Nghiên Cứu Điều Khiển Cân Bằng SoC Các Cell Nối Tiếp Trong Hệ Thống Pin Lithium-Ion

Nghiên cứu phương pháp điều khiển cân bằng SOC cho các cell nối tiếp trong hệ thống pin lithium ion, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ pin.

• Tác giả: Lê Thị Quỳnh Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Xuân Minh
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Khiển Cân Bằng SoC Các Cell Nối Tiếp Trong Hệ Thống Pin Lithium-Ion
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN LITHIUM-ION
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM-ION
• 1.2. ƯU ĐIỂM CỦA PIN LITHIUM-ION VÀ CÁC ỨNG DỤNG
• 1.3. THAM SỐ SoC VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SoC
• 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: QUAN SÁT SoC CỦA PIN LITHIUM-ION SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG
• 2.1. MÔ HÌNH TOÁN ƯỚC LƯỢNG SoC CỦA PIN LITHIUM-ION
• 2.2. SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG QUAN SÁT SoC CỦA PIN LITHIUM-ION
• 2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÂN BẰNG SoC CÁC CELL PIN NỐI TIẾP VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. MÔ HÌNH CÂN BẰNG SoC CÁC CELL PIN NỐI TIẾP
• 3.2. ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÂN BẰNG CELL CHO PIN LITHIUM-ION
• 3.3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CELL LIB CỦA SAMSUNG LOẠI ICR18650-22P
• 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3
• KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN VĂN
• CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Cân Bằng SoC Cho Pin Lithium Ion

Pin Lithium-Ion (LiB) ngày càng được ứng dụng rộng rãi, từ thiết bị di động đến xe điện (Pin EV) và hệ thống lưu trữ năng lượng (Pin ESS). Tuy nhiên, trong các hệ thống pin lớn, sự khác biệt nhỏ giữa các Cell Pin Nối Tiếp có thể dẫn đến mất cân bằng State of Charge (SoC), ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ. Nghiên cứu cân bằng SoC là rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ pin, độ tin cậy và hiệu suất tối ưu của hệ thống. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là khám phá và phát triển các phương pháp hiệu quả để quản lý pin và duy trì sự cân bằng SoC giữa các cell trong hệ thống pin. Sự mất cân bằng SoC có thể dẫn đến sạc quá mức hoặc xả quá mức cho một số cell, gây ra suy giảm nhanh chóng và thậm chí là nguy cơ an toàn. Do đó, việc áp dụng một hệ thống cân bằng SoC hiệu quả là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ pin trong các ứng dụng khác nhau.

1.1. Giới Thiệu Chi Tiết Về State of Charge SoC

State of Charge (SoC) là một chỉ số quan trọng biểu thị mức năng lượng còn lại trong pin, thường được biểu thị bằng phần trăm. SoC là tỷ lệ giữa dung lượng hiện tại so với dung lượng tối đa của pin. Hiểu rõ về SoC giúp người dùng và hệ thống BMS (Battery Management System) quản lý năng lượng hiệu quả và tránh các tình huống xả quá mức hoặc sạc quá mức, có thể gây hại cho pin. Việc xác định SoC chính xác là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ pin. Các phương pháp ước tính SoC bao gồm phương pháp điện áp hở mạch (OCV), phương pháp đếm Coulomb và các thuật toán phức tạp hơn như bộ lọc Kalman mở rộng.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Cân Bằng SoC Trong Hệ Thống Pin

Cân bằng SoC là quá trình đảm bảo rằng tất cả các cell trong Hệ Thống Pin có mức SoC tương đương nhau. Điều này đặc biệt quan trọng trong các cấu hình pin nối tiếp, nơi điện áp của mỗi cell được cộng lại để tạo thành điện áp tổng của pin. Sự mất cân bằng SoC có thể dẫn đến tình trạng một số cell bị xả quá mức trong khi các cell khác vẫn còn đầy, gây ra suy giảm không đồng đều và giảm tuổi thọ pin. Các phương pháp cân bằng SoC giúp phân phối lại năng lượng giữa các cell để đảm bảo rằng tất cả các cell được sử dụng một cách hiệu quả và an toàn. Điều này không chỉ kéo dài tuổi thọ pin mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của Hệ Thống Pin.

II. Thách Thức Vấn Đề Trong Cân Bằng SoC Pin Lithium Ion

Mặc dù cân bằng SoC là rất quan trọng, nhưng việc thực hiện nó không phải là không có thách thức. Các yếu tố như sự khác biệt về dung lượng, điện trở trong, và nhiệt độ giữa các Cell Pin Nối Tiếp có thể làm cho việc duy trì sự cân bằng trở nên khó khăn. Ngoài ra, các phương pháp cân bằng SoC khác nhau có những ưu và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng. Mục tiêu là giảm thiểu sự khác biệt về điện áp cell và dòng điện cell để bảo vệ pin. Các thuật toán cân bằng SoC cần phải được thiết kế để xử lý các yếu tố này một cách hiệu quả và đảm bảo rằng quá trình cân bằng không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến hiệu suất hoặc tuổi thọ pin.

2.1. Ảnh Hưởng Của Sự Khác Biệt Giữa Các Cell Pin

Sự khác biệt giữa các Cell Pin, dù là nhỏ nhất, có thể gây ra sự mất cân bằng SoC theo thời gian. Các yếu tố như sự khác biệt về dung lượng, điện trở trong cell, nhiệt độ cell, và tốc độ tự xả có thể ảnh hưởng đến tốc độ sạc và xả của mỗi cell. Những khác biệt này có thể dẫn đến tình trạng một số cell bị sạc đầy trước các cell khác hoặc bị xả hết trước khi các cell khác đạt đến mức xả tối thiểu. Việc không xử lý các khác biệt này có thể dẫn đến suy giảm nhanh chóng của các cell yếu nhất và giảm tuổi thọ pin tổng thể.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Cân Bằng SoC

Hiệu quả của cân bằng SoC có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ chính xác của việc SoC Estimation, tốc độ cân bằng điện tích, và tổn thất năng lượng trong quá trình cân bằng. Việc ước tính SoC không chính xác có thể dẫn đến việc cân bằng không hiệu quả, trong khi tốc độ cân bằng chậm có thể không đủ để theo kịp sự mất cân bằng nhanh chóng. Tổn thất năng lượng trong quá trình cân bằng, chẳng hạn như do điện trở trong của các mạch cân bằng, cũng có thể làm giảm hiệu quả tổng thể của hệ thống. Do đó, việc thiết kế một hệ thống cân bằng SoC hiệu quả đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng của tất cả các yếu tố này.

III. Phương Pháp Cân Bằng SoC Chủ Động Cho Pin Lithium Ion

Phương pháp cân bằng chủ động sử dụng các mạch điện để truyền năng lượng từ các cell có SoC cao hơn sang các cell có SoC thấp hơn. Các mạch này có thể dựa trên các bộ chuyển đổi DC-DC, tụ điện chuyển mạch, hoặc các thành phần điện tử khác. Ưu điểm của phương pháp cân bằng chủ động là khả năng cân bằng điện tích nhanh hơn và hiệu quả hơn so với phương pháp cân bằng thụ động. Tuy nhiên, chúng thường đắt hơn và phức tạp hơn. Một số thuật toán cân bằng SoC cũng được sử dụng để tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ trong quá trình này. Quan trọng là đảm bảo hiệu suất cân bằng cao để tránh lãng phí năng lượng.

3.1. Sử Dụng Bộ Chuyển Đổi DC DC Trong Mạch Cân Bằng

Bộ chuyển đổi DC-DC là một thành phần quan trọng trong các mạch cân bằng chủ động. Chúng cho phép truyền năng lượng hiệu quả giữa các cell với điện áp khác nhau. Các loại bộ chuyển đổi DC-DC khác nhau có thể được sử dụng, chẳng hạn như bộ chuyển đổi buck-boost, bộ chuyển đổi flyback và bộ chuyển đổi cộng hưởng. Việc lựa chọn bộ chuyển đổi DC-DC phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng, chẳng hạn như phạm vi điện áp đầu vào và đầu ra, hiệu suất và chi phí. Cần xem xét hiệu suất cân bằng và thời gian cân bằng khi thiết kế mạch cân bằng.

3.2. Ứng Dụng Tụ Điện Chuyển Mạch Cho Năng Lượng Cân Bằng

Tụ điện chuyển mạch là một lựa chọn khác để truyền năng lượng giữa các cell. Chúng hoạt động bằng cách chuyển đổi điện tích giữa các tụ điện kết nối với các cell khác nhau. Ưu điểm của tụ điện chuyển mạch là kích thước nhỏ, chi phí thấp và hiệu quả cao. Tuy nhiên, chúng có thể không phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu dòng điện cân bằng cao. Khi thiết kế hệ thống sử dụng tụ điện chuyển mạch, cần đảm bảo năng lượng cân bằng được truyền hiệu quả giữa các cell, và thời gian cân bằng phải đáp ứng được yêu cầu của hệ thống.

IV. Phương Pháp Cân Bằng SoC Thụ Động Trong Hệ Thống Pin

Phương pháp cân bằng thụ động sử dụng điện trở để tiêu tán năng lượng từ các cell có SoC cao hơn. Khi điện áp của một cell vượt quá ngưỡng nhất định, điện trở sẽ được kích hoạt để xả năng lượng dư thừa. Ưu điểm của phương pháp cân bằng thụ động là chi phí thấp và đơn giản trong thiết kế. Tuy nhiên, nó kém hiệu quả hơn so với phương pháp cân bằng chủ động vì năng lượng bị lãng phí dưới dạng nhiệt. Nó có thể dẫn đến tăng nhiệt độ cell và giảm tuổi thọ pin. Việc lựa chọn điện trở trong cell phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo cân bằng điện tích hiệu quả.

4.1. Ưu Và Nhược Điểm Của Cân Bằng SoC Thụ Động

Cân bằng SoC thụ động là một phương pháp đơn giản và chi phí thấp, nhưng nó có những hạn chế đáng kể. Ưu điểm chính là sự đơn giản trong thiết kế và triển khai, không yêu cầu các thành phần điện tử phức tạp. Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là hiệu quả năng lượng thấp, vì năng lượng dư thừa từ các cell có SoC cao hơn bị tiêu tán dưới dạng nhiệt. Điều này không chỉ lãng phí năng lượng mà còn có thể làm tăng nhiệt độ cell, ảnh hưởng đến tuổi thọ pin. Do đó, cân bằng SoC thụ động thường chỉ phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu hiệu suất năng lượng không quá cao.

4.2. Thiết Kế Mạch Điện Trở Cho Quản Lý Pin Thụ Động

Việc thiết kế mạch điện trở cho quản lý pin thụ động đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về giá trị điện trở và ngưỡng điện áp kích hoạt. Giá trị điện trở phải đủ lớn để hạn chế dòng điện xả, nhưng cũng phải đủ nhỏ để đảm bảo quá trình cân bằng diễn ra đủ nhanh. Ngưỡng điện áp kích hoạt phải được đặt sao cho quá trình cân bằng chỉ diễn ra khi SoC của một cell vượt quá mức chấp nhận được. Việc lựa chọn các thành phần phù hợp và thiết kế mạch chính xác là rất quan trọng để đảm bảo rằng cân bằng SoC thụ động hoạt động hiệu quả và không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến tuổi thọ pin.

V. Ứng Dụng Kết Quả Nghiên Cứu Cân Bằng SoC Pin Thực Tế

Nghiên cứu cân bằng SoC đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng thực tế, bao gồm xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng, và thiết bị di động. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp cân bằng SoC có thể cải thiện đáng kể tuổi thọ pin, hiệu suất, và độ tin cậy của hệ thống. Sự phát triển của các thuật toán tối ưu hóa năng lượng và các mạch cân bằng hiệu quả hơn tiếp tục mở ra những cơ hội mới cho việc cải thiện quản lý pin trong tương lai. Các thử nghiệm cho thấy hiệu suất cân bằng tăng đáng kể khi sử dụng các phương pháp cân bằng chủ động.

5.1. Cân Bằng SoC Trong Xe Điện Pin EV và Ưu Điểm

Trong xe điện (Pin EV), cân bằng SoC là rất quan trọng để đảm bảo phạm vi lái xe tối đa và tuổi thọ pin dài. Các hệ thống BMS (Battery Management System) trong xe điện thường sử dụng các phương pháp cân bằng SoC chủ động để duy trì sự cân bằng giữa các cell trong pin. Điều này không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ pin mà còn cải thiện hiệu suất tổng thể của xe và đảm bảo rằng pin hoạt động an toàn trong mọi điều kiện. Sự ổn định của điện áp cell và dòng điện cell là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của xe điện.

5.2. Cân Bằng SoC Trong Hệ Thống Lưu Trữ Năng Lượng Pin ESS

Trong hệ thống lưu trữ năng lượng (Pin ESS), cân bằng SoC giúp tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ pin. Các hệ thống Pin ESS thường được sử dụng để lưu trữ năng lượng từ các nguồn tái tạo, chẳng hạn như năng lượng mặt trời và năng lượng gió. Việc duy trì sự cân bằng giữa các cell trong pin giúp đảm bảo rằng hệ thống có thể lưu trữ và cung cấp năng lượng một cách hiệu quả và đáng tin cậy. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng lưới điện, nơi Pin ESS được sử dụng để cung cấp điện dự phòng và ổn định lưới điện.

VI. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Cho Cân Bằng SoC

Nghiên cứu cân bằng SoC là một lĩnh vực quan trọng và đang phát triển nhanh chóng. Mặc dù đã có nhiều tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây, vẫn còn nhiều thách thức và cơ hội cho các nghiên cứu trong tương lai. Các hướng nghiên cứu tiềm năng bao gồm phát triển các thuật toán SoC Estimation chính xác hơn, các mạch cân bằng hiệu quả hơn, và các phương pháp quản lý pin thông minh hơn. Nghiên cứu về mô hình hóa pin và các phương pháp cân bằng điện tích mới cũng sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và tuổi thọ pin trong tương lai. Mục tiêu là tối ưu hóa năng lượng và giảm thiểu thời gian cân bằng.

6.1. Phát Triển Thuật Toán SoC Estimation Chính Xác Hơn

Độ chính xác của SoC Estimation là rất quan trọng để cân bằng SoC hiệu quả. Các thuật toán SoC Estimation dựa trên các phương pháp truyền thống như điện áp hở mạch (OCV) và đếm Coulomb có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, lão hóa pin và tải. Do đó, việc phát triển các thuật toán SoC Estimation mạnh mẽ hơn và thích ứng hơn là rất quan trọng. Các phương pháp dựa trên trí tuệ nhân tạo và học máy đang trở nên phổ biến và có thể cung cấp độ chính xác cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

6.2. Nghiên Cứu Về Mạch Cân Bằng Hiệu Quả Hơn Tối Ưu

Hiệu quả của mạch cân bằng có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tổng thể của hệ thống Pin. Các mạch cân bằng truyền thống có thể có tổn thất năng lượng đáng kể, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu dòng điện cân bằng cao. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các mạch cân bằng hiệu quả hơn là rất quan trọng. Các thiết kế mới có thể sử dụng các thành phần điện tử tiên tiến và các kỹ thuật điều khiển để giảm thiểu tổn thất năng lượng và cải thiện hiệu quả cân bằng.

Nội dung chính

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.

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ PIN LITHIUM-ION 1. GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM-ION 1. Khái niệm về pin Lithium-ion LiB, là một loại pin nạp.

Trong quá trình nạp, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình phóng (quá trình sử dụng). LiB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình nạp và phóng, các ion Li sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO2, LiMnO2, v.; dùng cho điện cực âm là graphite. Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện.

Khi phóng (quá trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngoài, electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương). Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi nạp, dưới điện áp nạp, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các loại LiB khác nhau.

Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực âm. Chất này có mật độ năng lượng cao, nhưng kém an toàn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ. Lithium sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật liệu dương cực phổ biển khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn. Những pin dùng các vật liệu này thường được dùng trong các thiết bị điện y tế.

Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện. Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và liti titanat (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những 1 mục đích đặc biệt. Pin liti-lưu huỳnh hay pin liti-sunfua là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ hiệu năng cao và khối lượng nhỏ. Do pin liti-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy, được nén dưới áp suất cao, nên nó trở nên đặc biệt nguy hiểm.

Nếu như một viên pin được nạp quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ. Do nguy cơ này, các qui chuẩn kiểm tra dành cho LiB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin dung dịch điện ly axit rất nhiều. Một ví dụ về lỗi pin gây ra những thiệt hại nghiêm trọng là sự cố về pin của Samsung Galaxy Note 7 năm 2016. Các lĩnh vực nghiên cứu về LiB bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin.

Pin Lithium 32650 của hãng Panasonic Kiểu pin: 18650 / 3.6V /3000mAh; Thông số kỹ thuật pin: 18650-2S5P / 7.2V/ 15Ah; Điện áp định mức: 7,2V; Điện lượng của pin: 15Ah; Điện áp nạp max: 8,4V, Dòng điện nạp hiện tại: ≤ 4A; Dòng điện phóng: 3A; Dòng phóng tức thời: 5A; Điện áp cắt: 5,4V; Thành phần kháng nội bộ: ≤ 150mΩ; Trọng lượng pin: 500g; Nhiệt độ nạp: 0 ~ 450C; Nhiệt độ phóng: -20 ~ 600C; Nhiệt độ bảo quản: -20 ~ 350C; Nhiệt độ làm việc cho phép: 700C ± 50C. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium-ion Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin liti-ion là nguyên liệu điện cực âm và điện cực dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin nạp/ phóng. 2 Ion liti di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng.

Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập và giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập liti, và ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể. Khi phóng, ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode), thường là graphite, C6 trong phản ứng dưới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Khi nạp diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp nạp, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trò cực dương).

Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình nạp và phóng. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi. Trong nghiên cứu này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái phóng. Phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là nạp, chiều nghịch là phóng): LiCoO2 = CoO2 + Li+ + e- (1.1) Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là nạp, chiều nghịch là phóng): C6 + Li+ + e- = LiC6 (1.2) Phản ứng của cả pin (chiều thuận là nạp, chiều nghịch là phóng): C6 + LiCoO2 = LiC6 + CoO2 (1.3) Như vậy khi nạp, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+, và ngược lại khi phóng.

3 Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như phóng quá mức (nhét thừa ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều sau: LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO Nếu nạp quá pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxit, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X. LiCoO2 → Li+ + e- + CoO2 Hình 1. Quá trình nạp và phóng của LiB Khi phóng (quá trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngoài, electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương).

Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi nạp, dưới điện áp nạp, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. Ưu điểm của pin Lithium-ion và các ứng dụng Sở dĩ LiB được sử dụng phổ biến bởi vì bản thân viên pin và vật liệu tạo nên nó chứa một mật độ năng lượng cao hơn các loại pin khác do đó người ta có thể chế tạo một viên pin có kích thước nhỏ nhưng dung lượng lớn hơn gấp nhiều lần. Đồng thời tuổi thọ của LiB cũng cao hơn các loại pin khác, chính vì điều này làm LiB được 4 sử dụng rộng rãi ngày nay.

Bên cạnh đó, mật độ năng lượng của LiB cao nên phải phối hợp các hợp chất dẫn điện khác vào pin để pin có thể sử dụng lâu hơn bền hơn. Ngày nay công nghệ chế tạo pin ngày càng được cải thiện, các nhà sản xuất smartphone và thiết bị di động cũng tự sản xuất những viên pin cho thiết bị của họ, chính vì công nghệ chế tạo pin khác nhau nên chúng ta thường thấy những sản phẩm có cùng dung lượng pin và loại pin nhưng có thời gian sử dụng không giống nhau. LiB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin nạp cho các thiết bị điện tử cầm tay. LiB có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự phóng.

Hiện nay ở các nước phát triển, LiB đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như các phương tiện chạy điện và kĩ thuật hàng không. Nó được kì vọng sẽ thay thế cho ắc qui chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện. Hơn nữa, việc thay thế cho ắc qui chì còn hứa hẹn việc đảm bảo môi trường, nâng cao an toàn sử dụng do tránh được việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit, và hạn chế phát thải kim loại nặng ra môi trường, trong khi pin Li-ion vẫn đảm bảo một điện thế ngang với ắc qui. THAM SỐ SoC VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SoC 1.

Tham số SoC SoC là một trong những thông số quan trọng nhất đối với pin, nhưng định nghĩa của nó cho thấy nhiều vấn đề khác nhau. Nói chung, SoC của pin được định nghĩa là tỷ số giữa dung lượng hiện tại của nó với dung lượng danh định. Dung lượng danh định do nhà sản xuất đưa ra và đại diện cho lượng điện tích tối đa có thể được lưu trữ trong pin. Khi biết được mức năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng mà nó có khi nạp đầy, giúp cho người dùng biết pin sẽ tiếp tục hoạt động trong bao lâu nữa trước khi cần nạp lại.

Điều này tương tự như cần phải biết lượng nhiên liệu còn lại trong bình nhiên liệu trong xe hơi. SoC được định nghĩa là công suất khả dụng được biểu thị bằng phần trăm. Về mặt điện hóa, SoC là một tham số liên quan đến mật độ trung bình của LiB trên bản cực âm. Trước hết ta định nghĩa cân bằng hóa học mật độ LiB hiện tại là, được biểu thị trong khoảng từ 0% đến 100%.

5 𝑐𝑠,𝑎𝑣𝑔 𝜃= 𝑐𝑠,𝑚𝑎𝑥 Thì SoC được xác định như sau: 𝜃− 𝜃0% 𝑍= 𝜃100% − 𝜃0% Hình 1. Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở mạch Vấn đề điều khiển quá trình phóng/ nạp, cung cấp công suất cho tải của các modul pin sao cho đạt hiệu suất tối ưu, kéo dài tuổi thọ, cân bằng công suất giữa các cell, tránh quá nhiệt, quá nạp và quá phóng là một bài toán điều khiển phức tạp và được thực hiện bằng một hệ thống riêng được biết đến là hệ BMS.