Nghiên cứu thuật toán ước lượng soc cho modul pin lithium

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG SoC CHO MODUL PIN LITHIUM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên – Năm 2019 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG SoC CHO MODUL PIN LITHIUM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN VĂN CHÍ Thái Nguyên - Năm 2019 i Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Đỗ Thị Thùy Dương Đề tài luận văn: Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul pin lithium Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: Tác giả, Cán hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 16/6/2019 với nội dung sau: Sửa lỗi tả trang 14, 33, 35, 42 Chỉnh sửa số thứ tự hình vẽ luận văn Chương bổ sung tên thành: Xây dựng mơ hình tốn pin Lithium Sửa lại mã số Đánh lại thứ tự công thức luận văn Thống ký hiệu SoC (State of Charge) Viết lại phần kết luận chung luận văn, đổi thành “ Kết luận đề xuất” Cán hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Chí Thái Nguyên, ngày… tháng ….năm 2019 Tác giả luận văn Đỗ Thị Thùy Dương CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS Võ Quang Lạp ii Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tên là: Đỗ Thị Thùy Dương Sinh ngày 31 tháng 10 năm 1986 Học viên lớp cao học khoá 20 chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện công tác : Trường Cao đẳng nghề số – Bộ quốc phịng Tơi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul Pin Lithium” thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí hướng dẫn nghiên cứu với tất tài liệu tham khảo có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Thái Nguyên, ngày…….tháng … năm 2019 Học viên Đỗ Thị Thùy Dương iii Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul Pin Lithium” hoàn thành Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Văn Chí tận tình dẫn, giúp đỡ tác giả hồn thành luận văn Các thầy giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên, số đồng nghiệp, quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả suốt trình học tập để hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hết sức, nhiên điều kiện thời gian kinh nghiệm thực tế thân cịn ít, đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tác giả mong nhận đóng góp ý kiến thầy giáo, cô giáo bạn bè đồng nghiệp cho luận văn hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày……tháng……năm 2019 Tác giả luận văn Đỗ Thị Thùy Dương iv Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA…………………………………………………………… ………… ……… i BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ ii LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN iv MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii LỜI NÓI ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Nội dung luận văn CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SOC 1.1 Giới thiệu pin lithium – Ion 1.2 Ưu điểm Pin Lithium ứng dụng 1.3 Vai trò tham số SoC số phương pháp xác định SoC 1.4 Kết luận chương 10 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH TỐN CHO MODUL PIN LITHIUM11 2.1 Mơ hình tốn Pin Lithium 11 2.2 Rời rạc hóa mơ hình pin Lithium Ion 16 2.3 Mơ hình ESC pin Lithium Ion 17 2.4 Xác định tham số mơ hình ESC 19 2.5 Kết xác định tham số mơ hình ESC cho loại Pin 31 2.6 Kết luận chương 39 CHƯƠNG 3: QUAN SÁT SOC CỦA PIN LITHIUM SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG 40 3.1 Quan sát SoC sử dụng quan sát Kalman mở rộng 40 3.2 Kết quan sát SoC cho pin Lithum Ion Samsung INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 44 3.2 Kết luận chương 53 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 v Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DAN Hình 1-1: Một loại Pin Lithium 32650 hãng Panasonic: Hình 1-2: Quá trình sạc xả Pin Lithium- Ion: Hình 1-3: Minh họa SoC đồ thị minh họa thay đổ mạch trình nạp xả Hình 1-4: Cấu trúc hệ thống BMS Hình 2-1: Mơ hình điện áp hở mạch Pin – Lithium Ion 2-2: Quan hệ OCV SoC nhiệt độ 25 C Hình Hình 2-3: Mơ hình pin Lithium kể đến nội trở Hình 2-4: Hiện tượng điện áp khuếch tán Pin Hình 2-5: Mơ hình Hình 2-6: Hiện tượng điện áp trễ Hình 2-7: Mơ hình Hình 2-8: Sự thay Hình 2-9: Sự thay Hình 2-10: Hiệu suấ Hình 2-11: Quan hệ bước cho loại pin ứng với nhiệt độ cố định Hình 2-12: nhiệt độ thay đổi (bên phải) Quan hệ Hình 2-13: Điện áp Hình 2-14: Điện áp Hình 2-15: Điện áp Hình 2-16: Pin Lith Hình 2-17: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ -25 C Hình 2-18: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ -15 C Hình 2-19: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ -5 C Hình 2-20: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ C vi Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN Hình 2-21: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ 15 C .35 Hình 2-22: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ 35 C .36 Hình 2-23: Quan hệ SoC OCV Pin SAMSUNG nhiệt độ 45 C .36 Hình 2-24: Quan hệ tham số mơ hình Pin theo nhiệt độ 37 Hình 2-25: So sánh điện áp đầu mơ hình hai trường hợp test xác định 0C OCV test xác định tham số với điện áp thực nghiệm 45 38 Hình 2-26: Sai lệch điện áp OCV mơ hình ESC thực nghiệm 45 C 39 Hình 3-1: Dữ liệu động học cho kịch 48 Hình 3-2: Dữ liệu động học cho kịch 48 Hình 3-3: Dữ liệu động học cho kịch 49 Hình 3-4: Kết quan sát SoC sai lệch quan sát SoC cho kịch 50 Hình 3-5: Kết quan sát SoC sai lệch quan sát SoC cho kịch 51 Hình 3-6: Kết quan sát SoC sai lệch quan sát SoC cho kịch 52 vii Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt LTHI SoC OCV ESC BMS viii Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI NĨI ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày Pin Lithium Ion ứng dụng rộng rãi nhiều thiết bị điện quan trọng thiết bị viễn thông, điện tử, điện thoai v.v Và đặc biệt mở xu hướng sử dụng cho ngành công nghiệp ô tô điện Pin Lithium Ion có có mật độ lượng lớn hơn, chi phí thấp hơn, tốc độ tự xả lâu vòng đời sử dụng dài Phần lớn nghiên cứu gần BMS (Hệ thống quản lý pin) tập trung vào vào loại Pin Ước lượng trạng thái nạp hay gọi ước lượng trạng thái tích điện (SoC) đóng vai trị cực quan trọng nghiên cứu liên quan đến BMS, cho phép cung cấp thơng tin liên quan đến dung lượng cịn lại Pin Ước lượng SoC xác ngăn chặn tượng nạp, tượng xả mức gây tổn hại đến pin ngăn chặn tượng nhiệt, cháy nổ, cân cell pin modul pin Nhiễu yếu tố không mong muốn ảnh hướng đến trình xác định SoC Pin, thay đổi nhiễu ảnh hưởng nhiều đến trình Có số phương pháp xác định SoC phương pháp đếm Coulomb, phương pháp điện áp hở mạch Hai phương pháp thực theo nguyên tắc vòng hở tự hiệu chỉnh sai lệch xác định SoC trở lên lớn Chính năm gần tác giả tập trung sử dụng lọc Kalman để ước lượng SoC lọc Kalman có khả ước lượng trạng thái điều kiện có nhiễu Vậy tốn ước lượng trạng thái SoC cho Pin Lithium Ion sử dụng nguyên tắc lọc Kalman mang tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu - Mục tiêu chung Ước lượng trạng thái SoC Pin Lithium Ion sử dụng lọc Kalman mở rộng dựa mơ hình mạch điện tương đương Pin Lithium Ion có xét đến tượng động học Pin nhiệt độ làm việc Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Bảng 3-2 Dữ liệu mơ hình Pin Tên biến OCV0 (1x201) OCVrel (1x201) SoC Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN (1x201) OCV (1x178) SoC0 (1x178) OCVrel (1x178) Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN OCVQ (1 x 8) OCVeta (1 x 8) Các nhiệt độ xét T (1 x 8) h(T ) (1 x 8) Q (T ) (1 x 8) g(T ) (1 x 8) M 0(T ) (1 x 8) M (T ) (1 x 8) R (T ) (1 x 8) R C (T ) RC (1 x 8) R (T ) (1 x 8) 47 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Các liệu động học cho kịch 1,2,3 Kịch 1: Hình 3-6: Dữ liệu động học cho kịch Kịch 2: Hình 3-7: Dữ liệu động học cho kịch 48 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Kịch 3: Dữ liệu động học cho kịch Hình 3-8:  Các ma trận hiệp phương sai chọn + xˆ S + x%,0 S v%,k S w% =  Kết quan sát cho kịch sau: 49 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Kịch Hình 3-9: Kết quan sát SoC sai lệch quan sát SoC cho kịch 50 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Kịch Hình 3-10: Kết quan sát SoC sai lệch quan sát SoC cho kịch 51 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Kịch Hình 3-11: Kết quan sát SoC sai lệch quan sát SoC cho kịch Nhận xét: Đối với kịch 1: Lượng xả nhiều lượng nạp (thể hình 3-1), điện áp giảm dần từ 4.2V xuống 3.5V, tổng lượng nạp vào pin 0.8Ah, tổng lượng xả 2.8Ah Kết quan sát SoC hình 3-4 cho thấy SoC giảm từ 100% xuống 5% Đường quan sát mơ hình ESC gần trùng với đường SoC thực tế xác định liệu thực nghiệm Sai lệch quan sát mơ tả hình 3-4 có giá trị khoảng ±1% Đối với kịch 2: Đây kịch cho nạp đầy sau cho xả với tốc độ C/30 đến điện áp mức trì mức này, nghĩa SoC nhỏ 52 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn biểu thị Hình 3-2 Kết quan sát SoC Hình 3-5 cho thấy SoC giảm nhanh từ 100% xuống 2.5% giai đoạn trì điện áp SoC giảm xuống 0% Đường quan sát mơ hình ESC gần trùng với đường SoC thực tế xác định liệu thực nghiệm Sai lệch quan sát mô tả hình 34 có giá trị khoảng ±0.1% Đối với kịch 3: Đây kịch cho nạp đầy đến điện áp mức max trì mức này, nghĩa SoC gần 100% biểu thị Hình 3-3 Kết quan sát SoC Hình 3-6 cho thấy SoC tăng đến 100% Đường quan sát mơ hình ESC gần trùng với đường SoC thực tế xác định liệu thực nghiệm Sai lệch quan sát mô tả hình 3-4 có giá trị khoảng ±1% 3.2 Kết luận chương Trong chương luận văn, tác giả tìm hiểu lọc Kalman mở rộng áp dụng cho hệ phi tuyến Sau áp dụng ngun tắc cho mơ hình ESC xây dựng chương nhằm quan sát SoC cho pin Lithium Ion dựa 03 kịch dòng áp nhiệt độ Pin Kết cho thấy SoC pin xác định xác với sai số đảm bảo yêu cầu nhỏ 2% 53 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT a Kết luận Luận văn với tên đề tài “Nghiên cứu thuật toán ước lượng trạng thái SoC cho modul pin Lithium” tìm hiểu pin Lithium Ion, nguyên lý hoạt động ứng dụng Pin Lirthium Ion Một tham số quan trọng cần xác định q trình làm việc Pin SoC Một phương pháp thực nghiên cứu năm gần phương pháp dựa quan sát SoC từ biến dòng điện, điện áp hở mạch nhiệt độ làm việc pin mang lại độ xác cao Xây dựng mơ hình cho cell pin Lithium Ion dựa phương pháp mạch điện tương đương, mơ hình ESC Mơ hình ESC kể đến tượng phân cực tuyến tính, trễ điện áp q trình nạp xả Qua xác định quan hệ điện áp hở mạch OCV Các tham số mô hình pin xác định thơng qua kịch liệu thực nghiệm Pin Tìm hiểu lọc Kalmam mở rộng áp dụng cho hệ phi tuyến Sau áp dụng ngun tắc cho mơ hình ESC Kết cho thấy SoC pin xác định xác với sai số đảm bảo yêu cầu nhỏ 2% b Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo Trong luận văn xác định tham số pin SAM (SAMSUNG), INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 Lithium ion, pin sạc cho thiết bị điện tử cầm tay Hiện nước phát triển, LIB trọng phát triển quân đội, ứng dụng cho phương tiện di chuyển chạy điện kĩ thuật hàng khơng Nó kì vọng thay cho ắc qui chì tơ, xe máy loại xe điện Hơn nữa, việc thay cho ắc qui chì cịn hứa hẹn việc đảm bảo mơi trường sạch, nâng cao an tồn sử dụng tránh việc sử dụng dung dịch điện ly chứa axit, hạn chế phát thải kim loại nặng môi trường, pin Li-ion đảm bảo điện ngang với ắc qui 54 Số hóa Trung tâm Học liệu Cơng nghệ thơng tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_Li-ion [2] https://www.sparkfun.com/products/13813 [3] Ruifeng Zhang 1,2,3,* ID , Bizhong Xia , Baohua Li , Libo Cao , Yongzhi Lai , Weiwei Zheng , Huawen Wang and Wei Wang 3, State of the Art of Lithium-Ion Battery SOC Estimation for Electrical Vehicles, Energies 2018, 11, 1820; doi:10.3390/en11071820 [4] Gregory L.Plett, “Battery Modeling”, Vol 1, Artech House, London, 2015 [5] M Sami Fadali, Antonio Visioli, “Digital Control Engineering, Analysis and Design” Elsevier Press, 2009 [6] Gregory L.Plett, “Applied Kalman Filtering”, Artech House, London, 2017 [7] Nguyễn Vĩnh Thụy, Nguyễn Văn Chí, “Ước lượng SoC Pin Lithium Ion sử dụng quan sát bình phương cực tiểu hồi quy”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên, 2018 Số hóa Trung tâm Học liệu Công nghệ thông tin – ĐHTN 55 http://lrc.tnu.edu.vn ... ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ĐỖ THỊ THÙY DƯƠNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ƯỚC LƯỢNG SoC CHO MODUL PIN LITHIUM Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT ĐIỀU... Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương hướng dẫn tận tình giúp đỡ thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài ? ?Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul Pin Lithium? ?? hoàn... Họ tên tác giả luận văn: Đỗ Thị Thùy Dương Đề tài luận văn: Nghiên cứu thuật toán ước lượng SoC cho modul pin lithium Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hóa Mã số: Tác giả, Cán hướng dẫn