Batarya Nasıl Boyutlandırılır?

Batarya nasıl boyutlandırılır? Batarya boyutlandırması; belirli bir sistemin güç gereksinimlerini dengeleyerek, ürünün ihtiyaçlarını eksiksiz karşılayacak bir tasarım sürecidir.
Bu işlem, bir bataryada depolanan kilovat-saat (kWh) miktarını tayin eder. Bu adım, elektrikli bir ürünün raf ömrünü belirleyici niteliktedir; zira yetersiz boyutlandırılmış bataryalar, ürünün kullanım süresini ciddi biçimde kısaltır.

Bir bataryayı doğru boyutlandırmak için aşağıdaki bilgileri edinmek elzemdir:

• Tasarımı yapılacak bataryanın destekleyeceği yük.
• Bataryanın kaldırabileceği minimum gerilim seviyesi.
• Gerekli yedekleme süresi.

IEEE ile Batarya Nasıl Boyutlandırılır?

Hesaplamalarımız, hem nikel-kadmiyum hem de kurşun-asit uygulamaları için IEEE standartlarına dayanmaktadır.

Bu durum, sunulan hesaplamaların başka batarya tiplerinin tasarımında ancak ilgili üreticilerin yönergelerine başvurularak kullanılabileceği yönünde bir ikaz niteliği taşımaktadır.

Boyutlandırma sürecinde rehberlik edecek adımlar şunlardır:

1. Toplam Yüklerin Tespiti: Batarya tarafından desteklenecek tüm yükleri eksiksiz bir biçimde toplayın. Bu aşama, tasarımcının bataryanın sağlaması gereken toplam yükü belirlemesine yardımcı olur.
   
2. Yük Profilinin Oluşturulması: Yük profili, otonomi yöntemi kullanılarak belirlenir. IEEE standartları; otonomi, deşarj veya yedekleme süreleri için gerekli yönergeleri sunar.
   
3. Batarya Tipi: Tasarımı yapılacak batarya tipini seçin; örneğin kurşun-asit. Ardından, IEEE tarafından sağlanan şarj ve deşarj karakteristikleri, hücre oryantasyonları, ortam sıcaklığı eşiği, hücre ömrü, havalandırma ve bakım gereksinimleri gibi temel özellikler ile batarya terminalleri ve ağırlık gibi fiziksel özelliklere dair kılavuzları inceleyin.
   
4. Üretici Veri Sayfası Analizi: Üreticinin veri sayfasından; hücre sıcaklığı, hücre gerilimi, deşarj sonu voltajı (EODV) —ki çoğu bataryada deşarj süresi bir saatten fazlaysa hücre başına 1.75 V ile 1.8 V arasında, 15 dakikadan az ise 1.66 V civarında değişir—, AH batarya hücre kapasitesi ve kurşun-asit bataryalar için elektrolit yoğunluğu gibi batarya hücresi karakteristiklerini belirleyin.
   
5. Seri Bağlantıya Uygun Hücre Seçimi: Seri bağlantı yöntemine uygun batarya hücrelerini seçin. Belirli bir boyuttaki kurşun-asit bataryalar için aşağıdaki tablo, içerisine sığabilecek hücre sayısını göstermektedir.

Tablo 1: Farklı Batarya Voltaj Değerlerini ve Kurşun Asit Batarya İçin Gerekli Hücre Sayısını Gösteren Tablo

Aşağıdaki formüller, gerekli hücre sayısını belirlemede yol gösterecektir.

Maksimum Hücre Sayısı (N_max):
$$N_{max} = \frac{V_{dc} (1 + V_{load, max})}{V_{charging}}$$

Minimum Hücre Sayısı (N_min):
$$N_{min} = \frac{V_{dc} (1 – V_{load, min})}{V_{EODV}}$$

Burada:

• N_max = Batarya başına gerekli maksimum hücre sayısı
• N_min = Batarya başına gerekli minimum hücre sayısı
• V_dc = Bataryanın nominal voltajı
• V_charging = Hücrenin şarj voltajı
• V_load, max = Bataryanın maksimum yük toleransı (yüzde olarak hesaplanır)
• V_load, min = Bataryanın minimum yük toleransı (yüzde olarak hesaplanır)
• V_EODV = Deşarj sonu batarya hücre voltajı

Amper-Saat (Ah) Cinsinden Batarya Nasıl Boyutlandırılır?

Batarya kapasitesi, aşağıdaki denklem kullanılarak hesaplanabilir:

$$C_{min} = \frac{E_{de} (k_{af} k_{tcf} k_{crt})}{V_{dc} k_{mdod} k_{se}}$$

Burada:

• C_min = İstenen minimum batarya kapasitesi (Amper-saat)
• E_de = Yedekleme süresi boyunca gerekli toplam enerji (VAh)
• k_tcf = Sıcaklık düzeltme faktörü
• k_af = Bataryanın yaşlanma faktörü
• k_crt = Batarya kapasitesi derecelendirme faktörü
• k_se = Sistem verimliliği (yüzde olarak)
• k_mdod = Maksimum deşarj derinliği
• V_dc = Nominal batarya voltajı

Hesaplanan minimum kapasiteden daha yüksek bir batarya kapasitesi seçmeye özen gösteriniz.

Şimdi, yukarıdaki formülde yer alan önemli unsurları daha yakından inceleyelim:

• Batarya Kapasitesi Derecelendirme Faktörü (k_crt): Bu faktör, deşarj süreci boyunca batarya voltajındaki düşüşü ifade eder.
• Bataryanın Yaşlanma Faktörü (k_af): Bataryanın kullanım süresine bağlı olarak performansındaki azalmayı kapsar.
• Sistem Verimliliği (k_se): Batarya ve elektronik güç kayıplarını temsil eder.
• Sıcaklık Düzeltme Faktörü (k_tcf): Batarya hücresi belirli bir sıcaklıkta çalışmak üzere tasarlanmıştır ve bu sıcaklık aşıldığında bir düzeltme faktörü uygulanması gerekir.

Batarya Nasıl Boyutlandırılır? Örnek 1

Tüm bağlı yükleri toplayıp yük profilini oluşturalım. Yukarıdaki şekilde, toplam tasarım enerji talebini hesaplayabiliriz. Şeklin, üst üste yığılmış enerji dikdörtgenlerini temsil ettiğini unutmamak önemlidir.

• Yükseklik: Yükü (VA) temsil eder.
• Genişlik: Zamanı (otonomi) temsil eder.
• Dikdörtgen Alanı: Yükün toplam enerjisidir.

Grafikten yola çıkarak,

Tasarım Enerji Talebi (E_tle) = Grafikteki dikdörtgenlerin toplam alanı = 2700 VAh

Tasarım Enerji Talebi (E_de) = $$E_{tle}(1+k_{cont}) (1+k_{dm})$$

$$k_{cont} = 0.10$$(süreklilik faktörü) ve$$k_{dm} = 0.10$$ (tasarım marjı) olsun.

$$E_{de} = 2700(1+0.1) (1+0.1) = 3267 \text{ VAh}$$

Batarya Tipi

Tasarım hesaplama örneği için kurşun-asit batarya ile çalışıyoruz.

Bataryanın hücre sayısını hesaplamak için bazı değerler varsayalım:

• $$V_{dc} = 120 \text{ V}$$* $$V_{charging} = 2.25 \text{ V/hücre}$$* $$V_{load, max} = 0.30$$ (yüzde 30)
• $$V_{load, min} = 0.15$$ (yüzde 15)
• $$V_{EODV} = 1.75 \text{ V/hücre}$$

Seri bağlantı için gerekli maksimum hücre sayısı:

$$N_{max} = \frac{V_{dc} (1 + V_{load, max})}{V_{charging}}$$

$$N_{max} = \frac{120 (1 + 0.3)}{2.25} = 70 \text{ hücre}$$

Seri bağlantı için gerekli minimum hücre sayısı:

$$N_{min} = \frac{V_{dc} (1 – V_{load, min})}{V_{EODV}}$$

$$N_{min} = \frac{120 (1 – 0.15)}{1.75} = 58 \text{ hücre}$$

Toplam hücre sayısı, maksimum ve minimumun ortalamasıdır: $$(70+58)/2 = 64 \text{ hücre}$$.

Amper-Saat Batarya Kapasitesinin Hesaplanması

Amper-saat batarya kapasitesini hesaplamak için aşağıdaki değerleri varsayalım:

• $$E_{de} = 3267 \text{ VAh}$$* $$k_{tcf} = 0.94$$* $$k_{af} = 1.20$$ (Yaşlanma faktörü, 1.20 olarak varsayılmıştır; metinde 0.2 olarak belirtilse de genellikle 1’den büyük bir değerdir.)
• $$k_{crt} = 1.15$$ (Kapasite derecelendirme faktörü, metinde 0.15 olarak belirtilse de genellikle 1’den büyük bir değerdir.)
• $$k_{mdod} = 0.75$$ (Maksimum deşarj derinliği)
• $$k_{se} = 0.90$$ (Sistem verimliliği, metinde eksik olduğundan 0.90 varsayılmıştır.)
• $$V_{dc} = 120 \text{ V}$$

Yukarıda listelenen parametreleri kullanarak minimum batarya kapasitesini hesaplayın:

$$C_{min} = \frac{E_{de} (k_{af} k_{tcf} k_{crt})}{V_{dc} k_{mdod} k_{se}}$$

$$C_{min} = \frac{3267}{120 \times 0.75 \times 0.90 \times (1.20 \times 0.94 \times 1.15)^{-1}} = 47.09 \text{ Ah}$$

Yukarıdaki hesaplamadan yola çıkarak, hesaplanan batarya kapasitesinden daha yüksek kapasiteli bir batarya boyutu seçilmelidir.

RASTGELE TEKNİK İÇERİK İÇİN TIKLAYIN!

İlginizi Çekebilecek Teknik Hesaplar
Kompanzasyon Hesabı
Aydınlatma Hesabı
Yüksek Gerilim İşletme Sorumluluğu Ücreti Hesabı

Elektrik Tekniği Videoları İçin Tıklayın!