ΜΕΛΕΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ/ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ/ΕΚΦΟΡΤΙΣΗΣ ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ ΙΟΝΤΩΝ ΛΙΘΙΟΥ ΦΟΙΤΗΤΕΣ: ΠΑΛΠΑΝΗΣ ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΟΣ ΣΤΑΥΡΟΘΑΝΑΣΟΠΟΥΛΟΣ ΚΛΕΑΡΧΟΣ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ: ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, Νοέμβριος 2016

2 Αφιερωμένη στις οικογένειες μας Page 1

3 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Με την ολοκλήρωση της παρούσας διπλωματικής εργασίας, θα θέλαμε να εκφράσουμε τις ευχαριστίες μας σε όσους βοήθησαν κατά την εκπόνηση της. Ευχαριστούμε θερμά τον καθηγητή μας Κ. Γεώργιο Λιτσαρδάκη, για την καθοδήγησή του και την άψογη συνεργασία για την περάτωση της εργασίας, διαφωτίζοντας τις όποιες απορίες είχαμε αλλά και για τη δυνατότητα που μας έδωσε στην εκπόνηση της. Θα θέλαμε επίσης να ευχαριστήσουμε τα υπόλοιπα μέρη της τριμελούς συμβουλευτικής επιτροπής, Καθηγητές για τις χρήσιμες παρατηρήσεις, υποδείξεις και συμβουλές τους. Τέλος, εκφράζουμε την ευγνωμοσύνη μας στους γονείς μας, οι οποίοι μας στήριξαν καθ όλη τη διάρκεια της εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας μέσω της κατανόησης που έδειξαν και των θυσιών που έκαναν ώστε να καταφέρουμε να ολοκληρώσουμε τις σπουδές μας. Τους ευχαριστούμε από τα βάθη της καρδιάς μας! Page 2

4 ΠΕΡΙΛΗΨΗ H μπαταρία ιόντων-λιθίου αποτελεί μια συνεχώς αναπτυσσόμενη τεχνολογία τις τελευταίες δεκαετίες. Η χρήση της είναι ιδιαίτερα διαδεδομένη και συναντάται στις περισσότερες καθημερινές και ηλεκτρικά απαιτητικές συσκευές, όπως στους φορητούς υπολογιστές και τα κινητά τηλέφωνα. Εκτός από τα πλεονεκτήματα που παρουσιάζει στον τομέα της αποθήκευσης και κατανάλωσης ενέργειας, επιδεικνύει αρκετά μειονεκτήματα, γεγονός που την καθιστά αντικείμενο εκτεταμένων ερευνών και μελετών. Το κύριο περιεχόμενο αυτών επικεντρώνεται στη βελτίωση της ποιότητας της προκείμενης μπαταρίας και στην επέκταση της χρήσης της σε πιο απαιτητικές ενεργειακά και περιβαλλοντικά μηχανές, όπως τα υβριδικά και ηλεκτρικά οχήματα. Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως βασικό περιεχόμενο την έρευνα και την περιγραφή της δομής και της λειτουργίας του στοιχείου λιθίου-ιόντος. Επομένως, η θεωρητική κατανόηση αυτών, συνδυαζόμενη με την αξιολόγηση, μέσω της καταπόνησής της, μιας μπαταρίας λιθίου-ιόντος θα αποτελέσουν τον κατάλληλο συνδυασμό, που θα υφάνει μια αξιόπιστη παρουσίαση αυτής της σημαντικής πηγής ενέργειας. Σε αυτήν την κατεύθυνση, παρατίθεται πρωτίστως ο ρόλος των κυρίαρχων μελών του στοιχείου, όπως η κάθοδος, η άνοδος και ο ηλεκτρολύτης, η σκοπιμότητα της χημείας του αγώγιμου μέσου, η μικροδομή τους και τέλος οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις που αναπτύσσονται μέσα στο κελί. Επίσης περιγράφονται τα τρία είδη τεχνολογίας που χρησιμοποιούνται, τα οποία είναι πρωτεύουσα, αποθεματική και δευτερεύουσα (επαναφορτιζόμενη). Στη συνέχεια αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση της μπαταρίας (όπως π.χ. τα υλικά, η θερμοκρασία, η γήρανση). Στο επόμενο κεφάλαιο παρατίθεται μια πιο εξειδικευμένη αναφορά στις μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες είναι και αυτές που θα μελετηθούν πειραματικά. Στο 3ο και 4ο κεφάλαιο αναλύονται οι μέθοδοι προσδιορισμού της κατάστασης φόρτισης αλλά και οι τρόποι εκτίμησης της υγείας της μπαταρίας. Οι ενδείξεις αυτές είναι πολύ σημαντικές για το χρήστη γιατί παρέχουν πληροφόρηση της κατάστασης της μπαταρίας. Στο πειραματικό σκέλος της διπλωματικής, επιχειρείται η κατασκευή μιας διάταξης αυτόματης φόρτισης-εκφόρτισης μπαταριών ιόντων λιθίου με τη βοήθεια της οποίας η μπαταρία υφίσταται συνεχείς φορτίσεις-εκφορτίσεις και παράλληλα γίνεται η καταγραφή των τιμών των ποιοτικών μεγεθών της για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Page 3

5 Πίνακας Περιεχομένων ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ... 2 ΠΕΡΙΛΗΨΗ... 3 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: Βασικές Έννοιες Μπαταριών Βασικά συστατικά των κελιών και των μπαταριών Ταξινόμηση των κελιών και των μπαταριών Πρωτεύοντα Κελιά / Μπαταρίες (Primary Cells or Batteries) Δευτερεύοντα ή Επαναφορτιζόμενα Κελιά/ Μπαταρίες (Secondary or Rechargeable Cells or Batteries) Αποθεματικές Μπαταρίες (Reserve Batteries) Αρχή λειτουργίας ενός κελιού Εκφόρτιση Φόρτιση Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση μιας μπαταρίας Τάση Κελιού/Μπαταρίας Κατανάλωση ρεύματος κατά την εκφόρτιση Τρόπος Εκφόρτισης ( Σταθερού ρεύματος, Σταθερού Φορτίου, Σταθερής Ισχύος) Θερμοκρασία της Μπαταρίας Κατά την Εκφόρτιση Τύπος Εκφόρτισης (Συνεχής, Διακοπτόμενη) Ρύθμιση Τάσης Γήρανση της Μπαταρίας και Κατάσταση Αποθήκευσης Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο : Οι Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου (Li-ion) Γενικά για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου Λειτουργία μπαταριών ιόντων λιθίου Ηλεκτροχημεία της μπαταρίας ιόντων λιθίου Χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και μεγέθη μπαταριών ιόντων λιθίου Ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου Χαρακτηριστικά Φόρτισης των Μπαταριών ιόντων λιθίου Page 4

6 Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο : Κατάσταση Φόρτισης Μπαταρίας(State of charge-soc) Ορισμός του SOC Μέθοδοι προσδιορισμού του State-of-charge Άμεση Μέτρηση Προσδιορισμός του SOC μέσω της μέτρησης του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη Προσδιορισμός του SOC μέσω της τάσης Προσδιορισμός του SOC με βάση το ρεύμα (μέτρηση Coulomb) Προσδιορισμός του SOC μέσω μετρήσεων της εσωτερικής αντίστασης Παράγοντες που επηρεάζουν το SOC των μπαταριών ιόντων λιθίου Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4o: Κατάσταση Υγείας(State of Health),Χρόνος Ζωής(Battery life time) Κατάσταση υγείας: εισαγωγικά[ Μέτρηση της κατάστασης υγείας-χρόνος ζωής Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο :Διεξαγωγή Πειράματος Γενικά Κατασκευή διάταξης αυτόματης φόρτισης-εκφόρτισης Προγραμματισμός του LabVIEW Πειραματικό μέρος Συμπεράσματα ΕΠΙΛΟΓΟΣ Page 5

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1ο: Βασικές Έννοιες Μπαταριών 1.1 Βασικά συστατικά των κελιών και των μπαταριών[1] Μπαταρία είναι μία συσκευή η οποία μετατρέπει τη χημική ενέργεια κατευθείαν σε ηλεκτρική μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης οξειδοαναγωγής. Στην περίπτωση δε των επαναφορτιζόμενων συστημάτων, η μπαταρία επαναφορτίζεται μέσω της αντιστροφής της αντίδρασης αυτής. Αυτός ο τύπος αντίδρασης έγκειται στη μεταφορά ηλεκτρονίων από ένα υλικό σε ένα άλλο μέσω ενός ηλεκτρικού κυκλώματος. Καθώς η μπαταρία μετατρέπει ηλεκτροχημικά τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική, δεν υπόκειται στους περιορισμούς του κύκλου Carnot τους οποίους θέτει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, όπως γίνεται για παράδειγμα στις θερμικές μηχανές. Οι μπαταρίες επομένως έχουν μεγαλύτερη απόδοση όσον αφορά τη μετατροπή ενέργειας. Παρόλο που συνήθως χρησιμοποιείται ο όρος «μπαταρία», το βασικό ηλεκτροχημικό στοιχείο στο οποίο αναφερόμαστε είναι το «κελί» (cell). Μία μπαταρία αποτελείται από ένα ή περισσότερα από τέτοια κελιά, τα οποία είναι συνδεδεμένα σε σειρά, παράλληλα ή σε συνδυασμό αυτών, ανάλογα με την επιθυμητή τάση και χωρητικότητα. Ένα κελί αποτελείται από τρία κύρια συστατικά: 1. Την άνοδο ή αρνητικό ηλεκτρόδιο- το αναγωγικό ή ηλεκτρόδιο καυσίμου- το οποίο αφήνει ηλεκτρόνια σε ένα εξωτερικό κύκλωμα και οξειδώνεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. 2. Την κάθοδο ή θετικό ηλεκτρόδιο- το οξειδωτικό ηλεκτρόδιο- το οποίο δέχεται ηλεκτρόνια από ένα εξωτερικό κύκλωμα και μειώνεται κατά τη διάρκεια της ηλεκτροχημικής αντίδρασης. 3. Τον ηλεκτρολύτη- τον ιοντικό αγωγό- ο οποίος μέσω ιόντων επιτρέπει τη μετακίνηση φορέων μεταξύ της ανόδου και της καθόδου μέσα σε ένα κελί. Ο ηλεκτρολύτης έχει ως επί το πλείστον υγρή μορφή, όπως για παράδειγμα νερό ή άλλους διαλύτες με διαλυμένα άλατα, οξέα ή αλκάλια ούτως ώστε να διατηρείται η ιοντική αγωγιμότητα. Ορισμένες μπαταρίες χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτες στέρεας μορφής, οι οποίοι έχουν την ιδιότητα της ιοντικής αγωγιμότητας στη θερμοκρασία λειτουργίας του κελιού. Οι πιο συμφέροντες συνδυασμοί υλικών, όσον αφορά την άνοδο και την κάθοδο, είναι αυτοί οι οποίοι έχουν το μικρότερο βάρος και προσδίδουν στο κελί υψηλή τάση και χωρητικότητα. Ωστόσο, τέτοιου είδους συνδυασμοί δεν είναι πάντα πρακτικοί καθώς κάποια υλικά αντιδρούν με κάποια συστατικά του κελιού. Κάποιοι άλλοι λόγοι για την αδυναμία εφαρμογής συνδυασμών υψηλής αποδοτικότητας είναι η πόλωση που μπορεί να παρουσιαστεί, δυσκολία στη διαχείριση αυτών των υλικών και το υψηλό κόστος. Page 6

8 Προκειμένου να επιλεχθεί η άνοδος θα πρέπει να διαθέτει ορισμένες ιδιότητες. Αυτές οι ιδιότητες είναι η αποδοτικότητα ως αναγωγικό μέσο, η υψηλή κουλομπική έξοδος (Ah/g), η καλή αγωγιμότητα, η χημική ευστάθεια, η ευκολία στην παραγωγή και το χαμηλό κόστος. Στην πράξη, τα μέταλλα χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά ανόδου. Το πλέον κυρίαρχο υλικό ανόδου είναι ο ψευδάργυρος καθώς διαθέτει όλες τις παραπάνω επιθυμητές ιδιότητες. Το λίθιο, το ελαφρύτερο μέταλλο, με υψηλό βαθμό ηλεκτροχημικής ισορροπίας, έχει γίνει πλέον αρκετά ελκυστικό ως υλικό ανόδου και οι συμβατοί ηλεκτρολύτες και τα σχέδια των κελιών έχουν αναπτυχθεί κατάλληλα ούτως ώστε να ελέγχεται η δραστικότητά του. Η κάθοδος πρέπει να είναι ένα αποδοτικό οξειδωτικό μέσο, να έχει σταθερότητα όταν έρχεται σε επαφή με τον ηλεκτρολύτη και να έχει ωφέλιμη τάση λειτουργίας. Το οξυγόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατευθείαν από το περιβάλλον, έτσι ώστε να εισαχθεί στο εσωτερικό του κελιού, όπως γίνεται στις μπαταρίες ψευδαργύρου/αέρα (zinc- air). Παρόλα αυτά, το πιο κοινό υλικό που χρησιμοποιείται ως κάθοδος είναι τα μεταλλικά οξείδια. Άλλα υλικά, όπως τα αλογόνα, το θείο και τα οξείδιά του, χρησιμοποιούνται σε ειδικά συστήματα μπαταριών. Σε ένα κελί, η άνοδος και η κάθοδος πρέπει να είναι ηλεκτρικά απομονωμένες προκειμένου να αποφευχθεί τυχόν εσωτερικό βραχυκύκλωμα, ενώ και οι δύο περικλείονται από τον ηλεκτρολύτη. Σε ένα πραγματικό κελί, χρησιμοποιείται ένα υλικό προκειμένου να διαχωρίσει μηχανικά την άνοδο με την κάθοδο. Το υλικό διαχωρισμού, ωστόσο, είναι διαπερατό από τον ηλεκτρολύτη ούτως ώστε να διατηρείται η επιθυμητή ιοντική αγωγιμότητα. Ένα κελί μπαταρίας μπορεί να παρασκευαστεί σε διάφορα σχήματα και διαμορφώσεις (κυλινδρικά, σε σχήμα κουμπιού, επίπεδα και πρισματικά) και επομένως τα συστατικά του κελιού είναι σχεδιασμένα έτσι, ώστε να προσαρμοστούν στην εκάστοτε σχεδίαση. Τα κελιά επίσης είναι σφραγισμένα με διάφορους τρόπους, ούτως ώστε να αποφευχθούν φαινόμενα διαρροής και ξηρασίας του ηλεκτρολύτη. Κάποια κελιά είναι εφοδιασμένα με μέσα εξαερισμού έτσι ώστε να επιτρέπεται η διαφυγή συσσωρευμένων αερίων. 1.2 Ταξινόμηση των κελιών και των μπαταριών Τα κελιά και κατ επέκταση οι μπαταρίες διακρίνονται σε πρωτεύουσες (μη επαναφορτιζόμενες) ή δευτερεύουσες (επαναφορτιζόμενες). Η διάκριση αυτή γίνεται με βάση τη δυνατότητα που έχουν να επαναφορτίζονται ηλεκτρικά. Παράλληλα με αυτή την κύρια διάκριση χρησιμοποιούνται και άλλες ταξινομήσεις οι οποίες προσδιορίζουν συγκεκριμένες δομές ή σχέδια των μπαταριών Πρωτεύοντα Κελιά / Μπαταρίες (Primary Cells or Batteries) Οι μπαταρίες αυτές δεν έχουν τη δυνατότητα εύκολης ή αποτελεσματικής ηλεκτρικής επαναφόρτισης με αποτέλεσμα να εκφορτίζονται μία φορά και ύστερα να τίθενται σε αχρηστία. Οι πρωτεύουσες μπαταρίες είναι μία βολική, συνήθως χαμηλού κόστους και ελαφριά πηγή «συσκευασμένης» ενέργειας. Το κύριο πλεονέκτημα των πρωτευουσών μπαταριών είναι ότι έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής κατά την αποθήκευση, μεγάλη πυκνότητα Page 7

