Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật ô tô

TÓM TẮT
Nguồn đầu vào là nguồn điện 220V xoay chiều sẽ được chỉnh lưu và tạo ra nguồn điện
một chiều phù hợp để sạc cho bộ pin Lithium-ion trên xe máy điện. Nhóm sẽ nghiên cứu, thiết
kế và thực hiện mạch điện xử lý nguồn điện sau chỉnh lưu và tạo ra nguồn điện một chiều có
thể điều chỉnh điện áp và cường độ dòng điện. Nguồn điện này sẽ đáp ứng được quá trình sạc
của bộ pin. Dựa trên sự so sánh các loại nguồn xung và khả năng thực hiện, nhóm sẽ thiết kế
hệ thống mạch điện sử dụng nguồn xung Flyback. Mạch điều chỉnh cùng với nguồn xung này
sẽ tạo ra nguồn điện ổn định, hiệu quả hơn so với các loại nguồn khác.
Sau quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài, nhóm đã tìm hiểu được cấu tạo và nguyên
lý hoạt động của các loại nguồn xung và các linh kiện điện tử được áp dụng trong mạch nạp.
Dựa trên các kiến thức tìm hiểu được và các thơng số của các linh kiện, nhóm đã tiến hành
thiết kế mạch và mô phỏng hệ thống mạch nạp trên phần mềm SIMetrix. Và căn cứ vào kết
quả mơ phỏng, nhóm tiến hành thực hiện và thử nghiệm mạch trong thực tế cùng với việc thiết
kế biến áp xung. Sau quá trình thử nghiệm và cải tiến, nhóm đã tạo ra mạch nạp với nguồn
điện đầu ra có điện áp 320V và cường độ dịng điện 0,32A. Mạch nạp đã được thử nghiệm với
các tải lớn, nhỏ và kết quả cho thấy rằng mạch hoạt động ổn định với độ sụt áp nhỏ.

v


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................iv
TÓM TẮT .................................................................................................................. v
MỤC LỤC .................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC ............................................................ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ x
DANH MỤC CÁC HÌNH .........................................................................................xi
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ xv
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .................................................................. 1
1.1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu ................................................... 1

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................... 2
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................... 2
1.3.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
1.5. Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước.................................... 3
1.5.1. Trong nước ........................................................................................... 3
1.5.2. Ngoài nước ........................................................................................... 3
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT........................................................................... 5
2.1. Cơ bản về nguồn xung......................................................................................... 5
2.1.1. Các yếu tố sử dụng trong nguồn xung ................................................ 5
2.1.2. Nguồn xung kiểu Flyback .................................................................... 7
2.2. Pin Lithium-ion ................................................................................................. 13
2.2.1. Pin Lithium-ion 18650 ....................................................................... 13
vi


2.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion ........................................ 16
2.2.3. Cơ chế sạc xả ...................................................................................... 18
2.2.4. Pin Lithium-ion 18650 trên Tesla model S và bộ sạc NEMA 14-30. 20
2.3. Các linh kiện điện tử được sử dụng trong đề tài .............................................. 20
2.3.1. Diode ................................................................................................... 20
2.3.2. MOSFET ............................................................................................ 23
2.3.3. Điện trở............................................................................................... 26
2.3.4. IC nguồn L7805CV ............................................................................ 28
2.3.5. Cuộn cảm ........................................................................................... 29
2.3.6. IR2103 ................................................................................................ 31
2.3.7. Tụ điện................................................................................................ 33
2.3.8. Board STM32F103C8 ........................................................................ 36
2.4. Giới thiệu phần mềm STM32CubeMX ............................................................ 38
2.4.1. Tổng quan về phần mềm STM32CubeMX ....................................... 38

2.4.2. Giao diện và các cài đặt cấu hình trên phần mềm STM32CubeMX
......................................................................................................... 38
2.5. Giới thiệu phần mềm Keil C ............................................................................. 44
2.5.1. Tổng quan về phần mềm Keil C uvision 5 ........................................ 44
2.5.2. Giao diện làm việc của phần mềm Keil C uvision 5 ......................... 44
2.6. Giới thiệu phần mềm SIMetrix/SIMPLIS ........................................................ 47
2.6.1. Tổng quan phần mềm SIMetrix ........................................................ 47
2.6.2. Giao diện làm việc của phần mềm SIMetrix/SIMPLIS.................... 47
CHƯƠNG 3. TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................... 50
3.1. Mô tả hệ thống ................................................................................................... 50
3.2. Nguyên lý hoạt động của mạch điện ................................................................. 51
vii


