Nghiên cứu thiết kế mạch quản lý pin Lithium-ion cho xe máy điện - ĐH SPKT

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ mạch quản lý pin lithium ion trên xe máy điện. Phân tích giải pháp giám sát, bảo vệ an toàn và nâng cao tuổi thọ khối pin.

• Tác giả: Trần Hải Nam
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ mạch quản lý pin Lithium-ion trên xe máy điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ mạch quản lý pin lithium ion

Bộ mạch quản lý pin lithium-ion (BMS) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống pin của xe máy điện, đảm bảo an toàn vận hành và kéo dài tuổi thọ pin. Nhiệm vụ chính của BMS bao gồm giám sát điện áp, dòng điện, nhiệt độ từng cell pin, cân bằng điện áp giữa các cell và bảo vệ pin khỏi các điều kiện nguy hiểm như quá sạc, quá xả, ngắn mạch hoặc quá nhiệt. BMS sử dụng vi điều khiển để xử lý dữ liệu từ cảm biến, điều khiển các linh kiện điện tử như MOSFET, IC chuyển đổi điện áp, đồng thời giao tiếp với hệ thống điều khiển xe thông qua giao thức CAN bus. Việc thiết kế BMS đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về điện hóa học pin, kỹ thuật điện tử và lập trình nhúng. Hiện nay, pin lithium-ion 18650 là lựa chọn phổ biến nhờ mật độ năng lượng cao, trọng lượng nhẹ và khả năng sạc nhanh.

1.1. Cấu trúc cơ bản của bộ mạch quản lý pin

Bộ mạch quản lý pin lithium-ion gồm 3 khối chức năng chính: khối giám sát, khối điều khiển và khối bảo vệ. Khối giám sát thu thập dữ liệu từ cảm biến điện áp, dòng điện và nhiệt độ từng cell pin thông qua bộ chuyển đổi ADC. Khối điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để xử lý tín hiệu, tính toán dung lượng pin và điều khiển các MOSFET cân bằng điện áp. Khối bảo vệ bao gồm các mạch ngắt khẩn cấp khi phát hiện quá áp, thấp áp, quá dòng hoặc quá nhiệt. Các linh kiện quan trọng bao gồm điện trở shunt, IC ICL7660 (chuyển đổi điện áp âm), IC IR2101 (điều khiển MOSFET) và mạch lọc thông thấp bậc 2.

1.2. Nguyên lý hoạt động của pin lithium ion

Pin lithium-ion hoạt động dựa trên cơ chế di chuyển ion Li+ giữa hai điện cực trong quá trình sạc/xả. Khi sạc, ion Li+ di chuyển từ cực dương (cathode) sang cực âm (anode) qua dung dịch điện ly, trong khi electron di chuyển qua mạch ngoài tạo thành dòng điện. Quá trình ngược lại xảy ra khi pin xả. Điện cực dương thường làm từ vật liệu oxit kim loại (như LiCoO2, LiFePO4), điện cực âm từ than chì. Dung dịch điện ly là hỗn hợp dung môi hữu cơ chứa muối lithium. Điện áp danh định của pin lithium-ion là 3.7V, cao hơn so với các loại pin khác, góp phần tăng hiệu suất năng lượng.

II. Những thách thức trong quản lý pin lithium ion xe máy điện

Việc quản lý pin lithium-ion trên xe máy điện gặp nhiều thách thức do môi trường hoạt động khắc nghiệt và yêu cầu an toàn cao. Một trong những vấn đề chính là sự không đồng đều giữa các cell pin trong cùng một khối, dẫn đến mất cân bằng điện áp và giảm dung lượng toàn hệ thống. Nhiệt độ hoạt động cũng ảnh hưởng lớn đến hiệu suất pin, khi nhiệt độ quá cao làm tăng tốc độ suy thoái pin, trong khi nhiệt độ thấp giảm dung lượng tạm thời. Quá trình sạc nhanh gây ra hiện tượng phân cực, làm giảm tuổi thọ pin. Ngoài ra, nguy cơ cháy nổ do ngắn mạch hoặc quá nhiệt đòi hỏi hệ thống bảo vệ phải hoạt động chính xác trong mọi tình huống. Việc lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp với môi trường xe máy điện cũng là thách thức lớn do yêu cầu chống rung, chống bụi và chịu nhiệt độ rộng.

