Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐIỆN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BỘ MÔN TỰ ĐỘNG HÓA oOo oOo NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Lớp : Ngành : Kỹ thuật Điện – Điện tử Chuyên ngành : Tự động hóa Đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO BỘ SẠC NHANH CHO PIN LITHIUM-ION ỨNG DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN Nội dung: - Chương 1: Tổng quan xe đạp, xe máy và ô tô điện. - Chương 2: Công nghệ pin Lithium-ion. - Chương 3: Công nghệ sạc và sạc nhanh pin Lithium-ion. - Chương 4: Các bộ biến đổi DC-DC và tổng quan về vi điều khiển pic 16f877a. - Chương 5: Thiết kế mạch điều khiển, mạch động lực và chương trình điểu khiển mạch sạc pin Lithium-ion. - Chương 6: Mô hình và kết luận đề tài. Giáo viên hướng dẫn: TS Lê Quốc Huy Giáo viên duyệt: TS Nguyễn Hoàng Mai Ngày giao đề tài: 28/01/2015 Ngày nộp đề tài: 02/06/2015 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 1 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển Ngày …. tháng …. năm 2015 Ngày … tháng … năm 2015 Thông qua bộ môn Giáo viên duyệt (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) TS. Trương Thị Bích Thanh TS. Nguyễn Hoàng Mai Ngày …. tháng …. năm 2015 Ngày … tháng … năm 2015 Giáo viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện (ký và ghi rõ họ tên) (ký và ghi rõ họ tên) TS. Lê Quốc Huy Mai Văn An Ngày …. tháng …. năm 2015 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG BẢO VỆ (ký và ghi rõ họ tên) SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 2 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển LỜI CẢM ƠN Đề tài về sạc nhanh pin Lithium-ion còn khá mới mẻ với sinh viên chúng em. Để nghiên cứu đòi hỏi phải tìm tòi, nghiên cứu rất nhiều tài liệu chủ yếu là tài liệu nước ngoài, nhất là yêu cầu với chế độ sạc nhanh. Nhưng được sự giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy Lê Quốc Huy em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp theo yêu cầu được giao. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô trong Khoa Điện cũng như trong Bộ môn Tự động hóa và đặc biệt là Thầy Lê Quốc Huy đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn! Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2015. Sinh viên thực hiện SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 3 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển MỤC LỤC Đề mục Trang Đề tài đồ án 1 Lời cảm ơn 3 Mục lục 4 Lời mở đầu 7 Chương 1: TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY, Ô TÔ ĐIỆN 8 1.1 Nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay 8 1.1.1 Vì sao lại sử dụng xe điện? 8 1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điện. 8 1.1.3 Ưu nhược điểm của các loại xe điện 8 1.2 Giới thiệu về các loại xe điện trên thị trường trong và ngoài nước 9 1.2.1 Xe ô tô 9 1.2.1.1 Xe ô tô lai điện – động cơ đốt trong 9 1.2.1.2 Xe ô tô điện 100% 10 1.2.2 Xe máy điện 10 1.2.3 Xe đạp điện 11 1.3 Giới thiệu về các loại xe điện sử dụng pin lithium-ion 12 1.3.1 HKBIKE 13 1.3.2 AIMA 14 1.3.3 GIANT 17 1.4 Vai trò và tương lai của xe điện 18 Chương 2: CÔNG NGHỆ PIN LITHIUM-ION 20 2.1 Giới thiệu chung 20 2.2 Nguyên tắc hoạt động của pin lithium-ion 21 2.2.1 Các phản ứng tại các điện cực 22 2.2.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực – dung dịch điện phân 23 2.3 Cấu tạo của pin li-on 23 2.3.1 Điện cực dương 23 2.3.2 Điện cực âm 24 2.3.3 Chất điện li 25 2.3.4 Dung môi 26 2.3.5 Vật cách điện 26 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 4 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển 2.4 Phân loại 27 2.4.1 Pin li-on dạng trụ 27 2.4.2 Pin li-on dạng lăng trụ phẳng 27 Chương 3: CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM-ION 29 3.1 Sạc pin li-on 29 3.1.1 Quá trình sạc ổn dòng 30 3.1.2 Quá trình sạc ổn áp 31 3.1.3 Over-charging và over-discharging của pin li-on 31 3.1.4 Một số nguyên tắc khi sạc pin li-on 32 3.2 Tốc độ sạc và xã của pin 32 3.3 Chế độ sạc nhanh pin li-on 33 3.3.1 Phân loại các chế độ sạc pin 34 3.3.2 Điều kiện để sạc nhanh pin li-on 34 3.3.3 Ảnh hưởng của sạc nhanh đến tuổi thọ pin 35 3.4 Nhận xét 35 Chương 4: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC & TỔNG QUAN VỀ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F877A 36 4.1 Khái quát về các bộ biến đổi DC-DC 36 4.2 Bộ biến đổi Buck và nguyên lý hoạt động 36 4.3 Vi điều khiển PIC16F677A 40 4.3.1 Sơ đồ khối VĐK PIC16F877A 40 4.3.2 Chức năng các chân của VĐK PIC16F877A 42 4.3.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung PWM 44 4.3.3.1 Giới thiệu phương pháp 44 4.3.3.2 Nguyên lý phương pháp 44 4.3.4 Giới thiệu về ADC của PIC16F877A 46 Chương 5: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MẠCH SẠC PIN LI-ON 48 5.1 Sơ đồ khối hệ thống mạch sạc pin li-on 48 5.2 Tính toán, thiết kế mạch động lực 49 5.2.1 Mạch chỉnh lưu cầu 1 pha 49 5.2.2 Mạch nguồn nuôi VĐK và các IC trong mạch 50 5.2.3 Mạch nạp theo nguyên lý buck 50 5.2.3.1 Tính toán hệ số duty cycle (D) 51 5.2.3.2 Tính chọn giá trị cuộn cảm (L) 51 5.2.3.3 Tính chọn giá trị tụ (C) 51 5.2.3.4 Tính chọn van MOSFET 52 5.2.3.5 Tính chọn Diode 52 5.2.3.6 Chọn IC điều khiển MOSFET 52 5.3 Thiết kế mạch điền khiển 52 5.4 Tính chọn các phần tử của mạch đo lường 55 5.4.1 Đo dòng điện sạc 55 5.4.2 Đo điện áp sạc 56 5.4.3 Đo nhiệt độ của pin 57 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 5 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển 5.5 Chương trình điều khiển 58 5.5.1 Lưu đồ thuật toán 58 5.5.2 Chương trình điều khiển 59 Chương 6: MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 60 6.1 Mô hình đề tài 60 6.1.1 Mạch điều khiển 60 6.1.2 Mạch nguồn, mạch động lực và các khối đo lường 61 6.1.3 Mô hình tổng thể 62 6.2 Kết luận đề tài 62 Phụ lục 1: Chương trình điều khiển 64 Tài liệu tham khảo 74 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 6 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện đại, đặc biệt là công nghệ điện tử dẫn đến sự ra đời hàng loạt các loại thiết bị di động như máy tính xách tay, điện thoại di động, xe đạp, xe máy, ô tô điện. Để đảm bảo các thiết bị hoạt động tốt cần phải có những nguồn năng lượng phù hợp, có dung lượng lớn, hiệu suất cao, có thể dùng lại nhiều lần và đặc biệt gọn, nhẹ, an toàn. Việc ra đời các loại pin/acquy đã đáp ứng phần nào yêu cầu trên. Trong nhiều năm các loại pin NiCd (Nikel Cadimium) và sau đó là NiMH (Nikel Metal Hydride) được sử dụng rất rộng rãi. Các loại pin Lithium ion (Li-ion) xuất hiện trên thị trường từ đầu những năm 90 của thế kỉ trước và đã chiếm lĩnh thị trường nhờ nhiều ưu điểm nổi bật, nhất là dung lượng cao hơn. Năm 2003 thị trường pin toàn cầu đoạt danh thu 30 tỉ USD và vẫn tiếp tục tăng trưởng, với pin Li-ion mức tăng trưởng đạt từ 6% - 8%. Mặc dù đã được thương mại hóa rộng rãi trên thị trường nhưng công trình khoa học nghiên cứu về pin Li-ion vẫn được tiếp tục tiến hành nhằm nâng cao hiệu suất, dung lượng, tính an toàn của pin cũng như giảm giá thành sản phẩm. Bên cạnh đó một vấn đề thực tiễn đặt ra là làm cách nào để sạc pin một cách hiệu quả và nhanh nhất để tiết kiệm thời gian. Được sự hướng dẫn của thầy Lê Quốc Huy chúng em đã đi đến tìm hiểu đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển”, ứng dụng thực tế được nhắm đến ở đây là thiết kế mạch sạc pin Li-ion trong xe đạp điện. Trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều ý kiến đóng góp từ các thầy cô và bạn bè. Em xin chân thành cảm ơn thầy TS.Lê Quốc Huy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này trong thời gian quy định. Đà Nẵng, ngày tháng 06 năm 2015 Sinh viên thực hiện SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 7 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 8 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển Chương 1: TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY, Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng xe điện hiện nay. 1.1.1 Vì sao lại lựa chọn sử dụng xe điện? Trước tình hình các nguyên liệu chất đốt cũng như nguồn dầu khí ngày càng cạn kiệt thì nhu cầu sử dụng nguồn và dạng nhiên liệu mới và sạch thay thế những nguồn nhiên liệu đang sử dụng hiện thời trong việc vận hành các loại phương tiện vận chuyển (xe, tàu, máy bay…) là một nhu cầu cấp thiết. Năng lượng điện nổi lên như là một dạng năng lượng phù hợp để thay thế cho các loại nguyên liệu hóa thạch đang gây ra nhiều vấn đề xấu cho môi trường hiện nay. Ví dụ như lượng khí thải độc hại thải ra môi trường của các loại phương tiện vận chuyển dùng năng lượng điện thấp hơn nhiều, gần như không đáng kể, so với do các loại phương tiện sử dụng nhiên liệu xăng, dầu, khí đốt gây ra. Chúng ta sẽ không có gì ngạc nhiên khi hệ thống xe điện ra đời và ngày càng phát triển trên thế giới hiện nay. Hầu hết các nhà sản xuất tập trung phát triển hệ thống xe điện là những phương tiện phổ biến như: xe ô tô điện, xe mô tô điện, xe đạp điện, …. Công nghệ ngày càng phát triển và hiện đại trong lĩnh vực thiết kế bộ điều khiển với nhiều tính năng cho xe điện, tạo nhiều thuận tiện cho việc điều khiển cũng như thích ứng với phương tiện sử dụng nguồn nhiên liệu mới này. 1.1.2 Đối tượng sử dụng xe điện. Xe điện được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như các máy bốc hàng chạy bằng điện, máy xếp hàng…trong phương tiện giao thông đi lại như xe ô tô điện, xe máy điện và đặc biệt rất phổ biến và đang phát triển hiện nay là xe đạp điện. 1.1.3 Ưu nhược điểm của các loại xe điện. Xe điện có nhiều ưu điểm nổi bật như là thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và tiền bạc khi sử dụng nó so với các loại xe chạy bằng nhiên liệu khác… Ví dụ: theo bài toán tiết kiệm mà HKBIKE đưa ra khi so sánh giữa dòng xe đạp điện HKBIKE zinger extra phiên bản nâng cấp tiết kiệm 47 lần so với xe máy [1], cụ thể là: SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 9 Bộ sạc nhanh pin Lithium-ion ứng dụng vi điều khiển HKBIKE zinger extra phiên bản nâng cấp XE MÁY 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 đồng Hình 1.1: Ưu điểm của xe điện so với xe máy. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của xe điện là giới hạn chạy cho một lần sạc là chưa cao (tối đa khoảng 90 km với xe HKBIKE zinger extra), và một lần sạc đầy có thể tốn nhiều thời gian (khoảng 6h)… 1.2 Giới thiệu về các loại xe điện trên thị trường trong và ngoài nước. 1.2.1 Xe ô tô. 1.2.1.1 Xe ô tô lai điện-động cơ đốt trong. Hình 1.2: Xe ô tô lai điện-động cơ đốt trong. Xe hybrid, thường được gọi là xe lai hay xe lai điện, là loại xe sử dụng hai nguồn động lực: Động cơ đốt trong và động cơ điện. Hoạt động của xe này là sự kết hợp hoạt động giữa động cơ đốt trong và động cơ điện sao cho tối ưu nhất. Một bộ điều khiển sẽ quyết định khi nào động cơ đốt trong hoạt động, khi nào động cơ điện hoạt động và khi nào cả hai cùng hoạt động. SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 10 [...]... trình sạc kết thúc khi dòng sạc giảm xuống dưới 3% so với dòng sạc ban đầu ở giai đoạn 2 Một số bộ sạc áp dụng sạc điện áp đỉnh khi điện áp giảm xuống 4.05 V/cell ở giai đoạn 4 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 30 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển Sạc pin Li -ion gồm 2 giai đoạn cơ bản: sạc dòng không đổi (sạc ổn dòng) và sạc bão hòa (sạc ổn áp) Hình 3.2 Mô tả 2 giai đoạn sạc pin Lithium- ion. .. 29 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển Chương 3 CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM- ION 3.1 Sạc pin Li -ion Sạc pin Li -ion là một thiết bị giới hạn điện áp tương tự như hệ thống axít chì Sự khác biệt nằm ở chỗ: điện thế cao hơn trên mỗi cell, dung sai điện áp chặt chẽ hơn (~1%) Trong khi axít chì cung cấp sự linh hoạt trong điều kiện điện áp bị cắt thì các nhà sản xuất pin Li -ion. .. loại các chế độ sạc pin Các chế độ sạc được phân loại dựa theo tốc độ sạc Gồm có 4 loại như bảng 3.1 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 34 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển Bảng 3.1 : Các chế độ sạc pin Chế độ sạc Loại pin C rate Thời gian sạc 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, 1-10C... 27 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển − Phù hợp và ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực 2.4 Phân loại Pin Li -ion được chế tạo theo các định dạng khác nhau, thường có 2 nhóm là: dạng hình trụ và dạng hình lăng trụ 2.4.1 Pin Li -ion dạng trụ Mặt cắt ngang của một pin Li -ion dạng trụ được mô tả trong hình sau: Hình 2.3 Mặt cắt ngang một pin Li -ion trụ 2.4.2 Pin Li -ion. .. cách Pin Nickel-based cũng đã bị thu hồi cho các vấn đề an toàn Thiết bị sạc được thiết kế đúng cách là rất quan trọng cho tất cả các hệ thống pin SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 32 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển Pin Li -ion không nên được xả quá thấp và có một số biện pháp bảo vệ để ngăn chặn điều này xảy ra Thiết bị ngắt sẽ dừng dòng điện khi pin xả đến khoảng 3.0V/cell Nếu quá trình... 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... 2.70V/cell hoặc thấp hơn, mạch bảo vệ của pin đặt pin vào một chế độ ngủ Điều này làm cho các bộ pin không bền vững và nạp lại với hầu hết các bộ sạc là không thể Để ngăn chặn pin rơi vào trạng thái ngủ người ta áp dụng sạc một phần trước thời gian lưu trữ lâu dài 3.1.4 Một số nguyên tắc cơ bản khi sạc pin Li -ion − Thiết bị sử dụng nên được tắt khi sạc Điều này cho phép pin đạt được điện áp ngưỡng mà không... thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽ làm giảm tuổi thọ pin Để đảm bảo tuổi thọ của pin theo SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 31 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn 2: sạc ổn áp - thường mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng 3.1.2 Quá trình sạc ổn áp Trong chế độ sạc ổn áp,... thì pin có công suất 50 phần trăm Khi xả pin bằng bộ phân tích pin có khả năng áp dụng tốc độ khác nhau thì tốc độ cao hơn sẽ đem lại số ghi công suất thấp hơn và ngược lại Bởi vậy xả pin 1000mAh tại 2C hay 2000mA là nhanh hơn, pin tốt nhất nên cung cấp đầy đủ công suất trong 30 SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 33 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển phút Trong thực tế, điện trở trong của pin. .. nhanh chóng và có thể gây cháy nổ pin 3.3.3 Ảnh hưởng của sạc nhanh đến tuổi thọ của pin Hình 3.4 so sánh chu kỳ tuổi thọ của một pin lithium- ion khi sạc và xả tại 1C, 2C và 3C Chu kỳ sạc và xả 1C gây ra sự sụt giảm dung lượng từ 650mAh xuống 550mAh sau 500 chu kỳ, phản ánh sự sụt giảm còn 84% Chu kỳ sạc và xả 2C thì dung lương SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 35 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng . 09D1 4 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển 2.4 Phân loại 27 2.4.1 Pin li-on dạng trụ 27 2.4.2 Pin li-on dạng lăng trụ phẳng 27 Chương 3: CÔNG NGHỆ SẠC VÀ SẠC NHANH PIN LITHIUM- ION. Lớp: 09D1 2 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển LỜI CẢM ƠN Đề tài về sạc nhanh pin Lithium- ion còn khá mới mẻ với sinh vi n chúng em. Để nghiên cứu đòi hỏi phải tìm tòi, nghiên cứu. pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển SVTH: Mai Văn An Lớp: 09D1 8 Bộ sạc nhanh pin Lithium- ion ứng dụng vi điều khiển Chương 1: TỔNG QUAN XE ĐẠP, XE MÁY, Ô TÔ ĐIỆN 1.1 Nhu cầu sử dụng xe điện