Nghiên cứu phương pháp sạc nhanh cho pin lithium dựa trên mô hình nhiệt

Nội dung text: Nghiên cứu phương pháp sạc nhanh cho pin lithium dựa trên mô hình nhiệt

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SẠC NHANH CHO PIN LITHIUM DỰA TRÊN MƠ HÌNH NHIỆT RESEARCH ON THE FAST CHARGING METHOD FOR LITHIUM BATTERY BASED ON THERMAL MODEL Đỗ Bá Phú1, Đỗ Ngọc Quý1, Phạm Duy Học2, Nguyễn Kiên Trung1 1Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2Viện Khoa học và cơng nghệ Việt Nam - Hàn Quốc Ngày nhận bài: 03/11/2020, Ngày chấp nhận đăng: 16/03/2021, Phản biện: TS. Bùi Thị Duyên Tĩm tắt: Sạc nhanh cho pin Lithium-ion là một giải pháp thúc đẩy sự phát triển của xe điện trong tương lai. Bài báo này đề xuất một phương pháp sạc nhanh mới dựa trên mơ hình nhiệt, giảm được thời gian sạc đồng thời đảm bảo được tuổi thọ của pin. Hiệu quả của phương pháp đề xuất được kiểm chứng bằng mơ phỏng. Khi nhiệt độ mơi trường là 298°F, thời gian sạc của phương pháp đề xuất bằng 83.44%, 0.8%, 64.15% khi so sánh lần lượt với phương pháp sạc dịng điện khơng đổi điện áp khơng đổi, sạc nhiều mức dịng điện và sạc xung. Từ khĩa: Xe điện, pin Lithium-ion, sạc nhanh, mơ hình nhiệt. Abstract: Fast charging for Lithium-ion is an essential problem that needs to be resolved to impulse the development of electric vehicles. This paper proposes a new charging method based on thermal model, which reduces charging time and ensures cycle life of battery. The effectiveness of the proposed method is verified by simulation. Under ambient temperature is 298°F, the simulation results show that the charging time of the proposed method equal to 83.44%, 0.8%, 64.15% in comparison with the constant current constant voltage charging method, multi-stage constant current charging method, and pulse charging method respectively. Keywords: Electric vehicles, Lithium-ion battery, fast charging, thermal model. CHỮ VIẾT TẮT MSCC Multi Stage Constant Current EVs Electric Vehicles PC Pulse Charging PHEVs Plug-in Hybrid Electric Vehicle CCCF-PC Constant Current Constant CC-CV Constant Current - Constant Voltage Frequency Pulse Charging Số 26 27
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) CCVF-PC Constant Current Variable mức dịng điện, và dùng phương pháp tối Frequency Pulse Charging ưu bầy đàn (PSO) dựa trên điều khiển mờ, [20] sử dụng thuật tốn tối ưu đàn kiến SoC State of Charge (ACS) để tìm được các mức sạc phù hợp. PSO Particle Swarm Optimizatio Bên cạnh đĩ, phương pháp sạc xung cũng ACS Ant Colony Optimization được nghiên cứu trong những năm gần đây nhằm thay thế phương pháp sạc dịng SAE Society of Automotive điện khơng đổi - điện áp khơng đổi. Engineers Nghiên cứu [5,8] đã khảo sát về sự ảnh IEC International Electrotechnical hưởng của xung dịng điện đối với tuổi Commission thọ của pin và đưa ra mức xung dịng điện an tồn từ 0-1C. Những phương pháp sạc 1. GIỚI THIỆU CHUNG nhanh hiện nay đều chuyển trạng thái sạc Trong vài thập kỉ trở lại đây, cĩ sự dịch dựa trên những yêu tố: dịng điện, điện áp, chuyển từ việc sử dụng xăng dầu sang sử SOC - một đại lượng khơng đo lường dụng điện trong nhiều lĩnh vực. Sự thay được, phải sử dụng những thuật tốn ước đổi này dự kiến sẽ tăng mạnh trong thời lượng, mà khơng xét tới nhiệt độ - một gian tới, đặc biệt là đối với xe điện (EVs) yếu tố quyết định đến tuổi thọ của pin. [1,2]. Một số loại pin được sử dụng trên Nghiên cứu [9, 10, 26] đã khảo sát mơ xe điện như axit chì, NiMH, pin Lithium- hình nhiệt của pin, sự ảnh hưởng của ion (Li-ion). Trong đĩ, pin Li-ion cĩ nhiệt độ tới các đặc tính hĩa học của pin nhiều ưu điểm hơn cả, do cĩ mật độ năng Li-ion và chỉ ra quá nhiệt là nguyên nhân lượng cao, vịng đời dài và tốc độ tự xả chủ yếu làm tuổi thọ của pin Li-ion giảm thấp. Tuy nhiên, do sự hạn chế của thời xuống đồng thời đưa ra mức nhiệt độ an gian sạc dài nên việc sử dụng trên xe điện tồn cao nhất khi sạc là 318°F - 323°F. Từ chưa thực sự thuận lợi. Tối ưu phương đĩ bài báo này đề xuất phương pháp sạc pháp sạc nhanh cho pin Li-ion trở thành dựa trên mơ hình nhiệt của pin và đưa ra vấn đề cấp thiết. Để giải quyết vấn đề đĩ, kết quả mơ phỏng và so sánh với các việc nghiên cứu phương pháp sạc nhanh phương pháp sạc nhanh khác. Kết quả mơ cho pin Li-ion đã phát triển mạnh trong phỏng chỉ ra phương pháp sạc dựa trên những năm gần đây [3,4]. Pin Li-ion được mơ hình nhiệt cho thời gian sạc tương ứng sạc một cách phổ biến dựa theo phương là 83.44%, 0.8%, 64.15% khi được so pháp dịng điện khơng đổi - điện áp khơng sánh lần lượt với phương pháp sạc dịng đổi (CC-CV). Tuy nhiên, giai đoạn sạc điện khơng đổi - điện áp khơng đổi, sạc điện áp khơng đổi diễn ra chậm dẫn đến nhiều mức dịng điện và sạc xung với thời gian sạc pin bị kéo dài. Nghiên cứu cùng nhiệt độ lớn nhất trong quá trình sạc [6,7] đã đưa ra phương pháp sạc nhiều là 320°F và cùng bộ sạc 18 kW khi nhiệt 28 Số 26
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) độ mơi trường là 298°F. Các tiêu chuẩn thể hiện như trong bảng 1. Trong đĩ thời sạc, các phương pháp sạc nhanh hiện nay gian sạc theo từng chế độ và các loại và các ưu, nhược điểm của các phương phương tiện phù hợp với từng chế độ sạc pháp đĩ được khảo sát trong phần 2 của được đưa ra một cách cụ thể. Trong khi bài báo này. đĩ, tiêu chuẩn IEC cĩ hơn 6500 tiêu chuẩn về thiết kế và lắp đặt hệ thống điện, 2. TIÊU CHUẨN VÀ CÁC PHƯƠNG tiêu chuẩn IEC 61851-1 là tiêu chuẩn cho PHÁP SẠC PIN các bộ sạc pin của xe điện. Một cách cụ 2.1 Tiêu chuẩn sạc pin cho xe điện thể, IEC 61851-21-1:2017 quy định Hiện nay, cĩ hai tiêu chuẩn sạc cho xe những tiêu chuẩn cho bộ sạc tích hợp và điện: tiêu chuẩn SAE và tiêu chuẩn IEC. IEC 61851-21-2:2018 quy định những Tiêu chuẩn SAE là tiêu chuẩn được Hiệp tiêu chuẩn cho bộ sạc rời [11]. Bảng 2 mơ hội kỹ sư ơ tơ xây dựng, tiêu chuẩn IEC là tả một cách cụ thể các chế độ sạc cũng tiêu chuẩn do Ủy ban Kỹ thuật điện quốc như dịng điện và điện áp cực đại trong tế xây dựng. Mục tiêu của các tiêu chuẩn từng chế độ. Hiện nay, cĩ nhiều hãng này là thúc đẩy sự hợp tác quốc tế về tiêu cơng nghệ nghiên cứu và sản xuất các bộ chuẩn hố trong lĩnh vực điện - điện tử và sạc nhanh cho xe điện. Trong đĩ, cĩ thể các vấn đề cĩ liên quan. Tiêu chuẩn SAE kể đến như Tesla, Porsche, ABB, Tập được sử dụng phổ biến tại Mỹ và tiêu đồn ABB nghiên cứu bộ sạc cĩ cơng suất chuẩn IEC được sử dụng phổ biến tại các lên tới 180 kW, điển hình là họ các sản nước thuộc Liên minh châu Âu EU. Các phẩm Terra 24 và Terra 184. chế độ sạc pin theo tiêu chuẩn SAE được Bảng 1. Các chế độ sạc pin theo tiêu chuẩn SAE [12] Mức sạc Mức cơng suất sạc Thời gian sạc Loại phương tiện phù hợp Mức 1 1.4 kW (12 A) 4-11 giờ PHEVs (5-15 kWh) 120 VAC(US) 1.9 kW (20 A) 11-36 giờ EVs (16-50 kWh) 230 VAC (EU) Mức 2 4 kW (17 A) 1-4 giờ PHEVs (5-15 kWh) 240 Vac (US) 8 kW (32 A) 2-6 giờ EVs (16-30 kWh) 400 Vac (EU) 19.2 kW (80 A) 2-3 giờ EVs (30-50 kWh) Mức 3 50 kW 0.4-1 giờ EVs (20-50 kWh) 208-600 VAC hoặc VDC 100 kW 0.2-0.5 giờ Số 26 29
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng 2. Các chế độ sạc pin theo tiêu chuẩn IEC [11] Mức sạc Mơ tả Dịng điện, điện áp cực đại Mức 1 Kết nối giữa nguồn AC và xe điện khơng cĩ giao 16 A và 250 VAC, 1 pha tiếp hay những tính năng an tồn bổ sung 16 V và 480 VAC, 3 pha Mức 2 Kết nối giữa nguồn AC và xe điện cĩ giao tiếp hay 32 A và 250 VAC, 1 pha những tính năng an tồn bổ sung 32 A và 480 VAC, 3 pha Mức 3 Kết nối giữa nguồn AC và bộ sạc xe điện được kết 70 A và 250 VAC, 1 pha nối một cách cố định và cĩ những tính năng an 63 A và 480 VAC, 3 pha tồn bổ sung Mức 4 Kết nối giữa nguồn AC hoặc DC và bộ sạc xe điện 250A và 600 VDC được kết nối một cách cố định và cĩ những tính 200A và 1000 VDC năng an tồn bổ sung 2.2. Các phương pháp sạc nhanh đoạn sạc điện áp khơng đổi cần nhiều thời hiện tại gian và điều đĩ khơng đáp ứng được cho 2.2.1. Phương pháp sạc dịng điện yêu cầu sạc nhanh [4]. Phương pháp này khơng đổi - điện áp khơng đổi (CC-CV) bỏ qua nội trở của pin - nguyên nhân gây Đây là phương pháp sạc pin Lithium - ra sự tăng nhiệt độ của pin và làm hiệu ion phổ biến nhất hiện nay. Phương pháp quả sạc giảm xuống. này bao gồm 2 giai đoạn: giai đoạn chính: CC CV sạc dịng điện khơng đổi và giai đoạn sạc C/3 điện áp khơng đổi. Ở giai đoạn sạc dịng điện khơng đổi, pin được sạc với dịng cố Pin Dịngđiện định cho đến khi điện áp đạt tới điện áp 0 t1 Thời gian ngưỡng. Sau đĩ điện áp pin được giữ ở CC CV mức điện áp ngưỡng, và dịng điện sạc giảm dần về khơng và kết thúc quá trình Pin áp Điện sạc. [13] đã đưa ra những ảnh hưởng của mức điện áp ngưỡng đối với tuổi thọ 0 t1 Thời gian của pin. Hình 1. Dạng dịng điện, điện áp pin Hình 1 cho thấy hình dạng dịng điện và trong phương pháp sạc CC-CV điện áp trong quá trình sạc theo phương pháp sạc CC-CV. Quá trình sạc dịng điện 2.2.2. Phương pháp sạc nhiều mức khơng đổi chiếm khoảng 85% thời gian dịng điện (MSCC) của tồn bộ quá trình sạc. Tuy nhiên giai Phương pháp sạc nhiều mức dịng điện 30 Số 26
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) được nghiên cứu để phát triển các phương thời gian sạc trong từng giai đoạn là rất pháp sạc nhanh cho xe điện. Các mức quan trọng trong phương pháp này. Dịng chuyển trạng thái cĩ thể được xác định điện sạc tối ưu cĩ thể được xác định nhờ qua điện áp ngưỡng hoặc trạng thái sạc phương pháp điều khiển mờ [6, 19] với (SOC). Dạng dịng điện và điện áp theo đầu vào là sự thay đổi nhiệt độ và đầu ra phương pháp sạc nhiều mức dịng điện bộ điều khiển là dịng sạc, nghiên cứu [14, được thể hiện như trong hình 2 và hình 3. 15] sử dụng phương pháp Taguchi hay Với phương pháp sạc nhiều mức dịng nghiên cứu [20] sử dụng thuật tốn tối ưu điện dựa trên điện áp ngưỡng, pin sẽ được đàn kiến (ACS), nghiên cứu [6] sử dụng sạc với dịng điện sạc ban đầu được xác PSO dựa trên điểu khiển mờ. Các phương định từ trước cho đến khi điện áp trên pin pháp này cần một vi điều khiển cĩ khả đạt điện áp ngưỡng [3], quá trình sạc sẽ năng xử lý nhanh để đảm bảo yêu cầu được chuyển sang giai đoạn tiếp theo với khối lượng tính tốn lớn. dịng điện sạc nhỏ hơn dịng điện sạc của giai đoạn trước [14,15]. 2.2.3. Phương pháp sạc xung (PC) 2.2.3.1. Sạc xung với dịng điện khơng ) GĐ1 GĐ2 GĐ3 GĐ4 GĐ5 GĐ1 GĐ2 GĐ3 GĐ4 GĐ5 A ( đổi tần số khơng đổi (CCCF-PC) I5 Vmax I4 ) V ( Dịng điện Dịngđiện Phương pháp sạc xung với dịng điện I3 I2 áp Điện khơng đổi tần số khơng đổi là phương I1 0 Thời gian 0 Thời gian pháp sạc xung đơn giản để thực hiện nhất. Phương pháp yêu cầu cung cấp một xung Hình 2. Dạng dịng điện, điện áp pin dịng điện khơng đổi về biên độ và tần số theo phương pháp sạc nhiều mức dịng điện dựa trên điện áp ngưỡng trong suốt quá trình sạc. Hình 4 thể hiện dạng dịng điện và điện áp pin trong cả GĐ1 GĐ2 GĐ3 GĐ4 quá trình sạc pin theo phương pháp ) GĐ1 GĐ2 GĐ3 GĐ4 A ( I4 Vmax CCCF-PC. Quá trình sạc kết thúc khi điện ) I3 V ( áp trên pin đạt điện áp ngưỡng. Dịng điện I2 Điện áp áp Điện I1 SOC 0 0 Thời gian 25% 50% 75% 100% Điện áp Pin áp Điện Hình 3. Dạng dịng điện, điện áp pin Dịng Pin điện theo phương pháp sạc nhiều mức dịng điện 0 Thời gian 0 Thời gian dựa trên SOC Hình 4. Dạng dịng điện và điện áp pin Với phương pháp sạc nhiều mức dịng trong quá trình sạc theo phương pháp CCCF-PC điện dựa trên SOC, pin được sạc với từng mức dịng điện sạc khác nhau tương ứng 2.2.3.2. Sạc xung với dịng điện khơng với SOC đạt các mức 25%, 50%, 75% và đổi tần số thay đổi (CCVF-PC) 100%. Việc xác định dịng điện sạc và Phương pháp này được nghiên cứu để kết Số 26 31
