Piller oldukça uzun bir süredir kullanılmaktadır, ancak son yıllarda önemli bir ilgi ve yeni gelişmeler görülmüştür. Bunlar arasında EV sektöründe yaygın olarak benimsenmesi, ekipman ve ağır makineler, uzun pil ömrü olan kişisel ve ev cihazları ve genel olarak iyileştirilmiş kullanım ömrü sayılabilir. Bir pilin kalitesini, mevcut durumunu ve performansını genel olarak anlamamıza yardımcı olan unsuru, iç direncidir.
Bir test ve ölçüm şirketi olarak, öncelikli ilgimiz direnci mümkün olan en doğru şekilde ölçmektir. Ancak, ölçümlerin ve uygulamalarının ayrıntılarına girmeden önce, şunu açıklığa kavuşturmamız gerekir.
Şekil 1. Pil iç direnci
Pil iç direnci (Ri), akım akışına karşı koyan ve akım geçtiğinde voltaj düşüşüne neden olan pilin doğal bir özelliğidir. En azından ölçüldüğünde veya gözlemlendiğinde bu şekilde davranır. Gerçekte, pilin içindeki bir direnç kadar basit değildir. Bunun yerine, pilin kimyası ve özellikleri belirli koşullar altında bir direnç gibi davranır.
İç direnç, pilin içindeki çeşitli fenomenler nedeniyle ortaya çıkar:
Ohmik direnç: Elektrolit, akım toplayıcılar ve elektrot malzemeleri gibi iletken bileşenlerin içsel direncidir.
Yük transfer direnci: Elektrot-elektrolit arayüzünde meydana gelen elektrokimyasal reaksiyonlar ve iyonların ve elektronların bu arayüzü geçerken karşılaştıkları dirençten kaynaklanır.
Difüzyon direnci: Elektrolit içindeki iyonların kütle taşınımı (mass transport) süreçlerinin sınırlı olması nedeniyle ortaya çıkan, frekansa bağlı empedans bileşenidir.
Polarizasyon direnci: Yük transfer direnci ve difüzyon direncinin toplamıdır. Yani, elektrot–elektrolit arayüzündeki yük transfer kinetiğinden kaynaklanan direnç (Rct) ile iyon difüzyonuna bağlı kütle taşınımı sınırlamalarının oluşturduğu empedans bileşenlerinin toplamıdır.
Yapısal değişiklikler: Pil yaşlandıkça ve birçok şarj-deşarj döngüsünden geçtikçe, aktif malzemeleri bozulur. İstenmeyen bir etki olarak, elektrot yüzeylerindeki katı elektrolit ara faz (SEI) tabakası hızla büyüyebilir. Bu yapısal ve kimyasal değişiklikler zamanla iç direnci artırır. Bir yan not olarak, SEI pil ve oluşum süreçleri için çok önemlidir. SEI tabakasının ilk oluşumu pilin kararlılığı için gereklidir; ancak zamanla kalınlaşması iyon iletimini sınırlandırarak iç direncin artmasına neden olur. SEI, yüksek akım toleransı ve uzun ömürlülüğü desteklemek için çok önemlidir. Sorun, katmanların zamanla büyümesi ile ortaya çıkar.
Sıcaklık etkileri: Düşük sıcaklıklar, iyon hareketini yavaşlatarak, reaksiyon hızlarını azaltarak ve elektrolit viskozitesini artırarak iç direnci artırır. Yüksek sıcaklıklara uzun süre maruz kalmak, hızlanan bozulma nedeniyle direnci artırır.
Şarj durumu (SoC): Bir pilin iç direnci, şarj aralığı boyunca sabit değildir. Tipik olarak, çok düşük ve çok yüksek şarj durumlarında artar ve bu, elektrot malzemelerinin iyonları depolama ve serbest bırakma kabiliyetindeki değişiklikleri yansıtır.
Pil kimyası: Farklı pil kimyaları ve iç hücre tasarımları, farklı iç direnç özelliklerine sahiptir.
Basitçe ifade etmek gerekirse, iç direnç kimyasal özellikler, iç süreçler ve şarj durumu ve eskimeyle birlikte meydana gelen değişikliklerle tanımlanır.
