elektrikli araç batarya sistemleri için hücre dengeleme
advertisement
T.C. GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRİKLİ ARAÇ BATARYA SİSTEMLERİ İÇİN HÜCRE DENGELEME (CELL BALANCING) SİSTEMİNİN TASARLANMASI Mehmet KARADENİZ Lisans Bitirme Tezi GEBZE 2012 T.C. GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ELEKTRİKLİ ARAÇ BATARYA SİSTEMLERİ İÇİN HÜCRE DENGELEME (CELL BALANCING) SİSTEMİNİN TASARLANMASI Mehmet KARADENİZ Lisans Bitirme Tezi Danışman Doç. Dr. Abdulkadir BALIKÇI GEBZE 2012 …………………………………………………..…….’ın bitirme çalışması, G.Y.T.E. Mühendislik Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün ................................ tarih ve ............................ sayılı kararı ile oluşturulan jüri tarafından Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde lisans bitirme çalışması olarak kabul edilmiştir. JÜRİ ÜYE (TEZ DANIŞMANI) : Doç. Dr. Abdulkadir BALIKÇI ÜYE : Dr. Fatih DİKMEN ÜYE : Dr. Selçuk KAVUT ONAY: G.Y.T.E. Mühendislik Fakültesi Elektronik Mühendisliği Bölümü’nün ................................ tarih ve ................................ sayılı kararı. İmza/Mühür i ÖZET Bu çalışmada elektrikli araç batarya sistemleri için hücre dengeleme sistemleri araştırılmıştır. Araştırılan sistemler içerisinde en iyisi belirlenmiş ve modellenmesi yapılmıştır. Hücre dengeleme sistemleri içerisinde aktif dengeleme de hareketli kapasitör yöntemi modellenmiştir. Ayrıca pasif dengeleme yönteminin modellemesi yapılmıştır. Modellemesi yapılan yöntemlerin gerilim ve şarj durumlarını gösteren grafikler gösterilmiştir. Ve bu grafiklerden elde edilen sayısal hesaplamalar yapılmıştır. Aktif dengeleme sistemlerinde enerji gerilimi yüksek olan hücreden gerilimi düşük olan hücreye transfer edilirken, pasif dengelemede gerilimi yüksek olan hücrenin fazla gerilimi bir direnç üzerinden ısı enerjisi olarak boşaltılmaktadır. Aktif dengelemede karmaşık bir kontrol devresi olmasına rağmen fazla enerji harcanmadığı için, aktif dengeleme yönteminde daha az enerji kaybı vardır. Pasif dengelemede ise kontrol yapısı aktif dengelemeye oranla daha basittir fakat fazla enerji atıldığı için enerji kaybı fazladır. Bu araştırmada belirlenen yöntemlerin modellenmesi yapılmıştır. Aktif dengeleme sistemi olan hareketli kapasitör sistemine ait devre yapılmıştır. Bu devreye ait bilgiler ve resimler bu araştırmaya eklenmiştir. ii TEŞEKKÜR Bitirme projem boyunca yardımlarını ve değerli zamanını esirgemeyen, çalışmalarımda beni yönlendiren hocam Doç. Dr. Abdulkadir BALIKÇI ve bitirme projemde ilerlememde çok değerli katkıları olan Araş. Gör. Ceyhun SEZENOĞLU’ na sonsuz saygı ve teşekkürlerimi sunarım. Haziran 2012 Mehmet KARADENİZ iii İçindekiler ÖZET .................................................................................................................................................. i TEŞEKKÜR ....................................................................................................................................... ii Şekiller Listesi ........................................................................................................................... iv Tablolar Listesi ........................................................................................................................... v 1 GİRİŞ ......................................................................................................................................... 1 2 BATARYA YÖNETİM SİSTEMLERİ ....................................................................................... 2 3 2.1 Lityum İyon Bataryalar........................................................................................................ 2 2.2 Lityum Polimer Bataryalar................................................................................................... 2 HÜCRE DENGELEME SİSTEMLERİ ....................................................................................... 3 3.1 Şarj Sonu (End-of-Charge) Dengeleme Yöntemi.................................................................. 6 3.2 Aktif Dengeleme Sistemleri ................................................................................................. 6 3.2.1 Yük Transferi (Charge Shuttling) (Hareketli Kapasitör)................................................ 6 3.2.2 Enerji Dönüşümü (Enerji Taşınması).......................................................................... 22 3.3 4 TASARIM ................................................................................................................................ 32 4.1 Elektronik Elemanlar ......................................................................................................... 32 4.1.1 Mosfet Sürücü Devresi............................................................................................... 32 4.1.2 Gerilim Okuma Devresi ............................................................................................. 35 4.2 5 Pasif Dengeleme Sistemleri ............................................................................................... 26 PCB Çizimi ....................................................................................................................... 36 SONUÇ ...................................................................................................................................... 38 KAYNAKLAR ................................................................................................................................. 39 iv Şekiller Listesi Şekil 3-1 Bir Hücrenin Gerilim- Şarj Durumu Grafiği ......................................................................... 5 Şekil 3-2 Hareketli Kapasitör Yük Transferi Yöntemi ......................................................................... 7 Şekil 3-3 Hareketli Kapasitör Yöntemi Akış Şeması............................................................................ 9 Şekil 3-4 Hareketli Kapasitör Hücre Dengeleme Simulink Modeli..................................................... 10 Şekil 3-5 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle 4 Hücrenin Dengelenmesi (SOC) ..................................... 11 Şekil 3-6 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle 4 Hücrenin Dengelenmesi-a (Gerilimler).......................... 12 Şekil 3-7 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle 4 Hücrenin Dengelenmesi-b (Gerilimler) ......................... 13 Şekil 3-8 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle Boşalma İşlemi Sırasında Dengeleme(SOC) .................... 15 Şekil 3-9 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle Boşalma İşlemi Sırasında Dengeleme-a(Gerilimler) ......... 16 Şekil 3-10 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle Boşalma İşlemi Sırasında Dengeleme-b(Gerilimler) ....... 17 Şekil 3-11 Çok Sayıda Hücre İle Yük Transfer Yöntemi ................................................................... 18 Şekil 3-12 Lityum Polimer Bataryalar İçin Açık Hücre Gerilim Grafiği ............................................. 19 Şekil 3-13 Seri Bağlı Bataryaları Dengelemede Kullanılan Saat Anahtarlamalı Kapasitör Yöntemi ... 19 Şekil 3-14 Çift Katmanlı Dengeleme Yöntemi .................................................................................. 21 Şekil 3-15 Seri Batarya Sistemlerine Paralel Çeviricilerin Bağlanması .............................................. 23 Şekil 3-16 Anahtarlamalı Transformatör Yöntemi ............................................................................. 24 Şekil 3-17 Paylaşımlı Transformatör Yöntemi ................................................................................... 24 Şekil 3-18 Çoklu Transformatör Yöntemi.......................................................................................... 25 Şekil 3-19 Fazla Enerjiyi Harcama Yöntemi...................................................................................... 26 Şekil 3-20 Pasif Dengeleme Yöntemi Akış Şeması ............................................................................ 27 Şekil 3-21 Pasif Dengeleme Yöntemi Matlab/Simulink Modellemesi ................................................ 28 Şekil 3-22 Pasif Dengeleme Yöntemi İle 6 Hücrenin Dengelenmesi (SOC) ....................................... 29 Şekil 3-23 Pasif Dengeleme Yöntemi İle 6 Hücrenin Dengelenmesi-a (Gerilimler)............................ 30 Şekil 3-24 Pasif Dengeleme Yöntemi İle 6 Hücrenin Dengelenmesi-b (Gerilimler) ........................... 31 Şekil 4-1 Mosfet Sürücü Devresi....................................................................................................... 33 Şekil 4-2 Mosfet Sürücü Devresi Kurulumu ...................................................................................... 33 Şekil 4-3 Osiloskop Görüntüsü.......................................................................................................... 34 Şekil 4-4 Optokuplör ........................................................................................................................ 34 Şekil 4-5 Gerilim Okuma Devresi ..................................................................................................... 35 Şekil 4-6 LM324 Opamp Entegresi ................................................................................................... 35 Şekil 4-7 Devre PCB Çizimi ............................................................................................................. 36 Şekil 4-8 Devrenin 3 Boyutu Görüntüsü ............................................................................................ 37 Şekil 5-1 Devre ................................................................................................................................. 38 v Tablolar Listesi Tablo 1 Yük Transferi Yöntemlerinin Karşılaştırılması ..................................................................... 21 Tablo 2 Enerji Dönüşüm Yöntemlerinin Karşılaştırılması .................................................................. 26 1 1 GİRİŞ Bataryalar seri haldeki birden fazla hücreden oluştuğu için hücre dengelemesi bir sorun oluşturmaktadır. Hücre dengesi, seri bağlı sistemdeki her bir hücrenin aynı kapasiteye dolayısıyla aynı gerilime sahip olduğu durumda sağlanabilmektedir. Bu durum paralel bağlı olan hücreler için endişe oluşturmamalıdır. Paralel hücreler birbirlerine uyguladıkları gerilim ile dengelenebilmektedirler[2]. Seri bağlı hücreler için ise bu durum endişe vericidir çünkü bataryaların boşalma noktasını en zayıf hücre belirlemektedir. Düşük kapasitedeki hücre, düşük gerilime sahip olacaktır ve batarya göstergesindeki deşarj durumunu belirleyecektir. Şarj durumunun altındaki seri hücre, tüm bataryanın ömrünün azalmasına neden olmaktadır. Şarj sırasında yüksek gerilime sahip hücre, bataryada denge kaybına neden olur ve düşük gerilime sahip hücrenin tam dolmasına izin vermez. Bu nedenle hücre dengeleme devresi, her hücre yapısının dengeyi koruma durumunu ve sistemin optimum çalışma noktasını dikkate almalıdır[2]. Hücreler aynı şarj miktarına sahip olmadığında hücre dengesizliği oluşmaktadır. Hücre dengesini korumak için hücreler arası kapasitenin eşitlenmesi üretimin önemli süreçlerinden biridir. Bu durum günümüzde lityum iyon hücreler için iyi bir şekilde yapılmaktadır fakat lityum polimer hücreler için kapasitenin eşitlenmesi zor bir olaydır. Bu yüzden aynı gerilime sahip hücreler şarj süresince bir miktar değişebilirler. Lityum polimer hücrelerde mümkün olan en uzun çalışma süresinin sağlanması için hücre dengeleme sisteminden yararlanmak önemlidir[2]. Lityum İyon ve Lityum Polimer bataryaları kimyaları gereği aktif maddelerin zararı olmadan aşırı şarj edilemezler. Elektrolitler, hücre başına 4,1 Volt ve 4,3 Volt aralığında tam şarj durumuna ulaşıldığı için belirsiz bir şekilde bozulmaktadırlar. Bu yüzden her bir hücrenin aşırı şarj olmasını engellemek için sistem dikkatlice izlenmeli ve kontrol edilmelidir. Lityum bazlı hücrelerde önceden tanımlanmış olan kimyasal limitler aşılmadan hücre gerilimleri izlenmelidir. Seri bağlı lityum hücreleri daha büyük problemler oluşturmaktadır. Burada dizilim içindeki her hücre izlenmeli ve kontrol edilmelidir. Lityum bataryalar aşırı şarj edilemezler. Bataryalarda hücreleri dengelemek için doğal bir mekanizma yoktur. Buna bağlı olarak bu yazıda üç çeşit hücre dengeleme sistemi anlatılacaktır. Bunlar; şarj sonu dengeleme, aktif hücre dengeleme ve pasif hücre dengeleme sistemleridir[1]. 2 2 BATARYA YÖNETİM SİSTEMLERİ Bataryaların üretimleri kadar şarj-deşarjları ve bataryanın araç içindeki enerji yönetimi de oldukça önemlidir. Bataryanın çalışma durumu ve özellikle doluluk oranının belirlenmesi batarya yönetim sistemiyle belirlenmektedir. Batarya yönetim sistemi donanım ve yazılım kısımlarından oluşur. Bu düzen içinde bataryanın aracın diğer elektronik sistemleriyle uyumlu olarak çalışması gerekmektedir. Batarya yönetim sisteminin en önemli görevlerinden biri şarj ve deşarj durumuna göre bataryanın doluluk oranın belirlenmesidir. Bataryanın doluluk oranı batarya akım ve gerilimi ile ilişkilidir. Batarya doluluk oranı net bir şekilde belirlenememekte olup bataryanın fiziksel, kimyasal ve elektriksel parametreleri sayesinde yaklaşık olarak tahmin edilebilmektedir[4]. 2.1 Lityum İyon Bataryalar Lityum iyon piller yeniden doldurulabilen ve genellikle elektronik cihazlarda kullanılan pillerdir. Ağırlıklarına oranla verebildikleri yüksek enerji ile en iyi pil çeşitlerinden biridir. Lityum iyon hücrelerde hafıza etkisi yoktur ve kullanılmadıkları zamandaki enerji kayıpları diğer pil türlerine göre daha yavaştır. Bu pillerin kapasiteleri depolayabilecekleri maksimum enerji miktarlarını göstermektedir. Genellikle Amper-Saat(Ah) veya Miliamper-saat (mAh) birimiyle ölçülürler. Örneğin 4000mAh bir pil bir saat boyunca 4 amperlik akım sağlayabilir. Ya da dört saat boyunca 1 amperlik akım sağlar. Lityum iyon hücrelerin gerilimleri 4,26 Voltu aşmamalıdır. 2.2 Lityum Polimer Bataryalar Lityum polimer bataryalar teknolojik olarak lityum iyon bataryaların devamı niteliğinde şarj edilebilen bataryalardır. Lityum polimer ve lityum iyon bataryaların ikisi de lityum tuzu kullanır. Ancak lityum iyon elektrotları bir arada tutmak için metal kılıf kullanırken, lityum polimer bataryalar böyle bir kılıf kullanmaz. Lityum polimer bataryalar metal kılıf kullanmadıkları için daha hafif, ince ve esnektir. Lityum polimer bataryalar hacim ve ağırlıklarına göre daha yüksek enerji verebilirler. Kullanılmadıkları zaman daha az enerji kaybederler. Bu araştırmada 3,7 Volt anma gerilimine sahip lityum polimer hücreleri 3 kullanılmıştır. Bu hücrelerin tam dolu gerilimi 4,2 Volt ve kesme gerilimi ise 2,7 Volt’ dur. Ayrıca kullanılan hücrelerin kapasitelere 11 Ah değerindedir. 3 HÜCRE DENGELEME SİSTEMLERİ 6 V veya daha fazla gerilimde faaliyet gerektiren taşınabilir sistemler için seri bağlı hücrelerden oluşan pil paketleri kullanılmaktadır. Bir pakette bulunan seri hücrelerin toplam gerilimi bataryanın gerilimini vermektedir. PC’ ler için olan bir batarya paketinde 10.8 Volt veya 14.4 Volt nominal gerilime sahip 3 ya da 4 tane hücre bulunur. Bu uygulamaların büyük çoğunluğun da sistem için daha fazla kapasite sağlayan bir dizi pil hücreleri gerekmektedir[3]. Ek olarak elektrikli araçlarda gerilim seviyesi çok yüksektir. Örnek olarak elektrikli Renault Fluence aracında 192 adet lityum iyon hücreden oluşan bir batarya bulunmaktadır. Bu batarya sisteminin toplam enerjisi 25 kWh’dır. Hücre dengeleme sistemleri sayesinde bu aracın 160 km olan menzil uzaklığı artırılmak istenmektedir[4]. Bir pil paketi içinde birden fazla hücre seri bağlanırsa hücre dengeleme sistemi oluşturulabilir. Paralel bağlı hücreler kendini dengelediği için hücre dengelemesinde paralel bağlı hücrelere gerek yoktur. Batarya içindeki her hücre tam şarj ve tam deşarj durumunda aynı gerilime sahip olduğunda pil takımındaki hücreler dengelenmiş olur. Eğer paket içindeki bir veya daha fazla hücre eşleşmez ise batarya paketi dengelenemez. Toplam paket kapasitesini seri halde bağlı olan hücrelerden en zayıf olanı belirler. Batarya paketi dengelenemediği zaman batarya daha az kullanılabilir kapasiteye sahip olur. Dengesiz bir batarya paketinde, şarj sırasında seri bağlı hücrelerden bir veya birden fazlası diğerlerinden önce maksimum şarj düzeyine ulaşacaktır. Bataryanın şarj olmadığı durumda, tam şarj edilmemiş hücreler serideki diğer hücrelerden daha önce tükenecektir[3]. Seride hücreler arası kapasite farkı % 3-4 olduğu durumda hücreler eşleşmiş olarak kabul edilebilir. Lityum iyon hücrelerinde tam şarj sırasında bir hücrede ki 150mV’luk bir fark, batarya paketinin kapasitesinin %10 veya daha fazla oranda azalmasına neden olabilir[3]. Eğer bütün hücreleri direkt olarak birbirleriyle paralel bağlarsanız hücrelerin gerilimlerini eşitlemesine izin vermiş olursunuz. Terminal gerilimleri aynı olacaktır (çünkü hücreler paralel bağlanmıştır) ve ilk olarak hücrelerin Açık Devre Gerilimleri (Open Circuits Voltage OCV) farklı olacaktır (çünkü başlangıçta hücrelerin Şarj Durumu (State Of Charge SOC) seviyeleri farklıdır). Yüksek şarj durumuna (SOC) sahip hücreler ortak bağlantı noktaları sayesinde 4 düşük şarj durumuna (SOC) sahip hücreleri zorlayacaktır. Başlangıçta akım yüksek olacaktır ama zamanla katlanarak zayıflayacaktır. Akım yüksek şarj durumundaki hücreden zayıf şarj durumundaki bir hücreye taşınacaktır ve yerleştirilecektir. Sonunda bütün hücrelerin Şarj durumları eşit olacaktır. Bu durumdan dolayı bütün açık devre gerilimleri de eşitlenecektir. İşlem sonunda akım hemen hemen sıfıra düşecektir[34]. Hücre dengelenmesinde iki tür yaklaşım vardır; Orta düzeyde dengeleme (Mid-balance (passive) pre-balance): Basitçe bütün hücreler paralel bağlanır. Ve bütün hücreler orta düzeyde dengelenmiş olur. Bunun anlamı bütün hücreler yaklaşık olarak %50'nin üzerinde şarj seviyesine sahip olurlar. Üst düzeyde şarj altında dengeleme (Top-balance (active), pre-charge): Yukarıdaki durum gibi bataryalar paralel bağlanır ve aynı zamanda hücreler şarj cihazına bağlanır. Şarj seviyesi maksimum hücre gerilimine ayarlanır. En son olarak bütün hücreler üst seviyede dengelenmiş olur. Bu hücrelerin şarj seviyelerinin %100 olduğu durumdur. Hücrelerin kapasitelerindeki değişkenliklerden dolayı, orta düzeydeki dengeleme üst seviyede olmayacaktır. Bu yüzden orta düzeyde dengelenmiş hücrelerden oluşan bir batarya paketinin, ilk şarjdan itibaren dengelenme ihtiyacı olacaktır. Orta dengeleme kolaydır. Fakat batarya yönetim sistemleri hücreleri üst seviyede dengelemek zorundadır. Ayrıca bir batarya grubu oluşturulacağı zaman, hücrelerdeki farklı şarj oranlarından dolayı farklı gruplardan hücreler karıştırılmaması gerekir. Farklı gruplardan kullanılan hücreler bataryada kötü bir dengelemeye neden olacaktır. Üst dengeleme yaklaşımı daha karmaşıktır fakat batarya üst seviyede dengelenmiş olacaktır ayrıca bu batarya hemen kullanıma hazır hale gelecektir. Farklı gruplarda dengelenmiş hücreler karıştırılabilirler çünkü hücreler tam doludurlar. Üst dengeleme yaklaşımı daha etkili bir yöntemdir. Çünkü hücrenin tam dolu halinin orta seviyedeki doluluk durumuna göre açık devre gerilimi daha hızlı bir şekilde değişir. Hücrenin açık devre gerilimi 10mV civarındayken üst seviye hücre dengeleme işlemi bitirilirse, batarya grubundaki hücrelerin şarj durumu %1 den daha az değişecektir. Fakat orta düzeyde dengeleme işlemi ile yapılırsa batarya şarj durumu seviyesi %10 oranında dengelenmemiş olabilir [13]. Şekil 3-1'de bu durum şu şekilde açıklanabilir. Bataryanın doluluk oranı yüksek iken 10mV’luk bir değişim kapasitede %1,08 oranında bir değişime denk gelmekteyken, orta seviyelerde 10mV’luk bir değişim %2-%3 gibi bir kapasite değişimine denk gelmektedir. Bu nedenle hücre dengeleme işleminin yüksek doluluk oranlarında yapılması daha etkili bir yöntemdir. 5 Şekil 3-1 Bir Hücrenin Gerilim- Şarj Durumu Grafiği Günümüzde lityum iyon hücre üreticileri 50mV veya daha fazla değerde eşleşebilen hücreler sayesinde çok iyi bir kalite kontrole sahiptirler. Yeni tip hücrelerin işlenmelerindeki zorluktan dolayı lityum polimer hücre üreticileri bu seviyelere daha zor ulaşabilmektedirler. Her iki hücre türünde de ama özellikle lityum polimer hücreler için, genel olarak hücreler kullanıldıkça hücrelerde dengesizlikler meydana gelmektedir. Bu durum birkaç şekilde gerçekleşebilmektedir[3]. 1. Batarya kimyalarındaki küçük farklılıklardan kaynaklanan sorunlardan dolayı benzer batarya hücrelerinin farklı oranda şarj kabul seviyeleri olabilir. Aynı akıma sahip hücrelerden herhangi biri giderek daha fazla şarj kabul etmeye başlayacaktır ve daha yüksek gerilim seviyesine ulaşacaktır. 2. Her hücre fabrikada nasıl eşleşmiş olursa olsun, hücrenin şarj deşarj döngüsü içinde kendi şarj yeteneğini korumasında küçük değişikler olacaktır. Bu durumda yine zaman içinde hücre uyumsuzluklarına neden olabilir. 3. Hücrelerin deşarj oranları hemen hemen aynı olmasına rağmen eşit değildir. Oda sıcaklığında bile iki hücre farklı oranlarda boşalır ve bu durum uyumsuzluğa neden olur. 4. Sıcaklık değişimleri hücre kapasitesinde sözü edilen varyasyonları hızlandırmaktadır. Yük altında boşalma ve kendi kendine boşalma oranlarını da etkilemektedir. 6 Uygulamalarda, paket içerisindeki hücrelerin sıcaklığında herhangi bir uyumsuzluk var ise, bu durumun sebebi paketin bir kenarının ısı kaynağına yakın olması olabilir. Örneğin PC mikroişlemcilerinde olduğu gibi hücreler zamanla farklı kapasitelere ulaşmış olabilir[3]. 3.1 Şarj Sonu (End-of-Charge) Dengeleme Yöntemi Genel olarak, şarj sırasında ve şarj sonunda yapılan hücre dengeleme yöntemleri özellikle elektrikli araçlar için yararlıdır. Çünkü elektrikli araçlardaki bataryalar genelde her kullanımdan önce tam doludur. Fakat her zaman tam dolu olduğundan emin olmayabiliriz. Bu durumda ise hücre dengeleme sistemi istenmeyen bir durumda çalışmaya başlayabilir. Böylece bataryalar istenmeyen bir anda bitebilirler. Hibrid araç bataryaları yüksek güç de şarj (rejeneratif frenleme) ve deşarj (aracın kalkış anı) kapasitesi gerektirir. Bu nedenle hibrid araç bataryaları genellikle gerekli gücü boşaltabilen bir SOC (state-of-charge) tarafından korunurlar. Bu korumaya rağmen hibrid araç bataryaları gerekli olan yenileyici gücü kabul edebilecek boş alana sahiptirler. Hibrid elektrikli araç bataryalarını tam şarj etmek için, hücre dengeleme sisteminin hücrelerin şarj kabul seviyelerini düzenlemesi gerekmektedir. Rejeneratif frenleme durumu için hücre dengeleme sistemi bataryanın şarj kabul kapasitesini azaltacaktır[1]. 3.2 Aktif Dengeleme Sistemleri Aktif hücre dengeleme yöntemleri akım veya gerilim dönüşümleriyle bir hücreden diğerine enerji taşınmasıyla geçekleştirilir. Bu cihazlar analog veya dijital kontrollü olabilirler. Aktif dengeleme sistemi, yük transferi (charge shuttling) ve enerji dönüşümü olmak üzere iki şekilde yapılabilir[1]. Enerji dönüşüm yönteminde batarya paketi içerisinde hücreler arasında enerji taşımak için transformatörler ve indüktörler kullanılır. Ayrıca dc-dc çevirici kullanılan enerji dönüşüm yöntemleri de bulunmaktadır[1]. 3.2.1 Yük Transferi (Charge Shuttling) (Hareketli Kapasitör) Yük transferi hücre dengeleme mekanizması, seçilen bir hücredeki yükü kaldıran ve daha sonra bu yükü depolayan ve bir başka hücreye teslim eden bir cihazdan meydana gelir. 7 Burada birkaç somutlaştırılmış yük transfer planı vardır. Bunlardan en dikkat çekeni hareketli kapasitör (Flying Kapasitör) yöntemidir[1]. Bu yöntemin amacı elektrikli araç uygulamaları için her batarya modülüne bir kapasitör kullanarak elektriksel donanımı azaltmaktır[4]. Bu yöntem dc-dc dönüştürücülerde ve yüksek veya düşük gerilim kaynağı oluşturma uygulamalarında kapasitör kullanılarak oluşturulan bir çeşit şarj pompasıdır. Hareketli kapasitöre (şarj pompası) sahip devreler yüksek verimliliğe sahiptir. Bu devrelerin verimlilikleri bazen %95 oranlarına kadar çıkmaktadır[14]. Hareketli kapasitör yöntemi Şekil 3-2 ’de gösterilmiştir[1]. Önerilen hücre dengeleme yöntemleri batarya paketindeki bütün hücrelerin tek tek gerilim değişimlerini önlemek ve batarya ömürlerini artırmak için tartışılmaktadır. Bu araştırmada elektrikli araç uygulamaları için yaygın olarak kullanılan paralel batarya paketlerinin yapılandırılması için en ucuz ve verimli dengeleme sistemi üzerinde odaklanılacaktır[5]. Şekil 3-2 Hareketli Kapasitör Yük Transferi Yöntemi Kontrol devresi uygun anahtarları kapatarak, B 1 hücresinden C kapasitörüne enerji aktarımını sağlar ve C kapasitörünü doldurulur. Kapasitör şarj edildikten sonra anahtarlar açılır. Daha sonra bu işlem B2 hücresi için gerçekleştirilir. Uygun anahtarlar kapatılarak C kapasitörü tekrar doldurulur. En son olarak kapasitör B1 ve B2 arasında gerilim dağıtımını sağlar. Kapasitör aynı şekilde B3,B4 ,….B n,B1 ,B2… hücrelerini seri halde kullanarak aynı işleme devam eder. En yüksek şarj durumuna sahip hücre C kapasitörünü doldururken, en düşük şarj durumuna sahip hücre C kapasitörü tarafından şarj edilecektir. Bu yolla en çok şarj olmuş hücreler enerjilerini en az şarj olmuş hücrelerle paylaşacaktır. Bu yöntemde, elektronik kontrol devresi sadece gerekli anahtarları açmak ve kapatmak için sabit bir anahtarlama dizisine ihtiyaç duyar[1]. 8 Hareketli kapasitör yönteminin diğer bir şekli ise batarya grubunda ki en yüksek gerilime sahip hücreden en düşük gerilime sahip hücreye enerji transfer edilmesidir. Bu yöntem yan yana bulunan hücrelere bakılarak yapılan hareketli kapasitör yöntemine göre daha avantajladır. Bu yöntemde en yüksek gerilime sahip hücre kapasitörü şarj eder. Daha sonra anahtarlar açılır. Kapasitör ise en düşük gerilime sahip hücreyi şarj ederek sistemin dengelenmesi sağlanır[11]. Hareketli kapasitör yöntemi hangi hücreleri dengeleyeceğini akıllıca seçebilir. Bu şekilde kapasitör enerjisi yüksek olan hücreler tarafından doldurulur ve seçilen zayıf hücreler tarafından boşaltılır. Bu yöntem sayesinde, batarya grubunun içinde zıt kutuplarda bulunan yüksek enerjili ve düşük enerjili hücreleri dengelemek için kullanılan zaman önemli ölçüde azaltılabilir. İlaveten hedef hücreleri tespit etmek ve seçmek için kontrol devresine ihtiyaç vardır[1]. 9 Bu araştırma da en verimli hücre dengeleme sistemi olarak hareketli kapasitör yöntemi belirlenmiştir. Hareketli kapasitör yönteminin kontrol akış şeması Şekil 3-3 de gösterilmiştir. Şarj/Deşarj Bütün Hücrelerin Gerilimlerinin Belirlenmesi Vmin ve Vmax Gerilim Değerlerinin Belirlenmesi Vmax’ın Anahtarlarının Kapatılması Vmax = VC Hayır Evet Vmax’ın Anahtarlarının Açılması Vmin’ın Anahtarlarının Kapatılması Vmin = VC Hayır Evet Vmin’ın Anahtarlarının Açılması Şekil 3-3 Hareketli Kapasitör Yöntemi Akış Şeması 10 Şekil 3-3’ de gösterilen akış şemasına uygun olarak yapılan Matlab/Simulink modellemesi Şekil 3-4 de gösterilmiştir. Şekil 3-4 Hareketli Kapasitör Hücre Dengeleme Simulink Modeli Şekil 3-4’de gösterilen modellemede kontrol devresi ilk olarak bütün hücrelerin gerilimlerini belirlemektedir. Daha sonra en büyük gerilimli ve en düşük gerilimli hücreleri tespit etmektedir. Bu aşamada kontrol devresi gerilimi en büyük olan hücre ile kapasitör arasındaki anahtarları kapatarak kapasitörün dolmasını sağlamaktadır. Kapasitör dolduktan sonra anahtarlar açılmaktadır. Ve kapasitör ile en düşük gerilime sahip hücre arasındaki anahtarlar kapatılarak hücrenin şarj olması sağlanmaktadır. Düşük gerilimli hücre kapasitör gerilimine eşit olduktan sonra anahtarlar açılarak sistem tekrar ilk baştan başlamakta ve aynı işlemleri tekrarlamaktadır. Bu akış içinde gerilimi yüksek olan hücreden düşük olan hücreye enerji transferi gerçekleştirilmekte ve hücre dengelenmesi sağlanmaktadır. Bu yöntemde n adet hücre kullanılırken n+5 adet anahtar kullanılmakta ve 1 adet kapasitör kullanılmaktadır. Değişik SOC değerlerine sahip hücrelerin hareketli kapasitör yöntemi ile dengelenmesi Şekil 3-5’ de gösterilmektedir. Şarj doluluk oranları %80, %78, %76 ve %74 olan 4 hücrenin dengelenme işlemi sonunda en yüksek gerilime sahip hücre tam olarak 11 dolduğu zaman en düşük gerilime sahip hücre %99.35 oranında dolabilmektedir. Başlangıçta %6 olan fark dengeleme işlemi sayesinde %0.65 e kadar inmektedir. Zaman (sn) Zaman (sn) Şekil 3-5 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle 4 Hücrenin Dengelenmesi (SOC) 12 Şekil 3-4’de modellenen ve %80, %78, %76 ve %74 şarj doluluk oranlarına sahip hücrelerin dengeleme işlemi sırasındaki gerilim değerleri Şekil 3-6‘da ve Şekil 3-7 gösterilmektedir. Zaman (sn) Zaman (sn) Şekil 3-6 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle 4 Hücrenin Dengelenmesi-a (Gerilimler) En yüksek şarj durumuna sahip hücre tam doluluğa ulaştığında yani 4.2Volt gerilime sahip olduğunda, en düşük gerilime sahip hücre 4.17 Volt gerilime sahip olmaktadır. Bu değerlerde 13 bize en yüksek ve en düşük hücre arasındaki farkın tam dolu olduğu durumda 30mVolt olduğunu göstermektedir. 30mVolt ise %2 oranında bir farka denk gelmektedir. %2 oranında bir fark dengelemede kabul edilebilir sınırlar içerisindedir. Şekil 3-7 de gerilim grafiği ayrıntılı olarak gösterilmektedir. Zaman (sn) Zaman (sn) Şekil 3-7 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle 4 Hücrenin Dengelenmesi-b (Gerilimler) 14 Şekil 3-4 de gösterilen hareketli kapasitör yönteminin boşalma sırasındaki dengeleme işlemine ait grafikler aşağıda gösterilmektedir. Değişik şarj oranlarına sahip hücrelerin boşalma işlemi sırasında dengelenmesi Şekil 3-8 de gösterilmektedir. Hücreler 2,7 Volt kesme gerilimine geldiği zaman tamamen boşalmış sayılmaktadırlar. 15 Zaman (sn) x104 Zaman (sn) x104 Şekil 3-8 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle Boşalma İşlemi Sırasında Dengeleme(SOC) 16 Zaman (sn) x104 Zaman (sn) x104 Şekil 3-9 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle Boşalma İşlemi Sırasında Dengeleme-a(Gerilimler) Grafikte de görüldüğü üzere en yüksek gerilime sahip hücre daha hızlı boşalmaktadır. Çünkü enerjisinin bir kısmını zayıf olan hücreye aktarmaktadır. 17 Zaman (sn) x104 Zaman (sn) x104 Şekil 3-10 Hareketli Kapasitör Yöntemi İle Boşalma İşlemi Sırasında Dengelemeb(Gerilimler) 18 Şekil 3-10 da en düşük gerilime sahip hücre 2,7 Volta geldiği zaman en yüksek gerilime sahip hücre 2,703 Volttadır. Buda bize dengeleme işleminin başarıyla sonuçlandığını göstermektedir. Diğer bir teknik ise çok sayıda kapasitör ile yük transfer etmektir. Çok sayıda yük transfer bloğu yüksek gerilim paketlerini basamaklayabilir. Bu yöntemde eğer hücreler paketin zıt taraflarında ise yüksek hücreden düşük hücreye yük transferi çok fazla zaman alacaktır. Ayrıca yükün baştan sona transferi veriminde düşmesine neden olacaktır [1]. Bu yöntemin bir paketleme avantajı vardır. Her iki hücre için kontrol devresi, güç kaynağı ve kapasitör tek bir besleme içinde paketlenebilir. Hücre sayısı arttıkça üniteler eklenebilir[1]. Çok sayıda hücre ile yük transfer yöntemi Şekil 3-11’de gösterilmektedir. Şekil 3-11 Çok Sayıda Hücre İle Yük Transfer Yöntemi Yük transfer yöntemi elektrikli araç uygulamaları için yararlıdır. Çünkü elektrikli araçlar rutin bir şekilde tam olarak şarj edilebilirler. Tam dolu hücreler ile az dolu hücreler arasındaki gerilim fark diferansiyeli gerilim eğrisin uçlarında çok büyüktür. Bu durum yöntemin etkinliğini artırır. Lityum polimer bataryalar için açık hücre gerilim grafiği Şekil 3-12‘ de gösterilmiştir[1]. 19 Şekil 3-12 Lityum Polimer Bataryalar İçin Açık Hücre Gerilim Grafiği Diğer bir yük transfer yöntemi de saat anahtarlamalı kapasitör yöntemidir. Bu yöntem seri bağlı batarya sistemlerini dengelemede kullanılır. Bu yöntem Şekil 3-13 da gösterilmektedir. Şekil 3-13 Seri Bağlı Bataryaları Dengelemede Kullanılan Saat Anahtarlamalı Kapasitör Yöntemi Burada şekildeki gibi yerleştirilmiş bir grup kapasitör batarya doluluk oranlarına bakmadan komşu hücreler arası yük oranını değiştirebilir. Anahtarlama sayesinde yüksek doluluğa sahip hücrelerden düşük doluluğa sahip hücrelere yük transfer edilir. Kapalı kontrol döngüsüne ihtiyaç duymaz ve şarj sırasında çalışabilir. Ancak n tane bataryanın olduğu yerde n-1 tane kapasitör olduğu zaman, hücre dengeleme oranı uzun bir süre içinde oluşur. 20 Bu tasarımın bir uzantısı olan iki aşamalı kapasitör yöntemi [6] ve [7]de önerilmektedir. Bunun amacı otomotiv uygulamalarında hücre dengeleme işlemine harcanan zamanı büyük ölçüde azaltmaktır[5]. İki aşamalı hücre dengeleme sistemlerinde her batarya kendi çeviricisine sahiptir. Buna rağmen aşırı şarj edilen hücrelerde serbest kalan enerji çıkışta ortak bir kapasitör de toplanır. Bu dengelemenin ilk aşamasıdır. İkinci aşamada ise bir dönüştürücü kullanarak kapasitörde ki fazla enerji tekrar bataryaya gönderilir [5]. İki aşamalı tasarım hücre dengeleme devrelerinin elektriksel bileşenlerindeki yüksek gerilimi ortadan kaldırmaktadır. Bu tasarımın bazı avantajları olmasına rağmen elektriksel bileşenlerinin maliyeti bakımından araç uygulamalarında pratik bir seçim olmaz[5]. Diğer bir yöntem ise çift katmanlı dengeleme yöntemidir. Bu uzaktaki seri dizelere daha fazla şarj transfer edilmesine olanak sağlar. Bu işlem daha kısa bir zamanda gerçekleştirilir. Dengeleme zamanının, tek katmanlı olan benzer sisteme göre çeyrek zaman dilimi kadar daha az sürede gerçekleştirildiği gösterilmiştir. Hücre dengelemede bu yöntem, yük taşımak için paralel bağlı basit kapasitörler kullanılarak yük transfer edilebileceğini göstermektedir[5]. Diğer bir yöntem ise yeni çift katmanlı yöntemdir. Bu metotta Şekil 3-14 de gösterildiği gibi paralel olarak yeni bir dizi kapasitör eklenmektedir. Bu yöntemde sadece komşu hücreler değil diğer hücrelerde direk olarak dengelenebilmektedirler. Fakat bu yöntemde başka hücreler köprü kapasitörler yüzünden sisteme direk olarak bağlanamamaktadır. Diğer dengeleme yöntemlerinle karşılaştırıldığı zaman çift katmanlı dengeleme yönteminde hücrelerin dengesizliği daha hızlı bir şekilde azaltılmaktadır. Şekilde ki C5, C 6 ve C7 kapasitörleri batarya içindeki akıma bir kısa yol oluşturmaktadırlar. Normalde B1, B2 ve B2, B3 bataryalarını karşılaştırarak dengeleme yapılmakta iken bu yeni sistem C 5 sayesinde B1 , B3 bataryalarını da karşılaştırabilmektedir. Bu yeni sistem de B1, B3 bataryaları arasında yük transfer etmek için sadece tek bir anahtarlama döngüsüne ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sayede hücreler arası yük aktarımı hızlı bir şekilde gerçekleştirilmektedir[6]. 21 Şekil 3-14 Çift Katmanlı Dengeleme Yöntemi Tablo 1de yük transfer yöntemlerinin avantaj ve dezavantajlarına göre karşılaştırılması gösterilmektedir. Aktif dengeleme yöntemleri içerisinde enerji, verimlilik ve maliyet gibi değerlere bakıldığında en verimli yöntemin hareketli kapasitör yöntemi olduğu görülmektedir. Bu yüzden bu araştırma da hareketli kapasitör yöntemi kullanılmıştır ve modellenmesi gösterilmiştir. Tablo 1 Yük Transferi Yöntemlerinin Karşılaştırılması Yöntem Avantajlar Dezavantajlar Hareketli Kapasitör Yük Yüksek verimlilik vardır ve Şarj süresini azaltmak için Transferi Yöntemi dengeleme zamanını azaltır. mükemmel bir kontrol Hem şarj hem deşarj sırasında devresine ihtiyaç vardır. dengeleme yapılabilir. Çok Sayıda Kapasitör İle Yük Paketleme avantajı vardır. Verimliliği düşüktür ve Transfer Yöntemi Seriye ilave hücreler dengelenecek hücreler paketin eklenebilir. diğer tarafında bulunurlarsa dengeleme zamanı fazla olur. Saat Anahtarlamalı Kapasitör Daha kısa sürede dengeleme Maliyeti fazladır. Yöntemi yapılabilir. Çift Katmanlı Hareketli Daha hızlı dengeleme Köprü kapasitörler yüzünden Kapasitör Yöntemi sağlamaktadır. seri hücre ilave edilemiyor. 22 3.2.2 Enerji Dönüşümü (Enerji Taşınması) Bu yöntemde hücre dengelemesinde bir hücre veya hücre grubunun bir başka hücre veya hücre grubuna enerji taşıması için indüktörler veya transformatörler kullanılır. Anahtarlamalı transformatör ve paylaşımlı transformatör olmak üzere iki çeşit enerji dönüşüm yöntemi vardır[1]. Ek olarak çok sayıda transformatör de kullanılabilmektedir[1]. Bunlara ek olarak bir düşürücü-yükseltici dönüştürücü yöntemi de önerilmektedir [8]. Burada bütün hücreler bir dönüştürücüyle birlikte paralel bağlanmaktadır. Bu yöntem bütün hücreleri bir şarj süresinde kuvvetli bir şekilde dengeleyebilir. Bu yöntemin sonucu, dengelemenin diğer yöntemlere göre mükemmel verime ve minimum devre kayıplarına sahip olduğunu göstermiştir. Benzer şekilde [9]'de bir şarj süresi boyunca şarj dengeleme fonksiyonlarını bütünleştirmek için çok sargılı transformatörler ile birlikte izole dc-dc dönüştürücü kullanılmıştır. [10]'da ise hem şarj hem deşarj sırasında hücreleri dengelemek için iki yönlü dc-dc dönüştürücü kullanılmıştır. Bu devreyi oluşturmak zor değildir fakat devrede gerekli olan bazı elektriksel bileşenler sistemin toplam maliyetini artırmaktadır [5]. Düşürücü-yükseltici çeviriciler diğer bir durumda ise seri bağlanmış batarya hücrelerine paralel bağlanarak kullanılabilirler. Bu sistem Şekil 3-15 de görülmektedir. Bu sistem istikrarlı bir DC gerilim sağlarken bileşen yükünü azaltır ve şarj dengesizliğini ortadan kaldırır. Dolayısıyla bu paralel yapılandırma sayesinde hücrelerin aşırı şarj ve deşarj olması önlenir. Bu sistemin ek bir avantajı ise sistemin çalışması kesintiye uğramadan tamamen tükenmiş veya zarar görmüş hücrelerin izole edilebilmesi ve onarılabilmesidir. Bu yöntemin en büyük dezavantajı ise özellikle çeviricinin giriş geriliminin çıkış geriliminden daha düşük olduğu durumlarda toplam enerji dönüşüm verimliliğinin azalabilmesidir. Tasarımında bazı avantajlar bulunmasına rağmen toplam maliyeti ve enerji verimliliğindeki azalma bu yöntemin seçilmesine olanak sağlamamaktadır[5]. Benzer bir teknik [15]’da da anlatılmıştır bireysel şarj cihazı gibi davranan seri bağlı hücrelerin her çiftine dc-dc dönüştürücü bağlanmıştır. Bu dönüştürücüler, dengeleme sırasında bütün hücreleri eşitleyebilmek için, şarj işlemi sürerken akıma limit koyabilen bir programlama direnci tarafından değiştirilebilirler. Seri bir dizi batarya hücrelerini düzgün bir şekilde dengelemek için bölümlenmiş şarj cihazı gösterilmiştir. Bu tasarım umut verici sonuçlar göstermiştir fakat otomotiv uygulamalarında kullanabilmek için gerekli olan elektriksel bileşenlerin önemli bir maliyeti vardır[5]. 23 Şekil 3-15 Seri Batarya Sistemlerine Paralel Çeviricilerin Bağlanması Anahtarlamalı transformatör yönteminde tüm paketin akımı alınır ve transformatör çıkışında bir diyot vasıtasıyla doğru akıma çevrilir. Akıllı anahtarlar, düşük kapasitedeki batarya hücrelerine yük dağıtmak için kullanılırlar. Bu yöntem bütün batarya paketinden enerji alarak düşük seviyedeki hücreleri hızlı bir şekilde dengeleyebilir. Bu yöntemin zararı ise anahtarlama ve manyetik kayıplar yüzünden oluşan düşük verimlilik oranıdır. Paylaşımlı transformatör her hücre için ikincil bağlantılar ile tek bir manyetik merkeze sahiptir. Bu ayrıca bataryadaki akımı transformatörün birincil kısmına alır ve her ikincil bağlantıya indükler. En az terminal gerilime sahip ikincil indüklenmiş akıma sahip olacaktır ve bu hücreleri dengeleyecektir. Bu enerji kayıplarını ve gerekli olan kontrol miktarını azaltır fakat karmaşık manyetiği ve fazla parça gerektirmesi bu yöntemi daha pahalı ve toplaması zor bir sistem haline dönüştürmektedir. Burada gösterilen sistem seri bağlı bataryalarda deşarj sırasında dengeleme işlemini gerçekleştirmektedir[5]. Anahtarlamalı transformatör yönteminde, hareketli kapasitör yöntemi ile aynı anahtarlama topolojisi kullanır. Şekil 3-16’de anahtarlamalı transformatör yöntemi görülmektedir[1]. 24 Şekil 3-16 Anahtarlamalı Transformatör Yöntemi Bu yöntem bütün pakette ki enerjiyi taşıyarak düşük hücreleri hızlı bir şekilde dengeleyebilir. Ancak bu yöntemin dezavantajları vardır. Bunlar yüksek derecede kompleks devreler bulundurması, kontrolde çok parçanın hesaba katılması, manyetik değerler ve anahtarlardır. Ayrıca manyetik kayıplar ve anahtarlamadan kaynaklanan kayıplardan dolayı düşük verim oranına sahiptir[1]. Paylaşımlı transformatör yönteminde her hürce için iki bağlantı ile tek bir manyetik merkez bulunmaktadır. Şekil 3-17‘de paylaşımlı transformatör yöntemi görülmektedir[1]. Şekil 3-17 Paylaşımlı Transformatör Yöntemi 25 Paylaşımlı transformatör yöntemi elektrikli araç ve hibrid elektrikli araç uygulamaları için uygun bir yöntemdir. Eğer akım 100mA/Ahr’ den küçük olacak şekilde tasarlanmış ise bu yöntem diğer aktif hücre dengeleme sistemlerine göre daha yüksek bir verimlilik ile işletilebilir[1]. Çoklu transformatör yönteminde; çok sayıda transformatör her hücre için ayrı bağlanır fakat aynı şekilde tek merkez ile kontrol edilebilir. Bu yöntemin avantajı her hücre kendi manyetik çekirdeğine sahip olur. Böylece dizeye ilave olarak eklenen hücrelerin ana kontrol düzenini değiştirmeden birleştirilmesi sağlanabilir. Çoklu transformatör yöntemi Şekil 3-18‘de gösterilmektedir[1]. Şekil 3-18 Çoklu Transformatör Yöntemi 26 Tablo 2 Enerji Dönüşüm Yöntemlerinin Karşılaştırılması Yöntem Avantajlar Dezavantajlar Anahtarlamalı Transformatör Hızlı bir dengeleme sağlar. Kompleks devreler barındırır ve Yöntemi Manyetik kayıplar azdır. kontrol devresinde çok sayıda parça hesaba katılır. Bu yüzden kayıplar çok fazladır. Verim düşüktür. Paylaşımlı Transformatör Hızlı dengeleme sağlar. Yöntemi Kompleks kontrol devresi gerektirir. Hücre eklendiği zaman merkezler değişmektedir. Çoklu Transformatör Yöntemi Seriye ek hücreler kolayca Maliyeti çok yüksektir. eklenebilir. Manyetik kayıplar fazladır. 3.3 Pasif Dengeleme Sistemleri Her bir hücreye bağlanan paralel yüksek değerli dirençler vasıtasıyla en yüksek gerilime sahip batarya, sistemdeki en düşük gerilimli bataryaya ulaşıncaya dek boşaltılır. Şekil 3-19’de örnek bir devre görülmektedir. Devresi en basit ve en ucuzdur. Eğer seçilen direnç değeri küçükse (10mA/Ahr kapasitesi) direncin ve anahtarlama elemanının fiziksel boyutu da küçük olur. Örneğin 10mA/Ah değerindeki bir direnç oldukça fazla sayıdaki hücreyi saatte %1 oranında dengeler. Eğer sürekli olarak çalışırsa böyle bir teknikle tüm batarya paketini bir kaç gün içinde boşaltabilir [1]. Şekil 3-19 Fazla Enerjiyi Harcama Yöntemi 27 Pasif dengeleme hibrid elektrikli araç ve elektrikli araç uygulamaları için uygun bir yöntemdir. Düşük fiyatı ve az olan karmaşıklığı avantajlarıdır. Yüksek enerji kayıpları ise dezavantajıdır[1]. Pasif dengeleme yöntemi deşarj durumunda kullanılmamaktadır. Deşarj durumunda kullanılması halinde bataryanın kapasitesi azalacak ve verimi çok fazla düşecektir. Bu nedenle pasif dengeleme yöntemi sadece şarj sırasında kullanılmaktadır. Pasif dengeleme yönteminin akış şeması Şekil 3-20’ de gösterilmektedir. Şarj Bütün Hücrelerin Gerilimlerinin Belirlenmesi Vmin ve Vmax Gerilim Değerlerinin Belirlenmesi Vmax’ın Anahtarının Kapatılması Vmax=Vmin Hayır Evet Vmax’ın Anahtarının Açılması Şekil 3-20 Pasif Dengeleme Yöntemi Akış Şeması Şekil 3-20’ de gösterilen akış şemasına uygun olarak modellenen pasif dengeleme yönteminin Matlab/Simulink modeli de gösterilmektedir. 28 Şekil 3-21 Pasif Dengeleme Yöntemi Matlab/Simulink Modellemesi Şekil 3-21’ de gösterilen pasif dengeleme modelinde kontrol devresi öncelikle bütün hücre gerilimlerini okuyarak en büyük gerilime sahip hücre ile en düşük gerilime sahip hücreyi belirlemektedir. Daha sonra en büyük gerilime sahip hücreye ait anahtarı kapatarak fazla gerilimin paralel bağlı olan direnç üzerinden ısı enerjisi olarak atılmasını sağlamaktadır. Gerilimi büyük olan hücre sistemdeki en düşük hücre seviyesine ulaşana kadar bu işlem devam etmektedir. Bu modellemede şarj durumları %80, %78, %76, %74, %72 ve %70 olan 6 tane hücre örneklenmiştir. Hücrelere ait şarj durumu grafiği Şekil 3-22’ de gösterilmektedir. En yüksek gerilime sahip hücre tam olarak dolduğu durumda en düşük gerilime sahip hücre %99,4 oranında dolmaktadır. Başlangıçta %10 olan fark dengeleme işlemi sonucunca %0,06 oranına düşmektedir. Aynı şarj durumuna sahip 6 adet hücrenin gerilim değerleri Şekil 3-23 ve Şekil 3-24‘ de gösterilmektedir. En yüksek gerilimli hücre 4,2 Volt tam dolu duruma ulaştığında en düşük gerilime sahip hücre 4,1963 Volt değerindedir. Bu değerler bize 3.7mVolt gibi bir fark vermektedir. Bu fark ise %0,5 den daha az bir orana denk gelmektedir. 29 Zaman (sn) Zaman (sn) Şekil 3-22 Pasif Dengeleme Yöntemi İle 6 Hücrenin Dengelenmesi (SOC) 30 Zaman (sn) Zaman (sn) Şekil 3-23 Pasif Dengeleme Yöntemi İle 6 Hücrenin Dengelenmesi-a (Gerilimler) Şekil 3-23 de dengelenme işlemi ve dengelenme işleminin ilk saniyeleri gösterilmektedir. Bu gösterimden de görüleceği üzere en yüksek gerilime sahip hücrenin gerilimi azalmaktadır. Bu azalmanın sebebi hücreye bağlı olan direnç ile hücre arasındaki anahtarın sürekli olarak kapatılması ve açılmasından kaynaklanmaktadır. 31 Zaman (sn) Zaman (sn) Şekil 3-24 Pasif Dengeleme Yöntemi İle 6 Hücrenin Dengelenmesi-b (Gerilimler) Şekil 3-24 de görülen grafikte ise dengelenme işlemi ve dengelenme işleminin son saniyeleri gösterilmektedir. En yüksek gerilime sahip hücre ile en düşük gerilime sahip hücre arasında ki fark 3,7mVolt kadar küçük bir değerdedir. 32 4 TASARIM Anlatılan yöntemler içerisinden en optimum görülen yöntem olan hareketli kapasitör yöntemi bu çalışma için tercih edilmiştir. Hareketli kapasitör yönteminde sistem en yüksek gerilime sahip hücre ile en düşük gerilime sahip hücre arasında enerji transferini gerçekleştirmektedir. Bu işlem sırasında kapasitör yüksek gerilimli hücre tarafından doldurulurken, düşük gerilimli hücre tarafından boşaltılmaktadır. 4.1 Elektronik Elemanlar Devre kurulurken en az kayıp olması önemsenmiştir. Bu sebeple seçilen elemanların iç dirençlerinin küçük olmasına dikkat edilmiştir. Oluşturulan devre için seçilen elemanlar; IRF540N (Mosfetler), IXDD614 (Mosfet Sürücü Entegreleri), PC817(Optokuplörler), LM324N (Dörtlü Opamp Entegresi), 16F877A (PIC-Mikroişlemci), L7805 (Gerilim Çevirici), ve çeşitli değerlerde direnç ve kapasitörler seçilmiştir. 4.1.1 Mosfet Sürücü Devresi Seçmiş olduğumuz IRF540N mosfetleri çalıştırabilmek için kullanılan sürücü devresinin (IXDD615) bağlantısı Şekil 4-1 de gösterilmiştir. 33 Şekil 4-1 Mosfet Sürücü Devresi Mosfet sürücü devresi breadboard üzerine kurulmuştur ve çalıştığı gözlemlenmiştir. PIC ile gönderilen PWM (Kare Dalga) dalgası sürücü entegresi yardımıyla mosfeti çalıştırmıştır. Şekil 4-2 Mosfet Sürücü Devresi Kurulumu Şekil 4-2 de gösterilen devrenin osiloskop görüntüleri Şekil 4-3 de gösterilmiştir. 0-5 Voltluk kare dalga sürücü çıkışında 0-12 Volt olarak gözlemlenmiştir. Ve Mosfet çıkışında 0-10 Volt 34 olarak gözlemlenmiştir. Osiloskop görüntüsünden de görüleceği üzere Mosfet sürme işlemi başarı ile gerçeklenmiştir. Şekil 4-3 Osiloskop Görüntüsü Sistemin izolasyonunu sağlamak amacıyla mikroişlemci ve sistemin toprağı optokuplör yardımıyla ayrılmıştır. Optokuplör entgresi Şekil 4-4 de gösterilmiştir. Şekil 4-4 Optokuplör 35 4.1.2 Gerilim Okuma Devresi Hücrelerin gerilim değerlerinin okunabilmesi için gerekli olan opamp devresi Şekil 4-5 de gösterilmiştir. Şekil 4-5 Gerilim Okuma Devresi Gerilim okuma devresin de Vout = olarak elde edilmektedir. Bu denklemden de görüleceği üzere devredeki bütün direnç değerlerinin eşit seçilmesi sonucunda Vout =V2 -V1 olarak elde edilmektedir. Elde ettiğimiz bu değerler sistemde bize her bir hücrenin gerilim değerini vermektedir. Bu değerler ise mikroişlemciye aktarılmaktadır. Kurulan sistemde dört tane gerilim okuma devresi olacağı için dörtlü opamp entegresi olan LM324N kullanılmıştır. Bu entegrenin iç yapısı Şekil 4-6 de gösterilmiştir. Şekil 4-6 LM324 Opamp Entegresi 36 4.2 PCB Çizimi Tasarımda kullanılması planlanan devreler ve elektronik elemanlar seçildikten sonra bilgisayar çizimlerinin yapılması için PROTEUS kullanıldı. ISIS programında devrenin çizimi gerçekleştirildikten sonra ARES programında devrenin PCB çizimi yapıldı. Bu çizim Şekil 4-7 de gösterilmektedir. Şekil 4-7 Devre PCB Çizimi 37 Şekil 4-7 gösterilen PCB çizimine ait 3 boyutlu devre görüntüsü Şekil 4-8 de gösterilmiştir. Şekil 4-8 Devrenin 3 Boyutu Görüntüsü Devrenin karmaşık yapısı nedeniyle basılan devrede devre yollarının bir kısmı atlamalar yapılarak ön yüzeye alınmıştır. 38 5 SONUÇ Elde edilen sonuçlar doğrultusunda belirlenen yöntem olan hareketli kapasitör yöntemine ait olan devre basılmıştır. Bu devre Şekil 5-1 de gösterilmiştir. Şekil 5-1 Devre Tasarlanan bu sistem elektrikli araç batarya sistemlerinde kullanılmak üzere kurulmuştur. Sistem dört adet hücreyi dengeleyebilecek şekilde tasarlanmıştır. Simülasyon sonuçları başarılı olsa da sistem PIC kodunun çalışmaması sebebiyle test edilememiştir. 39 KAYNAKLAR [1] S. Moore and P. Schneider, “A Review of Cell Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polymer Battery Systems," in Proceedings of the SAE 2001 World Congress, 2001. [2] Rich DelRossi, “Cell Balancing Design Guidelines ” in Microchip Technology Inc. AN231 [3] Yossi Drori and Carlos Martinez, “The Benefits of Cell Balancing” 2005 AN141.0, July 8 [4] Ali Abdullah Sayın ve İbrahim Yüksek, “Elektrikli Renault Fluence Aracı, Lityum İyon Bataryasının Modellenmesi ve Batarya Yönetimi ” Makine Mühendisleri Odası, 13-14 Mayıs 2011 [5] James D. Welsh, Jr., B.S.,” A Comparison of Active and Passive Cell Balancing Techniques for Series/Parallel Battery Packs”, The Ohio State University, 2009 [6] Andrew Baughman and Mehdi Ferdowsi,” Double-Tiered Capacitive Shuttling Method for Balancing Series-Connected Batteries”, 0-7803-9280-9/05/$20.00 ©2005 IEEE. [7] Andrew C. Baughman and Mehdi Ferdowsi,” Double-Tiered Switched-Capacitor Battery Charge Equalization Technique” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2008 [8] C.S. Moo, Y.C. Hsieh, I.S. Tsai and J.C. Cheng,” Dynamic charge equalisation for seriesconnected batteries”, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 150, No. 5, September 2003 [9] NASSER H. KUTKUT, H. L. N. WIEGMAN, DEEPAK M. DIVAN andD. W. NOVOTNY “Charge Equalization for an Electric Vehicle Battery System” IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 34, NO. 1.JANUARY 1998 [10] Yuang-Shung Lee Taiwan and Guo-Tian Chen Taiwan,” ZCS Bi-directional DC-to-DC Converter Application in Battery Equalixation for Electric Vehicles”, 2 W 35th Annual IEEE Power Elecrronics Specialists Conference, Aachen, Gennany, Z W 40 [11] Mohamed Daowd, Noshin Omar1, Peter Van Den Bossche and Joeri Van Mierlo” Passive and Active Battery Balancing comparison based on MATLAB Simulation”, 978-161284-246-9/11/$26.00 ©2011 IEEE [12] http://liionbms.com/php/index.php [13] http://liionbms.com/php/cell_prebalancing.php#top [14] http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_pump [15] Thomas T. Sack, J. Croydon Tice & Ran Reynolds,” Segmented Battery Charger for High Energy 28V Lithium Ion Battery”, IEEE AESS Svstems Magazine, September 2001
