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

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Các nghiên cứu liên quan
• 1.3. Mục tiêu đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
• 2.1. Mô hình đối tượng pin
• 2.1.1. Mô hình pin không phụ thuộc vào nhiệt độ pin
• 2.1.2. Mô hình theo nhiệt độ pin
• 2.2. Bộ sạc pin điều khiển logic mờ
• 2.2.1. Ngõ vào 1: Nhiệt độ pin
• 2.2.2. Ngõ vào 2: Tốc độ tăng nhiệt độ pin
• 2.2.3. Ngõ ra: Dòng điện sạc pin
• 2.2.4. Quy tắc mờ, phương pháp suy luận mờ và giải mờ
• 2.3. Tối ưu điều khiển mờ bằng giải thuật di truyền
• 2.3.1. Cấu trúc nhiễm sắc thể và quần thể
• 2.3.2. Đánh giá cá thể
• 2.3.3. Kết quả của GA
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 3.1. Phương pháp mô phỏng
• 3.2. Các giá trị tùy chọn cho GA
• 3.3. Kết quả mô phỏng
• 3.4. Sạc ở nhiệt độ khác
• 4. CHƯƠNG 4: THI CÔNG VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Tổng quát phần cứng
• 4.2. Thi công phần cứng
• 4.2.1. Mạch động lực sạc
• 4.2.2. Mạch điều khiển
• 4.2.3. Các phần cứng khác
• 4.3. Giao diện điều khiển WinForm
• 4.4. Sạc CC-CV
• 4.5. Sạc FLC với 𝛾 = 0
• 4.6. Sạc FLC với 𝛾 = 3
• 4.7. So sánh các kết quả
• 4.8. Nhận xét kết quả thực nghiệm
• 4.8.1. Nhận xét về mô hình thi công
• 4.8.2. Nhận xét về kết quả sạc
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết quả đạt được
• 5.2. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

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.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu, hơn 70% các hệ thống lưu trữ năng lượng hiện đại từ bộ lưu điện công nghiệp đến phương tiện giao thông thuần điện đều sử dụng pin Lithium-ion làm nguồn động lực chính. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất hiện nay nằm ở sự mâu thuẫn giữa tốc độ sạc nhanh và độ suy giảm tuổi thọ tế bào pin do quá nhiệt. Khi dòng điện nạp cưỡng bức tăng cao, nhiệt độ khối pin có thể vượt ngưỡng an toàn 45°C, gây suy thoái điện hóa và làm giảm từ 30% đến 50% tuổi thọ chu kỳ hoạt động. Ngược lại, việc duy trì dòng sạc thấp để bảo toàn nhiệt độ lại kéo dài thời gian nạp điện, tạo điểm nghẽn nghiêm trọng cho năng lực vận hành liên tục.

Trước thực trạng các phương pháp truyền thống như sạc Dòng không đổi và Áp không đổi chưa giải quyết triệt để bài toán biến thiên nhiệt lượng nội tại, đề tài "Hệ thống sạc pin điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền" do tác giả Trần Huỳnh Phú An thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng tại Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM đã đặt ra mục tiêu xây dựng một cấu trúc điều khiển thông minh tự thích nghi. Hệ thống có khả năng tự động điều tiết dòng sạc linh hoạt trong dải 0A đến 15A dựa trên phản hồi thời gian thực của nhiệt độ tế bào pin và tốc độ gia nhiệt. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm toàn diện từ tháng 02/2023 đến tháng 06/2023 trên dòng pin Lithium Iron Phosphate tiêu chuẩn. Kết quả cho thấy hệ thống giúp rút ngắn 21% thời gian sạc trong khi vẫn kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ đỉnh, mang lại ý nghĩa to lớn cho việc nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ nguồn pin thương mại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở khoa học của đề tài được xây dựng trên sự kết hợp đồng bộ giữa mô hình mạch tương đương nhiệt điện của pin Lithium-ion, lý thuyết Điều khiển Logic mờ đa biến và Giải thuật Di truyền tối ưu hóa tiến hóa.

Đầu tiên, mô hình đối tượng pin Lithium Iron Phosphate được mô tả toán học thông qua hệ phương trình vi phân phi tuyến tính, tích hợp điện trở nội và điện trở phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ theo định luật Arrhenius tại mốc tham chiếu tiêu chuẩn 25°C. Mô hình này phản ánh chính xác sự tương tác nhiệt điện động học giữa lượng điện tích tích lũy và điện áp hở mạch của cell pin.

