Mỗi pin đều có giới hạn quy định tối đa cho dòng điện trong các hoạt động an toàn. Nếu một tải được đặt lên pin và nó tạo ra dòng điện cao hơn giới hạn đã đặt, nó có thể làm cho pin quá nóng. Một BMS được thiết kế tốt đóng vai trò như một vật cản chống lại các tình huống quá dòng bằng cách ngắt kết nối pin khỏi mạch ngay lập tức trước khi các tế bào bị hư hại thêm.
Ngắn mạch có xu hướng là dạng nghiêm trọng nhất của tình trạng quá dòng và có thể làm hỏng các tế bào trong khi điện giật người dùng đang xử lý gói. BMS phát hiện hiện tượng đoản mạch và ngay lập tức tắt pin để bảo vệ cho đến khi tình trạng được xử lý. 2.4 Giao diện BMS 2.4.1 Đầu vào BMS Tên StateRequest Cell_Voltages Cell_Temperatures Pack_Voltage Pack_Current Vout_Chgr Vout_Invtr
- Cell_Voltages: BMS sẽ đo điện áp trên từng khối tế bào (các ô nối tếp) ở tốc độ mẫu 10Hz.
- Cell_Temperatures: BMS sẽ đo nhiệt độ của tế bào pin. 18
Bảng 2.1. Dữ liệu đầu vào BMS
- Park_Current: BMS phải đo dòng điện chạy qua bộ pin ở tốc độ mẫu 10Hz.
+ Pack_Current > 0 cho biết pin đang sạc.
+ Pack_Current <0 cho biết pin đang xả
- Pack_Voltages: BMS sẽ đo điện áp trên các đầu nối pin ( Ve + và Ve -) ở tốc độ mẫu 10Hz.
- Vout_Chgr: BMS sẽ đo điện áp đầu cuối tại công tắc tơ bộ sạc. -Vout_Invtr: BMS sẽ đo điện áp đầu cuối tại công tắc tơ biến tần - StateRequest: BMS sẽ đọc yêu cầu trạng thái từ đường truyền CAN
2.4.2 Đầu ra BMS
Tên
Bảng 2.2. Dữ liệu đầu ra BMS
- SOC: Phần trăm pin
- BMS_State: trạng thái chờ- sạc- xả- lỗi
- Current Limits: Giới hạn dòng điện khi xả và nạp
- BalCmd: Lệnh cân bằng các ô pin
- Charge Current Req: Yều cầu dòng điện khi sạc 19
- PosContactorChgrCmd: Lệnh cho công tắc tơ cực dương của bộ sạc. - PreChargeRelayChgrCm: Lệnh công tắc tơ để sạc trước bộ sạc.
- NegContactorChgrCmd: Lệnh cho công tắc tơ trên cực âm của bộ sạc - PosContactorInvtrCmd: Lệnh cho công tắc tơ trên cực dương của biến tần
- PreChargeRelayInvtrCm: Lệnh cho công tắc tơ để sạc trước biến tần - NegContactorInvtrCmd: Lệnh cho công tắc tơ trên cực âm của biến tần
2.4.3 Cấu trúc BMS và các thông số kỹ thuật của module:
Phần mềm BMS chia làm 4 mô đun: -Trạng thái chính
- Tính toán giới hạn công suất dòng điện
- Ước tính phần trăm pin SOC
- Cân bằng lôgic
2.4.3.1 Giao diện trạng thái chính:
Hình 2.3. Giao diện trạng thái chính
+ Đầu vào:
20
Tên StateRequest Cell_Voltages Cell_Temperature Pack_Voltage Pack_Current Vout_Chgr Vout_Invtr Current Limits Max Cell Voltage
Min Cell Voltage
Bảng 2.3. Dữ liệu đầu vào state flow
+ Đầu ra: Tên ChargeCurrentReq PosContactorChgrCmd PreChargeRelayChgrCm NegContactorChgrCmd PosContactorInvtrCmd PreChargeRelayInvtrCm NegContactorInvtrCmd
Bảng 2.4. Dữ liệu đầu ra state flow
* Tính trạng thái BMS: Cần phải chuyển đổi 1 cách thích hợp chế độ BMS ( chế độ chờ, sạc, lái xe) dựa trên yêu cầu của trạng thái, trạng thái của bộ tiếp điểm rơ le
* Tính toán chế độ sạc: cần phải chuyển đổi 1 cách thích hợp chế độ sạc (Init, chế độ đẳng áp (CC), chế độ đẳng thế (CV))
