Thiết kế và chế tạo mạch sạc pin liion

tài liệu hướng dẫn chế tạo mạch sạc pin lithium ion sử dụng nguồn 220VAC. Trong tài liệu có giới thiệu tổng quan về pin lithium ion, các đặc tính của pin, cách sạc pin và thiết kế một mạch sạc pin có khả năng tự động ngắt khi sạc đầy. Các bạn có nhu lầu làm mạch thật có thể liên hệ với mình qua email nhé.

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN

Giảng viên hướng dẫn: TS Hoàng Sĩ Hồng

Lớp:

Điểm: 9,5

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 4

LỜI MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 6

I Tổng quan về pin Li-Ion 6

II Cấu tạo pin Lithium ion 6

III Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion 7

IV Tổng quan về quá trình sạc pin Lithium-ion 8

V Pin 18650 9

Thông số kỹ thuật của Pin 18650 10

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN TỰ ĐỘNG 12

I Sơ đồ khối của mạch 12

1 Máy biến áp (khối 1) 12

2 Mạch chỉnh lưu (khối 2) 13

3 Mạch lọc (khối 3) 14

4 Mạch ổn áp (khối 4) 15

5 Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch khi sạc pin (khối 5) 16

II GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH 16

1 Điện trở 16

2 Biến trở 16

3 Tụ điện 17

4 Diode 17

5 LED 19

7 IC TP4056 20

8 Sơ đồ mạch sạc pin 3.7 V tự ngắt 25

9 Cách hoạt động của mạch 25

III Mạch thật 27

KẾT LUẬN 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 29

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo của pin lithium-ion

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion

Hình 1.3 Quy trình sạc pin li-ion.

Hình 1.4 Pin cell 18650 3000mAh

Hình 2.10 Ký hiệu và hình dạng của tụ điện

Hình2.11 Cấu tạo diode

Hình 2.12 Hình dạng diode trong thực tế

Hình 2.13 Kí hiệu diode trong các mạch nguyên lí

Hình2.14 Đèn LED

Hình 2.15 Sơ đồ chân IC LM7805

Hình 2.16 Sơ đồ chân của IC TP4056

Hình 2.17 Sơ đồ mạch hiển thị liên kết pin với IC TP4056

Hình 2.18 Sơ đồ mạch chỉ báo liên kết đèn LED với TP4056

LỜI MỞ ĐẦU

Đất nước ta đang bước trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hóa đất nước Nước

ta là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật hiện đại Ngàynay trong công nghiệp, các mạch điều khiển người ta thường dùng kỹ thuật số với cácchương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc tham sốhoặc các luật điều khiển Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh và có độ chính xác cao cho

hệ thống Như vậy nó làm chuẩn hoá các hệ thống truyền động điện và các bộ điều khiển

tự động hiện đại và có những đặc tính làm việc khác nhau

Trong ứng dụng đó thì việc áp dụng vào mạch sạc pin tự động đang được sử dụng rộngrãi và có những đặc tính rất ưu việt, ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của ắcquy

Trên cơ sở những kiến thức đã học và sự hướng dẫn của thầy Hoàng Sĩ Hồng, em xinđược trình bày đồ án II với đề tài: “Thiết kế mạch sạc pin chuột không dây” Do một sốhạn chế nên trong bài này, em đã làm phần mạch sạc cho pin

Em xin chân thành cảm ơn GVHD là TS Hoàng Sĩ Hồng đã tận tình hướng dẫn để em cóthể hoàn thiện đồ án này

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

I Tổng quan về pin Li-Ion

Ra mắt thị trường lần đầu vào năm 1991, Li-Ion (Lithium-Ion) là loại pin được dùngphổ biến cả trên thiết bị điện tử (như laptop, smartphone, tablet, sạc dự phòng ), y tế, xeđiện, hàng không, quân đội,

Là loại pin có thể sạc đi sạc lại nhiều lần, Li-Ion phổ biến nhờ các ưu điểm như mật độnăng lượng lớn (dung lượng lớn trên kích thước pin nhỏ), ít bị tự xả (giữ năng lượng lâu),thân thiện môi trường, hơn các công nghệ cũ

