Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển tms320f28377s

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Nguyễn Nhật Nam
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Quang Nam
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Thiết Kế Thiết Bị Giám Sát Chất Lượng Ắc Quy Bằng Vi Điều Khiển TMS320F28377S
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Giới thiệu khái quát và hướng tiếp cận đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu và quy mô đề tài
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 1.4. Cấu trúc của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG SOC VÀ SOH CỦA ẮC QUY ACID CHÌ
• 2.1. Tổng quan về ắc quy acid chì
• 2.2. Một số phương pháp ước lượng SOC của ắc quy acid chì
• 2.2.1. Phương pháp điện áp hở mạch OCV
• 2.2.2. Phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting)
• 2.2.3. Phương pháp sử dụng thuật toán thích nghi
• 2.2.4. Phương pháp lai
• 2.3. Xây dựng giải thuật ước lượng SOC bằng phương pháp điện áp hở mạch OCV
• 2.4. Xây dựng mô hình tương đương của ắc quy acid chì
• 2.5. Mô phỏng giải thuật với phần mềm PLECS
• 2.6. Kết quả mô phỏng
• 2.7. Phương pháp ước lượng SOH bằng phương pháp đếm điện tích (Coulomb counting)
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT ẮC QUY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28377S
• 3.1. Khái quát về vi điều khiển TMS320F28377S
• 3.2. Thiết kế phần cứng
• 3.2.1. Thiết kế mạch đo áp
• 3.2.2. Thiết kế mạch đo dòng
• 3.2.3. Hoàn thiện thiết bị
• 3.3. Lập trình nhúng cho thiết bị giám sát ắc quy
• 3.4. Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Các bước chuẩn bị
• 4.2. Loại ắc quy sử dụng
• 4.3. Xác định các thông số của ắc quy
• 4.4. Thực nghiệm kiểm chứng giải thuật đánh giá SOC
• 4.4.1. Đánh giá SOC trong chu trình xả dòng C/10 (có gián đoạn)
• 4.4.2. Đánh giá SOC trong chu trình sạc dòng C/10 (có gián đoạn)
• 4.4.3. Đánh giá SOC trong chu trình xả dòng C/5 (không gián đoạn)
• 4.5. Thực nghiệm đánh giá khả năng ước lượng SOH của thiết bị
• 5. CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Đánh giá kết quả
• 5.2. Đề xuất phương pháp cải thiện giải thuật ước lượng SOC
• 5.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG
• QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO
• QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan về thiết bị giám sát ắc quy

Thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S được thiết kế nhằm mục đích giám sát và đánh giá các thông số quan trọng của ắc quy như dòng điện, điện áp, mức độ sạc (SOC) và tình trạng sức khỏe (SOH). Sự cần thiết của thiết bị này xuất phát từ việc ắc quy là một phần quan trọng trong các hệ thống lưu trữ điện năng, đặc biệt trong các ứng dụng như công trình trạm điện và hệ thống năng lượng tái tạo. Việc giám sát liên tục giúp đảm bảo hoạt động ổn định và kịp thời phát hiện các vấn đề liên quan đến chất lượng của ắc quy, từ đó có kế hoạch bảo trì, bảo dưỡng hoặc thay thế khi cần thiết. Đặc biệt, thiết bị này có khả năng hoạt động mà không cần ngắt ắc quy ra khỏi hệ thống, điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho người vận hành.

1.1. Tầm quan trọng của việc giám sát chất lượng ắc quy

Việc giám sát chất lượng ắc quy là một nhiệm vụ thiết yếu trong các hệ thống điện hiện đại. Đặc biệt, trong các ứng dụng như xe điện, UPS, và hệ thống năng lượng tái tạo, việc theo dõi liên tục các thông số của ắc quy giúp người sử dụng có thể phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng hoặc suy giảm hiệu suất. Thông qua việc sử dụng các giải thuật ước lượng SOC và SOH, thiết bị giám sát không chỉ cung cấp thông tin về tình trạng hiện tại của ắc quy mà còn dự đoán khả năng hoạt động trong tương lai. Điều này không chỉ giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình vận hành.

II. Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát

Quá trình thiết kế thiết bị giám sát bắt đầu từ việc xây dựng mô hình tương đương của ắc quy acid chì, từ đó phát triển các giải thuật ước lượng SOC và SOH. Thiết bị sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S, một loại vi điều khiển mạnh mẽ với khả năng xử lý nhanh và chính xác, giúp thực hiện các phép toán phức tạp cần thiết cho việc ước lượng. Phần cứng của thiết bị được thiết kế bao gồm các mạch đo dòng và mạch đo áp, với các cảm biến chất lượng cao nhằm đảm bảo độ chính xác trong việc thu thập dữ liệu. Thiết bị cũng được trang bị phần mềm SCADA để giao tiếp và hiển thị thông tin thu thập được, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và quản lý hệ thống.

2.1. Quy trình thiết kế phần cứng

Quy trình thiết kế phần cứng bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp, thiết kế mạch điện và lập trình cho vi điều khiển TMS320F28377S. Các linh kiện như cảm biến dòng và cảm biến điện áp được lựa chọn dựa trên tiêu chí độ chính xác và độ tin cậy cao. Sau khi hoàn thành thiết kế sơ đồ nguyên lý, tiến hành chế tạo bo mạch in và lắp ráp thiết bị. Việc lập trình cho vi điều khiển được thực hiện bằng ngôn ngữ C, trong đó bao gồm các thuật toán xử lý tín hiệu và giao tiếp với phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính. Đây là một bước quan trọng trong việc đảm bảo thiết bị có thể hoạt động hiệu quả và chính xác trong môi trường thực tế.

III. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Sau khi hoàn thành thiết bị, các thử nghiệm được tiến hành để đánh giá hiệu suất của thiết bị giám sát ắc quy. Kết quả cho thấy thiết bị có khả năng đo đạc chính xác các thông số như dòng điện và điện áp, đồng thời ước lượng SOC và SOH với độ chính xác dưới 5%. Những kết quả này khẳng định giá trị của thiết bị trong việc giám sát chất lượng ắc quy trong thời gian thực. Thực nghiệm cũng cho thấy rằng việc sử dụng giải thuật ước lượng trên vi điều khiển TMS320F28377S mang lại hiệu quả cao, cho phép thu thập và phân tích dữ liệu một cách nhanh chóng và hiệu quả.

3.1. Phân tích kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm cho thấy thiết bị giám sát đạt được các chỉ tiêu đề ra trong nghiên cứu. Việc đo đạc SOC và SOH diễn ra liên tục và không làm gián đoạn hoạt động của ắc quy. Các số liệu thu thập được cho thấy mối tương quan tốt giữa các tham số đo được và giá trị thực tế, điều này chứng tỏ rằng thiết bị có thể được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện hiện đại. Từ đó, thiết bị không chỉ có giá trị trong việc giám sát mà còn trong việc tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống lưu trữ điện năng, giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu chi phí bảo trì.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG 1. Giới thiệu khái quát và hướng tiếp cận đề tài Ắc quy (hay pin) là thiết bị lưu trữ điện năng dưới dạng điện một chiều được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực ngày nay, chẳng hạn:  Là nguồn điện chính để vận hành các phương tiện giao thông sử dụng điện như xe máy điện, ô tô điện.  Là nguồn điện chính để vận hành các thiết bị UPS.

 Là nguồn điện chính cho các thiết bị điện tử cầm tay (điện thoại, laptop, máy tính bảng, v.)  Được sử dụng làm hệ thống dự trữ cho các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió.  Là nguồn điện chính cho các thiết bị relay bảo vệ, các thiết bị của hệ thống SCADA trong các trạm điện, trạm biến áp.  Là nguồn điều khiển các thiết bị đóng cắt trong hệ thống điện như máy cắt, dao cách ly, dao cắt tải,. Các loại ắc quy được sử dụng rộng rãi hiện nay thường là các ắc quy theo công nghệ Li-ion, acid chì, Ni-Cd.

Các thông số về mức độ sạc (State of charge, viết tắt là SOC) cũng như tình trạng sức khỏe (State of health, viết tắt là SOH) là những thông số căn bản để người sử dụng hoặc người vận hành hệ thống biết được chất lượng cũng như khả năng hoạt động còn lại của ắc quy. Tuy nhiên, do các ắc quy được sử dụng trong các ứng dụng trên đều phải vận hành ở chế độ nạp hoặc xả liên tục, việc tách hệ thống ắc quy khỏi vận hành để đo đạc các thông số cần thiết là việc không thể thực hiện thường xuyên được. Vì vậy, việc đánh giá SOC, SOH trong quá trình ắc quy đang vận hành là hết sức cần thiết. Luận văn này nhắm đến việc chế tạo một thiết bị giám sát chất lượng ắc quy giá rẻ, chủ yếu phục vụ cho ứng dụng lưu trữ điện năng cho các công trình, trạm điện (trạm biến áp, nhà máy điện, hệ thống năng lượng mặt trời PV).

Thiết bị sử dụng một thuật toán đánh giá SOC và SOH đơn giản với độ chính xác chấp nhận được để có HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 1 CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam thể chạy trên nền một vi điều khiển giá rẻ, cụ thể ở đây là vi điều khiển TMS320F28377S của hãng Texas Instrument. Thiết bị sẽ cho phép người sử dụng hoặc người vận hành có những nhận định chính xác về chất lượng của các ắc quy đang vận hành, từ đó có kế hoạch bảo trì bảo dưỡng hoặc thay mới ắc quy.1 Hình ảnh minh họa giàn ắc quy được sử dụng ở các trạm điện Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đang hướng tới mục tiêu biến tất cả các công trình trạm điện, trạm biến áp do EVN quản lý về mô hình “Không người trực” (quá trình vận hành của trạm sẽ được giám sát từ xa hoàn toàn), do đó thiết bị giám sát ắc quy phải có khả năng giao tiếp và gửi các dữ liệu đã thu thập được về hệ thống SCADA tại trạm. Luận văn cũng sẽ thực hiện xây dựng một phần mềm trên máy tính để giao tiếp với thiết bị giám sát ắc quy và có thể được tích hợp vào hệ thống SCADA hiện hữu.

HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 2 CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam 1. Mục tiêu nghiên cứu và quy mô đề tài 1. Mục tiêu nghiên cứu Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận văn này như sau:  Xây dựng được một giải thuật để xác định SOC, SOH của hệ thống ắc quy.

Khối lượng tính toán trong giải thuật không được quá cao để giải thuật có thể được áp dụng lên vi điều khiển TMS320F28377S.  Xây dựng được mô hình tương đương đơn giản của ắc quy và chạy mô phỏng giải thuật trên với phần mềm PLECS.  Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát ắc quy với vi điều khiển TMS320F28377S.  Lập trình một phần mềm thu thập dữ liệu ắc quy trên máy tính để giao tiếp với thiết bị giám sát ắc quy nhằm hiển thị và lưu trữ các thông số mà thiết bị giám sát đã ghi nhận lại.

 Thực hiện thử nghiệm toàn bộ hệ thống: từ thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng các giải thuật ước lượng SOC và SOH cho đến phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính, từ đó đánh giá hoạt động của giải thuật ước lượng SOC, SOH đã xây dựng. Quy mô đề tài Nhằm mục đích tiện lợi cho công tác thử nghiệm, hệ thống giám sát ắc quy mà luận văn nhắm đến sẽ bao gồm các khối như sau:  Hệ 2 ắc quy acid chì nối tiếp, mỗi bình 6 V – 10 Ah.  Thiết bị giám sát sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S, sẽ giám sát các giá trị dòng điện và điện áp của hệ 2 ắc quy.  Phần mềm trên máy tính thu thập dữ liệu mà thiết bị giám sát gửi về (Các thông số về dòng, áp, chế độ hoạt động sạc hay xả, SOC, SOH).

HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 3 CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam Hình 1.2 Mô hình khối hệ thống 1. Phương pháp nghiên cứu Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã đề ra các phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện như sau: Bảng 1.1 Phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện luận văn Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thực hiện - Sử dụng nguồn tài liệu từ các tạp chí 1. Tham khảo các tài liệu liên quan đến khoa học, hội nghị chuyên ngành, bài lĩnh vực nghiên cứu đã đề ra trong nội báo nghiên cứu được công bố trên thư dung nghiên cứu của luận văn.

Tham viện điện tử IEEEXPLORE, Springer, khảo thêm các sản phẩm có chức năng Energies, Elsevier và các tạp chí của tương tự trên thị trường. các Trường Đại học trong nước. HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 4 CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam - Tham khảo các luận văn, luận án, đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan - Tham khảo các sản phầm giám sát ắc quy trên thị trường.

Tìm hiểu tài liệu nhà sản xuất của các sản phẩm này, đánh giá phương pháp mà họ sử dụng. - Phân tích mô hình tương đương của ắc quy, và xây dựng một mô hình 2. Xây dựng, phát triển các mô hình, giải tương đương đơn giản để dựa vào đó thuật liên quan đến phạm vi nghiên xây dựng giải thuật. - Xây dựng giải thuật ước lượng SOC, SOH của ắc quy.

- Tham khảo tài liệu cũng như các video hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng. Mô phỏng mô hình và giải thuật trên - Xây dựng mô hình và lập trình giải phần mềm. thuật trên phần mềm mô phỏng. Chạy thử mô phỏng và điều chỉnh các thông số trong giải thuật cho hợp lý.

- Tìm hiểu các tài liệu datasheet, user manual của vi điều khiển. - Thiết kế phần cứng dựa vào sơ đồ 4. Thiết kế và chế tạo phần cứng. Lập trình khối hệ thống cũng như các module giải thuật trên vi điều khiển.

cần sử dụng trên vi điều khiển. - Tham khảo bộ thư viên lập trình vi điều khiển, thực hiện lập trình riêng rẽ HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 5 CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam từng module, sau đó kết hợp lại thành một chương trình hoàn thiện - Tham khảo bộ thư viện lập trình ngôn ngữ C# trên phần mềm Visual Studio của Microsoft, đặc biệt là module đọc 5. Lập trình phần mềm thu thập dữ liệu dữ liệu từ cổng Serial.

Thực hiện xây trên máy tính dựng phần mềm có giao diện để hiện thị các giá trị thu thập được và lưu trữ lại trong 1 file. - Xây dựng các kịch bản thử nghiệm để đánh giá giải thuật xác định SOC, SOH. Tiến hành thực nghiệm - Thực hiện thử nghiệm theo các kịch bản đã đề ra, ghi nhận kết quả và đánh giá 1. Cấu trúc của luận văn Nhằm đảm bảo tính mạch lạc, thứ tự sắp xếp hợp lý và nội dung của các vấn đề nghiên cứu được liên kết với nhau, luận văn sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:  Chương 1: Giới thiệu chung  Chương 2: Xây dựng giải thuật ước lượng SOC và SOH của ắc quy acid chì  Chương 3: Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S  Chương 4: Kết quả thực nghiệm  Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 6 CBHD: TS.

Nguyễn Quang Nam CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG SOC VÀ SOH CỦA ẮC QUY ACID CHÌ 2. Tổng quan về ắc quy acid chì Ắc quy acid chì là loại ắc quy sạc được, có bản cực âm làm bằng chì (Pb) và bản cực dương làm bằng chì oxide (PbO2) và được ngâm trong dung dịch điện phân là acid sulfuric (H2SO4). Trong quá trình xả, 2 bản cực của ắc quy sẽ phản ứng với ion HSO4- như sau: Ở bản cực âm: 𝑃𝑏 + 𝐻𝑆𝑂4 −  𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 𝐻 + + 2𝑒 − (2.1) Ở bản cực dương: 𝑃𝑏𝑂2 + 𝐻𝑆𝑂4 − + 3𝐻 + + 2𝑒 −  𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂 (2.2) Tổng điện thế cho 2 phản ứng là khoảng 2.

Phản ứng cũng sinh ra nước, làm loãng dung dịch acid sulfuric. Khi ắc quy bị xả hết toàn bộ dung lượng thì khi đó 2 bản cực đã đều biến thành chì sulfat PbSO4 và không còn phản ứng tiếp được với ion HSO4-. Trong quá trình sạc, việc đặt 1 điện áp ngoài lên 2 bản cực giúp kéo các electron về bản cực âm, phản ứng đi theo chiều ngược lại với các phương trình (2. Khi ắc quy đã sạc đầy thì bản cực âm sẽ trở thành chì Pb, còn bản cực dương sẽ trở thành chì oxide PbO2.

Dung dịch điện phân H2SO4 cũng trở nên đậm đặc hơn. Trên thực tế, các ắc quy acid chì được sản xuất và bán trên thị trường sẽ có 3 loại: điện áp định mức 2 V (chỉ có 1 cell), điện áp định mực 6 V (3 cell ghép lại), và điện áp định mức 12 V (6 cell ghép lại). So với một số loại ắc quy sạc được khác thì ắc quy acid chì có bất lợi là mật độ năng lượng thấp và tuổi thọ không cao (tuổi thọ thường thấp hơn 500 chu kỳ nạp xả hoàn toàn). Tuy nhiên, ắc quy acid chì có khả năng cung cấp dòng xung cao, giá cả thấp, nên nó rất phù hợp với một số ứng dụng như: khởi động động cơ cho xe máy, HVTH: Nguyễn Nhật Nam Trang 7 CBHD: TS.

Nguyễn Quang Nam ô tô, nguồn dự trữ cho các thiết bị đóng cắt, nguồn dự trữ cho các công trình trạm điện, nguồn dự trữ cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, v.1 Cấu trúc của 1 ắc quy acid chì 12V (gồm 6 cell) 2.