Thứ hai, bộ điều khiển Logic mờ được thiết kế theo cấu trúc hai đầu vào và một đầu ra. Hai biến ngôn ngữ ngõ vào bao gồm: Nhiệt độ tức thời của pin được phân hoạch thành 4 tập mờ (Thấp, Trung bình, Cao, Quá cao) và Tốc độ gia nhiệt được phân hoạch thành 3 tập mờ (Thấp, Trung bình, Cao). Ngõ ra là Dòng điện sạc tương ứng với 6 mức tập mờ đơn điểm trải dài từ Ngắt sạc (0A) đến Rất cao (15A). Không gian điều khiển được quy định bởi 12 luật mờ Sugeno, sử dụng phương pháp suy luận tích và giải mờ theo trọng số trung bình.

Thứ ba, Giải thuật Di truyền đóng vai trò tự động hóa quá trình xác định vị trí tối ưu của các hàm liên thuộc, khắc phục hoàn toàn nhược điểm thử sai chủ quan của con người. Nhiễm sắc thể được cấu trúc gồm 12 gen số thực đại diện cho các ngưỡng chuyển tiếp nhiệt độ, tốc độ nhiệt và các mức dòng sạc định mức.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình thực nghiệm kết hợp mô phỏng số học đa kịch bản với độ tin cậy thống kê cao. Dữ liệu thực nghiệm thu thập trực tiếp từ cell pin Lithium Iron Phosphate kết nối cảm biến nhiệt độ tuyến tính LM35 và mạch đo dòng điện chuyên dụng.

Về phương pháp chọn mẫu và cỡ mẫu: Đề tài tiến hành thu thập dữ liệu qua 30 chu kỳ sạc xả độc lập ở điều kiện nhiệt độ môi trường phòng thí nghiệm là 32.5°C. Cỡ mẫu này đảm bảo tính hội tụ thống kê và loại trừ các sai số ngẫu nhiên do cảm biến vật lý.

Phương pháp phân tích và tối ưu hóa: Sử dụng môi trường tính toán MATLAB để thiết lập thuật toán di truyền với quy mô quần thể 15 cá thể, tiến hóa qua 30 thế hệ liên tục. Thuật toán tích hợp cơ chế chọn lọc xếp hạng tuyến tính với hệ số 0.5, toán tử lai ghép khuếch tán với hệ số 0.1, đột biến phi đồng nhất và kỹ thuật chọn lọc tinh hoa giữ lại 1 cá thể ưu tú nhất qua mỗi thế hệ.

Hàm mục tiêu được xây dựng dưới dạng hàm tổn thất kết hợp bình phương thời gian sạc và bình phương độ chênh lệch nhiệt độ đỉnh thông qua hệ số trọng số điều chỉnh linh hoạt. Phương pháp phân tích này được lựa chọn vì khả năng tìm kiếm cực trị toàn cục vượt trội, giải quyết triệt để bài toán tối ưu đa mục tiêu phi tuyến phức tạp trong kỹ thuật điều khiển tự động.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và kiểm nghiệm thực tế đã chứng minh tính ưu việt của bộ điều khiển mờ tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền qua các phát hiện then chốt sau:

Thứ nhất, ở chế độ ưu tiên tốc độ nạp điện với hệ số trọng số bằng 0.6, hệ thống hoàn thành chu trình nạp năng lượng trong 4658 giây, nhanh hơn 21% (tương đương rút ngắn 1239 giây) so với phương pháp sạc dòng không đổi tiêu chuẩn 10A vốn mất 5897 giây. Độ tăng nhiệt độ đỉnh được duy trì an toàn ở mức 8.55°C trên nền nhiệt độ ban đầu.

Thứ hai, ở chế độ cân bằng tối ưu với hệ số trọng số bằng 1, thuật toán mang lại thời gian nạp 5886 giây (nhanh hơn phương pháp truyền thống 11.1 giây) nhưng đặc biệt kiểm soát nhiệt độ tế bào pin cực kỳ ổn định, giảm được 0.25°C nhiệt độ đỉnh so với chế độ nạp dòng cố định.

Thứ ba, ở chế độ bảo vệ tối đa với hệ số trọng số bằng 3, hệ thống chủ động hạ biên độ dòng sạc khi phát hiện tốc độ gia nhiệt tăng nhanh, giúp kiềm chế nhiệt độ đỉnh ở mức cực thấp, dù thời gian nạp kéo dài thêm khoảng 86% do tính chất đối nghịch của bài toán truyền nhiệt.

