Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ý thức bảo vệ môi trường và mối quan tâm về cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch đang gia tăng, khiến con người chuyển từ phương tiện di chuyển sử dụng xăng và dầu diesel sang nguồn năng lượng thân thiện hơn, cụ thể là xe máy và ô tô điện Xe máy, với tính phổ biến và nhu cầu sử dụng cao, ngày càng thu hút sự chú ý từ cả các hãng xe và người tiêu dùng tại Việt Nam Điều này đã tạo ra nhu cầu lớn cho việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống và thiết bị sử dụng pin trên các phương tiện di chuyển.

Bộ sạc cho pin đóng vai trò quan trọng trong việc vận hành xe điện bằng cách cung cấp năng lượng cho pin Pin Lithium-ion, được nghiên cứu và phát triển bởi nhiều hãng công nghệ như Tesla, mang lại sự an toàn và tiết kiệm thời gian, chi phí nghiên cứu khi ứng dụng trên xe máy điện Tuy nhiên, loại pin này chỉ có thể sạc bằng nguồn điện một chiều với điện áp và cường độ dòng điện nhất định, trong khi mạng điện dân dụng ở Việt Nam chủ yếu là điện xoay chiều một pha Do đó, để ứng dụng công nghệ pin Lithium-ion, cần có một bộ sạc chuyển đổi điện xoay chiều sang điện một chiều, cung cấp chính xác điện áp và cường độ dòng điện cần thiết để sạc cho pin.

Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung

- Nghiên cứu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650

- Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của nguồn xung Flyback, linh kiện điện tử và phần mềm mô phỏng

- Tính toán và thiết kế mạch nạp cho xe máy điện

- Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định của mạch điện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Biến áp xung và nguồn xung Flyback

- MOSFET 11N90 và MOSFET Driver IR2103

- Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision, SIMetrix

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các đối tượng trên vào việc thiết kế mạch nạp cho xe máy điện và sẽ không nghiên cứu sâu vào thuật toán hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.

Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu lý thuyết: thu thập tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã học để áp dụng vào mạch nạp

Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm mô phỏng SIMetrix mạch điện và dùng phần mềm STMCubeMX và Keli uVision để lập trình

Thực nghiệm và đánh giá kết quả là quá trình thử nghiệm mạch dựa trên các thông số đã tính toán Kết quả thực nghiệm sẽ được sử dụng để đánh giá hiệu suất hoạt động của mạch.

Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước

Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của Cao Xuân Tuyển và Nguyễn Anh Tuấn đã được công bố trên tạp chí Khoa và Công nghệ Nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán, thử nghiệm và mô phỏng hoạt động của máy biến áp trong hai chế độ làm việc: dòng điện liên tục và gián đoạn Đặc biệt, bộ biến đổi Flyback được sử dụng để điều khiển máy biến áp, từ đó tính toán các thông số cần thiết cho ba mức nguồn điện đầu ra khác nhau, với nguồn điện đầu vào Vin = 9-15 (VDC) Kết quả khảo sát cho thấy đầu ra lần lượt là Vout = +5 (VDC), Iout = 1,1 (A); Vout = +15 (VDC), Iout = 0,6 (A).

Mô phỏng bộ nguồn với điện áp -15 VDC và dòng điện 0,6 A được thực hiện bằng phần mềm PSIM cho thấy cả hai chế độ làm việc của máy biến áp đều ổn định Chế độ dòng điện gián đoạn mang lại chất lượng điện áp tốt hơn so với chế độ liên tục Tuy nhiên, kích thước mạch trong chế độ dòng điện gián đoạn nhỏ hơn nhưng yêu cầu số vòng dây nhiều hơn, trong khi chế độ dòng điện liên tục có kích thước lớn hơn với số vòng dây ít hơn.

1.5.2 Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery Charging Applications Reference Design” [2] được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu thuộc tập đoàn Texas Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên pin Lithium-ion Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100 -12 (VAC) với tần số 50-60 (Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A) Bộ sạc áp dụng loại nguồn xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W

Đề tài nghiên cứu "Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System Applications" của Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan đã áp dụng hai loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback trong quá trình sạc và xả cho pin Lithium-ion Hệ thống này sử dụng năng lượng mặt trời làm nguồn đầu vào cho mạch sạc Buck-Boost với thông số Vin từ 17,5-20,6 VDC và Iout từ 8-12 A để sạc pin Lithium-ion vào ban ngày Vào ban đêm, các viên pin này sẽ xả điện qua mạch nguồn Flyback để tạo ra điện năng đầu ra.

Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs vào ban đêm

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Cơ bản về nguồn xung

2.1.1 Các yếu tố sử dụng trong nguồn xung a Các đặc trưng về độ tự cảm của cuộn cảm Định luật biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một cuộn cảm theo phương trình: v = L(di/dt)

Với: L là độ tự cảm của cuộn cảm (H)

(di/dt) là sự biến thiên của dòng điện theo thời gian

Cuộn cảm có những đặc điểm quan trọng theo định luật độ tự cảm, trong đó điện áp chỉ xuất hiện khi dòng điện thay đổi theo thời gian Khi dòng điện một chiều không đổi được đưa vào cuộn cảm, điện áp qua cuộn cảm sẽ không tồn tại, trừ khi có sự rơi áp nhỏ trên cuộn dây đồng.

Trong cuộn cảm, điện áp có khả năng thay đổi ngay lập tức, trong khi cường độ dòng điện không thể thay đổi ngay lập tức, trừ khi điện áp đạt giá trị vô cùng Điện áp rơi trên cuộn cảm tăng lên khi cường độ dòng điện thay đổi nhanh chóng.

Dưới đây là hình minh họa các đặc điểm về điện áp của cuộn cảm:

Hình 2.1 Mối quan hệ của điện áp và dòng điện trong cuộn cảm [4]

6 b Sự vận hành của dòng điện

Theo hiện tượng tự cảm, dòng điện qua cuộn cảm không tăng hay giảm đột ngột mà tăng dần và giảm dần theo thời gian

Có hai chế độ vận hành dòng điện trong cuộn cảm:

Chế độ vận hành liên tục (CO – Continuous Operation) là quá trình trong đó cường độ dòng điện trong cuộn cảm I L tăng từ giá trị I đến I đỉnh và sau đó giảm xuống I, lặp đi lặp lại liên tục Tuy nhiên, cường độ dòng điện sẽ không bao giờ giảm về 0.

Chế độ vận hành không liên tục (DO - Discontinuous Operation) diễn ra khi công tắc được đóng, dẫn đến cường độ dòng điện trong cuộn cảm IL tăng từ 0 đến giá trị đỉnh Iđỉnh Khi công tắc mở, cường độ dòng điện sẽ giảm trở về 0 Biến áp trong nguồn xung đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

Biến áp xung là yếu tố chính trong đề tài này, khác với biến áp thông thường, cuộn dây trong biến áp xung không chỉ đóng vai trò là cuộn dây mà còn hoạt động như một cuộn cảm Mỗi biến áp thông thường có hai hoặc nhiều cặp cuộn dây từ tính Dưới đây là sơ đồ mô tả bộ biến áp.

Hình 2.2 Sự vận hành biến áp [4]

7 Đối với một biến áp, điện áp đầu vào và đầu ra phụ thuộc vào số vòng dây quấn Cuộn dây nào có số vòng dây cao hơn thì điện áp cao hơn nhưng dòng điện thấp hơn và ngược lại Dấu chấm trên biến áp xác định cực của nó so với cuộn dây khác, đảo chiều dấu chấm dẫn đến đảo chiều cực tính và dòng điện đầu ra d Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM) Điều chế độ rộng xung là phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra Điện áp đầu ra phụ thuộc vào độ rộng của chuỗi xung vuông trong một chu kỳ Tp Và điện áp này được điều khiển trực tiếp bởi một công tắc trong bộ chuyển đổi bằng cách đóng/mở Cho ra điện áp một chiều

V OUT được tính như trong hình sau:

Hình 2.3 Hình dáng và điện áp của PWM [4]

(𝑇 𝑂𝑁 /𝑇 𝑃 ) ở đây được gọi là chu kỳ hoạt động (thời gian mà công tắc mở chia cho thời gian của một chu kỳ), còn V PK là điện áp đỉnh

Nguyên lý hoạt động mạch Flyback:

Mạch biến áp xung sử dụng mạch Flyback hoạt động như một cuộn cảm hay một thiết bị lưu giữ năng lượng từ trường

Hình 2.4 Sơ đồ mạch Flyback [5]

Hình 2.5 Dòng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [5]

Mạch Flyback hoạt động như sau: trong khi khoá Q1 đóng và dẫn dòng điện chảy vào cuộn sơ cấp, cuộn này tích trữ năng lượng vào trong biến áp xung Và dòng điện IP trong cuộn sơ cấp sẽ tăng tuyến tính lên cao nhất Mặt khác, diode D1 của cuộn thứ cấp sẽ không dẫn và do đó sẽ không có dòng điện trong cuộn thứ cấp Suốt khoảng thời gian này, dòng ra tải sẽ được cung cấp chỉ bởi tụ lọc đầu ra C1

Hình 2.6 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải) [12]

Sau đó, khi khóa Q1 ngắt và dòng điện trong cuộn sơ cấp dừng lại, năng lượng tích trữ trong biến áp xung này được đảo ngược và chuyển sang cuộn sơ cấp Dòng điện này không chỉ cung cấp cho tải mà còn sạc cho tụ C1, như là cách sạc lại cho tụ để có thể cung cấp lại cho tải vào giai đọan khóa Q1 đóng

Một điều lưu ý khi áp dụng mạch Flyback là điện áp trong biến áp xung sẽ tồn tại giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp dù chúng không dẫn trong cùng một thời gian Khi khóa Q1 ngắt, điện áp đầu vào VDC kết hợp với điện áp ngược do cuộn thứ cấp tác dụng ngược trở lại Do đó, khóa Q1 yêu cầu phải chịu đựng được độ lớn của hai điện áp này Điện áp VRO được tính theo công thức sau:

Hình 2.7 Đồ thị điện áp VRO [5]

Và tổng điện áp cực đại lên khóa Q1 là:

Mạch Flyback có hai chế độ hoạt động, đó là chế độ dòng điện không liên tục (Discontinuous Conduction Mode – DCM) và chế độ dòng điện liên tục (Continuous Conduction Mode – CCM)

Sự thay đổi của dòng điện trong chế độ dòng điện không liên tục, DCM, được diễn tả như hình dưới đây

Hình 2.8 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng không liên tục [5]

Một điểm khác biệt giữa DCM và CCM là trong DCM, dòng điện ở cuộn thứ cấp giảm về 0A (điểm I) trước khi dòng điện ở cuộn sơ cấp bắt đầu chu kỳ dẫn tiếp theo (điểm F) Khoảng thời gian này được gọi là thời gian chết Tdt Dòng điện đầu ra trung bình ở cuộn thứ cấp được tính bằng trung bình của tam giác GHI nhân với tỉ lệ ngắt của khóa Q1, Toff / T.

Chế độ DCM cải thiện khả năng chuyển mạch của diode đầu ra D1 trong cuộn thứ cấp, nhờ vào việc dòng điện qua diode giảm về 0A trước khi phân cực ngược Điều này cũng giúp giảm năng lượng tích trữ trong máy biến áp, từ đó giảm kích thước của thiết bị Tuy nhiên, dòng điện đầu ra trong chế độ này thấp hơn so với chế độ CCM, khiến DCM thường được ứng dụng trong các mạch có đầu ra điện áp cao và dòng điện thấp.

Dòng điện của chế độ dòng điện liên tục, CCM sẽ được thể hiện qua hình sau:

Hình 2.9 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dòng liên tục [5]

Hai chế độ CCM và DCM có dạng dòng điện tương tự nhau, nhưng chế độ hoạt động phụ thuộc vào độ cảm từ hóa và dòng tải đầu ra Sự khác biệt chính giữa hai chế độ này là khả năng lưu trữ dòng điện trong cuộn dây, do không có thời gian chết Tdt Trong chế độ CCM, dòng điện ở cuộn sơ cấp có bước đệm, và độ dốc của dòng điện được tăng lên từ bước đệm đó Khi Q1 ngắt, dòng điện trong cuộn thứ cấp có dạng kết hợp giữa hình tam giác và bước đệm với độ lớn từ điểm ngắt.

V đến W Và tương tự khi khóa Q1 bắt đầu giai đoạn đóng, dòng điện trong cuộn sơ cấp cũng có một dòng điện đệm với độ lớn từ điểm M đến N

Mặc dù dòng điện đầu ra ở chế độ DCM và CCM có thể bằng nhau, nhưng đỉnh dòng điện Ipeak trong chế độ DCM lại cao hơn Vì vậy, mạch hoạt động ở chế độ DCM yêu cầu bộ lọc LC lớn hơn để loại bỏ gợn sóng dòng điện.

Chế độ dòng điện liên tục, CCM, được áp dụng trong các mạch đòi hỏi đầu ra điện áp thấp và dòng cao

Pin Lithium-ion

Pin Lithium-ion 18650 có cấu tạo giống với những pin Lithium-ion khác Cấu tạo gồm

4 phần chính: điện cực dương, điện cực âm, màng ngăn điện và dung dịch điện ly

Hình 2.10 Cấu tạo của pin Lithium-ion [6] Điện cực dương: Điện cực dương thường được làm từ LiCoO2 và LiMnO4 Khi Coban là vật liệu cơ sở có thể cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, giảm hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài Giá thành của pin cao do Coban, là một kim loại kém bền nhiệt và hiếm Vật liệu cơ sở rẻ và phổ biến hơn Coban là Mangan, có hiệu năng cao thấp hơn, vòng đời ngắn hơn, nhưng được khắc phục bằng khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin [8]

Năm 2017, LiFePO4 được nghiên cứu để áp dụng cho pin có kích thước lớn dùng cho các bộ pin của xe điện do giá rẻ và công suất cao, mặc dù vật liệu này dẫn điện kém và bắt buộc dùng chất phụ gia dẫn điện là cacbon. Điện cực âm:

Cực âm được làm từ graphite và các vật liệu cacbon khác, vì giá thành rẻ và phổ biến Chúng có độ dẫn điện tốt và cho phép ion Lithi xen kẽ vào cấu trúc của mạng Cacbon, điều đó giúp nó dự trữ năng lượng do cấu trúc tinh thể có khả năng phình to đến 10% Silicon cũng có thể dùng làm vật liệu cực âm do nó chứa được ion Lithi trong cấu trúc, thậm chí có thể chứa nhiều hơn Cacbon Tuy nhiên, Silicon có thể phồng to hơn 400% thể tích ban đầu khi các ion Lithi xen kẽ trong mạng, làm phá vỡ kết cấu pin và phản ứng với Lithi gây ra các vết nứt gãy vật liệu Vết nứt này sẽ bị phân hủy thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte Interphase khi dung dịch điện ly tiếp xúc trực tiếp với những lớp Si bên trong, quá trình khuếch tán của Li + bị hạn chế, làm giảm công suất pin cũng như dung lượng của điện cực và độ bền của cực âm Nhiều nghiên cứu được tiến hành để làm giảm sự biến đổi cấu trúc do các vết nứt gãy của Si, bằng cách tổng hợp Si dưới dạng hạt nano, sợi nano, ống nano, cấu trúc xốp của nano và dạng khối cầu rỗng [8]

Dung dịch điện ly đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển ion Lithi giữa các điện cực trong pin Lithium-ion trong quá trình sạc và xả Để đảm bảo hiệu suất, dung dịch điện ly cần có độ dẫn ion tốt và không dẫn điện nhằm ngăn chặn hiện tượng đoản mạch Các dung dịch này thường chứa muối Lithi như LiPF6, LiBF4 hoặc LiClO4 hòa tan trong các dung môi hữu cơ như Ethylene Carbonate, Dimethyl Carbonate, và Dietyl Carbonate Tuy nhiên, trong lần sạc đầu tiên, các dung môi hữu cơ có thể phân hủy tại cực âm, hình thành lớp điện ly rắn giao pha, dẫn đến giảm độ dẫn của âm cực.

Một vài thông số của pin Lithium-ion 18650:

Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của pin Lithium-ion 18650

Công suất thông thường: 2600 mAh (0,52A discharge; 2,75V)

Công suất điển hình: 2550 mAh (0,52A discharge; 2,75V) Công suất nhỏ nhất: 2500 mAh (0,52A discharge; 2,75V) Điện áp thông thường 3,7V Điện trở nội ≤ 70mΩ Điện áp ngắt xả 3,0V Điện áp sạc tối đa 4,2 ± 0,05V

Dòng điện sạc tiêu chuẩn 0,52A

Dòng điện xả tiêu chuẩn 0,52A

Dòng điện xả xung tối đa 2,6A

Kích thước Đường kính 18,4mm, chiều cao 65,2mm

Nhiệt độ hoạt động Sạc: 0 - 45 o C, xả: -20 - 60 o C

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion

Nguyên liệu ở hai điện cực là các chất phản ứng của phản ứng điện hóa trong pin Lithium-ion; ion Lithi di chuyển giữa 2 điện cực trong môi trường là dung dịch điện ly

Trong quá trình phản ứng, ion Lithi di chuyển giữa hai điện cực Hiện nay, các vật liệu điện cực cho phép ion Lithi xâm nhập hoặc rời khỏi mạng tinh thể, trong khi việc xáo trộn vị trí các nguyên tử khác trong mạng diễn ra ít hoặc không xảy ra.

Trong quá trình xả, ion Lithi (mang điện dương) dịch chuyển từ cực âm (Anode) qua dung dịch điện ly, tới cực dương, tại đây nguyên liệu của cực dương phản ứng với ion Lithi Để điện tích tại 2 điện cực được cân bằng, trong lòng pin, với mỗi ion Lithi đi từ cực âm sang cực dương (Cathode), thì ở mạch ngoài, có 1 electron di chuyển cùng hướng từ cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm

Trong quá trình sạc pin, electron di chuyển từ cực dương (nay hoạt động như cực âm) đến cực âm (nay trở thành cực dương) dưới tác động của điện áp Đồng thời, ion Lithium được tách ra khỏi cực dương và di chuyển về cực âm Do đó, cực của pin sẽ thay đổi chiều trong cả hai quá trình xả và sạc, và việc xác định cực dương hay âm phải dựa trên bản chất của phản ứng trong quá trình xả.

Hình 2.11 Quá trình sạc và xả của pin Lithium-ion [7]

Tại các bản cực xảy ra các phản ứng hoá học như sau:

Tại cực dương của vật liệu dạng lớp LCO bán phản ứng có phương trình hoá học là: LiCoO2 ↔ CoO2 + Li + + e - (với sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)

Tại cực âm được làm từ dạng lớp graphite có bán phản ứng xảy ra:

C6 + Li + + e - ↔ LiC6 (sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)

Phản ứng của hai quá trình sạc và xả trong pin:

C6 + LiCoO2 ↔ LiC6 + CoO2 (sạc là chiều thuận, xả là chiều nghịch)

Trong quá trình xả, C6 1- (Cathode) bị oxy hoá thành C6 0, Co 4+ bị khử thành Co 3+ , và ngược lại trong quá trình sạc

Nếu pin Lithium-ion được xả quá mức thì một Lithi Coban Oxit bão hòa sẽ biến đổi thành Lithi Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:

Nếu pin LCO được sạc quá điện thế vượt trên 5,2 V sẽ biến đổi thành Coban IV Oxit, theo một chiều của phản ứng sau:

Một tế bào pin Lithium-ion có quá trình sạc gồm 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: sạc ổn dòng

Tại giai đoạn sạc ổn dòng, dòng điện thường được duy trì ở C/2-C (C là dung lượng pin Ah) Nếu dòng điện khi sạc càng lớn, thời gian sạc ổn dòng sẽ càng nhỏ thì thời gian sạc ổn áp sẽ kéo dài Tuy nhiên, tùy thuộc vào dung lượng còn lại của pin mà thời gian sạc ổn dòng kéo dài không quá 1h và tổng thời gian sạc của 2 giai đoạn tối đa là 3 giờ Khi suất điện động của pin lúc đầy đạt bằng điện áp sạc, bộ sạc sẽ kết thúc quá trình sạc ổn dòng và sạc theo chế độ sạc ổn áp Khi quá trình sạc ổn dòng kết thúc, dung lượng của pin được khôi phục đạt khoảng 70% [9]

Hình 2.12 Đặc tính sạc, xả của pin Lithium-ion [9]

Giai đoạn 2: sạc ổn áp

Trong giai đoạn sạc ổn áp, điện áp sạc pin thường duy trì ở mức 4,2V/cell Khi dung lượng pin gần được phục hồi, sức điện động tăng lên, dẫn đến việc cường độ dòng điện giảm Giai đoạn sạc ổn áp sẽ kết thúc khi cường độ dòng điện giảm xuống dưới 3% C, lúc này dung lượng pin đã được phục hồi khoảng 99%.

Trong quá trình sạc nhiệt độ phải được theo dõi liên tục để nhiệt độ của pin không nên vượt quá 45 0 C dễ gây cháy nổ hay hỏng pin Một số pin Lithium-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể chịu nhiệt độ lên đến 60 0 C khi sạc

Pin Lithium-ion không cho phép quá sạc và không cần duy trì áp sạc khi dòng điện sạc giảm dưới 3% C, vì nếu quá sạc, pin sẽ nóng lên và có nguy cơ nổ Để bảo vệ tuổi thọ của pin, cần tránh sạc vượt quá 100% dung lượng của pin Lithium-ion.

Pin Lithium-ion có hiện tượng tự phóng điện khi không sử dụng, dẫn đến việc điện áp hở mạch giảm xuống mức ổn định từ 3,6 đến 3,9V/cell sau khi sạc đầy Nếu chỉ sạc ổn dòng, điện áp pin có thể giảm xuống mức 3,3 đến 3,5V Để tối ưu hóa quá trình sạc, ngoài sạc ổn áp và sạc ổn dòng, thường áp dụng thêm phương pháp sạc xung ngắn nhằm đảm bảo pin được sạc đầy hiệu quả.

Quá trình sạc một hệ pin Lithium-ion hoàn chỉnh cần 3 bước:

- Chế độ cường 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)

Trong chế độ cường độ dòng điện không đổi, thiết bị sạc duy trì dòng điện cố định với điện áp tăng dần đến mức tối đa của pin Khi đạt đến chế độ cân bằng, thiết bị sạc điều chỉnh cường độ dòng điện, đảm bảo điện áp tại mỗi tế bào pin đồng nhất Một số bộ sạc thực hiện quá trình cân bằng điện áp cho từng tế bào riêng biệt, mặc dù điều này có thể kéo dài thời gian sạc Tuy nhiên, tối ưu hóa quá trình cân bằng điện áp giúp giảm thời gian và nâng cao hiệu suất sạc Khi điện áp pin đạt đến mức tối đa, dòng điện sẽ giảm dần về 0, và sạc sẽ dừng khi cường độ dòng điện xuống dưới 3% giá trị ban đầu Nếu vượt quá giới hạn điện áp và cường độ dòng điện cho phép, pin có nguy cơ phát nổ.

2.2.4 Pin Lithium-ion 18650 trên Tesla model S và bộ sạc NEMA 14-30

Giới thiệu phần mềm STM32CubeMX

2.4.1 Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX

Phần mềm STM32CubeMX, được phát triển bởi hãng ST từ STM32 Micro Explorer, giúp đơn giản hóa quá trình lập trình cho các vi điều khiển ARM Trước khi có STM32 Micro Explorer, việc lập trình vi điều khiển ARM gặp nhiều khó khăn, dẫn đến việc các nhà phát triển phải tạo ra các thư viện hỗ trợ, tuy nhiên, việc sử dụng những thư viện này vẫn còn phức tạp.

Hãng ST đã phát triển phần mềm STM32 Micro Explorer để cấu hình ngoại vi và tạo dự án dựa trên các thư viện có sẵn Sau nhiều lần cải tiến, STM32CubeMX ra đời, trở thành công cụ hoàn thiện giúp người dùng lập trình dễ dàng hơn.

2.4.2 Giao diện và các cài đặt cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX

Sau khi khởi động phần mềm, giao diện ban đầu của phần mềm như sau:

Hình 2.30 Cửa sổ ban đầu của phần mềm

Tại đây, người dùng có thể mở lại các project gần đây, bắt đầu project với ACCESS

The MCU Selector allows you to program any STM32 MCU, while the Board Selector enables programming for a specific STM32 board Additionally, the Example Selector provides access to sample projects for reference and guidance.

Trong đề tài này, vi điều khiển được sử dụng là STM32F103C8 nên chúng ta bắt đầu project với ACCESS TO MCU SELECTOR

Hình 2.31 Cửa sổ chọn vi điều khiển

Nhập tên vi điều khiển tại ô Part Number, chọn STM32F103C8 và bấm Start Project để bắt đầu lập trình Sau khi chọn vi điều khiển, ta chọn chân điều khiển và các chế độ điều khiển

Hình 2.32 Cửa sổ cài đặt cấu hình cho vi điều khiển

Hình 2.33 Chức năng của các chân được chọn

Chọn chân điều khiển như sau:

- PD0 và PD1: liên kết với thạch anh ngoài

- PA8: là kênh Timer 1 channel 1

- PA13 và PA14: dùng khi nạp chương trình không cần nhấn nút reset để chạy chương trình

Tại đây, ta có thể chọn các chế độ cho ADC và Timer như hình sau:

Trong chương trình, chế độ ADC2 là IN1 tương ứng với chân nhận tín hiệu ADC là PA1

Chọn cách tạo xung PWM thông thường cho PA8:

Hình 2.35 Cách tạo xung cho chân PA8

Cài đặt bộ đếm cho Timer:

Chọn các thông số Prescaler (PSC), Counter Period (ARR)_giá trị lớn nhất của bộ đếm sao cho tần số của xung PWM đạt mong muốn Trong đề tài này, tần số của xung PWM là 100KHz và tính tần số theo công thức sau:

(ARR + 1) ∗ (PSC + 1) Trong đó: FCLK: là xung đồng hồ, ta chọn là 72MHz

Từ đó, ta chọn PSC = 1 và ARR = 719

Hình 2.37 Chế độ tạo xung tại chân PA8

Có 2 chế độ cho PWM:

- Mode 1: Ở chế độ đếm lên thì ngõ ra sẽ ở mức logic 1 khi CNT < CRR và ở mức 0 nếu CNT > CRR

- Mode 2: Ở chế độ đếm lên thì ngõ ra sẽ ở ở mức 1 nếu CNT > CRR và mức logic 0 khi CNT < CRR

Sau khi chọn chế độ cho các chân điều khiển, ta cài đặt cấu hình thời gian cho ADC và tần số xử lí của vi điều khiển

Hình 2.38 Cấu hình thời gian của vi điều khiển

Chọn chế độ thông qua bộ phân tần PLLCLK cho System Clock và chọn các thông số liên qua để HCLK đạt 72MHz

