Đồ án thiết kế chế tạo mạch quản lý pin Lithium-ion xe máy điện HCMUTE

Dưới đây là các meta tags được tạo cho bài viết "Đồ án hcmute nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ mạch quản lý pin lithium ion trên xe máy điện": {

• Tác giả: Trần Hải Nam
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ mạch quản lý pin Lithium-Ion trên xe máy điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ mạch quản lý pin Lithium ion trên xe máy điện

Bộ mạch quản lý pin Lithium-ion (BMS) là hệ thống quan trọng trong xe máy điện, đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của pin. Nhiệm vụ chính bao gồm giám sát trạng thái pin, cân bằng tế bào, bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt và tính toán dung lượng còn lại. BMS sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để xử lý dữ liệu từ cảm biến, kết hợp mạch đo dòng điện, điện áp và nhiệt độ. Hệ thống này giúp ngăn ngừa sự cố nguy hiểm như cháy nổ, kéo dài tuổi thọ pin. Theo nghiên cứu tại HCMUTE, BMS còn hỗ trợ tối ưu hóa năng lượng, nâng cao quãng đường di chuyển của xe. Việc chế tạo BMS đòi hỏi kiến thức về điện tử, vi điều khiển và an toàn pin.

1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

Pin Lithium-ion 18650 sử dụng ion Lithium di chuyển giữa hai điện cực dương (cathode) và âm (anode) thông qua dung dịch điện ly. Khi xả pin, ion Li+ di chuyển từ anode sang cathode, giải phóng electron tạo dòng điện. Quá trình sạc ngược lại: ion Li+ trở về anode. Cấu trúc này cung cấp mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài nhưng yêu cầu quản lý chặt chẽ nhiệt độ, điện áp. Các vật liệu cathode phổ biến gồm LiCoO2, LiFePO4, anode là than chì. Hiệu suất pin phụ thuộc vào sự cân bằng giữa dung lượng, công suất và độ an toàn.

1.2. Vai trò của BMS trong hệ thống xe máy điện

BMS đóng vai trò giám sát, điều khiển và bảo vệ pin, đảm bảo xe hoạt động ổn định. Chức năng chính gồm đo điện áp từng tế bào, theo dõi nhiệt độ, phát hiện sự cố như đoản mạch. Hệ thống cân bằng tế bào (cell balancing) giúp duy trì dung lượng đồng đều, tránh chênh lệch điện áp gây hại. BMS còn cung cấp dữ liệu thời gian thực cho người dùng qua màn hình hiển thị. Tại HCMUTE, nghiên cứu tập trung vào tích hợp BMS với hệ thống điều khiển xe, tối ưu hóa năng lượng và nâng cao độ tin cậy.

II. Các vấn đề kỹ thuật trong quản lý pin Lithium ion trên xe máy điện

Quản lý pin Lithium-ion trên xe máy điện đối mặt nhiều thách thức kỹ thuật. Vấn đề phổ biến gồm mất cân bằng tế bào do dung lượng không đều, gây quá áp hoặc quá xả. Nhiệt độ cao trong quá trình sạc/xả làm giảm tuổi thọ pin, thậm chí gây cháy nổ. Độ chính xác của cảm biến đo điện áp, dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất BMS. Xe máy điện yêu cầu hệ thống nhẹ, tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn đảm bảo an toàn. Theo nghiên cứu tại HCMUTE, việc thiếu tiêu chuẩn thống nhất trong thiết kế BMS cũng là rào cản. Ngoài ra, chi phí linh kiện cao và độ phức tạp trong lập trình vi điều khiển là thách thức lớn.

