Thiết kế và chế tạo mạch sạc pin liion

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
KHOA TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỒ ÁN
ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN
Giảng viên hướng dẫn: TS. Hoàng Sĩ Hồng
Lớp:
Điểm: 9,5

Hà Nội, năm 2023


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ.....................................................................................................4
LỜI MỞ ĐẦU....................................................................................................................5
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT...................................................................................6
I. Tổng quan về pin Li-Ion............................................................................................6
II. Cấu tạo pin Lithium ion...........................................................................................6
III. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion.............................................................7
IV. Tổng quan về q trình sạc pin Lithium-ion........................................................8
V. Pin 18650....................................................................................................................9
Thơng số kỹ thuật của Pin 18650................................................................................10
CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN TỰ ĐỘNG.............................................12
I. Sơ đồ khối của mạch................................................................................................12
1. Máy biến áp (khối 1)............................................................................................12
2. Mạch chỉnh lưu (khối 2)......................................................................................13
3. Mạch lọc (khối 3).................................................................................................14
4. Mạch ổn áp (khối 4).............................................................................................15
5. Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch khi sạc pin (khối 5)............................16
II. GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

TRONG MẠCH...........................................................................................................16
1. Điện trở.................................................................................................................16
2. Biến trở.................................................................................................................16
3. Tụ điện..................................................................................................................17
4. Diode.....................................................................................................................17
5. LED.......................................................................................................................19
6. IC LM7805...........................................................................................................19
2


7. IC TP4056.............................................................................................................20
8. Sơ đồ mạch sạc pin 3.7 V tự ngắt.......................................................................25
9. Cách hoạt động của mạch...................................................................................25
III. Mạch thật...............................................................................................................27
KẾT LUẬN.......................................................................................................................28
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................29

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu tạo của pin lithium-ion
Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion
Hình 1.3. Quy trình sạc pin li-ion.
Hình 1.4. Pin cell 18650 3000mAh
Hình 1.5. Tổng quan về Pin 18650
Hình 2.1. Tín hiệu hình sin
Hình 2.2. Kí hiệu máy biến áp
Hình 2.3. Các loại biến áp.
Hình 2.4. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ.

Hình 2.5. Mạch lọc
Hình 2.6. Mạch ổn áp dùng IC LM7805
Hình 2.7. Ký hiệu và hình dạng điện trở
Hình 2.8. Ký hiệu và hình dạng của biến trở
Hình 2.9. Biến trở
Hình 2.10. Ký hiệu và hình dạng của tụ điện
Hình2.11. Cấu tạo diode
Hình 2.12. Hình dạng diode trong thực tế
Hình 2.13. Kí hiệu diode trong các mạch ngun lí
Hình2.14. Đèn LED
Hình 2.15. Sơ đồ chân IC LM7805
Hình 2.16. Sơ đồ chân của IC TP4056
Hình 2.17. Sơ đồ mạch hiển thị liên kết pin với IC TP4056
Hình 2.18. Sơ đồ mạch chỉ báo liên kết đèn LED với TP4056

4


LỜI MỞ ĐẦU
Đất nước ta đang bước trên con đường cơng nghiệp hố và hiện đại hóa đất nước. Nước
ta là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật hiện đại. Ngày
nay trong công nghiệp, các mạch điều khiển người ta thường dùng kỹ thuật số với các
chương trình phần mềm đơn giản, linh hoạt và dễ dàng thay đổi được cấu trúc tham số
hoặc các luật điều khiển. Nó làm tăng tốc độ tác động nhanh và có độ chính xác cao cho
hệ thống. Như vậy nó làm chuẩn hố các hệ thống truyền động điện và các bộ điều khiển
tự động hiện đại và có những đặc tính làm việc khác nhau.
Trong ứng dụng đó thì việc áp dụng vào mạch sạc pin tự động đang được sử dụng rộng
rãi và có những đặc tính rất ưu việt, ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của ắc
quy.
Trên cơ sở những kiến thức đã học và sự hướng dẫn của thầy Hồng Sĩ Hồng, em xin

được trình bày đồ án II với đề tài: “Thiết kế mạch sạc pin chuột không dây”. Do một số
hạn chế nên trong bài này, em đã làm phần mạch sạc cho pin.
Em xin chân thành cảm ơn GVHD là TS. Hoàng Sĩ Hồng đã tận tình hướng dẫn để em có
thể hồn thiện đồ án này.

5


CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
I. Tổng quan về pin Li-Ion
Ra mắt thị trường lần đầu vào năm 1991, Li-Ion (Lithium-Ion) là loại pin được dùng
phổ biến cả trên thiết bị điện tử (như laptop, smartphone, tablet, sạc dự phòng...), y tế, xe
điện, hàng không, quân đội, ...
Là loại pin có thể sạc đi sạc lại nhiều lần, Li-Ion phổ biến nhờ các ưu điểm như mật độ
năng lượng lớn (dung lượng lớn trên kích thước pin nhỏ), ít bị tự xả (giữ năng lượng lâu),
thân thiện môi trường, ... hơn các công nghệ cũ.
Li-Ion hoạt động trên nguyên tắc trao đổi ion Li giữa 2 điện cực để sạc, xả điện và sử
dụng một dung dịch điện ly làm môi trường.
Việc các nhà sản xuất pin sử dụng chất liệu gì cho 2 đầu cực (Niken,  Graphite, Silicon,
...) cũng như dung dịch điện ly sẽ có ảnh hưởng đến hiệu năng, số lần sạc, độ an tồn,
kích thước pin, chi phí,...
II. Cấu tạo pin Lithium ion
Cấu tạo pin lithium ion bao gồm: 1 cực dương, 1 cực âm, bộ phân tách, chất điện phân
và hai bộ thu dịng điện.

Hình 1.1. Cấu tạo của pin lithium-ion
6


- Điện cực dương (Cathode):

Vật liệu dùng làm điện cực dương là LicoO2 và LiMnO4. Cấu trúc phân tử bao gồm phân
tử Oxide Coban liên kết với nguyên tử Lithium. Khi có dịng điện chạy qua, ngun tử
Lithium nhanh chóng tách khỏi cấu trúc tạo thành ion dương Lithium, Li+.
- Điện cực âm (Anode):
Cực âm được cấu tạo từ Than chì (graphene) và các vật liệu Cacbon khác có chức năng
lưu giữ các ion Lithium L+ trong tinh thể.
- Bộ phân tách:
Bộ phân tách hay còn gọi là màng ngăn cách điện được làm bằng nhựa PE hoặc PP. Bộ
phận này nằm giữa cực dương và cực âm, có nhiều lỗ nhỏ, có chức năng ngăn cách giữa
cực dương và cực âm. Tuy nhiên, các ion Li+ vẫn được đi qua.
- Chất điện phân:
Chất điện phân là chất lỏng lấp đầy hai cực và màng ngăn. Dung dịch điện phân có chứa
LiPF6 và dung mơi hữu cơ. Dung dịch có chức năng như vật dẫn các ion Li+ từ. 
Chất điện phân là môi trường truyền ion lithium giữa 2 điện cực trong quá trình sạc và
xả pin. Nguyên tắc cơ bản trong dung dịch điện ly cho pin li-on là có độ dẫn ion tốt. Cụ
thể độ dẫn ion liti ở mức 1-2 S/cm ở nhiệt độ phòng. Tăng 30-40% khi nhiệt độ lên 40 độ
và giảm nhẹ khi nhiệt độ xuống 0 độ C.
III. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium ion

7


Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion
Trong cơ chế hoạt động pin lithium ion, cực âm, cực dương đóng vai trị là ngun liệu
trong phản ứng điện hóa. Dung dịch điện phân tạo môi trường dẫn cho ion liti di chuyển
giữa 2 điện cực âm và dương. Dòng điện chạy ở mạch ngoài khi pin di chuyển. Quá trình
này thể hiện ở quy trình sạc, xả. Cụ thể như sau:
- Quy trình xả:
Ion-liti mang điện dương di chuyển từ cực âm (thường là graphite) qua dung dịch điện ly
sang cực dương và dương cực sẽ có phản ứng với ion liti. Mỗi ion Li dịch chuyển từ cực

âm sang cực dương trong pin thì ở mạch ngồi, lại tiếp tục có 1 electron chuyển động từ
cực âm sang cực dương, sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Điều này tạo
ra cân bằng điện tích giữa 2 cực.
- Quy trình sạc:
Quá trình sạc diễn ra ngược lại quá trình xả. Dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ
điện cực dương của pin (trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về
điện cực âm của pin (ở quy trình này đóng vai trị cực dương). Trong q trình sạc và xả
pin sẽ đảo chiều. 
Trong một chu kỳ phóng điện, những nguyên tử liti ở cực dương bị ion hóa và tách
khỏi các điện tử của chúng. Các ion liti di chuyển từ cực dương và đi qua chất điện phân
cho đến khi chúng đến được cực âm. Tại đây chúng tái kết hợp với các điện tử và trung
hòa về điện.
IV. Tổng quan về quá trình sạc pin Lithium-ion
- Sạc ổn dịng: 
Trong q trình sạc ổn dịng, dịng điện được giữ khơng đổi, thơng thường bằng C/2-C
(trong đó, C là dung lượng [Ah] của ắc quy). Dòng điện sạc càng lớn, q trình sạc ổn
dịng càng ngắn nhưng q trình sạc ổn áp sẽ càng dài; tuy vậy, tổng thời gian sạc cả 2
giai đoạn thường không quá 3h. Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ của pin.
Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ q cao sẽ có thể làm cho ắc
quy bốc cháy hoặc phát nổ.

8


Hình 1.3. Quy trình sạc pin li-ion.
-

Sạc ổn áp:

Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng 4,2V/cell. Do dung

lượng của pin phục hồi dần, sức điện động của nó tăng lên làm cho dòng điện giảm dần.
Khi dòng điện giảm về nhỏ hơn 3%C, chế độ sạc ổn áp kết thúc. Lúc này, dung lượng pin
đạt khoảng 99%. Trong quá trình sạc ổn dòng, điện áp trên 2 đầu cực ắc quy tăng dần.
Khi điện áp đạt bằng sức điện động của pin lúc đầy, bộ sạc kết thúc quá trình sạc ổn dịng
và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp. Tồn bộ thời gian sạc ổn dòng thường kéo dài tối đa
khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của pin). Kết thúc q trình sạc ổn
dịng, dung lượng pin đã phục hồi được khoảng 70%.
V. Pin 18650
Pin 18650 là loại pin lithium-ion có thể sạc lại, chuyên được sử dụng cho những thiết
bị cầm tay. Kích thước của loại pin này là 18x65mm. Hiện nay có khá nhiều thương hiệu
lớn sản xuất loại pin này và được đánh giá cao. Đồng thời pin 18650 cũng đã trở thành
loại pin tiêu chuẩn cho dịng pin có thể thay thế và sạc lại.

9


Hình 1.4. Pin cell 18650 3000mAh
Dung lượng của loại pin này dao động từ 1800 – 3500mAh. Pin 18650 được sử dụng
phổ bến trong các thiết bị cầm tay như: Pin sạc dự phòng, máy khoan, máy cắt, quạt cầm
tay, đèn pin, pin laptop, pin xem đạp điện xe máy điện, …  Chúng có ưu điểm nhỏ gọn,
thời gian sử dụng lâu dài, có thể ghép thành điện áp cao, và quan trọng nhất là an tồn với
người dùng.

Hình 1.5. Tổng quan về Pin 18650
Thông số kỹ thuật của Pin 18650
- Điện áp của Pin

10

Pin 18650 khi đầy có điện áp từ 3.7-4.2V, khi điện áp yếu có điện áp từ 3V trở xuống.
Các pin 18650 có thể được kết hợp với nhau để tạo ra các cấp điện áp khác nhau
- Dung lượng của Pin
“Dung Lượng Pin” là thuật ngữ mô tả khả năng lưu trữ của một viên pin. Thông số kỹ
thuật quan trọng của một viên pin là dung lượng pin đơn vị là mAh, thông số này quyết
định xem viên pin có sử dụng được lâu dài hay khơng.
Trong bài này, pin Li-ion 18650 với điện áp danh định tối đa là 4,2 V / 3000 mAh đã
được sử dụng để sạc. 

11


CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MẠCH SẠC PIN TỰ
ĐỘNG
I. Sơ đồ khối của mạch

1. Máy biến áp (khối 1)
Máy biến áp có tác dụng thay đổi điện áp xoay chiều vào thành các mức điện áp xoay
chiều khác nhau ở đầu ra của biến áp (chỉ thay đổi biên độ) mà không làm thay đổi tần số
và pha ban đầu. Phương trình điện áp vào, ra khỏi máy biến áp có dạng hình sin:

Hình 2.1. Tín hiệu hình sin
Cấu tạo máy biến áp gồm: Một cuộn dây sơ cấp (để đưa điện áp ngoài vào) và cuộn
dây thứ cấp gồm một hay nhiều cuộn dây (để đưa điện áp ra) cùng quấn trên cùng một
lõi. Lõi này có thể là cuộn giấy (lõi khơng khí) hoặc là lõi bằng thép, sắt từ (ferit).

12


Hình 2.2. Kí hiệu máy biến áp

* Các đại lượng trong nguyên lý biến đổi điện áp của máy biến áp
Máy biến áp hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ và nguyên lý tạo điện áp
ra dựa trên cơng thức:
U1/U2 = N1/N2 = I2/I1
Trong đó: U1, I1: là điện áp và dòng điện vào cuộn sơ cấp
U2, I2: là điện áp và dòng điện ra ở cuộn thứ cấp
N1, N2: là số vòng dây của cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp

Hình 2.3. Các loại biến áp.
Trong mạch này em đã sử dụng máy biến áp nguồn lõi bằng lá thép có đầu vào
220VAC và đầu ra 9VAC.
2. Mạch chỉnh lưu (khối 2)
Mạch chỉnh lưu dùng để biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng điện một chiều
tương ứng nhưng vẫn cịn mấp mơ. Sau đây là hai mạch chỉnh lưu cơ bản:
- Mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ:
Gồm một diode mắc nối tiếp với tải tiêu thụ. Ở bán kỳ dương (nửa chu kỳ đầu) diode
được phân cực thuận, diode thơng nên có dịng chảy trong mạch. Ở bán kỳ âm (nửa chu
kỳ ngay sau) diode được phân cực ngược nên khơng có dịng chảy trong mạch.
* Ưu điểm: rẻ, dễ lắp ráp.
13


* Nhược điểm: cho dịng ra khơng liên tục và diode phải gánh một điện áp ngược rất lớn
nên tuổi thọ của diode không cao.
- Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ:

Hình 2.4. Mạch chỉnh lưu cả chu kỳ.
Ở nửa chu kỳ dương: D1, D4 thơng dẫn dịng qua D1 => qua tải => D4 dẫn tiếp dòng
về cực âm.
Ở nửa chu kỳ âm: D2, D3 thơng dẫn dịng chảy qua tải R.

Như vậy mạch chỉnh lưu hình cầu thì đảm bảo trong một chu kỳ thì mạch ln có dịng
điện.
Và cũng chính ưu điểm này, cho nên em đã sử dụng mạch chỉnh lưu hình cầu 5A để
chỉnh lưu điện áp xoay chiều có giá trị hiệu dụng là 12V, chúng kết hợp với tụ chỉnh lưu
để tạo ra điện áp DC có giá trị 15V.
3. Mạch lọc (khối 3)
Dựa vào đặc tính phóng nạp của tụ điện nên mạch lọc ta sử dụng tụ C1 dùng để là
phẳng điện áp đầu vào cịn mấp mơ.

14


Hình 2.5. Mạch lọc và mạch ổn áp
4. Mạch ổn áp (khối 4).
Mạch ổn áp giúp ổn định điện áp ra cung cấp cho tải tiêu thụ trong khi điện áp đầu vào
có thể thay đổi. Sử dụng IC LM7805 để chuyển điện áp đầu vào 15V thành điện áp có
mức 5V.
Tụ C3 có chức năng lọc nhiễu tần số cao.

Hình 2.6. Mạch ổn áp dùng IC LM7805
15


5. Bộ điều chỉnh tự động đóng ngắt mạch khi sạc pin (khối 5).
Sử dụng IC TP4056. IC này cung cấp đủ dòng điện và điện áp sạc cho pin Li-ion 3.7 V,
có thể tự động cắt dịng sạc khi pin đã sạc đầy.
II. GIỚI THIỆU CHUNG VÀ LỰA CHỌN CÁC LOẠI LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
TRONG MẠCH.
1. Điện trở.
Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử, chúng

có tác dụng cản trở dòng điện , tạo sự sụt áp để thực hiện chức năng theo ý muốn .
Điện trở của dây dẫn phụ thuộc vào chất liệu, tiết diện và độ dài của dây dẫn.
Hình dáng và ký hiệu: Trong thực tế điện trở là một loại linh kiện điện tử không phân
cực, nó là một linh kiện quan trọng trong các mạch điện tử, chúng được làm từ hợp chất
của cacbon và kim loại và được pha theo tỷ lệ mà tạo ra các con điện trở có trị số khác
nhau.

Hình 2.7. Ký hiệu và hình dạng điện trở
2. Biến trở.
Biến trở là dạng đặc biệt của điện trở có cơng dụng tương tự như điện trở thong
thường. Nhưng nó có thể thay đổi được gía trị điện trở, qua đó thay đổi điện áp hoặc
dịng điện ra trên biến trở.

Hình 2.8. Ký hiệu và hình dạng của biến trở
Biến trở còn gọi là triết áp được cấu tạo gồm một điện trở màng than hay dây quấn có
dạng hình cung góc quay 270 độ. Có một trục xoay ở giữa nối với một con trượt làm
bằng than cho biến trở dây quấn (hay làm bằng kim loại cho biến trở than). Con trượt sẽ
ép lên mặt điện trở để tạo kiểu nối tiếp xúc làm thay đổi trị số điện trở khi quay trục.
16


Hình 2.9. Biến trở
3. Tụ điện.
Tụ điện là một linh kiện thụ động và được sử dụng rộng rãi trong các mạch điện tử,
được sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu trong mạch truyền phát tín hiệu, mạch
dao động…
Tụ điện là linh kiện dùng để cản trở dòng điện xoay chiều và ngăn khơng cho dịng
điện một chiều đi qua , tụ điện cịn có khả năng phóng nạp khi cần thiết.

Hình 2.10. Ký hiệu và hình dạng của tụ điện

4. Diode.
Được cấu tạo từ hai lớp bán dẫn tiếp xúc nhau. Diode có hai cực là Anot (A) và Katot
(K). Nó chỉ cho dịng một chiều từ A sang K và nó được coi như van một chiều trong
mạch điện và được ứng dụng rộng rãi trong các máy thu thanh thu hình, các mạch chỉnh
lưu, ổn định điện áp.

17


Hình2.11. Cấu tạo diode

Hình 2.12. Hình dạng diode trong thực tế

Hình 2.13. Kí hiệu diode trong các mạch ngun lí
Ngun tắc hoạt động của diode: chỉ cho dòng một chiều từ A đến K chứ khơng cho
dịng chạy ngược lại.

18


5. LED.
LED là viết tắt của Light Emitting Diode (điốt phát quang), là các diode có khả năng
phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống như điốt, LED được cấu tạo từ
một khối bán dẫn loại P ghép với một khối bán dẫn loại N.
Tính chất: Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng
phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của
LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn.
LED thường có điện thế phân cực thuận cao hơn điốt thơng thường, trong khoảng 1,5V
đến 3V. Nhưng điện thế phân cực nghịch ở LED thì khơng cao. Do đó, LED rất dễ bị hư
hỏng do điện thế ngược gây ra.

Chúng có tác dụng hiển thị điện áp DC hoac AC (tức là báo có dịng ra)

Hình2.14. Đèn LED

Bảng 2.1. Các loại đèn LED
Loại LED
Đỏ
Vàng
Xanh lá cây

Điện thế phân cực
1,4 – 1.8V
2 – 2,5 V
2 – 2,8V

6. IC LM7805
IC 7805 là một loại IC điều chế điện áp DC dương vì ngõ ra của IC này ln có mức
điện áp dương so với mức điện áp nối mass (GND). LM7805 được thiết kế bao gồm 3
chân:
- Chân thứ 1 là để cấp điện áp DC đầu vào
19


-

Chân thứ 2 là chân để đấu với mass (chân GND)
Chân thứ 3 là chân ngõ ra điện áp 5V (với điều kiện là điện áp đầu vào lớn hơn 5V)

Hình2.15. Sơ đồ chân IC LM7805
7. IC TP4056

TP4056 là một vi mạch được thiết kế đặc biệt để sạc pin Li-ion 3,7 V. Đây là bộ điều
khiển sạc pin tuyến tính với dịng điện khơng đổi và điện áp khơng đổi. Bằng cách thêm
một điện trở để điều chỉnh, IC hồn tồn có thể được sử dụng để sạc pin Li-ion 3.7 V.
Điện áp sạc được cố định ở mức 4,2 V và dịng điện sạc có thể được thiết lập bằng cách
thêm một số ít điện trở và tụ điện theo pin cần sạc. IC này hồn tồn có thể cung cấp
dòng sạc tối đa 1A.
IC cũng cung cấp khả năng bảo vệ quá nhiệt, hạn chế dòng điện và dịng điện tích âm.
Khi pin được sạc đầy thì bộ sạc TP4056 sẽ cắt dịng điện. Vì vậy có thể có khả năng dịng
điện chạy từ pin đến IC TP4056 khi pin ở mức điện áp cao. Do đó, không cần thêm điốt
zener. Khi pin sạc đầy, IC sẽ ngắt dịng điện sạc để giúp pin khơng bị hư hỏng.
IC TP4056 có cả kiểu SOP, lý tưởng để sử dụng trong các thiết bị di động. Nó cũng
yêu cầu ít linh phụ kiện bên ngồi hơn, khơng có gì khác ngoài vài điện trở và tụ điện. IC
cần điện áp tối thiểu 4 V đến 8 V để hoạt động. IC có 8 chân với thơng số kỹ thuật chân
như sau:

20