Tổng quan nghiên cứu

Pin Lithium-Ion (Li-ion) hiện là nguồn năng lượng chủ đạo trong các ứng dụng xe điện (EVs) và thiết bị điện tử nhờ mật độ năng lượng cao, vòng đời dài và khả năng sạc nhanh. Theo ước tính, mật độ năng lượng của pin Li-ion có thể đạt tới 555 Wh/kg, cao gấp 3-4 lần so với các loại pin truyền thống như Ni-Cd hay Ni-MH. Tuy nhiên, việc quản lý và tối ưu hiệu suất của pin Li-ion phụ thuộc rất lớn vào việc xác định chính xác trạng thái nạp (State of Charge - SoC), một tham số quan trọng phản ánh phần trăm năng lượng còn lại trong pin. SoC ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả vận hành, tuổi thọ và an toàn của pin, đặc biệt trong các hệ thống quản lý pin (Battery Management Systems - BMS) cho xe điện.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển phương pháp ước lượng SoC cho pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF) dựa trên mô hình mạch điện tương đương (Equivalent Circuit Model - ECM) có xét đến các hiện tượng động học và ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc. Phạm vi nghiên cứu tập trung trên một cell pin Lithium-Ion Samsung INR18650-25R với dung lượng 2500 mAh, thực hiện tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong năm 2020. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác ước lượng SoC, góp phần cải thiện hiệu suất và độ bền của pin trong các ứng dụng thực tế.

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 (Equivalent Circuit Model - ECM): Mô hình này biểu diễn động học của pin Lithium-Ion thông qua các phần tử điện tử như điện trở, tụ điện, và điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage - OCV). Mô hình ESC (Enhanced Self-Correcting) được sử dụng để mô phỏng các hiện tượng trễ điện áp, phân cực tuyến tính và ảnh hưởng nhiệt độ, giúp mô hình hóa chính xác hơn các đặc tính phi tuyến của pin.

  2. Bộ lọc Kalman mở rộng (Extended Kalman Filter - EKF): EKF là phương pháp ước lượng trạng thái trong hệ thống phi tuyến có nhiễu, phù hợp để ước lượng SoC dựa trên mô hình ECM. EKF cho phép hiệu chỉnh sai số ước lượng trong quá trình vận hành, khắc phục hạn chế của các phương pháp truyền thống như đếm Coulomb hay đo điện áp hở mạch.

Các khái niệm chính bao gồm: SoC (State of Charge), OCV (Open Circuit Voltage), hiệu suất Coulomb, mô hình ESC, và EKF.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu được thu thập từ các thí nghiệm thực nghiệm trên cell pin Samsung INR18650-25R với dung lượng 2500 mAh. Dữ liệu bao gồm dòng điện, điện áp hai đầu pin, nhiệt độ, dung lượng nạp/xả và tốc độ thay đổi điện áp, thu thập theo các kịch bản xả nạp khác nhau ở nhiều mức nhiệt độ từ -25°C đến 45°C.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Xây dựng mô hình mạch điện tương đương bậc 1 (ECM) có xét đến hiện tượng trễ điện áp và ảnh hưởng nhiệt độ.
  • Xác định quan hệ phi tuyến giữa OCV và SoC theo từng nhiệt độ dựa trên dữ liệu thực nghiệm.
  • Sử dụng kỹ thuật nhận dạng để xác định các tham số mô hình ESC như điện trở, tụ điện, hiệu suất Coulomb.
  • Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng SoC dựa trên mô hình ESC.
  • So sánh kết quả mô hình với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ chính xác.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong năm 2020 với cỡ mẫu là một cell pin, lựa chọn phương pháp EKF do khả năng xử lý hệ thống phi tuyến và nhiễu trong đo lường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công mô hình mạch điện tương đương ESC: Mô hình ESC bao gồm điện áp hở mạch OCV, điện trở nội R0, và cặp RC song song biểu diễn hiện tượng phân cực và trễ điện áp. Các tham số mô hình được xác định chính xác qua dữ liệu thực nghiệm với sai số RMS điện áp đầu ra so với thực tế tại 45°C chỉ khoảng ±0.02 V, tương đương 0.54% so với điện áp danh định 3.7 V.

  2. Quan hệ phi tuyến giữa OCV và SoC phụ thuộc nhiệt độ: Quan hệ này được xác định ở 8 mức nhiệt độ từ -25°C đến 45°C. Sai lệch RMS giữa mô hình và thực nghiệm tại nhiệt độ âm như -25°C lên tới 32.5 mV, gấp 25 lần so với sai lệch tại 35°C (khoảng 1.3 mV). Sai lệch lớn chủ yếu xuất hiện ở vùng SoC < 40% và > 70%, cho thấy ảnh hưởng nhiệt độ rất rõ rệt đến đặc tính pin.

  3. Các tham số mô hình thay đổi theo nhiệt độ: Dung lượng pin Q đạt tối đa 2.19 Ah tại 19°C, giảm nhanh ở nhiệt độ thấp và cao hơn 20°C. Điện trở nội R0 giảm từ 600 mΩ ở -20°C xuống còn khoảng 10 mΩ ở 100°C. Hằng số thời gian RC nhỏ nhất quanh 0°C và tăng mạnh khi nhiệt độ tăng hoặc giảm xa điểm này.

  4. Ước lượng SoC bằng bộ lọc Kalman mở rộng: EKF dựa trên mô hình ESC cho kết quả ước lượng SoC chính xác, có khả năng tự hiệu chỉnh sai số do nhiễu dòng điện và điện áp. Kết quả ước lượng SoC cho pin Samsung INR18650-25R đạt độ chính xác cao trong các kịch bản thử nghiệm với sai số nhỏ hơn 2% so với giá trị thực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sai lệch giữa mô hình và thực nghiệm là do ảnh hưởng của nhiệt độ đến các đặc tính vật lý và hóa học của pin, đặc biệt là điện trở nội và hiệu suất Coulomb. Kết quả cho thấy mô hình ESC có khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng động học của pin trong dải nhiệt độ rộng, phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, việc kết hợp mô hình ESC với bộ lọc Kalman mở rộng đã nâng cao độ chính xác ước lượng SoC so với các phương pháp truyền thống như đếm Coulomb hay đo OCV đơn thuần. Việc mô hình hóa chi tiết các hiện tượng trễ và phân cực giúp giảm sai số ước lượng trong quá trình vận hành thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ quan hệ OCV-SoC theo nhiệt độ, biểu đồ thay đổi tham số mô hình theo nhiệt độ, và biểu đồ so sánh điện áp đầu ra mô hình với thực nghiệm, giúp trực quan hóa hiệu quả mô hình và phương pháp ước lượng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống ước lượng SoC dựa trên EKF trong BMS: Áp dụng mô hình ESC kết hợp EKF để nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của hệ thống quản lý pin, đặc biệt trong các ứng dụng xe điện. Thời gian triển khai dự kiến 6-12 tháng, do các đơn vị phát triển BMS thực hiện.

  2. Mở rộng nghiên cứu mô hình cho gói pin (pack) nhiều cell: Nghiên cứu ảnh hưởng của sự không đồng đều giữa các cell và phát triển thuật toán ước lượng SoC cho pack pin, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ. Thời gian nghiên cứu 12-18 tháng, do các viện nghiên cứu và doanh nghiệp pin thực hiện.

  3. Tích hợp cảm biến nhiệt độ chính xác và thuật toán hiệu chỉnh nhiệt độ: Để giảm sai số ước lượng SoC do biến đổi nhiệt độ, cần trang bị cảm biến nhiệt độ đa điểm và phát triển thuật toán hiệu chỉnh nhiệt độ trong EKF. Thời gian thực hiện 6 tháng, do các nhà sản xuất thiết bị điện tử và BMS đảm nhiệm.

  4. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ đánh giá mô hình: Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng mô hình ESC và EKF, giúp các nhà nghiên cứu và kỹ sư dễ dàng đánh giá và tối ưu thuật toán ước lượng SoC. Thời gian phát triển 6-9 tháng, do các nhóm nghiên cứu phần mềm và kỹ thuật điện thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa pin Lithium-Ion và phương pháp ước lượng SoC hiện đại, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Các kỹ sư phát triển hệ thống quản lý pin (BMS): Tham khảo để áp dụng mô hình ESC và bộ lọc Kalman mở rộng trong thiết kế và tối ưu hệ thống quản lý pin, nâng cao hiệu suất và độ bền pin.

  3. Doanh nghiệp sản xuất và ứng dụng pin Lithium-Ion: Hỗ trợ trong việc cải tiến sản phẩm, nâng cao độ chính xác đo lường và quản lý năng lượng, đặc biệt trong lĩnh vực xe điện và thiết bị lưu trữ năng lượng.

  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các giải pháp lưu trữ năng lượng hiệu quả, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ lọc Kalman mở rộng là gì và tại sao được sử dụng để ước lượng SoC?
    Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) là thuật toán ước lượng trạng thái trong hệ thống phi tuyến có nhiễu. EKF được sử dụng vì nó có khả năng xử lý các mô hình phi tuyến như mô hình mạch điện tương đương của pin, giúp ước lượng SoC chính xác hơn so với các phương pháp truyền thống.

  2. Mô hình ESC có điểm gì khác biệt so với các mô hình mạch điện tương đương khác?
    Mô hình ESC mở rộng mô hình mạch điện tương đương bằng cách bổ sung các thành phần biểu diễn hiện tượng trễ điện áp và phân cực tuyến tính, cũng như tính đến ảnh hưởng của nhiệt độ, giúp mô hình phản ánh chính xác hơn đặc tính động học của pin.

  3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến việc ước lượng SoC như thế nào?
    Nhiệt độ làm thay đổi các tham số vật lý của pin như điện trở nội, hiệu suất Coulomb và quan hệ OCV-SoC. Ở nhiệt độ thấp, sai số ước lượng SoC tăng lên đáng kể, do đó việc hiệu chỉnh nhiệt độ trong mô hình là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác.

  4. Phương pháp đếm Coulomb có ưu nhược điểm gì so với EKF?
    Phương pháp đếm Coulomb đơn giản nhưng dễ bị sai số tích lũy do không có cơ chế tự hiệu chỉnh khi có nhiễu hoặc sai lệch đo. EKF khắc phục nhược điểm này bằng cách kết hợp mô hình và dữ liệu đo để hiệu chỉnh liên tục, nâng cao độ chính xác.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại pin khác không?
    Mô hình và phương pháp ước lượng có thể được điều chỉnh và áp dụng cho các loại pin Lithium-Ion khác, tuy nhiên cần thu thập dữ liệu thực nghiệm và xác định lại các tham số mô hình phù hợp với từng loại pin cụ thể.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công mô hình mạch điện tương đương ESC cho pin Lithium-Ion Samsung INR18650-25R, mô phỏng chính xác các hiện tượng động học và ảnh hưởng nhiệt độ.
  • Xác định quan hệ phi tuyến giữa điện áp hở mạch OCV và trạng thái nạp SoC ở nhiều mức nhiệt độ, làm cơ sở cho ước lượng SoC chính xác.
  • Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng để ước lượng SoC, đạt độ chính xác cao với sai số nhỏ hơn 2% trong các kịch bản thử nghiệm.
  • Các tham số mô hình và thuật toán ước lượng có thể được tích hợp vào hệ thống quản lý pin (BMS) để nâng cao hiệu suất và tuổi thọ pin trong thực tế.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu cho gói pin nhiều cell, tích hợp cảm biến nhiệt độ và phát triển phần mềm hỗ trợ mô phỏng, nhằm hoàn thiện giải pháp quản lý pin toàn diện.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào phát triển thuật toán ước lượng SoC cho pack pin và thử nghiệm thực tế trên hệ thống BMS. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm dựa trên kết quả này để nâng cao hiệu quả sử dụng pin Lithium-Ion trong các ứng dụng công nghiệp và dân dụng.