CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NHẬT NAM

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT CHẤT
LƯỢNG ẮC QUY SỬ DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN
TMS320F28377S

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG TP.HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Quang Nam .......................................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Ngọc Tú...................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS. Châu Minh Thuyên ......................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày 15 tháng 07 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.
2.
3.
4.
5.

Chủ tịch:
GS. TS. Hồ Phạm Huy Ánh ...................................................
Thư ký:
TS. Phan Quang Ấn ...............................................................
Phản biện 1: TS. Nguyễn Ngọc Tú .............................................................
Phản biện 2: PGS. TS. Châu Minh Thuyên ................................................
Ủy viên:
TS. Huỳnh Văn Vạn ..............................................................

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

GS. TS. Hồ Phạm Huy Ánh

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Nhật Nam ...................... MSHV: 2170662 .....................................
Ngày, tháng, năm sinh: 26/07/1993 ....................... Nơi sinh: TP.Hồ Chí Minh ......................
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện ................................ Mã số: 8520201 .......................................
I. TÊN ĐỀ TÀI: Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều
khiển TMS320F28377S (Design and construct a battery monitoring device using
TMS320F28377S microcontroller) .......................................................................................
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1) Xây dựng mô hình tương đương của ắc quy acid chì và giải thuật ước lượng SOC, SOH
cho ắc quy ................................................................................................................................
2) Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên phần mềm PLECS và chạy mô phỏng giải thuật ..............
3) Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc quy sử dụng vi điều khiển
TMS320F28377S .....................................................................................................................
4) Tiến hành thực nghiệm đánh giá hoạt động của thiết bị giám sát ắc quy và các giải thuật
ước lượng SOC, SOH ..............................................................................................................
5) Ghi nhận và đánh giá các kết quả đạt được .........................................................................
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 06/02/2023 ....................
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ (Ghi theo trong QĐ giao đề tài): 11/06/2022 ..
IV. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): TS. Nguyễn Quang Nam
.................................................................................................................................................
Tp.HCM, ngày … tháng … năm …

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Nguyễn Quang Nam

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang i


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Quang Nam đã tận
tình hướng dẫn, chỉ bảo và phản hồi những thắc mắc của tôi trong thời gian sớm nhất
để giúp tơi có thể hồn thành luận văn này. Trong q trình nghiên cứu, tơi đã được
thầy cho những lời khun rất hữu ích và đây ắt hẳn sẽ là hành trang để tơi có thể sử
dụng trong học tập cũng như sự nghiệp trong tương lai.
Ngồi ra, tơi cũng xin cảm ơn Cơ quan mà tôi đang hiện tại công tác – Cơng
ty Thí nghiệm Điện lực TP.HCM đã hỗ trợ về mặt thời gian cũng như cơ sở vật chất
phịng thí nghiệm để tơi có thời gian thực hiện luận văn.
Trong quá trình thực hiện luận văn, chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sốt. Tôi rất mong nhận được sự cảm thơng và tân tình chỉ bảo của q thầy cô.
Xin chân thành cảm ơn.
Học viên/ Tác giả

Nguyễn Nhật Nam

\

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang ii



CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

TÓM TẮT
Ắc quy là một thiết bị lưu trữ điện được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xe
điện, năng lượng tái tạo, hệ thống lưu trữ dự phịng trong các cơng trình trạm điện,
cơng trình viễn thông, v.v... Giám sát chất lượng ắc quy là một công việc hết sức quan
trọng để việc vận hành của hệ thống được diễn ra suôn sẻ, kịp thời có kế hoạch bảo
trì bảo dưỡng hoặc thay thế các ắc quy có chất lượng kém ra khỏi hệ thống.
Đề tài này hướng đến việc chế tạo một thiết bị đơn giản, chi phí chế tạo thấp
nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cao (sai số khơng q 5%) nhằm giám sát một số
thông số cơ bản của ắc quy như dịng điện, điện áp, mức độ sạc (SOC), tình trạng sức
khỏe (SOH) mà không cần ngắt ắc quy ra khỏi vận hành, và được ứng dụng chủ yếu
cho công trình trạm điện, trạm biến áp. Đề tài cũng sẽ xây dựng các giải thuật ước
lượng SOC, SOH dựa trên các phương pháp truyền thống để áp dụng lên thiết bị giám
sát này.
Ngoài việc chế tạo thiết bị giám sát ắc quy, đề tài cũng hướng đến việc xây
dựng một hệ sinh thái xung quanh nó, cụ thể là các phần mềm SCADA cho phép
người vận hành hệ thống giao tiếp và kiểm tra các thông số mà thiết bị giám sát đã
thu thập được.

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang iii


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

ABSTRACT

Battery is a electrical storage device that is used in many applications such as
electric vehicles, renewable energy, power substation, telecommunication system,
etc... Battery supervision is an extremely important process to ensure the opration of
any battery system, as any degrading battery during operation can be either put under
maintenance or replaced.
This thesis aims to create a simple, low-cost device with decent accuracy
(aiming for less than 5% error) for supervising several of battery’s key parameters
such as operating current, voltage, State of Charge (SOC) or State of Health (SOH),
all without having to interrupt the batteries’ operation, and would be mainly used in
power substation application. This thesis also aims to create a simple SOC and SOH
estimation algorithm based on traditional method to use on this device.
Aside from creating the battery supervision device, this thesis also aims to
create an ecosystem around it, specifically a SCADA software allowing system
operator to communicate and examine the paramaters that the battery supervision
device has collected.

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang iv


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài: “Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát chất lượng ắc
quy sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S” là một cơng trình nghiên cứu độc lập,
khơng sao chép từ những cơng trình nghiên cứu khác. Đề tài là một sản phẩm mà tôi
đã nỗ lực nghiên cứu trong quá trình học tập tại trường cùng với sự hướng dẫn tận
tình của Thầy TS. Nguyễn Quang Nam. Trong quá trình thực hiện luận văn, các tài
liệu tham khảo đã được trích dẫn nguồn gốc rõ ràng và trung thực. Tơi xin hồn tồn

trách nhiệm nếu có vấn đề liên quan đến bản quyền hoặc đề tài nghiên cứu có tính
trùng lắp.
Học viên/ Tác giả

Nguyễn Nhật Nam

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang v


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ.......................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
TÓM TẮT ................................................................................................................ iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................xii
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG ...................................................................... 1
1.1.

Giới thiệu khái quát và hướng tiếp cận đề tài ..................................1

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu và quy mô đề tài .............................................3


1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................3
1.2.2. Quy mô đề tài ..............................................................................3
1.3.

Phương pháp nghiên cứu .................................................................4

1.4.

Cấu trúc của luận văn .......................................................................6

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG SOC VÀ SOH CỦA
ẮC QUY ACID CHÌ ................................................................................................. 7
2.1.

Tổng quan về ắc quy acid chì ..........................................................7

2.2.

Một số phương pháp ước lượng SOC của ắc quy acid chì ..............8

2.2.1. Phương pháp điện áp hở mạch OCV...........................................8
2.2.2. Phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting) ....................9
2.2.3. Phương pháp sử dụng thuật tốn thích nghi ................................9
2.2.4. Phương pháp lai...........................................................................9
2.3.

Xây dựng giải thuật ước lượng SOC bằng phương pháp điện áp hở

mạch OCV


........................................................................................................10

2.3.1. Xây dựng mơ hình tương đương của ắc quy acid chì ...............10
HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang vi


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

2.3.2. Xây dựng giải thuật ước lượng SOC .........................................12
2.4.

Mô phỏng giải thuật với phần mềm PLECS ..................................16

2.4.1. Xây dựng mơ hình tương đương của ắc quy bằng phần mềm
PLECS

16

2.4.2. Kết quả mô phỏng .....................................................................18
2.5.

Phương pháp ước lượng SOH bằng phương pháp đếm điện tích

(Coulomb counting) ..............................................................................................24
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ GIÁM SÁT ẮC QUY SỬ
DỤNG VI ĐIỀU KHIỂN TMS320F28377S .......................................................... 27
3.1.


Khái quát về vi điều khiển TMS320F28377S................................27

3.2.

Thiết kế phần cứng .........................................................................29

3.2.1. Thiết kế mạch đo áp ..................................................................29
3.2.2. Thiết kế mạch đo dòng ..............................................................30
3.2.3. Hồn thiện thiết bị .....................................................................32
3.2.4. Lập trình nhúng cho thiết bị giám sát ắc quy ............................34
3.3.

Phần mềm thu thập dữ liệu trên máy tính ......................................34

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .......................................................... 38
4.1.

Các bước chuẩn bị ..........................................................................38

4.1.1. Loại ắc quy sử dụng ..................................................................38
4.1.2. Xác định các thông số của ắc quy .............................................38
4.2.

Thực nghiệm kiểm chứng giải thuật đánh giá SOC .......................39

4.2.1. Đánh giá SOC trong chu trình xả dịng C/10 (có gián đoạn) ....39
4.2.2. Đánh giá SOC trong chu trình sạc dịng C/10 (có gián đoạn) ..43
4.2.3. Đánh giá SOC trong chu trình xả dịng C/5 (khơng gián đoạn) 44

HVTH: Nguyễn Nhật Nam


Trang vii


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

4.3.

Thực nghiệm đánh giá khả năng ước lượng SOH của thiết bị .......47

CHƯƠNG 5. ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................... 50
5.1.

Đánh giá kết quả ............................................................................50

5.2.

Đề xuất phương pháp cải thiện giải thuật ước lượng SOC ............51

5.3.

Hướng phát triển ............................................................................51

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 53
PHỤ LỤC ................................................................................................................. 56
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ........................................................................ 72
Q TRÌNH ĐÀO TẠO ........................................................................................ 72
Q TRÌNH CƠNG TÁC ..................................................................................... 72

HVTH: Nguyễn Nhật Nam


Trang viii


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hình ảnh minh họa giàn ắc quy được sử dụng ở các trạm điện ...................2
Hình 1.2 Mơ hình khối hệ thống .................................................................................4
Hình 2.1 Cấu trúc của 1 ắc quy acid chì 12V (gồm 6 cell) .........................................8
Hình 2.2. Mơ hình tương đương tổng thể của ắc quy acid chì..................................10
Hình 2.3. Mơ hình tương đương của ắc quy acid chì (xem như các trở kháng ký sinh
trong 2 quá trình nạp – xả là xấp xỉ nhau trong những phân đoạn SOC hẹp)...........11
Hình 2.4. Mơ hình tương đương đơn giản hóa của ắc quy acid chì (xem như các nội
trở trong 2 quá trình nạp – xả là xấp xỉ nhau trong những phân đoạn SOC hẹp) .....12
Hình 2.5. Một ví dụ về giản đồ mối quan hệ giữa SOC và nội trở của một ắc quy acid
chì ..............................................................................................................................13
Hình 2.6. Mơ hình tổng qt của hệ thống mơ phỏng ..............................................17
Hình 2.7. Mơ hình tương đương mơ phỏng của ắc quy ............................................17
Hình 2.8 Kết quả mô phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình sạc dịng 1
A – 10 giờ ..................................................................................................................19
Hình 2.9 Kết quả mô phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình sạc dịng 1 A
– 10 giờ ......................................................................................................................19
Hình 2.10 Kết quả mơ phỏng SOC của ắc quy trong chu trình sạc dịng 1 A – 10 giờ
...................................................................................................................................20
Hình 2.11 Kết quả mơ phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình xả dịng 1
A – 10 giờ ..................................................................................................................21
Hình 2.12 Kết quả mơ phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình xả dịng 1 A
– 10 giờ ......................................................................................................................21
Hình 2.13 Kết quả mơ phỏng SOC của ắc quy trong chu trình xả dịng 1 A – 10 giờ

...................................................................................................................................22

