Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp pin xe điện có hồi tiếp điện áp

Đồ án nghiên cứu thiết kế bộ nạp pin xe điện có hồi tiếp điện áp - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Lê Khánh Trình
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế bộ nạp pin xe điện có hồi tiếp điện áp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu thiết kế bộ nạp pin xe điện hiện nay

Nghiên cứu thiết kế bộ nạp pin xe điện đóng vai trò then chốt trong phát triển giao thông xanh. Đề tài tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung giải quyết bài toán cấp nguồn an toàn cho xe máy điện. Hệ thống lưu trữ lithium-ion đòi hỏi quy trình nạp khắt khe nhằm duy trì độ bền hóa học. Thiết bị nạp phải chuyển đổi điện áp lưới 220V xoay chiều sang nguồn một chiều ổn định. Nguồn xung Flyback là giải pháp kỹ thuật cốt lõi được ứng dụng để điều chỉnh linh hoạt thông số đầu ra. Cấu trúc mạch này cho phép cách ly điện áp cao và bảo vệ các linh kiện nhạy cảm. Quá trình kiểm soát hồi tiếp điện áp giúp duy trì ngưỡng nạp chính xác theo đặc tuyến chuẩn. Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng chuyên dụng và thực nghiệm phần cứng. Kết quả cung cấp giải pháp chế tạo bộ sạc nội địa hiệu quả cao với chi phí hợp lý. Mô hình mở ra tiềm năng thương mại hóa thiết bị phụ trợ xe điện tại Việt Nam.

1.1. Nhu cầu phát triển bộ sạc pin lithium ion

Thị trường xe hai bánh chạy điện đang tăng trưởng vượt bậc tại đô thị Việt Nam. Pin lithium-ion trở thành nguồn năng lượng phổ biến nhờ mật độ năng lượng vượt trội và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, rào cản lớn nằm ở hệ thống trạm nạp và thiết bị sạc tương thích. Việc phụ thuộc bộ nạp nhập khẩu làm tăng chi phí sở hữu và gây khó khăn bảo dưỡng. Đề tài tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM xuất phát từ yêu cầu tự chủ công nghệ trạm sạc. Chế tạo bộ nạp chuyên biệt giúp giảm giá thành thiết bị đầu cuối. Mạch điện kiểm soát dòng và áp chặt chẽ nhằm tránh nguy cơ cháy nổ tế bào pin. Đây là bước đi cần thiết để thúc đẩy công nghiệp giao thông xanh phát triển bền vững.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu đề tài tại HCMUTE

Đề tài hướng đến xây dựng hoàn chỉnh mô hình bộ nạp pin hồi tiếp điện áp. Nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các cấu trúc nguồn xung công suất. Mục tiêu trọng tâm là tính toán biến áp xung và thiết kế mạch động lực bền bỉ. Mạch nạp cần đáp ứng điện áp lưới 220V xoay chiều để tạo nguồn 310V một chiều sau chỉnh lưu. Tiếp theo, hệ thống hạ áp xung tạo nguồn sạc tương thích cho hệ pin xe máy điện. Mô hình mô phỏng Proteus được lập nhằm đánh giá đáp ứng động trước khi gia công. Mục tiêu cuối cùng là hoàn thiện sản phẩm thực tế có khả năng hoạt động ổn định trên tải thật. Nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng kỹ thuật điện tử công suất tại trường đại học.

II. Phân tích vấn đề kỹ thuật khi thiết kế bộ nạp pin xe điện

Quá trình nạp pin lithium-ion đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật nghiêm ngặt. Cell pin lithium hoạt động an toàn trong dải điện áp từ 3.0V đến 4.2V. Hiện tượng quá xả xảy ra khi mức điện áp tụt xuống dưới ngưỡng 3.0V trên mỗi cell. Nếu xả sâu dưới 2.7V, pin chuyển sang trạng thái ngủ và mất khả năng sạc thông thường. Bộ sạc tiêu chuẩn phải trang bị các chế độ kích hoạt đặc biệt để hồi phục cell pin. Bên cạnh đó, việc chuyển đổi từ lưới điện 220V xoay chiều sang điện áp cao một chiều 310V tiềm ẩn rủi ro sốc áp. Biến áp xung và khóa bán dẫn phải chịu đựng ứng suất nhiệt cùng tần số đóng cắt lớn. Hiện tượng dẫn truyền chéo giữa các tầng van công suất dễ gây ngắn mạch và nổ linh kiện. Sự thiếu hụt cơ chế hồi tiếp chính xác dẫn đến quá áp gây hư hỏng hệ thống tích trữ năng lượng. Những khó khăn này đặt ra yêu cầu thiết kế mạch giám sát đa tầng có độ tin cậy vượt trội.

2.1. Đặc tính nạp xả và nguy cơ quá nạp của pin

Đặc tính nạp của pin lithium-ion yêu cầu thực hiện qua hai giai đoạn đẳng dòng và đẳng áp. Giai đoạn đầu tiên duy trì dòng điện ổn định cho đến khi điện áp cell chạm mốc 4.2V. Sau đó, mạch chuyển sang giai đoạn nạp đẳng áp và giảm dần cường độ dòng điện. Quá trình sạc dừng hẳn khi dòng điện hạ xuống mức dòng cắt quy định. Sai số điện áp trong giai đoạn nạp đẳng áp có thể gây hiện tượng quá nhiệt phân hủy chất điện phân. Ngược lại, nếu điện áp rơi dưới 3.0V, cực âm bị hòa tan kim loại làm giảm dung lượng vĩnh viễn. Bộ điều khiển cần cập nhật trạng thái điện áp liên tục với độ trễ cực thấp.

