Chương 1 trình bày ngắn gọn các vấn đề cơ bản về pin sạc Li-Ion bao gồm đặc tính hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và mô hình hoạt động của pin Li-Ion. Qua đó cho thấy, pin Li-Ion cần được sạc với điều kiện dòng điện và điện áp phù hợp nhằm đảm bảo dung lượng khả dụng và tuổi thọ của pin. Bên cạnh đó, các phương thức sạc phù hợp cho pin Li-Ion được đưa ra và đánh giá dựa trên các điều kiện hoạt động an toàn cho pin và khả năng thực thi trên phần cứng mạch tích hợp. Các cấu trúc thiết kế mạch sạc kiểu tuyến tính và kiểu chuyển mạch cũng như cấu trúc thiết kế các mạch chức năng sử dụng công nghệ CMOS cũng được phân tích rõ ràng nhằm cung cấp cơ sở lý thuyết về đặc tính hoạt động và nguyên lý thiết kế của mạch sạc pin Li-Ion.
Đây được xem là cở sở nền tảng cho quá trình nghiên cứu và phân tích thiết kế trong các chương tiếp theo của luận án. Nội dung trong chương 2 đưa ra cấu trúc mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính bao gồm nguồn dòng song song, mạch cảm biến dòng điện, mạch điều khiển dòng điện sạc và mạch tạo dòng điện/điện áp. Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất công suất của hệ thống, cấu trúc mạch sạc sẽ được thiết kế để hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng theo điện áp pin. Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các công trình khoa học đã công bố trước đó, những vấn đề còn tồn tại và giải pháp cải thiện hiệu năng được đưa ra để thực hiện cho các khối chức năng trong mạch sạc pin Li-Ion.
Trong đó, một số giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc đã đề xuất bao gồm mạch nguồn dòng song song, áp dụng mạch khuếch đại truyền dẫn OTA trong mạch điều khiển dòng điện sạc và áp dụng mạch so sánh có trễ cùng với mạch tạo dòng điện tham chiếu liên tục trong mạch tạo dòng điện/điện áp. Trong nội dung còn lại của chương này, các kết quả mô phỏng tin cậy của mạch sạc đã thiết kế được 7 đưa ra nhằm mục đích đánh giá và kiểm chứng đặc tính hoạt động của mạch sạc cũng như tính đúng đắn của các giải pháp cải thiện hiệu năng đã đề xuất. Nội dung nghiên cứu trọng tâm trong chương 3 đưa ra cấu trúc hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao dựa trên sự kết hợp giữa cấu trúc mạch biến đổi DC- DC và cấu trúc mạch sạc đã thực hiện trong chương 2. Theo đó, giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc pin Li-Ion được đề xuất nhằm đảm bảo cho hệ thống mạch sạc đạt hiệu suất và hiệu năng cao.
Trong nội dung tiếp theo của chương, mạch DC-DC với tải là mạch sạc được phân tích thiết kế chi tiết cho các khối mạch chức năng. Giải pháp thực hiện mạch bù tần số loại III cùng với hướng phân tích thiết kế theo đặc tính hoạt động của mạch sạc được thực hiện nhằm đảm bảo yêu cầu hoạt động ổn định và đầu ra dải rộng của mạch DC-DC. Tính ổn định của hệ thống mạch sạc cũng được xem xét dựa trên phân tích các mô hình hoạt động xoay chiều tương ứng theo các chế độ hoạt động của mạch sạc. Cuối cùng, đặc tính hoạt động của mạch DC-DC và hệ thống mạch sạc đã đề xuất được đánh giá và thảo luận thông qua các kết quả mô phỏng trung thực của mạch DC-DC tương ứng với các trường hợp tải điện trở và tải là mạch sạc pin Li-Ion.
