Thiết kế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện

Đồ án thiết kế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Trần Thái Nguyên
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Thiết kế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện

Hệ thống pin điện áp cao đóng vai trò là trái tim của xe điện hiện đại. Khối pin lưu trữ nguồn năng lượng lớn để vận hành động cơ kéo. Điện áp vận hành danh định thường đạt từ hàng trăm vôn. Mức điện áp này tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng. Vì vậy, hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện là bộ phận bắt buộc. Đồ án nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán này. Hệ thống quản lý pin chuyên dụng đảm nhiệm việc giám sát thông số vận hành liên tục. Thiết bị kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ ở từng cell pin độc lập. Mọi biến động bất thường đều được ghi nhận ngay lập tức. Mạch xử lý trung tâm điều khiển các tiếp điểm đóng ngắt khẩn cấp. Cơ chế này ngăn chặn sự cố sốc điện và quá tải nhiệt. Việc nghiên cứu bảo vệ pin giúp tăng tuổi thọ và độ bền cho xe điện. Đây là tiền đề phát triển giao thông xanh bền vững tại Việt Nam.

1.1. Tầm quan trọng của mạch quản lý pin BMS

Mạch quản lý pin BMS đóng vai trò đầu não trong xe điện. Thiết bị bảo vệ khối pin khỏi các trạng thái vận hành nguy hiểm. BMS đo lường chính xác dung lượng pin còn lại thông qua thuật toán trạng thái sạc. Mạch cân bằng năng lượng giữa các cell riêng lẻ. Nếu không có bộ cân bằng, các cell pin sẽ bị chai lệch pha. Hiện tượng này làm giảm nhanh dung lượng khả dụng của toàn bộ khối pin. Ngoài ra, BMS gửi dữ liệu vận hành về bộ điều khiển trung tâm của xe. Hệ thống hiển thị cảnh báo kịp thời cho người lái khi xuất hiện lỗi kỹ thuật. BMS vận hành tin cậy sẽ kéo dài chu kỳ nạp xả của pin Lithium.

1.2. Đặc tính vật liệu pin Lithium trong công nghiệp ô tô

Pin Lithium-ion chiếm ưu thế vượt trội trong ngành công nghiệp ô tô. Cực dương thường dùng vật liệu chứa Coban, Mangan hoặc hợp chất LiFePO4. Coban cho mật độ năng lượng lớn nhưng giá thành cao và kém bền nhiệt. Mangan có chi phí thấp hơn và cấu trúc tinh thể lập phương ổn định. Vật liệu LiFePO4 nổi bật với độ an toàn cao và vòng đời bền bỉ. Cực âm phổ biến làm từ than chì nhờ khả năng dẫn điện tốt. Cấu trúc mạng than chì nở nhẹ khi ion Lithium xen kẽ. Vật liệu Silicon cho dung lượng cao hơn nhưng độ nở thể tích vượt 400%. Sự giãn nở này dễ phá hủy cơ học của pin. Hiểu rõ vật liệu giúp thiết kế mạch bảo vệ chính xác.

II. Phân tích rủi ro khi bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện

Bộ pin cao áp trên xe điện đối mặt với nhiều rủi ro vận hành khắt khe. Môi trường làm việc trên ô tô có độ rung lắc lớn và nhiệt độ thay đổi liên tục. Sự suy giảm dung lượng diễn ra nhanh chóng nếu thiếu cơ chế bảo vệ. Hiện tượng sụt áp sâu dưới ngưỡng cho phép làm hỏng vĩnh viễn cấu trúc hóa học của cell. Ngược lại, tình trạng quá áp trong lúc sạc nhanh dễ dẫn tới hiện tượng bốc khói hoặc cháy nổ. Bên cạnh đó, dòng điện phóng quá mức khi tăng tốc đột ngột sinh nhiệt lượng khổng lồ. Nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn sẽ phá vỡ màng ngăn cách điện giữa hai cực. Ngắn mạch bên trong cell pin gây ra chuỗi phản ứng thoát nhiệt mất kiểm soát. Ngoài ra, việc rò rỉ điện áp cao ra vỏ xe gây nguy hiểm trực tiếp cho hành khách. Nước xâm nhập vào khối pin cũng gây chập mạch tức thì. Nhận diện chuẩn xác các rủi ro này là bước cốt lõi để lập trình thuật toán bảo vệ.

2.1. Sự cố sụt áp và quá tải dòng điện trong pack pin

Sự cố sụt áp xuất hiện khi xe điện leo dốc hoặc gia tốc mạnh. Nhu cầu dòng tải đột biến khiến điện áp rơi trên nội trở của pin tăng vọt. Mức điện áp của cell giảm xuống dưới ngưỡng an toàn 2.5V sẽ làm suy thoái điện cực. Hiện tượng mạ kim loại Lithium xảy ra, gây chập vi mạch bên trong. Tình trạng quá dòng nạp hoặc xả còn làm nhiệt độ khối pin tăng vọt. Dòng xả liên tục vượt ngưỡng định mức làm nóng các thanh dẫn điện. Các linh kiện công suất dễ bị phá hủy bởi ứng suất nhiệt kéo dài. Thiết kế mạch bảo vệ cần phản ứng trong vài phần triệu giây để ngắt rơ le công suất.