* Lệnh sạc rơ le: cần đóng mở thihs hợp các Rơ le ( sạc trước, cực âm, cực dương) cho bộ sạc
* Lệnh chuyển tiếp biến tần
* Tính toán theo dõi lỗi: giới hạn (dòng, điện áp, nhiệt độ)
21
2.4.3.2 Tính toán giới hạn dòng điện
Hình 2.4. Hệ thống con tính toán mức dòng điện phóng và sạc tối đa cho phép
+ Đầu vào:
Tên
Cell_Voltages
Bảng 2.5. Dữ liệu đầu vào để tính toán dòng điện
+ Đầu ra: Tên Current Limits Max Cell Min Cell Bảng 2.6. Dữ liệu đầu ra
* Tính toán giới hạn dòng điện: tính toán tối thiểu/ tối đa: Tính toán điện tối thiểu tối đa giữa các ô theo yêu cầu của phần mềm
- Tính toán giới hạn dòng xả BMS: Tính toán giới hạn dòng phóng điện theo yêu cầu của phần mềm
- Tính toán giới hạn dòng nạp BMS: Tính toán giới hạn dòng sạc theo yêu cầu của phần mềm
2.4.3.3 Ước tính phần tram pin SOC
Phải tính toán phần trăm pin SOC (SOC_CC, SOC_UKF, SOC_EKF 22
Hình 2.5. Hình ảnh minh họa SOC * Giao diện: + Đầu vào: Tên Pack_Current Cell_Temperature Cell_Voltages
Bảng 2.7. Dữ liệu đầu vào để tính SOC
+ Đầu ra:
Tên
SOCs
* Đếm cu-lông : Tính phần trăm pin và đếm cu-lông theo yêu cầu của phần mềm
* Tính phần trăm pin SOC UKF : Tính phần trăm pin với UKF theo yêu cầu của phần mềm
* Tính toán phần trăm pin SOC EKF: Tính phần trăm pin với EKF theo yêu cầu của phần mềm.
2.4.3.4 BMS - Logic cân bằng: Phải đóng mở an toàn các điểm tiếp xúc với bộ sạc biến tần
Hình 2.6. Hình minh họa cân bằng cell.
* Giao diện + Đầu vào Tến BMS_State Cell_Voltage Max Cell Min Cell
Bảng 2.9.. Dữ liệu đầu vào để tính toán cân bằng cell
+ Đầu ra
Tên
BalCmd * Cân bằng ON/OFF: tính toán nếu thực hiện cân bằng
* Tính toán lệnh và huỷ kích hoạt: Tính toán các lệnh cho bộ tiếp điểm biến tần và bộ sạc.
KẾT LUẬN
24
Công nghệ BMS là giải pháp lý tưởng giúp bảo vệ cả người dùng và pin khỏi bất kỳ thiệt hại nào có thể xuất hiện từ các điều kiện khác nhau có nguy cơ gây hại cho cả hai bên. Hệ thống này nhằm mục đích bảo vệ, giám sát và kéo dài tuổi thọ của pin lithium-ion. Do đó, điều cần thiết là phải đảm bảo hệ thống pin được cài đặt BMS.
CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG BATTERY TRÊN SIMULINK
3.1. Mô phỏng pin Lithium trên xe điện:
Hình 3.5. Mô hình 1 pack pin
Hình 3.4. Hệ thống pin Lithium trên ô tô
25
Hình 3.6. Mô hình 16 pack pin
3.1.1 Mô tả:
Khối pin trên là một mô hình động lực học chung được tham số hóa để đại diện cho hầu hết các loại pin sạc phổ biến ngày nay như ( lead acid battery, lithium - lion battery, Nikel-cadmium và Nickel-Metal-Hydride battery ).
Nhưng trong đề tài này chúng ta chỉ nói về lithium – lion battery.
Sơ đồ mạch tương đương của khối pin trong Simulink được biểu diễn như sau:
26
download
3.1.2. Phương trình:
Công thức tính toán của hai trạng thái xả và nạp của từng loại pin mà sơ đồ mạch điện trên biểu diễn:
• Lithium – lion battery: - Trạng thái xả :
- Trạng thái nạp :
Trong đó:
o Ebatt : Điện áp phi tuyến (V)
oE0 : điện áp không đổi (V)
o Exp(s) : điện áp động lực học (V)
o Sel(s) : hệ số đại diện cho trạng thai của pin. Sel(s) = 0 là khi pin đang xả, Sel(s) = 1 là khi pin đang nạp.
