Lityum akülerde Hücre dengeleme, seri olarak birden çok hücreye sahip bir pil paketinin kapasitesini en üst düzeye çıkararak pil ömrünü artıran ve tüm enerjisinin kullanıma hazır olmasını sağlayan bir tekniktir. Hücre dengeleyici veya düzenleyici, genellikle lityum-iyon/Lityum Demir Fosfat pil paketlerinde, elektrikli araçlarda ve ESS uygulamalarında bulunan hücre dengelemeyi gerçekleştiren pil yönetim sistemindeki bir fonksiyondur.
Tipik olarak, bir lityum akü serisinin bireysel hücreleri farklı kapasitelere sahiptir ve farklı SOC/Şarj seviyesine farklıdır. Şarjın hücrelere dengeli dağıtım yapılmadığından, diğer hücreler hala boş olmasa bile, en düşük kapasiteli hücre boşaldığında boşaltma durmalıdır. Bu, pil paketinin enerji sağlama kapasitesini sınırlar.
LifePo4 piller, aşırı gerilim, düşük gerilim, aşırı şarj ve deşarj akımı, termal kaçak ve pil voltajı dengesizliği gibi birçok özelliğe tabidir. En önemli faktörlerden biri, pil paketindeki her bir hücrenin voltajını zamanla değiştiren ve böylece pil kapasitesini hızla azaltan hücre dengesizliğidir. LifePo4 pil paketi birden fazla hücreyi seri olarak kullanacak şekilde tasarlandığında, hücre voltajlarını tutarlı bir şekilde dengelemek için elektriksel özelliklerin tasarlanması önemlidir. Bu sadece pil paketinin performansı için değil, aynı zamanda yaşam döngüsünü optimize etmek içindir. Bu teoriye duyulan ihtiyaç, pil dengelemenin pil inşa edilmeden önce ve sonra gerçekleştiği ve optimum pil performansını sürdürmek için pilin yaşam döngüsü boyunca yapılması gerektiğidir!
Pil dengelemenin kullanılması, uygulamalar için daha yüksek kapasiteli piller tasarlamamıza olanak tanır çünkü dengeleme, pilin daha yüksek bir şarj durumuna (SOC) ulaşmasını sağlar. Pek çok LifePo4 Cell ünitesini, kutuplarda kızaklara bağlanmış köpeklerin çektiği kızak gibi hayal edebilirsiniz. Kızak ancak tüm kızak köpekleri aynı hızda koşarsa maksimum verimle çekilebilir. Dört kızak köpeği ile, eğer bir kızak köpeği yavaş koşarsa, diğer üç kızak köpeği de hızlarını düşürmek zorunda kalır, böylece verim düşer ve bir kızak köpeği daha hızlı koşarsa, diğer üç kızak köpeğinin yükünü çeker ve kendine zarar vermek Bu nedenle, birden fazla LifePo4 hücresi seri bağlandığında, daha verimli bir LifePo4 pil paketi elde etmek için tüm hücrelerin voltaj değerlerinin eşit olması gerekir.
Nominal LifePo4 pil hücresi yalnızca yaklaşık 3,2 V voltajına sahip olarak adlandırılmıştır, ancak ev enerji depolama sistemleri, taşınabilir güç kaynakları, endüstriyel, telekom, elektrikli araç ve mikro şebeke uygulamalarında nominal gerilimden çok daha yüksek bir değere ihtiyacımız var. Son yıllarda şarj edilebilir LifePo4 piller, hafiflikleri, yüksek enerji yoğunlukları, uzun ömürleri, yüksek kapasiteleri, hızlı şarj olmaları, düşük kendi kendine deşarj seviyeleri ve çevre dostu olmaları nedeniyle güç pillerinde ve enerji depolama sistemlerinde kritik bir rol oynamıştır. Hücre dengeleme, her LifePo4 hücresinin voltajının ve kapasitesinin aynı seviyede olmasını sağlar, aksi takdirde LiFePo4 pil paketinin menzili ve kullanım ömrü büyük ölçüde azalır ve pil performansı düşer! Bu nedenle LifePo4 hücre dengesi, pilin kalitesini belirleyen en önemli faktörlerden biridir. Çalışma sırasında küçük bir voltaj farkı oluşacaktır, ancak hücre dengeleme sayesinde bunu kabul edilebilir bir aralıkta tutabiliriz.
Dengeleme sırasında, daha yüksek kapasiteli hücreler tam bir şarj/deşarj döngüsünden geçer. Hücre dengeleme olmadan, en yavaş kapasiteye sahip hücre zayıf noktadır. Hücre dengeleme, paket ömrünü en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olan sıcaklık izleme, şarj etme ve diğer işlevlerle birlikte BMS'nin temel işlevlerinden biridir.
Hücre Dengeleme Sebebi
Dengeleme sırasında, daha yüksek kapasiteli hücreler tam şarj/deşarj döngüsünden geçer. Hücre dengeleme olmadan, en yavaş kapasiteye sahip hücre seri bağlı hücrelerin oluşturduğu akünün en zayıf noktasıdır. Hücre dengeleme, bir pil paketinin ömrünü en üst düzeye çıkarmaya yardımcı olan sıcaklık izleme, Hücre Dengeleme İhtiyacı Bir cihaza güç sağlamak için gruplandırılmış birkaç hücreye ihtiyacınız olduğunda, bazı dengelemeler yapmanız gerekir. Bunun nedeni, pil hücrelerinin çok fazla şarj edildiğinde veya boşaldığında ölen veya hasar gören kırılgan şeyler olmasıdır. Farklı Şarj Durumu/SoC' na sahip olan ve kullanmaya başladığınız hücreleriniz için, içinde depolanan en az enerjiye sahip hücre, hücrenin deşarj kesme voltajına ulaşana kadar voltajları düşmeye başlar.
Bu noktada, enerji hücre içinde akmaya devam ederse, tamir edilemeyecek şekilde hasar görür. Şimdi, bu hücre grubunu doğru kombine voltajda şarj etmeye çalışırsanız, sağlıklı hücreler aşırı şarj olur ve zaten ölü olan hücrenin artık depolayamadığı enerjiyi alacakları için hasar görürler. Dengesiz lityum iyon hücreleri, ilk kez kullanmaya çalıştığınızda ölürler. Bu nedenle denge kesinlikle gereklidir.
Hücre dengelemenin diğer nedenleri şunlardır şarj etme ve diğer özelliklerle birlikte bir BMS'nin temel işlevlerinden biridir.
İç direnç varyantı
Aynı Dahili dirence (IR) sahip hücreleri bulmak son derece zordur ve pil yaşı olarak hücrenin IR'si ek olarak değişir ve bu nedenle bir pil takımında tüm hücreler aynı IR'ye sahip olmaz. Anladığımız gibi IR, bir hücreden geçen akımı belirleyen hücrenin iç duyarsızlığına katkıda bulunur. IR değiştiğinden, hücre üzerinden akım değişir ve ayrıca voltajı da farklı olur.
Termal Kaçak
Pil hücreleri, özellikle lityum piller aşırı şarja ve aşırı deşarja karşı çok hassastır. Bu, dahili ısı üretim hızı, ısının serbest bırakılabileceği hızı aştığında termal kaçaklara yol açar. Hücre dengelemenin kullanılmasıyla, pil paketindeki her kusurlu olmayan hücrenin, diğer kusurlu olmayan hücrelerle aynı bağıl kapasiteye göre dengelenmesi gerekir. Hücre dengelemeyi kullanmanın dışında, ısı, termal kaçağa yol açan birincil faktörlerden biri olduğu için paketi serin tutmalısınız. Soğutursanız, ısı tutulumunu aşağı çekersiniz. Pil ortamını oda sıcaklığında tutmalısınız.
Pil Hücrelerinin Bozulması
Bir lityum pil önerilen değerin biraz üzerinde bile aşırı şarj edildiğinde pilin enerji kapasitesi, verimliliği ve yaşam döngüsü düşer. Hücre bozulmasına esas olarak şunlar neden olur:
1. Torba tipi hücrelerde elektrotların mekanik bozulması veya yığın basıncı kaybı. [Kaynak]
2. Anotta katı elektrolit arayüzünün (SEI) büyümesi. SEI, kapasite kaybının bir nedeni olarak görülüyor hepsi olmasa da çoğu, şarj voltajını 2,85v/hücrenin altında tutarken grafit bazlı Li-ion.
3. Katotta ani kapasite kaybına yol açabilecek elektrolit oksidasyonunun (EO) oluşumu.
4. Anot yüzeyinde yüksek şarj oranlarıyla üretilen lityum kaplama.
Hücre bozulması, pilin nasıl kullanıldığına göre değişen ciddi bir sorundur.
Lifepo4 Hücre Paketinin Eksik Şarj Edilmesi
Hücreler, 0,5 ile 1,0 oranında sabit bir akımda şarj edildiğinde . Batarya voltajı, tam olarak şarj edildiğinde zirveye ulaştıkça yükselir ve ardından düşer. Sırasıyla 77 Ah, 77 Ah ve 76 Ah şarj kapasitesine sahip yüzde 100 SoC'ye sahip üç hücre düşünün ve ardından tüm hücreler boşaltılırsa ve ŞArj seviyeleri 'lerini düşürelim. Akü bittiğinde En düşük kapasiteye sahip 76AH olduğu için enerjisi ilk tükenen hücre 3 olduğunu hemen anlayabilirsiniz.
Hücre paketlerine güç verildiğinde ve hücrelerden aynı akım geçerken, 3. hücre şarj sırasında yine geride kalır ve diğer iki hücre tam şarjlı olduğu için tam şarjlı sayılabilir. Bu, hücre 3'ün, hücre dengesizliğine neden olan hücrenin kendi kendini ısıtması nedeniyle düşük Kulometrik Verimliliğe (CE) sahip olduğu anlamına gelir.
Pasif Hücre Dengelemenin Avantajları:
-Mükemmel çalışan bir paketi asla dengelemek zorunda kalmazsınız.
-Bir hücre, sahip olmadığı enerjiyi israf edemez. Akü dolduğunda, bu sadece hücrenin dengelemek için yeterli enerjiye sahip olduğu zamandır.
-Tüm hücrelerin aynı SoC'ye sahip olmasına izin verir.
-Hücrelerin dengelenmesi için oldukça düşük maliyetli bir yöntem sağlar.
-Hücreden hücreye kendi kendine deşarj akımındaki uzun süreli uyumsuzluğu düzeltebilir.
Pasif Hücre Dengelemenin Dezavantajları:
-Zayıf termal yönetim.
Tam Şarj/SoC sırasında dengelenmezler. Sadece her bir hücrenin tepesinden %95 civarında dengelenirler. Bunun nedeni, farklı hücre kapasiteleriniz varsa, fazla enerjiyi yakmak zorunda kalmanızdır.
Enerji iletim verimliliği genellikle düşüktür. Elektrik enerjisi dirençlerde ısı olarak dağılır ve devre aynı zamanda anahtarlama kayıplarını da hesaba katar. Başka bir deyişle, yüksek miktarda enerji kaybına neden olur.
Pille çalışan bir sistemin çalışma süresini iyileştirmez.
Aktif Hücre Dengelemenin Avantajları:
-Kapasite kullanımını iyileştirir. Bir dizide farklı hücre kapasitelerine sahip olduğunuzda harika performans gösterir.
-Enerji verimliliğini artırır. Bir hücredeki fazla enerjiyi yakmak yerine fazla enerjiyi daha düşük enerjili bir hücreye aktararak enerji tasarrufu sağlar.
-Ömür süresini uzatma. Bir hücrenin yaşam beklentisini artırır.
-Hızlı dengeleme.
Aktif Hücre Dengelemenin Dezavantajları:
-Enerjiyi bir hücreden diğerine aktardığınızda, enerjinin yaklaşık %10-20'si kaybolur.
-Yük, yalnızca daha yüksek hücreden daha düşük hücreye aktarılabilir.
-Aktif bir hücre dengeleyici yüksek enerji verimliliğine sahip olmasına rağmen, kontrol algoritması karmaşık olabilir ve üretim maliyeti pahalıdır çünkü her bir hücrenin ek bir güç elektroniği arayüzü ile bağlanması gerekir.
Hazırlayan: Elektr. Mühendisi İsmail Hakkı Özdem