8 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH SẠC PIN LI-ION 1. Giới thiệu chƣơng Nội dung trình bày trong chương này đề cập các vấn đề cơ bản về pin Li-Ion và tổng quan về thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi. Trước tiên, các đặc tính và điều kiện hoạt động của pin Li-Ion được mô tả ngắn gọn trong mục 1. Trong nội dung tiếp theo, các phương thức sạc pin Li- Ion được trình bày nhằm đưa ra phân tích đánh giá phù hợp dựa trên yếu tố đảm bảo an toàn cho pin và khả năng thực thi trên phần cứng mạch tích hợp sử dụng công nghệ CMOS.
Nguyên lý thiết kế mạch sạc sẽ được phân tích rõ ràng trên cơ sở cấu trúc ổn định kiểu tuyến tính và cấu trúc ổn định kiểu chuyển mạch. Đồng thời, cấu trúc thiết kế của các mạch chức năng sử dụng trong thiết kế mạch sạc cũng được đề cập trong nội dung của chương này. Sơ lƣợc về pin sạc Li-Ion 1. Giới thiệu chung Ngày nay, các loại pin sạc lại được (pin sạc) đã và đang giữ vai trò trọng yếu trong việc cung cấp nguồn cho một số thiết bị điện tử dân dụng và thiết bị đầu cuối viễn thông.
Một số loại pin sạc đang được sử dụng phổ biến bao gồm: pin Chì-Axít (LA), Niken-Catmi (NiCd), Niken-Kim loại-Hydrua (NiMH) và Lithi-Ion (Li-Ion) [40, 41]. Đặc tính chung của pin sạc là biến đổi điện năng thành hóa năng trong quá trình lưu trữ năng lượng (quá trình sạc) và biến đổi hóa năng thành điện năng trong quá trình cung cấp năng lượng cho mạch tải (quá trình xả). Đặc tính cơ bản của một số loại pin sạc phổ biến. Loại pin sạc LA NiCd NiMH Li-Ion1 Năng lượng riêng ( ⁄ ) 30 – 40 40 – 60 30 – 80 120 – 150 Mật độ năng lượng ( ⁄ ) 60 – 70 50 – 150 140 – 300 250 – 450 Điện áp trung bình ( ) 2 1,2 1,2 3,6 – 3,8 Số chu kỳ sạc/xả 300 – 800 1000 – 2000 500 – 1500 > 500 Tốc độ tự xả ( ⁄ ) 3–5 20 30 1–5 Dải nhiệt độ hoạt động ( ) −20 – 60 −40 – 60 −20 – 60 −20 – 60 1 Pin Li-Ion với catôt là hợp chất 9 Tuy nhiên, mỗi loại pin sạc sẽ có các tham số đặc tính phụ thuộc vào các loại vật liệu cấu thành nên phần tử pin.
Trên cơ sở lý thuyết về các loại pin sạc trong [1, 42], các tham số đặc tính của pin sạc được liệt kê trong bảng 1. Trong đó, pin Li-Ion có nhiều ưu điểm nổi bật như mật độ năng lượng cao, năng lượng riêng lớn, độ tự xả thấp và điện áp hoạt động cao. Vì vậy, pin Li-Ion đã và đang được sử dụng phổ biến trong hầu hết các thiết bị điện tử như máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại di động và các công cụ kỹ thuật số v. Chu trình hoạt động sạc/xả của pin Li-Ion [40].
Chu trình phản ứng hóa học bên trong pin Li-Ion. Chu trình sạc Chu trình xả Tại catôt Tại anôt Tổng quát Các thành phần cơ bản của pin gồm có: Catôt (điện cực dương) được cấu thành từ hợp chất ôxit kim loại như là , , hoặc ( ) v. Anôt (điện cực âm) thường là vật liệu graphit hoặc cacbon. Chất điện phân là hỗn hợp của dung môi hữu cơ Etylen Cacbonat (EC) và muối lithi ( ).
