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 âm và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải. Ta có:
Ud = Umax.( t0/T) (V) hay Ud = Umax.D
(Với D = t0/T là hệ số điều chỉnh và được tính bằng % tức là PWM)
Như vậy ta nhìn trên hình đồ thị dạng điều chế xung thì ta có : Điện áp trung bình trên tải sẽ là:
Ud = 12×20% = 2,4V ( Với D = 20%) Ud = 12×40% = 4,8V (Với D = 40%) Ud = 12×90% = 10,8V (Với D = 90%)
4.3.4 Giới thiệu về ADC của PIC16F877A.[3]
ADC là bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số.
Hình 4.8: Nguyên lý hoạt động và sơ đồ nguyên lý chọn kênh ADC.
Bộ chuyển đổi ADC có cấu trúc độc lập để có thể hoạt động trong khi vi điều khiển đang ở chế độ SLEEP, xung cung cấp cho ADC lấy từ dao động RC bên trong của khối ADC.
Kết quả chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang số là 10 Bit số tương ứng và được lưu trong 2 thanh ghi: ADRESH, ADRESL.
Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanh ghi này có thể được sử dụng như các thanh ghi thông thường khác. Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽ được lưu vào 2 thanh ADRESH, ADRESL. Bit được xóa về 0 và cờ ADIF được SET.
Chương 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ
CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MẠCH SẠC PIN LITHIUM-ION.
5.1 Sơ đồ khối hệ thống mạch sạc pin Lithium-Ion.
Mạch sạc pin Li-ion bao gồm mạch động lực, mạch đo lường và mạch điều khiển: 1) Mạch động lực: gồm khối chỉnh lưu cầu nhận điện áp xoay chiều từ lưới và cho
ra điện áp một chiều có giá trị cố định. Mạch điều áp một chiều buck/boost ứng dụng MOSFET sẽ đảm bảo việc tăng hoặc giảm điện áp cấp cho pin/ắc-quy trong quá trình sạc.
2) Mạch đo lường: đo dòng điện và điện áp sạc cũng như đo nhiệt độ của pin/ắc- quy trong quá trình sạc.
3) Mạch điều khiển: điều khiển quá trình sạc: sử dụng vi điều khiển để điều chỉnh xung PWM cho mạch buck/boost nhằm thay đổi điện áp và dòng điện sạc cho phù hợp với qui trình sạc; theo dõi nhiệt độ của pin/ắc-quy trong quá trình sạc để tăng hoặc giảm điện áp sạc, cảnh báo; kiểm soát thời gian sạc...
Hình 5.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Lithium-Ion.
Mạch nguồn chỉnh lưu AC/DC Mạch Buck/Boost DC/DC Pin Lithium-Ion Đo dòng và áp U/I PIC 16F877A Đo nhiệt độ T
5.2 Tính toán, thiết kế mạch động lực.
Mạch động lực đảm nhận vai trò nhận điện áp xoay chiều từ lưới, chỉnh lưu thành điện áp một chiều và sau đó điều chỉnh giá trị của điện áp một chiều cho phù hợp với giá trị yêu cầu của pin/ắc-quy trong suốt quá trình sạc.
Điện áp ra sau mạch biến đổi DC/DC (buck/boost) sẽ được điều khiển nhờ nhận tín hiệu điều khiển xung từ mạch điều khiển để thay đổi chu kỳ đóng mở của van bán dẫn công suất để thay đổi, điều khiển đầu ra theo các chế độ tương ứng.
Tiếp theo là phần tính toán và thiết kế mạch động lực cho mô hình pin Lithium-ion 12 V - 8,800 Ah:
5.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.
Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010 có khả năng cho ra dòng điện một chiều tối đa 10 A và chịu được điện áp ngược lên tới 1000V.
Hình 5.2: Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010.
5.2.2 Mạch nguồn nuôi vi điều khiển và các IC trong mạch.
Vì bộ điều khiển cần cấp nguồn liên tục nên ta cần có mạch nguồn cung cấp. Ngoài ra cũng cấp nguồn cho mạch động lực.
Hình 5.4: Mạch nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển và IC.
5.2.3 Mạch nạp theo nguyên lý buck.
Hình 5.5: Sơ đồ mạch DC-DC theo nguyên lý buck.
Do trong ORCAD không có IR2184 nên trong sơ đồ trên IR2184 được nối theo số thứ tự chân.
Điện áp lưới thay đổi ±10% nên ta có điện áp vào sau bộ chỉnh lưu là 28-34 V và dòng điện cực đại Imax = 10A.
Mục tiêu thiết kế bộ nạp DC-DC buck cho pin Lithium-ion 12V-8,8Ah.
Vin 28 – 34 V IINmax 10A Vout 7,5-12,6 V IOUTmax 4,4 A Tần số PWM 20 KHz U Uc ∆ 1%
Bảng 5.1:Bảng thông số các đại lượng cần thiết để thiết kế bộ nạp DC-DC.
5.2.3.1 Tính toán hệ số duty cycle (D).
Ta có phương trình đối với mạch Buck (4.1):
Suy ra: 0.22≤ D ≤0,45
5.2.3.2 Tính chọn giá trị cuộn cảm (L). [6]
Chọn tụ 3300 µF - 50 V.
5.2.3.4 Tính chọn van MOSFET.
Chọn MOSFET dựa trên 2 thông số chủ yếu:
− Điện áp đánh thủng lớn nhất VBR.
− Dòng điện đỉnh IPM.
Tại thời điểm MOSFET chuyển từ ON sang OFF dòng qua van lớn nhất: IMOSFET = 130%. 10 = 13A
Vin max = 34V
VMOSFET = 130%. 34 = 44,2 V (chọn hệ số dự trữ 30%). Chọn MOSFET IRF540 có I = 23 A , V = 100 V.
5.2.3.5 Tính chọn Diode.
Cũng tương tự như tính chọn MOSFET chọn diode dựa trên điện áp đánh thủng và dòngđiện đỉnh
Idiode = 130%.10 = 13A Vdiode = 130%. 34 = 44,2 V
Dùng 4 Diode FR307 mắc song song. Thông số FR307: I = 3 A, V = 35 V.
5.2.3.6 Chọn IC điều khiển MOSFET.
Điều khiển MOSFET cao theo nguyên lý boostrap nên ta chọn IC IR2184:
− IR2184 được thiết kế điều khiển với điện ápnguồn lên đến +600 V, có thể đóng mở MOSFET với tần số cao, cung cấp cho cực cổng MOSFET điện áp (VGS) từ 10 V đến 20 V.
− Là IC chống trùng dẫn tốt với tín hiệu logic điều khiển từ 3.3 V đến 5 V.
5.3 Thiết kế mạch điều khiển.
− Đọc tín hiệu ADC từ 3 kênh: dòng điện sạc, điện áp sạc và nhiệt độ của pin/ắc- quy.
− Tính toán đưa ra tín hiệu điều khiển trong các chế độ nạp khác nhau.
− Điều khiển đóng cắt sạc pin và bảo vệ pin khỏi quá tải.