Elektrikli araçlar için yüksek doğrulukla şarj kestirimi sunan batarya yönetim sistemi tasarımı

Abstract

Fosil yakıtlar elektrik enerjisi ihtiyacının karşılanmasından; ulaşım, sanayi, ısınma gibi sektörlerin birçoğunda uzun yıllardır birincil enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Ancak artan nüfus yoğunluğu ve modern yaşamla enerji ihtiyacındaki artış yenilenemez enerji kaynağı olan fosil yakıtların tükenmesini ve küresel ısınmaya neden olan zararlı gazların atmosfere salınımını beraberinde getirmektedir. Çevresel kaygılar ve sürdürülebilir enerji politikaları göz önünde bulundurulduğunda alternatif enerji kaynaklarına ve enerji depolama sistemlerine yönelik çalışmalar son yıllarda hız kazanmıştır. Elektrikli araçlar bu dönüşümün önemli bir parçası olarak öne çıkmaktadır. Bu doğrultuda elektrikli araçlar, performanslarının geliştirilmesiyle içten yanmalı motora sahip araçlara alternatif olarak sunulmaktadır. Elektrikli araçların performansını belirleyen önemli faktörlerden birisi menzilleridir. Bundan dolayı araç yapısının ergonomisi düşünüldüğünde düşük ağırlık ve yüksek güç yoğunluğuna sahip batarya paketlerinin kullanılması kaçınılmaz olmuştur. Lityum tabanlı bataryalar sahip olduğu yüksek güç yoğunluğunun yanında geri dönüşümü ve sürdürülebilirliğiyle, elektrikli araçların enerji depolama sistemleri için çevre dostu bir yaklaşım sunar. Fakat kimyasal yapısının çevresel koşullardan etkilenmesi ve aşırı şarj-deşarj durumlarına karşı hassas olmasından dolayı lityum tabanlı bataryalar güvenli ve verimli şekilde çalışması için takip sistemine ihtiyaç duyarlar. Batarya paketlerinin elektriksel ve termal optimizasyonunu sağlayan bu teknolojiye batarya yönetim sistemi (BYS) adı verilir. Batarya yönetim sistemi, batarya paketinin gerilim, akım, sıcaklık değerlerini gerçek zamanlı ölçerek batarya kullanılabilir çevrim ömrünün korunmasını ve güvenlik problemlerinin önüne geçilmesini amaçlayan elektronik bir çözümdür. Bu doğrultuda batarya yönetim sistemleri batarya paketinin anlık şarj durumunu tespit ederek bataryanın aşırı şarj-deşarj olmasını engeller, kapasite kaybını ve oluşabilecek güvenlik problemlerini minimize ederek güvenli aralıklarda çalışılmasını sağlar. Fakat batarya şarj durumu gerilim, akım, sıcaklık gibi doğrudan ölçülebilen bir büyüklük değildir. Ayrıca ölçülen bu değerlerin hiçbiriyle doğrusal bir matematiksel ilişkiye sahip değildir. Bundan dolayı şarj durumu tespiti için kestirim algoritmaları kullanılır. Batarya yönetim sistemleri elde ettiği ölçüm değerlerini kestirim fonksiyonlarında değerlendirerek batarya şarj durumu tespiti yapar. Batarya yönetim sistemlerinin tasarımı batarya kimyasına, hücre sayısına, kullanım yerine ve beklenilen meziyetlere göre özgün tasarım gerektirir. Yapılan bu çalışmada yüksek doğrulukla şarj durumu kestirimi sunan batarya yönetim sistemi tasarlanması ve gerçeklenmesi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında batarya yönetim sistem topolojileri, batarya modelleri, şarj durumu kestirimi algoritmaları gibi sistem bileşenleriyle ilgili literatür de yapılan çalışmalar; başarım oranı, anlaşılabilirliği, uygulanabilirliği ve maliyeti açısından incelenmiştir. Elektrikli araçlarda kullanılan batarya paketlerinin yapısı, batarya paketinde bulunan hücre sayıları göz önünde bulundurulduğunda; sağlamış olduğu mekanik ve donanımsal avantajlardan dolayı modüler batarya yönetim sistem topolojisi seçilmiştir. Topoloji gereği batarya paketinin gerilim, akım ve sıcaklığını ölçmek için algılayıcılar ve tüm devrelerle donatılmış yardımcı elektronik kart ve elde edilen verilerin kaydının tutulduğu ve bilgisayara aktarıldığı elektronik kart tasarlanmıştır. Yardımcı elektronik kartta hücre gerilim değerlerinin ölçülmesi için LTC6802-2 tüm devresi, batarya paket akım değerinin ölçülmesi için LTS 25-NP , sıcaklık değerinin ölçülmesi için LM35 sıcaklık sensörü kullanılmıştır. Batarya paketlerinde bulunan hücreler kullanılmaya başladıkları ilk çevrimlerde denge bakımından iyi bir duruma sahip olabilirler. Ancak zamanla, şarj-deşarj döngüleri, yüksek sıcaklık ve genel yaşlanma nedeniyle hücreler arası denge uyumu bozulur. Gerçekleştirilen batarya yönetim sistemi ile batarya paket performansını artırmak ve bataryanın verimli olarak kullanılması için pasif dengeleme algoritması ve devre tasarımı geliştirilmiştir. Batarya model seçiminde ise lityum iyon bataryaların doğrusal olmayan kimyası dikkate alındığında bataryanın dinamik davranışını sergilemede, elektrokimyasal ve veri tabanlı modellere göre daha düşük işlem yoğunluğuna sahip ve anlaşılabilirliği daha kolay olan elektriksel eşdeğer devre modeli seçilmiştir. Tez kapsamında kullanılan LG18650HG2 batarya hücresinin HPPC testi kullanılarak eşdeğer devre modelleri için parametre kestirimi gerçekleştirilmiştir. C/20 test verileri kullanılarak SoC-OCV matematiksel eşitliği elde edilmiştir. Gerilim tepkisi en yüksek benzetim oranına sahip elektriksel eşdeğer devre modelinin belirlenmesi için LG18650HG2 lityum iyon bataryanın HPPC test verileri kullanılarak MATLAB ortamında gerçekleştirilen simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. İkinci dereceden Thevenin eşdeğer devre modeli, birinci dereceden Thevenin eşdeğer devre modeline daha düşük hata oranı ile ölçüm verilerine yakınsamıştır. Batarya şarj durumu, batarya yönetim sisteminin önemli çıktılarındandır. Bataryaların aşırı şarj-deşarjdan korunması ve verimli çalıştırılması, şarj durumunun yüksek doğrulukla elde edilmesiyle mümkündür. Literatürde şarj durumu kestirimi ile ilgili birçok yöntem önerilmektedir. Tasarlanan batarya yönetim sisteminde kullanılmak üzere durum uzay modeline dayanan Genişletilmiş Kalman Filtresi ve Uyarlanmış Genişletilmiş Kalman Filtresi yöntemleri farklı akım profilleri altında MATLAB ortamında karşılaştırılmıştır. Ölçüm ve süreç belirsizliğinin göz önünde bulundurulduğu Uyarlanmış Genişletilmiş Kalman Filtresi yöntemiyle daha stabil ve yüksek başarım oranı ile şarj durumu kestirim eğrileri elde edilmiştir. Çalışma kapsamında, 4S1P LG18650HG2 batarya paketi için batarya yönetim sistemi elektronik kartı gerçekleştirilerek tasarlanan arayüzde batarya durumları gerçek zamanlı olarak izlenmektedir.