Tóm tắt luận án Ước lượng và điều khiển tối ưu trạng thái pin Lithium-Ion ứng dụng cho hệ thống BMS

1. Tính cấp thiết của đề tài.

Pin Lithium-Ion (LiB) có nhiều ưu điểm vượt trội so với nhiều loại pin khác vì

vậy LiB được dùng nhiều trong các thiết bị điện và điện tử. Hiện nay LiB được dùng

trong lĩnh vực có công suất lớn như hệ thống lưu trữ điện năng trong ngành năng lượng

tái tạo, ô tô điện, Để tạo ra một bộ nguồn có công suất lớn, điện áp cao từ LiB thì

phải ghép nối rất nhiều cell riêng lẻ thành một gói pin (LiBP) và ghép nối nhiều

LiBP thành hệ thống công suất lớn, do đó cấu trúc của một hệ thống pin rất phức tạp.

Để hệ thống pin làm việc ổn định, an toàn và đạt hiệu suất cao cần thiết phải giải quyết

tốt các vấn đề kĩ thuật như: giám sát trạng thái tích điện (SoC) của các cell LiB và

LiBP, SoC cho phép xác định năng lượng còn lại trong LiBP; điều khiển cân bằng

SoC của các cell trong LiBP, giúp loại trừ được những sự cố nguy hiểm như cháy

nổ, tránh hiện tượng quá nạp, quá xả, tăng tuổi thọ cho LiBP cũng như khai thác hết

công suất của hệ thống. Với bài toán ước lượng và điều khiển tối ưu trạng thái cho

LiBP trong điều kiện có xét đến ảnh hưởng của nhiễu, sự thay đổi của dòng xả/nạp,

hiện nay chưa có công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước thực

hiện. Vì vậy đề tài luận án có tính cấp thiết và thời sự cao, nếu được giải quyết sẽ bổ

sung một phương pháp ước lượng SoC và điều khiển cân bằng cell tích cực cho

LiBP, mặt khác cũng mở ra khả năng ứng dụng cho hệ thống quản lí pin thực tế.

2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết bộ lọc phi tuyến điểm Sigma (SPKF) để xây

dựng phương pháp ước lượng SoC cell LiB và gói pin LiBP online trong điều kiện có

xét đến ảnh hưởng của nhiễu, quá trình xả/nạp có tính chất thay đổi đột ngột. Dựa vào

trạng thái SoC đã ước lượng được làm đầu vào, thực hiện bài toán điều khiển tối ưu

cân bằng tích cực SoC online của LiBP để sai lệch SoC các cell trong LiBP là nhỏ

nhất thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về giới hạn SoC, giới hạn dòng nạp/xả của

các cell, giới hạn về độ rộng xung của xung điều khiển, các điều kiện về vận hành

an toàn.

pdf 28 trang chauphong 16/08/2022 984
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Tóm tắt luận án Ước lượng và điều khiển tối ưu trạng thái pin Lithium-Ion ứng dụng cho hệ thống BMS", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Tóm tắt luận án Ước lượng và điều khiển tối ưu trạng thái pin Lithium-Ion ứng dụng cho hệ thống BMS

Tóm tắt luận án Ước lượng và điều khiển tối ưu trạng thái pin Lithium-Ion ứng dụng cho hệ thống BMS
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN 
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP 
----------- o0o ----------- 
NGUYỄN VĨNH THỤY 
ƯỚC LƯỢNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU TRẠNG THÁI PIN 
LITHIUM-ION ỨNG DỤNG CHO HỆ THỐNG BMS 
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA 
MÃ SỐ: 9 52 02 16 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT 
THÁI NGUYÊN - 2022 
Công trình được hoàn thành tại: 
Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên 
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Văn Chí 
Phản biện 1: ... 
Phản biện 2: ... 
Phản biện 3: ... 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường 
Họp tại: .. 
Vào hồi giờ ngày tháng năm 
Có thể tìm hiểu luận án tại: 
Thư viện Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp 
Trung tâm học liệu - Đại học Thái Nguyên 
Thư viện Quốc gia 
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 
CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 
1. Nguyen Vinh Thuy, Nguyen Van Chi (2020), “State of Charge Estimation for 
Lithium-Ion Battery Using Sigma-point Kalman Filters Based on the Second 
Order Equivalent Circuit Model”, International Conference on Engineering 
Research and Applications (ICERA2019), LNNS 104, pp. 664–678, 2020, 
https://doi.org/10.1007/978-3-030-37497-6_77. Scopus 
2. Chi Nguyen Van, Thuy Nguyen Vinh (2020), “SoC Estimation of the Lithium-
Ion Battery Pack using a Sigma Point Kalman Filter Based on a Cell’s Second 
Order Dynamic Model”, Applied Sciences, 2020, Vol10, Issue5, 1896. 
https://doi:10.3390/app10051896. SCIE-Q1 
3. Nguyen Vinh Thuy, Nguyen Van Chi, Ngo Minh Duc, and Nguyen Hong 
Quang (2021), “State of Charge estimation of the Lithium-ion Battery Pack 
Based on Two Sigma Point Kalman Filters”, The 6th International Conference 
on Research in Intelligent and Computing in Engineering (RICE2021), Thu Dau 
Mot University, VietNam, June 3-4, 2021 
4. Chi Nguyen Van, Thuy Nguyen Vinh, Duc Ngo Minh, and Seon-Ju Ahn 
(2021), “Optimal SoC Balancing Control for Lithium-ion Battery Cells 
Connected in Series”, Energies, 2021, Vol14, Issue10, 2875, 
https://doi.org/10.3390/en14102875. SCIE-Q2 
5. Chi Nguyen Van, Thuy Nguyen Vinh (2021), “SoC Estimation for Lithium-Ion 
Batteries Connected in Series Using Two Sigma Point Kalman 
Filters”, International Journal of Electrical and Computer Engineering 
(IJECE), Vol12, No2, April 2022, ISSN: 2088-8708, DOI: 
10.11591/ijece.v12i2.pp1334-1349. Scopus-Q2 
1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết của đề tài. 
 Pin Lithium-Ion (LiB) có nhiều ưu điểm vượt trội so với nhiều loại pin khác vì 
vậy LiB được dùng nhiều trong các thiết bị điện và điện tử. Hiện nay LiB được dùng 
trong lĩnh vực có công suất lớn như hệ thống lưu trữ điện năng trong ngành năng lượng 
tái tạo, ô tô điện, Để tạo ra một bộ nguồn có công suất lớn, điện áp cao từ LiB thì 
phải ghép nối rất nhiều cell riêng lẻ thành một gói pin (LiBP) và ghép nối nhiều 
LiBP thành hệ thống công suất lớn, do đó cấu trúc của một hệ thống pin rất phức tạp. 
