ứng dụng matlab simulink mô phỏng hệ thống quản lý pin

Trong một số loại pin, một điện cực Niken xốp được sử dụng để nâng cao mật độ năng lượng của cell pin [1].. + An toàn: Pin Ni-Cd không dễ bị cháy nổ khi sạc hoặc sử dụng, và cung cấp một

TỔNG QUAN

Tổng quan về đề tài

Trong bối cảnh xã hội hiện đại ngày càng phát triển, quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa liên tục diễn ra, gây ra tình trạng ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ở Thành phố Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh Vấn đề này ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống, và các loại phương tiện giao thông, đặc biệt là ô tô, đóng góp lớn vào ô nhiễm không khí Để giảm thiểu tác động này, xe Hybrid (HEV) và xe điện (EV) đang dần thay thế ô tô sử dụng nhiên liệu hóa thạch Với tình hình này, pin trên xe điện trở nên quan trọng và đang phát triển mạnh mẽ

Trong ngữ cảnh này, pin Lithium đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nguồn năng lượng cho các xe điện Để tối ưu hóa hiệu suất và tuổi thọ của pin, Hệ Thống Quản

Lý Pin (Battery Management System - BMS) trở thành yếu tố quyết định Đề tài này tập trung vào ứng dụng phần mềm Matlab/Simulink để mô phỏng và nghiên cứu Hệ Thống Quản Lý Pin, mang lại cái nhìn chi tiết về quản lý và tối ưu hóa pin Lithium

Nhóm chúng tôi, dưới sự hướng dẫn của thầy Th S Huỳnh Quốc Việt từ Bộ môn Động cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã thực hiện đề tài "Ứng Dụng Matlab/Simulink Mô Phỏng Hệ Thống Quản

Lý Pin" Đề tài này đóng góp vào công tác giảng dạy, hỗ trợ học tập của sinh viên và cung cấp cái nhìn rõ hơn về chức năng, hiệu suất và cách sử dụng pin Lithium hiệu quả.

Mục tiêu đề tài

- Nắm vững cấu tạo, chức năng và nguyên lí hoạt động của hệ thống quản lý pin

- Sử dụng thành thạo Matlab/Simulink trong mô phỏng các trạng thái của pin và các chức năng của một hệ thống quản lý pin phổ biến

- Nắm vững thông tin về hiệu suất, nhiệt độ và quá trình sạc của pin, từ đó cung cấp tài liệu hữu ích cho việc quản lý pin hiệu quả

- Xây dựng tư liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu, học tập và giảng dạy.

Giới hạn đề tài

Do còn hạn chế về các thiết bị, công cụ thực tế nên đề tài chỉ tiến hành mô phỏng trên ứng dụng Matlab/Simulink, chưa tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm tra kết quả

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Hệ thống quản lý pin

- Công cụ tính toán và mô phỏng Matlab/Simulink/Simscape.

Phương pháp nghiên cứu

- Tập trung vào việc sử dụng nguồn tài liệu tham khảo từ sách báo, Internet từ đó xây dựng mô hình mới

- Tham khảo các mô hình thực tế; tiến hành phân tích và đánh giá dữ liệu để xây dựng thuật toán và mô hình mô phỏng

- Sử dụng Matlab/Simulink/Simscape để xây dựng các mô hình mô phỏng từ đó đánh giá một cách toàn diện về hệ thống quản lý pin.

Nội dung nghiên cứu

- Mô phỏng được trạng thái sạc (SOC), điện áp, nhiệt độ của pin Lithium

- Đánh giá kết quả mô phỏng của Simulink so với model pin Simscape

- Model quản lý sạc CC-CV cho pin Lithium

- Model quản lý cân bằng pin

- Model quản lý giải nhiệt cho pin

- Model sạc kết hợp cân bằng pin

- Thiết kế model pack pin áp dụng cho xe golf điện

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PIN XE ĐIỆN

Các loại pin sử dụng trên xe điện

2.1.1 Pin Nikel Cadimi (Ni-Cd)

2.1.1.1 Tổng quan về pin Ni-Cd

Pin Ni–Cd đã được phát triển trong hơn một thế kỷ Nó đã được áp dụng rộng rãi do có công suất cao, bảo trì dễ dàng, chi phí thấp và chế tạo đơn giản Nó có thể được phân loại thành tấm dạng túi, tấm thiêu kết và tấm dạng sợi

Pin Ni–Cd là một loại pin kiềm do dung dịch KOH được sử dụng làm chất điện phân Vật liệu cực âm là Cd và vật liệu cực dương là NiOOH Phương trình phản ứng hóa học của pin Ni-Cd là:

2NiOOHCd2H O2Ni OH( ) Cd OH( ) (2.1) Trong quá trình phóng điện, Cd bị oxy hóa thành Cd(OH)2 NiOOH bị khử thành Ni(OH)2 và H2O thoát ra khỏi chất điện phân H2O được tạo ra trong quá trình tích điện

Có hiệu ứng nhớ đối với pin Ni–Cd, nghĩa là dung lượng không khả dụng đối với pin Ni–

Cd là giảm khi Ni–Cd không được xả hết Điện áp danh định của cell pin NiCd khoảng 1,2V Điện cực dương của pin Ni-Cd được làm bằng Ni(OH)2/NiOOH, điện cực âm được làm bằng Cd(OH)2 và chất điện phân là KOH Trong một số loại pin, một điện cực Niken xốp được sử dụng để nâng cao mật độ năng lượng của cell pin [1]

2.1.1.2 Đặc tính sạc và xả của pin Ni-Cd Đặc tính sạc của pin Ni-Cd

+ Cường độ sạc: Pin Ni-Cd có thể được sạc với cường độ dòng điện cao và tốc độ sạc nhanh Điều này có thể làm cho quá trình sạc trở nên nhanh chóng và tiết kiệm thời gian Cường độ sạc thường được chỉ định bởi nhà sản xuất và cần tuân thủ để đảm bảo an toàn và hiệu quả

+ Điện áp sạc: Pin Ni-Cd có điện áp sạc cụ thể để đạt được dung lượng đầy đủ Thông thường, điện áp sạc trong khoảng từ 1,4 đến 1,5V trên mỗi viên pin được sử dụng Vì vậy, quá trình sạc của pin Ni-Cd thường được thực hiện với điện áp cao hơn so với pin khác như pin kiềm NiMH hoặc pin Lithium-ion

+ Chế độ sạc: Pin NiCd có thể sạc bằng các chế độ sạc khác nhau, bao gồm chế độ sạc nhỏ giọt và chế độ sạc nhanh Chế độ sạc nhỏ giọt (trickle charge) được sử dụng để duy trì pin ở mức sạc đầy đủ sau khi pin đã được sạc gần đầy Chế độ sạc nhanh (fast charge) được sử dụng để sạc nhanh pin trong thời gian ngắn Cần tránh sạc quá mức ở pin Ni-Cd để không ảnh hưởng đến hiệu quả sử dụng của pin

Hình 2.1 Sơ đồ pin Ni-Cd sạc quá mức

+ Hiệu suất sạc: Pin Ni-Cd có hiệu suất sạc tốt Nó có khả năng cung cấp năng lượng nhanh chóng và phục hồi sau quá trình sạc Điều này làm cho pin Ni-Cd phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi sạc nhanh và sử dụng liên tục Đặc tính xả của pin Ni-Cd

Hình 2.2 Sơ đồ cell pin Ni-Cd lúc xả

+ Điện áp xả: Pin Ni-Cd có một điện áp xả khá ổn định trong suốt quá trình sử dụng, tức là điện áp của pin giữ đều nhưng giảm dần theo thời gian Điện áp xả của pin Ni-Cd

5 thường dao động trong khoảng 1,2V trên mỗi viên pin Điều này cho phép người dùng theo dõi và đánh giá mức năng lượng còn lại trong pin

+ Dung lượng xả: Pin Ni-Cd có dung lượng xả tương đối cao Loại pin này cung cấp một lượng lớn năng lượng trong thời gian ngắn sau khi được sạc đầy

+ Hiệu suất xả: Pin Ni-Cd có hiệu suất xả ổn định, tức là khả năng cung cấp năng lượng liên tục và đồng đều trong quá trình sử dụng Hiệu suất xả của pin Ni-Cd không giảm đáng kể theo thời gian, giúp duy trì hiệu suất của thiết bị sử dụng pin

+ Tốc độ xả: Pin Ni-Cd có khả năng cung cấp dòng điện cao trong quá trình xả Điều này cho phép pin Ni-Cd xử lý tốt các thiết bị yêu cầu công suất cao và đáp ứng nhanh chóng khi được yêu cầu cung cấp năng lượng lớn [1]

2.1.1.3 Ưu/ nhược điểm của pin Ni-Cd Ưu điểm

+ Tuổi thọ cao: Pin Ni-Cd thường có tuổi thọ lâu hơn so với các loại pin khác như pin kiềm hay pin Li-ion Pin Ni-Cd có khả năng chịu được số lần sạc-xả nhiều hơn, giúp kéo dài tuổi thọ của pin

+ Nhiệt độ hoạt động rộng: Pin Ni-Cd có khả năng hoạt động tốt ở nhiệt độ cao hơn so với các loại pin khác Khả năng này giúp cho pin Ni-Cd trở thành lựa chọn tốt cho các ứng dụng mà yêu cầu hoạt động liên tục trong môi trường nhiệt độ khắc nghiệt

+ Khả năng cung cấp dòng cao: Pin Ni-Cd có khả năng cung cấp dòng điện cao mà không bị suy giảm hiệu suất

+ An toàn: Pin Ni-Cd không dễ bị cháy nổ khi sạc hoặc sử dụng, và cung cấp một mức độ an toàn cao hơn so với các loại pin khác Điều này làm cho pin Ni-Cd được ưa chuộng trong các ứng dụng công nghiệp và an ninh

+ Giá thành tương đối thấp: Pin Ni-Cd có giá thành thấp hơn so với các loại pin khác

Các đặc tính của pin Lithium-ion

Chúng ta xem xét một mô-đun pin bao gồm 16 viên pin lithium-ion có dung lượng định mức là 100 Ah Mối quan hệ giữa điện áp và dung lượng xả của mô-đun pin trong điều kiện nhiệt độ phòng thí nghiệm với các dòng xả khác nhau được thể hiện trong Hình 2.7

Hình 2.7b là phần phóng to của Hình 2.7a Dung lượng xả ở các điểm M1, M2, M3, M4 và M5 với dòng xả không đổi lần lượt là 93,43, 94,43, 94,55, 95,24 và 95,96 Ah, với các dòng 200A (2 C), 150A (1,5 C), 100A (1 C), 50A (0,5 C) và 33A (1/3 C), tương ứng Điện áp mạch mở sau khi giữ trong trạng thái mạch mở trong 1 giờ lần lượt là 54,85, 54,15,

53,44, 52,83 và 52,48 V Có thể thấy rằng điện áp mạch mở tăng khi dòng xả tăng Sự giảm về dung lượng không rõ ràng khi dòng xả tăng lên Dung lượng xả với dòng 200 A chỉ giảm 2,6% so với dung lượng xả với dòng 33 A Hiện tượng trên một mặt cho thấy rằng pin LMO có khả năng duy trì hiệu suất xả tốt ở tỷ lệ xả cao, cho thấy hiệu suất xả tốc độ tốt Mặt khác, nhiệt độ pin tăng nhanh khi xả với dòng cao Độ nhớt của dung dịch điện phân sau đó giảm đi, từ đó làm tăng tốc quá trình lan truyền của vật liệu hoạt tính đến vùng phản ứng, giảm thiểu hiện tượng tăng cường tập trung và tăng cường kích hoạt của viên pin Do đó, hiệu suất xả được cải thiện và dung lượng xả tăng do phản ứng vật liệu hoạt động đủ hiệu quả

Như thể hiện trong Hình 2.7a, điện áp làm việc của pin khá ổn định khi tỷ lệ SOC dao động từ 20 đến 80% (được ký hiệu bởi khu vực B) Trong phạm vi này, sự phản ứng điện hóa đồng nhất xảy ra bên trong pin, có nghĩa là các chất tham gia vào phản ứng hóa học cùng thuộc về cùng một pha Hiệu suất xả cao, vì hầu hết năng lượng hóa học có thể chuyển đổi thành điện Tuy nhiên, do tình trạng phản ứng bên trong pin và nội trở, điện áp pin thay đổi nhanh chóng và hiệu suất xả giảm đáng kể khi tỷ lệ SOC của pin tăng từ 0 đến 20% (khu vực A) Như được thể hiện trong các Hình 2.8 và 2.9, nội trở và điện trở chất điện phân của pin tăng đáng kể khi tỷ lệ SOC của pin nằm trong khoảng (0-20%) và (80-100%) Điện áp đầu cuối cực giảm nhanh chóng, đặc biệt là ở cuối quá trình xả Điều này cho thấy rằng hiện tượng cản trở nghiêm trọng xảy ra ở cuối quá trình xả và hiệu suất xả thấp Xả sâu sẽ ảnh hưởng đến tuổi thọ chu kỳ của pin Do đó, cần tránh xả sâu để pin hoạt động trong vùng hiệu suất cao và gia tăng tuổi thọ của pin [3]

Hình 2.7 Mối quan hệ giữa điện áp pin và dung lượng xả ở các dòng điện khác nhau của viên pin lithium-ion, (b) là phần phóng to của (a)

2.2.2 Đặc tính sạc và xả dưới điều kiện hoạt động

Pin trong các xe hơi hybrid luôn trong trạng thái sạc và xả thường xuyên, trong khi các xe điện thuần khiết có điều kiện sạc dưới hệ thống phanh tái sinh Do đó, khả năng sạc và xả động là một chỉ số quan trọng cho việc đánh giá hiệu suất viên pin, điều này là cơ sở cho việc xây dựng chiến lược quản lý sạc và xả pin Phương pháp kiểm tra điều kiện chu kỳ DST (dynamic stress test) trong "Sổ tay Kiểm tra Pin USABC" được sử dụng để phân tích hiệu suất của pin lithium-ion dưới điều kiện vận hành Phương pháp kiểm tra này như

24 sau: các viên pin được nạp theo cơ chế nạp được đưa ra, để trong trạng thái mạch mở trong

4 giờ sau khi sạc hoàn toàn, sau đó được kiểm tra theo điều kiện chu kỳ DST Nếu điện áp của mô-đun pin đạt đến giới hạn tối thiểu, có nghĩa là điện áp của viên pin đơn giảm xuống dưới 3,0V, quá trình xả thử nghiệm sẽ được hoàn thành Mối quan hệ giữa năng lượng sạc và xả của các viên pin theo thời gian dưới điều kiện chu kỳ DST được thể hiện trong Hình 2.10 Các đường cong biến đổi dòng và điện áp của viên pin trong toàn quá trình chu kỳ DST theo thời gian được thể hiện trong Hình 2.11

Hình 2.8 Thay đổi trở kháng Ohm với SOC

Hình 2.9 Thay đổi trở kháng phân cực với SOC

Như được thể hiện trong Bảng 2.2, dung lượng xả của viên pin dưới điều kiện chu kỳ DST giảm đáng kể hơn so với dung lượng xả dưới dòng điện không đổi, như thể hiện trong

Hình 2.11 Dung lượng xả khả dụng của cùng một viên pin khác nhau giữa xả động và xả dưới dòng điện không đổi

Hình 2.10 Biểu đồ thay đổi năng lượng trong một chu kỳ DST

Hình 2.11 Điện áp và dòng của pin theo thời gian trong toàn bộ chu kỳ DST

Bảng 2.2 Kết quả kiểm tra chu trình DST của pin

Dung lượng xả: Tổng dung lượng của pin được xả theo điều kiện chu kỳ DST

Dung lượng nạp: Tổng dung lượng của pin được nạp theo điều kiện chu kỳ DST

Dung lượng xả net: dung lượng xả - dung lượng nạp

Hình 2.12 Dung lượng xả theo nhiệt độ của một viên pin lithium-ion loại năng lượng

Khi viên pin đạt điều kiện cắt xả, trạng thái của dòng điện của viên pin bị giới hạn trong cơ chế xả của viên pin Do đó, cần xem xét tới ảnh hưởng của hiệu suất nạp và xả động của viên pin khi ước tính trạng thái viên pin [3]

2.2.3 Tác động của nhiệt độ lên dung lượng

Mô-đun viên pin lithium mangan năng lượng 100Ah được thử nghiệm với dòng điện không đổi C/3 và biến đổi nhiệt độ trong khoảng 10°C đến -30 và 50°C Biểu đồ dung lượng theo nhiệt độ được thể hiện trong Hình 2.12 Trong chế độ xả dòng không đổi, có thể thấy rằng dung lượng xả giảm đáng kể khi nhiệt độ môi trường giảm xuống Dung lượng xả của viên pin giảm khoảng 20% trong môi trường làm việc với nhiệt độ -30 °C Điều này xảy ra do hiện tượng phân cực nghiêm trọng của viên pin ở nhiệt độ thấp, các vật

27 liệu hoạt động không thể được tận dụng đủ Hiệu suất giảm khi điện áp xả giảm Như được thể hiện trong Hình 2.12, dung lượng xả của viên pin tăng khi nhiệt độ tăng lên

Lý do là hoạt động của chất phản ứng tăng lên theo nhiệt độ tăng, dẫn đến phản ứng viên pin đủ mạnh và nhiều phản ứng phụ hơn Những phản ứng phụ này gây ra ảnh hưởng không thể đảo ngược đối với hiệu suất viên pin và làm giảm đáng kể tuổi thọ viên pin Do đó, việc kiểm soát nhiệt độ môi trường có thể hữu ích để duy trì hiệu suất thuận lợi của viên pin

Hình 2.13 Dung lượng xả theo nhiệt độ của viên pin lithium-ion loại công suất

Các thử nghiệm cùng nhiệt độ đã được thực hiện với viên pin lithium-ion loại công suất 8Ah và kết quả được thể hiện trong Hình 2.13 Dung lượng xả của viên pin tăng theo nhiệt độ tăng lên, cho thấy rằng viên pin lithium-ion loại công suất có đặc điểm nhiệt độ tương tự như viên pin lithium-ion loại năng lượng Mối quan hệ giữa dung lượng pin và nhiệt độ là một hàm không tuyến tính Để cải thiện độ chính xác của việc ước tính SOC, nhiệt độ cần phải được xem xét trong việc tính toán vì SOC là tiêu chuẩn đánh giá dung lượng pin còn lại

Nội trở của pin có thể được kiểm tra và phân tích trong cả miền tần số và miền thời gian Phổ trở kháng điện hóa (EIS) là một phương pháp đo điện hóa được áp dụng cho hệ thống điện hóa mà trong đó viên pin được đưa vào một tín hiệu nhiễu của điện thế sóng sine nhỏ (hoặc dòng) Trở kháng và góc pha có thể được thu được bằng cách thay đổi tần

28 số sóng sine trong miền tần số Biểu đồ EIS được thể hiện trong Hình 2.14, trong đó tần số giảm từ trái sang phải Nhìn từ Hình 2.14, có thể thấy rằng biểu đồ EIS tạo thành một hình tròn gần đúng ở góc thứ nhất và một đường thẳng gần đúng ở góc thứ tư

Hình 2.14 EIS của một viên pin lithium-ion

Hình 2.15 Phần EIS của một viên pin lithium-ion

Biểu đồ EIS ở tần số cao là một đường thẳng gần đúng ở góc phần tư thứ tư có thể là kết quả của cảm ứng Sự trễ của phản ứng điện áp so với dòng điện của các hệ thống pin

Lý thuyết mô hình hóa pin Lithium-Ion

Các phản ứng điện hóa phức tạp bên trong pin bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tác động và không chắc chắn Việc xây dựng mô hình toán học cho pin được coi là một vấn đề đa ngành, luôn là một vấn đề quan trọng nhưng khó khăn trong giới học thuật và công nghiệp Lượng kích thích đầu vào (dòng điện) và các đại lượng quan sát đầu ra (điện áp đầu cuối và nhiệt độ) tạo thành các đại lượng hữu hạn có thể đo lường trong BMS Do sự phân cực gây ra bởi phản ứng điện hóa, đặc tính đa giai đoạn của các vật liệu điện cực dương và âm, vv., điện áp đầu cuối của pin được đặc trưng bởi hiệu ứng hysteresis, phi tuyến tính và biến thiên thời gian mạnh mẽ Điện áp đầu cuối của pin được chia thành các phần động và tĩnh Phần động chủ yếu bao gồm sự thay đổi nhanh chóng thành phần điện áp (phân cực ohm) và thành phần điện áp thay đổi chậm (nồng độ và phân cực điện hóa, vv.) Phần tĩnh chủ yếu bao gồm điện áp mạch mở (OCV) (điện thế cân bằng) và điện áp trễ (đặc tính hysteresis) Để mô tả chính xác hơn các đặc tính bên ngoài của pin, các thuật toán đáng tin cậy để ước lượng trạng thái pin được thiết kế và một BMS tiên tiến hơn được phát triển cho các

33 phương tiện sử dụng năng lượng mới Trong quá trình này, mô hình hóa chính xác là không thể thiếu Các mô hình pin chủ yếu được chia thành mô hình điện hóa, mô hình mạch tương đương (ECMs) và mô hình hộp đen Với việc nghiên cứu sâu rộng về đặc tính miền tần số của pin, các mô hình bậc phân số đã được xây dựng dựa trên ECM và đặc tính trở kháng

2.3.1 Mô hình điện hóa học

M Doyle, T F Fuller và J Newman đã xây dựng mô hình giả lập hai chiều (P2D) dựa trên lý thuyết của điện cực rỗng và dung dịch tập trung vào giữa thập kỷ 1990, đặt nền tảng cho sự phát triển của các mô hình điện hóa học Trong mô hình này, một loạt các phương trình đạo hàm riêng và phương trình đại số được áp dụng để mô tả chính xác các hiện tượng vật lý và hóa học bên trong pin, chẳng hạn như sự khuếch tán và di chuyển của các ion Li, phản ứng điện hóa trên bề mặt của hạt hoạt tính, định luật Ohm và bảo toàn điện tích Đến nay, hầu hết các mô hình điện hóa được dẫn xuất và phát triển từ mô hình này Mô hình điện hóa là một mô hình nguyên tắc đầu tiên, không chỉ có thể mô phỏng chính xác các đặc tính bên ngoài của pin, mà còn có thể mô phỏng sự phân bố và thay đổi của các đặc tính nội tại như nồng độ ion Li trong các điện cực và chất điện phân, hiệu điện thế phản ứng và các đại lượng vật lý khác So với các mô hình pin khác, mô hình điện hóa có nhiều ý nghĩa vật lý rõ ràng hơn do nghiên cứu sâu sắc về các phản ứng bên trong pin

Mô hình P2D có tính phổ quát và có thể mở rộng, có thể được áp dụng cho các loại pin Li-ion khác nhau và mở rộng thành các mô hình kết hợp phức tạp hơn Do đó, mô hình P2D đóng một vai trò không thể thay thế trong mô hình hóa pin Tuy nhiên, nó bao gồm các phương trình đạo hàm riêng phức tạp và một lượng lớn các tham số điện hóa học, điều này đưa ra yêu cầu về công suất tính toán cao đối với các bộ điều khiển vi mô Hiện nay, các phương pháp số chủ yếu được sử dụng để giải quyết mô hình P2D, chẳng hạn như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp thể tích hữu hạn

Hình 2.18 cho thấy một sơ đồ tương đối của mô hình P2D cho một pin LiCoO2 Cấu trúc bên trong pin được đơn giản hóa thành hai pha (pha rắn và pha điện phân) và ba vùng (dương, âm và phân cách) Pha rắn được mô hình bằng các hạt cầu, và quá trình khuếch tán của pha rắn được mô tả bằng quá trình khuếch tán của ion Li theo bán kính hạt r Quá

34 trình khuếch tán của pha điện phân được mô tả bằng quá trình khuếch tán và di chuyển của ion Li theo độ dày của pin, tức là hướng x Trong quá trình xả pin, ion Li khuếch tán từ bên trong các hạt hoạt tính âm đến bề mặt của các hạt hoạt tính dương Và ion Li được giải phóng vào điện phân thông qua các phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt của các hạt hoạt tính âm Sau đó, ion Li khuếch tán về phía dương, đến điện cực dương xuyên qua màn ngăn Bằng cách xảy ra các phản ứng điện hóa trên bề mặt của các hạt hoạt tính dương, ion

Li khuếch tán vào bên trong các hạt hoạt tính dương Trong khi đó, electron chuyển từ bộ thu âm sang bộ thu dương, do đó tạo ra dòng điện trong mạch ngoại vi [4]

Hình 2.18 Sơ đồ mô hình P2D

Phản ứng điện hóa ở điện cực dương: arg

LiCoO Li  CoO xLi  xe  (2.21) Phản ứng điện hóa ở điện cực âm: arg arg 6

6CxLi  xe   Disch Ch e e Li C x (2.22) Theo nguyên tắc làm việc của mô hình P2D, một loạt các phương trình đạo hàm riêng và phương trình đại số có thể được thiết lập để mô tả các đặc tính của pin từ góc độ điện

35 hóa Nói chung, mô hình P2D có thể được tóm tắt thành sáu phương trình toán học sau đây:

(1) Phương trình khuếch tán pha điện phân của ion Li ở điện cực dương, điện cực âm và phân cách;

(2) Phương trình khuếch tán pha rắn của ion Li ở điện cực dương và điện cực âm;

(3) Phương trình định luật Ohm pha điện phân ở điện cực dương, điện cực âm và phân cách;

(4) Phương trình định luật Ohm pha rắn ở điện cực dương và điện cực âm;

(5) Phương trình bảo toàn điện tích ở điện cực dương, điện cực âm và phân tách;

(6) Phương trình động học Butler–Volmer trên bề mặt các hạt hoạt tính trong mỗi điện cực

2.3.2 Mô hình mạch tương đương

Dựa trên đặc tính bên ngoài của pin, mô hình mạch tương đương (ECM) đã được phát triển bằng cách sử dụng các điện trở, tụ, và các nguồn điện áp để tạo thành một mạng mạch ECM sử dụng một nguồn điện áp để đại diện cho thế năng cân bằng nhiệt động học và mạng RC để mô tả các đặc tính động học của pin Nó có ứng dụng lý tưởng cho nhiều điều kiện làm việc của pin, và phương trình trạng thái của mô hình có thể được suy ra để phân tích và ứng dụng Do đó, mô hình mạch tương đương đã được sử dụng rộng rãi trong mô hình hóa và mô phỏng của các xe năng lượng mới và BMS xây dựng dựa trên mô hình [4] Hình 2.19 hiển thị một ECM điển hình bao gồm n mạng RC, được biết đến là mô hình n-RC Mô hình này được tạo thành từ ba phần:

(1) Nguồn điện áp: U oc thể hiện điện áp mạch hở của pin;

(2) Nội trở ohm: R i đại diện cho trở kháng của vật liệu điện cực, dung dịch, và màng ngăn cũng như điện trở tiếp xúc của từng bộ phận của pin;

(3) Mạng RC: Các đặc tính động học của pin, bao gồm đặc tính phân cực và hiệu ứng khuếch tán, được mô tả bằng điện trở phân cực R Di và điện dung phân cực C Di , trong đó i

Trong Hình 2.19, U Di đại diện cho điện áp phân cực của pin Theo định luật điện áp Kirchhoff và định luật dòng điện Kirchhoff, cũng như mối quan hệ giữa sự thay đổi của điện áp tụ và dòng điện của nó, phương trình trạng thái của mô hình n-RC có thể được biểu thị như sau:

Hình 2.19 Sơ đồ của mô hình n-RC

Dn Dn Dn t OC D D L i dU U i dt R C C dU U i dt R C C dU U i dt R C C

Mô hình Rint, mô hình Thevenin và mô hình Dual Polarization (DP) là các trường hợp đặc biệt của mô hình mạch tương đương n-RC khi n = 0, n = 1 và n = 2, tương ứng Chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các thuật toán ước lượng trạng thái và quản lý pin Sau đây là giới thiệu chi tiết về ba mô hình mạch tương đương phổ biến [4]

Mô hình Rint được thể hiện trong Hình 2.20 OCV được mô tả bởi nguồn điện áp lý tưởng U oc , và điện trở lý tưởng R i mô tả điện trở nội ohm của pin R i và U oc là các hàm số của SOC và nhiệt độ Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và dòng điện đầu vào của mô hình Rint được thể hiện như sau: t OC L i

Hình 2.20 Sơ đồ mô hình Rint

Hình 2.21 Sơ đồ mô hình Thevenin

Hình 2.21 thể hiện cấu trúc mạch của mô hình Thevenin R D và C D đại diện cho nội trở phân cực và tụ điện phân cực tương ứng, và U D biểu thị độ sụt điện áp của nhánh RC song song, được sử dụng để mô phỏng điện áp phân cực So với mô hình Rint, mô hình này thêm một nhánh RC để mô tả đặc tính phân cực trong quá trình sạc và xả Phương trình không gian trạng thái của mô hình mạch như sau [4]:

Hình 2.22 thể hiện cấu trúc mạch của mô hình Dual Polarization

Mô hình này sử dụng hai nhánh RC song song để mô tả các đặc tính phân cực của pin Phương trình của mô hình này là [4]:

D D D t OC D D L i dU i U dt C R C dU i U dt C R C

Hình 2.22 Sơ đồ mô hình Dual Polarization (DP)

HỆ THỐNG QUẢN LÝ PIN XE ĐIỆN

Hệ thống quản lý pin

Hệ thống Quản lý Pin (BMS) là một sản phẩm hoặc công nghệ quản lý và kiểm soát pin một cách nào đó Hình 3.1 thể hiện sơ đồ mô phỏng của một BMS điển hình bao gồm các cảm biến khác nhau, bộ điều khiển của các thuật toán và các đường truyền tín hiệu, v.v Nhiệm vụ chính của nó là đảm bảo an toàn và độ tin cậy của hệ thống pin, cung cấp thông tin trạng thái cần thiết cho điều khiển và quản lý năng lượng của xe và thực hiện các biện pháp can thiệp thích hợp vào hệ thống pin trong trường hợp điều kiện bất thường Hơn nữa, nó có nhiệm vụ thu thập điện áp đầu cuối, dòng điện, nhiệt độ và các thông tin khác của bộ pin và từng cell pin trong thời gian thực thông qua mạch lấy mẫu, sử dụng các thuật toán nhúng và chiến lược tích hợp để ước lượng SOC, SOH, SOE, SOP và RUL của pin, sau đó đưa ra bộ điều khiển phương tiện (VCU), cung cấp cơ sở cho quản lý năng lượng và kiểm soát phân phối công suất của xe điện

3.1.1 Các chức năng cơ bản của hệ thống quản lý pin

Các chức năng chính của BMS bao gồm việc thu thập dữ liệu, giám sát trạng thái, bảo vệ an toàn, kiểm soát sạc, quản lý năng lượng, quản lý cân bằng, quản lý nhiệt, và quản lý thông tin

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống quản lý pin

Môi trường làm việc của pin trong xe điện rất phức tạp Xe điện cần phải thích ứng với môi trường phức tạp và thay đổi liên tục, điều này có nghĩa là pin cần phải hoạt động trong

40 một môi trường độ ẩm phức tạp và biến đổi quanh năm Ngoài ra, khi điều kiện đường xá và lái xe thay đổi, pin cần phải thích ứng với tải thay đổi nhanh chóng Để có được tính chính xác tình trạng hoạt động của pin và thực hiện biện pháp quản lý tốt hơn, BMS cần thu thập điện áp đầu cuối, dòng điện, nhiệt độ và các thông tin khác của bộ pin và từng cell pin trong thời gian thực thông qua mạch lấy mẫu

Pin là một hệ thống phức tạp và thay đổi theo thời gian phi tuyến với nhiều trạng thái thay đổi theo thời gian thực Việc giám sát chính xác và hiệu quả trạng thái pin là chìa khóa cho cell pin và hệ thống quản lý của nó, đồng thời là cơ sở cho quản lý năng lượng và kiểm soát của xe điện Do đó, BMS cần ước lượng trạng thái của bộ pin dựa trên dữ liệu pin thu thập được theo thời gian thực bằng cách sử dụng các thuật toán nhúng và chiến lược tích hợp, để có được trạng thái pin tại mỗi thời điểm, bao gồm SOC, SOH, SOP, và trạng thái năng lượng (SOE), cung cấp sự hỗ trợ cho phân tích trạng thái pin theo thời gian thực (3) Bảo vệ an toàn

Chức năng bảo vệ an toàn của pin chủ yếu liên quan đến chẩn đoán lỗi trực tuyến và kiểm soát an toàn của hệ thống pin Chẩn đoán lỗi trực tuyến của pin liên quan đến loại lỗi được chẩn đoán bằng thuật toán chẩn đoán lỗi dựa trên tín hiệu cảm biến được thu thập Các loại lỗi cần được chẩn đoán trong quản lý pin thông thường bao gồm điện áp quá cao (quá sạc), điện áp quá thấp (quá xả), quá dòng, nhiệt độ cực cao, ngắn mạch, kết nối lỏng, cách điện kém, và rò điện ly, cũng như lỗi của các thành phần điện tử như cảm biến, bộ chấp hành và bộ điều khiển BMS cần phát cảnh báo và thực hiện các biện pháp tương ứng để can thiệp càng sớm càng tốt nhằm đảm bảo an toàn của xe điện sau khi chẩn đoán các loại lỗi

Vì quá trình sạc của pin ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ và sự an toàn của pin, BMS thường cần trang bị một mô-đun quản lý sạc để kiểm soát quá trình sạc của pin dựa trên đặc điểm thời gian thực, nhiệt độ của pin và mức công suất của bộ sạc

(5) Quản lý năng lượng Điều kiện lái xe của xe điện rất phức tạp Các hoạt động lái xe ngẫu nhiên như tăng tốc đột ngột, phanh đột ngột, lên dốc và xuống dốc có thể dẫn đến các tải động phức tạp và

41 biến đổi Để đảm bảo hoạt động an toàn và kinh tế của xe, BMS cần kiểm soát một cách hợp lý công suất đầu ra của pin và thu hồi năng lượng từ phanh tái sinh dựa trên dữ liệu pin thu thập được và thông tin trạng thái thời gian thực Đối với xe điện trang bị hệ thống năng lượng hybrid, BMS cần tối ưu hóa việc phân phối năng lượng tương ứng theo thông tin trạng thái tương ứng của hệ thống năng lượng hybrid nhằm đảm bảo hiệu suất tốt nhất của nguồn cung cấp năng lượng kết hợp

Do tích lũy lỗi trong quá trình sản xuất, vận chuyển và lưu trữ, cũng như các thành phần điện tử, sự không nhất quán giữa các cell pin là không tránh khỏi Để tận dụng đầy đủ năng lượng được lưu trữ trong các cell pin và đảm bảo an toàn của bộ pin, BMS cần áp dụng phương pháp cân bằng chủ động hoặc cân bằng bị động dựa trên thông tin của các cell pin, giảm thiểu sự không đồng đều giữa các cell pin

Trong quá trình hoạt động bình thường, pin không chỉ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường mà còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt sinh ra do quá trình sạc và xả Do đó, BMS cần trang bị mô-đun quản lý nhiệt pin để xác định cường độ sưởi/ làm mát chủ động theo thông tin phân bố nhiệt độ, và yêu cầu sạc/xả trong bộ pin Do đó, pin có thể hoạt động trong khoảng nhiệt độ phù hợp, tối đa hóa hiệu suất và kéo dài tuổi thọ

BMS cần tích hợp nhiều mô-đun chức năng và điều phối giao tiếp giữa các mô-đun

Do đang chạy một lượng lớn dữ liệu, BMS cần quản lý và lọc dữ liệu của pin, lưu trữ dữ liệu quan trọng và giao tiếp với các nút mạng như bộ điều khiển phương tiện Với sự phát triển của công nghệ big data, BMS cũng cần tương tác với nền tảng đám mây theo thời gian thực để xử lý tốt hơn các vấn đề quản lý của pin và cải thiện chất lượng quản lý [4]

3.1.2 Cấu trúc liên kết của hệ thống quản lý pin

Cấu trúc liên kết của hệ thống quản lý xác định kết cấu giao tiếp, kết nối pin, cấu trúc điều khiển, độ phức tạp cài đặt, quá trình bảo trì và độ tin cậy, v.v của hệ thống Các cấu trúc liên kết hệ thống quản lý được mô tả như dưới đây

3.1.2.1 Cấu trúc liên kết tập trung - Centralized Topology

Trong phương pháp này, một mô-đun chính duy nhất được sử dụng được kết nối nối tiếp với pin để cung cấp điện áp, dòng điện và thực hiện các phép đo khác của mỗi cell Cấu trúc liên kết này rẻ, yêu cầu bảo trì ít hơn và cung cấp độ chính xác tốt Tuy nhiên, hệ thống cáp dài, khả năng trộn lẫn hoặc kết nối sai các đầu vào làm tăng nguy cơ đoản mạch và các lỗi khác Ngoài ra, khả năng mở rộng và tính linh hoạt của toàn bộ cấu trúc bị hạn chế vì số lượng pin tối đa được xác định nghiêm ngặt từ trước Hơn nữa, nếu bộ điều khiển chính bị lỗi thì toàn bộ hệ thống sẽ bị lỗi, làm giảm độ tin cậy nghiêm trọng Trong thực tế, mẫu Volkswagen e-Up (2014) đã sử dụng cấu trúc liên kết tập trung với bộ pin chứa 17 mô-đun được kết nối nối tiếp [5]

Hình 3.2 Cấu trúc liên kết tập trung

3.1.2.2 Cấu trúc liên kết mô đun hóa - Modular Topology

Theo cấu trúc này, một số mô-đun giống hệt nhau được kết nối với các pin riêng lẻ tương tự như cấu trúc liên kết BMS tập trung Một trong các mô-đun hoạt động như mô- đun chính điều khiển toàn bộ bộ pin, trong khi các mô-đun khác thu thập thông tin từ pin và gửi đến mô-đun chính Cấu trúc liên kết này cung cấp tính linh hoạt và khả năng mở rộng được cải thiện Khả năng mở rộng có thể được tăng lên bằng cách thêm một mô-đun BMS khác Các tính năng của BMS cũng có thể được triển khai trong các mô-đun riêng lẻ Tuy nhiên, chi phí tổng thể của cấu trúc liên kết này cao và số lượng đầu vào vẫn cố định Cấu trúc liên kết này cũng cần nhiều nỗ lực lập trình và phần cứng hơn Tuy nhiên, toàn bộ hệ thống không bị ảnh hưởng nếu xảy ra sự cố một mô-đun như trường hợp BMS tập trung Tesla Model-S và Mitsubishi Motors sử dụng cấu trúc liên kết BMS mô-đun [5]

Hình 3.3 Cấu trúc liên kết mô-đun hóa

3.1.2.3 Cấu trúc liên kết phân phối - Distributed Topology

Ước tính thông số của pin

Tình trạng sạc pin (SOC) là tỷ lệ giữa lượng sạc còn lại của pin và tổng dung lượng sạc SOC không thể đo trực tiếp mà có thể tính toán dưới tốc độ xả cố định theo 'Quy trình Kiểm tra Pin cho Xe Điện' của Hiệp hội Advanced Battery Consortium of America, như trong công thức (3.1):

   (3.1) Ở đây, SOC (0) là SOC ban đầu, Q N là dung lượng pin (Ampere giờ, Ah),  là hiệu suất coulombic, i là dòng điện (dương cho quá trình sạc)

SOC rất quan trọng trong sử dụng pin hợp lý nhằm ngăn ngừa quá sạc và quá xả, v.v Bởi vì tầm quan trọng cao như vậy, thuật toán ước lượng SOC pin là chìa khóa của công nghệ BMS Điều cần thiết là phải theo dõi SOC của pin theo thời gian thực Mặc dù SOC

45 không đo trực tiếp được, nhưng nó có liên quan với điện áp, dòng điện và nhiệt độ của pin, v.v Do đó, thông thường, SOC thường được ước lượng bằng cách sử dụng những tín hiệu có thể đo được trong các ứng dụng thực tế Có nhiều thuật toán ước lượng SOC, và khả năng ứng dụng phụ thuộc vào các đo lường tín hiệu có sẵn, thành phần hóa học của pin, đặc tính và điều kiện hoạt động

Không có thông số và quy trình kiểm tra tiêu chuẩn hoặc bộ dữ liệu tiêu chuẩn nào cho đặc tính SOC của pin, điều này là một thách thức đối với việc phát triển và xác minh các thuật toán ước lượng chính xác Hơn nữa, do ảnh hưởng của quá trình lão hóa và mất cân bằng pin đối với độ chính xác của SOC, khó để đảm bảo độ chính xác lâu dài

Việc ước lượng SOC theo thời gian thực rất quan trọng đối với EVs Đầu tiên, việc ước lượng SOC chính xác có thể bảo vệ pin khỏi các điều kiện sử dụng sai cách như quá sạc và quá xả Điều này có thể giúp tối ưu hóa việc sử dụng pin để giảm chi phí Ví dụ, nếu việc ước lượng SOC thấp hơn giá trị thực, người dùng sẽ cần sạc pin nhiều hơn là cần thiết Điều này cũng có thể gây quá sạc trong quá trình sạc, làm tăng quá trình lão hóa Ngược lại, nếu việc ước lượng SOC cao hơn giá trị thực, pin sẽ không được sạc đầy, làm giảm phạm vi hoạt động lái xe Thứ hai, việc ước lượng SOC quan trọng cho các chức năng BMS khác Ví dụ, SOC được sử dụng cùng với các tham số pin khác để ước lượng quãng đường lái xe còn lại của xe SOC là một thông số quan trọng cho điều khiển xe, như là hệ thống quản lý năng lượng Do đó, ước lượng SOC chính xác là chìa khóa quan trọng cho cả an toàn của pin và hiệu suất của xe

Với sự tiến bộ về công nghệ pin và sự mở rộng của phạm vi ứng dụng, điều kiện hoạt động trở nên ngày càng phức tạp, và yêu cầu về độ chính xác tăng lên Do đó, các thuật toán ước lượng SOC trở nên phức tạp hơn Ở đề tài này, chúng tôi tập trung nghiên cứu và ứng dụng 2 phương pháp chủ yếu để ước tính SOC đó là phương pháp ước lượng dựa trên các thông số đặc trưng và phương pháp ước lượng tích phân Ampe giờ, phương pháp này còn được gọi là phương pháp đếm Coulomb

 Phương pháp ước lượng dựa trên các tham số đặc trưng

Phương pháp này chủ yếu được chia thành hai bước:

• Thiết lập mối quan hệ ngoại tuyến giữa các tham số đặc trưng và SOC

• Tính toán giá trị tham số trong thời gian thực và hiệu chỉnh SOC của pin

Việc áp dụng phương pháp này cần đáp ứng hai điều kiện tiên quyết: mối quan hệ ngoại tuyến giữa các tham số đặc trưng đã thiết lập và SOC nên tương đối ổn định, và các tham số đặc trưng được chọn phải dễ dàng có sẵn Các tham số đặc trưng tùy chọn bao gồm dung lượng còn lại, phổ trở kháng, OCV, v.v

Dung lượng khả dụng có thể được xác định bằng phương pháp thí nghiệm xả, được coi là phương pháp trực tiếp nhất để xác định SOC của pin Tuy nhiên, việc xác định dung lượng khả dụng thông qua xả dòng liên tục trong thời gian dài trong khi lái xe thực tế khó khăn, điều này giới hạn phương pháp chỉ áp dụng cho một số môi trường cụ thể như phòng thí nghiệm Phương pháp dựa trên phổ trở kháng điện hóa yêu cầu máy làm việc điện hóa để đạt được trở kháng ở các SOC khác nhau và thiết lập mối quan hệ ánh xạ giữa SOC và các tham số, sau đó hiệu chỉnh SOC bằng cách tra cứu bảng Mối quan hệ OCV-SOC ổn định thường được sử dụng trong ngành công nghiệp để hiệu chỉnh SOC của pin, và nhiều sản phẩm BMS cũng phụ thuộc vào mối quan hệ này để hiệu chỉnh SOC ban đầu của pin Tuy nhiên, pin cần nghỉ lâu để có thể có được OCV chính xác Do đó, thường cần phối hợp với các phương pháp nhận diện OCV trực tuyến trong ứng dụng thực tế [4]

 Phương pháp ước lượng tích phân Ampe-giờ

Phương pháp này còn được biết đến là phương pháp đếm Coulomb, dựa trên định nghĩa của SOC như được hiển thị trong công thức (3.2)

(3.2) Ở đây, ( )z t biểu thị giá trị ước lượng của SOC pin tại thời điểm t, z t( ) 0 chỉ ra giá trị SOC ban đầu của pin  i là hiệu suất coulomb của pin, được xác định thông qua các thí nghiệm Đối với pin lithium-ion, hiệu suất xả thông thường được coi là 1, hiệu suất sạc dao động giữa 0.98 và 1 (với dòng sạc 3C) i L ( ) đại diện cho dòng sạc và xả vào thời điểm  ,và C max là dung lượng tối đa khả dụng của pin trong điều kiện dòng hiện tại

Mặc dù phương pháp tích phân Ampe-giờ là phương pháp cổ điển và được sử dụng rộng rãi cho ước lượng SOC, nhưng nó có ba khuyết điểm chính sau đây:

(1) Việc có được giá trị chính xác của SOC ban đầu là khó khăn

(2) Phương pháp yêu cầu các cảm biến dòng chính xác Tuy nhiên, độ chính xác của các cảm biến dòng thường bị ảnh hưởng bởi nhiễu, biến động nhiệt độ và các nhiễu ngẫu nhiên khác trong ứng dụng thực tế Trong việc tích phân, các biến ngẫu nhiên này dễ gây ra sai số tích lũy, và phép tính làm tròn được thực hiện bởi bộ điều khiển cũng có một ảnh hưởng nhất định

(3) Sự suy giảm của dung lượng tĩnh của pin ảnh hưởng đến độ chính xác của ước lượng SOC

Ba yếu tố được đề cập ở trên ảnh hưởng lẫn nhau, làm giảm độ tin cậy của phương pháp này Để loại bỏ các hạn chế do ba yếu tố trên và cải thiện độ chính xác ước lượng, cần phải thực hiện các hiệu chuẩn định kỳ phức tạp Vì lý do này, phương pháp này thường được kết hợp với các phương pháp khác để phát triển một phương pháp hợp nhất Ví dụ,

OCV được sử dụng để xác định SOC ban đầu của pin, và quỹ đạo SOC được tính toán bằng phương pháp tích phân Ampe-giờ [4]

Công thức tính như sau:

CN: dung lượng pin I: dòng điện xả SOC0: giá trị SOC ban đầu

Năng lượng và dung lượng của pin sẽ giảm đi theo tuổi thọ Chỉ số lão hóa, trạng thái sức khỏe (SOH), có ý nghĩa quan trọng đối với sự an toàn của pin, hiệu suất của xe điện và trải nghiệm lái xe của người dùng Một khi SOH giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, pin cần được thay thế khỏi xe để ngăn chặn các nguy cơ an toàn Định nghĩa SOH phổ biến được sử dụng là tỉ lệ giữa dung lượng hiện tại và dung lượng danh định, trong điều kiện kiểm tra cụ thể (sạc đầy CC-CV sau đó phóng điện với dòng không đổi ở tốc độ xả cố định) SOH cũng có thể được định nghĩa bằng các thông số hiệu suất có thể đo lường khác, chẳng hạn như điện trở trong hoặc trở kháng Dung lượng và

48 điện trở của pin xác định năng lượng và công suất điện, được sử dụng rộng rãi để ước tính SOH trong các ứng dụng thực tế

(1) Định nghĩa SOH bằng dung lượng được đưa ra như sau, aged new

 Q (3.4) Ở đây Q aged là dung lượng hiện tại và Q new là dung lượng danh định ban đầu

(2) Định nghĩa SOH bằng trở kháng được thể hiện như sau,

 (3.5) Ở đây R EOL là điện trở khi pin ở cuối tuổi thọ, R new là điện trở ban đầu và R là điện trở hiện tại

Pin là một hệ thống phức tạp và quá trình lão hóa có thể trở nên phức tạp hơn Sự suy giảm dung lượng/công suất của pin là kết quả của các quá trình điện hóa phức tạp bao gồm nhiều cơ chế và tác động lão hóa Thường rất khó để phân tách và nghiên cứu một cơ chế lão hóa cụ thể, vì các cơ chế lão hóa này thường kết hợp và xảy ra ở cùng một thang thời gian Do đó, nghiên cứu về lão hóa pin là một thách thức lớn

Các cơ chế lão hóa cho anode và cathode của pin là khác nhau Lão hóa ở anode chủ yếu là do sự tăng trưởng của bề mặt điện phân rắn (SEI), dẫn đến sự tăng điện trở Sự kết tủa lithium ở anode do sạc nhanh ở nhiệt độ thấp có thể dẫn đến sự suy giảm nhanh chóng về dung lượng và công suất của pin Hiệu suất của cathode giảm đi theo thời gian lưu trữ và chu kỳ vận hành do sự nứt kết cấu, phân hủy và tan chảy hóa học, v.v Sự phân hủy chất điện phân là một nguyên nhân khác khiến pin bị lão hóa

Quản lý cân bằng pin

3.3.1 Tổng quan về cân bằng pin

Cân bằng cell pin là quá trình quan trọng trong việc quản lý và bảo dưỡng pin để đảm bảo hiệu suất, tuổi thọ và an toàn của nó Có một số lý do quan trọng mà chúng ta cần cân bằng cell pin:

Mỗi cell pin trong một hệ thống pin đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất tổng thể Khi các cell pin không được cân bằng, có thể xảy ra một số cell pin bị quá tải trong khi các cell pin khác chưa được sử dụng đến Điều này dẫn đến hiện tượng mất cân bằng điện áp

52 và dung lượng giữa các cell pin, gây ra suy giảm hiệu suất và thời gian sử dụng pin Bằng cách cân bằng cell pin, ta đảm bảo rằng mỗi cell pin được sử dụng đồng đều, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin

Một công việc cơ bản của quá trình cân bằng cell pin là đảm bảo rằng mỗi cell pin được sử dụng một cách công bằng Khi một số cell pin được sử dụng nhiều hơn các cell pin khác, chúng có thể bị mòn nhanh hơn, dẫn đến việc giảm tuổi thọ của hệ thống pin Cân bằng cell pin giúp phân phối tải đều giữa các cell pin, giảm nguy cơ quá tải và mòn nhanh Điều này tạo điều kiện cho pin hoạt động lâu dài và kéo dài tuổi thọ tổng thể của hệ thống

Một số loại pin như pin Lithium-ion có nguy cơ bùng cháy hoặc nổ khi không được sử dụng đúng cách hoặc khi các cell pin không đồng đều về điện áp và dung lượng Cân bằng cell pin đảm bảo rằng mỗi cell pin hoạt động trong một phạm vi điện áp an toàn, giảm rủi ro sự cố và đảm bảo an toàn cho người dùng và thiết bị

- Tối ưu hóa sử dụng

Cân bằng cell pin giúp đảm bảo sự công bằng và đồng đều khi sử dụng pin trong các thiết bị di động như điện thoại di động, máy tính xách tay hay xe điện Khi cell pin được cân bằng, người dùng có thể tận dụng hết tiềm năng của pin một cách tối đa và không cần lo lắng về việc sử dụng pin không đồng đều giữa các thiết bị

Khi sạc pin mà không cân bằng, các cell pin yếu sẽ đạt công suất tối đa trước các pin khỏe hơn Một lần nữa, chính các cell pin yếu là yếu tố hạn chế; trong trường hợp này, chúng giới hạn tổng lượng điện tích mà bộ pin có thể chứa Hình dưới đây minh họa việc sạc với giới hạn này

Hình 3.7 Bộ pin không được cân bằng

Hình 3.8 Bộ pin không được cân bằng lúc sạc

3.3.2 Phương pháp cân bằng cell chủ động

Phương pháp cân bằng cell chủ động sử dụng kỹ thuật truyền năng lượng điện tích theo kiểu tụ hoặc cuộn cảm để chuyển năng lượng từ cell có năng lượng cao đến cell có năng lượng thấp Điều này có nghĩa là các phương pháp cân bằng chủ động bằng cách làm cho sự không nhất quán giữa các cell nằm trong chuỗi trở nên như nhau bằng việc di chuyển năng lượng điện từ các cell có SOC cao hơn đến các cell có SOC thấp hơn với mức tổn thất nhỏ Trong trường hợp điện tích của một cell cao hơn so với trung bình của mô-đun cân bằng, cell sẽ không có lựa chọn nào ngoài việc bị tước đi các điện tích thừa, và năng lượng này được chuyển đến cell có điện tích ít hơn Phương pháp này rất hiệu quả vì năng lượng dư thừa được chuyển đến cell có năng lượng thấp thay vì bị tiêu thụ, tuy nhiên nó

54 làm tăng độ phức tạp của mạch cân bằng , nhưng đồng thời cung cấp hiệu suất cao cho pin ion lithium Phương pháp cân bằng cell chủ động bao gồm các rơ le, kết nối DC-DC, và bộ chuyển đổi dòng điện Ngoài ra, phương pháp này bao gồm năm loại chính chính cụ thể là: cell bypass, cell-to-cell, cell-to-pack, pack-to-cell, và cell-to-pack-to-cell Phương pháp cell bypass được chia thành ba phương pháp: complete shunting, shunting resistor và shunting transistor ,và phương pháp này dễ triển khai, dễ mô-đun hóa và chi phí thấp nhưng được sử dụng ở cuối quá trình sạc Tất cả các phương pháp này được tóm lược trong Bảng 3.2

 Phương pháp Cell Bypass: Lý tưởng là mỗi cell riêng lẻ trong một bộ pin có các đặc tính giống nhau để chúng phản ứng giống nhau với các tham số đặc tính khác nhau Tuy nhiên, trong thực tế, các tham số đặc tính của từng cell biến đổi từ cell này sang cell khác do sự khác biệt trong quá trình sản xuất, điều kiện môi trường như nhiệt độ cục bộ trong bộ pin, hoặc tình trạng hư hỏng ngày càng tăng của cell và nhiều yếu tố khác Một số cell sẽ có tỷ lệ tự xả tăng lên Một số sẽ có điện áp cao hơn do nhiệt độ của chúng Một số sẽ có điện trở trong cao hơn gây biến động điện áp và nhiệt Gần như trong mọi bộ pin, đặc tính của từng cell riêng lẻ sẽ chệch khỏi những cell khác trong bộ pin của chúng Các phương pháp cân bằng cell bypass sẽ bỏ qua dòng của những cell đạt đến điện áp tối đa/tối thiểu, đợi cho các cell còn lại cũng đạt đến điện áp tối đa/tối thiểu tương ứng Các phương pháp này dễ triển khai, dễ mô-đun hóa và chi phí thấp; tuy nhiên, chiến lược kiểm soát hiện tại chỉ cho phép chúng được sử dụng ở cuối quá trình sạc/xả khi hiệu suất của chúng thấp

 Phương pháp Cell-to-Cell: Sự biến động giữa các cell rất quan trọng trong các điều kiện bộ pin vì nó có thể dẫn đến các dung lượng khác nhau cho các cell pin hoặc gây ra sự xuống cấp cục bộ trong bộ pin Do đó, sự biến động giữa các cell ảnh hưởng đến ước lượng SOC và SOH và giảm hiệu suất kiểm soát BMS, cũng như có sự biến động nhiệt độ qua bộ pin vì các bộ pin thực tế đặt nhiều cell chồng lên nhau Các phương pháp Cell-to-Cell chuyển năng lượng thừa được lưu trữ trong các cell đến các cell kế cận có năng lượng thấp hơn Chúng có thể có hiệu suất cao hơn, nhưng tốc độ của chúng có thể chậm hoặc độ phức tạp điều khiển của chúng cao

 Phương pháp Cell-to-Pack: Năng lượng được lấy từ cell có điện tích cao nhất trong bộ pin và được phân phối đều đến tất cả các cell thông qua các thiết bị đầu cuối của bộ pin

Phương pháp này an toàn ở chỗ không có năng lượng nào bị mất dưới dạng nhiệt do sạc thừa, vì năng lượng thừa sẽ được chuyển từ cell đến các cell khác trong bộ pin

 Phương pháp Pack-to-Cell: Phương pháp này chuyển năng lượng từ bộ pin đến cell có điện năng ít nhất Phương pháp này đảm bảo sự cân bằng năng lượng được duy trì trong suốt quá trình sạc và không bị mất điện tích

 Phương pháp Cell-to-Pack-to-Cell: Phương pháp này chuyển năng lượng bằng cách triển khai cả phương pháp từ cell-to-pack và pack-to-cell Trong các phương pháp cell-to- cell, cell-to-pack, pack-to-cell, và cell-to-pack-to-cell, các cấu trúc liên kết thông thường dựa trên bộ chuyển đổi DC/DC có xu hướng phức tạp và đắt tiền cũng như hiệu quả của chúng có thể thấp Những cấu trúc liên kết này thường hiệu quả trong việc ngăn chặn sự quá sạc hoặc quá xả của từng cell pin, điều này rất quan trọng để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của bộ pin Thông thường, các kiến trúc cân bằng này sử dụng máy biến áp fly-back hoặc máy biến áp nhiều cuộn cảm Điều này tạo ra hạn chế về không gian: một thực tế là hạn chế số lượng cell kết nối nối tiếp có thể được cân bằng bằng cách sử dụng những kiến trúc này Kiến trúc cân bằng chủ động theo tầng được phát hiện là làm giảm thời gian cân bằng tổn thất năng lượng trong quá trình cân bằng, tránh sạc và xả lặp lại, và giảm định mức dòng của mạch cân bằng, khác với kiến trúc cell-to-cell thông thường Trong phương pháp này, chuỗi pin nối tiếp được chia thành các gói khác nhau và một lớp trên cùng được kết nối với các gói để trực tiếp cung cấp năng lượng từ gói này đến gói pin khác theo hai chiều

Quản lý sạc tối ưu

Phương pháp sạc tối ưu là một chuỗi các phương án sạc cải tiến cho pin lithium-ion với thời gian sạc dài, tuổi thọ ngắn và nhạy cảm với nhiệt độ Phương pháp sạc chủ yếu bao gồm: sạc CCCV, sạc dòng điện đa giai đoạn, sạc xung, và sạc thông minh, v.v

Pin được sạc với dòng điện không đổi được đặt trước Khi điện áp pin đạt đến giá trị đặt trước, pin sẽ chuyển sang sạc CV và hoàn tất quá trình sạc khi dòng sạc giảm xuống giá trị được đặt trước Đường cong sạc được hiển thị trong Hình 3.13 Kết hợp những ưu điểm của sạc CC và sạc CV, phương pháp này khắc phục được vấn đề sạc thiếu bằng cách sạc CC và tránh hỏng pin do dòng lớn ở giai đoạn ban đầu của sạc CV Là phương pháp chính để sạc, nó đã được nghiên cứu trong thời gian dài trên khắp thế giới, chủ yếu là về ảnh hưởng của điện áp cắt sạc và tốc độ sạc lên tuổi thọ pin

Hình 3.13 Sơ đồ sạc CC-CV (dòng sạc là dương): a đường cong dòng; b đường cong áp

Phương pháp tăng tốc độ sạc của sạc CC-CV có thể chia thành các loại sau:

➀ Tăng tốc độ sạc CC Nó có thể rút ngắn thời gian sạc một cách hiệu quả, đồng thời cũng giảm dung lượng sạc

➁ Tăng điện áp ngắt trên của pin Các điện áp ngắt trên khác nhau có tác động lớn đến tốc độ sạc của pin Sạc CV với điện áp ngắt trên cao hơn có thể làm giảm tuổi thọ pin

Do đó, việc tăng giá trị dòng của quá trình sạc CC là một phương pháp sạc khá phổ biến để rút ngắn thời gian sạc trong số các phương pháp CC-CV cải tiến [4]

3.4.2 Sạc dòng điện đa giai đoạn

64 Để giải quyết nhược điểm của thời gian sạc CV kéo dài trong CC-CV, một phương pháp sạc CC đa giai đoạn được đề xuất Phương pháp này chia toàn bộ quá trình sạc thành nhiều giai đoạn (thông thường là 4-5 giai đoạn) dựa trên xu hướng giảm dần của dòng sạc Giới hạn dòng của mỗi giai đoạn được đặt trước Dòng ở mỗi giai đoạn được xác định bằng cách thiết lập mục tiêu tối ưu hóa và chọn thuật toán tối ưu hóa Khi đạt đến điện áp ngắt sạc trong quá trình sạc, nó sẽ chuyển sang giai đoạn tiếp theo và đường cong sạc được hiển thị trong Hình 3.14 Quá trình tính toán giá trị dòng ở mỗi giai đoạn như sau [4]:

• Thiết lập một hàm mục tiêu Nó có thể là một hàm mục tiêu đơn hoặc một hàm đa mục tiêu về thời gian sạc, tăng nhiệt độ, và suy giảm tuổi thọ

• Đặt phạm vi dòng ở mỗi giai đoạn Tiêu chí là đạt đến điện áp ngắt trên, vì vậy biên độ dòng của mỗi bước được giảm dần Để đảm bảo dung lượng sạc của pin, dòng sạc ở giai đoạn cuối cùng không thể được đặt quá lớn

• Sử dụng thuật toán tối ưu hóa để giảm thiểu hàm mục tiêu và thu được đường cong dòng sạc được tối ưu hóa

Hình 3.14 Đường cong dòng sạc tối ưu hóa dòng không đổi giai đoạn thứ năm Để sạc đầy pin, dòng ở giai đoạn cuối cùng nên được giảm để kéo dài thời gian sạc

Do đó, sạc CC đa giai đoạn thường được áp dụng chủ yếu trong khoảng SOC từ 0-80%

Trong phương pháp sạc xung, dòng điện hoặc điện áp được áp dụng lên pin theo kiểu xung Giữa hai xung liền kề, có quá trình nghỉ hoặc xả để tránh tác động tiêu cực của sự

65 phân cực Dung lượng sạc tiếp tục tăng dần trong toàn bộ quá trình sạc Quá trình sạc kết thúc khi điện áp đạt đến giá trị ngắt Hình 3.15 thể hiện sơ đồ sự thay đổi dòng trong phương pháp sạc xung

Hình 3.15 Đường cong dòng sạc xung

Phương pháp sạc xung ban đầu được áp dụng chủ yếu trên pin axit chì để tránh ảnh hưởng của hiệu ứng phân cực Phương pháp này đã được phát triển cho pin lithium-ion So với các phương pháp truyền thống (ví dụ: CC-CV), dòng điện được tối đa hóa trong phương pháp sạc xung trong khi nồng độ và độ phân cực Ohmic giảm đáng kể ở mỗi giai đoạn để tạo điều kiện cho việc sạc nhanh ở giai đoạn tiếp theo Phương pháp sạc xung được sử dụng rộng rãi do thời gian sạc giảm, biến đổi nhiệt độ nhỏ và duy trì tuổi thọ [6].

Quản lý nhiệt độ

Dưới điều kiện nhiệt độ môi trường thấp, việc sử dụng sưởi nhiệt trước để duy trì một khoảng nhiệt độ phù hợp cho pin Theo đường truyền nhiệt, sưởi nhiệt được chia thành sưởi nhiệt nội, sưởi nhiệt ngoại và sưởi nhiệt kết hợp

Hệ thống sưởi bên ngoài

Bằng cách sưởi nhiệt bên ngoài, bộ pin hoặc mô-đun pin được làm nóng bên ngoài thông qua chất lỏng/khí, tấm gia nhiệt, vật liệu thay đổi pha hoặc Peltier

Trong sưởi nhiệt khí, pin được sưởi nóng bằng khí Đối lưu khí cưỡng bức thường được sử dụng cho sưởi nhiệt khí Quạt bên ngoài đưa khí vào có nhiệt độ cao hơn pin và nhiệt được trao đổi giữa không khí và pin Khí nóng được tạo ra bằng lò sưởi hoặc được

66 thu nhiệt từ động cơ hoặc các thiết bị điện khác có công suất cao Đối với xe điện hybrid, khí nóng cũng có thể được thu thập từ động cơ

Chi phí cho sưởi nhiệt khí tương đối thấp hơn so với các phương pháp khác Hiệu suất và tính đồng đều của sưởi nhiệt có thể được cải thiện thông qua thiết kế đóng gói, vị trí sưởi nhiệt và khu vực sưởi nhiệt

Sưởi nhiệt chất lỏng giống như sưởi nhiệt khí về cách trao đổi nhiệt Tuy nhiên, truyền nhiệt nhanh hơn trong sưởi nhiệt chất lỏng do khả năng dẫn nhiệt cao hơn trong chất lỏng so với khí Trong điều kiện làm việc phức tạp hơn, sưởi nhiệt chất lỏng tốt hơn sưởi nhiệt khí đối với các yêu cầu quản lý nhiệt thông thường

Trong sưởi nhiệt chất lỏng, nhiệt chủ yếu được truyền đến gói pin thông qua chất lỏng Các mô-đun pin có thể được cấu hình bằng đường ống hoặc ngâm trong chất lỏng Đối với cấu hình đường ống, nước, dầu hoặc chất làm mát có thể được sử dụng làm chất truyền nhiệt Khi các mô-đun được ngâm trong chất lỏng sưởi nhiệt, ngắn mạch được tránh nhờ cách điện

Truyền nhiệt giữa chất lỏng sưởi nhiệt và các mô-đun pin được xác định bởi độ dẫn nhiệt, độ nhớt, mật độ và tốc độ dòng chất lỏng Yêu cầu về độ kín và cách điện điện cao hơn trong sưởi nhiệt chất lỏng so với sưởi nhiệt khí, làm cho thiết kế gói pin phức tạp hơn và ảnh hưởng đến độ tin cậy của hệ thống

Trong sưởi nhiệt dạng tấm, nhiệt được tạo ra bằng thiết bị sưởi nhiệt bằng điện và truyền đến cell pin theo cách dẫn nhiệt Tấm sưởi hoặc phim nhiệt có thể được triển khai như nguồn nhiệt Sưởi nhiệt tấm chậm hơn sưởi nhiệt chất lỏng và gây ra các biến động nhiệt [6]

Hệ thống sưởi bên trong Đối với sưởi nhiệt nội, nhiệt Joules được tạo ra khi dòng điện chảy qua pin có điện trở Độ nhớt của chất điện phân thường cao hơn ở nhiệt độ thấp hơn, điều này làm tăng điện trở trong quá trình truyền điện tích Dưới điều kiện khắc nghiệt, dung dịch điện phân thậm chí có thể đóng băng Tuy nhiên, điện trở tăng cường có thể được sử dụng để tạo ra nhiều nhiệt hơn để pin được duy trì ở nhiệt độ làm việc phù hợp Tùy thuộc vào hướng dòng điện,

67 sưởi nhiệt bên trong có thể được phân loại thành sưởi nhiệt sạc, sưởi nhiệt xả và sưởi nhiệt dòng điện xung Quá trình sưởi nhiệt cũng có thể được chia thành tự sưởi nhiệt và sưởi nhiệt bằng nguồn điện ngoại vi

Trong quá trình sưởi nhiệt sạc ở nhiệt độ thấp, nhiệt sinh ra trong quá trình phóng điện được sử dụng để thu hồi nhiệt độ thích hợp Điện áp được giới hạn nghiêm ngặt để tránh quá tải, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất sưởi nhiệt

Sưởi nhiệt xả có thể được kết hợp với hệ thống sưởi nhiệt bên ngoài để cải thiện hiệu suất sưởi nhiệt Sự mất mát năng lượng trong quá trình sưởi nhiệt xả tăng lên theo thời gian xả Có các yêu cầu về tải Sưởi nhiệt xả bị giới hạn ở mức SOC thấp

Hình 3.16 Cấu trúc tự sưởi của pin đơn

Hình 3.16 mô tả cấu trúc tự sưởi nhiệt của một pin Lá Niken được triển khai trong pin Khi phát hiện nhiệt độ thấp bên trong pin, dòng điện được áp dụng lên lá Niken Cùng với nhiệt được tạo ra bởi quá trình xả, hiệu suất sưởi nhiệt cao được thực hiện Tuy nhiên, cấu trúc tự sưởi nhiệt này sẽ giảm mật độ năng lượng

(3) Sưởi nhiệt dòng điện xoay chiều

Dòng điện xoay chiều với biên độ và tần số được kiểm soát có thể làm nóng pin thông qua điện trở Dòng điện xoay chiều ở tần số cao/thấp có thể làm tăng nhiệt độ pin trong thời gian ngắn nhưng điều này phụ thuộc vào cơ sở vật chất [6]

Giao tiếp dữ liệu

Giao tiếp dữ liệu là liên kết quan trọng cho việc truyền dữ liệu bên trong BMS và truyền dữ liệu giữa BMS và các thiết bị khác Sau khi lấy mẫu điện áp, nhiệt độ và dòng điện, các BMU sẽ tải lên dữ liệu này lên BCU, sau đó gửi thông tin đã xử lý đến VCU hoặc màn hình hiển thị và cũng truyền thông tin kiểm soát đến từng hệ thống con Lượng dữ liệu giao tiếp rất lớn Độ tin cậy, việc thu thập, tải lên và công bố kịp thời là điều kiện tiên quyết để xe hoạt động bình thường

CAN được phát triển bởi công ty Bosch của Đức và là một trong những bus phổ biến nhất kể từ khi tiêu chuẩn hóa năm 1993 (ISO 11898-1) Đó là mạng chủ đạo trong điều khiển điện tử ô tô, dần thay thế hệ thống cơ khí và điều khiển truyền thống Các nút mạng của CAN là các đơn vị điều khiển điện (ECU) khác nhau Hiện nay, một số nhà sản xuất ô tô nổi tiếng trên thế giới (như Benz, BMW, Porsche, Rolls-Royce, Jaguar, v.v.) đã áp dụng CAN như bus truyền thông dữ liệu giữa hệ thống điều khiển nội bộ ô tô và cơ quan thực thi kiểm soát

CAN hoạt động theo cách multi-master Mỗi nút có thể gửi thông tin đến các nút khác khi cần thiết

 Các nút của mạng CAN có các mức ưu tiên khác nhau (định danh thông điệp)

 CAN sử dụng công nghệ phân xử không phá hủy

 Các nút của mạng CAN có thể thực hiện truyền thông theo kiểu một-một, một-nhiều hoặc thông báo chung

 Khoảng cách truyền thông trực tiếp xa nhất của CAN có thể đạt đến 10 km ở khu vực xa và tốc độ truyền thông tối đa là 1 Mbps (khi khoảng cách truyền thông không quá 40m)

 Thông điệp sử dụng cấu trúc ngắn

 Thông tin trong mỗi khung CAN có đo đạc kiểm tra CRC

 Phương tiện truyền thông của bus CAN có thể là dây xoắn đôi, cáp đồng trục hoặc cáp quang

 Trong trường hợp lỗi nghiêm trọng, các nút CAN có khả năng tự động tắt đầu ra của chúng;

 CAN có hiệu suất chi phí cao và cấu trúc đơn giản

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của bus CAN được hiển thị trong Hình 3.20 Dữ liệu truyền thông được đưa vào CAN thông qua các bộ điều khiển CAN đặc biệt

Mạch giao diện phần cứng của bus CAN dựa trên CTM được minh họa trong Hình 3.21 Hệ thống quản lý yêu cầu một lượng lớn dữ liệu với giao tiếp thời gian thực tốt Tuy nhiên, nếu tất cả dữ liệu được đặt trên cùng một bus, tỉ lệ tải cao sẽ dẫn đến tắc nghẽn bus và giao tiếp dữ liệu thời gian thực kém Theo chức năng, cấu trúc và loại dữ liệu, các dữ liệu này có thể được gửi đến các bus khác nhau

Một phương pháp phổ biến là phân phối dữ liệu CAN của BMS giữa ba bus: bus CAN nội, bus CAN sạc và bus CAN xe Mỗi bus đảm nhận các nhiệm vụ đầu ra liên quan để truyền dữ liệu theo thời gian thực và đáng tin cậy

Bus CAN nội chủ yếu được sử dụng để thu thập thông tin pin nội bộ của BMS và phát các lệnh kiểm soát Điện áp của mỗi cell, nhiệt độ, điện áp tổng, dòng và lệnh kiểm soát relay đều được truyền trên bus CAN nội Bởi vì truyền thông dữ liệu chỉ diễn ra bên trong BMS, một giao thức giao tiếp có thể được phát triển bởi các nhà sản xuất BMS để bảo vệ sản phẩm

Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc của nút CAN

Hình 3.21 Mạch giao diện phần cứng của bus CAN dựa trên CTM

Hình 3.22 Sơ đồ cấu trúc của BMS CAN bus

Bus CAN sạc chủ yếu được sử dụng để giao tiếp giữa BMS và bộ sạc Thông tin chính của nó bao gồm trạng thái sạc, bắt đầu hoặc dừng sạc, dòng sạc tối đa cho phép, v.v Xét đến tính tổng thể của các trạm/sạc ô tô điện, cần có các quy định giống nhau về giao diện và giao thức sạc Theo tiêu chuẩn quốc gia, giao thức truyền thông của bộ sạc và BMS nên tạo ra một thông điệp tại giai đoạn đầu, giai đoạn cấu hình tham số, giai đoạn sạc, giai đoạn kết thúc sạc và giai đoạn sai

Một số điểm khác liên quan đến bus CAN sạc là có ít dữ liệu cần giao tiếp và xe không thể sạc trong suốt giai đoạn hoạt động Nếu xe cần một màn hình để hiển thị trạng thái pin, màn hình sẽ trở thành nút của bus CAN sạc mà không tăng tỷ lệ tải của các bus CAN khác Bus CAN xe chủ yếu được sử dụng để giao tiếp giữa BMS và VCU Ngoài BMS và VCU, có bộ điều khiển động cơ và các thiết bị khác là các nút trên bus này, đó là bus dữ liệu quan trọng nhất BMS nên truyền thông tin về SOC, điện áp tổng và công suất/dòng tối đa cho bus Các nhà sản xuất ô tô khác nhau có thể sử dụng các giao thức truyền thông khác nhau [3]

3.6.2 Chế độ giao tiếp mới

Cùng với sự phát triển của điện tử ô tô, khi lượng dữ liệu giao tiếp tăng lên, các yêu cầu về thời gian thực và độ tin cậy của truyền dữ liệu trở nên nghiêm ngặt hơn Các chế độ giao tiếp của bus CAN và các chế độ giao tiếp khác đang được phát triển Dưới đây là mô tả về hai chế độ giao tiếp mới tiềm năng

CAN chỉ định lớp vật lý và lớp liên kết dữ liệu, không bao gồm lớp ứng dụng Nó không đầy đủ và cần một thỏa thuận ở mức cao để xác định mã định danh 11/29 của thông điệp CAN và việc sử dụng dữ liệu 8 byte Trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp dựa trên bus CAN, cần có một giao thức tầng cao, mở, chuẩn hóa, hỗ trợ khả năng tương tác và tương thích của các thiết bị từ các nhà sản xuất CAN khác nhau, cung cấp một chế độ giao tiếp hệ thống chuẩn hóa và thống nhất trong mạng CAN, cung cấp chế độ mô tả chức năng của thiết bị và thực hiện các chức năng quản lý mạng CANopen là giao thức tầng cao dựa trên CAN được chuẩn hóa quốc tế và là một trong những tiêu chuẩn được định nghĩa bởi CAN-in-Automation (CiA) Nó áp dụng phương pháp hướng đối tượng và có tính mô-đun và thích ứng rất tốt

Hệ thống mạng của giao thức CANopen có ba chế độ làm việc: chế độ main/slave, chế độ client/server và chế độ producer/consumer Chế độ main/slave phù hợp cho việc quản lý mạng để thực hiện các điều khiển chính và quản lý các bộ phụ Là một trong những chế độ giao tiếp dữ liệu đáng tin cậy, chế độ client/server được sử dụng để truyền dữ liệu, cụ thể là cấu hình tham số của mạng CANopen Việc thiết lập kết nối và phản hồi là cần thiết trong quá trình truyền dữ liệu Chế độ producer/consumer chủ yếu được sử dụng cho truyền

74 dữ liệu quá trình mà không có phản hồi từ bên nhận để cải thiện hiệu suất truyền dữ liệu [3]

FlexRay là một giao thức truyền thông dữ liệu mới được phát triển gần đây, được thiết kế để nhanh hơn và đáng tin cậy hơn so với bus CAN và bus LIN (local interconnect network)

Tiêu chuẩn mạng FlexRay trên bo mạch đã trở thành nền tảng cho các sản phẩm cùng loại Trong tương lai, nó sẽ định hướng phát triển của cấu trúc điều khiển trong điện tử ô tô Hiệp hội FlexRay đã đẩy tiêu chuẩn hóa của FlexRay lên một tầm cao mới, trở thành giao thức giao tiếp mạng ô tô mới FlexRay tập trung vào đáp ứng yêu cầu cơ bản của ngành công nghiệp ô tô hiện đại, bao gồm tốc độ dữ liệu nhanh, giao tiếp dữ liệu nhạy bén, lựa chọn cấu trúc liên kết tổng thể và hoạt động chống lỗi

Do đó, FlexRay có thể cung cấp tốc độ và độ tin cậy cần thiết cho hệ thống điều khiển ô tô thế hệ tiếp theo Giới hạn hiệu suất tối đa của một mạng CAN là 1 Mbps Tốc độ dữ liệu tối đa của mỗi kênh của FlexRay là 10 Mbps và tốc độ tổng cộng là 20 Mbit/s Do đó, băng tần của bus FlexRay có thể lớn gấp 20 lần so với bus CAN khi được áp dụng trong mạng trên xe

MÔ HÌNH HÓA CELL PIN BẰNG SIMULINK VÀ SIMSCAPE

Mô hình hóa cell pin

Mặc dù pin Lithium-ion được sử dụng rộng rãi, vẫn cần có một nhu cầu quan trọng đối với các kỹ thuật mô hình hóa chính xác để hiểu hành vi phức tạp của chúng Mô hình ECM là một mô hình vô cùng hữu hiệu để đáp ứng nhu cầu đó

Mô hình ECM cung cấp một giải pháp thiết thực bằng cách biểu diễn pin như một mạch điện đơn giản bao gồm các thành phần thụ động như điện trở, tụ điện và nguồn điện áp một chiều lý tưởng nhằm nắm bắt các hành vi đặc trưng của pin Với khả năng mô phỏng chính xác hành vi của pin trong các điều kiện hoạt động đa dạng, mô hình ECM cho phép các kỹ sư và nhà nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế pin, cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ pin

Hình 4.1 Mô hình ECM với 2 mạng RC

Mô hình ECM được sử dụng phổ biến là mô hình ECM có hai mạng RC song song mắc nối tiếp với một điện trở và nguồn áp lý tưởng Điện trở R 0 đại diện cho điện trở trong của pin, mạng RC đại diện cho phản ứng phân cực của pin, nguồn áp lý tưởng U OC là điện áp mạch hở và U là điện áp hai đầu cực của pin [8] Điện áp mạch hở phụ thuộc vào SOC và nhiệt độ của pin (U OC  SOC T , ), còn điện trở trong và giá trị điện trở và điện dung của cặp RC phụ thuộc vào SOC, nhiệt độ và dòng điện (R SOC T i 0  , , , R SOC T i  , ,  , C SOC T i  , , ) [9] Tác dụng của các thông số đó lên giá trị điện áp đầu ra của pin được thể hiện theo hình sau:

Hình 4.2 Đồ thị đặc tính đáp ứng điện áp của pin Lithium với một xung tải

Ta có thể thấy đáp ứng điện áp của pin có hai loại, đáp ứng tức thời và đáp ứng trễ Điện trở trong của pin là nguyên nhân của đáp ứng tức thời và phản ứng phân cực bên trong pin là nguyên nhân của đáp ứng trễ Đáp ứng tức thời của pin do điện trở trong sẽ được mô phỏng bởi thành phần R 0 của mô hình và phản ứng trễ của pin sẽ được mô phỏng bởi mạng RC Mô hình càng có nhiều mạng RC mắc nối tiếp nhau thì phản ứng trễ của pin càng được mô phỏng chính xác, tuy nhiên nó cũng gia tăng độ phức tạp của mô hình và làm cho việc tính toán trở nên phức tạp hơn Khoảng thời gian phản ứng trễ của pin được gọi là hằng số thời gian (time-constant)

 và được tính bằng công thức:

  (4.1) với R và C là điện trở và điện dung của mạng RC Mô hình có n mạng RC thì có n hằng số thời gian từ  1 đến  n

Ban đầu, điện áp mạch hở của pin đang ở mức trên 13.5V Khi có dòng điện tải, điện áp của pin sẽ tức thì sụt xuống và khi ngắt tải, điện áp của pin sẽ tức thì tăng lên, đây là đáp ứng tức thời của pin do điện trở trong Sau khi ngắt tải, điện áp của pin dần dần phục hồi về một mức điện áp mạch hở mới, khoảng thời gian phục hồi chính là hằng số thời gian của mạng RC, với mô hình ECM có 2 mạng RC, ta có hai hằng số thời gian, với hằng số thời gian thứ nhất là khoảng thời gian điện áp phục hồi nhanh và hằng số thời gian thứ hai là khoảng điện áp phục hồi chậm dần đến điện áp mạch hở mới

Pin thường được xem như là một nguồn áp và dòng điện là kết quả của điện áp mà pin cung cấp cho tải bên ngoài Tuy nhiên trong mô hình Simulink, dòng điện mong muốn thường đã được biết trước còn điện áp của pin thì không Vì vậy dòng điện sẽ trở thành

78 đầu vào của mô hình và điện áp sẽ là đầu ra của nó Pin được sử dụng để mô hình hóa là pin INR18650-20R của Samsung

Bảng 4.1 Thông số pin INR18650-20R [10] Điện áp danh định 3.6 V

Dung lượng danh định 2 Ah

Kích thước cell pin 18.4 x 65 mm

Sau khi đã có đầu vào dòng điện, chúng ta cần tính toán trạng thái sạc SOC của pin theo phương pháp đếm Coulomb để từ đó nội suy các giá trị U OC , R 0 và RC của mạng

RC tương ứng theo các mức SOC

Sau khi có được trạng thái sạc của pin, ta có thể nội suy các giá trị U OC , R 0 và RC của mạng RC tương ứng với SOC Khi đã có các thông số cần thiết, ta thực hiện tính toán điện áp đầu ra của pin theo phương trình

4.1.1 Ước tính thông số của mô hình Để có được các giá trị thông số mô hình mạch tương đương, ta phải ước tính chúng bằng cách sử dụng dữ liệu thí nghiệm HPPC (Hybrid Pulse Power Characterization) của

79 pin thực tế, dữ liệu này được lấy ở tài liệu [16] Chu trình thí nghiệm HPPC được CALCE thực hiện bao gồm các xung xả/sạc với độ rộng mỗi xung vào khoảng 10% SOC của pin, thời gian nghỉ giữa các xung là 60 phút hoặc hơn Thí nghiệm bắt đầu khi pin đầy (100% SOC) đối với xung xả hoặc khi cạn (0% SOC) đối với xung sạc và kết thúc khi pin cạn đối với xung xả và khi pin đầy đối với xung sạc

Khi thực hiện thí nghiệm HPPC, nhiệt độ của pin sẽ được giữ cố định và thí nghiệm sẽ được tiến hành ở nhiều nhiệt độ khác nhau, CALCE đã tiến hành thí nghiệm này trên 3 mức nhiệt độ 0 o C, 25 o C và 45 o C Như vậy ta có thể ước tính được các giá trị của mạch tương đương ứng với SOC ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau [9],[11]

Hình 4.4 Thí nghiệm HPPC của pin thực ở 25 o C

Vì nhiệt độ của pin khi thực hiện thí nghiệm được giữ cho gần như không đổi nên ta cần một mô hình pin đẳng nhiệt để ước tính các giá trị ở từng nhiệt độ tương ứng

Hình 4.5 Mô hình pin đẳng nhiệt với các thông số không phụ thuộc vào nhiệt độ

Sau khi ước tính thông số, kết quả mô phỏng như sau:

Hình 4.6 Kết quả mô phỏng sau khi ước tính thông số ở 25 o C

Ta quan sát thấy điện áp của pin mô phỏng bám sát với pin thực tế, điều này kết luận mô các thông số đã được ước tính tương đối chính xác Ta tiếp tục ước tính các thông số ở

Các thông số OCV, R0 và các nhánh RC của mạch tương đương sau khi ước tính:

Hình 4.7 Điện áp mạch hở OCV theo SOC và nhiệt độ khác nhau

Hình 4.8 Điện trở trong R 0 của cell ở SOC, dòng điện và nhiệt độ khác nhau

Hình 4.9 Nhánh RC thứ nhất của cell ở SOC, dòng điện và nhiệt độ khác nhau

Hình 4.10 Nhánh RC thứ hai của cell ở SOC, dòng điện và nhiệt độ khác nhau

4.1.2 Tính toán nhiệt độ của cell pin Để xây dựng mô hình pin hoàn chỉnh, ta cần mô hình nhiệt độ của pin Ngoài ra, mô hình nhiệt của pin là cần thiết để có thể xây dựng thuật toán đảm bảo nhiệt độ của pin

83 không vượt quá giới hạn Mô hình nhiệt được xây dựng có hai phần, bao gồm phần nhiệt lượng mà pin tự sinh ra và phần nhiệt lượng trao đổi với môi trường thông qua đối lưu [13]

  p loss a mc dT P hA T T dt    (4.2) Trong đó:

 m : Khối lượng của cell pin

 c p : Nhiệt dung riêng đẳng áp

 T a : Nhiệt độ của môi trường xung quanh

 A: Diện tích bề mặt pin

 h: Hệ số truyền nhiệt đối lưu của không khí

 P loss : Công suất hao phí (công suất tỏa nhiệt) của pin

Công suất hao phí được tính theo phương trình sau [12]:

 V i : Là sụt áp qua điện trở R 0 và các nhánh RC

 R i : Là các điện trở R 0 , R 1 và R 2

Hình 4.11 Mô hình nhiệt của pin

Mô hình sạc CC-CV

Bộ sạc CC-CV sẽ không sạc nếu SOC của pin đang lớn hơn hoặc bằng mức SOC mong muốn được chọn (desiredSOC) Nếu SOC nhỏ hơn desiredSOC thì có hai trường hợp:

 SOC nằm trong khoảng desiredSOC 10%  SOC < desiredSOC thì bộ sạc sẽ bỏ qua giai đoạn sạc CC và chỉ sạc CV cho pin để tránh quá áp

 SOC nhỏ hơn desiredSOC nói chung: Bộ sạc tiến hành sạc CC

Khi đã quyết định sạc CC, bộ sạc sẽ kiểm tra nhiệt độ của pin, nếu nhiệt độ ở mức 35 o C hoặc lớn hơn thì dòng sạc sẽ bị giới hạn ở mức 0.5C, còn nếu nhiệt độ bé hơn 35 o C thì dòng sạc sẽ ở mức 1C Trong lúc sạc, bộ sạc sẽ chuyển đổi giữa 2 dòng sạc dựa trên nhiệt độ của pin để tránh pin bị quá nhiệt Giai đoạn sạc CC kết thúc khi điện áp của pin đạt đến mức điện áp giới hạn tại SOC mong muốn và chuyển sang giai đoạn sạc CV Trong giai đoạn này, SOC tiếp tục tăng, dòng điện sạc giảm dần và điện áp được giữ nguyên Giai đoạn sạc CV kết thúc khi SOC đạt giá trị mong muốn và bộ sạc sẽ ngừng sạc Khi ngắt sạc, điện áp pin sẽ giảm dần cho đến khi ổn định ở mức điện áp mạch hở tại mức SOC mong muốn

Hình 4.15 Giải thuật sạc CC-CV

Ta tiến hành chạy mô phỏng với 2 trường hợp giả định: trường hợp thứ nhất là ở mức SOC của pin ban đầu là 10%, trường hợp thứ hai là ở mức SOC của pin ban đầu là 80%, cả hai trường hợp đều ở cùng nhiệt độ môi trường là 25 o C và SOC khi sạc đầy mong muốn là 90%, kết quả mô phỏng thu được như sau:

+ Kết quả mô phỏng ở trường hợp 1:

Hình 4.16 Kết quả mô phỏng giải thuật sạc CC-CV ở trường hợp 1

Kết quả mô phỏng giải thuật sạc CC-CV ở trường hợp đầu được thể hiện trong hình 4.16 Ban đầu nhiệt độ của pin ở 25 o C và SOC ở mức 10%, bộ sạc cho pin sạc CC với dòng sạc là 1C, sau đó khi nhiệt độ của pin đạt 35 o C nên bộ sạc hạ dòng sạc xuống 0.5C và nhiệt độ của pin giảm xuống chậm dần, đến khi điện áp pin đạt mức giới hạn thì chuyển sang sạc

CV Lúc này điện áp của pin giữ nguyên và SOC của pin tiếp tục tăng cho tới khi đạt đến mức 90% thì ngắt sạc Tín hiệu ChargeState chính là tín hiệu trạng thái của bộ sạc, khi bộ sạc đang không sạc thì ChargeState = 0, sạc CC thì ChargeState = 1 và sạc CV thì ChargeState = 2

+ Kết quả mô phỏng ở trường hợp 2:

Hình 4.17 Kết quả mô phỏng giải thuật sạc CC-CV ở trường hợp 2

Kết quả chạy mô phỏng đáp ứng đúng yêu cầu của giải thuật sạc đề ra khi bỏ qua giai đoạn sạc CC và chỉ sạc CV cho pin để tránh quá áp vì SOC ban đầu của pin nằm trong khoảng desiredSOC 10%  SOC < desiredSOC.

Quản lý nhiệt độ của pin

Hệ thống làm mát pin trên xe điện có nhiều loại, và trên mô hình này ta sử dụng loại hệ thống làm mát bằng không khí Đối với các loại xe điện tầm trung, công suất của động cơ không quá lớn và do đó đòi hỏi dòng tải không quá cao thì hệ thống làm mát bằng không khí vừa rẻ tiền vừa lắp đặt tiện lợi là đủ để làm mát pin trong quá trình vận hành và kể cả khi đang sạc

Ta sử dụng hệ thống làm mát bằng không khí bị động, hệ thống hút gió từ môi trường để làm lát mát pin nên nó phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ của môi trường Giải thuật làm mát pin rất đơn giản, khi nhiệt độ của pin vẫn còn trong khoảng bình thường (từ 25 o C đến dưới 35 o C), quạt làm mát không hoạt động và pin trao đổi nhiệt với môi trường qua đối lưu tự do, khi nhiệt độ của pin đến mức từ 35 o C trở lên thì quạt làm mát sẽ bật, trong lúc này nếu nhiệt độ của pin vẫn tiếp tục tăng đến 40 o C thì quạt sẽ tăng tốc độ quay để làm mát nhanh hơn Quạt làm mát sẽ tắt sau khi nhiệt độ của pin trở về 26 o C Lý do ta không làm mát pin đến 25 o C là vì ta mô phỏng với nhiệt độ môi trường là 25 o C không đổi, theo công thức (4.2), nhiệt độ của pin càng gần với nhiệt độ môi trường thì sự truyền nhiệt giữa pin và môi trường diễn ra càng chậm, làm mát về đến 25 o C sẽ diễn ra rất lâu, nên 26 o C là nhiệt độ tương đối tốt để tắt hệ thống làm mát

Hình 4.18 Giải thuật làm mát pin

Tốc độ của dòng khí (Air_velocity) khi quạt làm mát được bật cũng tăng lên đến 3 m/s Tốc độ dòng khí sẽ được đưa vào khối tính toán hệ số truyền nhiệt đối với đối lưu cưỡng bức để đưa vào mô hình nhiệt của pin

Hình 4.19 Tính toán truyền nhiệt với hệ thống làm mát

Mô phỏng pin sạc CC-CV từ 10% đến 90% sử dụng giải thuật sạc ở mục 4.2, sau đó, ta cho pin nghỉ 100 giây rồi xả đẳng dòng 2A trong 2000 giây rồi nghỉ vô thời hạn Kết quả mô phỏng:

Hình 4.20 Kết quả mô phỏng làm mát pin

Nhiệt độ ban đầu của pin là 25 o C và tăng lên nhanh chóng, khi nhiệt độ của pin đã đạt

35 o C thì quạt làm mát bật lên cùng với dòng sạc giảm xuống và nhiệt độ của pin nhanh chóng giảm Đến khi nhiệt độ của pin đã đạt 26 o C thì quạt làm mát ngừng hoạt động và nhiệt độ của pin tăng lên do tự bản thân sản sinh ra nhiệt khi đang sạc Sau đó nhiệt độ của pin lại giảm vì dòng sạc CV quá nhỏ nên nhiệt lượng sinh ra nhỏ hơn nhiệt lượng thải ra ngoài môi trường So với không có hệ thống làm mát, ta có thể thấy do nhiệt độ của pin được làm mát nhanh hơn nên dòng sạc không bị hạn chế quá lâu, khiến cho tốc độ sạc cải thiện trông thấy Ngoài ra nhiệt độ của pin khi đang xả cũng được đảm bảo.

Mô phỏng pin bằng Simscape

Sử dụng ngôn ngữ Simscape được nhúng trong Simulink để tạo khối pin Simscape Lý do sử dụng Simscape là vì nó cho phép ta dễ dàng kết nối các cell pin lại với nhau để mô phỏng một pack pin lớn và nó hoạt động tương tự như mô hình Simulink ta đã làm ở trên

Hình 4.22 Bên trong khối pin Simscape

Hai cực dương và âm của khối pin là chân + và -, chân H là chân nhiệt độ và chân SOC là SOC của pin Ta thiết lập thông số của khối giống như những gì ta làm với cell pin Simulink Các thông số có thể thiết lập bao gồm:

 Các điều kiện ban đầu của pin: SOC ban đầu, nhiệt độ ban đầu

 Các thông số của mạch tương đương và dung lượng của pin

 Các thông số để tính toán nhiệt: trọng lượng pin, nhiệt dung riêng đẳng áp của pin

 Các vector điểm nút Để mô phỏng sự trao đổi nhiệt giữa pin và môi trường thông qua đối lưu, ta cần tạo ra một khối Simscape trao đổi nhiệt đối lưu với hệ số trao đổi động vì khối đối lưu có sẵn trong thư viện Simscape không thay đổi được hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trong khi mô phỏng (đối với matlab phiên bản cũ hơn R2022b)

Hình 4.23 Khối truyền nhiệt đối lưu có hệ số truyền nhiệt động

Hệ số truyền nhiệt đối lưu đã tính toán sẽ được đưa vào khối truyền nhiệt đối lưu ở đầu vào h, từ đây ta có thể kết nối khối này với chân nhiệt độ của pin để thiết lập sự trao đổi nhiệt giữa pin và môi trường Ta tiến hành chạy mô phỏng với dòng điện và điều kiện giống như ở mô phỏng làm mát và so sánh giữa mô hình Simscape và mô hình Simulink xem kết quả của chúng có khớp nhau hay không

Hình 4.24 Mô phỏng bằng Simscape

Hình 4.25 Kết quả so sánh giữa 2 mô hình

Kết quả cho thấy hai mô hình không có sai lệch, ta kết luận hai mô hình tương đồng với nhau và ta có thể sử dụng khối pin Simscape thay thế cho khối pin Simulink để mô phỏng pack pin xe điện

THIẾT KẾ PACK PIN CHO XE ĐIỆN SÂN GOLF

Thông số của một pack pin trên xe điện sân golf

Xe golf điện lithium là một đột phá thực tế trong ngành công nghiệp xe điện, đem lại hiệu suất và tiện ích không ngờ trong việc di chuyển trên sân golf và các khu vực giải trí Điều quan trọng nhất để đảm bảo hiệu suất ổn định và thời gian sử dụng lâu dài của xe golf điện chính là bộ pin Bộ pin cần phải đáp ứng đầy đủ năng lượng để duy trì hoạt động của motor và các thiết bị điện tử khác trên xe Đối với một pack pin hiệu quả, không chỉ yêu cầu dung lượng cao mà còn cần có khả năng tái tạo nhanh chóng và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn

Dưới dây là pack pin Lithium-ion 48V LiFePO4 thực tế áp dụng trên xe golf điện với các thông số được chỉ ra rõ ở bảng 5.1 [15]

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật pin LiFePO 4 dùng trên xe golf điện

Dòng xả cao điểm 250A – 30 mili giây Dòng xả liên tục Tối đa 100A – 150A Phạm vi nhiệt độ hoạt động -20 ~ 60 o C Điện áp hoạt động 48V – 58.4V

Chu kỳ lão hóa >3000 chu kỳ

Mô phỏng pack pin

Vì pin INR18650-20R có dung lượng danh định vào khoảng 2Ah, để tạo ra một pack pin có dãy điện áp hoạt động và dung lượng như Bảng 5.1 thì ta cần đến 700 viên pin, với

50 cell trong một nhánh song song và 14 nhánh song song mắc nối tiếp nhau Bởi vì điều kiện phần cứng mô phỏng hạn chế, pack pin mô phỏng sẽ có dung lượng nhỏ để tránh quá tải phần cứng, nhưng yêu cầu về điện áp vẫn được đảm bảo Pack pin được mô phỏng có điện áp danh định 50.4V và dung lượng danh định là 10Ah Kết cấu của pack pin được lắp theo mạch 14s5p Với pack pin nhỏ này, để tạo một pack pin lớn thực tế có dung lượng như pack trên Hình 5.1, ta chỉ cần nối song song nhiều pack nhỏ này lại với nhau và giải thuật cân bằng, sạc các cell bên trong pack pin lớn vẫn hoạt động tương tự như pack nhỏ

Hệ thống quản lý pin, bao gồm sạc CC-CV và quản lý nhiệt độ ở chương 4 sẽ được sử dụng để quản lý pack pin này Ngoài ra ta cần có thêm giải thuật cân bằng pack pin cho hệ thống quản lý pin để cân bằng các cell mắc nối tiếp trong pack

Hình 5.2 Pack pin xe điện sân golf cùng với mạch cân bằng

Hình 5.3 Bên trong pack pin

Các cell được mắc song song với nhau có cùng SOC với nhau, vì khi lắp các pin song song, ta nên hạn chế việc 2 cell có chênh lệnh áp nhiều khiến việc tự cân bằng giữa các cell song song xảy ra, dòng điện tự cân bằng này có thể rất lớn và làm nóng pin, gây hư hại và làm giảm tuổi thọ pin Vì ta cho cả nhánh song song có cùng SOC, và ta xem dòng điện của mỗi cell trong một nhánh song song là như nhau nên ta có thể xem SOC của một cell

99 trong nhánh là SOC của cả nhánh Ngoài ra, gió từ hệ thống làm mát thổi vào sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ cell trong một nhánh song song, và ở mỗi nhánh song song sẽ có một cảm biến đo nhiệt độ của nhánh đó.

Cân bằng pack pin

Giải thuật cân bằng cho pack pin xe điện sân Golf được lựa chọn là giải thuật cân bằng bị động, lí do của việc lựa chọn giải thuật này là vì đây là một giải thuật đơn giản, dễ dàng lắp đặt và vì vậy nên nó có giá thành rẻ, phù hợp với ứng dụng trên xe sân Golf

Mạch cân bằng bị động được mô phỏng bao gồm điện trở cân bằng và MOSFET điều khiển đóng ngắt dòng cân bằng Tín hiệu đóng ngắt của MOSFET được điều khiển bởi giải thuật cân bằng trong BMS

Hình 5.4 Mạch cân bằng bị động

Hình 5.5 Giải thuật cân bằng

Giải thuật cân bằng bị động được mô phỏng đơn giản: BMS luôn kiểm tra chênh lệch SOC (DeltaSOC) giữa cell có SOC cao nhất (MaxSOC) và cell có SOC thấp nhất (MinSOC), khi chênh lệch lớn hơn ngưỡng chênh lệch cho phép (TargetDeltaSOC) và pin đang ở trạng thái nghỉ hoặc đang sạc thì sẽ cho mạch cân bằng hoạt động

Cờ báo cân bằng hoàn tất (FlgBalComplt) được khởi tạo giá trị true và khi mạch cân bằng không hoạt động thì tất cả phần tử của tín hiệu cân bằng (BalCmd) đều có giá trị false Khi mạch cân bằng hoạt động, FlgBalComplt lúc này sẽ có giá trị false, các cell pin nào có giá trị SOC cao hơn giá trị SOC thấp nhất mà BMS đo được sẽ xả thông qua điện trở cân bằng cho đến khi SOC của cell đó đạt đến ngưỡng chênh lệch cho phép, khi tất cả tín hiệu cân bằng đã tắt thì FlgBalComplt sẽ chuyển thành true, báo hiệu cân bằng đã hoàn tất và mạch cân bằng ngừng hoạt động.

Sạc kết hợp với cân bằng pack pin

Bộ sạc sẽ dựa theo giải thuật sạc CC-CV ở mục 4.2 và SOC được sử dụng là SOC của cell có SOC cao nhất Tuy nhiên, khi kết hợp với cân bằng thì sẽ có vấn đề lúc ngừng sạc sau khi sạc hoàn tất nhưng vẫn còn cắm sạc Ngay khi ngừng sạc, do mạch cân bằng có thể còn hoạt động nên SOC của pin cao nhất sẽ xả qua điện trở xả làm giảm SOC, bộ sạc lúc này thấy SOC nhỏ hơn giá trị mong muốn nên lại bắt đầu sạc, và lại tắt khi SOC thỏa điều kiện Điều này khiến cho pack pin không thể nào cân bằng vì bộ sạc sẽ sạc và ngắt liên tục, để giải quyết vấn đề này ta cho thêm một tín hiệu báo sạc hoàn tất

Hình 5.6 Sạc CC-CV cho pack pin

Bộ sạc chỉ cho phép sạc nếu tín hiệu sạc hoàn tất đang có giá trị false, vì vậy ta khởi tạo giá trị cho tín hiệu là false, sau khi quá trình sạc hoàn thành thì tín hiệu được gán giá trị true Trong khi đang sạc mà bị ngắt sạc đột ngột thì giá trị của tín hiệu sẽ giữ nguyên, tín hiệu sẽ được reset về giá trị false nếu ta sử dụng pack pin cung cấp điện cho tải Điểm yếu của việc này là SOC của pin sẽ thấp hơn một chút so với giá trị mong muốn do cân bằng.

Mô phỏng và nhận xét kết quả

Pack pin sẽ được tiến hành chạy mô phỏng ở các trường hợp dưới đây với cùng nhiệt độ môi trường 25 o C, các cell pin có chênh lệch SOC ban đầu từ 2-5%, giá trị sạc SOC mong muốn là 90% và chênh lệch SOC mong muốn giữa các cell là 1%:

TH1: Cân bằng các cell pin trong pack

TH2: Sạc không kết hợp cân bằng

TH3: Sạc kết hợp cân bằng

TH4: Quá trình xả-nghỉ-sạc cân bằng hoàn chỉnh của 1 pack pin

 Kết quả mô phỏng trường hợp 1:

Hình 5.7 Kết quả mô phỏng pack pin ở TH1

Nhận xét kết quả: Các cell có SOC lớn hơn được xả qua điện trở cân bằng, cho đến khi chênh lệch SOC của chúng so với các cell có SOC thấp nhất đạt đến ngưỡng mong muốn, dẫn đến nhiệt độ của các cell đó tăng lên Trong khi cân bằng, điện áp của các cell sẽ giảm và khi ngắt cân bằng điện áp sẽ phục hồi về điện áp mạch hở ở SOC mới

Nhận xết kết quả: Khi không kết hợp với cân bằng, bộ sạc sẽ sạc cho đến khi SOC của các cell có SOC đo được cao nhất trong pack đạt đến ngưỡng mong muốn Tuy nhiên, các cell pin không được cân bằng dẫn tới việc chênh lệch điện áp lớn, giảm công suất hoạt động cũng như độ tin cậy của bộ pin

Nhận xét kết quả: Khi kết hợp cân bằng, bộ sạc bộ sạc cũng sẽ sạc cho đến khi SOC của các cell đạt đến ngưỡng mong muốn, tuy nhiên do các cell vẫn còn duy trì cân bằng sau khi sạc nên SOC sẽ nhỏ hơn giá trị mong muốn sau khi cân bằng hoàn tất

Ban đầu pack pin đang ở trạng thái nghỉ nên mạch cân bằng hoạt động, sau đó khi pack pin ở trạng thái xả thì mạch cân bằng ngay lập tức ngừng hoạt động, điện áp ngay lập tức sụt xuống rồi giảm dần, SOC giảm dần và nhiệt độ của các cell pin tăng nhanh Đến khi nhiệt độ của các cell đến 35 o C thì quạt làm mát hoạt động và nhiệt độ của pin tăng chậm lại Ta quan sát thấy dù ban đầu các cell pin có cùng nhiệt độ với nhau, khi pack pin hoạt động vẫn sẽ có chênh lệch nhiệt độ do SOC của các cell là khác nhau, và vì vậy điện trở trong và điện trở của các nhánh R-C của các cell là khác nhau, nên có những cell có nhiệt độ tăng nhanh hơn so với các cell khác Ngay khi pack pin được nghỉ, mạch cân bằng lại tiếp tục hoạt động và các SOC của các cell cao hơn giảm dần, quạt làm mát vẫn đang hoạt động nên nnhiệt độ của pin giảm nhanh chóng, điện áp của pack pin và các cell khi ngắt dòng xả cũng lập tức tăng lên Sau 1000 giây nghỉ, pack pin được sạc và ngay khi có dòng sạc, điện áp của pack pin lập tức vụt lên rồi tăng dần dần lên, SOC của các cell cũng dần

105 tăng lên, các cell có SOC cao hơn sẽ nhận được ít dòng sạc hơn do mạch cân bằng đang hoạt động Vì ban đầu dòng sạc là 10A nên dù quạt làm mát đang hoạt động, nhiệt độ vẫn tăng lên, sau khi tăng đến 35 o C thì dòng sạc giảm xuống 5A và nhiệt độ của các cell giảm dần, điện áp của pack pin và các cell sụt xuống do sụt áp qua điện trở trong giảm Khi đến giai đoạn sạc CV thì dòng điện sạc càng giảm khiến nhiệt độ của các cell càng giảm nhanh, khi nhiệt độ đạt 26 o C thì quạt làm mát tắt, nhiệt độ tiếp tục giảm nhưng chậm hơn nhiều Sau khi giá trị SOC của pin cao nhất đạt 90%, quá trình sạc kết thúc, điện áp của pack pin và các cell sụt xuống do dòng sạc đã bị ngắt, các cell có chênh lệch SOC cao hơn ngưỡng cho phép sẽ tiếp tục được cân bằng, điện áp và SOC của các cell đó sẽ giảm dần, còn các cell đã hoàn tất cân bằng thì điện áp cũng sẽ giảm dần đến điện áp mạch hở mới với tốc độ giảm chậm hơn rất nhiều Sau khi cân bằng hoàn tất, điện áp của pack pin và các cell vừa mới cân bằng xong vụt lên do không còn xả qua điện trở xả, rồi từ từ phục hồi điện áp đến điện áp mạch hở mới

Tiêu đề	Ứng Dụng Matlab/Simulink Mô Phỏng Hệ Thống Quản Lý Pin
Tác giả	Trịnh Tùng Trị, Phạm Trường Quốc Vũ
Người hướng dẫn	ThS. Huỳnh Quốc Việt
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Ô Tô
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	129
Dung lượng	8,75 MB