Đồ án i đề tài mạch sạc và các hệ thống sạc thông minh

Mục đích của đề tài: Thiết kế mạch sạc pin Li-ion theo phương pháp sạc dòng điện không đổi điện áp không đổi CCCV sử dụng IC ổn áp LM317.. Qua quá trình thí nghiệm, pin có điện cực lith

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Trần Hoài Linh

Sinh viên thực hiện: Phạm Đăng Thái

Lớp: KT ĐK&TĐH 09 – K65

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 1

LỜI MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN LI-ION 4

1.1 Khái niệm pin Li-ion 4

1.2 Cấu tạo pin Li-ion 4

1.2.1 Điện cực dương (Cathode) 5

1.2.2 Điện cực âm (Anode) 5

1.2.3 Bộ phân tách (Separator) 5

1.2.4 Chất điện phân (Electrolyte) 5

1.3 Nguyên lý hoạt động của pin 5

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ SẠC PIN LI-ION 7

2.1 Phương pháp sạc CCCV là gì? 7

2.2 Nhiệt độ hoạt động 9

2.3 Sạc pin nhiều cell 9

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN LI-ION 11

3.1 Sơ đồ khối của mạch sạc pin Li-ion 11

3.1.1 Máy biến áp 11

3.1.2 Mạch chỉnh lưu 12

3.1.3 Mạch lọc nguồn 14

3.1.4 Mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin 15

3.1.5 Mạch ổn áp sử dụng LM317, BC547 16

3.2 Lựa chọn linh kiện 20

3.3 Sơ đồ mạch 21

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH VÀ KẾT LUẬN 22

4.1 Mô hình mạch thật 22

4.2 Kết luận 22

4.2.1 Kết quả nghiên cứu 22

4.2.2 Nhận xét kết quả thực nghiệm 23

4.2.3 Hướng phát triển và cải tiến 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

1

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo pin Li-ion [1] 5

Hình 2.1: 4 giai đoạn cơ bản của cơ chế sạc CCCV [2] 7

Hình 2.2: Đồ thị mô tả quá trình phục hồi điện áp hở mạch [3] 8

Hình 2.3: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa vòng đời của pin với nhiệt độ và dòng sạc [4] 9

Hình 2.4: (a) Sạc pin nhiều cell mắc nối tiếp, (b) Sạc pin nhiều cell sử dụng hệ thống giám sát và cân bằng pin để điều chỉnh hướng đi của dòng sạc [5] 10

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Li-ion 11

Hình 3.2: Ký hiệu và hình dạng máy biến áp 11

Hình 3.3: Dạng sóng điện áp sau khi đi qua máy biến áp 12

Hình 3.4: Phân loại mạch chỉnh lưu 12

Hình 3.5: Sơ đồ chỉnh lưu cầu 1 pha sử dụng 4 diode 13

Hình 3.6: Dạng sóng điện áp trước (trên) và sau (dưới) chỉnh lưu 13

Hình 3.7: Sơ đồ mạch lọc nguồn đơn giản 14

Hình 3.8: Dạng sóng điện áp trước và sau khi có tụ lọc 14

Hình 3.9: Transistor BC557 [6] 15

Hình 3.10: Sơ đồ mạch hiển thị trạng thái kết nối của pin 16

Hình 3.11: IC ổn áp LM317 [7] 16

Hình 3.12: Sơ đồ cấu tạo IC ổn áp LM317 [7] 17

Hình 3.13: Mạch điều chỉnh điện áp dùng LM317 [7] 18

Hình 3.14: Transistor BC547 [8] 19

Hình 3.15: Mạch ổn dòng, ổn áp dùng LM317 và BC547 [7] 19

Hình 3.16: Sơ đồ mạch sạc pin sử dụng LM317 21

Hình 4.1: Mô hình mạch sạc pin Li-ion sử dụng IC LM317 22

2

LỜI MỞ ĐẦU

Các thiết bị chạy bằng pin đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại Trong các thiết bị này, để tránh phải thay pin thường xuyên và tiết kiệm chi phí, các loại pin sạc đã được phát triển và dần thay thế các loại pin dùng một lần Do đó, các bộ sạc pin cũng đóng một vai trò quan trọng trong việc quản