2.2. Nguy cơ mất kiểm soát nhiệt và rò rỉ điện áp cao

Nhiệt độ cao là nguyên nhân hàng đầu dẫn đến hư hỏng pin xe điện. Khi nhiệt độ vượt quá 60 độ C, các phản ứng tỏa nhiệt tự phát bắt đầu xuất hiện. Lớp màng điện giải phân hủy sinh ra khí cháy và áp suất lớn trong vỏ cell. Quá trình này nhanh chóng chuyển thành hiện tượng thoát nhiệt dây chuyền khắp bộ pin. Mặt khác, mức điện áp danh định hàng trăm vôn luôn tiềm ẩn nguy cơ phóng điện. Lớp cách điện suy giảm sau thời gian dài chịu rung động và ẩm ướt. Điện áp cao rò rỉ ra khung gầm có thể gây điện giật chết người. Do đó, hệ thống bắt buộc phải tích hợp cảm biến giám sát điện trở cách điện.

III. Phương pháp thiết kế bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện

Đồ án tốt nghiệp tại ĐH SPKT TPHCM ứng dụng giải pháp điều khiển nhúng để bảo vệ pin. Cấu trúc hệ thống lấy vi điều khiển STM32 làm trung tâm điều khiển chính. Bộ vi xử lý này sở hữu các ngoại vi chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số ADC tốc độ cao. Các thanh ghi chức năng như ADC_CR2 và ADC_SMPR2 được cấu hình tối ưu. Nhờ đó, mạch thu thập chính xác tín hiệu điện áp từ mạng phân áp điện trở tiêu chuẩn. Cảm biến dòng chuyên dụng giám sát liên tục cường độ dòng nạp và xả. Tín hiệu nhiệt độ từ các cảm biến nhiệt điện trở NTC được chuyển đổi sang dữ liệu số. Cơ chế Analog Watchdog trên STM32 cho phép phát hiện tức thời tín hiệu vượt ngưỡng cho phép. Khi phát hiện tình trạng bất thường, vi điều khiển kích hoạt mạch ngắt rơ le công suất cao. Quá trình cách ly nguồn pin khỏi tải diễn ra gần như tức thì. Giải pháp phần cứng kết hợp phần mềm tạo nên hàng rào bảo vệ đa tầng tin cậy.

3.1. Cấu hình khối vi điều khiển STM32 và bộ chuyển đổi ADC

Khối điều khiển sử dụng vi điều khiển STM32 nhờ tốc độ xử lý nhanh và độ ổn định cao. Thanh ghi ADC_CR2 đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển quá trình lấy mẫu. Bit ADON cho phép kích hoạt bộ chuyển đổi tương tự sang số. Bit CONT thiết lập chế độ quét liên tục để cập nhật thông số điện áp. Kỹ thuật DMA được kích hoạt để truyền trực tiếp dữ liệu ADC vào bộ nhớ mà không làm nghẽn CPU. Thanh ghi ADC_SMPR2 thiết lập thời gian lấy mẫu thích hợp cho từng kênh đo. Tính năng Analog Watchdog liên tục so sánh tín hiệu điện áp với ngưỡng an toàn cài đặt sẵn. Bất kỳ sự sụt áp hay quá áp nào đều sinh ra ngắt phần cứng ngay tức thì.

3.2. Thiết kế mạch cảm biến và rơ le ngắt nguồn khẩn cấp

Mạch cảm biến sử dụng các cầu phân áp điện trở chính xác cao để hạ mức điện áp đo về ngưỡng đọc của vi điều khiển. Điện trở là cấu kiện cản trở dòng điện và giữ dòng áp cùng pha. Các linh kiện này được tuyển chọn kỹ lưỡng nhằm giảm thiểu sai số do nhiệt. Cảm biến dòng Hall đo lường cách ly giúp bảo vệ vi điều khiển trước dòng điện cao áp. Khi dòng vượt ngưỡng cho phép, mạch kích Transistor đóng ngắt cuộn hút rơ le. Khối rơ le công suất lớn tách hoàn toàn khối pin khỏi hệ thống truyền động. Mạch bảo vệ thứ cấp bằng cầu chì nhiệt được tích hợp song song. Sự phối hợp này triệt tiêu mọi khả năng xảy ra hồ quang điện gây cháy nổ.

IV. Ứng dụng thực tế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện

Kết quả thử nghiệm tại phòng thí nghiệm ĐH SPKT TPHCM khẳng định tính hiệu quả của đề tài. Hệ thống vận hành ổn định và phát hiện chuẩn xác các sự cố điện học. Quá trình đo sụt áp, quá tải dòng và biến động nhiệt độ đều đạt độ nhạy cao. Rơ le ngắt mạch tác động dứt khoát khi các thông số vượt giới hạn cho phép. Tuy vậy, mô hình nghiên cứu vẫn còn một số điểm cần tiếp tục hoàn thiện. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của bộ pin thử nghiệm cần được nâng cao hơn nữa. Khả năng chống nước và kháng ẩm theo chuẩn IP67 là yêu cầu cấp thiết cho thực tế vận hành ngoài trời. Module phát hiện rò rỉ điện cần được cải tiến độ nhạy để nâng cao mức độ an toàn. Đề tài mở ra tiềm năng ứng dụng lớn cho các dòng xe máy điện và ô tô điện nội địa. Việc làm chủ công nghệ BMS tạo nền tảng quan trọng cho nền công nghiệp ô tô điện Việt Nam.

