Đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống nạp cho bình điện trên xe máy điện

Tham khảo đồ án tốt nghiệp chi tiết về thiết kế hệ thống nạp cho xe máy điện. Phân tích nguyên lý mạch sạc flyback, tính toán và thi công thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Tiến Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Ô Tô
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Hệ Thống Nạp Cho Bình Điện Trên Xe Gắn Máy Điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án thiết kế hệ thống sạc xe máy điện

Đồ án thiết kế hệ thống sạc cho xe máy điện là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực công nghệ kỹ thuật ô tô hiện đại. Đề tài này tập trung vào việc thiết kế mạch sạc hiệu quả với nguồn ra 300V và dòng điện tối đa 1A từ nguồn điện xoay chiều 220V. Hệ thống được xây dựng dựa trên nền tảng nguồn xung flyback, một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực điện tử công suất. Mục tiêu chính của đồ án là nghiên cứu và thực hiện một hệ thống nạp cho bình điện an toàn, hiệu quả và đáp ứng được nhu cầu sạc pin của xe máy điện. Thông qua quá trình này, sinh viên tập trung áp dụng các kiến thức về điện tử công suất, thiết kế mạch điều khiển và thực nghiệm kỹ thuật để hoàn thành một sản phẩm công nghệ thực tiễn.

1.1. Lý do chọn đề tài và mục tiêu nghiên cứu

Lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu phát triển công nghệ xe máy điện tại Việt Nam. Thiết kế hệ thống sạc là một thành phần quan trọng quyết định hiệu suất toàn bộ xe. Mục tiêu chính là nghiên cứu nguyên lý hoạt động của nguồn xung, tìm hiểu chi tiết về IC điều khiển UC3843 và hàm hồi tiếp cách ly thông qua TL431 và opto quang. Đề tài cũng nhằm nâng cao kỹ năng thực tiễn trong thiết kế và thi công mạch điện chuyên nghiệp.

1.2. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi đề tài bao gồm thiết kế toàn bộ hệ thống sạc từ mạch chỉnh lưu đến mạch điều khiển. Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết điện tử công suất và thực nghiệm kỹ thuật. Quá trình thực hiện bao gồm: thiết kế mạch nhỏ riêng lẻ, kiểm tra xung PWM đầu ra, đo lường các thông số kỹ thuật, và điều chỉnh các linh kiện để đạt được điện áp đầu ra mong muốn.

II. Cơ sở lý thuyết và nguyên lý hoạt động

Nguồn xung flyback là nền tảng lý thuyết chính của đề tài này. Đây là một loại nguồn xung cách ly được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công suất vừa và nhỏ. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc lưu trữ năng lượng trong lõi từ của biến áp xung, sau đó giải phóng năng lượng này để cung cấp điện cho phía phụ tải. IC điều khiển UC3843 đóng vai trò quan trọng trong việc điều chế độ rộng xung (PWM), cho phép điều khiển công suất đầu ra. Hàm hồi tiếp cách ly thông qua TL431 và opto quang giúp ổn định điện áp và dòng điện đầu ra một cách tự động. Mạch bảo vệ MOSFET (Snubber) được thiết kế để bảo vệ các linh kiện khỏi sự cố động điện áp cao. Các yếu tố như mạch cấp nguồn phụ trợ, mạch khởi động nhanh, và lựa chọn chế độ làm việc cũng được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Nguyên lý hoạt động của nguồn xung flyback

Nguồn xung flyback hoạt động theo hai pha: pha lưu trữ và pha phóng hành. Khi MOSFET dẫn, năng lượng được lưu trữ trong biến áp. Khi MOSFET tắt, năng lượng được chuyển tới cuộn dây phụ để cung cấp công suất cho tải. IC UC3843 điều khiển tần số và độ rộng xung PWM dựa trên tín hiệu hồi tiếp từ mạch cảm biến. Điều này cho phép duy trì điện áp đầu ra ổn định ngay cả khi tải thay đổi hoặc điện áp nguồn vào biến đổi.

2.2. Vai trò của hàm hồi tiếp và các linh kiện bảo vệ

Hàm hồi tiếp cách ly sử dụng opto quang và TL431 để phát hiện điện áp đầu ra. Tín hiệu này được gửi về IC điều khiển để điều chỉnh độ rộng xung PWM một cách liên tục. Mạch Snubber bảo vệ MOSFET khỏi sự cố động điện áp phát sinh khi transistor chuyển mạch. Mạch cấp nguồn phụ trợ cung cấp điện áp 12-15V ổn định cho IC điều khiển, đảm bảo hoạt động đáng tin cậy.

III. Thiết kế và tính toán hệ thống mạch sạc

Quá trình thiết kế hệ thống mạch sạc bao gồm nhiều bước cụ thể. Đầu tiên, thiết kế mạch chỉnh lưu chuyển đổi điện áp xoay chiều 220V thành điện áp một chiều. Tiếp theo là thiết kế mạch điều khiển PWM sử dụng UC3843 để điều chỉnh công suất. Tính toán biến áp xung là bước quan trọng, xác định số vòng cuộn dây và tiết diện dây đồng phù hợp. Thiết kế mạch hồi tiếp điện áp đảm bảo ổn định điện áp đầu ra ở mức 300V. Quá trình thực hiện bao gồm thi công mạch theo sơ đồ và đo lường các thông số kỹ thuật. Các thử nghiệm lặp lại giúp điều chỉnh giá trị linh kiện để đạt được hiệu suất tối ưu. Mặc dù gặp những thách thức, quá trình thiết kế này cung cấp kinh nghiệm quý báu về kỹ thuật thiết kế nguồn xung.

3.1. Tính toán biến áp xung và mạch hồi tiếp

Tính toán biến áp xung dựa trên điện áp đầu vào, đầu ra, và tần số hoạt động. Công thức tính tiết diện dây đồng và số vòng cuộn dây được xác định dựa trên mật độ dòng điện và quy tắc thiết kế. Mạch hồi tiếp điện áp sử dụng chia áp điện trở để cảm biến điện áp đầu ra và so sánh với điện áp tham chiếu. Các giá trị của điện trở và tụ điện trong mạch hồi tiếp ảnh hưởng lớn đến ổn định và dáp ứng động của hệ thống.

3.2. Quá trình thí nghiệm và điều chỉnh tham số

Quá trình thí nghiệm gồm nhiều lần lặp lại để tìm ra giá trị tối ưu của các linh kiện. Thử nghiệm lần 1 kiểm tra hoạt động cơ bản của mạch. Thử nghiệm lần 2 điều chỉnh tiết diện biến áp. Thử nghiệm lần 3 và 4 thay đổi giá trị điện trở cảm biến dòng (RCS) và điện trở hồi tiếp (Ropto) để tối ưu hóa điện áp đầu ra. Mỗi thay đổi được đo lường và ghi chép để phân tích tác động.

IV. Kết quả thách thức và ý nghĩa khoa học

Đồ án thiết kế hệ thống sạc xe máy điện đã đạt được những kết quả quan trọng mặc dù gặp phải một số thách thức. Mạch được thử nghiệm đã cung cấp điện áp khoảng 100V, chưa đạt đến mục tiêu 300V như dự kiến. Nguyên nhân của sai lệch có thể là do lỗi tính toán trong hàm hồi tiếp, khiến tín hiệu phản hồi không chính xác. Tuy nhiên, quá trình này đã cung cấp kinh nghiệm quý báu về thiết kế nguồn xung công suất cao. Ý nghĩa khoa học của đề tài nằm ở việc ứng dụng các kiến thức lý thuyết vào thực tiễn kỹ thuật. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu có thể tham khảo cho các đề tài tiếp theo trong phát triển công nghệ xe điện. Những kiến thức học được sẽ hỗ trợ kỹ sư thiết kế hệ thống sạc an toàn, hiệu quả và thương mại hóa trong tương lai.

4.1. Những thách thức gặp phải và bài học rút ra

Thách thức chính là sai lệch điện áp đầu ra so với mục tiêu. Nguyên nhân được xác định là lỗi trong hàm hồi tiếp, dẫn đến điều khiển không chính xác. Do hạn chế về thời gian, không thể hoàn thành việc khắc phục lỗi. Bài học rút ra bao gồm: cần kiểm tra lại tính toán trước khi thi công mạch, mô phỏng mạch điện trước thực hiện, và chuẩn bị kỹ lưỡng trước khi bắt đầu đề tài.

4.2. Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn

Ý nghĩa khoa học của đề tài là ứng dụng lý thuyết điện tử công suất vào thực tiễn kỹ thuật. Kết quả nghiên cứu tham khảo quý báu cho các dự án phát triển xe điện và hệ thống sạc hiện đại. Kiến thức về thiết kế nguồn xung có ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử công suất khác như adapter, inverter, và máy hàn điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Hầu hết các phương tiện giao thông hiện nay đang sử dụng động cơ đốt trong với nhiên liệu hóa thạch, các động cơ này có hiệu suất không cao và thải ra môi trường gần một phần ba lượng khí gây hiệu ứng nhà kính. Kết quả nghiên cứu 6 tháng đầu năm 2017, khí thải của phương tiện giao thông tạo ra 55% khí NOx, 56% khí CO, 6% khí SO2. Chính điều này đã tạo động lực cho các nghiên cứu xoay quanh việc phát triển các dòng xe sử dụng nguồn năng lượng mới sạch hơn và tiết kiệm hơn, trong đó xe điện (EV - Electric Vehicle) là một bước tiến lớn khi giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường và vấn đề nhiên liệu hóa thạch đang ngày một cạn dần.

Chính vì thế xe điện đang dần trở thành xu hướng của thế giới ngày nay và đang dần thay thế các xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch truyền thống. Hàng loạt hãng lớn đang tích cực nghiên cứu và cho ra đời những chiếc xe điện ngày một tối ưu. Để vận hành được chiếc xe điện thì hệ thống nạp năng lượng cho xe là rất quan trọng. Mạch sạc sẽ là nguồn cung cấp điện vào pin để lưu trữ năng lượng điện mà nhờ đó xe mới có thể hoạt động được.

Mạch sạc phải đảm bảo được đầu ra điện áp ổn định cùng với đó là 1 dòng điện vừa phải không đổi để không gầy quá tải cho pin dẫn đến nổ. Cụ thể hơn thì trong chiếc xe máy điện mà người nghiên cứu đang nghiên cứu sử dụng bộ pin lithium-ion 60 cell điện áp khi đầy sẽ vào khoảng 240V. Để sạc cho bộ pin này chúng ta cần phải có mạch chuyển đổi điện áp từ AC-DC với đầu ra lớn hơn 240V ổn định và với dòng nhỏ vừa phải từ 0. Trên chiếc xe điện mà người nghiên cứu đang nghiên cứu hiện đang sử dụng mạch chỉnh lưu AC-DC với đầu ra khoảng 300V sau đó mắc nối tiếp với điện trở và bóng đèn để giảm dòng xuống thích hợp để sạc cho bộ pin,cách xạc này khá dơn giản và bất tiện,cồng kềnh và trên thị trường hiện nay không có hãng xe nào sử dụng cách sạc như vậy.

Chính vì vậy người nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế mạch nạp cho bình điện trên xe gắn máy điện” để tạo ra mạch sạc gọn hơn với đầu ra 300V và dòng điện khoảng 0. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu Thiết kế được mạch sạc cho pin chuyển đổi từ điện 220V AC sang 300V DC với dòng điện 0.5-1A,công suất đầu ra vào khoảng từ 150 đến 300W. Tiến hành thử nghiệm trên tải bóng đèn và sạc pin để xem độ ổn định cũng như hiệu suất của mạch 1. Đối tượng phạm vi nghiên cứu.

Đối tượng nghiên cứu: Nguồn xung flyback; IC điều xung UC3843; các linh kiện điện tử; phần mềm Proteus Phạm vi nghiên cứu: Đề tải chỉ tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, các ứng dụng của các đối tượng trên trong việc thiết kế mạch chuyển đổi và sẽ không đi sâu vào các thuật toán hoặc các phần liên quan đến chuyên ngành điện -điện tử 1. Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết : tìm hiểu các tài liệu lý thuyết trên mạng liên quán đến các bộ AC- DC converter và nguồng xung flyback, UC3843, học hỏi kiến thức từ thầy,cô bạn bè và những người đi trước. Thực hiện mạch điện chuẩn theo mẫu của hãng Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, sau đó thay đổi linh kiện phù hợp để tạo ra mạch Phương pháp thực nghiệm: tiến hành tính toán thiết kế, thực nghiệm, đo đạc so sánh kết quả và tìm phương án cải tiến đến khi nào đạt kết quả mong muốn. Thực hiện mạch điện chuẩn theo mẫu của hãng Texas Instruments với đầu ra 12V 4A, sau đó thay đổi linh kiện phù hợp để tạo ra mạch với đầu ra 300V 1A.

Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước. Trong nước Đề tài Trịnh Trung Hiếu cùng với cộng sự Đoàn Anh Tuấn và Lê Thị Tịnh Minh có tên là “Thiết kế bộ chuyển đổi DC – DC mới cho hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời” [1] tập trung vào thiết kế một bộ chuyển đổi DC/DC mới phù hợp với sự thay đổi công suất của nhà máy điện mặt trời. Bộ chuyển đổi này được hình thành từ nhiều bộ chuyển đổi có công suất nhỏ, các bộ chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ này được nối theo một qui luật nhất định nhằm tạo ra một bộ chuyển đổi có công suất lớn. Dựa vào việc cô lập một số bộ chuyển đổi DC/DC công suất nhỏ kết hợp với điều khiển góc mở, điện áp định mức đầu vào và đầu ra của bộ chuyển đổi có thể đáp ứng cho dải điện áp rộng mong muốn.

Nghiên cứu này còn thực hiện lắp ráp một bộ chuyển đổi DC/DC 200W thực tế để áp dụng vào tấm pin mặt trời PEPV-48-200 và đã kiểm tra đo đạc. Kết quả cho thấy bộ chuyển đổi DC/DC này hoạt động ổn định, hiệu suất được cải thiện và có thể áp dụng vào thực tế. Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “Single-stage QR AC-DC converter based on buck-boost and flyback circuits” [2] của nhóm tác giả Yijie Wang, Shu Zhang, Yueshi Guan, Xiaosheng Liu, Dianguo. Trong nghiên cứu này mạch forestage buck boost circuit làm việc trên chế độ dẫn không liên tục (DCM) để đạt được công suất đầu vào (PF) cao, trong khi đó thì bộ backstage flyback converter, hoạt dộng ở chế độ QR sẽ đóng vai trò chuyển đổi năng lượng.

Chế độ QR đóng ngắt sẽ làm giảm hao tổn khi đóng ngắt nhờ vậy mà hiệu suất của bộ chuyển đổi đươc cải thiện.Việc sử dụng single –stage tology góp phần làm giảm chi phí và tăng được hiệu suất của hệ thống. Hệ thống này dược nghiên cứu với công suất đầu ra 50W với PF tối đa 0.99 và hiệu suất đạt khoảng 90.91% trong điều kiện thử nghiệm bình thường. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài. Mạch sạc đóng vài trò vô cùng quan trọng trong chiếc xe điện.

Mạch sạc hiện tại đang được áp dụng trên dự án xe máy điện với bộ pin 60 cell 240V là mạch chỉnh lưu với điện áp đầu ra khoảng 300V nối tiếp với trở công suất để giảm dòng điện xuống mức dưới 1A để sạc. Mạch này vô cùng bất tiện và không thể đưa vào thương mai được bởi tính ổn định không cao. Việc nghiên cứu chế tạo thệ thống mạch sạc này không chỉ phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu, giúp tạo ra một nguồn sạc ổn định và gọn nhẹ hơn, mà còn là một bước quan trọng trong việc hiện thực hóa chiếc xe điện đang nghiên cứu. Kết quả dự kiến đạt được Mạch chuyển đổi điện áp với đầu vào là điện xoay chiều 220V và đầu ra là 300V và dòng điện vào khoảng 0.

4 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Mạch chỉnh lưu Một mạch chỉnh lưu là một mạch điện bao gồm các linh kiện điện – điện tử, dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều. Mạch chỉnh lưu có thể được sử dụng trong các bộ nguồn cung cấp dòng điện một chiều, hoặc trong các mạch tách sóng tín hiệu vô tuyến điện trong các thiết bị vô tuyến. Phần tử tích cực trong mạch chỉnh lưu có thể là các diode bán dẫn, các đèn chỉnh lưu thủy ngân hoặc các linh kiện khác.

Mạch chỉnh nửa sóng Một mạch chỉnh lưu nửa sóng chỉ một trong nửa chu kỳ dương hoặc âm có thể dễ dàng đi ngang qua diode, trong khi nửa kia sẽ bị khóa, tùy thuộc vào chiều lắp đặt của diode. Vì chỉ có một nửa chu kỳ được chỉnh lưu, nên mạch chỉnh lưu nửa sóng có hiệu suất truyền công suất rất thấp. Mạch chỉnh lưu nửa sóng có thể lắp bằng chỉ một diode bán dẫn trong các mạch nguồn một pha.1 Mạch chỉnh lưu nửa sóng[3] 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.2 Mạch chỉnh lưu toàn sóng [3] 5 Mạch chỉnh lưu toàn sóng biến đổi cả hai nửa chu kỳ thành một điện áp đầu ra có một chiều duy nhất: Dương (hoặc âm) vì nó chuyển hướng đi của dòng điện của nửa chu kỳ âm (hoặc dương) của dạng sóng xoay chiều.

Nửa còn lại sẽ kết hợp với nửa kia thành một điện áp chỉnh lưu hoàn chỉnh. Định nghĩa Nguồn xung (Switching regulator) là một loại nguồn hoạt động dựa trênphương thức chuyển mạch đóng ngắt bán dẫn (semiconductor switching techniques) thay vì tuyến tính như thông thường để cung cấp điện áp đầu ra như mong muốn. Nguồn xung cơ bản thường có hai phần là bộ phận chuyển đổi năng lượng (biến áp) và mạch điều khiển để tạo xung điều khiển đóng ngắt dòng điện qua biến áp. Sơ đồ tổng thể của 1 nguồn xung [4] 2.

Phân loại Nguồn xung bao gồm các loại như sau: *Nguồn xung buck Nguồn xung Buck là loại nguồn xung hạ áp với điện áp đầu ra nhỏ hơn điện áp đầu vào, thường được thiết kế với yêu cầu công suất thấp. Mạch nguồn xung kiểu buck cơ bản [5] Mạch gồm có nguồn, công tắc bán dẫn (thường là BJT hoặc MOSFET) được điều khiển đóng mở với tần số cao TR1 bởi mạch điều khiển, kết hợp với diode D1, cuộn cảm L1, tụ lọc C1 để giúp cho mức điện áp đầu ra đạt được như mong muốn. Mạch sẽ có 2 giai đoạn hoạt động là dựa vào công tắc TR1 ON hay OFF. TR1 ON: Khi đó diode D1 sẽ không cho dòng điện chạy qua, dòng điện sẽ đi qua cuộn cảm L1 đi qua tải đồng thời cũng nạp năng lượng về cho tụ C1, đồng thời cũng tạo ra một từ trường ở phía trong cuộn dây.

TR1 OFF: Lúc này dòng điện từ nguồn đến bị ngắt đột ngột, lúc này trong cuộn dây có sự thay đổi từ thông 1 cách đột ngột từ đó sinh ra một dòng điện cảm ứng tiếp tục chạy qua tải và trở về cuộn dây thông qua diode. *Nguồn xung boost Đây là nguồn xung ngược với kiểu buck khi điện áp đầu ra sẽ cao hơn so với điện áp đầu vào. Cấu tạo của nguồn xung này cũng gần giống với kiểu buck chỉ khác ở cách sắp xếp các linh kiện. Mạch nguồn xung kiểu boost cơ bản [5] TR1 ON: Dòng điện đi qua cuộn dây rồi về mass, vì vậy sẽ tạo ra hiện tượng ngắn mạch khiến dòng điện tăng lên và tích trữ trong cuộn dây, đồng thời lúc đó thụ C1 sẽ đóng vai trò là nguồn nuôi cho tải.