Otonom yük taşıma robotu için batarya yönetim sistemi devre tasarımı, yazılımı ve batarya verilerini IoT teknolojisi ile izleme

Abstract

Bu tez çalışması otonom yük taşıma robotları için güvenilir, verimli ve uzaktan izlenebilir bir batarya yönetim sistemi tasarımını hedeflemektedir. Otonom araçlar son yıllarda endüstriyel ve ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmış ve bu araçların performansı büyük ölçüde batarya sistemlerine bağlı hale gelmiştir. Lityum-iyon bataryaların kullanıldığı bu sistemlerde batarya sağlığının izlenmesi, şarj-deşarj işlemlerinin güvenli bir şekilde yönetilmesi ve hücre dengesinin sağlanması kritik öneme sahiptir. Bu ihtiyaç doğrultusunda geliştirilen batarya yönetim sistemleri bataryaların ömrünü uzatmakta, enerji verimliliğini artırmakta ve güvenli kullanım sağlamaktadır. Tez çalışmasında otonom yük taşıma araçları için yenilikçi bir batarya yönetim sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem hem bataryaların güvenliğini sağlamakta hem de kullanıcıların batarya verilerini anlık olarak izleyebilmesini mümkün kılmaktadır. Batarya yönetim sistemi Texas Instruments firmasının BQ76952 entegresi kullanılarak tasarlanmıştır. Bu entegre sayesinde bataryanın gerilim, akım ve sıcaklık değerleri hassas bir şekilde ölçülmüştür. STM32G431 mikrodenetleyicisi bu verileri işleyerek gerekli dengeleme ve güvenlik işlemlerini gerçekleştirmiştir. Sistem IoT tabanlı bir izleme yapısına sahip olup, ESP32 modülü üzerinden Firebase platformuna bağlanarak bulut tabanlı veri aktarımı sağlanmıştır. Bu sayede kullanıcılar batarya verilerini uzaktan takip edebilmekte ve kritik durumlarda hızlıca müdahale edebilmektedir. Yazılım geliştirme aşamasında masaüstü uygulama için "Visual Studio", mobil uygulama için ise "MIT App Inventor" kullanılmıştır. Uygulamalar batarya verilerini kullanıcı dostu bir arayüzde sunmakta, ilerleme çubuğu (Progressbar) ve grafiksel göstergelerle bataryanın şarj durumu, hücre gerilimleri ve sıcaklık değerleri anlaşılır bir şekilde izlenebilmektedir. Ayrıca uygulama üzerinden elde edilen veriler istenildiğinde ek bir çalışma ile bulut ortamında saklanarak uzun dönem analiz yapılmasına olanak tanıyabilir. Dengeleme, kısa devre koruma ve sıcaklık izleme testlerinde başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Termal kamera ile yapılan sıcaklık testlerinde, bataryanın uzun süreli kullanımda dahi aşırı ısınma yapmadığı ve sistemin stabil çalıştığı gözlemlenmiştir. Özellikle dengeleme direncinin sıcaklık artışının 81°C'yi geçmediği ve kritik sıcaklık limitlerinde enerji akışının otomatik olarak kesildiği tespit edilmiştir. Bu çalışma otonom yük taşıma araçları için tasarlanan yenilikçi bir batarya yönetim sistemi sunmaktadır. Sistemin bulut tabanlı izleme ve kontrol özelliği kullanıcıların batarya verilerini anlık olarak takip etmesini sağlamaktadır. Ayrıca standart batarya yönetim sistemlerinde bulunan kritik sıcaklık ve gerilim seviyelerine ulaşıldığında otomatik olarak müdahale edilmesi gibi korumaları da içermesi bataryaların güvenli kullanımını artırmaktadır. Bu yenilikçi yaklaşım ile otonom sistemlerde batarya yönetimi konusunda önemli bir etken olarak sadece kontrolcünün değil kullanıcının da sisteme uzaktan erişerek gerekli aksiyonları almasına olanak tanır. Bu sayede karar mekanizması sadece kontrolcüye bırakılmayarak ek bir önlem alınabilecek sistem tasarlanmıştır.This thesis aims to design a reliable, efficient, and remotely monitorable battery management system for autonomous load-carrying robots. In recent years, autonomous vehicles have been widely used in industrial and commercial applications, and their performance has become highly dependent on battery systems. In these systems utilizing lithium-ion batteries, monitoring battery health, managing charging and discharging processes safely, and ensuring cell balancing are critically important. Battery management systems developed in line with this need extend the life of batteries, increase energy efficiency, and ensure safe use. In this thesis, an innovative battery management system has been developed for autonomous load-carrying vehicles. This system both ensures battery safety while allowing users to monitor battery data momentarily. The battery management system is designed using the BQ76952 integrated circuit from Texas Instruments company. Through this integration, the voltage, current, and temperature values of the battery were measured with precision. The STM32G431 microcontroller processed this data and performed the necessary connections and security operations. The system has an IoT-based monitoring structure, and cloud-based data transfer is provided by connecting to the Firebase platform via the ESP32 module. In this way, users can remotely monitor battery data and intervene quickly in critical situations. During the software development phase, "Visual Studio" was used for the desktop application and "MIT App Inventor" was used for the mobile application. The applications present battery data in a user-friendly interface, and the battery's charge status, cell voltages and temperature values can be monitored in an understandable way with the progress bar and graphical indicators. In addition, the data obtained through the application can be stored in the cloud environment with an additional study when requested, allowing long-term analysis. Successful results were obtained in balancing, short circuit protection and temperature monitoring tests. In temperature tests conducted with a thermal camera, it was observed that the battery did not overheat even in long-term use and the system operated stably. Specifically, the balancing resistor's temperature increase did not exceed 81°C, and energy flow was automatically interrupted at critical temperature limits. This study presents an innovative battery management system designed for autonomous load-carrying vehicles. The system's cloud-based monitoring and control features allow users to track battery data in real time. In addition, the fact that it includes protections such as automatic intervention when critical temperature and voltage levels are reached in standard battery management systems increases the safe use of batteries. This innovative approach, which is an important factor in battery management in autonomous systems, allows not only the controller but also the user to remotely access the system and take the necessary actions. In this way, the decision mechanism is not left to the controller alone, and a system was designed that can take additional precautions.