BMS Teknolojileri

Lityum Bataryalarda Aktif ve Pasif Hücre Dengeleme

Seri bağlanarak istenen gerilimde batarya paketleri yapımına olanak veren Lityum hücreler her ne kadar fabrikada üretilirken aynı işlemlerden geçtikleri varsayılsa da pratikte birebir özdeş olmazlar.

 

Diğer yandan kullanıldıkları batarya paketinin baralama yapısı ve hücrelerin kutu içindeki konumundan kaynaklı olarak farklı termal streslere maruz kalmaları gibi sebeplerle zaman içerisinde seri bağlı hücrelerin anot/katot ve elektrolit yapılarında farklılıklar oluşur.  Şarj ve deşarj sırasında üzerlerinden aynı akım aktığı düşünülse bile hücrelerin şarj seviyeleri (SoC) arasında farklılaşmaya ve dolayısı ile hücre gerilimleri arasındaki eşitliğin bozulmasına yol açar.

 

Farklı Lityum pil kimyalarında farklı özellikler görülmekle birlikte, hücre gerilim dengesizliklerinin en yoğun yaşandığı kimya LiFePO4 – LFP olmaktadır. Büyük kapasiteli Enerji Depolama Sistemleri (BESS) ve Elektrikli Otobüs vs. gibi yüksek Ah kapasiteli olarak üretilen LFP hücrelerin kimyasal olarak iç dirençleri de diğer Lityum Metal Oksit (NMC, LCO, LCA vs.) kimyalarına göre daha yüksektir.  Bu da yüksek akımlarda iç direnç farklarından oluşan ek enerji kayıplarının zaman içerisinde hücre gerilimleri arasında ciddi farklar oluşturmasına sebep olur.

 

Elimizdeki LFP batarya paketi eninde sonunda hücreleri arasında 50-100 mV farklar görülür hale gelir. Bu da gerilimi yüksek kalan dolayısı ile SoC seviyesi daha yukarıda kalan hücreler nedeniyle şarj sırasında şarjın erken kesilmesine neden olur. Diğer taraftan SoC seviyesi düşük kalan hücreler nedeniyle de deşarj sırasında bu hücreler 2.5V gibi SoC=%0 seviyelere diğerlerinden erken gireceği için deşarjın erkenden kesilmesine neden olur.

 

BMS’lerin temel fonksiyonu olan OVP (Aşırı gerilim koruması) ve UVP (düşük gerilim koruması) yukarıda belirtilen sebeplerle dengesiz hücrelerden dolayı erken devreye girer. Bu durumda batarya paketinin kullanılabilir enerjisi (diğer bir deyişle Ah kapasitesi) dengeli bir batarya paketine göre daha düşük olur.

 

Dengeleme:

Yukarıda anlatılan sebeplerle hücreleri arasındaki SoC ve dolayısı ile açık devre gerilimleri arasında farklar oluşan batarya paketinin hücreleri arasında gerilim dengesinin yeniden oluşturulmasına “Hücre Dengeleme” (Cell Balancing) adı verilir. Teknik açıdan dengeleme 2 türlü yapılır. Pasif ve aktif dengeleme.

 

  1. Pasif Dengeleme (Passive Balancing):

Bu teknikte BMS devresinde her bir hücrenin +/- uçlarına denk gelecek şekilde bir yarı iletken veya röle anahtar ile buna seri bağlı bir direnç bulunur. BMS yazılımı yaptığı gerilim ölçümlerini irdeleyerek gerilimi ortalamanın üzerinde kalan hücrelere denk gelen anahtarları bağlayarak direnç üzerinden akım akmasını sağlar. Bu sayede hücrenin enerjisi belli bir süre V2/R gücünde “yakılır”. Enerjisi azalan hücrenin gerilimi de düşer. Elektronik olarak sadece bir anahtarı açıp kapatmak şeklinde olan pasif dengeleme devrelerinde temel sorun direnç üzerinde oluşan ısının atılmasıdır. Hızlı dengeleme istendiğinde dengeleme akımının yüksek olması gerekir bu durumda direnç de küçük seçilir. Örneği 1 A dengeleme akımı akması istendiğinde 3.2V’luk bir LFP hücreye 3.2 Ohm direnç ile balans yapmak gerekir. I2R kadar bir ısı çıkması anlamına geldiğinden bu balans işlemi 3.2W ısı üretecektir. Bu da devre kartı üzerinde dağılması zor olan ve soğutucu malzemeler bağlanmasını gerektiren bir durum oluşturur. Hele aynı anda 3-5 hücreye bu tür bir dengeleme uygulamak için çok ciddi soğutucu yapılar oluşturulması gerekir.

 

Bu termal problemlerden dolayı pasif balans devrelerinde pratikte 100-200 mA üzerinde dengeleme akımı akıtmak çok fizible olmamaktadır. Dengelemeye çalışılan hücrenin 200-300Ah olması durumunda bu küçük akımlar dengeleme süresini çok uzatabilmektedir. Sık sık şarj deşarj olması gereken BESS’ler veya elektrikli forkliftler, otobüsler için bu kadar uzun süre balans yapılmasını beklemek pek olası değildir.

 

  2. Aktif Dengeleme (Active Balancing):

Literatürde birçok farklı aktif dengeleme devre topolojileri bulunmakla birlikte temel olarak üç yöntem kullanılır.

  1. Hücreler arası yük transferi

  2. Hücreden pakete yük transferi

  3. Paketten Hücreye yük transferi

 

Elektronik devrelerinin karmaşıklığı ve maliyetlerinin yüksekliği nedeniyle paket < - > hücre arası yük transferine dayanan yöntemleri özel durumlar haricinde kullanmak pek uygun olmamaktadır. Bu bağlamda paketteki hücreler arasında yük transferine dayanan yöntemler daha uygulanabilir çözümler olarak öne çıkmaktadır.

  • Hücreler arası kapasitif elemanlar ile yük transferi:

Komşu hücrelere belli bir periyotta kapasitörlerin alternatifli olarak bağlanması prensibine dayanır. Literatürde “Flying Capacitor” veya “Capacitor charge shuttle” gibi isimlerle anılan bu yöntemde çok düşük iç dirençli (ESR) kapasitörler kullanılması gereklidir. Bu da anahtarlama sırasında anlık yüksek akımlar akmasına neden olduğu için uygun yarı iletken anahtarlar (MOSFET) kullanımını gerektirir.

  • Hücreler arası endüktif elemanlar ile yük transferi:

Bu yapıda komşu hücreler arası bir buck/boost devre ile yükün endüktans (bobin) üzerinden transferi sağlanır.

 

 

BATKON BMS’lerde Aktif Balans:

 

BATKON ekibi 10 yıllık lityum BMS tasarım sürecinde bir çok dengeleme yöntemi üzerinde çalışmış ve bu işlevleri yapan elektronik devreler ve gömülü yazılımlar tasarlayarak uygulamıştır.

 

Gelinen noktada hem Pasif hem de Aktif (Endüktif) şarj transferi yöntemlerini kullanabilen bir Lityum BMS tasarımına yakınsamıştır. BATKON tarafından yürütülen SANDY kod adlı Modüler BMS tasarım projesinde BMS ana kartına Daugther-Board olarak eklenebilen Aktif ve Pasif balans modülleri tasarlanmıştır. Pasif balans modüllerinde 200 mA’e kadar akımlarla dengeleme mümkünken, aktif balans modülünde komşu hücreler arası 1.5A’e kadar şarj transferi mümkün olmaktadır.

 

200-300Ah hücrelerin kullanıldığı BESS, E-Forklift, AGV, Solar Battery vs. uygulamalarında Batkon’un geliştirdiği Aktif balans modülü ile 1.5A gibi yüksek bir akımla ve çok düşük ısı üreterek, verimli bir şekilde LFP hücre dengelemesi yapmak mümkün olabilmektedir.