Batarya Yönetim Sistemi (BMS) Nedir?
Günümüzün elektronik cihazları daha yüksek mobiliteye sahip ve her zamankinden daha çevrecidir. Son yıllarda pil verimliliği, bir pilin boyut ve ağırlığa göre çıkabileceği güç miktarı önemli ölçüde iyileşmiştir. Bataryadaki gelişmeler taşınabilir elektrikli aletlerden plug-in hibrit ve tam elektrikli araçlara kadar geniş bir ürün yelpazesinde bu ilerlemeyi besliyor [1].
Bu yazımda, bu ürün yelpazesinde kullanılan şarj edilebilir pillerin yönetimi ve batarya yönetim sistemini teknolojisinin özelliklerini temel olarak anlatmaya çalışacağım. İyi okumalar.
Sürekli dönüşen pil teknolojisi, birçok yeni kullanıcının pil yönetim sistemi tasarımı konusunda bilgili olmasını sağlamıştır. Bu yazı da, batarya yönetim sistemi (BMS-Battery Management System) mimarisi için bir başlangıç kılavuzu sağlar ve her başlığın BMS sistemi için önemini açıklar.
Batarya Yönetim Sistemi, şarj edilebilir bir batarya sisteminin ve hücrelerinin şarj ve deşarjını yöneten elektronik bir sistemdir. Batarya paketlerinde akım, gerilim, sıcaklık gibi değerlerin ölçümünü yaparak, sağlıklı değerlerin dışına çıkıldığında sisteme müdahale eden yapılardır.
Batarya paketleri seri veya paralel bağlı hücrelerden oluşur. Tek bir hücreden uygulama için ihtiyaç duyulan gerilim ve akım çıkışları alınamadığından hücreler birbirine seri veya paralel bağlanarak çeşitli konfigürasyonlar elde edilir. Batarya paketlerinde seri bağlantılar gerilimi(V), paralel bağlantılar çekilebilecek akımı(A) ve kapasiteyi(Ah) belirler. Bu seri ve paralel bağlantılarda her biri bağımsız bir parça olan hücrelerin birbiri ile uyumlu çalışabilmeleri için ise batarya yönetim sistemleri kullanılır [2].
BMS Yapı Taşları
Tüm Batarya Yönetim Sistemlerinde ortak olan üç ana hedef vardır.
- Hücreleri veya bataryayı yaşanabilecek kısa devre, aşırı gerilim, aşırı şarj gibi tehlikelerden ve hasardan korumak.
- Bataryanın doğru kullanımı ile ömrünü uzatmak.
- Bataryayı, belirtildiği uygulamanın işlevsel gereksinimlerini karşılayabileceği bir durumda tutmak.
Bu örnek BMS, seri olarak 4 adet Li-ion hücresini yönetebilir. Bir hücre monitörü tüm hücre gerilimlerini okur ve aralarındaki gerilimi dengeler, bu işleve dengeleme adı verilir. Bununla birlikte telemetri verilerinin yanı sıra anahtarlama ve dengeleme stratejisini işleyen bir MCU(Mikrokontrolcü) tarafından kontrol edilir.
Bu işlevleri çalıştırmak için BMS’nin bazı gereksinimleri vardır;
- İlk ihtiyaç yüksek frekans ve yüksek çözünürlüklü ölçümdür. BMS pil durumunu kontrol etmek ve çalıştırmak için , hücre gerilimi, sıcaklık, SOC veya talep gücü gibi çok sayıda çeşitli veriye ihtiyaç duyar.
- Bu veriler, küçük bir gecikmeyle yanıt vermek için geçici olarak işlenmelidir. Ayrıca bu verilerle sofistike hesaplamalar ve tahminler yapar. Bu nedenle yüksek hızlı işlemci ve veri depolama birimlerine ihtiyaç vardır.
- Güç akışını kontrol etmek ve istenen gücü sağlamak için BMS, elektronik ve elektromekanik anahtarlarla(mosfet ile) donatılmalıdır.
- Sıcaklık ve hücre kapasitesi ile güçlü bir ilişki vardır. Bunun için BMS’nin ayrıca bir termal yönetim birimi vardır.
- Olağandışı durumları yönetmek için çeşitli tipte sigortalar ve anahtarlar bulunur.
- İletişim, izleme işlevlerinin temel parçasıdır. Önceden hesaplamalar yapmak için diğer araç birimlerinden daha fazla veri alabilir. İletişim için çeşitli protokol ve cihazlar kullanılır ancak CANBUS (Kontrolör Alan Ağı) ve FlexRay, veri alışverişi ve sistemler arası iletişim için yaygın olarak kullanılır. İletişim hem analog, dijital veya PWM sinyalleri ile gerçekleştirilebilir [3].
State Of Charge (SOC) ve State Of Health (SOH) Nedir?
Şarj durumu (SOC) bataryadaki kullanılabilir şarj miktarının bataryanın tüm kapasitesine oranıdır. Diğer yandan sağlık durumu (SOH-State Of Health), bataryanın mevcut tüm kapasitesinin bataryanın kullanılmadan önceki (örneğin üretilir üretilmez) kapasitesine oranıdır. Bataryalar, tekrarlanan şarj/deşarj işlemleri ve çevresel koşullar nedeniyle zamanla kötüleşir. Bu nedenle her ikisi de herhangi bir anda kullanılabilir enerji miktarını belirlediğinden SOH, SOC kadar önemlidir.
Bir bataryanın SOC değeri batarya sıcaklığına ve batarya akımına fazlasıyla bağlıdır. Çoğu zaman hücre gerilimi SOC değerinin bir göstergesidir. Bununla birlikte, hücre gerilimi SOC tahmini için tek başına kullanılamaz ve iyi bir SOC tahmini için batarya sıcaklığı, batarya akımı ve batarya gerilimi değerleri bir araya getirilmelidir [4].
Batarya yönetim sistemleri yapısına göre ikiye ayrılır:
Pasif ve aktif hücre dengeleme ile batarya yığınındaki her hücre sağlıklı bir pil şarj durumunu (SoC) korumak için izlenir. Bu yöntemler pil döngü ömrünü uzatır ve aşırı şarjın aşırı deşarj olması nedeniyle pil hücresinin hasar görmesini önleyerek ek bir koruma sağlar. Gelin iki yöntemi ayrı ayrı inceleyelim.
1. Pasif Dengeleme
Pasif dengeleme, bir sızdırma direncindeki fazla yükü basitçe dağıtarak benzer bir SoC’a sahip tüm pil hücrelerinde sonuçlanır ancak sistemin çalışma süresini uzatmaz.
Pasif dengelemenin temel faydası, aktif bir dengeleme sisteminden daha ucuz olması ve bu da onu otomotiv uygulamaları için tercih edilen sistem haline getirmesidir. Ancak bu sistemin olumsuz yönü, enerjinin ısı enerjisine dönüştürülürken boşa gitmesidir. Bu atık ısı üretiminin artık pil paketi sistemi içinde yönetilmesi gerektiğinden ikincil bir sorun yaratır. Pasif dengelemeye yönelik diğer bir potansiyel zorluk, aktif bir dengeleme sisteminden daha fazla zaman alabilmesidir. [5]
Akım açık durumdaki mosfetten geçtiği ve direnç(R) üzerinden dağıldığı, gerilim referansı CELL1 (negatif kutup) olduğu için yalnızca bir hücre fazla enerjisini boşaltabilir. Şekildeki gibi her bir hücreye paralel bağlanan pasif dengeleme devresinin bir direnci(R) ile akünün boşalmasına neden olur ve aşırı şarj edilen akünün gerilimi diğer akülerin gerilimlerine eşit olana kadar sürer. Ardından paketin şarj edilmesine devam edilir. Aynı anda diğer pillerin gerilimleri de sürekli kontrol edilir. Bununla birlikte, pillerin pasif dengelenmenin bazı negatif yönleri vardır. Bunlardan biri dengesiz bataryalarda depolanan enerji fazlasının dirençte ısı enerjisi ile gitmesinden kaynaklanan küçük bir verimlilik kaybıdır. Ayrıca pil düzeneğinin toplam kapasitesi, bataryanın şarj düzeyini “en zayıf” hücrenin kapasitesine uyarlama ihtiyacı nedeniyle sınırlıdır [5].
2. Aktif Dengeleme
Aktif hücre dengeleme, şarj ve deşarj döngüleri sırasında pil hücreleri arasındaki şarjı yeniden dağıtan daha karmaşık bir dengeleme tekniğidir. Böylece pil yığınındaki toplam kullanılabilir şarjı artırarak, dengeleme sırasında pasif dengelemeye kıyasla şarj süresini ve üretilen ısıyı azaltır.
2.1 Deşarj Sırasında Aktif Hücre Dengeleme
Aşağıdaki şema, tüm hücrelerin tam kapasitede başladığı tipik bir pil yığınını temsil etmektedir. Bu örnekte, tam kapasite şarjın% 90'ı olarak gösterilmektedir çünkü bir pili uzun süre% 100 kapasite noktasında veya yakınında tutmak kullanım ömrünü daha hızlı azaltır. % 30, hücrelerin derin deşarjını önlemek için tamamen deşarj olduğunu temsil eder
Zamanla, bazı hücreler diğerlerinden daha zayıf hale gelecek ve aşağıdaki şekilde gösterilen bir deşarj profiliyle sonuçlanacaktır.
Birkaç hücrede epeyce kapasite kalmış olsa bile zayıf hücrelerin sistemin çalışma süresini sınırlandırdığı görülebilir. % 5'lik bir pil hücresi uyumsuzluğu, kullanılmayan kapasitenin% 5'ine denk gelir. Büyük bataryalarda bu oran, kullanılamadan kalan aşırı miktarda enerji olabilir. Bu uyumsuzluk, pil şarj ve deşarj döngülerinin sayısında bir artışa neden olduğundan, pilin ömrünü kısaltan ve daha sık pil değişimi ve bu nedenle de yüksek maliyetlere yol açtığı için erişimi zor olan uzak sistemlerde kritik hale gelir.
Aktif dengeleme ile şarj, daha güçlü hücrelerden daha zayıf hücrelere yeniden dağıtılır ve bu da pil hücrelerinden tamamen yararlanılmış bir sonuç çıkarır.
2.2 Şarj Sırasında Aktif Hücre Dengeleme
Pil hücreleri kapasite ve empedans açısından toleranslar vermiştir. Dolayısıyla döngülerde seri halindeki hücreler arasında bir yük farkı birikebilir. Daha zayıf bir hücre seti daha az kapasiteye sahipse, serideki diğerlerine kıyasla daha hızlı şarj olur. Yine sınırlayıcı faktör zayıf hücrelerdir. Bu durumda sistemimizin tutabileceği toplam şarj miktarını sınırlarlar. Aşağıdaki şema bu sınırlama ile şarj etmeyi göstermektedir.[5]
BMS Topolojileri
Veri toplama, durum izleme ve kontrol içeren BMS sisteminin yanı sıra, BMS’nin topolojisi büyük ölçekli batarya yönetimi için çok önemlidir. Topoloji, hücrelerin veya bataryanın elektrik bağlantısını, kontrol yapısını ve iletişim mimarisini kapsar. Maliyetleri, kurulum kolaylığını, bakımını, ölçüm doğruluğunu ve hepsinden önemlisi sistemin güvenilirliğini doğrudan etkiler.
a. Merkezi, Dağıtılmamış BMS
Merkezileştirilmiş BMS’lerde tüm işlevsellik birkaç kabloyla pil hücrelerine bağlanan tek bir modüle entegre edilmiştir. Merkezi BMS tek hücreli gerilim, akım ve sıcaklık ölçümü sağlar.
b. Modülerleştirilmiş BMS
Modülerleştirilmiş BMS’ler, merkezi BMS’ye benzer şekilde ayrı ayrı bataryalara veya hücrelere kablo ile bağlanan birkaç özdeş modülle karakterize edilir. BMS modülleri, diğer BMS modüllerine veri toplama (tek hücre gerilimi, akım, sıcaklık) ve iletişim arayüzleri sağlar. Genellikle modüllerden biri yönetici rolüne atanır veya ayrı bir modül yönetici görevi görür. Ana modül, tüm pil paketini kontrol eder.
Ve sistemin geri kalanıyla iletişim kurarken, diğer modüller yalnızca ölçülen verileri kaydeder ve ana üniteye iletir. Modülerleştirilmiş BMS’lerin bir avantajı geliştirilmiş yönetilebilirliktir. Modüller, uzun kablolardan kaçınmak için pillerin yakınına yerleştirilmiştir. Pil paketi daha fazla hücre ile arttırılırsa başka bir BMS modülü basitçe eklenir. BMS modüllerinin giriş sayısı hala sabittir ve bazı durumlarda girişler kullanılmadan kalabilir. Ek olarak modülerleştirilmiş BMS’lerin maliyetleri daha yüksektir. Merkezi BMS ile karşılaştırıldığında bir BMS modülünün arızalanması, tüm batarya sisteminin çalışmasını tehlikeye atmaz. Arızalı pil hücreleri veya bataryalar sistemden kolayca çıkarılır ve çalışmayı sürdürür. Ancak kapasite azalır.
c. Dağıtılmış BMS
Dağıtılmış BMS’lerde, her hücre dizisi veya hücre kendi BMS modülüyle donatılmıştır. Cell BMS modülleri, çalışma parametrelerinin, dengelemenin ve iletişimin ölçülmesini sağlar. BMS kontrolcüsü, hesaplamayı ve iletişimi yönetir. Her hücrenin özel bir mikrodenetleyici ile donanmış olduğu mevcut en karmaşık topolojidir.
d. Merkezi Olmayan BMS
BMS’lerin merkezileştirilmesi, merkezi kontrol yapılarının dezavantajlarının üstesinden gelmek için olası bir çözümdür. Merkezi olmayan BMS’ler, tüm işlevselliği yerel olarak sağlayan birkaç eşit birimden oluşur. Bireysel BMS birimlerinin her biri, diğerlerinden bağımsız olarak çalışabilir. Birimler arasındaki iletişim hatları, birimler arasında bilgi alışverişini ve görev koordinasyonunu sağlar. Bu mimari ölçeklenebilirlik, minimum entegrasyon çabası ve artırılmış işlevsel güvenlik gibi avantajlar sunarken, geliştirme yeni yöntemler gerektirir. Merkezi olmayan BMS’ler ayrıca iletişimsiz, kablosuz ve kablolu iletişim tabanlı topolojilere ayrılmıştır. Akıllı hücreler yerel olarak ve bağımsız olarak çalışır, bu da güvenliği ve güvenilirliği artırır [7].
Bununla birlikte CAN veya I2C gibi kablolu iletişim sistemlerinde kablo kopması olasılığı nedeniyle, kablosuz iletişime dayalı BMS yaklaşımları geliştirilmiştir . Olası bir çözüm olarak Nesnelerin İnterneti (IoT) ağına dayalı dağıtılmış ve merkezi olmayan bir kablosuz BMS önermektedir. Bununla ilgili Texas Instruments tarafından yapılan çalışmaya göz atabilirsiniz
Bu yazı ile bir batarya yönetim sisteminin temel kavramlarını açıklamayı ve tasarımlarında kullanılan temel bileşenleri tanıtmayı amaçlamaktadır. Umarım, artık bir pil yönetim sisteminin neyi başarmayı amaçladığını ve bir güç tasarımında nasıl kullanılabileceğini daha iyi anladınız. BMS tasarımıyla ilgili daha fazla bilgi edinmek istediğiniz ek kavramlarınız varsa, lütfen aşağıya bir yorum bırakın
Referanslar
[1] Roderick, R. (2015). A Look Inside Battery-Management Systems. Retrieved 3 April 2021, from https://www.electronicdesign.com/power-management/article/21800666/a-look-inside-batterymanagement-systems
[2] Batarya Yönetim Sistemi (BMS) Nedir?. (2016). Retrieved 3 April 2021, from https://www.elektrikport.com/haber-roportaj/batarya-yonetim-sistemi-(bms)-nedir/16949#ad-image-0
[3] A. Hauser and R. Kuhn, High-voltage battery management systems (BMS) for electric vehicles. Elsevier Ltd., 2015.
[4] https://volrad.com.tr/modern-bir-batarya-yonetim-sistemi-nedir-nasil-calisir/
[5] J. Warner, “Battery Management System Controls,” Handb. Lithium-Ion Batter. Pack Des., pp. 91–101, 2015.
[6] Active Battery Cell Balancing | Analog Devices. (2021). Retrieved 5 April 2021, from https://www.analog.com/en/technical-articles/active-battery-cell-balancing.html#
[7] Reindl, A., Meier, H., & Niemetz, M. (2020). Scalable, Decentralized Battery Management System Based on Self-organizing Nodes. Architecture Of Computing Systems — ARCS 2020, 171–184. doi: 10.1007/978–3–030–52794–5_13
