Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe máy điện ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

Sau hơn ba tháng thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe điện”, nhóm đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống bao gồm mạch dùng để giám sát điện áp của bộ p

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM SOÁT

NĂNG LƯỢNG CHO XE MÁY ĐIỆN

SKL 0 0 7 9 4 8

GVHD: TS LÊ THANH PHÚC SVTH: GIÁP THANH LƯƠNG

LÊ VĂN MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ

HỆ THỐNG KIỂM SOÁT NĂNG LƯỢNG

CHO XE MÁY ĐIỆN

LỜI CẢM ƠN

Được sự phân công của thầy cô khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật Tp Hồ Chí Minh, sau hơn ba tháng thực hiện đề tài nhóm đã hoàn thành Đồ án tốt nghiệp “ Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe máy điện”

Để hoàn thành nhiệm vụ được giao, ngoài sự nỗ lực học hỏi của bản thân còn có sự hướng dẫn tận tình của thầy cô, bạn bè

Chúng tôi chân thành cảm ơn Thầy – TS Lê Thanh Phúc, người đã hướng dẫn cho chúng tôi trong suốt thời gian thực tập Mặc dù Thầy rất bận nhưng không ngần ngại dành thời gian để chỉ dẫn chúng tôi, định hướng đi cho chúng tôi, để chúng tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ Một lần nữa nhóm thực hiện chân thành cảm ơn Thầy và chúc Thầy luôn dồi dào sức khoẻ

Xin cảm ơn tất cả các bạn bè, thư viện, internet đã hỗ trợ chúng tôi trong suốt thời gian qua Tất cả các mọi người đều nhiệt tình giúp đỡ, đặc biệt là bạn bè Tuy nhiên vì kiến thức chuyên môn còn hạn chế và bản thân còn thiếu nhiều kinh nghiệm thực tiễn nên nội dung của báo cáo không tránh khỏi những thiếu sót, chúng tôi rất mong nhận sự góp ý, chỉ bảo thêm của quý Thầy Cô

Một lần nữa xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô, bạn bè và người thân đã luôn bên cạnh, đồng hành cùng chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

TP.HCM, tháng 07 năm

2019

TÓM TẮT

Khi sử dụng pin lithium-ion, đặc biệt là cho xe điện thì pin cần phải có một hệ thống để giám sát các thông số như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, dung lượng,… để đảm bảo các vấn đề về hiệu suất và an toàn của loại pin này

Sau hơn ba tháng thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe điện”, nhóm đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống bao gồm mạch dùng để giám sát điện áp của bộ pin lithium-ion 60 cell mắc nối tiếp với điện áp cao xấp xỉ 220V và dung lượng 3200mAh, đảm bảo pin không xảy ra các vấn đề quá nạp và quá xả, hệ thống cũng

đã điều chỉnh được dòng điện cho bộ pin tuy nhiên dòng điện chưa được ổn định Nhóm cũng đã thiết kế hộp nhôm dùng để chứa 60 cell pin, đảm bảo pin được chứa trong hộp an toàn, không bị ảnh hưởng khi xe rung lắc Bên cạnh đó, đề tài cũng chỉ ra nhiều vấn đề cần được khắc phục và cải thiện trong tương lai như vấn đề cân bằng cell, kiểm soát dòng

điện ổn định trong các quá trình sạc và xả của pin

ABSTRACT

When using lithium-ion batteries, especially for electric vehicles, the battery needs a system to monitor parameters such as voltage, current, temperature, capacity, etc… to ensure performance issues and safety of this battery

After more than three months of implementing the project "Research and design the battery management system for the electric motorbike", the group has studied and designed the system including circuit used to monitor the voltage of the lithium-ion battery pack 60 The cell connected in series with high voltage is approximately 220V and 3200mAh capacity, ensuring that the battery does not have overcharge and over discharge problems, the system has also adjusted the current for the battery but the current is not stable determined The group also designed the aluminum box to hold 60 cell batteries, making sure the battery is contained in a safe box, unaffected when the car vibrates In addition, the topic also points out many issues that need to be overcome and improved in the future such as cell balance, control of current flow in battery charging and discharging processes

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

DANH MỤC CÁC BẢNG xii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lí do chọn đề tài 1

1.2 Mục đích đề tài 1

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Phương pháp nghiên cứu 2

1.5 Các kết quả nghiên cứu 2

1.6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài 3

1.7 Kết quả dự kiến đạt được 4

1.8 Bố cục của đề tài 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Pin Lithium-Ion 5

2.1.1 Giới thiệu chung 5

2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion 6

2.1.3 Nguyên tắc hoạt động 7

2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion 9

2.1.5 Ưu và nhược điểm của pin lithium-ion 10

2.1.6 Cơ chế sạc và xả 11

2.1.7 Vấn đề Over-charging (quá nạp) của Pin Lithium-ion 14

2.1.8 Vấn đề cân bằng cell (cell balancing) 15

2.1.9 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc pin Lithium ion 16

2.1.10 Các yêu cầu khi sử dụng pin Li-ion 17

2.2 Giới thiệu về vi điều khiển Atmega 328P 17

2.2.1 Thông số kĩ thuật 18

2.2.2 Cấu trúc chung của vi điều khiển Atmega 328P 19

2.2.3 Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) bằng Timer/Counter0 trên VĐK Atmega 328P 21

2.2.4 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC – Analog to Digital Converter) trên Atmega 328P 24

2.3 Một số linh kiện bán dẫn khác 26

2.3.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 26

2.3.2 Photocoupler (Opto quang) 28

2.3.3 Điện trở 29

2.4 Diode và mạch chỉnh lưu 31

2.4.1 Các loại diode 31

2.4.2 Mạch chỉnh lưu 32

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 33

3.1 Sơ đồ hệ thống mạch sạc Pin Lithium-ion ( 60 Cells) 33

3.2 Tính toán thiết kế mạch nạp 33

3.3 Tính toán thiết kế mạch nguồn nuôi vi điều khiển 35

3.4 Tính toán, thiết kế mạch điều khiển 38

3.5 Sơ đồ toàn mạch 44

3.6 Tính toán, thiết kế bộ pin 60 cells Lithium-ion 46

3.6.1 Thiết kế và gia công giá cố định pin 46

3.6.3 Bố trí gắn hộp pin lên xe 55

3.6.4 Ưu, nhược điểm và hướng cải tiến 55

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM 57

4.1 Thực nghiệm cho 4 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp 57

4.2 Thực nghiệm cho 60 cell pin lithum-ion mắc nối tiếp 58

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

5.1 Kết luận 59

5.2 Hạn chế của đề tài 59

5.3 Kiến nghị 59

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ADC: Analog to Digital Converter

