Luận văn thạc sĩ về mô hình hệ thống quản lý ắc quy BMS tại các trạm ngắt điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện thiết lập và ứng dụng mô hình hệ thống quản lý ắc quy bmsbattery management system, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Nguyễn Phú Vĩnh Thụy
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Liêm
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thiết lập và ứng dụng mô hình hệ thống quản lý ắc quy (BMS - Battery Management System) tại các trạm ngắt
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Tp.HCM

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình quản lý ắc quy BMS tại trạm ngắt điện

Mô hình quản lý ắc quy BMS (Battery Management System) đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì hiệu suất và an toàn cho hệ thống điện. Tại các trạm ngắt điện, ắc quy được sử dụng như một nguồn dự trữ năng lượng chính. Việc giám sát và quản lý ắc quy không chỉ giúp phát hiện sớm các lỗi mà còn đảm bảo tính ổn định cho hệ thống điện. Sự phát triển công nghệ đã cho phép áp dụng các giải pháp giám sát thông minh, giúp tối ưu hóa hiệu suất ắc quy.

1.1. Tầm quan trọng của hệ thống quản lý ắc quy BMS

Hệ thống quản lý ắc quy BMS giúp theo dõi và điều chỉnh các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện và nhiệt độ. Điều này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn kéo dài tuổi thọ của ắc quy. Việc áp dụng BMS giúp giảm thiểu rủi ro hư hỏng và nâng cao độ tin cậy của nguồn điện.

1.2. Các thành phần chính trong mô hình BMS

Mô hình BMS bao gồm các cảm biến, bộ điều khiển và phần mềm giám sát. Các cảm biến đo lường các thông số của ắc quy, trong khi bộ điều khiển xử lý dữ liệu và đưa ra các quyết định cần thiết. Phần mềm giám sát cung cấp giao diện người dùng để theo dõi tình trạng ắc quy.

II. Vấn đề và thách thức trong quản lý ắc quy tại trạm ngắt điện

Quản lý ắc quy tại các trạm ngắt điện gặp nhiều thách thức, bao gồm việc phát hiện lỗi kịp thời và đảm bảo hiệu suất hoạt động. Nhiều sự cố xảy ra do ắc quy không được giám sát thường xuyên, dẫn đến việc không phát hiện được các vấn đề trước khi chúng trở thành sự cố nghiêm trọng. Điều này có thể gây ra mất điện đột ngột và ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống điện.

2.1. Các sự cố thường gặp liên quan đến ắc quy

Các sự cố thường gặp bao gồm ắc quy bị hỏng, điện áp không ổn định và nhiệt độ quá cao. Những vấn đề này có thể dẫn đến việc ắc quy không hoạt động hiệu quả, gây ra rủi ro cho toàn bộ hệ thống điện.

2.2. Nguyên nhân gây ra sự cố ắc quy

Nguyên nhân chính gây ra sự cố ắc quy thường là do thiếu giám sát, bảo trì không đầy đủ và điều kiện môi trường không thuận lợi. Việc không phát hiện kịp thời các dấu hiệu hư hỏng có thể dẫn đến thiệt hại lớn cho hệ thống điện.

III. Phương pháp tối ưu hóa hiệu suất ắc quy BMS tại trạm ngắt điện

Để tối ưu hóa hiệu suất của ắc quy, việc áp dụng các phương pháp giám sát và quản lý hiện đại là rất cần thiết. Các công nghệ mới như cảm biến thông minh và phần mềm phân tích dữ liệu giúp theo dõi tình trạng ắc quy một cách chính xác và kịp thời. Điều này không chỉ giúp phát hiện lỗi mà còn cải thiện hiệu suất hoạt động của ắc quy.

3.1. Ứng dụng công nghệ cảm biến trong BMS

Cảm biến thông minh giúp theo dõi các thông số như điện áp, dòng điện và nhiệt độ của ắc quy. Dữ liệu thu thập được sẽ được phân tích để đưa ra các quyết định kịp thời nhằm bảo trì và thay thế ắc quy khi cần thiết.

3.2. Phân tích dữ liệu để dự đoán sự cố

Việc phân tích dữ liệu từ hệ thống BMS giúp dự đoán các sự cố có thể xảy ra. Các thuật toán phân tích dữ liệu có thể nhận diện các mẫu bất thường và cảnh báo trước khi sự cố xảy ra, từ đó giảm thiểu rủi ro cho hệ thống.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình BMS tại các trạm ngắt điện

Mô hình BMS đã được áp dụng thành công tại nhiều trạm ngắt điện, giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điện. Các ứng dụng thực tiễn cho thấy rằng việc giám sát ắc quy một cách liên tục giúp phát hiện sớm các vấn đề và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của hệ thống.

4.1. Kết quả nghiên cứu từ các trạm ngắt điện

Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng BMS đã giúp giảm thiểu sự cố mất điện do ắc quy hỏng. Các trạm ngắt điện đã ghi nhận sự cải thiện rõ rệt về độ tin cậy và hiệu suất hoạt động.

4.2. Lợi ích kinh tế từ việc áp dụng BMS

Việc áp dụng mô hình BMS không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa. Các công ty điện lực đã tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể nhờ vào việc giảm thiểu sự cố và tối ưu hóa quy trình bảo trì.

V. Kết luận và tương lai của mô hình quản lý ắc quy BMS

Mô hình quản lý ắc quy BMS tại các trạm ngắt điện đã chứng minh được tính hiệu quả và cần thiết trong việc duy trì hoạt động ổn định của hệ thống điện. Tương lai của mô hình này hứa hẹn sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của công nghệ mới, giúp nâng cao hơn nữa hiệu suất và độ tin cậy của ắc quy.

5.1. Triển vọng phát triển công nghệ BMS

Công nghệ BMS sẽ tiếp tục phát triển với sự tích hợp của trí tuệ nhân tạo và học máy, giúp cải thiện khả năng dự đoán và giám sát tình trạng ắc quy một cách hiệu quả hơn.

5.2. Tầm quan trọng của BMS trong tương lai

Mô hình BMS sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong các hệ thống điện hiện đại, giúp đảm bảo an toàn và hiệu suất cho các nguồn năng lượng tái tạo và hệ thống điện thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: - Trong hệ thống điện, hệ thống ắc quy được xem là kho dự trữ năng lượng cho hệ thống. Theo thống kê, rủi ro khi nguồn điện dự phòng gặp sự cố phần nhiều gặp phải do ắc quy bị lỗi mà không được phát hiện kịp thời. - Tại các nhà máy điện và trạm biến áp, hệ thống ắc quy được dùng như một nguồn dự phòng chính để cấp cho các tủ bảng điều khiển nhị thứ cũng như các động cơ điện.

Hệ thống nguồn này có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc bảo trì bảo dưỡng hệ thống cũng như những sự cố mất điện đột ngột, giúp cho các thiết bị bảo vệ, thiết bị đo đếm luôn làm việc an toàn, ổn định và tin cậy. - Sự phát triển công nghệ ngày càng nhanh và mạnh đã cho phép tạo ra những sản phẩm với công nghệ giám sát thông minh, nhỏ gọn và đo được nhiều đại lượng quan trọng nhằm phục vụ công tác vận hành, bảo trì bảo dưỡng hệ thống nguồn ắc quy nói riêng và hệ thống nguồn nói chung. - Luận văn này nhằm nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin kết hợp lĩnh vực truyền thông không dây và các thiết bị điện tử phục vụ cho công tác triển khai hệ thống đo đếm, thu thập dữ liệu các thông số vận hành của các ắc quy tại trạm ngắt, sớm phát hiện các ắc quy lỗi, giảm tuổi thọ, hư hỏng nhằm có kế hoạch bảo trì, thay thế ngay. Đối tƣợng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là áp dụng một số thành tựu công nghệ đo đếm, thu thập dữ liệu điện áp, dòng điện, nhiệt độ, điện trở,.) để thiết lập mô hình hệ thống quản lý ắc quy tại các trạm ngắt mà trước đây chỉ theo dõi bằng thủ công thông qua việc kiểm tra định kỳ.

Phạm vi nghiên cứu: - Địa điểm nghiên cứu: Các trạm ngắt trên địa bàn quản lý của Công ty Điện lực Tân Thuận trực thuộc Tổng công ty Điện lực Tp. 1 - Hoạt động được nghiên cứu: tập trung nghiên cứu hoạt động của các ắc quy và các giải pháp đo đếm thông minh hiện nay nhằm đưa ra phương pháp để áp dụng hệ thống quản lý ắc quy vào thực tế, đồng thời ứng dụng các phần mềm theo dõi, giám sát tình trạng hoạt động của các ắc quy thường xuyên. - Thời gian nghiên cứu: từ tháng 01 đến hết tháng 06 của năm 2019. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Phân tích nguyên tắc hoạt động của hệ thống quản lý ắc quy nhằm áp dụng vào thực tế để giám sát, lưu trữ các đại lượng, thông số (U, I, t0, Ohm) vào cơ sở dữ liệu giúp các kỹ sư, người vận hành có cơ sở đánh giá đưa ra các quyết định.

Phƣơng pháp nghiên cứu: - Phương pháp quan sát thực tế: quan sát tại các trạm ngắt, thí nghiệm mô phỏng với một số ắc quy. - Phương pháp thu thập thông tin: thu thập các thông tin vận hành của hệ thống điện, các trường hợp hư hỏng ắc quy nhưng không phát hiện và có ảnh hưởng đến hệ thống điện gây sự cố. - Phương pháp phân tích: so sánh các số liệu vận hành trước khi nghiên cứu đề tài và ước tính từ thí nghiệm mô phỏng khi áp dụng vào thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: - Ý nghĩa khoa học: vấn đề quản lý, theo dõi tình hình vận hành ắc quy tại các trạm ngắt được thực hiện thủ công nên việc nghiên cứu thiết lập mô hình hệ thống quản lý ắc quy trong giai đoạn hiện nay và tương lai là rất cần thiết.

- Ý nghĩa thực tiễn: + Quản lý, giám sát thông số vận hành ắc quy tự động, thay thế việc kiểm tra thủ công trước đây. + Thông tin số liệu chính xác, tối ưu công tác cải tạo, sửa chữa, đầu tư, bảo trì. + Hiệu quả hơn cho chi phí vận hành. + Đánh giả được rủi ro hư hỏng, đề ra biện pháp khắc phụ sớm, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho khách hàng.

Kết cấu của luận văn: DANH SÁCH CHƢƠNG Chương 1: TỔNG QUAN 1. Hiện trạng buồng ắc quy tại các trạm ngắt 1. Các công nghệ hệ thống giám sát ắc quy được nghiên cứu, áp dụng 1. Hiệu quả mang lại khi áp dụng hệ thống quản lý ắc quy Chương 2: PHÂN TÍCH TÌNH HÌNH SỰ CỐ HỆ THỐNG ĐIỆN 2.

Tình hình sự cố hệ thống điện tại Công ty Điện lực Tân Thuận năm 2018 và Quý 1 năm 2019 2. Các sự cố hư hỏng ắc quy khi không được phát hiện 2. Sơ đồ nguyên lý cung cấp điện; Phương án xử lý tình huống Ắc quy hoạt động bình thường và Ắc quy không hoạt động với tổn thất gây ra Chương 3: CẤU HÌNH HỆ THỐNG QUẢN LÝ ẮC QUY 3. Tổng quan sơ đồ nguyên lý 3.

Cấu tạo chi tiết và chức năng của các thiết bị chính Chương 4: THÍ NGHIỆM 4. Chuẩn bị thiết bị, phụ kiện 4. Thực hiện xây dựng trên Web Server Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5. Kiến nghị Chương 1: TỔNG QUAN 1.

Hiện trạng buồng ắc quy tại các trạm ngắt Công ty Điện lực Tân Thuận hiện đang quản lý 05 trạm ngắt: Gai Sợi, Nhà Rồng, Vĩnh Hội, Vietsin, Vietopia. Số lượng Ắc quy trong từng trạm như sau: - Trạm ngắt Gai Sợi: 55 ắc quy, mỗi ắc quy 2V-300Ah. - Trạm ngắt Nhà Rồng: 55 ắc quy, mỗi ắc quy 2V-300Ah. - Trạm ngắt Vĩnh Hội: 9 ắc quy, mỗi ắc quy 12V-150Ah.

- Trạm ngắt Vietsin: 9 ắc quy, mỗi ắc quy 12V-150Ah. - Trạm ngắt Vietopia: 9 ắc quy, mỗi ắc quy 12V-150Ah. Do nguyên lý hoạt động của các buồng ắc quy đều giống nhau, nên luận văn này tôi nghiên cứu trong buồng ắc quy của 01 trạm ngắt Gai Sợi vì đã có xảy ra sự cố lưới điện và ắc quy không hoạt động làm ảnh hưởng đến thời gian mất điện khách hàng kéo dài, gây thiệt hại không nhỏ cho ngành điện, hình chụp buồng ắc quy trong trạm ngắt Gai Sợi như sau: 1 Hình 1.1: Bên ngoài buồng ắc quy TN Gai Sợi 2 Hình 1.2: Bên trong buồng ắc quy TN Gai Sợi 3 Hình 1.3: Loại ắc quy TN Gai Sợi 4 Hình 1.4: Sơ đồ mặt bằng và nhất thứ TN Gai Sợi 5 1. Các công nghệ hệ thống giám sát ắc quy được nghiên cứu, áp dụng: Khi khoa học công nghệ ngày càng phát triển, việc ứng dụng máy tính và sao lưu dữ liệu hệ thống ngày càng cao trong công việc.

Vì vậy việc ổn định nguồn điện là một vấn đề quan trọng, và cốt lõi cuả nguồn điện dự phòng phụ thuộc vào ắc quy trong hệ thống nguồn. Hệ thống rơ le, các động cơ điện,…trong trạm ngắt sẽ gặp rủi ro khi nguồn điện dự phòng găp sự cố Pin (ắc quy) bị lỗi mà không phát hiện kịp thời. Hầu hết các sự cố xảy ra khi mất điện lưới và nguồn điện dự phòng không đáp ứng kịp. Chúng ta cần có hệ thống giám sát ắc quy dự phòng để đảm bảo không gặp tình huống xấu xảy ra gây mất an toàn cung cấp điện.

Hiện nay, có nhiều hệ thống giám sát ắc quy đang hoạt động trên khắp lĩnh vực như giám sát ắc quy ô tô điện, giám sát ắc quy trên hệ thống điện,. Phần này, tôi giới thiệu một số công nghê giám sát ắc quy như sau: 1.1 Hệ thống giám sát ắc quy ô tô điện: Pin (ắc quy) là nguồn năng lượng cung cấp chính là “bình xăng” của ôtô điện. Nguyên lý hoạt động của pin điện dựa vào sự điện phân hóa học biến đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện 1 chiều. Pin sạc là loại pin có thể hoạt động thuận/nghịch, chuyển năng lượng điện thành năng lượng tích trữ trong pin.

Tùy thuộc vào chất hóa học khác nhau mà pin sạc có tên gọi khác nhau, sự phát triển của công nghệ pin sạc (mật độ năng lượng tích trữ/khối lượng) được trình bày trong hình dưới. Pin sạc chì axít là một trong những pin sạc được phát minh đầu tiên và vẫn được sử dụng đến bây giờ (ác quy cho xe máy, xe ôtô,…) bởi giá thành rất rẻ, có thể sạc được nhiều lần (từ 400 đến 1200 lần), không bị “chai”. Tuy nhiên nhược điểm của ắc quy chì là mật độ năng lượng/khối lượng quá ít 30Wh/kg.1: So sánh các loại pin và tác động của nhiệt độ của pin Lithium Công nghệ pin Lithium-ion (Li-ion) được phát triển từ những năm 1990, đến nay được sử dụng rộng rãi trong tất cả các thiết bị điện tử : máy tính xách tay, máy điện thoại, máy ảnh, máy mp3,… Nhược điểm có loại pin này là nhạy cảm với nhiệt độ cần có hệ thống điều tiết và kiểm soát nhiệt đô tối ưu và an toàn, giá thành còn đắt. Tuy nghiên pin sạc Lithium-ion có nhiều ưu điểm: sạc được nhiều lần (hơn 1200 lần), đặc biệt mật độ năng lượng/khối lượng rất cao 200Wh/kg cho một cellule.

Vì vậy có thể tích trữ được nhiều năng lượng. Tuy nhiên nhược điểm của pin Lithium là phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy cần có hệ thống quản lý giám sát năng lượng.5: Pin Nissan Leaf 22kWh và cấu trúc hệ thống quản giám sát BMS Pin Lithium dành cho ôtô điện, từ 1 cell với điện áp định mức 3.7V và mật độ năng lượng cao khoảng 30Ah (gấp hơn 15 lần 1 cell điện thoại di động) ghép nối tiếp và song song để tạo ra 1 module và từ các modules để tạo ra 1 pack pin. Hệ thống quản lý giám sát năng lượng pin BMS (Battery Management System) 7 quản lý nhiệt độ, điện áp, dòng điện, hệ thống làm mát bởi các cảm biến cho mỗi module và thuật toán giám sát. Hệ thống này đảm bảo pin hoạt động trong điều kiện tối ưu năng lượng và an toàn trong các trường hợp va chạm mạnh do tai nạn hoặc ngập nước.6: Phân bố giá thành của 1 pack pin acquy ôtô điện Giá thành của cả khối pin tùy thuộc rất nhiều yếu tố: giá cell với mật độ năng lượng, số lượng, cấu tạo, khả năng tích trữ, BMS….

Hình trên cho một ví dụ về phân bố giá thành 1 pack pin/kWh của ôtô điện 22kWh. Tổng chi phí bao gồm bảo hành, mất giá giữa các loại tiền tệ là khoảng 800 $/kWh vào năm 2012.2 Hệ thống giám sát ắc quy CELL TRAK: Hình 1.7: Thiết bị giám sát kiểm tra Ắc quy CELL TRAK CELL TRAK là một hệ thống giám sát Ắc quy thông minh cho những hệ thống có công nghệ với quy mô lớn, nơi nguồn điện phải đảm bảo 24/24 đối với hoạt động của hệ thống. CELL TRAK là một công cụ mạnh mẽ trong việc giảm thiểu và ngăn ngừa các sự cố về nguồn do trục trặc cuả Ắc quy.