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hợp những ưu điểm của phương pháp sạc do đĩ độ rộng của xung sau sẽ nhỏ hơn độ dịng điện khơng đổi điện áp khơng đổi và rộng của xung trước. Phương pháp này phương pháp sạc xung. Trong đĩ, quá khơng cần điều khiển mức dịng điện, trình sạc xung thực hiện nhằm thay thế nhưng cần điều khiển thời gian ngừng giai đoạn sạc điện áp khơng đổi của cũng như thời gian phát xung. Hình 5 thể phương pháp CC-CV. Tuy nhiên thời gian hiện dạng dịng điện, điện áp pin trong sạc theo phương pháp CCVF-PC khơng tồn bộ quá trình sạc dựa trên phương cải thiện so với phương pháp CCCV pháp sạc xung với dịng điện khơng đổi [18-20]. tần số thay đổi. 2.2.4. Ưu, nhược điểm của các CC PC phương pháp sạc nhanh hiện nay Dịng điện Pin Dịngđiện Từ những khảo sát trong mục 2.2.1-2.2.3, bảng so sánh ưu, nhược điểm của từng phương pháp sạc dịng điện khơng đổi điện áp khơng đổi, sạc nhiều mức dịng 0 t1 Thời gian điện và sạc xung được đưa ra như bảng 3. Để khắc phục những hạn chế của các CC PC phương pháp sạc hiện nay, bài báo đề Điện áp Pin áp Điện xuất phương pháp sạc dựa trên mơ hình nhiệt. Bảng 3. Ưu, nhược điểm của các phương pháp sạc nhanh hiện nay 0 Thời gian t1 Phương Ưu Nhược điểm Hình 5. Dạng dịng điện, điện áp pin trong tồn pháp điểm bộ quá trình sạc theo phương pháp CCVF-PC sạc Trong giai đoạn đầu, cell pin Li-ion được CC-CV Dễ điều - Thời gian sạc cịn sạc với một dịng điện sạc cố định như khiển, dài. tiếp cận phương pháp sạc CC-CV cho đến khi điện - Khĩ xác định dịng áp pin đạt được mức điện áp ngưỡng thì sạc phù hợp với từng chuyển sang giai đoạn sạc xung. Ở giai cell pin trong giai đoạn sạc xung, dịng điện sạc vẫn được đoạn dịng điện khơng đổi. giữ biên độ như ở giai đoạn sạc đầu, nhưng thời gian sạc được gián đoạn chứ - Khơng điều khiển sự tăng nhiệt độ của khơng liên tục. Sau mỗi xung thì điện áp pin khi sạc. pin, dung lượng pin và SOC sẽ tăng lên, 32 Số 26
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Phương Ưu Nhược điểm cấp dịng điện lớn nhất cĩ thể để đạt được pháp điểm mức nhiệt độ đĩ và điều khiển để giữ sạc được dịng điện luơn ở mức cao nhất sao MSCC Thời - Thuật tốn xác định cho nhiệt độ pin luơn ở giá trị cao nhất gian sạc giá trị dịng điện và cho phép. Từ đĩ, pin được sạc một cách nhanh thời gian sạc tại các nhanh nhất và nhiệt độ của pin luơn ở giá mức sạc cịn phức tạp. trị cho phép. - Khơng điều khiển sự tăng nhiệt độ của Quá độ Ổn định Tỏa nhiệt pin khi sạc. Nhiệtđộ PC Dễ thực - Khĩ xác định dịng hiện sạc và tần số sạc tối điều ưu cho từng loại pin. t0 t1 t2 Thời gian khiển - Khơng điểu khiển Quá độ Ổn định Tỏa nhiệt sự tăng nhiệt độ của pin khi sạc. Dịngđiện - Thời gian sạc cịn dài. 0 Thời gian - Khĩ điều khiển t2 xung dịng điện sạc. Hình 6. Dạng nhiệt độ và dịng điện sạc theo phương pháp sạc dựa trên mơ hình nhiệt 3. PHƯƠNG PHÁP SẠC NHANH Phương pháp này gồm cĩ hai quá trình DỰA TRÊN MƠ HÌNH NHIỆT chính là quá trình quá độ và quá trình ổn Pin Lithium là một loại pin nhạy cảm với định nhiệt độ, ngồi ra cịn cĩ quá trình nhiệt độ, nhiệt độ tăng lên quá cáo sẽ làm tỏa nhiệt khi đã hồn thành việc sạc pin. đặc tính lý, hĩa của pin bị thay đổi và làm Trong giai đoạn quá độ, khi nhiệt độ của pin chưa đạt tới mức nhiệt độ đặt, dịng giảm tuổi thọ của pin và cĩ thể gây mất an điện sạc sẽ được huy động cao nhất cĩ thể tồn khi sạc. Do đĩ để cĩ thể cải thiện của bộ sạc. Khi đĩ, nhiệt độ của pin sẽ được hiệu suất, đảm bảo tuổi thọ của pin tăng nhanh và pin cũng sẽ được sạc một cũng như tăng độ an tồn cho việc sạc pin cách nhanh chĩng. Hết giai đoạn quá độ, thì nhiệt độ pin trong tồn bộ quá trình nhiệt độ của pin đã đạt giá trị đặt. Khi đĩ, sạc cần được điểu khiển. Để giữ được dịng điện sạc sẽ được giảm xuống dựa nhiệt độ ở giá trị yêu cầu, phương pháp trên mối quan hệ giữa nhiệt độ và dịng sạc dựa trên mơ hình nhiệt được đề xuất. điện sạc được trình bày trong mục này. Việc đặt giá trị nhiệt độ cao nhất mà vẫn Sau khi kết thúc giai đoạn ổn định nhiệt đảm bảo yêu cầu nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ, pin đã được sạc đầy. Khi đĩ, dịng độ cho phép sẽ yêu cầu bộ biến đổi cung điện sạc sẽ trở về khơng, và quá trình tỏa Số 26 33
