Đồ án 1 acquy
GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẠC ACQUY
GIỚI THIỆU
1 Cấu tạo Ácquy được cấu tạo bởi 2 hay nhiều các ngăn acquy nhỏ được ghép lại với nhau, các ngăn này chuyển hóa năng thành điện năng Một ngăn gồm 2 bản cực, cực dương và cưc âm được nhúng một dung dịch điện phân nên sẽ có sự tác dụng giữa các bản cực với dung dich điện phân và sinh ra dòng điện một chiều Trong trường hợp các acquy có thể sạc, các phản ứng hóa học diễn ra ngược lại bằng cách cho dòng điện vào acquy
Accquy chì acid là loại acquy phổ biến nhất
2 Các thông số của acquy
Mỗi ngăn acquy có điện áp nhỏ và được nối tiếp để tạo ra điện áp yêu cầu cho xe hơi, thường là 6V hoặc 12V Khi dòng điện được sử dụng, điện áp sẽ giảm, trong khi khi acquy được sạc, điện áp sẽ tăng trở lại.
Hình 1.1 Mạch tương đương của acquy
Acquy có suất điện động E không đổi, nhưng điện áp giữa hai bản cực là V, do ảnh hưởng của điện trở trong Giá trị điện áp này phụ thuộc vào dòng điện I chảy qua hai bản cực của acquy Điện áp trên hai bản cực có thể được tính toán dựa trên các yếu tố này.
Công thức V = E – IR cho thấy rằng khi dòng điện I bằng 0, điện áp giữa hai bản cực được xem là E, tức là điện áp hở mạch Khi acquy được sạc, điện áp sạc sẽ tăng lên.
IR Vì vậy điện trở trong của acquy càng nhỏ càng tốt
Trong thực tế E không phải là một hằng số Điện áp bị ảnh hưởng bởi trạng thái sạc và nhiều nhân tố khác như nhiệt độ
Khả năng tích điện của acquy là một thông số quan trọng, được đo bằng coulomb trong hệ SI, tương ứng với lượng điện tích khi một amp chảy qua trong một giây Tuy nhiên, do coulomb là đơn vị nhỏ, nên amphour thường được sử dụng để biểu thị dung lượng Ví dụ, nếu dung lượng của một acquy là 10 amphours, điều này có nghĩa là acquy có thể cung cấp dòng 1 amp trong 10 giờ, 2 amps trong 5 giờ, hoặc 10 amps trong 1 giờ.
Nhưng thực tế theo như thông số là 10Amphours, nếu như 10Ampe được lấy ra thì khả năng phóng của acquy sẽ không quá 1 giờ
Dung lượng của acquy 100Amphour sẽ bị ảnh hưởng bởi tốc độ phóng điện Nếu phóng điện trong 1 giờ, dung lượng chỉ còn khoảng 70Amphours, trong khi nếu phóng điện trong 20 giờ, dung lượng có thể đạt tới 110Amphours Hiện tượng này xuất phát từ các phản ứng không mong muốn trong các ngăn acquy, đặc biệt rõ ràng ở acquy chì axit, nhưng cũng xảy ra với tất cả các loại acquy.
Hiệu suất của năng lượng
10 Đây là tỷ lệ giữa năng lượng mà một acquy có thể cung cấp cho tải với năng lượng cần thiết mà acquy nạp vào trước khi phóng điện
Tỷ lệ tự phóng điện
Hầu hết các loại acquy sẽ bị hiện tượng tự xả khi không được sử dụng, cho thấy rằng acquy không thể để lâu mà không được nạp Tỷ lệ xả này phụ thuộc vào loại acquy và nhiệt độ môi trường.
Nhiệt độ khi hoạt động và làm mát
Nhiều loại acquy có khả năng hoạt động ở nhiệt độ môi trường, nhưng một số loại yêu cầu nhiệt độ cao hơn để sử dụng hiệu quả Việc làm nóng trước khi sử dụng và làm mát trong quá trình hoạt động là cần thiết cho những loại này Tuy nhiên, hiệu suất của acquy sẽ giảm đáng kể khi làm việc ở nhiệt độ thấp Do đó, khi lựa chọn acquy, cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố liên quan đến nhiệt độ.
Tuổi thọ và số lần nạp lại
Hầu hết acquy chỉ có thể được nạp lại từ vài trăm đến một vài nghìn lần, tùy thuộc vào loại acquy, thiết kế chi tiết và cách sử dụng của nó Đây là thông tin quan trọng trong các thông số kỹ thuật của acquy.
3.1 Acquy chì axit Đây là loại acquy được sử dụng rộng rãi nhất trong các loại xe Ở trong các ngăn của loại acquy này cực âm được cấu tạo từ chì, cực dương làm từ chì oxit, các cực này được ngâm vào trong một dung dịch điện phân loãng của axit sunfuric Axit sunfuric kết hợp với chì, chì oxit, sinh ra chì sunfat và nước, năng lượng sẽ được sinh ra trong suốt quá trình này
Phản ứng trên được mô tả trên hình 1.2
Hình 1.2 Phản ứng trên mỗi cực acquy
Phần trên của hình vẽ diễn tả quá trình phóng điện của acquy, cả 2 bản cực đều hình thành chì sunfat, dung dịch axit sunfuric bị loãng dần,
Khi nạp điện, 2 bản cực trở lại thành chì và chì oxit, dung dịch điện phân tăng trở lại tính axit
Acquy chì axit này được sử dụng rất rông rãi, hoạt động tin cậy, các thành phần cấu tạo rẻ, và điện áp khoảng 2V cho mỗi ngăn
Đặc trưng riêng của acquy chì axit
Các phản ứng trong acquy không chỉ diễn ra như hình vẽ mà còn liên quan đến cả hai cực của acquy tác dụng với axit sunfuric, mặc dù quá trình này diễn ra chậm Cụ thể, tại cực dương, phản ứng 2PbO2 + 2H2SO4 tạo ra 2PbSO4 + 2H2O + O2, trong khi tại cực âm, phản ứng Pb + H2SO4 tạo ra PbSO4 + H2 Đây là quá trình tự phóng của acquy, tốc độ diễn ra phụ thuộc vào nhiệt độ của acquy; nhiệt độ càng cao, quá trình diễn ra càng nhanh, cùng với sự nguyên chất của các linh kiện.
Sau khi sạc đầy acquy, việc tiếp tục sạc sẽ không còn chì sunfat để nhận electron, dẫn đến sự hình thành khí H2 và O2, làm cho dung dịch trong acquy bị cạn dần.
Acquy này sử dụng điện cực bằng nikel, được phát triển từ nghiên cứu của Edison vào cuối thế kỷ 19 Các loại acquy này bao gồm kim loại nickel, nickel-kẽm và nickel-cadmium.
Acquy nicken-cadimi Đây là loại acquy coi là phổ biền ngang với acquy chì, nhưng nó có chỉ số năng lượng riêng gấp đôi acquy chì
Acquy nicken-cadimi sử dụng nicken oxyhidroxide để làm cực dương và cadimi làm cực âm, năng lượng điện thu được qua phản ứng sau:
Cd + 2NiOOH + 2H2O Cd(OH)2 + 2Ni(OH)2
Acquy NiCad có ứng dụng phổ biến với khả năng sạc lại lên đến 2500 lần Nó hoạt động hiệu quả trong dải nhiệt độ từ -40°C đến trên 80°C, có chỉ số tự phóng thấp và khả năng lưu trữ năng lượng lâu dài Thời gian sạc đầy chỉ mất khoảng 1 giờ và có thể đạt 60% dung lượng trong 20 phút.
Mỗi ngăn acquy cung cấp điện áp khoảng 1.2V, do đó cần 10 ngăn để đạt được điện áp 12V Ngoài ra, Cd là một chất gây ô nhiễm môi trường và có khả năng gây ung thư, điều này làm tăng chi phí sản xuất acquy.
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN MẠCH LỰC
Nguyên lý hoạt động
Trong khoảng thời gian từ 0 đến t0, khi van dẫn điện, nguồn cung cấp năng lượng cho phụ tải với điện áp Ut = E Do dòng điện từ nguồn i1 phải đi qua điện cảm L, điện cảm này sẽ tích lũy năng lượng trong giai đoạn van Tr dẫn.
Trong giai đoạn còn lại từ thời điểm t0 đến khi kết thúc chu kỳ điều khiển, van Tr sẽ khóa lại, trong khi điện cảm L giải phóng năng lượng đã tích lũy trước đó Dòng điện qua L vẫn duy trì chiều cũ và tiếp tục chảy qua van đệm D (dòng i2), dẫn đến việc Ut = -Ud gần bằng 0.
Sơ đồ thay thế khi Tr khóa
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN MẠCH ĐIỀU KHIỂN
NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA BĂM XUNG MỘT CHIỀU
Nguyên lý cơ bản của băm xung một chiều được thể hiện qua hình 3.1, trong đó van Tr hoạt động như một khóa điện tử giữa nguồn một chiều E và tải Rt Hoạt động của băm xung một chiều (BXMC) liên quan đến việc đóng cắt van theo chu kỳ với quy luật nhất định.
