Đồ án: Thiết kế hệ thống kiểm soát năng lượng pin Li-ion cho xe máy điện

Đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống quản lý pin (BMS) cho xe máy điện. Phân tích, tính toán mạch giám sát điện áp, dòng điện cho bộ pin Li-ion 60 cell.

• Tác giả: Giáp Thanh Lương
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thanh Phúc
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kĩ thuật
• Chuyên ngành: Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu, Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Soát Năng Lượng cho Xe Máy Điện
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Quản lý Pin BMS cho Xe Máy Điện

Hệ thống quản lý pin (BMS - Battery Management System) là một thành phần quan trọng trong xe máy điện hiện đại. BMS đóng vai trò giám sát và kiểm soát các thông số kỹ thuật của pin lithium-ion như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và dung lượng. Khi sử dụng pin lithium-ion, đặc biệt là cho xe điện, pin cần có một hệ thống để đảm bảo hiệu suất và an toàn hoạt động. Hệ thống quản lý pin giúp ngăn chặn các vấn đề như quá nạp (over-charging) và quá xả (over-discharging), từ đó kéo dài tuổi thọ pin và bảo vệ an toàn cho người sử dụng. Với sự phát triển của công nghệ xe điện, việc thiết kế một BMS hiệu quả trở nên cần thiết hơn bao giờ hết.

1.1. Vai trò của BMS trong xe máy điện

BMS có nhiệm vụ chính là giám sát các thông số hoạt động của pin lithium-ion. Hệ thống này kiểm soát điện áp từng cell trong bộ pin mắc nối tiếp với điện áp cao xấp xỉ 220V. Quản lý pin hiệu quả giúp ngăn ngừa tình trạng quá nạp hoặc quá xả, bảo vệ pin khỏi các tổn thương về điện áp. Ngoài ra, BMS cũng điều chỉnh dòng điện cho bộ pin, đảm bảo an toàn trong quá trình sạc và xả.

1.2. Tầm quan trọng của giám sát pin lithium ion

Pin lithium-ion có dung lượng cao (khoảng 3200mAh) nhưng cũng dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài. Giám sát pin lithium-ion liên tục giúp phát hiện sớm các bất thường về nhiệt độ và hiệu suất. Hệ thống quản lý năng lượng đảm bảo pin hoạt động ổn định và an toàn, đặc biệt trong các điều kiện rung lắc của xe máy.

II. Cơ sở Lý thuyết về Pin Lithium Ion

Pin lithium-ion là loại pin tích điện được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử và xe điện hiện nay. Pin lithium-ion có tính năng vượt trội so với các loại pin khác, bao gồm mật độ năng lượng cao, thời gian sử dụng lâu dài và khả năng tái sạc nhiều lần. Nguyên tắc hoạt động của pin dựa trên chuyển động của các ion lithium giữa cực dương và cực âm. Cấu tạo pin bao gồm hai cực, điện tích, và chất điện li. Vấn đề quá nạp pin là một trong những nguy hiểm lớn nhất, có thể dẫn đến cháy nổ hoặc hỏng hóc pin vĩnh viễn. Để khắc phục, các hệ thống quản lý pin lithium-ion hiện đại sử dụng vi điều khiển Atmega 328P để giám sát và điều khiển các thông số hoạt động.

2.1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động pin lithium ion

Pin lithium-ion bao gồm hai cực được tách biệt bởi một vật liệu điện li. Khi pin được sạc, ion lithium di chuyển từ cực dương đến cực âm, tạo ra dòng điện. Quá trình này có thể lặp lại nhiều lần mà không làm giảm hiệu suất pin. Cơ chế sạc và xả của pin phụ thuộc vào chất lượng của vật liệu điện li và các cực.

2.2. Ưu và nhược điểm của pin lithium ion

Ưu điểm của pin lithium-ion bao gồm mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài (khoảng 500-1000 chu kỳ sạc), và không có hiệu ứng ký ức. Nhược điểm chính là chi phí cao, nhạy cảm với nhiệt độ, và nguy hiểm cháy nổ nếu không được quản lý đúng cách. Điều này làm cho hệ thống quản lý pin trở nên cực kỳ quan trọng.

III. Thiết kế Mạch Điều Khiển và Giám Sát BMS

Thiết kế hệ thống BMS cho xe máy điện yêu cầu sự kết hợp của nhiều thành phần điện tử và phần mềm điều khiển. Sơ đồ hệ thống bao gồm mạch giám sát điện áp cho bộ pin lithium-ion 60 cell mắc nối tiếp, mạch nạp được tối ưu hóa, và mạch nguồn nuôi vi điều khiển. Vi điều khiển Atmega 328P được sử dụng để xử lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển quá trình sạc-xả. Điều chỉnh độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) bằng Timer/Counter0 trên vi điều khiển giúp kiểm soát dòng điện hiệu quả. Bên cạnh đó, chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số (ADC) cho phép vi điều khiển nhận biết các thông số từ cảm biến điện áp, dòng điện và nhiệt độ.

3.1. Vi điều khiển Atmega 328P và chức năng

Atmega 328P là vi điều khiển 8-bit phổ biến với khả năng xử lý dữ liệu nhanh chóng. Thiết bị này có nhiều kênh ADC để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, giúp đọc các cảm biến tương tự. Timer/Counter0 trên vi điều khiển được lập trình để điều chỉnh độ rộng xung PWM, từ đó kiểm soát dòng điện cho pin. Khả năng lập trình linh hoạt của Atmega 328P cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp cho quản lý pin.

3.2. Mạch nạp và mạch bảo vệ pin

Mạch nạp được thiết kế để điều khiển quá trình sạc pin một cách an toàn và hiệu quả. Diode và mạch chỉnh lưu được sử dụng để ngăn chặn dòng điện ngược và ổn định điện áp. Hệ thống bảo vệ pin gồm các linh kiện bán dẫn như MOSFET để cắt ngắn dòng điện nếu phát hiện quá nạp hoặc quá xả. Thiết kế này đảm bảo pin hoạt động trong giới hạn an toàn.

IV. Các Vấn đề Kỹ thuật và Hướng Khắc Phục trong Thiết kế BMS

Trong quá trình thiết kế hệ thống quản lý pin cho xe máy điện, nhiều vấn đề kỹ thuật cần được giải quyết. Vấn đề cân bằng cell (cell balancing) là một thách thức lớn, vì các cell trong bộ pin 60 cell không sạc-xả đều nhau, dẫn đến sự suy giảm không cân xứng. Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với quá trình sạc pin cũng là vấn đề quan trọng, vì pin lithium-ion nhạy cảm với các biến thiên nhiệt độ. Ngoài ra, điều chỉnh dòng điện ổn định trong các quá trình sạc và xả vẫn còn là thách thức, đặc biệt khi sử dụng kiểm soát PWM trên vi điều khiển. Để nâng cao hiệu suất hệ thống, cần phát triển thuật toán quản lý pin tiên tiến và sử dụng các cảm biến nhiệt độ chính xác hơn.

4.1. Vấn đề cân bằng cell và giải pháp

Cân bằng cell là quá trình đảm bảo tất cả các cell trong bộ pin đều có mức sạc như nhau. Khi 60 cell mắc nối tiếp, một cell bị quá nạp sớm sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ pin. Giải pháp là sử dụng mạch cân bằng chủ động (active balancing) hoặc thụ động (passive balancing). Mạch cân bằng sử dụng diode và điện trở để phân tán năng lượng thừa từ các cell có điện áp cao nhất, bảo vệ pin khỏi quá nạp.

4.2. Kiểm soát dòng điện ổn định và ảnh hưởng nhiệt độ

Kiểm soát dòng điện ổn định là yêu cầu không thể thiếu trong quản lý pin hiệu quả. Sử dụng PWM điều khiển có thể giúp, nhưng cần kết hợp với các bộ lọc RC để ổn định dòng điện. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sạc là rất lớn; pin cần được sạc ở nhiệt độ tối ưu (khoảng 15-35°C). Cảm biến nhiệt độ trong hộp nhôm chứa pin giúp theo dõi và điều chỉnh quá trình sạc dựa trên nhiệt độ thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng Quan Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương 3 Tính toán, thiết kế hệ thống Chương 4 Thử nghiệm mô hình Chương 5 Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục 4 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin Lithium-Ion 2.1 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). LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion Liti sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất oxit kim loại chuyển tiếp và Liti, như LiCoO2, LiMnO2, v.; dùng cho điện cực âm là graphite.

Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Liti chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Liti, tuy nhiên yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện[4]. Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi sạc dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện trong lòng pin ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay.

LIB có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự xả. Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không. Nó được kì vọng sẽ thay thế cho ắc-quy chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện. Hơn nữa, việc thay thế cho ắc-quy chì còn hứa hẹn việc đảm bảo môi trường sạch, nâng cao an toàn sử dụng do tránh được việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit và hạn chế phát thải kim loại nặng ra môi trường, trong khi pin Li-ion vẫn đảm bảo một điện thế ngang với ắc-quy.

Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các loại LIB khác nhau. Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực dương. Chất này có mật độ năng lượng cao, nhưng kém an toàn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ. Lithium 5 sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật liệu dương cực phổ biến khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn.

Những pin dùng các vật liệu này thường được dùng trong các thiết bị điện y tế. Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện. Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và liti titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những mục đích đặc biệt. Pin liti- lưu huỳnh hay pin liti-sunfua là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ hiệu năng cao và khối lượng nhỏ.

Do pin liti-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy được nén dưới áp suất cao, nên nó trở nên đặc biệt nguy hiểm. Nếu như một viên pin được sạc quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ. Do nguy cơ này, các quy chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin dung dịch điện ly axit rất nhiều. Một ví dụ về lỗi pin gây ra những thiệt hại nghiêm trọng là sự cố về pin của Samsung Galaxy Note 7 năm 2016.

Các lĩnh vực nghiên cứu về LIB bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin.2 Lịch sử và sự phát triển của pin lithium-ion Pin Lithium đã được nhà hóa học người Anh M. Stanley Whittingham, hiện tại dạy cho Đại học Binghamton, khi ông làm việc cho Exxon vào những năm 1970. Whittingham đã sử dụng titan (IV) sulfua và kim loại liti làm điện cực. Tuy nhiên, pin sạc lithium này không bao giờ có thể đưa ra thực tế.

Titan disulfua là một lựa chọn tồi, vì nó phải được tổng hợp trong điều kiện chân không hoàn toàn. Điều này là cực kỳ tốn kém (~ 1000 USD cho mỗi kilogram titan disulfua trong những năm 1970). Khi tiếp xúc với không khí, titan disulfua phản ứng tạo thành các hợp chất hydro sulfua có mùi khó chịu. Vì lý do này và các lý do khác, Exxon đã ngưng sản xuất pin titan disulfua-lithium này của Whittingham.

Pin có điện cực lithium kim loại đã cho thấy các vấn đề về an toàn vì lithium là một chất phản ứng mạnh, nó cháy trong điều kiện khí quyển bình thường vì có nước và oxy trong không khí. Do vậy việc nghiên cứu đã chuyển qua phát triển pin không sử dụng kim loại lithi, mà sử dụng các hợp chất hóa học của lithium, với khả năng 6 chấp nhận và giải phóng các ion lithium. Pin Li-ion lần đầu được thương mại hóa nhờ Sony Energitech năm 1991[4]. Ngày nay, LIB đã trở thành loại pin thống trị thị trường pin dành cho thiết bị di động trên thế giới.3 Nguyên tắc hoạt động Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở LIB là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa 2 điện cực.

Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy. Ion liti di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng. Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập của ion liti và ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể. Khi xả ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode) thường là graphite, C6 trong phản ứng dưới đây qua dung dịch điện ly sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti.

Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Liti dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Liti tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trò cực dương). Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi.

Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả.1 Quá trình xả và sạc của pin li-ion[5] Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): LiCoO2 ↔ CoO2 + Li+ + e- Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): C6 + Li+ + e- ↔ LiC6 Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): C6 + LiCoO2 ↔ LiC6 + CoO2 Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+ , và ngược lại khi xả. Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như xả quá mức (nhét thừa ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều sau: LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO 8 2.4 Cấu tạo pin lithium-ion Điện cực dương (cathode) Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4. Vật liệu trên cơ sở là coban thường có cấu trúc pseudo-tetrahedral (giả tứ diện), cho phép ion liti khuếch tán theo 2 chiều.

Đây là những vật liệu lí tưởng có khả năng cung cấp công suất riêng lớn, công suất riêng theo thể tích lớn, hạn chế hiện tượng tự xả, có điện thế cao và vòng đời dài. Hạn chế của nó là giá cao do chứa Coban là một kim loại hiếm và kém bền nhiệt. Vật liệu cơ sở là Mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tán theo cả ba chiều. Vật liệu này đang được quan tâm bởi Mangan rẻ và phổ biến hơn Coban, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nó được khắc phục.

Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin. Vật liệu cực dương chứa Coban là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tư nghiên cứu nhằm hạ giá thành và tăng công suất pin. Đến năm 2017, LiFePO4 được kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điện nhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫn điện cacbon là bắt buộc. Điện cực âm (anode) Vật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác.

Chúng rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion liti xen kẽ vào giữa các lớp trong mạng Cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10%. Silicon cũng được dùng như vật liệu âm cực bởi nó cũng có thể chứa ion liti, thậm chí nhiều hơn Cacbon, tuy nhiên khi chứa các ion Liti, Silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá vỡ kết cấu pin. Silicon có thể dùng làm điện âm cực tuy nhiên phản ứng của nó với liti có thể gây nứt gãy vật liệu. Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với dung dịch điện ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte Interphase (SEI) trên bề mặt Si mới hình thành.