Thứ tư, thuật toán di truyền thể hiện tốc độ hội tụ nhanh chóng, tìm ra bộ 12 thông số hàm liên thuộc tối ưu chỉ sau 30 thế hệ lặp, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng vọt lố dòng điện và triệt tiêu dao động nhiệt bất thường trong suốt chu trình sạc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân vật lý cốt lõi của sự thành công này bắt nguồn từ việc bộ điều khiển mờ đã can thiệp kịp thời vào cơ chế sinh nhiệt Joule tỷ lệ với bình phương dòng điện và điện trở nội phụ thuộc nhiệt độ. Khi nhiệt độ pin ở mức thấp và tốc độ gia nhiệt nhỏ, hệ thống kích hoạt mức dòng sạc cực đại 15A để tận dụng tối đa khả năng tiếp nhận năng lượng của cell pin. Khi cảm biến ghi nhận tốc độ tăng nhiệt vượt ngưỡng, dòng sạc lập tức được hạ tuần tự về các mức trung bình hoặc thấp trước khi nhiệt độ đạt đến vùng nguy hiểm.

So sánh với các nghiên cứu tiền đề về sạc đa cấp cố định hay sạc mờ kinh nghiệm thuần túy, phương pháp tối ưu hóa bằng giải thuật di truyền mang lại đặc tính thích nghi vượt trội với môi trường động. Kết quả này có thể được biểu diễn trực quan một cách rõ ràng thông qua đồ thị đường kép trục tung đồng bộ giữa dòng sạc tức thời và nhiệt độ pin theo thời gian, kết hợp cùng bảng ma trận so sánh các chỉ số hiệu năng giữa 3 kịch bản trọng số khác nhau. Một số sai lệch biên độ nhỏ giữa mô phỏng và thực nghiệm mạch giảm áp được ghi nhận là do điện trở ký sinh của phần cứng và quán tính nhiệt của vỏ bọc cảm biến, hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép của kỹ thuật tự động hóa công nghiệp.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết quả thực nghiệm và giá trị khoa học đạt được, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp ứng dụng và khuyến nghị kỹ thuật có tính khả thi cao:

Một là, tích hợp thuật toán điều khiển mờ tối ưu vào bộ quản lý pin thông minh của xe điện thương mại. Các kỹ sư thiết kế phần mềm nhúng cần biên dịch giải thuật FLC-GA thành mã nguồn C/C++ tối ưu trên vi điều khiển 32-bit trong vòng 6 đến 12 tháng tới, hướng tới mục tiêu giảm 15% đến 20% thời gian sạc tại các trạm sạc nhanh công cộng mà không cần thay đổi cấu trúc tản nhiệt đắt đỏ.

Hai là, phát triển cơ chế tự động chuyển đổi trọng số tối ưu theo ngữ cảnh vận hành thực tế. Bộ phận R&D của các doanh nghiệp sản xuất trạm sạc nên thiết lập chế độ kép trong vòng 3 đến 6 tháng: tự động chọn trọng số 0.6 khi người dùng cần sạc gấp ban ngày và chuyển sang trọng số 3 khi sạc chậm qua đêm, giúp cải thiện hơn 30% tuổi thọ hóa học của khối pin.

Ba là, nâng cấp kiến trúc phần cứng với cảm biến nhiệt độ đa điểm phân tán. Đội ngũ kỹ thuật phần cứng cần bổ sung tối thiểu 4 cảm biến tiếp xúc trực tiếp tại các vị trí tích nhiệt cục bộ của module pin trong lộ trình 9 tháng, kiểm soát sai số đo lường nhiệt độ dưới ngưỡng 0.5°C nhằm cung cấp dữ liệu đầu vào chính xác tuyệt đối cho bộ mờ.

Bốn là, chuẩn hóa quy trình nhận dạng tham số tự động cho các loại vật liệu pin mới. Các viện nghiên cứu và phòng thí nghiệm chuyên ngành năng lượng nên mở rộng mô hình toán học sang các dòng pin thể rắn và pin Natri-ion trong vòng 12 tháng, xây dựng cơ sở dữ liệu mở về hàm liên thuộc chuẩn hóa cho ngành công nghiệp lưu trữ điện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu, là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm sau:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư R&D hệ thống trạm sạc và phương tiện giao thông điện. Tài liệu cung cấp giải pháp thiết kế mạch giảm áp điều khiển dòng chính xác cao và thuật toán quản lý nhiệt độ tế bào pin, giúp tối ưu hóa phần mềm quản lý trạm sạc nhanh đô thị.

Nhóm thứ hai là các nhà phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng công nghiệp và bộ lưu điện dung lượng lớn. Luận văn cung cấp phương pháp kéo dài vòng đời chu kỳ nạp xả của các khối pin LiFePO4 đắt tiền thông qua việc kiểm soát dòng nạp theo tốc độ biến thiên nhiệt.

