Thiết kế máy kiểm tra dung lượng pin lion

Thiết kế máy kiểm tra dung lượng pin lion

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, đất nước trong thời kỳ công nghiệp hóa – hiệnđại hóa, điện từ đóng một vai trò rất quan trọng trong đời sống và sản xuất của conngười Nhiều máy móc đã dần thay thế được sức lao động của con người, giúp nângcao năng suất, hiệu quả công việc trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa thìvấn để được coi là cần thiết là nguồn năng lượng cung cấp cho các loại máy móc Trênthế giới hiện nay có rất nhiều nguồn năng lượng khác nhau : gió, mặt trời, nước, xăngdầu… và tất cả các nguồn năng lượng này đều nhằm mục đích là tạo ra điện, cung cấpcho các loại máy móc Vậy vấn đề tiếp theo ta cần quan tâm là việc lưu trữ năng lượng

để có thể sử dụng lâu dài là một vấn đề được quan tâm Từ yêu cầu về việc lưu trữnăng lượng pin đã ra đời

Ngày nay với sự phát triển chóng mặt của công nghệ số, cả về linh kiện và phầnmềm thì pin là rất cần thiết Với sự phổ biến của pin trong hầu như tất cả các thiết bịcông nghệ thì việc kiểm tra chất lượng của pin là một vấn đề cần thiết, giúp cho cácthiết bị điện tử không bị hỏng trong quá trình sử dụng, nâng cao tuổi thọ của thiết bị…

Từ những yêu cầu đó cũng như thực tiễn môn vi sử lý, em đã được giao đề tài cũng

như nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp là: thiết kế máy kiểm tra dung lượng pin lion.

Nhằm mục đích kiểm tra các thông số dòng, áp, dung lượng của pin xem có đạt vớiyêu cầu của nhà sản xuất đưa ra hay không

Cụ thể các vấn đề cần giải quyết trong bài toán:

+ Tìm hiểu pin lion

+ Đo dòng, điện áp trên pin

+ Sử dụng truyền thông nối tiếp

+Vẽ đồ thị nạp xả lên máy tính

MỤC LỤC

Lưu đồ thuật toán kiểm tra dung lượng và đo điện áp ngắt

4.1.3 Xây dựng thuật toán truyền thông ……… ……….

CHƯƠNG I : KHẢO SÁT PIN LiTHIUM-ION

I. Giới thiệu.

Pin lithium ion hay pin Li-ion là loại pin có thể sạc lại trong đó các ion lithium

di chuyển từ điện cực âm đến cực dương trong quá trình xả, và trở lại khi sạc Pin ion sử dụng một hợp chất lithium làm vật liệu điện cực:

li Vật liệu làm điện cực dương là oxit kim loại điển hình như: Lithium Cobalt Oxide(LiCoO2), Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lánhôm

- Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbonphủ trên một cực góp điện

Pin Li-ion đã được thương mại hoá và phát triển đầu tiên bởi công ty SONY (NhậtBản) từ đầu những năm 90 và tới năm 1999 đã có hơn 400 triệu pin thương phẩm Lợinhuận thu được khoảng 1,86 tỷ USD trong năm 2000 Tới 2005 có hơn 1,1 tỷ pin đượcđưa ra thị trường với giá trị hơn 4 tỉ USD, trong khi giá thành giảm xuống chỉ còn 46%

từ 1999 đến 2005 Trong tương lai, những sản phẩm với giá cả hiệu dụng, tính năngcao, công nghệ an toàn sẽ ngày càng được thị trường quan tâm

Công nghệ này nhanh chóng trở thành nguồn năng lượng chuẩn của thị trường trênmột mảng rộng, và tính năng của pin Li-ion tiếp tục được cải tiến làm cho pin đượcứng dụng ngày càng rộng rãi trong các phạm vi ứng dụng khác nhau Nhằm đáp ứngyêu cầu của thị trường, các thiết kế ngày càng được cải tiến và phát triển, bao gồmnhững pin hình ống trụ lượn xoắn ốc, pin có mặt cắt dạng lăng trụ, những tấm pinđược thiết kế phẳng từ cỡ nhỏ (0,1 Ah) tới lớn (160Ah) Hiện nay pin Li-ion được ứngdụng rộng rãi trong các đồ điện tử như pin điện thoại, máy tính sách tay, mạng điện tử

quân đội, trong radio, máy dò mìn và dự đoán pin Li-ion còn được ứng dụng trongkhinh khí cầu, tàu không gian, vệ tinh

Hiện nay có hai loại pin phổ biến được sử dụng nhiều là : Li-Po và Li-Ion

Pin Li-Ion và LiPo có điểm chung cơ bản nhất là cả hai loại pin này đều có thể sửdụng sạc đi sạc lại nhiều lần.được tạo thành từ các thành phần hóa học chính tương tựnhau Nguyên lý của chúng đều dựa trên sự trao đổi lithium ion giữa các cực âm vàdương làm bằng lithium cacbon Điểm khác nhau chính giữa hai loại pin này là cáchcác cell được chế tạo và loại chất điện phân được sử dụng trong mỗi loại pin