4.1. Đánh giá hiệu quả bảo vệ pack pin qua thực nghiệm

Thực nghiệm cho thấy mạch phản hồi kịp thời trong các kịch bản thử thách khắc nghiệt. Khi mô phỏng dòng phóng vượt định mức, mạch kích ngắt tiếp điểm chỉ sau vài mili-giây. Điện áp cell được duy trì trong ngưỡng làm việc danh định từ 2.8V đến 4.2V. Cảm biến nhiệt ghi nhận chính xác nhiệt độ tăng khi nạp xả công suất lớn. Hệ thống tự động giảm dòng sạc để ngăn hiện tượng quá nhiệt nguy hiểm. Sai số đo điện áp qua bộ ADC STM32 đạt mức rất nhỏ dưới 1%. Kết quả này chứng minh tính khả thi của mô hình mạch bảo vệ tự chế tạo. Hệ thống đảm bảo pin vận hành ổn định trong chu kỳ hoạt động dài.

4.2. Hướng phát triển công nghệ bảo vệ pin cho xe điện tương lai

Hướng phát triển tiếp theo tập trung vào việc gia tăng tiêu chuẩn chống nước IP67. Thiết kế vỏ hộp pin phải chịu được va đập cơ học và chống rung chấn. Cảm biến đo dòng rò độ nhạy micro-ampe cần được tích hợp thêm nhằm phát hiện sớm hư hỏng cách điện. Thuật toán ước lượng dung lượng pin cần ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng để tăng độ chính xác. Khối điều khiển BMS cần tích hợp thêm giao thức truyền thông CAN bus chuẩn ô tô. Chuẩn kết nối này giúp đồng bộ dữ liệu mượt mà với ECU xe. Việc nội địa hóa sản xuất bo mạch quản lý pin sẽ hạ giá thành sản xuất xe điện tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự phát triển của nền văn minh nhân loại gắn liền với các cuộc cách mạng công nghiệp, bắt đầu từ sự ra đời của động cơ hơi nước ở thế kỷ XVIII, động cơ đốt trong ở cuối thế kỷ XIX cho đến giai đoạn cách mạng công nghiệp hiện đại. Tuy nhiên, hoạt động phát triển kinh tế toàn cầu vẫn đang phụ thuộc sâu sắc vào các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ và khí đốt tự nhiên. Sự cạn kiệt nhanh chóng của các nguồn tài nguyên không tái tạo cùng với lượng khí thải gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng đã buộc các quốc gia phải áp dụng những quy chuẩn khắt khe về phát thải, thúc đẩy xu hướng nghiên cứu và phát triển phương tiện giao thông sử dụng năng lượng sạch. Trong bối cảnh đó, pin Lithium-ion trở thành giải pháp lưu trữ năng lượng trọng tâm của các dòng xe điện (EV, HEV, PHEV), đưa Lithium trở thành nguyên liệu chiến lược được ví như nguồn "dầu trắng" toàn cầu với dự báo giá trị thị trường vượt mốc 92 tỷ USD vào năm 2024.

Tại Việt Nam, xe máy là phương tiện di chuyển chủ lực của người dân ở cả khu vực thành thị lẫn nông thôn. Phần lớn các phương tiện này chạy bằng xăng và chưa được kiểm soát chặt chẽ về tiêu chuẩn khí thải. Xu hướng chuyển dịch sang xe máy điện không chỉ giúp giảm thiểu khí thải độc hại, tiết kiệm chi phí nhiên liệu trước tình trạng giá xăng dầu biến động, mà còn mở ra định hướng phát triển giao thông bền vững. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và định hướng nghiên cứu chế tạo xe điện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đề tài đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện" được triển khai nhằm giải quyết bài toán quản lý năng lượng, đảm bảo an toàn kỹ thuật và tuổi thọ cho khối pin điện áp cao.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định qua 5 nội dung chính:

1. Nghiên cứu, tìm hiểu tổng quan về pin Lithium-ion.
2. Tìm hiểu các linh kiện điện tử chuyên dụng sử dụng trong mô hình bảo vệ.
3. Thiết kế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện nhằm kiểm soát điện áp, dòng điện và nhiệt độ.
4. Thực nghiệm và đánh giá độ an toàn cũng như tính ổn định của hệ thống trong điều kiện vận hành.
5. Đề xuất các kiến nghị và hướng cải tiến kỹ thuật cho các mô hình nghiên cứu tiếp theo.

Đối tượng nghiên cứu:

• Pin sạc Lithium-ion chuẩn cell 18650.
• Các linh kiện điện tử mạch đo và chuyển mạch (điện trở công suất, Opto quang PC817, Transistor TIP122, Opamp, cảm biến nhiệt độ NTC).
• Vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6.
• Các công cụ phần mềm phục vụ mô phỏng và lập trình: STM32CubeMX, Keil C (Keil µVision) và Proteus.

