Bảng 3.1 : Các chế độ sạc pin
Chế độ sạc Loại pin C rate Thời gian sạc Nhiệt độ Slow charger NiCd
Lead acid 0.1C 14h Rapid charger NiCd, NiMH, Li-ion 0.3-0.5C 3-6h Fast charger NiCd, NiMH, Li-ion 1C 1h+ Ultra-fast charger Li-ion,
NiCd, NiMH 1-10C 10-60 minutes
3.3.2 Điều kiện để sạc nhanh pin Li-ion.
Để áp dụng sạc nhanh, các điều kiện sau đây phải được tuân thủ:
− Pin phải được thiết kế để chấp nhận sạc nhanh. Kiểu pin có nhiều khối bị gặp giới hạn về khả năng chịu dòng điện.
− Sạc nhanh chỉ áp dụng trong giai đoạn sạc đầu tiên. Dòng sạc phải được hạ xuống khi đã hoàn thành 70% dung lượng ngưỡng sạc.
− Tất cả các cell trong hộp pin phải được ổn định và trong tình trạng tốt. Pin cũ với điện trở trong cao sẽ nóng lên; chúng không còn phù hợp để sạc nhanh.
− Sạc nhanh chỉ có thể được thực hiện dưới nhiệt độ vừa phải. Nhiệt độ thấp làm chậm quá trình phản ứng hóa học và năng lượng không được hấp thụ dẫn tới tích tụ nhiệt.
− Bộ sạc phải hạn chế sự tăng nhiệt độ và có các quy định an toàn khác để ngắt sạc nếu pin bị quá áp suất.
Nếu không chú ý đến những điều kiện này có thể gây ra hư hỏng nhanh chóng và có thể gây cháy nổ pin.
3.3.3 Ảnh hưởng của sạc nhanh đến tuổi thọ của pin.
mất dần còn 310mAh, tức là giảm đến còn 47%, và với 3C pin hỏng chỉ sau 360 chu kỳ với dung lượng còn lại 26%.
Hình 3.4 Biểu diễn chu kỳ nạp và xả của pin Li-ion ở mức 1C, 2C và 3C.
Sạc và xả pin Li-ion trên 1C làm giảm tuổi thọ. Các nhà sản xuất khuyến cáo nên sử dụng sạc và xả chậm hơn nếu có thể và điều này áp dụng cho hầu hết các pin. Mặc dù pin vận hành tốt với tốc độ sạc chậm của 1C và ít hơn, chúng ta phải ghi nhớ rằng một số ứng dụng đòi hỏi tốc độ sạc và xả cao và người dùng buộc phải chấp nhận tuổi thọ pin giảm.
3.4 Nhận xét.
Trong đồ án này, em lưu ý 3 thông số ảnh hưởng đến pin lithium ion khi thiết kế bộ sạc pin như sau:
− Điện áp của pin: 48 V, đảm bảo sai số không quá 1% (+/- 50mV/cell)
− Nhiệt độ pin: 100C – 450C.
− Dòng sạc: ~1C (chế độ sạc nhanh)
Vì đồ án yêu cầu sạc nhanh pin lithium ion phòng trường hợp khi đang đi thì xe hết điện nên em áp dụng nguyên lí sạc pin theo hình 1 (sạc hai giai đoạn):
− Sạc dòng cố định: đây là giai đoạn chủ yếu để pin đạt 70% dung lượng (SoC).
Chương 4: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ
TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A
4.1 Khái quát về các bộ biến đổi DC-DC.
Mục đích của bộ biến đổi DC-DC là tạo ra điện áp một chiều điều chỉnh được để cung cấp cho các phụ tải biến đổi. Trong một số trường hợp điện áp một chiều được tạo ra bằng cách chỉnh lưu từ lưới có điện áp biến thiên liên tục. Bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong các yêu cầu điều chỉnh được công suất nguồn một chiều, ví dụ như máy tính, thiết bị đo lường, thông tin liên lạc, nạp điện cho ắc quy ngoài ra bộ biến đổi DC-DC còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều.
Các bộ biến đổi DC-DC là các bộ biến đổi xung nó có thể là các bộ biến đổi một góc phần tư, hai góc phần tư và bốn góc phần tư. Bộ giảm áp (Buck) và bộ tăng áp (Boost) là các cấu trúc biến đổi một góc phần tư cơ bản. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư là bộ biến đổi xung đảo chiều dòng điện. Ở bộ biến đổi xung một góc phần tư, giá trị trung bình điện áp một chiều đầu ra luôn được giữ ở một mức cần thiết kể cả khi có sự thay đổi bất thường điện áp đầu vào và điện áp đầu ra tải. Các bộ biến đổi xung này chỉ làm việc ở góc phần tư thứ nhất của mặt phẳng tải. Điện áp ra và dòng điện luôn có giá trị dương. Vì vậy bộ biến đổi này gọi là bộ biến đổi xung một góc phần tư. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư có khả năng hoạt động ở hai góc phần tư của mặt phẳng tải (v-i). Do vậy điện áp vào và điện áp ra luôn dương, tuy nhiên dòng điện đầu vào và dòng điện đầu ra có thể dương hoặc âm. Do đó một số bộ biến đổi còn có tên là bộ biến đổi xung đảo dòng. Bộ biến đổi xung hai góc phần tư bao gồm hai bộ biến đổi xung cơ bản là bộ biến đổi xung tăng áp và bộ biến đổi xung giảm áp.
Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp). Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch, và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua điện cảm. Các bộ bộ biến đổi DC-DC thường được sử dụng trong các hệ thống năng lượng tái tạo như các hệ thống quang điện, pin nhiên liệu ắc quy và cá hệ thống gió và bánh đà để chuyển đổi điện áp một chiều thành điện áp phù hợp cho các ứng dụng hoặc có biên độ thích hợp để chuyển đổi thành điện áp xoay chiều trược khi đưa vào lưới, các bộ DC-DC cách ly có tác dụng cách ly và giảm tổn thất do ta sử dụng biến áp xung.
điện áp DC đầu ra nhỏ hơn đầu vào. Bộ buck converter thông thường để điều chỉnh điện áp nguồn cung cấp chất lượng cao như mạch nguồn máy tính và các thiết bị đo lường. Bộ buck converter còn được sử dụng để điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều bằng cách thay đổi điện áp phần ứng.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi buck.[6]
Bộ biến đổi buck hoạt động theo nguyên tắc sau: khi khóa (van) đóng, điện áp chênh lệch giữa ngõ vào và ngõ ra đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa (van) ngắt, cuộn cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Điện áp đặt vào cuộn cảm lúc này ngược dấu với khi khóa (van) đóng và có độ lớn bằng điện áp ngõ ra cộng với điện áp rơi trên diode, khiến cho dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian. Tụ điện ngõ ra có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm trong giới hạn cho phép. Ở trạng thái xác lập, dòng điện đi qua điện cảm sẽ thay đổi tuần hoàn, với giá trị của dòng điện ở cuối chu kỳ trước bằng với giá trị của dòng điện ở đầu chu kỳ sau.
Hình 4.2: Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ biến đổi buck
Xét trường hợp dòng điện tải có giá trị đủ lớn để dòng điện qua điện cảm là liên tục. Vì điện cảm không tiêu thụ năng lượng (điện cảm lý tưởng), hay công suất trung bình trên điện cảm là bằng 0, và dòng điện trung bình của điện cảm là khác 0, điện áp rơi trung bình trên điện cảm phải là 0. Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), Ton là thời gian đóng khóa (van), và Toff là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = Ton + Toff. Giả sử điện áp rơi trên diode và dao động điện áp ngõ ra là khá nhỏ so với giá trị của điện áp ngõ vào và ngõ ra. Khi đó, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi đóng khóa (van) là:
(Ton/T)*(Vin - Vout)
Còn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa (van) là: -(Toff/T)*Vout
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn là: (Ton/T)*(Vin - Vout) - (Toff/T)*Vout = 0
Hay
(Ton/T)*Vin -( (Ton + Toff)/T)*Vout = 0 (Ton/T)*Vin = Vout
Với các bộ biến đổi buck, vấn đề thường được đặt ra như sau: cho biết phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu IOUTmin, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện áp ngõ ra.
Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
Dmin = Vout/VINmax và Dmax = Vout/VINmin (4.1)
Bộ biến đổi có hai chế độ hoạt động là chế độ hoạt động liên tục và chế độ gián đoạn, chế độ liên tục là dòng điện qua cuộn cảm luôn lớn hơn không do đó yêu cầu cuộn cảm phải có giá trị lớn, còn chế độ gián đoạn là chế độ mà dòng điện qua cuộn cảm có thể lớn hơn hoặc bằng không.
Thông thường, các bộ biến đổi buck chỉ nên làm việc ở chế độ dòng điện liên tục qua điện cảm. Tại biên của chế độ dòng điện liên tục và gián đoạn, độ thay đổi dòng điện sẽ bằng 2 lần dòng điện tải. Như vậy, độ thay đổi dòng điện cho phép bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu. Điện cảm phải đủ lớn để giới hạn độ thay đổi dòng điện ở giá trị này trong điều kiện xấu nhất, tức là khi D = Dmin (vì thời gian giảm dòng điện là Toff với điện áp rơi không thay đổi là Vout). Một cách cụ thể, chúng ta có đẳng thức sau:
(1/Dmin)*T*Vout = Lmin*2*IOUTmin
Hai thông số cần được lựa chọn ở đây là Lmin và T. Nếu chúng ta chọn tần số chuyển mạch nhỏ, tức là T lớn (T = 1/f, f là tần số chuyển mạch), thì Lmin cũng cần phải lớn.
Thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm sẽ đi qua tụ điện ngõ ra. Với dòng điện qua điện cảm có dạng tam giác, điện áp trên tụ điện ngõ ra sẽ là các đoạn đa thức bậc hai nối với nhau (xét trong một chu kỳ chuyển mạch). Lượng điện tích được nạp vào tụ điện khi dòng điện qua điện cảm lớn hơn dòng điện trung bình sẽ là ΔI × T/2. Nếu biểu diễn theo điện dung và điện áp trên tụ điện thì lượng điện tích này bằng C×ΔV. Trong đó, ΔI là biên độ của thành phần xoay chiều của dòng điện qua điện cảm, còn ΔV là độ thay đổi điện áp trên tụ khi nạp (cũng như khi xả, xét ở trạng thái xác lập). Như vậy, chúng ta có thể xác định giá trị của tụ điện dựa vào đẳng thức sau:
∆I*(T/2) = C*∆V
ΔI đã được xác định ở trên, bằng 2 lần dòng điện tải tối thiểu, và T đã được chọn ở bước trước đó. Tùy theo giá trị độ dao động điện áp ngõ ra cho phép ΔV mà chúng ta chọn giá trị C cho thích hợp.
4.3 Vi điều khiển (VĐK) PIC16F877A.
Hình 4.3: Vi điều khiển PIC16F877A.
4.3.1 Sơ đồ khối VĐK PIC16F877A.
Gồm có các khối:
− Khối ALU – Arithmetic Logic Unit.
− Khối bộ nhớ chứa chương trình – Flash Program Memory.
− Khối bộ nhớ chứa dữ liệu EPROM – Data EPROM.
− Khối bộ nhớ file thanh ghi RAM – RAM file Register.
− Khối giải mã lệnh và điều khiển – Instruction Decode Control.
− Khối thanh ghi đặc biệt.
− Khối ngoại vi timer.
− Khối giao tiếp nối tiếp.
− Khối chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số - ADC.
4.3.2 Chức năng các chân của PIC16F877A.[7]
Hình 4.5: Chức năng các chân của VĐK PIC16F877A.
− Chân OSC1/CLK1(13): ngõ vào kết nối với dao động thạch anh hoặc ngõ vào nhận xung clock từ bên ngoài.
− Chân OSC2/CLK2(14): ngõ ra dao động thạch anh hoặc ngõ ra cấp xung clock.
− Chân (1) có 2 chức năng.
− : ngõ vào reset tích cực ở mức thấp.