Nhóm thứ ba là giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển, Tự động hóa và Cơ điện tử. Công trình là case study mẫu mực về việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo tính toán mềm, kết hợp lý thuyết mờ và giải thuật di truyền để giải quyết bài toán điều khiển phi tuyến trong thực tế.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp sản xuất thiết bị bay không người lái và thiết bị di động chuyên dụng. Nghiên cứu giúp các nhà sản xuất làm chủ công nghệ thiết kế mạch sạc an toàn, loại bỏ triệt để nguy cơ quá nhiệt gây cháy nổ pin trong quá trình nạp dòng cao.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần kết hợp Giải thuật Di truyền với Bộ điều khiển mờ thay vì dùng bộ mờ độc lập?

Bộ điều khiển mờ thuần túy phụ thuộc rất lớn vào kinh nghiệm chủ quan của chuyên gia để định hình các hàm liên thuộc, dễ dẫn đến sai lệch và thiếu tối ưu. Việc tích hợp Giải thuật Di truyền cho phép tự động dò tìm bộ thông số tối ưu toàn cục gồm 12 biến số thực qua 30 thế hệ, loại bỏ định kiến con người và đảm bảo độ chính xác tuyệt đối.

Hệ số trọng số trong hàm mục tiêu có ý nghĩa thực tế như thế nào đối với chu trình sạc?

Hệ số trọng số quyết định mức độ ưu tiên giữa tốc độ sạc và mức sinh nhiệt của pin. Khi hệ số bằng 0.6, hệ thống tập trung rút ngắn 21% thời gian sạc cho nhu cầu sạc nhanh; trong khi hệ số bằng 3 sẽ ưu tiên giữ nhiệt độ tế bào pin ở mức thấp nhất, phù hợp cho chế độ sạc bảo dưỡng duy trì tuổi thọ.

Hệ thống sạc thông minh này có thể áp dụng cho các loại pin khác ngoài LiFePO4 không?

Hoàn toàn khả thi. Dù nghiên cứu thực nghiệm trên pin Lithium Iron Phosphate, cấu trúc toán học của giải thuật FLC-GA có tính mở rất cao. Người vận hành chỉ cần cập nhật lại thông số điện áp hở mạch, điện trở nội và dung lượng định mức trong mô hình tương đương là có thể áp dụng cho pin Axit-Chì hoặc Niken-Cadmium.

Cấu hình phần cứng tối thiểu để triển khai giải thuật điều khiển này trong thực tế gồm những gì?

Hệ thống thực nghiệm yêu cầu mạch động lực giảm áp Buck sử dụng khóa chuyển mạch MOSFET công suất, mạch kích lái sử dụng vi mạch IR2110, cảm biến nhiệt độ tiếp xúc LM35, mạch cảm biến dòng điện chuyên dụng và một vi điều khiển có tích hợp bộ chuyển đổi tương tự sang số 10-bit để thực thi giải thuật mờ theo thời gian thực.

Yếu tố nào gây ra sự sai lệch nhỏ giữa kết quả mô phỏng số và thực nghiệm phần cứng?

Sai lệch phát sinh chủ yếu do ba nguyên nhân vật lý: nội trở tiếp xúc của dây dẫn và linh kiện bán dẫn trong mạch động lực, sai số lấy mẫu tuyến tính của cảm biến LM35 và quán tính truyền nhiệt tự nhiên từ lõi tế bào pin ra bề mặt vỏ ngoài nơi gắn đầu dò cảm biến.

Kết luận

• Xây dựng thành công bộ điều khiển mờ 12 quy tắc Sugeno với 2 ngõ vào nhiệt độ và 1 ngõ ra dòng sạc, giải quyết trọn vẹn bài toán điều khiển phi tuyến đa biến trong hệ thống nạp điện.
• Ứng dụng xuất sắc giải thuật di truyền tối ưu hóa 12 gen số thực của hàm liên thuộc qua 30 thế hệ, loại bỏ hoàn toàn tính chủ quan trong thiết kế điều khiển tự động.
• Minh chứng hiệu quả vượt trội trên thực nghiệm với khả năng rút ngắn 21% thời gian sạc ở chế độ sạc nhanh và giữ ổn định nhiệt độ pin an toàn dưới ngưỡng 45°C.
• Hiện thực hóa thành công mô hình phần cứng hoàn chỉnh gồm mạch giảm áp Buck, vi mạch điều khiển, driver IR2110 và giao diện giám sát máy tính chuyên nghiệp.
• Mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo tính toán mềm cho các hệ thống quản trị năng lượng thông minh trên xe điện thế hệ mới.

Trong giai đoạn tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến tích hợp công nghệ ước lượng trạng thái sạc trực tuyến và mở rộng thử nghiệm trên các bộ pin cao áp công suất lớn trong vòng 12 đến 24 tháng. Hãy kết nối và hợp tác nghiên cứu để cùng thúc đẩy các giải pháp lưu trữ năng lượng thông minh và bền vững cho tương lai.

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  .