Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Quang Nam

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Ngọc Tú

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Châu Minh Thuyên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 15 tháng 07 năm 2023 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: GS TS Hồ Phạm Huy Ánh

2 Thư ký: TS Phan Quang Ấn

3 Phản biện 1: TS Nguyễn Ngọc Tú

4 Phản biện 2: PGS TS Châu Minh Thuyên

5 Ủy viên: TS Huỳnh Văn Vạn

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS TS Hồ Phạm Huy Ánh

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Nhật Nam MSHV: 2170662 Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1993 Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 8520201

I TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S (Design and construct a battery monitoring device using TMS320F28377S microcontroller) NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Xây dựng mô hình tương đương của ắc quy acid chì và giải thuật ước lượng SOC, SOH cho ắc quy 2) Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên phần mềm PLECS và chạy mô phỏng giải thuật 3) Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S 4) Tiến hành thực nghiệm đánh giá hoạt động của thiết bị giám sát ắc quy và các giải thuật ước lượng SOC, SOH 5) Ghi nhận và đánh giá các kết quả đạt được

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 06/02/2023 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 11/06/2022 IV CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS Nguyễn Quang Nam

Tp.HCM, ngày … tháng … năm …

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Nguyễn Quang Nam

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Quang Nam đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và phản hồi những thắc mắc của tôi trong thời gian sớm nhất để giúp tôi có thể hoàn thành luận văn này Trong quá trình nghiên cứu, tôi đã được thầy cho những lời khuyên rất hữu ích và đây ắt hẳn sẽ là hành trang để tôi có thể sử dụng trong học tập cũng như sự nghiệp trong tương lai

Ngoài ra, tôi cũng xin cảm ơn Cơ quan mà tôi đang hiện tại công tác – Công ty Thí nghiệm Điện lực TP.HCM đã hỗ trợ về mặt thời gian cũng như cơ sở vật chất phòng thí nghiệm để tôi có thời gian thực hiện luận văn

Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sốt Tôi rất mong nhận được sự cảm thông và tân tình chỉ bảo của quý thầy cô

Xin chân thành cảm ơn

Học viên/ Tác giả

Nguyễn Nhật Nam

\

TÓM TẮT

Ắc quy là một thiết bị lưu trữ điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xe điện, năng lượng tái tạo, hệ thống lưu trữ dự phòng trong các công trình trạm điện, công trình viễn thông, v.v Giám sát chất lượng ắc quy là một công việc hết sức quan trọng để việc vận hành của hệ thống được diễn ra suôn sẻ, kịp thời có kế hoạch bảo trì bảo dưỡng hoặc thay thế các ắc quy có chất lượng kém ra khỏi hệ thống

Đề tài này hướng đến việc chế tạo một thiết bị đơn giản, chi phí chế tạo thấp nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao (sai số không quá 5%) nhằm giám sát một số thông số cơ bản của ắc quy như dòng điện, điện áp, mức độ sạc (SOC), tình trạng sức khỏe (SOH) mà không cần ngắt ắc quy ra khỏi vận hành, và được ứng dụng chủ yếu cho công trình trạm điện, trạm biến áp Đề tài cũng sẽ xây dựng các giải thuật ước lượng SOC, SOH dựa trên các phương pháp truyền thống để áp dụng lên thiết bị giám sát này

Ngoài việc chế tạo thiết bị giám sát ắc quy, đề tài cũng hướng đến việc xây dựng một hệ sinh thái xung quanh nó, cụ thể là các phần mềm SCADA cho phép người vận hành hệ thống giao tiếp và kiểm tra các thông số mà thiết bị giám sát đã thu thập được

ABSTRACT

Battery is a electrical storage device that is used in many applications such as electric vehicles, renewable energy, power substation, telecommunication system, etc Battery supervision is an extremely important process to ensure the opration of any battery system, as any degrading battery during operation can be either put under maintenance or replaced

This thesis aims to create a simple, low-cost device with decent accuracy (aiming for less than 5% error) for supervising several of battery’s key parameters such as operating current, voltage, State of Charge (SOC) or State of Health (SOH), all without having to interrupt the batteries’ operation, and would be mainly used in power substation application This thesis also aims to create a simple SOC and SOH estimation algorithm based on traditional method to use on this device

Aside from creating the battery supervision device, this thesis also aims to create an ecosystem around it, specifically a SCADA software allowing system operator to communicate and examine the paramaters that the battery supervision device has collected

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S” là một công trình nghiên cứu độc lập, không sao chép từ những công trình nghiên cứu khác Đề tài là một sản phẩm mà tôi đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường cùng với sự hướng dẫn tận tình của Thầy TS Nguyễn Quang Nam Trong quá trình thực hiện luận văn, các tài liệu tham khảo đã được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng và trung thực Tôi xin hoàn toàn trách nhiệm nếu có vấn đề liên quan đến bản quyền hoặc đề tài nghiên cứu có tính trùng lắp

Học viên/ Tác giả

Nguyễn Nhật Nam

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.1 Giới thiệu khái quát và hướng tiếp cận đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu và quy mô đề tài 3

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.2.2 Quy mô đề tài 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu 4

1.4 Cấu trúc của luận văn 6

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG SOC VÀ SOH CỦA ẮC QUY ACID CHÌ 7

2.1 Tổng quan về ắc quy acid chì 7

2.2 Một số phương pháp ước lượng SOC của ắc quy acid chì 8

2.2.1 Phương pháp điện áp hở mạch OCV 8

2.2.2 Phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting) 9

2.2.3 Phương pháp sử dụng thuật toán thích nghi 9

2.3.2 Xây dựng giải thuật ước lượng SOC 12

2.4 Mô phỏng giải thuật với phần mềm PLECS 16

2.4.1 Xây dựng mô hình tương đương của ắc quy bằng phần mềm PLECS 162.4.2 Kết quả mô phỏng 18

2.5 Phương pháp ước lượng SOH bằng phương pháp đếm điện tích (Coulomb counting) 24

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT ẮC QUY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28377S 27

3.1 Khái quát về vi điều khiển TMS320F28377S 27

3.2 Thiết kế phần cứng 29

3.2.1 Thiết kế mạch đo áp 29

3.2.2 Thiết kế mạch đo dòng 30

3.2.3 Hoàn thiện thiết bị 32

3.2.4 Lập trình nhúng cho thiết bị giám sát ắc quy 34

3.3 Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính 34

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 38

4.1 Các bước chuẩn bị 38

4.1.1 Loại ắc quy sử dụng 38

4.1.2 Xác định các thông số của ắc quy 38

4.2 Thực nghiệm kiểm chứng giải thuật đánh giá SOC 39

4.2.1 Đánh giá SOC trong chu trình xả dòng C/10 (có gián đoạn) 39

4.2.2 Đánh giá SOC trong chu trình sạc dòng C/10 (có gián đoạn) 434.2.3 Đánh giá SOC trong chu trình xả dòng C/5 (không gián đoạn) 44

4.3 Thực nghiệm đánh giá khả năng ước lượng SOH của thiết bị 47

CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh minh họa giàn ắc quy được sử dụng ở các trạm điện 2

Hình 1.2 Mô hình khối hệ thống 4

Hình 2.1 Cấu trúc của 1 ắc quy acid chì 12V (gồm 6 cell) 8

Hình 2.2 Mô hình tương đương tổng thể của ắc quy acid chì 10

Hình 2.3 Mô hình tương đương của ắc quy acid chì (xem như các trở kháng ký sinh trong 2 quá trình nạp – xả là xấp xỉ nhau trong những phân đoạn SOC hẹp) 11

Hình 2.4 Mô hình tương đương đơn giản hóa của ắc quy acid chì (xem như các nội trở trong 2 quá trình nạp – xả là xấp xỉ nhau trong những phân đoạn SOC hẹp) 12

Hình 2.5 Một ví dụ về giản đồ mối quan hệ giữa SOC và nội trở của một ắc quy acid chì 13

Hình 2.6 Mô hình tổng quát của hệ thống mô phỏng 17

Hình 2.7 Mô hình tương đương mô phỏng của ắc quy 17

Hình 2.8 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình sạc dòng 1 A – 10 giờ 19

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình sạc dòng 1 A – 10 giờ 19

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng SOC của ắc quy trong chu trình sạc dòng 1 A – 10 giờ 20

Hình 2.11 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình xả dòng 1 A – 10 giờ 21

Hình 2.12 Kết quả mô phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình xả dòng 1 A – 10 giờ 21

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng SOC của ắc quy trong chu trình xả dòng 1 A – 10 giờ 22

Hình 2.14 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ

Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp 30

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng dùng cảm biến ACS712 31

Hình 3.6 Module dạng cắm được thiết kế sẵn cho cảm biến dòng ACS712 31

Hình 3.7 Bản vẽ schematic board mạch của thiết bị giám sát ắc quy 32

Hình 3.8 Bản vẽ layout board mạch của thiết bị giám sát ắc quy 33

Hình 3.9 Thiết bị giám sát ắc quy sau khi được chế tạo hoàn chỉnh 34

Hình 3.10 Giao diện của phần mềm thu thập dữ liệu ắc quy 37

Hình 4.1 Hình ảnh ắc quy được sử dụng cho việc thử nghiệm 38

Hình 4.2 Tiến hành thực nghiệm 40

Hình 4.3 Thiết bị giám sát ắc quy trong quá trình thử nghiệm 40

Hình 4.4 Đồ thị SOC theo thời gian (xả dòng C/10 có gián đoạn) 41

Hình 4.5 Đồ thị điện áp đầu cực ắc quy theo thời gian (xả dòng C/10 có gián đoạn) 42

Hình 4.6 Đồ thị SOC theo thời gian (sạc dòng C/10 có gián đoạn) 43

Hình 4.7 Đồ thị điện áp đầu cực của ắc quy theo thời gian (sạc dòng C/10 có gián đoạn) 44Hình 4.8 Đồ thị SOC theo thời gian (xả dòng C/5 không gián đoạn) 45Hình 4.9 Đồ thị điện áp đầu cực của ắc quy theo thời gian (xả dòng C/5 không gián đoạn) 46Hình 4.10 Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng ước lượng SOH 48Hình 4.11 Điện áp đầu cực của 2 ắc quy trong quá trình thử nghiệm chức năng ước lượng SOH 49

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện luận văn 4

Bảng 2.1 Định dạng bảng dữ liệu ắc quy 13

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp linh kiện dùng để chế tạo thiết bị giám sát ắc quy 32

