Akülerde Verimlilik Nedir?
Deşarjda çekilen enerjinin, şarjda verilen enerjiye bölümünden elde edilen değere akünün verimi denir. Daha basit ifadeyle verim; şarj sonrası içeri konan enerji miktarına göre aküden ne kadar enerji çekilebildiğidir.
Tüm akü türlerinde verim kayıpları vardır. Bir şarjdan sonra aküden alınan enerji her zaman içeri girenden daha azdır. Hücrenin elektrokimyasında meydana gelen reaksiyonlar, verimin %100'e ulaşmasını engeller. Gereğinden hızlı şarj ve fazla deşarj (derin deşarj) akımları enerji verimliliğini azaltır. Enerjinin verimliliğinin yanında bu etkenler çevrim ömrünü ciddi azaltarak akülerin çabuk ölüme gitmesine sebep olur.
Akü (batarya) verimliliği özellikle elektrikli araç bataryaları, endüstriyel kullanım amaçlı batarya sistemleri ve enerji depolama sistemleri (ESS) için kritiktir. Akülerde enerji verimliliği iki farklı şekilde belirlenebilir; kulombik verimlilik (CE) ve voltaj verimliliği .
Coulomb Verimliliği
Faradarik verim veya kulombik verimlilik (CE) , deşarj kapasitesi ve şarj kapasitesinin oranını ifade eder. Şarj sırasında bir hücrenin bir elektrodundan diğerine aktarılan elektron sayısı ile deşarj sırasında geri aktarılan sayı arasındaki orandır. Daha basit anlatmak gerekirse elinizdeki 1 lt. suyu başka bir şişeye aktarıp tekrar aynı şişeye aktarıyorsunuz. Baktığımızda yine 1 lt. suyumuz vardır fakat şişeye transfer edilen su aslında başlangıç miktarından daha azdır, sıçrayan su damlacıkları farkedilmeyecek boyutta olur. Başlangıçta şişede 10 birim suyumuz var ise aktarımdan sonra aynı şişede belki de 9.98 birim suyumuz kalmış olur. Bu su aktarımı 1 kez değilde 300-500 kez yapacak olursak, şişedeki su miktarı sürekli azalacaktır. Kulombik verim ve verim kaybını bu örneğe benzetebilirsiniz. Bu ölçümleri yapmak için genellikle bir coulomb sayacı kullanılır. Kulombik verimlilik ne kadar yüksek olursa, elektron kaybı o kadar düşük ve akü ömrü-verimliliği o kadar uzun olur. Voltaj verimliliği ise akü şarjdan sonra deşarj olurken oluşan aradaki voltaj farkıdır. Her tür akü, deşarj voltajından daha yüksek bir voltajda şarj edilmelidir.
Akülerde verimliliği belirleyen birkaç kritik faktör vardır, bunları temel olarak aşağıda inceleyeceğiz.
Verimliliği etkileyen faktörler;
• Şarj Akımı
• Şarj Durumu (SOC)
• İç Direnç
• Sıcaklık
• Yaşlanma
Şarj Akımı
Akü verimliliği ve akü ömrünü korumak için şarj akımlarını sürekli kontrol altında tutmak çok önemlidir. Şarj sırasında akü hücrelerinin iç kimyasında değişiklikler meydana gelir. Bunun üzerine yüksek şarj akımları akünün ömrünü azaltabilir aynı zamanda verim kaybına neden olur. Şarj akımı çok düşük olduğunda ise akü ömrünü uzatır ancak kapasiteyi azaltır. Aynı zamanda da verimsizdir. Lityum Aküler kimyası gereği %99'un üzerindeki verimleri ile hızlı şarja daha müsait akü türleridir, fakat her şeyin bir sınırı olduğunu unutmamak gerekir. Bazı durumlarda hızlı şarj ile iş yapabilme yeteneği verimden daha önemli olabilir. Bu durumda anlık hızlı şarjlama lityum akülerde yapılabilir.
Şarj Durumu
Şarj durumu; akünün içerisinde kalan enerjinin yüzde cinsinden ifadesidir, yakıt göstergesidir.
Akü deşarj durumundayken şarj yüzdesi ve akü voltajı düşer, şarj sırasında ise artar. Akülerde demeraj sırasında veya yüke vurulduğunda anlık voltaj düşümleri ve yaşanabilir. SOC azaldıkça voltaj düşer, fakat Lityum aküler kurşun-asit akülere göre çok daha az voltaj düşümlerine sahiptir.
Öncelikle tüm SOC belirleme yöntemleri tahmine dayalıdır, net bir sonuç vermez. Hata payını en aza indirmek akü verimliliği açısından oldukça önemlidir. Konvansiyonel akülerde SOC basitçe çıkış voltajına bakılarak belirlenir, fakat hata oranı fazla bir yöntemdir. Çünkü akülerin çalışma ortam sıcaklıkları, yaşlanma faktörü ve nispeten hafıza etkisi bu ölçüm yöntemini etkiler.
Lityum akülerde ise düz deşarj eğrisi yüzünden SOC’yi en doğru tahmin etmenin yollarından biri Coulomb Kanunu ile akım saymaktır. (20'den fazla tahmin metodu vardır). Deşarj eğrisinin parabolik olması dolayısıyla Lityum akülerde çıkış voltajından SOC tahmini yapılmaz, yapılır ise çok hatalı tahminler elde edilir.
İç Direnç
İç direnç; yaşlanma, akımlar ve hücre kimyası gibi birçok faktörden etkilenir. İç direnç ne kadar düşük olursa akü verimliliği ve ömür o kadar yüksektir. Lityum aküler kimyaları gereği günümüzde en düşük iç dirence sahip enerji depolama teknolojisidir. Hücre üreticileri iç direnci düşürmek için farklı metodlar kullanır. En bilindik yöntemlerden birisi hücre elektrolidine Vinilen karbonat (VC) katkısı eklemektir.
Sıcaklık
Lityum aküler sağlıklı olarak 0-45 °C şarj ve deşarj edilmelidir. Endüstriyel standartlarda üretilmiş, iyi bir üreticiden alınmış lityum akü; sıcak-soğuk ortam davranışı ve kapasite kaybı bakımından diğer akü türlerine kıyasla çok daha avantajlıdır. Sıcaklık arttıkça akü ömrü azalır. Ortalama her 10°C'lik sıcaklık artışı ~%10-15 kapasite kaybına yol açar. Özellikle akü sıcaklığı 45 °C’nin üzerine çıktığında şarj akımı kademeli olarak düşürülmelidir. Eğer akü ısınmaya devam ediyorsa BMS aküyü yüksek sıcaklık korumasına alarak giriş ve çıkışları kesmelidir. Akü sıcaklığı ortam şartlarından bağımsız olarak genellikle şarj sırasında yükselir.
Yaşlanma
Yaşlanma ne kadar fazla ise verim o kadar düşüktür. Burada yaşlanmayı sadece zaman olarak düşünmemek gerekir. Aynı üretim tarihli 2 farklı aküden birisi çok daha fazla yaşlanmış olabilir. Derin deşarj, aşırı şarj, sıcaklık gibi faktörler yaşlanmayı hızlandıran başlıca faktörlerdendir.
Lityum aküler ortalama 2000-3000 çevrim sayısından sonra %20 kapasite kaybına uğrarken kurşun-asit aküler ortalama 1000-1500 çevrim sayısından sonra neredeyse kullanılamaz hale gelip hurdaya ayrılırlar.
İstif makinaları, AGV, AMR ve endüstriyel araçlar için en verimli akü hangisidir?
Lityum akülerin tüm akü türlerine kıyasla %99’un üzerinde kulombik verime sahip olduğu yapılan ölçümler ve akademik araştırmalar sonucu kanıtlanmıştır. Kurşun-asit akülerde verimlilik %90’dan biraz daha düşük, nikel tabanlı akülerde ise %80 civarındadır.
Verimlilik şarj akımı ile ters orantılı olarak düşer. 1C şarj akımında (1 saatte şarj) lityum akülerdeki verim %90 civarıyken kurşun asit akülerde verim %50 civarındadır.
Lityum Aküler;
• Kurşun asit akülere göre hem çevrim sayısı hem de zaman içinde oluşan kapasite kayıpları bakımından çok daha avantajlı ve uzun ömürlüdür.
• Tam bakımsız akülerdir. Kurşun asit aküler için haftalık, aylık, yıllık bakımlar gerekir.
• Hızlı şarja uygundur. Ayrıca kısmi / ara şarjlama yapılabilir ve bunun akü ömrüne negatif bir etkisi yoktur. Kurşun asit aküler 8-10 saat gibi bir sürede şarj olur ayrıca ara şarjlama yapılamaz.