Dung lượng tối đa 2600mAh
Điện áp danh định 3,7V
Điện áp sạc 4,2 ± 0,5V
Dòng sạc 0,5C
Phương pháp sạc Điện áp khơng đổi với dịng giới hạn
Thời gian sạc Sạc tiêu chuẩn: 3 giờ
Sạc nhanh: 2,5 giờ
Điện áp ngắt dịng xả 2,75V
Dịng xả 0,2C
Kích thước Đường kính 18mm
Chiều dài 65mm
Trọng lượng tối đa 45g
Nhiệt độ hoạt động Sạc: Từ 0 đến 45
oC Xả: Từ -20 đến 60oC
62 Nhiệt độ bảo quản
1 năm: Từ -20 đến 25oC 3 tháng: Từ -20 đến 45oC 1 tháng: Từ -20 đến 60oC 4.1.1.2. Bộ pin 36V - 13Ah
a) Cấu trúc liên kết của bộ pin: 10S5P (10 cell mắc nối tiếp, 5 cell mắc song song)
Hình 4.2: Bộ pin 36V - 13Ah khi đã liên kết các cell pin Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của bộ pin 36V – 13Ah Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật của bộ pin 36V – 13Ah
Dung lượng tối đa 13Ah
Hiệu điện thế 30 - 42V Điện áp danh định 36V Điện áp sạc 42V Dòng sạc 0,5C Điện áp ngắt dòng xả 27,5V Dịng xả 0,2C
Cơng suất tối đa 71,5 Wh
Kích thước Dài mm, rộng mm, cao mm
Trọng lượng tối đa 3Kg
b) Quy trình đóng bộ pin (Dùng pin Lithium-Ion 18650 Samsung 26F):
- Lựa chọn pin đạt yêu cầu (pin còn hoạt động tốt, đảm bảo dung lượng và điện áp vẫn đầy đủ khi pin đã sạc đầy).
- Đặt pin vào khung pin 18605 và cố định pin thành khối vng 10x5 cho khối pin có cấu trúc 10S5P.
63 - Hàn cell pin lại với nhau bằng kẽm hàn pin với máy hàn chuyên dụng cho pin. Đảm bảo hàn từng cell pin theo đúng cấu trúc 10S5P (10 cell pin hàn nối tiếp, 5 cell pin hàn song song).
- Bọc giấy cách nhiệt để bảo vệ khối pin với mạch quản lí pin.
- Kết nối bộ pin với mạch quản lí pin DXB31 (Kết nối BMS với từng cell pin trước rồi đến kết nối BMS với cực âm của bộ pin)
- Bao bọc khối pin bằng màng co nhiệt PVC để bảo vệ khối pin khi đã hoàn thành.
Bảng 4.3: Dụng cụ dùng để đóng bộ pin
STT Tên dụng cụ và thiết bị Số
lượng Ảnh minh họa
1
Cell pin Lithium-Ion 18650 Samsung 26F 3,7V 2600mAh
50 cell
2 Khung pin 18650, khối
vuông 10x5 2 tấm
3 Kẽm hàn cell pin + Bút hàn
cell pin tích điểm 1 bộ
4 Giấy cách nhiệt 1 bộ
5 Mạch quản lí pin DXB31 1 cái
6 Jack kết nối 10 chân, 4 chân
64 7 Điện trở nhiệt NTC 1 cái
8 Màng co nhiệt PVC 1 bộ
9 Máy khị nhiệt cầm tay 1 cái
Hình 4.3: Khối pin khi đã hoàn thiện
4.1.2. Mạch bảo vệ và quản lý pin DXB31
Hình 4.4: Mạch bảo vệ và quản lý pin DXB31
a) Giới thiệu về mạch bảo vệ và quản lí DXB31:
- Mạch bảo vệ và quản lí pin DXB31 là 1 loại mạch trong hệ thống quản lí pin hiện nay. Mạch được sử dụng có các chức năng như sau: Theo dõi điện áp của bộ pin và cell pin, theo dõi nhiệt độ của bộ pin. Cân bằng điện áp các cell pin xả hoặc sạc quá mức, ngắt kết nối pin
65 với tải khi xả quá dòng, điện áp của pin bị xả quá mức hoặc nhiệt độ của bộ pin cao quá mức cho phép. Ngắt kết nối với bộ sạc khi điện áp của bộ pin sạc quá mức.
