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”
Cán bộ hướng dẫn
Thái Nguyên, ngày….. tháng ….năm 2019 Tác giả luận văn
Đỗ Thị Thùy Dương
PGS.TS Nguyễn Văn Chí
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):
(1.1)
Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều
thuận là sạc, chiều nghịch là xả):
(1.2)
Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)
(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:
(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.
(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%
(1.6)
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:
(1.7)
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, 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 và được định nghĩa là: khi Cell Pin được nạp đầy thì
, khi pin xả hoàn toàn thì . Nếu gọi Q là tổng dung lượng của pin
được nạp vào pin và được xả ra từ đến 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
(2.1)
trong đó dấu của là dương khi pin xả. Rời rạc hóa phương trình trên tại thời
điểm k với thời gian trích mẫu , bổ xung thêm một hệ số đặc trưng cho tính
không lý tưởng của pin ta có
(2.2)
Thành phần được gọi là hiệu suất coulomb, khi nạp thì và khi
xả thì . Hiệu suất coulomb của một pin Lithium – Ion điển hình khoảng
. Hiệu quả về mặt năng lượng của pin thường gần 95%, tương ứng với tỷ số
của năng lượng đưa ra khỏi pin và năng lượng nạp vào pin. Năng lượng mất mát
thường do quá trình phát nhiệt khi sử dụng pin. Hình vẽ sau mô tả hình dạng của
quan hệ OCV và SoC(%) đối với một số loại pin Lithium
Hình 2-2: Quan hệ giữa OCV và SoC tại nhiệt độ 250C cho 03 loại Pin Lithium
Chú ý rằng OCV phụ thuộc vào nhiệt độ cho nên tương ứng với mỗi một
nhiệt độ khác nhau thì quan hệ giữa OCV và SoC lại khác nhau.
12
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.1.2. Phân cực tuyến tính
Điện trở tương đương
Ta biết rằng khi pin được nối với tải, điện áp trên hai cực của nó bị suy
giảm, điều này là do pin có nội trở. Để biểu thị cho hiện tượng này mô hình pin
được đưa thêm thành phần điện trở mắc nối tiếp với OCV như hình 2-3.
Hình 2-3: Mô hình pin Lithium khi kể đến nội trở
Khi đó điện áp hai đầu cực của pin được viết là
(2.3)
và khi nạp và khi xả, điều này biểu thị cho tính
không lý tưởng của pin, pin bị mất năng lượng do quá trình sinh nhiệt trên điện trở
R, và do đó hiệu quả năng lượng của pin là không hoàn hảo. Để mô tả chính xác
hơn nữa động học của Pin ta cần kể đến điện áp khuếch tán.
Điện áp khuếch tán
Điện áp khuếch tán liên quan đến hiện tượng phân cực hóa gây ra hiện
tượng suy giảm điện áp đáng kể ở hai đầu cực của pin so với điện áp hở mạch khi
có dòng điện đi qua, minh họa hiện tượng này như trên Hình 2-4. Khi không có
dòng điện đi qua điện áp không ngay lập tức trở về bằng với điện áp hở mạch OCV
ban đầu mà phải mất một khoảng thời gian nào đó.
13
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-4: Hiện tượng điện áp khuếch tán của Pin
Để mô tả hiện tượng này, mô hình pin được đưa thêm vào cặp điện trở và tụ
Hình 2-5: Mô hình Pin có kể đến hiện tượng phân cực tuyến tính
điện mắc song song như mô tả trên hình 2-5.
Điện áp hai đầu cực của pin được viết là
(2.4)
hay
(2.5)
, Để xác định , ta dùng quan hệ ,
khi đó
(2.6)
và vì nên
(2.7)
14
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.1.3. Điện áp trễ
Hiện tượng này nảy sinh khi pin không dùng trong thời gian đủ lâu, điện áp
khuếch tán giảm dần về 0, do đó điện áp giai đoạn này giảm dần về OCV. Trong
thực tế, hiện tượng này không xảy ra đối với mọi SOC, đặc biệt là trong dải OCV
ổn định. Chú ý rằng có sự khác nhau cơ bản giữa điện áp trễ và điện áp khuếch tán
là điện áp khuếch tán thay đổi theo thời gian, tuy nhiên điện áp trễ thay đổi khi SoC
Hình 2-6: Hiện tượng điện áp trễ
thay đổi. Điện áp trễ không là một hàm trực tiếp theo thời gian.
Sự thay đổi điện áp trễ theo OCV
Gọi là điện áp trễ là một hàm theo SOC và thời gian, ta có
(2.8) trong đó là hàm phụ thuộc vào SoC và tốc độ thay đổi của SoC. Khi
nạp thì , khi xả thì .
Để đưa phương trình đạo hàm của vào mô hình, ta nhân với đạo hàm
của z theo thời gian, ta có
(2.9)
Vì và , do vậy
15
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
(2.10)
2.2. Rời rạc hóa mô hình của pin Lithium Ion
Để dễ dàng sử dụng khi thực hiện mô hình hóa, quan sát và xa hơn hữa là
thực hiện các tác vụ điều khiển trong hệ thống BMS (hệ thống quản lý pin), mô
hình phương trình vi phân đạo hàm theo thời gian (2.7) và (2.10) cần được chuyển
sang mô hình rời rạc theo thời gian trích mẫu. Thực hiện quá trình rời rạc hóa đối
với phương trình ODE mô tả mạch R-C (2.7) như sau [5].
Đặt , thay vào (2.7) và rời rạc
hóa theo chu kỳ trích mẫu ta có
(2.11)
Tương tự như vậy ta rời rạc hóa phương trình (2.10), được
(2.12)
Thay , phương trình (2.12) trở thành
(2.13)
Với công thức này ta thấy , đơn vị của là V.
Để thuận lợi cho quá trình xác định các tham số của mô hình, ta biểu diễn độ
trễ điện áp dưới dạng không có đơn vị, hay , với điện áp trễ được
định nghĩa là . Khi đó phương trình (2.13) trở thành
(2.14)
16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Để biễu diễn trễ động học, đại lượng này thay đổi khi SoC thay đổi, chúng ta
thêm vào thành phần thay đổi tức thời trong điện áp trễ khi dấu của dòng điện thay
đổi.
Định nghĩa
(2.15)
Vậy trễ tức thời được mô hình là , do đó trễ điện áp khi đó là
.
2.3. Mô hình ESC của pin Lithium Ion
Khi xét đến tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến mô hình của Pin như đã đề cập
đến ở phần 2.1 và 2.2 ta được mô hình đầy đủ của Pin Lithium – Ion, mô hình này
còn gọi là mô hình ESC (Enhanced Self- Correcting).
