Baterije za mobilne uređaje - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/Files/Baterije za mobilne...

Univerzitet u Nšu Elektronski fakultet

Katedra za elektroniku

SEMINARSKI RAD

Baterije za mobilne uređaje

Student: Kovačević Vladimir Br.Indeksa: 1268

Niš, 2007

Profesor: Prof. Dr Mile Stojčev

Skraćenice AC (Alternate Current)- Naizmenični izvor ili napon A/D (Analog to Digital)- Analogno-digitalni konvertor CC-CV (Constant Current Constant Voltage)- Metoda punjenja baterija konstantnom strujom i konstantnim naponom CCR (Charge Count Register)- Registar koji čuva informaciju o napunjenosti baterije CID (Current Interrupt Device)- Strujno-prekidni elemenat osigurač Coulomb Counting- Brojanje kulona CTC (Charge Time Counter)-Brojač vremena punjenja baterije cut-off- Odnosi se na krajnju vrednost bilo minimalnu ili maksimalnu DC (Direct Current)- Jednosmerni izvor ili napon DCR registar (Discharge Count Register)-Registar koji čuva informaciju koliko je baterija istrošena DMFC (Direct Methanol Fuel Cell)- Goriva ćelija koja kao gorivo koristi metanol DOD (Deep of Discharge)- Dubina pražnjenja dry cell- Baterijska ćelija sa čvrstim elektrolitom DTC (Discharge Time Counte)- Brojač vremena pražnjenja baterije EDV (End-of-Discharge Voltage)- Krajnji napon prilikom pražnjenja baterije EDVF (End Of Discharge Voltage Flag)- Bit koji označava krajnji napon FCC (Full Charge Capacity)- Kapacitet kompletno napunjene baterije. Floating- Promenjivo punjenje baterije HDQ- Protokol prilikom komunikacije jednim vodom ID- Identifikacioni broj baterije LCD (Liquid crystal display)- Displej LED (Light Emitting Diode)- Svetleće diode LMD (Last Measured Discharge)- Brojač koji sadrži vrednost maksimalnog dostupnog kapaciteta baterije MCV (Maximum Cell Voltage)- Maksimalni napon na ćeliji NAC (Nominal Available Charge)- Brojač koji broji trenutnu vrednost napunjenosti baterije OCV (Open Circuit Voltage)- Napon praznog hoda Over-Charge Protection- Zaštita od prepunjavanja baterije Over-Current Protection- Zaštita od prevelike struje Over-Discharge Protection- Zaštita od prekomernog pražnjenja PDA (Personal Digital Assistant)- Multifunkcijski uređaj koji služi za ličnu upotrebu PFC (Programmed Full Count)- Brojač koji sadrži inicijalnu vrednost napunjenosti baterije PTC (Positive Temperature Coeficient)- Otpornik sa pozitivnim temperaturnim koeficijentom Rechargeable-Punjive RISC (Reduced instruction set computer)- Računar sa redukovanim brojem instrukcija RM (Remanent)- Preostali kapacitet baterije SBS(Smart Battery System)- Sistem pametnih baterija SG (Specific Gravity)- Specifična gustina SMBus (System Management Bus)- Komunikaciona linija SOC (State Of Charge)- Stanje napunjenosti baterije SOH (State Of Helth)- Stanje ispravnosti baterije Trickle- Dopunsko punjenje baterije impulsnom strujom Unrechargeable- Nepunjive VFC (Voltage To Frequency Converter)- Konvertor napona u frekvenciju

Sadržaj 1 Uvod..................................................................................................................................1 1.1 Vrste baterija 2 1.1.1 Nepunjive baterije 2 1.1.2 Punjive baterije 2 1.1.3 Podela baterija prema hemijskom sastavu 3 1.2 Karakteristike baterija 5 1.2.1 Kapacitet 5 1.2.2 Radni napon 6 1.2.3 Samopražnjenje 6 1.2.4 Temperatura 6 1.2.5 Impedansa baterije 7 1.2.6 Memorijski efekat 8 1.2.7 Radni vek 8 1.2.8 Brzina pražnjenja (C-rate) 8 1.2.9 Peukert-ova jednačina 9 2 Punjive baterije........................................................................................................... 10 2.1 Standardne Ni-Cd baterije 11 2.1.1 Karakteristika punjenja Ni-Cd baterija 13 2.1.1.1 Efikasnost punjenja Ni-Cd baterija 14 2.1.1.2 Temperatura ćelije tokom punjenja 16 2.1.1.3 Unutrašnji pritisak tokom punjenja 17 2.1.1.4 Napon na ćeliji prilikom punjenja 18 2.1.2 Karakteristike pražnjenja Ni-Cd baterija 19 2.1.2.1 Krajnji napon pražnjenja Ni-Cd baterija 19 2.1.2.2 Brzina pražnjenja Ni-Cd baterija 20 2.1.2.3 Uticaj temperature okoline na

karakteristiku pražnjenja Ni-Cd baterije 21 2.1.2.4 Inverzna polarizacija 22 2.1.3 Unutrašnja impedansa 23 2.1.3.1 Merenje unutrašnje impedanse 24 2.1.4 Skladištenja Ni-Cd baterija 25 2.1.4.1 Temperatura skladištenja 25 2.1.4.2 Uticaj napunjenosti baterije na period skladištenja 27 2.1.5 Radni vek baterija 28 2.1.5.1 Faktori koji utiču na radni vek baterije 30 2.2 Metode punjenja Ni-Cd baterija 33 2.2.1 Brzo punjenje 36 2.2.1.1 Detekcija napona na ćeliji 36 2.2.1.2 Sistem kontrole pomoću –∆V detekcije 37 2.2.1.3 Detekcija temperature ćelije 38 2.2.1.4 Kontrola vremena 38 2.2.1.5 Mešovite metode 39 2.2.2 Dizajn kola za punjenje 39 2.2.2.1 Metoda ispravke 39 2.3 Ni-Cd baterije velikog kapaciteta 40 2.3.1 Karakteristike punjenja Ni-Cd baterija velikog kapaciteta 40 2.3.2 Karakteristike pražnjenja 40 2.4 Brzo punjive Ni-Cd baterije 42

2.4.1 Karakteristika punjenja 42 2.4.2 Karakteristika pražnjenja 45 2.5 Memorijske Ni-Cd backup baterije 46 2.5.1 Karakteristika pražnjenja Ni-Cd backup baterija 46 2.5.2 Ostale karakteristike 48 2.6 Ugradnja Ni-Cd baterija 49 2.7 Ni-MH baterije 51 2.7.1 Karakteristika punjenja Ni-MH baterija 52 2.7.2 Karakteristika pražnjenja 54 2.7.2.1 Temperatura okoline 55 2.7.2.2 Inverzna polarizacija 56 2.7.3 Skladištenje 56 2.7.3.1 Temperatura skladištenja 57 2.7.3.2 Ciklusi punjenja i pražnjenja 58 2.7.4 Memorijski efekat 59 2.7.5 Metode punjenja Ni-MH baterija 60 2.7.5.1 Punjenje u kratkim vremenskim intervalima 63 2.7.6 Zaštite Ni-MH baterija 64 2.7.7 Konfiguracija 65 2.8 Li-ion baterije 66 2.8.1 Karakteristika punjenja 71 2.8.2 Karakteristika pražnjenja 72 2.8.2.1 Temperatura okoline 73 2.8.3 Skladištenje baterija 75 2.8.3.1 Faktori narušavanja radnog veka Li-ion baterija 75 2.8.4 Zaštita Li-ion baterija 77 2.8.4.1 Kolo za zaštitu Li-ion baterija 78 2.8.5 Punjenje Li-ion baterija 78 2.8.6 Ugradnja Li-ion baterija 79 3 Battery management.................................................................................................. 81 3.1 Merenje stanja napunjenosti baterije 83 3.1.1 Faktori koji utiču na utvrđivanje SOC 84 3.1.2 Kalkulacija SOC 87 3.1.3 Inteligentne baterije 88 3.1.3.1 Jednožična magistrala 89 3.1.3.2 SMBus 89 3.1.3.3 Indikator stanja napunjenosti baterije 90 3.1.3.4 Tri stanja merenja kapaciteta 91 3.1.4 Metoda za merenje stanja napunjenosti baterije

bazirana na merenju napona 92 3.1.5 Merenje stanja napunjenosti baterija metodom brojanja kulona 94 3.1.5.1 Kalkulacija vremena punjenja/pražnjenja 97 3.1.5.2 Izračunavanje srednje struje 97 3.1.5.3 Računanje zbirne struje 97 3.1.5.4 Računanje preostalog kapaciteta unutar baterije 98 3.1.5.5 Računanje vremena do potpunog pražnjenja baterije 98 3.1.6 Merenje stanja napunjenosti uz pomoć kombinacije metode

brojanja kulona i merenja napona na ćeliji 98 3.1.6.1 Način rada 99 3.1.7 Merenje napunjenosti baterije metodom merenja impedanse 103 3 Zaključak......................................................................................................................108

Uvod

Svesni smo da živimo u vremenu koga najčešće nazivaju „mobilnim dobom”. Oko nas je gomila prenosivih uređaja kao što su: mobilni telefoni, MP3 plejeri, digitalni fotoaparati i drugi. Naravno, ono što ih pokreće jesu baterije.

Prvu bateriju je prikazao Alesandro Volta 1800. godine. Voltina baterija je koristila hemijsku reakciju između slojeva različitih metala razdvojenih papirom natopljenim u slanoj vodi. Struja se javlja kao posledica migracije elektrona sa pozitivnog ka negativnom polu. Baterija, u stvari, radi kao pumpa koja dobija energiju iz hemijskog procesa. Osnovu efekta predstavljaju dve različite elektrode (pozitivna- anoda i negativna- katoda) između kojih se nalazi elektrolit. Današnje baterije se zasnivaju na istom principu.

U proteklih 10 godina brzina procesora povećala se oko hiljadu puta, memorija prosečnog hard diska veća je oko 2.000 puta, dok je kapacitet baterija povećan samo tri puta. Ovo ukazuje na večito prisutan problem napajanja kod prenosivih uređaja. Vodeći svetski proizvođači rade na razvoju novih materijala i tehnologija proizvodnje baterija koje će uhvatiti korak s razvojem električnih uređaja. Sa pojavom novih tehnologija i materijala postignuti su veliki kapaciteti i vremena trajanja uz znatno smanjenje dimenzija. Projektantima embedded aplikacija veliki problem predstavlja izbor prave baterije za napajanje iz "šume" proizvoda koji se danas nude na tržištu.

Ovaj seminarski rad ima za cilj da prikaže osnovne principe rada punjivih baterija i metode za određivanje stanja napunjenosti tih baterija, radi lakšeg projektovanja uređaja koji za napajanje koriste baterije.

U prvom poglavlju se opisuju vrste i podela baterija. U nastavku su prikazane karakteristike baterija.

Drugo poglavlje sadrži detaljniji opis i karakteristike punjivih baterija.

Treće poglavlje se bavi večito prisutnim problemom utvrđivanja stanja napunjenosti baterija.

2

1.1 Vrste baterija Postoji više vrsta baterija koje se danas koriste. Osnovna podela se može izvršiti prema načinu upotrebe (korišćenja) i prema hemijskom sastavu. U zavisnosti od načina upotrebe baterije se dele na: nepunjive (Unrechargeable) i punjive (Rechargeable), dok po hemijskom sastavu razlikujemo više vrsta u zavisnosti materijala koji se koristi za njihovu izradu. Nameće se pitanje: Koji tip baterija izabrati za određeni uređaj? Da li kupovati jeftine baterije na pijaci, plaćati skupo alkalne ili litijumske baterije ili odvojiti malo više para i kupiti punjač i punjive baterije?

1.1.1 Nepunjive baterije Nepunjive baterije su namenjene da se pune jedanput, koriste dok se ne isprazne, a nakon toga bacaju. Neretko se nazivaju i primarne baterije. Od baterija za jednokratnu upotrebu, najobičnije i najjeftinije su cink-ugljenične baterije čije su elektrode od cinka i ugljenika, a elektrolit je kisela pasta. Jedan od nedostataka ovakvih baterija jeste to što je cinkano kućište baterije u isto vreme i anoda. Ako anoda ne oksidiše ravnomerno, može doći do pojave rupa kroz koje elektrolit iscuri van baterije u uređaj koji napajamo. Bolje i skuplje su alkalne baterije (poznate upravo zbog toga što ne mogu da iscure), sa elektrodama od cinka i mangan-oksida, napunjene alkalnim elektrolitom. Najnovija (i najskuplja) generacija nepunjivih baterija jesu litijumske ili foto-litijumske baterije u kojima je upotrebljen litijum, litijum-jodid i olovo-jodid. Ove baterije su sposobne da podnesu veliku potrošnju energije u određenom trenutku. Zbog toga često nose „foto” u imenu, jer mogu da izdrže velike zahteve novijih digitalnih fotoaparata i sve češće se isporučuju kao nepunjive baterije uz nove uređaje.

1.1.2 Punjive baterije Punjive ili sekundarne baterije odlikuje mogućnost da se nakon pražnjenja ponovo napune i koriste više puta. Tehnologija prenosivih punjivih baterija danas najčešće obuhvata skraćenice kao što su Ni-Cd, Ni-MH i Li-ion. Nikl-kadmijumska baterija (Ni-Cd) ima elektrode od nikla i kadmijuma, a kalijum-hidroksid kao elektrolit. Nju sve više zamenjuje nikl-metal-hidrid (Ni-MH) baterija jer ne podleže memorijskom efektu (o kome će biti reči nešto kasnije). Litijum-jonska (Li-ion) baterija je najviše u upotrebi u laptop računarima i mobilnim telefonima zbog povoljnog odnosa kapaciteta i mase. Ona ne dolazi u standardnim oblicima, već u specijalnim baterijskim paketima. Postoji još nekoliko tehnologija punjivih baterija, kao što su litijum-polymer (duplo većeg kapaciteta od Li-ion), cink-vazdušna (veoma lagana), cink-živin oksid (za slušne aparate), srebro-cink (upotrebljava se u avio-industriji zbog povoljnog odnosa masa-kapacitet) i metal-hlorid (u upotrebi u električnim vozilima), ali su u pitanju tehnologije i hemija s kojima se za sada ne može naći u svakodnevnoj upotrebi .

Pošto se isprazne, punjive baterije je moguće napuniti u punjačima ili pomoću ispravljača. Standardni punjači, namenjeni punjenju Ni-Cd baterija, veoma su jednostavni jer daju struju stalne jačine, a na korisniku je da punjač isključi kada je baterija puna. Formula za izračunavanje vremena punjenja glasi:

Vreme punjenja (u minutima) = [(kapacitet baterije / jačina struje punjenja) / 0,8] * 60 Ova formula je značajna jer svako prepunjavanje oštećuje bateriju. Punjenje standardnim

punjačem može da potraje i desetinu sati, u zavisnosti od kapaciteta baterije. Noviji punjači su inteligentni i opremljeni su mikroprocesorom koji prati tok punjenja. Tehnikom kontrole delta-napona (pre nego što se baterija napuni, njen napon naglo raste, a zatim opadne) ovi punjači prekidaju punjenje u pravom trenutku. Takođe, oni su značajno brži (punjenje traje nekoliko

3

sati) jer bateriju pune jačom strujom koju stalno kontrolišu. U Tabeli 1.1 su prikazane uporedne karakteristike punjivih baterija.

Tabela 1.1 Kritične metrike za različite tehnologije punjivih baterija

Ni-Cd Ni-MH Li-ion Li-poly radni napon(V) 1,2 1,2 3,6 3 energy density (Wh/L) 120 240 260 264

energy density (Wh/kg) 50 60 115 250

radni vek (ciklusa) 300 –800 300 –800 1200 1200 memorijski efekat da da ne ne cena ($/Wh) 1 1,3 2,5 2

1.1.3 Podela baterija prema hemijskom sastavu U zavisnosti od hemijskog sastava, u praksi srećemo sledeće tipove baterija:

Carbon-Zinc (Cink-ugljenik) baterije– spadaju u baterije za jednokratnu upotrebu (nepunjive) i imaju malu energy-density. Koriste se za napajanje portabl elektronskih uređaja, daljinskih upravljača, satova, mernih instrumenata i kalkulatora. Spadaju u najjeftinije i sve do pre dvadesetak godina najviše zastupljene na tržištu, danas predstavljaju dno ponude. To su prve baterije koje su se pojavile na tržištu, a prije njih koristile su se punjive baterije s olovnim elektrodama zaronjenima u sumpornu kiselinu koje i danas nalaze svoju primjenu u automobilima. Najveći nedostatak cink-ugljeničnih baterija je njihova sklonost ka curenju. Vremenom, kako se baterija prazni, kućište postaje porozno i često se događa da propusti kiselinu koja onda može uništiti uređaj u kojemu se baterija nalazi.

Zinc Chloride (Cink-hlorid) baterije− su naprednija varijanta cink-ugljeničnih baterija. Upotreba hlorida je omogućila za 50% veći kapacitet od cink-ugljeničnih baterija. Zbog veće otpornosti prema curenjeu, boljih karakteristika na nižim temperaturama, karakteristikama prilikom skladištenja i podnošenja viših temperatura preuzele su primat nad cink-ugljeničnim baterijama.

Silver-oxide (Srebro-oksid) baterije– su nepunjive baterije. Napon ćelije ove baterije je 1.86V. Ove baterije imaju dug vek trajanja kao i energy-density. Nepovoljno je to što im je cena velika zbog ugrađenog srebra. Izrađuju se u nekoliko varijanti, uglavnom kao male dugmaste baterije.

Alkaline (Alkalne) baterije– imaju energy-density nešto bolju od Ni-Cd, i uglavnom se koriste kao baterije za jednokratnu upotrebu. Postoji i recharchable tip ovih baterija ali njihova

Tabela 1.2 Kritične metrike za različite tehnologije nepunjivih baterija

Carbon-Zinc Alkaline Silver-oxide Zn-Air Lithium

radni napon (V) 1.5 1.5 1.5 1.4 1.5 ili 3.0 energy density (Wh/L) 100-180 150-440 250-500 470-1450 340-500

energy density (Wh/kg) 105-195 125-225 155-285 245-455 32-260

kapacitet(mAh) 10-5000 10-5000 5-200 30-1000 10-3000

Samopraznjenje po godini(20˚C) 5% 4% 3% 5% 1%

4

energy-density brzo opada sa višestrukim punjenjem. U Tabeli 1.2 je dat pregled glavnih odlika nepunjivih baterija. Danas je upravo ova vrsta baterija najviše zastupljena na tržištu.

Lithium (Litijum) baterije– su najnovija generacija nepunjivih baterija. Iako skuplje od alkalnih, danas se zbog svojih brojnih prednosti sve više koriste. Odlikuje ih veliki kapacitet ćelije i mali procenat samopražnjenja. Budući da kao osnovni elemenat koristi litijum (Li), jedan od najlakših metala, ova vrsta baterije odlikuje se vrlo malom težinom. Ove prednosti ih čine naročito pogodnim za korištenje u digitalnim fotoaparatima.

Ni-Cd (Nikl-Kadmijum) baterije– kao jedan od najčešće korišćenih oblika. Ove baterije se karakterišu high-energy current i podnose visoke temperature te se koriste za ugradnju u uredjajima koji mogu da pokreću male motore. Memorijski efekat, high-self-discharge rate, i low-energy density su loše osobine ovih baterija, što ih čini neupotrebljivim za cellular phones i notebook computers. Pored toga nedostatak im je visoka toksičnost kadmijuma.

Ni-MH (Nikl-Metal-Hidrid) baterije– donele su mnoga poboljšanja, ali i neke probleme. Osnovni napredak je u tome što je toksični kadmijum zamijenjen hidridom (spojem metala i vodonika) i netoksičnim metalom. Ovaj ekološki znatno prihvatljiviji hemijski sastav doneo je i znatno veću gustinu energije od Ni-Cd baterija. Ni-MH baterije se odlikuju i znatno smanjenom kristalizacijom, pa su stoga manje zahtevne za svakodnevnog korisnika, jer traže minimalno održavanje. Osnovni nedostatak im je oko dva puta kraći životni vek. Potencijalni nedostatak predstavlja i vrlo izraženo samopražnjenje. Koriste se kod mobilnih telefona i notebook računara jer je njihova cena prihvatljiva, a energy-density je relativno visok. Ovaj tip baterije je dugo bio most izmedju Ni-Cd i Lithium-ion-skih, ali je izgubio primat zbog pada cena Lithium-ion-skih baterija.

Li-ion (Litijum-jon) baterije– predstavljaju veliki korak u evoluciji punjivih baterija. Kao i litijumske baterije odlikuje ih mala težina. Jedna od najvećih prednosti je vrlo velika gustina energije, čak dvostruko veća od tipične Ni-MH baterije. Odlikuje ih i tri puta veći nazivni napon od Ni-MH baterije i to 3.6V u odnosu na 1.2V. Velika prednost je ta što za razliku od baterija na bazi nikla, Li-ion baterija ne zahteva nikakvo održavanje jer ne pati od memorijskog a ni od kristalizacijskog efekta. Dakle, moguće ju je puniti bilo kada i nema potrebe za periodičkim pražnjenjem. Li-ion baterija je, sama po sebi, izuzetno osjetljiva na prepunjavanje i preterano pražnjenje. Zbog toga je u svaku komercijalnu Li-ion bateriju ugrađena elektronika koja reguliše punjenje ili pražnjenje. Iako nije pogodna za pražnjenja velikim strujama, pokazala se kao izvrsno rješenje za mobilne telefone i notebook računare. Njen relativno dug životni vek (500-1000 ciklusa) može biti skraćen starenjem baterije i bez njene upotrebe, što je znatno naglašenije nego kod baterija na bazi nikla. Po konstrukciji su veoma tanke (do 0.5 mm).

Li-poly ili Li-Po baterije (Litijum-Polimer)– su slične Li-ion baterijama. Elektrolit baziran na polimeru omogućava joj osobine koje su gotovo nezamislive kod ostalih navedenih vrsta. Radi se o mogućnosti potpuno proizvoljnog oblikovanja baterije, čak i u vrlo tanke oblike. Ne treba mnogo mašte da se uvide mogućnosti ove tehnologije u trendu smanjivanja mobilnih aparata. Nedostaci u odnosu na stariju sestru su pre svega kraći životni vek (približno jednak Ni-MH bateriji), veća osetljivost na niske temperature.

Najslabije su cink-ugljenične baterije, najčešće rešenje su alkalne baterije, a ubedljivi šampion među svim baterijama su baterije na bazi litijuma. One su, u zavisnosti od opterećenja, trajnije od alkalnih do 5 puta. Faktor opterećenja je zanimljiv jer što je opterećenje veće, to su litijumske baterije efikasnije u odnosu na alkalne. Što se punjivih baterija tiče, Ni-MH su oko 30% efikasnije od Ni-Cd, ali nepunjive litijumske baterije su bolje i od njih, i to 50% do 100%. Ni-MH baterije zahtevaju nekoliko ciklusa punjenja i pražnjenja kako bi dostigle svoj puni radni kapacitet.

Treba napomenuti i Lead-acid (Olovno-kiselinske) baterije koje se koriste u automobilskoj industriji. Odlikuje ih veliki kapacitet i sposobnost da u određenom trenutku mogu podneti velike struje pražnjenja. Spadaju u grupu punjivih baterija. U novije vreme su razvijene sledeće tehnologije izrade baterija:

5

Tehnologija koja je postala dostupna korisnicima mobilnih telefona, kao Zn-Air (Cink-vazduh) baterija. Iako ova baterija ne spada u punjive, pokazala se kao vrlo korisnom u funkciji rezervne baterije ili baterije za hitne slučajeve. Ova baterija se isporučuje hermetički zapakovana i specifičnog je izgleda. Kao što joj ime govori, stvaranje električne energije u ovoj bateriji se zasniva na reakciji cinka i vazduha, tj. kiseonika. Kako bi kiseonik imao pristup od cinka do elektroda u unutrašnjosti baterije, kućište baterije probušeno je mnoštvom malih otvora. Kada se hermetičko pakovanje jednom otvori, kiseonik u dodiru sa cinkom proizvodi električnu energiju i baterija se postepeno prazni. Pražnjenje ove baterije se odvija iako se ne koristi. Obično imaju više nego tri puta veći kapacitet od prosječnih Li-ion ili Ni-MH baterija. Kada prestane davati napon, Zn-Air bateriji preostaje samo recikliranje. Ove baterije su komercijalno dostupne u obliku punjača, tj. priključuju se na mobilni telefon umjesto mrežnog ispravljača.

Photovoltaic cells− konvertuju ambijentalno svetlo u električnu energiju i mogu se koristiti za low-power devices kakvi su kalkulatori. Napon jedne ćelije je oko 0.6V. Efikasnost ovih ćelija se kreće do 18%. U novije vreme ove ćelije se povezuju i čine module za napajanje. Moduli se izrađuju za različite snage, koje se mogu kretati do 210W. Ovo ih čini povoljnim za upotrebu u različitim aplikacijama.

Fuel cells (Gorive ćelije)– princip na kome se teoretski zasnivaju je jednostavan, a temelji se na procesu suprotnom elektrolizi vode. Elektroliza vode je razlaganje vode na vodonik (H) i kiseonik (O) provođenjem električne energije kroz nju. Ideja je obrnuti ovaj postupak te iz vodonika i kiseonika dobiti vodu i električnu energiju. Ovaj ekološki savršen postupak izgleda vrlo jednostavno u teoriji, no praksa pokazuje da je ovaj proces u praksi znatno teže izvesti. Postoje mnoge varijante gorive ćelije, od onih koje rade na elementarni vodonik i kiseonik, do onih koje vodonik dobivaju indirektno. Za prenosive elektronske uređaje zanimljive su gorive ćelije koje kao gorivo troše metanol takozvane DMFCs (Direct Methanol Fuel Cell). Ove baterije se odlikuju veoma visokom energy density (tri do deset puta bolju u odnosu na Li-ion-ske baterije). Koriste se u vojnim aplikacijama i u gradskom autobuskom saobraćaju kao napajanje za elektromotore, mada se razvijaju i napajanja za notebook računare.

1.2 Karakteristike baterija Ove karakteristike su veoma bitne za projektante prilikom izabira najprikladnije vrste baterija za odgovarajuću aplikaciju. Ukazaćemo na nekoliko ključnih karakteristika baterija važnih sa aspekta eksploatacije.

1.2.1 Kapacitet Potrošaču je veoma važno pitanje kapaciteta baterije. Kapacitet baterije (Discharge capacity) je mera za količinu električne energije koju baterija može dati tokom pražnjenja, izražava se u mili-amper-časovima (mAh) i jednak je proizvodu jačine struje pražnjenja i vremena pražnjenja. Iako stvari baš nisu tako jednostavne, može se reći da kapacitet od 600 mAh znači da baterija sat vremena može davati struju od 600 mA ili baterija koja tokom dva sata može davati struju od 300 mA takođe ima kapacitet od 600 mAh. Upoređivanje kapaciteta nepunjivih i punjivih baterija je nezahvalno jer će alkalna baterija, recimo, postići samo delić izmerenog kapaciteta ako treba da pokrene neki veliki potrošač. To je i razlog što se na većini alkalnih baterija ne nalazi oznaka kapaciteta. Punjive baterije su postojanije, pa će, recimo, Ni-MH baterija kapaciteta 1800 mAh izdržati mnogo više u digitalnom fotoaparatu nego alkalna baterija deklarisanog kapaciteta 2800 mAh. Na subjektivni utisak trajnosti baterije u uređaju utiče karakteristika pražnjenja baterije.

Energy density je mera koja pokazuje koliko energije baterija može da čuva u zadatom volumenu ili masi. Ova mera se može iskazati na sledeća dva načina:

• Volumetrijska energy density se obično meri u vatčasovima po litru (Wh/l)

6

• Gravimetrijska energy density se meri u vatčasovima po litru (Wh/kg)

1.2.2 Radni napon Ćelija je osnovna baterijska jedinica i odlikuje se svojim nazivnim naponom i kapacitetom. Radni napon (working voltage) predstavlja dostupan napon dobijen od jedne ćelije, koji je određen hemijskim sastavom. Tako na primer najveći radni napon od 3.7V ima Li-polymer ćelija, 3.6V Li-ion, oko 2V ima ćelija za olovno kiselinske baterije, slede karbon-cink i alkalne baterije sa 1.5V, Ni-Cd i Ni-MH imaju oko 1.2V (1.25V za industrijske i vojne svrhe). Standardni naponi za napajanje uređaja se dobijaju serijskom vezom dve ili više baterijskih ćelija.