- Phương pháp cân bằng của DXB31 là phương pháp cân bằng bị động. Dùng IC BQ7693003 để theo dõi điện áp của từng cell Pin và hỗ trợ cân bằng nếu có cell Pin sạc hoặc xả mất cân bằng với các cell cịn lại.
- DXB31 là mạch quản lí pin hỗ trợ kết nối tối đa 10 cell pin mắc nối tiếp và có hỗ trợ chuẩn giao tiếp UART để giao tiếp với phần mềm quản lí trên máy tính.
- Ngồi ra, thiết bị cịn kết nối với điện trở nhiệt NTC để theo dõi nhiệt độ của toàn bộ bộ pin.
b) Kết nối DXB31 với các thiết bị khác trong hệ thống
Hình 4.5: Sơ đồ mạch điện của mạch DXB31trong hệ thống quản lí pin
Trong đó:
B-, B+: Cực âm, cực dương của bộ pin C-, C+: Cực âm, cực dương của bộ sạc P-, P+: Cực âm, cực dương của tải
0…10: Các dây nối giữa BMS với cell pin
B0…B10: Các vị trí kết nối với cell pin trên bộ pin TX: Chân truyền tín hiệu
66 RX: Chân nhận tín hiệu
5V: Nguồn cung cấp cho mạch DXB31 GND: Mức điện áp chuẩn
c) Nguyên lí hoạt động của mạch DXB31 - Nguyên lí cân bằng khi xả và sạc quá mức:
+ Khi sạc, mạch DXB31 dùng IC BQ7693003 để theo dõi điện áp của từng cell pin. Nếu điện áp của bất kì cell nào vượt quá giá trị điện áp tối đa (4,2V) thì dịng sạc của cell đó được dẫn qua điện trở để giảm áp tại cell đó cho đến khi cân bằng với các cell còn lại.
+ Khi xả, mạch DXB31 sẽ theo dõi điện áp của từng cell pin. Nếu điện áp của cell nào bị xả quá giới hạn cho phép thì BMS tự ngắt kết nối với tải (P-) và dừng q trình xả.
- Ngun lí bảo vệ khi xả quá dòng: Khi pin xã quá dòng, hệ thống BMS sẽ ngắt kết nối bộ pin với tải (P-).
- Nguyên lí bảo vệ khi ngắn mạch: Khi bị ngắn mạch, hệ thống BMS sẽ ngắt kết nối bộ pin với tải (P-) hoặc bộ sạc (C-).
- Nguyên lí bảo vệ khi nhiệt độ bộ pin cao hoặc thấp quá mức cho phép: Trong quá trình sạc và xả pin, mạch DXB31 dùng điện trở nhiệt NTC để theo dõi điện áp của toàn bộ bộ pin. Nếu nhiệt độ cao hoặc thấp hơn giá trị quy định thì mạch sẽ tự động ngắt kết nối với bộ sạc (C-) hoặc tải (P-) để bảo vệ bộ pin tránh những hư hỏng.
67
4.1.3. Bộ sạc pin Li-ion
Hình 4.7: Bộ sạc pin Li-ion
a) Thông số của bộ sạc:
- Đầu vào: 100 - 240V - 2,5A (Điện xoay chiều) - Đầu ra: 42V – 4A (Điện 1 chiều)
b) Kết nối bộ sạc với hệ thống như sau:
- Cực dương (C+) được kết nối với cực dương (B+) của bộ pin - Cực âm (C-) được kết nối với mạch DXB31
c) Công dụng của bộ sạc: Bộ sạc là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều AC thành dịng điện 1 chiều DC có điện áp 42V và dịng 4A. Điện áp và dòng ở đầu ra của bộ sạc được kết nối trực tiếp với bộ pin và mạch quản lí Pin. Cực dương kết nối với cực dương của bộ pin, cực âm kết nối với mạch quản lí để thực hiện 1 số chức năng cân bằng và bảo vệ pin trong lúc sạc pin.
