- Lityum İyon Pil Geçmişi
- Li-ion Pil Kimyası ve çalışma
- Lityum İyon Pillere Giriş
- 18650 Hücre Kullanmanın En Kolay Yolu
- Li-ion Pil Paketi (seri ve paralel hücreler)
Bazı Tony Stark devreye girip Ark reaktörünü icat etmedikçe veya kablosuz Enerji aktarımı için Güneş Enerjisi Uyduları (SPS) araştırması geçmedikçe, biz insanlar taşınabilir veya uzak elektronik cihazlarımıza güç sağlamak için Bataryalara güvenmek zorundayız. Tüketici elektroniğinde bulduğunuz en yaygın şarj edilebilir pil türü, Lityum iyon veya Lityum Polimer tipidir. Bu yazıda, Li-ion Piller diğer tüm türlerden daha faydalı olma eğiliminde oldukları için ilgimizi çekecektir. İster küçük bir güç bankası, ister Dizüstü bilgisayar veya Tesla'nın yeni Model 3'ü kadar büyük bir şey, her şey bir Lityum-iyon pil ile çalışıyor.
Bu pilleri özel yapan nedir? Projelerinizde / tasarımlarınızda kullanmadan önce bunun hakkında ne bilmelisiniz? Bu pilleri güvenli bir şekilde nasıl şarj edecek veya boşaltacaksınız? Tüm bu soruların cevaplarını merak ediyorsanız, doğru makaleye geldiniz, arkanıza yaslanın ve ben bunu olabildiğince ilginç kılmaya çalışacağım.
Lityum İyon Pil Geçmişi
Lityum İyon pil fikri ilk olarak 1912'de GN Lewis tarafından icat edildi, ancak yalnızca 1970'lerde uygulanabilir hale geldi ve ilk şarj edilemeyen lityum pil ticari pazarlara sunuldu. 1980'lerin sonlarında mühendisler, anot malzemesi olarak lityum kullanarak ilk şarj edilebilir pili yapmaya çalıştılar ve kısmen başarılı oldular. Şarj işlemi sırasında bu tür lityum pillerin dengesiz olduğunu ve pilin içinde sıcaklığı artıran ve ısıl kaçağa neden olan bir kısa devre oluşturacağını fark edemediler.
1991'de, mobil cihazlarda kullanılan bu tür bir lityum pil, Japonya'da bir adamın yüzünde patladı. Ancak bu olaydan sonra Li-ion pillerin çok dikkatli kullanılması gerektiği anlaşıldı. Piyasaya sürülen bu tür pillerin büyük bir kısmı daha sonra üreticiler tarafından güvenlik sorunu nedeniyle geri çağrıldı. Çok fazla araştırmanın ardından Sony, bugüne kadar kullanılan yeni bir kimyaya sahip gelişmiş Li-ion pilleri tanıttı. Tarih derslerini burada özetleyelim ve Lityum İyon pilin kimyasına bakalım.
Li-ion Pil Kimyası ve çalışma
Adından da anlaşılacağı gibi, Lityum İyon piller işi bitirmek için Lityum iyonlarını kullanır. Lityum, yüksek enerji yoğunluğuna sahip çok hafif bir metaldir, bu özelliği pilin hafif olmasını ve küçük form faktörü ile yüksek akım sağlamasını sağlar. Enerji yoğunluğu, pilin birim hacmi başına depolanabilecek enerji miktarıdır, enerji yoğunluğu ne kadar yüksek olursa pil o kadar küçük olacaktır. Lityum metalin ezici özelliklerine rağmen, lityum metalik yapısı nedeniyle oldukça kararsız olduğu için doğrudan pillerde elektrot olarak kullanılamaz. Bu nedenle, bir lityum metaliyle aşağı yukarı aynı özelliğe sahip olan ancak metalik olmayan ve kullanımı nispeten daha güvenli olan lityum iyonları kullanıyoruz.