BMS: Battery Management System

CC: Constant Current

CNC: Computer Numerical Control

CTC: Clear Timer on Time Compare Match

CV: Current Voltage

EV: Electric Vehicle

GND: Ground

IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

LCO: Lithium coban oxit

LFP: Lithium sắt phosphate LiFePO4

LIB: Pin Li-ion hay pin lithium-ion

LMO: Lithium mangan oxit LiMn2O4, Li2MnO3

LTO: Liti titanat Li4Ti5O12

NCA: Liti niken coban nhôm oxit LiNiCoAlO2

NMC: Lithium niken mangan coban oxit LiNiMnCoO2

POE: Poly oxyethylene

PWM: Pulse Width Modulation

SOC: State of Charge

VAC: Volts Alternating Current

VDC: Volts Direct Current

VĐK: Vi điều khiển

Các đơn vị được dùng trong nghiên cứu Bảng đơn vị hệ đo lường quốc tế SI

Đại lượng Đơn vị Tên đầy đủ

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Quá trình xả và sạc của pin li-ion 8

Hình 2.2 Đặc tính sạc, xả của pin lithium-ion 12

Hình 2.3 Atmega 328P 18

Hình 2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega 328P 19

Hình 2.5 Các chân trên Atmega 328P 20

Hình 2.6 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 21

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ timer/counter0 trên Atmega 328P 22

Hình 2.8 Chế độ Fast PWM 24

Hình 2.9 Cấu tạo của IGBT kênh N 27

Hình 2.10 Nguyên lí hoạt động của Opto quang 29

Hình 2.11 Cấu tạo diode bán dẫn 31

Hình 2.12 Cấu tạo diode zenner 31

Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng 32

Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu toàn sóng 32

Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống 33

Hình 3.2 Cầu diode KBL610 34

Hình 3.3 Đặc tính của cầu diode KBL610 34

Hình 3.4 Mạch cầu chỉnh lưu biến đổi điện áp xoay chiều sang một chiều 35

Hình 3.5 IC LM7805 36

Hình 3.6 Tụ hóa 25V-1000uF 36

Hình 3.7 Tụ gốm 104 37

Hình 3.8 Thạch anh SMD 16Mhz 37

Hình 3.9 Tụ gốm 22pF 37

Hình 3.10 Mạch nguồn sử dụng để nuôi VĐK 37

Hình 3.12 Các thông số kĩ thuật IGBT 25N120 40

Hình 3.13 PC 817 41

Hình 3.14 Diode zenner 1N4740A 41

Hình 3.15 Điện trở 42

Hình 3.16 Mạch điều khiển 42

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 44

Hình 3.18 Mạch sau khi thiết kế 45

Hình 3.19 Mạch sau khi đưa vào hộp nhôm 45

Hình 3.20 Ảnh 3D từ phần mềm Inventor-Giá đỡ pin 46

Hình 3.21 Bản vẽ kích thước giá đỡ pin(mm) 47

Hình 3.22 Tấm lót bảo vệ chống phóng điện giữa các điện cực khi hàn nối với nha 47 Hình 3.23 Bản vẽ kích thước của tấm lót(mm) 47

Hình 3.24 Gắn vào 2 pin mô phỏng 48

Hình 3.25 Hình thực tế 1 cụm 10 pin 48

Hình 3.26 Hộp pin thử nghiệm bằng mica 49

Hình 3.27 Vách nhỏ (số lượng 2) 50

Hình 3.28 Bản vẽ kích thước vách nhỏ(mm) 50

Hình 3.29 Vách lớn phay rãnh CNC (số lượng 2) 50

Hình 3.30 Bản vẽ kích thước vách lớn phay rãnh CNC(mm) 51

Hình 3.31 Đế (số lượng 1) 51

Hình 3.32 Bản vẽ kích thước đế(mm) 51

Hình 3.33 Tai hộp (số lượng 2) 52

Hình 3.34 Bản vẽ kích thước tai hộp (mm) 52

Hình 3.35 Nắp hộp (số lượng 1) 52

Hình 3.36 Bản vẽ kích thước nắp hộp(mm) 53

Hình 3.37 Hộp pin dự kiến để gia công CNC 53

Hình 3.38 Bản vẽ kích thước hộp nhôm 54

Hình 3.39 Hộp pin sau khi đã thiết kế xong 54

Hình 3.40 Vị trí hộp pin được gắn trên xe 55

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của vi điều khiển Atmega 328P 18 Bảng 2.2 Giá trị điện trở theo vòng màu 30 Bảng 3.1 Các thông số cơ bản của pin Lithium-ion 46 Bảng 4.1 Kết quả sạc 4 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 12V, ngắt sạc khi đạt 16V 57 Bảng 4.2 Kết quả xả 4 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 16V, ngắt xả khi còn 12V 57 Bảng 4.3 Kết quả sạc 60 cells pin lithium-ion nối tiếp từ 210V, ngắt khi đạt 220V 58

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Lí do chọn đề tài

Hầu hết các phương tiện giao thông hiện nay đang sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu hóa thạch, các động cơ này có hiệu suất không cao và thải ra môi trường gần một phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính Kết quả nghiên cứu 6 tháng đầu năm 2017, khí thải của phương tiện giao thông tạo ra 55% khí NOx, 56% khí CO, 6% khí SO2 Chính điều này đã tạo động lực cho các nghiên cứu xoay quanh việc phát triển các dòng xe sử dụng nguồn năng lượng mới sạch hơn và tiết kiệm hơn, trong đó xe điện (EV - Electric Vehicle) là một bước tiến lớn khi giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và vấn đề nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn dần[1]

Xe máy điện sử dụng điện thay thế cho xăng dầu, vì vậy xe máy điện hoàn toàn không có khí thải ra môi trường khi hoạt động Việc sử dụng xe điện đang là xu thế chung tại các quốc gia phát triển trên thế giới như một biện pháp bảo vệ môi trường

Với sự phát triển không ngừng của ngành điện tử, công nghệ thông tin cùng với xu thế sử dụng xe điện để thay thế các dòng xe truyền thống sử dụng động cơ đốt trong trên Thế Giới hiện nay, các nhà sản xuất xe máy điện lớn nhất trên Thế Giới như Tesla, Toyota, Yamaha, Honda hay VinFast (Việt Nam) đã và đang áp dụng nguồn năng lượng cho các dòng xe điện của họ là pin Lithium-Ion với rất nhiều ưu điểm mà loại pin này mang lại như: Giúp giảm khối lượng xe, tuổi thọ của pin cao, quãng đường di chuyển xa, thời gian sạc ngắn hơn so với ắc-quy,… Tuy nhiên để phát huy được hết các ưu điểm này của Pin Lithium-ion, các nhà sản xuất phải nghiên cứu và chế tạo được hệ thống để kiểm soát các quá trình nạp và xả của pin một cách kĩ lưỡng để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cho người sử dụng

1.2 Mục đích đề tài

 Nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết của pin lithium-ion 18650

 Tính toán, thiết kế và xây dựng mạch quản lí năng lượng cho xe máy điện được sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 220V-1.5kWh

 Tính toán, thiết kế và chế tạo hộp chứa các pin lithium-ion 18650

 Tiến hành thử nghiệm để đánh giá sự ổn định, an toàn và tính khả thi của mạch hệ thống Qua đó thống kê được các số liệu và tính kinh tế để làm tiền đề và cải thiện cho các nghiên cứu trong tương lai

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

 Tìm hiểu về nguyên lí, đặc tính sạc và xả của pin lithium-ion 18650

 Sử dụng vi điều khiển để kiểm soát các quá trình quá sạc và quá xả cho bộ pin lithium-ion gồm 60 cells mắc nối tiếp

 Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế và chế tạo hộp chứa 60 cells pin

lithium-ion mắc nối tiếp

1.4 Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu, thu thập các thông tin liên quan đến đề tài, học hỏi kiến thức và kinh nghiệm từ Thầy (Cô), bạn bè

 Phương pháp thực nghiệm

 Phương pháp tính toán, phân tích và so sánh các kết quả đạt được

1.5 Các kết quả nghiên cứu

Trong nước

Bài báo “Nghiên cứu tối ưu tính năng làm việc của pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai” của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Duy Tấn được đăng trên tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K6 – 2017[1] Nhóm tác giả đã tính toán thử nghiệm, chế tạo mạch quản lí các chế độ hoạt động của pin lithium-ion và đã thu được các kết quả sau:

 Tính toán và chọn lựa một bộ nguồn pin Li-ion 48V-33Ah phù hợp cho xe gắn máy Honda Lead 110cc tích hợp truyền động lai được kết nối từ 04 bộ pin 12,6V-33Ah

 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mạch BMS cho bộ pin Li-ion

 Với những kết quả tin cậy từ mô phỏng và thực nghiệm, bộ pin Li-ion cần được lắp đặt và thử nghiệm trên thực tế để đánh giá tổng thể tính năng và chi phí vận hành của xe lai sau cải tạo

Ngoài nước

Hầu hết các công ty sản xuất xe điện lớn nhất trên Thế Giới hiện nay như Tesla, Nissan, Honda,… đều đã và đang nghiên cứu, sử dụng và cải tiến hệ thống năng lượng vào các sản phẩm của họ bằng việc sử dụng pin Lithium-ion bởi vì nhiều ưu điểm mà nó mang lại Bên cạnh đó cũng có rất nhiều trường đại học trên Thế Giới đã nghiên cứu về việc sử dụng pin lithium-ion cho xe điện

Đề tài nghiên cứu “Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles[2]” được thực hiện bởi M Brandl, H Gall đã nghiên cứu về hệ thống quản lý năng lượng cho

xe điện sử dụng pin lithium-ion bằng việc ứng dụng vi điều khiển vào kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin

Bài báo nghiên cứu “A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on Android Client” do Chuanxue Song, Yulong Shao, Shixin Song, Silun Peng và FengXiao thuộc trường đại học Jilin, Trung Quốc thực hiện vào năm 2017[3] đã có nhiều kết quả khả thi Cụ thể, dự án này đã thiết kế một hệ thống giám sát pin dựa trên máy khách Android và bộ vi điều khiển ARM cho xe điện, không chỉ có thể đáp ứng các yêu cầu của các chức năng giám sát pin thông thường, nhưng cũng dễ dàng theo dõi trạng thái của pin Hệ thống giám sát pin với hệ thống máy khách Android đã được áp dụng thành công trong xe đạp điện, và các phương án thử nghiệm trong bài viết này đã được tìm thấy là khả thi và có thể nhân rộng

1.6 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Hệ thống quản lý năng lượng được xem là phần quan trọng nhất của một phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện để di chuyển vì thế việc nghiên cứu và chế tạo hệ

thống này có ý nghĩa rất lớn không chỉ phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu mà còn là một bước quan trọng trong việc hiện thực hóa một chiếc xe điện

1.7 Kết quả dự kiến đạt được

Kiểm soát được điện áp của bộ pin lithium-ion 60 cells nối tiếp, bảo vệ pin không xảy ra tình trạng Over-charging (quá nạp) và Over-discharging (quá xả)

1.8 Bố cục của đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Lithium-Ion

2.1.1 Giới thiệu chung

Pin Li-ion hay pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc Trong quá trình sạc, các ion Liti chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng) LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion Liti sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp và Liti, như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm là graphite Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Liti chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Liti, tuy nhiên yêu cầu

là dung dịch này không được dẫn điện[4]

Khi xả (quá trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngoài electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương) Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương Khi sạc dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện trong lòng pin ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode

LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay LIB có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự

xả Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không Nó được kì vọng sẽ thay thế cho ắc-quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện Hơn nữa, việc thay thế cho ắc-quy chì còn hứa hẹn việc đảm bảo môi trường sạch, nâng cao an toàn sử dụng do tránh được việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit và hạn chế phát thải kim loại nặng ra môi trường, trong khi pin Li-ion vẫn đảm bảo một điện thế ngang với ắc-quy Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các loại LIB khác nhau Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực dương Chất này có

sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật liệu dương cực phổ biến khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn Những pin dùng các vật liệu này thường được dùng trong các thiết bị điện y tế Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và liti titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những mục đích đặc biệt Pin liti-lưu huỳnh hay pin liti-sunfua là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ hiệu năng cao và khối lượng nhỏ

Do pin liti-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy được nén dưới áp suất cao, nên nó trở nên đặc biệt nguy hiểm Nếu như một viên pin được sạc quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ Do nguy cơ này, các quy chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin dung dịch điện ly axit rất nhiều Một ví dụ về lỗi pin gây ra những thiệt hại nghiêm trọng là sự cố về pin của Samsung Galaxy Note 7 năm 2016

Các lĩnh vực nghiên cứu về LIB bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin

2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion

Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970 Whittingham đã

sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti làm điện cực Tuy nhiên, pin sạc lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế Titan disulfua là một lựa chọn tồi, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfua trong những năm 1970) Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfua phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfua có mùi khó chịu Vì lý

do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfua-lithium này của Whittingham Pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn vì lithium là một chất phản ứng mạnh, nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng

chấp nhận và giải phóng các ion lithium Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991[4]

