Modelling and state of charge estimation for lithium-ion batteries
Lityum-iyon bataryalarda modelleme ve şarj durumu kestirimi
- Tez No: 562730
- Danışmanlar: PROF. DR. OVSANNA SETA ESTRADA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 71
Özet
Petrol yakıt rezervlerinin azalması, yakıt maliyetlerinin artması, petrol türevli yakıt kullanan araçların doğaya saldığı zararlı gazlar gibi etkenler karayolu ulaşımında alternatif yöntemlere başvurmayı zorunlu kıldı. Son yirmi yıldır ciddi bir şekilde araştırılan bir konu olan elektrikli araçlar değişik formlarda karayolu ulaşımının bir parçası haline gelmeye başladı. Petrol yakıt kullanan araçlardaki aktarma organlarına ve vites kutusuna ihtiyaç duymayan, frenleme enerjisini geri kazanımlı fren yöntemi ile tekrar kullanabilen elektrikli araçlar, karayolu ulaşımının çok daha verimli bir şekilde yapılabileceğini kamuoyuna gösterdi. Servis ihtiyaçlarının petrol yakıt kullanan araçlara kıyasla çok daha az olması, kilometre başına ulaşım maliyetini ciddi bir şekilde düşürmeleri, zararlı gaz salınımını çok azaltmaları ya da tamamen bitirmeleri toplumun hibrid ve elektrikli araçları kabullenmesini hızlandırdı. Araç üreticilerinin motor kalibrasyonuna, aktarma organlarına ve vites kutularına harcadıkları araştırma geliştirme maliyetlerini kısarak, ileri sürücü yardım sistemleri gibi daha yüksek teknolojilere yatırım yapmasına olanak sağladı. Bütün bu olumlu gelişmelerin yanı sıra, gelişmiş ülkeler elektrikli araç kullanımını yaygınlaştırmak için çeşitli önlemler aldı, çeşitli imtiyazlar verdi. 2016 yılında ABD, Çin, İngiltere, Fransa, Japonya, Kanada, Norveç ve İsveç arasında imzalanan Hükümet Filo Deklarasyonu(Government Fleet Declaration) ile bu ülkeler gelecek yıllardaki karbon salınım oranlarını ciddi oranda düşüreceklerini ve bu amaç uğruna önemli yatırım ve yaptırımlar uygulayacaklarını ilan ettiler. Ulaşımda elektrikli araç kullanımının en yaygın olduğu ülke olan Norveç'in elektrikli araç sahiplerine verdiği avantajları sıralayacak olursak, elektrikli araç satın alma sürecinde hiçbir vergi uygulanmıyor, yıllık vergileri çok düşük olan elektrikli araçlar ayrıca paralı otoyolları da ücretsiz kullanabiliyor, hatta uluslararası yolları birleştiren feribotları bile ücretsiz kullanabiliyor. Şirketler eğer elektrikli araç kiralarsa, kiralama masrafları vergilerinden düşülüyor. Bu gibi yaptırımlar tüm dünyaya örnek teşkil ederek, hükümetlerin bu süreçte ne kadar önemli bir rolü olabileceğini gözler önüne seriyor. Gelişen pil teknolojileriyle beraber yeni üretilen piller otomotiv standartlarına uygun bir hale geldi, enerji depolama için maliyetler azalırken, aynı hacim ve ağırlıkta depo edilebilen enerji miktarı arttı. Daha uzun ömürlü, daha güvenilir piller piyasaya sürüldü. Yüksek güç yoğunluklu piller hibrid elektrikli araçlar için daha küçük batarya paketleriyle aynı ivmelenme performansını yakalamaya olanak verirken, yüksek enerji yoğunluklu piller tamamıyla elektrikli araçların menzillerinde ciddi bir artışa imkân vererek elektrikli araçları şehirlerarası ulaşım için de tercih edilebilir kıldı. Elektrikli araçların artmasıyla birlikte batarya paketlerinin ve batarya yönetim sistemlerinin önemi arttı. Lityum-iyon kimyasına sahip piller, yüksek enerji ve güç yoğunlukları, uzun ömürleri, düşük kendinden boşalma oranları (self discharge rate) gibi özellikleriyle diğer pil kimyalarına üstünlük sağladıkları için batarya paketlerinde yaygın olarak kullanılmaya başlandı. Elektrikli araç batarya paketi 3-4 Voltluk pek çok lityum-iyon batarya hücresinin birleştirilmesinden oluşur. Birbirine paralel bağlanan hücreleri kapasitesi artarken, seri bağlanan hücrelerin gerilimi artar. Elektrikli araçlar gibi yüksek güç gerektiren uygulamalarda, düşük akımla yüksek güç iletebilmek için yüksek gerilimli batarya paketleri kullanılır. Bunu sağlamanın yolu pek çok hücreyi seri olarak bağlamaktan geçer, seri olarak bağlanmış hücreler aynı akımla şarj ve deşarj edilir. Aynı üretim hattından çıkan hücreler çok benzer karakteristik özellikler gösterir, ancak aralarında çok küçük direnç ve kapasite farkları bulunması kaçınılmazdır. Bunların yani sıra hücrelerin paket içindeki konumlarının farklı olması tüm hücrelerin aynı anda aynı sıcaklıkta olmasını zorlaştırır. Bu durumlar seri bağlı hücreler arasında zamanla şarj dengesizliklerinin oluşmasına sebebiyet verir. Batarya paketinde seri bağlı hücrelerin birinin şarjı bittiğinde batarya paketinden güç çekilemez, aynı mantıkla seri bağlı hücrelerin biri tamamen şarj olduğunda batarya paketi daha fazla şarj edilemez, dolayısıyla şarj dengesizlikleri batarya performansının tam olarak kullanılmasına engel olur. Hücre gerilim dengesizliklerini gidermek, her bir hücrenin şarj ve sağlık durumunu takip etmek, hücrelerin verimini ve ömrünü arttırmak, hücrelerin uygun çalışma koşullarında çalıştığından emin olmak için batarya yönetim sistemleri kullanılır. Bir batarya paketinde ölçülebilir ve ölçülemez pek çok değişken bulunur. Sıcaklık, akım ve voltaj gibi değerler direk ölçüm metotlarıyla elde edilebilirken, şarj durumu, sağlık durumu, güç durumu gibi değerler direk ölçüm metotları ile ölçülemez. Bu gibi değerleri ölçmek ancak ileri kestirim yöntemleriyle mümkündür. Bu tezin amacı seri üretime gitmek üzere hazırlanan bir hibrid elektrikli aracın batarya paketini simülasyon ortamında modellemek, Şarj durumunu Genişletilmiş Kalman Filtresi yardımıyla kestirebilmek ve sonrasında 16 hücreden oluşan bir batarya paketi modeli kullanarak hücreler arası şarj dengeleme işlemini kalman filtresinin şarj durumu tahminlerine göre yapmaktır. Tez çalışması kapsamında yapılan çalışmalar aşağıdaki paragraflarda sırasıyla açıklanacaktır. Batarya paketinde kullanılan 51 Ah Lityum-İyon NMC prizmatik hücrelerin modelini elde etmek için gerekli veriler batarya üreticisinden elde edilmiştir. Elde edilen veriler detaylı bir şekilde analiz edilip MATLAB ortamında hücre modeli elde etmekte ve elde edilen modelin doğrulanmasında kullanılmıştır. Hücre simülasyon modelinde uygulanabilirliği basit bir yöntem olan Amper-saat sayma yöntemi kullanılmıştır, çünkü simülasyon ortamında gürültüler engellenebilir. Tamamen gürültüsüz ortamda çok başarılı sonuçlar veren Amper-saat sayma yöntemi, gürültülü ölçümler ile beslendiğinde zamanla gerçek değerden sapar ve bu yöntemle sapmaları düzeltmek ya mümkün değildir ya da hücrelerin uzun süredir dinlenme durumunda olması gerekir. Hücre simülasyon modelinde istenen yakınsama sağlandıktan sonra, şarj durumu kestirimi için Genişletilmiş Kalman filtresi tasarlanmıştır. Batarya modelindeki tamamen gürültüsüz değerler verilirken Kalman filtresinin girişlerine ölçümler gürültülü bir şekilde verilip Kalman Filtresinin şarj durumu tahminleri batarya modelinin şarj durumu tahminleri ile karşılaştırılmıştır. Bu şekilde Tasarlanan EKF'nin bozucu bastırma performansı test edilmiştir. Bunun yanı sıra gerçek hayatta karşımıza çıkması çok muhtemel bir durum olan başlangıç şarj durumunun doğru bilinmediği durumlar da test edilmiştir. Bunun için batarya modeline doğru şarj durumundan başlatılırken, Kalman filtresi yanlış değerden başlatılmış olup kısa bir süre sonra doğru değere başarılı bir şekilde yakınsadığı gözlenmiştir. Şarj durumu kestirimi işlemi başarılı bir şekilde tasarlandıktan sonra oluşturulan hücre modeli ile 16 hücreden oluşan bir batarya paketi modeli oluşturulmuştur. Paket modelindeki her hücreye ayrı ayrı dengeleme akımı uygulayabilecek, bir balans mekanizması eklenmiştir. Balans mekanizmasının kontrolü için kalman filtresinden çıkan şarj durumu değerleri kullanılmıştır. Uygulama basitliği açısından pasif balans yöntemi tercih edilmiştir, bu yöntemin temel prensibi seri bağlı hücrelerden en az şarjı olan hücreyi tespit edip geri kalan bütün hücre şarj durumlarını bu değere yaklaştırmaktır. Simülasyon sonucunda Kalman filtresinin paket bazında gürültülere rağma doğru tahminler yaptığı ve gerçek batarya paketlerinde dengeleme işlemleri için uygun olduğu görülmüştür.
Özet (Çeviri)
Factors such as the decrease in petroleum fuel reserves, the increase in fuel costs and the harmful gases released by the vehicles using petroleum-derived fuels created the need for alternative methods in road transportation. Over the past two decades, electric vehicles have become a part of road transportation in different forms. Electric vehicles do not need a drivetrain and a gearbox like the vehicles that use petroleum fuel and they can re-use the braking energy with the reclaimed brake method. This situation proves that public transportation could be much more efficient by using electric vehicles. The adoption of hybrid and electric vehicles has accelerated due to the fact that the service needs for electric vehicles are much less than those using petroleum fuels, they have significantly reduced the cost of transportation per kilometer and they have also reduced the release of harmful gases. By reducing the cost of research development towards engine calibration, drivetrain, and gearboxes, electric vehicles have enabled vehicle manufacturers to invest in higher technologies, such as advanced driver assistance systems. In addition to all these positive developments, some developed countries took various measures to promote the use of electric vehicles. In 2016, the Government Fleet Declaration, signed by the United States, China, Britain, France, Japan, Canada, Norway, and Sweden, announced that these countries would considerably lower their carbon emission rates in the coming years and implement significant investments and sanctions. In Norway, no tax is applied in the purchase of electric vehicles, electric vehicles with very low annual taxes can also be used free of charge, and even ferries that combine international routes are free. If companies rent an electric car, the rental costs are deducted from taxes. Such sanctions set an example for the whole world, revealing the role of governments in this process. Developed battery technologies combined with newly produced batteries have been in compliance with the automotive standards, while energy costs for energy storage decreased and the amount of energy that could be stored in the same volume and weight increased. Longer-lasting, more reliable batteries have been launched. High power density batteries provide the same acceleration performance as the smaller battery packs for hybrid electric vehicles, while high energy density batteries allow a significant increase in the range of electric vehicles, making electric vehicles preferable for intercity transportation. With the increase of electric vehicles, the importance of battery packs and battery management systems increased. Batteries with lithium-ion chemistry has gained widespread use in battery packs due to their high energy and power densities, longevity, low self-discharge rate features. The electric vehicle battery pack is composed of many lithium-ion battery cells with 3-4 volts. The voltage increases when the cells are connected in series and the capacity enhances when the cells are connected in parallel . In high power applications, high voltage battery packs are used to deliver high power with low current. The way to achieve this is to connect several cells in series, the connected cells are charged and discharged with the same current. The cells from the same production line have very similar characteristics, but very small resistance and capacity differences are inevitable. In addition, the different positions of the cells in the package make it difficult for all cells to be at the same temperature at the same time. These situations lead to the formation of charge imbalances between the cells connected in series. When one of the cells connected in series is discharged, the battery pack cannot be used to draw power. Similarly, when one of the cells connected in series is fully charged, the battery pack cannot be charged more, so the charge imbalances prevent the full performance of the battery. Battery management systems are used to eliminate cell voltage imbalances, to monitor the charging and health status of each cell, to increase the efficiency and life of the cells, to ensure that the cells are operating in proper operating conditions. A battery pack contains many variables that can and cannot be measured. While values such as temperature, current and voltage can be obtained by direct measurement