تقييم وقت تشغيل البطارية باستخدام قياس SOC دقيق

لسنوات عديدة، كانت نظرة سريعة على مقياس الوقود تعطينا دائمًا إجابة واضحة: إلى أي مدى يمكننا الاستمرار في القيادة؟ اليوم، في عالم مليء بالأجهزة التي تعمل بالبطاريات، بدءًا من أجهزة الكمبيوتر المحمولة والهواتف إلى السيارات الكهربائية والمعدات الطبية، أصبح التنبؤ الدقيق بوقت التشغيل المتبقي أمرًا بالغ الأهمية.

على عكس مؤشرات قياس الغاز التقليدية، يمكن أن تكون مقاييس البطارية غير موثوقة، مما يسبب الإحباط والحاجة إلى العثور على شاحن في الأوقات غير المناسبة. تتعمق هذه المقالة في الصعوبات التي تواجه قياس البطارية وكيف توفر تقنية نظام إدارة البطارية (BMS) الرائدة من Nova Semiconductor حلاً يغير قواعد اللعبة لقياس دقيق لحالة الشحن (SOC)، مما يؤدي إلى عمر أطول للبطارية وبصمة بيئية أصغر .

تعقيدات قياس البطارية

تعتمد مقاييس الوقود على آلية تعويم مباشرة، مما يساهم في مستوى عالٍ من الموثوقية. ومن ناحية أخرى، يعد قياس البطارية أكثر تعقيدًا بكثير. تتأثر حالة شحن البطارية (SOC) بعوامل مختلفة، مثل عمر البطارية ودرجة حرارتها ومعدلات الشحن والتفريغ وكيمياء خلاياها.

على عكس خزان الغاز، تتدهور سعة البطارية وأدائها مع مرور الوقت، مما يشكل مشكلة كبيرة في التقدير الدقيق لحالة الشحن (SOC). علاوة على ذلك، لا يمكن قياس حالة الشحنة بشكل مباشر. نظرًا لكون جهد البطارية متقلبًا للغاية، كما أنه شديد التأثر بتغير درجات الحرارة، فهو يفتقر إلى الاتساق ليكون مؤشرًا مناسبًا. تستخدم الحلول المعاصرة مزيجًا من الجهد والتيار وعوامل أخرى تستخدم خوارزميات معقدة، على الرغم من انخفاض دقتها مع تدهور البطارية بمرور الوقت.

بطاريات ليثيوم أيون

أحد التحديات الكبيرة في إدارة بطاريات الليثيوم أيون، وبالتحديد بطاريات ليثيوم فوسفات الحديد (LFP)، هو العلاقة الموحدة للغاية بين جهد الدائرة المفتوحة وحالة الشحن. يؤدي عدم وجود انحناء في السطح إلى اختلافات طفيفة في القياس لها تأثير كبير على دقة تقييم SOC للبطارية. تقليديًا، سعت الصناعة جاهدة لتحقيق دقة تبلغ حوالي 5 ميلي فولت، وهو ما يعادل تقريبًا 0.1%. إن تحقيق مثل هذه الدرجة العالية من الدقة أمر صعب ومكلف، خاصة عند الاعتماد على تقنيات القوة الغاشمة.

ومما يزيد من هذه الصعوبة الحاجة إلى الحفاظ على الدقة في ظل درجات حرارة مختلفة وفولتية الخلية لضمان أفضل وظائف البطارية. كثيرًا ما تفشل أساليب القوة الغاشمة في توفير دقة ثابتة في إعدادات مختلفة، مما يؤدي إلى العديد من العيوب، مثل مطالبة المستخدمين بإجراء معايرة باهظة الثمن. وقد دفع الافتقار إلى الاتساق إلى السعي إلى إيجاد حلول متقدمة ومعقدة على نحو متزايد تلبي المتطلبات الصارمة لتكنولوجيا البطاريات المعاصرة.

العوائق التي تحول دون العد الدقيق لكولومب

عد كولوم، وهو طريقة شائعة، يقيس الإلكترونات التي تدخل وتخرج من البطارية. ومع ذلك، فإنه يتطلب عوامل إضافية مثل الجهد ودرجة الحرارة ليكون دقيقًا حقًا. تهدف هذه التعديلات إلى توفير تصحيح من الدرجة الثانية، ومع ذلك، لا ينبغي الاعتماد عليها بشكل كبير، لأنها تصبح غير فعالة مع تقدم عمر البطارية، مما يجعل التقديرات غير موثوقة.

على الرغم من توفر محولات تناظرية إلى رقمية عالية الدقة (ADCs)، إلا أنها غير قادرة على إنجاز عد كولوم لا تشوبه شائبة. السبب هو كما يلي:

• النطاق الديناميكي: يمكن أن يختلف التيار الذي يسحبه النظام بشكل كبير، من ميكرو أمبير الاستعداد إلى أمبيرات حالة العمل. هذا النطاق الديناميكي الواسع يجعل تحقيق الدقة اللازمة للقياس الدقيق أمرًا صعبًا ومكلفًا للغاية.
• التغير الحالي: تتقلب تيارات التفريغ، مما يؤدي إلى حدوث ضوضاء تعطل أنظمة أخذ العينات. وحتى تيارات الشحن، رغم أنها أقل ضجيجًا، ليست ثابتة تمامًا. هناك حاجة إلى تحويلات عالية الدقة وعالية السرعة ومستمرة لالتقاط هذه الاختلافات، ولكن تحقيق هذا التوازن أمر معقد ومتعطش للطاقة.
• الدقة والخطية: تتطلب ADCs إزاحة قريبة من الصفر وخطية استثنائية لقياس دقيق بدقة عالية. تخضع ADCs التقليدية لاختبارات واسعة النطاق، مما يضيف وقت الاختبار والتكلفة.