Bảng 3.2 Cấu trúc luồng dữ liệu gửi từ thiết bị giám sát ắc quy về máy tính 35

Bảng 3.3 Cấu trúc log file 36

Bảng 4.1 Bảng dữ liệu điện áp đầu cực với dòng xả C/10 39

Bảng 4.2 Bảng dữ liệu điện áp đầu cực với dòng sạc C/10 39

Bảng 4.3 Bảng dữ liệu ước lượng điện áp hở mạch và nội trở của ắc quy 39

CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu Ý nghĩa của từ viết tắt Ý nghĩa tiếng Việt

ADC Analog to Digital Converter Module chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số HMI Human-machine Interface Giao diện người – máy

IDE Intergrated Development Environment

Môi trường phát triển tích hợp (hiểu đơn giản là phần mềm giúp

lập trình)

SCADA Supervisory Control and Data Acquisition

Hệ thống giám sát, điều khiển và thu thập dữ liệu

SOH State of Health Tình trạng sức khỏe của ắc quy

UART Universal asynchronous receiver/transmitter

Giao thức truyền tín hiệu serial bất đồng bộ

UPS Uninterruptible Power Supply Nguồn điện không ngắt quãng

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Giới thiệu khái quát và hướng tiếp cận đề tài

Ắc quy (hay pin) là thiết bị lưu trữ điện năng dưới dạng điện một chiều được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực ngày nay, chẳng hạn:

 Là nguồn điện chính để vận hành các phương tiện giao thông sử dụng điện như xe máy điện, ô tô điện

 Là nguồn điện chính để vận hành các thiết bị UPS

 Là nguồn điện chính cho các thiết bị điện tử cầm tay (điện thoại, laptop, máy tính bảng, v.v )

 Được sử dụng làm hệ thống dự trữ cho các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió

 Là nguồn điện chính cho các thiết bị relay bảo vệ, các thiết bị của hệ thống SCADA trong các trạm điện, trạm biến áp

 Là nguồn điều khiển các thiết bị đóng cắt trong hệ thống điện như máy cắt, dao cách ly, dao cắt tải,

Các loại ắc quy được sử dụng rộng rãi hiện nay thường là các ắc quy theo công nghệ Li-ion, acid chì, Ni-Cd Các thông số về mức độ sạc (State of charge, viết tắt là SOC) cũng như tình trạng sức khỏe (State of health, viết tắt là SOH) là những thông số căn bản để người sử dụng hoặc người vận hành hệ thống biết được chất lượng cũng như khả năng hoạt động còn lại của ắc quy Tuy nhiên, do các ắc quy được sử dụng trong các ứng dụng trên đều phải vận hành ở chế độ nạp hoặc xả liên tục, việc tách hệ thống ắc quy khỏi vận hành để đo đạc các thông số cần thiết là việc không thể thực hiện thường xuyên được Vì vậy, việc đánh giá SOC, SOH trong quá trình ắc quy đang vận hành là hết sức cần thiết

Luận văn này nhắm đến việc chế tạo một thiết bị giám sát chất lượng ắc quy giá rẻ, chủ yếu phục vụ cho ứng dụng lưu trữ điện năng cho các công trình, trạm điện (trạm biến áp, nhà máy điện, hệ thống năng lượng mặt trời PV) Thiết bị sử dụng một thuật toán đánh giá SOC và SOH đơn giản với độ chính xác chấp nhận được để có

thể chạy trên nền một vi điều khiển giá rẻ, cụ thể ở đây là vi điều khiển TMS320F28377S của hãng Texas Instrument Thiết bị sẽ cho phép người sử dụng hoặc người vận hành có những nhận định chính xác về chất lượng của các ắc quy đang vận hành, từ đó có kế hoạch bảo trì bảo dưỡng hoặc thay mới ắc quy

Hình 1.1 Hình ảnh minh họa giàn ắc quy được sử dụng ở các trạm điện

Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đang hướng tới mục tiêu biến tất cả các công trình trạm điện, trạm biến áp do EVN quản lý về mô hình “Không người trực” (quá trình vận hành của trạm sẽ được giám sát từ xa hoàn toàn), do đó thiết bị giám sát ắc quy phải có khả năng giao tiếp và gửi các dữ liệu đã thu thập được về hệ thống SCADA tại trạm Luận văn cũng sẽ thực hiện xây dựng một phần mềm trên máy tính để giao tiếp với thiết bị giám sát ắc quy và có thể được tích hợp vào hệ thống SCADA hiện hữu

1.2 Mục tiêu nghiên cứu và quy mô đề tài

1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận văn này như sau:

 Xây dựng được một giải thuật để xác định SOC, SOH của hệ thống ắc quy Khối lượng tính toán trong giải thuật không được quá cao để giải thuật có thể được áp dụng lên vi điều khiển TMS320F28377S

 Xây dựng được mô hình tương đương đơn giản của ắc quy và chạy mô phỏng giải thuật trên với phần mềm PLECS

 Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát ắc quy với vi điều khiển TMS320F28377S

 Lập trình một phần mềm thu thập dữ liệu ắc quy trên máy tính để giao tiếp với thiết bị giám sát ắc quy nhằm hiển thị và lưu trữ các thông số mà thiết bị giám sát đã ghi nhận lại