Ngày nay, LIB đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới

2.1.3 Nguyên tắc hoạt động

Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở LIB là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa 2 điện cực Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy Ion liti di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập của ion liti và ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể

Khi xả ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode) thường là graphite, C6 trong phản ứng dưới đây qua dung dịch điện ly sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Liti dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm

Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Liti tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trò cực dương) Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả

Hình 2.1 Quá trình xả và sạc của pin li-ion[5]

Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

LiCoO2 ↔ CoO2 + Li+ + e-

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C6 + Li+ + e- ↔ LiC6

Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C6 + LiCoO2 ↔ LiC6 + CoO2

Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+ , và ngược lại khi xả

Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn Nếu như xả quá mức (nhét thừa ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều sau:

LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO

2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion

Điện cực dương (cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4 Vật liệu trên cơ sở là coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedral (giả tứ diện), cho phép ion liti khuếch tán theo 2 chiều Đây là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài Hạn chế của nó là giá cao do chứa Coban là một kim loại hiếm và kém bền nhiệt Vật liệu cơ sở là Mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán theo cả ba chiều Vật liệu này đang được quan tâm bởi Mangan rẻ và phổ biến hơn Coban, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nó được khắc phục Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin Vật liệu cực dương chứa Coban là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành và tăng công suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc

Điện cực âm (anode)

Vật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng Cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10% Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó cũng có thể chứa ion liti, thậm chí nhiều hơn Cacbon, tuy nhiên khi chứa các ion Liti, Silicon có thể phình

ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin

Silicon có thể dùng làm điện âm cực tuy nhiên phản ứng của nó với liti có thể gây nứt gãy vật liệu Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện

ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte Interphase (SEI) trên bề mặt Si mới hình thành Lớp SEI này có thể dày lên ngăn chặn quá trình khuếch tán của Li+ và làm giảm dung lượng của điện cực cũng như công suất pin và giảm

độ bền của âm cực Nhiều nỗ lực được thực hiện nhằm giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc do

nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, các cấu trúc xốp nano

Dung dịch điện ly (electrolyte)

Dung dịch điện ly hay chất điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin Chính vì thế, nguyên tắc cơ bản của dung dịch điện ly cho pin Li-ion là phải có độ dẫn ion tốt, cụ thể là độ dẫn ion liti ở mức 10−2 S/cm ở nhiệt độ phòng, tăng tầm 30-40% khi lên 40o

C và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0oC Trong quá trình sạc

và xả pin, khi ion liti di chuyển trong lòng pin, dẫn đến chênh lệch điện thế, pin sinh ra dòng điện ở mạch ngoài nơi electron truyền từ cực âm sang dương (luôn cùng chiều với ion liti), để đảm bảo phản ứng xảy ra trong pin và pin không bị đoản mạch, dung dịch điện ly cần thiết là chất cách điện tốt, nghĩa là độ dẫn electron của dung dịch này phải bằng hoặc dưới mức 10−8 S/cm Dung dịch điện ly lỏng dùng trong pin Li-ion chứa muối liti, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat, và dietyl cacbonat Do các dung môi hữu cơ thường dễ phân hủy ở cực âm trong quá trình sạc, nên trong lần sạc đầu tiên, thường ở cực âm sẽ hình thành lớp điện ly rắn giao pha (solid electrolyte interphase, SEI), có thể giảm độ dẫn của âm cực Lớp giao pha này có thể ngăn chặn sự phân hủy của dung dịch điện ly, và từ đó hình thành một lớp giao diện bền Dung dịch điện ly composit dựa trên nền polymer hữu cơ POE (poly(oxyethylene)) cũng có thể là một lớp giao diện bền Nó có thể dùng để phủ lên bề mặt điện cực để bảo vệ trong pin Li-polyme, hay trong những pin li-ion bình thường khác

Để hạn chế sự rò rỉ của dung dịch điện ly với dung môi hữu cơ, và tăng tính an toàn cũng như giảm thiểu khả năng bắt cháy khi dung môi này gặp không khí, dung môi gel, polymer, hay các chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được chú trọng phát triển

Khi sử dụng chất điện ly dạng rắn (solid electrolyte), ta thu được một pin lithium-ion dạng rắn, khi đó, có thể loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quá trình lắp ráp, tăng tính

an toàn cho pin

2.1.5 Ưu và nhược điểm của pin lithium-ion

Ưu điểm

 Chi phí sản xuất thấp vì vậy pin lithium-ion đang rất được ưu chuộng

 Lưu trữ được nhiều năng lượng hơn các dòng pin thế hệ trước (Ni – Cd và Ni – MH)

 Chu kỳ sạc xả 400-500 lần theo qui định chuẩn nhưng có thể hơn tùy theo quy chuẩn hóa của các hãng và người sử dụng

Nhược điểm

 Suy giảm chất lượng dù bạn có sử dụng hay không

 Pin có thể hỏng nếu bạn để điện áp kiệt dưới mức cho phép trong thời gian dài hoặc sẽ gây phù pin nếu điện áp vượt quá mức 4.2V/cell

 Cấu tạo của pin luôn là hình khối hạn chế trong việc tạo hình các sản phẩm và có trọng lượng nặng hơn so với dòng pin li-po cùng dung lượng

 Pin dễ bị kích ứng và cháy nổ khi sử dụng không đúng cách

2.1.6 Cơ chế sạc và xả

Do bản chất hóa học đặc biệt nên pin Li-ion có quy trình sạc riêng, không giống các loại

ắc quy hay pin nikel khác Quá trình điều tiết sạc/xả một tế bào pin Li-ion và một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, bao gồm nhiều tế bào pin lắp nối tiếp, tương đối khác biệt

Đối với một tế bào pin Lithium-ion bao gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn sạc ổn dòng: Trong quá trình sạc ổn dòng, dòng điện được giữ không đổi, thông thường bằng C/2-C (trong đó, C là dung lượng [Ah] của pin) Dòng điện sạc càng lớn, quá trình sạc ổn dòng càng ngắn nhưng quá trình sạc ổn áp sẽ càng dài, tuy vậy tổng thời gian sạc cả 2 giai đoạn thường không quá 3h Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ của pin Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ liên tục vì nhiệt độ quá cao có thể làm cho pin bốc cháy hoặc phát nổ

Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 450C Một số pin Li-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ khi sạc lên đến 600C Nếu sử dụng

bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơm dòng ổn định vào pin (sạc ổn dòng) do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc nhanh sẽ ngắn hơn