9 ενέργειας σε χαμηλές και μεσαίες τιμές εκφόρτισης, ελάχιστη έως μηδαμινή ανάγκη συντήρησης και ευκολία στη χρήση Δευτερεύοντα ή Επαναφορτιζόμενα Κελιά/ Μπαταρίες (Secondary or Rechargeable Cells or Batteries) Οι μπαταρίες αυτές έχουν τη δυνατότητα ηλεκτρικής επαναφόρτισης, αφού προηγηθεί η εκφόρτιση τους, περνώντας ρεύμα από μέσα τους αντίθετης φοράς από αυτό της εκφόρτισης. Πρόκειται ουσιαστικά για συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας και είναι γνωστές επίσης ως «μπαταρίες αποθήκευσης» ή συσσωρευτές. Οι εφαρμογές κατά τις οποίες χρησιμοποιούνται δευτερεύουσες μπαταρίες μπορούν να χωριστούν σε δύο κύριες κατηγορίες: 1. Εφαρμογές όπου οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες χρησιμοποιούνται ως συσκευές αποθήκευσης ενέργειας. Είναι ηλεκτρικά συνδεδεμένες, φορτίζονται από μία κύρια πηγή ενέργειας και μεταφέρουν την ενέργειά τους σε φορτία, ανάλογα με τη ζήτηση που υπάρχει. 2. Εφαρμογές όπου χρησιμοποιούνται και εκφορτίζονται όπως στην περίπτωση των πρωτευουσών μπαταριών. Ωστόσο, σε αντίθεση με τις πρωτεύουσες, οι δευτερεύουσες μπαταρίες επαναφορτίζονται ύστερα από κάθε χρήση αντί να αχρηστεύονται. Κύρια χαρακτηριστικά των δευτερευουσών μπαταριών (εκτός από την ιδιότητά τους να επαναφορτίζονται) είναι η υψηλή πυκνότητα ισχύος, η δυνατότητα μεγάλου βαθμού εκφόρτισης (discharge rates), οι επίπεδες χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης και οι καλές επιδόσεις τους κατά τη λειτουργία σε χαμηλές θερμοκρασίες. Από την άλλη μεριά η πυκνότητα ενέργειας είναι σε γενικές γραμμές μικρότερη από αυτήν των πρωτευουσών μπαταριών. Επίσης η διατήρηση του φορτίου τους είναι χαμηλότερη από αυτήν των περισσότερων πρωτευουσών μπαταριών. Παρόλα αυτά, η χωρητικότητα των δευτερευουσών μπαταριών, η οποία χάνεται κατά την αποθήκευση, μπορεί να αναπληρωθεί μέσω της επαναφόρτισής τους. Ορισμένες μπαταρίες, γνωστές ως «μηχανικά επαναφορτιζόμενες», επαναφορτίζονται μέσω της αντικατάστασης του εκφορτισμένου ηλεκτροδίου, συνήθως της μεταλλικής ανόδου, με ένα καινούργιο Αποθεματικές Μπαταρίες (Reserve Batteries) Σε αυτόν τον τύπο μπαταριών, κάποιο από τα βασικά συστατικά τους είναι διαχωρισμένο από το υπόλοιπο της μπαταρίας, με το οποίο υπάρχει πιθανότητα να αντιδράσει. Σε αυτήν την κατάσταση, η χημική φθορά ή η αυτό-εκφόρτιση (self-discharge) περιορίζεται σε μεγάλο βαθμό και η μπαταρία είναι ικανή να αποθηκευτεί για μεγάλες χρονικές περιόδους. Page 8

10 Συνήθως ο ηλεκτρολύτης είναι το συστατικό το οποίο απομονώνεται από το υπόλοιπο της μπαταρίας. Σε άλλα συστήματα, όπως στις θερμικές μπαταρίες, η μπαταρία είναι ανενεργή μέχρι να θερμανθεί. Αυτό γίνεται μέσω της τήξης του στερεού ηλεκτρολύτη ο οποίος έπειτα γίνεται αγώγιμος. Οι αποθεματικές μπαταρίες χρησιμοποιούνται όταν υπάρχουν ανάγκες για υπερβολικά μεγάλη διάρκεια αποθήκευσης, είτε όταν οι συνθήκες του περιβάλλοντος είναι αντίξοες όσον αφορά την αποθήκευση. 1.3 Αρχή λειτουργίας ενός κελιού Εκφόρτιση Η λειτουργία ενός κελιού κατά την εκφόρτιση φαίνεται σχηματικά στην εικόνα Εικόνα Ηλεκτροχημική λειτουργία ενός κελιού κατά την εκφόρτιση[1] Όταν το κελί συνδεθεί σε ένα εξωτερικό φορτίο, τότε υπάρχει διέλευση ηλεκτρονίων από την άνοδο, η οποία οξειδώνεται, μέσω του φορτίου προς την κάθοδο, η οποία υφίσταται χημική αναγωγή. Το ηλεκτρικό κύκλωμα ολοκληρώνεται με τον ηλεκτρολύτη μέσω της ροής ανιόντων (αρνητικών ιόντων) και κατιόντων (θετικών ιόντων) προς την άνοδο και την κάθοδο αντίστοιχα Φόρτιση Κατά την επαναφόρτιση ενός δευτερεύοντος κελιού, η ροή του ρεύματος είναι αντίστροφη και η οξείδωση λαμβάνει χώρα στο θετικό ηλεκτρόδιο ενώ η αναγωγή στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, όπως φαίνεται στην εικόνα Καθώς η άνοδος αποτελεί εξ ορισμού το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται η οξείδωση και η κάθοδος το ηλεκτρόδιο στο οποίο γίνεται η αναγωγή, το θετικό ηλεκτρόδιο τώρα θα είναι η άνοδος και το αρνητικό η κάθοδος. Page 9

11 Εικόνα Ηλεκτροχημική λειτουργία ενός κελιού κατά την φόρτιση[1] 1.4 Παράγοντες που επηρεάζουν την απόδοση μιας μπαταρίας[2][4] Πολλοί παράγοντες επηρεάζουν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά, τη χωρητικότητα, την ενέργεια εξόδου και την απόδοση μιας μπαταρίας. Πρέπει να σημειωθεί ότι λόγω πολλών πιθανών αλληλεπιδράσεων, η επίδραση ενός παράγοντα είναι συνήθως μεγαλύτερη κάτω από ορισμένες συνθήκες λειτουργίας. Επίσης αξίζει να σημειωθεί ότι ακόμα και για ένα συγκεκριμένο τύπο κελιού ή μπαταρίας, υπάρχουν διαφορές από κατασκευαστή σε κατασκευαστή, όσον αφορά την επίδοσή τους. Γι αυτό το λόγο, προκειμένου να προσδιοριστούν τα ειδικά χαρακτηριστικά μίας μπαταρίας, θα πρέπει πρώτα να μελετηθούν τα τεχνικά δεδομένα που δίνει ο κατασκευαστής Τάση Κελιού/Μπαταρίας Υπάρχουν διαφορετικές χαρακτηριστικές τιμές τάσης που αφορούν κάποιο κελί ή μπαταρία: 1. Η θεωρητική τάση είναι συνάρτηση των υλικών της ανόδου και της καθόδου, της σύνθεσης του ηλεκτρολύτη και της θερμοκρασίας (συνήθως ορίζεται στους 25 ). 2. Η τάση ανοιχτού κυκλώματος είναι η τάση που υπάρχει χωρίς την παρουσία κάποιου φορτίου και η τιμή της είναι συνήθως κοντά στην τιμή της θεωρητικής τάσης. 3. Η τάση κλειστού κυκλώματος είναι η τάση υπό φορτίο. 4. Η ονομαστική τάση είναι η τάση η οποία λαμβάνεται γενικά ως τυπική τάση λειτουργίας μίας μπαταρίας. 5. Η τάση λειτουργίας είναι πιο αντιπροσωπευτική της τάσης της μπαταρίας, όταν αυτή λειτουργεί υπό φορτίο και η τιμή της είναι μικρότερη από αυτή της τάσης ανοιχτού κυκλώματος. Page 10

12 6. Η μέση τάση είναι η τάση η μέση τιμή των τάσεων που παρατηρούνται κατά την εκφόρτιση. 7. Η τάση μέσου είναι η κεντρική τάση (στο μέσο της καμπύλης εκφόρτισης) κατά την εκφόρτιση του κελιού ή της μπαταρίας. 8. Η τελική ή τάση αποκοπής έχει ορισθεί ως τιμή τάσης στην οποία σταματάει η εκφόρτιση. Συνήθως είναι η τάση αυτή κατά την οποία έχει μεταφερθεί σχεδόν όλο το φορτίο του κελιού ή της μπαταρίας. Η τάση αποκοπής μπορεί επίσης να καθοριστεί από τις ανάγκες της κάθε εφαρμογής. Κατά την εκφόρτιση ενός κελιού ή μπαταρίας, η τάση του είναι χαμηλότερη από τη θεωρητική τάση. Η διαφορά αυτή προκύπτει από τις ωμικές απώλειες λόγω της αντίστασης του κελιού και της πόλωσης που υπάρχει μεταξύ των ενεργών στοιχείων κατά την εκφόρτιση. Αυτό φαίνεται καθαρά στην εικόνα Στην ιδανική περίπτωση, η εκφόρτιση της μπαταρίας ακολουθεί τη θεωρητική τάση έως ότου καταναλωθούν τα ενεργά στοιχεία και η χωρητικότητα χρησιμοποιηθεί εξ ολοκλήρου. Η τάση έπειτα πέφτει στο μηδέν. Υπό πραγματικές συνθήκες, η καμπύλη εκφόρτισης προσεγγίζει τη δεύτερη και τρίτη καμπύλη (curve 1, curve 2) της εικόνας Η αρχική τάση του κελιού υπό φορτίο είναι χαμηλότερη από τη θεωρητική τιμή λόγω της εσωτερικής αντίστασης και των ωμικών απωλειών που υπάρχουν πάνω σε αυτή, καθώς και λόγω του φαινομένου της πόλωσης στα δύο ηλεκτρόδια. Η τάση επίσης πέφτει κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, καθώς η εσωτερική αντίσταση του κελιού αυξάνεται λόγω συσσώρευσης των προϊόντων της εκφόρτισης, της ενεργοποίησης και της συγκέντρωσης, της πόλωσης και άλλων συγγενών παραγόντων. Η καμπύλη 2 (curve 2) είναι παρόμοια με την καμπύλη 1 (curve 1) αλλά αντιπροσωπεύει ένα κελί με υψηλότερη εσωτερική αντίσταση ή μεγαλύτερο ποσοστό εκφόρτισης ή και τα δύο. Όσο η εσωτερική αντίσταση του κελιού ή το ρεύμα εκφόρτισης αυξάνεται, τόσο η τάση εκφόρτισης μειώνεται. Εικόνα Χαρακτηριστική καμπύλη εκφόρτισης[1] Η ειδική ενέργεια που μεταφέρεται στην πράξη από μία μπαταρία είναι επομένως μικρότερη από τη θεωρητική ειδική ενέργεια καθώς: 1. Η μέση τάση κατά την εκφόρτιση είναι χαμηλότερη από τη θεωρητική. 2. Η μπαταρία δεν εκφορτίζεται μέχρι τα μηδέν Volts και δεν χρησιμοποιούνται όλα τα διαθέσιμα αμπερώρια. Page 11

