Geri Dön

Batarya yönetim sistemleri için anot kontrollü hızlı şarj metodugeliştirilmesi

Anode controlled fast charging method development for battery management systems

PDF İndir

  1. Tez No: 968332
  2. Yazar: SERDAR İPEK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Mekatronik Mühendisliği, Mechatronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 85

Özet

İnsanlık, mühendislik ve diğer teknolojik alanlarda günden güne ilerlemektedir. Mühendisler ve bilim insanları bu çalışmalarıyla insanlığı bir adım daha ileri taşımak için çalışmaktadır.Hayatımızda bizlere kolaylık sağlayan bu teknolojiler bu çalışmaların bir sonucudur. Bu teknolojilere en iyi örnek hiç şüphesiz ulaşım ve otomotiv sektörleridir. Bu alanda artarak ilerleyen teknolojik gelişmeler, her sene daha da gelişmiş ulaşım sistemlerinin ve otomotivlerin piyasaya sunulmasına öncülük etmiştir.Her bir teknolojik gelişme, belirli ihtiyaçlar sonucunda ortaya çıkmıştır. 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 dünyada bulunan rezervler hızla tükenmektedir. Zaman içinde artacak olan nüfus ve sanayileşme etkisiyle ulaşımda yükselecek olan talebi de düşününce, mevcut petrol rezervlerinin önümüzdeki yıllarda tükeneceği öngörülmektedir. Ayrıca içten yanmalı motorların yanma reaksiyonları sonucunda dünya atmosferi için zararlı gazlar üretilmektedir. Milyonlarca araçtan sürekli olarak salınan bu gazlar atmosferde birikmekte ve doğanın dengesini bozmaktadır. Dolayısıyla, insanlık şu anda dünyayı kirleten ve gelecekte tükenme tehlikesi olan petrol yakıtlarına bağımlı kalamayacak duruma gelmiştir ve yeni yakıt arayışlarına girmiştir. Bu bağlamda günümüz teknolojisinde en umut verici yenilikçi ulaşım yöntemleri hidrojen ve elektrik tabanlı gözükmektedir. Bu iki yöntemin karşılaştırılması ayrı bir çalışmanın konusu iken, bu çalışma elektrikli ulaşım yöntemine ve bu ulaşım araçlarında kullanılacak bataryalara odaklanacaktır. Ulaşım, günümüze kadar büyük ölçüde içten yanmalı motorlarla sağlanmıştır. Bu durum zamanla önemli bir bilgi birikimi oluşmasına olanak tanımıştır. Yıllar geçtikçe, tasarımlardaki sorunlara çözümler üretilmiş ve mevcut teknolojinin sınırları zorlanarak bugüne gelinmiştir. İçten yanmalı taşıtlar konusunda verimlilik, güvenlik, kullanılabilirlik gibi pek çok alanda önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Ancak, giderek daha fazla yaygınlaşan elektrikli araçlar, bu alanda yeni bir dönemi başlatmıştır. İçten yanmalı tahrik sistemleriyle kıyaslandığında, elektrikli tahrik sistemleri üzerindeki araştırmalar henüz oldukça başındadır. Elektrikli araçların en temel bileşenlerinden biri bataryalardır. Batarya paketi, içten yanmalı araçların yakıt deposuna karşılık gelmektedir. Bir elektrikli aracın menzili, şarj hızı ve farklı sıcaklıklardaki performansı gibi kullanıcı için kritik olan faktörler batarya ile ilişkilidir. Bu anlamda değerlendirildiğinde, günümüz içten yanmalı araçlarına göre geride kaldıkları görünmektedir; bu durum da elektrikli araçların tercih edilmesini olumsuz etkilemektedir. Kullanıcının doğrudan deneyimleyebileceği bu kriterler dışında, son derece önemli olan güvenlik faktörü de bulunmaktadır. Zaman zaman elektrikli araçlar, şarj sırasında ya da trafik kazası anında bataryalarının alev alması gibi sorunlarla karşılaşabilmektedir. Bir batarya alev aldığında, onu söndürmek standart yöntemlerle mümkün olmamaktadır. Bu durum, hem aracın kullanıcısı hem xx ii de çevredeki insanlar için ciddi tehlikeler oluşturmaktadır. Bu durumlar, elektrikli araçların bataryalarıyla ilgili hem güvenlik hem de kullanıcı deneyimi açısından daha gelişmeye ihtiyaç duyduğunu göstermektedir. Günümüzde elektrikli araçların bataryalarında yaygın olarak lityum iyon tipi hücreler kullanılmaktadır. Bu hücreler, en yüksek enerji verimliliği sağlayan hücre tiplerinden olduklarından dolayı sıklıkla tercih edilmektedir. İçlerinde gerçekleşen kimyasal tepkimeler sayesinde elektrik enerjisi üretilir ve bu enerji, aracı hareket ettirir. Batarya hücrelerinin güvenli bir şekilde çalışabilmesi için belirli sıcaklık ve gerilim aralıklarına ihtiyaç vardır. Bu değerler kontrol altında tutulmadığında, hücrelerin içindeki kimyasal reaksiyonlar tehlikeli bir düzeye ulaşabilir ve istenmeyen yangınlar, patlamalar veya yapısal deformasyonlar meydana gelebilir. Bununla birlikte, bu hücreler doğrusal olmayan sistemler olduğundan, iç yapısındaki değişikliklerin öngörülmesi oldukça zordur. Dolayısıyla, bir elektrikli aracın bataryasında kalan enerjiyi ve dolayısıyla ulaşabileceği menzili tahmin etmek, büyük önem arz etmektedir. Bu zorlukların üstesinden gelmek amacıyla, bataryanın kontrolünü sağlayan bir kontrol ünitesi ile batarya hücreleri birlikte çalışır. Bu modül, Batarya Yönetim Sistemi olarak adlandırılmaktadır. Son yıllarda, karmaşık olan sistemlerin basitleştirilmesi ve tahmin yeteneklerini de kapsaması açısından Yapay Zeka çalışmaları anlamında bir çok gelişme olmuştur. Yapay Zeka büyük veri analizi, öğrenme, optimizasyon ve tahmin yapma yetenekleri sayesinde günümüz teknolojisinin vazgeçilmez bir unsuru haline gelmiştir. Yapay Zeka, Batarya Yönetim Sistemi (BYS) alanında da önemli bir role sahiptir. Yapay Zeka her batarya hücresi için özel yönetim stratejileri geliştirerek şarj ve deşarj süreçlerini optimize edebilmektedir. Bu durum, bataryaların daha verimli çalışmasını sağlayarak enerji kayıplarını azaltmakta ve batarya ömrünü uzatabilmektedir. Ayrıca, tahmin yeteneği sayesinde, bataryaların güvenliğini artırarak anormal sıcaklık, gerilim veya akım değişimlerini algılayabilmekte ve arızaların önüne geçebilmektedir. Batarya şarj süreleri de optimize edilerek, her hücre için belirlenen özel şarj hızları ile hem güvenlik sağlanmakta hem de şarj süresi kısaltılabilmektedir. Yapay Zeka'nın bir diğer avantajı, batarya kullanımındaki değişikliklere kolayca adaptasyon sağlama yeteneğidir. Zamanla değişen çevresel koşullara veya sürüş alışkanlıklarına göre batarya yönetim stratejileri dinamik bir şekilde uyarlanabilir. Bu sürekli adaptasyon, bataryaların her koşulda en yüksek performansı sergilemesini mümkün kılmaktadır. Enerji depolama sistemleri arasında en önemli teknolojilerden biri olan lityum-iyon piller, ulaşımın elektriklendirilmesinde giderek daha kritik bir rol üstlenmektedir. Bununla birlikte, şarj süresinin uzun olması, elektrikli araçların yaygın olarak benimsenmesinin önündeki başlıca engellerden biridir. Özellikle şarj hızının, kullanıcıların elektrikli araçları tercih etmesinde ve otomotiv piyasasında rekabet gücünün belirlenmesinde önemli bir etken olduğu kabul edilmektedir. Geleneksel yakıtla çalışan araçlar, akaryakıt istasyonlarında kısa sürede yakıt ikmali yapabilirken, elektrikli araçlar çok sayıda hücreye sahip oldukları için şarj işlemleri oldukça uzun sürmekte ve bu süreç çoğu zaman birkaç saati bulmaktadır. Dolayısıyla, hızlı şarj yöntemlerinin geliştirilmesi acil bir ihtiyaç haline gelmiştir. Ancak mevcut hızlı şarj stratejilerinin büyük çoğunluğu güçlendirilmiş şarj, çok kademeli sabit akım–sabit gerilim şarjı ve darbeli şarj gibi yöntemler daha çok temel teorik bilgiler ve deneysel gözlemler ışığında geliştirilmiştir. Bu tür hızlı şarj yöntemleri ise, hızlı şarj sırasında hızlanan yan reaksiyonlar nedeniyle pilin çevrim ömrünü olumsuz yönde etkileyebilmektedir. xx iii Bu çalışmada, elektrikli araç bataryasının hızlı şarj edilirken, batarya paketi içerisindeki lityum iyon hücrelerin zarar görmesini en aza indirecek bir hızlı şarj algoritması geliştirilecektir. Geliştrilen algoritma, batarya yönetim sisteminden, akım, gerilim, sıcaklık verilerini alarak anlık olarak hızlı şarj akımını belirleyecektir. Belirlenen şarj akımı değeri araç şarj cihazı ile batarya yönetim sistemi vasıtasıyla paylaşılacaktır. Bataryaları şarj etmek için bir çok farklı şarj protokolü bulunmaktadır. Bunlardan en bilineni sabit akım-gerilim yöntemidir. Bu yöntemde lityum iyon hücre üreticisinin belirlediği, güvenli akım ve gerilim değerleri kullanılmaktadır. Güvenli aralıktaki akım değeri ile belirli süre şarj edildikten sonra güvenli olan gerilim değerine ulaşıldığında akım azaltılarak şarjı tamamlamak üzerine kurulmuş bir yöntemdir. Hızlı şarj yöntemlerinde ise bu durumdan farklı olarak, güvenli şarj akımının üstüne çıkılarak şarj edilme yolu izlenmektedir. Ancak bu hızlı şarj yöntemlerinin batarya sağlığına zarar verdiği de bilinmektedir. Geliştirilmesi hedeflenen yöntemde ise, lityum iyon bağlama kapasitesi yani şarj ile doğrudan ilgili olan hücrenin anot tarafındaki potansiyeli Yapay Zeka algoritması sayesinde belirlenerek, PID yöntemi ile şarj akımı artırılıp azaltılacak şekilde dinamik bir şarj algoritması geliştirilecektir. Böylelikle lityum iyon hücresi kapasitesi doğrultusunda hem daha hızlı hem de daha güvenli bir şekilde şarj edilecektir. Bu yöntem elektrikli araçların şarj zamanını kısaltmasını hem de kullanıcılarının daha da güvenli bir şarj deneyimi yaşamasını hedeflemektedir. Bu çalışma Horizon2020 ALBATROSS 963580 projesi tarafından desteklenmiştir.

