Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sạc nhanh cho pin lithium-Ion ứng dụng vi điều khiển

*NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠOBỘ SẠC NHANH CHO PIN LITHIUM-IONỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂNSVTH: MAI VĂN ANLỚP: 09D1GVHD: TS. LÊ QUỐC HUYGVD: TS. NGUYỄN HOÀNG MAIĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAKHOA ĐIỆNBỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA-------------------NỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*NỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*1.TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY VÀ Ô TÔ ĐIỆNTÌNH HÌNH PHƯƠNG TIỆN ĐI LẠI HIỆN NAY:Chủ yếu sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch.Nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt.Gây ô nhiễm môi trường→ Hướng đến sử dụng phương tiện giao thông thân thiện với môi trường*ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC LOẠI XE ĐIỆN:Không gây ô nhiễm môi trường.Tiết kiệm chi phí.Quãng đường và tốc độ không cao.Thời gian sạc dài.1. TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY VÀ Ô TÔ ĐIỆNXE ĐẠP ĐIỆN Ở VIỆT NAM:Rất nhiều hãng nổi tiếng: HKBIKE, HONDA, YAMAHA...Thông số chung của xe đạp điện:Công suất: 240 - 250 WTốc độ tối đa: 25 km/hQuãng đường đi được: 60 - 90 kmThông số chung pin Lithium-ion:Điện áp pin: 48 VDung lượng: 12 AhThời gian sạc: 6 giờ*Xe đạp điện HKBIKEXe đạp điện HONDANỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*2. CÔNG NGHỆ PIN LITHIUM-IONCẤU TẠO CHUNG:Điện cực dương: oxit kim loại lithiumĐiện cực âm: Graphite Cacbon *Cấu tạo của pin li-ionƯU ĐIỂM:Không cần bảo trìThời gian hoạt động dàiĐộ an toàn cao, dung lượng lớnNạp nhanh, tốc độ phóng điện caoNHƯỢC ĐIỂM:Cần có hệ thống mạch điện bảo vệGiá thành cao 2. CÔNG NGHỆ PIN LITHIUM-ION*Pin xe đạp điệnPin laptopPin điện thoạiPin ô tô điệnNỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*Biến thiên điện áp và dòng điện của pin Li-ion qua các giai đoạn sạc: *3. CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LI-ION3. CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LI-IONQUÁ TRÌNH SẠC NHANH PIN LITHIUM-ION*3. CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LI-IONMỘT SỐ YÊU CẦU KHI SẠC:Thiết bị sử dụng nên được tắt khi sạc.Sạc ở nhiệt độ vừa phải (trong khoảng 10-45oC)Pin Li-ion không cần sạc đầy 100%.Nếu pin quá nóng phải dừng sạc ngay.*ĐIỀU KIỆN ĐỂ SẠC NHANH:Sạc nhanh chỉ áp dụng trong giai đoạn đầu tiên.Tất cả các cell của pin phải ở trong tình trạng tốt, ổn địnhSạc nhanh chỉ được thực hiện dưới nhiệt độ vừa phải.Nếu pin quá nóng phải dừng sạc ngay.NỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*4.1 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC - NGUYÊN LÝ MẠCH BUCKBộ biến đổi DC - DC: tạo ra điện áp một chiều có thể điều chỉnh được cung cấp cho các phụ tải biến đổi.Các bộ biến đổi DC - DC thường dùng:Bộ giảm áp: BuckBộ tăng áp: BoostBộ tăng/ giảm áp: Buck - Boost*4.1 BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC - NGUYÊN LÝ MẠCH BUCK*SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ MẠCH BUCKD = Ton/T Vout = Vin×D4.2 TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC 16F877APIC 16F877A: 40 CHÂN:Tổng cộng có 33 chân I/O.Có 8 ngõ vào ADC với độ phân giải 10bit, thời gian chuyển đổi 0.1 us.RC1, RC2 ngõ ra xung PWM, tần số cao, từ 1,22 kHz đến 208,3 kHz (thạch anh 20 MHz).Ngắt ngoài RB0.Tốc độ xử lý cao.*NỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*5.1 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC & ĐIỀU KHIỂN*Vin28 – 34 VIINmax10 AVout7,5-12,6 VIOUTmax8,8 ATần số PWM20 KHz∆U1%Thông số yêu cầu cho việc thiết kế mô hình bộ sạc DC-DC buck cho pin Li-ion 12V-8,8Ah:5.1 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC & ĐIỀU KHIỂN*5.