شحن البطاريات

تخيّل نفسك منسجماً بالحديث مع أحد أصدقائك على الفيسبوك أو الواتس أب وفجأةً تظهر تلك الرسالة المشؤومة الّتي تخبرك أنّ طاقة البطارية منخفضة بالرغم من أنّه لم يمضِ الكثير منذ آخر مرةٍ شحنتها فيها. ما يفعله معظمنا في مثل هذه الحالات هو شراء بطاريّة جديدة ،ولكن ماذا لو كان جهازك قديماً بعض الشيء أو لم تتوافر في السوق بطارية له؟...بالطبع لن يكون الحل الأمثل هو شراء جهاز جديد...

تابعوا مقالنا هذا لتتعرفوا على أهم الطرق المتّبعة لشحن البطاريات بمختلف أنواعها مثل بطاريات حمض الرصاص، بطاريات النيكل، الليثيوم وغيرها..كما سنتعرف معاً على أهم تقنيات الشحن ومنها الشحن باستخدام المنفذ الشهير USB، بالإضافة لتقنية الشحن اللاسلكي، وفي الختام نرفق المقال بجدول نبين فيه أهم مواعيد الشحن لمختلف أنواع البطاريات.

شحن البطاريات

1.4 ماهي النسبة C (What's the C-Rate):

في العام 1700م، قام العالم تشارلز-أوغستين-دي كولمب بوضع قاعدة تقول: "هي بطارية تستقبل تيار شحن قيمته 1A أي 1C يتم شحنه كل ثانية" أي في عشر ثواني فإن 10 كولمب تمر في البطارية وهكذا.

عند التفريغ، يتم عكس العملية واليوم فإن مصنعي البطاريات يستخدمون النسبة C لقياس تيار لشحن وتفريغ البطارية.

معظم البطاريات المحمولة تقدر بـ 1C، وهذا يعني أن بطارية 1000mAh والتي يتم تفريغها عند نسبة 1C يجب عليها أن تزودنا بتيار 1000mA تحت الشروط المثالية. نفس البطارية إذا تم تفريغها عند نسبة 0.5C يجب أن تقدم تيار قيمته 500mA لساعتين.

عند النسبة 2C فإن بطارية 1000mAh يجب عليها تسليم 2000mAh لنصف ساعة.

النسبة 1C تعرف أيضاً بتفريغ قدره ساعة واحدة. النسبة 0.5C هي تفريغ قدره ساعتين 2C هي تفريغ قدره نصف ساعة تفريغ. إن سعة البطارية أو كمية الطاقة التي تحملها البطارية، يمكن قياسها بجهاز تحليل البطاريات، حيث يقوم هذا الجهاز بتفريغ البطارية عند تيار محدد بينما يقوم بقياس الزمن الذي تأخذه البطارية للوصول إلى جهد التفريغ.

والجهاز بقوم بعرض النتيجة بنسبة مئوية وبمعدلات اسمية.

حيث يمكنه إظهار نسبة 100% عند فحص بطارية سعتها 100mAh وإذا استمر التفريغ لـ 30 دقيقة قبل الوصول إلى نهاية فرق جهد التفريغ فإن البطارية يكون لديها سعة قدرها 50%. وللحصول على قراءة سعة جيدة نسبياً يقوم مصنعو البطاريات بشكل عام بتقدير بطاريات حمض-رصاص عند 0.05C أو 20 ساعة تفريغ.

حتى عند نسبة التفريغ البطيئة هذه فإنه من النادر الحصول على سعة كاملة 100%.

الشكل 1.4 يشرح أزمنة تفريغ بطارية حمض-رصاص عند أحمال متفاوتة ويتم التعبير عنها بالنسبة C.

البطاريات الأصغر تقدر عند نسبة تفريغ 1C. وبسبب السلوك السيء تقدر بطارية حمض-رصاص عند نسبة تفريغ 0.2C(5h) و 0.05C(20h).

بما أن بطاريات النيكل والحمض يمكن تفريغها عند نسبة مرتفعة، فإن دارة الأمان تمنع الليثيوم أيون ذو مهبط الكوبالت من التفريغ فوق نسبة 1C. والمنغنيز الفوسفات يمكنهم تحمل نسب تفريغ تصل لـ 10C وبالتالي عتبة تيار يمكن ضبطها بشكل أعلى وفقاً لذلك.

2.4 كل شيء عن الشواحن (Everything about Chargers):

إن أداء وطول الخدمة للبطاريات القابلة للشحن هو مجال طويل محكوم بنوعية الشاحن.

بسبب الأسعار العالمية المرتفعة، فإن شواحن البطاريات تعطى عادة أولوية منخفضة وخصوصاً فيما يخص منتجات المستهلك، إن اختيار شاحن نوعي له اعتبارات مهمة، وذلك باعتبار كلفة استبدال البطارية والحرمان من الأداء الجيد لها. هناك نوعين مختلفين من الشواحن: الشواحن الشخصية والشواحن السريعة، تستخدم الشواحن السطحية من أجل الهواتف الخلوية، الأجهزة المحمولة، الطاولات أو الكاميرات الرقمية، حيث تأتي هذه الشواحن مع التجهيزات الشخصية التي تعمل ببطاريات الشحن، والشواحن يتم تصنيعها لنوع واحد من البطاريات وسعرها اقتصادي، وتؤدي بشكل جيد عند استخدامها في التطبيقات المقصودة.

إن الشاحن السريع يخدم الموظفين في بيئة الفريق، وعادة ما تملك هذه الشواحن عدة مقابس، إن مصنع التجهيزة الأصلية OEM (Original Equipment Manufacturer) يقوم ببيع الشواحن وأجزاء ملحقة معه.

فبينما الـ OEM يحدد أو يعطي المتطلبات الأساسية، فإن مصنعي الملحقات عادة يقومون بتضمين ميزات خاصة مثل وظيفة التفريغ لتكييف وتحديد البطارية.

هناك العديد من الميزات الإضافية المهمة للشواحن، ومنها الحماية من تفاوت الحرارة بين الباردة جداً والحارة جداً، فتحت درجة التجمد، تقلل الشواحن أو تمنع عملية الشحن وذلك اعتماداً على نوع البطارية، وفي الدرجات العالية فإن الشاحن يعمل فقط عندما تكون درجة الحرارة في مستوى الأمان بشكل طبيعي. إن شواحن بطاريات Lead-acid المتقدمة تقدم عتبات جهد للتحكم بالحرارة.

هناك طريقتين شائعتين للشحن، وهما محدودية الجهد ومحدودية التيار (CL & VL)، وإن شواحن الرصاص والليثيوم تحدد الجهد عند عتبة ثابتة. وعند الحصول على فرق الجهد، تبدا البطارية بالإشباع ويهبط التيار أثناء استقباله الشحن المتبقي بناءً على جدوله الزمني الخاص به.

إن كشف اكتمال الشحن يحدث عن هبوط التيار إلى مستوى مناسب مصمم له.

على الجانب الآخر، فإن بطاريات النيكل تشحن بتيار متحكم به، ويسمح للجهد بأن يتقلب بحرية، وهذا يمكن مقارنته بترك وزن مع حزمة مطاطية.

إن هبوط الجهد بشكل طفيف بعد ارتفاع مستقر يشير إلى اكتمال شحن البطارية، حيث إن نظرية أو طريقة هبوط الجهد تعمل بشكل جيد في إزالة الشحن السريع وبكل حال، فإن الشاحن يجب أن يتضمن متطلبات أمان أخرى لكي يتعامل مع التشوهات أو الأمور الشاذة كالقصر الكهربائي أو عدم الاتصال بين خلايا البطارية.

معظم البطاريات والشواحن أيضاً تتضمن حساسات للحرارة من أجل إنهاء الشحن عند تخطي الحرارة مستوى الأمان.

إن درجة الحرارة ترتفع بشكل طبيعي، خصوصاً عندما تتجه بطاريات النيكل نحو حالة الشحن الكامل. وعندما تكون في وضعية "الجهوزية" يجب تبريد البطارية إلى درجة حرارة الغرفة، حيث أن ارتفاع حرارتها يسبب الإجهاد ويقصر عمر البطارية إذا تعرضت لحرارة مرتفعة بشكل مطول. حيث ينصح بعدم ترك بطاريات النيكل لأكثر من عدة أيام في الشحن.

يجب الحفاظ على بطاريات الليثيوم من الحرارة أثناء الشحن، وإذا حصل ذلك فإن البطارية أو الشاحن سيتعطل.

إن بطاريات الليثيوم لا تطبق شحن مقطر حيث يتم فصل البطارية كهربائياً عند تمام الشحن، وإذا تركت البطارية أو مجموعتها في الشاحن لعدة أسابيع، فإن إعادة شحن سوف تحدث مسببة هبوط جهد الدارة المفتوحة تحت مستوى العتبة. حيث أنه من غير المهم إزالة بطارية الليثيوم-أيون من الشاحن عند تمام الشحن، على أية حال، إذا لم تستخدم البطارية لأسبوع أو أكثر، فمن الواجب إزالتها وإعادة شحنها ثانية قبل الاستخدام.

يقدم شاحن الجوال استطاعة بحدود 2Watt عند الشحن، بينما الحاسب المحمول يتطلب تقريباً 100W عند الشحن، حيث إن تيار الجهوزية أو تيار الشحن يجب أن يكون منخفضاً ودرجة الطاقة للجوال بحدود 30mW أو أقل بـ5 درجات من أجل كفاءة أعلى، حيث إن الدرجة الرابعة بحدود 30-150mW والثالثة بحدود 150-250mW والثانية بحدود 250-350mW. إن المعدل الصناعي هو 300mW في حالة عدم التحميل، وهذا يأخذ نقطة "نجمة" واحدة، والأعلى من 500mW لا يحصل على أية نقطة.

إن الاستطاعة الاحتياطية المنخفضة ممكنة للشواحن الصغيرة مثل شواحن الجولات والتي غالباً ما تقوم على خاصية "ركب وشغل".

1.2.4 بعض الإرشادات عند شراء شاحن بطاريات:

• استخدام الشاحن الصحيح من أجل كيميائية البطارية، فمعظم الشواحن تخدّم كيميائية واحدة فقط.

• إن جهد البطارية يجب أن يتوافق مع الشاحن، لذا يجب عدم القيام بالشحن في حال الاختلاف.

• بدون التطرق للسبب، فإن معدل Ah للبطارية يمكن أن يكون أعلى أو أقل من المحدد. حيث البطاريات الكبيرة تحتاج مدة أطول للشحن مقارنة مع الأصغر منها والعكس صحيح.

• إن الأمبير الأعلى للشاحن، يأخذ الزمن الاقل للشحن، فهناك محدوديات فيما يتعلق بقدرة البطارية على الشحن السريع.

• إن الشحن الدقيق والشحن المقطر الصحيحان يزيدان من عمر البطارية.

• عند إشباع البطارية بالكامل، فإن شاحن حمض-رصاص يجب تبديله إلى فولطية أقل، وشواحن النيكل يجب أن تملك شحن مقطر للـ NiMH، شواحن الليثيوم لا تقدم شحناً مقطراً.

• الشواحن يجب أن تمتلك تجاوزاً للحرارة من أجل إنهاء الشحن عند عجز البطارية.

• أثناء ملاحظة الحرارة للشاحن والبطارية، لوحظ أن بطاريات حمض-رصاص تبقى معتدلة الحرارة أثناء الشحن، بطاريات النيكل ترتفع حرارتها مع ازدياد الشحن، حيث يجب تبريدها بعد الشحن، بطاريات الليثيوم يجب أن تبقى باردة نسبياً أثناء الشحن.

2.2.4 الشاحن البطيء Slow Charger:

يعرف أيضاً بـ "الشاحن الليلي"، والشاحن البطيء يعود إلى أيام الـ NiCd القديمة، حيث يطبق شحن ثابت بحدود 0.1C (عشر السعة المقدرة) طالما أن البطارية موصولة.

الشواحن البطيئة بسيطة جداً، ولا تمتلك كاشف اكتمال الشحن، تيار الشحن دائماً مشغول وزمن الشحن للبطارية يبلغ 14h من أجل اكتمال الشحن، حيث إن الشاحن البطيء يبقي بطاريات النيكل في حالة دافئة.

إن بعض الزيادة في الشحن مقبولة لحد ما وهنا البطارية لا تحتاج لإزالتها فوراً عند جهوزيتها. بكل الأحوال، مجموعة البطاريات يجب ألا تبقى في الشحن لأكثر من يوم أو يومين وذلك بسبب تشكل "الذاكرة" أو المعروفة باسم "التشكل البلوري".

تبرز مشكلة أخرى عن شحن البطارية في مستويات mAh منخفضة أكثر من المستويات المحددة أو المخصصة، وعلى الرغم من أن الشاحن البطيء سيقوم بشحن البطارية بشكل طبيعي أولاً، إلا أن التيار الأعلى من النسبة 0.1C لمثل هذه البطاريات الصغيرة سيسبب زيادة في سخونتها وتتجه بالتالي نحو حالة الشحن الكامل، وذلك كونه لا توجد حماية عند انخفاض التيار أو عند انتهاء الشحن، كما أن الحرارة الكبيرة سوف تسبب قصر عمر البطارية أو المجموعة.

يجب دوماً ملاحظة درجة الحرارة للبطارية أثناء الشحن ويجب إزالتها عند دفء ملمسها. حيث أن معظم الشواحن البطيئة لا تملك مؤشرات على اكتمال الشحن.

بالنسبة لحالة الشاحن البطيء مع البطاريات الضخمة فهي حالة معكوسة، حيث لا يمكن الوصول أبداً إلى حالة اكتمال الشحن، وتبقى درجة الحرارة باردة، ويسوء الأداء كثيراً.

توجد الشواحن البطيئة في الهواتف اللاسلكية، فراشي الأسنان الكهربائية، و ألعاب الأطفال.

3.2.4 الشواحن المتوسطة السرعة Rapid Chargers:

يقع تصنيفها بين الشواحن البطيئة والسريعة، وتخدّم بطاريات النيكل والليثيوم، ومالم يخصص التصميم لها فإن هذه الشواحن لا تستطيع خدمة كيميائيات الليثيوم والنيكل على نفس الأرضية فهي تحتاج إلى أرضية خاصة مصممة لها.

إن الشوان المستمرة تستخدم غالباً وبشكل عام لمنتجات المستهلك، وزمن الشحن للمجموعة الفارغة يتراوح بين 3-6 ساعات ومعظم الشواحن السريعة تتضمن حماية حرارية للتأمين من الفشل الكيميائي والكهربائي، هذه الميزة تقدم خدمة محسنة زيادة عن الشواحن البطيئة، وبهذا تؤدي البطاريات بشكل أفضل، على الرغم من أن كلفة بنائها مرتفعة، فإن الإنتاج الضخم لها يجعل سعرها متوسطاً ومقبولاً بشكل عام.

4.2.4 الشواحن السريعة Fast Charger:

تقدم هذه الشواحن العديد من المزايا والفوائد وأفضل هذه المزايا هي تقصير زمن الشحن. فالحاجة إلى منبع قدرة ضخم ودارات تحكم معقدة أكثر يجعل الشواحن السريعة أكثر الشواحن ملائمة للاستخدام التجاري كالمجال الطبي، العسكري، الاتصالات وأدوات القدرة.

إن أزمنة الشحن الأسرع تتطلب اتصالات أكثر قوة بين الشاحن والبطارية. عند نسبة شحن 1C، والتي تستخدمها الشواحن السريعة بشكل نموذجي فإن شحن الـ NiMH و الـ NiCd الفارغة يتطلب أقل من ساعة واحدة.

إن بعض شواحن النيكل تقلل من تيار الشحن وذلك لتحقيق مقبولية شحن أقل، وعند اكتمال شحن البطارية، فإن الشاحن يتغير نمطه إلى الشحن المقطر والذي يعرف أيضاً بـ "شحن الصيانة".

معظم الشواحن السريعة لبطاريات النيكل الـ NiMH و الـ NiCd تتضمن نفس خوارزمية الشحن لكل من النوعين، وهذا لا ينطبق على بطاريات ليثيوم أيون. إن شحن بطاريات الليثيوم أسهل من شحن الـ NiMH و الـ NiCd. والشحن لـ 70% عند نسبة 1C يتم في أقل من ساعة وزمن الاستراحة مكرس للشحن الأعظمي.

لا يمكن شحن بطاريات حمض-رصاص بسرعة، معظم شواحن حمض-رصاص تشحن في غضون 14 ساعة.

إن الشحن الجزئي عند النسب الأعلى يكون أفضل ويقدم شحن كامل للبطارية كل عدة أسابيع وذلك لمتع حدوث تكبرت للبطارية.

5.2.4 الشواحن فائقة السرعة Ultra Fast Chargers:

إن معظم بطاريات NiCd وعدة أنواع خاصة من بطاريات ليثيوم يمكن شحنها عند نسبة تفريغ مرتفعة جداً تصل لـ 70% من حالة الشحن. عند نسبة شحن 10C أو 10 مرات التيار المقدر، فإن بطارية 1A نظرياً يمكن شحنها بـ دقائق ولكن هناك محدودية.

لتطبيق شحن فائق السرعة يجب مراعاة الشروط التالية:

 يجب تصميم البطارية بشكل يتوافق مع حالة الشحن فائق السرعة، حيث إن نقل التيار يكون محدوداً في العديد من مجموعات البطاريات الأخرى.

 يمكن تطبيق الشحن فائق السرعة فقط خلال طور الشحن الأول، حيث يجب خفض تيار الشحن عند الوصول إلى عتبة تيار الشحن.

 جميع الخلايا في المجموعة يجب أن تكون متوازنة وفي حالة جيدة، فالبطاريات القديمة ذات المقاومة الداخلية الأعلى يوف تشحن بسرعة، وهي غير مناسبة لهكذا شحن.

 الشحن فائق السرعة لا يمكن إنجازه إلا في درجات حرارة معتدلة، فالدرجات المنخفضة تبطئ من التفاعل الكيميائي، والطاقة التي لا يمكن امتصاصها تسبب تسمماً بالغاز وتسخيناً في بنية البطارية.

 الشاحن يجب أن يتضمن حماية حرارية ووسائل حماية أخرى لإيقاف الشحن عند تعرض البطارية لإجهاد ما.

 عدم التقيد بهذه الشروط يسبب تشوهاً مستمراً في كيميائية البطارية وبالتالي خطر الحريق.

الشكل 2.4 يقارن حياة دورة بطارية ليثيوم أيون عند شحنها وتفريغها بنسبة 1C، 2C، 3C.

إن دورة شحن وتفريغ النسبة 1C تسبب هبوط السعة من 650mAh إلى 550mAh بعد 500 دورة وهذا ينعكس بنقصان السعة إلى نسبة 84%.

النسبة 2C من هبوط السعة إلى 310mAh، وتمثل نقصاناً قدره 47%.

النسبة 3C تسبب فشل البطارية بعد 360 دورة فقط ومع سعة قدرها 26%.

6.2.4 بعض الإرشادات البسيطة للشواحن:

• يجب إيقاف تشغيل التجهيزة المحمولة أثناء الشحن، فالحمل الطفيلي "المتبقي" يعطب الشاحن.

• يجب الشحن عند نسبة C معتدلة إن أمكن. فالشحن السريع جداً يسبب إجهاداً قوياً جداً.

• الشحن السريع والشحن فائق السرعة يحدثان شحن جزئي للبطارية فقط. والشحن القممي الأعظمي الأبطء يكمل عملية الشحن.

• يجب عدم القيام بالشحن السريع والشحن فائق السرعة للبطارية في الجو البارد أو الحار، إنما فقط في الحرارة المعتدلة.

• يجب عدم القيام بالشحن السريع والشحن فائق السرعة من أجل بطارية منخفضة الأداء. يوجد القليل من الشواحن القادرة على تقييم ظروف البطارية واختيار الشحن الملائم وفقاً لذلك

3.4 شحن بطاريات حمض-رصاص (Charging Lead-acid Batteries):

إن عملية شحن بطاريات حمض-رصاص تستخدم فولطية أساسها خوارزمية مشابهة لخوارزمية شحن بطاريات الليثيوم. إن زمن الشحن لبطاريات Lead-acid المغلقة يبلغ من 12h-16h ويرتفع من 36h-48h للبطاريات الثابتة الأكبر.

مع وجود تيارات شحن أعلى وطرق شحن متعددة المراحل، فإنه يمكن تقليل زمن الشحن إلى 10 ساعات أو أقل. بكل الأحوال، الشحن الكامل لا يمكن تحقيقه، فبطاريات الحمض-رصاص بطيئة ولا يمكن شحنها بالسرعة نفسها المتبعة مع أنظمة البطاريات الأخرى.

إن شحن بطاريات حمض-رصاص يجب أن يتم في 3 مراحل هي بالترتيب:

1. الشحن بتيار ثابت.

2. الشحن الأعظمي "القممي".

3. الشحن المتقلب.

يتم تطبيق المرحلة الأولى لمعظم الشحن وتأخذ تقريباً نصف زمن الشحن المطلوب.

المرحلة الثانية تستمر عند تيار شحن أقل حتى تصل للإشباع.

المرحلة الثالثة يتم تعويض الخسارة الناتجة عن التفريغ الذاتي.

الشكل 4.4 يشرح هذه المراحل.

خلال عملية الشحن بتيار مستمر، تشحن البطارية لـ 70% خلال 5-8h والـ 30% المتبقية يتم ملؤها بشحن أعظمي أقل والذي بدوره يستمر لـ 7-10h، إن عملية الشحن القممي الأعظمي للبطارية هي عملية مهمة جداً وضرورية من أجل بدء عمل جيد للبطارية. أما الشحن المتقلب "العائم" في المرحلة الثالثة يصون البطارية عند الشحن الكامل.

التبديل من المرحلة 1 إلى 2 يحصل بشكل مستمر ويحدث عندما تصل البطارية إلى حدود الجهد المضبوط.

التيار يبدأ بالهبوط مع بدء البطارية بالدخول في حالة الإشباع، ونحصل على شحن كامل عندما يتناقص التيار إلى مستوى 3% من الشحن المقدر.

البطارية ذات التسريب العالي ربما لا تحقق أبداً تيار الإشباع المتدني هذا.

إن الإعدادات الصحيحة لجهد الشحن تكون حرجة وبمجال من 2.30-2.45V/cell، وإن ضبط عتبة الجهد يكون عند حد وسطي، وهذا ما يطلق عليه خبراء البطاريات بمعيار "الرقص على رأس الإبرة".

