Batarya yönetim sistemlerinde kullanılan dengeleme topolojileri incelenmiş, maliyet, dengeleme hızı, verim gibi parametreler açısından karşılaştırılması yapılmıştır.

1. Batarya Yönetim
Sistemlerinde Kullanılan
Dengeleme Topolojilerinin
Karşılaştırılması
CANER GÖKSEL SONUZUN
EMIN ASIM YILMAZ

2. İçerik
1. Dengeleme Sistemleri Hakkında
2. Dengeleme Topolojileri Genel Şeması
3. Pasif Dengeleme Topolojileri
4. Aktif Dengeleme Topolojileri
5. Dengeleme Topolojileri Genel Karşılaştırma Tablosu
6. Sonuçlar
7. Kaynakça

3. Dengeleme Sistemleri Hakkında
Seri bağlı hücrelerin, gerilim ve/veya şarj seviyelerini
dengede ve güvenli sınırlar içerisinde tutmak amacıyla
batarya dengeleme sistemleri kullanılır.

4. Dengeleme Topolojileri Genel Şeması

5. Pasif Dengeleme Topolojileri
a) Sabit Direnç İle Dengeleme b) Anahtarlamalı Direnç İle Dengeleme
• Kullanılan en basit dengeleme
yöntemi.
• Uygulaması çok kolay ve çok ucuz.
• Sürekli olarak hücrelerden akım
çeker, verimsizdir.
• Yalnızca Kurşun Asit ve Nikel
temelli bataryalarda kullanılabilir.
• Hücreler ayrı ayrı kontrol edilir, aşırı şarj
durumu yaşanmaz.
• Seri bağlı hücrelerin gerilimlerinin kontrolcü
tarafından ayrı ayrı okunması
gerekmektedir.
• Bir anahtar , bir direnç ve bir kontrolcüden
oluşur.
• Kullanılan en yaygın dengeleme yöntemidir.
• Deşarj evresinde kullanılırsa, şarjın erken
bitmesine sebep olur.
• Aktif topolojilere göre dengeleme süreleri
uzundur.
Pasif Dengeleme, şarj durumu diğerlerinden yüksek olan hücrelerin enerjilerinin bir direnç
üzerinden harcanması ile sağlanan dengeleme yöntemidir.

6. Aktif Dengeleme Topolojileri
Aktif dengeleme, şarj durumu yüksek olan hücrelerin enerjilerinin şarj durumu düşük olan
hücrelere aktarılması ile yapılan dengeleme yöntemidir.

7. Kapasitans (Kapasitör) Temelli Aktif
Dengeleme

8. Kapasitör Temelli Aktif Dengeleme
a) Anahtarlamalı Kapasitör
• n sayıdaki hücreyi dengelemek için
(n-1) sayıda kapasite ve 2n sayıda
anahtara ihtiyaç duyulur.
• Maliyeti Pasif Dengeleme
yöntemlerine göre yüksektir.
• Verim maksimum %50 olabilir.
• Kontrolü kolaydır.
• Hem şarj evresinde hem deşarj
evresinde dengeleme yapılabilir.
• Diğer aktif dengeleme yöntemlerine
göre daha uzun bir dengeleme süresi
vardır.

9. Kapasitör Temelli Aktif Dengeleme
b) Tek Anahtarlamalı Kapasitör
• n sayıdaki hücreyi dengelemek
için 1 adet kapasitör ve (n+5)
adet anahtara ihtiyaç duyulur.
• Verim maksimum %50 olabilir.
• Hem şarj evresinde hem deşarj
evresinde dengeleme yapılabilir.

10. Kapasitör Temelli Aktif Dengeleme
c) İki Sıralı Anahtarlamalı Kapasitör
• Anahtarlamalı kapasitör yönteminin
bir diğer türevidir.
• n sayıda hücrenin dengelenmesi için
n sayıda kapasitör ve 2n sayıda
anahtara ihtiyaç duyulur.
• İkinci sıra kapasitör dizlimi, birbirine
komşu olmayan hücrelerin birbirine
enerji aktarımını daha hızlı
yapılmasını sağlar.
• Dengeleme süresi Tek kapasitorlü ve
Çok kapasitörlü-Tek sıralı sistemlere
göre daha düşüktür.

11. Endüktans Temelli Aktif Dengeleme

12. Endüktans Temelli Aktif Dengeleme
a) Tek Endüktanslı ve Çoklu Endüktanslı Topolojiler
• Enerji aktarımı için tek bir
endüktans veya (n – 1) sayıda
endüktans kullanılır
• Kontrolcü enerji aktarımı yapılacak
hücreleri seçer ve gerekli
anahtarlama sinyalini uygulayarak
enerji aktarımını sağlar.
• Çok endüktanslı yapıda yalnızca
komşu hücreler arası aktarım
yapıldığından çok sayıda hücreye
sahip sistemlerde dengeleme süresi
oldukça uzundur.
• Tek endüktanslı sistemin
dengeleme süresi daha kısadır.

13. Endüktans Temelli Aktif Dengeleme
b) Tek Sarımlı Transformatör
• Transformatör bir adet primer ve bir adet
sekonder sargısından oluşur
• Hücreden pakete ve paketten hücreye
olmak üzere iki farklı yöntem ile dengeleme
yapılabilir.
• Enerji transferinde transformatörde enerji
depolanır, daha sonra istenilen hücreye
aktarılır.

14. Endüktans Temelli Aktif Dengeleme
c - 1) Çok Sarımlı Transformatör
a)Geri Dönüşlü çevirici yapısı b)İleri yönlü çevirici yapısı
• Geri dönüşlü yapısı ve İleri yönlü
yapısı olmak üzere iki farklı yapıdan
oluşur
• Geri dönüşlü yapısında tek bir
anahtar vardır, İleri yönlü yapısında
hücre sayısı kadar anahtar vardır.
• İki farklı yöntem kullanılarak
hücreden pakete ve paketten
hücreye enerji aktarımı mümkündür.
• İleri yönlü yapısı kompleks ve
maliyetli bir yapıdır, ayrıca
transformatörün doyuma gitme riski
söz konusudur.

15. Endüktans Temelli Aktif Dengeleme
c - 2) Çok Transformatörlü Yapı
• Hücre sayısı kadar ayrık
transformatör bulunur.
• Modüler sistemlerde kolaylık sağlar,
manyetik nüveye dokunmadan
hücre ekleme çıkarma yapılabilir.
• Maliyeti yüksektir.

16. Dönüştürücü Temelli Aktif Dengeleme

17. Dönüştürücü Temelli Aktif Dengeleme
a) Cuk Dönüştürücü
• Komşu hücre çiftleri arasında
dengeleme sağlar.
• n sayıda hücre için (n-1) sayıda
dönüştürücü gerekir.
• Komşu hücreler arası enerji
aktarımı sağlanır, uzun paketlerde
dengeleme yavaştır.

18. Dönüştürücü Temelli Aktif Dengeleme
b) Düşürücü - Yükseltici Dönüştürücü
• İki anahtarlı, bir adet düşürücü bir adet
yükseltici dönüştürücünün bir araya
gelmesiyle oluşmuş bir topoloji kullanılır.
• Yükseltici kullanılarak hücrenin enerjisi tüm
pakete, düşürücü kullanılarak tüm paketin
enerjisi bir hücreye aktarılabilir.
• Akıllı bir kontrolcü ile gerilimlerinin okunması
ve gerekli anahtarlama sinyalleri ile
dönüştürücü gerilimlerinin kontrol edilmesi
gerekir.
• Pahalı, fakat modüler bir tasarım sağlar.
• Literatürde yaygın olarak kullanılır.

19. Dönüştürücü Temelli Aktif Dengeleme
c) Tam Köprü Dönüştürücü
• İki yönlü ve tam kontrollü bir enerji
aktarımı sağlar.
• Modüler sistemler için uygundur.
• Aktarabileceği güç değerleri yüksektir.
• Akıllı bir kontrolcüye ihtiyaç vardır.
• Kompleks ve maliyetli bir yapıdır.

20. Dönüştürücü Temelli Aktif Dengeleme
d) Yarı Rezonans Dönüştürücü
• Sıfır Akım veya Sıfır Gerilim Yarı Rezonans
çevirici olabilir.
• Anahtarlama kayıpları azaltılarak dengeleme
veriminin artıılmasını sağlar.
• Oldukça kompleks ve maliyetli bir yapıya
sahiptir.

21. Dengeleme Topolojileri Genel
Karşılaştırma Tablosu
Topoloji Dengeleme Hızı Kontrol Zorluğu Boyut (küçüklük) Maliyet (ucuzluk) Verim
Sabit Direnç 2 1 5 5 1
Anahtarlamalı Direnç 3 2 5 5 2
Anahtarlamalı Kapasitör 2 3 3 3 3
Tek Anahtarlamalı Kapasitör 2 4 4 4 4
İki Sıralı Anahtarlamalı Kapasitör 3 3 3 3 3
Tek Endüktanslı ve Çoklu Endüktans 4 4 3 3 3
Tek Sarımlı Transformatör 3 4 3 2 2
Çok Sarımlı Transformatör - Geri Dönüşlü Yapı 3 3 2 2 2
Çok Sarımlı Transformatör - İleri Yönlü Yapı 3 4 2 2 2
Cuk Dönüştürücü 2 4 3 3 3
Düşürücü - Yükseltici Dönüştürücü 3 4 3 3 3
Geri Dönüşlü Dönüştürücü 3 4 2 2 2
Rampa Dönüştürücü 2 4 2 2 2
Tam Köprü Dönüştürücü 4 4 2 2 4
Yarı Rezonans Dönüştürücü 2 3 2 2 3

22. Sonuçlar
• Batarya Yönetim Sistemlerinin en önemli parçalarından biri dengeleme sistemleridir.
• Çeşitli dengeleme topolojileri incelenmiş, dengeleme hızı, kontrol zorluğu, boyut, maliyet ve
verim açılarından karşılaştırılmıştır.
• Her topolojinin kendine özgü avantaj ve dezavantajları olduğu gözlenmiştir.
• Batarya yönetim sistemi tasarlanırken sistemin dengeleme hızı, verim gibi önemli parametreleri
göz önünde bulundurulmalıdır, fakat sistem maliyetinin projenin uygulanabilirliğini zorlu veya
imkansız hale getirmemesine dikkat edilmelidir.

23. Kaynakça
 "Battery Management Systems for Large Lithium Ion Battery Packs" – Davide Andrea
 " Passive and Active Battery Balancing comparison based on MATLAB Simulation" – Mohamed
Daowd, Noshin Omar, Peter Van Den Bossche, Joeri Van Mierlo
 " Comparison of Active Battery Balancing Systems Maurice " – Maurice Caspar, Torsten Eiler,
Soren Hohmann
 " A Comparison of Active and Passive Cell Balancing Techniques for Series/Parallel Battery Packs "
– James D. Welsh, Jr
 " Battery Balancing Methods: A Comprehensive Review " – Jian Cao, Nigel Schofield ,Ali Emadi