Model based state of charge estimation of zinc-air batteries
Çinko-hava tipi bataryalarda model tabanlı şarj durumu kestirimi
- Tez No: 705254
- Danışmanlar: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol, Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Mekatronik Mühendisliği, Computer Engineering and Computer Science and Control, Electrical and Electronics Engineering, Mechatronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kontrol ve Otomasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Elektrikli araçlar, içten yanmalı motorlu araçlara göre daha çevreci ve sürdürülebilir bir ulaşım sağlaması nedeniyle geçtiğimiz 30 yılda popülerliğini arttırmış ve ulaşım endüstrisini bu alanda araştırmalar yapmaya yöneltmiştir. Günümüzde, elektrikli araçlarda yaygın olarak lityum iyon kimyasındaki bataryalar kullanılmaktadır. Yaygın şekilde kullanılıyor olmasına karşın üretim süreçlerinde karşılaşılan hammadde problemleri başta olmak üzere, kullanıcıların istediği menzile ulaşılamaması, uzun şarj süreleri ve yüksek maliyetler nedeniyle araştırmacıları farklı batarya kimyalarını araştırmaya yöneltmiştir. Yapılan bu araştırmalar sonucunda metal-hava kimyasındaki bataryalar son zamanlarda önem kazanmaya başlamıştır. Lityum-iyon kimyasına karşı sahip olduğu enerji yoğunluğu avantajı başta olmak üzere, çok daha kısa şarj sürelerine sahip olması ve görece çevreci olması nedeniyle ileride yaygın olarak kullanılmaya başlanılacağı öngörülmektedir. Lityum-iyon batarya tipinin teorik olarak sahip olduğu enerji yoğunluğunun bir dizel yakıta oldukça yakın olduğu bilindiğinden, araştırmacılar nihai hedeflerini bu batarya kimyasının kullanılması olarak belirlemişlerdir, ancak var olan hammadde sıkıntısı ve lityum kaynaklarına olan erişimin limitli olması nedeniyle çeşitli metaller de araştırmacıların radarına girmiştir. Yapılan bu araştırmaların sonucunda, lityumun yeni nesil bataryalar için tek kaynak olmadığı, çeşitli metallerin de lityum-iyon batarya kimyasından daha iyi karakteristikler vadettiği görülmüştür. Bu sebeple, özellikle lityum-hava tipi bataryalara geçiş sürecinde kullanılmasının beklenildiği, ülkemizde de hammaddesi bulunan, çinko-hava tipi bataryalar üzerinde bir çalışma yapılmıştır. İleride çokça kullanılacağı öngörülen bu batarya kimyasının, tek bir hücresinin elektrikli araçların enerji ihtiyacını karşılayamayacağı teorik limitlerden dolayı bilindiğiden, birden çok hücre birbirlerine seri ve paralel bağlanarak bir batarya paketi oluşturularak kullanılacaktır. Pek çok hücreyi bir araya getirerek oluşturulan bu yapının bir batarya yönetim sistemi vasıtasıyla kontrol edilmesi, güvenlik, verimlilik ve performans kriterlerinden ötürü doğal bir gerekliliktir. Her bir hücrenin şarj ve sağlık durumunu kontrol eden batarya yönetim sistemleri, sistemin güvenli ve ideal koşullarda çalışmasını sağlamaktadır. Batarya yönetim sistemleri, hücrelere ilişkin gerilim, akım, sıcaklık gibi değerleri ölçerek, gözlenebilir parametreler üzerinden bataryaları kontrol etmekle beraber, doğrudan ölçülemeyen batarya şarj durumunu model tabanlı kestirim yapmak suretiyle gözlemektedir. Yapılan bu kestirimlerin doğruluğu, bataryanın güvenli sınırlar içerisinde kullanılmasını sağlamasından ötürü ve elektrikli araçların menziliyle doğrudan ilişkili olduğu için önem arz etmektedir. İkinci bölümde, literatürde bulunan, günümüzde sıkça kullanılan batarya kimyaları incelenmiş, metal-hava batarya kimyası ve tercih edilen batarya tipinden ayrıca bahsedilmiştir. Sonrasında, şarj tahminlemede kullanmak üzere hücrenin dinamik davranışını modellemenin gerekli olduğu bilindiğinden, hücre modellemesi üzerinde çalışma yapılmıştır. Eşdeğer devre modeli başta olmak üzere çeşitli modeller tanıtılmış, sonrasında ise parametreleri bataryadan çekilen akıma bağlı değişken bir model yapısı kurgulanmıştır. Kurgulanan bu modelin parametrelerinin belirlenmesi için deney verilerinden yararlanılmış olup, çeşitli çalışma noktaları belirlenmiştir. MATLAB parameter estimation toolbox yardımıyla belirlenen çeşitli çalışma noktaları için doğrusal modeller elde edilmiştir. Elde edilen bu modellerin yalnızca belirlenen çalışma noktası etrafında bataryanın dinamik davranışını başarıyla modellediği, çalışma noktasından uzaklaştıkça model davranışının batarya davranışından farklı olduğu görülmüştür. Batarya davranışının deşarj akımıyla değiştiği bilindiğinden, model parametrelerinin deşarj akımına bağlı olarak değiştirilmesi planlanmış ve her bir model parametresine birinci ve ikinci dereceden polinomlar uydurulmuştur. Elde edilen nonlineer batarya modeli, eğitim veri setinden farklı veriler kullanılarak doğrulanmış ve batarya davranışını, çeşitli akımlar çekilmesine rağmen başarıyla temsil ettiği görülmüştür. Dördüncü bölümde ise endüstride sıkça kullanılan yöntemlerden biri olan akım sayma yöntemi ele alınmış olup, bu yöntem kullanılarak, açık devre gerilimi ve bataryada bulunan akım sensörü verileri kullanılarak batarya şarj durumu tahminlemesi yapılmıştır. Simulasyon ortamında çok yüksek doğrulukla çalışan bu model, daha sonrasında genişletilmiş kalman filtresinin validasyonunda kullanılmı¸stır. Gürültülere karşı hassaslığı ve gerçek hayatta karşılaşılabilecek zorlukları minimuma indirmek amaçlı bir filtre yapısının kullanılmasına ihtiyaç duyulduğu tespit edilmiş olup, buna çözüm olarak genişletilmiş kalman filtre yapısı incelenmiştir. Model tabanlı bu filtre yapısının uygulanabilmesi için öncelikle sisteme ilişkin durum-uzay denklemleri çıkarılmış olup, Taylor serisi açılımı yardımıyla kalman denklemleri elde edilmiştir. Elde edilen bu denklemler MATLAB/Simulink ortamında gerçeklenmiş olup, deney verileri ve akım sayma yöntemi kullanılarak doğrulanmıştır. Sonuç olarak, elde edilen veriler gerçek sonuçlarla kar¸sıla¸stırılmış olup, batarya kimyasının stabil olmamasından kaynaklanan ve laboratuvar tipi bir batarya setinin verilerinin kullanılmasına rağmen batarya şarj durumu kestirimi başarılı bir şekilde yapılmıştır. Son bölümde ise yapılan çalışmaya ilişkin bilgiler verilmiş olup, çalışmanın limitleri anlatılmış ve gelecekteki araştırmacılara yönelik olarak çeşitli iyileştirme seçenekleri belirtilmiştir.
Özet (Çeviri)
Electric vehicles have increased their popularity in the last 30 years. They provide more environmentally friendly and sustainable transportation than internal combustion engine vehicles and have led the transportation industry to research this area. Today, batteries in lithium-ion chemistry are widely used in electric vehicles. However, although it is widely used, researchers have led researchers to research different battery chemistries due to the raw material problems encountered in the production processes, the inability to reach the desired range, long charging times, and high costs. As a result of these researches, batteries in metal-air chemistry have started to gain importance recently. It is foreseen that it will be used widely in the future due to its energy density advantage against lithium-ion chemistry, its much shorter charging times, and its environmentally friendly nature. Since it is known that a single cell of this battery chemistry, which is expected to be used in the future, cannot meet the energy needs of electric vehicles due to theoretical limits, multiple cells will be connected in series and parallel to form a battery pack. Controlling this structure formed by bringing together many cells through a battery management system is a natural requirement due to safety, efficiency, and performance criteria. Battery management systems, which control each cell's charge and health status, ensure that the system operates safely and in ideal conditions. Battery management systems measure the values of the cells such as voltage, current, temperature, and control the batteries over observable parameters and monitor the battery charge status, which cannot be measured directly by making a model-based estimation. The accuracy of these estimations is crucial because it allows the battery to be used within safe limits and is directly related to the range of electric vehicles. In this study, a LPV cell model created for the zinc-air type batteries, which are thought to be used frequently in the future because of their high specific energy, cost-effectiveness, and environmental friendliness by using experimental data. Then, proposed model is validated against validation data. After reaching the desired cell simulation model, the battery state of charge is obtained by using two different methods, the ampere-hour counting method, and the extended Kalman filter method. Ampere hour counter method is a reliable model in the simulation environment since there is no disturbance is present. The Extended Kalman filter method is good at estimating state of charge in the noisy, real-world environment. By comparing the ampere-hour counting method, and the extended Kalman filter method, the confidence of the estimation is gained. Then, the performance of extended Kalman filter method is tested against noisy measurement data.
Benzer Tezler
- Physics guided neural network based state-of-charge estimator for lithium-ion batteries
Lithium-ion piller için fizik destekli sinir ağı tabanlı şarj durumu tahmincisi
FEDI SALHI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERHAN AKDOĞAN
- State of charge estimation of lithium-ion batteries using machine learning approach
Makine öğrenmesi yaklaşımı kullanılarak lityum iyon pillerin şarj durumu tahmini
OSMAN ALPER ALTUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE AYAZ
- Elektrikli araçlardaki lityum iyon bataryalar için şarj durumu tahmini
State of charge estimation for lithium-ion batteries in electric vehicles
EGE ANIL BOSTAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN SEZER
- Elektrikli araçlar için yüksek doğrulukla şarj kestirimi sunan batarya yönetim sistemi tasarımı
Design of battery managemenet system providing high accuracy state of charge estimation for electric vehicles
MUSTAFA MERT SERİNBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ONUR GÜLBAHÇE
- 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