Şarj ve deşarj özellikleri nelerdir?
Şarj vedeşarjözellikler
Lityum-iyon piller güvenliği, güvenilirliği ve şarj verimliliğini sağlamak için genellikle iki-aşamalı bir şarj yöntemi kullanır. İlk aşama voltaj sınırlamalı sabit akım, ikinci aşama ise akım sınırlamalı sabit voltajdır. Lityum-iyon pili şarj etmek için maksimum voltaj sınırı, katot malzemesine bağlı olarak değişir. Bir lityum-iyon pilin temel şarj/deşarj voltajı eğrileri Şekil 3-11'de gösterilmektedir. Şekildeki eğriler C/3 şarj/deşarj akımını kullanır. Farklı lityum iyon piller için temel farklar iki yönlüdür:
1) Birinci kademe için optimum sabit akım değeri, pilin katot malzemesine ve üretim prosesine bağlı olarak değişir. Genellikle 0,2C ile 0,3C arası bir akım aralığı kullanılır. Hızlı güç tüketimi durumunda 1C, 2C ve hatta daha yüksek oranlar kullanılabilir.
2) Farklı lityum-iyon piller, sabit akım süresinde önemli farklılıklar gösterir ve sabit akımla şarj edilebilecek kapasitenin toplam kapasiteye oranı da önemli ölçüde farklılık gösterir. Pratik elektrikli araç uygulamaları açısından bakıldığında, daha uzun bir sabit akım süresi, daha kısa bir toplam şarj süresiyle sonuçlanır ve bu da uygulamalar için daha faydalıdır.
Lityum-iyon pil voltajı sabittir ve deşarjın erken ve orta aşamalarında yavaşça azalır, ancak Şekil 3-11'in DE segmentinde gösterildiği gibi sonraki aşamalarda hızla düşer. Bu aşamada aşırı deşarjı ve akünün geri dönüşü olmayan hasarını önlemek için etkili kontrol çok önemlidir.
Şarj özelliklerini etkileyen faktörler
(1) Etkisişarj akımışarj özellikleri hakkında Örnek olarak 242A·h nominal kapasiteye sahip belirli bir NCM lityum-iyon pil alındığında, %SOC=0 ve 20 derecelik sabit sıcaklık koşulları altında, şarj için farklı şarj hızları kullanıldı. Parametre sonuçları Tablo 3-1'de gösterilmektedir ve şarj eğrisi Şekil 3-12'de gösterilmektedir.
Tablo 3-1 Farklı Şarj Oranları için Şarj Parametreleri
| Akım/A(Oran) | CC-CV①Toplam Süre | Sabit AkımZaman/sn | Toplam Şarj Edilen Kapasite/A·h | Toplam Yüklenen Enerji/W·h | Sabit AkımŞarj Kapasitesi/A·h | Sabit VoltajŞarj Edilen Enerji/W·h | 170A·hZaman/sn | 170A·hAkım/A |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4.84/(0.02C) | 182220 | 182220 | 245.74 | 942.54 | 245.74 | 942.54 | 127400 | 4.85 |
| 12.1/(0.05C) | 72318.5 | 72318.5 | 243.70 | 935.37 | 243.70 | 935.37 | 50400 | 12.11 |
| 24.2/(0.1C) | 36206.8 | 35800 | 243.20 | 935.77 | 241.03 | 926.69 | 25200 | 24.24 |
| 48.4/(0.2C) | 18317.5 | 17560 | 241.08 | 933.32 | 236.32 | 912.16 | 12600 | 48.44 |
| 80.7/(0.33C) | 11443.6 | 10490 | 243.50 | 946.27 | 235.29 | 910.08 | 7590 | 80.76 |
| 121/(0.5C) | 7936.6 | 6900 | 243.92 | 952.95 | 232.09 | 900.85 | 5110 | 121.09 |
① CC, Sabit Akım; CV, Sabit Gerilim.
Tablo 3-1'de gösterildiği gibi, şarj akımı arttıkça sabit akım süresi giderek azalmakta, sabit akım altında şarj edilebilecek kapasite ve enerji de giderek azalmaktadır. 1/2 (yani SOC=50%) şarj ve deşarj kapasitesini standart olarak kabul edersek, şarj akımının artmasıyla gerekli şarj süresi azalır; 0,1°C için gereken süre, 0,5°C için gereken sürenin yaklaşık 5 katıdır. Bu koşul altında, devam eden şarj için akım farkı küçüktür, dolayısıyla son 30A·saat için şarj süresi önemli ölçüde farklı değildir. Bu nedenle, pilin izin verilen şarj akımı dahilinde, şarj akımının arttırılması, sabit akım altında şarj edilebilecek kapasite ve enerjinin azaltılmasına rağmen, genel şarj süresinin azaltılmasına yardımcı olur. Pratik pil paketi uygulamalarında, lityum iyon pilin izin verilen maksimum şarj akımı şarj için kullanılabilir ve voltaj sınırına ulaşıldıktan sonra sabit voltajda şarj gerçekleştirilebilir. Bu, şarj güvenliğini sağlarken şarj süresini azaltır. Ancak şarj akımının arttırılması akünün iç direncinden dolayı enerji kaybının da artmasına neden olacaktır. İç dirençte tüketilen enerji denklem (3-4)'e göre hesaplanır.
E, iç direncin tükettiği enerjidir;
r pilin iç direncidir;
t şarj süresi değişkenidir;
I şarj akımıdır;
t₁ ve t₂ şarjın başlangıç ve bitiş zamanlarıdır.
Kapsamlı testler, lityum-iyon pillerin iç direncinin şarj sırasında 0,4 mΩ dahilinde değiştiğini göstermiştir. Bu nedenle, denklem (3-4), pilin iç direncinden kaynaklanan enerji tüketiminin esasen şarj süresiyle doğrusal olarak ilişkili olduğunu, ancak şarj akımıyla ikinci dereceden ilişkili olduğunu göstermektedir. Sabit akım şarj aşaması sırasında şarj akımının büyüklüğü, iç direnç enerji tüketimini etkileyen birincil faktördür; daha yüksek bir şarj akımı daha fazla enerji tüketimine neden olur. Sabit voltaj, düşük akım aşamasında şarj süresi, dahili direnç enerji tüketimini etkileyen birincil faktör haline gelir; Daha uzun şarj süresi daha fazla enerji tüketimine neden olur. Şarj işleminin tamamı dikkate alındığında, şarj akımının iç direnç enerji tüketimi ile ikinci dereceden bir ilişkisi olduğundan ve bunu etkileyen ana faktör olduğundan, daha yüksek bir şarj akımı, daha fazla iç direnç enerji tüketimine neden olur. Pratik akü uygulamalarında hem şarj süresi hem de verim kapsamlı bir şekilde dikkate alınarak uygun bir şarj akımı seçilmelidir.
(2) Deşarj Derinliğinin Şarj Özellikleri Üzerindeki Etkisi 20 derecelik sabit bir sıcaklık altında, 66,2 A·saat nominal kapasiteye sahip bir NCM lityum- iyon pil üzerinde bir deşarj testi gerçekleştirildi. Pil, %90→%0 Şarj Durumuna (SOC) karşılık gelen, farklı deşarj derinliklerine (DOD) (%10→%100) kadar 0,5C oranında boşaltıldı. Deşarj işlemi sırasında gerilim, akım ve kapasite verileri kaydedildi. 60 dakika dinlendirildikten sonra pil 0,5C (CC) hızında şarj edildi. Kesme voltajına ulaşıldığında şarj modu sabit voltaja (CV) geçirildi. Akım 0,05C'nin altına düştüğünde işlem durdurularak gerilim, akım ve kapasite verileri kaydedildi. İlgili veriler Tablo 3-2'de gösterilmektedir. Lityum iyon pilin farklı deşarj derinliği koşulları altında şarj akımı eğrileri Şekil 3-13'te gösterilmektedir.
Tablo 3-2 Farklı Deşarj Derinliğinde Şarj Testi Parametreleri
| SOC | Savunma Bakanlığı | Deşarj | Şarj | Eşit-KapasiteYüklenen Enerji①/W·h | Eşit-KapasiteDeşarj Edilen Enerji②/W·h | Şarj Süresi/dak | Sabit AkımZaman/dak | Sabit AkımŞarj Kapasitesi/A·h | Ortalama Şarj Süresi Birim Kapasitesi③/dak | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kapasite/A·saat | Enerji/W·h | Kapasite/A·saat | Enerji/W·h | ||||||||
| 80.00 | 20.00 | 13.35 | 54.03 | 13.48 | 55.88 | 27.94 | 27.02 | 41.13 | 33.50 | 12.32 | 3.05 |
| 70.00 | 30.00 | 20.02 | 80.16 | 19.99 | 82.08 | 27.36 | 26.72 | 59.23 | 50.83 | 18.69 | 2.96 |
| 60.00 | 40.00 | 26.69 | 105.62 | 26.61 | 108.19 | 27.05 | 26.41 | 77.72 | 68.50 | 25.19 | 2.92 |
| 50.00 | 50.00 | 33.36 | 130.42 | 33.27 | 133.61 | 26.72 | 26.08 | 96.02 | 86.67 | 31.87 | 2.89 |
| 40.00 | 60.00 | 40.04 | 154.61 | 39.95 | 158.50 | 26.42 | 25.77 | 114.18 | 104.83 | 38.55 | 2.86 |
| 30.00 | 70.00 | 46.71 | 178.38 | 46.61 | 182.97 | 26.14 | 25.48 | 132.28 | 123.00 | 45.22 | 2.84 |
| 20.00 | 80.00 | 53.38 | 201.73 | 53.26 | 207.07 | 25.88 | 25.22 | 150.40 | 141.00 | 51.84 | 2.82 |
| 10.00 | 90.00 | 60.05 | 224.45 | 59.92 | 230.62 | 25.62 | 24.94 | 168.47 | 159.17 | 58.52 | 2.81 |
① Eşit-Kapasitede Yüklenen Enerji: Aynı SOC değişikliği altında yüklenen enerji (ör. %10). Örneğin: %90 DOD'daki şarj kapasitesi 30W·saat ise, eşit-kapasiteli şarj edilen enerji 30W·saattir; %80 DOD'daki şarj kapasitesi 50 W·saat ise, eşit-kapasiteli şarj edilen enerji 25 W·saattir.
② Eşit-Kapasitede Boşaltılan Enerji: Aynı SOC değişikliği altında boşaltılan enerji (ör. %10).
③ Birim Kapasite Başına Ortalama Şarj Süresi /dak: Şarj Süresi / Şarj Kapasitesi.
Tablo 3-2 ve Şekil 3-13'ten aşağıdaki sonuçlar çıkarılabilir:
1) Deşarj derinliği arttıkça şarj süresi artar ancak birim kapasite başına ortalama şarj süresi azalır, yani şarj süresindeki artış, deşarj derinliğiyle orantılı değildir.
2) Deşarj derinliği arttıkça, sabit akım şarj süresinin toplam şarj süresine oranı artar ve sabit akım şarj kapasitesinin gerekli şarj kapasitesine oranı artar. Gerçekte, bu karakteristiklere temel olarak iki faktör neden olur: Birincisi, daha derin bir deşarj derinliği, pilin tamamen şarj edilmesi için daha uzun bir süre gerektirir; İkincisi, daha derin bir deşarj derinliği daha düşük bir voltaj aralığına karşılık gelir, bu da aynı akım ve şarj süresi koşulları altında aküye daha az enerji yüklenmesine neden olur.
(3) Sıcaklığın Şarj Özellikleri Üzerindeki Etkisi Lityum-iyon piller farklı ortam sıcaklıklarında şarj edildi. Örnek olarak 66,2 A·h NCM lityum-iyon pil alınarak, sabit bir akım ve voltaj sınırlama yöntemi kullanıldı. Şarj parametreleri, Tablo 3-3'te gösterildiği gibi, şarj akımı limiti 1,3 A ve 3,3 A olacak şekilde kaydedildi. Aynı deşarj akımı altında akü voltajı Şekil 3-13'te gösterildiği gibi keskin bir düşüş yaşayacaktır. Ancak voltaj nispeten yüksek kaldığı için deşarj enerjisi hala yüksektir. Deşarjın ilk aşamasında, pilin iç direnci tarafından tüketilen enerji, pilin sıcaklığını arttırır, lityum iyon pilin aktif malzemelerinin aktivitesini artırır ve pil voltajını yükseltir, böylece açığa çıkabilecek enerji artar. Deşarjın orta ve sonraki aşamalarında akü voltajı düşer ve buna bağlı olarak birim zamanda açığa çıkan enerji de azalır.
Aynı sıcaklıkta ve aynı deşarj sonlandırma geriliminde, farklı deşarj sonlandırma akımları, kapasite ve açığa çıkan enerjide farklılıklara neden olacaktır. Genel olarak normal sıcaklık koşulları altında akım ne kadar düşük olursa, kapasite ve açığa çıkan enerji de o kadar büyük olur. Yukarıda bahsedilen deşarj deneyinde olduğu gibi 0,2C, 1C'ye göre %3,2 daha fazla kapasite ve enerji açığa çıkarır.
