Aküler neden bozulur? Akü arıza modlarını anlama

Aküler, altyapımızın temel bileşenleri haline gelmiştir; veri merkezlerine kesintisiz güç sağlar ve yenilenebilir enerjinin güç şebekelerimize entegrasyonunu kolaylaştırır. Artık akülere her zamankinden daha fazla güvendiğimize göre akü arızalarını anlamak yalnızca akademik bir uygulama değil, akü sistemlerinden sorumlu herkes için önemli bir bilgidir.

Akü arızalarının finansal sonuçları çok önemlidir. Bir akü sistemi arızalandığında kuruluşlar yalnızca doğrudan değiştirme maliyetleriyle karşı karşıya kalmaz, aynı zamanda sistemin arıza süresiyle ilgili dolaylı maliyetlerle, bağlı ekipmanlardaki olası hasarlarla ve bazı durumlarda kritik hizmetlerin kaybıyla karşı karşıya kalır. Bir veri merkezinde bir saatlik arıza süresinin maliyeti 1 milyon doları bulabilir.

Tüm bunları göz önünde bulundurarak akülerin temel arızalanma şekillerini inceleyelim.

Kurşun asit akü arıza modları

Kurşun asit aküler en yaygın sabit akü türlerinden biridir. Güvenilir ve bilindik olsalar da birçok şekilde arızalanabilirler. 

Pozitif şebeke korozyonu

Pozitif şebeke korozyonu, akünün pozitif şebekesini oluşturan kurşun alaşımının kademeli olarak kurşun oksite dönüştüğü kimyasal bir süreçtir. Bu süreç yüksek sıcaklıklar, aşırı şarj ve aşırı çevrim ile hızlanır. Bir dereceye kadar şebeke korozyonu normaldir ve aslında aküler buna uygun olarak tasarlanmıştır ancak aşırı korozyon, akü ömrünü önemli ölçüde kısaltarak şunlara yol açabilir:

• Plakaların fiziksel genişlemesi
• Daha fazla dahili direnç
• Daha düşük güç kapasitesi
• Nihai akü arızası

Sülfatlaşma

Normal akü deşarjı sırasında, kurşun asit aküdeki aktif maddeler (kurşun ve kurşun dioksit) sülfürik asit ile tepkimeye girerek kurşun sülfat oluşturur. Bu doğal ve gerekli bir süreçtir. Ancak düzenli deşarj sırasında oluşan yumuşak, normal kurşun sülfat ile belirli koşullar altında ortaya çıkabilen sorunlu kristalin sülfat arasında önemli bir fark vardır. Sülfatlaşma büyük ölçüde önlenebilir ve normalde tersine çevrilebilir ancak aküler deşarj olmuş durumda kalırsa, şarj yetersizse veya düzenli bakım ihmal edilirse kalıcı hale gelebilir. Bu, şunlara yol açar:

• Daha düşük kapasite 
• Daha fazla dahili direnç
• Plakalarda fiziksel hasar

Dahili kısa devreler

Dahili kısa devreler genellikle yavaş yavaş gelişir ve önemli bir hasar oluşana kadar tespit edilmesi zor olabilir. Genellikle belirgin olan harici kısa devrelerden farklı olarak dahili kısa devreler, akü içinde sessizce ortaya çıkarak tehlikeli durumlara neden olabilir.

Kurşun asit akülerdeki dahili kısa devreler genellikle iki kategoriye ayrılır: Sert kısa devreler ve yumuşak kısa devreler. Sert kısa devreler genellikle üretim hataları sonucu oluşan macun topaklarından kaynaklanır. Yumuşak kısa devreler, özgül ağırlığın çok düşük olması sebebiyle kurşunun elektrolitin içinde çözünmeye başladığı aşırı derin deşarjların sonucudur. Bu kurşun, separatörlere takılarak kısa devrelere neden olur. Hem sert hem de yumuşak kısa devreler şunlara neden olur:

• Anında kapasite kaybı
• Aşırı ısı üretimi
• Olası ısıl sürüklenme
• Ciddi durumlarda yangın riskleri
• Tehlikeli gazların açığa çıkması

Kuruma (VRLA'ya özgü)

Valf ayarlı kurşun asit (VRLA) aküler bakım gerektirmeyecek şekilde geliştirilmiştir ancak benzersiz bir zorlukla karşı karşıyadırlar: Kuruma. Sulu muadillerinin aksine, bir VRLA aküde elektrolit kaybı olduğunda onu yenilemenin bir yolu yoktur. Bu, kurumayı en belirsiz arıza modlarından biri kılar.

VRLA aküler aşırı ısınma, aşırı şarj, yetersiz havalandırma veya uygun olmayan şarj gerilimi nedeniyle elektrolit kaybedebilir. Elektrolit kaybı şunlara yol açar:

• Daha fazla dahili empedans
• Daha düşük kapasite
• Daha yüksek çalışma sıcaklığı
• Daha düşük verimlilik
• Plaka ve elektrolit arası temas kaybı
• Daha hızlı eskime
• Olası ısıl sürüklenme
• Daha kısa yedekleme süresi
• Güvenilmez performans
• Daha yüksek işletme maliyetleri
• Erken arıza

Isıl sürüklenme (VRLA'ya özel)

Isıl sürüklenme, herhangi bir akü kimyasında meydana gelebilecek ciddi ve tehlikeli bir arıza modudur. Kurşun asit akülerde, VRLA'da VLA tiplerinden daha yaygındır. Kademeli olarak gelişen diğer arıza modlarından farklı olarak ısıl sürüklenme, hızlı bir şekilde büyüyerek saatler içinde yıkıcı bir arızaya yol açabilir. Isıl sürüklenme, akünün ısınıp daha fazla akım geçirerek daha fazla ısının ortaya çıktığı tehlikeli bir döngü içinde ısı ve akımın birbirlerinden beslendiği ve böylece akünün çok daha fazla akım geçirdiği ve arıza meydana gelene kadar çevrimin devam ettiği kendi kendini güçlendiren bir işlemdir.

Bu kriterlere dayalı olarak erken tespit, yıkıcı arızaları önlemek için çok önemlidir:

• Yüksek sıcaklık
• Daha düşük direnç 
• Daha yüksek akım 
• Yeniden birleşim hızını aşan gaz üretimi
• Basınç oluşumu, havalandırmaya zorlama
• Elektrolit kaybı 

Lityum iyon akü arıza modları

Lityum iyon aküler enerji depolamada devrim yaratmıştır ancak kendi benzersiz arıza modlarına sahiptirler.

SEI katmanı oluşumu

Katı elektrolit arayüz (SEI) katmanı, lityum iyon akünün çalışması için çok önemlidir ancak akünün kullanım ömrü boyunca kalınlığı, birden fazla faktörden etkilenen bir hızda zamanla artar. SEI katmanının büyümesi, akü empedansı üzerinde doğrudan etkilere sahiptir:

• Aşamalı empedans artışı
• Yük altında daha fazla gerilim düşüşü
• Daha düşük maksimum akım kapasitesi
• Çalışma sırasında daha fazla ısıtma

Lityum kaplama

Lityum kaplama, lityum iyon akülerdeki en ciddi arıza modlarından biridir ve yıkıcı arızalara neden olabilir. Kademeli bozulma mekanizmalarının aksine lityum kaplama anında güvenlik tehlikeleri oluşturabilir ve bunu önlemek için dikkatli bir yönetim gerekir. Akü normal şekilde çalışırken lityum iyonları şarj sırasında anodun grafit yapısına yerleşir. Ancak belirli koşullar altında iyonlar anot yüzeyinde birikir ve metalik lityum birikintileri oluşur. Sonunda, dendritler büyür ve yapı dengesiz hale gelir.

Lityum kaplama ciddi güvenlik sorunlarına neden olur:

• Dahili kısa devreler
• Isıl sürüklenme olasılığı
• Hücre parçalanması olasılığı
• Kapasite bozulması
• Daha fazla dahili direnç
• Daha hızlı eskime
• Hücre dengesizliği
• Olası yangın tehlikesi

Düzensiz eskime

Çoğu akü eskimesi sürecinin genellikle hücre genelinde düzenli olarak gerçekleştiği kabul edilir ancak gerçekte bu süreç daha karmaşıktır. Düzensiz eksime, hücrenin farklı kısımlarının farklı oranlarda eskimesiyle meydana gelerek performansı ve güvenliği önemli ölçüde etkileyebilecek bölgesel zayıflıklar oluşturur. Bu durum şunlarla sonuçlanabilir:

• Daha düşük toplam kapasite
• Daha fazla dahili direnç
• Dengesiz akım dağılımı
• Değişken gerilim tepkisi

BMS arızaları

Akü yönetim sistemi (BMS), lityum iyon akülerin güvenli ve verimli bir şekilde çalışmasını sağlayan kritik akıldır. BMS arızalandığında hem akü performansını hem de güvenliğini tehlikeye atabilir, bu nedenle bu arızaların anlaşılması çok önemlidir. BMS arızaları donanım, yazılım veya kalibrasyon sorunları gibi çeşitli şekillerde ortaya çıkabilir.

BMS arızalarının güvenlikle ilgili ciddi sonuçları olabilir:

• Aşırı şarj riski
• Aşırı deşarj potansiyeli
• Sıcaklık kontrolü arızası
• Akım limiti arızaları
• Kritik uyarıların olmaması
• Gecikmeli kapatma tepkisi
• Başarısız acil durum bağlantı kesme
• Yetersiz termal yönetim
• Hücre dengesizliği
• Isıl sürüklenme 
• Hücreler üzerinde aşırı gerilim
• Daha hızlı eskime

Akü dizesi sorunları

Akü dizeleri, tekli akü arızalarına ek olarak başka bir önemli arıza moduna karşı duyarlıdır: Uygun şekilde korunmamaları halinde hücreler arası bağlantıların bozulması. Bu bozulmanın nedeni korozyon, titreşim ve tekrarlanan sıcaklık değişiklikleri gibi çeşitli faktörlerdir. Bağlantılar bozulduğu için dirençleri artar. Bu durum, dize yalnızca küçük bir tampon akımından geçerken fark edilmeyebilir ancak daha yüksek akım vermek gerektiğinde bağlantıların artan direnci aşırı ısınmaya yol açabilir ve bazı durumlarda yangın tehlikesi oluşturur. 

Hücreler arası bağlantılar genellikle bir akü dizesindeki en zayıf bağlantıdır ve bunların arızalanması ciddi sonuçlara yol açabilir:

• Yüksek direnç
• Daha yüksek ısı
• Daha düşük kapasite
• Gerilim dengesizlikleri

Test ve önleme: Akü arızasına karşı en iyi savunma

Arıza modlarının anlaşılması çok önemlidir ancak doğru test ve bakımla arızaları önlemek daha da önemlidir. Doğru ekipmanla doğru bakım ve düzenli testler yapılması sadece iyi bir uygulama olmakla kalmayıp aşağıdakiler için de çok önemlidir:

• Sistem güvenilirliğini sağlama
• Yatırımları koruma
• Güvenliği sürdürme
• Yükümlülükleri yerine getirme
• Performansı optimize etme

Test ve bakım yaklaşımlarını sonraki bir yazıda daha ayrıntılı olarak ele alacağız.

Sonuç

Görüldüğü üzere aküler, kurşun asit akülerdeki pozitif şebekelerin kademeli olarak bozulmasından lityum iyon sistemlerdeki potansiyel olarak tehlikeli lityum plakalara kadar birçok şekilde arızalanabilir. Bu arıza modlarını anlamak yalnızca akademik bir konu değildir; kritik altyapıyı korumak, iş sürekliliğini sağlamak ve güvenliği sürdürmek için gereklidir.

Sülfatlaşma veya SEI katmanı oluşumu gibi bazı arıza modları, yavaş ve kademeli bir şekilde ortaya çıkar ve akünüzün performansını gitgide zayıflatır. Isıl sürüklenme veya dahili kısa devreler gibi diğer arızalar hızlı ve ciddi şekilde etki edebilir. Ancak hepsinde bulunan tek bir önemli özellik vardır: Yıkıcı arızalara neden olmadan önce uyarı işaretleri verirler.

Bu nedenle düzenli test ve bakım çok önemlidir. Uygun test ve bakım programlarının uygulanmasının maliyeti, akü arızasının olası sonuçlarına göre minimum düzeydedir. Bu sonuçlar, pahalı değişimlerden sistem arıza sürelerine ve ciddi güvenlik olaylarına kadar değişiklik gösterebilir.

Bir sonraki yazımızda, doğru test ve bakım yoluyla uyarı işaretlerinin nasıl tespit edileceğini inceleyeceğiz. Akülerin nasıl bozulduğunu bilmek yalnızca ilk adımdır; arızanın nasıl önleneceğini bilmek daha da önemlidir.