Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho Modul pin Lithium

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:64

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Xây dựng mô hình cho pin Lithium Ion có xét đến các hiện tượng động học của Pin và nhiệt độ làm việc; xây dựng quan hệ giữa SoC và điện áp hở mạch theo nhiệt độ; ứng dụng bộ lọc Kalman để ước lượng SoC cho pin Lithium Ion. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho Modul pin Lithium

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG SoC CHO MODUL PIN LITHIUM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – Năm 2019 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG SoC CHO MODUL PIN LITHIUM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÍ Thái Nguyên - Năm 2019 i Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Đỗ Thị Thùy Dương Đề tài luận văn: Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul pin lithium Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 16/6/2019 với các nội dung sau: - Sửa lỗi chính tả các trang 14, 33, 35, 42. Chỉnh sửa số thứ tự các hình vẽ trong luận văn - Chương 2 bổ sung tên thành: Xây dựng mô hình toán của pin Lithium - Sửa lại mã số - Đánh lại thứ tự của các công thức trong luận văn - Thống nhất ký hiệu là SoC (State of Charge) - Viết lại phần kết luận chung của luận văn, đổi thành “ Kết luận và đề xuất” Thái Nguyên, ngày….. tháng ….năm 2019 Cán bộ hướng dẫn Tác giả luận văn PGS.TS Nguyễn Văn Chí Đỗ Thị Thùy Dương CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Võ Quang Lạp ii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Đỗ Thị Thùy Dương Sinh ngày 31 tháng 10 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 20 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại : Trường Cao đẳng nghề số 1 – Bộ quốc phòng Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul Pin Lithium” do thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là nghiên cứu của tôi với tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Thái Nguyên, ngày…….tháng ….. năm 2019 Học viên Đỗ Thị Thùy Dương iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận tình giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul Pin Lithium” đã được hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn. Các thầy cô giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập để hoàn thành luận văn này. Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè đồng nghiệp cho luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019 Tác giả luận văn Đỗ Thị Thùy Dương iv Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA……………………………………………………………..…………..……….. i BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ...................................... ii LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... iii LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... iv MỤC LỤC ..................................................................................................................v DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT................................................................... viii LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................1 3. Nội dung của luận văn ........................................................................................2 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SOC ................3 1.1. Giới thiệu về pin lithium – Ion .........................................................................3 1.2. Ưu điểm của Pin Lithium và các ứng dụng .....................................................6 1.3. Vai trò của tham số SoC và một số phương pháp xác định SoC ....................7 1.4. Kết luận chương 1 .........................................................................................10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO MODUL PIN LITHIUM11 2.1. Mô hình toán của Pin Lithium ........................................................................11 2.2. Rời rạc hóa mô hình của pin Lithium Ion ......................................................16 2.3. Mô hình ESC của pin Lithium Ion .................................................................17 2.4. Xác định các tham số của mô