KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
72
BÀI BÁO KHOA HỌC
XÂY DỰNG MÔ HÌNH SO SÁNH PIN DÙNG CHO PHƯƠNG TIỆN
VẬN TẢI ĐIỆN SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP RA QUYẾT ĐỊNH ĐA TIÊU CHÍ
Vũ Quang Huy
1
, Vũ Đức Lập
1
, Nguyễn Ngọc Linh
1
Tóm tắt: Bài báo này xây dựng một mô hình so sánh lựa chọn pin Li-ion dùng trên phương tiện vận tải
điện phục vụ việc khai thác sử dụng. Các chỉ tiêu kỹ thuật như điện áp, mật độ năng lượng, nhiệt độ,
tuổi thọ, cũng như các chỉ tiêu an toàn, kinh tế được phân tích. Các hệ số so sánh cho các công nghệ pin
khác nhau tương ứng với mỗi tiêu chí được xây dựng dưới dạng chuẩn hoá và không thứ nguyên. Tiếp
theo, mô hình so sánh tổng hợp bao gồm các tiêu chí nêu trên được xây dựng dưới dạng tổng trọng số
của phương pháp ra quyết định đa tiêu chí. Trọng số được đề xuất xác định từ sự đóng góp của mỗi hệ
số so sánh đối với tổng của chúng. Mô hình tổng hợp được áp dụng cho việc so sánh lựa chọn pin cho
xe đạp điện.
Từ khóa: Pin Lithium-ion, xe điện, tổng trọng số, phương pháp ra quyết định đa tiêu chí.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
*
Sử dụng phương tiện chạy bằng điện (Battery
Electric Vehicles - BEV) là xu thế tất yếu trong
phát triển giao thông (Chen et al. 2019). Hiện nay,
pin lithium sử dụng cho BEV phổ biến nhất là
LiFePO
4
(LFP), Li
4
Ti
5
O
12
(LTO), LiNiMnCoO
2
(NCM), và LiNiCoAIO
2
(NCA) (Liu et al., 2022).
Như đã biết, BEV không chỉ giới hạn ở ô tô, mà
còn bao gồm nhiều loại phương tiện khác như xe
nâng hàng hay xe đạp điện. Do đó, việc phát triển
công cụ hay phương pháp lựa chọn pin là nhu cầu
cần thiết cho sản xuất cũng như khai thác sử dụng.
Các thông số kỹ thuật cơ bản của pin thường được
xem xét để lựa chọn là điện áp, năng lượng
riêng/mật độ năng lượng, công suất riêng/mật độ
công suất, nhiệt độ pin, tuổi thọ pin. Bên cạnh đó,
tính an toàn và tính kinh tế cũng là các tiêu chí
quan trọng cần xem xét. (Shimin et al., 2016) đề
xuất sử dụng phương pháp Promethee trong phân
tích quyết định đa tiêu chí (Brans and B.
Mareschal, 2005), trong đó ma trận so sánh giữa
các tiêu chí được gán các giá trị không thứ nguyên
là 0 và 1 tương ứng với tầm ảnh hưởng ít hay
nhiều của tiêu chí đó, sau đó các giá trị này được
khuếch đại bởi các trọng số được xác định dựa
1
Bộ môn Kỹ thuật ô tô - Khoa Cơ khí, Trường Đại học
Thủy lợi
trên các thuộc tính có lợi và không có lợi của mỗi
tiêu chí. Các loại pin sẽ được xếp hạng dựa trên
chỉ tiêu tổng quát có giá trị lớn nhất. (Koniak, A.
Czerepicki, 2017) thực hiện so sánh giữa bốn loại
pin Li-ion, trong đó mặc dù phân tích kỹ lưỡng về
các đặc điểm kỹ thuật của từng tiêu chí so sánh,
tuy nhiên nghiên cứu này chỉ giới thiệu một bảng
trọng số cho các tiêu chí dựa trên các giá trị dữ
liệu cụ thể của chúng. (Loganathan et al., 2019),
sử dụng việc xếp hạng sơ bộ cho các tiêu chí và
gắn giá trị số tương ứng trong khoảng từ 1 đến 10
và được chuẩn hoá để xác định các thuộc tính có
lợi và không có lợi của mỗi tiêu chí. Các loại pin
sẽ được xếp hạng dựa trên tích có trọng số của các
tiêu chí so sánh.
Có thể thấy là các mô hình so sánh dựa trên
phương pháp ra quyết định đa tiêu chí nêu trên sử
dụng cách phân loại sơ bộ để chuẩn hoá các tiêu
chí so sánh có thứ nguyên khác nhau nhằm thu
được các đại lượng không thứ nguyên. Tuy nhiên,
đặc điểm kỹ thuật của các tiêu chí so sánh không
được sử dụng trực tiếp, mà gián tiếp thông qua
việc gán các mã hay số chỉ thị thuộc tính. Nói một
cách khác, quá trình chuẩn hoá được tiến hành dựa
trên phân tích định tính.
Vì những lí do nêu trên, trong bài báo này sẽ
xây dựng mô hình so sánh pin dùng cho phương
tiện vận tải điện sử dụng tổng trọng số của phương
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
73
pháp ra quyết định đa tiêu chí, trong đó quá trình
chuẩn hoá gắn trực tiếp với đặc điểm kỹ thuật của
các tiêu chí so sánh bằng phân tích định lượng.
2. MÔ HÌNH SO SÁNH TỔNG HỢP CÁC
CHỈ TIÊU KỸ THUẬT, AN TOÀN VÀ KINH
TẾ GIỮA CÁC CÔNG NGHỆ PIN LITHIUM
2.1. Các chỉ tiêu dùng để so sánh pin Li-ion
Thông số kỹ thuật của một số loại pin Li-ion
thường dùng trong phương tiện vận tải điện được
liệt kê trong Bảng 1 (Buchmann, 2017), (Koniak
and Czerepicki, 2016), (Hayes, 2018)).
Bảng 1. Một số thông số kỹ thuật của pin Li-ion
Thông số LTO LFP NCM NCA
Mật độ năng lượng (Wh/kg) 70 - 80 90 -120 150 - 220 200 - 260
Số chu kỳ sạc/xả với DOD 100% 3000 - 7000 1000 - 2000 1000 - 2000 500
Phạm vi nhiệt độ (khi xả, °C) (-30) - 55 (-30) - 55 (-20) - 55 (-20) - 60
Phạm vi nhiệt độ (khi sạc, °C) (-20) - 55 (-20) - 55 0 - 55 0 - 45
Các chỉ tiêu cơ bản ảnh hưởng tới sự lựa chọn,
khai thác, sử dụng giữa các loại pin Li-ion có thể kể
đến là: các chỉ tiêu kỹ thuật gồm điện áp, mật độ năng
lượng, nhiệt độ, tuổi thọ; chỉ tiêu an toàn; chỉ tiêu
kinh tế. Trong phần tiếp theo, sẽ phân tích đặc điểm
của các thông số này và đưa ra các hệ số so sánh.
2.2. Điện áp
Ký hiệu
0
, ,
f
V V V
lần lượt là điện áp làm việc,
điện áp hiệu dụng và điện áp thả nổi của pin. Khi sử
dụng, điện áp V của pin giảm từ điện áp
f
V
xuống
điện áp làm việc thấp nhất. Hình 1 (Hayes, 2018) thể
hiện quan hệ giữa điện áp V và dung lượng hiệu
dụng Q
N
, còn được gọi là đường cong xả điện,với
bốn mức xả là: C/3 (11,1 A), 1C (33,3 A), 1,8C
(60A), và 2,7C (90A), trong đó 1C tương ứng cường
độ xả 100% dung lượng pin trong một giờ ở 20
o
C.
Diện tích giới hạn bởi đường cong xả chính là năng
lượng của ngăn pin. Theo đó, giá trị trung bình của
đường cong xả là điện áp hiệu dụng
0
V
. Quan hệ
giữa
0
, ,
f
V V V
có thể biểu diễn như sau:
Hình 1. Đường cong xả của một ngăn pin
Li-ion 33,3 Ah (Hayes, 2018)
0
0
1
N
Q
f
N
V VdQ V
Q
(1)
Giá trị của
0
V
của mỗi loại pin có thể được cho
bởi nhà sản xuất hoặc tính toán từ đường cong xả
thực nghiệm theo (1). Ta thấy
0
/ 1
f
V V
, khi tỉ số
này càng gần 1 thì độ dốc các đường cong xả sẽ
giảm, nói cách khác là điện áp duy trì ổn định
trong khoảng thay đổi lớn của dung lượng.
Như vậy, để so sánh các loại pin theo tiêu
chí điện áp, có thể dựa trên tỉ số
0
/
i if
V V
của pin
thứ i. Ta có hệ số so sánh điện áp không thứ
nguyên như sau
0
0
/
/
i if
iV
i if
i
V V
k
V V
(2)
Ta thấy
iV iV
i
k k
. Khi
iV
k
càng
gần 1 thì loại pin đó có tỉ số điện áp
0
/
i if
V V
cao
hơn những loại pin còn lại.
2.3. Mật độ năng lượng
Mật độ năng lượng của pin là tỷ lệ năng lượng
có thể được lưu trữ trong 1 kg khối lượng hoặc 1
lít thể tích, thường được cung cấp bởi nhà sản xuất
pin. Ký hiệu
,
im iv
E E
là mật độ năng lượng trên
khối lượng và thể tích của loại pin thứ i. Để so
sánh giữa các loại pin, có thể dựa trên tỉ số giữa
mật độ năng lượng của pin thứ i với tổng mật độ
năng lượng của các pin được so sánh. Theo đó, hệ
số so sánh mật độ năng lượng không thứ nguyên
có dạng:
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
74
/ , /
iEm im im iEv iv iv
i i
k E E k E E
(3)
Ta thấy
0 , 1, 1
iEm iEv iEm iEv
i i
k k k k
.
Rõ ràng, tỉ số mật độ năng lượng trên khối lượng
iEm
k
hay tỉ số mật độ năng lượng trên thể tích
iEv
k
càng gần 1 thì mật độ năng lượng của pin thứ i
càng cao. Chú ý là
iEm iEv
k k
, nên có thể chọn
một trong hai tỉ số này để so sánh giữa các loại pin
khác nhau, tuỳ thuộc vào sự quan tâm về khối
lượng hay thể tích.
2.4. Nhiệt độ
Dựa trên số liệu thực nghiệm trong (Bảng 1, 2,
3, Lv et al., 2022), sử dụng phân tích hồi quy, ta
có thể có thể xấp xỉ quan hệ giữa dung lượng hiệu
dụng Q
N
tính theo tỉ lệ % đối với nhiệt độ T của ba
loại pin LFP, NCM, NCA bằng đa thức bậc ba
như sau:
3 2
3 2 1 0iN i i i i
Q a T a T a T a
(4)
trong đó giá trị tương ứng của
0 1 2 3
, , ,a a a a
được trình bày trong Bảng 2, với hệ số tương quan
bình phương
2
i
r
luôn lớn hơn 0,93.
Bảng 2. Các hệ số của đa thức hồi quy
LFP NCM NCA
a
i0
0.9523 0.8845 0.8449
a
i1
0.007076 0.008719 0.01056
a
i2
-0.000117 -8.469e-05 -0.000182
a
i3
2.554e-07 1.298e-07 6.829e-07
r
i2
0.9765 0.9352 0.9708
Hình 2 biểu diễn các đường cong hồi quy thu
được. Khi nhiệt độ trên 0
o
C, dung lượng hiệu
dụng của pin Li-ion về cơ bản có thể được duy trì
trên 93,4%, đạt giá trị cao nhất tương ứng với
phạm vi nhiệt độ trung bình 20-50
o
C. Ký hiệu
max
T
và
min
T
là nhiệt độ cao nhất và nhiệt độ thấp
nhất của pin khi phương tiện vận tải làm việc
trong một môi trường cụ thể, sao cho giá trị của
chúng không được vượt quá phạm vi nhiệt độ cho
phép trong Bảng 1. Dung lượng hiệu dụng trung
bình trong phạm vi nhiệt độ
max
T
và
min
T
được xác
định là:
Hình 2. Quan hệ giữa QiN và T
max
min
max min
1
T
iN iN
T
Q Q dT
T T
(5)
trong đó
iN
Q
xác định theo công thức (4). Như
vậy, để so sánh các loại pin về tiêu chí nhiệt độ có
thể dựa trên
iN
Q
. Theo đó, hệ số so sánh chuẩn
hoá không thứ nguyên có dạng
/
iT iN iN
i
k Q Q
(6)
Ta thấy
0 1, 1
iT iT
i
k k
. Trong phạm vi
nhiệt độ được xem xét, giá trị của
iT
k
càng gần 1
thì dung lượng hiệu dụng trung bình của pin thứ i
càng cao và ngược lại. Chú ý là (5), (6) chưa kể
tới hệ thống điều hòa nhiệt độ để bảo vệ pin khỏi
bị quá nóng hay quá lạnh. Vấn đề này sẽ được
xem xét trong nghiên cứu khác.
2.5. Tuổi thọ pin
Tuổi thọ pin có thể được đánh giá qua số chu
kỳ sạc/xả từ thời gian sử dụng đến cuối vòng đời
của pin. Bảng 1 thể hiện số chu kỳ làm việc N
i100%
ứng với độ sâu xả DOD (Depth of Discharge)
100%, tính tới khi dung lượng sạc của pin giảm
xuống chỉ còn 80% so với dung lượng danh định.
DOD được xác định theo tỉ số năng lượng
/
i id iBOL
DOD E E
(7)
trong đó
id
E
là năng lượng sử dụng trung bình
hàng ngày của pin (năng lượng để vận hành xe),
iBOL
E
là năng lượng danh định của pin (năng
lượng được thiết kế). Các mức DOD khác có quan
hệ với N
i100%
như sau (Hayes, 2018)
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
75
100%
100%
i
L
i i
i
N N
DOD
(8)
trong đó N
i
là số chu kỳ ứng với một DOD nhất
định (<100%), L
i
là chỉ số tuổi thọ, thông thường
1
i
L
,
1
i
L
khi có thêm biện pháp để nâng cao
tuổi thọ như dùng điều hoà nhiệt độ. Như vậy, để
so sánh các loại pin về tiêu chí tuổi thọ có thể dựa
trên số chu kỳ N
i
. Theo đó, hệ số so sánh chuẩn
hoá không thứ nguyên như sau
/
iL i i
i
k N N
(9)
Ta thấy
0 1, 1
iL iL
i
k k
. Với mỗi DOD
nhất định, giá trị của
iL
k
càng gần 1 thì tuổi thọ
của pin thứ i càng cao và ngược lại.
2.6. Tính an toàn
Hiện nay, thiết kế và thử nghiệm pin Li-ion
được tiêu chuẩn hóa để đảm bảo pin đạt chất
lượng, an toàn theo các quy định của các tổ chức
an toàn quốc tế khác nhau cũng như các tiêu
chuẩn an toàn của quốc gia được chính phủ xây
dựng phù hợp với các yêu cầu và điều kiện của
nước đó. Theo phân tích tổng hợp trong (Chen et
al., 2020), hầu hết các tiêu chuẩn đều phân loại an
toàn rủi ro cho pin sau khi thử nghiệm thành các
mức, phổ biến là 8 mức từ 0 đến 7, mức 0 là an
toàn nhất, mức 7 là rủi ro cao nhất như trình bày
trong Bảng 3.
Các mức rủi ro cao từ 5 đến 7 xuất hiện các
nguy cơ cháy, nổ của pin, còn các mức rủi ro thấp
hơn thì không. Thông thường, đối với phương tiện
vận tải điện, mức rủi ro từ 4 trở xuống thường
được coi là mức an toàn chấp nhận được. Theo đó,
dựa trên mức rủi ro, có thể xây dựng hệ số an toàn
như sau
1 / max( 1)
iS im im
k k k
(10)
trong đó
im
k
là mức rủi ro của pin thứ i,
0,1,2,3,4
im
k
,
max( 1) 5
im
k
. Rõ ràng, khi
5
im
k
thì pin không an toàn,
0
iS
k
. Mức độ an
toàn càng cao khi
iS
k
càng gần 1, cao nhất là
1
iS
k
khi
0
im
k
, thấp nhất là
0,2
iS
k
khi
4
im
k
. Như vậy, để so sánh các loại pin về tiêu
chí an toàn có thể dựa trên hệ số an toàn
iS
k
. Theo
đó, hệ số so sánh chuẩn hoá không thứ nguyên
như sau:
Bảng 3. Phân loại mức rủi ro
Mức rủi ro Mô tả
0 Không ảnh hưởng
1 Bảo vệ thụ động
2 Lỗi/hư hỏng
3 Rò rỉ
4 Thoát khí
5 Bắt lửa hoặc cháy
6 Vỡ
7 Nổ
/
iS iS iS
i
k k k
(11)
Ta thấy
0 1, 1
iS iS
i
k k
. Tương tự như
iS
k
, giá trị của
iS
k
càng gần 1 thì mức độ an toàn
càng cao của pin thứ i càng cao và ngược lại.
2.7. Tính kinh tế
Hiện nay, giá thành pin Li-ion vẫn ở mức cao,
dẫn đến giá thành xe điện vẫn còn cao, và là một
chỉ tiêu cần xem xét khi đầu tư cũng như sử dụng.
Theo khuyến nghị của các nhà sản xuất, khi dung
lượng sạc của pin giảm xuống chỉ còn 80% so với
dung lượng danh định thì cần thay pin. Đối với
việc sử dụng thông thường, pin có thể coi là một
loại tài sản cố định và chi phí khấu hao (DE) trên
vòng đời của pin có thể được xác định từ phương
pháp khấu hao đường thẳng
(12)
Theo đó, so sánh giữa các loại pin có thể sử
dụng hệ số chuẩn hóa tương ứng như sau
(1/ ) / (1 / )
iDE i i
i
k DE DE
(13)
Khi
iDE
k
tiến tới 1, cho thấy loại pin thứ i có
khấu hao nhanh hơn so với các loại pin khác. Chú
ý là có thể sử dụng các chỉ tiêu kinh tế khác, và
đưa về dạng chuẩn hóa tương tự (13).
2.8. Mô hình so sánh tổng hợp
Trong phần này, phương pháp ra quyết định đa
tiêu chí được sử dụng để xây dựng mô hình so
sánh tổng hợp từ các chỉ tiêu kỹ thuật, an toàn và
kinh tế, trong việc phân tích lựa chọn pin Li-ion.
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 84 (6/2023)
76
Mô hình so sánh tổng hợp được trình bày dưới
dạng tổng trọng số như sau
i ij ij
j
K p k
(14)
trong đó
i
K
là chỉ tiêu tổng hợp,
ij
k
là các chỉ
tiêu kỹ thuật, an toàn hay kinh tế riêng rẽ,
ij
p
là
trọng số. Các chỉ số phụ “i”, “j” là ký hiệu cho
loại pin thứ i và chỉ tiêu thứ j. Mô hình (14) có các
đặc điểm:
(i)
0
ij
k
và là đại lượng không thứ nguyên;
(ii)
0
ij
p
và là đại lượng không thứ nguyên.
Sử dụng các chỉ tiêu riêng rẽ của pin đã thảo
luận ở trên, cụ thể là các hệ số so sánh điện áp
(2), mật độ năng lượng (3), nhiệt độ (6), tuổi thọ
(9), an toàn (11), tính kinh tế (13), cho mô hình
(14) ta có
1 2 3
456
m
i i iV i iE i iT
i iL i iS i iDE
K p k p k p k
p k p k p k
(15)
Có thể thấy là 6 hệ số
, , , , ,
m
iV iE iT iL iS iDE
k k k k k k
đều thoả mãn đặc điểm (i), và hiệu năng của pin
cao khi giá trị của chúng đều tiến tới 1 và ngược
lại. Do đó, khi so sánh, loại pin nào có
i
K
lớn hơn
sẽ có hiệu năng tổng thể tốt hơn. Trong (15), chỉ
tiêu mật độ năng lượng
m
iE
k
theo khối lượng có thể
thay thế bằng chỉ tiêu theo thể tích
v
iE
k
. Khi xem
xét chi tiết hơn về ảnh hưởng của tải trọng, đặc
tính kéo-bám,… đối với pin của phương tiện vận
tải thông qua các đường cong xả như Hình 1, thì
giá trị
iV
k
tương ứng với đường cong xả khác với
1C sẽ được sử dụng để so sánh.
Giả sử xem xét các chỉ tiêu
ij
k
trong (15) có
tầm quan trọng như nhau, thì ảnh hưởng của mỗi
tiêu chí này đối với
i
K
sẽ được thể hiện qua độ
lớn về giá trị của
ij
k
. Theo đó, trọng số
ij
p
tương
ứng có thể được xác định theo công thức
/
ij ij ij
j
p k k
(16)
trong đó
m
ij iV iE iT iL iS iDE
j
k k k k k k k
(17)
Áp dụng (16) cho (15), thu được biểu thức hiển
của mô hình so sánh
max
im
m
E
iV it
i iV iE iT
ij ij ij
j j j
iL iS iDE
iL iS iDE
ij ij ij
j j j
k
k k
K k k k
k k k
k k k
kkk
k k k
(18)
Như vậy, mô hình so sánh (18) có các
đặc điểm:
- Các tiêu chí so sánh được đưa về các hệ số
chuẩn hóa, không thứ nguyên dựa trên các giá trị
giới hạn của chúng. Do đó, thể hiện được ý nghĩa
kỹ thuật của mỗi tiêu chí (định lượng), thay vì gán
một mã hay số đại diện không thứ nguyên để phân
loại (định tính).
- Theo đó, trọng số được đề xuất được xác định
từ sự đóng góp của mỗi hệ số riêng rẽ đối với tổng
của chúng, cũng sẽ phản ánh được tầm ảnh hưởng
của mỗi hệ số chuẩn hóa, không thứ nguyên về ý
nghĩa kỹ thuật trong tổng trọng số.
3. VÍ DỤ ÁP DỤNG
Xem xét bài toán lựa chọn bộ pin Li-ion cho
một chiếc xe đạp điện sử dụng ở khu vực Hà Nội,
với các thông số đầu vào như Bảng 4.
Bảng 4. Thông số đầu vào
Điện áp động cơ V
0
V 48
Công suất động cơ P kW 0,5
Vận tốc xe v
x
km/h 20
Quãng đường/ngày S
d
km 40
Thời gian hoạt động t
d
h 2
E
d
kWh 1,0
DOD 0,85
E
BOL
kWh 1,18
Q
N*
Ah 24,5
Năng lượng sử dụng trung bình hàng ngày của
pin được xác định là
/
d d d x
E Pt PS v
(19)
Giả sử DOD cho pin là 0,85, theo (7) xác định
được năng lượng danh định của pin
BOL
E
. Dung
lượng danh định cần thiết của pin tương ứng là
0
*
/
B LN O
EQ
V
(20)
Các giá trị tính toán nêu trên được liệt kê trong
Bảng. Như vậy, cần chọn một trong bốn loại pin
Li-ion LTO, LFP, NCM, NCA có điện áp 48V,