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang ix


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

Hình 2.14 Kết quả mơ phỏng điện áp hở mạch của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ
xen kẽ ........................................................................................................................23
Hình 2.15 Kết quả mơ phỏng điện áp đầu cực của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ
xen kẽ ........................................................................................................................23
Hình 2.16 Kết quả mơ phỏng SOC của ắc quy trong chu trình sạc – nghỉ xen kẽ ...24
Hình 3.1 Hình ảnh vi điều khiển TMS320F28377S .................................................27
Hình 3.2 Các module của vi điều khiển TMS320F28377S và thơng số kỹ thuật của
chúng .........................................................................................................................27
Hình 3.3 Hình ảnh kit phát triển C2000 Delfino sử dụng vi điều khiển
TMS320F28377S ......................................................................................................28
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý mạch đo áp ......................................................................30
Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng dùng cảm biến ACS712 ..........................31
Hình 3.6 Module dạng cắm được thiết kế sẵn cho cảm biến dịng ACS712 ............31
Hình 3.7 Bản vẽ schematic board mạch của thiết bị giám sát ắc quy .......................32
Hình 3.8 Bản vẽ layout board mạch của thiết bị giám sát ắc quy .............................33
Hình 3.9 Thiết bị giám sát ắc quy sau khi được chế tạo hồn chỉnh ........................34
Hình 3.10 Giao diện của phần mềm thu thập dữ liệu ắc quy ....................................37
Hình 4.1 Hình ảnh ắc quy được sử dụng cho việc thử nghiệm .................................38
Hình 4.2 Tiến hành thực nghiệm...............................................................................40
Hình 4.3 Thiết bị giám sát ắc quy trong quá trình thử nghiệm .................................40
Hình 4.4 Đồ thị SOC theo thời gian (xả dịng C/10 có gián đoạn) ...........................41

Hình 4.5 Đồ thị điện áp đầu cực ắc quy theo thời gian (xả dịng C/10 có gián đoạn)
...................................................................................................................................42
Hình 4.6 Đồ thị SOC theo thời gian (sạc dịng C/10 có gián đoạn)..........................43

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang x


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

Hình 4.7 Đồ thị điện áp đầu cực của ắc quy theo thời gian (sạc dòng C/10 có gián
đoạn) ..........................................................................................................................44
Hình 4.8 Đồ thị SOC theo thời gian (xả dịng C/5 khơng gián đoạn) .......................45
Hình 4.9 Đồ thị điện áp đầu cực của ắc quy theo thời gian (xả dịng C/5 khơng gián
đoạn) ..........................................................................................................................46
Hình 4.10 Kết quả thử nghiệm đánh giá khả năng ước lượng SOH .........................48
Hình 4.11 Điện áp đầu cực của 2 ắc quy trong quá trình thử nghiệm chức năng ước
lượng SOH ................................................................................................................49

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang xi


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện luận văn .................................4
Bảng 2.1 Định dạng bảng dữ liệu ắc quy ..................................................................13

Bảng 3.1 Bảng tổng hợp linh kiện dùng để chế tạo thiết bị giám sát ắc quy ............32
Bảng 3.2 Cấu trúc luồng dữ liệu gửi từ thiết bị giám sát ắc quy về máy tính ..........35
Bảng 3.3 Cấu trúc log file .........................................................................................36
Bảng 4.1 Bảng dữ liệu điện áp đầu cực với dòng xả C/10 ........................................39
Bảng 4.2 Bảng dữ liệu điện áp đầu cực với dòng sạc C/10 ......................................39
Bảng 4.3 Bảng dữ liệu ước lượng điện áp hở mạch và nội trở của ắc quy ...............39

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang xii


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa của từ viết tắt

ADC

Analog to Digital Converter

HMI

Human-machine Interface

IDE

Intergrated Development

Environment

Ý nghĩa tiếng Việt
Module chuyển đổi tín hiệu
tương tự sang số
Giao diện người – máy
Mơi trường phát triển tích hợp
(hiểu đơn giản là phần mềm giúp
lập trình)

MCU

Microcontroller Unit

Vi điều khiển

OCV

Open-circuit Voltage

Điện áp hở mạch

Supervisory Control and Data

Hệ thống giám sát, điều khiển và

Acquisition

thu thập dữ liệu


SOC

State of Charge

Mức độ sạc của ắc quy

SOH

State of Health

Tình trạng sức khỏe của ắc quy

Universal asynchronous

Giao thức truyền tín hiệu serial

receiver/transmitter

bất đồng bộ

Uninterruptible Power Supply

Nguồn điện không ngắt quãng

SCADA

UART
UPS

HVTH: Nguyễn Nhật Nam


Trang xiii


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU CHUNG
1.1.

Giới thiệu khái quát và hướng tiếp cận đề tài
Ắc quy (hay pin) là thiết bị lưu trữ điện năng dưới dạng điện một chiều được

sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực ngày nay, chẳng hạn:
 Là nguồn điện chính để vận hành các phương tiện giao thông sử dụng
điện như xe máy điện, ơ tơ điện.
 Là nguồn điện chính để vận hành các thiết bị UPS.
 Là nguồn điện chính cho các thiết bị điện tử cầm tay (điện thoại, laptop,
máy tính bảng, v.v...)
 Được sử dụng làm hệ thống dự trữ cho các hệ thống năng lượng tái tạo
như điện mặt trời, điện gió.
 Là nguồn điện chính cho các thiết bị relay bảo vệ, các thiết bị của hệ
thống SCADA trong các trạm điện, trạm biến áp.
 Là nguồn điều khiển các thiết bị đóng cắt trong hệ thống điện như máy
cắt, dao cách ly, dao cắt tải, ...
Các loại ắc quy được sử dụng rộng rãi hiện nay thường là các ắc quy theo công
nghệ Li-ion, acid chì, Ni-Cd. Các thơng số về mức độ sạc (State of charge, viết tắt là
SOC) cũng như tình trạng sức khỏe (State of health, viết tắt là SOH) là những thông
số căn bản để người sử dụng hoặc người vận hành hệ thống biết được chất lượng cũng
như khả năng hoạt động còn lại của ắc quy. Tuy nhiên, do các ắc quy được sử dụng
trong các ứng dụng trên đều phải vận hành ở chế độ nạp hoặc xả liên tục, việc tách

hệ thống ắc quy khỏi vận hành để đo đạc các thông số cần thiết là việc khơng thể thực
hiện thường xun được. Vì vậy, việc đánh giá SOC, SOH trong quá trình ắc quy
đang vận hành là hết sức cần thiết.
Luận văn này nhắm đến việc chế tạo một thiết bị giám sát chất lượng ắc quy
giá rẻ, chủ yếu phục vụ cho ứng dụng lưu trữ điện năng cho các cơng trình, trạm điện
(trạm biến áp, nhà máy điện, hệ thống năng lượng mặt trời PV). Thiết bị sử dụng một
thuật toán đánh giá SOC và SOH đơn giản với độ chính xác chấp nhận được để có
HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 1


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

thể chạy trên nền một vi điều khiển giá rẻ, cụ thể ở đây là vi điều khiển
TMS320F28377S của hãng Texas Instrument. Thiết bị sẽ cho phép người sử dụng
hoặc người vận hành có những nhận định chính xác về chất lượng của các ắc quy
đang vận hành, từ đó có kế hoạch bảo trì bảo dưỡng hoặc thay mới ắc quy.

Hình 1.1 Hình ảnh minh họa giàn ắc quy được sử dụng ở các trạm điện

Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) đang hướng tới mục tiêu biến tất cả các
cơng trình trạm điện, trạm biến áp do EVN quản lý về mơ hình “Khơng người trực”
(quá trình vận hành của trạm sẽ được giám sát từ xa hồn tồn), do đó thiết bị giám
sát ắc quy phải có khả năng giao tiếp và gửi các dữ liệu đã thu thập được về hệ thống
SCADA tại trạm. Luận văn cũng sẽ thực hiện xây dựng một phần mềm trên máy tính
để giao tiếp với thiết bị giám sát ắc quy và có thể được tích hợp vào hệ thống SCADA
hiện hữu.

HVTH: Nguyễn Nhật Nam


Trang 2


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

1.2.

Mục tiêu nghiên cứu và quy mô đề tài

1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu
Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể của luận văn này như sau:
 Xây dựng được một giải thuật để xác định SOC, SOH của hệ thống ắc
quy. Khối lượng tính tốn trong giải thuật khơng được q cao để giải
thuật có thể được áp dụng lên vi điều khiển TMS320F28377S.
 Xây dựng được mơ hình tương đương đơn giản của ắc quy và chạy mô
phỏng giải thuật trên với phần mềm PLECS.
 Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát ắc quy với vi điều khiển
TMS320F28377S.
 Lập trình một phần mềm thu thập dữ liệu ắc quy trên máy tính để giao
tiếp với thiết bị giám sát ắc quy nhằm hiển thị và lưu trữ các thông số
mà thiết bị giám sát đã ghi nhận lại.
 Thực hiện thử nghiệm toàn bộ hệ thống: từ thiết bị giám sát chất lượng
ắc quy sử dụng các giải thuật ước lượng SOC và SOH cho đến phần
mềm thu thập dữ liệu trên máy tính, từ đó đánh giá hoạt động của giải
thuật ước lượng SOC, SOH đã xây dựng.
1.2.2. Quy mô đề tài
Nhằm mục đích tiện lợi cho cơng tác thử nghiệm, hệ thống giám sát ắc quy mà
luận văn nhắm đến sẽ bao gồm các khối như sau:
 Hệ 2 ắc quy acid chì nối tiếp, mỗi bình 6 V – 10 Ah.

 Thiết bị giám sát sử dụng vi điều khiển TMS320F28377S, sẽ giám sát
các giá trị dòng điện và điện áp của hệ 2 ắc quy.
 Phần mềm trên máy tính thu thập dữ liệu mà thiết bị giám sát gửi về
(Các thơng số về dịng, áp, chế độ hoạt động sạc hay xả, SOC, SOH).

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 3


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

Hình 1.2 Mơ hình khối hệ thống

1.3.

Phương pháp nghiên cứu
Để hoàn thành luận văn này, tác giả đã đề ra các phương pháp nghiên cứu và

cách thực hiện như sau:
Bảng 1.1 Phương pháp nghiên cứu và cách thực hiện luận văn

Phương pháp nghiên cứu
1. Tham khảo các tài liệu liên quan đến
lĩnh vực nghiên cứu đã đề ra trong nội
dung nghiên cứu của luận văn. Tham
khảo thêm các sản phẩm có chức năng
tương tự trên thị trường.

HVTH: Nguyễn Nhật Nam


Phương pháp thực hiện
- Sử dụng nguồn tài liệu từ các tạp chí
khoa học, hội nghị chuyên ngành, bài
báo nghiên cứu được công bố trên thư
viện điện tử IEEEXPLORE, Springer,
Energies, Elsevier và các tạp chí của
các Trường Đại học trong nước.

Trang 4


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

- Tham khảo các luận văn, luận án, đề
tài nghiên cứu khoa học có liên quan
- Tham khảo các sản phầm giám sát ắc
quy trên thị trường. Tìm hiểu tài liệu
nhà sản xuất của các sản phẩm này,
đánh giá phương pháp mà họ sử dụng.
- Phân tích mơ hình tương đương của
ắc quy, và xây dựng một mơ hình
2. Xây dựng, phát triển các mơ hình, giải
thuật liên quan đến phạm vi nghiên

tương đương đơn giản để dựa vào đó
xây dựng giải thuật.

cứu.
- Xây dựng giải thuật ước lượng SOC,

SOH của ắc quy.
- Tham khảo tài liệu cũng như các
video hướng dẫn sử dụng phần mềm
mô phỏng.
3. Mơ phỏng mơ hình và giải thuật trên
phần mềm.

- Xây dựng mơ hình và lập trình giải
thuật trên phần mềm mô phỏng. Chạy
thử mô phỏng và điều chỉnh các thơng
số trong giải thuật cho hợp lý.
- Tìm hiểu các tài liệu datasheet, user
manual của vi điều khiển.

4. Thiết kế và chế tạo phần cứng. Lập trình
giải thuật trên vi điều khiển.

- Thiết kế phần cứng dựa vào sơ đồ
khối hệ thống cũng như các module
cần sử dụng trên vi điều khiển.
- Tham khảo bộ thư viên lập trình vi
điều khiển, thực hiện lập trình riêng rẽ

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 5


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam


từng module, sau đó kết hợp lại thành
một chương trình hồn thiện
- Tham khảo bộ thư viện lập trình ngơn
ngữ C# trên phần mềm Visual Studio
5. Lập trình phần mềm thu thập dữ liệu
trên máy tính

của Microsoft, đặc biệt là module đọc
dữ liệu từ cổng Serial. Thực hiện xây
dựng phần mềm có giao diện để hiện
thị các giá trị thu thập được và lưu trữ
lại trong 1 file.
- Xây dựng các kịch bản thử nghiệm
để đánh giá giải thuật xác định SOC,
SOH.

6. Tiến hành thực nghiệm
- Thực hiện thử nghiệm theo các kịch
bản đã đề ra, ghi nhận kết quả và đánh
giá

1.4.

Cấu trúc của luận văn
Nhằm đảm bảo tính mạch lạc, thứ tự sắp xếp hợp lý và nội dung của các vấn

đề nghiên cứu được liên kết với nhau, luận văn sẽ được trình bày theo cấu trúc sau:
 Chương 1: Giới thiệu chung
 Chương 2: Xây dựng giải thuật ước lượng SOC và SOH của ắc quy acid
chì

 Chương 3: Thiết kế và chế tạo thiết bị giám sát ắc quy sử dụng vi điều
khiển TMS320F28377S
 Chương 4: Kết quả thực nghiệm
 Chương 5: Đánh giá kết quả và kết luận

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 6


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ƯỚC LƯỢNG SOC VÀ SOH
CỦA ẮC QUY ACID CHÌ
2.1.

Tổng quan về ắc quy acid chì
Ắc quy acid chì là loại ắc quy sạc được, có bản cực âm làm bằng chì (Pb) và

bản cực dương làm bằng chì oxide (PbO2) và được ngâm trong dung dịch điện phân
là acid sulfuric (H2SO4).
Trong quá trình xả, 2 bản cực của ắc quy sẽ phản ứng với ion HSO4- như sau:
Ở bản cực âm:
𝑃𝑏 + 𝐻𝑆𝑂4 −  𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 𝐻 + + 2𝑒 −

(2.1)

Ở bản cực dương:
𝑃𝑏𝑂2 + 𝐻𝑆𝑂4 − + 3𝐻 + + 2𝑒 −  𝑃𝑏𝑆𝑂4 + 2𝐻2 𝑂


(2.2)

Tổng điện thế cho 2 phản ứng là khoảng 2.05 V. Phản ứng cũng sinh ra nước,
làm loãng dung dịch acid sulfuric. Khi ắc quy bị xả hết toàn bộ dung lượng thì khi đó
2 bản cực đã đều biến thành chì sulfat PbSO4 và khơng cịn phản ứng tiếp được với
ion HSO4-.
Trong q trình sạc, việc đặt 1 điện áp ngồi lên 2 bản cực giúp kéo các
electron về bản cực âm, phản ứng đi theo chiều ngược lại với các phương trình (2.1)
và (2.2). Khi ắc quy đã sạc đầy thì bản cực âm sẽ trở thành chì Pb, cịn bản cực dương
sẽ trở thành chì oxide PbO2. Dung dịch điện phân H2SO4 cũng trở nên đậm đặc hơn.
Trên thực tế, các ắc quy acid chì được sản xuất và bán trên thị trường sẽ có 3
loại: điện áp định mức 2 V (chỉ có 1 cell), điện áp định mực 6 V (3 cell ghép lại), và
điện áp định mức 12 V (6 cell ghép lại).
So với một số loại ắc quy sạc được khác thì ắc quy acid chì có bất lợi là mật
độ năng lượng thấp và tuổi thọ không cao (tuổi thọ thường thấp hơn 500 chu kỳ nạp
xả hoàn toàn). Tuy nhiên, ắc quy acid chì có khả năng cung cấp dịng xung cao, giá
cả thấp, nên nó rất phù hợp với một số ứng dụng như: khởi động động cơ cho xe máy,

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 7


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

ô tô, nguồn dự trữ cho các thiết bị đóng cắt, nguồn dự trữ cho các cơng trình trạm
điện, nguồn dự trữ cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, v.v...

Hình 2.1 Cấu trúc của 1 ắc quy acid chì 12V (gồm 6 cell)


2.2.

Một số phương pháp ước lượng SOC của ắc quy acid chì
SOC (State of charge) là đại lượng thể hiện mức độ sạc của ắc quy, thường

được thể hiện với giá trị phần trăm (%), với mức 0% khi ắc quy xả cạn, và 100% khi
ắc quy sạc đầy. SOC là một đại lượng khơng thể đo trực tiếp, do đó, SOC cần được
ước lượng dựa trên những đại lượng đo được như điện áp ắc quy, dòng qua ắc quy,
nhiệt độ môi trường, v.v…
Đề tài sẽ đề cập ngắn gọn một số giải thuật ước lượng SOC được sử dụng rộng
rãi trên thế giới, đồng thời chỉ ra những ưu, nhược điểm của chúng, từ đó chọn ra một
phương pháp tổng quan để xây dựng giải thuật chi tiết.
2.2.1. Phương pháp điện áp hở mạch OCV
Open-circuit voltage (OCV), là một phương pháp ước lượng SOC dựa trên
điện áp hở mạch của ắc quy. Dựa vào đặc tuyến mối quan hệ giữa OCV và SOC, ta
có thể xác định ngay được SOC khi có được giá trị SOC.

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 8


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

Ưu điểm của phương pháp OCV so với một số phương pháp ước lượng SOC
khác là khối lượng tính tốn thấp.
Nhược điểm của phương pháp OCV đó là tại thời điểm ắc quy đang hoạt động
(nạp hoặc xả), ta không thể đo trực tiếp giá trị điện áp hở mạch được.
2.2.2. Phương pháp đếm điện lượng (Coulomb counting)
Đây là phương pháp ước lượng SOC dựa trên việc đếm tổng điện lượng vào

hoặc ra ắc quy để xác định điện lượng còn lại bên trong ắc quy. Điện lượng được tính
bằng hàm tích phân dịng điện theo thời gian.
Cũng như phương pháp OCV, Coulomb counting là phương pháp có khối
lượng tính tốn thấp.
Về mặt nhược điểm, do Coulomb counting là phương pháp tính tốn tích lũy
qua thời gian, do đó nếu xảy ra sai số trong việc tính tốn hoặc trong việc đo đạc các
thơng số dịng, áp thì sai số đó sẽ tích lũy theo thời gian và gây ra sai lệch lớn, đặc
biệt là khi ắc quy khơng được nạp đầy hoặc xả hồn tồn trong thời gian dài.
2.2.3. Phương pháp sử dụng thuật toán thích nghi
Đây là phương pháp sử dụng các thuật tốn thích nghi như bộ lọc Kalman,
mạng Neural, v.v… để ước lượng SOC. Thuật tốn thích nghi là có thể được tự động
điều chỉnh các thông số trong hệ thống khi hệ thống có sự thay đổi (ắc quy bị ảnh
hưởng bởi nhiều yếu tố hóa học bên trong, ảnh hưởng bởi nhiệt độ mơi trường, và có
đặc tuyến SOC phi tuyến). Các giải thuật thích nghi có khả năng ước lượng SOC với
độ chính xác cao, đặc biệt cho những hệ thống có sự thay đổi đột ngột về điều kiện
vận hành.
Tuy nhiên, các giải thuật thích nghi ln có khối lượng tính tốn lớn, do đó
nếu áp dụng cho các hệ thống có số lượng ắc quy lớn thì sẽ rất tốn kém.
2.2.4. Phương pháp lai
Phương pháp lai là phương pháp kết hợp từ hai phương pháp ước lượng trở
lên. Các phương pháp con trong một mơ hình phương pháp lai sẽ hoạt động tương trợ

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 9


CBHD: TS. Nguyễn Quang Nam

cho nhau, tận dụng được ưu điểm cũng như loại bỏ những nhược điểm của chúng.

Đây là phương pháp vẫn sẽ được nghiên cứu và phát triển trong tương lai.
2.3.

Xây dựng giải thuật ước lượng SOC bằng phương pháp điện áp hở mạch

OCV
Với quy mô đề tài đã được đề ra, ta sẽ sử dụng phương pháp OCV để xây dựng
giải thuật. Lý do ta chọn phương pháp này là vì:
 Phương pháp OCV có khối lượng tính tốn thấp, do đó đối với hệ thống
dự trữ điện năng ở các cơng trình, trạm điện (với số lượng ắc quy có thể
lên tới vài chục, hay thậm chí hàng trăm ắc quy), vi xử lý trung tâm vẫn
đủ khả năng để thực hiện việc tính tốn ước lượng.
 Hệ thống ắc quy của các cơng trình, trạm điện thường ở trạng thái nghỉ
(không sạc, không xả), hoặc ở trạng thái mang tải hằng (công suất cố
định). Do ít có biến động trong q trình vận hành nên phương pháp
OCV vẫn đủ khả năng để ước lượng SOC với độ chính xác cao.
2.3.1. Xây dựng mơ hình tương đương của ắc quy acid chì
Ắc quy acid chì có mơ hình tương đương như sau:

Hình 2.2. Mơ hình tương đương tổng thể của ắc quy acid chì

Eo là nguồn áp lý tưởng thể hiện cho điện áp mở mạch của ắc quy. R1 là nội
trở ắc quy. Hệ điện trở và tụ điện Rd – Cd và Rc – Cc là các thành phần ký sinh sinh

HVTH: Nguyễn Nhật Nam

Trang 10