Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ước lượng SoC cho Pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:73

Thêm vào BST

Báo xấu

50
lượt xem 15
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu đề tài là 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ước lượng SoC cho Pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU ƢỚC LƢỢNG SoC CHO PIN LITHIUM-ION SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT KỸ THUẬT ĐIỆN THÁI NGUYÊN – 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÙI TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU ƢỚC LƢỢNG SoC CHO PIN LITHIUM-ION SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN MÃ SỐ: 8 52 02 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Văn Chí THÁI NGUYÊN – 2020
CỘNG HÕA 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: Bùi Trung Kiên Đề tài luận văn: “Nghiên cứu ƣớc lƣợng SoC cho Pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng” Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8.52.02.01 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 23 / 09 /2020 với các nội dung sau: - Chỉnh sửa luận văn đúng quyy định; - Đánh đủ số trang; - Chỉnh sửa công thức hình vẽ. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 10 năm 2020 Cán bộ hƣớng dẫn Tác giả luận văn PGS. TS. Nguyễn Văn Chí Bùi Trung Kiên CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS. TS. Nguyễn Hữu Công i
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Bùi Trung Kiên Sinh ngày 15 tháng 09 năm 1977 Học viên lớp cao học khoá K21 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại : Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thuật toán ƣớc lƣợng SoC cho Pin Lithuim-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng” 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 2020 Học viên Bùi Trung Kiên ii
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 ƣớc lƣợng SoC cho Pin Lithuim-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng” 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 2020 Tác giả luận văn Bùi Trung Kiên iii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... II LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... III MỤC LỤC ............................................................................................................... IV DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................... VI DANH MỤC BẢNG, BIỂU ..................................................................................VII DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................... VIII LỜI NÓI ĐẦU ...........................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................2 3. Nội dung của luận văn ........................................................................................2 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SOC ................3 1.1. Giới thiệu về pin lithium – Ion ........................................................................3 1.1.1. Khái niệm về pin Lithium – Ion ................................................................3 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium - Ion ..............................................4 1.1.3. Ưu điểm của Pin Lithium Ion và các ứng dụng ........................................6 1.2. Tham số SOC của pin Lithium - Ion ..............................................................8 1.2.1. Khái niệm về tham số SOC của pin Lithium - Ion ....................................8 1.2.2.Các đặc điểm của tham số SoC...................................................................9 1.3. Vấn đề ước lượng các tham số của Pin Lithium Ion .....................................10 1.3.1.Các tham số cần ước lượng.......................................................................10 1.3.2. Một số phương pháp xác định SoC .........................................................11 1.4. Kết luận chương 1 .........................................................................................11 CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN TƢƠNG ĐƢƠNG CHO PIN LITHIUM - ION ..............................................................................................12 2.1.Mô hình mạch điện tương đương của Pin Lithium -Ion..................................12 2.1.1.Quan hệ giữa điện áp hở mạch (OCV) và SoC.........................................12 2.1.2.Phân cực tuyến tính...................................................................................14 2.1.3. Điện áp trễ ................................................................................................15 2.2. Rời rạc hóa mô hình của pin Lithium Ion ......................................................16 iv