hình ESC ........................................................19 2.5. Kết quả xác định các tham số của mô hình ESC cho một loại Pin ................31 2.6. Kết luận chương 2 ..........................................................................................39 CHƯƠNG 3: QUAN SÁT SOC CỦA PIN LITHIUM SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ............................................................................................40 3.1. Quan sát SoC sử dụng bộ quan sát Kalman mở rộng .....................................40 3.2. Kết quả quan sát SoC cho pin Lithum Ion Samsung INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 ....................................................................................................44 3.2. Kết luận chương 3 ..........................................................................................53 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ....................................................................................54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................55 v Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Một loại Pin Lithium 32650 của hãng Panasonic: ...................................4 Hình 1-2: Quá trình sạc và xả của Pin Lithium- Ion: ................................................6 Hình 1-3: Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở mạch trong quá trình nạp và xả ...................................................................................8 Hình 1-4: Cấu trúc một hệ thống BMS .....................................................................9 Hình 2-1: Mô hình điện áp hở mạch của Pin – Lithium Ion ...................................11 Hình 2-2: Quan hệ giữa OCV và SoC tại nhiệt độ 250C cho 03 loại Pin Lithium .12 Hình 2-3: Mô hình pin Lithium khi kể đến nội trở .................................................13 Hình 2-4: Hiện tượng điện áp khuếch tán của Pin ..................................................14 Hình 2-5: Mô hình Pin có kể đến hiện tượng phân cực tuyến tính ........................14 Hình 2-6: Hiện tượng điện áp trễ ............................................................................15 Hình 2-7: Mô hình ESC của pin Lithium - Ion ......................................................17 Hình 2-8: Sự thay đổi của điện áp hai cực của pin theo kịch bản 1 .......................20 Hình 2-9: Sự thay đổi của điện áp hai cực của pin theo kịch bản 3 .......................22 Hình 2-10: Hiệu suất Coulomb cho 6 loại cell pin Lithium Ion khác nhau ...........24 Hình 2-11: Quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng với quá trình nạp và xả ở bước 2 và bước 2 cho một loại pin ứng với một nhiệt độ cố định .....................................25 Hình 2-12: Quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng khi nhiệt độ bằng 00C (bên trái) và khi nhiệt độ thay đổi (bên phải)............................................................................26 Hình 2-13: Điện áp OCV ở kịch bản 1 ..................................................................28 Hình 2-14: Điện áp OCV ở kịch bản 2 .................................................................28 Hình 2-15: Điện áp OCV ở kịch bản 3 ..................................................................29 Hình 2-16: Pin Lithium Ion SAMSUNG INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 ...................................................................................................................................32 Hình 2-17: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -250C ....34 Hình 2-18: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -150C ...34 Hình 2-19: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -50C .....35 Hình 2-20: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 50C .......35 vi Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-21: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 150C .....35 Hình 2-22: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 350C .....36 Hình 2-23: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 450C .....36 Hình 2-24: Quan hệ giữa các tham số mô hình của Pin theo nhiệt độ ....................37 Hình 2-25: So sánh điện áp đầu ra của mô hình trong hai trường hợp test xác định OCV và test xác định các tham số với điện áp thực nghiệm tại 450C .......................38 Hình 2-26: Sai lệch điện áp OCV giữa mô hình ESC và thực nghiệm tại 450C ......39 Hình 3-1: Dữ liệu động học cho kịch bản 1 ...........................................................48 Hình 3-2: Dữ liệu động học cho kịch bản 2 ............................................................48 Hình 3-3: Dữ liệu động học cho kịch bản 3 ...........................................................49 Hình 3-4: Kết quả quan sát SoC và sai lệch quan sát SoC cho kịch bản 1 ............50 Hình 3-5: Kết quả quan sát SoC và sai lệch quan sát SoC cho kịch bản 2 .............51 Hình 3-6: Kết quả quan sát SoC và sai lệch quan sát SoC cho kịch bản 3 ............52 vii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt LTHI Lithium Ion Battery Pin Ion Battery SoC State of Charge Trạng thái nạp OCV Open Circuit Voltage Điện áp hở mạch ESC Enhanced Self Correct Circuit Mô hình mạch điện tương Model đương của pin có kể đến các ảnh hưởng của điện áp trễ, nhiệt độ, điện trở trong, phân cực điện áp v.v BMS Battery Management Systems Hệ thống quản lý pin viii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay Pin Lithium Ion đã được ứng dụng rộng rãi trên rất nhiều các thiết bị điện quan trọng như các thiết bị viễn thông, điện tử, điện thoai v.v. Và đặc biệt đang mở ra xu hướng sử dụng cho ngành công nghiệp ô tô điện. Pin Lithium Ion có có mật độ năng lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, tốc độ tự xả lâu và vòng đời sử dụng dài hơn. Phần lớn các nghiên cứu gần đây về BMS (Hệ thống quản lý pin) đã tập trung vào vào loại Pin này. Ước lượng trạng thái nạp hay còn gọi là ước lượng trạng thái tích điện (SoC) đóng vai trò cực quan trọng trong các nghiên cứu liên quan đến BMS, nó cho phép cung cấp thông tin liên quan đến dung lượng còn lại của Pin. Ước lượng SoC chính xác có thể ngăn chặn các hiện tượng nạp, hiện tượng xả quá mức gây tổn hại đến pin cũng như ngăn chặn các hiện tượng quá nhiệt, cháy nổ, mất cân bằng giữa các cell pin trong modul pin. Nhiễu là một yếu tố không mong muốn ảnh hướng đến quá trình xác định SoC của Pin, sự thay đổi của nhiễu ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình này. Có một số phương pháp xác định SoC như phương pháp đếm Coulomb, phương pháp điện áp hở mạch. Hai phương pháp này thực hiện theo nguyên tắc vòng hở cho nên không thể tự hiệu chỉnh khi sai lệch xác định SoC trở lên lớn hơn. Chính vì vậy trong những năm gần đây các tác giả tập trung sử dụng bộ lọc Kalman để ước lượng SoC vì bộ lọc Kalman có khả năng ước lượng trạng thái trong điều kiện có nhiễu. Vậy bài toán ước lượng trạng thái SoC cho Pin Lithium Ion sử dụng nguyên tắc của bộ lọc Kalman mang tính cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Ước lượng trạng thái SoC của Pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình mạch điện tương đương của Pin Lithium Ion có xét đến các hiện tượng động học của Pin và nhiệt độ làm việc. 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
- Mục tiêu cụ thể  Xây dựng mô hình cho pin Lithium Ion có xét đến các hiện tượng động học của Pin và nhiệt độ làm việc.  Xây dựng quan hệ giữa SoC và điện áp hở mạch theo nhiệt độ  Ứng dụng bộ lọc Kalman để ước lượng SoC cho pin Lithium Ion - Các kết quả trong luận văn  Xây dựng mô hình ESC cho pin Lithium Ion  Quan sát SoC cho pin Lithium Ion sử dụng mô hình ESC sử dụng bộ quan sát Kalman mở rộng cho hệ phi tuyến 3. Nội dung của luận văn Luận văn gồm 03 chương với bố cục như sau: Chương 1: Giới thiệu về Pin Lithium và tham số SoC Chương 2: Xây dựng mô hình cho Pin Lithium Ion Chương 3: Quan sát SoC của Pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng Phần cuối là kết luận chung của luận văn 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SoC 1.1. Giới thiệu về pin lithium – Ion 1.1.1. Khái niệm về pin Lithium – Ion Pin Li-ion hay pin lithi-ion, có khi viết tắt là LIB, là một loại pin sạc. Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dương sang cực âm, và ngược lại trong quá trình xả (quá trình sử dụng). LIB thường sử dụng điện cực là các hợp chất mà cấu trúc tinh thể của chúng có dạng lớp (layered structure compounds), khi đó trong quá trình sạc và xả, các ion Li sẽ xâm nhập và điền đầy khoảng trống giữa các lớp này, nhờ đó phản ứng hóa học xảy ra. Các vật liệu điện cực có cấu trúc tinh thể dạng lớp thường gặp dùng cho cực dương là các hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li, như LiCoO2, LiMnO2, v.v….; dùng cho điện cực âm là graphite. Dung dịch điện ly của pin cho phép các ion Li chuyển dịch từ cực nọ sang cực kia nghĩa là có khả năng dẫn ion Li, tuy nhiên, yêu cầu là dung dịch này không được dẫn điện Khi xả (quá trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngoài, electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương). Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi sạc, dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. Thành phần hóa học, hiệu năng, giá thành và độ an toàn là các yếu tố cơ bản quy định các loại LIB khác nhau. Các thiết bị điện cầm tay (như điện thoại di động, laptop) hiện nay hầu như sử dụng LiCoO2 (viết tắt LCO) lithium coban oxit làm cực âm. Chất này có mật độ năng lượng cao, nhưng kém an toàn, đặc biệt nguy hiểm khi pin bị rò rỉ. Lithium sắt phosphate (LiFePO4, hay LFP), lithium mangan oxit (LiMn2O4, Li2MnO3, hay gọi chung là LMO) và lithium niken mangan coban oxit (LiNiMnCoO2, hay NMC) là các vật liệu dương cực phổ biển khác, tuy nhiên chúng có mật độ năng lượng thấp hơn LCO, nhưng lại có vòng đời lâu hơn và an toàn hơn. Những pin dùng các vật liệu này thường được dùng trong các thiết bị điện y tế. Đặc biệt NMC hiện nay là ứng viên hàng đầu cho pin ứng dụng trong xe chạy điện. Liti niken coban nhôm oxit (LiNiCoAlO2 hay NCA) và liti titanat 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
(Li4Ti5O12 hay LTO) được sử dụng trong những mục đích đặc biệt. Pin liti-lưu huỳnh hay pin liti-sunfua là loại pin mới được phát triển, mang nhiều triển vọng nhờ hiệu năng cao và khối lượng nhỏ. Do pin liti-ion chứa dung dịch điện ly dễ cháy, được nén dưới áp suất cao, nên nó trở nên đặc biệt nguy hiểm. Nếu như một viên pin được sạc quá nhanh, nó có thể gây đoản mạch dẫn đến cháy nổ. Do nguy cơ này, các qui chuẩn kiểm tra dành cho LIB nghiêm ngặt hơn cho các loại pin dung dịch điện ly axit rất nhiều. Một ví dụ về lỗi pin gây ra những thiệt hại nghiêm trọng là sự cố về pin của Samsung Galaxy Note 7 năm 2016. Các lĩnh vực nghiên cứu về pin lithium-ion bao gồm sự gia tăng tuổi thọ, mật độ năng lượng, an toàn và giảm chi phí cho pin. Hình 1-1: Một loại Pin Lithium 32650 của hãng Panasonic: Kiểu pin: 18650 / 3.6V / 3000mAh, Thông số kỹ thuật pin: 18650-2S5P / 7.2V / 15Ah, Điện áp danh định: 7.2, Công suất danh nghĩa: 15Ah, Sạc điện áp: 8.4V, Sạc hiện tại: ≤4A Xả hiện tại: 3A, Dòng xả tức thời: 5A, Xả điện áp cắt: 5.4V, Thành phẩm kháng nội bộ: ≤150mΩ, Trọng lượng pin: 500g, Nhiệt độ sạc: 0 ~ 45 ° C, Nhiệt độ xả: -20 ~ 60 ° C, Nhiệt độ bảo quản: -20 ~ 35 ° C, Bảo vệ nhiệt độ: 70 C ± 5 ° C 1.1.2.Nguyên lý hoạt động của pin Lithium - Ion Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin liti-ion là nguyên liệu điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy. 4 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Ion liti di chuyển ở trong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng. Đa phần các nguyên liệu điện cực hiện nay là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập vào giữa mạng tinh thể, mà không hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình xâm nhập liti, và ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể. Khi xả, ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode), thường là graphite, C6 trong phản ứng dưới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực, cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm. Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di chuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trò cực dương). Như vậy, pin đảo chiều trong quá trình sạc và xả. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo dõi. Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả. Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): LiCoO 2 ƒ CoO 2 + Li + + e - (1.1) Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả): C 6 + Li + + e - ƒ LiC 6 (1.2) Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả) C 6 + LiCoO2 ƒ LiC 6 + CoO 2 (1.3) Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+, và ngược lại khi xả. 5 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn. Nếu như xả quá mức (nhét thừa ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng một chiều sau: LiCoO 2 + Li + + e - ® Li2O + CoO (1.4) Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV oxit, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia X. LiCoO 2 ® Li + + e - + CoO 2 (1.5) Hình 1-2: Quá trình sạc và xả của Pin Lithium- Ion: Khi xả (quá trình sử dụng), pin phóng điện qua mạch ngoài, electron từ anode (cực âm) di chuyển sang cathode (cực dương). Ion liti di chuyển trong pin, cũng từ cực âm sang cực dương. Khi sạc, dưới điện áp sạc, electron di chuyển đến anode (lúc này trở thành cực dương), để cân bằng điện, trong lòng pin, ion liti di chuyển từ cathode (lúc này trở thành cực âm) sang anode. 1.2. Ưu điểm của Pin Lithium và các ứng dụng Sở dĩ pin Li-ion được sử dụng phổ biến bởi vì bản thân viên pin và vật liệu tạo nên nó chứa một mật độ năng lượng cao hơn các loại pin khác do đó người ta có thể chế tạo một viên pin có kích thước nhỏ nhưng dung lượng lớn hơn gấp nhiều lần. Đồng thời tuổi thọ của Pin Li-ion cũng cao hơn các loại pin khác, chính vì điều này làm Pin Li-ion được sử dụng rộng rãi ngày nay. Bên cạnh đó, mật độ năng lượng của pin Li-ion cao nên phải phối hợp các hợp chất dẫn điện khác vào pin để pin có thể sử dụng lâu hơn bền hơn. 6 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Ngày nay công nghệ chế tạo pin ngày càng được cải thiện, các nhà sản xuất smartphone và thiết bị di động cũng tự sản xuất những viên pin cho thiết bị của họ, chính vì công nghệ chế tạo pin khác nhau nên chúng ta thường thấy những sản phẩm có cùng dung lượng pin và loại pin nhưng có thời gian sử dụng không giống nhau. LIB thường được dùng cho những thiết bị điện di động, phổ biến nhất là pin sạc cho các thiết bị điện tử cầm tay. Pin Li-ion có mật độ năng lượng cao, hiệu ứng nhớ rất nhỏ, và ít bị tự xả. Hiện nay ở các nước phát triển, LIB đang được chú trọng phát triển trong quân đội, ứng dụng cho các phương tiện di chuyển chạy điện và kĩ thuật hàng không. Nó được kì vọng sẽ thay thế cho ắc qui chì trong ô tô, xe máy và các loại xe điện. Hơn nữa, việc thay thế cho ắc qui chì còn hứa hẹn việc đảm bảo môi trường sạch, nâng cao an toàn sử dụng do tránh được việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit, và hạn chế phát thải kim loại nặng ra môi trường, trong khi pin Li-ion vẫn đảm bảo một điện thế ngang với ắc qui. 1.3. Vai trò của tham số SoC và một số phương pháp xác định SoC 1.3.1. Vai trò của tham số SoC Để biết lượng năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng mà nó có khi sạc đầy, điều này cần thiết cho người dùng để biết liệu pin sẽ tiếp tục hoạt động trong bao lâu nữa trước khi cần sạc lại. Nó là thước đo năng lượng còn lại của pin. Điều này tương tự như cần phải biết lượng nhiên liệu còn lại trong bình nhiên liệu trong xe hơi. SOC được định nghĩa là công suất khả dụng được biểu thị bằng phần trăm. Về mặt điện hóa, SoC là một tham số liên quan đến mật độ trung bình của Lithium trên bản cực âm. Trước hết ta định nghĩa cân bằng hóa học mật độ Lithium hiện tại là, được biểu thị trong khoảng từ 0% đến 100% cs ,avg q= (1.6) cs ,m ax 7 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Thì SoC được xác định như sau: q - q0% zk = (1.7) q100% - q0% Hình 1-3: Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở mạch trong quá trình nạp và xả Ứng dụng của pin Lithuim–ion được dùng rộng rãi trong các thiết bị điện tử (máy tính, điện thoại, các thiết bị gia đình, làm thiết bị lưu trữ điện năng trong các ngành sử dụng năng lượng tái tạo v.v), đặc biệt trong sự phát triển hiện nay của ngành ô tô điện. Pin Lithuim–ion đang được nghiên cứu và áp dụng cho các ô tô điện lai HEV(Hybrid- Electric Vehicle), PHEV (plug-in Hybrid Electric Vehicle), EREV (Extended Range Electric Vehicle), EV (Electric Vehicle)[7]. Các ứng dụng cho xe điện đòi hỏi nguồn pin phải cung cấp công suất linh hoạt, an toàn. Vấn đề điều khiển quá trình xả, nạp, cung cấp công suất cho tải của 8 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
các modul pin sao cho đạt hiệu suất tối ưu, kéo dài tuổi thọ, cân bằng công suất giữa các cell, tránh quá nhiệt, quá nạp và quá xả là một bài toán điều khiển phức tạp và được thực hiện bằng một hệ thống riêng được biết đến là hệ BMS. Hệ thống BMS là một hệ thống kết nối tất cả các thành phần của modul pin với một bộ vi điều khiển và tải, chức năng của BMS có thể được tóm tắt như sau:  Đo và điều khiển điện áp: đo điện áp, dòng điện, nhiệt độ, điều khiển các chuyển mạch, nạp, phát hiện lỗi chạm đất, bảo vệ quá nhiệt  Bảo vệ: quá nạp, quá xả, quá dòng, ngắn mạch, quá nhiệt v.v.  Giao diện: ước lượng giới hạn sử dụng, thời gian, công suất còn được sử dụng bao lâu, truyền thông, ghi lại dữ liệu, báo cáo v.v  Quản lý quá trình làm việc: ước lượng SoC, tính toán giới hạn công suất, cân bằng giữa các cell.  Chẩn đoán: Bảo vệ quá tải, ước lượng SoE, ước lượng SoL v.v Hình 1-4: Cấu trúc một hệ thống BMS Ví dụ như đối với ôtô dùng điện thì hệ thống BMS có thể xác định được xem xe có thể đi được bao xa, tính toán bao lâu thì pin có thể nạp đầy, SoC là tỷ số của dung lượng pin hiện có trên tổng số dung lượng danh định của pin 1.3.2. Một số phương pháp xác định SoC Phương pháp dễ dàng nhất để xác định SoC là phương pháp đếm Coulomb[2], tuy nhiên phương pháp này cần ước lượng chính xác trạng thái đầu của SoC, điều này trong thực tế khó thực hiện. Các phương pháp khác như phương 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
pháp OCV(open circuit voltage), phương pháp này cần một khoảng thời gian dài để đo chính xác OCV[3]. Các phương pháp dựa trên quan sát trạng thái Luenberger, dùng bộ lọc Kalman và Kalman mở rộng, Kalman thích nghi và bộ quan sát trượt có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp đếm Coulomb và OCV, tuy nhiên có nhược điểm là phụ thuộc vào nhiệt độ của Pin, nhiễu khi đo dòng điện và điện áp. Tùy theo từng loại mà các phương pháp có những ưu nhược điểm về độ chính xác, sự ảnh hưởng bởi các tham số khác, khối lượng tính toán v.v 1.4. Kết luận chương 1 Chương 1 của luận văn đã tìm hiểu về Pin Lithium Ion, nguyên lý hoạt động của Pin, vai trò của tham số SoC và ưu nhược điểm của một số phương pháp xác định SoC. Để xác định SoC trong thực tế hiện nay có một số phương pháp như phương pháp đếm Coulomb, phương pháp điện áp hở mạch. Các phương pháp này theo như các nghiên cứu chỉ ra đều cho kết quả ở mức độ chấp nhận được, tuy nhiên không chính xác vì chưa kể đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình làm việc của Pin. Một phương pháp đang được thực hiện và nghiên cứu trong những năm gần đây đó là phương pháp dựa trên quan sát SoC từ các biến dòng điện, điện áp hở mạch và nhiệt độ làm việc của pin đã mang lại độ chính xác cao hơn. 10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN CHO MODUL PIN LITHIUM 2.1. Mô hình toán của Pin Lithium Để xây dựng mô hình toán cho Pin – Lithium Ion, hiện nay có hai cách: cách thứ nhất sử dụng mô hình mạch điện tương đương (Equivalent – Circuit Models) và cách thứ hai là xây dựng mô hình dựa trên các tính chất vật lý, hóa học ở cấp độ phân tử. Trong luận văn này, tác giả dựa trên mô hình mạch điện tương đương [4]. 2.1.1. Điện áp hở mạch (OCV) và SoC Mô hình điện áp hở mạch là mô hình đơn giản nhất cho Pin – Lithium Ion, được biểu diễn trên hình 2-1, đây là mô hình cho Pin lý tưởng. Trong mô hình này OCV là điện áp hở mạch, v(t ) là điện áp trên hai cực của pin, điện áp này không là một hàm theo dòng điện. Mô hình điện áp hở mạch có đặc điểm là đơn giản, tuy nhiên không phản ánh đầy đủ các tính chất động học của Pin. Khi pin được nạp đầy thì điện áp hở mạch cao hơn khi pin được xả, do vậy để nâng cao độ chính xác của mô hình thì người ta thêm vào tham số đó là SoC (State of Chage), tham số này phụ thuộc vào trạng thái nạp của Pin. Hình 2-1: Mô hình điện áp hở mạch của Pin – Lithium Ion SoC ký hiệu là z (t ) và được định nghĩa là: khi Cell Pin được nạp đầy thì z = 100%, khi pin xả hoàn toàn thì z = 0% . Nếu gọi Q là tổng dung lượng của pin được nạp vào pin và được xả ra từ z = 100% đến z = 0% thì Q có đơn vị đo là Ah hoặc mAh. Khi đó SoC được mô tả như sau: 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn