ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HUỲNH PHÚ AN

HỆ THỐNG SẠC PIN ĐIỀU KHIỂN MỜ TỐI ƯU
DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN
AN OPTIMIZED FUZZY CONTROLLED
BATTERY CHARGING SYSTEM USING
A GENETIC ALGORITHM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. Nguyễn Tấn Lũy

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
ngày 15 tháng 06 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.

Chủ tịch: TS. Nguyễn Vinh
̃ Hảo

2.

Thư ký: TS. Trầ n Ngo ̣c Huy

3.

Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Tấn Lũy

4.

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Thanh Phương (ĐH Công nghệ TPHCM)

5.

Ủy viên: TS. Đă ̣ng Xuân Ba (Trường ĐH Sư Pha ̣m Kỹ Thuâ ̣t Tp. HCM)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN HUỲNH PHÚ AN

MSHV: 2070625

Ngày, tháng, năm sinh: 04/07/1998

Nơi sinh: Kiên Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa

Mã số : 8520216

I. TÊN ĐỀ TÀI:
Hệ thống sạc pin điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền
An optimized fuzzy controlled battery charging system using a genetic algorithm
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
• Nghiên cứu và thiết kế hệ thống sạc pin điều khiển mờ được tối ưu bằng
giải thuật di truyền nhằm tối ưu thời gian sạc và nhiệt độ của pin trong q
trình sạc.
• Mơ phỏng để kiểm tra, đưa ra đánh giá và nhận về chất lượng tối ưu của

giải thuật điều khiển.
• Thực nghiệm để kiểm tra, đưa ra đánh giá, nhận xét về tính thực tiễn của

hệ thống.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 11/06/2023

V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Huỳnh Thái Hoàng


ii

TP. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 06 năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


iii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy Phó giáo
sư - Tiến sĩ Huỳnh Thái Hoàng, người đã trực tiếp hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong
việc lựa chọn, triển khai thực hiện và hồn thành luận văn này.
Tơi cũng xin cảm ơn Công ty Cổ phần Kỹ thuật Công nghệ Tự động Hải Nam đã
tạo điều kiện về thời gian cũng như hỗ trợ các trang thiết bị cần thiết phục vụ cho
luận văn trong q trình cơng tác.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy cơ ở Trường Đại học Bách khoa nói
chung và các thầy cơ thuộc khoa Điện – Điện tử nói riêng với sự tận tâm trong
giảng dạy và truyền đạt các kiến thức, nền tảng cốt lõi và quan trọng để hồn thành
được luận văn thạc sĩ này.
Cuối cùng, tơi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với gia đình, bạn
bè, đồng nghiệp, những người đã ln động viên, giúp đỡ tơi trong q trình học tập
và công tác. Tôi rất mong sẽ tiếp tục nhận được sự khích lệ, quan tâm, giúp đỡ của
các quý thầy cơ và các bạn trong q trình nghiên cứu và cơng tác sau này.


TP. Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 05 năm 2023
Học viên thực hiện

Trần Huỳnh Phú An


iv

TÓM TẮT
Ngày nay, càng nhiều ứng dụng trong đời sống và công nghiệp sử dụng nguồn năng
lượng từ pin. Song song với đó là sự xuất hiện của yêu cầu một phương pháp sạc
pin nhanh mà không làm giảm tuổi thọ pin do nhiệt độ pin tăng cao trong quá trình
sạc, nhằm thay thế phương pháp sạc Đẳng Dịng và/hoặc Đẳng Áp vẫn còn đang
được sử dụng rất phổ biến. Do đó, đã có những nghiên cứu xây dựng hệ thống sạc
pin có thể điều chỉnh dịng sạc để duy trì nhiệt độ pin thấp, trong số đó bao gồm
phương pháp ứng dụng điều khiển mờ. Và để loại bỏ yếu tố con người trong hiệu
chỉnh điều khiển, một giải thuật di truyền cũng được ứng dụng để thiết kế bộ điều
khiển mờ tốt nhất.
Luận văn trình bày cách thiết kế một hệ thống sạc pin có thể điều khiển dịng sạc
nhằm duy trì nhiệt độ pin thấp nhất có thể và/hoặc tăng tốc độ sạc pin. Đầu tiên, hệ
thống sẽ dùng giải thuật di truyền để thiết kế lên một bộ điều khiển mờ phù hợp
nhất với yêu cầu đặt ra. Sau đó, bộ điều khiển mờ được ứng dụng vào bộ sạc pin.
Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống sạc có thể đạt được yêu cầu, hoặc là nhiệt độ
pin thấp nhất, hoặc thời gian sạc ngắn nhất, hoặc cả hai. Sai số trong hệ thống do
quá trình mơ hình hóa pin và thiết kế phần cứng có thể chấp nhận, nhưng cũng cho
thấy giới hạn của phương pháp đã đề ra.


