Ước lượng SoC cho pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình mạch điện tương đương

Bài báo "Ứớc lượng SoC cho pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình mạch điện tương đương" trình bày một phương pháp ước lượng trạng thái (SoC) cho pin Lithium-Ion sử sụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF). Để mô tả động học của pin chúng tôi sử dụng mô hình mạch điện tương đương bậc hai. Để cải thiện độ chính xác của mô hình, các tham số pin được biểu diễn bằng các hàm của SoC. Sau đó, thuật toán EKF được sử dụng để thực hiện ước lượng SoC cho mô hình pin. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ước lượng SoC cho pin Lithium-Ion sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng dựa trên mô hình mạch điện tương đương HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 14 Nguyễn Vĩnh Thụy - NCS ƯỚC LƯỢNG SoC CHO PIN LITHIUM-ION SỬ DỤNG BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG DỰA TRÊN MÔ HÌNH MẠCH ĐIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG Nguyễn Vĩnh Thụy - Bộ môn Tự động hóa - Khoa Điện. Tóm tắt: Trạng thái sạc (SoC) là một trong những thông số quan trọng nhất trong hệ thống quản lý pin. Có nhiều thuật toán để ước lượng SoC, chủ yếu là các loại bộ lọc dựa trên mô hình như bộ lọc Kalman (KF), bộ lọc Kalman mở rộng (EKF). Bài báo trình bày một phương pháp ước lượng trạng thái (SoC) cho pin Lithium-Ion sử sụng bộ lọc Kalman mở rộng (EKF). Để mô tả động học của pin chúng tôi sử dụng mô hình mạch điện tương đương bậc hai. Để cải thiện độ chính xác của mô hình, các tham số pin được biểu diễn bằng các hàm của SoC. Sau đó, thuật toán EKF được sử dụng để thực hiện ước lượng SoC cho mô hình pin. Từ các kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng mô hình mạch tương đương bậc hai có độ chính xác ước lượng SoC cao hơn so với các phương pháp sử dụng mô hình bậc nhất. 1. Giới thiệu So với nhiều loại pin sạc khác như Ni-Cad, NiMH thì pin Li-Ion có nhiều ưu điểm như: mật độ năng lượng cao, khả năng sạc nhanh, làm việc ở điện áp cao, tuổi thọ dài, hiệu ứng nhớ nhỏ và ít bị tự xả,... Với nhiều ưu điểm như vậy nên pin Li-Ion được dùng rộng rãi trong các thiết bị điện tử như: máy tính, điện thoại, các thiết bị gia đình, thiết bị lưu trữ điện năng trong các ngành sử dụng năng lượng tái tạo,… đặc biệt trong sự phát triển hiện nay của lĩnh vực xe điện. Pin Li-Ion đang được nghiên cứu và áp dụng cho các ô tô điện EV (Electric Vehicle), ô tô điện lai HEV (Hybrid- Electric Vehicle) và PHEV (plug-in Hybrid Electric Vehicle). Để tạo ra bộ pin với công suất và điện áp cao như mong muốn, các tế bào pin được kết nối theo cấu trúc nối tiếp và song song [1, 2]. Một trong những bài toán quan trọng nhất của các ứng dụng khi sử dụng pin Li-Ion là kiểm soát năng lượng, chức năng này được thực hiện bởi một hệ thống quản lý pin (BMS). BMS có một số chức năng cơ bản bao gồm điều khiển điện áp, ước lượng SoC, bảo vệ, cân bằng giữa các tế bào và giao tiếp với các thiết bị ngoại vi [1]. SoC là một tham số không đo lường được, do đó nó phải được ước lượng thông qua các đại lượng đo khác từ pin như dòng xả, điện áp và nhiệt độ của pin. Có nhiều thuật toán ước lượng SoC bao gồm phương pháp đếm Coulomb (đếm Ampe - giờ), phương pháp điện áp hở mạch, phương pháp trở kháng và điện trở trong, phương pháp dựa trên mô hình và phương pháp không dựa trên mô hình (thuật toán hoc) [3]. Phương pháp đếm Coulomb là đơn giản nhất nhưng sai số ước lượng được tích lũy và tăng theo thời gian, vì vậy phương pháp này yêu cầu sửa lỗi bổ sung. Phương pháp đo trực tiếp tham số bao gồm điện áp hở mạch (OCV), phổ trở kháng, lực điện động (EMF) và điện trở trong (IR) [4, 5]. SoC có thể được xác định thông qua mối quan hệ giữa SoC và các thông số nội tại của pin, nhưng độ chính xác ước lượng phụ thuộc rất nhiều vào độ chính xác của mối quan này là nhược điểm của phương pháp. Để ước lượng SoC chính xác hơn, trong những năm gần đây phương pháp ước lượng SoC dựa trên mô hình được sử dụng nhiều hơn. Phương pháp này có thể được chia thành HỘI THẢO KHOA HỌC KHOA ĐIỆN - 30/10/2019 15 Nguyễn Vĩnh Thụy - NCS hai loại: mô hình dựa trên vật lý và mô hình mạch tương đương [6]. Khả năng ước lượng SoC trong thời gian hoạt động dài và các tham số bên trong pin là ưu điểm của mô hình vật lý, nhưng mô hình rất phức tạp liên quan đến phương trình vi phân từng phần là nhược điểm lớn. Phương pháp ước lượng SoC dựa trên mô hình mạch tương đương chủ yếu bao gồm thuật toán lọc Kalman, thuật toán lọc trực giao Gauss-Hermitian. Mặc dù không thể phản ánh các trạng thái bên trong của pin, nhưng ưu điểm của phương pháp này là tính toán SoC đơn giản hơn và khả năng ước lượng điện áp và dòng điện. Mô hình mạch điện tương đương bậc một chủ yếu được sử dụng cho pin Lithium-Ion với các ứng dụng không có yêu cầu sạc và xả đột ngột như các thiết bị điện tử cầm tay, máy tính. Với các ứng dụng yêu cầu sạc và xả liên tục, lớn đột ngột thì mô hình bậc một không thể mô tả đầy đủ các đặc tính động của pin. Một khía cạnh khác của ước lượng SoC dựa trên nền bộ lọc Kalman được tuyến tính hóa bởi đặc tính phi tuyến, do đó các phân phối đầu ra được tính theo đặc tính tuyến tính đó có độ chính xác thấp hơn [7-10]. Trong nghiên cứu chúng tôi này sử dụng mô hình mạch tương đương bậc hai để phản ánh tốt hơn động học của pin trong trường hợp sạc và xả đột ngột, liên tục. Để ước lượng chính xác hơn SoC của pin, phương pháp ước lượng dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng được sử dụng. Các nhiễu đo lường, nhiễu hệ thống và sự không chắc chắn động học được xét đến, do đó SoC được ước lượng chính xác hơn. Ưu điểm của phương pháp được chứng minh bằng các kết quả dựa trên dữ liệu thực. Bài báo được trình bày như sau: Trong phần 2, mô hình pin bậc hai được sử dụng và các tham số mô hình được xác định bằng dữ liệu thực nghiệm. Trong phần 3, quá trình ước lượng SoC dựa trên mô hình được giới thiệu trong phần 1 được thực hiện, ước lượng SoC này sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng. Phần 4 là một số kết luận và các nghiên cứu trong tương lai. 2. Mô hình mạch điện tương và nhận dạng tham số của pin Lithium-Ion 2.1 Mô hình mạch điện tương của pin Lithium-Ion Mô hình mạch điện tương đương bậc hai của pin được mô tả như trong hình 1: (sc(t)) Hình 1: Mô hình mạch điện tương bậc 2 pin Lithium-Ion Trong đó: OCV(sc(t)) là điện áp hở mạch; hyst mô tả điện áp trễ; v(t) là điện áp đầu cuối pin; Rm là điện trở trong của cell; (R1,C1), (R2,C2) là hai cặp R-C ghép so ...