Vai trò: Mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng nhất của toàn hệ thống, mạch dùng để kiểm soát điện áp của bộ pin lithium-ion và điều chỉnh cường độ dòng điện thích hợp cho bộ pin, đảm bảo không xảy ra hiện tượng Over-charging (OC) và Over-Discharging (OC).
Mục tiêu thiết kế: Dòng sạc cho bộ pin không vượt quá 1A, khi điện áp trung bình của mỗi cell trong khoảng 4V thì mạch điều khiển ngắt dòng điện không cho qua bộ pin đảm bảo không xảy ra hiện tượng Over-charging, khi điện áp trung bình mỗi cell trong khoảng 3V thì ngắt để bộ pin dừng xả đảm bảo không xả ra hiện tượng Over-discharging.
39 Lưu đồ thuật toán:
Hình 3.11 Sơ đồ thuật toán mạch điều khiển Lựa chọn linh kiện:
VDK Atmega 328P
Như đã trình bày ở phần lý thuyết, Atmega 328P là một VDK lý tưởng để để đóng vai trò làm “bộ não” của hệ thống. Chức năng quan trọng của Atmega 328P là đọc giá trị điện áp trung bình mỗi cell của bộ pin thông qua bộ ADC được tích hợp sẵn, VDK nhận giá trị điện áp rồi xuất ra các “output” để điều khiển các bộ chấp hành (cụ thể là đóng ngắt các IGBT).
IGBT 25N120: với sự kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn (VCE = 1200V) của transistor thường, IGBT 25N120 là một linh kiện bán dẫn lý tưởng để phục vụ cho việc điều khiển của hệ thống.
Các thống số nổi bật:
Điện áp lớn nhất có thể chịu được: VCE = 1200V
40 Nhiệt độ tối đa: 300°C
Điện áp VGE: ±20V
Hình 3.12 Các thông số kĩ thuật IGBT 25N120
Với các thông số trên, 25N120 là một module phù hợp cho việc tiến hành các thực nghiệm cho hệ thống.
Photocoupler PC817: Được dùng để cách ly giữa các khối chênh lệch nhau về điện hay công suất như khối có công suất nhỏ với khối điện áp lớn. Với công dụng trên thì PC817 là một IC lý tưởng để sử dụng cho việc cách ly sự chênh lệch về điện áp của VĐK và điện áp lớn của bộ pin nên khi xảy ra sự cố pin thì sẽ không ảnh hưởng tới bộ VĐK.
41 Hình 3.13 PC 817
Diode Zenner 10V-1W-1N4740A: Dùng để ghim lại điện áp 10V ổn định, sử dụng điện áp đó để phục vụ đóng mở IGBT. Với công suất lên đến 1W và khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (-550C – 2000C) nên có thể được sử dụng để ổn áp 10V cho mạch công suất lớn.
Hình 3.14 Diode zenner 1N4740A
Các loại điện trở: Sử dụng các điện trở 1k, 10k, 590k, 100k (Ohm) công suất lớn để hạn dòng đi qua các IC của hệ thống, bên cạnh đó cũng được sử dụng để xả điện ở các tụ trên các IGBT và dùng để làm cầu phân áp.
42 Hình 3.15 Điện trở
Sơ đồ mạch điều khiển:
Hình 3.16 Mạch điều khiển Giải thích nguyên lý: Theo hình 3.16
Tổng quát:
Khi nạp: Khi đặt điện áp vào 330VDC thì dòng điện sẽ chạy qua bộ pin (Battery Pack), chạy qua IGBT Q1 (over-discharging) vì IGBT này có tích hợp một diode ở bên trong. Nếu IGBT Q2 (over-charging) được điều khiển ngắt thì sẽ không có dòng điện chạy về cực âm của nguồn, lúc này bộ pin sẽ không được nạp. Ngược lại, nếu Q2 được điều khiển đóng thì sẽ có dòng điện sẽ chạy từ cực C đến E (ICE2) chạy về cực âm, lúc này bộ pin sẽ được nạp.
43 Khi xả: Tương tự như quá trình nạp, giả sử lúc này U2 đóng vai trò là một tải (động cơ). Dòng điện từ cực dương của bộ pin, chạy qua tải, chạy qua IGBT Q2. Nếu lúc này IGBT Q1 được điều khiển ngắt thì sẽ không có dòng điện về cực âm của bộ pin. Ngược lại, nếu IGBT Q1 được điều khiển đóng thì sẽ có dòng điện đi qua cực C đến cực E (ICE1) rồi đến cực âm của bộ pin, lúc này bộ pin sẽ được xả. Kiểm soát điện áp:
Để tránh xảy ra hiện tượng Over-charging và Over-discharging ta cần kiểm soát được điện áp mỗi cell nhưng việc kiểm soát điện áp của mỗi cell là rất khó, ta chỉ có thể kiểm soát điện áp trung bình của mỗi cell thông qua một cầu phân áp giữa R5 và R6.
Cách chọn giá trị R5 và R6: Giả sử giá trị điện áp U1 của bộ pin là 240V thì: Giá trị điện áp trung bình của mỗi cell là: U2 = U1/60 = 4V
Theo công thức cầu chia áp ta có: U2 = (U1*R6)/(R5+R6)
Chọn R5 = 590k, suy ra R6 = 10k (giá trị R1 càng cao thì dòng sẽ đi ra càng nhỏ nên sẽ gây hao phí không đáng kể trên R5 và R6).
Atmega 328P sẽ đọc được giá trị điện áp U2 nhờ chức năng ADC của nó. Nếu U2 = 4V, VĐK sẽ ngắt IGBT Q2, ngừng quá trình sạc. Nếu U2 = 3V, VĐK sẽ ngắt IGBT Q1, ngừng quá trình xả.
Đóng ngắt IGBT
Để IGBT Q1 và Q2 đóng thì cần có điện áp VGE >= 3.3V
Q1: Khi có dòng điện chạy qua đèn led từ chân Anode đến Cathode của opto quang P1 thì chân 4 và 3 của U1 sẽ được thông, lúc này sẽ có dòng điện chạy từ nguồn 4 cells pin về chân G của Q1, do điện áp lúc này VGE >= 3.3V nên Q1 sẽ đóng lại.
Điện trở R1 (1kΩ) dùng để hạn dòng. Điện trở R3 (10kΩ) dùng để xả hết điện áp còn lại ở chân G (ở chân G của IGBT có chưa các tụ), nếu không có R3 thì khi chân G thì Q1 sẽ không ngắt.
Q2: Hoạt động tương tự như Q1 nhưng nguồn sẽ được lấy từ điện áp ghim của Zenner 10V.
44 Dòng điện qua Opto quang:
Để opto quang P1 và P2 hoạt động có nghĩa rằng hai chân anode và cathode của chúng phải được cấp một dòng điện chạy qua IAK, dòng điện này có giá trị không quá 60mA thì C và E sẽ thông nhau. Điện trở R7 và R8 (1kΩ) dùng để hạn dòng.
Điều chỉnh độ rộng xung PWM để kiểm soát dòng điện nạp cho bộ pin:
Khi bộ pin được mắc vào hệ thống. Dòng điện sau khi qua bộ chỉnh lưu và điện trở R thì cho ra dòng điện rơi vào khoảng 2A và sẽ giảm dần khi suất điện động của bộ pin tăng lên. Trong khi đó bộ pin cần dòng điện khoảng 1A và ổn định, chính vì vậy ta cần điều chỉnh cường độ dòng điện một cách hợp lý. Phương pháp điểu chỉnh độ rộng xung PWM là phương pháp lý tưởng cho việc điều chỉnh cường độ dòng điện.