Lityum Demir Batarya yönetim sisteminin (BMS) ana görevi, akünün güvenliğini ve uzun ömürlü olmasını sağlamaktır. bir akünün şarj durumunun (SOC) ve sağlık durumunun (SOH) sürekli izlenmesi ve kontrolü BMS tarafından yapılır. Bu yazıda, temel BMS işlevlerini vurgulayacağız ve akü enerji depolama sistemleri (BESS'ler) gibi büyük ölçekli projelerdeki kişisel deneyimlerimizin merceğinden size SOC ve SOH tahmin teknikleri hakkında bilgi vereceğiz. Bununla birlikte, burada ele alacağımız çözümler, şarj edilebilir pille çalışan ve bir BMS'ye ihtiyaç duyan herhangi bir sistemle ilgili olabilir.
Şarj edilebilir piller, çeşitli sistemlere ve çözümlere güç sağlayabilir. Çoğu, doğru SOC ve SOH hesaplamaları da dahil olmak üzere, pilin güvenli ve uzun ömürlü performansını sağlamak için bir BMS gerektirir.
SOC=Mevcut Kapasite/Üretildiği Anki Etiket Kapasitesi
Zaman geçtikçe her pil eskir ve bozulur, sonuç olarak SOH başlangıç seviyesinin altına düşer. Zayıf SOH içeren piller, 'daha sağlıklı' pillerden çok daha hızlı boşalır. Bu, anma kapasitesindeki düşüşün sonucudur; bu, zaman içinde meydana gelen kaçınılmaz bir süreçtir. Tüm bunlar, pil yönetim sistemleri tarafından SOH'yi bulmak için değerlendirme kriterleri olarak hizmet edebilir.
Doğru sağlık durumu tahmini, bozulma ve pil değiştirme ihtiyacı konusunda erken uyarı verebilir. SOH'yi öğrendikten sonra, pilinizin performansı ve verimlilikleri ve güvenilirlikleri de dahil olmak üzere tüm enerji depolama sistemi hakkında yararlı bilgilere erişim kazanırsınız.
Voltaj veya sıcaklıktan farklı olarak, pilin sağlık durumunu veya şarj durumunu ölçebilen özel bir gösterge yoktur. Ne SOH ne de SOC'nin fiziksel büyüklükler arasında eşdeğerleri yoktur. Bu durumları en doğru şekilde değerlendirmek için bir dizi faktör ve parametreyi göz önünde bulundurmanız gerekecek. Bu nedenle, SOH'nin hesaplanması aşağıdaki gibi yapabilrisiniz
-Yaş
-Döngü ömrü (şarj/deşarj döngüsü sayısı)
-Kapasite
-İç direnç
-Enerji çıkışı
-Sıcaklık
-kendi kendine deşarj oranı
-Gerilim
SOC'yi değerlendirirken aşağıdaki parametrelere başvurabilirsiniz:
-Pil kimyası
-Gerilim
-Akım
-Kapasite
-İç direnç
-Şarj/deşarj oranı
-Sıcaklık
Sağlık durumunu ve şarj durumunu hesaplamak zor bir iştir. Hiçbir basit ve net formül, bir lityum akünün BMS geliştiricilerinin bu özellikleri tanımlamasına yardımcı olamaz. Bununla birlikte, internette SOC ve SOH tahmin yöntemleriyle ilgili bilimsel çalışmalar ve teknik makaleler eksik değildir. Ve birçoğunun güvenilir ve kesin olduğu iddia ediliyor. Gerçek dünyadaki projelerde farklı ölçüm tekniklerini denedikten sonra, hangisinin bir lityum iyon pil yönetim sistemi için işe yaradığını söyleyebiliriz.
Bundan sonra BESS projelerini geliştirirken kullandığımız SOC ve SOH tahmin metotlarından bahsedeceğiz. Ancak aynı yöntemler, BMS ne kadar büyük ve karmaşık olursa olsun, sisteminiz için de işe yarayabilir.
BESS, çekirdeğinde şarj edilebilir lityum hücreleri bulunan bir elektrokimyasal enerji depolama çözümüdür. Sistem, pilini doğru zamanda şarj edip boşaltarak gerektiği kadar güç depolayabilir veya besleyebilir. Daha önce, kendi başınıza bir BESS satın almayı veya inşa etmeyi tercih ettiğinizde dikkatinizi çekecek akü enerjisi depolama çözümlerini, uygulamalarını anlattık.
Bir akü yönetim sistemi, akünün hem denetleyicisi hem de bekçisidir; sistem, akü hücrelerinin durumunu izler, kontrol eder ve onları herhangi bir olası tehdide karşı korur. Bir BMS oluşturmak çok yönlü bir süreçtir; hem donanım hem de yazılım düzeyinde bir dizi alt sistem tasarlamanız gerekir. Daha önce, BMS işlevselliğini ve yazılım uygulamalarını ayrıntılı olarak ele aldık.
Bir BMS geliştirirken göz önünde bulundurmanız gereken ilk şey, BESS'inizin kullanacağı akü teknolojisidir. Akü enerjisi depolama çözümleri aşağıdaki pil hücresi konfigürasyonlarına sahip olabilir:
-Lityum
- nikel manganez kobalt oksit
-kurşun asit
-Nikel kadmiyum
-sodyum kükürt
-çinko-brom
Akü hücresi kimyası daha geniş bir kombinasyon yelpazesine sahiptir ve her türün kendine has özellikleri ve karakteristikleri vardır. En iyi şey, Enerji Depolama spesifikasyonlarınızı tam olarak karşılayan bir batarya cinsi seçmektir. Örneğin, akü kimyaları değişken termal toleransa sahip olduğundan, sistemin çalışma koşulları çok şey ifade eder. Bu nedenle,lityum-iyonpiller aşırı sıcaklıklara dayanıklı değildir; 10oC ile 40oC arasındaki aralıkta düzgün şekilde çalışabilirler. Burada, farklı pil teknolojileri ile bunların yararları ve kusurları hakkında bilgi edinebilirsiniz.
Şarj edilebilir aküler , bir hücrenin elektrik yükünü tekrar tekrar geri yükleyebilen tersinir elektrokimyasal reaksiyonlar nedeniyle birçok kez şarj edilebilir ve boşaltılabilir. Farklı pil türlerinin nasıl şarj edileceği ve boşaltılacağı konusunda belirli öneriler vardır.
Örneğin, lityum-iyon pilleri küçük bir deşarjdan (örneğin kapasitenin %30'u) sonra bile yeniden şarj etmek ve pili tahrip edecek tam enerji boşalmasından veya aşırı deşarjdan kaçınmak en iyisidir. Nikel-metal hidrit (Ni-MH)piller, kapasite seviyesinden bağımsız olarak güvenli bir şekilde yeniden şarj edilebilir, ancak uzun süre saklandıklarında veya kullanılmadıklarında düzenli olarak yeniden şarj edilmeleri şarttır. Kurşun asitli piller tam şarjla saklanmalıdır, aksi takdirde sülfatlanır ve kapasitelerini kaybederler.
Şarj/deşarj gereklilikleri voltaj, akım ve sıcaklık limitlerini içerir ve bu limitlerin aşılması bataryanın hasar görmesine neden olabilir. BESS projelerimizden birinde, yukarıdaki parametrelerin aralığını kontrol eden özel pil yönetimi algoritmaları uyguladık. BMS, pilleri otomatik olarak şarj etmeyi durdurur ve kullanıcıları menzil aşımına karşı uyarır.
Bir BMS, şarj durumunu hesaplayarak şarj ve deşarjı kontrol altına alır ve böylece pili erken kapasite kaybına karşı korur ve ömrünü uzatır. Sağlık durumunu tahmin etmek, kullanıcıların pillerinin performansını artırmasına yardımcı olan bir diğer önemli BMS işlevidir. Burada, BMS tasarımcılarının başını gerçekten ağrıtan bu iki temel akü özelliğine ve bunların değerlendirmelerine odaklanacaktır. Bunu ilk elden deneyimlemiş biri olarak, görüşlerimi sizinle paylaşmak isterim
Lityum-iyon piller için SOC ve SOH tahminlerine yakından bakacağız; pil üretici sektöründe diğer teknolojilere üstün gelirler ve çoğu modern enerji depolama sistemlerin'de kullanım alanı bulurlar. Navigant Research'ten alınan bir raporun basın açıklamasına göre, 2023'un 4. çeyreğinde Li-ion pillerin yeni kurulan enerji depolama kapasitesinin %85'ini oluşturması bekleniyordu.
Li-ion pilin yüksek kapasite ve enerji yoğunluğu, düşük bakım, uzun ömür ve düşük kendi kendine deşarj oranı gibi avantajları, pil depolama sistemlerinin üreticileri, mühendisleri ve son kullanıcıları için onu cazip bir çözüm haline getirir. .
SOC ve SOH: Neyi anlatıyor
SOC ve SOH, pilin performansını tanımlayan ve gelecekteki davranışını tahmin etmeye yardımcı olan temel ölçütlerdir. Şarj durumu, pilde kalan elektrik yükünün miktarını gösterir. Şarj seviyesine bağlı olarak %0 ile %100 arasında değişen bir yüzde olarak ifade edilir. Kullanıcı, şarj durumu göstergesine bakarak kaynakları bilir ve pilin ne zaman yeniden şarj edilmesi gerektiğini anlar.
SOC, pilin kapasitesine yakından bağlıdır ve kalan kapasitenin üretici tarafından belirtilen nominal veya maksimum kapasiteye oranı olarak da belirlenebilir.
SOC=Mevcut Kapasite/Üretildiği Anki Etiket Kapasitesi
Zaman geçtikçe her pil eskir ve bozulur, sonuç olarak SOH başlangıç seviyesinin altına düşer. Zayıf SOH içeren piller, 'daha sağlıklı' pillerden çok daha hızlı boşalır. Bu, anma kapasitesindeki düşüşün sonucudur; bu, zaman içinde meydana gelen kaçınılmaz bir süreçtir. Tüm bunlar, pil yönetim sistemleri tarafından SOH'yi bulmak için değerlendirme kriterleri olarak hizmet edebilir.
Pilinizin Şarj Durumunu SOC Hesaplama
Farklı uygulamalar, pilinizin SOC seviyesini belirlemenize yardımcı olabilir. Bu uygulamalar doğrudan ölçümleri, dolaylı hesaplamaları, tahmin tekniklerini ve diğer teknolojileri içerir. Pil yönetim sistemlerinin çoğunda kullanılabilecek en popüler yöntemlere göz atalım.
Farklı uygulamalar, pilinizin SOC seviyesini belirlemenize yardımcı olabilir. Bu uygulamalar doğrudan ölçümleri, dolaylı hesaplamaları, tahmin tekniklerini ve diğer teknolojileri içerir. Pil yönetim sistemlerinin çoğunda kullanılabilen en popüler yöntemleri inceleyelim.
1- Açık Devre Gerilimi (OCV Open circuit Voltage ) Yöntemi
Bu yöntem, pilin kalan kapasitesindeki veya SOC'deki açık devre voltajına (bağlantısı kesilen akım yükü ile voltaj) varyasyona dayanır. Voltaj ve SOC arasındaki bağımlılık ne kadar güçlüyse, o kadar yüksek ölçüm doğruluğu elde edebilirsiniz. Bu parametreler arasındaki ilişki, bir arama tablosunda deşarj eğrisi olarak yansıtılır. Üreticiler pil veri sayfalarında böyle bir tablo sağlayabilir veya deneysel ölçümlerle kendiniz oluşturabilirsiniz.
Akü kimyasına/cinsine göre değişmekle birlikte, voltaj ve SOC arasındaki bağımlılık oldukça açık olabilir ve OCV yöntemindeki hata payı yeterince düşük olabilir. Bununla birlikte, bu yöntem nadiren gerçek dünyada uygulanmaktadır. Bunu kullanmak için mevcut beslemeyi tamamen kesmeniz ve pilinizi bir süre dinlenmeye bırakmanız gerekir; en az 2 veya 3 saat ve ideal durumda 8+ saat. Ve ancak tüm kimyasal reaksiyonlar yatıştıktan sonra pilin voltajını ölçebilirsiniz.
Bu, güç tüketimi çok düşük olmadıkça ve mikroamperlerden bahsetmediğimiz sürece, OCV tekniğinin çalışma sırasında bir pilin SOC'sini ölçemeyeceği anlamına gelir. Depolama sistemininiz veya pille çalışan başka bir sistem çalışırken, sürekli bir elektrik güç kaynağına ihtiyaç duyar ve çalışma sırasında mevcut yük değişebilir. Bir süre sonra pili şarj etmeniz gerekecek ve bu da OCV yöntemini imkansız bir görev haline getiriyor.
Açık devre voltajı tekniği, ilk SOC lityum hücre karakteristiğini belirlemek için çok uygundur. Örneğin, bir akünün uzun süre saklanmasından sonra veya sisteminiz bir süre kapalı kaldıysa, şarj durumunu hesaplamak için kullanabilirsiniz. OCV'yi ölçtükten sonra, voltaj-kapasite çizelgesinden ilk SOC'yi öğrenebilirsiniz.
Şarj durumunun OCV yöntemiyle hesaplanması, oldukça düz bir deşarj eğrisine sahip lityum bazlı piller için uygun değildir. Li-iyon pillerin voltaj değeri, özellikle bazı sıcaklıklarda, kapasite aralığının büyük bölümünde dalgalanma göstermeyebilir. Bu nedenle, lityum pil yönetim sistemlerinde SOC tahmini için her zaman OCV tekniğini diğer ölçüm uygulamalarıyla birleştiriyoruz.
OCV/açık devre voltaj ölçüm tekniğiyle Şarj Durumu ve Lityum Akü Ömür ve kapasite durumunu bulabiliriz.
Lityum akülerde yaklaşık bir bilgi vermektedir.
Coulomb Akü Kapasite Testi (Mevcut entegrasyon)
Adından da anlaşılacağı gibi, bu yöntem, yükün akması için gereken zamanla çarpılan akımdan elde edilen coulomb'ları veya elektrik yükünün miktarını hesaplamayı amaçlar. Bir pilin kalan kapasitesini veya SOC'sini ölçmek için, şarj durumunda başlangıç kapasitesine coulomb ekleyebilir veya pili boşalttığınızda kaldırabilirsiniz.
Mevcut entegrasyon yaygın bir yöntemdir, ancak doğruluğu bazı faktörlere bağlıdır. Öncelikle, referans noktası görevi gören ilk SOC'nin doğru ölçüsünü bilmelisiniz. Bunu bir pili tamamen şarj ederek veya boşaltarak elde edebilirsiniz. Dolayısıyla, bu tekniği kullanmak istiyorsanız, BMS tasarımınızda pil SOC'sinin düzenli olarak %100'e sıfırlanmasına izin vermeniz gerekir.
Coulomb sayımı ile doğru şarj durumu tahmini için bir diğer önemli koşul da doğru akım ölçümüdür. Bunu, mevcut sensörünüzdeki bir analogdan dijitale dönüştürücünün (ADC) genliğini ve zaman çözünürlüğünü artırarak elde edebilirsiniz. Ancak bu, sensörün maliyetini artırabilir, bu nedenle çoğu durumda BMS tasarımcıları, 14ve16bitçözünürlüğe sahip ucuz ADC'ler ve ardından ortalama ölçülen veriler kullanır. Ardından mühendisler, Kalman filtreleme veya sinir ağları gibi daha gelişmiş tahmin ediciler uygulayarak verileri işler.
Mevcut entegrasyon yönteminin verimli kullanımı için gerekli koşulları sağlayabilirseniz, SOC hesaplamanızda yüksek doğruluğa ulaşabilirsiniz. Ancak pili düzenli olarak şarj edip tam olarak boşaltamıyorsanız veya mevcut değer yanlışsa bu uygulama güvenilir olmayacaktır.
Kalman filtreleme
Bu yöntem, akü akım, voltaj, sıcaklık, iç direnç ve diğer parametreler gibi giriş ve çıkış verilerinin ölçümlerine ve analizine dayanır. Bu verilere dayanarak, bir pilin elektriksel modelini oluşturmak, çalışma koşullarıyla birlikte davranışını simüle etmek ve şarj durumunu tahmin etmek için Kalman filtreleme algoritmasını kullanabilirsiniz.
Bu yöntem iki ana adımdan oluşmaktadır. Yeni başlayanlar için, girdi verilerini modele girersiniz ve bir bataryada çalışan fiziksel süreçleri matematiksel denklemler olarak gösterirsiniz. Böylece, teorik hesaplamalar yaparak pilin davranışını ve çıkış verilerini tahmin edersiniz.
İkinci adımda, voltaj ve akım gibi gerçek pil parametrelerini ölçer ve bunları tahmin edilen değerlerle karşılaştırırsınız. Bundan sonra algoritma olası sapmaları azaltmak için modeli filtreler veya düzeltir. Kalman filtresi, bir pilin tüm deşarj veya şarj döngüsü boyunca her saniye ölçüm alabilir ve her yinelemede SOC'yi tahmin ederek her seferinde hata payını en aza indirebilir.
Kalman filtresi, modern akü yönetim sistemleri tarafından kullanılan en üst düzey ve hassas tahmincilerden biridir. Bu uygulamayı uygulamak için pil şarj etme ve boşaltmanın tüm geçmişini bilmenize gerek yoktur. Geçerli akü durumunu hesaplamak için yalnızca önceki yinelemeden /şarj-deşarj eğrisinden yararlanabilirsiniz. Bu yöntemin güvenilirliği doğrudan, matematiksel denklemler ve bu denklemler için seçtiğiniz parametreler dahil olmak üzere elektriksel modelin doğruluğuna bağlıdır.
Klasik Kalman filtre algoritması, doğrusal adi diferansiyel denklemler (ODE'ler) tarafından tanımlanan sistemler için çalışır. Doğrusal olmayan sistemler için, birinci dereceden kısmi türevleri kullanarak doğrusal olmayana yaklaşan bir genişletilmiş Kalman filtresi (EKF) kullanabilirsiniz. Bu, daha yüksek performans düzeyine sahip donanıma ihtiyaç duyan algoritmanın yükseltilmiş bir sürümüdür.
unscented Kalman filter(Dışarıdan , bir iç olayın matematiksel denklemlerinin kurulmasıUKF)ve merkezi fark Kalman filtresi (CDKF), EKF'ye kıyasla daha yüksek doğruluğa sahip başka bir modifikasyon olan sigma noktalı Kalman filtresinin (SPKF) türleridir. SPKF için, başlangıç noktasından sigma ile kaydırılan bir dizi nokta için denklemleri çözersiniz
Kalman filtresi, modern pil yönetim sistemleri tarafından kullanılan en hassas SOC tahmincilerinden biridir. Doğru bir pil modeli oluşturmak, bu yöntemin güvenilirliğinin anahtarıdır.
Alternatif Aküleirn SOC Şarj Durumu ve Akünün sağlık durumu tespit edicileri
akü hücrelerinin SOC'sini tahmin edebilen bir dizi başka teknik vardır. Bunların bir kısmı halihazırda uygulamaya konmuştur, diğerleri ise henüz araştırma aşamasındadır veya kavram olarak mevcuttur. SOC belirleme çözümlerini araştırırken aşağıdaki yöntemlerle karşılaşabilirsiniz:
Terminal voltajı yöntemi. Bu yöntem, deşarj sırasında azalan bir akünün terminal voltajının ölçülmesinden oluşur. SOC, bir akünün elektromotor kuvveti (EMF), terminal voltajı ve şarj durumu arasındaki orantısal ilişkilere dayalı olarak hesaplanır. Deşarj sonunda terminal voltajının keskin bir şekilde düşmesi nedeniyle hesaplamalarda ciddi bir hata olabilir.
Empedans yöntemi. Bu, bir akünün şarj ve deşarj döngüleri boyunca değişen dahili empedansının ölçümlerine dayanır. Buradaki ana zorluklar, pilin çalışması sırasında empedansı ölçmek ve sıcaklık için yapılan toleranslarla doğru verileri elde etmektir.
Nöral ağlar. Bir sinir ağı, akünün voltaj, akım ve sıcaklık gibi büyük miktarlardaki giriş verilerinden öğrenerek ve bu parametreler arasındaki doğrusal olmayan ilişkileri yeniden üreterek SOC'yi tahmin edebilir.
Bulanık mantık.Fuzzy Logic Bir bulanık mantık modeli oluşturmak için, soyut ve yaklaşık olsa bile, size sunulan herhangi bir pil verisini kullanabilirsiniz. Verileri analiz ettikten sonra model, şarj durumu da dahil olmak üzere pil özelliklerini belirleyebilir. Hem bulanık mantık hem de sinir ağlarının temel gereksinimi, bir mikrodenetleyicinin yüksek performansıdır.
Ultrasonik algılama. Bu yöntem, ultrasonik kılavuzlu dalga teknolojisi kullanılarak SOC'nin tahmin edilmesinde yatar. Duyarlılığı sayesinde, dalga sinyalleri akü yapısının anlaşılmasına ve böylece kapasitesinin ve genel durumunun değerlendirilmesine yardımcı olabilir. Bu uygulamayı uygulamak, önemli miktarda zaman ve çaba yatırımı gerektirir.
Tek bir SOC tahmin yaklaşımının uygulanması, günümüz akü yönetim sistemlerinde nadiren bulunur. Hesaplamalarınızı iyileştirmek için hibrit denilen yöntemleri kullanarak farklı teknikleri bir araya getirebilirsiniz. Örneğin, bulanık mantık veya Kalman filtreleme ile birleştiğinde, coulomb sayımı, doğruluğu tek başına mevcut entegrasyon yönteminden daha iyi ölçebilir.
Hazırlayan : Elektrk. Müh İsmail Hakkı Özdem