Elektrikli Araçlarda BMS'lerin Functional Safety (ISO 26262) Perspektifinden İncelenmesi

Elektrikli araçlar, otomotiv endüstrisinin en hızlı gelişen alanlarından biridir. Bu araçların güvenliği ve performansı, sadece mekanik veya elektriksel bileşenlerle değil, aynı zamanda yazılım ve sistem entegrasyonuyla da doğrudan ilişkilidir. Özellikle Batarya Yönetim Sistemleri (BMS), elektrikli araçların kalbinde yer alan kritik bir bileşendir. Ancak bu kadar önemli bir sistemin güvenilir olması, yalnızca teknik özelliklerle sınırlı değildir. Functional Safety (İşlevsel Güvenlik) standartları, özellikle ISO 26262 çerçevesinde, BMS'lerin tasarımından uygulamasına kadar her aşamasında güvenlik odaklı bir yaklaşım benimsemeyi gerektirir.

Functional Safety Nedir?

Functional Safety, bir sistemin veya bileşenin, beklenmedik durumlar karşısında insan hayatını koruyacak şekilde tasarlanması ve çalıştırılması anlamına gelir. Otomotiv sektöründe, bu konsept ISO 26262 standardıyla formalize edilmiştir. ISO 26262, elektrikli ve elektronik sistemlerin tüm yaşam döngüsü boyunca güvenlik risklerini azaltmayı hedefler. Elektrikli araçlarda kullanılan BMS'ler de bu standardın kapsamındadır.

BMS ve Functional Safety İlişkisi

BMS, bir elektrikli aracın bataryasını izleyen, kontrol eden ve koruyan bir sistemdir. Ancak bu süreçte ortaya çıkabilecek hatalar, ciddi güvenlik risklerine yol açabilir. Örneğin, bir BMS'nin yanlış veri toplaması veya yanlış karar vermesi, bataryanın aşırı ısınmasına, yangına veya patlamasına neden olabilir. İşte burada Functional Safety devreye girer. ISO 26262, BMS'lerin tasarımında aşağıdaki prensipleri ön planda tutar:

1. Risk Analizi ve Tehlike Değerlendirmesi (HARA):
   BMS'lerin geliştirilmesinin ilk adımı, potansiyel tehlikeleri belirlemek ve bu tehlikelerin sonuçlarını analiz etmektir. HARA (Hazard Analysis and Risk Assessment), BMS'nin ne tür hatalara maruz kalabileceği ve bu hataların yol açabileceği riskleri değerlendiren bir süreçtir. Örneğin, bir hücrenin aşırı şarj olması, araçta yangın riski oluşturabilir. Bu tür senaryolar, HARA ile tanımlanır ve gerekli önlemler alınır.
2. ASIL Seviyeleri:
   ISO 26262, her bir sistemin veya bileşenin güvenlik seviyesini belirlemek için ASIL (Automotive Safety Integrity Level) kavramını kullanır. ASIL, A'dan D'ye kadar dört seviyeye ayrılır ve D en yüksek güvenlik seviyesini ifade eder. BMS'ler genellikle yüksek ASIL seviyelerinde (örneğin ASIL C veya D) değerlendirilir, çünkü bataryaların hataları ciddi güvenlik risklerine yol açabilir. Yüksek ASIL seviyeleri, daha sıkı testler, doğrulama ve onaylama süreçlerini gerektirir.
3. Redundancy (Yedeklilik):
   BMS'lerde yedeklilik, bir bileşenin veya sistemin arızalanması durumunda alternatif bir yol sunarak işlevselliği sürdürmesini sağlar. Örneğin, bir sensörün verileri yanlışsa, BMS bu durumu algılayıp alternatif sensörlerden veya algoritmalarla tahmin edilen değerlerden faydalanabilir. Yedeklilik, özellikle yüksek ASIL seviyelerinde zorunlu bir gerekliliktir.
4. Fail-Safe ve Fail-Operational Tasarım:
   BMS'ler, hata durumlarında "fail-safe" (güvenli şekilde kapanma) veya "fail-operational" (hata sonrası sınırlı işlevsellikle çalışmaya devam etme) modlarına geçebilmelidir. Örneğin, bir çarpışma durumunda BMS, bataryayı anında devre dışı bırakarak (fail-safe) yangın riskini azaltabilir. Alternatif olarak, küçük bir arıza durumunda BMS, kısıtlı kapasitede de olsa bataryayı yönetmeye devam edebilir (fail-operational).
5. Doğrulama ve Onaylama (Verification & Validation):
   ISO 26262, BMS'lerin hem yazılım hem de donanım düzeyinde kapsamlı testlere tabi tutulmasını gerektirir. Doğrulama (verification), sistemin tasarımının doğru olduğunu kanıtlamayı; onaylama (validation), sistemin gerçek dünyada beklendiği gibi çalıştığını göstermeyi hedefler. BMS'ler için bu süreçler, simülasyonlar, laboratuvar testleri ve saha denemeleri gibi yöntemlerle gerçekleştirilir.

BMS Geliştirme Sürecinde Functional Safety Adımları

1. Kavramsal Tasarım:
   İlk adım, BMS'nin ne tür işlevler gerçekleştireceğini ve bu işlevlerin güvenlik açısından ne anlama geldiğini belirlemektir. Bu aşamada, tehlike senaryoları ve ASIL seviyeleri tanımlanır.
2. Sistem ve Yazılım Mimarisi:
   BMS'in mimarisi, güvenlik gereksinimlerini karşılayacak şekilde tasarlanır. Örneğin, yazılım kodlarının hata ayıklama yetenekleri ve donanımın yedeklilik özellikleri bu aşamada belirlenir.
3. Test ve Simülasyon:
   BMS, hem normal koşullarda hem de hata senaryolarında test edilir. Simülasyonlar, bataryanın aşırı ısınma, aşırı şarj veya kısa devre gibi durumlarda nasıl tepki vereceğini gösterir.
4. Üretim ve Bakım:
   Üretim sürecinde de güvenlik ön plandadır. Ayrıca, araç servislerinde BMS'in periyodik olarak kontrol edilmesi ve güncellenmesi, uzun vadeli güvenliği sağlar.

Gelecekteki Gelişmeler

ISO 26262, sürekli olarak güncellenen bir standarttır ve gelecekte BMS'ler için daha da kapsamlı güvenlik gereksinimleri getirebilir. Yapay zeka ve makine öğrenimi gibi teknolojiler, BMS'lerin hata tespit ve müdahale yeteneklerini artırabilir. Ayrıca, bataryaların geri dönüşüm süreçlerinde de Functional Safety perspektifi önem kazanabilir.

Sonuç

Elektrikli araçlar, sürdürülebilir ulaşımın geleceğini şekillendiriyor. Ancak bu araçların güvenliği, yalnızca güçlü motorlar veya aerodinamik tasarımlarla sağlanamaz. BMS'ler, elektrikli araçların kalbinde yer alan kritik bir bileşendir ve bu bileşenin güvenliği, ISO 26262 gibi standartlarla güvence altına alınmalıdır. Functional Safety, BMS'lerin yalnızca teknik özelliklerini değil, aynı zamanda insanların hayatını koruma potansiyelini de vurgular. Üniversite öğrencileri ve yeni mezunlar için, otomotiv sektöründe kariyer yapmayı düşünenler, Functional Safety ve BMS gibi temel konuları anlamak, bu alanda fark yaratmanın ilk adımı olacaktır.

BMS'ler, modern ulaşımın kalbinde atarken, Functional Safety ise bu kalbin düzenli ve güvenli bir şekilde atmasını sağlayan kilit bir unsurdur.

 

BMS Nedir? (Battery Management System)

Elektrikli Araçlarda Batarya Yönetim Sistemleri: Temel Bilgiler

Elektrikli araçlar (EV) günümüzde sürdürülebilir ulaşımın en önemli parçalarından biri haline geldi. Fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak ve çevresel etkileri en aza indirmek amacıyla geliştirilen bu araçların kalbi, enerji depolama sistemleridir. Bu sistemlerin merkezinde ise bataryalar yer alır. Ancak bir elektrikli aracın performansını, güvenliğini ve ömrünü belirleyen tek şey bataryanın kendisi değildir. Asıl kilit rolü oynayan, Batarya Yönetim Sistemi (BMS) adı verilen teknolojiktir.

Batarya Yönetim Sistemi Nedir?

Basitçe ifade edecek olursak, Batarya Yönetim Sistemi (BMS), bir elektrikli aracın bataryasını izleyen, kontrol eden ve koruyan bir yazılım-donanım kombinasyonudur. BMS, bataryanın her bir hücresini sürekli olarak izler ve onun sağlıklı bir şekilde çalışmasını sağlar. Elektrikli araçlarda genellikle lityum-iyon bataryalar kullanılır ve bu tür bataryalar hassas bileşenlerdir. Lityum-iyon bataryalar aşırı ısınma, aşırı şarj veya düşük şarj gibi durumlarda zarar görebilir ya da tehlikeli olabilir. İşte burada devreye BMS girer.

BMS'in Temel Görevleri

1. Gerilim İzleme:
   Bir elektrikli aracın bataryası genellikle yüzlerce hücreden oluşur. Her bir hücrenin gerilimi, bataryanın toplam performansını etkileyebilir. BMS, her bir hücrenin gerilimini sürekli izler ve dengesizlikler olduğunda müdahale eder. Örneğin, bazı hücreler fazla şarj olmuşsa, BMS bu hücrelerin şarjını düşürerek tüm bataryayı dengeler.
2. Sıcaklık Kontrolü:
   Aşırı sıcaklık, bataryalar için büyük bir tehdittir. Lityum-iyon bataryalar genellikle 15°C ile 45°C arasında en iyi performans gösterir. BMS, bataryanın sıcaklığını sürekli ölçer ve gerekirse soğutma sistemini aktive eder. Ayrıca, bataryanın soğuk ortamlarda çalışmasını sağlamak için ısıtma sistemlerini de yönetebilir.
3. Şarj ve Deşarj Yönetimi:
   BMS, bataryanın ne kadar şarj olduğunu ve ne kadar enerji harcadığını takip eder. Bu sayede, bataryanın aşırı şarj olmasını veya tamamen boşalmasını engeller. Özellikle aşırı şarj, bataryanın ömrünü kısaltabilir ve güvenlik riski oluşturabilir. BMS, şarj sırasında uygun akım ve gerilim değerlerini ayarlayarak bataryanın uzun ömürlü olmasını sağlar.
4. Güvenlik ve Koruma:
   Elektrikli araçlarda güvenlik her zaman ön plandadır. BMS, bataryanın kısa devre yapmasını, aşırı akım çekmesini veya fiziksel hasar görmesini engellemek için çeşitli koruma mekanizmaları içerir. Örneğin, bir çarpışma durumunda BMS, bataryayı anında devre dışı bırakarak yangın riskini azaltabilir.
5. Veri Kaydı ve İletişim:
   Modern BMS'ler, bataryanın durumuyla ilgili verileri kaydeder ve bu verileri aracın ana bilgisayar sistemine iletir. Böylece sürücüler, aracın ne kadar şarj kaldığını, tahmini menzili ve bataryanın genel sağlık durumunu görebilir. Ayrıca, bu veriler servislerde bakım ve onarım işlemleri için de kullanılır.

Neden BMS Kritik Öneme Sahiptir?

BMS olmadan bir elektrikli aracın güvenli ve verimli bir şekilde çalışması mümkün değildir. Bataryalar, hem pahalı hem de karmaşık bileşenlerdir. Yanlış kullanıldıklarında hem araç sahiplerine maliyet çıkarabilir hem de ciddi güvenlik riskleri yaratabilir. BMS sayesinde:

• Bataryanın ömrü uzar.
• Aracın performansı optimize edilir.
• Güvenlik riskleri minimize edilir.
• Sürüş deneyimi daha sorunsuz hale gelir.

Gelecekteki Gelişmeler

Teknoloji hızla ilerledikçe BMS'ler de daha akıllı hale geliyor. Yapay zeka ve makine öğrenimi gibi teknolojiler, BMS'lerin bataryaların davranışlarını daha iyi tahmin etmesini sağlıyor. Bu sayede, bataryaların ömrü daha da uzatılabilecek ve elektrikli araçların menzilleri artırılabilecek. Ayrıca, gelecekteki BMS'ler, bataryaların yeniden kullanılabilirliğini ve geri dönüşüm süreçlerini de optimize edebilir.

Sonuç

Elektrikli araçlar, modern ulaşımın geleceği için umut vaat ediyor. Ancak bu araçların başarılı olması, yalnızca güçlü motorlar veya aerodinamik tasarımlarla mümkün değil. Bataryaların sağlığı ve performansı, elektrikli araçların kalbinde atar. Batarya Yönetim Sistemleri (BMS), bu kalbin düzenli atmasını sağlayan kilit bir teknolojidir. Üniversite öğrencileri ve yeni mezunlar için, elektrikli araç endüstrisinde kariyer yapmayı düşünenler, BMS gibi temel bileşenleri anlamak, bu alanda fark yaratmanın ilk adımı olacaktır.

Elektrikli araçlar dünyasına adım atmak isteyen herkes için, BMS sadece bir teknoloji değil, aynı zamanda sürdürülebilirliğin ve yenilikçiliğin sembolüdür.

 

Tek Fazlı, Üç Fazlı Elektrik Hattı, Doğrultma Devreleri

Türkiye'de evlerde, iş yerlerinde AC 220 V, tek fazlı elektrik hattı bulunmaktadır. Sanayi bölgelerinde AC 380 V, üç fazlı elektrik hattı bulunmaktadır. Bu değerler teknik açıdan voltaj RMS değerleridir. Bu durumda tek fazlı elektrik hattı için tepeden tepeye gerilim farkı 220 V * sqrt(2) = ~311 V değerindedir. Üç fazlı elektrik hattında ise tepeden tepeye gerilim farkı 380 V * sqrt(2) = ~537 V değerindedir. 

Her iki hatta frekans 60 Hz değerindedir.

Aşağıdaki görselde tek fazlı ve üç fazlı elektrik hattını görebilirsiniz.

Tek fazlı hatta V+ 311 V değerindedir. Üç fazlı hatta V+ 537 V değerindedir.

Tek fazlı bir hatta, hattı doğrultmak için aşağıdaki devre topolojisi uygulanabilir.

Bu durumda alttaki görseldeki gibi RL direnci üzerinde her zaman tek yönde, değişken bir gerilim oluşur. RL direnci yerine uygun değerde bir kapasitör kullanılırsa DC gerilim elde edilmiş olur. Düşük dalgalanmaları göz ardı edecek olursak sabit 220 V bir hattı doğrutup DC baraya dönüştürdüğümüz durumda kapasitörün üzerinde ~311 V DC gerilim oluşacaktır.

Üç fazlı bir hatta, hattı doğrultmak için aşağıdaki devre topolojisi uygulanabilir.

Bu durumda RLoad üzerinde tek yönde aşağıdaki gibi bir gerilim uygulanır. Çıkışa kapasitör eklenmesi durumunda tek fazlı hatta örnekteki gibi 571 V seviyesinde DC gerilim oluşacaktır.

*sqrt (2)=~1.414

Kaynaklar:

• https://schoner-electric.com/blog/f/tek-faz-ve-%C3%BC%C3%A7-faz-aras%C4%B1ndaki-fark-nedir
• https://devreyakan.com/tek-fazli-duzeltme/
•