سایناکو | تولید کننده و وارد کننده باتری و یوپیاس
S-2006 : چگونه ظرفیت باتری را اندازه گیری کنیم؟
How to measure capacity
شاخص اصلی سلامت یک باتری، ظرفیت آن باتری است. اما تخمین آن حین استفاده، اندکی پیچیده است. هنوز هم قابل اطمینان ترین روش برای اندازه گیری ظرفیت باتری، قرار دادن باتری در چرخه شارژ/دشارژ (تخلیه)/شارژ است. باتریهای قابل حمل را نسبتاً سریع میتوان وارد این چرخهها نمود.
اما همیشه قرار دادن باتریهای بزرگ سیلد اسید یا همان سرب اسیدی در یک چرخه کامل برای اندازهگیری ظرفیت، عملی نیست.
پیشنهاد: باتری سیلد اسید چیست را مطالعه کنید.
SAE مخفف عبارت Society of Automotive Engineers به معنای انجمن مهندسین خودرو، ظرفیت یک باتری استارتر را توسط Reserve Capacity (RC) مشخص میکنند. روش RC، زمان تخلیه را در عرض چند دقیقه با جریان تخلیه ثابت 25Aمشخص میکند.
DIN (Deutsches Institut für Normung) و IEC (کمیسیون بین المللی الکتروشیمیایی) باتریهای استارتر را با ضریب تخلیه 0.2C (5 ساعت) آزمایش میکنند.به عنوان مثال، در طول این مدت، یک باتری 60 آمپر ساعتی با جریان 12 آمپر تخلیه میشود.
هیچ رابطه ریاضی دقیقی بین RC و Ah وجود ندارد و این روش، صرفاً بمنظور تشخیص سریع تر ظرفیت باتری به کار گرفته میشود.
روشهای تخلیه
تصور میشود که دقیقترین روش برای اندازه گیری ظرفیت باتری، روش تخلیه است. اما این مورد همیشه و مخصوصاً در مورد باتریهای سیلد اسید صدق نمیکند. حتی هنگام استفاده از تجهیزات بسیار دقیق در محیط کنترل شده دما و پیروی از استانداردهای شارژ و دشارژ تعیین شده، آزمایشهای یکسان، نتایج نابرابر دارند.
دلیل این موضوع هنوز به طور کامل درک نشده است. بهتر است بگوییم که باتریها تجهیزات الکتروشیمیایی هستند که خصوصیاتی شبیه انسان دارند. سطح ضریب هوشی ما نیز بسته به زمان، روز، شب و سایر شرایط متفاوت است. در عوض، سلولهای مبتنی بر لیتیوم و نیکل نتایج سازگارتری نسبت به سیلد اسید ارائه میدهند.
طبق آزمایشهای انجام شده در آزمایشگاههای Cadex، 91 باتری استارتر را با سطح عملکرد متنوع بررسی کردند که نتایج آن در شکل ۱ رسم شده است. محور x (محور افقی) باتریها را از ضعیف به قوی نشان میدهد و محور عمودی y نشان دهنده ظرفیت آنهاست. این آزمایشات با اعمال یک شارژ کامل و یک استراحت 24 ساعته، از استانداردهای SAE J537 پیروی کرده و به دنبال آن، جریان تخلیه بر روی 25A تنظیم شدهاست. تخلیه تا زمانی ادامه دارد تا سطح ولتاژ باتری به 10.50 ولت (1.75 ولت در سلول) برسد. نتیجه آزمایش و توضیحات مربوط به آن:
آزمون۱. همه باتریها پس از شارژ کامل، در شرایط یکسان تخلیه شدند. ظرفیتهای محاسبه شده در شکل با مربع مشخص شدهاند.
آزمون ۲. آزمایش قبل چند روز دیگر، مجدداً تکرار شدهاست.
نتایج آزمونهای ۱ و ۲، به طور متوسط به میزان ۱۵± درصد ظرفیت با یکدیگر متفاوت هستند. سایر آزمایشگاهها نیز اختلافات مشابهی را مشاهده نمودهاند.
شکل ۱- نوسانات ظرفیت در دو تست شارژ/دشارژ یکسان 91 باتری استارت. ظرفیت ها %15± بین آزمون 1 و آزمون 2 تفاوت دارند. آزمایشات مطابق با SAE J537 انجام شده است.