2.3. Mô hình ESC của pin Lithium Ion .................................................................18 2.4. Xác định các tham số của mô hình ESC ........................................................19 2.4.1. Xác định quan hệ giữa OCV và SoC .......................................................19 2.4.2. Xác định các tham số còn lại của mô hình ESC ......................................27 2.5. Kết quả xác định các tham số của mô hình ESC cho một loại Pin ................31 2.5.1. Quan hệ giữa SoC và OCV ......................................................................34 2.5.2. Các tham số của mô hình .........................................................................37 2.6. Kết luận chương 2 ..........................................................................................39 CHƢƠNG 3: ƢỚC LƢỢNG SOC CỦA PIN LITHIUM SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG ............................................................................................40 3.1. Nguyên lý của bộ lọc Kalman mở rộng..........................................................40 3.2. Ước lượng SoC của pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng .........43 3.2.1. Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho mô hình ESC của cell pin Lithium - Ion ....................................................................................................................43 3.2.2.Thuật toán ước lượng SoC cho mô hình ESC của cell pin Lithium – Ion 45 3.3.Kết quả ước lượng SoC cho pin Lithum Ion Samsung INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 ...................................................................................48 3.4. Kết luận chương 3 ..........................................................................................58 KẾT LUẬN ..............................................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60 v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT T vi t tắt Tên ti ng Anh Tên ti ng 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 làm 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 vi
DANH MỤC BẢNG, BIỂU Bảng 2.1. Bảng dữ liệu thực nghiệm để xác định quan hệ giữa OCV và SoC cho pin Lithium Ion................................................................................................................21 Bảng 2.2. Bảng dữ liệu thí nghiệm xác định các tham số còn lại của pin ...............30 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 Bảng 3-1: Thuật toán tính toán bộ lọc Kalman mở rộng ........................................42 Bảng 3-2. Dữ liệu mô hình của Pin ..........................................................................49 vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 : Một loại Pin Lithium NCR18650 của hãng Panasonic ............................4 Hình 1.2 Minh họa quá trình sạc và xả của pin Lithium ...........................................5 Hình 1.3. Cấu trúc một hệ thống BMS .....................................................................8 Hình 1.4. Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở mạch trong quá trình nạp và xả ...................................................................................9 Hình 2.1. Mô hình điện áp hở mạch của Pin – Lithium Ion ...................................12 Hình 2.2. Quan hệ giữa OCV và SoC tại nhiệt độ 250C cho một loại 03 loại Pin Lithium ......................................................................................................................13 Hình 2.3. Mô hình pin Lithium khi kể đến nội trở ...................................................14 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 ..........................15 Hình 2.6. Hiện tượng điện áp trễ ............................................................................16 Hình 2.7. Mô hình ESC của pin Lithium - Ion ......................................................18 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 viii
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 lệc điện áp OCV giữa mô hình ESC và thực nghiệm tại 450C .......39 Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán ước lượng SoC cho cell pin lithium – Ion mô hình ESC............................................................................................................................46 Hình 3.2. Lưu đồ thuật toán ước lượng SoC cho chu kỳ k .....................................47 Hình 3.3. Dữ liệu động học cho kịch bản 1 ...........................................................53 Hình 3.4. Dữ liệu động học cho kịch bản 2 ............................................................53 Hình 3.5. Dữ liệu động học cho kịch bản 3 ...........................................................54 Hình 3.6. Kết quả qua sát SoC và sai lệch ước lượng SoC cho kịch bản 1 ..........55 Hình 3.7. Kết quả qua sát SoC và sai lệch ước lượng SoC cho kịch bản 2 ...........56 Hình 3.8. Kết quả qua sát SoC và sai lệch ước lượng SoC cho kịch bản 3 ...........57 ix
LỜI NÓI ĐẦU 1. Tính cấp thi t của đề tài Ngày nay Pin Lithuum- Ion được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xe điện (EVs) bởi vì các các ưu điểm của nó như: mật độ năng lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, tốc độ tự xả lâu và vòng đời sử dụng dài hơn [1]][2]. Để sử dụng cho ứng dụng xe điện, pack pin được tạo ra bằng cách nối tiếp và song song rất nhiều các cell nhằm đạt được công suất mong muốn. SoC là một thông số quan trọng trong hệ thống BMS, đối với cell SoC được hiểu là năng lượng còn lại được tính băng % của cell là bao nhiêu. Thông số này quyết định đến tác động điều khiển xả nạp của hệ thống BMS. Tuy nhiên SoC của một pack là một tham số khó định nghĩa, tùy thuộc vào các chiến lượng cân bằng khác nhau mà sẽ có các định nghĩa là SoC của pack và dung lượng pack. Việc xác định chính xác SoC của gói pin để biết được dung lượng của gói pin trong quá trình vận hành là rất quan trọng. Do đó cần phải xác định SoC của cell trong gói pin, hoặc SoC trung bình của các cell song song, sau đó là các cell nối tiếp[3]. Bài toán ước lượng SoC cho một cell cho pin Lithium-Ion Battery đã và đang thu hút nhiều nghiên cứu trong những năm vừa qua và có những phương pháp khá chính xác. Các sách lược cho việc ước lượng SoC của cell tiêu biểu sử dụng: mạch vòng hở (open loop) gồm phương pháp điện áp hở mạch, phương pháp đếm couloumb[4][5] ; phương pháp dựa trên mô hình mạch điện tương đương ECE của cell, đó là mô hình bậc 1, bậc 2 [6][7], và mô hình thích nghi có kể thêm các yếu tố khác như độ trễ, nhiễu trong các phép đo dòng điện, điện áp ở hai đầu của cell, sự thay đổi của điện trở trong phụ thuộc vào quá trình già hóa, nhiệt độ [8]; bộ lọc Kalman [9], EKF[10], SPKF, PF [11][12]. Ngoài ra còn có các sách lược dựa trên thuật toán học như, mạng neural [13][14], mờ [15], mô hình Fractional phi tuyến[15] Trong khi đó đối với gói pin lithium, việc ước lượng SoC vẫn là một bài toán đang thu hút nhiều người quan tâm trong những năm gần đây [17][18]. Vì bài toán này không những đề cập đến tính phức tạp của mô hình pack, SoC cho các cell, SoC trung bình, tốc độ tính toán và mức độ chính xác, vấn đề kể đến sự ảnh hưởng của các tham số nhiễu[3]. Mỗi một đề cập sẽ có những hướng riêng để giải quyết bài 1
toán đó. 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. - 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 mạch điện tương đương bậc 1 cho pin Lithium Ion  Ước lượng SoC cho pin Lithium Ion biểu diễn bằng mô hình mạch điện tương đương sử dụng bộ ước lượng 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 mạch điện tương đương cho pin Lithium Ion Chương 3: Ước lượng SoC của Pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng Phần cuối là kết luận chung của luận văn 2
CHƢƠNG 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 Lithium-ion hay còn được viết vắn tắt là Li-ion. Loại pin này được cấu tạo gồm các thành phần cơ bản là chất điện phân đóng vai trò như môi trường di chuyển giữa hai cực âm và dương của pin. Qua thời gian dài nghiên cứu và ứng dụng loại pin này đang dần được cải thiện về khả năng tích trữ năng lượng cũng như độ bền theo thời gian. Bản chất trong một viên pin là sự di chuyển của các hạt điện tích giữa hai cực âm và dương. Khi viên pin được xả hoàn toàn, điện tích chủ yếu chứa trong viên pin sẽ là điện tích dương và không thể sử dụng để cung cấp cho các phần cứng yêu cầu trong thiết bị. Sau khi ta cắm điện, quá trình nạp lại điện tích diễn ra, viên pin sẽ được cung cấp lại điện tích âm thiếu hụt trong quá trình sử dụng. Khi số lượng điện tích đã bão hòa tức là pin đã đầy. Và cứ như vậy quá trình nạp xả của một viên pin. Lý do chính khiến pin Li-ion được sử dụng phổ biến là mật độ năng lượng cao của nó. Một thỏi pin Li-ion nhỏ có thể chứa rất nhiều năng lượng. Hơn nữa, pin Li-ion mang lại thời gian sạc tốt hơn và chu kỳ sạc xả nhiều hơn trước khi hỏng. Nếu bạn sử dụng Lithium thuần khiết làm điện cực cho pin, pin sẽ có khả năng lưu trữ năng lượng lớn hơn rất nhiều nhưng không thể sạc lại được. Vì vậy, tuỳ thuộc vào vật liệu làm điện cực, bạn có thể tác động mạnh mẽ đến hiệu năng của pin. Mật độ năng lượng phụ thuộc vào số lượng ion Li+ và e- tồn tại trên mỗi đơn vị diện tích của điện cực. 3
Hình 1.1 : Một loại Pin Lithium NCR18650 của hãng Panasonic 1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium - Ion Loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp. Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập, điền đầy khoảng trống giữa các lớp này. Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động. 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.  Trong quá trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dƣơng sang cực âm.  Trong quá trình xả (gọi là quá trình sử dụng), các ion Li chuyển động từ cực âm sang cực dƣơng Cực dương được làm bằng hợp chất ô xít kim loại chuyển tiếp và Li (như LiMnO2, LiCoO2,… còn cực âm được làm bằng graphite. Ngoài ra, dung dịch điện ly của pin (nghĩa là môi trường cho phép các ion Li chuyển dịch từ điện cực này sang điện cực kia) phải có độ dẫn ion tốt cũng là chất cách điện tốt. 4
Hình 1.2 Minh họa quá trình sạc và xả của pin Lithium 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): LiCoO2 CoO2 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): C6 Li e LiC 6 (1.2) 5
Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả) C6 LiCoO2 LiC 6 CoO2 (1.3) Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+, và ngược lại khi xả. 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: LiCoO2 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. LiCoO2 Li e CoO2 (1.5) 1.1.3. Ưu điểm của Pin Lithium Ion và các ứng dụng Điệp áp cao: So với các loại pin thông thường khác thì pin lithium có điện áp cao hơn. Pin đơn lithium có mức điện áp từ 3,7V – 3,8V. Mật độ lưu trữ năng lượng lớn: Mức năng lượng thực tế của pin có thể đạt được là 555Wh/kg. Mức năng lượng này cao hơn từ 3 – 4 lần so với các loại pin Ni-Cd hay Ni-MH. Vòng đời dài: Thông thường các loại pin có thể đạt được vòng đời hơn 500 lần, thậm chí có thể lên đến mức 1000 lần. Một số loại pin lithium khác có thể đạt được mức vòng đời 2000 lần. Đặc biệt những loại thiết bị xả dòng nhỏ thì tuổi thọ có thể cao hơn nữa. An toàn sử dụng: Pin Lithium được xác nhận an toàn với người sử dụng, không gây ô nhiễm, không gây hiệu ứng nhớ. Và pin Li-ion cũng không gây ô nhiễm hay độc hại đối với môi trường. Sạc nhanh: Một trong những ưu điểm tuyệt vời của loại pin này chính là có tốc độ sạc nhanh. Trong 30 phút thời gian có thể tiến hành nạp được 80% dung lượng pin. Mức nhiệt độ làm việc phù hợp 6
Mức nhiệt độ làm việc của pin lithium được xác định từ -25 – 45 độ C. Các sản phẩm mới được dự kiến sẽ mở rộng mức nhiệt độ làm việc từ -40 – 70 độ C. Bên cạnh những ưu điểm như trên pin lithium vẫn còn tồn tại một vài nhược điểm nhỏ. Tuy nhiên sử dụng loại pin này mang đến cho bạn nhiều tiện ích hơn so với các loại pin khác. 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)[25]. 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 các modul pin sao cho đạt hiệu xuất 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 7
Hình 1.3. 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 1.2. Tham số SOC của pin Lithium - Ion 1.2.1. Khái niệm về tham số SOC của pin Lithium - Ion Để biết lượng năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng mà nó có khi xạc đầy, điều này cần thiết cho người dùng 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 (state of charge, trạng thái nạp) 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 (1.6) cs ,max Thì SoC được xác định như sau: 0% zk (1.7) 100% 0% 8
Hình 1.4. Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở mạch trong quá trình nạp và xả 1.2.2.Các đặc điểm của tham số SoC  Giữa SoC và điện áp hở mạch có một quan hệ phi tuyến, quan hệ này phụ thuộc vào loại pin, vật liệu và các thiết kế của pin. Đặc biệt quan hệ này phụ thuộc vào nhiêt độ vận hành của pin (nhiệt độ bên trong và bên ngoài của pin). Một cách chính xác hơn thì điện áp hở mạch OCV phụ thuộc vào nhiệt độ và mức độ đậm đặc phân tử ở bề mặt các điện cực, tuy nhiên SoC lại phụ thuộc vào mật độ trung bình. Mật độ trên bề mặt và mật độ trung bình thường là không giống nhau.  Khi nhiệt độ thay đổi sẽ dẫn tới OCV thay đổi, tuy nhiên không làm thay đổi SoC của pin  Thời gian sử dụng pin sẽ làm thay đổi đặc tính quan hệ giữa SoC và điện áp hở mạch OCV. 9