Li-Ion hoạt động trên nguyên tắc trao đổi ion Li giữa 2 điện cực để sạc, xả điện và sửdụng một dung dịch điện ly làm môi trường

Việc các nhà sản xuất pin sử dụng chất liệu gì cho 2 đầu cực (Niken, Graphite, Silicon, ) cũng như dung dịch điện ly sẽ có ảnh hưởng đến hiệu năng, số lần sạc, độ an toàn,kích thước pin, chi phí,

II Cấu tạo pin Lithium ion

Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân

và hai bộ thu dòng điện

Hình 1.1 Cấu tạo của pin lithium-ion

- Điện cực dương (Cathode):

Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4 Cấu trúc phân tử bao gồm phân

tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tửLithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+

- Điện cực âm (Anode):

Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức nănglưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể

- Bộ phân tách:

Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP Bộphận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữacực dương và cực âm Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua

- Chất điện phân:

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn Dung dịch điện phân có chứaLiPF6 và dung môi hữu cơ Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ. 

Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và

xả pin Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin li-on là có độ dẫn ion tốt Cụthể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ

và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C

III Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion

Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệutrong phản ứng điện hóa Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyểngiữa 2 điện cực âm và dương Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển Quá trìnhnày thể hiện ở quy trình sạc, xả Cụ thể như sau:

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và táchkhỏi các điện tử của chúng Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phâncho đến khi chúng đến được cực âm Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trunghòa về điện

IV Tổng quan về quá trình sạc pin Lithium-ion

- 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 ắc quy) Dòng điện sạc càng lớn, quá trình sạc ổndòng càng ngắn nhưng quá trình sạc ổn áp sẽ càng dài; tuy vậy, tổng thời gian sạc cả 2giai 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 sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho ắcquy bốc cháy hoặc phát nổ

Hình 1.3 Quy trình sạc pin li-ion.

- Sạc ổn áp:

Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2V/cell Do dunglượng 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 pinđạt 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 đakhoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của pin) Kết thúc quá trình sạc ổndòng, dung lượng pin đã phục hồi được khoảng 70%

V Pin 18650

Pin 18650 là loại pin lithium-ion có thể sạc lại, chuyên được sử dụng cho những thiết

bị cầm tay Kích thước của loại pin này là 18x65mm Hiện nay có khá nhiều thương hiệulớn sản xuất loại pin này và được đánh giá cao Đồng thời pin 18650 cũng đã trở thànhloại pin tiêu chuẩn cho dòng pin có thể thay thế và sạc lại

Hình 1.4 Pin cell 18650 3000mAh

Dung lượng của loại pin này dao động từ 1800 – 3500mAh Pin 18650 được sử dụngphổ bến trong các thiết bị cầm tay như: Pin sạc dự phòng, máy khoan, máy cắt, quạt cầmtay, đèn pin, pin laptop, pin xem đạp điện xe máy điện, …  Chúng có ưu điểm nhỏ gọn,thời gian sử dụng lâu dài, có thể ghép thành điện áp cao, và quan trọng nhất là an toàn vớingười dùng

Hình 1.5 Tổng quan về Pin 18650

Thông số kỹ thuật của Pin 18650

- Điện áp của Pin

Pin 18650 khi đầy có điện áp từ 3.7-4.2V, khi điện áp yếu có điện áp từ 3V trở xuống.Các pin 18650 có thể được kết hợp với nhau để tạo ra các cấp điện áp khác nhau

- Dung lượng của Pin

“Dung Lượng Pin” là thuật ngữ mô tả khả năng lưu trữ của một viên pin Thông số kỹthuật quan trọng của một viên pin là dung lượng pin đơn vị là mAh, thông số này quyếtđịnh xem viên pin có sử dụng được lâu dài hay không

Trong bài này, pin Li-ion 18650 với điện áp danh định tối đa là 4,2 V / 3000 mAh đãđược sử dụng để sạc. 