2.2. Thách thức trong xử lý nguồn xung điện áp cao

Biến đổi nguồn xoay chiều 220V thành nguồn một chiều 310V tạo ra nhiễu sóng hài và xung gai lớn. Năng lượng phản kháng tích tụ trên biến áp xung có thể đánh thủng linh kiện bán dẫn công suất cao. Thiết kế tầng lái cổng MOSFET đòi hỏi điện áp kích mở dứt khoát và chống nhiễu hiệu quả. Vấn đề dẫn truyền chéo trong các nhánh van điều khiển cần được triệt tiêu hoàn toàn qua thời gian chết. Ngoài ra, việc lựa chọn tụ lọc điện môi phân cực phải tính toán chuẩn xác trị số điện dung. Điện dung không phù hợp sẽ gây độ gợn sóng điện áp cao làm ảnh hưởng xấu đến pin. Tản nhiệt cho các linh kiện thụ động và tích cực cũng là thử thách kỹ thuật quan trọng.

III. Giải pháp phương pháp thiết kế bộ nạp pin xe điện hồi tiếp

Giải pháp thiết kế sử dụng cấu trúc nguồn xung Flyback kết hợp vòng điều khiển hồi tiếp điện áp chặt chẽ. Hệ thống bắt đầu bằng mạch chỉnh lưu cầu và bộ lọc tụ biến đổi điện áp lưới thành dòng 310V một chiều. Biến áp xung được tính toán số vòng dây và lõi ferit chuẩn xác để cách ly và truyền dẫn công suất. Tầng điều khiển đóng cắt ứng dụng vi mạch IR2103 tích hợp bộ tạo thời gian chết chống dẫn truyền chéo. Tín hiệu điều khiển kích mở MOSFET chính xác tại các chân xuất xung HO và LO. Vòng hồi tiếp lấy mẫu điện áp đầu ra đưa về mạch so sánh quang để tự động điều chỉnh độ rộng xung. Nhờ đó, điện áp và dòng nạp luôn duy trì ổn định trước sự thay đổi của phụ tải. Toàn bộ sơ đồ nguyên lý được kiểm chứng trên phần mềm Proteus nhằm tinh chỉnh giá trị linh kiện tối ưu. Quy trình thực nghiệm phần cứng được tiến hành bài bản sau khi có kết quả mô phỏng khả quan.

3.1. Ứng dụng IC lái IR2103 và mạch hồi tiếp

Vi mạch IR2103 đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển van đóng cắt công suất cao. Thiết bị sở hữu hai ngõ ra kích độc lập cho nhánh trên và nhánh dưới của mạch khóa. Tính năng deadtime bên trong IR2103 loại bỏ hoàn toàn khả năng hai khóa dẫn cùng lúc, ngăn ngừa ngắn mạch nguồn. Khi ngõ vào HIN và LIN ở mức cao, chân HO xuất mức logic tương ứng để mở MOSFET nhánh trên. Ngược lại, chân LO kích mở khóa nhánh dưới khi tín hiệu điều khiển xuống mức thấp. Mạch hồi tiếp quang cách ly thu nhận điện áp tải để phản hồi về bộ điều chế độ rộng xung. Sự phối hợp này đảm bảo nguồn điện sạc không bị trôi áp khi tải thay đổi đột ngột.

3.2. Mô phỏng Proteus và thử nghiệm phần cứng

Giai đoạn mô phỏng trên phần mềm Proteus cho phép đánh giá dạng sóng xung và độ đáp ứng quá độ của mạch. Các thông số điện cảm rò của biến áp và điện dung tụ lọc được cân chỉnh chi tiết. Sau khi tối ưu hóa sơ đồ nguyên lý, nhóm tác giả tiến hành chế tạo bảng mạch in thực tế. Biến áp xung được quấn thủ công với lớp cách điện đạt tiêu chuẩn chịu áp cao. Mạch thử nghiệm được kết nối với các mức tải điện trở và bộ pin thực tế. Quá trình đo đạc ghi nhận dạng sóng đóng cắt sắc nét và không phát sinh xung gai nguy hiểm. Kết quả thử nghiệm xác nhận tính tương thích cao giữa phần mềm mô phỏng và mạch phần cứng.

IV. Kết luận ứng dụng thực tế của thiết kế bộ nạp pin xe điện

Nghiên cứu thiết kế bộ nạp pin xe điện tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đạt được các kết quả thực nghiệm ấn tượng. Mạch nạp vận hành ổn định trên dải tải rộng với thông số đầu ra định mức 240V và dòng nạp 0.32A. Độ gợn sóng điện áp nằm trong giới hạn an toàn cho phép của pin lithium-ion. Hệ thống bảo vệ tự động can thiệp kịp thời khi phát hiện biến động bất thường từ lưới điện đầu vào. Thiết kế mạch nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp trực tiếp trên thân xe máy điện hoặc gắn tại các trạm sạc công cộng. Công trình khẳng định tính khả thi của việc nội địa hóa thiết bị nạp thông minh phục vụ thị trường xe điện nội địa. Thành công của đề tài tạo tiền đề vững chắc cho việc mở rộng dải công suất sạc nhanh trong các giai đoạn nghiên cứu kế tiếp. Đây là đóng góp học thuật và công nghệ thiết thực cho ngành kỹ thuật ô tô điện tại Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu suất và thông số thực nghiệm