Hoàn thành lập trình với STM32CubeMX, bấm vào GENERATE CODE để tạo project và tiếp tục lập trình các chức năng khác trên phần mềm Keil C

Giới thiệu phần mềm Keil C

2.5.1 Tổng quan về phần mềm Keil C uvision 5

Hiện nay, trên thề giới có rất nhiều phần mềm dùng để lập trình C cho các vi điều khiển như IAR, Keil C, Chúng được gọi là môi trường phát triển tích hợp IDE (Integrated Development Environment) Và Keil C là một trong những phần mềm IDE tốt nhất dùng để lập trình cho các vi điều khiển lõi ARM do hãng ST phát hành Phần mềm Keil C uvision 5 là một phiên bản của phần mềm Keil C

2.5.2 Giao diện làm việc của phần mềm Keil C uvision 5

Sau khi hoàn thành chọn cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX, ta mở project bằng phần mềm Keil uvision 5 để lập trình

Hình 2.40 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5

Giao diện chính của Keil uvision 5 có 3 vùng:

- Vùng 1: là vị trí của các cửa sổ project, tại đây chọn main.c để lập trình code tại vùng

2, đồng thời cũng có thể quàn lý các thư viện, chương trình con và các tập tin trong project

- Vùng 2: người dùng sẽ lập trình code tại đây

Vùng 3 là nơi hiển thị kết quả biên dịch chương trình, đồng thời cung cấp thông tin về số lượng lỗi (Error) và cảnh báo (Warning) trong dự án Nội dung chương trình được trình bày ở vùng 2.

Vi điều khiển nhận tín hiệu từ biến trở thông qua ADC, sau đó chuyển đổi dữ liệu này thành xung PWM và xuất ra tại chân PA8 Tín hiệu xung PWM này được sử dụng làm đầu vào cho IR2103, điều khiển MOSFET với tần số 50KHz.

Tại giao điện chính của phần mềm có một số công cụ chính như sau:

Build: dùng để biên dịch chương trình mà vi điều khiển có thể hiểu từ chương trình mà người sử dụng viết

Download: Nhấn giữ nút reset và bấm Load đồng thời để nạp chương trình cho vi điều khiển

Option for Target: dùng để chọn vi điều khiển cần nạp chương trình và chọn mạch nạp cho vi điều khiển

Trong đồ án này, vi điều khiển STM32F103C8 và mạch nạp ST-Link V2 được sử dụng Phần mềm Keil C uVision 5 sẽ tự động nhận diện vi điều khiển và mạch nạp khi chúng được kết nối với máy tính.

Hình 2.41 Cửa sổ chọn mạch nạp code

Giới thiệu phần mềm SIMetrix/SIMPLIS

2.6.1 Tổng quan phần mềm SIMetrix:

Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS, được phát triển bởi SIMetrix Technologies Ltd, sử dụng thuật toán mô phỏng tương tự dựa trên phần mềm Spice từ Đại học California, Berkeley, và trình mô phỏng kỹ thuật số XSPICE từ Viện Công nghệ Georgia.

Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS kết hợp hai gói mô phỏng SIMetrix và SIMPLIS SIMPLIS là một trình mô phỏng tương tự như SIMetrix, nhưng được thiết kế đặc biệt để mô phỏng các hệ thống chuyển mạch với tốc độ cao và độ chính xác cao.

Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS đã được phát triển để đáp ứng nhu cầu mô phỏng trong lĩnh vực điện tử, bao gồm cả hệ thống số và hệ thống chuyển mạch công suất.

2.6.2 Giao diện làm việc của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS

Khởi động phần mềm và chọn chế độ mô phỏng SIMetrix

Hình 2.42 Tạo mạch mô phỏng với dạng SIMetrix

Hình 2.43 Giao diện làm việc chính của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS

Giao diện chính của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS có các phần sau:

- Vùng 1: là nơi đặt các linh kiện, nối dây và hiện kết quả mô phỏng

- Vùng 2: là nơi quản lí các thành phần của một project

- Vùng 3: là nơi hiển thị các lỗi và tiến độ mô phỏng project

Thanh tác vụ có chức năng quan trọng như mở bản mô phỏng mới, truy cập bản mô phỏng đã lưu, lưu lại các bản mô phỏng, cũng như các thao tác phóng to, thu nhỏ và xoay chiều linh kiện.

Thanh công cụ cung cấp một loạt linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, nguồn, diode, MOSFET, Opamp, IGBT và JFET Người dùng cũng có thể dễ dàng tìm kiếm các linh kiện trên thanh công cụ này.

Dùng để bắt đầu và tạm dùng mô phỏng

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Mô tả hệ thống

Xe máy điện sử dụng bộ pin Lithium-ion để cung cấp nguồn điện một chiều 240V, được cấu thành từ 60 viên pin mắc nối tiếp Để sạc bộ pin này, cần đảm bảo điện áp lớn hơn 252V và cường độ dòng điện khoảng 0,32A, với mỗi viên pin có điện áp tối đa là 4,2V Dưới đây là mạch sạc pin Lithium-ion sử dụng biến áp xung.

Hình 3.1 Mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung

Mạch sạc pin Lithium-ion sử dụng nguồn điện dân dụng xoay chiều 220V - 50Hz, được chỉnh lưu thành dòng điện một chiều 311V Sau đó, điện áp này được truyền qua biến áp xung, điều khiển bởi mạch điều khiển, tạo ra dòng điện 320V – 0,32A để sạc cho bộ pin Mạch nạp này là kiểu Flyback với tính năng cách ly, giúp bảo vệ bộ pin khỏi các sự cố từ nguồn vào.

Nguyên lý hoạt động của mạch điện

Nguồn điện đầu vào của mạch sạc là 220V - 50Hz, được chuyển đổi thành dòng điện một chiều qua mạch cầu chỉnh lưu toàn sóng Tuy nhiên, điện áp một chiều đầu ra có biên dạng sóng không ổn định Để cải thiện tình trạng này, một tụ điện được kết nối ở ngõ ra của cầu chỉnh lưu nhằm làm phẳng điện áp.

Hình 3.2 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha [12]

Hình 3.3 Đồ thị dòng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lưu [12]

3.2.2 Mạch snubber (mạch đập xung gai)

Mạch snubber là thiết bị bảo vệ mạch điện khỏi xung đột điện áp và dao động còn sót lại, giúp giảm sự tăng vọt điện áp khi MOSFET ngắt liên tục, ngăn ngừa nguy cơ cháy MOSFET Đối với mạch Flyback, mạch snubber được thiết kế theo kiểu Resistor Capacitor Diode (RCD), bao gồm điện trở, diode và tụ điện, nhằm duy trì tần số của mạch chính.

