Design and simulation of an additional cell balancing stage circuit

Abstract

Özellikle e-mobilite ve şebeke içi ve şebeke dışı enerji depolama uygulamaları gibi alanlarda pil tabanlı enerji depolama sistemlerinin giderek daha fazla benimsenmesiyle, bu pilleri yönetme teknikleri, uygulama ile ilgili çeşitli zorlukları ele almak için geliştirilmektedir. Akü Yönetim Sistemleri (BMS), bağlı hücre dizesi için güvenilir bir koruma sağlamak amacıyla kullanılır. Bir BMS’nin görevlerinden biri, BMS’nin her bir hücre veya hücre modülünün şarj etme ve boşaltma işlemleri sırasında aynı voltaj seviyesine sahip olmasını sağlamaya çalıştığı Hücre Dengeleme (CB) ’dir. Bu görev, aşırı şarj veya aşırı deşarj olma hassasiyetlerinden dolayı Li-ion pilleri içeren uygulamalarda kritik hale gelebilir. Bir CB tekniğinin karmaşıklığı ve dolayısıyla uygulama maliyeti, pil kimyasına ve uygulamanın hassasiyetine bağlıdır. Böylece dengeleme konusunu ele almak için farklı karmaşıklık seviyelerine sahip farklı tasarımlar geliştirilmektedir. Bu Tez, mevcut bir sisteme tek bir BMS’de ek bir CB tasarımı entegre etmeyi önermektedir. Temel amaç, bir BMS’nin ele alabileceği uygulama gereksinimlerini çeşitlendirmek için iki CB tasarımının faydalarını birleştirmektir. Ayrıca eklenen CB devresi, hücre dengesizliklerine karşı koruma için ek bir katman sağlamaktadır. Bu, özellikle Li-ion piller kullanan hassas uygulamalarda BMS’nin güvenilirliğini artırır. Eklenen CB tasarımı MATLAB’da simüle edildi, simülasyon sonuçları dahil edildi ve tartışıldı.

With the increasing adoption of battery-based energy storage systems, especially in areas such as e-mobility and on-and off-grid energy storage applications, techniques to manage these batteries are being developed to address various application-related challenges. Battery Management Systems (BMS) are used to provide a reliable protection for the connected battery pack. One of the tasks of a BMS is Cell Balancing (CB), in which the BMS tries to ensure that each individual cell or cell module has the same voltage level during charging and discharging operations. This task can become critical in applications involving Li-ion batteries, due to their sensitivity to being overcharged or deeply discharged. The complexity of a CB technique, and thus its implementation cost, depends on the battery chemistry and the sensitivity of the application. Thus, different designs with different complexity levels are being developed to address the balancing issue. This Thesis proposes integrating an additional CB technique to an existing one in a single BMS. The main goal is to combine the benefits of the two CB techniques to diversify the application requirements a BMS can address. Furthermore, the added CB circuit provides an additional layer for the protection against cell imbalances. This increases the reliability of the BMS especially in sensitive applications that utilize Li-ion batteries. The added CB design is simulated in MATLAB and the simulation results are included and discussed.