 Thực hiện thử nghiệm toàn bộ hệ thống: từ thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng các giải thuật ước lượng SOC và SOH cho đến phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính, từ đó đánh giá hoạt động của giải thuật ước lượng SOC, SOH đã xây dựng

1.2.2 Quy mô đề tài

Nhằm mục đích tiện lợi cho công tác thử nghiệm, hệ thống giám sát ắc quy mà luận văn nhắm đến sẽ bao gồm các khối như sau:

 Hệ 2 ắc quy acid chì nối tiếp, mỗi bình 6 V – 10 Ah

 Thiết bị giám sát sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S, sẽ giám sát các giá trị dòng điện và điện áp của hệ 2 ắc quy

 Phần mềm trên máy tính thu thập dữ liệu mà thiết bị giám sát gửi về (Các thông số về dòng, áp, chế độ hoạt động sạc hay xả, SOC, SOH)

Hình 1.2 Mô hình khối hệ thống

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã đề ra các phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện như sau:

Bảng 1.1 Phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện luận văn

Phương pháp nghiên cứu Phương pháp thực hiện 1 Tham khảo các tài liệu liên quan đến

lĩnh vực nghiên cứu đã đề ra trong nội dung nghiên cứu của luận văn Tham khảo thêm các sản phẩm có chức năng tương tự trên thị trường

- Sử dụng nguồn tài liệu từ các tạp chí khoa học, hội nghị chuyên ngành, bài báo nghiên cứu được công bố trên thư viện điện tử IEEEXPLORE, Springer, Energies, Elsevier và các tạp chí của các Trường Đại học trong nước

- Tham khảo các luận văn, luận án, đề tài nghiên cứu khoa học có liên quan - Tham khảo các sản phầm giám sát ắc quy trên thị trường Tìm hiểu tài liệu nhà sản xuất của các sản phẩm này, đánh giá phương pháp mà họ sử dụng

2 Xây dựng, phát triển các mô hình, giải

thuật liên quan đến phạm vi nghiên cứu

- Phân tích mô hình tương đương của ắc quy, và xây dựng một mô hình tương đương đơn giản để dựa vào đó xây dựng giải thuật

- Xây dựng giải thuật ước lượng SOC, SOH của ắc quy

3 Mô phỏng mô hình và giải thuật trên

phần mềm

- Tham khảo tài liệu cũng như các video hướng dẫn sử dụng phần mềm mô phỏng

- Xây dựng mô hình và lập trình giải thuật trên phần mềm mô phỏng Chạy thử mô phỏng và điều chỉnh các thông số trong giải thuật cho hợp lý

4 Thiết kế và chế tạo phần cứng Lập trình

giải thuật trên vi điều khiển

- Tìm hiểu các tài liệu datasheet, user manual của vi điều khiển

- Thiết kế phần cứng dựa vào sơ đồ khối hệ thống cũng như các module cần sử dụng trên vi điều khiển

- Tham khảo bộ thư viên lập trình vi điều khiển, thực hiện lập trình riêng rẽ

từng module, sau đó kết hợp lại thành một chương trình hoàn thiện

5 Lập trình phần mềm thu thập dữ liệu

trên máy tính

- Tham khảo bộ thư viện lập trình ngôn ngữ C# trên phần mềm Visual Studio của Microsoft, đặc biệt là module đọc dữ liệu từ cổng Serial Thực hiện xây dựng phần mềm có giao diện để hiện thị các giá trị thu thập được và lưu trữ lại trong 1 file

6 Tiến hành thực nghiệm

- Xây dựng các kịch bản thử nghiệm để đánh giá giải thuật xác định SOC, SOH

- Thực hiện thử nghiệm theo các kịch bản đã đề ra, ghi nhận kết quả và đánh giá

1.4 Cấu trúc của luận văn

Nhằm đảm bảo tính mạch lạc, thứ tự sắp xếp hợp lý và nội dung của các vấn đề nghiên cứu được liên kết với nhau, luận văn sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:

 Chương 1: Giới thiệu chung

 Chương 2: Xây dựng giải thuật ước lượng SOC và SOH của ắc quy acid chì

 Chương 3: Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát ắc quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S

 Chương 4: Kết quả thực nghiệm

 Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận

CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG SOC VÀ SOH CỦA ẮC QUY ACID CHÌ

2.1 Tổng quan về ắc quy acid chì

Ắc quy acid chì là loại ắc quy sạc được, có bản cực âm làm bằng chì (Pb) và bản cực dương làm bằng chì oxide (PbO2) và được ngâm trong dung dịch điện phân là acid sulfuric (H2SO4)

Trong quá trình xả, 2 bản cực của ắc quy sẽ phản ứng với ion HSO4- như sau: Ở bản cực âm:

𝑃𝑏 + 𝐻𝑆𝑂4− 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 𝐻++ 2𝑒− (2.1) Ở bản cực dương:

𝑃𝑏𝑂2+ 𝐻𝑆𝑂4−+ 3𝐻++ 2𝑒− 𝑃𝑏𝑆𝑂4+ 2𝐻2𝑂 (2.2)

Tổng điện thế cho 2 phản ứng là khoảng 2.05 V Phản ứng cũng sinh ra nước, làm loãng dung dịch acid sulfuric Khi ắc quy bị xả hết toàn bộ dung lượng thì khi đó 2 bản cực đã đều biến thành chì sulfat PbSO4 và không còn phản ứng tiếp được với ion HSO4-