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC*Sơ đồ mạch động lực và mạch điều khiển mosfet.5.2 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC*MOSFET driver: dùng chip IR2184 để điều khiển đóng/mở MOSFET bằng kỹ thuật bootstrap. Điện áp nguồn cấp từ 10 V đến 20 V. Tín hiệu logic từ 3,3 V đến 5 V. Tần số hoạt động lên đến 100 kHz.5.3 THIẾT KẾ KHỐI ĐO LƯỜNG* Đo dòng điện: dùng IC ASC712. Đường tín hiệu analog độ nhiễu thấp. Độ nhạy ngõ ra từ 96 đến 104mV/A. Sự trễ từ gần bằng zero.5.3 THIẾT KẾ KHỐI ĐO LƯỜNG**2. Đo điện áp : cầu phân áp bằng điện trở.R1R2VVđoChọn R1 = 60 kΩ và R2 = 10 kΩSuy ra: V = Vđo*7(đến ADC của PIC)5.3 THIẾT KẾ KHỐI ĐO LƯỜNG***3. Đo nhiệt độ: dùng IC cảm biến nhiệt độ LM35 Dải nhiệt độ từ -55oC đến 150oC. Sai số 0,5oC.S*5.4 CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂNNỘI DUNGC1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện.C2: Công nghệ pin Lithium-ion.C3: Công nghệ sạc & sạc nhanh pin Li-ion.C4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a.C5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điều khiển mạch sạc pin Li-ion.C6: Mô hình và kết luận đề tài.*6. MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ĐỀ TÀI*1243Khối vi điều khiển PIC 16F877A :Domino nối dây ra các nút nhấn.Jack cắm 2 led 7 đoạn.Jack cắm LCD.Jack cắm ADC.6. MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ĐỀ TÀI*Mạch nguồn: nguồn 12 VDC, nguồn 5 VDCMạch động lực: nguồn 32 VDC, bộ chuyển đổi DC/DC buckCác khối đo lường:Đo điện ápĐo dòng điện1. Kết quả đạt được:Đã thiết kế và thi công thành công mô hình.Mô hình đã sạc thành công trong 50 phút.Xây dựng được các giải pháp đo lường, điều khiển.6. MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ĐỀ TÀI*2. Hướng phát triển đề tài:Nâng cao độ ổn định dòng điện và điện áp sạc.Áp dụng sạc cho pin có công suất cao hơn.Áp dụng các thuật toán sạc tiên tiến để rút ngắn thời gian sạc.Xây dựng chương trình linh hoạt hơn.Hoàn thiện mạch sạc đơn giản, nhỏ gọn.*XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN SỰ THEO DÕI CỦA QÚY THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN !!!Ưu điểm của xe điện*HKBIKE zinger extra phiên bản nâng cấp 1 lần sạc đầy đi được 90 km, 1 lần sạc đầy hết 0,65 số điện (Wh). 0,65 Wh x 2.000 đồng = 1.300 đồng.Như vậy đi hết 1km chỉ hết 14,4 đồng.Đổ đầy bình xăng đi được 210 km, 1 bình đầy là 5,5 lít. 5,5 lít x 26.150 đ/1 lít = 144.000 đồng.Như vậy đi hết 1 km hết 685,71 đồngƯu và nhược điểm pin li-onƯu điểmNhược điểm-Kín, không cần bảo trì.-Chu kỳ sống dài.-Dải nhiệt độ hoạt động rộng. -Thời gian hoạt động dài. -Tốc độ tự phóng chậm. -Khả năng nạp nhanh. -Khả năng phóng điện có tốc độ và công suất cao.-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao.-Năng lượng riêng và mật độ năng lượng cao.-Không có hiệu ứng nhớ.-Giá trung bình ban đầu cao.-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao.-Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện.-Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bị quá tải.-Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép.-Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độ năng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH.*Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha.*Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha dùng cầu KBU1010.Mạch nguồn nuôi*Mạch nguồn nuôi cung cấp cho mạch điều khiển và IC.Mạch nạp theo nguyên lý buck*Sơ đồ mạch DC-DC theo nguyên lý buckNguyên lí nạp – xả của pin li-on*Quá trình nạpQuá trình xảPhác hoạ quá trình điện hoá trong Pin Li-ion.Các pương tình điện liTại cực dương: Tại cực âm:Phương trình tổng quát:*Bảng so sánh thông số kỹ thuật*