Lityum İyon Bataryaların Şarj Yönetim Sisteminin Kesir Dereceli Model Yapısı Kullanılarak Geliştirilmesi - Balkış, Emre; Düven, Ekrem; Bursa Teknik Üniversitesi Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı; Lisansüstü Eğitim Enstitüsü (Bursa, 2024)
Günlük hayatta ve endüstriyel alanda ihtiyaç duyulan enerji miktarının gün geçtikçe artması ve oluşan bu ihtiyacı gidermek için daha da fazla kullanılan fosil yakıtların çevreyi kirletmesi nedeniyle alternatif enerji kaynaklarının araştırılması zorunlu hale gelmiştir. Bu konuda bulunan ilk çözümlerden birisi elektrik enerjisini depolayarak doğrudan ihtiyaç duyulan alanda kullanıma sunmak olmuştur. Uygulama özelinde en bilinen kullanım ise fosil yakıt tüketen araçlar yerine geliştirilen elektrikli araçlardır. Bu dönüşümün en önemli unsurlarından birisini enerji depolama birimi olan bataryalardır. Farklı türleri bulunan bataryalar arasında Li-ion bataryalar, sağladıkları performans ve güvenlik özellikleri nedeniyle kullanımı en çok tercih edilen türdür. Bataryalardan uygun performansı almak ve bataryanın kullanım ömrünü mümkün olduğunca uzatmak için ayrıca bir batarya yönetim sistemine de ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, batarya yönetim sistemlerinde şarj durumu tahmini için yapılan işlemlerde kesir dereceli batarya modeli kullanımı ve hesaplamalarda yapılan iyileştirmeler ile Li-ion batarya yönetim sistemlerinin daha etkin ve yüksek doğruluklu çalışmasını sağlayacak bir yaklaşım önerilmektedir. Buna göre; bu yöntemde öncelikli olarak, açık çevrim voltaj değişimlerini temsil eden PNGV (The Partnership for a New Generation of Vehicles) eşdeğer devre batarya modeli temel olarak alınmış, tam sayı dereceli ve kesir dereceli batarya modelleri oluşturulmuştur. Batarya modeli oluşturulmasından sonraki ön önemli unsurlardan birisi model parametrelerinin (katsayılarının) belirlenme kısmıdır. Bu aşamada, parametre belirleme problemini daha kolay hale getirmek için batarya referans veri seti, katmanlı bir yaklaşım ile alt parçalara (katmanlara) ayrılmış, farklı şarj durumlarını yansıtan her bir veri alt parçası (katmanı) üzerinden analiz ve veri çıkarımları ile parametre setleri belirlenmiştir. Parametre belirleme aşamasında tüm parametrelerin değişimi serbest bırakılmaktadır. Bu durum bazı parametrelerin olması gereken değerden çok az uzaklaşarak diğer parametrelerin doğruluğunun artmasına katkı sağlamaktadır. Parametreleri belirlenmiş olan batarya modellerine akım değeri girdisi uygulandığında oluşan gerilim değerleri ile veri setinde aynı akım değerlerine karşılık olan gerilim değerleri karşılaştırıldığında kesir dereceli modelin tam sayılı modele göre daha yakın sonuç verdiği görülmüştür. Çalışmada ikinci olarak üzerinde en fazla durulan konu, batarya yönetim sistemleri tarafından en çok gözlenen parametrelerden birisi olan şarj durumu (SoC) parametresinin tahmini için bir yöntem geliştirmek olmuştur. Bu amaçla, literatürde de kullanımı en çok tercih edilen gözleyicilerden birisi olan Luenberger gözleyici benimsenmiş ve yöntem içerisinde kullanılmıştır. Şarj durumu tahmini için yapılan hesaplamalarda önemli bir adım, batarya modellerinin açık çevrim voltaj eğrisinin doğrusallaştırması işlemidir. Bu işlem hem tam sayı dereceli hem de kesir dereceli modelde yapılmakla birlikte, kesir dereceli batarya modelindeki açık çevrim voltaj eğrisinde oluşan durum geçişlerinin ihmal edilmesi sonucu hata oluşmakta, bu da hesaplamalarda soruna yol açmaktadır. Bu noktada, doğrusallaştırmalarda oluşan hatayı gidermek için yeni bir yöntem önerilmiş bu sayede şarj durumu tahmininin doğruluğu arttırılmıştır. Sonuç olarak; kesir dereceli batarya modellemesi kullanılarak yapılan batarya şarj durumu hesaplaması, tam sayı dereceli model kullanılan hesaplamaya göre yaklaşık %0,4 daha iyi sonuçlar vermektedir. Bu çalışmada elde edilen ilk sonuçların farklı Li-ion bataryalarda da geçerli olup olmadığının gözlemlenmesi için deneysel ortamda elde edilen ikinci bir veri seti kullanılarak ilk çalışmadakine benzer yöntemlerle tam sayı dereceli ve kesir dereceli PNGV batarya modelinin parametreleri belirlenmiştir. İlk çalışmada elde edilen sonuçlara paralel olarak ikinci çalışmada da parametreleri belirlenen tam sayı dereceli ve kesirli dereceli modellere akım değeri girdisi uygulandığında oluşan gerilim değerleri ile veri setinde aynı akım değerlerine karşılık olan gerilim değerleri karşılaştırıldığında kesir dereceli modelin tam sayılı modele bir kez daha üstünlük sağladığı açıkça görülmektedir. Ayrıca parametreleri belirlenen PNGV batarya modelleri ile yapılan şarj durumu (SoC) tahmininde tam sayı dereceli model kullanılarak elde edilen sonuçlarda en yüksek hata yüzdesi %9 mertebelerine çıkarken kesir dereceli PNGV modeli ile yapılan şarj durumu (SoC) tahmininde en yüksek hata oranı %0,2'den küçüktür. Elde edilen sonuçlar gösteriyor ki yapılan çalışmalarda kesir dereceli PNGV batarya modelleri ile elde edilen sonuçlar daha iyidir.
Tez (Doktora) -Bursa Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü,2024
Kaynakça :76-78 sayfa
Keywords: PNGV batarya modeli