Normalde bir Lityum pilin Anodu Karbondan yapılır ve pilin Katodu Kobalt oksit veya başka bir metal oksit kullanılarak yapılır. Bu iki elektrodu bağlarken kullanılan elektrolit, lityum iyonları içeren basit bir tuz çözeltisi olacaktır. Boşaltılırken, pozitif yüklü lityum iyonları katoda doğru hareket eder ve pozitif yüklü hale gelene kadar onu bombardıman eder. Şimdi katot pozitif yüklü olduğu için negatif yüklü elektronları kendisine doğru çekiyor. Bu elektronlar, devremizden akacak şekilde yapılır, böylece devreye güç verilir.
Benzer şekilde şarj olurken tam tersi olur. Yüklerden gelen elektronlar bataryaya akar ve bu nedenle lityum iyonları anoda doğru hareket ederek katodun pozitif yükünü kaybetmesini sağlar.
Lityum İyon Pillere Giriş
Lityum İyon Pillerle ilgili teori yeter, şimdi pratik olarak bu hücreler hakkında bilgi sahibi olalım, böylece projelerimizde kullandıklarından emin olabiliriz. En sık kullanılan Lityum İyon pil 18650 Hücrelerdir, bu nedenle bu makalede aynısını tartışacağız. Aşağıdaki resimde tipik bir 18650 hücre gösterilmektedir
Tüm piller gibi Li-ion pilin de voltaj ve kapasite derecesi vardır. Tüm lityum hücreler için nominal voltaj değeri 3.6V olacaktır., bu nedenle daha yüksek voltaj özelliklerine ihtiyacınız var, bunu elde etmek için iki veya daha fazla hücreyi seri olarak birleştirmeniz gerekir. Varsayılan olarak tüm lityum iyon hücrelerinin nominal gerilimi yalnızca ~ 3.6V olacaktır. Bu voltajın tamamen deşarj olduğunda 3,2V'a kadar düşmesine ve tam şarj olduğunda 4,2V'a kadar çıkmasına izin verilebilir. Bataryayı 3,2V'nin altında boşaltmanın veya 4,2V'nin üzerinde şarj etmenin bataryaya kalıcı olarak zarar vereceğini ve ayrıca havai fişek tarifi haline gelebileceğini her zaman unutmayın. 18650 pilin içerdiği terminolojileri daha iyi anlayabilmemiz için inceleyelim. Bu açıklamaların yalnızca tek bir 18650 hücre için geçerli olduğunu unutmayın, çok daha yüksek voltaj ve akım değerleri elde etmek için birden fazla hücrenin seri veya paralel olarak bağlandığı daha sonra Li-ion pil paketlerine daha fazla gireceğiz.
Nominal Gerilim: Nominal gerilim, bir 18650 Hücrenin gerçek gerilim değeridir. Varsayılan olarak 3.6V'tur ve üreticisine rağmen tüm 18650 hücreleri için aynı kalacaktır.
Tam deşarj voltajı: Bir 18650 hücresinin 3,2V'nin altında deşarj olmasına asla izin verilmemelidir; bunun yapılmaması, bataryaya kalıcı olarak zarar verecek ve ayrıca patlamaya neden olabilecek bataryanın iç direncini değiştirecektir.
Tam şarj Gerilimi: Lityum iyon hücresi için şarj voltajı 4.2V'tur. Hücre voltajının herhangi bir zamanda 4,2V artmamasına dikkat edilmelidir.
mAh Derecesi: Bir hücrenin kapasitesi normalde mAh (Milli Amper saat) derecesi cinsinden verilir. Bu değer, satın aldığınız hücrenin türüne göre değişecektir. Örneğin, buradaki hücremizin 2Ah (Amper / saat) dışında bir şey olmayan 2000mAh olduğunu varsayalım. Yani bu bataryadan 2A çekersek 1 saat dayanır ve benzer şekilde bu bataryadan 1A çekersek 2 saat dayanır. Öyleyse, pilin projenize ne kadar güç vereceğini bilmek istiyorsanız (Çalışma zamanı), mAh Derecelendirmesini kullanarak bunu hesaplamanız gerekir.
Çalışma Süresi (saat olarak) = Çekilen akım / mAh Değerlendirmesi
Nerede, çekilen akım C derecelendirme limiti içinde olmalıdır.
