Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul pin lithium

Khám phá luận văn thạc sĩ về nghiên cứu thuật toán ước lượng SOC cho modul pin lithium, ứng dụng trong công nghệ năng lượng hiện đại.

• Tác giả: Đỗ Thị Thùy Dương
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Chí
• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp - 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 sỹ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• LỜI NÓI ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu
• 0.3. 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 pin lithium

Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho 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. Các phương pháp ước lượng SoC hiện tại bao gồm phương pháp Coulomb, điện áp hở mạch và bộ lọc Kalman. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến độ chính xác và độ tin cậy của kết quả.

1.1. Khái niệm về trạng thái nạp SoC và tầm quan trọng

Trạng thái nạp (SoC) là thước đo năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng tối đa mà nó có thể lưu trữ. Việc hiểu rõ về SoC giúp người dùng biết được thời gian sử dụng còn lại của pin, từ đó có kế hoạch sạc hợp lý. SoC được định nghĩa bằng phần trăm và có vai trò quan trọng trong việc quản lý năng lượng.

1.2. Ứng dụng của thuật toán ước lượng SoC trong thực tiễn

Thuật toán ước lượng SoC được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như ô tô điện, thiết bị di động và hệ thống năng lượng tái tạo. Việc ước lượng chính xác SoC giúp cải thiện hiệu suất hoạt động, giảm thiểu rủi ro hư hỏng và nâng cao độ an toàn cho người sử dụng.

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 trong việc đạt được độ chính xác cao. Nhiễu từ môi trường, sự thay đổi nhiệt độ và tuổi thọ của pin đều ảnh hưởng đến kết quả ước lượng. Các phương pháp truyền thống như đếm Coulomb và điện áp hở mạch thường không tự hiệu chỉnh khi có sai lệch lớn, dẫn đến kết quả không chính xác.

2.1. Ảnh hưởng 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 ước lượng, gây khó khăn trong việc quản lý năng lượng. Việc phát hiện và xử lý nhiễu là rất cần thiết để cải thiện độ chính xác.

2.2. Thách thức từ sự thay đổi nhiệt độ và tuổi thọ pin

Nhiệt độ và tuổi thọ của pin ảnh hưởng lớn đến hiệu suất và độ chính xác của SoC. Khi nhiệt độ thay đổi, các đặc tính điện hóa của pin cũng thay đổi, dẫn đến sai lệch trong ước lượng. Tuổi thọ pin giảm cũng làm giảm khả năng lưu trữ năng lượng, ảnh hưởng đến kết quả ước lượng.

III. Phương pháp sử dụng bộ lọc Kalman trong ước lượng SoC

Bộ lọc Kalman là một trong những phương pháp tiên tiến được sử dụng để ước lượng SoC cho pin lithium. Phương pháp này cho phép ước lượng trạng thái trong điều kiện có nhiễu, giúp cải thiện độ chính xác của kết quả. Bộ lọc Kalman hoạt động dựa trên mô hình động học của pin, kết hợp với dữ liệu đo được để đưa ra ước lượng chính xác hơn.

3.1. Nguyên lý hoạt động của bộ lọc Kalman

Bộ lọc Kalman sử dụng một mô hình toán học để dự đoán trạng thái của hệ thống và cập nhật ước lượng dựa trên dữ liệu đo được. Nguyên lý này giúp cải thiện độ chính xác của ước lượng SoC, đặc biệt trong điều kiện có nhiễu.

3.2. Ưu điểm của bộ lọc Kalman trong ước lượng SoC

Bộ lọc Kalman có khả năng tự hiệu chỉnh và thích ứng với các thay đổi trong môi trường. Điều này giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của ước lượng SoC, đồng thời giảm thiểu rủi ro hư hỏng cho pin.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của thuật toán SoC

Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng bộ lọc Kalman trong ước lượng SoC cho pin lithium mang lại kết quả khả quan. Các thử nghiệm thực tế cho thấy độ chính xác của ước lượng SoC được cải thiện đáng kể, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin. Kết quả này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả hơn.

4.1. Kết quả thử nghiệm với pin lithium

Các thử nghiệm cho thấy bộ lọc Kalman có thể ước lượng SoC với độ chính xác cao, giảm thiểu sai số so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ tính khả thi của phương pháp trong ứng dụng thực tiễn.