lý năng lượng của các thiết bị trên

Với mong muốn khám phá, tìm hiểu về lĩnh vực quản lý năng lượng và cụ

thể hơn là sạc pin, đồ án này đã trình bày về đề tài “Mạch sạc và các hệ thống sạc

thông minh” Bên cạnh việc thiết kế mạch sạc pin, đề tài còn đưa ra những hiểu

biết cơ bản về pin Li-ion và các nguyên lý sạc pin phổ biến hiện nay

Mục đích của đề tài: Thiết kế mạch sạc pin Li-ion theo phương pháp sạc

dòng điện không đổi điện áp không đổi (CCCV) sử dụng IC ổn áp LM317

Đối tượng nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu

• Tìm hiểu đặc tính của pin Li-ion và nguyên lý sạc CCCV

• Tìm hiểu về IC ổn áp LM317 ứng dụng trong sạc pin từ đó đưa ra sơ đồ nguyên lý mạch sạc

• Sử dụng các kiến thức cơ bản về lý thuyết mạch, điện tử công suất để tính toán các thông số cần thiết

• Sử dụng phần mềm Proteus và PSIM làm công cụ để mô phỏng kiểm chứng kết quả

• Lắp ráp các linh kiện để tạo ra mạch thật và so sánh với kết quả mô phỏng để đưa ra nhận xét

Ý nghĩa của đề tài: Đưa ra cấu tạo bộ sạc pin 18650 đơn giản, an toàn,

không ảnh hướng nhiều đến tuổi thọ pin

Nội dung đề tài được trình bày trong 4 chương:

• Chương 1: Tổng quan về pin Li-ion

• Chương 2: Nguyên lý sạc pin Li-ion

• Chương 3: Thiết kế mạch sạc pin Li-ion

• Chương 4: Mô hình và kết luận

3

Trong quá trình nghiên cứu đề tài, bản thân em đã cố gắng trau dồi học hỏi

để cải thiện kiến thức và kỹ năng, tuy nhiên do kinh nghiệm còn chưa nhiều nên khó tránh khỏi sai sót Vậy em rất mong nhận được những lời đánh giá, góp ý của thầy để nghiên cứu được hoàn thiện hơn

Qua đây em xin chân thành cảm ơn PGS TS Trần Hoài Linh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình em thực hiện đồ án

Em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày … tháng … 2023 Sinh viên thực hiện

Phạm Đăng Thái

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN LI-ION

1.1 Khái niệm pin Li-ion

Pin Lithium, hay còn gọi là pin Li-on, hoặc pin Lithi-on, viết tắt là LIB, thuộc loại pin sạc, là một tổ hợp bao gồm nhiều tế bào Pin sử dụng kim loại Lithium hoặc hợp kim Lithium làm vật liệu điện cực âm và sử dụng dung dịch điện giải không dính

Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho Đại học Binghamton, nghiên cứu ra khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970 Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfide và kim loại lithi làm điện cực Qua quá trình thí nghiệm, pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn, 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 Lithium có thể được chia thành hai loại: pin Lithium kim loại và pin Lithium-Ion (pin Li-ion) Pin Lithium-Ion không chứa Lithium kim loại và có thể sạc lại được

Pin có 4 hình dạng là: Hình trụ nhỏ, hình trụ lớn, hình phẳng (dạng túi) và hình lăng trụ với các loại pin lithium-ion là:

• Lithium-Cobalt Oxide (LiCoO2): dùng cho các thiết bị cầm tay như điện thoại di động, laptop)

• Lithium-Titanate (Li4Ti5O12): dùng cho một vài mục đích đặc biệt

• Lithium-Nickel Mangan Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2): dùng trong xe điện

• Lithium-Iron Phosphate (LiFePO4), Lithium-Mangan Oxit (LiMn2O4,

Li2MnO3) và Lithium-Mangan Oxit (LiMn2O4, Li2MnO3): dùng trong các thiết bị điện y tế

