Tổng quan nghiên cứu

Ắc quy là thiết bị lưu trữ điện năng quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như xe điện, năng lượng tái tạo, hệ thống dự phòng tại trạm điện và viễn thông. Theo ước tính, việc giám sát chất lượng ắc quy đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo vận hành liên tục và hiệu quả của các hệ thống này. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế một thiết bị giám sát chất lượng ắc quy acid chì sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S, nhằm đo lường các thông số dòng điện, điện áp, mức độ sạc (SOC) và tình trạng sức khỏe (SOH) của ắc quy mà không cần ngắt kết nối khỏi hệ thống vận hành.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu bao gồm xây dựng giải thuật ước lượng SOC và SOH với sai số không quá 5%, thiết kế phần cứng và phần mềm thu thập dữ liệu, đồng thời thử nghiệm đánh giá hiệu quả thiết bị. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống 2 ắc quy acid chì nối tiếp, mỗi bình 6 V – 10 Ah, được áp dụng chủ yếu cho các trạm điện và trạm biến áp tại Việt Nam trong năm 2023. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp giám sát ắc quy giá rẻ, chính xác, hỗ trợ vận hành “Không người trực” tại các trạm điện, góp phần nâng cao độ tin cậy và giảm chi phí bảo trì.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình tương đương ắc quy acid chì: Mô hình bao gồm nguồn áp lý tưởng (điện áp hở mạch OCV) nối tiếp với điện trở nội trở Rint, cùng các thành phần ký sinh như điện trở và tụ điện, được đơn giản hóa theo từng phân đoạn SOC hẹp để giảm độ phức tạp tính toán.

  • Giải thuật ước lượng SOC dựa trên phương pháp điện áp hở mạch (OCV): SOC được ước lượng thông qua mối quan hệ giữa điện áp hở mạch và mức độ sạc, kết hợp với nội trở ắc quy được nội suy theo SOC.

  • Phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting) để ước lượng SOH: SOH được xác định dựa trên tổng điện lượng thực tế ắc quy chứa được so với dung lượng định mức, thông qua việc tích phân dòng điện xả.

Các khái niệm chính bao gồm: SOC (State of Charge), SOH (State of Health), OCV (Open-circuit Voltage), nội trở ắc quy, và vi điều khiển TMS320F28377S.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập bao gồm:

  • Dữ liệu thực nghiệm điện áp và dòng điện của ắc quy acid chì 6 V – 10 Ah trong các chu trình sạc và xả với dòng C/10 và C/5.

  • Mô phỏng giải thuật trên phần mềm PLECS để đánh giá độ chính xác ước lượng SOC.

Phương pháp phân tích:

  • Xây dựng mô hình tương đương ắc quy và giải thuật ước lượng SOC, SOH.

  • Thiết kế phần cứng mạch đo điện áp và dòng điện sử dụng cảm biến ACS712 và vi điều khiển TMS320F28377S.

  • Lập trình nhúng trên nền Code Composer Studio với ngôn ngữ C, sử dụng các module ADC, UART, Timer của vi điều khiển.

  • Phát triển phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính bằng ngôn ngữ C# để giao tiếp và lưu trữ dữ liệu.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 7 năm 2023, bao gồm các giai đoạn: thu thập dữ liệu, mô phỏng, thiết kế phần cứng, lập trình, thử nghiệm và đánh giá.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giải thuật ước lượng SOC: Kết quả mô phỏng trên PLECS cho thấy đường ước lượng SOC bám sát SOC thực tế với sai số dưới 5% trong các chu trình sạc và xả dòng 1 A kéo dài 10 giờ, cũng như trong chu trình sạc – nghỉ xen kẽ kéo dài khoảng 13 giờ.

  2. Độ chính xác đo lường phần cứng: Thiết bị giám sát sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S và cảm biến ACS712 đạt độ chính xác đo dòng điện và điện áp với sai số nhỏ hơn 0.1 V và 0.1 A, đảm bảo dữ liệu đầu vào cho giải thuật ước lượng.

  3. Khả năng ước lượng SOH: Thực nghiệm đánh giá SOH bằng phương pháp đếm điện lượng cho thấy thiết bị có thể xác định dung lượng còn lại của ắc quy với độ chính xác khoảng 95% so với dung lượng định mức, hỗ trợ kiểm tra định kỳ tình trạng ắc quy.

  4. Tính năng giao tiếp và lưu trữ dữ liệu: Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính hoạt động ổn định, nhận dữ liệu với tần suất 10 lần/giây, hiển thị đầy đủ các thông số dòng, áp, SOC, SOH và lưu trữ dưới dạng file Excel để tra cứu lịch sử.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của giải thuật ước lượng SOC là do lựa chọn phương pháp OCV phù hợp với điều kiện vận hành ổn định của ắc quy trong các trạm điện, nơi ắc quy thường ở trạng thái nghỉ hoặc tải cố định. So với các giải thuật thích nghi phức tạp hơn, phương pháp này giảm thiểu khối lượng tính toán, phù hợp với vi điều khiển TMS320F28377S có tài nguyên hạn chế.

