LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CCM : Continuous Conduction Mode
DCM : Discontinuous Conduction Mode
HO : Đầu ra mức cao
LO : Đầu ra mức thấp
LC : Inductor Capacitor
LCO : LiCoO2
PWM : Xung điều chế
RCD : Registor Capacitor Dio
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Cấu tạo của pin Lithium-ion ................................................................................. 5
Hình 2.2 Cấu tạo của pin Lithium-ion ................................................................................. 6
Hình 2.3 Quá trình nạp của pin Lithium-ion ....................................................................... 6
Hình 2.4 Quá trình xả của pin Lithium-ion [6] ................................................................... 7
Hình 2.5 Đặc tính xả của pin Lithim-ion [7] ....................................................................... 8
Hình 2.6 Đặc tính nạp của pin Lithium -ion[7] .................................................................... 9
Hình 2.7 Bố trí bộ pin trên Tesla Model S [8] .................................................................. 10
Hình 2.8 Hình dạng các pin Lithium đơn trên Tesla Model S [9]..................................... 10
Hình 2.9 Hình ảnh 1 module pin trên Tesla Model S [9] .................................................. 11
Hình 2.10 Sự vận hành biến áp [13] .................................................................................. 13
Hình 2.11 Hình dáng và điện áp của PWM [14] ............................................................... 14
Hình 2.12 Sơ đồ mạch Flyback. [15]................................................................................. 14
Hình 2.13 Dòng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [15] ........................ 15
Hình 2.14 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải) [14] ............... 15
Hình 2.15 Đồ thị điện áp VRO [15] .................................................................................... 16
Hình 2.16 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng không liên tục [15] ... 17
Hình 2.17 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng liên tục. [15] ............. 18
Hình 2.18 Cấu tạo của diode [16] ...................................................................................... 19
Hình 2.19 Cấu trúc diode phân cực thuận ......................................................................... 19
Hình 2.20 Cấu trúc diode phân cực nghịch ....................................................................... 20
Hình 2.21 Đặc tính V-A của một diode bán dẫn lý tưởng [17] ......................................... 20
Hình 2.22 Ký hiệu của MOSFET [18] .............................................................................. 22
Hình 2.23 Trạng thái MOSFET lúc không dẫn (bên trái) và lúc dẫn (bên phải) [17] ....... 23
Hình 2.24 Đặc tính V-I của MOSFET [19] ....................................................................... 24
Hình 2.25 Đặc tuyến V-I của điện trở [17]........................................................................ 25
Hình 2.26: a. Điện trở thường b. Biến trở c. Biến áp ...................................................... 25
Hình 2.27 Qui ước đọc giá trị điện trở [13] ....................................................................... 25
Hình 2.28 Cấu tạo của L7805CV [13]............................................................................... 26
Hình 2.29 Sơ đồ kết nối L7805CV [21] ............................................................................ 26
Hình 2.30 Cuộn cảm .......................................................................................................... 27
Hình 2.31 Ký hiệu của cuộn cảm [22] ............................................................................... 27
Hình 2.32 Sơ đồ chân IR2103 [23].................................................................................... 28
Hình 2.33 Sơ đồ nối dây của IR2103 [23] ......................................................................... 29
Hình 2.34 Xung điều khiển đầu vào và đầu ra của IR2103 [23] ....................................... 30
Hình 2.35 Cấu tạo của tụ điện ........................................................................................... 31
Hình 2.36 ký hiệu của tụ điện [24] .................................................................................... 31
Hình 2.37 Các tụ điện hiện nay[13]................................................................................... 32
Hình 2.38 Cấu tạo của STM32F103C8 [26] ..................................................................... 33
Hình 2.39 Cửa sổ ban đầu của phần mềm ......................................................................... 35
Hình 2.40 Cửa sổ chọn vi điều khiển ................................................................................ 35
Hình 2.41 Cửa sổ cài đặt cấu hình cho vi điều khiển ........................................................ 36
Hình 2.42 Chức năng của các chân được chọn ................................................................. 36
Hình 2.43 Cách tạo xung cho chân PA8............................................................................ 37
Hình 2.44 Bộ đếm Timer ................................................................................................... 37
x
Hình 2.45 Chế độ tạo xung tại chân PA0 .......................................................................... 37
Hình 2.46 Cấu hình thời gian của vi điều khiển ................................................................ 38
Hình 2.47 Cửa sổ đặt tên và tạo code cho vi điều khiển ................................................... 39
Hình 2.48 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5 ...................................... 40
Hình 2.49 Cửa sổ chọn mạch nạp code ............................................................................. 41
Hình 2.50 Giao diện vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch. .......................................... 42
Hình 2.51 Giao diện PCB vẽ mạch in ............................................................................... 42
Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung có hồi tiếp ................ 45
Hình 3.2 Mạch sạc pin lithium - ion .................................................................................. 46
Hình 3.3 Mạch lọc nhiễu AC đầu vào ............................................................................... 47
Hình 3.4 Tụ Tenta 275VAC 0,1uF .................................................................................... 47
Hình 3.5 Cuộn 10MH ........................................................................................................ 48
Hình 3.6 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lư ......................................... 48
Hình 3.7 Diode cầu 25A dẹt 1000V KBJ2510 .................................................................. 48
Hình 3.8 Tụ 400v 100uf .................................................................................................... 49
Hình 3.9 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào .............................. 50
Hình 3.10 MOSFET W20NM60 ....................................................................................... 55
Hình 3.11 Mạch dập xung kiểu RCD ................................................................................ 55
Hình 3.12 Trở và tụ mắc song song................................................................................... 57
Hình 3.13 Tụ 103J 630V ................................................................................................... 57
Hình 3.14 Diode UF4007 .................................................................................................. 58
Hình 3.15 Sơ đồ mạch dập xung gai ................................................................................. 58
Hình 3.16 Vi điều khiển STM32F103C8T6 ...................................................................... 59
Hình 3.17 Driver IR2103 ................................................................................................... 61
Hình 3.18 IC LM7805 ....................................................................................................... 62
Hình 3.19 Tụ hóa 10F – 50V .......................................................................................... 63
Hình 3.20 Tụ gốm 104 ....................................................................................................... 63
Hình 3.21 Mạch nguồn nuôi VĐK .................................................................................... 63
Hình 3.22 Opto quang PC817 ........................................................................................... 64
Hình 3.23 Mạch nguồn cách ly VDK với đầu ra của hệ thống ......................................... 65
Hình 3.24 Mạch nguồn cách ly vi điều khiển và driver .................................................... 65
Hình 3.25 Diode zener 10V ............................................................................................... 66
Hình 3.26 Mạch cầu phân áp ............................................................................................. 67
Hình 3.27 Mạch nguồn cách ly vi điều khiển và driver .................................................... 68
Hình 3.28 Mạch sạc pin hoàn chỉnh .................................................................................. 69
Hình 3.29 Mạch sạc pin sau khi được in ........................................................................... 69
Hình 4.1 Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều, không tải ........................................ 71
Hình 4.2 Thử nghiệm với bóng đèn dây tóc 220V - 60W ................................................. 72
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý nối với bộ pin .......................................................................... 74
Hình 4.4 Bộ pin 240V-72W trên xe máy .......................................................................... 75
Hình 4.5 Thử nghiệm với bộ pin 240V-72W có hồi tiếp .................................................. 76
Hình 4.6 Độ rộng xung PWM 10% ................................................................................... 77
Hình 4.7 Độ rộng xung PWM 30%...................................................................................77
Hình 4.8 Sự thay đổi xung PWM khi có hồi tiếp .............................................................. 78
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra ..................................................................... 50
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của biến áp xung .................................................................. 53
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm ở điện áp 220V, không tải ................................................. 71
Bảng 4.2 Kết quả thử nghiệm với 2 bóng đèn dây tóc 220V - 60W không có hồi tiếp điện
áp ....................................................................................................................................... 73
Bảng 4.3 Kết quả thử nghiệm với bóng đèn dây tóc 220V - 60W mắc song song với nhau
và có hồi tiếp điện áp ......................................................................................................... 73
Bảng 4.4 Kết quả thử nghiệm với bộ pin 240V – 72W không có hồi tiếp điện áp ........... 75
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, xe điện đang là xu hướng phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở
riêng Việt Nam, các dự án xe điện đang được triển khai nghiên cứu phát triển ở các phòng
thí nghiệm cũng như các công ty công nghệ. Vì vậy, nhóm nghiên cứu chọn hướng thực
hiện đề tài về xe điện với 3 lý do quan trọng.
Lý do thứ nhất là tình trạng ô nhiễm môi trường, một trong những nguyên nhân hàng
đầu thúc đẩy quá trình chuyển đổi thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống thành nhiên
liệu sạch không gây hại cho môi trường. Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng
nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang khuyến khích ngư ời dân sử dụng các
phương tiện thân thiện với môi trường [1-2] và Việt Nam chắc chắn không nằm ngoài xu
hướng chung của thế giới. Hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí của Việt Nam đang vượt
quá mức cho phép, trực tiếp ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người mà một trong những
nguyên nhân chính là do khí thải từ các phương tiện giao thông [3]. Chính vì vậy, việc thay
thế các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng, diesel bằng những nguồn năng
lượng sạch là việc làm cần thiết.
Lý do thứ hai là sự phù hợp của xe máy điện thay vì ô tô điện. Như chúng ta đã biết,
Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ xe máy nhiều nhất thế giới do đặc
điểm địa hình đường xá ở Việt Nam có nhiều ngóc ngách, hẻm. Nhưng đây cũng chính là
nguồn phát khí thải chính của phương tiện giao thông, vì các loại xe máy phổ thông hiện
nay không được đảm bảo tiêu chuẩn về an toàn khí thải. Nói cách khác, để giảm thiểu tác
hại của khí thải xe máy, bảo vệ môi trường, thì việc thay thế xe máy sử dụng nhiên liệu
truyền thống bằng xe máy điện là khả thi nhất trong tương lai gần. Sử dụng xe máy điện là
một giải pháp quan trọng không chỉ thể hiện sự văn minh mà còn phải xem đó là điều thực
sự cần thiết để bảo vệ môi trường sống của chính mình và cả cộng đồng.
Lý do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng về mặt kỹ thuật, đó là bộ sạc cho
pin. Để vận hành một chiếc xe điện thì trước tiên cần cung cấp điện năng cho pin và
bộ sạc pin giữ một vai trò quan trọng. Một trong những loại pin sử dụng phổ biến cho xe
điện hiện nay là pin Lithium-ion. Dòng pin Lithium-ion đã được nghiên cứu và phát triển
2
bởi rất nhiều hãng công nghệ, điển hình như hãng Tesla. Cho nên việc sử dụng loại pin này
cho xe máy điện sẽ tiết kiệm được thời gian, chi phí vào việc nghiên cứu. Tuy nhiên việc
sử dụng loại pin này đang gặp phải một vấn đề, đó là loại pin này chỉ được sạc bởi nguồn
điện một chiều với một điện áp và cường độ dòng điện nhất định nhưng mạng điện dân
dụng ở Việt Nam là điện xoay chiều một pha. Do đó muốn ứng dụng áp dụng công nghệ
pin Lithium-ion cần có một bộ sạc để khắc phục vấn đề này. Bộ sạc này cần chuyển
đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều và cung cấp chính xác điện áp và
cường độ dòng điện để sạc được cho bộ pin Lithium-ion.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế và thực hiện mạch nạp pin cho pin lithium sử
dụng bộ nguồn xung và có hồi tiếp điện áp.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650.
- Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của nguồn xung Flyback, linh kiện điện tử và
phần mềm mô phỏng.
- Tính toán và thiết kế mạch nạp cho xe máy điện.
- Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định của mạch điện.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Pin Lithium-ion 18650.
- Điện tử cơ bản.
- Vi điều khiển STM32F103C8T6.
- Biến áp xung và nguồn xung Flyback.
- MOSFET 20N60 và MOSFET Driver IR2103.
3
- Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision, Proteus.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các đối
tượng trên vào việc thiết kế mạch nạp cho pin và sẽ không nghiên cứu sâu vào thuật toán
hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết: đọc tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để
áp dụng vào mạch nạp.
Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm Proteus mô phỏng mạch điện. Dùng phần
mềm STMCubeMX và Keli uVision để lập trình.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả: tiến hành thử nghiệm mạch, dựa trên các thông số
tính toán và kết quả thực nghiệm đưa ra đánh giá hoạt động.
1.5. Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
1.5.1. Trong nước
Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy
biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của nhóm tác giả Cao Xuân Tuyển và
Nguyễn Anh Tuấn đã được đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ [10]. Trong nghiên
cứu này nhóm tác giả đã sử dụng bộ biến đổi flyback để điều khiển máy biến áp và áp dụng
các công thức để tính toán, thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của máy biến áp đối với bộ
nguồn chuyển mạch cao tần ở hai chế độ làm việc: chế độ làm việc dòng điện liên tục và
gián đoạn. Với cùng một nguồn điện đầu vào Vin = 9-15 (VDC), nhóm đã khảo sát với đầu
ra lần lượt là Vout = +5 (VDC), Iout = 1,1 (A); Vout = +15 (VDC), Iout = 0,6 (A); Vout = -15
(VDC), Iout = 0,6 (A). Việc mô phỏng bộ nguồn được nhóm tác giả thực hiện bằng phần
mềm PSIM. Dựa theo kết quả mô phỏng ở hai chế độ làm việc thì cả hai chế độ làm việc
của máy biến áp đều làm việc ổn định. Bên cạnh đó, bộ nguồn làm việc ở chế độ dòng điện
gián đoạn có chất lượng điện áp tốt hơn so với chế độ còn lại. Tuy nhiên, kích thước mạch
làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn nhỏ hơn, cần nhiều số vòng dây hơn và ở chế độ
4
dòng điện liên tục có kích thước lớn hơn với số vòng dây í t hơn.
1.5.2. Ngoài nước
Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery
Charging Applications Reference Design” [11]. Nhóm nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas
Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium-
ion. Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100-120(VAC) với tần số 50-60
(Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A). Bộ sạc áp dụng loại nguồn
xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W.
Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System
Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng
hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion. Bộ
nguồn này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc
Buck-Boost với Vin = 17,5-20,6 (VDC), Iout = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban
ngày. Sau đó, các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra
nguồn điện đầu ra Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs.
1.5.2. Ngoài nước
Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery
Charging Applications Reference Design” [11]. Nhóm nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas
Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium-
ion. Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100-120(VAC) với tần số 50-60
(Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A). Bộ sạc áp dụng loại nguồn
xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W.
Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System
Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng
hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion. Bộ
nguồn này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc
Buck-Boost với Vin = 17,5-20,6 (VDC), Iout = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban
ngày. Sau đó, các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra
nguồn điện đầu ra Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
viii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CCM : Continuous Conduction Mode
DCM : Discontinuous Conduction Mode
HO : Đầu ra mức cao
LO : Đầu ra mức thấp
LC : Inductor Capacitor
LCO : LiCoO2
PWM : Xung điều chế
RCD : Registor Capacitor Dio
ix
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Cấu tạo của pin Lithium-ion ................................................................................. 5
Hình 2.2 Cấu tạo của pin Lithium-ion ................................................................................. 6
Hình 2.3 Quá trình nạp của pin Lithium-ion ....................................................................... 6
Hình 2.4 Quá trình xả của pin Lithium-ion [6] ................................................................... 7
Hình 2.5 Đặc tính xả của pin Lithim-ion [7] ....................................................................... 8
Hình 2.6 Đặc tính nạp của pin Lithium -ion[7] .................................................................... 9
Hình 2.7 Bố trí bộ pin trên Tesla Model S [8] .................................................................. 10
Hình 2.8 Hình dạng các pin Lithium đơn trên Tesla Model S [9]..................................... 10
Hình 2.9 Hình ảnh 1 module pin trên Tesla Model S [9] .................................................. 11
Hình 2.10 Sự vận hành biến áp [13] .................................................................................. 13
Hình 2.11 Hình dáng và điện áp của PWM [14] ............................................................... 14
Hình 2.12 Sơ đồ mạch Flyback. [15]................................................................................. 14
Hình 2.13 Dòng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [15] ........................ 15
Hình 2.14 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải) [14] ............... 15
Hình 2.15 Đồ thị điện áp VRO [15] .................................................................................... 16
Hình 2.16 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng không liên tục [15] ... 17
Hình 2.17 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng liên tục. [15] ............. 18
Hình 2.18 Cấu tạo của diode [16] ...................................................................................... 19
Hình 2.19 Cấu trúc diode phân cực thuận ......................................................................... 19
Hình 2.20 Cấu trúc diode phân cực nghịch ....................................................................... 20
Hình 2.21 Đặc tính V-A của một diode bán dẫn lý tưởng [17] ......................................... 20
Hình 2.22 Ký hiệu của MOSFET [18] .............................................................................. 22
Hình 2.23 Trạng thái MOSFET lúc không dẫn (bên trái) và lúc dẫn (bên phải) [17] ....... 23
Hình 2.24 Đặc tính V-I của MOSFET [19] ....................................................................... 24
Hình 2.25 Đặc tuyến V-I của điện trở [17]........................................................................ 25
Hình 2.26: a. Điện trở thường b. Biến trở c. Biến áp ...................................................... 25
Hình 2.27 Qui ước đọc giá trị điện trở [13] ....................................................................... 25
Hình 2.28 Cấu tạo của L7805CV [13]............................................................................... 26
Hình 2.29 Sơ đồ kết nối L7805CV [21] ............................................................................ 26
Hình 2.30 Cuộn cảm .......................................................................................................... 27
Hình 2.31 Ký hiệu của cuộn cảm [22] ............................................................................... 27
Hình 2.32 Sơ đồ chân IR2103 [23].................................................................................... 28
Hình 2.33 Sơ đồ nối dây của IR2103 [23] ......................................................................... 29
Hình 2.34 Xung điều khiển đầu vào và đầu ra của IR2103 [23] ....................................... 30
Hình 2.35 Cấu tạo của tụ điện ........................................................................................... 31
Hình 2.36 ký hiệu của tụ điện [24] .................................................................................... 31
Hình 2.37 Các tụ điện hiện nay[13]................................................................................... 32
Hình 2.38 Cấu tạo của STM32F103C8 [26] ..................................................................... 33
Hình 2.39 Cửa sổ ban đầu của phần mềm ......................................................................... 35
Hình 2.40 Cửa sổ chọn vi điều khiển ................................................................................ 35
Hình 2.41 Cửa sổ cài đặt cấu hình cho vi điều khiển ........................................................ 36
Hình 2.42 Chức năng của các chân được chọn ................................................................. 36
Hình 2.43 Cách tạo xung cho chân PA8............................................................................ 37
Hình 2.44 Bộ đếm Timer ................................................................................................... 37
x
Hình 2.45 Chế độ tạo xung tại chân PA0 .......................................................................... 37
Hình 2.46 Cấu hình thời gian của vi điều khiển ................................................................ 38
Hình 2.47 Cửa sổ đặt tên và tạo code cho vi điều khiển ................................................... 39
Hình 2.48 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5 ...................................... 40
Hình 2.49 Cửa sổ chọn mạch nạp code ............................................................................. 41
Hình 2.50 Giao diện vẽ sơ đồ nguyên lý và mô phỏng mạch. .......................................... 42
Hình 2.51 Giao diện PCB vẽ mạch in ............................................................................... 42
Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung có hồi tiếp ................ 45
Hình 3.2 Mạch sạc pin lithium - ion .................................................................................. 46
Hình 3.3 Mạch lọc nhiễu AC đầu vào ............................................................................... 47
Hình 3.4 Tụ Tenta 275VAC 0,1uF .................................................................................... 47
Hình 3.5 Cuộn 10MH ........................................................................................................ 48
Hình 3.6 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lư ......................................... 48
Hình 3.7 Diode cầu 25A dẹt 1000V KBJ2510 .................................................................. 48
Hình 3.8 Tụ 400v 100uf .................................................................................................... 49
Hình 3.9 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào .............................. 50
Hình 3.10 MOSFET W20NM60 ....................................................................................... 55
Hình 3.11 Mạch dập xung kiểu RCD ................................................................................ 55
Hình 3.12 Trở và tụ mắc song song................................................................................... 57
Hình 3.13 Tụ 103J 630V ................................................................................................... 57
Hình 3.14 Diode UF4007 .................................................................................................. 58
Hình 3.15 Sơ đồ mạch dập xung gai ................................................................................. 58
Hình 3.16 Vi điều khiển STM32F103C8T6 ...................................................................... 59
Hình 3.17 Driver IR2103 ................................................................................................... 61
Hình 3.18 IC LM7805 ....................................................................................................... 62
Hình 3.19 Tụ hóa 10F – 50V .......................................................................................... 63
Hình 3.20 Tụ gốm 104 ....................................................................................................... 63
Hình 3.21 Mạch nguồn nuôi VĐK .................................................................................... 63
Hình 3.22 Opto quang PC817 ........................................................................................... 64
Hình 3.23 Mạch nguồn cách ly VDK với đầu ra của hệ thống ......................................... 65
Hình 3.24 Mạch nguồn cách ly vi điều khiển và driver .................................................... 65
Hình 3.25 Diode zener 10V ............................................................................................... 66
Hình 3.26 Mạch cầu phân áp ............................................................................................. 67
Hình 3.27 Mạch nguồn cách ly vi điều khiển và driver .................................................... 68
Hình 3.28 Mạch sạc pin hoàn chỉnh .................................................................................. 69
Hình 3.29 Mạch sạc pin sau khi được in ........................................................................... 69
Hình 4.1 Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều, không tải ........................................ 71
Hình 4.2 Thử nghiệm với bóng đèn dây tóc 220V - 60W ................................................. 72
Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý nối với bộ pin .......................................................................... 74
Hình 4.4 Bộ pin 240V-72W trên xe máy .......................................................................... 75
Hình 4.5 Thử nghiệm với bộ pin 240V-72W có hồi tiếp .................................................. 76
Hình 4.6 Độ rộng xung PWM 10% ................................................................................... 77
Hình 4.7 Độ rộng xung PWM 30%...................................................................................77
Hình 4.8 Sự thay đổi xung PWM khi có hồi tiếp .............................................................. 78
xi
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra ..................................................................... 50
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật của biến áp xung .................................................................. 53
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm ở điện áp 220V, không tải ................................................. 71
Bảng 4.2 Kết quả thử nghiệm với 2 bóng đèn dây tóc 220V - 60W không có hồi tiếp điện
áp ....................................................................................................................................... 73
Bảng 4.3 Kết quả thử nghiệm với bóng đèn dây tóc 220V - 60W mắc song song với nhau
và có hồi tiếp điện áp ......................................................................................................... 73
Bảng 4.4 Kết quả thử nghiệm với bộ pin 240V – 72W không có hồi tiếp điện áp ........... 75
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, xe điện đang là xu hướng phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở
riêng Việt Nam, các dự án xe điện đang được triển khai nghiên cứu phát triển ở các phòng
thí nghiệm cũng như các công ty công nghệ. Vì vậy, nhóm nghiên cứu chọn hướng thực
hiện đề tài về xe điện với 3 lý do quan trọng.
Lý do thứ nhất là tình trạng ô nhiễm môi trường, một trong những nguyên nhân hàng
đầu thúc đẩy quá trình chuyển đổi thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống thành nhiên
liệu sạch không gây hại cho môi trường. Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng
nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang khuyến khích ngư ời dân sử dụng các
phương tiện thân thiện với môi trường [1-2] và Việt Nam chắc chắn không nằm ngoài xu
hướng chung của thế giới. Hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí của Việt Nam đang vượt
quá mức cho phép, trực tiếp ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người mà một trong những
nguyên nhân chính là do khí thải từ các phương tiện giao thông [3]. Chính vì vậy, việc thay
thế các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng, diesel bằng những nguồn năng
lượng sạch là việc làm cần thiết.
Lý do thứ hai là sự phù hợp của xe máy điện thay vì ô tô điện. Như chúng ta đã biết,
Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ xe máy nhiều nhất thế giới do đặc
điểm địa hình đường xá ở Việt Nam có nhiều ngóc ngách, hẻm. Nhưng đây cũng chính là
nguồn phát khí thải chính của phương tiện giao thông, vì các loại xe máy phổ thông hiện
nay không được đảm bảo tiêu chuẩn về an toàn khí thải. Nói cách khác, để giảm thiểu tác
hại của khí thải xe máy, bảo vệ môi trường, thì việc thay thế xe máy sử dụng nhiên liệu
truyền thống bằng xe máy điện là khả thi nhất trong tương lai gần. Sử dụng xe máy điện là
một giải pháp quan trọng không chỉ thể hiện sự văn minh mà còn phải xem đó là điều thực
sự cần thiết để bảo vệ môi trường sống của chính mình và cả cộng đồng.
Lý do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng về mặt kỹ thuật, đó là bộ sạc cho
pin. Để vận hành một chiếc xe điện thì trước tiên cần cung cấp điện năng cho pin và
bộ sạc pin giữ một vai trò quan trọng. Một trong những loại pin sử dụng phổ biến cho xe
điện hiện nay là pin Lithium-ion. Dòng pin Lithium-ion đã được nghiên cứu và phát triển
2
bởi rất nhiều hãng công nghệ, điển hình như hãng Tesla. Cho nên việc sử dụng loại pin này
cho xe máy điện sẽ tiết kiệm được thời gian, chi phí vào việc nghiên cứu. Tuy nhiên việc
sử dụng loại pin này đang gặp phải một vấn đề, đó là loại pin này chỉ được sạc bởi nguồn
điện một chiều với một điện áp và cường độ dòng điện nhất định nhưng mạng điện dân
dụng ở Việt Nam là điện xoay chiều một pha. Do đó muốn ứng dụng áp dụng công nghệ
pin Lithium-ion cần có một bộ sạc để khắc phục vấn đề này. Bộ sạc này cần chuyển
đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều và cung cấp chính xác điện áp và
cường độ dòng điện để sạc được cho bộ pin Lithium-ion.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế và thực hiện mạch nạp pin cho pin lithium sử
dụng bộ nguồn xung và có hồi tiếp điện áp.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650.
- Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của nguồn xung Flyback, linh kiện điện tử và
phần mềm mô phỏng.
- Tính toán và thiết kế mạch nạp cho xe máy điện.
- Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định của mạch điện.
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Pin Lithium-ion 18650.
- Điện tử cơ bản.
- Vi điều khiển STM32F103C8T6.
- Biến áp xung và nguồn xung Flyback.
- MOSFET 20N60 và MOSFET Driver IR2103.
3
- Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision, Proteus.
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các đối
tượng trên vào việc thiết kế mạch nạp cho pin và sẽ không nghiên cứu sâu vào thuật toán
hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết: đọc tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để
áp dụng vào mạch nạp.
Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm Proteus mô phỏng mạch điện. Dùng phần
mềm STMCubeMX và Keli uVision để lập trình.
Thực nghiệm và đánh giá kết quả: tiến hành thử nghiệm mạch, dựa trên các thông số
tính toán và kết quả thực nghiệm đưa ra đánh giá hoạt động.
1.5. Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
1.5.1. Trong nước
Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy
biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của nhóm tác giả Cao Xuân Tuyển và
Nguyễn Anh Tuấn đã được đăng trên tạp chí Khoa học và Công nghệ [10]. Trong nghiên
cứu này nhóm tác giả đã sử dụng bộ biến đổi flyback để điều khiển máy biến áp và áp dụng
các công thức để tính toán, thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của máy biến áp đối với bộ
nguồn chuyển mạch cao tần ở hai chế độ làm việc: chế độ làm việc dòng điện liên tục và
gián đoạn. Với cùng một nguồn điện đầu vào Vin = 9-15 (VDC), nhóm đã khảo sát với đầu
ra lần lượt là Vout = +5 (VDC), Iout = 1,1 (A); Vout = +15 (VDC), Iout = 0,6 (A); Vout = -15
(VDC), Iout = 0,6 (A). Việc mô phỏng bộ nguồn được nhóm tác giả thực hiện bằng phần
mềm PSIM. Dựa theo kết quả mô phỏng ở hai chế độ làm việc thì cả hai chế độ làm việc
của máy biến áp đều làm việc ổn định. Bên cạnh đó, bộ nguồn làm việc ở chế độ dòng điện
gián đoạn có chất lượng điện áp tốt hơn so với chế độ còn lại. Tuy nhiên, kích thước mạch
làm việc ở chế độ dòng điện gián đoạn nhỏ hơn, cần nhiều số vòng dây hơn và ở chế độ
4
dòng điện liên tục có kích thước lớn hơn với số vòng dây í t hơn.
1.5.2. Ngoài nước
Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery
Charging Applications Reference Design” [11]. Nhóm nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas
Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium-
ion. Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100-120(VAC) với tần số 50-60
(Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A). Bộ sạc áp dụng loại nguồn
xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W.
Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System
Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng
hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion. Bộ
nguồn này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc
Buck-Boost với Vin = 17,5-20,6 (VDC), Iout = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban
ngày. Sau đó, các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra
nguồn điện đầu ra Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs.
1.5.2. Ngoài nước
Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery
Charging Applications Reference Design” [11]. Nhóm nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas
Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium-
ion. Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100-120(VAC) với tần số 50-60
(Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A). Bộ sạc áp dụng loại nguồn
xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W.
Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System
Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng
hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion. Bộ
nguồn này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc
Buck-Boost với Vin = 17,5-20,6 (VDC), Iout = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban
ngày. Sau đó, các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra
nguồn điện đầu ra Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links