4.2. Ứng dụng trong hệ thống quản lý năng lượng

Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong các hệ thống quản lý năng lượng, giúp tối ưu hóa việc sử dụng pin lithium trong các thiết bị điện tử và ô tô điện. Điều này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu rủi ro hư hỏng cho pin.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu SoC

Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho pin lithium đã chỉ ra rằng việc áp dụng bộ lọc Kalman mang lại nhiều lợi ích. Tuy nhiên, vẫn cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện độ chính xác và khả năng ứng dụng của phương pháp này. Tương lai của nghiên cứu SoC hứa hẹn sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực công nghệ pin.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy bộ lọc Kalman là một phương pháp hiệu quả trong ước lượng SoC cho pin lithium. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các hệ thống quản lý năng lượng.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc cải thiện độ chính xác và khả năng ứng dụng của thuật toán ước lượng SoC. Việc phát triển các mô hình toán học mới và công nghệ cảm biến tiên tiến sẽ là chìa khóa cho sự thành công trong lĩnh vực này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thị trường xe điện và các hệ thống lưu trữ năng lượng tái tạo toàn cầu đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng vượt bậc với mức tăng trên 25% mỗi năm. Trong xu thế đó, pin Lithium-ion trở thành giải pháp lưu trữ cốt lõi nhờ sở hữu mật độ năng lượng vượt trội, hiệu suất Coulomb đạt xấp xỉ 99% và hiệu suất sử dụng năng lượng tiệm cận mức 95%. Tuy nhiên, việc vận hành pin trong các môi trường khắc nghiệt luôn tiềm ẩn nguy cơ quá nhiệt, cháy nổ, suy giảm tuổi thọ hoặc nạp xả quá mức nếu không được kiểm soát chặt chẽ. Trọng tâm của hệ thống quản lý pin hiện đại nằm ở bài toán ước lượng chính xác trạng thái nạp, cho biết tỷ lệ dung lượng khả dụng còn lại trong cell pin so với dung lượng danh định.

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình toán học mạch điện tương đương nâng cao có xét đến hiện tượng trễ điện áp động học, đồng thời thiết lập thuật toán lọc Kalman mở rộng nhằm ước lượng trạng thái nạp trong điều kiện có nhiễu đo lường. Nghiên cứu tập trung khảo sát thực nghiệm trên dòng cell pin Lithium-ion Samsung INR18650-25R với dung lượng danh định 2500mAh tại 8 mốc nhiệt độ trải dài từ -25°C đến 45°C. Toàn bộ dữ liệu kiểm thử và phân tích được hoàn thiện trong giai đoạn năm 2018 đến 2019 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên.

Ý nghĩa thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm thiểu sai lệch điện áp mô hình xuống dưới ngưỡng ±0.02V (sai số tương đối dưới 0.6%), hỗ trợ hệ thống điều khiển giám sát năng lượng chuẩn xác và nâng cao tuổi thọ vận hành của khối pin lên trên 1000 chu kỳ nạp xả an toàn.

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 chính: lý thuyết mô hình mạch điện tương đương, lý thuyết điện hóa về phân cực nồng độ và lý thuyết ước lượng trạng thái ngẫu nhiên phi tuyến. Khái niệm trạng thái nạp phản ánh tỷ số giữa dung lượng hiện có trên dung lượng định mức, dao động từ 0% khi xả cạn đến 100% khi nạp đầy. Điện áp hở mạch là điện thế đo được giữa hai cực của pin khi mạch ngoài ngắt hoàn toàn và phản ứng hóa học đạt trạng thái cân bằng. Hiệu suất Coulomb biểu thị tỷ số giữa tổng lượng điện tích phóng ra so với lượng điện tích nạp vào.