Để hệ thống pin làm việc ổn định, an toàn và đạt hiệu suất cao cần thiết phải giải quyết 
tốt các vấn đề kĩ thuật như: giám sát trạng thái tích điện (SoC) của các cell LiB và 
LiBP, SoC cho phép xác định năng lượng còn lại trong LiBP; điều khiển cân bằng 
SoC của các cell trong LiBP, giúp loại trừ được những sự cố nguy hiểm như cháy 
nổ, tránh hiện tượng quá nạp, quá xả, tăng tuổi thọ cho LiBP cũng như khai thác hết 
công suất của hệ thống. Với bài toán ước lượng và điều khiển tối ưu trạng thái cho 
LiBP trong điều kiện có xét đến ảnh hưởng của nhiễu, sự thay đổi của dòng xả/nạp, 
hiện nay chưa có công trình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước thực 
hiện. Vì vậy đề tài luận án có tính cấp thiết và thời sự cao, nếu được giải quyết sẽ bổ 
sung một phương pháp ước lượng SoC và điều khiển cân bằng cell tích cực cho 
LiBP, mặt khác cũng mở ra khả năng ứng dụng cho hệ thống quản lí pin thực tế. 
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 
Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết bộ lọc phi tuyến điểm Sigma (SPKF) để xây 
dựng phương pháp ước lượng SoC cell LiB và gói pin LiBP online trong điều kiện có 
xét đến ảnh hưởng của nhiễu, quá trình xả/nạp có tính chất thay đổi đột ngột. Dựa vào 
trạng thái SoC đã ước lượng được làm đầu vào, thực hiện bài toán điều khiển tối ưu 
cân bằng tích cực SoC online của LiBP để sai lệch SoC các cell trong LiBP là nhỏ 
nhất thỏa mãn các điều kiện ràng buộc về giới hạn SoC, giới hạn dòng nạp/xả của 
các cell, giới hạn về độ rộng xung của xung điều khiển, các điều kiện về vận hành 
an toàn. 
3. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 
* Đối tượng nghiên cứu: cell pin LiB và gói pin LiBP sử dụng cho các ứng 
dụng có công suất lớn. Các mạch cân bằng cell tích cực sử dụng mạch chuyển đổi 
Cuk hai chiều. 
* Phạm vi nghiên cứu: Mô hình cell pin và gói pin LiBP. Các phương pháp 
quan sát, ước lượng trạng thái SoC cho pin LiB. Các phương pháp điều khiển tối ưu 
và mạch cân bằng cell. 
* Phương pháp nghiên cứu: sử dụng phương pháp phân tích, đánh giá và tổng 
hợp. Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm. Thông qua nghiên cứu tổng 
quan để xác định vấn đề cần giải quyết về lý thuyết và thiết kế thuật toán giải quyết 
 vấn đề, kiểm chứng các nghiên cứu lý thuyết bằng mô phỏng và thí nghiệm. 
2 
4. Những đóng góp mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 
* Những đóng góp mới của luận án: 
- Xây dựng được mô hình toán học bậc hai của cell pin Lithium-Ion (LiB) và 
gói pin Lithium-Ion (LiBP) trong điều kiện có xét đến ảnh hưởng của trễ điện áp 
trong quá trình nạp/xả, nhiệt độ làm việc và trôi điểm không dòng điện. Mô hình 
toán phản ánh chính xác động học của LiB trong chế độ xạc/xả liên tục, các thông 
số trong mô hình LiBP được xác định đầy đủ thông qua dữ liệu thực nghiệm. 
- Thiết kế được bộ lọc SPKF để ước lượng trạng thái SoC cho từng cell LiB 
dựa trên mô hình toán đã xây dựng. Đề xuất phương pháp ước lượng SoC của LiBP 
bằng cách sử dụng 02 bộ lọc SPKF. 
- Thiết kế được cấu trúc mạch cân bằng cải tiến cho LiBP dựa trên bộ biến 
đổi Cuk hai chiều và thành lập bài toán điều khiển tối ưu quá trình cân bằng cell tích 