1.2 Cấu tạo pin Li-ion

Cấu tạo pin Li-ion bao gồm: điện cực dương, điện cực âm, bộ phân tách, chất điện phân và hai bộ thu dòng điện

5

Hình 1.1: Cấu tạo pin Li-ion [1]

1.2.1 Điện cực dương (Cathode)

Điện cực dương thường được làm từ LiCoO2 và LiMnO4 Cấu trúc phân tử bao gồm phân tử Oxide Coban (hoặc Oxide Mangan) liên kết với nguyên tử Lithium Khi có dòng điện chạy qua, nguyên tử Lithium nhanh chóng tách khỏi điện cực tạo thành ion dương Lithium, Li+

1.2.2 Điện cực âm (Anode)

Điện cực âm được cấu tạo từ graphite và một số vật liệu cacbon khác có cấu trúc cho phép ion Li+ xen ké vào giữa các lớp trong mạng cacbon

1.2.3 Bộ phân tách (Separator)

Bộ phân tách thường được làm từ nhựa PE hoặc PP, đóng vai trò như một hàng rào vật lý ngăn cách cực âm và cực dương của pin nhưng vẫn có những lỗ nhỏ cho phép ion Li+ đi qua

1.2.4 Chất điện phân (Electrolyte)

Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn của pin, đóng vai trò như môi trường truyền ion Li+ giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin Dung dịch điện phân dùng trong pin Li-ion chứa muối lithi, như LiPF6, LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat, dimetyl cacbonat,

và dietyl cacbonat

1.3 Nguyên lý hoạt động của pin

Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trò là nguyên liệu trong phản ứng điện hóa Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion Lithi di chuyển giữa 2 điện cực âm và dương Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin hoạt động Quá trình này thể hiện ở quy trình sạc, xả

Khi sạc, quá trình diễn ra ngược lại quá trình xả Dưới điện áp sạc, electron

bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (giờ trở thành cực âm), ion Lithi tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trò cực dương) Trong quá trình sạc và xả pin sẽ đảo chiều, do vậy tên gọi các cực của pin không chỉ dựa trên cấu tạo mà còn dựa trên trạng thái sạc/xả

Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử Lithi ở cực dương bị ion hóa và tách khỏi các điện cực của chúng Các ion Lithi di chuyển từ cực dương và

đi qua chất điện phân cho đến khi chúng đến được cực âm Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung hòa về điện

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):

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

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

Như vậy khi sạc, C6 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxy 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 lithi) một lithi coban oxide đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành lithi oxide, theo phản ứng một chiều sau:

Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxide, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X

7

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LÝ SẠC PIN LI-ION

Theo sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật trong vài thập niên vừa qua, các loại bộ sạc cho pin Li-ion ngày càng đa dạng về nguyên lý như: sạc dòng điện không đổi nhiều giai đoạn (Multi-step Constant Current), sạc xung (Pulse Charging), sạc dòng điện không đổi – điện áp không đổi,… và mang lại nhiều đột phá trên các khía cạnh khác nhau như rút ngắn thời gian sạc, tăng tuổi thọ pin, giảm chi phí chế tạo,… Đồ án này sẽ tập trung nghiên cứu về một trong những

phương pháp sạc phổ biến nhất hiện nay: Phương pháp Dòng điện không đổi –

Điện áp không đổi (CCCV)

2.1 Phương pháp sạc CCCV là gì?

Phương pháp sạc Dòng điện không đổi – Điện áp không đổi (Constant Current Constant Voltage - CCCV) là một trong những phương pháp sạc pin Li-ion phổ biến nhất hiện nay, phương pháp sạc này bao gồm bốn giai đoạn chính như

trên Hình 2.1

Hình 2.1: 4 giai đoạn cơ bản của cơ chế sạc CCCV [2]