methods, values such as charge status, health status, power condition cannot be measured by direct measurement methods. It is only possible to measure such values by forwarding estimation methods. The aim of this thesis is to model the battery pack of a hybrid electric vehicle prepared to go to mass production in simulation environment, to estimate the state of charge with the help of Extended Kalman Filter and then to make the battery balancing process according to SOC estimations of Kalman Filter using a battery pack model consisting of 16 cells. The data required to obtain the model of 51 Ah Lithium-Ion NMC prismatic cells used in the battery pack were obtained from the battery manufacturer. The obtained data were analyzed in detail in MATLAB and used to obtain the cell model and to confirm the obtained model. Ampere-hour counting method which is a simple method which can be applied in the cell simulation model is used, because noise can be prevented in the simulation environment. Ampere-hour counting method which gives very successful results in completely noiseless environment deviates from the real value over time when fed by noisy measurements and it is not possible to correct the deviations by this method (or the cells must have a long-standing state of rest). After the desired convergence is achieved in the cell simulation model, the Extended Kalman filter is designed for charge status estimation. The measurements with noise were used as the inputs of the Kalman filter and the SOC estimates of the Kalman Filter were compared with the SOC estimates of the battery model. This way, the disturbance rejection performance of the designed EKF has been tested. In addition, situations where the initial charge status is not known, which is very likely to be encountered in real life, have also been tested. For this, the SOC model was given to the battery, while the Kalman filter was initiated with the wrong value and after a short time it was observed that it converged to the correct value successfully. A battery pack model consisting of 16 cells was created with the cell model generated after the charge condition estimation was successfully designed. A balancing mechanism, that can apply the balancing current to each cell in the package model separately, has been added. The SOC values from the Kalman filter were used to control the balancing mechanism. In terms of simplicity of application, passive balancing method has been preferred. The basic principle of this method is to detect the cell with the least charge from the series connected cells and to bring all the remaining cell SOC's closer to this value. As a result of the simulation, it is seen that Kalman filter makes accurate predictions despite the package-based noise and is suitable for balancing in real battery packages.
Benzer Tezler
- Elektrikli araçlardaki lityum-iyon bataryalar için modelleme ve şarj durumunun kestirimi
Modelling and state of charge estimation for lithium-ion batteries in electric vehicles
KENAN YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN
- Modelling and state of charge estimation of lithium-ion batteries
Lityum bazlı batarya hücrelerininmodelleme ve şarj durumu tahmini
MANİ KAZIMI
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiKontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN GÖKAŞAN
- Lityum iyon bataryaların makine öğrenimi yöntemleri ile sağlık durumu kestirimi
State of health estimation for lithium-ion batteries using machine learning methods
ÇETİN ORAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Li-ion batarya karakterizasyonu, modellemesi ve batarya yönetim sistemi tasarımı
Li-ion battery characterisation, modelling and battery management system design
MEHMET CAHİT ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZÜMRAY DOKUR ÖLMEZ
- Extended kalman filter based state of charge estimation with a comprehensive test environment and modelling guideline
Kapsamlı bir test ortamı ve modelleme kılavuzu ile genişletilmiş kalman filtresi tabanlı şarj durumu tahmini
OZAN EREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YAĞMUR DENİZHAN