Geri Dön

Embedded system design for lithium-ion battery state of charge estimation algorithms

Lityum iyon batarya şarj durumu ölçüm algoritmaları için gömülü sistem tasarımı

PDF İndir

  1. Tez No: 666202
  2. Yazar: SELAHATTİN CAN SAKBAŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Günümüzde çok sayıda bataryadan güç alan cihaz bulunmaktadır. Kullanılan bu cihazlardan günlük ve ticari hayatta en yaygın olanları arasında; evlerde kullanılan elektrikli aletler, pek çok yenilenebilir güç santralleri ve askeri cihazlar sayılabilir. Bataryalar sektörel olarak pek çok farklı alana hizmet verdiği için batarya çeşitleri de bu sektörlerin ihtiyaçlarını gidermek maksadıyla farklı tiplerde üretilmeye başlanmıştır. Batarya sektörü de insan ihtiyaçlarına karşılık vermek ve yenilenemeyen enerji kaynaklarına alternatif oluşturmak için güçlü enerjiye ihtiyaç duyan sektörlerden biri olan ulaşım sektöründe gelişme sağladı. Bu gelişmeler ise elektrikli araçların performansının arttılmasına ve daha yaygın olarak kullanılmasına olanak sundu. Elektrikli araçların yaygın olarak kullanılmaya başlaması ile yüksek enerji yoğunluklu ve yüksek güç yoğunluklu bataryalara ihtiyaç arttı, zira elektirikli araçlar yüksek enerji yoğunluklu ve yüksek güç yoğunluklu batarya paketinin kullanılmasını gerektiren bir yapıya sahiptir. Yüksek enerji yoğunluklu bataryaların paralel bağlanması ile oluşan batarya paketlerinin anlık kullanılabilir gücü artarak elektrikli araçların ihtiyaç duyulan performans karşılanmıştır ve batarya paketlerinin düşük ağırlığı sayesinde araçların gelişiminde faydalı olmuştur. Lityum-iyon bataryalar yüksek enerji yoğunlukları sayesinde bu performansı sağlayabilmektedir. Ancak lityum-iyon bataryaların güvenli ve doğruluklu kullanılması gerekmektedir, zira bu bataryalar kapasitelerini kaybedebilir veya yanlış kullanımla alev alabilirler. Lityum-iyon bataryaların güvenlik problemlerinin önlenmesi için koruyucu elektronik kartlar ile kullanılması gerekmektedir. Bu elektronik kartlar batarya yönetim devreleri olarak bilinir. Batarya yönetim devreleri, batarya gerilim seviyelerinin ölçülmesini ve çeşitli hatalara karşı korunmasını sağlamaktadır. Bu koruma sayesinde, hücre yüksek gerilimi, düşük gerilimi, yüksek sıcaklığı, düşük sıcaklığı ve yüksek akımı hataları bertaraf edilir. Batarya yönetim sistemi (BMS) aynı zamanda bataryanın sağlayabileceği enerjinin hesaplanmasına olanak sağlar. Batarya şarj durumu, elektrikli araçlar gibi büyük batarya paketine sahip sistemlerde bataryaların güvenilir olarak kullanılmasında büyük rol oynamaktadır. Bu nedenle batarya şarj durumunun doğru olarak belirlenmesi gerekmektedir. Batarya yönetim sistemi de sahip olduğu gerilim ve akım sensörleri sayesinde batarya gerilim ve akımını ölçmektedir. Fakat, bu ölçümler tek başına şarj durumunun hesap edilmesine yeterli değildir. Bu sebeple bazı hesaplama yöntemleri kullanılmalıdır. Bu tezin amacı bir batarya yönetim kartı geliştirilerek iki batarya şarj durumu ölçüm yönteminin gerçeklenmesi ve bir çok yönden kıyas edilmesidir. Tezin kıyas konusunu oluşturan şarj durum ölçüm yöntemleri, akım sayma ile batarya açık devre gerilim yöntemi ve genişletilmiş kalman filtre (EKF) yöntemidir. İlk yöntem olan akım sayma yöntemi ile batarya açık devre geriliminden şarj durumu belirlenmesi, açık çevrim çalışmaktadır. Batarya şarj durumu hesaplamaya başlandığı anda ilk andaki şarj durumunun belirlenmesi için açık devre batarya gerilimi kullanılmaktadır. Açık devre gerilimi, daha önceden elde edilen açık devre gerilimlerini oluşturan listeden benzer değerli gerilimi kıyas ederek o andaki şarj durumunu ilk şarj durumu olarak alır. Akım sayma yöntemi, bu işlemden sonra belirli aralıklarla batarya akımını örneklemektedir. Örneklenen akım değerleri örnekleme zamanı ile çarpılarak akım-zaman değeri elde edilir. Bataryanın veri sayfasında belirtilen batarya kapasitesi toplam akım-zaman verisini belirtmektedir. Hesaplanan akım-zaman verisi, bu bilinen toplam akım-zaman verisi ile oranlanarak ne kadar şarj harcandığı bilgisini elde eder. Elde edilen bu şarj oranı ilk hesaplanan batarya şarj durumu değerinden çıkarılır. Bu işlem her örnekleme zamanında devam eder ve anlık olarak batarya şarj durumu elde edilir. Bu yöntemin hata durumları ise daha çok ilk şarjın belirlenmesinde veya akım sensörünün sürekli hatalı veri vermesi sebebi ile doğru değerden sapmalar göstermesi sebebi ile ortaya çıkmaktadır. Hata durumları, belirli periyotlarla batarya gerilimi şarj durumu belirleme yöntemi kullanılarak giderilebilir. Akım sayma yöntemi ile açık devre gerilim yöntemi kolay uygulanabilir bir yöntem olduğu için daha çok küçük ölçekli batarya paketlerinde kullanılmaktadır. İkinci bir yöntem olarak genişletilmiş kalman filtre (EKF) yöntemi uygulanmıştır. Bu yöntem batarya modelini kullanarak daha doğru sonuçlar elde etmeyi amaçlamaktadır. Kalman filtre, lineer sistemlerde kullanılan bir hesaplama yöntemidir. Ancak batarya sistemi lineer bir sistem değildir. Kalman filtrenin batarya sistemlerinde uygulanabilmesi için çalışma noktasında türev alan genişletilmiş kalman filtre kullanılmaktadır. Bu filtre lineere yakın sayılabilecek lineer olmayan sistemlerde kullanılabilmektedir. Bu filtre durum değişkeni olarak bataryanın şarj durumunu, RC akımını ve histerizis gerilimini almaktadır. Bu batarya modelinde, verilen batarya açık devre gerilimi ön görülerek seri bağlı iç direnç gerilimi histerizis gerilimi ve RC gerilimi çıkartılarak batarya terminallerinden ölçülebilen batarya gerilimi hesaplanır. Bu işlemlerle birlikte batarya gerilimi de örneklenmektedir. İki değer arasındaki fark minimize edilecek şekilde filtreleme işlemi gerçekleştirilir. Sisteme ayrık giriş olarak batarya akımı eklenir. Batarya şarj durumu, hem batarya gerilimine bağlı olarak hem de batarya akımına bağlı olarak hesaplanır. Durum değişkenlerinin hata oranı da bu filtre tarafından hesap edilmekte ve hatalı bir hesaplama olsa bile bu sınırlar içerisinde doğru sonucun olduğunu belirtmektedir. Bu sistem, doğruluk oranı fazla olduğundan daha çok büyük ölçekli batarya paketlerinde tercih edilmektedir. Genişletilmiş kalman filtresinin koşacağı işlemcinin, vakit alacak matematiksel işlemler kullanacağından hesap yeteneğinin yüksek olması gerekmektedir. Tez kapsamında yukarıda izah edilen yazılımların gerçeklenmesi için batarya yönetim kartı tasarlanıp gerçeklenmiştir. Bu kart, mikroişlemci kartı ile SPI haberleşmesi gerçekleştirerek batarya gerilim seviyelerini iletmektedir. Kart üzerinde bulunan iki adet akım ölçüm devresi, işlemci kartında bulunan analog dijital çeviriciye iletilmektedir. Bu ölçümlerin yorumlanması için STM32F7 mikroişlemci kartı kullanılmıştır. Açıklanan iki adet batarya şarj ölçüm yöntemi bu işlemci üzerinde derlenip geliştirilmiştir. İki yöntem kullanılarak US18650VTC6 lityum bataryaya dair batarya şarj durumları hesaplanmıştır. Hesaplanan değerlerin gerçek değerlerden farkları birbirleri ile kıyas edilmiştir. Sonuç olarak, tezin kıyas konusunu oluşturan akım sayma ile batarya açık devre gerilim yöntemi ve genişletilmiş kalman filtre yöntemi, kullanışlı ve bir çok farklı uygulama için elverişlidir. Yüksek güvenirlirlik isteyen batarya paketleri, batarya şarj durumu hatasının doğru olarak hesaplanması için genişletilmiş kalman filtre yöntemini tercih etmektedir fakat bu yöntem karmaşık matrislerle işlem yapmayı gerektirdiğidiğinden yüksek hesap gücüne sahip mikroişlemcilere ihtiyaç duymaktadır. Akım sayma ile batarya açık devre gerilim yöntemi, pratik bir kullanım sağlamaktadır. Bu yöntemin doğruluğu, akım sensörünün hatasına bağlıdır. Elektrikli araçlar gibi büyük ölçekli batarya paketine ihtiyaç duyan sistemlerde, genişletilmiş kalman filtrenin uygulanması daha çok tercih edilir. Ev aletleri gibi küçük ölçekli batarya uygulamalarında ise akım sayma ile batarya açık devre gerilim yönteminin uygulaması tercih edilir.

Özet (Çeviri)

Nowadays battery powered devices are numerous. Various applications like home appliance, renewable power plants, military devices and different sectors are using different battery types. Different types of batteries are developed for these sector's requirements. Emerging technologies in battery technology make possible electric vehicles which require electric energy storage. There are high energy density batteries and high power density batteries, however electric cars demand both. Therefore, high energy density batteries are used in parallel configurations to reduce weight and increase available power. Lithium-ion batteries presents such requirements. Because lithium-ion batteries are flamable and can lose its capacity, these batteries should be operating in safety and high reliability. Lithium-ion batteries are operated with electronic circuits to avoid battery safety problems. Battery management circuits are monitoring battery voltages, protecting from over voltage, under voltage, over temperature, under temperature, and over current of the battery. Battery management system also estimating available energy from the battery. Since only battery voltage and current can be measured, sensor based, model based and artificial intelligent based estimation methods are used to calculate state of charge (SOC) of the battery. SOC estimation is crutial for large battery packs to operate battery pack safely. In this thesis two battery SOC estimation methods are compared in some cases. Coulomb counting method with voltage transilation method which is open loop measurement method and extended kalman filter method which is highly depending on battery model are implemented to estimate state of charge of the battery. A battery management board is designed to take battery voltage measurement and battery current measurement. Microcontroller is used to execute designed softwares. SOC measurements are taken and these two different method's errors are compared. Results showed that, these two methods are useful and serve good expertise. High reliable needed battery packs are using extended kalman filter to correct SOC error with battery parameters, however this method requires excessive amount of process power to calculate matrices. Coulomb counting method with voltage transilation is serves good in practical manner. Initial SOC level is taken from battery voltage level with open circuit voltage lookup table. Accuracy of the estimation is highly depend on current sensor error. In electrical vehicles extended kalman fiter can be used, small sized battery applications can prefer coulomb counting method.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323872

    Mikro hava araçlarının bilinmeyen ortamlarda görüntü temelli kontrolü

    Vision based control of micro air vehicles in unknown environments

    CİHAT BORA YİĞİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Mekatronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ERDİNÇ ALTUĞ

  2. Tez No

    637664

    Development of iron-rich anode materials for lithium-ion battery technology from local FeCr alloys

    Yerli FeCr alaşımlarından lityum iyon pil teknolojisi için demirce zengin anot malzemelerinin geliştirilmesi

    MEHMET FERYAT GÜLCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLLUR DENİZ KARAHAN

  3. Tez No

    880054

    Elektrikli yol süpürme araçları için elektronik kontrol ünitesi tasarımı

    Electronic control unit design for electric road sweepers

    FATİH ARABACI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU

  4. Tez No

    391913

    Taşınabilir bilgisayar sistemleri için çift yönlü USB beslemeli, yüksek verimli yüksek hızlı pil dolduruculu besleme sistemi

    USB powered and bidirectional, high efficiency power supply with high speed battery charger for embedded computer systems

    LEVENT YAVAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SELÇUK ÇÖMLEKÇİ

  5. Tez No

    604529

    Design of renewable energy source for embedded systems and implementation on complementary sensor structures

    Gömülü sistemler için yenilenebilir enerji kaynağının tasarlanması ve tamamlayıcı sensör yapıları üzerinde uygulanması

    KAMIL IBRAHIMOV

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiDokuz Eylül Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. RECEP ALP KUT

Geri Dön