NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MODULE ONLINE PHỤC VỤ HỌC TẬP CỦA MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝ PIN TRÊN XE ĐIỆN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MODULE ONLINE PHỤC VỤ HỌC TẬP CỦA MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝ PIN TRÊN XE ĐIỆN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN Ô TÔ

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MODULE ONLINE PHỤC VỤ HỌC TẬPCỦA MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝ PIN XE ĐIỆNSinh viên thực hiện: Đào Hữu Việt Thắng – Nguyễn Lý Đan Trường

Khi mô hình có kết quả, nhóm sẽ tạo ra một module bài giảng về mô hình điềukhiển IoT và quản lý pin xe điện nhằm giúp mọi người có thể tiếp cận nhanh chóngvới mô hình này

KHOA CƠ KHÍ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Ô TÔ

Giảng viên hướng dẫn: Th.s Phạm Minh Mận

Sinh viên thực hiện: Đào Hữu Việt Thắng Mã SV: 21115042120153

Nguyễn Lý Đan Trường Mã SV: 21115042120169

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu thiết kế module online phục vụ học tập của mô hình điều khiển IoT

và quản lý pin xe điện

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

[1] Energies (2023), 16(7), 3140 An IoT-Based Solution for Monitoring and

Controlling Battery Energy Storage Systems at Residential and Commercial Levels,

https://doi.org/10.3390/en16073140

[2] Qahtan, M.H., Mohammed, E.A and Ali, A.J (2022) IoT-Based Electrical

Vehicle’s Energy Management and Monitoring System Open Access Library

Journal, 9, 1-15 https://doi.org/10.4236/oalib.1109072

[3] Nguyễn Đức Hiển, Nguyễn Hữu Đức: “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO

THIẾT BỊ GIÁM SÁT NĂNG LƯỢNG ẮC QUY”, Tạp chí Khoa Học và Công

Nghệ, Tập số 57, số 2 (4/2021)

[4] H.J.Bergveld (2001), “Battery Management Systems Design by Modelling”

Royal Philips Electronics N.V 2001

3 Nội dung chính của đồ án:

Chương 1: Tổng quan module online phục vụ dạy học và website

Chương 2: Module tổng quan về điều khiển IoT và quản lý pin xe điện

Chương 3: Module cơ sở lý thuyết về hệ thống năng lượng trên xe điện và quản lý nănglượng

Chương 4: Module thiết kế hệ thống điều khiển IoT và quản lý pin trên xe điện

Chương 5: Module kiểm tra kết quả - đo đạc Kết luận hướng phát triển

4 Các sản phẩm dự kiến

Bản thuyết minh đề tài

khiển Iot và quản lý pin xe điện.

Xe ô tô điện đang dần trở thành xu thế thịnh hành ở nhiều quốc gia trên thế giới, vàViệt Nam cũng không ngoại lệ Xe ô tô điện là loại phương tiện được cung cấp năng lượngbởi động cơ điện Thay vì sử dụng các động cơ đốt trong với các nhiên liệu như xăng hoặcdầu diesel, ô tô điện sử dụng năng lượng được cung cấp từ một bộ pin sạc Trong một thếgiới đang chịu áp lực từ biến đổi khí hậu và cần phải giảm tác động xấu đến môitrường, xe điện đã nổi lên như một phương án vận chuyển sạch sẽ và bền vững Tuynhiên, để thực sự hiện thực hóa lợi ích của xe điện đối với môi trường và năng lượng,việc tối ưu hóa quản lý năng lượng trở thành một vấn đề bức thiết Vì vậy đề tài “Nghiên cứu thiết kế module online phục vụ học tập của mô hình điều khiển IoT vàquản lý pin trên xe điện” có ý nghĩa lớn đối với ngành xe điện và người dùng trên thếgiới Qua đề tài việc truyền tải kiến thức cũng như các kỹ năng cần thiết sẽ mang đếncho mọi người một cách tiếp cận đề tài trực quan và tạo sự hứng thú khi sử dụngmodule bài giảng này Do kiến thức còn hạn chế và không có nhiều thời gian nên chắcchắn đề tài không tránh khỏi nhiều thiếu sót Mong được sự đóng góp ý kiến từ cácthầy và các bạn đọc.

Trong suốt quá trình thực hiện đồ án, em xin chân thành cảm ơn:

♦ Thầy PHẬM MINH MẬN – người đã trực tiếp hướng dẫn, đề ra phươnghướng và truyền đạt những kiến thức quý báu nhằm giúp chúng em hoàn thành tốt đồ

án này

♦ Khoa Cơ khí – Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật ĐÀ NẴNG đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để chúng em hoàn thành Đồ án này

viii

Chúng tôi xin cam đoan đề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MODULE BÀIGIẢNG PHỤC VỤ HỌC TẬP CỦA MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝPIN TRÊN XE ĐIỆN” là kết quả nghiên cứu, thực hiện của nhóm chúng tôi Ngoàimột số thông tin, tài liệu được trích dẫn từ các nguồn sách báo và từ sự hướng dẫnnhiệt tình của Giảng viên ThS Phạm Minh Mận, đề tài của nhóm tôi không có sự saochép tài liệu, kết quả nghiên cứu và thực hiện đề tài của các nhóm khác Nếu hội đồngphát hiện bất kỳ sự sao chép, gian dối nào trong kết quả của đề tài, nhóm chúng tôi xinhoàn toàn chịu trách nhiệm và chấp nhận mọi quyết định kỷ luật của hội đồng.

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2024

Nhóm sinh viênĐào Hữu Việt ThắngNguyễn Lý Đan Trường

TÓM TẮT vi

LỜI NÓI ĐẦU vii

CAM ĐOAN viii

MỤC LỤC ix

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MODULE ONLINE DẠY HỌC VÀ WEBSITE 3

1.1 Khái niệm module 3

1.2 Lợi ích của việc áp dụng module trong dạy học 3

1.3 Phương pháp áp dụng module trong dạy học hiệu quả 4

1.4 Nền tảng website 4

1.4.1 Google Sites 5

1.4.2 Các tính năng của Google Sites 5

1.4.3 Các ưu điểm của Google Sites 5

1.4.4 Nhược điểm của Google Sites 6

Chương 2: MODULE TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝ PIN XE ĐIỆN 7

2.1 Tổng quan về đề tài 7

2.1.1 Tổng quan về xe điện 7

2.1.2 Các loại xe điện hiện nay 9

2.2 Hệ thống IoT (Internet of Things) 10

2.2.1 Internet vạn vật là gì? 10

2.2.2 Thành phần của hệ thống IoT 10

Chương 3: MODULE CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG 12

3.1 Cell pin Lithium - Ion và bộ pin 12

3.1.1 Cell pin Lithium-ion 12

3.1.2 Bộ pin 18

3.2 Hệ thống quản lý pin BMS 19

3.2.1 Khái niệm, thành phần cấu tạo, phân loại, ứng dụng phổ biến 19

3.2.2 Chức năng của BMS 21

3.3 Module ESP32 33

3.4 Phần mềm Blink New 2.0 với ESP32 35

x

3.4.2 Đặc điểm 36

3.4.3 Ưu điểm và nhược điểm của phần mềm Blink 36

Chương 4: MODULE THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝ PIN XE ĐIỆN 38

4.1 Chuẩn bị vật liệu 38

4.2 Lập luận tính toán thiết kế 40

4.3 Mô phỏng thiết kế 41

4.4 Lập trình ESP32 51

4.4.1 Code điều khiển 51

4.4.2 Lưu đồ thuật toán điều khiển 57

4.5 Xây dựng giao diện phần mềm Blink New 2.0 với ESP32 58

4.5.1 Chức năng chính của phần mềm Blink New 2.0 58

4.5.2 Vai trò của phần mềm Blink New 2.0 58

4.5.3 Cách cài đặt và sử dụng phần mềm Blink New 2.0 59

4.6 Sơ đồ mạch điện thực tế khi thiết kế mạch bảo vệ 13S 68

Chương 5: MODULE KIỂM TRA KẾT QUẢ - ĐO ĐẠC KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN 71