Sıcaklık ve Çevresel Koşullar Pil İç Direnç Test Sonuçlarını Nasıl Etkiler?
Sıcaklık ve çevresel koşullar pil iç direncini önemli ölçüde etkiler ve onu karmaşık ve dinamik bir parametre haline getirir.
Düşük sıcaklıklar, iyon hareketini yavaşlatarak, reaksiyon hızlarını azaltarak ve elektrolit viskozitesini artırarak Ri'yi önemli ölçüde artırır. Yüksek Ri, şarj ve deşarjı zorlaştırır, şarj kabulünü ve kapasiteyi azaltır ve deşarj sırasında voltaj düşüşlerine neden olabilir.
Yüksek sıcaklıklar, kimyasal reaksiyonları hızlandırarak başlangıçta iç direnci azaltabilir, bu da Ri'nin azalmasına ve pil performansının ve depolama kapasitesinin artmasına neden olabilir. Ancak, yüksek sıcaklıklara uzun süre maruz kalmak, hızlanan yaşlanma ve bozulma nedeniyle uzun vadede Ri'yi artırabilir. Diğer riskler arasında ömür kısalması, kalıcı yapısal hasar ve termal kaçak sayılabilir.
İç direnci etkileyen faktörleri öğrendikten sonra, onu ölçmenin bize ne gibi bilgiler sağladığını sorabiliriz.
Pil sağlığını değerlendirmek için pilin iç direncini ölçmek neden önemlidir?
İç direnç, pilin güç yoğunluğu, enerji kaybı, verimlilik ve genel sağlık durumu (SoH) için önemli bir göstergedir.
Bu değeri ölçmek, aşağıdaki hususlar hakkında bilgi edinmenin basit bir yolunu sunabilir:
- Bozunma: Elektrot yüzeylerindeki değişiklikler, aktif malzemenin bozulması ve yan ürün oluşumu nedeniyle iç direnç zamanla artar.
- Verimlilik: Daha yüksek iç direnç, ısı olarak enerji kaybına, daha az verimli şarj ve deşarja, daha az pil kapasitesine ve daha kısa çalışma sürelerine neden olur.
- Teşhis bilgileri: İç direncin ölçülmesi, sorunların erken tespit edilmesine, hücre kalitesinin değerlendirilmesine ve pil yönetimi stratejilerinin optimize edilmesine yardımcı olur.
İç direnci test etmek nispeten basittir ve pil yönetim sistemi (BMS), piller çalışırken veya şarj edilirken ölçümü gerçekleştirebilir.
İlk bölümde davranışı etkileyen faktörleri öğrendik, ancak bunu bir direnç biçimi olarak tanımlamak yeterli mi?
Pil İç Direnç Testi ile Pil Empedans Testi Arasındaki Fark Nedir?
İç direnç testi, doğru akım (DC) sinyallerine karşı direnci ölçer ve bu da pilin gerçek davranışının basitleştirilmiş bir versiyonunu verir. Empedans testi, daha kapsamlı bir pil profili için çeşitli frekanslarda alternatif akım (AC) sinyallerine karşı direnci ölçer. Direnç, pilin davranışının ilk yaklaşımıdır, ancak frekansa bağlı empedans daha doğru bir resim sağlayabilir.
İç direnç genellikle doğru akım iç direnç (DC-IR) yöntemi kullanılarak ölçülür. DC-IR, büyük bir akım darbesi kullanarak direnci ölçer, voltajı okur ve bu darbe sonucuna göre direnci hesaplar.
Daha kapsamlı pil empedans testi, elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) ile yapılır. Sinüzoidal akım uyarısı (galvanostatik) veya voltaj uyarısı (potansiyostatik) ile frekans taraması yapılır. Bu test, pilin dinamik özelliklerini kapsamlı bir şekilde profilleyerek bunları tek noktalı iç direnç ölçümleriyle karşılaştırır. İndüktif etkiler, elektrot-elektrolit kapasitansı ve iyonik difüzyon empedansı dahil olmak üzere pilin frekans bağımlı elektriksel ve elektrokimyasal fenomenlerini analiz etmeye yardımcı olur. Elde edilen empedans verileri, karmaşık empedansın gerçek ve sanal bileşenlerini gösteren Nyquist diyagramı ile genlik ve fazın frekansa bağlı değişimini gösteren Bode diyagramı üzerinden analiz edilir. Bu çizim yöntemi, bataryadaki değişiklikleri tespit etmek için kolay karşılaştırma sağlar ve ayrıca bataryanın farklı parçalarının daha derinlemesine analizi için eşdeğer devrelerle eşleştirmeyi destekler.
Basitçe söylemek gerekirse, direnç ölçümü daha basittir ancak empedans karakterizasyonunun sağlayabileceği derinlemesine bilgiler sunmaz.
Direnç veya empedans fark etmeksizin, dört telli ölçümlerin kullanılması şiddetle tavsiye edilir.
Doğru pil iç direnç ölçümleri için neden dört terminalli yöntem tercih edilir?
Şekil 2. İç direnci ölçmek için iki telli ve dört telli yöntemler
Dört terminalli yöntem (dört telli veya Kelvin bağlantısı olarak da bilinir), bağlantı tellerinin dirençlerini okumadan hariç tuttuğu için pil iç direncini doğru bir şekilde ölçmek için tercih edilir.
İç direnç, cihaza ve kullanım amacına bağlı olarak çeşitli şekillerde ölçülebilir.
Daha önce de belirtildiği gibi, DCIR ölçümünde bir akım darbesi uygulanır ve darbe öncesinde ve sırasında voltaj ölçülür. Ardından, Ohm kanunu kullanılarak iç direnç değeri hesaplanır.
Şekil 3. İç direnç formülü
İki telli bağlantıda, test cihazının uçları aynı anda yüksek akım iletir ve pil voltajını algılar. Tellerin kendileri bir miktar dirence sahip olduğundan, yüksek akımlarda teller üzerindeki voltaj düşüşü ihmal edilebilir düzeyde olmayacaktır. Ölçülen voltaj, sadece pil üzerindeki düşüşü değil, teller üzerindeki bu düşüşü de içerir.
Buna karşılık, dört telli bir bağlantıda, bir çift kablo, yerleşik yüksek dirençli voltmetre ile sadece pil üzerindeki voltajı algılar, diğer çift kablo ise yük akımını iletir. Voltmetre ve algılama kablolarının yüksek direnci nedeniyle, bu kablolar üzerindeki voltaj düşüşü neredeyse sıfır olacak kadar ihmal edilebilir olacaktır. Bu şekilde hesaplanan direnç, sadece pilin direnci olacaktır.
Bu, sadece DC tabanlı ölçümler için değil, EIS gibi AC uyarıcı empedans ölçümleri için de geçerlidir.
El tipi pil iç direnç test cihazları ile laboratuvar tabanlı sistemler arasındaki fark nedir?
Laboratuvar tabanlı ve el tipi test cihazları arasındaki bazı farklar aşağıda açıklanmıştır:
- Kullanım amaçları: Laboratuvar tabanlı sistemler, test laboratuvarları ve üretim tesisleri için üretilmiştir. Pil araştırmaları, kalite kontrolü ve elektrikli araçların ve tıbbi cihazların pillerinin test edilmesi için kullanılırlar. El tipi test cihazları, sahada kullanım ve standart cihaz pillerinin hızlı kontrolü için tasarlanmıştır.
- Ölçüm yöntemleri: Laboratuvar tabanlı sistemler değişken yükler olarak çalışır ve test edilen pillerden yüksek akım çeker veya sağlar. El tipi test cihazı genellikle akım çekmek yerine pilin iç direncini ölçmek için düşük voltajlı bir AC sinyali sağlar.
- Yetenekler: Laboratuvar tabanlı sistemler, gelişmiş DC-IR, AC-IR ve EIS testleri yapabilir. Farklı frekanslarda ve farklı koşullar altında Ri'yi karakterize edebilirler. El tipi test cihazları temel Ri ölçümleri için uygundur.
- Çevresel entegrasyon: Bazı laboratuvar tabanlı sistemler, sıcaklık kontrollü testler için iklim odalarıyla entegre edilebilir.
- Doğruluk: Laboratuvar tabanlı sistemler, modern düşük empedanslı pillerin karakterizasyonu için çok önemli olan, genellikle mikro-ohm düzeyine kadar son derece yüksek doğruluk ve çözünürlüğe sahiptir.