13 1.4.2 Κατανάλωση ρεύματος κατά την εκφόρτιση Καθώς η κατανάλωση ρεύματος της μπαταρίας αυξάνεται, οι ωμικές απώλειες και τα φαινόμενα πόλωσης αυξάνονται, η εκφόρτιση πραγματοποιείται σε χαμηλότερη τάση και η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μειώνεται. Η εικόνα δείχνει κάποιες τυπικές καμπύλες εκφόρτισης συναρτήσει του ρεύματος που καταναλώνεται. Σε εξαιρετικά χαμηλά ρεύματα (καμπύλη 2), η εκφόρτιση μπορεί να προσεγγίσει τη θεωρητική τάση και χωρητικότητα. Καθώς η κατανάλωση ρεύματος αυξάνεται (καμπύλες 3-5), η τάση εκφόρτισης μειώνεται, η κλίση της καμπύλης εκφόρτισης γίνεται μεγαλύτερη και η διάρκεια ζωής και η χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνονται. Εικόνα : α)χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης μπαταρίας ανάλογα με το επίπεδο τάσης β)χαρακτηριστικές καμπύλες μιας μπαταρίας που εκφορτίζεται από υψηλά σε χαμηλά ποσοστά εκφόρτισης[1] Έστω μία μπαταρία φτάνει ένα ορισμένο επίπεδο τάσης (όπως για παράδειγμα την τάση αποκοπής) υπό ένα δεδομένο ρεύμα εκφόρτισης. Αν η μπαταρία αυτή χρησιμοποιηθεί με μικρότερο βαθμό εκφόρτισης, τότε η τάση της θα αυξηθεί και θα κερδίσει επιπλέον χωρητικότητα ή διάρκεια ζωής, μέχρι να φτάσει την τάση αποκοπής. Όπως φαίνεται στην εικόνα 1.4.2(β), η εκφόρτιση γίνεται αρχικά με το μεγαλύτερο βαθμό εκφόρτισης μέχρι να φτάσει στην καθορισμένη τάση αποκοπής. Ο βαθμός εκφόρτισης τότε μειώνεται στο επόμενο χαμηλότερο επίπεδο. Η τάση σε αυτήν την περίπτωση αυξάνεται και η εκφόρτιση συνεχίζει έως ότου φτάσει ξανά την τάση αποκοπής. Αυτή η διαδικασία μπορεί να συνεχιστεί αντίστοιχα με επόμενους χαμηλότερους βαθμούς εκφόρτισης. Η διάρκεια ζωής της μπαταρίας λαμβάνεται διαφορετική και τους διάφορους βαθμούς εκφόρτισης. Ωστόσο η συνολική καμπύλη εκφόρτισης για τους χαμηλότερους βαθμούς εκφόρτισης προφανώς χάνεται, όπως φαίνεται από τις διακεκομμένες γραμμές της εικόνας 1.4.2(β). Βαθμός C : Μία διαδεδομένη μέθοδος που βοηθάει στην ένδειξη της εκφόρτισης αλλά και του ρεύματος φόρτισης, είναι ο βαθμός C.Ο βαθμός C είναι ο μέγιστος συνεχής ρυθμός εκφόρτισης μιας μπαταρίας. Για παράδειγμα για μια μπαταρία mah, ρυθμός Page 12

14 εκφόρτισης 1C σημαίνει ότι μπαταρία πρέπει υπό ιδανικές συνθήκες να παρέχει ρεύμα ma για μία ώρα. Η ίδια μπαταρία αν αποφορτιστεί σε 0.5C θα παρέχει 500mA για δύο ώρες, και σε 2C, η μπαταρία των 1000 mah θα δώσει ma για 30 λεπτά. Το 1C είναι επίσης γνωστό ως εκφόρτιση μιας ώρας, 0.5C δύο ώρες, και 2C μισή ώρα. [5] Ο βαθμός C οποίος εκφράζεται ως: Όπου: Ι= ρεύμα εκφόρτισης,amperes I= M C= η ονομαστική χωρητικότητα της μπαταρίας σε Ah n= ο χρόνος,εκφρασμένος σε ώρες, στον οποίο είναι δηλωμένη η χωρητικότητα Μ= πολλαπλάσιο ή κλάσμα του C Τρόπος Εκφόρτισης ( Σταθερού ρεύματος, Σταθερού Φορτίου, Σταθερής Ισχύος) Ο τρόπος εκφόρτισης μίας μπαταρίας επιδρά σημαντικά στις επιδόσεις της. Γιαυτό το λόγο, προτείνεται ο τρόπος εκφόρτισης που χρησιμοποιείται κατά την τυποποίηση και τους ελέγχους, να είναι ο ίδιος με αυτόν που απαιτείται για τη συγκεκριμένη εφαρμογή για την οποία ελέγχεται η μπαταρία. Όταν μία μπαταρία εκφορτιστεί μέχρι κάποιο συγκεκριμένο σημείο, τότε θα έχει μεταφέρει τα ίδια αμπερώρια στο φορτίο, ανεξάρτητα από τον τρόπο εκφόρτισης. Ωστόσο, εφόσον κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, το ρεύμα διαφέρει ανάλογα με τον τρόπο εκφόρτισης, ο χρόνος εξυπηρέτησης ή οι «ώρες εκφόρτισης» μέχρι εκείνο το σημείο, θα διαφέρουν αντίστοιχα. Τρεις από τους βασικούς τρόπους με τους οποίους μπορεί να εκφορτιστεί μία μπαταρία είναι οι παρακάτω: 1. Σταθερή Αντίσταση: Η αντίσταση του φορτίου παραμένει σταθερή κατά την εκφόρτιση (το ρεύμα μειώνεται κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης ανάλογα με τη μείωση της τάσης της μπαταρίας). 2. Σταθερό Ρεύμα: Το ρεύμα παραμένει σταθερό κατά την εκφόρτιση. 3. Σταθερή Ισχύς: Η τιμή του ρεύματος αυξάνεται κατά την εκφόρτιση όσο η τάση της μπαταρίας μειώνεται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα να εκφορτίζεται η μπαταρία σε ένα σταθερό επίπεδο ισχύος (ισχύς=ρεύμα * τάση) Θερμοκρασία της Μπαταρίας Κατά την Εκφόρτιση Η θερμοκρασία στην οποία μία μπαταρία εκφορτίζεται έχει μεγάλη επίδραση στη διάρκεια ζωής της (χωρητικότητα) και στις χαρακτηριστικές της τάσης της. Αυτό συμβαίνει λόγω της αναγωγής κατά τη χημική δραστηριότητα και της αύξησης της εσωτερικής αντίστασης της μπαταρίας στις χαμηλές θερμοκρασίες. Αυτό αναδεικνύεται στην εικόνα 1.4.4, όπου φαίνονται τέσσερις καμπύλες εκφόρτισης ίδιου ρεύματος αλλά με σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας (T1 σε Τ4), με την Τ4 να αντιπροσωπεύει μία εκφόρτιση σε θερμοκρασία δωματίου. Μείωση της θερμοκρασίας κατά την εκφόρτιση οδηγεί σε μείωση Page 13

15 της χωρητικότητας καθώς και αύξηση στης κλίσης της καμπύλης εκφόρτισης. Τα ειδικά χαρακτηριστικά και το προφίλ της εκφόρτισης διαφέρουν από μπαταρία σε μπαταρία, ωστόσο σε γενικές γραμμές, η καλύτερη επίδοση λαμβάνεται μεταξύ 20 και 40. Σε υψηλότερες θερμοκρασίες σημειώνεται μείωση της εσωτερικής αντίστασης, η τάση εκφόρτισης αυξάνεται και επομένως η χωρητικότητα και η ενέργεια εξόδου αυξάνουν επίσης. Παρόλα αυτά, με την αύξηση της θερμοκρασίας, αυξάνεται και η χημική δραστηριότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα κάποιες φορές η αύξηση της χημικής δραστηριότητας να είναι τόσο ραγδαία κατά την εκφόρτιση (φαινόμενο το οποίο ονομάζεται αυτό-εκφόρτιση) που να προκληθεί απώλεια χωρητικότητας. Εικόνα Επίδραση της θερμοκρασίας στη χωρητικότητα της μπαταρίας[1] Τύπος Εκφόρτισης (Συνεχής, Διακοπτόμενη) Όταν μία μπαταρία μείνει ανενεργή μετά από μία εκφόρτιση, τότε λαμβάνουν χώρα φυσικές και χημικές αλλαγές οι οποίες οδηγούν σε ανάκτηση της τάσης. Με αυτόν τον τρόπο, η τάση της μπαταρίας, η οποία μειώθηκε κατά τη βαθιά εκφόρτιση, θα αυξηθεί ύστερα από μία περίοδο ηρεμίας. Αυτή η διαδικασία δίνει μία πριονωτή καμπύλη εκφόρτισης, όπως φαίνεται στην εικόνα Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε παράταση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας. Page 14

16 Εικόνα Επίδραση της διακοπτόμενης εκφόρτισης μιας μπαταρίας[1] Ρύθμιση Τάσης Η ρύθμιση τάσης που απαιτείται από κάποια εφαρμογή παίζει μεγάλο ρόλο στη χωρητικότητα και στη διάρκεια ζωής μίας μπαταρίας. Όταν ο σχεδιασμός μίας συσκευής είναι τέτοιος, ώστε αυτή να λειτουργεί στη χαμηλότερη δυνατή τάση και στο μεγαλύτερο εύρος τάσης, τότε προκύπτει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη χωρητικότητα και μακρύτερη διάρκεια ζωής. Στην εικόνα συγκρίνονται δύο τυπικές χαρακτηριστικές καμπύλες εκφόρτισης: Η καμπύλη 1 απεικονίζει μία μπαταρία η οποία έχει επίπεδη (flat) καμπύλη εκφόρτισης, ενώ η καμπύλη 2 απεικονίζει μία μπαταρία η οποία έχει πιο επικλινή καμπύλη εκφόρτισης. Σε εφαρμογές όπου ο εξοπλισμός δεν έχει ανοχή μεγάλου εύρους τάσεων και είναι περιορισμένος, για παράδειγμα έως τη στάθμη -15%, τότε η μπαταρία με την επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης εξυπηρετεί αποτελεσματικότερα την εφαρμογή. Από την άλλη μεριά, αν οι μπαταρίες μπορούν να εκφορτιστούν μέχρι τα χαμηλότερα όρια τάσης, τότε η διάρκεια ζωής των μπαταριών με επικλινή καμπύλη εκφόρτισης είναι μεγαλύτερη και γι αυτό το λόγο υπερτερεί έναντι των μπαταριών με επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης. Page 15

17 Εικόνα Σύγκριση επίπεδης (1) και επικλινούς (2) καμπύλη εκφόρτισης[1] Γήρανση της Μπαταρίας και Κατάσταση Αποθήκευσης Η μπαταρία είναι ένα προϊόν το οποίο φθείρεται και η φθορά αυτή επιδεινώνεται ως αποτέλεσμα των χημικών αντιδράσεων που συμβαίνουν κατά την αποθήκευση. Ο σχεδιασμός, η θερμοκρασία και η διάρκεια της περιόδου αποθήκευσης είναι παράγοντες που επηρεάζουν τη διάρκεια ζωής ή τη διατήρηση φόρτισης της μπαταρίας. Ο τύπος εκφόρτισης που ακολουθεί μετά την περίοδο φόρτισης επηρεάζει επίσης τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Page 16

18 Βιβλιογραφία [1] Wikipedia, Battery (electricity), ανακτήθηκε στις 20/8/2016 [2] David Linden, Thomas B.Reddy, Handbook of Batteries, Third Edition. [3] Ned Mochan, Tore M.Undeland, William P.Robbins Power Electronics, Converters, Applications and Designs. [4] Electropaedia, Cell Chemistries-How Batteries work ανακτήθηκε στις 15/8/2016 [5] WHAT'S IN A "C" RATING?, ανακτήθηκε στις 21/10/2016 Page 17

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2ο : Οι Μπαταρίες Ιόντων Λιθίου (Li-ion) 2.1 Γενικά για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου[8][11] Η μπαταρία ιόντων λιθίου (γνωστή και ως Li-ion μπαταρία) ανήκει στην κατηγορία των επαναφορτιζόμενων μπαταριών. Είναι η ταχύτερα αναπτυσσόμενη στο χώρο των μπαταριών τα τελευταία χρόνια. Χαρακτηριστικά τους είναι η υψηλή πυκνότητα ενέργειας, η μικρή επίδραση μνήμης και η μικρή απώλεια φορτίου όταν δεν χρησιμοποιούνται. Αυτά τις καθιστούν από τις πιο δημοφιλείς τύπους επαναφορτιζόμενων μπαταριών για κινητές ηλεκτρονικές συσκευές, laptops άλλα και πολλές συσκευές καθημερινής χρήσης. Είναι σημαντικό να τονισθεί πως οι μπαταρίες Li-ion χρησιμοποιούνται ευρέως και σε άλλες κατηγορίες χρήσης, εκτός των καταναλωτικών ηλεκτρονικών, όπως: στρατιωτικές εφαρμογές, ηλεκτρικά αυτοκίνητα και διαστημικές εφαρμογές. Σημαντικά πλεονεκτήματα αποτελούν τα παραπάνω χαρακτηριστικά καθώς και το μειωμένο βάρος των μπαταριών αυτών σε σχέση με μπαταρίες άλλων τύπων για τις ίδιες απαιτήσεις ενέργειας. 2.2 Λειτουργία μπαταριών ιόντων λιθίου Τα τρία κύρια λειτουργικά μέρη μίας μπαταρίας ιόντων λιθίου είναι το θετικό ηλεκτρόδιο, το αρνητικό ηλεκτρόδιο και ο ηλεκτρολύτης. Η λειτουργία της, βασίζεται στη μετακίνηση ιόντων λιθίου, μεταξύ της καθόδου και της ανόδου. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι κατασκευασμένο από οξείδια του μετάλλου και ο ηλεκτρολύτης κατασκευάζεται από άλας λιθίου σε οργανικό διάλυμα. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι φτιαγμένο από άνθρακα. Οι ηλεκτροχημικοί ρόλοι των ηλεκτροδίων αλλάζουν μεταξύ της ανόδου και της καθόδου, ανάλογα με τη διεύθυνση του ρεύματος που ρέει μέσα στην κυψέλη (διαδικασία φόρτισης ή εκφόρτισης). Ανάλογα με την επιλογή των υλικών, η τάση, η χωρητικότητα, η ασφάλεια και η ζωή μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου μπορεί να αλλάξουν δραματικά[1].στο σημείο αυτό, αξίζει να δούμε ξεχωριστά τα τρία αυτά δομικά συστατικά της μπαταρίας ιόντων λιθίου και τα υλικά από τα οποία αποτελούνται[1]. Θετικό ηλεκτρόδιο Το υλικό το οποίο απαρτίζει το θετικό ηλεκτρόδιο, θα πρέπει να πληροί κάποιες προδιαγραφές. Οι απαιτήσεις αυτές καθορίζουν την επιλογή και την ανάπτυξη των υλικών του θετικού ηλεκτροδίου. Για να υπάρξει η δυνατότητα μεγάλης χωρητικότητας, τα υλικά πρέπει να ενσωματώνουν μεγάλες ποσότητες λιθίου. Επιπλέον, για να έχουμε μεγάλη διάρκεια ζωής και υψηλή ηλεκτρική και ενεργειακή αποδοτικότητα θα πρέπει η αντιστρεπτή ανταλλαγή του λιθίου να πραγματοποιείται με μικρή αλλαγή στη δομή των υλικών. Για την επίτευξη υψηλής τάσης στοιχείου και υψηλής ενεργειακής πυκνότητας, η αντίδραση ανταλλαγής λιθίου πρέπει να πραγματοποιείται σε υψηλό δυναμικό σε σχέση με το λίθιο. Έτσι σε περίπτωση που ένα στοιχείο φορτίζεται ή εκφορτίζεται, ένα ηλεκτρόνιο Page 18

