Li-iyon Polimer Pil Karakteristiklerinin Analizi Ve Arıza Tanısı

(1)

STANBUL TEKN K ÜN VERS TES FEN B L MLER ENST TÜSÜ

DOKTORA TEZ Tevhit Cem KAYPMAZ

Anabilim Dalı : Elektrik Mühendisli i Programı : Elektrik Mühendisli i

L - YON POL MER P L KARAKTER ST KLER N N ANAL Z VE ARIZA TANISI

(2)

(3)

STANBUL TEKN K ÜN VERS TES FEN B L MLER ENST TÜSÜ

L - YON POL MER P L KARAKTER ST KLER N N ANAL Z VE ARIZA TANISI

DOKTORA TEZ

Y. Müh. Tevhit Cem KAYPMAZ (504022005)

HAZ RAN 2009 Tezin Enstitüye Verildi i Tarih : 29 Aralık 2008

Tezin Savunuldu u Tarih : 17 Haziran 2009

Tez Danı manı: Prof.Dr. R. Nejat TUNCAY ( .T.Ü.) Di er Jüri Üyeleri: Prof.Dr. Oruç B LG Ç (Y.T.Ü.)

Prof.Dr. Esma SEZER ( .T.Ü.) Doç.Dr. Tarık DURU (Kocaeli Ü.) Yrd.Doç.Dr. Serhat K ZO LU ( .T.Ü.)

(4)

(5)

ÖNSÖZ

Doktora çalı mam boyunca;

Benim için karanlıktaki ı ık olan de erli bilim insanı, kendi evladımın meziyetlerini ta ımasını gönülden arzuladı ım danı man hocam Prof. Dr. Sayın R. Nejat TUNCAY’a,

Meyve a acının dibine dü er misali, yıllar sonra ne a amalar ve zorluklardan geçerek bir yandan kendi çalı malarını, bir yandan sevgili A abeyim ve beni yeti tirme çabalarının büyüklü ünü yeni yeni anladı ım, canım annem ve babam Prof. Dr. Sayın Ay e KAYPMAZ ve Prof. Dr. Sayın Adnan KAYPMAZ’a,

Birlikte vakit geçirmeye doyamadı ım, hayatımın en zorlu dönemlerinde deste ini benden eksik etmeyen hayat arkada ım, benli imin yarısı, güzel e im Sayın Zehra KIVANÇ KAYPMAZ’a,

Her zaman yanımda oldu u hisetti im, benim inancımın kırıldı ı yerlerde, e i benzeri zor bulunur bir motivasyon ve bütünlük ile beni yüreklendiren canım annem ve babam Sayın Sabahat KIVANÇ ve Sayın Kamil KIVANÇ’a,

Kar ıla tı ım teknik zorlukları, büyük bir özveri ile a mama yardımcı olan ve desteklerini eksik etmeyen, “Hayatta en gerçek yol gösterici bilimdir” inancı ile bilim sava ında birlikte mücadele verdi imiz silah arkada larım, Batarya Teknolojileri Grubu’na,

Can’dan te ekkürlerimi saygılarıma arz ederim.

Aralık 2008 Tevhit Cem KAYPMAZ

(6)

(7)

Ç NDEK LER Sayfa ÖNSÖZ...iii Ç NDEK LER ... v ÖZET...xvii SUMMARY ... xix 1 . G R ... 1

1.1 Çalı manın Amacı ve Kapsamı... 1

1.2 Problemin Tanımlanması ... 4 1.3 Yakla ım Yöntemi ... 5 1.4 Tez Düzeni ... 6 1.5 Özgün Katkı ... 6 2 . BATARYALAR ... 7 2.1 Batarya Sistemleri ... 7 2.2 Genel ifadeler... 8

2.3 Li-iyon ve Li-iyon Polimer Bataryalar... 10

2.3.1 Li-iyon bataryalar... 10

2.3.2 Li-iyon polimer bataryalar ... 11

2.4 Batarya Yönetim Sistemleri ... 13

2.5 Li-iyon Bataryaların arj Edilmesi ... 14

2.6 Li-iyon Bataryaların De arj Edilmesi ... 15

2.7 Durum Belirleme... 16

3 . HÜCRE MODELLER ... 23

3.1 Elektrokimyasal Modeller... 23

3.2 Birle tirilmi Hücre Modeli ... 25

3.3 EES Deneysel Yöntemi ile Model Karakteristiklerinin Çıkartılması ... 25

3.4 EES ile Elde Edilen Bölgelerin Tanımlanması ... 26

3.5 EES ile Randles E de er Devresi Parametrelerinin Elde Edilmesi ... 27

4 . DENEYSEL ÇALI MA ... 31

4.1 Deney Altyapısı... 31

4.2 Deneylerde kullanılan Li- iyon Polimer Hücreler... 33

4.3 Hücre artlandırma Prosedürü ... 36

4.4 Çevrim Testleri (ÇT)... 38

4.4.1 ÇT için test prosedürü ... 38

4.5 A ırı De arj Testleri (ADT) ... 39

4.5.1 ADT için test prosedürü... 39

4.6 A ırı arj Testleri (A T)... 42

4.6.1 A T için test prosedürü... 42

4.7 Deneysel Bulgular... 45

4.7.1 Çevrim testleri sonuçları ... 46

4.7.2 A ırı de arj testleri sonuçları... 47

4.7.3 A ırı arj testleri sonuçları ... 48

4.8 E de er Devre Parametrelerinin De i im Fonksiyonları... 52

(8)

4.8.2 A ırı de arj testleri ile parametrelerin de i im fonksiyonları ...53

4.8.3 A ırı arj testleri ile parametrelerin de i im fonksiyonları...54

5 . ARIZA TANI ALGOR TMASI...57

5.1 Bulanık mantık ...57

5.2 Üyelik Fonksiyonları...58

5.3 Arıza Tanı Algoritması MATLAB/Simulink Modeli ...59

6 . SONUÇLAR VE ÖNER LER...65

KAYNAKLAR...67

(9)

KISALTMALAR

BYS : Batarya Yönetim Sistemi NiMH : Nikel Metal Hidrür NiCd : Nikel Kadmiyum Li-iyon : Lityum yon

EES : Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi VRLA : Valf Regüleli Kur un Asit

D : arj Durumu

SD : Sa lamlık Durumu

D : levsellik Durumu

EMF : Elektromotor Kuvveti AD : A ırı De arj

ADT : A ırı De arj Testleri A T : A ırı arj Testleri ÇT : Çevrim Testleri HÇ : Hücre Çevrimi

C : arj oranı

KEG : Katı Elektrolit Geçi i

SA : Sabit Akım SG : Sabit Gerilim BK : Bulanık Küme ÜF : Üyelik Fonksiyonu ÜD :Üyelik Derecesi NB : Negatif Büyük NO : Negatif Orta SS : Sıfır PO : Pozitif Orta PB : Pozitif Büyük

(10)

(11)

Ç ZELGE L STES

Sayfa

Çizelge 2.1 : kincil bataryaların temel karakteristikleri. ... 10

Çizelge 2.2 : 3.3 Ah lik bir Li-iyon polimer hücreler için de arj ko ulları. ... 15

Çizelge 4.1 : KOKAM SLPB 526495 Li-iyon polimer hücre teknik çizelgesi... 34

Çizelge 4.2 : Devrelere göre dahil olan devre elemanları. ... 46

Çizelge 4.3 : Testler sonucu elde edilen ortalama parametrik de i imleri... 49

Çizelge 4.4 : 222 ve 295 numaralı hücreler için Hücre Çevrim Testleri öncesi ve sonrası test sonuçları ... 50

Çizelge 4.5 : 185, 186, 189 ve 190 numaralı hücreler için 6 A ırı De arj Testi öncesi ve sonrası test sonuçları ... 50

Çizelge 4.6 : 74, 76, 77 ve 78 numaralı hücreler için 12 A ırı De arj Testi öncesi ve sonrası test sonuçları ... 50

Çizelge 4.7 : 179, 469, 209 ve 210 numaralı hücreler için 1 saat A ırı arj Testi öncesi ve sonrası test sonuçları ... 51

Çizelge A.1 : 222 ve 295 numaralı hücreler için Hücre Çevrim Testleri öncesi ve sonrası test sonuçları ... 73

Çizelge A.2 : 185, 186, 189 ve 190 numaralı hücreler için 6 A ırı De arj Testi öncesi ve sonrası test sonuçları ... 75

Çizelge A.3 : 74, 76, 77 ve 78 numaralı hücreler için 12 A ırı De arj Testi öncesi ve sonrası test sonuçları ... 77

Çizelge A.4 : 179, 469, 209 ve 210 numaralı hücreler için 1 saat A ırı arj Testi öncesi ve sonrası test sonuçları ... 79

(12)

(13)

EK L L STES

Sayfa

ekil 2.1 : Lityum hücre çalı ma prensibi. ... 12

ekil 2.2 : SA/SG arj rejiminde batarya gerilimi (V) ve akımı (I) de i imi... 14

ekil 2.3 : Li-iyon polimer bir hücrenin de arjı ve kritik de erleri... 16

ekil 2.4 : Batarya durum de erlendirmesi. ... 18

ekil 2.5 : Batarya durumu ve durum de i kenleri ile ili kileri... 19

ekil 3.1 : Batarya hücresi empedans modeli... 24

ekil 3.2 : Birle tirilmi hücre modeli... 25

ekil 3.3 : Elektrokimyasal süreçlerin EES de da ılımı... 27

ekil 3.4 : yonik iletim. ... 27

ekil 3.5 : Kinetik ve kütle transeri kontrol bölgeleri. ... 28

ekil 3.6 : Klasik (Randles) e de er devre empedans modeli... 28

ekil 3.7 : Nyquist diyagramı ile parametrik analiz. ... 29

ekil 4.1 : Batarya test sistemi... 32

ekil 4.2 : Potansiyostat/galvanostat ve güc kayna ı. ... 32

ekil 4.3 : Test düzene i ba lantı eması... 33

ekil 4.4 : Testlerde kullanılan Li-iyon polimer hücrelerden ikisi... 35

ekil 4.5 : SA-SG arj prosedürü... 35

ekil 4.6 : SA-SG arj i lemi için akım gerilim e rileri... 36

ekil 4.7 : Hücre artlandırma prosedürü. ... 37

ekil 4.8 : artlandırmanın olu turdu u akım ve gerilim grafikleri... 37

ekil 4.9 : Çevrim için test prosedürü. ... 38

ekil 4.10 : Çevrimin hücreler üzerinde olu turdu u akım ve gerilim grafikleri... 39

ekil 4.11 : ADT test prosedürü. ... 40

ekil 4.12 : 6 ADT nin hücreler üzerinde olu turdu u akım ve gerilim grafikleri. .. 40

ekil 4.13 : 12 ADT test prosedürü. ... 41

ekil 4.14 : 12 ADT nin hücreler üzerinde olu turdu u akım ve gerilim grafikleri. 41 ekil 4.15 : 1h 01C a ırı arj prosedürü... 42

ekil 4.16 : 1h01C A T nin hücre akım ve gerilim grafikleri... 43

ekil 4.17 : 2h 01C a ırı arj prosedürü... 43

ekil 4.18 : 2h01C A T nin hücre akım ve gerilim grafikleri... 44

ekil 4.19 : 3h 01C a ırı arj prosedürü... 44

ekil 4.20 : 3h 01C A T test prosedürünün hücrel akım ve gerilim grafikleri... 45

ekil 4.21 : Arıza tanısı için önerilen devre modeli. ... 45

ekil 4.22 : Anma de erlerde hücre çevriminin hücre e de er devresine etkisi... 46

ekil 4.23 : A ırı de arjın hücre e de er devresine etkisi. ... 47

ekil 4.24 : Hücre testleri ve a ırı de arj testleri için örnek Nyquist diyagramı. ... 47

ekil 4.25 : A ırı arjın hücre e de er devresine etkisi... 48

ekil 4.26 : A ırı arj testleri için örnek Nyquist diyagramı. ... 48

ekil 4.27 : Arıza durumlarına göre Nyquist e rileri. ... 49

ekil 4.28 : Hücre Çevrim Testleri neticesinde elde edilen parametrik de i iklikler52 ekil 4.29 : A ırı De arj Testleri neticesinde elde edilen parametrik de i iklikler... 53

(14)

ekil 4.30 : A ırı arj Testleri neticesinde elde edilen parametrik de i iklikler...54

ekil 5.1 : Geleneksel Mantık...58

ekil 5.2 : Bulanık Mantık...58

ekil 5.3 : BK, ÜF ve ÜD kavramlarının birbirleri ile ili kisi...59

ekil 5.4 : Bulanık Mantık Durum De erlendirme Algoritması Simulink modeli....60

ekil 5.5 : R0 parametresi de i imi üyelik fonksiyonları...60

ekil 5.6 : R1 parametresi de i imi üyelik fonksiyonları...61

ekil 5.7 : C1 parametresi de i imi üyelik fonksiyonları...61

ekil 5.8 : Durum belirleme algoritmasına ait kurallar. ...62

ekil 5.9 : Durum üyelik fonksiyonları. ...62

ekil 5.10 : Örnek bir durum de erlendirmesi. ...63

ekil 5.11 : Örnek durum de er bulma algoritması grafiksel gösterimi...63

ekil A.1 : 222 nolu hücre çevrim öncesi Nyquist diyagramı. ...85

ekil A.2 : 222 nolu hücre 20 çevrim sonrası Nyquist diyagramı...85

ekil A.6 : 295 nolu hücre çevrim öncesi Nyquist diyagramı. ...87

ekil A.11 : 185 nolu hücre A ırı De arj öncesi Nyquist diyagramı...90

ekil A.12 : 185 nolu hücre 6 A ırı De arj sonrası Nyquist diyagramı...90

ekil A.27 : 179 nolu hücre A ırı arj öncesi Nyquist diyagramı...98

ekil A.28 : 179 nolu hücre 1 saat A ırı arj sonrası Nyquist diyagramı. ...98

(15)

ekil A.39 : 231 nolu hücre A ırı arj öncesi Nyquist diyagramı. ... 104

ekil A.40 : 231 nolu hücre 3 saat A ırı arj sonrası Nyquist diyagramı. ... 104

(16)

(17)

SEMBOL L STES

Li : Lityum

V : Çalı ma gerilimi

U : Test uç gerilimi

I : Test akımı Co : Kobalt O : Oksijen Pb : Kur un Ni : Nikel Ro : Elektrolit direnci Rct : Polarizasyon direnci Cdl : Çift tabaka kapasitesi Ros : Seri elektrolit direnci Rcts : Seri polarizasyon direnci Rctp : Paralel polarizasyon direnci Cdls : Seri çift tabaka kapasitesi Cdlp : Paralel çift tabaka kapasitesi

Zw : Warburg empedansı

: Warburg e imi

: ohm : a ısal hız

D : difüzyon

A : elektrot yüzey alanı

e- : elektron

°C : Celcius

(18)

(19)

L - YON POL MER P L KARAKTER ST KLER N N ANAL Z VE ARIZA TANISI

ÖZET

Bu çalı mada, elektrokimyasal empedans spektroskopi yöntemi ile li-iyon polimer pillerin hücre kinetik parametreleri elde edilmi ve hücrelerin zorlanmı dolma ve bo alma durumlarında bu parametrelerin de i imi kuramsal olarak incelenmi tir. Li-iyon polimer pillerde olu abilecek yanlı doldurma ve bo altma i lemleri sebebi ile meydana gelen geri döndürülemez etkilerin klasik hücre modelleri tarafından tam olarak yansıtılamadı ı görülmü tür. Bu nedenle çalı mada hücre e de er devre modeli arıza durumularına göre geli tirilmi ve sınıflandırılmı , yeni geli tirilmi hücre e de er devresi modeli ile pil sa lamlık durumunun daha iyi yansıtılaca ı önerilmi tir. Normal dolma ve bo alma durumlarında yapılan deneysel çalı ma ile klasik pil modelinin sa lamlık durumunun de erlendirmesi için yeterli oldu u ve klasik modelin sa lıklı bir biçimde durumu yansıttı ı görülmü tür.

Deneysel çalı malar ile, çe itli arıza durumlarını meydana getirerek inceleme gerçekle tirilebilmesi için bir dizi hücre testi planlanmı tır. Bu hücre testlerinin gerçekle tirilmesindeki amaç, bir hücrenin normal çalı ma, a ırı de arj ve a ırı arj ko ullarına göre parametrik de i imlerinin incelenmesidir. A ırı dolma ve bo alma durumlarının ve etkilerinin incelendi i bu deneysel çalı malar neticesinde klasik modelin durum de erlendirme için yetersiz kaldı ı ispat edilmi ve bu çalı mada önerilen modelin arıza durumlarını daha gerçekçi biçimde yansıttı ı görülmü tür. Li-iyon polimer pillerin yanlı doldurma ve bo altılması sırasında olu acak zorlamalar sınıflındırılmı ve bunların meydana getirece i e de er devre parametrelerindeki de i ikliklerin mevcut modellerde tam olarak yansıtılamadı ı görülmü tür. Bu çalı mada e de er devreye seri olarak yeni bir direncin, paralel kolda bulunan kapasiteye ek olarak, seri ve paralel kapasitelerin yine paralel kolda bulunan dirence ilave seri ve paralel dirençlerin eklenmesinin ile devrenin arıza tanısı ve sa lamlık durumunu daha iyi yansıtaca ı önerilmi tir.

Elde edilen deneysel sonuçlar ile bulanık mantık tabanlı yeni bir sa lamlık de erlendirme yöntemi olu turulmu tur. Bu yöntem ile pillerin geçmi te kar ıla tıkları geri döndürülemez etkiler irdelenebilmekte, böylece bu olumsuzlukların pil ömrüne ne ölçüde etki etmekte oldu u de erlendirilebilmektedir. Bu yeni sa lamlık de erlendime yöntemi ile li-iyon polimer bir pilin sa lamlık durumunu yansıtan yeni bir MATLAB Simulink modeli geli tirilmi tir.

(20)

(21)

ANALYSIS OF CHARACTERISTICS ON LI-ION POLYMER BATTERIES AND FAILURE DETECTION

SUMMARY

In this study, li-ion polymer cell kinetic parameters were obtained by electrochemical impedance spectroscopy method and changes in these parameters were analyzed theoretically in cases of forced charging and discharging. It was seen that, classical cell models were not sufficent enough to mirror the irreversible effects on li-ion polymer cells caused by improper charging and discharging procedures. Therefore cell equivalent circuit was improved and classified according to the failure states and it is suggested that the improved model is better to reflect the cell state of health. Experimental studies denote that classical cell model is sufficient and classical method is proper for state of health determination under normal charging and discharging cases.

In order to realise a detailed inspection on different fault states series of cell tests were planned and realised by experimental studies. The aim of these cell tests was to obtain the parametric differences according to normal operation, overdischarge and overcharge conditions. It was proved by experiments concentrated on overcharge and overdischarge characteristics that classical cell model is not sufficient and suggested new model is more realistic for state of health determination.

Forcing effects were classified while unproper charging and discharging conditions for Li-ion polymer cells and it was seen that the classical model is not sufficient to explain in detail the parametric changes in equivalent circuit. It is proposed that addition of a serial resistance, a serial and parallel resistance to the first parallel branch and a serial and parallel capacitor for the second parallel branch in equivalent circuit is much more sufficient to reflect the state of health and fault detection.

A new fuzzy logic based state of health evaluation method was formed from experimental results. This method yield to define the irreversible changes that cells encounter in their history and analyse their effect to cell life. A new MATLAB Simulink model using this new state of health evalulation method for li-ion polymer cells was developed.

(22)

(23)

1 . G R

1.1 Çalı manın Amacı ve Kapsamı

Teknolojik geli melere ve günümüzün ihtiyaçlarına paralel olarak enerji depolaması, birçok sektör için kritik önem ta ımaya ba lamı tır. Gerek sivil gerek askeri uygulamalarda yıllardır elektrik enerjisi depolama görevini üstlenen bataryalarda, sistemlerin daha karma ıkla ması ve geli mesi, bunlara paralel olarak arz güvenli inin artan önemi, geli mi batarya sistemlerini konusunda çalı maların yönlendirilmesini beraberinde getirmi tir.

Özellikle mobil uygulamalarda yüksek enerji ve güç yo unluklarına sahip sistemlerin tercih edilmesi ile birlikte batarya sistemlerinin maliyetlerinde artı gözlemlenmi tir. Bununla birlikte, tedarik edilebilirlik, sürdürelebilirlik, güvenli çalı ma ve güvenilirlik konuları artan önem arz etmekle beraber çevresel faktörlerin göz önüne alınarak yüksek verimli sistemlerin üretilmesi hedeflenmektedir.

Örne in literatürde hibrid elektrikli araç tahrik sistemleri için elektriksel enerji depolama sistemleri bataryaların anahtar bile en oldu u ve bataryaların sistem performansı ve maliyetlerine direkt etkisi oldu u vurgulanmı tır. Tüm hibrid uygulamalarda temel hedefin daha dü ük maliyetli, verimli, performanslı, güvenli ve yüksek çevrim ömrüne sahip bataryaların olu turulması hedeflenmektedir [1]. Bu bataryalara ait Batarya Yönetim Sistemleri (BYS)’nde durum belirleme, çevrim sayısı ve bataryanın sa lamlık durumunun tespit edilmesi, üreticiler ve son kullanıcılar açısından büyük önem ta ımaktadır. Batarya yönetim sistemi, elektriksel yönetim, ısıl yönetim ve güvenlik konularını içermelidir. Ayrıca kullanılan hücre tipine göre yazılım (algoritma) ve donanım (alçak ve yüksek gerilim) farklılıklar gösterece inden her sistemin kendine özgü farklılıklar içerece i dü ünülmelidir [2]. Günümüzde hibrid elektrikli araçlarda yaygın olarak kullanılan bataryalar NiMH elektrokimyasal yapıdadır. Bununla birlikte Lityum iyon (Li-iyon) hücrelerde ya anan güvenlik problemlerinin geli mi yönetim sistemleri ile birlikte daha da iyile tirilmesi pazarın yönünü bu teknolojiye çevirmi tir.

(24)

Li-iyon teknolojisinin NiMH teknolojisine göre avantajları:

• %30 daha fazla spesifik enerji,

• %50 daha fazla spesifik güç,

• daha iyi darbeli akım verebilme,

• daha yüksek kapasite (Wh) verimi,

• gerilim yüksekli i nedeni ile 1/3 kat daha az hücre gereksinimi,

• arj ve de arj gerilimleri arasında histerisiz olmaması, olarak sıralanabilir.

Dezavantajları ise;

• Hücre kontrolü, dengelemesi ve güvenli i için daha pahalı sistemlerin gereklili i,

• Üretim adedinin azlı ı,

• Hibrid elektrikli araçlarda tecrübesinin az olması, olarak sıralanabilir [3, 4].

Tüm bu geli meler ı ı ında sisteme göre tasarlanmı bir BYS ile mevcut sistemi izlemek, parametrik hesaplar yapmak, yönetmek ve koruyucu bakım için verileri ar ivlemek, gerek i letim güvenilirli i gerekse batarya ömrünün uzatılması açısından büyük önem kazanmaktadır.

BYS algoritmalarında, arj, sa lamlık ve i levsellik durumlarının belirlenebilmesi çalı malarında genel yakla ım batarya iç direnci ve kapasitesi üzerine kurgulanmı tır. Batarya iç direncinin arj durumuna göre de i iklik göstermesi, bataryanın ya lanması ile birlikte, kapasite de erinin takibi ile sa lamlık durumunun belirlenmesi genel yakla ımlardır. Literatürde, sa lamlık durum belirleme çalı maları a a ıdaki yakla ımlar ile incelenmi tir:

De arj testi yöntemi: arj durumu %100 olan hücre tamamen de arj edilerek kapasite belirleme çalı malarıdır. Bu yöntem ile sistem çalı ması kesintiye u ramak zorunda oldu u için birçok uygulamada pratik olarak tercih edilmemektedir [5].

(25)

yöntemleridir. Bu yöntemlerde bataryanın yapısı ölçümlerin yapılabilirli i anlamda belirleyicidir. En yaygın olarak sıvı elektrolitli kur un asit bataryalarda uygulanmaktadır [6, 7].

Omik test yöntemleri: Direnç, iletkenlik veya empedans ölçümleri ile gerçekle tirilen yakla ımlardır. Bu yöntem ile, batarya performansının anlık olarak incelenebilmesi hedeflenirken genel olarak ölçüm süresinin, empedans spektroskopisinden daha kısa tutulması amaçlanır [8-11]. Özellikle, uydu teknolojilerine yönelik, tanımlı bir i aret (genlikleri aynı, frekansları farklı sinüsler toplamı) göndererek cevabının analizi yapılmı ve iç direncin belirlenmesi amacı ile yorumlanmı tır [12, 13]. Bu yöntemde, hücreye i aret gönderilmesi ve elde edilen de erlerin yorumlanması prensibi oldukça yaygındır.

Omik test yöntemlerinden Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EES), bir bataryanın, sa lamlık durumunun tespit edilebilmesi için, tüm batarya sistemlerine uygunlu u ve anlık veri alınabilirli i anlamında avantaj ta ımaktadır. Ölçüm ekipmanlarının maliyetli olu u ve ölçüm süresinin uzunlu u ise dezavantaj getimektedir [14]. Bu çalı malar arsında yapay zeka, bulanık-mantık algoritmaları ile bataryanın modellenerek sa lamlık durumunun incelendi i çalı malar da mevcuttur [15-17].

Kesintisiz güç kaynakları ve telekomunikasyon gibi elektrik enerjisi depolama sistemlerinin yaygın olarak kullanıldı ı sistemlerede valf regüleli kur un asit (VRLA) bataryalar kullanılmaktadır. Özellikle, yüksek kapasiteli bataryaların maliyetli olması ve görev aldıkları yerlerdeki ihtiyaç do rultusunda VRLA bataryalar da sa lamlık durumu çalı maları önem kazanmı tır. Bu çalı malarda, sa lamlık durumları, yüksek kapasiteli bataryalar için gerçekle tirilmi tir [17, 18].

Bataryalarda arj durumu ve sa lamlık durumlarının, empedans ölçümleri yöntemi ile incelenmesinde, farklı frekanslarda okunan empedans de erlerinin, batarayalarda olu an farklı kinetik adımlara ve bile enerine denk geldi i belirtilmektedir [19-23]. Bu durum “Bölüm 3. Hücre Modelleri” nde ayrıntılı olarak incelenecektir.

Li-iyon polimer hücrelere uygulanabilirli i ve tamamen de arj etmeni tercih edilmedi i (elektrikli araçlar, hibrit elektrikli araçlar, uydu sistemleri gibi) uygulamalarda kullanılmak üzere en uygun yöntem omik yöntemlerdir.

(26)

Bu çalı mada, Li-iyon polimer hücrelerden olu mu bir bataryada, arıza durumlarında hücrelerin parametrik de i imleri incelenerek BYS’nde kullanılmak üzere, özgün bir arıza tanı algoritmasının olu turulması amaçlanmı tır. Bu algoritmanın i letilmesi ile birlikte bataryada a ırı de arj ve a ırı arj durumlarına geçi te erken tanı ile sistem kontrolüne kumanda edilerek bataryanın ve sistemin korunması ve batarya ömrünün uzatılması hedeflenmi tir. Çalı ma, hücrelerin bütünsel yapıları bozulmadan, a ırı de arj ve a ırı arj durumlarında, hücrelerde meydana gelen geri döndürülemez (tersinmez) de i ikliklerin, EES yöntemi ile incelenmesini kapsamaktadır.

1.2 Problemin Tanımlanması

Son yıllarda, yüksek enerji ve güç yo unlukları ile birlikte nominal gerilim seviyesinin yüksek olu u, birçok uygulama için Li-iyon hücreleri tercih sebebi yapmı tır. Gerek teknolojisinin yeni ve çok fazla denenmemi olması, gerekse kullanılan malzemelerin arızaya sebebiyet vererek alevli yanma meydana getirebilmesi Li-iyon polimer hücrelerin avantajlarının yanında, büyük dezavantajlar do urabilece ini göstermi tir. Bununla birlikte birçok Li-iyon polimer hücre üreticisi firma, pazardaki saygınlıkları ve güvenlik nedenleriyle, hücreleri ile birlikte BYS’lerini de birlikte alma zorunlulu u getirmektedir.

Li-iyon hücrelerin güvenli ini artırmak için elementel de i ikliklerin irdelendi i birçok çalı ma yürütmektedir [4, 24]. BYS’nde arj Durumu ( D)’nun tespiti için farklı yöntem ve algoritmalar geli tirilmi olmasına kar ın, Sa lamlık Durumu (SD) ile ilgili çalı ma sayısı azdır. Bununla birlikte, Li-iyon polimer hücrelerde D, alternatif hücre tiplerine (örne in NiMH) göre daha kolay belirlenebilmektedir. Li-iyon pillerin, elektrokimyasal yapıları gere i çalı ma ko ulları dı ındaki bölgelere kar ı duyarlılıkları oldukça fazladır, bu tip hücreler daha hassastır ve bu hücrelere daha detaylı koruma sistemleri önerilmektedir [25].

Tüm bu geli meler çerçevesinde, Li-iyon polimer hücrelerle olu turulan bir batarya için geli tirilecek BYS’de SD’nun belirlenmesi sistem güvenilirli i ve çalı ma bölgesi tayini için önem arzetmektedir. A ırı arj ve a ırı de arj durumları ile meydana gelebilecek geri döndürülemez de i iklikler üretici ve nihai kullanıcı

(27)

1.3 Yakla ım Yöntemi

Arıza tanı algoritmasının geli tirilmesi amacı ile, seri üretim Li-iyon polimer hücreler tedarik edilmi tir. Bu hücreler, A ırı De arj Testleri (ADT), A ırı arj Testleri (A T) ve Çevrim Testleri (ÇT)’ne tabi tutulmu lardır. Deneyler, halihazır durumda faal olan TÜB TAK Marmara Ara tırma Merkezi, Enerji Enstitüsü, Batarya Ara tırmaları Laboratuvarı altyapısı ile gerçekle tirilmi tir. ÇT, hücrelerin, üretici teknik verilerine uygun olarak kullanıldı ı durumdaki parametrik de i iklikleri elde etmek için gerçekle tirilmi tir. A ırı yüklenilmesi durumunda bir batarynın davranı ı ve üzerinde meydana gelen geri döndürülemez de i ikliklerin tespiti için ADT planlanmı ve hücrelere uygulanmı tır. Bununla birlikte arızalı bir arj cihazın veya hatalı bir arj algoritmasının arj durumundaki parametrik de i imleri incelebilmek için A T prosedürleri olu turulmu ve hücrelere uygulanmı tır.

Tüm bu test prosedürlerinde, normal arj ve de arj yöntemi olarak üretici firmanın tavsiye ettti i arj ve de arj prosedürleri ile sınırları kullanılmı tır. Tüm testlerden önce, teste edilecek hücrelerde arj dengelemesi ilgili testten hemen önce Batarya Test Sistemi ile yapılarak ba langıç ko ulları e itlenmi tir. Testlerden önce ve sonra, hücre karakterizasyonu için bir Potansiyostat/Galvanostat’la EES Yöntemi uygulanarak hücre karakterizasyonları ortaya çıkartılmı ve arıza ile ortaya çıkan parametrik de i imler elde edilmi tir.

Çalı mada gerçekle tirilen testler uzun soluku teslerdir. Bu sırada testlerin süreklili ini sa lanması ve laboratuvarda kurumsal çalı maları aksatmadan testleri gerçekle tirme konusunda zorluk ya anmakla birlikte, testlerin organisazyonu için ak amları ve haftasonları de erlendirilerek en yüksek seviyede verim elde edilmi tir. Bununla birlikte, test cihazının müsait kanallarının sayısı nedeni ile artlandırma testleri gruplar halinde yapılmı tır.

Algoritma geli tirmede hücrelerin sa lamlık durumu incelenerek arıza tanı amacı ile omik test yöntemlerinden EES yöntemi seçilmi tir. Bu yöntem, hücre içi parametrik de i imlerin incelenebildi i, güvenli fakat uzun süreli ölçüm alınan bir yöntemdir. Çalı mada kar ıla ılan en büyük zorluk, test sürelerinin uzun olması ve bu nedenle test programının olu turulması, Li-iyon polimer hücrelerin yapılarının hassas olması ve zorlanma durumunda yanma durumu gösterebildikleri için özellikle a ırı arj testlerinde anlık gözetim gereklili i olarak sıralabilir. Ayrıca BYS konusunda literatür azlı ı mevcut literatürün ise genelde D ile ilgili çalı malar oldu u, arıza

(28)

durumlarının tespiti ve sınıflandırılması konusunda neredeyse hiç olmayı ı, bu konularda tahmin edilenden daha fazla ara tırma yapma gere ini ortaya koymu tur. Tüm bu geli meler ı ı ında deneysel çalı manın neticesinde gelinen noktada, arıza tanısı için yeterli ve uygun veriler elde edilerek hücre arızaları sınıflandırılması sa lanmı ve özgün bulanık mantık algoritması olu turulmu tur.

1.4 Tez Düzeni

Bu çalı ma toplam altı bölümden olu maktadır. Bölüm 2’de bataryalar, batarya sistemleri ve genel ifadelere yer verilmi tir. Çalı mada kullanılan li-iyon polimer bataryalar daha detaylı incelenmi , arj ve de arj durumları irdelenerek batarya durum belirleme çalı maları özetlenmi tir. Bölüm 3’te hücre modelleri incelenmi tir. Özellikle elektrokimyasal yöntemler ile parametreleri belirlenebilen hücre modelleri, spektroskopinin bölgesel tanımlamaları gerçekle tirilmi tir. Bölüm 4’te çalı ma boyunca gerçekle tirilmi deneyler anlatılmı , hücre ve test prosedürleri hakkında detaylı bilgi verilmi tir. Bu bölümde ayrıca arıza tipleri sınıflandırılmı ve arıza sonuçları model üzerinde de erlendirilmi tir. Bölüm 5’te ise arıza tanı algoritması tanımlanmı tır. Arıza tanısı bulanık mantık tabanlı bir algoritmaya oturtulmu ve özgün algoritma bu bölümde geli tirilmi tir. Bölüm 6’da çalı ma sonucunda varılan sonuçlar ve ilerleyen çalı malar için öneriler verilmi tir.

1.5 Özgün Katkı

Batarya sa lamlık durumu de erlendirilmesi için EES yöntemi kullanılarak yeni bir arıza modeli olu turulmu tur. Çalı mada hücreler, a ırı arj ve a ırı de arj prosedürleri ile zorlanarak katı elektrolit geçi lerinde (KEG) meydana gelen geri döndürülemez de i iklikler tespit edilmi tir. Bu de i iklikler hücrelerde model parametreleri deneysel çalı malar ile elde edilmi ve e de er devre modelleri, her bir arıza durumuna göre daha kapsamlı bir ekilde olu turulmu ve önerilmi tir. Yeni e de er devrelerin, arıza durumlarını daha gerçekçi bir biçimde yansıttı ı ispat edilmi tir. Hücre durum de erlendirmesi için MATLAB Simulink te bulanık mantık tabanlı özgün bir durum de erlendirme algoritması geli tirilmi tir.

(29)

2 . BATARYALAR

Bataryalar, aktif maddeyi içinde barındıran ve kimyasal enerjiyi elektrokimyasal yükseltgenme-indirgneme yolu ile elektriksel enerjiye çeviren sistemlerdir. Tekrar arj edilebilir bir sistem olmasından dolayı tersinir bir proses ile yeniden arj edilebilirler. Bu tip bir reaksiyon, bir malzeme ile di eri arasında bulunan elektrik akımı yolu ile elektron transferi sonucunda gerçekle ir. Paslanma ve yanma gibi eletrokimyasal olmayan redoks reaksiyonlarda elektron transferi direkt olarak gerçekle ir ve sadece ısı olu ur. Bataryalar kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine elektrokimyasal yol ile çevirdi i için termodinami in ikinci kanununda yer alan Carnot çevriminin sınırlamalarından etkilenmez. Bu nedenle bataryalar yüksek enerji dönü türme verimlili ine sahiptirler.

Zaman zaman batarya terimi basit elektrokimyasal ünite olan hücre terimi yerine kullanılmaktadır. Batarya istenilen çıkı gerilim veya kapasite de erine ba lı olarak hücrelerin paralel veya seri olarak ya da hem paralel hem de seri olarak ba lanması ile olu maktadır [26].

2.1 Batarya Sistemleri

Batarya sistemleri elektriksel enerji depolama amaçlı sistemler olup genel olarak iki ayrı grupta, birincil ve ikincil olarak sınıflandırılırlar. Birincil (primer) bataryalar, arj edilemeyen, tek kullanımlık bataryalardır. kincil (sekonder) bataryalar arj edilebilme ve tekrar kullanılabilme özelli ine sahip bataryalar olup, her iki grupta da kendi elektrokimyasal yapısına göre karakterize edilmi , farklı tip uygulamalar için çe itli bataryalar mevcuttur. Birincil bataryalara örnek olarak çinko-karbon (bir di er adıyla çinko-mangan dioksit) (ZnMnO2), çinko-alkali-MnO2 (alkali bataryalar),

çinko-hava, cıva-oksit ve lityum bataryalar verilebilir. kincil bataryalara örnek olarak kur un asit, nikel-kadmiyum (NiCd), Nikel-metalhidrür (NiMH), Liytum-iyon (Li-iyon), Lityum-metal, çinko-alkali-MnO2 ve Li-iyon polimer bataryalar örnek

olarak verilebilir [27]. Görüldü ü üzere, bazı bataryalar benzer kimyasal yapıya sahip olmalarına ra men (çinko-alkali-MnO2 gibi) elektrokimyasal olarak farklı

(30)

reaksyonlar göstererek birincil veya ikincil tip bataryalar olarak elektrokimyasal yapı meydana getirebilirler. Bu çalı mada, Li-iyon polimer tipi ikinci bataryalar üzerine çalı ılmı tır.

2.2 Genel ifadeler

Hücre: Depolanmı kimyasal enerjiden elektriksel enerji üretebilen veya elektriksel enerjiyi, kimyasal enerji halide depolayabilen temel birimdir. Bir hazne içinde bulunan elektrolit, seperatör ve iki elektrottan (pozitif ve negatif elektrotlar) olu maktadır.

Batarya: Belirli bir yükün ihtiyaçlarını kar ılayabilmek için, birbirleri ile seri ve/veya paralel olarak ba lanmı hücrelerin birle ik halidir. Bataryalarda, genelde gerilim seyiyesini artırmak için seri, kapasiteyi artırmak için paralel ba lantı kullanılmaktatır. Kelime olarak, kimi zaman tek bir hücreyi betimlemek için de kullanılmaktadır. Bu çalı mada batarya kelimesi, birden daha fazla hücre içeren sistemler için kullanılmı tır.

Enerji yo unlu u: Bir bataryanın hacimsel olarak enerji depolama yo unlu unu gösteren ifadedir. Birim hacimdeki watt-saat cinsinden gösterilir [Wh/l].

Güç Yo unlu u: Bir bataryanın hacimsel olarak güç depolama yo unlu unu gösteren ifadedir. Birim hacimdeki watt cinsinden gösterilir [W/l].

Anma kapasitesi: Amper-saat cinsinden, toplam arjı gösteren ve üretici tarafından belirtilen bataryanın kapasite [Ah] de eridir.

Özgül Enerji: Birim kütle ba ına enerji depolama yo unlu unu gösteren birimdir [Wh/kg].

Özgül Güç: Birim kütle ba ına güç yo unlu unu gösteren birimdir [W/kg].

Elektrot: Bir elektrokimyasal hücrenin temel ta ıdır. Herbir hücre, pozitif ve negatif elektrotlardan olu ur. Pozitif ve negatif elektrot arasındaki potansiyel fark ile hücre gerilimi belirlenir.

Anot: Oksitlenme reaksyonunun meydana geldi i, dı devreye elektron sa lanan elektrottur. arj ve de arj sırasında elektron hareketi ters akı a sahiptir. Bu nedenle; arj esnasında pozitif elektrot, de arj esnasında negatif elektrot anottur. Genelde

(31)

Katot: ndirgenme reaksyonunun meydana geldi i, dı devreden elektron sa lanan elektrottur. arj esnasında negatif elektrot, de arj esnasında pozitif elektrot katottur. Genelde hücre de arjı dü ünüldü ünden katot, yaygın kullanımda pozitif elektrot olarak kullanılmaktadır. Bu çalı mada, karı ıklık yaratmamak adına elektrotlar, pozitif ve negatif elektrot olarak anılacaktır.

Elektrolit: Bir hücrede, pozitif ve negatif elektrotlar arasında iyonik iletkenli i (ta ınımı) sa layan ortamdır.

Seperatör: Bir hücrede, pozitif ve negatif elektroların arasında elektron açısından yalıtkan, iyon açısından iletken davranan maddedir. Seperatörler, pozitif ve negatif elektrot arasında elektriksel kısa devreyi önlemektedirler.

C-oranı: Ah olarak anma kapasitesinde belirtilen arj veya de arj akım de eridir. Önüne gelen çarpan ile daha dü ük ya da daha yüksek akım de erlerini ifade eder. Örne in C-oranının 600 mA oldu u bir durumda; C/2 300mA, 0.5C 300mA ve 2C 1.2 A akım de erlerini ifade eder.

Çevrim ömrü: Belirli bir performans kriteri baz alınarak (genelde %80 Ah anma kapasite de eri) tanımlı ko ullarda bir hücre veya bataryanın arj ve de arj edilme sayısıdır.

Kesme gerilimi: Hücre veya bataryanın de arjının sona erdirildi i uç gerilimidir. Kendili inden de arj: Bir hücre veya bataryanın geri kazanılabilir (tersinir) kapasite kaybıdır. Sıcaklık ile direkt ili kisinden dolayı, genelde belirli bir sıcaklıkta, aylık bazda anma kapasitesi cinsinden belirtilir.

Belirli tanımlamalar, durum tespitleri ve sınırlandırmalar yapılabilmesi için, ko ulların çok iyi belirlenmesi ve bilinmesi gerekmektedir.

Genelde, bir bataryadan elde edilebilecek kapasite; yüksek akımlı de arjlarda, dü ük sıcaklıklarda ve yüksek kesme gerilimlerinde daha dü ük olacaktır. Çizelge 2.1 de yaygın olarak kullanılan ikincil bataryaların temel karakteristiklerinin kıyaslaması verilmi tir [25].

(32)

Çizelge 2.1 : kincil bataryaların temel karakteristikleri.

Batarya sistemi: NiCd NiMH Li-iyon Li-iyon _Polimer Kur un _asit Sekonder _alkali Ortalama çalı ma gerilimi [V] 1.2 1.2 3.6 3.6 2.0 1.5 Enerji yo unlu u [Wh/l] 90-150 160-310 200-280 200-250 70-90 250 Özgül enerji [Wh/kg] 30-60 50-90 90-115 100-110 20-40 20-85 Kendili inden de arj 20°C de [% aylık] 10-20 20-30 5-10 1 4-8 0.2 Çevrim ömrü [çevrim] 300-700 300-600 500-1000 200 200-500 15-25 Sıcaklık aralı ı [°C] -20 50 -20 50 -20 50 ? -30 60 -30 50

2.3 Li-iyon ve Li-iyon Polimer Bataryalar 2.3.1 Li-iyon bataryalar

Li-iyon bataryalar ticari olarak ilk 1991 yılında piyasaya sürülmü tür. Batarya teknolojileri dü ünüldü ünde birçok avantaja sahiptir. Örne in hücre gerilimleri, di er ikincil bataryalara göre daha fazladır (3.6V). Bunun sebebi, Li iyonunun do al negatifli inin çok yüksek olmasıdır. Bir ba ka avantajları yüksek özgül enerjileri ile göreceli olarak aynı enerji için daha hafif bir yapı sunmalarıdır.

Li-iyon hücrelerin elektrotları, di er ikincil bataryalara göre gözenek yapısı olarak farklılık göstermektedir. Elektrotlar, kafes yapıdadır ve içerisine Lityum iyonlarının geçi i sırasında büyük yapısal zorlanmalar olmamaktadır. Bu da arj transferinin yüksek olmasını sa layarak arj verimini yüksek tutar ve arj süresinin kısa olmasına olanak verir.

Li-iyon hücrelerin çalı ma prensibi, di er ikincil bataryalara göre daha basittir. arj i lemi sırasında, Lityum iyonları pozitif elektrottan negatif elektrota geçi yapar. De arj i leminde ise bunun tam tersi geçerli olmaktadır.

(33)

Li-iyon hücrelerin poziftif elektrotları lityum metal oksitlerden olu maktadır. Bu çalı mada kullanılan lityum hücrelerde, pozitif elektrot olarak (lityum hücrelerini tutabilmek için) lityumkobaltoksit (LiCoO2) kullanılmı tır.

Li-iyon hücrelerin negatif elektrotları ise karbon grafit malzemen olu maktadır. Bu malzemenin özelli i ise bünyesinde bulunan karbon yapı nedeni ile fazla sayıda lityum iyonu tutabilmesidir.

Li-iyon hücrelerin elektrolit yapıları ise katı ya da jel yapıda olan, sıvı yapıda olmayan, tuz emdirilmi organik yapıda malzemelerdir. Bu malzemenin özelli i, elektriksel olarak yalıtkan, Li iyonu açısından iletken bir yapıda olmasıdır. Negatif elektrot karbon grafit yapıda oldu u zaman, elektrolit olarak genelde etilenkarbonat kullanılmaktadır. Elektrolit içerisinde kullanılan tuz için en yaygın kullanım lityumheksaflorürfosfattır (LiPF6) [4, 24].

2.3.2 Li-iyon polimer bataryalar

iyon polimer bataryalar ticari olarak ilk 1998 yılında piyasaya sürülmü tür. Li-iyon polimer bataryalar, li-Li-iyon bataryalar ile pozitif ve negatif elektrot malzemesi açısından benzerlik ta ımaktadır. Li-iyon ve Li-iyon polimer bataryalar arasındaki fark elektrolit ve seperatör malzemesindedir. Li-iyon polimer bataryalarda elektrolit, katı ve iyon iletkenli i olan bir polimer malzemeden olu makta ve bu elektrolit aynı zamanda seperatör olarak görev yapmaktadır. Bu nedenle elektrokimyasal indirgenme ve yükseltgenme denklemlerinde bir fark olmamakta, polimer elektrolitin iletkenli i fark etmektedir. 20°C sıcaklık referans alınarak sayısal de er verilecek olursa, birçok sıvı organik elektrolite ait iletkenli de eri 10-3 ( cm)-1 iken, yo unlukla kullanılan bir polimer elektrot olan polietilenoksit için iletkenlik 10-8 ( cm)-1dir. Sonuç olarak, polimer elektrotun kabul edilebilir bir iletkenlik de erinin olabilmesi için fiziksel yapısının oldukça ince olması gerekmektedir. ncelen polimer elektrot yapının, hücrede a ırı uç gerilimine maruz kalınması durumunda, polimer elektrot delinme göstererek kısa devreye sebep verebilmektedir. Bu durum, Li-iyon-polimer bataryalarda sıkça görülen bir arıza durumudur. Standart ikincil bataryalar dü ünüldü ünde, Li-iyon polimer hücreler kendili inden de arjı en dü ük bataryalardır. Bu karakteristik özellikleri, özellike havacılık ve uzay teknolojileri konusunda birçok çalı maya ı ık tutmu ve bu elektrokimyasal yapıda sistemler üzerinde çalı malar devam etmektedir. Çalı mada kullanılan Li–iyon polimer

(34)

bataryaların mekanik yapısı incelendi inde, dı arıda hava sızdırmaz aluminyum folyo ile kaplı oldu u, içerisinde pozitif ve negatif kutupların sıralı bir biçimde aralarında polimer bir elektrolit ile yanyana getirildi i gözlemlenmi tir.

Lityum metali yüksek elektrokimyasal potansiyele (3.04 V) ve en dü ük atomik kütleye (6.94 g/mol) sahiptir, bu sayede 3 V’luk bir akü hücresi ile uygun bir pozitif elektrotun birle tirilmesine olanak sa lar. Hücrede akım arj sürecinde pozitif elektrottan negatif elektrota ve de arj sürecinde negatiften pozitife Li iyonlarıyla ta ınır. Bu süreçte Li metalik olarak ayrı madı ından güvenlikle ilgili sorunlar büyük oranda indirgenir. Burda Li iyonları oldukça küçüktür ve elektrot materyalini olu turan metal yapının içine yerle ir. Tipik bir LiCoO2 katot ve grafit anot için

hücrenin arj ve de arj reaksiyonu u ekildedir.

2 ) 1 ( 6 2 6C+LiCoO ↔Li_xC +Li ₋_xCoO (2.1)

Sa a do ru arj ve sola do ru de arj süreci i lemektedir. arj sürecinde Li iyonlar kobalttan ayrılarak karbona gitmektedir. Ancak yukarıdaki formülde gösterildi i gibi tüm Li iyonları ayrılmamaktadır. Bu nedenle x tanımlanmı olup 0 < x < 1

eklindedir. ekil 2.1’de lityum hücre çalı ma prensibi yer almaktadır [28].

(35)

2.4 Batarya Yönetim Sistemleri

Batarya yönetim sistemleri, günümüzde, elektrikli araçlar, hibrit elektrikli araçlar, telekom uygulamaları, kesintisiz güç kaynakları, dizüstü bilgisayarlar, cep telefonları gibi uygulamalarda oldukça önem arz eden ve uygulamaya göre farklılıklar gösteren sistemlerdir.

leri teknolojiye bataryalarda, gerek ekonomik gerekse güvenlik nedenleri ile i letme performansını ve sistem güvenirli inin artıran yapıların geli tirilmesi ile batarya arızalarının azaltılması ve bataryadan en yüksek verimin alınması hedeflenmektedir. Bataryanın arj ve de arj i lemlerinde, kritik sınırların i lendi i ve kontrol altında tutuldu u, bataryaların arj durumlarını ( D), sa lamlık durumlarını (SD) ve i levsellik durumlarını (ÇD) sürekli olarak kontrol altında tutan donanımsal ve yazılımsal sistemlere Batarya Yönetim Sistemleri (BYS) denmektedir.

Bir batarya yönetim sisteminin alt ba lıkları; 1. Veri izleme ve depolama

2. Elektriksel yönetim

3. Isıl yönetim (her zaman gerekli de ildir) 4. Durum belirleme

5. Güvenlik yönetimi 6. Haberle me olarak verilmektedir. [2].

Elektrokimyasal yapısı farklı hücreler, de i ik elementlerin reaksiyona girmesi, ve farklı malzemelerden meydana gelmelerinden dolayı benzer karakteristik göstermeyebilirler. Batarya Yönetim Sistemleri, hücre elektrokimyasal yapısı, batarya mekanik yapısı ve uygulama amacına göre tasarlanmalıdır.

Örne in Pb-asit bataryalarda a ırlık açısından dezavantaj ta ırlar, Ni bazlı hücreler a ırı arja çok hassastırlar, Li bazlı hücrelerde ise sıcaklı a ve a ırı arja ba lı duyarlılık fazladır. Bu tip durumlarda birim zamanda sıcaklık de i imi farkına ba lı olarak arj i leminin sona erdirilmesi tercih edilebilir. Benzer ekilde, Pb-asit ve Li-iyon hücreler en uygun sabit akım - sabit gerilim (SA-SG) arj yöntemi ile arj edilebilirken, Ni bazlı hücreler için uzun süreli, dü ük akımlı, sabit akım (SA) arjı uygun görülmektedir [29]. Bu nedenle ihtiyaca göre hücre tipi en verimli, ekonomik ve güvenli batarya sistemleri, batarya yönetim sistemleri geli tirilmesi gerekmektedir. Elektrokimyasal yapıya uygun tasarlanmı bir batarya yönetim

(36)

sistemi temelde, depolanan enerjinin en yüksek verimle kullanılmasını sa lamalı, bataryanın durumunu ve arj/de arj kontrolünü gerçekle tirmeli bu bilgileri i leyip uygun bilgileri olu turulmalıdır [30].

BYS’nin ba lıklarından biri olan elektriksel yönetimi, arj, arj dengelemesi, arj durumunu belirleme, de arj kontrolü olarak belirlemek mümkündür. Bataryanın elektrokimyasal özelliklerine göre BYS de i kenlik gösterebildi i gibi, bir alt ba lık olan Elektriksel Yönetim’de farklılık gösterebilir. Örne in NiMH hücrelerde çevrim 1000, en yüksek gerilim 1.32V, enerji yo unlu u 55-100 Wh/kg yüksek akım kapasitesi 15C iken, NiFe hücrelerde çevrim 3000, en yüksek gerilim 1,37V, enerji yo unlu u 50 Wh/kg yüksek akım kapasitesi 1C dir [31].

2.5 Li-iyon Bataryaların arj Edilmesi

Batarya arjı, bataryanın sa lıklı olarak performans gösterebilmesi ve ömrünün uzun olması açı ından dikkat edilmesi gerekli konulardan biridir. arj yöntemleri, arj esnasında uygulanan akım ve gerilim oranlarına göre sınıflandırılırlar [32]. arj yöntemine göre bataryada arj esnasında olu turdu u sıcaklıktan, batarya ömrü ve çevrim sayısına kadar birçok parametre arj yöntemine göre de i iklik göstermektedir [25].

Li-iyon ve Li-iyon polimer elektrokimyasal yapılar için önerilen arj yöntemi sabit akım-sabit gerilim arj yöntemidir (SA-SG) [2, 4, 25]. ekil 2’de SA/SG arj rejimi verilmi tir.

ekil 2.2 : SA/SG arj rejiminde batarya gerilimi (V) ve akımı (I) de i imi. Batarya üreticileri Isa ve Vmaks de erlerini üretimlerine göre belirlemektedirler. Akım

(37)

bataryalarda 0.7C ile 1C arasında de i kenlik göstermektedir. Vmaks geriliminin

de eri, Li iyon hücrenin tipine ba lı olarak de i mekte ve 4.1V ± %1 veya 4.2V ± %1 de erlerini almaktadır. Bu de erin do rulu unun bu kadar hassas olması, hücrelerde, a ırı arj ko ullarına ba lı hata durumlarında geri döndürülemez de i iklilerin etkisidir. Imin de eri genelde 0.05C – 0.1C arasında seçilirken, kimi arj

topolojilerinde Imin yerine tmaks = 2 saat seçilerek arj i lemi sona erdirilmektedir.

arj i lemini sona erdirmek için Imin veya tmaks ın seçilmesinin do uraca ı farklılıklar

vardır. Imin ile arj i lemi sona erdirildi inde, bataryanın % olarak, bo almadan

önceki arj miktarı ile dolması sa lanmaktadır. Buna ilave olarak SG rejim süresinin en az olması, hücrelerin çevrim ömrü açısından büyük avantaj ta ımaktadır. bu nedenle tmaks ile arj i leminin sona erdirilmesi yerine Imin ile sona erdirme daha

yaygın olarak tercih edilmektedir [25].

2.6 Li-iyon Bataryaların De arj Edilmesi

Her elektrokimyasal yapının farklı de arj kapasiteleri vardır. Örne in NiCd hücrelerde de arj kapasitesi 20C de erine kadar çıkmakla birlikte, Li-iyon polimer hücrelerde akım tepe de eri bu oran genelde 5C civarındadır. Bununla birlikte lityum temelli hücreler için sürekli de arj akımı olarak 2C lik bir oran kabul edilebilir. Çizelge 2.2 de bu çalı mada kullanılan Li-iyon polimer hücreler için de arj ko ulları verilmi tir.

Çizelge 2.2 : 3.3 Ah lik bir Li-iyon polimer hücreler için de arj ko ulları. Sürekli De arj Akımı 6.6A

Akım Tepe De eri 16.5A

Kesme Gerilimi 2.7V

Li iyon polimer bataryaların de arjları, ekil 2.3 de tanımlı akım seviyelerine göre incelenecek olursa;

I) Bölgesinde (0 ile t1C arası) nominal de arj (1C) dan bahsetmek

mümkündür. Bu de arj ile birim zamanda gerilim dü ümü yüksek de ildir, hücrede zorlanma olması beklenmemektedir.

(38)

II) bölgesi (t1C ile t5C arası) dinlenme bölgesidir, yük akımı yoktur. Bu

bölgede elektrotlar arasında elektrokimyasal reaksiyonlar kendinden de arj seviyesinde devam etmektedir. Kendinden de arj seviyesinde en avantajlı durumda olan hücreler Li-iyon polimer hücrelerdir.

III) bölgesi (t5C ile t2C arası) müsade edilen maksimum yük bölgesidir. Hücre

yüklenme anlamında en fazla burada zorlanmaktadır ve birim zamanda gerilim dü ümü en fazla bu bölgede görülmektedir.

IV) bölgesi (t2C ile tmaks arası) sürekli de arj akımı bölgesidir. Hücre sürekli

de arjda en yüksek bu akım seviyesinde olmalıdır. Birim zamanda gerilim dü ümünün kabul edilebilir oldu u en yüksek akım seviyesidir.

Li-iyon polimer hücrelerde tüm bu de arj i lemlerinde en dü ük batarya gerilim seviyesi Vbat = Vmin = 2.7V dir. Bu gerilim seviyesinin daha altına inilmesi hücreye

geri döndürülemez de i iklikler, bozunmalar meydana getirebilmektedir.

ekil 2.3 : Li-iyon polimer bir hücrenin de arjı ve kritik de erleri.

2.7 Durum Belirleme

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

(39)

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

(40)

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

(41)

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

(42)

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.

(43)

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.

(44)

(45)

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.

3.1 Elektrokimyasal Modeller

Elektrokimyasal sistem dinamiklerinin incelenebilmesi için bataryayı elektrokimyasal yöntemler ile elde edilebilir de erler ile ifade edebilecek model ve e de er devrenin olu turulması ile durum de erlendirilmesi uygun görülmektedir. Bir batarya sisteminin elektriksel davranı ını ve performansının irdelenebilmesi için elektriksel olarak ölçülebilen parametreler ile e de er devresinin modellenmesi