Kết quả đo kiểm thực tế cho thấy mạch nạp duy trì điện áp 240V ổn định dưới tác động của tải biến thiên. Dòng nạp 0.32A đáp ứng chuẩn xác ngưỡng yêu cầu của chu kỳ sạc ổn định. Tầng công suất làm việc mát mẻ nhờ sự trợ kháng tối ưu từ biến áp xung và mạch dập nhiễu. Tụ điện phân cực lọc phẳng gợn sóng hiệu quả, bảo vệ tế bào pin khỏi xung điện áp nhọn. Thời gian đáp ứng của vòng hồi tiếp điện áp diễn ra gần như tức thời khi xảy ra dao động lưới. Toàn bộ linh kiện vận hành đúng định mức công suất tính toán mà không xuất hiện điểm quá nhiệt cục bộ. Mẫu thử nghiệm chứng minh độ bền bỉ cao trong các đợt vận hành liên tục kéo dài.

4.2. Định hướng ứng dụng và phát triển tương lai

Bộ nạp có khả năng ứng dụng thực tế trên nhiều dòng xe máy điện lưu hành trong nước. Thiết kế mô-đun hóa hỗ trợ việc nâng cấp công suất nạp mà không cần thay đổi cấu trúc nền tảng. Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp thêm giao thức truyền thông CAN bus để kết nối trực tiếp với mạch quản lý pin BMS. Việc giám sát nhiệt độ và điện áp từng cell pin độc lập sẽ gia tăng tính an toàn trong quá trình nạp nhanh. Ngoài ra, việc nghiên cứu các thuật toán sạc thông minh kết hợp IoT sẽ cho phép người dùng theo dõi tiến trình nạp qua điện thoại. Đây là hướng đi mang giá trị thương mại lớn cho ngành sản xuất xe điện Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh ô nhiễm môi trường gia tăng do khí thải từ các phương tiện giao thông sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng và diesel, xu hướng chuyển dịch sang các phương tiện sử dụng năng lượng sạch đang diễn ra mạnh mẽ trên thế giới cũng như tại Việt Nam. Tại đô thị Việt Nam, với đặc thù mạng lưới giao thông nhiều ngõ ngách hẹp, xe máy là phương tiện chiếm tỷ lệ lưu thông áp đảo và cũng là nguồn phát thải lớn do đa số xe phổ thông chưa đảm bảo tiêu chuẩn an toàn khí thải. Do đó, việc thay thế xe máy truyền thống bằng xe máy điện được xem là giải pháp khả thi trong thực tế nhằm giảm thiểu tác hại đến sức khỏe cộng đồng.

Về mặt kỹ thuật, hệ thống nạp điện đóng vai trò quyết định đến độ bền và hiệu quả vận hành của pin trên xe điện. Pin Lithium-ion là dòng pin được ứng dụng phổ biến nhờ mật độ năng lượng cao nhưng đòi hỏi quy trình nạp khắt khe với nguồn điện một chiều có điện áp và dòng điện xác định. Trong khi đó, hệ thống điện lưới dân dụng tại Việt Nam là điện xoay chiều một pha 220V. Sự chênh lệch giữa nguồn cung cấp và yêu cầu nạp pin đặt ra yêu cầu phải thiết kế bộ biến đổi chuyển hóa điện xoay chiều thành điện một chiều có khả năng ổn định điện áp và điều khiển dòng nạp thích hợp. Xuất phát từ yêu cầu đó, đồ án tốt nghiệp tập trung giải quyết bài toán thiết kế bộ nạp pin sử dụng cấu trúc nguồn xung có vòng điều khiển hồi tiếp.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: Nghiên cứu, thiết kế và thực hiện mạch nạp pin cho pin lithium sử dụng bộ nguồn xung và có hồi tiếp điện áp. Để hoàn thành mục tiêu này, đề tài triển khai bốn nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Tìm hiểu lý thuyết về pin Lithium-ion 18650.
2. Tìm hiểu lý thuyết và nguyên lý hoạt động của nguồn xung Flyback, các linh kiện điện tử chuyên dụng và các phần mềm mô phỏng.
3. Tính toán và thiết kế mạch nạp điện cho bộ pin xe máy điện.
4. Thực nghiệm chế tạo và đánh giá độ ổn định của mạch điện khi làm việc với các mức tải khác nhau.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án bao gồm: cell pin Lithium-ion 18650; lý thuyết mạch điện tử cơ bản và nguồn xung chuyển mạch; vi điều khiển STM32F103C8T6; biến áp xung và cấu trúc nguồn Flyback; van bán dẫn công suất MOSFET 20N60 cùng vi mạch lái cổng MOSFET Driver IR2103; hệ thống công cụ phần mềm gồm STM32CubeMX, Keil uVision và Proteus.

Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý vận hành cơ bản của các linh kiện, tính toán thiết kế và chế tạo mạch nạp thực nghiệm cho pin xe máy điện, không tập trung nghiên cứu sâu vào các thuật toán điều khiển tối ưu hay các lý thuyết toán học chuyên sâu thuộc lĩnh vực điện - điện tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết của đồ án dựa trên hai trụ cột chính: công nghệ pin Lithium-ion và kỹ thuật nguồn xung chuyển mạch cao tần (Switching Mode Power Supply - SMPS). Về pin Lithium-ion, nghiên cứu phân tích cơ chế hóa học xảy ra tại hai điện cực. Bản cực dương làm từ oxit kim loại (như LiCoO2), bản cực âm làm từ vật liệu graphite (C6), phân cách bởi chất điện phân. Phản ứng hóa học tổng quát giữa nạp và xả tuân theo cân bằng:

$$C_6 + LiCoO_2 \leftrightarrow LiC_6 + CoO_2$$

Trong đó, chiều thuận là quá trình nạp và chiều nghịch là quá trình xả. Hiện tượng quá xả xảy ra khi điện áp sụt dưới 3,0V/cell; nếu tiếp tục xả dưới 2,7V/cell, pin rơi vào trạng thái ngủ (sleep) và cần các chu trình sạc đặc biệt (pre-charge, activation) trước khi bước vào hai giai đoạn sạc tiêu chuẩn là ổn dòng (Constant Current - CC) và ổn áp (Constant Voltage - CV). Tác giả cũng khảo cứu cấu trúc pack pin trên xe ô tô điện Tesla Model S (năm 2012) gồm 7.104 cell pin 18650 với tổng năng lượng 85 kWh, cấu trúc thành 16 module nối tiếp, mỗi module gồm 444 cell (chia làm 6 cụm nối tiếp, mỗi cụm gồm 74 cell mắc song song với điện áp danh định 3,7V) nhằm tạo ra điện áp toàn bộ khối pin là 345V.

Về biến đổi năng lượng, tác giả sử dụng cấu trúc bộ nguồn chuyển mạch Flyback cách ly. Biến áp xung trong nguồn Flyback hoạt động như một cuộn cảm lưu trữ năng lượng từ trường: khi van đóng ngắt (MOSFET Q1) dẫn, dòng điện sơ cấp $I_P$ tăng dần tích trữ năng lượng vào lõi, phía thứ cấp diode bị phân cực ngược; khi van Q1 ngắt, năng lượng tích lũy được giải phóng sang cuộn thứ cấp cấp cho tải và nạp cho tụ lọc đầu ra. Mạch hoạt động dựa trên phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để kiểm soát thời gian mở van ($T_{ON}$). Đồ án khảo sát hai chế độ vận hành: dòng điện không liên tục (Discontinuous Conduction Mode - DCM) và dòng điện liên tục (Continuous Conduction Mode - CCM). Điện áp phản xạ cuộn sơ cấp được xác định qua biểu thức:

$$V_{RO} = \frac{D_{max}}{1 - D_{max}} \times V_{DCmin}$$

Ứng suất điện áp cực đại đặt lên khóa chuyển mạch được tính bằng:

$$V_{ms} = V_{RO} + V_{DCmin}$$

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm kiểm chứng:

• Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: Thu thập tài liệu học thuật về pin và mạch nguồn xung chuyển mạch, kết hợp các công thức giải tích để tính toán thông số phần cứng.
• Phương pháp mô phỏng mạch điện: Sử dụng phần mềm Proteus để kiểm tra nguyên lý làm việc của mạch nạp trước khi thi công; sử dụng phần mềm STM32CubeMX để cấu hình chân ngoại vi, bộ đếm Timer và Keil uVision để biên dịch mã nguồn điều khiển vi điều khiển STM32.
• Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo mạch hàn dây thử nghiệm nguyên mẫu, thiết kế thi công mạch in (PCB), sử dụng dao động ký và đồng hồ đo để khảo sát dạng sóng điều khiển và điện áp ngõ ra khi mang tải.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống mạch nạp pin được thiết kế dạng khối hoàn chỉnh, kết nối từ lưới điện dân dụng tới bộ pin xe máy điện thông qua các khối chức năng chính:

1. Khối lọc nhiễu đầu vào AC và chỉnh lưu: Lưới điện 220V xoay chiều đi qua bộ lọc nhiễu gồm tụ chống nhiễu Tenta 275VAC 0,1uF và cuộn cảm lọc cao tần nhằm triệt tiêu xung nhiễu điện từ. Tiếp đó, cầu diode chỉnh lưu KBJ2510 (thông số dòng định mức 25A, điện áp ngược cực đại 1000V) kết hợp với tụ điện hóa biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp một chiều khoảng 310V DC cấp cho tầng biến đổi Flyback.
2. Khối biến đổi công suất Flyback: Thành phần cốt lõi là biến áp xung được tính toán quấn dây theo tỷ số giữa cuộn sơ cấp ($N_P$) và thứ cấp ($N_S$). Khóa chuyển mạch công suất sử dụng MOSFET mã hiệu 20N60 chịu điện áp cao. Để bảo vệ MOSFET khỏi xung điện áp cảm ứng sinh ra do điện cảm rò của biến áp khi van khóa đột ngột, một mạch dập xung gai kiểu RCD (gồm điện trở $R_{Snubber}$, tụ điện $C_{Snubber}$ và diode phản hồi nhanh) được mắc song song với cuộn sơ cấp.
3. Khối điều khiển và lái van (Driver): Vi điều khiển STM32F103C8T6 thực hiện tạo chuỗi xung điều chế PWM từ chân chức năng Timer (PA8 hoặc PA0). Xung điều khiển được đưa vào IC lái IR2103. IR2103 là vi mạch điều khiển cổng chuyên dụng hoạt động tới điện áp 600V, có mạch thời gian chết (deadtime) tích hợp sẵn để tránh hiện tượng dẫn truyền chéo, xuất tín hiệu điều khiển trực tiếp cực cổng (Gate) của van MOSFET qua các điện trở kích đóng $R_{G(OFF)}$ và kích mở $R_{G(ON)}$.
4. Khối phản hồi hồi tiếp điện áp: Mạch thứ cấp sử dụng diode chỉnh lưu xung tần số cao RHRP30120 kết hợp tụ điện lọc ngõ ra để duy trì điện áp DC. Một mạch cầu phân áp lấy mẫu tín hiệu điện áp ngõ ra, truyền qua vi mạch ghép quang Opto PC817 nhằm cách ly hoàn toàn phần mạch lực điện áp cao với mạch vi điều khiển điện áp thấp. Tín hiệu phản hồi được vi điều khiển tiếp nhận để tự động điều chỉnh độ rộng xung PWM, giữ cho điện áp ra luôn ổn định khi dòng tải thay đổi.
5. Khối nguồn nuôi điều khiển: Sử dụng IC ổn áp tuyến tính L7805CV để hạ áp và ổn định điện áp 5V nuôi vi điều khiển STM32F103C8T6 từ nguồn cấp thứ cấp độc lập.

Bảng thông số kỹ thuật thiết kế của bộ nạp:

Hạng mục thiết kế	Thông số kỹ thuật	Ghi chú linh kiện / Đơn vị
Điện áp ngõ vào	220 VAC	Lưới điện dân dụng 1 pha
Điện áp một chiều sau chỉnh lưu	~310 VDC	Tụ hóa kết hợp cầu Diode KBJ2510
Cấu trúc nguồn xung	Flyback Converter	Hoạt động ở tần số cao
Van chuyển mạch công suất	MOSFET 20N60	Đóng ngắt cuộn sơ cấp biến áp xung
Vi mạch lái cổng van (Driver)	IR2103	Điện áp bù kênh cao tới 600V
Vi điều khiển trung tâm	STM32F103C8T6	Tạo xung PWM qua khối Timer
Cách ly tín hiệu phản hồi	Opto PC817	Cách ly quang giữa mạch lực và điều khiển
Điện áp ngõ ra định mức	240 VDC	Phù hợp nạp cụm pin 60 cell
Dòng điện nạp thực nghiệm	0,32 A	Xác lập tại tải thực tế

Quá trình triển khai chế tạo phần cứng diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu thực hiện nối dây thủ công (mạch hàn dây) để kiểm tra tính chính xác của sơ đồ nguyên lý và độ ổn định đóng ngắt; giai đoạn hai tiến hành thiết kế sơ đồ mạch in PCB, bố trí đường mạch động lực tách biệt đường tín hiệu điều khiển để giảm can nhiễu và đóng gói sản phẩm hoàn thiện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên ba luận điểm: xu hướng giải quyết ô nhiễm không khí tại Việt Nam; sự thích hợp của xe máy điện trong điều kiện đường sá đô thị; tầm quan trọng của hệ thống nạp điện cho bộ pin Lithium-ion. Tác giả xác lập rõ mục tiêu nghiên cứu là chế tạo mạch nạp nguồn xung có hồi tiếp và phân công bốn nhiệm vụ cụ thể. Bên cạnh việc giới thiệu đối tượng (pin 18650, STM32, MOSFET 20N60, IR2103) và giới hạn phạm vi nghiên cứu, chương này tổng thuật các công trình liên quan:

• Nghiên cứu trong nước của Cao Xuân Tuyển và Nguyễn Anh Tuấn (Tạp chí Khoa học và Công nghệ) về ảnh hưởng của chế độ dòng liên tục (CCM) và gián đoạn (DCM) trong bộ biến đổi Flyback với $V_{in} = 9 - 15\text{ VDC}$, ngõ ra $+5\text{ VDC}$ ($1,1\text{ A}$), $+15\text{ VDC}$ ($0,6\text{ A}$) và $-15\text{ VDC}$ ($0,6\text{ A}$). Kết quả chỉ ra chế độ DCM cho chất lượng áp tốt hơn và thể tích máy biến áp nhỏ hơn nhưng đòi hỏi nhiều vòng dây hơn.
• Nghiên cứu ngoài nước của Texas Instruments về thiết kế mẫu mạch sạc Interleaved Flyback công suất 200W, hiệu suất 90% nạp cụm 5 cell pin Lithium-ion với $V_{in} = 100 - 120\text{ VAC}$, ngõ ra $21\text{ VDC} - 9,5\text{ A}$.
• Nghiên cứu của Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan về bộ biến đổi lai Buck-Boost/Flyback ứng dụng năng lượng mặt trời nạp pin với $V_{in} = 17,5 - 20,6\text{ VDC}$, dòng nạp $8 - 12\text{ A}$ và xả tạo nguồn $10\text{ VDC} - 2\text{ A}$ thắp sáng đèn LED.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện phục vụ quá trình tính toán. Nội dung phân tích chi tiết:

• Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion: sự chuyển dịch của ion $Li^+$ qua màng ngăn, phản ứng oxy hóa khử tại hai điện cực; vùng điện áp an toàn ($3,0 - 4,2\text{ V}$), nguy cơ nạp quá điện thế vượt trên 5,2V tạo thành $CoO_2$ hoặc xả quá mức tạo thành $Li_2O$; quy trình sạc hai giai đoạn CC-CV kết thúc khi dòng nạp giảm về $I_C = 65\text{ mA}$ (đối với cell $3250\text{ mAh}$). Phân tích cách bố trí pack pin trên ô tô điện Tesla Model S với 16 module nối tiếp, tổng cộng 7.104 cell 18650.
• Khái niệm nguồn chuyển mạch SMPS và bộ nguồn kiểu Flyback: cơ chế đóng ngắt khóa bán dẫn, nguyên lý tích trữ năng lượng từ trường trong lõi ferit biến áp xung, sự khác biệt giữa hai chế độ CCM và DCM. Phân tích ưu thế của chế độ DCM trong các ứng dụng điện áp cao, dòng tải nhỏ.
• Cấu tạo và thông số hoạt động của các linh kiện: nguyên lý van bán dẫn Diode (điện áp ngưỡng tiếp xúc 0,6 - 0,7V, diode xung, diode Schottky), transistor hiệu ứng trường MOSFET kênh N với ba vùng làm việc (cut-off, tuyến tính triode, bão hòa); vi mạch lái IR2103 với điện áp cấp $V_{CC}$ từ $10 - 20\text{ V}$, mức điện áp logic ngõ vào $3,3\text{ V}$, kiểm soát logic ngõ ra $HO$ và $LO$; IC ổn áp L7805CV duy trì điện áp ngõ ra $5\text{ V}$; lý thuyết cuộn cảm và tụ điện.
• Hướng dẫn cấu hình phần mềm STM32CubeMX để thiết lập bộ định thời Timer phát xung PWM trên vi điều khiển STM32F103C8T6 và môi trường lập trình Keil uVision 5.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày chi tiết các bước tính toán thông số các tầng chức năng:

• Mạch lọc nhiễu AC và chỉnh lưu cầu: lựa chọn tụ Tenta $275\text{ VAC} - 0,1\mu\text{F}$ và diode cầu KBJ2510, tính toán tụ hóa san phẳng ngõ vào tạo ra điện áp bus DC ổn định 310V.
• Thiết kế máy biến áp xung: tính toán số vòng dây cuộn sơ cấp $N_P$ và cuộn thứ cấp $N_S$, xác định điện áp phản xạ $V_{RO}$ và điện áp đỉnh đặt lên van chuyển mạch.
• Tính chọn MOSFET 20N60 và mạch kích: tính toán điện trở kích cổng $R_{G(ON)}$, $R_{G(OFF)}$ kết nối từ chân ngõ ra của driver IR2103 nhằm đảm bảo tốc độ đóng cắt và hạn chế dao động ký sinh.
• Mạch dập xung gai (Snubber circuit): tính chọn giá trị tụ điện $C_{Snubber}$ và điện trở công suất $R_{Snubber}$ tạo thành mạch RCD triệt tiêu đỉnh điện áp cảm ứng rò, bảo vệ an toàn cho lớp tiếp giáp bán dẫn của MOSFET.
• Mạch tạo xung và mạch phản hồi hồi tiếp: thiết lập khối chia áp tại ngõ ra, ghép nối quang qua Opto PC817 để đưa điện áp phản hồi về chân ADC của STM32F103C8T6. Từ đó, xây dựng sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh và thiết kế bản vẽ mạch in PCB.

Chương 4: Thử nghiệm và đánh giá hoạt động của mạch

Chương 4 ghi nhận kết quả đo kiểm mạch nạp qua nhiều điều kiện thử nghiệm thực tế:

• Thử nghiệm mạch hàn dây và mạch in trong chế độ không tải: cấp nguồn 220VAC, kiểm tra mức điện áp ngõ ra của bộ nguồn.
• Thử nghiệm với tải thuần trở (bóng đèn dây tóc $220\text{ V} - 60\text{ W}$): tiến hành thử nghiệm với bóng đơn và hai bóng đèn mắc song song để đối chiếu giữa trường hợp không có hồi tiếp điện áp và có hồi tiếp điện áp. Kết quả khẳng định khi có hồi tiếp, điện áp ngõ ra được duy trì ổn định, biên độ sụt áp giảm rõ rệt.
• Thử nghiệm với tải thực tế là bộ pin Lithium-ion 60 cell (bộ pin $240\text{ V} - 72\text{ W}$ lắp đặt trên xe máy điện): đo dạng sóng và độ rộng xung PWM tại các tỷ lệ chu kỳ làm việc 10%, 30% và ghi nhận sự biến thiên tự động của độ rộng xung điều chế khi mạch kích hoạt chế độ hồi tiếp điện áp để bù sụt áp cho khối pin.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Chương 5 đúc kết các mục tiêu đã hoàn thành của đề tài: tính toán, thiết kế và chế tạo thành công mạch nạp sử dụng cấu trúc nguồn xung Flyback có hồi tiếp điện áp; xác nhận mạch vận hành ổn định trên bộ pin xe máy điện thực tế. Đồng thời, tác giả đưa ra các kiến nghị kỹ thuật để phát triển hoàn thiện bộ nạp trong các giai đoạn tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã chế tạo thành công mô hình phần cứng mạch nạp pin xe điện sử dụng nguồn xung Flyback kết hợp vi điều khiển STM32F103C8T6. Các kết quả thực nghiệm định lượng cụ thể được tổng hợp trong bảng dưới đây:

Điều kiện thử nghiệm	Điện áp vào ($V_{in}$)	Điện áp ra ($V_{out}$)	Dòng điện ra ($I_{out}$)	Đáp ứng của hệ thống
Chế độ không tải	220 VAC	240 VDC	0 A	Mạch hoạt động ổn định, không phát sinh quá áp
Tải bóng đèn dây tóc $220\text{ V} - 60\text{ W}$ (không hồi tiếp)	220 VAC	Sụt giảm theo tải	Biến thiên	Độ sụt áp lớn khi tăng công suất tải
Tải bóng đèn dây tóc $220\text{ V} - 60\text{ W}$ song song (có hồi tiếp)	220 VAC	Ổn định quanh mức 240 VDC	Phụ thuộc tải	Mạch tự động bù điện áp, độ sụt áp rất nhỏ
Bộ pin Lithium-ion 60 viên ($240\text{ V} - 72\text{ W}$)	220 VAC	240 VDC	0,32 A	Xung PWM tự động điều chỉnh độ rộng (ghi nhận ở 10%, 30% và chế độ hồi tiếp)

