ELEKTRİKLİ TAŞITLAR BATARYA YÖNETİM SİSTEMLERİ

Transkript

1 ELEKTRİKLİ TAŞITLAR BATARYA YÖNETİM SİSTEMLERİ

2 Sunu İçeriği Batarya dengeleme gereklilikleri Li-Ion bataryaların dengelenmesi Dengeleme metotlarının sınıflandırılması Yapılan çalışmalar

3 Batarya Dengeleme Gereklilikleri Batarya yönetim sistemleri (BMS) bir aracın güvenli çalışma, uzun süreli güvenilirlik ve düşük maliyet gibi koşulları sağlamasında önemli rol oynayan bileşenlerdendir. BMS batarya ömrünü artırırken bataryanın zarar görmesini engeller ve sistemin doğru ve güvenilir çalışmasını sağlar.

4 Batarya Dengeleme Gereklilikleri BMS görevleri Hücrelerin korunması Isı yönetimi Şarj/deşarj kontrolü Veri toplama Modüllerle iletişim Veri saklama Hücre dengelemesi

5 Batarya Dengeleme Gereklilikleri Bataryalarda bulunan ve elektriksel özellikleri zamanla değişen hücrelerin dengelenmesi, batarya sisteminin sağlıklı ve güvenli bir şekilde çalışması için mutlaka yapılmalıdır.

6 Batarya Dengeleme Gereklilikleri Hücre dengesizliğinin sebepleri Dahili kaynaklar Şarj depolama hacminin üretimde değişmesi İç empedans değişimleri Kendi kendine deşarjdaki değişimleri Harici kaynaklar Paketteki ısıl farklılıklar Çok dizili paket koruma entegreleri (seri kollardaki şarj akımının eşit olmaması)

7 Batarya Dengeleme Gereklilikleri Üretim teknolojisindeki sınırlılıklar sebebiyle hücreler arasında farklılıklar meydana gelebilir ve uygulamada bu farklılık giderek artar. Her hücrenin enerji depolama kapasitesi, batarya ömrünün daha kısa olması ve kapasitenin tükenmesinin hızlanmasıyla sonuçlanacak derin şarj/deşarj altında sürdürülür ve bu durum aynı zamanda patlamalara da sebep olabilir.

8 Li-Ion Bataryalar Devrede bazı dengeleme elemanlar yoksa en zayıf hücre şarj/deşarj akımının kesintisini belirler. Şekil 1. Li-Ion bataryanın şarj/deşarj eğrisi

9 Li-Ion Bataryalar Bir batarya paketindeki hücrelerin kapasitelerinin eşit olmamasının sebeplerinden biri, teknik ve ekonomik kısıtlamalardan dolayı üretim sürecindeki değişimlerdir. Burada hücre kapasiteleri başlangıçta eşit olmaz ve batarya kullanıldıkça kapasite üzerinde farklılıklar meydana gelebilir. İkinci olarak tek hücreler batarya paketinin içerisine birlikte yerleştirilirken soğutma sistemi çok iyi bile olsa her hücre farklı bir sıcaklık değerine sahiptir bu yüzden hücreler eşit olmayan bir şekilde hızlıca yıpranır.

10 Li-Ion Bataryalar Şekil 2. SoC ve OCV değerleri arasındaki ilişki

11 Batarya Dengeleme Her bir hücresinin kapasitesi farklı olan bir batarya yığınının performansı, şarj elektronik devre aracılığıyla hücrelerde eşitlenirken önemli ölçüde artırılabilir. Çoğu sistem batarya paketinin farklı hücreleri arasında şarj eşitlemeyi sağlamak amacıyla geliştirilmekte ve bu durum hücre dengeleme olarak adlandırılır ve pasif dengeleme ile aktif dengeleme olmak üzere temel olarak iki ana gruba ayrılabilir.

12 Batarya Dengeleme Şekil 3. dengesiz bir batarya paketi ve seri bağlı hücrelerde enerji seviyesi

13 Hücre Dengeleme Pasif Aktif Sabit Şönt Direnç Kondansatör Tabanlı Bobin/ Transformatör Tabanlı Dönüştürücü Tabanlı Anahtarlamalı Şönt Direnç Anahtarlamalı Kondansatör Tek Anahtarlamalı Kondansatör Tekli/Çoklu Bobin Tek Sargılı Transformatör Cuk Azaltan/ Artıran Flyback Çift-Katmanlı Kondansatör Çoklu/Çok Sargılı Transformatör Rampa Tam Köprü Şekil 4. Dengeleme metotlarının sınıflandırılması Yarı- Rezonans

14 Pasif Dengeleme Genel yapı olarak enerjiyi belirli hücrelerden alır ve bu enerjiyi şönt dirençler üzerinden harcar. En basit ve en ucuz dengeleme yöntemidir. Dezavantajı verimi azaltan enerji kayıplarıdır. Sabit ve kontrol edilebilen olmak üzere iki gruba ayrılır.

15 Pasif Dengeleme a. Sabit dirençli Sadece kurşun asit ve nikel tabanlı bataryalarda kullanılabilir çünkü bunlar hücrelere zarar vermeden aşırı şarj şartlarını oluşturabilir. Basitliği, düşük maliyetli olmasının yanında tüm hücreler için enerji ısı olarak açığa çıkar. Şekil 5. Sabit dirençli dengeleme

16 Pasif Dengeleme b. Kontrollü dirençli İki farklı çalışma modu vardır. İlki tüm anahtarların açma/kapama sinyali ile kontrol edilen sürekli moddur. İkincisi hücre gerilimlerinin görüntülendiği algılama modudur. Dengesizlik şartları algılanırken direncin bağlanmasına karar verilir. Bu metot sabit şönt dirençli metoda göre daha verimli, basit, güvenilir olmakla Li-Ion bataryalarda kullanılabilir. Şekil 6. Kontrollü dirençli dengeleme

17 Aktif Dengeleme a. Kondansatör Tabanlı Dengeleme Şarj-shuttling olarak da bilinen kapasitif hücre dengeleme mekanizması, seçilen bir hücreden şarjı alan, depolayan ve onu diğer bir hücreye aktaran bir yapıdan oluşur. Şarj shuttling metodu 3 yapıya ayrılır.

18 Aktif Dengeleme a. Kondansatör Tabanlı Dengeleme Anahtarlamalı Kondansatör n adet hücrenin dengelenmesi için (n-1) adet kondansatör ve 2n adet anahtar kullanılır. Kontrol stratejisi basittir çünkü sadece 2 durum söz konusudur. Akıllı kontrol metodu kullanmaya gerek yoktur ve şarj ya da deşarj durumlarında çalışabilir. Dezavantajı daha uzun süren eşitleme süresidir. Şekil 7. Anahtarlamalı kondansatör ile dengeleme

19 Aktif Dengeleme a. Kondansatör Tabanlı Dengeleme Tek anahtarlamalı kondansatör Şekil 8. Tek anahtarlamalı kondansatör ile dengeleme n adet hücrenin dengelenmesi için (n+5) anahtar ve sadece 1 adet kondansatör kullanır. En yaygın şarj-shuttling tekniklerinden birisidir ve fly kondansatör olarak da adlandırılır. Bu metotta, kondansatör en yüksek gerilimli hücreden şarj olur ve seçime göre en düşük gerilimli hücrede deşarj olur. Bu metot kısa sürede dengeleme sağlamasına rağmen çok sayıda anahtar gerektirir. Basit bir kontrol stratejisi kullanır.

20 Aktif Dengeleme a. Kondansatör Tabanlı Dengeleme Çift Katmanlı Kondansatör n adet hücre için 2n adet anahtar ve n adet kondansatör kullanılır. Bu metodun avantajı ikinci kondansatör katmanının dengeleme süresini ¼ oranında azaltmasıdır. Ek olarak anahtarlanan kondansatör topolojisi için, tek anahtarlanan kondansatör ile çift katmanlı kondansatör Şekil 9. Çift katmanlı kondansatör ile dengeleme yapılarının her ikisi de şarj ve deşarj durumlarında çalışabilirler.

21 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Burada enerjinin bir grup hücreden alınıp diğer gruptaki hücrelere aktarılması bobinler ya da transformatörler aracılığıyla yapılmaktadır. Bu metotlarla daha küçük dengeleme süresi sağlansa da transformatörden dolayı maliyet yüksek olmaktadır. Ayrıca anahtarlama frekansının yüksek olduğu durumlarda filtre kondansatörleri bataryalar arasına yerleştirilmelidir.

22 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Tekli/Çoklu Bobin Şekil 10. Tekli bobin ile dengeleme Tekli bobin dengeleme sisteminde enerjiyi tüm paket içerisinde transfer etmek için bir bobin kullanılır. Kontrol sistemi hücrelerin gerilimini algılar ve enerjiyi aktarmak için kullanılacak iki hücreyi belirler. Bu yöntem ile enerji bütün batarya paketinden alınıp hızlı bir şekilde düşük hücrelere aktarılabilir. Ancak bu metodun fazla karmaşıklık, kontrol, manyetik ve anahtarlar açısından fazla eleman sayısı ve düşük verimlilik gibi bazı dezavantajları vardır.

23 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Tekli/Çoklu Bobin Şekil 11. Çoklu bobin ile dengeleme Çoklu bobin sisteminde de, n adet hücreyi dengeleme için (n-1) adet bobin kullanılır. Burada kontrol sistemi bitişik iki hücrenin gerilim farkını algılar ve sonra PWM sinyalini kullanarak anahtarlama gerçekleştirilir. Bu metodun dezavantajı, enerjinin ilk hücreden son hücreye transferinin özellikle de uzun sıralanmış batarya paketlerinde uzun zaman almasıdır.

24 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Tek sargılı transformatör Şekil 12. Tek sargılı transformatör ile dengeleme Dönüştürücünün seçilebildiği durumlar için anahtarlamalı transformatörler olarak da bilinirler. Bu metot hücre dengeleme için iki tekniğe sahiptir. Birincisi, paketten hücreye yapısıdır. Burada enerji tüm paketten anahtarlamalı transformatör aracılığıyla en zayıf hücreye aktarılarak dengeleme işlemi gerçekleştirilir. İkincisi, hücreden pakete yapısıdır ve en yüksek enerjiye sahip hücreden anahtarlama yoluyla alınan enerji pakete aktarılır.

25 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Çoklu Sargılı Transformatör (Flyback) Şekil 13. Flyback transformatör ile dengeleme Paylaşımlı transformatör olarak da bilinen çoklu sargılı (flyback) transformatördür. Flyback transformatörler düşük maliyetli, basit tasarımı ve yüksek verimleri nedeniyle 100W ile 150W arasındaki güç kaynağı uygulamalarında yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Diğer benzer devrelerle kıyaslandığında primer ve sekonder taraflarının izoleli olması, aynı zamanda çoklu çıkış sağlamaları ve çıkış geriliminin polaritesinin değiştirilebilmesi gibi avantajlara sahiptir. Flyback transformatörün primer tarafı batarya paketinin iki ucuna bağlanır. Her sekonder çıkış ise bir hücreye bağlanır.

26 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Çok Sargılı Transformatör (Forward) Gerilim farklılıkları algılanırken en yüksek gerilimli hücreye bağlı olan anahtar açık duruma getirilir ve enerji bu hücreden transformatör, ters paralel bağlı diyotlar ve anahtar aracılığıyla diğer hücrelere aktarılır. Bu devre karmaşık yapılı ve yüksek maliyetli olmasının yanında transformatörden kaynaklanan doyma problemleri de ortaya çıkabilmektedir. Şekil 14. Forward transformatör ile dengeleme

27 Aktif Dengeleme b. Bobin / Transformatör Tabanlı Dengeleme Çok Sargılı Transformatör (Forward) İkinci topoloji ise her bir hücre için bir tane olacak şekilde tasarlanan çok nüveli transformatör yapısıdır ve Şekil 15 te görülmektedir. Çoklu sargılı yapıyla kıyaslandığında bu metot modüler tasarım için daha iyidir ve manyetik nüve değiştirilmeden batarya paketi uzatılabilir ancak maliyet yüksek olur. Şekil 15. Çok nüveli transformatör ile dengeleme

28 Aktif Dengeleme c. Enerji Dönüştürücüleri Cuk Dönüştürücü Bitişik hücre çiftlerinin her birinin dengelendiği ayrı hücre eşitleyiciler (ICE) olarak tasarlanır. N adet hücre için (n-1) adet ICE gereklidir. Her ICE 2 bobin, iki anahtar ve bir kondansatörden oluşur. Cuk dönüştürücü enerjiyi iki bitişik hücre arasında transfer ettiği için uzun eşitleme süresi vardır. Şekil 16. CUK dönüştürücü ile dengeleme

29 Aktif Dengeleme c. Enerji Dönüştürücüleri Azaltan ve/ya Artıran Dönüştürücü Şekil 17. Buck/boost dönüştürücü ile dengeleme Artıran dönüştürücü fazla enerjiyi tek bir hücreden alıp tüm pakete aktarmada azaltan/artıran dönüştürücü fazla enerjiyi en yüksek hücreden DC baraya, depolama elemanlarına oradan da zayıf hücrelere aktarmada kullanılır. Akıllı denetleyiciler de hücrelerin gerilimini algılamada dönüştürücülerin çalışması için gereklidir. Dönüştürücülü dengeleme metotları nispeten pahalı ve karmaşık olmasına rağmen modüler tasarım için uygundurlar.

