Lityum titanat pillerin doluluk oranının kestirimi için elektro-termal tabanlı bir modelin geliştirilmesi
Development of an electro-thermal based model for estimate the state of charge of lithium titanate batteries
Yazar: YUSUF MURATOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ALKAN ALKAYA
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Gelişmiş enerji depolama teknolojileri, temiz, yenilenebilir, verimli ve güvenli bir gelecek için oyunun kurallarını değiştiriyor. Cep telefonları, dizüstü bilgisayarlar, elektrikli araçlar ve elektrokimyasal enerji depolama sistemlerinde yüksek iyonik taşıma kinetiği ve güç yoğunluğuna sahip güvenli güç kaynağı talep edilmektedir. Lityum titanat oksit (LTO) pilinde kullanılan anot malzemesi, grafit anot malzemesine göre şarj işlemi sırasında dendrit oluşumuna neredeyse hiç izin vermez ve hiç hacim değişikliği yaratmaz. Anot malzemesinin bu karakteristik özelliği, LTO pil için yüksek iyonik taşıma kinetiği, yüksek güvenlik, yüksek döngü kararlılığı ve uzun çevrim ömrü sağlar. LTO pilin lityum-iyon pile göre sahip olduğu daha gelişmiş özellikleri gelişen enerji depolama sistemlerinde giderek daha çok dikkat çekmektedir.
LTO piller, pil operasyonlarının verimliliğini artırmak ve güvenliğini sağlamak için batarya yönetim sistemiyle (BYS) birlikte kullanılmaktadır. BYS'nin çalışma performansı sistemin en önemli fonksiyonlarından biri olan pil doluluk oranı (SoC) ile doğrudan ilişkilidir. SoC pil üzerinden ölçülebilen bir parametre değildir. Bu nedenle BYS yüksek doğrulukta pil modeline ihtiyaç duymaktadır. SoC oluşturulan pil modeli üzerinden kestirilir. LTO pil elektrokimyasal çalışma prensibine sahiptir ve operasyon sırasında sıcaklığa duyarlıdır. Bu nedenle oluşturulacak pil modelinin doğruluğu, pilin elektrokimyasal çalışma karakteristiğini sıcaklığa bağlı olarak doğru bir şekilde yansıtmasına bağlıdır. Sıcaklıkla yapılan çalışmalar incelendiğinde kullanılan sensör sayısının fazla olduğu görülmüştür. Bu nedenle maliyeti yüksektir. Ayrıca eşdeğer parametreleri yüksek dereceli polinomlarla ifade edilmiştir. Bu da modelin karmaşıklığını arttırmakta ve işlem zamanını yükseltmektedir. Sonuç olarak sıcaklığa bağlı model için daha basit ve etkili bir çözüm gerekmektedir.
Bu çalışmada enerji depolama sistemlerinin geliştirilmesi amacı ile LTO pilin operasyon karakteristiğini tam olarak yansıtabilecek elektro-termal pil modeli geliştirilmektedir. Geliştirilen pil modeli diğer çalışmalardan farklı olarak sensör ihtiyacına duymamaktadır. Ayrıca devre parametrelerinin belirlenmesinde daha basit ve uygulanabilir çözüm sunmaktadır. Geliştirilen pil modeli üzerinden SoC doğrusal olmayan kestiricilerden sigma noktası Kalman filtresi (SNKF) ve genişletilmiş Kalman filtresi (GKF) ile kestirilmiştir. Model ve kestirim sonuçlarının performansları deneysel olarak doğrulanmıştır.

Abstract:
Advanced energy storage technologies change the game's rules for a clean, renewable, efficient, and secure future. A safe power supply with high ionic transport kinetics and power density is demanded, in the mobile phones, laptop computers, electric vehicles, and electrochemical energy storage systems. Compared to the graphite anode material, the anode material used in lithium titanate oxide (LTO) battery during charging rarely allows dendrite formation and creates almost no volume changes. This characteristic of the anode material provides high ionic transport kinetics, high safety, high cycle stability, and long cycle life for LTO batteries. The advanced features of LTO batteries compared to lithium-ion batteries have attracted more and more attention in developing energy storage systems.
LTO batteries are used with the battery management system (BMS) to increase the efficiency and safety of battery operations. The operation performance of the BMS is directly related to the state of charge (SoC), which is one of the most important functions of the system. SOC is not a parameter that can be measured directly on the battery. Therefore, the BMS needs an accurate battery model. The SoC is estimated using an accurate battery model. The LTO battery has an electrochemical operation principle and is temperature-sensitive during operation. Therefore, the accuracy of the battery model to be developed depends on accurately reflecting the electrochemical and thermal operating characteristics of the battery. When the studies related with temperature were examined, it was seen that the number of sensors used was high. Therefore, its cost is high. Additionally, the equivalent parameters are expressed as higher order polynomials. This increases the complexity of the model and the processing time. As a result, a simpler and more effective solution is required for the temperature-dependent model.
In this study, an electro-thermal battery model that can fully reflect the operational characteristics of a LTO battery is developed for the purpose of developing energy storage systems. The developed battery model does not require sensors, unlike other studies. It also provides a simpler and more applicable solution for determining circuit parameters. Based on the developed battery model, the SoC was estimated with the sigma point Kalman filter (SPKF) and extended Kalman filter (EKF), which are non-linear estimators. The performance of the model results and estimation results have been experimentally verified.