نحوه اندازه گیری میزان شارژ باتری

علی مشایخعلی مشایخ
27 بازدید
نحوه اندازه گیری میزان شارژ باتری

اندازه گیری میزان شارژ باتری همواره یکی از مسائل مهم در زمینه باتری بوده است. در این مقاله در مورد روش‌های اندازه گیری SoC مخفف State of Charge به معنای وضعیت شارژ را به همراه دلیل دقیق نبودن آن‌ها را بررسی خواهیم کرد.

روش‌های اندازه گیری میزان شارژ باتری

در ادامه روش‌های مختلف اندازه گیری میزان شارژ باتری را بررسی خواهیم کرد.

روش ولتاژ

اندازه گیری میزان شارژ باتری با استفاده از روش ولتاژ خیلی ساده است. ما میزان نمایش داده شده می‌تواند اشتباه باشد. زیرا مواد شیمیایی موجود در سلول و درجه حرارت بر ولتاژ تأثیر می‌گذارند.

آشکارترین خطای SoC مبتنی بر ولتاژ هنگام ایجاد اختلال شارژ یا دشارژ (تخلیه) باتری رخ می‌دهد. تحریک ولتاژ خروجی را تحریف می‌کند و دیگر میزان صحیح SoC (میزان شارژ) را نشان نمی‌دهد.

روش ولتاژ در باتری‌های مختلف

برای اندازه کیری میزان شارژ باتری، باید حداقل 4 ساعت در حالت مدار باز بماند. تولیدکنندگان در مورد باتری لید اسید توصیه می‌کنند که برای نمایش میزان درست ولتاژ 24 ساعت در حال مدار باز قرار گیرد.

این روش اندازه گیری میزان شارژ باتری مبتنی بر ولتاژ برای باتری‌‌های در حال فعالیت غیر قابل انجام است. هر ترکیب شیمیایی میزان دشارژ منحصر به فرد خود را ارائه می‌دهد. اما میزان شارژ مبتنی بر ولتاژ برای یک باتری لید اسید (سربی اسیدی)، به خوبی جواب می‌دهد.

منحنی دشارژ مسطح در باتری‌های مبتنی بر نیکل و لیتیوم روش ولتاژ را برای اندازه گیری میزان شارژ باتری غیر عملی می‌کند.

منحنی ولتاژ دشارژ لیتیوم فسفات، لیتیوم منگنز و نیکل منگنز کبالت بسیار مسطح است و 80 درصد انرژی ذخیره شده در هنگام نمایش ولتاژ مسطح باقی می‌ماند.

در حالی که این ویژگی به عنوان یک منبع انرژی بسیار مطلوب است، اما برای سنجش سوخت مبتنی بر ولتاژ چالشی جدی است. زیرا فقط شارژ کامل و شارژ کم را نشان می‌دهد. بخش میانی را نمی‌توان به صورت دقیق تخمین زد.

ولتاژ تخلیه Li-phosphate (LiFePO)
شکل 1- ولتاژ تخلیه Li-phosphate (LiFePO)
باتری لیتیوم فسفات دارای مشخصات تخلیه بسیار مسطح است و تخمین ولتاژ SoC را بسیار دشوار می‌کند.

انواع خطا در اندازه گیری به روش ولتاژ

باتری‌ سربی اسیدی دارای انواع ترکیبات مختلف صفحه هستند که هنگام اندازه گیری میزان شارژ باتری مبتنی بر ولتاژ باید نوع ترکیب این صفحات را در نظر گرفت.

کلسیم یک افزودنی است که باعث تعمیر و نگه‌داری بهتر باتری می‌شود. این ماده باعث افزایش 5 تا 8 درصدی ولتاژ می‌شود.

علاوه بر این، گرما می‌تواند ولتاژ را افزایش دهد در حالی که سرما باعث کاهش آن می‌شود.

پیشنهادی: بررسی تأثیر حرارت بر عمر باتری را مطالعه کنید.

شارژ سطحی با نشان دادن ولتاژ بالا بلافاصله پس از شارژ، تخمین میزان شارژ باتری را دچار اشتباه می‌کند. تخلیه مختصر قبل از اندازه گیری در این حالت، باعث خنثی سازی خطا در اندازه گیری می‌شود.

باتری AGM ولتاژ کمی بالاتر از باتری معمولی تولید می‌کند.

هنگام اندازه گیری میزان شارژ باتری با ولتاژ مدار باز (OCV)، ولتاژ باتری باید شناور و بدون بار متصل باشد. در مورد وسایل نقلیه مدرن این گونه نیست. و بارهای پارازیتی بر روی عملکرد باتری تأثیر گذاشته و آن را در حالت مدار نیمه بسته (CCV) قرار می‌دهد.

علی رغم عدم دقت اکثر سنجش های میزان شارژ باتری به دلیل سادگی بیشتر اندازه گیری‌ها به روش ولتاژ متکی هستند.

اندازه گیری شارژ مبتنی بر ولتاژ در صندلی‌های چرخ دار، اسکوترها و اتومبیل‌های گلف نیز رایج است.

برخی از BMS ها (سیستم‌های مدیریت باتری) نوآور از دوره‌های استراحت برای تنظیم نمایش میزان شارژ باتری به عنوان بخشی از عملکرد یادگیری استفاده می‌کنند.

شکل 2- باند ولتاژ یک باتری لید اسید 12 ولت از تخلیه کامل تا شارژ کامل

هیدرومتر

هیدرومتر یکی از روش‌های اندازه گیری میزان شارژ باتری‌های لید اسید است.

نحوه کار هیدرومتر به این صورت است که هنگامی که باتری لید اسید شارژ را می‌پذیرد، اسید سولفوریک سنگین‌تر می‌شود و باعث افزایش وزن مخصوص (SG) می‌شود.

با کاهش میزان شارژ در اثر تخلیه، اسید سولفوریک خود را از الکترولیت خارج کرده و به صفحه متصل می‌شود و سولفات سرب تشکیل می‌شود. چگالی الکترولیت سبک و مانند آب می‌شود و وزن مخصوص آن کم می‌شود.

میزان شارژ تقریبیمتوسط وزن مخصوصولتاژ مدار بازولتاژ مدار بازولتاژ مدار بازولتاژ مدار باز
2V6V8V12V
100%1.2652.106.328.4312.65
75%1.2252.086.228.3012.45
50%1.1902.046.128.1612.24
25%1.1552.016.038.0412.06
0%1.1201.985.957.7211.89
جدول 2- استاندارد BCI برای برآورد میزان شارژ باتری استارتر با آنتیموان.

میزان نمایش جدول فوق پس از 24 ساعت استراحت و در دمای 26 درجه سانتیگراد انجام پذیرفته است.

تأثیر وزن مخصوص در اندازه گیری میزان شارژ باتری

در حالی که BCI مخفف Battery Council International به معنای شورای بین المللی باتری، وزن مخصوص یک باتری استارتر کاملاً شارژ شده را در 1.256 مشخص می‌کند، تولید کنندگان باتری ممکن است به 1.280 و بالاتر اشاره کنند.

افزایش وزن مخصوص، نمایش میزان شارژ را روی میز سنجش به سمت بالا حرکت می‌دهد. وزن مخصوص بالاتر باعث بهبود عملکرد باتری می‌شود، اما به دلیل افزایش خوردگی عمر باتری را کاهش می‌دهد.

علاوه بر سطح بار و چگالی اسید، سطح مایعات نیز می‌تواند وزن مخصوص را تغییر دهد. هنگام تبخیر آب، میزان نمایش وزن مخصوص به دلیل غلظت بالاتر افزایش می‌یابد. باتری همچنین می‌تواند بیش از حد پر شود، که باعث کاهش تعداد می‌شود. هنگام افزودن آب، قبل از اندازه گیری SG، زمانی را برای مخلوط کردن اختصاص دهید.

وزن مخصوص با کاربردهای باتری متفاوت است. باتری‌های دیپ سایکل از یک الکترولیت متراکم با SG تا 1.330 استفاده می‌کنند تا حداکثر انرژی خاص را بدست آورند. باتری های هواپیمایی SG در حدود 1.285 دارند. باتری‌های کششی برای لیفتراک‌ها به طور معمول 1.280 است. باتری‌های استارتر در 1.265 وارد می‌شوند. و باتری‌های ثابت دارای وزن مخصوص کم 1.225 هستند. این باعث کاهش خوردگی و افزایش طول عمر می‌شود، اما انرژی یا ظرفیت خاص را کاهش می‌دهد.

هیچ چیز در دنیای باتری مطلق نیست. وزن مخصوص باتری‌های دیپ سایکل کاملاً شارژ شده از همان مدل می‌تواند از 1.270 تا 1.305 باشد. به طور کامل دشارژ شده (تخلیه شده)، این باتری‌ها ممکن است بین 1.097 تا 1.201 متفاوت باشند. دما متغیر دیگری است که نمالیش وزن مخصوص را تغییر می‌دهد. هرچه دما سردتر شود، مقدار SG بالاتر (متراکم تر) می‌شود.

دمای الکترولیتدمای الکترولیتجاذبه در شارژ کامل
40°C104°F1.266
30°C86°F1.273
20°C68°F1.280
10°C50°F1.287
0°C32°F1.294
جدول 3: رابطه وزن مخصوص و دمای باتری دیپ سایکل

دمای سردتر نمایش وزن مخصوص بالاتری را فراهم می‌کند.

عدم دقت در نمایش SG همچنین می‌تواند در صورت طبقه‌بندی باتری رخ دهد. یعنی اینکه غلظت از بالا کم و از پایین سنگین است.

غلظت بالای اسید به طور مصنوعی ولتاژ مدار باز را افزایش می‌دهد. این موضوع می‌تواند تخمین SoC را از طریق SG و ولتاژ نادرست فریب دهد. الکترولیت قبل از اندازه گیری SG پس از شارژ و تخلیه نیاز به تثبیت دارد.

شمارش کولن

لپ تاپ، تجهیزات پزشکی و سایر دستگاه‌های قابل حمل حرفه‌ای برای اندازه گیری SoC با اندازه گیری جریان ورودی و خروجی از شمارش کولن استفاده می‌کنند. آمپر ثانیه (As) هم برای شارژ و هم برای تخلیه استفاده می‌شود. نام “کولن” به احترام چارلز-آگوستین دو کولن (1736–1806) که بیشتر به خاطر تدوین قانون کولن مشهور است، داده شد.

پیشنهادی: باتری هوشمند چگونه کار می کند را مطالعه کنید.

راندمان کولن بالا، تخلیه کم را ارائه می‌دهد. با در نظر گرفتن گذشت عمر باتری و خود تخلیه مبتنی بر دما، بهبودهایی نیز ایجاد شده است اما کالیبراسیون دوره‌ای برای ایجاد هماهنگی “باتری دیجیتال” با “باتری شیمیایی” همچنان توصیه می‌شود.

پیشنهادی: نحوه کالیبره کردن باتری هوشمند را مطالعه کنید.

برای غلبه بر کالیبراسیون، دستگاه‌های اندازه‌گیری سوخت مدرن از عملکرد “یادگیری” استفاده می‌کنند که میزان انرژی باتری را برای تخلیه قبلی تخمین می‌زند. بعضی از سیستم‌ها زمان شارژ را نیز مشاهده می‌کنند زیرا باتری کم‌رنگتر از یک باتری سریعتر شارژ می‌شود.

سازندگان BMS پیشرفته ادعا می‌کنند که دقت بالایی دارند اما در عمل غالباً خلاف این را نشان می‌دهد. بسیاری از باورها در پشت بازخوانی فانتزی پنهان است. هنگامی که باتری فقط 90 درصد شارژ دارد ممکن است تلفن های هوشمند 100 درصد شارژ داشته باشند. مهندسان طراح می گویند که میزان نمایش SoC در باتری های جدید EV می تواند 15 درصد خاموش باشد. مواردی گزارش شده است که شارژر رانندگان EV با 25 درصد نمایش SoC هنوز روی سنسور سوخت تمام شده است.

طیف سنجی امپدانس

حالت شارژ باتری را می‌توان با طیف سنجی امپدانس با استفاده از روش مدل سازی پیچیده Spectro تخمین زد. این اجازه می دهد تا نمایش SoC با بار پارازیت ثابت 30A انجام شود. قطبش ولتاژ و شارژ سطحی تاثیری در نمایش ندارند زیرا وضعیت شارژ مستقل از ولتاژ اندازه گیری می‌شود. این موضوع باعث می‌‎شود برنامه‌هایی در تولید خودرو وجود داشته باشد که برخی از باتری‌ها هنگام آزمایش و اشکال زدایی بیش از دیگران تخلیه می‌شوند و قبل از حمل و نقل به شارژ نیاز دارند. اندازه گیری SoC توسط طیف سنجی امپدانس همچنین می‌تواند برای سیستم‌های سطح دهی بار که باتری به طور مداوم در حال شارژ و تخلیه است، استفاده شود.

اندازه گیری SoC به طور مستقل از ولتاژ از ورود بارانداز و نمایشگاه نیز پشتیبانی می‌کند. باز کردن درب اتومبیل یک بار پارازیت در حدود 20A ایجاد می‌کند که باتری را تحریک می‌کند و اندازه گیری SoC مبتنی بر ولتاژ را جعل می‌کند.

اندازه گیری SoC توسط طیف سنجی امپدانس به یک باتری جدید با ظرفیت شناخته شده محدود می‌شود. در حالی که خواندن SoC با یک بار ثابت امکان پذیر است، باتری نمی‌تواند در طول آزمایش شارژ شود.

شکل 4 نتایج آزمایش طیف سنجی امپدانس را پس از خارج شدن بار پارازیت 50A از باتری نشان می‌دهد. همانطور که انتظار می رفت، ولتاژ ترمینال باز به عنوان بخشی از بازیابی افزایش می‌یابد اما نمایش Spectro پایدار می‌ماند. نتایج ثابت SoC نیز پس از برداشتن شارژ در هنگام عادی شدن ولتاژ به عنوان بخشی از قطب بندی مشاهده می‌شود.

رابطه ولتاژ و اندازه گیری‌های انجام شده توسط طیف سنجی امپدانس پس از برداشتن بار.
شکل 4: رابطه ولتاژ و اندازه گیری‌های انجام شده توسط طیف سنجی امپدانس پس از برداشتن بار.
باتری پس از برداشتن بار در حال بازیابی است. نمایش ضعیت شارژ Spectro با افزایش ولتاژ ثابت می‌ماند.

نتیجه گیری

در این مقاله سعی کردیم 4 روش اندازه گیری میزان شارژ باتری را به شما معرفی کنیم. خوشحال میشیم نظرات خود را با ما در میان بگذارید.

منابع

باتری یونیورسیتی

آیا این مقاله برای شما مفید بود؟
بله
تقریبا
خیر
دسته بندی مبانی باتری
اشتراک گذاری

نوشته های مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

عضویت در خبرنامه

با عضویت در خبرنامه از آخرین پیشنهادها و تخفیف های ما زودتر از بقیه با خبر شوید!

نمادهای ما

logo-samandehi
سبد خرید

سبد خرید شما خالی است.

ورود به سایت