ELEKTRİKLİ ARAÇLARDA BATARYA SİSTEMLERİNDEKİ GELİŞMELER

October 6, 2017


Elektrikli araçların yaygın olarak kullanılmasındaki en büyük engellerden biri olarak gösterilen sınırlı pil ömrüne bir çözüm yolu getirilmeye hazırlanılıyor. Hâlihazırda elektrikle çalışan otomobiller lityum iyon pil teknolojisiyle tek şarjla 160 km’ye kadar yol kat edebiliyor. Lityum iyon pillerin kullanıcılara az kullanım ömrü sunması, elektrikli araçların yaygın olarak kullanılmaya başlamasına önemli bir engel oluşturuyor.
Bu sorunu ortadan kaldırarak pillerin üretebildiği ve depolayabildiği enerji miktarını önemli ölçüde arttırılması planlanıyor. Enerji yoğunluğunu 10 katına çıkarması beklenen yeni tür lityum hava pili teknolojisi nefes alma özelliğine sahip. Bu piller yolculuk esnasında kullanılırken havadaki oksijen lityum iyonlarla tepkimeye giriyor. Elektrikle çalışan bir otomobilin tek şarjla en az 800 km yol kat edebilmesini sağlayan lityum hava pilleri üzerinde çalışmaya devam ediyor. Bu piller tek bir dolumla uzatılmış pil ömrü sağlayarak aracın seyir esnasında havadan oksijen almasını sağlıyor.

 

 


BATARYA ÖMRÜ
Bataryalar, yapısındaki aktif materyallerin kaybına neden olan istenmeyen kimyasal tepkimeler ve fiziksel değişimler sonucu sınırlı bir kullanım süresine sahiptir. Bu değişimler genellikle pilin elektriksel performansını etkiler. Batarya ömrü ancak istenmeyen kimyasal reaksiyonlar azaltılarak ya da önlenerek arttırılabilir. Bataryada kalan enerji miktarını bilmek ve tam dolu durumdaki enerji miktarı ile kıyaslamasını yapmak, yeniden şarj olmadan önce bataryanın ne kadar süre çalışacağının tahmin edilmesinde yardımcı olmaktadır.
Kimyasal Değişimler:

Bataryalarda gerçekleşmesi istenen kimyasal reaksiyonlar maalesef genellikle bazı aktif kimyasalları tüketen ya da reaksiyonlarına engel olan istenmeyen kimyasal reaksiyonları beraberinde getirmektedir. Bu durum batarya ömrünü azaltmaktadır.

Sıcaklık Etkileri:
Bataryanın içindeki kimyasal reaksiyonlar, hem voltaj hem de sıcaklıkla yürütülür. Bataryanın sıcaklığı arttıkça kimyasal reaksiyonlar hızlanacaktır. Yüksek sıcaklıklar performansı arttırırken bir yandan da batarya ömrünün azalmasına yol açan istenmeyen kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesine sebep olacaktır.
Raf ömrü ve şarj tutma, self deşarj oranına bağlıdır ve self deşarj da pildeki olması istenmeyen kimyasal reaksiyonların bir sonucudur. Benzer şekilde korozyon, gaz oluşumu çevrim ömrünü azaltan istenmeyen kimyasal tepkimelerdir. Bu nedenle sıcaklık hem raf ömrünü hem de çevrim ömrünü etkiler.


Basınç Etkileri:
Bu problem sızdırmaz bataryalarda ortaya çıkmaktadır. Pil içindeki basınç artışı, artan sıcaklığın bir sonucudur. Çeşitli etkenler sıcaklık artışına neden olabilir. Akım fazlası ya da yüksek ortam sıcaklığı, pil sıcaklığının artışına neden olur ve aktif kimyasalların genişlemesine yol açarak pildeki iç basıncın artışına sebebiyet verecektir.
Basınç fazlası; pil koruyucu tabakasında şişme, akım yolunda aksaklık, kısa devre gibi pil içinde mekanik hasarlara neden olacaktır.

Voltaj Etkileri:
Şarj olabilen her bataryanın operasyon voltaj karakteristiği, kendine has pil kimyasıyla ilişkilendirilir. Aktif kimyasalların tümü, tam dolu şarj durumundaki kompozisyonuna dönüştüğünde pil içine giren elektriksel enerji, ısının artmasına neden olur ve kimyasal olmayan istenmeyen reaksiyonları başlatır. Pil, üst voltaj limitinin üzerinde şarj etmek pile hasar verecek tersinmez kimyasal reaksiyonların oluşmasına neden olur. Bu duruma eşlik eden sıcaklık ve basınç artışı kontrol edilemez ise pilin patlamasına ve tehlikeli kimyasalları açığa çıkararak yangına neden olabilir.
Pili önerilen düşük voltaj limitinin altında deşarj etmek, aktif kimyasallar arasında istenmeyen reaksiyonlara yol açarak kalıcı hasara neden olabilir.
Deşarj Derinliği (DoD-Dept of Discharge): 

Akünün %100 dolu durumundan %0 tam boş durumuna kadar olan deşarj edilme oranıdır. %80 DoD demek akünün Ah olarak belirtilen kapasitesinin %80’ine kadar deşarj edilmesi anlamına gelir.
Bataryanın çevrim sayısı, deşarj yoğunluğu artış gösterdikçe doğrusal olmayan düşüş gösterir. Uygulamada deşarj yoğunluğu sınırlanırsa, tasarımcı bataryanın çevrim ömrünü önemli ölçüde arttırabilir.
Elektrikli araç uygulamaları gibi uygulamalarda bataryadan maksimum güç çekilir. Bu da bataryanın çok yüksek DoD durumunda deşarj olduğu anlamına gelmektedir. Derin deşarj yoğunluklarında batarya pilleri kalıcı olarak hasar görebilir. Derin çevrim bataryalarının DoD potansiyellerini maksimum yapmak için özel pil yapıları ve kimyasal karışımlar gerekebilir. 


ÇEVRİM ÖMRÜ
Akünün belli bir DoD seviyesine kadar deşarj ve sonra tam şarj edilmesine bir “çevrim” denir. Akü Ah olarak belirtilen kapasitesini %80’e kadar koruyacak şekilde kaç kez şarj/deşarj “çevrimine” sokulabiliyor ise o akünün “çevrim ömrü” o sayıya eşittir. 
Kısmi deşarjlarda daha az miktarda enerji alındığı için batarya daha fazla sayıda derin olmayan çevrimler sürdürecektir. Bu tarz çevrimler daha çok rejeneratif frenleme enerjisini kullanan hibrit elektrikli araçlara özgüdür.


BATARYA DENETİM SİSTEMİ
Elektrikli araçlarda aktif batarya denetimi, efektif ve sürekli bir ölçüm, şarj durumu, voltaj, sıcaklık, bataryanın şarj ve deşarj oranlarının kontrolünün yanı sıra düşük voltaj, aşırı ısınma, yüksek iç direnç ya da açık ve kısa devre gibi durumlarda her bir batarya pilinin sıcaklık ve voltajını da görüntüler. Bunu efektif olarak yerine getirmek için her pilin ek kablolarla bağlantısı gerçekleştirilmelidir. Bu nedenle batarya pillerinin izlenmesi ve uyuşmazlıkları saptamak üzere batarya bloklara bölünür. Blokların sıcaklık ve voltaj değerleri karşılaştırılır.
Bu metotla tüm batarya hata durumlarını saptamak mümkündür fakat toplam batarya performansını etkileyen her bir pilin şarj durumundaki uyuşmazlıkları saptamak kolay olmamaktadır. Her pile voltaj ve sıcaklık sensörü yerleştirerek verilerin tek bir kablo üzerinden dijital veri olarak batarya denetiminin izlendiği bilgisayara iletilmesi mümkün olmakla birlikte şarj algoritmasını da ayarlamak mümkündür.
Batarya performansını ve emniyetini kontrol etmek için öncelikle hangi parametrelerin kontrol edilmesi gerektiğini ve neden kontrole ihtiyaç duyduğunu anlamak gerekmektedir. Tüm batarya denetim sistemlerinin üç temel amacı vardır:

 


-Pillerin ya da bataryanın hasar görmesini engellemek.
-Bataryanın ömrünü uzatmak.
-Uygulama amacına göre fonksiyonel gereksinimleri karşılayabileceği şekilde bataryanın bakımı yapmak.
PİL KORUMASI 
Bataryanın kendine has dizayn limitlerinin dışında çalıştırması durumunda bataryanın hasar görmesi kaçınılmazdır. Büyük miktarda enerji içeren yüksek güç pilleri bir kısa devre ya da fiziksel hasar sonucunda bu enerjisini kontrolsüz bir şekilde açığa çıkarırsa yıkıcı sonuçlara neden olabilir. Operasyon koşulları toleransının dışına çıkmış bir bataryayı korumak tüm BDS uygulamalarının temel amacıdır.

Aşağıdaki istenmeyen olay ya da koşullar için pil koruması tavsiye edilmektedir:
- Şarj ve deşarj boyunca aşırı akı
- Kısa devre
- Voltaj fazlası- aşırı şarj
- Önceden belirlenmiş deşarj derinliği limitlerinin aşılması
- Yüksek ortam sıcaklığı
- Aşırı ısınma- pil sıcaklık limitinin aşılması
- Pil içinde basınç oluşması
- Bir kaza durumunda sistemin izolasyonu için
- Hatalı kullanım

ŞARJ KONTROL

Bataryaların şarj durumunu tespit etmek, batarya denetim sisteminin ikinci temel görevidir.
Hibrid elektrikli araçlarda batarya rejeneratif frenlenme enerjisini depolayabilmesi için yüksek güçte şarj kabiliyeti ve ivmelenme ya da harekete geçme durumunda yüksek güçte deşarj olabilme kabiliyetine sahip olmalıdır. Bu nedenle bataryalar gereksinim duyulan güçte deşarj olabilecek ve pillerin aşırı şarj riskine imkân vermeksizin rejeneratif enerjiyi kabul edecek şekilde şarj olabilecek BŞD seviyesinde tutulmalıdır.
Hibrit elektrikli araç bataryalarını pil-şarj eşitlemesi için tam olarak şarj etmek, rejeneratif frenleme enerjisini depolama kabiliyetini azaltır. Bu yüzden hibrit elektrikli araçlarda bataryayı uygun operasyon limitleri içerinse tutmak için doğru BŞD bilgisine gereksinim duyulur.


LİTYUM İYON HAVA BATARYALARI
Beklenenden çok daha yüksek enerjili bir batarya hücresi geliştiren kimyager K. M. Abraham’ın 1995 yılında kendi laboratuvarında test ettiği bir batarya hücresinde küçük bir sızıntı buldu. Abraham bu sızıntıyı düzeltmeyi denemekten ziyade bu konuyu araştırdı ve ilk yeniden şarj edilebilir lityum-hava (Li-air) bataryayı keşfetmiş oldu.
2008 yılında, Tesla şirketi lityum-iyon (Li-ion) bataryalarla çalışan satışa hazır elektrikli aracı Roadster ile endüstri gözlemcilerini şaşırtmıştı. Bu bataryalar akıllı telefonlardan dizüstü bilgisayarlar, kamera ve oyuncaklara kadar her şeyde kullanılıyordu ve sıra otomobillere gelmişti. Bundan sonra, elektrikli araçlar sadece otomobil pazarında hızlı büyümedi, bataryaların ortalama kullanımı da artmış oldu. Ancak bu büyümenin hızlandırılması gerekiyor.
Profesör Gunwoo Kim ve Clare Grey’in liderliğinde yürütülen bu yeni araştırma bir Li-ion bataryada tipik olarak kullanılan metal oksit yerine hafif, gözenekli karbon gibi sadece bir elektron iletkeninin kullanıldığı Li-air batarya hücreleri üzerine gerçekleşti. Pratik olarak, Li-air batarya hücreleri bir miktar ağırlık tasarrufu sağladı.
Bir Li-hava batarya hücresi pozitif elektrottaki oksijen moleküllerinin (O2) kullanılabilirliğinden bir voltaj oluşturur. Oksijen molekülleri lityum peroksit (Li2O2) oluşturmak ve sonunda elektrik üretmek için pozitif yüklü lityum iyonları ile etkileşirler. Elektronlar elektrotun dışına çekilir ve artık daha fazla lityum peroksit oluşmuyorsa batarya boştur.
Şekil-2'de hâlen kullanılan batarya tipleri ile lityum-hava pilinin karşılaştırılması görülmektedir. Lityum-hava pillerde teorik hesaplamalar ile elde edilen pratik neticeler arasında oldukça büyük fark var.
Pozitif elektrotun tüm gözenekleri lityum peroksit ile dolduğunda teorik olarak lityum-hava bataryası boşalmış demektir.
Ancak, lityum peroksit çok kötü bir iletkendir. Eğer lityum peroksit tortuları reaksiyon sırasında elektron sağlayan elektrot yüzeyi üzerinde artarsa, bu eninde sonunda reaksiyonu sonlandırır, böylece batarya da tüketilmiş olunur. Eğer reaksiyon sonucu oluşan lityum peroksit elektroda yakın bir yerde depolanırsa ama onun üzerini kaplamazsa bu problemin üstesinden gelinebilir. 
Cambridge araştırmacıları standart bir elektrolit karışımını kullanarak ve katkı maddesi olarak da lityum iyodür (LI) ekleyerek tam anlamıyla soruna ilişkin bir reçete buldular. Araştırmacıların deneyi büyük gözeneklerle dolu çok sayıda ince grafen katmanlarından oluşan emici, yumuşak bir elektrotu da ayrıca içeriyordu. Son önemli madde de küçük bir miktar su oldu. 

Kimyasalların bu kombinasyonu ile reaksiyonda elektrotun iletken yüzeyine yapışan lityum peroksit oluşmadı. Lityum peroksit sudan ayrılan hidrojen ile birleşerek lityum hidroksit (LiOH) kristallerini oluştu. Bu kristaller karbon elektrottaki gözenekleri dolduracak büyüklüktedir ama kritik olarak bu kristaller karbon yüzeyi kaplamaz ve engellemezler. Böylece voltaj üretilmesini sağlarlar. Lityum iyodürün varlığı bir “kolaylaştırıcı” ve suyun varlığı ise “ortak reaktif” olarak lityum-hava bataryalarının kapasitesinin artırılmasında rol oynamıştır. 

Share on Facebook
Share on Twitter
Please reload

Arşiv
Please reload

Bizi Takip Edin
  • Instagram Social Icon
  • LinkedIn Social Icon
  • Facebook Basic Square
  • Twitter Basic Square

BATRON ARGE AKÜ PİL BATARYA

Merkez : Yıldırım Beyazıt Mah. Aşık Veysel Blv. E.Ü. Tgb İdare Ve Kuluçka 5 No: 67 /4/12  Melikgazi / Kayseri / Türkiye

Şube : ​Büyükdere Caddesi No:255 Nurol Plaza B.02 Maslak, Sarıyer, İSTANBUL

+90 352 502 53 45
+90 850 303 50 93