cực thỏa mãn các yêu cầu ràng buộc về quá trình vận hành. Sử dụng phương pháp 
SQP để giải bài toán điều khiển tối ưu phi tuyến cân bằng cell cho LiBP và đề xuất 
công thức điều chỉnh thích nghi điểm khởi phát. 
- Xây dựng thành công hệ thống thí nghiệm ước lượng SoC và cân bằng cell 
cho LiBP, trên hệ thống này có thể thực hiện được các thí nghiệm để minh chứng 
cho các kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án. Hệ thống thí nghiệm đã xây dựng 
không chỉ phục vụ cho luận án mà còn sử dụng được cho những nghiên cứu tiếp theo 
về hệ thống quản lý pin. 
 * Ý nghĩa khoa học của luận án: Bổ sung một phương pháp ước lượng SoC 
online cho LiB và LiBP sử dụng bộ lọc SPKF. Bổ sung một phương pháp điều khiển 
tối ưu cân bằng SoC tích cực cho các cell trong LiBP sử dụng thuật toán tối ưu SQP. 
 * Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng 
cho các hệ thống điều khiển và quản lý LiBP trong những ứng dụng công suất lớn 
như các hệ thống lưu trữ điện năng cho lĩnh vực năng lượng tái tạo, hệ thống pin 
trong xe điện và xe điện lai v.v. 
5. Bố cục của luận án 
 Cấu trúc luận án bao gồm phần mở đầu, năm chương và kết luận được bố cục 
như sau: 
Chương 1: Tổng quan về ước lượng và điều khiển trạng thái cho pin LiB. 
Chương 2: Ước lượng SoC cho cell LiB sử dụng bộ lọc SPKF và mô hình bậc 
hai của cell. 
Chương 3: Ước lượng SoC cho LiBP sử dụng bộ lọc SPKF 
Chương 4: Điều khiển tối ưu cân bằng SoC các cell trong LiBP 
Chương 5: Thí nghiệm ước lượng và điều khiển cân bằng SoC của LiBP 
Kết luận và kiến nghị 
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ƯỚC LƯỢNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 
TRẠNG THÁI CHO PIN LITHIUM-ION 
1.1 Giới thiệu chung về pin Lithium - Ion 
1.2 Tham số SoC của pin Lithium – Ion 
1.2.1 Khái niệm về tham số SoC của pin Lithium - Ion 
3 
1.2.2 Các đặc điểm của tham số SoC 
1.2.3 Bài toán ước lượng SoC cho LiB và LiBP 
Với công nghệ pin LiB hiện nay, các phương pháp ước lượng SoC được chia thành 
hai nhóm chính. 
- Phương pháp trực tiếp 
- Phương pháp gián tiếp 
1.3 Bài toán điều khiển cân bằng SoC của các cell trong LiBP 
1.3.1 Hiện tượng mất cân bằng SoC của các cell mắc nối tiếp 
1.3.2 Các phương pháp điều khiển cân bằng SoC cho các cell nối tiếp 
 - Phương pháp cân bằng thụ động 
 - Phương pháp cân bằng tích cực 
1.4 Hệ thống quản lí pin BMS 
1.5 Các vấn đề nghiên cứu đặt ra trong luận án 
Với cấu trúc phức tạp của LiB, bài toán ước lượng SoC cho các cell LiB và 
LiBP, cũng như vấn đề điều khiển cân bằng SoC các cell trong LiBP đóng một vai 
trò quan trọng đảm bảo cho hệ thống pin vận hành an toàn ổn định. Trong một số 
ứng dụng có quá trình vận hành khắc nghiệt như ô tô điện thì quá trình xả biến thiên 
liên tục đột ngột, đòi hỏi cần có một phương pháp ước lượng SoC hiệu quả và chính 
xác trong điều kiện các thông số của cell thay đổi theo nhiệt độ, ảnh hưởng của nhiễu 
trong quá trình làm việc,... Để đảm bảo quá trình vận hành an toàn, tránh các hiện 
tượng quá xả, quá nạp, kéo dài tuổi thọ của pin thì bài toán điều khiển cân bằng SoC 
cho các cell trong hệ thống pin là rất cần thiết. Luận án tập trung nghiên cứu hai vấn 
đề quan trọng sau: 
- Ước lượng SoC cho LiB và LiBP trong điều kiện các thông số của cell biến 