Hình 2.2 Đặc tính sạc, xả của pin lithium-ion[5]

Giai đoạn sạc ổn áp: Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2V/cell Do dung lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng điện giảm dần Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc Lúc này, dung lượng pin đạt khoảng 99% Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp trên 2 đầu cực ắc quy tăng dần Khi điện áp đạt bằng sức điện động của pin lúc đầy, bộ sạc kết thúc quá trình sạc ổn dòng và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của pin) Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng pin đã phục hồi được khoảng 70%

Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng ngay (phương pháp

“charge-and-run”) Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạc đồng thời làm cho 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 đúng thông số nhà sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn sạc ổn áp – thường mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng

Khác với pin nikel hoặc acid-chì, pin Li-ion không cần và không được phép duy trì áp sạc sau khi pin đã đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%C) vì tính chất của Lithium-ion không cho phép over-charge; nếu vẫn cố over-charge có thể sẽ làm nóng ắc quy và gây ra nổ

Ngoài ra, theo các chuyên gia, không nên sạc pin Li-ion vượt quá 100% dung lượng vì như vậy sẽ làm giảm tuổi thọ của ắc quy Vấn đề này sẽ được làm rõ ở phần tiếp theo Nếu pin được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của pin sẽ giảm dần về mức

ổn định khoảng 3,6 – 3,9V/cell Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh (sạc ổn dòng) thì sau khi ngừng sạc, điện áp pin sẽ giảm sâu hơn về khoảng 3,3 – 3,5V

Do pin Lithium-ion cũng có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng (self-discharge) nên trong một số trường hợp, để điền đầy pin, ngoài việc sử dụng quá trình ổn dòng, ổn

áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn

Chẳng hạn, khi áp ắc quy đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay Lúc này, điện áp pin

sẽ giảm dần Khi điện áp pin giảm còn 4,05V/cell hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục quá trình sạc áp

Việc đóng ngắt như vậy sẽ được diễn ra liên tục Nhờ vậy, điện áp pin sẽ được giữ ổn định trong khoảng 4,05 – 4,2V/cell, do đó làm pin được nạp sâu hơn, tránh được hiện tượng over-charging và kéo dài tuổi thọ pin

Đối với một hệ pin Li-ion hoàn chỉnh, cần 3 giai đoạn:

Chế độ dòng điện không đổi: Constant current (CC)

Cân bằng điện áp giữa các cell: Cell balancing

Chế độ điện thế không đổi: Constant voltage (CV)

Ở chế độ dòng điện không đổi, bộ sạc sẽ áp một dòng điện không đổi lên pin thông qua một điện thế ổn định tăng dần cho đến khi đạt đến điện thế tới hạn của pin Ở chế độ cân bằng, bộ sạc giảm dần dòng điện sạc lên pin, hoặc điều tiết bật tắt dòng điện sạc để trạng thái sạc cho từng tế bào pin đạt trạng thái cân bằng trong cả mạch, cho đến khi tất cả các

tế bào trong mạch đều cân bằng Một số thiết bị sạc điều tiết cân bằng bằng cách sạc lần lượt từng tế bào pin, tuy nhiên điều này kéo dài thời gian sạc, việc tạo thuật toán tối ưu hóa quá trình cân bằng này có thể tăng hiệu năng và tối ưu hóa thời gian sạc pin Ở chế

độ điện thế cân bằng, bộ sạc áp một điện thế bằng với điện thế tới hạn của mỗi tế bào nhân với số tế bào lắp nối tiếp lên toàn bộ pin, đây chính là quá trình xả, vì thế dòng điện

sẽ giảm về 0, đến khi dòng điện dưới ngưỡng 3% giá trị ban đầu của dòng điện sạc, thì

pin ngừng hoạt động Nếu như sạc/xả vượt ngưỡng thế năng và dòng điện cho phép, có thể dẫn đến nổ pin

2.1.7 Vấn đề Over-charging (quá nạp) của Pin Lithium-ion

Thông thường, pin Li-ion chỉ nên hoạt động (sạc/xả) ở vùng điện áp được thiết kế (dưới 4.2V/cell) Tuy nhiên trong một số trường hợp, khi pin đã đầy mà vẫn bơm dòng điện vào, điện áp pin sẽ dâng lên cao hơn 4.3V Lúc này, pin xảy ra hiện tượng bị over-charging

Khi ở điện áp pin nằm ngoài vùng làm việc an toàn (trên 4.2V/cell hoặc dưới 2.5V/cell) hoạt động của nó trở nên không ổn định Các lớp Lithium Metallic sẽ hình thành trên cực dương trong khi cực âm sẽ bị oxi hóa mạnh làm giảm tính ổn định và sản sinh ra khí CO2

bên trong pin làm áp suất trên trong pin sẽ tăng lên Thông thường, để an toàn, bộ sạc cần phải ngừng sạc ngay khi áp suất trong cell đạt 200psi

Nếu bộ sạc không có chức năng theo dõi và bảo vệ áp suất lớn, do khí CO2 không ngừng sinh ra, áp suất pin sẽ tiếp tục tăng, đồng thời nhiệt độ pin cũng tăng nhanh Khi áp suất đạt khoảng 500psi, lúc này nhiệt độ pin đạt khoảng 1300C – 1500C, lớp màng an toàn ngăn cách các cell sẽ bị đánh thủng và pin sẽ bắt đầu bốc cháy thậm chí gây nổ Vì vậy, trong quá trình sạc, cần tuyệt đối tuân thủ các yêu cầu về nhiệt độ và điện áp trên các cell Pin Li-ion nói chung không nên và không được phép xả quá sâu (over-discharge) Khi điện áp pin giảm xuống dưới 3.0V/cell, tốt nhất nên ngắt pin khỏi mạch Nếu để điện áp pin giảm xuống dưới 2.7V/cell hệ thống mạch bảo vệ của bản thân pin sẽ tự động chuyển pin sang chế độ sleep Lúc này, pin không thể sạc lại được theo cách thông thường mà cần phải sử dụng chu trình sạc 4 giai đoạn Trong chu trình sạc 4 giai đoạn, ngoài 2 giai đoạn sạc ổn dòng, ổn áp giống như quy trình sạc pin Li-ion thường, 2 giai đoạn Pre-charge và Activation được thêm vào để khôi phục lại hoạt động của pin

Trước tiên, trong giai đoạn Pre-charge, pin sẽ được bơm vào một dòng điện nhỏ 15%C) sau đó điện áp pin được giám sát Nếu sau một khoảng thời gian xác định (testing time), điện áp pin không tăng hoặc tăng quá chậm thì pin coi như không thể phục hồi được nữa Trái lại nếu điện áp tăng lên trên 2.8V khi đó pin gọi là còn tốt và có thể tiếp

