(TIỂU LUẬN) TIỂU LUẬN môn ỨNG DỤNG máy TÍNH (KHUNG gầm) đề tài BATTERY MODELING và BMS TRÊN XE TESLA MODEL 3 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TIỂU LUẬN MƠN ỨNG DỤNG MÁY TÍNH (KHUNG GẦM) ĐỀ TÀI: BATTERY MODELING VÀ BMS TRÊN XE TESLA MODEL 2018 SVTH: TRẦN NHẬT ĐẠI MSSV: 18145329 SVTH:LÊ ĐỨC MINH NHÂN MSSV: 18145411 SVTH: HỒ THANH HIẾU MSSV: 18145388 SVTH: NGUYỄN VĂN ĐÔNG MSSV: 18145341 GVHD: THS.NGUYỄN TRUNG HIẾU Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021 TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ TḤẬ̣T TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC TP Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021 NHIỆM VỤ Họ tên sinh viên: SVTH: Trần Nhật Đại MSSV: 18145329 SVTH: Lê Đức Minh Nhân MSSV: 18145411 SVTH: Hồ Thanh Hiếu MSSV: 18145388 SVTH: Nguyễn Văn Đông MSSV: 18145341 Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật ô tô Mã ngành đào tạo: 7510205D Hệ đào tạo: Mã hệ đào tạo: Chính quy Tên đề tài : BATTERY MODELING VÀ BMS TRÊN XE TESLA MODEL 2018 Nhiệm vụ đề tài : Tìm hiểu hệ thống quản lý pin xe xe “Tesla Model 3” Sản phẩm đề tài : Mơ điện áp, dịng điện , dung lượng pin trình sạc pin chạy tải Ngày giao nhiệm vụ đề tài :10/10/2020 Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 13/01/2021 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬẬ̣T THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN I NHẬNXÉT Về hình thức trình bày & tính hợp lý cấu trúc đề tài: Về nội dung (đánh giá chất lượng đề tài, ưu/khuyết điểm giá trị thực tiễn) II NHỮNG NỘI DUNG CẦN ĐIỀU CHỈNH, BỔ SUNG III ĐỀ NGHỊ VÀ ĐÁNH GIÁ Đề nghị (cho phép bảo vệ hay không): Điểm đánh giá (theo thang điểm 10) Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬẬ̣T THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC XÁC NHẬN HỒN THÀNH Tên đề tài: BATTERY MODELING VÀ BMS TRÊN XE TESLA MODEL Ngành: Công nghệ Kỹ thuật ô tô Sau tiếp thu điều chỉnh theo góp ý Giảng viên hướng dẫn, Giảng viên phản biện thành viên Hội đồng bảo Đồ án tốt nghiệp hoàn chỉnh theo yêu cầu nội dung hình thức Chủ tịch Hội đồng: Giảng viên hướng dẫn: Giảng viên phản biện: Tp Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 01 năm 2021 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành khóa luận này, em xin tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Trung Hiếu, tận tình hướng dẫn suốt trình viết Báo cáo Với vốn kiến thức tiếp thu trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu khóa luận mà cịn hành trang q báu để em bước vào đời cách vững tự tin Cuối em kính chúc quý thầy dồi sức khỏe thành công nghiệp cao q Vì thời gian kiến thức cịn hạn hẹp nên báo cáo tránh khỏi thiếu sót, mong góp ý thầy bạn, để em rút kinh nghiệm hoàn thành tốt Em xin chân thành cám ơn! MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG MODELING BATTERY 1.1 Cấu tạo pin Lithium ion: 1.2 Nguyên lý hoạt động pin Lithium ion CHƯƠNG BATTERY MANAGEMENT SYSTEM (BMS) 2.1 Khái niệm hệ thống quản lý pin 2.2 Các tính hệ thống quản lý pin 2.2.1 Đo đạc 2.2.2 Hệ thống xe 2.2.3 Sự quản lý 2.2.4 Đánh giá 2.2.5 Giao tiếp 2.2.6 Bảo vệ 2.2.7 Kết nối pin 2.2.8 Tối ưu hóa 2.3 Hoạt động pin Lithium 2.3.1 Bảo vệ điện 2.3.2 Bảo vệ khỏ 2.3.3 Cân bân bằn 2.3.4 Bảo vệ khỏ 2.4 Giao diện BMS 2.4.1 Đầu vào BM 2.4.2 Đầu BMS 2.4.3 Cấu trúc BM CHƯƠNG MÔ PHỎNG BATTERY TRÊN SIMULINK 3.1 Mô pin Lithium xe điện: 3.1.1 Mô tả: 3.1.2 Phương trình hiệ 3.1.3 Phương trình hiệ 3.1.4 Đặc tính nạp x CHƯƠNG MƠ PHỎNG HỆ THỐNG BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM) 4.1 Mô hệ thống BMS 4.2 Đồ thị đặc tính CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 5.1 Các linh kiện 5.2 Ưu điểm 5.3 Cách mắc dây cho mạch sạc pin 5.4 Nguyên lý hoạt động: TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Cấu tạo nguyên lý pin Lithium ion bao gồm thành phần bản5 Hình 2.1 Bộ điều khiển BMS Hình 2.2 Hệ thống quản lý pin phân tán 10 Hình 2.3 Giao diện trạng thái 14 Hình 3.1 Hệ thống pin Lithium ô tô .19 Hình 3.2 Mơ hình pack pin 19 Hình 3.3 Mơ hình 16 pack pin 19 Hình 3.4 Sơ đồ khối khối pin simulink 20 Hình 3.5 Đồ thị đặc tính xả hệ thống 25 Hình 3.6 Đồ thị đặc tính sạc hệ thống 26 Hình 4.1 Mô hệ BMS-ClosedLoop 27 Hình 4.2 Mơ điều khiển controller 27 Hình 4.3 Sơ đồ đặc tính hệ thống với trạng thái làm việc 28 Hình 5.1.Sơ đồ nguyên lý .31 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Dữ liệu đầu vào BMS 12 Bảng 2.2 Dữ liệu đầu BMS .13 Bảng 2.3 Dữ liệu đầu vào state flow 14 Bảng 2.4 Dữ liệu đầu state flow 15 Bảng 2.5 Dữ liệu đầu vào để tính tốn dịng điện .16 Bảng 2.6 Dữ liệu đầu 16 Bảng 2.7 Dữ liệu đầu vào để tính SOC .17 Bảng 2.8 Dữ liệu đầu 17 Bảng 2.9 Dữ liệu đầu vào để tính tốn cân cell 18 Bảng 2.10 Dữ liệu đầu 18 DANH MỤC VIẾT TẮT BMS: Battery Management System (Hệ thống quản lí pin) SOC: State Of Charge SOH; State Of Health Hình 2.5 Hình ảnh minh họa SOC * Giao diện: + Đầu vào: Tên Pack_Current Cell_Temperature Cell_Voltages Bảng 2.7 Dữ liệu đầu vào để tính SOC + Đầu ra: Tên SOCs * Đếm cu-lơng : Tính phần trăm pin đếm cu-lơng theo yêu cầu phần mềm * Tính phần trăm pin SOC UKF : Tính phần trăm pin với UKF theo u cầu phần mềm * Tính tốn phần trăm pin SOC EKF: Tính phần trăm pin với EKF theo yêu cầu phần mềm 23 2.4.3.4 BMS - Logic cân bằng: Phải đóng mở an tồn điểm tiếp xúc với sạc biến tần Hình 2.6 Hình minh họa cân cell * Giao diện + Đầu vào Tến BMS_State Cell_Voltage Max Cell Min Cell Bảng 2.9 Dữ liệu đầu vào để tính tốn cân cell + Đầu Tên BalCmd * Cân ON/OFF: tính tốn thực cân Tính tốn lệnh huỷ kích hoạt: Tính tốn lệnh cho tiếp điểm biến tần sạc * KẾT LUẬN 24 Công nghệ BMS giải pháp lý tưởng giúp bảo vệ người dùng pin khỏi thiệt hại xuất từ điều kiện khác có nguy gây hại cho hai bên Hệ thống nhằm mục đích bảo vệ, giám sát kéo dài tuổi thọ pin lithium-ion Do đó, điều cần thiết phải đảm bảo hệ thống pin cài đặt BMS CHƯƠNG MÔ PHỎNG BATTERY TRÊN SIMULINK 3.1 Mơ pin Lithium xe điện: Hình 3.4 Hệ thống pin Lithium tơ Hình 3.5 Mơ hình pack pin 25 Hình 3.6 Mơ hình 16 pack pin 3.1.1 Mô tả: Khối pin mơ hình động lực học chung tham số hóa để đại diện cho hầu hết loại pin sạc phổ biến ngày ( lead acid battery, lithium - lion battery, Nikel-cadmium Nickel-Metal-Hydride battery ) Nhưng đề tài nói lithium – lion battery Sơ đồ mạch tương đương khối pin Simulink biểu diễn sau: 26 Hình 3.7 Sơ đồ khối khối pin simulink 3.1.2 Phương trình: Cơng thức tính tốn hai trạng thái xả nạp loại pin mà sơ đồ mạch điện biểu diễn: • Lithium – lion battery: - Trạng thái xả : - Trạng thái nạp : Trong đó: o Ebatt : Điện áp phi tuyến (V) o E0 : điện áp không đổi (V) o Exp(s) : điện áp động lực học (V) o Sel(s) : hệ số đại diện cho trạng thai pin Sel(s) = pin xả, Sel(s) = pin nạp o K: số phân cực ( V/Ah ) số điện trở phân cực ( Ohms) o ∗ : cường độ dòng điện tần số thấp (A).i o i : cuồng dịng điện pin (A) o it : dung lượng pin lấy ( Ah) o Q : dung lượng pin tối đa ( Ah) o A : điện áp mũ ( V) o B : công suất mũ (Ah)−1 27 3.1.2 Phương trình hiệu ứng nhiệt Đối với pin lithium – ion nhiệt độ pin đạt đến nhiệt độ nóng chảy lithium gây phản ứng dội bên pin dẫn đến cháy nổ, nhiệt độ ảnh hưởng lớn pin lithium – ion nên nên việc mô pin lithium - ion Simulink người ta tính toán dựa ảnh hưởng nhiệt độ tới pin theo công thức sau: - Trạng thái xả : - Trạng thái nạp Trong đó: 28 o Tref : nhiệt độ môi trường danh nghĩa, (K) o T : nhiệt độ cell nhiệt độ pin , (K) o Ta : nhiệt độ môi trường, (K) o E/T : hệ số nhiệt độ điện áp thuận ( V/K) o : số tốc độ Arrhenius cho điện trở phân cực o : số tốc độ Arrhenius cho điện trở o ∆Q/∆T : hệ số nhiệt độ công suất tối đa, (Ah / K) o C : độ dốc đường cong xả danh nghĩa, tính V / Ah Đối với pin lithium-ion có đường cong phóng điện rõ rệt (chẳng hạn pin lithium iron phosphate), thông số đặt thành không o Nhiệt độ cell nhiệt độ pin (T), thời điểm (t), biểu diễn công thức: o Rth: điện tở nhiệt, cell đến môi trường ( ℃/W ) o tc : số thời gian nhiệt, cell đến mô trường (s) o Ploss tổng nhiệt sinh tính (W) “cơng suất thất thốt” q trình nạp xả tính cơng thức: 3.1.3 Phương trình hiệu ứng tuổi pin: Ngoài thời gian (tuổi tác pin trinh sử dụng) gây ảnh hưởng đến số thông số (như dung lượng pin điện trở trong) pin lithium – ion : 29 Với: o Th : thời gian nửa chu kỳ, (s) Một chu kỳ hồn chỉnh có pin xả nạp (hoặc ngược lại) o QBOL : dung lượng tối đa pin,(Ah), (BOL) chữ viết tắt “begin of life” ta hiểu thời điểm pin có chu kỳ hồn chỉnh nhiệt độ mơi trường danh nghĩa o QEOL : dung lượng tối đa pin, (Ah) , (EOL) chữ viết tắt “ end of life “ ta hiểu pin sử dụng hết vòng đời nhà sản xuất đưa nhiệt độ môi trường danh nghĩa o RBOL : điện trở pin, (ohms), BOL nhiệt độ môi trường danh nghĩa o REOL : điện trở pin, (ohms), EOL nhiệt độ môi trường danh nghĩa o : hệ số tính tốn lão hóa pin Hệ số tính tốn lão hóa pin xem BOL EOL Hệ số tính tốn lão hóa pin, thể thơng qua cơng thức: 30 Trong đó: o DOD : độ sâu trạng thái xả ( %) nửa chu lỳ o N : Số chu kỳ ( xả nạp) pin thể thông qua công thức Trong đó: - H : số - : hệ số mũ tính tốn DOD - Ψ : số tốc độ Arrhenius cho số chu kỳ - Idis_ave : dịng xả trung bình (A) thời gian nửa chu kỳ - Ich_ave : dịng nạp trung bình (A) thời gian nửa chu kỳ - γ1 : hệ số mũ dòng xả - γ2 : hệ số mũ dịng nạp 3.1.4 Đặc tính nạp xả: 3.1.4.1 Trạng thái xe chạy: 31 Hình 3.8 Đồ thị đặc tính xả hệ thống - Cell Voltages:BMS đo điện áp khối tế bào điện áp giảm - Park Curent: BMS đo dòng điện chạy qua pin tốc độ mẫu 10Hz Pack Curent