Temel Batarya Kavramları ve Nitelikleri

Temel Bilgiler ve Arka Plan

Öncelikle, bir bataryanın depolama uygulamalarındaki kullanımını doğrudan açıklayan iki temel özellik vardır. Enerji için temel denklem:

Güç (Watt) × Zaman (Saat) = Enerji (Wh)

Dolayısıyla 10 MW elektrik gücünü 1 saat boyunca %100 verimlilikle depolarsanız 10 MWh enerji depolamış olursunuz.

Hücre, modül ve paket:

Hücre (Cell): Bir bataryanın alabileceği en küçük, paketlenmiş formdur; genellikle 1–6 V aralığındadır.
Modül (Module): Birden fazla hücrenin seri veya paralel bağlanmasıyla oluşur.
Batarya paketi (Pack): Modüllerin yine seri veya paralel olarak birleştirilmesiyle oluşturulur.

Karakteristik Özellikler:

Fiziksel Gereksinimler
Şarj Durumu (SoC) & Deşarj Derinliği (DoD)
Klemens Gerilimi (V)
Boş Devre Gerilimi (V)
İç Direnç
C-Oranı
Hız Kabiliyeti (Rate Capability)
Güç/Enerji Oranı
Çevrim Verimliliği (Round-Trip Efficiency)
Kapasite veya Nominal Kapasite (Belirli bir C-Oranı için Ah)
Enerji veya Nominal Enerji (Belirli bir C-Oranı için Wh)
Çevrim Ömrü (Belirli bir DoD için adet) / Ömür ve Degradasyon
Takvim Eskimesi
Deşarj Eğrisi
Özgül Enerji (Wh/kg)
Özgül Güç (W/kg)
Enerji Yoğunluğu (Wh/L)
Güç Yoğunluğu (W/L)
Maksimum Sürekli Deşarj Akımı
Maksimum 30 sn Deşarj Darbe Akımı
Şarj Gerilimi
Bekleme (Float) Gerilimi
(Önerilen) Şarj Akımı
(Maksimum) İç Direnç
Soğuk Marş Akımı & Sıcaklık Bağımlılığı
Şarj ve Deşarj Rejimleri

Batarya Sistemlerini Nasıl Karşılaştırırsınız?

Aynı 9,8 kWh nominal enerjiye sahip fakat farklı kapasitelere sahip iki ticari batarya depolama sistemi bulunabilir. Bunlara Sistem A ve Sistem B diyelim.

Kapasite, enerji/gerilim oranı olduğundan, gerilimleri farklı olsa da her iki sistemin enerjisi aynıdır.

Sistem A’nın dahili batarya gerilimi 156 V’tur; 400 V’luk çıkış gerilimi dahili bir DC-DC dönüştürücü bulunduğunu gösterir.
Sistem B ise 52 V dahili gerilime ve aynı değerde çıkış gerilimine sahiptir; yani DC-DC dönüştürücüsü yoktur.

Bataryaların Temel Karakteristik Parametreleri (Detaylı)

Fiziksel Gereksinimler

Hücre geometrisi, boyut, ağırlık ve şekil
Terminallerin konumu

Şarj Durumu (SoC) & Deşarj Derinliği (DoD)

DoD = Çıkarılan enerji yüzdesi
SoC = Kalan enerji yüzdesi

SOC% = 100% - DOD%

Klemens Gerilimi (V)

Yük altında batarya terminalleri arasındaki gerilimdir. Klemens gerilimi, SoC (şarj durumu) ile deşarj/şarj akımına bağlı olarak değişir.

Boş Devre Gerilimi (V)

Yük uygulanmadığında batarya terminalleri arasındaki gerilimdir. Boş devre gerilimi, bataryanın şarj durumuna bağlıdır ve SoC arttıkça yükselir.

İç Direnç

Batarya içindeki dirençtir; şarj ve deşarj için genellikle farklıdır ve SoC’ye bağlıdır. İç direnç arttıkça batarya verimliliği düşer ve ısıl denge azalır; çünkü daha fazla enerji ısıya dönüşür.

C-Rate

Bataryanın deşarj akımının kapasitesine oranıdır. Örneğin kapasitesi 100 Ah olan bir batarya için:

1C → Deşarj akımı = 100 A
2C → Deşarj akımı = 200 A
C/2 → Deşarj akımı = 50 A

Hız Kabiliyeti (Rate Capability)

Özet: Depolama (enerji ağırlıklı) ile güç (ani yüksek akım) uygulaması arasında seçimde kritik parametredir.

Yüksek güç uygulamaları için yüksek Güç:Enerji oranına sahip bataryalar avantajlıdır.
Yüksek enerji uygulamaları için düşük Güç:Enerji oranına sahip bataryalar avantajlıdır.

Açıklama: Yüksek C-oranlarında (yüksek akımda) her batarya depolanan enerjiyi aynı oranda koruyamaz; ısı gibi kayıplar oluşur.

Sonuç: Batarya B daha yüksek Hız Kabiliyetine sahiptir.

Güç / Enerji Oranı

Bir batarya sisteminin güç ve enerji kabiliyetini doğrudan karşılaştırmak için kullanılır.

*Fiyatların biri kW, diğeri kWh bazında verildiği için toplam maliyet hesaplanır.

Yalnızca güç odaklı uygulama (1 MW gerekir):

A: 600 $/kW × 1 000 kWh = 600 000 $
B: 2 000 $/kWh × 250 kWh = 500 000 $ → B daha ucuz (birim fiyatı 3 × yüksek olsa da)

En az 1 saat enerji depolama gereksinimi (1 MWh):

A: 600 $/kW × 1 000 kWh = 600 000 $
B: 2 000 $/kWh × 1 000 kWh = 2 000 000 $ → A açık ara avantajlı (daha fazla enerji kapasitesi gerektiğinde)

Çevrim Verimliliği (Round-Trip Efficiency, RTE)

Depolanan enerjinin geri (deşarj) edilebilen kısmıdır.

Önemli noktalar

Asla %100 değildir.
Yüksek RTE istenir; depolama “ücretinizi” düşürür.
Düşük iç direnç ⇒ yüksek RTE, dolayısıyla daha az enerji kaybı.

Açıklama

Enerjiyi depolayıp geri almak her zaman ısı ya da yan reaksiyonlar nedeniyle kayıplara yol açar.
Güç/Enerji Oranı ve Hız Kabiliyeti, RTE’nin iyi göstergeleridir.
- Düşük iç direnç daha yüksek RTE anlamına gelir.
Daha yüksek güçte ve yüksek C-oranlarında çalışmak RTE’yi düşürür; çalışma koşullarına bağlı olarak RTE aynı sistemde dalgalanabilir.

RTE % işletme maliyetini doğrudan etkiler; depoladığınız her Wh için yalnızca bir kısmını geri alırsınız.

Yani net olarak, tüm enerji depolama sistemleri enerji “tüketir”.
Bu tüketim, “depolama ücreti” olarak görülebilir.
Düşük RTE ⇒ daha yüksek depolama ücreti ödersiniz.

Kapasite veya Nominal Kapasite (Belirli bir C-Oranında Ah)

Belli bir deşarj akımında (belirli C-oranı) batarya %100 SoC’den kesim gerilimine kadar deşarj edildiğinde elde edilen toplam amper-saat miktarıdır. Kapasite = Akım (A) × Süre (h). C-oranı arttıkça kapasite azalır.

Enerji veya Nominal Enerji (Belirli bir C-Oranında Wh)

Aynı koşullarda elde edilen enerji kapasitesidir; Enerji = Güç (W) × Süre (h). Kapasite gibi, enerji de C-oranı arttıkça azalır.

Çevrim Ömrü / Ömür & Degradasyon

Bataryanın kaç deşarj-şarj döngüsü tamamlayabileceğini ölçer.

Çevrim: Bataryanın belirli bir SoC’den deşarj edilip yine aynı SoC’ye şarjla dönmesi.
Degradasyon: Zamanla batarya kapasitesinin azalması (kapasite “fadı”).
EOL (End of Life): Üreticinin “kullanılabilir ömür sonu” olarak tanımladığı kalan kapasite yüzdesine ulaşıldığı nokta.

Bağlı Olduğu Faktörler

Toplam isim plaka (nameplate) enerji kapasitesi
Çalışma sıcaklığı
Batarya başına istenen güç
Kullanım sırasında toplam şarj + deşarj enerjisi
Çalışma SoC aralığı
Ömür sonunda kalan kapasite yüzdesi

Açıklama

Çevrim ömrü, bataryanın belirli performans kriterlerini karşılamayı bırakmadan önce tamamlayabileceği deşarj-şarj döngü sayısıdır. Gerçek kullanım ömrü; döngü hızı, derinliği, sıcaklık ve nem gibi koşullardan etkilenir. DoD yükseldikçe çevrim ömrü düşer.

Takvim Eskimesi (Calendar Aging)

Çevrim (şarj–deşarj döngüleri) kaynaklı enerji kapasitesi kaybına ek olarak, bataryaların takvim eskimesi de yaşadığı unutulmamalıdır. Takvim eskimesi, şarj-deşarj çevrimlerinden bağımsız olarak batarya hücresinin bozulmasına yol açan tüm yaşlanma süreçlerini kapsar. Özellikle işletim (çalışma) sürelerinin boşta bekleme sürelerinden daha kısa olduğu senaryolarda kritik bir faktördür.

Araştırmalar, çevrim derinlikleri (DoD) ve akım oranları düşük olduğunda, takvim eskimesinin çevrim eskimesine kıyasla daha baskın olabileceğini göstermiştir.

Deşarj Eğrisi

Deşarj eğrisi, gerilimin bataryadan çekilen kapasite yüzdesine karşı grafiğidir. Düz (yatay) bir deşarj eğrisi istenir; bu, batarya kullanılırken gerilimin sabit kaldığı anlamına gelir.

Özgül Enerji (Wh/kg)

Birim kütle başına nominal batarya enerjisi; “gravimetrik enerji yoğunluğu” da denir. Batarya kimyası ve paket tasarımına bağlıdır. Araç enerji tüketimi ile birlikte, belirli bir elektrikli menzil için gerekli batarya ağırlığını belirler.

Özgül Güç (W/kg)

Birim kütle başına sağlanabilen maksimum güçtür. Yine kimya ve paket tasarımından etkilenir; hedeflenen performans değerine ulaşmak için gerekli batarya kütlesini belirler.

Enerji Yoğunluğu (Wh/L)

Birim hacim başına nominal batarya enerjisidir; “hacimsel enerji yoğunluğu” da denir. Araç enerji tüketimiyle birlikte, istenen menzile ulaşmak için gerekli batarya hacmini belirler.

Güç Yoğunluğu (W/L)

Birim hacim başına maksimum güçtür. İstenen performans (ör. ivmelenme) için batarya hacmini etkiler.

Maksimum Sürekli Deşarj Akımı

Bataryanın sürekli olarak çekilebileceği en yüksek akımdır. Üretici, bataryaya zarar verebilecek aşırı deşarj akımlarını önlemek için bu sınırı tanımlar. Motorun sürekli maksimum gücüyle birlikte, aracın uzun süre korunabilir azami hız ve ivmesini belirler.

Maksimum 30 Saniyelik Deşarj Darbe Akımı

Bataryanın 30 saniyeye kadar süreyle sağlayabileceği en yüksek darbe akımıdır. Zirve motor gücüyle birlikte, aracın 0-100 km/s (0-60 mph) performansını belirler.

Şarj Gerilimi

Bataryanın tam kapasiteye şarj edildiğinde ulaşılan gerilimdir. Tipik olarak sabit akım fazı (gerilim şarj gerilimine ulaşana kadar) ardından sabit gerilim fazı (akım azalarak sıfıra yaklaşır) şeklinde bir şarj profili kullanılır.

Bekleme (Float) Gerilimi

Batarya %100 SoC’ye ulaştıktan sonra, öz-deşarjı telafi etmek ve kapasiteyi korumak için bataryanın üzerinde tutulduğu gerilimdir.

(Önerilen) Şarj Akımı

Sabit akım fazında, bataryayı yaklaşık %70 SoC’ye kadar şarj etmek için önerilen ideal akımdır; ardından sabit gerilim fazına geçilir.

(Maksimum) İç Direnç

Bataryanın içindeki dirençtir; şarj ve deşarj işlemleri için genellikle farklı değerler alır.

Soğuk Marş Akımı

Bataryanın kısa süreli olarak sağlayabildiği en yüksek akımdır (cranking current). Araç motorlarını çalıştırmak için önemlidir; fotovoltaik (PV) sistemlerde genelde kritik değildir.

Sıcaklık Bağımlılığı

Farklı sıcaklıklarda şarj süresine karşı gerilim grafikleriyle ifade edilir; sıcaklık, bataryanın gerilim davranışını ve performansını etkiler.

Şarj ve Deşarj Rejimleri

Her batarya tipinin şarj ve deşarj rejimine ilişkin kendine özgü kısıtları ve koşulları vardır; birçok batarya türü, belirli şarj rejimleri veya özel şarj kontrol cihazları gerektirir.

Örneğin, nikel-kadmiyum (Ni-Cd) bataryalar şarj edilmeden önce neredeyse tamamen deşarj edilmelidir.
Kurşun-asit bataryalar ise asla tam olarak deşarj edilmemelidir.

Ayrıca, şarj döngüsü sırasında gerilim ve akım değerleri her batarya kimyası için farklıdır. Genellikle, belirli bir batarya tipi için tasarlanmış bir şarj cihazı veya şarj kontrolörü, başka bir batarya türüyle uyumlu değildir.

Temel Batarya Kavramları ve Nitelikleri