5.1 Kiểm tra – Đo đạc 71

5.1.1 Cách xuất thông số đo sang Excel Vẽ biểu đồ 76

5.1.2 Kết quả thực nghiệm 79

5.1.3 Các thành tựu đã đạt được 79

5.2 Đánh giá kết quả của mô hình 79

5.2.1 Ưu điểm 79

5.2.2 Nhược điểm 80

5.3 Kết luận 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 1

Bảng 3.1 Thông số ESP32 34

Y Bảng 4.1 Danh sách vật tư gia công 3

Hình 1.1 Module trong thiết kế website [6] 3

Hình 1.2 Ứng dụng Google Sites 5

Y Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của xe điện [7] 7

Hình 2.2 Hệ thống hoạt động của IoT [8] 10

Hình 3.1 Các cell pin lithium 12

Hình 3.2 Các điện cực của pin Li-ion 13

Hình 3.3 Tấm cách điện trong pin Li-ion 15

Hình 3.4 Nguyên lý sạc - xả của pin 16

Hình 3.5 Cấu tạo của bộ pin 19

Hình 3.6 Các phương pháp đo điện áp 21

Hình 3.7 Cảm biến nhiệt độ được gắn trên pin 22

Hình 3.8 Cảm biến Current Shunt 23

Hình 3.9 Cảm biến dòng hiệu ứng Hall 24

Hình 3.10 Vùng hoạt động an toàn của pin Lithium – Ion 25

Hình 3.11 Các phương pháp ngắt dòng 25

Hình 3.12 Sự mất cân bằng tế bào pin 27

Hình 3.13 Cân bằng tế bào chủ động 28

Hình 3.14 Cân bằng tế bào bị động 29

Hình 3.15 Phương pháp cân bằng bị động 29

Hình 3.16 Nguyên lí hoạt động của hệ thống quản lí pin 33

Hình 3.17 Module ESP32 34

Hình 3.18 Sơ đồ chân của ESP32 35

Hình 3.19 Giao diện phần mềm Blink 35

Hình 4.1 Sơ đồ cầu phân áp 3 điện trở 41

Hình 4.2 Tạo một dự án mới 43

Hình 4.3 Kéo thả linh kiện cần thiết kế vào Schematic 44

Hình 4.4 Dùng lệnh Net Label để đi dây 44

Hình 4.5 Đặt tên Net Label giống nhau để nối dây 45

Hình 4.6 Sơ đồ mạch điện hoàn thiện 45

Hình 4.7 Update mạch qua PCB 46

Hình 4.8 Sắp xếp lại các linh kiện 47

Hình 4.9 Đi dây tự động bằng lệnh Auto Route 47

Hình 4.10 Đi dây lại theo ý muốn 48

Hình 4.11 Phủ đồng toàn bộ mạch 49

Hình 4.12 Mạch sau khi đã phủ đồng 50

Hình 4.13 Sơ đồ mạch điện trong môi trường 3D 50

Hình 4.14 Lưu file PDF 51

Hình 4.15 Sơ đồ khối 57

xii

Hình 4.17 Khởi tạo Template 60

Hình 4.18 Các thông tin của Template 61

Hình 4.19 Tiến hành lấy code 61

Hình 4.20 Dán code Blink 62

Hình 4.21 Thiết lập New Datastream 62

Hình 4.22 Các thông tin của Datastream 63

Hình 4.23 Điều chỉnh Web DashBoard 64

Hình 4.24 Thêm thiết bị mới từ mẫu vừa tạo 65

Hình 4.25 Chọn tên Template 65

Hình 4.26 Kết quả sau khi tạo 66

Hình 4.27 Đăng nhập Blink trên điện thoại 66

Hình 4.28 Thêm Widget và chọn mẫu 67

Hình 4.29 Giao diện Blink sau khi hoàn thành khởi tạo 67

Hình 4.30 Giao diện hiển thị các thông số đo 68

Hình 4.31 Khối pin 13S sau gia công 69

Hình 4.32 Mạch điều khiển sau gia công 69

Hình 4.33 Mô hình hoàn chỉnh 70

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xây dựng hệ thống quản lý năng lượng tích hợp: Phát triển một hệ thống hoàn

chỉnh và tích hợp cho xe điện,

- Quản lý năng lượng sử dụng: Quản lý năng lượng để đảm bảo hiệu suất cao của

xe điện và kéo dài tuổi thọ của pin, giảm thiểu tiêu thụ năng lượng và tiết kiệm nănglượng từ lưới điện

- Phát triển ứng dụng điều khiển: Tạo ứng dụng trên điện thoại di động sử dụng

kết nối Wifi để điều khiển và theo dõi quá trình sạc xả của pin lithium

- Kiểm soát và bảo vệ môi trường: Đảm bảo rằng hệ thống này giúp giảm tác

động xấu đến môi trường và đóng góp vào bảo vệ môi trường thông qua sử dụng nănglượng sạch và quản lý hiệu quả năng lượng

- Nghiên cứu và phát triển: Khám phá và phát triển các công nghệ mới trong việc

quản lý năng lượng xe điện thông minh và ứng dụng chúng trong thực tế

- Truyền tải kiến thức: Chia sẻ kết quả và kiến thức thu được từ nghiên cứu này

với cộng đồng khoa học, người dùng cuối, và ngành công nghiệp xe điện để thúc đẩy

sự phát triển và ứng dụng của công nghệ này

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu

- Quản lý năng lượng pin lithium: Phân tích và thiết kế cách quản lý năng lượng

từ các loại pin phổ biến sử dụng trong xe điện, bao gồm quản lý dung lượng, sạc và xảpin một cách hiệu quả

- Ứng dụng điều khiển qua ứng dụng: Phát triển ứng dụng trên điện thoại di động

sử dụng kết nối Wifi để điều khiển quá trình sạc xả của pin, cũng như đưa dữ liệu lênapp Blink và phát các cảnh báo trên giao diện chính

Đối tượng nghiên cứu

- Đề tài nghiên cứu này nhóm tập trung nghiên cứu mô hình điều khiển thông

qua Internet và quản lý pin lithium, từ đó điều khiển quá trình sạc – xả của mô hìnhqua điện thoại thông minh

4 Phương pháp nghiên cứu

Nhóm đã sử dụng các phần mềm văn phòng như Word, PowerPoint và các phầnmềm kỹ thuật để xây dựng mô hình và bài giảng Sau đó dựa vào nền tảng GoogleSites để đăng tải module bài giảng phục vụ học tập

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MODULE ONLINE DẠY HỌC VÀ

WEBSITE

1.1 Khái niệm module

Module là một khái niệm chỉ một phần của một chương trình hoặc một hệ thống Có thể được sử dụng độc lập hoặc được kết hợp với các thành phần khác

để tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh.

Hình 1.1 Module trong thiết kế website [6]

Trong dạy học, một "module" thường được hiểu là một phần nhỏ hoặc một đơn vị tổ chức của chương trình học, được thiết kế để truyền đạt một khái niệm hoặc kỹ năng cụ thể Mỗi module thường bao gồm các bài học, hoạt động, bài kiểm tra hoặc tài liệu học tập liên quan đến một chủ đề cụ thể Mục tiêu của việc

sử dụng module trong dạy học là để tạo ra một cách tổ chức hợp lý, linh hoạt và hiệu quả để học sinh hoặc sinh viên tiếp cận và hấp thụ kiến thức một cách có tổ chức và dễ dàng nhất.

1.2 Lợi ích của việc áp dụng module trong dạy học

Tổ chức hợp lý: Module giúp tổ chức nội dung học tập một cách có cấu

trúc và logic, giúp sinh viên dễ dàng theo dõi và hiểu bài học.

Linh hoạt: Module cho phép giảng viên linh hoạt trong việc thiết kế và cập

nhật nội dung học tập để phản ánh sự phát triển của học sinh và yêu cầu của

chương trình học.

Tiết kiệm thời gian: Giảng viên có thể tiết kiệm thời gian khi lên kế hoạch

giảng dạy bằng cách sử dụng module đã được thiết kế sẵn.

Dễ dàng sử dụng lại: Module có thể được sử dụng lại trong các khóa học

khác nhau hoặc chia sẻ với giảng viên khác.

Khuyến khích học tập tự học: Việc có module giúp sinh viên tự chủ hơn

trong việc tự học, vì họ có thể dễ dàng xác định mục tiêu học tập và tự quản lý thời gian học tập của mình.

Tăng cường sự đa dạng: Module cho phép giảng viên đưa vào nhiều

phương pháp giảng dạy và tài liệu học tập khác nhau để đáp ứng nhu cầu học tập

đa dạng của sinh viên.

1.3 Phương pháp áp dụng module trong dạy học hiệu quả

Phân chia theo chủ đề: Chia module thành các phần nhỏ tương ứng với

các chủ đề cụ thể trong một môn học Điều này giúp học sinh tiếp cận kiến thức một cách có cấu trúc và dễ dàng hơn.

Phương pháp học tập kích thích: Sử dụng các phương pháp học tập kích

thích như thảo luận nhóm, thực hành thực tế, giải quyết vấn đề để áp dụng kiến thức từ module vào thực tế.

Sử dụng học liệu đa phương tiện: Kết hợp sử dụng sách giáo khoa, video,

bài giảng trực tuyến, bài tập trắc nghiệm trực tuyến để tạo ra môi trường học tập

đa dạng và hấp dẫn.

Học theo dự án: Yêu cầu người học hoàn thành một dự án dựa trên nội

dung của module, từ việc nghiên cứu đến trình bày kết quả, để khuyến khích họ

áp dụng kiến thức vào thực tế.

Phản hồi và đánh giá định kỳ: Tổ chức các bài kiểm tra, bài tập định kỳ

để đánh giá hiệu quả học tập của học sinh và điều chỉnh module nếu cần thiết.

đây, nhóm lựa chọn tiếp cận và sử dụng nền tảng Google Sites trong phần nghiên cứu về module online phục vụ dạy học.

1.4.1 Google Sites

Google site chính là ứng dụng trực tuyến giúp người dùng có thể tạo website dễ dàng như chỉnh sửa tài liệu cơ bản Với Google Site, bạn có thể thu thập nhanh chóng nhiều loại thông tin khác nhau trong cùng một vị trí bao gồm video; lịch; tệp đính kèm; văn bản; bản trình bày… Đồng thời nó còn dễ dàng chia sẻ những thông tin này để xem hoặc chỉnh sửa với nhóm nhỏ, toàn bộ tổ chức hoặc với mọi người.

Hình 1.2 Ứng dụng Google Sites

1.4.2 Các tính năng của Google Sites

Tùy chỉnh giao diện của các trang web cho nhóm của bạn hoặc giao diện của dự án; tạo trang phụ mới…

Chọn các loại trang khác nhau như trang web, thông báo, trang tổng quan

và danh sách.

Tập trung thông tin được chia sẻ như nhúng nội dung đa phương tiện (hình ảnh, video, tài liệu, bảng tính, bảng trình bày…) vào bất kỳ trang nào và tải lên tệp đính kèm.

Quản lý cài đặt cấp phép để đặt trang web của bạn ở chế độ riêng tư hoặc mọi người có thể chỉnh sửa và xem được web của bạn tùy theo bạn muốn Hoặc chỉ có những người dùng được bạn mời vào miền làm cộng tác mới có thể tạo trang web cho miền của bạn.

Tìm kiếm trong nội dung của bạn trên Google Sites bằng công nghệ tìm kiếm của chính Google.

1.4.3 Các ưu điểm của Google Sites

Dễ dàng xây dựng trang web mà không đòi hỏi kề chuyên môn hay phải biết code Việc này sẽ giúp người dùng tiết kiệm thời gian, đồng thời còn có thể chọn được từ hàng trăm mẫu được tạo trước.

Sắp xếp đơn giản: Người dùng có thể sử dụng trang web để sắp xếp mọi thứ từ tài liệu, lịch trình, video… Tìm kiếm tích hợp do Google cung cấp giúp bạn dễ dàng tìm thấy chính xác những gì mà bạn tìm kiếm sau này.

Google Sites sử dụng trình chỉnh sửa trực quan để tạo và cập nhập website của người dùng giúp cho việc viết tài liệu trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Người dùng có thể xem tất cả cá loại tiện ích từ hình ảnh, video cho đến tài liệu

để chia sẻ lịch và nhiều thứ khác.

Thư viện mẫu website đa dạng: Bắt đầu trên trang web của bạn với một trong các mẫu được tạo trước; hoặc tại thư viện mẫu với những trang web được tùy chỉnh theo nhu cầu của bạn.

Tìm kiếm mạnh mẽ: Trang web của dự án và nhóm chỉ hữu ích khi người dùng có thể tìm thấy các thông tin mà họ đang tìm kiếm Tìm kiếm tích hợp do công cụ tìm kiếm của chính Google hỗ trợ sẽ giúp người dùng nhanh chóng tìm thấy trang mà họ cần.

Quyền chi tiết: Google Sites cho phép bạn đặt danh sách truy cập khác nhau cho các trang khác nhau của mỗi web Bạn hãy sử dụng tính năng này đẻ chỉ cho phép các đối tác hoặc nhà cung cấp xem phần có liên quan của trang web về dự án của bạn hoặc tạo toàn bộ mạng nội bộ cho công ty của bạn với quyền truy cập phù hợp cho từng bộ phận.

Chia sẻ nhanh chóng: Người dùng có thể chia sẻ trang web của họ với nhóm của họ, toàn bộ công ty hoặc kể cả khách hàng, đối tác chỉ với một cú nhấp chuột Người dùng còn có thể kiểm soát người có thể xem Chỉnh sửa trang web, đồng thời có thể chỉnh sửa cài đặt sau.

1.4.4 Nhược điểm của Google Sites

Dù có rất nhiều ưu điểm như vừa rồi, nhưng ứng dụng này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục do tính miễn phí của nó như:

- Còn hạn chế về chức năng và giao diện, việc chỉnh sửa theo yêu cầu cao

hơn chưa được hỗ trợ nhiều, nó chỉ giúp thiết kế các website mang tính cơ bản.

- Việc thay đổi cấu trúc trên website còn hạn chế, giao diện chưa thể hoàn

hảo được như mong muốn của người dùng Mặc dù nó có kho giao diện khổng

lồ nhưng chỉ mang tính chất phục vụ cho nhu cầu đơn giản nhất.

- Tên miền khá phức tạp và không được đẹp.

- Việc sở hữu còn hạn chế vì phải chịu sự phụ thuộc vào Google.

Chương 2: MODULE TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN IOT VÀ QUẢN LÝ

PIN XE ĐIỆN

2.1 Tổng quan về đề tài

Nguồn năng lượng từ tài nguyên hóa thạch trên Trái đất đang vơi dần cộng thêmvấn nạn ô nhiễm môi trường ngày càng nghiêm trọng khiến nhiều hãng xe trên thế giớichuyển hướng sang sản xuất xe điện để thay thế cho xe dùng động cơ đốt trong nhưmột xu thế tất yếu Tại Việt Nam, xe điện đang là một xu hướng mới với nhiều dư địa

để phát triển Thị trường Việt hứa hẹn sẽ là một thị trường đầy tiềm năng với sự cạnhtranh gay gắt giữa các hãng xe thời gian tới

2.1.1 Tổng quan về xe điện

Xe điện, tiếng Anh là Electric Vehicles (EV), là bất kỳ loại xe nào chạy

bằng động cơ điện hay động cơ kéo thay vì động cơ đốt trong (ICE).

Khác với các dòng xe thông thường, hoạt động dựa trên nguyên lý đốt cháy hỗn

hợp nhiên liệu và tạo ra khí thải, xe điện không gây ra bất cứ vấn đề về ô nhiễm môi

trường nào.

2.1.1.1 Cấu tạo cơ bản của một chiếc xe điện

Hình 2.1 Cấu tạo cơ bản của xe điện [7]

Không giống như xe ô tô sử dụng động cơ đốt trong truyền thống Xe điện cóphần cấu tạo đơn giản hơn một chút Nhưng những bộ phận cấu thành đều là những bộphận quan trọng không thể thiếu

a Động cơ điện

Thay vì nhận sức kéo từ một cụm động cơ lớn và có kết cấu phức tạp như các dòng xe chạy xăng hoặc dầu, ô tô điện lăn bánh nhờ vào mô-tơ xoay chiều sử dụng

năng lượng từ pin Đi kèm với đó là các ưu điểm về sự êm ái, gần như không có tiếng

ồn, cấu tạo đơn giản hơn hẳn động cơ đốt trong Những điều này mang đến trải nghiệm

di chuyển thoải mái hơn hẳn cho hành khách khi sử dụng xe điện, tiết kiệm chi phí bảotrì bảo dưỡng Đồng thời, các nhà sản xuất đơn giản hóa được khâu thiết kế kỹ thuật vàgia tăng được không gian để hành cho xe điện khi dưới nắp ca-pô phía trước đã khôngcòn sự hiện diện của động cơ xăng, dầu

Không chỉ đóng vai trò “đẩy” xe đi về phía trước một số xe còn trang bị hệ thống

thu hồi năng lượng từ động cơ điện khi ôtô điện phanh hoặc chạy xuống dốc và hãm

tốc, bộ bánh răng trung gian sẽ tạo thành năng lượng điện và nạp ngược trở lại vàocụm pin, từ đó tăng khả năng vận hành cho xe

b Hệ thống điều khiển

Nếu ví động cơ, pin là cơ bắp cùng trái tim thì hệ thống điều khiển trung tâm(Electric Power Control Unit - EPCU) đóng vai trò như não bộ của xe điện, quản lý vàkiểm soát toàn bộ các thông số để đảm bảo phương tiện vận hành hiệu quả Một hệthống điều khiển trung tâm của xe điện thường được phân bổ thành vài bộ phận thứcấp

Tiếp đến là bộ chuyển đổi điện áp thấp, giúp chuyển đổi dòng điện từ pin thànhnguồn điện 12 V một chiều, cung cấp năng lượng cho các tính năng tiện ích Nếukhông có bộ chuyển đổi này nhiều trang bị sẽ không thể hoạt động, ví dụ như đènchiếu sáng, hệ thống thông tin giải trí, hệ thống điều hòa…

Sau cùng và quan trọng nhất trong hệ thống EPCU là bộ kiểm soát phương tiện(Vehicle Control Unit - VCU) Theo đó, VCU nắm vai trò điều khiển và giám sát mọithông số nguồn điện của xe, bao gồm điều khiển động cơ, điều khiển cụm phanh táitạo, quản lý tải của dòng điện, cung cấp điện cho hệ thống điện tử

c Pin

Dù chỉ đóng vai trò lưu trữ năng lượng nhưng pin được xem là bộ phận quantrọng bậc nhất của xe điện, bởi lẽ pin quyết định trực tiếp đến 2 yếu tố then chốt trong

sử dụng ôtô điện là phạm vi hoạt động và thời gian sạc

Hiện nay, đa số xe điện trên thị trường trang bị loại pin lithium-ion có khả năngvận hành trung bình 300-500 km sau khi sạc đầy Trong khi đó, thời gian nạp nănglượng kéo dài hàng giờ nếu chỉ sử dụng điện dân dụng, trong khi hệ thống trạm sạcnhanh với công suất cao chưa được xây dựng phổ biến

Ngoài ra, pin lithium-ion với chất điện phân dạng lỏng có hạn chế về tính ổn địnhkhi hoạt động ở điều kiện môi trường quá nóng hoặc quá lạnh, dung lượng tích trữgiảm sau thời gian dài sử dụng (chai pin) và giảm tốc độ sạc.

2.1.2 Các loại xe điện hiện nay

Hiện nay, trên thị trường có 4 loại xe ô tô điện phổ biến:

a Xe điện chạy pin (BEV)

Loại xe này hoạt động hoàn toàn bằng pin, không có động cơ xăng hay ống phunxăng Nguồn điện được lưu trữ trong pin sạc và được sạc từ nguồn bên ngoài hoặc từphanh tái tạo ngay bên trong xe BEV là loại xe điện phổ biến nhất hiện nay, với nhiềumẫu mã đa dạng từ giá rẻ đến cao cấp

Một số ví dụ về BEV phổ biến tại Việt Nam bao gồm VinFast VF e34, VF 8, VF 9,Hyundai Ioniq 5, Kia EV6, Wuling Hongguang Mini EV, Audi e-tron, Mercedes-BenzEQS, Porsche Taycan

b Xe hybrid (HEV)

Loại xe này sử dụng kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong (xăng hoặc dầu).Động cơ điện hỗ trợ động cơ đốt trong khi tăng tốc hoặc di chuyển ở tốc độ thấp, giúptiết kiệm nhiên liệu

HEV không cần phải sạc pin từ nguồn bên ngoài vì pin được sạc bởi động cơ đốttrong và phanh tái tạo

Một số ví dụ về HEV phổ biến tại Việt Nam bao gồm Toyota Camry Hybrid,Honda Accord Hybrid, Hyundai Sonata Hybrid, Kia Niro Hybrid

c Xe hybrid sạc ngoài (PHEV)

Loại xe này cũng sử dụng kết hợp động cơ điện và động cơ đốt trong như HEV,nhưng có thêm pin dung lượng lớn hơn có thể sạc từ nguồn bên ngoài PHEV có thể dichuyển bằng động cơ điện chỉ trong một quãng đường nhất định, sau đó động cơ đốttrong sẽ hoạt động khi pin hết PHEV tiết kiệm nhiên liệu hơn HEV, nhưng giá thànhcũng cao hơn

Một số ví dụ về PHEV phổ biến tại Việt Nam bao gồm Mitsubishi OutlanderPHEV, Ford Escape PHEV, Volvo XC60 PHEV

d Xe điện nhiên liệu Hydro (FCEV)

Loại xe này sử dụng pin nhiên liệu hydro để tạo ra điện năng cung cấp cho động cơđiện

Hydro được lưu trữ trong bình chứa trên xe và được nạp vào bằng cách bơm từtrạm nạp hydro chuyên dụng

FCEV không phát thải khí độc hại ra môi trường, nhưng giá thành rất cao và cơ sở

hạ tầng nạp hydro còn chưa phát triển Một số ví dụ về FCEV bao gồm Toyota Mirai,Hyundai Nexo, Honda Clarity Fuel Cell

Ngoài 4 loại xe điện trên, còn có một số loại xe điện khác đang được nghiên cứu vàphát triển, như xe điện chạy bằng pin lưu trữ năng lượng mặt trời, xe điện chạy bằngpin nhiên liệu nano, v.v

2.2 Hệ thống IoT (Internet of Things)

2.2.1 Internet vạn vật là gì?

Thuật ngữ IoT hay Internet vạn vật đề cập đến mạng lưới tập hợp các thiết bịthông minh và công nghệ tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động giao tiếp giữa thiết bị

và đám mây cũng như giữa các thiết bị với nhau Nhờ sự ra đời của chip máy tính giá

rẻ và công nghệ viễn thông băng thông cao, ngày nay, chúng ta có hàng tỷ thiết

bị được kết nối với internet Điều này nghĩa là các thiết bị hàng ngày như bàn chảiđánh răng, máy hút bụi, ô tô và máy móc có thể sử dụng cảm biến để thu thập dữ liệu

và phản hồi lại người dùng một cách thông minh

2.2.2 Thành phần của hệ thống IoT

a Thiết bị thông minh

Đây là một thiết bị, giống như tivi, camera an ninh hoặc thiết bị tập thể dục đãđược trao cho khả năng điện toán Thiết bị này thu thập dữ liệu từ môi trường xungquanh, thao tác nhập liệu của người dùng hoặc mô thức sử dụng và truyền cũng nhưnhận dữ liệu qua Internet từ ứng dụng IoT của nó

Hình 2.2 Hệ thống hoạt động của IoT [8]

b Ứng dụng IoT

Ứng dụng IoT là một tập hợp các dịch vụ và phần mềm có chức năng tích hợp dữliệu nhận được từ các thiết bị IoT khác nhau Ứng dụng này sử dụng công nghệ máyhọc hoặc trí tuệ nhân tạo (AI) để phân tích dữ liệu và đưa ra các quyết định sáng suốt

Những quyết định này được truyền trở lại thiết bị IoT và sau đó, thiết bị IoT đó sẽphản hồi lại dữ liệu đầu vào một cách thông minh.

c Giao diện đồ họa người dùng

Một hoặc một nhóm các thiết bị IoT có thể được quản lý thông qua giao diện đồhọa người dùng Các ví dụ phổ biến bao gồm một ứng dụng di động hoặc trang web cóthể được sử dụng để đăng kí và kiểm soát các thiết bị thông minh

Thời nay, mọi thứ đều trở nên hiện đại hơn nhờ vào IoT, IoT giúp ích rất nhiềutrong việc quản lý không dây các thiết bị vật lý được kết nối qua Internet cho phépchúng tương tác và trao đổi dữ liệu mà không cần sự can thiệp của con người Ứngdụng IoT trong lĩnh vực ô tô đang thay đổi nhanh chóng ngành công nghiệp này nhằmnâng cao trải nghiệm di chuyển và khả năng quản lý, đồng thời mở ra một tương laicủa các phương tiện thông minh, tự hành Từ đó, nhóm nghiên cứu đã tập trung vàoviệc ứng dụng IoT vào điều khiển và quản lý pin trên xe điện Có thể nói pin chính là

“trái tim” của xe điện Việc quản lý sự nạp – xả, nhiệt độ pin trong lúc nạp – xả giúpngười dùng giám sát trạng thái hoạt động của pin dễ dàng hơn Và đặc biệt nếu việcquản lý pin được thực hiện tốt sẽ giúp tăng tuổi thọ, tăng thời gian sử dụng pin

Chương 3: MODULE CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG

TRÊN XE ĐIỆN VÀ QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG

3.1 Cell pin Lithium - Ion và bộ pin

3.1.1 Cell pin Lithium-ion

Hình 3.1 Các cell pin lithium

3.1.1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin Lithium-ion

a) Cấu tạo

Loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thểdạng lớp Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập, điền đầykhoảng trống giữa các lớp này Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra và cung cấpnăng lượng cho thiết bị hoạt động

Hình 3.2 Các điện cực của pin Li-ion

* Điện cực dương (Cathode)

Vật liệu dùng làm điện cực dương thường từ LiCoO2 và LiMnO4 Vật liệu trên cơ

sở là coban mở rộng cấu trúc pseudo-tetrahedral (tứ diện giả), cho phép khuếch tán ionlithium theo 2 chiều Đây là những vật liệu lí tưởng do nhiệt dung riêng cao, dung tíchlớn, khả năng tự xả thấp, có điện thế xả cao và hiệu suất chu trình tốt Hạn chế của nó

là giá cao do chứa coban là một kim loại hiếm, và kém bền nhiệt

Vật liệu cơ sở là mangan có hệ tinh thể lập phương, cho phép ion liti khuếch tántheo cả ba chiều Vật liệu này đang được quan tâm bởi mangan rẻ và phổ biến hơncoban, có hiệu năng cao hơn, vòng đời dài hơn, nếu như một vài hạn chế khác của nóđược khắc phục Những hạn chế này bao gồm khả năng hòa tan vật liệu mangan trongdung dịch điện ly, làm điện cực kém bền và giảm công suất pin Vật liệu cực dươngchứa coban là loại phổ biến nhất, tuy nhiên những vật liệu khác hiện đang được đầu tưnghiên cứu nhằm hạ giá thành, và tăng công suất pin Đến năm 2017, LiFePO4 được

kì vọng đem lại ứng dụng cao cho pin kích thước lớn như các pin dùng cho xe điệnnhờ giá rẻ, công suất cao, dù vật liệu này kém dẫn điện và việc dùng chất phụ gia dẫnđiện cacbon là bắt buộc

* Điện cực âm (Anode):

Vật liệu âm cực thường dùng là graphite và các vật liệu cacbon khác Chúng

rất rẻ và phổ biến cũng như có độ dẫn điện tốt và có cấu trúc cho phép ion liti xen

kẽ vào giữa các lớp trong mạng Cacbon, nhờ đó có thể dự trữ năng lượng trong khi

cấu trúc tinh thể có thể phình ra tới 10% Silicon cũng được dùng như vật liệu âmcực bởi nó cũng có thể chứa ion liti, thậm chí nhiều hơn Cacbon, tuy nhiên khichứa các ion Liti, Silicon có thể phình ra đến hơn 400% thể tích ban đầu, vì thế phá

vỡ kết cấu pin

Silicon có thể dùng làm điện âm cực tuy nhiên phản ứng của nó với liti có thể

gây nứt gãy vật liệu Vết nứt này làm những lớp Si bên trong tiếp xúc trực tiếp với

dung dịch điện ly nên có thể bị phân hủy hình thành lớp điện ly rắn giao pha Solid

Electrolyte Interphase (SEI) trên bề mặt Si mới hình thành Lớp SEI này có thể dàylên ngăn chặn quá trình khuếch tán của Li+ và làm giảm dung lượng của điện cựccũng như công suất pin và giảm độ bền của âm cực

Nhiều nỗ lực được thực hiện nhằm giảm thiểu sự biến đổi cấu trúc do 10 nứt

gãy của Si, như tổng hợp Si dưới dạng sợi nano, ống nano, dạng khối cầu rỗng, hạtnano, các cấu trúc xốp nano

*Chất điện phân:

Chất điện phân được hình thành từ muối, dung môi và chất phụ gia, là môi

trường truyền dẫn các ion Lithium giữa cực âm và cực dương trong quá trình sạc

và xả pin

Có bốn loại chất điện phân được sử dụng trong pin Li-ion: Chất điện phândạng lỏng, các chất điện li dạng Gel, chất điện phân Polymer và chất điện phândạng gốm

Mỗi chất điện phân có các ưu điểm khác nhau Nhưng nói chung, các chất điện

phân này phải có khả năng dẫn ion Li+ tốt, độ ổn định cao, ít chịu ảnh hưởng của

môi trường như độ ẩm không khí…

*Tấm cách điện:

Tấm cách điện là hàng rào vật lý giữ cho cực âm và cực dương cách nhau

Màng ngăn được làm bằng nhựa PE hoặc PP, có nhiều lỗ nhỏ, ngăn cách giữa cực

âm và cực dương nhưng vẫn cho các ion Li+ đi qua

Trong pin Li-ion, tấm cách điện thường dùng là những màng xốp mỏng(10mm - 30mm) để ngăn cách giữa điện cực âm và điện cực dương Ngày nay, các

loại pin thương phẩm phổ biến dùng chất điện phân dạng lỏng nên thường dùng cácmàng xốp chế tạo từ vật liệu Polyolefin vì loại vật liệu này có tính chất cơ học rất

tốt, độ ổn định hoá học tốt và giá cả chấp nhận được

Hình 3.3 Tấm cách điện trong pin Li-ion

Các vật liệu cách điện dùng trong pin Li-ion phải đảm bảo một số yêu cầu sau:

+ Có độ bền cơ học cao

+ Không bị thay đổi kích thước

+ Không bị đánh thủng bởi các vật liệu làm điện cực

+ Kích thước các lỗ xốp nhỏ hơn 1 mm

+ Dễ bị thấm ướt bởi chất điện phân

+ Phù hợp và ổn định khi tiếp xúc với chất điện phân và các điện cực

b) Nguyên tắc hoạt động của pin Lithium - Ion:

Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở LIB là nguyên liệu điện cực âm

và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch chuyển giữa

2 điện cực Dòng điện chạy ở mạch ngoài pin khi pin chạy Ion liti di chuyển ởtrong cả hai điện cực trong quá trình phản ứng Đa phần các nguyên liệu điện cực

hiện nay là các vật liệu cho phép ion liti xâm nhập và giữa mạng tinh thể, màkhông hoặc ít làm xáo trộn vị trí các nguyên tử còn lại trong mạng trong quá trình

xâm nhập của ion liti và ngược lại ion liti rời khỏi mạng tinh thể

Khi xả ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode) thường làgraphite, C6 trong phản ứng dưới đây qua dung dịch điện ly sang cực dương, tại

đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti Để cân bằng điện tích giữa 2 cực,

cứ mỗi ion Liti dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lòng pin, thì

ở mạch ngoài, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh

ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm

Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy từđiện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Liti tách khỏi cực dương dichuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trò cực dương) Như vậy, pinđảo chiều trong quá trình sạc và xả Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác

định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theodõi Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) vàcực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả

Hình 3.4 Nguyên lý sạc - xả của pin

Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được viết

như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

LiCoO2 CoO2 + Li+ + e-

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều

thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C6 + Li+ + e- LiC6

Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)

C6 +LiCoO2 LiC6 + CoO2

Như vậy khi sạc, C6 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành Co4+,

và ngược lại khi xả Về cơ bản các phản ứng luôn có giới hạn Nếu như xả quá mức(nhét thừa ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit,

theo phản ứng một chiều sau: LiCoO2 + Li+ + e- → Li2O + CoO

Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IVoxit, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia

X LiCoO2 → Li+ +e- + CoO2

Sự nóng lên khi sạc và xả:

Khi sạc, mạch sạc và BMS sẽ nóng vì:

- Hiệu suất chuyển đổi năng lượng: Quá trình sạc có một phần năng lượng bị

hao tổn dưới dạng nhiệt do hiệu suất chuyển đổi không hoàn hảo (thường 80-90%).Lượng nhiệt này làm nóng mạch sạc và BMS

- Điện trở nội bộ: Dòng điện sạc đi qua pin và mạch sạc, tạo ra nhiệt do điện

trở nội bộ của pin và các linh kiện điện tử

- Hoạt động của BMS: Hoạt động của transistor và mạch điện tử của BMS

- Phản ứng hóa học: Khi xả, pin giải phóng năng lượng hóa học thành điện

năng Quá trình này tạo ra nhiệt do phản ứng hóa học diễn ra bên trong pin

- Điện trở nội bộ: Dòng điện xả đi qua pin, sinh nhiệt do điện trở nội bộ của

3.1.1.2 Những lưu ý khi sử dụng pin Lithium-Ion

 Trạng thái hoạt động tốt nhất của pin Lithium là ở mức 40% - 50%

 Trong quá trình sạc nên chia ra nhiều lần để sạc

 Khi sạc pin hạn chế sạc pin ở nhiệt độ quá thấp hay quá cao

 Khi pin được sạc đầy nên rút nguồn sạc, tránh để sạc liên tục trong nhiều giờ.

