Ποιες είναι οι διαφορετικές μέθοδοι για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης των μπαταριών;

Υπάρχουν τρεις μέθοδοι για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης των μπαταριών:εκτίμηση με βάση την τάση, εκτίμηση με βάση το ρεύμα (Coulomb Counting) και εκτίμηση από μετρήσεις εσωτερικής αντίστασης.

Καθώς ολοκληρώνετε μια αναφορά στον φορητό υπολογιστή σας αργά το βράδυ, λαμβάνετε μια ειδοποίηση ότι η μπαταρία σας είναι χαμηλή και ότι πρέπει να συνδέσετε τον φορτιστή σας. «Λίγα λεπτά ακόμη», σκέφτεστε και συνεχίζετε τη δουλειά σας. Ξαφνικά, λαμβάνετε το μισητό μήνυμα ότι η μπαταρία του συστήματός σας είναι εξαιρετικά χαμηλή και αν δεν τη συνδέσετε σε φορτιστή, ο υπολογιστής θα απενεργοποιηθεί μόνος του.

Μόνο τότε αναζητάτε μανιωδώς τον προσαρμογέα φόρτισης και ελπίζουμε να προστατεύσετε τη μη αποθηκευμένη εργασία σας από μια ψηφιακή καταστροφή.

Υπάρχουν τόσα πολλά πράγματα που μπορούν να κάνουν οι φορητοί υπολογιστές και τα smartphone μας που συχνά τα θεωρούμε δεδομένα. Μεταξύ πολλών άλλων πραγμάτων, σχεδόν όλες οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές παρακολουθούν τις μπαταρίες τους και σας λένε, σε απόλυτες ποσοστιαίες τιμές, πόση φόρτιση έχει απομείνει ή πόσο καιρό μπορούν να χρησιμοποιηθούν πριν χρειαστούν επαναφόρτιση.

Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς το κάνουν αυτό οι σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές;

Πώς υπολογίζουν τα smartphone και οι φορητοί υπολογιστές πόση φόρτιση έχει απομείνει στις μπαταρίες τους;

Σύντομη απάντηση: Ο ακριβής προσδιορισμός της ποσότητας φόρτισης που απομένει σε μια μπαταρία δεν είναι εύκολη υπόθεση, αλλά υπάρχουν μερικές μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, όπως εκτίμηση με βάση την τάση, εκτίμηση βάσει ρεύματος (Coulomb Counting) και εκτίμηση από μετρήσεις εσωτερικής αντίστασης. Όλες αυτές οι μέθοδοι βασίζονται στη μέτρηση μιας βολικής παραμέτρου που αλλάζει καθώς η μπαταρία φορτίζεται/εκφορτίζεται.

(Φωτογραφία:Bloomua / Shutterstock)

Ωστόσο, όλες αυτές οι μέθοδοι έχουν τα δικά τους μειονεκτήματα και, επομένως, δεν μπορούμε να βασιστούμε για την παροχή 100% ακριβών μετρήσεων της «εναπομένουσας φόρτισης» στην μπαταρία. Επίσης, ορισμένες από αυτές τις μεθόδους είναι συγκεκριμένες για ορισμένες κυτταρικές χημείες.

Προτού μάθουμε για μερικές από αυτές τις μεθόδους λεπτομερώς, είναι σημαντικό να αποκρυπτογραφήσουμε πρώτα έναν όρο που θα εμφανίζεται σε αυτό το άρθρο με αξιοσημείωτη συνέπεια.

Τι είναι η "Κατάσταση χρέωσης";

Η κατάσταση φόρτισης, όπως υποδηλώνει το όνομα, σας λέει την κατάσταση μιας μπαταρίας, και πιο συγκεκριμένα, τη φόρτιση που παραμένει σε μια μπαταρία, σε μια δεδομένη στιγμή. Συνήθως συντομογραφείται ως SOC, είναι το ισοδύναμο ενός μετρητή καυσίμου για το πακέτο μπαταριών σε ηλεκτρικό όχημα ή υβριδικό όχημα.

Ένας άλλος στενά συνδεδεμένος όρος με το SOC είναι το Βάθος Εκφόρτισης (DOD). Στην πραγματικότητα είναι ακριβώς το αντίστροφο του SOC, δηλαδή, είναι μια εναλλακτική μέθοδος για να υποδείξετε πόσο από τη φόρτιση μιας μπαταρίας έχει εξαντληθεί.

Μια μπαταρία κρατά φορτίο και θέλουμε να μετρήσουμε πόσο κρατάει σε μια δεδομένη στιγμή. Θέλουμε δηλαδή να προσδιορίσουμε την κατάσταση φόρτισής του. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με μερικές μεθόδους. Ας μιλήσουμε για μερικά από αυτά.

