Design and implementation of battery management system

Abstract

Teknolojinin gelişmesi ile birlikte her geçen gün ihtiyaç duyduğumuz elektronik cihazlara bir yenisi eklenmekte ve kullandığımız cihazların fonksiyonellikleri artmaktadır. Bunların başında ulaşım alanı en başta gelmektedir. Ulaşım ihtiyaçlarımızı karşılamak için artan içten yanmalı motorlu araçlar çevreye olumsuz yönde etkilemekte ve havaya zehirli gazlar salmaktadırlar. Günümüzde bu zehirli gazların zorlayıcı emisyon regülasyonlarından dolayı sıfır emisyona sahip elektrikli araçlara talebin arttığı aşikardır. Elektrikli araçların ihtiyaç duyduğu enerji depolama sistemlerindeki gelişmeler her geçen gün artmakta ve bu alanda yapılan yatırımlar ivme kazanmaktadır.Elektrikli araçlarda kullanılan enerji yoğunluğu yüksek bataryaların sürekli olarak kontrol altında tutulmaları gerekmektedir. Batarya paketinin içerisinde birden çok hücrenin bir araya getirilmesi ile birlikte istenilen gerilim seviyesi ve kapasitesi oluşturulmaktadır. Elektrikli araçların ihtiyaç duyduğu yüksek gerilim ve kapasitenin elde edilmesi için çok fazla sayıda hücre kullanılmaktadır. Her bir hücrenin kontrol altında tutulması için hücre gerilimi ve sıcaklığının ölçülmesi için batarya yönetim sistemine ihtiyacı vardır. Bataryanın enerji transferi sırasında hücre gerilimleri ve sıcaklıkları izlenerek batarya paketi güvenli tarafta kalması sağlanmaktadır. Elde edilen bilgiler doğrultusunda batarya paketinin anlık olarak aktarabileceği güç hesaplanmakta ve sistem tarafından talep edilen güç bu limitlerin altında kalması sağlanmaktadır. Batarya paketinin doluluk oranının hesaplanması ve sağlık durumunun belirlenmesi için farklı kontrol algoritmaları kullanılarak kullanıcı bilgilendirilmektedir. Sürekli olarak şarj ve deşarja maruz kalan batarya paketi zaman içerisinde kullanılabilir kapasitesini kaybetmektedir. Bu durumun sürekli olarak takip edilerek kullanıcının doğru bilgilendirilmesi batarya yönetim sisteminin kritik fonksiyonlarından biridir. Ayrıca birden çok hücrenin kimyasal tepkimeden dolayı birbirleri arasında gerilim farklılıkları oluşmaktadır. Bu düzensizliğin giderilmesi için batarya yönetim sistemi her bir hücreyi eşit seviyeye getirebilecek fonksiyonelliğe sahip olmalıdır. Aktif ve pasif dengeleme özelliğine sahip batarya yönetim sistemleri batarya paketinin verimliliğini arttırmak için kritik öneme sahiptir.Tez kapsamında, batarya yönetim sistemi için yukarıdaki gereksinimler yerine getirilmiş ve bir elektrikli bisiklet batarya paketine uygulanmıştır. İlk olarak hücrenin modellenmesi ve simülasyonu yapılmış, daha sonra batarya paketinin şarj ve deşarj performansları hesaplanmıştır. Simulink State-Flow blokları kullanılarak hücre dengeleme tekniği elde edilmiştir. Her bir hücrenin gerilimi izlenerek hücrenin paralel denge direncini kontrol eden MOSFET'lerin kontrol sinyalleri oluşturulmuştur. Bu model farklı şarj akımları için test edilmiştir. Deneysel çalışma, bir batarya yönetimi (BYS) sisteminin tasarım ve testinden oluşmaktadır. Master-slave batarya yönetim sistemi seçilerek detaylı tasarım çalışmaları yapılmıştır. 42 Volt batarya paketi, 10 seri bağlı Samsung ICR18650-25R silindirik hücre kullanılarak oluşturulmuştur.Son olarak, elektrikli bisiklet batarya yönetim sisteminin tasarlandığı, kontrol ve koruma algoritmalarının geliştirilerek entegrasyonunun yapıldığı belirtilmiştir. Deneysel sonuçlar, prototip sistemin fonksiyonel olarak batarya paketini kontrol etmek ve korumak için yeterli şekilde çalıştığını göstermektedir.

With advancements in technology, new electronic devices are introduced that we need in everyday life and functionality of the devices we use increases. One of these fields is transportation. Increased number of internal combustion vehicles to meet our transportation needs negatively affect the environment and cause toxic gas emissions. Today, it is clear that the demand for zero emission electric vehicles are increasing due to challenging emission regulations for toxic gas. Developments in energy storage sector that is needed by electric vehicles is increasing every day and investments in this field are accelerating.Energy intense batteries in electric vehicles must always be kept under control. Desired voltage level and capacity is created by combining multiple cells in battery cells. High number of cells are necessary to obtain high voltage and capacity needed for electric vehicles. To control each cell, battery management systems are needed to measure cell voltage and temperature. One battery management system can have multiple sub-control modules. During battery energy transfer, cell voltage and temperature are monitored to keep battery package on the safe side. Based on this information, power that battery package can instantly transfer is calculated, and power demanded by the system is kept below limits. Users are informed by using different control algorithms to identify duty cycle of battery packages and their health status. Battery packages that are subjected to constant charge and discharge loses usable capacity. Monitoring this and informing users correctly is one of the critical functions of battery management system. Additionally, due to chemical reactions in more than one cells, voltage difference can occur between these cells. To eliminate this problem, each battery management cell should have the functionality to keep each cell at equal level. Battery management systems with active and passive balancing property are critically important to increase the efficiency of battery package.Within the scope of this thesis, the above requirements for the battery management system are fulfilled and applied to an electrical bicycle battery package. Initially the modeling and simulation of the cell is presented, then the charging and discharging performances of the battery bank are computed. The cell balancing technique is achieved by using Simulink State-Flow blocks. Voltage of each cell is applied as input to each state-flow block and control signals of MOSFETs that control the parallel balance resistance of each cell. This model is tested for different charge currents.The experimental part of this study consists of the design and test of a battery management (BYS) system. The master-slave type of BYS is chosen and the detailed design and implementation procedures are presented. The 42 Volt battery pack is formed by using 10 serial Samsung ICR18650-25R cylindrical cells.Finally, it should be mentioned that, the bicycle electric-supply battery-system is formed, a BYS is designed and, control and protection algorithms are embedded into the BYS. The experimental results yield that, the prototype system is functioning adequately to supply, control and protect the battery pack.