Batarya durum de erlendirmesi ve izlemesi her geçen gün önemini artıran batarya teknolojileri konularından biridir. Özellikle dü ük emisyon de erlerine sahip yüksek teknolojik araçlar dü ünüldü ünde yakıt ekonomisi ve çalı ma topolojilerini olu turulmasında elektrik enerjisinin bataryalarda depolanması ve arj, sa lamlık durumlarının yüksek güvenilirlikle temin edilebilmesi istenmektedir. Günümüz batarya yönetim sistemlerinde geli mi durum de erlendirme algoritmaları olmakla birlikte özellikle sürü dinami ini do rudan etlkiledi i için arj durumunun tespitine yönelik çalı malara a ırlık verilmi tir. Geli mi bir batarya yönetim sisteminde veri
algoritmaları olu turulmasını kapsamaktadır. Bataryanın gelecekte kar ıla abilece i durumlara göre tahminlerin olu turulması, bataryanın ya lanmasına yönelik hesapların yapılarak yük durumuna göre enerji arzının kar ılanıp kar ılanamayaca ı incelenmelidir [33].
Bir BYS’nde en karma ık i lemlerden biri bataryanın durmunun belirlenmesidir. Bataryada, Ah olarak dolulu u belirtir arj durumunu ( D) de i kenlik göstermesi, elektrokimyasal reaksiyonların artlara göre de i kenli inden gelmektedir. Bir bataryanın arjı esnasında sıcaklı ı, ortamın sıcaklı ı, batarya doluluk oranı, bataryanın uç gerilimi, üzerinden geçen akım de eri ve bataryanın ya ı gibi parametreler nedeni ile bu i lem karma ıkla maktadır. Pratikte en yaygın uygulama ise Coulomb kanunu ile hesaplanan birim zamanda geçen amper sayısıdır.
Do ru D hesaplaması elektrikli platform teknoljilerinde hassas bir noktadır. Çe itli çevresel ko ullar altında seri ba lanmı her bir modülün dinamik davranı larından dolayı D hesabı oldukça karma ıktır [14].
Ba ka bir yakla ıma göre, elektrikli araçlarda amper-saat hesaplaması ile D tanımlaması sa lanabilir fakat hibrid elektrikli araçlarda bu durum geçerli de ildir. Amperaj hesaplamalarında küçük hatalar sürekli olmakta ve bataryanın bakım prosedürü arasındaki uzun süre boyunca D da büyük hatalara neden olmaktadır. Bunun sonucunda a ırı arj ve a ırı de arj problemleri ya anmakta ve de araçta performans dü üklü ü görülmektedir. Örne in, e er gerçek D de eri hesaplanandan daha büyük ise frenlemeden gelen geri kazanma enerjisi depo edilmesi mümkün de ildir. Bu arj bataryayı a ırı arja zorlayarak arızaya neden olabilmektedir. D de erini düzeltmek için kullanılan batarya gerilimi hücre karakteristi ine ba lıdır. Uygulanacak pratik testler ile her türlü durumda bataryanın davranı ını anlamayı sa layacaktır [34].
Li-iyon hücrelerin D unu belirleme için uygulanan yöntemlerden biride Kalman Filtre ile arj durumu belirleme yöntemidir. Özellikle hibrid elektrikli araç gibi yük durumunun darbeli olarak de i iklik gösterdi i durumlarda ileri seviye hassasiyete sahip, basit batarya modellerinin olu turulması gerekmektedir [35]. Bununla birlikte, bataryalarda Sa lamlık Durumu (SD) nun tespiti, bir ba ka önemli noktadır. Örne in elektrikli araçlarda, elektriksel problemler bilinen içten yanmalı motorlu araçlara göre çok daha fazla önem ta ımaktadır çünkü bataryalarda çok daha fazla güç ve enerji ihtiyacı vardır. Bundan dolayı bataryaların güvenlik donanımlarında, kritik
çalı ma ko ullarına kar ı koruma amaçlı ekipmanlar mevcuttur. Bu koruma ekipmanlarının BYS içindeki görevleri, a ırı gerilim koruması, derin de arj koruması, yüksek sıcaklık koruması, elektriksel kısa devre durumunda güç kayna ının kesilmesi, ile sıralanmaktadır [2, 32, 36]. Hibrid elektrikli araç bataryalarında genel olarak SD de erlendirilmesi için yüksek frekans empedans de eri kullanılmı tır [37].
Bir bataryanın durum de erlendirmesini yapabilmek için arj Durumu ( D) nun ve Sa lamlık Durumunun (SD) elde edilmesi gerekmektedir. levsellik Durumu ( D), bu iki parametrenin bir fonksiyonu eklinde tanımlanabilir. Arıza tanımlama ile ilgili yapılacak çalı malarda arj durumu ( D) ve Sa lamlık durumu (SD) nun elde edilmesi kritik önem arz etmektedir. Bu çalı mada, ekil 2.4 teki Çalı ma Bölgesi’nin dı ına, geri döndürülemez de i iklikler ile çıkma veya çıkma e iliminin tespiti amaçlanmı tır [34].
Elektrokimyasal yapısı ne olursa olsun, genel olarak bir bataryadan kendisine tanımlanan i levi yerine getirebilecek bir performans beklenir. Bunu gerçekle tirebilmek için hücre belli bir arj ve sa lamlık durumuna sahip olması gerekmektedir. Bu üç temel bile en, bataryanın veya hücrenin durumunu belirtir. Arıza durumu ise bu alanın dı ında kalan alan olmaktadır. ekil 2.4 de bataryanın durumları ile arıza durumları arasındaki ili ki bölgesel olarak gösterilmi tir.
ekil 2.4 : Batarya durum de erlendirmesi.
Konu hakkında yapılan ara tırmalardan çıkan sonuçta, arj durumunda ( D) olu acak de i likler “tersinir, geri döndürülebilir” de i iklikler olarak
etti imizde, etkin kapasitesi, iç direnci, uç gerilimi ve gazlanması olumlu yönde de i mektedir [38]. Bu parametrelerin de i minde “tersinmez, geri döndürülemez” de i iklikler mevcut ise sebebi, bu mevcudiyet oranında Sa lamlık Durumu (SD) nda olumsuz geli melerdendir ( ekil 2.5).
ekil 2.5 : Batarya durumu ve durum de i kenleri ile ili kileri.
Bir bataryanın durumu hakkında fikir sahibi olmak veya karar verebilmek için arj ve sa lamlık durumunu bilmek ve D’nu bu parametrelere göre de erlendirmek gerekmektedir. Bu nedenle durum de erlendirmede D ve SD’nun belirlenmesi, arıza durumlarının ortaya çıkartılması için ayrı bir öneme sahiptir.
D’ndaki de i iklikler, tersinir de i ikliklerdir. Batarya kullanıldıktan sonra, tekrar uygun bir ekilde arj edildi inde, faydalı kapasite, iç direnç, açık devre gerilimi ve gaz olu umu olumlu yönde de i iklik gösterir. Bu parametrelerde tersinmez de i imler olu tu u takdirde batarya SD’nda olumsuz geli meler olur ve bununla birlikte, levsellik Durumu’ndaki dü ü nedeni ile bataryanın durumu “ Y ” olmaktan çıkar ve “ARIZALI” konuma dü er [39, 40].
Literatürde a ırı de arj durumundaki Li-iyon hücrelerde, hücre uç gerilimi 1.5V un altına indi i zaman bakır akım ta ıyıcıdan Cu+2 iyonlarının anodik çözülme ile açı a meydana geldi i ve bu iyonların seperatör malzemede bakır öntler meydana getirdi i belirtilmi tir. Aynı durumun a ırı de arj durumunda pilin kutup de i tirmesi durumunda da meydana gelebilece i belirtilmi tir. Bir ba ka yan etki ise bu Cu+2 iyonlarının anotta Li ile ala ım meydana getirerek dendrit olu turmasıdır. Dendrit olu umu ile seperatör malzemenin delinerek iç kısa devre olu turarak arıza meydana getirme olasılı ı oldukça yüksektir. Bu durum sıcaklı a ve a ırı arja kar ı pilin direncini dü ürerek hassasiyet yaratabilmektedir. Li-iyon hücrelerde uç geriliminin
2.0V ve 0.5V arasında bir de er ile a ırı de arj edilmesi durumunda %25 e varan kalıcı kapasite kayıplarının meydana geldi i gözlemlenmi tir [41,42].
Bununla birlikte a ırı durumlarda, katot malzemesi olarak LiCoO2 kullanılan
hücrelerin aykırı çalı ma ko ullarında oldukça hassas ısıl ve kimyasal karakteristik göstedikleri belirtilmi tir. Bu nedenle a ırı arj durumunda katotta geri döndürülemez etkileri aktif madde kaybı olarak gözlemlemek mümkündür. Bu aktif madde kapasite kaybına yol açaca ı gibi, lityum kaybı ve grafit katman yapının bozulması olarak gözlemlenmektedir [41, 43].
Kapasite kaybı, zaman geçtikçe pilin de arj kapasitedesindeki dü ü ü ifade etmektedir. Pil aktif halde de ilken de kapasite kaybı devam etmektedir. Bu kayıp pil için tanımlanan kullanım ömrü ve çevrim ömrü boyunca olu ur. Kapasite kaybı tersinir veya tersinmez özellikler ta ımaktadır. Tersinir özelliklerde kapasite kaybı kendinden de arj olarak tanımlanmaktadır. Bu kayıp, pil tekrar arj edildi inde giderilebilir. Tersinmez de i iklikler ise pilin kapasite oranını kaybı ile do rudan orantılıdır ve pilin sa lamlık durumu ile ilgilidir. Uygulamaya kabul edilebilir kapasite kaybı seviyeleri de i iklik göstermektedir. Örne in cep telefonu, bilgisayar gibi elektronik cihazlar için pil kapasite kaybı 2 yıl içerisinde anma de erin %20’si kabul edilebilir bir seviyedir. Bir uydu uygulamasında ise bu kapasite kaybı seviyesine gelmek için 18 yıl kabul edilebilir bir seviye olmaktadır. Pil üreticilerinin ürün veri çizelgeleri dahil birçok teknik literatür ve dökümanda kapasite kaybı iki ekilde karakterize edilmi tir. Bunlardan biri hücre empedansındaki artı , di eri ise hücre kapasitesindeki azalmadır. Empedans artı ının pozitif ve negatif elektrotlarda meydana geldi i, bununla birlikte kapasite kaybının genellikle negatif elektrot üzerindeki KEG artı ı nedeni meydana geldi i belirtilmi tir [44].
Empedans spektroskopisi, farklı ya lanma mekanizmaları hakkında bilgi sa layabildi i için arj edilebilir pillerin ya lanma etkilerini anlık olarak inceleyebilmek için en sa lıklı yöntemlerden biridir. Bununla birlikte empedans spektroskopisini sahada uygulamak için gerekli olan cihaz altyapısı dü ünüldü ünde pratik olmadı ı söylenebilir. Li iyon hücrelerin kullanım ömürleri ortalama 2-4 yıl arasındadır. Li-iyon pillerde geri döndürülemez de i ikliklerin temel nedenlerinden biri negatif karbon yüzeyi üzerinde olu an KEG yüzey filmidir.
Li-iyon hücrelerde a ırı arj ve a ırı de arj durumlarında kar ıla lan genel durum elektrolitin çözünmesidir. Bununla birlikte elektrolit iletkenli i dü mekle birlikte, iç dirençte artı gözlemlenir. Karbon temelli negatif elektrotlarda KEG yüzey filminin olu tu u gözlemlenmektedir. Ayrıca lityumun grafit katmanlara geçi i sırasında ilave bir KEG yüzeyin olu tu u görülmü tür. Bu yüzey filminin gerilmesi ile parçalanması neticesinde olu an de i ikler bir dizi kimyasal reaksiyon meydana getirerek dengelenir ve bu esnada Li iyonlarının bir kısmı geri döndürülemeyecek ekilde buralarda ba lanırlar. Bunun sonucunda hücrede iletimde bulunan Li iyonlarının bir kısmının buralarda ba lanmasıyla geri dördürülemez kapasite kayıplarına yol açarlar. Negatif elektrodun lityum metal malzemeden olu ması durumunda dendrit olu umu gözlemlenebildi i gibi bunun sonucunda kendinden de arj miktarında artı meydana gelmektedir. Ayrıca bu durum iç kısa devre olu ma olasılı ını artıran unsurlardan biridir. Pozitif elektrot için kullanılan malzemelerden en yaygın olanı LiCoO2 dir. Bu
malzeme hücre gerilimi 4.35V u geçti i zaman çözünmeye ba lamaktadır. Bu çözülme neticesinde geri döndürülemez etkiler meydana gelmektedir. Hücre ısıl olarak kontrolden çıkabilmektedir. Bu tip elektrotlarda ileri çevrim sayılarında arj transfer direncinin artması sonucu görülebilir [45, 46]. Bir çok uygulamaya ve batarya tipine göre arızalar a a ıdaki ekilde sınıflandırılabilir [39,40]:
Efektif kapasitenin kaybedilmesi: bataryalarda efektif kapasitenin belli bir oranda kaybedilmesi, aktif maddenin kaybolması ve aktif kütlenin iletkenli inin azalması ile meydana gelebilmektedir. Genelde bir hücre nominal kapasitesinin %80 ini yitirdi i zaman efektif kapasini kaybetmi kabul edilmektedir.
ç dirençin artması: bataryalarda aktif güç kaybına sebebiyet verecek ekilde iç dirençin artmasıdır. Elektrolit kaybı ve aktif yüzey kaybının azalması ile meydana gelebilmektedir.
Kendili in de arjın artması: bataryalarda kendili inden de arj miktarının artı göstermesinin sebebi plakalar arasında olu an dendritler ve elektrolitin zehirlenmesidir.
ç kısa devre olu umu: plakalar arasında dedritlerin olu ması ileri safhada oldu u takdirde iç kısa devreye sebebiyet verebilmektedir.
Hücre açık devre davranı ı: hücrenin açık devre davranı sebebi olarak grid (akım ta ıyıcı) korozyonu ve pasifle me gösterilebilir.
3 . HÜCRE MODELLER
Bataryalar çe itli elektrokimyasal ve fiziksel i lemler içerisinde etkile im gösterdikleri için davranı ları oldukça karma ık bir yapı göstermektedir. Bu nedenle Batarya davranı larını irdelemek ve durum de erlendirmesi yapabilmek için inceleme kriterlerine göre bataryanın modelinin olu turulması gerekmektedir. arj edilebilir pillerin modellemesi için genel yakla ım batarya içerisinde ve ortamında meydana gelen fiziksel ve elektrokimyasal olayların matemetiksel tanımlar ile ifade edilmesidir. Genel olarak batarya modelleri a a ıdaki özellikler altında toplanabilmektedir [25]:
Lineer pasif elemanlardan olu an devre modelleri: bu devrelerde direnç, kapasite, endüktans gibi devre elemanları olmakla birlikte empedans ile ilgili çalı malarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Devrenin basit olması i lem açısından avantaj getirse de, bataryanın non-lineer yapısı ve davranı ları hakkında ifadeler ile desteklenmelidir.
Lineer pasif elemanlar ve güç kaynaklarından olu an devre modelleri: bu modellerde veri çizelgeleri büyük önem ta ımaktadır. Sa lıklı veri elde edebilme ve do ru veri çizelgelerinin olu turulması ile birlikte daha hassas modeller olu turmak mümkündür.
Elektriksel, kimyasal ve fiziksel parametrelerin incelendi i batarya modelleri: birbirinden farklı disiplinlerde ve karma ık yapıda olu an bu modelin kullanımı, ilk iki model tipine göre oldukça enderdir. Bu modelde elektriksel, kimyasal ve fiziksel davranı lar irdelenerek batarya modeli olu turulmadır.