فعلى أحد الجوانب، البطارية تحتاج لعملية الشحن الكامل من أجل الحصول على سعة عظمى وللتغلب على التكبرت الحاصل في الطبقة السالبة. وعلى الجانب الآخر، فإن حالة الإشباع الفائق تسبب التآكل الشبكي على الطبقة الموجبة ويسبب تحرراً للغازات.

الجدول 2.4 يقارن المزايا والفوائد لعدة ترتيبات لجهد الذروة.

إن خلايا LA الأسطوانية لديها إعدادات جهد أعلى من بطاريات الـ VRLA وبطاريات البدء.

عند الشحن الكامل لبطاريات LA بعد وصولها للتشبع، فإن البطارية يجب ألا تتوقف عند جهد القمة لأكثر من 48 ساعة ويجب تخفيضها إلى مستوى الجهد المتقلب العائم، وهذه حالة حرجة وخصوصاً للأنظمة المغلقة لأن هذه الأنظمة أقل قدرة على تحمل الشحن الزائد مقارنة مع النمط السائل.

إن الجهد المتقلب المرغوب به لمعظم بطاريات LA ذات الضغط المنخفض يتراوح بين 2.25V-2.27V لكل خلية.

يجب ملاحظة أمر مهم ففي حال بقي الشاحن على وضعية الشحن الأعظمي ولم يهبط الجهد تحت الـ 2.30V/cell عندها يجب إزالة الشاحن بعد 48 ساعة من الشحن، إن الشحن المتموج المفروض على الجهد في البطاريات الثابتة الضخمة أيضاً يسبب مشكلة، فذروة الجهد تسبب زيادة في الجهد، وبالتالي تطور في حالة تسرب غاز الهيدروجين.

يقوم المصنعون بتحديد التموج بشكل نموذجي بـ 5% أو 5A لكل بطارية 100Ah، فمعظم البطاريات الثابتة يتم الحفاظ عليها عند جهد متقلب، ومن أجل لإنقاص الإجهاد عليها وهذا ما يسمى "الشحن المتخلف" حيث يقوم بفصل التيار المتقلب عند امتلاء البطارية.

بما أن الجهد النهائي يهبط بسبب التفريغ الذاتي، فإن الشحن الأعظمي يعيد ملئ الطاقة الضائعة بشكل اعتيادي.

يجب دائماً تخزين الـ 1A في حالة الشحن. والشحن الأعظمي يجب تطبيقه كل 6 أشهر لمنع الجهد من الهبوط تحت 2.10V/cell لأن هذا الجهد يسبب التكبرت ولكن مع بطاريات AGM يمكن الاستغناء عن هذه المتطلبات.

قياس جهد الدارة المفتوحة، فالبطارية الباردة تقلل من الجهد بشك طفيف والبطارية الدافئة تزيده.

إن استخدام DVC لتخمين حالة الشحن تعمل بشكل أفضل عند إراحة البطارية لعدة ساعات، لأن الشحن أو التفريغ يهيج البطارية ويحرف الجهد.

التشريب بالماء "الإرواء" Watering:

إن إضافة الماء هو الخطوة الوحيدة الأكثر أهمية في صيانة بطاريات 1A السائلة، يجب دائماً التحقق من البطارية الجديدة كل بضعة أسابيع لتحديد متطلبات إضافة الماء، وهذا يمنع الالكترود من الفشل تحت الطبقات.

1.3.4 إرشادات بسيطة لشحن بطاريات LA:

• يجب القيام بالشحن في منطقة ذات تهوية جيدة وإلا فإن غاز الهيدروجين المتولد خلال الشحن سينفجر.

• يجب اختيار برنامج شحن ملائم للبطارية السائلة، الهلامية وبطارية AGM، ويجب التحقق من محددات المصنعين لعتبات الجهد المطلوبة.

• يجب شحن الـ LA بعد كل استخدام لمنع حصول التكبرت، ولا يجب تخزينها عند شحن منخفض.

• إن الطبقات أو الصفائح في البطاريات السائلة يجب دائماً دمجها في الالكترود. كما يجب ملئ البطارية بماء مقطر أو غير مؤين لتغطية الطبقات في حال انخفاضها، حيث إن ماء الحنفية يمكن تقبله في بعض المناطق، ولكن يجب الانتباه إلى عدم القيام بإضافة الكترود من تلقاء أنفسنا.

• يجب ملئ الماء إلى المستوى المصمم له بعد الشحن، حيث إن زيادة تعبئة الماء عندما تكون البطارية فارغة يمكن أن يسبب انسكاب الحمض لخارج البطارية.

• تشكل فقاعات الغاز في بطاريات LA السائلة يشير إلى أن البطارية وصلت إلى حالة الشحن (الهيدروجين على الطبقة (-) والأوكسجين على الطبقة (+)).

• يجب تقليل الشحن المتقلب أو العائم إذا كانت حرارة البطارية الطبيعية أعلى من 29ºC.

• لا يجب السماح بتجمد البطارية، فالبطارية الفارغة تتجمد بشكل أقرب من المشحونة كلياً، ولا يجب أبداً القيام بشحن بطارية متجلدة.

• يجب عدم القيام بالشحن فوق حرارة 49ºC.

4.4 شحن بطاريات النيكل (Charging Nickel Batteries):

يوصي مصنعي البطاريات بشحن البطاريات من 16 إلى 24 ساعة قبل استخدامها. لأن هذا الشحن يسمح بتوزيع متساوي للشحن على جميع الخلايا في حزمة البطارية. وهذه العملية مهمة جداً لأن لكل خلية في بطارية النيكل نسبة تفريغ ذاتي خاص بها. علاوة على ذلك، أثناء التخزين الطويل يميل الالكترود للانجذاب نحو قاع الخلية والشحن المقطر البدائي يساعد على إعادة توزيع الالكترودات لإزالة البقع الجافة على الفاصل.

إن منتجي البطاريات لا يقومون بتهيئة البطاريات بشكل كامل قبل الشحن. تصل الخلايا إلى الأداء المثالي بعد تهيئتها والتي تتضمن عدة دورات شحن/تفريغ. وهذا جزء من الاستخدام العادي ويمكن إنجازه أيضاً بمحلل البطاريات. إن القراءات المبكرة تكون متناقضة في الأغلب والبطارية ربما تتطلب من 50-100 دورة شحن/تفريغ للوصول إلى أفضل تشكيل. البطاريات الممتازة معروفة بتأديتها للمواصفات الكاملة بعد 5-7 دورات. إن ذروة السعة تقع بين 100-300 دورة، وبعدها يبدأ الأداء بالهبوط بشكل تدريجي.

معظم الخلايا القابلة للشحن لديها منفس أمان والذي يحرر الضغط الفائض في حالة حدوث خطأ في الشحن. وهذا المنفس في بطاريات النيكل يفتح عند ضغط 150-200 psi. إن تحرير الضغط يتم عبر منفس قابل لإعادة الإغلاق وهو لا يسبب أية أضرار، على أية حال، في كل عملية تنفيس، بضع الالكترودات تبدأ بالتطاير والسدادة تبدأ بالتسريب. إذاً يجب ألا يتم إجهاد البطارية إلى حد نقطة التنفيس.

1.4.4 اكتشاف الشحن الكامل عن طريق الشحن الكامل:

إن اكتشاف الشحن الكامل لبطاريات النيكل أكثر تعقيداً من اكتشافه لبطاريات الليثيوم وبطاريات Lead-acid. تستعمل الشواحن الرخيصة في الغالب مبدأ التحسس لدرجة الحرارة من أجل إنهاء الشحن السريع، ولكن هذه العملية قد نكون غير دقيقة. فنواة الخلية تكون أدفأ بعدة مرات من سطحها الخارجي حيث يتم قياس حرارتها، وهذا التأخير الحاصل يسبب زيادة في الشحن. إن مصنعي الشواحن يستخدمون الدرجة المئوية 50ºC كفرق درجة حرارة. بالرغم من أن أي درجة حرارة مطولة فوق الـ 45ºC تكون مؤذية للبطارية، فإن زيادة الاندفاع الحراري السريع يعد مقبولاً طالما أن درجة الحرارة سنتخفض بشكل سريع عند إضاءة زر "الجهوزية".

مع استخدام المتحكمات المصغرة، فإن الشواحن المتقدمة لن تبقى تعتمد على عتبة درجة الحرارة المثبتة، بل ستقوم بتحسس زيادة درجة الحرارة مع مرور الوقت. حيث تعرف أيضاً بالعلاقة dT/dt. بدلاً من انتظار الحصول على درجة الحرارة المطلق، زيادة درجة الحرارة بشكل سريع نحو إنهاء الشحن من أجل إشعال لمبة الجهوزية. إن العلاقة السابقة تبقي البطارية أبرد من طريقة فرق الحرارة الثابت، لكن الخلايا تحتاج إلى شحن سريع إلى حد معقول من أجل التسبب بارتفاع درجة الحرارة. إن إنهاء عملية الشحن تتم عندما تزداد درجة الحرارة بمقدار 1ºC في كل دقيقة. إذا لم تستطع البطارية تحقيق ارتفاع الحرارة هذا، فإن فرق درجة الحرارة المطلقة يتم ضبطه على الدرجة 60 ºC من أجل إنهاء عملية الشحن.

تعتمد الشواحن على درجة الحرارة التي تسبب زيادة شحن ضارة عندما يتم إزالة البطارية المشحونة بشكل كامل وإعادة إدخالها من جديد. وهذه الحالة تحدث في الشواحن الموجودة في العربات والمحطات المكتبية. إن كل إعادة اتصال تبدأ مع دورة شحن سريعة والتي ترفع درجة حرارة البطارية إلى نقطة القدح مجدداً. لبطاريات الليثيوم أفضلية في أن عملية اكتشاف الشحن الكامل تتم عن طريق الجهد. إن إعادة إدخال بطارية الليثيوم يدفع الجهد إلى عتبة الشحن الكامل، ويتم إطفاء الشاحن بعد زمن قليل دون الحاجة إلى خلق توقيع أو إمضاء حراري.

2.4.4 اكتشاف الشحن الكامل عن طريق ومضة الجهد:

إن الشواحن المتقدمة تقوم بإنهاء الشحن عند حدوث ومضة جهد مميزة. وهذا يقدم اكتشاف شحن كامل أكثر دقة لبطاريات النيكل من الاعتماد على طرق درجة الحرارة، مراقبة الوقت والفولطية، إن المتحكم الموجود في الشاحن يبحث عن هبوط الجهد الذي يحدث عند الوصول للشحن الكامل. وهذه الطريقة تسمى NDV.

توفر هذه الطريقة زمن استجابة سريع وتعمل بشكل جيد مع البطاريات المشحونة كلياً أو جزئياً، عند إدخال بطارية مشحونة بشكل كامل، ترتفع الفولطية الطرفية بشكل سريع، ثم ينخفض بشكل حاد ليطلق حالة الجهوزية. الشحن في هذه الحالة يبقى لعدة دقائق فقط والخلايا تبقى باردة. إن شواحن الـ NiCd المبنية على أساس NDV لاكتشاف الشحن الكامل تستجيب نموذجياً لهبوط جهد قدره 10mV لكل خلية.

