Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện – điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu có thể là các diode bán dẫn, các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.
Mạch chỉnh nửa sóng
Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua diode, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của diode. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.
Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng[12]
Mạch chỉnh lưu toàn sóng
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều. Do đó nó có hiệu suất cao hơn.
Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu toàn sóng[12]
Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: Dương (hoặc âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều. Nửa còn lại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.
33
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Sơ đồ hệ thống mạch sạc Pin Lithium-ion ( 60 Cells)
Mạch sạc bao gồm 2 phần chính: Mạch nạp và Mạch điều khiển.
Mạch nạp: Là mạch để cung cấp nguồn sạc cho bộ pin bao gồm cầu chỉnh lưu nhận điện áp xoay chiều (220V) và cho ra một giá trị điện áp ổn định một chiều.
Mạch điều khiển: Đọc giá trị ADC từ bộ pin để điều khiển đóng ngắt các IGBT để tránh xảy ra hiện tượng quá nạp và quá xả của pin, điều chỉnh xung PWM để tạo ra cường độ dòng điện phù hợp.
Bộ pin gồm 60 cells pin mắc nối tiếp mỗi viên pin có điện áp trung bình là 3.7 V. Điện áp của bộ pin dao động từ 180V đến 240V (thiết kế cho xe điện sử dụng động cơ 220V- 1.5kW). Giả sử tất cả các cell pin đều cân bằng về điện áp thì giá trị điện áp trung bình mỗi viên sẽ dao động từ 3V đến 4V.
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
3.2 Tính toán thiết kế mạch nạp
Vai trò: Mạch nạp đảm nhận vai trò nhận điện áp xoay chiều từ lưới 220VAC-Volts Alternating Current, chỉnh lưu thành điện áp một chiều và sau đó điều chỉnh giá trị điện áp một chiều cho phù hợp với giá trị yêu cầu của bộ pin trong suốt quá trình sạc.
Mục tiêu thiết kế: Pin Lithium-ion cần dòng sạc một chiều và ổn định. Bộ pin lithium-ion 60 cells mắc nối tiếp có điện áp lớn (180V khi xả hết và 240V khi sạc đầy) nên ta sử dụng nguồn điện được chỉnh lưu từ điện gia đình (220VAC). Đầu ra của mạch nạp phải là giá trị điện áp một chiều và ổn định.
34 Lựa chọn linh kiện:
KBL610: Là một loại cầu diode với khả năng cho ra dòng điện cao 6A và có thể chịu một điện áp ngược lên đầu các diode lên tới 1000V thường dùng để chỉnh lưu mạng điện 220 VAC.
Hình 3.2 Cầu diode KBL610 Thông số kĩ thuật:
Hình 3.3 Đặc tính của cầu diode KBL610
Tụ hóa 400V-47uF dùng để lọc nguồn để nguồn điện ổn định hơn, vì điện áp hộ gia đình là U=220V nên cần dùng tụ có giá trị khoảng 1,5U.
Điện trở R (66Ω-100W) dùng để hạn dòng qua bộ pin.
Sơ đồ thiết kế: Dòng điện sau khi qua cầu diode KBL610 sẽ trở thành điện một chiều và sẽ được làm phẳng sau khi qua hai tụ hóa 400V-47uF C1 và C2.
35 Hình 3.4 Mạch cầu chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều
Giải thích nguyên lý hình 3.4: Khi đặt điện áp xoay chiều 220V vào nguồn U0, điện áp được chỉnh lưu thành một chiều qua cầu diode KBL610. Hai tụ C1 (400V-47uF) và C2 (400V-47uF) dùng để làm phẳng điện áp. Điện trở R9 (100k-2W) và đèn led D1 dùng để xả điện trên các tụ C1 và C2. Điện trở R (66Ω-50W) dùng để hạn dòng từ nguồn nạp. Kết quả đạt được: Điện áp đầu ra của mạch vào khoảng 330VDC (giá trị hiển thị trên đồng hồ VOM). Giá trị điện áp quá lớn nên sử dụng điện trở R (theo hình 3.4) để hạn dòng.
Kết luận: Giá trị điện áp sau khi thiết kế khá lớn so với mong muốn, điện áp càng cao sẽ cho ra dòng điện càng lớn. Mạch sẽ được kết hợp việc sử dụng đồng thời R và xung PWM để cho ra dòng điện thích hợp.
3.3 Tính toán thiết kế mạch nguồn nuôi vi điều khiển
Như đã trình bày ở phần lý thuyết, Atmega 328P cần một nguồn nuôi ổn định xấp xỉ 5V ở chân VCC.
Mục tiêu thiết kế: Mạch nguồn cho ra nguồn điện ổn định 5V từ nguồn 16V (4 cells pin) để nuôi VĐK, dòng điện trước khi đến VĐK cần được làm phẳng để tránh làm nhiễu VĐK.
Lựa chọn linh kiện:
IC 7805: LM7805 là ổn áp cơ bản, là bộ ổn áp dương có 3 chân với mức ổn định điện áp đầu ra 5V.
36 Hình 3.5 IC LM7805 Thông số kĩ thuật: Điện áp vào lớn nhất: 20V Điện áp vào nhỏ nhất: 7V Nhiệt độ hoạt động lớn nhất: 85°C Nhiệt độ hoạt động nhỏ nhất: -20°C Dòng đầu ra: 1.5A
Điện áp ổn định: 5
Tụ hóa 25V-1000uF: Là tụ phân cực dùng để lọc nguồn, vấn đề chống nhiễu cho VĐK rất quan trọng nên ta cần giá trị điện dung lớn (điện dung càng lớn thì lọc nguồn tốt hơn), 25V là giá trị điện áp cực đại mà tụ có thể chịu được, nếu điện áp vượt qua 25V thì tụ sẽ bị đánh thủng.
Hình 3.6 Tụ hóa 25V-1000uF
37 Hình 3.7 Tụ gốm 104
Thạch anh 16Mhz: Dùng để tạo dao động cho ra tần số ổn định cho VĐK mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
Hình 3.8 Thạch anh SMD 16Mhz Tụ gốm 22pF: Dùng để lọc nhiễu cho thạch anh.
Hình 3.9 Tụ gốm 22pF Sơ đồ thiết kế:
38 Giải thích nguyên lý: Theo hình 3.10, nguồn 16V lấy từ 4 cells của bộ pin lithium-ion sau khi đi qua hai tụ C6 (tụ gốm 22pF) và C7 (25V-1000uF). Điện áp được làm phẳng được nối vào chân VI của IC LM7805, chân GND của IC LM7805 được nối về âm cực, chân còn lại của IC LM7805 là VO cho ra điện áp 5V, điện áp này cũng được làm phẳng nhờ hai tụ C8 và C9 rồi nối đến chân VCC của VĐK để nuôi VĐK. Chân AVCC của VĐK được nối chung nguồn với chân VCC dùng để chọn điện áp tham chiếu (Vref) cho VĐK, khi đó ở chân AREF cần có thêm một tụ C5 (104pF) để tránh nhiễu cho VĐK. Hai chân 9 và 10 của VĐK được nối với hai chân của thạch anh 16Mhz dùng để tạo dao động, hai tụ C3 và C4 dùng để tránh nhiễu cho bộ tạo dao động thạch anh.
Kết quả đạt được: Mạch cho ra điện áp 5V ổn định, bộ tạo dao động thạch anh hoạt động tốt.
Kết luận: Kết quả thu được đúng với mục tiêu đã thiết kế.
3.4 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển
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.
3.5 Sơ đồ toàn mạch
45 Hình 3.18 Mạch sau khi thiết kế
46
3.6 Tính toán, thiết kế bộ pin 60 cells Lithium-ion Pin sạc li-ion C'mon Power IMR 18650 - 3200mAh Pin sạc li-ion C'mon Power IMR 18650 - 3200mAh
Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của pin Lithium-ion
C'mon Power IMR 18650 - 3200mAh
Loại pin IMR 18650 - High Drain
Thương hiệu C'mon Power
Điện áp 3.7V
Dung lượng 3200 mAh
Mức xả tối đa (Max AMP Draw) MAX 15AMP (15A) - CDR 2A Kích thước: Chiều cao x đường kính 65mm x 18.5mm
3.6.1 Thiết kế và gia công giá cố định pin Phương án Phương án
Dùng chất liệu nhựa mica cách điện, gia công bằng lazer. Gồm 6 cụm pin, mỗi cụm có 10 viên pin.
Tiến hành
Sử dụng mica trong dày 3 mm để làm giá đỡ pin và mica 1mm dán chồng lên làm tấm lót chống phóng điện. Và áp dụng cho cả 2 đầu pin cố định cụm 10 viên pin.
Hình 3.20 Ảnh 3D từ phần mềm Inventor-Giá đỡ pin
Thiết kế 2 đầu dùng để trượt trong rãnh hộp nhằm cố định các cụm pin không bị ảnh hưởng khi có dao động mạnh.
47 Hình 3.21 Bản vẽ kích thước giá đỡ pin(mm)
Hình 3.22 Tấm lót bảo vệ chống phóng điện giữa các điện cực khi hàn nối với nhau
48 Dán tấm lót vào tấm giá đỡ pin bằng keo 502. Sao cho mỗi đầu pin được giữ cố định như hình dưới
Hình 3.24 Gắn vào 2 pin mô phỏng Bản vẽ lắp ráp xuất từ phần mềm Inventor.
49 Các viên pin được hàn nối tiếp với nhau bằng kẽm hàn cell pin dày 0.1mm
3.6.2 Thiết kế và gia công hộp đựng pin Thiết kế hộp đựng pin thử nghiệm Thiết kế hộp đựng pin thử nghiệm
Hình 3.26 Hộp pin thử nghiệm bằng mica
Hàn nối tiếp 10 cell pin lại với nhau thành 1 cụm, và nối tiếp 6 cụm lại với nhau. Thiết kế hộp mica để cho mục đích thử nghiệm.
Sau khi lắp nối tiếp 60 cell ta có thông số trung bình bộ pin là: Điện áp 222V, dung lượng 3200mAh.
Phương án
Gia công CNC nguyên hộp bằng nhôm. Sử dụng vật liệu là nhôm để có độ tản nhiệt và