20 απομακρύνεται ή επιστρέφει στο θετικό υλικό. Για να πραγματοποιηθεί αυτή η διαδικασία σε υψηλό ρυθμό, πρέπει η ηλεκτρονική αγωγιμότητα και η κινητικότητα των ιόντων λιθίου (Li+) στο υλικό να είναι υψηλή. Ακόμη, το υλικό πρέπει να είναι συμβατό με τα υπόλοιπα υλικά στο στοιχείο και, πιο συγκεκριμένα, να μην είναι διαλυτό στον ηλεκτρολύτη. Τέλος, το υλικό πρέπει να έχει αποδεκτό κόστος [3]. Με σκοπό τη μείωση του κόστους, επιλέγεται παρασκευή από οικονομικά υλικά μέσω μιας διαδικασίας χαμηλού κόστους. Το υλικό του θετικού ηλεκτροδίου είναι συνήθως ένα οξείδιο μετάλλου με πολυεπίπεδη δομή, όπως είναι το οξείδιο λιθίου κοβαλτίου (LiCoO2) ή ένα υλικό με δομή σήραγγας όπως το οξείδιο λιθίου μαγγανίου (LiMn2O4), πάνω σε ένα συλλέκτη ρεύματος από λεπτό φύλλο αλουμινίου [1]. Αρνητικό ηλεκτρόδιο Οι πρώτες μπαταρίες Li-ion χρησιμοποιούσαν οπτάνθρακα (κωκ) πετρελαίου στο αρνητικό ηλεκτρόδιο. Τα υλικά τα οποία έχουν ως βάση το κωκ, προσφέρουν καλή χωρητικότητα, 180 mah/g, και είναι σταθερά κατά τη συνύπαρξή τους με τους ηλεκτρολύτες που έχουν ως βάση το ανθρακικό προπυλένιο (PC), σε αντίθεση με τα γραφητικά υλικά. Όμως παρουσιάζουν δυσλειτουργία η οποία έγκειται στο ότι κατά την παρουσία του ανθρακικού προπυλενίου, ακιδώνουν τα διάφορα στρώματα διακόπτοντας προσωρινά κάθε αντίδραση. Σήμερα, οι μπαταρίες Li-ion χρησιμοποιούν διάφορους τύπους άνθρακα στα αρνητικά ηλεκτρόδια. Οι περισσότερες μπαταρίεςli-ion που χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικά προϊόντα σήμερα χρησιμοποιούν LiCoO2 (οξείδιο του κοβαλτιούχου Λιθίου) ως υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου. Άλλα είδη μπαταριών Li-ion χρησιμοποιούν LiMn2O4 και LiNiO2. Κάποια κελιά χρησιμοποιούν φυσικό γραφίτη, που στοιχίζει ελάχιστα οικονομικά ενώ άλλα χρησιμοποιούν σκληρούς άνθρακες, οι οποίοι προσφέρουν χωρητικότητες μεγαλύτερες από αυτές των γραφητικών υλικών.τα τελευταία χρόνια έχει εμφανιστεί και το LiFePO4 (iron phosphate) ως υλικό καθόδου. Οι μπαταρίες με αυτό το υλικό καθόδου είναι πολύ δημοφιλείς σε εφαρμογές ηλεκτρικών αυτοκινήτων λόγω των επίπεδων καμπυλών εκφόρτισης και της μεγάλης πυκνότητας ισχύος που διαθέτουν. Αξίζει να αναφέρουμε πως με βάση το υλικό που χρησιμοποιείται ως αρνητικό ηλεκτρόδιο καθορίζεται και το είδος της μπαταρίας[3]. Ηλεκτρολύτης Στις μπαταρίες Li-ion έχουμε τέσσερις τύπους ηλεκτρολυτών: ηλεκτρολύτες σε μορφή γέλης, κεραμικοί ηλεκτρολύτες, υγροί ηλεκτρολύτες και ηλεκτρολύτες πολυμερών. Στους ηλεκτρολύτες μορφής γέλης, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα ιονικά αγώγιμο υλικό όπου άλας και διαλύτης διαλύονται σε πολυμερές υψηλού μοριακού βάρους. Οι κεραμικοί ηλεκτρολύτες Page 19

21 αποτελούνατι από ανόργανα υλικά στερεής κατάστασης τα οποία είναι ιονικώς αγώγιμα.οι υγροί ηλεκτρολύτες είναι διαλύματα άλατος λιθίου σε οργανικούς διαλύτες, συνήθως ανθρακικά άλατα. Ο ηλεκτρολύτης πολυμερών είναι ένα υλικό το οποίο δεν είναι ούτε υγρό, ούτε διαλυτό. Στον τύπο αυτό του ηλεκτρολύτη, μία ιονικά αγώγιμη φάση σχηματίζεται από διάλυση άλατος σε πολυμερές μεγάλου μοριακού βάρους[2]. 2.3 Ηλεκτροχημεία της μπαταρίας ιόντων λιθίου[13] Οι χημικές διεργασίες που πραγματοποιούνται σε μια μπαταρία ιόντων λιθίου κατά τη διάρκεια ενός κύκλου φόρτισης-εκφόρτισης είναι κατά την εκφόρτιση, ιόντα λιθίου Li+ μεταφέρουν το ρεύμα από το αρνητικό στο θετικό ηλεκτρόδιο. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί μέσα από τον μη υδάτινο ηλεκτρολύτη και το διαχωριστικό διάφραγμα. Κατά τη φόρτιση όμως,πραγματοποιείται κάτι διαφορετικό καθώς, εφαρμόζεται μια υπέρταση (μεγαλύτερη τάση αλλά με την ίδια πολικότητα) σε σχέση με αυτήν που παράγεται από την μπαταρία απο μια εξωτερική πηγή ενέργειας αναγκάζοντας το ρεύμα να περάσει στην αντίθετη κατεύθυνση. Εν συνεχεία, παρατηρείται μετακόμιση των ιόντων λιθίου από το θετικό στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, όπου μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται παρεμβολή ενσωματώνονται στο πορώδες υλικό του ηλεκτροδίου[1].οι χημικές αντιδράσεις για την αναστρέψιμη διαδικασία φόρτισης/εκφόρτισης για τους δύο τύπους του θετικού ηλεκτροδίου φαίνονται παρακάτω: Για τον τύπο κοβαλτίου: Li 1-xCoO 2 + C nli x LiCoO 2 + C n Για τον τύπο μαγγανίου: Li 1-xMn 2O 4 + C nli x LiMn 2O 4 + C n Εικόνα 2.3 Σχηματική αναπαράσταση ηλεκτροχημικών διεργασιών μπαταριών ιόντων λιθίου[13] Page 20

22 2.4 Χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου Τα γενικά χαρακτηριστικά επιδόσεων των μπαταριών Li-ion φαίνονται στον παρακάτω πίνακα[3][7][8]. Πίνακας 2.4 Χαρακτηριστικά μπαταριών Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου της αγοράς διαχωρίζονται σε υψηλής χωρητικότητας (High Capacity), μεγάλης ενέργειας (Heavy Duty, μεγάλης διάρκειας ζωής(long Life), μεγάλου κύκλου(deep Cycle), γρήγορης φόρτισης(fast Charge) και σε άλλες συγκεχυμένες παραμέτρους, ωστόσο υπάρχουν ελάχιστα βιομηχανικά ή νομικά πρότυπα που να επεξηγούν ακριβώς τι σημαίνει ο καθένας απ αυτούς. Πέρα όμως από το βασικό σχεδιασμό της μπαταρίας, σπουδαίο ρόλο στην απόδοσή της διαδραματίζουν ο τρόπος με τον οποίον χρησιμοποιούνται οι μπαταρίες, καθώς επίσης και οι περιβαλλοντικές συνθήκες υπό τις οποίες χρησιμοποιούνται.οι συνθήκες αυτές είναι σπάνια, αν όχι ποτέ, αυστηρά καθορισμένες στη διαφήμιση μαζικής αγοράς. Σε αντίθεση με τον καταναλωτή,όπου όλα αυτά του φαίνονται πολύ μπερδεμένα στη βιομηχανία μπαταριών δε συμβαίνει το ίδιο. Όπως είναι φυσικό αυτή καθορίζει εμπεριστατωμένα την απόδοση των μπαταριών αλλά και τις προδιαγραφές τους μέσω ενός πλάνου όπου καθορίζονται τα χαρακτηριστικά αυτών αλλά και οι περιορισμοί τους σε λειτουργικές και περιβαλλοντικές συνθήκες,υπό τις οποίες μπορεί να εκδοθεί ένας ισχυρισμός περί επιδόσεων[14]. Page 21

23 2.5 Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου Σε αυτό το σημείο, είναι ιδιαιτέρως σημαντικό να ασχοληθούμε με ορισμένα από τα χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου καθώς και με τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματά τους σε σχέση με τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου, που είναι και οι πιο διαδεδομένες σε χρήση.παρακάτω παρατίθεται επιγραμματικά και ο πίνακας, με τα σημαντικότερα από αυτά[3][7][8]. Η υψηλή ειδική ενέργεια ( 150 Wh/kg) και ενεργειακή πυκνότητα( 400 Wh/L) καθιστά τις μπαταρίες ιόντων λιθίου ελκυστικές για εφαρμογές ευαίσθητες σε βάρος ή όγκο ενώ με αυτόν τον τρόπο έχουν και άριστη απόδοση. Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, οφείλεται κυρίως στην τάση λειτουργίας των περισσότερων ηλεκτροχημικών ζευγών με βάση το λίθιο και τις καθιστούν αρκετά επικίνδυνες. Σε περίπτωση λάθους στο χειρισμό μιας επαναφορτιζόμενης μπαταρίας λιθίου μπορεί να προκληθεί θέρμανση, έκρηξη ή πυρκαγιά. Ως εκ τούτου, είναι πάρα πολύ ορθό, όταν ασχολούμαστε με αυτου του τύπου μπαταρίες, να εξασφαλίζεται η προστασία από υπερφόρτιση, υπερεκφόρτιση, πολύ μεγάλα ρεύματα, βραχυκυκλώματα καθώς και λειτουργία σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες.επιπλέον, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν αντοχή και σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες καθώς το οργανικό διάλυμα στα στοιχεία τους δεν παγώνει σε χαμηλές θερμοκρασίες. Στο σχήμα 2.5 αποτυπώνεται η σχετικά μικρή επίδραση της υψηλής θερμοκρασίας (π.χ. 55⁰C σε σχέση με την εκφόρτιση σε θερμοκρασία δωματίου, π.χ. 20⁰C) στην τάση του κελιού της μπαταρίας. Ακόμη τα μεμονωμένα στοιχεία λειτουργούν συνήθως σε τάσεις από 2.5 έως 4.2 V, περίπου 3 φορές αυτή των μπαταριών νικελίου-καδμίου και επομένως απαιτούνται λιγότερα στοιχεία για μια μπαταρία δεδομένης τάσης. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν την ικανότητα υψηλών ρυθμών φόρτισης-εκφόρτισης[3]. Σχήμα 2.5 Εκφόρτιση μπαταρίας ιόντων λιθίου σε διαφορετικές θερμοκρασίες Page 22