4.1.4. Điện trở nhiệt NTC dây da
- Điện trở nhiệt là các điện trở với hệ số nhiệt độ âm (NTC là chữ viết tắt của Negative Temperature Coefficient), là thiết bị hỗ trợ theo dõi nhiệt của khối pin và cung cấp dữ liệu nhiệt độ cho hệ thống quản lí pin với độ chính xác cao, nhanh chóng và tiện lợi.
68 - Nhiệt điện trở NTC là điện trở trong đó điện trở suất thay đổi theo nhiệt độ. Từ “Negative” ở đây thể hiện giá trị điện trở giảm khi nhiệt độ tăng, quan sát đồ thị bên dưới. Thông qua việc đo giá trị của điện trở NTC được tích hợp trong khối pin mà sự thay đổi nhiệt độ của khối pin có thể được giám sát chặt chẽ. Thơng thường các nhà sản xuất pin sẽ chọn điện trở NTC với trị số 10K ohm ở 25 độ C để dò nội nhiệt pin. Các con trở này được gắn trên vị trí nhạy cảm nhất của mạch bảo vệ để có thể dị nội nhiệt pin tại bất kỳ thời điểm nào. Điều này cho phép mạch bảo vệ pin kiểm soát hiệu quả hoạt động sạc/xả pin, đảm bảo pin hoạt động trong vùng an tồn.
Hình 4.9: Đồ thị thể hiện giá trị điện trở và nhiệt độ của điện trở nhiệt NTC
Trong số các loại pin hiện hành có thể sạc được, pin lithium sở hữu mật độ năng lượng dày nhất và lớn nhất. Và pin lithium cũng khơng hề có hiệu ứng bộ nhớ q trình sạc xả và có thể duy trì mức năng lượng ổn định. Hình … dưới đây mơ tả dịng và điện áp sạc theo hàm thời gian, thường được sử dụng phổ biến trong các hệ thống quản lý pin BMS đời đầu. Tình trạng bất ổn nhiệt rất dễ khiến các mạch sạc pin bị hỏng. Khi nhiệt độ pin nằm trong khoảng 0-45 độ C, dòng và điện áp sạc của pin đều không đổi. Nhiệt độ pin tăng cao có thể khiến pin nhanh bị chai và tăng nguy cơ hỏng pin
69
Hình 4.10: Giới hạn dịng sạc và điện áp sạc trong hệ thống sạc pin
Hình 4.11: Quy định của JEITA về giới hạn điện áp và dòng sạc ở mức giới hạn nhiệt độ
- Sạc nhiệt độ thấp: Nếu trong quá trình sạc mà nhiệt độ pin thấp hơn T2, phản ứng
trong pin sẽ sinh nhiệt, gây ra hiện tượng bất ổn nhiệt. Vì vậy, khi ở sạc ở nhiệt độ thấp bắt buộc phải giảm dòng và điện áp sạc. Nếu nhiệt độ giảm xuống T1 (0 độ C), mạch bảo vệ pin khi đó sẽ ngắt sạc hồn tồn.
- Sạc nhiệt độ cao: Nếu nhiệt độ pin vượt mức T3 (45 độ C) khi đang sạc, trong pin sẽ
xảy ra phản ứng hóa học đồng thời điện áp pin tăng. Nếu nhiệt độ pin tăng tới T4, mạch bảo vệ pin BMS sẽ ngắt sạc. Nếu nhiệt độ vẫn tiếp tục tăng tới mức 175 độ C ở điện áp 4.3V sẽ gây ra hiện tượng bất ổn nhiệt và pin có thể phát nổ.
4.1.5. Arduino mega 2560
Board Arduino Mega 2560 là một KIT Arduino sử dụng vi điều khiển Atmega 2560. Nó có thể kết nối trực tiếp với máy tính thơng qua cổng USB để điều khiển và theo dõi quá trình
70 hoạt động, nhờ sử dụng chíp ATmega16U2 lâp trình như là một cơng cụ để chuyển đổi tín hiêu từ USB.