Trong khoảng thời gian 0 - t0 , cho van dẫn, điện áp rơi trên tải Ut có giá trị bằng điện áp nguồn Ut = E
Từ t0 - t1, van Tr không dẫn (mạch hở), tải bị ngắt khỏi nguồn nên Ut = 0
Để kiểm soát điện áp nguồn, các khóa điện tử công suất thường được sử dụng vì chúng có đặc tính tương tự như khóa lý tưởng Khi khóa dẫn điện (đóng), điện trở của nó gần như không đáng kể, trong khi khi khóa bị ngắt (mở ra), điện trở trở nên rất lớn, dẫn đến điện áp trên tải bằng 0.
Hình 3.1 Nguyên lý băm xung một chiều (BXMC)
Như vậy giá trị trung bình của điện áp trên tải là:
Trong đó: t0 - thời gian khóa K đóng, γ - tham số điều chỉnh,
T - chu kỳ đóng cắt của van
Biểu thức (3.1) cho thấy rằng điện áp đầu ra có thể được điều chỉnh thông qua việc thay đổi tham số γ Thiết bị này, nhờ vào khả năng "băm" điện áp một chiều E thành các "xung" điện áp ở đầu ra, được gọi là "Băm xung áp một chiều – BXMC".
Có hai phương pháp chính cho phép thay đổi tham số γ là:
1 Thay đổi thời gian t0, còn giữ chu kỳ T, như vậy ta dùng cách thay đổi độ rộng của xung điện áp ra tải trong quá trình điều chỉnh, nên cách này được gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) (Pulse Width Modulation)
2 Thay đổi chu kỳ T, còn giữ thời gian t0 không đổi Cách này ngược lại với cách trên, độ rộng xung điện áp ra tải được giữ nguyên, mà chỉ thay đổi tần số lặp lại của xung này, vì vậy được gọi là phương pháp xung – tần Phương pháp này không thuận lợi khi phải điều chỉnh điện áp trong dải rộng, vì tần số biến thiên nhiều sẽ làm thay đổi mạnh giá trị trở kháng khi mạch có chứa các điện cảm hoặc tụ điện nên khó tính toán thiết kế, nhất là hệ thống điều chỉnh kín vì lúc đó mạch thuộc hệ có tham số biến đổi Vì vậy phương pháp này chỉ dùng khi phạm vi điều chỉnh hẹp và thực tế ít được sử dụng
Ta thấy rằng khóa điện tử Tr chỉ làm việc đúng như một van bán dẫn, vì thế BXMC có nhiều ưu điểm như:
Bộ biến đổi hiệu suất cao có tổn hao công suất không đáng kể so với các bộ biến đổi liên tục, nhờ vào tổn hao thấp trong van bán dẫn.
Bộ điều chỉnh này có độ chính xác cao và ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, nhờ vào việc điều chỉnh thời gian đóng khóa Tr thay vì giá trị điện trở của phần tử điều chỉnh như các bộ điều chỉnh liên tục truyền thống.
Kích thước gọn và nhẹ
Tuy nhiên BXMC có những nhược điểm là:
Cần có bộ lọc đầu ra, do đó làm tăng quán tính điều chỉnh
Tần số đóng cắt lớn sẽ gây ra nhiễu cho các thiết bị xung quanh
Các bộ biến đổi công suất (BXMC) được phân loại thành hai loại: băm xung không đảo chiều và băm xung có đảo chiều dòng tải Trong chương 2, tôi đã phân tích băm xung một chiều nối tiếp (Buck - giảm áp) và băm xung một chiều có đảo chiều (Full Bridge) Ở chương này, tôi sẽ tập trung vào phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation), vì phương pháp này đơn giản hơn nhiều so với phương pháp Xung - Tần.
ĐIỀU KHIỂN THEO PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH ĐỘ RUNG XUNG
Phương pháp băm xung với tần số không đổi f=const cho phép điều chỉnh điện áp ra tải bằng cách thay đổi độ rộng khoảng dẫn của van to= var Sơ đồ cấu trúc được sử dụng để thực hiện phương pháp này được minh họa trong hình 3.9a, trong khi hình 3.9b thể hiện đồ thị nguyên lý hoạt động Các khâu trong hệ thống đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp.
1 Khâu phát xung chủ đạo nhằm tạo dao động với tần số cố định nhằm đảm bảo điều kiện băm xung với tần số không đổi
2 Khâu tạo điện áp răng cưa theo tần số của khâu phát xung chủ đạo, đồng thời đảm bảo phạm vi điều chỉnh tối đa của tham số
3 Khâu so sánh tạo xung: So sánh điện áp răng cưa urc với điện áp điều khiển uđk , điểm cân bằng giữa chúng chính là điểm t0 Do đó khi điện áp điều khiển thay đổi
Sự thay đổi của t0 sẽ ảnh hưởng đến tham số điều chỉnh γ, dẫn đến sự biến đổi trong điện áp ra của khâu Điện áp này sẽ có dạng xung, tương ứng với giai đoạn của van lực Tr dẫn.
4 Khâu khuếch đại công suất nhằm tăng công suất xung tạo ra ở khâu so sánh, đồng thời phải thực hiện ghép nối với van lực theo tính chất điều khiển của van lực
5 Khâu tạo điện áp điều khiển theo luật công nghệ a) b)
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM
1 Phát xung chủ đạo và tạo điện áp răng cưa
Nguyên tắc điều khiển kiểu PWM dùng các khâu này
Hai khâu trong hệ thống điện có mối quan hệ chặt chẽ, với khâu tạo điện áp răng cưa của điều khiển chỉnh lưu phụ thuộc vào xung nhịp đồng bộ Cả hai đều có điện áp ra dạng răng cưa, nhưng khác nhau ở tần số xung nhịp: trong chỉnh lưu, tần số này phụ thuộc vào nguồn điện áp xoay chiều của lưới điện, trong khi với hệ băm xung, tần số do mạch điều khiển quyết định và không liên quan đến tần số lưới điện.
Có hai dạng răng cưa hay được dùng: răng cưa tuyến tính một cực tính, răng cưa tam giác hai cực tính
2 Răng cưa tuyến tính một cực tính
Trong phần BXMC, răng cưa nên được sử dụng theo dạng đi lên thay vì đi xuống như trong điều khiển chỉnh lưu Điều này là do hệ thống tuyến tính, với mối quan hệ tỉ lệ thuận giữa đại lượng ra và điện áp điều khiển (ura = k.uđk), rất thuận lợi cho việc xây dựng các bộ điều chỉnh tự động Vì ura của BXMC tỉ lệ thuận với tham số γ, nên để duy trì tính tuyến tính, uđk cũng cần phải tỉ lệ với γ, điều này chỉ có thể đạt được nếu sử dụng răng cưa tuyến tính đi lên Đồ thị minh họa nguyên lý hoạt động của BXMC cho thấy rằng khi tăng uđk, γ cũng sẽ tăng theo.
Khâu phát xung chủ đạo có hai nhiệm vụ:
- Tạo dao động với tần số cố định bằng tần số băm xung van lực
Điện áp ra được tạo ra dưới dạng xung, với hình dạng theo yêu cầu của khâu tạo răng cưa tuyến tính đi lên Đặc điểm quan trọng là thời gian làm việc của răng cưa đi lên phải lớn hơn nhiều lần so với thời gian hồi phục của răng cưa đi xuống.
Từ đây ta có thể đưa ra một số sơ đồ nguyên lý thí dụ sau
Sơ đồ hình 3.11 trình bày bộ dao động sử dụng khuếch đại thuật toán, cho phép điều chỉnh thời gian quét và thời gian phục hồi răng cưa khác nhau Để đạt được điều này, cần tách riêng điện trở nạp (R1) và điện trở phóng (R2) cho tụ C1 thông qua các diode D1 và D2.
Hình 3.11 Sơ đồ tạo điện áp răng cưa tuyến tính đi lên bằng OA
Biểu thức tính các khoảng thời gian này:
- Khoảng thời gian xung: Ufx > 0: 1 1 1 4 1 1
- Khoảng thời gian xung: Ufx = 0: 2 2 1 4 2 1
- Chu kỳ dao động T=t1+t2, với tần số f = 1/T
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: min t 1 , max t 2
Khi cần chỉnh chính xác tần số phải đưa biến trở P1 vào giữa hai điện trở, và muốn hiệu chỉnh tần số thì thay R4 bằng biến trở
Sơ đồ hình 3.12 sử dụng dao động 555, với đặc điểm là mạch chỉ cung cấp điện áp ra một dấu Để dễ dàng ghép nối, cần sử dụng khâu tạo răng cưa bằng transistor Mặc dù dao động 555 đã được trình bày trong chương trước, nhưng cần áp dụng thủ thuật tách biệt hai thời gian phóng và nạp tụ C1 thông qua diode D1.
- Khoảng thời gian xung: Ufx > 0: t1 = 0,7R1C1
- Khoảng thời gian xung: Ufx = 0: t2 = 0,7R2C1
- Chu kỳ dao động T=t1+t2, với tần số f = 1/T
Có thể coi phạm vi điều chỉnh: min t 1 , max t 2
, và thường t1
