PLC kontrollü batarya yönetim sistemi tasarımı
PLC controlled battery management system design
Yazar: ÖNDER ORBEYİ
Danışman: DOÇ. MUSTAFA YAĞCI
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Batarya = Battery ; Batarya termal yönetim sistemi = Battery thermal management system ; Elektrikli araçlar = Electric vehicles ; Lityum iyon pil = Lithium ion battery

Özet:
Yakın geçmişten itibaren, geleneksel içten yanmalı motor teknolojisine sahip araçlarda kullanılan fosil yakıtların çevreye olan çok sayıda zararlı etkileri, sınırlı rezervleri ve ayrıca gelişmemiş veya gelişmekte olan ülkelerde yaşanan fosil yakıt fiyat artışları gibi olumsuz sebepler, güç ihtiyacını bataryalardan karşılayan elektrikli araç teknolojilerine olan ilgiyi yüksek seviyelere çıkarmıştır. Yani batarya teknolojisinin, elektrikli araç teknolojisinde başrol görevini üstlenen teknoloji olduğunu söylemek mümkündür. Ayrıca yenilenebilir enerji sistemlerinin gelişmesiyle beraber ortaya çıkan, daha temiz enerji hedeflerinden dolayı gündemde olan karbon sıfır politikası da temiz enerji sistemlerine kolayca uyum sağlayan enerji depolama sistemlerine olan ilgiyi arttırmaktadır. Diğer taraftan dünya genelinde, enerji ihtiyacının sürekli artmasıyla beraber enerji arz sorunu yaşanmaktadır, bu kapsamda enerji arz sorununu çözebilmek ve enerji yeterliliğini sağlamak için enerji depolama sistemleri ön plana çıkmaktadır. Elektrikli araç teknolojilerindeki gelişmeler, temiz enerji politikaları ve enerji arz sürekliliğinin sağlaması hedefi gibi nedenlerden dolayı popüler hale gelen enerji depolama sistemlerinin verimli ve güvenli şekilde kullanılması gerekmektedir. Bu yüzden, enerji depolama sistemlerinde kullanılan batarya teknolojilerinin yüksek verim ve yüksek güvenlikte çalışması için Batarya Yönetim Sistemi (BYS) kullanılması çok önemli bir gereksinimdir.

Bu tez çalışmasında, başta elektrikli araçlar olmak üzere diğer enerji depolama sistemlerinde de çok fazla tercih edilen Li-ion tabanlı bataryalar kullanılmıştır. Günümüzde, BYS'ler genel olarak güç elektroniğinden yararlanılarak tasarlanmış elektronik kartlar, entegreler ve yardımcı donanımlarından oluşan kontrolcüler ile tasarlanmıştır. Geleneksel yöntemlerden farklı olarak Programlanabilir Lojik Kontrolcü (PLC), analog-dijital kontrolcü modülleri ve yardımcı donanımlardan oluşan bir pasif dengelemeli BYS tasarlanmış, uygulama devresi kurulmuş ve testleri yapılmıştır. PLC'yi programlamak için, Ladder Diagram (LD) olarak bilinen programlama dili ile yazılım yazılmıştır. Geleneksel BYS'lerde sınırlı sayıda batarya hücresi ve sınırlı akım değerleri kontrol edilebilmektedir ve her batarya paketi için ayrı bir kontrolcü kullanılmaktadır. Çalışmada kullanılan PLC kontrolcü ve algoritması sayesinde tek bir kontrolcü ile birden çok sayıda batarya paketi kontrol edilebilmekte ve daha yüksek akım değerlerinde işlem yapılabilmektedir. Bu avantajı sayesinde PLC kontrollü BYS daha geniş kontrol kapasitesi ile öne çıkmaktadır. Geleneksel yöntemlerde kullanılan kontrolcüler küçük boyutlardadır ve batarya paketlerin içerisine dahil edilebilmektedir. Ancak PLC kontrolcü ile tasarlanan BYS'ler ise daha büyük hacimlidir ve BYS donanımı için harici bir alan ihtiyacı doğurmaktadır.

Anahtar Kelimeler: Batarya, batarya yönetim sistemi, elektrikli araç, Li-ion, pasif dengeleme, sıcaklık kontrol yöntemi.

Abstract:
Since the recent past, fossil fuels used in vehicles with traditional internal combustion engine technology; a lot of harmful effects on the environment, limited reserves and besides fossil fuel price increases in underdeveloped or developing countries like this negative reasons have increased the interest in electric vehicle technologies that meet their power needs from batteries. In other words, it is possible to say that battery technology is the technology that plays the leading role in electric vehicle technology. In addition, the carbon zero policy, which emerged with the development of renewable energy systems and is on the agenda due to cleaner energy targets, increases the interest in energy storage systems that easily adapt to clean energy systems. On the other hand, there is an energy supply problem with the continuous increase in energy demand throughout the world, in this context, energy storage systems come to the fore in order to solve the energy supply problem and ensure energy efficiency. Energy storage systems, which have become popular due to developments in electric vehicle technologies, clean energy policies and the goal of ensuring energy supply continuity, need to be used efficiently and safely. Therefore, the use of Battery Management System (BMS) is a very important requirement for battery technologies to work with high efficiency and safety.

In this thesis, Li-ion based batteries, which are very preferred in other energy storage systems, especially in electric vehicles, have been used. Today, BMSs are generally designed with electronic boards designed using power electronics, integrated controllers and auxiliary equipments. Unlike traditional methods, a passive balanced BMS consisting of a Programmable Logic Controller (PLC), analog-digital controller modules and auxiliary equipment, which has not been used much before, was designed, the application circuit was established and tested. In order to program the PLC, software is written with the programming language known as Ladder Diagram (LD). In traditional BMSs, limited number of battery cells and limited current values can be controlled and a separate controller is used for each battery pack. Thanks to the PLC controller and algorithm used in study, multiple battery packs can be controlled with a single controller and higher current values can be used. Thanks to this advantage, it stands out with its wider control capacity. Controllers used in traditional methods are small in size and can be included in battery packs. But BMSs designed with PLC controllers are larger in volume and require an external area where the BMS equipment can be located.

Keywords: Battery, battery management system, electric vehicle, Li-ion, passive balancing, temperature control method.