للحصول على هبوط الجهد السابق، فإن نسبة الشحن يجب أن تكون 0.5C أو أعلى. إن الشحن الأبطئ ينتج هبوط أقل تمييزاً وأصعب في القياس، خصوصاً إذا كانت الخلايا غير متوائمة. في هذه الحالة، كل خلية في المجموعة غير المتوائمة تصل لحالة الشحن الكامل في أزمنة مختلفة ومنحني الجهد يتسطح خارجاً.

إن الفشل في إنجاز ميل سلبي كافي يسمح للشحن السريع بالاستمرار. لمنع حصول هذا، معظم الشواحن تدمج الـ NDV مع كاشف سطح الجهد المستوي والذي ينهي الشحن عنما يبقى الجهد في حالة ثابتة لوقت يتم إعطائه. لمزيد من الأمان، معظم الشواحن المتقدمة تتضمن تغير في درجة الحرارة dT، درجة الحرارة المطلقة ومؤقت فترة الاستراحة.

تعمل الـ NDV بشكل أفضل مع الشحن السريع. إن الشحن السريع يحسن أيضاً من كفاءة الشحن. عند نسبة شحن 1C، فإن كفاءة الشحن لشاحن NiCd تبلغ 91%، وزمن الشحن بحدود ساعة (66 دقيقة عند كفاءة شحن مفترضة من 91%). البطارية التي تشحن جزئياً أو التي تخفض سعتها بسبب نقصان عمرها سيكون لديها زمن شحن أقصر لأنه أقل من مستوى الشحن خلال الكلي. بالمقارنة، فإن الكفاءة للشاحن البطيء تنخفض إلى 71%. عند نسبة شحن 0.1C، زمن الشحن يكون بحدود 14 ساعة.

خلال الـ 70% الأولى من الشحن، فإن كفاءة الشحن للـ NiCd تقترب من النسبة 100%، حيث تمتص البطارية تقريباً كل الطاقة والمجموعة تبقى باردة. بطاريات NiCd المصممة من أجل الشحن السريع يمكن شحنها بتيارات تبلغ عدة نسب C وبدون ارتفاع حرارة كبير. الشواحن فائقة السرعة تستخدم هذه النوعية وتصل لشحن بحدود 70% خلال عدة دقائق. إن الشحن الكامل يجب إنجازه مع تيار مقنن.

الشكل 5.4 يشرح العلاقة بين جهد وضغط الخلية وبين درجة حرارة الشحن للـ NiCd. نلاحظ أن سلوك الشحن المثالي تقريباً تبلغ 70%، بعد ذلك تفقد البطارية قدرتها على تقبل الشحن. حيث تبدأ الخلايا بتوليد الغازات، يرتفع الضغط وتزداد الحرارة بسرعة. في محاولة لكسب بعض نقاط السعة الإضافية، بكل البضع الأحوال، بعض الشواحن تسمح بكمية محدودة من زيادة الشحن.

إن بطاريات NiCd ذات السعة العالية جداً تميل إلى التأثر بالحرارة أكثر من بطاريات NiCd القياسية عند نسبة 1C وأعلى، وهذا يعود جزئياً إلى المقاومة النوعية العالية. إن تطبيق تيار عالي عند بداية الشحن ومن ثم تضاؤله إلى نسبة أخفض فإن قابلية للشحن تنقص احتمال الحصول على نتائج جيدة مع جميع بطاريات النيكل. هذا يعدل ارتفاع درجة الحرارة الفائضة بينما يتم ضمان الشحن الكامل للبطارية

إن تبعثر نبضات التفريغ بين نبضات الشحن هو عملية معروفة لتحسين تقبل الشحن في بطاريات النيكل. وهذه العملية تعرف بـشحن "الحمل العكسي"، تساعد هذه الطريقة في إعادة اتحاد الغازات المتولدة خلال الشحن. والنتيجة شحن أبرد و أكثر كفاءة من شواحن الـ DC التقليدية.

بعد اكتمال الشحن، تستقبل بطاريات النيكل كادميوم شحن مقطر بين 0.05C و 0.1C وذلك للتعويض عن التفريغ الذاتي. لتقليل زيادة الشحن المحتملة، يميل مصممو الشواحن إلى تقليل تيار الشحن المقطر. بالرغم من أن الشحن المقطر يقاس بعناية، قمن الأفضل عدم ترك بطاريات النيكل في الشاحن لأكثر من بضعة أيام. حيث تزال البطاريات ويتم إعادة شحنها قبل استعمالها.

شحن بطاريات NiCd السائلة:

يتم شحن هذه البطاريات بجهد شحن بحدود 1.55V/Cell. بعد ذلك يتم إنقاص التيار إلى النسبة 0.1C ويستمر الشحن حتى الوصول إلى القيمة 1.55V/Cell. عند هذه النقطة، يتم تطبيق الشحن المقطر ويسمح الجهد بالعوم بحرية. إن فولطيات الشحن الأعلى لكن ذلك يولد غازات فائضة ويسبب نضوب ماء سريع.

شحن بطاريات هدريد النيكل المعدني:

إن خوارزمية شحن بطاريات NiMH مشابهة لبطارية NiCd ولكن مع تعقيد أكثر، إن طريقة لقياس اكتمال الشحن تظهر فقط هبوطاً ضعيفاً في الجهد، خصوصاً أثناء شحنها بنسبة أقل من 0.5C. إن الـ NDV في بطاريات NiMH يجب أن تستجيب غلى هبوط الجهد لكل 5mV/cell. ضمان شحن موثوق، فإن شواحن NiMH يجب أن تتضمن ترشيح الكتروني لتعويض تقلبات الجهد والضجيج المتحرضة بوساطة الشاحن والبطارية. الشواحن الحديثة تحقق ذلك عن طريق دمج الـ NDV، هضبة الجهد، تغير الحرارة بالنسبة للزمن dT/dt، عتبة درجة الحرارة ومؤقتات فترة الاستراحة في خوارزمية كشف اكتمال شحن واحدة. وهذه المكونات تستعمل نمط تحديد الأفضلية الذي تحدده ظروف تشغيل البطارية. العديد من الشواحن تتطلب 30min شحن أعظمي بنسبة 0.1C لإضافة بعض نقاط نسبوية للشحن الإضافي.

بعض الشواحن المتقدمة تطبق شحن سريع بدائي بنسبة 1C. وعند الوصول إلى عتبة جهد محددة، يتم إضافة بضعة دقائق راحة، تسمح للبطارية بأن تبرد. يستمر الشحن عند تيار أقل ويتم تطبيق تيارات أخفض بشكل أكبر كلما تقدمت عملية الشحن. يستمر هذا المخطط حتى شحن البطارية بالكامل. ويعرف هذا النمط بما يسمى "شحن فرق الخطوة". وتعمل هذه الطريقة بشكل جيد من أجل بطاريات النيكل الأساسية.

إن الشواحن التي تستخدم الخطوة التفاضلية أو أي طرق الشحن الأخرى الأكثر حدية تحقق ربحاً بالسعة بحدود 6% أكثر من الشواحن الأساسية، إن هذه الزيادة لا يمكن أن تتم بدون زيادة شحن مرهقة. بالرغم من أن السعة الأعلى تكون مرغوبة أكثر، فإن شحن البطارية إلى أعلى قيمة له تأثير سلبي على حياة البطارية. وبدلاً من إنجاز 350-400 دورة خدمة متوقعة، فإن الشحن الحاد قد يستنزف المجموعة بعد 300 دورة فقط.

لا يمكن لبطاريات NiMH أن تمتص كل زيادة في الشحن بشكل جيد كما أن الشحن المقطر يتم ضبطه على القيمة 0.05C. بالمقارنة، فإن الشحن المقطر لبطاريات NiCd الأقدم يشحن عند نسبة 0.1C.، وهي ضعف النسبة السابقة. إن الاختلافات في عملية الشحن المقطر والحاجة إلى كشف اكتمال شحن أكثر حساسية يجعل بطاريات شاحن NiCd الأصلي غير ملائم لبطاريات NiMH.إن استخدام بطارية NiMH مع شاحن NiCd يسبب ارتفاع حراري للبطارية والشاحن، ولكن استخدام بطاريات NiCd مع شواحن NiMH يؤدي عملاً جيداً لأن الشحن المقطر الأخفض يكون كافي أيضاً للـ NiCd.

من الصعب أو من المستحيل، إبطاء شحن بطارية NiMH. فعند نسبة تتراوح من 0.1C إلى 0.3C، فإن تحليلات الجهد و درجة الحرارة تفشل في تمييز خصائص البطارية من أجل قياس حالة الشحن الكامل بشكل أدق، والشاحن هنا يجب أن يعتمد على مؤقت زمني. إن زيادة الشحن الضارة ستحدث إذا قام المؤقت المثبت بالتحكم بعملية الشحن. وهذا يظهر بشكل خاص عند الشحن الجزئي أو البطاريات الممتلئة الشحن.

يحدث نفس السيناريو إذا فقدت البطارية سعتها بسبب التقدم في العمر وبالتالي يمكنها فقط الاحتفاظ بنصف قيمة السعة. جوهرياً، فإن البطارية تنكمش كهربائياً إلى نصف حجمها بينما يتم برمجة المؤقت الثابت على تطبيق نسبة شحن 100% بدون الأخذ بعين الاعتبار ظروف البطارية. في معظم الحالات تسبب زيادة الشحن تسخين البطارية، ولكن هذا ليس صحيحاً في حالة شواحن الـ NiMH السيئة، فهذه الأخيرة قادرة على إجراء زيادة الشحن للبطارية بدون زيادة حرارية. عند نسبة شحن منخفضة بما فيه الكفاية، فإن الـ NiMH يمكن أن تبقى باردة كلياً رغم تطبيق زيادة في الشحن عليها.

إن مستخدمي البطاريات في الأغلب يستاؤون من حياة الخدمة الأقصر من المتوقع للبطاريات، ولكن ينسى معظمنا أن المشكلة قد تكون في الشاحن، فالشواحن منخفضة السعر خصوصاً معرضة لشحن خاطئ. فإذا تم استعمال شاحن فقط وأردنا تحسين أداء البطارية، فإننا نقوم بتخمين حالة شحن البطارية والسعة ونقوم بضبط زمن الشحن وفقاً لذلك. يجب إزالة البطاريات عند الشعور بامتلائها. إن كان الشاحن يقوم بالشحن عند نسبة شحن عالية، يجب القيام بعملية مسح حراري. فالحالة الفاترة تشير إلى أن البطارية ربما قد يكون تم شحنها بشكل كاف ويجب إزالتها. من الأفضل أن تتم إزالة البطاريات من الشاحن ومن ثم إعادة شحنها قبل كل استعمال بدلاً من تركها طوال الوقت في الشاحن.

يجب ملاحظة أن بعض بطاريات النيكل تسخن خلال الشحن ويعود ذلك بشكل جزئي للمقاومة الداخلية العالية. كما هي الحالة التي تكون فيها البطارية دافئة الملمس حتى لو كانت مشحونة جزئياً، فإن هناك بطاريات أخرى يمكن أن تكون مكتملة الشحن وتبقى باردة. إن شحن بطاريات الـ NiMH و الـ NiCd بشاحن رخيص لا يمكن أن يحقق النتائج المرجوة منه، ومن الأفضل عدم شحن البطاريات أكثر من اللازم. يجب إزالة البطاريات عند الإحساس باكتمال شحنها وإعطائها شحن سريع قبل الاستخدام.

3.4.4 بعض الإرشادات حول شحن بطاريات النيكل:

• إن الشواحن المستهلكة لا تقوم دائماً بإنهاء عملية الشحن بشكل صحيح. حيث يجب إزالة البطارية عند الإحساس باكتمال شحنها.

• يجب عمد القيام بالشحن عند درجات حرارة عالية جداً أو تحت مستوى التجمد. فدرجة حرارة الغرفة هي الأفضل.

• لا تستخدم شواحن ترهق البطاريات. وإن لم يكن هناك من بديل، قم بالشحن تحت إشراف مستمر وقم بإزالة البطارية عند الإحساس بدفء ملمسها.

• إن أفضل شحن لبطاريات النيكل هو الشحن السريع، إن إطالة الشحن البطيء تسبب حدوث "ذاكرة للبطارية".

• تحت نسبة 70%، يكون مردود الشحن لبطارية NiMH صناعية قريب من نسبة 100%، البطارية ومجموعتها تبقيان بادرتين.

• ليست جميع أنواع بطاريات NiMH تتمتع بشحن سريع، إن الحرارة الفائضة المتجمعة سببها تيار الشحن المرتفع جداً، أو الشحن الزائد أو التقدم في العمر.

• تستطيع شواحن NiMH شحن بطاريات NiCd، وهذا غير صحيح على الجانب الآخر، إن شواحن NiCd الأصلية قد تسبب زيادة شحن.

• إن بطاريات النيكل والليثيوم تتطلب خوارزميات شحن مختلفة. مالم يتم وضع شروط، وهذه الكيميائيات لا تستطيع أن تتشارك نفس الشاحن.

5.4 شحن بطاريات ليثيوم أيون (Charging Lithium ion Batteries):

إن شحن وتفريغ بطاريات الليثيوم هو عملية كيميائية، لكن بطارية الليثيوم أيون حققت استثناءً لهذه القاعدة، حيث يشرح علماء البطاريات عن أن الطاقات المتدفقة الداخلة والخارجة هي جزء من حركة الأيونات بين المصعد والمهبط. وهذا الادعاء له استحقاقات، ولكن إن كان العلماء محقون فإن البطارية ستعمل للأبد، وهذا تفكير خاطئ.

إن شاحن بطاريات الليثيوم هو تجهيزة محدودة الجهد وهي تكون مشابهة لأنظمة الـLA. إن خطوط الاختلاف تكمن في الجهد الأعلى لكل خلية، إمكانية تحمل الجهد أشد والشحن المتقلب يكون معدوماً عند اكتمال الشحن.

فبينما تظهر بطاريات LA بعض المرونة في فرق لجهد، فإن مصنعي خلايا الليثيوم صارمين جداً في ضبط الإعدادات الصحيحة لليثيوم لأن الليثيوم لا يمكنها تقبل الشحن الزائد.

إن نظام الليثيوم هو نظام واضح ويأخذ فقط ما يمكنه امتصاصه وأي شيء إضافي سيسبب الإجهاد.

معظم الخلايا تشحن لـ 4.20V/cell مع تحمل بحدود ±50mV/cell. إن الجهود الأعلى تسبب زيادة في السعة. ولكن تأكسد الخلية الناتج سيقلل من عمر الخدمة.

الأكثر أهمية هنا هو اعتبار الأمان إذا تجاوز عتبة 4.20V/cell. الشكل 6.4 يوضح إشارة الجهد والتيار التي تمررها الليثيوم خلال المراحل من أجل تيار ثابت وشحن أعظمي.

يكتمل شحن بطاريات الليثيوم عند هبوط التيار إلى مستوى محدد مسبقاً خارج نهاية المرحلة الثانية، وفي حالة الشحن المقطر، فإن بعض الشواحن تطبق شحناً أعظمياً عند هبوط الجهد إلى 4.05V/cell (المرحلة الرابعة).

إن نسبة الشحن لمستهلك نموذجي لبطارية ليثيوم-أيون تتراوح بين 1C و 0.5C في المرحلة الأولى، وزمن الشحن بحدود 3 ساعات.

يطلب مصنعو الخلية 18650 شحنها عند نسبة 0.8C أو أقل، حيث إن كفاءة الشحن تصل من 97% إلى 99% والخلية تبقى باردة خلال الشحن.

إن بعض مجموعات LI-ion تسبب ارتفاع حرارة قدره 5ºC عندما تصل للشحن الكامل وهذا سببه دارة الحماية و/أو المقاومة الداخلية المرتفعة.

يحصل الشحن الكامل عند وصول البطارية لعتبة الجهد وعندما يهبط التيار إلى 3% من التيار المقدر. ويمكن اعتبار البطارية أيضاً مشحونة بالكامل إذا كانت مستويات التيار مفصولة أو متوقفة ولا بمكنها الهبوط أكثر من ذلك، حيث إن ارتفاع التفريغ الذاتي ربما يكون هو السائد في هذه الحالة.

لا تحتاج بطاريات الليثيوم إلى الشحن الكامل، لأن الجهود المرتفعة تجهد البطارية. إن اختيار عتبة جهد أقل، أو إزالة حالة تشبع الشحن معاً، يزيد من عمر البطارية لكنه يقلل زمن التشغيل. وبما أن سوق الاستهلاك تميل نحو أزمنة التشغيل العظمى، فإن هذه الشواحن تتجه نحو السعات العظمى للبطاريات أكثر من توجهها نحو تمديد حياة خدمة البطاريات.

بعض الشواحن التجارية منخفضة التكلفة ربما تستخدم نظرية مبسطة (اشحن وشغل)، حيث تقوم بشحن بطارية الليثيوم خلال ساعة أو أقل دون المرور بمرحلة تشبع الشحن الثانية.

تظهر عبارة الجهوزية عندما تصل البطارية لعتبة الجهد في المرحلة الأولى، وبما أن حالة الشحن عند هذه النقطة هي حوالي 85% فقط، فإن المستخدم يتذمر من زمن الشحن القصير، وبدون أن يعرف أن الملام الأول هنا هو الشاحن.

العديد من البطاريات المكفولة والمضمونة بدأت تستبدل لهذا السبب، حيث إن هذه الظاهرة معروفة بشكل خاص في صناعة الهواتف الخلوية.

إن تجاوز الشحن الكامل له فوائد، وبعض المصنعين يضبطون عتبة الشحن بشكل أخفض على التجهيزة من أجل إطالة عمر البطارية.

الجدول 3.4 يشرح السعات المتوقعة عند شحنها بعتبات جهود مختلفة مع أو بدون شحن مشبع.

إن إضافة إشباع كامل عند الجهد المضبوط يعزز من السعة بحوالي 10% لكنه يضيف معه إجهاداً أكبر بسبب الفولطية العالية. عند شحن البطارية لأول مرة، يرتفع الجهد بسرعة، وهذا السلوك يمكن مقارنته بترك حمل ثقيل موصول برباط مرن. جهد شحن البطارية سوف يضبط فقط عندما تشحن البطارية بالكامل، بالنظر للشكل 3 نلاحظ خصائص الشحن النموذجية لكل أنواع البطاريات.

لا يمكن لبطاريات الليثيوم امتصاص زيادة الشحن، وعند شحنها بالكامل فإن تيار الشحن يجب قطعه. إن الشحن المقطر المستمر يسبب ترسب الليثيوم المعدني، وهذا قد يسبب ضرراً بأمان البطارية.

لتقليل الإجهاد، يجب المحافظة على بطاريات الليثيوم عند جهد ذروة 4.20V/cell في أقصر وقت ممكن.

يتفق مستخدمو البطاريات الاحترافيين على أن شحن بطاريات الليثيوم أبسط وأكثر تقدماً من أنظمة الـ NiCd. بالإضافة إلى قدرتها على تحمل زيادة الجهد، فإن دارات الشحن بسيطة نسبياً.

إن الجهد المحدود والتيار المنخفض الملاحظ في القدح يكون تحليله أسهل من تحليل الإشارات المعقدة التي يمكن أن تتغير مع تقدم عمر البطارية. إن تيارات الشحن في الليثيوم أقل حرجاً وأكثر تفاوتاً بشكل واسع.

1.5.4 زيادة شحن بطاريات الليثيوم:

تعمل بطاريات الليثيوم بشكل آمن مع جهود التشغيل المصممة، على أية حال، تصبح البطارية غير مستقرة إذا شحنت بشكل غير مقصود بأعلى من الجهد المحدد.

إن إطالة الشحن فوق 4.30V يشكل ترسباً لليثيوم المعدني على المصعد، بينما تصبح مادة المهبط الوسيطة مؤكسدة، غير مستقرة وتنتج غاز CO2، ويرتفع ضغط الخلية، وإذا سمح بالشحن باستمرار فإن تجهيزة المقاطعة الحالية المسؤولة عن أمان الخلية تفصل التيار عند ضغط (200psi).

2.5.4 زيادة تفريغ بطاريات الليثيوم:

لا يجب تفريغ بطاريات الليثيوم إلى درجة منخفضة جداً، حيث هناك العديد من معايير الأمان التي تمنع حدوث ذلك، فالتجهيزة تفصل مباشرة عندما يصل تفريغ البطارية إلى 3.0V/cell.

إذا استمر التفريغ إلى حدود 2.70V/cell أو أقل، فإن دارة حماية البطارية تضع البطارية في وضعية الإسبات، ولمنع البطارية من الوصول لمرحلة الإسبات، يتم تطبيق شحن جزئي قبل فترة الشحن الطويلة.

يجب عدم إعادة شحن بطارية الليثيوم إذا بقيت الخلية عند أو تحت جهد 1.5V لأكثر من أسبوع، لأن نحاس المتحول قد يتشكل داخل الخلايا وهذا يمكن أ ن يقود إلى قصر كهربائي جزئي أو كامل.

إن مجموعات الليثيوم أيون والت تحت مستوى الإجهاد تكون أكثر حساسية للتأثيرات الميكانيكية عليها، كالاهتزاز، السقوط، والتعرض للحرارة.

3.5.4 إرشادات بسيطة لشحن بطاريات الليثيوم:

• يجب إطفاء التجهيزة المحمولة أثناء الشحن، لأن هذا يسمح للبطارية من الوصول لعتبة الشحن الحرجة ويعكس استجابة تيار الإشباع الصحيحة لإنهاء الشحن، حيث إن الأحمال المتطفلة يشوش الشاحن.

• يجب الشحن عند حرارة معتدلة، ويجب عدم الشحن تحت درجة التجمد.

• لا تحتاج هذه البطارية لشحن كامل، فالشحن الجزئي أفضل لها.

• تستخدم الشواحن طرقاً مختلفة لإظهار حالة الجاهزية، فالإشارة المضاءة لا تشير دائماً إلى حالة الشحن الكامل.

• يجب التوقف عن استعمال الشاحن و/أو البطارية إذا تعرضت البطارية لحرارة مفرطة.

• قبل التخزين طويل الأمد، يجب تطبيق بعض الشحن على المجموعة بحوالي نصف قيمة الشحن الكامل.

• البطاريات ذات التفريغ الزائد يمكن تعزيزها أو إعادة إحيائها للعمل من جديد، يجب التخلص من المجموعة إذا لم يرتفع الجهد إلى المستوى الاسمي خلال دقيقة من عملية التعزيز.

6.4 الشحن في درجات الحرارة العالية والمنخفضة (Charging at L&H temp):

تعمل البطاريات القابلة لإعادة الشحن في مجال حراري واسع ولكن هذا لا يعطيها الرخصة لشحنها في درجات الحرارة المتطرفة. البرودة المفرطة والحرارة العالية تنقصان من تقبل الشحن، والبطارية يجب وضعها في شروط درجة حرارة معتدلة قبل الشحن.

تقنيات البطاريات الأقدم، كتقنيات Lead-acid و NiCd، لديها تحمل أعلى لعملية الشحن من الانظمة الحديثة ويمكن شحنهم تحت درجة التجمد مع خفض بنسبة 0.1C. وهذا غير ممكن مع معظم أنظمة NiMH و Li-ion.

الجدول 4.4 يلخص درجات حرارة الشحن والتفريغ الجائزة لبطاريات Lead-acid، NiCd، NiMH، و Li-ion. تستثنى البطاريات الخاصة المصممة لعمليات الشحن المثالية خارج هذه البارامترات.

يمكن تفريغ البطاريات ضمن مجال حراري واسع ولكن هذا غير مقبول بالنسبة للشحن. من أجل الحصول على أفضل النتائج، قم بالشحن بين 10°C و 30°C. وانتبه إلى أن تيار الشحن ينخفض في الجو البارد.

1.6.4 الشحن عند درجة الحرارة المنخفضة:

الشحن السريع لمعظم البطاريات يكون محدوداً بين درجة حرارة من 5-45°C، ومن أجل أفضل النتائج يتم تضييق عرض المجال الحراري بين 10°C و 30°C. إن بطاريات NiCd هي أكثر البطاريات سماحية لتقبل الشحن عند درجات الحرارة المنخفضة، على أية حال، عند الشحن تحت الدرجة 5°C، فإن القدرة على الاتحاد بين الهيدروجين والأوكسيجين تقل. إذا تم شحن بطاريات NiCd و NiMH بشكل سريع جداً، فإن الضغط الداخلي سيبدأ بالتنفيس. وليس فقط تسرب الغازات سيكون سبب هبوط الكتروليتية البطارية، كذلك فإن الهيدروجين المتصاعد يكون سريع الاشتعال. إن تيار الشحن لجميع أنواع بطاريات النيكل يجب أن ينخفض إلى 0.1C تحت درجة التجمد.

إن شواحن بطاريات النيكل مع تقنية اكتشاف NDV "الشحن الكامل" تقدم بعض الحماية عند الشحن السريع لها في درجات الحرارة المنخفضة. إن تقبل الشحن السيء الناتج يحاكي بطارية مشحونة بشكل كامل. وهذا جزئياً سببه الضغط المعزز والذي سببه مشاكل إعادة اتحاد الغاز. ارتفاع الضغط وهبوط الجهد عند الشحن الكامل تصبح عملية مترادفة في هذه البطاريات.

من أجل تمكين الشحن السريع في جميع درجات الحرارة، أغلب البطاريات الصناعية تتضمن مخمد حراري والذي يسخن البطارية إلى درجة حرارة مقبولة، الشواحن الأخرى تقول بتعديل معدل الشحن للتغلب على درجة الحرارة. شواحن المستهلكين لا تمتلك هذه التدابير والمستخدمون يجب عليهم صنع جميع المحاولات ليتمكنوا فقط من شحن بطارياتهم عند درجة حرارة الغرفة.

لبطاريات الـ Lead-acid سماحية معينة إلى حد معقول عندما تصل إلى درجات الحرارة المتطرفة، كما نعلم من بطاريات بدء التشغيل في سياراتنا. وجزء من هذا التحمل هو سلوكها البطيء. إن نسبة الشحن المطلوبة عند درجات الحرارة المنخفضة هي 0.3C، والتي هي نفسها تقريباً في الشروط تحت الطبيعية. في درجات الحرارة المريحة أي الدرجة 20°C، التسمم بالغاز يبدأ عند جهد 2.415V/Cell، وبتخفيض درجة الحرارة إلى -20°C، فإن جهد التسمم بالغاز يرتفع إلى 2.97V/Cell.

لا تقم بتجميد بطارية Lead-acid. لأن ذلك ربما يسبب ضرراً دائماً. يجب علينا دائماً المحافظة على البطاريات مشحونة بشكل كامل. في حالة التفريغ فإن الالكتروليت يصبح أكثر شبهاً بالماء ويتجمد بشكل أبكر من حالة الشحن الكامل للبطارية. وفقاً للبـ BCI، الوزن النوعي بنسبة 1.15 له درج حرارة تجمد من -15°C.وهذا يقارن بنسبة 1.265 من بطارية بدء تشغيل كاملة الشحن. إن بطاريات Lead-acid المشبعة تتجه إلى كسر حالتها والتسبب بالتسريب عند التجمد، إن مجموعات الـ Lead-acid المغلقة تفقد فعاليتها وتسلم فقط بضعة دروات عمل قبل أن يصبح استبدالها ضرورياً.

تقدم بطاريات Li-ion أداءً جيداً في الشحن إلى حد معقول عند درجات الحرارة المعتدلة وتسمح بعملية الشحن السريع ضمن مجال حراري بين 5°C-45°C. تحت الـ 5°C، ينخفض تيار الشحن، ولا يمكن السماح لعملية الشحن أن تتم عند درجة التجمد. خلال الشحن، مقاومة الخلية الداخلية تسبب ارتفاع طفيف في درجة الحرارة والذي يعوض قليلاً من البرود الموجودة. في جميع البطاريات، ترفع درجات الحرارة الباردة المقاومة الداخلية للبطاريات.

العديد من مستعملي بطاريات Li-ion غافلون عن كون بطاريات Li-ion غير قابلة للشحن تحت الدرجة 0°C. وذلك على الرغم من أن مؤشر الشحن يظهر تقدم عملية الشحن بشكل طبيعي، إن عملية التصفح لليثيوم المعدني يمكن أن تحدث على مصعد البطارية عند الشحن في درجة حرارة تحت مستوى التجمد. وهذا التصفح يصبح دائم ولا يمكن إزالته بعملية تدوير البطارية. بطاريات الليثيوم التي تواجه هذه الحالة تصبح أكثر عرضة للفشل إذا تعرضت للاهتزاز أو أي من شروط الإجهاد الأخرى. الشواحن المتقدمة، والتي تصنعها شركة Cadex، تمنع شحن بطاريات Li-ion تحت درجة التجمد.

مصنعو البطاريات ما زالوا يواصلون البحث عن الطرق لشحن بطاريات Li-ion تحت مستوى التجمد، والشحن بنسبة منخفضة في الحقيقة ممكن في معظم خلايا Li-ion، على أية حال، هذا خارج عن حدود النوعية لمعظم منتجات المصنعين. إن الشحن في الحرارة المنخفضة يجب أن يعنون على أساس حالة-إلى-حالة وسيكون بذلك تابعاً للمصنّع والتطبيق. طبقاً للمعلومات المستقبلة من مراكز البحث في الجامعات، فإن نسبة الشحن المسموحة عند حرارة -30°C هي 0.02C. وعند هذا التيار المنخفض، بطارية Li-ion بسعة 1000mAh يمكن شحنها فقط عند تيار 20mAh، وهذا يمكن أن يأخذ أكثر من 50 ساعة للوصول إلى تمام الشحن.

بعض خلايا الـ Li-ion التي تم تطويرها من أجل أدوات القدرة والتطبيقات الالكترو-فولتية EV يمكن شحنها عند درجات حرارة أقل من -10°C عند نسبة منخفضة. وللشحن عند نسبة أعلى، فإن أنظمة الـ Li-ion الخاصة بأنظمة الدفع الآلية تتطلب بطانية حرارية. بعض السيارات الهجينة توزع هواء حجرة دافئ عن طريق البطاريات وذلك من أجل رفع حرارة البطاريات، بينما السيارات الكهربائية عالية الأداء تقوم بتسخين وتبرد البطارية عن طريق سائل معين.

2.6.4 الشحن عند درجات الحرارة المرتفعة:

الحرارة هي أكثر أعداء البطاريات سوءاً، وذلك يتضمن Lead-acid. يتم إضافة تعويض حراري إلى شاحن Lead-acid من أجل تعديل التفاوت الحراري والذي يطيل من عمر البطارية بنسبة 15%. إن التعويض المطلوب هو 3mV لكل خلية ولكل درجة حرارة يتم تطبيقها على معامل السلبية، وهذا يعني هبوط عتبة الجهد وزيادة درجة الحرارة. على سبيل المثال، إذا كان الجهد العائم المستمر مجهزاً على 2.30V/Cell عند حرارة 25°C، فإن الإعدادات المطلوبة ستصبح 2.27V/cell عند حرارة 35°C و 2.33V/cell عند حرارة 15°C. وهذا يمثل تصحيح بحدود 30mV لكل خلية عند حرارة 10°C.

الجدول 5.4: يشير إلى جهد الذروة المثالي عند درجات حرارة متفاوتة عند شحن بطاريات Lead-acid، والجدول أيضاً يتضمن الجهد العائم المطلوب أثناء تفعيل النمط الاحتياطي.

إن شحن بطاريات النيكل عند درجات الحرارة المرتفعة يخفض من توليد الأوكسجين، والذي يقلل من عملية تقبل الشحن. إن عملية تسخين البطارية هي عملية مخادعة حيث تجعلك تعتقد بأن البطارية تم شحنها بالكامل وفي الواقع هي ليست كذلك.

الشكل 8.4: يبين انخفاضاً قوياً في كفاءة الشحن فوق درجة الحرارة 30°C. عند الـ 45°C، البطارية تستطيع قبول 70% فقط من قدرتها الكاملة، عند 60°C، تقبل الشحن ينخفض إلى 45%. الــ NDV من أجل كشف الشحن الكامل يصبح معدوم الموثوقية عند درجات الحرارة الأعلى والتحسس لدرجة الحرارة يكون ضرورياً من أجل عملية الاستعادة. إن الأنواع الجديدة للبطاريات كبطارية NiMH تؤدي بشكل أفضل من بطاريات NiCd عند درجات الحرارة الأعلى.

إن الحرارة المرتفعة تقلل من قبول الشحن عند 55°C، بطاريات NiMH التجارية لها كفاءة شحن بين 35-40%، والأنواع الأحدث للـ NiMH تحقق ما بين 75-80%.

إن بطاريات Li-ion تؤدي بشكل أفضل عند درجات الحرارة المرتفعة، على أية حال، إطالة التعرض للحرارة يخفض من عمر البطارية. إن كفاءة الشحن هي بحدود 97-99%، بغض النظر عن درجة الحرارة. في الواقع، فإن الحرارة العالية تزيد من كفاءة الشحن بشكل طفيف عن طريق تحسين المقاومة الداخلية للبطارية.

هناك تقييدات خاصة ببطاريات الليثيوم. تملي اعتبارات الأمان لبطاريات الليثيوم بأن تبقى ضمن الحدود النوعية وذلك بسبب إمكانية وجود الفاقد الحراري أثناء حدوث الإجهاد. إن بطارية الليثيوم المشحونة بشكل كامل هي أكثر حساسية للفاقد الحراري مقارنة في حالة تفريغها الكامل، إن درجة حرارة الفاقد الحراري تنخفض مع زيادة الشحن. بالرغم منذ لك، إن بطاريات الليثيوم الخاصة تخدم التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية بشكل مؤقت، وأدوات التعقيم الجراحية التي تعقم بالبخار عند حرارة 137°C،...الخ.