24 Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν ένα χαμηλό ρυθμό αυτοεκφόρτισης (2% με 8% ανά μήνα), μεγάλη διάρκεια ζωής, ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών λειτουργίας (φόρτιση σε -20οC ως 60οC, εκφόρτιση σε -40οC ως 65οC), χαρακτηριστικά που καθιστούν δυνατή τη χρήση τους σε ένα πλήθος εφαρμογών. Τα στοιχεία ιόντων λιθίου είναι πολύ αποδοτικά και δεν θερμαίνονται τόσο πολύ. Δεν υπάρχουν παράπλευρες αντιδράσεις και έτσι δε θερμαίνονται σχεδόν καθόλου κατά το τέλος της φόρτισης.ακόμη, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν παρουσιάζουν το φαινόμενο της μνήμης σε αντίθεση με τις μπαταρίες νικελίουκαδμίου (memory effect). Με άλλα λόγια, μπορούν να αποθηκεύονται ή να χρησιμοποιούνται σε οποιαδήποτε στάθμη φόρτισης και μπορούν να επαναφορτίζονται όποτε χρειάζεται. Παρόλο αυτά, δε θα πρέπει να παραμένουν σε πολύ υψηλές στάθμες και πολύ υψηλές θερμοκρασίες καθώς αυτό αυξάνει το πάχος του λεπτού φιλμ που καλύπτει τα σωματίδια στα δύο ηλεκτρόδια. Σε περίπτωση που ένα στοιχείο δεν είναι πλήρως φορτισμένο κάποια στιγμή, φαίνεται να θυμάται τη χαμηλότερη αυτή στάθμη φόρτισης την οποία είχε κατά τη διάρκεια των κύκλων του. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, το στοιχείο αυτό δε θα είναι σε θέση να παρέχει επαρκή ισχύ κάτω από αυτή τη στάθμη φόρτισης. Αυτός είναι και ο λόγος που τα στοιχεία νικελίου- καδμίου χρειάζονται μια πλήρη εκφόρτιση κατά διαστήματα, κάτι το οποίο αποτελεί σημαντικό πρόβλημα σε ορισμένες εφαρμογές. Οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος παρουσιάζουν την αντίθετη συμπεριφορά. Η απόδοση τους είναι μικρότερη όταν μένουν σε χαμηλή στάθμη για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Η υποφόρτιση καταστρέφει τη μπαταρία μολύβδου-οξέος και για αυτό είναι σημαντική η πλήρης επαναφόρτισή της όσο συχνά γίνεται.τέλος, τα στοιχεία ιόντων λιθίου είναι σφραγισμένα και δεν υπάρχει αεριοποίηση και επομένως δεν υπάρχει κίνδυνος εκρήξεων σε αντίθεση με τις μπαταρίες μολύβδου-οξέος οι οποίες τείνουν να παράγουν αέρια υδρογόνου κατά το τέλος της φόρτισης[3]. Όσον αφορά τα μειονεκτήματα των μπαταριών ιόντων λιθίου,ένα από αυτά είναι η μόνιμη απώλεια χωρητικότητας σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (65 ο C), σε μικρότερους ρυθμούς, ωστόσο, από τις περισσότερες μπαταρίες άλλων τύπων.ένα ακόμη μειονέκτημα είναι ότι υποβαθμίζονται όταν εκφορτίζονται σε τάση μικρότερη των 2V και μπορεί να παρουσιάσουν εξαερισμό κατά την υπερφόρτιση,καθώς δεν έχουν ένα χημικό μηχανισμό διαχείρισης της υπερφόρτισης. Συγκριτικά με τις νικελίου-καδμίου, έχουν το μειονέκτημα ότι είναι λιγότερο ανεκτικές σε λειτουργίες με υψηλά ρεύματα, κάτι το οποίο καθιστά την εκφόρτιση σε υψηλά ρεύματα πιο δύσκολη. Τέλος, μέχρι πρόσφατα υπήρχε το πρόβλημα ότι δεν μπορούσαν να επιτύχουν τον ίδιο κύκλο ζωής με τις μπαταρίες νικελίου-καδμίου. Παρόλα αυτά, τα τελευταία χρόνια έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικά βήματα στα πλαίσια της βελτίωσης της συμπεριφοράς τους και για τις δύο περιπτώσεις. Page 23

25 Πίνακας 2.5 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα μπαταριών ιόντων λιθίου 2.6 Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά και μεγέθη μπαταριών ιόντων λιθίου Στους παρακάτω πίνακες φαίνονται τα φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των κυλινδρικών και πρισματικών μπαταριών ιόντων λιθίου αντίστοιχα[10]. Πίνακας Φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των κυλινδρικών μπαταριών ιόντων λιθίου Page 24

26 Πίνακας Φυσικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πρισματικών μπαταριών ιόντων λιθίου 2.7 Ασφάλεια των μπαταριών ιόντων λιθίου Το στοιχείο ιόντων λιθίου εμφανίζει μια υψηλή τελική τάση της τάξης των 3.6 V κάτι που οφείλεται στο πολύ υψηλό δυναμικό που παρουσιάζει το μέταλλο του λιθίου. Η τάση αυτή, με τη σειρά της, είναι ο λόγος για την υψηλή ενεργειακή πυκνότητα των στοιχείων. Η υψηλή τελική τάση απαγορεύει, τη χρήση υδάτινων ηλεκτρολυτών αφού θα συνέβαινε ηλεκτρόλυση και έτσι χρησιμοποιείται ένα οργανικό διάλυμα. Αυτό το οργανικό διάλυμα λόγω του ότι παγώνει στις χαμηλές θερμοκρασίες έχει πλεονεκτήματα.τα πλεονεκτήματα όμως αυτά είναι και η κύρια αιτία των μειονεκτημάτων που σχετίζονται με την ασφάλεια. Το λίθιο μέταλλο είναι υψηλής δραστικότητας και δεν μπορεί να κατασβεστεί με νερό. Οι υψηλές πυκνότητες ενέργειας και ισχύος συνήθως σημαίνουν υψηλότερους κινδύνους και το οργανικό διάλυμα είναι εύφλεκτο. Ευτυχώς, υπάρχουν κάποιες αρχές λειτουργίας που καθιστούν τα στοιχεία αυτά εγγενώς πιο ασφαλή από όσο φαίνονται με μια πρώτη ματιά.αρχικά, δεν υπάρχει μεταλλικό λίθιο μέσα στις μπαταρίες ιόντων λιθίου. Μεταλλικό λίθιο μπορεί να είναι επενδυμένο στο αρνητικό ηλεκτρόδιο, εάν τα στοιχεία υπερφορτίζονται. Ωστόσο, το επενδυμένο λίθιο μέταλλο, συνήθως, αντιδρά ακαριαία με τον ηλεκτρολύτη. Παρόλα αυτά, η αντίδραση αυτή μπορεί να παράξει επαρκή θερμότητα έτσι ώστε να ξεκινήσει η θερμική διέξοδος σε περίπτωση που η επένδυση πραγματοποιείται σε υψηλό ρυθμό, π.χ. όταν υπερφορτίζεται το στοιχείο με υψηλό ρεύμα.βέβαια, ο διαχωριστής παρουσιάζει μια συμπεριφορά αποκλεισμού, που σημαίνει ότι εμποδίζει τα ιόντα λιθίου να τον διαπεράσουν όταν η θερμοκρασία στο εσωτερικό του στοιχείου ανέλθει σε ένα συγκεκριμένο επίπεδο. Αυτό σταματάει την υπερφόρτιση και επομένως τις περαιτέρω αντιδράσεις. Δυστυχώς, ο διαχωριστής θα καταρρεύσει εάν η διαδικασία έχει επαρκή θερμική δυναμική και η θερμοκρασία συνεχίσει να ανεβαίνει παρά τη διακοπή της λειτουργίας. Όταν καταρρεύσει, ο διαχωριστής θα χάσει την ακεραιότητά του και μπορεί να επιτραπεί στο θετικό και το αρνητικό ηλεκτρόδιο να έρθουν σε επαφή. Αυτό θα προκαλέσει μια ταχεία εξώθερμη αντίδραση, ο διαλύτης θα αναφλεγεί και θα οδηγήσει σε μεγαλύτερη παραγωγή θερμότητας και ακόμα μεγαλύτερες αντιδράσεις. Μια βαλβίδα ασφαλείας θα ανοίξει και θα αποτρέψει τη συσσώρευση επικίνδυνης πίεσης στο εσωτερικό του στοιχείου. Το στοιχείο δε θα εκραγεί αλλά θα πιάσει φωτιά και η θερμότητα της φωτιάς θα προκαλέσει τα στοιχεία δίπλα σε αυτό να πιάσουν και εκείνα φωτιά. Παρόλο αυτά όμως, αντίθετα με ότι συμβαίνει στα φλεγόμενα υγρά, η φωτιά θα περιοριστεί στο εσωτερικό της μπαταρίας και δε θα διαχυθεί. Αναστροφή πολικότητας με υψηλά ρεύματα Page 25

27 μπορεί να προκαλέσει ένα παρόμοιο σενάριο.για τους παραπάνω λόγους, είναι σημαντικό για κάθε ένα στοιχείο στη μπαταρία να μην εισέρχεται σε καμία από τις παραπάνω άσχημες συνθήκες. Επικίνδυνες συνθήκες λειτουργίας μπορούν επίσης να προκύψουν από μηχανικές επιπτώσεις, από ελαττωματικά στοιχεία ή από την ανάπτυξη δενδριτών που θα μπορούσαν να εισχωρήσουν στο διαχωριστή και να προκαλέσουν τοπικά εσωτερικά βραχυκυκλώματα. Ωστόσο, κατασκευαστές στοιχείων και ανεξάρτητοι οργανισμοί κάνουν διάφορα μηχανικά και ηλεκτρικά τεστ και υποβάλλουν τα στοιχεία σε δυσμενείς συνθήκες προκειμένου να αξιολογήσουν την ασφάλεια του σχεδιασμού τους. Αυτό είναι συνήθως δουλειά των μέσων προστασίας ή διαχείρισης της μπαταρίας.συμπερασματικά,η ασφαλής χρήση των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι δυνατή, αλλά για την επίτευξή της είναι ζωτικής σημασίας ο καλός σχεδιασμός του συστήματος και η ηλεκτρονική προστασία. 2.8 Χαρακτηριστικά Φόρτισης των Μπαταριών ιόντων λιθίου Η φόρτιση των κελιών Li-ion πρέπει να γίνεται πριν τη χρήση τους γιατί κατασκευάζονται σε μη φορτισμένη κατάσταση. Αυτή γίνεται είτε τυπικά είτε χρησιμοποιώντας φόρτιση σταθερού ρεύματος (Constant Current- CC), είτε χρησιμοποιώντας φόρτιση η οποία αλλάζει από φόρτιση σταθερού ρεύματος σε φόρτιση σταθερής τάσης (Constant Current-Constant Voltage- CCCV). Αυτό το σύστημα φόρτισης επιτυγχάνεται μέσω της χρήσης του κυκλώματος διαχείρισης της μπαταρίας. Σε περίπτωση μικρών βαθμών φόρτισης (C/5), το σύστημα CC προσεγγίζει το σύστημα CCCV καθώς το κελί είναι πλήρως φορτισμένο όταν επιτευχθεί το άνω όριο τάσης. Τα κελιά Li-ion μπορούν να υποβαθμιστούν ανεπανόρθωτα από την υπερφόρτιση ή την υπερ-εκφόρτιση, και μπορούν να εκλύσουν αέρια αν υπερφορτιστούν. Γι αυτό το λόγο, οι μπαταρίες συνήθως χρησιμοποιούν ένα σύστημα διαχείρισης της μπαταρίας (Battery Management System-BMS) έτσι ώστε να εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία και να αποφευχθεί τυχόν φαινόμενο υπερφόρτισης. Αυτό το σύστημα μπορεί να προσφέρει και επιπλέον λειτουργίες, όπως επιτήρηση της θερμοκρασίας και επιτήρηση της κατάστασης φόρτισης (State Of Charge- SOC). Οι περισσότεροι κατασκευαστές συνιστούν φόρτιση με μικρά ρεύματα (μικρότερα από 0.1C) αν η τάση του κελιού πέσει κάτω από 2.5 V. Παρακάτω παρουσιάζεται σχηματικά μια τυπική CC-CV μέθοδος φόρτισης μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου. Page 26

28 Σχήμα 2.8 CC-CV φόρτιση σε μπαταρία ιόντων λιθίου [15] Page 27

29 Βιβλιογραφία [1] Wikipedia, Lithium-ion battery, ανακτήθηκε στις 24/9/2016 [2] Antonio Luque, Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Wiley & Sons Ltd 2003 [3]David Linden, Thomas Reddy, Handbook of Batteries, Mc Graw Hill, 3rd edition 2001 [4] Dennis Doerffel, Suleiman Abu Sharkh, Large Lithium Ion Batteries a Review, EMA Electro Mobil Ausstellung, Germany, 10/2006 [5] Battery University, BU-502: Discharging at High and Low Temperatures ανακτήθηκε στις 3/10/2016 [6] High-Pressure Investigation of Li2MnSiO4 and Li2CoSiO4 Electrode Materials for Lithium-Ion Batteries, D.Santamaria Perez [7] Simon Schwunk, Battery Systems for Storing Renewable Energy, Branchen -/ und Expertenforum Erneuerbare Energien, Hannover, 04/2011 [8] Battery University, Is Lithium-ion the Ideal Battery?, ανακτήθηκε στις 20/8/2016 [9] Radio-Electronics, Lithium Ion Battery Advantages & Disadvantages, ανακτήθηκε στις 17/7/2016 [10] Wikipedia, List of battery sizes, ανακτήθηκε στις 15/7/2016 [11]Electropaedia, Cell Chemistries-How Batteries work, ανακτήθηκε στις 30/8/2016 [12] Issues in Physics and Society, The Rocking Chair Battery (Lithium Ion Battery), ανακτήθηκε στις 2/10/2016 [13] Nexeon, About Li-ion batteries, ανακτήθηκε στις 20/7/2016 Page 28

30 [14] Electropaedia, Battery Performance Characteristics, ανακτήθηκε στις 17/8/2016 [15] Πτυχιακή εργασία/ Κουντούρης Παναγιώτης,Κολυβάς Γιώργος Αρχιτεκτονική Ηλεκτρονικών Ισχύος για ταχεία (DC) φόρτιση ηλεκτρικών οχημάτων Page 29

