Lityum pil şarjı ve deşarjı teorisi

Lityum pil şarjı ve deşarjı teorisi

1.1 Şarj Durumu (SOC)

Şarj durumu, genellikle yüzde olarak ifade edilen, pildeki mevcut elektrik enerjisinin durumu olarak tanımlanabilir. Mevcut elektrik enerjisi, şarj ve deşarj akımına, sıcaklığa ve yaşlanma olgusuna bağlı olarak değiştiğinden, şarj durumunun tanımı da iki türe ayrılır: Mutlak Şarj Durumu (ASOC) ve Bağıl Şarj Durumu (RSOC). Göreceli şarj durumu aralığı genellikle %0 - %100 arasındadır; pil tam olarak şarj edildiğinde %100, tamamen boşaldığında ise %0'dır. Mutlak şarj durumu, akü üretilirken tasarlanan sabit kapasite değerine göre hesaplanan bir referans değerdir. Tamamen şarj edilmiş yeni bir pilin mutlak şarj durumu %100'dür; Yaşlanan pil tamamen şarj edilmiş olsa bile farklı şarj ve deşarj koşullarında %100'e ulaşamaz.

Aşağıdaki şekil, farklı deşarj oranları altında voltaj ile akü kapasitesi arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Deşarj oranı ne kadar yüksek olursa pil kapasitesi o kadar düşük olur. Sıcaklık düşük olduğunda pil kapasitesi de azalacaktır.

                          Şekil 1. Farklı deşarj oranları ve sıcaklıklar altında gerilim ve kapasite arasındaki ilişki

1.2 Maksimum Şarj Gerilimi

En yüksek şarj voltajı akünün kimyasal bileşimi ve özellikleriyle ilgilidir. Lityum pillerin şarj voltajı genellikle 4,2V ve 4,35V olup, voltaj değerleri katot ve anot malzemelerine göre değişiklik gösterebilir.

1.3 Tamamen Şarj Edildi

Akü voltajı ile en yüksek şarj voltajı arasındaki fark 100 mV'den az olduğunda ve şarj akımı C/10'a düştüğünde akü tam şarjlı kabul edilebilir. Pillerin özellikleri farklılık gösterdiği gibi, tam şarj olma koşulları da farklılık gösterir.

Aşağıdaki şekil tipik bir lityum pil şarj karakteristik eğrisini göstermektedir. Akü voltajı en yüksek şarj voltajına eşit olduğunda ve şarj akımı C/10'a düştüğünde akünün tam şarjlı olduğu kabul edilir.

                             Şekil 2. Lityum pil şarj karakteristik eğrisi

1.4 Minimum Boşaltma Gerilimi

Minimum deşarj voltajı, genellikle %0 şarj durumundaki voltaj olan kesme deşarj voltajı olarak tanımlanabilir. Bu voltaj değeri sabit bir değer olmayıp yüke, sıcaklığa, eskime derecesine veya diğer faktörlere göre değişir.

1.5 Tam Deşarj

Akü voltajı minimum deşarj voltajından küçük veya ona eşit olduğunda buna tam deşarj denilebilir.

1.6 Şarj deşarj hızı (C Oranı)

Şarj deşarj oranı, akü kapasitesine göre şarj deşarj akımının bir temsilidir. Örneğin, bir saat boyunca deşarj olmak için 1C kullanılırsa ideal olarak pil tamamen boşalır. Farklı şarj ve deşarj oranları, farklı kullanılabilir kapasitelere yol açacaktır. Genellikle şarj deşarj hızı ne kadar yüksek olursa, mevcut kapasite de o kadar küçük olur.

1.7 Çevrim Ömrü

Döngü sayısı, bir pilin tam şarj ve deşarjdan geçtiği sayıdır ve gerçek deşarj kapasitesi ve tasarım kapasitesinden tahmin edilebilir. Birikmiş deşarj kapasitesi tasarım kapasitesine eşit olduğunda çevrim sayısı birdir. Genellikle 500 şarj ve deşarj döngüsünden sonra, tam olarak şarj edilmiş bir pilin kapasitesi %10 ila %20 oranında azalacaktır.

                          Şekil 3. Çevrim Süreleri ile Pil Kapasitesi Arasındaki İlişki

1.8 Kendiliğinden Deşarj

Sıcaklık arttıkça tüm pillerin kendi kendine deşarjı artacaktır. Kendi kendine deşarj temelde bir üretim hatası değil, pilin kendisinin bir özelliğidir. Bununla birlikte, üretim süreci sırasında uygunsuz kullanım da kendi kendine deşarjın artmasına neden olabilir. Genellikle akü sıcaklığındaki her 10°C artışta kendi kendine deşarj oranı iki katına çıkar. Lityum iyon pillerin aylık kendi kendine deşarj kapasitesi yaklaşık %1-2 iken, çeşitli nikel bazlı pillerin aylık kendi kendine deşarj kapasitesi %10-15'tir.

                             Şekil 4. Lityum pillerin farklı sıcaklıklarda kendi kendine deşarj oranının performansı