(5-tục sạc được Lúc này, bộ sạc chuyển sang sạc pin trong chế độ Activation để kích hoạt trở lại hoạt động của pin

Trong chế độ Activation, dòng điện 5-15%C tiếp tục được duy trì cho đến khi điện áp pin tăng lên trên 3V Lúc này bộ sạc lại chuyển sang hoạt động ở chế độ sạc ổn dòng và ổn

áp như bình thường

Khi các nhà sản xuất bán pin, họ thường sạc sẵn pin đến 40% dung lượng Tuy nhiên, sau một thời gian, do hiện tượng tự xả (self-discharge) dung lượng pin giảm dần, đồng nghĩa với việc điện áp pin giảm Vì vậy, để tránh hiện tượng over-discharge, pin nên được bảo trì định kỳ bằng cách sạc lại sau khi để không dùng trong một thời gian dài

Mỗi cell pin Li-ion thường có điện áp hở mạch khoảng 3.5V Trong các hệ thống như xe điện, để cấp điện cho động cơ truyền lực chính và các thiết bị điện khác trong xe, các cell thường được mắc song song nối tiếp cho đến khi đạt được điện áp DC-Bus khoảng 200VDC(Volts Direct Current) trở lên

2.1.8 Vấn đề cân bằng cell (cell balancing)

Những nguyên nhân như thông số các cell do nhà sản xuất cung cấp có sai số nhất định; trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhau hay ảnh hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell không đồng đều Có cell có điện áp cao hơn một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác, hay nói cách khác, điện áp các cell không cân bằng với nhau

Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số cell còn lại chưa đầy Nếu vẫn tiếp tục sạc, cell đó sẽ bị overcharge khiến nhiệt độ và áp suất tăng cao (như đã phân tích ở trên) làm giảm tuổi thọ của cả bộ pin thậm chí phá hỏng cell đó Ngược lại, trong quá trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn Nếu vẫn tiếp tục

xả sâu, cell đó sẽ bị over-discharge, làm giảm tuổi thọ pin Khi một cell bị hỏng, thông thường ta phải thay thế toàn bộ cả hệ thống pin, bởi lẽ, nếu chỉ thay cell bị hỏng (có thể được trong một số trường hợp) thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell còn lại, nghĩa là nguy cơ mất cân bằng (unbalance) vẫn có thể xảy ra

Càng nhiều cell mắc nối tiếp, nguy cơ xảy ra mất cân bằng càng cao và độ tin cậy càng giảm Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống pin được ghép nối bởi n cell, xác suất

Để hạn chế vấn đề này, có một số cách có thể xem xét Trước tiên, người ta sẽ cố gắng chọn các cell có thông số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau Các cell sau đó sẽ được ghép nối song song-nối tiếp với nhau thay vì chỉ ghép nối tiếp vì như vậy, dòng chạy vòng giữa các cell sẽ giúp cân bằng các cell với nhau (self-balacing) Sau đó, trong quá trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đều trên các cell

Tuy vậy, để giải quyết triệt để việc mất cân bằng áp pin lithium-ion, trong các xe điện, hệ thống quản lý pin (Battery Management System – BMS) cần giám sát chặt chẽ dung lượng của mỗi cell (State of Charge – SOC) Nếu phát hiện có sự mất cân bằng, hệ thống BMS cần thực hiện các biện pháp nhất định nhằm đưa các cell về trạng thái cân bằng với nhau Có hai cách để thực hiện việc này là cân bằng chủ động và cân bằng thụ động Phương pháp cân bằng chủ động sẽ chuyển bớt năng lượng từ các cell có dung lượng cao hơn vào các cell có dung lượng thấp hơn Phương pháp này có ưu điểm giúp hệ thống cân bằng về áp và không có tổn hao do năng lượng được luân chuyển lẫn nhau giữa các cell Tuy nhiên, thiết kế cho mỗi cell một nguồn sạc độc lập là không thực tế Việc cân bằng

áp được thực hiện tuần tự cho một hoặc một nhóm cell Do đó, để sạc đầy cả bộ pin cần thời gian khá lớn

Phương pháp cân bằng thụ động đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động nhưng gây ra tổn hao trên điện trở Bộ sạc cần ngắt sạc ngay khi một cell nào đó đã đầy Sau đó, cell đã đầy sẽ được xả qua điện trở cho đến khi bằng cell thấp hơn Sau đó, bộ sạc được tiếp tục đóng điện trở lại và chu trình lại được lặp lại cho đến khi tất cả các cell đã đầy Như vậy, trong quá trình sạc, ngoài việc tuân thủ đúng các quy trình sạc, bộ sạc cần phối hợp chặt chẽ với hệ thống BMS để thực hiện các kỹ thuật cell balancing nhằm điền đầy các cell, chống sự mất cân bằng giữa các cell, qua đó kéo dài tuổi thọ của cả bộ ắc quy

2.1.9 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc pin Lithium ion

Nhiệt độ giới hạn của pin khi sạc quan trọng hơn nhiệt độ xả (nhiệt độ lúc sử dụng) Các nhà khoa học nhận thấy rằng chính việc chạy ở nhiệt độ quá cao (chứ không phải trong thời gian quá lâu) làm giảm tuổi thọ pin Pin sẽ hoạt động tốt nhất khi sạc ở 5-45 oC, lúc này có thể sạc tốc độ cao Nhiệt độ thấp hơn, tức 0-5oC có thể sạc được nhưng dòng điện

sẽ giảm, dù trong quá trình sạc, nhiệt độ của pin sẽ tăng lên đôi chút do điện trở trong của

pin Hiện tượng tăng nhiệt độ trong quá trình sạc là nguyên nhân làm giảm hiệu năng pin, khi nhiệt độ tăng lên trên 45 oC pin sẽ bị chai nhanh chóng Mặc dù vậy khi sạc ở nhiệt

độ thấp, điện trở trong của pin lại tăng và làm giảm tốc độ và tăng thời gian sạc

Pin LIB không nên sạc ở nhiệt độ dưới 0 oC Ở nhiệt độ này, tuy hệ pin có vẻ đang được sạc bình thường, nhưng do ở nhiệt độ thấp, độ dẫn của vật liệu điện cực kém sẽ làm giảm khả năng phản ứng của ion liti với vật liệu điện cực, khi đó liti sẽ được mạ lên bề mặt điện cực thay vì khuếch tán vào sâu bên trong vật liệu và tham gia phản ứng trong điều kiện sạc lạnh, lớp mạ này bám chặt trên điện cực dù có tiếp tục sạc hay xả Vì thế hầu hết các pin đều không thể hoạt động ngoài khoảng 0-45 oC vì yếu tố an toàn

2.1.10 Các yêu cầu khi sử dụng pin Li-ion

• Tắt tất cả các thiết bị nuôi bởi ắc quy cần sạc Khi đó, hệ thống đo dòng, áp sạc sẽ cho kết quả chính xác, phản ánh đúng các thông số quá trình sạc

• Không nên sạc khi nhiệt độ môi trường quá thấp hoặc quá cao

• Dừng sạc ngay khi bộ nhiệt độ pin tăng cao bất thường

• Dừng sạc ngay khi dung lượng pin đạt khoảng 90 – 99% Như vậy sẽ tốt cho pin hơn là sạc đến 100% hoặc hơn Thông thường, các bộ sạc có đèn báo dung lượng và tự ngắt khi dung lượng đạt mức 90 – 99% Nếu không, người dùng cần theo dõi để ngắt sạc Điều này sẽ làm tăng tuổi thọ pin

• Trước khi lưu trữ pin không sử dụng trong một thời gian dài, nên sạc trước cho nó đến khoảng 40-50% dung lượng để tránh hiện tượng over-discharge vì pin bị self-dischage

• Không nên cố sạc pin có sức điện động dưới 2.7V/cell (đã bị over-discharge) bằng các bộ sạc thông thường (chỉ có chế độ ổn dòng và ổn áp) mà phải dùng các bộ sạc chuyên dụng (hỗ trợ đầy đủ cả 4 chế độ: Pre-charge, Activation, Constant Current, Constant Voltage)

2.2 Giới thiệu về vi điều khiển Atmega 328P

Atmega 328P là một vi điều khiển chip đơn thuộc họ megaAVR được sản xuất bởi tập đoàn Atmel Nó có lõi xử lý RISC 8-bit được xây dựng dựa trên kiến trúc Harvard Với

Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini và rất nhiều sản phẩm nhúng khác

2.2.1 Thông số kĩ thuật

Atmega 328 là một bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC bộ nhớ chương trình 32KB ISP flash có thể ghi xóa hàng nghìn lần, 1KB EEPROM, một bộ nhớ RAM vô cùng lớn trong thế giới vi xử lý 8 bít (2KB SRAM) Với 23 chân có thể sử dụng cho các kết nối vào hoặc ra I/O, 32 thanh ghi, 3 bộ timer/counter có thể lập trình, có các ngắt nội

và ngoại (2 lệnh trên một vector ngắt), giao thức truyền thông nối tiếp USART, SPI, I2C Ngoài ra có thể sử dụng bộ biến đổi số tương tự 10 bit (ADC/DAC) mở rộng tới 8 kênh, khả năng lập trình được watchdog timer, hoạt động với 5 chế độ nguồn, có thể sử dụng tới 6 kênh điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation), hỗ trợ bootloader

Hình 2.3 Atmega 328P Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của vi điều khiển Atmega 328P

Số kênh xung PWM 6 kênh ( 1 Timer 2 kênh)

2.2.2 Cấu trúc chung của vi điều khiển Atmega 328P

Sơ đồ khối (block diagram)

ATmega328P là một vi điều khiển mạnh mẽ cung cấp một giải pháp rất linh hoạt và hiệu quả về chi phí cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng ATmega328P AVR được hỗ trợ với

bộ công cụ phát triển hệ thống và chương trình đầy đủ bao gồm: Trình biên dịch C,

trình biên dịch macro, trình gỡ lỗi / mô phỏng chương trình, trình giả lập trong mạch và

bộ đánh giá

Chức năng các chân trên Atmega 328P

Hình 2.5 Các chân trên Atmega 328P[6]

VCC: Điện áp cung cấp cho vi điều khiển (5V)

GND: Ground (chân âm)

AVCC: Chân chọn điện áp tham chiếu ADC

AREF: Chân chọn điện áp tham chiếu ADC

Cổng B: Bao gồm các chân từ PB0 đến PB7 Cổng này là cổng hai chiều 8 bit có điện trở kéo lên bên trong

Cổng C: Bao gồm các chân từ PC0 đến PC7 Các chân này phục vụ như đầu vào tương tự

để chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) Nếu bộ chuyển đổi tương tự sang số không được sử dụng, cổng C hoạt động như một cổng đầu vào / đầu ra hai chiều 8 bit

Cổng D: Bao gồm các chân từ PD0 đến PD7 Nó cũng là một cổng đầu vào / đầu ra 8 bit

có điện trở kéo lên bên trong

OCXA – OCXB (X2:0): Là các chân phục vụ cho chức năng tạo xung PWM của bộ định thời, đếm (timer/counter) trên vi điều khiển Atmega 328P

2.2.3 Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) bằng Timer/Counter0 trên VĐK Atmega 328P

Khái niệm PWM

PWM là khái niệm chỉ tín hiệu xung mà thường thì chu kỳ (Time period) của nó được cố định còn thời gian tín hiệu ở mức cao (duty cycle) của nó có thể được thay đổi để điều chỉnh điện áp đầu ra[7]

Timer/Counter0 trên Atmega328P là một chức năng lý tưởng để tạo ra các tín hiệu PWM theo mong muốn

Bộ Timer/Counter0 (bộ định thời/bộ đếm 0) trên Atmega 328P

Sơ đồ khối Timer/Counter0

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ timer/counter0 trên Atmega 328P[6]

Các định nghĩa của Timer/Counter0

BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0x00

MAX: Bộ đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng 0xFF (hệ thập phân 255)

TOP: Bộ đếm đạt giá trị TOP khi nó bằng với giá trị cao nhất trong chuỗi đếm, giá trị cao nhất trong chuỗi đếm không nhất thiết là 0xFF mà có thể là bất kì giá trị nào được quy định trong thanh ghi OCRn (n=0,2), tùy theo chế độ thực thi

Bộ định thời 0 có vài đặc điểm chính như: Bộ đếm đơn kênh, xóa bộ định thời khi có sự kiện so sánh khớp (compare match) và tự nạp lại, có thể đếm từ bộ dao động 32 KHz bên ngoài, chế độ PWM hiệu chỉnh pha,…

