Akademik Veri Yönetim Sistemi
HOCA AHMET YESEVİ 2. ULUSLARARASIBİLİMSEL ARAŞTIRMALAR KONGRESİ, Erzurum, Türkiye, 6 - 08 Aralık 2019, ss.395-406, (Tam Metin Bildiri)
Günümüzde elektrikli araçlar başta olmak üzere pek çok enerji depolama uygulamalarında Liion,
Li-Fe04 ve Li-po batarya hücreleri kullanılmaktadır. Bu hücrelerin tercih sebebi ise
mevcut klasik şarj edilebilir batarya hücreleri içinde yüksek enerji ve güç yoğunluğuna sahip
olmalarıdır. Fakat uygulamalarda çok fazla (onlarca hatta yüzlerce) adet Li-ion hücre
kullanılması gerekmektedir. Bu şekilde elde edilen batarya sistemlerinde ise her bir batarya
hücresinin sıcaklık, akım gibi parametrelerinin görüntülenmesi ve hücre voltajlarının
denetlenip yönetilmesi gerekmektedir. Bu ihtiyacı karşılamak için tasarlanan sisteme Batarya
Yönetim Sistemi (Battery Management System – BMS) denir. BMS batarya koruma işlevine
ek olarak bataryada bulunan hücrelerin gerilimlerinin dengelenmesini işlevini de yerine
getirmektedir. Bu sayede bataryaların bütün hücrelerinin eşit miktarda şarj edilmesi ve buna
bağlı olarak batarya enerjisinin daha uzun süre kullanılabilmesine olanak sağlar. Dengeleme
işleminde pasif ve aktif tip olmak üzere 2 metot kullanılır. Pasif metot da batarya hücrelerinin
fazla enerjisi dirençler üzerinde harcanarak tüm batarya hücrelerinin eşit miktarda enerji ile
şarj edilmesi sağlanır. Bu metot sadece şarj esnasında çalışır ve yüksek sıcaklıklara sebep
olabilir. Pasif BMS‘nin en önemli avantajı basit bir yapıya sahip olmasıdır. Aktif metot da ise
fazla enerjiye sahip batarya hücresindeki enerjinin bir kısmı DA-DA dönüştürücü vasıtasıyla
düşük enerjili hücreye aktarılarak enerji dengesi sağlanmaya çalışılabilir. Bu yüzden aktif
BMS hem şarj hem deşarj anında kullanılabilir. Pasif BMS ‘ye oranla daha karmaşık bir
yapıya sahiptir. Tasarlamış olduğumuz BMS yapısında daha verimli olmasından dolayı aktif
BMS tercih edilmiştir. Bir merkezi denetim ünitesine her bir batarya hücresini gözlemleyip
kontrol edebilmek için yardımcı üniteler eşlik etmektedir. Bu yardımcı ünitelerin sayısı
batarya hücre sayısından bir eksiktir. Ünitelerin birbirleri ile haberleşmesinde asenkron seri
iletişim protokolü kullanılmıştır. Yardımcı üniteler üzerinden sıcaklık, akım ve gerilim
değerlerinin okunup merkezi sisteme aktarımının yanı sıra dengeleme işlemini
gerçekleştirecek DA-DA dönüştürücü devresini kontrol etmek amacıyla bir adet
mikrodenetleyici (Yönetici ATmega644A, Gözlemleyici ATmega88A) kullanılmıştır.
Dengeleme topolojisi olarak güç aktarımı (Power-Pump) kullanılmıştır. Bu topolojide enerji
geçici olarak bir bobin üzerine depo edilir ve daha sonra düşük gerilime (düşük enerjiye)
sahip batarya hücresine aktarılır. Çift anahtar kullanıldığı için enerji komşu iki hücre arasında
istenilen hücreden diğerine aktarılabilmektedir. Çalışma kapsamında gerçekleştirilen güç
ünitesi simülasyonları PSIM programında, mikrodenetleyici ünitesi simülasyonları ise Proteus
programı kullanılarak modellenmiştir.
Li-ion, Li-Fe04 and Li-po battery cells are used in many energy storage applications,
especially in electric vehicles, nowadays.These cells are preferred because they have high
energy and power density in the existing conventional rechargeable battery cells.However,
many Li-ion cells (tens or even hundreds) need to be used in applications.In the battery
systems obtained in this manner, parameters such as temperature and current of each battery
cell should be monitored and cell voltages must be controlled and managed.The system
designed to meet this need is called the Battery Management System (BMS).In addition to the
battery protection function, the BMS also functions to balance the voltage of the cells in the
battery.This ensures that all cells of the batteries are charged evenly and therefore more
battery energy can be used for a longer time.Two methods one of which is passive type and
the other one is active type are used during balancing.In the passive method, the excess
energy of the battery cells is spent on the resistors so that all battery cells are charged with an
equal amount of energy.This method works only during charging and may generate high
temperatures. The most important advantage of passive BMS is that it has a simple
structure.In the active method, energy balance is achieved by transferring a portion of the
battery cells with high energies to the low energy cell by means of the DA-DA
converter.Therefore, the active BMS can be used during both charging and discharging phases
but it has a more complex structure compared to the passive BMS. In the BMS structure we
developed, we preferred active BMS since it is more efficient.A central control unit is
accompanied by auxiliary units for monitoring and controlling each battery cell. The number
of these auxiliary units is one less than the number of battery cells.Asynchronous serial
communication protocol is used for communication of units.A microcontroller (Administrator
ATmega644A, Observer ATmega88A) was used to control the DA-DA converter circuit
which will perform the balancing process as well as transferring temperature, current and
voltage values to the central system via auxiliary units. Power transmission (Power-Pump) is
used as the balancing topology.In this topology, the energy is temporarily stored on a coil and
then transferred to the battery cell with low voltage (low energy). Since a double switch is
used, energy can be transferred from one cell to the other between two adjacent cells. Power
unit simulations were modeled in PSIM program and microcontroller unit simulations were
modeled using Proteus program.