Online impedance measurement of batteries using cross-correlation technique

Abstract

Although the foundation of battery technologies had been laid out quite a long time ago, the recent increase of the interest for technologies such as renewable energies, portable devices, electric vehicles urged the battery technology to emerge as a major research topic. Moreover, for such applications, the batteries generally considered to be one of, if not the most crucial component of the system, as the energy provided within them ensures the continuity of system operations. Additionally, the lifetime of such systems is generally directly correlated with the lifetime of batteries utilized thereof. Consequently, the assessment of battery condition is a crucial aspect for the durability and stability of a very wide range of applications. However, as most of the parameters regarding the status of the batteries are not directly measurable, the battery status generally has to be estimated. This task is generally undertaken by a battery management system (BMS), which often runs some tests on the battery to predict certain parameters such as state of health (SOH) and state of charge (SOC). Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS) principally presents the complex impedance values of a battery over a frequency range of interest and it is widely accepted as the most advanced testing technique for batteries as it allows a foundation for the estimation of various battery parameters such as battery temperature, SOC and SOH. However, very often, these measurements have to be accompanied with advanced estimation algorithms for ensuring reliable and accurate estimation of parameters. This thesis aims to provide a practical implementation of EIS measurements. For this purpose, the study presented in this thesis implements the suggested method into the DC-DC converters, which are almost always present in the systems deploying batteries. The implemented method is based on cross-correlation calculations. In the first part of the thesis the motivation and the objectives of the study is elaborated and a literature overview of the state of the art is provided for representing the current approaches and for emphasizing the need for improvements. The first part is followed by a theoretical background section, where the principles of the cross-correlation calculations and it's adaptation to battery EIS measurements are explained in detail. Several improvements for the method, especially aimed for battery applications, are also provided. In the subsequent part, the theoretical findings are supported by simulations, which are created in MATLAB by using the Simulink graphical programming environment. In this part, the theory is preliminarily tested by simulations regarding impedance measurements of a passive RLC circuit. In the latter part, a test bench is designed for performing experiments to serve as proof of concept for the suggested approach. The test bench comprises a digitally controlled boost converter that is configured for charging a 12-V, 7-Ah sealed lead-acid (SLA) battery. The boost converter is controlled by an FPGA based platform, namely the Nexsys 4 DDR of Xilinx. The digital controller also comprises subprogram for injecting the necessary signals to the battery. The waveforms that occur during the tests are then recorded by a data acquisition system based on NI cDAQ platform so that the saved data can be processed in MATLAB environment for calculating the EIS diagrams. During the experiments, firstly, the battery is tested via the proposed method at 50% SOC. It is shown that the results of the present approach coincide with those obtained by a commercially-available, laboratory-type, high-precision instrument. Finally, the tests were also repeated for 25% and 75% SOC values. Additionally, further results are also presented to prove the validity of the approach even when the DC-DC converter is configured to provide a constant current under closed feedback loop. In conclusion, it is shown that the proposed approach can be reliably used to analyse the impedance of batteries over a wide frequency range during battery charging process.

Batarya teknolojilerinin temelleri uzun yıllar atılmış olsa da, yakın tarihte yenilenebilir enerji teknolojileri, taşınabilir cihazlar ve elektrikli araçlar ve benzeri alanlara olan ilginin büyük bir ivme ile artması, batarya teknolojilerinin günümüzde ana akım araştırma alanlarından biri olarak gündeme gelmesine neden olmuştur. Yukarıda bahsedilmiş olan uygulama alanları kapsamında bakıldığında, sisteme sağlanan elektrik enerjisinin genellikle temel kaynağı olan bataryalar, içerisinde bulunduğu sistemin en önemli bileşenlerinden biri olarak düşünülmektedir. Buna ek olarak, bu gibi sistemlerin ömrü genelde içerisinde kullanılmış olan bataryanın ömrü ile direkt bir ilişki içerisindedir. Yukarıda verişmiş olan nedenlerden ötürü batarya ile ilgili ölçümler, hem bataryanın hem de bataryanın içerisinde bulunduğu sistemin sağlığı ve devamlılığının ön görülebilmesi açısından büyük önem arz etmektedir. Ne var ki, bataryaların durumu ile bağıntılı olan değişkenlerin çoğu maalesef doğrudan ölçülebilir büyüklükler değillerdir. Bu nedenden dolayı, bataryanın durum bilgileri genellikle yapılan ölçümler üzerinden kestirim yapmak vasıtası ile elde edilmektedirler. Batarya durum kestirim işlemleri genellikle sistem içerisinde bulunan bir batarya yönetim sistemi tarafından üstlenilmektedir. Batarya yönetim sistemleri batarya üzerinde çeşitli testler yapmak vasıtasıyla bataryanın şarj durumu, sağlık durumu ve benzeri değerlerin kestirimi amacı ile kullanılabilecek bazı değişkenleri ölçmeye çalışırlar. Bu gibi testlerden biri olan Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi, ilgilenilen bir frekans aralığı boyunca, bataryanın karmaşık empedans değerinin elde edildiği bir ölçüm yöntemidir. Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi genel anlamda bir batarya üzerinde uygulanabilecek olan en kapsamlı test olarak kabul edilmektedir. Bu bağlamda yapılan ölçümler batarya durumu kestirimi için kullanılacak olan bir temeli teşkil etmektedirler. Fakat, elektrokimyasal sistemlerin karmaşıklığı nedeni ile, batarya durum kestirimlerinin güvenilir ve hassas bir şekilde gerçekleştirilebilmesi için Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi Ölçümlerinin gelişmiş kestirim algoritmaları tarafından yorumlanması gerekmektedir. Bu tez kapsamından sürdürülen çalışmalar ile Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisinin batarya uygulamalarına elverişli bir yöntem olarak önerilmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi ölçümlerinin, içerisinde batarya bulunan sistemlerde büyük oranda kullanılmakta olan DC-DC dönüştürücülere entegre edilmesi hedeflenmiştir. Böylelikle, tez kapsamında önerilen bu yöntemin, sistem yapısı açısından büyük değişiklikler yapılmasına gerek olmadan, hali hazırdaki sistemlere kolayca entegre edilebilir bir yaklaşım olarak literatüre katılması amaçlanmıştır. Önerilen bu yöntem literatürde bilinen çapraz-korelasyon hesaplarının temellerine dayanmaktadır. Çapraz korelasyon hesaplarının sistem transfer fonksiyonlarının tespit edilmesi amacı ile kullanılması fikri temel sinyal işleme kitaplarında ele alınmıştır. Hatta, yakın zamanda yapılan bazı çalışmalar, bu yöntemin DC-DC çeviricilerin transfer fonksiyonlarının bulunması amacı ile kullanılabileceğini ortaya koymuştur. Fakat, bu tezin çalışma konusunun önerildiği tarihte bu yöntemi batarya empedans ölçümlerinin çevrimiçi tespiti amacı ile kullanımına dair bir çalışmaya rastlanmamıştır. Bu tez kapsamında, çapraz-korelasyon tekniği batarya uygulamaları kapsamında iyileştirilerek kolay uygulanabilen ve yüksek doğrulukta bir batarya empedans ölçümü yaklaşımı ortaya koyulmuştur. Tezin ilk kısmında, tezin motivasyonları ve hedefleri açıklanmış ve tezin konusu ile alakalı bir literatür özeti sunulmuştur. Literatür özeti kapsamında, hem batarya empedans ölçümlerinin önemini vurgulayan çalışmalara yer verilmiş olup hem de DC-DC çeviriciler vasıtası ile bataryarların empedans ölçümlerini çevrimiçi olarak yapmayı hedefleyen yakın tarihli çalışmalar okuyucunun dikkatine sunulmuştur. Bu şekilde derlenmiş olan literatür özeti tez konusunun hem önemine hem de güncelliğine ışık tutmaktadır. Takip eden bölümde ise tezde sunulan yaklaşımın temelini teşkil eden çapraz-korelasyon yönteminin temellerine ve bu yöntemin empedans ölçümleri için kullanımına dair teorik bilgiler detaylı bir biçimde verilmiştir. Bunlara ek olarak, tez kapsamında önerilen yöntemin batarya uygulamarında kullanımının iyileştirilmeini hedefleyen önerilere de aynı bölüm içerisinde yer verilmiştir. Bir sonraki bölümde, teorik kısımda işlenmiş olan yaklaşımlar simulasyon çalışmaları ile desteklenmiştir. Bu kapsamda Matlab - Simulink yazılımında pasif bir RLC devresinin karmaşık empedans değerlerini geniş bir frekans aralığında ölçümü amacı ile bir dc-dc çevirici simüle edilmiş olup, bu çeviricinin kontrol kısmına çapraz-korelasyon tekniğine dayalı olan empedans ölçüm algoritması entegre edilmiştir. Bu simülasyon devresinin gerçek dünyadaki uygulamasına yakın olması için ölçüm sisteminde meydana gelebilecek bazı hatalar da simülasyon kapsamında hesaba katılmıştır. Sonuç olarak, RLC devresi üzerinde yapılan simülasyonların RLC devresinin analitik olarak hesaplanmış empedans değerlerine çok yakın sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Takip eden bölümde ise testlerin gerçekleştirilmesi için gereken bir test ortamınının nasıl tasarlandığı gösterilmiştir. Tasarlanan test ortamı 7 Ah - 12 Volt bir kurşun-asit bataryayı (Yuasa NP7-12) sarj etmek için programlanmış, dijital olarak kontrol edilen bir boost dönüştürücü devresi içermektedir. Boost dönüştürücü bir Xilinx firmasının Nexsys 4 DDR isimli bir FPGA platformu tarafından kontrol edilmektedirç Bu FPGA platformu Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi ölçümleri amacı ile bataryaya zerk edilecek olan sinyalleri uygulayan bir alt programı da içermektedir. Bu sinyallerin uygulanması sonucu bataryada oluşacak olan dalga formları ise NI firmasının cDaQ platformu temeline dayanan bir veri toplama sistemi tarafından kayıt altına alınmaktadır. Kayıt edilen veriler ise MATLAB ortamında işlenilerek empedans ölçümleri elde edilmektedir. Yapılan deneyler kapsamında, ilk olarak bir önceki bölümde simulasyonlar ile ölçümü yapılmış olan RLC devresi bu sefer deneysel olarak test edilmiştir. Bu testlerin sonuçları IET Labs firmasının yüksek hassaslıktaki IET-1920 laboratuar tipi empedans ölçüm cihazı ile referans teşkil etmesi amacıyla alınan ölçümler ile karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda gözlemlenen yüksek uyum neticesinde, önerilen yöntemin pasif yükler üzerinde başarılı bir biçimde çalıştığı sonucu çıkarılmıştır. Yapılan bu ilk deney kapsamında elde edilen sonuçlar bir akademik konferans çalışması olarak yayınlanmıştır. Pasif yük üzerindeki başırılı ölçümler neticesinde batarya üzerinde yapılacak testlere başlanmıştır. Bu bağlamda, öncelikle bataryaya yapılacak olan perturbasyonun değerinin nasıl belirleneceği deneysel olarak gösterilmiştir. Çeşitli genliklerde yapılan perturbasyonların sonuçları empedans ölçümlerinin tutarlılığına bir ölçek olarak kullanılan Kramers-Kronig yöntemi ile yorumlanmıştır. Batarya deneyleri üzerinde yapılan deneyler kapsamında ilk olarak tez kapsamında önerilen yöntemin doğruluğunu onaylaması açısından bir referans ölçüm alınmasına karar verilmiştir. Bu referans ölçümler için piyasada bulunan yüksek hassaslıktaki bir empedans spektroskopisi cihazı (Gamry Reference 3000) kullanılmıştır. Bu bağlamda referans ölçümler için kullanılan batarya EN 50342-1 CENELEC standartlarına uyularak \% 50 doluluk oranına getirilerek ölçümler alınmıştır. Sonrasında, aynı doluluk oranındaki batarya tez kapsamında önerilen yöntem ile test edilerek alınan ölçümler söz konusu referans ölçümler ile karşılaştırılmıştır. Bunun neticesinde, çapraz-korelasyon tekniğine dayanan ölçümlerin referans ölçümler ile yüksek oranda uyuştuğu gösterilerek, tez kapsamında önerilen bu çapraz-korelasyon tekniğine dayalı tekniğin geçerliliği ispatlanmıştır. % 50 şarj durumunda yapılan ölçümlere mütakip olarak \% 25 ve \% 75 sarj durumları için deneyler tekrar edilmiştir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında önerilen yöntemin güvenilir bir biçimde batarya empedans ölçümleri için kullanılabileceği gösterilmiştir. Ek olarak, önerilen yöntemin DC-DC çeviricinin kapalı çevrim olarak çalıştığı durumlarda da geçerli olduğunu gösteren ölçümler de bu bölüm kapsamında sunulmuştur. Elde edilen sonuçlar hem Bode Diyagramları hem de Nyquist Diyagramları şeklinde sunulmuştur. Son olarak, farklı şarj durumları için elde edilen sonuçlar tek bir grafik üzerinde karşılaştırılarak diyagramda gözlemlenen değişikliklerin literatürde benzer bataryalar için yayınlanan sonuçlar ile benzer olduğu gösterilmiştir. Ek olarak, ölçümler literatürde yakın zamanda yayınlanmış olan bir elektrik eş değer devre modeline uygulanarak, bu modeldeki temsili elemanların büyüklükleri için çıkarım yapılmıştır.