Nghiên Cứu Thuật Toán Ước Lượng SoC Cho Modul Pin Lithium

Luận văn thạc sĩ toán học nghiên cứu nghiên cứu thuật toán ước lượng soc cho modul pin lithium, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải thiện thực tiễn.

• Tác giả: Đỗ Thị Thùy Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Chí
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Thuật Toán Ước Lượng SoC Cho Modul Pin Lithium
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• TRANG PHỤ BÌA
• BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• LỜI NÓI ĐẦU
• Tính cấp thiết của đề tài
• Mục tiêu nghiên cứu
• Nội dung của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SOC
• 1.1. Giới thiệu về pin lithium – Ion
• 1.2. Ưu điểm của Pin Lithium và các ứng dụng
• 1.3. Vai trò của tham số SoC và một số phương pháp xác định SoC
• 1.4. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO MODUL PIN LITHIUM
• 2.1. Mô hình toán của Pin Lithium
• 2.2. Rời rạc hóa mô hình của pin Lithium Ion
• 2.3. Mô hình ESC của pin Lithium Ion
• 2.4. Xác định các tham số của mô hình ESC
• 2.5. Kết quả xác định các tham số của mô hình ESC cho một loại Pin
• 2.6. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: QUAN SÁT SOC CỦA PIN LITHIUM SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG
• 3.1. Quan sát SoC sử dụng bộ quan sát Kalman mở rộng
• 3.2. Kết quả quan sát SoC cho pin Lithum Ion Samsung INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650
• 3.3. Kết luận chương 3
• KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Thuật Toán Ước Lượng SoC Cho Modul Pin Lithium

Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul pin lithium là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ pin hiện đại. Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng, từ thiết bị di động đến ô tô điện. Việc ước lượng chính xác trạng thái nạp (SoC) giúp tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin. Thuật toán ước lượng SoC không chỉ giúp theo dõi dung lượng còn lại mà còn ngăn ngừa các sự cố như quá tải hoặc quá nhiệt.

1.1. Khái niệm về SoC và tầm quan trọng của nó

SoC (State of Charge) là thước đo năng lượng còn lại trong pin. Nó được biểu thị bằng phần trăm và rất quan trọng trong việc quản lý năng lượng. Việc hiểu rõ SoC giúp người dùng biết khi nào cần sạc lại pin, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng.

1.2. Ứng dụng của thuật toán ước lượng SoC

Thuật toán ước lượng SoC được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm hệ thống quản lý pin (BMS) và các thiết bị điện tử. Nó giúp cải thiện hiệu suất và an toàn cho các ứng dụng như ô tô điện và thiết bị di động.

II. Vấn đề và Thách thức trong Ước Lượng SoC cho Pin Lithium

Mặc dù có nhiều phương pháp ước lượng SoC, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Nhiễu và sai số trong quá trình đo lường có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của SoC. Các phương pháp truyền thống như đếm Coulomb và điện áp hở mạch không thể tự hiệu chỉnh khi có sai lệch lớn. Do đó, cần có các giải pháp mới để cải thiện độ chính xác.

2.1. Các phương pháp ước lượng SoC hiện tại

Các phương pháp ước lượng SoC hiện tại bao gồm đếm Coulomb và điện áp hở mạch. Tuy nhiên, những phương pháp này có nhược điểm là không tự hiệu chỉnh khi có sai lệch lớn, dẫn đến độ chính xác thấp.

2.2. Tác động của nhiễu đến độ chính xác của SoC

Nhiễu là một yếu tố không mong muốn ảnh hưởng đến quá trình xác định SoC. Sự thay đổi của nhiễu có thể làm sai lệch kết quả, gây khó khăn trong việc theo dõi trạng thái nạp của pin.

III. Phương Pháp Sử Dụng Bộ Lọc Kalman trong Ước Lượng SoC

Bộ lọc Kalman là một phương pháp mạnh mẽ trong việc ước lượng trạng thái, đặc biệt là trong điều kiện có nhiễu. Phương pháp này cho phép ước lượng SoC một cách chính xác hơn bằng cách kết hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau. Việc áp dụng bộ lọc Kalman giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của ước lượng SoC.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman

Bộ lọc Kalman hoạt động dựa trên nguyên lý dự đoán và cập nhật. Nó sử dụng các mô hình toán học để dự đoán trạng thái tiếp theo và sau đó điều chỉnh dự đoán dựa trên các quan sát thực tế.

3.2. Lợi ích của việc sử dụng bộ lọc Kalman

Việc sử dụng bộ lọc Kalman trong ước lượng SoC giúp cải thiện độ chính xác và khả năng tự hiệu chỉnh. Nó cho phép hệ thống quản lý pin hoạt động hiệu quả hơn, giảm thiểu rủi ro và tăng tuổi thọ của pin.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng bộ lọc Kalman trong ước lượng SoC cho pin lithium-ion mang lại kết quả khả quan. Các thử nghiệm cho thấy độ chính xác của SoC được cải thiện đáng kể, từ đó nâng cao hiệu suất của hệ thống quản lý pin. Kết quả này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ thiết bị di động đến ô tô điện.

4.1. Kết quả thử nghiệm với bộ lọc Kalman

Các thử nghiệm cho thấy bộ lọc Kalman cải thiện độ chính xác của ước lượng SoC lên đến 95%. Điều này cho thấy khả năng ứng dụng cao của phương pháp này trong thực tiễn.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống quản lý pin

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các hệ thống quản lý pin hiện đại, giúp tối ưu hóa hiệu suất và an toàn cho các thiết bị sử dụng pin lithium-ion.

V. Kết Luận và Tương Lai của Nghiên Cứu Thuật Toán Ước Lượng SoC

Nghiên cứu về thuật toán ước lượng SoC cho modul pin lithium là một lĩnh vực đầy tiềm năng. Việc áp dụng bộ lọc Kalman đã chứng minh được hiệu quả trong việc cải thiện độ chính xác của SoC. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giải pháp mới, giúp nâng cao hiệu suất và an toàn cho các ứng dụng pin.

5.1. Hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tiếp tục tìm kiếm các phương pháp mới để cải thiện độ chính xác và hiệu suất của ước lượng SoC. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo có thể được áp dụng để tối ưu hóa quy trình này.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp pin

Sự phát triển trong lĩnh vực ước lượng SoC sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp pin, đặc biệt là trong việc phát triển các sản phẩm pin an toàn và hiệu quả hơn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp ô tô điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo trên toàn cầu đang thúc đẩy nhu cầu sử dụng pin Lithium-ion với hơn 90% thị phần thiết bị di động và phương tiện chạy điện hiện đại. Pin Lithium-ion sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội như mật độ năng lượng cao, tốc độ tự xả thấp và tuổi thọ chu kỳ bền bỉ trên 1000 lần nạp xả. Tuy nhiên, việc quản lý và vận hành an toàn các khối pin đòi hỏi hệ thống quản lý pin chuyên dụng phải giám sát chính xác trạng thái nạp, hay còn gọi là dung lượng khả dụng còn lại của pin.

Trạng thái nạp là một đại lượng điện hóa bên trong không thể đo đạc trực tiếp bằng các cảm biến thông thường mà phải ước lượng gián tiếp thông qua dòng điện, điện áp và nhiệt độ. Thách thức lớn nhất trong thực tế là pin Lithium-ion thể hiện đặc tính phi tuyến cao, bị tác động mạnh bởi hiện tượng phân cực điện áp, điện áp trễ động học và sự thay đổi khắc nghiệt của nhiệt độ môi trường từ âm 25 độ C đến 45 độ C. Các phương pháp truyền thống như đếm dòng Coulomb hay đo điện áp hở mạch thuần túy hoạt động theo nguyên tắc vòng hở, dễ tích lũy sai số trôi cảm biến lên trên 10% và không thể tự hiệu chỉnh khi có nhiễu đo lường.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa do tác giả Đỗ Thị Thùy Dương thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Văn Chí tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên năm 2019 đã giải quyết trọn vẹn bài toán cấp thiết này. Đề tài tập trung xây dựng mô hình mạch tương đương nâng cao có xét đến hiện tượng trễ và nhiệt độ, đồng thời ứng dụng thuật toán Bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng trực tuyến trạng thái nạp với độ chính xác cao, khống chế sai số điện áp mô hình dưới 0,02 V và triệt tiêu sai số ước lượng tích lũy nhằm nâng cao độ tin cậy cho hệ thống quản lý pin.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết vững chắc về điện hóa học, mô hình hóa mạch điện và lý thuyết điều khiển ước lượng trạng thái:

Thứ nhất là lý thuyết phản ứng điện hóa và động học ion trong pin Lithium-ion. Quá trình nạp và xả bản chất là sự dịch chuyển thuận nghịch của các ion liti giữa cực dương oxit kim loại chuyển tiếp và cực âm cấu trúc lớp graphite qua màng ngăn điện ly. Nghiên cứu phân tích sâu các phản ứng pha rắn, hiệu suất Coulomb đạt xấp xỉ 99% và hiệu suất năng lượng đạt gần 95%, đồng thời chỉ ra cơ chế suy giảm dung lượng khi xả sâu hoặc quá nhiệt.

Thứ hai là lý thuyết mô hình mạch điện tương đương tự hiệu chỉnh nâng cao. Mô hình này bao gồm nguồn điện áp hở mạch phi tuyến phụ thuộc vào trạng thái nạp và nhiệt độ, điện trở thuần bên trong phản ánh độ sụt áp tức thời, các nhánh điện trở tụ điện song song mô tả hiện tượng phân cực khuếch tán, và một thành phần điện áp trễ động học có hướng phụ thuộc vào chiều dòng điện nạp hay xả.

Thứ ba là lý thuyết ước lượng trạng thái phi tuyến bằng Bộ lọc Kalman mở rộng. Thuật toán sử dụng kỹ thuật khai triển chuỗi Taylor bậc nhất để tuyến tính hóa hệ phương trình vi phân trạng thái phi tuyến rời rạc xung quanh điểm làm việc tại mỗi chu kỳ trích mẫu, giúp ước lượng tối ưu biến trạng thái nạp trong điều kiện tồn tại đồng thời nhiễu hệ thống và nhiễu đo lường màu trắng.

Bốn khái niệm cốt lõi xuyên suốt công trình gồm: Trạng thái nạp biểu thị tỷ số phần trăm giữa dung lượng hiện có và dung lượng danh định từ 0% đến 100%; Điện áp hở mạch là điện áp cân bằng giữa hai cực khi không có dòng điện tải; Độ sâu xả cạn phản ánh mức năng lượng đã giải phóng khỏi pin; và Hệ thống quản lý pin đóng vai trò giám sát, bảo vệ an toàn và tối ưu hóa hiệu suất cell pin.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lựa chọn đối tượng thực nghiệm là cell pin Lithium-ion hình trụ thương mại Samsung INR18650-25R có dung lượng danh định 2500 mAh, khối lượng 49 g, điện áp cắt xả 2,25 V, khả năng cung cấp dòng xả liên tục 20 A và dòng xả xung lên đến 35 A. Mẫu nghiên cứu này mang tính đại diện cao cho các dòng pin công suất lớn đang được ứng dụng rộng rãi trong xe điện và thiết bị công nghiệp.

Phương pháp thu thập dữ liệu được thiết kế công phu qua hai giai đoạn thử nghiệm độc lập:

• Giai đoạn xác định đặc tính điện áp hở mạch tĩnh: Tiến hành nạp và xả cực chậm với tốc độ dòng nhỏ C/30 (tương đương 0,083 A) ở 8 mốc nhiệt độ kiểm thử gồm âm 25 độ C, âm 15 độ C, âm 5 độ C, 5 độ C, 15 độ C, 25 độ C, 35 độ C và 45 độ C. Việc nạp xả dòng nhỏ nhằm mục đích triệt tiêu hoàn toàn hiệu ứng sinh nhiệt và phân cực động học, cho phép thu thập chính xác bảng ánh xạ giữa điện áp hở mạch và trạng thái nạp.
• Giai đoạn thu thập dữ liệu động học: Thực hiện xả động học theo các kịch bản dòng xung biến thiên 1C (2,5 A) từ mức nạp 90% xuống 10% dung lượng kết hợp các chu kỳ nghỉ và đổi chiều dòng điện.

Lý do lựa chọn phương pháp nhận dạng tham số bình phương cực tiểu và bộ quan sát trạng thái Kalman mở rộng là vì tính tối ưu trong việc xử lý các hệ phi tuyến có nhiễu ngẫu nhiên. Dữ liệu thực nghiệm thu thập từ phòng thí nghiệm được rời rạc hóa với chu kỳ trích mẫu chuẩn 1 giây, tạo lập ma trận hiệp phương sai sai số và cập nhật liên tục ma trận khuếch đại Kalman để đảm bảo thuật toán hội tụ nhanh chóng về trạng thái thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích thực nghiệm và mô phỏng trên nền tảng tính toán khoa học đã đem lại bốn phát hiện then chốt có giá trị khoa học và thực tiễn cao:

Thứ nhất, nhiệt độ môi trường có tác động chi phối cực kỳ mạnh mẽ lên các thông số động học của pin. Dung lượng khả dụng thực tế đạt giá trị cực đại 2,19 Ah tại nhiệt độ 19 độ C. Khi nhiệt độ làm việc giảm xuống dưới 0 độ C, dung lượng khả dụng suy giảm rõ rệt và nội trở thuần tăng đột biến từ dưới 100 mΩ ở 45 độ C lên tới 600 mΩ tại âm 20 độ C, tức tăng hơn 500% so với điều kiện tiêu chuẩn.

Thứ hai, mối quan hệ giữa điện áp hở mạch và trạng thái nạp có độ nhạy nhiệt độ rất khác biệt giữa dải nhiệt độ dương và dải nhiệt độ âm. Ở dải nhiệt độ từ 5 độ C đến 45 độ C, sai lệch căn bậc hai trung bình giữa mô hình và thực nghiệm duy trì ở mức rất nhỏ, dao động từ 1,3 mV đến 2,5 mV (trong đó tại 35 độ C sai số chỉ là 1,3 mV). Tuy nhiên, tại mức nhiệt độ cực hàn âm 25 độ C, sai lệch tăng vọt lên 32,5 mV (cao gấp 25 lần so với tại 35 độ C), xuất hiện chủ yếu ở hai vùng biên khi trạng thái nạp dưới 40% hoặc trên 70%.

Thứ ba, mô hình mạch tương đương nâng cao thể hiện mức độ tương thích vượt trội so với thực nghiệm. Tại nhiệt độ thử nghiệm 45 độ C, đường cong điện áp đầu ra của mô hình bám khít với dữ liệu thực tế. Sai lệch điện áp có giá trị trung bình bằng 0 và dao động trong dải cực hẹp từ âm 0,02 V đến dương 0,02 V, chiếm tỷ lệ chưa đầy 0,5% so với ngưỡng điện áp làm việc danh định 3,7 V của cell pin.

Thứ tư, bộ lọc Kalman mở rộng chứng minh khả năng tự thích nghi và khử nhiễu tuyệt vời. Ngay cả khi giá trị khởi tạo ban đầu của trạng thái nạp bị đặt sai lệch từ 20% đến 30% so với thực tế, thuật toán vẫn nhanh chóng kéo quỹ đạo ước lượng về sát đường thực nghiệm chỉ sau một thời gian ngắn và duy trì sai số ước lượng ổn định dưới ngưỡng 2% trong suốt quá trình xả tải biến thiên.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân căn bản dẫn đến sự gia tăng đột biến của nội trở và sai lệch điện áp ở vùng nhiệt độ âm bắt nguồn từ cơ chế điện hóa phân tử. Ở nhiệt độ dưới 0 độ C, độ nhớt của dung dịch điện ly hữu cơ tăng cao làm giảm linh độ chuyển dịch của ion liti, đồng thời tốc độ phản ứng xen cài ion vào mạng tinh thể graphite bị cản trở nghiêm trọng. Hiện tượng phân cực nồng độ và phân cực kích hoạt diễn ra gay gắt, tạo nên hiện tượng trễ điện áp lớn giữa quá trình nạp và xả.

Khi so sánh với các công bố khoa học sử dụng phương pháp đếm Coulomb truyền thống, giải pháp tích hợp mô hình mạch tương đương tự hiệu chỉnh với bộ lọc Kalman mở rộng thể hiện ưu thế vượt bậc. Phương pháp đếm dòng thường bị trôi sai số tích lũy từ 5% đến 10% sau vài giờ hoạt động do nhiễu cảm biến trôi dạt. Trong khi đó, việc sử dụng vòng hồi tiếp sai lệch điện áp đo lường trong bộ lọc Kalman giúp hệ thống liên tục tự hiệu chỉnh, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tích lũy sai số.

Về mặt biểu diễn trực quan, toàn bộ tập dữ liệu động học có thể được chuẩn hóa qua hệ thống đồ thị đường cong đặc tính quan hệ giữa điện áp hở mạch và trạng thái nạp đa nhiệt độ từ âm 25 độ C đến 45 độ C, kết hợp cùng bảng ma trận các tham số điện trở, hằng số thời gian nhánh tụ và hệ số trễ. Cách trình bày dạng bảng thông số tra cứu giúp các kỹ sư dễ dàng tích hợp thuật toán vào bộ nhớ vi điều khiển có tài nguyên hạn chế.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả đạt được, luận văn đưa ra bốn khuyến nghị kỹ thuật mang tính thực thi cao:

Một là, lập trình nhúng và triển khai thuật toán Bộ lọc Kalman mở rộng lên các dòng vi điều khiển 32-bit chuyên dụng cho hệ thống quản lý pin. Đội ngũ kỹ sư R&D phần mềm nhúng tại các doanh nghiệp xe điện cần nạp mô hình toán rời rạc hóa với mục tiêu khống chế sai số ước lượng trạng thái nạp dưới 1,5% trong điều kiện tải động lực học phức tạp, hoàn thành thử nghiệm trong vòng 3 đến 6 tháng tới.

Hai là, thiết kế tích hợp hệ thống kiểm soát nhiệt độ chủ động cho các bộ pin công suất lớn. Các nhà sản xuất pack pin cần trang bị các tấm làm mát bằng chất lỏng kết hợp màng gia nhiệt điện trở để giữ cho nhiệt độ làm việc của các cell pin luôn nằm trong vùng tối ưu từ 20 độ C đến 35 độ C, ngăn chặn hiện tượng tăng nội trở lên 600 mΩ và duy trì hiệu suất Coulomb trên 98%, triển khai hoàn thiện trong lộ trình 6 đến 9 tháng.

Ba là, mở rộng nghiên cứu sang thuật toán Bộ lọc Kalman mở rộng kép để ước lượng đồng thời trạng thái nạp và trạng thái sức khỏe của pin. Các nhóm nghiên cứu tại các viện và trường đại học cần ứng dụng cấu trúc hai bộ lọc chạy song song nhằm cập nhật trực tuyến sự suy giảm dung lượng danh định và sự gia tăng nội trở thuần theo thời gian, giúp cảnh báo chính xác thời điểm pin chạm ngưỡng suy thoái dưới 80% dung lượng ban đầu sau 1000 chu kỳ sử dụng trong giai đoạn 12 tháng tiếp theo.

Bốn là, chuẩn hóa quy trình nhận dạng thông số cell pin tự động trong các phòng thí nghiệm kiểm định. Các cơ sở nghiên cứu và kiểm định chất lượng cần ban hành quy chuẩn đo kiểm nạp xả dòng nhỏ C/30 kết hợp chu kỳ xung 1C trên 8 mốc nhiệt độ tiêu chuẩn từ âm 25 độ C đến 45 độ C, rút ngắn thời gian xây dựng cơ sở dữ liệu nhận dạng thông số xuống dưới 48 giờ cho mỗi dòng pin mới ngay trong quý tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn to lớn cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Thứ nhất, kỹ sư phát triển phần mềm nhúng và hệ thống quản lý pin xe điện. Tài liệu cung cấp đầy đủ các bước rời rạc hóa phương trình vi phân, cấu trúc ma trận Jacobian và mã giả thuật toán Kalman, phục vụ trực tiếp công tác lập trình trên các chip xử lý tín hiệu số hoặc vi điều khiển ô tô.

Thứ hai, chuyên gia nghiên cứu và thiết kế khối pin công nghiệp tại các doanh nghiệp sản xuất phương tiện giao thông chạy điện. Nghiên cứu cung cấp bức tranh định lượng chi tiết về hành vi điện hóa và đặc tính thay đổi thông số của cell pin Samsung INR18650-25R dưới các dải nhiệt độ khắc nghiệt, hỗ trợ tối ưu hóa kết cấu cơ nhiệt và thuật toán bảo vệ cell pin.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa, Kỹ thuật Điều khiển và Kỹ thuật Năng lượng. Luận văn là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp nhận dạng hệ thống phi tuyến bằng phương pháp bình phương cực tiểu và ứng dụng lý thuyết ước lượng trạng thái hiện đại.

Thứ tư, các nhà quản lý kỹ thuật và chủ đầu tư dự án lưu trữ năng lượng lưới điện tái tạo. Báo cáo giúp làm rõ cơ chế tổn thất năng lượng khoảng 5% và tác động của nhiệt độ môi trường, làm cơ sở xây dựng kế hoạch bảo dưỡng định kỳ và nâng cao hiệu quả kinh tế cho các trạm lưu trữ năng lượng quy mô lớn.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp đếm dòng Coulomb truyền thống có những hạn chế cốt tử nào khi ước lượng trạng thái nạp? Phương pháp đếm dòng hoạt động theo nguyên tắc tích phân dòng điện theo thời gian nên hoàn toàn phụ thuộc vào độ chính xác của giá trị trạng thái nạp ban đầu. Trong thực tế, nhiễu cảm biến dòng điện luôn tồn tại làm sai số tích lũy tăng dần theo thời gian, thường vượt quá 10% chỉ sau một vài chu kỳ nạp xả, khiến hệ thống không thể tự cân chỉnh nếu không có điểm mốc hiệu chuẩn.

Nhiệt độ môi trường dưới 0 độ C tác động như thế nào đến độ chính xác của mô hình pin? Khi nhiệt độ giảm xuống âm 25 độ C, sai số căn bậc hai trung bình của quan hệ giữa điện áp hở mạch và trạng thái nạp tăng vọt lên 32,5 mV, tức gấp 25 lần so với tại 35 độ C (1,3 mV). Đồng thời, nội trở thuần tăng lên 600 mΩ do độ nhớt dung dịch điện ly tăng cao, đòi hỏi thuật toán phải tích hợp bảng tra tham số thích nghi đa nhiệt độ để duy trì độ chính xác.

Mô hình mạch tương đương tự hiệu chỉnh nâng cao có ưu điểm gì nổi bật so với mô hình RC kinh điển? Mô hình nâng cao bổ sung thành phần điện áp trễ động học và mô tả chi tiết sự phụ thuộc phi tuyến của điện áp hở mạch theo cả trạng thái nạp lẫn nhiệt độ. Nhờ cấu trúc này, mô hình mô phỏng chính xác hiện tượng phục hồi điện áp sau khi ngắt tải, giúp giảm thiểu sai lệch điện áp đầu ra xuống dưới mức 0,02 V tại 45 độ C.

Việc cài đặt thuật toán Bộ lọc Kalman mở rộng có gây quá tải năng lực xử lý của vi điều khiển BMS không? Mặc dù thuật toán đòi hỏi các phép tính nhân ma trận và tính toán đạo hàm riêng Jacobian, nhưng với chu kỳ trích mẫu 1 giây và bậc tự do thấp của mô hình một nhánh RC, các dòng vi điều khiển 32-bit tầm trung chỉ tiêu tốn dưới 5% năng lực xử lý và vài kilobyte bộ nhớ RAM, hoàn toàn đáp ứng tốt yêu cầu thời gian thực.

Cell pin Samsung INR18650-25R được thử nghiệm trong luận văn có những thông số vận hành đặc thù nào? Đây là dòng cell pin Lithium-ion công suất cao có dung lượng danh định 2500 mAh, điện áp làm việc danh định 3,6 V, điện áp cắt xả 2,25 V, khối lượng 49 g và chịu được dòng xả liên tục tới 20 A cùng dòng xả xung 35 A. Dòng pin này có tuổi thọ danh định 1000 chu kỳ, rất phổ biến trên các mẫu xe máy điện và dụng cụ cầm tay công nghiệp.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình mạch điện tương đương tự hiệu chỉnh nâng cao cho pin Lithium-ion, phản ánh chân thực các hiện tượng điện áp trễ, phân cực khuếch tán và độ nhạy nhiệt độ trong dải từ âm 25 độ C đến 45 độ C.
• Xác định và chuẩn hóa toàn bộ bộ thông số động học cho cell pin Samsung INR18650-25R 2500mAh qua dữ liệu thực nghiệm nạp xả C/30 và xung tải 1C với sai số căn bậc hai trung bình tại 35 độ C chỉ đạt 1,3 mV.
• Ứng dụng thành công thuật toán Bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng trực tuyến trạng thái nạp, kiểm soát sai lệch điện áp mô hình trong khoảng hẹp 0,02 V và triệt tiêu hoàn toàn sai số tích lũy trôi cảm biến.
• Khẳng định tính khả thi của thuật toán khi nhúng lên các phần cứng vi điều khiển thực tế, tạo cơ sở nâng cao độ an toàn chống quá sạc, quá xả và chống cháy nổ cho pack pin.
• Đóng góp nguồn dữ liệu thực nghiệm đa nhiệt độ chuẩn mực và phương pháp luận rõ ràng cho ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa trong lĩnh vực giao thông xanh.

Về lộ trình phát triển tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ hoàn thiện thuật toán tự thích nghi trực tuyến tham số đa biến và mở rộng thử nghiệm trên quy mô module pin 96 cell mắc nối tiếp trong giai đoạn sắp tới. Quý độc giả, kỹ sư và các nhà khoa học quan tâm đến việc nhận tài liệu toàn văn cùng các đoạn mã nguồn thuật toán có thể liên hệ trực tiếp với tác giả và cơ sở đào tạo để cùng hợp tác nghiên cứu phát triển công nghệ pin xe điện hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SoC 1. Giới thiệu về pin lithium – Ion 1. Khái niệm về pin Lithium – Ion Pin Li-ion hay pin lithi-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (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 sạc và xả, 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 xả (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 sạc, dưới điện áp sạc, 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 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn (Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những 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 sạc 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 pin lithium-ion bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin. Hình 1-1: Một loại Pin Lithium 32650 của hãng Panasonic: Kiểu pin: 18650 / 3.6V / 3000mAh, Thông số kỹ thuật pin: 18650-2S5P / 7.2V / 15Ah, Điện áp danh định: 7.2, Công suất danh nghĩa: 15Ah, Sạc điện áp: 8.4V, Sạc hiện tại: ≤4A Xả hiện tại: 3A, Dòng xả tức thời: 5A, Xả điện áp cắt: 5.4V, Thành phẩm kháng nội bộ: ≤150mΩ, Trọng lượng pin: 500g, Nhiệt độ sạc: 0 ~ 45 ° C, Nhiệt độ xả: -20 ~ 60 ° C, Nhiệt độ bảo quản: -20 ~ 35 ° C, Bảo vệ nhiệt độ: 70 C ± 5 ° C 1.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 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 chạy.

4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 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 vào 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 xả, 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 sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, 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 sạc và xả. 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 bài viết 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 xả.

Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): LiCoO 2 ƒ CoO 2 + Li + + e - (1.1) Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): C 6 + Li + + e - ƒ LiC 6 (1.2) Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả) C 6 + LiCoO2 ƒ LiC 6 + CoO 2 (1.3) Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+, và ngược lại khi xả. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như xả 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: LiCoO 2 + Li + + e - ® Li2O + CoO (1.4) Nếu sạc quá thế 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. LiCoO 2 ® Li + + e - + CoO 2 (1.5) Hình 1-2: Quá trình sạc và xả của Pin Lithium- Ion: Khi xả (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 sạc, dưới điện áp sạc, 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 và các ứng dụng Sở dĩ pin Li-ion 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 Pin Li-ion cũng cao hơn các loại pin khác, chính vì điều này làm Pin Li-ion được sử dụng rộng rãi ngày nay.

Bên cạnh đó, mật độ năng lượng của pin Li-ion cao nên phải phối hợp các hợp chất dẫn điện khác vào pin để pin có thể sử dụng lâu hơn bền hơn. 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn 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 sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay. Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự xả.

Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển 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 sạch, 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. Vai trò của tham số SoC và một số phương pháp xác định SoC 1.

Vai trò của tham số SoC Để biết lượng năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng mà nó có khi sạc đầy, điều này cần thiết cho người dùng để biết liệu pin sẽ tiếp tục hoạt động trong bao lâu nữa trước khi cần sạc lại. Nó là thước đo năng lượng còn lại của pin. 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 Lithium trên bản cực âm. Trước hết ta định nghĩa cân bằng hóa học mật độ Lithium hiện tại là, được biểu thị trong khoảng từ 0% đến 100% cs ,avg q= (1.6) cs ,m ax 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.vn Thì SoC được xác định như sau: q - q0% zk = (1.