Elektrikli araçlarda lityum iyon bataryaların sıcaklık ve akım etkisine bağlı olarak istatistiksel yöntemlerle şarj doluluk oranı tahmininin yapılması

Bataryaların şarj durumu tahmini hem güvenlik hem de verimlilik açısından oldukça kritik bir konudur. Özellikle yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum iyon bataryaların aşırı şarj durumunda ortaya çıkan patlama ve yangın riski ve elektrikli araçların hemen hemen hepsinde lityum iyon batarya kullanıldığı gerçeği göz önünde bulundurulduğunda hatalı şarj durumu tahmininin ne kadar ciddi sorunlara yol açabileceği tahmin edilebilir. Bu sebeple yıllardır var olan ve elektrikli araçlar ile birlikte daha da önem kazanan şarj durumu tahmini son yıllarda araştırmacıların ilgisini çekmeyi başarmıştır. Basit batarya uygulamalarında (insan hayatını riske atmayan, doğruluk oranının çok önemli olmadığı batarya uygulamaları) ucuz ve kolay uygulanabilir oldukları için geleneksel şarj durumu tahmin algoritmaları tercih edilmektedir. Elektrikli araçlarda şarj durumu tahmin doğruluk oranının yükseltilmesi talebiyle araştırmacılar birçok karmaşık yöntem geliştirmiştir. Bunlardan en popüler olanlardan bir tanesi kalman filtresi tabanlı yöntemlerdir. Kalman filtresi ve uzantıları şarj durumu tahmini için bir batarya modeline ihtiyaç duymaktadır. Genellikle eşdeğer devre modeli ile birlikte kullanılan kalman filtresi algoritmalarının doğruluk oranı batarya modellinin doğruluk oranı ile orantılıdır. Bu yüzden araştırmacılar batarya modelleri üzerinde de çalışarak model doğruluk oranını artırmaya çalışmışlardır. Bunu yapmanın en iyi yollarından bir tanesi bataryayı etkileyen çevresel ve kimyasal faktörleri göz önünde bulundurmaktır. Bu çalışma kapsamında elektrikli araçlar için akım ve sıcaklığa bağlı batarya şarj durumu (SoC) tahmin algoritması önerilmiştir. Önerilen yöntemde SoC tahmin doğruluk oranını artırmak için eşdeğer devre modelinde sıcaklık ve akım değişimi etkisi göz önünde bulundurulmuştur. Üçüncü dereceden bir eşdeğer devre modeli kullanılarak batarya modelinde batarya karakteristiği en iyi şekilde benzetilmeye çalışılmıştır. Önerilen yöntemde SoC tahmininde yaygın olarak kullanılan ve yüksek doğruluk oranına sahip UKF algoritması kullanılmıştır. Eşdeğer devre parametrelerinin tahmin edilebilmesi için belirli akım ve sıcaklık koşullarında lityum iyon batarya numuneleri anlık deşarj yöntemi ile test edilmiştir. Her sıcaklık ve akım değeri için elde edilen test sonuçları toplanarak parametre tahmin algoritması yardımı ile üçüncü dereceden eşdeğer devre modelinin parametreleri tahmin edilmiştir. Tahmin edilen parametreler üç boyutlu arama tabloları haline getirilerek batarya modelinde kullanılmışlardır. Batarya parametrelerinin tahmini, batarya eşdeğer devre modelinin kurulması ve UKF SoC tahmin algoritmasının oluşturulması için MATLAB Simulink yazılımından faydalanılmıştır. Eşdeğer devre modeli ve SoC tahmin algoritması Simulink ortamında bir araya getirilerek önerilen algoritmanın modeli oluşturulmuştur. Önerilen algoritma benzetim ortamına olgunlaştırıldıktan sonra gömülü sistem araçları kullanılarak STM32F401RE geliştirme kartına yüklenmiştir Önerilen yöntem hem benzetim çalışması hem de uygulamalı yöntemlerle test edilerek yöntemin başarısı gözlemlenmiştir. Yöntemin ticari bir geliştirme kartı üzerinde uygulanabilmesi yöntemin ticarileşmesi açısından umut vericidir. Benzetim ve deneysel doğrulama testleri incelendiğinde önerilen yöntem geleneksel yöntemlerin önüne geçmektedir. Önerilen yöntemin mutlak hatasının %3'ün altında olması bu yöntemin elektrikli araçlarda uygulanabileceğini göstermektedir.