Enerji depolama sistemlerinde kullanılan lityum-iyon hücrelerin sıfır şarj sonlandırma akımı ile şarjının hücre sağlık durumuna etkisinin incelenmesi

Abstract

Lityum hücrelerin kendilerine özgü şarj yöntemleri vardır. Öncelikle sabit akım ile şarj edilen hücreler istenilen gerilim değerine ulaştığında sabit gerilim ile şarj edilerek, akımın kullanım kılavuzunda belirtilen akım değerine düşmesi beklenir. Bu değere düştüğü anda şarj işlemi sonlandırılır. Günümüzde bu işlevlerin kontrolü için lityum hücreler, batarya yönetim sistemleri ile birlikte kullanılır.Batarya yönetim sistemi hücrenin veya hücrelerden oluşmuş batarya paketinin sağlıklı bir şekilde çalışmasını sağlar. Fakat enerji depolama sistemlerinde çeşitli kaynaklardan (güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, şebeke vb.) enerji girişi olacağı için doğru akım (DC) bara sistemi kullanılmaktadır. Bu DC bara sistemine belirlenen gerilim değerinde sürekli akım akışı olacaktır. Bu yüzden şarj sonlandırma akımı kullanım kılavuzunda belirtilen değerin altında bir değerde ve şarjda daha uzun süre beklenildiği takdirde ise sıfır şarj sonlandırma akımı ile şarjı mümkün olacaktır. Bu da hücrenin zarar görmesine ve ömrünün azalmasına neden olacaktır. Bu tez çalışmasında farklı şarj sonlandırma akımlarının batarya sağlık durumuna (SoH) etkisi incelenmiştir.Bu tez çalışmasının genel amacı Enerji Depolama Sistemlerinde Kullanılan Lityum-iyon hücrelerin, veri sayfasında belirtilen şarj sonlandırma akımları yerine, bu şarj sonlandırma akımlarından daha düşük bir akım değerinde şarj sonlandırma işlemi yapmanın hücrenin sağlık durumuna etkisinin incelenmesidir.Tez çalışması kapsamında 2 farklı hücre tipi olarak nikel manganez kobalt (NMC) ve lityum demir fosfat (LFP) hücreler kullanılmıştır. 4 farklı test işlemi her bir hücre tipinde 4 ayrı hücreye uygulanmış ve çalışmanın doğruluğunu arttırmak için aynı test işlemi 2 ayrı hücreye uygulanmıştır. Her bir hücre tipinden 8 hücre olmak üzere toplamda 16 pile 15 hafta boyunca testler uygulanmıştır. 4 farklı testin hücrelerin sağlık durumu üzerindeki etkileri incelenmiş ve karşılaştırılmıştır.Yapılan 360 çevrim test sonunda standart şarj geriliminden biraz düşük bir değerde 0 mA şarj sonlandırma akımı uygulanan hücrelerde SoH değerinin normal şarj işlemi uygulanan hücrelere çok yakın olduğu belirlenmiştir. Kullanılabilir kapasite ise standart şarj işlemi uygulanan hücrelere yine yakın değerlerde olduğu gözlemlenmiştir. Bu açıdan bakıldığında yapılan bu şarj işlemi hücrenin aşırı şarj olarak patlama, delinme, yanma vb. riskleri ortadan kaldıracaktır. Bu sayede hücre veya hücre grupları güvenli bir şekilde çalışacaktır. Bu işlem ile ekstra şarj kontrolü yapılması gerekmeyeceği için maliyet açısından bir düşüş olacaktır. Tüm bunlara ilave olarak lityum-iyon hücrelerin sağlık durumları sürekli akım akışı yüzünden zarar görmeyecek ve hücreler standart ömrü boyunca çalışmasını devam ettirecektir. Bu sayede bir verim artışı da sağlanmış olacaktır. Bu şekilde yapılan şarj işlemi NMC ve LFP lityum hücreler ile yapılan testlerle doğrulanmıştır. Detaylı olarak test sonuçları yazılmıştır.

Lithium cells have their own charging methods. First of all, when the cells charged with constant current reach the desired voltage value, they are charged with constant voltage and the current is expected to decrease to the current value specified in the datasheet. As soon as it drops to this value, the charging process is terminated. Today, lithium cells are used with battery management systems to control these functions.The battery management system ensures the healthy operation of the cell or the battery pack made up of cells. However, since there will be energy input from various sources (solar energy, wind energy, grid, etc.) in energy storage systems, DC busbar system is used. There will be a continuous current flow over the voltage value determined over this DC bus system. Therefore, it will be possible to charge at a value below the charge termination current or with zero charge termination current. In this thesis, it will be investigated that the effect of different charge termination currents on SoH as a percentage will be investigated.The general purpose of this thesis is to examine the effect of termination of charge on the health of the Lithium-Ion (NMC and LFP) cells used in Energy Storage Systems, at a current value lower than these charge termination currents, instead of the charge termination currents specified in the data sheet.Within the scope of the thesis study, NMC (nickel manganese cobalt) and LFP (lithium iron phosphate) cells were used as 2 different cell types. 4 different test procedures were applied to 4 different cells in each cell type and 2 different cells were tested in the same test process in order to increase the accuracy of the study. A total of 16 batteries, 8 cells from each cell type, were tested for 15 weeks. The effects of 4 different tests on the health status of cells were examined and compared. At the end of the 360-cycle test, it was determined that the SoH value was very close to the cells in which a 0 mA charge termination current was applied at a value slightly lower than the standard charge voltage. It has been observed that the usable capacity is close to the cells with standard charging process. From this point of view, this charging process causes the cell to explode, puncture, burn, etc. as overcharging. will eliminate risks. In this way, cells or cell groups will work safely. With this process, there will be a decrease in cost as no extra charge control will be required. In addition to all these, the health status of lithium-ion cells will not be damaged by the continuous current flow and the cells will continue to work throughout their standard life. In this way, an increase in efficiency will also be achieved. This charging process has been verified by tests with NMC and LFP lithium cells. Test results are written in detail.