Phạm vi nghiên cứu:

• Không gian và nội dung: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động điện hóa, đặc tính nạp - xả của pin Lithium-ion 18650; thiết kế và lập trình vi điều khiển để giám sát, kiểm soát quá trình xả cho bộ pin quy mô 4 cell mắc nối tiếp và bộ pin điện áp cao quy mô 72 cell mắc nối tiếp.
• Môi trường thử nghiệm: Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Proteus kết hợp đánh giá thực nghiệm mạch phần cứng trong phòng thí nghiệm.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào đặc tính điện hóa và an toàn vận hành của pin Lithium-ion (LIB). Pin Lithium-ion hoạt động dựa trên cơ chế chuyển dịch thuận nghịch của các ion $Li^+$ giữa hai bản cực qua màng phân cách xốp (PE hoặc PP) và dung dịch điện ly:

• Bản cực dương (Cathode): Hợp chất oxit kim loại Lithium, phổ biến gồm $LiCoO_2$, $LiMnO_4$, $LiFePO_4$ (LFP), Liti Niken Mangan Coban Oxit (NMC), hoặc Liti Niken Coban Nhôm Oxit (NCA).
• Bản cực âm (Anode): Cấu trúc tinh thể dạng lớp của Than chì (Graphite), ngoài ra còn có hợp chất Silicon/Cacbon hoặc Hợp kim thiếc coban ($CoSn_x$).
• Dung dịch điện ly (Electrolyte): Muối hòa tan như $LiPF_6$, $LiClO_4$ trong các dung môi hữu cơ gốc carbonate dạng mạch thẳng hoặc vòng (PC, EC, DEC, DMC). Phản ứng điện hóa đầu tiên tạo ra lớp liên diện điện ly rắn (Solid Electrolyte Interphase - SEI) bảo vệ cực âm nhưng cũng ảnh hưởng đến nội trở và sự suy giảm dung lượng.

Các phản ứng hóa học xảy ra tại hai điện cực được biểu diễn:

• Cực dương: $LiCoO_2 \rightleftharpoons CoO_2 + Li^+ + e^-$
• Cực âm: $C_6 + Li^+ + e^- \rightleftharpoons LiC_6$
• Phản ứng tổng thể nạp/xả: $C_6 + LiCoO_2 \rightleftharpoons LiC_6 + CoO_2$

Tiêu chí so sánh	Pin Lithium-ion	Ắc quy chì - axit
Độ bền hoạt động	Khoảng 4 - 5 năm	Khoảng 4 - 5 năm
Mật độ năng lượng	20 Wh/kg, chịu dòng xả xung lớn, tải cao	32 Wh/kg, dòng xả nhỏ, khả năng chịu tải thấp
Thời gian nạp	Nhanh: 3 - 4 giờ, có thể nạp nhanh vài phút	Chậm: 6 - 7 giờ
Hành vi xả sâu	Xả kiệt dung lượng mà không làm hỏng pin	Xả dưới 50% không sạc lại dễ tạo $PbSO_4$ làm hỏng bản cực
Khối lượng	Nhẹ: 3 - 4 kg	Khá nặng: 12 - 15 kg
Chống nước / Cháy nổ	Có khả năng chống nước; nguy cơ nổ cao khi quá nạp	Không chống nước; nguy cơ cháy nổ thấp hơn
Tác động môi trường	Ít ô nhiễm (không chứa chì hay axit tự do)	Ô nhiễm cao do hàm lượng chì và axit sunfuric

Hệ thống bảo vệ pin (BMS) được thiết kế dựa trên các giới hạn an toàn vật lý của cell pin Lithium-ion:

• Dải điện áp an toàn chuẩn: Từ 3,0 V đến 4,2 V/cell.
• Hiện tượng quá xả (Over-discharge): Xảy ra khi điện áp sụt xuống dưới 3,0 V/cell; nếu tiếp tục xả dưới 2,7 V/cell, pin rơi vào trạng thái ngủ sâu (sleep mode) và cần quy trình sạc phục hồi đặc biệt (pre-charge và activation).
• Quá trình nạp tiêu chuẩn: Nạp đẳng dòng (CC) với dòng $I_C = 0,3C$ cho đến khi điện áp đạt 4,2 V/cell, sau đó chuyển sang nạp đẳng áp (CV) và ngắt khi dòng nạp giảm xuống dưới 65 mA.
• Cơ chế cân bằng cell: Bù trừ chênh lệch điện áp qua phương pháp cân bằng chủ động (Active balancing - chuyển năng lượng giữa các cell) hoặc cân bằng thụ động (Passive balancing - tiêu hao năng lượng cell thừa áp qua điện trở xả).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ qua ba hướng:

• Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu: Kế thừa nghiên cứu trong nước về xe điện năng lượng mặt trời (Nguyễn Như Nỉ, Cao Trọng Nghĩa), xe điện ba bánh (Trần Văn Tâm), luận văn thạc sĩ về hệ thống điều khiển xe máy điện (Đinh Cao Trí) và tài liệu quốc tế về kiến trúc BMS của M. Gall cùng các nghiên cứu tối ưu tuổi thọ pin tại Đại học Stanford.
• Phương pháp phân tích, tính toán và mô phỏng: Tính toán thông số mạch điện, lập trình thuật toán xử lý tín hiệu trên STM32 và kiểm chứng chức năng bảo vệ bằng phần mềm mô phỏng Proteus.
• Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập bàn thử nghiệm đo kiểm thực tế trên mạch bảo vệ 4 cell và 72 cell nhằm xác định các ngưỡng ngắt dòng, áp và nhiệt độ.

---

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bảo vệ pin điện áp cao được xây dựng theo kiến trúc nhúng điều khiển phân tầng, lấy vi điều khiển STM32F103C8T6 làm trung tâm xử lý dữ liệu và kích hoạt cơ cấu chấp hành bảo vệ.

Kiến trúc phần cứng bao gồm các khối chức năng chính:

• Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển STM32F103C8T6 kiến trúc ARM 32-bit Cortex-M3, tần số xung nhịp tối đa 72 MHz, 64 KB bộ nhớ Flash, hỗ trợ 2 bộ chuyển đổi ADC 12-bit (với các kênh ngoại vi PA0 - PA7, PB0 - PB1), cung cấp 4095 mức lượng tử hóa tín hiệu.
• Mạch nguồn nuôi: Chuyển đổi và ổn định nguồn điện áp thấp 3,3 V và 5 V cung cấp cho vi điều khiển và các tầng đệm tín hiệu.
• Khối giám sát điện áp: Sử dụng mạng cầu phân áp chính xác kết hợp với linh kiện cách ly quang Opto PC817 nhằm đưa mức điện áp cao của bộ pin về dải đo tuyến tính từ 0 đến 3,3 V tương thích với ngõ vào ADC của vi điều khiển, đồng thời cách ly chống sốc điện.
• Khối giám sát dòng điện: Sử dụng điện trở shunt công suất giá trị nhỏ 0,1 $\Omega$ mắc nối tiếp trên đường tải. Tín hiệu sụt áp rất nhỏ trên điện trở này được đưa qua mạch khuếch đại thuật toán (Opamp) để phóng đại và truyền về bộ so sánh, giúp phát hiện tức thời hiện tượng quá dòng hoặc ngắn mạch.
• Khối giám sát nhiệt độ: Bố trí các cảm biến nhiệt điện trở NTC B3950 10K tiếp xúc trực tiếp trên bề mặt khối pin, kết nối theo mạch phân áp nhằm chuyển đổi biến thiên nhiệt độ thành tín hiệu điện áp tương tự.
• Khối đóng cắt chấp hành: Sử dụng mạch kích Transistor TIP122 kết hợp các tầng điều khiển khóa công suất (MOSFET/IGBT) để ngắt hoàn toàn tải xả khi có sự cố.

Quy trình phát triển phần mềm nhúng:

• Cấu hình phần cứng: Khởi tạo xung nhịp hệ thống, các chân I/O, bộ định thời (Timer) và cấu hình chuyển đổi đa kênh cho bộ ADC thông qua phần mềm STM32CubeMX.
• Thuật toán điều khiển: Được lập trình bằng ngôn ngữ C trên môi trường Keil C (Keil µVision). Chương trình liên tục đọc dữ liệu chuyển đổi ADC từ các thanh ghi dữ liệu ADC_DR, giám sát cờ trạng thái qua ADC_SR và thanh ghi điều khiển ADC_CR2, đồng thời xác lập thời gian lấy mẫu thích hợp thông qua thanh ghi ADC_SMPR2. Khi các thông số dòng, áp hoặc nhiệt độ vượt ra ngoài ngưỡng an toàn định trước, chương trình phát tín hiệu điều khiển qua chân I/O để ngắt khóa chấp hành.
• Kiểm thử và mô phỏng: Thiết kế toàn bộ sơ đồ nguyên lý mạch 4 cell và mạch 72 cell trên Proteus, nạp mã nhị phân (.hex) để kiểm tra thuật toán ngắt bảo vệ trước khi gia công mạch in PCB thực tế.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Nghiên cứu tổng quan đề tài

Chương này khái quát tính cấp thiết của việc phát triển các phương tiện giao thông sử dụng năng lượng điện thay thế động cơ đốt trong nhằm giảm thiểu phát thải và ứng phó với khủng hoảng nhiên liệu hóa thạch. Tác giả tổng thuật các nghiên cứu trong nước (các mô hình xe năng lượng mặt trời tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và ĐH Bách Khoa TP.HCM, xe ba bánh điện của tác giả Trần Văn Tâm, mẫu xe điện thương mại Ioniq 5 của Hyundai Thành Công) và ngoài nước (nghiên cứu tối ưu tuổi thọ pin tại Đại học Stanford, cấu trúc BMS của M. Gall, các ứng dụng của Tesla). Trên cơ sở đó, chương 1 xác định rõ mục tiêu, đối tượng (pin 18650, vi điều khiển STM32F103C8T6), phạm vi và phương pháp nghiên cứu của đồ án.

Chương 2. Tìm hiểu về pin Lithium và các linh kiện sử dụng trong mạch

Nội dung chương 2 tập trung phân tích sâu về cơ sở lý thuyết hóa học và vật lý của pin Lithium-ion: cấu tạo 4 thành phần chính (Cathode, Anode, màng phân tách, dung dịch điện giải), phản ứng nạp - xả điện hóa và sự hình thành lớp giao diện điện ly rắn SEI. Chương này phân tích chi tiết đặc tính nạp hai giai đoạn (CC-CV), đặc tính xả, hiện tượng quá xả (over-discharge) dưới 3,0 V và trạng thái ngủ dưới 2,7 V, cùng hai kỹ thuật cân bằng cell (chủ động và thụ động). Phần tiếp theo giới thiệu thông số kiến trúc của vi điều khiển STM32F103C8T6, cấu trúc bộ ADC 12-bit, nguyên lý các thanh ghi quản lý chuyển đổi tương tự - số, cùng các linh kiện phụ trợ như điện trở công suất 0,1 $\Omega$, cảm biến nhiệt độ NTC B3950 10K, Opto cách ly PC817, Transistor Darlington TIP122, Opamp và khóa công suất bán dẫn MOSFET/IGBT.

Chương 3. Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày toàn bộ quy trình tính toán kỹ thuật và thiết kế phần cứng của mạch quản lý pin (BMS). Tác giả thiết lập các yêu cầu kỹ thuật cần đáp ứng, thực hiện tính toán thiết kế mạch nguồn nuôi 3,3 V và 5 V cấp cho vi điều khiển, tính toán các tầng chia áp ngõ vào điện áp cao, mạch khuếch đại vi sai dùng Opamp kết hợp điện trở sun 0,1 $\Omega$ để đo dòng điện, và mạch cầu đo nhiệt độ dùng điện trở nhiệt NTC. Bản thiết kế hoàn chỉnh được chia thành hai cấu hình cụ thể:

• Mạch quản lý pin quy mô 4 cell (mô hình thí điểm kiểm tra độ chính xác cảm biến và logic điều khiển).
• Mạch quản lý pin quy mô 72 cell điện áp cao (mô hình áp dụng cho hệ thống truyền động xe điện thực tế), bao gồm sơ đồ nguyên lý và sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Proteus.

Chương 4. Thực nghiệm và đánh giá

Chương 4 mô tả quá trình thiết lập thực nghiệm, các thông số cài đặt ban đầu và ghi nhận dữ liệu kiểm thử hệ thống. Các bài đo kiểm được chia thành ba nhóm thực nghiệm chính trên cả hai cấu hình mạch 4 cell và 72 cell:

• Thực nghiệm kiểm tra cơ chế ngắt mạch bảo vệ khi xảy ra quá dòng xả.
• Thực nghiệm kiểm tra cơ chế ngắt mạch bảo vệ khi điện áp cell giảm xuống dưới ngưỡng an toàn (ngắt xả theo điện áp).
• Thực nghiệm kiểm tra cơ chế ngắt mạch khi khối pin tăng nhiệt bất thường (ngắt mạch theo nhiệt độ qua cảm biến NTC B3950 10K). Chương này cũng tổng hợp dữ liệu thực nghiệm để phân tích, đánh giá độ tin cậy của thuật toán đóng ngắt và hiệu suất vận hành của bộ pin.

Chương 5. Kết luận và kiến nghị

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả mà đề tài đã đạt được trong việc thiết kế, chế tạo mạch phần cứng và lập trình vi điều khiển quản lý an toàn khối pin điện áp cao. Đồng thời, tác giả thẳng thắn chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn tại của mô hình thử nghiệm và đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm tiếp tục hoàn thiện hệ thống trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

---

Kết quả và đóng góp

Hệ thống bảo vệ pin điện áp cao do nhóm tác giả thiết kế và thử nghiệm đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

• Thiết kế hoàn chỉnh sơ đồ mạch phần cứng và mô hình mô phỏng Proteus cho hai quy mô: mạch quản lý 4 cell và mạch quản lý 72 cell pin Lithium-ion 18650 mắc nối tiếp.
• Hiện thực hóa thành công thuật toán đọc đa kênh ADC trên STM32F103C8T6, xử lý chính xác dữ liệu từ cảm biến dòng (điện trở 0,1 $\Omega$ kết hợp Opamp), cảm biến điện áp (cầu phân áp cách ly Opto PC817) và cảm biến nhiệt độ NTC B3950 10K.
• Kiểm chứng thành công các chức năng bảo vệ an toàn qua thực nghiệm:
  • Ngắt xả tự động theo ngưỡng dòng điện giới hạn, chống ngắn mạch và quá tải.
  • Ngắt xả tự động khi điện áp cell chạm ngưỡng sụt áp quy định (vùng dưới 3,0 V), ngăn ngừa hiện tượng xả kiệt gây hỏng cấu trúc điện hóa.
  • Tự động ngắt kết nối tải khi nhiệt độ khối pin vượt qua giới hạn nhiệt độ cài đặt an toàn.

Các giải pháp và kiến nghị được tác giả đề xuất:

• Cần tiếp tục nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng của bộ pin trong quá trình phóng nạp.
• Thiết kế bổ sung vỏ bọc kín đạt tiêu chuẩn chống nước chuyên dụng cho môi trường vận hành xe máy điện ngoài trời.
• Nghiên cứu triệt để các giải pháp chống rò rỉ điện áp cao trên bo mạch và đường dây nhằm đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận hành.
• Mở rộng phát triển tính năng cân bằng pin tích hợp (cân bằng chủ động hoặc thụ động) ngay trên hệ thống quản lý tập trung.

Đóng góp của đồ án: Đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng dòng vi điều khiển 32-bit giá thành thấp STM32F103C8T6 vào bài toán bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện tại xưởng thực hành của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM. Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật khả thi, kết nối từ khâu tính toán lý thuyết, thiết kế phần cứng, mô phỏng trên Proteus đến lắp ráp mạch thực nghiệm quản lý khối pin nối tiếp lên tới 72 cell.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hiệu suất vận hành chung của bộ pin khi tích hợp cùng mạch bảo vệ vẫn còn ở mức tương đối thấp.
• Mạch phần cứng thử nghiệm chưa được thiết kế đồng bộ cấu trúc chống thấm nước và chống ẩm, gây khó khăn cho việc thử nghiệm thực địa trong điều kiện thời tiết phức tạp.
• Khả năng xử lý vấn đề rò rỉ điện ở cấp điện áp cao (mạch 72 cell mắc nối tiếp) chưa đạt độ hoàn thiện tối ưu, cần được cải tiến thêm về tiêu chuẩn cách ly.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Tối ưu hóa cấu trúc mạch phần cứng và nâng cấp thuật toán điều khiển để cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng của bộ pin.
• Nghiên cứu thiết kế vỏ hộp bảo vệ đạt chuẩn kháng bụi, kháng nước chuyên dụng và tăng cường lớp phủ cách điện chống rò rỉ dòng điện áp cao trên hệ thống xe điện thực tế.
• Tích hợp thêm các giao thức truyền thông mạng công nghiệp của xe (như mạng CAN bus có sẵn trên vi điều khiển STM32) để truyền dữ liệu trạng thái pin về màn hình hiển thị trung tâm.

---

Giá trị tham khảo

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

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô tô, Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Điện - Điện tử đang nghiên cứu các đề tài về xe điện, trạm sạc hoặc hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần cứng nhúng quan tâm đến kiến trúc hệ thống quản lý pin (BMS) chi phí thấp.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu bao gồm:

• Sơ đồ nguyên lý và cách tính toán mạch đo dòng điện dùng shunt 0,1 $\Omega$ kết hợp Opamp khuếch đại, mạch đo áp cách ly dùng Opto quang PC817 và mạch đo nhiệt dùng cảm biến NTC B3950 10K.
• Tài liệu cấu hình chi tiết và lập trình khai thác thanh ghi ADC (ADC_DR, ADC_SR, ADC_CR2, ADC_SMPR2) trên dòng chip ARM Cortex-M3 STM32F103C8T6.
• Phương pháp luận tổ chức mô phỏng mạch điện tử công suất trên Proteus và đối chiếu với số liệu thử nghiệm thực tế của bộ pin nhiều cell.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Dải điện áp hoạt động an toàn của cell pin Lithium-ion 18650 trong đồ án được xác định trong khoảng nào và điều gì xảy ra nếu xả dưới ngưỡng này?
Dải điện áp an toàn của cell pin là từ 3,0 V đến 4,2 V. Nếu điện áp sụt xuống dưới 3,0 V/cell, pin rơi vào tình trạng quá xả (over-discharge) và cần được ngắt ra khỏi mạch để tránh hư hỏng. Nếu tiếp tục xả xuống dưới 2,7 V/cell, cell pin sẽ chuyển sang trạng thái ngủ sâu (sleep mode) và buộc phải sử dụng các bộ sạc chuyên dụng có chế độ tiền sạc (pre-charge) và kích hoạt (activation) mới có thể khôi phục.

2. Vi điều khiển STM32F103C8T6 sử dụng bộ ADC nào để đọc tín hiệu cảm biến và có các thông số kỹ thuật ra sao?
Vi điều khiển STM32F103C8T6 tích hợp 2 bộ ADC 12-bit (ADC1 để đọc tín hiệu bên ngoài và ADC2 để đọc tín hiệu nội bộ), hỗ trợ dải điện áp chuyển đổi từ 0 đến 3,3 V. Bộ ADC có độ phân giải 12-bit, tương ứng với 4095 giá trị số đầu ra ($2^{12}-1$), cho phép đọc tín hiệu từ 10 kênh tương tự ngoại vi phân bố trên các chân PA0 - PA7 và PB0 - PB1.

3. Khối mạch giám sát của hệ thống sử dụng những linh kiện cụ thể nào để thu thập dữ liệu dòng điện, điện áp và nhiệt độ?
Khối đo điện áp sử dụng mạch cầu phân áp kết hợp Opto quang cách ly PC817. Khối đo dòng điện sử dụng điện trở công suất shunt 0,1 $\Omega$ mắc nối tiếp với tải, kết hợp với mạch khuếch đại thuật toán (Opamp) để khuếch đại tín hiệu điện áp rơi. Khối đo nhiệt độ sử dụng cảm biến nhiệt điện trở NTC B3950 10K bố trí tiếp xúc bề mặt khối pin.

4. Hai quy mô bộ pin được nhóm tác giả tính toán, thiết kế và thực nghiệm trong đề tài là gì?
Nhóm tác giả thiết kế và thử nghiệm hệ thống bảo vệ trên hai cấu hình: mô hình mạch bảo vệ quy mô nhỏ gồm 4 cell Lithium-ion mắc nối tiếp và mô hình mạch bảo vệ điện áp cao quy mô lớn gồm 72 cell Lithium-ion mắc nối tiếp dùng cho hệ thống truyền động xe điện.

5. Điểm khác biệt căn bản giữa hai phương pháp cân bằng pin chủ động và thụ động được nêu trong công trình là gì?
Cân bằng chủ động (Active balancing) có ưu điểm không làm tiêu hao năng lượng do chuyển điện tích từ cell có mức năng lượng cao sang cell có mức năng lượng thấp hơn, tuy nhiên mạch điều khiển phức tạp và thời gian sạc toàn khối pin kéo dài. Cân bằng thụ động (Passive balancing) có cấu trúc mạch đơn giản hơn nhưng làm hao phí năng lượng dưới dạng nhiệt trên điện trở xả của các cell đã đầy trong khi chờ các cell điện áp thấp tiếp tục nạp.

---

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống bảo vệ pin điện áp cao cho xe điện" của sinh viên Trần Thái Nguyên và Nguyễn Hoài Tú (Khoa Cơ khí Động lực, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu về lý thuyết pin Lithium-ion 18650 và thiết kế hệ thống BMS ứng dụng vi điều khiển STM32F103C8T6. Công trình đã hiện thực hóa giải pháp phần cứng và thuật toán ngắt xả tự động bảo vệ bộ pin 4 cell và 72 cell trước các sự cố quá dòng, sụt áp và quá nhiệt. Mặc dù còn một số hạn chế về hiệu suất tổng thể cũng như khả năng chống nước và chống rò điện ở cấp điện áp cao, đề tài là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn phục vụ đào tạo và nghiên cứu ứng dụng xe điện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1. Lí do chọn đề tài Con người đã xuất hiện trên Trái Đất hàng trăm nghìn năm nhưng tuổi đời của nền văn minh nhân loại chỉ rơi vào khoảng 4 - 5 nghìn năm. Dù vậy, tốc độ cải tiến phương thức sản xuất cũng chỉ thay đổi nhanh chóng vào những thế kỷ gần đây, kể từ khi động cơ hơi nước được phát minh vào nửa sau thế kỷ XVIII (cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 1), không lâu sau đó là sự ra đời của động cơ đốt trong vào cuối thế kỷ XIX rồi đến những cuộc cách mạng 3.0 diễn ra trong vòng chưa đầy 100 năm.

Nhưng dù cho mấy “chấm” đi nữa thì nền văn minh nhân loại vẫn còn rất phụ thuộc chặt chẽ vào việc hút các nguồn năng lượng, tài nguyên từ lòng Trái Đất (than, dầu, khí, …). Những nguồn tài nguyên quý giá này mất hàng triệu năm để hình thành đang đứng trước nguy cơ dần khan hiếm, cạn kiệt trước việc khai thác và sử dụng quá mức của con người. Không những vậy, khí thải của việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch cũng là một trong những nguyên nhân chính làm cho vấn đề ô nhiễm môi trường trở nên trầm trọng hơn trên toàn thế giới. Từ đó, các quy định nghiêm ngặt về các tiêu chuẩn an toàn khí thải được đặt ra, đây chính là những động lực cũng như là lý do để các nhà khoa học, các tổ chức toàn cầu đã và đang nghiên cứu, phát triển các dòng xe sử dụng nguồn năng lượng mới sạch và tiết kiệm hơn.

Trong bối cảnh nhiều quốc gia hiện nay đang chạy đua phát triển xe điện và năng lượng tái tạo nhằm hướng tới mục tiêu phát triển nền kinh tế xanh, cân bằng và bền vững hơn, một trong số đó không thể không nhắc đến nhu cầu về Lithium – nguyên liệu được mệnh danh là “dầu trắng”- cũng tăng vọt. Lithium là thành phần quan trọng nhất tạo nên các loại pin sạc. Nó không chỉ được tìm thấy bên trong các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, đồ gia dụng, mà xe hơi, máy bay hay các thiết bị tinh vi trên tàu vũ trụ cũng sử dụng loại pin này. Các tập đoàn hàng không lớn cũng chú ý đến việc phát triển những máy bay điện thay vì dùng nhiên liệu hóa thạch như hiện nay.

Chính vì vậy mà ngành công nghiệp pin Lithium-ion đang ngày càng phát triển mạnh mẽ và được dự đoán có thể vượt mốc 92 tỷ USD vào năm 2024. Và tất nhiên không thể không nhắc đến cuộc cách mạng xe điện đã nổ ra trên toàn thế giới, đây chính là “xu hướng không thể đảo ngược”. 1 Quay trở lại Việt Nam, như mọi người đều biết thì xe máy chính là phương tiện đi lại chủ yếu ở hầu hết mọi nơi, từ thành thị đến nông thôn, tuy nhiên không phải xe máy nào cũng được đảm bảo về các tiêu chuẩn an toàn khí thải. Do vậy, việc thay thế dần xe máy điện cho các phương tiện cũ là điều hoàn toàn có thể thực hiện và rất mang tính khả thi trong tương lai.

Mặt khác, hiện nay việc giá nhiên liệu đang “leo thang” ở toàn thế giới nói chung và thị trường Việt Nam nói riêng cũng là một động lực lớn cho người dân dần thay thế sang việc sử dụng xe máy điện, vừa góp phần mang lại nếp sống văn minh trong việc nâng cao ý thức bảo vệ môi trường cho chính bản thân mình và cộng đồng, vừa tiết kiệm một khoản chi phí đáng kể trong việc đi lại.