S-2012 : نحوه اندازه گیری میزان شارژ باتری

S-2012 : نحوه اندازه گیری میزان شارژ باتری

How to measure state of charge

اندازه‌گیری میزان شارژ باتری همواره یکی از مسائل مهم در زمینه باتری بوده است. در این مقاله در مورد روش‌های اندازه‌گیری 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

اندازه‌گیری میزان شارژ باتری با استفاده از روش ولتاژ خیلی ساده است. اما 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 باتری، ولتاژ خروجی را تحریف می‌کند و دیگر میزان صحیح SoC (میزان شارژ) را نشان نمی‌دهد.

روش ولتاژ در باتری‌های مختلف

برای اندازه‌گیری 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 بگیرد.

روش اندازه‌گیری میزان شارژ باتری مبتنی بر ولتاژ، برای باتری‌‌های در حال کار 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 (سرب اسیدی)، به خوبی جواب می‌دهد.

منحنی دشارژ مسطح در باتری‌های مبتنی بر نیکل و لیتیوم، روش ولتاژ را برای اندازه‌گیری 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 میزان شارژ 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.

انواع خطا در اندازه گیری به روش ولتاژ

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

کلسیم یک افزودنی است که باعث 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.

پیشنهاد : 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 اندازه‌گیری در این حالت، باعث خنثی سازی خطا در اندازه گیری می‌شود.

باتری AGM ولتاژ کمی بالاتر از باتری معمولی تولید می‌کند.

هنگام اندازه‌گیری 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 می‌دهند.

علی رغم عدم دقت میزان شارژ باتری، به دلیل سادگی بیشتر، اکثر سنجش‌ها به روش اندازه گیری‌ ولتاژ متکی هستند.

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

برخی از BMS ها (سیستم‌های مدیریت باتری) از دوره‌های استراحت برای تنظیم نمایش میزان شارژ باتری استفاده می‌کنند.

هیدرومتر

یکی از روش‌های اندازه‌گیری میزان شارژ باتری‌های لید اسید، هیدرومتر 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 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 کمی بالاتر نشان 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. همچنین باتری می‌تواند بیش از حد پر شود، که باعث کاهش وزن مخصوص می‌شود.

وزن مخصوص باتری‌ها برای کاربردهای مختلف، 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. وزن مخصوص به طور کامل دشارژ شده (تخلیه شده) این باتری‌ها، ممکن است بین 1.097 تا 1.201 متفاوت باشند. دما متغیر دیگری است که نمایش وزن مخصوص را تغییر می‌دهد. هرچه دما سردتر شود، مقدار SG بالاتر (متراکم تر) می‌شود.

دمای سردتر نمایش وزن مخصوص بالاتری را فراهم می‌کند.

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.

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

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

پیشنهاد : نحوه کالیبره کردن باتری هوشمند را مطالعه کنید.

برای کالیبراسیون، دستگاه‌های اندازه‌گیری مدرن از عملکرد “یادگیری” استفاده می‌کنند که میزان انرژی باتری را برای تخلیه قبلی تخمین می‌زند. بعضی از سیستم‌ها، زمان شارژ را نیز اندازه‌گیری می‌کنند؛ زیرا برخی از باتری‌ها دیرتر و برخی دیگر سریعتر شارژ می‌شوند.

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 را نشان دهند. مهندسان طراح می گویند که میزان نمایش SoC در باتری های جدید EV می تواند 15 درصد کمتر از مقدار واقعی آن باشد. حتی مواردی گزارش شده است که شارژر رانندگان EV تا 25 درصد کمتر از مقدار واقعی را نشان داده‌ است.

طیف سنجی امپدانس

حالت شارژ باتری را می‌توان با طیف سنجی امپدانس با استفاده از روش مدل سازی پیچیده Spectro تخمین زد. طبق این روش، نمایش SoC با بار ثابت 30A انجام می‌شود. در این روش، شارژ سطحی تاثیری در نمایش ندارند؛ زیرا وضعیت شارژ مستقل از ولتاژ اندازه‌گیری می‌شود. همچنین، اندازه گیری SoC توسط طیف‌سنجی امپدانس، می‌تواند برای سیستم‌های سطح دهی بار که در آن، باتری به طور مداوم در حال شارژ و تخلیه است، استفاده شود.

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 ۴ نتایج آزمایش طیف سنجی امپدانس را پس از قطع کردن بار پارازیت 50A از باتری نشان می‌دهد. همانطور که انتظار می‌رفت، ولتاژ ترمینال باز افزایش می‌یابد؛ اما نمایش Spectro پایدار می‌ماند. نتایج ثابت SoC نیز پس از برداشتن شارژ در هنگام عادی شدن ولتاژ مشاهده می‌شود.

نتیجه گیری

در این مقاله سعی کردیم ۴ روش اندازه‌گیری میزان شارژ باتری را به شما معرفی کنیم. خوشحال میشیم نظرات خود را با ما در میان بگذارید.

منبع : باتری یونیورسیتی