PI, SVPWM zamanlayıcı ve farklı lyapunov algoritmaları kullanılarak batarya şarj süreleri ve kararlılıkların kıyaslanması
Comparison of battery charge times and stabilities using Pİ, SVPWM timer, and different lyapunov algorithms
Yazar: DOĞUKAN ÖZTÜRK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ YALÇIN ALBAYRAK
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Lityum iyon pillerinin kullanım alanı büyük bir hızla artmaktadır. Bunun yanı sıra gelişen teknoloji ile daha yüksek kapasitede, daha hızlı şarj sistemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tarihsel süreç boyunca yeni gelişen sistemlere, daha önceden başka sistemler üzerinde başarılan kontrol yöntemleri uyarlanmıştır. Buradan yola çıkarak daha önce batarya şarj sistemlerinde zaten başarılı olan PI algoritmasına yeni bir zamanlayıcı eklendi. Bu zamanlayıcı, elektrikli motor sürücü devrelerinde oldukça popüler olan SVPWM tekniği yardımıyla bataryaya uyarlanmıştır. Lyapunov'un farklı kararlılık teorileriyle sistemin davranışları kıyaslanmıştır. Batarya yönetim sisteminin bir konusu ise bataryanın nasıl şarj edileceğidir. Eski şarj devreleri daha çok elektronik tabanlı olup daha az yazılıma sahiptir ancak günümüzde devre elemanları üzerindeki kayıpları azaltmak ve daha küçük şarj devreleri elde etmek amacıyla matematiksel kontrol algoritmaları kullanılarak daha sağlıklı bir hızlı şarj yöntemi isteği vardır. Bu çalışmada daha önceden şarj devreleri için kullanılmış çift yönlü dönüştürücü devresi ve PI algoritmasına ek olarak motor sürücü devreleri ile batarya şarj devrelerindeki benzerlikten yararlanarak SVPWM tekniği yüksek güç aktarımı için şarj devresinde kullanılmıştır. Ayrıca bu teknik, batarya doluma yaklaştıkça batarya üzerindeki zorlamaları optimize edebilmek için akımı zamanla azaltmaktadır. Daha sonra Lyapunov kararlılık algoritmaları sisteme eklenip kararlılık durumları birbirleriyle kıyaslanmıştır. Bu kıyaslar zamana karşı akım, voltaj, SoC ve sıcaklık grafikleri ile ele alınmıştır. Kontrol algoritmalarının akım ve voltajdaki dalgalanmalarını azaltarak sistemi daha kararlı hale getirdiği simülasyon üzerinde gösterilmiştir. Şarj edilen bataryanın önerilen akım ve gerilim miktarına en erken sürede ulaşan, en az dalgalanmaya ve en az ısınmaya neden olan topoloji daha başarılı bir yöntem olacaktır. Pil parametreleri bilindiği zaman SoH hakkında yorum yapmak mümkündür. Yeni yöntemler eklendiğinde batarya iç direnci değişim hızı daha yavaş olmasıyla daha sağlıklıdır. Sağlık yorumu sadece Kalman filtresiyle değil, kontrol algoritmalarının önemli parametreleri kullanılarak da değerlendirilmiştir. Sitem kararlılığı; oturma süresi, aşma miktarı gibi temel ve önemli kontrol parametreleri kullanılarak incelenmiştir. Bu çalışmanın nasıl geliştirilebileceğine dair yorumlar yapılmıştır.

Abstract:
The usage area of lithium-ion batteries is increasing rapidly. Additionally, with the developing technology, higher capacity, and faster charging systems have been needed. Control methods previously achieved on other systems have adapted to newly developed systems throughout the historical process. Based on this, a new timer has been added to the PI algorithm, which was already successful in the battery charging systems. This timer was implemented in the battery with the help of the SVPWM technique, which is extremely popular in electric motor drive circuits. The system's behaviour has been compared with different stability theories of Lyapunov. One issue with the battery management system is how to charge the battery. The old charging circuits are mostly electronic based and have less software, but today there is a demand for a healthier fast charging method using mathematical control algorithms to reduce the losses on the circuit elements and to obtain smaller charging circuits. In this study, in addition to the bidirectional converter circuit and PI algorithm previously used for the charging circuits, the SVPWM technique has been used in the charging circuit for high power transfer by taking advantage of the similarity between the motor driver circuits and the battery charging circuits. Additionally, this technique reduces the current over time to optimize the strains on the battery as the battery approaches full charge. Then, the Lyapunov stability algorithms have been added to the system, and the stability states were compared with each other. These comparisons were handled with graphs of current, voltage, SoC, and temperature against time. It has been shown in the simulation that the control algorithms make the system more stable by reducing the fluctuations in current and voltage. The topology that reaches the recommended current and voltage amount of the charged battery in the earliest time reaches the least amount of fluctuation and causes the least heating of the battery will be a more successful method. It is possible to comment on the SoH when the battery parameters are known. When new methods have added to the system, the battery's internal resistance change rate is slower and healthier. The health interpretation has been evaluated not only using the Kalman filter but also using the essential parameters of the control algorithms. The system stability was investigated using significant control parameters such as settling time and overshoot. Comments have been made on how this study could be improved.