Modeling of Li-ion Battery Management System for Unmanned Aerial Vehicles

Year 2024, , 725 - 734, 30.09.2024

Merve Nur Kaya , Zehra Ural Bayrak

https://doi.org/10.35234/fumbd.1432802

Abstract

Nowadays, systems that use more electricity in aircraft are increasing due to harmful gas emissions. This increase has created the need to store electrical energy and accelerated the trend towards battery technologies. Since energy storage in batteries occurs as a result of chemical reactions, problems may occur that will damage the battery group or the entire system. These problems are caused by high current, voltage, and temperature, which affect the reaction rate during battery charging/discharging. A Battery Management System (BMS) is needed to prevent problems and to use the required electrical energy safely.
In this study, it is aimed to meet the energy needs of the system in a controlled manner by disabling only the damaged cell in case of problems that may occur in the cells in the battery. For this purpose, a model of an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) system been created by adding a BMS block to each cell to control the battery cells. The BMS model is realized based on the cell temperature, the State of Charge (SoC) value of the cell, and the output voltage values of the cell. The UAV system is modeled using MATLAB/Simulink environment. Thanks to the proposed BMS, in case of a problem that may occur in any cell in the battery, that cell will be disabled and the required energy will be met through the remaining cells. It is observed from the results obtained that when the cell parameters become normal, it continues to feed the system again.

Keywords

Li-ion, battery, battery manegement system, UAV.

İnsansız Hava Araçları için Li-iyon Batarya Yönetim Sisteminin Modellenmesi

Abstract

Günümüzde zararlı gaz emisyonları nedeniyle uçaklarda daha fazla elektriğin kulanıldığı sistemler artmaktadır. Bu artış elektrik enerjisinin depolanması ihtiyacını doğurarak batarya teknolojilerine olan yönelimi hızlandırmıştır. Bataryalarda enerji depolanması kimyasal tepkimeler sonucu oluştuğundan batarya grubuna veya tüm sisteme zarar verecek problemler oluşabilir. Bu problemlere batarya şarj/deşarj esnasında tepkime hızını etkileyen yüksek akım, gerilim ve sıcaklık neden olmaktadır. Problemlerin oluşmaması ve ihtiyaç duyulan elektrik enerjisinin güvenli bir şekilde kullanılması için Batarya Yönetim Sistemine (BYS) ihtiyaç duyulmaktadır.
Bu çalışmada bataryada bulunan hücrelerde oluşabilecek problemlerde, sadece bozuk hücre devre dışı bırakılarak sistemin enerji ihtiyacının kontrollü bir şekilde karşılanması amaçlanmıştır. Bu amaçla, batarya hücrelerini kontrol etmek için her hücreye bir BYS bloğu eklenerek, İnsansız Hava Aracı (İHA) sisteminin modeli oluşturulmuştur. Hücre sıcaklığı, hücrenin şarj durumu ve hücrenin çıkış gerilim değerleri baz alınarak BYS modeli gerçekleştirilmiştir. İHA sistemi MATLAB/Simulink yazılımı kullanılarak modellenmiştir. Önerilen BYS sayesinde bataryadaki herhangi bir hücrede oluşan problem anında hücre devre dışı bırakılmış, ihtiyaç duyulan enerji ise kalan hücreler üzerinden karşılanmıştır. Batarya hücresinin parametreleri normal hale geldiğinde ise hücrenin tekrar sistemi beslemeye devam ettiği elde edilen sonuçlardan gözlemlenmiştir.

Keywords

Li-ion, battery, battery management system, UAV.

Ethical Statement

Yok

Supporting Institution

Yok

Thanks

Bu çalışma, Merve Nur KAYA’nın “Hibrit İnsansız Hava Araçlarının Modellenmesi” isimli yüksek lisans tezinden türetilmiştir.

References

• Oksuztepe E, Bayrak Z, Kaya U. Effect of Flight Level to Maximum Power Utilization for PEMFC/Supercapacitor Hybrid UAV with Switched Reluctance Motor Thruster. Int J Hydrogen Energy 2023;48: 11003-11016.
• Oksuztepe E, Kaya U. Performance Analysis of More Electric Aircraft Starter/Generator by Different Electric Loads. Int J Sustainable Aviat. 2023; 9(2).
• Tarhan B, Yetik Ö, Karakoç H.T. Hybrid Battery Management System Design for Electric Aircraft. Energy 2021; 234: 121227.
• Lape˜na-Rey N, Mosquera J, Bataller E, Ort´ı F, Dudfield C, Orsillo A. Environmentally Friendly Power Sources for Aerospace Applications. J Power Sources 2008;181: 353–362.
• Özel MA. Elektrikli Araçlarda Kullanılan Batarya Paketinin Termal Modeli ve Analizi. Yüksek Lisans Tezi, Bursa Uludağ Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019.
• Üçgün H, Yüzgeç, U Bayılmış, C. İHA Bataryasının Şarj Pedi ile Dengeli Şarj Edilmesi ve Gerçek Zamanlı İzleme Sistemi. BŞEÜ Fen Bilimleri Dergisi 2021; 8(1): 398-407.
• Wang L, Zhao X, Deng Z, Yang L. Application of Electrochemical İmpedance Spectroscopy in Battery Management System: State of Charge Estimation for Aging Batteries. J Energy Storage 2023; 57: 106275.
• Yıldız M. Battery Management System Architectures for Unmanned Air Vehicles: A Strategic Issue J Anadolu Strategy 2021; 3(1): 1-12.
• Shibl M, Ismail L, Massoud A. A Machine Learning-Based Battery Management System for State-Of-Charge Prediction and State-of-Health Estimation for Unmanned Aerial Vehicles J Energy Storage 2023; 66: 107380.
• Dündar Ö, Bilici M, Ünler T. Design and performance analyses of a fixed wing battery VTOL UAV. Eng Sci Technol. Int J 2020;23:1182-1193.
• Tian W, Liu L, Zhang X, Shao J, Ge J. Adaptive Hierarchical Energy Management Strategy for Fuel Cell/Battery Hybrid Electric UAVs Aerosp Sci Technol. 2023;108938.
• Yıldız M. Uçaklarda Kullanıma Yönelik Batarya Isıl Yönetim Sistemlerinin Araştırılması. Doktora Tezi Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016.
• Li H, Kaleem B, Chiu I, Gao D, Peng J, Huang Z. An Intelligent Digital Twin Model for The Battery Management Systems of Electric Vehicles. Int J Green Energy 2024; 21(3): 461-475.
• Khawaja Y, Shankar N, Qiqieh I, Alzubi J, Alzubi O, Nallakaruppan MK, Padmanaban S. Battery Management Solutions for Li-ion Batteries Based on Artificial Intelligence. Ain Shams Eng J 2023; 14: 102213.
• Son YW, Kang D, Kim J. Passive Battery Thermal Management System for An Unmanned Aerial Vehicle Using A Tetrahedral Lattice Porous Plate. Appl Therm Eng 2023; 225: 120186.
• Yıldız M, Karakoç HT. Havacılıkta Kullanılan Bataryaların Tasarım Parametrelerine Göre Boyutlandırılması. Sürdürülebilir Havacılık Araştırmaları Dergisi 2017; 2(1): 26-34.
• Sezer KC, Basmacı G. Şarj Edilebilir Pillere Genel Bakış. Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 2022; 10(1): 227-309.
• Kaya MN, Bayrak ZU. States Based EMS for Li-ion Battery & Fuel Cell Powered Unmanned Aerial Vehicle. 7th Int Hydrogen Technologies Congress; 10-12 May 2023; Elazığ, Türkiye. pp. 475-478.
• Kaya MN, Bayrak ZU. Detailed Analysis of Li-ion Batteries for Use in Unmanned Aerial Vehicles. Turkish Journal of Science & Technology 2024; 19(1): 295-304.
• Ekici YE, Batarya Yönetim Sistemleri. Yüksek Lisans Tezi İnönü Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,2019.
• Erdinç O, Vural B, Uzunoğlu M. Hibrit Alternatif Enerji Sistemlerinde Kullanılan Enerji Depolama Üniteleri. Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu; 5-7 Ekim 2011; Elazığ, Türkiye. pp. 116-121.
• Çetin MS, Karakaya B, Gençoğlu MT. Elektrikli Araçlar İçin Lityum İyon Bataryaların Modellenmesi. Fırat Üniversitesi Müh. Bil. Dergisi 2021; 33(2): 755-763.
• Taylan G. Lityum İyon Pil Hücresinin Termal Karakterizasyonu. Yüksek Lisans Tezi. Bursa Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019.
• Okay K, Eray S, Eray A. Development of Prototype Battery Management System for PV System. Renewable Energy 2022; 181: 1294-1304.
• Kim W, Choi K. Current Sensorless State of Charge Estimation Approach for Onboard Battery Systems with an Unknown Current Estimator. J. Energy Storage 2022; 52: 104726.
• Yiğit E, Yazar I, Karakoç TH. İnsansız Hava Araçları (İHA)’nın Kapsamlı Sınıflandırması ve Gelecek Perspektifi. Sürdürülebilir Havacılık Araştırmaları Dergisi 2018; 3(1): 10-19.
• Blažek J. Leakage Magnetic Fields of The Electric BLDC Motors of Small UAV J Electr Eng 2015; 66(7): 14-17.
• Cukdar I, Yigit T, Celik H. Balance Control of Brushless Direct Current Motor Driven Two-Rotor UAV Appl Sci-Basel 2024; 14 (4059): 1-21.