Remzi İNAN, Muhammed GÜÇKIRAN, Yunus Emre ALTINIŞIK, Salih TEK, Mesut POTUK

Elektrikli araçlar için iyileştirilmiş pasif dengeleme yöntemi ile tasarlanan batarya yönetim sisteminin gerçek-zamanlı uygulaması

Bu çalışma kapsamında, silindirik lityum-iyon hücrelerin birleşiminden oluşan batarya paketi tasarımı ile birlikte iyileştirilmiş pasif dengeleme tekniği kullanılarak hücrelerin daha verimli bir şekilde şarj-deşarj işlemini gerçekleştirebilmesine izin veren bir batarya yönetim sistemi (BYS) önerilmiştir. Yanlış bağlantı, harici müdahale ile oluşan istenmeyen kısa devre durumu, olumsuz çevre şartları, imalattan kaynaklı ve tamamen homojen yapıda olmayan bataryaların kullanımı batarya paketi için risk oluşturmaktadır. Bu durumlardan dolayı oluşabilecek olan aşırı sıcaklık, şarj-deşarj ve kısa devre kaynaklı aşırı akım ve aşırı gerilim gibi olumsuzluklar anında, BYS sisteme müdahale edebilir ve görüntülü/sesli uyarı verebilir olmalıdır. Verimlilik açısından ise hücre gerilim değerlerinin birbirine yakın olarak hatta aynı düzeyde kullanılması önem teşkil etmektedir. Bu amaçla pasif dengeleme yöntemi sayesinde her şarj aşamasında hücrelerin gerilim düzeyleri, batarya çeşidi ve karakteristikleri göz önünde bulundurularak özgün olarak belirlenen eşik değerlerde dengelenmesi esas alınmıştır. Önerilen BYS’de merkezi ve ikincil mikrodenetleyici olarak ARM tabanlı STM32F103 tercih edilmiştir. Proje kapsamında olabildiğince yüzey montajlı malzemelerin kullanılması ile çift katman yapılı olarak gerçekleştirilen elektronik kart tasarımları, genel olarak batarya paketinin içerdiği enerji yoğunluğu ve sistem özellikleri de düşünüldüğünde oldukça ergonomik bir gerçek-zamanlı batarya yönetim sistemi elde edilmiştir. Ayrıca batarya paketinin tasarımı, kullanılmak istenen sistemin durumuna göre paralel modül sayılarının eklenip çıkarılabilmesi sayesinde de önerilen batarya yönetim sisteminin özellikle akım kapasitesi anlamında uyarlanabilir bir yapı sergilemesine olanak sağlamaktadır. Önerilen sistemin başarısı, gerçek-zamanlı bir elektrikli araç üzerinde kullanılarak test edilmiştir.

Anahtar Kelimeler:

Lityum-iyon pil, batarya yönetim sistemi, pasif dengeleme, elektrikli araç, STM mikrodenetleyiciler

PDF

___

Referans 1 Chan C. C. and Chau K. T., Modern electric vehicle technology, Oxford University Press, 2001.
Referans 1 Daud Z. H. C., Asus Z., Bakar S. A. A., Husain N. A., Mazali I. I., Chrenko D., Thermal characteristics of a lithium-ion battery used in a hybrid electric vehicle under various driving cycles, IET Electrical Systems in Transporation, 10 (3), 243-248, 2020. Referans 3 Das U. K., Shrivastava P., Tey K. S., Idris M. Y. I. B., Mekhilef S., Jamei E., Seyedmahmoudian M., Stojcevski A., Advancement of lithium-ion battery cells voltage equalization techniques: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 134, 1-29, 2020.
Referans 4 Hannan M. A., Hoque M., Yusof Y., Ker P. J., State-of-the-Art and Energy Management System of Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicle Applications: Issues and Recommendations, IEEE Access, 6, 19362-19378, 2018.
Referans 5 Lipu M. S. H., Hannan M. A., Hussain A., Ayob A., Saad M. H. M., Karim T. F., How D. N. T., Data-driven state of charge estimation of lithium-ion batteries: Algorithms, implementation factors, limitations and future trends, Journal of Cleaner Production, 277, 1-29, 2020.
Referans 6 Zau A. T. P., Cowdhury S. P. D., Olwal T. O., Review of Battery Management Strategy in Hybrid Lead-Acid-Lithium-Ion Energy Storage System for Transport Vehicles, IEEE Conference on PES/IAS PowerAfrica, Nairobi, Kenya, 1-5, 25-28 Ağustos, 2020.
Referans 7 Liu C., Li K., Liu X., Wang Y., Distributed unknown input and state estimation for nonlinear multi-agent systems with applications to battery management, IEEE Transactions on CSEE Journal of Power and Energy Systems, Early Access, 1-14, 2020.
Referans 8 Lipu M. S. H., Hannan M. A., Hussain A., Hoque M. M., Ker P. J., Saad M. H. M., Ayob A., A review of state of health and remaining useful life estimation methods for lithium-ion battery in electric vehicles: Challenges and recommendationsions, Journal of Cleaner Production, 205, 115-133, 2018.
Referans 9 Shen P., Ouyang M., Lu L., Li J., Feng X., The Co-estimation of State of Charge, State of Health, and State of Function for Lithium-Ion Batteries in Electric Vehicles, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 67 (1), 92-103, 2018.
Referans 10 Xiong R., Li L., Tian J., Towards a smarter battery management system: A critical review on battery state of health monitoring methods, Journal of Power Sources, 405, 18-29, 2018.
Referans 11 Stuart T., Fang F., Wang X., Ashtiani C., Pesaran A., A modular battery management system for HEVs, SAE Transactions on Journal of Passenger Cars: Electronic and Electrical Systems, 111 (7), 777-785, 2002.
Referans 12 Zheng M., Qi B., Wu H., A Li-ion battery management system based on CAN-bus for electric vehicle, 3rd IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Singapore, 1180-1184, 3-5 Haziran, 2008.
Referans 13 Qaisar S. M., Dallet D., Desprez P., Benjamin S., An evaluation methodology for the Li-Ion battery multiplexed voltage measurement systems, IEEE Conference on Instrumentation & Measurement Technology, Austin, TX, ABD, 1-4, 3-6 Mayıs, 2010.
Referans 14 Shi-qi A., An-ning Q., Yu-wei Z., Design and realization of SPI interface in lithiumion battery voltage measuring system, 6th International Conference on Computer Sciences & Education (ICCSE), Singapore, 83-87, 3-5 Ağustos, 2011.
Referans 15 Baronti F., Fantechi G., Roncella R., Saletti R., High-efficiency digitally controlled cSharge equalizer for series-connected cells based on switching converter and super-capacitor, IEEE Transactions on Industrial Informatics, 9 (2), 1139-1147, 2013.
Referans 16 Baykal T.,bLityum-polimer bataryalar için batarya yönetim sistemi geliştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2013.