1.2.3 Samopražnjenje Nedostatak na koji treba obratiti pažnju prilikom skladištenja baterija je samopražnjenje baterija (Self discharge). Efekat samopražnjenja je gubitak kapaciteta baterije čak i kada ona nije u uređaju. Na samopražnjenje utiče temperatura na kojoj se baterije čuvaju odnosno što je viša temperatura, baterija se brže prazni. Nepunjive baterije imaju izuzetno dug životni vek, kada se ne koriste, i zbog toga su naročito pogodne za korisnike koji svoj uređaj ne upotrebljavaju često. Ako se ne upotrebljavaju, alkalne baterije će na sobnoj temperaturi (uobičajenoj) gubiti manje od 2% kapaciteta godišnje. Na 30˚C gube oko 5%, a na 38˚C čak 25% godišnje. Za razliku od njih, punjive baterije veoma su podložne samopražnjenju. Baterije zasnovane na niklu gube i po 1% do 2% kapaciteta dnevno na sobnoj temperaturi, pri čemu je proces sporiji što je temperatura niža. Li-ion baterije gube 8% do 12% kapaciteta mesečno kada se ne upotrebljavaju.

1.2.4 Temperatura Karakteristike baterijske ćelije se mogu dramatično degradirati pod uticajem temperature, bez obzira o kom hemjskom sastavu baterije se radi. Zato su prilikom projektovanja uređaja temperaturne karakteristike baterija veoma važne. Na niskim temperaturama može doći do zamrzavanja elektrolita unutar ćelije. Slično na visokim temperaturama može doći do uništenja baterije i curenja elektrolita. Zbog toga proizvođači daju radni opseg temperature, najčešće je to od -20˚C do +55˚C. Na Slici 1.1 je prikazan uticaj temperature na karakteristiku pražnjenja Li baterije.

Slika 1.1. Tipična karakteristika pražnjenja baterije

Sa grafikona se vidi da se baterija mnogo brže prazni na niskim temperaturama (plava

karakteristika), odnosno karakteristika je mnogo strmija. Uz to i radni napon je manji na nižim temperaturama. Sa druge strane, na visokim temperaturama, napon je neznatno veći od napona

7

na sobnoj temperaturi (crvena karakteristika). Može se zaključiti da niže radne temperature imaju daleko lošiji uticaj na rad baterija. Prilikom skladištenja baterija, takođe se mora voditi računa o temperaturi ambijenta. Efekat samopražnjenja je izraženiji na visokim temperaturama. Može se desiti da na temperaturi 60˚C baterija za 10 nedelja izgubi 50 % kapaciteta.

1.2.5 Impedansa baterije Unutrašnja impedansa ćelije određuje mogućnost držanja struje baterije. Ekvivalentno kolo jedne baterijske ćelije je dato na Slici 1.2. Rm predstavlja otpornost metalnih delova unutar baterije kao što su priključne tačke, elektrode i veze unutar ćelije. Ra je otpornost elektrohemijskih delova unutar elektrolita i separatora. Cb se odnosi na kapacitivnost sendvič strukture elektroda-separator-elektroda. Ri predstavlja nelinearnu otpornost kontakta između elektroda i elektrolita. Što je ukupna unutrašnja otpornost baterije manja to je struja koju baterija može isporučiti veća. Tipična unutrašnja otpornost baterije je reda milioma.

Slika 1.2. Ekvivalentno kolo baterije Unutrašnja impedansa ćelije zavisna je od fizičkih karakteristika elektrolita. Što je zrnasta

struktura elektrolita manja, manja je i impedansa. U cilju redukcije unutrašnje otpornosti i povećanja površine elektroda najčešće se koristi spiralna konstrukcija ćelije. Pored ovoga, ovakva konstrukcija smanjuje generisanje toplote i omogućava brzo punjenje i pražnjenje ćelije. Unutrašnja otpornost galvanske ćelije je zavisna od temperature. Sa porastom temperature povećava se i pokretljivost elektrona a samim tim je unutrašnja otpornost manja. Slika 1.3 prikazuje zavisnost unutrašnje otpornosti od temperature kod olovno-kiselinske baterije.

Slika 1.3. Unutrašnja otpornost olovno-kiselinske baterije Sa grafika se vidi da je ćelija može biti veoma neefikasna na niskim temperaturama, ali sa

porastom temperature se povećava efikasnost u vidu smanjenja unutrašnje impedanse i povećanja brzine hemijske reakcije.

8

1.2.6 Memorijski efekat Ovaj fenomen bitan je samo kod punjivih baterija. To je pojava da baterija gubi svoj energetski kapacitet posle više ciklusa nepotpunog punjenja i pražnjenja. Tome su naročito podložne Ni-Cd baterije. Ako se Ni-Cd baterija puni više puta pre nego što se isprazni do kraja, doći će do pojave kristalizacije elektrolita. To se može shvatiti kao pojava taloga koji smanjuje slobodan prostor u bateriji. Nakon većeg broja punjenja i pražnjenja ove baterije će postati potpuno beskorisne. Memorijski efekat je „izlečiv”, tako što svaku ćeliju baterije treba isprazniti minimalnim opterećenjem na 1.0 V po ćeliji, a zatim je potpuno napuniti. Ovaj proces se ponovi nekoliko puta dok se baterija ne vrati na originalni kapacitet. Ovo treba biti strogo kontrolisano jer ako se ćelija isprazni ispod 1.0 V, dolazi do „obrtanja” polariteta ćelije i ona postaje neupotrebljiva. Memorijski efekat nije isti za sve punjive baterije. Kao što je naglašeno, Ni-Cd baterije naročito su podložne memorijskom efektu, kod Ni-MH baterija memorijski efekat značajno je manji, dok kod Li-ion baterija memorijski efekat ne postoji.

1.2.7 Radni vek Pod ciklusom se podrazumeva jedno pražnjenje i jedno punjenje baterije. Obično se baterija puni do kraja, a prema tome koliko se baterija isprazni razlikujemo plitke i duboke cikluse.

Radni vek (Cycle life) predstavlja broj ciklusa nakon kog kapacitet baterije nepovratno padne ispod 80% početnog kapaciteta. Takođe, pod radnim vekom može se smatrati i vreme (npr. broj godina) nakon koga dolazi do pogoršanja performansi baterije. Kod Ni-Cd baterija radni vek iznosi oko 1000 ciklusa, kod Ni-MH baterija 600 ciklusa, a kod Li-ion oko 800 ciklusa (Slika 1.4).

Slika 1.4. Radni vek baterije

1.2.8 Brzina pražnjenja (C-rate) Oznaka C (C-rate) služi za merenje brzine punjenja i pražnjenja baterija. Vrednost od 1C je pražnjenje baterije strujom ekvivalentnom sa nominalnom kapacitivnošću baterije. Na primer, Ako baterija od 1000 mAh ima potrošnju od 1C, to znači da daje struju od 1000mAh x 1C = 1000 mA na sat vremena. Isto tako pražnjene iste baterije sa 0,5C daje 500 mA u trajanju od dva sata. 2C imaju baterije koje daju struju od 2000 mA u trajanju od 30 minuta. Često se 1C naziva jednočasovno pražnjenje, 0.5C dvo časovno a 0.1C deseto časovno pražnjenje.

Ukoliko se koristi veći C broj za pražnjenje baterije, ona će trajati kraće vreme i obrnuto. Teoretski, kapacitet baterije je isti bilo da se ona prazni sa velikim ili sa malim C, međutim u praksi se usled pražnjenja velikim C javljaju dodatni gubitci. Gubitak energije se javlja unutar baterije usled pada napona na bateriji, i iznosi oko 3%. Pražnjenje baterije sa 0.5C, ili 500 mA preko dva časa redukuje kapacitet baterije za 3 %. Ove razlike u kapacitivnosti sa različitim C vrednostima pražnjenja uglavnom zavise od unutrašnje otpornosti baterije. Kod nove baterije koja ima dobru strujnu karakteristiku punjenja ili malu unutrašnju otpornost neslaganje iznosi

9

svega nekoliko procenata. Ako baterija ima veliku unutrašnju otpornost, razlika u kapacitetu može varirati ±10% ili više.

Li-ion i Li-polymer baterije imaju ugrađenu elektronsku zaštitu protiv velikih struja pražnjenja. Zavisno od tipa baterije, struje pražnjenja su limitirane između 1C i 2C. Karakteristike pražnjenja prikazane na Slici 1.5 odnose se na Li-ion ćeliju i prikazuju odnos napona baterije i efektivne kapacitivnosti ćelije prilikom veoma velikih brzina pražnjenja.

Slika 1.5. Različita brzina pražnjenja Li-ion baterije

Sa karakteristike se vidi da za struju pražnjenja od 18C baterija prikazuje kapacitet od

6.5Ah, dok pri pražnjenju od 1C ima kapacitet od 8Ah. Pored toga napon na bateriji pri je manji pri većim strujama pražnjenja.

Ako pražnjenje traje dug vremenski period uz veliku struju pražnjena, efektivni kapacitet baterije može opasti duplo u odnosu na nominalni koji je definisan za manje C vrednosti. Ovo može biti veoma važno prilikom projektovanja baterija za velike potrošače. Za merenje performansi olovno-kiselinskih baterija ne može se koristiti veličina od 1C. Za ove baterije proizvođači obično koriste 0.05C ili 20-to časovno pražnjenje, međutim ovo sporo pražnjenje baterije nije podesno za praktičnu upotrebu. Zbog toga se više koristi petočasovno pražnjenje ili 0.2C. Proizvođači često daju ofset kapaciteta baterije u cilju kompenzacije varijacija struje pražnjenja.

Punjenje ili pražnjenje se može meriti i veličinom It. It je veličina koja se može izraziti sledećom jednačinom:

It(A) = Ca (Ah) / 1(h) (1.1) gde je Ca kapacitet baterijske ćelije izražen u Ah. Na primer, ukoliko bateriju sa

kapacitetom 1000mAh praznimo 1h struja pražnjenja iznosi 1It (A).

1.2.9 Peukert-ova jednačina Peukert-ova jednačina je empirijska formula, koja aproksimira kako se menja raspoloživa kapacitivnost baterije saglasno sa brzinom pražnjenja baterije. C = I n T gde je "C" teoretska kapacitivnost baterije izražena u amper-časovima, "I" predstavlja struju pražnjenja, "T" je vreme i "n" je Peukert-ov broj koji je konstantan za različite vrste baterija. Jednačina prikazuje koliko je malo dostupne energije ostalo u bateriji prilikom pražnjenja iste velikom strujom. Peukert-ov broj se direktno odnosi na unutrašnju otpornost baterije.

Ako je vrednost Peukert-ove konstante 1 to inicira da je baterija u dobrom stanju, a ako je konstanta veći broj to ukazuje na pad kapaciteta baterije usled pražnjenja velikom strujom. Peukert-ov broj baterije se određuje empirijski. Za olovno kiselinske baterije ovaj broj se kreće između 1.3 i 1.4.

2 Punjive baterije

Ovo poglavlje ima za cilj da objasni osnovne principe punjivih baterija, odnosno da prikaže njihove karakteristike pri različitim uslovima eksploatacije.

Nikl-kadmijum (Ni-Cd) baterija je postavila temelj današnjem poimanju punjivih baterija, a predstavlja i dobru tehnološku osnovu za razvoj novijih vrsta. Ova baterija je prva široko prihvaćena punjiva baterija opšte namene. Upravo zbog ovih karakteristika uzeta je prva u razmatranje. Nasuprot tome što nudi nisku gustinu energije, a i hemijski sastav joj je daleko od ekološki prihvatljivog (toksični kadmijum). Njenu prikladnost za široke mase umanjuje činjenica da s ovom baterijom treba znati ispravno postupati, zbog vrlo izraženog problema kristalizacije odnosno memorijskog efekta koji je jako izražen. Dug životni vek (u izuzetnim slučajevima čak i do 1500 ciklusa) i dobro podnošenje većih struja pražnjenja čini je i danas vrlo pogodnom za određene primene (kućni uređaji i alati, prenosne radio-stanice, medicinska oprema, profesionalne video-kamere, uređaji koji pokreću male motore itd.). Zbog različitih primena javila se potreba za proizvodnjom nekoliko vrsta Ni-Cd baterija kao što su: Standardne Ni-Cd baterije, Ni-Cd baterije velikog kapaciteta i Backup Ni-Cd baterije.

Hronoliški kao logičan nastavak Ni-Cd baterija su se pojavile Ni-MH baterije. Toksični kadmijum je zamenjen prihvatljivijim metal-hidridom. Upotreba metal-hidrida, takođe, donosi bolje karakteristike baterija. Uz to su postignuti i dobri rezultati po pitanju smanjenja memorijskog efekta i težine. Zbog dobrih karakteristika su ove baterije dugo bile u upotrebi sve do pojave Li-ion baterija.

Li-ion baterije su po pitanju karakteristika daleko superiornije od Ni-Cd i Ni-MH baterija. Međutim, ove baterije su mnogo zahtevnije od predhodno opisanih vrsta. Podnose samo temperature u određenom opsegu, ne vole da se naglo pune ili prazne i ne podnose česta duboka pražnjenja.

11

2.1 Standardne Ni-Cd baterije Punjive standardne Ni-Cd baterije su slične alkalnim baterijama. Za pozitivnu elektrodu

koriste nikl-kiseonik-hidroksid (Ni(OH)2), za negativnu kadmijum (Cd) i neki od alkalnih elektrolita kao što su kalijum-hidroksid (KOH) ili natrijum-hidroksid (NaOH). Unutar Ni-Cd baterije se javljaju tri različita hemijska procesa: reakcija usled pražnjenja baterije, reakcija usled punjenja potrošene baterije i reakcija oslobađanja kiseonika usled elektrolize vode na pozitivnoj elektrodi, koja se javlja usled prepunjavanja baterije. Reakcije usled punjenja i pražnjenja baterije su prikazane sledećim jednačinama:

Pražnjenje: 2NiOOH + Cd +2H2O → 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 (2.1) Punjenje: 2NiOOH + Cd +2H2O ← 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 (2.2)

Na pozitivnoj elektrodi, nikl-kiseonik-hidroksid prelazi u nikl-hidroksid i obratno u

zavisnosti da li se radi o pražnjenju ili punjenju, i na negativnoj elektrodi reakcija usled koje kadmijum prelazi u kadmijum-hidroksida ili obrnuto. Reakcije koje se javljaju na pozitivnoj i negativnoj elektrodi su oblika:

pozitivna elektroda pražnjenje: NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH- (2.3) pozitivna elektroda punjenje: NiOOH + H2O + e- ← Ni(OH)2 + OH- (2.4)

negativna elektroda pražnjenje: Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e- (2.5) negativna elektroda punjenje: Cd + 2OH- ← Cd(OH)2 + 2e- (2.6)

Slika 2.1 prikazuje predhodno navedene reakcije. Može se primetiti da kalijum-hidroksid

prividno ne učestvuje u reakcijama i da molekuli vode koji nastaju prilikom punjenja na pozitivnoj elektrodi nestaju prilikom pražnjenja baterije. Zbog toga ne dolazi do značajne promene koncentracije elktrolita, što omogućava ovim baterijama dobre temperaturne karakteristike, dobre karakteristike pražnjenja, veliku izdržljivost i druge karakteristike.

Slika 2.1. Reakcija unutar Ni-Cd baterije

Usled elektrolize vode u elektrolitu može doći do oslobađanja kiseonika i hidrogena na

pozitivnoj i negativnoj elektrodi naizmenično. Hemijska reakcija koja ovo opisuje je oblika:

4OH- → 2H2O + O2 + 4e- (2.7) Ova pojava uzrokuje pad količine vode u elektrolitu i ponekad povećanje pritiska gasa

unutar baterije. Na ovaj način može doći do fizičkog uništenja baterije ili do brzog uništenja elektrolita. Zbog toga je baterija dizajnirana tako da se gas koji je nastao unutar baterije ispusti

12

kroz ugrađeni ventil u okolni prostor. Na ovaj način se sprečava nadimanje baterije, samim tim i rizik od fizičkog oštećenja. Struktura gasnog ventila je prikazana na Slici 2.2.

Slika 2.2. Poprečni presek baterije

Opruga u vrhu baterije je otporna do određenog pritiska unutar baterije. Nakon prelaska te

granice opruga popušta gumenu ploču i dozvoljava višku gasa da izađe. Nakon aktiviranja ventila baterija se slobodno može koristiti, međutim često otvaranje ventila nije preporučljivo jer na taj način može doći do značajnog gubitka elektrolita iz baterije.

Slika 2.3. Izgled spiralnog kućišta baterije

13

Ni-Cd baterije se najčešće izrađuju u spiralnim kućištima prikazanim kao na Slici 2.3. Pozitivna i negativna elektrodna ploča su napravljene od veoma tankog materijala i izolovane su pomoću separatora u vidu dugih ploča. Na ovaj način formiraju sendvič strukturu pozitivna elektroda-separator-negativna elektroda. Ovakva struktura je umotana u spiralu, ubačena u metalno kućište i zalivena pomoću voska koji predstavlja izolacioni sloj.

Pored cilindričnog pakovanja Ni-Cd baterije se mogu izrađivati i u Slim pakovanjima. Izgled jednog Slim pakovanja je dato na Slici 2.4.

Slika 2.4. Baterijsko slim pakovanje

Elektrode Ni-Cd Slim baterije su identične kao i kod cilindrične Ni-Cd baterije. Razlika je

samo u obliku koji je prilagođen Slim metalnom kućištu. Sa gornje strane je laserski zalemljena ploča, radi zaštite od curenja elektrolita. Slično cilindričnoj ćeliji, i Slim ćelija može imati gasni ventil. Ostale karakteristike ove baterije se značajno ne razlikuju od karakteristika cilindrične ćelije.

2.1.1 Karakteristika punjenja Ni-Cd baterija Ni-Cd baterije se pune konstantnom ili kvazi-konstantnom jednosmernom strujom. Na Slici

2.5 su ilustrovane osnovne karakteristike punjenja Ni-Cd baterija kao zavisnost napona ćelije, unutrašnjeg pritiska i temperature tokom punjenja od struje i vremena punjenja.

Slika 2.5. Karakteristike punjenja Ni-Cd baterija

14

Prikazana karakteristika se odnosi na struju punjenja od 0.1It na temperaturi od 20ºC. Napon

na ćeliji tokom punjenja linearno raste. Nakon 12 časova punjenja baterija je napunjena, na šta ukazuje ravna naponska karakteristika. Što se tiče temperature i pritiska unutar ćelije situacija je slična. Blagi porast temperature i pritiska unutar baterije se uočava tek pošto je baterija napunjena. Ukoliko se baterija puni i preko 20 h dolazi do prepunjavanja. Do prepunjavanja može doći i ukoliko se koriste velike struje punjenja. Struktura Ni-Cd baterijske ćelije omogućava rekombinaciju kiseonika nastalog na pozitivnoj elektrodi usled prepunjavanja. Ova pojava je opisana sledećom hemijskom reakcijom:

prepunjavanje: Cd + 1/2O2 + H2O → Cd(OH)2 (2.8)

Pošto je rekombinacija ograničena, struja punjenja će biti određena balansom nastalog i

rekombinovanog kiseonika.

2.1.1.1 Efikasnost punjenja Ni-Cd baterija Obično prilikom punjenja baterija, uložena energija se ne iskorišćava u potpunosti za

punjenje aktivnog materijala unutar baterije. Termin efikasnost punjenja predstavlja odnos utrošene energije i energije unete prilikom punjenja. Efikasnost punjenja se izražava sledećom jednačinom:

Efikasnost punjenja(%) = struja pražnjenja x vreme pražnjenja kompletne baterije / struja

punjenja x vreme punjenja x 100 x 100 Uneta energija se troši na konverziju aktivnih materijala u stanje napunjenosti i reakciju

generisanja kiseonika. Slika 2.6 prikazuje uzajamni odnos procenta napunjenosti baterije od unete energije, i odnos efikasnosti punjenja od procenta napunjenosti, kada je potpuno ispražnjena baterija napunjena sa 0.1It. Isprekidana linija prikazuje idealnu ćeliju sa 100% efikasnošću punjenja.

Slika 2.6. Efikasnost punjenja Ni-Cd baterija

15

Kao što se može primetiti na karakteristici, efikasnost punjenja značajno zavisi od procenta napunjenosti baterije. Na karakteristici razlikujemo tri oblasti punjenja:

U prvoj oblasti, električna energija većim delom se troši na konverziju aktivnog materijala unutar elektrode u formu napunjenosti. Zbog toga je efikasnost punjenja u okviru ove oblasti mala.

Druga oblast na karakteristici se odlikuje skoro idealnom efikasnošću punjenja. Skoro sva uneta energija je potrošena na konverziju aktivnog materijala unutar elektrode.

Unutar treće oblasti ćelija prelazi u stanje napunjenosti. Sada se uneta energija troši na generisanje kiseonikia. Karakteristika opada što uzrokuje pad efikasnosti punjenja.

Efikasnost punjenja u velikoj meri zavisi i od brzine punjenja ćelije. Na Slici 2.7 su prikazane karakteristike zavisnosti napunjenosti baterije od procenta punjenja za različite brzine punjenja.

Slika 2.7. Procenat napunjenosti Ni-Cd baterije

Sa dijagrama se vidi da je veća efikasnost punjenja pri većoj brzini punjenja. Da bi se

baterija sigurno napunila, moramo je puniti sa odgovarajućom strujom punjenja. U slučaju da struja odnosno brzina punjenja nije zadovoljavajuća, efikasnost punjenja će biti narušena i baterija se neće napuniti do kraja. Ovo ilustruje karakteristika efikasnosti punjenja za 0.01It, koja može napuniti bateriju nešto iznad 80% kapaciteta. Efikasnost punjenja, takođe, zavisi i od temperature okoline. Slika 2.8 ilustruje efikasnosti punjenja za različite temperature pri punjenju od 0.1It.

Slika 2.8. Efikasnost punjenja na različitim temperaturama

16

Može se primetiti beznačajan pad kapaciteta napunjenosti baterije pri visokim

temperaturama usled opadanja generisanja kiseonika na pozitivnoj elektrodi. Ovaj pad kapaciteta ćelije je trenutan i može se obnoviti prilikom punjenja na normalnoj (sobnoj) temperaturi. Slika 2.9 ilustruje odnos kapaciteta ćelije i temperature ambijenta.

Slika 2.9. Odnos kapaciteta ćelije i temperature okoline

Isprekidana karakteristika se odnosi na struju punjenja od 0.033It dok je puna karakteristika

za struju punjenja od 0.1It. Efekat pada kapaciteta u zavisnosti od temperature je izraženiji pri manjim strujama punjenja.

Na osnovu predhodnog izlaganja može se zaključiti da efikasnost punjenja uglavnom zavisi od načina punjenja, vremena punjenja i temperature.

2.1.1.2 Temperatura ćelije tokom punjenja Tokom punjenja, promena temperature ćelije je veoma mala i ekvivalentna je zagrevanju

unutrašnje otpornosti. Ovo se odnosi na inicijalnu i središnju fazu punjenja ćelije. Što se tiče faze prepunjavanja ćelije, energija punjenja se konvertuje u veliku količinu toplote uz reakciju rekombinacije gasa. Uzrok porasta temperature mogu predstavljati sledeći faktori:

• Struja punjenja • dizajn ćelije • dizajn baterije (forma, broj ćelija, itd.) • ambijetalni uslovi (temperatura okoline, ventilacija, itd.)

Veza između temperature ćelije i struje punjenja za nekoliko različitih tipova Ni-Cd baterija je prikazana na Slici 2.10.

Slika 2.10. Odnos temperature ćelije i struje punjenja

17

Zagrevanje nastalo usled povećanja struje punjenja, takođe zavisi od tipa baterije i proporcionalno je njenoj veličini. Ukoliko se baterija većeg kapaciteta puni većom strujom nastaje veći rast temperature. Sa karakteristike se vidi da baterija koja ima kapacitet od 7000mAh ima porast temperature od 20ºC pri struji punjenja od 0.2It, dok pri istoj struji punjenja baterija kapaciteta 600mAh ima porast temperature od svega 3 ºC.

Sam dizajn elektroda unutar ćelije takođe utiče na porast temperature, na taj način što se kontroliše rekombinacija gasa koja direktno utiče na porast temperature unutar ćelije. Kod baterija u zatvorenom kućištu je veoma važna termička provodnost materijala od koga je izrađeno kućište baterije. Korišćenjem materijala sa većom toplotnom provodljivošću smanjujemo rizik porasta temperature.

Baterije bi trebalo da se pune na normalnoj ambijetalnoj temperaturi uz poštovanje ostalih neophodnih uslova punjenja. Kod brzog punjenja baterija, strogo se mora voditi računa o zagrevanju tokom prepunjavanja.

2.1.1.3 Unutrašnji pritisak tokom punjenja Prilikom prepunjavanja baterije oslobađa se kiseonik koji uzrokuje porast pritiska unutar

zatvorenog kućišta baterije. Nastali pritisak se može kompenzovati rekombinacijom kiseonika usled nastavka punjenja specificiranom količinom struje. Na Slici 2.11 prikazane su promene unutrašnjeg pritiska u zavisnosti od struje punjenja nakon prepunjavanja. Porast struje punjenja usled prepunjavanja prouzrokuje linearni porast unutrašnjeg pritiska baterije.

Slika 2.11. Pritisak unutar baterije

Sa karakteristike se može primetiti linearna zavisnost pritiska gasa unutar ćelije u odnosu na

struju punjenja. Unutrašnji pritisak raste takođe i sa smanjenjem temperature ambijenta (videti Sliku 2.12). Ovo prouzrokuje činjenica da na nižim temperaturama brzina rekombinacije kiseonika na negativnoj elektrodi opada. Saglasno tome mora se smanjiti struja punjenja. Primeri preporučenih struja punjenja na niskim temperaturama su dati na Slici 2.13.

Slika 2.12. Odnos unutrašnjeg pritiska i temperature

18

Slika 2.13. Struja punjenja u zavisnosti od temperature

Ako se baterija puni na temperaturama ispod nule struje punjenja se kreću od 0.02It do o.1It,

dok je pri pozitivnim temperaturama preporučena struja punjenja od 0.1It.

2.1.1.4 Napon na ćeliji prilikom punjenja Napon Ni-Cd ćelije prilikom punjenja zavisi od: struje punjenja, temperature ambijenta,

dizajna baterije i drugih faktora. Napon ćelije raste prilikom punjenja baterije i blago opada na kraju punjenja. Blagi pad napona je prouzrokovan procesom zagrevanja unutar ćelije. Napon ćelije u funkciji struje punjenja je prikazana na Slici 2.14. Sa karakteristike se vidi da porastom struje punjenja raste i napon ćelije, što prati povećanje unutrašnje impedanse ćelije.

Slika 2.14. Napon na Ni-Cd ćeliji

Zavisnost napona ćelije od temperature je prikazana na Slici 2.15. Porast temperature

rezultuje smanjenjem napona ćelije. Kako raste temperatura, opada unutrašnja otpornost što uzrokuje pad napona.

Slika 2.15. Napon na ćeliji za različite temperature okoline

19

Sa karakteristike se može uočiti da tokom procesa punjenja sa 0.1It napon ćelije se kreće u

granicama od 1.375V do 1.525V pri temperaturama od 45ºC i 0 ºC respektivno.

2.1.2 Karakteristike pražnjenja Ni-Cd baterija Za izražavanje karakteristika pražnjenja baterija, često se koriste napon pražnjenja i

kapacitet ćelije. Napon Ni-Cd ćelija ima takoreći konstantnu vrednost od 1.2V sve do potpunog pražnjenja. Pad napona prilikom pražnjenja Ni-Cd baterije velikim strujama je veoma mali. Kratkotrajno su dozvoljene velike struje pražnjenja, čak i do 100It.

Kapacitet Ni-Cd baterija obično iznosi oko 5 sati uz struju pražnjena od 0.2It. Kapacitet zavisi od struje pražnjenja, vremena pražnjenja i temperature ambijenta. Karakteristika prikazana na Slici 2.16 poredi karakteristiku pražnjenja obične dry cell baterije i Ni-Cd baterije.

Slika 2.16. Uporedne karakteristike pražnjenja Karakteristike pražnjenja se prikazuju kao zavisnost napona na ćeliji i unutrašnje otpornosti

baterije, u zavisnosti od vremena pražnjenja. Kod dry cell ćelije napon brzo opada prilikom pražnjenja (karakteristika prikazana isprekidanom linijom), dok kod Ni-Cd baterija napon ostaje konstantan tokom pražnjenja (puna linija). Konstantna naponska karakteristika je posledica sposobnosti Ni-Cd baterije da, prilikom pražnjenja, zadržava konstantnu vrednost unutrašnje otpornosti. Ova ravna naponska karakteristika predstavlja skoro idealnu karakteristiku pražnjenja.

2.1.2.1 Krajnji napon pražnjenja Ni-Cd baterija Prilikom procene energije u okviru baterije krajnji napon predstavlja graničnu vrednost

napona za koji baterija više nema energije. Krajnji napon zavisi i od aplikacije za čije se napajanje baterija koristi. Standardni krajnji napon Ni-Cd baterija je 1.0V/ćeliji, mada može biti i 1.1V/ćeliji (kod lampi u slučaju nužde) ili 1.02V/ćeliji (za automatske dojave požara). Treba naglasiti da je naponska karakteristika Ni-Cd baterija ravna tokom pražnjenja i da je pad napona iznenadan pri kraju kapaciteta baterije. Ako se prosečna Ni-Cd ćelija prazni brzinom od 1It za vreme od 1 do 2 minuta dostiže krajnji napon od 1.1V/ćeliji. Pošto napon ćelije brzo opada sa velikim strujama pražnjenja, energija u okviru baterije ne može biti ispražnjena do kraja i krajnji napon je veći od 1.0V/ćeliji.

20

2.1.2.2 Brzina pražnjenja Ni-Cd baterija Kapacitet baterije opada sa povećanjem struje pražnjenja i to je prikazano na

karakteristikom na Slici 2.17. Ovo se dešava kao posledica korišćenja nisko efektnih materijala za izradu elektroda. Metali kao što su nikl i kadmijum imaju loše osobine kada se koristi pražnjenje velikim strujama.

Slika 2.17. Brzina pražnjenja

Još jedna važna karakteristika je i odnos pada napona na bateriji u zavisnosti od povećanja

struje pražnjenja. Ova karakteristika je prikazana na Slici 2.18.

Slika 2.18. Pad napona na bateriji prilikom pražnjenja Prikazane su karakteristike pada napona na ćeliji prilikom pražnjenja za struje od 0.2It do

čak 8It. Prilikom pražnjenja velikim strujama primećuje se neznatan pad napona na bateriji tokom pražnjenja baterije do 80% nominalne vrednosti kapaciteta. Nastali pad napona se javlja zbog uvećanja potrošnje energije na unutrašnjoj otpornosti. U poređenju sa drugim vrstama baterija Ni-Cd baterije imaju odličnu sposobnost pražnjenja velikim strujama. Moguće ih je prazniti konstantnom brzinom od 4It ili, u nekim tipovima Ni-Cd baterija, brzinom preko 10It.

21

2.1.2.3 Uticaj temperature okoline na karakteristiku pražnjenja Ni-Cd baterije Ni-Cd baterije bez problema se mogu koristiti u temperaturnom opsegu od - 20˚C do +

60˚C. Povećanje temperature ne prouzrokuje promene na karakteristici pražnjenja. Međutim, pad temperature prouzrokuje povećanje unutrašnje impedanse a samim tim i pad napona na bateriji. Na Slici 2.19 i Slici 2.20 su prikazane karakteristike pražnjenja Ni-Cd baterija u zavisnosti od temperature.

Slika 2.19. Zavisnost napona prilikom pražnjenja od temperature

Slika prikazuje promene napona na bateriji tokom pražnjenja u zavisnosti od kapaciteta

baterije izraženog u procentima, pri temperaturama okoline od -20ºC do +60 ºC. Poređenjem prikazanih karakteristika uočava se veoma mala promena napona na bateriji do 80% potrošenog kapaciteta, pri temperaturama većim od 0ºC. Pad napona na temperaturama nižim od 0 ºC je neprihvatljiv jer napon na bateriji brzo pada ispod 1.2V.

Slika 2.20. Karakteristika pražnjenja u zavisnosti od temperature okoline

Karakteristika na slici predstavlja zavisnost dostupnog kapaciteta baterije od temperature pri

strujama pražnjenja od 0.2It (puna linija) i 1It (isprekidana linija). Punjenje baterije se obavlja 16h sa strujom punjenja od 0.1It, pri temperaturi okoline od 20ºC. Bez obzira na veličinu struje pražnjenja primećuje se da dostupni kapacitet baterije na temperaturama iznad 0ºC nije narušen.

22

Na temperaturama nižim od 0ºC javlja se pad kapaciteta i to veći ukoliko je struja pražnjenja baterije veća.

2.1.2.4 Inverzna polarizacija U slučaju da je neka od serijski vezanih baterija manjeg kapaciteta, može se desiti da se ona

ranije istroši od ostalih. Na ovaj način dolazi do potpunog pražnjenja baterije i njene inverzne polarizacije. Videti Sliku 2.21 koja prikazuje naponsku krivu prilikom brzog pražnjenja, gde je obuhvaćena i inverzna polarizacija.

Slika 2.21. Naponska karakteristika prilikom inverzne polarizacije

Karakteristika se sastoji iz tri oblasti:

(1) Prvi deo karakteristike se odnosi na period u kome je na pozitivnoj i negativnoj elektrodi zaostao aktivni materijal. U ovoj oblasti je napon na ćeliji na normalnom nivou od 1V.

(2) Drugi deo prikazuje period u kome je sav aktivan materijal na pozitivnoj elektrodi potrošen i počelo je generisanje hidrogena unutar ćelije. Aktivni materijal je još uvek zaostao na negativnoj elektrodi i nastavlja se pražnjenje od ove elektrode. Napon ćelije se menja saglasno sa strujom pražnjenja i kreće se u granicama od -0.2V do -0.4V. Ova oblast se naziva oblast dubokog pražnjenja baterije.

(3) U ovoj oblasti koja se naziva i oblast inverzne polarizacije, reakcija na negativnoj elektrodi se završava i počinje stvaranje kiseonika. Napon u ovoj oblasti pada ispod -1V.

Prilikom prelaska iz stanja dubokog pražnjenja u stanje inverzne polarizacije, dolazi do rasta pritiska unutar baterije, te može doći do trajnog oštećenja. Zbog ovoga je potrebno poštovati krajnji napon prilikom pražnjenja (1.0V po ćeliji). Ako baterija, nakon pražnjenja, i dalje ostane

23

priključena na potrošaču, napon na bateriji pada na 0V. Prilikom pada napona na bateriji na 0V može doći do curenja baterije. Zbog toga je neophodno ukloniti potrošenu bateriju sa uređaja.

2.1.3 Unutrašnja impedansa Jedan od ključnih faktora koji opisuju baterije je i unutrašnja impedansa. Korišćenjem tankih

i dugačkih ploča od nikla koje imaju odličnu provodnost postignuta je mala unutrašnja impedansa.

Napon pražnjenja Ni-Cd baterija je prikazan formulom:

ZIEV ⋅−= 0 (2.10) gde su: 0E - Napon neopterećenog strujnog kola; I - struja pražnjenja i Z - unutrašnja

impedansa. Ova jednačina potvrđuje da je napon veći ako je unutrašnja impedansa manja. Unutrašnja impedansa se sastoji od tri otpornosti i to: jXrrZ +⋅+= η . Vrednost “ r ” predstavlja omsku otpornost određenu provodnošću ili strukturom electroda, separatora, elektrolita i dr. Član “ η⋅r ” označava otpornost usled polarizacije. Polarizacija predstavlja fenomen varijacije vrednosti potencijala elektroda prilikom proticanja struje kroz electrode. Omska otpornost “ r ” je nezavisna od struje, dok polarizacija “ η⋅r ” varira po složenoj zavisnosti. Proizvod “ η⋅r ”, takođe je zavistan i od vremena a za njegovo uravnoteženje je potrebno da prođe vreme od nekoliko sekundi. Ukoliko pražnjenje traje nekoliko milisekundi proizvod “ η⋅r ” se može zanemariti. Imaginarni deo “ jX ” predstavlja reaktivnu otpornost koja je uzrokovana naizmeničnim strujama. Otpornost je veoma mala tokom normalnog punjenja i pražnjenja. Ako zamenimo izraz za otpornost u jednačinu za napon dobijamo:

tokom pražnjenja: ( )η⋅+⋅−= rrIEV 0 (2.11) trenutno, nakon početka praznjenja: rIEV ⋅−= 0 (2.12)

Unutrašnja impedansa zavisi od nekoliko promenjivih faktora. Na Slici 2.22 je prikazana

unutrašnja impedansa Ni-Cd baterije.

Slika 2.22. Unutrašnja impedansa Ni-Cd baterije Sa karakteristike se može uočiti da baterije sa većim kapacitetom (1300mAh) imaju manju

vrednost unutrašnje otpornosti (4mΩ) od baterija sa manjim kapacitetom (600mAh). Unutrašnja otpornost baterije je konstantna tokom pražnjenja od trenutka kada je baterija napunjena do tačke

24

gde je potrošeno 90% kapaciteta baterije. Nakon ove tačke uočava se porast otpornosti. Ove promene nastaju usled konverzije aktivnog materijala na elektrodnim pločama u hidroksid. Pošto je ova konverzija zavisna od temperature, samim tim postoji zavisnost unutrašnje otpornosti od temperature. Slika 2.23 ilustruje uticaj temperature na unutrašnju otpornost baterije.

Slika 2.23. Zavisnost unutrašnje otpornosti od temperature Promene u unutrašnjoj otpornosti se primećuju samo na nižim temperaturama, i to u vidu

porasta otpornosti. Povećanje unutrašnje otpornosti može iznositi i do 60% od nominalne vrednosti. Ovo povećanje otpornosti nepovoljno utiče na performanse baterije.

2.1.3.1 Merenje unutrašnje impedanse Zbog veoma male vrednosti unutrašnja impedansa Ni-Cd baterija se teško procenjuje. Uz to

njena zavisnost je veoma komplikovana promenjiva. Postoje dve metode merenja unutrašnje impedanse: metoda jednosmerne struje i metoda naizmenične struje.

(1) Metoda jednosmerne struje. Ova metoda je relativno jednostavna za realizaciju. Šema merenja impedanse pomoću ove metode je data na Slici 2.24.

Slika 2.24. Merenje impedanse baterije Inicijalno je prekidač Sw otvoren. Zatvaranjem prekidača Sw uspostavlja se jednosmerna

struja I. Potrebno je snimiti promene struje i napona dok se usaglašava otpornost promenjivog otpornika Rv. Snimanje se obavlja pomoću voltmerta V i ampermetra A. Kada je promena vrednosti promenjivog otpornika mala, onda se promena napona aproksimira pravom linijom. Kada napon padne, možemo računati unutrašnju otpornost po formuli:

IUR∆∆

= (2.13)

25

Unutrašnja impedansa određena metodom jednosmerne struje je ekvivajentna ηjr + . U okviru ovog izraza su sadržani i efekti polarizacije, kao varijacija u struji ili periodu protoka struje. Ovi efekti imaju negativan uticaj na merenje unutrašnje otpornosti.

(2) Metoda naizmenične struje. Ova metoda se koristi da bi izbegla neželjene uticaje polarizacije. Osnovno kolo koje se koristi za merenje je prikazano na Slici 2.25.

Slika 2.25. Merenje impedanse baterije metodom naizmenične struje Za realizaciju je potreban izvor naizmenične struje i kolo za detekciju napona. Unutrašnja

impedansa se računa po formuli:

iuZ∆∆

= (2.14)

Impedansa procenjena metodom naizmenične struje je jednaka jXr + . Jednačina sadrži i reaktivni deo gde je polarizacija beznačajna. Pošto je korišćena naizmenična struja varijacije u struji su anulirane, samim tim se izbegava uticaj efekta polarizacije. Impedansa merena na ovaj način varira u zavisnosti od frekvencije struje koja je korišćena za merenje.

2.1.4 Skladištenja Ni-Cd baterija Generalno govoreći, tokom skladištenja baterija neminovan je pad napona i kapacitivnosti

usled efekta samopražnjenja baterija. Efekat samopražnjenja baterija je manje izražen kod hermetički zatvorenih baterija. Veliki uticaj na samopražnjenje Ni-Cd baterija tokom skladištenja imaju sledeća dva faktora:

(1) Nestabilnost aktivnih materijala. Nikl-oksid je termodinamički nestabilan materijal. Nestabilnost baterije je utoliko veća

ukoliko se čuva u stanju napunjenosti, i može doći do samouništenja baterije. Ovo prati generisanje kiseonika i pojava oksidacije negativne elektrode.

(2) Nečistoća elektrode ili elektrolita. Tipičan primer samopražnjenja je usled prisutnosti azota kao nečistoće unutar elektrolita.

Azotni joni sa negativne elektrode NO3- se redukuju u NO2

- koji se kreću ka pozitivnoj elektrodi i potpomažu oksidaciju negativne elektrode.

2.1.4.1 Temperatura skladištenja Ni-Cd baterije mogu biti skladištene bez nekih naročitih degradiranja performansi u

temperaturnom opsegu od – 30˚C do + 50˚C. Tokom dugog vremena skladištenja na višim temperaturama, organski materijali kao što su konopac ili separator mogu dotrajati ili se deformisati. Zbog toga je preporučljivo njihovo čuvanje na temperaturi ne većoj od 35˚C i to u trajanju od maksimalno tri meseca. Pored toga efekat samopražnjenja baterija je izraženiji na višim temperaturama.

Odnos pada kapaciteta Ni-Cd baterije tokom skladištenja od temperature okoline je prikazan na Slici 2.26.

26

Slika 2.26. Pad kapaciteta baterije prilikom skladištenja Prikazane su karakteristike gubitka kapaciteta Ni-Cd baterije na temperaturama 0˚C, 20˚C,

30˚C i 45˚C. Najgori slučaj gubitka 100% kapaciteta za nešto više od mesec dana je pri temperaturi od 45˚C. Uticaj temperature na karakteristiku je različit u zavisnosti od nominalnog kapaciteta baterije. Baterije sa većim nominalnim kapacitetom imaju nešto bolju temperaturnu karakteristiku samopražnjenja. Relacija između struje samopražnjenja i temperature je prikazana karakteristikom na Slici 2.27.

Slika 2.27. Samopražnjenje baterije u zavisnosti od temperature

Karakteristika na slici se odnosi na bateriju koja ima nominalni kapacitet od 600mAh.

Korišćenjem ovog grafika moguće je približno odrediti struju samopražnjenja za odgovarajući kapacitet baterije. Na primer, ako je nominalni kapacitet baterije 600mAh i temperatura skladištenja je 20˚C, možemo odrebiti struju samopražnjenja po formuli:

Is = (nominalna kapacitivnost) x (struja samopražnjenja za određenu temperaturu očitana sa

grafika It mA) Is = (600) x (18 x 10-5)(mA) = 108 x 10-3 (mA) Is = 108 (µA)

27

Kapacitet baterije koji je izgubljen prilikom skladištenja moguće je nadoknaditi

ponavljanjem procesa punjenja baterije. Na Slici 2.28 su prikazane karakteristike obnavljanja kapaciteta baterije, nakon dugog vremena skladištenja na određenoj temperaturi.

Slika 2.28. Obnova kapaciteta baterije

Tokom skladištenja na visokim temperaturama umanjuje se aktivnost materijala unutar

baterije, što iziskuje duži period povratka kapaciteta baterije. Kao što je spomenuto ranije, važno je skladištiti Ni-Cd baterije na nižim temperaturama, jer je u tom slučaju lakše povratiti izgubljeni kapacitet.

2.1.4.2 Uticaj napunjenosti baterije na period skladištenja Baterije mogu biti čuvane u stanju napunjenosti ili ispražnjene. Slika 2.29 prikazuje

uporedne karakteristike napunjene i ne napunjene Ni-Cd baterije nakon dugog vremena skladištenja.

Slika 2.29. Uporedne karakteristike pune i prazne baterije

Izgubljeni kapacitet nakon skladištenja se može nadoknaditi bilo da je baterija čuvana u

napunjenom ili ispražnjenom stanju. Međutim, ukoliko se baterija skladišti u ispražnjenom stanju, izgubljeni kapacitet se može brže povratiti (nakon 5 ciklusa). Ako izuzmemo starenje elektrolita, vek trajanja Ni-Cd baterija je neograničen kao i kod olovno kiselinskih baterija. Na Slici 2.30 su prikazane karakteristike gubitka kapaciteta baterija nakon vremena skladištenja od tri, pet i deset godina.

28

Slika 2.30. Gubitak kapaciteta baterije tokom skladištenja

Baterije su čuvane pod identičnim uslovima na 20°C u stanju ispražnjenjosti. Promene

nastale unutar baterije usled dugog vremena skladištenja na određenoj temperaturi nisu značajno degradirale karakteristiku baterije. Da bi se najbolje iskoristio kapacitet Ni-Cd baterija potrebno je ispoštovati sledeće uslove:

• Pre dugotrajnog skladištenja baterije, potrebno ju je isprazniti do kraja • Baterije je potrebno skladištiti na što je moguće manjoj temperaturi. Temperatura

skladištenja ne sme preći +35°C. • Nakon dugotrajnog skladištenja baterije je potrebno nekoliko puta naizmenično

puniti i prazniti kako bi povratile kapacitet.

2.1.5 Radni vek baterija Radni vek baterije se definiše kao period do potpunog uništenja baterije. Kriva verovatnoće

otkaza baterije je prikazana na Slici 2.31. Neposredno nakon procesa proizvodnje postoji verovatnoća da je baterija loša ali se za kratko vreme ta verovatnoća smanjuje. Ovaj period se naziva inicijalni period baterija.

Slika 2.31. Verovatnoća otkaza

Nakon inicijalnog perioda nastupa period upotrebe u kome je verovatnoća otkaza baterije

minimalna. Na kraju dolazi period sigurnog otkaza baterije. Postoje dva tipa uništenja baterija: (1) Prvi tip je unutrašnji kratak spoj prouzrokovan promenama u aktivnom materijalu i

starenjem organskog materijala unutar baterije (na primer separatora). (2) Drugi tip je isušivanje elektrolita unutar baterije. Zbog zatvorene strukture Ni-Cd

baterija, u normalnim uslovima korišćenja (ciklusi punjenja i pražnjenja), ne može doći do

29

curenja elektrolita izvan baterije. Međutim, određena količina elektrolita može iscuriti kroz sigurnosni ventil, usled punjenja baterije velikom strujom, pražnjenja do obrtanja polova ili eksploatisanja u ekstremno visokim temperaturama okoline. Čestim gubitcima elektrolita uvećava se unutrašnja otpornost baterije što uslovljava gubitak kapaciteta i dovodi do uništenja baterije.

Generalno govoreći radni vek baterije, do prestanka upotrebljivosi, je kada njen kapacitet padne ispod 60% od nominalnog kapaciteta baterije. Međutim, zavisno od uslova aplikacije u kojoj se koristi baterija, tačka prestanka upotrebljivosti može biti pomerena na gore ili na dole. Na Slici 2.32 je prikazan odnos broja ciklusa punjenja/pražnjenja i napunjenosti baterije.

Slika 2.32. Odnos broja ciklusa punjenje/pražnjenje

Ni-Cd baterije imaju odličnu karakteristiku čak i nakon 500 ciklusa punjenja/pražnjenja.

Ona se ogleda u malom padu kapaciteta usled velikog broja ciklusa punjenja/pražnjenja. Ukoliko se eksploatišu pri normalnim radnim uslovima Ni-Cd baterije imaju veoma dug vek

trajanja. Vek trajanja baterija zavisi od nekoliko faktora koji su zavisni jedan od drugog. Ova zavisnost je komplikovana. Prema tome, veoma je teško predvideti koliko će stvarno baterije trajati. Na Slici 2.33 je prikazana veza nekoliko važnih faktora koji narušavaju radni vek baterije.

Slika 2.33. Faktori koji narušavaju životni vek baterije

30

Dobro razumevanje ovih faktora može pomoći projektantima u postizanju: dužeg života baterije u uređaju, optimalnih performansi i pouzdanosti.

2.1.5.1 Faktori koji utiču na radni vek baterije Način pražnjenja baterije utiče na radni vek baterije. Na Slici 2.34(a) su date karakteristike

usled impulsnog pražnjenja, dok je na Slici 2.34(b) data karakteristika usled pražnjenja konstantnom strujom.

Slika 2.34. Karakteristike usled (a) impulsnog pražnjenja, (b) pražnjenja konstantnom strujom

Kao što se vidi na predhodnim slikama Ni-Cd baterije se mogu koristiti ekstremno dug

vremenski period, usled korišćenja kontinualnih ciklusa punjenja/pražnjenja. Slično je i ako se koristi impulsno pražnjenje baterije. Ove karakteristike ukazuju na kvalitet Ni-Cd baterija.

Temperatura okoline je jedna od najvažnijih faktora koji utiču na životni vek Ni-Cd baterija i baterija uopšte. Slika 2.35 prikazuje odnos između temperature okoline i životnog veka.

31

Slika 2.35. Životni vek Ni-Cd baterije Uopšteno, optimalna temperatura po pitanju životnog veka je sobna temperatura okoline i

temperature veće od 40ºC značajno degradiraju karakteristike baterija. Na karakteristici se može uočiti da temperature iznad 40ºC smanjuju zivotni vek za preko 60%. Kratkotrajna izloženost baterije na visokim temperaturama prouzrokuje oštećenja koja se mogu neutralisati nakon nekoliko ciklusa punjenja/pražnjenja na sobnoj temperaturi. Dugotrajna izloženost baterije na visokim temperaturama može prouzrokovati mnoge neželjene efekte kao što su uništenje organskog materijala ili oštećenje elektrolita. Organski materijal kao što je separator može biti oštećen i njegova funkcija izolatora opada što može prouzrokovati unutrašnji kratak spoj između elektroda. Isto tako oštećenje elektrolita rezultuje narušavanjem performansi baterija.

Treba izbegavati prepunjavanje baterija i punjenje na visokim temperaturama. Usled ubrzanog oštećenja separatora u vidu oksidacije materijala, prilikom prepunjavanja baterije, dolazi do generisanja kiseonika na pozitivnoj elektrodi.

Veličina strije punjenja Ni-Cd baterije, koja takođe utiče na životni vek baterije, zavisi prvenstveno od njenog dizajna. Ukoliko se Ni-Cd baterija puni strujom punjenja manjom od specificirane vrednosti, dug vremenski period, pritisak unutar baterije ostaje nizak. Međutim, toplota koja se oslobađa usled rekombinacije gasa prouzrokuje porast temperature ćelije. Kada se prepunjavanja često ponavljaju, toplota oštećuje ćeliju i skraćuje im vek trajanja. Punjenje baterije strujama koje su veće od specificiranih, uvećava pritisak gasa unutar ćelije što povremeno može dovesti do aktiviranja ventila za regulaciju pritiska unutar ćelije.

Baterije koje se koriste kao izvori za napajanje malih potrošača, kao što su signalna svetla ili svetla u slučaju opasnosti, trebaju se kontinualno dopunjavati slabom strujom kako bi se održale u stanju napunjenosti. Ni-Cd baterije uglavnom pokazuju pad napona tokom pražnjenja, usled deformacije kristala aktivnog materijala tokom dužeg punjenja.

Čak i kada je potpuno ispražnjena Ni-Cd baterija može povratiti kapacitet punjenjem. Potpuno pražnjenje ima manji efekat kod Ni-Cd baterija u odnosu na olovno-kiselinske baterije. Termin „dubina pražnjenja“ se koristi za procentualno izražavanje potrošenog kapaciteta baterije od stanja potpune napunjenosti baterije. Na Slici 2.36 je prikazan odnos broja ciklusa punjenja/pražnjenja Ni-Cd baterija u odnosu na dubinu pražnjenja.

32

Slika 2.36. Broj ciklusa punjenja/pražnjenja u zavisnosti od dubine pražnjenja U slučaju da se baterija ispražnjava na veću dubinu, broj ciklusa korišćenja baterije linearno

opada. Na primer, Kada se baterija prazni na 30% ispod dozvoljenog nivoa radni vek joj je oko 3000 ciklusa, međutim ako se prazni na nivo 100% ispod dozvoljenog radni vek joj se smanjuje na 500 ciklusa punjenja/pražnjenja.

Ni-Cd baterije su podložne tzv. „memorijskom efekatu“, usled koga se javlja dupli pad napona tokom pražnjenja nakon plitkog ciklusa punjenja/pražnjenja. Ovaj fenomen se može neutralizovati nakon nekoliko ciklusa punjenja/pražnjenja.

33

2.2 Metode punjenja Ni-Cd baterija Prilikom punjenja Ni-Cd baterija dolazi do pojave rekombinacije kiseonika na negativnoj

elektrodi. Uzimajući u obzir balans između generisanja kiseonika i rekombinacije, preporučena struja punjenja iznosi 0.1It. Da bi se povratio kompletan kapacitet baterije potrebno je puniti ovom strujom 14 do 16 časova.

Postoji nekoliko metoda punjenja Ni-Cd baterija, kao što su: Punjenje konstantnom strujom, punjenje kvazi-konstantnom strujom, punjenje konstantnim naponom, Trickle punjenje, Floating punjenje, punjenje u koracima i punjenje baterije korišćenjem solarne ćelije.

Punjenje konstantnom strujom daje dobre rezultate po pitanju efikasnosti punjenja. Količina unete energije prilikom punjenja konstantnom strujom je uslovljena vremenom punjenja i brojem ćelija koje se pune. Uz to neophodna je kontrola napona na bateriji (ne sme preći određenu vrednost). Zbog toga što su punjači jednosmernom strujom skupi, pogodnije je punjenje baterija sa kvazi-konstantnom strujom.

Metoda punjenja Ni-Cd baterija kvazi-konstantnom strujom koristi kolo prikazano na Slici 2.37.

Slika 2.37. Kolo za punjenje kvazi-konstantnom strujom

Metoda se bazira na umetanju otpornika između baterije i nestabilisanog (nefiltriranog)

jednosmernog izvora. Ovaj otpornik uvećava otpornost kola za punjenje i njegova vrednost se računa na osnovi specificirane struje na kraju punjenja. Zdog jednostavnosti kola za punjenje, ova metoda je jedna od najčešće korišćenih za punjenje Ni-Cd baterija. Uz to ne zahteva dodatna kola za stabilizaciju jednosmerne struje te su jeftinija u odnosu na predhodno pomenuta kola za punjenje.

Punjenjem Ni-Cd baterija konstantnim naponom, struja punjenja se reguliše korišćenjem potencijalne razlike između punjača i napona na ćeliji (Slika 2.38). Struja punjenja zavisi od stanja napunjenosti baterije. Tokom inicijalnog perioda struja punjenja je velika, a na kraju punjenja mala. Takođe, pik koji se javlja na kraju punjenja rezultuje uvećanjem struje. Ovo ima za posledicu i uvećanje temperature ćelije. Nadalje, se opet javlja pad napona. Ovo dovodi do pojave fenomena nazvanog thermal runaway, koji dovodi do narušavanja performansi baterije. Zbog toga punjenje Ni-Cd baterija ovom metodom mora biti strogo kontrolisano i nije preporučljivo.

Slika 2.38. Kolo za punjenje konstantnim naponom

Trickle punjenje se odnosi na kontinualno punjenje Ni-Cd baterija sa strujom od It/50 do

It/20. Ovaj način punjenja Ni-Cd baterija se koristi za punjenje protivpožarnih alarmnih sistema i

34

svetla za slučaj nužde. Na Slici 2.39 je prikazano kolo koje se koristi za napajanje i punjenje svetla za slučaj nužde.

Slika 2.39. Kolo za trickle punjenje Potrošač se napaja iz jednosmernog izvora dok su baterije odvojene od potrošača uz pomoć

releja. Punjenje baterije se obavlja uz pomoć kola za punjenje dug vremenski period. Kada dođe do prekida napajanja relej konektuje potrošač na baterije.

Kod Floating punjenja baterija je istovremeno konektovana na potrošač i kolo za punjenje. U normalnim uslovima, struja teče od jednosmernog izvora ka potrošaču a kada sa izvora nestane napon, napajanje potrošača se nastavlja od strane baterije. U ovom sistemu struja punjenja zavisi od načina korišćenja baterije, tj. od frekvencije pražnjenja i količine struje pražnjenja. Ova metoda punjenja se uglavnom koristi kod napajanja u slučaju nužde, memorijskog backup-a ili električnih satova. Na Slici 2.40 je ilustrovan blok dijagram kod koga se struja punjenja reguliše otpornikom.

Slika 2.40 Kolo za floating punjenje

Punjenje u koracima koristi relativno veliku inicijalnu struju punjenja. Stanje potpune

napunjenosti se registruje merenjem napona na Ni-Cd bateriji. Kada se baterija potpuno napuni, struja se smanjuje na vrednost od 0.2It do 0.02It. Ovo predstavlja idealni metod punjenja Ni-Cd baterija, ali kola koja obavljaju ovo punjenje su veoma komplikovana i skupa. Naročito je komplikovano odrediti kraj punjenja sa velikom strujom. Na Slici 2.41 je prikazan uprošćeni model punjenja u koracima.

35

Slika 2.41. Kolo za punjenje u koracima

Otpornik R1 definiše inicijalnu struju punjenja. Pošto se baterija kopletno napuni prekidač

uključuje R2 koji definiše manju struju punjenja. Punjenje uz pomoć solarne ćelije spada u jednostavnije metode punjenja. Struja punjenja

baterije teče od solarne ćelije ka bateriji. Dioda za zaštitu od protoka inverzne struje doprinosi većoj efikasnosti punjenja (vidi Sliku 2.42).

Slika 2.42. Kolo za punjenje pomoću solarne ćelije

Spoljna temperatura se kreće u širokom opsegu. Zbog toga se punjači baterija koji koriste

solarne ćelije projektuju da rade u širokom temperaturnom opsegu. Međutim, struja punjenja baterija umnogome zavisi od spoljašnjih (vremenskih) uslova. Na Slici 2.43 prikazano je kako struja solarne ćelije zavisi od doba dana.

Slika 2.43. Struja solarne ćelije

36

Kada je vreme oblačno, struja solarne ćelije je nedovoljna za punjenje Ni-Cd baterija. Isto

tako kada je vreme sunčano struja ćelije može preći dozvoljenu vrednost za punjenje. Međutim, punjač sa solarnom ćelijom se projektuje da pri svim uslovima daje potrebnu struju punjenja.

2.2.1 Brzo punjenje U novije vreme naročito su interesantna kola za brzo punjenje baterija. Za brzo punjenje Ni-

Cd baterija sa velikom strujom punjenja neophodno je kolo za kontrolu punjenja. Ovo kolo detektuje napon i temperaturu na bateriji i kontroliše punjenje. Kontrola se ogleda u zaustavljnju punjenja ukoliko dođe do narušavanja određenih vrednosti ili kada je baterija potpuno napunjena. Slika 2.44 prikazuje blok dijagram punjenja ovom metodom.

Slika 2.44. Metoda brzog punjenja Kolo za detekciju prati uslove na bateriji i upravlja sa kolima za punjenje velikom i malom

strujom. Na početku punjenja aktivira se kolo koje daje veliku struju punjenja. Kada prođe određeni vremenski period odnosno kada se detektuje tačka kompletne napunjenosti ćelije, ukida se velika struja punjenja i aktivira se kolo koje daje malu struju punjenja.

Postoji više vrsta kola za detekciju stanja napunjenosti baterije prilikom punjenja. U osnovne metode detekcije spadaju: detekcija napona na ćeliji, –∆V detekcija, detekcija temperature ćelije, kontrola vremena i druge metode.

2.2.1.1 Detekcija napona na ćeliji Ključnu ulogu u brzim punjačima igraju kola za detekciju napona na ćeliji. Kada napon na

ćeliji dostigne određenu vrednost, aktivira se kolo za kontrolu punjenja koje smanjuje struju punjenja (vidi Sliku 2.45 koja ovo ilustruje).

37

Slika 2.45. Napon na ćeliji i struja prilikom punjenja

Napon pri kome se prekida punjenje velikom strujom, Vc, uvek mora biti manji od

maksimalne vrednosti napona na bateriji. Zato je ovde neophodno kolo za kompenzaciju koje rešava problem naponske promene uslovljene strujom punjenja, temperaturom okoline i drugim neželjenim pojavama.

2.2.1.2 Sistem kontrole pomoću –∆V detekcije Rad ovog sistema se zasniva na kontroli struje punjenja Ni-Cd baterije od strane pada

napona na ćeliji (∆V) na kraju punjenja. Na Slici 2.46 je prikazan način detekcije -∆V.

Slika 2.46. Detekcija ∆V

38

Kolo za detekciju se sastoji od komparatora, memorije i kola za prekid struje punjenja. Ova metoda je slična metodi detekcije napona s tom razlikom što za nju nije potrebno kolo za kompenzaciju neželjenih promena napona. Naponski pik je zapamćen u memoriji i ta vrednost se stalno poredi sa vrednošću napona na bateriji. Ukoliko je došlo do pada napona za određenu vrednost ∆V, aktivira se kolo za prekid struje punjenja baterije.

2.2.1.3 Detekcija temperature ćelije Kraj punjenja baterije se ogleda u blagom porastu temperature baterije, koja je nastala usled

rekombinacije kiseonika na negativnoj elektrodi. Koristeći ovu pojavu, praktično je moguće meriti temperaturu na bateriji i tako kontrolisati struju punjenja. Na Slici 2.47 je prikazana metoda kontrole struje punjenja pomoću temperature.

Slika 2.47. Kontrola struje punjenja pomoću temperature

Kolo se sastoji od temperaturnog senzora T, DC izvora i kola za prekid struje punjenja koje

je povezano sa termistorom T. Kao temperaturni senzori se koriste termistori ili termostati smešteni unutar baterijskog kućišta. Važno je napomenuti da ova metoda kontrole struje punjenja radi u opsegu prepunjavanja baterije te se koristi za punjenje samo onih baterija koje imaju odgovarajuću karakteristiku tokom prepunjavanja. Ova metoda merenja se često naziva ∆T/∆t metoda.

2.2.1.4 Kontrola vremena Ova metoda se bazira na merenju vremena punjenja od strane specijalnog tajmera. U

zavisnosti od dužine punjenja baterije, struja punjenja je približno konstantna. Ova metoda se koristi za punjenje baterija koje nemaju pad kapaciteta. Ako je baterija izgubila na kapacitetu, i puni se ovom metodom, može doći do prepunjavanja. Na osnovu ovoga uslovi punjenja moraju biti pažljivo postavljeni.

39

2.2.1.5 Mešovite metode Prilikom brzog punjenja baterija, mogu se koristiti i kombinacije predhodno navedenih

metoda. Mogu se kombinovati dve ili više metoda kao na primer detekcija napona na bateriji i ∆T/∆t metoda. Ovde se metoda detekcije napona na bateriji koristi da zaustavi punjenje ukoliko se pređe nedozvoljena vrednost napona na bateriji. U isto vreme, ∆T/∆t metoda kontroliše rast temperature na bateriji i zaustavlja punjenje ukoliko se premaši maksimalna temperatura baterije.

2.2.2 Dizajn kola za punjenje Prilikom projektovanja punjača mora se imati na umu da su izvor za napajanje i detektor

stanja napunjenosti kritični delovi po dizajn punjača. Struja punjenja je uobičajno nestabilna sa promenama ulaznog napona i frekvencije. Zbog toga, kola za punjenje moraju biti projektovana za 10% veće ulazne AC napone.

Slika 2.48. Načini ispravljanja napona

2.2.2.1 Metoda ispravke Za dobijanje napona za punjenje baterija se može koristiti više načina ispravljanja AC

napona. Na Slici 2.48 su prikazani sledeći načini: jednofazni polutalasni i jednofazni talasni.

40

2.3 Ni-Cd baterije velikog kapaciteta. Razvoj složenih aplikacija koje imaju veliku potrošnju energije uslovio je pojavu Ni-Cd

baterija sa velikim kapacitetom. Ni-Cd baterije sa velikim kapacitetom imaju oko 40% veću kapacitivnost od standardnih.

2.3.1 Karakteristike punjenja Ni-Cd baterija velikog kapaciteta Ni-Cd baterije velikog kapaciteta su projektovane da ubrzaju rekombinaciju gasa u cilju

olakšanja punjenja velikim brzinama. One su u stanju da se napune uz pomoć -∆V senzora brzog punjenja za jedan sat. Na Slici 2.49 je prikazana karakteristika punjenja korišćenjem -∆V senzora brzog punjenja.

Slika 2.49. Karakteristika punjenja Prikazana karakteristika je u obliku zavisnosti napona, temperature i pritiska od vremena

punjenja. U poređenju sa karakteristikom punjenja standardnih Ni-Cd baterija, ove baterije imaju nešto strmiju karakteristiku punjenja. Punjenje se obavlja strujom od 1.5It u vremenu od 40h.

2.3.2 Karakteristike pražnjenja Standardna Ni-Cd baterija ima ravnu karakteristiku pražnjenja tokom vremena pražnjenja.

Ni-Cd baterije velikog kapaciteta imaju identičnu karakteristiku s tom razlikom što je kod njih veća energy density, koja se ogleda u povećanju kapaciteta baterije za oko 40% u odnosu na standardne Ni-Cd baterije. Na Slici 2.50 su uporedno prikazane karakteristike pražnjenja standardnih i baterija sa velikim kapacitetom.

41

Slika 2.50. Karakteristike pražnjenja standardnih i Ni-Cd baterija velikog kapaciteta Sa prikazane karakteristike se može primetiti da baterija sa velikim kapacitetom pri struji

pražnjenja od 1.7A ima ravnu karakteristiku do 50 minuta. Poređenja radi, karakteristika standardne baterije pod istim uslovima ima ravnu karakteristiku do 35 minuta. Na Slici 2.51 je prikazan odnos između struje pražnjenja i preostalog kapaciteta baterije za standardne Ni-Cd baterije i Ni-Cd baterije velikog kapaciteta.

Slika 2.51. Zavisnost pada kapaciteta od struje pražnjenja Ni-Cd baterija Kao što se vidi sa slike baterije sa povećanim kapacitetom se ogledaju boljom

karakteristikom po pitanju kapaciteta na malim, srednjim i velikim strujama potrošnje.

42

2.4 Brzo punjive Ni-Cd baterije Standardne Ni-Cd baterije zahtevaju period punjenja od 14 do 16 sati, pri normalnim

strujama punjenja od 0.1It. Zbog dugačkog vremena punjenja , javlja se potreba za brzim punjačima i brzo punjivim Ni-Cd baterijama. Ove baterije su specijalno dizajnirane da olakšaju rekombinaciju nastalog kiseonika koji nastaje prilikom brzog punjenja. Brzo punjive baterije imaju sledeće prednosti:

(1) Brzo punjenje za oko jedan sat. Brzina punjenja je redukovana zahvaljujući temperaturnom senzoru unutar baterije ili –∆V senzoru.

(2) Odlična karakteristika pražnjenja velikim strujama. Specijalnim dizajnom elektroda postiže se dobra naponska karakteristika prilikom pražnjenja baterije velikim strujama.

Jednačina koja opisuje generisanje kiseonika tokom prepunjavanja je: 4OH- → 2H2O + O2 + 4e- (2.15) Prilikom procesa prepunjavanja celokupna struja punjenja se troši na generisanje kiseonika

(O2). Ukoliko je struja punjenja “I” A , onda će količina generisanog kiseonika biti 208 x I ml/h na temperaturi od 20°C. Rekombinacija generisanog kiseonika je opisana reakcijama:

Cd + 1/2O2 + H2O → Cd(OH)2 (2.16) O2+2H2O + 4e- → 4OH- (2.17) Prilikom punjenja baterija velikom strujom potrebno je ubrzati reakcije (2) i (3). Uprotivno

će doći do stvaranja prevelike količine kiseonika, što dovodi do otvaranja ventila na bateriji. Reakcija potrošnje kiseonika sadrži tri agregatna stanja i to: elektrolit (tečno stanje), kiseonik (gasovito stanje) i elektroda (čvrsto stanje). Sva tri stanja unutar baterije dolaze u dodir jedno sa drugim. Posebnim dizajniranjem strukture i oblika elektroda i elektrolita moguće je ubrzati rekombinaciju kiseonika. Uslovi brzog punjenja Ni-Cd baterija su narušeni porastom temperature baterije. Uz to reakcija opisana jednačinom (2), tkz. oksidacija kadmijuma, praćena je oslobađanjem toplote. Zbog toga dizajn Ni-Cd baterije za brzo punjenje treba biti takav da omogućava brzo odvođenje toplote.

2.4.1 Karakteristika punjenja Na Slici 2.52 je prikazana karakteristika punjenja Ni-Cd baterije dizajnirane za brzo

punjenje u poređenju sa standardnom Ni-Cd baterijom. Isprekidanom linijom su označene karakteristike standardne Ni-Cd baterije, dok puna linija odgovara Ni-Cd bateriji za brzo punjenje. Usled povećanja rekombinacije kiseonika, javlja se blagi pad kapaciteta kod Ni-Cd baterije za brzo punjenje. To se ogleda u ranijoj pojavi naponskog pika.

Brzo punjive Ni-Cd baterije imaju nešto manji napon na kraju punjenja što je posledica sposobnosti baterije da rekombinuje velike količine kiseonika. Pritisak unutar standardne baterije se brzo povećava tokom punjenja i to preko 1kg/ cm2, dok kod brzo punjivih Ni-Cd baterija dostigne maksimalnu vrednost od 5kg/cm2. Primećena je i nešto veća temperatura ćelije kod brzo punjivih Ni-Cd baterija.

43

Slika 2.52. Karakteristika punjenja Ni-Cd baterija velikog kapaciteta Na osnovu ove karakteristike možemo zaključiti da prilikom punjenja velikom strujom

(1.5It), baterija za brzo punjenje je sposobna da se odupre prepunjavanju. Međutim, ukoliko se nastavi sa prepunjavanjem značajno će se uvećati temperatura ćelije. Nakon određenog vremena može doći do uništenja baterije. Da bi se ovo izbeglo brzo punjenje se mora prekinuti nakon isteka određenog vremena. Slika 2.53 prikazuje odnos pritiska unutar baterije u zavisnosti od struje prepunjavanja.

Slika 2.53. Unutrašnji pritisak gasa Pritisak unutar baterije se povećava skoro linearno sa uvećanjem struje prilikom

prepunjavanja. Na Slici 2.54 je prikazan odnos između unutrašnjeg pritiska baterije i temperature baterije.

44

Slika 2.54. Pritisak u zavisnosti od temperature Sa karakteristike se može uočiti da se prilikom povećanja temperature ćelije smanjuje

pritisak unutar ćelije. Jedna od dobrih osobina brzo punjivih baterija je –∆V senzor i senzor temperature, koji doprinose stabilnosti ćelije u širokom temperaturnom opsegu. Zavisnost kapaciteta baterije od temperature je data na Slici 2.55.

Slika 2.55. Zavisnost kapaciteta baterije od temperature Kapacitet baterije opada prilikom povećanja temperature okoline prilikom punjenja brzo

punjivih Ni-Cd baterija. Radi obezbeđenja što boljih performansi ovih baterija, potrebno je brzo punjenje u određenom temperaturnom opsegu.

45

2.4.2 Karakteristika pražnjenja Za izradu pozitivne i negativne elektrode, brzo punjive Ni-Cd baterije, koriste se sinterovane

ploče koje daju odličnu karakteristiku pražnjenja. Na Slici 2.56 prikazan je primer jedne karakteristike pražnjenja brzo punjive Ni-Cd baterije.

Slika 2.56. Napon na ćeliji u zavisnosti od struje pražnjenja Sa karakteristike se može videti da je karakteristika pražnjenja ekstremno stabilna za veliki

opseg struja pražnjenja od 0.2It do 8It.

46

2.5 Memorijske Ni-Cd backup baterije Savremeni trendovi u elektronici iziskuju korišćenje velikog broja poluprovodničkih

memorija. Mnoge od njih zahtevaju pamćenje stanja i kada nestane napajanje uređaja. Za nadoknadu napajanja na memorijama kada nestane napajanje uređaja koriste se backup baterije. Ove baterije se najčešće izrađuju od litijuma ali se mogu izrađivati i od Ni-Cd. Prilikom korišćenja Ni-Cd backup baterija moraju se zadovoljiti sledeći uslovi:

• Dug životni vek i visoka pouzdanost. • Ne smeju biti podložne curenju. Elektrolit unutar baterije ne sme biti u tečnom

stanju. • Poboljšanu karakteristiku skladištenja. Vrednost struje samopražnjenja se mora

svesti na najmanju moguću meru. • Moraju biti pogodne za direktno lemljenje na ploči. • Sposobnost da se prazne velikim strujama. Trebaju biti sposobne da daju struje reda

1A, zato što se mogu koristiti za backup velikog broja tranzistora.

2.5.1 Karakteristika pražnjenja Ni-Cd backup baterija Kada se baterija koristi kao memorijski backup, struje pražnjenja su reda nekoliko µA, što je

često manje od vrednosti struje samopražnjenja baterije. Zato na vreme čuvanja memorije više utiče struja samopražnjenja Ni-Cd backup baterije nego potrošnja memorije. Na Slici 2.57 su date uporedne karakteristike struje samopražnjenja standardne i backup Ni-Cd baterije.

Slika 2.57. Struja samopražnjenja Ni-Cd backup baterija Poređenjem ovih baterija vidimo da Ni-Cd backup baterija (isprekidana karakteristika), ima

skoro duplo manju struju samopražnjenja u odnosu na standardnu Ni-Cd bateriju. Ova karakteristika omogućava napajanje memorije veoma dug vremenski period. Na Slici 2.58 su prikazane karakteristike pražnjenja malim strujama pri različitim temperaturama. Prva grupa karakteristika se odnosi na struju pražnjenja od 10µA, druga na struju od 50 µA a treća na struju pražnjenja od 100 µA.

47

Slika 2.58. Napon na ćeliji u zavisnosti od temperature Karakteristike su snimljene nakon punjenja baterija identičnom strujom punjenja od It/30.

Punom linijom su označene karakteristike pražnjenja koje se odnose na sobnu temperaturu

48

okoline. Poređenjem karakteristika na sobnoj temperaturi, može se primetiti da pri potrošnji od 10µA baterija može trajati čitavih 9 meseci a pri potrošnji od 100 µA 45 dana.

2.5.2 Ostale karakteristike Kao što je prikazano na Slici 2.59 Ni-Cd backup baterije imaju stabilnu temperaturnu

karakteristiku u širokom opsegu.

Slika 2.59. Temperaturna karakteristika

Ako se baterija koristi u temperaturnom opsegu od 0ºC do 40ºC neće doći do bitnijeg

narušavanja kapaciteta prilikom punjenja ili pražnjenja. Punjenje ovih baterija na visokim temperaturama (iznad 50ºC) značajno degradira kapacitet baterije (čak do 60% od nominalne vrednosti kapaciteta).

Ukoliko se koristi za male struje pražnjenja/punjenja Ni-Cd backup baterija ima ekstra dug vek trajanja. Na Slici 2.60 je prikazan efekat na radni vek kada je baterija izložena ekstremnim temperaturnim uslovima.

Slika 2.60. Radni vek Ni-Cd backup baterija

Sa karakteristike se vidi da pri istim ekstremnim uslovima napon na standardnoj Ni-Cd

bateriji (isprekidana karakteristika) opadne na 3.3V nakon manje od 300 ciklusa, dok je na Ni-Cd backup bateriji napon stabilan i posle 1500 ciklusa. Dakle, može se reći da backup Ni-Cd baterije imaju više od pet puta duži vek trajanja.

49

2.6 Ugradnja Ni-Cd baterija Prilikom projektovanja uređaja koji koriste daterije za napajanje treba uzeti u razmatranje

sledeće: • Za selekciju odgovarajućeg modela baterije potrebno je obratiti pažnju na

specifikaciju opreme, uslove korišćenja i temperaturni opseg. • Za konfiguraciju je potrebno razmotriti veličinu dostupnog prostora i metodu i način

stajanja baterije unutar uređaja. Isto tako mora se voditi računa o debljini upotrebljenog materijala, provodnosti toplote i termičkoj otpornosti kućišta baterije.

• Način konekcije baterije. Ni-Cd baterije se konektuju pomoću lemnih tačaka koje su napravljene od alkalno-otpornog materijala. Najčešće je to nikl ili nikl-čelik koji ima malu otpornost i dobre lemne karakteristike.

• Sigurnost baterije. Ćelije se nalaze unutar kućišta koje ne dozvoljava curenje elektrolita ukoliko do njega dođe. Treba izbegavati direktno lemljenje baterija na ploču, zato što to može prouzrokovati koroziju ploče i dovesti do trajnih oštećenja.

Na Slici 2.61 su prikazane vrste kućišta koja se koriste za izradu Ni-Cd baterija.

Slika 2.61. Vrste kućišta Ni-Cd baterija

Ni-Cd baterije se mogu izrađivati i kao zamenjive suve ćelije. To su najčešće jednostavna

kućišta standardnih AA ili AAA tipa. Na Slici 2.62 su prikazani primeri ovih vrsta baterija.

50

Slika 2.62.Zamenjive suve ćelije

51

2.7 Ni-MH baterije Razvoj elektronskih uređaja sa sofisticiranijim funkcijima i strožijim zahtevima u pogledu

težine uslovio je pojavu Ni-MH baterija. Ove baterije su nastale daljim razvojem Ni-Cd baterija. Pošto Ni-MH baterije imaju dva puta veću energy density od Ni-Cd-skih i identičan nazivni napon ćelije od 1.2 V, preuzele su primat u oblasti punjivih baterija. Materijal upotrebljen za izradu pozitivne elektrode je kao i kod Ni-Cd baterija nikl-kiseonik-hidroksid (Ni(OH)2) i predstavlja osnovni aktivni materijal. Za izradu negativne elektrode se uglavnom koriste hidrogen-apsorbujuća jedinjenja (AB5 ili nekog drugog tipa). Elektrolit se izrađuje od alkalnih materijala kao što je kalijum-hidroksid (KOH).

Upotreba hidrogen-absorbujućih jedinjenja je počela pre dvadesetak godina otkrićem NiFe, MgNi i LaNi5 jedinjenja. Ovi materijali su sposobni da absorbuju hidrogen čak hiljadu puta više od sopstvenih dimenzija. U zavisnosti koji su metali upotrebljeni kao (A) i (B), razlikujemo sledeće vrste smesi: AB (na primer TiFe), AB2 (na primer ZnMn2), AB5 (LaNi5) i A2B (Mg2Ni). Koja će kombinacija metala biti upotrebljena najviše zavisi od željene efikasnosti punjenja i pražnjenja i izdržljivosi baterije koju želimo postići. U upotrebi su i MmNi5 jedinjenja, koja umesto metala (A) koriste retke nemetale (Misch metal).

Proces punjenja i pražnjenja Ni-MH baterije je opisan sledećim jednačinama:

pozitivna elektroda punjenje: Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e- (2.18) pozitivna elektroda pražnjenje: Ni(OH)2 + OH- ← NiOOH + H2O + e- (2.19)

negativna elektroda punjenje: M + H2O + e- → MHab + OH- (2.20) negativna elektroda pražnjenje: M + H2O + e- ← MHab + OH- (2.21) ukupna reakcija punjenja: Ni(OH)2 + M → NiOOH + MHab (2.22) ukupna reakcija pražnjenja: Ni(OH)2 + M ← NiOOH + MHab (2.23)

Napomena: M predstavlja hidrogen-apsorbujuće jedinjenje, dok Hab predstavlja apsorbovani

hidrogen. Kao što se može videti iz ukupnih reakcija, glavna odlika Ni-MH baterija je kretanje

hidrogena sa pozitivne na negativnu elektrodu prilikom punjenja i obrnuto prilikom pražnjenja. Model mehanizma punjenja i pražnjenja je prikazan na Slici 2.63.

Slika 2.63. Mehanizam punjenja/pražnjenja Negativna elektroda od hidrogen-apsorbujućeg jedinjenja uspešno redukuje kiseonik u

gasovitom stanju koji potiče od pozitivne elektrode tokom prepunjavanja baterije. Jedna od

52

glavnih osobina ovih baterija je sličnost karakteristike pražnjenja sa Ni-Cd baterijama uz to imaju i skoro dva puta veći kapacitet od standardnih Ni-Cd baterija.

Struktura osnovne ćelije je identična kao i kod Ni-Cd-skih baterija (Slika 2.64). Unutar metalnog cilindričnog kućišta se nalazi sendvič negativna elektroda-separator-pozitivna elektroda koji je zapečaćen izolatorom od voska. Isto kao i Ni-Cd baterije i Ni-MH se mogu izrađivati u Slim pakovanju.

Slika 2.64. Struktura cilindrične Ni-MH baterije

2.7.1 Karakteristika punjenja Ni-MH baterija Punjenje Ni-MH baterija se standardno obavlja pomoću konstantne struje. Ovakav način

punjenja omogućava jednostavno izračunavanje napunjenosti baterije bazirano na vremenu punjenja. Standard za punjenje Ni-Cd baterija je vreme punjenja od 16 sati uz struju punjenja 0.1It na temperaturi 20±5ºC. Napon na bateriji raste dok raste struja punjenja i opada kada raste temperatura baterije. Karakteristika punjenja Ni-Mh baterija je prikazana na Slici 2.65.

Slika 2.65. Karakteristika punjenja Ni-MH baterija

Za vreme punjenja baterije, menjaju se napon na bateriji, pritisak gasa unutar baterije i

temperatura baterije. Ove karakteristike punjenja su zavisne od struje punjenja, temperature okoline, starosti baterije i drugih faktora. Prilikom punjenja odnosno prepunjavanja, važno je da nastali kiseonik na pozitivnoj elektrodi bude kompletno potrošen na negativnoj elektrodi kako ne bi došlo do nagomilavanja gasa. Zbog toga se punjenje obavlja određenom količinom struje koja

53

se izražava kao umnožak u It. Na primer, kada je kapacitet baterije 1700mAh uz 0.1It (mAh) struja punjenja je oblika: I (mA) = 0.1 x 1700 (mAh) = 170 (mA)

Napon na bateriji se povećava od trenutka početka punjenja baterije do trenutka kada je baterija kompletno napunjena. Nadalje kako se baterija prepunjava i zagreva napon na bateriji postepeno opada. Na Slici 2.66 prikazan je odnos između napona na bateriji i struje prilikom punjenja.

Slika 2.66. Napon na bateriji prilikom punjenja

Na slici su prikazane uporedne karakteristike za struje punjenja od 1It u trajanju od 1.3h,

0.5It u trajanju od 3.2h i 0.1It u trajanju od 16h. Pri korišćenju većih struja punjenja baterija, postiže se nešto veći napon na bateriji i baterija brže dostiže 100% kapaciteta. Međutim, sa povećanjem struje punjenja se nesme preterivati jer se uvećava i temperatura baterije. Uvećanje temperature (temperaturna karakteristika za 1It iznad 40ºC) rezultuje padom naponske karakteristike (naponska karakteristika za 1It). Karakteristika na Slici 2.67 prikazuje odnos između napona na bateriji i temperature okoline.

Slika 2.67. Zavisnost napona ćelije od temperature

Kao što je naglašeno ranije, napon na bateriji zavisi od temperature okoline. Kako se

uvećava temperatura okoline opada napon reakcije između elektroda, što rezultuje padom napona na bateriji. Ovaj pad napona se kreće u granicama od 2mV/ºC do 4mV/ºC.

Prilikom punjenja Ni-MH baterija mora se voditi računa o temperaturi okoline, temperaturi baterije, struji punjenja i treba izbegavati prepunjavanje. Ukoliko se baterije redovno prepunjavaju dolazi do narušavanja karakteristike baterije. Isto tako mora se voditi računa i o temperaturi okoline, temperaturi baterije i .

54

2.7.2 Karakteristika pražnjenja Karakteristika pražnjenja Ni-MH baterije je slična karakteristici pražnjenja Ni-Cd baterije,

što je posledica sličnih materijala koji su upotrebljeni za izradu baterija. Slika 2.68 prikazuje uporedne karakteristike pada napona na Ni-Cd i Ni-MH bateriji u zavisnosti od potrošenog kapaciteta baterije.

Slika 2.68. Uporedne karakteristike napona na Ni-Cd i Ni-MH baterijama

Uporedne karakteristike se odnose na identične uslove eksploatacije: punjenje 16h strujom

od 0.1It i pražnjenjem strujom od0.2It na temperaturi od 20ºC. Sa karakteristike se vidi da Ni-MH baterije imaju manji pad napona (ravnija karakteristika) za veće potrošnje. Ova prednost im otvara širokeu mogućnost korišćenja. Osim toga cut-off napon (krajnji napon prilikom pražnjenja) od 1 V dosežu tek pri kapacitetu od 1400 mAh.

Pražnjenje baterija ispod cut-off napona i njeno ponovno punjenje može prouzrokovati trajni pad napona baterije što takođe prati i pad kapaciteta baterije.

Nominalni napon na Ni-MH bateriji od 1.2V je skoro konstantan tokom pražnjenja baterije. Napon na bateriji zavisi od nekoliko faktora kao što su: struja pražnjenja, temperatura okoline i uslova pod kojima se baterija koristi.

Ukoliko se Ni-MH baterija prazni sa konstantnom strujom pražnjenja, napunjenost baterije se može računati kao proizvod struje pražnjenja i vremena pražnjenja. Vreme pražnjenja se računa od trenutka početka pražnjenja do trenutka kada je baterija ispražnjena do krajnjeg napona. Napunjenost baterije se izražava u Ah ili mAh. Nominalni kapacitet baterije se izražava kao srednja vrednost napunjenosti za pražnjenja u trajanju od 1h, uz uslov da je baterija napunjena sa 0.1It u trajanju od 16h na temperaturi od 20±5˚C.

Brzina pražnjenja Ni-MH baterije najviše zavisi od struje pražnjenja baterije. Karakteristika brzine pražnjenja je prikazana na Slici 2.69.

Slika 2.69. Karakteristika pražnjenja

55

Kao što se vidi na karakteristici prilikom povećanja struje pražnjenja opada napunjenost

baterije. Ovo se javlja zbog opadanja otpornosti aktivnog materijala unutar baterije. Na Slici 2.70 je prikazan odnos brzine pražnjenja Ni-MH baterije i napona na bateriji.

Slika 2.70. Napon na Ni-MH bateriji u zavisnosti od struje pražnjenja

Konkretno na Slici 2.70 su prikazane tri naponske karakteristike za različite struje pražnjenja

i to za 0.2It, 1It i 3It. Pad napona na bateriji usled povećanja struje pražnjenja je prouzrokovan delom usled pada unutrašnje impedanse baterije, a delom usled povećanja napona polarizacije unutar reakcije između elektroda.

Ni-MH baterija ne podnosi pražnjenja veća od 3It. Pri kraju radnog veka Ni-MH baterije opada kapacitet baterije usled porasta polarizacionog napona i padom napona uslovljenog padom unutrašnje impedanse.

2.7.2.1 Temperatura okoline Temperatura okoline utiče na napon na bateriji kao što je prikazano na Slici 2.71. Dok je na

višim temperaturama okoline napunjenost baterije identična kao i prilikom nominalnih temperatura okoline, na nižim temperaturama napunjenost opada (karakteristika obeležena isprekidanom linijom). Ovo se dešava zato što na nižim temperaturama okoline opada reakcija između elektroda. Ovaj fenomen je privremenog karaktera i Ni-MH baterija se može oporaviti nakon nekoliko punjenja/pražnjenja na nominalnoj temperaturi okoline.

Slika 2.71. Napon na bateriji u zavisnosti od temperature okoline

56

2.7.2.2 Inverzna polarizacija Slično kao kod Ni-Cd baterija i kod Ni-MH baterija može doći do inverzne polarizacije.

Pojava inverzne polarizacije se javlja kod više redno vezanih baterija. Nastaje usled razlike u kapacitivnosti redno vezanih baterijskih ćelija. Na Slici 2.72 se vidi odnos napona na bateriji i vremena pražnjenja prilikom naglog pražnjenja baterije sve do pojave inverzne polarizacije.

Karakteristika se sastoji iz tri oblasti koje su identične sa ranije opisanim oblastima pražnjenja kod Ni-Cd baterija.

Slika 2.72. Napon na bateriji prilikom inverzne polarizacije

Prilikom pražnjenja baterija, velikim strujama, može doći do pada kapacitivnosti neke

baterije u nizu serijski vezanih baterija. Ovo prouzrokuje pojavu inverzne polarizacije i javljanje negativnog napona. U slučaju da se ovaj proces ponavlja više puta može doći do trajnog oštećenja baterije. Niz baterija koji se ugrađuje u nekom kućištu ne sme biti veći od 21 ugrađene baterije. Za određivanje krajnjeg napona ćelije, može se koristiti sledeća formula:

Broj ćelija x 1.0V Preporučeni krajnji napon ćelije zavisi od vrste baterije i uslova njihovog korišćenja.

2.7.3 Skladištenje Kada se napunjena baterija skladišti odvojeno od potrošača, dolazi do gubitka energije usled

samopražnjenja baterije. Razlog za samopražnjenje Ni-MH baterija je: (1) Unutar baterije se nalazi gas pod niskim pritiskom i hidrogen koji postepeno smanjuje

aktivni materijal na pozitivnoj elektrodi. Istovremeno, količina hidrogena unutar baterije opada i negativna elektroda postepeno oslobađa hidrogen da bi održala termodinamičku stabilnost. Ovo takođe uzrokuje i pad kapaciteta baterije.

57

(2) Prisutnost nečistoća unutar baterijskog kućišta prouzrokuje potrošnju između pozitivne i negativne elektrode što takođe redukuje kapacitet baterije.

2.7.3.1 Temperatura skladištenja Samopražnjenje Ni-MH baterija umnogome je uslovljeno temperaturom okoline prilikom

skladištenja. Odnos temperature skladištenja i preostalog kapaciteta baterije je prikazan na Slici 2.73. Sa karakteristike se vidi, da se prilikom čuvanja baterija na višim temperaturama samopraznjenje ubrzava, dok je na niskim temperaturama zanemarljivo.

Slika 2.73. Zavisnost kapaciteta prilikom skladištenja od temperature

Baterija tokom skladištenja gubi kapacitet bez obzira na kojoj se temperaturi čuva.

Izgubljena kapacitivnost nakon skladištenja se može povratiti ponovnim punjenjem. Kapacitivnost izgubljena na ovaj način nije štetna po bateriju.

U slučaju da se Ni-MH baterija čuva dug vremenski period na ekstremno visokoj temperaturi, može doći do postepenog uništenja aktivnog materijala unutar baterije. Samim tim se baterija može trajno oštetiti. Ako se baterija mora čuvati dug vremenski period temperatura okoline ne sme biti izvan granice od -20 do +30ºC. Ukoliko se poštuje ograničenje temperature nezavisno je da li će se Ni-MH baterija čuvati napunjena ili ispražnjena. Na primer, Slika 2.74 uporedno prikazuje karakteristike ponovnog punjenja baterija koje su se čuvale prazne i baterija koje su čuvane napunjene.

Slika 2.74. Karakteristike ponovnog punjenja Ni-MH baterija

58

Izgubljeni kapacitet Ni-MH baterija će se kompletno povratiti nakon 2 do 3 ciklusa punjenja. Da bi se sačuvale najbolje osobine Ni-MH baterija prilikom skladištenja, potrebno je poštovati sledeće:

(1) Temperaturu skladištenja i vlažnost vazduha u granicama: • Čuvanje manje od 30 dana -20 do 50 ºC • Čuvanje manje od 90 dana -20 do 40 ºC • Čuvanje manje od godinu dana -20 do 30 ºC • Sve ovo pri vlažnosti vazduha od 65±20%

(2) Skladištenje dug vremenski period. Kao što je napomenuto, ako se baterija čuva dug vremenski period na potrošaču, može doći do curenja i trajnog oštećenja. Zbog toga ukoliko se baterija treba čuvati dug vremenski period mora biti odvojena od potrošača.

Prilikom punjenja Ni-MH baterije nakon dugog vremena skladištenja, može doći do preranog prestanka punjenja baterije (baterija prevari punjač da je kompletno napunjena). Ova pojava može varirati u zavisnosti koja se metoda punjenja koristi. Nastali problem se rešava sa nekoliko uzastopnih punjenja i pražnjenja baterije. Takođe, prvo punjenje Ni-MH baterije nakon dugog čuvanja ima nešto manji kapacitet od nominalnog. Koliko će baterija izgubiti od kapaciteta, zavisi od uslova pod kojima je čuvana baterija i koliki vremenski period.

2.7.3.2 Ciklusi punjenja i pražnjenja Životni vek Ni-MH baterija umnogome zavisi od broja ciklusa punjenja i pražnjenja. Kao

primer na Slici 2.75 je prikazan odnos kapaciteta Ni-MH baterije i broj ciklusa punjenje/pražnjenje.

Slika 2.75. Odnos kapaciteta Ni-MH baterije i broj ciklusa punjenje/pražnjenje

Uporedno je data i karakteristika unutrašnje otpornosti baterije. Pad kapaciteta baterije

primećen nakon 400 ciklusa punjenja/pražnjenja rezultat je povećanja unutrašnje otpornosti baterije. Karakteristike su date za prilično veliku struju pražnjenja od 1It. Sa prikazanih karakteristika se može videti da je baterija neupotrebljiva nakon 500 ciklusa.

Ako se baterija puni strujama većim od preporučenih ili prazni do obrtanja polariteta ili pak koristi pri ekstremno visokim temperaturama, opada broj ciklusa punjenja/pražnjenja.

Faktori koji utiču na životni vek NI-MH baterije su sledeći: (1) Primarni faktor je isušenje separatora unutar baterije koji uzrokuje uvećanje unutrašnje

impedanse. Isušenje separatora dovodi do promena karakteristika materijala unutar baterije, otvaranja ventila za gas prilikom punjenja/pražnjenja.

59

(2)Temperatura unutar baterije takođe utiče na radni vek NI-MH baterije. Ona je zavisna od uslova pod kojima se baterija eksploatiše. Preporučena radna temperatura Ni-MH baterije se kreće od 0 do 40ºC. Prilikom korišćenja baterije pri sobnim temperaturama radni vek je veoma dug.

(3)Uslovi pod kojima se puni baterija takođe utiču na vek trajanja baterije. Na Slici 2.76 prikazan je napon na Ni-MH bateriji u zavisnosti od ciklusa punjenja. Može se primetiti da nakon nekoliko stotina ciklusa punjenja opada napon na bateriji tokom punjenja. Ovaj pad napona uslovljen je pojavom pada unutrašnje impedanse Ni-MH baterije.

Slika 2.76. Napon na bateriji u zavisnosti od ciklusa punjenja/pražnjenja

(4) Uslovi pražnjenja baterije. Ukoliko se Ni-MH baterija koristi nekoliko stotina puta,

primetiće se nešto veći pad napona na bateriji prilikom pražnjenja (Videti Sliku 2.77).

Slika 2.77. Pad napona na bateriji prilikom pražnjenja

Zivotni vek Ni-MH baterije će opasti i u slučaju da se periodično ponavlja duboko pražnjenje baterije sve do obrtanja polariteta.

2.7.4 Memorijski efekat Ukoliko se Ni-MH baterija nekoliko puta površno prazni (na primer do 1.12V) pa opet puni,

a nakon toga duboko isprazni (do 1.0V) narušava se karakteristika pražnjenja i opada kapacitet baterije. Ovaj efekat narušavanja kapacitet baterije se naziva memorijski efekat. Nastali pad napona pražnjenja, uzrokovan memorijskim efektom, je samo privremen i može se korigovati sa nekoliko uzastopnih kompletnih pražnjenja i punjenja baterije. Na Slici 2.78 prikazan je jedan primer memorijskog efekta.

60

Slika 2.78. Memorijski efekat kod Ni-MH baterija

Nakon 20 ciklusa pražnjenja do 1.0V/ćeliji izvršeno je kompletno punjenje i pražnjenje

baterije sa 1It. Isprekidanom linijom je prikazano pražnjenje nakon kompletnog ciklusa punjenja. Primećuje se pad naponske karakteristike u odnosu na inicijalnu. Već nakon drugog kompletnog ciklusa karakteristika je znatno poboljšana.

2.7.5 Metode punjenja Ni-MH baterija Prilikom punjenja baterija, neophodno je razmotriti karakteristike baterija i uslove pod

kojima se koriste. Slično Ni-Cd baterijama i Ni-MH baterije tokom punjenja kiseonik koji je generisan na pozitivnoj elektrodi troše na negativnoj. Ograničena sposobnost Ni-MH baterije da potroši kiseonik uslovljava maksimalnu struju punjenja baterije. Ukoliko se Ni-MH baterija puni većom strujom od propisane, pritisak gasa unutar ćelije raste i aktivira sigurnosni ventil. Višestrukim ponavljanjem nepropisnog punjenja dolazi do gubitka elektrolita, samim tim i skraćenja veka trajanja baterije. Zato izborom odgovarajuće metode punjenja se ispunjavaju neophodni uslovi koji omogućavaju maksimalno korišćenje karakteristika Ni-MH baterje.

Postoji više metoda punjenja Ni-MH baterija. Neke od njih su: punjenje konstantnom strujom, punjenje konstantnim naponom, trickle punjenje u kratkim intervalima i floating promenjivo punjenje.

Osnovna i najčešće korišćena metoda za punjenje Ni-MH baterija je metoda punjenja konstantnom strujom. Primer punjenja konstantnom strujom je prikazan na Slici 2.79. Ova metoda se zasniva na punjenju konstantnom strujom od početka pa sve do kraja punjenja, obezbeđujući na taj način efikasno punjenje.

Slika 2.79. Kolo za punjenje metodom punjenja konstantnom strujom

Podešavanje struje punjenja Ni-MH baterije zavisi od tipa i veličine baterije koja će se

puniti. Ovaj metod punjenja dopušta jednostavno računanje količine napunjene energije na osnovu vremena punjenja.

Punjač Ni-MH baterija se neznatno razlikuje od punjača Ni-Cd baterija. Neki od proizvođača preporučuju upotrebu različitih punjača za Ni-Cd i Ni-MH. Razlika se ogleda u

61

preciznoj kontroli struje punjenja koja je neophodna za punjenje Ni-MH baterija. Preporučena maksimalna struja punjenja Ni-MH baterija je od 0.5It do 1It (brzo punjenje). Kod nekih modela Ni-MH baterija dozvoljeno je i punjenje sa konstantnom strujom od 0.1It. Algoritam koji opisuje brzo punjenje Ni-MH baterija je dat na Slici 2.80. Punjenje baterije se prekida u slučaju detektekcije naponskog pika, porasta temperature baterije ili nekog drugog nedozvoljenog uslova.

Slika 2.80. Algoritam za brzo punjenje Ni-MH baterija

(1) Prvi korak pri punjenju je verifikacija temperature baterije pre početka punjenja. Pošto

temperatura okoline utiče na efikasnost punjenja Ni-MH baterije, potrebno je puniti bateriju u temperaturnom opsegu od 0°C do 40°C. Najbolja efikasnost punjenja Ni-MH baterija se postiže pri temperaturama od 10°C do 30°C. Prilikom punjenja se mora imati u vidu da temperatura baterije raste iznad temperature okoline.

(2) Merenje napona na bateriji. Prilikom stavljanja oštećene baterije u punjač, može doći do uništenja uređaja ili punjača. Isto tako, oštećenje na kolu za zaštitu ili bilo koje komponente u baterijskom pakovanju može dovesti do katastrofalnih posledica. Radi predostrožnosti baterija se prvo puni malim strujama (od It/50 do It/20). Nakon nekog vremena meri se napon na bateriji. Ukoliko napon dostigne neku programiranu vrednost (α), nastavlja se sa brzim punjenjem velikom strujom. U slučaju da nije dostignut programirani napon prekida se punjenje. Na primer: Ako napon na bateriji nakon 20 minuta ne dostigne vrednost 1.10V/ćeliji prilikom punjenja sa It/50 (ili 1.15V/ćeliji za struju punjenja It/20), registruje se problem na bateriji i prekida se punjenje. U ovom slučaju se ne nastavlja sa brzim punjenjem i na taj način se izbegava katastrofa.

(3) Brzo punjenje će se obaviti isključivo ako su ispunjena predhodna dva uslova. Tokom brzog punjenja struja se podešava na vrednost od 0.5It ili 1It. Ukoliko se koristi punjenje manje od 0.5 It, kada je baterija maksimalno napunjena dolazi do nepredvidivog rasta napona i

62

temperature. Zato je kontrola punjenja Ni-MH baterija malim strujama veoma teška. Slično, ukoliko se Ni-MH baterija puni strujom većom od 1It, opada sposobnost negativne elektrode da rekombinuje nastale količine kiseonika, što dovodi do rasta pritiska unutar baterije. Rast pritiska uzrokuje otvaranje ventila, što dovodi do opadanja performansi baterije i curenja elektrolita.

(4) Metode kontrole punjenja. Radi izbegavanja nepotrebnog otvaranja ventila, potrebno je kontrolisati punjenje baterije uz pomoć nekog spoljnog kola. Kolo se projektuje radi izbegavanja prepunjavanja Ni-MH baterija. Metode za kontrolu punjenja su:

a) Detekcija naponskog pika na bateriji (kontrola napona na bateriji) b) Detekcija rasta temperature koji se javlja usled prepunjavanja (∆T/∆t kontrola) c) Detekcija razlike temperature između temperature okoline i temperature baterije kada je baterija kompletno puna (∆T kontrola) d) Detekcija vremena za koje napon na bateriji padne u odnosu na određenu vrednost, nakon pojave naponskog pika (-∆V kontrola) e) Merenje vremena koje je proteklo od početka punjenja baterije (kontrola vremena punjenja) f) Detekcija ternutka u kome temperatura baterije poraste do određenog nivoa (konterola temperature baterije) g) Detekcija trenutka u kome napon na bateriji poraste iznad određene vrednosti (fiksna kontrola napona)

Od navedenih metoda za kontrolu punjenja Ni-MH baterija se najviše koriste metode a), b) i c) (vidi Sliku 2.81).

Slika 2.81. Metode za kontrolu punjenja

63

Ove metode se koriste za zaustavljanje brzog punjenja baterije, kada je ona napunjena. Da bi se izbeglo prepunjavanje, neophodno je podesiti odgovarajuće vrednosti napona i temperature pre punjenja a kasnije, tokom punjenja, meriti da one ne budu premašene. Izborom odgovarajuće metode stvaraju se uslovi za maksimalno korišćenje karakteristika baterije. Za punjenje Ni-MH baterija, kao i Ni-Cd, može se koristiti metoda kontrole –∆V (metoda d)). Radi prevencije porasta pritiska unutar baterije - ∆V se postavlja ispod 10mV/ćeliji. U poređenju sa metodom a) ova metoda redukuje životni vek baterija oko 20%.

(5) Kontrola vremena punjenja. Ako se desi da neka od spomenutih metoda punjenja iz nekog razloga ne bude izvršena, neophodno je nakon isteka određenog vremena zaustaviti punjenje. Preporučuje se podešavanje tajmera na vreme za koje se baterija napuni na 130% od nominalnog kapaciteta.

(6) Kontrola temperature baterije (Temperature Cut Off). Radi bezbednosti i osiguranja karakteristike baterije treba izbegavati punjenje baterije na visokim temperaturama. Punjenje baterije se treba prekinuti ukoliko temperatura baterije poraste iznad 60ºC.

2.7.5.1 Punjenje u kratkim vremenskim intervalima Prilikom punjenja Ni-MH baterija važno je razumeti kakav uticaj na životni vek baterije ima

ponovljeno punjenje baterije koja je već napunjena. Praktično, na životni vek nepovoljno utiče temperatura ambijenta i struja punjenja. Ponavljanjem punjenja se prouzrokuje uništavanje organskog materijala unutar separatora i hidrogen apsorbćujuće tečnosti na negativnoj elektrodi.

Ukoliko se baterija napuni pa odvoji od potrošača i tako čuva dug vremenski period, javlja se pad kapaciteta usled samopražnjenja. Ako je neophodno dopunjavanje baterije, preporučeno je korišćenje punjenja u kratkim vremenskim intervalima (trickle dopunsko punjenje).

Iz ranijeg izlaganja je zaključeno da je prepunjavanje Ni-MH baterije štetno i da ga treba izbegavati. Zato je od velike važnosti dizajn punjača. Punjač mora biti takao dizajniran da nadoknadi samo izgubljeni kapacitet baterije, a ne i da je prepunjava. Kao način dopunjavanja Ni-MH baterija, koristi se trickle punjenje sa impulsnom strujom.

Količina elektriciteta, koju baterija izgubi tokom samopražnjenja na 40ºC za jedan dan, približno je jednaka 5% od ukupnog kapaciteta. Teoretski je to moguće nadoknaditi sa kontinualnim punjenjem sa It/500 pomoću prateće jednačine:

It x (5/100) ÷ 24h = It/500 (2.24)

Efikasnost prilikom ovakvog dopunjavanja je mala, te ovaj način dopunjavanja nije

prikladan. Zato se koristi dopunjavanje impulsnom strujom. Na Slici 2.82 je prikazano dopunjavanje impulsima od It/10 trajanja 1.2s.

Slika 2.82. Impulsno punjenje Ni-MH baterija

64

Ovakvi impulsi se ponavljaju periodično na 58.8s. Trajanje impulsa i perioda ponavljanja umnogome zavise od veličine struje punjenja. Tako na primer za struju punjenja od It/20 do 1It, trajanje impulsa bi bilo 0.1s a perioda ponavljanja 60s.

2.7.6 Zaštite Ni-MH baterija Radi zaštite baterije od kvara na punjaču, kratkog spoja izvoda na bateriji ili nekog drugog

uzroka, neophodno je unutar baterije ugraditi zaštitne elemente. U Tabeli 2.1 su prikazane preporuke kola za zaštitu.

Tabela 2.1. Kola za zaštitu Ni-MH baterija

Cilindrična Ni-MH baterija

Termistor Termički prekidač (radi od 70ºC do 75 ºC) Termički osigurač (aktivan na 91 ºC)

Zavisno od uslova punjenja/pražnjenja mogu se koristiti kombinacije:

Termistor i Termički prekidač ili Termistor i PTC

SLIM Ni-MH baterija

Termistor PTC

Zavisno od uslova može se koristiti Termistor ili PTC

Termički prekidač se aktivira pri određenoj temperaturi i treba da prekine struju, ukoliko

dođe do pregrevanja. Nakon pada temperature termički prekidač ponovo uspostavlja struju kroz bateriju. Termički osigurač se aktivira na nešto većoj temperaturi sa istim ciljem, međutim nakon pregorevanja termičkog osigurača baterija se više ne može upotrebljavati. Primeri implementacije zaštitnih komponenti unutar baterije su dati na Slici 2.83.

Slika 2.83. Zaštita unutar baterijskog kućišta

65

2.7.7 Konfiguracija Prilikom izbora odgovarajuće baterije neophodno je obratiti pažnju na nekoliko faktora kao

što su: potrošnja uređeja koji se napaja, uslovi korišćenja, dimenzije, temperaturni opseg itd. Prilikom odabira forme baterije treba obratiti pažnju na dostupni prostor i način stajanja baterije unutar uređaja. Ako se koristi brzo punjenje baterije uz kontrolu ∆T/∆t ili –∆T, mora se uzeti u obzir debljina kućišta, termičke provodnosti, zagrevanje baterije i zagrevanje uređaja u kome se nalazi baterija. Osnovne forme baterija su prikazane na Slici 2.84.

Slika 2.84. Kućišta Ni-MH baterija

66

2.8 Li-ion baterije Ni-Cd i Ni-MH baterije kao elektrolit koriste alkalnu tečnost i hidroksid. Tokom punjenja

ovih baterija dolazi do pojave gasa kiseonika, što narušava stopostotnu efikasnost punjenja/pražnjenja baterije. Pošto je ova pojava karakteristična u procesu prepunjavanja, razrađeni su mehanizmi za izbegavanje prepunjavanja ali time nije rešen problem mogućeg curenja elektrolita.

Kod konvencionalnih Li-ion baterija efikasnost punjenja/pražnjenja je praktično 100% izuzev prvog ciklusa punjenja/pražnjenja. Pored toga ove baterije ne podnose prepunjavanje i duboko pražnjenje. Li-ion baterije kao elektrolit koriste organski rastvor, koji je različit od alkalnih elektrolita po pitanju provodnosti pri velikim strujama pražnjenja. Ova razlika se ogleda u tome što Li-ion baterije ″ne podnose″ velike struje pražnjenja. Ovaj nedostatak se izbegava korišćenjem većih površina elektroda.

Hemijske reakcije, koje opisuju mehanizam rada Li-ion baterija, su opisane sledećim jednačinama:

pozitivna elektroda punjenje: LiCoO2 → Li1-X CoO2 + xLi+ + xe- (2.25) pozitivna elektroda pražnjenje: LiCoO2 ← Li1-X CoO2 + xLi+ + xe- (2.26)

negativna elektroda punjenje: C + xLi+ + xe- → CLix (2.27) negativna elektroda pražnjenje: C + xLi+ + xe- ← CLix (2.28)

ukupna reakcija punjenje: LiCoO2 + C → Li1-X CoO2 + CLix (2.29) ukupna reakcija pražnjenje: LiCoO2 + C ← Li1-X CoO2 + CLix (2.30)

Princip rada Li-ion baterije, prilikom punjenja, se zasniva na kretanju i jonizaciji atoma

litijuma sa pozitivne elektrode ka slojevima negativne elektrode. Nasuprot punjenju, pražnjenje obuhvata vraćanje jona ka pozitivnoj elektrodi. Šematski prikaz hemijskih reakcija unutar Li-ion baterije je prikazan na Slici 2.85.

Slika 2.85. Proces unutar baterije prilikom punjenja/pražnjenja

67

Da bi se postigle što bolje performance i sigurnost, Li-ion baterije prolaze kroz komplikovan

process proizvodnje. Proizvodnja se odvija u pažljivo kontrolisanom okruženju uz korišćenje sofisticirane opreme.

Za izradu elektroda se koristi: aktivni material, provodni materijali i sredstvo za povezivanje. Ovi materijali su pomešani sa tečnošću i dobijene su smese koje se uniformno upakuju unutar tanke metalne folije. Strukture dobijene na ovakav način se naknadno isušuju i smanjuju do predviđene veličine. Elektrode su međusobno razdvojene sa separatorom i takva struktura se umeće unutar kućišta koje se kasnije ispunjava elektrolitom. Na kraju se process završava zalivanjem baterije sa voskom. Pre nego što baterije dođu do prodavnica, moraju proći kroz niz inspekcija, ciklus inicijalnog punjenja i pražnjenja baterije itd. Materijali koji se koriste za izradu anode moraju biti sposobni da oslobađaju što više jona litijuma prilikom punjenja i prihvataju ih tokom pražnjenja. Uglavnom se koristi litijum-kobalt-oksid (LiCoO2), pored njega koriste se i litijum-nikl-oksid (LiNiO2) ili litijum-manganat-oksid (LiMn2O4). Izborom odgovarajućeg materijala utiče se na oblik karakteristike pražnjenja baterije. Na Slici 2.86 su date uporedne karakteristike pražnjenja za različite materijale anoda.

Slika 2.86. Karakteristike pražnjenja Sa karakteristike se vidi da najbolje rezultate po pitanju kapaciteta, efikasnosti, napona i

ravne karakteristike pražnjenja imaju baterije sa katodom izrađenom od litijum-kobalta (zelena karakteristika).

Li-ion baterije za izradu katode koriste materijale od ugljenika. Ugljenični materijali imaju sposobnost čuvanja velike količine litijuma. Trenutno se koriste dva tipa ugljeničnih materijala. Jedan je visokokristalizovani ugljenik kao grafit, a drugi je amorfni ugljenik kao koks. C6Li je materijal dopiran litijumskim jonima u obliku heksagonalnog prstena. Teoretski ovaj materijal ima veoma veliki kapacitet čak 372mAh/g. Visokokristalizovani ugljenik može postići veoma dobre rezultate po pitanju kapaciteta čak približno teoretskim vrednostima. Na Slici 2.87 je data razlika u karakteristici pražnjenja za različite materijale koji se koriste za izradu katode.

68

Slika 2.87. Karakteristike pražnjenja Sa slike se može uočiti da postoje velike razlike karakteristika pražnjenja kada se koristi

koks i kada se koristi grafit kao katoda. U pogledu kapaciteta grafitni materijali su se pokazali kao superiorniji. Osnovne funkcije separatora su izolacija pozitivne i negativne elektrode, čuvanje elektrolita i omogućavanje boljeg kretanja jona litijuma. Radi boljih performansi baterije separator mora da zadovoljava sledeće karakteristike:

• električna izolacija • hemijska i električna stabilnost elektrolita • sposobnost držanja elektrolita • propustljivost litijumskih jona • tanak i mehanički otporan

Ove zahteve u potpunosti zadovoljavaju polietilenski i polipropilenski materijali. Pore na ovim materijalima na određenoj temperaturi se smanjuju i štite jone litijuma da ne prolaze kroz separator. Ovo čini Li-ion baterije bezbednijim pri upotrebi na višim temperaturama. Osnovnu ulogu u pokretljivosti jona litijuma igra elektrolit. Li-ion ćelije rade na uslovno velikom naponu od 4V što prouzrokuje elektrolizu vode. Da bi se ovo sprečilo elektrolit se pravi od litijumske soli koja se stavlja u čvrsti organski rastvarač. Organski rastvor mora da zadovolji sledeće karakteristike:

• visoka provodnost jona litijuma • elektrohemijska stabilnost • hemijska i termička stabilnost • široki temperaturni opseg

Zato što je napon na bateriji viši od 4V, za izradu elektrolita se mogu koristiti samo određeni rastvarači. Kao elektrolit se koristi LiPF6 miksovan u rastvaraču od etilen-karbonata.

Viši napon baterijske ćelije predstavlja mogućnost smanjenja broja baterija potrebnih za napajanje nekog uređaja a samim tim korigovanje veličine i težine uređaja. U poređenju sa Ni-Cd i Ni-MH baterijama Li-ion baterije imaju znatno veću energy density. (videti Sliku 2.88)

69

Slika 2.88. Uporedne energy density karakteristike više vrsta punjivih baterija Za izradu kućišta se koriste različiti materijali u zavisnosti od nazivnog napona ćelije i

upotrebe. Na primer, ako se baterija koristi do 3V koristi se kućište od nerđajućeg čelika, dok za baterije preko 4V (cilindričnog tipa) se koristi kućište od nikla i gvožđa. U novije vreme za izradu kućišta se koristi legura aluminijuma (prizmatični tip baterije). Prve Li-ion baterije su se izrađivale unutar cilindričnog kućišta slično Ni-Cd i Ni-MH baterijama. Cilindrične ćelije su uglavnom koristile za napajanje personalnih računara, kamkodera i sličnih uređaja. Povezivane su u multiserijama i paralelnim konfiguracijama. Kasniji razvoj malih uređaja kao što su mobilni telefoni i PDA uređaji su nametnuli razvoj i upotrebu prizmatičnih kućišta. Razlog primene cilindričnog tipa Li-ion baterija leži u njihovim malim dimenzijama (prečnik) i većim kapacitetom od prizmatičnih pakovanja. Struktura cilindrične Li-ion baterije je data na Slici 2.89.

Slika 2.89. Izgled cilindrične Li-ion baterije Formirana je sendvič struktura od veoma tankih elektroda i separatora, koja je umotana i

ubačena u cilindar. Ovakva struktura daje dobre performanse u pogledu karakteristike punjenja/pražnjenja, temperature i energy density. Radi zaštite baterije od nestručne upotrebe,

70

ista ima nekoliko zaštitnih komponenti kao što su: PTC otpornik, gasni ventil i specijalni separator.

PTC ima dvostruku zaštitnu ulogu i to kao termička zaštita i zaštita od prekomerne struje. Nalazi se između pozitivnog izvoda ćelije i pozitivnog izvoda na bateriji i prstenastog je oblika. Kada se javi strujno prekoračenje kroz bateriju, odnosno PTC otpornik, on povećava svoju otpornost i na taj način koriguje veliku struju. Povećanje otpornosti može biti i do 10kΩ, što je dovoljno da zaštiti bateriju u slučaju kratkog spoja.

Ćelija sadrži i komponentu za prekid struje (CID: Current Interrupt Device) u kombinaciji sa gasnim ventilom. Ona zaustavlja punjenje ukoliko dođe do povećanja pritiska unutar baterije. Na Slici 2.90 je prikazan izgled strukture CID i gasnog ventila.

Slika 2.90. Presek gasnog ventila Li-ion baterije

Vrh ventila sa metalnim kontaktom spojen je na pozitivni izvod broj 2 sa jedne strane, a sa

druge strane na PTC odnosno na pozitivni izvod baterije broj1. Usled pojave pritiska unutar baterije dolazi do reagovanja CID-a i podizanja ventila. Kada se ventil podigne, kontakt je mehanički odvojen od pozitivnog izvoda broj 2 i struja kroz bateriju neće teći.

Separator od mikro-propustljivog polimera ima strujno prekidnu funkciju. Na primer u slučaju kratkog spoja koje prouzrokuje pregrevanje ćelije, umanjuje moć propuštanja jona litijuma i tako smanjuje struju kroz bateriju.

Baterija u obliku prizmatične ćelije se koristi u aplikacijama gde se zahtevaju male težine baterije, malo prostora i visoke performanse. Male težine kod ove vrste baterija su postignute upotrebom aluminijuma za izradu kućišta (postiže se čak 30% manja težina nego kod upotrebe nerđajućeg čelika). Na Slici 2.91 je prikazan poprečni presek jedne prizmatične ćelije.

Slika 2.91. Presek prizmatične Li-ion ćelije

71

Ove baterije su napravljene identično kao i cilindrične. Elektrode i separator sa elektrolitom

su ubačene u kućište koje je zapečaćeno sa voskom. Prizmatične ćelije su, takođe, opremljene komponentama za zaštitu.

2.8.1 Karakteristika punjenja Normalno punjenje Li-ion baterija se obavlja sa metodom punjenja konstantnom strujom-

konstantnim naponom (CC-CV metoda). Prilikom punjenja Li-ion baterija CC-CV metodom, punjač mora kontrolisati maksimalni napon u granici 4.2V ±0.03V, odnosno, 4.2V ±0.05V za specijalna kućišta. Slika 2.92 prikazuje tipičnu karakteristiku punjenja Li-ion baterije.

Slika 2.92. Karakteristika punjenja Li-ion baterije

Karakteristiku punjenja ovih baterija odlikuje brzo dostizanje 80% kapaciteta, a nakon toga

postepeno punjenje do 100%. Prilikom punjenja CC-CV metodom sa strujom punjenja od 1C baterija dostigne napon od 4.2V već nakon 50 minuta. Na ovaj način je napunjeno 80% kapaciteta baterije. Nadalje se nastavlja punjenje održavanjem konstantnog napona CV i postepenim smanjivanjem struje punjenja. Punjenje baterije je kompletno nakon 2.5 sata. Na Slici 2.93 su date karakteristike punjenja u zavisnosti od struje punjenja i kapaciteta.

Slika 2.93. Karakteristike punjenja u zavisnosti od struje punjenja

72

Kada se Li-ion ćelija puni većim strujama napon na njoj brže dostiže 4.2V. Ovo se javlja usled reakcije između elektroda i povećanja unutrašnje impedanse baterije. Veća struja punjenja smanjuje vreme punjenja CC, ali samo do neke granice. Ako je konstantna struja punjenja veća od 1C, vrednost struje punjenja ne utiče mnogo na ukupno vreme punjenja. Ovo se javlja zato što posle CC oblasti dolazi CV oblast koja vremenski mnogo duže traje u odnosu na CC oblast, samim tim definiše ukupno vreme punjenja. Nominalna struja punjenja Li-ion baterija je između 0.2C i 1C.

Slika 2.94 prikazuje uticaj temperature okoline na karakteristiku punjenja Li-ion baterije.

Slika 2.94. Zavisnost karakteristike punjenja od temperature Prikazane karakteristike se odnose na temperature okoline od 0ºC, 20 ºC i 40 ºC. Napon na

ćeliji zavisi i od temperature. Manja temperatura okoline, prouzrokuje veći napon na ćeliji, što je prouzrokovano porastom prenapona u reakciji između elektroda. Punjenje baterije pri temperaturama ispod 0ºC nije od praktičnog značaja, zato što bi punjenje do 100% kapaciteta trajalo veoma dugo. Normalni uslovi punjenja se kreću od 0ºC do 40 ºC. Takođe, napunjenost baterije zavisi od krajnje struje punjenja (u CV delu). Stanje potpune napunjenosti baterije se definiše za krajnje struje od 0.02C do 0.05C. Nakon CC faze punjenja, nastavak punjenja sa povećanjem struje punjenja bi doveo do uništenja baterije.

2.8.2 Karakteristika pražnjenja Napon pražnjenja Li-ion baterija se menja u zavisnosti od struje pražnjenja, temperature

okoline i ostalih uslova. Međutim, napon na bateriji je u proseku 3.7V što je oko tri puta više nego kod Ni-Cd i Ni-MH. Veći napon tokom pražnjenja je jedna od osnovnih prednosti Li-ion baterija. Na primer: Kada neka aplikacija zahteva napajanje od 3V do 4V, moraju se ugraditi tri serijski vezane Ni-Cd ili Ni-MH baterije, ili samo jedna Li-ion baterija. Na Slici 2.95 i Slici 2.96 su prikazane karakteristike zavisnosti napona na bateriji i napunjenosti baterije od struje pražnjenja baterije.

73

Slika 2.95. Naponska karakteristika pražnjenja Li-ion baterije Napon na Li-ion bateriji je tokom pražnjenja konstantan (ravna naponska karakteristika).

Baterije su pražnjenje do krajnjeg napona od 2.75V. Prikazane karakteristike se odnose na vrednosti struja pražnjenja od 0.2C do 2.0C.

Slika 2.96. Karakteristika napunjenosti Li-ion baterije u zavisnosti od struje pražnjenja Veća struja potrošnje iziskuje smanjenje kapaciteta baterije, zato što se troši aktivni

materijal unutar ćelije. Karakteristika pražnjenja je prilično ravna i nezavisna od količine struje koja se troši. Ovo se javlja zbog uvećanja polarizacionog napona između elektroda. Standardne struje pražnjenja su ispod 1C za kontinualno pražnjenje, ispod 2C za impulsno pražnjenje. Pražnjenje preko 2C nije dozvoljeno zbog velikog pada napona na ćeliji.

2.8.2.1 Temperatura okoline Na karakteristiku pražnjenja utiču uslovi eksploatacije kao i temperatura okoline. Odnos

između temperature okoline i napona na ćeliji tokom pražnjenja je prikazan na Slici 2.97i Slici 2.98.

74

Slika 2.97. Napon na bateriji u zavisnosti od temperature Karakteristike sa slike prikazuju napon na Li-ion bateriji u zavisnosti od temperature

baterije. Opseg temperatura se kreće od -20ºC do +60 ºC. Može se uočiti degradiranje naponske karakteristike pražnjenja na niskim temperaturama.

Slika 2.98. Napunjenost u zavisnosti od temperature Napunjenost Li-ion baterije na višim temperaturama jednaka je napunjenosti na sobnim

temperaturama. Međutim, na niskim temperaturama (ispod 0ºC) napon na bateriji je manji usled smanjene aktivnosti elektroda. Ovaj pad npona prati pad kapaciteta baterije koji je samo privremenog karaktera i može se nadoknaditi na sobnoj temperaturi.

Pražnjenje baterije više nego što je to dozvoljeno dovodi do degradiranja karakteristika Li-ion baterija. Zato je preporučljivo korišćenje baterija u određenim granicama napona. Slično kao i kod Ni-MH baterija, usled dubokog pražnjenja baterije može doći do obrtanja polariteta. Preporučeni krajnji naponi baterija su:

• jedna baterija (3.7V): minimalni napon 2.75V • dve serijski vezane baterije (7.4V): minimalni napon 6.0V • tri serijski vezane baterije (11.1): minimalni napon 9.0V • četiri serijski vezane baterije (14.8V): minimalni napon 12V.

75

Zbog ovoga je potrebno svaku bateriju opremiti kolom za zaštitu od dubokog pražnjenja. Ovo kolo je podešeno da se aktivira prilikom dostizanja minimalnog napona na ćeliji od 2.4V i tako onemogući dalje pražnjenje.

2.8.3 Skladištenje baterija Generalno govoreći, kraj radnog veka punjive baterije je kada kapacitet baterije opadne na

60% od nominalne vrednosti i ne može se povratiti ni nakon nekoliko uzastopno ponovljenih ciklusa punjenja/pražnjenja. Radni vek baterije zavisi od uslova kao što su: punjenje, dubina pražnjenja, struja i temperatura okoline. Na Slici 2.99 prikazan je primer gubitka kapaciteta jedne Li-ion baterije u zavisnosti od broja ciklusa punjenja/pražnjenja.

Slika 2.99. Pad kapaciteta Li-ion baterije tokom ciklusa punjenja/pražnjenja Pri određenim uslovima, strujom punjenja i paražnjeja od 0.1C na sobnoj temperaturi,

baterija će izgubiti oko 20% kapaciteta nakon 350 ciklusa. Uslovi korišćenja koji narušavaju životni vek Li-ion baterije su:

• Prepunjavanje sa prevelikim naponom • Kontinualno punjenje istom strujom • Punjenje i pražnjenje velikim strujama • Duboko pražnjenje do krajnjih napona • Premašenje preporučenih temperatura ambijenta

2.8.3.1 Faktori narušavanja radnog veka Li-ion baterija Povod za redukciju radnog veka Li-ion baterije nalazi se u samoj bateriji. Radni vek Li-ion

baterije najviše je određen degradacijom elektrolita unutar baterije. Degradacija elektrolita prouzrokuje porast unutrašnje otpornosti i pad sposobnosti aktivnog materijala. Ovaj fenomen koji se javlja unutar baterije se ubrzava ukoliko se ne poštuju preporučeni uslovi punjenja/pražnjenja.

Temperatura baterije, takođe, utiče na smanjenje radnog veka Li-ion baterija. Preporučene temperature za punjenje Li-ion baterija su od 0ºC do 40 ºC, a za pražnjenje od 0 ºC do 60 ºC. Na radni vek Li-ion baterija utiče i čuvanje napunjenih baterija na povišenim temperaturama dug vremenski period.

Radni vek Li-ion baterija je zavisan od broja ciklusa punjenja/pražnjenja. Slika 2.100 prikazuje odnos između napna na ćeliji, struje punjenja i kapaciteta napunjenosti od vremena punjenja za prvi i 150. ciklus punjenja.

76

Slika 2.100. Odnos između napona na ćeliji i struje od vremena punjenja

Sa karakteristike se može primetiti mali pad kapaciteta nakon 150 punjenja/pražnjenja.

Prilikom praktične upotrebe, Li-ion baterije ne pokazuju memorijski efekat. Na memorijski efekat ne utiče ni dubina pražnjenja. Slika 2.101 prikazuje jedan eksperimentalni rezultat.

Slika 2.101. Gubitak kapaciteta Li-ion baterije

Na slici su prikazane uporedne karakteristike normalno korišćene baterije

(punjenje/pražnjenje na 100%) i baterije koja je punjena normalno ali pražnjena na 50% (tačkasto označena karakteristika). Nakon više ponovljenih ciklusa, kod karakteristike pražnjenja na 50% zabeležen je manji pad kapaciteta u odnosu na normalno korišćenu bateriju. Ukoliko se CV ciklus nastavi i posle kompletno napunjene baterije dolazi do prepunjavanja, koje umnogome može narušiti radni vek baterije. Isto tako, strogo se mora voditi računa da napon na bateriji ne pređe propisane vrednosti. Usled nepoštovanja navedenih uslova može doći do abnormalne reakcije unutar ćelije što dovodi do pregrevanja, eksplozije i vatre. Zbog toga, napon na Li-ion bateriji tokom punjenja mora biti podesiv i strogo kontrolisan. Na radni vek može uticati i kontinualno punjenje bez vremenske kontrole. Kada dođe do vremenskog prekoračenja ili do povećanja struje, obavezno se mora prekinuti proces punjenja. Radni vek Li-ion baterije se narušava povećanjem broja ciklusa pražnjenja. Napon na bateriji se menja nakon nekoliko stotina ciklusa punjenja/pražnjenja. Na Slici 2.102 je prikazana karakteristika pražnjenja u odnosu na broj ciklusa.

77

Slika 2.102. Karakteristika pražnjenja

Pad napona na ćeliji nakon više stotina ciklusa se javlja zbog povećanja unutrašnje

otpornosti baterije. Značajan pad kapaciteta baterije je primećen tek nakon 1000 ciklusa uz neznatno povećanje unutrašnje otpornosti, što ukazuje na trajnost ovih baterija.

2.8.4 Zaštita Li-ion baterija Li-ion baterije su veoma sigurne zato što ne sadrže tečne elektrolite ili litijum kao metal, već

samo litijum u obliku jona. Međutim, Li-ion baterije sadrže zapaljive materijale koji iziskuju maksimalnu zaštitu, stroge testove i ispitivanja na izdržjlivost kućišta. Pre nego što se pojave u prodaji Li-ion baterije moraju preći sledeće testove:

• Električni test koji sadrži testiranje na kratak spoj baterije, ubrzano pražnjenje (do 250% većom strujom pražnjenja), test kontinualnog punjenja baterije, test prepunjavanja i drugi.

• Mehanički testovi se sastoje iz testova na vibracije, otpornost pri udaru, test prilikom pada baterije sa određene visine, otpornost na bušenje, kraš test itd.

• Testovi uticaja spoljašnje sredine obuhvataju čuvanje na ekstremnim temperaturama, testiranje na otpornost pri uvećanju atmosferskog pritiska do 11.6kPa i test vodopropustivosti.

Baterije unutar pakovanja su zaštićene od prepunjavanja, dubokog pražnjenja i prevelikih struja punjenja/pražnjenja. Cilindrične Li-ion baterije su opremljene zaštitnim komponentama, kao što su:

• Strujni prekidni elemenat (CID), gasni ventil i zaštitnim komponentama kao što je PTC.

• Gasni ventil, kao i kod Ni-Cd baterije, funkcioniše u kombinaciji sa CID elementom. Ukoliko dođe do prekoračenja struje ili pritiska unutar baterije, ovi elementi odvajaju potrošač od baterije.

• PTC otpornik ima dvostruku ulogu i to kao strujni i termički osigurač. Ukoliko kroz bateriju protiče velika struja dolazi do zagrevanja ćelije i uvećava se otpornost PTC otpornika. Uvećanjem vrednosti PTC-a se redukuje struja. Vrednost PTC otpornosti zavisi od veličine ćelije. Normalno je vrednost PTC-a 10mΩ i uvećava se do vrednosti od 10kΩ.

• Separator unutar baterije, takođe ima zaštitna svojstva. Separator je napravljen od mikro-propustivog polimer materijala. Kada iz nekog razloga (kratak spoj ili neki drugi uslov) dođe do zagrevanja ćelije dolazi do topljenja separatora odnosno, zatvaranja pora materijala. Na taj način se smanjuje struja koja preotiče kroz bateriju.

• Kao zaštita od prevelikog zagrevanja baterijskog pakovanja koristi se termički osigurač.

78

2.8.4.1 Kolo za zaštitu Li-ion baterija Kolo za zaštitu Li-ion baterija od struje punjenja/pražnjenja je obično ugrađeno unutar

baterijskog pakovanja. Ono se prilagođava uslovima korišćenja i baterijskom pakovanju. Tako mogu postojati različita kola za zaštitu ali u suštini sva imaju istu funkciju. Na Slici 2.103 je prikazan jedan primer osnovne operacije kola za zaštitu Li-ion baterije.

Slika 2.103 Zaštita Li-ion baterije

Na grafikonu su prikazana sledeće tri zaštite da bi se baterija održala u normalnim radnim

uslovima: (1) Zaštita od prepunjavanja (Over-Charge Protection) Ova zaštita čuva bateriju od

prepunjavanja usled lošeg korišćenja ili kvara punjača. Prepunjavanje se detektuje pri naponu na ćeliji od 4.28 do 4.35V/ćeliji. Prilikom dostizanja ovog napona zaštitno kolo prekida dalje punjenje. Punjenje se nastavlja kada napon na ćeliji bude manji od 4.20V/ćeliji.

(2) Zaštita od dubokog pražnjenja (Over-Discharge Protection) Ukoliko se Li-ion baterija isprazni na 0V ili se ostavi dug vremenski period u ispražnjenom stanju ispod 1.0V, može se prouzrokovati degradiranje performansi ili uništenje baterije. Zato je neophodno unutar pakovanjaLi-ion baterije ugraditi i kolo za zaštitu od dubokog pražnjenja. Napon koji detektuje duboko pražnjenje je setovan na 2.30V/ćeliji. Zaštita se isključuje kada napon na bateriji pređe iznad 2.3V/ćeliji.

(3) Zaštita od prevelike struje (Over-Current Protection). Svaka Li-ion baterija je opremljena zaštitom od prevelike struje pražnjenja. Ova zaštita se aktivira ako struja pražnjenja pređe 2A (mada se ova vrednost može razlikovati za različite vrste baterija).

2.8.5 Punjenje Li-ion baterija Generalno, punjenje Li-ion baterija se obavlja metodom konstantna struja konstantni napon

(CC-CV). Iako količina napunjene energije zavisi od napona punjenja, zabranjeno je preći određene vrednosti napona i struje punjenja. Kada se baterija puni konstantnom strujom napon na njoj će rasti do određene vrednosti, nakon čega se prelazi na punjenje konstantnim naponom. Struja punjenja se smanjuje i napon na bateriji se približava nominalnoj vrednosti kada je baterija kompletno napunjena. Punjenje sa konstantnom strujom nemora biti precizno, dok punjenje konstantnim naponom mora biti precizno regulisano. Precizna kontrola napona je neophodna da ne bi došlo do narušavanja kapaciteta baterije ili prepunjavanja. Preporučljive struje punjenja su od 0.5 do 1C. Manja struja punjenja ne narušava životni vek Li-ion baterije. Veća struja od propisane ubrzava dostizanje punjenja konstantnim naponom te može narušiti kapacitet baterije. Na punjenje baterije nepovoljno utiče i temperatura. Prilikom punjenja baterije na nižim temperaturama vreme punjenja se produžava.

79

Prilikom punjenja više Li-ion baterija neophodno je kontrolisati temperaturu baterije, napon svake ćelije posebno i vreme punjenja. Na Slici 2.104 je prikazan dijagram punjenja Li-ion baterije.

Slika 2.104. Algoritam punjenja Li-ion baterija

Inicijalno, pre početka punjenja meri se temperatura baterije uz pomoć termistora unutar

baterijskog pakovanja. Ukoliko je temperatura baterije unutar dozvoljenog opsega (od 0°C do 40°C) prelazi se na merenje napona na bateriji.

Merenjem napona na bateriji se otkriva da li je baterija potpuno prazna. Ako je OCV napon (Open Circuit Voltage- napon kada je baterija odvojena od potrošača) na bateriji manji od 3V/ćeliji pristupa se preliminarnom punjenju, a ako je u granicama od 3V/ćeliji do 4.2V/ćeliji pristupa se punjenju konstantnom strujom. Ako je OCV napon na bateriji veći od 4.2V/ćeliji smatra se da je baterija napunjena i ne dolazi do punjenja.

Preliminarno punjenje se izvodi sa malom strujom punjenja od 0.1C u trajanju od 90 minuta. Ukoliko baterija ni nakon isteka tog vremena ne postigne vrednost od 3V/ćeliji konstatuje se greška unutar baterije i prekida se punjenje. Ako baterija dostigne vrednost napona od 3V/ćeliji prelazi se na punjenje CC.

Punjenje baterije konstantnom strujom traje 240 minuta i obavlja se strujom punjenja od 0.5C do 1C. Nakon toga se proverava napon na bateriji i struja punjenja. Ako je napon na bateriji manji od 4.15V/ćeliji pristupa se punjenju konstantnim naponom. Isto tako, ukoliko je struja baterije veća od 0.02C/ćeliji pristupa se punjenju konstantnim naponom. Baterija je kompletno puna kada OCV napon pređe 4.15V/ćeliji ili kada struja punjenja padne ispod 0.02 do 0.05C/ćeliji.

Treba napomenuti da se tokom kompletnog perioda punjenja kontroliše temperatura baterije. Ukoliko premaši vrednost od 40ºC momentalno se prekida punjenje.

2.8.6 Ugradnja Li-ion baterija Iz potrebe korisnika za tanjim baterijama razvijene su baterijske ćelije u obliku prizme i

torbaste baterijske ćelije. Ove baterije odlikuje tanak i elegantan dizajn. Ove ćelije se pretežno koriste za aplikacije kao što su mobilni telefoni. Na Slici 2.105 je prikazan izgled prizmatične ćelije.

80

Prizmatične ćelije se najčešće vezuju za litijumske familije baterija. Li-polymer baterije se izrađuju isključivo u obliku prizmatičnih ćelija. Veoma su pogodne za oblikovanje, tako da se proizvode u više različitih veličina i oblika.

Slika 2.105 Izgled prizmatične ćelije

Izrada ovih baterija je jeftinija i jednostavnija u odnosu na ekvivalentnu cilindričnu ćeliju.

Nedostatak je neznatno manja energy density u odnosu na cilindričnu ćeliju. Radi prevencije od porasta pritiska unutar baterije kućište se izrađuje od čvršćih metala. Prizmatične ćelije, u zavisnosti od veličine i hemijskog sastava, izrađuju se sa kapacitetima od 400 mAh do 2000 mAh i veće.

Torbaste baterije su razvijene devedesetih godina prošlog veka. Za izradu se koristi metalni cilindar i staklo kao izolator između elektroda suprotnog polariteta. Pozitivna i negativna elektroda su upakovane unutar fleksibilne heat-sealable folije. Električni kontakti se izrađuju od limenih jezičaka koji su zavareni za elektrode i zapečaćeni unutar baterije. Na Slici 2.106 je prikazan spoljašnji izgled torbaste Li-ion baterije. Kao i prizmatične i ove baterije imaju mogućnost različitog oblikovanja baterije, uz to su i veoma lagane. Zbog tih karakteristika ova vrsta baterija je pogodna za mobilne aplikacije. Isključivo se izrađuju kao Li-ion i Li-polymer baterije. Životni vek ovih baterija je malo manji u odnosu na Li-ion baterije u konvencionalnom pakovanju. Pošto nemaju zaštitni ventil, ove baterije su osetljive na porast pritiska unutar baterije prilikom brzog punjenja i pražnjenja.

Slika 2.106 Izgled torbaste Li-ion baterije

3 Battery management

Razvoj savremenih elektronskih uređaja iziskuje realizaciju velikog broja funkcija koje znatno usložnjavaju sam uređaj. Veliki broj komponenti ugrađenih u uređaj zahteva veliku potrošnju. Kao logično rešenje javlja se potreba za Power management-om.

Kod prenosivih elektronskih uređaja Power management (upravljanje potrošnjom) je nužano za minimizaciju potrošnje baterije, odnosno produženje vremena trajanja baterije. Koristeći Power management, projektant baterijski napajanih uređaja redukuje zagrevanje uređaja, koje ustvari predstavlja uzaludno potrošenu energiju. Deo koji obuhvata isključivo rad sa baterijom predstavlja Battery management (vidi sliku 3.1).

Osnovna funkcija Battery management-a je planiranje baterijskog sistema počevši od samog izbora vrste i tipa baterije, preko dela za upravljanje punjenjem, zaštite i identifikacije baterije do merenja stanja napunjenosti baterije.

Ovo poglavlje je skoncentrisano ka merenju stanja napunjenosti baterija, koje pored upravljanja punjenjem predstavlja najvažniji deo Battery management-a.

82

Slika 3.1. Battery management

83

3.1 Merenje stanja napunjenosti baterije Najveći problem korisnika i projektanata prenosivih elektronskih uređaja je: koliko je još energije ostalo unutar baterije, odnosno koliko će još vremena baterija trajati. Pored toga, neophodno je znati i kada se baterija, usled oštećenja, treba zameniti novom. U tom cilju su razvijene tehnike za merenje stanja napunjenosti baterije SOC (State Of Charge) i merenje performansi baterije SOH (State Of Helth). SOC ukazuje na trenutno stanje napunjenosti baterije, a SOH prikazuje degradacije performansi u odnosu na stanje kada je baterija bila nova. Često se, analogno rezervoaru u automobilu, SOC naziva Gas Gauge ili Fuel Gauge.

Za merenje stanja napunjenosti baterije koristi se više metoda: Direktno merenje, merenje specifične gustine (SG: Specific gravity), merenja bazirana na merenju napona, merenja bazirana na merenju struje i ostale metode. Većina ovih metoda je indirektnog tipa, tj. koristi merenje pogodnih parametara baterije koji ukazuju na stanje napunjenosti. Neke od metoda su specifične za različite hemijske sastave baterija.

Direktne metode merenja se koriste u slučaju pražnjenja baterije konstantnom strujom. U ovom slučaju je potrošnja baterije ekvivalentna proizvodu struje potrošnje i vremena za koje ta struja teče. U praksi nastaju problemi zato što struja pražnjenja baterije nije konstantna. Drugi problem koji se javlja je taj što kapacitet baterije vremenom opada. Opadanje kapaciteta može biti usled struje samopražnjenja ili velikog broja ciklusa punjenja/pražnjenja ili različite temperature okoline.

SG metoda je uobičajna metoda za merenje stanja napunjenosti kod olovno-kiselinskih baterija. Ova metoda se bazira na merenju količine aktivne hemikalije unutar baterije. Kako se baterija prazni, aktivni elektrolit (sumporna kiselina H2SO4) se troši, što uslovljava redukovanje specifične gustine rastvora. Koristeći linearnu zavisnost stanja napunjenosti od specifične gustine elektrolita, lako možemo odrediti koliko je još energije ostalo unutar baterije. Za ovu vrstu merenja se koriste elektronski senzori unutar ćelije, mada postoje i merači u obliku hidrometra koji su nepraktični za upotrebu. Ova metoda se ne može koristiti za određivanje stanja napunjenosti drugih vrsta baterija.

Tehnike bazirane na merenju napona koriste napon na ćeliji kao osnovu za računanje stanja napunjenosti baterije. Prilikom računanja se moraju uzeti u obzir temperatura, struja pražnjenja i starost ćelije, odnosno mora se izvršiti kompenzacija ovih neželjenih parametara koji utiču na napon na ćeliji. Ove tehnike nisu od velikog praktičnog značaja kod baterija na bazi litijuma, zato što je većim delom karakteristike pražnjenja napon na bateriji konstantan.

Tehnike bazirane na merenju struje, zasnivaju se na merenju struje punjenja i struje pražnjenja baterije. Ova metoda merenja se često naziva i Coulomb counting metoda (metoda brojanja kulona). Korišćenjem ove metode postiže se velika tačnost, ali i ovde je neophodno izvršiti kompenzaciju uslova navedenih kod tehnika baziranih na merenju napona. Isto tako, merenjem struje prilikom punjenja/pražnjenja se ne uzima u obzir efekat samopražnjenja baterije, te on mora biti naknadno uračunat.

Prilikom punjenja/pražnjenja baterije dešavaju se promene unutar materijala od koga je baterija izrađena. Ove promene u materijalu (uslovljene hemijskim reakcijama prilikom punjenja/pražnjenja) utiču na promenu impedanse baterije. Koristeći ovu pojavu može se, merenjem unutrašnje impedanse, odrediti stanje napunjenosti baterije. Postoji nekoliko metoda za određivanje unutrašnje impedanse baterije. Najčešće se koriste metode merenja unutrašnje impedanse pomoću AC ili DC napona. AC metode mogu koristiti različite frekvencije za merenje, u zavisnosti od toga koliko je naelektrisanja ostalo u bateriji. Greške pri merenju su veće ukoliko je baterija ostala sa manje naelektrisanja a manje ukoliko je baterija kompletno puna. Ova vrsta merenja nije u masovnoj upotrebi zato što je komplikovano meriti unutrašnju impedansu baterije koja je povezana na potrošač. Uz to unutrašnja impedansa baterija zavisi od temperature.

84

3.1.1 Faktori koji utiču na utvrđivanje SOC Nažalost, nijedna od metoda merenja napunjenosti ne može se samostalno koristiti za precizno određivanje stanja napunjenosti, zato što ono zavisi od više različitih faktora. Navedeni su neki od osnovnih faktora:

Brzina punjenja/pražnjenja. Efektivni kapacitet baterije zavisi od brzine punjenja/pražnjenja i prikazan je na Slici 3.2.

Slika 3.2. Napon pražnjenja u zavisnosti od brzine pražnjenja

Sa Slike 3.2 se može uočiti pad napona na ćeliji usled povećanja struja pražnjenja. Ovo se

dešava zbog toga što elektrohemijske reakcije unutar ćelije imaju konačno vreme realizacije i ne mogu pratiti trenutnu električnu pobudu ili opterećenje postavljeno na ćeliji. Ukoliko se ćelija kratko vreme puni i prazni impulsno, što je česta pojava u wireless aplikacijama, hemijski proces punjnja neće biti kompletan. Ova pojava onemogućava informaciju o stanju kapaciteta kompletno napunjene baterije, samim tim narušava proračunavanje stanja napunjenosti. Potrebno je obratiti pažnju na nekoliko pojava koje dodatno onemogućavaju precizno utvrđivanje stanja napunjenosti:

Histerezis. Napon na bateriji kada je odvojena od potrošača OCV (Open Circuit Voltage) prilikom punjenja baterije je veći od napona na bateriji tokom pražnjenja. Ovo dodatno onemogućava precizno utvrđivanje stanja napunjenosti baterije. Ovo je druga manifestacija vremenske konstante udružene sa kašnjenjem u bateriji koje ide u korak sa električnom pobudom.

Temperatura. Na Slici 3.3 je prikazana zavisnost kapaciteta Li-ion baterije od temperature i brzine pražnjenja.

Slika 3.3. Zavisnost kapaciteta Li-ion baterije od temperature

85

Na normalnim temperaturama efikasnost kulona je velika, ali na nižim temperaturama uočava se pad u efikasnosti. Pad efikasnosti se javlja zbog velike brzine pražnjenja, a to prouzrokuje greške u određivanju SOC. Ovaj fenomen je svojstven svim tipovima baterija, nezavisno od hemijskog sastava. Grafik prikazuje radni napon Li-ion ćelije u naponskom opsegu od 4.2V do 2.5V. Ovi naponi određuju da li je baterija potpuno napunjena ili je potpuno prazna respektivno. Za punjenje je korišćena metoda CC-CV. Struje pražnjenja su za sporo pražnjenje 0.2C a za brzo pražnjenje 1.0C. Kapacitet ćelije je određen prostorom između karakteristike kada je baterija puna i karakteristika pražnjenja (označen plavom ili žutom bojom). Proračun uticaja temperature može biti komplikovan, naročito kada je ćelija punjena na jednoj temperaturi a pražnjena na drugoj.

Pad kapaciteta baterija. Prilikom korišćenja baterija može doći do pada kapaciteta usled upotrebe (u smislu prevelikog broja ciklusa punjenje/pražnjenje), starenja, nedostatka elektrolita ili nestručne upotrebe. Baterija se treba zameniti drugom ukoliko njen kapacitet opadne na 60% od nominalnog kapaciteta (kada je baterija nova), a postaje opasna nakon gubitka 80% od nominalnog kapaciteta.

Stanje energije unutar baterije se može podeliti u tri dela i to: zonu gde je baterija prazna (koja se može nadoknaditi), zonu trenutno dostupne energije i zonu koja je trajno uništena. Na Slici 3.4 su prikazane tri zone baterije.

Slika 3.4. Zone ispražnjenosti baterije

Duboki ciklusi pražnjenja mogu dovesti do gubitka u kapacitetu baterije. Isto tako, može se

prouzrokovati memorijski efekat (koji je naročito izražen kod baterija na bazi nikla), tako što će se kristalisati elektrolit u bateriji. Gubitak kapaciteta kod Li-ion i Li-poly baterija se javlja usled oksidacije ćelije što je posledica korišćenja baterije. Kapacitet izgubljen na ovaj način se ne može povratiti.

Uvećanje unutrašnje otpornosti. Velika vrednost impedanse baterije, odnosno unutrašnje otpornosti, direktno utiče na performanse, životni vek baterija i merenje SOC. Velika vrednost unutrašnje otpornosti prekida protok energije iz baterije ka potrošaču. Na Slici 3.5 je skicirano, kako na protok energije utiče unutrašnja otpornost baterije.

Slika 3.5. Uticaj unutrašnje otpornosti baterije na pražnjenje

86

Baterija koja ima manju unutrašnju otpornost može dati veće struje potrošnje. Ona održava

struju sve dok joj se kapacitet kompletno ne istroši , tj. dok napon na njoj ne dostigne cut-off vrednost. Nakon trošenja baterije, pali se indikator koji označava da je baterija prazna, ali u njoj i dalje ostaje energija koja se ne može iskoristiti.

Ni-Cd baterije imaju najmanju unutrašnju otpornost od svih baterija, čak i nakon 1000 ciklusa punjenja/pražnjenja. Poređenja radi, Ni-MH baterije pokazuju blago uvećanje unutrašnje otpornosti nakon 300 do 400 ciklusa. Li-ion baterije imaju karakteristiku otpornosti između Ni-Cd i Ni-MH baterija. Što se tiče Li-ion baterija njihova impedansa je u granicama normale dve do tri godine, bez obzira na to da li se koriste ili ne. Ovaj porast impedanse uslovljava oksidacija ćelije. Održavanje male unutrašnje otpornosti baterije je veoma važno, naročito za napajanje digitalnih uređaja koji zahtevaju velike struje za napajanje. Na Slici 3.6 je prikazana zavisnost napona baterije od unutrašnje otpornosti za impulsnu potrošnju koja odgovara napajanju digitalnog potrošača.

Slika 3.6. Zavisnost napona na bateriji prilikom impulsne potrošnje Sa karakteristike se vidi da baterija koja ima manju unutrašnju otpornost kasnije dostiže cut-

off napon. To znači da će trajati duže u odnosu na bateriju koja ima veću unutrašnju otpornost. U slučaju impulsnog napajanja za unutrašnju otpornost od 400mΩ, treba uočiti pad napona.

Kada se dostigne cut-off napon, i baterija se ukloni od potrošača, a zatim meri istrumentom ona će pokazivati napon u granicama normale (iznad cut-off napona). Desilo se to da je baterija nadoknadila trenutni pad napona usled impulsne potrošnje. Ova pojava je naročito izražena kod baterija na bazi nikla. Zbog ove pojave, merenje napona na bateriji, metodom kada je ona odvojena od potrošača, je nepouzdano za određivanje stanja napunjenosti baterije.

Povećano samopražnjenje. Sve baterije, bez obzira na materijal od kog su napravljene, su podložne efektu samopražnjenja. Ovaj efekat je naročito izražen kod baterija na bazi nikla. Za 24 časa protekla nakon punjenja baterije njen kapacitet opadne za otprilike 10% do 15%. U poređenju sa baterijama na bazi nikla, Li-ion baterije imaju manje izražen efekat samopražnjenja (oko 5% za prvih 24h a onda 2% do 3%). Dodavanjem kola za zaštitu baterija povećava se procenat gubitka kapaciteta usled samopražnjenja.

Prevremena pojava cut-off napona. Neki uređaji ne troše baterije do krajnjeg cut-off napona. Projektovani su da isključe napajanje pre nego što se baterija potroši do krajnjeg napona.

87

Tako u bateriji ostaje zaostala energija koja se ne može iskoristiti. Na primer: mnogi mobilni uređaji koriste jednu Li-ion bateriju sa cut-off naponom od 3.3V. Li-ion baterije se mogu koristiti do 3V ili manje. Sa pražnjnjem do 3.3V, isprazni se 70% od nominalnog kapaciteta baterije. Ilustracija ove pojave je prikazana na Slici 3.7.

Slika 3.7. Ilustracija Cut-off napona

3.1.2 Kalkulacija SOC Merenje napona i struje baterije daje grubu sliku o SOC baterija. Za preciznije određivanje SOC baterija moraju se uzeti u obzir i dodatni faktori. Ovi faktori se ugrađuju u model, koji zamenjuje bateriju u softveru ili algoritmu koji se koristi za određivanje stanja napunjenosti. Ova softverska metoda određivanja SOC zahteva senzor za merenje podataka o bateriji (kolo za monitoring), memoriju za pamćenje modela i kontroler za kalkulaciju.

Kao što je napomenuto baterije su nelinearni elementi. Naponske karakteristike su u funkciji brzine pražnjenja, temperature, starenja, efekta samopražnjenja, degradacije kapaciteta baterije tokom korišćenja i drugih neželjenih faktora. Model svake ćelije uzima u obzir sve ove parametre i predstavljen je u obliku Look Up tabele. Ovaj model predviđa aproksimacije uticaja neželjenih parametara na karakteristiku pražnjenja. Određene Look Up tabele su formirane usled laboratorijskih merenja pod strogo kontrolisanim uslovima. Ove tabele su različite za razne vrste baterija, po pitanju hemijskog sastava i konstrukcije. Radi precizne reprezentacije karakteristika punjenja/pražnjenja, Look Up tabele moraju obuhvatiti faktore koji narušavaju kapacitet ćelije i impedansu.

Matematički model ili algoritam koji se formira na osnovu Look Up tabela je ubačen u memoriju. Kontroler prilikom predviđanja performansi baterije i proračuna napunjenosti baterije koristi algoritam iz memorije.

Zadatak senzora je da izmerene veličine kao što su temperatura, napon na ćeliji i struja, pomoću preciznog A/D konvertora prevedu u digitalni oblik.

SOC se određuje kada se od poznate vrednosti kapaciteta baterije oduzme struja potrošnje u određenom vremenskom intervalu, koja je modifikovana gore navedenim faktorima.

Ova metoda proračuna nije od koristi u kritičnim aplikacijama gde se mora izvršiti monitoring baterije bar jednom u sekundi i to za svaku ćeliju posebno. Usled kompleksnih algoritama za proračun i velikog broja ulaza koji se moraju obraditi u kratkom vremenskom intervalu, javlja se potreba za veoma moćnom procesoru koji troši dosta energije.

Na tačnost metode određivanja SOC utiče preciznost podataka koji su korišćeni za formiranje Look Up tabela, tolerancija korišćenih komponenti i greška kvantizacije prilikom A/D konverzije. Tipična greška koja se javlja je 5%, s tim što se može drastično razlikovati usled starenja baterije. Za poboljšanje preciznosti merenja SOC se koriste napredne metode, tkz. SOH metode, kao što su: Fuzzy logika, Klaman filtriranje, Neuronske mreže i rekurzivne self-learning metode.

88

Fuzzy logika je jednostavna metoda koja se koristi za donošenje konačnih zaključaka o neodređenim, nejasnim i nepreciznim informacijama. Ona je slična ljudskoj sposobnosti donošenja konačnih odluka uz korišćenje približnih podataka a u cilju nalaženja preciznih rešenja. Za razliku od klasične logike koja zahteva duboko razumevanje sistema, precizne jednačine i precizne numeričke vrednosti, Fuzzy logika omogućava da se kompleksni sistemi modeluju na visokom nivou apstrakcije pomoću znanja i iskustava. Ona dopušta izražavanje ovih znanja korišćenjem subjektivnih koncepta kao što su: veliki, mali, veoma vruć, svetlo crveni, dug vremenski period brz ili spor. Fuzzy logika se najmasovnije koristi u automatskim sistemima kontrole. Korišćenjem ove tehnike možemo pribaviti sve informacije o performansama baterije radi preciznijih proračuna stanja napunjenosti baterije ili stanja ispravnosti baterije.

Kalman filtriranje se bazira na jednostavnom pitanju: Kako doći do tačnih informacija izbegavajući netačne podatke? Tipičan primer ove aplikacije je baterija u automobilu. Utvrđivanje stanja napunjenosti baterije u automobilu istovremeno je narušeno od strane mnogih faktora i kontinualnog dopunjavanja tokom vožnje automobila. Kalman filter je projektovan da iz niza podataka ignoriše neželjene i nepotrebne podatke. On predviđa nova stanja i njihove neizvesnosti, onda ih ispravlja uz pomoć novih merenja. Pomoću Kalman filtera preciznost u određivanju SOC može se poboljšati na manje od 1%.

Neuronske mreže (Neural Networks) su računarske arhitekture koje su modelovane na osnovu veza neurona u mozgu čoveka, i oponašaju njegov rad po pitanju obrade informacija, pamćenja i procesa učenja. Neuronske mreže stiču znanja kroz učenje ili ih već imaju upisana kao veze neurona. Prednost neuronskih mreža leži u njihovoj sposobnosti da prikažu linearne i nelinearne odnose i sposobnosti da te odnose direktno modeluju na osnovu dostupnih podataka. Često se za proračun performansi baterija koriste tehnike bazirane na neuronskim mrežama. Algoritmi za određivanje performansi neke baterije se zasnivaju na iskustvima stečenim pri radu sa sličnim baterijama. Ovi algoritmi se koriste za procenu stanja napunjenosti baterija u slučajevima kada se potrebni numerički parametri ne mogu precizno odrediti matematičkim putem.

3.1.3 Inteligentne baterije Problem kod običnih baterija je taj što one nemaju indikator stanja napunjenosti baterije. Tako korisnik ne zna kada će se baterija istrošiti. Ovaj problem rešavaju takozvane inteligentne baterije. Sastavni deo inteligentnih baterija je integrisano kolo koje je ugrađeno unutar baterijskog kućišta. Ovaj čip meri statističke podatke baterije u koju je ugrađen i podatke prosleđuje punjaču ili korisniku. Najčešće aplikacije u kojima se nalaze inteligentne baterije su: notebook računari, video kamere, PDA uređaji itd.

Postoji više tipova inteligentnih baterija, koje se razlikuju po složenosti, performansama i ceni. Najveći deo ovih baterija sadrži čip za identifikaciju hemijskog sastava baterije i koji daje informaciju punjaču koji će algoritam koristiti za punjenje (takozvani ID čip). Ove baterije pripadaju SBS sistemu (Smart Battery System). Baterije koje sadrže zaštitu od prepunjavanja, dubokog pražnjenja i zaštitu od kratkog spajanja, liče na inteligentne, ali ne zadovoljavaju SBS i ne nezivaju se inteligentne. Da bi se baterije nazivale inteligentnim, moraju imati SOC indikaciju stanja napunjenosti. Prva kompanija koja je komercijalizovala koncept inteligentnih baterija je Benchmarq i to početkom devedesetih godina prošlog veka. Vrlo brzo zbog SOC mogućnosti ove baterije postaju nužne.

Za komunikaciju između baterije i korisnika se koriste sledeće metode: komunikacija jednom žicom, komunikacija pomoću dve žice i SMBus komunikacija (System Management Bus). Protokol koji se koristi za monitoring baterija preko jedne žice se naziva HDQ ili samo DQ. Komunikacije pomoću dve žice koriste SMBus protokol.

89

3.1.3.1 Jednožična magistrala Ovaj vid komunikacije je najjednostavniji. Sve komunikacije se obavljaju pomoću jedne data linije. Na bateriji pored izvoda za komunikaciju postoje i izvodi pozitivne i negativne elektrode. Uz ova tri izvoda ponekad se može naći i poseban izvod za merenje temperature. Na Slici 3.8 je prikazan izgled sistema koji koristi jednu žicu za komunikaciju.

Slika 3.8. Blokovski prikaz baterije sa jednožičnom magistralom

Sistem sa jednom žicom može slati specifične podatke o bateriji kao što su: unutrašnja temperatura, napon, struja i kapacitet. Zbog relativne jednostavnosti i niske cene ovaj vid komunikacije je široko prostranjen u uređajima kao što su mobilni telefoni, kamkorderi, radiostanice i drugi.

Problem kod ovih baterija je taj što one nemaju mogućnost otkrivanja kada je baterija neupotrebljiva (SOH: State Of Health). To znači da može doći do greške pri merenju kada je baterija pri kraju radnog veka. Pored toga ove baterije ne mogu direktno meriti struju potrošnje.

3.1.3.2 SMBus Najkompletniji od svih sistema je SMBus i koristi se od strane velikog broja proizvođača baterija. To je dvožični interfejs koji uz pomoć jednostavnog čipa komunicira sa ostatkom sistema. Jedna žica se koristi za prenos podataka, dok se druga koristi za takt. Kao osnova za prenos podataka se koristi I2C protokol. I2C protokol je sinhroni bidirekcionalni prenos podataka, koji operiše brzinom do 100kHz.

U osnovi filozofije dizajna SMBus baterija je izmeštanje kontrole punjenja iz punjača u bateriju. SMBus sistem predstavlja bateriju kao master uređaj a punjač kao slave koji mora pratiti zahteve baterije.

Ovaj koncept omogućava jednostavnije punjenje baterija (sa strane korisnika) koje imaju isti raspored pinova na pakovanju ali različit hemijski sastav. SMBus sistem prihvata nove hemijske elemente za baterije, tako uvodi koncept univerzalnih punjača koji se mogu koristiti za sve vrste daterija po pitanju hemijskog sastava. Baterija kontroliše punjač, upravlja nivoima napona i struja, kao i cut-off pragovima. Korisnik ne mora da poznaje hemiski sastav baterije koju koristi. Razlika izmedju punjenja inteligentnih i običnih baterija je analogna sa razlikom izmedju ishrane odraslih i beba. Punjenje inteligentnih baterija liči na izbor ishrane odgovornih odraslih ljudi koji znaju koliko i koje hrane treba uzeti. Bebe, sa druge strane, imaju ograničenu sposobnost komuniciranja za izbor količine i vrste hrane.

90

Prateći ovu analogiju može se reći da punjač, puneći bateriju može samo približno pratiti SOC i na taj način izbeći prepunjavanje baterije.

Na Slici 3.9 je prikazan izgled baterije koja koristi SMBus.

Slika 3.9. Blokovski prikaz baterije sa SMBus-om

SMBus sadrži stalne i promenjive podatke. Stalni podaci su programirani unutar baterije i sadrže: vreme proizvodnje baterije, ID broj baterije, tip baterije, serijski broj, ime roizvođača i datum proizvodnje. Privremeni podaci odnosno podaci koji su prikupljeni tokom eksploatacije baterije su: broj ciklusa punjenja/pražnjenja, korisnički model i zahtevi za održavanjem.

Postoje tri vrste SMBus-a. Prva vrsta se retko koristi zato što ne omogućava punjenje baterija nezavisno od hemijskog sastava, već se specifična za određenu vrstu baterija. Druga vrsta je SMBus koji je predviđen za in-circuit punjenje. Tipičan predstavnik ove vrste je laptop koji puni svoju bateriju unutar kućišta. Treća vrsta SMBus-a se koristi kod potpuno-oblikovanih (full-featured) spoljnjih punjača. Ovaj način je veoma složen i skup za proizvodnju.

3.1.3.3 Indikator stanja napunjenosti baterije Mnoge SMBus baterije su opremljene sa indikatorom nivoa napunjenosti baterije. Kada se pritisne test dugme, koje se nalazi na bateriji koja je kompletno puna, upaliće se sve kontrolne lampice. Ukoliko je baterija delimično napunjena zasvetleće samo pola lampica, a ukoliko je prazna neće svetleti nijedna lampica. Ovo je prikazano na Slici 3.10.

Slika 3.10. indikator stanja napunjenosti baterije

Stanje SOH se obeležava na taj način što nakon kompletnog punjenja baterije, neće svetleti

sve lampice. Na taj način se ima informacija o padu kapaciteta baterije. Kada nakon kompletnog punjenja baterije kapacitet opadne ispod 50% znamo da je baterija više neupotrebljiva. Prikazom

91

SOH na ovaj način korisnik ne poseduje informaciju još koliko će vremena baterija biti sposobna za normalan rad.

3.1.3.4 Tri stanja merenja kapaciteta Sama informacija o stanju napunjenosti SOC je nekompletna ukoliko ne posedujemo informaciju o SOH. Za ocenjivanje trenutnog stanja baterije neophodna su tri nivoa prikazivanja informacije. To su: SOC, SOH i praznog dela baterije koji se može napuniti (prazni deo je jednak razlici SOH i SOC). Merenje SOC je relativno jednostavno za izvođenje, dok je SOH prilično komplikovano.

Neposredno po procesu proizvodnje baterija, preko SMBus-a daje vrednost SOH za 100% napunjenu bateriju. Ova informacija se trajno upisuje u baterijsko pakovanje i ne može se promeniti. Prilikom svakog punjenja, baterija resetuje stanje potpune napunjenosti. Tokom pražnjenja se meri energija koja je potrošena i poredi sa upisanih 100%. Za kalkulaciju trenutnog SOH se koristi razlika između 100% fabrički upisanog i trenutno isporučene energije. Što se baterija više koristi, počinje da se smanjuje vrednost SOH. Poznavanjem SOC i SOH imaju se svi neophodni podaci o bateriji koji mogu biti prikazani na jednostavnom displeju. Primer jednog takvog displeja je prikazan na Slici 3.11. Za indikaciju se koriste višebojne LED diode.

Slika 3.11. Indikacija SOC i SOH

Stanje napunjenosti baterije SOC je označeno zelenim LED diodama. Kako se baterija prazni gase se zelene LED diode. Prostor unutar baterije koji se ne može ponovo napuniti je prikazan crvenim LED diodama. Primer sa slike ilustruje bateriju koja ima još 50% dostupnoe energije, 20% potrošene energije koja se može nadoknaditi i 30% kapaciteta baterije koji se ne može povratiti.

Umesto LED pokazivača mogu se koristiti i LCD displeji. Ovakvi displeji se često koriste u okviru punjača za prikazivanje preostalog vremena punjenja baterije. Primer displeja je dat na Slici 3.12.

Slika 3.12. Indikacija stanja napunjenosti baterije pomoću LCD displeja

92

3.1.4 Metoda za merenje stanja napunjenosti baterije bazirana na merenju napona Glavni princip utvrđivanja stanja napunjenosti baterija metodom merenja napona na bateriji, zasniva se na uzajamnoj zavisnosti napona na bateriji od stanja napunjenosti baterije. Merenje napona se obavlja veoma jednostavno na izvodima baterije, međutim ovo vazi samo za slučaj kada potrošač nije priključen na bateriju. Priključenjem potrošača, uzajamna zavisnost napona od stanja napunjenosti se narušava. Pored toga, kada se baterija odvoji od potrošača relaksacioni period unutar baterije se nastavlja još neko vreme. Na Slici 3.13 su prikazane karakteristike relaksacije napona. Razlog ove pojave se nalazi u složenoj elektrohemijskoj karakteristici baterija.

Slika 3.13. Naponske karakteristike prilikom priključenja potrošača (a) napunu bateriju, (b) na praznu bateriju

Karakteristika sa slike 3.13 (a) se odnosi na priključenje potrošača na punu Li-ion bateriju,

dok se karakteristika sa slike 3.13 (b) odnosi na priključenje potrošača na praznu bateriju. Može se uočiti da je vreme relaksacije veće ukoliko je baterija puna, što predstavlja poteškoću u određivanju stanja napunjenosti.

Drugi problem se odnosi na to da je unutrašnja impedansa baterije zavisna od SOC, a ona direktno utiče na utvrđivanje napona na bateriji. Zavisnost unutrašnje otpornosti od stanja napunjenosti Li-ion baterije je data na Slici 3.14.

93

Slika 3.14. Unutrašnja otpornost baterije u zavisnosti od stanja napunjenosti

Za male vrednosti SOC otpornost baterije naglo menja vrednost što narušava merenje napona. Ako se koristi srednja vrednost napona, javlja se greška određivanja SOC od 7%, kao što je prikazano na Slici 3.15.

Slika 3.15. Greška prilikom određivanja stanja napunjenosti

Otpornost takođe zavisi i od temperature. Smanjenjem temperature za 10ºC, otpornost baterije se povećava 1.5 put (Slika 3.16).

Slika 3.16. Zavisnost unutrašnje otpornosti baterije od temperature

94

Impedansa baterije je različita za različite vrste baterija. Uz to tolerancija otpornosti između

novih baterija se razlikuje za ±15%. Ovo pravi velike razlike kod proračuna SOC za velike potrošače. Na primer, Ako se koristi brzina pražnjenja C/2 pri otpornosti ćelije od 0.15Ω (tipično za 2Ah bateriju), može doći do razlika u naponu od 45mV između ćelija ( V1 = I x R1 = 2A x 0.15Ω = 0.3V; V2 = I x R2 =2A x (0.15 Ω x 1.15) = 0.345V; ∆V = V1 – V2). Ovo rezultuje greškom usled određivanja SOC od 20%. Slika 3.17 prikazuje razlike u otpornosti baterija za 50 različitih baterija iz iste serije.

Slika 3.17. Otpornosti baterija za više različitih baterija iz iste serije

Impedansa baterija zavisi i od starosti baterija. Tokom korišćenja baterije uvećava se njena impedansa, a smanjuje joj se ukupan kapacitet. Ovo nepovoljno utiče na određivanje SOC. Ukoliko se ovaj efekat ne koriguje, korišćenjem metode merenja napona na bateriji, može nastati greška pri merenju SOC od 50%.

3.1.5 Merenje stanja napunjenosti baterija metodom brojanja kulona Određivanje stanja kapaciteta baterije pomoću merenja napona na bateriji ima određene nedostatke. Ovi nedostatci se naročito ogledaju kod Li-ion i Li-poly baterija. Ove baterijske ćelije imaju relativno ravnu naponsku karakteristiku tokom procesa punjenja/pražnjenja. Tokom ciklusa punjenja više od 70% karakteristike prati konstantan napon na ćeliji. Isto tako, prilikom pražnjenja kompletan kapacitet ćelije je dostupan u naponskom opsegu od 3.7V do 3.0V.

Za precizno merenje stanja napunjenosti baterije i njen monitoring razvijena je specijalna metoda. Ova metoda merenja stanja napunjenosti baterije se bazira na merenju kulona (Coulomb). Osnovna ideja se sastoji u merenju količine naelektrisanja koja je uneta tokom punjenja i merenje količine naelektrisanja koja je potrošena iz baterije. Znajući podatak o ukupnom kapacitetu baterije i na osnovu izmerenih količina naelektrisanja može se utvrditi količina naelektrisanja unutar baterije.

Za merenje i prikazivanje struje potrošnje/punjenja i stanja napunjenosti baterije, upotrebljava se sistem prikazan na Slici 3.18.

95

Slika 3.18. Sistem za određivanje stanja napunjenosti baterije

Sistem prikazan na Slici 3.18 se sastoji od sledećih komponenti:

(1) Integrisano kolo za monitoring baterije, koje je ugrađeno unutar baterije i služi da precizno meri broj kulona, temperaturu i ima komunikacioni interfejs.

(2) Baterijske ćelije. Često se umesto jedne ćelije mogu naći dve ili više redno vezanih ćelija.

(3) Otpornik RS veoma male vrednosti otpornosti (reda 10 do 20mΩ). Ovaj otpornik služi za merenje struje kroz bateriju prilikom punjenja ili pražnjenja. Kolo za monitoring baterije meri napon na ovom otporniku i na taj način dobija informaciju o potrošnji.

(4) Host kontroler uz pomoć jednog registra opšte namene služi za komunikaciju sa baterijom, odnosno kolom za monitoring. Pomoću data linije, odnosno HDQ ili DQ protokola, host dobija sve potrebne informacije koje je kolo za monitoring prikupilo o bateriji. Na osnovu tih podataka ono izračunava: stanje napunjenosti baterije SOC, SOH i ostale parametre koje aplikacija zahteva.

(5) Na sistemskom displeju se prikazuju izmereni i izračunati parametri. Struktura integrisanog kola za monitoring baterije je prikazana na Sliici 3.19.

Slika 3.19. Struktura kola za monitoring

96

SRP i SRN su pinovi na koje se povezuje otpornik za merenje struje, a na BAT se dovodi

referentni napon sa ćelije. RBI, GPIO i HDQ se koriste za komunikaciju. Osnovne blokove kola za monitoring čine VFC kolo (VFC: Voltage To Frequency Converter), RAM memorija, A/D konvertor, temperaturni senzor, tajmer i I/O sistem.

Brojanje kulona (Coulomb counting) se odnosi na merenje unošenja naelektrisanja u bateriju i kasnije merenje pražnjenja iz baterije. Slično logici rezervoara automobila; koliko se goriva sipa u rezervoar toliko će se i potrošiti. Na Slici 3.20 je prikazan blokovski prikaz merenja kulona.

Struja punjenja/pražnjenja se meri između negativnog izvoda baterijskog pakovanja i negativnog kraja baterijske ćelije unutar pakovanja, tj. kroz sense otpornik (RS). Ovde se radi o termički stabilnom otporniku male vrednosti koji je sposoban da podnese velike struje. Pad napona koji se javlja na ovom otporniku za određeno vreme daje informaciju o stanju napunjenosti baterije. Za merenje pada napona na sense otporniku se koristi konvertor napona u frekvenciju VFC. Ovaj konvertor mora biti mnogo precizan i mora imati mali ofset.

Slika 3.20. Kolo za merenje kulona Izlaz iz VFC-a se konvertuje u cifru koja nosi informaciju o frekvenciji. Dobijena cifra

prilikom punjenja/pražnjenja baterije se upisuje u jedan od registara i nosi informaciju o napunjenosti. Ukoliko se baterija puni, kroz otpornik RS teče struja ICHG i stvara pozitivan pad napona na VFC. Informacija se upisuje u CCR (Charge Count Register). Kada se baterija prazni kroz RS teče struja pražnjenja IDSG koja stvara negativan pad napona na VFC. U ovom slučaju se vrednost upisuje u DCR registar (Discharge Count Register). VFC je projektovan da broji sa osnovnom jedinicom VFC gain (često označavana kao GVFC). VFC gain predstavlja faktor konverzije izlaza VFC u zavisnosti od ulaznog napona. Jedinica VFC gain-a je Hz/V. Ovo jednostavno znači da dati ulazni napon proizvodi određeni broj cifara u nekom vremenskom periodu. Na primer: Uzeta su dva kola, jedno ima VFC gain 22.2Hz/V a drugo 90.51Hz/V. Ako se koristi prvo kolo i CCR se inkrementira svake sekunde, ulazni napon je 45mV (1s ÷ 22.2Hz/V). U slučaju da je korišćeno drugo kolo, ulazni napon bi bio 11.05mV (1s ÷ 91.1Hz/V).

Kao dodatak brojačkim registrima za punjenje/pražnjenje, kolo ima dva tajmera. To su CTC (Charge Time Counter) i DTC (Discharge Time Counter). CTC radi dok se baterija puni, a DTC dok se baterija prazni.

Otpornik RS mora biti odgovarajuće vrednosti, srazmerno opsegu merenja napona i struja punjenja/pražnjenja (ICHG i IDSG respektivno). Može se uzeti u razmatranje sledeće:

(1) Maksimalna vrednost napona na ulazu u VFC se razlikuje od slučaja do slučaja. Ukoliko se uzme kolo sa ulaznim naponom u granicama od -100mV do 100mV, napon na sense otporniku RS ne sme preći granicu od ±100mV.

97

(2) VFC gain je takođe specifičan za svako kolo. Ukoliko je VFC gain 12.5µV/h (22.2 Hz/V), signali na ulazu koji su manji od 12.5 µV iziskuju vreme za analizu veće od jednog sata, što je neprihvatljivo. Dakle, projektant pri odabiru vrednosti otpornika treba da razmotri odnos rezolucije i vremena analize.

(3)Osetljivi otpornik takođe mora podneti određenu disipaciju usled punjenja/pražnjenja baterije.

3.1.5.1 Kalkulacija vremena punjenja/pražnjenja Da bi host izračunao koliko je energije ostalo unutar baterije, u svakom trenutku mora posedovati informaciju o proteklom vremenu prilikom punjenja/pražnjenja. Prvo se pročitaju vrednosti registara CTC/DTC za nulto vreme i označe se kao CTC0/DTC0. Nakon isteka određenog vremena, opet se pročitaju vrednosti registara i označe kao CTC1/DTC1. Promena vremena u sekundama iznosi:

∆t(s) = [(CTC1 – CTC0) + (DTC1 – DTC0)] * 3600/4096 (3.1) Nakon računanja ∆t, host može upamtiti vrednosti CTC1/DTC1 kao i CTC0/DTC0 za neki

naredni period kalkulacije. Tajmeri za brojanje punjenja/pražnjenja (CCR i DCR), VFC gain i ∆t su tri osnovne vrednosti neophodne za računanje kapaciteta unutar baterije i vremena pražnjenja baterije.

3.1.5.2 Izračunavanje srednje struje Host kontroler ne komunicira non-stop sa kolom za monitoring, jer većinu vremena troši na kontrolu ostalih komponenti sistema. Ali kada pročita kolo za monitoring, može izračunati prosečnu potrošnju za protekli vremenski period. Ovo podrazumeva da je host kontroler već jednom inicijalno pristupio kolu za monitoring i postavio vrednosti registara CCR0/DCR0 i CTC0/DTC0. Nakon ponovnog čitanja registara upišu se vrednosti CCR1/DCR1 i CTC1/DTC1. Srednja struja potrošnje se računa po formuli:

IAVG (A) = [(CCR1 – CCR0) – (DCR1 – DCR0)] / (∆t * GVFC * RSR) (3.2) ∆t (s) je izračunato pomoću jednačine (3.1), ili izmereno na osnovu unutrašnjeg tajmera u

kontroleru. GVFC predstavlja ranije pomenuti VFC gain (Hz/V), i RSR (Ω) je osetljivi otpornik. Negativna vrednost IAVG ukazuje na pražnjenje baterije a pozitivna na punjenje. Ova vrednost srednje struje se dalje koristi za računanje vremena za koje će baterija biti ispražnjena.

3.1.5.3 Računanje zbirne struje Ukupna struja se koristi za računanje kapaciteta koji se nalazi u bateriji. Da bi se izračunao preostali kapacitet baterije mora se posedovati informacija o ukupnom kapacitetu baterije u određeno vreme (činjenica da kapacitet baterije opada tokom vremena). Nominalni kapacitet baterije koji se koristi za računanje je prvi izmereni nakon kompletnog punjenja baterije. Za učenje pravog kapaciteta baterije (u određenom trenutku) može se koristiti jednostavni algoritam koji zavisi od vrste i tipa baterije. Ukupna struja za određeni period se računa po formuli:

IACC (As) = IAVG*∆t = [(CCR1 – CCR0) – (DCR1 – DCR0)] / (GVFC*RSR) (3.3) Na osnovu formule (3.3) se vidi da je ukupna struja jednaka proizvodu predhodno

izračunate srednje struje potrošnje IAVG i proteklog vremena ∆t. Struja IACC se izražava u As. Nakon kalkulacije IAVG i IACC, host može zapamtiti CCR1/DCR1 u CCR0/DCR0 za naredni period.

98

3.1.5.4 Računanje preostalog kapaciteta unutar baterije Svrhu SOC predstavlja određivanje preostalog kapaciteta unutar baterije. Ova informacija može biti prikazana na ekranu displeja za krajnjeg korisnika. Manipulacijom sa informacijom o preostalom kapacitetu mogu se dobiti različite korisne informacije kao što su: procentualni prikazi stanja baterije, kalkulacija vremena za koje će baterija biti potpuno ispražnjena i druge. Preostali kapacitet se računa po formuli:

RM1 (As) = RM0 + IACC (3.4) RM1 predstavlja preostali kapacitet izražen u As, IACC (As) izračunato pomoću jednačine

(3.3), RM0 (As) predstavlja poslednje izračunati preostali kapacitet. Nakon računanja preostalog kapaciteta, host kontroler može sačuvati vrednosti RM1 i RM0 za neki naredni period merenja.

3.1.5.5 Računanje vremena do potpunog pražnjenja baterije Korisniku je obično najvažnija informacija koliko će još baterija trajati uz prosečnu potrošnju. Metodom izračunavanja (3.2) računa se IAVG. Više ponovljenih računanja IAVG rezultuje kalkulacija vremena do potpunog pražnjenja baterije. Vreme do potpunog pražnjenja se računa po formuli:

TTE@RATE (s) = RM1 / IAVG (3.5) IAVG (A) se računa pomoću jednačine (3.2), RM1 (As) predstavlja preostali kapacitet

izračunat pomoću jednačine (3.4). Ostali parametri baterije uključuju merenje temperature i napona. Kola za monitoring

baterija mere i obaveštavaju host kontroler o temperaturi i naponu na bateriji. Neka kola za monitoring baterije mere napon pomoći A/D konvertora. Merenjem napona na bateriji host dobija informaciju kada je baterija dostigla krajnji napon prilikom pražnjenja ili punjenja.

3.1.6 Merenje stanja napunjenosti uz pomoć kombinacije metode brojanja kulona i merenja napona na ćeliji

Radi unapređenja preciznosti merenja SOC mogu se koristiti metode koje se zasnivaju na kombinaciji merenja napona i merenja kulona. Ova metoda se uglavnom koristi kod kola za merenje stanja napunjenosti baterija koja utvrđuju SOC samostalno (bez upotrebe host kontrolera). Primer jednog takvog rešenja, koje kombinuje metodu merenja kulona i merenja napona na ćeliji, prikazan je na Slici 3.21.

Za određivanje stanja napunjenosti baterijskog pakovanja koriste se: merenje napona na ćeliji i merenje pada napona na otporniku RS. Pomoću naponskog razdelnika RB1 i RB2, dobija se napon VSB koji je jednak naponu na jednoj ćeliji. Ukoliko ima više ćelija unutar pakovanja VSB se određuje pomoću formule: RB1/RB2 = N-1, gde N predstavlja broj ćelija.VSB se koristi za određivanje: pada napona ćelije na EDV1 (End-of-Discharge Voltage), za indikaciju maksimalnog napona na ćeliji MCV (Maximum Cell Voltage), za indikaciju EDVF (End Of Discharge Voltage Flag) i za indikaciju kada baterija treba da se zameni novom. Nivo EDV1 iznosi oko 1.05V/ćeliji a VEDF1 se naziva napon ranog upozorenja, dok je VEDVF napon kada je ćelija potpuno prazna i iznosi 0.95V/ćeliji.

Pad napona VSR na otporniku RS se koristi za merenje struje kroz bateriju prilikom punjenja/pražnjenja (metoda merenja kulona).

99

Slika 3.21. Kolo za merenje stanja napunjenosti baterije Kalkulacija preostalog kapaciteta baterije zavisi od temperature, tako što kapacitet opada na

nižim temperaturama. Na primer, ako se izračuna da je baterija na 25ºC imala 60% od nominalnog kapaciteta, onda će imati 40% na temperaturi od 0 ºC. Ukoliko se temperatura vrati na 25 ºC povratiće se i kapacitet. Da bi se obezbedila verodostojnost očitavanja mora se uzeti u obzir i temperatura.

Takođe, prilikom monitoringa baterije mora se uzeti u obzir i efekat samopražnjenja baterije, koji je naročito izražen kod baterija na bazi nikla. Efekat samopražnjenja zavisi od proteklog vremena, nivoa na koji je baterija napunjena i temperature.

3.1.6.1 Način rada Direktno merenje struje punjenja/pražnjenja je često neizvodljivo (zbog njene veličine). Merenje se postiže indirektnom metodom, tj. merenjem pada napona na maloj otpornosti. Ova otpornost se kreće u granicama od 20 do 100mΩ. Vrednost napona dobijena na ovaj način se upisuje u interne 16 bit-ne brojače:

(1) Nominal Available Charge (NAC) brojač- koji čuva trenutnu vrednost kapaciteta baterije (2) Discharge Count Registar (DCR)- čuva kapacitet baterije koji je potrošen u odnosu na

onaj kada je baterija bila puna zadnji put Koristi se još i osmobitni registar Last Measured Discharge (LMD). On pamti najveću

poslednju vrednost kapaciteta kompletno napunjene baterije. Kada je baterija prazna, vrednost NAC je nula. Inicijalni kapacitet baterije se podešava

pomoću programirljivih ulaza na čipu i označava se kao Programmed Full Count (PFC). Postavljanje inicijalne vrednosti se obavlja samo prilikom prvog punjenja posle proizvodnje. Izbor odgovarajuće vrednosti PFC se vrši pomoću formule:

Inicijalni kapacitet baterije (mAh) * Otpornost otpornika Rs (Ω) = PFC (mVh) (3.6)

100

Prilikom inicijalizacije baterije u LMD se upiše vrednost PFC. Onda se baterija puni sve dok NAC=LMD. Zatim se baterija prazni sve do EDV1. Na ovaj način se uči ukupan kapacitet baterije. Nakon pražnjenja se u DCR upisuje vrednost kapaciteta koji je potrošen. Sada se nova vrednost kapaciteta baterie iz DCR upisuje u LMD. Ukoliko je baterija kompletno ispražnjena postavljen je fleg VDQ. Na Slici 3.22 je prikazan algoritam određivanja trenutnog kapaciteta baterije.

Slika 3.22. Algoritam određivanja trenutnog kapaciteta baterije

Prilikom pražnjenja baterije ili samopražnjenja, vrednost NAC se umanjije od vrednosti upisane u LMD do nule. Pražnjenje se prekida kada vrednost NAC dostigne nultu vrednost (baterija je prazna). Suprotno, prilikom punjenja vrednost NAC se uvećava do LMD.

DCR se inkrementira tokom pražnjenja nezavisno od NAC i može nastaviti inkrementiranje i kada je NAC = 0. Iako je baterija prazna može se trošiti usled samopražnjenja. DCR se resetuje na nulu kada NAC = LMD ili kada se detektuje EDV1. Maksimalna vrednost do koje može brojati DCR je FFFF h. Svaki put kada se baterija kompletno isprazni vrednost iz DCR se upisuje u LMD.

U cilju lakšeg razumevanja procesa merenja struje punjenja/pražnjenja i kompenzacije usled neželjenih efekata uvode se sledeći naponi:

• VSR0- označava opseg merenja (kreće se u granicama od -300 do 2000mV) • VSR1- kompenzacija prilikom pražnjenja (oko -150mV) • VSRQ- napon validnog punjenja (minimum 375µV) • VSRD- napon validnog pražnjenja (maksimum -300µV) • VBR- napon prekida ( donja granica 0.1V a gornja 2.25V)

Ukoliko je VSR0 > VSRQ kolo registruje punjenje baterije (NAC broji). Punjenje se nastavlja sve dok VSR0 ne padne ispod VSRQ (vrednost VSRQ je programabilna a default-na vrednost je 375µV).

101

Dekrementiranje NAC registra i inkrementiranje DCR, tokom pražnjenja baterije, prouzrokovano je kada VSR0 < VSRD.

Prilikom samopražnjenja baterije NAC registar se dekrementira a DCR se inkrementira. Pošto efekat samopražnjenja zavisi od temperature, uvodi se faktor kompenzacije efekta samopražnjenja. Vrednost faktora kompenzacije efekta samopražnjenja, za koju će se dekrementirati NAC, se može programirati i to na osnovu Tabele 3.1. Na primer: za temperature baterije u opsegu od 20ºC do 30ºC može se programirati na nominalnu vrednost od 1/64 *NAC ili 1/47*NAC po danu. Postoji i opcija ignorisanja faktora kompenzacije usled efekta samopražnjenja.

Tabela 3.1. Vrednosti za dekrementiranje NAC-a

Za kompenzaciju efikasnosti punjenja se koriste dva faktora, jedan za trickle punjenje, a

drugi za brzo punjenje. Brzo punjenje se registruje kada je brzina punjenja ≥2NAC cifre/sec (≥0.15C do 0.32C zavisno od postavljanja PFC vrednosti). Kompenzacioni faktor je različit za različite temperature (vidi Tabelu 3.2).

Tabela 3.2. Vrednosti kompenzacionih faktora za različite temperature

Korekcija prilikom pražnjenja se obavlja internim faktorom kompenzacije za pražnjenje. Faktor kompenzacije pražnjenja je baziran na izmerenoj vrednosti VSR (vidi Tabelu 3.3).

102

Tabela 3.3. Faktor kompenzacije u zavisnosti od VSR

Treba obratiti pažnju i na uticaj temperature na kompenzacioni faktor. Na niskim

temperaturama, ispod 10ºC, kompenzacioni faktor se uvećava po 0.05 za svakih 10ºC. Kompenzacioni faktor = 1.0 + (0.05*N) (3.7) gde N predstavlja broj koraka pada temperature ispod 10ºC. Ovo važi za uslov da je -

150mV < VSR < 0. Na primer: T > 10ºC, nominalna kompenzacija N=0.

0ºC<T<10ºC: N=1 (1.05) -10ºC<T<0ºC: N=2 (1.10) -20ºC<T<-10ºC: N=3 (1.15) -20ºC<T<-30ºC: N=4 (1.15)

U poređenju sa merenjem uz pomoć host kontrolera, samostalna kola za monitoring su

efikasnija, lakša za korišćenje, jednostavnijeg dizajna i malog broja dodatnih komponenti. U Tabeli 3.4 dato je poređenje ova dva načina merenja stanja napunjenosti baterija.

Tabela 3.4. Uporedne karakteristike merenja sa host kontrolerom i samostalnog integrisanog kola

Na osnovu prikazanog poređenja može se uočiti da implementacija na bazi host kontrolera

generalno ne uzima u obzir strujnu i temperaturnu kompenzaciju i efekat usled samopražnjenja. Pored toga, rešenje sa kontrolerom zahteva više od jednog kvadratnog inča prostora.

103

3.1.7 Merenje napunjenosti baterije metodom merenja impedanse U cilju preciznijeg merenja stanja napunjenosti baterija, razvijena je metoda merenja impedanse. Algoritam merenja impedanse (Impedance Track gas gauge Algorithm) za kalkulaciju preostale energije i ukupnog kapaciteta baterije koristi tri tipa informacija i to: Hemijske (dubina pražnjenja i ukupni nominalni kapacitet), električne (unutrašnja otpornost baterije zavisna od SOC), spoljne (temperatura).

Algoritam pravi razliku između modova punjenja, pražnjenja i relaksacionog moda. Na Slici 3.23 je prikazano kolo za merenje stanja napunjenosti baterije pomoću merenja impedanse. Ovo kolo najčešće se nalazi unutar baterijskog pakovanja i integrisano je zajedno sa kolom za punjenje baterije.

Slika 3.23. Kolo za merenje napunjenosti pomoću merenja impedanse ćelije

Osnovu ovog kola čini RISC kontroler koji proračunjava stanje napunjenosti i na osnovu njega donosi određene odluke. U flash memoriju kola za merenje se upisuje programski kod. Kolo je opremljeno sa dva precizna A/D konvertora koji se koriste za merenje broja kulona i merenja napona/temperature. Kolo za zaštitu se koristi za zaštitu od prepunjavanja, prekomernog pražnjenja i kratkospajanja baterije. Pored toga kolo poseduje SMBus komunikacioni port. Ovo kolo je SBS kompatibilno i koristi se za merenje napunjenosti Li-ion i Li-poly baterija.

Ono što čini metodu merenja impedanse jedinstvenom i tačnijom od ostalih metoda merenja stanja napunjenosti baterija, je mehanizam samoučenja promena u impedansi i trajno izgubljenog kapaciteta baterije. Često se prilikom utvrđivanja stanja napunjenosti baterije izuzme činjenica da se prilikom starenja baterije uvećava njena impedansa. Na primer, inpedansa Li-ion baterije se udvostručava nakon 100 ciklusa punjenja/pražnjenja. Kao što je ranije naglašeno, impedansa između ćelija značajno varira pri različitim uslovima eksploatacije. Radi postizanja veće tačnosti prilikom proračunavanja, u flash memoriji se čuva višedimenzionalna matrica koja sadrži vrednosti impedansi u zavisnosti od više parametara kao što su: tip baterije, temperatura, kapacitet baterije i dr. Tokom korišćenja baterije, inicijalni podaci o impedansi iz baze podataka se stalno obnavljaju. Na taj način se prilikom proračuna kompletnog kapaciteta baterije i

104

preostalog kapaciteta automatski uzimaju u obzir neželjeni efekti. Na precizno merenje impedanse baterije utiču sledeći ključni parametri:

• OCV (Open Circuit Voltage). Napon praznog hoda baterije, kada je baterija u relaksacionom modu.

• Impedansa baterije = (OCV – Napon baterije kada je priključena na potrošač) / Srednja struja potrošnje

• PassedCharge: Punjenje izmereno na osnovu brojanja kulona tokom punjenja ili pražnjenja.

• SOC u bilo kom trenutku: SOC = Q/Qmax, gde je Q kapacitet kompletno napunjene baterije, a Qmax maksimalni nominalni kapacitet baterije.

• DOD: Dubina pražnjenja DOD = 1 – SOC • DOD0: Poslednje pročitani DOD pre punjenja ili pražnjenja • DODcharge: DOD za kompletno napunjenu bateriju • Qstart: količina naelektrisanja za DOD = DOD0 • RM: Preostali kapacitet baterije • FCC: količina kapaciteta kompletno napunjene baterije. Na Slici 3.24 su prikazana tri stanja baterije i to: punjenje, pražnjenje i relaksaciono stanje.

Slika 3.24. Tri stanja baterije

Relaksaciono stanje baterije odnosi se na stanje kada na bateriju nije priključen potrošač. Quit current nivoi su korisnički definisani i odnose se na prekid struje punjenja/pražnjenja. Zbog toga što SOC zavisi od OCV, proračun SOC se bazira na merenju OCV. Primer zavisnosti SOC od OCV je prikazana na Slici 3.25.

105

Slika 3.25. Zavisnost OCV od stanja napunjenosti baterije

Većim delom zavisnost OCV od SOC je linearna, što daje mogućnost određivanja SOC pomoću merenja napona na bateriji kada ona nije priključena na potrošač. Period relaksacije nastaje kada struja punjenja/pražnjenja padne ispod ±Quit current nivoa. Merenje napona se obavlja u periodu relaksacije kao što je prikazano na Slici 3.26.

Slika 3.26. Merenje napona u periodu relaksacije

Tačka merenja se nalazi duboko u zoni relaksacije. Na taj način se eliminiše nepovoljan uticaj samopražnjenja baterije na merenje SOC. Stanje SOC u trenutku merenja se određuje na osnovu izmarene vrednosti OCV i grafika sa Slike 3.25.

Maksiminalni kapacitet baterije Qmax se računa pomoću dva čitanja OCV pre i posle punjenja (u relaksacionom stanju kao na Slici 3.27) u kombinaciji sa merenjem količine naelektrisanja prilikom punjenja/pražnjenja.

106

Slika 3.27. Tačke očitavanja OCV

Prvo merenje se obavlja nakon procesa kompletnog pražnjenja baterije u periodu relaksacije (tačka P1 na dijagramu). Nakon obavljenog prvog merenja pristupa se kompletnom punjenju baterije. Pri završetku punjenja obavlja se drugo merenje u tački P2. Na osnovu obavljenih merenja u tačkama P1 i P2 računa se SOC1 i SOC2 respektivno.

Pošto su: SOC1 = Q1/Qmax, (3.8) SOC2 = Q2/Qmax (3.9) Q1 i Q2 predstavljaju izmerene količine naelektrisanja tokom pražnjenja/punjenja. Na

osnovu formula (3.8) i (3.9) može se izraziti Qmax: Qmax = Pasedcharge/|SOC1-SOC2|, gde je PassedCharge = |Q1 – Q2| (3.10) Na osnovu ove jednačine se vidi, da je u cilju učenja maksimalnog kapaciteta baterije

neophodno kompletno punjenje/pražnjenje baterije. Utvrđivanje Qmax je moguće i pomoću merenja OCV pre i posle pražnjenja kao što je prikazano na Slici 3.28.

Slika 3.28. Utvrđivanje Qmax

107

Slično kao i kod predhodnog slučaja merenje se obavlja u dve tačke P1 i P2. Tačka P1 se nalazi na početku pražnjenja baterije, dok je P2 pri kompletno ispražnjenoj bateriji. Podatak o Qmax se upisuje u flash memoriju. Kako se ciklusi punjenja/pražnjenja povećavaju opada Qmax koje se koristi za računanje trenutnog SOC.

Računanje SOC se može prikazati pomoću grafika na Slici 3.29.

Slika 2.29. Način računanja stanja napunjenosti baterije

OCV karakteristiku predstavlja tačkasta kriva, dok je punom linijom označena kriva pražnjenja baterije kada je priključen potrošač.

Kada se na bateriju priključi potrošač, impedansa svake ćelije se određuje razlikom između napona merenog pod opterećenjem i OCV napona. Ovako dobijena razlika napona podeljena sa strujom potrošnje daje impedansu baterije, koja ukazuje na SOC. Pri proračunu SOC uzima se u obzir i temperaturni efekat. U model koji se koristi za računanje temperaturnog efekta, u trenutku merenja, se ugrađuju izračunata impedansa baterije i temperatura baterije.

Preostali kapacitet baterije (RM) se računa uz pomoć informacije o impedansi baterije. Ova kalkulacija se obavlja metodom naponske simulacije, koja je ugrađena u firmware kontrolera. Simulacija napona počinje trenutnim DOD, tj. DODstart i računa napon pri svakom inkrementu DOD od 4%, po formuli:

V(DODI,T) = OCV (DODI,T) + I x R(DODI,T) (3.11) gde je DODI = DODstart + I x 4%, "I" predstavlja broj inkrementa a R(DODI,T) impedansu

baterije pod DODI i temperaturom T. Algoritam za merenje impedanse predviđa jednu vrednost DODfinal koja odgovara krajnjem naponu na bateriji. Preostali kapacitet baterije se računa po formuli:

RM = (DODfinal – DODstart) x Qmax (3.12) Kompletan kapacitet baterije FCC se računa po formuli: FCC = Qstart + PasssedcCharge + RM (3.13)

Zaključak

Savremeno doba nam je nametnulo upotrebu baterija za napajanje mobilnih uređaja. Baterija upravo omogućava autonomnost i mobilnost uređaja u kome se koristi. Zbog ograničenog trajanja na nju je gledano kao na slabu tačku uređaja. Njeno trajanje u uređaju i životni vek su podložni uslovima pod kojim se koriste. Osim toga da bi se izvukao maksimum iz baterije potrebno je poznavati vrste baterija, njihove osobine i naravno ispravno merenje i čuvanje.

Tokom vremena inženjeri su dosta unapredili baterije te tako danas imamo ogromnu paletu proizvoda različitih po karakteristikama i hemijskom sastavu. Projektantima mobilnih uređaja veliki problem predstavlja izbor odgovarajuće baterije za napajanje, od velikog broja proizvoda koji se danas nude na tržištu.

Ovaj seminarski rad je upravo razmatrao osnovne principe rada punjivih baterija i metode za određivanje stanja napunjenosti tih baterija, radi lakšeg projektovanja uređaja koji za napajanje koriste baterije. Ukazano je na podelu baterija i osobine koje ih karakterišu. Akcenat je bačen na obradu punjivih baterija koje u mnogim segmentima preuzimaju primat. Dat je prikaz karakteristika punjenja i pražnjenja baterija na bazi nikla i litijuma.

Prilikom eksploatacije mobilnih uređaja veoma je važno utvrđivanje stanja napunjenosti baterija i utvrđivanje pada kapaciteta baterije u cilju zamene baterije novom. U radu je prikazano nekoliko metoda utvrđivanja stanja napunjenosti. Kombinacijom ovih metoda postižu se velike preciznosti prilikom procene količine energije koja je ostala u bateriji.

Danas baterije više nisu skup običnih ćelija, već predstavljaju kompleksne strukture. Primera radi, najnovija Vartina PoLiFlex® baterija sadrži ukupno 50 patenata koji su ugrađeni u nju. Priča o baterijama još uvek nije završena. Svakim danom se pronalaze novi materijali i metode izrade koje bi unapredile upotrebu baterija u mobilnim uređajima.

Literatura

1. Buchmann I., Batteries in a portable world, Cadex Electronics Inc., www.buchmann.ca, Apr 2001

2. www.batteryuniversity.com 3. Stojišević D., Njeno veličanstvo baterija, Svet kompjutera, Dec 2001 4. Čabrilo I., Zalihe energije, Svet kompjutera, Jan 2003 5. Texas Instruments, Gas Gauging Basics Using TI`s Battery Monitor Ics, SLVA102A,

www.power.ti.com Oct 2003 6. PANASONIC industrial company, Batteries handbook,

www.panasonic.com/industrial/battery/oem/ Aug 2005 7. Harjač Ž., Baterije- tehnologija i održavanje, Info mob com, prikaz 4095, Dec 2003 8. Garland S., Jamieson K., Battery owerview, PPT presentation 2006 9. RAYOVAC Corporation, Application Notes and Product Data Sheet, Mar 1999

www.rayovac.com/oem 10. SANYO, Technical Handbooks, Industrial Batteries, www.sanyo-

component.com/mc/products/industrial-batteries.html , Aug 2006 11. Vega M., Choosing Between Battery Gas Gaugues and Battery Monitors to Track Charge

Availability in Handheld Devices, Texas Instruments, SLUA358, Sep 2005 12. Wen S., Impedance Track Gas Gauge for Novices, Texas Instruments, SLUA375, Jan 2006 13. VARTA Microbattery GmbH, www.varta-microbattery.com/en/oempages/index.htm 14. Cropley C., Portable Direct Methanol Fuel Cell Power Supply/Battery Charger, Giner

Elektrochemical Systems, Norfolk,VA, July 2003 15. www.mpoweruk.com 16.

Baterije za mobilne uređaje - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/Files/Baterije za mobilne...

Documents

Transcript of Baterije za mobilne uređaje - es.elfak.ni.ac.rses.elfak.ni.ac.rs/Files/Baterije za mobilne...