Pin Li-Ion(Lithium-Ion) sử dụng một chất lỏng dung môi hữu cơ như chất điệnphân Chất điện phân này có nhiệm vụ để trao đổi ion giữa các điện cực (anode vàcathode) giống như bất kỳ loại pin nào Điện phân hữu cơ này dựa trên dung môi rất

dễ cháy và đó là lý do tại sao pin Li-Ion biến động hơn và có thể bắt cháy hoặc phát nổnếu sử dụng sai Pin Li-Ion thường được bọc trong một vỏ kim loại cứng (giống nhưmột pin thông thường hơn) trọng lượng nặng hơn và không cho phép có nhiều tùychọn khác nhau như hình dạng và kích thước

Pin Li- Po có tên đầy đủ là Ion Polymer người ta rút gọn thành Polymer để tránh nhầm lẫn với Li-Ion Pin LiPo không sử dụng chất điện phân dạnglỏng mà thay vào đó nó sử dụng chất điện phân dạng polymer khô, tương tự như mộtmiếng phim nhựa mỏng Miếng phim này được kẹp (thực sự là ghép lá) giữa cựcdương và cực âm của pin cho phép trao đổi ion - do đó có tên là lithium polymer.Phương pháp này cho phép Pin có thể làm rất mỏng với các hình dạng và kích thướccủa cell pin khác nhau Ưu điểm của nó:

•Pin- Po nhỏ, nhẹ và có thể làm ở mọi hình dáng kích thước

•Pin Li-Po có dung lượng cao có nghĩa là nó chứa được nhiều năng lượng trongmột gói pin nhỏ

•Pin Li-Po có dòng xả cao để cung cấp năng lượng liên tục cho thiết bị

Từ đây ta cũng thấy ưu điểm thực sự của Pin Polymer Li-Ion Tuy nhiên Li-Pocũng có nhược điểm là loại pin này rất ít cháy nhưng khi cháy thì lại cháy lớn, và cóthể phát nổ khi sạc không đúng cách hoặc sạc quá mức

Pin Li-ion cho tốc độ tự phóng điện thấp (2% ÷

8% mỗi tháng) và có dải nhiệt

độ hoạt động rộng (nạp điện ở nhiệt độ từ -200C ÷

600C, phóng điện được ở nhiệt độ từ-400C ÷

650C) cho phép chúng được ứng dụng một cách đa dạng và rộng rãi Điện thếcủa pin Li-ion có thể đạt trong khoảng 2,5V đến 4,2V, lớn gần gấp 3 lần so với pinNiCd hay pin NiMH, và cần ít đơn vị cấu tạo hơn cho một pin Pin Li-ion có thể chokhả năng phóng điện tốc độ cao Phóng điện với tốc độ liên tục 5C, hoặc ở chế độxung là 25C

Bên cạnh những ưu điểm thì pin Li-ion có những nhược điểm nhất định Những

ưu, nhược đểm của pin Li-ion được tóm tắt trong bảng 1.1

-Kín, không cần bảo trì

-Chu kỳ sống dài

-Dải nhiệt độ hoạt động rộng

-Thời gian hoạt động dài

-Tốc độ tự phóng chậm

-Khả năng nạp nhanh

-Khả năng phóng điện có tốc độ và công

suất cao

-Hiệu quả năng lượng, điện lượng cao

-Năng lượng riêng và mật độ năng

lượng cao

-Không có hiệu ứng nhớ

-Giá trung bình ban đầu cao

-Giảm khả năng ở nhiệt độ cao

-Cần phải bảo vệ hệ thống mạch điện.-Dung lượng bị giảm hoặc nóng lên khi bịquá tải

-Bị thủng và có thể bị toả nhiệt khi bị ép.-Thiết kế dạng trụ điển hình cho mật độnăng lượng thấp hơn NiCd hoặc NiMH

Bảng 1.1 Ưu - Nhược điểm của Pin Li-ion.

Hiện nay các công trình nghiên cứu về Pin Li-ion vẫn tiếp tục được tiến hành vàtrên cơ sở các kết quả thu được có thể chế tạo các điện cực chất lượng tốt hơn, giáthành rẻ hơn và các phương pháp chế tạo tối ưu áp dụng được trong sản xuất côngnghiệp

1 Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion.

Nguyên tắc hoạt động của pin Li-ion dựa vào sự tách các ion Li+ từ vật liệu điệncực dương điền kẽ vào các "khoảng trống" ở vật liệu điện cực âm Các vật liệu dùng

làm điện cực thường được quét lên bộ góp bằng đồng (với vật liệu điện cực âm) hoặcbằng nhôm (với vật liệu điện cực dương) tạo thành các điện cực cho pin Li-ion, cáccực này được đặt cách điện để đảm bảo an toàn và tránh bị tiếp xúc dẫn đến hiện tượngđoản mạch Trong quá trình nạp, vật liệu điện cực dương đóng vai trò là chất oxi hoácòn vật liệu điện cực âm đóng vai trò là chất khử, tại cực dương, các ion Li+ được tách

ra và điền kẽ vào giữa các lớp graphite carbon Trong quá trình phóng thì quá trình xảy

ra ngược lại, ion Li+ tách ra từ cực âm và điền kẽ vào khoảng trống giữa các lớp oxitrong vật liệu điệncực dương Các quá trình phóng và nạp của pin Li-ion không làmthay đổi cấu trúc của các vật liệu dùng làm điện cực

1.1 Các phản ứng tại các điện cực.

Các phản ứng điện hoá bao gồm sự dịch chuyển tại một bề mặt danh giới điệncực - dung dịch, chúng thuộc loại phản ứng được coi là các quá trình không đồng nhất.Động lực của các phản ứng không đồng nhất này thường được quy định bởi sự tách vàđiền kẽ các ion thông qua quá trình phóng và quá trình nạp Mô hình của quá trìnhđiện hoá trong một pin Li-ion được phác hoạ như sau:[4]

Hình 1.1 Phác hoạ quá trình điện hoá trong Pin Li-ion.