Giai đoạn đầu tiên là sạc nhỏ giọt (Trickle Charge – TC), chỉ diễn ra khi pin

xả quá mức, tức là khi điện áp pin nhỏ hơn 3.0V Sạc nhỏ giọt còn có thể được áp dụng để xác định xem pin còn hoạt động tốt hay đã hư hỏng Dòng điện sạc trong giai đoạn này (𝐼𝑡𝑐) được duy trì ở mức không đổi bằng khoảng 1/10 dòng sạc đầy pin để tránh nhiệt độ pin quá cao Sau khi xác định rằng pin vẫn hoạt động bình thường và tăng điện áp pin lên mức 3.0V, quá trình sạc sẽ chuyển sang giai đoạn tiếp theo

Giai đoạn thứ hai là sạc dòng điện không đổi (Constant Current – CC) Trong giai đoạn này, dòng điện sạc được giữ không đổi (thường có giá trị bằng

8

C/2-C với C là dung lượng [Ah] của ắc quy),cho đến khi điện áp đạt tới điện áp ngưỡng tối đa (khoảng 4.2 V), lúc này, dung lượng pin đã đạt khoảng 70% Để pin đầy, việc tiếp tục sạc bằng chế độ CC sẽ làm điện áp pin vượt quá điện áp cực đại định mức, dẫn tới nhiệt độ pin tăng quá cao, làm hỏng cấu trúc các chất hóa học

cấu tạo nên thành phần cua pin (như đã thảo luận trong mục 1.3) Do đó, giai đoạn

CC phải dừng lại để chuyển sang giai đoạn tiếp theo

Giai đoạn thứ ba là sạc điện áp không đổi (Constant Voltage – CV) Trong giai đoạn này, bộ sạc sẽ đặt lên pin một điện áp không đổi (bằng với giá trị điện áp cực đại định mức của pin) Đồng thời, dòng điện sạc sẽ giảm dần đến ngưỡng nhất định 𝐼𝑒𝑜𝑐 – thường là khoảng 2% dòng sạc tối đa

Giai đoạn thứ tư là kết thúc sạc (End of Charge – EOC) Sau khi dòng điện sạc trong giai đoạn CV đạt giá trị 𝐼𝑒𝑜𝑐, bộ sạc sẽ ngừng cấp điện cho pin Lúc này dung lượng pin đã đạt mức tối đa và điện áp pin ổn định tại giá trị 4.2V

Sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của pin sẽ giảm dần về mức ổn định 3.6 – 3.9V Hiện tượng này còn gọi là phục hồi điện áp hở mạch (Open Circuit

Voltage Relaxation – VR), được mô tả như trên Hình 2.2 Đây là một quá trình

điện hóa diễn ra trong cấu tạo của pin xảy ra sau khi dòng điện chạy qua pin bị gián đoạn, dẫn tới hiện tượng giảm điện áp do nội trở pin (Internal Resistance – IR) không có dòng điện đi qua Điện áp pin lúc này giảm xuống mức điện áp hở mạch ổn định (Steady State Open Circuit Voltage – SS OCV) Quá trình này xả ra

do có một lượng ion Lithi đi khỏi điện cực dương làm giảm mức năng lượng của pin Mà điện áp pin lại được xác định bởi nồng độ các ion Lithi trên bề mặt của điện cực nên hiện tượng các ion Lithi phân tán theo thời gian sẽ làm giảm dần điện

áp ở các cực của pin

Hình 2.2: Đồ thị mô tả quá trình phục hồi điện áp hở mạch [3]

9

Nhờ khả năng kiểm soát chính xác mức dòng điện sạc và điện áp sạc nên phương pháp sạc CCCV đã trở thành lựa chọn hàng đầu đối cho các loại pin nhạy cảm với điện áp và dòng điện như pin Li-ion

2.2 Nhiệt độ hoạt động

Pin Lithium là một loại pin nhạy cảm với nhiệt độ, nhiệt độ tăng lên quá cao sẽ làm đặc tính lý, hóa của pin bị thay đổi, từ đó làm giảm tuổi thọ của pin và

có thể gây mất an toàn khi sạc

Hình 2.3: Đồ thị mô tả mối quan hệ giữa vòng đời của pin với nhiệt độ và dòng sạc [4]

