denekler:
- tanıtım
- Farklı pillerin malzemeleri ve özellikleri
- Kurşun asit pili
- Nikel-kadmiyum (Ni-Cd)
- Nikel Metal Hidrit (Ni-MH)
- Lityum-iyon (li-iyon)
- Süper kapasitör (süper kapak)
- Pil hücresi dengeleme
Giriiş:
Hibrit veya tamamen elektrikli otomobil, yalnızca yanmalı motora sahip otomobillere göre daha büyük ve daha ağır akülere sahiptir. Hibrit otomobiller, onarımların vasıfsız kişiler tarafından yapılması durumunda hayati tehlike oluşturabilecek yüksek voltaj kullanır. Örnek olarak:
- Çalışan bir marş motoru yaklaşık 1,2 kW (1200 Watt) tüketir
- Tamamen elektrikle çalışan hibrit bir otomobil yaklaşık 60 kW (60.000 Watt) enerji tüketiyor
Hibrit otomobiller yalnızca özel eğitim almış kişiler tarafından kullanılabilir. Kendi küçük aküsü ile aksesuarların (radyo vb.) güç beslemesi için 12 voltluk yerleşik bir ağ bulunmaktadır ve 400 voltta çalışan (markaya bağlı olarak) yüksek voltajlı bir yerleşik ağ bulunmaktadır. ). 400 V voltaj, özel bir DC/DC dönüştürücü ile 12 V'a dönüştürülür ve ilgili aküyü şarj eder.
Hibrit tahrikli akülere yönelik yüksek talepler bulunmaktadır. Çok büyük olmalılar depolama kapasitesi sahip olmak. Büyük enerji rezervleri depolanır ve yanmalı motoru desteklerken (hibrit) veya tam tahrik için enerji sağlarken (BEV) çok yüksek voltajlar çekilir.
Aşağıdaki resimde Toyota Prius'un pil takımı gösterilmektedir. Bu Nikel Metal Hidrit (NiMH) pil, her biri 28 hücreden oluşan 6 modül içerir. Her hücrenin voltajı 1,2 volttur. Bu pil takımının toplam voltajı 201,6 volttur.
Farklı pil türlerinin malzemeleri ve özellikleri:
Elektrikli aktarma organlarını geliştirirken farklı akü türleri arasında seçim yapılır. Özellikler, performans, inşaat seçenekleri ve maliyetler önemli bir rol oynamaktadır. Hibrit ve tam elektrikli araçlarda en sık kullanılan pil türleri Ni-MH (nikel metal hidrit) ve li-ion (lityum-iyon) pillerdir.
Ni-MH ve Li-ion tiplerinin yanı sıra “süper kapasitör” veya “süper kapaklar” adı altında yerleştirdiğimiz elektrolitik kapasitörlerde de bir gelişme var.
Tabloda farklı pillerin malzemeleri ve özellikleri gösterilmektedir.
Kurşun pil:
Tabloda ayrıca kurşun-asit aküden de bahsedilmektedir (jel ve AGM versiyonları dikkate alınmamıştır). Kurşun-asit akü, maksimum %20 deşarjla en yüksek ömre sahip olduğundan, eskidikçe sülfatlaşmaya maruz kaldığından ve enerji yoğunluğu ve içeriği düşük olduğundan elektrikli araçlarda kullanıma uygun değildir. Kurşun asit aküyü aksesuar akü olarak görüyoruz; Aydınlatma, konfor sistemleri (kaporta) ve bilgi-eğlence sistemi gibi düşük voltajlı tüketiciler yaklaşık 14 voltluk bir voltajla çalışır.
Nikel-kadmiyum (Ni-Cd):
Geçmişte Ni-Cd Piller hafıza etkisinden muzdariptir ve bu nedenle elektrikli tahrikte kullanıma uygun değildirler: sürekli olarak kısmi şarj ve deşarj meydana gelir. Modern Ni-Cd piller artık neredeyse hafıza etkisinden etkilenmemektedir. Bu tip pillerin en büyük dezavantajı toksik madde olan kadmiyumun varlığıdır. Bu, Ni-Cd pili çevreye son derece düşmanca hale getirir. Bu nedenle bu pilin kullanımı kanunen yasaktır.
Nikel Metal Hidrit (Ni-MH):
Ni-MH akü, kurşun asitli aküye göre daha hızlı şarj edilebilir. Şarj sırasında, uzaklaştırılması gereken hem ısı hem de gaz oluşur. Aküler bir soğutma sistemi ve havalandırma valfi ile donatılmıştır. Ni-MH batarya, uzun ömrü ve yüksek enerji ve güç yoğunluğu sayesinde elektrikli araçlarda kullanıma uygundur. Ancak bu tip piller aşırı şarja, aşırı deşarja, yüksek sıcaklıklara ve hızlı sıcaklık değişimlerine karşı hassastır.
Aşağıdaki resim Toyota Prius'un Ni-MH pil takımını göstermektedir. Bu akü paketi bagajda, arka koltuğun sırt dayanağının arkasında bulunur. Sıcaklık sensörleri yüksek bir sıcaklık algıladığında soğutma fanı devreye girer (sağdaki fotoğrafta beyaz muhafazanın yanında görülebilir). Fan, iç mekandan havayı emer ve hücreleri soğutmak için akü grubundaki hava kanallarına üfler.
Lityum-iyon (li-iyon):
Lityum iyon pilin (Ni-MH ile karşılaştırıldığında) yüksek enerji ve güç yoğunluğu nedeniyle, şarj edilebilir hibritlerde ve tamamen elektrikli araçlarda genellikle bir li-ion pil paketi kullanılır. Li-ion pil, düşük sıcaklıklarda iyi performans gösterir ve uzun ömürlüdür. Daha fazla gelişme nedeniyle mülklerin önümüzdeki yıllarda iyileşmesi bekleniyor.
Bir sonraki resimde BMW i3'ün (li-ion) pil takımını görüyoruz. Kapak sökülmüştür ve arkasındadır. Monte edildiğinde kapak hava geçirmez şekilde kapanır.
i3'ün pil takımı aracın altına monte edilmiştir. Akü paketine mümkün olduğunca fazla alan sağlamak için ön ve arka aks arasındaki taban alanındaki boşluk mümkün olduğunca kullanıldı.
Resimde her birinde on iki hücre bulunan sekiz ayrı blok görüyoruz. Her bloğun kapasitesi 2,6 kWh olup toplamda 22 kWh oluyor. Karşılaştırma için: mevcut nesil i3 (2020), 94 Ah kapasiteye ve 22 kWh güce sahip bir pile sahiptir. Pil paketinin boyutu 2013 yılında piyasaya sürülmesinden bu yana aynı kaldı ancak performansı (ve dolayısıyla menzili) büyük ölçüde arttı.
Tesla, 2013 yılından itibaren ürettiği modellerde (Model S ve Model X), televizyonun uzaktan kumandasından bildiğimiz standart AA pillerden biraz daha büyük olan küçük pil hücrelerini kullanıyor. Pil hücreleri (Panasonic'ten 18650) 65 mm uzunluğunda ve 18 mm çapındadır. En kapsamlı pil paketleri bu hücrelerin en az 7104'ünü içerir.
Aşağıdaki görsellerde solda tek tek pil hücrelerini, sağda ise 7104 hücreyi içeren pil paketini görüyoruz.
Lityum iyon pil dört ana bileşenden oluşur:
- lityum alaşımından oluşan katot (+)
- grafit veya karbondan oluşan anot (-)
- gözenekli ayırıcı
- elektrolit
Deşarj sırasında, lityum iyonları elektrolit boyunca anottan (-) katoda (+), tüketiciye ve tekrar anoda doğru hareket eder. Şarj sırasında iyonlar zıt yönlerde hareket eder ve ardından katottan (+) anoda (-) gider.
Elektrolit, iyonları taşımak için lityum tuzları içerir. Ayırıcı, anot ve katot ayrı kalırken lityum iyonlarının geçmesini sağlar.
Akü hücreleri seri olarak bağlanan modüllerde bulunur. Aşağıdaki şematik gösterim, Volkswagen E-UP ile güçlü benzerliklere sahip bir pil paketini göstermektedir! ve Renault Zoe. Yalnızca hücre sayısı farklıdır: E-UP'ın pil takımı! 204 hücreye sahip ve Renault Zoë 192'ninki de bu.
Bu örnekte pil takımı altı modülden oluşan iki paketten oluşmaktadır. Her modül paralel olarak 10 seri bağlı hücreden oluşan iki grup içerir.
- Seri bağlantı: akü voltajı artar. 3,2 voltluk bir hücre voltajında (li-ion), bir akü modülü (3,2 * 10) = 32 volt sağlar.
Seri bağlantının dezavantajı, kötü bir hücreyle tüm seri bağlantının kapasitesinin azalmasıdır. - Paralel bağlantı: Gerilim aynı kalır ancak akım ve kapasite artar. Kötü bir hücrenin kendisine paralel bağlanan devredeki hücrelere hiçbir etkisi yoktur.
Üreticiler bu nedenle modül başına birden fazla paralel devre kullanmayı seçebilir. Bu nedenle Volkswagen E-Golf'ün modüllerinde (bu örnekte iki tane) değil, üç hücre grubu paralel olarak bağlanmıştır.
Lityum-iyon hücrelerin, kapasiteleri başlangıç şarj kapasitelerinin yaklaşık %2000'ine düşmeden önce yaklaşık 80 deşarj ve şarj döngüsünden oluşan bir ömrü vardır.
Bir li-ion hücrenin voltajları aşağıdaki gibidir:
- nominal voltaj: 3,6 volt;
- deşarj sınırı: 2,5 volt;
- maksimum şarj voltajı: 4,2 volt.
Çoğu Pil Yönetim Sistemi (BMS), 2,8 voltluk bir alt sınır kullanır. Hücre 2,5 voltun üzerinde deşarj edilirse hücre zarar görecektir. Hücrenin ömrü kısalır. Li-ion pilin aşırı şarj edilmesi ömrünü kısaltır ancak aynı zamanda tehlikelidir. Hücrenin aşırı şarj edilmesi onun yanıcı olmasına neden olabilir. Hücrelerin sıcaklığı aynı zamanda ömrünü de etkiler: 0°C'nin altındaki sıcaklıklarda hücreler artık şarj olmayabilir. Bu durumda ısıtma fonksiyonu bir çözüm sunar.
Süper kod kapasitör (süper başlık):
Önceki paragraflarda, her birinin kendi uygulamaları, avantajları ve dezavantajları olan farklı pil türlerinden bahsedilmiştir. Böyle bir bataryaya sahip herkesin karşılaştığı bir dezavantaj şarj süresidir. Pil takımının şarj edilmesi birkaç saat sürebilir. Hızlı şarj bir seçenektir, ancak bu daha fazla ısınmaya ve muhtemelen pil takımının daha hızlı eskimesine (ve hasar görmesine) neden olur.
Şu anda süper kapasitörler üzerinde pek çok araştırma ve geliştirme yapılıyor. Bunlara “süper kapaklar” veya “ultrakapasitörler” de diyoruz. Supercaps kullanımı bunun için bir çözüm sağlayabilir:
- Şarj işlemi çok hızlıdır;
- Enerjiyi çok hızlı bir şekilde serbest bırakabilirler (deşarj edebilirler), bu nedenle güçte önemli bir artış mümkündür;
- Hiçbir elektrokimyasal reaksiyon meydana gelmediğinden sınırsız sayıda şarj döngüsü (en az 1 milyon) sayesinde li-ion pilden daha dayanıklıdır;
- Kısmen önceki noktayla bağlantılı olarak, bir süper kapak, ömrü açısından herhangi bir zararlı sonuç doğurmadan tamamen boşaltılabilir.
Süper kapaklar, standart elektrolitik kapasitörlerden binlerce kat daha yüksek kapasiteye ve enerji yoğunluğuna sahip kapasitörlerdir. İyon içeren ve bu nedenle plakalar arasında dielektrik sabiti çok yüksek olan özel bir elektrolit (yalıtım malzemesi) kullanılarak kapasite artırılır. Bir ayırıcı (ince bir folyo) iyonlu bir çözücüye batırılır ve plakaların arasına yerleştirilir. Plakalar genellikle karbondan yapılır.
Gösterilen kapasitörün kapasitansı 5000 F'dir.
Süper kapaklar bir li-ion HV aküyle birleştirilebilir; Kısa süreli hızlanmalarda HV aküden gelen enerji yerine kapasitörlerden gelen enerji kullanılabilir. Rejeneratif frenleme ile kapasitörler saniyeden çok daha kısa bir sürede tamamen şarj olur. Gelecekteki gelişmeler, li-ion pilin süper kapaklı bir paketle değiştirilmesini de mümkün kılabilir. Ne yazık ki mevcut teknolojiyle kapasite ve dolayısıyla güç yoğunluğu, lityum iyon bataryaya kıyasla çok düşük. Bilim insanları kapasiteyi ve güç yoğunluğunu artırmanın yollarını arıyor.
Pil hücresi dengeleme:
Pasif ve aktif akü hücresi dengeleme yoluyla her hücre, sağlıklı akü durumunu korumak için ECU tarafından izlenir. Bu, derin deşarjı veya aşırı şarjı önleyerek hücrelerin ömrünü uzatır. Özellikle lityum iyon pillerin katı sınırlar içerisinde kalması gerekir. Hücrelerin voltajı şarj durumuyla orantılıdır. Hücrelerin yüklerinin mümkün olduğunca birbirleriyle dengede tutulması gerekir. Hücre dengeleme ile şarj durumunu 1 mV (0,001 volt) dahilinde doğru bir şekilde kontrol etmek mümkündür.
- Pasif dengeleme, çok yüksek şarj durumuna sahip hücreleri kısmen boşaltarak tüm pil hücrelerinin şarj durumunda bir denge sağlar (bu konuya daha sonra bu bölümde geri döneceğiz);
- Aktif dengeleme, şarj ve deşarj sırasında hücreleri ayrı ayrı kontrol edebilen daha karmaşık bir dengeleme tekniğidir. Aktif dengelemede şarj süresi pasif dengelemeye göre daha kısadır.
Aşağıdaki görselde sekiz hücreli bir pil modülünü görüyoruz.
Sekiz hücre %90'a kadar şarj edilir. Sürekli olarak %100'e kadar şarj edilirse hücrenin ömrü azalır. Tersine, pilin %30'un üzerinde deşarj olması durumunda da ömrü azalır: %30'un altındaki şarj durumunda hücre tamamen boşalır.
Bu nedenle hücrelerin şarj durumu her zaman %30 ile %90 arasında olacaktır. Bu, elektronik sistem tarafından izlenir ancak araç sürücüsü tarafından görülmez.
Kontrol panelindeki dijital ekran, %0 veya %100'a ulaşıldığında %30 veya %90'ü gösterir.
Yaşlılığa bağlı olarak bazı hücreler diğerlerinden daha zayıf hale gelebilir. Bunun pil modülünün şarj durumu üzerinde büyük etkisi vardır. Sonraki iki görüntüde iki hücrenin yaş nedeniyle kapasitesi düşük olduğunda şarj durumunu görüyoruz. Bu durumlarda pil hücreleri dengeli değildir.
- Kötü hücreler nedeniyle daha hızlı deşarj: Ortadaki iki hücre, daha düşük kapasiteleri nedeniyle daha hızlı deşarj olur. Derin deşarjı önlemek için modüldeki diğer altı hücre artık enerji salamaz ve bu nedenle artık kullanılamaz;
- Kötü hücrelerden dolayı tam olarak şarj olmuyor: ortadaki iki hücrenin kapasitesinin düşük olması nedeniyle daha hızlı şarj oluyorlar. Diğer altı hücreye göre %90 daha hızlı ulaştıklarından daha fazla şarj gerçekleşemez.
Düşük kapasiteli hücrelerin hem deşarj sırasında (sürüş sırasında) hem de şarj sırasında sınırlayıcı faktör olduğu açıktır. Pil takımının tam kapasitesini en iyi şekilde kullanmak ve uzun bir servis ömrü sağlamak.
Pil dengelemenin iki yöntemi vardır: pasif ve aktif.
- Dengeleme olmadan: Dört hücrenin tümü farklı bir şarj durumuna sahiptir. 2. hücre neredeyse boş ve 4. hücre tamamen dolu;
- Pasif: En zayıf hücrenin (örnekteki hücre 2) şarj durumuna ulaşılıncaya kadar en fazla kapasiteye sahip hücreler deşarj edilir. 1, 3 ve 4 numaralı hücrelerin deşarjı kayıptır.
Örnekte beherlerin hücre 2'nin şarj durumuna ulaşana kadar boşaltıldığını görüyoruz; - Aktif: Dolu hücrelerden gelen enerji boş hücreleri doldurmak için kullanılır. Artık kayıp yok, sadece enerjinin bir hücreden diğerine aktarılması söz konusu.
Pasif ve aktif hücre dengelemenin çalışma prensibi aşağıda anlatılmıştır.
Pasif hücre dengeleme:
Örnekte, paralel olarak değiştirilebilir bir dirençle (R) seri olarak bağlanmış dört pil hücresi görüyoruz. Bu örnekte direnç anahtarla toprağa bağlanmıştır. Gerçekte bu bir transistör veya FET'tir.
Örnekte 3. hücrenin %100 yüklü olduğunu görüyoruz. Önceki paragraflardan bu hücrenin diğer üçüne göre daha zayıf olduğu için daha hızlı şarj olduğunu biliyoruz. 3 numaralı hücrenin şarj durumu %100 olduğundan diğer üç hücre artık şarjlı değildir.
Hücre 3'ün karşısında paralel olarak bulunan direnç, anahtar vasıtasıyla akım devresine dahil edilir. Hücre 3 boşalır çünkü direnç içinden akım geçtiği anda voltajı emer. Boşalma, hücre diğer hücrelerin seviyesine gelinceye kadar devam eder; bu durumda %90.
Bu modüldeki dört hücrenin tamamı aynı şarj durumuna sahip olduğunda daha fazla şarj edilebilirler.
Pasif hücre dengeleme ile enerji kaybı olur: paralel bağlı dirençler tarafından emilen voltaj kaybolur. Bununla birlikte, birçok üretici bu güne kadar hala bu dengeleme yöntemini kullanıyor.
Aktif hücre dengeleme:
Elbette aktif hücre dengeleme çok daha verimlidir. Aşırı dolu hücreden gelen enerji boş hücreyi şarj etmek için kullanılır. Aşağıda aktif hücre dengelemenin bir örneğini görüyoruz.
Örnekte, gerilimleri üstlerinde (sırasıyla 3 ve 4 volt) olacak şekilde seri (4 ve 3,9) bağlı iki hücre görüyoruz. Hücre 3 transformatör vasıtasıyla boşaltılır. Birincil taraftaki FET deşarja izin verir. Transformatördeki birincil bobin bununla şarj edilir. Sekonder taraftaki FET, transformatörün sekonder bobinini açar. Elde edilen şarj akımı, transformatöre başka bir hücre altında enerji vermek için kullanılır. Hücre 4'ün altındaki transformatör de FET'ler tarafından açılıp kapatılır.