إنجاز نوفا: يوفر العد الدقيق للكولوم قياسًا دقيقًا لـ SOC

تعالج تقنية BMS الخاصة بشركة Nova Semiconductor هذه القيود، مما يوفر حسابًا شبه مثالي للكولوم بتكلفة منخفضة. على عكس الطرق التقليدية التي تعتمد على نماذج البطاريات وتعديلاتها، يقوم نهج Nova بقياس تدفق الشحن بشكل مباشر، مما يوفر قراءات SOC دقيقة للغاية وقابلة للتكرار بغض النظر عن العمر أو درجة الحرارة أو كيمياء الخلية.

تخيل البطارية كخزان مياه. إن معرفة مستوى الماء يلغي الحاجة إلى مراعاة تقلبات الحجم الناجمة عن درجة الحرارة. وبالمثل، من خلال قياس تدفق الشحنة الداخلة والخارجة بدقة، يحدد نظام نوفا الشحنة المتبقية بدقة. يمكن بعد ذلك أخذ التحسينات الثانوية، مثل التفريغ الذاتي وفقدان الحرارة، في الاعتبار.

ما وراء SOC: تقدير الاستخدام الدقيق والتنبؤ بوقت التشغيل المتبقي

ومن خلال محرك حساب كولوم دقيق، يستطيع نظام Nova قياس رسوم الاستخدام على مدى فترات طويلة. وهذا يسمح بنسبة شبه مثالية من الشحن المتبقي إلى معدل الاستخدام، مما يؤدي إلى تقديرات أكثر دقة بكثير للوقت المتبقي أو نطاق التشغيل (الشكل 1). بالإضافة إلى ذلك، يصبح قياس الشحنة اللازمة للوصول إلى نقطة معينة، مثل الشحن الكامل، أمرًا سهلاً.

يوفر نظام إدارة المباني من Nova العديد من التطورات، بما في ذلك قياس جهد الخلية عالي الدقة، والقياس المتزامن لجميع الخلايا والتيار، والمرونة لمختلف الوظائف مثل موازنة الخلايا وقياس المعاوقة. ومع ذلك، فإن التغيير الحقيقي لقواعد اللعبة هو حساب نوفا الدقيق للكولوم وتقدير SOC، الذي يستعد لإحداث ثورة في الأنظمة التي تعمل بالبطاريات.

تستخدم طريقة نوفا تقنية تناظرية مدعومة رقميًا لتحقيق دقة ملحوظة تبلغ 1 ميلي فولت في قياس جهد الخلية وتكرار بنسبة 0.02% في تكرار حساب الكولوم. ويتم تحقيق ذلك بطريقة فعالة من حيث التكلفة ومتطورة. ولا يضمن هذا الابتكار الأداء الاستثنائي فحسب، بل يمكّن أيضًا مجموعة واسعة من السلع من الوصول إلى تقنيات إدارة البطارية الذكية.

ونظرًا لغياب أساليب موازنة الخلايا الفعالة من حيث التكلفة والفعالة، فقد حذفت العديد من السلع الاستهلاكية الرخيصة هذا المكون الحاسم، مما أدى إلى انخفاض كبير في عمر البطارية. في كثير من الأحيان، عندما تتعطل البطارية، يصبح العنصر بأكمله غير قابل لإعادة الاستخدام، مما يؤدي إلى زيادة النفايات والأضرار البيئية.

وتسعى تقنية Nova إلى تغيير هذا الوضع من خلال تقديم حل يمكن الاعتماد عليه وفعال من حيث التكلفة لإدارة البطارية. يضمن نهج Nova أن تحافظ حزم البطاريات على سعتها القصوى طوال مدة عمرها الافتراضي المحددة. وداعًا للتدهور المبكر للبطارية والتخلص الزائد من الأجهزة الكاملة. تضمن Nova الأداء الأمثل للبطارية وطول العمر.

إنقاذ الكوكب، حزمة بطارية واحدة في كل مرة

تحتوي بطاريات الليثيوم أيون على مواد خطرة على البيئة. يعد تقليل نفايات البطارية أمرًا بالغ الأهمية. لقد وجدت Nova أن العديد من بطاريات أجهزة الكمبيوتر المحمولة التي يُفترض أنها “ميتة” لا تزال تتمتع بسعة تتراوح بين 70 و80% ويمكن إحياؤها. غالبًا ما تؤدي عمليات استبدال البطارية غير الملائمة إلى التخلص من الوحدة قبل الأوان، مما يؤدي إلى حدوث تأثير بيئي كبير.

يمكن لوظائف BMS الدقيقة أن تقلل بشكل كبير من هذه الهدر. تلتزم Nova بتقديم أحدث حلول BMS لجميع الأجهزة الممكنة، مما يضمن الأداء الأمثل للبطارية وطول العمر والتأثير الإيجابي على كوكبنا.

مراجع

¹ نوفا لأشباه الموصلات، “إعادة اختراع حالة الشحن ومتوسط ​​الاستخدام وتقديرات الوقت المتبقي”

ظهر المنشور تقييم وقت تشغيل البطارية باستخدام قياس SOC الدقيق لأول مرة على Power Electronics News.