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο : Κατάσταση Φόρτισης Μπαταρίας(State of charge-soc) 3.1 Ορισμός του SOC Το SOC ορίζεται ως η διαθέσιμη χωρητικότητα που εκφράζεται ως ποσοστό κάποιας αναφοράς. Όταν μιλάμε για χωρητικότητα τις περισσότερες φορές είναι αυτή που είχε κατά τον τελευταίο κύκλο χρήσης, όμως κάποιες φορές αναφερόμαστε στην ονομαστική χωρητικότητα. Ωστόσο, η ασάφεια που παρουσιάζει η χωρητικότητα αυτή οδηγεί πολλές φορές σε λάθος εκτιμήσεις. Η προτιμότερη αναφορά για το SOC είναι η ονομαστική χωρητικότητα ενός καινούριου κελιού. Αυτό συμβαίνει καθώς η χωρητικότητα ενός κελιού μειώνεται καθώς αυτό παλαιώνει. Παραδείγματος χάρη, η πραγματική χωρητικότητα ενός πλήρως φορτισμένου κελιού προς το τέλος της ζωής του προσεγγίζει μόλις το 80% της αρχικής ονομαστικής του χωρητικότητας. Ο βαθμός εκφόρτισης και θερμοκρασία σίγουρα διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη διαμόρφωση της χωρητικότητας. Αυτή η διαφορά που παρουσιάζεται ανάμεσα στις αναφορές για το SOC είναι εξέχουσας σημασίας αν το SOC αναφέρεται σε μέτρησεις του καυσίμου, όπως γίνεται στις εφαρμογές των αυτοκινήτων. Συνήθως, η αναφορά μέτρησης του SOC ορίζεται ως η χωρητικότητα του κελιού εκείνη τη στιγμή (αν είναι πλήρως φορτισμένο). Σε αυτήν την περίπτωση, ένα πλήρως φορτισμένο κελί, το οποίο όμως φτάνει στο τέλος της ζωής του, θα διαθέτει SOC ίσο με 100% ενώ η χωρητικότητά του θα προσεγγίζει μόλις το 80% της ονομαστικής του τιμής. 3.2 Μέθοδοι προσδιορισμού του State-of-charge Για τον προσδιορισμό του SOC χρησιμοποιούνται διάφορες μέθοδοι. Μερικές από αυτές εξειδικεύονται σε κελιά συγκεκριμένης χημικής σύστασης. Η περισσότερες ωστόσο βασίζονται στην μέτρηση ορισμένων παραμέτρων οι οποίες αλλάζουν ανάλογα με το SOC[1][3] Άμεση Μέτρηση Μια από τις μεθόδους για τον προσδιορισμό του SOC είναι η μέθοδος της άμεσης μέτρησης. Η βάση της αφορά τη μέτρηση μεταβλητών της μπαταρίας, όπως είναι η αντίσταση, η τάση και ο χρόνος χαλάρωσης(relaxation time) μετά από κάποια ενέργεια. Η μέθοδος αυτή θα ήταν ιδιαίτερα εύκολη αν η μπαταρία εκφορτιζόταν με σταθερό ρυθμό. Η φόρτιση σε μία μπαταρία ισούται με το γινόμενο του ρεύματος επί τον χρόνο στον οποίο ρέει. Δυστυχώς, προκύπτουν δύο προβλήματα με αυτό. Το ένα σχετίζεται με το γεγονός οτι σε όλες τις πραγματικές μπαταρίες, το ρεύμα εκφόρτισης δεν είναι σταθερό αλλά παρατηρείται μια μείωση, καθώς η μπαταρία εκφορτίζεται.αυτή επιτελείται συνήθως με μη γραμμικό τρόπο. Κάθε συσκευή μέτρησης επομένως θα πρέπει να είναι σε θέση να υπολογίζει το ολοκλήρωμα του ρεύματος στον χρόνο που ρέει.το δεύτερο είναι ότι η Page 30

32 μέθοδος αυτή βασίζεται στην εκφόρτιση της μπαταρίας με σκοπό τον προσδιορισμό της φόρτισης που αυτή περιείχε. Στις περισσότερες εφαρμογές όμως θα πρέπει να προσδιοριστεί το SOC χωρίς να χρειάζεται να εκφορτιστεί η μπαταρία[9] Προσδιορισμός του SOC μέσω της μέτρησης του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη. Μία άλλη μέθοδος μέσω της οποίας μπορεί να εκτιμηθεί το SOC των μπαταριών μολύβδου οξέος και νικελίου καδμίου σχετίζεται με τη μέτρηση του ειδικού βάρους του ηλεκτρολύτη. Αυτή ορίζεται ως το κλάσμα της πυκνότητας του διαλύματος του ηλεκτρολύτη προς την πυκνότητα του καθαρού νερού και δουλεύει με τον εξής τρόπο: καθώς η μπαταρία φορτίζεται, το θειικό οξύ γίνεται βαρύτερο προκαλώντας αύξηση στο ειδικό βάρος του ηλεκτρολύτη. Καθώς η μπαταρία εκφορτίζεται το θειικό οξύ μειώνεται σχηματίζοντας θειικό μόλυβδο. Η πυκνότητα του ηλεκτρολύτη μειώνεται, οπότε και το ειδικό του βάρος. Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζεται το ειδικό βάρος του ηλεκτρολύτη μια μπαταρία με αντιμόνιο ανάλογα με την κατάσταση φόρτισής της. ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΕΙΔΙΚΟ ΒΑΡΟΣ ΤΑΣΗ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ 2V 6V 8V 12V 100% % 50% % 0% Πίνακας ειδικό βάρος-κατάσταση φόρτισης Όπως παρατηρούμε και στον πίνακα, καθώς φορτίζεται η μπαταρία αυξάνεται το ειδικό βάρος του ηλεκτρολύτη. Η τιμή αυτή αλλάζει ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας που χρησιμοποιείται. Η θερμοκρασία είναι ακόμη ένας παράγοντας που επηρεάζει το ειδικό βάρος. Μείωση της θερμοκρασίας οδηγεί στην αύξηση του ειδικού βάρους[7][9] Προσδιορισμός του SOC μέσω της τάσης Η μέθοδος αυτή αφορά τη χρήση της τάσης του κάθε κελιού με σκοπό τον προσδιορισμό του SOC. Τα αποτελέσματα είναι διαφορετικά και παρουσιάζουν εξάρτηση απο τους εξής παράγοντες: τη θερμοκρασία, τον ρυθμό εκφόρτισης, την πραγματική στάθμη της τάσης και τη γήρανση του κελιού. Γι αυτό το λόγο παρέχεται κάποιου είδους αντιστάθμιση, ούτως Page 31

33 ώστε να επιτευχθεί όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια. Το γράφημα παρουσιάζει τη σχέση μεταξύ της τάσης ανοιχτού κυκλώματος και της εναπομένουσας χωρητικότητας σε συνθήκες σταθερής θερμοκρασίας για ένα κελί μολύβδου οξέος. Όπως φαίνεται, η τάση του κελιού μειώνεται ανάλογα με την εναπομένουσα χωρητικότητα. Γράφημα Σχέση τάσης ανοιχτού κυκλώματος και χωρητικότητας για ένα κελί μολύβδου οξέος [1] Η θερμοκρασία διαδραματίζει και πάλι σημαντικό ρόλο. Υψηλή θερμοκρασία αυξάνει την τάση ανοιχτού κυκλώματος, ενώ χαμηλή θερμοκρασία τη μειώνει. Αυτό το φαινόμενο ισχύει για όλες τις χημείες των μπαταριών σε διάφορους βαθμούς. Υπάρχει όμως και ένα σφάλμα σε αυτήν τη μέθοδο και αυτό συμβαίνει κατά τη διάρκεια που η μπαταρία φορτίζεται ή εκφορτίζεται.δε μπορεί να εκτιμηθεί η πραγματική κατάσταση φόρτισης λόγω διαστρέβλωσης της τάσης. Για να πάρουμε ακριβείς μετρήσεις η μπαταρία θα πρέπει να ξεκουραστεί για τουλάχιστον 4 ώρες. Για την επίτευξη της ισορροπίας οι κατασκευαστές των μπαταριών προτείνουν ξεκούραση για 24 ώρες. Ανάλογα με τη χημεία που χρησιμοποιείται σε κάθε μπαταρία η μέθοδος αυτή μας δίνει σωστά ή λανθασμένα αποτελέσματα. Τέλος με αυτόν τον τρόπο προσδιορισμού της κατάστασης φόρτισης έχουμε ακριβή αποτελέσματα μόνο όταν η μπαταρία είναι εντελώς φορτισμένη ή αφόρτιστη.σε περίπτωση όμως που η κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας είναι κάπου στο μέσο τα αποτελέσματα είναι ανακριβείς[6][7][9] Προσδιορισμός του SOC με βάση το ρεύμα (μέτρηση Coulomb) Το ολοκλήρωμα του ρεύματος,το οποίο μεταφέρθηκε κατά τη φόρτιση, στο χρόνο φόρτισης ισούται με την ενέργεια η οποία περιέχεται σε μία ηλεκτρική φόρτιση και μετριέται σε Coulombs. Η εναπομένουσα χωρητικότητα ενός κελιού μπορεί να υπολογιστεί μετρώντας το ρεύμα το οποίο εισέρχεται (φόρτιση) ή εξέρχεται (εκφόρτιση) από τα κελιά και ολοκληρώνοντάς το στον χρόνο. Σημείο αναφοράς είναι ένα πλήρως φορτισμένο κελί Page 32

34 και το SOC λαμβάνεται αφαιρώντας την καθαρή ροή φόρτισης από ένα πλήρως φορτισμένο κελί. Αυτή η μέθοδος, γνωστή και ως μέτρηση Coulomb (Coulomb counting), προσφέρει μεγαλύτερη ακρίβεια από τις άλλες μεθόδους μέτρησης του SOC καθώς μετράει κατευθείαν τη ροή φόρτισης. Παρόλα αυτά, χρειάζεται κι αυτή περαιτέρω αντιστάθμιση έτσι ώστε να ληφθούν υπόψη οι συνθήκες λειτουργίας. Για τη μέτρηση του ρεύματος χρησιμοποιούνται τρεις μέθοδοι: 1. Διακλάδωση ρεύματος. Είναι η πιο απλή μέθοδος για τον προσδιορισμό του ρεύματος. Η μέτρηση της πτώσης τάσης στα άκρα μίας ωμικής αντίστασης υψηλής ακρίβειας η οποία είναι συνδεδεμένη σε σειρά ανάμεσα στην μπαταρία και το φορτίο αποτελεί τη βασική αρχή της. Αυτή η μέθοδος μέτρησης προκαλεί μία ελαφρά απώλεια ισχύος, θερμαίνει τη μπαταρία και είναι ανακριβής σε χαμηλά ρεύματα. 2. Οι μετατροπείς του φαινομένου Hall δεν παρουσιάζουν το παραπάνω πρόβλημα ωστόσο έχουν μεγαλύτερο κόστος. Ένα μειονέκτημα είναι ότι έχουν μικρή ανοχή σε υψηλά ρεύματα και είναι επιρρεπείς στο θόρυβο. 3. Οι αισθητήρες μαγνητοαντιστάσεων έχουν ακόμα υψηλότερο κόστος αλλά έχουν μεγαλύτερη ευαισθησία και καλύτερη ευστάθεια σε υψηλές θερμοκρασίες από ότι οι αισθητήρες Hall. Η μέτρηση Coulomb εξαρτάται από το ρεύμα το οποίο ρέει από τη μπαταρία σε ένα εξωτερικό κύκλωμα και δεν λαμβάνει υπόψη το ρεύμα αυτοεκφόρτισης ή την κουλομπική απόδοση της μπαταρίας Προσδιορισμός του SOC μέσω μετρήσεων της εσωτερικής αντίστασης Κατά τη διάρκεια φόρτισης ή εκφόρτισης στοιχεία που απαρτίζουν το εσωτερικό της μπαταρίας μεταβάλλονται.κυρίως όμως αλλάζει η εσωτερική αντίσταση στο εσωτερικό κάθε κελιού. Η εσωτερική αντίσταση υπολογίζεται ως το πηλίκο της πτώσης τάσης προς τη μεταβολή του ρεύματος κατά τη διάρκεια ενός συγκεκριμένου χρονικού διαστήματος που είναι πάντα το ίδιο. Για χρονικό διάστημα μικρότερο του 10 ms μετριούνται μόνο ωμικά χαρακτηριστικά. Εάν το χρονικό διάστημα γίνει μεγαλύτερο τότε συμμετέχουν κι άλλα χαρακτηριστικά, όπως διάχυση οξέος ή αντιδράσεις μεταφοράς.σε αυτήν την περίπτωση η αντίσταση γίνεται σύνθετη. Έτσι ο προσδιορισμός του SΟC γίνεται πολύπλοκος. Συνεπώς, η μέθοδος αυτή δεν χρησιμοποιείται ευρέως λόγω των δυσκολιών στη μέτρηση της εσωτερικής αντίστασης κατά τη λειτουργία και είναι προτιμότερο να χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της κατάστασης υγείας μιας μπαταρίας[7][8]. Page 33

35 3.3 Παράγοντες που επηρεάζουν το SOC των μπαταριών ιόντων λιθίου[1][6][7] Για την κατάσταση φόρτισης μιας μπαταρίας δεν επαρκούν μόνο η τάση και το ρεύμα αλλά υπάρχουν και παράγοντες που παίζουν καθοριστικό ρόλο όπως η ηλικία του κάθε κελιού, ο ρυθμός φόρτισης/εκφόρτισης και η θερμοκρασία. Αυτό μπορούμε να το διαπιστώσουμε μελετώντας τα επιμέρους κομμάτια. Όσον αφορά την ωφέλιμη χωρητικότητα, αυτή δεν είναι σταθερή και εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την ηλικία του κάθε κελιού. Το γράφημα παρακάτω αποδεικνύει του λόγου το αληθές δηλαδή, πως η ηλικία ενός κελιού επιδρά στην χωρητικότητά του. Έτσι για την ακρίβεια των αποτελεσμάτων αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη. Γράφημα Χωρητικότητα-Ηλικία κελιού[1] Ο κύκλος ζωής ενός κελιού είναι συνήθως όταν η χωρητικότητά του φτάσει στο 80% συγκριτικά με αυτή που είχε όταν ήταν καινούριο. Η χωρητικότητα των κελιών μειώνεται με ένα αρκετά γραμμικό τρόπο όπως η ηλικία. Δηλαδή δεν υφίσταται απότομη καταστροφή της μπαταρίας, αλλά συνεχίζει να λειτουργεί απλά με μειωμένη απόδοση. Όπως προείπαμε όμως εκτός από την ηλικία του κελιού και η θερμοκρασία επηρεάζει την ωφέλιμη χωρητικότητα. Παρατηρώντας το παρακάτω γράφημα διαπιστώνουμε ότι σε κανονικές θερμοκρασίες λειτουργίας η απόδοση του κελιού είναι καλή. Σε χαμηλές θερμοκρασίες όμως και ειδικότερα όταν έχουμε υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης έχουμε μια απότομη πτώση στην απόδοση κάτι που μπορεί να αυξήσει τα σφάλματα στην εκτίμηση του SΟC. To φαινόμενο αυτό δεν είναι περίεργο για κελιά λιθίου αλλά και για άλλες χημείες κελιών, όπως επίσης και η χαμηλή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Page 34

36 Γράφημα Χωρητικότητα-Θερμοκρασία[1] Το γράφημα δείχνει ένα κελί λιθίου που λειτουργεί μεταξύ ενός ανώτατου και ενός κατώτατου ορίου τάσεων 4,2 Volts και 2,5 Volts αντίστοιχα. Αυτές αντιστοιχούν όταν το κελί είναι πλήρως φορτισμένο και όταν είναι άδειο. Η γραμμή Full είναι το σημείο που το κελί φτάνει στην πλήρως φόρτιση με τη μέθοδο σταθερό ρεύμα-σταθερή τάση σε δεδομένη θερμοκρασία. Οι δύο Empty γραμμές που εμφανίζονται αντιστοιχούν σε δύο διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης 0,2 C και 1 C αντίστοιχα. Η χωρητικότητα του κελιού σε δεδομένο ρυθμό εκφόρτισης και θερμοκρασία είναι η διαφορά της Full με την Empty γραμμή. Στην πράξη το κελί μπορεί να φορτιστεί σε μια θερμοκρασία και να εκφορτιστεί σε μια άλλη θερμοκρασία. Αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη για τον υπολογισμό της χωρητικότητας του κελιού. Πρέπει να σημειωθεί ότι ένα κελί δεν αποδίδει αποτελεσματικά όταν λειτουργεί σε υψηλό ρυθμό εκφόρτισης και σε χαμηλή θερμοκρασία. Τέλος οι τυπικές προδιαγραφές των κελιών είναι στους 25 C και 0.3 ρυθμό εκφόρτισης Page 35

37 Βιβλιογραφία [1]Electropaedia, State of Charge (SOH) Determination ανακτήθηκε στις 11/6/2016 [2] G.A. Nazri and G. Pistaoie, Li Ion Batteries for EV, HEV and Other Industrial Applications, Lithium Batteries, Science and Technology, Kluwer Academic Publishers, chapter 21, [3] Calendar life studies of lithium-ion batteries, ανακτήθηκε στις 12/6/2016 [4] J. Vetter, P. Novák, M.R. Wagner, C. Veit, K-C. Möller, J.O. Besenhard, M. Winter, M. Wohlfahrt-Mehrens, C. Vogler, A. Hammouche, Ageing mechanisms in lithiumion batteries, Journal of Power Sources 147 (2005) [5] D.P. Abraham, E.M. Reynolds, E. Sammann, A.N. Jansen, D.W. Dees, Aging characteristics of high-power lithium-ion cells with LiNi0.8Co0.15Al0.05O2 and Li4/3Ti5/3O4 electrodes, Electrochimica Acta 51 (2005) [6] K. Amine, C.H. Chen, J. Liu, M. Hammond, A. Jansen, D. Dees, I. Bloom, D. Vissers, G. Henriksen, Factors responsible for impedance rise in high power lithium ion batteries, Journal of Power Sources (2001) [7] B. Markovsky, A. Rodkin, Y.S. Cohen, O. Palchik, E. Levi, D. Aurbach, H-J. Kim, M. Schmidt, The study of capacity fading processes of Li-ion batteries: major factors that play a role, Journal of Power Sources (2003) [8] D.P. Abraham, S.D. Poppen, A.N. Jansen, J. Liu, D.W. Dees, Application of a lithium tin reference electrode to determine electrode contributions to impedance rise in high-power lithium-ion cells, Electrochimica Acta 49 (2004) [9] M. Dubarry, V. Svoboda, R. Hwu, B.Y. Liaw, Capacity loss in rechargeable lithium cells during cycle life testing: The importance of determining state-of-charge, Journal of Power Sources 174 (2007) Page 36

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4o: Κατάσταση Υγείας(State of Health),Χρόνος Ζωής(Battery life time) 4.1 Κατάσταση υγείας: εισαγωγικά[3][4] Ο όρος State of Health είναι ένα μέτρο που αντικατοπτρίζει την γενική κατάσταση της μπαταρίας και την ικανότητα της να παρέχει την καθορισμένη λειτουργία της σε σύγκριση με μία καινούρια μπαταρία. Λαμβάνει υπόψη παράγοντες όπως αποδοχή φόρτισης, εσωτερική αντίσταση, τάση και αυτο-εκφόρτιση. Παρόλο αυτά αποτελεί μια ποιοτική έννοια η οποία είναι δύσκολο να προσδιοριστεί και απαιτείται η απαραίτητη εφαρμογή στην πράξη. Έτσι η κατάσταση υγείας αποτυπώνει την κατάσταση μια μπαταρίας από την αρχή ως και το τέλος της ζωής της σε ποσοστά. Το 100 αναφέρεται στην αρχή της ζωής της ενώ το τέλος της επιταγχύνεται όταν η μπαταρία δε μπορεί να λειτουργήσει με τις ελάχιστες προδιαγραφές. Κατά τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, η λειτουργική συμπεριφορά της τείνει να επιδεινώνεται σταδιακά λόγω μη αναστρέψιμων φυσικών και χημικών αλλαγών που πραγματοποιούνται κατά τη χρήση και με την πάροδο του χρόνου μέχρι που τελικά η μπαταρία δεν είναι πλέον χρησιμοποιήσιμη. Η κατάσταση υγείας αποτελεί ένα μέτρο αυτής της κατάστασης της σε σχέση με μία νέα μπαταρία. Σε αντίθεση με την κατάσταση φόρτισης (State of Charge), η οποία μπορεί να καθοριστεί με τη μέτρηση της πραγματικής φόρτισης της μπαταρίας, δεν υπάρχει απόλυτος ορισμός της κατάστασης υγείας. Πρόκειται για υποκειμενικό κριτήριο με την έννοια ότι μπορεί να εξαχθεί από μια ποικιλία διαφορετικών μετρήσιμων παραμέτρων απόδοσης της μπαταρίας που ερμηνεύονται σύμφωνα με διάφορους κανόνες κάθε φορά. Πρόκειται δηλαδή για μια εκτίμηση και όχι μέτρηση. Αυτό είναι αποδεκτό, εφόσον η εκτίμηση βασίζεται σε ένα ενιαίο σύνολο κανόνων. Όμως στην πράξη εμφανίζονται διαφορές μεταξύ των εκτιμήσεων που έγιναν με διαφορετικό εξοπλισμό δοκιμών και μεθόδων που μπορεί να είναι αναξιόπιστες. Οι κατασκευαστές δεν καθορίζουν την υγεία επειδή παρέχουν μόνο νέες μπαταρίες. Η κατάσταση υγείας ισχύει μόνο για μπαταρίες που έχουν αρχίσει τη διαδικασία γήρανσης, είτε στο ράφι ή από τη στιγμή που αρχίζουν να λειτουργούν. Επομένως η υγεία καθορίζεται από κατασκευαστές εξοπλισμού δοκιμής ή από το χρήστη. Σκοπός της εκτίμησης αυτής είναι να παρέχει μία ένδειξη της απόδοσης που μπορεί να αναμένεται από την μπαταρία στην τρέχουσα κατάστασή της ή μία ένδειξη του ποσοστού της ωφέλιμης διάρκειας ζωής της μπαταρίας έχει καταναλωθεί και πόσο ακόμα παραμένει μέχρι να πρέπει να αντικατασταθεί. Σε κρίσιμες εφαρμογές, όπως ένα εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας σε αναμονή ή για κατάσταση έκτακτης ανάγκης, η κατάσταση φόρτισης δίνει μια ένδειξη για το αν η μπαταρία θα είναι σε θέση να υποστηρίξει το φορτίο όταν κληθεί. Η γνώση της υγείας θα βοηθήσει στην πρόβλεψη προβλημάτων, στη διάγνωση βλαβών ή στον προγραμματισμό αντικατάστασης. Η εκτίμηση της κατάστασης υγείας είναι ουσιαστικά μια λειτουργία παρακολούθησης των μακροπρόθεσμων αλλαγών στη μπαταρία. Page 37

39 Παρατίθενται δύο παραδείγματα για να φανεί ότι η κατάσταση της υγείας δεν είναι μία συγκεκριμένη μέτρηση. Ηλεκτρικά Οχήματα: η δυνατότητα να καλυφθεί η απόσταση που θέλει ο χρήστης είναι το πιο σημαντικό στοιχείο. Ως εκ τούτου η υγεία βασίζεται στη σύγκριση της τρέχουσας χωρητικότητας με την χωρητικότητα της μπαταρίας όταν ήταν καινούρια. Υβριδικά Ηλεκτρικά Οχήματα: η δυνατότητα να αποδώσει την καθορισμένη ισχύ είναι η πιο σημαντική και έτσι η υγεία βασίζεται σε σύγκριση της τρέχουσας DC αντίστασης (ή σύνθετη αντίσταση στο 1 khz) με την DC αντίσταση της μπαταρίας όταν ήταν καινούρια. 4.2 Μέτρηση της κατάστασης υγείας-χρόνος ζωής Όλες οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες εμφανίζουν μια μείωση στην απόδοσή τους, κατά τη διάρκεια της χρήσης τους και με την πάροδο του χρόνου. Με λίγα λόγια, η χωρητικότητα της μπαταρίας, η οποία εκφράζει την ικανότητα να αποθηκεύεται και να απελευθερώνεται διαρκώς ηλεκτρικό φορτίο, μειώνεται. Παράλληλα, η ικανότητα της μπαταρίας να φορτίζεται ή να επαναφορτίζεται σε υψηλή ηλεκτρική ισχύ, μειώνεται ανάλογα με το χρόνο και τον αριθμό των κύκλων φόρτισης- εκφόρτισης. Η συγκεκριμένη μείωση στην απόδοση της μπαταρίας αναφέρεται ως γήρανση της μπαταρίας. Συγκεκριμένα, για τις μπαταρίες ιόντων λιθίου έχει αποδειχθεί ότι η απόδοσή τους επηρεάζεται τόσο από το χρόνο αποθήκευσης (storage time), όσο και από το χρόνο χρήσης(usage time) τους, που συχνά αναφέρονται ως «ημερολογιακή γήρανση» (calendar ageing) και ως κύκλος ζωής. Η διάρκεια του κύκλου ζωής(cycle life) της μπαταρίας μπορεί να ελεγχθεί πειραματικά με δύο βασικές μεθόδους: Κάθε παράμετρος που αλλάζει σημαντικά με την πάροδο του χρόνου, όπως η αντίσταση του κελιού ή η αγωγιμότητα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βάση για την παροχή μιας ένδειξης της υγείας του κελιού. Αλλαγές σε αυτές τις παραμέτρους μπορεί κανονικά να σημαίνει ότι έχουν συμβεί άλλες αλλαγές που μπορεί να έχουν μεγαλύτερη σημασία για τον χρήστη. Αυτές θα μπορούσαν να είναι αλλαγές στην εξωτερική απόδοση της μπαταρίας, όπως η απώλεια της ονομαστικής χωρητικότητας ή η αυξημένη άνοδος της θερμοκρασίας κατά τη λειτουργία ή εσωτερικές αλλαγές, όπως η διάβρωση. Επειδή η ένδειξη της υγείας έχει σχέση με την κατάσταση μιας καινούριας μπαταρίας, το σύστημα μέτρησης πρέπει να διαθέτει ένα αρχείο των αρχικών συνθηκών ή τουλάχιστον κάποιων τυπικών αρχικών συνθηκών. Έτσι αν η σύνθετη αντίσταση του κελιού είναι η παράμετρος που ελέγχεται, το σύστημα πρέπει να έχει αποθηκευμένη στη μνήμη ως σημείο αναφοράς μια καταγραφή της αρχικής αντίστασης ενός νέου κελιού. Εάν υπολογίζονται οι κύκλοι φόρτισης/εκφόρτισης ως μέτρο χρήσης της μπαταρίας, ο αναμενόμενος αριθμός κύκλων ενός νέου κελιού θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως σημείο αναφοράς. Σε μία μπαταρία ιόντων λιθίου, δεδομένου ότι η χωρητικότητα του κελιού φθίνει σχετικά γραμμικά με την πάροδο του χρόνου, οι υπολειπόμενοι κύκλοι φόρτισης χρησιμοποιούνται συχνά ως ένα μέτρο της υγείας. Page 38

40 Στην πράξη η υγεία εκτιμάται από μια μέτρηση είτε της σύνθετης αντίστασης του κελιού είτε της αγωγιμότητάς του. Για μεγαλύτερη ακρίβεια όμως μετρώνται διάφορες παράμετροι που μεταβάλλονται με την πάροδο του χρόνου και εξάγεται ένα αποτέλεσμα μέσω συνδυασμού όλων των μετρήσεων. Τέτοιες παράμετροι είναι: χωρητικότητα, εσωτερική αντίσταση, αυτο-εκφόρτιση, αποδοχή φόρτισης, δυνατότητα εκφόρτισης, η κινητικότητα του ηλεκτρολύτη και η καταμέτρηση των κύκλων φόρτισης. Το αποτέλεσμα εξαρτάται προφανώς από τη χημεία της μπαταρίας. Επιπλέον προστίθενται συντελεστές βαρύτητας για κάθε μία παράμετρο βασισμένοι στην μέχρι τώρα εμπειρία, στην χημεία του κελιού, και στη σημαντικότητα της κάθε παραμέτρου ως προς την εφαρμογή. Αν οποιαδήποτε από αυτές τις μεταβλητές δώσει οριακή μέτρηση, το τελικό αποτέλεσμα θα πρέπει να επηρεαστεί. Αν για παράδειγμα μία μπαταρία έχει καλή χωρητικότητα αλλά αυξηθεί η εσωτερική αντίσταση, η εκτίμηση της υγείας πρέπει να μειωθεί αναλόγως. Το αποτέλεσμα συγκρίνεται με τις αρχικές τιμές για να εξαχθεί ως ποσοστό. Τέτοιες πολύπλοκες μετρήσεις και επεξεργασία δεδομένων απαιτούν τη βοήθεια ενός μικροεπεξεργαστή. Για αυτοματοποιημένες μετρήσεις οι αρχικές συνθήκες και η "εμπειρία" εγγράφονται στη μνήμη. Η "εμπειρία" μπορεί να τροποποιηθεί καθώς εισάγονται νέα δεδομένα που βελτιώνουν την εκτίμηση. Μία άλλη μέθοδος βασίζεται στο ιστορικό χρήσης της μπαταρίας και όχι σε μετρήσεις. Ένα προφανές κριτήριο είναι η καταγραφή των κύκλων φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας, το οποίο βέβαια δεν λαμβάνει υπόψη ακραίες συνθήκες λειτουργίας που μπορεί να επηρεάσουν τη λειτουργία της. Πάντως μπορεί να καταγραφεί η διάρκεια των περιόδων ακραίας λειτουργίας, δηλαδή τάσεις, ρεύματα και θερμοκρασίες εκτός των ονομαστικών ορίων, όπως επίσης και το μέγεθος των αποκλίσεων. Από αυτά τα δεδομένα και χρησιμοποιώντας ένα σταθμισμένο μέσο όρο εξάγεται ένας συντελεστής κέρδους που αντιπροσωπεύει την κατάσταση της υγείας. Τα δεδομένα αυτά αποθηκεύονται στη μνήμη του συστήματος διαχείρισης της μπαταρίας (Battery Management System) και μπορούν να εξαχθούν αν χρειαστεί. Η μέθοδος αυτή δεν απαιτεί εξωτερικό εξοπλισμό μετρήσεων, όμως προσθέτει πολυπλοκότητα και κόστος στην μπαταρία. Page 39