− Vpp: ngõ vào nhận điện áp lập trình khi lập trình cho PIC.
− Chân RA0/AN0(2), RA1/AN1(3), RA2/AN2(3): có 2 chức năng
− RA0,1,2: xuất/ nhập số.
− AN 0,1,2: ngõ vào tương tự của kênh thứ 0,1,2.
− Chân RA2/AN2/VREF-/CVREF+(4): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự của kênh thứ 2/ nhõ vào điện áp chuẩn thấp của bộ AD/ ngõ vào điện áp chẩn cao của bộ
− Chân RA3/AN3/VREF+(5): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 3/ ngõ vào điện áp chuẩn (cao) của bộ AD.
− Chân RA4/TOCK1/C1OUT(6): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock bên ngoài cho Timer 0/ ngõ ra bộ so sánh 1.
− Chân RA5/AN4/ / C2OUT(7): xuất nhập số/ ngõ vào tương tự kênh 4/ ngõ vào chọn lựa SPI phụ/ ngõ ra bộ so sánh 2.
− Chân RB0/INT (33): xuất nhập số/ ngõ vào tín hiệu ngắt ngoài.
− Chân RB1(34), RB2(35): xuất nhập số.
− Chân RB3/PGM(36): xuất nhập số/ cho phép lập trình điện áp thấp ICSP.
− Chân RB4(37), RB5(38): xuất nhập số.
− Chân RB6/PGC(39): xuất nhấp số/ mạch gỡ rối và xung clock lập trình ICSP.
− Chân RB7/PGD(40): xuất nhập số/ mạch gỡ rối và dữ liệu lập trình ICSP.
− Chân RC0/T1OCO/T1CKI(15): xuất nhập số/ ngõ vào bộ giao động Timer1/ ngõ vào xung clock bên ngoài Timer 1.
− Chân RC1/T1OSI/CCP2(16): xuất nhập số/ ngõ vào bộ dao động Timer 1/ ngõ vào Capture2, ngõ ra compare2, ngõ ra PWM2.
− Chân RC2/CCP1(17): xuất nhập số/ ngõ vào Capture1,ngõ ra compare1, ngõ ra PWM1.
− Chân RC3/SCK/SCL(18): xuất nhập số/ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra chế độ SPI./ ngõ vào xung clock nối tiếp đồng bộ, ngõ ra của chế độ I2C.
− Chân RC4/SDI/SDA(23): xuất nhập số/ dữ liệu vào SPI/ xuất nhập dữ liệu I2C.
− Chân RC5/SDO(24): xuất nhập số/ dữ liệu ra SPI.
− Chân RC6/TX/CK(25): xuất nhập số/ truyền bất đồng bộ USART/ xung đồng bộ USART.
− Chân RC7/RX/DT(26): xuất nhập số/ nhận bất đồng bộ USART.
− Chân RE0/ /AN5(8): xuất nhập số/ điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự 5.
− Chân RE1/ /AN6(9): xuất nhập số/ điều khiển ghi port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 6.
− Chân RE2/ /AN7(10): xuất nhấp số/ Chân chọn lụa điều khiển port song song/ ngõ vào tương tự kênh thứ 7.
− Chân VDD(11, 32) và VSS(12, 31): là các chân nguồn của PIC.
4.3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM.[3]4.3.3.1 Giới thiệu phương pháp. 4.3.3.1 Giới thiệu phương pháp.
Phương pháp điều xung PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm.
Hình 4.6:Đồ thị dạng xung điều xung PWM.
4.3.3.2 Nguyên lý của phương pháp.
Đây là phương pháp được thực hiên theo nguyên tác đóng ngắt nguồn có tải một cách có chu kỳ theo điều chỉnh thời gian đóng ngắt. Phần tử thực hiện đóng ngắt là các van bán dẫn.
Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý dùng PWM điều khiển điện áp tải(trái) Sơ đồ xung van điều khiển và đầu ra(phải).
Trong khoảng thời gian 0 – t0 ta cho van Q1 mở toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa ra tải. Trong thời gian t0 – T cho van Q1 khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải.
Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :
Gọi t0 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn