Battery management system design with embedded electrochemical impedance spectroscopy
Elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemi entegre edilmiş batarya yönetim sistemi tasarımı
- Tez No: 800581
- Danışmanlar: DOÇ. DR. OSMAN KAAN EROL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 81
Özet
İnsanlık mühendislik ve teknik alanlarından her geçen gün daha da gelişmektedir. Dünyanın her tarafındaki mühendisler ve bilim adamları, insanlığı bir adım daha ileri götürmek için çalışmaktadır. Bu çalışmaların sonucunda ortaya çıkan teknolojiler günlük hayatımızda bizlere kolaylık sağlamaktadır. Buna en iyi örnek verilebilecek alanlardan biri de ulaşım, taşımacılık ve otomotivdir. Bu alanda kümülatif bir şekilde ilerleyen çalışmalar her sene, öncekilerden daha gelişmiş otomobillerin piyasa sunulmasına, farklı ulaşım metotlarının ve konseptlerin hayatımıza nüfus etmesine öncü olmuştur. Her bir gelişme durduk yere olmayıp bazı ihtiyaçlar sonucunda oluşmuştur. Otomotiv alanındaki gelişim motivasyonlarının başında kullanıcı istekleri, kaynakların sınırlı olması ve çevreye duyarlılık gelmektedir. Ulaşımdaki en büyük devrimlerden biri olan elektrikli araçlara geçiş şüphesiz ki yakıt kaynaklarının tükenmesi ve çevreye duyarlılık sebebiyle hızlanmıştır. İçten yanmalı araçları çalıştırmak için kullanılan yakıtlar petrolden elde edilmektedir. Yer altında bir petrol rezervinin oluşması binlerce yıl sürerken, şu an halihazırda dünyada bulunan rezervler hızla tükenmektedir. Zaman içinde artacak olan nüfus ve sanayileşme etkisiyle ulaşımda yükselecek olan talebi de düşününce sahip olduğumuz petrol rezervlerinin önümüzdeki senelerde tükeneceği öngörülmektedir. Ayrıca içten yanmalı motorun içindeki yanma reaksiyonları sonucunda dünya atmosferi için zararlı gazlar üretilmektedir. Milyonlarca araçtan her an boyunca salınan bu gazlar atmosferde birikmekte ve doğanın dengesini bozmaktadır. Dolayısıyla, insanlık şu anda dünyayı kirletmekte olan, gelecekte ise tükenme tehlikesi olan petrol yakıtlarına sırtına dayayamacak duruma gelmiştir ve yeni yakıt arayışlarına girmiştir. Bu bağlamda günümüz teknolojisinde en umut veren yenilikçi ulaşım yöntemleri hidrojen ve elektrik tabanlı gözükmektedir. Bu iki yöntemin birbiriyle karşılaştırılması ayrı bir çalışmanın konusu iken, bu çalışma elektrikli ulaşım yöntemine ve bu ulaşım araçlarında kullanılacak olan bataryalara yoğunlaşacaktır. Ulaşım günümüze kadar ağırlıklı olarak içten yanmalı araçlar ile sağlanmıştır. Bu da haliyle bu alan üstünde çalışan bir çok mühendis olmasına ve kümülatif olarak bir çok bilgi biriktirilmesine olanak sağlamıştır. Seneler içinde mühendisler tasarımlardaki sorunları tek tek çözmüş ve var olan teknolojinin sınırlarını zorlayarak günümüze ulaşmışlardır. İçten yanmalı motorlar ve taşıtlar konusunda güvenlik, verimlilik, kullanışlılık ve konfor gibi alanlarda bir çok gelişme yaşanmıştır. Fakat yeni yeni yaygınlaşmaya başlayan elektrikli araçlar yeni bir sayfa açmıştır. İçten yanmalı tahrik sistemleriyle karşılaştırıldığında elektrikli tahrik sistemleri üstüne yapılan çalışmalar henüz başlangıç aşamasındadır. Mühendisler ve bilim adamları bu alandaki açığı doldurmak amacıyla bir çok çalışma yürütmektedir. xxiv Elektrikli araçların en temel bileşenlerinden biri bataryalardır. İçten yanmalı araçla bire bir karşılaştırdığımızda batarya grubu aracın yakıt deposuna denk gelmektedir. Elektrikli aracın menzili, şarj olma hızı ve farklı sıcaklıklardaki performansı gibi kullanıcı için ilk sırada gelen etmenler tamamen batarya ile ilgilidir. Bu etmenleri incelediğimizde hepsi de günümüzdeki içten yanmalı araçlara göre daha geride kalmış durumdadır. Bu da elektrikli araçların tercih edilmesi için negatif bir etki sunmaktadır. Bahsedilen kriterler kullanıcının direkt olarak deneyimleyeceği etmenler iken bir de kullanıcının deneyimleyemeyeceği fakat aslında hepsinden daha da önemli olan bir etmen vardır ki bu da güvenliktir. Zaman zaman görüldüğü üzere elektrikli araçlar şarj olurken ya da trafik kazası esnasında bataryaları alev alabilmektedir. Bir batarya alev aldığında bunu söndürmek geleneksel yöntemlerle mümkün değildir. Dolayısıyla bu durum hem aracın kullanıcısı için hem de çevredekiler için çok büyük tehlike arz etmektedir. Bu durumlar göstermektedir ki elektrikli araçların bataryaları konusunda hem güvenlik hem de kullanıcı deneyimi konusunda daha geliştirilecek bir çok şey vardır. Günümüzde elektrikli araçların bataryalarında Li-ion tipi hücreler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu hücreler kilogram başına en yüksek enerjiyi veren hücre tiplerinden biri olduğu için günümüzde tercih edilir. Bu hücrelerin içinde gerçekleşen kimyasal tepkimeler sonucunda elektrik enerjisi elde edilir ve bu da araca tahrik sağlar. Batarya hücrelerinin güvenli çalışma aralıkları vardır. Özellikle hücrelerin gerilim ve sıcaklık değerleri bazı aralıklar içinde olmalıdır. Aksi halde hücrelerin içindeki kimyasal reaksiyonlar kontrol edilemez bir noktaya gelir ve istenmeyen yangınlar, patlamalar ya da yapısal deformasyonlar gözlenebilir. Ayrıca bu hücreler doğrusal olmayan sistemler olduklarından kullanımları sonucunda oluşacak iç yapılarındaki değişimleri tahmin etmek kolay değildir. Bu sebeple bir elektrikli aracın bataryasında kalan enerjiyi ve dolayısıyla gidebileceği menzili tahmin etmek başlı başına bir araştırma alanıdır. İşte bu gibi zorlukların üstesinden gelmek için batarya içindeki hücrelerin yanında bir de bataryayı yönetecek olan bir kontrol ünitesi bulunur ve bu modül batarya yönetim sistemi olarak adlandırılır. Bu çalışmada elektrikli araç bataryasının güvenliği sağlayacak ve bataryaların durumunu kestirmek için yeni bir yöntem barındıran bir batarya yönetim sistemi geliştirilecektir. Geliştirilen batarya yönetim sistemi batarya içinden gerilim, akım ve sıcaklık değerlerini ölçerek bataryanın güvenli aralıklarda olup olmadığını kontrol edecektir. Bu değerlerin tehlike yaratabilecek bölgelere girmesini engellemek için gerekli aksiyonları alacaktır. Ayrıca batarya içindeki kontaktör gibi yardımcı elemanları sürerek bataryanın komple bir paket olarak yönetimini sağlayacaktır. Batarya üstünden aldığı ölçümleri ve hesaplamaları ölçüm kanalları ile dışarıyla paylaşacak ve araç içindeki komponentlerle uyum içinde çalışacaktır. Tasarlanan batarya yönetim sistemi ölçeklendirilebilir yapıda olacak ve batarya grubu büyüdüğünde, çok sayıda aynı modülün paralel çalışması sağlanarak her türlü ihtiyacın tek bir tasarım ile giderilmesi sağlanacaktır. Bataryaların kimyasal yapılarını analiz etmek için bir çok yöntem bulunmaktadır. Bunlardan en önemlisi elektrokimyasal empedans analizidir. Bu yöntemde laboratuvar ortamında bir batarya hücresine alternatif akım gönderilir ve bu uyarı akımı sonucunda hücre terminallerinde oluşan gerilim değişimi izlenir. Bu gerilim değişiminin frekans alanında analizi yapılır ve hücrenin kimyasal iç yapısı hakkında fikir edinilir. Bu yöntem sonucunda çok değerli bilgiler elde edinilmesine karşılık, bu analizi yapan cihazlar sadece laboratuvar ortamına kullanılabilecek pahalı, ağır ve hareketsiz cihazlardır. Özgün ve literatüre faydalı bir çalışma gerçekleştirilmesi amacıyla böyle bir analiz cihazının daha küçük boyutlara indirgenerek, tasarlanan batarya yönetim sisteminin içine entegre edilmesi hedeflenmektedir. Böylece laboratuvar ortamında yapılan testleri araç üstünde de her zaman yapabilmek mümkün olacak ve batarya ile ilgili parametreler tahmin edilirken doğruluk oranı artacaktır. Bu çalışma kapsamında bahsedilen özelliklerde bir batarya yönetim sisteminin donanımı geliştirilecektir. Devre şemaları ve baskı devre tasarımı tamamlanan devre kartı üretilecek ve prototip çalışması yapılacaktır. Bu devre kartı üstünde batarya yönetim sistemi algoritmaları ve elektrokimyasal empedans analizi algoritmaları geliştirilecektir. Geliştirilen ürün bir batarya grubu üstünde test edilecek ve ölçümler alınacaktır. Ürünün günümüz teknolojisinde hangi alanlarda kullanılabileceği ve gelecek çalışmalar tartışılacaktır.
Özet (Çeviri)