oK: hằng số phân cực ( V/Ah ) hoặc hằng số điện trở phân cực ( Ohms). o
∗ : cường độ dòng điện tần số thấp (A).i
o i : cuồng đô dòng điện pin (A).
o it : dung lượng pin đã lấy ra ( Ah).
o Q : dung lượng pin tối đa ( Ah)
o A : điện áp mũ ( V)
o B : công suất mũ (Ah)−1
27
3.1.2 Phương trình hiệu ứng nhiệt
Đối với pin lithium – ion khi nhiệt độ của pin đạt đến nhiệt độ nóng chảy của lithium sẽ gây ra phản ứng dữ dội bên trong pin dẫn đến có thể cháy nổ, do đó nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đối với pin lithium – ion nên nên việc mô phỏng của pin lithium - ion trong Simulink người ta tính toán dựa trên ảnh hưởng của nhiệt độ tới pin theo các công thức sau:
- Trạng thái xả :
- Trạng thái nạp
Trong đó:
28
o Tref : nhiệt độ môi trường danh nghĩa, (K)
o T : nhiệt độ của cell hoặc nhiệt độ trong của pin , (K)
oTa : nhiệt độ môi trường, (K)
o E/T : hệ số nhiệt độ điện áp thuận ( V/K)
o : hằng số tốc độ Arrhenius cho điện trở phân cực
o : hằng số tốc độ Arrhenius cho điện trở trong o ∆Q/∆T : hệ số nhiệt độ công suất tối đa, (Ah / K)
o C : độ dốc đường cong xả danh nghĩa, tính bằng V / Ah. Đối với pin lithium-ion có đường cong phóng điện ít rõ rệt hơn (chẳng hạn như pin lithium iron phosphate), thông số này được đặt thành không.
o Nhiệt độ của cell hoặc nhiệt độ trong của pin (T), tại bất cứ thời điểm nào (t), sẽ được biểu diễn bằng công thức:
o Rth: điện tở nhiệt, cell đến môi trường ( ℃/W ) o tc : hằng số thời gian nhiệt, cell đến mô trường (s)
o Ploss tổng nhiệt sinh ra tính bằng (W) “công suất thất thoát” trong quá trình nạp hoặc xả và được tính bằng công thức:
3.1.3 Phương trình hiệu ứng tuổi pin:
Ngoài ra thời gian (tuổi tác của pin trong quá trinh sử dụng) cũng gây ảnh hưởng đến một số thông số (như dung lượng pin và điện trở trong) của pin lithium – ion :
29
Với:
o Th : thời gian nửa chu kỳ, (s). Một chu kỳ hoàn chỉnh có được khi pin được xả và nạp (hoặc ngược lại).
o QBOL : dung lượng tối đa của pin,(Ah), (BOL) là chữ viết tắt của “begin of life” ta có thể hiểu đó là thời điểm đầu tiên pin có được 1 chu kỳ hoàn chỉnh và ở nhiệt độ môi trường danh nghĩa
o QEOL : dung lượng tối đa của pin, (Ah) , (EOL) là chữ viết tắt của “ end of life “ ta có thể hiểu là khi pin được sử dụng hết một vòng đời do nhà sản xuất đưa ra và ở nhiệt độ môi trường danh nghĩa
o RBOL : điện trở trong của pin, (ohms), ở BOL và ở nhiệt độ môi trường danh nghĩa o REOL : điện trở trong của pin, (ohms), ở EOL và ở nhiệt độ môi trường danh nghĩa
o : hệ số tính toán về sự lão hóa của pin. Hệ số tính toán về sự lão hóa của pin bằng 0 và xem như bằng nhau tại BOL cũng như EOL Hệ số tính toán về sự lão hóa của pin, được thể hiện thông qua công thức:
30
Trong đó:
o DOD : độ sâu của trạng thái xả ( %) trong một nửa chu lỳ.
o N : Số chu kỳ ( xả và nạp) của pin và được thể hiện thông qua công thức
Trong đó:
- H : hằng số
- : hệ số mũ tính toán của DOD
- Ψ : hằng số tốc độ Arrhenius cho số chu kỳ
- Idis_ave : dòng xả trung bình (A) trong thời gian nửa chu kỳ
- Ich_ave : dòng nạp trung bình (A) trong thời gian nửa chu kỳ
- γ1 : hệ số mũ của dòng xả
- γ2 : hệ số mũ của dòng nạp
3.1.4 Đặc tính nạp và xả:3.1.4.1 Trạng thái xe đang chạy: 3.1.4.1 Trạng thái xe đang chạy:
31
Hình 3.8. Đồ thị đặc tính xả của hệ thống
- Cell Voltages:BMS đo điện áp trên từng khối tế bào điện áp giảm
-Park Curent: BMS đo dòng điện chạy qua bộ pin ở tốc độ mẫu 10Hz. Pack Curent <0 cho biết pin đang xả dòng giảm nhanh
-Cell Temperatures: BMS đo nhiệt độ của tế bào pin dòng điện sạc lớn nhiệt độ pin tăng cao
- SOC: dung lượng pin giảm
- BMS Stare: BMS đọc trạng thái pin đang ở trạng thái xả
- BalCmd: Lệnh cân bằng các ô pin bằng 0
3.1.4.2 Trạng thái xả
- Cell_Volltages: Khi mới sạc ( nạp ) ta xét tới điện áp của mỗi cells. Lúc này điện áp sẽ tăng liên tục và có thể rất cao. Có thể sẽ vượt quá ngưỡng cho phép. Nên là điện áp sẽ suy giảm và được giữ ở 1 mức ổn định.
- Pack _Current: Xét tới dòng điện thì lúc này dòng điện cũng tăng và sẽ từ từ suy giảm trong quá trình sạc.
- Cell_Temperatures: Nhiệt độ sau khi sạc sẽ tăng lên ờ tất cả cả Cells. Và sẽ từ từ giảm để tránh nhiệt độ quá cao gây ảnh hưởng, đồng thời khoảng cách nhiệt độ giữa các cells cũng được rút ngắn và giữ trong khoảng cho phép
- <SOC>: Sau khi sạc thì qua các phép dự đoán SOC sẽ tăng liên tục
32
download by : skknchat@gmail.com
CHƯƠNG 4.MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BMS (BATTERY MANAGEMENT SYSTEM) 4.1 Mô phỏng hệ thống BMS Bộ điều khiển DDDDĐĐcontrolle r Hình 4.10. Mô phỏng hệ BMS-ClosedLoop 33 download by : skknchat@gmail.com
Hình 4.11. Mô phỏng bộ điều khiển controller
4.2 Đồ thị đặc tính
Hình 4.12. Sơ đồ đặc tính của hệ thống với 3 trạng thái làm việc
Cell Voltages : Trước tiên quan sát sự thay đổi điện áp của cell không cân bằng với nhau, vào cuối mô phỏng các giá trị hội tụ chung một giá trị với nhau.
Park Current: Tiếp theo xét tới dòng điện, nhìn vào thời gian sạc trong pha dòng điện không đổi dòng điện bị suy giảm trong quá trình sạc. Điều này là do điện áp cell môdun tối đa rất cao so với 4,4V được chỉ định. Trong trường hợp này điện
34
áp vượt quá ngưỡng có thể do dòng điện quá cao gây ra dẫn đến giảm tuổi thọ của pin.
Cell Temperature: Đường đặc tính nhiệt độ tế bào pin Dòng điện sạc càng lớn làm tăng nhiệt độ pin
BMS-State: Trạng thái xả, sạc hay dừng: Tương tự tín hiệu step
Trạng thái sạc thì tín hiệu nhảy lên còn trạng thái xả hay dừng thì tín hiệu nhảy xuống.
SOC: Phần trăm pin: Trong quá trình sạc phần trăm pin tăng lên
Trong quá trình sạc ổn dòng, dòng điện được giữ không đổi, thông thường bằng C/2-C (trong đó, C là dung lượng [Ah] của ắc quy). Dòng điện sạc càng lớn, quá trình sạc ổn dòng càng ngắn nhưng quá trình sạc ổn áp sẽ càng dài; tuy vậy, tổng thời gian sạc cả 2 giai đoạn thường không quá 3h. Đồng thời, dòng điện lớn sẽ làm tăng nhiệt độ của pin. Trong quá trình sạc cần theo dõi nhiệt độ sát sao vì nhiệt độ quá cao sẽ có thể làm cho ắc quy bốc cháy hoặc phát nổ.
35
36
TÀI LIỆU THAM KHẢO https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_management_system https://alena-energy.com/bo-giam-sat-quan-ly-pin-lithium-bms-battery-management- system/ https://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_Li-ion https://www.youtube.com/watch?v=R9UK41vOIRo&list=PLn8PRpmsu08pYXwR- qihN6abrK3Io97NN https://www.mathworks.com/solutions/power-electronics-control/battery-management- system.html https://www.youtube.com/watch?v=lyMRMQzoLEw 37 download by : skknchat@gmail.com