هنگام ارزیابی نتایج تست باتری، این سؤال مطرح می شود: “این نتایج بر اساس کدام استاندارد مقایسه میشوند؟” اگر آزمایشات با چرخه شارژ/تخلیه کلاسیک انجام شود، دارای دقت زیادی نیست. از طرفی، فناوریهای مدرن امروزی، هیچ معیار مشخص و مدونی ندارند. حال ممکن است سوال شود: “کدام روش دقیق تر است؟ روش تخلیه/شارژ یا سایر فناوری های در حال تکامل؟” این یک سوال مهم است. زیرا امروزه فناوریهای جدیدی در حال ظهور هستند که ممکن است در آن، نتیجه قطعی آزمایش باتری فقط چند ثانیه طول بکشد.
روشهای غیر تهاجمی
دستگاه Spectro ™ که توسط شرکت Cadex ارائه شدهاست، از طیفسنجی امپدانس الکتروشیمیایی چند مدل (EIS) استفاده میکند و با اسکن باتری ظرف چند ثانیه، سلامت باتری را بررسی میکند. این فناوری غیر تهاجمی، از EIS برای تخمین ظرفیت و مقادیر CCA و SoC استفاده می کند و این کار را با مدلسازی و ارائه یک ماتریس پیچیده ترکیبی انجام می دهد. هم اکنون به چگونگی کارکرد آن میپردازیم:
یک سیگنال سینوسی با فرکانسهای مختلف و با دامنه چند میلیولت به باتری تزریق میشود. سیگنال استخراج شده، یک نمودار Nyquist را تشکیل میدهد که حاوی مدلهای مختلف الکتروشیمیایی میباشد. Spectro بهترین مدل تطبیق را انتخاب میکند و مدلهای نامناسب را رد میکند. داده ها همگن شده و سپس پارامترهای کلیدی را برای استخراج از ظرفیت و تخمین CCA به هم مرتبط می کند. شکل 2 روند ثبت دادهها را به روشی ساده نشان می دهد.
شکل ۲- Spectro E ترکیبی از EIS و مدل سازی پیچیده برای تخمین ظرفیت باتری و بهبود اندازهگیری CCA است. یک سیگنال سینوسی نمودار Nyquist را تولید می کند. همگن سازی داده ها پارامترهای کلیدی را برای تخمین ظرفیت و CCA مرتبط می کند.
نمودار نایکویست توسط هری نایکویست (1976-1889) در زمانی که در آزمایشگاههای بل بود اختراع شد. این نمودار، پاسخ فرکانسی یک سیستم خطی را نشان میدهد. نایکویست، دامنه و زاویه فاز را در یک نمودار واحد و با استفاده از فرکانس به عنوان پارامتر اصلی نشان میدهد. محور x (محور افقی) یک نمودارNyquist ، امپدانس (اهم واقعی) را نشان می دهد؛ در حالی که محور y (محور عمودی) نشان دهنده امپدانس موهومی است.
ظرفیت باتری در مقابل شاخص CCA
باتریهای استارتر دو مقدار متمایز دارند. شاخص CCA و ظرفیت باتری. این دو شاخص دو مقدار متفاوت را نشان میدهد؛ یکی نمیتواند دیگری را پیش بینی کند و بین این دو تقریباً هیچ رابطه منطقی وجود ندارد، مگر در اواخر عمر باتری.
پیشنهاد: چگونه ظرفیت باتری را اندازه گیری کنیم را مطالعه کنید.
اکثر افرادی که میخواهند به سرعت مقاومت داخلی یک باتری را مشخص کنند، تقریب شاخص CCA را انجام میدهند. مشخص کردن مقاومت داخلی باتری نسبتاً ساده است. اما این پارامتر به تنهایی نمیتواند ظرفیت را پیشبینی کند و همچنین نمیتواند زمان تعویض باتری را تعیین کند. زیرا تعیین پایان عمر باتری در درجه اول، مستلزم این است که ظرفیت باتری را اندازهگیری کرده باشیم. در باتریهای استارتر که موجب حرکت موتور میشوند، هنگامی که ظرفیت باتری به کمتر از 30 درصد برسد، ممکن است دیگر قادر به استارت موتور نباشند.
در بعضی از تسترهای باتری، از جمله Spectro، در صورتیکه بطور مکرر اهم باتری را قرائت کنیم، “مقاومت بالا” را نشان میدهند. این خطا معمولاً مربوط به آسیب گرمایی است. مقاومت داخلی یک باتری استارتر معمولاً در محدوده میلیاهم است که با پارامتر R1 در مدل Randles نشان داده شده میشود.
باتریهایی که مقاومت داخلی بالایی دارند، میتواند ناشی از این شرایط باشد:
۱- سطح الکترولیت پایین (پیشنهادی: تخریب باتری را مطالعه کنید).
۲- طبقهبندی الکترولیت (پیشنهادی: تخریب باتری را مطالعه کنید).
۳- سولفاته شدن الکترودها (پیشنهادی: سولفاته شدن باتری را مطالعه کنید).
۴- اتصالات ناقص و جوش نادرست یا خراب صفحات داخلی سلولها
۵- ترک خوردگی صفحه جمع کننده (پیشنهادی: تخریب باتری را مطالعه کنید).
۶- اتصال ضعیف در ترمینال باتری
R2 مقاومت الکترولیت باتری را نشان میدهد که تحت تأثیر موارد ۱ و ۲ بالا است. مقاومت R1 همان مقاومت الکترولیتی ایجاد شده به دلیل الکترولیت کم و/یا طبقهبندی اسیدی است که در موارد ۱ و ۲ نیز عنوان شد. موارد ۳ تا ۶ مربوط به سولفاته شدن، خوردگی و مقاومت در برابر تماس سلولهای باتری به الکترودها و همچنین الکترودها به الکترولیت است.
مدار موازی R2/C مقاومت و سرعت انتقال جریان به سمت بار را نشان میدهد. این پارامتر، مقدار انرژی مورد نیاز برای غلبه بر مقاومت رابط الکترود-الکترولیت را نشان میدهد. همانگونه که میدانیم، یونها موجب فعال شدن الکترولیت شده و در نتیجه الکترونها از الکترود به ترمینالها منتقل میشوند. در یک باتری ضعیف، مقاومت رابط الکترود-الکترولیت نسبت به یک باتری خوب با ظرفیت بالا، بیشتر است. راز تخمین ظرفیت در مدل Randles نیز در شاخه R2/C نهفته است.
کاری که Spectro ™ انجام میدهد، این است که توانایی جدا کردن اجزای منفرد در مدل Randles را دارد. پارامترهای باتری را ارزیابی میکند و حتی با یک بار شارژ جزئی، باتری کم شارژ را از باتری که دارای نقص واقعی است متمایز میکند.
ممکن است سوال کنید: «این مقدارها چقدر دقیق هستند؟» پاسخ این است: این به باتری بستگی دارد؛ خرابی باتری را فقط در صورت وجود علائم واضح میتوان با اطمینان تشخیص داد. برای سنجش سلامت یک باتری جدید یا باتری که مدتی در انبار ماندهاست و یا حتی باتری «در حال کار» که از سرویس خارج میشود، باید ظرفیت آنها را محاسبه نمود و از روی مقادیر به دست آمده نتیجهگیری حاصل میشود.
اگرچه ظرفیت باتری و شاخص CCA به وضوح روی باتری درج شده است، اما این مقادیر همیشه درست نیستند. غالباً پارامتر CCA در برخی از باتریهای استارتر، بالاتر یا پایینتر از مقادیر درج شده بر روی باتری میباشد و این را فقط تولید کننده میداند. به دلیل هزینه زیاد، حین فروش باتری به ندرت آزمایش CCA انجام میشود. علاوه بر این، باتریهای از نوع دیپ سایکل در زمان نو بودن مقدار CCA کمی را نشان میدهند و پس از گذشت مدتی که از باتری استفاده شد، مقدار آن افزایش مییابد. بنابراین، اندازهگیری پارامتر آزمایش CCA حین فروش و این خطای قرائت، میتواند منجر به اشتباه و بازگرداندن باتری سالم به فروشنده جهت اخذ گارانتی شود.
پیشنهادی: نحوه آماده سازی باتری را مطالعه کنید.
منبع: باتری یونیورسیتی