Compare Match: Đây là một chức năng của bộ định thời, theo đó giá trị của bộ định thời (giá trị thanh ghi TCNTn (n=0, ,3)) liên tục được so sánh với giá trị của thanh ghi OCRn (n=0, ,3) Khi hai giá trị này bằng nhau sẽ tạo ra sự thay đổi mức logic ở chân OCn (n=0, ,3) Nhờ đó, ta có thể tạo ra xung PWM ở ngõ ra OCn (n=0, ,3) của vi điều khiển Thanh ghi: Timer/Counter0 có tổng cộng 7 thanh ghi 8-bit bao gồm: TCCR0A, TCCR0B, TCNT0, OCR0A, OCR0B, TIMSK0 và TIFR0 Các thanh ghi này chứa các bit dùng để thiết lập chế độ hoạt động của bộ Timer/Counter0

Có 4 chế độ hoạt động trên bộ Timer/Counter0 bao gồm: Normal mode (chế độ thường), Clear Timer on Time Compare Match (CTC) mode (chế độ Xóa Timer khi xảy ra Compare Match), Fast PWM mode (chế độ PWM tần số cao) và Phase Correct PWM mode (chế độ PWM với pha chính xác)

Fast PWM mode (chế độ PWM tần số cao)

Chế độ Fast PWM cung cấp một dạng sóng xung tần số cao Trong chế độ Fast PWM, 1 chu kỳ được tính trong 1 lần đếm từ BOTTOM lên TOP (single-slope) vì vậy tần số hoạt động của Fast PWM có thể nhanh gấp 2 lần tần số của Phase Correct PWM (dual-slope) Tần số cao này làm cho chế độ PWM nhanh phù hợp với điều chỉnh công suất, chỉnh lưu

và ứng dụng DAC Tần số cao cho phép các thành phần bên ngoài có kích thước nhỏ (cuộn dây, tụ điện), và do đó làm giảm tổng chi phí hệ thống Giá trị TOP (quy định giá trị Time Period) có thể là 0xFF hoặc giá trị mà ta đặt trên thanh ghi OCR0A tùy vào cách

mà ta cài đặt các bit WGM (Waveform Generation Modulation) còn giá trị Duty cycle sẽ được quy định bởi giá trị trên thanh ghi OCR0A (TOP là 0xFF) hoặc OCR0B (TOP là OCR0A)

là điện áp) sang giá trị số biểu diễn độ lớn của đại lượng đó

Bộ ADC của Atmega 328P có độ phân giải 10 bit, sai số tuyệt đối ± 2 LSB, dải tín hiệu ngõ vào từ 0V – VCC, tín hiệu ngõ vào có nhiều lựa chọn như: 8 ngõ vào đa hợp đơn hướng (Multiplexed Single Ended), 7 ngõ vào vi sai (Differential Input), … Bộ ADC của Atmega 328P là loại ADC xấp xỉ liên tiếp (succesive approximation ADC) với hai chế độ hoạt động có thể lựu chọn là chuyển đổi liên tục (Free Running) và chuyển đổi từng bước (Single Conversion) ADC trên AVR cần được cấp nguồn điện áp riêng ở chân AVCC, giá trị điện áp cấp cho AVCC không được khác nguồn nuôi chip (VCC) quá 0.3V vì vậy

ta có thể dùng điện áp trên chân VCC để cấp cho chân AVCC

Điện áp tham chiếu (VREF): Là giá trị điện thế dùng để so sánh với điện thế của tín hiệu tương tự cần biến đổi ở ngõ vào ADC Điện áp tham chiếu cho ADC trên AVR có thể được tạo bởi 3 nguồn: Dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V (cố định), dùng điện áp AVCC hoặc điện áp ngoài đặt trên chân VREF Cần chú ý đến noise khi đặt điện áp tham chiếu, nếu dùng điện áp ngoài đặt trên chân VREF thì điện áp này phải được lọc thật tốt, nếu

dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần được nối với một tụ điện

Tần Số Clock ADC: Là tần số clock cung cấp cho bộ biến đổi ADC, giá trị có thể thay đổi từ vài KHz đến vài MHz Tuy nhiên, tần số thích hợp khoảng từ 50KHz đến 200KHz cho độ phân giải 10 bit và có thể cao hơn 200KHz nếu độ phân giải thấp hơn

Ngõ vào tương tự: Atmega 328P có hai lựa chọn ngõ vào tương tự: 10 ngõ vào đơn hướng (single ended): 10 ngõ vào này là ADC0:7, AGND và bandgap reference Thực tế

ta thường dùng 8 ngõ vào ADC0:7 Vì có 8 ngõ vào ADC0:7 nên ta có thể đưa vào 8 tín hiệu tương tự khác nhau Khi lựa chọn ngõ vào kiểu này (tức kiểu single ended) thì kết quả chuyển đổi được tính như sau:

ADCVALUE = (VIN*1023)/VREF

Để sử dụng bộ ADC ta thực hiện các bước sau:

1 Cấu hình cho bộ ADC: Chọn điện thế tham chiếu, kiểu ngõ vào bằng cách cấu hình cho thanh ghi ADMUX

2 Cho phép ADC hoạt động: Chọn chế độ hoạt động, các ngắt, tần số Clock ADC

bằng cách cấu hình cho thanh ghi ADCSRA

Ví dụ: Dùng ADC 10bit, tốc độ 500.000 kHz, chạy từng bước

#include <mega128.h> //Khai báo là đang dùng ATmega128

// hàm đọc kết quả ADC, tên hàm là tùy ý, theo chuẩn C

unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) {

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);

// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage

delay_us(10);

// Start the AD conversion

ADCSRA|=0x40;

// Wait for the AD conversion to complete

while ((ADCSRA & 0x10)==0);

ADCSRA|=0x10;

return ADCW;

Void Main( )

{

Unsigned int adc_temp ; // khai báo biến để lưu kết quả ADC

// Khởi tạo cho bộ ADC ở đây

// Tần số biến đổi: 500.000 kHz

//Chân làm điện thế so sánh cho bộ ADC là AVCC

//Điện thế của AVCC là cố định (bằng VCC cấp cho AVR)

ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff;

ADCSRA=0x84; // xong phần khởi tạo

//

adc_temp = read_adc (0) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC0

adc_temp = read_adc (1) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC1

//

adc_temp = read_adc (7) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC7

//phải disable chức năng jtag

};

2.3 Một số linh kiện bán dẫn khác

2.3.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT là Transistor có cực điều khiển cách ly là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 IGBT kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu

sẽ cực nhỏ

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

Về cấu trúc bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với collector tạo nên cấu trúc bán dẫn P-N-P giữa emiter (tương tự cực gốc) với collector (tương tự với cực máng), mà không phải là N-N như ở MOSFET Vì thế có thể coi IGBT tương đương với một transistor P-N-P với dòng base được điều khiển bởi một MOSFET