CHƯƠNG II THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN TỰ

ĐỘNG

I Sơ đồ khối của mạch

1 Máy biến áp (khối 1)

Máy biến áp có tác dụng thay đổi điện áp xoay chiều vào thành các mức điện áp xoaychiều khác nhau ở đầu ra của biến áp (chỉ thay đổi biên độ) mà không làm thay đổi tần số

và pha ban đầu Phương trình điện áp vào, ra khỏi máy biến áp có dạng hình sin:

Hình 2.1 Tín hiệu hình sin

Cấu tạo máy biến áp gồm: Một cuộn dây sơ cấp (để đưa điện áp ngoài vào) và cuộndây thứ cấp gồm một hay nhiều cuộn dây (để đưa điện áp ra) cùng quấn trên cùng mộtlõi Lõi này có thể là cuộn giấy (lõi không khí) hoặc là lõi bằng thép, sắt từ (ferit)

Hình 2.2 Kí hiệu máy biến áp

* Các đại lượng trong nguyên lý biến đổi điện áp của máy biến áp

Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và nguyên lý tạo điện áp

ra dựa trên công thức:

U1/U2 = N1/N2 = I2/I1

Trong đó: U1, I1: là điện áp và dòng điện vào cuộn sơ cấp

U2, I2: là điện áp và dòng điện ra ở cuộn thứ cấp

N1, N2: là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

* Nhược điểm: cho dòng ra không liên tục và diode phải gánh một điện áp ngược rất lớnnên tuổi thọ của diode không cao.

- Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ:

Hình 2.4 Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ.

Ở nửa chu kỳ dương: D1, D4 thông dẫn dòng qua D1 => qua tải => D4 dẫn tiếp dòng

về cực âm

Ở nửa chu kỳ âm: D2, D3 thông dẫn dòng chảy qua tải R

Như vậy mạch chỉnh lưu hình cầu thì đảm bảo trong một chu kỳ thì mạch luôn có dòngđiện

Và cũng chính ưu điểm này, cho nên em đã sử dụng mạch chỉnh lưu hình cầu 5A đểchỉnh lưu điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng là 12V, chúng kết hợp với tụ chỉnh lưu

để tạo ra điện áp DC có giá trị 15V

3 Mạch lọc (khối 3)

Dựa vào đặc tính phóng nạp của tụ điện nên mạch lọc ta sử dụng tụ C1 dùng để làphẳng điện áp đầu vào còn mấp mô

Hình 2.5 Mạch lọc và mạch ổn áp

4 Mạch ổn áp (khối 4).

Mạch ổn áp giúp ổn định điện áp ra cung cấp cho tải tiêu thụ trong khi điện áp đầu vào

có thể thay đổi Sử dụng IC LM7805 để chuyển điện áp đầu vào 15V thành điện áp cómức 5V

Tụ C3 có chức năng lọc nhiễu tần số cao

5 Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch khi sạc pin (khối 5)

Sử dụng IC TP4056 IC này cung cấp đủ dòng điện và điện áp sạc cho pin Li-ion 3.7 V,

có thể tự động cắt dòng sạc khi pin đã sạc đầy

II GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ TRONG MẠCH

1 Điện trở

Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử, chúng

có tác dụng cản trở dòng điện , tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng theo ý muốn

Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, tiết diện và độ dài của dây dẫn

Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tử không phâncực, nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử, chúng được làm từ hợp chấtcủa cacbon và kim loại và được pha theo tỷ lệ mà tạo ra các con điện trở có trị số khácnhau

Hình 2.7 Ký hiệu và hình dạng điện trở

2 Biến trở

Biến trở là dạng đặc biệt của điện trở có công dụng tương tự như điện trở thongthường Nhưng nó có thể thay đổi được gía trị điện trở, qua đó thay đổi điện áp hoặcdòng điện ra trên biến trở

Hình 2.8 Ký hiệu và hình dạng của biến trở

Biến trở còn gọi là triết áp được cấu tạo gồm một điện trở màng than hay dây quấn códạng hình cung góc quay 270 độ Có một trục xoay ở giữa nối với một con trượt làmbằng than cho biến trở dây quấn (hay làm bằng kim loại cho biến trở than) Con trượt sẽ

ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở khi quay trục

Hình 2.9 Biến trở

3 Tụ điện

Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử,được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu trong mạch truyền phát tín hiệu, mạchdao động…

Tụ điện là linh kiện dùng để cản trở dòng điện xoay chiều và ngăn không cho dòngđiện một chiều đi qua , tụ điện còn có khả năng phóng nạp khi cần thiết

Hình 2.10 Ký hiệu và hình dạng của tụ điện

4 Diode

Được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau Diode có hai cực là Anot (A) và Katot(K) Nó chỉ cho dòng một chiều từ A sang K và nó được coi như van một chiều trongmạch điện và được ứng dụng rộng rãi trong các máy thu thanh thu hình, các mạch chỉnhlưu, ổn định điện áp

Hình2.11 Cấu tạo diode

Hình 2.12 Hình dạng diode trong thực tế

Hình 2.13 Kí hiệu diode trong các mạch nguyên lí

Nguyên tắc hoạt động của diode: chỉ cho dòng một chiều từ A đến K chứ không chodòng chạy ngược lại

5 LED

LED là viết tắt của Light Emitting Diode (điốt phát quang), là các diode có khả năngphát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từmột khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N

Tính chất: Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sángphát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắc củaLED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thông thường, trong khoảng 1,5Vđến 3V Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì không cao Do đó, LED rất dễ bị hưhỏng do điện thế ngược gây ra

Chúng có tác dụng hiển thị điện áp DC hoac AC (tức là báo có dòng ra)

- Chân thứ 2 là chân để đấu với mass (chân GND)

- Chân thứ 3 là chân ngõ ra điện áp 5V (với điều kiện là điện áp đầu vào lớn hơn 5V)

Hình2.15 Sơ đồ chân IC LM7805

7 IC TP4056

TP4056 là một vi mạch được thiết kế đặc biệt để sạc pin Li-ion 3,7 V Đây là bộ điềukhiển sạc pin tuyến tính với dòng điện không đổi và điện áp không đổi Bằng cách thêmmột điện trở để điều chỉnh, IC hoàn toàn có thể được sử dụng để sạc pin Li-ion 3.7 V.Điện áp sạc được cố định ở mức 4,2 V và dòng điện sạc có thể được thiết lập bằng cáchthêm một số ít điện trở và tụ điện theo pin cần sạc IC này hoàn toàn có thể cung cấpdòng sạc tối đa 1A

IC cũng cung cấp khả năng bảo vệ quá nhiệt, hạn chế dòng điện và dòng điện tích âm.Khi pin được sạc đầy thì bộ sạc TP4056 sẽ cắt dòng điện Vì vậy có thể có khả năng dòngđiện chạy từ pin đến IC TP4056 khi pin ở mức điện áp cao Do đó, không cần thêm điốtzener Khi pin sạc đầy, IC sẽ ngắt dòng điện sạc để giúp pin không bị hư hỏng

IC TP4056 có cả kiểu SOP, lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị di động Nó cũngyêu cầu ít linh phụ kiện bên ngoài hơn, không có gì khác ngoài vài điện trở và tụ điện ICcần điện áp tối thiểu 4 V đến 8 V để hoạt động IC có 8 chân với thông số kỹ thuật chânnhư sau:

Hình2.16 Sơ đồ chân của IC TP4056

Châ

nhiệt độ

Nếu điện áp của chân TEMP dưới 45 % hoặc trên 80 % điện

áp nguồn cung cấp VIN trong hơn 0,15 Giây, điều này cónghĩa là nhiệt độ của pin quá cao hoặc quá thấp, do đó, quytrình sạc bị tạm dừng Chức năng cảm nhận nhiệt độ hoàntoàn có thể bị tắt bằng cách nối đất chân TEMP

Sạc dòngđiện liên tục

và điều khiểndòng sạc

Chân được thiết lập bằng cách liên kết một điện trở RISET

từ chân này đến GND Điện áp trên chân ISET hoàn toàn cóthể được sử dụng để đo dòng điện

Khi Điện áp nguồn vào giảm xuống trong vòng 30 mv so với