiết kế mạch điện tử.
Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS Elements là phần mềm chuyên mô phỏng các mạch điện tử đặc biệt là các mạch điện liên quan đến nguồn xung như các bộ biến đổi AC-DC, DC-DC, DC-AC. Do đó, trong đồ án thiết kế mạch nạp cho xe điện nhóm sẽ dùng phần mềm này để mô phỏng và nghiên cứu hoạt động của mạch điện.
Hình 3.15 Sơ đồ mạch nạp sử dụng biến áp xung được mô phỏng trên phần mềm
71
3.4.2. Các bước mô phỏng
a. Mô phỏng điện áp đầu vào và xung điều khiển
Chọn biểu tượng để mơ phỏng điện áp và xung (vì phần mềm khơng có thư viện của board STM32F103C8 và IR2103).
Hình 3.16 Các thơng số của điện áp vào và xung
Chọn chế độ hình sin cho nguồn và chế độ pulse cho xung. Với điện áp vào, chọn tần số 50Hz, điện áp hiệu dụng (RMS) là 220V. Đối với xung chọn tần số 50KHz và thời gian hoạt động là 28%.
72
b. Mô phỏng biến áp xung
Chọn ơ tìm kiếm, gõ transformer và chọn ideal transformer
Hình 3.17 Các thơng số của biến áp xung
Sau khi chọn ideal transformer, cửa sổ cài đặt thông số của biến áp xung hiện lên. Chọn số cuộn dây sơ cấp và thứ cấp là 1, tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp với thứ cấp là 0,867 nên tỉ số vòng dây của cuộn thứ cấp với sơ cấp là 1,153, độ tự cảm của cuộn sơ cấp là 732 µH.
c. Mơ phỏng các linh kiện khác
Chọn các linh kiện tụ, điện trở, diode, MOSFET, cuộn cảm. Sau đó, có thể thay đổi giá trị của tụ, điện trở và cuộn cảm hay thay đổi loại diode và MOSFET bằng cách nhấp đúp trái chuột vào linh kiện đó.
73
Hình 3.18 Cửa sổ chọn giá trị của điện trở
Hình 3.19 Cửa số chọn giá trị của tụ
74
Hình 3.21 Cửa sổ chọn loại diode
Chọn MOSFET tương tự như diode. Vì khơng có MOSFET 11N90 nên nhóm đã chọn MOSFET IPD60R950C6_L0 có giá trị gần giống với MOSFET 11N90.
75
d. Mơ phỏng tồn bộ mạch điện
Sau khi chọn linh kiện và nối dây thành mạch điện như hình tiến hành cài đặt các thơng số mơ phỏng tại cửa sổ Choose Analysis tại mục Simulator như sau:
Hình 3.22 Cửa sổ cài đặt các điều kiện mô phỏng
Chọn thời gian mơ phỏng là 40ms ứng với 2 chu kì của điện áp đầu vào.
Sau khi chọn điều kiện mô phỏng, chúng ta bấm biểu tượng để bắt đầu chạy mô phỏng.
76
Hình 3.23 Kết quả mơ phỏng
Sau khi mơ phỏng, nhận thấy điện áp đầu ra dao động từ 308V đến 342V đạt yêu cầu với thông số ban đầu chọn là điện áp lớn hơn 252V để sạc cho bộ pin.
77
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH
Sau khi tính tốn các thành phần của mạch, nhóm đã hàn các linh kiện theo sơ đồ mạch điện hình 3.1.
Hình 4.1 Mạch sạc pin sau khi được hàn
Nhóm thử nghiệm theo 3 giai đoạn sau:
- Giai đoạn 1: thử nghiệm với điện áp 24V một chiều. Ở giai đoạn này, thử nghiệm với điện áp nhỏ để đảm bảo an toàn cho người thử nghiệm, đồng thời đánh giá quá trình hoạt động của mạch sạc.
- Giai đoạn 2: thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều. Ở giai đoạn này, nhóm sẽ khảo sát cơng suất của mạch nạp.
78 - Giai đoạn 3: thử nghiệm ở thời gian dài. Sau khi khảo sát và chọn được công suất phù hợp tại giai đoạn 2, mạch sạc được thử nghiệm với thời gian dài hơn nhằm đánh giá tính ổn định của toàn mạch.
4.1. Thử nghiệm với điện áp 24V một chiều
Cấp nguồn điện 24V - 2A từ bộ nguồn, cực dương của nguồn nối với biến áp, cực âm nối với cực S của MOSFET. Tải dùng để thử nghiệm là bóng đèn sợi đốt với thơng số 12V – 35W.
Khi thử nghiệm với nguồn 24V - 2A, nhóm đã thực hiện thử nghiệm với các tần số khác nhau để khảo sát sự thay đổi về cơng suất, điện áp và dịng điện tại tải.
79 Qua các lần thử nghiệm, kết quả được liệt kê dưới bảng sau:
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm với nguồn 24V
Tần số Điện áp Dịng điện Cơng suất
150KHz 21,32 1,87 39,87W
125KHz 22,28 1,93 43W
100KHz 22,72 1,95 44,3W
72KHz 22,28 1,93 43W
50KHz 20,51 1,83 37,53W
Đánh giá kết quả thực nghiệm: khi thay đổi tần số thì dịng diện thay đổi nhỏ nhưng điện áp thay đổi khá lớn diều này ảnh hưởng đến công suất cũng thay đổi nhiểu mặc dù hiệu suất đạt được cao.
4.2. Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều
Với lần thử nghiệm với điện áp đầu vào 220V xoay chiều, nhóm sẽ có một vài thay đổi ở bộ lọc nguồn đầu vào và tụ điện ở đẩu ra so với thí nghiệm trước. Với biến áp tự quấn theo số vịng tính tốn, và các thơng số linh kiện đã được tính tốn, mạch nạp cho ra kết quả như sau.
Khi thử nghiệm không tải, đầu ra của biến áp cho ra điện áp 320V theo như tính tốn.
Tiếp theo, nhóm bắt đầu thử với tải nhỏ để khảo sát tần số xung phù hợp cho mạch và để đảm bảo sự an tồn khi thử nghiệm.
80
Hình 4.3 Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều
Khi khảo sát mơ hình với bóng đèn LED, nhóm đã thử lần lượt ở các tần số 50KHz, 100KHz và 150KHz và giới hạn độ rộng xung là 10%. Các kết quả thử nghiệm được thể hiện ở bảng sau:
Bảng 4.2: Kết quả thử nghiệm ở điện áp 220V
Tần số Điện áp Cường độ dịng điện Cơng suất
50KHz 310V 0,15A 46,5W
100KHz 315V 0,1A 31,5W
150KHz 315V 0,09A 28,35W
Dựa theo kết quả và mục đích của đề tài, mạch phải tạo ra được điện áp tối thiểu 252V và cường độ dòng điện 0,32A. Xét thấy ở các tần số trên, mạch đã đáp ứng được điện áp đầu ra, do đó để tạo được cường độ dịng điện cao hơn, nhóm chọn sẽ điều khiển MOSFET ở tần số 50KHz.
81 Từ thử nghiệm và tần số điều khiển, nhóm tiếp tục thử nghiệm với tải lớn hơn, một bóng đèn dây tóc 220V - 60W. Kết quả thử nghiệm như sau:
Hình 4.4 Thử nghiệm mạch nạp với bóng đèn dây tóc 220V-60W
Kết quả thử nghiệm: mạch nạp cho ra kết quả 324V-0,32A. Ở những lần thử nghiệm đầu, do diode chỉnh lưu RHRP30120 không được tản nhiệt tốt nên nhiệt độ ở diode tăng lên cao dẫn đến diode không thể hoạt động và mạch không thể đạt được kết quả đầu ra mong muốn. Do đó, nhóm đã lắp tấm tản nhiệt nhơm để tản nhiệt cho diode và tiếp tục thử nghiệm.
Ở lần thử nghiệm này, MOSFET và diode chỉnh lưu có nhiệt độ khơng q cao và vẫn hoạt động tốt. Và biến áp xung có tiếng kêu nhỏ trong quá trình điểu chỉnh độ rộng xung nhưng khi độ rộng xung được giữ nguyên giá trị thì tiếng kêu rất nhỏ. Khi mạch hoạt động, kết quả điện áp và dòng điện dao động trong khoảng sau: điện áp từ 320-321,1V, dòng điện từ 0,324-0,326A.
82
4.3. Độ rộng xung
Khi thử nghiệm để đảm bảo độ an tồn thì độ rộng xung sẽ được tăng từ 0 đến giá trị mà tại đó điện áp đầu ra đạt mục tiêu và hệ thống có thể đáp ứng được. Vi điều khiển nhận tín hiệu ADC từ biến trở, xử lí và xuất ra xung PWM có dạng như sau.
Hình 4.5 Độ rộng xung PWM
Từ các kết quả thử nghiệm trên cho thấy, khi độ rộng xung càng lớn thì điện áp và cường độ dòng điện càng tăng. Đồng thời nhiệt độ trên các linh kiện cũng tăng cao địi hỏi phải tản nhiệt tốt để mạch có thể hoạt động ổn định.
4.4. Thử nghiệm ở thời gian dài
Từ kết quả thử nghiệm trên, sau khi đạt yêu cầu về điện áp và cường độ dòng điện đầu ra, nhóm tiếp tục tiến hành thử nghiệm mạch trong khoảng thời gian dài hơn để khảo sát tính ổn định của mạch và cũng như sự ổn định của mạch khi hoạt động trong thời gian dài.
83 Vì thế, nhóm sẽ dựa trên thơng số đã có và dùng phần mềm Excel để tạo ra đồ thị biểu diễn về quá trình hoạt động của mạch.
Hình 4.6 Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện theo thời gian
Trong khoảng 50 giây đầu tiên, điện áp tăng nhanh từ 0V lên đến 320V cùng với sự tăng của cường độ dòng điện từ 0A tới 0,32A.
Bên cạnh đó, hai đường biểu diễn của điện áp và cường độ dòng điện cho thấy sự tăng đều và dốc của đồ thị. Do đó, nhóm đưa ra kết luận thời gian điện áp và cường độ dòng điện đầu ra khi mạch bắt đầu hoạt động đến mức yêu cầu tương đối ngắn, trong 50 giây.
Trong khoảng thời gian tiếp theo, từ giây 51 đến giây 240, điện áp và cường độ dòng điện dao động trong một khoảng. Khoảng dao động này sẽ được trình bày ở đồ thị tiếp theo.
84
Hình 4.7 Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện theo thời gian
Khoảng dao động của điện áp và cường độ dòng điện đầu ra được thể hiện như trong hình. Điện áp sau khi đạt mức yêu cầu ở giây 50 đã tăng lên 327V và sau đó giảm về mức 320V tại giây 70 và dao động trong khoảng 319V-321V.
Bên cạnh đó, cường độ dòng điện đạt được mức 0,32A tại giây 50 và tăng đến 0,325 trong 10 giây tiếp theo. Và mức 0,325A được duy trì đến hết quá trình thử nghiệm với khoảng dao động từ 0,323A đến 0,326A.
Với hai đồ thị trên, nhóm có thể kết luận mạch cho khả năng đáp ứng với độ rộng xung nhanh, cho ra kết quả đúng theo yêu cầu của mạch sạc. Và trong quá trình hoạt động, mạch chạy ổn định trong một khoảng dao động nhỏ.
85
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận 5.1. Kết luận
Trong khoảng thời gian thực hiện đề tài thiết kế mạch nạp cho xe điện dùng biến áp xung, nhóm đã thực hiện và hồn thành được các nội dung như sau:
Tìm hiều về các thông số của pin Lithium-ion và bộ sạc NEMO14-30 cho xe điện Tesla. Từ đó xác định mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và khoanh vùng phạm vi nghiên cứu và hướng phát triển của đề tài.
Tra cứu tài liệu và tìm hiểu sự ảnh hưởng và thơng số của các linh kiện điện tử như MOSFET 11N90 và MOSFET Driver IR2103. Để dựa trên các tài liệu đó để tiến hành tạo mạch điện và thử nghiệm.
So sánh sự khác nhau giữa công suất và cách hoạt động của các loại nguồn xung và đưa ra phương án dựa trên nguồn xung Flyback
Học được cách tính tốn các thơng số cần thiết của vật liệu và cách thức để quẩn biến áp xung.
Làm quen với việc lập trình và mơi trường biên dịch của phần mềm Keil uVision và STM32CubeMX để lập trình tín hiệu ngõ vào và độ rộng xung, tần số PWM để điều khiển biến áp xung.
Sử dụng phần mềm SIMetrix để mô phỏng tín đồ thị điện áp và sự hoạt động của mạch để làm căn cứ cho mạch điện thực tế.
Ứng dụng phần mềm Excel vẽ biểu đồ dựa trên thông số kết quả thực tế.
Thử nghiệm với mạch dàn dây và khắc phục những sai sót sau những lần thất bại để đạt được kết quả đáp ứng gần đúng với mục đích ban đầu.
86
5.2. Kiến nghị
Trong quá trình thực hiện đề tài, dù nhóm đã đạt được mục tiêu về điện áp và cường độ dòng điện theo như mục đích của đề tài nhưng vẫn cịn nhiều thiếu sót cần được khắc phục. Dù đã đặt được mục tiêu đề ra ban đầu, tuy nhiên, kết quả thức tế của mạch nhỏ hơn so với khi tính tốn. Do đó, đề tài cần được cải thiện hiệu suất. Về vấn đề vận hành, mạch nạp chỉ hoạt động được trong một khoảng thời gian ngắn. Vì thế mạch cần được cải tiến đề có thể hoạt động lâu hơn để có thể đáp ứng cho việc sạc pin Lithium-ion.
Bên cạnh đó, vì khả năng và thời gian thực hiện có hạn nên việc thay đổi điện áp và cường độ dịng điện đầu ra vẫn phải thực hiện thủ cơng bằng cách điều chỉnh biến trở. Do đó, mạch cần bổ sung thêm bộ phận hồi tiếp để có thể điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện nhanh và chính xác hơn.
87
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Cao Xuân Tuyển và Nguyễn Anh Tuấn (2010), Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần, Tạp
chí khoa học cơng nghệ, Tập 74, Số 12, Trang 115.
[2] Texas Instrument (2016), 120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery
Charging Applications Reference Design.
[3] Jun-Hao Fan và Sheng-yu Tseng (2021), Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar
Power System Applications, Electronics 2021, 10, 414.
[4] Texas Instrument (2019), Switching Regulator Fundamentals.
[5] Abraham I. Pressman, Keith Billings, Taylor Morey (2011), Switching power supply handbook 3rd Edition.
[6] Victor Josan, 3d Illustration of Lithium-ion battery structure, industrial high current batteries.
[7] Chien, Nhiều loại pin lithium-ion hiện đang bốc cháy, http://ravpower.vn/nhieu-loai-pin-