Doğrusal ve doğrusal olmayan elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemiyle batarya modellemesi
Battery modeling using linear and nonli̇near electrochemi̇cal impedance spectroscopy
- Tez No: 1000121
- Danışmanlar: PROF. DR. FATİH BULUT
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İnönü Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Günümüzde elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla birlikte lityum-iyon pillerde durum tahmini (SOC ve SOH) önemli bir araştırma konusu hâline gelmiştir. Pil sağlığının güvenilir bir şekilde belirlenmesi; menzil tahmini, güvenlik, enerji verimliliği ve batarya ömrünün uzatılması açısından kritik öneme sahiptir. SOC/SOH tahmini için birçok yöntem kullanılsa da yaygın olarak kullanılan doğrusal elektro-kimyasal empedans spektroskopisi (EIS) pil davranışının yalnızca doğrusal bileşenlerini ortaya koymakta ve bu nedenle sınırlı bilgi sunmaktadır. Lityum-iyon pillerin yapısal olarak doğrusal olmayan bir elektrokimyasal karaktere sahip olması, bu sınırlamayı gidermek için doğrusal olmayan empedans analiz yöntemlerinin kullanılmasını gerekli kılmaktadır. Bu çalışmada, lityum-iyon pillerin SOC ve SOH tahmini amacıyla lineer (EIS) ve doğrusal olmayan (NLEIS) empedans yöntemleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. NLEIS kapsamında ikinci harmonik bileşenlerin, pildeki SEI gelişimi, yük transferindeki doğrusal olmayan süreçler ve difüzyon sınırlamaları gibi mekanizmalara karşı duyarlılığı değerlendirilmiştir. Çalışmada Aspilsan, Power-xtra ve LG marka 18650 NMC pilleri 1 A, 2 A ve 3 A akım altında 1000 döngü boyunca yaşlandırılmış; her 100 döngüde OCV'den 4,2 V'a kadar farklı SOC seviyelerinde EIS ve NLEIS ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen birinci harmonik parametreleri ile ikinci harmonik |Z₂| değerleri kullanılarak SOC ve SOH tahmin modelleri oluşturulmuştur. Analizler, EIS parametrelerinin hem SOC değişimlerine hem de yaşlanmaya karşı karakteristik tepkiler sergilediğini göstermiştir. Birinci harmonik modellemelerinde yaşlanmanın ilerlemesiyle hata oranlarının arttığı gözlenirken, ikinci harmonik modellemeler tüm akım seviyelerinde daha kararlı, daha düşük hata oranlı ve yaşlanmaya daha duyarlı sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak, NLEIS yönteminin SOC/SOH tahmininde klasik EIS yöntemine kıyasla daha hassas, daha kararlı ve yaşlanma mekanizmalarını daha doğru şekilde yansıtan güçlü bir alternatif sunduğu gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
With the growing adoption of electric vehicles, state estimation (SOC and SOH) in lithium-ion batteries has become a critical research topic. Reliable assessment of battery health is essential for accurate range prediction, operational safety, energy efficiency, and extending battery lifetime. Although various approaches have been proposed for SOC/SOH estimation, the widely used linear electrochemical impedance spectroscopy (EIS) method reveals only the linear components of battery behavior and therefore provides limited information. Since lithium-ion batteries inherently exhibit nonlinear electrochemical characteristics, nonlinear impedance analysis techniques are required to overcome this limitation. In this study, linear (EIS) and nonlinear (NLEIS) impedance methods were comparatively investigated for SOC and SOH estimation of lithium-ion batteries. Within the scope of NLEIS, the sensitivity of second-harmonic components to mechanisms such as SEI layer evolution, nonlinear charge-transfer processes, and diffusion limitations was examined. Aspilsan, Power-xtra, and LG 18650 NMC cells were aged for 1000 cycles under 1 A, 2 A, and 3 A current conditions, and EIS/NLEIS measurements were performed every 100 cycles at various SOC levels ranging from OCV to 4.2 V. SOC and SOH estimation models were developed using first-harmonic parameters and second-harmonic |Z₂| values. The analysis demonstrated that EIS parameters exhibit characteristic responses to both SOC variation and aging. While the error in first-harmonic models increased as aging progressed, the second-harmonic models provided more stable results with lower error across all current levels and were significantly more sensitive to aging effects. Overall, the findings show that the NLEIS approach offers a more accurate, robust, and aging-responsive estimation framework compared to the conventional EIS method.
Benzer Tezler
- Battery management system design with embedded electrochemical impedance spectroscopy
Elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemi entegre edilmiş batarya yönetim sistemi tasarımı
MEDET KEREM BABACAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OSMAN KAAN EROL
- Investigation of capacitive behaviour of emulsion polymerized pedot and its nanocomposites
Emülsiyon polimerizasyonu ile sentezlenen pedot ve nanokompozitlerinin kapasitif özelliklerinin incelenmesi
DENİZ GÜLERCAN
Doktora
İngilizce
2019
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Nickel and cobalt boride based high-capacity electrodes: production, characterization and supercapacitor performance
Nikel ve kobalt borür esaslı yüksek kapasiteli elektrotlar: üretimi, karakterizasyonu ve süperkapasitör performansı
MEHTAP ARSLAN KABA
Doktora
İngilizce
2026
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Synthesis and applications of new polyaniline-based polymers and its composites
Yeni polianilin esaslı polimer ve kompozitlerinin sentezlenmesi ve uygulamaları
FATMA TUBA ÇOĞALMIŞ
Doktora
İngilizce
2025
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
- Electrochemical impedance spectroscopy based characterization and modeling of electrochemical energy storage systems
Elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinin elektrokimyasal empedans spektroskopisi tabanlı karakterizasyonu ve modellenmesi
MOHAMMED AHMED ZABARA
Doktora
İngilizce
2021
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURAK ÜLGÜT