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.
Tập thể hướng dẫn

TS. Phạm Nguyễn Thanh Loan

PGS.TS. Nguyễn Đức Minh

Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả luận án

Nguyễn Văn Hào


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

CC-CV

Constant Current-Constant
Voltage


Dòng điện không đổi-Điện áp không
đổi

CCM

Continuous Conduction Mode

Chế độ dẫn dòng liên tục

CM

Charge Mode

Chế độ sạc

CMOS

Complementary Metal-Oxide
Semiconductor

Công nghệ CMOS

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

EIS

Electrochemical Impedance
Spectroscopy


Phổ tổng trở điện hóa

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

OTA

Operational Transconductance

Amplifier

Khuếch đại truyền dẫn OTA

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

VCVS

Voltage-Controlled Voltage
Source

Nguồn áp được điều khiển bằng điện
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
parameter

Tham số điều chế chiều dài kênh dẫn

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)

RTrans

--

Điện trở đặc trưng cho hoạt động đáp
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 LiIon. ........................................................................................................ 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 LiIon 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 LiIon. 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



6
2,3 – 4,5 V) cho mạch tải là mạch sạc pin Li-Ion.
− Phân tích và thực hiện giải pháp bù tần số giúp mạch biến đổi DC-DC đạt
hoạt động ổn định trong chế độ dẫn dòng liên tục CCM, nhờ đó hoạt động của hệ
thống mạch sạc cũng đạt được ổn định. Đồng thời, giải pháp lựa chọn cấu trúc thiết
kế phù hợp để thực hiện các phần tử chức năng trong mạch DC-DC đã góp phần cải
thiện khả năng điều khiển chính xác điện áp ra thay đổi thích ứng và hiệu suất tổng
thể của hệ thống mạch sạc.
Nội dung của đề xuất này đã được trình bày và công bố trong hội nghị [HN4] và
tạp chí [TC3].

4. Cấu trúc của luận án
Cấu trúc của luận án bao gồm ba chương như sau:
Chương 1 trình bày ngắn gọn các vấn đề cơ bản về pin sạc Li-Ion bao gồm đặc
tính hoạt động, các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng và mô hình hoạt động của pin
Li-Ion. Qua đó cho thấy, pin Li-Ion cần được sạc với điều kiện dòng điện và điện áp
phù hợp nhằm đảm bảo dung lượng khả dụng và tuổi thọ của pin. Bên cạnh đó, các
phương thức sạc phù hợp cho pin Li-Ion được đưa ra và đánh giá dựa trên các điều
kiện hoạt động an toàn cho pin và khả năng thực thi trên phần cứng mạch tích hợp.
Các cấu trúc thiết kế mạch sạc kiểu tuyến tính và kiểu chuyển mạch cũng như cấu
trúc thiết kế các mạch chức năng sử dụng công nghệ CMOS cũng được phân tích rõ
ràng nhằm cung cấp cơ sở lý thuyết về đặc tính hoạt động và nguyên lý thiết kế của
mạch sạc pin Li-Ion. Đây được xem là cở sở nền tảng cho quá trình nghiên cứu và
phân tích thiết kế trong các chương tiếp theo của luận án.
Nội dung trong chương 2 đưa ra cấu trúc mạch sạc pin Li-Ion kiểu tuyến tính
bao gồm nguồn dòng song song, mạch cảm biến dòng điện, mạch điều khiển dòng
điện sạc và mạch tạo dòng điện/điện áp. Nhằm mục đích nâng cao hiệu suất công
suất của hệ thống, cấu trúc mạch sạc sẽ được thiết kế để hoạt động với dải điện áp
cung cấp thay đổi thích ứng theo điện áp pin. Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích

các công trình khoa học đã công bố trước đó, những vấn đề còn tồn tại và giải pháp
cải thiện hiệu năng được đưa ra để thực hiện cho các khối chức năng trong mạch sạc
pin Li-Ion. Trong đó, một số giải pháp cải thiện hiệu năng của mạch sạc đã đề xuất
bao gồm mạch nguồn dòng song song, áp dụng mạch khuếch đại truyền dẫn OTA
trong mạch điều khiển dòng điện sạc và áp dụng mạch so sánh có trễ cùng với mạch
tạo dòng điện tham chiếu liên tục trong mạch tạo dòng điện/điện áp. Trong nội dung
còn lại của chương này, các kết quả mô phỏng tin cậy của mạch sạc đã thiết kế được


7
đưa ra nhằm mục đích đánh giá và kiểm chứng đặc tính hoạt động của mạch sạc
cũng như tính đúng đắn của các giải pháp cải thiện hiệu năng đã đề xuất.
Nội dung nghiên cứu trọng tâm trong chương 3 đưa ra cấu trúc hệ thống mạch
sạc pin Li-Ion hiệu năng cao dựa trên sự kết hợp giữa cấu trúc mạch biến đổi DCDC và cấu trúc mạch sạc đã thực hiện trong chương 2. Theo đó, giải pháp thiết kế
mạch biến đổi DC-DC kiểu giảm áp cho mạch sạc pin Li-Ion được đề xuất nhằm
đảm bảo cho hệ thống mạch sạc đạt hiệu suất và hiệu năng cao. Trong nội dung tiếp
theo của chương, mạch DC-DC với tải là mạch sạc được phân tích thiết kế chi tiết
cho các khối mạch chức năng. Giải pháp thực hiện mạch bù tần số loại III cùng với
hướng phân tích thiết kế theo đặc tính hoạt động của mạch sạc được thực hiện nhằm
đảm bảo yêu cầu hoạt động ổn định và đầu ra dải rộng của mạch DC-DC. Tính ổn
định của hệ thống mạch sạc cũng được xem xét dựa trên phân tích các mô hình hoạt
động xoay chiều tương ứng theo các chế độ hoạt động của mạch sạc. Cuối cùng, đặc
tính hoạt động của mạch DC-DC và hệ thống mạch sạc đã đề xuất được đánh giá và
thảo luận thông qua các kết quả mô phỏng trung thực của mạch DC-DC tương ứng
với các trường hợp tải điện trở và tải là mạch sạc pin Li-Ion.


8

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ MẠCH SẠC PIN LI-ION
1.1. Giới thiệu chƣơng
Nội dung trình bày trong chương này đề cập các vấn đề cơ bản về pin Li-Ion và
tổng quan về thiết kế mạch sạc theo phương thức sạc dòng điện không đổi-điện áp
không đổi. Trước tiên, các đặc tính và điều kiện hoạt động của pin Li-Ion được mô
tả ngắn gọn trong mục 1.2. Trong nội dung tiếp theo, các phương thức sạc pin LiIon được trình bày nhằm đưa ra phân tích đánh giá phù hợp dựa trên yếu tố đảm bảo
an toàn cho pin và khả năng thực thi trên phần cứng mạch tích hợp sử dụng công
nghệ CMOS. Nguyên lý thiết kế mạch sạc sẽ được phân tích rõ ràng trên cơ sở cấu
trúc ổn định kiểu tuyến tính và cấu trúc ổn định kiểu chuyển mạch. Đồng thời, cấu
trúc thiết kế của các mạch chức năng sử dụng trong thiết kế mạch sạc cũng được đề
cập trong nội dung của chương này.

1.2. Sơ lƣợc về pin sạc Li-Ion
1.2.1. Giới thiệu chung
Ngày nay, các loại pin sạc lại được (pin sạc) đã và đang giữ vai trò trọng yếu
trong việc cung cấp nguồn cho một số thiết bị điện tử dân dụng và thiết bị đầu cuối
viễn thông. Một số loại pin sạc đang được sử dụng phổ biến bao gồm: pin Chì-Axít
(LA), Niken-Catmi (NiCd), Niken-Kim loại-Hydrua (NiMH) và Lithi-Ion (Li-Ion)
[40, 41]. Đặc tính chung của pin sạc là biến đổi điện năng thành hóa năng trong quá
trình lưu trữ năng lượng (quá trình sạc) và biến đổi hóa năng thành điện năng trong
quá trình cung cấp năng lượng cho mạch tải (quá trình xả).
Bảng 1.1. Đặc tính cơ bản của một số loại pin sạc phổ biến.
LA

NiCd

NiMH

Li-Ion1


)

30 – 40

40 – 60

30 – 80

120 – 150

⁄ )

60 – 70

50 – 150

140 – 300

250 – 450

2

1,2

1,2

3,6 – 3,8

300 – 800


1000 – 2000

500 – 1500

> 500

3–5

20

30

1–5

−20 – 60

−40 – 60

−20 – 60

−20 – 60

Loại pin sạc
Năng lượng riêng (

⁄

Mật độ năng lượng (
Điện áp trung bình ( )
Số chu kỳ sạc/xả

Tốc độ tự xả ( ⁄

)

Dải nhiệt độ hoạt động (
1

Pin Li-Ion với catôt là hợp chất

)


9
Tuy nhiên, mỗi loại pin sạc sẽ có các tham số đặc tính phụ thuộc vào các loại vật
liệu cấu thành nên phần tử pin. Trên cơ sở lý thuyết về các loại pin sạc trong [1, 42],
các tham số đặc tính của pin sạc được liệt kê trong bảng 1.1. Trong đó, pin Li-Ion có
nhiều ưu điểm nổi bật như mật độ năng lượng cao, năng lượng riêng lớn, độ tự xả
thấp và điện áp hoạt động cao. Vì vậy, pin Li-Ion đã và đang được sử dụng phổ biến
trong hầu hết các thiết bị điện tử như máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại di
động và các công cụ kỹ thuật số v.v.

Hình 1.1. Chu trình hoạt động sạc/xả của pin Li-Ion [40].
Bảng 1.2. Chu trình phản ứng hóa học bên trong pin Li-Ion.
Chu trình sạc

Chu trình xả

Tại catôt
Tại anôt
Tổng quát


Các thành phần cơ bản của pin gồm có: Catôt (điện cực dương) được cấu thành
từ hợp chất ôxit kim loại như là
,
,
hoặc (
)
v.v. Anôt (điện cực âm) thường là vật liệu graphit hoặc cacbon. Chất điện phân là
hỗn hợp của dung môi hữu cơ Etylen Cacbonat (EC) và muối lithi (

). Màng

cách ly giữa catôt và anôt thường được tạo ra từ các loại vật liệu Polyetylen (PE)
hoặc Polypropylen (PP). Hình 1.1 minh họa cơ chế hoạt động của pin Li-Ion loại
catôt là hợp chất

. Trong chu trình sạc, dưới tác dụng của năng lượng điện từ
+

mạch ngoài, các ion Li tách khỏi cấu trúc phân lớp của
và di chuyển có
hướng từ catôt đến anôt thông qua môi trường chất điện phân và màng cách li.
Đồng thời, các điện tử e- được giải phóng từ quá trình ôxy hóa chạy theo hướng
catôt - mạch ngoài - anôt. Tại anôt, các ion Li+ được đan xen vào cấu trúc phân lớp
để tạo thành

. Trong chu trình xả, các ion Li+ được tách đan xen và các điện tử


10

e- từ anôt di chuyển theo hướng ngược lại so với chu trình sạc nhằm tạo lại hợp chất
ban đầu tại catôt và giải phóng năng lượng điện cung cấp cho mạch tải. Như
vậy, nguyên lý hoạt động của pin Li-Ion dựa trên cơ chế điện hóa có tính thuận
nghịch. Các phản ứng hóa học trong chu trình hoạt động của pin Li-Ion được thể
hiện rõ trong bảng 1.2.
1.2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng pin Li-Ion
Pin Li-Ion được xem là loại pin sạc có thời gian sử dụng (tuổi thọ của pin LiIon) lâu dài. Tuy nhiên, khi hoạt động trong các điều kiện quá mức về nhiệt độ và
chế độ hoạt động, dung lượng pin sẽ bị suy giảm nhanh dẫn đến thời gian sử dụng
của pin cũng bị giảm theo. Nghiêm trọng hơn là pin có thể bị phá hỏng bởi hiện
tượng quá nhiệt hoặc ngắn mạch bên trong [43, 44]. Bởi vì dung lượng và thời gian
sử dụng của pin Li-Ion phụ thuộc vào tính ổn định cấu trúc của hợp chất cấu thành
các điện cực, đặc tính điện hóa của các điện cực và độ ổn định cấu trúc bên trong
của pin. Những đặc tính này đều liên quan đến quá trình khuếch tán các ion Li+
trong môi trường chất điện phân và các điện cực, suy giảm bởi nội trở, quá trình
phân ly chất điện phân và đặc tính bề mặt phân ly giữa các điện cực và môi trường
chất điện phân. Chi tiết hơn về cơ chế gây tổn thất dung lượng bên trong pin Li-Ion
được đưa ra trong các nghiên cứu [4, 45, 46]. Theo đó, quá trình suy giảm dung
lượng được bắt nguồn từ các phản ứng phụ và sự tác động lẫn nhau giữa hợp chất
hóa học tại catôt, anôt với môi trường chất điện phân. Như vậy, pin Li-Ion vẫn bị
mất dần dung lượng ngay cả khi hoạt động trong điều kiện bình thường và dung
lượng của pin sẽ bị suy giảm nghiêm trọng hơn khi hoạt động trong các điều kiện
quá mức, điển hình là điều kiện nhiệt độ quá mức, hoạt động sạc/xả quá mức và tốc
độ sạc/xả nhanh.
1.2.2.1. Ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ quá mức
Nhìn chung, pin Li-Ion điển hình có thể hoạt động trong dải nhiệt độ rộng (hoạt
động sạc: 0 – 45 oC, hoạt động xả: −20 – 60 oC). Các đặc tính của pin rất nhạy với
các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Do đó, hiệu năng hoạt động, dung lượng và độ an
toàn của pin Li-Ion đều bị ảnh hưởng bởi yếu tố nhiệt độ môi trường. Trong điều
kiện nhiệt độ cao kết hợp với trạng thái dung lượng SOC cao sẽ làm tăng cường các
quá trình gây tổn thất dung lượng bên trong pin Li-Ion. Điển hình là quá trình suy

giảm các hoạt chất tại catôt và tăng kích thước lớp phân ly (SEI) giữa anôt và môi
trường chất điện phân. Điều này được xem là nguyên nhân chính gây tổn thất các
ion lithi và tăng nội trở của pin Li-Ion. Các thống kê trong bảng 1.3 đã thể hiện mức
độ tổn thất dung lượng theo nhiệt độ và trạng thái dung lượng ngay cả khi pin