Özet (Çeviri)

Humanity is advancing in engineering and technical fields every day. Engineers and scientists around the world are working to take humanity one step further. The technologies that emerge as a result of these efforts make our daily lives easier. One of the best examples of this is the transportation, logistics, and automotive sectors. The cumulative progress in this field has led to the introduction of more advanced cars every year and the emergence of different transportation methods in our lives. Each development has arisen as a result of specific needs. The main motivations for development in the automotive field are user demands, limited resources, and environmental sensitivity. The transition to electric vehicles, one of the greatest revolutions in transportation, has undoubtedly accelerated due to the depletion of fuel resources and environmental sensitivity. The fuels used to power internal combustion vehicles are derived from petroleum. While it takes thousands of years for an oil reserve to form underground, the current reserves in the world are rapidly depleting. Considering the increasing population and industrialization over time, it is predicted that the existing oil reserves will be exhausted in the coming years. Additionally, the combustion reactions of internal combustion engines produce gases that are harmful to the Earth's atmosphere. These gases, continuously emitted from millions of vehicles, accumulate in the atmosphere and disrupt the balance of nature. Therefore, humanity has reached a point where it can no longer rely on petroleum fuels that pollute the world and are at risk of depletion in the future, and has begun to seek new fuel alternatives. In this context, the most promising innovative transportation methods in today's technology appear to be hydrogen and electricity-based. While comparing these two methods is the subject of a separate study, this study will focus on electric transportation methods and the batteries to be used in these vehicles. Transportation has been predominantly provided by internal combustion vehicles until today. This has naturally allowed for the accumulation of a lot of knowledge and the presence of many engineers working in this field. Over the years, engineers have solved design problems one by one and pushed the limits of existing technology to reach the present day. Many developments have occurred in areas such as safety, efficiency, usability, and comfort in internal combustion engines and vehicles. However, the newly emerging electric vehicles have opened a new chapter. Compared to internal combustion propulsion systems, studies on electric propulsion systems are still in their infancy. Engineers and scientists are conducting many studies to close the gap in this field. One of the most fundamental components of electric vehicles is the batteries. When compared one-to-one with internal combustion vehicles, the battery pack corresponds to the fuel tank of the vehicle. Factors such as the range of the electric vehicle, charging speed, and performance at different temperatures, which are priorities for the user, are entirely related to the battery. When we examine these factors, it is seen that they lag behind today's internal combustion vehicles. This creates a negative impact on the xx vi preference for electric vehicles. While these criteria are factors that the user will directly experience, there is also a factor that the user cannot experience but is actually more important than all of them, which is safety. As seen from time to time, electric vehicles can catch fire while charging or during a traffic accident. When a battery catches fire, it is not possible to extinguish it with traditional methods. Therefore, this situation poses a great danger both for the user of the vehicle and for those around. These situations show that there are many things to be developed in terms of both safety and user experience regarding 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 provide the highest energy per kilogram. As a result of the chemical reactions occurring within these cells, electrical energy is obtained, which then powers the vehicle. Battery cells have safe operating ranges. In particular, the voltage and temperature values of the cells must be within certain ranges. Otherwise, the chemical reactions inside the cells become uncontrollable, and unwanted fires, explosions, or structural deformations can be observed. Additionally, since these cells are nonlinear systems, it is not easy to predict the changes in their internal structures that will occur as a result of their use. For this reason, estimating the remaining energy in an electric vehicle's battery and thus its range is a research area in itself. To overcome such challenges, in addition to the cells inside the battery, there is also a control unit that will manage the battery, and this module is called the battery management system. Among energy storage technologies, lithium-ion batteries have become one of the most important solutions, playing an increasingly critical role in the electrification of transportation. However, the long charging duration remains a major obstacle to the widespread adoption of electric vehicles. In particular, charging speed has become one of the decisive factors influencing user acceptance and the competitiveness of electric vehicles in the automotive market. While conventional fuel-powered vehicles can be refueled within minutes at gas stations, electric vehicles contain a large number of cells, which makes the charging process considerably longer, often lasting several hours. Therefore, the development of fast-charging methods has become an urgent necessity. Nevertheless, most existing fast-charging strategies such as enhanced charging, multi-stage constant current–constant voltage charging, and pulse charging have been established primarily on fundamental knowledge and empirical observations. Such approaches, however, may negatively affect the cycle life of batteries due to accelerated side reactions occurring during rapid charging. In this study, a fast charging algorithm will be developed to minimize the damage to lithium-ion cells inside the battery during fast charging of the electric vehicle battery. The developed algorithm will determine the fast charging current in real-time by receiving current, voltage, and temperature data from the battery management system. The determined charging current value will be shared with the vehicle charger via the battery management system. There are many different charging protocols for charging batteries. The most well-known of these is the constant current-voltage method. In this method, the safe current and voltage values determined by the cell manufacturer are used. It is a method based xxv ii on charging with the current value within the safe range for a certain period, and then reducing the current to complete the charge when the safe voltage value is reached. In fast charging methods, on the other hand, the charging is done by exceeding the safe charging current. However, it is known that such fast charging methods damage battery health. In the algorithm aimed to be developed, a dynamic charging algorithm will be developed to increase and decrease the charging current by determining the potential on the anode side of the cell, which is directly related to the lithium-ion binding capacity, i.e., the charge. Thus, it will be charged both faster and safer in line with the capacity of the lithium-ion cell. This method aims to shorten the charging time of electric vehicles and provide their users with a safer charging experience. This work supported by the Horizon2020 ALBATROSS 963580 project.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    894319

    Investigation of thermal propagation in electric vehicle high voltage batteries

    Elektrikli araç yüksek gerilim bataryalarında ısıl yayılım araştırması

    KADİR ARAS

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ

  2. Tez No

    888646

    Modelling and simulation of the pem fuel cell on mq1- predator unmanned air vehicle

    Mq-1 predator insansız hava aracında pem tipi yakıt pilinin modelleme ve simülasyonu

    OSMAN SÖZEN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLHAN KOCAARSLAN

  3. Tez No

    476782

    Porosity generation and optimization of silicon-based anodes for high energy density lithium ion batteries

    Yüksek enerji yoğunluklu lityum iyon bataryalar için silisyum bazlı anotlarda gözenek geliştirilmesi ve optimizasyonu

    NESLİHAN YUCA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÜNER ÇOLAK

  4. Tez No

    509667

    Elektrikli araçlarda nano parçacık katkılı batarya soğutma sistemlerinin sayısal olarak incelenmesi

    Numerical investigation of battery thermal management systems with nanoparticle addition in electric vehicles

    TUĞÇE TÜRKBAY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mühendislik BilimleriFırat Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASİN VAROL

  5. Tez No

    953045

    Batarya yönetim sistemleri için aktif dengeleme yöntemleri

    Active balancing methods for battery management systems

    SEVGİ NUR ŞAHBAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AHMET TURAN ÖZDEMİR

Geri Dön