Duyuruyu Kapat
Facebook Gözat
Twitter Gözat

Lityum-ion Pillerin Şarj Edilmesi (çeviri makale)

Konu, 'Elektrik - Elektronik' kısmında Oktay Erkan tarafından paylaşıldı.

  1. Oktay Erkan

    Oktay Erkan Forum Demirbaşı

    Kayıt:
    26 Kasım 2013
    Mesajlar:
    453
    Beğeniler:
    1.049
    Şehir:
    Kadıköy İstanbul
    Bisiklet:
    Trek
    Seviye:
    Çoğunlukla mobil cihazlarda ve bazı bisiklet aydınlatma cihazlarında kullanılan Li-ion pillerin doğru şarj edilmesi ile ilgili hep sağdan, soldan duyduğum şeylerden sonra şu adreste okuduğum makale beni çok bilgilendirdi. Doğru bildiğim bazı şeylerin yanlış olduğunu öğrendim. Belki başkalarına faydası olur diye çevirdim.

    Yazı oldukça uzun ve biraz teknik. Bu nedenle yazarın en sona koyduğu özet listeyi başa taşıdım. Bunları okumak bile yeterli olabilir. Çeviri kalitesi için affınıza sığınıyorum.


    Kaynak: batteryuniversity.com

    ---


    Lityum Tabanlı Pillerin Şarj Edilmesi Hakkında Basit İlkeler

    • Taşınabilir cihazlar şarj edilirken kapatılmalıdır. Bu, pilin eşik gerilim seviyesine sorunsuz ulaşmasını ve şarjı durduracak doyum akımının doğru görünmesini sağlar. Parazit yükler şarj cihazını
    • Orta sıcaklıklarda şarj edilmelidir. Çok düşük sıcaklıklarda şarj yapılmamalıdır.
    • Li-ion piller tam şarj gerektirmez. Kısmi şarj daha iyidir.
    • Şarj cihazları "hazır" durumu için değişik yöntemler kullanır. Bu her zaman tam şarjı belirtmeyebilir.
    • Eğer pil aşırı ısınmışsa şarj durdurulmalıdır.
    • Uzun bir süre kullanılmayacaksa pil yarı seviyede şarj edilmelidir.
    • Tam boşalmış piller "boost" ile hayata geri döndürülebilir. Bir dakikalık "boost" şarj ile normal seviyelere gelemeyen piller artık kullanılamaz, atılmalıdır.


    Lityum-iyon Pillerin Şarj Edilmesi

    Pillerin şarj olması ve boşalması kimyasal bir reaksiyondur fakat Li-ion pillerin bir istisna olduğu iddia ediliyor. Pil uzmanları bunlarda anot ve katot arasındaki iyon hareketinin bir parçası olarak enerji akışından söz ediyorlar. Bu iddianın doğru yönleri var fakat eğer bilimadamları tamamen haklı olsalardı, pillerin ömrü sonsuz olurdu ki bunu hepimiz isterdik. Uzmanlar bu durumdan, iyonların eksilmesine yol açan kapasite düşümünü sorumlu tutuyor. Basitçe, kullanım süresi tüm pil türlerini etkileyen bir korozyon olarak kabul ediliyor.

    Li-ion şarj cihazı, kurşun-asit pil şarj cihazlarındaki gibi bir gerilim sınırlama cihazıdır. Aradaki farklar; daha yüksek bir gerilim seviyesi, daha dar bir gerilim toleransı ve kapasite koruma şarjının olmamasıdır. Kurşun-asit piller gerilim sınırlamasında biraz esneklik sunarken, Li-ion üreticileri doğru değerler konusunda çok sıkıdırlar çünkü Li-ion aşırı şarj kabul etmez. Pillerin ömrünü uzattığını ve pillere fazladan şarj kapasitesi sağladını iddia eden sözde "mucize" şarj cihazları Li-ion'da söz konusu değildir. Li-ion "temiz" bir sistemdir ve sadece alabileceği şarjı alır. Fazlalık her şey sorun yaratır.

    Birçok pil hücre başına 4.20V ile şarj olur. Tolerans hücre başına +/–50mV.dur. Daha yüksek gerilimler kapasiteyi arttırabilir fakat hücre oksitlenmesi pilin ömrünü kısaltacaktır. Daha önemlisi ise 4.20V üzeri şarjlardaki güvenlik konusudur. Şekil 1, Li-ion pil sürekli akım şarj aşamalarından ve ek şarjdan geçerken gerilim ve akım eğrilerini gösteriyor.

    [​IMG]
    Şekil 1: Li-ion şarj aşamaları. Li-ion pil tam şarj seviyesine, akım belirli bir seviyeye düştüğünde ulaşır (Aşama 2 sonu). Kapasite koruma şarjı yerine bazı cihazlar gerilim 4.05V altında düştüğünde tamamlama şarjı uygular (Aşama 4).

    Tipik bir piyasa pili için şarj oranı 0.5 ile 1 arasında olup şarj süresi yaklaşık üç saattir. Üreticiler 18650 pillerin şarjı için 0.8 veya daha düşük bir oranı tavsiye eder. Şarj verimi %97 ilâ %99'dur ve hücre şarj boyunca soğuk kalır. Bazı Li-ion pillerde tam şarjda yaklaşık 5ºC sıcaklık artımı olur. Bu, pil içindeki koruma devresi ve/veya yükseltilmiş iç direnç yüzünden olur. Tam şarj, pil eşik gerilim değerine ulaştığında ve akım %3 seviyesine düştüğünde gerçekleşir. Ayrıca akımdaki seviye değişimi durduğunda da tam şarj olduğu kabul edilir. Bu duruma pilin kendi boşalmasının yüksek olması sebep olablir.

    Şarj akımını yükseltmek tam şarj süresini çok hızlandırmaz. Hızlı bir şarjla gerilim seviyesi tepe seviyeye daha çabuk ulaşır ama doyum şarjı aynı oranda uzun olacaktır. Şarj akımının miktarı sadece her bir aşamaya geçme süresini değiştirir, Aşama 1 daha kısa olur ama Aşama 2'deki doyum daha uzun sürer. Bununla beraber yüksek akımlı bir şarj, pilin %70 şarj seviyesine daha çabuk ulaşmasını sağlar.

    Li-ion piller, kurşun-asit pillerde olduğu gibi, tam şarj edilmek zorunda değildir, hatta bu istenmez de. Aslında tam şarj etmemek daha iyidir çünkü yüksek gerilim pilin basıcını arttırır. Daha düşük bir gerilim eşiği seçmek veya doyum şarjını hiç kullanmamak pil ömrünü uzatır, ancak tabii ki kullanım süresini azaltır. Piyasada kullanım süresi öne çıkarıldığından, bu şarj cihazları uzun pil ömrü yerine tam kapasiteye ulaşmayı tercih eder.

    Bazı ucuz şarj cihazları basitçe, Aşama 2'deki doyum şarjını hiç yapmayan "şarj-et-kullan" yöntemini kullanırlar. Bunda elde edilecek şarj oranı sadece %85 olduğundan kullanıcı asıl suçlanacak olanın şarj cihazı olduğunu bilmeden pilin kısa kullanım süresinden şikayet eder. Birçok garantili pil bu sebepten dolayı değiştirilir ve bu durum cep telefonu sektöründe çok yaygındır.

    Bazı üreticiler tam şarjın faydalarını bir yana bırakıp uzun pil ümrü elde etmek amacıyla daha düşük şarj eşikleri belirlerler. Tablo 2, değişik gerilim eşikleriyle, doyum şarjı yapılan ve yapılmayan şarjlar sonucu oluşan kapasite tahminlerini gösteriyor.

    Hücre Başına Şarj GerilimiGerilim Eşikli Şarjla Kapasite OranıŞarj SüresiTam Doyum Şarjla Kapasite Oranı
    3.80V%60120 dk~%65
    3.90V%70135 dk~%75
    4.00V%75150 dk~%80
    4.10V%80165 dk~%90
    4.20V%85180 dk~%100
    Tablo 2: Li-ion pilin tipik şarj karakteristiği. Tam doyum uygulamak kapasiteyi yaklaşık %10 oranında arttırır ancak yüksek gerilim sebepiyle pilin basıncı artar.

    Pil şarja ilk bağlandığında gerilip birden zıplar. Bu davranış lastik bir bantla ağır bir yük kaldırmaya benzer. Kaldırma kolu hızlıca yukarı kalkar ama yük geriden gelir. Şarj olan pilin gerilimi ancak neredeyse tam şarj olduğunda şarj gerilimine ulaşır. (Bkz Şekil 3) Bu şarj karakteristiği tüm piller için tipiktir.

    [​IMG]
    Şekil 3: Li-ion pillerde şarj voltajının bir fonksiyonu olarak kapasite. Kapasite, lastik bir bantla ağır bir yük kaldırmak gibi şarj gerilimini izler.

    Şarj süresince kapalı devre gerilimine (CCV) güvenerek kapasite ölçümü yapmak pek mantıklı değildir. Ama açık devre gerilimi (OCV), pil şarj olduktan bir süre sonra seviye tahmini için kullanılabilir. Bu süre pilin dengeye ulaşmasını sağlar. Tüm pillerdeki gibi sıcaklık açık devre gerilimini etkiler. Detay için Şarj Seviyesi Ölçme (İng).

    Li-ion piller aşırı şarjı kabul etmez ve tam şarja ulaşılınca şarj akımı kesilmelidir. Sürekli bir kapasite koruma şarjı lityumun kaplanmasına sebep olur ve bu güvenlik zaafiyeti yaratır. Basıncı düşürmek için, 4.20V gerilim seviyesi mümkün olduğunca kısa bir süre uygulanmalıdır.

    Şarj tamamlandığında pil gerilimi düşmeye başlar ve bu gerilim basıncını düşürür. Zamanla açık devre gerilimi 3.60V ile 3.90V arasında durur. Unutulmamalıdır ki doyum şarjını tam almış bir pil yüksek gerilim seviyesini, hızlı şarj edilmiş ve doyum şarjını almamış bir pile göre daha uzun bir süre koruyacaktır.

    Eğer Li-ion pil kullanıma hazır olması için şarj cihazında bırakılıyorsa, bazı şarj cihazları pilin kendi boşalmasını karşılamak için küçük bir tamamlama şarjı uygularlar. Cihaz, gerilim 4.05V seviyesine düştüğünde buna başlar ve 4.20V seviyesine ulaştığında durur. Bazıları ise gerilimin 4.00V seviyesine düşmesini bekler ve sadece 4.05V seviyesine kadar şarj eder. Bu, gerilim kaynaklı basıncı azaltıp pil ömrünü uzatır.

    Bazı taşınabilir cihazlar açık kounumda iken bir şarj ünitesine konur. Cihaz tarafından çekilen akım "parazit yük" olarak adlandırılır ve şarj döngüsünü bozabilir. Pil üreticileri, mini döngülere sebep olabileceği için bunun tersini tavsiye eder fakat bu her zaman mümkün değildir, elektriğe sürekli bağlı bir dizüstü bilgisayarda olduğu gibi. Pil 4.20V seviyesine şarj edilirken bir yandan da cihaz tarafından boşaltılır. Basınç, 4.20V seviyesindeki döngüler sebebiyle yüksektir.

    Taşınabilir cihazlar şarj süresince kapalı olmalıdır. Bu, pilin sorunsuz olarak eşik gerilimine ulaşmasına ve şarjın düşük akımla kesilmesine sebep olur. Parazit yük, pil gerilimini baskılayarak şarj cihazını şaşırtır ve akımın doyum aşamasında düşmesini engeller. Pil tam şarj olmasına rağmen şarjın devam etmesine sebep olur. Bu da pilde gereksiz bir basınca sebep olurken güvenlik zaafiyeti yaratır.

    Pil uzmanları Li-ion pilleri şarj etmenin Nikel tabanlı pillere göre daha basit ve sade olduğu konusunda hem fikirdir. Gerilim toleransı sağlamak dışında şarj devreleri görece basittir. Gerilimi sınırlamak ve "hazır" durumunu tetikleyen düşük akımı izlemek, zamana göre değişen karmaşık grafikleri analiz etmekten daha kolaydır. Li-ion şarj akımları daha az önemlidir ve çok değişik seviyelerde olabilir. Güneş paneli veya rüzgar tribünü gibi yenilenebilir enerji kaynakları dahil her tür kaynak kullanılabilir. Şarj kabulü çok yüksektir. Düşük ve aralıklı bir şarjla, şarj biraz uzun sürebilir ama pili negatif etkilemez. Kapasite koruma şarjının olmaması cihazı daha basit kılar.

    Li-ion Pili Aşırı Şarj Etme

    Li-ion belirlenmiş gerilimlerde güvenle çalışır ancak yanlışlıkla bunların üzerinde bir gerilimle şarj edilirse dengesiz bir hale gelir. Uzun süre 4.30V üzerinde şarj etmek, anotta metalik lityum kaplanmasına, katotun oksitleyiciye dönüşmesine, kararlılık kaybına ve CO2 üretilmesine sebep olur. Hücre basıncı artar ve şarj devam ederse Şarj Kesme Devresi 200psi seviyesinde şarjı keser.

    Basınç daha da artarsa, 500psi'da güvenlik membranı patlar ve sonunda hücre alev alabilir. Termal sızıntı pil tam şarj edildiğinde düşer. Li-kobalt için bu değer 130–150°C arasında, nikel-manganez-kobalt için 170–180°C, manganez için ise 250°C'dir. Li-fosfat, manganez kadar ya da daha iyi sıcaklık kararlılığı gösterir.

    Li-ion aşırı şarjda güvenlik tehlikesi yaratan tek pil değildir. Kurşun ve nikel tabanlı pillerin de doğru kullanılmadığı taktirde eridiği ve yangına sebep olduğu bilinmektedir. Nikel tabanlı piller güvenlik sebepleriyle toplatılmıştır. Düzgün tasarlanmış şarj cihazları tüm pil sistemleri için en kritik konudur.

    Li-ion Pili Aşırı Boşaltma

    Li-ion piller asla tamamen boşaltılmamalıdır ve bunu önlemek için birkaç güvence vardır. Cihaz, gerilim 3.0V seviyesine düştüğünde akımı keserek boşalmayı durdurur. Eğer gerilim 2.70V seviyesine veya altında düşerse pilin devresi pili uykuya geçirir. Bu pili kullanım dışı bırakır ve çoğu şarj cihazı bu durumda pili şarj edemez. Bunu önlemek için uzun bir süre kullanılmayacak piller kısmen şarj edilip saklanmalıdır.

    Pil üreticileri pilleri %40 şarj seviyesinde piyasaya sürer. Düşük şarj seviyesi, depolama süresince bir miktar şarj düşümüne izin verirken beklemeyle ilgili basıncı düşürür. Pil satılmadan önce, koruma devresinin akımını azaltmak için gelişmiş piller koruma devresini devre dışı bırakacak ve ilk şarjda veya kullanımda tekrar aktive edecek bir uyku moduna sahiptir. Bir kez aktive olunca tekrar uyku moduna geçilemez.

    Eğer pil bir haftadan fazla 1.5V seviyesinin altında kalmışsa bunu şarj etmeyin. Bakır anahtarlar kısmi veya tam kısa devreye yol açacak bir hale gelmiş olabilir. Bu halde şarj edilirse hücre kararsız hale gelir ve aşırı ısınma ve benzeri davranışlar gösterebilir. Basınç altında kalmış Li-ion piller düşme ve sarsıntı gibi fiziksel etkilere ve ısıya maruz kalmaya karşı daha hassas olurlar.

    Li-ion Polymer Pili Şarj Etme

    Li-ion polimer veya li-polimer pillerin şarjı, Li-ion pillerin şarjına çok benzer ve bir değişiklik gerekli değildir. Çoğu kullanıcı pillerinin Li-ion mu yoksa Li-polimer mi olduğunu bilmez. "Polimer" kelimesi bir promosyonel yutturmaca olarak kullanılmış olup farklı bir özelliği ifade etmez.

    Çoğu polimer pil, Li-ion ile Li-polimer arasında melez bir mimariye sahiptir. Polimer ailesinde birçok tür vardır ve gerçek kuru polimer pillerin piyasaya çıkması için yıllar geçmesi gerekecektir. Plastik pil olarak da bilinen bu sistem ilk olarak 2000'li yılların başlarında duyuruldu ancak ortam sıcaklıklarında istenen iletkenliği asla elde edemedi.
     
  2. Bilal Öz

    Bilal Öz Aktif Üye

    Kayıt:
    3 Ağustos 2013
    Mesajlar:
    148
    Beğeniler:
    98
    Şehir:
    İstanbul
    Bisiklet:
    Geotech
    Seviye:
    Son zamanlarda hem lithium-polimer yassı pillerle hem 18650 pillerle çok meşgulüm ve elimde yüze yakın kullanılmış veya notebook bataryalarından çıkarılmış 18650 mevcut. Özel balance charger cihazım var ve bu cihazla her gün uyku moduna geçmiş, iç direnci sapmış, kısa devreye düşmüş veya tamamen ölmüş pillerin kurtarılıp kurtarılamayacağını tatbik ederek lithium-ion pil mantığını çözmeye çalışıyor, pillerimin profillerini çıkarıyorum.
    Yukarıdaki bilgiler son 2 aydır lithium-ion piller hakkında edindiğim tecrübelerle %100 örtüşüyor, paylaştığınız bilgiler gerçekten çok değerli ve açıklayıcı.
    Özellikle de şu kısmın doğruluğunu çoğu kez tatbik ettim.

    "Tam boşalmış piller "boost" ile hayata geri döndürülebilir. Bir dakikalık "boost" şarj ile normal seviyelere gelemeyen piller artık kullanılamaz, atılmalıdır."
     
    Yusuf G. ve Oktay Erkan bunu beğendi.