2.1. Mất cân bằng điện áp giữa các cell pin

Mất cân bằng điện áp xảy ra do sự khác biệt về dung lượng, điện trở nội hoặc điều kiện nhiệt độ giữa các cell. Điều này dẫn đến một số cell bị quá sạc trong khi các cell khác bị quá xả, làm giảm tuổi thọ toàn hệ thống. Nguyên nhân chính bao gồm dung sai sản xuất, sự phân bố nhiệt không đều và quá trình sạc/xả không đồng bộ. Giải pháp phổ biến là sử dụng mạch cân bằng chủ động hoặc thụ động. Mạch cân bằng chủ động sử dụng MOSFET để chuyển điện tích từ cell có điện áp cao sang cell có điện áp thấp, trong khi mạch cân bằng thụ động sử dụng điện trở để xả bớt điện năng dư thừa.

2.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất pin

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, tuổi thọ và an toàn của pin lithium-ion. Ở nhiệt độ cao (>45°C), tốc độ phản ứng hóa học tăng, dẫn đến suy thoái pin nhanh chóng và nguy cơ thoát nhiệt. Ở nhiệt độ thấp (<0°C), dung lượng pin giảm mạnh do độ nhớt dung dịch điện ly tăng, làm chậm quá trình di chuyển ion Li+. Nhiệt độ quá thấp còn gây ra hiện tượng phân cực, làm giảm hiệu suất sạc/xả. Hệ thống quản lý pin cần tích hợp cảm biến nhiệt độ và cơ chế làm mát/chống đông phù hợp. Một số giải pháp bao gồm sử dụng tấm tản nhiệt, quạt gió hoặc hệ thống điều nhiệt chủ động.

III. Giải pháp thiết kế bộ mạch quản lý pin lithium ion

Bộ mạch quản lý pin lithium-ion được thiết kế dựa trên nguyên lý giám sát đa kênh, điều khiển linh hoạt và bảo vệ toàn diện. Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 làm trung tâm xử lý, kết hợp với các IC chuyên dụng như ICL7660 (cung cấp điện áp âm) và IR2101 (điều khiển MOSFET). Mạch đo dòng điện sử dụng điện trở shunt 0.01Ω kết hợp với bộ khuếch đại vi sai INA125, đảm bảo độ chính xác cao. Hệ thống cân bằng điện áp sử dụng phương pháp cân bằng chủ động thông qua MOSFET, cho phép chuyển điện tích giữa các cell khi chênh lệch điện áp vượt ngưỡng. Mạch bảo vệ bao gồm các ngắt khẩn cấp khi phát hiện quá áp (>4.2V/cell), thấp áp (<2.5V/cell), quá dòng (>30A) hoặc quá nhiệt (>60°C).

3.1. Lựa chọn linh kiện và nguyên lý mạch đo

Linh kiện chính bao gồm vi điều khiển STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3, 72MHz), IC đo dòng điện INA125 (độ lệch 50μV), điện trở shunt 0.01Ω, IC ICL7660 (chuyển đổi điện áp âm) và IC IR2101 (điều khiển MOSFET). Mạch đo điện áp sử dụng bộ phân áp với điện trở 10kΩ/1kΩ, đảm bảo phạm vi đo từ 0-5V tương ứng với điện áp pin 0-4.2V. Mạch đo nhiệt độ sử dụng cảm biến DS18B20 (độ phân giải 9-12 bit). Tín hiệu từ các cảm biến được đưa vào ADC của vi điều khiển thông qua mạch lọc thông thấp bậc 2 để loại bỏ nhiễu.

3.2. Cơ chế cân bằng và bảo vệ pin

Cơ chế cân bằng sử dụng phương pháp chủ động: khi chênh lệch điện áp giữa các cell vượt ngưỡng 50mV, vi điều khiển sẽ kích hoạt MOSFET tương ứng để chuyển điện tích từ cell có điện áp cao sang cell có điện áp thấp thông qua điện trở 100Ω. Mạch bảo vệ bao gồm ngắt sạc khi điện áp cell vượt 4.2V, ngắt xả khi điện áp cell xuống dưới 2.5V, ngắt khi dòng điện vượt 30A và ngắt khi nhiệt độ vượt 60°C. Các ngắt khẩn cấp được thực hiện thông qua MOSFET công suất IRFZ44N, đảm bảo khả năng ngắt nhanh chóng trong vòng 1ms.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của bộ mạch

Bộ mạch quản lý pin lithium-ion được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công đã đáp ứng đầy đủ các yêu cầu về giám sát, điều khiển và bảo vệ pin. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ -10°C đến 50°C, với độ chính xác đo điện áp ±10mV, dòng điện ±0.5A. Cơ chế cân bằng chủ động đảm bảo sự đồng đều giữa các cell, kéo dài tuổi thọ pin lên 20% so với phương pháp cân bằng thụ động. Hệ thống bảo vệ hoạt động chính xác, ngăn ngừa mọi tình huống nguy hiểm. Bộ mạch có thể ứng dụng rộng rãi trong xe máy điện, xe đạp điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng di động. Tiềm năng phát triển bao gồm tích hợp giao thức CAN bus với hệ thống điều khiển xe, sử dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán tuổi thọ pin và tối ưu hóa chế độ sạc.

4.1. Kết quả thử nghiệm và hiệu suất hoạt động

Bộ mạch đã được thử nghiệm trên hệ thống pin 48V/20Ah gồm 13 cell lithium-ion 18650. Kết quả cho thấy dung lượng pin duy trì 95% sau 500 chu kỳ sạc/xả (tương đương 20.000 km vận hành). Độ lệch điện áp giữa các cell duy trì dưới 30mV nhờ cơ chế cân bằng chủ động. Nhiệt độ pin duy trì dưới 45°C nhờ hệ thống tản nhiệt chủ động. Hệ thống bảo vệ hoạt động chính xác trong mọi tình huống thử nghiệm, bao gồm ngắn mạch, quá nhiệt và quá dòng. Tín hiệu từ BMS được truyền qua UART tới hệ thống điều khiển xe, cho phép giám sát thời gian thực.

4.2. Hướng phát triển và ứng dụng tương lai

Hướng phát triển tiếp theo bao gồm tích hợp giao thức CAN bus để giao tiếp với hệ thống điều khiển xe, cho phép tối ưu hóa chế độ sạc/xả dựa trên điều kiện vận hành. Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán tuổi thọ pin và đề xuất lịch bảo dưỡng. Cải tiến cơ chế cân bằng bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi DC-DC vi sai, giúp giảm tổn thất năng lượng. Bộ mạch cũng có thể ứng dụng trong hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, xe tải điện nhẹ và các thiết bị di động công nghiệp. Việc thương mại hóa cần chú trọng đến chi phí sản xuất, độ tin cậy trong môi trường khắc nghiệt và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Ô nhiễm môi trường đã và đang trở thành vấn đề không chỉ ở một quốc gia, một khu vực mà đang là mối quan tâm chung của toàn nhân loại. Sự bùng nổ dân số ở các quốc gia dẫn đến sự tăng vọt của các phương tiện đi lại sử dụng động cơ đốt trong làm cho vấn đề ô nhiễm không khí từ khí thải của động cơ ngày càng trầm trọng đã đặt lên một áp lực vô cùng lớn đối với môi trường. Các quy định về tiêu chuẩn khí thải của các phương tiện sử dụng động cơ đốt trong được đặt ra vô cùng nghiêm ngặt nhưng cũng chỉ giúp giảm đi một phần lượng khí thải gây ô nhiễm.

Việc thay đổi các phương tiện sử dụng nhiên liệu hóa thạch truyền thống sang việc sử dụng nguồn năng lượng sạch không gây ô nhiễm là vấn đề cần thiết nhất ngay lúc này. Chính vì vậy, hiện nay xe điện đã trở thành mục tiêu nghiên cứu và phát triển của đa số các hãng xe trong tương lai. Tại Việt Nam, vấn đề ô nhiễm không khí cũng đang rất được quan tâm. Một phần lớn nguyên nhân phát sinh từ việc Việt Nam là một trong những quốc gia tiêu thụ xe máy nhiều nhất trên thế giới do điều kiện đường xá tại đây có nhiều hẻm nhỏ, ngóc ngách.

Nhưng đa số các loại xe máy phổ thông hiện nay không được đảm bảo các tiêu chuẩn về an toàn khí thải. Vì vậy, việc thay thế xe máy sử dụng động cơ đốt trong bằng xe máy điện là một xu hướng tất yếu vừa giải quyết được vấn đề ô nhiễm không khí vừa đáp ứng được điều kiện đường xá tại Việt Nam. Các hãng xe lớn trên thế giới hiện nay đang có xu hướng chuyển sang xe sử dụng điện thay thế xe sử dụng năng lượng hóa thạch bằng việc cho ra mắt hàng loạt các mẫu xe điện như Tesla Model S, Audi E-Tron GT, Mercedes Benz EQC. Tại Việt Nam, hãng xe Vinfast cũng đã tuyên bố dừng sản xuất xe xăng chuyển qua sản xuất xe điện với sự ra đời đầu tiên của mẫu xe VFe34 và sau đó là hàng loạt các mẫu xe VF5, VF6, VF7, VF8, VF9.

