Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin li-ion sử dụng công nghệ CMOS

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:126

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng. Đề xuất giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc hiệu năng cao. Cấu trúc mạch DC-DC kiểu giảm áp đảm bảo cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đạt hiệu suất cao và cải thiện được kích thước mạch thiết kế.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin li-ion sử dụng công nghệ CMOS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÀO GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠCH SẠC PIN LI-ION SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CMOS LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VĂN HÀO GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠCH SẠC PIN LI-ION SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CMOS Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. TS. PHẠM NGUYỄN THANH LOAN 2. PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC MINH Hà Nội – 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng các kết quả khoa học được trình bày trong quyển luận án này là kết quả nghiên cứu của bản thân tôi trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh và chưa từng xuất hiện trong công bố của các tác giả khác. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là chính xác và trung thực. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Tập thể hướng dẫn Tác giả luận án TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan Nguyễn Văn Hào PGS.TS. Nguyễn Đức Minh
ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến tập thể hướng dẫn TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan và PGS.TS. Nguyễn Đức Minh đã hướng dẫn và định hướng khoa học cho tôi trong suốt khóa học. Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Nguyễn Quang Tuấn cùng các thành viên của BKIC Lab đã hỗ trợ và cùng tôi thực hiện một số công việc thiết kế trong luận án này. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo, quý thầy cô và cán bộ trong Bộ môn Điện tử và Kỹ thuật máy tính, Viện Điện tử - Viễn thông và Viện Đào tạo Sau Đại học đã tạo các điều kiện thuận lợi về nơi học tập, nghiên cứu, các thủ tục hành chính và góp ý chuyên môn cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tác giả trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Quy Nhơn, Ban Lãnh đạo và các đồng nghiệp Khoa Kỹ thuật & Công nghệ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả được tập trung nghiên cứu trong thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ, động viên của các đồng nghiệp, nhóm Nghiên cứu sinh – Viện Điện tử Viễn thông đã dành cho tôi. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thành viên trong gia đình của tôi. Những người đã luôn động viên tinh thần và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian vừa qua. Đây cũng là động lực lớn nhất giúp tôi vượt qua những khó khăn và hoàn thành kết quả của luận án này. Tác giả luận án Nguyễn Văn Hào
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... II MỤC LỤC ........................................................................................................III DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... VI DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .............................................................................VIII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................ X DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................XIII MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 1 2. Mục tiêu, đối tượng, phương pháp và phạm vi nghiên cứu .......................... 4 3. Các kết quả đạt được của luận án .................................................................. 5 4. Cấu trúc của luận án ...................................................................................... 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠCH SẠC PIN LI-ION .............................. 8 1.1. Giới thiệu chương .......................................................................................... 8 1.2. Sơ lược về pin sạc Li-Ion .............................................................................. 8 1.2.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 8 1.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng pin Li-Ion ................................ 10 1.2.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ quá mức ................................ 10 1.2.2.2. Ảnh hưởng của hoạt động sạc/xả quá mức .................................. 11 1.2.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ sạc/xả nhanh ............................................ 12 1.2.3. Mô hình hoạt động của pin Li-Ion ....................................................... 12 1.2.3.1. Mô hình mạch tương đương ......................................................... 13 1.2.3.2. Mô hình mạch dựa trên thời gian chạy ........................................ 15 1.3. Phương thức sạc pin Li-Ion ......................................................................... 17 1.3.1. Phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi ................... 17 1.3.2. Phương thức sạc Boostcharging........................................................... 18 1.3.3. Phương thức sạc dòng điện không đổi nhiều pha ................................ 19 1.3.4. Phương thức sạc xung .......................................................................... 19
iv 1.3.5. Đánh giá các phương thức sạc ............................................................. 20 1.4. Cấu trúc thiết kế mạch sạc pin Li-Ion ......................................................... 22 1.4.1. Mạch sạc kiểu tuyến tính ..................................................................... 22 1.4.1.1. Cấu trúc ổn định kiểu tuyển tính .................................................. 22 1.4.1.2. Nguyên lý mạch sạc kiểu tuyến tính ............................................ 23 1.4.2. Mạch sạc kiểu chuyển mạch ................................................................ 24 1.4.2.1. Cấu trúc ổn định kiểu chuyển mạch ............................................. 24 1.4.2.2. Nguyên lý mạch sạc kiểu chuyển mạch ....................................... 30 1.5. Các mạch chức năng sử dụng trong thiết kế mạch sạc ................................ 31 1.5.1. Mạch gương dòng điện ........................................................................ 31 1.5.2. Mạch khuếch đại thuật toán ................................................................. 34 1.5.3. Mạch so sánh điện áp ........................................................................... 37 1.6. Kết luận chương .......................................................................................... 40 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI THIỆN HIỆU NĂNG CỦA MẠCH SẠC PIN LI-ION ................................................................ 41 2.1. Giới thiệu chương ........................................................................................ 41 2.2. Sơ đồ khối chức năng .................................................................................. 41 2.3. Thiết kế hệ thống ......................................................................................... 43 2.3.1. Nguồn dòng song song và mạch cảm biến dòng điện.......................... 43 2.3.1.1. Giải pháp thiết kế nguồn dòng song song .................................... 43 2.3.1.2. Mạch cảm biến dòng điện ............................................................ 45 2.3.2. Giải pháp thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc .............................. 46 2.3.3. Giải pháp thiết kế mạch tạo dòng điện/điện áp .................................... 48 2.3.3.1. Mạch tạo dòng điện tham chiếu ................................................... 48 2.3.3.2. Mạch tạo điện áp điều khiển ........................................................ 53 2.4. Lựa chọn và thiết kế các phần tử chức năng ............................................... 56 2.4.1. Mạch khuếch đại thuật toán OA .......................................................... 56 2.4.2. Mạch khuếch đại truyền dẫn OTA ....................................................... 58 2.4.3. Mạch so sánh điện áp có trễ ................................................................. 60 2.4.4. Mạch cổng logic ................................................................................... 62 2.5. Kết quả mô phỏng và thảo luận ................................................................... 63
v 2.5.1. Thiết lập mô hình mạch mô phỏng ...................................................... 63 2.5.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................ 65 2.6. Kết luận chương .......................................................................................... 69 CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MẠCH BIẾN ĐỔI DC-DC KIỂU GIẢM ÁP CHO MẠCH SẠC HIỆU NĂNG CAO .................................. 71 3.1. Giới thiệu chương ........................................................................................ 71 3.2. Giải pháp thiết kế hệ thống mạch sạc hiệu năng cao .................................. 71 3.3. Thiết kế mạch biến đổi DC-DC áp dụng cho mạch sạc pin Li-Ion ................ 72 3.3.1. Mạch biến đổi DC-DC với tải là mạch sạc .......................................... 72 3.3.2. Tính toán và thiết kế hệ thống.............................................................. 73 3.3.2.1. Mạch công suất ............................................................................ 73 3.3.2.2. Mạch điều chế độ rộng xung PWM ............................................. 76 3.3.2.3. Mạch bù tần số ............................................................................. 79 3.3.2.4. Mạch điều khiển chuyển mạch..................................................... 83 3.3.2.5. Mạch tạo xung răng cưa ............................................................... 85 3.3.2.6. Mạch dịch mức điện áp tham chiếu ............................................. 88 3.4. Tính ổn định của hệ thống ........................................................................... 89 3.5. Kết quả mô phỏng và thảo luận ................................................................... 94 3.5.1. Thiết lập mô hình mạch mô phỏng ...................................................... 94 3.5.2. Kết quả và thảo luận ............................................................................ 95 3.6. Đánh giá kết quả đạt được ........................................................................... 98 3.7. Kết luận chương .......................................................................................... 99 KẾT LUẬN ...................................................................................................... 101 Nội dung và các kết quả đạt được của luận án ................................................... 101 Đóng góp khoa học của luận án ......................................................................... 102 Hướng phát triển của luận án ............................................................................. 102 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 104
vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BC Boostcharging Boostcharging BCD Bipolar-CMOS-DMOS Thư viện công nghệ BCD BW Bandwidth Độ rộng băng tần C Capacity of the Battery Dung lượng pin Constant Current-Constant Dòng điện không đổi-Điện áp không CC-CV Voltage đổi CCM Continuous Conduction Mode Chế độ dẫn dòng liên tục CM Charge Mode Chế độ sạc Complementary Metal-Oxide CMOS Công nghệ CMOS Semiconductor CV Constant Voltage Điện áp không đổi D Duty Cycle Hệ số hoạt động DC Direct Current Dòng điện một chiều DC-DC Direct Current-Direct Curent Mạch DC-DC DCM Discontinuous Conduction Mode Chế độ dẫn dòng không liên tục EC Ethylene Carbonate Etylen cacbonat Electrochemical Impedance EIS Phổ tổng trở điện hóa Spectroscopy EOC End of Charge Kết thúc sạc FCDM Full Charge Detect Mode Chế độ phát hiện sạc đầy GM Gain Margin Dự trữ biên độ IC Integrated Circuit Mạch tích hợp LA Lead-Acid Chì-Axít LC Large Current Dòng điện lớn LDO Low Drop-Out Cấu trúc LDO Li-Ion Lithium-Ion Lithi-Ion LR Linear Regulator Bộ ổn định kiểu tuyến tính MSCC Multistage Constant Current Dòng điện không đổi nhiều pha
vii Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt NiCd Nickel-Cadmium Niken-Catmi NiMH Nickel-Metal-Hydride Niken-Kim loại-hyđrua OA Operational Amplifier Khuếch đại thuật toán Operational Transconductance OTA Khuếch đại truyền dẫn OTA Amplifier PC Pulse Charging Sạc xung PCB Printed Circuit Board Bản mạch in PE Polyethylene Polyetylen PM Phase Margin Dự trữ pha PP Polypropylene Polypropylen PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung SEI Solid-Electrode-Interphase Lớp phân ly SEI SM Search Mode Chế độ tìm kiếm SMPS Switching Mode Power Supply Nguồn cung cấp kiểu chuyển mạch SOC State of Charge Trạng thái sạc SWR Switching Regulator Bộ ổn định kiểu chuyển mạch TC Trickle Current Dòng điện nhỏ UBW Unity-Gain Bandwidth Độ rộng băng tần khuếch đại đơn vị Voltage-Controlled Voltage Nguồn áp được điều khiển bằng điện VCVS Source áp
viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt  Mobility of charge Độ linh động hạt dẫn điện  Power efficiency Hiệu suất công suất Channel length modulation  Tham số điều chế chiều dài kênh dẫn parameter CBatt -- Điện dung đặc trưng cho phần tử pin Cg Gate capacitance Điện dung cực cửa gm Transconductance parameter Tham số truyền đạt của MOS ICh Charging current Dòng điện sạc pin ICV -- Dòng điện tham chiếu chế độ sạc CV ID Drain current Dòng điện cực máng ILC -- Dòng điện tham chiếu chế độ sạc LC IO Oput current Dòng điện đầu ra IRef Reference current Dòng điện tham chiếu IS Sensing current Dòng điện cảm biến ITC -- Dòng điện tham chiếu chế độ sạc TC L Channel length Chiều dài kênh dẫn của MOS PI Input power Công suất đầu vào PLs Power losses Công suất tổn hao PO Output power Công suất đầu ra RDS Drain-Source resistance Điện trở giữa cực máng và cực nguồn Rg Gate resistance Điện trở cực cửa RS Series resistance Điện trở nối tiếp (nội trở của pin) Điện trở đặc trưng cho hoạt động đáp RTrans -- ứng tức thời của pin Li-ion TLi Loop gain Hàm khuếch đại vòng Ti Transfer function Hàm truyền đạt VARV Adaptive reference voltage Điện áp tham chiếu thích ứng VBatt Battery voltage Điện áp pin
ix Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt VDS Drain-Source voltage Điện áp giữa cực máng và cực nguồn VF Forward voltage Điện áp phân cực thuận của điôt VGS Gate-Source voltage Điện áp giữa cực cửa và cực nguồn VI Input voltage Điện áp đầu vào VO Ouput voltage Điện áp đầu ra VOCV Open circuit voltage Điện áp hở mạch VRef Reference voltage Điện áp tham chiếu VSOC -- Điện áp đặc trưng của SOC VT Threshold voltage Điện áp ngưỡng mở của MOS W Channel width Độ rộng kênh dẫn của MOS
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Chu trình hoạt động sạc/xả của pin Li-Ion [40]. ..................................... 9 Hình 1.2. Sơ đồ mạch của mô hình nội trở. .......................................................... 13 Hình 1.3. Sơ đồ mạch của mô hình Thevenin....................................................... 14 Hình 1.4. Sơ đồ mạch của mô hình trở kháng. ..................................................... 14 Hình 1.5. Mô hình mạch đơn giản dựa trên thời gian chạy [72]. ......................... 15 Hình 1.6. Mô hình mạch chính xác dựa trên thời gian chạy. ................................ 15 Hình 1.7. Phương thức sạc CC-CV....................................................................... 17 Hình 1.8. Phương thức sạc Boostcharging [76]. ................................................... 18 Hình 1.9. Phương thức sạc MSCC [77]. ............................................................... 19 Hình 1.10. Phương thức sạc xung PC [83]. ............................................................ 20 Hình 1.11. Cấu trúc mạch ổn áp kiểu tuyến tính .................................................... 22 Hình 1.12. Nguyên lý mạch sạc kiểu tuyến tính. .................................................... 23 Hình 1.13. Mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm điện áp. ........................................... 25 Hình 1.14. Mạch DC-DC hoạt động trong chế độ CCM. ....................................... 26 Hình 1.15. Mạch DC-DC hoạt động trong chế độ DCM. ....................................... 27 Hình 1.16. Cấu trúc mạch DC-DC với điều khiển vòng kín. ................................. 29 Hình 1.17. Nguyên lý mạch sạc kiểu chuyển mạch. ............................................... 30 Hình 1.18. Mạch gương dòng điện đơn giản. ......................................................... 32 Hình 1.19. Mạch gương dòng điện kiểu Cascode. .................................................. 33 Hình 1.20. Mạch gương dòng điện kiểu Cascode điện áp thấp. ............................. 34 Hình 1.21. Cấu trúc OA hai tầng khuếch đại. ......................................................... 35 Hình 1.22. Cấu trúc mạch khuếch đại truyền dẫn OTA. ........................................ 35 Hình 1.23. Cấu trúc mạch khuếch đại Folded Cascode. ......................................... 36 Hình 1.24. Mạch so sánh dựa trên cấu trúc OA hai tầng khuếch đại. .................... 38 Hình 1.25. Mạch so sánh có trễ sử dụng vòng hồi tiếp dương bên trong. .............. 39 Hình 2.1. Sơ đồ khối chức năng của mạch sạc pin Li-Ion. ................................... 42 Hình 2.2. Sơ đồ thiết kế mạch nguồn dòng song song. ........................................ 44 Hình 2.3. Sơ đồ thiết kế mạch cảm biến dòng điện. ............................................. 45 Hình 2.4. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc. ..................................... 47
xi Hình 2.5. Phương thức tạo dòng điện tham chiếu riêng biệt. ............................... 49 Hình 2.6. Chuyển tiếp không ổn định giữa hai chế độ sạc LC-CV. ..................... 50 Hình 2.7. Phương thức tạo dòng điện tham chiếu liên tục. .................................. 51 Hình 2.8. Sơ đồ thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu sử dụng mạch tổng hợp tương tự. ................................................................................................ 51 Hình 2.9. Sơ đồ thiết kế mạch tạo điện áp điều khiển. ......................................... 54 Hình 2.10. Ảnh hưởng của điện áp trễ đến tiến trình sạc [24]................................ 55 Hình 2.11. Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại OA. .................................................... 56 Hình 2.12. Đồ thị biên độ – pha theo cấu hình OA có sử dụng hồi tiếp âm. .......... 57 Hình 2.13. Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại OTA. .................................................. 58 Hình 2.14. Đồ thị biên độ – pha theo cấu hình OTA có sử dụng hồi tiếp âm. ....... 59 Hình 2.15. Sơ đồ thiết kế mạch so sánh điện áp có trễ. .......................................... 60 Hình 2.16. Mô phỏng dạng sóng vào/ra của mạch so sánh có trễ. ......................... 61 Hình 2.17. Sơ đồ thiết kế mạch cổng logic NAND. ............................................... 62 Hình 2.18. Sơ đồ thiết kế mạch cổng logic AND. .................................................. 63 Hình 2.19. Mô hình pin Li-Ion. .............................................................................. 64 Hình 2.20. Mô hình mô phỏng mạch sạc pin Li-Ion. ............................................. 64 Hình 2.21. Các tín hiệu điều khiển logic. ............................................................... 65 Hình 2.22. Các dòng điện tham chiếu thành phần. ................................................. 66 Hình 2.23. Dòng điện tham chiếu và dòng điện cảm biến. ..................................... 67 Hình 2.24. Dòng điện và điện áp sạc pin Li-Ion. .................................................... 67 Hình 2.25. Hiệu suất công suất của mạch sạc pin Li-Ion. ...................................... 68 Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống mạch sạc pin Li-Ion. ..................................... 72 Hình 3.2. Sơ đồ khối chức năng của mạch DC-DC với tải là mạch sạc ............... 73 Hình 3.3. Mô hình tín hiệu nhỏ của mạch công suất. ........................................... 74 Hình 3.4. Điều chế độ rộng xung PWM. .............................................................. 77 Hình 3.5. Sơ đồ thiết kế mạch so sánh có trễ lan truyền thấp............................... 78 Hình 3.6. Mô phỏng dạng sóng tín hiệu vào và ra của mạch so sánh. ................. 78 Hình 3.7. Sơ đồ khối mô hình tín hiệu nhỏ của mạch DC-DC. ............................ 79 Hình 3.8. Sơ đồ thiết kế mạch bù tần số loại III. .................................................. 80 Hình 3.9. Đồ thị biên độ - pha của hàm khuếch đại vòng TL1(s). ......................... 81
xii Hình 3.10. Sơ đồ thiết kế mạch khuếch đại EA. ..................................................... 82 Hình 3.11. Đồ thị biên độ của mạch khuếch đại EA. ............................................. 83 Hình 3.12. Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển chuyển mạch. ..................................... 84 Hình 3.13. Sơ đồ thiết kế mạch tạo xung răng cưa. ................................................ 86 Hình 3.14. Mô phỏng dạng sóng ra của mạch tạo xung răng cưa. ......................... 87 Hình 3.15. Sơ đồ thiết kế mạch dịch mức điện áp tham chiếu. .............................. 88 Hình 3.16. Điện áp ra của mạch dịch mức điện áp tham chiếu. ............................. 89 Hình 3.17. Sơ đồ tương đương của mạch bù tần số. ............................................... 89 Hình 3.18. Sơ đồ khối mô hình tín hiệu nhỏ của mạch DC-DC với VARV thay đổi 90 Hình 3.19. Mô hình hoạt động của mạch sạc trong chế độ dòng điện không đổi. . 91 Hình 3.20. Sơ đồ khối mô hình tín hiệu nhỏ của hệ thống mạch sạc. .................... 92 Hình 3.21. Đồ thị biên độ - pha trong chế độ dòng điện không đổi. ...................... 92 Hình 3.22. Mô hình hoạt động của mạch sạc trong chế độ điện áp không đổi....... 93 Hình 3.23. Đồ thị biên độ - pha trong chế độ điện áp không đổi. .......................... 94 Hình 3.24. Mô hình mô phỏng hệ thống mạch sạc pin Li-Ion................................ 95 Hình 3.25. Dòng điện cuộn cảm IL và điện áp ra VDC. ........................................... 96 Hình 3.26. Hiệu suất công suất của mạch DC-DC. ................................................ 97 Hình 3.27. Dòng điện và điện áp ra của mạch DC-DC với tải là mạch sạc pin Li- Ion. ........................................................................................................ 97
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Đặc tính cơ bản của một số loại pin sạc phổ biến................................... 8 Bảng 1.2. Chu trình phản ứng hóa học bên trong pin Li-Ion. ................................. 9 Bảng 1.3. Dung lượng suy giảm theo nhiệt độ trong quá trình bảo quản [50]...... 11 Bảng 1.4. Ưu và nhược điểm của các phương thức sạc pin Li-Ion. ...................... 21 Bảng 1.5. Các tham số xác định dòng điện iL và điện áp VO.............................. 26 Bảng 1.6. Tóm lược các tham số cơ bản của các mạch khuếch đại thuật toán CMOS. .................................................................................................. 37 Bảng 2.1. Các thông số thiết kế của mạch sạc pin Li-Ion. .................................... 43 Bảng 2.2. Tham số thiết kế mạch điều khiển dòng điện sạc. ................................ 47 Bảng 2.3. Tham số thiết kế mạch tạo dòng điện tham chiếu. ............................... 53 Bảng 2.4. Trạng thái logic của các tín hiệu điều khiển. ........................................ 54 Bảng 2.5. Tham số thiết kế mạch khuếch đại OA. ................................................ 57 Bảng 2.6. Tham số thiết kế mạch khuếch đại OTA. ............................................. 58 Bảng 2.7. Tham số thiết kế mạch so sánh điện áp có trễ. ..................................... 61 Bảng 2.8. Tham số thiết kế các mạch cổng logic. ................................................. 63 Bảng 2.9. Tham số thiết kế mô hình pin Li-Ion. ................................................... 64 Bảng 2.10. So sánh kết quả của mạch sạc đã thiết kế với các nghiên cứu khác. .... 69 Bảng 3.1. Các thông số thiết kế tổng thể cho mạch biến đổi DC-DC. .................. 73 Bảng 3.2. Tham số thiết kế mạch so sánh có trễ lan truyền thấp. ......................... 78 Bảng 3.3. Tham số thiết kế mạch bù tần số........................................................... 81 Bảng 3.4. Tham số thiết kế mạch khuếch đại EA. ................................................ 83 Bảng 3.5. Tham số thiết kế các mạch đệm P và N. ............................................... 85 Bảng 3.6. Tham số thiết kế mạch tạo xung răng cưa. ........................................... 87 Bảng 3.7. Tham số thiết kế mạch dịch mức điện áp tham chiếu........................... 88 Bảng 3.8. Tham số hoạt động của mạch sạc trong chế độ CC. ............................ 91 Bảng 3.9. So sánh hệ thống mạch sạc của luận án với các nghiên cứu khác. ....... 99
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Ngày nay, pin sạc Lithi-Ion (Li-Ion) [1] đã và đang được sử dụng phổ biến trong các thiết bị điện tử dân dụng như máy tính xách tay, máy tính bảng, camera số và điện thoại di động v.v. Loại pin sạc này có các ưu điểm là mật độ năng lượng cao, năng lượng riêng lớn và điện áp hoạt động cao. Do đó, pin Li-Ion sẽ đóng vai trò là nguồn cung cấp năng lượng tiềm năng và triển vọng cho các thiết bị điện tử di động ở thời điểm hiện tại và trong tương lai [2, 3]. Tuy nhiên, loại pin điện hóa Li- Ion dễ bị ảnh hưởng bởi các điều kiện hoạt động quá mức như là hoạt động sạc/xả quá mức, sạc/xả nhanh và điều kiện nhiệt độ vượt quá giới hạn hoạt động của pin [4, 5]. Nhìn chung, những ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của pin Li-Ion bởi các điều kiện hoạt động quá mức bao gồm sự suy giảm cấu trúc các điện cực kim loại dẫn đến suy giảm dung lượng do tăng nội trở của pin, tăng cường các phản ứng sinh nhiệt làm tăng nhiệt độ bất thường dẫn đến hỏng pin và các thiết bị điện tử, tăng cường quá trình kết tủa các ion lithi trên bề mặt anôt dẫn đến tổn thất dung lượng của pin và hình thành cây ion gây ra vấn đề ngắn mạch bên trong pin Li-Ion. Vấn đề này đặt ra yêu cầu pin Li-Ion phải được sạc theo phương thức sạc chuẩn nhằm đảm bảo các vấn đề về an toàn và duy trì thời gian sử dụng lâu dài cho pin Li- Ion. Theo các đánh giá được đưa ra trong [6, 7], các phương thức sạc điển hình cho pin Li-Ion bao gồm phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi, phương thức sạc dòng điện không đổi nhiều pha, phương thức sạc Boostcharging và phương thức sạc xung. Trong đó, các phương thức sạc xung và phương thức sạc dòng điện không đổi nhiều pha có thể giúp giảm thời gian sạc và không ảnh hưởng đến chất lượng cũng như tuổi thọ của pin Li-Ion. Các phương thức sạc này yêu cầu thuật toán tối ưu cho tần số xung hoặc dòng điện trong suốt tiến trình sạc và mới chỉ được thực hiện ở mức mô phỏng hệ thống dựa trên các công cụ hỗ trợ lập trình như máy tính cá nhân và hệ vi điều khiển khả trình. Tương tự, phương thức sạc Boostcharging cũng giúp giảm được thời gian sạc pin, nhưng phương thức sạc này chưa đảm bảo hiệu quả sử dụng năng lượng lưu trữ trong pin Li-Ion. Ngoài hạn chế về thời gian sạc dài hơn so với các phương thức sạc khác, phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi có khả năng thực thi phần cứng mạch tích hợp và đưa ra các yêu cầu về dòng điện và điện áp sạc phù hợp cho pin Li-Ion. Cho nên, phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi vẫn được xem là phương thức sạc chuẩn được áp dụng phổ biến trong các thiết kế mạch sạc pin Li-Ion [8-24].
2 Qua đó cho thấy rằng, thiết kế mạch sạc giữ vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ tin cậy và an toàn cho pin Li-Ion cũng như các thiết bị điện tử trong suốt tiến trình sạc. Các thiết kế mạch sạc phải đạt hoạt động ổn định và thực hiện chức năng cung cấp dòng điện, điện áp sạc phù hợp với mỗi giai đoạn sạc. Điều này sẽ đảm bảo cho pin Li-Ion không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện hoạt động quá mức. Bên cạnh đó, các yêu cầu cải thiện về kích thước thiết kế, khả năng tích hợp trên chíp, hiệu suất và hiệu năng hoạt động luôn được xem xét trong các thiết kế mạch sạc pin Li-Ion. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu và thiết kế mạch sạc có hoạt động chính xác theo phương thức sạc và đạt hiệu năng cao luôn nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước và quốc tế. Điều này cũng được thể hiện thông qua các công trình công bố về thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi trong những năm gần đây [25-39]. Xét trên khía cạnh cấu trúc thiết kế, các nghiên cứu thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO (Low Drop-Out) [17, 18, 26, 29, 31] đưa ra khả năng đáp ứng điều khiển nhanh, chính xác và khả năng tích hợp cao. Những hạn chế của cấu trúc thiết kế này là hiệu suất công suất thấp (trên/dưới 70 %) do giá trị sai lệch lớn giữa điện áp cung cấp với điện áp pin Li-Ion và tăng tổn hao nhiệt khi mạch sạc hoạt động với dòng điện lớn. Tương tự, thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc mạch biến đổi DC-DC kiểu tụ điện trong [12] cũng đưa ra khả năng tích hợp cao và hiệu suất công suất thấp (< 70 %). Vấn đề về hiệu suất công suất có thể được cải thiện bởi các thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp trong [19, 21, 24, 27, 28, 30]. Những cấu trúc thiết kế này đưa ra hiệu suất công suất cao (> 80 %), mức độ tích hợp trên chíp thấp hơn so với các thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO và khả năng cách ly chưa tốt cho pin Li-Ion có thể dẫn đến tổn thất năng lượng của pin khi mạch DC-DC hoạt động trong chế độ dẫn dòng không liên tục. Bên cạnh đó, các thiết kế mạch sạc dựa trên thiết kế kết hợp giữa cấu trúc mạch DC-DC kiểu tăng điện áp hoặc cấu trúc mạch DC-DC kiểu Flyback với thiết kế mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO trong [9] và [8] cũng đưa ra hiệu suất cao và cải thiện được độ cách ly cho pin Li-Ion. Tuy nhiên, các cấu trúc thiết kế này này sử dụng các phần tử thiết kế ngoài chíp với kích thước lớn dẫn đến tăng kích thước mạch thiết kế PCB (Printed Circuit Board) và chưa phù hợp để áp dụng cho các thiết bị điện tử di động cầm tay với kích thước nhỏ gọn. Xét trên khía cạnh cải thiện hiệu năng hoạt động của thiết kế mạch sạc, giải pháp sạc nhanh được đưa ra trong các nghiên cứu thiết kế mạch sạc [13, 14, 28, 30] nhằm cải thiện đáng kể thời gian sạc theo phương thức sạc dòng điện không đổi-
3 điện áp không đổi. Trong giải pháp thiết kế này, mạch cảm biến nội trở được thực hiện để xác định nội trở của pin Li-Ion, dựa vào đó, ngưỡng điện áp chuẩn tham chiếu cho tiến trình sạc được tăng với giá trị đúng bằng điện áp rơi trên nội trở của pin nhằm mở rộng thời gian sạc trong chế độ sạc dòng điện không đổi có giá trị lớn. Điều này đã giúp giảm đáng kể thời gian sạc trong chế độ điện áp không đổi dẫn đến giảm thời gian tổng thể của cả tiến trình sạc. Hạn chế của giải pháp này là tăng kích thước mạch thiết kế do thực hiện thêm mạch cảm biến nội trở của pin và vấn đề sạc quá mức điện áp có thể xảy ra sẽ ảnh hưởng đến chất lượng cũng như tuổi thọ của pin Li-Ion. Bên cạnh đó, các nghiên cứu trong [11, 13, 16, 21, 28, 30] đã đưa ra giải pháp thực hiện chuyển tiếp chế độ sạc ổn định nhằm cải thiện ảnh hưởng bởi nội trở của pin đến hoạt động ổn định của hệ thống mạch sạc. Các cấu trúc nguồn dòng rẽ nhánh được áp dụng cho giải pháp thiết kế này để khắc phục chuyển tiếp đột ngột khi mạch sạc chuyển từ chế độ sạc dòng điện không đổi sang chế độ sạc điện áp không đổi. Theo đó, dòng điện nhánh tương ứng với chế độ sạc điện áp không đổi tăng dần tại thời điểm chuyển đổi chế độ sạc sẽ làm giảm dần dòng điện nhánh tương ứng của chế độ sạc dòng điện không đổi, kết quả là quá trình chuyển tiếp chế độ sạc được ổn định. Ngoài ra, giải pháp thiết kế chuyển tiếp chế độ sạc ổn định chưa được nghiên cứu để thực hiện trên các thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic trong [8, 12, 31, 33]. Trong hầu hết các thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic đều áp dụng dòng điện hoặc điện áp tham chiếu riêng biệt tương ứng cho mỗi chế độ sạc. Các dòng điện/điện áp tham chiếu này sẽ được mở/ngắt thông qua điều khiển các chuyển mạch điện tử. Sự sai khác về thời điểm mở/ngắt của các tín hiệu điều khiển có thể gây ra đột biến xung nhọn với biên độ lớn trong dòng điện sạc gây ảnh hưởng đến chất lượng của pin Li-Ion và hoạt động ổn định của hệ thống mạch sạc. Vấn đề này cũng chưa được xem xét và cải thiện trong các nghiên cứu thiết kế mạch sạc pin Li-Ion đã công bố. Những vấn đề được nêu ra ở trên đã chứng tỏ rằng, thiết kế mạch sạc không chỉ yêu cầu cung cấp dòng điện và điện áp ra phù hợp cho pin Li-Ion mà còn yêu cầu cải thiện các vấn đề như: hiệu suất công suất đối với các thiết kế mạch sạc kiểu tuyến tính (các mạch sạc dựa trên cấu trúc LDO), độ cách ly cho pin Li-Ion trong các thiết kế mạch sạc kiểu chuyển mạch (các mạch sạc dựa trên cấu trúc mạch biến đổi DC-DC), đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định đối với các thiết kế mạch sạc sử dụng cấu trúc mạch điều khiển logic. Vì vậy, nghiên cứu thiết kế hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao và phù hợp để áp dụng trong các thiết bị di động cầm tay với kích thước nhỏ gọn là hướng nghiên cứu mang tính thời sự, có giá trị khoa học và thực tiễn. Hướng nghiên
4 cứu này thật sự là thách thức và cũng là động lực mạnh mẽ thôi thúc tác giả lựa chọn và thực hiện nội dung nghiên cứu trong luận án này. 2. Mục tiêu, đối tƣợng, phƣơng pháp và phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: − Nghiên cứu đề xuất một số giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc pin Li-Ion hoạt động với dải điện áp cung cấp thay đổi thích ứng. − Đề xuất giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc hiệu năng cao. Cấu trúc mạch DC-DC kiểu giảm áp đảm bảo cho hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đạt hiệu suất cao và cải thiện được kích thước mạch thiết kế. Các nội dung đề xuất nêu trên đều hướng đến mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu thực hiện hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao. Đối tượng nghiên cứu: Nhằm đạt được các mục tiêu nghiên cứu của luận án, các giải pháp thiết kế cho hệ thống mạch sạc đã đề xuất sẽ được đưa ra dựa trên nghiên cứu và phân tích các thiết kế mạch sạc pin Li-Ion và mạch biến đổi DC-DC. Cùng với đó, các phần tử mạch chức năng (mạch gương dòng điện, mạch khuếch đại thuật toán, mạch so sánh điện áp/dòng điện v.v) cũng được xem là cơ sở để thực hiện thiết kế hệ thống. Theo đó, đối tượng nghiên cứu chính của luận án liên quan trực tiếp đến các cấu trúc thiết kế của mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính, mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp và các phần tử mạch chức năng dựa trên công nghệ CMOS. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thiết kế và mô phỏng trên máy tính. Trên cơ sở nghiên cứu, phân tích những tài liệu và công trình công bố khoa học liên quan trực tiếp đến đề tài nghiên cứu của luận án, các giải pháp thiết kế cho hệ thống mạch sạc đã đề xuất được đưa ra và thực hiện trên công cụ thiết kế vi mạch Cadence. Các kết quả dựa trên mô phỏng tin cậy được thực hiện để đánh giá và kiểm chứng đặc tính hoạt động của hệ thống thiết thiết kế cũng như tính đúng đắn của các giải pháp thiết kế đã đề xuất. Phạm vi nghiên cứu: Nội dung nghiên cứu của luận án nhằm thực hiện hệ thống mạch sạc pin Li-Ion hiệu năng cao dựa trên sự kết hợp giữa mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp và mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính hoạt động với nguồn cung cấp thay đổi thích ứng. Theo đó, phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung nghiên cứu cơ chế điều
5 khiển và cấu trúc thiết kế của các mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính theo phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp không đổi nhằm đề xuất các giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc pin Li-Ion, phân tích cấu trúc thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp dựa trên điều chế độ rộng xung PWM để đưa ra giải pháp thiết kế phù hợp cho mạch tải là mạch sạc pin Li-Ion, phân tích đặc tính hoạt động và cấu trúc thiết kế của các mạch chức năng tương tự dựa trên công nghệ CMOS nhằm đưa ra cấu trúc thiết kế phù hợp áp dụng trong hệ thống mạch sạc đã đề xuất của luận án. 3. Các kết quả đạt đƣợc của luận án  Mạch sạc pin Li-Ion đã thực hiện đáp ứng được yêu cầu về dòng điện và điện áp đầu ra theo phương thức sạc CC-CV và đạt hiệu suất cao (hiệu suất trung bình đạt 88,6 % và 92,1 % tương ứng với các chế độ sạc TC và LC). Các vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và chuyển tiếp chế độ sạc không ổn định đã được cải thiện. Trong đó, các giải pháp cải thiện hiệu năng được đưa ra như sau: − Áp dụng nguồn dòng song song nhằm cung cấp dòng điện sạc lớn (0,5C) trong chế độ sạc LC mà vẫn đảm bảo dòng điện sạc nhỏ (0,1C) trong chế độ sạc TC. Giải pháp giảm điện áp tham chiếu để áp dụng mạch so sánh có trễ trong mạch tạo điện áp điều khiển giúp cải thiện tính ổn định cho các tín hiệu điều khiển. Khuếch đại OTA được áp dụng trong mạch điều khiển dòng điện sạc nhằm cải thiện khả năng điều khiển chính xác dòng điện sạc và giảm công suất tiêu thụ tĩnh trong mạch điều khiển. Nội dung của các đề xuất này được trình bày và công bố trong các hội nghị [HN1], [HN2] và tạp chí [TC1]. − Giải pháp thực hiện mạch tạo dòng điện tham chiếu liên tục nhằm cải thiện vấn đề đột biến xung nhọn trong dòng điện sạc và hoạt động không ổn định của mạch sạc tại các thời điểm chuyển tiếp chế độ sạc. Kết quả của đề xuất này được trình bày và công bố trong hội nghị [HN3] và tạp chí [TC2].  Hệ thống mạch sạc pin Li-Ion đã đề xuất đạt hoạt động ổn định trong cả tiến trình sạc, đạt hiệu suất cao (hiệu suất trung bình đạt 86 % trong các chế độ sạc TC và LC), đạt độ cách ly tốt cho pin Li-Ion, cung cấp dòng điện và điện áp ra phù hợp cho pin Li-Ion theo phương thức sạc CC-CV. Trong đó, giải pháp thiết kế mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc được thực hiện như sau: − Hướng phân tích thiết kế theo đặc tính hoạt động của mạch sạc được thực hiện nhằm đảm bảo cho mạch DC-DC đáp ứng được yêu cầu đầu ra thay đổi trong dải rộng (dải thay đổi của dòng điện và điện áp ra tương ứng là 50 – 1000 mA và