BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MẠCH BẢO VỆ VÀ CÂN BẰNG CELL PIN TRÊN Ô TÔ ĐIỆN GVHD:TS. LÊ THANH PHÚC SVTH: LÊ ĐÌNH DUY NGUYỄN CHÍ CÔNG SKL013129 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2024 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể quý thầy cô tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là các thầy cô Khoa Cơ Khí Động Lực đã tận tâm giảng dạy và chia sẻ những kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt quá trình học tập tại trường. Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Thanh Phúc, giảng viên hướng dẫn, người đã nhiệt tình hỗ trợ, định hướng và cung cấp những gợi ý quý báu cho nhóm trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp.
Nhờ thầy, chúng em đã có cơ hội làm việc trong phòng thí nghiệm với đầy đủ trang thiết bị, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nghiên cứu. Ngoài ra, chúng em cũng xin cảm ơn tất cả các bạn trong phòng thí nghiệm của thầy Lê Thanh Phúc đã nhiệt tình hỗ trợ và giúp đỡ, giúp chúng em nắm vững thêm kiến thức để hoàn thành đề tài này. Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc quý thầy cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung và quý thầy cô Khoa Cơ Khí Động Lực nói riêng sức khỏe dồi dào, luôn vui vẻ và đạt được nhiều thành công trong sự nghiệp giảng dạy và nghiên cứu. Tuy nhiên, với kinh nghiệm và kiến thức còn hạn chế, luận văn này vẫn còn nhiều thiếu sót, chúng em mong nhận được những góp ý từ các thầy cô để bổ sung và hoàn thiện nội dung đề tài tốt nghiệp.
i TÓM TẮT Đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên ô tô điện" nhằm mục tiêu phát triển một hệ thống bảo vệ và cân bằng pin cho ô tô điện. Hệ thống này sử dụng vi điều khiển STM32F103C8 làm bộ điều khiển chính, đảm nhiệm vai trò giám sát và cân bằng điện áp của từng cell pin trong lúc sạc. Cụ thể, vi điều khiển sẽ đọc điện áp của 10 cell pin trong quá trình sạc, nếu một cell nào đạt đến mức điện áp được lập trình trong vi điều khiển thì nó sẽ xuất ra tín hiệu điện áp 3,3V vào chân dương số 1 của opto cách ly quang, lúc này transistor quang dẫn cho phép điện áp vào chân G để kích hoạt mosfet, ngắt dòng sạc vào cell đó. Ngược lại, với những cell chưa đầy, vi điều khiển sẽ xuất ra điện áp 0V, cho phép tiếp tục sạc các cell này.
Mỗi cell pin đều được kết nối tích hợp với một mosfet để kiểm soát quá trình sạc một cách riêng lẻ. Việc thiết kế mạch cân bằng pin này không chỉ đảm bảo rằng mỗi cell pin được sạc đều và an toàn, mà còn kéo dài tuổi thọ và nâng cao hiệu suất của bộ pin. Sử dụng các linh kiện điện tử như mosfet và vi điều khiển hiện đại giúp hệ thống hoạt động chính xác và ổn định, giảm nguy cơ hư hỏng và đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Trong bối cảnh hiện nay, khi ô tô điện đang trở thành xu hướng phát triển mạnh mẽ, nhu cầu về các hệ thống bảo vệ và cân bằng pin hiệu quả ngày càng tăng.
Các hãng sản xuất xe điện liên tục tìm kiếm những giải pháp mới để tối ưu hóa hiệu suất pin và tăng cường độ an toàn cho xe. Việc nghiên cứu và phát triển thành công mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên ô tô điện sẽ đóng góp quan trọng vào việc nâng cao chất lượng và độ tin cậy của xe điện, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về bảo vệ môi trường và hiệu suất năng lượng. ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .ii MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.
vi DANH MỤC CÁC HÌNH .vii DANH MỤC CÁC BẢNG. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu:.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Đối tượng nghiên cứu. Phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu.
Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước. Pin Lithium-ion. Lịch sử hình thành và phát triển của pin Lithium-ion. Pin Lithium-ion là gì.
Cấu tạo của pin Lithium-ion. Nguyên tắc hoạt động của pin Lithium-ion. Cơ chế nạp và xả. Vấn đề quá sạc (Over-Charging) và quá xả (Over-Discharging).
Các khái niệm cơ bản về cân bằng cell trong bộ pin. Vấn đề cân bằng cell pin (Cell balancing). Các loại cân bằng cell. Giới thiệu các phần mềm sử dụng trong đề tài.
Giới thiệu phần mềm STM32CubeMX. Giới thiệu phần mềm Keil C. Giới thiệu phần mềm Proteus. Các linh kiện điện tử được sử dụng trong đề tài.
Mạch giảm áp XL7015. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG. Mô tả hệ thống. Tính toán hệ thống.
Tính toán mạch nguồn nuôi vi điều khiển. Tính toán giá trị của cầu phân áp. Tính toán đường dẫn thứ hai đi tắc qua các cell pin. Thiết kế và mô phỏng hệ thống trên phần mềm Proteus 8.
Mục đích của việc mô phỏng. Thiết kế và mô phỏng hệ thống. Thiết kế mạch thử nghiệm và mạch in PCB. Thiết lập các chức năng trong vi điều khiển STM32F103C8.
Đọc ADC nhiều kênh trên STM32F103C8 sử dụng DMA. Lọc tín hiệu ADC bằng bộ lọc Kalman. Thiết lập các giá trị tham chiếu và giá trị điện áp thực tế. So sánh và xuất tín hiệu điều khiển để cân bằng các cell.
THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH. Lắp đặt bộ pin thực nghiệm gồm 60 cell pin mắc nối tiếp. Thử nghiệm hệ thống trên bản mạch hàn. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.
69 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 73 v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT SoC : State of Charge PCB : Printed Circuit Board IDE : Integrated Development Environment MCU : Microcontroller Unit GPIO : General-Purpose Input/Output ADC : Analog to Digital Converter DMA : Direct Memory Access UART : Universal Asynchronous Receiver/Transmitter LCO : LiCoO2 LIB : Lithium-ion Battery vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2. Pin Lithium Ion 18650. Cấu tạo pin li-ion có điện.
Mô tả quá trình điện hóa trong Pin Li-ion. Tín hiệu điện áp và dòng điện của pin Li-ion qua các giai đoạn. Mô tả 2 giai đoạn sạc pin Li-ion gồm sạc ổn dòng và ổn áp. Cân bằng các cell khi sạc và xả.
Cân bằng cell thụ động. Điện trở shunt và mosfet xả điện áp dư. Cân bằng cell hoạt động trong khi sạc. Cân bằng cell hoạt động trong quá trình xả.
Cửa sổ chính trong phần mềm Keil uVision 5. Cửa sổ để lựa chọn mạch nạp code. Cấu tạo của STM32F103C8. Cấu trúc cơ bản 1 chân GPIO.
Sơ đồ khối của một ADC. Biểu đồ thể hiện độ phân giải 3 bit và 16 bit. Đồ thị thời gian lấy mẫu. Mạch giảm áp XL7015.
Điện trở thực tế và ký hiệu điện trở. Sơ đồ chân của mosfet. Nguyên lý hoạt động của mosfet. Sơ đồ mô tả quá trình điều khiển của hệ thống.
Sơ đồ chân mạch giảm áp XL7015. Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn để nuôi vi điều khiển. Mạch cầu phần áp hai điện trở. Opto cách ly quang PC817.
Điện trở sứ 10 ohm 5W. Sơ đồ nguyên lý tổng quát. Mạch thử nghiệm cân bằng 10 cell. Sơ đồ đi dây mạch PCB.
Mạch mô phỏng trong phần mền Proteus 8. Thiết lập xung clock. Cấu hình 2 chân nạp code. Hai chân nạp code trên STM32F103C8.
Cấu hình 10 chân đọc giá trị điện áp (ADC). 10 chân ADC trên STM32F103C8. Cấu hình các mode hoạt động của ADC. Chọn thứ tự để đọc giá trị các kênh ADC.
Thiết lập tính năng DMA cho ADC1. Khai báo biến mảng để nhận dữ liệu DMA từ ADC. Hàm khởi động đọc dữ liệu từ 10 kênh ADC bằng DMA. Tạo 10 tệp tiêu đề Kalamn riêng biệt.
Khai báo biến u và adc_kalman. Tạo hàm khởi tạo cho bộ lọc Kalman. Thiết lập các giá trị tham chiếu cho vi điều khiển. Chuyển đổi tín hiệu số sang điện áp.
Cấu hình các chân GPIO để xuất tín hiệu. Thiết lập code so sánh và xuất tín hiệu ra các chân GPIO. Mạch bảo vệ và cân bằng pin sau khi hàn trên bản mạch hàn. Module pin đã bị hư hỏng các cell pin bên trong.
1 module pin còn sử dụng được. Đo điện áp và phân loại các cell pin mới. Sắp xếp các cell pin vào phiến cam. Hàn nối tiếp các cell pin lại với nhau.
Hàn nối tiếp 6 module pin lại với nhau. Thủ nghiệm bộ pin bằng 2 bóng đèn 220V/60W. Nguồn sạc 40V với dòng 0. Điện áp viên thứ nhất khi mới bắt đầu sạc.
Tín hiệu điện áp từ vi điều khiển khi bắt đầu sạc. Điện áp viên thứ nhất khi gần đạt 3. Tín hiệu điện áp từ vi điều khiển khi gần đạt 3. Điện áp viên thứ nhất khi đạt 3.
Tín hiệu điện áp từ vi điều khiển khi đạt 3. Thử nghiệm mạch trên bản mạch in. 67 ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 3. Giá trị đọc được của 10 kênh ADC kết hợp DMA.
Giá trị của 10 kênh ADC sau khi qua bộ lọc Kalman. Giá trị điện áp thực tế mà vi điều khiển đọc được. Thông số điện áp (V) và độ rộng xung tín hiệu (%) của 10 cell pin. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.
Lý do chọn đề tài Lý do chọn đề tài "Nghiên cứu, thiết kế mạch bảo vệ và cân bằng cell pin trên ô tô điện" bắt nguồn từ nhu cầu cấp thiết trong việc phát triển công nghệ xe điện hiện nay. Với xu hướng chuyển dịch toàn cầu từ xe sử dụng nhiên liệu hóa thạch sang xe điện để giảm thiểu tác động tới môi trường, việc đảm bảo hiệu suất và an toàn của pin là một yếu tố then chốt. Pin là thành phần quan trọng nhất trong xe điện, quyết định trực tiếp đến phạm vi hoạt động, tuổi thọ và độ an toàn của xe.