 Đừng sử dụng đến khi pin bị cạn kiệt, hãy giữ lại một phần năng lượng để bảo

vệ các tế bào của pin

3.1.2 Bộ pin

3.1.2.1 Khái niệm, cấu tạo bộ pin

a) Khái niệm

Bộ pin (hay thường gọi là Battery Pack) là một tập hợp bất kỳ số lượng (tốt

nhất là pin giống hết nhau hoặc các tế bào pin riêng lẻ) Chúng có thể được cấuhình nối tiêp, song song hoặc kết hợp cả hai để cung cấp điện áp, công suất hoặc

mật độ công suất mong muốn Thuât ngữ battery pack thường được sử dụng để chỉcác công cụ không dây, đồ chơi được điều khiển bằng sóng vô tuyến và xe điện

chạy bằng pin

Các thành phần của bộ pin bao gồm pin hoặc tế bào riêng lẻ và các mối liên

kết cung cấp độ dẫn điện giữa chúng Bộ pin sạc thường chứa một bộ cảm biến

nhiệt độ, bộ sạc pin sử dụng để phát hiện thời điểm kết thúc quá trình sạc Các kết

nối cũng được tìm thấy trong pin vì chúng là bộ phận kết nối mỗi tế bào, mặc dùpin thường chỉ được sắp xếp theo chuối nối tiếp

Khi một gói chứa các ô song song, có các cấu hình dây khác nhau có tính đến

sự cân bằng điện của mạch Bộ điều chỉnh pin đôi khi được sử dụng để giữ điện ápcủa từng tế bào riêng lẻ dưới giá trị tối đa của nó trong quá trình sạc để cho phépcác pin yếu hơn được sạc đầy, đưa toàn bộ pin trở lại trạng thái cân bằng Cân bằngchủ động cũng có thể đượcthực hiện bởi các thiết bị cân bằng pin có thể chuyểnnăng lượng từ các ô mạnh sang ô yếu hơn trong thời gian thực để cân bằng tốt hơn

Một gói cân bằng tốt sẽ tồn tại lâu hơn và mang lại hiệu quả tốt hơn

Đối với một gói nội tuyến, các ô được chọn và xếp chồng lên nhau bằng chất

hàn ở giữa chúng Các tế bào được ép lại với nhau và một xung dòng điện tạo ranhiệt để hàn chúng lại với nhau và để hàn tất cả các kết nối bên trong tế bào

b) Cấu tạo của bộ pin gồm:

13 cell pin mắc nối tiếp với nhau kết hợp mạch BMS 13S

Hình 3.5 Cấu tạo của bộ pin

1 Cell pin Li – ion; 2 Dây Ni hàn nối các cell pin; 3 Mạch BMS; 4 Giá cố định pin

3.2 Hệ thống quản lý pin BMS

3.2.1 Khái niệm, thành phần cấu tạo, phân loại, ứng dụng phổ biến

a) Khái niệm

Hệ thống quản lí pin hay còn được biết là BMS (Battery Management

System) là hệ thống dùng để theo dõi, bảo vệ và tối ưu hóa hiệu suất của pin trongquá trình sạc và sử dụng pin Hệ thống quản lí từng cell pin trong khối pin, giaotiếp với các thiết bị ngoại vi, quản lí tính toán SOC, đo nhiệt độ và điện áp, …

Là hệ thống quan trọng và vô cùng cần thiết trong các thiết bị dùng năng

lượng pin như: Điện thoại, Laptop, máy khoan, máy cắt, xe điện, … với hai chứcnăng chính là bảo vệ an toàn và quản lí năng lượng

b) Thành phần cấu tạo

Mạch BMS 13S thường bao gồm các thành phần sau:

IC quản lý pin: IC quản lý pin là bộ não của mạch BMS Nó chịu trách nhiệm

giám sát tình trạng pin, điều khiển các MOSFET, và thực hiện các chức năng khác củamạch BMS

MOSFET: MOSFET là các bóng bán dẫn công suất được sử dụng để điều khiển

dòng điện chảy qua pin

Cảm biến nhiệt độ: Cảm biến nhiệt độ được sử dụng để đo nhiệt độ của pin.

Cảm biến điện áp: Cảm biến điện áp được sử dụng để đo điện áp của pin.

Cổng giao tiếp: Cổng giao tiếp được sử dụng để kết nối mạch BMS với máy

tính hoặc thiết bị khác

c) Nguyên lý làm việc

4

3 2

1

Mạch BMS 13 cell hoạt động bằng cách giám sát tình trạng pin và điều khiểncác MOSFET để bảo vệ pin khỏi hư hỏng.

Giám sát tình trạng pin: Mạch BMS sử dụng các cảm biến nhiệt độ và điện áp

để giám sát tình trạng pin IC quản lý pin sẽ thu thập dữ liệu từ các cảm biến này và sửdụng dữ liệu này để xác định xem pin có bị quá nhiệt, sạc quá mức, xả quá mức, v.v.hay không

Điều khiển MOSFET: Nếu IC quản lý pin phát hiện ra rằng pin đang bị đe dọa,

nó sẽ điều khiển các MOSFET để bảo vệ pin Ví dụ: nếu pin đang bị sạc quá mức, ICquản lý pin sẽ điều khiển các MOSFET để ngắt kết nối pin với bộ sạc

Mạch BMS 13 cell cũng có thể cân bằng pin để đảm bảo rằng tất cả các viên pinđược sạc và xả đều nhau Cân bằng pin là một quá trình chuyển điện năng từ nhữngviên pin được sạc đầy sang những viên pin chưa được sạc đầy Mạch BMS sử dụngcác MOSFET để điều khiển dòng điện chảy qua pin và cân bằng pin

Mạch BMS 13 cell cũng có thể theo dõi tình trạng pin, bao gồm điện áp, dunglượng, nhiệt độ, v.v Thông tin này có thể được sử dụng để chẩn đoán các vấn đề vớipin và để dự đoán thời lượng sử dụng pin còn lại

d) Ứng dụng phổ biến

Hệ thống quản lí pin được ứng dụng trong khối pin của 1 số thiết bị với các chứcnăng bảo vệ quan trọng như sau:

- Chức năng bảo vệ khi quá áp (OV): Khi sạc (bao gồm cả quá trình phục hồi

năng lượng nhanh), điện áp sạc của bất kí cell nào vượt quá giá trị cài đặt, điện ápsạc sẽ tự động giảm để tránh cell pin đó bị sạc quá mức

- Chức năng bảo vệ khi điện áp thấp (UV): Khi xả, điện áp của bất kỳ cell

nào thấp hơn giá trị cài đặt, quá trình xả sẽ dừng lại để tránh cell pin đó bị xả quámức

- Chức năng bảo vệ khi nhiệt độ cao (OT): Khi sạc hoặc xả hoặc dừng trạng

thái ngủ, khi nhiệt độ của bất kỳ pin lithium nào vượt quá giá trị cài đặt, hãy khởiđộng hệ thống quản lý nhiệt pin để giảm nhiệt độ pin Khi nhiệt độ tối đa được phépvượt quá, mạch sẽ tự động bị cắt ngay lập tức

- Chức năng bảo vệ khi nhiệt độ thấp (UT): Khi sạc, khi nhiệt độ của pin thấp

hơn giá trị cài đặt, dòng sạc sẽ tự động thay đổi, thường giảm xuống còn 1/3 dòngsạc; khi xả, khi nhiệt độ của pin thấp hơn giá trị cài đặt, hệ thống quản lý nhiệt củapin được kích hoạt để tăng nhiệt độ pin

- Chức năng bảo vệ khi quá dòng (OC): Khi sạc hoặc xả, dòng điện của pin

vượt quá giá trị cài đặt và dòng điện sẽ tự động bị giới hạn

- Chức năng bảo vệ khi ngắn mạch (SC): Trong quá trình sạc, xả và ngủ

đông, pin bị đoản mạch và mạch sẽ tự động bị cắt

3.2.2 Chức năng của BMS

Hệ thống quản lí pin cung cấp các chức năng như sau: Đo lường, quản lí, giaotiếp và lưu trữ dữ liệu

3.2.2.1 Đo lường

Đo lường là chức năng đầu tiên của hệ thống quản lí pin là thu thập dữ liệu về

BMS Các thông số được hệ thống quản lí pin đo lường là điện áp của từng cell

hoặc cả khối pin, nhiệt độ từng cell pin hoặc nhiệt độ toàn khối pin và dòng điện

của khối pin

3.2.2.1.1 Điện áp

Mạch BMS đo trực tiếp điện áp trên mỗi tế bào (mạch được cấp nguồn bởi tế bàopin và đó chính là điện áp của nó) BMS đo điện thế giữa hai bảng pin mắc nối tiếp thìlúc này điện áp là hiệu điện thế giữa giữa 2 bảng pin đó

Điện áp được lấy từ analog multiplexer và được chuyển từ analog sang digital(A/D converter) trên cùng IC

Hình 3.6 Các phương pháp đo điện áp a) Rời rạc, b) Ghép kênh đơn đầu cuối, c) Ghép kênh khác biệt

3.2.2.1.2 Nhiệt độ

- Hệ thống quản lí pin có chức năng đo nhiệt độ của khối pin hoặc tốt hơn là đonhiệt độ của từng cell riêng lẻ

- Nhiệt độ của pin được đo bằng điện trở nhiệt (có thể đặt ở từng cell pin hoặcđặt ở vị trí trọng tâm của bộ pin) để theo dõi nhiệt độ hoạt động của bộ pin

- Nhiệt độ pin không được theo dõi và điều chỉnh thích hợp có thể dẫn đến một

số hư hỏng pin như: Gây nổ, vỡ, rò rĩ hóa chất bên trong, làm cháy pin khi nhiệt độcao Nhiệt độ quá thấp có thể dẫn đến đóng băng chất điện ly, gây chết pin

Một số phương pháp quản lí nhiệt được sử dụng khi bộ pin ở nhiệt độ cao:

- Tesla dùng chất lỏng (nước, glycol) để thông qua ống dẫn đến từng cell pin vàlàm mát cho bộ pin

- Sử dụng tấm tản nhiệt gắn trên BMS hoặc bộ pin để giúp nhiệt độ pin đượcphân tán ra bên ngoài

- Ngoài ra một số BMS còn dùng gió và hóa chất trong pin để duy trì nhiệt độcần thiết cho pin

Hình 3.7 Cảm biến nhiệt độ được gắn trên pin a) Mỗi cell 1 cảm biến, b) 1 cảm biến cho cả khối pin

3.2.2.1.3 Dòng điện

Việc xác định dòng điện là vô cùng quan trọng trong việc sử dụng bộ pin Nócung cấp thông tin cho BMS thực hiện các chức năng bảo vệ khi quá dòng hoặc ngắnmạch Có hai phương pháp để xác định dòng điện của bộ pin:

+ Current Shunt: Dùng 1 điện trở giá trị thấp, độ chính xác cao

+ Cảm ứng dòng điện bằng hiệu ứng Hall

a) Current Shunt

Current Shunt chỉ đơn giản là dùng 1 điện trở có công suất cao, giá trị thấp và

có độ chính xác cao Dòng điện của khối pin được chuyển qua điện trở shunt, dẫnđến giảm điện áp trên nó tỉ lệ với dòng điện Đặc biệt chú ý về cách kết nối để hạn

b) Cảm biến hiệu ứng Hall

Một cảm biến hiệu ứng Hall được đặt bên trong từ trường được tạo ra bởi một sợicáp treo để kích thích dòng điện của gói và nó tạo ra một điện áp tỷ lệ với dòng điện

đó Điện áp đó có thể được đo trực tiếp là các mô-đun có hình dạng như một chiếcnhẫn, thông qua đó, nó mở ra một dây cáp mang dòng khối pin được định tuyến Cảmbiến hiệu ứng Hall dòng điện thấp là IC có hai đầu nối nguồn, qua đó dòng điện đượcđịnh tuyến

Cảm biến hiệu ứng Hall được đặc trưng bởi:

+ Dòng điện được báo cáo bởi cảm biến hiệu ứng Hall vẫn chính xác theo thời gian và nhiệt độ

+ Cảm biến hiệu ứng Hall được cách ly khỏi dòng điện

Cảm biến hiệu ứng Hall chịu sự bù đắp ở dòng điện 0, thay đổi theo nhiệt độ Vìvậy, ngay cả khi chúng được làm bằng 0 ở nhiệt độ phòng, chúng sẽ báo cáo một hiệntại khi không có khi chúng nóng lên hoặc lạnh đi Hiệu chuẩn thường xuyên là có thểtrong các ứng dụng có chu kỳ dòng điện bằng 0, chẳng hạn như HEV

Hình 3.9 Cảm biến dòng hiệu ứng Hall

Sơ đồ nguyên lý, b) mô-đun cảm biến gắn trên cáp

Cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall là các mô-đun bao gồm bộ khuếch đại củariêng chúng Vì vậy, không giống như tín hiệu ngắt dòng điện, đầu ra của chúng ởmức cao Chúng có thể được hỗ trợ bởi một nguồn cung cấp (5V) hoặc hai nguồn cungcấp (+/− 12V hoặc +/− 15V), và chúng có thể là duy nhất có hướng (chỉ có thể nhìnthấy dòng điện theo một hướng) hoặc hai chiều (có thể nhìn thấy cả hai hướng sạc và

xả dòng điện)

3.2.2.2 Quản lí

Hệ thống quản lí pin có thể quản lí một khối pin theo ba chức năng chính:

- Bảo vệ: Không để pin bị hỏng do sử dụng ngoài khoảng SOA của nó

- Cân bằng tế bào pin: Tối ưu dung lượng của khối pin

- Quản lí nhiệt: Chủ động đưa pin vào nhiệt độ an toàn

Một hệ thống quản lí pin đơn giản cần phải có 2 chức năng bảo vệ và cân bằng tếbào Một số hệ thông tốt hơn có thêm chức năng quản lí nhiệt

3.2.2.2.1 Bảo vệ

Một hệ thống quản lí pin tốt sẽ bảo vệ bộ pin bằng cách ngăn chặn hoạt động củapin khi vượt quá giá trị SOA quy định Tùy theo yêu cầu mà hệ thống quản lí pin cóthể hỗ trợ ngắt dòng, yêu cầu ngắt dòng điện (điều khiển on-off) hoặc giảm, giới hạndòng điện

a) Các điều kiện được giám sát

Hệ thống quản lí pin thực hiện chức năng bảo vệ pin dựa trên các điều kiện sau:

- Dòng điện bộ pin: Dòng điện được giám sát bởi các thông số sau, Dòng sạcliên tục, dòng sạc cao nhất, dòng xả liên tục và dòng xả cao nhất

- Điện áp (cell pin hoặc cả bộ pin): Khi sạc đến điện áp cao, BMS có thể yêu cầugiảm dòng sạc Một số bộ sạc cho phép kiểm soát dòng sạc, trong trường hợp đó cellpin có điện áp cao được giảm dòng sạc cho đến khi bằng các cell lân cận

- Nhiệt độ (cell pin hoặc cả bộ pin): Nhiệt độ của bộ pin phải nằm trong phạm viquy định để đảm bảo an toàn cho việc sạc và pin

Hình 3.10 Vùng hoạt động an toàn của pin Lithium – Ion

3.2.2.2.2 Quản lí nhiệt

Phạm vi nhiệt độ của các tế bào Li-Ion (ví dụ, -20 đến + 60 °C) tốt hơn so vớicác tế bào hóa chất khác, nhưng vẫn kém hơn những gì được nhiều yêu cầu bời vìnhiều ứng dụng (chẳng hạn như môi trường ô tô: −40 đến + 85 °C) Nó hoàn hoàn

không thể chấp nhận được đối với ứng dụng quân sự Do đó, một số ứng dụng yêucầu phải quản lý nhiệt của khối pin

BMS có thể kiểm soát nhiệt độ của gói của nó thông qua: Sưởi ấm, Làm mát

a) Sưởi ấm

Biết nhiệt độ khối pin, BMS có thể điều khiển lò sưởi để giữ khối pin trên nhiệt

độ hoạt động tối thiểu của nó Thông thường, điều này chỉ được thực hiện nếu khối pin

có thể lấy năng lượng từ nguồn cung cấp sạc của nó (tức là khi xe được cắm vào sạc).Một mẹo để làm nóng một gói với BMS phân tán (mặc dù không hiệu quả như sử dụng

lò sưởi) là bật tất cả các tải cân bằng thụ động trên bảng mạch di động, tạo nhiệt (theothứ tự 1W trên mỗi ô, theo thứ tự 100W cho toàn bộ gói)

b) Làm mát

Tương tự, khi biết nhiệt độ khối pin, BMS có thể điều khiển quạt hoặc quạt gió

để giữ cho gói dưới nhiệt độ hoạt động tối đa của nó Tất cả những gì mà một chiếcquạt có thể làm là cân bằng nhiệt độ của khối pin với nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môitrường xung quanh Nếu môi trường xung quanh ở 60 ° C, thì việc sử dụng quạt có thểthực sự giảm nhiệt độ khối pin (có thể vẫn mát so với trước ban đêm do cách nhiệt củagói và khối lượng nhiệt cao) Tiếng ồn từ hệ thống thông gió có thể là một vấn đề, vìvậy BMS có thể bao gồm quy định cho điều khiển tốc độ thay đổi của quạt, để quạt cóthể hoạt động nhẹ nhàng khi khối pin không quá nóng và hoạt động ở tốc độ ngày càngcao khi nhiệt độ khối pin tăng lên

3.2.2.2.3 Cân bằng tế bào pin

Công nghệ cân bằng tế bào pin là là công nghệ then chốt của hệ thống quản línăng lượng pin hiện đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới Công nghệ giúpcác cell trong khối pin được cân bằng điện áp với nhau trong quá trình sạc và xả, bảo

vệ khối pin khỏi các hư hỏng do sạc hoặc xả quá mức

a) Tại sao phải cân bằng tế bào pin?

Trong quá trình sản xuất pin, do các vấn đề về quy trình và vật liệu không đồngđều, có sự khác biệt về độ dày của tấm pin, mức độ hoạt hóa của vật liệu hoạt độngdẫn đến sự khác nhau về dung lượng, nội trở và điện áp giữa các cell

Trong quá trình hoạt động, nhiệt độ ảnh hưởng lên mỗi cell cũng không đều nhauhay ảnh hưởng của tuổi thọ khiến tính chất của các cell không đồng đều Có cell cóđiện áp cao hơn một chút, có cell có điện áp thấp hơn một chút so với các cell khác,hay nói cách khác, điện áp các cell không cân bằng với nhau Các cell pin yếu hơn có

xu hướng sạc và xả nhanh hơn các cell còn lại

Hình 3.12 Sự mất cân bằng tế bào pin

Trong quá trình sạc, cell có điện áp cao hơn sẽ đầy trước trong khi một số cellcòn lại chưa đầy Nếu vẫn tiếp tục sạc, cell đó sẽ bị overcharge khiến nhiệt độ và ápsuất tăng cao làm giảm tuổi thọ của cả bộ pin thậm chí phá hỏng cell đó Ngược lại,trong quá trình xả, cell có điện áp thấp hơn sẽ chóng cạn hơn Nếu vẫn tiếp tục xả sâu,cell đó sẽ bị over-discharge, làm giảm tuổi thọ pin Khi một cell bị hỏng, thông thường

ta phải thay thế toàn bộ cả hệ thống pin, bởi lẽ, nếu chỉ thay cell bị hỏng (có thể đượctrong một số trường hợp) thì cell mới đó vẫn có tính chất khác so với các cell còn lại,nghĩa là nguy cơ mất cân bằng (unbalance) vẫn có thể xảy ra

Càng nhiều cell mắc nối tiếp, nguy cơ xảy ra mất cân bằng càng cao và độ tin cậycàng giảm Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, nếu hệ thống pin được ghép nối bởi n cell,xác suất xảy ra mất cân bằng tăng lên gấp n lần so với chỉ 1 cell hoạt động độc lập Đểhạn chế vấn đề này, có một số cách có thể xem xét Trước tiên, người ta sẽ cố gắngchọn các cell có thông số tương đối đồng đều để ghép nối với nhau Các cell sau đó sẽđược ghép nối song song - nối tiếp với nhau thay vì chỉ ghép nối tiếp vì như vậy, dòngchạy vòng giữa các cell sẽ giúp cân bằng các cell với nhau (self-balacing) Sau đó,trong quá trình sử dụng, nhiệt độ phải được giám sát chặt chẽ để đảm bảo phân bố đềutrên các cell

Để giải quyết các vấn đề gây ra bởi sự không nhất quán của pin, công nghệ cân

bằng của hệ thống quản lý pin đã ra đời

b) Thuật toán cân bằng: Các thuật toán cân bằng của BMS dựa trên: Điện áp, điện áp trên cùng và lịch sử SoC

Cân bằng dựa trên điện áp: Là thuật toán đơn giản nhất, dựa trên quan điểm cáccell pin có điện áp bằng nhau sẽ cùng một SoC Trong khi sạc, điện áp sẽ bị loại bỏkhỏi các cell có điện áp cao nhất

Cân bằng dựa trên điện áp trên cùng: Là thuật toán được sử dụng phổ biến nhất

Nó hoạt động tốt nhưng cần có thời gian đáp ứng Phương pháp này giống phươngpháp trước nhưng thay vì hoạt động ở mọi lúc thì nó chỉ hoạt động khi điện áp của cellvượt quá điện áp cuối cùng trên ngưỡng (3,4 V cho pin LiFePO4 và 4,2V cho pinLithium – Ion)

Cân bằng dựa trên lịch sử SoC: Đây là thuật toán phức tạp nhất Nó hoạt động rấttốt nhưng nó cần có bộ nhớ mạnh để tính toán và lưu trữ, vì nó dựa trên kết quả SoCtrong quá khứ để tính toán thời gian cân bằng cho mỗi ô

c) Các phương pháp cân bằng hiện nay

Theo công nghệ cân bằng cell pin, BMS có thể được chia thành cân bằng thụđộng và cân bằng chủ động

Cân bằng chủ động (kiểu truyền năng lượng): Phương pháp truyền năng lượngchuyển năng lượng cao của monome thành năng lượng thấp của monome Trong quátrình thực hiện, cần có bộ lưu trữ năng lượng để năng lượng có thể được phân phối lạithông qua bộ phận này Phương pháp này có ưu điểm giúp hệ thống cân bằng về áp vàkhông có tổn hao do năng lượng được luân chuyển lẫn nhau giữa các cell Tuy nhiên,thiết kế cho mỗi cell một nguồn sạc độc lập là không thực tế Việc cân bằng áp đượcthực hiện tuần tự cho một hoặc một nhóm cell

Do đó, để sạc đầy cả bộ pin cần thời gian khá lớn

Hình 3.13 Cân bằng tế bào chủ động

Cân bằng bị động (kiểu tiêu tán năng lượng): Ở chế độ tiêu thụ năng lượng điệntrở, mỗi cell pin đơn được mắc song song với một điện trở để tiêu thụ năng lượng, việccân bằng này nhằm tiêu hao năng lượng thừa trong pin với công suất lớn để đạt được

sự cân bằng điện áp của cả nhóm pin Bộ sạc cần ngắt sạc ngay khi một cell nào đó đãđầy Cell pin đã đầy sẽ được xả qua điện trở cho đến khi bằng cell thấp hơn Sau đó,

bộ sạc được tiếp tục đóng điện trở lại và chu trình lại được lặp lại cho đến khi tất cảcác cell đã đầy Phương pháp này đơn giản hơn phương pháp cân bằng chủ động