طرق الاختبار السريع للبطارية

وتشبه البطارية كائنًا حيًا لا يمكن قياسه، بل يتم تقديرها فقط عن طريق التشخيص على غرار فحص الطبيب للمريض. تختلف دقة الفحص السريع باختلاف الأعراض. تتغير هذه المؤشرات بتغير حالة الشحن (SoC)، والتحريك بعد الشحن والتفريغ، ودرجة الحرارة وطول فترة التخزين. يجب أن يكون للاختبار السريع القدرة على التمييز بين البطارية الجيدة المشحونة جزئيًا والبطارية الضعيفة المشحونة بالكامل. يقدم كلا النوعين أوقات تشغيل متشابهة في يد المستخدم ولكن بمستويات أداء مختلفة.

تحليل الأداء المستخدم على نطاق واسع هو عدّ كولوم الذي يتم فيه قياس الطاقات الداخلة والخارجة المتدفقة. يعود عد كولوم إلى 250 عامًا عندما أنشأ تشارلز أوغستين دي كولوم لأول مرة "قاعدة كولوم". وهي أنيقة من حيث المفهوم، لكن عد الكولوم له مشكلته الخاصة من حيث أنه يفقد الدقة عندما يتم شحن البطارية وتفريغها عشوائيًا. إن تقدير الحالة الصحية (SoH) بواسطة حل رقمي غير مكتمل دون تضمين البطارية الكيميائية أيضًا.

المؤشر الرئيسي لصحة البطارية هو السعة. تمثل السعة تخزين الطاقة، وهي خاصية تتلاشى تدريجيًا وبشكل دائم مع الاستخدام. الخصائص الأخرى المسؤولة عن السعة الحرارية هي المقاومة الداخلية التي تتحكم في تيار الحمل و التفريغ الذاتي التي تفحص السلامة الميكانيكية. يجب استيفاء جميع الخصائص الثلاث لإعطاء بطارية سليمة.

يعد تقدير سعة البطارية الكيميائية أثناء الطيران أكثر تعقيدًا. وينطوي ذلك على خوارزميات ومصفوفات تعمل كجداول بحث مشابهة للتعرف على الحروف أو الوجوه. وتتجه أساليب الاختبار السريع الحديثة نحو التعلم الآلي المتقدم في التقاط الحالات المزاجية العديدة للبطارية.

فيما يلي ملخص لطرق الاختبار البسيطة إلى المعقدة لفحص البطاريات.

الفولتية	يكشف عن SoC. تقدير السعة غير ممكن.
اختبار الأوميك	يقيس مقاومة البطارية الداخلية للتحقق من خصائص التحميل وتحديد حالات العطل. لا ترتبط قراءات المقاومة بالسعة. يُعرف الاختبار الأومي أيضاً باختبار المعاوقة (Z).
دورة كاملة	يقرأ سعة البطارية الكيميائية مع دورة شحن/تفريغ/شحن/شحن. النتائج دقيقة ولكن يجب في كثير من الأحيان إخراج البطارية من الخدمة وتستغرق أوقات الاختبار ساعات.
الاختبار السريع	تعتمد معظم طرق الاختبار السريع على المجال الزمني أو مجال التردد. يقوم المجال الزمني بإثارة البطارية بنبضات لمراقبة التدفق الأيوني لبطاريات الليثيوم أيون. ويقوم مجال التردد بمسح البطارية بترددات متعددة لتوليد مخطط نايكويست للتحليل. وتتطلب كلتا الطريقتين خوارزميات معقدة مع معلمات أو مصفوفات تعمل كجداول بحث.
BMS	تقوم أنظمة إدارة البطارية بتقدير SoC من خلال مراقبة الجهد والتيار ودرجة الحرارة. كما تقوم بعض أنظمة إدارة البطارية BMS الخاصة بالليثيوم أيون بحساب الكولوم. يمكن لنظام إدارة البطارية BMS تحديد عيب البطارية ولكنه غير قادر على تقدير السعة بدقة.
عدّ كولوم	يقرأ التيار الداخل والخارج المتدفق. تقوم البطارية الذكية بتخزين البيانات في سجل سعة الشحن الكاملة (FCC) التي يمكن الوصول إليها ولكن القراءات يمكن أن تكون غير دقيقة إذا لم تتم معايرة البطارية. تصحح الدورة الكاملة خطأ التتبع.
محلل البطارية	طريقة جديدة لتقدير السعة أثناء الشحن. تقوم خوارزمية تصفية خاصة بتحديد سعة البطارية بدقة؛ ويقدّر العد الكولومبي سعة البطارية.