7.4 الشحن من منفذ USB (Charging from a USB Port):

إن المنفذ التسلسلي العالمي تم تقديمه في العام 1996، وبعدها أصبح من أكثر التجهيزات الالكترونية انتشاراً وسهولة في الاستعمال. إن منفذ الـ USB هو منفذ ثنائي الاتجاه والذي يوفر تزويد بالجهد لتشغيل رقاقات الذاكرة ، لوحة المفاتيح، الفأرة، الوصلات اللاسلكية، الكاميرات، مشغلات mp3 والشواحن.

مع جهد 5V وتيار 500mA، فإن منفذ الـ USB يمكنه شحن خلية ليثيوم أيون صغيرة، ولكن هنالك خطر يكمن في تحميل محور المنفذ عند ربطه مع الكثير من الأدوات. إن إدخال الشاحن الذي يقوم بسحب تيار الـ 500mA من المنفذ سوية مع التجهيزات الأخرى سيسبب تجاوز تيار المنفذ، ويقود بذلك إلى هبوط الجهد وحتى فشل النظام. لمنع زيادة التحميل، بعض الـ Hosts تتضمن دارات تحديد تيار والتي تقوم بإيقاف تشغيل التجهيزة عند زيادة سحب التيار. وهناك طريقة أخرى هي تحديد التيار لجميع الملحقات بتيار 400mA وحجز 100mA للاحتياط.

إن معظم شواحن منفذ الـ USB مصممة من أجل خلية ليثيوم واحدة. حيث يبدأ الشحن بتيار ثابت لغاية الحصول على جهد 4.20V/Cell، وعند هذه النقطة يكتمل الجهد ويبدأ التيار بالتناقص. وبسبب هبوط الجهد في الكابل، والذي يبلغ حوالي 350mV، وبسبب الخسارات في دارة الشحن، فمن المحتمل ألا تتمكن قيمة جهد المنفذ 5V من شحن البطارية إلى حد عتبة الجهد 4.20V. وهذه ليست مشكلة، لأن البطارية لن تتأذى، ولكنها ستسلم قدرة بزمن أقصر من المتوقع.

يملك منفذ الـ USB أربع بنات توصيل ودرع. إن الوصلة البن أقصى اليمين ذو الرقم 1 يحمل جهد 5V، والبن في أقصى اليسار ذو الرقم 4 هو الأرضي. إن البنين الأقصر في الوسط محجوزان لنقل البيانات وليس لهما وظيفة في شاحن الـ USB. الشكل 9.4 يشرح النوع المستطيل للمنفذ التسلسلي.

إن الوصلات المتوفرة الت تقوم بتحويل قداحة السجائر إلى المنفذ لشحن الهاتف الخلوي في السيارة. أيضاً يمكننا شحن هاتفنا الخلوي من منفذ الـUSB للحاسب المحمول. يجب ملاحظة أن المنفذ يخرج الطاقة فقط ولا يستلم أي طاقة من أي مصدر طاقة خارجي. باختصار، تتدفق القدرة للخارج فقط.

8.4 رقائق الشحن (Charger Chips):

ظهرت أول هذه الرقاقات في العام 1980م، مع ظهور بطاريات NiMH و Li-ion والتي تحتاج لخوارزميات شحن خاصة، ومنذ ذلك الوقت بدأت هذه الرقاقات بخدمة أكثر تجهيزات الشحن الأساسية.

على الرغم من سهولة استخدامها، فإن لها محدوديات، فمعظمها يملك خوارزمية شحن ثابتة لا تلائم الاستخدام الخاص، كما أنها لا تمتلك خاصية التعزيز أو إعادة إحياء البطارية من جديد عند دخولها في نمط الإسبات.

استمرت هذه الحال حتى حلت المتحكمات الصغرية مكان رقائق الشحن، و على الرغم من أن كلفة التصميم أعلى بسبب البرمجة. فإن كلفة التصنيع كانت متوافقة مع رقائق الشحن. "يجب التذكير بأن رقاقة الشحن أو المتحكم الصغري يشكلون جزءاً صغيراً فقط من دارة الشاحن". كما أن معظم الكلفة يكمن في المكونات الملحقة، والتي تتضمن مفاتيح الحالة الصلبة ومزودات القدرة.

9.4 الشحن مع مصدر قدرة (Charging with Power Source):

بالمعرفة التقنية، يمكن شحن البطاريات بشكل يدوي مع مصدر قدرة يعطي قابلية تعديل تيار-جهد محدود للمستخدم. يجب التنويه هنا إلى أن الشحن اليدوي لا يمكن تركه بدون مراقبة، فانتهاء الشحن ليس آلياً هنا. حيث يجب مراقبة حالة الشحن طبقاً لسلوك الجهد والتيار. يجب تخفيض جهد الشحن أو فصل الشاحن عند اكتمال الشحن. وهنا يجب التنويه إلى القيام بعملية الشحن اليدوي مع بطاريات الليثيوم وبطاريات حمض-رصاص وذلك بسبب الصعوبات الكبيرة في اكتشاف الشحن الكامل لبطاريات النيكل.

قبل وصل البطارية، يجب القيام بحساب جهد الشحن طبقاً لعدد خلايا السلسلة، بعدها يتم ضبط جهد الشحن المرغوب وتحديد التيار. فمن أجل شحن بطارية حمض-رصاص 12V (6 خلايا) وكل خلية بجهد 2.40V، فإننا نقوم بضبط الجهد على 14.4V (6×2.40V). نقوم بتحديد تيار الشحن طبقاً لحجم البطارية. فمن أجل بطارية حمض-رصاص تكون هذه الزيادة من 10-30% من السعة المقدرة. إن بطارية 10Ah عند نسبة شحن 30% تكون بحدود 3A. يمكن شحن بطاريات البدء عند تيارات منخفضة، ومجموعة 80Ah يمكن شحنها بنسبة تقدر بـ 10% أو 8A. والتيارات الأعلى تكون مستحيلة.

يجب مراقبة حرارة ، جهد وتيار البطارية خلال الشحن. يجب القيام بالشحن فقط في الغرف ذات التهوية الجيدة ودرجات الحرارة الطبيعية. عند اكتمال شحن البطارية وهبوط التيار إلى 3% من السعة المقدرة، تكون عملية الشحن قد اكتملت. عندما يصل التيار إلى مستوى منخفض جداً ويصبح غير قادر على تجاوز أخفض مستوى، عندها نقوم بفصل الشاحن.

يمكن أيضاً استخدام منبع القدرة من أجل مساواة بطارية حمض-رصاص عن طريق ضبط جهد الشحن بـ 10% أعلى من القيمة المطلوبة. إن حالة زيادة الشحن هي حالة حرجة ويجب مراقبتها بتأني.

يمكنك لمصدر القدرة أن يعكس التّكبرت ولكن لا توجد ضمانة لذلك. عند تطبيق الشحن، فإن بطارية حمض-رصاص المكبرتة كلياً تمرر تياراً صغيراً جداً في البدء، وباستمرار انحلال طبقة الكبريت يزداد التيار بشكل تدريجي. إذا كان من الواجب زيادة جهد الشحن فوق المستوى المطلوب، فإننا نقوم بضبط مستوى التيار إلى أدنى قيمة بشكل جزئي ونراقب جهد البطارية. إذا لم تتقبل البطارية الشحن بعد 24 ساعة، فإن إعادة الشحن تكون غير ممكنة.

إن شواحن الليثيوم مشابهة لشواحن الحمض-رصاص ويمكننا استخدام مصدر القدرة أيضاً ولكن بحذر زائد. حيث نقوم بضبط عتبة الجهد على 4.20V/Cell ونأخذ بعين الاعتبار عدم وجود خلايا متصلة تتجاوز قيمة الفولطية المحددة. (في حال وجود دارة حماية فإن هذه الحالة يمكن إهمالها) إن اكتمال الشحن ينتهي عند وصول الخلايا إلى مستوى جهد 4.20V/cell وهبوط التيار إلى 3% من قيمة السعة المقدرة. بعد اكتمال الشحن، يتم إزالة البطارية. حيث يجب عدم السماح للخلية بالبقاء أكثر من عدة ساعات عند عتبة الجهد 4.20V/cell.

ينصح بعدم شحن بطاريات النيكل مع مصدر قدرة. إن اكتشاف الشحن المكتمل يكون صعب تقييمه لأن ومضة الجهد تتفاوت مع تفاوت تيار الشحن المطبق. وغذا كان لا بد من شحنها، فيجب استخدام ارتفاع الحرارة على الشاحن السريع كمؤشر على اكتمال الشحن. أثناء الشحن عند تيار منخفض، نقوم بتخمين مستوى الشحن المتبقي وبعدها بحساب زمن الشحن. إن بطارية NiMH فارغة بسعة 2Ah يمكن شحنها في ثلاث ساعات عند تيار 500mA. حيث يجب خفض الشحن المقطر إلى نسبة 0.05.

10.4 الشحن بدون أسلاك (Wireless Charging):

إن الشحن اللاسلكي قد يستبدل بعد عدة سنوات المقابس والأسلاك وبتقنية مشابهة لتقنية البلوتوث والـ Wi-Fi. إن الشحن اللاسلكي مع اقتران المحارضة يستخدم الحقل الكهرومغناطيسي الذي يقوم بنقل الطاقة من المرسل إلى المستقبل. إن المستهلكين يستغربون هذه البساطة التي يتم فيها وضع الجاهز المحمول على قاعدة شحنه. إن الشحن اللاسلكي يعمل بشكل جيد عم الهواتف الخلوية، الكاميرات الرقمية، وسائط التشغيل، أدوات التحكم بالألعاب وسماعات بلوتوث للأذن. التطبيقات المحتملة الأخرى هي أدوات القدرة ، التجهيزات الطبية، الدراجات الكهربائية والسيارات الكهربائية.

إن نقل القدرة لاسلكياً ليست تقنية جديدة. في العام 1831م، اكتشف ميخائيل فراداي قانون التحريض حيث قال: إن قوى الحقل الكهرومغناطيسي تستطيع الانتقال عبر الفضاء. وفي أواخر القرن الثامن عشر وبداية القرن التاسع عشر، بدأ العالم اليوغسلافي نيقولا تسلا "Nicola Tesla" بدأ ببرهنة النقل اللاسلكي في الإذاعة وبرهنة انتقال الطاقة. إن التجارب المبكرة في ينابيع كولورادو في العام 1899م قادت إلى إنشاء برج واردينكليف في نيويورك "Wardenclyffe Tower"، لقد كان العالم تسلا متشبثاً بعناد لإثبات نظريته حول القدرة على نقل الطاقة بدون أسلاك، ولكن قلة التمويل وعدم وجود رأس مال يتبنى الفكرة أوقفا المشروع.

وماهي إلا سنوات قليلة حتى بدأ البث الإذاعي في العام 1920م، وتم بناء مرسلات هائلة في القارة الأوروبية AM ومع إشارات قوية لتصل أكبر عدد من البلدان. المرسل في بيرومونستر في سويسرا (الشكل 11.4) كان يستطيع أن يرسل في 600kW، ولكن قانون الضباب الالكتروني واحتجاج السكان الأصليين حد من قينة استطاعة البرج إلى 180kW. حيث حلت مكان مرسلات AM مرسلات FM الأصغر.

هنا يطرح السؤال عن العلاقة بين الشحن اللاسلكي والبث الإذاعي. إن كلا النموذجين متشابهين من حيث القدرة على إرسال الطاقة بقوة الموجات الكهرومغناطيسية. يعمل الشحن اللاسلكي بالقرب من الحقل وهي الحالة التي ينتج فيها الملف الأولي حقلاً مغناطيسياً يلتقطه الحقل الثانوي في مجال قريب. وأما البث الإذاعي أو الراديو فيعمل على مبدأ الحقل البعيد عن طريق إرسال الإشارات التي تنتقل عبر الفراغ.

يلتقط الملف المستقبل للشاحن اللاسلكي معظم الطاقة المتولدة، أما لاقط الراديو يحتاج بضعة ميكرو فولت µV لكي يقوم برفع الإشارة فوق مستوى الضجيج ومن ثم تضخيمها من أجل استقبال أقوى وأوضح.

1.10.4 أنواع الشحن اللاسلكي:

يصنف الشحن اللاسلكي إلى ثلاثة أصناف:

- الشحن الراديوي.

- الشحن الحثي.

- الشحن الطنيني.

الشحن الراديوي يقدم تجهيزات منخفضة القدرة تعمل بمجال نصف قطر يبلغ 10متر من المرسل إلى بطاريات الشحن كما في وسائل السمع المساعدة، ساعات اليد، والتجهيزات الترفيهية. ويمكن للشحن بالراديو أيضاً تنشيط رقائق RFID "Radio Frequency Identification" متقدم عن طريق محارضة حثية رنانة. يرسل المرسل موجة راديو منخفضة القدرة عند تردد 915MHz (نفس تردد مايكروويف المنزلي) والمستقبل يقوم بتحويل الإشارة إلى قدرة. إن طريقة الشحن الراديوي أقرب إلى محطة إرسال منتظمة، فهي تقدم مرونة عالية ولكن قدرة التقاط أقل وتعرض البشر إلى للضباب الالكتروني.

إن معظم الشواحن اللاسلكية اليوم تستخدم ميزة الشحن التحريضي لملف الإرسال والاستقبال بشكل تقاربي. إن فرشاة الأسنان الكهربائية كانت من أوائل التجهيزات التي تستخدم هذه الميزة، ويعد قطاع الاتصالات الهاتفية من أكبر القطاعات التي ستتفاعل مع هذه التقنية.

من أجل البطاريات الكبيرة مثل العربات الكهربائية بدأ تطوير ما يسمى الشحن الطنيني، أو التحريض الكهروديناميكي. إن هذا الشحن يعمل عن طريق صنعة حلقة ملف. حيث إن ذبذبات الحقل المغناطيسي تعمل بمجال نصف قطر قدره متر واحد. إن المسافة بين ملف المرسل والمستقبل يجب أن تكون على الأقل 4/1 طول الموجة (التردد 915MHz له طول موجة 0.328 متر). حالياً، الشحن الطنيني "الرنيني" في الاختبارات يستطيع تسليم 3000Watt تقريباً عند كفاءة نقل من 80-90%.

2.10.4 المعيار:

إن نجاح تقنية الشحن اللاسلكي يعود إلى تكيفه وموائمته للمعيار العالمي وللـ WPC (الاتحاد العاملي للطاقة اللاسلكية) الذي تم في العام 2008م، مع المعيار "Qi"، أصبح يمكن لمصنعي التجهيزات ببناء أرضيات شحن لخدمة مجال واسع من التجهيزات المتوافقة Qi. إن أول تحرير للطاقة اللاسلكية تم تحديده بـ 5Watt كما يلي:

في نمط الجهوزية، ترسل حصيرة الشحن إشارات تتحسس توضع الجسم. ويتم كشف الجسم عن طريق تغير السعة أو الرنين. إن هذه الحصيرة تلزم التجهيزة بموافقة معيار WPC عن طريق إرسال حزمة بيانات بتعديل الحمل سلسلة بيانات 8بت. في هذه الأثناء تتنبه تجهيزة الاستقبال وستستجيب للإشارة المستقبلة عن طريق تقويتها. بعدها تقوم الحصيرة بإرسال أزيز رقمي متعدد لتمييز أفضل موضع للجسم المتوضع. بعد ذلك فقط تبدأ الخدمة. خلال عملية الشحن، يرسل المستقبل مجموعة إشارات تحكم بالخطأ لتعديل مستوى القدرة. الشكل 12.4 يشرح حصيرة الشحن بتوافقية Qi.

إن حصيرة الشحن ترسل القدرة فقط عند التعرف على الجسم الصحيح. بدون تحميل، أو عند اكتمال شحن البطارية، تنتقل الحصيرة إلى الوضعية الاحتياطية. إن ملفات الإرسال والاستقبال تكون محمية جيداً من أجل حصول أفضل تقارن بينها ومن أجل تخفيض الأشعة التائهة. إن بعض حصائر الشحن تستخدم ملف إرسال حر الحركة والذي يوفر للجسم المتوضع فوقه أفضل قران "تبادل حثي"، الأنظمة الأخرى تعرض أو توفر ملفات إرسال متعددة عن طريق جعلها تعمل فقط في المنطقة القريبة للجسم. الشكل 13.4 يوضح تجهيزة Qi تمثل المرسل والمستقبل.

3.10.4 عوائق الشحن اللاسلكي:

للشحن الحثي كغيره من أنماط الشحن أضرار أيضاً.فقد فوضت لجنة الطاقة في كاليفورنيا CEC، مستوى V، موائمات AC بكفاءة أصغرية من 85%، أما المنظمة الأوروبية Energy Star، المستوى V، تتطلب 87% (وكالة الطاقة الأوروبية تستخدم معايير CEC كأساس لها). إن إضافة ضياعات دارة الشحن لموائمات الـ AC تسبب هبوط كفاءة الشاحن إلى 70%. للشحن اللاسلكي مردود يبلغ من 70-80%، بالإضافة إلى ضياعات المردود، فإن الشاحن اللاسلكي يتضمن نمط "الاستعداد" وذلك لتمييز توضع الجسم، وهذه الميزة تضاف إلى باقي المزايا الموجودة في الشاحن.

11.4 جدول مواعيد وكيفية الشحن(How & When to charge Table):

تحتاج البطاريات احتياجات خاصة ونادرة والجدول 1 يشرح كيفية تلبية هذه الرغبات بالنسبة للبطاريات العمومية. بسبب التشابه بين عوائل البطاريات، سنقوم فقط بإدراج أنظمة الرصاص والنيكل والليثيوم، بالرغم من أن كل كيميائية تمتلك متطلباتها الخاصة، فإن هناك دائماً خطوط عامة تؤثر بحياة جميع البطاريات وسنقوم بتوضيحها هنا:

 الحفاظ على حرارة معتدلة للبطارية.

 التحكم بتفريغ البطارية، حيث أن كل دورة تخفض من شحن البطارية بشكل طفيف. إن التفريغ الجزئي قيل الشحن أفضل من التفريغ الكامل، حيث يجب تطبيق تفريغ كامل معتمد فقط من أجل تحديد البطارية الذكية، ومن أجل منع تشكل ذاكرة في مجموعة النيكل.

 تجنب سوء الاستخدام، حيث يجب الحفاظ على درجة حرارة معتدلة للبطارية.

إن البطاريات المصممة لأنظمة قطر القدرة الكهربائية غيرت المفهوم المتبع من قبل مصنعي البطاريات في تصنيعهم كثافة طاقية أعظمية والتي يطلبها المستخدم، المفهوم الجديد جعل المصنعين يركزون على الأمان وعمر الخدمة الأمثليان، إن هذه البطاريات عرضة لأخطار بيئية عديدة، حيث يجب عليها أن تعمل لفترة أعظمية تحت الحرارة المفرطة، البرودة، الصدمة والاهتزاز.

إن تخزين الطاقة لعدة kW تجعل البطاريات الخاصة بأنظمة قطر القدرة الكهربائية تشكل خطراً محدقاً إذا تعرضت لإجهاد أكبر من الظروف الطبيعية. وأكثر من ذلك، البطاريات المسيرة باهظة الثمن، ويجب أن تخدم السيارة لفترة طويلة جداً.

إن العناية بالبطارية للحصول على فترة خدمة مديدة، "وهذا ممكن في بعض الأوقات مع الحواسيب المحمولة والهواتف الخلوية" يعد أكثر صعوبة مع البطاريات الضخمة في العربات السيارة والتي يجب أن تسلم تيارات حمل عالية بناءً على الأمر المعطى لها حيث تكون عرضة للتجمد في الشتاء وللظروف القاسية جداً في الصيف.

إن مستخدم البطارية يتمتع بتحكم محدود في العناية والتنبه للبطارية، وهذه المهمة يمكن تمريرها أيضاً إلى أنظمة إدارة البطاريات الذكية (BMS)، والتي تتلقى الأوامر وتقوم بعملية الإشراف.

فبينما تمتلك البطاريات في الأجهزة المحمولة معاييرها الخاصة وتتمتع بفترة استراحة، فإن هذه الحرية غير موجودة في أنظمة البطاريات الأضخم حيث يجب أن تكون جميع المكونات متساوية في القوة والمتانة.

12.4 مساواة الشحن (Equalizing Charging):

إن البطاريات الثابتة وبشكل خاص بطارية حمض-رصاص تتطلب عدة أنواع صيانة، وإحداها هو تساوي الشحن. إن تطبيق شحن متساوي كل 6 أشهر أو بعد 20 دورة يساهم في جعل جميع خلايا البطارية عند مستوى شحن واحد عن طريق زيادة الجهد إلى 2.50V/cell، أو 10% أعلى من قيمة فولطية الشحن الموصى بها.

إن مساواة الشحن ليس أكثر من عملية شحن قسري للبطارية. فهي تقوم بإزالة التكبرت الذي يتشكل خلال ظروف الشحن المنخفضة. يوصي مصنعو البطاريات أولا بقياس التكبرت. وإحدى هذه الطرق هي تطبيق شحن مشبع وبعد ذلك يتم مقارنة الوزن النوعي على الخلايا الفردية لبطارية حمض-رصاص السائلة. يجب تطبيق مساواة الشحن فقط في حال كان الاختلاف في الوزن النوعي بين خلايا البطارية بحدود 0.030. خلال مساواة الشحن، قم بالتحقق من تغيرات قراءات الوزن النوعي كل ساعة وقم بفصل الشاحن إذا لم يستمر الوزن بالارتفاع. وهذه تكون الحالة المثالية لتساوي الشحن حيث لا يوجد بعد ذلك مجال لإضافة أي زيادة على الوزن النوعي، ويجب هنا الحذر إلى أنه في حال تخطي حالة الشحن المثالية هذه فإن ذلك سيسبب ضرراً للبطارية. لذا يجب الحفاظ على البطارية باردة تحت رقابة صارمة من أجل منع حدوث حالات الحرارة الزائدة أو تسر الغازات السامة. إن بعض الغازات التي يتم تنفيسها هي حالة طبيعية ومسموح بها حيث أن الهيدروجين المنتشر يكون سريع الاشتعال، لذا يجب أن تكون تهوية الغرفة جيدة.

المصدر: هنا

مصدر الصورة: هنا