Hình 4.12: Arduino mega 2560 Bảng 4.4: Thông số Arduino mega 2560 Bảng 4.4: Thông số Arduino mega 2560
Vi điều khiển ATmega2560
Điện áp hoạt động 5V
Điện áp vào 7-12V
Số chân Digital 54 (15 chân PWM)
Số chân Analog 16
Dòng một chiều ở chân I/O 20 mA
Dòng một chiều ở chân 3.3V 50 mA
Giao tiếp UART 4 bộ UART
Giao tiếp SPI 1 bộ (chân 50 - 53)
Ngắt ngoài 6 chân
Bộ nhớ Flash 256 KB, 8 KB sử dụng cho bootloader
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Xung nhịp 16 MHz
Nguồn cấp cho Board Arduino Mega 2560 được cấp thông qua cổng USB (USB Jack) kết nối với máy tính hoặc thơng qua giắc nguồn riêng (Power Jack) bên ngồi.
71
Hình 4.13: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560
Đầu vào dạng tương tự (Analog) của Arduino Mega 2560 gồm 16 chân từ A0 đến A15, có độ phân giải 10bit (từ 0 đến 1023), để đọc tín hiệu dùng lệnh analogRead (<số thứ tự chân cần đọc từ 0-15>).
Các chân tín hiệu vào/ra dạng số (Digital I/O) của board gồm 54 chân từ chân 0 đến chân 53, để khai báo chân vào/ra bằng cách dùng lệnh pinMode (<số thứ tự chân>, <INPUT/OUTPUT>), để đọc tín hiệu Digital dùng lệnh digitalRead (<số thứ tự chân>, <mức điện áp>), để xuất tín hiệu Digital dùng lệnh digitalWrite (<số thứ tự chân>, <mức điện áp>). Trong đó, 15 chân có thể xuất tín hiệu PWM từ chân 2-13 và 44-46, có độ phân giải 8 bit (0 - 255), thơng qua lệnh analogWrite (<số thứ tự chân>, <giá trị phát xung từ 0-255>).
Các chân ngắt ngoài của board gồm 6 chân: 2, 3 và 18-21, dùng chương trình ngắt thơng qua lệnh attachInterrupt (<số thứ tự ngắt>, <chương trình sẽ được gọi khi ngắt xảy ra>, <chế độ ngắt>).
72
4.1.6. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống
Hình 4.14: Sơ đồ ngun lý của hệ thơng quản lí pin dùng mạch DXB31
4.1.7. Sơ đồ cấu tạo phần cứng
Hình 4.15: Sơ đồ cấu tạo phần cứng của hệ thơng quản lí pin dùng mạch DXB31
4.1.8. Sơ đồ cấu tạo trên thực tế
73
4.1.9. Sơ đồ mạch điện của hệ thống
Hình 4.17: Sơ đồ mạch điện của tồn bộ hệ thống quản lí pin dùng mạch DXB31
4.1.10. Sơ đồ nối dây của hệ thống
74 Trong đó:
B-, B+: Cực âm, cực dương của bộ pin C-, C+: Cực âm, cực dương của bộ sạc P-, P+: Cực âm, cực dương của tải 0..10: Các dây nối giữa BMS với cell pin UART_TX: Chân truyền tín hiệu của BMS UART_RX: Chân nhận tín hiệu của BMS TX1: Chân truyền tín hiệu của Arduino RX1: Chân nhận tín hiệu của Arduino 5V: Nguồn cấp cho BMS
GND: Mức điện áp chuẩn
4.2. Phần mềm
4.2.1. Phương thức giao tiếp với mạch BMS-DXB31
4.2.1.1. Giao tiếp UART
Để giao tiếp chung với BMS-DXB31 thì ta cần một thiết bị có hỗ trợ giao tiếp UART. Từ đây, ta chọn board Arduino làm thiết bị để giao tiếp với BMS.
