Nghiên cứu và phát triển hệ thống quản lý năng lượng pin cho xe điện

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu phát triển hệ thống quản lý lượng pin cho xe điện ĐỖ NGỌC QUÝ Ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Kiên Trung Viện: Điện HÀ NỘI, 2020 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Lời cảm ơn Lời đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn tới thành viên gia đình tơi tạo điều kiện gửi lời động viên suốt thời gian làm luận văn Tiếp theo, xin gửi lời cảm ơn trân thành đến thầy TS Nguyễn Kiên Trung, người hướng dẫn tơi hồn thành chương trình thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Bộ thực nghiệm triển khai phòng 306 Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa (ICEA), phần đề tài cấp quốc gia, với tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế thiết bị cấp điện di động cho tàu bay Do đó, tơi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS Nguyễn Quang Địch – giám đốc Viện Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa tạo điều kiện để tơi làm việc hồn thành luận văn Tiếp theo xin gửi lời cảm ơn tới bạn Đỗ Ngọc Quý học tập, nghiên cứu triển khai làm luận văn Cuối xin gửi lời cảm ơn tới em Nguyễn Đức Tài, em Nguyễn Gia Thiều, em Cao Xuân Thịnh thành viên khác tập thể APES Lab hỗ trợ tơi nhiệt tình tồn q trình tơi làm luận văn Tơi xin trân thành cảm ơn Tóm tắt nội dung luận văn a) Nội dung luận văn giải vấn đề sau Xây dựng sở lý thuyết xây dựng mơ hình pin Lithium-ion; Đề xuất phương pháp sạc nhanh mới, Thiết kế điều khiển nhiệt độ; Tính tốn thiết kế biến đổi cho sạc pin; Mô thực nghiệm để kiểm nghiệm lý thuyết b) Phương pháp nghiên cứu công cụ sử dụng Phương pháp nghiên cứu: Khảo sát, phân tích cấu tạo đặc tính hoạt động pin; tìm mối liên hệ đại lượng cần nghiên cứu; đưa mơ hình hóa; thử nghiệm để kiểm tra tính đắn mơ hình Cơng cụ sử dụng: Phần mềm Matlab/Simulink; Vi điều khiển họ C2000 TMS320F28379D c) Kết Luận văn phù hợp với yêu cầu sạc pin cho xe điện có đóng góp vào lĩnh vực nghiên cứu khoa học nước Luận văn đề xuất phương pháp sạc nhanh mới, có kết cho thời gian sạc ngắn mà đảm bảo tuổi thọ pin Hướng phát triển luận văn kiểm nghiệm phương pháp đề xuất điều kiện khác d) Phạm vi nghiên cứu luận văn Luận văn hướng tới phương pháp sạc nhanh cho pin Lithium ion Vấn đề ước lượng giá trị SOC không nghiên cứu luận văn Học viên Đỗ Bá Phú MỤC LỤC Lời nói đầu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN LITHIUM VÀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN 1.1 Tổng quan pin Lithium xe điện 1.1.1 Sự đời phát triển pin Lithium 1.1.2 Pin Lithium-ion xe điện 1.1.3 Đặc điểm pin Lithium-ion 1.2 Hệ thống quản lý lượng xe điện 12 1.2.1 Khái niệm hệ thống quản lý lương pin 12 1.2.2 Vai trò hệ thống quản lý lượng pin Lithium-ion 12 1.2.3 Hệ thống quản lý lượng xe điện 13 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG DUNG LƯỢNG TRẠNG THÁI SẠC CỦA PIN LITHIUM 15 2.1 Trạng thái sạc pin Lithium-ion 15 2.2 Các phương pháp ước lượng SOC 15 2.2.1 Các phương pháp ước lượng 15 2.2.2 Thuật tốn lọc thích nghi 17 2.2.3 Thuật toán machine learning 18 2.3 Các thách thức ước lượng SOC 19 2.3.1 Đặc tính trễ pin Lithium-ion 19 2.3.2 Lão hóa pin 20 2.3.3 Cân cell pin 20 2.4 Phương pháp đề xuất nghiên cứu luận văn 20 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA PIN LITHIUM-ION VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH THAM SỐ MƠ HÌNH 21 3.1 Tổng quan phương pháp mơ hình hóa pin Lithium-ion 21 3.1.1 Mơ hình điện hóa 21 3.1.2 Mô hình mạch điện tương đương 22 3.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng tới độ xác mơ hình pin 22 3.2 Phương pháp mơ hình hóa pin sử dụng mạch tương đương 23 3.2.1 Mơ hình pin phương trình trạng thái 23 3.2.2 Lựa chọn thời gian trích mẫu 25 3.3 Các phương pháp xác định tham số mơ hình 26 i 3.3.1 Phương pháp xác đinh tham số ngoại tuyến (offline) 26 3.3.2 Phương pháp xác định tham số trực tuyến (Online) 28 3.4 Phương pháp xác định trực tuyến tham số mơ hình sử dụng hệ số quên tối ưu thời gian thực 29 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP LỌC KALMAN ÁP DỤNG CHO ƯỚC LƯỢNG SOC 32 4.1 Cơ sở toán học lọc Kalman 32 4.1.1 Bộ lọc Kalman cho đối tượng tuyến tính 32 4.1.2 Bộ lọc Kalman phi tập trung 34 4.2 Áp dụng lọc Kalman phi tập trung để ước lượng giá trị SOC 37 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK 39 5.1 Mục đích mơ phần mềm Matlab/Simulink 39 5.2 Xây dựng mơ hình pin Matlab 39 5.3 Xây dựng thuật toán ước lượng giá trị tham số mơ hình pin 40 5.4 Xây dựng thuật tốn UKF 41 5.5 Kịch mô kết 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ TRÊN HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 47 6.1 Mục tiêu thành phần hệ thống thực nghiệm 47 6.1.1 Mục tiêu thiết kế phạm vi thực nghiệm hệ thống thực nghiệm 47 6.1.2 Các thành phần hệ thống thực nghiệm 47 6.2 Thiết kế thành phần phần cứng hệ thống 47 6.2.1 Khối vi điều khiển 48 6.2.2 Khối đo lường 49 6.2.3 Mạch sạc cấu rơ-le 52 6.2.4 Khối hiển thị phím bấm 54 6.2.5 Khối nguồn cung cấp 54 6.3 Thiết kế chương trình vi điều khiển 57 6.4 Thiết kế chương trình thu thập liệu 61 6.5 Kết thực nghiệm 61 KẾT LUẬN 64 Tài liệu tham khảo 65 PHỤ LỤC 67 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mơ hình pin Volta Hình 1.2 Pin Lithium ngày Hình 1.3 Quy mơ thị trường pin Lithium-ion (nguồn: Circular Energy Storage) Hình 1.4 Top công ty sản xuất pin Lithium-ion hàng đầu giới (nguồn: Benchmark Mineral Intelligence) Hình 1.5 Thị trường tái chế pin Lithium-ion giới (nguồn: Circular Energy Storage) Hình 1.6 Hệ thống pin xe điện Tesla Model-S (nguồn: Internet) Hình 1.7 Hai kiểu ghép nối module hệ thống pin Hình 1.8 Quá trình sạc xả pin Lithium-ion (nguồn: Internet) 10 Hình 1.9 Các thành phần hệ thống quản lý lượng pin cho xe điện 13 Hình 2.1 Mối quan hệ OCV SOC sạc xả 16 Hình 2.2 Hoạt động EKF 18 Hình 2.3 Cấu trúc mạng Neural nhiều lớp 19 Hình 2.4 Mối quan hệ OCV-SOC phụ thuộc vào nhiệt độ độ lão hóa pin Lithium-ion 19 Hình 3.1 Mơ hình điện hóa 21 Hình 3.2 Mơ hình mạch điện tương đương tổng quan 22 Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn phụ thuộc điện áp đầu vào trạng thái sạc nhiệt độ 23 Hình 3.4 Mơ hình mạch điện tương đương 24 Hình 3.5 Xác định OCV-SOC 27 Hình 3.6 Mối quan hệ đặc tính động pin tham số mơ hình [19] 27 Hình 3.7 Sơ đồ thuật tốn xác định giá trị tham số mơ hình 30 Hình 4.1 Bộ lọc Kalman áp dụng để giảm thiểu khuynh hướng điều hướng trình vào hỏa 32 Hình 4.2 Bộ quan sát Kalman tuyến tính 33 Hình 4.3 Lưu đồ thuật tốn ước lượng quan sát Kalman tuyến tính 34 Hình 4.4 Sơ đồ bước chuyển đổi phi tập trung 36 Hình 4.5 Mơ hình tương đương pin Lithium-ion 37 Hình 4.6 Lưu đồ tổng thể ước lượng giá trị SOC 38 Hình 5.1 Mơ hình tương đương pin mơ 39 Hình 5.2 Khối mô nhiệt độ 39 Hình 5.3 Khối điều khiển dòng điện 40 iii Hình 5.4 Mơ hình mơ thuật toán ước lượng giá trị tham số 40 Hình 5.5 Cấu trúc khối ước lượng giá trị tham số 41 Hình 5.6 Mơ hình mơ thuật tốn UKF 41 Hình 5.7 Mơ hình chi tiết thuật toán UKF 41 Hình 5.8 SOC, dịng điện, điện áp nhiệt độ mô 42 Hình 5.9 Kết ước lượng tham số điện áp OCV 43 Hình 5.10 Kết ước lượng tham số tụ điện C1 43 Hình 5.11 Kết ước lượng tham số điện trở R1 44 Hình 5.12 Kết ước lượng tham số điện trở R0 44 Hình 5.13 Giá trị SOC ước lượng thực tế 45 Hình 5.14 Kết ước lượng nội trở R0 (TH2) 45 Hình 5.15 Kết ước lượng SOC (TH2) 46 Hình 6.1 Hệ thống thực nghiệm ước lượng SOC 47 Hình 6.2 Kit phát triển STM32F407G-DISC1 48 Hình 6.3 Sơ đồ chân kit sử dụng hệ thống 49 Hình 6.4 Sơ đồ chân IC khuếch đại thuật tốn TL074 49 Hình 6.5 Kênh đo dòng điện 50 Hình 6.6 Mạch tạo điện áp chuẩn 1.5V 50 Hình 6.7 Hình ảnh cảm biến LA-P 50 Hình 6.8 Sơ đồ ngun lý khối đo dịng điện 51 Hình 6.9 Sơ đồ chân cấu tạo IC khuếch đại đo lường INA128 51 Hình 6.10 Kênh đo điện áp 51 Hình 6.11 Sơ đồ chân IR2101 nguyên lý kết nối 52 Hình 6.12 Sơ đồ chân thơng số Mosfet IRF3205 52 Hình 6.13 Sơ đồ nguyên lý mạch sạc 52 Hình 6.14 Rơ-le 24V/30A 53 Hình 6.15 Sơ đồ chân TLP127 53 Hình 6.16 Cơ cấu điều khiển relay 54 Hình 6.17 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị phím bấm 54 Hình 6.18 Nguyên lý tạo nguồn đối xứng sử dụng biến áp xung 54 Hình 6.19 Sơ đồ chân IC driver IR2153 55 Hình 6.20 Đặc tính tần số PWM đầu 55 Hình 6.21 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn ±15V 55 Hình 6.22 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 12V 56 iv Hình 6.23 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 5V 56 Hình 6.24 Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 3.3V 56 Hình 6.25 Lưu đồ thuật tốn chương trình 57 Hình 6.26 Lưu đồ chương trình khởi tạo clock ngoại vi 58 Hình 6.27 Lưu đồ chương trình phục vụ trạng thái pin nghỉ 58 Hình 6.28 Lưu đồ chương trình phục vụ xả pin 59 Hình 6.29 Lưu đồ chương trình phục vụ sạc pin 59 Hình 6.30 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt 60 Hình 6.31 Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt truyền thơng 60 Hình 6.32 Cửa sổ chương trình thu thập liệu 61 Hình 6.33 Hệ thống thực nghiệm ước lượng SOC 61 Hình 6.34 Tham số mơ hình pin sau ước lượng 62 Hình 6.35 Kết ước lượng SOC thực tế 63 Hình 6.36 Sai lệch SOC thực tế ước lượng 63 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Vật liệu làm cực dương (nguồn: wikipedia.org) Bảng 1.2 Vật liệu làm cực âm (nguồn: wikipedia.org) Bảng 1.3 Chức thành phần BMS xe điện 14 Bảng 3.1 Giá trị điểm không điểm cực thay đổi theo chu kỳ trích mẫu 26 Bảng 6.1 Thông số cảm biến LA55-P 50 Bảng 6.2 Thông số làm việc relay 24V/30A 53 Bảng 6.3 Thông số làm việc opto TLP127 53 Bảng 6.4 Bảng giá trị SOC thay đổi theo thời gian 62 Bảng 6.5 Chi tiết hệ thống thực nghiệm 67 vi LỜI NÓI ĐẦU Thế giới đối mặt với vấn đề nghiêm trọng nóng lên tồn cầu, hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm không khí, … Một nguyên nhân sử dụng nhiều xăng dầu vận hành phương tiện, thải hàng CO2 loại khí thải độc hại khác năm Khơng trữ lượng xăng dầu tự nhiên tiến tới cạn kiệt, gây thụt lùi nghiêm trọng ngành công nghiệp ô tô thúc đẩy phát triển phương tiện chạy nhiên liệu thay Chính thế, xe điện ưu tiên phát triển sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường Theo thống kê trang Market Research cho biết đến năm 2025 thị trường xe điện giới đạt ngưỡng 22 tỷ USD, số tăng trưởng hàng năm 7.3% Việt Nam thị trường tiềm Năm 2017, số xe điện bán khoảng 400.000 xe đạp điện 55.000 xe máy điện Thị trường xe máy điện Việt Nam thực ý VinFast cho dòng xe điện VinFast Klara vào tháng 11/2018 Việc triển khai pin sạc ứng dụng xe điện trở nên phổ biến năm gần nguồn lượng tái tạo lượng gió, lượng mặt trời cung cấp lượng liên tục Các loại pin sử dụng xe điện axit chì, NiMH, pin Lithium-ion Trong số đó, pin Lithium-ion sử dụng rộng rãi mật độ lượng cao, hiệu suất cao, vòng đời dài, tốc độ tự xả thấp điện áp cao Sử dụng hệ thống quản lý lượng pin – BMS (Battery Management System) sử dụng pin Lithiumion bắt buộc để pin hoạt động an toàn đáng tin cậy, ngăn vấn đề nhiệt, cân điện áp cell pin gây hỏng pin Hai thơng số pin quản lý BMS SOC (State Of Charging) SOH (State Of Heath) SOC cung cấp thơng tin dung lượng cịn lại pin đảm bảo cho hoạt động tin cậy an tồn cho xe điện SOH cung cấp thơng tin tình trạng sức khỏe pin trước cần phải thay mới, SOH SOC có mối quan hệ với Hai thông số định trực tiếp đến kế hoạch sử dụng pin thiết bị sử dụng xe điện, tránh tình trạng xả sạc áp dòng gây hư hỏng pin, gây an toàn sử dụng xe điện Ước lượng xác giá trị SOC khơng đơn giản đặc tính phi tuyến phản ứng hóa học pin, phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, độ lão Trong luận văn “Nghiên cứu phát triển hệ thống quản lý lượng pin cho xe điện” vào tìm hiểu lịch sử đời phát triển pin Lithiumion, đặc điểm điện học Từ nghiên cứu phương pháp giúp ước lượng giá trị SOC xác, tiến hành mơ thực nghiệm để kiểm chứng phương pháp với hệ thống pin thực tế CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN LITHIUM VÀ HỆ THỐNG QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRÊN XE ĐIỆN 1.1 Tổng quan pin Lithium xe điện 1.1.1 Sự đời phát triển pin Lithium a Sự đời pin Lithium Pin nguồn lượng thông dụng cho nhiều thiết bị cá nhân, gia dụng ứng dụng công nghiệp Pin đã, công cụ lưu trữ lượng sử dụng phổ biến không mà nhiều năm tương lai Vậy pin chế tạo lần nào? Ai phát minh pin? Pin sạc có từ bao giờ? Alessandro Volta (1745-1827) giáo sư vật lý Đại học Pavie, Italy Năm 1800, Volta thực loạt thử nghiệm dùng kẽm, chì, thiếc sắt làm điện âm (anode) Sau đó, ơng xếp trái cực xen kẽ với nhau, ngăn cách miếng giấy xốp tẩm dung dịch muối ăn Đây viên pin nhân loại mang tên “pin Volta” Sở dĩ danh từ pin hay xác pile đặt cho thiết bị là chồng miếng trịn đồng kẽm có hình dạng cọc Hình 1.1 Mơ hình pin Volta Cùng năm 1800, nhà vật lý hóa học người Cornwall, vương quốc Anh, Humphry Davy (1778-1829) chế tạo pin điện lớn mạnh tính đến thời điểm giờ, pin làm đèn hồ quang điện cháy sáng rực rỡ chưa thấy Hai năm sau, năm 1802, nhà khoa học người Anh, William Cruickshank thiết kế mơ hình pin sản xuất quy mơ cơng nghiệp Ơng 6.3 Thiết kế chương trình vi điều khiển Chương trình viết ngn ngữ lập trình C sử dụng KeilC IDE dành cho ARM Chương trình gồm có chương trình phục vụ nhiệm vụ khác nhau: • Chương trình phục vụ cho trạng thái pin nghỉ: Pin chương trình khơng thực việc sạc xả • Chương trình phục vụ điều khiển xả pin: Pin điều khiển xả lượng qua điện trở, relay đảm nhận nhiệm vụ cho dòng điện chảy từ pin điện trở xả • Chương trình phục vụ điều khiển sạc pin: Pin sạc việc điều khiển van bán dẫn, phương pháp sạc pin ổn dòng - ổn áp (CC-CV) Việc thiết kế thuật tốn điều khiển sạc khơng trình bày luận văn (như phạm vi luận văn nêu) Lưu đồ thuật toán thể thứ tự thực chương trình thể hình 6.25 Việc lựa chọn chương trình phục vụ thực cách thay đổi trạng thái hai công tắc bit (SW1 SW2) Bắt đầu Khởi tạo chương trình Đọc trạng thái SW1 SW2 Pin trạng thái nghỉ Yes SW1,SW2 = 0,0? No SW1,SW2 = 1,0? Yes Điều khiển xả pin No Điều khiển sạc pin Yes SW1,SW2 = 1,1? No Hình 6.25 Lưu đồ thuật tốn chương trình Việc khởi tạo chương trình trình khởi tạo clock cho ngoại vi STM32F406, khởi tạo cổng đầu vào ra, khởi tạo module ADC module truyền thông UART, khởi tạo định thời Timer để xác định thời điểm tính tốn Các module ngoại vi khởi tạo ngắt thích hợp 57 Khởi tạo chương trình Khởi tạo Clock cho ngoại vi hệ thống Khởi tạo GPIO đầu vào đầu Khởi tạo Module ADC Khởi tạo Module truyền thông UART Khởi tạo Timer cho việc tính tốn ước lượng Kết thúc q trình khởi tạo Hình 6.26 Lưu đồ chương trình khởi tạo clock ngoại vi a) Chương trình phục vụ trạng thái nghỉ pin Pin trạng thái nghỉ Không cho phép Relay Không cho phép PWM Hiển thị lên LCD U,SOC Kết thúc Hình 6.27 Lưu đồ chương trình phục vụ trạng thái pin nghỉ Trong chương trình này, pin khơng sạc xả, dung lượng cịn lại pin không thay đổi Việc ước lượng giá trị SOC thực chương trình Giá trị SOC ước lượng được, giá trị điện áp hai cực pin hiển thị lên hình theo dõi LCD 58 b) Chương trình phục vụ xả pin Bắt đầu điều khiển xả pin Không cho phép PWM Đóng Relay Hiển thị lên LCD U, I, SOC Kết thúc Hình 6.28 Lưu đồ chương trình phục vụ xả pin Trong chương trình này, relay đóng lại để pin xả dịng điện trở xả Quá trình xả thực liên tục gián đoạn tùy thuộc vào mục đích thực nghiệm Pin ngừng xả điện áp hai cực pin 10V Q trình ước lượng mơ hình tham số ước lượng SOC thực tính tốn chương trình ngắt Timer Khi pin xả q trình sạc khơng diễn Các giá trị điện áp hai cực pin, dòng điện xả, giá trị SOC hiển thị lên hình LCD c) Chương trình phục vụ sạc pin Bắt đầu điều khiển sạc pin Không cho phép Relay Cho phép PWM Qt phím nhập dịng điện sạc Hiển thị lên LCD U, I, SOC Kết thúc Hình 6.29 Lưu đồ chương trình phục vụ sạc pin Trong chương trình này, pin sạc phương pháp CC-CV với giá trị dịng điện đặt thơng qua bàn phím Trong pin sạc việc xả khơng thực Q trình ước lượng tham số mơ hình ước lượng giá trị SOC diễn chương trình phục vụ ngắt Timer Các giá trị điện áp hai cực pin, dòng điện sạc, giá trị SOC hiển thị lên hình LCD 59 d) Các chương trình phục vụ ngắt Ngắt Timer (0.1s) Ngắt PWM Counter + Đọc ADC: U I Đọc ADC: U I Yes No U = 10? Tính tốn điều khiển ổn định dịng điện Tính tốn điều khiển ổn định điện áp Kết thúc Yes No Lựa chọn tham số ứng với sai lệch nhỏ I