Đặc biệt hãng xe này còn tập trung phát triển các mẫu xe máy điện để đáp ứng nhu cầu sử dụng của người Việt với các dòng xe Klara, Feliz, Theon. Việc lắp đặt hàng chục ngàn trạm sạc trải dài khắp đất nước và chính sách cho thuê pin nhằm thúc đẩy người dùng Việt chuyển sang sử dụng xe điện để bảo vệ môi trường. Việc tích trữ nguồn năng lượng để sử dụng trong việc vận hành xe điện cần đến sự có mặt của các bộ pin, đặc biệt pin Lithium-Ion với rất nhiều ưu điểm vượt trội như: Tuổi thọ pin cao, quãng đường di chuyển xa, thời gian sạc ngắn hơn so với ắc-quy truyền thống,…Tuy nhiên để tối đa hóa các ưu điểm này thì các nhà sản xuất phải nghiên cứu và chế tạo hệ thống kiểm soát được nguồn năng lượng này một cách kỹ lưỡng để đảm bảo tính kỹ thuật và an toàn cho con người. Chính vì vậy, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bộ mạch quản lý Pin Lithium-Ion trên xe máy điện”.

Mục tiêu đề tài • Nghiên cứu, tìm hiểu lý thuyết của pin Lithium-Ion. 1 • Nghiên cứu, tìm hiểu về vi điều khiển STM32F103C8T6. • Nghiên cứu, tìm hiểu về các linh kiện điện tử được sử dụng để thiết kế mạch. • Tính toán, thiết kế mạch quản lý pin cho xe máy điện.

• Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định và an toàn. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu • Pin Lithium – Ion 18650. • Các linh kiện điện tử.

• Vi điều khiển STM32F103C8T6. • Phần mềm STM32CubeMX. • Phần mềm Keil uVision 5. • Phần mềm Altium Designer.

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đặc tính xả của pin Lithium – Ion 18650 và sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 để quản lý điện áp, dòng điện và nhiệt độ của bộ pin. Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp thu thập tài liệu, bài báo khoa học từ các nguồn uy tín trên Internet để đọc và học hỏi kiến thức. • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, khảo sát các vấn đề thực tế, rút ra các vấn đề cần thực hiện. Trên cơ sở đó đề ra hướng khắc phục, chế tạo một sản phẩm hoàn chỉnh, thực nghiệm và thử nghiệm thực tế.

Một số nghiên cứu trong và ngoài nước Trong nước Luận văn thạc sĩ của thạc sĩ Đinh Cao Trí nghiên cứu tại Trường Đại hoc Sư phạm Kỹ thuật TPHCM với đề tài “Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển trên xe máy điện”. [1] Luận văn tập trung vào ba phần chính bao gồm: • Phần 1: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết: vi điều khiển Atmega328P, ADC, cầu phân áp,…và đặc biệt là các linh kiện điện tử. • Phần 2: Cách thiết kế, chế tạo mạch điều khiển và phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ ba pha và mạch bảo vệ quá dòng áp dụng trong xe máy điện. • Phần 3: Thực nghiệm và đánh giá kết quả đạt được.

Bài báo khoa học “Nghiên cứu tối ưu tính năng làm việc của pin Lithium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai” của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, Phạm Duy Tấn đăng trên Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K6 – 2017.[2] Bài báo giới thiệu tổng quan về pin Lithium – Ion (Li-ion), khả năng ứng dụng của nó đối với các loại phương tiện sử dụng truyền động lai (HEV) nói chung và khả năng ứng dụng pin Li-ion trên xe gắn máy tích hợp truyền động lai nói riêng. Nghiên cứu này tập trung vào việc tính toán tối ưu, so sánh và thử nghiệm bộ nguồn pin Li-ion cho xe máy lai xăng điện (HEM) được cải tạo từ xe nền Honda Lead 110cc. 2 Ngoài nước Đề tài nghiên cứu “Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles”[3] của nhóm tác giả M. Lorentz đã giới thiệu về xe điện và pin Lithium-ion; nghiên cứu về công nghệ Pin Lithium-ion, yêu cầu và tiêu chuẩn của giám sát và quản lí pin; nghiên cứu kỹ thuật quản lý pin, cân bằng sạc và ước tính xả của pin; nghiên cứu, tính toán, thiết kế tích hợp pin trong xe điện, phát triển mạch điện tử và thuật toán để sử dụng bộ pin hiệu quả hơn.

Thiết kế và phát triển một bộ mạch quản lý pin BMS cải tiến, tích hợp bộ sạc cân bằng điện tích bộ pin. Đề tài nghiên cứu “Battery Management System for SOC Estimation of Lithium-Ion Battery in Electric Vehicle”[4] của nhóm tác giả Suwarna Shete, Pranjal Jog, R. Palwalia đã trình bày các phương pháp ước tính trạng thái điện tích (SoC) của pin Lithium – Ion. SoC có vai trò rất quan trọng vì vai trò của nó đối với bộ mạch quản lý pin Lithium – Ion BMS.

Giúp BMS giám sát pin dựa trên SoC và ngăn ngừa pin quá dòng, quá xả, quá nhiệt giúp kéo dài tuổi thọ của bộ pin. 3 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu các loại pin của xe điện phổ biến hiện nay Hiện nay, người dùng đang xu hướng chuyển sang sử dụng xe điện do ô vấn đề ô nhiễm môi trường và giá xăng dầu ngày càng tăng cao. Chính vì vậy, pin là một trong những bộ phận quan trọng cung cấp năng lượng cho xe điện.

Xe điện sử dụng nguồn động lực là nguồn điện sử dụng được tích hợp trong pin. Thông thường các hãng xe sản xuất xe điện sử dụng loại pin Lithium-ion, ngoài ra còn một số loại pin khác như pin ắc quy chì axit, pin Niken. Pin ắc quy chì axit Pin chì axit được phát minh vào năm 1859 và là dạng pin lâu đời nhất vẫn còn được sử dụng. Chúng đã được sử dụng trong tất cả các loại ô tô kể cả ô tô điện từ thế kỷ 19.

Pin ắc quy chì axit là một loại pin thứ cấp có thể sạc lại và sử dụng nhiều lần. Nó sử dụng các tấm chì và chì oxit trong dung dịch axit sunfuric chứa trong một hộp chứa. Chì oxit sẽ oxi hóa tấm chì, tạo ra dòng điện. Ưu điểm của pin axit-chì là loại pin sạc lại có chi phí rẻ nhất, tạo ra nhiều năng lượng và tuổi thọ cao.

Tuy nhiên, chúng tạo ra khí nguy hiểm trong khi được sử dụng và nếu pin bị sạc quá mức sẽ có nguy cơ nổ. Năng lượng của pin chì axit là 34 Wh / kg và mật độ năng lượng thấp. Pin ắc quy chì axit sử dụng trên xe điện có các loại như sau: [5] • Ắc quy chì axit kiểu kín SLA: Là loại ắc quy chì axit mà cấu tạo tự bảo vệ sao cho không để hơi axit tự do thoát ra ngoài. Đồng thời, không phải bổ sung nước hoặc dung dịch trong quá trình sử dụng.

• Ắc quy chì axit kiểu có van điều chỉnh VRLA: Là loại ắc quy chì axit có van điều chỉnh khi áp suất tăng. Loại ắc quy này có khả năng chống mất nước cao. Do đó, trong quá trình sử dụng thường không cần hoặc ít khi phải bổ sung bổ sung nước hoặc dung dịch. 1: Pin ắc quy axit chì [6] 2.

Pin niken (NiMH) Pin niken được đưa vào sử dụng thương mại vào cuối những năm 1980. Chúng có mật độ năng lượng cao đồng nghĩa với có rất nhiều năng lượng có thể được tích lũy vào trong một pin tương đối nhỏ và không chứa bất kỳ kim loại độc hại nào và nó sử dụng hỗn hợp hấp thu hydride cho anode, vì vậy chúng rất dễ tái chế và không gây ô nhiễm nhiều cho môi trường. Pin NiMH được đánh giá là vượt trội hơn so với pin axit chì, vì chúng có thể có năng lượng gấp đôi (68 Wh / kg) so với pin axit chì. Điều này cho phép các phương tiện điện sử dụng pin NiMH nhẹ hơn đáng kể, dẫn đến giảm chi phí năng lượng cho việc đẩy BEV.

Bên cạnh đó, pin NiMH cũng có mật độ năng lượng lớn hơn so với pin axit chì, điều này sẽ cho phép hệ thống pin được chứa trong một không gian nhỏ hơn. Mặc dù vậy, pin NiMH có một số nhược điểm, chẳng hạn như có hiệu suất sạc thấp hơn so với các pin khác. Ngoài ra còn có một vấn đề lớn với việc tự xả (lên tới 12,5% mỗi ngày trong điều kiện nhiệt độ phòng bình thường) bị trầm trọng hơn khi pin ở trong môi trường nhiệt độ cao. Điều này làm cho pin NiMH kém lý tưởng trong môi trường nóng hơn.