v


ABSTRACT
Nowadays, battery is used as the power source for more and more applications in
our daily life and industrial environment. At the same time, there is also a
requirement for a new fast charging method without degrading battery lifetime due
to high battery cell temperature during charging, replacing common Constant
Current and/or Constant Voltage charging method. Therefore, there has been several
researches to develop a battery charging system that can control the charging
current to maintain low battery temperature. Implementing fuzzy logic controller is
one of solution. And to eliminate the human presence in design the control, a
genetic algorithm is also used to find the best fuzzy logic control set.
The thesis presents the development of a battery charging system which can control
the charging current to maintain the battery cell temperature at lowest as possible
and/or charge the battery as fast as possible. At first, the genetic algorithm is used to
simulate and develop the most suitable fuzzy logic controller for the requirement.
Next, the fuzzy logic controller is implemented to charge the battery.
Experimental results show that the system can work as requirement, either lowest
battery temperature, or shortest charging time, or both. The system error due to
battery modeling and hardware design is acceptable, but it still shows the limitation
of the proposed charging method.


vi

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ: “HỆ THỐNG SẠC PIN ĐIỀU KHIỂN MỜ TỐI
ƯU DÙNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN” là cơng trình nghiên cứu của bản thân.
Những phần sử dụng tài liệu tham khảo trong luận văn đã được nêu rõ trong phần tài
liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn là hồn tồn trung
thực, nếu sai tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn và

nhà trường đề ra.
HỌ TÊN HỌC VIÊN

Trần Huỳnh Phú An


vii

MỤC LỤC
Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ......................................................................1
1.1.

Lý do chọn đề tài ............................................................................................................. 1

1.2.

Các nghiên cứu liên quan ............................................................................................. 1

1.3.

Mục tiêu đề tài.................................................................................................................. 2

1.4.

Nhiệm vụ của đề tài........................................................................................................ 3

Chương 2. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ................................................4
2.1.

Mơ hình đối tượng pin................................................................................................... 4


2.1.1.

Giả định..................................................................................................................... 4

2.1.2.

Mơ hình pin khơng phụ thuộc vào nhiệt độ pin .......................................... 4

2.1.3.

Mơ hình theo nhiệt độ pin .................................................................................. 6

2.2.

Bộ sạc pin điều khiển logic mờ .................................................................................. 7

2.2.1.

Ngõ vào 1: Nhiệt độ pin ...................................................................................... 8

2.2.2.

Ngõ vào 2: Tốc độ tăng nhiệt độ pin .............................................................. 9

2.2.3.

Ngõ ra: Dòng điện sạc pin ............................................................................... 10

2.2.4.


Quy tắc mờ, phương pháp suy luận mờ và giải mờ ................................ 10

2.3.

Tối ưu điều khiển mờ bằng giải thuật di truyền ................................................ 12

2.3.1.

Cấu trúc nhiễm sắc thể và quần thể .............................................................. 13

2.3.2.

Đánh giá cá thể .................................................................................................... 14

2.3.3.

Chọn lọc ................................................................................................................. 15

2.3.4.

Lai ghép ................................................................................................................. 16

2.3.5.

Đột biến.................................................................................................................. 18

2.3.6.

Kết quả của GA ................................................................................................... 20


Chương 3. MÔ PHỎNG ............................................................................................ 21
3.1.

Phương pháp mô phỏng ............................................................................................. 21

3.2.

Các giá trị tùy chọn cho GA..................................................................................... 22

3.3.

Kết quả mô phỏng........................................................................................................ 23

3.3.1.

𝛾 = 0.6 ................................................................................................................... 23

3.3.2.

𝛾 = 1 ....................................................................................................................... 28

3.3.3.

𝛾 = 3 ....................................................................................................................... 33

3.3.4.

Sạc ở nhiệt độ khác ............................................................................................ 38


3.4.

Nhận xét .......................................................................................................................... 41

Chương 4. THỰC NGHIỆM ..................................................................................... 43


viii

4.1.

Tổng quát phần cứng .................................................................................................. 43

4.2.

Thi công phần cứng ..................................................................................................... 44

4.2.1.

Mạch động lực sạc ............................................................................................. 44

4.2.2.

Mạch điều khiển .................................................................................................. 46

4.2.3.

Các phần cứng khác ........................................................................................... 47

4.2.4.


Giao diện điều khiển WinForm ..................................................................... 48

4.3.

Thực nghiệm .................................................................................................................. 51

4.3.1.

Sạc CC .................................................................................................................... 51

4.3.2.

Sạc CV.................................................................................................................... 52

4.3.3.

Sạc CC-CV ........................................................................................................... 53

4.3.4.

Sạc FLC với 𝛾 = 0.6 ......................................................................................... 55

4.3.5.

Sạc FLC với 𝛾 = 3............................................................................................. 57

4.3.6.

So sánh các kết quả ............................................................................................ 58


4.4.

Nhận xét kết quả thực nghiệm ................................................................................. 59

4.4.1.

Nhận xét về mơ hình thi cơng: ....................................................................... 59

4.4.2.

Nhận xét về kết quả sạc: .................................................................................. 59

Chương 5. TỔNG KẾT.............................................................................................. 61
5.1.

Kết quả đạt được .......................................................................................................... 61

5.2.

Hạn chế ............................................................................................................................ 61

5.3.

Hướng phát triển .......................................................................................................... 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 63


ix


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Mạch điện tương đương của pin ................................................................................ 4
Hình 2.2: Cấu trúc tổng quát của bộ điều khiển mờ ............................................................... 7
Hình 2.3: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngôn ngữ của biến Nhiệt độ pin ........................ 8
Hình 2.4: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngôn ngữ của biến Tốc độ tăng nhiệt độ pin. 9
Hình 2.5: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngơn ngữ của biến Dịng điện sạc pin .......... 10
Hình 2.6: Lưu đồ tổng quát của GA .......................................................................................... 13
Hình 2.8: Xác suất chọn lọc tăng đều theo thứ hạng ........................................................... 15
Hình 2.7: Lưu đồ phương pháp chọn lọc................................................................................. 16
Hình 2.9: Lưu đồ phương pháp lai ghép .................................................................................. 17
Hình 2.10: Lưu đồ giải thuật đột biến ...................................................................................... 19
Hình 2.11: Lưu đồ giải thuật tổng quát của hệ thống sạc .................................................. 20
Hình 3.1: Các kết quả tối ưu của GA với 𝛾 = 0.6 ............................................................... 24
Hình 3.2: Các biến ngơn ngữ của ba lần chạy GA với 𝛾 = 0.6 ...................................... 25
Hình 3.3: So sánh kết quả dòng điện sạc, điện áp pin và trạng thái sạc của pin của
ba lần chạy GA với 𝛾 = 0.6 và khi sạc CC với dòng điện sạc 10A .............................. 26
Hình 3.4: So sánh kết quả dòng điện sạc và nhiệt độ của pin của ba lần chạy GA với
𝛾 = 0.6 và khi sạc CC với dịng điện sạc 10A ...................................................................... 27
Hình 3.5: Các kết quả tối ưu của GA với 𝛾 = 1 ................................................................... 29
Hình 3.6: Các biến ngơn ngữ của ba lần chạy GA với 𝛾 = 1 .......................................... 30
Hình 3.7: So sánh kết quả dòng điện sạc, điện áp pin và trạng thái sạc của pin của
ba lần chạy GA với 𝛾 = 1 và khi sạc CC với dòng điện sạc 10A .................................. 31
Hình 3.8: So sánh kết quả dịng điện sạc và nhiệt độ của pin của ba lần chạy GA với
𝛾 = 1 và khi sạc CC với dòng điện sạc 10A .......................................................................... 32
Hình 3.9: Các kết quả tối ưu của GA với 𝛾 = 3 ................................................................... 34
Hình 3.10: Các biến ngôn ngữ của ba lần chạy GA với 𝛾 = 3........................................ 35
Hình 3.11: So sánh kết quả dịng điện sạc, điện áp pin và trạng thái sạc của pin của
ba lần chạy GA với 𝛾 = 3 và khi sạc CC với dòng điện sạc 10A .................................. 36



x

Hình 3.12: So sánh kết quả dịng điện sạc và nhiệt độ của pin của ba lần chạy GA
với 𝛾 = 3 và khi sạc CC với dòng điện sạc 10A .................................................................. 37
Hình 3.13: Kết quả sạc FLC với 𝛾 = 1 ở nhiệt độ thấp hơn ............................................ 38
Hình 3.14: Kết quả sạc FLC với 𝛾 = 1 ở nhiệt độ cao hơn .............................................. 39
Hình 3.15: Kết quả sạc FLC với 𝛾 = 1 ở nhiệt độ thay đổi trong quá trình sạc ....... 40
Hình 4.1: Tổng quan phần cứng thực nghiệm ....................................................................... 43
Hình 4.2: Tổng quan phần cứng thi cơng ................................................................................ 44
Hình 4.3: Mạch giảm áp đã thi cơng ......................................................................................... 45
Hình 4.4: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển MOSFET sử dụng IC IR2110 ................... 45
Hình 4.5: Mạch điều khiển MOSFET đã thi cơng ............................................................... 45
Hình 4.6: Sơ đồ thiết kế mạch điều khiển ............................................................................... 46
Hình 4.7: Mạch điều khiển đã thi cơng .................................................................................... 47
Hình 4.8: Mạch đo đạc dịng điện qua pin .............................................................................. 47
Hình 4.9: Pin LiFePO4 cùng cảm biến nhiệt LM35 đặt tiếp xúc pin ............................ 48
Hình 4.10: Giao diện điều khiển chính, cho phép nhập thơng số pin............................ 49
Hình 4.11: Giao diện điều khiển GA ........................................................................................ 49
Hình 4.12: Giao diện điều khiển sạc CC-CV......................................................................... 50
Hình 4.13: Giao diện xem kết quả sạc của pin ...................................................................... 50
Hình 4.14: Kết quả sạc CC ........................................................................................................... 52
Hình 4.15: Kết quả sạc CV........................................................................................................... 53
Hình 4.16: Kết quả sạc CC-CV .................................................................................................. 54
Hình 4.17: Kết quả GA với 𝛾 = 0.6 ......................................................................................... 55
Hình 4.18: Kết quả sạc thực tế (màu xanh) so với mơ phỏng GA (màu đỏ) với 𝛾 =
0.6 ......................................................................................................................................................... 56
Hình 4.19: Kết quả GA với 𝛾 = 3 ............................................................................................. 57
Hình 4.20: Kết quả sạc thực tế (màu xanh) so với mô phỏng GA (màu đỏ) với 𝛾 = 3
................................................................................................................................................................ 58



xi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Bộ quy tắc mờ............................................................................................................... 11
Bảng 2.2: Cấu trúc NST ................................................................................................................ 14
Bảng 3.1: Thông số mô phỏng của pin .................................................................................... 21
Bảng 3.2: Các giá trị tùy chọn cho GA .................................................................................... 22
Bảng 3.3: Kết quả ba lần mô phỏng GA với 𝛾 = 0.6 ......................................................... 23
Bảng 3.4: Kết quả ba lần mô phỏng GA với 𝛾 = 1 ............................................................. 28
Bảng 3.5: Kết quả ba lần mô phỏng GA với 𝛾 = 3 ............................................................. 33
Bảng 4.1: Các kết quả sạc thực nghiệm ................................................................................... 58


xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
UPS

Uninterruptible Power Supply

CC

Constant Current

CV

Constant Voltage


BMS

Battery Management System

ERG

Explicit Reference Governor

MCCV

Multistage Constant Current – Constant Voltage

FLC

Fuzzy Logic Controller

GA

Genetic Algorithm

VRLA

Valve Regulated Lead–Acid

Ni-Cd

Niken–Cadmium

MISO


Multiple Input Single Output

NST

Nhiễm sắc thể

s

Second

LiFePO4

Lithium iron phosphate

ADC

Analog-to-Digital Converter

IC

Integrated Circuit


1

Chương 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1. Lý do chọn đề tài
Nguồn năng lượng pin đang là một trong những chủ đề nóng trong ngành cơng
nghiệp tự động, từ bộ lưu điện (Uninterruptible Power Supply – UPS) đến cuộc đua
xe điện của nhiều hãng xe lớn. Tuy vậy, thử thách lớn nhất trong sử dụng pin chính

là thời gian sạc, nhiệt độ và tuổi thọ của pin.
Khi sạc pin, dòng điện sạc càng lớn, thời gian sạc càng nhanh nhưng nhiệt độ pin
càng cao, từ đó làm giảm tuổi thọ pin, trong một số trường hợp có thể gây nguy hiểm
khi sử dụng nếu pin bị quá nhiệt. Ngược lại, dòng điện sạc nhỏ giúp pin duy trì được
tuổi thọ lâu hơn nhưng thời gian sạc quá dài, không đủ đáp ứng nếu pin cần được sử
dụng liên tục.
Ở hiện tại, hai phương pháp sạc được dùng phổ biến nhất cho mọi loại pin vẫn là
sạc Đẳng dòng (Constant Current – CC), sạc pin ở một mức dòng điện cố định, và
sạc Đẳng áp (Constant Voltage – CV), sạc pin ở một mức điện áp cố định.
Nhờ sự đơn giản trong thiết kế phần cứng và hiệu quả khi phối hợp hai phương
pháp sạc CC và CV, các nhà sản xuất vẫn tiếp tục khuyến cáo sử dụng phương pháp
sạc này, với dòng điện sạc pin và điện áp sạc pin được đề xuất ở mức thấp để đảm
bảo an toàn cho pin và người sử dụng, nhưng vẫn còn ở đó là khuyết điểm khơng
kiểm sốt được dịng điện sạc, thời gian sạc và nhiệt độ pin khi sạc, và phụ thuộc
nhiều vào một bộ quản lý pin Battery Management System (BMS) chỉ để ngắt sạc
nhằm bảo vệ pin khi xảy ra sạc quá dòng, sạc quá áp, hay pin bị quá nhiệt.
1.2. Các nghiên cứu liên quan
Để giải quyết vấn đề trên, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm ra phương
pháp sạc pin tự chỉnh thích hợp nhằm rút ngắn thời gian sạc mà không làm tăng nhiệt
độ pin quá cao dẫn đến giảm tuổi thọ pin [1].
Nghiên cứu [2] đề xuất phương pháp sạc nhanh đơn giản dùng giải thuật explicit
reference governor (ERG). Nghiên cứu [3] sử dụng phương pháp đẳng dòng – đẳng
áp nhiều mức (multistage constant current-constant voltage – MCCV) thích nghi để
sạc cho phương tiện.


2

Với bộ điều khiển mờ (Fuzzy Logic Controller – FLC), nghiên cứu [4] đề xuất
sử dụng để sạc dựa trên nhiệt độ, [5] cũng đề xuất tương tự nhưng có thể khả năng

ước lượng trạng thái sạc của pin. Các nghiên cứu [6] – [7] đề xuất các phương pháp
cập nhật bộ FLC, trong đó bao gồm phương pháp tối ưu bầy đàn. Và nghiên cứu [8]
đánh giá lại kết quả của ứng dụng điều khiển mờ để sạc, cho thấy hiệu quả hơn so với
phương pháp sạc đẳng dòng – đẳng áp.
Ở trong nước, nghiên cứu [9] của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện
Khoa học và cơng nghệ Việt Nam - Hàn Quốc trình bày phương pháp điều khiển dịng
điện sạc dựa trên mơ hình nhiệt cho phép sạc pin ở dòng điện cực đại cho đến khi
nhiệt độ đạt đến trạng thái quá độ và giảm dòng điện sạc lại theo nhiệt độ thực tế của
pin.
Ngoài ra, nghiên cứu [10] cũng đề xuất một số phương pháp quản lý nhiệt độ của
pin trên ô tô điện, tạo cơ hội để ứng dụng thêm cho các giải pháp sạc pin tốt hơn trong
tương lai.
1.3. Mục tiêu đề tài
Dựa trên nghiên cứu [11], một hệ thống sạc pin điều khiển mờ được tối ưu bằng
giải thuật di truyền (Genetic Algorithm – GA) được nghiên cứu và thực hiện với khả
năng có thể tùy chỉnh dịng điện sạc pin dựa theo nhiệt độ pin, từ đó đạt mục tiêu có
thể sạc pin nhanh mà khơng làm tăng nhiệt độ của pin quá nhanh và quá cao, nhờ đó
nâng cao hiệu quả sạc và kéo dài tuổi thọ của pin.
Do tính chất đối nghịch của thời gian sạc và nhiệt độ pin, hệ thống sạc cũng sẽ
được thiết kế để có thể ứng dụng linh hoạt trong trường hợp cần rút ngắn thời gian
sạc hoặc trường hợp cần nhiệt độ pin cực thấp.
Bộ điều khiển mờ tối ưu dùng giải thuật di truyền sẽ được đánh giá bằng mô
phỏng và thực hiện mơ hình thực tế để kiểm chứng thực nghiệm. Các kết quả thực
nghiệm sẽ được so sánh với các phương pháp sạc phổ biến là sạc CC, sạc CV, và sạc
phối hợp CC-CV.


3

1.4. Nhiệm vụ của đề tài

-

Xây dựng mơ hình mơ phỏng và mơ hình thực nghiệm của hệ thống sạc pin
điều khiển mờ sử dụng giải thuật di truyền.

-

Chứng minh được khả năng tối ưu của hệ thống sạc với đối tượng pin lithiumion.


4

Chương 2. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
2.1. Mơ hình đối tượng pin
Bước đầu của bài tốn là cần mơ hình hóa đối tượng pin theo nhiệt độ mơi trường
và nhiệt độ pin khi sạc.
Trong phạm vi của đề tài, đối tượng pin được nghiên cứu sẽ là loại pin LithiumIon. Các loại pin khác bao gồm Axit-Chì (VRLA), Niken-Cadium (Ni-Cd),… có thể
được mơ hình hóa theo cách thức tương tự [12].
2.1.1.

Giả định

Để mơ hình hóa được đối tượng pin Lithium-Ion cũng như các mẫu pin khác, cần
có những giả định sau:
-

Các hệ số của pin sẽ được tính từ đặc tuyến của pin khi đang phóng điện (pin
đang được sử dụng và xả điện) và được giả định là giống với đặc tuyến khi
đang sạc.


-

Dung lượng của pin không đổi theo độ lớn dịng điện, tức khơng có hiệu ứng
Paukert.

-

Pin khơng tự phóng điện.

-

Pin khơng có hiệu ứng nhớ, tức dung lượng pin sẽ không bị thay đổi sau nhiều
lần sạc và phóng điện.

-

Dung lượng pin khơng giảm dần theo thời gian.

-

Dịng điện sạc/xả có thể điều khiển được.

2.1.2.

Mơ hình pin khơng phụ thuộc vào nhiệt độ pin

Mạch điện tương đương của một pin bất kỳ được thể hiện trong Hình 2.1.

Hình 2.1: Mạch điện tương đương của pin



5

Trong đó:
-

i(t ) : dịng điện sạc của pin ( A )

-

vb (t ) : điện áp pin ( V )

-

voc (t ) : điện áp hở mạch tượng trưng cho nguồn sạc ( V )

Trong mơ hình trên, dịng điện i(t ) được xem là ngõ vào của mô hình và ngõ ra
là điện áp pin vb (t ) . Do mục tiêu là thiết kế hệ thống pin nên chỉ xem xét đến mơ
hình pin khi sạc và thực hiện mơ hình hóa tương tự nghiên cứu [12] như sau:
-

-

Phương trình trạng thái:

d
1
q t  
i t 
dt

3600

(1)

d
1
1
i * t    i * t   i t 
dt



(2)

Phương trình ngõ ra:

vb  t   E0  K

Q
Q
i * t   K
q t   A exp   Bq t    Ri(t ) (3)
q  t   0.1Q
Q  q t 
SOC t  

Q  q t 
100%
Q


(4)

Trong đó:
-

q  t  : lượng điện tích đã phóng của pin ( Ah )

-

i *  t  : dòng điện phân cực ( A )

-

E0 : điện áp cố định của pin ( V )

-

K : điện trở phân cực ( Ω hoặc V Ah )

-

Q : dung lượng pin ( Ah )

-

A : điện áp lũy thừa ( V )

-

B : dung lượng lũy thừa ( Ah -1 )


-

R : điện trở nội ( Ω )

-

SoC : trạng thái sạc (State of Charge) ( % )
Khi SoC  0% , pin đã xả cạn năng lượng, SoC  100% khi pin đã được sạc đầy.

Ngồi ra, có thể đo đạc điện áp pin để xác định trạng thái sạc đầy và xả cạn của pin.


6

2.1.3.

Mơ hình theo nhiệt độ pin

Trong thực tế, các thơng số của pin sẽ có thay đổi theo nhiệt độ của pin và nhiệt
độ môi trường như sau [13]:

Q
T T
T a ref



(5)


E
T T
T c ref



(6)

 
1
1

  Tc Tref
 






(7)

 
1
1
 exp   
  Tc Tref
 







(8)

Q Ta   Q |Tref 

E0 Tc   E0 |Tref 





R Tc   R |Tref  exp   
K Tc   K |Tref
Trong đó:
-

Q |Tref , E0 |Tref , R |Tref , K |Tref là các giá trị tại một nhiệt độ tham chiếu Tref ,
thường là 25o C theo tài liệu kỹ thuật của pin

-

Q T là hệ số tỉ lệ dung lượng cực đại - nhiệt độ ( Ah K )

-

E T là hệ số tỉ lệ thuận nghịch điện áp - nhiệt độ ( V K )


-

 là hằng số tốc độ Arrhenius của điện trở nội ( K )

-

 là hằng số tốc độ Arrhenius của điện trở phân cực ( K )

-

Ta là nhiệt độ môi trường ( o C )

-

Tc là nhiệt độ của pin ( o C )
Khi đó, phương trình ngõ điện áp pin sẽ được viết lại đầy đủ thành:

vb  t , Ta , Tc   E0 Tc   K Tc 

Q Ta 
Q Ta 
i * t   K Tc 
q t 
q  t   0.1Q Ta 
Q Ta   q t 
(9)
 A exp   Bq  t    R Tc  i  t 

Trong quá trình sạc, nhiệt độ của pin cũng sẽ thay đổi tùy theo dịng điện sạc và
có thể mơ tả bằng phương trình sau:



7

Ploss   E0 Tc   vb Tc  i t  

E
i t  Tc t   P
T

d
1
1
Tc t   Ta  Tc t     Ploss Rth 
dt
tc
tc

(10)
(11)

Trong đó:
-

tc : thời hằng nhiệt giữa pin và môi trường ( s )

-

Rth : điện trở nhiệt giữa pin và môi trường ( K W )


-

Ploss : công suất nhiệt được tạo ra trong quá trình sạc/xả ( W )

-

P : chênh lệch cơng suất thất thoát giữa sạc và xả ( W )

Như vậy, mơ hình trạng thái và ngõ ra đầy đủ của pin theo nhiệt độ sẽ bao gồm
các phương trình (1), (2), (9) và (11).
Các hằng số nhiệt độ có thể được tính bằng các phương pháp ước lượng hoặc dựa
vào các đường đặc tuyến phóng điện và đặc tuyến nhiệt độ của pin ở các nhiệt độ môi
trường khác nhau có trong tài liệu kỹ thuật của pin.
2.2. Bộ sạc pin điều khiển logic mờ
Điều khiển logic mờ là phương pháp điều khiển tự động bằng cách bắt chước quá
trình xử lý các thông tin không rõ ràng và ra quyết định điều khiển của con người
[14].
Trong đề tài này, một bộ FLC gồm nhiều ngõ vào và một ngõ ra (Multiple Input
Single Output – MISO) được ứng dụng để điều khiển dòng điện sạc pin dựa trên nhiệt
độ của pin và sự thay đổi nhiệt độ của pin như sau:

Hình 2.2: Cấu trúc tổng quát của bộ điều khiển mờ


8

2.2.1.

Ngõ vào 1: Nhiệt độ pin


Biến ngôn ngữ ngõ vào Nhiệt độ pin sẽ bao gồm bốn giá trị ngôn ngữ được biểu
diễn bằng bốn tập mờ phân hoạch mờ tổng quát như sau:

Hình 2.3: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngơn ngữ của biến Nhiệt độ pin
Trong đó:
-

Thấp (Low): Vùng nhiệt độ thấp, biểu diễn bằng một tập mờ hình thang

TcLow   , 0, TcL, TcM  .
-

Trung bình (Med): Vùng nhiệt độ trung bình, biểu diễn bằng một tập mờ hình
tam giác TcMed  TcL, TcM , TcH  .

-

Cao (High): Vùng nhiệt độ pin cao, biểu diễn bằng một tập mờ hình tam giác

TcHigh  TcM , TcH , TcO  .
-

Quá cao (Over): Vùng nhiệt độ pin quá cao, cần giảm dòng điện sạc hoặc ngắt
sạc để bảo vệ pin khỏi quá nhiệt, biểu diễn một tập mờ hình thang

TcOver  TcH ,TcO,TcMax,   .
-

Điều kiện: 0  TcL  TcM  TcH  TcO  TcMax .



9

2.2.2.

Ngõ vào 2: Tốc độ tăng nhiệt độ pin

Trong quá trình sạc hay phóng điện, nhiệt độ của pin sẽ tăng. Để kiểm soát sự
gia tăng nhiệt độ này, bộ điều khiển sẽ theo dõi tốc độ tăng nhiệt độ pin để điều chỉnh
tránh làm nhiệt độ tăng quá nhanh và quá cao.
Biến ngôn ngữ ngõ vào Tốc độ tăng nhiệt độ pin sẽ bao gồm ba giá trị ngôn ngữ
được biểu diễn bằng ba tập mờ phân hoạch mờ như sau:

Hình 2.4: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngôn ngữ của biến Tốc độ tăng nhiệt độ pin
Trong đó:
-

Thấp (Low): Vùng nhiệt độ có tốc độ tăng thấp, biểu diễn bằng một tập mờ
hình thang dTcLow   , 0, dTcL, dTcM  .

-

Trung bình (Med): Vùng nhiệt độ có tốc độ tăng trung bình, biểu diễn bằng
một tập mờ hình tam giác dTcMed   dTcL, dTcM , dTcH  .

-

Cao (High): Vùng nhiệt độ có tốc độ tăng cao, biểu diễn bằng một tập mờ hình
thang dTcHigh   dTcM , dTcH , dTcMax,   .


-

Điều kiện: 0  dTcL  dTcM  dTcH  dTcMax


10

2.2.3.

Ngõ ra: Dịng điện sạc pin

Biến ngơn ngữ ngõ ra Dòng điện sạc pin sẽ bao gồm sáu giá trị ngôn ngữ được
biểu diễn bằng sáu tập mờ dạng vạch (singleton) như sau:

Hình 2.5: Tập mờ biểu diễn các giá trị ngơn ngữ của biến Dịng điện sạc pin
Trong đó:
-

Ngắt sạc (Zero): Trạng thái ngắt dòng điện sạc, ứng với i  icZ  0 .

-

Rất thấp (Very Low): Trạng thái dòng điện sạc rất thấp, ứng với i  icVL .

-

Thấp (Low): Trạng thái dòng điện sạc thấp, ứng với i  icL .

-


Trung bình (Medium): Trạng thái dịng điện sạc trung bình, ứng với i  icM .

-

Cao (High): Trạng thái dòng điện sạc cao, ứng với i  icH .

-

Rất cao (Very High): Trạng thái dòng điện sạc rất cao, ứng với i  icVH .

-

Điều kiện: 0  icVL  icL  icM  icH  icVH  iMax

2.2.4.

Quy tắc mờ, phương pháp suy luận mờ và giải mờ

Dòng điện sạc pin và sự thay đổi nhiệt độ của pin có mối quan hệ thuận nghịch.
Khi dịng điện sạc càng lớn thì nhiệt độ pin càng tăng nhanh và nhiệt độ lên cao,
và ngược lại, dòng điện sạc càng nhỏ thì nhiệt độ pin càng tăng chậm và nhiệt độ
được giữ thấp.
Ngồi ra, từ q trình mơ phỏng và thực nghiệm cũng cho thấy, dịng điện thay
đổi trong quá trình sạc cũng làm thay đổi nhiệt độ pin. Nếu dịng điện giảm mạnh thì


11

nhiệt độ pin sẽ có xu hướng bắt đầu giảm dần sau một thời gian. Nếu dịng điện giảm
nhẹ thì nhiệt độ pin có xu hướng ổn định và ít thay đổi.

Như vậy, trường hợp pin có nhiệt độ cao và có xu hướng tăng nhanh, ta cần giảm
dịng sạc về rất thấp để kiềm hãm sự gia tăng nhiệt độ pin trước khi nhiệt độ đạt
ngưỡng nguy hiểm. Tương tự, trường hợp pin có nhiệt độ trung bình và có xu hướng
tăng nhanh, ta giảm dịng sạc về mức thấp để kiềm hãm nhiệt độ nhưng không quá
thấp để duy trì tốc độ sạc nhanh. Trong khi đó, nếu nhiệt độ pin đang ở mức thấp và
khơng có xu hướng tăng nhanh, ta có thể sạc pin ở dịng điện sạc rất cao để tăng tốc
độ sạc pin, và sau đó giảm dịng sạc nếu nhiệt độ pin lên mức trung bình hoặc cao,
hoặc nếu nhiệt độ pin có xu hướng tăng vừa phải hoặc nhanh. Và khi nhiệt độ đã đạt
ngưỡng nguy hiểm thì cần ngắt sạc để bảo vệ an toàn pin.
Từ các hiểu biết và kinh nghiệm ở trên, bộ quy tắc mờ Sugeno với ngõ ra là hằng
số được xây dựng như sau:
Bảng 2.1: Bộ quy tắc mờ
Tốc độ thay đổi

Quy tắc

Nhiệt độ pin

ic1

Thấp

Thấp

Rất cao

ic2

Trung bình


Thấp

Cao

ic3

Cao

Thấp

Trung bình

ic4

Rất cao

Thấp

Ngắt sạc

ic5

Thấp

Trung bình

Cao

ic6


Trung bình

Trung bình

Trung bình

ic7

Cao

Trung bình

Thấp

ic8

Rất cao

Trung bình

Ngắt sạc

ic9

Thấp

Cao

Trung bình


nhiệt độ pin

Dịng sạc