C Derecesi: Bir bataryadan çekebileceğiniz maksimum akım miktarının ne olduğunu merak ettiyseniz, cevabınız bataryanın C derecesinden alınabilir. Bataryanın C derecesi yine her batarya için değişiyor, sahip olduğumuz bataryanın 3C dereceli 2Ah batarya olduğunu varsayalım. 3C değeri, akünün maksimum akım olarak nominal Ah değerinin 3 katı çıkış yapabileceği anlamına gelir. Bu durumda maksimum akım olarak 6A (3 * 2 = 6) sağlayabilir. Normalde 18650 hücrelerin yalnızca 1C derecesi vardır.
Aküden çekilen maksimum akım = C Derece * Ah Değeri
Şarj Akımı: Bir pilin dikkat edilmesi gereken bir diğer önemli özelliği de şarj akımıdır. Bir pilin maksimum 6A akım sağlayabilmesi, 6A ile şarj edebileceği anlamına gelmez. Bir bataryanın maksimum şarj akımı bataryaya göre değiştiği için bataryanın veri sayfasında belirtilecektir. Normalde 0,5C, yani Ah derecelendirmesinin yarısı anlamına gelir. 2Ah dereceli bir pil için şarj akımı 1A olacaktır (0,5 * 2 = 1).
Şarj süresi: Tek bir 18650 hücrenin şarj olması için gereken minimum şarj süresi, şarj akımı değeri ve pilin Ah değeri kullanılarak hesaplanabilir. Örneğin, 1A şarj akımıyla şarj edilen 2Ah'lik bir pilin şarj olması yaklaşık 2 saat sürer, şarj cihazının hücreyi şarj etmek için yalnızca CC yöntemini kullandığı varsayılırsa.
İç Direnç (IR): Bir pilin sağlığı ve kapasitesi, pilin iç direnci ölçülerek tahmin edilebilir. Bu, pilin anot (pozitif) ve katot (negatif) terminalleri arasındaki direncin değerinden başka bir şey değildir. Bir hücrenin tipik IR değeri, veri sayfasında belirtilecektir. Gerçek değerden ne kadar saparsa, pil o kadar az verimli olacaktır. Bir 18650 hücre için IR değeri, mili ohm aralığında olacaktır ve IR'nin değerini ölçmek için özel araçlar vardır.
Şarj etme yöntemleri: Bir li-iyon hücreyi şarj etmek için uygulanan birçok yöntem vardır. Ancak en yaygın olarak kullanılan 3 adımlı topolojidir. Üç adım CC, CV ve yavaş şarjdır. Olarak CC (sabit akım) modu hücre giriş gerilimini değiştirerek şarj akımı bir sabit ile şarj edilir. Bu mod, pil belirli bir seviyeye kadar şarj oluncaya kadar aktif olacak, ardından CV (Sabit Voltaj)modu, şarj voltajının tipik olarak 4,2 V'ta tutulduğu yerde başlar. Son mod, pilin yaşam döngüsünü iyileştirmek için küçük akım darbelerinin pile geçtiği darbeli şarj veya yavaş şarjdır. Ayrıca 7 aşamalı şarjı içeren çok daha karmaşık şarj cihazları da vardır. Bu makalenin kapsamı dışında olduğu için bu konuya çok fazla girmeyeceğiz. Ancak yorum bölümünde bahsetmeyi bilmek istiyorsanız, Li-ion hücrelerin şarj edilmesiyle ilgili ayrı bir makale yazabilir miyim?
Şarj Durumu (SOC)%: Şarj durumu, cep telefonumuzda gösterilenlere benzer şekilde pilin kapasitesinden başka bir şey değildir. Bir pilin kapasitesi, voltaj valfi ile açıkça hesaplanamaz, normalde pil kapasitesindeki zaman içindeki değişikliği belirlemek için akım entegrasyonu kullanılarak hesaplanır.
Deşarj Derinliği (DOD)%: Pilin ne kadar boşaltılabileceği Savunma Bakanlığı tarafından verilir. Aküye zarar vereceğini bildiğimiz için hiçbir akü% 100 boşalmayacaktır. Normalde tüm piller için% 80 deşarj derinliği ayarlanmıştır.
Hücre boyutu: 18650 hücresinin bir diğer benzersiz ve ilginç özelliği de boyutudur. Her hücre 18 mm çapında ve 650 mm yüksekliğinde olacak ve bu da bu hücreye 18650 adını vermiştir.
Daha fazla terminoloji tanımı istiyorsanız, bir pil ile ilgili daha fazla teknik parametre bulacağınızdan emin olduğunuz MIT Pil terminolojileri belgelerine bakın.
18650 Hücre Kullanmanın En Kolay Yolu
Tamamen acemiyseniz ve projenizi güçlendirmek için 18650 hücrelerle yeni başlıyorsanız, en kolay yol 18650 hücrelerinizi güvenle şarj edip boşaltabilecek hazır modüller kullanmaktır. Sadece bu modül, tek bir 18650 hücreyi idare edebilen TP4056 modülüdür.
Giriş voltajı olarak 3.6V'den daha fazlasını gerektiriyorsa, 7.4V'luk bir voltaj elde etmek için iki 18650 hücreyi seri olarak birleştirmek isteyebilirsiniz. Böyle bir durumda, 2S 3A Li-ion pil modülü gibi bir modül kullanılması, pillerin güvenli bir şekilde şarj edilmesi ve boşaltılmasında faydalı olacaktır.
İki veya daha fazla 18650 hücreyi birleştirmek için her ikisi arasında bağlantı kurmak için geleneksel lehimleme tekniğini kullanamayız, bunun yerine nokta kaynağı adı verilen bir işlem kullanılır. Ayrıca 18650 hücreyi seri veya paralel olarak birleştirirken, aşağıdaki paragrafta tartışılan daha fazla özen gösterilmelidir.
Li-ion Pil Paketi (seri ve paralel hücreler)
Küçük taşınabilir elektroniklere veya küçük cihazlara güç sağlamak için tek bir 18650 hücre veya en fazla bir çift seri halinde çalışır. Bu tür bir uygulamada, dahil olan pil sayısı daha az olduğundan karmaşıklık daha azdır. Ancak Electric Cycle / Moped veya Tesla arabaları gibi daha büyük uygulamalar için, istenen çıkış voltajını ve kapasitesini elde etmek için bu hücrelerin çoğunu seri ve paralel şekilde bağlamamız gerekecek. Örneğin Tesla arabası, her biri 3.7V ve 3.1Ah derecelerine sahip 6800'den fazla lityum hücresi içerir. Aşağıdaki resim, aracın şasisinin içine nasıl yerleştirildiğini göstermektedir.
İzlenecek bu kadar çok sayıda hücre ile bu hücreleri güvenli bir şekilde şarj edebilen, izleyebilen ve boşaltabilen özel bir devreye ihtiyacımız var. Bu özel sistem, Batarya izleme Sistemi (BMS) olarak adlandırılır. BMS'nin görevi, her lityum iyon hücresinin ayrı hücre voltajını izlemek ve ayrıca sıcaklığını kontrol etmektir. Bunun dışında bazı BMS, sistemin şarj ve deşarj akımını da izler.
Bir paket oluşturmak için ikiden fazla hücreyi birleştirirken, aynı kimyaya, voltaja, Ah derecesine ve İç dirence sahip olmalarına dikkat edilmelidir. Ayrıca, hücreleri şarj ederken BMS, pillerin herhangi bir zamanda aynı voltajda kalması için eşit şekilde şarj edilmelerini ve deşarj olmalarını sağlar, buna Hücre Dengeleme adı verilir. Bunun dışında tasarımcı, yüksek sıcaklıklarda iyi yanıt vermedikleri için bu pilleri şarj olurken ve boşaltırken soğutmak konusunda da endişelenmelidir.
Umarım bu makale, Li-ion hücreler konusunda kendinize biraz güvenmeniz için yeterli ayrıntı sağlamıştır. Herhangi bir şüpheniz varsa, yorum bölümünde bırakmaktan çekinmeyin; yanıt vermek için elimden geleni yapacağım. O zamana kadar mutlu bir tamirat.