30 Aktif Dengeleme c. Enerji Dönüştürücüleri Flyback Dönüştürücü Şekil 18. Flyback dönüştürücü ile dengeleme Flyback dönüştürücüler izoleli yapıda kullanılır ve tek yönlü ya da iki yönlü olabilir. Tek yönlü yapıda, bağlı anahtarlar açık durumdayken ve daha çok şarj olmuş hücrenin enerjisi transformatörde depolanır. Çift yönlü dönüştürücü yapısında ise enerji tüm paketten hücrelere iletilir ve enerjinin iletimi daha esnektir. Dezavantajı ise manyetik kayıpların yanı sıra çoklu sargıların bütünlüğünden ortaya çıkmaktadır.

31 Aktif Dengeleme c. Enerji Dönüştürücüleri Ramp Dönüştürücü Çoklu sargılı transformatörler ile aynı fikre sahiptir. Bu yapı her hücre çifti için sadece bir adet sekonder sargı gerektirmektedir. Rampa dönüştürücünün çalışması kısaca şu şekilde özetlenebilir; ilk yarı saykılda akımın çoğu en düşük gerilimli tek sayılı hücreleri şarj etmede kullanılır. Diğer yarı saykılda ise birinci durum çift numaralı hücrelere kaynak olarak görev yapar. Şekil 19. Rampa dönüştürücü ile dengeleme

32 Aktif Dengeleme c. Enerji Dönüştürücüleri Tam köprü dönüştürücü Tam köprü PWM enerji dönüştürücü tam kontrollü dönüştürücü olarak bilinir. Bu yapı plug-in HEV için AC-DC ya da DC- DC dönüştürücü olarak kullanılabilir. Her iki durum için de modüle edilmiş batarya paketleri ve yüksek güç oranları için akıllı kontrol yöntemlerine gerek duyulur. En büyük dezavantajı tam köprü yapının yüksek maliyeti ve karmaşık kontrol yapısıdır. Şekil 20. Tam köprü dönüştürücü ile dengeleme

33 Aktif Dengeleme c. Enerji Dönüştürücüleri Yarı rezonans dönüştürücü Şekil 21. Quasi-rezonans dönüştürücü ile dengeleme Rezonans dönüştürücüler ya sıfır akım yarı rezonans ya da sıfır gerilim yarı rezonans olabilirler. PWM sinyallerini üretmek için akıllı kontrol kullanmak yerine rezonans devreleri enerji iletimini gerçekleştirir ve anahtarları sürer. Lr ve Cr, simetrik ve çift yönlü batarya eşitleme için sıfır akım anahtarlama fonksiyonunu gerçekleştirmek amacıyla rezonans tankı olarak görev yapar. Avantajı anahtarlama kayıplarını azaltmak böylece dengeleme sisteminin verimini artırmaktır. Ancak rezonans dönüştürücüler çok karmaşık kontrol yapısına sahiptir ve aynı zamanda yüksek maliyetlidir.

34 A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Li-Ion Battery Stacks Şekil 22. Flyback dönüştürücü ile dengeleme

35 A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Li-Ion Battery Stacks i. Bottom dengeleme: Şekil 23. BOTTOM dengelemenin çalışması

36 A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Li-Ion Battery Stacks ii. TOP dengeleme Şekil 24. TOP dengelemenin çalışması

37 A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Li-Ion Battery Stacks Bloklar Arasında Dengeleme Yukarıda bahsedilen metot hücrelerin şarj durumunu mükemmel bir şekilde eşitler. Ancak, bloğun şarj durumu farklı olabilir. Blok transformatörüne basit bir ek sargı ve primer tarafına ek transistör bloklar arasında dengelemeyi mümkün kılar. Bu TOP dengelemeye benzer şekilde çalışır tek bir farkla; en güçlü hücrenin enerjisi blok yerine stack kısmına taşınır. Enerji akışı kontrol edilebilir Sp2 anahtarı tarafından. Anahtar kapandığında enerji blokta kalır.

38 A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Li-Ion Battery Stacks Şekil 25. Bloklar arasında dengelemenin gerçekleştirilmesi

39 A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Li-Ion Battery Stacks Bu çalışmadaki aktif dengelemenin avantajları şu şekilde özetlenebilir: Soğutma daha az uygulanacağı için daha düşük güç harcanımı ve daha düşük ısınma, Dengeleme ve deşarj sonu etkinliği sebebiyle daha iyi batarya kapasitesi kullanımı, Düşük güç kayıpları sayesinde daha yüksek toplam araç yakıt verimliliği.

40 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells Dengeleme modüllerinin çok hücreli dengeleme sistemi oluşturur. Şekil 26. Buck/boost temel yapısı

41 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells Şekil 27. Verimi artırılmış basit kontrollü ilk yapı Bu yapıda iki adet transistör ve bir bobin kullanılmaktadır. İki bitişik hücreye bir modül yüksek gerilimli hücreden düşük gerilimli hücreye enerji iletimini next-to-next olarak gerçekleştirir. Modül sayısı, hücre sayısının bir eksiğidir. T N ve T N PWM sinyali ile aktif hale getirilir. Bu sinyalin doluluk oranı ayarlanarak akımın L N üzerinden her iki yönde de akması sağlanabilir. Değişken doluluk oranında çalışma, daha karmaşık bir yapıya neden olacak gerilim karşılaştırıcılar ile sensörlerin kullanımını gerektirir. Böylece komut basitleştirilmiş sabit doluluk oranına sahip doğal dengeleme yapısı altında çalışmak için ayarlanabilir.

42 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells MOSFET ler ters (bütünleyen) komütasyon için aynı PWM sinyali ile sürülürler. Bu durumda, enerji bir hücreden diğerine aktarılır. Enerji transferinin yoğunluğu, iki hücre arasındaki gerilim farkının ve doluluk oranının bir fonksiyonudur. Doluluk oranının değeri (α 0.5) ise zorunlu dengeleme, (α=0.5) ise doğal dengeleme durumlarına bağlıdır. Aktif ve pasif bileşenler maksimum verimi elde etmek ve en iyi enerji transferini gerçekleştirmek amacıyla uygun bir şekilde boyutlandırılır. Bu yapının basitliği Şekil 27 deki yapıyla kıyaslandığında kontrolünün basit olmasıdır. İki MOSFET senkron doğrultma modunda çalışmaya izin vererek complement şekilde çalışır. Doğal dengeleme de enerji iletimi, benzer güç elektroniği yapısı ve bileşenleri ile daha düşük olarak gerçekleşir ancak bu kez kontrol daha basittir ve Sensör gerektirmez. Özellikle, dengeleme akım yolu üzerindeki parazitik direnç doğal dengelemenin hızını artırmak amacıyla optimize etmek için kilit bileşendir.

43 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells Her iki durumda da enerjiyi taşıyan ve depolayan akımı doğrudan boyutu dolayısıyla maliyeti ile ilişkili olan bu yüzden boyutunun azaltılması gereken bobin ana bileşendir. Hücrelerdeki dalgacık akımı yüksek olursa ek olarak büyük bir filtre kondansatörü gerekir ki bu yüksek frekanslı akımlar için hücre tepkisinin bir fonksiyonudur. Tüm pasif elemanların değerleri ve boyutları, bu aktif dengeleme tekniği kullanılsa da maliyet ve kapladığı alanı çok ciddi olarak artırır. Doğal dengelemenin hızını iyileştirmek ve filtreleme ihtiyacını azaltmak için bir başka yapı önerilmiştir.

44 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells Şekil 28. İkinci yapı (daha düşük ripple ve hızlı dengeleme) Bu yapı paralel bağlı iki bobin ile interleaved yapıdır. T1 ile T3 ve T2 ile T4 birlikte çalışan anahtar çiftleridir. Bunlardan T1 ile T2 birbirinin complementidir. İki dönüştürücü 0.5 doluluk oranında interleaved yapıdadır. Bundan dolayı hücrelerin giriş ve çıkış akımları her iki bobinin akımlarının toplamıdır. Bu topolojinin avantajı batarya uçlarına uygulanan akımın dalgacığının azaltılmış olmasıdır. Bundan dolayı bu yaklaşım filtreleme ihtiyacını azaltır dolayısıyla C1 ve C2 kondansatörlerinin boyutu azalmış olur. İki dönüştürücünün paralel uygulaması eğer dönüştürücülerin başlangıç tasarımları aynıysa dengeleme akımını ikiye katlar.

45 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells İki hücrenin gerilimleri bobinler birlikte şarj ve deşarj oldukları için bir öncekine kıyasla daha hızlı birleşir. Bu yapının ana avantajı filtreleme bileşenlerinde önemli derecede azalmadır. Dezavantajı ise sistemin boyutunu artıran iki adet bobin gerektirmesidir. Bu problem ise üçüncü bir topoloji ile giderilebilir.

46 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells Şekil 29. Üçüncü yapı ( daha küçük bobin boyutu) İkinci topolojiyi geliştirmek için iki bobin aynı nüve üzerine sarılabilir. Bu çift sargılı bobin ikinci topolojideki iki ayrı bobin ile yer değiştirir. İki sargıdaki akımlar simetrik DC seviyeye sahiptir. Bundan dolayı sargılar manyetik nüvede üretilen her bir akıyı kompanze etmek amacıyla bağlanır. Sonuç olarak, manyetik nüvenin boyutu önemli derecede azaltılmış olur. Bu optimizasyon interleaved yapı zorunlu ya da doğal dengeleme altında çalışıyorsa sürekli olumlu sonuç verir. Bu yapının avantajı hücrelerde yük (deşarj) akımı sürekliliğini sağlayan ikinci topolojinin en önemli avantajından yararlanır. Böylece filtreleme kapasitesi azalırken dengeleme hızı artar.

47 Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithium-ion Cells Tablo 1. Üç topoloji için performans parametreleri Dengeleme Topoloji 1 Topoloji 2 Topoloji 3 süresi (dakika) Ortalama verim %94 %90 %90

48 Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles Şekil 30. Flyback dönüştürücü yapısındaki dengeleme devresi

49 Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles Dengeleme devresinin prensibi flyback dönüştürücüye dayanır. Kilit eleman tüm batarya yığını ve her bir hücre için sargıları olan bir transformatördür. Çok sargılı transformatörün iki yönlü kullanımı ile iki farklı dengeleme stratejisi ortaya çıkar. Enerji tek bir hücreden tüm yığına aktarılabilir ki bu TOP dengeleme olarak adlandırılır ya da enerji tüm yığından tek bir hücreye aktarılır bu da BOTTOM dengeleme olarak adlandırılır. Buna ilişkin blok diyagram Şekil 31 de verilmiştir.

50 Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles TOP dengeleme tipik olarak bir hücrenin aşırı şarj olmasını önlemek amacıyla şarj süresince uygulanır. Bir hücrenin gerilimi CVL değerine yakınken şarj diğer hücrelere aktarılabilir ve şarj süreci devam edebilir. bu metot ile her hücre şarj akımı, dengeleme akımı, SoC değeri ve her hücrenin kapasitesine bağlı olarak çok Şekil 31. Enerjinin bir hücreden tüm yığına (TOP dengeleme) ve tüm yığından tek bir hücreye (BOTTOM dengeleme) aktarılması zaman alsa da tamamen şarj edilebilir.

51 Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles BOTTOM dengeleme ise tipik olarak kullanılabilir enerjiyi artırmak için deşarj modu süresince uygulanır. Bir hücrenin gerilimi DVL değerine yakınken şarj bu hücreye aktarılabilir ve deşarj süreci devam edebilir. bu metot ile batarya yığını tüm hücreler deşarj akımına, SoC değerine ve her hücrenin kapasitesine bağlı olarak Şekil 31. Enerjinin bir hücreden tüm yığına (TOP dengeleme) ve tüm yığından tek bir hücreye (BOTTOM dengeleme) aktarılması tamamen deşarj oluncaya kadar deşarj edilebilir.

52 Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles Kapasite Dengeleme Şimdiye kadar şarj, deşarj süresince batarya yığınından en düşük gerilimli hücreye aktarılmaktadır. Şarj süresince, şarj en yüksek gerilimli hücreden batarya yığınına doğru gerçekleştirilmiştir. Bu gerilim dengeleme stratejisi olarak adlandırılır ve sadece hücre gerilimleri göz önünde bulundurulur. Ancak bu kriter her zaman dengelemenin zorunlu olduğu hücreler için iyi bir karar olmayabilir. Hücreler, optimal bir durumda dengeli değilken batarya yığınındaki kullanılabilir enerji optimal dengeleme stratejisinden daha düşük olmaktadır.

53 Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles Şekil 31. Dengeleme durumları a) hücre gerilimine göre, b) hücre kapasitesi ve SoC durumuna göre

54 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Batarya yönetim sistemlerinde şarj eşitleme tekniği bakımından enerji tüketen ve enerji tüketmeyen olmak üzere iki sınıfa ayrılabilir. Enerji tüketen teknikte her bataryanın dengesiz enerjisi direnç aracılığıyla ısıya dönüştürülür. Bu tekniğin verimi düşüktür çünkü bataryadan alınan tüm enerji ısı olarak harcanır. Bu problemi çözmek için enerji tüketmeyen teknikler geliştirilmiştir. Enerji tüketmeyen teknik ile aktif bir anahtarlama devresi kullanan dengeleme devresi kullanılır. Dengeleme işlemleri ise 3 temel kuraldan oluşur.

55 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Her batarya biriminin gerilimi eşik değerine ulaşıncaya kadar her birim için eş zamanlı olarak ek bir şarj akımı sağlanarak dengeleme. Şekil 32. Ek şarj akımı tekniği

56 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Gerilimi ana şarj barasına gönderilecek kadar yüksek olan bataryanın aşırı enerjisi alınarak ayrı ayrı dengeleme. Şekil 33. Aşırı akımın harcanması tekniği

57 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Her bataryanın gerilimi eşik değerine ulaşana kadar bataryaların hem girişindeki hem de çıkışındaki fazla enerjinin akışını kontrol ederek dengelemedir. Şekil 34. İki yönlü şarj akımının uygulanması

58 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Şekil 35. Klasik teknikler kullanılarak iletilen enerjinin verimi

59 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Enerji kayıplarını minimuma indirecek bir metot bu çalışmada önerilmiştir. Bu metoda göre enerjiyi bir dönüştürücüden diğerine aktarılması yerine enerjinin fazlasının bir DA baraya aktarılması verimi artıracaktır. Şekil 36. Önerilen şarj tekniği

60 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Önerilen tekniğin avantajı aktif dönüştürücü sayısına bağlı olmadan iletilen enerjideki toplam verimdir. Burada verim sadece iki aktif dönüştürücünün verimine bağlıdır. Kaynak batarya ile hedef batarya uzak olduğunda bile verim oldukça yüksektir. Dikkat edilmesi gereken tek nokta önerilen metodun tam kapasitede çalışması için batarya sayısı 3 ya da daha fazla olmalıdır. Klasik yöntemle karşılaştırıldığında verim grafiği Şekil 37 de görülmektedir.

61 High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String Şekil 37. Önerilen dönüştürücü yapısı a) deşarj flyback dönüştürücü, b) şarj flyback dönüştürücü ve c) iki yapının kombinasyonu

62 KAYNAKLAR 1. Passive and Active Battery Balancing comparison based on MATLAB Simulation, Mohamed Daowd, Noshin Omar, Peter Van Den Bossche, Joeri Van Mierlo 2. The Research of Vehicle Power Li-ion Battery Pack Balancing Method, Xuezhe Wei Bing Zhu, The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments, A Cost Optimized Battery Management System with Active Cell Balancing for Lithium Ion Battery Stacks, Carl Bonfiglio, Werner Roessler, 2009 IEEE. 4. Optimized Structure for Next-to-Next Balancing of Series-Connected Lithiumion Cells, Thanh Hai PHUNG, Jean-Christophe CREBIER, Alexandre CHUREAU, Alexandre COLLET,The Van NGUYEN, 2011 IEEE.

63 KAYNAKLAR 4. Li-Tec HEA40 High Energy Cell Datasheet, Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries With Active Cell Balancing in Electric Vehicles, Markus Einhorn, Werner Roessler, Juergen Fleig, IEEE Transactions On Vehicular Technology, vol. 60, no. 6, pp , July High Efficiency Battery Management System for Serially Connected Battery String, Chamyut Kamjanapiboon, Kamon Jirasereeamornkul, Veerapol Monyakul, IEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISlE 2009) Seoul Olympic Parktel, Seoul, Korea July 5-8, 2009.