Ứng dụng Matlab/Simulink Mô phỏng Pin Lithium - Đồ án Tốt nghiệp

Mô phỏng pin Lithium bằng Matlab Simulink: Hướng dẫn chi tiết cách xây dựng mô hình pin Lithium, phân tích hiệu suất và ứng dụng trong thực tế.

• Tác giả: Lê Nguyễn Quỳnh Thông
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Quốc Việt
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Ô tô
• Đề tài: Ứng Dụng Matlab/Simulink Mô Phỏng Pin Lithium
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT BẰNG TIẾNG VIỆT
• TÓM TẮT BẰNG TIẾNG ANH
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về đề tài
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Nội dung nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PIN TRÊN XE ĐIỆN
• 2.1. Thông số hoạt động của pin
• 2.2. Thông số danh nghĩa
• 2.3. Dung lượng pin
• 2.4. Thông số điện
• 2.5. Dòng sạc/xả
• 2.6. Các thông số khác
• 2.7. Tự phóng điện
• 2.8. Hiệu ứng bộ nhớ
• 2.9. Pin Nikel Cadimi (Ni-Cd)
• 2.10. Tổng quan về pin Ni-Cd
• 2.11. Đặc tính sạc và xả của pin Ni-Cd
• 2.12. Đặc tính sạc của pin Ni-Cd
• 2.13. Đặc tính xả của pin Ni-Cd
• 2.14. Ưu/ nhược điểm của pin Ni-Cd
• 2.15. Nhược điểm
• 2.16. Ứng dụng của pin Ni-Cd
• 2.17. Pin Nikel kim loại-hydrua (NiMH)
• 2.18. Đặc tính sạc và xả của pin NiMH
• 2.19. Đặc tính sạc của pin NiMH
• 2.20. Đặc tính xả của pin NiMH
• 2.21. Ưu và nhược điểm của pin NiMH
• 2.22. Nhược điểm
• 2.23. Ứng dụng của pin NiMH
• 2.24. So sánh giữa pin NiMH và Ni-Cd
• 2.25. Điện cực dương
• 2.26. Điện cực âm
• 2.27. Màng ngăn cách
• 2.28. Chất điện phân
• 2.29. Phản ứng điện hóa
• 2.30. Lithium – Sắt Photphat, LFP (LiFePO4)
• 2.31. Lithium – Coban oxit, LCO (LiCoO2)
• 2.32. Lithium – Mangan oxit, LMO (LiMn2O4)
• 2.33. Lithium – Niken – Mangan – Coban oxit, NMC (LiNiMnCoO2)
• 2.34. Ôxít Lithium – Niken – Coban – Aluminum, NCA (LiNiCoAlO2)
• 2.35. Lithium – Titanat, LTO (Li4Ti5O12)
• 2.36. Pin Lithium polyme
• 2.37. Đặc tính sạc và xả của pin Lithium
• 2.38. Đặc tính sạc của pin Li-ion với các dòng điện khác nhau
• 2.39. Đặc tính xả của pin Li-ion với các tốc độ khác nhau
• 2.40. Tuổi thọ của pin Lithium
• 2.41. Ưu nhược điểm của pin Lithium
• 2.42. Nhược điểm
• 2.43. Ứng dụng của pin Lithium
• 2.44. So sánh 2 loại pin Niken và Lithium
• 3. CHƯƠNG 3 LÝ THUYẾT MÔ HÌNH HÓA PIN LITHIUM
• 3.1. Mô hình hóa của pin Lithium
• 3.2. Mô hình điện hóa (Electrochemical Models)
• 3.3. Mô hình giả lập hai chiều (P2D)
• 3.4. Mô hình hạt đơn (SPM)
• 3.5. Mô hình hộp đen (Black-Box Model)
• 3.6. Các mô hình mạch tương đương (ECM - Equivalent Circuit Model)
• 3.7. Mô hình điện trở
• 3.8. Mô hình RC
• 3.9. Quang phổ trở kháng điện hóa
• 3.10. Trạng thái sạc của pin (SOC)
• 3.11. Các phương pháp ước tính SOC
• 3.12. Phương pháp thực nghiệm
• 3.13. Phương pháp dựa trên mô hình
• 3.14. Lý thuyết sạc pin lithium
• 3.15. Các phương pháp sạc pin
• 3.16. Phương pháp sạc CCCV
• 3.17. Phương pháp sạc dòng điện nhiều tầng
• 3.18. Lưu ý an toàn khi sạc pin
• 3.19. Xả quá mức
• 3.20. Sạc quá mức
• 3.21. Nhiệt độ và hiệu suất sạc
• 3.22. Cân bằng pin
• 3.23. Tổng quan về cân bằng pin
• 3.24. Các phương pháp cân bằng pin
• 3.25. Phương pháp cân bằng bị động
• 3.26. Phương pháp cân bằng chủ động
• 4. CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG PIN LITHIUM
• 4.1. Thông số của pin Kokam lithium-polymer
• 4.2. Mô phỏng pin bằng mô hình toán học (Simulink)
• 4.3. Mô phỏng pin bằng mô hình vật lý (Simscape)
• 4.4. Mô hình sạc CC-CV cho pin Lithium
• 4.5. Mô hình cân bằng pin Lithium
• 4.6. Mô hình sạc kết hợp cân bằng pin Lithium
• 5. CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Phỏng Pin Lithium ion với Matlab

Bài viết này đi sâu vào mô phỏng pin lithium sử dụng Matlab Simulink, một công cụ mạnh mẽ để thiết kế và phân tích các hệ thống động. Pin lithium-ion đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, từ xe điện (EV) đến hệ thống lưu trữ năng lượng (ESS). Hiểu rõ đặc tính của chúng là rất quan trọng. Mô phỏng cung cấp một phương pháp hiệu quả về chi phí và thời gian để nghiên cứu hiệu suất pin trong các điều kiện khác nhau. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc sử dụng Matlab Simulink để xây dựng và phân tích mô hình pin lithium. Các mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất pin, tối ưu hóa các chiến lược quản lý pin (BMS) và đánh giá tác động của các yếu tố khác nhau như nhiệt độ và dòng điện lên tuổi thọ pin. Nhóm nghiên cứu của Lê Nguyễn Quỳnh Thông và Huỳnh Anh Hào (2023) tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã thực hiện đồ án tốt nghiệp về chủ đề này, làm nền tảng cho những phân tích sâu hơn trong bài viết. Việc mô phỏng hệ thống pin là cần thiết để phát triển các sản phẩm chất lượng cao, giảm chi phí thử nghiệm và tăng độ tin cậy.

1.1. Tầm quan trọng của Mô phỏng Pin trong Kỹ thuật hiện đại

Trong kỷ nguyên năng lượng sạch và di động điện, pin đóng vai trò then chốt. Mô phỏng cho phép các kỹ sư dự đoán và tối ưu hóa hiệu suất pin trước khi xây dựng phần cứng thực tế. Điều này giúp giảm thời gian và chi phí phát triển, đồng thời cải thiện độ tin cậy của sản phẩm. Ví dụ, mô phỏng nhiệt pin có thể giúp các nhà thiết kế hệ thống làm mát hiệu quả hơn, ngăn ngừa quá nhiệt và kéo dài tuổi thọ pin. Mô hình hóa pin cho phép xác định các điểm yếu trong thiết kế và thực hiện các thay đổi trước khi tốn kém chi phí cho quá trình sản xuất. Nghiên cứu của Lê Nguyễn Quỳnh Thông và Huỳnh Anh Hào đã chỉ ra rằng việc sử dụng Matlab Simulink cho phép tạo ra các mô hình pin có độ chính xác cao, phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau.

1.2. Ứng dụng Matlab Simulink trong Mô phỏng Pin Lithium ion

Matlab Simulink cung cấp một môi trường trực quan để xây dựng và mô phỏng các hệ thống phức tạp, bao gồm cả mô hình pin. Nó cung cấp nhiều công cụ và thư viện được thiết kế đặc biệt cho mô phỏng hệ thống điện. Simulink cho phép người dùng tạo ra các mô hình pin dựa trên các phương trình toán học và các thông số vật lý. Các mô hình này có thể được sử dụng để mô phỏng hiệu suất pin trong các điều kiện khác nhau, chẳng hạn như các chu kỳ sạc và xả khác nhau, nhiệt độ khác nhau và các mức dòng điện khác nhau. Ngoài ra, Simulink cung cấp các công cụ để phân tích dữ liệu mô phỏng và trực quan hóa kết quả, cho phép các kỹ sư hiểu rõ hơn về hành vi của pin. Các kết quả này có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế pin, cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ.

II. Thách Thức Khi Mô Phỏng Pin Lithium ion Chính Xác

Mặc dù mô phỏng pin mang lại nhiều lợi ích, nhưng nó cũng đi kèm với những thách thức đáng kể. Một trong những thách thức lớn nhất là độ phức tạp của chính pin lithium-ion. Hiệu suất của pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm thành phần hóa học, nhiệt độ, dòng điện và lịch sử sử dụng. Việc nắm bắt tất cả các yếu tố này trong một mô hình duy nhất là một nhiệm vụ khó khăn. Bên cạnh đó, việc xác định tham số pin chính xác là rất quan trọng. Các thông số này thường không có sẵn trong bảng dữ liệu và phải được ước tính bằng các kỹ thuật thực nghiệm, chẳng hạn như quang phổ trở kháng điện hóa. Hơn nữa, mô phỏng hệ thống pin lớn có thể tốn kém về mặt tính toán, đặc biệt là khi xem xét các hệ thống pin phức tạp cho xe điện. Việc cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán là một thách thức quan trọng. Cuối cùng, việc xác thực mô hình pin với dữ liệu thực nghiệm là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của mô phỏng.

2.1. Độ phức tạp của các Mô hình Điện hóa Pin Lithium ion

Mô hình điện hóa pin cố gắng nắm bắt các quá trình hóa học và vật lý phức tạp diễn ra bên trong pin. Những mô hình này thường dựa trên các phương trình vi phân từng phần và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán để giải quyết. Ví dụ, mô hình P2D (Pseudo-Two-Dimensional) là một mô hình điện hóa phổ biến, xem xét sự khuếch tán ion lithium trong các hạt điện cực và chất điện phân. Tuy nhiên, việc sử dụng mô hình P2D đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình hóa học bên trong pin và truy cập vào các thông số vật lý chi tiết. Do đó, các mô hình đơn giản hơn, chẳng hạn như mô hình mạch tương đương, thường được sử dụng trong thực tế.

2.2. Vấn đề Xác Định Tham Số Chính Xác cho Mô phỏng Pin

Độ chính xác của mô phỏng pin phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của các tham số pin được sử dụng trong mô hình. Các thông số này có thể bao gồm điện trở trong, điện dung và điện áp mạch hở (OCV). Tuy nhiên, việc xác định tham số có thể là một nhiệm vụ đầy thách thức, vì chúng có thể thay đổi theo nhiệt độ, trạng thái sạc (SOC) và tuổi thọ pin. Các kỹ thuật thực nghiệm, chẳng hạn như phân tích dữ liệu sạc/xả và quang phổ trở kháng điện hóa (EIS), thường được sử dụng để ước tính tham số. Tuy nhiên, các kỹ thuật này có thể tốn thời gian và đắt tiền, đồng thời có thể không cung cấp độ chính xác cần thiết cho một số ứng dụng. Do đó, việc phát triển các phương pháp hiệu quả và chính xác để xác định tham số pin là một lĩnh vực nghiên cứu đang diễn ra.

2.3. Đảm bảo tính toán Hiệu quả trong Mô phỏng Pin Simulink

Mô phỏng pin cho các hệ thống lớn, chẳng hạn như hệ thống pin của xe điện, có thể tốn kém về mặt tính toán. Điều này đặc biệt đúng khi sử dụng các mô hình điện hóa phức tạp. Để giảm chi phí tính toán, có thể sử dụng các kỹ thuật khác nhau, chẳng hạn như giảm bậc mô hình và tính toán song song. Giảm bậc mô hình liên quan đến việc đơn giản hóa các phương trình toán học được sử dụng để mô tả hiệu suất pin. Điều này có thể được thực hiện bằng cách bỏ qua các hiệu ứng ít quan trọng hoặc bằng cách sử dụng các phương pháp gần đúng. Tính toán song song liên quan đến việc chia công việc mô phỏng thành nhiều bộ xử lý, có thể làm giảm đáng kể thời gian mô phỏng.

III. Các Phương Pháp Mô Phỏng Pin Lithium ion Trong Simulink

Có nhiều phương pháp khác nhau để mô phỏng pin lithium-ion trong Simulink, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Các phương pháp phổ biến nhất bao gồm mô hình mạch tương đương (ECM), mô hình điện hóa và mô hình hộp đen. ECM là đơn giản nhất và hiệu quả tính toán nhất, nhưng chúng có thể không nắm bắt chính xác các hành vi phức tạp của pin. Mô hình điện hóa chính xác hơn, nhưng chúng đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán hơn. Mô hình hộp đen dựa trên dữ liệu và có thể được sử dụng để mô phỏng pin mà không cần hiểu rõ các quá trình vật lý cơ bản, nhưng chúng có thể không khái quát tốt cho các điều kiện hoạt động khác nhau. Sự lựa chọn phương pháp mô phỏng phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.1. Ưu điểm và Hạn chế của Mô hình Mạch Tương Đương ECM

Mô hình mạch tương đương (ECM) đại diện cho hiệu suất pin bằng một mạch điện đơn giản bao gồm các điện trở, tụ điện và nguồn điện áp. ECM tương đối dễ triển khai và hiệu quả về mặt tính toán, khiến chúng phù hợp với các ứng dụng thời gian thực, chẳng hạn như BMS. Tuy nhiên, ECM có thể không nắm bắt chính xác các hành vi phức tạp của pin, chẳng hạn như các hiệu ứng tần số và các phản ứng phi tuyến tính. Độ chính xác của ECM phụ thuộc vào việc lựa chọn cấu trúc mạch thích hợp và xác định chính xác các giá trị thành phần. Mặc dù vậy, Lê Nguyễn Quỳnh Thông và Huỳnh Anh Hào đã sử dụng thành công ECM để mô phỏng các đặc tính cơ bản của pin lithium trong Simulink.

3.2. Khám phá Chi tiết Mô hình Điện hóa và Ứng dụng

Mô hình điện hóa cố gắng nắm bắt các quá trình hóa học và vật lý phức tạp diễn ra bên trong pin. Những mô hình này thường dựa trên các phương trình vi phân từng phần và đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán để giải quyết. Tuy nhiên, mô hình điện hóa có thể cung cấp các dự đoán chính xác hơn về hiệu suất pin so với ECM, đặc biệt là trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Ví dụ, mô hình P2D là một mô hình điện hóa phổ biến, xem xét sự khuếch tán ion lithium trong các hạt điện cực và chất điện phân. Mô hình điện hóa có thể được sử dụng để nghiên cứu tác động của các yếu tố khác nhau như thành phần hóa học, nhiệt độ và dòng điện lên hiệu suất pin.

3.3. Lợi ích và Giới hạn của Mô hình Hộp Đen Dựa trên Dữ liệu

Mô hình hộp đen dựa trên dữ liệu thực nghiệm để xây dựng một mô hình mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của pin. Những mô hình này không yêu cầu hiểu biết về các quá trình vật lý cơ bản và có thể được sử dụng để mô phỏng pin mà không cần kiến thức chi tiết về thành phần hóa học hoặc kiến trúc. Các kỹ thuật học máy, chẳng hạn như mạng nơ-ron và máy vectơ hỗ trợ, thường được sử dụng để xây dựng mô hình hộp đen. Tuy nhiên, mô hình hộp đen có thể không khái quát tốt cho các điều kiện hoạt động khác nhau và có thể cần được đào tạo lại khi dữ liệu mới có sẵn.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Quản Lý Pin và Ước Tính SOC SOH

Mô phỏng pin có nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm quản lý pin (BMS) và ước tính SOC (State of Charge) và SOH (State of Health). BMS chịu trách nhiệm bảo vệ pin khỏi các điều kiện hoạt động quá mức, chẳng hạn như quá sạc, quá xả và quá nhiệt. Mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất của các thuật toán BMS khác nhau và để tối ưu hóa các chiến lược điều khiển. Ước tính SOC là rất quan trọng để xác định lượng năng lượng còn lại trong pin và để dự đoán phạm vi của xe điện. Ước tính SOH là rất quan trọng để đánh giá tuổi thọ pin và để lên kế hoạch thay thế pin. Mô phỏng có thể được sử dụng để phát triển và đánh giá các thuật toán ước tính SOC và SOH.

4.1. Tối ưu hóa Hệ thống Quản lý Pin BMS Bằng Simulink

Hệ thống quản lý pin (BMS) là một thành phần quan trọng của mọi hệ thống pin lithium-ion. BMS chịu trách nhiệm theo dõi trạng thái pin, bảo vệ pin khỏi các điều kiện hoạt động quá mức và tối ưu hóa hiệu suất pin. Simulink có thể được sử dụng để phát triển và đánh giá các thuật toán BMS khác nhau. Ví dụ, Simulink có thể được sử dụng để mô phỏng hành vi của pin trong các điều kiện lỗi khác nhau và để đánh giá hiệu quả của các chiến lược bảo vệ BMS. Simulink cũng có thể được sử dụng để phát triển các thuật toán điều khiển cho cân bằng pin và quản lý nhiệt.

4.2. Phương pháp Ước tính SOC State of Charge trong Simulink

SOC là một thước đo lượng năng lượng còn lại trong pin. Ước tính SOC chính xác là rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng, chẳng hạn như dự đoán phạm vi của xe điện và tối ưu hóa các chiến lược sạc. Có nhiều phương pháp khác nhau để ước tính SOC, bao gồm phương pháp dựa trên điện áp, phương pháp đếm ampe và phương pháp lọc Kalman. Simulink có thể được sử dụng để triển khai và đánh giá các thuật toán ước tính SOC khác nhau. Ví dụ, Simulink có thể được sử dụng để mô phỏng hành vi của pin trong các điều kiện hoạt động khác nhau và để so sánh độ chính xác của các thuật toán ước tính SOC khác nhau.

4.3. Đánh giá SOH State of Health và Dự đoán Tuổi thọ Pin

SOH là một thước đo sức khỏe của pin và thể hiện dung lượng pin so với dung lượng ban đầu. Ước tính SOH là rất quan trọng để đánh giá tuổi thọ pin và để lên kế hoạch thay thế pin. Có nhiều phương pháp khác nhau để ước tính SOH, bao gồm phương pháp dựa trên suy giảm dung lượng, phương pháp dựa trên trở kháng và phương pháp dựa trên học máy. Simulink có thể được sử dụng để phát triển và đánh giá các thuật toán ước tính SOH khác nhau. Ví dụ, Simulink có thể được sử dụng để mô phỏng quá trình lão hóa của pin và để dự đoán dung lượng pin sẽ suy giảm theo thời gian như thế nào.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Mô Phỏng Pin Lithium

Mô phỏng pin lithium bằng Matlab Simulink là một công cụ mạnh mẽ để thiết kế, phân tích và tối ưu hóa hệ thống pin. Bằng cách sử dụng mô hình pin chính xác, các kỹ sư có thể dự đoán hiệu suất pin, tối ưu hóa các chiến lược quản lý pin và đánh giá tác động của các yếu tố khác nhau như nhiệt độ và dòng điện lên tuổi thọ pin. Mặc dù có những thách thức liên quan đến mô phỏng pin, những lợi ích của việc sử dụng công cụ này là không thể phủ nhận. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình pin chính xác hơn, các thuật toán xác định tham số hiệu quả hơn và các kỹ thuật mô phỏng hiệu quả về mặt tính toán. Ngoài ra, việc tích hợp mô phỏng pin với các công cụ thiết kế hệ thống khác có thể giúp các kỹ sư thiết kế các hệ thống hiệu quả và đáng tin cậy hơn.

5.1. Thách Thức và Cơ Hội trong Phát Triển Mô hình Điện Hóa

Việc phát triển các mô hình điện hóa chính xác hơn đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các quá trình vật lý và hóa học diễn ra bên trong pin. Nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình phức tạp hơn có thể nắm bắt các hiệu ứng như phân cực nồng độ và phản ứng điện cực. Ngoài ra, việc phát triển các phương pháp hiệu quả hơn để giải các phương trình toán học liên quan đến mô hình điện hóa là rất quan trọng để giảm chi phí tính toán. Sự phát triển của các cảm biến mới có thể cung cấp thông tin chi tiết hơn về các quy trình bên trong pin, cho phép phát triển các mô hình chính xác hơn.

5.2. Vai trò của Học Máy trong Mô Phỏng và Quản Lý Pin

Các kỹ thuật học máy có thể được sử dụng để cải thiện độ chính xác và hiệu quả của mô phỏng pin và quản lý pin. Ví dụ, các thuật toán học máy có thể được sử dụng để phát triển các mô hình dựa trên dữ liệu có thể dự đoán hiệu suất pin mà không cần kiến thức chi tiết về các quy trình vật lý cơ bản. Các thuật toán học máy cũng có thể được sử dụng để phát triển các thuật toán ước tính SOC và SOH chính xác hơn. Ngoài ra, các thuật toán học máy có thể được sử dụng để tối ưu hóa các chiến lược quản lý nhiệt và cân bằng pin.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về đề tài Với sự phát triển không ngừng của xã hội hiện đại ngày nay, quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa diễn ra liên tục khiến cho không khí môi trường ngày càng ô nhiễm, đặc biệt là Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh đang là hai thành phố đứng đầu danh sách trong những thành phố ô nhiễm nhất trên thế giới khiến cho chất lượng cuộc sống của chúng ta bị giảm sút đáng kể. Trong đó không thể không kể đến các loại phương tiện giao thông nói chung và ô tô nói riêng đã góp một phần không nhỏ vào sự ô nhiễm của không khí, làm tăng hiệu ứng nhà kính, biến đổi khí hậu. Do đó, các loại ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch như xăng & diesel đang dần được thay thế bởi xe Hybrid (HEV) và xe điện (EV).

Thêm vào đó, nguồn nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt và không thể tái tạo đã khiến cho việc tìm nguồn động lực mới cho ô tô là tất yếu. Chính vì vậy, pin trên xe điện ngày càng được chú trọng và phát triển. Chúng em được sự phân công của Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô của khoa Đào tạo Chất lượng cao - trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và sự hướng dẫn của thầy Th. S Huỳnh Quốc Việt, nhóm chúng em đã nghiên cứu thực hiện đề tài: Ứng dụng Matlab/Simulink mô phỏng pin Lithium.

Đề tài này có ý nghĩa rất lớn đối với việc đóng góp vào công tác giảng dạy của quý thầy cô, phục vụ cho việc học tập của sinh viên, giúp cho mọi người có cái nhìn rõ hơn về chức năng, hiệu suất, cách sử dụng pin Lithium hiệu quả. Mục tiêu đề tài - Nắm vững cấu tạo, chức năng và nguyên lí hoạt động của pin Lithium. - Sử dụng thành thạo Matlab/Simulink trong mô phỏng các trạng thái của pin. - Nắm rõ hiệu suất, nhiệt độ, cách sạc của pin từ đó có nguồn tài liệu cho việc sử dụng pin hiệu quả.

- Làm tư liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, học tập và giảng dạy. Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP. Giới hạn đề tài Do còn hạn chế về các thiết bị, công cụ thực tế nên đề tài chỉ tiến hành mô phỏng trên ứng dụng Matlab/Simulink, chưa tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra kết quả. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Pin Lithium.

- Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink/Simscape. Phương pháp nghiên cứu - Dựa trên các nguồn tài liệu tham khảo từ sách báo, Internet từ đó xây dựng mô hình mới. - Tham khảo các mô hình pin thực tế; tiến hành phân tích, đánh giá dựa trên những dữ liệu đã thu thập được từ đó xây dựng được thuật toán, mô phỏng mô hình. - Sử dụng Matlab/Simulink/Simscape để xây dựng các mô hình mô phỏng từ đó đánh giá một cách toàn diện về pin Lithium.

Nội dung nghiên cứu - Mô phỏng được trạng thái sạc (SOC), điện áp, nhiệt độ của pin Lithium. - Đánh giá kết quả mô phỏng của Simulink so với model pin Simscape. - Model bộ sạc CC-CV cho pin Lithium. - Model cân bằng pin.

- Model sạc kết hợp cân bằng pin. Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 2 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ PIN TRÊN XE ĐIỆN 2. Thông số hoạt động của pin 2. Thông số danh nghĩa 2.

Dung lượng pin Dung lượng pin là một chỉ số đo lường cho khả năng của pin lưu trữ và cung cấp năng lượng. Nó thường được đo bằng đơn vị mAh (miliampe giờ) hoặc Ah (ampe giờ). Dung lượng pin thường được kí hiệu là C và chỉ ra khối lượng điện mà pin có thể cung cấp trong một khoảng thời gian. Ví dụ: nếu một pin có dung lượng 5000mAh, điều này có nghĩa là pin có khả năng cung cấp dòng điện 1000mA hoạt động trong 5 giờ.

Tuy nhiên, đây chỉ là một giá trị ước tính và thực tế sẽ phụ thuộc vào các yếu tố khác như dòng tiêu thụ của thiết bị và điều kiện sử dụng. Dung lượng pin là một yếu tố quan trọng khi chọn pin cho các thiết bị di động, bởi vì nó liên quan trực tiếp đến thời gian sử dụng của pin trước khi cần sạc lại. Thông thường, dung lượng pin càng cao, thời gian sử dụng của pin càng lâu. ❖ Dung lượng lý thuyết Dung lượng lý thuyết của một pin là giá trị tối đa về dung lượng ước tính mà hãng sản xuất pin đưa ra.

Tuy nhiên, dung lượng lý thuyết chỉ là một giá trị ước tính và thực tế sẽ phụ thuộc nhiều vào các yếu tố khác nhau như dòng tiêu thụ của thiết bị và điều kiện sử dụng. Dung lượng lý thuyết thường được ký hiệu là CT và có thể tính bằng cách sử dụng khối lượng chất hoạt động theo định luật Faraday như sau: 𝑚 𝑄 = 𝑛𝐹 𝑀 Trong đó: Q: điện tích trong phản ứng (Ah) n: electron thu được hoặc mất đi m: khối lượng chất phản ứng (g) F: hằng số Faraday M: khối lượng mol nguyên tử của vật liệu (g/mol) Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 3 Từ đó, dung lượng lý thuyết có thể được tính bằng công thức: 𝑚0 𝐶𝑇 = 26.8𝑛 𝑀 Trong đó: 𝑚0 : khối lượng các electron điện cực tham gia phản ứng. ❖ Dung lượng định mức Dung lượng định mức thường là một giá trị trung bình cho khả năng cung cấp năng lượng của pin dựa trên các điều kiện tiêu chuẩn nhất định. Nó thường dựa trên một dòng điện tiêu thụ duy nhất hoặc dòng điện tiêu thụ trung bình trong một khoảng thời gian nhất định.

Dung lượng định mức của một pin được công nhận và xác định bởi các tiêu chuẩn quốc tế hoặc được đặt ra bởi các nhà sản xuất pin. ❖ Dung lượng thực tế Dung lượng thực tế của một pin là dung lượng mà pin thực sự có thể cung cấp và lưu trữ, dựa trên các điều kiện sử dụng thực tế của pin. Dung lượng thực tế thường được ký hiệu là CP và có thể được xác định bằng cách lấy tích phân theo thời gian t của dòng điện xả: 𝑡𝑐𝑢𝑡 𝐶𝑃 = ∫ 𝑖(𝑡)𝑑𝑡 𝑡0 Trong đó: 𝑡0 : thời điểm ban đầu (thời điểm bắt đầu xả). tcut: thời điểm pin đạt đến ngưỡng điện áp cắt xả.

i(t): dòng điện xả trong quá trình xả. Trong điều kiện phóng điện không đổi, dung lượng thực tế được đo bằng: 𝐶𝑃 = 𝐼𝑇 Trong đó: I: dòng điện xả không đổi (hằng số). T: khoảng thời gian pin xả trước khi đạt đến ngưỡng điện áp cắt. Vì dòng điện được xác định bởi tốc độ hiện tại, nên hậu tố C cho biết tốc độ hiện tại mà pin được xả.

Do nội trở bên trong pin nên các vật liệu hoạt động không đạt trạng thái phản ứng hoàn toàn. Dung lượng thực tế thường thấp hơn dung lượng định mức hoặc dung Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 4 lượng lý thuyết do một số nguyên nhân như: hiệu suất pin, điều kiện sử dụng và tuổi thọ pin. Dung lượng thực tế của một pin thường được xác định thông qua các cuộc thử nghiệm và đánh giá của nhà sản xuất pin. Khi lựa chọn pin, người dùng cần lưu ý rằng dung lượng thực tế có thể khác với dung lượng định mức hoặc dung lượng lý thuyết và nên xem xét cả hai khi đánh giá thời gian sử dụng của pin.

Điện áp pin ❖ Suất điện động Suất điện động (hay còn gọi là điện thế cân bằng) là một thông số để đánh giá khả năng phóng điện của pin. Nó được định nghĩa là sự khác biệt về điện thế giữa cực dương và cực âm của pin. Suất điện động thường được ký hiệu là E và tính như sau: 𝐸 = 𝜓+ − 𝜓− Trong đó: ψ+: thế năng dương ở trạng thái cân bằng. ψ-: thế năng âm ở trạng thái cân bằng.

❖ Điện áp mạch hở Điện áp mạch hở (ký hiệu là Uocv) là hiệu điện thế giữa cực dương và cực âm trong pin khi không có dòng điện chạy qua. Điện áp mạch hở được xác định bởi các yếu tố như vật liệu sản xuất, chất điện phân, nồng độ và nhiệt độ. Điện áp mạch hở không phụ thuộc vào cấu trúc và kích thước của pin. Điện áp mạch hở thường thấp hơn suất điện động.

❖ Điện áp làm việc Điện áp làm việc (được ký hiệu là Ucc) là sự chênh lệch điện thế giữa các cực của pin khi pin đang hoạt động. Khi pin đang được xả (sử dụng), điện áp làm việc thường thấp hơn so với điện áp mạch hở và suất điện động, do ảnh hưởng của điện trở phân cực và điện trở Ohmic. Công thức tính điện áp làm việc như sau: 𝑈𝑐𝑐 = 𝐸 − 𝐼𝑅𝑖 = 𝐸 − 1(𝑅𝛺 + 𝑅𝑓 ) Trong đó: Ri: điện trở trong của pin. 𝑅𝛺 : điện trở trong Ohmic.

𝑅𝑓 : điện trở phân cực. Khoa ĐT CLC – ĐH SPKT TP.HCM 5 Điện áp làm việc của pin phụ thuộc bởi một số yếu tố như thời gian xả, dòng xả, nhiệt độ làm việc và điện áp xả. Điện áp định mức được sử dụng để phân biệt giữa các loại pin sử dụng hóa chất khác nhau. Ví dụ như, điện áp định mức của pin chì-axit, Ni-MH, LFP và LTO có thể khác nhau tùy thuộc vào loại hóa chất được sử dụng.

❖ Điện áp cắt xả Điện áp cắt phóng điện (còn được gọi là điện áp cắt xả) là giá trị điện áp thấp nhất mà pin vẫn có thể hoạt động (phóng điện ổn định). Điện áp cắt xả bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau. Nếu pin được xả dưới ngưỡng điện áp này, có thể gây hỏng pin và tồn tại nguy cơ tai nạn cháy nổ. Tương tự như điện áp cắt xả, điện áp tối đa khi pin được sạc là điện áp cắt sạc.

Thông số điện 2. Nội trở Nội trở (điện trở trong) của pin là một giá trị đo trong hệ đo Ohm, biểu thị khả năng của pin chịu được trở kháng khi cung cấp dòng điện. Nội trở gồm có hai loại: điện trở Ohmic R Ω và điện trở phân cực R f. Điện trở Ohmic R Ω được tạo ra từ vật liệu điện cực, chất điện phân và màng ngăn cách.

Nội trở bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm cách thiết kế và kích cỡ của pin, thành phần hóa học, điện áp hoạt động và nhiệt độ. Nếu nội trở của pin cao, điện áp thực tế có thể giảm và dòng điện cung cấp có thể bị hạn chế. Nội trở của pin cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ pin. Nếu nội trở cao, pin có thể mất điện nhanh hơn và sụt giảm hiệu suất trong quá trình sử dụng.