طرق الاختبار السريع

لا يوجد اختبار واحد يمكنه التقاط جميع المؤشرات الصحية للبطارية. فالعديد من أجهزة الاختبار السريع تنظر فقط إلى الجهد والمقاومة الداخلية. وبينما قد يرتبط فقدان السعة في بطارية NiCd أو NiMH الباهتة بارتفاع المقاومة الداخلية، فإن هذه العلاقة أقل وضوحاً مع بطاريات الليثيوم والرصاص. قد يكون الإعلان عن تقدير السعة باستخدام جهاز اختبار يقيس الجهد والمقاومة الداخلية فقط مضللاً. ويؤدي ذلك إلى إرباك الصناعة للاعتقاد بأن النتائج المعقدة يمكن تحقيقها بأساليب مبسطة. ستحدد الأدوات القائمة على المقاومة بالفعل البطارية المحتضرة أو الميتة؛ ولكن كذلك المستخدم.

البطارية جهاز تفاعلي والطريقة التي يتم بها قياس المقاومة مهمة. يبحث قياس التيار المستمر في قيم المقاومة النقية بينما يتضمن التيار المتردد مكونات تفاعلية توفر معلومات إضافية. الشكل 1 تمثل معاوقة بطارية ليثيوم أيون جيدة وباهتة عند المسح بالتيار المتردد من 0.1 هرتز إلى 1 كيلو هرتز. تُلاحظ أقوى الفروق في المعاوقة (-Imp -Z) على مقياس التردد المنخفض الذي يتراوح بين 1 هرتز و10 هرتز.

تكون تباينات المعاوقة أكثر وضوحًا تحت 10 هرتز. المقياس الأفقي لوغاريتمي لتكثيف نطاق التردد.
^{المصدر: كاديكس للإلكترونيات}
وتجدر الإشارة إلى أن قراءات المقاومة وحدها غير حاسمة. لا يوجد مقاس يناسب الجميع وتختلف التواقيع باختلاف حجم البطارية ونوعها. وتتأثر النتائج كذلك بمستويات درجة حرارة البطارية والتحريك ودرجة الحرارة. اكتشفت مختبرات Cadex كذلك اختلافات في كيفية تقادم البطاريات. والأكثر إثارة للحيرة هو السبب في أن الشيخوخة الطبيعية تنتج توقيعات مختلفة عن الشيخوخة الاصطناعية التي تتم في غرف بيئية ذات أنظمة اختبار ثابتة. ويتشابه هذا السلوك الشبيه بسلوك الإنسان مع حالات الشيخوخة التي يعيشها الناس في مناطق عالمية مختلفة.

Cadex رائدة في العديد من طرق الاختبار السريع. وهذه الطرق هي الفرز السريع للنموذج الخاص بالفرز السريع، والاستجابة الديناميكية الكهروكيميائية والكهروكيميائية الديناميكية والتحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية.

نموذج الفرز السريع الخاص بالفرز السريع (QSMS)

يلاحظ QSMS اختلافًا في قيم المقاومة عند تقييم البطارية باستخدام طريقتين للتيار المستمر والتيار المتردد. على سبيل المثال، تبلغ مقاومة الليثيوم أيون في خلية 18650 حوالي 110 م أوم بقياس التيار المستمر وحوالي 36 م أوم بإشارة تيار متردد 1000 هرتز. يوفر التباين بين القراءتين معلومات عن الأداء عند مقارنتها بالمعلمات الخاصة بالبطارية المخزنة في جدول بحث.

الخوارزمية بسيطة نسبيًا ووقت الاختبار قصير، ولكن لوجستيات إنشاء المعلمات المستمدة من البطاريات الجيدة والهامشية والضعيفة تضيف إلى التعقيد. QSMS هي إحدى طرق الاختبار السريع العديدة التي طورتها Cadex لتصنيف بطاريات الهواتف المحمولة بسرعة.

الاستجابة الكهروكيميائية الديناميكية (EDR)

يقيس EDR حركية تدفق الأيونات بين الأقطاب الكهربائية من خلال تطبيق نبضات الحمل وتقييم زمن الاستجابة عند الهجوم والاسترداد. تتم مقارنة أوقات الاسترداد مع المعلمات المخزنة المتعلقة بأداء البطارية. الشكل 2 يدل على بطارية جيدة وثابتة وسريعة الاسترداد مقابل بطارية ضعيفة تظهر ليونة وبطء في الاسترداد.

يقيس EDR تدفق الأيونات بين اللوحين الموجب والسالب. تتعافى البطارية القوية بسرعة من الهجوم بينما تكون البطارية الأضعف أكثر بطئاً.
^{براءة الاختراع الأمريكية 7,622,929. المصدر: كاديكس للإلكترونيات}

يختلف معامل انتشار ليثيوم أيون الليثيوم باختلاف المواد النشطة وإضافات الإلكتروليت المستخدمة. تم تطوير EDR بواسطة Cadex للاختبار السريع لمجموعة واسعة من بطاريات الهواتف المحمولة. ويجري الآن تطوير هذه التقنية لاختبار البطاريات الأكبر حجماً.

التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية (EIS)

ينقل اختبار EIS الاختبار السريع إلى مستوى أعلى من التعقيد من خلال مسح البطارية بترددات متعددة لتوليد مخطط Nyquist. يتم بعد ذلك تركيب معلومات Nyquist على النماذج الكهروكيميائية التي تتيح تقدير السعة وCCA وSoC بشكل غير جراحي. وقت الاختبار النموذجي هو 15 ثانية.

سُمي مخطط نايكويست على اسم هاري نيكويست (1889-1976)، وهو مهندس سابق في مختبرات بيل. يعرض الاستجابة الترددية لنظام خطي من خلال عرض كل من السعة وزاوية الطور على مخطط واحد باستخدام التردد كمعامل. يكشف المحور x الأفقي عن معاوقة الأوم الحقيقية بينما يمثل المحور y الرأسي المعاوقة التخيلية. يتوقع العلماء أن تشخيص البطاريات ينجذب نحو تقنية EIS من خلال الجمع بين نتائج الاختبار والنمذجة المعقدة.

الشكل 3 يوضح النطاقات الثلاثة لمخطط نيكويست بعنوان الترحيل في نهاية التردد العالي, نقل الشحنة في المدى المتوسط، و الانتشار على مقياس التردد المنخفض.

يمثل نصف دائرة نصف التردد المتوسط أفضل خصائص البطارية. تتطلب البطاريات الأكبر حجماً ترددات أقل.
^{المصدر: كاديكس}

عند مسح البطارية من الكيلو هرتز إلى الميلي هرتز، يكشف مجال الترحيل عن خصائص مقاومة البطارية التي تمثل منظرًا شاملًا للمشهد. وتوجد الخصائص القيّمة في نطاق التردد المتوسط الذي يُطلق عليه اسم نقل الشحنة. ويشكل هذا المجال المهم للغاية نصف دائرة تمثل حركية البطارية التي توفر مراجع السعة الحرارية SoH. يتضمن النطاق المنخفض المسمى بالانتشار معلومات إضافية تتعلق بالسعة ولكن هذا يتطلب أوقات اختبار طويلة. ويوجه حجم البطارية التردد؛ فكلما زاد حجم البطارية بالأمبير/ساعة كلما انخفض التردد المطبق.

يجب أن يستغرق الاختبار السريع من بضع ثوانٍ إلى ما لا يزيد عن 5 دقائق، ولكن تطبيق الترددات المنخفضة للغاية يطيل الوقت. على سبيل المثال، عند تردد واحد ميلي هرتز (ميغاهيرتز)، تستغرق الدورة الواحدة 1000 ثانية، أو 16 دقيقة، ويلزم وجود عدة نقاط بيانات لإكمال التحليل. يمكن تقصير فترات الاختبار في كثير من الأحيان باستخدام محاكاة برمجية ذكية.

تحليل نيكويست مناسب تمامًا لاختبار البطاريات القائمة على الليثيوم والرصاص. ويُعد التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية المتعدد النماذج، أو Spectro™ من Cadex، أول تطبيق قائم على التحليل الطيفي للمعاوقة الكهروكيميائية الذي يقدر سعة البطارية. السعة هي مؤشر الصحة الرئيسي، حيث تشير السعة CCA لبطارية البادئ إلى مقاومة البطارية الداخلية المسؤولة عن تشغيل المحرك. في البطارية التي تتم صيانتها جيداً، تبقى CCA عالية بينما تنخفض السعة تدريجياً مع الاستخدام. ويحدث "عدم بدء التشغيل" عندما تنخفض السعة إلى ما دون مستوى السعة المطلوبة لتدوير المحرك. وللتخلص من المفاجآت، يجب استبدال بطارية بدء التشغيل عندما تنخفض السعة إلى 40 بالمائة. تصبح فائدة تقدير السعة واضحة أيضاً في هذا التطبيق.

محلل البطارية

يُستخدم مصطلح "محلل" في تكنولوجيا الكمبيوتر لوصف استقبال البيانات التعليمية وفرزها. وتستخدم Cadex هذا المصطلح لتحديد سعة البطارية من خلال تحديد سعة البطارية بدقة باستخدام خوارزمية خاصة (براءة اختراع معلقة) ثم حساب الكولوم الذي "يملأ" المساحة المتاحة للبطارية. يجب أن تكون فترة الشحن طويلة بما يكفي للحصول على قراءات جيدة. تُظهر النتائج المخبرية في Cadex دقة أعلى في السعة مع محلل البطارية مما هو معتاد مع العد الكولوم غير المعاير للبطارية الذكية.

يستخدم محلل البطاريات خوارزميات التعلم الآلي المتقدمة، وهي خوارزميات ستشق طريقها إلى شواحن البطاريات الحديثة لتوفير مراقبة الجودة في البطاريات. سيؤدي هذا التكامل إلى تعزيز الشاحن إلى نظام إشرافي دون أي خدمات لوجستية إضافية وتكلفة إضافية قليلة. تجعل شواحن البطاريات التشخيصية أداء البطارية شفافاً من خلال إزالة متلازمة "الصندوق الأسود"، وهي مشكلة لازمت مستخدمي البطاريات لقرون.

الملخص

لا يمكن لأي اختبار سريع تقييم جميع أعراض البطارية. ستكون هناك دائماً قيم متطرفة تتحدى بروتوكولات الاختبار. يجب أن تكون التوقعات الصحيحة للبطاريات في الخدمة 9 من 10. قد تشمل القيم المتطرفة البطاريات الجديدة التي لم تتم تهيئتها بالكامل، أو البطاريات التي كانت في المخزن. يتسبب انخفاض SoC أيضًا في حدوث أخطاء.

السعة هي حارس بوابة سلامة البطارية التي ترتبط بوقت التشغيل وتتنبأ بنهاية عمرها الافتراضي. مصطلح السعة غير مفهوم بشكل جيد. عادةً ما يتم استبدال البطارية عندما تتلاشى السعة إلى 80 بالمائة. عند اختيار عتبات نهاية العمر الافتراضي، يجب أن تتأكد المؤسسة من أن البطارية الأقل أداءً يمكنها أداء المهمة الموكلة إليها. سيؤدي الكشف عن تقدير السعة عن طريق الاختبار السريع أو في الشاحن إلى تغيير طريقة صيانة البطاريات. ستؤدي هذه التطورات في نهاية المطاف إلى ثورة صناعية في البطاريات.