2.1. Hiện tượng mất cân bằng tế bào pin

Mất cân bằng tế bào xảy ra khi các tế bào trong pin có dung lượng khác nhau, dẫn đến điện áp chênh lệch. Nguyên nhân bao gồm sự khác biệt về dung lượng ban đầu, nhiệt độ không đều hoặc quá trình sạc không đồng bộ. Hậu quả gồm giảm dung lượng tổng thể, nguy cơ quá xả hoặc quá áp một tế bào. Giải pháp gồm cân bằng thụ động (xả qua điện trở) hoặc cân bằng chủ động (chuyển năng lượng giữa tế bào). Tại HCMUTE, nghiên cứu tập trung vào cân bằng chủ động để tối ưu hóa hiệu suất.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin

Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến tuổi thọ và hiệu suất pin Lithium-ion. Nhiệt độ cao (>45°C) thúc đẩy phản ứng phụ, giảm dung lượng và tăng nguy cơ cháy nổ. Ngược lại, nhiệt độ thấp (<0°C) làm giảm công suất, tăng điện trở nội. Hệ thống làm mát tích hợp trong BMS giúp duy trì nhiệt độ ổn định. Tại HCMUTE, nghiên cứu sử dụng cảm biến nhiệt độ DS18B20 kết hợp thuật toán điều khiển nhiệt độ. Việc quản lý nhiệt độ không chỉ nâng cao tuổi thọ pin mà còn đảm bảo an toàn vận hành.

III. Phương pháp nghiên cứu thiết kế bộ mạch quản lý pin Lithium ion

Nghiên cứu thiết kế BMS tại HCMUTE dựa trên phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Bước đầu là nghiên cứu lý thuyết về pin Lithium-ion, vi điều khiển STM32F103C8T6 và các linh kiện điện tử. Sau đó, tính toán thiết kế mạch đo điện áp, dòng điện, nhiệt độ. Mạch đo dòng điện sử dụng điện trở shunt kết hợp mạch khuếch đại tín hiệu vi sai. Vi điều khiển xử lý dữ liệu từ cảm biến, điều khiển cân bằng tế bào và bảo vệ pin. Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ C, tích hợp giao diện hiển thị. Cuối cùng, chế tạo mạch in, hàn linh kiện và thử nghiệm trên xe máy điện.

3.1. Lựa chọn linh kiện và tính toán mạch đo

Lựa chọn linh kiện dựa trên yêu cầu kỹ thuật: điện trở shunt 0.01Ω đo dòng điện, cảm biến nhiệt độ DS18B20 giám sát nhiệt độ. Vi điều khiển STM32F103C8T6 xử lý tín hiệu ADC từ mạch đo. Mạch khuếch đại INA125 khuếch đại tín hiệu từ điện trở shunt, lọc nhiễu bằng mạch thông thấp bậc 2. Tính toán dung lượng pin dựa trên dòng sạc/xả tối đa. Tại HCMUTE, linh kiện được chọn dựa trên tiêu chuẩn an toàn và độ chính xác cao.

3.2. Lập trình vi điều khiển và giao diện người dùng

Phần mềm điều khiển BMS được lập trình bằng ngôn ngữ C, sử dụng thư viện HAL STM32. Chương trình gồm các module: đọc dữ liệu cảm biến, xử lý tín hiệu, điều khiển cân bằng tế bào, hiển thị dữ liệu. Giao diện người dùng hiển thị điện áp, dòng điện, dung lượng pin qua màn hình LCD. Tại HCMUTE, thuật toán cân bằng tế bào chủ động được triển khai, tối ưu hóa hiệu suất pin. Giao diện thân thiện, dễ sử dụng, hỗ trợ cài đặt ngưỡng bảo vệ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của bộ mạch quản lý pin

Nghiên cứu tại HCMUTE đã chế tạo thành công bộ mạch quản lý pin Lithium-ion cho xe máy điện, đáp ứng yêu cầu an toàn và hiệu suất. Hệ thống giám sát chính xác điện áp, dòng điện, nhiệt độ, ngăn ngừa sự cố nguy hiểm. Cân bằng tế bào chủ động nâng cao dung lượng pin, kéo dài tuổi thọ. Kết quả thử nghiệm cho thấy BMS hoạt động ổn định, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật. Ứng dụng thực tiễn gồm lắp đặt trên xe máy điện, tích hợp hệ thống điều khiển. Nghiên cứu đóng góp vào lĩnh vực quản lý pin, nâng cao độ tin cậy của xe máy điện.

4.1. Kết quả đạt được từ đồ án nghiên cứu

Đồ án đã chế tạo thành công BMS hoạt động ổn định, đo điện áp tế bào sai số <1%, nhiệt độ <0.5°C. Hệ thống cân bằng tế bào chủ động duy trì dung lượng đồng đều, ngăn ngừa chênh lệch điện áp. BMS tích hợp bảo vệ quá dòng, quá áp, quá nhiệt, đảm bảo an toàn. Kết quả thử nghiệm trên xe máy điện cho thấy quãng đường di chuyển tăng 15%, tuổi thọ pin kéo dài 20%. Tại HCMUTE, nghiên cứu được đánh giá cao về tính ứng dụng thực tiễn.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai

Hướng phát triển gồm tích hợp BMS với hệ thống quản lý năng lượng (EMS), sử dụng trí tuệ nhân tạo (AI) tối ưu hóa dung lượng pin. Nghiên cứu ứng dụng BMS trong xe điện thông minh, tích hợp sạc không dây. Tại HCMUTE, dự định mở rộng nghiên cứu về pin thể rắn, nâng cao mật độ năng lượng. Ứng dụng BMS trong hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo cũng là hướng đi tiềm năng. Việc chuẩn hóa BMS theo tiêu chuẩn quốc tế sẽ nâng cao độ tin cậy và khả năng thương mại hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành vấn đề không chỉ ở một quốc gia, một khu vực mà đang là mối quan tâm chung của toàn nhân loại. Sự bùng nổ dân số ở các quốc gia dẫn đến sự tăng vọt của các phương tiện đi lại sử dụng động cơ đốt trong làm cho vấn đề ô nhiễm không khí từ khí thải của động cơ ngày càng trầm trọng đã đặt lên một áp lực vô cùng lớn đối với môi trường. Các quy định về tiêu chuẩn khí thải của các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong được đặt ra vô cùng nghiêm ngặt nhưng cũng chỉ giúp giảm đi một phần lượng khí thải gây ô nhiễm.

Việc thay đổi các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang việc sử dụng nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm là vấn đề cần thiết nhất ngay lúc này. Chính vì vậy, hiện nay xe điện đã trở thành mục tiêu nghiên cứu và phát triển của đa số các hãng xe trong tương lai. Tại Việt Nam, vấn đề ô nhiễm không khí cũng đang rất được quan tâm. Một phần lớn nguyên nhân phát sinh từ việc Việt Nam là một trong những quốc gia tiêu thụ xe máy nhiều nhất trên thế giới do điều kiện đường xá tại đây có nhiều hẻm nhỏ, ngóc ngách.

Nhưng đa số các loại xe máy phổ thông hiện nay không được đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn khí thải. Vì vậy, việc thay thế xe máy sử dụng động cơ đốt trong bằng xe máy điện là một xu hướng tất yếu vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm không khí vừa đáp ứng được điều kiện đường xá tại Việt Nam. Các hãng xe lớn trên thế giới hiện nay đang có xu hướng chuyển sang xe sử dụng điện thay thế xe sử dụng năng lượng hóa thạch bằng việc cho ra mắt hàng loạt các mẫu xe điện như Tesla Model S, Audi E-Tron GT, Mercedes Benz EQC. Tại Việt Nam, hãng xe Vinfast cũng đã tuyên bố dừng sản xuất xe xăng chuyển qua sản xuất xe điện với sự ra đời đầu tiên của mẫu xe VFe34 và sau đó là hàng loạt các mẫu xe VF5, VF6, VF7, VF8, VF9.

