CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Lí do chọn đề tài Ngày này với sự phát triển không ngừng của công nghệ Robot, đặc biệt là với mobile robot, nó ngày càng được ứng dụng nhiều các lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, dịch vụ và nhiều lĩnh vực khác nữa. Với khả năng di chuyển linh hoạt, không bị giới hạn về không gian của mình mobile robot cần được sử dụng bằng pin lắp trực tiếp trên thân robot. Pin dùng trên mobile robot khá đa dạng, đặc điểm chung của chúng là mật độ năng lượng cao, nhỏ gọn, có thể sạc xả nhiều lần,. nhưng bên cạnh đó chúng vẫn tồn tại nhiều nguy cơ tiềm ẩn như sạc xả quá dòng, quá áp và quá nhiệt ảnh hưởng trực tiếp để tuổi thọ của pin và khả năng hoạt động của cả một hệ thống trên robot.
Nghiên cứu thiết kế một bộ điều khiển BMS cho mobile robot là một điều hết sức cần thiết, mạch BMS giúp bảo vệ pin khỏi sạc xả quá áp, quá dòng, quá nhiệt đó là những thứ quan trọng trong một mạch BMS, ngoài ra có thể có chức năng giám sát các cell pin và đặc biệt nhất là khả năng cân bằng các cell pin trong một chuỗi các cell pin, tất cả những điều đó giúp kéo dài tuổi thọ pin nói riêng và toàn bộ hệ thống hoạt động trên mobile robot. Thiết kế BMS cho mobile robot là một đề tài thiết thực và có giá trị, không chỉ giúp tăng cường hiệu suất và tuổi thọ của pin mà còn đảm bảo sự an toàn và ổn định trong quá trình vận hành của robot. Điều này quan trọng đặc biệt trong bối cảnh các ứng dụng robot ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực.2 Mục tiêu của đề tài - Nghiên cứu và tìm hiểu về mobile robot và các loại pin dùng trên chúng - Nghiên cứu và tìm hiểu về mạch BMS (Battery Management System) dùng trên mobile robot - Tính toán, thiết kế bộ BMS dùng trên mobile robot - Thực nghiệm, đánh giá thực tế mạch BMS sau khi thiết kế 1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7 1.1 Đối tượng nghiên cứu - Các loại pin dùng trên mobile robot - Linh kiện điện tử cơ bản - IC dùng trong mạch BMS - Phần mềm mô phỏng thiết kế mạch Proteus 1.2 Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu sơ bộ về mobile robot - Tìm hiểu các tiêu chuẩn sạc xả của pin dùng trên mobile robot - Tìm hiểu về các phương pháp, tính năng của mạch BMS và mạch cân bằng 1.4 Phương pháp nghiên cứu Kết hợp nhiều phương pháp trong đó có các phương pháp chủ yếu như: - Nghiên cứu lý thuyết về khái niệm liên quan đến đề tài. - Giải mã công nghệ - Tham khảo tài liệu trong và ngoài nước để lựa chọn phương pháp phù hợp - Quan sát và thực nghiệm.
- Phân tích, so sánh và đánh giá kết quả. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 2.1 Giới thiệu về mobile robot 8 Hình 2.1: Mobile robot Mobile robot (robot di động) là một loại robot có khả năng di chuyển tự do trong không gian vật lý và chúng có thể thực hiện các nhiệm vụ cụ thể và linh hoạt nhờ vào hệ thống điều khiển, thuật toán điều khiển, cảm biến, hệ thống nhận diện môi trường tiên tiến và các cơ cấu chấp hành. Ngày này mobile robot ngày càng được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực, chúng đươc tham gia rộng rãi vào quy trình vận hành kho bãi, hỗ trợ sản xuất, hậu cần,…Ngoài ra chúng còn được tham gia vào các hoạt động nguy hiểm vượt khả qua khả năng của con người như thăm dò trên các hành tinh ngoài vũ trụ, dò mìn, cứu hộ ở các không gian mà con người không thể tiếp cận, xử lí rác thải sinh học và hóa học nguy hiểm tới tính mạng con người như rải thải hạt nhân,… Mobile robot hoạt động dựa trên sự kết hợp giữa các thành phần sau: + Hệ thống cơ khí và cơ cấu chấp hành + Hệ thống cảm biến năng lượng + Bộ xử lý trung tâm + Thuật toán điều khiển + Nguồn và bộ quản lí nguồn Trong đề tài lần này, chủ yếu sẽ tập trung nghiên cứu và thiết kế về nguồn và bộ quản lí nguồn của mobile robot, mà nguồn ở đây là pin và bộ quản lí pin BMS 2.2 Giới thiệu về BMS (Battery Management System) và các thành phần của chúng Hình 2.2: Mạch BMS 9 Mạch BMS (Battery Management System) là hệ thống quản lí pin, chức năng chính là để bảo vệ và điều khiển quá trình sạc xả của các cell pin trong một khối pin. Nó đảm bảo pin hoạt động an toàn, kéo dài tuổi thọ của pin và ngăn ngừa các tình trạng gây nguy hiểm cho bộ pin, hệ thống của robot như quá nhiệt, quá áp, quá dòng hoặc ngắn mạch ở tải.
Các chức năng chính và quan trọng của mạch BMS bao gồm: + Bảo vệ sạc xả quá mức: đảm bảo mỗi cell pin không bị sạc xả quá mức. + Bảo vệ ngắn mạch: đảm bảo ngưng xả nếu tải bị ngắn mạch nagw nừa nguy cơ cháy nổ. + Bảo vệ quá nhiệt: đảm bảo ngắt sạc, xả khi khối pin quá nóng làm ảnh hưởng tới tuổi thọ của pin và khả năng hoạt động của hệ thống khác trên robot + Bảo vệ quá dòng: đảm bảo dòng sạc xả đúng tiêu chuẩn Ngoài các chức năng quan trọng trên thì vẫn còn một số chức năng như: khả năng cân bằng giữa các cell đây là tính năng tiên tiến giúp cho điện áp trong các cell pin cân bằng với nhau, tránh tính trạng sạc hay xả quá mức trong khi các cell khác chưa được sạc đủ hoặc bị xả quá mức tính năng này giúp tăng tuổi thọ pin lên một cách đáng kể.Ngoài ra các một số tính năng khác như giám sát bộ pin và khả năng giao tiếp của mạch BMS với các vi điều khiển khác trong robot. Với các chức năng đó thì mạch BMS sẽ được cấu thành từ các thành phần như sau: + Khối giám sát điện áp: Giám sát điện áp của các cell pin.
+ Khối giám sát dòng điện: Giám sát dòng điện sạc và xả. + Khối giám sát nhiệt độ: Theo dõi nhiệt độ của pin. + Khối bảo vệ: Bảo vệ pin khỏi quá áp, quá dòng, quá nhiệt, và ngắn mạch + Khối cân bằng cell: Cân bằng điện áp giữa các cell. 10 + Khối điều khiển sạc/xả : Điều khiển quá trình sạc và xả pin.
+ Khối vi xử lý : Điều khiển toàn bộ hoạt động của mạch BMS. + Khối truyền thông : Giao tiếp với hệ thống bên ngoài để trao đổi dữ liệu.3 Giới thiệu về pin về các loại pin dùng trên Robot 2.1 Pin Li-ion (Lithium-Ion) Hình 2.3: Pin Lithium-Ion Ưu điểm: - Mật độ năng lượng cao: Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, giúp cung cấp nhiều năng lượng trong một kích thước và trọng lượng nhỏ. - Thời gian sử dụng dài: Pin Li-ion có tuổi thọ dài, có thể sử dụng trong hàng trăm chu kỳ sạc/xả. - Hiệu suất cao: Dòng sạc và xả của pin Li-ion ổn định, cho phép cung cấp năng lượng tốt cho các hệ thống yêu cầu cao như robot.
- Có thể thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau phù hợp với các ứng dụng khác nhau Nhược điểm: - Giá thành cao: Pin Li-ion có giá cao hơn so với các loại pin khác. 11 - Nhạy cảm với quá sạc và xả: Cần có mạch bảo vệ (BMS) để tránh tình trạng quá sạc hoặc xả. - Nguy cơ cháy nổ: Nếu không sử dụng đúng cách hoặc bị hư hỏng, pin Li-ion có nguy cơ phát nổ.2 Pin Li-Po (Lithium Polymer) Hình 2.4: Pin Lithium Polymer Ưu điểm: - Mỏng và linh hoạt trong thiết kế: Pin Li-Po có thể được thiết kế rất mỏng và linh hoạt về hình dạng, phù hợp với các robot yêu cầu không gian nhỏ hẹp. - Mật độ năng lượng cao: Mật độ năng lượng tương đối cao, gần tương đương với pin Li-ion.
- Trọng lượng nhẹ: So với nhiều loại pin khác, pin Li-Po nhẹ hơn, giúp giảm trọng lượng của robot. Nhược điểm: - Nguy cơ cháy nổ cao hơn Li-ion: Pin Li-Po nhạy cảm hơn với sự tác động vật lý, dễ bị hư hỏng và gây cháy nổ nếu bị quá sạc, xả hoặc va đập mạnh. - Độ bền kém hơn Li-ion: Tuổi thọ ngắn hơn, có thể xuống cấp nhanh chóng nếu không được bảo quản đúng cách. - Giá thành cao: Cũng có giá cao, tương đương hoặc cao hơn pin Lithium-ion.3 Pin Ni-MH (Nickel Metal Hydride) Hình 2.5: Pin Ni-MH Ưu điểm: - Giá thành thấp hơn so với pin Li-ion và Li-Po.
- An toàn hơn: Ít nguy cơ cháy nổ và không cần mạch bảo vệ phức tạp. - Thân thiện với môi trường hơn: Ít độc hại hơn so với pin Li-ion và Li-Po. Nhược điểm: - Mật độ năng lượng thấp: Pin NiMH có mật độ năng lượng thấp hơn, dẫn đến kích thước lớn hơn và trọng lượng nặng hơn cho cùng một mức năng lượng so với pin Li-ion hay Li-Po. - Hiệu ứng nhớ: Pin NiMH dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng nhớ, làm giảm dung lượng pin theo thời gian nếu không được sạc đúng cách.
- Tuổi thọ ngắn hơn: Tuổi thọ và hiệu suất giảm nhanh hơn so với pin Li-ion.4 Pin chì axit Hình 2.6: Pin chì axit Ưu điểm: - Khả năng chịu dòng điện khởi lớn: Phù hợp cho các robot hoặc thiết bị cần dòng khởi động cao. - Dễ tái chế và an toàn: Có khả năng chống cháy nổ cao hơn so với các loại pin lithium. - Pin axit-chì có thể hoạt động tốt trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt, rất hữu ích cho các ứng dụng ngoài trời hoặc trong môi trường không ổn định. Nhược điểm: - Trọng lượng nặng và cồng kềnh: Pin chì-axit có trọng lượng nặng và kích thước lớn, không phù hợp với robot yêu cầu sự di động cao.
- Có hiệu suất sạc thấp hơn so với pin lithium-ion do chúng có khả năng mất một phần năng lượng dưới dạng nhiệt trong quá trình sạc, làm giảm hiệu suất tổng thể. Từ đó dẫn đến thời gian sạc lâu. - Tuổi thọ ngắn: Pin chì-axit có số chu kỳ sạc/xả thấp, khả năng tự xả cao khi không sử dụng nên chúng cần được bảo trì thường xuyên.4 Các tiêu chuẩn sạc xả 14 2.1 Điện áp sạc (Overcharge Protection) - Điện áp tối đa mỗi cell: Thường là 4. - Bảo vệ quá áp: Mạch BMS sẽ ngắt sạc khi điện áp mỗi cell vượt quá 4.20V để bảo vệ pin khỏi tình trạng quá áp.2 Điện áp xả (Over-discharge Protection) - Điện áp tối thiểu mỗi cell: Thường là 2.8V/cell (tổng khoảng 10V - 11.
- Bảo vệ dưới áp: Nếu điện áp mỗi cell giảm xuống dưới mức này, BMS sẽ ngắt kết nối tải để ngăn pin bị xả quá sâu, tránh hư hỏng.