Mô hình này xét đến hiện tượng trễ, điện áp của mô hình hội tụ đến OCV +
điện áp trễ. Ngoài ra mô hình cũng có thể sử dụng nhiều hơn một cặp RC song
Hình 2-7: Mô hình ESC của pin Lithium - Ion
song để biểu diễn động học của Pin. Mô hình ESC được minh họa như trên Hình ..
Phương trình biểu thị dòng điện trong trường hợp tổng quát khi có nhiều hơn
một cặp RC mắc song song trong mô hình là
17
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
(2.16)
Đặt , đặt véc tơ trạng thái là SoC, dòng điện qua pin, và
điện áp trễ như sau
(2.17)
khi đó phương trình động học mô tả trạng thái của pin Lithium Ion trên miền rời
rạc với chu kỳ trích mẫu là
(2.18)
Phương trình đầu ra là điện áp trên hai cực của pin được viết là
(2.19)
Vậy tóm lại phương trình trạng thái của pin Lithium là
(2.20)
18
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Trong mô hình này tất cả các tham số đều có giá trị không âm. Các tham số
được xác định thông qua dữ liệu thực nghiệm, dữ liệu này
được thu thập dựa trên các kịch bản thí nghiệm khác nhau đối với Pin.
2.4. Xác định các tham số của mô hình ESC
Để xác định các tham số trong mô hình ESC ta cần thực hiện qua hai bước
như sau:
Bước 1: Thu thập dữ liệu thực nghiệm, được gọi là dữ liệu thực nghiệm OCV,
sau đó dựa vào dữ liệu này để xác định quan hệ giữa OCV và SoC theo nhiệt độ.
Bước 2: Thu thập dữ liệu động học, dữ liệu động học này cùng với quan hệ
giữa OCV và SoC đã tìm được ở bước 1 để xác định các tham số của mô hình ESC.
2.4.1. Xác định quan hệ giữa OCV và SoC
Để xác định quan hệ giữa OCV và SoC của một cell pin ta cần thực hiện xả
pin thật chậm, sau đó nạp thật chậm tương ứng trong điều kiện cùng một nhiệt độ
xét, quá trình nạp và xả ở tốc độ chậm nhằm mục đích loại bỏ hiện tượng sinh nhiệt.
Trong quá trình đó cần đo các thông số sau:
+ Điểm thời gian đo (s)
+ Dòng điện (A)
+ Điện áp hai đầu cực của pin (V)
+ Dung lượng nạp (Ah)
+ Dung lượng xả (Ah)
+ Năng lượng nạp (Ah)
+ Năng lượng xả (Ah)
+ Tốc độ thay đổi của điện áp (dV/dt)
Các thông số trên được thu thập thông qua như trên Bảng 1-1. Bảng dữ liệu cần
thu thập cho 04 kịch bản như sau:
a) Kịch bản 1, tại nhiệt độ làm việc
Bước 1: Pin được nạp đầy và duy trì tình trạng nạp đầy trong vòng 2
giờ để đảm bảo đồng nhất nhiệt độ trong toàn bộ pin.
19
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Bước 2: Xả pin với tốc độ dòng bằng hằng số và bằng C/30 đến khi
Hình 2-8: Sự thay đổi của điện áp hai cực của pin theo kịch bản 1
điện áp còn lại bằng theo thông số của nhà sản xuất
b) Kịch bản 2, tại nhiệt độ 250C
20
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Bảng 1-1. Bảng dữ liệu thực nghiệm để xác định quan hệ giữa OCV và SoC cho pin Lithium Ion
Test_Time(s)
Current(A)
Charge_Cap acity(Ah)
Discharge_Capacity(A h)
Charge_Energy(Wh )
Discharge_E nergy(Wh)
60.0076 120.0219 180.0364 240.051 300.0669
Voltage(V) 3.599443197 3.599606037 3.599769115 3.599931955 3.600095034
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
dV/dt(V/s) -3.2568E-05 0 -3.2568E-05 3.2568E-05 3.26157E-05
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
Data_Point 1 2 3 4 5 121 122 123 124 125 126 127 128 129 ...
7210.065 7220.081 7230.096 7240.112 7250.127 7260.142 7270.158 7280.173 7290.189
-0.076687 -0.076687 -0.07665194 -0.07665194 -0.076687 -0.07665194 -0.076687 -0.07661688 -0.076687
3.590806961 3.585429668 3.580704212 3.576467752 3.572068214 3.568646193 3.565061569 3.561802626 3.558217764
0.000213308 0.000426616 0.00063993 0.000853264 0.001066582 0.001279904 0.001493239 0.00170657 0.001919909
0.000766669 0.001532013 0.002296304 0.003059696 0.003822147 0.004583784 0.00534468 0.006104824 0.00686429
-0.00048885 -0.00045629 -0.00035849 -0.00032587 -0.00032587 -0.00026073 -0.00022812 -0.0001955 -0.0002933
0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
21
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Bước 3: Để pin trong phòng có nhiệt độ 250C ít nhất là 2h để pin
đồng nhất nhiệt độ là 250C trong toàn bộ pin.
Bước 4: Nếu điện áp của pin nhỏ hơn thì nạp với tốc độ nạp là
C/30 đến khi điện áp bằng . Nếu điện áp lớn hơn thì xả với
tốc độ là C/30 đến khi điện áp bằng . Quá trình lặp lại như vậy.
c) Kịch bản 3, tại nhiệt độ làm việc
Bước 5: Để pin trong phòng có nhiệt độ tại nhiệt độ làm việc của pin
được quy định bởi nhà sản xuất trong vòng 2h.
Bước 6: Nạp pin với tốc độ C/30 đến khi điện áp đạt theo quy
định của nhà sản xuất
Hình 2-9: Sự thay đổi của điện áp hai cực của pin theo kịch bản 3
d) Kịch bản 4, tại nhiệt độ 250C
Bước 7: Để pin trong phòng có nhiệt độ 250C ít nhất là 2h để pin
đồng nhất nhiệt độ là 250C trong toàn bộ pin.
Bước 8: Nếu điện áp thấp hơn thì nạp với tốc độ C/30 đến khi
điện áp bằng . Nếu điện áp lớn hơn thì xả với tốc độ C/30
đến khi điện áp bằng , quá trình lặp lại như vậy.
Từ 04 bảng dữ liệu trên ta có thể xác định: hiệu suất Coulomb và quan hệ
giữa OCV và SoC.
22
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Xác định hiệu suất Coulomb
Lấy nhiệt độ 250C làm chuẩn, trước hết xác định hiệu suất Coulomb tại 250C
bằng tỷ số của tổng dung lượng xả và tổng dung lượng nạp
theo công thức sau, với md là số lượng điểm dữ liệu tương ứng với quá
trình xả và mc là số lượng điểm dữ liệu tương ứng với quá trình nạp:
(2.21)
Khi đó hiệu suất Coulomb tại một nhiệt độ bất kỳ được xác định bằng công
thức
(2.22)
trong đó: là tổng lượng xả, là tổng lượng nạp tại
nhiệt độ T, là tổng lượng nạp tại 250C, là tổng
lượng nạp tại nhiệt độ T. Hình vẽ sau minh họa hiệu suất Coulomb cho 6 loại cell
pin Lithium Ion khác nhau.
23
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-10: Hiệu suất Coulomb cho 6 loại cell pin Lithium Ion khác nhau Xác định quan hệ giữa OCV và SOC
Xác định DOD (the depth of discharge, đây là một tham số đo lường lượng
xả kiệt của pin là bao nhiêu. Khi pin được xả hết hoàn toàn năng lượng thì DOD =
100%).
DOD tại thời điểm t, tại nhiệt độ T, được xác định bằng công thức
(2.23)
trong đó: là tổng lượng xả đến thời điểm t, là tổng lượng nạp tại
nhiệt độ 250C tính đến thời điểm t, là tổng lượng nạp tại nhiệt độ T tính đến
thời điểm t.
Sử dụng hệ đơn vị mét, dung lượng Q của pin (được đo tại nhiệt độ T) tương
đương với DOD của pin tại thời điểm kết thúc bước 4.
Tương tự như vậy, SoC tại thời điểm t tương ứng với dữ liệu thu thập được
là
(2.24)
Để kiểm tra chúng ta có thể thấy rằng SoC tại thời điểm kết thúc bước 4 phải
là 0%, và SoC tại thời điểm kết thúc bước 8 phải là 100%. Hình vẽ sau minh họa
đường quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng với bước 2 và bước 6, trong đó đường
thấp nhất là quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng với quá trình nạp ở bước 6,
đường phía trên cùng là đường quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng với quá trình
24
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
xả tương ứng với bước 2, đường nét đứt ở giữa là đường xấp xỉ quan hệ giữa OCV
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
và SoC.
Như vậy từ bảng dữ liệu thực nghiệm ghi lại giá trị của các đại lượng như
dòng, áp, lượng xả, nạp ta đã biểu diễn được quan hệ giữa SoC và OCV dưới dạng
đồ thị. Trong thực tế việc xác định quan hệ giữa SoC và OCV có một số thách thức
sau:
Việc mất mát dữ liệu điện áp khi xả khi pin có mức SoC thấp bởi vì
quá trình thực nghiệm có điện áp tại điểm cắt (cutoff) ở bước 2
trước khi SoC đạt 0%.
Tương tự dữ liệu điện áp tại mức SOC cao bị mất là do quá trình thực
nghiệm có điện áp tại điểm cắt ở bước 6 trước khi SoC đạt
100%.
Điện trở được xác định tại SoC có mức cao thông qua việc thay đổi điện
áp ngẫu nhiên trong quá trình thực nghiệm chuyển từ bước 1 sang bước 2.
Cũng như vậy, điện trở R có thể được xác định tại thời điểm SoC = 50%
bằng cách giả sử điện áp thay đổi giữa đường cong xả và đường cong nạp tại điểm
50% của SOC. Sau đó chúng ta giả thiết rằng điện trở thay đổi tuyến tính trong
khoảng từ SoC = 0% đến SoC =50%, và tuyến tính trong khoảng còn SoC =50%
đến SoC =100%.
25
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Tổ hợp các quan hệ OCV theo nhiệt độ, ta thiết lập được quan hệ giữa SoC
và OCV theo nhiệt độ như sau:
(2.25)
trong đó: là quan hệ giữa OCV và SoC tại nhiệt độ 00C,
là hệ số hiệu chỉnh tuyến tính theo nhiệt độ, hệ số này là hàm của z(t).
Khi và được xác định, có thể được
tính toán thông qua phương trình ma trận sau, tương ứng cho từng giá trị của SoC:
(2.26)
Hình vẽ sau minh họa quan hệ SoC và OCV xác định được tương ứng cho 6
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)
cell pin khác nhau tại 00C (bên trái) và khi nhiệt độ thay đổi (bên phải)
Vậy các tham số xác định được ở mục này bao gồm: , quan hệ giữa OCV và SoC tại 00C , lượng thay đổi của OCV theo SoC trên 10C (V/0C)
, quan hệ giữa SoC và OCV tại 00C. , lượng thay đổi củaSoC theo OCV trên 10C (V/0C)
26
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.4.2. Xác định các tham số còn lại của mô hình ESC
Các tham số còn lại của mô hình ESC cần xác định đó là:
. Để xác định các tham số này ta cần thu thập dữ liệu động
học từ pin qua các thí nghiệm. Các dữ liệu bao gồm:
+ Điểm thời gian đo (s)
+ Dòng điện (A)
+ Điện áp hai đầu cực của pin (V)
+ Dung lượng nạp (Ah)
+ Dung lượng xả (Ah)
+ Năng lượng nạp (Ah)
+ Năng lượng xả (Ah)
+ Tốc độ thay đổi của điện áp (dV/dt)
+ Nhiệt độ (T)
Dữ liệu thực nghiệm có cấu trúc như trong Bảng 2.1
Các thí nghiệm được tiến hành theo 03 kịch bản như sau:
a) Kịch bản 1, tại nhiệt độ xét
Bước 1: Để pin trong phòng có nhiệt độ xét ít nhất là 2h để pin đồng
nhất nhiệt độ là 250C trong toàn bộ pin.
Bước 2: Xả pin với tốc độ xả 1/C đủ lâu để trong pin còn lại 10%
dung lượng
Bước 3: Thực hiện xả động học trong khoảng SoC xét, thông thường
giảm SoC từ 90% xuống còn 10%
27
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-13: Điện áp OCV ở kịch bản 1
b) Kịch bản 2, tại 250C
Bước 4: Để pin trong phòng có nhiệt độ xét ít nhất là 2h để pin đồng
nhất nhiệt độ là 250C trong toàn bộ pin.
Bước 5: Nếu điện áp dưới mức , thì nạp vào pin với tốc độ nạp là
C/30 đến khi điện áp bằng . Nếu điện áp lớn hơn thì xả với
tốc độ là C/30 đến khi điện áp bằng .
Hình 2-14: Điện áp OCV ở kịch bản 2
c) Kịch bản 3, tại 250C
Bước 6: Nạp điện áp vào pin với tốc độ C/1 đến khi điện áp bằng
, khi đó duy trì điện áp tại , nếu điện áp dưới thì nạp
với tốc độ là C/30 đến khi điện áp bằng .
28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-15: Điện áp OCV ở kịch bản 3
Từ bảng dư liệu thực nghiệm 2.1 ghi lại được với 03 kịch bản, cùng với quan
hệ giữa OCV và SoC xác định được từ phần 2.4.1 ta sẽ xác định được các tham số
còn lại của mô hình ESC theo các bước như sau:
29
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Data_Poi nt
Step_Time(s)
Current(A)
Voltage(V)
Charge_Capacity (Ah)
Discharge_Capaci ty(Ah)
Charge_Ene rgy(Wh)
Temperature (C)_1
Discharge_ Energy(Wh )
1 2 3 4 5 6 7 8
59.95982098 119.9723324 179.9846793 239.997046 300.0095185 360.0219397 420.0343577 480.0469467
0 0 0 0 0 0 0 0
3.58686161 3.586699009 3.58702445 3.58702445 3.587187052 3.587187052 3.587349892 3.587349892
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 0 0 0
4.998049736 0.452442735 -3.20088291 -6.32111645 -8.29769516 -7.80291891 -8.05780697 -8.68115139
9
540.0591973
0
3.587675333
0
0
0
0
-9.27183342
10 11 12 13 14 ...
600.0716245 660.0840131 720.0965426 780.1089171 840.1213139
0 0 0 0 0
3.587675333 3.587675333 3.587675333 3.587512732 3.587675333
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
dV/dt(V/s) 3.25203E- 05 -3.252E-05 0 0 0 0 0 0 6.50883E- 05 3.25203E- 05 0 0 -3.252E-05 0
0 0 0 0 0
-9.65630054 -10.0359564 -10.3931532 -10.7184267 -11.0020475
Bảng 2-1. Bảng dữ liệu thí nghiệm xác định các tham số còn lại của pin
30
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Bước 1: Tính toán trực tiếp các tham số và Q từ tập dữ liệu động học,
giống như đã làm trong phần xác định quan hệ giữa OCV và SoC
Bước 2: Tính toán các hằng số thời gian sử dụng kỹ thuật nhận dạng
Bước 3: Tính toán giá trị tham số
Bước 4: Sử dụng giá trị , ta tính toán giá trị .
Bước 5: Phương trình điện áp đầu ra của pin khi đó là
(2.27)
Các tham số còn lại bao gồm được xác định thông qua
phương trình tuyến tính đại số sau
(2.28)
Hay các tham số còn lại được giải bằng phương pháp bình phương cực
tiểu, vậy
2.5. Kết quả xác định các tham số của mô hình ESC cho một loại Pin
Phần này sẽ xác định các tham số của pin SAM (SAMSUNG), INR18650-
25R 20/35A 2500mAh 18650 Lithium ion
31
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-16: Pin Lithium Ion SAMSUNG INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650
Các tham số của Pin như sau:
Place of Origin: Daegu, South Korea
Brand Name: Sam sung
Model Number: sam sung inr18650-25r
Type: Li-Ion
Certification UL, ce
Size: 18mm*65mm
Color Green
Application: E-cig
Capacity: 2500 MAh
Weight: 49g
Warranty: 1 Year
Certificate CE/RoHS/UN38.3/MSDS
Material: Lihtium Polymer
Cycle life: 1000 Times
minV = [ 2.50]; maxV = [ 4.25];
Nhiệt độ test [-25,-15,-5,5,15,25,35,45]
32
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Bảng 2-3. Ví dụ về dữ liệu thực nghiệm của pin Lithium Ion SAMSUNG INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 biểu diễn trên Matlab
33
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Các kết quả xác định tham số mô hình ESC như sau:
2.5.1. Quan hệ giữa SoC và OCV
Quan hệ giữ SoC và OCV theo các nhiệt độ test được biểu thị trên các Hình 2-
17 đến Hình 2-23.
Hình 2-17: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -250C
Hình 2-18: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -150C
34
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-19: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -50C
Hình 2-20: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 50C
Hình 2-21: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 150C
35
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-22: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 350C
Hình 2-23: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 450C Nhận xét: Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin đã được mô tả trên các Hình từ 2-17 đến Hình 2-23 tương ứng với các nhiệt độ làm việc là -250C, -150C, -50C, 50C, 150C, 350C, 450C. Các kết quả so sánh giữa đường quan hệ giữa SoC và OCV xấp xỉ từ dữ liệu thực nghiệm và quan hệ giữa SoC và OCV xác định từ mô hình. Tại nhiệt độ -250C có sự sai khác khoảng 0.1V của OCV tương ứng với SoC <30% và SoC >60%. Sai lệch quan hệ giữa SoC và OCV RMS = 32.5mV. Tại nhiệt độ - 150C, sai lệch RMS =10.1mV trong khoảng SoC > 60%. Tại nhiệt độ -50C, sai lệch RMS là 13.6mV khi SoC < 50%. Tại các nhiệt độ 50C, 150C, 350C, 450C, sai lệch quan hệ giữa SoC và OCV nhỏ, điều này thể hiện ở RMS lần lượt bằng 2.6mV, 3.7mV, 1.3mV và 1.8mV. Điều này cho thấy khi nhiệt độ > 0 thì sai lệch quan hệ giữa OCV và SoC xác định được càng nhỏ. Khi nhiệt độ < 0 thì sai lệch này sẽ lớn hơn khá nhiều, tại -250C là 32.5mV gấp 25 lần tại nhiệt độ 350C. Sai lệch xuất hiện chủ yếu trong hai vùng đó là SoC < 40% và SoC > 70%.
36
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.5.2. Các tham số của mô hình
Hình 2-24: Quan hệ giữa các tham số mô hình của Pin theo nhiệt độ
37
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 2-24 biểu thị quan hệ giữa các tham số mô hình của Pin theo nhiệt độ
bao gồm các tham số . Các tham số này đều thay đổi rất
mạnh theo nhiệt độ làm việc của pin. Dung lượng pin Q có giá trị lớn nhất là 2.19Ah tại nhiệt độ 190C, tuy nhiên tại vùng nhiệt độ < 200C và > 200C Q giảm rất nhanh xuống còn 2.15Ah. Khi nhiệt độ càng tăng thì điện trở R càng giảm, giảm mạnh từ 600mΩ ở -200C xuống còn 1000C tại nhiệt độ 1000C. Các tham số
có quy luật biến thiên theo nhiệt độ tương tự nhau. Hằng số thời gian RC nhỏ nhất khi nhiệt độ biến thiên xung quanh 00C, tuy nhiên khi tăng về hai phía (âm và dương) hằng số thời gian này sẽ tăng lên, đặc biệt tăng mạnh khi nhiệt độ tăng theo chiều dương. Điện trở R1 trong nhánh RC song song cũng giảm dần tương ứng theo thay đổi mạnh trong vùn nhiệt độ từ -200C đến 00C, trong vùng nhiệt độ. Hệ số
nhiệt độ dương hệ số này bằng hằng số.
Kiểm tra mức độ phù hợp giữa mô hình và thực nghiệm
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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Sai lệch mô hình và thực nghiệm tại nhiệt độ 450C
Hình 2-5: Sai lệch điện áp OCV giữa mô hình ESC và thực nghiệm tại 450C Nhận xét: Hình 2-25 là so sánh điện áp đầu ra của mô hình với các tham số
đã xác định được với dữ liệu thực nghiệm trong hai trường hợp (dữ liệu thực
nghiệm xác định quan hệ giữa OCV và SoC và dữ liệu thực nghiệm để xác định
các tham số còn lại) cho thấy điện áp đầu ra của mô hình gần như trùng với điện áp
đầu ra của hai tập dữ liệu thực nghiệm tại nhiệt độ 45o C. Sai lệch này có giá trị
trung bình bằng 0 và nằm trong khoảng ±0.02V, so với giá trị điện áp bé nhất là
3.7V thì sai lệch này chiếm khoảng 0.54%.
2.6. Kết luận chương 2
Chương 2 của luận văn đã xây dựng mô hình ESC của pin, xác định quan hệ
giữa điện áp hở mạch OCV và SoC theo 08 nhiệt độ làm việc. Xác định các tham
số còn lại trong mô hình bao gồm , các tham số này cùng với
quan hệ giữa OCV và SoC của pin được xác định dựa trên dữ liệu thực nghiệm thu
được dựa trên một số kịch bản xả nạp khác nhau. Kết quả xác định quan hệ giữa
OCV và SoC, các tham số cho thấy mức độ chính xác đáng tin cậy. Chương 3 của
luận văn sẽ nghiên cứu vấn đề quan sát SoC sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng dựa
trên mô hình đã được xác định trong chương 2 này.
39
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 3: QUAN SÁT SoC CỦA PIN LITHIUM
SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG
3.1. Quan sát SoC sử dụng bộ quan sát Kalman mở rộng
3.1.1. Nguyên lý của bộ quan sát Kalman mở rộng
Bộ quan sát Kalman mở rộng là bộ quan sát áp dụng lý thuyết của bộ lọc
Kalman cho hệ tuyến tính bằng cách sử dụng phân tích chuỗi Taylor để tuyến tính
hóa các phương trình hệ thống phi tuyến xung quanh điểm làm việc, hay điểm trích
mẫu cho hệ rời rạc. Equation Chapter 3 Section 3
Giả thiết cho hệ phi tuyến viết trên miền rời rạc như sau:
(3.1)
trong đó là véc tơ biến trạng thái, là véc tơ tín hiệu vào tại thời điểm k, là
véc tơ nhiễu hệ thống, là véc tơ nhiễu đo lường, là véc tơ đầu ra của hệ, hai
hàm là phi tuyến, có các hệ số có thể thay đổi theo thời gian hoặc bằng
hằng số. Giả thiết nhiễu hệ thống và nhiễu đo lường là nhiễu ồn trắng
Bộ quan sát Kalman mở rộng được thực hiện qua các bước sau [6]:
Bước 1a: Ước lượng trạng thái tại thời điểm k
(3.2)
trong đó
Bước 1b: Cập nhật ma trận hiệp phương sai của sai lệch ước lượng trạng
thái
Xác định sai lệch ước lượng trạng thái
(3.3)
Thành phần đầu tiên của () được thay thế bằng khai triển Taylor xung
quanh điểm , hay
40
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
(3.4)
Vậy ta có
(3.5)
Ma trận hiệp phương sai của sai lệch ước lượng là
(3.6)
Bước 1c: Ước lượng đầu ra
Đầu ra của hệ được ước lượng là
(3.7)
trong đó
Bước 2a: Xác định ma trận khuếch đại trạng thái
(3.8)
Sử dụng khai triển Taylor cho thành phần thứ nhất của phương trình trên ta
có
(3.9)
Ma trận hiệp phương sai của sai lệch đầu ra là
(3.10)
Ma trận hiệp phương sai của sai lệch ước lượng trạng thái và sai lệch đầu ra là
41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
(3.11)
Ma trận khuếch đại trạng thái được xác định là
(3.12)
Bước 2b: Hiệu chỉnh trạng thái quan sát
(3.13)
Bước 2c: Cập nhật ma trận hiệp phương sai của sai lệch quan sát
(3.14)
Tổng kết lại ta có thuật toán tính toán bộ lọc Kalman mở rộng như sau:
Bảng 3-1: Thuật toán tính toán bộ lọc Kalman mở rộng
Mô hình không gian trạng thái
Định nghĩa các ma trận
Khởi tạo: khi k=0 đặt
Tính toán: Từ k =1,2,......
Ước lượng trạng thái:
Ước lượng ma trận hiệp phương sai sai lệch quan sát:
Ước lượng đầu ra:
42
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Xác định ma trận khuếch đại quan sát:
Cập nhật trạng thái quan sát:
Cập nhật ma trận hiệp phương sai của sai lệch quan sát:
3.1.2. Quan sát SoC sử dụng bộ quan sát Kalman mở rộng
Từ phương trình mô hình ESC của pin Lirthium Ion như đã xác định ở
chương II
(3.15)
chúng ta cần đi xác định các ma trận .
Trước hết ta đi xác định các thành phần để tính toán ra ma trận . Giả
thiết rằng dòng điện qua pin đo được bị nhiễu là , nhưng chỉ đo được . Để
đơn giản giả thiết .
Phương trình của SoC được viết là
(3.16)
vậy
(3.17)
Phương trình dòng điện qua điện trở của pin là
43
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
(3.18)
trong đó , vậy đạo hàm riêng theo dòng điện và nhiễu dòng điện là
(3.19)
Phương trình trễ điện áp là
(3.20)
trong đó , vậy các đạo hàm riêng theo trễ điện áp và nhiễu là
(3.21)
Tiếp theo ta đi xác định các ma trận . Phương trình điện áp đầu ra của
pin là
(3.22)
Ta có các hệ số
(3.23)
3.2. Kết quả quan sát SoC cho pin Lithum Ion Samsung INR18650-25R
20/35A 2500mAh 18650
Dữ liệu mô hình của pin đã xác định được ở chương 2, như sau:
44
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Bảng 3-2. Dữ liệu mô hình của Pin
Tên biến OCV0 (1x201)
3.3034 3.6009 3.6573 3.6587 3.6708 3.7005
3.4149 3.6383 3.6614 3.6797 3.7085 3.7123 3.7364 3.7602 3.7664 3.7735 3.7828 3.7943 3.8083 3.8224 3.8246 3.8376 3.8552 3.8787 3.9112 3.9414 3.9683 3.9959 4.0237 4.0280 4.0582 4.0908 4.1266 4.1644
3.4572 3.6506 3.6628 3.6840 3.7159 3.7393 3.7425 3.7615 3.7672 3.7746 3.7841 3.7960 3.8102 3.8264 3.8396 3.8416 3.8579 3.8823 3.9153 3.9450 3.9715 3.9998 4.0322 4.0623 4.0664 4.0952 4.1311 4.1693
3.5255 3.6551 3.6664 3.6921 3.7237 3.7498 3.7642 3.7686 3.7698 3.7778 3.7769 3.7884 3.7868 3.8008 3.7992 3.8160 3.8141 3.8318 3.8299 3.8481 3.8459 3.8690 3.8661 3.8986 3.8900 3.8942 3.9270 3.9306 3.9231 3.9584 3.9549 3.9516 3.9853 3.9816 3.9784 4.0154 4.0112 4.0074 4.0497 4.0454 4.0411 4.0825 4.0783 4.0744 4.1174 4.1129 4.1083 4.1546 4.1403 4.1452 4.1498 4.2025 4.1849 4.1907 4.1797
Dữ liệu 3.3649 3.2236 3.6211 3.5534 3.5783 3.6599 3.6562 3.6735 3.6765 3.6683 3.7046 3.6964 3.7335 3.7273 3.7306 3.7587 3.7564 3.7535 3.7661 3.7654 3.7647 3.7726 3.7715 3.7706 3.7816 3.7791 3.7802 3.7927 3.7897 3.7910 3.8045 3.8062 3.8026 3.8202 3.8181 3.8355 3.8336 3.8530 3.8505 3.8753 3.8720 3.9070 3.9029 3.9378 3.9344 3.9615 3.9648 3.9886 3.9923 4.0196 4.0540 4.0866 4.1220 4.1595
OCVrel (1x201)
SoC (1x201)
3.4938 2.8685 3.1006 3.6543 3.6644 3.6881 3.7198 3.7461 3.7625 3.7633 3.7680 3.7755 3.7855 3.7976 3.8122 3.8281 3.8438 3.8605 3.8632 3.8861 3.9194 3.9482 3.9748 4.0036 4.0366 4.0705 4.0995 4.1040 4.1358 4.1742 -0.00163 -0.00093 -0.00065 -0.00058 -0.00053 -0.00049 -0.00047 -0.00046 -0.00044 -0.00042 -0.00041 -0.00040 -0.00039 -0.00035 -0.00025 -0.00003 0.00010 0.00012 0.00013 0.00011 0.00011 0.00010 0.00009 0.00007 0.00005 0.00003 0.00000 -0.00002 -0.00005 -0.00007 -0.00011 -0.00012 -0.00014 -0.00015 -0.00015 -0.00015 -0.00015 -0.00016 -0.00015 -0.00015 -0.00015 -0.00015 -0.00015 -0.00016 -0.00017 -0.00017 -0.00016 -0.00017 -0.00017 -0.00018 -0.00018 -0.00019 -0.00019 -0.00019 -0.00018 -0.00017 -0.00015 -0.00013 -0.00010 -0.00008 -0.00005 -0.00003 -0.00002 0.00000 -0.00001 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00001 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 -0.00001 0.00000 0.00000 0.00000 -0.00001 -0.00001 -0.00001 -0.00001 -0.00001 -0.00001 -0.00002 -0.00002 -0.00002 -0.00002 -0.00003 -0.00003 -0.00003 -0.00003 -0.00003 -0.00004 -0.00004 -0.00004 -0.00004 -0.00003 -0.00003 -0.00002 -0.00002 -0.00002 -0.00002 -0.00001 -0.00001 -0.00001 0.00001 0.00001 0.00001 0.00003 0.00003 0.00005 0.00007 0.00009 0.00012 0.00016 0.00020 0.00024 0.00028 0.00029 0.00031 0.00031 0.00029 0.00027 0.00026 0.00023 0.00021 0.00019 0.00017 0.00016 0.00014 0.00012 0.00012 0.00011 0.00009 0.00009 0.00009 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00008 0.00007 0.00007 0.00007 0.00006 0.00006 0.00005 0.00005 0.00004 0.00003 0.00003 0.00001 0.00000 0.00000 -0.00001 -0.00001 -0.00001 -0.00001 -0.00001 0.00000 0.00001 0.00001 0.00002 0.00002 0.00002 0.00002 0.00002 0.00002 0.00002 0.00002 0.00001 0.00001 0.00002 0.00001 0.00002 0.00001 0.00002 0.00001 0.00001 0.00001 0.00001 0.00000 -0.00001 0.00000 -0.00001 -0.00012 0.00000 0.00500 0.01000 0.01500 0.02000 0.02500 0.03000 0.03500 0.04000 0.04500 0.05000 0.05500 0.06000 0.06500 0.07000 0.07500 0.08000 0.08500 0.09000 0.09500 0.10000 0.10500 0.11000 0.11500 0.12000 0.12500 0.13000 0.13500 0.14000 0.14500 0.15000 0.15500 0.16000 0.16500 0.17000 0.17500 0.18000 0.18500 0.19000 0.19500 0.20000 0.20500 0.21000 0.21500 0.22000 0.22500 0.23000 0.23500 0.24000 0.24500 0.25000 0.25500 0.26000 0.26500 0.27000 0.27500 0.28000 0.28500 0.29000 0.29500 0.30000 0.30500 0.31000 0.31500 0.32000 0.32500 0.33000 0.33500 0.34000 0.34500 0.35000 0.35500 0.36000 0.36500 0.37000 0.37500 0.38000 0.38500 0.39000 0.39500 0.40000 0.40500 0.41000 0.41500 0.42000 0.42500 0.43000 0.43500 0.44000
45
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
OCV (1x178)
2.57 2.65 2.73 2.81 2.89 2.97 3.05 3.13 3.21 3.29 3.37 3.45 3.53 3.61 3.69 3.77 3.85 3.93 4.01 4.09 4.17 4.25
2.51 2.59 2.67 2.75 2.83 2.91 2.99 3.07 3.15 3.23 3.31 3.39 3.47 3.55 3.63 3.71 3.79 3.87 3.95 4.03 4.11 4.19
2.52 2.60 2.68 2.76 2.84 2.92 3.00 3.08 3.16 3.24 3.32 3.40 3.48 3.56 3.64 3.72 3.80 3.88 3.96 4.04 4.12 4.20
2.56 2.64 2.72 2.80 2.88 2.96 3.04 3.12 3.20 3.28 3.36 3.44 3.52 3.60 3.68 3.76 3.84 3.92 4.00 4.08 4.16 4.24
2.54 2.62 2.70 2.78 2.86 2.94 3.02 3.10 3.18 3.26 3.34 3.42 3.50 3.58 3.66 3.74 3.82 3.90 3.98 4.06 4.14 4.22
2.53 2.61 2.69 2.77 2.85 2.93 3.01 3.09 3.17 3.25 3.33 3.41 3.49 3.57 3.65 3.73 3.81 3.89 3.97 4.05 4.13 4.21
SoC0 (1x178)
-0.0069 -0.0072 -0.0052 -0.0054 -0.0035 -0.0037 -0.0020 -0.0017 -0.0002 0.0001 0.0020 0.0022 0.0042 0.0065 0.0087 0.0126 0.0182 0.0260 0.0363 0.0484 0.0505 0.0742 0.2096 0.4645 0.6299 0.7377 0.8403 0.9337 0.9987 1.0035
-0.0067 -0.0050 -0.0033 -0.0015 0.0003 0.0025 0.0045 0.0048 0.0068 0.0090 0.0133 0.0190 0.0270 0.0377 0.0527 0.0992 0.1282 0.2258 0.4895 0.6413 0.7523 0.8522 0.9445 1.0079
-0.0074 -0.0056 -0.0039 -0.0022 -0.0004 0.0017 0.0039 0.0062 0.0085 0.0119 0.0175 0.0249 0.0333 0.0348 0.0465 0.0682 0.1953 0.4375 0.6177 0.7226 0.8288 0.9118 0.9228 0.9930
-0.0065 -0.0048 -0.0030 -0.0013 0.0006 0.0028 0.0051 0.0071 0.0073 0.0097 0.0093 0.0147 0.0140 0.0206 0.0197 0.0293 0.0281 0.0409 0.0393 0.0574 0.0551 0.1576 0.1450 0.3212 0.2407 0.2618 0.5409 0.5639 0.5150 0.6789 0.6655 0.6530 0.7932 0.7802 0.7668 0.8891 0.8770 0.8645 0.9757 0.9655 0.9551 1.0211 1.0167 1.0123
0.44500 0.45000 0.45500 0.46000 0.46500 0.47000 0.47500 0.48000 0.48500 0.49000 0.49500 0.50000 0.50500 0.51000 0.51500 0.52000 0.52500 0.53000 0.53500 0.54000 0.54500 0.55000 0.55500 0.56000 0.56500 0.57000 0.57500 0.58000 0.58500 0.59000 0.59500 0.60000 0.63000 0.63500 0.64000 0.60500 0.61000 0.61500 0.62000 0.62500 0.64500 0.65000 0.65500 0.66000 0.66500 0.67000 0.67500 0.68000 0.68500 0.69000 0.69500 0.70000 0.70500 0.71000 0.71500 0.72000 0.72500 0.73000 0.73500 0.74000 0.74500 0.75000 0.75500 0.76000 0.76500 0.77000 0.77500 0.78000 0.78500 0.79000 0.79500 0.80000 0.80500 0.81000 0.81500 0.82000 0.82500 0.83000 0.83500 0.84000 0.84500 0.85000 0.85500 0.86000 0.86500 0.87000 0.87500 0.88000 0.88500 0.89000 0.89500 0.90000 0.90500 0.91000 0.91500 0.92000 0.92500 0.93000 0.93500 0.94000 0.94500 0.95000 0.95500 0.96000 0.99000 0.99500 1.00000 0.96500 0.97000 0.97500 0.98000 0.98500 2.55 2.50 2.63 2.58 2.71 2.66 2.79 2.74 2.87 2.82 2.95 2.90 3.03 2.98 3.11 3.06 3.19 3.14 3.27 3.22 3.35 3.30 3.43 3.38 3.51 3.46 3.59 3.54 3.67 3.62 3.75 3.70 3.83 3.78 3.91 3.86 3.99 3.94 4.07 4.02 4.15 4.10 4.18 4.23 4.26 -0.0076 -0.0078 -0.0080 -0.0059 -0.0061 -0.0063 -0.0041 -0.0043 -0.0046 -0.0024 -0.0026 -0.0028 -0.0006 -0.0009 -0.0011 0.0014 0.0011 0.0008 0.0037 0.0034 0.0031 0.0059 0.0056 0.0054 0.0082 0.0079 0.0076 0.0111 0.0101 0.0105 0.0168 0.0154 0.0161 0.0227 0.0238 0.0216 0.0319 0.0305 0.0446 0.0427 0.0630 0.0599 0.1821 0.1695 0.4062 0.3692 0.6025 0.5842 0.6928 0.7075 0.8055 0.8174 0.9005 0.9854 1.0255
OCVrel (1x178)
2.49 -0.0082 0.000057 0.000056 0.000056 0.000055 0.000054 0.000054
0.000053 0.000053 0.000052 0.000051 0.000051 0.000050 0.000049 0.000049 0.000048 0.000048 0.000047 0.000046 0.000046 0.000045 0.000044 0.000044 0.000043 0.000043 0.000042 0.000041 0.000041 0.000040 0.000040 0.000039 0.000038 0.000038
46
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
-0.000397
-0.000029
-0.000082 -0.000318 -0.000119 -0.000083
-0.000302 - -0.000217 - -0.000113- -0.000043 - -0.000022 - 0.000068
-0.000018 -0.000006
OCVQ (1 x 8)
OCVeta (1 x 8)
0.991240379867523
0.000038 0.000038 0.000038 0.000039 0.000039 0.000040 0.000040 0.000041 0.000041 0.000041 0.000041 0.000040 0.000039 0.000038 0.000038 0.000037 0.000036 0.000036 0.000035 0.000034 0.000033 0.000033 0.000032 0.000031 0.000030 0.000030 0.000029 0.000028 0.000027 0.000027 0.000026 0.000025 0.000024 0.000024 0.000023 0.000022 0.000021 0.000021 0.000020 0.000021 0.000027 0.000034 0.000040 0.000044 0.000043 0.000043 0.000042 0.000042 0.000041 0.000040 0.000040 0.000039 0.000039 0.000038 0.000041 0.000047 0.000053 0.000056 0.000055 0.000054 0.000054 0.000053 0.000052 0.000053 0.000058 0.000065 0.000068 0.000067 0.000067 0.000066 0.000067 0.000073 0.000079 0.000081 0.000080 0.000078 0.000083 0.000090 0.000093 0.000092 0.000095 0.000104 0.000101 0.000025 -0.000012 0.000121 0.000162 0.000180 0.000200 0.000203 0.000258 0.000256 0.000280 0.000604 0.000028 -0.000005 0.000010 0.000035 0.000066 0.000080 0.000088 0.000038 -0.000203 -0.000016 -0.000272 0.000338 -0.000341 -0.000123 0.000165 -0.000133 0.000114 -0.000097 -0.000063 0.000017 0.000002 0.000009 0.000008 -0.000008 -0.000023 -0.000015-0.000013 -0.000020 -0.000001 0.000025 0.000014 -0.000010 0.000110 0.000163 0.000217 0.000270 0.000324 0.000377 2.16059783836010 2.16352610129109 2.17686662338975 2.17058839729510 2.17510662791514 2.17529962872337 2.18858227281753 2.17285900776249 0.987641340252708 0.989120659632985 0.991699131770744 0.987604769535184 0.988428318746643 0.985439396412454 0.988478517031051
-25 -15 -5 5 15 25 35 45
Các nhiệt độ xét T (1 x 8)
2.1497 2.1378 2.1597 2.1877 2.1944 2.1507 2.1515 2.1524
(1 x 8)
2.150
2.138
2.160
2.188
2.194
2.151
2.152
2.152
(1 x 8)
250 17.2157 250 250 250 250 250 250
(1 x 8)
0.0043 0.0619 0.0086 0.0060 0.0057 0.0042 0.0036 0.0023
(1 x 8)
0.1142 0.1301 0.0380 0.0305 0.0227 0.0244 0.0213 0.0196
(1 x 8)
0.5967 0.4166 0.2645 0.1622 0.1149 0.0898 0.0781 0.0718
(1 x 8)
1.3781 0.8885 0.8188 0.7706 0.9576 2.0578 2.1560 2.6972
RC (1 x 8)
0.4655 0.2373 0.0652 0.0219 0.0137 0.0105 0.0093 0.0087
(1 x 8)
47
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Các dữ liệu động học cho các kịch bản 1,2,3
Kịch bản 1:
Hình 3-6: Dữ liệu động học cho kịch bản 1
Kịch bản 2:
Hình 3-7: Dữ liệu động học cho kịch bản 2
48
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Kịch bản 3:
Hình 3-8: Dữ liệu động học cho kịch bản 3
Các ma trận hiệp phương sai được chọn
Kết quả quan sát cho từng kịch bản như sau:
49
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Kịch bản 1
Hình 3-9: Kết quả quan sát SoC và sai lệch quan sát SoC cho kịch bản 1
50
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Kịch bản 2
Hình 3-10: Kết quả quan sát SoC và sai lệch quan sát SoC cho kịch bản 2
51
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Kịch bản 3
Hình 3-11: Kết quả quan sát SoC và sai lệch quan sát SoC cho kịch bản 3 Nhận xét:
Đối với kịch bản 1: Lượng xả nhiều hơn lượng nạp (thể hiện ở hình 3-1),
điện áp giảm dần từ 4.2V xuống 3.5V, tổng lượng nạp vào pin là 0.8Ah, tổng lượng
xả là 2.8Ah. Kết quả quan sát SoC như trên hình 3-4 cho thấy SoC giảm từ 100%
xuống 5%. Đường quan sát bằng mô hình ESC được gần trùng với đường SoC thực
tế xác định bằng dữ liệu thực nghiệm. Sai lệch quan sát như mô tả trên hình 3-4 có
giá trị trong khoảng ±1%.
Đối với kịch bản 2: Đây là kịch bản cho nạp đầy sau đó cho xả với tốc độ
C/30 đến khi điện áp ở mức min và duy trì ở mức này, nghĩa là SoC rất nhỏ như
52
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
biểu thị trên Hình 3-2. Kết quả quan sát SoC như trên Hình 3-5 cho thấy SoC giảm
rất nhanh từ 100% xuống 2.5% và trong giai đoạn duy trì điện áp bằng min thì SoC
giảm xuống 0%. Đường quan sát bằng mô hình ESC được gần trùng với đường SoC
thực tế xác định bằng dữ liệu thực nghiệm. Sai lệch quan sát như mô tả trên hình 3-
4 có giá trị trong khoảng ±0.1%.
Đối với kịch bản 3: Đây là kịch bản cho nạp đầy đến khi điện áp ở mức max
và duy trì ở mức này, nghĩa là SoC rất gần 100% như biểu thị trên Hình 3-3. Kết
quả quan sát SoC như trên Hình 3-6 cho thấy SoC tăng 0 đến 100%. Đường quan
sát bằng mô hình ESC được gần trùng với đường SoC thực tế xác định bằng dữ liệu
thực nghiệm. Sai lệch quan sát như mô tả trên hình 3-4 có giá trị trong khoảng ±1%.
3.2. Kết luận chương 3
Trong chương này của luận văn, tác giả tìm hiểu về bộ lọc Kalman mở rộng
áp dụng cho hệ phi tuyến. Sau đó áp dụng nguyên tắc đó cho mô hình ESC đã xây
dựng ở chương 2 nhằm quan sát SoC cho pin Lithium Ion dựa trên 03 kịch bản
dòng áp và nhiệt độ của Pin. Kết quả cho thấy SoC của pin đã được xác định khá
chính xác với sai số đảm bảo yêu cầu là nhỏ hơn 2%.
53
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
a. Kết luận
Luận văn với tên đề tài “Nghiên cứu thuật toán ước lượng trạng thái SoC cho modul pin Lithium” đã tìm hiểu về pin Lithium Ion, nguyên lý hoạt động và các ứng dụng của Pin Lirthium Ion. Một trong những tham số quan trọng cần xác định trong quá trình làm việc của Pin đó là SoC. 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.
Xây dựng mô hình cho một cell pin Lithium Ion dựa trên phương pháp mạch điện tương đương, mô hình ESC. Mô hình ESC đã kể đến các hiện tượng phân cực tuyến tính, trễ điện áp trong quá trình nạp và xả. Qua đó xác định quan hệ giữa điện áp hở mạch và OCV. Các tham số của mô hình pin cũng được xác định thông qua các kịch bản dữ liệu thực nghiệm của Pin. Tìm hiểu về bộ lọc Kalmam mở rộng áp dụng cho hệ phi tuyến. Sau đó áp dụng nguyên tắc đó cho mô hình ESC. Kết quả cho thấy SoC của pin đã được xác định khá chính xác với sai số đảm bảo yêu cầu là nhỏ hơn 2%.
b. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Trong luận văn đã xác định các tham số của pin SAM (SAMSUNG),
INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 Lithium ion, pin sạc cho các thiết bị điện
tử cầm tay.
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.
54
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. https://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_Li-ion
[2]. https://www.sparkfun.com/products/13813
[3]. Ruifeng Zhang 1,2,3,* ID , Bizhong Xia 1 , Baohua Li 1 , Libo Cao 2 ,
Yongzhi Lai 3 , Weiwei Zheng 3 , Huawen Wang 3 and Wei Wang 3, State
of the Art of Lithium-Ion Battery SOC Estimation for Electrical Vehicles,
Energies 2018, 11, 1820; doi:10.3390/en11071820
[4]. Gregory L.Plett, “Battery Modeling”, Vol 1, Artech House, London, 2015
[5]. M. Sami Fadali, Antonio Visioli, “Digital Control Engineering, Analysis
and Design” Elsevier Press, 2009
[6]. Gregory L.Plett, “Applied Kalman Filtering”, Artech House, London,
2017
[7]. Nguyễn Vĩnh Thụy, Nguyễn Văn Chí, “Ước lượng SoC của Pin Lithium
Ion sử dụng bộ quan sát bình phương cực tiểu hồi quy”, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, 2018
