Nghiên cứu, thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng cho xe máy điện đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TỔNG QUAN

Lí do chọn đề tài

Hầu hết các phương tiện giao thông hiện nay sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu hóa thạch, dẫn đến hiệu suất thấp và phát thải gần một phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính Theo nghiên cứu nửa đầu năm 2017, phương tiện giao thông chịu trách nhiệm cho 55% khí NOx, 56% khí CO và 6% khí SO2 Điều này đã thúc đẩy nghiên cứu phát triển các dòng xe sử dụng nguồn năng lượng mới, sạch hơn và tiết kiệm hơn, trong đó xe điện (EV - Electric Vehicle) nổi bật như một giải pháp quan trọng để giảm ô nhiễm môi trường và giải quyết vấn đề cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch.

Xe máy điện hoạt động bằng điện thay vì xăng dầu, do đó hoàn toàn không phát thải khí độc hại ra môi trường Việc sử dụng xe điện đang trở thành xu hướng phổ biến tại các quốc gia phát triển, góp phần bảo vệ môi trường.

Với sự phát triển mạnh mẽ của ngành điện tử và công nghệ thông tin, xu hướng sử dụng xe điện ngày càng gia tăng, thay thế các dòng xe truyền thống sử dụng động cơ đốt trong Các nhà sản xuất xe máy điện hàng đầu thế giới như Tesla, Toyota, Yamaha, Honda và VinFast (Việt Nam) đang áp dụng pin Lithium-Ion cho các dòng xe điện của họ Loại pin này mang lại nhiều ưu điểm như giảm khối lượng xe, tuổi thọ cao, quãng đường di chuyển xa và thời gian sạc ngắn Tuy nhiên, để tối ưu hóa những lợi ích này, các nhà sản xuất cần nghiên cứu và phát triển hệ thống kiểm soát quá trình nạp và xả pin một cách tỉ mỉ, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả cho người sử dụng.

Mục đích đề tài

 Nghiên cứu, tìm hiểu về lý thuyết của pin lithium-ion 18650

 Tính toán, thiết kế và xây dựng mạch quản lí năng lượng cho xe máy điện được sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ 3 pha 220V-1.5kWh

 Tính toán, thiết kế và chế tạo hộp chứa các pin lithium-ion 18650

Thực hiện thử nghiệm nhằm đánh giá độ ổn định, an toàn và tính khả thi của hệ thống mạch Qua đó, thu thập số liệu và phân tích tính kinh tế, tạo cơ sở cho việc cải tiến và phát triển các nghiên cứu trong tương lai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Phần mềm CodeVisionAVR, Proteus, Inventor

 Tìm hiểu về nguyên lí, đặc tính sạc và xả của pin lithium-ion 18650

 Sử dụng vi điều khiển để kiểm soát các quá trình quá sạc và quá xả cho bộ pin lithium-ion gồm 60 cells mắc nối tiếp

 Sử dụng phần mềm Inventor để thiết kế và chế tạo hộp chứa 60 cells pin lithium- ion mắc nối tiếp.

Phương pháp nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu tài liệu, thu thập các thông tin liên quan đến đề tài, học hỏi kiến thức và kinh nghiệm từ Thầy (Cô), bạn bè

 Phương pháp tính toán, phân tích và so sánh các kết quả đạt được.

Các kết quả nghiên cứu

Bài báo “Nghiên cứu tối ưu tính năng làm việc của pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai” của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Duy Tấn, đăng trên tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K6 – 2017, trình bày việc tính toán thử nghiệm và chế tạo mạch quản lý các chế độ hoạt động của pin lithium-ion, từ đó thu được các kết quả quan trọng.

Để tính toán và lựa chọn một bộ nguồn pin Li-ion 48V-33Ah phù hợp cho xe gắn máy Honda Lead 110cc, cần tích hợp hệ thống truyền động lai với 04 bộ pin 12,6V-33Ah.

 Thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mạch BMS cho bộ pin Li-ion

Dựa trên kết quả đáng tin cậy từ mô phỏng và thực nghiệm, việc lắp đặt và thử nghiệm bộ pin Li-ion trong thực tế là cần thiết để đánh giá toàn diện hiệu suất và chi phí vận hành của xe lai sau khi cải tạo.

Các công ty sản xuất xe điện hàng đầu như Tesla, Nissan và Honda đang tích cực nghiên cứu và cải tiến hệ thống năng lượng cho sản phẩm của họ thông qua việc sử dụng pin Lithium-ion nhờ vào nhiều lợi ích mà nó mang lại Đồng thời, nhiều trường đại học trên thế giới cũng đang nghiên cứu ứng dụng pin Lithium-ion cho xe điện Nghiên cứu "Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles" của M Brandl và H Gall tập trung vào hệ thống quản lý năng lượng cho xe điện sử dụng pin Lithium-ion, ứng dụng vi điều khiển để kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin.

Bài báo "A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on Android Client" của Chuanxue Song và các cộng sự từ trường đại học Jilin, Trung Quốc, công bố năm 2017, đã trình bày một hệ thống giám sát pin xe đạp điện dựa trên máy khách Android và bộ vi điều khiển ARM Hệ thống này không chỉ đáp ứng các yêu cầu giám sát pin thông thường mà còn cho phép theo dõi trạng thái pin một cách dễ dàng Kết quả cho thấy hệ thống đã được áp dụng thành công trong xe đạp điện, với các phương án thử nghiệm khả thi và có thể mở rộng.

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Hệ thống quản lý năng lượng là thành phần thiết yếu trong các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm năng lượng cho phương tiện.

Bốn thống này đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc hỗ trợ quá trình học tập và nghiên cứu mà còn là bước thiết yếu để hiện thực hóa một chiếc xe điện.

Kết quả dự kiến đạt được

Kiểm soát điện áp của bộ pin lithium-ion 60 cells nối tiếp là rất quan trọng để bảo vệ pin khỏi tình trạng quá nạp và quá xả.

Bố cục của đề tài

Chương 2 Cơ sở lý thuyết

Chương 3 Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 4 Thử nghiệm mô hình

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Pin Lithium-Ion

Pin lithium-ion (Li-ion hay LIB) là loại pin sạc, trong đó các ion Liti di chuyển giữa cực dương và cực âm trong quá trình sạc và xả Các điện cực thường sử dụng các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp, cho phép ion Liti xâm nhập vào các khoảng trống giữa các lớp trong quá trình hoạt động Các vật liệu điện cực phổ biến cho cực dương bao gồm các hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp như LiCoO2 và LiMnO2, trong khi cực âm thường sử dụng graphite Dung dịch điện ly trong pin cho phép ion Liti di chuyển giữa các cực, nhưng phải đảm bảo rằng dung dịch này không dẫn điện.

Khi sử dụng pin, quá trình xả diễn ra khi electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương), trong khi ion liti cũng di chuyển từ cực âm sang cực dương Ngược lại, khi sạc pin dưới điện áp sạc, electron di chuyển về anode (trở thành cực dương), trong khi ion liti di chuyển từ cathode (trở thành cực âm) sang anode để cân bằng điện.

Pin lithium-ion (LIB) được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện di động, nhờ vào mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ thấp và khả năng tự xả ít Tại các nước phát triển, LIB đang được chú trọng trong quân đội và ứng dụng cho phương tiện di chuyển điện, với kỳ vọng thay thế ắc-quy chì trong ô tô và xe máy, đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao an toàn sử dụng Các yếu tố như thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn quyết định sự đa dạng của các loại LIB Hiện nay, hầu hết thiết bị điện cầm tay như điện thoại và laptop sử dụng lithium coban oxit (LiCoO2) làm cực dương, mặc dù nó có mật độ năng lượng cao nhưng kém an toàn, đặc biệt khi xảy ra rò rỉ.

Sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là những vật liệu dương cực phổ biến, mặc dù có mật độ năng lượng thấp hơn so với LCO, nhưng lại sở hữu vòng đời dài hơn và độ an toàn cao hơn Các loại pin sử dụng những vật liệu này thường được áp dụng trong thiết bị y tế Đặc biệt, NMC hiện đang là ứng viên hàng đầu cho pin trong xe điện Ngoài ra, liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và liti titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng cho các mục đích đặc biệt Pin liti-lưu huỳnh hay pin liti-sunfua là loại pin mới phát triển, hứa hẹn mang lại hiệu năng cao và trọng lượng nhẹ.

Pin lithium-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy và được nén dưới áp suất cao, tạo ra nguy cơ cháy nổ đặc biệt Nếu pin sạc quá nhanh, có thể dẫn đến đoản mạch và cháy nổ Do đó, các quy chuẩn kiểm tra đối với pin lithium-ion (LIB) nghiêm ngặt hơn nhiều so với pin dung dịch điện ly axit Một ví dụ điển hình về sự cố pin là vụ việc của Samsung Galaxy Note 7 vào năm 2016, gây ra thiệt hại nghiêm trọng.

Các lĩnh vực nghiên cứu về LIB bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin

2.1.2 Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion

Pin Lithium được phát minh bởi nhà hóa học M Stanley Whittingham, hiện đang giảng dạy tại Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970 Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti làm điện cực, nhưng pin sạc lithium này không bao giờ được đưa vào thực tế do titan disulfua cần điều kiện tổng hợp chân không tốn kém và dễ phản ứng với không khí, tạo ra hợp chất hydro sulfua có mùi khó chịu Vì lý do này, Exxon đã ngừng sản xuất pin titan disulfua-lithium Hơn nữa, pin có điện cực lithium kim loại gặp vấn đề an toàn vì lithium dễ cháy trong điều kiện bình thường Do đó, nghiên cứu đã chuyển hướng sang phát triển pin không sử dụng kim loại lithi mà thay vào đó là các hợp chất hóa học của lithium.

7 chấp nhận và giải phóng các ion lithium Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991 [4]

Ngày nay, LIB đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới

Trong phản ứng điện hóa ở pin lithium-ion (LIB), các chất phản ứng chủ yếu bao gồm nguyên liệu điện cực âm và dương, cùng với dung dịch điện ly tạo môi trường cho ion liti di chuyển giữa hai điện cực Khi pin hoạt động, dòng điện chạy qua mạch ngoài và ion liti di chuyển trong cả hai điện cực Hiện nay, hầu hết các nguyên liệu điện cực được sử dụng là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập vào mạng tinh thể mà không làm xáo trộn đáng kể vị trí của các nguyên tử khác trong mạng, giúp duy trì tính ổn định trong quá trình ion liti vào và ra khỏi mạng tinh thể.

Khi ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode) là graphite sang cực dương, vật liệu tại cực dương sẽ phản ứng với ion liti Để duy trì sự cân bằng điện tích giữa hai cực, mỗi ion liti di chuyển từ cực âm sang cực dương sẽ kéo theo một electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, tạo ra dòng điện chảy từ cực dương về cực âm.

Trong quá trình sạc, electron di chuyển từ cực dương của pin (nay trở thành cực âm) dưới điện áp sạc, trong khi ion Liti tách khỏi cực dương và quay trở lại cực âm (nay đóng vai trò cực dương) Điều này cho thấy pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả Việc xác định tên gọi của cực dương và âm phụ thuộc vào bản chất của phản ứng và quá trình diễn ra Trong bài viết này, cũng như trong hầu hết các nghiên cứu khoa học, các thuật ngữ cực âm (anode) và cực dương (cathode) được sử dụng dựa trên trạng thái xả của pin.

Hình 2.1 Quá trình xả và sạc của pin li-ion [5]

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):

(anode) bị khử thành C 6 1- , Co 3+ bị oxi hóa thành Co 4+ , và ngược lại khi xả

Các phản ứng hóa học thường có giới hạn nhất định Khi vượt quá mức cho phép, chẳng hạn như thêm quá nhiều ion liti vào liti coban oxit đã bão hòa, sẽ dẫn đến sự hình thành liti oxit thông qua phản ứng một chiều.

2.1.4 Cấu tạo pin lithium-ion Điện cực dương (cathode)

Vật liệu điện cực dương chủ yếu là LiCoO2 và LiMnO4, trong đó LiCoO2 có cấu trúc pseudo-tetrahedral cho phép ion liti khuếch tán theo hai chiều, mang lại công suất riêng và công suất riêng theo thể tích lớn, đồng thời hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài Tuy nhiên, giá thành của nó cao do chứa Coban, một kim loại hiếm và kém bền nhiệt Ngược lại, LiMnO4 có hệ tinh thể lập phương cho phép ion liti khuếch tán theo ba chiều, đang được chú ý hơn vì Mangan rẻ và phổ biến, có hiệu năng cao hơn và vòng đời dài hơn, mặc dù cần khắc phục một số hạn chế như khả năng hòa tan trong dung dịch điện ly Mặc dù vật liệu chứa Coban vẫn là phổ biến nhất, nhưng nghiên cứu đang hướng đến các vật liệu khác để giảm giá thành và tăng hiệu suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được kỳ vọng sẽ mang lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn, như pin xe điện, nhờ vào giá rẻ và công suất cao, mặc dù kém dẫn điện và cần chất phụ gia dẫn điện cacbon.

Vật liệu âm cực phổ biến trong pin lithium-ion thường là graphite và các vật liệu cacbon khác, nhờ vào tính kinh tế, khả năng dẫn điện tốt và cấu trúc cho phép ion liti xen kẽ vào giữa các lớp cacbon, giúp dự trữ năng lượng hiệu quả với khả năng phình ra tối đa 10% Ngoài ra, silicon cũng được sử dụng làm vật liệu âm cực do khả năng chứa ion liti cao hơn cacbon, nhưng nhược điểm là nó có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, gây ra sự phá vỡ cấu trúc của pin.

Silicon có thể được sử dụng làm điện cực âm, nhưng phản ứng với liti có thể gây nứt gãy vật liệu Những vết nứt này cho phép các lớp silicon bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly, dẫn đến sự phân hủy và hình thành lớp điện ly rắn giao pha (SEI) trên bề mặt silicon mới Lớp SEI dày lên sẽ ngăn chặn quá trình khuếch tán của ion Li+, làm giảm dung lượng, công suất của pin và độ bền của điện cực Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc này.

10 nứt gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạt nano, các cấu trúc xốp nano

Dung dịch điện ly (electrolyte)

Dung dịch điện ly là môi trường truyền ion Liti giữa các điện cực trong quá trình sạc và xả pin Li-ion, với yêu cầu độ dẫn ion liti đạt mức 10 −2 S/cm ở nhiệt độ phòng Độ dẫn này tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 o C và giảm khi xuống 0 o C Khi ion liti di chuyển trong pin, tạo ra chênh lệch điện thế và dòng điện, đòi hỏi dung dịch điện ly phải có độ dẫn electron dưới 10 −8 S/cm để ngăn ngừa đoản mạch Dung dịch điện ly lỏng chứa muối liti như LiPF 6, LiBF 4 hay LiClO 4 trong dung môi hữu cơ như etylen cacbonat Trong quá trình sạc, lớp điện ly rắn giao pha (SEI) hình thành ở cực âm, giúp ngăn chặn sự phân hủy dung dịch điện ly và tạo lớp giao diện bền Dung dịch điện ly composit dựa trên polymer POE cũng có thể bảo vệ bề mặt điện cực trong pin Li-polyme và pin Li-ion thông thường Để tăng tính an toàn và giảm khả năng cháy nổ, các giải pháp như dung môi gel, polymer, và chất điện ly dạng rắn từ ceramic đang được phát triển.

Sử dụng chất điện ly dạng rắn trong pin lithium-ion giúp loại bỏ lớp màng ngăn, đơn giản hóa quy trình lắp ráp và nâng cao tính an toàn cho pin.

2.1.5 Ưu và nhược điểm của pin lithium-ion Ưu điểm

 Chi phí sản xuất thấp vì vậy pin lithium-ion đang rất được ưu chuộng

 Lưu trữ được nhiều năng lượng hơn các dòng pin thế hệ trước (Ni – Cd và Ni – MH)

 Chu kỳ sạc xả 400-500 lần theo qui định chuẩn nhưng có thể hơn tùy theo quy chuẩn hóa của các hãng và người sử dụng

 Suy giảm chất lượng dù bạn có sử dụng hay không

Giới thiệu về vi điều khiển Atmega 328P

Atmega 328P là vi điều khiển chip đơn thuộc họ megaAVR, được sản xuất bởi Atmel Với lõi xử lý RISC 8-bit và kiến trúc Harvard, Atmega 328P nổi bật nhờ giá thành hợp lý, hiệu suất xử lý mạnh mẽ và tiêu thụ năng lượng thấp Nhờ những ưu điểm này, vi điều khiển Atmega 328P đã trở thành lựa chọn phổ biến trong nhiều ứng dụng.

Atmega328 trong dự án mã nguồn mở Arduino với các modul Adruino Uno (R3), Arduino Nano, Arduino Pro mini và rất nhiều sản phẩm nhúng khác

Atmega 328 là bộ vi điều khiển 8 bít dựa trên kiến trúc RISC, sở hữu 32KB ISP flash, 1KB EEPROM và 2KB SRAM Với 23 chân I/O, 32 thanh ghi và 3 bộ timer/counter lập trình được, nó hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông như USART, SPI và I2C Ngoài ra, Atmega 328 còn có bộ chuyển đổi số sang analog 10 bit với tối đa 8 kênh, khả năng lập trình watchdog timer, hoạt động ở 5 chế độ nguồn và hỗ trợ 6 kênh PWM, cùng với bootloader.

Hình 2.3 Atmega 328P Bảng 2.1 Thông số kĩ thuật của vi điều khiển Atmega 328P

Xung nhịp lớn nhất 20 MHz

Bộ nhớ chương trình (Flash) 32 KB

Bộ nhớ EEPROM 1 KB Điện áp hoạt động 1,5 – 5V

Bộ đọc ADC 8 kênh với độ phân giải 10-bit

Số Timer 3 ( 2 Timer 8-bit và 1 Timer 16-bit)

Số kênh xung PWM 6 kênh ( 1 Timer 2 kênh)

Số lượng kênh cảm ứng 16

2.2.2 Cấu trúc chung của vi điều khiển Atmega 328P

Sơ đồ khối (block diagram)

Hình 2.4 Sơ đồ khối vi điều khiển Atmega 328P [6]

ATmega328P là vi điều khiển mạnh mẽ, linh hoạt và hiệu quả về chi phí, phù hợp cho nhiều ứng dụng điều khiển nhúng AVR ATmega328P được hỗ trợ bởi bộ công cụ phát triển toàn diện, bao gồm trình biên dịch C, trình biên dịch macro, công cụ gỡ lỗi, mô phỏng chương trình, giả lập trong mạch và bộ đánh giá.

Chức năng các chân trên Atmega 328P

Hình 2.5 Các chân trên Atmega 328P [6]

VCC: Điện áp cung cấp cho vi điều khiển (5V)

AVCC: Chân chọn điện áp tham chiếu ADC

AREF: Chân chọn điện áp tham chiếu ADC

Cổng B: Bao gồm các chân từ PB0 đến PB7 Cổng này là cổng hai chiều 8 bit có điện trở kéo lên bên trong

Cổng C bao gồm các chân từ PC0 đến PC7, đóng vai trò là đầu vào tương tự cho quá trình chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (ADC) Khi không sử dụng bộ chuyển đổi này, cổng C có thể hoạt động như một cổng đầu vào / đầu ra hai chiều 8 bit.

Cổng D: Bao gồm các chân từ PD0 đến PD7 Nó cũng là một cổng đầu vào / đầu ra 8 bit có điện trở kéo lên bên trong

OCXA – OCXB (X2:0): Là các chân phục vụ cho chức năng tạo xung PWM của bộ định thời, đếm (timer/counter) trên vi điều khiển Atmega 328P

2.2.3 Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) bằng Timer/Counter0 trên VĐK Atmega 328P

PWM là tín hiệu xung với chu kỳ cố định, trong đó thời gian tín hiệu ở mức cao (duty cycle) có thể điều chỉnh để thay đổi điện áp đầu ra.

Hình 2.6 Đồ thị dạng xung điều chế PWM [7]

PWM (Pulse Width Modulation) là phương pháp tạo ra tín hiệu xung có thể điều chỉnh duty cycle và thời gian Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển, đặc biệt là trong việc điều khiển động cơ và các bộ xung áp PWM không chỉ giúp điều chỉnh tốc độ động cơ mà còn đảm bảo sự ổn định trong quá trình hoạt động Bên cạnh đó, PWM còn được sử dụng trong các mạch nguồn như Boost, Buck, và nghịch lưu 1 pha và 3 pha, góp phần quan trọng vào việc điều chế và quản lý năng lượng.

Timer/Counter0 trên Atmega328P là một chức năng lý tưởng để tạo ra các tín hiệu PWM theo mong muốn

Bộ Timer/Counter0 (bộ định thời/bộ đếm 0) trên Atmega 328P

Sơ đồ khối Timer/Counter0

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ timer/counter0 trên Atmega 328P [6]

Các định nghĩa của Timer/Counter0

BOTTOM: Bộ đếm đạt tới giá trị BOTTOM khi nó có giá trị 0x00

MAX: Bộ đếm đạt tới giá trị MAX khi nó bằng 0xFF (hệ thập phân 255)

Bộ đếm đạt giá trị TOP khi giá trị của nó bằng với giá trị cao nhất trong chuỗi đếm Giá trị cao nhất này không nhất thiết phải là 0xFF, mà có thể là bất kỳ giá trị nào được quy định trong thanh ghi OCRn (n=0,2), tùy thuộc vào chế độ thực thi.

Bộ định thời 0 có những đặc điểm nổi bật như bộ đếm đơn kênh, khả năng xóa bộ định thời khi có sự kiện so sánh khớp (compare match) và tính năng tự nạp lại Ngoài ra, nó còn có thể đếm từ bộ dao động 32 KHz bên ngoài và hỗ trợ chế độ PWM hiệu chỉnh pha.

Chức năng Compare Match trong bộ định thời cho phép so sánh liên tục giá trị của thanh ghi TCNTn (n=0, ,3) với giá trị của thanh ghi OCRn (n=0, ,3) Khi hai giá trị này bằng nhau, sẽ xảy ra sự thay đổi mức logic ở chân OCn (n=0, ,3), từ đó tạo ra xung PWM tại ngõ ra OCn của vi điều khiển Bộ Timer/Counter0 bao gồm 7 thanh ghi 8-bit: TCCR0A, TCCR0B, TCNT0, OCR0A, OCR0B, TIMSK0 và TIFR0, chứa các bit cần thiết để thiết lập chế độ hoạt động của bộ Timer/Counter0.

Có 4 chế độ hoạt động trên bộ Timer/Counter0 bao gồm: Normal mode (chế độ thường), Clear Timer on Time Compare Match (CTC) mode (chế độ Xóa Timer khi xảy ra Compare Match), Fast PWM mode (chế độ PWM tần số cao) và Phase Correct PWM mode (chế độ PWM với pha chính xác)

Fast PWM mode (chế độ PWM tần số cao)

Chế độ Fast PWM cung cấp dạng sóng xung tần số cao, với mỗi chu kỳ được tính từ BOTTOM lên TOP (single-slope), cho phép tần số hoạt động nhanh gấp đôi so với Phase Correct PWM (dual-slope) Tần số cao này làm cho Fast PWM lý tưởng cho điều chỉnh công suất, chỉnh lưu và ứng dụng DAC, đồng thời cho phép sử dụng các thành phần bên ngoài nhỏ gọn như cuộn dây và tụ điện, từ đó giảm tổng chi phí hệ thống Giá trị TOP, quy định thời gian chu kỳ, có thể là 0xFF hoặc giá trị trong thanh ghi OCR0A, tùy thuộc vào cách cài đặt các bit WGM (Waveform Generation Modulation), trong khi giá trị Duty cycle được xác định bởi thanh ghi OCR0A (khi TOP là 0xFF) hoặc OCR0B (khi TOP là OCR0A).

Hình 2.8 Chế độ Fast PWM [6]

2.2.4 Chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC – Analog to Digital Converter) trên Atmega 328P

ADC, hay mạch chuyển đổi tương tự ra số, là linh kiện bán dẫn có chức năng chuyển đổi đại lượng vật lý liên tục, thường là điện áp, thành giá trị số đại diện cho độ lớn của đại lượng đó.

Bộ ADC của Atmega 328P có độ phân giải 10 bit và sai số tuyệt đối ± 2 LSB, với dải tín hiệu ngõ vào từ 0V đến VCC Nó hỗ trợ 8 ngõ vào đa hợp đơn hướng và 7 ngõ vào vi sai ADC này hoạt động theo phương pháp xấp xỉ liên tiếp, có hai chế độ chuyển đổi là chuyển đổi liên tục và chuyển đổi từng bước Để hoạt động hiệu quả, ADC cần được cấp nguồn điện áp riêng tại chân AVCC, với giá trị điện áp không vượt quá 0.3V so với nguồn nuôi chip (VCC) Điện áp tham chiếu (V REF) dùng để so sánh với tín hiệu analog có thể được tạo ra từ 3 nguồn: điện áp tham chiếu nội 2.56V, điện áp AVCC, hoặc điện áp ngoài trên chân VREF Cần chú ý đến tiếng ồn khi chọn điện áp tham chiếu, đặc biệt nếu sử dụng điện áp ngoài, cần phải lọc thật tốt.

25 dùng điện áp tham chiếu nội 2.56V hoặc AVCC thì chân VREF cần được nối với một tụ điện

Tần số clock ADC là tần số cung cấp cho bộ biến đổi ADC, có thể thay đổi từ vài KHz đến vài MHz Tần số lý tưởng cho độ phân giải 10 bit nằm trong khoảng 50KHz đến 200KHz, trong khi tần số có thể vượt quá 200KHz nếu độ phân giải thấp hơn.

Atmega 328P cung cấp hai lựa chọn ngõ vào tương tự, bao gồm 10 ngõ vào đơn hướng (single ended): ADC0 đến ADC7, AGND và bandgap reference Trong thực tế, chúng ta thường sử dụng 8 ngõ vào từ ADC0 đến ADC7, cho phép đưa vào 8 tín hiệu tương tự khác nhau Khi sử dụng ngõ vào kiểu single ended, kết quả chuyển đổi được tính toán dựa trên các tín hiệu này.

ADC VALUE = (V IN *1023)/V REF Để sử dụng bộ ADC ta thực hiện các bước sau:

1 Cấu hình cho bộ ADC: Chọn điện thế tham chiếu, kiểu ngõ vào bằng cách cấu hình cho thanh ghi ADMUX

2 Cho phép ADC hoạt động: Chọn chế độ hoạt động, các ngắt, tần số Clock ADC bằng cách cấu hình cho thanh ghi ADCSRA

Ví dụ: Dùng ADC 10bit, tốc độ 500.000 kHz, chạy từng bước

#include //Khai báo là đang dùng ATmega128

// hàm đọc kết quả ADC, tên hàm là tùy ý, theo chuẩn C unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) {

ADMUXc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff);

// Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10);

// Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0);

Unsigned int adc_temp ; // khai báo biến để lưu kết quả ADC

// Khởi tạo cho bộ ADC ở đây

// Tần số biến đổi: 500.000 kHz

//Chân làm điện thế so sánh cho bộ ADC là AVCC

//Điện thế của AVCC là cố định (bằng VCC cấp cho AVR)

ADCSRA=0x84; // xong phần khởi tạo

// adc_temp = read_adc (0) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC0 adc_temp = read_adc (1) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC1

// adc_temp = read_adc (7) ; //đọc kết quả ADC ở chân ADC7

//phải disable chức năng jtag

Một số linh kiện bán dẫn khác

2.3.1 IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT, hay Transistor có cực điều khiển cách ly, là một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực được phát minh bởi Hans W Beck và Carl F Wheatley vào năm 1982 Linh kiện này kết hợp khả năng đóng ngắt nhanh của MOSFET với khả năng chịu tải lớn của transistor thông thường Ngoài ra, IGBT còn là phần tử điều khiển bằng điện áp, giúp giảm thiểu công suất điều khiển cần thiết.

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động

IGBT có cấu trúc bán dẫn tương tự như MOSFET, nhưng khác biệt ở chỗ có thêm lớp nối với collector, tạo thành cấu trúc P-N-P giữa emitter (tương tự cực gốc) và collector (tương tự cực máng), thay vì N-N như MOSFET Do đó, IGBT có thể được coi như một transistor P-N-P, trong đó dòng base được điều khiển bởi một MOSFET.

Hình 2.9 Cấu tạo của IGBT kênh N [8]

Dưới tác động của áp điều khiển U GE >0, kênh dẫn các điện tử được hình thành tương tự như trong cấu trúc MOSFET Các điện tử này di chuyển về phía collector, vượt qua lớp tiếp giáp N-P, tương tự như quá trình giữa base và collector trong transistor thông thường, từ đó tạo ra dòng collector Điều này thể hiện đặc tính đóng ngắt của IGBT.

Cấu trúc N-P-N của IGBT khiến điện áp thuận giữa C và E thấp hơn so với Mosfet, nhưng thời gian đóng ngắt của IGBT chậm hơn, đặc biệt khi khóa lại Hình 2.9 minh họa cấu trúc tương đương của IGBT với Mosfet và một transistor P-N-P Dòng qua IGBT bao gồm hai thành phần: i1 (dòng qua Mosfet) và i2 (dòng qua transistor) Phần Mosfet trong IGBT có thể khóa nhanh nếu điện tích giữa G và E được xả hết, dẫn đến i1 = 0 Tuy nhiên, i2 không giảm nhanh do điện tích tích lũy trong cấu trúc P-N-P chỉ có thể mất đi qua quá trình tự trung hòa, gây ra hiện tượng kéo dài dòng điện khi khóa IGBT.

Vấn đề bảo vệ IGBT

IGBT thường được sử dụng trong các mạch đóng ngắt tần số cao từ 2 đến hàng chục kHz Ở tần số này, các sự cố có thể nhanh chóng gây hư hỏng cho thiết bị, chủ yếu do quá dòng từ ngắn mạch hoặc lỗi trong quá trình chế tạo và lắp ráp Để ngắt dòng IGBT, có thể đưa điện áp điều khiển về giá trị âm Tuy nhiên, quá tải dòng điện có thể làm IGBT ra khỏi chế độ bão hòa, dẫn đến sự gia tăng đột ngột công suất phát nhiệt.

Khi IGBT bị khóa trong thời gian ngắn với dòng điện lớn, có thể gây quá áp trên collector và emitter, dẫn đến hỏng hóc phần tử Trong trường hợp quá dòng, việc điều khiển IGBT bằng xung ngắn theo quy luật không còn khả thi, và việc ngắt xung điều khiển để dập tắt dòng điện cũng không đơn giản Để ngăn chặn hậu quả của việc tắt dòng đột ngột, có thể sử dụng mạch dập RC (snubber circuit) mắc song song với các phần tử, tuy nhiên điều này có thể làm tăng kích thước và giảm độ tin cậy của thiết bị Giải pháp tối ưu là thực hiện khóa mềm (soft turn-off) để làm chậm quá trình khóa của IGBT khi phát hiện sự cố dòng tăng quá mức cho phép.

Photocoupler, còn được gọi là phần tử cách ly quang (opto-isolator) hay optocoupler, là một linh kiện bán dẫn có chức năng truyền tín hiệu giữa hai mạch điện được cách ly với nhau thông qua việc sử dụng ánh sáng.

Nguyên lý hoạt động của photocoupler khá đơn giản, bao gồm một diode phát quang LED chiếu sáng vào cửa sổ của một diode quang hoặc phototransistor, tất cả được bọc trong vỏ kín ánh sáng Khi LED phát sáng, ánh sáng sẽ được phototransistor tiếp nhận, làm giảm điện trở thuần của nó và tăng dòng điện qua transistor Hai mức độ chính của quá trình này là điều quan trọng cần lưu ý.

Khi cường độ sáng đạt mức đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ vào trạng thái bão hòa Photocoupler chủ yếu được sử dụng để truyền tín hiệu logic trong thực tế.

Nếu cường độ sáng không đủ mạnh, transistor cảm quang sẽ không đạt trạng thái bão hòa Photocoupler có khả năng truyền tín hiệu analog, tuy nhiên, chế độ này ít được sử dụng do đường đặc tính vào-ra có đoạn tuyến tính hẹp, dẫn đến việc không đảm bảo độ trung thực của tín hiệu truyền.

Hình 2.10 Nguyên lí hoạt động của Opto quang [10] Ứng dụng

Photocoupler là linh kiện quan trọng trong các thiết bị số, giúp cách ly điện giữa các phần mạch để ngăn ngừa sốc điện và nhiễu tín hiệu Chúng thường được sử dụng trong các thiết bị đo đạc thí nghiệm, nơi số liệu được số hóa và truyền đến máy tính thông qua photocoupler Các phần mạch thường được cấp nguồn từ các modul nguồn khác nhau Ngoài ra, photocoupler còn được tích hợp vào các linh kiện như transistor, MOSFET, IGBT và TRIAC công suất lớn để điều khiển dòng điện, tạo thành các rơ le bán dẫn.

Điện trở (Resistor) là linh kiện điện tử thụ động với hai tiếp điểm kết nối, thường được sử dụng để hạn chế cường độ dòng điện, điều chỉnh tín hiệu, chia điện áp và kích hoạt các linh kiện điện tử chủ động như transistor Điện trở công suất có khả năng tiêu tán năng lượng điện thành nhiệt, thường thấy trong bộ điều khiển động cơ và hệ thống phân phối điện Các điện trở này thường có trở kháng cố định, ít thay đổi bởi nhiệt độ và điện áp Biến trở là loại điện trở có thể điều chỉnh được trở kháng, tương tự như núm vặn âm lượng Ngoài ra, còn có các cảm biến sử dụng điện trở biến thiên như cảm biến nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, lực tác động và phản ứng hóa học.

Cách đọc giá trị điện trở

Để đọc giá trị của một điện trở, ngoài việc tham khảo trị số in trên linh kiện, người dùng còn áp dụng quy ước chung để xác định trị số và các tham số liên quan Giá trị điện trở được tính bằng đơn vị Ohm, và có thể chuyển đổi sang các đơn vị lớn hơn như kilo hoặc mega để tiện lợi hơn.

Bảng 2.2 Giá trị điện trở theo vòng màu

Tính giá trị điện trở

 Đối với điện trở 4 vạch màu:

Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

Vạch màu thứ ba trên điện trở biểu thị hệ số nhân kết hợp với giá trị số mũ của 10, được sử dụng để tính toán giá trị điện trở Trong khi đó, vạch màu thứ tư cho biết giá trị sai số của điện trở.

 Đối với điện trở 5 vạch màu:

Vạch màu thứ nhất: Chỉ giá trị hàng trăm trong giá trị điện trở

Vạch màu thứ hai: Chỉ giá trị hàng chục trong giá trị điện trở

Vạch màu thứ ba: Chỉ giá trị hàng đơn vị trong giá trị điện trở

Vạch màu thứ 4 trên điện trở thể hiện hệ số nhân, được tính bằng giá trị số mũ của 10 nhân với giá trị điện trở Vạch màu thứ 5 cho biết giá trị sai số của điện trở.

Ví dụ: Điện trở màu vàng, cam, đỏ, ứng với chữ số là: 4,3,2 Hai chữ số đầu tiên tạo số

43 Chữ số thứ 3 (2) là lũy thừa của 10 Cách tính như sau:

Ví dụ: Một điện trở có các vạch màu xanh dương, vàng, đỏ, nâu, nâu, ứng với các chữ số là 6,4,2,1,1 Giá trị được tính như sau:

Diode và mạch chỉnh lưu

Diode bán dẫn là một thiết bị điện cho phép dòng điện chỉ di chuyển theo một hướng nhất định, ngăn chặn dòng điện chảy ngược lại Đây là loại diode phổ biến nhất trong thiết kế mạch hiện đại, mặc dù còn nhiều công nghệ diode khác cũng có mặt trên thị trường.

Hình 2.11 Cấu tạo diode bán dẫn [11]

Diode Zener, hay còn gọi là diode ổn áp, là một loại diode bán dẫn hoạt động ở chế độ phân cực ngược tại vùng điện áp đánh thủng, được biết đến với tên gọi điện áp Zener hoặc thác lở Khi diode Zener hoạt động, giá trị điện áp sẽ giữ gần như cố định, giúp ổn định điện áp cho mạch điện Thiết kế của diode Zener cho phép nó duy trì một mức điện áp ổn định gần bằng giá trị ghi trên diode khi phân cực ngược.

Hình 2.12 Cấu tạo diode zenner [12]

Mạch chỉnh lưu là một mạch điện sử dụng linh kiện điện – điện tử để chuyển đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều Mạch này thường được áp dụng trong các bộ nguồn cung cấp điện một chiều và trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện Các thành phần chính trong mạch chỉnh lưu bao gồm diode bán dẫn, đèn chỉnh lưu thủy ngân và các linh kiện khác.

Mạch chỉnh lưu nửa sóng cho phép chỉ một nửa chu kỳ dương hoặc âm đi qua diode, trong khi nửa còn lại bị chặn do chiều lắp đặt của diode Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên hiệu suất truyền công suất của mạch này rất thấp Mạch chỉnh lưu nửa sóng thường sử dụng một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.

Hình 2.13 Mạch chỉnh lưu nửa sóng [12]

Mạch chỉnh lưu toàn sóng

Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai thành phần cực tính của dạng sóng đầu vào thành một chiều Do đó nó có hiệu suất cao hơn

Hình 2.14 Mạch chỉnh lưu toàn sóng [12]

Mạch chỉnh lưu toàn sóng chuyển đổi cả hai nửa chu kỳ của dòng điện xoay chiều thành một điện áp đầu ra duy nhất, có thể là dương hoặc âm Quá trình này diễn ra bằng cách chuyển hướng dòng điện của nửa chu kỳ âm hoặc dương, kết hợp cả hai nửa để tạo ra một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh.

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

THỰC NGHIỆM