فهرست:
از نظر بسیاری از کارشناسان میتوان باتری را یک وسیله ذخیره انرژی دانست که شبیه مخزن سوخت عمل می‌کند و گویی در حال ارائه سوخت‌های مایع است. حداقل برای ساده‌سازی برطرف کردن برخی از مسائل، میتوان باتری را به چنین شکلی تصور کرد. با این وجود هنوز هم اندازه‌گیری انرژی ذخیره شده در یک دستگاه الکتروشیمیایی بسیار پیچیده است. این فرآیند مملو از سردرگمی‌هایی است که دانشمندان را به خود سرگرم کرده است و در این متن به چالش‌های اندازه‌گیری انرژی ذخیره شده در باتری می‌پردازیم.
قبل از بررسی عمیق‌تر اندازه‌گیری انرژی ذخیره شده، فرض می‌کنیم حالت شارژ یا SoC که مخفف عبارت «state-of-charge» به حساب می‌آید، انرژی ذخیره شده نسبی در باتری است که می‌تواند در شرایط عادی آزاد شود. شرایط عمومی اجرای این عمل عمدتا برای کاربر باتری ناشناخته است و علاوه بر SoC موارد دیگری همچون ظرفیت واقعی باتری، جریان بار خروجی و دمای کار را هم شامل می‌شود. معیارهای اندازه‌گیری SoC به خاطر اندازه‌گیری دشوار بیشتر به صورت حدسی است. با توجه به این محدودیت‌ها، میتوان درک کرد که چرا اکثر دستگاههای اندازه‌گیری ظرفیت باتری نادرست عمل می‌کنند.
برخلاف مخزن سوخت واقعی که دارای ابعاد حجمی مشخصی است، اندازه‌گیری سوخت باتری دارای تعاریف تایید نشده است. غیر از ولتاژ مدار باز (OCV) که فقط نزدیک به SoC است، یک باتری پارامترهای داخلی دقیقی ندارد که مربوط به محاسبه SoC باشد. رتبه‌بندی آمپرساعت، که سازنده‌ها مشخص می‌کند، فقط برای مدت زمان کوتاه میتوان روی آن حساب کرد. در واقع، باتری ظرفی است که در حال کوچک شدن است و با هر بار شارژ بعدی انرژی کمتری ذخیره می‌کند و رتبه بندی آمپرساعت اعلام شده از سوی سازنده تنها مرجعی است برای اطلاع از اینکه باتری در حالت سالم این جریان را به صورت ثابت ارائه می‌کند. باتری فی نفسه یک ظرف انرژی نیست که تحت هر شرایطی مقدار معینی از انرژی را ارائه کند اما برای درک انسان از این شرایط، تلاش‌هایی برای اعلام SoC انجام شده است.
یک خطای رایج در طراحی گیج‌های وضعیت شارژ، نادیده گرفتن جنبه پیری با فرض سالم ماندن باتری است. این درحالی است که چنین روش محاصبه‌ای باعث می‌شود که برای باتری که دو سال عمر کرده، عملا نتوان روی SoC اعلام شده حساب دقیقی کرد. در این مقایس‌بندی SoC را همچون باک خودرو درنظر می‌گیرند که در آن شارژ کامل 100٪ و خالی شدن باتری حال صفر درصد را نشان می‌دهد. صفر نقطه‌ای است که باتری در شرایط عدم تامین ولتاژ استاندارد و تعریف شده خود می‌رسد.
تخلیه باتری با شدت جریان آمپر ساعت به این معنی است که جریان یک آمپر را به مدت یک ساعت تأمین کند. در شرایطی که باتری نو را در دمای طبیعی اتاق استفاده کنید این معیار درست عمل می‌کند، اما اگر ظرفیت به 50٪ کاهش یابد، اندازه‌گیری ذخیره یک باتری کاملاً شارژ شده همچنان 100٪ نشان داده می‌شود اما مدت شارژدهی که به عنوان مثال قبلا یک ساعت بوده، به ۳۰ دقیقه کاهش پیدا می‌کند. استفاده از باتری در دمای زیر صفر نیز باعث کاهش بیشتر زمان شارژدهی می‌شود. برای کاربر تلفن همراه یا لپ تاپ معمولی، این خطا فقط باعث دردسر می‌شود. اما این مشکل در مورد وسایل نقلیه الکتریکی و سایر دستگاههای حیاتی که باتری نقش اساسی در فعالیت آنها دارد این مشکل آشکارتر می‌شود.
سنجه های سوخت مدرن با "یادگیری" میزان انرژی باتری با توجه به تخلیه‌های قبلی، میتوانند با شرایط موجود سازگار شوند. یادگیری با روند رو به رشد نیز ممکن است شامل مشکلاتی در زمان شارژ شود زیرا یک باتری ضعیف شده سریعتر از باتری نو شارژ می‌شود. همچنین اندازه‌گیری مقاومت داخلی باتری با مشاهده افت ولتاژ امری معمول است. با این حال، برآورد ظرفیت بر اساس افزایش مقاومت در حاضر و با فناوریهای فعلی دیگر به خوبی کار نمی‌کند زیرا باتری Li-ion مدرن مقاومت کمتری را در بیشتر عمر خود حفظ می‌کند.
ظرفیت بهتر است با تخلیه باتری کاملاً شارژ شده در جریان ثابت و خواندن زمان سپری شده اندازه‌گیری شود. بیشتر باتری‌های قابل شارژ برای استفاده قابل حمل در تخلیه 1C مشخص شده اند. بنابراین باتری باکه مشخص شده جریان 1 آمپر ساعتی تحویل می‌دهد با همین جریان 1 آمپری تخلیه می‌شود. تخلیه اسمی برخی از باتری‌ها، مانند انواع قلیایی، بسیار کمتر است. اندازه‌گیری ظرفیت باتری توسط تست روند تخلیه/ شارژ عملی نیست، چرا که خود باتری را تحت فشار قرار می‌دهد.
اندازه‌گیری ذخیره دارای نقص ذاتی بوده و نیاز به کالیبراسیون دوره‌ای دارد که به آن یادگیری ظرفیت مجد نیز گفته می‌شود. این کار برای اصلاح خطای ردیابی ایجاد شده بین باتری شیمیایی و دیجیتال در چرخه‌های شارژ و تخلیه مکرر انجام می‌شود. اگر باتری که تخلیه کامل شده طی دوره‌ای با جریان ثابت و به دنبال آن شارژ کامل داشته باشد، بدون کالیبراسیون نمی‌توان اندازه‌گیری دقیقی داشت. با این روش باتری با هر چرخه کامل دوباره باید کالیبره شود و خطای ردیابی در کمتر از یک درصد در هر چرخه حفظ خواهد شد. با این حال، در شرایط طبیعی، ممکن است چند لحظه‌ای تخلیه شود و بعد مجدد شارژ شود و ردیابی میزان شارژ و تخلیه در این دوره کار دشواری است.
کالیبراسیون را میتوان به صورت دستی زمانی که اخطار «Low Battery» به معنی ضعیف شدن جریان باتری اعلام می‌شود هم انجام داد. این کار را میتوان با تجهیزات یا با تجزیه و تحلیل باتری انجام داد. در صورت تخلیه کامل اعلامی ارسال می‌شود و همچنین درصورتی که شارژ کامل شد هم یک اعلام ارسال می‌شود. ایجاد این دو نشانگر باعث می شود SoC با ردیابی فاصله بین اعلام‌ها محاسبه شود. برای بهترین نتیجه، هر سه ماه یکبار یا بعد از 40 چرخه جزئی دستگاه را کالیبره کنید. اگر دستگاه خود به تنهایی تخلیه عمیق دوره‌ای داشته باشد، هیچ کالیبراسیون اضافی مورد نیاز نخواهد بود.
اما اگر باتری مرتباً کالیبره نشود، چه اتفاقی می‌افتد؟ آیا می توان از چنین باتری با اطمینان استفاده کرد؟ بیشتر شارژرهای باتری هوشمند به جای مدار الکترونیکی از دستورات باتری شیمیایی پیروی می‌کنند و اگر از کالیبراسیون خارج شود هیچ نگرانی در زمینه ایمنی وجود ندارد. باتری کاملاً شارژ می‌شود و به طور عادی کار می‌کند اما بازخوانی دیجیتال ممکن است نادرست باشد و برای شما دردسر ساز شود.
اندازه‌گیری میزان شارژ توسط ولتاژ ساده است اما می‌تواند خطا داشته باشد و دلیل آن این است که باتری‌های موجود در یک حالت شیمیایی خاص دارای معماری متفاوت هستند و پروفیل ولتاژ منحصر به فردی را تحویل می‌دهند. همچنین دما نیز نقش دارد. گرما ولتاژ را افزایش می‌دهد، و برعکس محیط سرد آن را کاهش می‌دهد. این پدیده در درجات مختلف در مورد کلیه حالت‌های شیمیایی صدق می‌کند. بعلاوه، هنگام ایجاد اختلال در زمان شارژ یا تخلیه باتری، ولتاژ مدار باز، دیگر نشان دهنده خوانش واقعی SoC نیست و باتری برای بازیابی تعادل به چند ساعت استراحت نیاز دارد. تولیدکنندگان باتری توصیه می‌کنند این استراحت حداقل 24 ساعت درنظر گرفته شود. در حالی که باتری های سرب اسیدی ولتاژ تخلیه تدریجی دارند، باتری های مبتنی بر نیکل و لیتیوم روند صافی را در پیش می‌گیرند و تخمین SoC توسط ولتاژ آنها دشوار است. در بسیاری از محصولات مصرفی با استفاده از سنسورهای تخلیه مبتنی بر ولتاژ، بازخوانی را برای نشان دادن شارژ کامل، میانه شارژ و کم شارژی محدود می‌کنند.
روش پیشرفته‌تر برای اندازه‌گیری SoC شمارش کولن است. نظریه‌ای که به 250 سال پیش برمی‌گردد زمانی که چارلز-آگوستین دو کولنب «قانون کولن» را پایه‌گذاری کرد. این کار بر اساس اصل اندازه گیری جریان‌های جاری و خارج از مدار است.
در روش کولن نیز اشتباهاتی وجود دارد. به عنوان مثال، اگر باتری در جریان یک آمپر به مدت یک ساعت شارژ شود، باید همان مقدار انرژی در هنگام تخلیه وجود داشته باشد. درحالی که در عمل این اتفاق نمی‌افتد. ناکارآمدی در دریافت شارژ، به ویژه در اواخر مدت زمان شارژ و همچنین تلفات در هنگام تخلیه و ذخیره سازی، انرژی تحویلی را کاهش می‌دهد و قرائت‌ها را اشتباه می‌کند. انرژی موجود همیشه کمتر از آن چیزی است که به باتری خورانده شده است. به عنوان مثال ، چرخه انرژی (شارژ و سپس تخلیه) باتری های لیتیوم یون در تسلا رودستر حدود 86٪ کارآمد است.
مانند هر روش تلفیقی عددی، شمارش کولن با گذشت زمان خطایی را ایجاد می‌کند، که اندازه‌گیری‌های شارژ مدرن سعی در اصلاح آن با استفاده از منحنی‌های ولتاژ دارند. از آنجا که این منحنی‌های ولتاژ خود نیز نادرستی‌های را به همراه دارند «خصوصاً با افزایش سن باتری» با گذشت زمان دقت این روش هم کاهش پیدا می‌کند.
سیستم تطبیقی در انتشار (ASOD) توسط Cadex دارای یک عملکرد منحصر به فرد «یادگیری» است که با افزایش سن باتری تنظیم می‌شود و به تخمین ظرفیت +/- 2٪ در 1000 چرخه باتری ، طول عمر معمول یک باتری را پیدا می‌کنند. برآورد SoC مستقل از سن و قطب در 5/+٪ است. در روش ASOD به پارامترهای بیرونی نیازی نداریم، در واقع از خودآموزی استفاده می‌کنیم. هنگام تعویض باتری، ماتریس یاد گرفته شده به تدریج از طریق استفاده از باتری جدید سازگار می‌شود و دوباره به دقت بالای قبلی دست پیدا می‌کند.
محققان در حال کشف روش‌های جدید برای اندازه‌گیری SoC باتری هستند و از بین آنها میتوان به فناوری ابتکاری مغناطیس کوانتومی (Q-Mag) اشاره کرد. Q-Mag همچون روش Cadex به ولتاژ یا جریان عبوری متکی نیست اما مغناطیس باتری را درنظر می‌گیرد. صفحه منفی در باتری سرب اسید تخلیه شده از سرب به سولفات سرب تغییر می‌کند که حساسیت مغناطیسی متفاوتی نسبت به سرب دارد. یک سنسور مبتنی بر فرایند مکانیکی کوانتوم، میدان مغناطیسی را از طریق فرایندی به نام tunneling می‌خواند.
نتیجه‌گیری
اندازه‌گیری SoC از چندین روش قرائت تشکیل شده است و متداول‌ترین آنها بررسی ولتاژ، جریان و کولن است. در حالی که دقت این سیستم‌ها به اندازه‌کافی برای محصولات مصرفی عادی مناسب است، ولی باید توجه داشت که خطا داشتن در اندازه‌گیری مشکلات زیادی را ایجاد نمی‌کند، اما تجهیزات پزشکی و نظامی و همچنین در خودروهای برقی حساسیت بیشتر است. یک راننده سرگردان تسلا با باتری‌هایی که به اشتباه شارژ شده باعث می‌شود تا رسانه‌ها توجه بیشتری به این موضوع داشته باشند تا کوتاه‌تر بودن طول عمر باتری تلفن‌های همراه هوشمند یا لپ‌تاپ‌ها.
اگرچه پیشرفتهای محسوسی در دقت SoC ایجاد شده است، اما باز هم پیشرفتهای بیشتری لازم است و فناوریهای نوآورانه نویدبخش هستند. آنها نه تنها دقت SoC بهتری را ارائه می‌دهند بلکه وضعیت سلامتی و پیش بینی پایان عمر را ارائه می‌دهند. دانشمندان پیش‌بینی می‌کنند که این تحولات با قیمت‌های رقابتی در دسترس باشد. با در نظر داشتن این فناوریهای آینده‌نگر، نشانگرهای شارژ باتری دیگر مغالطه‌ای نخواهند داشت، بلکه کاملا وضعیت واقعی را بیان خواهند کرد.
به نظر شما چند سال طول می‌کشد تا به این سطح از فناوری دست پیدا کنیم؟
