Elektrikli araçlarda kullanılmak üzere metal-air bataryaların modellenmesi ve şarj durumlarının kalman filtresi ile kestirilmesi
Modeling and state of charge estimation of metal-air batteries with kalman filter for the usage in electric vehicles
Yazar: BURAK ŞEN
Danışman: PROF. DR. FİKRET ÇALIŞKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering

Özet:
Elektrikli araç kullanımı küresel ısınma ve sera gazı emisyonları gibi gün geçtikçe artan kitlesel kaygılar nedeniyle yaygınlaşmaktadır. Bu nedenle, şarj edilebilir piller elektrikli araçlarda umut verici alternatif bir güç kaynağı haline gelmiştir. Elektrikli araçlarda yaygın olarak Lityum İyon (Li-Ion)  temelli bataryalar kullanılmaktadır. Li-Ion pillerin yüksek anma voltajı ve uzun süreli ömrü gibi önemli üstünlüklerinden bahsedilebilir. Bu üstünlüklerinden dolayı diğer batarya çeşitleri olan kurşun asit piller, nikel tabanlı piller ve sodyum tabanlı pillere kıyasla elektrikli araçlarda daha fazla tercih edilmektedir. Bu bağlamda, elektrikli araçlarda yaygın olarak Lityum İyon (Li-Ion)  temelli bataryaların kullanımına devam edilmektedir.
 
Bununla birlikte, teorik olarak yüksek enerji yoğunluğuna sahip, zararlı gaz salınımını azaltıcı, kompakt ve daha hafif yapılarıyla yakın gelecekte sıklıkla kullanılabileceği öngörülen Metal-Air batarya tiplerinden Lityum air (Li-Air) modellerinden bahsetmek de mümkündür. Ancak Li-Air pillerin modellenmesinde kimyasal karakteristiklerinden ötürü karmaşık analitik denklemler söz konusudur. Doğru ve daha az kompleks bir batarya modeli üzerinden akım ve gerilim gibi ölçülebilen nicel değerler aracılığıyla batarya şarj/deşarj durumunun isabetli olarak tahmin edilmesi önem arz etmektedir. Bu çalışmada, Li-Air pillerin geleneksel batarya çeşitleriyle Matlab Simulink kullanılarak şarj durumu mukayeseli olarak ele alınmıştır. Bu itibarla, öncelikle batarya davranışını doğru olarak yansıtmayı amaçlayan eşdeğer devre batarya modelleri üzerinden Kalman Filtresi ile Li-Ion batarya şarj/deşarj durumlarının kestirilmesi yoluna gidilmiştir. Sonrasında ise Li-Air bataryaların kimyasal dinamiklerinden kaynaklı karmaşık analitik denklemlerinden ziyade, bu tipteki pil çeşitlerinin iç dinamikleriyle uyumlu olarak daha önceki teorik çalışmalar neticesinde elde edilmiş basitleştirilmiş elektriksel eşdeğer modeli aracılığıyla pil şarj/deşarj durumlarına ait kapasite-direnç değişim etkileri gözetilerek başarılı simülasyon sonuçları elde edilmiştir.

Abstract:
Lithium-ion batteries are becoming the main energy sources in today's electric vehicle market due to the advantages of high energy and power density, and long lifespan. To monitor the battery system, a well-designed battery management system is required to track the battery properties, such as the state-of-charge, state-of-health estimation, and remaining useful life estimation. 

Although Lithium-ion batteries have been in usage for more than a century, the growth of solar and wind technologies, the rapid development in portable technologies along with growing interest towards electric vehicles will result in mounting demand of electrochemical batteries, which supply the power and energy requirements and are environmentally sustainable. Li-air batteries have a theoretical high energy density, which is approximately 5-10 times that of Li-ion batteries. Also Li-air batteries are lighter, compact, and energy efficient. Using Li-air batteries on electric vehicles is expected to reduce greenhouse gas emissions and improve the range of present electrical vehicles. As the use of electric vehicles increases globally, so will the use for batteries and hence the demand for lithium. 

In this thesis, state of charge parameters of Li-Air batteries and Lithium-ion types are compared by using Matlab Simulink. In this respect, firstly the state of charge of Li-Ion batteries is measured and estimated with kalman fılter. Then due to electorchemical dynamics of Li-Air batteries, simplified Thevenin equivalent circuit, which is gotten thanks to past theoritical studies, is used in the simulations instead of very complex analytical equations.