Luận văn thạc sĩ: Giải pháp sạc nhanh pin lithium-ion - Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Nghiên cứu giải pháp sạc nhanh dựa trên ước lượng trạng thái pin lithium-ion, tối ưu hóa thời gian sạc, kiểm soát nhiệt độ và nâng cao tuổi thọ pin.

• Tác giả: Lương Thuỳ Anh
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Thanh Nga
• Trường học: Đại học Thái Nguyên - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hoá
• Đề tài: Nghiên cứu giải pháp sạc nhanh dựa trên ước lượng trạng thái pin Lithium – Ion
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng quan về giải pháp sạc nhanh dựa trên ước lượng trạng thái pin Lithium Ion

Sạc nhanh là nhu cầu cấp thiết trong thời đại di động, đặc biệt với pin lithium‑ion có năng lượng cao nhưng nhạy cảm với nhiệt độ. Phương pháp ước lượng trạng thái pin (SOC) cung cấp dữ liệu thực tế về dung lượng còn lại, giúp điều khiển dòng sạc một cách tối ưu. Khi SOC được xác định chính xác, bộ điều khiển có thể giảm dòng sạc khi pin gần đạt mức tối đa, tránh quá nhiệt và kéo dài tuổi thọ. Đồng thời, các thuật toán mô hình toán học mô phỏng quá trình chuyển đổi AC‑DC và DC‑DC hỗ trợ dự báo nhiệt độ bề mặt, cho phép tích hợp cơ chế làm mát hoặc giảm dòng sạc tức thời. Nghiên cứu đề cập tới việc kết hợp bộ điều khiển PID với mô hình pin LiFePO4, nhằm duy trì nhiệt độ ổn định trong suốt quá trình sạc. Tổng quan này khái quát các thách thức và tiềm năng của giải pháp, đặt nền tảng cho các phân tích sâu hơn trong các chương tiếp theo.

1.1. Định nghĩa sạc nhanh và tầm quan trọng của SOC

Sạc nhanh đề cập tới việc nạp pin từ 0% đến 80% trong thời gian dưới một giờ, đáp ứng nhu cầu sử dụng liên tục. Đối với pin lithium‑ion, việc xác định SOC một cách chính xác là yếu tố then chốt, vì nó quyết định dòng sạc tối ưu và ngưỡng nhiệt độ an toàn. Khi SOC sai lệch, dòng sạc có thể quá lớn, gây gia tăng nhiệt độ và giảm vòng đời pin.

1.2. Các phương pháp ước lượng SOC hiện hành

Các kỹ thuật đo điện áp mở mạch, mô hình điện hoá và bộ lọc Kalman được áp dụng rộng rãi. Trong môi trường công nghiệp, mô hình tích hợp tham số bộ chuyển đổi AC‑DC và DC‑DC cung cấp độ tin cậy cao hơn, cho phép dự báo SOC trong thời gian thực và giảm thiểu lỗi do nhiễu đo lường.

II. Phân tích vấn đề và thách thức trong quá trình sạc nhanh pin Lithium Ion

Mặc dù sạc nhanh tăng năng suất sử dụng, nhưng các vấn đề như tăng nhiệt độ, giảm dung lượng thực tế và rủi ro an toàn vẫn tồn tại. Khi dòng sạc tăng, nhiệt sinh ra trong pin cũng tăng, làm nhiệt độ bề mặt vượt quá mức an toàn, gây hỏng cấu trúc hoá học. Đồng thời, việc áp dụng dòng sạc cao có thể làm điện áp pin nhanh chóng đạt ngưỡng tối đa, làm giảm thời gian sạc nhưng đồng thời giới hạn độ sâu sạc, khiến pin không đạt đầy dung lượng thiết kế. Các mô hình nhiệt động lực học cho thấy sự phân bố nhiệt không đồng đều trên bề mặt pin, tạo ra vùng nóng có thể gây hỏng nội bộ. Ngoài ra, sai số trong ước lượng SOC dẫn đến các quyết định sạc không tối ưu, làm tăng thời gian sạc và hao hụt năng lượng. Vì vậy, cần có giải pháp đồng thời kiểm soát nhiệt độ và dự đoán SOC một cách chính xác.

2.1. Hiện tượng tăng nhiệt khi sạc nhanh

Dòng sạc lớn tạo ra nhiệt sinh trong nội trở và phản ứng hoá học, làm nhiệt độ bề mặt pin tăng nhanh. Khi nhiệt độ vượt mức giới hạn (khoảng 45 °C), tốc độ tự phân hủy điện giải tăng, giảm khả năng chịu tải và rủi ro cháy nổ.

2.2. Sai số ước lượng SOC và hậu quả

Nếu SOC được tính thấp hơn thực tế, bộ điều khiển có thể tăng dòng sạc quá mức, gây quá nhiệt. Ngược lại, nếu ước lượng cao hơn, dòng sạc giảm sớm, làm thời gian sạc kéo dài và giảm hiệu quả sử dụng.

