Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch BMS pin xe tự hành ĐH SPKT

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mạch BMS cho bộ pin xe tự hành nhằm tối ưu hiệu suất hoạt động. Tìm hiểu quy trình kỹ thuật và ứng dụng thực tế trong lĩnh vực

• Tác giả: Trần Việt Thắng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thành Tuyên
• Trường học: 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 mạch BMS cho bộ pin xe tự hành
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mạch BMS cho bộ pin xe tự hành

Mạch BMS (Battery Management System) đảm bảo an toàn và hiệu suất cho bộ pin lithium-ion trong xe tự hành. Nó giám sát điện áp, dòng điện, nhiệt độ và cân bằng điện áp giữa các cell. Mạch này ngăn ngừa quá sạc, quá xả, và quá nhiệt – những nguyên nhân chính gây hư hại pin. Xe tự hành đòi hỏi độ tin cậy cao vì hoạt động liên tục trong môi trường không kiểm soát. BMS cũng tối ưu hóa tuổi thọ pin bằng cách cân bằng điện áp và giảm thiểu hiện tượng mất dung lượng. Thiết kế mạch phải phù hợp với yêu cầu điện áp 3,6V-4,2V/cell của pin lithium-ion 18650.

1.1. Vai trò của BMS trong hệ thống pin xe tự hành

BMS đóng vai trò trung tâm trong quản lý pin. Nó đảm bảo an toàn bằng cách ngắt mạch khi điện áp vượt ngưỡng an toàn (4,2V/cell). Điều này ngăn chặn hiện tượng nổ pin do tích tụ khí CO2 bên trong. Ngoài ra, BMS theo dõi nhiệt độ để tránh quá nhiệt, thường xảy ra khi pin hoạt động ở tải cao. Thiết bị này cũng cân bằng điện áp giữa các cell, ngăn ngừa sự khác biệt quá lớn dẫn đến mất hiệu suất. Việc giám sát liên tục giúp kéo dài tuổi thọ pin, giảm chi phí bảo trì cho xe tự hành.

1.2. Các thành phần cơ bản của mạch BMS

Mạch BMS bao gồm ba thành phần chính: mô-đun giám sát, mô-đun cân bằng và mô-đun bảo vệ. Mô-đun giám sát sử dụng IC như TPS2574 (Texas Instruments) để đo điện áp và dòng điện. Mô-đun cân bằng sử dụng transistor MOSFET để điều chỉnh dòng điện giữa các cell. Mô-đun bảo vệ bao gồm IC ngắt mạch như TPS2573 (Texas Instruments) để ngắt nguồn khi điện áp vượt ngưỡng. Ngoài ra, mạch còn cần bộ tản nhiệt để giải nhiệt cho IC và pin. Giao tiếp giữa các mô-đun thường sử dụng chuẩn 1-Wire hoặc SPI để giảm số lượng dây cáp.

II. Phân tích vấn đề và thách thức trong thiết kế BMS

Thiết kế BMS cho xe tự hành gặp nhiều thách thức. Đầu tiên là yêu cầu về độ chính xác cao trong đo lường điện áp và dòng điện. Sai số lớn dẫn đến quyết định bảo vệ không chính xác. Thứ hai, môi trường hoạt động của xe tự hành không ổn định, với rung động và nhiệt độ thay đổi. Điều này đòi hỏi mạch phải bền bỉ và có khả năng chống nhiễu điện từ. Thứ ba, pin lithium-ion dễ bị hư hại nếu không quản lý tốt. Quá sạc hoặc quá xả gây hỏng pin, còn quá nhiệt làm giảm tuổi thọ. Cuối cùng, chi phí và kích thước mạch cũng là yếu tố quan trọng. Mạch phải nhỏ gọn để phù hợp với không gian hạn chế của xe tự hành.

