Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế, Chế tạo Máy sạc Accu thông minh - ĐH SPKT

Tham khảo đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo máy sạc accu thông minh. Nội dung chi tiết về sơ đồ mạch, linh kiện và điều khiển qua Bluetooth.

• Tác giả: Lê Minh Đức
• Người hướng dẫn: Nguyễn Trọng Thức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Động Lực
• Đề tài: Thiết Kế, Chế Tạo Máy Sạc Accu Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Máy Sạc Accu Thông Minh

Máy sạc accu thông minh là một thiết bị hiện đại được thiết kế và chế tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nhằm giải quyết nhu cầu sạc pin hiệu quả trong cuộc sống hàng ngày. Đồ án tốt nghiệp này có sản phẩm là máy sạc accu có thể ứng dụng vào thực tiễn với các chức năng sạc cơ bản và hiển thị thông tin chi tiết. Giao diện sử dụng của máy được thiết kế đơn giản, thân thiện, giúp người dùng có thể thao tác nhanh chóng và dễ dàng. Bên cạnh đó, nhóm sinh viên thực hiện đã thiết kế thêm ứng dụng điện thoại Android để người dùng có thể sử dụng và theo dõi quá trình sạc ở khoảng cách dưới 10 mét thông qua công nghệ Bluetooth. Đây là sự kết hợp hoàn hảo giữa phần cứng và phần mềm trong lĩnh vực quản lý năng lượng điện.

1.1. Lý Do Chọn Đề Tài Thiết Kế Máy Sạc Accu

Nhu cầu sạc pin hiệu quả và an toàn ngày càng tăng cao trong xã hội hiện đại. Máy sạc accu thông minh ra đời để đáp ứng yêu cầu này bằng cách sử dụng công nghệ sạc xung tiên tiến, giúp tối ưu hóa quá trình sạc và kéo dài tuổi thọ bình accu. Việc thiết kế một chiếc máy sạc với giao diện thân thiện và khả năng điều khiển từ xa qua Bluetooth mang lại tính tiện dụng cao cho người sử dụng.

1.2. Mục Tiêu Và Ý Nghĩa Thực Hiện

Mục tiêu chính của đồ án thiết kế máy sạc accu thông minh là tạo ra một sản phẩm thực tiễn có thể ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Sản phẩm cần đáp ứng các yêu cầu về an toàn, hiệu quả sạc, và khả năng theo dõi trạng thái pin. Ý nghĩa thực hiện nằm ở việc nâng cao kiến thức chuyên môn về điện tử, điều khiển tự động và phát triển kỹ năng thiết kế thực tế của sinh viên.

II. Cấu Trúc Và Nguyên Lý Hoạt Động Máy Sạc Accu

Cấu trúc của máy sạc accu thông minh được thiết kế dựa trên sơ đồ khối điều khiển hiện đại, bao gồm các module chính như vi điều khiển Arduino, cảm biến dòng ACS756, encoder KY-040 và các linh kiện điện tử khác. Nguyên lý hoạt động dựa trên phương pháp sạc xung (Pulse Charging), một kỹ thuật tiên tiến trong lĩnh vực quản lý năng lượng điện. Phương pháp này hoạt động bằng cách phát ra các xung dòng điện có độ rộng xung được điều chỉnh (PWM - Pulse Width Modulation) để kiểm soát mức dòng sạc. Hệ thống cảm biến dòng giúp theo dõi và điều chỉnh dòng sạc trong thời gian thực, đảm bảo quá trình sạc an toàn và hiệu quả. LCD Display hiển thị các thông tin quan trọng như hiệu điện thế, dòng sạc, mức pin hiện tại và thời gian sạc còn lại.

2.1. Nguyên Lý Sạc Xung Và Ưu Điểm

Phương pháp sạc xung là một kỹ thuật nâng cao trong thiết kế máy sạc accu thông minh, sử dụng dòng xung để sạc pin thay vì dòng liên tục. Ưu điểm của phương pháp này bao gồm: tối ưu hóa quá trình sạc, kéo dài tuổi thọ bình accu, giảm phát nhiệt, và cải thiện hiệu suất sạc. Công nghệ PWM được sử dụng để điều chỉnh độ rộng xung, cho phép kiểm soát chính xác lượng năng lượng truyền vào pin.

2.2. Các Linh Kiện Điện Tử Chính Trong Hệ Thống

Máy sạc accu thông minh sử dụng vi điều khiển Arduino làm bộ não điều khiển chính, cảm biến dòng ACS756 để đo dòng sạc chính xác, encoder KY-040 cho giao diện điều chỉnh, và LCD Display để hiển thị thông tin. Module Bluetooth HC-05 cho phép kết nối với ứng dụng Android. Các linh kiện này được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo tính ổn định, độ chính xác cao, và chi phí kinh tế.

III. Thiết Kế Ứng Dụng Giao Tiếp Bluetooth Và Giao Diện Người Dùng

Ứng dụng giao tiếp Bluetooth được phát triển bằng MIT App Inventor 2, một nền tảng phát triển ứng dụng Android không cần viết mã phức tạp. Ứng dụng này cho phép người dùng điều khiển máy sạc accu thông minh từ xa, theo dõi trạng thái sạc real-time, và nhận thông báo khi pin đầy. Giao diện người dùng được thiết kế thân thiện với các nút bấm rõ ràng, màn hình hiển thị thông tin về hiệu điện thế, dòng sạc, thời gian sạc và tỷ lệ hoàn thành pin. Công nghệ Bluetooth cho phép kết nối trong phạm vi 10 mét, cung cấp sự tiện dụng cao cho người dùng trong điều khiển và giám sát thiết bị. Hệ thống được tối ưu hóa để tiết kiệm pin điện thoại và đảm bảo kết nối ổn định.

3.1. Tính Năng Chính Của Ứng Dụng Android

Ứng dụng Bluetooth trên Android cung cấp các tính năng chính bao gồm: kiểm soát quá trình sạc từ xa, hiển thị trạng thái pin thực tế (State of Charge - SoC), theo dõi hiệu điện thế mở mạch (Open-Circuit Voltage - OCV), thông báo khi pin sạc đầy, và lịch sử quá trình sạc. Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số sạc và dừng quá trình sạc bất cứ lúc nào. Giao diện được thiết kế đơn giản nhưng đầy đủ thông tin cần thiết.

3.2. Giao Diện Và Thao Tác Trực Tiếp Trên Máy

Giao diện trên máy sạc sử dụng LCD Display để hiển thị thông tin chi tiết về quá trình sạc. Người dùng có thể thao tác trực tiếp thông qua encoder KY-040 để điều chỉnh các tham số như dòng sạc mong muốn, chế độ sạc, và xem các thông số kỹ thuật. Nút bấm cho phép bắt đầu, dừng hoặc reset quá trình sạc. Thiết kế này đảm bảo tính an toàn, dễ sử dụng và phù hợp với nhu cầu người dùng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Kết Luận Đồ Án Thiết Kế Máy Sạc Accu

Máy sạc accu thông minh có nhiều ứng dụng thực tiễn quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Nó có thể sử dụng để sạc pin cho các thiết bị ô tô, xe máy điện, hệ thống năng lượng mặt trời, và các ứng dụng công nghiệp khác. Với khả năng kiểm soát chính xác dòng sạc và giám sát trạng thái pin thông qua giao diện Bluetooth, sản phẩm này mang lại giải pháp hiệu quả cho quản lý năng lượng hiện đại. Đồ án thiết kế và chế tạo máy sạc accu thông minh đã thành công trong việc kết hợp các công nghệ tiên tiến như sạc xung, điều khiển tự động, giao tiếp Bluetooth và ứng dụng di động thành một sản phẩm hoàn chỉnh, an toàn và tiện dụng, phục vụ nhu cầu thực tiễn của xã hội.

4.1. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Máy Sạc Accu Thông Minh

Máy sạc accu thông minh có thể ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực: sạc pin cho phương tiện giao thông (ô tô điện, xe máy điện), hệ thống năng lượng tái tạo (pin mặt trời), các thiết bị di động, và ứng dụng công nghiệp. Khả năng quản lý dòng sạc tự động giúp bảo vệ pin, kéo dài tuổi thọ thiết bị, và tiết kiệm năng lượng. Với giao diện thân thiện và điều khiển từ xa, sản phẩm này đáp ứng tốt các yêu cầu thương mại và công nghiệp hiện đại.

4.2. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Đồ án thiết kế máy sạc accu thông minh đã đạt được các mục tiêu đề ra với sản phẩm hoàn chỉnh, an toàn và hiệu quả. Hướng phát triển tương lai có thể bao gồm: tích hợp AI/Machine Learning để tối ưu hóa quá trình sạc, hỗ trợ nhiều loại pin khác nhau, nâng cao tính năng giao tiếp wireless (WiFi, 4G), và phát triển phiên bản công suất cao cho ứng dụng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Chúng ta đang sống trong một xã hội văn minh phát triển về mọi mặt mà đáng quan tâm nhất chính là khoa học kỹ thuật. Ngày nay, mọi sản phẩm cũng như quá trình tạo ra sản phẩm đều được đẩy mạnh theo hướng điều khiển, tự động hóa. Các loại thiết bị, máy móc phục vụ công nghiệp lẫn đời sống hàng ngày đều phải sử dụng điện năng, có thể là dùng hoàn toàn nguồn năng lượng điện hoặc một phần năng lượng điện kết hợp với năng lượng khác. Trong thực tế, có những lúc cần đến điện năng nhưng không thể lấy được từ lưới điện.

Vì vậy chúng ta cần phải lấy năng lượng điện từ các nguồn điện dự trữ, điển hình là accu. Nguồn điện một chiều accu có thể ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị công nghiệp cũng như dân dụng, chiếu sáng… và đặc biệt quan trọng trong xe máy, ô tô. Tuy nhiên, accu là một thiết bị dự trữ điện năng, sẽ hết năng lượng sau một quá trình sử dụng nên chúng ta cần phải sạc lại cho accu để tiếp tục sử dụng. Lý do chọn đề tài Trên mỗi chiếc ô tô, accu đóng vai trò cực kì quan trọng.

Accu cung cấp năng lượng điện thường trực cho nhiều hệ thống trên xe và đặc biệt là dùng để khởi động động cơ. Tuy nhiên trong thực tế, không phải lúc nào accu trên xe cũng được sạc tốt, có một số trường hợp cần sạc accu trước khi lắp lên xe hoặc accu dự trữ. Do đó, chúng em muốn tạo ra một máy sạc có thể sạc tốt, điều chỉnh đa dạng, giao tiếp điện thoại hướng tới điều khiển từ xa. Cùng với tính năng sạc accu cơ bản, để giúp cho quá trình sử dụng thuận tiện hơn thì máy sạc accu phải cho người dùng nắm rõ được tình trạng của accu một cách trực tiếp hoặc thông qua điện thoại thông minh với phương thức giao tiếp Bluetooth.

Đó là lý do để chúng em tìm hiểu và thi công đồ án tốt nghiệp mang tên: “Thiết kế, chế tạo máy sạc accu thông minh”. Mục tiêu đề tài Mục tiêu thực hiện đề tài của nhóm là tạo ra một máy sạc accu thông minh với giao diện sử dụng thân thiện. Các thông số trạng thái của accu sẽ được hiển thị trực tiếp cũng như gửi lên điện thoại Android. Từ đó người dùng sẽ theo dõi được chính xác nhất tình trạng của accu.

Giới hạn đề tài Đối tượng và phạm vi nghiên cứu bao gồm accu, phương pháp sạc và lập trình điều khiển. Cụ thể là: phương pháp đo điện áp và dòng điện của bình accu, đọc dữ liệu để tính toán các thông số và điều khiển sạc bằng Arduino, kèm theo giao tiếp Bluetooth. Ý nghĩa thực hiện Đề tài giúp giải quyết được vấn đề theo dõi tình trạng của accu trong quá trình sạc. Các thông số của máy sạc sẽ được điều khiển tự động và liên tục.

Người dùng có thể dễ dàng điều khiển, quan sát và can thiệp trực tiếp nhằm đảm bảo việc vận hành và sử dụng dễ dàng, an toàn hơn cho con người và tăng tuổi thọ accu. Phương pháp nghiên cứu Để đề tài được hoàn thành, nhóm chúng em đã sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu, thông qua sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Nguyễn Trọng Thức và tìm kiếm thông tin trên mạng, sách giáo trình, các đồ án tốt nghiệp khóa trước… Từ đó có cơ sở lý thuyết để thực nghiệm, xây dựng mô hình và hoàn thành đề tài một cách tốt nhất. Tổng quát về accu Accu là nguồn hóa hoạt động trên cơ sở hai điện cực đó điện thế khác nhau, nó cung cấp dòng điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp cũng như trong dân dụng. Khi accu phóng hết dung lượng ta tiến hành sạc điện cho nó và sau đó accu lại tiếp tục phóng điện được.

Accu có thể thực hiện nhiều chu kỳ phóng sạc nên ta có thể sử dụng được lâu dài. Trong thực tế kỹ thuật có nhiều loại accu nhưng phổ biến và thường dùng nhất là hai loại accu: accu axit (accu chì) và accu kiềm. Tuy nhiên trong thực tế thông dụng nhất từ trước tới nay vẫn là accu axit vì so với accu kiềm thì accu axit có một vài tính năng tốt hơn như:  Sức điện động cao (với accu axit là 2V, accu kiềm là 1,2V).  Trong quá trình phóng, sự sụt áp của accu axit nhỏ hơn so với accu kiềm.

 Giá thành của accu axit rẻ hơn so với accu kiềm.  Điện trở trong của accu axit nhỏ hơn so với accu kiềm. Cấu tạo của bình accu axit Bình accu axit thông thường gồm có các bộ phận chính như vỏ bình, các bản cực, các tấm ngăn, dung dịch điện phân và các bộ phận phụ khác như nút đậy. Cấu tạo của bình accu axit 3 2.

Vỏ bình Vỏ bình accu axit hiện nay được chế tạo bằng nhựa êbônit hoặc anphantơpéc hay cao su nhựa cứng. Để tăng độ bền và khả năng chịu axit cho bình, khi chế tạo người ta ép vào bên trong bình một lớp lót chịu axit là polyclovinyl lớp lót này dày khoảng 0. Nhờ lớp lót này mà tuổi thọ của bình accu tăng lên từ 2 ÷ 3 lần. Phía trong vỏ bình tuỳ theo điện áp danh định của accu mà chia thành các ngăn riêng biệt và các vách ngăn này được ngăn cách bởi các ngăn kín và chắc.

Mỗi ngăn được gọi là một ngăn accu đơn với điện áp danh định là 12V nên ta có sáu ngăn accu đơn. Ở đáy các ngăn có các sống đỡ khối bản cực tạo thành khoảng trống giữa đáy bình và mặt dưới của khối bản cực, nhờ đó mà tránh được hiện tượng chập mạch giữa các bản cực do chất tác dụng bong ra rơi xuống đáy gây nên. Bên ngoài vỏ bình được đúc hình dạng gân chịu lực để tăng độ bền cơ và có thể được gắn các quai xách để việc di chuyển được dễ dàng hơn. Bản cực, phân khối bản cực và khối bản cực Hình 2.

Cấu tạo khối bản cực Bản cực gồm khung hình lưới và chất tác dụng. Khung đúc bằng hợp kim chì (Pb) – antimon (Sb) với tỷ lệ (87 ÷ 95)% Pb + (5 ÷ 13)% Sb. Phụ gia antimon thêm vào có tác dụng tăng độ cứng, giảm han gỉ và cải thiện tính đúc cho khung. 4 Khung để giữa chất tác dụng và phân khối dòng điện khắp bề mặt bản cực.

Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với các bản cực dương vì điện trở của chất tác dụng (ôxit chì PbO2) lớn hơn rất nhiều so với điện trở của chì nguyên chất, do đó càng tăng chiều dày của khung thì điện trở trong của accu sẽ càng nhỏ. Khung đúc dạng khung bao quanh, có vấu để hàn nối các bản cực thành phân khối bản cực và có hai chân để tỳ lên các sống đỡ ở đáy bình accu. Vì điện cốt của bản cực âm không phải là yếu tố quyết định vả lại chúng cũng ít bị han gỉ nên người ta thường làm mỏng hơn bản cực dương. Đặc biệt là hai tấm bên của phân khối bản cực âm lại càng mỏng vì chúng chỉ làm việc có một phía với các bản cực dương.

Chất tác dụng được chế tạo từ bột chì, axit sunfuric đặc và khoảng 3% các muối của axit hữu cơ đối với bản cực âm, còn đối với các bản cực dương thì chất tác dụng được chế tạo từ các ôxit chì Pb3O4, PbO2 và dung dịch axit sunfuric đặc. Phụ gia muối của axit hữu cơ trong bản cực âm có tác dụng tăng độ xốp, độ bền của chất tác dụng, nhờ đó mà cải thiện được độ thấm sâu của dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực đồng thời điện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học cũng được tăng lên. Các bản sau khi được trát đầy chất tác dụng được ép lại, sấy khô và thực hiện quá trình tạo cực, tức là chúng được ngâm vào dung dịch axit sunfuric loãng và sạc với dòng điện một chiều với trị số nhỏ. Sau quá trình như vậy chất tác dụng ở các bản cưc dương hoàn toàn trở thành PbO2 (màu gạch sẫm).

Sau đó các bản cực dương được đem rửa, sấy khô và lắp ráp. Các tấm bản cực của accu 5 Những phân khối bản cực cùng tên trong một accu được hàn với nhau tạo thành các khối bản cực và được hàn nối ra các vấu cực làm bằng chì hình côn để nối ra tải tiêu thụ. Với chú ý rằng, nếu ta muốn tăng dung lượng của accu thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc song song trong một accu đơn. Thường người ta lấy từ 5 ÷ 8 tấm.

Còn muốn tăng điện áp danh định của accu thì ta phải tăng số tấm bản cực mắc nối tiếp. Tấm ngăn Hình 2. Các tấm ngăn Các bản cực âm và dương được lắp xen kẽ với nhau và cách điện với nhau bởi các tấm ngăn và để đảm bảo cách điện tốt nhất các tấm ngăn được làm rộng hơn so với các bản cực. Các tấm ngăn có tác dụng chống chập mạch giữa các bản cực âm và dương, đồng thời để đỡ các tấm bản cực khỏi bị bong rơi ra khi sử dụng accu.

Các tấm ngăn ở đây phải là chất cách điện tốt, bền, dẻo, chịu được axit và có độ xốp thích hợp dể không ngăn cản chất điện phân thấm đến các bản cực. Các tấm ngăn hiện nay được chế tạo từ vật liệu polyvinyl xốp, mịn, dày khoảng từ 0.2 mm và có dạng mặt phẳng hướng về phía bản cực âm còn một mặt có hình sóng hoặc gồ hướng về phía bản cực dương nhằm tạo điều kiện cho dung dịch điện phân dễ luân chuyển hơn đến các bản cực dương và dung dịch lưu thông tốt hơn. Dung dịch điện phân Dung dịch điện phân trong bình accu là loại dung dịch axit sunfuric (H2SO4) được pha chế từ axit nguyên chất với nước cất theo nồng độ qui định tuỳ thuộc vào điều kiện khí hậu mùa và vật liệu làm tấm ngăn. Nồng độ dung dịch axit sunfuric γ = (1.

Nồng độ dung dịch điện phân có ảnh hưởng lớn đến sức điện động của accu. Hình dưới trình bày ảnh hưởng của dung dịch điện phân tới điện trở và sức điện động của accu. Ảnh hưởng của dung dịch điện phân tới điện trở và sức điện động của accu Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến nồng độ dung dịch điện phân. Với các nước ở trong vùng xích đạo nồng độ dung dịch điện phân quy định không quá 1.

Với các nước lạnh (vùng cực), nồng độ dung dịch điện phân cho phép tới 1. Trong điều kiện khí hậu nước ta thì mùa hè nên chọn nồng độ dung dịch khoảng (1.26) g/cm3, mùa đông ta nên chọn nồng độ khoảng 1.