Luận văn thạc sĩ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa hệ thống sạc pin điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật điều khiển và tự động hóa hệ thống sạc pin điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Trần Huỳnh Phú An
• Người hướng dẫn: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Hệ thống sạc pin điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu tổng quan

Trong bối cảnh hiện đại, việc tối ưu hóa hệ thống sạc pin trở thành một nhu cầu thiết yếu trong ngành công nghiệp tự động hóa. Các phương pháp sạc truyền thống như sạc đẳng dòng và sạc đẳng áp thường không đáp ứng được yêu cầu về tốc độ sạc và độ bền của pin. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một hệ thống sạc pin sử dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa quy trình sạc. Mục tiêu chính là duy trì nhiệt độ pin ở mức thấp trong khi vẫn đảm bảo thời gian sạc ngắn nhất có thể. Để đạt được điều này, hệ thống sẽ áp dụng kỹ thuật điều khiển mờ nhằm điều chỉnh dòng sạc dựa trên các biến đầu vào như nhiệt độ pin và tốc độ tăng nhiệt độ.

1.1. Lý do chọn đề tài

Với sự gia tăng sử dụng pin trong nhiều ứng dụng công nghiệp và đời sống, việc phát triển một phương pháp sạc hiệu quả và an toàn là rất cần thiết. Công nghệ sạc pin hiện tại vẫn gặp nhiều hạn chế, đặc biệt là trong việc kiểm soát hiệu suất sạc và nhiệt độ trong quá trình sạc. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển một giải pháp tối ưu cho hệ thống sạc pin thông qua việc ứng dụng thuật toán di truyền để thiết kế một bộ điều khiển mờ, từ đó cải thiện độ an toàn và hiệu quả của quá trình sạc.

1.2. Các nghiên cứu liên quan

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng kỹ thuật điều khiển mờ có thể nâng cao hiệu quả của hệ thống sạc pin. Các nghiên cứu trước đây đã áp dụng phương pháp sạc đẳng dòng – đẳng áp nhưng không đạt được kết quả tối ưu trong việc kiểm soát nhiệt độ pin. Nghiên cứu này sẽ mở rộng các phương pháp hiện có và áp dụng thuật toán di truyền để tối ưu hóa các tham số điều khiển, nhằm đạt được hiệu suất tốt hơn trong việc duy trì nhiệt độ và thời gian sạc.

II. Xây dựng giải thuật điều khiển

Để phát triển hệ thống sạc pin hiệu quả, trước tiên cần xây dựng mô hình đối tượng pin. Trong nghiên cứu này, pin lithium-ion được chọn làm đối tượng chính. Mô hình hóa pin sẽ bao gồm các yếu tố như nhiệt độ môi trường và nhiệt độ pin khi sạc. Việc xác định các thông số của pin là rất quan trọng để đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Hệ thống sẽ sử dụng bộ điều khiển mờ để điều chỉnh dòng điện sạc dựa trên các biến đầu vào, giúp duy trì nhiệt độ pin ở mức an toàn trong suốt quá trình sạc.

2.1. Mô hình đối tượng pin

Mô hình hóa pin lithium-ion cần phải tính đến các yếu tố như dòng điện sạc, điện áp pin, và nhiệt độ pin. Các giả định được đưa ra bao gồm việc pin không tự phóng điện và không có hiệu ứng nhớ. Mô hình này sẽ giúp xác định cách mà nhiệt độ pin thay đổi trong quá trình sạc và từ đó điều chỉnh dòng sạc cho phù hợp. Sử dụng mô hình hóa cho phép xác định các thông số quan trọng như trạng thái sạc (SoC) và điện áp của pin, từ đó đưa ra quyết định điều khiển chính xác.

2.2. Bộ sạc pin điều khiển logic mờ

Bộ điều khiển mờ được thiết kế với nhiều ngõ vào và một ngõ ra (MISO), cho phép hệ thống điều khiển dòng điện sạc dựa trên nhiệt độ pin và tốc độ tăng nhiệt độ. Các biến ngôn ngữ được sử dụng để mô tả tình trạng của pin sẽ bao gồm các mức độ như thấp, trung bình, cao và quá cao. Điều này giúp hệ thống có thể điều chỉnh dòng điện sạc một cách linh hoạt, đảm bảo rằng nhiệt độ pin không vượt quá mức an toàn trong quá trình sạc.

III. Kết quả và thảo luận

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống sạc pin được tối ưu hóa bằng thuật toán di truyền có thể duy trì nhiệt độ pin ở mức thấp nhất trong khi vẫn đạt được thời gian sạc ngắn nhất. Các thử nghiệm cho thấy rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả hơn so với các phương pháp sạc truyền thống như sạc đẳng dòng và sạc đẳng áp. Điều này chứng tỏ rằng việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển mờ và thuật toán di truyền là một bước tiến lớn trong việc tối ưu hóa hệ thống sạc pin.

3.1. Nhận xét về mô hình thi công

Mô hình thi công cho thấy rằng việc ứng dụng thuật toán di truyền trong thiết kế bộ điều khiển mờ đã mang lại những kết quả tích cực. Hệ thống có khả năng điều chỉnh dòng điện sạc một cách linh hoạt, giúp duy trì nhiệt độ pin ở mức an toàn trong suốt quá trình sạc. Các kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy rằng sự kết hợp giữa kỹ thuật điều khiển mờ và thuật toán di truyền đã tạo ra một giải pháp hiệu quả cho việc tối ưu hóa hệ thống sạc pin.

3.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho các hệ thống sạc pin trong tương lai. Việc áp dụng thuật toán di truyền có thể được mở rộng cho các loại pin khác nhau, không chỉ giới hạn ở pin lithium-ion. Bên cạnh đó, các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ chính xác của mô hình và khả năng dự đoán nhiệt độ pin trong các điều kiện khác nhau, từ đó nâng cao hiệu quả của hệ thống sạc pin.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1. Lý do chọn đề tài Nguồn năng lượng pin đang là một trong những chủ đề nóng trong ngành công nghiệp tự động, từ bộ lưu điện (Uninterruptible Power Supply – UPS) đến cuộc đua xe điện của nhiều hãng xe lớn. Tuy vậy, thử thách lớn nhất trong sử dụng pin chính là thời gian sạc, nhiệt độ và tuổi thọ của pin.

Khi sạc pin, dòng điện sạc càng lớn, thời gian sạc càng nhanh nhưng nhiệt độ pin càng cao, từ đó làm giảm tuổi thọ pin, trong một số trường hợp có thể gây nguy hiểm khi sử dụng nếu pin bị quá nhiệt. Ngược lại, dòng điện sạc nhỏ giúp pin duy trì được tuổi thọ lâu hơn nhưng thời gian sạc quá dài, không đủ đáp ứng nếu pin cần được sử dụng liên tục. Ở hiện tại, hai phương pháp sạc được dùng phổ biến nhất cho mọi loại pin vẫn là sạc Đẳng dòng (Constant Current – CC), sạc pin ở một mức dòng điện cố định, và sạc Đẳng áp (Constant Voltage – CV), sạc pin ở một mức điện áp cố định. Nhờ sự đơn giản trong thiết kế phần cứng và hiệu quả khi phối hợp hai phương pháp sạc CC và CV, các nhà sản xuất vẫn tiếp tục khuyến cáo sử dụng phương pháp sạc này, với dòng điện sạc pin và điện áp sạc pin được đề xuất ở mức thấp để đảm bảo an toàn cho pin và người sử dụng, nhưng vẫn còn ở đó là khuyết điểm không kiểm soát được dòng điện sạc, thời gian sạc và nhiệt độ pin khi sạc, và phụ thuộc nhiều vào một bộ quản lý pin Battery Management System (BMS) chỉ để ngắt sạc nhằm bảo vệ pin khi xảy ra sạc quá dòng, sạc quá áp, hay pin bị quá nhiệt.

Các nghiên cứu liên quan Để giải quyết vấn đề trên, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra phương pháp sạc pin tự chỉnh thích hợp nhằm rút ngắn thời gian sạc mà không làm tăng nhiệt độ pin quá cao dẫn đến giảm tuổi thọ pin [1]. Nghiên cứu [3] sử dụng phương pháp đẳng dòng – đẳng áp nhiều mức (multistage constant current-constant voltage – MCCV) thích nghi để sạc cho phương tiện. 2 Với bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller – FLC), nghiên cứu [4] đề xuất sử dụng để sạc dựa trên nhiệt độ, [5] cũng đề xuất tương tự nhưng có thể khả năng ước lượng trạng thái sạc của pin. Các nghiên cứu [6] – [7] đề xuất các phương pháp cập nhật bộ FLC, trong đó bao gồm phương pháp tối ưu bầy đàn.

Và nghiên cứu [8] đánh giá lại kết quả của ứng dụng điều khiển mờ để sạc, cho thấy hiệu quả hơn so với phương pháp sạc đẳng dòng – đẳng áp. Ở trong nước, nghiên cứu [9] của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Khoa học và công nghệ Việt Nam - Hàn Quốc trình bày phương pháp điều khiển dòng điện sạc dựa trên mô hình nhiệt cho phép sạc pin ở dòng điện cực đại cho đến khi nhiệt độ đạt đến trạng thái quá độ và giảm dòng điện sạc lại theo nhiệt độ thực tế của pin. Ngoài ra, nghiên cứu [10] cũng đề xuất một số phương pháp quản lý nhiệt độ của pin trên ô tô điện, tạo cơ hội để ứng dụng thêm cho các giải pháp sạc pin tốt hơn trong tương lai. Mục tiêu đề tài Dựa trên nghiên cứu [11], một hệ thống sạc pin điều khiển mờ được tối ưu bằng giải thuật di truyền (Genetic Algorithm – GA) được nghiên cứu và thực hiện với khả năng có thể tùy chỉnh dòng điện sạc pin dựa theo nhiệt độ pin, từ đó đạt mục tiêu có thể sạc pin nhanh mà không làm tăng nhiệt độ của pin quá nhanh và quá cao, nhờ đó nâng cao hiệu quả sạc và kéo dài tuổi thọ của pin.

Do tính chất đối nghịch của thời gian sạc và nhiệt độ pin, hệ thống sạc cũng sẽ được thiết kế để có thể ứng dụng linh hoạt trong trường hợp cần rút ngắn thời gian sạc hoặc trường hợp cần nhiệt độ pin cực thấp. Bộ điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền sẽ được đánh giá bằng mô phỏng và thực hiện mô hình thực tế để kiểm chứng thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm sẽ được so sánh với các phương pháp sạc phổ biến là sạc CC, sạc CV, và sạc phối hợp CC-CV. Nhiệm vụ của đề tài - Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm của hệ thống sạc pin điều khiển mờ sử dụng giải thuật di truyền.

- Chứng minh được khả năng tối ưu của hệ thống sạc với đối tượng pin lithium- ion. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 2. Mô hình đối tượng pin Bước đầu của bài toán là cần mô hình hóa đối tượng pin theo nhiệt độ môi trường và nhiệt độ pin khi sạc. Trong phạm vi của đề tài, đối tượng pin được nghiên cứu sẽ là loại pin Lithium- Ion.

Các loại pin khác bao gồm Axit-Chì (VRLA), Niken-Cadium (Ni-Cd),… có thể được mô hình hóa theo cách thức tương tự [12]. Giả định Để mô hình hóa được đối tượng pin Lithium-Ion cũng như các mẫu pin khác, cần có những giả định sau: - Các hệ số của pin sẽ được tính từ đặc tuyến của pin khi đang phóng điện (pin đang được sử dụng và xả điện) và được giả định là giống với đặc tuyến khi đang sạc. - Dung lượng của pin không đổi theo độ lớn dòng điện, tức không có hiệu ứng Paukert. - Pin không tự phóng điện.

- Pin không có hiệu ứng nhớ, tức dung lượng pin sẽ không bị thay đổi sau nhiều lần sạc và phóng điện. - Dung lượng pin không giảm dần theo thời gian. - Dòng điện sạc/xả có thể điều khiển được. Mô hình pin không phụ thuộc vào nhiệt độ pin Mạch điện tương đương của một pin bất kỳ được thể hiện trong Hình 2.1: Mạch điện tương đương của pin 5 Trong đó: - i(t ) : dòng điện sạc của pin ( A ) - vb (t ) : điện áp pin ( V ) - voc (t ) : điện áp hở mạch tượng trưng cho nguồn sạc ( V ) Trong mô hình trên, dòng điện i(t ) được xem là ngõ vào của mô hình và ngõ ra là điện áp pin vb (t ).

Do mục tiêu là thiết kế hệ thống pin nên chỉ xem xét đến mô hình pin khi sạc và thực hiện mô hình hóa tương tự nghiên cứu [12] như sau: - Phương trình trạng thái: d 1 q t   i t  (1) dt 3600 d 1 1 i * t    i * t   i t  (2) dt   - Phương trình ngõ ra: q t   A exp   Bq t    Ri(t ) (3) Q Q vb  t   E0  K i * t   K q  t   0.1Q Q  q t  Q  q t  SOC t   100% (4) Q Trong đó: - q  t  : lượng điện tích đã phóng của pin ( Ah ) - i *  t  : dòng điện phân cực ( A ) - E0 : điện áp cố định của pin ( V ) - K : điện trở phân cực ( Ω hoặc V Ah ) - Q : dung lượng pin ( Ah ) - A : điện áp lũy thừa ( V ) - B : dung lượng lũy thừa ( Ah -1 ) - R : điện trở nội ( Ω ) - SoC : trạng thái sạc (State of Charge) ( % ) Khi SoC  0% , pin đã xả cạn năng lượng, SoC  100% khi pin đã được sạc đầy. Ngoài ra, có thể đo đạc điện áp pin để xác định trạng thái sạc đầy và xả cạn của pin. Mô hình theo nhiệt độ pin Trong thực tế, các thông số của pin sẽ có thay đổi theo nhiệt độ của pin và nhiệt độ môi trường như sau [13]: Q Q Ta   Q |Tref   T T T a ref  (5) E E0 Tc   E0 |Tref   T T T c ref  (6)   1 1   R Tc   R |Tref  exp     (7)   Tc Tref        1 1  K Tc   K |Tref  exp     (8)   Tc Tref      Trong đó: - Q |Tref , E0 |Tref , R |Tref , K |Tref là các giá trị tại một nhiệt độ tham chiếu Tref , thường là 25o C theo tài liệu kỹ thuật của pin - Q T là hệ số tỉ lệ dung lượng cực đại - nhiệt độ ( Ah K ) - E T là hệ số tỉ lệ thuận nghịch điện áp - nhiệt độ ( V K ) -  là hằng số tốc độ Arrhenius của điện trở nội ( K ) -  là hằng số tốc độ Arrhenius của điện trở phân cực ( K ) - Ta là nhiệt độ môi trường ( o C ) - Tc là nhiệt độ của pin ( o C ) Khi đó, phương trình ngõ điện áp pin sẽ được viết lại đầy đủ thành: Q Ta  Q Ta  vb  t , Ta , Tc   E0 Tc   K Tc  i * t   K Tc  q t  q  t   0. Các hằng số nhiệt độ có thể được tính bằng các phương pháp ước lượng hoặc dựa vào các đường đặc tuyến phóng điện và đặc tuyến nhiệt độ của pin ở các nhiệt độ môi trường khác nhau có trong tài liệu kỹ thuật của pin.

Bộ sạc pin điều khiển logic mờ Điều khiển logic mờ là phương pháp điều khiển tự động bằng cách bắt chước quá trình xử lý các thông tin không rõ ràng và ra quyết định điều khiển của con người [14]. Trong đề tài này, một bộ FLC gồm nhiều ngõ vào và một ngõ ra (Multiple Input Single Output – MISO) được ứng dụng để điều khiển dòng điện sạc pin dựa trên nhiệt độ của pin và sự thay đổi nhiệt độ của pin như sau: Hình 2.2: Cấu trúc tổng quát của bộ điều khiển mờ 8 2. Ngõ vào 1: Nhiệt độ pin Biến ngôn ngữ ngõ vào Nhiệt độ pin sẽ bao gồm bốn giá trị ngôn ngữ được biểu diễn bằng bốn tập mờ phân hoạch mờ tổng quát như sau: Hình 2.3: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngôn ngữ của biến Nhiệt độ pin Trong đó: - Thấp (Low): Vùng nhiệt độ thấp, biểu diễn bằng một tập mờ hình thang TcLow   , 0, TcL, TcM . - Trung bình (Med): Vùng nhiệt độ trung bình, biểu diễn bằng một tập mờ hình tam giác TcMed  TcL, TcM , TcH  .