III. Giải pháp sạc nhanh dựa trên ước lượng trạng thái pin và kiểm soát nhiệt độ

Giải pháp đề xuất kết hợp mô hình ước lượng SOC dựa trên bộ biến đổi AC‑DC và DC‑DC với bộ điều khiển PID nhiệt độ. Đầu tiên, thuật toán ước lượng SOC sử dụng dữ liệu điện áp, dòng và nhiệt độ để tính toán trạng thái hiện tại. Sau đó, bộ PID điều chỉnh dòng sạc sao cho nhiệt độ bề mặt duy trì trong khoảng 30‑40 °C, đồng thời ngăn không cho điện áp vượt ngưỡng an toàn. Khi pin đạt tới nhiệt độ mục tiêu, dòng sạc được giảm dần, chuyển sang giai đoạn ổn định nhiệt. Trong giai đoạn quá độ, nếu nhiệt lượng tỏa ra lớn hơn nhiệt lượng thu vào, hệ thống kích hoạt làm mát bằng quạt hoặc chất làm mát. Kết hợp này không chỉ rút ngắn thời gian sạc (đạt 80 % dung lượng chỉ trong 20‑30 phút) mà còn bảo vệ tuổi thọ pin, giảm nguy cơ giảm dung lượng sau nhiều chu kỳ sạc.

3.1. Mô hình ước lượng SOC tích hợp tham số biến đổi

Mô hình sử dụng phương trình truyền từ bộ biến đổi AC‑DC sang DC‑DC để dự báo điện áp và dòng trong thời gian thực. Các tham số được hiệu chỉnh trong quá trình chạy thử nghiệm, cho phép tính toán SOC với sai số dưới 3 %.

3.2. Kiểm soát nhiệt độ bằng PID và cơ chế làm mát

Bộ PID nhận tín hiệu nhiệt độ bề mặt, so sánh với giá trị mục tiêu và điều chỉnh dòng sạc. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng, cơ chế làm mát được kích hoạt, giảm nhiệt độ nhanh chóng trước khi tiếp tục sạc.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn của giải pháp sạc nhanh dựa trên SOC và nhiệt độ

Nghiên cứu chứng minh rằng việc kết hợp ước lượng trạng thái pin chính xác với kiểm soát nhiệt độ đồng thời mang lại lợi ích rõ rệt về thời gian sạc, tuổi thọ và an toàn. Giải pháp có thể triển khai trong các thiết bị di động, ô tô điện và hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo, nơi yêu cầu sạc nhanh nhưng vẫn duy trì hiệu suất lâu dài. Với mô-đun phần cứng tiêu chuẩn (bộ chuyển đổi AC‑DC, cảm biến nhiệt độ) và phần mềm PID mở, các nhà sản xuất dễ dàng tích hợp vào hệ thống hiện có. Tương lai, việc mở rộng mô hình học máy để dự báo nhiệt độ và SOC sẽ nâng cao độ chính xác, giảm nhu cầu hiệu chỉnh tham số thủ công, thúc đẩy tiến trình sạc nhanh tối ưu cho mọi loại pin lithium‑ion.

4.1. Khả năng mở rộng và tích hợp công nghiệp

Giải pháp không yêu cầu thay đổi kiến trúc pin, chỉ cần bổ sung cảm biến nhiệt và bộ điều khiển PID. Điều này giúp giảm chi phí triển khai và tăng tính linh hoạt cho các dòng sản phẩm.

4.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Sử dụng trí tuệ nhân tạo để học các mẫu nhiệt và SOC, cải thiện dự báo trong môi trường biến đổi nhanh, đồng thời nghiên cứu vật liệu làm mát mới để giảm nhiệt độ bề mặt hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường pin Lithium-ion toàn cầu đang chứng kiến sự tăng trưởng vượt bậc với dự báo quy mô đạt gần 105,0 tỷ USD vào năm 2025, tương ứng với sản lượng tiêu thụ vượt mốc 7.000 triệu cell pin mỗi năm. Sự bùng nổ của ngành công nghiệp xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc rút ngắn thời gian nạp điện cho các khối pin công suất lớn. Tuy nhiên, việc đẩy cao dòng điện trong các quy trình sạc siêu nhanh thường đối mặt với rào cản kỹ thuật nghiêm trọng: hiện tượng quá nhiệt cục bộ, quá áp trên 4,2V dẫn đến hiện tượng mạ kim loại Lithium trên cực âm, làm suy giảm tuổi thọ và tiềm ẩn nguy cơ thoát nhiệt gây cháy nổ. Ước tính đến năm 2030, lượng rác thải pin trên thế giới sẽ chạm mốc 1,2 triệu tấn mỗi năm nếu không có các giải pháp quản lý vòng đời và công nghệ sạc tối ưu.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu này là xây dựng giải pháp sạc nhanh thông minh kết hợp giữa thuật toán ước lượng trạng thái sạc (State of Charge - SOC) và cơ chế kiểm soát nhiệt độ động học cho hệ thống pin Lithium-ion. Đề tài tập trung giải quyết bài toán điều khiển cân bằng giữa tốc độ nạp năng lượng và độ bền hóa học của pin trong điều kiện có nhiễu loạn tham số. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên trong giai đoạn năm 2022 đến năm 2023, khảo sát chi tiết trên các dòng pin Lithium sắt phosphate (LiFePO4) từ cấp độ tế bào đơn lẻ đến cụm pin công suất lớn gồm 30 cell mắc nối tiếp. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng, mở ra hướng đi mới giúp giảm hơn 50% thời gian sạc trong pha khởi động, đồng thời duy trì sai số ước lượng dung lượng dưới 5%, đặt nền móng kỹ thuật vững chắc cho việc phát triển các trạm sạc xe điện an toàn tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng mô hình mạch tương đương Thevenin bậc một (Equivalent Circuit Model) để miêu tả đặc tính động học điện hóa của pin. Mô hình tích hợp điện áp hở mạch, điện trở thuần bên trong khoảng 0,01 Ohm đến 0,05 Ohm, cùng mạng tụ điện trở RC song song nhằm nắm bắt quá trình phân cực điện hóa và hiện tượng quá độ khi dòng nạp biến thiên đột ngột. Bên cạnh mô hình điện, luận văn phát triển mô hình truyền nhiệt gộp dựa trên định luật cân bằng năng lượng, trong đó nhiệt lượng sinh ra do tổn hao trên nội trở và điện trở phân cực được cân bằng với nhiệt lượng tỏa ra môi trường thông qua hệ số đối lưu nhiệt bề mặt.

Để giải quyết bài toán ước lượng trạng thái sạc, khung lý thuyết tập trung vào các giải pháp lọc thích nghi hiện đại, tiêu biểu là bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF), kết hợp với thuật toán tối ưu hóa di truyền (Genetic Algorithm) và mạng nơ-ron nhân tạo nhiều lớp. Các khái niệm học thuật then chốt bao gồm: trạng thái sạc SOC (tỷ lệ phần trăm năng lượng khả dụng so với dung lượng danh định), điện áp hở mạch OCV, hiện tượng trễ động học điện áp trong chu kỳ nạp xả, và sự hình thành lớp màng điện giải rắn (SEI) tại bề mặt cực than chì. Độ dẫn ion của chất điện ly lỏng được duy trì ở mức chuẩn 0,01 S/cm, trong khi độ dẫn điện tử được khống chế nghiêm ngặt dưới 10^-8 S/cm nhằm đảm bảo an toàn tối đa cho cấu trúc tế bào pin.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kích thước mẫu khảo sát gồm 1 cell pin LiFePO4 đơn lẻ có dung lượng chuẩn và mở rộng kiểm chứng trên một bộ pin hoàn chỉnh gồm 30 cell pin mắc nối tiếp để tái hiện chính xác môi trường làm việc của hệ thống động lực xe điện thực tế. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp chọn mẫu có chủ đích, tập trung vào dòng pin LiFePO4 nhờ sở hữu độ bền chu kỳ cao (hơn 2.000 chu kỳ), khả năng chịu nhiệt độ làm việc trên 60 độ C và cấu trúc mạng tinh thể bền vững hơn hẳn các hệ pin LiCoO2 truyền thống.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô hình hóa toán học kết hợp mô phỏng số trên môi trường Matlab/Simulink là vì việc thử nghiệm sạc nhanh ở dòng tải lớn (từ 1,5C đến 4C) trên phần cứng thực tế tiềm ẩn nguy cơ phá hủy pin và mất an toàn cháy nổ cao. Phép biến đổi song tuyến Tustin được áp dụng để rời rạc hóa hàm truyền liên tục sang miền thời gian rời rạc z, hỗ trợ việc thiết kế bộ điều khiển số chính xác. Phương pháp này cho phép khảo sát sâu cấu trúc điều khiển kín của bộ biến đổi AC-DC và DC-DC, đánh giá biểu đồ Bode của mạch vòng dòng điện và điện áp với độ lợi dự trữ ổn định, từ đó tối ưu hóa các thông số điều khiển PID trước khi triển khai thực nghiệm. Toàn bộ chu trình phân tích, mô phỏng và kiểm chứng thuật toán được hoàn thiện trong timeline từ tháng 6 năm 2022 đến tháng 7 năm 2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phát hiện đầu tiên khẳng định phương pháp sạc tăng cường kết hợp điều khiển nhiệt độ giúp sạc 60% dung lượng danh định của pin chỉ trong vòng 10 phút đầu tiên, trong khi phương pháp sạc dòng điện không đổi - điện áp không đổi (CC-CV) thông thường phải mất đến 35 phút. Thời gian nạp đầy 100% dung lượng cũng được rút ngắn xuống dưới 30 phút so với mức 65 phút của phương pháp truyền thống, tương đương mức giảm 53,8% tổng thời gian sạc mà không gây ra bất kỳ biến dạng nhiệt nguy hiểm nào.

Phát hiện thứ hai chỉ ra rằng việc áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) cho phép triệt tiêu hiệu quả nhiễu đo lường từ cảm biến dòng điện và điện áp, khống chế sai số ước lượng SOC luôn ở mức dưới 4% đến 5% trong điều kiện phụ tải biến thiên liên tục. Khi tích hợp thêm mạng nơ-ron nhân tạo hoặc giải thuật di truyền để cập nhật trực tuyến thông số nội trở, sai số ước lượng trạng thái thậm chí được thu hẹp xuống dưới 1%.

Phát hiện thứ ba chứng minh giải pháp sạc nhiều mức dòng điện (MSCC) tối ưu hóa qua thuật toán bầy kiến giúp kéo dài chu kỳ tuổi thọ làm việc của cell pin thêm 57% và giảm thời gian sạc 11,2% so với sạc ổn dòng ở mức 1,45C. Cuối cùng, kết quả mô phỏng trên khối pin 30 cell nối tiếp cho thấy bộ điều khiển biến đổi AC-DC và DC-DC duy trì sự ổn định tuyệt đối của hệ thống vòng lặp kín, hạn chế tối đa độ lệch điện áp giữa các cell dưới ngưỡng 0,05V và giữ nhiệt độ khối pin ổn định dưới ngưỡng 40 độ C trong suốt quá trình cấp dòng nạp cực đại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp phương pháp đề xuất vượt trội so với giải pháp CC-CV kinh điển nằm ở cơ chế chuyển đổi trạng thái linh hoạt dựa trên phản hồi nhiệt độ thời gian thực. Trong các phương pháp cũ, giai đoạn sạc ổn dòng CC thường chỉ nạp được khoảng 85% dung lượng với dòng cố định C/3, trong khi giai đoạn ổn áp CV sau đó kéo dài quá lâu và dòng sạc giảm tiệm cận về không một cách thụ động. Trái lại, phương pháp sạc tăng cường sử dụng xung dòng lớn 4C ở giai đoạn đầu (khoảng 5 phút) khi điện áp còn thấp và dung lượng pin đang ở mức cạn kiệt, sau đó tự động điều tiết dòng sạc dựa trên phương trình cân bằng nhiệt lượng giữa nội trở sinh nhiệt và khả năng đối lưu làm mát.

Dữ liệu thực nghiệm mô phỏng có thể được thể hiện trực quan thông qua các biểu đồ tọa độ phẳng hai chiều, minh họa động học điện áp và dòng điện theo trục thời gian. Đồ thị đáp ứng nhiệt độ cho thấy đường cong tăng nhiệt của phương pháp đề xuất có dạng hàm mũ tiệm cận và đi ngang ngay khi chạm ngưỡng nhiệt độ giới hạn đặt trước, khác biệt hoàn toàn với xu hướng tăng tuyến tính không kiểm soát của phương pháp sạc xung đơn giản. Bảng đối sánh tham số giữa các cấu hình sạc khẳng định việc đưa thêm vòng phản hồi nhiệt độ vào thuật toán ước lượng SOC là chìa khóa then chốt để loại trừ nguy cơ thoát nhiệt. Kết quả này tương đồng với các kết luận trong công trình nghiên cứu sạc tăng áp của tác giả Notten, đồng thời mở rộng thành công sang bài toán điều khiển tự động hóa cho các hệ thống bộ biến đổi công suất lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp thuật toán ước lượng trạng thái sạc lọc Kalman mở rộng (EKF) thích nghi vào chip vi xử lý của hệ thống quản lý pin (BMS). Chủ thể thực hiện là các kỹ sư phát triển phần mềm nhúng tại các doanh nghiệp sản xuất xe điện. Mục tiêu định lượng là duy trì sai số ước lượng SOC dưới mức 2,0% trong mọi dải nhiệt độ môi trường từ -10 độ C đến 50 độ C, với lộ trình thực hiện hoàn thành trong vòng 6 đến 9 tháng tới.

Thứ hai, nâng cấp cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển cho trạm sạc nhanh DC công cộng đạt tiêu chuẩn quốc tế IEC 61851 Mức 4, hỗ trợ dải điện áp lên đến 600V - 1.000V và dòng tải cực đại 200A - 250A. Đơn vị phụ trách là các nhà cung cấp hạ tầng năng lượng và trạm sạc xe điện. Mục tiêu hướng tới là rút ngắn thời gian sạc đầy 80% dung lượng xe điện xuống dưới 20 phút, hoàn thành việc triển khai thử nghiệm tại các đô thị lớn trong vòng 12 đến 18 tháng.

Thứ ba, chuẩn hóa quy trình cân bằng cell chủ động dựa trên trạng thái sạc cho toàn bộ các pack pin ghép nối tiếp từ 30 cell trở lên. Chủ thể thực hiện là các đơn vị đóng gói pack pin phối hợp cùng Cục Đăng kiểm và các cơ quan quản lý tiêu chuẩn kỹ thuật. Target metric là khống chế độ lệch điện áp giữa các cell không vượt quá 0,02V, hạn chế hiện tượng cell lão hóa sớm gây ngắt mạch sớm toàn cụm pin, áp dụng bắt buộc từ năm 2024.

Thứ tư, áp dụng phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID tối ưu hóa thông số cho mạch vòng kép của bộ biến đổi AC-DC và DC-DC. Nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật và trung tâm R&D cần phối hợp chuyển giao thuật toán điều khiển số này. Mục tiêu kỹ thuật là giảm độ vọt lố điện áp xuống dưới 3,0% và thời gian xác lập dưới 0,5 giây khi dòng tải thay đổi đột ngột, hoàn thiện bộ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật trong vòng 6 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển hệ thống quản lý pin (BMS) trong ngành công nghiệp ô tô điện. Tài liệu cung cấp cơ sở toán học tường minh về mô hình Thevenin, thuật toán lọc Kalman mở rộng và các phương pháp cân bằng năng lượng cell pin, giúp họ lập trình trực tiếp các module quản lý năng lượng chính xác và tin cậy trên vi điều khiển thời gian thực.

Nhóm thứ hai là các chuyên gia thiết kế phần cứng trạm sạc và bộ biến đổi công suất. Luận văn phân tích chi tiết sơ đồ điều khiển gián tiếp cho mạch chuyển đổi AC-DC và mạch giảm áp DC-DC, kèm theo biểu đồ Bode phân tích độ ổn định tần số, là tài liệu tham khảo đắc lực để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải điện năng theo tiêu chuẩn SAE J1772 và IEC 61851.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển, Tự động hóa và Kỹ thuật ô tô điện. Đây là nguồn học liệu học thuật giá trị về phương pháp luận mô hình hóa hệ thống động học phi tuyến, kỹ thuật rời rạc hóa phương trình vi phân bằng phương pháp Tustin và kỹ năng mô phỏng hệ thống năng lượng phức hợp trên nền tảng phần mềm Matlab/Simulink.

Nhóm thứ tư là các nhà quản lý kỹ thuật và hoạch định chính sách hạ tầng giao thông xanh tại Việt Nam. Các số liệu phân tích về tiêu chuẩn trạm sạc, nguy cơ cháy nổ do suy giảm chất điện phân và xu hướng tái chế pin Lithium sẽ hỗ trợ đắc lực cho công tác xây dựng quy chuẩn an toàn kỹ thuật quốc gia về xe điện trong tương lai gần.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp sạc nhanh bằng dòng điện lớn gây ảnh hưởng như thế nào đến tuổi thọ của pin Lithium-ion? Khi sạc ở tốc độ dòng cao vượt ngưỡng 2C mà không kiểm soát điện áp, ion Lithium di chuyển quá nhanh sẽ không kịp khuếch tán vào cấu trúc tinh thể than chì tại cực âm, dẫn đến hiện tượng mạ Lithium kim loại. Hiện tượng này tạo ra các sợi nhánh kim loại sắc nhọn có thể xuyên thủng màng ngăn, gây đoản mạch bên trong và làm giảm dung lượng vĩnh viễn trên 20% chỉ sau vài trăm chu kỳ.

Tại sao bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) lại được ưu tiên sử dụng để ước lượng SOC thay vì phương pháp đếm điện tích Coulomb truyền thống? Phương pháp đếm Coulomb phụ thuộc hoàn toàn vào độ chính xác của cảm biến dòng điện và bị tích lũy sai số trôi dạt theo thời gian, đặc biệt khi pin tự xả hoặc chịu nhiễu. Ngược lại, thuật toán EKF kết hợp phương trình không gian trạng thái động học với tín hiệu đo điện áp thực tế để liên tục hiệu chỉnh sai số, giúp duy trì độ chính xác cao với sai số dưới 5% ngay cả trong điều kiện tải biến thiên liên tục.

Phương pháp sạc tăng cường (Boost charging) có làm pin bị quá nhiệt và gây cháy nổ không? Phương pháp sạc tăng cường được thiết kế để chỉ áp dụng dòng nạp cực đại 4C trong khoảng thời gian rất ngắn khoảng 5 phút đầu khi mức sạc SOC còn dưới 30% và nội trở pin chưa sinh nhiệt đáng kể. Sau đó, hệ thống sẽ tự động giảm dòng nạp và kích hoạt vòng điều khiển nhiệt độ khép kín để duy trì nhiệt độ cell luôn thấp hơn ngưỡng an toàn 40 độ C, loại trừ hoàn toàn nguy cơ thoát nhiệt.

Mô hình Thevenin bậc một có đủ chính xác để mô phỏng động học của khối pin trong xe điện hay không? Mô hình Thevenin bậc một gồm một điện trở nối tiếp và một khâu RC song song đạt được sự cân bằng tối ưu giữa độ chính xác động học và khối lượng tính toán của bộ vi xử lý. Các thử nghiệm thực tế chứng minh mô hình này mô tả chính xác trên 95% phản ứng quá độ của điện áp cell pin, hoàn toàn đáp ứng tốt các yêu cầu điều khiển thời gian thực trên các hệ thống BMS thương mại hiện nay.

Hai tiêu chuẩn sạc xe điện SAE J1772 và IEC 61851 có điểm gì khác biệt cơ bản? Tiêu chuẩn SAE J1772 được ban hành bởi Hiệp hội Kỹ sư Ô tô Hoa Kỳ và áp dụng rộng rãi tại Bắc Mỹ, phân định rõ các cấp độ sạc từ Mức 1 (1,2kW) đến Mức 3 (50kW - 100kW). Trong khi đó, tiêu chuẩn IEC 61851 do Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế ban hành, phổ biến tại châu Âu và quốc tế, quy định chi tiết 4 chế độ sạc cho cả thiết bị sạc trên xe và trạm sạc ngoài xe với điện áp lên tới 1.000V DC.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình toán học tương đương Thevenin kết hợp mô hình truyền nhiệt gộp động học, mô tả chính xác đặc tính điện hóa và nhiệt độ của pin LiFePO4.
• Đánh giá toàn diện và làm chủ thuật toán lọc Kalman mở rộng (EKF), kiểm soát sai số ước lượng trạng thái sạc SOC ổn định dưới mức 5% trong điều kiện nhiễu đo lường.
• Đề xuất giải pháp sạc tăng cường kết hợp điều khiển nhiệt độ không đổi, giúp rút ngắn thời gian nạp 60% dung lượng pin xuống còn 10 phút, nhanh hơn 3,5 lần so với phương pháp CC-CV truyền thống.
• Thiết kế hoàn chỉnh cấu trúc điều khiển phản hồi kép cho bộ biến đổi công suất AC-DC và DC-DC, kiểm chứng thành công trên mô hình chuỗi 30 cell pin mắc nối tiếp với độ ổn định cao.
• Đóng góp luận cứ khoa học vững chắc và giải pháp kỹ thuật thiết thực cho ngành kỹ thuật điều khiển tự động hóa và công nghệ ô tô điện đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam.

Về lộ trình phát triển tiếp theo, nhóm nghiên cứu hướng tới việc chế tạo phần cứng mẫu trạm sạc thực nghiệm, tích hợp giải thuật trên kit vi điều khiển DSP hoặc FPGA trong vòng 12 đến 24 tháng tới. Các doanh nghiệp và nhà nghiên cứu quan tâm được khuyến khích tham khảo toàn diện mô hình toán và cấu trúc điều khiển trong công trình này để đẩy nhanh tiến độ làm chủ công nghệ sạc nhanh thông minh, an toàn và bền vững cho phương tiện giao thông tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN LITHIUM-ION VÀ MÔ HÌNH TOÁN HỌC 1.1 Giới thiệu tổng quan về pin Lithium-Ion 1.1 Lịch sử phát triển của Lithium-Ion Pin là nguồn năng lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng cho đến các ứng dụng công nghiệp. Pin đã, đang và sẽ là một công cụ lưu trữ năng lượng được sử dụng phổ biến không chỉ trong hiện tại mà còn nhiều năm nữa trong tương lai. Vậy pin được chế tạo lần đầu tiên khi nào? Ai đã phát minh ra pin? Pin sạc có từ bao giờ? Hình 1.1 Mô hình pin đầu tiên của Volta Alessandro Volta (1745-1827) là giáo sư vật lý tại Đại học Pavie, Italy. Năm 1800, Volta đã thực hiện một loạt các thử nghiệm dùng kẽm, chì, thiếc và sắt làm tấm điện âm (anode).

Sau đó, ông xếp các tấm trái cực xen kẽ với nhau, ngăn cách bởi miếng giấy xốp tẩm dung dịch muối ăn. Đây chính là viên pin đầu tiên của nhân loại được mang tên là “pin Volta”. Sở dĩ danh từ pin hay chính xác hơn là pile được đặt cho thiết 4 bị này chính là do đây là một chồng các miếng tròn bằng đồng và kẽm có hình dạng một chiếc cọc. Cùng năm 1800, nhà vật lý và hóa học người Cornwall, vương quốc Anh, Humphry Davy (1778-1829) đã chế tạo ra pin điện lớn nhất và mạnh nhất tính đến thời điểm bấy giờ, pin này có thể làm một chiếc đèn hồ quang điện cháy sáng rực rỡ chưa từng thấy.

Hai năm sau, năm 1802, nhà khoa học người Anh, William Cruickshank thiết kế mô hình pin đầu tiên có thể sản xuất dưới quy mô công nghiệp. Ông đã đề xuất phương pháp dùng các tấm kẽm và đồng có cùng kích thước, xếp xem kẽ với nhau, đặt vào một hộp gỗ dài hình chữ nhật và dán chặt lại. Bên trong hộp có các rãnh để giữ cố định các tấm kim loại và chứa đầy nước muối hoặc axít pha loãng để làm chất điện phân. Thiết kế này có ưu điểm so với mô hình ban đầu của Volta là không bị khô và có thể cung cấp dòng điện mạnh hơn.

Vào năm 1836, nhà hóa học người Anh, John F.Daniell đã phát triển một phiên bản pin hoàn thiện hơn với hiệu suất được cải thiện và tạo ra dòng điện ổn định hơn so với nguyên bản ban đầu của Volta và Crickshank. Tuy nhiên, đến thời điểm đó thì toàn bộ đều là pin chỉ dùng được một lần và không tái sử dụng được. Đến năm 1859, nhà vật lý người Pháp, Gaston Plante phát minh ra pin sạc đầu tiên. Đó là pin với các tấm chì ngăn cách nhau bởi tấm vải flannel và được đặt trong axít sunfuric loãng.

Pin được sạc lại bằng cách thêm axít vào để tái sử dụng. Pin này vẫn được sử dụng đến ngày nay dưới dạng ắc quy ướt hoặc pin carbon zinc. Năm 1866, kỹ sư Georges Leclanche (1839-1882) tại Pháp, đã chế tạo pin sử dụng dung dịch hồ amoni chloride sau đó niêm phong pin lại để thay thế cho dung dịch điện phân. Sáng kiến này đã đánh dấu sự ra đời của thế hệ pin khô.

Pin khô cho phép sử dụng ở nhiều vị trí khác nhau, chịu được di chuyển dao động mạnh mà không sợ dung dịch điện phân bị tràn ra ngoài. Năm 1881, Camille Fauré chế tạo pin dùng các dải cọc chì oxit làm điện cực để thay thế cho các tấm chì trong pin ướt trước đây. Điều này cho phép tạo ra dòng điện mạnh và ổn định hơn rất nhiều. 5 Năm 1899, nhà khoa học Waldemar Jungner đã phát minh ra pin nickel- cadimi (NiCd).

Đây là thế hệ pin dùng nickel làm cực âm và cadimi làm cực dương. Tuy nhiên, do chi phí chế tạo khá cao nên pin NiCd không được áp dụng rộng rãi. Năm 1932, Shlecht và Ackermann đã đạt được thành công trong việc cải tiến pin NiCd với dòng điện mạnh và tuổi thọ cao. Giải pháp cải tiến là trang bị thêm những tấm vách ngăn các điện cực thành nhiều khoang.

Năm 1947, Georgy Neumann tiếp tục hoàn thiện mô hình trên thông qua việc chế tạo thế hệ pin NiCd với nhiều vách ngăn bên trong được hàn kín lại. Đến năm 1990, vấn đề môi trường được quan tâm hàng đầu tại châu Ầu và các nhà khoa học đã bắt đầu chú ý đến pin NiCd. Tuy nhiên, pin NiCd chưa đạt được hiệu quả như mong đợt như năng lượng yếu, hiệu suất kém, khả năng tự xả cao. Do đó, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu đến thế hệ pin ưu việt hơn.

Đó chính là lý do để pin Lithium-ion ra đời. Những năm 1970, pin Lithium-ion đầu tiền được đề xuất bởi nhà hóa học người Mỹ Michael Stanley Whittingham (1941) đến từ Đại học Binghamton sử dụng titanim sunfide và kim loại liti thuần làm các điện cực. Dù vậy, do Liti là một kim loại hoạt động mạnh nên khi tiếp xúc với không khí dễ dàng xảy ra các phản ứng hóa học nguy hiểm. Vĩ vậy, mô hình pin dùng liti thuần làm cực dương đã không được chấp nhận.

Cùng thời gian này, J.Bensenhard tại Đại học Munich đã phát hiện ra tính chất trao đổi ion thuận nghịch giữa than chì và cathode bằng oxit kim loại. Tiếp theo vào năm 1979 tại Đại học Oxford, John Goodenough và Koichi Mizushima đã chế tạo một loại pin sạc sử dụng Liti Cobalt Oxit (LiCoO2) làm cực dương và liti thuần làm cực âm. LiCoO2 là một chất dẫn điện tích điện dương với tính ổn định cao nên có thể cung cấp các ion liti nhằm tạo ra dòng điện. Khả năng này đã mở ra triển vọng sử dụng LiCoO2 làm cực dương cho các thế hệ pin hoàn toàn mới có thể sạc lại một cách dễ dàng.

Vào năm 1980, Rachid Yazami tiếp tục chứng minh tính điện hóa thuận nghịch của liti trong than chì. Dù vậy, các chất hữu cơ dùng làm chất điện phân trong thế hệ pin mới này bị phân hủy trong quá trình sạc. Do đó, Yazami đã đề xuất hỗn hợp chất hữu 6 cơ rắn bền vững trong quá trình sạc làm chất điện phân. Mô hình chất điện phân của Yazami vẫn còn sử dụng trong các thế hệ pin Li-ion cho đến hiện nay.

Vào năm 1985, Akira Yoshino lắp ráp mô hình pin đầu tiên dựa trên tất cả các yếu tố thành công từ trước, sử dụng vật liệu cacbonate giúp giữ các ion liti trong 1 điện cực giúp LiCoO2 bền vững trong không khí hơn. Chính vì lý do này, thế hệ pin Li-ion đã được hoàn thiện và an toàn hơn rất nhiều so với trước đây. Năm 1991, tập đoàn điện tử Sony chính thức thương mại hóa pin Lithium- ion dưới quy mô sản xuất công nghiệp. Cho đến nay, hầu hết các hoạt động nghiên cứu đều xoay quanh việc cải thiện hiệu suất của pin Li-ion.

Bên cạnh việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử di động, dụng cụ điện và các thiết bị y tế, pin Li-ion hiện nay còn được sử dụng cho xe điện. Năm 1994, công ty Bellcore chính thức thương mại hóa pin Li-ion Polymer sau quá trình nghiên cứu. Bước tiếp theo là sự xuất hiện của pin Li- ion với cathode bằng mangan, pin li- phosphate được các nhà khoa học liên tục cải tiến và hiện thiện để chính thức thương mại hóa. Các nhà khoa học dự đoán tiếp theo sẽ là sự ra đời của nhũng thế hệ pin phát triển trên tiến bộ của công nghệ nano giúp tăng cường hiệu suất cũng như kích thước và tuổi thọ của pin.2 Pin Lithium-Ion ngày nay 7 1.2 Sự phát triển của pin Lithium Theo báo cáo của công ty lưu trữ năng lượng (Circular Energy Storage) đã dự báo quy mô thị trường pin Lithium-ion toàn cầu sẽ chạm gần 105.0 tỷ đồ la Mỹ vào năm 2025, do nhu cầu ngày càng tăng từ thiết bị điện tử và xe điện.

Theo đó, quy mô của thị trường sử dụng pin Lithium-ion dự báo sẽ đạt mốc hơn 7000 triệu cell pin trong một năm vào năm 2025, vượt 1000 triệu cell pin so với năm 2020.3 Quy mô thị trường pin Lithium-Ion (nguồn: Circular Energy Storage) Cùng với sự phát triển của nhu cầu sử dụng năng lượng thì các công ty năng lượng cũng đẩy mạnh việc sản xuất pin Lithium cho các sản phẩm của họ. Top 5 công ty có mức sản xuất pin Lithium-ion nhiều nhất thế giới trong năm 2019 được thể hiện như hình 1. Công ty LG Chem của Hàn Quốc đã sản xuất 50GWh, năng luợng pin Lithium- ion, vươn lên vị trí số một trong số các công ty sản xuất năng lượng trên toàn thế giới. Tiếp theo là Công ty Contemporary Amperex Techology (CATL, Trung Quốc) với khả năng sản xuất xấp xỉ 40GWh, Công ty BYD (Trung Quốc) và Công ty Panasonic (Nhật Bản) với khả năng sản xuất hơn 25GWh, Công ty xe điện Tesla (Mỹ) với khả năng sản 8 xuất hơn 20GWh.

Từ đó, Trung Quốc là đất nước sản xuất và tiêu thụ nhiều pin Lithium- ion nhất thế giói.4 Top 5 công ty sản xuất pin Lithium-Ion hàng đầu thế giới (nguồn: Benchmark Mineral Intelligence) Hình 1.5 Thị trường tái chế pin Lithium-Ion trên thế giới (nguồn: Circular Energy Storage) 9 Sự phát triển mạnh của việc sử dụng và sản xuất pin Lithium-ion gần đây kéo theo sự gia tăng rác thải của pin ra môi trường. Theo báo cáo của Công ty Circular Energy Storage dự đoán thế giới sẽ tạo ra khoảng 1,2 triệu tấn chất thải pin mỗi năm vào năm 2030.2 Đặc điểm của pin Lithium-ion 1.1 Cấu tạo của Lithium-Ion Các pin Lithium-ion trên thị trường hiện nay được cấu tạo gồm 3 thành phần: điện cực âm, điện cực dương và chất điện môi. Điện cực âm của pin thông thường được làm từ carbon. Điện cực dương thường là một oxit kim loại.

Chất điện môi là một muối liti trong dung môi hữu cơ. Liti tinh khiết có tính phản ứng cao. Nó phản ứng mạnh mẽ với nước để tạo thành Liti Hydroxit (LiOH) và khí hydro. Do đó, chất điện phân không chứa nước thường được sử dụng và một vỏ kín loại trừ độ ẩm khỏi pin.

Các vật liệu được sử dụng để làm cực dương và cực âm của pin lithium- ion được thể hiện trong bảng dưới đây: Bảng 1: Vật liệu làm cực dương (Nguồn: wikipedia.org) Vật liệu sử dụng Mục đích sử dụng Ưu điểm Lithium niken mangan oxit Xe điện, dụng cụ điện, lưu Năng lượng và mật độ coban (“NMC”, trữ năng lượng lưới công suất tốt LiNixMnyCozCO2) Oxit nhôm lithium nickel Xe điện Năng lượng cao, tuổi thọ Coban (NCA”, cao LiNiC0AIO2) Lithium Mangan Oxit Xe điện lai, điện thoại di Năng lượng và mật độ (“LMO”, LiMn2O4) động, máy tính xách tay công suất tốt Lithium Sắt Phosphate Dụng cụ điện, sản phẩm Mật độ năng lượng vừa (“LFP”, LiFePO4) hàng không, xe HEV, phải, an toàn cao hơn so PHEV.