ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ƢỚC LƢỢNG SoC CHO PIN LITHIUM-ION
SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

THÁI NGUYÊN – 2020


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÙI TRUNG KIÊN

NGHIÊN CỨU ƢỚC LƢỢNG SoC CHO PIN LITHIUM-ION
SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8 52 02 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. Nguyễn Văn Chí

THÁI NGUYÊN – 2020

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Bùi Trung Kiên
Đề tài luận văn: “Nghiên cứu ƣớc lƣợng SoC cho Pin Lithium-Ion sử dụng

bộ lọc Kalman mở rộng”
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8.52.02.01
Tác giả, Cán bộ hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 23 / 09
/2020 với các nội dung sau:
- Chỉnh sửa luận văn đúng quyy định;
- Đánh đủ số trang;
- Chỉnh sửa cơng thức hình vẽ.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 10 năm 2020
Cán bộ hƣớng dẫn

Tác giả luận văn

PGS. TS. Nguyễn Văn Chí

Bùi Trung Kiên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS. Nguyễn Hữu Công

i



LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bùi Trung Kiên
Sinh ngày 15 tháng 09 năm 1977
Học viên lớp cao học khoá K21 - Trường đại học kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Hiện đang công tác tại :
Tôi xin cam đoan luận văn “Nghiên cứu thuật toán ƣớc lƣợng SoC cho
Pin Lithuim-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng” do thầy giáo PGS.TS
Nguyễn Văn Chí hướng dẫn là nghiên cứu của tơi với tất cả các tài liệu tham khảo
đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.
Thái Nguyên, ngày

tháng

Học viên

Bùi Trung Kiên

ii

năm 2020


LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian nghiên cứu, làm việc khẩn trương và được sự hướng dẫn tận
tình giúp đỡ của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Chí, luận văn với đề tài “Nghiên
cứu ƣớc lƣợng SoC cho Pin Lithuim-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng” đã
được hoàn thành.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới:
Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Nguyễn Văn Chí đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hồn thành luận văn. Các thầy cơ giáo Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp
Thái Nguyên, và một số đồng nghiệp, đã quan tâm động viên, giúp đỡ tác giả trong
suốt q trình học tập để hồn thành luận văn này.
Mặc dù đã cố gắng hết sức, tuy nhiên do điều kiện thời gian và kinh nghiệm
thực tế của bản thân cịn ít, cho nên đề tài khơng thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tác
giả mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn bè
đồng nghiệp cho luận văn của tơi được hồn thiện hơn.
Tơi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày….tháng….năm 2020
Tác giả luận văn

Bùi Trung Kiên

iii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... II
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... III
MỤC LỤC ............................................................................................................... IV
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................... VI
DANH MỤC BẢNG, BIỂU ..................................................................................VII
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ...................................................... VIII
LỜI NĨI ĐẦU ...........................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................2
3. Nội dung của luận văn ........................................................................................2
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SOC ................3

1.1. Giới thiệu về pin lithium – Ion ........................................................................3
1.1.1. Khái niệm về pin Lithium – Ion ................................................................3
1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium - Ion ..............................................4
1.1.3. Ưu điểm của Pin Lithium Ion và các ứng dụng ........................................6
1.2. Tham số SOC của pin Lithium - Ion ..............................................................8
1.2.1. Khái niệm về tham số SOC của pin Lithium - Ion ....................................8
1.2.2.Các đặc điểm của tham số SoC...................................................................9
1.3. Vấn đề ước lượng các tham số của Pin Lithium Ion .....................................10
1.3.1.Các tham số cần ước lượng.......................................................................10
1.3.2. Một số phương pháp xác định SoC .........................................................11
1.4. Kết luận chương 1 .........................................................................................11
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN TƢƠNG ĐƢƠNG CHO
PIN LITHIUM - ION ..............................................................................................12
2.1.Mơ hình mạch điện tương đương của Pin Lithium -Ion..................................12
2.1.1.Quan hệ giữa điện áp hở mạch (OCV) và SoC.........................................12
2.1.2.Phân cực tuyến tính...................................................................................14
2.1.3. Điện áp trễ ................................................................................................15
2.2. Rời rạc hóa mơ hình của pin Lithium Ion ......................................................16
iv


2.3. Mơ hình ESC của pin Lithium Ion .................................................................18
2.4. Xác định các tham số của mơ hình ESC ........................................................19
2.4.1. Xác định quan hệ giữa OCV và SoC .......................................................19
2.4.2. Xác định các tham số cịn lại của mơ hình ESC ......................................27
2.5. Kết quả xác định các tham số của mơ hình ESC cho một loại Pin ................31
2.5.1. Quan hệ giữa SoC và OCV ......................................................................34
2.5.2. Các tham số của mơ hình .........................................................................37
2.6. Kết luận chương 2 ..........................................................................................39
CHƢƠNG 3: ƢỚC LƢỢNG SOC CỦA PIN LITHIUM SỬ DỤNG BỘ LỌC

KALMAN MỞ RỘNG ............................................................................................40
3.1. Nguyên lý của bộ lọc Kalman mở rộng..........................................................40
3.2. Ước lượng SoC của pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng .........43
3.2.1. Áp dụng bộ lọc Kalman mở rộng cho mơ hình ESC của cell pin Lithium
- Ion ....................................................................................................................43
3.2.2.Thuật tốn ước lượng SoC cho mơ hình ESC của cell pin Lithium – Ion 45
3.3.Kết quả ước lượng SoC cho pin Lithum Ion Samsung INR18650-25R
20/35A 2500mAh 18650 ...................................................................................48
3.4. Kết luận chương 3 ..........................................................................................58
KẾT LUẬN ..............................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................60

v


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
T vi t tắt

Tên ti ng Anh

Tên ti ng Việt

LTHI

Lithium Ion Battery

Pin Ion Battery

SoC


State of Charge

Trạng thái nạp

OCV

Open Circuit Voltage

Điện áp hở mạch

ESC

Enhanced Self Correct Circuit

Mơ hình mạch điện tương

Model

đương của pin làm có kể đến
các ảnh hưởng của điện áp
trễ, nhiệt độ, điện trở trong,
phân cực điện áp v.v

BMS

Battery Management Systems

vi

Hệ thống quản lý pin



DANH MỤC BẢNG, BIỂU
Bảng 2.1. Bảng dữ liệu thực nghiệm để xác định quan hệ giữa OCV và SoC cho pin
Lithium Ion................................................................................................................21
Bảng 2.2. Bảng dữ liệu thí nghiệm xác định các tham số cịn lại của pin ...............30
Bảng 2-3.

Ví dụ về dữ liệu thực nghiệm của pin Lithium Ion SAMSUNG

INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650 biểu diễn trên Matlab .............................33
Bảng 3-1: Thuật tốn tính tốn bộ lọc Kalman mở rộng ........................................42
Bảng 3-2. Dữ liệu mơ hình của Pin ..........................................................................49

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1 : Một loại Pin Lithium NCR18650 của hãng Panasonic ............................4
Hình 1.2 Minh họa quá trình sạc và xả của pin Lithium ...........................................5
Hình 1.3. Cấu trúc một hệ thống BMS .....................................................................8
Hình 1.4. Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở
mạch trong quá trình nạp và xả ...................................................................................9
Hình 2.1. Mơ hình điện áp hở mạch của Pin – Lithium Ion ...................................12
Hình 2.2. Quan hệ giữa OCV và SoC tại nhiệt độ 250C cho một loại 03 loại Pin
Lithium ......................................................................................................................13
Hình 2.3. Mơ hình pin Lithium khi kể đến nội trở ...................................................14
Hình 2.4. Hiện tượng điện áp khuếch tán của Pin ..................................................14
Hình 2.5. Mơ hình Pin có kể đến hiện tượng phân cực tuyến tính ..........................15
Hình 2.6. Hiện tượng điện áp trễ ............................................................................16

Hình 2.7. Mơ hình ESC của pin Lithium - Ion ......................................................18
Hình 2.8. Sự thay đổi của điện áp hai cực của pin theo kịch bản 1 .......................20
Hình 2.9. Sự thay đổi của điện áp hai cực của pin theo kịch bản 3 .......................22
Hình 2.10. Hiệu suất Coulomb cho 6 loại cell pin Lithium Ion khác nhau ...........24
Hình 2.11. Quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng với quá trình nạp và xả ở bước
2 và bước 2 cho một loại pin ứng với một nhiệt độ cố định .....................................25
Hình 2.12. Quan hệ giữa OCV và SoC tương ứng khi nhiệt độ bằng 00C (bên trái)
và khi nhiệt độ thay đổi (bên phải)............................................................................26
Hình 2.13. Điện áp OCV ở kịch bản 1 ...................................................................28
Hình 2.14.

Điện áp OCV ở kịch bản 2 ..................................................................28

Hình 2.15. Điện áp OCV ở kịch bản 3 ...................................................................29
Hình 2.16. Pin Lithium Ion SAMSUNG INR18650-25R 20/35A 2500mAh 18650
...................................................................................................................................32
Hình 2.17. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -250C ...34
Hình 2.18. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -150C ..34
Hình 2.19. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ -50C ......35
Hình 2.20. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 50C .......35
viii


Hình 2.21. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 150C .....35
Hình 2.22. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 350C .....36
Hình 2.23. Quan hệ giữa SoC và OCV của Pin SAMSUNG tại nhiệt độ 450C .....36
Hình 2.24. Quan hệ giữa các tham số mơ hình của Pin theo nhiệt độ ....................37
Hình 2.25. So sánh điện áp đầu ra của mơ hình trong hai trường hợp test xác định
OCV và test xác định các tham số với điện áp thực nghiệm tại 450C ......................38
Hình 2.26. Sai lệc điện áp OCV giữa mơ hình ESC và thực nghiệm tại 450C .......39

Hình 3.1. Lưu đồ thuật toán ước lượng SoC cho cell pin lithium – Ion mơ hình
ESC............................................................................................................................46
Hình 3.2. Lưu đồ thuật tốn ước lượng SoC cho chu kỳ k .....................................47
Hình 3.3. Dữ liệu động học cho kịch bản 1 ...........................................................53
Hình 3.4. Dữ liệu động học cho kịch bản 2 ............................................................53
Hình 3.5. Dữ liệu động học cho kịch bản 3 ...........................................................54
Hình 3.6.

Kết quả qua sát SoC và sai lệch ước lượng SoC cho kịch bản 1 ..........55

Hình 3.7. Kết quả qua sát SoC và sai lệch ước lượng SoC cho kịch bản 2 ...........56
Hình 3.8. Kết quả qua sát SoC và sai lệch ước lượng SoC cho kịch bản 3 ...........57

ix


LỜI NĨI ĐẦU
1. Tính cấp thi t của đề tài
Ngày nay Pin Lithuum- Ion được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng xe điện
(EVs) bởi vì các các ưu điểm của nó như: mật độ năng lượng lớn hơn, chi phí thấp
hơn, tốc độ tự xả lâu và vịng đời sử dụng dài hơn [1]][2]. Để sử dụng cho ứng dụng
xe điện, pack pin được tạo ra bằng cách nối tiếp và song song rất nhiều các cell
nhằm đạt được công suất mong muốn. SoC là một thông số quan trọng trong hệ
thống BMS, đối với cell SoC được hiểu là năng lượng cịn lại được tính băng % của
cell là bao nhiêu. Thông số này quyết định đến tác động điều khiển xả nạp của hệ
thống BMS. Tuy nhiên SoC của một pack là một tham số khó định nghĩa, tùy thuộc
vào các chiến lượng cân bằng khác nhau mà sẽ có các định nghĩa là SoC của pack
và dung lượng pack. Việc xác định chính xác SoC của gói pin để biết được dung
lượng của gói pin trong quá trình vận hành là rất quan trọng. Do đó cần phải xác
định SoC của cell trong gói pin, hoặc SoC trung bình của các cell song song, sau đó

là các cell nối tiếp[3].
Bài tốn ước lượng SoC cho một cell cho pin Lithium-Ion Battery đã và đang
thu hút nhiều nghiên cứu trong những năm vừa qua và có những phương pháp khá
chính xác. Các sách lược cho việc ước lượng SoC của cell tiêu biểu sử dụng: mạch
vòng hở (open loop) gồm phương pháp điện áp hở mạch, phương pháp đếm
couloumb[4][5] ; phương pháp dựa trên mơ hình mạch điện tương đương ECE của
cell, đó là mơ hình bậc 1, bậc 2 [6][7], và mơ hình thích nghi có kể thêm các yếu tố
khác như độ trễ, nhiễu trong các phép đo dòng điện, điện áp ở hai đầu của cell, sự
thay đổi của điện trở trong phụ thuộc vào q trình già hóa, nhiệt độ [8]; bộ lọc
Kalman [9], EKF[10], SPKF, PF [11][12].
Ngồi ra cịn có các sách lược dựa trên thuật toán học như, mạng neural [13][14],
mờ [15], mơ hình Fractional phi tuyến[15]
Trong khi đó đối với gói pin lithium, việc ước lượng SoC vẫn là một bài toán
đang thu hút nhiều người quan tâm trong những năm gần đây [17][18]. Vì bài tốn
này khơng những đề cập đến tính phức tạp của mơ hình pack, SoC cho các cell, SoC
trung bình, tốc độ tính tốn và mức độ chính xác, vấn đề kể đến sự ảnh hưởng của
các tham số nhiễu[3]. Mỗi một đề cập sẽ có những hướng riêng để giải quyết bài

1


tốn đó. Nhiễu là một yếu tố khơng mong muốn ảnh hướng đến quá trình xác định
SoC của Pin, sự thay đổi của nhiễu ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình này. Có một
số phương pháp xác định SoC như phương pháp đếm Coulomb, phương pháp điện
áp hở mạch. Hai phương pháp này thực hiện theo nguyên tắc vòng hở cho nên
không thể tự hiệu chỉnh khi sai lệch xác định SoC trở lên lớn hơn. Chính vì vậy
trong những năm gần đây các tác giả tập trung sử dụng bộ lọc Kalman để ước lượng
SoC vì bộ lọc Kalman có khả năng ước lượng trạng thái trong điều kiện có nhiễu.
Vậy bài tốn ước lượng trạng thái SoC cho Pin Lithium Ion sử dụng nguyên tắc của
bộ lọc Kalman mang tính cấp thiết.

2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Mục tiêu chung
Ước lượng trạng thái SoC của Pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở
rộng dựa trên mơ hình mạch điện tương đương của Pin Lithium Ion có xét
đến các hiện tượng động học của Pin và nhiệt độ làm việc.

-

Mục tiêu cụ thể
 Xây dựng mơ hình cho pin Lithium Ion có xét đến các hiện tượng động
học của Pin và nhiệt độ làm việc.


Xây dựng quan hệ giữa SoC và điện áp hở mạch theo nhiệt độ

 Ứng dụng bộ lọc Kalman để ước lượng SoC cho pin Lithium Ion
-

Các kết quả trong luận văn

 Xây dựng mơ hình mạch điện tương đương bậc 1 cho pin Lithium Ion
 Ước lượng SoC cho pin Lithium Ion biểu diễn bằng mơ hình mạch điện
tương đương sử dụng bộ ước lượng Kalman mở rộng cho hệ phi tuyến
3. Nội dung của luận văn
Luận văn gồm 03 chương với bố cục như sau:
Chương 1: Giới thiệu về Pin Lithium và tham số SoC
Chương 2: Xây dựng mơ hình mạch điện tương đương cho pin Lithium Ion
Chương 3: Ước lượng SoC của Pin Lithium Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở

rộng
Phần cuối là kết luận chung của luận văn

2


CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ PIN LITHIUM VÀ THAM SỐ SoC
1.1. Giới thiệu về pin lithium – Ion
1.1.1. Khái niệm về pin Lithium – Ion
Pin Lithium-ion hay còn được viết vắn tắt là Li-ion. Loại pin này được cấu
tạo gồm các thành phần cơ bản là chất điện phân đóng vai trị như mơi trường di
chuyển giữa hai cực âm và dương của pin. Qua thời gian dài nghiên cứu và ứng
dụng loại pin này đang dần được cải thiện về khả năng tích trữ năng lượng cũng
như độ bền theo thời gian.
Bản chất trong một viên pin là sự di chuyển của các hạt điện tích giữa hai
cực âm và dương. Khi viên pin được xả hoàn toàn, điện tích chủ yếu chứa trong
viên pin sẽ là điện tích dương và không thể sử dụng để cung cấp cho các phần cứng
yêu cầu trong thiết bị. Sau khi ta cắm điện, q trình nạp lại điện tích diễn ra, viên
pin sẽ được cung cấp lại điện tích âm thiếu hụt trong q trình sử dụng. Khi số
lượng điện tích đã bão hòa tức là pin đã đầy. Và cứ như vậy quá trình nạp xả của
một viên pin.
Lý do chính khiến pin Li-ion được sử dụng phổ biến là mật độ năng lượng
cao của nó. Một thỏi pin Li-ion nhỏ có thể chứa rất nhiều năng lượng. Hơn nữa, pin
Li-ion mang lại thời gian sạc tốt hơn và chu kỳ sạc xả nhiều hơn trước khi hỏng.
Nếu bạn sử dụng Lithium thuần khiết làm điện cực cho pin, pin sẽ có khả năng lưu
trữ năng lượng lớn hơn rất nhiều nhưng khơng thể sạc lại được. Vì vậy, tuỳ thuộc
vào vật liệu làm điện cực, bạn có thể tác động mạnh mẽ đến hiệu năng của pin. Mật
độ năng lượng phụ thuộc vào số lượng ion Li+ và e- tồn tại trên mỗi đơn vị diện
tích của điện cực.


3


Hình 1.1 : Một loại Pin Lithium NCR18650 của hãng Panasonic

1.1.2. Nguyên lý hoạt động của pin Lithium - Ion
Loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh
thể dạng lớp. Khi pin đang trong trạng thái sạc và xả, thì các ion Li sẽ xâm nhập,
điền đầy khoảng trống giữa các lớp này. Chính vì thế mà phản ứng hóa học xảy ra
và cung cấp năng lượng cho thiết bị hoạt động.
Các chất phản ứng trong phản ứng điện hóa ở pin liti-ion là nguyên liệu
điện cực âm và dương, dung dịch điện ly cung cấp môi trường dẫn cho ion liti dịch
chuyển giữa 2 điện cực. Dòng điện chạy ở mạch ngồi pin khi pin chạy.
 Trong q trình sạc, các ion Li chuyển động từ cực dƣơng sang
cực âm.
 Trong quá trình xả (gọi là quá trình sử dụng), các ion Li chuyển
động từ cực âm sang cực dƣơng
Cực dương được làm bằng hợp chất ơ xít kim loại chuyển tiếp và Li (như
LiMnO2, LiCoO2,… còn cực âm được làm bằng graphite. Ngoài ra, dung dịch điện
ly của pin (nghĩa là môi trường cho phép các ion Li chuyển dịch từ điện cực này
sang điện cực kia) phải có độ dẫn ion tốt cũng là chất cách điện tốt.

4


Hình 1.2 Minh họa quá trình sạc và xả của pin Lithium

Khi xả, ion liti (mang điện dương) di chuyển từ cực âm (anode), thường là
graphite, C6 trong phản ứng dưới đây, qua dung dịch điện ly, sang cực dương, tại
đây vật liệu dương cực sẽ phản ứng với ion liti. Để cân bằng điện tích giữa 2 cực,

cứ mỗi ion Li dịch chuyển từ cực âm sang cực dương (cathode) trong lịng pin, thì
ở mạch ngồi, lại 1 electron chuyển động từ cực âm sang cực dương, nghĩa là sinh
ra dòng điện chạy từ cực dương sang cực âm.
Khi sạc diễn ra quá trình ngược lại, dưới điện áp sạc, electron bị buộc chạy
từ điện cực dương của pin (nay trở thành cực âm), ion Li tách khỏi cực dương di
chuyển trở về điện cực âm của pin (nay đã đóng vai trị cực dương). Như vậy, pin
đảo chiều trong quá trình sạc và xả. Tên gọi điện cực dương hay âm cần được xác
định dựa theo bản chất của phản ứng và quá trình xảy ra phản ứng mà ta đang theo
dõi. Trong bài viết này (và trong đa phần các bài báo khoa học), cực âm (anode) và
cực dương (cathode) của pin luôn là tên gọi dựa trên trạng thái xả.
Bán phản ứng tại cực dương (cathode) trong vật liệu dạng lớp LCO được
viết như sau (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

LiCoO2

CoO2

Li

e

(1.1)

Bán phản ứng tại cực âm (anode) trong vật liệu dạng lớp graphite (chiều
thuận là sạc, chiều nghịch là xả):

C6

Li


e

5

LiC 6

(1.2)


Phản ứng của cả pin (chiều thuận là sạc, chiều nghịch là xả)

C6

LiCoO2

LiC 6

CoO2

(1.3)

Như vậy khi sạc, C60 (anode) bị khử thành C61-, Co3+ bị oxi hóa thành
Co4+, và ngược lại khi xả.
Về cơ bản các phản ứng ln có giới hạn. Nếu như xả quá mức (nhét thừa
ion liti) một liti coban oxit đã bão hòa sẽ dẫn đến hình thành liti oxit, theo phản ứng
một chiều sau:

LiCoO2    Li    e  

 Li2O  


 CoO

(1.4)

Nếu sạc quá thế pin LCO lên trên 5,2 V sẽ dẫn đến hình thành coban IV
oxit, theo phản ứng một chiều sau, điều này đã được kiểm chứng bằng nhiễu xạ tia
X.

LiCoO2  

 Li   e    CoO2

(1.5)

1.1.3. Ưu điểm của Pin Lithium Ion và các ứng dụng
Điệp áp cao: So với các loại pin thông thường khác thì pin lithium có điện
áp cao hơn. Pin đơn lithium có mức điện áp từ 3,7V – 3,8V.
Mật độ lưu trữ năng lượng lớn: Mức năng lượng thực tế của pin có thể đạt
được là 555Wh/kg. Mức năng lượng này cao hơn từ 3 – 4 lần so với các loại pin
Ni-Cd hay Ni-MH.
Vịng đời dài: Thơng thường các loại pin có thể đạt được vịng đời hơn 500
lần, thậm chí có thể lên đến mức 1000 lần. Một số loại pin lithium khác có thể đạt
được mức vòng đời 2000 lần. Đặc biệt những loại thiết bị xả dịng nhỏ thì tuổi thọ
có thể cao hơn nữa.
An toàn sử dụng: Pin Lithium được xác nhận an toàn với người sử dụng,
không gây ô nhiễm, không gây hiệu ứng nhớ. Và pin Li-ion cũng không gây ô
nhiễm hay độc hại đối với môi trường.
Sạc nhanh: Một trong những ưu điểm tuyệt vời của loại pin này chính là có
tốc độ sạc nhanh. Trong 30 phút thời gian có thể tiến hành nạp được 80% dung

lượng pin.
Mức nhiệt độ làm việc phù hợp

6


Mức nhiệt độ làm việc của pin lithium được xác định từ -25 – 45 độ C. Các
sản phẩm mới được dự kiến sẽ mở rộng mức nhiệt độ làm việc từ -40 – 70 độ C.
Bên cạnh những ưu điểm như trên pin lithium vẫn còn tồn tại một vài nhược
điểm nhỏ. Tuy nhiên sử dụng loại pin này mang đến cho bạn nhiều tiện ích hơn so
với các loại pin khác.
Ứng dụng của pin Lithuim–ion được dùng rộng rãi trong các thiết bị điện tử
(máy tính, điện thoại, các thiết bị gia đình, làm thiết bị lưu trữ điện năng trong các
ngành sử dụng năng lượng tái tạo v.v), đặc biệt trong sự phát triển hiện nay của
ngành ô tô điện. Pin Lithuim–ion đang được nghiên cứu và áp dụng cho các ô tô
điện lai HEV(Hybrid- Electric Vehicle), PHEV (plug-in Hybrid Electric Vehicle),
EREV (Extended Range Electric Vehicle), EV (Electric Vehicle)[25].
Các ứng dụng cho xe điện đòi hỏi nguồn pin phải cung cấp cơng suất linh hoạt,
an tồn. Vấn đề điều khiển q trình xả, nạp, cung cấp cơng suất cho tải của các
modul pin sao cho đạt hiệu xuất tối ưu, kéo dài tuổi thọ, cân bằng công suất giữa
các cell, tránh quá nhiệt, quá nạp và quá xả là một bài toán điều khiển phức tạp và
được thực hiện bằng một hệ thống riêng được biết đến là hệ BMS. Hệ thống BMS
là một hệ thống kết nối tất cả các thành phần của modul pin với một bộ vi điều
khiển và tải, chức năng của BMS có thể được tóm tắt như sau:
 Đo và điều khiển điện áp: đo điện áp, dòng điện, nhiệt độ, điều khiển các
chuyển mạch, nạp, phát hiện lỗi chạm đất, bảo vệ quá nhiệt
 Bảo vệ: quá nạp, quá xả, quá dòng, ngắn mạch, quá nhiệt v.v.
 Giao diện: ước lượng giới hạn sử dụng, thời gian, cơng suất cịn được sử
dụng bao lâu, truyền thông, ghi lại dữ liệu, báo cáo v.v
 Quản lý quá trình làm việc: ước lượng SoC, tính tốn giới hạn cơng suất,

cân bằng giữa các cell.
 Chẩn đoán: Bảo vệ quá tải, ước lượng SoE, ước lượng SoL v.v

7


Hình 1.3. Cấu trúc một hệ thống BMS

Ví dụ như đối với ơtơ dùng điện thì hệ thống BMS có thể xác định được xem xe
có thể đi được bao xa, tính tốn bao lâu thì pin có thể nạp đầy, SoC là tỷ số của
dung lượng pin hiện có trên tổng số dung lượng danh định của pin
1.2. Tham số SOC của pin Lithium - Ion
1.2.1. Khái niệm về tham số SOC của pin Lithium - Ion
Để biết lượng năng lượng còn lại trong pin so với năng lượng mà nó có khi xạc
đầy, điều này cần thiết cho người dùng biết liệu pin sẽ tiếp tục hoạt động trong bao
lâu nữa trước khi cần sạc lại. Nó là thước đo năng lượng còn lại của pin. Điều này
tương tự như cần phải biết lượng nhiên liệu còn lại trong bình nhiên liệu trong xe
hơi.
SOC (state of charge, trạng thái nạp) được định nghĩa là công suất khả dụng
được biểu thị bằng phần trăm. Về mặt điện hóa, SoC là một tham số liên quan đến
mật độ trung bình của Lithium trên bản cực âm. Trước hết ta định nghĩa cân bằng
hóa học mật độ Lithium hiện tại là, được biểu thị trong khoảng từ 0% đến 100%
cs ,avg

(1.6)

cs ,max

Thì SoC được xác định như sau:
0%


zk
100%

8

0%

(1.7)


Hình 1.4. Minh họa SoC và đồ thị minh họa sự thay đổi của SoC và điện áp hở mạch
trong quá trình nạp và xả

1.2.2.Các đặc điểm của tham số SoC
 Giữa SoC và điện áp hở mạch có một quan hệ phi tuyến, quan hệ này
phụ thuộc vào loại pin, vật liệu và các thiết kế của pin. Đặc biệt quan hệ
này phụ thuộc vào nhiêt độ vận hành của pin (nhiệt độ bên trong và bên
ngoài của pin). Một cách chính xác hơn thì điện áp hở mạch OCV phụ
thuộc vào nhiệt độ và mức độ đậm đặc phân tử ở bề mặt các điện cực,
tuy nhiên SoC lại phụ thuộc vào mật độ trung bình. Mật độ trên bề mặt
và mật độ trung bình thường là khơng giống nhau.
 Khi nhiệt độ thay đổi sẽ dẫn tới OCV thay đổi, tuy nhiên không làm thay
đổi SoC của pin
 Thời gian sử dụng pin sẽ làm thay đổi đặc tính quan hệ giữa SoC và điện
áp hở mạch OCV.
9


 Quan hệ giữa SOC và dòng điện chạy qua cell pin được xác định bằng

công thức

z (t )

z (0)

1
Q

t

i( )d

(1.8)

0

trong đó dịng điện có giá trị dương khi nạp và giá trị âm khi xả,

là hệ

số coulomb, có giá trị xấp xỉ 1, tuy nhiên nhỏ hơn 1; Q là dung lượng
tổng của cell pin tính bằng Ampe giây.
1.3. Vấn đề ƣớc lƣợng các tham số của Pin Lithium Ion
1.3.1.Các tham số cần ước lượng
Để pin vận hành hiệu quả và an tồn, trong thực tế cần kiểm sốt rất nhiều các
thông số khác nhau. Đặc biệt trong thực tiễn khi cần công suất lớn các cell pin cần
được nối song song và nối tiếp với số lượng lớn, khi đó bài tốn ước lượng các
tham số của gói pin đó trở lên phức tạp hơn nhiều. Các tham số cần ước lượng đối
với cell pin đó là:

 SoC: Như trên đã nói SoC sẽ cho người sử dụng biết được năng lượng còn
lại trong cell pin là bao nhiêu % so với lúc pin được xạc đầy.
 Công suất và năng lượng: công suất của cell pin là tốc độ của dịng năng
lượng đưa ra ngồi cell có thể nằm trong giới hạn điện học, năng lượng của
cell là khả năng cung cấp điện năng ra bên ngoài
 Tốc độ già hóa: tham số này cần được xác định để hiệu chỉnh lại quan hệ
giữa SoC và OCV của cell pin, nhằm ước lượng chính xác SoC của cell
 Nhiệt độ làm việc của cell
 SoH (state of health): Trạng thái sức khỏe (SoH) là một đánh giá về tình
trạng của pin, so với điều kiện lý tưởng của nó. Đơn vị của SoH là phần trăm
(100% = điều kiện của pin phù hợp với thông số kỹ thuật của pin). Thông
thường, SoH của pin sẽ là 100% tại thời điểm sản xuất và sẽ giảm dần theo
thời gian và việc sử dụng. Tuy nhiên, hiệu suất của pin tại thời điểm sản xuất
có thể khơng đáp ứng các thơng số kỹ thuật của nó, trong trường hợp đó,
SoH ban đầu của nó sẽ thấp hơn 100%.

10


Trong luận văn này, tác giả chỉ tập trung thực hiện và nghiên cứu trên một cell
pin, tham số ước lượng là SoC.
1.3.2. Một số phương pháp xác định SoC
Phương pháp dễ dàng nhất để xác định SoC là phương pháp đếm Coulomb[2],
tuy nhiên phương pháp này cần ước lượng chính xác trạng thái đầu của SoC, điều
này trong thực tế khó thực hiện. Các phương pháp khác như phương pháp
OCV(open circuit voltage), phương pháp này cần một khoảng thời gian dài để đo
chính xác OCV[3]. Các phương pháp dựa trên ước lượng trạng thái Luenberger,
dùng bộ lọc Kalman và Kalman mở rộng, Kalman thích nghi và bộ ước lượng
trượt có thể khắc phục được những nhược điểm của phương pháp đếm Coulomb và
OCV, tuy nhiên có nhược điểm là phụ thuộc vào nhiệt độ của Pin, nhiễu khi đo

dòng điện và điện áp. Tùy theo từng loại mà các phương pháp có những ưu nhược
điểm về độ chính xác, sự ảnh hưởng bởi các tham số khác, khối lượng tính tốn v.v
1.4. K t luận chƣơng 1
Chương 1 của luận văn đã tìm hiểu về Pin Lithium Ion, nguyên lý hoạt động
của Pin, vai trò của tham số SoC và ưu nhược điểm của một số phương pháp xác
định SoC. Để xác định SoC trong thực tế hiện nay có một số phương pháp như
phương pháp đếm Coulomb, phương pháp điện áp hở mạch. Các phương pháp này
theo nhưng các nghiên cứu chỉ ra đều cho kết quả ở mức độ chấp nhận được, tuy
nhiên khơng chính xác vì chưa kể đến sự ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình
làm việc của Pin. Một phương pháp đang được thực hiện và nghiên cứu trong
những năm gần đây đó là phương pháp dựa trên quan sát SoC từ các biến dòng
điện, điện áp hở mạch và nhiệt độ làm việc của pin đã mang lại độ chính xác cao
hơn.

11


CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MẠCH ĐIỆN TƢƠNG ĐƢƠNG
CHO PIN LITHIUM - ION
2.1.Mơ hình mạch điện tƣơng đƣơng của Pin Lithium -Ion
Để xây dựng mơ hình tốn cho Pin – Lithium Ion, hiện nay có hai cách: cách
thứ nhất sử dụng mơ hình mạch điện tương đương (Equivalent – Circuit Models) và
cách thứ hai là xây dựng mơ hình dựa trên các tính chất vật lý, hóa học ở cấp độ
phân tử. Trong luận văn này, tác giả dựa trên mơ hình mạch điện tương đương [22].
Mơ hình mạch điện tương đương sẽ biểu diễn động học của pin dựa trên
mạch điện và các quan hệ phi tuyến. Nếu chúng ta đề cập đến càng nhiều đặc tính
động học của pin thì mơ hình động học sẽ càng phức tạp. Trong luận văn này tác
giả xây dựng mơ hình mạch điện tương đương của cell pin chỉ xét đến hiện tượng
trễ giữa quan hệ giữa SoC và OCV của cell, và ảnh hưởng của nhiệt độ làm việc.
2.1.1.Quan hệ giữa điện áp hở mạch (OCV) và SoC

Mơ hình điện áp hở mạch là mơ hình đơn giản nhất cho Pin – Lithium Ion,
được biểu diễn trên Hình 2-1, đây là mơ hình cho Pin lý tưởng. Trong mơ hình này
OCV là điện áp hở mạch, v(t ) là điện áp trên hai cực của pin, điện áp này không là
một hàm theo dịng điện. Mơ hình điện áp hở mạch có đặc điểm là đơn giản, tuy
nhiên khơng phản ánh đầy đủ các tính chất động học của Pin. Khi pin được nạp
đầy thì điện áp hở mạch cao hơn khi pin được xả, do vậy để nâng cao độ chính xác
của mơ hình thì người ra thêm vào tham số đó là SoC (State of Chage), tham số này
phụ thuộc vào trạng thái nạp của Pin.

Hình 2.1. Mơ hình điện áp hở mạch của Pin – Lithium Ion

SoC ký hiệu là z (t ) và được định nghĩa là: khi Cell Pin được nạp đầy thì
z

100% , khi pin xả hồn tồn thì z

0% . Nếu gọi Q là tổng dung lượng của pin

12


được nạp vào pin và được xả ra từ z

100% đến z

0% thì Q có đơn vị đo là Ah

hoặc mAh. Khi đó SoC được mơ tả như sau:
z (t )
z (t )


i(t )
Q
1
Q

z (t 0 )

(2.1)

t

i( )d
t0

trong đó dấu của i(t ) là dương khi pin xả. Rời rạc hóa phương trình trên tại thời
điểm k với thời gian trích mẫu

t , bổ xung thêm một hệ số (t ) đặc trưng cho tính

khơng lý tưởng của pin ta có
z (t )
z (k

i(t )
1)

(t )
Q


z (k )

t
i(k ) (k )
Q

Thành phần (k ) được gọi là hiệu suất coulomb, khi nạp thì (k )
xả thì (k )

(2.2)

1 và khi

1 . Hiệu suất coulomb của một pin Lithium – Ion điển hình khoảng

99% . Hiệu quả về mặt năng lượng của pin thường gần 95%, tương ứng với tỷ số

của năng lượng đưa ra khỏi pin và năng lượng nạp vào pin. Năng lượng mất mát
thương do quá trình phát nhiệt khi sử dụng pin. Hình vẽ sau mơ tả hình dạng của
quan hệ OCV và SoC(%) đối với một số loại pin Lithium

Hình 2.2. Quan hệ giữa OCV và SoC tại nhiệt độ 250C cho một loại 03 loại Pin
Lithium

Chú ý rằng OCV phụ thuộc vào nhiệt độ cho nên tương ứng với mỗi một
nhiệt độ khác nhau thì quan hệ giữa OCV và SoC lại khác nhau.

13



2.1.2.Phân cực tuyến tính
Điện trở tƣơng đƣơng
Ta biết rằng khi pin được nối với tải, điện áp trên hai cực của nó bị suy giảm,
điều này là do pin có nội trở. Để biểu thị cho hiện tượng này mô hình pin được đưa
thêm thành phần điện trở mắc nối tiếp với OCV như sau Hình 2-3.

Hình 2.3. Mơ hình pin Lithium khi kể đến nội trở

Khi đó điện áp hai đầu cực của pin được viết là
v(t )

và v(t )

OCV (z(t ))

i(t )R0 (0.1)

OCV (z(t )) khi nạp và v(t )

OCV (z(t )) khi xả, điều này biểu thị cho tính

khơng lý tưởng của pin, pin bị mất năng lượng do quá trình sinh nhiệt trên điện trở
R, và do đó hiệu quả năng lượng của pin là khơng hồn hảo. Để mơ tả chính xác
hơn nữa động học của Pin ta cần kể đến điện áp khuếch tán.
Điện áp khu ch tán
Điện áp khuếch tán liên quan đến hiện tượng phân cực hóa gây ra hiện tượng
suy giảm điện áp đáng kể ở hai đầu cực của pin so với điện áp hở mạch khi có dịng
điện đi qua, minh họa hiện tượng này như trên Hình 2-4. Khi khơng có dịng điện đi
qua điện áp khơng ngay lập tức trở về bằng với điện áp hở mạch OCV ban đầu mà
phải mất một khoảng thời gian nào đó.


Hình 2.4. Hiện tượng điện áp khuếch tán của Pin

14