41 Βιβλιογραφία [1] Chalasani S C Bose, Timothy Beaird, Battery State of Health Estimation through coup de fouet: Field Experience [2] Battery University, BU-602: How does a Battery Fuel Gauge Work?, ανακτήθηκε στις14/9/2016 [3] Electropaedia, State of Health (SOH) Determination, ανακτήθηκε στις 11/6/2016 [4] G.A. Nazri and G. Pistaoie, Li Ion Batteries for EV, HEV and Other Industrial Applications, Lithium Batteries, Science and Technology, Kluwer Academic Publishers, chapter 21, [5] Calendar life studies of lithium-ion batteries, ανακτήθηκε στις 12/6/2016 [6] M. Broussely, Ph. Biensan, F. Bonhomme, Ph. Blanchard, S. Herreyre, K. Nechev, R.J. Staniewicz, Main aging mechanisms in Li ion batteries, Journal of Power Sources 146 (2005) Page 40

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5ο :Διεξαγωγή Πειράματος 5.1 Γενικά Το κεφάλαιο αυτό πραγματεύεται τη μέτρηση και αξιολόγηση των ποιοτικών μεγεθών μιας μπαταρίας Li-on τόσο στη διαδικασία της φόρτισης, όσο και στη διαδικασία της εκφόρτισης. Ειδικότερα ελέγχεται η τάση στους ακροδέκτες της μπαταρίας και η ένταση του ρεύματος που διαρρέει το κύκλωμα καθώς και η μεταβολή των παραπάνω ποιοτικών παραμέτρων στην πάροδο των κύκλων λειτουργίας της μπαταρίας. Προκειμένου να γίνουν εμφανείς οι μεταβολές των ποιοτικών μεγεθών της μπαταρίας ιόντων- λιθίου παρουσιάζονται τα διαγράμματα εξέλιξης των χαρακτηριστικών της σε ένα αντιπροσωπευτικό αριθμό κύκλων λειτουργίας, από τους 200 κύκλους, που συνολικά μετρήθηκαν. Page 41

43 5.2 Κατασκευή διάταξης αυτόματης φόρτισης-εκφόρτισης Η διάταξη που κατασκευάσθηκε φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Εικόνα 5.1 Διάταξη αυτόματης φόρτισης-εκφόρτισης Η ιδέα είναι αρκετά απλή. Χρειαζόμαστε έναν φορτιστή με τη βοήθεια του οποίου θα φορτίζεται η μπαταριά και ένα φορτίο πάνω στο οποίο θα πραγματοποιείται η εκφόρτιση της. Το σημαντικότερο και πιο σύνθετο στοιχείο αυτής της διάταξης είναι η υλοποίηση με αυτόματο μηχανισμό της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης. Η ανάλυση αυτού του μηχανισμού θα πραγματοποιηθεί σε επόμενη ενότητα. Η διάταξη παρουσιάζεται απλοποιημένη στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.2 Απλοποιημένο διάγραμμα διάταξης Page 42

44 Φορτιστής Για το κομμάτι της φόρτισης χρησιμοποιήθηκε η παρακάτω πλακέτα pcb η οποία μας δίνει τη δυνατότητα φόρτισης με τη μέθοδο Constant Current Constant Voltage ( CC-CV). Εικόνα 5.1 Πλακέτα φορτιστή Όπως φαίνεται από το παραπάνω εικόνα η πλακέτα αποτελείται από τα εξής βασικά στοιχεία: - μια θύρα φόρτισης mini usb - ένα τσιπ TP4056 -δυο LEDs, ένα μπλε και ένα κόκκινο - μια αντίσταση Rprog - και δυο ακροδέκτες εξόδου BAT+και BAT-για τη σύνδεση της μπαταρίας Page 43

45 Παρακάτω παρουσιάζεται το κυκλωματικό διάγραμμα της πλακέτας. Σχήμα 5.3 Κυκλωματικό διάγραμμα πλακέτας Η θύρα φόρτισης παρέχει στο κύκλωμα σταθερή τάση εισόδου ίση με 5 Volts. Τα δυο LEDs είναι ενδεικτικά της κατάστασης στην οποία βρίσκεται η μπαταρία. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης το κόκκινο LED παρουσιάζει μια συνεχή φωτεινή ένδειξη ενώ μόλις η μπαταριά φορτιστεί πλήρως το μπλε LED πληροφορεί το χρήστη με μια αντίστοιχη ένδειξη. Όπως φαίνεται και από το κυκλωματικό διάγραμμα(σχήμα 5.3), το τσιπάκι TP4056 αποτελεί την καρδιά του όλου κυκλώματος και είναι αυτό είναι που εξασφαλίζει τη μέθοδο φόρτισης CC- CV. Τα χαρακτηριστικά αυτού παρουσιάζονται στην εικόνα 5.2. Η αντίσταση Rprog μας δίνει τη δυνατότητα να ρυθμίσουμε το ρεύμα φόρτισης. Εμείς επιλέξαμε αντίσταση 1.2 kω(stock) που με αποτέλεσμα ρεύμα φόρτισης 1000 ma. Page 44

46 Εικόνα 5.2 Πίνακας χαρακτηριστικών τουtp4056 Μπαταρία Για τη διεξαγωγή του πειράματος χρησιμοποιήθηκε μια μπαταρία ιόντων λιθίου, χωρητικότητας 500 mah και ονομαστικής τάσης 3,8 Volt Φορτίο Ως φορτίο χρησιμοποιήθηκε μια βαττική αντίσταση 6.8 Ω ώστε να πετυχαίνουμε εκφόρτιση κοντά στο 1C (βλ. σελ.13 βαθμός C ). Διακόπτες Τέλος χρησιμοποιήθηκαν δύο διακόπτες MOSFET IRF3205 οι οποίοι ελέγχονται μέσω του προγράμματος LabVIEW, ώστε να καθίσταται δυνατή η αυτόματη μετάβαση από την κατάσταση φόρτισης στην κατάσταση εκφόρτισης και αντιστρόφως Page 45

47 5.3 Προγραμματισμός του LabVIEW Για την συλλογή και επεξεργασία των δεδομένων από τις μετρήσεις χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα LabVIEW και η κάρτα DAQ (data acquisition) NI Usb-6009 της εταιρίας National Instruments. Η κάρτα παρουσιάζεται στην παρακάτω εικόνα 5.3 και είναι αναγκαία για την συλλογή των αναλογικών δεδομένων και την ψηφιοποίηση τους προς επεξεργασία στον Η/Υ. Εικόνα 5.3 NIUSB 6009 της National Instruments Στη συνέχεια, περιγράφεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε για τον προγραμματισμό του LabVIEW Αρχικά, εμφανίζεται το μενού έναρξης του προγράμματος. Από το μενού επιλέγουμε την επιλογή Blank VI.Η ονομασία αυτή υποδηλώνει ότι θα δημιουργήσουμε μέσω του προγράμματος ένα εικονικό όργανο μετρήσεων. Στη συνέχεια εμφανίζονται δύο παράθυρα: η κύρια οθόνη του εικονικού οργάνου και το παράθυρο με τα μπλοκ διαγράμματα. Εικόνα 5.4. Block diagram-front panel Επιλέγουμε το παράθυρο με τα μπλοκ διαγράμματα και πατώντας δεξί κλικ εμφανίζεται η παλέτα με τα εργαλεία. Επιλέγουμε το DAQ Assistant. Μέσω αυτού ρυθμίζουμε δύο θύρες αναλογικής εισόδου για τη συλλογή των δεδομένων. Η θύρα ai0 συλλέγει την τάση της Page 46

48 μπαταρίας και η θύρα ai1 συλλέγει την τάση στα άκρα της αντίστασης 2Ω, η οποία τοποθετήθηκε σε σειρά με την μπαταρία για να μετρήσουμε το ρεύμα φόρτισης. Έπειτα, επιλέγουμε λειτουργία συνεχούς συλλογής δεδομένων (Continuous samples) και ρυθμίζουμε τη συχνότητα δειγματοληψίας στα 1kHz και τον αριθμό δειγμάτων στα 1k. Έτσι, το πρόγραμμα καταγράφει χίλιες τιμές σε κάθε δευτερόλεπτο.(εικόνα 5.5) Εικόνα 5.5 DAQ Assistant (input) Έπειτα γίνεται ο διαχωρισμός των σημάτων με τη βοήθεια του εργαλείου Split Signals δημιουργώντας δύο κανάλια. Για τον υπολογισμό του ρεύματος εργαστήκαμε σύμφωνα με το νόμο του Ohm,. Οπότε χρησιμοποιήθηκε ο τελεστής της διαίρεσης για να διαιρέσουμε το σήμα της τάσης που λαμβάνει η θύρα εισόδου ai1 (στα άκρα της αντίστασης) με την τιμή της αντίστασης. Για μεγαλύτερη ευελιξία στην περίπτωση δοκιμής με διαφορετικές αντιστάσεις τοποθετήθηκε πεδίο ελέγχου με τον τίτλο "Resistor" στην κύρια οθόνη. Στη συνέχεια το κανάλι αυτό πολλαπλασιάζεται μέσω του τελεστή πολλαπλασιασμού με τον αριθμό 1000 ώστε τελικά στην οθόνη να εμφανίζεται η τιμή του ρεύματος σε ma. Κάθε σήμα προβάλλεται στην οθόνη (Waveform Chart) και εγγράφεται σε διαφορετικό αρχείο (Write to Measurement File). Έτσι μπορούμε να παρακολουθούμε σε πραγματικό χρόνο τη διαδικασία και ταυτόχρονα μόλις το πείραμα ολοκληρωθεί λαμβάνουμε δύο αρχεία με τις καταγραφείσες μετρήσεις. Επόμενο βήμα είναι ο έλεγχος των δυο διακοπτών (MOSFETs) που συμπεριλάβαμε στο κύκλωμα ώστε να μπορούμε να επιτύχουμε την αυτόματη φόρτιση - εκφόρτιση. Για αυτό το σκοπό χρησιμοποιήθηκε η δομή Case (Case Structure). Από την παλέτα με τα εργαλεία πηγαίνουμε στην καρτέλα programming, επιλέγουμε την εντολή Structures και τελικώς κάνουμε κλικ στην επιλογή Case Structure. Στη συνέχεια πάλι από την παλέτα επιλέγουμε το DAQ Assistant. Μέσω αυτού ρυθμίζουμε δύο θύρες αναλογικής εξόδου για τον έλεγχο των MOSFETs. (Εικόνα 5.6) Page 47

49 Εικόνα 5.6 DAQ Assistant (output) Κατά τη φόρτιση η θύρα εξόδου ai0 παράγει έναν παλμό ίσο με 5 Volts ενώ η θύρα ai1 έχει μηδενική τάση εξόδου. Με αυτό τον τρόπο ενεργοποιείται το πρώτο MOSFET ενώ το δεύτερο παραμένει ανενεργό. Επίσης τοποθετήθηκαν δυο τελεστές, ο τελεστής ο οποίος έχει ως σήμα στη μια είσοδο το ρεύμα της μπαταρίας και στην άλλη την τιμή 0,1 Α διότι μόλις το ρεύμα γίνει μηδενικό η φόρτιση σταματά καθώς και ο τελεστής, ο οποίος συγκρίνει την τάση της μπαταρίας με την τιμή 4,2 V για προστασία της μπαταρίας από υπερφόρτιση. Οι έξοδοι των δυο αυτών τελεστών οδηγούνται σε μια λογική πύλη AND το αποτέλεσμα της οποίας αποθηκεύεται στη λογική μεταβλητή Boolean. Μόλις πάρει την τιμή False (μόλις δηλαδή ολοκληρωθεί η φόρτιση) δίνει στο πρόγραμμα την εντολή να περάσει στο στάδιο εκφόρτιση. Αντίστοιχα κατά την εκφόρτιση η θύρα εξόδου ai1 παράγει έναν παλμό ίσο με 5 Volts ενώ μηδενίζεται η έξοδος της θύρας αi0. Εδώ τοποθετήθηκε ο τελεστής ο οποίος λαμβάνει στην μία είσοδο το σήμα της τάσης της μπαταρίας και στην άλλη την ρύθμισή μας. Για να είναι πιο εύχρηστη η ρύθμιση τοποθετήθηκε πεδίο ελέγχου στην κύρια οθόνη του προγράμματος με τον τίτλο "Voltage min", η ελάχιστη δηλαδή τάση της μπαταρίας κατά την εκφόρτιση. Μετά από αρκετά πειράματα επιλέχθηκε σαν όριο η τιμή 2,8V γιατί παρατηρήσαμε ότι κοντά στην τιμή αυτή έχει αρχίσει να καταρρέει η τάση της μπαταρίας. Πάλι το αποτέλεσμα της σύγκρισης αποθηκεύεται στη μεταβλητή Boolean και μόλις η τιμή της από False αλλάξει σε True ξεκινά η διαδικασία φόρτισης. Page 48

50 Παρακάτω παρατίθεται η μορφή του τελικού μπλοκ διαγράμματος. Εικόνα 5.7 Block diagram (Φόρτιση) Εικόνα 5.8 Block diagram (Εκφόρτιση) Page 49

51 Τέλος, παρουσιάζεται η τελική μορφή του front panel. Εικόνα 5.9 Front Panel Page 50