Thiết kế bộ nạp acquy axit chì với khả năng điều chỉnh dòng nạp, tự động ngắt khi acquy đầy

PHẦN MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài
Đất nước ta đang bước trên con đường công nghiệp hoá và hiện đại hóa.
Là một nước đang phát triển và đang dần tiếp cận với khoa học kỹ thuật
hiện đại thì nhu cầu tự động hóa trong quá trình sản xuất ngày một được đề
cao. Ngày nay trong công nghiệp, các mạch điều khiển được 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 xử lý, tính tác
động nhanh và có độ chính xác cao dẫn đến nâng cao độ chuẩn hoá các hệ thống
truyền động điện và các bộ điều khiển tự động. Trong xu thế đó thì việc áp dụng
vào mạch nạp acquy tự động đang được sử dụng rộng rãi và có những đặc tính
rất ưu việt. Như chúng ta đã biết thì acquy là thiết bị cấp nguồn một chiều được
sử dụng phổ biến trong công nghiệp cũng như các lĩnh vực khác. Chính vì vậy
việc nghiên cứu, chế tạo acquy và nguồn nạp acquy là hết sức cần thiết, nó
ảnh hưởng rất lớn tới dung lượng và độ bền của acquy.
2.Mục đích của đề tài
- Nghiên cứu công nghệ nạp acquy Lithium-ion.
- Thiết kế bộ nạp acquy axit chì với khả năng điều chỉnh dòng nạp, tự động ngắt
khi acquy đầy. Cùng với đó thì các thông số của quá trình nạp như điện áp, dòng
điện cũng được điều khiển tự động để đảm bảo an toàn cho quá trình nạp cũng
như tăng độ bền cho acquy.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
3.1.Đối tượng nghiên cứu
Căn cứ vào mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, đề tài xác định được đối

1


tượng nghiên cứu cụ thể đó là: (1) Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của
bình Lithium-ion, các thiết bị hỗ trợ quá trình nạp acquy, (2) Vi điều
khiển ATmega 16L thuộc họ AVR phục vụ điều khiển cho quá trình nạp, (3)

Một số khâu phụ trợ khác hỗ trợ quá trình điều khiển của mạch.
3.2.Phạm vi nghiên cứu
Về mặt nội dung:
- Nạp acquy 310V,10A.
- Điều khiển quá trình nạp.
Về mặt thời gian: Toàn bộ thời gian nghiên cứu và chế tạo mạch được
thực hiện trong khoảng thời gian 3 tháng từ khi nhận đề tài.
4.Phương pháp nghiên cứu khoa học
- Khảo sát hoạt động phóng nạp của acquy axit.
- Xây dựng quy trình nạp acquy.
- Thiết kế mạch công suất nạp acquy.
5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Ý nghĩa khoa học
- Mạch tự động điều khiển quá trình nạp acquy với thời gian ngắn và chất lượng
acquy được duy trì ở mức cao.
- Đề xuất cấu trúc mạch công suất cho điều khiển nạp acquy
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Thử nghiệm: Xây dựng thành công mạch nạp acquy 331V, 10A cho ô tô
điện

2


CHƯƠNG 1 : GIỚI THIỆU CÔNG NGHỆ NẠP ACQUY
1.1

Cấu trúc chung của một bình Acquy

Acquy là nguồn cung điện một chiều cho các thiết bị điện trong công nghiệp
cũng như trong đời sống hàng ngày. Có nhiều loại acquy nhưng phổ biến và

thường gặp trong thực tế là acquy chì axít và Acquy Lithium-ion
Cấu trúc của một acquy đơn gồm có phân khối bản cực dương, phân khối bản
cực âm, các tấm ngăn.

Phân khối bản cực do các bản cực cùng tên ghép lại với nhau. Cấu tạo của
một bản cực trong acquy gồm có phần khung xương và chất tác dụng trát lên nó.
Khung xương của bản cực âm và bản cực dương có cấu tạo giống nhau,
chúng được đúc từ chì và có pha thêm 5 ÷ - 8% ăngtimoang (Sb) và tạo hình mắt
lưới. Phụ gia Sb thêm vào chì sẽ làm tăng độ dẫn điện và cải thiện tính đúc.
Trong thành phần chất tác dụng còn có thêm khoảng 3% chất nở (các muối
hưu cơ) để tăng độ xốp, độ bền của lớp chất tác dụng. Nhờ tăng độ xốp mà cải
thiện được độ thấm sâu của chất dung dịch điện phân vào trong lòng bản cực,
đồng thời diện tích thực tế tham gia phản ứng hoá học của các bản cực
cũng được tăng thêm.
Phần đầu của mỗi bản cực có vấu, các bản cực dương của mỗi acquy đơn
được hàn với nhau tạo thành khối bản cực dương, các bản cực âm được hàn với
nhauthành khối bản cực âm. Số lượng các bản cực trong mỗi acquy. Số lượng
3


các bản cực trong mỗi acquy thường từ 5÷8, bề dầy tấm bản cực dương của
acquy thường từ 1,3÷1,5mm, bản cực âm thường mỏng hơn 0,2÷0,3mm. Số bản
cực âm trong acquy thường nhiều hơn số bản cực âm một bản nhằm tận dụng
triệt để diện tích tham gia phản ứng của các bản cực.
Tấm ngăn được bố trí giữa các bản cực âm và dương có tác dụng ngăn cách
và tránh va đập giữa các bản cực. Tấm ngăn được làm bằng vật liệu polyvinylclo bề dày 0,8÷1,2 và có dạng lượn sóng, trên các bề mặt tấm ngăn có các
lỗ cho phép dung dịch điện phân thông qua.
Acquy là nguồn năng lượng có tính chất thuận nghịch: nó tích trữ năng
lượng dưới dạng hoá năng và giải phóng năng lượng dưới dạng điện năng.
Quá trình acquy cấp điện cho mạch ngoài được gọi là quá trình phóng điện,

quá trình acquy dự trữ năng lượng được gọi là quá trình nạp điện
1.2

Phân loại Acquy

Cho đến nay có rất nhiều loại acquy khác nhau được sản xuất tuỳ thuộc vào
những điều kiện yêu cầu cụ thể của từng loại máy móc, dụng cụ, điều kiện làm
việc. Cũng như những tính năng kinh tế kỹ thuật của acquy có thể liệt kê một số
loại sau:
- Acquy chì (acquy axit)
- Ac quy kiềm
- Ac quy không lamen và acquy kiềm
- Ac quy kẽm-bạc
- Acquy lithium - ion
Tuy nhiên trên thực tế acquy Lithium ion và acquy kiềm được sử dụng với công
dụng tốt hơn thời gian sử dụng lâu hơn cường độ nạp chịu được tác dụng của
dòng điện cao hơn,
+ Một số ưu điểm của Acquy Lithium-ion như sau
-

Chúng nhẹ hơn những kiểu Pin nạp lại được với cùng kích thước . Những điện
cực của Pin Lithium-Ion được làm bằng vật liệu nhẹ hơn là Lithium và Carbon .
Lithium cũng là nguyên tố phản ứng hoá học mạnh , có nghĩa là có nhiều năng
lượng được lưu trữ trong trạng thái nguyên tử của nó . Sự chuyển đổi của nó
mang lại mật độ năng lượng rất cao trong Pin Lithium-Ion .
Đây là phép so sánh về mật độ năng lượng : Pin Lithium-Ion thông thường có
thể lưu trữ 150W-giờ / kg mặc dù đa số trong đó có thể chỉ đạt được 60-70 Wgiờ . Trong khi đó Pin dựa trên thành phần cơ bản là Acid chỉ đạt được 25Wgiờ/kg . Điều đó có nghĩa là dùng 6kg Pin dựa trên thành phần cơ bản là Acid có
cùng năng lượng với 1kg Pin Lithium-Ion . Đó là điều khác nhau lớn nhất .

-

Chúng giữ được mức năng lượng điện khi nạp . Pin Lithium-Ion mất 5% mức
năng lượng / tháng , trong khi đó Pin NiMH mất 20% mức năng lượng/tháng .
4


-

Chúng không có “hiệu ứng nhớ” , điều đó có nghĩa là bạn không cần phải
dùng hết Pin mới được sạc lại như một số Pin hoá học khác .
Pin Lithium-Ion có tuổi thọ hàng nghàn chu kì sạc điện .

Điều đó không có nghĩa rằng Pin Lithium – Ion không có điều không thuận
tiện . Chúng cũng có một vài điều bất hợp lí như :
Chúng giảm giá trị ngay khi rời khỏi hãng sản xuất . Chúng chỉ có tuổi
thọ từ hai đến ba năm sau khi sản xuất mặc dù cho bạn có dùng hay không
sử dụng đến nó .
- Chúng dễ bị tổn thương bởi nhiệt độ . Sức nóng là nguyên nhân để Pin
Lithium-Ion thoái hoá .
- Nếu bạn hoàn toàn không sạc lại Pin Lithium-Ion , nó sẽ bị hỏng . Điều
này cũng tương tự như Pin dựa trên NiCd.
- Pin Lithium-Ion phải có mạch quản lí On-board bên trong máy tính .
Mạch này cũng tăng giá thành thiết bị .
- Có một sự tình cờ nào đó , Pin Lithium-Ion bị lỗi , nó sẽ gây cháy thành
ngọn lửa
1.3 Acquy Lithium-ion
1.3.1 Các đặc tính của Acquy Lithium-ion
-

Hình 1.2: Đặc tính nạp của acquy Li-ion

Ắc quy Li-ion là loại ắc quy được sử dụng rất nhiều trong các thiết bị như
điện thoại di động, máy tính xách tay, xe điện, … Khác với ắc quy axit-chì, ắc
quy Li-ion đắt tiền hơn nhưng bù lại, nó có tuổi thọ dài hơn, khối lượng nhẹ
hơn, thể tích nhỏ hơn và cho phép nạp với tốc độ nhanh hơn rất nhiều. Do bản
5


chất hóa học đặc biệt nên ắc quy Li-ion có quy trình sạc riêng, không giống các
loại ắc quy khác.
Hình 1.2 mô tả 2 giai đoạn sạc ắc quy Lithium-ion tiêu chuẩn gồm: Sạc
ổn dòng, sạc ổn áp. Trong quá trình sạc ổn dòng, dòng điện được giữ không đổi.
Dòng điện sạc càng lớn, quá trình sạc ổn dòng càng ngắn nhưng quá 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 acquy. Trong quá trình sạc cần
theo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho acquy bốc cháy
hoặc phát nổ. Thông thường, nhiệt độ không nên vượt quá 450C. Một số ắc quy
Li-ion sử dụng công nghệ Lithium-Ferro-Phophat (LiFePO4) có thể đẩy nhiệt độ
khi sạc lên đến 600C. Một số bộ sạc nhanh (quick charge) chỉ thực hiện bơm
dòng ổn định vào acquy (sạc ổn dòng) do đó, giới hạn về nhiệt độ lớn hơn đồng
nghĩa với việc dòng điện sạc lớn hơn hay thời gian sạc nhanh sẽ ngắn hơn.
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 ắc quy lúc đầy, bộ sạc kết thúc quá trình sạc
ổn dòng và chuyển sạc chế độ sạc ổn áp. Toàn bộ thời gian sạc ổn dòng thường
kéo dài tối đa khoảng 1h (tùy thuộc vào dung lượng còn lại ban đầu của ắc quy).
Kết thúc quá trình sạc ổn dòng, dung lượng ắc quy đã phục hồi được khoảng
70%. Trong nhiều trường hợp (quick-charge) người ta có thể đem sử dụng ngay
(phương pháp “charge-and-run”). Điều này mặc dù làm giảm bớt thời gian sạc
đồng thời làm cho thiết kế của bộ sạc đơn giản hơn rất nhiều nhưng mặt khác sẽ
làm giảm tuổi thọ acquy. Để đảm bảo tuổi thọ của acquy theo đúng thông số nhà
sản xuất đưa ra, người ta thường phải tiến hành cả giai đoạn sạc ổn áp - thường

mất thời gian hơn rất nhiều so với giai đoạn sạc ổn dòng.
Trong chế độ sạc ổn áp, điện áp sạc thường được giữ không đổi bằng
4,2V/cell. Do dung lượng của ắc quy 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 ắc quy đạt khoảng 99%.
Khác với ắc quy acid-chì, ắc quy Li-ion không cần và không được phép
duy trì áp sạc sau khi ắc quy đã đầy (dòng điện sạc giảm nhỏ hơn 3%C) vì tính
chất của ắc quy Li-ion không cho phép over-charge; nếu vẫn cố over-charge có
thể sẽ làm nóng ắc quy và gây ra nổ. Ngoài ra, theo các chuyên gia, không nên
sạc acquy Li-ion vượt quá 100% dung lượng vì như vậy sẽ làm giảm tuổi thọ
của ắc quy.
Nếu acquy được sạc đầy, sau khi ngừng sạc, điện áp hở mạch của ắc quy
sẽ giảm dần về mức ổn định khoảng 3,6 - 3,9V/cell. Trái lại, nếu chỉ sạc nhanh
(sạc ổn dòng) thì sau khi ngừng sạc, áp ắc quy sẽ giảm sâu hơn về khoảng 3,3 3,5V.
Do ắc quy Li-ion cũng có tính chất tự phóng điện khi không sử dụng (selfdischarge) nên trong một số trường hợp, để điền đầy ắc quy, ngoài việc sử dụng
quá trình ổn dòng, ổn áp, người ta thường kết hợp thêm kỹ thuật sạc xung ngắn.
Chẳng hạn, khi áp ắc quy đạt 4,2V/cell, quá trình sạc sẽ dừng ngay. Lúc này,
điện áp pin sẽ giảm dần; khi điện áp ắc quy giảm còn 4,05V/cell hệ thống sạc lại
tiếp tục đóng áp sạc 4,2V/cell vào để tiếp tục quá trình sạc áp. Việc đóng cắt như
6


vậy sẽ được diễn ra liên tục. Nhờ vậy, điện áp ắc quy được giữ ổn định trong
khoảng 4,05 – 4,2V/cell, do đó, làm ắc quy được nạp sâu hơn, tránh được hiện
tượng over-charging và kéo dài tuổi thọ ắc quy.
1.3.2 Trạng Thái làm việc của Acquy Lithium-ion
Có nhiều Pin Lithium-Ion bên trong Ắc quy và có nhiều các hình dạng và kích
thước , nhưng bên trong chúng thì như nhau .
Những Pin Lithium-Ion có thể hình trụ nhìn tương tự như một Pin AA hoặc
chúng như hình lăng trụ có nghĩa là chúng hình vuông hoặc hình chữ nhật .

Trong máy tính của chúng ta sẽ bao gồm các thành phần sau :
-

Một hoặc nhiều cảm biến nhiệt (temperature sensor ) để theo dõi nhiệt
độ của Ắc quy
Bộ chuyển đổi điện áp và mạch điều chỉnh (voltage converter and
regulator circuit ) để duy trì mức độ an toàn của điện áp và dòng điện .
Kết nối máy tính được bảo vệ ( notebook connector ) cho phép công suất
và luồng thông tin vào và ra của Ắc quy.
Theo dõi điện áp ( voltage tap ) để theo dõi dung lượng riêng của mỗi Pin
nhỏ bên trong Ắc quy .
Theo dõi trạng thái nạp điện của Ắc quy (battery charge state
monitor ) , là một máy tính nhỏ để điều khiển tất cả quá trình nạp để chắc
chắn rằng Ắc quy được nạp nhanh chóng và đầu đủ nhất có thể được .

Nếu Ắc quy quá nóng trong quá trình nạp hoặc đang sử dụng , máy tính sẽ giảm
dòng điện để giảm nhiệt độ xuống . Nếu bạn dùng máy tính trên xe ô tô mà đang
nóng , máy tính này có thể ngăn bạn dùng máy tính cho tới khi nhiệt độ của nó
hạ xuống . Nếu những Pin nhỏ hoàn toàn phóng hết điện , Ắc quy sẽ đóng lại
nếu không thì những Pin nhỏ trong đó bị hỏng . Nó sẽ gửi thông tin tới máy tính
yêu cầu phải nạp điện vào Pin . Mạch điều khiển của Ắc quy cũng như là một
máy tính nhỏ và tiêu thụ mức năng lượng 5% / tháng khi Pin ở trạng thái nghỉ .

7


CHƯƠNG 2. BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC
2.1. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU
2.1.1. Khái quát về bộ xung áp một chiều
Bộ xung áp một chiều (bộ biến đổi áp một chiều) sử dụng các ngắt bán dẫn dùng

để biến đổi điện áp một chiều thành một chuỗi các xung áp, nhờ đó sẽ thay đổi
được trị số điện áp đầu ra.

Hình 2.1. Bộ xung áp một chiều.
Bộ xung áp một chiều có chức năng biến đổi điện áp một chiều, nó có ưu
điểm là có thể thay đổi điện áp trong một phạm vi rộng với hiệu suất của bộ biến
đổi cao và tổn thất của bộ biến đổi chủ yếu trên các phần tử đóng cắt rất nhỏ.
So với các phương pháp thay đổi điện áp một chiều để điều chỉnh tốc độ
động cơ một chiều như phương pháp điều chỉnh bằng biến trở, bằng máy phát
một chiều, bằng bộ biến đổi có khâu trung gian xoay chiều, bằng chỉnh lưu có
điều khiển... thì phương pháp dùng mạch băm xung có nhiều ưu điểm đáng kể:
điều chỉnh tốc độ và đảo chiều dễ dàng, tiết kiệm năng lượng, kinh tế và hiệu
quả cao, đồng thời đảm bảo được trạng thái hãm tái sinh của động cơ.
Cùng với sự phát triển và ứng dụng ngày càng rộng rãi các linh kiện bán
dẫn công suất lớn đã tạo nên các mạch băm xung có hiệu suất cao, tổn thất nhỏ,
độ nhạy cao, điều khiển trơn tru, chi phí bảo trì thấp, kích thước nhỏ

8


Điện áp trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù
điện áp đầu vào có thể là hằng số (acquy, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh
lưu), tải có thể thay đổi.
2.1.2. Phương pháp điều chỉnh điện áp ra
Điện áp trung bình đầu ra sẽ được điều khiển theo mức mong muốn mặc dù
điện áp đầu vào có thể là hằng số (acquy, pin) hoặc biến thiên (đầu ra của chỉnh
lưu), tải có thể thay đổi.
2.1.2. Phương pháp điều chỉnh điện áp ra
a) Phương pháp thay đổi độ rộng xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi t1, giữ nguyên T suy ra giá trị

trung bình của điện áp ra khi thay đổi độ rộng là:
(2.1)
Trong đó đặt: là hệ số lấp đầy, còn gọi là tỉ số chu kỳ
Như vậy theo phương pháp này thì dải điều chỉnh của Ura là rộng (0<).
b) Phương pháp thay đổi tần số xung
Nội dung của phương pháp này là thay đổi T, còn t1=const. Khi đó:
(2.2)
Vậy khi
khi f=0
Ngoài ra có thể phối hợp cả hai phương pháp trên. Thực tế phương pháp
biến đổi độ rộng xung được dùng phổ biến hơn vì đơn giản hơn, không cần thiết
bị biến tần đi kèm.
2.2. BỘ BĂM ÁP NỐI TIẾP
Bộ băm áp nối tiếp hay còn gọi là bộ biến đổi xung áp một chiều, là bộ biến
đổi mà trong đó, van chuyển mạch tạo ra các xung điện áp mắc nối tiếp với tải.
Biên độ của các xung điện áp này chính bằng giá trị biên độ điện áp nguồn.
Sơ đồ nguyên lý:
Việc điều khiển van chuyển mạch được thực hiện theo chu kỳ lặp lại và
được gọi là chu kỳ đóng cắt, hay tần số đóng cắt. Tùy vào khả năng đáp ứng của
van bán dẫn sử dụng mà tần số đóng cắt có thể từ vài kHz tới vài trăm kHz,
thậm chí có thể lên tới cấp MHz.
Hoạt động:
Bộ biến đổi xung hoạt động theo chu kỳ đóng cắt van chuyển mạch. Khi
van dẫn, tải được nối với nguồn và điện áp trên tải là UI. Khi van ngắt, tải bị
ngắt khỏi nguồn, điện áp trên tải là 0. Đồ thị điện áp tải như Hình 2.3. Trong
một chu kỳ đóng cắt, thời gian van dẫn là t1, thời gian van ngắt là t2. Chu kỳ
đóng cắt van là: TCK = t1+ t2. Tần số đóng cắt van là:
Nếu gọi , thì điện áp ra của bộ biến đổi được xác định là: U0=D.UI . .Với tải có
tính chất thuần trở thì đồ thị dòng và áp trùng pha. Nếu tải có tính chất cảm
kháng thị đồ thị dòng và áp có sự lệch pha nhau bởi tính chất duy trì dòng điện

của cuộn cảm như trong (Hình 2.4) dưới đây. Dòng điện sẽ dao động quanh một
giá trị trung bình và có thể không về 0 (liên tục).
Biên độ dao động của dòng điện (imax-imin) được xác định theo công thức:
9


Như vậy, sự dao động dòng điện tải phụ thuộc vào nguồn điện, độ rộng xung
điện áp, tần số chuyển mạch và cuộn cảm L. Với UI, D và L là yếu tố bắt buộc
theo yêu cầu thì để hạn chế sự dao động dòng điện tải ta phải nâng tần số chuyển
mạch lên. Điều này giải thích tại sao tần số chuyển mạch của bộ băm áp nối tiếp
lại cao đến hàng kHz.
2.3. BỘ BIẾN ĐỔI XUNG ÁP MỘT CHIỀU GIẢM ÁP [4]
Bộ biến đổi giảm áp là một cải tiến của bộ băm áp nối tiếp. Gồm các thành
phần: một van chuyển mạch, một diode, một cuộn cảm và một tụ điện lọc đầu
ra.
Sơ đồ nguyên lý:

10


Hình 2.5. Bộ biến đổi xung áp giảm áp.
(a) Sơ đồ nguyên lý mạch.
(b) Sơ đồ tương đương khi chuyển mạch ON và diode OFF.
(c) Sơ đồ tương được khi chuyển mạch OFF và diode ON.
Van chuyển mạch thường được sử dụng là MOSFET công suất bởi khả năng
đóng cắt ở tần số cao của nó. Ngoài ra cũng có thể sử dụng các loại van
công suất khác như: BJT, IGBT,...
Diode D1 được gọi là diode hãm (catch diode). Diode D1 và chuyển mạch S sẽ
luân phiên dẫn dòng trong bộ giảm áp.
Việc điều khiển đóng mở chuyển mạch S được thực hiện bởi bộ điều chếđộ rộng

xung (PWM) với tần số đóng cắt là , D là chu kỳ nhiệm vụ được xác định là:
Với tON là thời gian van S dẫn và tOFF là thời gian van S ngắt. Do điện áp cực
gate của van không được so sánh với đất nên trong điều khiển van cần chú ý tới
nguồn điều khiển. Với các ứng dụng thông thường thì điện áp ra được yêu cầu
ổn định ở một giá trị. Tuy nhiên, khi điện áp vào hoặc tải thay đổi thì sẽ làm
thay đổi giá trị điện áp ra UO nên để giữ UO ổn định thì chu kỳ nhiệm vụ D sẽ
được điều chỉnh tương ứng để giữ cho UO được ổn định. Điện áp ra của bộ giảm
áp luôn nhỏ hơn điện áp vào nên còn có tên khác là bộ Step-down Converter.
Hoạt động:
Bộ giảm áp có thể hoạt động trong chế độ cuộn cảm dẫn dòng liên tục
(Continuous Conduction Mode, CCM) hoặc cuộn cảm dẫn dòng gián đoạn
(Discontinuous Conduction Mode, DCM). Khi bộ biến đổi hoạt động ở biên
giữa hai chế độ CCM/DCM, được gọi là chế độ tới hạn (Critical mode). Nguyên
lý hoạt động của bộ biến đổi trong chế độ CCM được diễn tả bằng các đồ thị
điện áp và dòng điện theo thời gian như trong (Hình 2.6).

11


12


Hình 2.6. Đồ thị lý tưởng dòng điện và điện áp bộ giảm áp.
Tại thời điểm t=0, van S được kích mở và bắt đầu dẫn dòng. Điện áp đặt
lên diode D1 là UD= -UI, làm cho diode bị phân cực ngược. Điện áp đặt lên
cuộn cảm L là UL= UI–UO và dòng điện chạy qua cuộn cảm tăng tuyến tính với
hệ số
(UI – UO)/L. Do van S và cuộn L mắc nối tiếp với nhau nên iS= iL. Trong
suốt thời gian mà van dẫn, năng lượng được truyền từ nguồn đầu vào tới cuộn
cảm, tụ điện và tải. Khi t = DT, van S ngừng dẫn.

Khi van ngừng dẫn, dòng điện chạy qua cuộn cảm vẫn khác 0 do cuộn cảm
có tính chất ổn định dòng điện theo thời gian.Vậy nên, dòng điện trong cuộn
cảm sẽ tiếp tục chạy theo hướng cũ sau khi van ngừng dẫn. Lúc này, cuộn cảm L
hoạt động như một nguồn dòng và làm cho diode hoạt động dẫn dòng.
Điện áp đặt lên van S là UI và điện áp đặt lên cuộn L là -UO. Dòng điện
chạy qua cuộn cảm giảm tuyến tính theo hệ số -UO/L. Trong khoảng thời gian
này, nguồn điện UI sẽ bị ngắt kết nối với mạch và không truyền năng lượng cho
tải và mạch LC. Cuộn cảm L và tụ điện C có cấu trúc như một nguồn năng
lượng duy trì điện áp tải và dòng điện khi van S ngắt. Tại thời điểm t = T, van S
được kích mở trở lại, dòng điện trong cuộn cảm lại được tăng lên và năng lượng
cũng vậy.
Các van công suất S và diode D1 biến đổi điện áp vào một chiều thành
dạng xung vuông để làm đầu vào cho mạch L – C – RL. Hay chính là điện áp
vào UI đã bị băm xung bởi bộ chuyển mạch transistor - diode. Còn mạch L-CRL hoạt động như một mạch thứ cấp với bộ lọc thông thấp và chuyển đổi điện
áp xung vuông thành điện áp ra một chiều có dao động nhỏ.
Ở trạng thái ổn định, điện áp rơi trung bình trên cuộn cảm coi như bằng 0.
Và điện áp ra trung bình UO là bằng điện áp trung bình của xung vuông. Độ
rộng của xung điện áp chính là khoảng thời gian van S dẫn. Và được điều khiển
bằng việc thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D của điện áp điều khiển van S.
13


Giá trị trung bình của giá trị điện áp ra là UO= D.UI, giá trị này phụ thuộc vào
chu kỳ nhiệm vụ D và gần như độc lập với tải trong chế độ CCM. Về lý thuyết,
chu kỳ nhiệm vụ thay đổi từ 0 tới 100%. Có nghĩa là điện áp ra UO nằm trong
dải từ 0 tới UI. Trong thực tế, điện áp vào UI thay đổi trong một khoảng xác
định trong khi điện áp ra UO được yêu cầu giữ ở một giá trị cố định.
Nếu điện áp vào UI tăng thì D phải giảm để sao cho tích số D.UI, cũng chính là
điện áp ra trung bình là hằng số. Và ngược lại, khi UI giảm thì phải tăng 22
D để giá trị điện áp ra trung bình vẫn là hằng số. Như vậy, toàn bộ năng lượng

từ nguồn vào UI tới tải có thể được điều khiển bằng việc thay đổi thời gian van
S dẫn hay thay đổi chu kỳ nhiệm vụ D. Nếu điện áp ra UO và dòng tải IO là
hằng sốthì công suất phát ra cũng là hằng số. Khi điện áp vào UI tăng thì thời
gian van S dẫn phải giảm để năng lượng truyền đi được như cũ. Thực tế thì D
thường thay đổi trong dải từ 5% tới 95% toàn chu kỳ.
Chu kỳ nhiệm vụ D được điều chỉnh bởi mạch điều khiển. Dòng điện chạy trong
cuộn cảm L bao gồm một thành phần dòng xoay chiều. Thành phần này là độc
lập với dòng điện tải IO. Với dòng ra IO một chiều chạy trong cuộn cảm L thì
lõi ferrit của cuộn cảm chỉ hoạt động ở một nửa của đường từ trễ. Do vậy, cuộn
cảm L nên được thiết kế để lõi không bị bão hòa. Để lõi tránh bão hòa, lõi quấn
nên có một khe khí đủ độ rộng.

14


CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG NẠP ACQUY 330V – 10A
3.1 Giới thiệu chung về phần mềm PSIM
3.1.1 Khái niệm chung về PSIM
Để mô phỏng các mạch điện công suất hiện nay chúng ta có thể sử dụng rất
nhiều phần mềm khác nhau như MATLAB, TINA, PSPICE ,,, Mỗi phần mềm
có những ưu điểm khác nhau và cũng có những nhược điểm nhất định . Để mô
phỏng cho mạch acquy 310v – 10A thì phần mềm tối ưu nhất có thể lựa chọn đó
là phần mềm PSIM theo nhiều kỹ sư đã sử dụng và đánh giá thì phần mềm
PSIM có dung lượng nhẹ dễ sử dụng thích hợp cao đối với mạch điện công suất
3.1.2 Cấu tạo các chương trình trong PSIM
PSIM bao gồm 3 chương trình chính sau
PSIM Schmatic

PSIM simulator

SIMVIEW
Hình 3.1 các quá trình mô phỏng trên PSIM
PSIM Schmatic : Chương trình thiết kế mạch
PSIM simulator : Chương trình mô phỏng mạch
SIMVIEW

: Chương trình hiển thị đồ thị sau khi mô phỏng

15


Để biểu diễn mạch điện trên PSIM gồm các khối sau
Power circuit

Switch
Controllers

Sensors

Control circuit

Hình 3.2 các bước biểu diễn một mạch điện trên PSIM
Power circuit

: mạch động lực

Sensors

: cảm biến

Switch controllers

: bộ điều khiển chuyển mạch

Control circuit

: mạch điều khiển

Mạch động lực gồm các van bán dẫn công suất , các phần tử RLC , máy
biến áp lực và cuộn cảm biến san bằng
Mạch điều khiển sẽ được biểu diễn bằng các sơ đồ khối , bao gồm các phần
tử trong miền S , miền Z, các phần tử logic ( các cổng logic, flip-flop ) và các
phần tử phi tuyến ( bộ chia )
Các phần tử cảm biến sẽ đo các giá trị điện áp , dòng điện trong mạch động
lực để đưa về mạch điều khiển , sau đó mạch điều khiển sẽ cho các tín hiệu điều
khiển đến bộ điều khiển để điều khiển quá trình đóng cắt các van bán dẫn trong
mạch lực.
3.1.3 Khởi động chương trình PSIM
Khi khởi động chương trình PSIM thì Psim schematic sẽ khởi động đầu
tiên , vào file
New chương trình sẽ suất hiện như sau :

16


3.2.Mạch công suất nạp Acquy
3.2.1 Chọn diode chỉnh lưu
Dòng điện hiệu dụng qua diode đạt cực đại khi điện áp đầu vào cực tiểu,
ứng với hệ số điều tần cực tiểu Fx = Fx,min = 0,65. Thay vào :

- Điện áp ngược tối đa đặt lên các diode:

 Chọn 04 diode kép STTH60L06CW của hãng ST có các thông số cơ bản
được mô tả trong bảng 3.3.
TT Tham số
Ký hiệu
Giá trị Đơn vị
1
Dòng điện thuận cực đại
IF
60
A
2
Điện áp ngược cực đại
VRRM
600
V
o
3
Nhiệt độ làm việc cực đại
TJ
175
C
4
Điện áp rơi thuận
VF
1,0
V
5
Thời gian phục hồi

trr
65
ns
3.2.2 Chọn van MOSFET
Dòng điện hiệu dụng qua các van MOSFET đạt cực đại khi điện áp đầu vào
cực tiểu, ứng với hệ số điều tần cực tiểu Fx = Fx,min = 0,65.

 Chọn van MOSFET loại STW78N65M5 của hãng ST có các thông số cơ bản
cho trong bảng 3.4
ST
Tham số
Ký hiệu
Giá trị
Đơn vị
T
1
Dòng điện cực máng cực đại
ID
69
A
2
Điện áp đánh thủng
VBR,DSS
650
V
3
Điện trở tĩnh
RDS(on)
24
mΩ

4
Tụ ký sinh đầu ra
Coss
210
pF
5
Thời gian trễ đóng
ton
217
ns
6
Thời gian trễ cắt
toff
504
ns
7
Điện áp rơi trên body diode
VSD
1,5
V
3.2.3 Thiết kế cuộn kháng
Cuộn kháng được thiết kế theo phương pháp hệ số hình dáng Ap [x] và
được xác định theo (4.20):

trong đó: Kf là hệ số hình dáng của điện áp. Kf = 4,0

17


Công suất biểu kiến trao đổi qua cuộn kháng gần như không phụ thuộc vào hệ số

điều tần:

Từ (4.20) và (4.21):

Hệ số hình dáng và mật độ từ thông đạt cực đại khi điện áp đầu vào cực tiểu,
ứng với hệ số điều tần cực tiểu Fx = Fx, min = 0,65. Thay vào :

Chọn lõi ETD49/25/16 của hãng Ferrox Cube có thông số cơ bản cho trong bảng
3.5.
Bảng 3.5. Các thông số cơ bản của lõi ETD49/25/16
ST Tham số
T
1
Tiết diện trụ
2
Diện tích cửa sổ
3
Chiều cao dây quấn
4
Chu vi vòng dây trung bình
5
Hệ số hình dáng
6
Khối lượng lõi
7
Hệ số điện cảm
- Số vòng dây :

- Hệ số điện cảm:

- Chiều dài khe hở không khí:

- Hệ số điện cảm:

- Mật độ từ thông xoay chiều tính toán:

18

Ký hiệu

Giá trị Đơn vị

Ac
Wa
G
MLT
Ap
m
AL

211
273
35,4
85
57603
124
4200

mm2
mm2

mm
mm4
g
nH/n2


- Chọn tỷ lệ giữa điện trở một chiều và điện trở xoay chiều của dây quấn bằng 1:

Chọn dây AWG #29 của BCWires có thông số cho trong bảng 3.6:
TT
1
2

Tham số
Đường kính ngoài
Tiết diện lõi

Ký hiệu
d
Ab

3

Tiết diện ngoài

Aw

4
Mật độ điện trở
dòng điện hiệu dụng cực đại:

Res

- Số dây chập song song :

- Hệ số lấp đầy tính toán:

Do Ku, cal = 0,11 < Ku = 0,29 ĐẠT
- Chiều dài dây quấn :

- Điện trở dây quấn sơ cấp:

- Tổn hao đồng:

- Tổn hao sắt:

- Tổn hao tổng:

3.2.3 Chọn tụ lọc
- Điện áp cực đại trên tụ:

 Chọn tụ Nichlrmicom có thông số mô tả trong bảng 3.7.
19

Giá trị
0,33
0,064
7
0,085
5

266,4

Đơn vị
mm
mm2
mm2


TT
1
2
3

Bảng 6.8. Các thông số cơ bản của tụ
Tham số
Ký hiệu
Điện dung danh định
Cr
Hệ số góc tại tần số 100kHz
Điện áp danh định
V

Giá trị Đơn vị
800
uF
0,6%
450
VAC

Nội trở của tụ tại tần số 10kHz =127(m

Hình 3.8. Sơ đồ bố trí linh kiện mạch công suất

Hình 3.9. Đi dây mạch công suất

20


Hình 3.10. Sơ đồ mặt trên mạch lực

21


3.3.mạch điều khiển
3.3.1. Mạch tạo điện áp DC và phản hồi điện áp

Hình 3.11. Mạch tạo điện áp DC
Điện áp DC đầu vào từ điện áp xoay chiều một pha của lưới hạ áp 220V50Hz bằng một cầu chỉnh lưu 15A và tụ 300 – 450V. Một hệ thống nạp mềm
cho tụ DC bằng điện trở và Relay được sử dụng nhằm giảm dòng nạp tụ. Ban
đầu, điện áp trên tụ thấp cho nên Relay không đóng, tụ được nạp với dòng nhỏ
qua điện trở 4,7k khiến điện áp tăng dần. Khi điện áp trên tụ lớn hơn điện áp hút
của Relay, tiếp điểm của Relay đóng lại, nối ngắn mạch 2 đầu điện trở nạp mềm
khiến tụ được nạp với tốc độ nhanh hơn. Thời gian khởi động mềm của mạch
bằng:

Hình 3.12. Mạch phản hồi điện áp acquy
Điện áp DC đầu vào và đầu ra được phản hồi bằng các cách ly quang
PC817. Do đặc điểm của PC817 không tuyến tính cho nên cần thực hiện cân
chỉnh lại đặc tính phản hồi của tầng cách ly này. Các LED được mắc nối tiếp với
các diode của PC817 để báo có nguồn đầu vào/ra hay không. Bốn điện trở 33k

được mắc nối tiếp nhau và nối tiếp với Detector của cách ly quang để giảm bớt
dòng điện Detector và giảm bớt điện áp rơi trên mỗi điện trở. Đầu ra của các
cách ly quang được mắc kiểu hở Emitter và đưa vào tầng lọc và xử lý tín hiệu
đo. Khi điện áp DC đạt giá trị 400V, bỏ qua rơi áp trên các diode Detector và
LED, dòng qua phía Detector của các cách ly quang bằng:

22


Hình 3.13. Đặc tính truyền đạt dòng điện của PC817
Tại 3mA, hệ số truyền đạt dòng điện của PC817 bằng khoảng 1,1 lần. Khi
đó, điện áp tối thiểu đo được bên phía Emitter bằng:

Một biến trở VR102 được sử dụng để điều chỉnh điện áp phản hồi của cách
ly quang. Điện áp phản hồi sau đó được lọc qua mạch lọc RC có tần số cắt:

Các diode zenner Z3.3V được sử dụng để bảo vệ đầu vào analog của vi xử lý.

23


3.3.2 Mạch đo dòng điện
+5V

U 2A

14
c le a r

1

3

2
74H C 00
7

+5V
5

+5V

D 1
R 2

R 3

LM 393

3

+

2

U 2B

14

1

2
3
4

8

LEM

U 3A

1

4

-

6
5

R 13
R
+5V

C O N 4

R 4
AN 0
C 3

7

4

D 2
+5V

74H C 00

R 10

+5V

R 12
R
VR 1

C 4

O v C
Q 1
D 468

5

8

U 3B
5
6

7

4

+5V

LM 393
+

VR 2

Do dong

Bao ve qua dong

Hình 3.14. Mạch đo dòng điện
Thuyết minh hoạt động.
Dòng điện qua cảm biến hall được biến đổi thành điện áp trong khoảng 05V tương ứng với dòng điện trong khoảng-20A đến 20A. Điện áp này đã tương
thích với đầu vào của bộ biến đổi ADC trong vi điều khiển. IC U3A, U3B làm
nhiệm vụ so sánh dòng tải với giá trị đặt. Tín hiệu đầu ra của U21, U22 sẽ được
đưa tới khâu ADC của vi điều khiển, đồng thời đưa tới U2A, U2B so sánh dòng
đo được với giá trị dòng ngưỡng Max_th, Max_ng. Nếu dòng qua cảm biến lớn
hơn giá trị ngưỡng giới hạn theo chiều thuận hoặc giới hạn chiều ngược, U3A
hoặc U3B đảo trạng thái, Led tương ứng sẽ sáng lên để báo lỗi quá dòng, đồng
thời cắt tín hiệu cấp nguồn cho tải để đưa ắc quy về trạng thái an toàn.
Tính toán lựa chọn linh kiện
Chọn U3A, U3B là ic so sánh LM339 với nguồn làm việc 12V
Dải điện áp đầu ra của cảm biến dòng ACS712-20
Vout = 2,5 ± 0,1i p

(2.3)
Chọn VR1=10k, VR2=10k, R2=10k, R3=10kΩ
Chọn đầu ra của Lm339 từ 0-5,0V.
VR _ ib = (

Voutmax
5, 0
- 1) * R 217 = (
- 1) *10E3 = 6331(W)
Vinmax
3, 0616

(2.4)
Chọn biến trở VR_ib=10kΩ
Với Voutmax: điện áp cấp vào ADC lớn nhất=5,0 (V)
24


Vinmax: điện áp vào ADC =2,5+0,5616 (V)
Chọn tần số cắt mạch lọc bằng 10 kHz:

- Chọn tụ lọc:

- Điện trở lọc:
(2.5)
Chọn R10=2,2kΩ, R12=3,3kΩ
D1,D2=1n4148, C3=10nF
3.3.3. Mạch bảo vệ thấp áp, mạch tự động bật quạt làm mát và mạch nguồn
A_12V

1
2

D 17

1
2

J24
FAN

J34
FAN

SS24

D 18

R 51
330R

SS24

Q 21
N Z T560

Fan_EN
D 19

SS24

R 52
1k

O v e r_ H e a t

A_G N D
A_5V

A_5V

C 19
A_G N D

R 21
1k

V _ in _ S e n s

6

+

8

5

U 8B
LM 358
7

3
I n p u t _ D is a b le

-

2

+

D 10
LED R D Y

U 8A
LM 358
1

R 20

330R
4

4

V re f

8

103

A_G N D

U 14
1
C 22
22u
A_G N D

V IN

A_5V
G N D

R 26
2 2 R -1 W

2

A_12V

A_G N D

VO U T

3
C 23
22u

L 7 8 0 5 /T O 2 2 0

A_G N D

T it le
S iz e
A
D a te :

A_G N D

R 15

330R

D 9

LED PW R

C 24
103
A_G N D

A_G N D

V o lt a g e S e n s
D ocum ent N um ber
<D oc>
T h u rs d a y , N o v e m b e r 2 8 , 2 0 1 3

R ev
V01

Sheet

1

of

1

Hình 6.30. Mạch bảo vệ thấp áp, mạch tự động bật quạt làm mát và mạch nguồn
Mạch nguồn tạo ra nguồn 5V từ điện áp đầu vào 12V của adaptor. Nguồn
5V này dùng để cấp cho các mạch analog, mạch đệm và mạch đo dòng đầu ra
phụ tải. Nguồn 12V ngoài chức năng tạo ra nguồn 5V còn được sử dụng để cấp
cho mạch Driver ở trên.

25