Elektrikli araç batarya sistemlerinde yalıtım tespit sistemi geliştirilmesi ve uygulanması
Development and application of insulation detection system in electric vehicle battery systems
Yazar: SEYHAN KAYA
Danışman: PROF. DR. ABDULKADİR BALIKÇI
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Batarya = Battery ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Kalman filtre = Kalman filter ; Yalıtım = Insulation

Özet:
Elektrikli araçlarda güvenlik, hem araç içi devre ve komponentler hem de kullanıcı için büyük önem arz etmektedir. Güvenlik için yapılması gereken en önemli unsur yüksek gerilime sahip birbirine seri bağlı pil paketlerinden oluşan batarya sisteminin izolasyonunu sağlamak ve anlık olarak tespit etmektir. Bu çalışmanın amacı da elektrikli araç batarya sistemlerinde gerekli olan yalıtımı anlık olarak tespit etmektir.
Elektrikli araçlar için büyük önem taşıyan yolcu ve cihaz güvenliği konusunda yapılan bu çalışmada, yalıtım direnci tespit edilmesi amacıyla bir devre tasarlanmış ve bu devrenin simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Bu tasarım, pozitif ve negatif yalıtım dirençlerini hesaplamak için ölçüm devresi, bu devreden alınan sonuçların gürültüden temizlenmesi ve yüksek doğruluk için genişletilmiş kalman filtresi ve alınan ve hesaplanan sonuçları online izlemek için tasarlanan mikroişlemci devresinden oluşmaktadır. Ayrıca bataryada bulunan yüksek gerilimin gerçek zamanlı tespiti için yüksek gerilim ölçüm devresi tasarlanmıştır.
Öncelikle pozitif ve negatif yalıtım direncini tespit etmek için kullanılan yöntemler incelenmiş ve bu yöntemler içinden bu çalışmaya en uygunu seçilmiştir. Dengesiz köprü yalıtım algılama yöntemi kullanılarak devre tasarımı yapılmış ve yalıtım dirençlerini hesaplamak için gerekli ölçüm alınmıştır. Bu ölçümler Ltspice programında çizilen devreden elde edilmiştir. Ancak yapılacak hesaplamalar için batarya paketi üzerindeki yüksek gerilimin gerçek zamanlı olarak ölçülmesi gerekmektedir. Dolayısıyla yüksek gerilim ölçüm devresi tasarımı yapılmıştır. Bu devre ile batarya paketi üzerindeki yüksek gerilim anlık olarak ölçülmektedir. Ölçülen bu değerler yalıtım direnci tespit hesaplamalarında kullanılmaktadır. Alınan ölçümlerle yapılan hesaplamalar doğrultusunda devre tasarımı tamamlanmıştır.
İkinci olarak, tasarlanan yalıtım tespit devresinden alınan sonuçların doğruluğu ve gürültülerden kurtulması adına filtre çeşitleri incelenmiş ve genişletilmiş kalman filtresi uygun görülmüştür. Bu filtre için matematiksel model oluşturulmuştur.
Son olarak, yapılan ölçümler aracılığıyla elde edilen değerlerin, analog-dijital dönüştürücü ile mikroişlemciye aktarılması ve gerekli hesaplamaların yapılarak pozitif ve negatif yalıtım dirençlerinin elde edilmesi için mikroişlemci şematiği oluşturulmuştur. Bu şematikte amaç, adc ile alınan ölçümün mikroişlemci ile hesaplanarak pozitif ve negatif direnç değerlerinin anlık tespitidir. 
Elektrikli araçlar için pozitif ve negatif yalıtım dirençlerindeki anlık değişimleri takip etmek büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmanın amacı, elektrikli araçlarda araç şasisi ile yüksek gerilime sahip batarya paketi arasında bulunan pozitif ve negatif yalıtım dirençlerini gerçek zamanlı olarak tespit etmektir. Yapılan çalışmalar ve simülasyonlar sonucunda hesaplanan anlık pozitif ve negatif direnç değerleri için %4 ile 12 arasında bir hata mevcuttur. Devre gerçeklemesi sırasında eklenecek olan genişletilmiş kalman filtresi ile mevcut hatada iyileşme beklenmektedir.

Anahtar Kelimeler: Elektrikli Araç; Batarya Sistemleri; Yalıtım Direnci; Kalman Filtresi; ADC; LTspice

Abstract:
Safety in electric vehicles is of great importance for both in-vehicle circuits and components and for the user. The most important thing to do for safety is to ensure the isolation of the battery system, which consists of high voltage battery packs connected in series, and to detect it instantly. The aim of this study is to instantly determine the insulation required in electric vehicle battery systems.
In this study on passenger and device safety, which is of great importance for electric vehicles, a circuit has been designed and simulated to detect insulation resistance. This design consists of a measuring circuit for calculating positive and negative insulation resistances, an extended kalman filter for noise cleaning and high accuracy of the results obtained from this circuit, and a microprocessor circuit designed to monitor the received and calculated results online. In addition, a high voltage measurement circuit is designed for real-time detection of high voltage in the battery.
First of all, the methods used to determine the positive and negative insulation resistance were examined and the most suitable method was selected for this study. Circuit design was made using the unbalanced bridge insulation detection method and the necessary measurement was taken to calculate the insulation resistances. These measurements were obtained from the circuit drawn in the Ltspice program. However, for the calculations to be made, the high voltage on the battery pack should be measured in real time. Therefore, a high voltage measurement circuit has been designed. With this circuit, the high voltage on the battery pack is instantly measured. These measured values are used in insulation resistance determination calculations. The circuit design has been completed in line with the calculations made with the measurements taken.
Secondly, in order to get rid of the noise and the accuracy of the results obtained from the designed insulation detection circuit, the filter types were examined and the extended kalman filter was found suitable. A mathematical model has been created for this filter.
Finally, a microprocessor schematic was created in order to transfer the values obtained through the measurements to the microprocessor with the analog-digital converter and to obtain the positive and negative insulation resistances by making the necessary calculations. The purpose of this schematic is to instantly detect positive and negative resistance values by calculating the measurement taken with adc with a microprocessor.
For electric vehicles, it is of great importance to follow the instantaneous changes in the positive and negative insulation resistances. The aim of this study is to detect the positive and negative insulation resistances between the vehicle chassis and the high voltage battery pack in electric vehicles in real time. There is an error between 4% and 12% for instantaneous positive and negative resistance values calculated as a result of studies and simulations. Improvement in the current error is expected with the extended kalman filter that will be added during the circuit implementation.

Keywords: Electric Vehicle; Battery Systems; Insulation Resistance; Kalman Filter; ADC; LTspice