Luận án Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin Li-ion sử dụng công nghệ Cmos

Nội dung tài liệu: Luận án Giải pháp nâng cao hiệu năng mạch sạc pin Li-ion sử dụng công nghệ Cmos

1. 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
2. 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
3. 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
4. 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
5. 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
6. 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
7. 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
8. 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
9. 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
10. 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 R -- Trans 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