Kết quả thực nghiệm phần cứng cho thấy thiết bị có thể đo lường chính xác các thông số cần thiết, nhờ thiết kế mạch đo áp và dòng điện hiệu quả, sử dụng cảm biến ACS712 và mạch khuếch đại đảo dấu để xử lý điện áp âm.

So sánh với các nghiên cứu khác, thiết bị này có ưu điểm chi phí thấp, dễ chế tạo và tích hợp với hệ thống SCADA hiện có, đáp ứng yêu cầu vận hành “Không người trực” của các trạm điện theo định hướng của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ SOC theo thời gian, điện áp đầu cực và dòng điện trong các chu trình thử nghiệm, cũng như bảng tổng hợp sai số đo lường và ước lượng SOC, SOH.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thiết bị giám sát tại các trạm điện quy mô nhỏ và vừa: Thực hiện lắp đặt thiết bị trong vòng 6 tháng tới tại các trạm biến áp để thu thập dữ liệu thực tế, giúp nâng cao độ tin cậy vận hành.

  2. Phát triển giải thuật ước lượng SOC, SOH nâng cao: Nghiên cứu tích hợp các thuật toán thích nghi như bộ lọc Kalman để cải thiện độ chính xác trong điều kiện vận hành biến động, dự kiến hoàn thành trong 12 tháng.

  3. Tích hợp thiết bị với hệ thống SCADA hiện hữu: Phối hợp với các đơn vị quản lý trạm điện để phát triển giao thức truyền thông chuẩn, đảm bảo dữ liệu giám sát được truyền về trung tâm điều khiển trong thời gian 3-6 tháng.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì thiết bị: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho đội ngũ vận hành trong vòng 3 tháng, nhằm đảm bảo sử dụng và bảo dưỡng thiết bị hiệu quả.

  5. Mở rộng ứng dụng cho các loại ắc quy khác: Nghiên cứu điều chỉnh giải thuật và phần cứng để áp dụng cho ắc quy Li-ion và Ni-Cd, dự kiến trong giai đoạn tiếp theo của dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật điện: Nghiên cứu và phát triển các thiết bị giám sát ắc quy, áp dụng giải thuật ước lượng SOC, SOH trong thực tế vận hành.

  2. Nhà quản lý vận hành trạm điện và trạm biến áp: Sử dụng thiết bị để giám sát chất lượng ắc quy, lập kế hoạch bảo trì, giảm thiểu rủi ro sự cố do ắc quy hỏng.

  3. Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng: Tham khảo mô hình tương đương ắc quy acid chì và phương pháp ước lượng SOC, SOH để phát triển các giải pháp mới.

  4. Sinh viên và học viên cao học ngành kỹ thuật điện: Học tập về thiết kế phần cứng, lập trình vi điều khiển và phát triển phần mềm thu thập dữ liệu trong hệ thống giám sát ắc quy.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thiết bị giám sát có thể áp dụng cho loại ắc quy nào?
    Thiết bị được thiết kế chủ yếu cho ắc quy acid chì 6 V – 10 Ah, tuy nhiên có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại ắc quy khác với một số hiệu chỉnh về phần cứng và giải thuật.

  2. Độ chính xác của giải thuật ước lượng SOC và SOH là bao nhiêu?
    Giải thuật ước lượng SOC đạt sai số dưới 5%, trong khi SOH được xác định với độ chính xác khoảng 95% so với dung lượng định mức, phù hợp với yêu cầu vận hành thực tế.

  3. Thiết bị có cần ngắt ắc quy khi đo lường không?
    Thiết bị hoạt động không cần ngắt ắc quy khỏi hệ thống vận hành, cho phép giám sát liên tục và kịp thời phát hiện các vấn đề.

  4. Phần mềm thu thập dữ liệu có thể tích hợp với hệ thống SCADA hiện tại không?
    Phần mềm được thiết kế để giao tiếp qua cổng Serial và có thể tích hợp vào hệ thống SCADA hiện hữu, hỗ trợ vận hành “Không người trực” tại các trạm điện.

  5. Thời gian bảo trì hoặc thay thế ắc quy được xác định như thế nào?
    Dựa trên các thông số SOC và SOH được giám sát liên tục, người vận hành có thể lập kế hoạch bảo trì hoặc thay thế ắc quy khi SOH giảm dưới mức cho phép hoặc SOC không đạt yêu cầu.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công thiết bị giám sát chất lượng ắc quy acid chì sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S với độ chính xác cao và chi phí thấp.
  • Xây dựng giải thuật ước lượng SOC và SOH hiệu quả, phù hợp với điều kiện vận hành tại các trạm điện.
  • Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính hỗ trợ giao tiếp, hiển thị và lưu trữ thông tin giám sát.
  • Thực nghiệm và mô phỏng cho thấy thiết bị đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật với sai số dưới 5%.
  • Đề xuất triển khai thực tế, phát triển giải thuật nâng cao và tích hợp hệ thống SCADA trong các bước tiếp theo nhằm nâng cao hiệu quả vận hành và bảo trì ắc quy.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển thiết bị trong thực tế để góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống lưu trữ điện năng.