thiên theo nhiệt độ vận hành, các nhiễu trong quá trình đo dòng điện, điện áp và trôi 
điểm không của thiết bị đo. Sử dụng mô hình mạch điện tương đương bậc hai của 
cell pin và phương pháp ước lượng dựa trên bộ lọc phi tuyến điểm Sigma. 
- Điều khiển tối ưu cân bằng SoC tích cực cho LiBP dựa trên mạch Cuk hai 
chiều, nhằm cân bằng năng lượng giữa các cell thỏa mãn các điều kiện ràng buộc 
khi LiBP làm việc. Áp dụng phương pháp giải bài toán tối ưu phi tuyến SQP xác 
định độ rộng xung tối ưu điều khiển các mạch cân bằng SoC cho các cell trong LiBP. 
1.6 Kết luận chương 1 
 Chương 1 trình bày tổng quan về bài toán ước lượng và điều khiển trạng thái 
cho pin LiB, trình bày tổng quan về các phương pháp ước lượng SoC cũng như bài 
toán điều khiển cân bằng SoC cho các cell trong hệ thống pin. Trên cơ sở phân tích 
và tổng hợp các kết quả nghiên cứu trên thế giới, chỉ ra những ưu điểm, những điểm 
hạn chế và những vấn đề còn bỏ ngỏ cần phải tiếp tục nghiên cứu. Từ đó đưa ra các 
vấn đề nghiên cứu được thực hiện trong luận án. 
4 
Chương 2. ƯỚC LƯỢNG SoC CHO CELL PIN LITHIUM-ION SỬ DỤNG 
BỘ LỌC SPKF VÀ MÔ HÌNH BẬC HAI CỦA CELL 
2.1 Các loại mô hình cho cell pin Lithium – Ion 
2.2 Xây dựng mô hình toán cho pin Lithium-Ion 
2.2.1 Mô hình điện áp hở mạch 
2.2.2 Rời rạc hóa mô hình của pin Lithium-Ion 
2.2.3 Mô hình toán học bậc hai đầy đủ của LiB 
Mô hình mạch điện tương đương bậc hai được mô tả trên Hình 2-8. 
Hình 2-8. Mô hình mạch điện tương đương bậc hai cho cell LiB 
Phương trình biểu diễn dòng điện đi qua hai điện trở của hai cặp (R-C) trong 
mô hình của LiB là: 
1 1
2 2
1 1 1 1
2 2 2 2
( 1) exp ( ) 1 exp ( )
( 1) exp ( ) 1 exp ( )
    ∆ ∆
+ = ... ước lượng SoC đã được thực hiện trong chương 3. 
* Kịch bản xả: 
 Thực hiện xả LiBP liên tục với dòng xả, Ixả = 2.0A. Các kết quả mô phỏng 
được minh họa như Hình 4-10 đến Hình 4-12. 
Mô hình hệ thống 
cân bằng cell trong 
LiBP (4.17) 
Giải bài toán tối ưu 
SQP và các ràng buộc 
Ước lượng SoC 
các cell LiB 
17 
Hình 4-10. Quá trình cân bằng SoC 7 cell khi điều khiển cân bằng tối ưu (Ixả = 2.0A) 
Hình 4-11. Giá trị hàm mục tiêu J và số bước lặp tính toán khi giải bài toán tối ưu. 
Hình 4-12. Sự thay đổi độ rộng xung tối ưu của tín hiệu PWM đưa tới mạch cân bằng. 
* Kịch bản xả/nạp xen kẽ: 
 Thực hiện nạp/xả LiBP với kịch bản dòng xả Ixả = 2.0A và Ixả = 1.0A, dòng 
nạp Inạp = -1.0A. Các kết quả mô phỏng điều khiển tối ưu cân bằng SoC cho các cell 
được biểu diễn lần lượt như trên Hình 4-16, Hình 4-17 và Hình 4-18. 
18 
Hình 4-16. Quá trình cân bằng SoC 7 cell khi điều khiển cân bằng tối ưu khi xả/nạp 
Hình 4-17. Giá trị hàm mục tiêu J và số bước lặp tính toán khi giải bài toán tối ưu. 
Hình 4-18. Sự thay đổi độ rộng xung tối ưu của tín hiệu PWM đưa tới mạch cân bằng 
Nhận xét: 
 Trong các kịch bản mô phỏng, quá trình cân bằng SoC được thực hiện giữa 
hai cell liền kề theo luật là cell có SoC cao hơn sẽ truyền năng lượng sang cell có 
SoC thấp hơn thỏa mãn các điều kiện ràng buộc cho đến khi SoC của tất cả các cell 
cân bằng nhau. Quá trình truyền năng lượng giữa hai cell liền kề được thực hiện qua 
việc điều khiển độ rộng xung tối ưu của tín hiệu điều khiển đưa tới Q1 ÷ Q6 trong 
19 
từng mạch cân bằng. 
 Để minh họa rõ hơn cho hoạt động của mạch cân bằng, giả thiết SoC ban đầu 
của các cell phân bố đều trong khoảng từ 30% đến 90%. Tuy nhiên trong thực tế, 
khi làm việc thì SoC của các cell không cho phép có chênh lệch lớn nên thời gian 
cân bằng ngắn hơn. 
4.5 Kết luận chương 4 
Chương 4 của luận án đã giải quyết được các vấn đề sau: 
- Xây dựng mô hình cân bằng SoC cho các cell nối nối tiếp sử dụng biến đổi 
Cuk hai chiều có cải tiến dựa trên kỹ thuật cân bằng tích cực. 
- Đã thiết lập bài toán điều khiển tối ưu cân bằng cell khi xét đến các ràng buộc 
phi tuyến cân bằng và không cân bằng, sử dụng phương pháp tối ưu SQP để giải bài 
toán tối ưu phi tuyến. Luận án điều chỉnh lại giá trị điểm khởi phát thích nghi khi bài 
toán tối ưu rơi vào trường hợp hàm mục tiêu không giảm hoặc giảm chậm, đảm bảo 
hàm mục tiêu hội tụ về gần không. 
- Qua các kết quả mô phỏng đã kiểm chứng được tính đúng của thuật toán cân 
bằng cell đã thiết kế. 
Để có thể khẳng định thuật toán đã đề xuất áp dụng được trong thực tế không, 
phần tiếp tiếp theo luận án sẽ xây dựng hệ thống thí nghiệm ước lượng SoC và điều 
khiển tối ưu cân bằng cell cho LiBP online trong thời gian thực. 
Chương 5. THÍ NGHIỆM ƯỚC LƯỢNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 
CÂN BẰNG SoC CỦA LiBP 
5.1 Xây dựng hệ thống thí nghiệm 
Mục tiêu thí nghiệm nhằm kiểm tra, đánh giá tính đúng đắn của thuật toán ước 
lượng SoC và điều khiển tối ưu cân bằng SoC cho các cell trong LiBP đã đạt được 
trong luận án. Cấu trúc hệ thống thí nghiệm được mô tả như hình 5-1. 
Hình 5-1. Cấu trúc hệ thống thí nghiệm 
* Đối tượng LiBP 
 Sử dụng các cell LiB của SAMSUNG loại ICR18650-22P. Các thông số của 
một cell: dung lượng 2150mAh; điện áp nạp 4.2V; điện áp định mức 3.7V; dòng nạp 
tiêu chuẩn 1075mA; dòng xả tối đa 10A; điện áp xả hoàn toàn (Cut-off) 2.75V 
MÁY TÍNH 
Matlab, LabVIEW 
Ước lượng SoC và 
Điều khiển tối ưu 
cân bằng SoC 
Mô đun 
đo lường 
Mô đun điều 
khiển cân bằng 
PIN 
Lithium-Ion 
LiBP 
Nguồn 
nạp 
Tải 
u , i, 
T0C 
20 
* Mô đun đo lường 
 Gồm 7 mạch đo điện áp, 1 mạch đo dòng, 1 mạch đo nhiệt độ. Tín hiệu đo 
chênh áp được biến đổi và chuyển thành tín hiệu áp single-end có cách ly, sử dụng 
truyền thông theo chuẩn RS485 chuyển đổi thành tín hiệu số 10bit. 
* Mô đun điều khiển cân bằng cell 
 Gồm 06 mô đun giống nhau. Việc phát xung và điều chế PWM sử dụng vi xử 
lý, tần số và độ rộng xung được truyền thông từ máy tính thông qua truyền thông 
RS485. Chương trình điều khiển cho vi xử lý được cài đặt thông qua cổng lập trình. 
Mô đun điều khiển cân bằng SoC được lập trình với hai tần số là 10Khz và 20Khz, 
độ rộng xung thay đổi từ 0 đến 1, sử dụng 02 rơle để điều khiển quá trình truyền 
năng lượng cho hai cell liền kề. Lệnh được truyền từ máy tính tới mô đun cân bằng 
qua cổng truyền thông với định dạng “lệnh + địa chỉ + tham số”. 
* Tải 
Tải dùng trong thí nghiệm là động cơ BLDC, YONG-CHIDA-id67 công suất 
240W, điện áp định mức 24V, dòng định mức 10A, điều chỉnh mô men tải sử dụng 
ma sát, tốc độ tối đa 295 vòng/phút. 
* Nguồn nạp 
Sử dụng bộ nguồn DC lập trình được Owon ODP 3032. Hai kênh điều chỉnh 
độc lập, điện áp tối đa 36V, dòng điện tối đa 6A. Một kênh điện áp ra không đổi 5V, 
dòng điện 3A. 
* Máy tính 
 Máy tính kết nối với hệ thống thí nghiệm qua cổng truyền thông RS485, cài đặt 
phần mềm Matlab R2018a và LabVIEW2018 (32-bit). Phần mềm Matlab được 
nhúng vào LabVIEW để thực hiện các chương trình ước lượng SoC và tính toán điều 
khiển tối ưu cân bằng SoC cho LiBP. Phần mềm LabVIEW dùng để thiết lập giao 
diện điều khiển đồ họa. 
 Mô hình thí nghiệm trong luận án được thể hiện như trong Hình 5-7. 
Hình 5-7. Hệ thống thí nghiệm ước lượng SoC và điều khiển tối ưu cân bằng SoC cho LiBP 
Máy tính 
Mạch 
cân bằng 
Nguồn 
nạp nạp 
Tải 
LiBP 
21 
5.2 Kết quả thí nghiệm ước lượng SoC cho LiBP 
 Thuật toán ước lượng SoC cho LiBP được viết chương trình chính trên 
Matlab, sau đó nhúng vào LabVIEW. Để thực hiện thí nghiệm ước lượng SoC, đo 
thông số điện áp các cell, dòng điện, nhiệt độ của LiBP và đưa vào LabVIEW qua 
mô-đun đo lường. Khởi tạo các tham số trong mô hình bậc hai của cell LiB, các tham 
số của ma trận hiệp phương sai của nhiễu đo và sai lệch quan sát để thực hiện thuật 
toán ước lượng. 
 Luận án thí nghiệm ước lượng SoC cho các kịch bản xả liên tục, nạp liên tục 
và kịch bản xả/nạp xen kẽ. Trên hình 5-26 đến hình 5-31 minh họa cho kết quả thí 
nghiệm với kịch bản xả/nạp xen kẽ với dòng xả 
Hình 5-26. Dòng điện qua LiBP trong kịch 
bản xả/nạp xen kẽ, Ixả =1.8(A) và Inạp =1.0(A) 
Hình 5-27. Điện áp 07 mô đun
Hình 5-28. Nhiệt độ cell LiB Hình 5-29. Ước lượng SoC trung bình của LiBP
Hình 5-30. Ước lượng sai lệch ∆SoC cho 7 
mô đun 
Hình 5-31. Ước lượng SoC 7 mô đun của 
LiBP 
* Nhận xét: Qua kết quả thí nghiệm với các kịch bản trên cho thấy trong quá 
trình làm việc luôn có nhiễu đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ song ước lượng SoC 
thu được từ thí nghiệm thay đổi trơn và có dạng tương tự như kết quả mô phỏng. 
22 
5.3 Kết quả thí nghiệm điều khiển tối ưu cân bằng SoC 
Thuật toán điều khiển tối ưu cân bằng SoC cho các cell trong LiBP được viết 
chương trình chính trên nền Matlab, sau đó nhúng vào LabVIEW để điều khiển các 
mạch cân bằng. Giao diện chương trình điều khiển và hiển thị các kết quả thí nghiệm 
được xây dựng trên LabVIEW. 
Để thực hiện điều khiển cân bằng SoC cho các cell trong LiBP cần phải có SoC 
ban đầu của các cell, SoC ban đầu các cell được lấy từ kết quả của phần thí nghiệm 
ước lượng SoC thực hiện trong mục 5.2. Trong thí nghiệm điều khiển cân bằng SoC, 
cho LiBP làm việc với các kịch bản đặc trưng cho chế độ vận hành LiBP trong các 
ứng dụng thực tế. Kết quả thí nghiệm với kịch bản xả/nạp xen kẽ được minh họa như 
trên hình 5-55 đến 5-67. 
* Kịch bản dòng xả/nạp xen kẽ cố định: Ixả = 1.8A, Inạp = 1.0A 
Hình 5-55. Dòng điện qua LiBP trong kịch bản 
 xả/nạp xen kẽ (Ixả = 1.8A, Inạp = 1.0A) 
Hình 5-56. Điện áp 07 cell trong kịch bản 
 xả/nạp xen kẽ
Hình 5-58. Quá trình cân bằng SoC cho 7 cell Ixả = 1.8A, 
Inạp = 1.0A 
Hình 5-59. Giá trị hàm mục tiêu J
* Kịch bản dòng xả/nạp xen kẽ thay đổi ngẫu nghiên: Ixả = (0 ÷ 5)A, Inạp = 1.0A 
Hình 5-62. Dòng điện qua LiBP trong kịch bản xả/nạp xen 
kẽ, (Ixả = (0 ÷ 5)A, Inạp = 1.0A) 
Hình 5-63. Điện áp 07 cell 
23 
Hình 5-65. Quá trình cân bằng SoC cho 7 cell 
Ixả = (0 ÷ 5)A, Inạp = 1.0A 
Hình 5-66. Giá trị hàm mục tiêu J
Hình 5-67. Sự thay đổi độ rộng xung tối ưu điều khiển các mạch cân bằng. 
5.4 Kết luận 
Các kết quả thí nghiệm ước lượng SoC và điều khiển cân bằng cell trong 
LiBP đã đạt được các mục tiêu sau: 
- Mô hình thí nghiệm phù hợp, đảm bảo tính chính xác cho việc kiểm chứng 
các kết quả lý thuyết đã nghiên cứu trong luận án. 
- Ước lượng SoC và điều khiển tối ưu cân bằng SoC online cho LiBP 
- Các kết quả thí nghiệm kiểm chứng tính đúng đắn của phương pháp ước 
lượng SoC cho LiBP gồm nhiều cell nối tiếp dựa trên hai bộ lọc SPKF và điều khiển 
tối ưu cân bằng SoC cho LiBP dựa trên thuật toán tối ưu SQP. 
- Các kết quả thí nghiệm cũng chỉ ra ưu điểm của bộ lọc SPKF trong bài 
toán ước lượng SoC cho LiBP khi có nhiễu đo dòng điện và điện áp trong thực tế. 
(File video ghi kết quả thí nghiệm của luận án có thể xem tại địa chỉ 
https://www.youtube.com/watch?v=HV3wkqy8SsA). 
24 
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN ÁN 
1. Kết luận 
Các kết quả nghiên cứu của luận án đã có một số đóng góp mới như sau: 
- Xây dựng được mô hình toán học bậc hai của cell pin Lithium-Ion (LiB) và 
gói pin Lithium-Ion (LiBP) trong điều kiện có xét đến ảnh hưởng của trễ điện áp 
trong quá trình nạp/xả, nhiệt độ làm việc và trôi điểm không dòng điện. Mô hình 
toán phản ánh chính xác động học của LiB trong chế độ xạc/xả liên tục, các thông 
số trong mô hình LiBP được xác định đầy đủ thông qua dữ liệu thực nghiệm. 
- Thiết kế được bộ lọc SPKF để ước lượng trạng thái SoC cho từng cell LiB 
dựa trên mô hình toán đã xây dựng. Đề xuất phương pháp ước lượng SoC của LiBP 
bằng cách sử dụng 02 bộ lọc SPKF. 
- Thiết kế được cấu trúc và thuật toán điều khiển cân bằng cell tích cực cho 
LiBP dựa trên biến đổi Cuk hai chiều để tối ưu hóa năng lượng sử dụng. Luận án đã 
áp dụng thành công phương pháp điều khiển tối ưu SQP cho bài toán cân bằng cell, 
đề xuất công thức điều chỉnh điểm khởi phát thích nghi để giải quyết bài toán hội tụ 
của hàm mục tiêu. 
- Xây dựng thành công hệ thống thí nghiệm ước lượng SoC và cân bằng cell 
cho LiBP, trên hệ thống này có thể thực hiện được các thí nghiệm để minh chứng 
cho các kết quả nghiên cứu lý thuyết của luận án. Hệ thống thí nghiệm đã xây dựng 
không chỉ phục vụ cho luận án mà còn sử dụng được cho những nghiên cứu tiếp 
theo về hệ thống quản lý pin. 
2. Kiến nghị 
Luận án đã giải quyết được mục tiêu nghiên cứu đã đặt ra song luận án mở ra 
một số vấn đề và hướng nghiên cứu tiếp theo trong tương lai. 
- Tiếp tục nghiên cứu các thuật toán điều khiển phi tuyến cho bài toán ước 
lượng SoC khi xét đến hiện tượng già hóa và nhiệt của pin trên cơ sở mô hình toán 
học đã đề xuất. Cải thiện thời gian cân bằng cell cũng như giảm khối lượng tính toán. 
- Cài đặt mã nguồn của chương trình ước lượng SoC và điều khiển cân bằng 
cell vào vi xử lý thương mại. Hoàn thiện việc thiết kế phần cứng và phần mềm theo 
kiến trúc HIL (hardware in the loop) để triển khai ứng dụng vào hệ thống quản lý 
pin cho xe điện. 
25 

File đính kèm:

  • pdftom_tat_luan_an_uoc_luong_va_dieu_khien_toi_uu_trang_thai_pi.pdf
  • pdfTomtatluananAnh.pdf
  • docxTrang thông tin.docx
  • pdfTrang thông tin.pdf