- Form faktörleri: Laboratuvar tabanlı sistemler, tezgah üstü, rafa monte veya büyük bağımsız cihazlar olabilir. El tipi test cihazları kompakt, hafif ve taşınabilirdir.
- Ölçeklenebilirlik: Birçok laboratuvar tabanlı sistem, düzinelerce ila binlerce pilin paralel olarak test edilmesi için birden fazla bağımsız test kanalını destekler.
- Otomasyon: Laboratuvar tabanlı cihazlar genellikle test otomasyonunu desteklerken, el tipi cihazlar genellikle desteklemez.
Elektrikli araçlar, kesintisiz güç kaynağı (UPS) sistemleri ve enerji depolama gibi uygulamalarda pil iç direnç testi neden önemlidir?
Elektrikli araçlar, kesintisiz güç kaynağı (UPS) sistemleri ve enerji depolama gibi uygulamalarda pil iç direnç testi aşağıdakiler için çok önemlidir:
Verimliliğin değerlendirilmesi: Daha yüksek iç direnç, enerjiyi ısı olarak boşa harcar, EV'nin sürüş menzilini azaltır ve UPS sistemlerinde ve enerji depolamada güç dağıtımının verimliliğini düşürür.
SoH'nin belirlenmesi: İç direnç, SoH'nin önemli bir göstergesidir ve pilin ömrünü doğrudan etkiler. Ri, yaş, şarj/deşarj döngüleri ve aşırı sıcaklıklara maruz kalma ile artar. Ri'yi izleyerek pil ömrü doğru bir şekilde tahmin edilebilir. Bu uygulamalarda zamanında bakım ve değiştirme için çok önemlidir.
Kapasite tahmini: Artan iç direnç, pilin etkin kapasitesini önemli ölçüde azaltır ve şarj ve deşarj işlemlerini zorlaştırır. Bu durum, sistemin kullanılabilir çalışma süresini ve güvenilirliğini doğrudan olumsuz etkiler ve tutarlı güç sağlama açısından uygunsuz hale getirir.
Güvenliği sağlama: Yüksek iç direnç, yüksek akım talepleri veya aşırı sıcaklıklarla birleştiğinde aşırı ısı oluşumuna, termal kaçaklara, yangınlara veya patlamalara neden olabilir. İç direnç testi, güvenlik özellikleri bozulmuş pilleri tespit edebilir; bu, yüksek voltajlı EV pil paketleri ve büyük ölçekli enerji depolama sistemleri için çok önemlidir.
Bu da bizi pratik kısma getiriyor.
Farklı Uygulamalar için Hangi Ekipmanlar Kullanılabilir?
Kullanılabilecek iki sistem kategorisi vardır: güç kaynağı tabanlı test sistemleri ve pil test sistemleri.
Temel fark, test ortamının otomasyonu ve kontrolünün nasıl gerçekleştirildiğidir.
Bir güç kaynağı, ölçümü yalnızca uyarım akımını uygulayıp geri dönen gerilimi okuyarak gerçekleştirir. Otomasyon, veri işleme ve haberleşme işlemleri ise harici olarak bir PC üzerinden sağlanmalıdır.
Bir pil test sistemi, tüm bunları daha büyük bir çözümde içerir. Oda, harici ölçüm ekipmanı ve güvenlik özellikleri dahil olmak üzere tüm test tezgahının otomasyonunu sağlar. Sistemler ayrıca daha karmaşık ölçümler ve testler gerçekleştirebilir, testleri daha uzun süreler boyunca çalıştırabilir ve farklı karakterizasyon ve performans testlerini birleştirebilir.
Ayrıca, güç kaynağı tabanlı bir sistem daha mobilken, pil test sistemi tekrarlanabilir sonuçlar ve sağlam çalışma ile sabit bir kurulum üzerine odaklanır.
Şu şekilde düşünülebilir: pil test sistemi de bir güç kaynağıdır, ancak bir kontrolör, ölçüm ekipmanı, depolama ve otomasyon ile genişletildiğinde, uzun test süreleri boyunca çoğu zaman kendi başına çalışabilir.
Hızlı bir genel bakış için, tezgah üstü ve rafa monte cihazlarla başlayalım:
Keysight N6705C (Düşük Güç)
Keysight N6705C DC Güç Analizörü, tek bir cihazda kaynak sağlama ve hassas ölçüm özelliklerini bir araya getirerek, harici şöntlere ihtiyaç duymadan dinamik pil karakterizasyonu sağlar. Entegre osiloskopu, veri kaydedicisi ve sorunsuz modülleri, gerçek dünya yük koşulları altında pil ve iç direnci analiz etmek için idealdir.
Harika bir mobil laboratuvar cihazı olarak hizmet eder ve farklı cihazlar ve pil türleri üzerinde hızlı, basit testler gerçekleştirmeye yardımcı olur. Modüler yaklaşımı, eldeki uygulama için doğru cihazın şekillendirilmesine yardımcı olur. Desteklenen modüller arasında çok amaçlı uygulamalar için temel güç kaynakları, hızlı, doğru geçici durumlar ve ölçümler için hassas ve gelişmiş modüller ve iki ve dört kadranlı güç kaynakları dahil olmak üzere dijitalleştirme ile kaynak ve batarya özelliklerini birleştiren kaynak ölçüm birimleri (SMU'lar) bulunur.
Keysight RP5900A (Düşük ila Orta Güç)
Keysight RP5900A, entegre elektronik yük ve rejeneratif özelliklere sahip, kompakt ve çift yönlü (bidirectional) rejeneratif bir DC güç kaynağıdır (2–12 kW) ve enerji emici (sink) olarak çalışabilir.
Entegre dijitalleştiricisi sayesinde test profilleri uygulanırken tek cihazlı (one-box) bir çözüm içinde eş zamanlı ölçüm yapılmasına olanak tanır. Bu yapı, kurulumu basit tutarken iç direncin doğru şekilde ölçülmesini ve kaydedilmesini sağlar.
Geniş gerilim aralığı, yalnızca tekil hücrelerle değil, aynı zamanda batarya modülleri ve daha küçük batarya paketleri ile de kullanılmasına imkân verir.
Hassasiyetin önemli olduğu daha büyük laboratuvarlar ve sabit kurulumlar için pil test sistemleri iyi bir seçenektir:
Keysight SL1035A (Düşük Akım Hassasiyeti)
SL1035A, düşük akımlı pil hücreleri için tasarlanmıştır ve ölçüm doğruluğunu en üst düzeye çıkarmak için üç akım aralığı (±5 A ila ±20 A) ile 96 kanala kadar sunar. Dahili EIS ve referans elektrot desteği, küçük formatlı hücrelerin ayrıntılı iç direnci ve elektrokimyasal analizi için idealdir. Düşük akım profili ile yeni kimyasallar, prototip oluşturma ve esnek laboratuvar yaklaşımları için idealdir.
Keysight SL1007B (Hücre Seviyesi, Yüksek Akım)
SL1007B, kanal başına ±400 A'ya kadar akım kapasitesine ve entegre Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (EIS) özelliğine sahip çift yönlü bir pil hücresi test sistemidir ve kapasite, verimlilik ve iç direncin hassas ölçümlerini sağlar. Rejeneratif tasarımı, deşarj enerjisinin %90'ını şebekeye geri döndürerek dinamik yük profilleri ve gelişmiş hücre karakterizasyonu için yüksek verimlilik sağlar. Sistem, 25 A'nın altından 3200 A'ya kadar akımları destekleyerek en yüksek esnekliği sunar, piyasadaki en büyük pillerin test edilmesini sağlar ve hızla gelişen pazara ayak uydurur. Tam çözüm, çeşitli form faktörleri ve uygulamalar için çok çeşitli test odalarıyla birleştirilebilir.
Keysight SL1133A (Kompakt Kombine Çözüm)
SL1133A, güç elektroniği, çevre odası ve hücre fikstürlerini ±500 A ve 0–6 V'da 24 kanala kadar test etmek için kompakt bir sistemde birleştirir. Entegre güvenlik özellikleri ve düşük empedanslı bağlantıları ile yüksek verimli laboratuvarlarda yerden tasarruf sağlarken, doğru iç direnç ve performans verileri sunar. Alanın sınırlı olduğu ve basitleştirilmiş devreye alma işleminin kritik olduğu durumlarda doğru çözümdür.
