Lityum İyon Bataryalarda Balans Yöntemleri

Lityum iyon pillerin en sık kullanıldığı alanlardan bir tanesi batarya yapımıdır. Hatta endüstriyel kullanım amaçları arasında en sık karşılaşılan yöntemler arasındadır. Örneğin; elektrikli scooterların, robot süpürgelerin veya enerji depolama sistemlerinizin içerisinde lityum iyon bataryalar ile karşılaşmak mümkündür.

Lityum iyon hücreler (piller) batarya paketi haline getirildikten sonra yaşanan en büyük sorunlardan bir tanesi hücreler arasında dengesizlik yaşanmasıdır. Bunu engellemek için lityum iyon pillerde farklı balans yöntemleri kullanılmaktadır.

Lityum İyon Bataryalarda Dengesizlik Nedir?

Lityum iyon pillerin hücreleri arasında oluşan gerilim farklarına dengesizlik adı verilir. Örneğin; 10 seri hücreden oluşan (10S) bir bataryanız var. Bu bataryanın tüm seri grupları 3.7V’a eşitken 7. grup 3.5V’a eşit olabilir. Buna bağlı olarak hücreler arasında dengesizlik oluşur.

Bu soruna çözüm getirmek için batarya yapılmadan önce ve batarya kullanılırken balans yapılması gibi önlemler alınmalıdır. Bunun için bataryalarda balanslama yöntemi oldukça önemli ve kesinlikle ihmal edilmemesi gereken bir konudur.

Lityum İyon Bataryalarda Balans 

Lityum iyon batarya yapımında kullanılan her bir pil nominal gerilime ve iç dirence sahiptir. Bu piller batarya haline getirildikten sonra birbirleriyle eş değerde olmaları gerekir. Özellikle zamanla kullanıma bağlı olarak çok ufak farklar büyümeye başlayabilir ve hücreler arasındaki balans farkları artabilir..

Dengesizlik oluşmasını engellemek için balanslama yöntemleri kullanılmaktadır. Bunlar temelde ikiye ayrılır. En sık kullanılan yöntem pasif dengeleme yöntemidir. Diğer bir seçenek ise aktif dengeleme yöntemleri olacaktır.

1. Pasif Balans Metodu

Pasif balans sistemi en sık tercih edilen yöntemlerden bir tanesidir. Özellikle nispeten düşük kapasiteli (1kWh) altındaki bataryalar için genellikle bu yöntem kullanılmaktadır. Pasif dengeleme sisteminde tüm hücreler eşit şekilde şarj olurken, hücrelerden biri diğer hücrelerden daha yüksek gerilime sahip olursa o hücre bir yük direnci üzerinden deşarj edilerek diğer hücrelerin gerilim seviyesine indirilmeye çalışılır.

Örneğin; 7 Seri bir batarya paketiniz var ve bu bataryanın 3. seri grubundaki hücre 4.2V iken diğer tüm hücreler 4.05V olsun. Bu durumda 3. seri grup bir direnç üzerinden deşarj edilerek fazla gerilimi ısı enerjisine dönüştürüp 4.05V’a kadar deşarj olur. Böylece tüm seri gruplar eşit gerilime sahip olacaktır. Pasif balans ile dengeleme yönteminde balans akımı genellikle 30mA, 50mA gibi düşük akım değerleridir.

2. Aktif Balans Yöntemi

Aktif balans yöntemi, pasif balansa göre daha iyi bir yöntem olarak kabul edilebilir. Bu yöntemde ise düşük gerilime sahip olan hücre, yüksek gerilime sahip olan hücre/hücreler ile şarj edilerek dengeleme sağlanır. Bu yöntem genellikle kondansatörler üzerinden enerji transferi yaparak gerçekleşmektedir.

Yukarıda bahsettiğimiz gibi aynı bataryaya sahip olalım. Yine 7 Seri hücreden oluşan ve 3. seri grup 4.05V iken diğer tüm hücrelerin 4.2V olduğunu varsayalım. Bu durumda 4.2V olan hücrelerden, 4.05V olan 3. seri hücreye akım akarak 4.2V olanların gerilimi düşecek 4.05V olanların ise gerilim değeri yükselecektir. Kabaca piller birbirini şarj edecek gibi düşünülebilir.

Lityum İyon Bataryalarda Dengesizliği Önlemek İçin Yapılması Gerekenler

Lityum iyon bataryalar için batarya dengesinin neden önemli olduğunu ve nasıl balans yapılacağını belirttik. Peki, bu dengesizliğin önüne geçmek veya en aza indirmek için neler yapmalıyız? Bu durum için aşağıdaki tavsiyelerimizi inceleyebilirsiniz.

1. Hücrelerin iç dirençlerinin eşit olması: İyi bir bataryadaki tüm hücrelerin aynı özellikleri taşıması gerekir. Genellikle gözardı edilen durumlardan bir tanesi hücrelerin iç dirençlerinin önemsenmemesidir. Batarya paketi yapılırken hücrelerin iç dirençlerinin neredeyse eşit olması gerekir.
2. Hücre gerilimlerinin eşit olması: En önemli noktalardan bir tanesi de hücre gerilimlerinin eşit olmasıdır. Hücreler arasındaki küçük gerilim farkları oluşması durumunda batarya ilk üretildiği günden itibaren dengesiz anlamına gelebilir.
3. Hücrelerin eşit kapasitede olması: Normal şartlarda lityum iyon hücreler üretildikten sonra formasyon testine sokulur ve burada kapasitelerine göre ayrıştırılır. Ayrıştırma sonucunda hücreler Grade A, Grade B olarak gruplara ayrılır. Örneğin; 1000mAh hücre üretimi yapılıyorsa 990-1000mAh arası Grade A, 980-990mAh arası Grade B olabilir. Grade A ile Grade B pillerinin gruplanması durumunda dengesizlikler oluşacaktır. Dolayısıyla batarya üretiminden önce tüm hücreler tek tek kapasite testine sokulması sağlıklı olacaktır.
4. Hücrelerin üretim tarihleri: Yine önemli detaylardan bir tanesi hücrelerin üretim tarihleridir. Batarya gruplaması yaparken kullanılan hücrelerin aynı marka/model olmasının yanı sıra aynı tarihte banttan çıkmış olması önemlidir. Aksi halde batarya oluşturulurken dengesizlikler meydana gelebilir.
5. Balanslı BMS kullanımı: Yine önemli detaylardan bir tanesi kullanılan BMS’in balans özelliğinin bulunmasıdır. Aksi halde dengesizlikler oluşması normaldir. Bazı bataryalarda BMS devresi bulunmasa da bu piller kesinlikle “balanslı” şarj cihazları ile şarj edilmelidir. Aksi halde bataryayı kullanmak tehlikeli olabilir.

Lityum iyon bataryalarda balans işleminin aslında ne kadar önemli olduğunu ve batarya ömrünü ciddi şekilde etkilediğini sizlerle paylaştık. Lityum iyon bataryalarınız için bu hususlara dikkat ederek daha güvenli, uzun ömürlü ve performanslı bataryalar üretebilirsiniz.