Về mặt đóng góp kỹ thuật, đồ án đã tự thực hiện trọn vẹn quy trình từ tính toán thiết kế máy biến áp xung, thiết kế mạch dập xung RCD bảo vệ linh kiện công suất, cho đến việc ứng dụng vi mạch IR2103 kết hợp vi điều khiển STM32 để tạo bộ nạp cách ly hoàn toàn giữa lưới điện dân dụng 220V xoay chiều và tải một chiều điện áp cao 240V. Vòng hồi tiếp quang sử dụng PC817 đã chứng minh tính hiệu quả qua thực nghiệm khi giữ ổn định điện áp ngõ ra trước biến động của tải tiêu thụ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đã đạt được các mục tiêu chế tạo và kiểm chứng phần cứng, đồ án vẫn còn một số hạn chế được xác định từ phạm vi nghiên cứu:

• Dòng nạp ngõ ra thực nghiệm còn ở mức thấp ($0,32\text{ A}$), công suất định mức của bộ sạc còn khiêm tốn nên thời gian sạc đầy khối pin dung lượng lớn sẽ kéo dài.
• Hệ thống mới chỉ tập trung điều khiển ổn định điện áp (hồi tiếp điện áp), chưa tích hợp đầy đủ thuật toán chuyển mạch hai giai đoạn CC-CV (ổn dòng - ổn áp) tự động cũng như chưa có chế độ phục hồi (pre-charge/activation) cho các cell pin bị quá xả dưới 2,7V.
• Mạch chưa được trang bị đầy đủ các khâu bảo vệ công nghiệp chuyên sâu như bảo vệ quá nhiệt cho MOSFET biến áp, bảo vệ ngắn mạch đầu ra hay mạch ngắt khi pin sạc đầy.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

• Tính toán nâng cấp công suất biến áp xung và lựa chọn van bán dẫn có thông số dòng lớn hơn nhằm nâng cao cường độ dòng nạp ngõ ra.
• Lập trình hoàn thiện thuật toán nạp thông minh trên vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp cảm biến dòng điện để tự động chuyển đổi giữa chu trình nạp ổn dòng (CC) và ổn áp (CV), đồng thời tự động ngắt dòng nạp khi đạt ngưỡng an toàn ($I_C \le 65\text{ mA}$).
• Bổ sung các cảm biến giám sát nhiệt độ và mạch bảo vệ quá áp, quá dòng để nâng cao độ an toàn vận hành thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo thực tế cho sinh viên, học viên thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, và Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử. Đề tài đặc biệt có giá trị đối với các cá nhân đang thực hiện nghiên cứu về nguồn chuyển mạch cao tần (SMPS), thiết kế biến áp xung, và hệ thống lưu trữ năng lượng trên phương tiện giao thông chạy điện.

Những nội dung có giá trị tham khảo ứng dụng cao gồm:

• Phương pháp tính toán và thiết kế máy biến áp xung cho nguồn Flyback từ lưới điện xoay chiều một pha 220V.
• Cách thiết kế mạch dập xung gai RCD (Snubber circuit) để bảo vệ MOSFET 20N60 trước hiện tượng quá áp cảm ứng.
• Sơ đồ ghép nối phần cứng giữa vi điều khiển STM32F103C8T6 với vi mạch lái cổng IR2103 và mạch hồi tiếp cách ly quang sử dụng PC817.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nạp pin trong đồ án đạt được các thông số điện áp và dòng điện thực tế là bao nhiêu?
Trong các thử nghiệm thực tế với bộ pin Lithium-ion 60 viên trên xe máy điện, mạch nạp tạo ra nguồn điện một chiều ngõ ra có điện áp 240V và cường độ dòng điện nạp là 0,32A từ nguồn cấp điện lưới 220V xoay chiều dân dụng.

2. Đồ án sử dụng giải pháp và linh kiện nào để bảo vệ van công suất MOSFET khỏi hiện tượng quá áp khi ngắt dòng?
Tác giả đã tính toán và thiết kế mạch dập xung gai kiểu RCD (gồm điện trở $R_{Snubber}$, tụ điện $C_{Snubber}$ và diode phản hồi nhanh) mắc song song với cuộn sơ cấp của biến áp xung để hấp thụ năng lượng tích lũy từ điện cảm rò, giới hạn điện áp cực đại $V_{ms}$ không vượt quá ngưỡng chịu đựng của MOSFET 20N60.

3. Vi mạch nào được sử dụng để điều khiển trực tiếp cực cổng của MOSFET và có đặc tính gì nổi bật?
Mạch sử dụng vi mạch điều khiển chuyên dụng IR2103 nhận xung PWM mức logic 3,3V từ vi điều khiển STM32F103C8T6. IR2103 có khả năng vận hành ở dải điện áp lên tới 600V và được tích hợp sẵn mạch tạo thời gian chết (deadtime) để ngăn chặn hiện tượng dẫn truyền chéo.