2.1. Rủi ro an toàn khi thiếu BMS trong hệ thống pin

Không có BMS khiến pin lithium-ion dễ bị quá sạc. Khi điện áp vượt 4,2V/cell, pin sinh ra khí CO2 bên trong, làm tăng áp suất. Nếu áp suất đạt 500psi, pin sẽ nổ. Quá xả dưới 2,5V/cell cũng gây hư hại, làm pin không thể sạc lại. Ngoài ra, pin không được bảo vệ khỏi quá nhiệt, dẫn đến phản ứng hóa học không kiểm soát. Điều này gây cháy nổ và mất an toàn cho hệ thống xe tự hành. BMS giảm thiểu tất cả những rủi ro này bằng cách giám sát liên tục và can thiệp kịp thời.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật đối với mạch BMS trong môi trường xe tự hành

Môi trường xe tự hành đòi hỏi mạch BMS phải chịu được rung động và nhiệt độ biến động. IC phải có độ bền cao, ví dụ như TPS2574 của Texas Instruments, có khả năng hoạt động ổn định trong khoảng nhiệt độ -40°C đến 125°C. Giao tiếp giữa các mô-đun phải nhanh chóng và chính xác, sử dụng chuẩn SPI hoặc 1-Wire để giảm thời gian phản ứng. Ngoài ra, mạch phải có khả năng chống nhiễu điện từ để tránh sai số đo lường. Bộ tản nhiệt cũng cần thiết để giữ nhiệt độ pin dưới 60°C, tránh quá nhiệt.

III. Giải pháp thiết kế và phương pháp chế tạo mạch BMS

Giải pháp thiết kế mạch BMS tập trung vào độ chính xác và độ tin cậy. Sử dụng IC TPS2574 để đo điện áp và dòng điện với độ chính xác ±1%. Mô-đun cân bằng sử dụng MOSFET IRF3205 để điều chỉnh dòng điện giữa các cell. IC bảo vệ TPS2573 ngắt mạch khi điện áp vượt ngưỡng. Giao tiếp sử dụng chuẩn SPI với tốc độ 1Mbps để truyền dữ liệu nhanh chóng. Mạch được chế tạo trên PCB 2 lớp với kích thước 50x50mm. Bộ tản nhiệt kim loại được lắp để giải nhiệt cho IC và pin. Kiểm tra an toàn được thực hiện bằng cách đo điện áp và nhiệt độ trong điều kiện tải cao.

3.1. Thiết kế mạch điện và lựa chọn linh kiện

Mạch điện được thiết kế với hai phần chính: mô-đun giám sát và mô-đun cân bằng. Mô-đun giám sát sử dụng IC TPS2574 để đo điện áp và dòng điện với độ chính xác cao. IC này tích hợp ADC 12-bit và có khả năng đo điện áp từ 0V đến 6V. Mô-đun cân bằng sử dụng MOSFET IRF3205 để điều chỉnh dòng điện giữa các cell, ngăn ngừa sự khác biệt điện áp quá lớn. IC bảo vệ TPS2573 được lựa chọn vì khả năng ngắt mạch nhanh chóng khi điện áp vượt ngưỡng. Giao tiếp SPI được chọn vì tốc độ cao và độ tin cậy, phù hợp với yêu cầu của xe tự hành.

3.2. Quá trình chế tạo và kiểm tra hiệu suất mạch

Quá trình chế tạo bắt đầu bằng việc in PCB 2 lớp với kích thước 50x50mm. Các linh kiện như IC TPS2574, MOSFET IRF3205 và IC bảo vệ TPS2573 được lắp ráp và hàn. Sau đó, mạch được kiểm tra bằng cách đo điện áp và dòng điện trong điều kiện tải. Kiểm tra an toàn được thực hiện bằng cách tăng điện áp đến ngưỡng ngắt và đo thời gian phản ứng của IC bảo vệ. Mạch được thử nghiệm trong môi trường có rung động và nhiệt độ cao để đảm bảo độ bền. Cuối cùng, hiệu suất được đánh giá bằng cách đo tuổi thọ pin sau 500 chu kỳ sạc/xả.

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

Mạch BMS thiết kế cho xe tự hành giải quyết hiệu quả các vấn đề an toàn và hiệu suất pin. Nó ngăn ngừa quá sạc, quá xả và quá nhiệt, kéo dài tuổi thọ pin. Thiết kế sử dụng IC chính xác và giao tiếp SPI đảm bảo độ tin cậy cao trong môi trường không ổn định. Mạch phù hợp với yêu cầu kích thước nhỏ gọn và chi phí hợp lý. Ứng dụng thực tế bao gồm xe tự hành công nghiệp, robot tự động và hệ thống năng lượng tái tạo. Mạch có thể được mở rộng để hỗ trợ nhiều loại pin khác nhau như lithium polymer hoặc lithium titanate.

4.1. Ưu điểm của mạch BMS trong quản lý pin xe tự hành

Mạch BMS mang lại nhiều ưu điểm quan trọng. Nó đảm bảo an toàn cho pin bằng cách ngăn ngừa quá sạc, quá xả và quá nhiệt. Điều này giảm thiểu rủi ro cháy nổ và kéo dài tuổi thọ pin. Thiết kế nhỏ gọn và chi phí hợp lý phù hợp với yêu cầu của xe tự hành. Ngoài ra, mạch có khả năng giám sát liên tục, cung cấp dữ liệu chính xác về trạng thái pin. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm chi phí bảo trì. Mạch cũng dễ dàng mở rộng để hỗ trợ nhiều loại pin và ứng dụng khác nhau.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống năng lượng tự động

Mạch BMS có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tự động. Nó được sử dụng trong xe tự hành công nghiệp để quản lý pin lithium-ion, đảm bảo hoạt động liên tục và an toàn. Mạch cũng phù hợp với robot tự động và hệ thống năng lượng tái tạo như pin mặt trời hoặc pin gió. Trong các ứng dụng này, BMS giúp tối ưu hóa hiệu suất pin và kéo dài tuổi thọ. Ngoài ra, mạch có thể được tích hợp với hệ thống AI để dự đoán và ngăn ngừa sự cố pin trước khi xảy ra. Điều này nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của các hệ thống năng lượng tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Lý do chọn đề tài Động cơ đốt trong ra đời vào năm 1860, nhưng mãi đến 1885 thì Kỹ sư cơ khí người Đức mới thiết kế và chế tạo thành công chiếc ô tô đầu tiên trên thế giới. Đây được xem là cuộc các mạng về phương tiện di chuyển của con người nói riêng và khoa học, kĩ thuật nói chung.

Tuy nhiên, bên cạnh sự phát triển vượt bật của động cơ đốt trong trong hơn một thế kỉ qua thì vấn đề về khí thải sinh ra từ hoạt động của động bắt đầu được quan tâm. Sự ô nhiễm do khí thải từ động cơ đốt trong ngày càng nghiêm trọng và từ đó các tiêu chuẩn về khí tải ngày càng đòi hỏi cao hơn đối với các hãng sản xuất xe. Nhưng dù cho cắt giảm đến đâu thì chỉ là hạn chế thôi chứ vấn đề ô nhiễm môi trường vẫn còn đó và nhu cầu đi lại của con người ngày càng cao hơn nên sự ra đời của xe chạy bằng nguồn năng lượng sạch hơn là một điều tất yếu. Có thế nói đến là xe chạy bằng năng lượng điện (EV – Electric Vehicle) có thế giải quyết vấn đề của năng lượng hóa thạch truyền thống.

Để giải quyết vấn đề nguồn năng lượng cho xe điện, pin Lithium-ion là ứng viên hàng đầu với các 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,… Mặc dù vậy bộ pin này cần có mạch bảo vệ để tránh các hiện tượng như quá sạc, xả quá sâu, quá nhiệt,…Đây cũng là lý do mà nhóm quyết định thực hiện chọn đề tài này. Mục đích đề tài - Nghiên cứu, tìm hiều lý thuyết của pin Lithium-Ion 18650. - Tính toán, thiết kế mạch quản lý năng lượng cho xe tự hành. - Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định và an toàn.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Pin Lithium-Ion 18650. - Điện tử cơ bản. - Vi điều khiển ATMEGA328P. - Phần mềm Proteus, Arduino IDE, CAD.

1 ` b) Phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và đặc tính sạc, xả của pin lithium-ion 18650. - Sử dụng vi điều khiển để kiểm soát các quá trình nạp và xả cho bộ pin gồm bộ pin gồm 13 viên pin lithium-ion mắc nối tiếp. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập tài liệu, chọn lọc và nghiên cứu kiến thức. - Phương pháp thực nghiệm.

- Phương pháp phân tích, so sánh và đánh giá kết quả. Các kết quả nghiên cứu a) Trong nước: Đối với đề tài liên quan đến sử dụng bộ pin litium làm bộ nguồn trên tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, tập 20, số K6-2017[1] có bài với tựa đề “Nghiên cứu tối uu tính năng làm việc của pin litium-ion sử dụng cho xe gắn máy tích hợp truyền động lai” của nhóm tác giả Nguyễn Văn Trạng, Phạm Tuấn Anh, Nguyễn Duy Tấn đã tính toán, chế tạo mạch quản lí các chế độ hoạt động của pin lithium-ion qua đó thu được kết quả như sau:  Thiết kế và chế tạo bộ nguồn pin Lithium-ion 48V-33Ah sử dụng cho xe gắn máy Honda Lead 110cc tích hợp bộ truyền động lai.  Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mạch quản lí cho bộ nguồn trên. b) Ngoài nước Ngày nay việc sử dụng bộ nguồn từ pin Lithium-ion cho phương tiện đặc biệt là ô tô (xe điện) được các tập đoàn đi đầu về xe điện như Tesla, Pininfarina, .đặc biệt quan tâm phát triển và ngày càng tối ưu.

Đây cũng là xu hướng phát triển mà các trường đại học lớn hướng sinh viên đến. Một số các đề tài nghiên cứu, bài báo ngoài nước của đề tài này mà nhóm biết như: Đề tài nghiên cứu “Batteries and Battery Management Systems for Electric Vehicles [2]” được thực hiện bởi M. Gall bằng việc ứng dụng vi điều khiển vào kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin. Nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu thành công về hệ thống quản lý năng lượng cho xe điện sử dụng pin lithium-ion làm bộ nguồn.

2 Bài báo nghiên cứu “A Novel Electric Bicycle Battery Monitoring System Based on Android Client” do Chuanxue Song, Yulong Shao, Shixin Song, Silun Peng và FengXiao thuộc trường đại học Jilin, Trung Quốc thực hiện vào năm 2017[3] đã có nhiều kết quả khả thi. Cụ thể, bài báo này đã thiết kế một bộ hệ thống giám sát pin mới dựa trên hệ thống Android và vi mạch đơn chip ARM cho phép quản lý trực tiếp và theo dõi trạng thái của bộ pin một cách thuận tiện. Như vậy, không chỉ có thể đáp ứng các yêu cầu của các chức năng giám sát pin thông thường, nhưng cũng dễ dàng theo dõi trạng thái của pin. Pin Lithium-ion 2.

Giới thiệu chung Pin Li-ion hay pin lithium-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Liti chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng). Điện cực của pin lithium thường được chế tác bằng các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Điều này giúp cho trong quá trình nạp xả các ion liti sẽ xâm nhập vào điền vào các khoảng trống giữa các lớp, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra.

Thông thường, bản cực dương được làm từ vật liệu oxide kim loại nền như Coban, Nickel hay Manganese, … Bản cực âm được làm từ Graphite. Chất điện ly là một phần quan trọng của pin Lithium, cung cấp môi trường dẫn ion Li+ giữa hai bản cực nhưng cũng đồng thời là dung môi không dẫn điện. [4] LIB được sử dụng cực kì phổ biến trên các thiết bị điện từ cầm tay với các ưu điểm mật độ năng lượng cao và ít bị tự xả. Pin litium-ion ngày càng phát triển ở các nước có nền công nghiệp phát triển với triển vọng thay thế ác-qui chì trên ô tô, xe máy,…các loại xe điện.

Bên cạnh đó nếu chúng ta cùng so sánh về vấn đề môi trường giữa pin Li-on và ắc-quy, dễ thấy pin Li-on đảm bảo cho chúng ta một điện áp tương đương với ắc-quy nhưng lại bảo vệ môi trường hơn do tránh được việc sử dụng dung dịch chất điện ly chứa axit và hạn chế kim loại nặng ra môi trường sống hơn. Dựa vào thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ tin cậy là các yếu tố cơ bản quy định, phân loại các loại LIB khác nhau phục vụ cho các mục đích khác nhau. Chúng ta bàn về thành phần hóa học thì LIB được phân loại như sau:  Loại chứa LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực dương thường được sử trong các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop). Ưa điểm của loại này là có mật độ năng lượng cao nhưng kém an toàn và đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ.

 Loại chứa LiFePO4 (LFP) lithium sắt phosphate hay LiMn2O4, Li2MnO 3 (LMO) và LiNiMnCoO2 (NMC) Lithium niken mangan coban oxit làm cực dương hiện đang rất phổ biến, tuy nhiên so với LCO thì chúng có mật độ năng lượng thấp, nhưng bù lại khắc phục được nhược điểm của LCO là có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn. Do đặc tính về tính an toàn nên loại này thường được sử dụng trong y tế hay được ứng dụng trong xe điện. 4  Loại chứa LiNiCoAlO2 (NCA) liti niken coban nhôm oxit và Li4Ti5o12 (LTO) là loại pin mới được phát triển sư dụng với mục đích đặc biệt với ưu điểm là hiệu năng cao và khối lượng nhỏ. Pin Lithium-ion chứa dung dịch điện ly được nén ở áp suất cao, và dung dịch này dễ cháy nên khi sử dụng pin phải cực kì cẩn thận.

Cần thay pin định kì theo khuyến cáo của nhà sản xuất, tiến hành bảo trì hoặc thay mới nếu cảm thấy bộ nguồn sử dụng lithium-ion có dấu hiệu nóng để đảm bảo an toàn cho người dùng. Để khắc phục các nhươc điểm của pin Lithium-ion và tin tưởng hơn về chúng các lĩnh vực nghiên cứu về LIB thường xoay quanh bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin. Lịch sử hình thành và phát triển Vào bối cảnh của thập niên 70 của thế kỉ trước, khi cả thế giới đang chìm mình vào cuộc khủng hoảng về dầu mỏ. Nhận ra vấn đề trước mắt đó nhà hóa học người Anh M Stanley Whittingham, đang công tác tại trường Đại học Binghamton, đã sử dụng titan (IV) sulfide và kim loại lithi làm điện cực.

Tuy nhiên, loại pin này không bao giờ được ra đời do Titan disulfide là một lựa chọn tồi vì nó không phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Tuy nhiên loại pin đời đầu này còn có một điểm khuyết chí mạng khác đó là Liti là một chất phản ứng mạnh gây ra phản ứng hóa học nguy hiểm trong quá trình sử dụng. Chính vì thế mô hình pin này đã không được chấp thuận. Do vậy hướng phát chuyển pin chuyển hướng sang sử dụng hợp chất của Liti thay vì sử dụng kim loại Liti, với khả năng chấp nhận và giải phóng các ion lithium.

Kế thừa thành tựu của ông Whittingham, nhà khoa học John B Goodenough đã có một bước tiến xa trong việc phát triển công nghệ pin. Vào năm 1979, ông Goodenough cùng cộng sự là Koichi Mizushima đã chết tạo thành công loại pin sạc có dòng ra khoảng 4 (V) dùng LiCoO2 làm cực dương đã mở ra một triển vọng mới.[5] Tuy nhiên, sự phát triển của viên pin Lithium-ion vẫn chưa dừng lại, dựa vào các nền tảng của Whittingham và Goodenough để lại được nhà khoa học Nhật Bản Akira Yoshino kế thừa và phát triển biến pin lithium-ion trở nên phổ biến. Vào năm 1985, ông đã thay thế cực dương chưa kim loại lithium dễ cháy của Whittingham bằng các ion lithium từ "than cốc dầu mỏ", một sản phẩm phụ giống như than của quá trình lọc dầu. hính vì lý do này, thế hệ pin Li-ion đã được hoàn thiện và an toàn hơn rất nhiều so với trước đây.

Qua đó Yoshino đã tạo ra. 5 ` Pin Lithium-ion đã tạo nên một thành công ngoài sức tưởng tượng khi được đem ra bán ngoài thị trường lần đầu vào năm 1991 bỡi hãng Sony. Với doanh số vượt bật không thể ngờ tới đó là 3 triệu viên năm 1993 và tăng lên 15 triệu viên chỉ sao một năm sau đó. Có thể nói pin Lithium-ion đã làm nên một cuộc cách mạng về thiết bị cung cấp năng lượng cho các bị xách tay như laptop và điện thoai di động.

Nguyên tắc hoạt động Trong quá trình nạp, dưới tác dụng của điện áp nạp, electron buộc chạy vào cực dương của pin. Ion Liti được giải phóng khỏi điện cực dương.