.Tại cực âm

nap

-x phong

¬ 

1.2 Sự tạo thành lớp chuyển tiếp điện cực - dung dịch điện phân.

Sự xen vào của ion Li+ xảy ra trong khoảng 0,2÷

0,0V, điện tích tiêu thụ trongkhoảng 0,8 ÷

0,2V (phụ thuộc Li/Li+) là do sự khử của các thành phần điện phân tại

bề mặt điện cực Phản ứng này được gọi là lớp chuyển tiếp rắn - điện phân (lớp chuyểntiếp không gian) và các phản ứng xảy ra từ các chất điện phân có trạng thái nhiệt động

ổn định Quá trình đó diễn ra liên tục cho đến khi bề mặt điện cực được bao bọc hoàntoàn và độ dày lớp chuyển tiếp xuất hiện ít nhất đủ để tạo ra hiệu ứng xuyên hầm củacác điện tử Các điều kiện mà từ đó pin được tạo thành quyết định các tính chất và độdày của lớp chuyển tiếp, độ dày của lớp chuyển tiếp có thể thay đổi (15 ÷ 900A0) trêncùng một điện cực Sự tạo thành lớp chuyển tiếp ổn định là điều kiện quyết định tới sựtạo thành Pin Mặt khác, sự khử chất điện phân tiếp tục xảy ra, lớp chuyển tiếp cũngrất quan trọng để có cấu trúc ổn định của cực âm graphite Nếu không có lớp chuyểntiếp, sẽ rất nguy hiểm bởi các phân tử dung môi cũng tham gia vào quá trình điền kẽ

và dẫn tới sự phá huỷ cấu trúc graphite Tính chất của lớp chuyển tiếp ảnh hưởng đếnmột số yếu tố quan trọng của pin trong quá trình sử dụng: độ an toàn, hiện tượng tựphóng, dung lượng Pin và việc sử dụng pin ở nhiệt độ thấp cũng như nhiệt độ cao.2.3 Cấu tạo của pin Li-ion.

3.1Điện cực dương.

Các vật liệu dùng làm điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong

đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe, Co, Ni, Mn hay các hợp chất thay thế mộtphần cho nhau giữa các kim loại M Pin Li-ion đầu tiên được hãng Sony sản xuất vàđưa ra thị trường dùng LiCoO2 làm điện cực dương, do Goodenough và Mizushinanghiên cứu và chế tạo Hợp chất được sử dụng tiếp sau đó là LiMn2O4 (Spinel) hoặccác vật liệu códung lượng cao hơn như LiNi1-xCoxO2

Các vật liệu dùng làm điện cực dương cho pin Li-ion phải thoả mãn những yêu cầusau:

− Năng lượng tự do cao trong phản ứng với Lithium

− Có thể kết hợp được một lượng lớn Lithium

− Không thay đổi cấu trúc khi tích và phóng ion Li+

LiNi0,8Co0,2O2 205 3,73 Giá thành trung bình.

nhất

phân li

Bảng 1.2 Đặc trưng vật liệu làm điện cực dương.

Từ bảng ta thấy tùy vào vật liệu làm pin sẽ quyết định dung lượng và thế trung bìnhcủa pin

3.2 Điện cực âm.

Loại pin Li-ion đầu tiên do hãng Sony sản xuất dùng than cốc làm điện cực âm.Vật liệu nền than cốc cho dung lượng tương đối cao, 180mAh/g và bền trong dungdịch propylene thay thế bởi graphitic hoạt động, đặc biệt là Mesocarbon Microbead(MCMB) carbon MCMB carbon cho dung lượng riêng cao hơn 300 mAh/g và diệntích bề mặt nhỏ, vì vậy việc làm thấp dung lượng là không thể và tính an toàn cao Mớiđây, các loại hình carbon được sử dụng làm điện cực âm đã được đa dạng hoá Một sốpin dùng graphite tự nhiên, khả dụng với giá thành rất thấp, mặc dù việc thay thếcarbon cứng cho dung lượng cao hơn với vật liệu graphite

Tính chất và đặc tính vật lí của các loại carbon khác nhau được thống kê trongbảng 1.3

DunglượngriêngmAh/g)

Dung lượngkhông đảongượcđược (mAh/g)

Kíchthướcphần tử(D50µm)

Diệntíchbềmặt(m2/g)

XP 30 Peteoleum coke 220 55 45 N/ARepsol

Bảng 1.3 Đặc trưng của các loại carbon.

− Chất điện li dạng gel: là loại vật liệu dẫn ion được tạo ra bằng cách hoà tan muối và

dung môi trong polime với khối lượng phân tử lớn tạo thành gel

− Chất điện li dạng polimer: là dung dịch dạng lỏng với pha dẫn ion được hình thànhthông qua sự hoà tan muối Lithium trong vật liệu polime có khối lượng phân tử lớn

− Chất điện li dạng gốm: là vật liệu vô cơ ở trong trạng thái rắn có khả năng dẫn ion Li+.Mỗi loại chất điện li có các ưu điểm khác nhau Nhưng nói chung, các chất điện li nàyphải có khả năng dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trườngnhư độ ẩm, không khí …

3.4Dung môi.

