Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Năng lượng là yếu tố then chốt đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia. Trong bối cảnh nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống đang ngày càng cạn kiệt, việc khai thác và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo trở thành xu hướng tất yếu. Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về bức xạ mặt trời, đặc biệt tại khu vực miền Trung và miền Nam với cường độ bức xạ trung bình đạt khoảng $5\text{ kWh/m}^2$, trong khi khu vực phía Bắc đạt khoảng $4\text{ kWh/m}^2$ do đặc thù thời tiết nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông - xuân. Năng lượng mặt trời có ưu điểm nổi bật là nguồn sơ cấp miễn phí, mức độ phát thải thấp và đặc biệt phù hợp cho các khu vực vùng sâu, vùng xa, hải đảo nơi lưới điện quốc gia chưa tiếp cận.

Tuy nhiên, tấm pin quang điện (photovoltaic - PV) chỉ tạo ra điện năng khi có bức xạ ánh sáng, khiến công suất đầu ra dao động liên tục và không ổn định theo thời tiết. Do đó, việc tích trữ điện năng vào hệ thống ắc quy là bắt buộc để duy trì nguồn cấp khi trời râm mát hoặc ban đêm. Để nạp điện hiệu quả cho ắc quy từ nguồn pin mặt trời có điện áp làm việc danh định thấp hơn (khoảng $18{,}2\text{ V}$) vào hệ ắc quy $24\text{ V}$, cần có một bộ biến đổi DC/DC tăng áp kết hợp mạch điều khiển sạc tối ưu nhằm bảo vệ và nâng cao tuổi thọ của bình ắc quy.

Đồ án tốt nghiệp của tác giả Âu Hồng Lộc (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải) tập trung giải quyết các nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu cụ thể sau:

  1. Tìm hiểu các phương pháp biến đổi điện áp một chiều (DC/DC boost converter).
  2. Nghiên cứu phương pháp tạo xung điều chế độ rộng xung (PWM) tần số cao ($20\text{ kHz}$) sử dụng vi điều khiển Arduino Uno R3.
  3. Nghiên cứu các phương pháp và quy trình nạp cho bình ắc quy.
  4. Thiết kế và thi công mạch kích (driver), mạch cách ly cho van bán dẫn công suất.
  5. Tính toán, thiết kế và chế tạo phần cứng bộ biến đổi DC/DC tăng áp.
  6. Lập trình giải thuật điều khiển giám sát điện áp và thực hiện chu trình nạp kết hợp dòng - áp.
  7. Chạy thử nghiệm thực nghiệm, đo đạc dạng sóng, đánh giá sai số và hiệu chỉnh hệ thống.
  8. Báo cáo kết quả và đánh giá khả năng ứng dụng thực tế.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống mạch sạc DC/DC tăng áp kết nối giữa nguồn pin mặt trời $50\text{ W}$ ($36\text{ cell}$) và hệ thống lưu trữ gồm 2 bình ắc quy chì - axit $12\text{ V}$ mắc nối tiếp thành hệ $24\text{ V}$ (dung lượng khảo sát $1{,}2\text{ Ah} - 5\text{ Ah}$). Phạm vi thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Điện tử Công suất, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong dải cường độ chiếu sáng từ $50%$ đến $100%$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết giải tích mạch điện tử công suất, mô phỏng thiết kế phần cứng và kiểm chứng thực nghiệm trên mô hình vật lý chế tạo thực tế.

Khung lý thuyết và mô hình tính toán bao gồm:

  • Nguyên lý biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter): Phân tích trạng thái đóng/ngắt của khóa chuyển mạch bán dẫn và phần tử tích lũy năng lượng ($L, C$) ở chế độ dòng liên tục (CCM - Continuous Conduction Mode) và chế độ dòng gián đoạn (DCM - Discontinuous Conduction Mode). Ở chế độ liên tục lý tưởng, mối quan hệ giữa điện áp ra ($V_o$), điện áp vào ($V_i$) và tỉ số chu kỳ xung ($D$) tuân theo công thức: $$\frac{V_o}{V_i} = \frac{1}{1 - D}$$ Khi xét đến sụt áp trên diode ($V_d$) và trên khóa chuyển mạch bán dẫn ($V_{ce}$), phương trình hiệu chỉnh là: $$V_o = \frac{V_i - V_d - D(V_d - V_{ce})}{1 - D}$$
  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM): Điều khiển tỷ số đóng/cắt của khóa chuyển mạch bằng cách so sánh tín hiệu điều khiển với sóng mang thông qua bộ đếm (Counter) và thanh ghi so sánh của vi điều khiển Arduino ở tần số cố định $20\text{ kHz}$.
  • Phương pháp nạp bình ắc quy: So sánh ba phương pháp cơ bản gồm nạp dòng không đổi (constant current), nạp điện áp không đổi (constant voltage), và phương pháp nạp kết hợp dòng - áp. Đề tài lựa chọn phương pháp nạp kết hợp: giai đoạn đầu nạp ổn định dòng ở mức $0{,}1\text{C} - 0{,}2\text{C}$ cho đến khi điện áp đạt ngưỡng, sau đó chuyển sang chế độ sạc ổn áp duy trì từ $2$ đến $3\text{ giờ}$ cho đến khi dòng nạp giảm dần về gần $0\text{ A}$.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ:

  • Thiết kế mạch: Sử dụng phần mềm Proteus để thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mạch in (PCB) cho các khối nguồn, khối kích điều khiển và khối mạch lực.
  • Xử lý tín hiệu và điều khiển nhúng: Sử dụng bo mạch vi điều khiển Arduino Uno R3 lập trình bằng ngôn ngữ C/C++ trên nền tảng Arduino IDE để đọc tín hiệu analog điện áp, thực thi ngắt thời gian và xuất xung PWM điều khiển.
  • Đo kiểm thực nghiệm: Sử dụng máy hiện sóng kỹ thuật số Tektronix TBS2014B để đo dạng sóng điện áp xung kích, kiểm tra điện áp vào/ra, dòng qua cuộn cảm và dòng sạc ắc quy.
  • Nguồn dữ liệu: Số liệu bức xạ mặt trời và số giờ nắng tại khu vực TP. Hồ Chí Minh theo niên giám thống kê, thông số kỹ thuật linh kiện từ datasheet nhà sản xuất (FGA25N120, DSEI60-06A, TLP250, Morsun QA01).

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống sạc ắc quy được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 5 khối chức năng chính được liên kết chặt chẽ:

                     (Arduino Uno R3)    (Mạch Hồi tiếp Điện áp)
Tên khối chức năng Phần cứng và linh kiện chính Nhiệm vụ kỹ thuật
Nguồn quang điện (PV) Tấm pin mặt trời $36\text{ cell}$, $50\text{ W}$ ($V_{mp} = 18{,}2\text{ V}$; $I_{mp} = 2{,}27\text{ A}$; $I_{sc} = 2{,}94\text{ A}$) Chuyển đổi quang năng thành điện năng DC cung cấp cho mạch lực và khối nguồn.
Mạch công suất DC/DC IGBT FGA25N120ANTD ($1200\text{ V}, 40\text{ A}$), Diode xung DSEI60-06A ($600\text{ V}, 60\text{ A}, t_{rr} = 50\text{ ns}$), Cuộn cảm $L = 1{,}5\text{ mH}$, Tụ điện $2200,\mu\text{F}/50\text{ V}$ Nâng điện áp từ mức $18{,}2\text{ V}$ lên mức trên $24\text{ V}$ để sạc cho ắc quy.
Khối nguồn phụ IC ổn áp L7805CV ($5\text{ V}$), L7812CV ($12\text{ V}$), module DC/DC cách ly MORSUN QA01 ($12\text{ V} \to \pm15\text{ V}$) Tạo nguồn $+5\text{ V}$ nuôi Arduino và nguồn đối xứng $\pm15\text{ V}$ nuôi mạch kích IGBT.
Khối mạch kích & cách ly Optocoupler TLP250, điện trở cổng $R_g = 10,\Omega$, điện trở hạn dòng LED $R_4 = R_5 = 330,\Omega$ Chuyển đổi mức xung $0-5\text{ V}$ từ Arduino thành xung $\pm15\text{ V}$, cách ly quang chống nhiễu giữa mạch lực và mạch điều khiển.
Khối hồi tiếp & cảm biến Cầu phân áp điện trở ($R_8 = 150\text{ k}\Omega, R_9 = 120\text{ k}\Omega, R_{10} = 33\text{ k}\Omega, R_{11} = 12\text{ k}\Omega$) Hạ tỷ lệ điện áp vào/ra theo hệ số $k = 45/315 = 1/7$ để đưa về chân Analog Arduino ($0-5\text{ V}$).
Khối lưu trữ 2 bình ắc quy axit-chì $12\text{ V} - 1{,}2\text{ Ah}$ mắc nối tiếp ($24\text{ V}$) Tích trữ điện năng và duy trì điện áp cấp cho phụ tải.

Quy trình phần mềm được tổ chức theo chương trình chính kết hợp hàm ngắt định thời. Thuật toán liên tục đo điện áp tấm pin mặt trời ($V_i$) và điện áp bình ắc quy ($V_b$):

  • Điều kiện sạc thông thường: $V_i > 18\text{ V}$ và $V_b < 30\text{ V}$, vi điều khiển tính toán và xuất xung kích với độ rộng xung $D$ phù hợp. Nếu điện áp pin sụt giảm ($V_i \le 15\text{ V}$), hệ thống chuyển sang chu kỳ quét kiểm tra.
  • Chế độ sạc no (Float charge): Khi điện áp ắc quy đạt ngưỡng $V_b > 27\text{ V}$, hệ thống kích hoạt cờ sạc no, duy trì ổn định áp trong thời gian $7200\text{ giây}$ ($2\text{ giờ}$) để nạp no hoàn toàn trước khi ngắt chu trình.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của việc khai thác năng lượng tái tạo tại Việt Nam, đặc biệt là tiềm năng bức xạ mặt trời tại các tỉnh miền Nam và miền Trung (trung bình $5\text{ kWh/m}^2$). Tác giả phân tích rõ ưu điểm về kinh tế, môi trường của nguồn quang điện và chỉ ra hạn chế phụ thuộc thời tiết, từ đó nêu bật sự cần thiết của hệ thống biến đổi DC/DC tăng áp kết hợp bộ lưu trữ ắc quy. Chương này cũng xác định rõ 8 nhiệm vụ triển khai, giới hạn đề tài áp dụng cho hệ ắc quy $24\text{ V}$ và cấu trúc 6 chương của báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết chi tiết về:

  • Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch biến đổi DC/DC tăng áp, thiết lập các phương trình cân bằng điện áp và dòng điện trên cuộn cảm ở chế độ liên tục và gián đoạn.
  • Kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) bằng phần cứng và phần mềm, cơ chế tạo xung bằng thanh ghi bộ đếm (Counter/Timer) trên vi điều khiển.
  • Đặc tính hóa học và phương pháp nạp cho các loại ắc quy (ắc quy nước, kín khí, khô); phân tích ưu nhược điểm của phương pháp nạp dòng không đổi, nạp áp không đổi và lựa chọn phương pháp nạp kết hợp.
  • Cấu tạo tế bào quang điện ($36\text{ cell}$), giải thích 3 giai đoạn của hiệu ứng quang điện và bảng thông số tấm pin $50\text{ W}$.
  • Phân tích và lựa chọn linh kiện công suất: So sánh giữa BJT, MOSFET và IGBT, đi đến quyết định sử dụng IGBT FGA25N120ANTD kết hợp diode xung DSEI60-06A nhờ khả năng chịu áp cao và đáp ứng tần số đóng ngắt $20\text{ kHz}$.

Chương 3: Tính toán - Thiết kế

Chương 3 trình bày các bước tính toán thông số kỹ thuật cho hệ thống:

  • Dựa trên số giờ nắng trung bình tháng thấp nhất tại TP. Hồ Chí Minh ($5{,}48\text{ giờ}$ vào tháng 12), xác định dòng nạp yêu cầu cho hệ ắc quy.
  • Tính toán điện trở nội của bình ắc quy $r = 0{,}4,\Omega$ và xác định điện áp đầu ra cực đại của bộ biến đổi $U_{out,max} = 24{,}36\text{ V}$.
  • Tính chọn giá trị độ tự cảm tối thiểu $L_{min} = 0{,}8\text{ mH}$ và chọn cuộn cảm thực tế $L = 1{,}5\text{ mH}$ để đảm bảo mạch hoạt động ở chế độ dòng liên tục (CCM).
  • Thiết kế mạch nguồn phụ sử dụng L7805CV, L7812CV và Morsun QA01; tính toán mạch kích opto TLP250 với điện trở cực cổng $R_g = 10,\Omega$ và điện trở hạn dòng $R_4 = R_5 = 330,\Omega$.
  • Thiết kế mạch phân áp hồi tiếp tỷ lệ $1/7$ sử dụng dãy điện trở chính xác ($150\text{ k}\Omega, 120\text{ k}\Omega, 33\text{ k}\Omega, 12\text{ k}\Omega$).

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 mô tả toàn bộ quy trình gia công phần cứng và xây dựng thuật toán điều khiển:

  • Trình bày các bước thiết kế mạch in (PCB) bằng phần mềm Proteus, gia công phay/rửa mạch, khoan lỗ, hàn lắp và kiểm tra nguội từng linh kiện (tụ điện, điện trở, IC ổn áp, IGBT, diode xung) trước khi cấp nguồn.
  • Chế tạo hoàn chỉnh 3 bo mạch thực tế: bo nguồn, bo mạch kích cách ly và bo công suất tích hợp mạch hồi tiếp.
  • Xây dựng lưu đồ giải thuật phần mềm chi tiết gồm: lưu đồ chương trình chính, lưu đồ hàm ngắt định thời $1\text{ giây}$, lưu đồ hàm con đọc giá trị analog điện áp và lưu đồ hàm con điều khiển quá trình sạc no.

Chương 5: Kết quả thực nghiệm

Chương 5 ghi nhận và đánh giá toàn bộ kết quả đo đạc thực tế:

  • Đánh giá mạch driver và cách ly: Khi cường độ sáng thay đổi từ $50%$ đến $100%$, mạch kích TLP250 kết hợp nguồn Morsun QA01 vẫn tạo ra dạng sóng xung kích chuẩn với biên độ đóng $+15\text{ V}$ và ngắt $-15\text{ V}$ ở tần số $20\text{ kHz}$.
  • Đánh giá khả năng thay đổi độ rộng xung: Kiểm tra giải thuật điều khiển xung từ $D = 2%$ đến $D = 98%$. Sai số tại ngõ ra Arduino luôn dưới $0{,}75%$. Tại ngõ ra driver, khi cường độ sáng giảm xuống $50%$, sai số biên độ lớn nhất ghi nhận là $-5{,}28%$.
  • Đánh giá bộ biến đổi tăng áp:
    • Tại $D = 20%$, $V_{in} = 19\text{ V}$, điện áp ra đo được $V_{out} = 23{,}2\text{ V}$ (phù hợp với công thức tính có xét sụt áp).
    • Tại $D = 40%$, $V_{in} = 18{,}4\text{ V}$, mạch tăng áp đạt yêu cầu nạp cho ắc quy.
  • Đánh giá chu trình sạc ắc quy: Ghi nhận dạng sóng dòng/áp từ mức dung lượng $60%$ ($24{,}48\text{ V}$) đến $90%$ ($25{,}92\text{ V}$).
  • Quá trình sạc no: Dòng sạc giảm dần theo thời gian: từ $0{,}155\text{ A}$ (sau $20\text{ phút}$) xuống $0{,}138\text{ A}$ ($43\text{ phút}$), $0{,}107\text{ A}$ ($1\text{ giờ } 28\text{ phút}$), $0{,}077\text{ A}$ ($2\text{ giờ } 20\text{ phút}$) và đạt $0{,}053\text{ A}$ sau $4\text{ giờ } 20\text{ phút}$.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết các hạng mục đã hoàn thành: tính toán lý thuyết, thiết kế thi công 3 bo mạch phần cứng, lập trình điều khiển nhúng trên Arduino và kiểm nghiệm thực nghiệm thành công mô hình mạch sạc $24\text{ V}$ từ pin mặt trời $50\text{ W}$. Đồng thời, tác giả rút ra các kết luận khoa học về độ ổn định của mạch driver và đưa ra các khuyến nghị vận hành khi nguồn sáng suy giảm.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm chính

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng hoạt động ổn định và đo đạc đầy đủ các thông số thực tế:

Hạng mục kiểm tra Điều kiện / Giá trị cài đặt Kết quả đo thực nghiệm Đánh giá sai số & sự phù hợp
Điện áp xung kích IGBT Tần số $20\text{ kHz}$, nguồn sáng $50% - 100%$ Mức cao $+15\text{ V}$, mức thấp $-15\text{ V}$ Đảm bảo đóng ngắt dứt khoát IGBT, cách ly hoàn toàn vi điều khiển.
Dải điều chế xung PWM Cài đặt $D$ từ $2%$ đến $98%$ Đo tại Arduino và ngõ ra driver Sai số tại Arduino $\le 0{,}75%$; sai số tại driver lớn nhất $-5{,}28%$ khi ánh sáng $50%$.
Khả năng tăng áp ($D=20%$) $V_{in} = 19\text{ V}, D = 0{,}2$ $V_{out} = 23{,}2\text{ V}$ Khớp với tính toán lý thuyết khi có tính sụt áp diode và $V_{ce}$.
Khả năng tăng áp ($D=40%$) $V_{in} = 18{,}4\text{ V}, D = 0{,}4$ Điện áp tăng tuyến tính đáp ứng nạp Nâng áp thành công lên mức sạc cho hệ $24\text{ V}$.
Dòng sạc giai đoạn sạc no Ổn áp ngưỡng $V_b > 27\text{ V}$ trong $2\text{ giờ}$ Giảm từ $0{,}155\text{ A} \to 0{,}053\text{ A}$ ($4\text{h}20\text{p}$) Dòng nạp giảm dần tiệm cận về $0\text{ A}$, bảo vệ bình không bị quá nạp.

2. Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Sử dụng nguồn phụ cách ly chuyên dụng: Ứng dụng vi mạch MORSUN QA01 để tạo nguồn đối xứng $\pm15\text{ V}$ từ nguồn $12\text{ V}$, giúp xung kích cổng IGBT đạt chuẩn $-15\text{ V}$ khi khóa, triệt tiêu hiện tượng mở ký sinh do điện dung $C_{ge}$ và nhiễu dV/dt.
  • Cách ly quang bảo vệ vi điều khiển: Sử dụng optocoupler tốc độ cao TLP250 kết hợp điện trở cổng $R_g = 10,\Omega$ tối ưu thời gian trễ đóng/ngắt của IGBT FGA25N120.
  • Cầu phân áp điện trở chính xác cao: Ghép nối tiếp dãy điện trở công suất có sai số thấp để tạo hệ số phân áp chuẩn $1/7$, bảo vệ an toàn cho ngõ vào Analog ($0-5\text{ V}$) của vi điều khiển Arduino Uno R3.
  • Khuyến nghị vận hành: Tác giả đưa ra khuyến cáo hạn chế vận hành hệ thống khi cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời giảm xuống dưới $50%$ do sai số điều chế xung tăng và hiệu suất biến đổi giảm.

3. Đóng góp khoa học và thực tiễn

  • Thiết kế hoàn chỉnh một mô hình phần cứng sạc ắc quy DC/DC tăng áp nhỏ gọn, không cần giá đỡ phức tạp cho mạch điện.
  • Kết hợp thành công giữa nền tảng vi điều khiển giá thành thấp (Arduino) với cấu trúc mạch công suất sử dụng IGBT để điều khiển sạc thông minh theo phương pháp kết hợp dòng - áp.
  • Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm chi tiết về dạng sóng chuyển mạch, quan hệ dòng nạp - điện áp và quá trình suy giảm dòng sạc no trong điều kiện thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo nội dung công bố trong văn bản đồ án, các hạn chế và hướng mở rộng được xác định như sau:

  • Hạn chế:

    • Hệ thống phần cứng và thuật toán điều khiển mới chỉ thiết kế và áp dụng cho bình ắc quy hệ $24\text{ V}$, chưa hỗ trợ tự động nhận diện các cấp điện áp khác ($12\text{ V}, 48\text{ V}$).
    • Khi cường độ ánh sáng yếu (dưới $50%$), sai số tạo xung kích của mạch driver tăng lên (đạt mức $-5{,}28%$), gây ảnh hưởng đến hiệu quả chuyển đổi năng lượng.
    • Chưa tích hợp thuật toán dò điểm công suất cực đại (MPPT - Maximum Power Point Tracking) hoàn chỉnh để tối ưu hóa công suất khai thác từ pin mặt trời khi điều kiện bức xạ thay đổi liên tục.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Nghiên cứu và cài đặt các giải thuật MPPT chuyên sâu (như P&O - Perturb and Observe, Incremental Conductance) trên vi điều khiển để nâng cao hiệu suất thu nhận năng lượng của tấm pin.
    • Mở rộng dải điện áp làm việc của mạch DC/DC và nâng cấp thuật toán nhận diện tự động dung lượng, điện áp định mức của nhiều loại ắc quy/pin lưu trữ khác nhau.
    • Bổ sung các khâu bảo vệ phần cứng nâng cao: chống ngược cực ắc quy, bảo vệ quá nhiệt cho IGBT/Diode và cảm biến đo nhiệt độ môi trường để bù nhiệt điện áp sạc.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Đối tượng người đọc: Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện – Điện tử, Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Năng lượng tái tạo và các kỹ sư thiết kế thiết bị điện tử công suất ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời.
  • Nội dung giá trị cao cần tham khảo:
    • Phương pháp tính toán chọn thông số cuộn cảm $L$, tụ lọc và van bán dẫn (IGBT/Diode) cho bộ biến đổi DC/DC tăng áp hoạt động ở chế độ dòng liên tục ($20\text{ kHz}$).
    • Sơ đồ nguyên lý và thiết kế mạch driver kích IGBT sử dụng TLP250 kết hợp nguồn cách ly Morsun QA01 ($\pm15\text{ V}$).
    • Kỹ thuật lập trình thanh ghi Timer trên Arduino Uno R3 để tạo xung PWM tần số cao $20\text{ kHz}$ và xây dựng chương trình con ngắt định thời phục vụ giám sát sạc tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài phải sử dụng bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) mà không dùng bộ hạ áp?
Tấm pin năng lượng mặt trời $50\text{ W}$ ($36\text{ cell}$) được sử dụng có điện áp làm việc tối ưu danh định chỉ khoảng $18{,}2\text{ V}$ (điện áp hở mạch khoảng $22\text{ V}$). Trong khi đó, hệ thống lưu trữ gồm 2 bình ắc quy $12\text{ V}$ mắc nối tiếp tạo thành hệ $24\text{ V}$ (khi sạc no điện áp có thể lên tới $26{,}4\text{ V} - 27\text{ V}$). Do điện áp nguồn luôn thấp hơn điện áp bình ắc quy, bắt buộc phải dùng mạch DC/DC tăng áp để nâng áp lên mức cao hơn điện áp hai cực của ắc quy mới có thể bơm dòng điện sạc vào bình.