Hình 3.4 Mạch snubber kiểu RCD [22]

Hình 3.5 Điện áp ở cực Drain của MOSFET khi không có mạch snubber [23]

Hình 3.6 Điện áp ở cực Drain của MOSFET khi có mạch snubber [23]

3.2.3 Điện trở kích đóng, ngắt MOSFET

Tốc độ chuyển đổi giữa hai trạng thái đóng và ngắt đầu ra của MOSFET được điều khiển bởi điện trở kích đóng và ngắt Giá trị của các điện trở ở hai cổng điều khiển, RDRp và RDRn, ảnh hưởng đến tốc độ chuyển và thời gian đóng, ngắt Dưới đây là cấu tạo của một MOSFET kênh N.

Hình 3.7 Mô hình MOSFET kênh N [12]

Trong cấu tạo của MOSFET, sự tồn tại của các tụ ký sinh có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình đóng và ngắt của thiết bị Vì vậy, việc xem xét các tụ ký sinh này là rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của MOSFET.

Hình 3.8 Các tụ ký sinh trong MOSFET

Quá trình kích MOSFET gồm có ba phần chính

Hình 3.9 Đồ thị VGS khi kích đóng [11]

Quá trình từ T0 đến T1 bắt đầu khi cực G được cấp nguồn và điện áp VGS tăng từ 0 Trong giai đoạn này, hầu hết dòng điện qua cực G nạp cho tụ CGS, trong khi một lượng nhỏ dòng điện nạp cho tụ CGD, nhưng do giá trị điện dung của CGD nhỏ hơn CGS, nên có thể coi đây là thời kỳ nạp cho tụ CGS Giai đoạn này được gọi là ON_delay, vì dòng điện và điện áp qua nguồn chưa thay đổi, và MOSFET vẫn ở trạng thái ngắt.

Trong giai đoạn từ T1 đến T2, MOSFET hoạt động gần như ở trạng thái dẫn hoàn toàn Trong thời điểm này, điện áp VGS tăng rất chậm hoặc thậm chí không tăng, trong khi điện áp VGD lại tăng nhanh chóng.

Giai đoạn từ T2 sang T3: MOSFET hoàn thiện chu kỳ kích đóng tại giai đoạn này Tụ

CGS và CGD được nạp và VGS tăng đến điểm cuối cùng

Quá trình kích ngắt MOSFET diễn ra ngược lại với quá trình kích đóng

Dòng điện qua cực G và điện áp VGS không có phương trình cụ thể, do đó việc tính toán điện trở chính xác trở nên khó khăn Tuy nhiên, hãng IR Rectifier đã phát triển một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cao để xác định các giá trị này.

Hình 3.10 Quá trình kích đóng [12]

Iav là dòng kích trung bình, trong khi tsw đại diện cho thời gian chuyển mạch từ khi bắt đầu quá trình kích đóng đến khi MOSFET hoàn toàn đóng Thời gian này tương ứng với khoảng thời gian từ T1 đến T3 trong phân tích đã nêu ở trên.

Với VGS là điện áp trung bình trong khoảng thời gian từ T2 đến T3 được nhà sản xuất cung cấp trong datasheet

Thời gian chuyển mạch (tsw) phụ thuộc vào dòng kích, với tsw nhỏ giúp tăng tốc độ chuyển mạch và giảm tổn hao trên linh kiện Do đó, việc lựa chọn tsw thường dựa trên tiêu chí thiết kế và tần số sóng mang Để đạt hiệu suất tối ưu, tsw nên được kích bởi IC driver, với giá trị được xác định là: tsw = (3÷4)(td(on)+tr).

Từ các biểu thức trên, ta có:

Và RTOT = RG(on) + RDRp (3.5)

Vậy, giá trị điện trở kích đóng được xác định b Điện trở kích ngắt

IC Driver cung cấp chân kích đóng và chân kích ngắt riêng biệt, trong đó điện trở kích ngắt được chọn có giá trị nhỏ hơn điện trở kích đóng Việc này giúp quá trình kích ngắt diễn ra nhanh hơn, từ đó giảm thời gian chết (Dead Time).

Hình 3.11 Quá trình kích ngắt [12]

Có: VGE = (RG(off) + RDRn).CRESoff

Mà ta cần VGE < VT của khóa, do đó:

Để thực hiện một mạch kích, việc lựa chọn các giá trị điện trở kích đóng và ngắt cần được tính toán cẩn thận, vì chúng ảnh hưởng đến hiệu suất của mạch và giúp tránh hư hỏng cho các linh kiện khác.

Khi dùng MOSFET để điều khiển mạch, ta thường sẽ có hai cách cơ bản như hình sau [26]:

Hai kiểu kích MOSFET được phân biệt dựa trên vị trí của chúng trước hoặc sau tải Trong mạch kích phía cao, MOSFET kết nối với nguồn cao áp, trong khi tải tiêu thụ được nối với đất, được gọi là phía cao (high side).

Hình 3.12 Mạch kích N-MOSFET phía cao (bên trái) và phía thấp (bên phải)

Ngược lại, với mạch kích phía thấp, MOSFET sẽ nối giữa tải và đất, gọi là phía thấp (low side)

Trong mạch kích phía cao, để cho MOSFET đóng thì VGS phải lớn hơn VGE (với MOSFET 11N90 có VGE = 5V) Khi MOSFET đóng thì VDS = 0, tức là toàn bộ áp VDD sẽ rơi trên tải, điều này có nghĩa là VS ≈ VDD = 310V Mặt khác, VGS = VG - VS , nhưng VG có giá trị là 7,5V < 310V của VS nên MOSFET sẽ không mở được

Trong mạch kích phía thấp, khi MOSFET đóng thì VDS ≈ 0V Cực S nối đất nên VD ≈

VS = 0 Và toàn bộ áp VDD = 310 V sẽ rơi trên tải và không ảnh hưởng đến VS Do đó, chỉ cần

VGS > VGE là ta có thể điều khiển MOSFET dù cho VDD lớn hơn rất nhiều

Vì vậy, để điều khiển cho mạch phía cao phức tạp hơn nhiều so với mạch phía thấp Với nguồn vào của biến áp xung là 310V thì ta cần một điện áp VG lớn hơn 310V để có thể kích đóng MOSFET, ví dụ như tạo nguồn điện áp cách ly hay mạch Bootstrap Vì thế nên nhóm sẽ chọn cách điều khiển MOSFET phía thấp để có thể đơn giản hóa quá trình điều khiển.

Tính toán thiết kế các thành phần trong mạch

3.3.1 Tính toán điện trở kích đóng, ngắt MOSFET

Trong mạch kích đóng và ngắt MOSFET, điện trở kích cần công suất nhỏ 0,25W, nhưng để đảm bảo an toàn cho mạch, điện trở kích khóa bán dẫn sẽ được chọn là loại 2W.

Bảng 3.1 Thông số cơ bản của mạch khóa dẫn động công suất IR2103

Min Trung bình Max Điện áp nổi phía cao VB VS+10 - VS+20 Điện áp bù phía cao VS - - 600 V Điện áp đầu ra phía cao VHO VS - VB

60 Điện áp nguồn VCC 10 - 20 Điện áp đầu ra phía thấp VLO 0 - VCC

Mức logic HIN&LIN VIN 0 - VCC

Dòng rò điện áp bù ILK - - 50 uA

Dòng tĩnh QBS IQBS - 30 55 Điện trở nội phía cao RDRp - 55 - Ω Điện trở nội phía thấp RDRn - 32 - Ω

Bảng 3.2 Thông số cơ bản của MOSFET 11N90

Min Trung bình Max Điện áp D-S VDS - 900 -

V Điện áp ngưỡng G-S VGE(th) 3,0 5,0 Điện áp kích G-S VGS ±30 Điện áp G-S đủ để mở cổng VGS(min) 5 - - Điện áp thuận của diode VSD - - 1,4

Tốc độ biến thiên điện áp đầu ra dV/dt - 4 - V/ns

61 Điện tích cổng G QG - 60 80 nC Điện tích cổng G-D CGD - 23 30 pF Điện tích cổng G-S CGS - 15 - pF Điện dung cổng G-D CGD - 47 - pF

Dòng rò G-E IGES - - 100 nA Điện dung đầu vào Ciss - 2530 3290 pF Điện dung đầu ra Coss - 215 280 Điện trở kích đóng R G(on)

Ta có: tsw = (3÷4)(td(on)+tr) =3,5.(130+270).10 −9 = 1400 10 −9 (s)

Từ công thức (3.5), suy ra

RG(on) = RTOT - RDRp = 70 - 55= 15 (Ω) Chọn RG(on) = 13 Ω Điện trở kích ngắt R G(off)

3.3.2 Tính toán biến áp xung Ở Việt Nam, dòng điện dân dụng là dòng điện xoay chiều 1 pha có giá trị trong khoảng 85-220V với tần số 50Hz Do đó, ta sẽ có VACmin = 85V và VACmax = 220V

Ta sẽ dùng dòng điện một chiều được chỉnh lưu bởi cầu diode nên VDC sẽ được tính theo công thức như sau:

Yêu cầu đầu ra để nạp cho pin Lithium-ion là 320V – 0,3A nên ta sẽ có công suất đầu ra sẽ là:

Giả sử hiệu suất của mạch ở mức 70%, Eff = 70%, ta sẽ xác định được công suất đầu vào:

Bên cạnh đó, điện áp của dòng điện xoay chiều cũng sẽ được làm phẳng nhờ tác dụng của tụ điện, với hai yếu tố CDC và Dch Với:

Theo CDC, giá trị của tụ điện đầu vào Cin được tính dựa trên công suất đầu vào, với dải điện áp xoay chiều đã xác định Giá trị CDC được khuyến nghị là từ 2 đến 3 uF, do đó, chúng ta sẽ chọn CDC = 3uF.

Dch : tỉ số nạp điện của tụ điện đầu vào Cin Tỉ số này được tham khảo như trong hình sau:

Hình 3.13 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào

VDCmax = √2 V ACmax = √2 265 = 375 (V) Xác định các yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra của biên áp xung

Bảng 3.3 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra

Tần số chuyển mạch 50KHz

Do yêu cầu về điện áp cao và dòng điện thấp, chế độ dòng điện không liên tục được chọn để tính toán biến áp xung Bước đầu tiên là xác định tỉ lệ điện áp và tỉ lệ vòng dây của biến áp, được tính theo công thức n = N P.

Trong đó: VF là độ sụt áp của diode chỉnh lưu đầu ra Trong mạch sử dụng loại Hyperfast diode RHRP30120 có VF = 3.2V

Mà Dmax là tỉ lệ thời gian dẫn của MOSFET Dmax được tính như sau:

TONmax là thời gian tối đa cho phép duy trì chế độ DCM, trong khi thời gian chết Tdt cần thiết để hoạt động ở chế độ dòng điện không liên tục phải có giá trị tối thiểu là 0.2T Do đó, giá trị tối đa của TONmax được xác định là 0,7T.

Tiếp theo, để đảm bảo MOSFET 11N90 không bị cháy trong quá trình hoạt động, cần phải kiểm tra giá trị điện áp lên MOSFET với giá trị VDS của MOSFET

Mà MOSFET 11N90 có VDS = 900V, đáp ứng đủ yêu cầu làm việc và có thể chịu được những xung gai hoặc nhiễu điện áp trong quá trình làm việc

Sau đó, xác định thời gian dẫn của MOSFET để đạt được yêu cầu đẩu ra mong muốn, với công thức sau:

( 311−1)+(320+1)(0,867) = 7,56 (às) Tiếp theo, tính độ tự cảm của cuộn sơ cấp Lp:

Từ đó, xác định được dòng điện đi qua cuộn sơ cấp :

Và dòng điện hiệu dụng đi qua cuộn sơ cấp là:

= 0,62 (A) (3.16) Đường kính dây quấn sẽ là:

Và dòng điện hiệu dụng qua cuộn thứ cấp được xác định như sau:

= 0,60 (A) (3.18) Với Tr là thời gian khởi động lại,

Từ đây, đường kính dây cuộn thứ cấp được xác định là:

Do đường kính dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không có sẵn trên thị trường Vì thế, thay vì dùng một dây có đường kính 0,39 mm, nhóm dùng một dây có đường kính 0,5mm để quấn cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

Tiếp đến, xác định số vòng dây cuộn sơ cấp của biến áp xung để ngăn sự bão hòa lõi,

Np sẽ được tính bằng công thức:

𝑉 𝐷𝐶 : điện áp một chiều đầu vào qua dây sơ cấp (V)

TONmax: thời gian lớn nhất MOSFET đóng (s)

Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi biến áp xung, (mm 2 ) dB: sự biến thiên từ thông bão hòa (T)

Với N pmin = 33,01 vòng, chọn lớn hơn số này để đảm bảo biến áp xung hoạt động tốt và để lại phần còn lại để quấn cuộn thứ cấp Chọn Np = 35 vòng

Từ đây, tính được số vòng dây của cuộn thứ cấp:

Từ đây, chọn được số vòng dây cho cuộn thứ cấp là 43 vòng

Lõi ferrite của biến áp xung phải có khe hở để ngăn sự bão hòa lõi sớm Chiều dài khe hở được tính theo công thức sau đây:

AL: là hệ số điện cảm của lõi Theo thông số của nhà sản xuất thì đối với lõi ferrite loại EE42 thì giá trị AL sẽ bằng 1029 nH/N 2

Lm: là độ tự cảm của cuộn sơ cấp (nH)

Np: là số vòng của cuộn sơ cấp (vòng)

Ae: diện tích mặt cắt ngang của lõi ferrite (m 2 )

Có được chiều dài khe hở G của lõi là:

Theo thông số của nhà sản xuất, thông số khe hở G của biến áp xung EE42 là 0,25 mm

> 0,02 mm Nên biến áp xung này đáp ứng được yêu cầu của mạch

Hình 3.14 Biến áp xung và khe hở của biến áp xung

Tính tụ lọc đầu ra C1 của mạch theo dòng điện đầu ra cao nhất của mạch là 0,5A và điện áp rơi trên tụ là 0,05V Điện dung của tụ điện C1 được tính theo công thức:

0,05 = 84,4 (àF) (3.24) Chọn tụ lọc đầu ra C1 là tụ húa 100àF-400V

Có bảng thống kê các số liệu như sau:

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của biến áp xung

Số vòng dây cuộn sơ cấp Np 35 vòng

Số vòng dây cuộn thứ cấp Ns 43 vòng Đường kính dây cuộn sơ cấp 2x0,5 mm Đường kính dây cuộn thứ cấp 2x0,5mm

Tụ lọc đầu ra C1 100àF-450V

3.3.3 Tính toán mạch snubber Điện áp VRO trong cuộn sơ cấp là do điện áp đầu vào VDC và điện áp ngược trên cuộn thứ cấp tác dụng lên Và điện áp này được tính bằng công thức:

Cuộn sơ cấp có độ tự cảm là: L p = R o

69 Độ tự cảm rò trên cuộn sơ cấp là: LLeak = 0,1 Lp = 0,1 732 10 −6 = 73 10 −6 (H)

Cường độ dòng điện tại đỉnh trên cuộn sơ cấp: I p = V DC T ON

Điện áp kẹp VClamp, được tính toán từ điện áp hoạt động, là mức điện áp an toàn cho linh kiện Khi điện áp kẹp càng nhỏ, linh kiện sẽ được bảo vệ tốt hơn trong quá trình hoạt động.

VDS của MOSFET 11N90 với một mức độ an toàn là 90%

V Clamp = 0,9 V DS = 0,9.900= 810 (V) Chọn tần số nhiễu là fswmax = 50000 (Hz)

Từ đó, tính được giá điện trở cần thiết cho mạch dập xung gai Snubber bằng công thức:

Trong mạch Snubber, tụ được tính theo công thức dưới đây:

50.20000.50000 = 16,2 (ηF) Chọn tụ CSnubber = 22 ηF và mức điện áp là 630V

Và diode cần cho mạch dập xung gai sẽ là một diode phục hồi nhanh (fast recover diode) Do đó, diode UF4007 sẽ được sử dụng

Mô phỏng mạch nạp bằng phần mềm SiMetrix/SIMPLIS

3.4.1 Mục đích của việc mô phỏng

Trong thiết kế mạch điện, mô phỏng đóng vai trò quan trọng giúp hiểu rõ nguyên lý hoạt động thông qua các đồ thị điện áp và cường độ dòng điện Quá trình này cung cấp thông tin về giá trị điện áp và cường độ dòng điện tại các linh kiện, từ đó hỗ trợ việc lựa chọn linh kiện phù hợp nhất cho mạch điện.

Khi lựa chọn linh kiện, việc đảm bảo các thông số hoạt động phù hợp với mạch điện là cực kỳ quan trọng, vì nếu không, linh kiện có thể bị hỏng hoặc cháy nổ, gây mất thời gian và tăng chi phí thiết kế Do đó, mô phỏng mạch điện tử là một bước thiết yếu trong quá trình thiết kế để tránh những rủi ro này.

Phần mềm SIMetrix-SIMPLIS Elements là công cụ chuyên dụng để mô phỏng các mạch điện tử, đặc biệt là các mạch nguồn xung như bộ biến đổi AC-DC, DC-DC và DC-AC Nhóm sẽ sử dụng phần mềm này trong đồ án thiết kế mạch nạp cho xe điện để mô phỏng và nghiên cứu hoạt động của mạch điện.

Hình 3.15 Sơ đồ mạch nạp sử dụng biến áp xung được mô phỏng trên phần mềm

3.4.2 Các bước mô phỏng a Mô phỏng điện áp đầu vào và xung điều khiển

Chọn biểu tượng để mô phỏng điện áp và xung (vì phần mềm không có thư viện của board STM32F103C8 và IR2103)

Hình 3.16 Các thông số của điện áp vào và xung

Chọn chế độ hình sin cho nguồn và chế độ pulse cho xung Với điện áp vào, chọn tần số 50Hz, điện áp hiệu dụng (RMS) là 220V Đối với xung chọn tần số 50KHz và thời gian hoạt động là 28%

72 b Mô phỏng biến áp xung

Chọn ô tìm kiếm, gõ transformer và chọn ideal transformer

Hình 3.17 Các thông số của biến áp xung

Sau khi chọn biến áp lý tưởng, cửa sổ cài đặt thông số của biến áp xung sẽ xuất hiện Trong đó, số cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được chọn là 1, với tỉ số vòng dây cuộn sơ cấp so với thứ cấp là 0,867, dẫn đến tỉ số vòng dây của cuộn thứ cấp với sơ cấp là 1,153 Độ tự cảm của cuộn sơ cấp được xác định là 732 μH Tiếp theo, tiến hành mô phỏng các linh kiện khác.

Chọn linh kiện như tụ, điện trở, diode, MOSFET và cuộn cảm Để thay đổi giá trị của tụ, điện trở và cuộn cảm, hoặc thay đổi loại diode và MOSFET, chỉ cần nhấp đúp chuột trái vào linh kiện tương ứng.

Hình 3.18 Cửa sổ chọn giá trị của điện trở

Hình 3.19 Cửa số chọn giá trị của tụ

Hình 3.20 Cửa sổ chọn giá trị của cuộn cảm

Hình 3.21 Cửa sổ chọn loại diode

Chọn MOSFET tương tự như diode Vì không có MOSFET 11N90 nên nhóm đã chọn MOSFET IPD60R950C6_L0 có giá trị gần giống với MOSFET 11N90

75 d Mô phỏng toàn bộ mạch điện

Sau khi lựa chọn linh kiện và kết nối dây để tạo thành mạch điện, tiến hành cài đặt các thông số mô phỏng tại cửa sổ "Choose Analysis" trong phần "Simulator".

Hình 3.22 Cửa sổ cài đặt các điều kiện mô phỏng

Chọn thời gian mô phỏng là 40ms ứng với 2 chu kì của điện áp đầu vào

Sau khi chọn điều kiện mô phỏng, chúng ta bấm biểu tượng để bắt đầu chạy mô phỏng

Hình 3.23 Kết quả mô phỏng

Sau khi thực hiện mô phỏng, điện áp đầu ra được ghi nhận dao động trong khoảng từ 308V đến 342V, đáp ứng yêu cầu với thông số ban đầu là điện áp lớn hơn 252V để sạc cho bộ pin.

THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH