Thiết kế bộ nguồn công suất lớn cho động cơ một chiều của ngư lôi sử dụng pin lithium-ion

Nội dung text: Thiết kế bộ nguồn công suất lớn cho động cơ một chiều của ngư lôi sử dụng pin lithium-ion

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GÒN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 75 (03/2021) No. 75 (03/2021) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: THIẾT KẾ BỘ NGUỒN CÔNG SUẤT LỚN CHO ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU CỦA NGƯ LÔI SỬ DỤNG PIN LITHIUM-ION The design on a high power battery pack for a torpedo dc motor using lithium-ion cells TS. Nguyễn Huy Hùng(1), ThS. Tống Nhật Phương(2) (1)Trường Đại học Sài Gòn (2)Trường Đại học Bách khoa TP.HCM TÓM TẮT Bài báo thiết kế bộ nguồn công suất lớn cho động cơ một chiều của ngư lôi sử dụng pin lithium-ion đề xuất phương án tạo ra bộ nguồn có điện áp cao, dòng xả lớn bằng cách kết nối các tế bào pin loại NMC có điện áp danh định là 3.7V và dung lượng 30Ah. Các tế bào pin được giám sát bởi các bộ giám sát pin (BMS: Battery Management System) để đảm bảo sự an toàn của các tế bào pin và nâng cao tuổi thọ của bộ nguồn. Việc kết nối các tế bào pin được thực hiện bởi kết cấu cơ khí cứng vững, dạng module có khả năng chống va đập. Các thông số yêu cầu của khối nguồn được kiểm tra bằng thực nghiệm đảm bảo tính khả thi của phương án được đề xuất. Từ khóa: hệ thống giám sát pin, nguồn công suất cao, pin lithium-ion, pin lithium NMC, pin lithium phốt phát sắt (LiFePO4) ABSTRACT In this paper, an approach is proposed for the design on a high power battery pack for a torpedo DC motor using Lithium-ion cells. The battery pack is done by using serial NMC cells with nominal voltage 3.7V and capacity 30Ah. A battery management system (BMS) is required to monitor each cell of the battery pack within the appropriate operating range, which guarantees a safe operation and a longer life of the battery pack. The cells are linked together by mechanical parts to protect an impact. The proposed approach verifies its validity by the experimental battery pack parameters. Keywords: battery management system, high power battery pack, lithium-ion cell, lithium nikel manganese cobalt oxide cell (NMC), lithium iron phosphate cell Giới thiệu cung cấp cho động cơ điện để đẩy quả ngư Trong nhưng năm gần đây nhằm hiện lôi hướng đến mục tiêu. Trước đây các hệ đại hóa vũ khí cho lực lượng Hải quân. Các nguồn cho các ngư lôi của Nga viện trợ đều trung tâm, viện nghiên cứu của Hải quân sử dụng ắc-quy và chỉ sau một vài năm đã cho ra đời nhiều sản phẩm nghiên cứu khoa phải thay mới gây lãng phí, tốn kém. Mặt học như thiết kế chế tạo hệ động lực cho khác nhược điểm của ắc quy là chỉ có thể ngư lôi set-40 hay set-50. Trong đó phần sử dụng 60% năng lượng được tích trữ nên quan trọng nhất trong hệ động lực là nguồn để đạt được dung lượng mong muốn thì Email: nghhung@sgu.edu.vn 12
2. NGUYỄN HUY HÙNG - TỐNG NHẬT PHƯƠNG TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN kích thước và trong lượng của ắc quy đều của phương án được đề xuất. lớn. 1. Đặt vấn đề Hệ thống nguồn cung cấp một chiều Trong quả ngư lôi SET-40U cần có bộ công suất lớn và có hiệu suất cao được sử nguồn DC cung cấp cho động cơ điện DC dụng hiện nay là sử dụng các tế bào pin với công suất 38Kw để đẩy quả ngư lôi lithium-ion được ứng dụng rất nhiều trong tiến đến mục tiêu với các yêu cầu chỉ tiêu lĩnh vực xe điện [1-4]. Pin lithium-ion có kỹ thuật như sau: mật độ công suất cao trên đơn vị trọng - Điện áp: 90V±10V; lượng, có hiệu suất nạp, xả cao và tuổi thọ - Dòng phóng liên tục: 560A±10A; dài hơn so với ắc quy [5]. Tuy nhiên loại - Thời gian phóng là 8 phút 30 giây; pin này đòi hỏi rất khắt khe về điện áp. - Kích thước của bộ pin: dài 1075±5 Nếu điện áp sạc cho pin vượt quá điện áp mm; rộng: 340±2mm; cao 300±2mm; cực đại cho phép và khi xả vượt quá điện - Trọng lượng của bộ nguồn: 105Kg; áp cực tiểu sẽ gây ra hư hỏng pin. Để kéo - Có cơ cấu hiệu chỉnh trọng tâm theo dài tuổi thọ của pin cần phải có hệ thống phương ngang và dọc; quản lý việc nạp và xả của pin gọi là BMS - Nhiệt độ làm việc 700C; (Battery Management System) để giám sát - Tuổi thọ: 5 năm; từng tế bào pin nhằm đảm bảo rằng nó luôn - Hệ thống BMS giám sát từng tế bào ở trong vùng điện áp hoạt động an toàn [6], pin. [7]. Để tạo ra điện áp mong muốn các tế 2. Thiết kế khối nguồn công suất cao bào pin sẽ được mắc nối tiếp với nhau. Do 2.1. Lựa chọn tế bào pin mắc nối tiếp nên khi xả hoặc sạc điện các Hiện tại có hai dòng pin lithium phổ tế bào pin có điện áp vẫn phải nằm trong biến là loại Lithium Iron Phosphate phạm vi an toàn. Nếu có bất kỳ một tế bào (LiFePO4) và Lithium Nickel Manganese pin nào nằm ngoài vùng an toàn thì bộ Cobalt Oxide (LiNiMnCoO2) - NMC. Loại BMS sẽ ngắt dòng xả hoặc dòng nạp. FiFePO4 có điện áp danh định của một tế Trong các ứng dụng công suất cao thì bào là 3.2V, trong khi loại NMC có điện ngoài việc mắc nối tiếp để đạt được điện áp áp danh định là 3.7V. Cả hai loại này đều mong muốn thì việc mắc song song các tế có rất nhiều dung lượng khác nhau tương bào pin hoặc mắc song song nhiều nhánh ứng với từng tế bào nhưng có trọng lượng nối tiếp để tạo ra bộ nguồn có dung lượng là như nhau khi cùng dung lượng. Giả sử lớn. Tuy nhiên do dòng xả rất lớn nên vấn cùng là loại dung lượng 30Ah thì trong đề nhiệt cũng cần phải được quan tâm xử trong lượng của cả hai loại tế bào pin lý và trong bài báo này đề xuất phương án LiFePO4 và NMC là như nhau. Vì thế việc tạo ra khối pin có điện áp là 90V±10V với chọn lựa loại tế bào NMC sẽ cho số lượng dòng phóng liên tục lên đến 560A trong tế bào ít hơn hắn loại LiFeO4 và vì trọng thời gian 8 phút 30 giây đồng thời vẫn phải lượng cũng là một trong những chỉ tiêu đảm bảo khối lượng không quá 105Kg, cần xem xét nên loại tế bào NMC được ưu nhiệt độ không quá 70 độ. Các kết quả đo tiên chọn với các thông số như Bảng 1 được thực nghiệm chứng minh sự hợp lý dưới đây: 13
3. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 75 (03/2021) Bảng 1. Thông số của pin lithium loại NMC Thông số Giá trị Dung lượng 30Ah Điện áp hoạt động 2.75V–4.2V Kích thước Dày: 6.05±0.15mm, rộng 161±0.5mm, cao: 230.5±0.5mm Số lần nạp xả > 2000 lần Dòng xả liên tục lớn nhất 174A Dòng xả lớn nhất dạng xung 232A Trọng lượng 505 15g 2.2. Sơ đồ kết nối điện Theo sơ đồ hình 1 các tế bào nối tiếp Để đạt yêu cầu điện áp 90V±10V sử và dòng xả của mỗi nhánh hay của từng tế dụng tế bào pin loại NMC có thông số bào là 112A nhỏ hơn giá trị cho phép của như Bảng 1 thì cần phải mắc nối tiếp 24 tế bào NMC là 174A. Ngoài ra có thể chọn tế bào pin thì vùng điện áp hoạt động sẽ là sơ đồ khác như hình 2 66V đến 100.8V bao trọn vẹn vùng điện áp yêu cầu là 80 đến 100V. Theo yêu cầu là dòng phóng liên tục 560A trong 8 phút 30 giây thì bộ nguồn cần có dung lượng > 80Ah. Tuy nhiên theo datasheet của pin NMC được cung cấp từ nhà sản xuất A123 thì trong phạm vi từ 2.75V đến 3.3V thì dung lượng trữ trong tế bào là gần 8Ah vì thế một nhánh với 24 tế bào mắc nối tiếp sẽ cho dung lượng 22Ah Hình 2. Sơ đồ nối dây giữa các tế bào trong vùng điện áp từ 80V đến 100V. theo phương án 24 khối Như vậy cần tối thiếu là 4 nhánh với 24 tế Trong Hình 2, 5 tế bào được nối song bào nối tiếp mắc song song để đạt dung song thành một khối và nối tiếp 24 khối lại lượng theo yêu cầu. Nhưng để đạt hệ số với nhau cũng sẽ tương đương sơ đồ ở an toàn thì số nhánh được chọn trong Hình 1. Giải pháp này có ưu điểm chỉ cần phương án đề nghị là 5 nhánh với sơ đồ sử dụng một bộ BMS với 24 ngõ vào để như Hình 1 dưới đây: giám sát tất cả các tế bào, nhưng nhược điểm là giữa các khối sẽ có dòng 560A đi qua và điều này sẽ làm nóng các thanh dẫn hoặc các thanh dẫn phải có kích thước rất lớn làm chiếm chỗ không gian, gia tăng trọng lượng tổng của khối nguồn. Do đó giải pháp ở Hình 1 với các BMS giám sát Hình 1. Sơ đồ nối dây giữa các tế bào pin được đề xuất để thực hiện như Hình 3. theo phương án 5 nhánh 14
4. NGUYỄN HUY HÙNG - TỐNG NHẬT PHƯƠNG TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Hình 3. Sơ đồ nối dây giữa các tế bào của phương án đề xuất Trong Hình 3 gồm có 5 nhánh và mỗi xem như một nhánh của bộ nguồn được nhánh có 24 tế bào. Trong mỗi nhánh có cách ly. Các chân P- của các BMS được một bộ BMS có 24 ngõ vào được nối đến nối với nhau và đưa đến chân âm của tải 24 tế bào để giám sát điện áp trên từng tế hoặc chân âm của nguồn sạc. Cực dương bào. Ngõ ra B- của bộ BMS được nối đến của các nhánh được nối lại với nhau và cực âm của một nhánh và giữa chân P- với được nối đến cực dương của tải hoặc của B- trên BMS là các MOSFET mắc song bộ sạc. song. Khi các MOSFET dẫn thì chân P- và 2.3. Thiết kế cơ khí B- xem như nối tắt (thông mạch). Các Khối nguồn được chia thành 5 khối MOSFET được điều khiển ngắt bởi bộ nhỏ. Mỗi khối là 24 tế bào pin được mắc điều khiển trên BMS khi điện áp trên bất nối tiếp với nhau. Các tế bào pin của mỗi kỳ tế bào nào ở ngõ vào quá thấp hoặc quá khối nhỏ được lắp lên khung đỡ cách ly cao hoặc dòng vượt quá 120A. Lúc này như Hình 4a và Hình 4b. a b Hình 4. Một khối gồm 24 tế bào nối tiếp được thiết kế trên solidworks 15
5. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 75 (03/2021) Tương tự thực hiện cho 5 khối và các bằng các thanh dẫn như Hình 5. Hình dạng khối này sẽ được đặt vào 1 khung bảo vệ khối pin hoàn chỉnh được thiết kế trên và được nối với nhau theo sơ đồ Hình 3 solidworks được thể hiện ở Hình 6 Hình 5. Các thành dẫn tạo thành các điện cực được thiết kế trên solidworks Hình 6. Khối nguồn hoàn chỉnh với nắp đậy và khung bảo vệ được thiết kế trên solidworks 3. Kết quả thực hiện từ các bản cực của tế bào về BMS sẽ làm Hệ thống được thực hiện tại xưởng cơ số lượng dây rất nhiều và do các bản cực sẽ khí chính xác của Phòng thí nghiệm trọng nóng lên do dòng lớn nên các dây sẽ bị điểm Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống hỏng lớp nhự cách điện. Để khắc phục điều Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. này một board mạch được thiết kế như 3.1. Gia công mạch in nối dây từ các Hình 7 áp sát vào các bản cực và thay thế tế bào đến bộ BMS các dây dẫn. Sử dụng connector để nối từ Trong quá trình thi công việc nối dây board mạch về BMS. Hình 7. Mạch in thay thế dây nối từ các tế bào về BMS 16
6. NGUYỄN HUY HÙNG - TỐNG NHẬT PHƯƠNG TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 3.2. Kết quả đo kiểm mạch: 12 phút; - Kích thước thực tế: 1075x340x300; - Nhiệt độ đo được tại các bản cực khi - Trọng lượng: 96Kg; dòng lên trên 500A ở phút thứ hai là 550C và - Điện áp: max 100V, min 80V; được giữ nguyên giá trị đến sau 10 phút xả; - Dòng điện xả: dao động từ 540A đến - Với dòng nạp là 15A thì thời gian sạc 580A do sử dụng tải dung dịch muối. Nên đầy là khoảng 6 tiếng. khi nước muối nóng lên làm tăng khả năng Khối nguồn đúng kích thước và được dẫn; đưa hoàn toàn vào bên trong của quả ngư - Thời gian xả cho đến khi BMS ngắt lôi như Hình 8. Hình 8. Khối nguồn công suất cao được đưa vào bên trong quả ngư lôi 4. Kết luận 560A trong thời gian 12 phút. Kết quả này Nghiên cứu này đã đề xuất phương án hoàn toàn thỏa mãn yêu cầu đặt ra là thời gian tạo ra khối nguồn công suất lớn bằng cách xả chỉ là 8 phút 30 giây. Trọng lượng của khối ghép nối tiếp 24 tế bào pin và ghép song song nguồn sau khi thực hiện ít hơn yêu cầu 9Kg. 5 nhánh 24 tế bào pin để đạt điện áp là Điều này chứng tỏ giải pháp được đề xuất là 90V±10V với dòng phóng liên tục lên đến phù hợp với yêu cầu thiết kế được đặt ra. Lời cảm ơn Nghiên cứu này được thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm Điều khiển số và Kỹ thuật Hệ thống và được tài trợ bởi Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khuôn khổ Đề tài mã số TX2020-20b-01. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F. P. Tredeau, B. G. Kim, Z. M. Salameh, “Performance evaluation of lithium cobalt cells and the suitability for use in electric vehicles”, in Proc. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conf. VPPC, 2008, 1–5. [2] H. Qian, J. Zhang, J.-S. Lai, W. Yu, “A high-efficiency grid-tie battery energy storage system”, IEEE Trans. Power Electron, 26(3), 886–896, 2011. 17
7. SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 75 (03/2021) [3] J. D. Dogger, B. Roossien, F. D. J. Nieuwenhout, “Characterization of Li-ion batteries for intelligent management of distributed gridconnected storage”, IEEE Trans. Energy Convers, 26(1), 256–263, 2011. [4] M. Zheng, B. Qi, H. Wu, “A Li-ion battery management system based on CAN-bus for electric vehicles”, in Proc. 3rd IEEE Conf. Industrial Electronics and Applications ICIEA 2008, 2008, 1180– 1184. [5] F. Baronti, G. Fantechi, R. Roncella, R. Saletti, “Design of a module switch for battery pack reconfiguration in high-power applications”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 1330 – 1335, 2012. [6] Manenti, A. Abba, A. Merati, S. M. Savaresi, A. Geraci, “A new BMS architecture based on cell redundancy”, IEEE Trans. Ind. Electron, 58(9), 4314–4322, 2011. [7] H. Kim, K. Shin, “DESA: Dependable, efficient, scalable architecture for management of large-scale batteries”, IEEE Trans. Ind. Informat, 99, 2011. Ngày nhận bài: 11/11/2020 Biên tập xong: 15/3/2021 Duyệt đăng: 20/3/2021 18