2. Khóa chuyển mạch IGBT FGA25N120ANTD được kích đóng và ngắt bằng mức điện áp nào trong mạch?
Để đảm bảo IGBT đóng cắt an toàn và dứt khoát ở tần số cao $20\text{ kHz}$, mạch sử dụng vi mạch tạo nguồn cách ly MORSUN QA01 và driver TLP250 để cung cấp điện áp xung kích đối xứng: mức $+15\text{ V}$ khi muốn kích mở IGBT dẫn dòng và mức $-15\text{ V}$ khi cần ngắt khóa hoàn toàn, giúp triệt tiêu hiện tượng mở nhầm do nhiễu.

3. Phương pháp sạc ắc quy nào được tác giả lựa chọn và cài đặt trong giải thuật?
Tác giả lựa chọn phương pháp nạp kết hợp dòng - áp: Ban đầu hệ thống nạp với dòng điện không đổi (khoảng $0{,}1\text{C} - 0{,}2\text{C}$ dung lượng bình) cho đến khi điện áp ắc quy tăng lên đến ngưỡng ($V_b > 27\text{ V}$). Sau đó, hệ thống chuyển sang chế độ sạc ổn áp (sạc no/float charge) duy trì trong thời gian $7200\text{ giây}$ ($2\text{ giờ}$), khi đó dòng sạc sẽ giảm dần về gần $0\text{ A}$ để hoàn tất chu trình mà không làm chai phồng bình.

4. Mạch hồi tiếp điện áp thực hiện chức năng gì và có tỷ lệ phân áp là bao nhiêu?
Mạch hồi tiếp sử dụng cầu phân áp điện trở ($150\text{ k}\Omega, 120\text{ k}\Omega, 33\text{ k}\Omega, 12\text{ k}\Omega$) với tỷ số chia $k = 45/315 = 1/7$ (hệ phân áp $5/30$). Mạch có nhiệm vụ hạ mức điện áp cao từ tấm pin ($>20\text{ V}$) và từ đầu ra bộ biến đổi/ắc quy ($>24{,}36\text{ V}$) xuống dải điện áp an toàn $0 - 5\text{ V}$ để đưa vào chân Analog của Arduino Uno R3 phục vụ tính toán điều khiển.

5. Kết quả thực nghiệm giai đoạn sạc no (float charge) ghi nhận sự thay đổi dòng sạc như thế nào?
Khi điện áp bình đạt ngưỡng sạc no, dòng sạc giảm dần theo thời gian kiểm thử thực tế: sau $20\text{ phút}$ đạt $0{,}155\text{ A}$; sau $43\text{ phút}$ đạt $0{,}138\text{ A}$; sau $1\text{ giờ } 28\text{ phút}$ đạt $0{,}107\text{ A}$; sau $1\text{ giờ } 51\text{ phút}$ đạt $0{,}091\text{ A}$; sau $2\text{ giờ } 20\text{ phút}$ đạt $0{,}077\text{ A}$; sau $2\text{ giờ } 55\text{ phút}$ đạt $0{,}070\text{ A}$; sau $3\text{ giờ } 50\text{ phút}$ đạt $0{,}059\text{ A}$ và sau $4\text{ giờ } 20\text{ phút}$ giảm xuống còn $0{,}053\text{ A}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mạch sạc bình ắc quy sử dụng nguồn pin năng lượng mặt trời" của tác giả Âu Hồng Lộc đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu thiết kế, tính toán và chế tạo thành công bộ biến đổi DC/DC tăng áp công suất nhỏ phục vụ nạp cho hệ ắc quy $24\text{ V}$. Hệ thống phần cứng tích hợp hoàn chỉnh giữa vi điều khiển Arduino Uno R3 tạo xung PWM $20\text{ kHz}$, mạch driver cách ly quang TLP250 cấp nguồn đối xứng $\pm15\text{ V}$ và van công suất IGBT FGA25N120. Kết quả đo kiểm thực nghiệm khẳng định bộ biến đổi hoạt động ổn định ở chế độ dòng liên tục, thuật toán sạc kết hợp dòng - áp kiểm soát chính xác quá trình nạp và tự động chuyển sang chế độ sạc no an toàn cho bình ắc quy.