4. Dải điện áp hoạt động an toàn của cell pin Lithium-ion theo nghiên cứu là bao nhiêu và điều gì xảy ra nếu pin bị xả quá mức?
Dải điện áp hoạt động an toàn của cell pin Lithium-ion nằm trong khoảng từ 3,0V đến 4,2V. Khi điện áp tụt dưới 3,0V/cell, pin rơi vào hiện tượng quá xả; nếu điện áp tiếp tục sụt xuống dưới 2,7V/cell, pin sẽ chuyển sang trạng thái ngủ (sleep) và cần bộ sạc chuyên dụng có chế độ tiền nạp (pre-charge) và kích hoạt (activation) mới có thể tái sử dụng.

5. Mạch phản hồi hồi tiếp điện áp được thiết kế như thế nào để đảm bảo tính an toàn cho khối vi điều khiển?
Mạch hồi tiếp sử dụng cầu phân áp để lấy mẫu điện áp ngõ ra cao (240V), sau đó truyền tín hiệu điều khiển qua vi mạch ghép quang Opto PC817. Giải pháp ghép quang giúp cách ly hoàn toàn về mặt điện học giữa khối mạch lực điện áp cao với khối vi điều khiển STM32F103C8T6 điện áp thấp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã nghiên cứu, tính toán và chế tạo thành công mạch nạp pin Lithium-ion cho xe máy điện sử dụng cấu trúc nguồn xung Flyback có điều khiển hồi tiếp điện áp. Bằng việc kết hợp vi điều khiển STM32F103C8T6, vi mạch lái cổng IR2103 và bộ cách ly quang PC817, hệ thống đã nạp thành công cho bộ pin 60 cell với thông số ngõ ra đạt 240V và dòng điện 0,32A từ nguồn điện lưới 220VAC. Các kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh mạch có khả năng tự động điều chỉnh độ rộng xung để ổn định điện áp, tạo cơ sở thực nghiệm vững chắc cho việc phát triển các bộ nguồn nạp chuyên dụng cho phương tiện giao thông chạy điện tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay, xe điện đang là xu hướng phát triển của hầu hết các quốc gia trên thế giới. Ở riêng Việt Nam, các dự án xe điện đang được triển khai nghiên cứu phát triển ở các phòng thí nghiệm cũng như các công ty công nghệ. Vì vậy, nhóm nghiên cứu chọn hướng thực hiện đề tài về xe điện với 3 lý do quan trọng.

Lý do thứ nhất là tình trạng ô nhiễm môi trường, một trong những nguyên nhân hàng đầu thúc đẩy quá trình chuyển đổi thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống thành nhiên liệu sạch không gây hại cho môi trường. Trước tình trạng ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng, nhiều quốc gia trên thế giới đã và đang khuyến khích người dân sử dụng các phương tiện thân thiện với môi trường [1-2] và Việt Nam chắc chắn không nằm ngoài xu hướng chung của thế giới. Hiện nay, tình trạng ô nhiễm không khí của Việt Nam đang vượt quá mức cho phép, trực tiếp ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người mà một trong những nguyên nhân chính là do khí thải từ các phương tiện giao thông [3]. Chính vì vậy, việc thay thế các loại nhiên liệu hóa thạch truyền thống như xăng, diesel bằng những nguồn năng lượng sạch là việc làm cần thiết.

Lý do thứ hai là sự phù hợp của xe máy điện thay vì ô tô điện. Như chúng ta đã biết, Việt Nam là một trong những quốc gia có lượng tiêu thụ xe máy nhiều nhất thế giới do đặc điểm địa hình đường xá ở Việt Nam có nhiều ngóc ngách, hẻm. Nhưng đây cũng chính là nguồn phát khí thải chính của phương tiện giao thông, vì các loại xe máy phổ thông hiện nay không được đảm bảo tiêu chuẩn về an toàn khí thải. Nói cách khác, để giảm thiểu tác hại của khí thải xe máy, bảo vệ môi trường, thì việc thay thế xe máy sử dụng nhiên liệu truyền thống bằng xe máy điện là khả thi nhất trong tương lai gần.

Sử dụng xe máy điện là một giải pháp quan trọng không chỉ thể hiện sự văn minh mà còn phải xem đó là điều thực sự cần thiết để bảo vệ môi trường sống của chính mình và cả cộng đồng. Lý do cuối cùng nhưng cũng không kém phần quan trọng về mặt kỹ thuật, đó là bộ sạc cho pin. Để vận hành một chiếc xe điện thì trước tiên cần phải cung cấp điện năng cho pin và bộ sạc pin giữ một vai trò quan trọng. Một trong những loại pin sử dụng phổ biến cho xe điện hiện nay là pin Lithium-ion.

Dòng pin Lithium-ion đã được nghiên cứu và phát triển 1 bởi rất nhiều hãng công nghệ, điển hình như hãng Tesla. Cho nên việc sử dụng loại pin này cho xe máy điện sẽ tiết kiệm được thời gian, chi phí vào việc nghiên cứu. Tuy nhiên việc sử dụng loại pin này đang gặp phải một vấn đề, đó là loại pin này chỉ được sạc bởi nguồn điện một chiều với một điện áp và cường độ dòng điện nhất định nhưng mạng điện dân dụng ở Việt Nam là điện xoay chiều một pha. Do đó muốn ứng dụng áp dụng công nghệ pin Lithium-ion cần có một bộ sạc để khắc phục vấn đề này.

Bộ sạc này cần phải chuyển đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều và cung cấp chính xác điện áp và cường độ dòng điện để sạc được cho bộ pin Lithium-ion. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu, thiết kế và thực hiện mạch nạp pin cho pin lithium sử dụng bộ nguồn xung và có hồi tiếp điện áp. Nhiệm vụ nghiên cứu: - Tìm hiểu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650.