Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt… Trong các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng có nhiều ưu điểm trong phương pháp phát điện, chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng và không gây ô nhiễm môi trường. Bên cạnh tìm kiếm nguồn năng lượng mới thì việc tìm kiếm phát triển các thiết bị để lưu trữ điện năng cung cấp nguồn dự phòng, thuận tiện cho việc sử dụng, di chuyển, .cũng là mối quan tâm hàng đầu của các chuyên gia về công nghệ năng lượng và quản lý năng lượng. Điện quang năng khi không sử dụng hết thì thường được dữ trữ trong các bình ắc quy. Ngoài ra, các phương tiện giao thông cũng sử dụng năng lượng dự trữ trong ắc quy để khởi động đông cơ hoặc để sử dụng như một năng lượng chính để truyền động.
Theo thống kê năm 2015 số lượng mô tô, xe máy đã đăng ký ở Việt Nam [29], bao gồm cả những xe không còn lưu hành, là 42.527 chiếc, nếu tính trung bình mỗi xe máy có một bình ắc quy và tuổi thọ trung bình của ắc quy là 2-3 năm thì một năm có khoảng 10 triệu ắc quy phải thay thế. Hiện tại, ở nước ta, các nhà máy điện, trạm điện, trung tâm viễn thông, các tòa nhà… nguồn điện một chiều (DC) dự trữ trong các hệ thống ắc quy là cực kỳ quan trọng, nó phải cung cấp đủ chiếu sáng sự cố, điều khiển, bảo vệ, thông tin liên lạc liên lạc…trong trường hợp sự cố mất điện xoay chiều (AC). Các hệ thống ắc quy thường nối tiếp nhiều ắc quy lại với nhau để có điện áp tổng một hệ thống 220- 240VDC. Các hệ thống ắc quy thường ở chế độ dự phòng và phụ nạp liên tục, được 1 Luan van Xây dựng giải thuật giám sát tuổi thọ ắc quy giám sát dòng điện nạp và điện áp tổng của hệ thống.
Đa số các hệ thống ắc quy không giám sát điện áp từng cell/ắc quy. Để theo dõi kiểm tra dung lượng và tuổi thọ hệ thống ắc quy: Trong chế độ bình thường người ta chỉ giám sát dòng điện phụ nạp và điện áp tổng hệ thống; khi kiểm tra bảo dưỡng, định kỳ (hàng năm) người ta phóng điện để xác định dung lượng thực tế và tuổi thọ; phương pháp phổ biến là phóng điện với dòng điện không đổi (dùng bộ phóng điện chuyên dùng) và đo điện áp từng ắc quy bằng dụng cụ cầm tay (đồng hồ vạn năng). Ở các hệ thống không giám sát điện áp từng ắc quy tự động liên tục và lưu lại dữ liệu, nên trong chế độ phụ nạp bình thường không phát hiện kịp thời các ắc quy bị già hóa, hay hết tuổi thọ ảnh hưởng đến tính dự phòng của hệ thống và ảnh hưởng tuổi thọ của ắc quy khác. Mặt khác, khi thực hiện đo điện áp bằng tay, nên con người để tiếp xúc trực tiếp với ắc quy nên rất độc hại do tiếp xúc với hơi a xít và chì.
Một trong những chất độc hại trong ắc quy là chì. Nếu chì từ các ắc quy xâm nhập cơ thể người, nồng độ chì trong máu tăng lên, có thể dẫn đến rối loạn thần kinh như mất nhận thức. Ngoài ra, khi phóng điện thực tế đến 100% dung lượng định mức để kiểm tra dung lượng mất nhiều thời gian, ảnh hưởng tuổi thọ ắc quy, đến tính dự phòng của hệ thống. Hơn nữa, các ắc quy rất đắt, vì vậy giám sát tuổi thọ, ngăn chặn suy thoái và kéo dài tuổi thọ cho ắc quy sẽ có hiệu quả kinh tế cao.
Đã có một số phương pháp để theo dõi các tình trạng của ắc quy và có thể được phân loại như: Dung lượng còn lại ắc quy BRC; trạng thái nạp SOC và trạng thái ắc quy SOH. Các chỉ số SOH cho biết khả năng nạp và phóng điện của ắc quy và cho biết thông tin sự già hóa, suy thoái của ắc quy. Nếu chỉ số SOH được ước tính một cách chính xác, người dùng sẽ biết sự già hóa hoặc hết tuổi thọ của ắc quy và xem có nên thay thế nó hay không. Nhiều phương pháp để ước lượng SOH đã được phát triển, có thể được phân thành ba loại sau đây: Dung lượng Đo dung lượng của ắc quy là phương pháp phổ biến nhất để chỉ ra chỉ số SOH.
Trong phương pháp này, tuổi thọ của ắc quy được xác định kết thúc tuổi thọ 2 Luan van Xây dựng giải thuật giám sát tuổi thọ ắc quy khi dung lượng của ắc quy giảm còn khoảng 80% dung lượng ban đầu nói chung và 60% dung lượng ban đầu cho ắc quy dung lượng nhỏ. Việc chẩn đoán SOH sử dụng dung lượng là tỷ số giữa dung lượng của thời điểm hiện tại so với dung lượng ban đầu, và nó được biểu diễn là: (1.1) Coup de fouet "Coup de fouet" là một hiện tượng đặc biệt của axit chì, xảy ra vào lúc bắt đầu của quá trình phóng điện. Phương pháp này bao gồm việc đo điện áp máng trong khu vực "coup de fouet" và xác định SOH của ắc quy. Phương pháp trở kháng Trở kháng, điện trở của một ắc quy axit chì VRLA (a valve regulated lead- acid) tăng theo thời gian sử dụng và khi giảm dung lượng.
Đo trở kháng xác định được chính xác SOH của ắc quy. Các phân tích dữ liệu logic mờ cũng có thể được kết hợp với các phép đo trở kháng để ước lượng hiệu quả SOH của ắc quy. Ngoài các phương pháp trên, một phương pháp ước lượng già hóa thông minh dựa trên mẫu Entropy (SampEn) được đưa ra để ước tính già hóa hoặc suy thoái của từng ắc quy a xít chì trong hệ thống. Các tính năng nổi bật của phương pháp này là biết sự già hóa hoặc suy thoái của từng ắc quy được ước tính tự động vào cuối mỗi chu kỳ phóng điện bằng cách chỉ đo điện áp từng ắc quy trong một hệ thống ắc quy, nó không liên quan đến bất kỳ phương pháp đo lường phức tạp.
Trong đề tài này, thực hiện giám sát tuổi thọ ắc quy bằng cách giám sát tự động điện áp từng bình ắc quy, dòng điện hệ thống ắc quy, tự động ghi dữ liệu, hiển thị dữ liệu và xuất dữ liệu theo yêu cầu và kết hợp với các phương pháp giám sát tuổi thọ từ dung lượng như sau: 1. Đo điện áp (tự động) hở mạch, tính dung lượng, tính chỉ số SOH, xác định tuổi thọ của từng ắc quy. Phóng điện với dòng điện phóng không đổi, tính dung lượng, tính chỉ số SOH, xác định tuổi thọ của từng ắc quy. 3 Luan van Xây dựng giải thuật giám sát tuổi thọ ắc quy 3.
phương pháp Kết hợp: Phóng điện một phần (khoảng 20% dung lượng định mức), sau đó đo điện áp hở mạch để tính tiếp dung lượng, tính chỉ số SOH, xác định tuổi thọ của từng ắc quy. Ngoài ra, ở chế độ phụ nạp thường xuyên ta có thể giám sát tự động điện áp từng ắc quy, dòng điện phụ nạp của hệ thống ắc quy tự động lưu dữ liệu, xuất dữ liệu theo yêu cầu để biết được hệ thống ắc quy có dấu hiệu hư hỏng hay không.2 Các kết quả nghiên cứu đã công bố có liên quan * Các nghiên cứu ngoài nước - Tác giả Basanta k. Mahato đã công bố nghiên cứu “Mechanism of Capacity Degradation Of A Lead-acid battery” năm 1991, trình bày cơ chế suy thoái dung lượng của ắc quy a xít chì. Balog đã công bố nghiên cứu “Life extension through charge equalization of lead-acid batteries” năm 2002, trình bày kéo dài tuổi thọ bằng phương pháp nạp cân bằng cho các ắc quy a xít chì.
- Nhóm tác giả Shigeyuki Minami, Teruaki Watanabe, Akiya Kozawa đã công bố nghiên cứu “Result of Lead-acid batter Life Prolongation Experiment with Low-level Charging” năm 2003, đưa ra phương pháp kéo dài tuổi thọ ắc quy bằng phương pháp nạp dòng điện thấp. - Nhóm tác giả Hajimu Ikeda, Shigeyuki Minami, Song Jie Hou, Yoichiro Onishi, and Akiya Kozawa đã công bố nghiên cứu “Nobel High Current Pulse Charging Method for Prolongation of Lead-acid Batteries” năm 2005, đưa ra phương pháp kéo dài tuổi thọ ắc quy bằng phương pháp nạp xung dòng điện cao. - Nhóm tác giả Yu-Hua Sun, Hurng-Liahng Jou, Jinn-Chang Wu đã công bố nghiên cứu “Intelligent Aging Estimation Method for Lead-Acid Battery” năm 2008, đưa ra phương pháp ước lượng già hóa thông minh dựa trên Sample Entropy (SampEn) áp dụng cho cho các ắc quy axit chì được mắc nối tiếp trong một chuổi. Cadirci đã công bố nghiên cứu “A new online state-of-charge estimation and monitoring system for sealed lead-acid atteries in Telecommunication power 4 Luan van Xây dựng giải thuật giám sát tuổi thọ ắc quy supplies” năm 2005, trình bày một phương pháp mới, online, hệ thống giám sát và ước lượng trạng thái nạp ắc quy cho cả phóng và nạp ắc quy axit chì kín, thường được sử dụng trong các hệ thống điện viễn thông là nguồn cung cấp điện dự phòng.
Nguyen đã công bố nghiên cứu “A Mathematical Model of a Lead-Acid Cell Discharge, Rest, and Charge” năm 1987, trình bày một mô hình toán học cho một Cell ắc quy a xít chì ở chế độ phóng điện , nghỉ và nạp điện. Muneret đã công bố nghiên cứu “Analysis of the Partial Charge Reactions within a Standby VRLA Battery Leading to an Understanding of Intermittent Charging Techniques” năm 2000, phân tích các phản ứng trong một ắc quy VRLA dự phòng để hiểu rõ kỹ thuật nạp liên tục. - IEEE Std 1187-2013 (Revision of IEEE Std 1187-2002) đã công bố “IEEE Recommended Practice for Installation Design and Installation of Valve-Regulated Lead-Acid Batteries for Stationary Applications”. Giới thiệu cách thực hiện thiết kế và lắp đặt cho các ắc quy a xít chì VRLA trong các ứng dụng cố định.
1188a–2014 đã công bố “IEEE Recommended Practices for Maintenance, Testing and Replacement of Valve Regulated Lead-acid (VRLA) Batteries in stationary applications”. Giới thiệu cách thực hiện bảo dưỡng, thử nghiệm và thay thế cho các ắc quy a xít chì trong các ứng dụng cố định. 1189–2007 đã công bố “IEEE Guide for Selection of Valve- Regulated Lead-Acid (VRLA) Batteries for Stationary Applications”. Giới thiệu cách chọn các ắc quy a xít chì Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications trong các ứng dụng cố định.
- IEEE Std 485™-2010 đã công bố “IEEE Recommended Practice for Sizing Lead-Acid Batteries for Stationary Applications”. Giới thiệu cách thực hiện ước lượng cho các ắc quy a xít chì trong các ứng dụng cố định.