Qua những nghiên cứu về việc thay đổi cường độ dòng điện sạc, các nhà khoa học nhận ra rằng, dòng sạc cao hơn sẽ mang lại tốc độ sạc nhanh hơn nhưng cũng đồng thời làm giảm tuổi thọ pin nhiều hơn Hiện tượng này thể hiện rõ ràng

qua Hình 2.3 Khi nhiệt độ tăng lên trên 45oC pin sẽ bị chai nhanh chóng Nhưng khi sạc ở nhiệt độ quá thấp, điện trở trong của pin lại tăng, làm giảm tốc độ và tăng thời gian sạc

2.3 Sạc pin nhiều cell

Nhiều thiết bị đòi hỏi mức điện áp cao hơn 1 viên pin có thể cung cấp, trong trường hợp này, việc sử dụng một tổ hợp nhiều cell pin mắc nối tiếp là cần thiết, với mỗi cell pin là một viên pin thông thường Tuy nhiên, quá trình sạc cho bộ pin nhiều cell mắc nối tiếp phức tạp hơn khá nhiều so với việc chỉ sạc riêng một cell

pin Nguyên nhân của hiện tượng này được thể hiện trong Hình 2.4 (a), trong đó

các pin được mắc nối tiếp và đang sạc tại chế độ CC Theo sự thay đổi của thời gian sạc, mỗi cell pin có phản ứng khác nhau với dòng điện sạc, do đó, thời gian các pin được sạc đầy cũng khác nhau Khi một pin được sạc đầy mà không ngắt ra khỏi mạch, nhiệt độ pin sẽ tăng cao gây hư hỏng, nhưng nếu ngắt mạch sạc thì bộ pin nhiều cell này sẽ không được sạc đầy Để giải quyết vấn đề này, cần có một hệ

thống giám sát và cân bằng các cell pin như Hình 2.4 (b) Trong bộ sạc này, điện

áp của từng cell pin được giám sát độc lập, và khi một cell bất kỳ sạc đầy, dòng điện sẽ được dẫn đi vòng qua nó bằng cách sử dụng một bộ điều hướng dòng điện

10

cấu tạo từ điện trở và transistor Bằng phương pháp này, quá trình sạc có thể tiếp tục đến khi tất cả cell pin được sạc đầy mà không làm tổn hại chúng

Hình 2.4: (a) Sạc pin nhiều cell mắc nối tiếp, (b) Sạc pin nhiều cell sử dụng hệ thống giám sát và cân

bằng pin để điều chỉnh hướng đi của dòng sạc [5]

11

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN LI-ION

3.1 Sơ đồ khối của mạch sạc pin Li-ion

Mạch sạc pin được nghiên cứu trong đồ án này sử dụng phương pháp sạc

CCCV và có sơ đồ khối như Hình 3.1 dưới đây

Hình 3.1: Sơ đồ khối mạch sạc pin Li-ion

3.1.1 Máy biến áp

Hình 3.2: Ký hiệu và hình dạng máy biến áp

Máy biến áp hay máy biến thế (Transformer) là thiết bị điện từ tĩnh, làm việc dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, dùng để biến đổi hệ thống điện áp, với tần số không đổi

Cấu tạo chung của mọi máy biến áp gồm 3 thành phần chính: Lõi thép, dây quấn và vỏ máy

• Lõi thép dùng để dẫn từ thông, được chế tạo từ các vật liệu dẫn từ tốt

• Dây quấn có hai loại: Dây quấn nhận năng lượng từ lưới gọi là dây quấn sơ cấp Dây quấn cung cấp năng lượng cho phụ tải gọi là dây quấn thứ cấp

Nguyên lý hoạt động của máy biến áp dựa trên hai hiện tượng vật lý:

• Dòng điện chạy qua dây dẫn tạo ra từ trường

• Sự biến thiên từ thông trong cuộn dây tạo ra 1 hiệu điện thế cảm ứng (hiện tượng cảm ứng điện từ)