3.2.1. Mạch chỉnh lưu .................................................................................. 51
3.2.2. Mạch snubber (mạch đập xung gai).................................................. 52
3.2.3. Điện trở kích đóng, ngắt MOSFET ................................................... 54
3.2.4. Mạch điều khiển MOSFET ............................................................... 58
3.3. Tính tốn thiết kế các thành phần trong mạch ................................................ 59
3.3.1. Tính tốn điện trở kích đóng, ngắt MOSFET .................................. 59
3.3.2. Tính tốn biến áp xung ...................................................................... 62
3.3.3. Tính tốn mạch snubber.................................................................... 68
3.4. Mô phỏng mạch nạp bằng phần mềm SiMetrix/SIMPLIS .............................. 70
3.4.1. Mục đích của việc mơ phỏng ............................................................. 70
3.4.2. Các bước mô phỏng ........................................................................... 71
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HOẠT ĐỘNG CỦA MẠCH ....... 77
4.1. Thử nghiệm với điện áp 24V một chiều............................................................ 78
4.2. Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều ........................................................ 79
4.3. Độ rộng xung ..................................................................................................... 82
4.4. Thử nghiệm ở thời gian dài............................................................................... 82

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 85
5.1. Kết luận.............................................................................................................. 85
5.2. Kiến nghị............................................................................................................ 86
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 87

viii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC
CSnubber :

Tụ điện mạch dập xung gai

fswmax

:

Tần số nhiễu

Ns

:

Số vòng dây cuộn sơ cấp

Np

:

Số vịng dây cuộn thứ cấp

Pin

:

Cơng suất đầu vào

Po

:

Cơng suất đầu ra

RG(ON) :

Điện trở kích mở MOSFET

RG(OFF) :

Điện trở kích đóng MOSFET

RTOT

:

Điện trở tổng

RDR

:

Điện trở nội

RSnubber :

Điện trở mạch dập xung gai

tsw

:

Thời gian chuyển mạch

TON

:

Thời gian mở cổng

VGE

:

Điện áp ngưỡng G-S

VGS

:

Điện áp kích G-S

VRO

:

Điện áp cuộn sơ cấp biến áp xung

VF

:

Điện áp rơi trên Diode RHRP30120

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
CCM :

Continuous Conduction Mode

DCM :

Discontinuous Conduction Mode

HO

:

Đầu ra mức cao

LO

:

Đầu ra mức thấp

LC

:

Inductor Capacitor

LCO :

LiCoO2

PWM :

Xung điều chế

RCD :

Registor Capacitor Diode

x


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1 Mối quan hệ của điện áp và dịng điện trong cuộn cảm ............................ 5

Hình 2.2 Sự vận hành biến áp.................................................................................... 6
Hình 2.3 Hình dáng và điện áp của PWM ................................................................ 7
Hình 2.4 Sơ đồ mạch Flyback. ................................................................................... 8
Hình 2.5 Dịng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp ......................... 8
Hình 2.6 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải)............... 9
Hình 2.7 Đồ thị điện áp VRO..................................................................................... 10
Hình 2.8 Dịng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dịng khơng liên tục.. 11
Hình 2.9 Dòng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dịng liên tục. ............ 12
Hình 2.10 Cấu tạo của pin Lithium-ion .................................................................. 13
Hình 2.11 Quá trình sạc và xả của pin Lithium-ion ............................................... 16
Hình 2.12 Đặc tính sạc, xả của pin Lithium-ion ..................................................... 18
Hình 2.13 Cấu tạo của diode .................................................................................... 21
Hình 2.14 Cấu trúc diode phân cực thuận (bên trái) và phân cực nghịch (bên phải)
..................................................................................................................... 21
Hình 2.15 Đặc tính V-A của diode ........................................................................... 22
Hình 2.16 Ký hiệu của MOSFET ............................................................................ 24
Hình 2.17 Trạng thái MOSFET lúc khơng dẫn (bên trái) và lúc dẫn (bên phải) .. 24
Hình 2.18 Đặc tính V-I của MOSFET:.................................................................... 25
Hình 2.19 Đặc tuyến V-I của điện trở ..................................................................... 26
Hình 2.20 Phân loại điện trở .................................................................................... 28
Hình 2.21 Cấu tạo của L7805CV ............................................................................. 29
Hình 2.22 Sơ đồ kết nối L7805CV ........................................................................... 29
xi


Hình 2.23 Cuộn cảm và ký hiệu của cuộn cảm ....................................................... 30
Hình 2.24 Sơ đồ chân IR2103 .................................................................................. 31
Hình 2.25 Sơ đồ nối dây của IR2103 ....................................................................... 32
Hình 2.26 Xung điều khiển đầu vào và đầu ra của IR2103 .................................... 33
Hình 2.27 Cấu tạo và ký hiệu của tụ điện ............................................................... 34

Hình 2.28 Phân loại tụ điện .................................................................................... 35
Hình 2.29 Cấu tạo của STM32F103C8.................................................................... 36
Hình 2.30 Cửa sổ ban đầu của phần mềm .............................................................. 38
Hình 2.31 Cửa sổ chọn vi điều khiển ....................................................................... 39
Hình 2.32 Cửa sổ cài đặt cấu hình cho vi điều khiển .............................................. 40
Hình 2.33 Chức năng của các chân được chọn ....................................................... 40
Hình 2.34 Chế độ ADC ............................................................................................ 41
Hình 2.35 Cách tạo xung cho chân PA8 .................................................................. 41
Hình 2.36 Bộ đếm Timer.......................................................................................... 42
Hình 2.37 Chế độ tạo xung tại chân PA8 ................................................................ 42
Hình 2.38 Cấu hình thời gian của vi điều khiển ..................................................... 43
Hình 2.39 Cửa sổ đặt tên và tạo code cho vi điều khiển ......................................... 44
Hình 2.40 Cửa sổ làm việc chính của phần mềm Keil uvision 5 ............................ 45
Hình 2.41 Cửa sổ chọn mạch nạp code ................................................................... 46
Hình 2.42 Tạo mạch mơ phỏng với dạng SIMetrix ................................................ 47
Hình 2.43 Giao diện làm việc chính của phần mềm SIMEtrix/SIMPLIS.............. 48
Hình 3.1 Mạch sạc pin Lithium-ion dùng biến áp xung ......................................... 50
Hình 3.2 Đồ thị dịng xoay chiều 1 pha.................................................................... 51
Hình 3.3 Đồ thị dịng xoay chiều 1 pha sau khi được chỉnh lưu............................. 52
xii


Hình 3.4 Mạch snubber kiểu RCD .......................................................................... 52
Hình 3.5 Điện áp ở cực Drain cùa MOSFET khi khơng có mạch snubber .......... 53
Hình 3.6 Điện áp ở cực Drain của MOSFET khi có mạch snubber....................... 53
Hình 3.7 Mơ hình MOSFET kênh N ....................................................................... 54
Hình 3.8 Các tụ ký sinh trong MOSFET ................................................................ 54
Hình 3.9 Đồ thị VGS khi kích đóng........................................................................... 55
Hình 3.10 Q trình kích đóng ................................................................................ 56
Hình 3.11 Q trình kích ngắt ................................................................................. 57

Hình 3.12 Mạch kích N-MOSFET phía cao (bên trái) và phía thấp (bên phải) .... 58
Hình 3.13 Đồ thị dạng sóng của điện áp một chiều sau tụ lọc đầu vào .................. 63
Hình 3.14 Biến áp xung và khe hở của biến áp xung .............................................. 67
Hình 3.15 Sơ đồ mạch nạp sử dụng biến áp xung được mơ phỏng trên phần mềm
SIMetrix/SIMPLIS ..................................................................................... 70
Hình 3.16 Các thơng số của điện áp vào và xung.................................................... 71
Hình 3.17 Các thơng số của biến áp xung ............................................................... 72
Hình 3.18 Cửa sổ chọn giá trị của điện trở ............................................................. 73
Hình 3.19 Cửa số chọn giá trị của tụ ....................................................................... 73
Hình 3.20 Cửa sổ chọn giá trị của cuộn cảm........................................................... 73
Hình 3.21 Cửa sổ chọn loại diode ............................................................................ 74
Hình 3.22 Cửa sổ cài đặt các điều kiện mơ phỏng .................................................. 75
Hình 3.23 Kết quả mơ phỏng ................................................................................... 76
Hình 4.1 Mạch sạc pin sau khi hàn ......................................................................... 77
Hình 4.2 Thừ nghiệm tại tần số 150KHz................................................................. 78
Hình 4.3 Thử nghiệm với điện áp 220V xoay chiều ................................................ 80
xiii


Hình 4.4 Thử nghiệm mạch nạp với bóng đèn dây tóc 220V-60W ........................ 81
Hình 4.5 Độ rộng xung PWM .................................................................................. 82
Hình 4.6 Đồ thị điện áp và cường độ dịng điện theo thời gian .............................. 83
Hình 4.7 Đồ thị điện áp và cường độ dòng điện theo thời gian .............................. 84

xiv


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của pin Lithium-ion 18650......................................... 15
Bảng 3.1 Thông số cơ bản của mạch khóa dẫn động cơng suất IR2103 ................ 59

Bảng 3.2 Thông số cơ bản của MOSFET 11N90 .................................................... 60
Bảng 3.3 Yếu tố đầu vào và mục tiêu đầu ra ........................................................ 633
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật của biến áp xung ...................................................... 688
Bảng 4.1 Kết quả thử nghiệm với nguồn 24V ......................................................... 79
Bảng 4.2 Kết quả thử nghiệm ở điện áp 220V ........................................................ 80

xv


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
1.1. Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ý thức bảo vệ môi trường và sự quan tâm đến việc cạn kiệt nguồn nhiên liệu
hóa thạch đang dần nâng cao, con người dẫn chuyển từ phương tiện di chuyển dùng xăng hay
dầu diesel sang một nguồn nhiên liệu nhân tạo và thân thiện với môi trường hơn. Đó là điện
năng, cụ thể hơn là xu hướng phát triển và sử dụng xe ô tô và xe máy điện. Và dựa vào tình
hình thực tế, xe máy là một phương tiện di chuyển phổ biến và có nhu cầu sử dụng cao hơn
hẳn so với xe ô tô hay các phương tiện di chuyển khác. Do đó, xe máy điện ngày càng dành
được sự quan tâm từ các hãng xe và người tiêu dùng tại Việt Nam. Điều đó làm tăng lên một
nhu cầu về việc nghiên cứu và phát triển về các hệ thống, thiết bị sử dụng pin trên phương tiện
di chuyển.
Và bộ sạc cho pin giữ một vai trò quan trọng trong việc vận hành xe điện thông qua
việc cung cấp điện năng cho pin. Bên cạnh đó, pin Lithium-ion là dịng pin đã được nghiên
cứu và phát triển bởi rất nhiều hãng cơng nghệ, điển hình như hãng Tesla. Do đó việc ứng
dụng công nghệ pin này trên xe máy điện sẽ an tồn và tiết kiệm thời gian, chi phí nghiên cứu.
Tuy nhiên, tồn tại một vấn đề, đó là loại pin này chỉ được sạc bởi nguồn điện một chiều với
một điện áp và cường độ dòng điện nhất định nhưng mạng điện dân dụng ở Việt Nam là điện
xoay chiều một pha. Do đó muốn ứng dụng áp dụng cơng nghệ pin Lithium-ion cần có một
bộ sạc để khắc phục vấn đề này. Bộ sạc này cần phải chuyển đổi nguồn điện xoay chiều sang
nguồn điện một chiều và cung cấp chính xác điện áp và cường độ dòng điện để sạc được cho
bộ pin Lithium-ion.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu và nhiệm vụ nghiên cứu:
Mục tiêu nghiên cứu: Thiết kế mạch nạp cho xe điện sử dụng biến áp xung.
Nhiệm vụ nghiên cứu:
-

Nghiên cứu lý thuyết của pin Lithium-ion 18650.

1


-

Tìm hiểu lý thuyết và cách hoạt động của nguồn xung Flyback, linh kiện điện tử và
phần mềm mô phỏng.

-

Tính toán và thiết kế mạch nạp cho xe máy điện.

-

Thực nghiệm, đánh giá sự ổn định của mạch điện.

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
-

Pin Lithium-ion 18650.

-

Điện tử cơ bản.

-

Vi điều khiển STM32F103C8.

-

Biến áp xung và nguồn xung Flyback.

-

MOSFET 11N90 và MOSFET Driver IR2103

-

Phần mềm STM32CubeMX, Keli uVision, SIMetrix

1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cơ bản, cách ứng dụng các
đối tượng trên vào việc thiết kế mạch nạp cho xe máy điện và sẽ khơng nghiên cứu sâu vào
thuật tốn hay các kiến thức chuyên sâu trong lĩnh vực điện – điện tử.
1.4. Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu lý thuyết: thu thập tài liệu trên Internet, chọn lọc và kết hợp với kiến thức đã
học để áp dụng vào mạch nạp.
Mô phỏng và điều khiển: sử dụng phần mềm mô phỏng SIMetrix mạch điện và dùng
phần mềm STMCubeMX và Keli uVision để lập trình.
2

Thực nghiệm và đánh giá kết quả: tiến hành thử nghiệm mạch, dựa trên các thơng số
tính tốn và kết quả thực nghiệm đưa ra đánh giá hoạt động.
1.5. Một số đề tài nghiên cứu tương tự trong và ngoài nước
1.5.1. Trong nước
Bài báo “Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ làm việc dòng điện liên tục và gián đoạn
máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao tần” của nhóm tác giả Cao Xuân Tuyển và
Nguyễn Anh Tuấn đã được đăng trên tạp chí Khoa và Công nghệ [1]. Nhóm tác giả đã tính
tốn, thử nghiệm và mơ phỏng hoạt động của máy biến áp đối với bộ nguồn chuyển mạch cao
tần ở hai chế độ làm việc: chế độ làm việc dòng điên liên tục và gián đoạn. Trong nghiên cứu
này, bộ biến đổi Flyback đã được sử dụng để điều khiển máy biến áp và áp dụng các cơng
thức để tính tốn được các thơng số cần thiết ở ba mức nguồn điện đầu ra khác nhau với cùng
một nguồn điện đầu vào. Với cùng một nguồn điện đầu vào Vin = 9-15 (VDC), nhóm đã khảo
sát với đầu ra lần lượt là Vout = +5 (VDC), Iout = 1,1 (A); Vout = +15 (VDC), Iout = 0,6 (A); Vout
= -15 (VDC), Iout = 0,6 (A). Việc mơ phỏng bộ nguồn được nhóm tác giả thực hiện bằng phần
mềm PSIM. Dựa theo kết quả mô phỏng ở hai chế độ làm việc thì cả hai chế độ làm việc của
máy biến áp đều làm việc ổn định. Bên cạnh đó, bộ nguồn làm việc ở chế độ dịng điện gián
đoạn có chất lượng điện áp tốt hơn so với chế độ còn lại. Tuy nhiên, kích thước mạch làm việc
ở chế độ dòng điện gián đoạn nhỏ hơn, cần nhiều số vòng dây hơn và ở chế độ dịng điện liên
tục có kích thước lớn hơn với số vịng dây ít hơn.
1.5.2. Ngồi nước
Đề tài nghiên cứu “120-V, 200-W, 90% Efficiency, Interleaved Flyback for Battery
Charging Applications Reference Design” [2] được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu thuộc
tập đoàn Texas Instrument đã nghiên cứu, thực hiện và khảo sát bộ sạc cho bộ pin gồm 5 viên
pin Lithium-ion. Mạch nguồn này sử dụng nguồn điện đầu vào Vin = 100 -12 (VAC) với tần
số 50-60 (Hz) và nguồn điện ở đầu ra là Vout = 21 (VDC), Iout = 9,5 (A). Bộ sạc áp dụng loại
nguồn xung Flyback kết hơp với biến áp xung và cho ra công suất đầu ra lên đến 200W.
3

Đề tài nghiên cứu “Buck-Boost/Flyback Hybrid Converter for Solar Power System
Applications” [3] do Sheng-yu Tseng và Jun-Hao Fan thực hiện đã nghiên cứu và áp dụng hai
loại nguồn xung Buck-Boost và Flyback vào quá trình sạc, xả cho pin Lithium-ion. Bộ nguồn
này sử dụng năng lượng mặt trời để cung cấp năng lượng đầu vào cho mạch sạc Buck-Boost
với Vin = 17,5-20,6 (VDC), Iout = 8-12 (A) để sạc cho pin Lithium-ion vào ban ngày. Sau đó,
các viên pin này sẽ xả điện vào ban đêm và qua mạch nguồn Flyback tạo ra nguồn điện đầu ra
Vout = 10 (VDC), Iout = 2 (A) để cung cấp cho các bóng LEDs vào ban đêm.

4


CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Cơ bản về nguồn xung
2.1.1. Các yếu tố sử dụng trong nguồn xung
a.

Các đặc trưng về độ tự cảm của cuộn cảm
Định luật biểu diễn mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện trong một cuộn cảm theo

phương trình: v = L(di/dt)
Với: L là độ tự cảm của cuộn cảm (H).
(di/dt) là sự biến thiên của dòng điện theo thời gian.
Các đặc điểm quan trọng của của cuộn cảm theo định luật về độ tự cảm:
Điện áp qua cuộn cảm có giá trị khi và chỉ khi dòng điện biến thiên theo thời gian. Nếu
đặt vào cuộn cảm dịng điện một chiều khơng đổi thì sẽ khơng có điện áp qua nó (ngoại trừ
trường hợp có sự rơi áp nhỏ trên cuộn dây đồng).
Trong cuộn cảm, điện áp có thể thay đổi ngay lập tức cịn cường độ dịng điện thì khơng
(điều này chỉ xảy ra khi giá trị điện áp là vô cùng). Điện áp rơi trên cuộn cảm càng lớn khi
cường độ dịng diện thay đổi càng nhanh.
Dưới đây là hình minh họa các đặc điểm về điện áp của cuộn cảm:

Hình 2.1 Mối quan hệ của điện áp và dịng điện trong cuộn cảm [4]
5


b.

Sự vận hành của dòng điện
Theo hiện tượng tự cảm, dịng điện qua cuộn cảm khơng tăng hay giảm đột ngột mà

tăng dần và giảm dần theo thời gian.
Có hai chế độ vận hành dòng điện trong cuộn cảm:
Chế độ vận hành liên tục (CO – Continuous Operation): cường độ dòng điện trong cuộn
cảm IL tăng từ giá trị I đến Iđỉnh rồi lại giảm xuống I khi công tắc đóng cứ như vậy liên tục tăng
rồi giảm, nhưng sẽ không bao giờ giảm về 0.
Chế độ vận hành không liên tục (DO – Discontinuous Operation): khi cơng tắc đóng,
cường độ dòng điện trong cuộn cảm IL tăng từ 0 đến Iđỉnh và cường độ dòng diện lại trở về 0
khi cơng tắc mở.
c.

Biến áp trong nguồn xung
Yếu tố chính sử dụng trong đề tài chính là biến áp xung, khác với biến áp thường thì

cuộn dây trong biến áp xung đồng thời đóng vai trị như một cuộn cảm và mỗi biến áp thường
có hai hoặc nhiều cặp cuộn dây từ tính. Dưới đây là sơ đồ mô tả bộ biến áp:

Hình 2.2 Sự vận hành biến áp [4]

6

Đối với một biến áp, điện áp đầu vào và đầu ra phụ thuộc vào số vòng dây quấn. Cuộn
dây nào có số vịng dây cao hơn thì điện áp cao hơn nhưng dòng điện thấp hơn và ngược lại.
Dấu chấm trên biến áp xác định cực của nó so với cuộn dây khác, đảo chiều dấu chấm dẫn
đến đảo chiều cực tính và dòng điện đầu ra.
d.

Điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulation – PWM)
Điều chế độ rộng xung là phương pháp điều chỉnh điện áp đầu ra. Điện áp đầu ra phụ

thuộc vào độ rộng của chuỗi xung vuông trong một chu kỳ Tp. Và điện áp này được điều khiển
trực tiếp bởi một công tắc trong bộ chuyển đổi bằng cách đóng/mở. Cho ra điện áp một chiều
VOUT được tính như trong hình sau:

Hình 2.3 Hình dáng và điện áp của PWM [4]
(𝑇𝑂𝑁 /𝑇𝑃 ) ở đây được gọi là chu kỳ hoạt động (thời gian mà công tắc mở chia cho thời
gian của một chu kỳ), còn VPK là điện áp đỉnh.
2.1.2. Nguồn xung kiểu Flyback
Nguyên lý hoạt động mạch Flyback:
Mạch biến áp xung sử dụng mạch Flyback hoạt động như một cuộn cảm hay một thiết
bị lưu giữ năng lượng từ trường.

7


.
Hình 2.4 Sơ đồ mạch Flyback. [5]

Hình 2.5 Dịng điện và điện áp trong cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp [5]
Mạch Flyback hoạt động như sau: trong khi khoá Q1 đóng và dẫn dịng điện chảy vào

cuộn sơ cấp, cuộn này tích trữ năng lượng vào trong biến áp xung. Và dòng điện IP trong cuộn
sơ cấp sẽ tăng tuyến tính lên cao nhất. Mặt khác, diode D1 của cuộn thứ cấp sẽ khơng dẫn và
do đó sẽ khơng có dịng điện trong cuộn thứ cấp. Suốt khoảng thời gian này, dòng ra tải sẽ
được cung cấp chỉ bởi tụ lọc đầu ra C1.

8


Hình 2.6 Trạng thái dẫn khi khóa Q1 đóng (bên trái) và ngắt (bên phải) [12]
Sau đó, khi khóa Q1 ngắt và dòng điện trong cuộn sơ cấp dừng lại, năng lượng tích trữ
trong biến áp xung này được đảo ngược và chuyển sang cuộn sơ cấp. Dòng điện này khơng
chỉ cung cấp cho tải mà cịn sạc cho tụ C1, như là cách sạc lại cho tụ để có thể cung cấp lại
cho tải vào giai đọan khóa Q1 đóng.
Một điều lưu ý khi áp dụng mạch Flyback là điện áp trong biến áp xung sẽ tồn tại giữa
cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp dù chúng không dẫn trong cùng một thời gian. Khi khóa Q1 ngắt,
điện áp đầu vào VDC kết hợp với điện áp ngược do cuộn thứ cấp tác dụng ngược trở lại. Do
đó, khóa Q1 yêu cầu phải chịu đựng được độ lớn của hai điện áp này. Điện áp VRO được tính
theo cơng thức sau:
VRO =

Dmax
1− Dmax

. VDCmin

(2.1)

9

Hình 2.7 Đồ thị điện áp VRO [5]
Và tổng điện áp cực đại lên khóa Q1 là:
Vms = VRO + VDCmin

(2.2)

Mạch Flyback có hai chế độ hoạt động, đó là chế độ dịng điện khơng liên tục
(Discontinuous Conduction Mode – DCM) và chế độ dòng điện liên tục (Continuous
Conduction Mode – CCM).

10


Sự thay đổi của dòng điện trong chế độ dòng điện khơng liên tục, DCM, được diễn tả
như hình dưới đây.

Hình 2.8 Dịng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dịng khơng liên tục [5]
Một điều khác nhau giữa DCM và CCM là ở DCM, dòng điện trong cuộn thứ cấp sẽ
giảm về 0A (điểm I) trước khi dòng ở cuộn sơ cấp bắt đầu chu kỳ dẫn tiếp theo (điểm F).
Khoảng thời gian này được gọi là thời gian chết Tdt. Trung bình dịng điện đầu ra ở cuộn thứ
cấp là trung bình của tam giác GHI nhân với tỉ lệ ngắt của khóa Q1, Toff / T.
Chế độ DCM sẽ tạo cho diode đầu ra D1 ở cuộn thứ cấp sự chuyển mạch tốt hơn bởi
vì dịng điện đi qua diode sẽ về 0A trước khi nó phân cực ngược, và năng lượng tích trữ trong
máy biến áp cũng ít hơn giúp giảm kích thước của máy biển áp. Tuy nhiên, dòng điện đầu ra
của nó sẽ thấp hơn so với chế độ CCM. Vì thế, chế độ dịng điện khơng liên tục thường được
ứng dụng trong các mạch có đầu ra điện áp cao và dòng thấp.

11

Dòng điện của chế độ dòng điện liên tục, CCM sẽ được thể hiện qua hình sau:

Hình 2.9 Dịng điện trong cuộn sơ cấp và thứ cấp ở chế độ dịng liên tục. [5]
Có thể thấy rằng, hai chế độ CCM và DCM có dạng dịng điện tương đối giống nhau
và chế độ hoạt động được quyết định bởi độ cảm từ hóa và dịng tải đầu ra. Điểm khác nhau
giữa dạng dịng điện của hai chế độ chính là sự lưu trữ dịng điện trong hai cuộn dây vì khơng
có thời gian chết Tdt. Ở chế độ CCM, dịng điện trong cuộn sơ cấp có một bước đệm và độ dốc
của dịng điện được tăng từ bước đệm đó. Trong khoảng thời gian khóa Q1 ngắt, dịng điện
trong cuộn thứ cấp có dạng kết hợp giữa hình tam giác cộng với bước đệm có độ lớn từ điểm
V đến W. Và tương tự khi khóa Q1 bắt đầu giai đoạn đóng, dịng điện trong cuộn sơ cấp cũng
có một dòng điện đệm với độ lớn từ điểm M đến N.
Mặc dù giả sử dòng điện đầu ra ở hai chế độ là bằng nhau, nhưng dòng điện ở chế độ
DCM cho đỉnh dòng điện Ipeak cao hơn so với ở chế độ CCM. Do đó, mạch hoạt động ở chế
độ DCM cần có bộ lọc LC lớn để loại bỏ đi gợn sóng dịng điện này.
Chế độ dịng điện liên tục, CCM, được áp dụng trong các mạch đòi hỏi đầu ra điện áp
thấp và dòng cao.
12


2.2. Pin Lithium-ion
2.2.1. Pin Lithium-ion 18650
Pin Lithium-ion 18650 có cấu tạo giống với những pin Lithium-ion khác. Cấu tạo gồm
4 phần chính: điện cực dương, điện cực âm, màng ngăn điện và dung dịch điện ly.

Hình 2.10 Cấu tạo của pin Lithium-ion [6]
Điện cực dương:
Điện cực dương thường được làm từ LiCoO2 và LiMnO4. Khi Coban là vật liệu cơ sở
có thể cung cấp cơng suất riêng lớn, cơng suất riêng theo thể tích lớn, giảm hiện tượng tự xả,
có điện thế cao và vòng đời dài. Giá thành của pin cao do Coban, là một kim loại kém bền
nhiệt và hiếm. Vật liệu cơ sở rẻ và phổ biến hơn Coban là Mangan, có hiệu năng cao thấp hơn,

vịng đời ngắn hơn, nhưng được khắc phục bằng khả năng hòa tan vật liệu Mangan trong dung
dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin [8].
13


Năm 2017, LiFePO4 được nghiên cứu để áp dụng cho pin có kích thước lớn dùng cho
các bộ pin của xe điện do giá rẻ và công suất cao, mặc dù vật liệu này dẫn điện kém và bắt
buộc dùng chất phụ gia dẫn điện là cacbon.
Điện cực âm:
Cực âm được làm từ graphite và các vật liệu cacbon khác, vì giá thành rẻ và phổ biến.
Chúng có độ dẫn điện tốt và cho phép ion Lithi xen kẽ vào cấu trúc của mạng Cacbon, điều
đó giúp nó dự trữ năng lượng do cấu trúc tinh thể có khả năng phình to đến 10%. Silicon cũng
có thể dùng làm vật liệu cực âm do nó chứa được ion Lithi trong cấu trúc, thậm chí có thể
chứa nhiều hơn Cacbon. Tuy nhiên, Silicon có thể phồng to hơn 400% thể tích ban đầu khi
các ion Lithi xen kẽ trong mạng, làm phá vỡ kết cấu pin và phản ứng với Lithi gây ra các vết
nứt gãy vật liệu. Vết nứt này sẽ bị phân hủy thành lớp điện ly rắn giao pha Solid Electrolyte
Interphase khi dung dịch điện ly tiếp xúc trực tiếp với những lớp Si bên trong, quá trình khuếch
tán của Li+ bị hạn chế, làm giảm công suất pin cũng như dung lượng của điện cực và độ bền
của cực âm. Nhiều nghiên cứu được tiến hành để làm giảm sự biến đổi cấu trúc do các vết nứt
gãy của Si, bằng cách tổng hợp Si dưới dạng hạt nano, sợi nano, ống nano, cấu trúc xốp của
nano và dạng khối cầu rỗng [8].
Dung dịch điện ly:
Dung dịch điện ly là môi trường vận chuyển ion Lithi giữa các điện cực trong quá trình
pin được sạc và xả. Do đó, dung dịch điện ly dùng trong pin Lithium-ion có độ dẫn ion tốt,
đồng thời để ngăn chặn hiện tượng đoản mạch khi sạc và xả thì dung dịch điện ly phải là chất
không dẫn điện. Dung dịch điện ly dùng cho pin Lithium-ion chứa muối Lithi, như LiPF6,
LiBF4 hay LiClO4 trong dung môi hữu cơ như Ethylene Carbonate, Dimethyl Carbonate, và
Dietyl Cacbonate. Trong lần sạc đầu tiên, các dung môi hữu cơ dễ bị phân hủy ở cực âm hình
thành lớp điện ly rắn giao pha làm giảm độ dẫn của âm cực [8].

14