Dung môi được sử dụng rất đa dạng, bao gồm các hợp chất carbonate, ete và hợp chất acetate, chúng được dùng thay thế cho chất điện phân khô Tiêu điểm hiện nay của ngành công nghiệp là các hợp chất carbonate, chúng có tính bền cao, tính an toàn tốt

và có tính tương thích với các vật liệu làm điện cực Các dung môi carbonate nguyên chất điển hình có độ dẫn thực chất dưới 10-7S/cm, hằng số điện môi lớn hơn 3, và dunghợp các muối Lithium cao

Một số dung môi hữu cơ được dung như: ethylene carbonate(EC), plopylene

carbonate(PC), dimethyl carbonate(DMC), ethyl methyl carbonate(EMC), diethyl carbonate(DEC), dimethyletherDME), acetonitrile(AN), tetrahydrofuran(THF), γ - Butyrolactone(γ

BL)

3.5Vật cách điện.

Trong các pin Li-ion, vật liệu cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng(10µm ÷

30µm) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương Ngày nay, cácloại pin thương phẩm dùng chất điện li dạng lỏng thường dùng các màng xốp chế tạo

từ vật liệu poliolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất tốt, độ ổn định hoá họctốt và giá cả chấp nhận được Các vật liệu Nonwoven cũng được nghiên cứu, songkhông những sử dụng rộng rãi do khó tạo được các màng có độ dày đồng đều, độ bềncao

Nhìn chung, các vật liệu cách điện dùng trong pin Lithium ion phải đảm bảo một sốyêu cầu sau:

− Có độ bền cơ học cao

− Không bị thay đổi kích thước

− Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực

− Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1 µm

− Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân

− Phù hợp và ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực

Hình 1.3 Mặt cắt ngang một pin Li-ion trụ.

4.2Pin Li-ion lăng trụ phẳng

Cấu tạo mặt cắt của những pin lăng trụ phẳng cũng tương tự như phiên bản trụ, chỉkhác là trục tâm phẳng được sử dụng thay cho trục tâm trụ

Hình 1.4 Mặt cắt của một pin Li-ion lăng trụ.

Hình1.5 Phần đầu và các điện cực của pin Li-ion lăng trụ phẳng 7Ah (vỏ là điện cực

âm), 40Ah (vỏ trung hoà).

3 Đặc Tính Của Pin Trong Quá Trình Sạc Và Xả.

5.1Sạc pin Li-ion.

Hầu hết các pin Li-ion đều sạc đến mức điện áp 4.20V/cell với dung sai 50mV/cell (tức ~1,2%) Điện áp cao có thể làm tăng công suất tỏa nhiệt của pin,

+/-nhưng quá trình oxy hóa của pin là nguyên nhân sẽ làm giảm tuổi thọ pin Quan trọnghơn cả là nếu sạc ngoài điện áp 4.20V/cell thì nguy cơ mất an toàn là rất cao.

Hình 2.1 Tín hiệu điện áp và dòng điện của pin Li-ion qua các giai đoạn [5]

Từ hình 2.1 ta thấy quá trình sạc kết thúc khi dòng sạc giảm xuống dưới 3% so vớidòng sạc ban đầu ở giai đoạn 2 Một số bộ sạc áp dụng sạc điện áp đỉnh khi điện ápgiảm xuống 4.05 V/cell ở giai đoạn 4

Trong quá trình sạc pin Li-ion thì gồm 2 giai đoạn cơ bản: sạc dòng không đổi (sạc ổn

dòng) và sạc bão hòa (sạc ổn áp).Trong 2 giai đoạn này điên áp, dung lượng và dòng sạc của pin sẽ thay đổi theo từng giai đoạn Ta đi vào cụ thể như sau :

Hình 2.2.Mô tả 2 giai đoạn sạc pin Lithium-ion tiêu chuẩn gồm:

5.1.2 Quá trình sạc ổn áp.

Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2V/cell Dodung lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng điệngiảm 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% Khác với ắc quy acid-chì, pin Li-ion không cần vàkhông được phép duy trì áp sạc vì tính chất của pin Lithium-ion không cho phép sạcquá mức (over-charge) Nếu vẫn tiếp tục sạc quá mức (over-charge) có thể sẽ làmnóng pin và gây ra nổ Ngoài ra, không nên sạc pin Li-ion vượt quá 100% dung lượng

vì như vậy sẽ làm giảm tuổi thọ của pin 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) thìsau khi ngừng sạc, 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 discharge) nên trong một số trường hợp, để sạc đầy pin, ngoài việc sử dụng quá trình

(self-ổn dòng, (self-ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn Chẳng hạn, khiđiện áp pin đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay Lúc này, điện áp pin sẽ giảmdần, khi điện áp pin giảm còn 4,05V/cell hệ thống sạc lại tiếp tục đóng áp sạc4,2V/cell vào để tiếp tục quá trình sạc áp Việc đóng cắt như vậy sẽ được diễn ra liêntục Nhờ vậy, điện áp pin được giữ ổn định trong khoảng 4,05 – 4,2V/cell, do đó, làmpin được nạp sâu hơn, tránh được hiện tượng over-charging và kéo dài tuổi thọ pin 5.2Quá Trình Xả.

Trong quá trình xả thì dòng xả của pin sẽ giữ không đổi nhưng điện áp trên pin sẽgiảm dần đến khoảng 3V/Cell khi đó dung lượng pin đã tiêu thụ khoảng 95% nếu tiếptục xả thì điện áp pin sẽ giảm xuống nhanh chóng dẫn đến làm giảm tuổi thọ của pin

Vì vậy trong pin sẽ có mạch bảo vệ để ngăn chặn việc xả quá mức xảy ra

Trong cuối những năm 1700, Charles-Augustin de Coulomb cho rằng một pin

mà nhận được dòng sạc một ampere (1A) mỗi giây thì nhận 1 cu-lông (1C) Trong 10giây thì 10 cu-lông đi vào pin và cứ như vậy, đối với quá trình xả thì ngược lại Ngàynay, ngành công nghiệp pin sử dụng C-rate theo tỷ lệ dòng sạc và xả của pin

Hầu hết pin đều xả với dòng liên tục maximum ở mức 1C, có nghĩa là mộtpin 1000mAh được xả với tỷ lệ 1C trong điều kiện lý tưởng cung cấp được dòng1000mA trong một giờ Tương tự khi xả ở 0.5C sẽ cung cấp dòng 500mA trong haigiờ, và tại 2C, với pin 1000mAh sẽ cung cấp dòng 2000mA trong 30 phút Và xả vớidòng 1C được hiểu như xả trong một giờ, 0.5C là hai giờ và 2C là xả nửa giờ.

Dung lượng pin, hoặc lượng năng lượng pin có thể có thể được đo bằng mộtmáy phân tích pin Ta có thể đánh giá được công suất phóng điện của pin bằng cách đothời gian phóng điện của pin và so sánh với dung lượng thực tế của nó ví dụ nếu mộtpin có dung lượng 1000mAh có thể cung cấp 1000mA trong một giờ thì công suất của

nó là 100% Ngược lại quá trình phóng điện kéo dài trong 30 phút trước khi đạt giớihạn điện áp ngắt của quá trình phóng điện thì pin có công suất 50 %

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 pin1000mAh tại 2C hay 2000mA là nhanh hơn, pin tốt nhất nên cung cấp đầy đủ côngsuất trong 30 phút Trong thực tế, điện trở trong của pin chuyển hóa một số nănglượng thành nhiệt và làm giảm khả năng dẫn đến khoảng 95 phần trăm hoặc ít hơn Xảpin cùng một lúc 0.5C hay 500mA hơn hai giờ có thể sẽ tăng công suất lên trên 100phần trăm

Để đạt được công suất tốt, các nhà sản xuất thường đánh giá theo axít chì tại 0.05Chay xả 20 giờ Ngay cả ở tốc độ xả chậm này, pin ít khi đạt công suất 100 phần trăm Cácnhà sản xuất cung cấp hiệu suất để điều chỉnh cho sự khác biệt trong khả năng nếu thải ravới tốc độ cao hơn so với quy định Hình 3.2 minh họa lần xả pin axít chì ở tải khác nhaunhư được thể hiện trong C-rate

Hình 2.3 Các đường cong tốc độ phóng điện của pin.

Trong khi pin chì và nickel-based có thể được phóng điện với tốc độ cao, pinLi-ion có thiết kế mạch an toàn với cathodes cobalt ngăn chặn phóng điện trên 1C.Mangan và phosphate có thể chịu đựng được mức xả lên đến 10C và ngưỡng dòngđược đặt cao hơn cho phù hợp

4 Quy Trình Test Pin Polymer Li-Ion.

Từ những phân tích và tìm hiểu cấu tạo cũng như đặc tính của pin ở trên sau đây

là quy trình test pin đánh giá dung lượng pin polymer lithium-ion dựa vào thông sốtheo yêu cầu của pin

Quy Trình Test Dung Lượng Pin polymer li-ion 2000mAh Chia làm 2 bước chính

- B1 : Sạc cho Pin đầy vì ban đầu ta chưa biết điện áp có trong pin là bao nhiêu nên ta cần sạc pin đầy cho điện áp trong pin là 14,8V

- B2 : Xả với dòng xả 1C = 2000mA

+ Dựa vào công thức :

Dung lượng pin(mAh) = Iload x h

Iload : là dòng xả của pin không đổi ta xả với dòng không đổi là 2A

h : là thời gian để pin xả hết dung lượng

Với Pin 2000mAh thì có nghĩa là nếu nó cung cấp môt dòng điện 2A thì có thể chạy trong vòng 1h

Các thông số cần quan tâm khi test pin LI-ON

+ Điện áp (U) nằm trong khoảng từ 10,5V – 14,8V

+ Dòng điện (I) gồm có các dòng điện là: dòng sạc pin 1A, dòng xả pin 2A

+ Thời gian xả pin giúp tính dung lượng pin

KHỐI SẠC

+ Điện áp ngắt xả của Pin : khi Pin xả điện áp trên pin giảm dần và sẽ giảm tới mộtngưỡng quy định để tránh việc xả quá mức gây hại Pin với loaị Pin lithium – ion2000mAh trong đồ án với điện áp ngắt xả là 9-10,5 (V) Việc ngắt xả được thực hiệnbởi một mạch có trong các packs Pin vậy khi thực hiện bài toán kiểm tra ta cũng cầnphải quan tâm tới điện áp ngắt xả của Pin

5. Sơ Đồ Tính Năng Test Pin Polymer Li-Ion.

7.1 Phân tính sô đồ tính năng.

+ Điều chỉnh điện áp : từ một điện áp ban đầu qua bộ điều chỉnh điện áp để tạo điện ápchuẩn để sạc cho pin Điện áp sẽ được điều chỉnh thông qua việc đo dòng và áp có trênquả pin

+ Quá trình sạc và xả : là một quá trình được điều khiển bởi bộ CPU thông qua việc đođiện áp trên pin Ban đầu khi ta cần thực hiện quá trình test pin ta cần sạc cho pin, khiđiện áp đạt 16.8V ta thực hiện quá trình xả đến khi điện áp đạt

9 – 10.5V

+ Truyền thông : giao tiếp mạch điều khiển và vẽ đồ thị nạp xả, thời gian xả, nạp, lênmáy tính

+ CPU : khối xử lý trung tâm đảm nhiệm việc thu thập tín hiệu dòng, áp từ quả pin rồi

từ đó điều khiển độ rộng xung để tạo ra điện áp phù hợp đồng thời thông qua điện áp

để điều khiển quá trình xạc hoặc xả của pin

7.2 Phân tính chi tiết.

Bài toán test dung lượng pin LI – ON gồm các khối chính: nguồn, điều chỉnh điện áp,điều khiển quá trình sạc hoặc xả, CPU

+ Khối nguồn có nhiệm vụ chính cung cấp nguồn cho toàn bộ mạch, gồm nuôi khốiđiều khiển, nguồn để sạc cho pin

+ Khối điều chỉnh điện áp : dựa theo nguyên lý điều chế độ rộng xung để tạo ra điện

áp theo yêu cầu

Đây là phương pháp đóng ngắt nguồn theo chu kỳ theo nguyên lý điều chỉnh thời gianđóng cắt (thời gian on trong một chu kỳ) phần tử thực hiện quá trình đóng cắt là cácvan bán dẫn.Theo nguyên lý điều chế độ rộng xung thì điện áp ra là dạng xung màtheo yêu cầu ta cần điện áp một chiều tương đối bằng phẳng nên ta cần một bộ lọc cótác dụng san phẳng điện áp sau khi thực hiện quá trình băm xung

+ khối điều khiển sạc xả : khối sẽ được tạo ra bằng việc sử dụng rơ le để thực hiện việcsạc hay xả, việc điều khiển rơ le được thực hiện thông qua bộ vi sử lý

+ Khối truyền thông : Để có thể đưa các thông số đã xử lí lên màn hình mấy tính.Truyền thông cần chân thực, tức thời Khung truyền và phương thức truyền phải nhấtquán với khối truyền thông ở bài toán điều khiển từ xa và giao tiếp người sử dụng

6. Phương án thực hiện ( Phân chia phần cứng/ phần mềm)

Việc phân chia phần cứng/ phần mềm rất quan trọng trong bài toán sau đây ta cùng sosánh về các ưu điểm, nhược điểm của phần cứng và phần mềm

- Công suất nhỏ, tín hiệu

có biên độ nhỏ

Bảng 3.1 Uu nhược điểm của phần cứng và phần mềm.

Việc xây dựng tính năng của phương pháp điều khiển bằng vi xử lý đó chính là mềmhóa tính năng nhằm thuận lợi cho việc điều khiển, kiểm soát làm cho mạch điều khiển

có tính mềm dẻo thay đổi dễ dàng, tiện lợi khi sử dụng

Việc mềm hóa tính năng cần được thực hiện ngay trong sơ đồ tính năng của đối tượng

Vì vậy cần phải phân chia rõ ràng các khối thực hiện bằng phần cứng, các khối thựchiện bằng phần mềm

Do bài toán tính năng của đối tượng khá đơn giản, rõ ràng nên việc phân chia rất đơngiản

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG

1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc

-Phân tính sô đồ cấu trúc.

+ Khối CPU : là khối xử lý trung tâm, bộ não của mạch điều khiển trung tâm.

Đảm nhiệm chức năng xử lý tín hiệu dòng, áp Dựa trên tín hiệu dòng, áp để điều khiển việc sạc, xả, điều khiển PWM tạo ra điện áp phù hợp

Với CPU dòng điện ở mỗi chân tối đa là 10mA

Điện áp đỉnh cho việc đọc ADC là 5V tín hiệu ADC là các tín hiệu điện áp một chiều

từ 0V – 5V

Việc điều khiển các relay, truyền thông là các mức tín hiều 0 và 1 với 0 là 0V và 1 là 5V

Điều chế độ rộng xung thì tín hiệu ra là các xung tín hiệu với chu kỳ không đổi

+ Thu nhận tín hiệu dòng áp: khối có nhiệm vụ lấy điện áp và dòng điện từ pin điều

chỉnh các giá trị phù hợp rồi đưa vào CPU để xử lý

Yêu cầu về khối thu nhận tín hiệu dòng áp:

+ Điện áp không vượt quá 5V

+ Phải đảm bảo chính xác

THU NHẬN TÍN HIỆU DÒNG ÁP

MÁY TÍNH

NGUỒN 20V

THU, TRUYỀN TÍNHIỆU TRUYỀNTHÔNG

ĐẦU RA PIN

MẠCH ĐỘNG LỰC PWM

CPU

+PWM : khối có nhiệm vụ chính khuếch đại điện áp từ xung của CPU tạo ra ở bộ

PWM trong CPU

Khối cần đảm bảo các linh kiện trong khối chịu được khả năng đóng cắt lớn không bịtrễ trong quá trình hoạt động

+ Khối truyền thông: là khối nhận tín hiệu từ CPU và hiển thị các giá trị lên màn

hình Với mỗi máy tính đều có cổng COM nên để thực hiện việc truyền thông ta sửdụng truyền thông nối tiếp theo chuẩn RS232 với tín hiệu cần truyền là việc điều khiểntest pin và tín hiệu nhận là giá trị dòng, áp hiện thị lên màn hình Ngoài ra để đảm bàomức tín hiệu truyền cần sử dụng một bộ chuyển đổi điện áp để phù hợp với CPU

+ Khối máy tính : là phần đóng vai trò giao tiếp giữa mạch test pin và người dùng , ở

đây các chức năng của mạch sẽ được điều khiển thông qua máy tính bằng một giaodiện được lập trình và các giá trị dung lượng, điện áp,dòng điện …… sẽ được hiển thịtrên giao diện để người dùng dễ quan sát và đánh giá

2. Phân tính khối cảm biến đo dòng và áp.

Cảm biến trong bài toán test pin là việc đọc các tín hiệu dòng điện và điện áptrên pin để rồi xử lý các tín hiệu đó để điều khiển quá trình nạp, xả, PWM cho pin saocho phù hợp

+ Sô đồ khối cảm biến.

2.1 ADC (Analog-to-Digital Converter)

Trong các ứng dụng đo lường và điều khiển bằng vi điều khiển bộ chuyển đổi tươngtự-số (ADC) là một thành phần rất quan trọng Dữ liệu trong thế giới của chúng ta làcác dữ liệu tương tự (analog) Ví dụ nhiệt độ không khí buổi sáng là 25 và buổi trưa là

32, giữa hai mức giá trị này có vô số các giá trị liên tục mà nhiệt độ phải “đi qua” để

có thể đạt mức 32 từ 25, đại lượng nhiệt độ như thế gọi là một đại lượng analog

CPU

ĐIỀU CHỈNH, THU NHẬN TÍN HIỆU

Trong khi đó, rõ ràng vi điều khiển là một thiết bị số (digital), các giá trị mà một viđiều khiển có thể thao tác là các con số rời rạc vì thực chất chúng được tạo thành từ sựkết hợp của hai mức 0 và 1 Ví dụ chúng ta muốn dùng một thanh ghi 8 bit trong viđiều khiển để lưu lại các giá trị nhiệt độ từ 0 đến 255, như chúng ta đã biết, một thanhghi 8 bit có thể chứa tối đa 256 (28) giá trị nguyên từ 0 đến 255, như thế các mức nhiệt

độ không nguyên như 28.123 oC sẽ không được ghi lại Nói cách khác, chúng ta đã

“số hóa” (digitalize) một dữ liệu analog thành một dữ liệu digital Quá trình “số hóa”này thường được thực hiện bởi một thiết bị gọi là “bộ chuyển đổi tương tự - số hayđơn giản là ADC (Analog to Digital Converter)

Vậy ADC là Biến đổi tương tự - số ADC là biến đổi điện áp vào (giá trị tương tự)thành các số (giá trị số) tỷ lệ với nó

+ ADC trong pic 16F877A

PIC16F877A có 8 ngõ vào analog (RA4:RA0 và RE2:RE0) Hiệu điện thế chuẩnVREF có thể được lựa chọn là VDD, VSS hay hiệu điện thế chuẩn được xác lập trênhai chân RA2 và RA3

Kết quả chuyển đổi từ tín tiệu tương tự sang tín hiệu số là 10 bit số tương ứng và đượclưutrong hai thanh ghi ADRESH:ADRESL

Khi không sử dụng bộ chuyển đổi ADC, các thanhghi này có thể được sử dụng nhưcác thanh ghi thông thường khác

Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, kết quả sẽ được lưu vào hai thanh ghiADRESH:ADRESL, bit(ADCON0<2>) được xóa về 0 và cờ ngắt ADIF được set.Qui trình chuyển đổi từ tương tự sang số bao gồm các bước sau:

1 Thiết lập các thông số cho bộ chuyển đổi ADC:

Chọn ngõ vào analog, chọn điện áp mẫu (dựa trên các thông số của thanhghiADCON1)

Chọnh kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0)

Chọnh xung clock cho kênh chuyển đổi AD (thanh ghi ADCON0)

Cho phép bộ chuyển đổi AD hoạt động (thanh ghi ADCON0)

2 Thiết lập các cờ ngắt cho bộ AD

Clear bit ADIF

Set bit ADIE.

Set bit PEIE

Set bit GIE

3 Đợi cho tới khi quá trình lấy mẫu hoàn tất

4 Bắt đầu quá trình chuyển đổi (set bit )

5 Đợi cho tới khi quá trình chuyển đổi hoàn tất bằng cách:

Kiểm tra bit Nếu =0, quá trình chuyển đổi đã hoàn tất.Kiểm tra cờ ngắt

6 Đọc kết quả chuyển đổi và xóa cờ ngắt, set bit (nếu cần tiếp tục chuyển

đổi)

7 Tiếp tục thực hiện các bước 1 và 2 cho quá trình chuyển đổi tiếp theo

Hình 1.1 : sô đồ khối bộ chuyển đổi ADC

2.2 Tính chọn khối cảm biến.

Sô đồ phân áp đọc ADC đo điện áp

Hình 2.2.1: sô đồ phân áp đọc ADC đo điện áp

Vì điện áp của pin nằm trong khoảng từ 10,5 – 14,8 V mà CPU có chức năng đọc giátrị điện áp tối đa là 5V nếu vượt qua giá trị này sẽ làm hỏng chíp

Vậy ta dùng cầu chia áp giúp tạo ra điện áp dưới 5V để thực hiện việc đọc ADC vìđiệp áp đo được tỉ lệ tuyến tính theo một hàm

Ta sẽ tính toán với các thông số max của pin là khi pin đạt 16,8V

Khi pin đạt dưới 14,8V thì giá trị điện áp sau khi chia áp cũng giảm đi nên hoàn toànđáp ứng việc điện áp ở dưới mức 5V

Theo sô đồ ta có

Dòng điện đi trong mạch khi điện áp là:

Imax = Với Upin : điện áp trên pin

R : là tổng trở trong mạch gồm R6+R61+R11 = 50k

Vì trên thị trường không có điện trở 40K nên ta ghép nối tiếp 2 điện trở 1k và 39 k.Vậy

Imax = = 0,336 mA Điện áp đưa vào đọc ADC

U = I * R11 = 0,336*10-3*10000 = 3,36V

Ta thấy điện áp này nhỏ hơn 5V vậy thỏa mãn điều kiện.

Để đảm bảo an toàn cho CPU dùng thêm một diode zener 5.1V để ghim điện áp khiđiện áp vượt 5,1V thì diode zener có tác dụng giữ cho đầu đọc ADC có điện áp chỉ là5,1V

Lựa chọn loại tụ lọc nhiễu có giá trị 100nF

Sơ đồ phần cứng đọc ADC đo dòng điện.

Hình 2.2.1: sô đồ phân áp đọc ADC đo dòng điện

Đo dòng điện dùng một điện trở có giá trị nhỏ công suất lớn để đo điện áp trên trở từ

đó ta sẽ tìm được ra dòng điện

Thông số khi xả:

Trong quá trình xả ta xả với dòng xả IXA = 2A

Dùng loại điện trở có giá trị 1Ohm

Vậy công suất trở phải gánh là khi pin xả là:

ĐỌC ADC U, I

PWM

MẠCH ĐỘNG LỰC

PRES= 1*22 = 4 W

Vậy ta dùng loại điện trở có giá trị 1Ohm 5W

Diode zener 5,1V có tác dụng ghim điện áp khi điện áp vượt quá 5,1V

Tụ 100nF dùng để lọc các nhiễu có trong mạch trước khi đưa vào CPU

3 Thiết kế khối điều chỉnh điện áp.

sô đồ cấu trúc.

Phân tính sô đồ:

ADC: đọc giá trị dòng điện, điện áp từ pin

PWM : khối băm xung tạo ra điện áp phù hợp để thự hiện việc sạc, xả pin

Điều chỉnh điện áp : từ tín hiệu PWM đưa đến ta khuếch đại tín hiệu lên để dạt đượctín hiệu phù hợp

Sô đồ phần cứng.

Nguyên lý hoạt động

hình 3.2 : sô đồ xung van điều khiển

Trong khoảng thời gian 0 – t0, ta cho van G mở, toàn bộ điện áp nguồn Ud được đưa

ra tải Còn trong khoảng thời gian t0 - T, cho van G khóa, cắt nguồn cung cấp cho tải

Vì vậy với t0 thay đổi từ 0 cho đếnT, ta sẽ cung cấp toàn bộ , một phần hay khóa hoàntoàn điện áp cung cấp cho tải

Công thức tính giá trị trung bình của điện áp ra tải :

Gọi t1 là thời gian xung ở sườn dương (khóa mở ) còn T là thời gian của cả sườn âm

và dương, Umax là điện áp nguồn cung cấp cho tải

Các thông số theo datasheet:

Dòng điện đầu vào IF = 5mA

Dòng điện nguồn Ivcc = 10mA

Điện áp đầu vào 10V – 35V

Dòng đầu ra Iout = 2A

Diện áp trên nguồn cấp xuống là 5V vậy ta cần một điện trở hạn dòng để bảo vệ ledkhi led hoạt động

RLED = = 1000 (Ohm)Vậy ta dùng điện trở 1K để hạn dòng bảo về cho led

ta sử dụng trực tiếp điện áp 24v cấp cho TLP250

Vì IRF540 điều kiển theo dòng ta sử dụng một điện trở có giá trị 4K7 để hạn dòng vàoled

4 Khối CPU.

Yêu cầu của bài toán test pin với khối CPU

+ Có bộ PWM tạo điện áp điều khiển FET đóng cắt

+ Có bộ truyền thông UART

+ Có bộ đọc ADC

+ Có chân I/O để điều khiển đóng mở relay