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) nhiệt được bắt đầu. Trong quá trình này,  G E S nF ocv (4) pin khơng sinh thêm nhiệt độ mà chỉ cĩ TT quá trình tỏa nhiệt ra mơi trường. Quá Trong đĩ F là hằng số Faraday (Cmol 1 ), trình tỏa nhiệt kết thúc khi nhiệt độ trên n là số mol electron dịch chuyển trong pin bằng với nhiệt độ mơi trường. Dạng phản ứng (n=1 với pin Lithium ion), I là nhiệt độ và dịng điện sạc của phương dịng sạc (A), S là sự thay đổi entropy pháp sạc dựa trên mơ hình nhiệt được đưa ( JK 1 ), G nFV ( JK 11 mol ) là sự ra như hình 6. Việc điều khiển dịng theo ocv bộ điều khiển nhiệt độ khơng gây trở ngại thay đổi năng lượng Gibbs, Vocv là điện áp về độ phức tạp cho mạch sạc, khi chỉ cần Eocv hở mạch. Sự biến đổi là âm và Qs là thêm cảm biến đo nhiệt độ pin trong quá T trình sạc. thu nhiệt trong quá trình sạc. Việc mất năng lượng của pin chủ yếu do điện trở Để đơn giản hĩa quá trình trao đổi nhiệt, phân cực và nội trở của pin. Do đĩ thì nhiệt độ bề mặt của pin được coi như năng lượng thất thốt của pin được tính: nhau. Mơ hình nhiệt của pin được diễn tả QQQ . Trong đĩ: Q là năng lượng như phương trình (1) [21, 22]: 0 pJ p thất thốt do quá trình phân cực và QJ là dT năng lượng thất thốt do điện trở phân mc Q0 Qs Q (1) dt cực. Trong đĩ: m là khối lượng của pin (kg), c QPP IU (5) là nhiệt dung riêng của pin ( Jkg 11 K ), T QIR 2 (6) là nhiệt độ của pin (K), Q0 là năng lượng Ji thất thốt do quá áp trong các chu kỳ sạc Với Ri là nội trở của pin và được coi là xả, Qs là nhiệt lượng phản ứng thuận hằng số thì năng lượng thất thốt do điện nghịch bởi sự thay đổi entropy, Q là nhiệt trở phân cực QJ được coi là cĩ mối quan lượng trao đổi. hệ tuyến tính với bình phương dịng sạc. Nhiệt lượng trao đổi được diễn tả như Tuy nhiên năng lượng thất thốt do quá phương trình (2): trình phân cực khơng cĩ mối quan hệ tỷ lệ với dịng điện sạc mà độ dốc của nĩ là Q hA() T Tamb (2) một hàm của SOC. [24]. UP =kI+b là điện Trong đĩ: A là diện tích bề mặt của pin áp phân cực của cell pin, k là tỉ lệ phân 2 (m ), Tamb là nhiệt độ mơi trường (K), h là cực, b hệ số bù phân cực [25]. Từ đĩ, mơ hệ số trao đổi nhiệt (Wm 21 K ). hình trao đổi nhiệt của pin được diễn tả như phương trình (7). Nhiệt phản ứng thuận nghịch bởi sự thay dT E đổi của entropy được diễn tả như sau [23]: mc IR2 IkIb()() TIocv hATT dti T amb I Q T s (3) s nF (7) 34 Số 26
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tiến hành gián đoạn hĩa các phương trình Thơng số Giá trị (1-7) với thời gian trích mẫu là 1 s, nhiệt Điện áp cell pin 12 V độ pin tại thời điểm t được diễn tả như SOC ban đầu 0.25 phương trình (8): Nhiệt độ mơi trường 298°F T(t) T(t 1) 2 Eocv Với phương pháp sạc dịng điện khơng IRIkIbTti ( ) ( 1) I AhTt ( ( 1) T amb ) T đổi điện áp khơng đổi: tại thời điểm mc (8) 2000 s, điện áp trên pin đạt tới điện áp ngưỡng, pin được chuyển sang sạc ở giai Cơng thức (8) là cơ sở để tính tốn giá trị đoạn điện áp khơng đổi, SOC tại thời dịng điện sạc sau mỗi chu kì trích mẫu điểm đĩ đạt 0.8. Nhiệt độ cao nhất trên nhiệt độ. Dịng điện sạc sẽ được điều pin trong cả quá trình sạc là 320°F. Quá khiển thơng qua các bộ điều khiển dịng trình sạc điện áp khơng đổi diễn ra trong điện trong các bộ sạc. thời gian rất lâu, tại thời điểm 3500 s mới cĩ thể đầy được pin. 4. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Để chứng minh hiệu quả của phương Phương pháp sạc nhiều mức dịng điện dựa theo trạng thái SOC được mơ phỏng pháp sạc nhanh dựa trên mơ hình nhiệt theo trích dẫn [14] với các mức dịng điện được đề xuất, một mơ hình pin được mơ được xác định là 1.8C, 1.25C, 0.9C và phỏng trên phần mềm Matlab Simulink 0.5C ứng với mỗi 25% SOC. Do pin được 2018 với thơng số được cho như ở bảng 3. mơ phỏng với SOC ban đầu là 0.25 nên Kết quả mơ phỏng về dịng điện, điện áp, các mức dịng điện sạc ứng với từng mức trạng thái SOC và nhiệt độ trong quá trình sạc khi đĩ là: 50 A, 36 A và 20 A ứng với sạc của các phương pháp sạc dịng điện từng mức SOC: 25%, 50% và 75%. Pin khơng đổi điện áp khơng đổi, sạc nhiều được chuyển mức sạc tại các thời điểm: mức dịng điện, sạc xung và sạc dựa trên 800 s, 1700 s và khi 3400 s thì SOC đạt mơ hình nhiệt trên một cell pin được đưa 100%. Nhiệt độ sạc cao nhất trong tồn ra như trong hình 7. bộ quá trình là 320°F. Bảng 3. Thơng số mơ phỏng Phương pháp sạc xung dịng điện khơng đổi, tần số khơng đổi được mơ phỏng với Thơng số Giá trị biên độ xung dịng điện được đặt là 50 A Loại pin LiFePO4 và tần số dịng điện mơ phỏng là 0.01 Hz Dung lượng 40 Ah và duty 50%. Các tần số địng diện là Số cell pin 30 cell 0.001 Hz, 0.1 Hz cũng được tiến hành mơ phỏng với cùng điều kiện, tuy nhiên, kết Cơng suất bộ sạc 18 kW quả mơ phỏng tương tự khi so với tần số Dịng điện sạc lớn nhất 50 A 0.01 Hz. Do đĩ, cĩ thể kết luận thời gian Số 26 35
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) sạc và nhiệt độ pin ít phụ thuộc vào tần số Phương pháp sạc dựa trên mơ hình nhiệt xung dịng điện. Tại thời điểm 4240 s, được mơ phỏng với dịng điện sạc lớn SOC đạt 100% và pin được sạc đầy, nhiệt nhất cho phép là 50 A, nhiệt độ đặt là độ cao nhất trong quá trình sạc là 320°F. 320°F. Tại thời điểm 1150 s, nhiệt độ trên pin đạt 320°F, dịng điện sạc được giảm xuống ngay lập tức và sau đĩ được tăng, giảm nhằm giữ được nhiệt độ trên pin là khơng đổi trong suốt quá trình sạc là 320°F. SOC đạt 100% tại thời điểm 2720 s và pin được sạc đầy. Sau thời điểm đĩ, (a) Dịng điện sạc nhiệt độ trên pin giảm dần nhờ quá trình tỏa nhiệt ra mơi trường một cách tự nhiên. Từ những kết quả đĩ, nhận thấy phương pháp sạc ổn định nhiệt độ cho thời gian sạc là ngắn nhất (2720 s với nhiệt độ mơi trường ổn định ở 298°F) và đảm bảo tuổi thọ của pin khi nhiệt độ sạc đạt 320°F. (b) Điện áp sạc Thời gian sạc Phương pháp sạc (c) Trạng thái sạc SOC Hình 8. Thời gian sạc đầy của các phương pháp 5. KẾT LUẬN Bài viết này đã liệt kê một cách cĩ hệ thống các phương pháp sạc cho pin Lithium-ion. Những phương pháp sạc được thảo luận đều cĩ khả năng cải thiện (d) Nhiệt độ pin trong quá trình sạc thời gian sạc pin, tăng hiệu suất sạc và ít Hình 7. (a) Dịng điện sạc, (b) Điện áp sạc, làm ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. (c) Trạng thái sạc SOC, (d) Nhiệt độ một cell pin trong quá trình sạc của từng phương pháp sạc Ngồi ra, bài báo cĩ đề xuất phương pháp với nhiệt độ mơi trường khơng đổi sạc nhanh dựa trên mơ hình nhiệt cũng 36 Số 26
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) như mơ phỏng và so sánh hiệu quả sạc chế tạo thiết bị cấp điện di động cho tàu bay” giữa các phương pháp sạc. mã số ĐTĐL.CN-14/18 đã hỗ trợ nhĩm thực Xin cảm ơn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và hiện nghiên cứu này. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Wang Yunshi, Sperling Daniel, Tal Gil, Fang Haifeng, "China’s electric car surge". Energy Policy 2017, 2017, vol. 102, pp 486-490. [2] C. Pillot, "Micro hybrid, HEV, P-HEV and EV market 2012–2025 impact on the battery business," 2013 World Electric Vehicle Symposium and Exhibition (EVS27), Barcelona, 2013, pp. 1-6, doi: 10.1109/EVS.2013.6914818. [3] Shen, Weixiang & Vo, Thanh & Kapoor, Ajay. "Charging algorithms of lithium-ion batteries: An overview". Proceedings of the 2012 7th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, ICIEA 2012. pp 1567-1572. doi:10.1109 /ICIEA.2012.6360973. [4] Anna Tomaszewska, Zhengyu Chu, Xuning Feng, Simon O'Kane, "Lithium-ion battery fast charging: A review", eTransportation, Volume 1, August 2019. [5] Zhao, Yanfei & Lu, Bo & Song, Yicheng & Zhang, Junqian, "A modified pulse charging method for lithium-ion batteries by considering stress evolution, charging time and capacity utilization", Frontiers of Structural and Civil Engineering 2018. doi: 10.1007/s11709-018-0460. [6] S. Wang and Y. Liu, "A PSO-Based Fuzzy-Controlled Searching for the Optimal Charge Pattern of Li-Ion Batteries," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 5, pp. 2983-2993, May 2015, doi: 10.1109/TIE.2014.2363049. [7] A.B. Khan, Van-Long Pham, Thanh-Tung Nguyen and Woojin Choi, "Multistage constant-current charging method for Li-Ion batteries," 2016 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Busan, 2016, pp. 381-385, doi: 10.1109/ITEC- AP.2016.7512982. [8] M.J. Brand, M.H. Hofmann, S.S. Schuster, P. Keil and A. Jossen, "The Influence of Current Ripples on the Lifetime of Lithium-Ion Batteries," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, no. 11, pp. 10438-10445, Nov. 2018, doi: 10.1109/TVT.2018.2869982 [9] Min. Ye, H. Gong, R. Xiong and H. Mu, "Research on the Battery Charging Strategy With Charging and Temperature Rising Control Awareness," in IEEE Access, vol. 6, pp. 64193-64201, 2018, doi:10.1109/ACCESS.2018.2876359. [10] Xuning Feng, Minggao Ouyang, Xiang Liu, Languang Lu, Yong Xia, Xiangming He, "Thermal runaway mechanism of Lithium ion battery for electric vehicles: a review". Energy Storage Mater 2017, vol 10, pp 246-67. [11] Hanauer, Dieter. (2018). Mode 2 Charging-Testing and Certification for International Market Access. World Electric Vehicle Journal. 9. 26. 10.3390/wevj9020026. [12] M. Yilmaz and P.T. Krein, "Review of Battery Charger Topologies, Charging Power Levels, and Infrastructure for Plug-In Electric and Hybrid Vehicles," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, no. 5, pp. 2151-2169, May 2013. Số 26 37
12. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [13] Q Dong, H. Kang, YB Yan, "Effect of charge cutoff voltage on electrochemical performance of lithium ion battery". Chem Ind Eng Prog 2008. [14] Y. Luo, Y. Liu and S. Wang, "Search for an optimal multistage charging pattern for lithium-ion batteries using the Taguchi approach," TENCON 2009 - 2009 IEEE Region 10 Conference, Singapore, 2009, pp. 1-5. [15] Y. Liu, C. Hsieh and Y. Luo, "Search for an Optimal Five-Step Charging Pattern for Li-Ion Batteries Using Consecutive Orthogonal Arrays," in IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 26, no. 2, pp. 654-661, June 2011, doi: 10.1109 /TEC. 2010. 2103077. [16] Gianfranco Pistoia, "Battery Operated Devices and Systems: From Portable Electronics to Industrial Products". Elsevier, Amsterdam, London, 2009. [17] F. Savoye, P. Venet, M. Millet and J. Groot, "Impact of Periodic Current Pulses on Li-Ion Battery Performance," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 59, no. 9, pp. 3481-3488, Sept. 2012, doi: 10.1109/TIE.2011.2172172. [18] Jun Li, Edward Murphy, Jack Winnick, Paul A. Kohl, "The effects of pulse charging on cycling characteristics of commercial lithium-ion batteries". J. Power Sources 102 2001:p. 302–309. [19] J. Huang, Y. Liu, S. Wang and Z. Yang, "Fuzzy-control-based five-step Li-ion battery charger," 2009 International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS),Taipei, 2009, pp.1547-1551, doi: 10.1109/ PEDS.2009. 5385780. [20] Yi-Hwa Liu, Jen-Hao Teng and Yu-Chung Lin, "Search for an optimal rapid charging pattern for lithium-ion batteries using ant colony system algorithm," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 52, no. 5, pp. 1328-1336, Oct. 2005, doi: 10.1109/TIE.2005.855670. [21] Maryam Ghalkhani, Farid Bahiraei, Gholam-Abbas Nazri, Mehrdad Saif, “Electrochemical–Thermal Model of Pouch-type Lithium-ion Batteries”, Electrochimica Acta. dx.doi.org/ 10.1016/ j.electacta.2017.06.164 [22] Yang Gao, C. Zhang, Q. Liu, Yan Jiang, Weiqiang Ma and Yong Mu, "An optimal charging strategy of lithium-ion batteries based on polarization and temperature rise," 2014 IEEE Conference and Expo Transportation Electrification Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific), Beijing, China, 2014,pp.1- 6,doi: 10.1109/ITEC-AP.2014.6941149. [23] Weifeng Fang, Ou Jung Kwon, Chao Yang Wang, “Electrochemical-thermal modeling of automotive Li-ion batteries and experimental validation using a three-electrode cell”. International [24] L. Chen, S. Wu, D. Shieh and T. Chen, "Sinusoidal Ripple Current Charging Strategy and Optimal Charging Frequency Study for Li-Ion Batteries," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 1, pp. 88-97, Jan. 2013, doi: 10.1109/TIE.2012.2186106. [25] Abdollahi A, Han X, Avvari GV, Raghunathan N, “Optimal battery charging, Part I: Minimizing time-to-charge, energy loss, and temperature rise for OCV resistance battery model”, J Power Sources 2016;303:388–98 [26] Friesen, Alex; Mưnnighoff, Xaver; Bưrner, Markus; Haetge, Jan; Schappacher, Falko M.; Winter, Martin (2017). “Influence of temperature on the aging behavior of 18650-type lithium ion cells: A comprehensive approach combining electrochemical characterization and post-mortem analysis”. Journal of Power Sources, 342(), 88–97. doi:10.1016/j.jpowsour.2016.12.04. 38 Số 26
13. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Giới thiệu tác giả: Tác giả Đỗ Bá Phú tốt nghiệp đại học ngành tự động hĩa tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2019. Hiện nay tác giả làm việc tại Viện Điều khiển và Tự động hĩa - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Lĩnh vực nghiên cứu: điện tử cơng suất và cơng nghệ sạc pin cho xe điện. Tác giả Đỗ Ngọc Quý sinh năm 1996, tốt nghiệp đại học ngành tự động hĩa tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2019. Hiện tại tác giả làm việc tại Viện Điều khiển và Tự động hĩa - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Lĩnh vực nghiên cứu: điện tử cơng suất và quản lý năng lượng cho xe điện. Tác giả Phạm Duy Học tốt nghiệp đại học tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2001, nhận bằng Thạc sĩ tại Đại học Quốc gia Yokohama Nhật Bản năm 2009. Từ năm 2009 đến năm 2012 nghiên cứu tại Phịng Nghiên cứu phát triển bộ biến đổi cho tàu điện và tàu cao tốc - Cơng ty Toyodenki Seizo Nhật Bản, từ năm 2012 đến năm 2019 là kỹ sư thiết kế hệ thống nguồn cho tàu điện và tàu cao tốc tại Cơng ty Toyodenki Seizo Nhật Bản. Hiện nay tác giả là Trưởng Phịng Nghiên cứu điện tử - Viện Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam - Hàn Quốc. Lĩnh vực nghiên cứu: hệ điện tử cơng suất, nghiên cứu phát triển động cơ điện và hệ điều khiển chuyển động. Tác giả Nguyễn Kiên Trung tốt nghiệp đại học và nhận bằng Thạc sĩ tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào các năm 2008 và 2011; nhận bằng Tiến sĩ tại Viện Cơng nghệ Shibaura Tokyo, Nhật Bản năm 2016. Hiện nay tác giả là giảng viên Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Lĩnh vực nghiên cứu: các bộ biến đổi tần số cao, hệ thống sạc và quản lý năng lượng cho xe điện, hệ thống sạc điện khơng dây cho xe điện. Số 26 39
14. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 40 Số 26