Hình 4.19: Sơ đồ kết nối UART giữa BMS-DXB31 với board Arduino
Dựa vào nguyên tắc truyền nhận của giao tiếp UART, thì đối với BMS-DXB31 cũng vậy khi Arduino gửi một frame dữ liệu truyền tới chân Rx của BMS-DXB31 thì ngay sau đó BMS-DXB31 trả lại một frame dữ liệu chứa nội dung cần biểu đạt thông tin như ban đầu
75 Arduino muốn gửi đến. Cuối cùng, ta thu được các chuỗi dữ liệu đó rồi sau đó ta chỉ cần phân tích và tách lấy dữ liệu thơng tin cần muốn có.
4.2.1.2. Định dạng khung dữ liệu dùng để giao tiếp
Để giao tiếp với BMS-DXB31 thì các frame tín hiệu từ Arduino gửi đến phải có ngơn ngữ giao tiếp chung, khơng thể thay đổi được do bên nhà sản xuất thiết kế riêng. Vì vậy, dưới đây là cấu trúc một frame truyền nhận dữ liệu, và các frame truyền đi mà BMS-DXB31 có thể giao tiếp được:
Hình 4.20: Cấu trúc frame format của 1 chuỗi dữ liệu
- Instruction head: Có độ dài 1 byte. Cố định là 0x3A - Add: Có độ dài 1 byte. Cố định là 0x16
- Instruction: Có độ dài 1 byte - Length of data: Có độ dài 1 byte
- Data: Có độ dài bằng số dữ liệu của length of data. Nếu length of data bằng 0 thì data
bằng 0
- Checksum: Bit tổng kiểm tra dữ liệu
- End of frame: Có độ dài 2 byte. Cố định là 0x0D 0x0A
Lưu ý: Data có dạng 0x1234 thì định dạng của đoạn dữ liệu là 0x34 0x12
Bảng 4.5: Các chuỗi dữ liệu dùng để giao tiếp với mạch BMS-DXB31
Instruction Ý nghĩa Chuỗi gửi đến BMS
0x01
Trạng thái báo động
Bit 7 1: Undervoltage (UV) 0: Normal Bit 6 1: Overvoltage (OV) 0: Normal Bit 5 1: Overload (OL) 0: Normal Bit 4 1: High-tempetature (HT) 0: Normal Bit 3 1: Discharge short-circuit (DS-C) 0: Normal Bit 2 1: Charge short-circuit (CS-C) 0: Normal Bit 1 1: Discharge overcurrent (D-OC) 0: Normal Bit 0 1: Charge overcurrent (C-OC) 0: Normal
3a 16 01 00 17 00 0d 0a
76 0x06
Nhiệt độ của MOS trong BMS Giá trị nhiệt độ = (Giá trị của dữ liệu-2731)
*0.1℃
3a 16 06 00 1c 00 0d 0a
0x07
Nhiệt độ thấp nhất của bộ pin
Giá trị nhiệt độ = (Giá trị của dữ liệu-2731) *0.1℃
3a 16 07 00 1d 00 0d 0a
0x08
Nhiệt độ cao nhất của bộ pin
Giá trị nhiệt độ = (Giá trị của dữ liệu-2731) *0.1℃
3a 16 08 00 1e 00 0d 0a
0x09 Tổng điện áp của bộ pin
Giá trị điện áp = Giá trị của dữ liệu * 1 mV 3a 16 09 00 1f 00 0d 0a
0x0a Dòng điện
Giá trị của dòng điện = Giá trị của dữ liệu * 1 mA
3a 16 0a 00 20 00 0d 0a
0x0D Phần trăm dung lượng còn lại của bộ pin (SOC) SOC = Giá trị của dữ liệu * 1%
3a 16 0d 00 23 00 0d 0a
0x0F
Dung lượng thực tế còn lại của bộ pin Giá trị dung lượng còn lại của pin = Giá trị của dữ
liệu * 1mAh
3a 16 0d 00 23 00 0d 0a
0x10
Dung lượng thực tế lúc đầy
Giá trị dung lượng thực tế lúc đầy = Giá trị của dữ liệu * 1mAh
3a 16 10 00 26 00 0d 0a
0x24
Điện áp từ cell 1 đến cell 7
Giá trị điện áp mỗi cell = Giá trị của dữ liệu * 1