Akü deşarj eğrisi nasıl okunur

Akü deşarj eğrisi nasıl okunur

Piller karmaşık elektrokimyasal ve termodinamik sistemlerdir ve performanslarını birçok faktör etkiler. Elbette pil kimyası en önemli faktördür. Ancak belirli bir uygulama için hangi tip pilin en uygun olduğunu anlarken şarj deşarj oranı, çalışma sıcaklığı, saklama koşulları, fiziksel yapı detayları gibi faktörlerin de dikkate alınması gerekir. Öncelikle birkaç terimin tanımlanması gerekir:

★ Açık devre gerilimi (Voc), akü üzerinde yük yokken akü terminalleri arasındaki gerilimdir.

★ Terminal voltajı (Vt), aküye yük uygulandığında akü terminalleri arasındaki voltajdır; Genellikle Voc'dan daha düşüktür.

Kesme voltajı (Vco), belirtildiği gibi pilin tamamen boşaldığı voltajdır. Genellikle kalan pil gücü olmasına rağmen, Vco'nun altındaki bir voltajda çalıştırmak pile zarar verebilir.

★ Kapasite, bir pilin tam olarak şarj edildiğinde Vt Vco'ya ulaşana kadar sağlayabileceği toplam amper saati (AH) ölçer.

Şarj deşarj hızı (C-Rate), bir pilin nominal kapasitesine göre şarj edilme veya deşarj edilme hızıdır. Örneğin 1C'lik bir oran pili 1 saat içinde tamamen şarj edecek veya boşaltacaktır. 0,5C deşarj oranında pil 2 saat içinde tamamen boşalır. Daha yüksek bir C Hızı kullanmak genellikle mevcut pil kapasitesini azaltır ve pile zarar verebilir.

★ Pil şarj durumu (SoC), kalan pil kapasitesini maksimum kapasitenin yüzdesi olarak belirler. SoC sıfıra ulaştığında ve Vt Vco'ya ulaştığında, pilde hala pil gücü kalmış olabilir, ancak pile zarar vermeden ve gelecekteki kapasiteyi etkilemeden pil daha fazla deşarj edilemez.

★ Deşarj derinliği (DoD), deşarj olan pil kapasitesinin yüzdesini ölçen SoC'nin bir tamamlayıcısıdır; DoD=100- SoC.

① Döngü ömrü, pilin hizmet ömrünün sonuna ulaşmasından önceki kullanılabilir döngü sayısıdır.

Pil ömrünün sonu (EoL), pilin önceden belirlenen minimum özelliklere göre çalışamaması anlamına gelir. EoL çeşitli şekillerde ölçülebilir:

① Kapasite düşüşü, belirtilen koşullar altında nominal kapasiteyle karşılaştırıldığında pil kapasitesinde verilen yüzdelik azalmaya dayanır.

② Güç zayıflaması, belirli koşullar altında nominal güce kıyasla pilin belirli bir yüzdedeki maksimum gücüne dayanır.

③ Enerji çıkışı, belirli çalışma koşullarına bağlı olarak bir pilin kullanım ömrü boyunca işlemesi beklenen toplam enerji miktarını (30MWh gibi) ölçer.

★ Pilin sağlık durumu (SoH), EoL'ye ulaşmadan önce kalan kullanım ömrünün yüzdesini ölçer.

Polarizasyon eğrisi

Akü deşarj eğrisi, akünün deşarj işlemi sırasında oluşan polarizasyon etkisine göre oluşturulur. Bir pilin C hızı ve çalışma sıcaklığı gibi farklı çalışma koşulları altında sağlayabileceği enerji miktarı, deşarj eğrisinin altındaki alanla yakından ilişkilidir. Deşarj işlemi sırasında akünün Vt'si azalacaktır. Vt'deki düşüş birkaç ana faktörle ilgilidir:

✔ IR düşüşü - Akünün iç direncinden geçen akımın akü voltajında ​​yarattığı azalma. Bu faktör, nispeten yüksek bir boşaltma hızında, sabit bir sıcaklıkta doğrusal olarak artar.

✔ Aktivasyon polarizasyonu - elektrotlar ve elektrolitler arasındaki bağlantı noktasında iyonların üstesinden gelmesi gereken iş fonksiyonu gibi elektrokimyasal reaksiyonların kinetiği ile ilgili çeşitli yavaşlama faktörlerini ifade eder.

✔ Konsantrasyon polarizasyonu - Bu faktör, bir elektrottan diğerine kütle aktarımı (difüzyon) sırasında iyonların karşılaştığı direnci hesaba katar. Bu faktör, lityum iyon piller tamamen boşaldığında hakim olur ve eğrinin eğimi çok dik olur.

Pilin polarizasyon eğrisi (deşarj eğrisi), IR azalmasının, aktivasyon polarizasyonunun ve konsantrasyon polarizasyonunun Vt (pil potansiyeli) üzerindeki kümülatif etkilerini gösterir. (Resim: BioLogic)

Deşarj eğrisi hususları

Piller çok çeşitli uygulamalar için tasarlanmıştır ve çeşitli performans özellikleri sağlar. Örneğin, her biri kendine özgü özelliklere sahip en az altı temel lityum iyon kimyasal sistemi vardır. Deşarj eğrisi genellikle Y ekseninde Vt ile çizilirken, SoC (veya DoD) X ekseninde çizilir. Akü performansı ile C hızı ve çalışma sıcaklığı gibi çeşitli parametreler arasındaki korelasyon nedeniyle, her akü kimyasal sistemi, belirli çalışma parametresi kombinasyonlarına dayalı bir dizi deşarj eğrisine sahiptir. Örneğin, aşağıdaki şekil iki ortak lityum iyon kimyasal sisteminin ve kurşun asitli akülerin oda sıcaklığında ve 0,2°C deşarj oranındaki deşarj performansını karşılaştırmaktadır. Deşarj eğrisinin şekli tasarımcılar için büyük önem taşımaktadır.

Düz bir deşarj eğrisi, akü voltajının tüm deşarj döngüsü boyunca nispeten sabit kalması nedeniyle belirli uygulama tasarımlarını basitleştirebilir. Öte yandan eğim eğrisi, akü voltajının aküdeki artık şarjla yakından ilişkili olması nedeniyle artık şarjın tahminini basitleştirebilir. Bununla birlikte, düz deşarj eğrilerine sahip lityum iyon piller için, kalan şarjı tahmin etmek, pilin deşarj akımını ölçen ve kalan şarjı tahmin etmek için zaman içindeki akımı entegre eden Coulomb sayımı gibi daha karmaşık yöntemler gerektirir.

Ayrıca deşarj eğrileri aşağı doğru eğimli olan pillerde, tüm deşarj döngüsü boyunca güçte bir azalma yaşanır. Deşarj döngüsünün sonunda yüksek güçlü uygulamaları desteklemek için 'aşırı büyüklükte' bir pil gerekebilir. Dik deşarj eğrilerine sahip aküleri kullanan hassas cihazlara ve sistemlere güç sağlamak için genellikle bir yükseltme voltaj regülatörü kullanmak gerekir.

Aşağıdaki, bir lityum iyon pilin deşarj eğrisidir; bu eğri, pilin çok yüksek bir hızda (veya tam tersi, düşük bir hızda) boşaltılması durumunda etkin kapasitenin azalacağını (veya artacağını) gösterir. Buna kapasite değişimi denir ve bu etki çoğu akü kimyası sisteminde yaygındır.

Lityum iyon pillerin voltajı ve kapasitesi C oranının artmasıyla azalır. (Resim: Richtek)

Çalışma sıcaklığı akü performansını etkileyen önemli bir parametredir. Çok düşük sıcaklıklarda, su bazlı elektrolit içeren piller donarak çalışma sıcaklığı aralığının alt sınırını sınırlayabilir. Lityum iyon piller, düşük sıcaklıklarda negatif elektrot lityum birikmesine maruz kalarak kapasiteyi kalıcı olarak azaltabilir. Yüksek sıcaklıklarda kimyasallar ayrışabilir ve pilin çalışması durabilir. Donma ve kimyasal hasar arasında pil performansı genellikle sıcaklık değişimlerine göre önemli ölçüde değişir.

Aşağıdaki şekil farklı sıcaklıkların lityum iyon pillerin performansı üzerindeki etkisini göstermektedir. Çok düşük sıcaklıklarda performans önemli ölçüde düşebilir. Ancak akü deşarj eğrisi akü performansının yalnızca bir yönüdür. Örneğin, lityum iyon pillerin çalışma sıcaklığı ile oda sıcaklığı (yüksek veya düşük sıcaklıklarda) arasındaki sapma ne kadar büyük olursa, çevrim ömrü o kadar kısa olur. Belirli uygulamalar için, çeşitli akü kimyasal sistemlerinin uygulanabilirliğini etkileyen tüm faktörlerin eksiksiz bir analizi, bu makalenin akü deşarj eğrisinin kapsamı dışındadır. Farklı pillerin performansını analiz etmek için kullanılan diğer yöntemlere bir örnek Lagone grafiğidir.

Akü voltajı ve kapasitesi sıcaklığa bağlıdır. (Resim: Richtek)

Lagone arazileri

Lagün diyagramı, farklı enerji depolama teknolojilerinin özgül gücünü ve özgül enerjisini karşılaştırır. Örneğin elektrikli araç aküleri dikkate alındığında spesifik enerji menzille, spesifik güç ise hızlanma performansıyla ilişkilidir.

Çeşitli teknolojilerin spesifik enerjisi ile spesifik gücü arasındaki ilişkiyi karşılaştıran bir Ragone diyagramı. (Resim: Araştırma Kapısı)

Lagün diyagramı kütle enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğuna dayalı olup hacim parametrelerine ilişkin herhangi bir bilgi içermemektedir. Her ne kadar metalürji uzmanı David V. Lagone bu grafikleri çeşitli pil kimyasının performansını karşılaştırmak için geliştirmiş olsa da, Lagone grafiği aynı zamanda motorlar, gaz türbinleri ve yakıt hücreleri gibi herhangi bir enerji depolama ve enerji cihazı setini karşılaştırmak için de uygundur.

Y eksenindeki özgül enerji ile X eksenindeki özgül güç arasındaki oran, cihazın nominal güçte çalıştığı saat sayısıdır. Daha büyük cihazlar orantılı olarak daha yüksek güç ve enerji kapasitesine sahip olacağından cihazın boyutu bu ilişkiyi etkilemez. Lagün diyagramında sabit çalışma süresini temsil eden eş zamanlı eğri düz bir çizgidir.

Özet

Bir pilin deşarj eğrisini ve spesifik pil kimyasıyla ilgili deşarj eğrisi ailesini oluşturan çeşitli parametreleri anlamak önemlidir. Karmaşık elektrokimyasal ve termodinamik sistemler nedeniyle pillerin deşarj eğrileri de karmaşıktır ancak bunlar yalnızca çeşitli pil kimyası ve yapıları arasındaki performans değişimlerini anlamanın bir yoludur.