Bài viết áp dụng chiến lược tối ưu hóa nhằm mục đích gia tăng tuổi thọ ắc quy lựa chọn để tối ưu hóa là tổn thất nhiệt trong quá trình hoạt động của ắc quy. Mời các bạn cùng tham khảo bài viết để nắm chi tiết hơn nội dung kiến thức.
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 141 (2020) 001-007 Quản lý lượng cho ô tô điện theo hướng cực tiểu hóa tổn thất ắc quy phương pháp quy hoạch động Battery Loss Minimization Using Dynamic Programming for Energy Management in EVs Bùi Đăng Quang*, Tạ Cao Minh Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tịa soạn: 21-11-2018; chấp nhận đăng: 20-03-2020 Tóm tắt Hầu hết ô tô điện sử dụng ắc quy làm nguồn lượng nâng cao tuổi thọ ắc quy hướng nghiên cứu quan trọng việc quản lý lượng bên cạnh hướng gia tăng quãng đường Tổn thất ắc quy nguyên nhân làm giảm tuổi thọ ắc quy Ngoài ra, yếu tố làm giảm khả di chuyển lần sạc Sử dụng hệ thống lưu trữ lượng lai siêu tụ ắc quy giải pháp tốt quản lý lượng áp dụng báo Nhóm tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch động để cực tiểu hóa tổn thất ắc quy Kết sử dụng làm tiêu chuẩn để so sánh với tổn thất ắc quy chu trình chuẩn ECE sử dụng phương pháp điều khiển thời gian thực Từ khóa: Quy hoạch động, tối ưu hóa, tơ điện, hệ thống lưu trữ lượng lai, quản lý lượng Abstract Almost all EVs use battery as the main energy storage system Therefore, extending the battery’s life is a particularly important area in Energy Management for EVs beside extending the vehicles’ running distance Battery’s loss is one of the reasons to reduce the battery’s lifetime Moreover, the loss leads to a reduction in running distance of EVs Hybrid Energy Store System (using battery and super capacitor), which is used in this paper, is a good solution in Energy Management for EVs The authors use Dynamic Programming to minimize the battery loss and the results can be used as a benchmark for comparison with the real-time EV operation in ECE driving cycles Keywords: DP, Optimization, EVs, HESS, energy management Phần mở đầu thiết bị phụ trợ khác nhằm hỗ trợ giảm thiểu yếu tố gây hại cho ắc quy Để đảm bảo khả hỗ trợ thiết bị lưu trữ lượng phụ trợ phải đảm bảo yêu cầu sau: Ắc quy thành phần quan trọng có giá trị cao tơ điện Thiết bị định khả huy động công suất cho xe bên cạnh động biến đổi cơng suất, quan trọng cả, định quãng đường di chuyển xe Vì tính chất quan trọng ắc quy nên gia tăng tuổi thọ ắc quy vấn đề nhiều đơn vị nghiên cứu ô tô điện quan tâm Để làm việc này, phải giảm thiểu yếu tố ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ ắc quy là: nhiệt độ làm việc, tần số dòng điện, cường độ dòng điện nạp/xả số lần nạp xả ắc quy [1] * • Mật độ cơng suất lớn • Dịng điện huy động dịng nạp lớn • Số lần nạp xả cao Các thiết bị lưu trữ lượng phụ trợ phù hợp để kết hợp với ắc quy bánh đà, siêu tụ, fuel-cell (pin nhiên liệu) [2, 3] Trong thiết bị siêu tụ coi phù hợp với yêu cầu đặt ứng dụng ô tô điện cá nhân [4] Đối với hệ thống lưu trữ lượng (Energy Storage System - ESS) sử dụng ắc quy việc giảm thiểu yếu tố ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ ắc quy khó khăn Vì khái niệm hệ thống lưu trữ lượng lai (Hybrid Energy Storage System – HESS) đời với thiết bị ắc quy kết hợp với Trong quản lý lượng, quy hoạch động coi phương pháp tốt để tối ưu hóa theo (mono objective) nhiều (Multi objective) mục tiêu [5] Tuy nhiên, phương pháp có nhược điểm không phù hợp để thực điều khiển thời gian thực Vì vậy, sử dụng để làm giá trị tham chiếu so sánh phương pháp điều khiển tối ưu thời gian thực khác Địa liên hệ: Tel: (+84) 332662000 Email: quang.buidang@hust.edu.vn * Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 141 (2020) 001-007 Phương pháp quy hoạch động mục tiêu áp dụng thành công xe ô tô điện lai (HEVs) [6] nhằm tối ưu hóa lượng tiêu thụ nhiên liệu với biến trạng thái lượng lại (SOC) ắc quy Cũng mục tiêu cực tiểu lượng tiêu thụ nhiên liệu [7] tác giả ngồi SOC cịn xét thêm biến trạng thái vị trí hộp số truyền thống Ngồi ra, số cơng bố áp dụng phương pháp quy hoạch động với nhiều mục tiêu có ràng buộc ví dụ [8] tối ưu hóa tổn thất xe điện lai chi phí vận hành xe ô tô điện lai (HEVs) với biến trạng thái SOC ắc quy, đồ hiệu suất động điện đồ hiệu suất động đốt Cũng mục tiêu có ràng buộc [8] [9] xe điện sử dụng pin nhiên liệu (FCEVs) sử dụng hệ lượng lai (HESS) Fuel Cell ắc quy với biến trạng thái SOC ắc quy, kết hợp với đồ hiệu suất động điện Trong [10] sử dụng hệ HESS Fuel Cell, ắc quy siêu tụ hệ thống HESS có nhiều bậc tự với mục tiêu giống với [8] [9] biến trạng thái SOC ắc quy siêu tụ cộng với đồ hiệu suất động điện u uSC chop m ichop m.iSC (1) đó: uchop uSC điện áp biến đổi DC-DC điện áp siêu tụ; ichop iSC dòng điện biến đổi DC-DC dòng điện siêu tụ; m hệ số điều chế biến đổi DC-DC Hệ thống lưu trữ lượng kết hợp siêu tụ ắc quy dẫn đến mối quan hệ dòng điện điện áp hệ biểu diễn bởi: ubat uchop uSC m itract ibat ichop ibat m iSC (2) Với ubat ibat điện áp dòng điện ắc quy; itract dòng điện DC-link theo yêu cầu phụ tải 2.2 Mơ hình hóa siêu tụ Trong phạm vi báo, siêu tụ mơ hình hóa mơ hình tối giản sau: Như phương pháp quy hoạch động áp dụng với đối tượng ô tô lai ô tô điện sử dụng Fuel Cell khác biệt hàm mục tiêu, ràng buộc biến trạng thái uSC (t ) U SC (0) C SC t i SC dt (3) Trong CSC điện dung USC(0) biểu diễn trạng thái điện áp ban đầu siêu tụ Trong phạm vi báo, chiến lược tối ưu hóa mà nhóm tác giả áp dụng nhằm mục đích gia tăng tuổi thọ ắc quy Vì thơng số lựa chọn để tối ưu hóa tổn thất nhiệt trình hoạt động ắc quy 2.3 Mơ hình hóa ắc quy Tương tự siêu tụ, nhóm tác giả sử dụng mơ hình đơn giản để mơ hình hóa ắc quy, VOC đại diện cho điện áp hở mạch ắc quy rbat nội trở ắc quy đại diện cho trình tự xả tổn hao ắc quy: Mơ hình hóa hệ thống Bảng trình bày cấu trúc hệ thống sử dụng để nghiên cứu Hệ thống gồm thành phần mô hình hóa sau: ubat VOC rbat i bat (4) Áp dụng phương pháp quy hoạch động quản lý lượng cho ô tô điện (a) Hệ thống lưu trữ lượng điều khiển dịng lượng, bao gồm 3.1 Bài tốn tối ưu quản lý lượng cho ô tô điện • Ắc quy Li-ion • Siêu tụ điện Trong báo này, toán tối ưu quản lý lượng đặt với mục đích cực tiểu hóa tổn thất ắc quy trình hoạt động qua tối ưu hóa lượng tiêu thụ xe tăng tuổi thọ ắc quy • Bộ biến đổi DC-DC (b) Bộ biến đổi, động thành phần động lực học xe ô tơ điện, hiểu tổng quan khối tạo công suất yêu cầu hệ thống lưu trữ lượng Dựa phương trình mơ hình hóa đối tượng hệ thống, phương trình trạng thái biểu diễn mối quan hệ biến trạng thái điện áp siêu tụ USC biến điều khiển dòng điện ắc quy ibat xây dựng sau: 2.1 Mơ hình hóa biến đổi DC-DC Cấu trúc biến đổi DC-DC trình bày cấu hình tổng qt tồn hệ thống Bảng Mơ hình hóa biến đổi DC-DC cho bởi: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 141 (2020) 001-007 duSC dt VOC rbat ibat (ibat itract (t )) C SC uSC Với T thời gian hoạt động hệ thống Nhiệm vụ việc giải toán tối ưu xác định luật điều * khiển ibat (t ) nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu (6) (5) Với mục tiêu cực tiểu hóa tổn thất ắc quy, hàm mục tiêu xác định bởi: T J T rbat ibat dt g(i bat )dt (6) Bảng Cấu trúc hệ lượng lai ắc quy siêu tụ cho ô tô điện 3.2 Phương pháp quy hoạch động (DP) điều kiện áp dụng phương pháp quy hoạch động lượng ô tơ điện chu trình lái cho trước Phương pháp quy hoạch động (DP) dựa nguyên lý tối ưu Bellman [11] với phát biểu khúc cuối quỹ đạo trạng thái tối ưu tối ưu Nhóm tác giả chọn chu trình chuẩn nội châu Âu ECE [12] Bảng Đây chu trình chuẩn để đánh giá tiêu hao nhiên liệu nội đô hỗn hợp châu Âu Việt Nam cho tiêu chuẩn EURO 3, EURO EURO Để áp dụng phương pháp quy hoạch động tính tốn tối ưu, ta cần có [11]: Bảng Bảng tham số chu trình ECE • Các tham số phải biết trước • Xây dựng mơ hình đối tượng để với chu trình chạy xe biết trước xác định tiêu thụ lượng tồn dải xe Tên thơng số Giá trị Thời gian tồn chu trình 195 s • Các ràng buộc biến trạng thái giới hạn vật lý Tốc độ trung bình Quãng đường • Hàm mục tiêu (hàm tối ưu) • Xác định trạng thái yêu cầu đầu cuối chu trình Bước phải làm với tham số biết, xây dựng mơ hình mơ để khảo sát nhu cầu 18,26 km/h Gia tốc tối đa 1,06 m/s2 Gia tốc giảm tốc tối đa -0,83 m/s2 Gia tốc trung bình 0,64 m/s2 Gia tốc giảm tốc trung bình -0,75 m/s2 Thời gian dừng Số lần dừng 0,99 km 64 s Tạp chí Khoa học Công nghệ 141 (2020) 001-007 Bảng Bảng tham số xe Thông số M Af R Ρ Cd PM định mức Giá trị 1171 2,37 0,285 1,25 0,35 47 Điều kiện đầu uSC(0) : 118 VDC (đầy tương đương với 95% điện áp định mức) Đơn vị kg m2 m kg/m3 Điều kiện cuối uSC(T) : 118 ±2 VDC (Việc chọn điều kiện đầu cuối siêu tụ đầy để đảm bảo khả hỗ trợ ắc quy huy động công suất ngắn hạn q trình khởi động lượng hồn tồn huy động từ ắc quy Siêu tụ hỗ trợ cho ắc quy điều kiện ảnh hưởng xấu tới tuổi thọ ắc quy) kW Các giới hạn ắc quy: Dòng nạp tối đa: A (Nhằm mục đích tối thiểu hóa số lần nạp xả ắc quy, yếu tố ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ ắc quy) Dòng xả tối đa: xả định mức ắc quy Điều kiện đầu : Bảng Biểu đồ chu trình chuẩn ECE 40 A tương ứng với dòng Ắc quy đầy Các ràng buộc với biến điều khiển ibat biến trạng thái uSC(0) cho bởi: Bảng Ơ tơ điện phịng thí nghiệm Bảng Siêu tụ điện Nesscap phịng thí nghiệm Bảng Dòng điện phụ tải yêu cầu itract (A) HESS mơ hình gồm: • Hai siêu tụ (Bảng 4): u SC _ uSC uSC _max uSC (0) uSC (T ) ibat itract 62 F/125VDC • Hệ thống ắc quy: 40Ah/330VDC với nội trở ắc quy 120 mΩ (7) Xây dựng mơ hình mơ Matlab phương pháp EMR (Energetic Macroscopic Representation) ta thu dòng điện yêu cầu HESS Bảng Như ta cần xây dựng ràng buộc, điều kiện biên để bắt đầu triển khai phương pháp quy hoạch động Trong phạm vi báo mục tiêu phương pháp quy hoạch động cực tiểu hóa tổn thất ắc quy Phương trình trạng thái hàm mục tiêu đưa theo (5) (6) Các giới hạn siêu tụ: cho hàm mục tiêu (6) cực tiểu Dòng nạp xả tối đa iSC_max : 200 A Điện áp tối đa cho phép uSC_max: 236 VDC Điện áp tối thiểu uSC_min : 125VDC 3.3 Ứng dụng phương pháp quy hoạch động tốn tối ưu Xét hệ mơ tả phương trình trạng thái (5) với ràng buộc (7), phương pháp quy hoạch * động sử dụng nhằm tìm giá trị đặt tối ưu ibat (t ) Phương trình trạng thái (5) biểu diễn lại sau: Tạp chí Khoa học Công nghệ 141 (2020) 001-007 dx H dt * * rbat ibat (t) VOC rbat itract (t ) ibat (t ) VOC itract (t ) H d 0 x dt (14) * Với ibat (t ) tuân theo luật điều khiển (13) Giải d ( C u ) (VOC rbat ibat )(ibat itract (t )) (8) dt SC Sc Đặt x (t ) C SC uSC (t ) biến trạng thái Phương trình mô tả hệ thống với biến trạng thái x (t ) , ibat biến điều khiển itract(t) coi nhiễu biến thiên biết trước cho bởi: hệ phương trình (14) dẫn đến kết x(t) λ(t) * xác định Từ đó, giá trị đặt tối ưu ibat (t ) hoàn toàn dx rbat ibat (VOC rbat itract (t ))ibat VOC itract (t ) (9) dt f (x , ibat ) xác định theo (13) Chọn biến đồng trạng thái λ cho: f (x , ibat ) g(ibat ) d dt x x Đặt (10) A , giá trị đặt tối ưu (13) trở thành: 1 V * (t ) A.( bat itract (t)) ibat rbat Các điều kiện ràng buộc với λ thỏa mãn: λ(0) tùy ý với uSC(0) giá trị cố định cho trước theo ràng buộc (7) dẫn đến x(0) cố định biết trước A với: Đặt hàm Hamilton sau: T a2 .f (x , ibat ) g(ibat ) (r i (15) Hệ phương trình (14) (15) cho ta kết quả: λ(T) tùy ý uSC(T) giá trị cố định cho trước theo ràng buộc (7) dẫn đến x(T) cố định biết trước bat bat bat bat (VOC rbat itract (t )) ibat VOC itract (t )) r i T a1 (11) Nghiệm toán tối ưu hay giá trị đặt tối ưu * (t ) nghiệm phương trình sau: ibat a1 a12 4.a2 a 2a2 V OC itract (t) dt r bat rbat 2 V OC itract (t) dt r bat rbat (16) (17) T a VOC itract (t ))dt x (0) x (T ) H * * (2rbat ibat VOC rbat itract (t )) 2rbat ibat 0 ibat Cùng với đó, biến trạng thái trung gian x(t) xác định: (12) * Giải phương trình (12), giá trị đặt tối ưu ibat (t ) t V x (t ) A2 rbat bat itract ( ) d rbat 2 t t V A. rbat bat itract ( ) d Vbat itract ( ))d x (0) r bat xác định sau: * ibat (t ) VOC itract (t) (13) rbat (18) Với hàm Hamilton (11) phương trình trạng thái (9) công thức biến đồng trạng thái (10) trở thành: uSC (t ) C uSC (t ) , điện áp siêu tụ uSC(t) tính từ (18) sau: Với x (t ) 2 t t t V V bat bat itract ( ) d A. rbat itract ( ) d Vbat itract ( ))d x (0) A rbat rbat rbat 0 (19) C Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 141 (2020) 001-007 Kết mô đánh giá Như điều kiện phương pháp quy hoạch động đảm bảo, nên kết đáng tin cậy Sử dụng giá trị đặt tối ưu (15) mơ với chu trình chuẩn ECE dịng điện tải yêu cầu itract , kết thu dòng điện ắc quy, dòng Tổn thất ắc quy cho chu trình lái mơ cho kết cụ thể là: điện siêu tụ, điện áp siêu tụ trình bày Bảng 6, Bảng Bảng Eloss DP BAT = 0.0248 (Wh) Kết luận Trên Bảng cho thấy hồn tồn khơng có dịng nạp cho ắc quy, Như vậy, ảnh hưởng số lần nạp xả ắc quy ảnh hưởng đến tuổi thọ giảm thiểu Bài báo sử dụng phương pháp quy hoạch động để chọn giá trị đặt cho DC-DC với mục đích chia tải cho ắc quy vào siêu tụ cho giảm thiểu tổn thất ắc quy hạn chế số lần nạp xả cho ắc quy Kết báo tạo giá trị tham chiếu tổn thất ắc quy để so sánh với kết phương pháp điều khiển đáp ứng thời gian thực việc nâng cao tuổi thọ ắc quy Ngồi ra, kết báo cịn minh chứng cho khả huy động công suất ngắn hạn tốt siêu tụ cho trình tăng tốc đảm nhiệm tốt chức hãm tái sinh cho hệ thống trình giảm tốc Trên Bảng cho thấy siêu tụ thiết bị phụ trách trình thu hồi lượng xe giảm tốc (hãm tái sinh) trợ giúp ắc quy q trình huy động cơng suất để tăng tốc cách phát huy công suất ngắn hạn tốt Trên Bảng cho thấy điện áp ban đầu điện áp cuối siêu tụ đạt yêu cầu đặt Lời cảm ơn Nghiên cứu tài trợ đề tài cấp sở T2017-PC-121 trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Trung tâm Nghiên cứu, Ứng dụng Sáng tạo Công nghệ Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa tạo điều kiện cho nhóm q trình nghiên cứu Tài liệu tham khảo Bảng Dòng điện ắc quy Bảng Dòng điện siêu tụ Bảng Điện áp siêu tụ [1] T Christen and M W Carlen, Theory of Ragone plots, Journal of Power Sources, vol 91, pp 210-216, 9th March 2000 [2] S S Williamson, Energy Management Strategies for Electric and Plug-in Hybrid Electric Vehicles New York: Springer, 2013 [3] K T Chau and Y S Wong, Overview of power management in hybrid electric vehicles, Energy Conversion and Management 43 (2002) 1953–1968 [4] C C Chan and K T Chau, An Overview of Power Electronics in Electric Vehicles, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 44, 1997 [5] S F Tie and C W Tan, A review of energy sources and energy management system in electric vehicles, Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol 20, pp 82–102, 2013 [6] E Vinot, R Trigui, Y Cheng, C Espanet, A Bouscayrol, and V Reinbold, Improvement of an EVT-Based HEV Using Dynamic Programming, IEEE Transaction on Vehicular Technology, vol 63, pp 40-50, 2014 [7] V Ngo, T Hofman, M Steinbuch, and A Serrarens, Optimal Control of the Gearshift Command for Hybrid Electric Vehicles, IEEE Transaction on Vehicular Technology, vol 61, 2012 Tạp chí Khoa học Công nghệ 141 (2020) 001-007 [8] [9] A A Malikopoulos, A Multiobjective Optimization Framework for Online Stochastic Optimal Control in Hybrid Electric Vehicles, IEEE Transaction on Control System Technology, vol 24, pp 440-450, 2016 storage fuel-cell hybrid vehicle using multidimensional dynamic programming, Journal of Power Sources, vol 250, pp 359-371, 2014 [11] D E Kirk, Optimal Control Theory: An Introduction New York: Dover Publications, Inc., 1998 D Fares, R Chedid, F Panik, S Karaki, and R Jabr, Dynamic programming technique for optimizing fuel cell hybrid vehicles, international journal of hydrogen energy, vol 40, pp 7777-7790, 2015 [12] S L T J Barlow, I S McCrae and P G Boulter, A reference book of driving cycles for use in the mesurement of road vehicle emission United Kingdom: Willoughby Road, 2009 [10] M Ansarey, M S Panahi, H Ziarati, and M Mahjoob, Optimal energy management in a dual- ... siêu tụ cho ô tô điện 3.2 Phương pháp quy hoạch động (DP) điều kiện áp dụng phương pháp quy hoạch động lượng ô tô điện chu trình lái cho trước Phương pháp quy hoạch động (DP) dựa nguyên lý tối ưu... khai phương pháp quy hoạch động Trong phạm vi báo mục tiêu phương pháp quy hoạch động cực tiểu hóa tổn thất ắc quy Phương trình trạng thái hàm mục tiêu đưa theo (5) (6) Các giới hạn siêu tụ: cho. .. hình hóa sau: ubat VOC rbat i bat (4) Áp dụng phương pháp quy hoạch động quản lý lượng cho ô tô điện (a) Hệ thống lưu trữ lượng điều khiển dòng lượng, bao gồm 3.1 Bài toán tối ưu quản lý lượng