Thiết kế máy kiểm tra dung lượng pin lithium - ion

Thiết kế máy kiểm tra dung lượng pin lithium - ion

 Giáo viên hướng dẫn: T.S : Nguyễn Văn Nghĩa

 Năng Lượng Điện

 Điện là một nguồn năng lượng phục vụ cho sản

xuất và sinh hoạt.

 Nguồn sản xuất năng lượng điện gồm có:

nước, gió, mặt trời, hạt nhân…

 ngày nay công nghệ phát triển thì vấn đề lưu trữ

năng lượng là một ván đề cần thiết

 Với yêu cầu về sự gọn nhệ và thuận tiện khi làm

việc thì các sản phẩm công nghệ cao rất cần nguồn năng lượng dự trữ như : máy tính, điện thoại…

1. Giới thiệu.

1.1 Khái niệm Pin lithium – ion.

.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 li-ion sử dụng một hợp chất lithium làm vật liệu điện cực :

.Điện cực dương là oxit kim loại điển hình như: (LiCoO2), (LiMn2O4), phủ trên một cực góp điện bằng lá nhôm

.Vật liệu làm điện cực âm là Glaphite Cacbon phủ trên một cực góp điện

3. Cấu tạo của Pin Li-ion.

.Pin Li-ion có cấu tạo gồm 3 thành phần cơ bản:

.Điện cực dương là các oxit kim loại Lihium dạng LiMO2 trong đó M là các kim loại chuyển tiếp như Fe,

3.1 Điện cực dương

3.1 Điện cực âm

3.2 Chất điện li.

• Chất điện li dạng lỏng: là muối chứa ion Li+ (LiPF6, LiClO4) được hoà tan và các dung môi hữu cơ có gốc carbonate

(EC, EMC)

• 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 thành thông 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 này phải có khả năng dẫn ion Li+

tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của môi trường như độ ẩm, không khí …

4. Phân loại.

 Đặc tính Pin li-ion so với Pin Li-Po.

• 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.

2. 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 điện cực dương điền kẽ vào các "khoảng trống" ở vật liệu điện cực âm

.Các phản ứng tại điện cực.

.Tại điện cực dương

.Tại cực âm

phương trình tổng quát

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

1. Đặc tính của Pin khi sạc.

.Quá trình sạc ổn dòng và sạc ổn áp

2. Đặc tính của Pin khi xả.

 Quy trình test pin lithium – ion.

Gồm 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

 Những điểm cần lưu ý khi test pin:

 Xả quá mức của Pin:nếu xả quá điện áp cho phép thì Pin sẽ nhanh chóng giảm tuổi thọ và hư Pin

 Những thông số cần lưu y của pin :

 Điện áp Pin 10.5 – 16.8 V

 Dòng xạc MAX là 2A

 Dòng xả MAX là 1A

 Thời gian xả của Pin

 Điện áp ngắt xả của Pin

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

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

Phần cứng Phần mềm

Ưu điểm - Tốc độ cao( thời gian thực)

- Công suất lớn, tín hiệu có biên độ cao

- Khả năng điều khiển mềm dẻo

- ít linh kiện

Nhược điểm - Nhiều linh kiện

- Mạch phức tạp

- Khó test

- Dễ cháy nổ linh kiện

- Tốc độ đáp ứng phụ thuộc vào CPU

- Công suất nhỏ, tín hiệu có biên độ nhỏ

 Khối truyền thông ( nhận tín hiệu, hiển thị lên máy tính).

 Khối CPU ( tính toán PWM, đọc ADC).

I. Xây dựng sơ đồ cấu trúc.

1.2 Tính chọn khối cảm biến.

 điện áp max Upin 16.8V

Dòng điện chạy qua mạch là

 điện áp đo được trên R11

1.3 Tính chọn khối cảm biến đo dòng điện: Giá trị điện trở 2R2 1W.

Công suất trở phải gánh khi xả với dòng max 2A là

Giá trị điện áp cần tìm là:

2.Thiết kế khối điều chỉnh điện áp.

 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 đạt được tín hiệu phù hợp

3.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.

Từ những yêu cầu đó ta thấy PIC 16F877A đáp ứng đủ các yêu cầu bài toán đặt ra.

 Quá trình test pin gồm hai quá trình là sạc và xả

pin, để điều khiển các quá trình này cần có một khóa chuyển đổi

 Yêu cầu của khóa chuyển đổi:

 Chịu được điện áp 20VDC.

 Dòng điện max 2A.

 Sơ đồ cấu trúc khối truyền thông.

1. Những khái niệm cơ bản về truyền thông.

1.1 Định nghĩa truyền thông.

 Truyền thông là khái niệm dùng để chỉ sự trao đổi thông tin giữa các đối tác(communications partner) với

nhau

 Thông tin.

 Tín hiệu.

 Dữ liệu.

 Mạng truyền thông công nghiệp hay mạng công nghiệp là một khái niệm chung chỉ các hệ thống mạng

truyền thông số, truyền bit nối tiếp, được sử dụng để ghép nối các thiết bị công nghiệp

1.2 Tác dụng truyền thông trong công nghiệp.

 Đơn giản hóa cấu trúc liên kết giữa các thiết bị công nghiệp

 Tiết kiệm dây nối và công nghệ thiết kế, lắp đặt hệ thống

 Nâng cao độ tin cậy và độ chính xác của thông tin so với việc truyền tín hiệu tương tự cổ điển

 Nâng cao độ linh hoạt, tính năng mở của hệ thống

 Đơn giản hóa, tiện lợi hóa việc tham số hóa, chuẩn đoán, định vị lỗi, sự cố của các thiết bị

 Mở ra nhiều chức năng và khả năng ứng dụng mới của hệ thống

1.3 Các phương pháp truyền tín hiệu.

1.4 Kiến trúc giao thức OSI.

1.5 Các kiểu truyền.

 Truyền nối tiếp (serial transmission)

 Truyền song song (parallel transmission)

 Truyền nối tiếp đồng bộ (synchronous serial transmission)

 Truyền nối tiếp không đồng bộ (asynchronous serial transmission)

 Tuy nhiên do nguyên nhân về giá thành và tính bền vững mà trong hầu hết các mạng truyền thông đều sử dụng kiểu truyền dữ liệu dạng số nối tiếp không đồng bộ hai chiều gián đoạn

1.6 Các kiểu mạng cơ sở

 Master/Slave (chủ/tớ) : một trạm chủ (master) có trách nhiệm chủ động phân chia quyền truy nhập bus cho các trạm tớ (slave) Các trạm tớ đóng

vai trò bị động, chỉ có quyền truy nhập bus và gửi tín hiệu đi khi có yêu cầu Trạm chủ dùng phương pháp hỏi tuần tự (polling) theo chu kỳ để kiểm soát toàn bộ hoạt động giao tiếp của cả hệ thống.

 TDMA (Time Division Multiple Access) : mỗi trạm được phân một thời gian truy cập bus nhất định.

 Token Passing : token là một bức điện ngắn không mang dữ liệu, có cấu trúc đặc biệt để phân biệt với các bức điện mang thông tin nguồn, được

dùng tương tự như một chìa khóa Một trạm được quyền truy nhập bus và gửi thông tin đi chỉ trong thời gian nó được giữ token.

 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Colliston Detection) : mỗi mạng đều có quyền truy nhập vào bus mà không cần 1 sự kiểm soát

nào Mỗi mạng đều phải tự nghe đường dẫn, nếu đường dẫn rỗi thì mới được phát Khi phát vẫn phải nghe đường dẫn để so sánh tín hiệu nếu có xung đột hay không Nếu có xung đột thì phải hủy bỏ bức điện của mình chờ thời gian để gửi lại.

 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) : tương tự như CSMA/CD mỗi trạm phát đều phải nghe đường truyền trước

và sau khi gửi thông tin tuy nhiên một phương pháp mã hóa bit thích hợp được sử dụng ở đây để trong trường hợp xảy ra xung đột, một tín hiệu sẽ lấn áp tín hiệu kia.

1.7 Các phương tiện truyền dẫn

 Đôi dây xoắn

 Cáp đồng trục

 Cáp quang

 Vô tuyến

1.8 Xây dựng cấu trúc truyền thông

 Xây dựng cấu trúc lớp vật lý (physicsal layer)

 Trên cơ sở các chỉ tiêu ta lựa chọn sử dụng kỹ thuật truyền dẫn dựa trên cơ sở của RS232 đó là sử dụng 2 dây tín hiệu Tx và Rx (tín hiệu truyền và nhận sẽ là tín hiệu giữa 2 dây Tx và Rx).

 Để tín hiệu tránh nhiễu và có thể truyền đi xa lựa chọn sóng mang với biên độ lớn mang tín hiệu truyền từ module này qua module khác

 Lựa chọn chế độ truyền tải

 Lựa chọn việc truyền tín hiệu theo kiểu nối tiếp, đồng bộ giữa các module (thiết bị) trong hệ thống bus

 Tốc độ truyền : sử dụng tốc độ baud 9600bps

 Giao diện cơ học : lựa chọn giắc cắm là giắc cổng COM (cổng DB9 male và female) là giắc cắm cực kỳ thông dụng trong truyền thông

1.9 Xây dựng cấu trúc lớp kiên kết dữ liệu (Data link layer)

 Điều khiển dòng dữ liệu

+ Đồng bộ khung : dữ liệu được gửi dưới dạng các frame, các frame phải được đồng bộ ở tất cả các module (byte bắt đầu, byte kết thúc, byte dữ liệu)

+ Định vị địa chỉ trong cấu hình : tạo một byte địa chỉ cho từng module

+ Phân biệt dữ liệu và thông tin điều khiển : xây dựng frame mang dữ liệu và frame điều khiển khác nhau để khi nhận được frame truyền thì các module sẽ hiểu ngay đây là frame dữ liệu hay là frame điều khiển (có thể phân biệt 2 frame ngay bằng byte bắt đầu)

 Điều khiển lỗi

+ Xây dựng một byte cuối cùng là byte checksum để khi nhận nếu checksum tổng các byte nhận đúng bằng checksum tổng số byte truyền thì đó là một frame truyền tốt Ngược lại checksum không đúng thì đó là 1 byte lỗi và cần gửi lại frame nhận lỗi đó

+ Xây dựng frame truyền vừa đủ không quá dài tránh trường hợp frame quá dài dễ xảy ra lỗi khi truyền

1.10 Xây dựng cấu trúc lớp mạng (Network layer)

2. Tổng quan chuẩn RS232.

.Ưu điểm của giao diện nối tiếp RS232

+ Khả năng chống nhiễu của các cổng nối tiếp cao.+ Thiết bị ngoại vi có thể tháo nắp ngay khi máy tính đang sử dụng

+ Các mạch điện đơn giản có thể nhận được điện áp nguồn nuôi qua công nối tiếp

 Các Mức Điện Áp Truyền.

 RS232 sử dụng phương thức truyền thông không đối xứng, tức là sử dụng tín hiệu điện áp chênh lệch giữa một dây dẫn và đất Do đó ngay

từ đầu tiên ra đời nó đã mang vẻ lỗi thời của chuẩn TTL, nó vấn sử dụng các mức điện áp tương thích TTL để mô tả các mức logic 0 và 1 Ngoài mức điện áp tiêu chuẩn cũng cố định các giá trị trở kháng tải được đấu vào bus của bộ phận và các trở kháng ra của bộ phát.

 Mức điện áp của tiêu chuẩn RS232C ( chuẩn thường dùng bây giờ) được mô tả như sau:

 + Mức logic 0 : +3V , +12V.

 + Mức logic 1 : -12V, -3V.

 Các mức điện áp trong phạm vi từ -3V đến 3V là trạng thái chuyển tuyến Chính vì từ - 3V tới 3V là phạm vi không được định nghĩa,

trong trường hợp thay đổi giá trị logic từ thấp lên cao hoặc từ cao xuống thấp, một tín hiệu phải vượt qua quãng quá độ trong một thơì gian ngắn hợp lý Điều này dẫn đến việc phải hạn chế về điện dung của các thiết bị tham gia và của cả đường truyền Tốc độ truyền dẫn tối đa phụ thuộc vào chiều dài của dây dẫn Đa số các hệ thống hiện nay chỉ hỗ trợ với tốc độ 19,2 kbd

 Quá trình truyền dữ liệu.

 Quá trình truyền dữ liệu

 Truyền dữ liệu qua cổng nối tiếp RS232 được thực hiện không đồng bộ Do vậy nên tại một thời điểm chỉ

có một bit được truyền (1 kí tự)

DATA