سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2401 : سیستم باتری هوشمند چگونه کار می‌کند؟
Inner workings of a smart battery
پیش از آشنایی با سیستم باتری هوشمند، درباره سیستم‌های مختلف گذرگاه (Bus Systems) و محدودیت‌های مشخص کردن ظرفیت باتری مطالعه کنید.
یک بار یک سخنران در کنفرانسی می‌گفت:
باتری یک حیوان وحشی است و هوش مصنوعی آن را اهلی می‌کند.
باتری می‌تواند گمراه کننده باشد و در هنگام استفاده تغییرات قابل مشاهده‌ای را نشان ندهد. وقتی که شارژ آن کامل باشد یا خالی، نو باشد یا قدیمی و نیازمند تعویض، ظاهر آن تفاوتی نکرده و یکسان به نظر می‌رسد.
این را مقایسه کنید با لاستیک اتومبیل که هنگام کم باد شدن، ظاهرش تغییر می‌کند، و پایان عمر آن را می‌توان از روی فرسودگی آج آن فهمید.
نواقص باتری ها
نواقص یک باتری را می‌توان 3 نقیصه دانست:
- کاربر نمی‌داند چه قدر زمان تا پایان عمر آن مانده است.
- میزبان نمی‌تواند مطمئن باشد که باتری می‌تواند مقدار برق مورد نیاز را تأمین کند.
- هر باتری با توجه به اندازه و مواد شیمیایی‌اش نیازمند شارژر مخصوص خود است.
حل این مشکلات پیچیده است. اما باتری هوشمند نوید دهنده حل برخی از این نواقص است.
بیشتر مردم باتری را یک وسیله ذخیره سازی انرژی شبیه به یک مخزن سوخت که سوخت مایع را توزیع می‌کند، تصور می‌کنند. با یک دید ساده می‌توان باتری را این گونه تصور کرد. ولی اندازه گیری انرژی ذخیره شده در یک دستگاه الکتروشیمیایی بسیار پیچیده‌تر از یک مخزن سوخت معمولی است.
یک مخزن سوخت معمولی میزان ذخیره موجود را با محاسبه میزان تفاوت ورودی و خروجی اندازه گیری می‌کند. ولی برای اندازه گیری میزان ذخیره یک باتری روش تعریف شده‌ای وجود ندارد و فقط میزان ولتاژ مدار باز (OCV) نشان دهنده بازتاب متغیر وضعیت شارژ (SoC) است.
این مشکل زمانی پیچیده‌تر خواهد شد که بدانید باتری مخزنی است که دائماً در حال شارژ و خالی شدن شارژ است به همین دلیل به‌مرورزمان ظرفیت خود را از دست داده و انرژی کمتری ذخیره خواهد کرد.
با کمتر شدن ظرفیت، دیگر درجه شاخص Ah (آمپر ساعت)، شاخص خوبی برای اندازه گیری میزان شارژ باتری نیست. هیچ یک از سنسورها به تنهایی نمی‌تواند میزان شارژ یک باتری را مشخص کند.
بنابراین، همیشه میزان شارژ باتری بعد از هر بار شارژ کردن به صورت کامل نمایش داده می‌شود، چه باتری کامل شارژ شده باشد، چه به صورت نصف.
پیشنهادی: نحوه اندازه گیری شارژ را مطالعه کنید. (در حال آماده سازی)
خواندن ولتاژ برای اندازه گیری شارژ باتری
ساده‌ترین روش برای اندازه گیری وضعیت شارژ خواندن میزان ولتاژ است. اما این می‌تواند نادرست باشد زیرا جریان‌ها بار هنگام از دست دادن شارژ، ولتاژ را پایین می‌آورند.
چالش بزرگ دیگر این است که منحنی تخلیه شارژ در باتری‌های لیتیوم و نیکل مسطح است. از سوی دیگر دما نیز بر روی ولتاژ تأثیر می‌گذارد. گرما باعث افزایش ولتاژ و سرما میزان آن را کاهش می‌دهد.
به علاوه شارژ مجدد بر روی شارژ قبلی باعث ایجاد خطا در محاسبه میزان شارژ شده و برای خنثی سازی این اثر، باتری به چند ساعت استراحت نیاز خواهد داشت.
بیشتر باتری‌هایی که در صنایع پزشکی، نظامی و رایانه‌ای کاربرد دارند، هوشمند هستند. هوشمند بودن این باتری‌ها به معنای این است که سطوح ارتباطی بین باتری، دستگاه مصرف کننده و کاربر وجود دارد.
تعریف باتری هوشمند در بین تولید کنندگان و مقامات نظارتی متفاوت است. ابتدایی‌ترین باتری هوشمند ممکن است چیزی فراتر از تراشه‌ای باشد که بر روی یک شارژر برای برقراری یک الگوریتم صحیح شارژ قرار داده می‌شود و از دید انجمن سیستم‌های باتری هوشمند (SBS) نمی‌توان این باتری‌ها را هوشمند خواند. از دیدگاه آن‌ها باتری هوشمند است که بتواند میزان شارژ را نشان دهد.
سیستم باتری هوشمند
مفهوم سیستم باتری هوشمند به معنای قرار دادن هوش در داخل بسته باتری به گونه‌ای ایمن است. در واقع این سیستم یک حلقه بسته است که در آن باتری با یک تراشه مدیریت شارژ ارتباط برقرار می‌کند.
علی رغم این نظارت دیجیتالی، اکثر سیستم‌های باتری هوشمند به سیگنال‌های آنالوگ باتری شیمیایی برای سنجش میزان شارژ باتری در هنگام پر و خالی شدن باتری متکی هستند.
به علاوه سنجش درجه حرارت باتری یکی دیگر از شاخص‌هایی است که برای حفظ ایمنی، توسط این سیستم‌ها مورد پایش قرار می‌گیرد.
- سیستم شمارش کولن
بنچمارک اولین شرکتی بود که در سال 1990 فناوری اندازه گیری شارژ هوشمند باتری را ارائه کرد.
امروزه بسیاری از تولید کنندگان، تراشه‌های مدار مجتمع (IC) را در سیستم‌های تک سیم یا دو سیم ارائه کرده‌اند که به آن‌ها سیستم مدیریت گذرگاه (SMBus) گفته می‌شود.
برآورد میزان شارژ در باتری‌های هوشمند بر مبنای شمارش کولن است. نظریه‌ای که به 250 سال پیش باز می‌گردد، جایی که چارلز آگوستین دو کولن، قانون کولن را اختراع کرد.
شکل شماره 1 نحوه شمارش کولن را نمایش می‌دهد. هر کولن مقدار بار الکتریکی است که در یک ثانیه و در جریان ثابت یک آمپر می‌گذرد. به عبارت دیگر، خالی شدن شارژ یک باتری با یک آمپر به مدت یک ساعت برابر است با 3600 کولن.
شکل 1- روش اندازه گیری سوخت بر اساس شمارش کولن
یک مدار انرژی جریان ورودی و خروجی را اندازه گیری می‌کند. انرژی ذخیره شده بیانگر میزان شارژ است. یک کولن در هر ثانیه یک آمپر است.
شمارش کولن باید بدون نقص باشد، اما خطاهایی در آن رخ می‌دهد. به‌عنوان‌مثال اگر یک باتری به مدت 1 ساعت با نرخ 1 آمپر شارژ شود، باید همان مقدار انرژی در هنگام تخلیه بار وجود داشته باشد؛ اما هیچ باتری نمی‌تواند این میزان انرژی را تحویل دهد.
ناکارآمدی باتری در پذیرش شارژ، به خصوص در هنگامی که شارژ سریع انجام شود، باعث می‌شود که در اواخر شارژ بازده انرژی کاهش یابد.
از سوی دیگر هنگام ذخیره انرژی، تلفات انرژی نیز رخ می‌دهد؛ بنابراین بهره‌وری انرژی پایین آمده و انرژی موجود همیشه کمتر از انرژی است که به باتری خورانده شده است. (این مفهوم را با C-Rate اشتباه نکنید)
- گذرگاه تک سیم
سیستم تک سیم که با نام گذرگاه تک سیم نیز شناخته می‌شود، از طریق یک سیم سرعت کم با باتری ارتباط برقرار می‌کند.
این سیستم که توسط کمپانی Dallas Semiconductor ارائه شده به گونه‌ای طراحی شده است که داده‌ها و ساعت را برای انتقال در یک طرف خط قرار می‌دهد و در طرف دیگر یک دستگاه مجهز به کد منچستر (که با عنوان کدگذاری فاز نیز شناخته می‌شود)، اطلاعات را دریافت می‌کند.
برای تأمین ایمنی بیشتر اکثر باتری‌های تک سیم، برای سنجش دما نیز کاربر دارند. در شکل 2 طرح یک سیستم تک سیم نشان داده شده است.
شکل 2. سیستم باتری هوشمند تک سیم
یک سیم سیستم ارتباط داده را فراهم کرده است. اکثر باتری‌های تک سیم برای تأمین امنیت، دما را نیز جداگانه می‌سنجند.
سیستم تک سیم کد باتری را ذخیره می‌کند و دادهای باتری شامل ولتاژ، جریان، دما و وضعیت شارژ را ثبت می‌کند.
این سیستم به دلیل هزینه‌های سخت‌افزاری نسبتاً پایینی که دارند، برای دستگاه‌هایی که قیمت تمام شده در آن‌ها اهمیت دارد، برای اندازه گیری وضعیت شارژ باتری مورد استفاده قرار می‌گیرند.
این سیستم برای اندازه گیری شارژ در تلفن‌های همراه، رادیوهای دو موج، دوربین‌ها و اسکنرها استفاده می‌شود.
- سیستم مدیریت گذرگاه
سیستم مدیریت گذرگاه (SMBus) نشان دهنده یک تلاش هماهنگ برای توافق برای یک پروتکل ارتباطی مشترک برای یک مجموعه داده است.
این سیستم باتری هوشمند (I2C) اولین بار به صورت استاندارد در سال 1995 توسط دو شرکت اینتل و دوراسل ارائه شد. این سیستم از دو خط جداگانه برای سنجش داده و ساعت تشکیل شده است.
مدار مجتمع I2C یک گذرگاه چند سریال، چند برد، تک پایان و رایانه‌ای است که توسط کمپانی فیلیپس اختراع شده است. شکل شماره 3 طرح سیستم دوسیمه SMBus را نشان می‌دهد.
شکل 3- سیستم دوسیمه SMBus
SMBus با استفاده از یک پروتکل ارتباطی استاندارد روی یک سیستم دوسیمه کار می‌کند. این سیستم به اندازه گیری استاندارد شارژ و حفظ وضعیت سلامت باتری اختصاص دارد.
فلسفه اختراع باتری سیستم مدیریت گذرگاه (SMBus) حذف کنترل شارژ از شارژر و اختصاص دادن آن به باتری بود. با یک سیستم مدیریت گذرگاه کارا، باتری به اصل تبدیل شده و شارژر به یک تابع و فرمانبر از باتری تبدیل می‌شود.
این سیستم امکان ارائه شارژری که با رعایت استاندارد جهانی بتواند با استفاده از الگوریتم‌های صحیح شارژ، خدمات شیمیایی باتری را در حال و آینده ارائه کند، فراهم می‌کند.
استانداردهای سیستم باتری هوشمند
در طول دهه 1990، در ادامه توسعه سیستم باتری هوشمند، چندین بسته استاندارد باتری سیستم مدیریت گذرگاه از جمله استاندارد 35 و 202 ارائه شد.
این باتری‌های قابل تعویض که توسط کمپانی‌های سونی، هیتاچی، شرکت باتری‌های GP و دیگران تولید شد، برای تأمین انرژی طیف وسیعی از دستگاه‌ها قابل حمل مثل لپ تاپ و ابزارهای پزشکی استفاده شدند.
این استاندارد خیلی مفید بود. اما از آن جایی که هر کدام از تولید کنندگان شروع به ساخت بسته‌های شخصی خود کردند، استاندارد سازی متفاوتی در این کمپانی‌های شکل گرفت.
برای جلوگیری از وارد شدن باتری‌های غیر مجاز به بازار، برخی از تولید کنندگان کدی را به باتری‌ها اضافه کردند که فروشندگان بتوانند باتری‌های اصلی را تشخیص دهند.
همچنین برخی از تولید کنندگان اطلاعات مربوط به تعداد دفعات استفاده و زمان پایان عمر باتری را نیز بر روی باتری اطلاع رسانی کردند.
شکل 4- باتری‌های سری 35 و 202 دارای سیستم مدیریت گذرگاه
این باتری‌ها که جزو محصولات شیمیایی مبتنی بر نیکل و کروم هستند در لپ تاپ‌ها، ابزارهای پزشکی و تجهیزات سنجش نیرو مورد استفاده قرار می‌گیرند. نسخه تقلبی این باتری‌ها نیز در بازار وجود دارد.
انواع داده در سیستم های باتری هوشمند
یک باتری سیستم مدیریت گذرگاه دارای دو نوع داده دائمی و موقتی است. سازندگان این باتری‌ها اطلاعات دائمی نظیر شناسنامه باتری، نوع باتری، نام سازنده، شماره سریال و تاریخ ساخت را در آن برنامه ریزی می‌کنند.
داده‌های موقتی در حین استفاده اضافه می‌شوند که شامل تعداد دفعات استفاده، الگوی استفاده و الزامات نگه داری از آن است. برخی از این اطلاعات نگه داری شده و برخی دیگر در طول عمر باتری تجدید می‌شوند.
در این باتری‌های معمولاً ولتاژ با تلورانس یک میلی ولت، آمپر با وضوح 0.5 میلی آمپر و دما با دقت حدود 3 درجه سانتی گراد اندازه گیری می‌شود.
شارژرهای باتری های هوشمند
شارژرهای باتری هوشمند در 3 سطح ارائه می‌شوند.
تولید سطح 1 در حال حاضر متوقف شده است؛ زیرا این شارژر فقط از یک نوع واکنش شیمیایی پشتیبانی کرده و عملکردهای مختلف را پشتیبانی نمی‌کند.
شارژر سطح 2 به صورت کاملاً تابع سیستم مدیریت گذرگاه عمل کرده و به دستورات ولتاژ و جریان باتری هوشمند پاسخ می‌دهد. شارژرهای سطح 2 همچنین به عنوان شارژ در مدار نیز عمل کرده (شارژ هنگام استفاده از باتری). این روش معمولاً در لپ تاپ‌ها معمول است. استفاده دیگر از این شارژرها در مدارهای شارژ داخلی است. در شارژرهای سطح 2، باتری و سیستم مدیریت گذرگاه کاملاً با هم یکی شده‌اند.
شارژر سطح 3 می‌تواند دستورات ارسال شده از سوی سیستم مدیریت گذرگاه هوشمند را تفسیر کند (همان طور که در شارژر سطح 2 عمل می‌شود) و به علاوه به صورت مستقل عمل کند.
به عبارت دیگر این شارژر می‌تواند اطلاعات مربوط به وضعیت شارژ را از سیستم مدیریت گذرگاه دریافت کرده و در عین حال پاسخ خود را به عملکرد شیمیایی باتری تحمیل کند.
بیشتر شارژرهای هوشمند صنعتی بر اساس نوع ترکیبی سطح 3 ساخته می‌شوند.
برخی از شارژرهای ارزان قیمت در بازار ارائه شده‌اند که باتری‌های SMBus را در خود جا داده‌اند، اما ممکن است این‌ها کاملاً با سیستم شارژ گذرگاه (SBS) هماهنگ نباشند. این روش به دلیل خطرات ایمنی که دارد مورد تأیید قرار نگرفته است.
در دستگاه‌های زیست پزشکی، جمع آوری داده و تجهیزات سنجش صنعتی از شارژرهای سطح 3 استفاده می شود.
مزایای و محدودیت سیستم باتری هوشمند
در ادامه مزایا و محدودیت‌های سیستم باتری هوشمند ذکر می‌شود.
مزایای باتری‌های هوشمند
امکان برآورد ظرفیت باتری را فراهم کرده و به همین دلیل امکان شارژ کامل باتری فراهم می‌شود.
اطلاعات مربوط به تاریخچه باتری نظیر تعداد دفعات شارژ، الگوی استفاده، وضعیت نیاز به تعمیر و نگه داری و خطاهای رخ داده را نگه داری می‌کند.
شارژر را برای پیکربندی صحیح الگوریتم شارژ پیکربندی می‌کند.
خدمات دوره‌ای مورد نیاز را به کاربر یادآوری می‌کند.
باتری را از استفاده غیرمجاز محافظت می‌کند.
محدودیت‌های باتری‌های هوشمند
25 درصد هزینه باتری را گران‌تر می‌کند.
دستگاه شارژر مورد نیاز را پیچیده‌تر می‌کند. اکثر شارژرهای باتری‌های هوشمند هیبریدی هستند.
نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای دارند.
اطلاعات دقیق فقط مربوط به وضعیت شارژ است و نه زمان واقعی کارکردن آن.
توصیه پایانی
در هنگام استفاده از باتری های هوشمند بعد از هر 40 بار شارژ و هر 3 ماه یک بار باتری را کالیبرده کنید.
در صورت امکان هنگام تعویض باتری، باتری جدید را از همان مارک باتری اصلی انتخاب کنید. این کار شما را از گرفتار شدن در مشکلات ناسازگاری باتری با دستگاه جلوگیری می کند.
اگر باتری هوشمند استفاده شده میزان شارژ باتری را به درستی نشان نمی دهد، باید احتیاط کنید. ممکن است این باتری خراب باشد یا با دستگاه شما سازگاری نداشته باشد.
