Batarya Yönetim Sistemleri (BYS)

Batarya Yönetim Sistemleri (BYS), çok hücreli batarya yapılarında güvenlik, verimlilik ve ömür optimizasyonunu sağlamak amacıyla geliştirilen entegre kontrol altyapılarıdır ve bu sistemler, elektrikli araçlar (EV), enerji depolama sistemleri (ESS), endüstriyel güç uygulamaları ve taşınabilir elektronik cihazlar gibi pek çok alanda kritik bir rol üstlenmektedir. Bu sistemlerin performansı ise büyük ölçüde izlenen hücrelerin karakteristik özelliklerine bağlıdır; bu bağlamda, tez kapsamında geliştirilen kontrol algoritmaları, doğrudan sistem verimliliğini etkileyen hücre parametreleri göz önünde bulundurularak, Aspilsan INR18650A28 model lityum-iyon hücre temelli bir yapı üzerinde yapılandırılmıştır.

^{Aspilsan INR18650A28 Model Lityum-Iyon Pil Hücrelerinin Karakteristik Özellikleri}   

Hücre gerilimi, batarya şarj durumu (State of Charge – SOC), durum sağlığı (State of Health – SOH) ve genel performans hakkında doğrudan bilgi veren bir parametredir. Ayrıca hücreler arası dengesizliklerin belirlenmesi ve aşırı şarj/deşarj risklerinin önlenmesi için kritik öneme sahiptir.

Gerilim ölçümü genellikle hücre terminallerine bağlanan çok kanallı analog-dijital çevirici (ADC) entegreleri ile gerçekleştirilir. Bu entegreler hücre gerilimlerini periyodik olarak örnekler ve dijital forma dönüştürerek mikrodenetleyicilere iletir.

• Texas Instruments BQ769x0 Serisi: 3 ila 15 hücre arası izleme; entegre sıcaklık sensörü girişleri ve akım ölçümü destekler.
• Analog Devices LTC6811/LTC6804 Serisi: Yüksek hassasiyetli çok hücreli voltaj izleme entegreleridir.
• Maxim Integrated MAX178xx Serisi: ISO26262 uyumlu entegre çözümler sunar.

• V_bat​: Ölçülen batarya gerilimi (V)
• V_adc​: ADC ile okunan bölünmüş gerilim (V)
• R₁, R₂ ​: Gerilim bölücü dirençleri (Ω)

Mikrodenetleyiciler belirli bir giriş voltajı sınırına sahiptir (genellikle 3.3V veya 5V). Daha yüksek gerilimler doğrudan ölçülemez. Bu nedenle, gerilim bölücü ile batarya gerilimi düşürülerek ölçüm yapılır ve formül ile tekrar orijinal değer hesaplanır.

• Basit ve düşük maliyetli.
• Yüksek gerilimlerin güvenli şekilde ölçülmesini sağlar.

• Direnç toleransları ölçüm hatasına neden olabilir.
• Yüksek değerli dirençler gürültüye duyarlıdır.
• ADC kalibrasyonu yapılmalıdır.

Akım ölçümü, bataryanın enerji akışının kontrolü, aşırı akım koruması, şarj-deşarj yönetimi ve SOC tahmini gibi birçok işlem için gereklidir. Ayrıca sistemin enerji verimliliği ve yük yönetimi performansı akım bilgisiyle doğrudan ilişkilidir.

^{Aspilsan INR18650A28 Pillerinin Deşarj Performansının C-Rate Bağımlılığı Grafiği}

Yukarıdaki görselde, Aspilsan INR18650A28 modeli pilimizin farklı akım seviyelerinde şarj durumu altında sıcaklık ve kapasite tepkileri gözlemlenmektedir. Şarj süreci sırasında bataryanın performansı, kullanılan akım seviyesine göre değişiklik göstermektedir. Özellikle düşük akım (yavaş şarj) durumunda, pil hücresinin sıcaklık ve kapasite değerlerinde daha stabil bir seyir izlendiği gözlemlenmektedir. Bu durum, bataryanın daha verimli ve sağlıklı bir şekilde çalıştığını gösterir, çünkü yavaş şarj işlemi bataryanın ısınmasını engeller ve hücredeki kimyasal reaksiyonları daha kontrollü hale getirir.

BMS (Batarya Yönetim Sistemi), şarj sürecinde akım seviyesinin hızlı veya yavaş olmasına bakmaksızın, pilin her zaman en uygun ve güvenli şekilde korunabilmesi için sürekli olarak akım ölçümü yapmaktadır. Bu sürekli izleme, bataryanın sağlığını korumak için kritik öneme sahiptir. Grafik üzerinde görüldüğü gibi, bataryanın daha sağlıklı bir şekilde çalışabilmesi ve ömrünün uzun olabilmesi için şarj seviyesinin %20 ile %80 arasında tutulması tavsiye edilmektedir. Bu aralık, bataryanın aşırı ısınma, fazla şarj olma veya derin deşarj olma risklerini minimize eder ve bataryanın genel performansını optimize eder.

BMS, bu veri akışlarını kullanarak bataryanın her bir hücresinin gerilim, akım ve sıcaklık gibi parametrelerini sürekli olarak izler. Bu sayede bataryanın güvenli çalışmasını sağlar ve batarya ömrünü en üst düzeye çıkarır. Bu sürecin önemli bir parçası olarak, akım ölçümü doğru bir şekilde yapılır, böylece batarya şarjı sırasında herhangi bir olumsuz durum tespit edilirse, sistem otomatik olarak müdahale eder.

Akım ölçümünde genellikle iki temel yöntem kullanılır:

• Shunt direnç tabanlı ölçüm: Direnç üzerinden geçen akıma göre gerilim farkı ölçülür.
• Hall etkisi tabanlı sensörler: Manyetik alan değişimini algılayarak gerilim sinyali üretir.

• Allegro ACS712 / ACS758: Hall etkili sensörlerdir, ±1% doğruluk sağlar.
• INA219 / INA226 (TI): Shunt direnç tabanlı, I2C üzerinden haberleşen sensörlerdir.

• I: Ölçülen akım (A)
• Vout​: Sensör çıkış gerilimi (V)
• Voffset​: Ofset gerilimi (sıfır akımda sensör çıkışı) (V)
• K: Sensör hassasiyet katsayısı (V/A)

Hall etkili akım sensörleri (örneğin ACS712, INA219, LEM sensörleri) çıkışında analog bir gerilim üretir. Bu çıkış gerilimi, sistemden geçen akımla doğrusal bir ilişki içindedir. Akım bilgisini gerilim cinsinden ölçerek sistem izleme ve koruma mekanizmaları geliştirilir.

• Temassız ve izolasyonlu ölçüm (Hall etkisiyle).
• Doğrusal çıkış.
• Yüksek güvenlik (yükten ayrılmış ölçüm).

• Ofset sapmaları sıcaklıkla değişebilir.
• ADC çözünürlüğü ölçüm hassasiyetini belirler.
• Gürültü kaynaklı hatalar için düşük geçişli filtre önerilir.

Batarya hücrelerinin iç sıcaklığı, termal kaçak (thermal runaway) gibi tehlikeli durumların önceden tespit edilmesini sağlar. Ayrıca şarj/deşarj verimliliği sıcaklıkla doğrudan ilişkilidir. Sıcaklık izleme, aynı zamanda aktif soğutma sistemlerinin kontrolünü de mümkün kılar.

^{Aspilsan INR18650A28 Pillerinin Deşarj Performansının Sıcaklık Bağımlılığı Grafiği}

Bu grafik, bataryanın şarj ve deşarj performansının sıcaklıkla nasıl değiştiğini gösterir. Şarj işlemi 0.5C hızında, 25°C'de 4.2V'da tamamlanır ve akım 140mA'ya düştüğünde sonlanır. Deşarjda ise batarya, 2.5V'a kadar 0.2C hızında deşarj edilir. Soğuk hava koşullarında, örneğin -30°C'de, deşarj hızı 1C'ye çıkarak bataryanın verimliliği düşer. BMS, bu sıcaklık değişimlerine göre bataryayı korur ve optimum şarj/deşarj koşullarını sağlar.

En yaygın yöntem, batarya yüzeyine yerleştirilen sıcaklık sensörlerinin direncinin ölçülmesidir. Genellikle NTC (Negative Temperature Coefficient) termistörler tercih edilir.

• NTC 10kΩ B3950 Termistörler: Geniş sıcaklık aralığı (-40°C ila 125°C), düşük maliyet ve doğruluk.
• LM35 / TMP36 (Analog çıkışlı sensörler): Doğrudan sıcaklıkla orantılı voltaj çıkışı verir.
• DS18B20 (Dijital sensör): 1-Wire haberleşme ile dijital sıcaklık iletimi sağlar.

• Hassas ölçüm için kalibrasyon yapılmalıdır.
• Termistörün konumlandırılması ısı kaynağına yakın olmalıdır.
• Direnç bölücü ile bağlanır, buna göre hesaplama yapılmalıdır.

• P: Anlık güç (Watt, W)
• V: Gerilim (Volt, V)
• I: Akım (Amper, A)

Bu formül elektriksel güç hesabının temelini oluşturur. Bir devredeki yük tarafından tüketilen veya sağlanan güç, gerilim ile akımın çarpımı ile belirlenir.

• Batarya sisteminin enerji ihtiyacını anlamak,
• Hücrelerin termal yükünü ve bileşenlerin dayanım sınırlarını belirlemek,
• Isıl tasarım ve enerji yönetimi stratejilerini planlamak,
• Sistem bileşenlerinin doğru boyutlandırılması (örneğin: sigortalar, kablolar, soğutma birimleri),
• Aşırı yük koşullarının izlenmesi için kritik bir parametre sağlamaktadır.

• BMS sistemleri, hücrelerin anlık gerilimini ve akımını sürekli izler.
• Bu iki parametre çoğunlukla ADC üzerinden ölçülerek dijital sisteme aktarılır.
• Mikrodenetleyici üzerinde hesaplanan P = V × I hem anlık güç izleme hem de enerji toplamı için kullanılır.

• Basit ve hızlı hesaplama: Mikrodenetleyiciler üzerinde düşük işlem yükü ile uygulanabilir.
• Anlık değerlendirme sağlar: Gerçek zamanlı izleme yapılabilir.
• Koruma sistemleri ile entegre çalışır: Aşırı güç durumunda erken uyarı sağlar.
• Enerji tüketim haritaları çıkarılabilir: BMS, batarya tüketim profilini kayıt altına alabilir.

• Akım ölçüm doğruluğu çok kritiktir. Hall sensörleri veya shunt dirençler ile doğru ölçüm yapılmalıdır.
• Gerilim ölçüm doğruluğu da önemlidir. Özellikle yüksek gerilimli sistemlerde ADC çözünürlüğü ve referans gerilim kararlılığı kritik rol oynar.
• Filtreleme yapılmalıdır. Gürültü nedeniyle anlık sapmalar oluşabilir. Dijital filtreler kullanılmalıdır.
• Zaman senkronizasyonu gerekir. Gerilim ve akım ölçümleri eş zamanlı alınmalıdır; aksi halde güç değeri hatalı olur.

• Enerji verimliliği analizi yapılabilir.
• BMS, hücrelerin enerji tüketimine göre dengesizlik analizi gerçekleştirebilir.
• Şarj-deşarj sırasında sistem yük profili çıkartılır.
• Termal modelleme için gerekli olan temel giriş verisidir.
• Aşırı akım-koruma eşiklerinin dinamik ayarlanmasına katkı sağlar.

Batarya paketleri, çok sayıda seri bağlı hücreden oluşur. Her hücrenin üretim toleransları, yaşlanma etkileri, sıcaklık farklılıkları ve iç dirençleri farklılık gösterebilir. Bu durum, şarj-deşarj döngülerinde hücreler arasında gerilim farklılıklarına yol açar. Bu farklar zamanla artarak bazı hücrelerin aşırı şarj veya aşırı deşarj olmasına neden olabilir. Bu durum batarya güvenliğini, ömrünü ve verimliliğini doğrudan etkiler. Dengeleme sistemleri bu eşitsizliği gidererek hücreleri aynı gerilim seviyesinde tutmayı amaçlar.

• Hücre ömrünü uzatmak için
• Aşırı şarj veya deşarjı önlemek
• Enerji kullanım verimliliğini artırmak
• Termal dengesizliği önlemek
• Batarya güvenliğini artırmak

Pasif dengeleme, fazla gerilime sahip hücrelerden enerjinin direnç üzerinden ısıya dönüştürülerek atılmasına dayalıdır. Düşük maliyetli ve sade yapısıyla yaygın kullanıma sahiptir.

Her hücreye seri bağlanan dirençler, yüksek gerilimli hücrelerdeki fazla enerjiyi boşaltmak amacıyla anahtarlarla kontrol edilir. Bu işlem, hücreler arasındaki gerilim farkını azaltır.

• Düşük maliyetli sistem tasarımı
• Basit devre yapısı
• Yüksek güvenilirlik (daha az bileşen, daha az hata noktası)

• Enerji verimsizliği (enerji ısıya dönüşür)
• Yüksek gerilim farklarında direnç ısınması
• Yavaş dengeleme süreci

Aktif dengeleme, bir hücredeki fazla enerjinin diğer hücrelere transfer edilmesini sağlayarak daha verimli bir yaklaşım sunar. Bu yöntemde kapasitörler, endüktörler veya DC-DC dönüştürücüler kullanılır.

Enerji, fazla şarjlı hücrelerden düşük şarjlı hücrelere aktarılır. Bu transfer, kapasitif, indüktif veya transformatör tabanlı olabilir.

• Yüksek enerji verimliliği
• Daha hızlı dengeleme süreci
• Termal kayıpların azaltılması

• Yüksek devre karmaşıklığı
• Daha yüksek maliyet
• Kontrol algoritması karmaşası

SOC, bir bataryanın mevcut kapasitesinin toplam kapasitesine oranını gösterir. Elektrikli araçlarda ve enerji depolama sistemlerinde doğru SOC tahmini, sistemin verimli yönetimi için kritik öneme sahiptir. SOC değeri doğrudan kullanıcı arayüzünde gösterilir ve enerji yönetim sistemlerinin temel parametresidir.

• Şarj ve deşarj stratejilerinin planlanması
• Batarya ömrünün optimize edilmesi
• Aşırı şarj veya derin deşarj risklerinin önlenmesi
• Geri kalan çalışma süresinin tahmini

Bu yöntemde, hücre gerilimleri ile SOC arasındaki ilişki kullanılır. Özellikle sabit yük koşullarında, gerilim ile SOC arasında yaklaşık lineer bir ilişki varsayılır.

$SOC=\left(\frac{V_{\text{cell}}-V_{\text{min}}}{V_{\text{max}}-V_{\text{min}}}\right)\times 100$

• SOC : Şarj durumu (%)
• Vcell​ : Ölçülen hücre gerilimi (V)
• Vmin​ : Tam deşarj durumundaki hücre gerilimi (genellikle 3.0V veya 2.5V).
• Vmax​ : Tam şarj durumundaki hücre gerilimi (tipik olarak 4.2V).

Gerilim temelli SOC hesaplama yöntemi, donanımsal olarak en basit uygulamaya sahip olması nedeniyle giriş seviyesi BMS sistemlerinde yaygındır. Özellikle düşük maliyetli ve sınırlı işlemci kaynaklarına sahip sistemlerde tercih edilir. Pil gerilimi ile şarj durumu arasında doğrusal olmayan ancak ölçülebilir bir ilişki vardır.

^{Aspilsan INR18650A28 Pillerinin Şarj Karakteristiği Grafiği}

Aspilsan INR18650A28 model lityum-iyon hücreye ait zamana bağlı şarj sürecine ilişkin ölçüm grafiğinde, hücre gerilimi ile kapasite arasındaki ilişkinin genel eğilimi gözlemlenmektedir. Şarj süreci ilerledikçe kapasitenin artmasıyla birlikte hücre geriliminde de artış meydana geldiği tespit edilmiştir. Bu artış, tam anlamıyla doğrusal bir karakteristik sergilemese de, belirli uygulama senaryoları için bu sapma düzeyinin kabul edilebilir sınırlar içerisinde kaldığı değerlendirilmektedir. Özellikle düşük hata toleransına sahip olmayan sistemlerde, gerilim tabanlı SOC tahmini yöntemleri, uygulama pratikliği ve hesaplama kolaylığı bakımından tercih edilebilir. Ancak bu yöntemin doğrusal olmayan karakteristiği göz önünde bulundurularak, yüksek hassasiyet gerektiren sistemlerde ek parametrelerle desteklenmesi gerektiği unutulmamalıdır.

• Basit Donanım Gereksinimi: Yalnızca hücre geriliminin ölçülmesi yeterlidir.
• Düşük Hesaplama Maliyeti: Mikrodenetleyiciler üzerinde çok az işlem gücü gerektirir.
• Gerçek zamanlı bilgi sağlar: Anlık ölçümle SOC izlenebilir.
• Maliyet-etkin çözüm: Ek akım sensörleri gerektirmez.

• Gerilim-SOC doğrusal değildir: Bu formül yalnızca nominal değerlerde anlamlıdır; özellikle şarj ve deşarj eğrileri farklıdır.
• Yük altında gerilim düşümü: Anlık yükler nedeniyle ölçülen $V_{\text{cell}}$ yanıltıcı olabilir.
• Sıcaklık etkisi: Hücre sıcaklığı gerilim karakteristiğini etkiler. Sıcaklık kompanzasyonu gerekir.
• Histerezis etkisi: Şarj ve deşarj sırasında farklı gerilim-SOC eğrileri oluşur.
• Kalibrasyon gereklidir: $V_{\text{min}}$ ve $V_{\text{max}}$ değerlerinin hücre tipine göre belirlenmesi şarttır.

• BMS sisteminin temel görevlerinden biri olan enerji yönetimine katkı sağlar.
• SOC bilgisi ile kullanıcıya kalan kapasite bilgisi sunulur.
• Aşırı şarj ve deşarj koruması için eşik belirleme yapılabilir.
• Enerji verimliliği ve kullanım optimizasyonuna olanak tanır.
• Hücre dengeleme algoritmalarına destek olur.

• SOC(t): Zaman t anındaki şarj durumu, yüzde olarak ifade edilir.
• SOC(0): Başlangıçtaki şarj durumu, genellikle tam şarjda başlar (yani, SOC(0) = 100%).
• I(t): Zaman t anındaki hücreye uygulanan akım (A). Akım pozitifse şarj, negatifse deşarj anlamına gelir.
• Cnom: Pilin nominal kapasitesi (Ah). Bu, pilin tam şarjla sağlayabileceği toplam enerji miktarını belirtir.
• ∫(I(t) dt): Zaman boyunca uygulanan akımın entegrali. Bu, hücreye aktarılan veya hücreden çekilen toplam enerji miktarını hesaplar.

Coulomb Counting yöntemi, hücredeki şarj ve deşarj işlemlerini izlemek için kullanılan en doğru yöntemlerden biridir. Bu yöntem, özellikle gerilim temelli yöntemlerle karşılaştırıldığında daha güvenilir sonuçlar verir, çünkü şarj değişimlerini doğrudan izler. Şarj ve deşarj sırasında gerilim değişimlerinin doğrusal olmaması Coulomb Counting yönteminin avantajıdır.

1. Başlangıç Değeri (SOC(0)): Pilin başlangıçtaki şarj durumu belirlenir. Bu, genellikle tam şarj edilmiş pilin SOC'si (100%) olarak alınır.
2. Akım Ölçümü (I(t)): Hücreye aktarılan veya çekilen akım, bir akım sensörü (örneğin, INA219 veya ACS712) kullanılarak ölçülür. Bu ölçüm genellikle mikrodenetleyici veya DSP (digital signal processor) üzerinden yapılır.
3. Entegrasyon: Akım, belirli bir zaman dilimi boyunca entegre edilir. Bu, şarjın ve deşarjın zamanla ne kadar gerçekleştiğini gösterir.
4. SOC Hesaplama: Hesaplanan entegre değer, nominal kapasiteye bölünerek şarj durumu elde edilir.

• Yüksek Doğruluk: Gerilim tabanlı yöntemlere göre çok daha doğru sonuçlar verir, çünkü doğrudan akım ölçülerek şarj ve deşarj süreçleri izlenir.
• Zamanla Gelişen İzleme: Akımın zaman içindeki etkisi izlenebilir, böylece zamanla pilin gerçek şarj durumu çok daha hassas şekilde hesaplanabilir.
• Düşük Histerezis: Bu yöntem, gerilim tabanlı yöntemlere göre daha az histerezis etkisi gösterir. Yani şarj ve deşarj esnasındaki gerilim farklılıkları göz ardı edilir.
• Hızlı Tepki Süresi: Gerilimdeki geçici değişiklikler gibi geçici hatalar yaşanmadığı için sistem hızla tepki verir.

• Hassas Akım Ölçümü: Akım ölçümünün doğruluğu, SOC tahmininin doğruluğunu doğrudan etkiler. Yanlış bir akım ölçümü, yanlış SOC tahminlerine yol açabilir.
• Kalibrasyon: Bu yöntemin doğruluğu, sistemin başlangıcındaki SOC değerine bağlıdır. Eğer başlangıç değeri yanlış belirlenirse, tüm SOC tahminleri yanlış olabilir.
• Akım Sensörü Seçimi: Akım sensörlerinin doğruluğu, tasarımın kritik bir parçasıdır. Çeşitli sensörler (örneğin, INA219, ACS712, INA226) farklı hassasiyetler sunar, bu nedenle doğru sensör seçimi önemlidir.
• Sıcaklık Etkisi: Sıcaklık değişimleri, pilin kapasitesini ve akım tüketimini etkileyebilir. Sıcaklık ölçümü ve sıcaklık kompanzasyonu gereklidir.
• Akım Dönüşümleri: Hızlı şarj ve deşarj dönemlerinde ani akım değişimleri doğru ölçülmelidir.

• Sürekli Şarj Takibi: Coulomb Counting, sürekli olarak şarj takibini sağlar. Bu, BMS'nin enerji yönetimini optimize etmesine yardımcı olur.
• Gelişmiş Dengeleme: SOC verisi, hücre dengeleme stratejilerinin uygulanmasına olanak tanır. Düşük SOC'ye sahip hücreler daha fazla şarj edilebilir.
• Enerji Verimliliği: SOC ile daha doğru enerji tahminleri yapılarak, enerji tasarrufu sağlanabilir ve pil ömrü artırılabilir.
• Aşırı Şarj ve Deşarj Koruması: SOC verileri, aşırı şarj ve deşarj durumlarıyla başa çıkmak için kritik eşikler belirlemeye olanak tanır.

Coulomb Counting, elektriksel enerji hesaplamalarına dayanan bir yöntemdir. Bu yöntem, hücreye yüklenen ve hücreden çekilen enerji miktarını zamanla entegrasyon yoluyla hesaplar. Akım akışı, genellikle ohmik kayıplar ve iç direnç gibi parametrelerle değiştirilmiş olup, hücre gerilimi ve SOC arasındaki ilişkiyi doğru modellemekte önemlidir. Ayrıca, Coulomb Counting, dirençli kayıpları hesaba katmak için, hücre modelleme tekniklerine dayanır.