Batarya Yönetim Sistemi
(BMS) Nedir? |
2. Bölüm

Batarya yönetim sistemi yani BMS, şarj edilebilir pillerde çeşitli işlevlere sahip elektronik bir sistemdir. Bu işlevlerle batarya paketlerindeki değerlerin ölçümü yapılarak olağan değerlerin dışına çıkıldığında müdahale edilir. Bakılan değerler akım, gerilim, sıcaklık gibi önemli parametrelerdir. Detaylar yazımızın devamında.

A- A+

04.03.2021 tarihli yazı 10448 kez okunmuştur.

Batarya Yönetim Sistemi (BMS), elektrikli araçlar, yenilebilir enerji sistemleri, telekomünikasyon ve enerji depolama üniteleri gibi uygulama alanlarında kullanılan bir sistemdir. Genelde lityum tabanlı pillerde kullanımı göze çarpmaktadır. Bu yazıda da Li-ion bataryaları temel alarak BMS’i anlatacağız. Li-ion bataryaları olarak bilinen bataryalar yaklaşık 265 Wh/kg enerji yoğunluğuna sahiptir. Ancak bazı aşırı durumlarda tüm enerjilerini yakma ya da patlatma eğilimi gösterebilirler. İşte böyle olası bir durumla başa çıkmak için BMS kullanılır. Sistemin temel olarak 4 fonksiyonu bulunmaktadır. Bunlar veriyi izleme, hesaplama, koruma ve optimizasyondur.

Şekil 1: Batarya Yönetim Sistemi

►İlginizi çekebilir: Batarya Yönetim Sistemi (BMS) Nedir? | 1. Bölüm

Batarya Yönetim Sisteminin Yapısı

BMS, içinde birçok fonksiyonel blok barındırmaktadır. Bu bloklardan biri olan alan etkili transistörler, kanal akımını ve iletkenliğini yük taşıyıcıları sayesinde değiştirmeye yaramaktadır. Bir diğer blok ise yakıt göstergesidir. Yakıt göstergesi tasarlanırken kullanılabilecek birden fazla teknik bulunmaktadır. Bunlardan biri akım duyarlı bir amplifikatör ve analogtan dijitale dönüştürücü düşük çözünüklüklü MCU ile ölçüm yapmak. Burada amplifikatör, sinyali yükselterek çözünürlüğü yüksek ölçümler yapabilmektedir. Başka bir teknik de yine yüksek çözünürlüklü bir ADC veya oldukça maliyetli olan IC yakıt göstergesi kullanımı ile mümkün. En uygun ve düşük maliyetli çözüm yöntemi ise 16 bit veya daha yüksek bir ADC kullanımı ile voltaj ölçümü yapılmasıdır.

Şekil 2: Ticari Bir BMS Tasarımı

►İlginizi çekebilir: Elektrikli Araç Bataryalarının Termal Yönetim Sistemleri

Bir başka fonksiyonel blok ise hücre voltajı ile ilişkilidir. Sistemde her bir hücrenin voltaj değerinin izlenmesi çok büyük anlam ifade etmektedir. Çünkü bu sayede batarya paketinin düzgün çalışması, batarya ömrü ve genel sağlığı kontrol edilebilmektedir. Bataryanın uygun voltaj aralığı dışında çalışması demek hücrenin işlevsiz hale dönüşmesi anlamına gelebilmektedir. Sıcaklık monitörü de BMS’nin fonksiyonel bloklarındandır. Bataryalar voltaj değerini sabit tutmaya çalışırken çok fazla akım sebebiyle alev alabilir. İşte böyle bir durumda sıcaklık monitörü sayesinde önlem alınabilir. Ama bu monitörün tek fonksiyonu güvenlik değildir. Ek olarak bataryanın sarj edilmesi veya boşaltılması istenip istenmediğini de bu monitör sayesinde belirlenebilir. Bütün bunlara ek olarak bir batarya yönetim sistemi, durum makinesi, gerçek zamanlı saat gibi birçok fonksiyonel blok bulundurabilmektedir.

Batarya Yönetim Sisteminin Çalışma Prensibi ve Bileşenleri

Aşağıdaki şekil, bataryanın olası büyük arızasında BMS’nin nasıl çalışacağını temsil ediyor. Şekilde seri olarak bağlanmış 4 Li-ion hücresi bulunuyor. Şekilde bulunan hücre monitörü tüm hücrenin voltajını okur. Ek olarak voltaj değerini dengeler. Sistemin uzaktan izlenmesi ve kontrol edilmesine telemetri adı verilmektedir. İşte bu telemetri verilerini ve diğer girdileri işleyen MCU, voltaj değerini kontrol ederek dengeli olup olmadığını belirler. Bazı durumlarda BMS, MCU olmadan da kurulur. Standart bir BMS'de sigorta, akım algılayıcı, termistörler, ana anahtar ve dengeleyici bulunur.

Şekil 3: Tipik BMS Blok Şeması

Sigorta

Şiddetli bir kısa devre oluştuğunda, batarya hücrelerinin hızlı bir şekilde korunması gerekir. Aşağıdaki şekide kendi kendini kontrol koruyucusu (SCP) sigortası olarak bilinen şeyi görebilirsiniz. SCP aşırı gerilim durumunda devreye girer. Böylece kısa devre halinde bataryanın hücreleri hızla korunmuş olur.

Şekil 4: SCP Sigortası ve Ticari Bir BMS'nin Kontrolü

MCU yanmış sigortanın durumunu bildirebilir, bu nedenle MCU güç kaynağının sigortadan önce konumlandırılması daha doğru olur.

Akım Algılayıcı / Coulomb Sayacı

Aşağıdaki şekilde MCU'ya doğrudan bağlantıya izin veren bir düşük taraf akımı ölçümü uygulanmaktadır.

Şekil 5: Bir BMS'nin Tipik Düşük Akım Hissi

Bir zaman referansı tutarak ve akımı zamana entegre ederek ve bir Coulomb sayacı uygulayarak bataryaya girilen veya çıkan toplam enerjiyi elde ederiz. Başka bir deyişle, aşağıdaki formülü kullanarak şarj durumunu tahmin edebiliriz

Burada;

• SOC(t₀) ilk SOC'u (Ah cinsinden)
• C_rated nominal kapasiteyi (Ah cinsinden)
• I_b batarya akımını
• I_loss hücre reaksiyon kayıplarını
• τ, elektrik akımı örneklerinin ortalama periyodunu temsil ediyor.

Termistörler

Sıcaklık sensörleri, yani termistörler, hem sıcaklık izleme hem de güvenlik müdahalesi için kullanılır. Şekil 6'da, aşırı gerilim kontrol IC'sinin bir girişini kontrol eden bir termistör görebilirsiniz. Bu, MCU müdahalesi olmadan SCP'yi (Şekil 4'te gösterilen sigorta) yapay olarak patlatır.

Şekil 6: Bir Termistörün Ciddi Termal Problemler Durumunda SCP'yi Kontrol Etmesi

Ana Anahtarlama

MOSFET'lerin anahtar görevi görebilmesi için drenaj kaynağı voltajlarının V_ds< V_g_s– V_th olması gerekir. Doğrusal bölgedeki elektrik akımı I_d= k . (V_g_s– V_th) . V_dsanahtar direncini R_MOS = 1/[k.(V_g_s– V_th)] yapar. Düşük direnci ve dolayısıyla düşük kayıpları sağlamak için V_g_s değeri kontrol edilmelidir.

NMOS türleri, normalde daha düşük R_MOS'a sahip olduklarından, bir şarj pompası aracılığıyla yüksek taraf anahtarlarında da kullanılır.

Dengeleyici

BMS yardımıyla batarya içinde bulunan zayıf hücrelerin tolerans değerlerini aşmadan sarj olması sağlanır. Temel olarak BMS’de iki çeşit dengeleme sistemi vardır. Bunlar aktif ve pasif dengeleme olarak karşımıza çıkar. Pasif dengelemede en yüksek kapasiteli pilden enerji harcanması ile dengeleme sağlanır. Aktif dengelemede ise en yüksek kapasiteli pildeki enerji diğer pillere aktarılarak bir çeşit eşitlenme sağlanmaya çalışılır. Aktif dengeleme pratikte çok işlevsel gözükse de bazı dezavantajları da mevcuttur. Bunlar pratikte uygulanabilirliğinin zorluğu ve arıza ihtimalinin bir o kadar yüksek oluşudur.

Kaynak:

► allaboutcircuits.com
► whatis.techtarget.com
► electronicdesign.com