Mô hình nghiên cứu áp dụng cấu trúc mạch tương đương tự hiệu chỉnh nâng cao, bao gồm một nguồn điện áp hở mạch phi tuyến phụ thuộc vào trạng thái nạp và nhiệt độ, mắc nối tiếp với điện trở trong tiếp xúc tức thời. Để mô tả hiện tượng khuếch tán ion chậm trong chất điện ly, mô hình tích hợp nhánh tụ điện và điện trở mắc song song tạo nên hằng số thời gian phân cực. Đồng thời, một khâu điện áp trễ động học không thứ nguyên được bổ sung nhằm phản ánh sự bất đối xứng giữa quá trình nạp và phóng điện của vật liệu điện cực graphite và oxide kim loại. Mẫu pin thí nghiệm sử dụng điện áp cắt xả an toàn ở mức 2.25V và dòng xả danh định liên tục lên đến 20A.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của nghiên cứu được thu thập từ quy trình thử nghiệm điện hóa nghiêm ngặt trên dòng pin Samsung INR18650-25R kích thước tiêu chuẩn 18mm x 65mm và trọng lượng 49g. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm tập dữ liệu chuẩn hóa của 6 loại cell pin Lithium-ion thương mại, trong đó phân tích chuyên sâu trên cell INR18650-25R qua 4 kịch bản xác định đặc tính điện áp hở mạch tĩnh và 3 kịch bản xả động học. Phương pháp chọn mẫu chủ đích được áp dụng nhằm chọn ra dòng pin có tỷ lệ ứng dụng cao nhất trong thiết bị cầm tay và module xe điện thực tế.

Phương pháp phân tích dựa trên việc rời rạc hóa hệ phương trình vi phân phi tuyến theo chu kỳ trích mẫu thời gian thực, kết hợp kỹ thuật bình phương tối thiểu để nhận dạng bộ thông số nội trở, điện dung và hệ số trễ. Thuật toán lọc Kalman mở rộng được lựa chọn nhờ khả năng xấp xỉ tuyến tính hóa chuỗi Taylor bậc một xung quanh điểm quỹ đạo trạng thái, giúp triệt tiêu hoàn toàn nhiễu đo lường ngẫu nhiên từ cảm biến dòng điện và điện áp. Cách tiếp cận này vượt trội hơn phương pháp tích phân dòng điện truyền thống vốn dễ bị trôi sai số tích lũy, đồng thời khắc phục độ trễ lớn của phương pháp tra bảng điện áp tĩnh.

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 đã chỉ ra 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Dung lượng khả dụng thực tế của pin phụ thuộc phi tuyến tính rất mạnh vào nhiệt độ môi trường. Dung lượng đạt giá trị cực đại 2.19Ah tại mốc nhiệt độ 19°C (tương đương 87.6% dung lượng thiết kế danh định 2500mAh), nhưng suy giảm nhanh chóng xuống dưới 1.5Ah khi nhiệt độ làm việc hạ sâu xuống dưới -15°C hoặc tăng cao vượt ngưỡng 40°C.

Nội trở thuần của cell pin tỷ lệ nghịch với nhiệt độ vận hành. Giá trị nội trở đo được ở nhiệt độ -20°C lên tới 600mΩ, sau đó giảm mạnh hơn 83.3% xuống chỉ còn khoảng 100mΩ khi nhiệt độ môi trường đạt mức ấm áp, cho thấy tổn hao nhiệt do hiệu ứng Joule ở dải nhiệt độ thấp là rất lớn.

Mức độ sai lệch bình phương trung bình giữa dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán tại nhiệt độ -25°C đạt 32.5mV (tương ứng chênh lệch cục bộ khoảng 0.1V tại vùng trạng thái nạp dưới 30% và trên 60%). Ngược lại, tại các dải nhiệt độ dương như 5°C, 15°C, 35°C và 45°C, sai lệch bình phương trung bình duy trì ở mức rất thấp, chỉ từ 1.3mV đến 2.4mV, tức sai số tại -25°C cao gấp 25 lần so với tại 35°C.

Điện áp đầu ra ước lượng từ mô hình tự hiệu chỉnh nâng cao bám sát hoàn hảo đường cong thực nghiệm ở 45°C với dải sai lệch tuyệt đối chỉ trong khoảng ±0.02V, tương đương mức sai số trung bình thực tế tiệm cận 0%.

Thảo luận kết quả

Sự suy giảm dung lượng và gia tăng đột biến của nội trở ở nhiệt độ âm được giải thích bởi sự suy giảm tốc độ linh động của các ion Lithium khi di chuyển giữa các lớp tinh thể điện cực cathode và anode, cùng hiện tượng tăng độ nhớt của dung dịch điện ly hữu cơ. Ở nhiệt độ từ 15°C đến 35°C, phản ứng hóa học diễn ra thuận lợi, giúp điện áp hở mạch đạt trạng thái cân bằng nhanh chóng.

Khi đối chiếu với các phương pháp ước lượng vòng hở truyền thống như đếm Coulomb (thường ghi nhận độ lệch lũy kế trên 5% sau 10 giờ vận hành liên tục do sai số trôi cảm biến), mô hình kết hợp bộ lọc Kalman mở rộng trong nghiên cứu này cho phép tự hiệu chỉnh trạng thái với độ chính xác cao hơn rõ rệt. Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị hàm quan hệ giữa điện áp hở mạch và trạng thái nạp tại 8 dải nhiệt độ, kết hợp bảng ma trận tham số động học và biểu đồ sai lệch điện áp theo thời gian thực. Việc mô hình hóa thành công điện áp trễ đã loại bỏ hiện tượng nhảy vọt sai số khi pin chuyển đổi đột ngột giữa chu kỳ nạp và chu kỳ phóng điện tải lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

Tích hợp thuật toán lọc Kalman thích nghi đa vùng nhiệt độ vào chip điều khiển nhúng của hệ thống quản lý pin: Đặt mục tiêu duy trì sai số ước lượng trạng thái nạp dưới 1.5% trong mọi điều kiện thời tiết khắc nghiệt, triển khai trong vòng 6 tháng bởi đội ngũ kỹ sư phần mềm hệ thống nhúng.

Thiết kế hệ thống quản lý nhiệt chủ động cho các khối module pin trên phương tiện xe điện: Duy trì nhiệt độ hoạt động của các cell pin ổn định trong dải vàng từ 15°C đến 35°C nhằm tối ưu hóa dung lượng tích trữ đạt trên 95% và giữ nội trở dưới 150mΩ, hoàn thành trong lộ trình 12 tháng bởi bộ phận kỹ thuật cơ nhiệt và ô tô điện.

Thiết lập cơ chế tự động cập nhật tham số lão hóa cell pin theo thời gian thực: Tái nhận dạng giá trị nội trở và điện dung khuếch tán định kỳ sau mỗi 100 chu kỳ sạc xả thông qua thuật toán bình phương tối thiểu đệ quy, thực hiện liên tục trên nền tảng giám sát đám mây của trung tâm vận hành.

Chuẩn hóa ngưỡng điện áp cắt xả an toàn ở mức 2.5V thay vì xả sâu tới mức cực hạn 2.25V: Kéo dài vòng đời hoạt động của cell pin từ 1000 chu kỳ lên trên 1500 chu kỳ tiêu chuẩn, áp dụng ngay trong quý tiếp theo tại các trạm sạc xe điện và quy trình hướng dẫn bảo dưỡng phương tiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư phát triển hệ thống nhúng và phần mềm quản lý pin: Ứng dụng trực tiếp cấu trúc thuật toán rời rạc hóa và ma trận lọc trạng thái để lập trình trên các dòng vi điều khiển 32-bit, giúp rút ngắn khoảng 40% thời gian thử nghiệm mô hình thực tế.

Các doanh nghiệp sản xuất và lắp ráp xe điện, trạm lưu trữ năng lượng: Sử dụng quy trình 4 kịch bản đo điện áp hở mạch và 3 kịch bản kiểm tra động học để làm bộ tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nguyên liệu cell pin đầu vào.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Tự động hóa: Khai thác tài liệu như một nghiên cứu điển hình về phương pháp mô hình hóa hệ thống phi tuyến và ứng dụng bộ quan sát trạng thái tối ưu trong kỹ thuật điều khiển.

Chuyên viên kỹ thuật vận hành và bảo trì trạm lưu trữ năng lượng mặt trời: Nắm vững các đặc tính suy hao dung lượng và quy luật biến thiên nội trở theo nhiệt độ để xây dựng quy trình làm mát, nâng cao hiệu suất truyền dẫn điện năng tổng thể trên 98%.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp đếm Coulomb truyền thống gặp hạn chế gì khi ước lượng dung lượng pin? Phương pháp đếm Coulomb hoạt động theo nguyên lý tích phân dòng điện vòng hở nên không có khả năng tự sửa lỗi. Khi cảm biến bị nhiễu hoặc có dòng tự xả nhỏ, sai số sẽ tích lũy liên tục theo thời gian và có thể vượt quá 5% sau một ngày vận hành nếu không được đưa về điểm cân bằng để hiệu chỉnh lại.

Mô hình tự hiệu chỉnh nâng cao mang lại điểm cải tiến gì so với các mô hình Thevenin cổ điển? Mô hình tự hiệu chỉnh nâng cao bổ sung thành phần điện áp trễ phụ thuộc vào chiều dòng điện và trạng thái nạp, đồng thời tích hợp ảnh hưởng phi tuyến của nhiệt độ. Cải tiến này giúp mô tả chính xác hiện tượng phục hồi điện áp sau khi ngắt tải, giảm sai số mô hình xuống dưới mức ±0.02V tại nhiệt độ 45°C.

Vì sao sai số ước lượng lại tăng cao đột biến khi nhiệt độ môi trường xuống dưới 0°C? Ở dải nhiệt độ âm như -25°C, trở kháng nội tại của pin tăng gấp nhiều lần và tính chất động học điện hóa trở nên phi tuyến cực kỳ phức tạp, dẫn đến sai lệch bình phương trung bình lên tới 32.5mV. Điều này đòi hỏi thuật toán phải tích hợp bảng tham số nhận dạng riêng cho vùng nhiệt độ thấp.

Bộ lọc Kalman mở rộng xử lý tính phi tuyến của pin Lithium-ion như thế nào? Bộ lọc sử dụng khai triển chuỗi Taylor bậc một để xấp xỉ tuyến tính hóa hàm điện áp phi tuyến quanh điểm ước lượng tại mỗi chu kỳ trích mẫu. Quy trình dự báo trạng thái và hiệu chỉnh phản hồi đệ quy qua ma trận khuếch đại giúp loại bỏ nhiễu đo lường Gauss một cách hiệu quả.

Thuật toán trong luận văn có thể triển khai trên các dòng vi xử lý công nghiệp phổ thông không? Toàn bộ các ma trận tính toán trong mô hình đã được tối ưu hóa ở dạng phương trình sai phân rời rạc với khối lượng tính toán nhẹ. Thuật toán chỉ yêu cầu dung lượng bộ nhớ dưới 20KB RAM, hoàn toàn tương thích và thực thi mượt mà trên các chip vi điều khiển phổ thông như ARM Cortex-M.

Kết luận

• Xây dựng thành công mô hình mạch điện tương đương tự hiệu chỉnh nâng cao, phản ánh toàn diện các hiện tượng điện áp khuếch tán, nội trở và trễ động học.
• Xác định chính xác bộ thông số động học và thiết lập quan hệ hàm giữa điện áp hở mạch với trạng thái nạp cho pin Samsung INR18650-25R qua 8 mức nhiệt độ từ -25°C đến 45°C.
• Ứng dụng hiệu quả bộ lọc Kalman mở rộng để quan sát trạng thái nạp trong môi trường có nhiễu, kiểm soát sai lệch điện áp mô hình bám sát thực nghiệm trong dải hẹp ±0.02V.
• Chứng minh rõ ràng quy luật suy giảm dung lượng xuống dưới 1.5Ah và tăng vọt nội trở lên 600mΩ ở nhiệt độ âm, tạo cơ sở cho việc thiết kế hệ thống kiểm soát nhiệt.
• Đóng góp một quy trình đo kiểm thực nghiệm chuẩn hóa gồm 4 kịch bản kiểm tra tĩnh và 3 kịch bản thử tải động học cho các nghiên cứu pin chuyên sâu.

Lộ trình phát triển tiếp theo trong 12 đến 18 tháng tới sẽ hướng đến việc ước lượng đồng thời cả trạng thái nạp và trạng thái sức khỏe của toàn bộ chuỗi pack pin mắc nối tiếp. Quý độc giả, kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm hãy tiếp cận toàn văn luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa để ứng dụng ngay các giải pháp điều khiển pin tiên tiến vào dự án thực tiễn!

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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] (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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.