Humanity is developing day by day in engineering and technical fields. Engineers and scientists all over the world are trying to take humanity one step further. As a result of these studies, the technology provides comfort in our daily lives. One of the best examples of this are transportation, mobility and automotive. Each year, the studies progressing cumulatively in this field have pioneered the presentation of more developed cars than the previous years, and to populate different transportation methods and concepts in our lives. Each development has been formed as a result of some needs. One of the most important motivations in the field of automotive is user requests, the limited resources and the environmental sensitivity. The transition to electric vehicles, one of the biggest revolutions in transportation, has undoubtedly accelerated due to the depletion of fuel resources and the environmental sensitivity. Fuels used to operate internal combustion vehicles are obtained from petrol. While the formation of a petrol reserve takes for thousands of years, the current reserves are running out. Considering the demand that will rise in transportation due to the population and industrialization increase over time, it is predicted that the petrol reserves will be drained in the coming years. In addition, as a result of reactions inside the internal combustion engine, harmful gases are produced and released into world atmosphere. These gases, which are released from millions of vehicles, accumulate in the atmosphere and disrupt the balance of nature. Therefore, humanity has now become unable to lean on to petrol fuels and have been in search of new fuel sources. In this context, the most innovative transportation methods seem to be hydrogen and electrical based. While the comparison of these two methods with each other is the subject of a separate study, this study will focus on the electrical transportation method and the batteries to be used in these means of transportation. Transportation has been mainly provided by internal combustion vehicles until today. This naturally allowed many engineers working on this field to accumulate a lot of knowledge cumulatively. Over the years, engineers have solved the problems in the designs one by one and have reached the present knowledge level by pushing the limits of the existing technology. There have been many developments in internal combustion engines and vehicles in areas such as safety, efficiency, practicality and comfort. However, electric vehicles that have just started to become widespread have opened a new page. Compared to internal combustion propulsion systems, studies on electric propulsion systems are still in their infancy. Engineers and scientists are conducting a lot of work to fill the gap in this field. One of the most basic components of electric vehicles are batteries. When we compare one to one with internal combustion vehicle, the battery group corresponds to the fuel tank of the vehicle. The first factors for the user, such as the range of the electric vehicle, the charge time and the performance at different temperatures, are completely related to the battery. When these factors are examined, they are all disadvantaged xx compared to internal combustion vehicles. This offers a negative effect for the market share of electric vehicles. While the criterias mentioned are the factors that the user will experience directly, there is also a factor that the user cannot experience, but in fact, which is even more important than all of them, which is safety. As can be seen from time to time, electric vehicles may caught fire while charging or in a traffic accident. It is not possible to extinguish it when a battery flames. Therefore, this is a great danger for both the vehicle's user and for those around. These situations show that there are many more things to develop in terms of both safety and user experience in the batteries of electric vehicles. Today, Li-ion type cells are widely used in the batteries of electric vehicles. These cells are preferred because they are one of the cell types that give the highest energy per kilogram. As a result of chemical reactions in these cells, electrical energy is generated, which provides power to traction. Battery cells have safe operating ranges. In particular, the voltage and temperature values of the cells should be within some ranges. Otherwise, chemical reactions in the cells come to an uncontrollable point and undesirable fires, explosions or structural deformations may occur. In addition, since these cells are non linear systems, it is not easy to predict the changes in their internal structures as a result of their use. For this reason, it is a research area in itself to predict the energy remaining in the battery of an electric vehicle and therefore the range it can go to. In order to overcome such difficulties, there is a control unit that manages the battery and this module is called the battery management system. In this study, a battery management system will be developed to ensure the safety of the electric vehicle battery and has a new method to estimate the chemical structure of the batteries. The developed battery management system will measure voltage, current and temperature values in the battery and check whether the battery is at safe ranges. It will take the necessary actions to prevent these values get dangerous. In addition, the battery will drive auxiliary elements in battery pack such as contactors. It will send the measurements and calculations taken over the battery over the communication channels and work in harmony with the other components in the vehicle. The designed battery management system will be scalable and the big battery packets will be able to managed with different number of battery management system modules. There are many methods to analyze the chemical structures of batteries. The most important of these is electrochemical impedance spectroscopy. In this method, an alternative current is sent to a battery cell in the laboratory environment and the voltage change in the cell terminals is monitored. This voltage change analyzed in the frequency domain and an idea is obtained about the chemical internal structure of the cell. In spite of obtaining valuable information as a result of this method, the devices that do this analysis are expensive, heavy and stationary devices that can be used only in the laboratory environment. Within the scope of this study, it is aimed to integrate such an analysis method into designed battery management system. Thus, the tests performed in the laboratory will be able to performed on the vehicle also, and the accuracy will increase for battery management system calculations. Within the scope of this study, the hardware of a battery management system will be developed. After circuit schematic and printing circuit board design completed, circuit board will be produced and prototyping work will be done. Low level drivers, battery management system algorithms and electrochemical impedance analysis algorithms will be developed on this board. The developed product will be tested on a battery pack and measurements will be taken. Taken measurements will be used to express cell structure as an equivalent circuit model. Application areas that product can be used and future studies will be discussed.
Benzer Tezler
- İnsansız hava araçlarında menzil uzatılmasına yönelik yakıt pili tabanlı yenilikçi bir enerji sisteminin tasarımı ve uygulanması
Design and implementation of an innovative fuel cell based energy system for extending range in unmanned aerial vehicles
BETÜL ERDÖR TÜRK
Doktora
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA HADİ SARUL
- Embedded system design for lithium-ion battery state of charge estimation algorithms
Lityum iyon batarya şarj durumu ölçüm algoritmaları için gömülü sistem tasarımı
SELAHATTİN CAN SAKBAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT YILMAZ
- Design and implementation of battery management system
Batarya yönetim sistemi tasarımı ve uygulaması
GÜRKAN TOSUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Okan ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN NEJAT TUNCAY
- Elektrikli yol süpürme araçları için elektronik kontrol ünitesi tasarımı
Electronic control unit design for electric road sweepers
FATİH ARABACI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UĞUR ARİFOĞLU
- Dağıtık Üretim Tabanlı Bir Mikroşebekenin Tasarımı ve Olay Tetiklemeli Merkezi Olmayan Hiyerarşik Kontrol Yöntemi ile Kontrolü
Design of a Distributed Generation-Based Microgrid and Its Control with Event-Triggered Decentralized Hierarchical Control Method
AYBERK CALPBİNİCİ
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiGazi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL IRMAK
PROF. DR. ERSAN KABALCI