Trong quá trình sạc, việc đặt 1 điện áp ngoài lên 2 bản cực giúp kéo các electron về bản cực âm, phản ứng đi theo chiều ngược lại với các phương trình (2.1) và (2.2) Khi ắc quy đã sạc đầy thì bản cực âm sẽ trở thành chì Pb, còn bản cực dương sẽ trở thành chì oxide PbO2 Dung dịch điện phân H2SO4 cũng trở nên đậm đặc hơn Trên thực tế, các ắc quy acid chì được sản xuất và bán trên thị trường sẽ có 3 loại: điện áp định mức 2 V (chỉ có 1 cell), điện áp định mực 6 V (3 cell ghép lại), và điện áp định mức 12 V (6 cell ghép lại)

So với một số loại ắc quy sạc được khác thì ắc quy acid chì có bất lợi là mật độ năng lượng thấp và tuổi thọ không cao (tuổi thọ thường thấp hơn 500 chu kỳ nạp xả hoàn toàn) Tuy nhiên, ắc quy acid chì có khả năng cung cấp dòng xung cao, giá cả thấp, nên nó rất phù hợp với một số ứng dụng như: khởi động động cơ cho xe máy,

ô tô, nguồn dự trữ cho các thiết bị đóng cắt, nguồn dự trữ cho các công trình trạm điện, nguồn dự trữ cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, v.v

Hình 2.1 Cấu trúc của 1 ắc quy acid chì 12V (gồm 6 cell)

2.2 Một số phương pháp ước lượng SOC của ắc quy acid chì

SOC (State of charge) là đại lượng thể hiện mức độ sạc của ắc quy, thường được thể hiện với giá trị phần trăm (%), với mức 0% khi ắc quy xả cạn, và 100% khi ắc quy sạc đầy SOC là một đại lượng không thể đo trực tiếp, do đó, SOC cần được ước lượng dựa trên những đại lượng đo được như điện áp ắc quy, dòng qua ắc quy, nhiệt độ môi trường, v.v…

Đề tài sẽ đề cập ngắn gọn một số giải thuật ước lượng SOC được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đồng thời chỉ ra những ưu, nhược điểm của chúng, từ đó chọn ra một phương pháp tổng quan để xây dựng giải thuật chi tiết

2.2.1 Phương pháp điện áp hở mạch OCV

Open-circuit voltage (OCV), là một phương pháp ước lượng SOC dựa trên điện áp hở mạch của ắc quy Dựa vào đặc tuyến mối quan hệ giữa OCV và SOC, ta có thể xác định ngay được SOC khi có được giá trị SOC

Ưu điểm của phương pháp OCV so với một số phương pháp ước lượng SOC khác là khối lượng tính toán thấp

Nhược điểm của phương pháp OCV đó là tại thời điểm ắc quy đang hoạt động (nạp hoặc xả), ta không thể đo trực tiếp giá trị điện áp hở mạch được

2.2.2 Phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting)

Đây là phương pháp ước lượng SOC dựa trên việc đếm tổng điện lượng vào hoặc ra ắc quy để xác định điện lượng còn lại bên trong ắc quy Điện lượng được tính bằng hàm tích phân dòng điện theo thời gian

Cũng như phương pháp OCV, Coulomb counting là phương pháp có khối lượng tính toán thấp

Về mặt nhược điểm, do Coulomb counting là phương pháp tính toán tích lũy qua thời gian, do đó nếu xảy ra sai số trong việc tính toán hoặc trong việc đo đạc các thông số dòng, áp thì sai số đó sẽ tích lũy theo thời gian và gây ra sai lệch lớn, đặc biệt là khi ắc quy không được nạp đầy hoặc xả hoàn toàn trong thời gian dài

2.2.3 Phương pháp sử dụng thuật toán thích nghi

Đây là phương pháp sử dụng các thuật toán thích nghi như bộ lọc Kalman, mạng Neural, v.v… để ước lượng SOC Thuật toán thích nghi là có thể được tự động điều chỉnh các thông số trong hệ thống khi hệ thống có sự thay đổi (ắc quy bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố hóa học bên trong, ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, và có đặc tuyến SOC phi tuyến) Các giải thuật thích nghi có khả năng ước lượng SOC với độ chính xác cao, đặc biệt cho những hệ thống có sự thay đổi đột ngột về điều kiện vận hành

Tuy nhiên, các giải thuật thích nghi luôn có khối lượng tính toán lớn, do đó nếu áp dụng cho các hệ thống có số lượng ắc quy lớn thì sẽ rất tốn kém

2.2.4 Phương pháp lai

Phương pháp lai là phương pháp kết hợp từ hai phương pháp ước lượng trở lên Các phương pháp con trong một mô hình phương pháp lai sẽ hoạt động tương trợ

cho nhau, tận dụng được ưu điểm cũng như loại bỏ những nhược điểm của chúng Đây là phương pháp vẫn sẽ được nghiên cứu và phát triển trong tương lai

2.3 Xây dựng giải thuật ước lượng SOC bằng phương pháp điện áp hở mạch OCV

Với quy mô đề tài đã được đề ra, ta sẽ sử dụng phương pháp OCV để xây dựng giải thuật Lý do ta chọn phương pháp này là vì:

 Phương pháp OCV có khối lượng tính toán thấp, do đó đối với hệ thống dự trữ điện năng ở các công trình, trạm điện (với số lượng ắc quy có thể lên tới vài chục, hay thậm chí hàng trăm ắc quy), vi xử lý trung tâm vẫn đủ khả năng để thực hiện việc tính toán ước lượng

 Hệ thống ắc quy của các công trình, trạm điện thường ở trạng thái nghỉ (không sạc, không xả), hoặc ở trạng thái mang tải hằng (công suất cố định) Do ít có biến động trong quá trình vận hành nên phương pháp OCV vẫn đủ khả năng để ước lượng SOC với độ chính xác cao

2.3.1 Xây dựng mô hình tương đương của ắc quy acid chì

Ắc quy acid chì có mô hình tương đương như sau:

Hình 2.2 Mô hình tương đương tổng thể của ắc quy acid chì

Eo là nguồn áp lý tưởng thể hiện cho điện áp mở mạch của ắc quy R1 là nội trở ắc quy Hệ điện trở và tụ điện Rd – Cd và Rc – Cc là các thành phần ký sinh sinh

ra trong khi nạp hoặc xả Các Diode lý tưởng nối tiếp với hệ điện trở và tụ điện ký sinh để đảm bảo dòng điện tại một thời điểm chỉ có thể chạy qua 1 trong 2 nhánh

Để đơn giản hóa giải thuật, ta có thể chia dải SOC của ắc quy ra nhiều phân đoạn hẹp (ví dụ như chia dải SOC ra thành 10 đoạn, mỗi đoạn dài 10%), và ta xem như các giá trị điện trở (Rd, Rc) và tụ điện (Cd, Cc) ký sinh của ắc quy là xấp xỉ bằng nhau trong từng phân đoạn hẹp đó Khi đó ta sẽ có một mô hình tương đương đơn giản hơn

Hình 2.3 Mô hình tương đương của ắc quy acid chì (xem như các trở kháng ký sinh trong 2 quá trình nạp – xả là xấp xỉ nhau trong những phân đoạn SOC hẹp)

Ta chỉ quan tâm đến việc ắc quy vận hành ở chế độ xác lập, do đó ta có thể xem như ảnh hưởng của tụ điện ký sinh là không đáng kể Khi đó, mô hình tương đương của ắc quy sẽ bao gồm 1 nguồn áp lý tưởng nối tiếp với một điện trở như sau:

Hình 2.4 Mô hình tương đương đơn giản hóa của ắc quy acid chì (xem như các nội trở trong 2 quá trình nạp – xả là xấp xỉ nhau trong những phân đoạn SOC hẹp)

2.3.2 Xây dựng giải thuật ước lượng SOC

Như đã đề cập đến ở mục 2.2, nhược điểm của phương pháp OCV đó là tại thời điểm ắc quy đang hoạt động (sạc hoặc xả), ta không thể đo trực tiếp giá trị điện áp hở mạch được Tuy nhiên, điện áp hở mạch tại một thời điểm bất kỳ có thể được tính theo công thức:

𝑂𝐶𝑉 = 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 − 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡 × 𝑅𝑖𝑛𝑡 (2.3) Trong đó:

 Rint: Giá trị nội trở của ắc quy, là hàm phụ thuộc vào SOC  Vbatt: Điện áp đầu cực ắc quy

 Ibatt: Dòng điện đại số qua ắc quy Ở đây ta quy định Ibatt sẽ dương khi ắc quy đang sạc, và âm khi ắc quy đang xả

Dòng điện và điện áp đầu cực của ắc quy có thể dễ dàng đo được trong quá trình vận hành Do đó, để xác định được giá trị điện áp hở mạch, thuật toán cũng cần phải ước lượng được giá trị nội trở của ắc quy

Giản đồ mối quan hệ giữa nội trở ắc quy acid chì và SOC

Hình 2.5 Một ví dụ về giản đồ mối quan hệ giữa SOC và nội trở của một ắc quy acid chì

Dựa vào đó, ta xây dựng hàm nội suy giá trị nội trở của ắc quy như sau: 𝑅𝑖𝑛𝑡 = 𝑅𝑓𝑢𝑙𝑙

𝑆𝑂𝐶𝑘 (2.4) Trong đó:

 Rint: Giá trị nội trở của ắc quy, là hàm phụ thuộc vào SOC

 Rfull: Giá trị nội trở ắc quy tại SOC = 1, là hằng số được xác định bởi thực nghiệm

 SOC: Mức độ sạc của ắc quy, có giá trị từ 0 đến 1

 k: hệ số nội suy, được xác định dựa trên việc thu thập nhiều giá trị mẫu của nội trở ắc quy tại nhiều SOC khác nhau

Để thực hiện xây dựng được giải thuật, việc đầu tiên ta cần làm là thu thập bộ dữ liệu mẫu điện áp sạc và xả của ắc quy Trong đề tài này, ta sẽ thực hiện thu thập dữ liệu với dòng điện sạc/xả là C/10 Ta sẽ lấy mẫu 11 điểm tại các giá trị SOC cụ thể như sau:

Bảng 2.1 Định dạng bảng dữ liệu ắc quy

SOC 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% V

Dựa vào đó, ta sẽ tính toán các giá trị mẫu điện áp hở mạch OCV và nội trở ắc quy Rint theo các phương trình sau:

𝑂𝐶𝑉 = 𝑉𝑐 + 𝑉𝑑

2 (2.5) 𝑅𝑖𝑛𝑡 = 𝑉𝑐− 𝑉𝑑

2 × 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡 (2.6) Trong đó:

 OCV: Điện áp hở mạch của ắc quy

 Vc: Điện áp đầu cực ắc quy khi sạc với dòng điện C/10  Vd: Điện áp đầu cực ắc quy khi xả với dòng điện C/10  Rint: Giá trị nội trở của ắc quy

 Ibatt: Dòng điện sạc/xả

Ở đây, ta đang giả thiết rằng nội trở ắc quy trong quá trình sạc và xả trong từng phân đoạn SOC là bằng nhau để đơn giản hóa bài toán Trên thực tế, nội trở ắc quy trong quá trình sạc và xả gần như là bằng nhau ở phần lớn chiều dài SOC, chỉ có sự khác biệt rõ rệt ở các điểm SOC gần 100% và gần 0% Lý do của hiện tượng này là do bản chất phản ứng hóa học bên trong ắc quy, khi ắc quy gần đầy thì sẽ rất khó sạc thêm (do dung dịch H2SO4 trở nên đậm đặc, lượng nước không đủ để tiếp tục phản ứng) tuy nhiên vẫn rất dễ xả; ngược lại khi ắc quy đã gần cạn thì sẽ rất khó để xả thêm (do dung dịch H2SO4 rất loãng, không đủ ion SO42- để tiếp tục phản ứng), tuy nhiên vẫn rất dễ để sạc vào

Việc ta giả thiết nội trở ắc quy bằng nhau trong quá trình sạc và xả ở từng phân đoạn để xây dựng giải thuật do đó sẽ gây ra những sai số ở điểm SOC gần 100% và 0% Tuy nhiên, ta vẫn chấp nhận điều kiện này, vì đối với ứng dụng mà ta đang nhắm tới (thiết bị giám sác ắc quy cho các công trình trạm điện) thì ắc quy thường sẽ không sạc quá đầy hoặc xả quá sâu

Dựa trên những giả thiết và bộ dữ liệu thu thập, ta xây dựng giải thuật cụ thể như sau:

B1: Bắt đầu với SOC = 0.5

B4: Tính toán OCV dựa theo hai cách: Cách 1: Định luật Ohm:

𝑂𝐶𝑉1 = 𝑉𝑏𝑎𝑡𝑡 − 𝑅𝑖𝑛𝑡 × 𝐼𝑏𝑎𝑡𝑡

Cách 2: Tuyến tính hóa dựa vào các giá trị mẫu OCV đã thu thập: 𝑂𝐶𝑉2 =𝑂𝐶𝑉𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡 − 𝑂𝐶𝑉𝑙𝑒𝑓𝑡

𝑆𝑂𝐶𝑟𝑖𝑔ℎ𝑡 − 𝑆𝑂𝐶𝑙𝑒𝑓𝑡 × (𝑆𝑂𝐶 − 𝑆𝑂𝐶𝑙𝑒𝑓𝑡) + 𝑂𝐶𝑉𝑙𝑒𝑓𝑡Tính ΔOCV:

∆𝑂𝐶𝑉 = |𝑂𝐶𝑉1− 𝑂𝐶𝑉2|

∆𝑂𝐶𝑉 < 𝜀

B6: Đưa ra giá trị SOC và OCV (OCV = OCV )

B5: Chọn giá trị SOC mới 𝑆𝑂𝐶 = 𝑆𝑂𝐶 ± 𝛿 Cộng nếu OCV1 > OCV2

Trừ nếu OCV1 < OCV2

B3: Tính toán Rint dựa vào phương trình (2.4)

Đúng

Sai B2: Đo đạc các thông số Vbatt, Ibatt

Các giá trị ε và δ sẽ được hiệu chỉnh trong quá trình mô phỏng và thực nghiệm

2.4 Mô phỏng giải thuật với phần mềm PLECS

PLECS là một phần mềm mô phỏng thiên về điện tử công suất của hãng Plexim PLECS cho phép người dùng xây dựng và chạy mô phỏng các mô hình hệ thống gồm các phần tử như nguồn điện, tải, các bộ chuyển đổi năng lượng, v.v

PLECS có một bộ thư viện khá đầy đủ, bao quát cho nhiều lĩnh vực về điện, tử, nhiệt, cơ khí, v.v PLECS cũng cho phép người dùng tự xây dựng các mô hình giải thuật sử dụng ngôn ngữ lập trình C

Một điểm mới của PLECS so với nhiều phần mềm mô phỏng về điện khác đó chính là khả năng tích hợp với các vi điều khiển của một hãng lớn, chẳng hạn như các dòng vi điều khiển C2000 của hãng Texas Instrument (trong đó có TMS320F28377S mà chúng ta sẽ sử dụng cho đề tài này), hoặc dòng STM32 của hãng STMicroelectronics PLECS cho phép người dùng tự sinh ra phần code nạp cho các vi điều khiển trên ngay từ mô hình mô phỏng, giúp rút ngắn quá trình từ mô phỏng đến thực nghiệm

2.4.1 Xây dựng mô hình tương đương của ắc quy bằng phần mềm PLECS

Sử dùng phần mềm PLECS, ta xây dựng một mô hình ắc quy để mô phỏng giải thuật ước lượng SOC Mô hình tổng quan của hệ thống sẽ bao gồm một nguồn dòng DC nối tiếp với một ắc quy (khối “Battery”) Đầu ra của khối ắc quy là 2 giá trị “Estimated SOC” (là SOC mà giải thuật ước lượng được) và “Actual SOC” (là SOC thực tế của ắc quy trong quá trình mô phỏng)

Hình 2.6 Mô hình tổng quát của hệ thống mô phỏng

Khối “Battery” thể hiện cho ắc quy được mô phỏng Cụ thể khối này sẽ gồm các khối chi tiết như sau:

Hình 2.7 Mô hình tương đương mô phỏng của ắc quy

là nguồn áp lý tưởng, thể hiện cho điện áp hở mạch của ắc quy Điện áp của nguồn áp này thay đổi theo SOC của ắc quy R là tổng nội trở của ắc quy, được thể hiện bằng một biến trở thay đổi dựa theo SOC của ắc quy Việc tính toán SOC và OCV thực thế sẽ được thực hiện bằng khối giải thuật “SOC/OCV Calculation” dựa vào phương pháp đếm điện lượng Coulomb Counting, do đó đầu vào của khối giải thuật này là tổng điện lượng đếm được (tích phân của dòng điện) Khối SOC Estimation chứa giải thuật ước lượng SOC Mục đích của việc mô phỏng là so sánh được SOC ước lượng (Estimated SOC) và SOC thực tế (Actual SOC)

Tất cả các đồ thị mô phỏng đều có trục hoành là thời gian, đơn vị là giây (s) Đối với các đồ thị điện áp, trục tung có đơn vị là Vôn (V) Đối với các đồ thị SOC, trục tung có đơn vị là %

Phần lập trình của giải thuật sẽ được thể hiện cụ thể ở Phụ lục của luận văn

Trường hợp 1: Thực hiện mô phỏng sạc ắc quy với dòng sạc 1 A trong 10 giờ

Hình 2.8 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình sạc dòng 1 A – 10 giờ

Hình 2.9 Kết quả mô phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình sạc dòng 1 A – 10 giờ

Hình 2.10 Kết quả mô phỏng SOC của ắc quy trong chu trình sạc dòng 1 A – 10 giờ

Trường hợp 2: Thực hiện mô phỏng xả ắc quy với dòng xả 1 A trong 10 giờ

Hình 2.11 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình xả dòng 1 A – 10 giờ

Hình 2.12 Kết quả mô phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình xả dòng 1 A – 10 giờ

Hình 2.13 Kết quả mô phỏng SOC của ắc quy trong chu trình xả dòng 1 A – 10 giờ

Trường hợp 3: Thực hiện mô phỏng SẠC ắc quy với dòng sạc 1 A, sau mỗi giờ sạc thì tạm dừng 1400 s, tổng thời gian là 50000 s (xấp xỉ 13.89 giờ)

Hình 2.14 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ xen kẽ

Hình 2.15 Kết quả mô phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ xen kẽ

Hình 2.16 Kết quả mô phỏng SOC của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ xen kẽ

Dựa vào các kết quả mô phỏng trên, ta có thể thấy được giải thuật đã đạt hiệu quả cao trong việc ước lượng SOC, các đường màu đỏ (là giá trị SOC mà giải thuật đã ước lượng) luôn bám sát đường màu xanh (là giá trị SOC thực tế của ắc quy)

2.5 Phương pháp ước lượng SOH bằng phương pháp đếm điện tích (Coulomb counting)

SOH (State of Health) là chỉ số đánh giá tình trạng sức khỏe của ắc quy so với điều kiện lý tưởng ban đầu Chỉ số này có thể được đánh giá bởi nhiều tiêu chí khác nhau như dung lượng, nhiệt độ, nội trở, tuổi thọ, v.v…

Trong quy mô đề tài này, SOH sẽ được đánh giá dựa trên dung lượng tổng mà ắc quy chứa được so với dung lượng định mức của ắc quy Việc xác định tổng dung lượng của ắc quy thường được xác định hiệu quả nhất là bằng phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting) Thiết bị giám sát của chúng ta sẽ không chủ động xác định SOH (mặc định thiết bị sẽ gửi giá trị SOH 100% về cho phần mềm thu thập dữ

liệu ắc quy) Chỉ khi nào nhận lệnh từ người vận hành thiết bị mới bắt đầu đếm điện lượng để xác định SOH

Như vậy, việc xác định SOH là một hình thức kiểm tra định kỳ tình trạng của ắc quy Cụ thể để xác định SOH, ta thực hiện xả ắc quy từ 100% xuống 0%, đồng thời sử dụng phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting) để xác định tổng điện lượng mà ắc quy đang chứa được Khi đó, SOH của ắc quy sẽ được tính như sau:

𝑆𝑂𝐻 = 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑄𝑛𝑜𝑟𝑚 (2.7) Trong đó:

 Qtotal là tổng điện tích đếm được  Qnorm là điện tích định mức của ắc quy Giản đồ cụ thể của phương pháp này như sau: