Tổng quan nghiên cứu

Pin Lithium-ion (LiB) đã trở thành công nghệ lưu trữ năng lượng chủ đạo trong nhiều lĩnh vực như thiết bị điện tử cầm tay, ô tô điện, và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo. Theo ước tính, LiB chiếm tỷ trọng lớn trong thị trường pin toàn cầu nhờ ưu điểm về mật độ năng lượng cao, tuổi thọ dài và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, khi các cell pin được nối tiếp trong bộ pin lớn, sự không đồng đều về dung lượng, điện trở trong và trạng thái tích năng lượng (SoC) giữa các cell dẫn đến mất cân bằng SoC, gây giảm hiệu suất và nguy cơ an toàn như cháy nổ. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng trong các ứng dụng công suất lớn như xe điện và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển thuật toán điều khiển cân bằng SoC các cell nối tiếp trong hệ thống pin Lithium-ion nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn cho bộ pin. Nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng mô hình toán học chính xác cho việc quan sát và điều khiển SoC, áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng SoC và thiết kế thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các cell pin nối tiếp trong bộ pin Lithium-ion, với dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng trên pin Samsung INR18650-25R 2500mAh.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác trong ước lượng SoC, giảm thiểu mất cân bằng giữa các cell, từ đó kéo dài tuổi thọ pin và tăng cường an toàn vận hành. Các chỉ số hiệu quả như sai số ước lượng SoC dưới 5%, thời gian cân bằng SoC được rút ngắn đáng kể, và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình cân bằng được sử dụng làm metrics đánh giá.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Mô hình mạch điện tương đương (ESC - Enhanced Self-Correcting Model): Mô hình này mô phỏng đặc tính động học của pin Lithium-ion bằng cách kết hợp điện áp hở mạch (OCV), điện trở trong, điện áp phân cực và điện áp trễ. Mô hình ESC sử dụng các phần tử điện trở và tụ điện mắc song song để biểu diễn hiện tượng phân cực tuyến tính và trễ điện áp, giúp mô phỏng chính xác điện áp đầu ra của pin theo trạng thái SoC và dòng điện.

  2. Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF): Đây là phương pháp quan sát trạng thái phi tuyến được sử dụng để ước lượng SoC dựa trên dữ liệu đo điện áp và dòng điện thực tế. EKF giúp giảm thiểu sai số do nhiễu và biến đổi nhiệt độ, đồng thời khắc phục hạn chế của các phương pháp truyền thống như đếm Coulomb và đo điện áp hở mạch.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • SoC (State of Charge): Tỷ lệ phần trăm năng lượng còn lại trong cell so với dung lượng danh định.
  • OCV (Open Circuit Voltage): Điện áp hở mạch của cell, phụ thuộc vào SoC và nhiệt độ.
  • Hiệu suất Coulomb: Tỷ lệ giữa năng lượng phóng ra và năng lượng nạp vào pin, khoảng 99% đối với pin Lithium-ion điển hình.
  • Điện áp trễ và phân cực: Các hiện tượng vật lý ảnh hưởng đến điện áp đầu ra của pin khi có dòng điện chạy qua.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm dữ liệu thực nghiệm thu thập từ pin Samsung INR18650-25R với các phép đo dòng điện, điện áp, nhiệt độ và dung lượng trong các chu kỳ nạp/phóng ở nhiều điều kiện nhiệt độ khác nhau (từ -25°C đến 45°C). Cỡ mẫu dữ liệu gồm hàng nghìn điểm đo trong các thử nghiệm thực tế.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình ESC để xây dựng hệ phương trình trạng thái mô tả động học pin, sau đó áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng để quan sát và ước lượng SoC. Thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC được thiết kế dựa trên mô hình toán học của các cell nối tiếp, sử dụng kỹ thuật lập trình bậc hai tuần tự (SQP) để giải bài toán tối ưu với các ràng buộc về điện áp, dòng điện và nhiệt độ.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 12 tháng, bao gồm các giai đoạn: thu thập dữ liệu thực nghiệm (3 tháng), xây dựng mô hình và thuật toán (4 tháng), mô phỏng và hiệu chỉnh (3 tháng), đánh giá kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình ESC mô phỏng chính xác đặc tính điện áp của pin: Sai số giữa điện áp mô hình và điện áp thực tế dưới 0.05 V trong phạm vi SoC từ 10% đến 90%, cho thấy mô hình phù hợp để ứng dụng trong quan sát SoC.

  2. Bộ lọc Kalman mở rộng ước lượng SoC với sai số trung bình dưới 3%: So sánh với phương pháp đếm Coulomb và đo điện áp hở mạch, EKF cho độ chính xác cao hơn khoảng 40%, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ biến đổi.

  3. Thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC giảm mất cân bằng SoC giữa các cell từ khoảng 15% xuống dưới 2% trong thời gian cân bằng dưới 30 phút: Mô phỏng với 7 cell nối tiếp cho thấy hiệu quả vượt trội so với phương pháp cân bằng thụ động truyền thống.

  4. Hiệu suất năng lượng của hệ thống cân bằng tích cực đạt trên 90%, giảm tổn thất nhiệt so với phương pháp thụ động khoảng 25%: Điều này góp phần kéo dài tuổi thọ pin và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự mất cân bằng SoC là do sai khác về dung lượng và điện trở trong giữa các cell, cũng như ảnh hưởng của nhiệt độ và dòng điện nạp/phóng không đồng đều. Mô hình ESC với các tham số được xác định từ dữ liệu thực nghiệm giúp mô phỏng chính xác các hiện tượng vật lý này, tạo nền tảng cho việc quan sát SoC hiệu quả.

So với các nghiên cứu trước đây, việc áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng kết hợp với mô hình ESC đã cải thiện đáng kể độ chính xác ước lượng SoC, đồng thời thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC đã rút ngắn thời gian cân bằng và giảm tổn thất năng lượng. Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ SoC theo thời gian và đồ thị sai số ước lượng, minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp giải pháp điều khiển cân bằng SoC hiệu quả, an toàn và tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống pin Lithium-ion công suất lớn, đặc biệt trong lĩnh vực xe điện và lưu trữ năng lượng tái tạo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thuật toán điều khiển cân bằng SoC tích cực trong hệ thống BMS: Động từ hành động là "ứng dụng", mục tiêu là giảm mất cân bằng SoC dưới 2%, thời gian thực hiện trong vòng 12 tháng, chủ thể thực hiện là các nhà sản xuất BMS và các trung tâm nghiên cứu công nghệ pin.

  2. Phát triển phần mềm giám sát và ước lượng SoC dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng: Mục tiêu nâng cao độ chính xác ước lượng SoC lên trên 95%, thời gian 6-9 tháng, chủ thể là các nhóm phát triển phần mềm và kỹ sư điều khiển.

  3. Tối ưu thiết kế phần cứng mạch cân bằng tích cực để giảm kích thước và chi phí: Động từ hành động là "thiết kế lại", mục tiêu giảm kích thước mạch cân bằng ít nhất 20%, thời gian 1 năm, chủ thể là các kỹ sư điện tử và nhà sản xuất linh kiện.

  4. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp sản xuất pin và xe điện: Mục tiêu tăng cường năng lực ứng dụng công nghệ cân bằng SoC, thời gian 1-2 năm, chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển và tự động hóa: Luận văn cung cấp mô hình toán học và thuật toán điều khiển tiên tiến, hỗ trợ phát triển các hệ thống quản lý pin thông minh.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển hệ thống pin Lithium-ion: Nghiên cứu giúp cải thiện hiệu suất và an toàn của bộ pin, giảm thiểu rủi ro cháy nổ và tăng tuổi thọ sản phẩm.

  3. Các nhà phát triển hệ thống xe điện và thiết bị lưu trữ năng lượng: Thuật toán cân bằng SoC tối ưu giúp nâng cao hiệu quả sử dụng pin, kéo dài quãng đường vận hành và giảm chi phí bảo trì.

  4. Cơ quan quản lý và tổ chức đào tạo kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc xây dựng chương trình đào tạo và chính sách phát triển công nghệ pin an toàn, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. SoC là gì và tại sao cần cân bằng SoC giữa các cell pin?
    SoC (State of Charge) là trạng thái tích năng lượng của cell pin, biểu thị phần trăm năng lượng còn lại so với dung lượng danh định. Cân bằng SoC giúp đảm bảo các cell hoạt động đồng đều, tránh quá tải hoặc phóng quá mức, từ đó tăng tuổi thọ và an toàn cho bộ pin.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để ước lượng SoC trong nghiên cứu này?
    Luận văn sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) kết hợp với mô hình mạch điện tương đương ESC để ước lượng SoC chính xác, giảm thiểu sai số do nhiễu và biến đổi nhiệt độ.

  3. Ưu điểm của phương pháp cân bằng SoC tích cực so với thụ động là gì?
    Phương pháp tích cực chuyển năng lượng dư từ cell có SoC cao sang cell có SoC thấp, giảm tổn thất năng lượng và nhiệt lượng phát sinh, nâng cao hiệu suất và an toàn so với phương pháp thụ động chỉ tiêu tán năng lượng qua điện trở.

  4. Mô hình ESC có vai trò gì trong việc quan sát SoC?
    Mô hình ESC mô phỏng chính xác đặc tính điện áp và động học của pin, bao gồm điện áp trễ và phân cực, giúp bộ lọc Kalman mở rộng dự đoán và điều chỉnh ước lượng SoC hiệu quả hơn.

  5. Thời gian cân bằng SoC tối ưu đạt được trong nghiên cứu là bao lâu?
    Mô phỏng cho thấy thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC có thể giảm mất cân bằng SoC xuống dưới 2% trong vòng 30 phút, nhanh hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mạch điện tương đương ESC và áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng SoC pin Lithium-ion với sai số dưới 3%.
  • Thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC các cell nối tiếp được thiết kế và mô phỏng, giảm mất cân bằng SoC từ 15% xuống dưới 2% trong thời gian ngắn.
  • Phương pháp cân bằng tích cực giúp nâng cao hiệu suất năng lượng trên 90%, giảm tổn thất nhiệt và kéo dài tuổi thọ pin.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, hỗ trợ phát triển hệ thống quản lý pin an toàn và hiệu quả cho xe điện và các ứng dụng công nghiệp.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng thuật toán trong hệ thống BMS và phát triển phần cứng, phần mềm hỗ trợ trong vòng 1-2 năm tới.

Hành động tiếp theo: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp thử nghiệm thực tế thuật toán trên các bộ pin quy mô lớn, đồng thời phát triển sản phẩm thương mại dựa trên kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả và an toàn cho hệ thống pin Lithium-ion.