Màng cách ly giữa catôt và anôt thường được tạo ra từ các loại vật liệu Polyetylen (PE) hoặc Polypropylen (PP).1 minh họa cơ chế hoạt động của pin Li-Ion loại catôt là hợp chất. Trong chu trình sạc, dưới tác dụng của năng lượng điện từ + mạch ngoài, các ion Li tách khỏi cấu trúc phân lớp của và di chuyển có hướng từ catôt đến anôt thông qua môi trường chất điện phân và màng cách li. Đồng thời, các điện tử e- được giải phóng từ quá trình ôxy hóa chạy theo hướng catôt - mạch ngoài - anôt. Tại anôt, các ion Li+ được đan xen vào cấu trúc phân lớp để tạo thành.
Trong chu trình xả, các ion Li+ được tách đan xen và các điện tử 10 e- từ anôt di chuyển theo hướng ngược lại so với chu trình sạc nhằm tạo lại hợp chất ban đầu tại catôt và giải phóng năng lượng điện cung cấp cho mạch tải. Như vậy, nguyên lý hoạt động của pin Li-Ion dựa trên cơ chế điện hóa có tính thuận nghịch. Các phản ứng hóa học trong chu trình hoạt động của pin Li-Ion được thể hiện rõ trong bảng 1. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng pin Li-Ion Pin Li-Ion được xem là loại pin sạc có thời gian sử dụng (tuổi thọ của pin Li- Ion) lâu dài.
Tuy nhiên, khi hoạt động trong các điều kiện quá mức về nhiệt độ và chế độ hoạt động, dung lượng pin sẽ bị suy giảm nhanh dẫn đến thời gian sử dụng của pin cũng bị giảm theo. Nghiêm trọng hơn là pin có thể bị phá hỏng bởi hiện tượng quá nhiệt hoặc ngắn mạch bên trong [43, 44]. Bởi vì dung lượng và thời gian sử dụng của pin Li-Ion phụ thuộc vào tính ổn định cấu trúc của hợp chất cấu thành các điện cực, đặc tính điện hóa của các điện cực và độ ổn định cấu trúc bên trong của pin. Những đặc tính này đều liên quan đến quá trình khuếch tán các ion Li+ trong môi trường chất điện phân và các điện cực, suy giảm bởi nội trở, quá trình phân ly chất điện phân và đặc tính bề mặt phân ly giữa các điện cực và môi trường chất điện phân.
Chi tiết hơn về cơ chế gây tổn thất dung lượng bên trong pin Li-Ion được đưa ra trong các nghiên cứu [4, 45, 46]. Theo đó, quá trình suy giảm dung lượng được bắt nguồn từ các phản ứng phụ và sự tác động lẫn nhau giữa hợp chất hóa học tại catôt, anôt với môi trường chất điện phân. Như vậy, pin Li-Ion vẫn bị mất dần dung lượng ngay cả khi hoạt động trong điều kiện bình thường và dung lượng của pin sẽ bị suy giảm nghiêm trọng hơn khi hoạt động trong các điều kiện quá mức, điển hình là điều kiện nhiệt độ quá mức, hoạt động sạc/xả quá mức và tốc độ sạc/xả nhanh. Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ quá mức Nhìn chung, pin Li-Ion điển hình có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (hoạt động sạc: 0 – 45 oC, hoạt động xả: −20 – 60 oC).
Các đặc tính của pin rất nhạy với các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Do đó, hiệu năng hoạt động, dung lượng và độ an toàn của pin Li-Ion đều bị ảnh hưởng bởi yếu tố nhiệt độ môi trường. Trong điều kiện nhiệt độ cao kết hợp với trạng thái dung lượng SOC cao sẽ làm tăng cường các quá trình gây tổn thất dung lượng bên trong pin Li-Ion. Điển hình là quá trình suy giảm các hoạt chất tại catôt và tăng kích thước lớp phân ly (SEI) giữa anôt và môi trường chất điện phân.
Điều này được xem là nguyên nhân chính gây tổn thất các ion lithi và tăng nội trở của pin Li-Ion. Các thống kê trong bảng 1.