Προσδιορισμός της κατάστασης φόρτισης με μέτρηση της τάσης

Το SOC μιας μπαταρίας μετριέται συχνά από την τάση της, καθώς η διαδικασία είναι απλή και αποδίδει αρκετά ακριβή αποτελέσματα. Βασικά μετατρέπει μια ένδειξη της τάσης της μπαταρίας σε SOC και την εμφανίζει στον χρήστη.

Ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε αυτή τη διαδικασία με τη βοήθεια μιας αναλογίας. Μια μπαταρία είναι σαν μια δεξαμενή νερού με μια βρύση στη βάση της. Δεν έχετε τρόπο να κοιτάξετε μέσα στη δεξαμενή, επομένως δεν μπορείτε να ξέρετε πόσο νερό περιέχει σε μια δεδομένη στιγμή. Πώς θα προσδιορίσετε πόσο νερό έχει απομείνει στη δεξαμενή;

Ένας τρόπος για να εκτιμήσετε την ποσότητα του νερού που απομένει είναι να εξετάσετε την πίεση του νερού που βγαίνει από τη βρύση. Εάν το νερό βγαίνει γρήγορα, σημαίνει ότι είναι υπό μεγάλη πίεση, πράγμα που σημαίνει ότι η δεξαμενή είναι ως επί το πλείστον γεμάτη. Από την άλλη πλευρά, εάν η ροή του νερού έξω από τη βρύση είναι πολύ αργή, ξέρετε ότι η δεξαμενή είναι σχεδόν άδεια

Το ίδιο ισχύει και στην περίπτωση των μπαταριών. Μια μπαταρία ιόντων λιθίου με τάση 3,5 V μπορεί να είναι 3,6 V όταν είναι γεμάτη και 3,3 V όταν είναι σχεδόν άδεια (δηλαδή, έχει χρησιμοποιηθεί το 92-98% της συνολικής χωρητικότητάς της). Λάβετε υπόψη ότι μια μπαταρία ιόντων λιθίου μπορεί να αποφορτιστεί στα 3 V και χαμηλότερα, αλλά η μπαταρία δείχνει 0% ή «πλήρως αποφορτισμένη» στα 3,3 V για να διασφαλιστεί η μέγιστη ωφέλιμη χωρητικότητα της μπαταρίας. Εκφόρτιση της μπαταρίας κάτω από αυτήν την τάση διακοπής μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά στην μπαταρία.

Μια συσκευή θα πάρει αυτήν την τάση και θα υπολογίσει, κατά συνέπεια, πόση φόρτιση απομένει στην μπαταρία, η οποία στη συνέχεια εμφανίζεται στον χρήστη στην οθόνη.

Προβλήματα με την εκτίμηση SOC ανά τάση

Αν και η διαδικασία είναι απλή, δεν μπορούμε να βασιστούμε σε αυτήν για την παροχή 100% ακριβών αποτελεσμάτων, επειδή ορισμένοι παράγοντες όπως η θερμοκρασία περιβάλλοντος, ο ρυθμός εκφόρτισης, τα υλικά της κυψέλης και η ηλικία της μπαταρίας επηρεάζουν την τάση. Οι καμπύλες τάσης στις περισσότερες μπαταρίες ακολουθούν μια μη γραμμική καμπύλη έναντι της κατάστασης φόρτισης.

Αν δεν βρίσκεστε στα άκρα της καμπύλης φόρτισης ή εκφόρτισης, η τάση στην πραγματικότητα δεν αλλάζει πολύ – αυτό σημαίνει ότι είναι πολύ δύσκολο να γνωρίζουμε τη διαφορά μεταξύ μιας φορτισμένης μπαταρίας 60% και μιας φορτισμένης μπαταρίας 40%.

Επιπλέον, υπάρχει το πρόβλημα της υστέρησης, που σημαίνει ότι η μπαταρία συνεχίζει να αποφορτίζεται ακόμη και αφού σταματήσει να αποφορτιστεί. Για να αποφευχθεί αυτό το πρόβλημα, μια μπαταρία πρέπει να «ξεκουραστεί» εντελώς για μερικές ώρες για να λειτουργήσει με ακρίβεια η μέτρηση της τάσης. (Πηγή)

Προσδιορισμός κατάστασης φόρτισης με χρήση ρεύματος (Coulomb Counter)

Μια άλλη μέθοδος εκτίμησης του SOC είναι η μέτρηση του ρεύματος που εισέρχεται (όταν φορτίζεται) και εξέρχεται (όταν εκφορτίζεται) από τα κελιά και ενσωματώνει αυτό με την πάροδο του χρόνου. Με απλά λόγια, μπορείτε να υπολογίσετε πόση φόρτιση έχει απομείνει στην μπαταρία υπολογίζοντας πόση φόρτιση έχει ήδη χρησιμοποιηθεί. Αυτή η τεχνική προσδιορισμού του SOC ονομάζεται εύστοχα «Coulomb counting», καθώς μετράει το φορτίο που εισέρχεται/εξέρχεται από τα κελιά.

Ορισμένες ηλεκτρονικές συσκευές ενδέχεται να έχουν εγκατεστημένη μια μικροσκοπική συσκευή, γνωστή ως μετρητή coulomb , το οποίο μετρά το ρεύμα που καταναλώνεται από τη συσκευή υποδοχής, το αθροίζει με την πάροδο του χρόνου και, στη συνέχεια, το συγκρίνει με την προγραμματισμένη χωρητικότητα της μπαταρίας για να παρέχει μια εκτίμηση για το πόση φόρτιση απομένει στην μπαταρία.

Αν και παρέχει μεγαλύτερη ακρίβεια από τις περισσότερες άλλες μεθόδους εκτίμησης SOC, καθώς μετρά απευθείας τη ροή ρεύματος, έχει το δικό του σύνολο περιορισμών, δηλαδή ότι δεν λαμβάνει υπόψη την απόδοση της μπαταρίας. Επίσης, είναι πολύ δύσκολο (και ακριβό) να κάνετε ακριβείς μετρήσεις ρεύματος (Πηγή).

Εκτίμηση SOC από μετρήσεις ειδικού βάρους (SG)

Αυτή είναι μια πολύ συχνά χρησιμοποιούμενη μέθοδος για την εκτίμηση του SOC των μπαταριών μολύβδου οξέος.

Μια μπαταρία μολύβδου

Περιλαμβάνει τη χρήση ενός αισθητήρα που μετρά τις αλλαγές στο βάρος των ενεργών χημικών ουσιών που υπάρχουν στην μπαταρία καθώς αποφορτίζεται. Καθώς το φορτίο που είναι αποθηκευμένο στην μπαταρία εξαντλείται, η συγκέντρωση του θειικού οξέος (ένας ενεργός ηλεκτρολύτης στην μπαταρία) μειώνεται, γεγονός που μειώνει αναλογικά το ειδικό βάρος του διαλύματος.

Αν και τα υδρόμετρα χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για την πραγματοποίηση μετρήσεων ειδικού βάρους (SG), οι σύγχρονες μπαταρίες μολύβδου οξέος αποτελούνται από ηλεκτρονικούς αισθητήρες που παρέχουν μετρήσεις SG σε πραγματικό χρόνο και αποδίδουν αρκετά ακριβείς τιμές SOC. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος είναι αρκετά αποκλειστική για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί με άλλες χημικές ουσίες κυττάρων.

Ένα υδρόμετρο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της φόρτισης μιας μπαταρίας μολύβδου οξέος. (Παράθεση εικόνας:Butch / Wikimedia Commons)

Εκτίμηση SOC με μέτρηση της εσωτερικής αντίστασης

Οι ενεργές χημικές ουσίες μέσα σε ένα στοιχείο αλλάζουν τη σύνθεσή τους καθώς μετατρέπονται από τη μια μορφή στην άλλη κατά τη φόρτιση/εκφόρτιση της μπαταρίας. Επομένως, μετρώντας την εσωτερική σύνθετη αντίσταση (την αντίθεση που παρουσιάζει ένα κύκλωμα σε ένα ρεύμα όταν εφαρμόζεται τάση) του στοιχείου, μπορεί να προσδιοριστεί το SOC του.

Ωστόσο, αυτή η τεχνική δεν είναι μια δημοφιλής επιλογή:πρώτον, η σύνθετη αντίσταση ενός στοιχείου εξαρτάται από τη θερμοκρασία. και δεύτερον, είναι δύσκολο να μετρηθεί η σύνθετη αντίσταση ενός στοιχείου ενώ είναι ακόμα ενεργό.

Υπάρχουν μερικές άλλες μέθοδοι που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον προσδιορισμό της κατάστασης φόρτισης μιας μπαταρίας, αλλά καμία από αυτές δεν είναι τέλεια και η καθεμία προσφέρει ένα μοναδικό σύνολο προβλημάτων.

Επομένως, πρέπει πάντα να λαμβάνεται υπόψη ότι οι μέθοδοι προσδιορισμού SOC μπορούν να παρέχουν μόνο μια εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης μιας μπαταρίας και όχι 100% ακριβής τιμή. Με άλλα λόγια… κρατήστε τον φορτιστή σας πρόχειρο!