Đặc biệt hãng xe này còn tập trung phát triển các mẫu xe máy điện để đáp ứng nhu cầu sử dụng của người Việt với các dòng xe Klara, Feliz, Theon. Việc lắp đặt hàng chục ngàn trạm sạc trải dài khắp đất nước và chính sách cho thuê pin nhằm thúc đẩy người dùng Việt chuyển sang sử dụng xe điện để bảo vệ môi trường. Việc tích trữ nguồn năng lượng để sử dụng trong việc vận hành xe điện cần đến sự có mặt của các bộ pin, đặc biệt pin Lithium-Ion với rất nhiều ưu điểm vượt trội như: Tuổi thọ pin cao, quãng đường di chuyển xa, thời gian sạc ngắn hơn so với ắc-quy truyền thống,…Tuy nhiên để tối đa hóa các ưu điểm này thì các nhà sản xuất phải nghiên cứu và chế tạo hệ thống kiểm soát được nguồn năng lượng này một cách kỹ lưỡng để đảm bảo tính kỹ thuật và an toàn cho con người. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ mạch quản lý Pin Lithium-Ion trên xe máy điện”.

Mục tiêu đề tài • Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết của pin Lithium-Ion. 1 i • Nghiên cứu, tìm hiểu về vi điều khiển STM32F103C8T6. • Nghiên cứu, tìm hiểu về các linh kiện điện tử được sử dụng để thiết kế mạch. • Tính toán, thiết kế mạch quản lý pin cho xe máy điện.

• Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định và an toàn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu • Pin Lithium – Ion 18650. • Các linh kiện điện tử.

• Vi điều khiển STM32F103C8T6. • Phần mềm STM32CubeMX. • Phần mềm Keil uVision 5. • Phần mềm Altium Designer.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính xả của pin Lithium – Ion 18650 và sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để quản lý điện áp, dòng điện và nhiệt độ của bộ pin. Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp thu thập tài liệu, bài báo khoa học từ các nguồn uy tín trên Internet để đọc và học hỏi kiến thức. • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, khảo sát các vấn đề thực tế, rút ra các vấn đề cần thực hiện. Trên cơ sở đó đề ra hướng khắc phục, chế tạo một sản phẩm hoàn chỉnh, thực nghiệm và thử nghiệm thực tế.

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước Trong nước Luận văn thạc sĩ của thạc sĩ Đinh Cao Trí nghiên cứu tại Trường Đại hoc Sư phạm Kỹ thuật TPHCM với đề tài “Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện”. [1] Luận văn tập trung vào ba phần chính bao gồm: • Phần 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: vi điều khiển Atmega328P, ADC, cầu phân áp,…và đặc biệt là các linh kiện điện tử. • Phần 2: Cách thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha và mạch bảo vệ quá dòng áp dụng trong xe máy điện. • Phần 3: Thực nghiệm và đánh giá kết quả đạt được.

Bài báo khoa học “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, Phạm Duy Tấn đăng trên Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K6 – 2017.[2] Bài báo giới thiệu tổng quan về pin Lithium – Ion (Li-ion), khả năng ứng dụng của nó đối với các loại phương tiện sử dụng truyền động lai (HEV) nói chung và khả năng ứng dụng pin Li-ion trên xe gắn máy tích hợp truyền động lai nói riêng. Nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán tối ưu, so sánh và thử nghiệm bộ nguồn pin Li-ion cho xe máy lai xăng điện (HEM) được cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc. 2 i Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles”[3] của nhóm tác giả M. Lorentz đã giới thiệu về xe điện và pin Lithium-ion; nghiên cứu về công nghệ Pin Lithium-ion, yêu cầu và tiêu chuẩn của giám sát và quản lí pin; nghiên cứu kỹ thuật quản lý pin, cân bằng sạc và ước tính xả của pin; nghiên cứu, tính toán, thiết kế tích hợp pin trong xe điện, phát triển mạch điện tử và thuật toán để sử dụng bộ pin hiệu quả hơn.

Thiết kế và phát triển một bộ mạch quản lý pin BMS cải tiến, tích hợp bộ sạc cân bằng điện tích bộ pin. Đề tài nghiên cứu “Battery Management System for SOC Estimation of Lithium-Ion Battery in Electric Vehicle”[4] của nhóm tác giả Suwarna Shete, Pranjal Jog, R. Palwalia đã trình bày các phương pháp ước tính trạng thái điện tích (SoC) của pin Lithium – Ion. SoC có vai trò rất quan trọng vì vai trò của nó đối với bộ mạch quản lý pin Lithium – Ion BMS.

Giúp BMS giám sát pin dựa trên SoC và ngăn ngừa pin quá dòng, quá xả, quá nhiệt giúp kéo dài tuổi thọ của bộ pin. 3 i Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu các loại pin của xe điện phổ biến hiện nay Hiện nay, người dùng đang xu hướng chuyển sang sử dụng xe điện do ô vấn đề ô nhiễm môi trường và giá xăng dầu ngày càng tăng cao. Chính vì vậy, pin là một trong những bộ phận quan trọng cung cấp năng lượng cho xe điện.

Xe điện sử dụng nguồn động lực là nguồn điện sử dụng được tích hợp trong pin. Thông thường các hãng xe sản xuất xe điện sử dụng loại pin Lithium-ion, ngoài ra còn một số loại pin khác như pin ắc quy chì axit, pin Niken. Pin ắc quy chì axit Pin chì axit được phát minh vào năm 1859 và là dạng pin lâu đời nhất vẫn còn được sử dụng. Chúng đã được sử dụng trong tất cả các loại ô tô kể cả ô tô điện từ thế kỷ 19.

Pin ắc quy chì axit là một loại pin thứ cấp có thể sạc lại và sử dụng nhiều lần. Nó sử dụng các tấm chì và chì oxit trong dung dịch axit sunfuric chứa trong một hộp chứa. Chì oxit sẽ oxi hóa tấm chì, tạo ra dòng điện. Ưu điểm của pin axit-chì là loại pin sạc lại có chi phí rẻ nhất, tạo ra nhiều năng lượng và tuổi thọ cao.

Tuy nhiên, chúng tạo ra khí nguy hiểm trong khi được sử dụng và nếu pin bị sạc quá mức sẽ có nguy cơ nổ. Năng lượng của pin chì axit là 34 Wh / kg và mật độ năng lượng thấp. Pin ắc quy chì axit sử dụng trên xe điện có các loại như sau: [5] • Ắc quy chì axit kiểu kín SLA: Là loại ắc quy chì axit mà cấu tạo tự bảo vệ sao cho không để hơi axit tự do thoát ra ngoài. Đồng thời, không phải bổ sung nước hoặc dung dịch trong quá trình sử dụng.

• Ắc quy chì axit kiểu có van điều chỉnh VRLA: Là loại ắc quy chì axit có van điều chỉnh khi áp suất tăng. Loại ắc quy này có khả năng chống mất nước cao. Do đó, trong quá trình sử dụng thường không cần hoặc ít khi phải bổ sung bổ sung nước hoặc dung dịch. 1: Pin ắc quy axit chì [6] 2.

Pin niken (NiMH) Pin niken được đưa vào sử dụng thương mại vào cuối những năm 1980. Chúng có mật độ năng lượng cao đồng nghĩa với có rất nhiều năng lượng có thể được tích lũy vào trong một pin tương đối nhỏ và không chứa bất kỳ kim loại độc hại nào và nó sử dụng hỗn hợp hấp thu hydride cho anode, vì vậy chúng rất dễ tái chế và không gây ô nhiễm nhiều cho môi trường. Pin NiMH được đánh giá là vượt trội hơn so với pin axit chì, vì chúng có thể có năng lượng gấp đôi (68 Wh / kg) so với pin axit chì. Điều này cho phép các phương tiện điện sử dụng pin NiMH nhẹ hơn đáng kể, dẫn đến giảm chi phí năng lượng cho việc đẩy BEV.

Bên cạnh đó, pin NiMH cũng có mật độ năng lượng lớn hơn so với pin axit chì, điều này sẽ cho phép hệ thống pin được chứa trong một không gian nhỏ hơn. Mặc dù vậy, pin NiMH có một số nhược điểm, chẳng hạn như có hiệu suất sạc thấp hơn so với các pin khác. Ngoài ra còn có một vấn đề lớn với việc tự xả (lên tới 12,5% mỗi ngày trong điều kiện nhiệt độ phòng bình thường) bị trầm trọng hơn khi pin ở trong môi trường nhiệt độ cao. Điều này làm cho pin NiMH kém lý tưởng trong môi trường nóng hơn.