فحص البطاريات

بظل أزمة الكهربا الحالية، صار الكل بحاجة لمصدر طاقة خفي نظيف ما بسبب ضجيج صوتي وكلفتو منخفضة، وكان الحل طبعاً باستخدام البطاريات، طبعاً الكل بلش يحط بطارية بمحلو أو ببيتو مشان ينور المكان يلي جالس فيه، بس الكارثة إنو في شريحة كبيرة من الأشخاص يلي اشتروا هالبطاريات ماراعو شروط العمل مع البطاريات، لازم الكل يعرف إنو البطارية أحد أكتر الأجهزة حساسية في الميدان الطاقي الكهربائي، تخيلوا إنو أفضل أنواع البطاريات الموجودة في جو مثالي عندها تفريغ ذاتي ولو بنسبة صغيرة، بالتالي نحنا بكرا جايين عصيف وأكيد الكل رح يحتاج البطارية بحال انقطعت الكهربا، مشان هيك تعالوا تعرفوا معنا على طرق فحص ومراقبة البطاريات، وأهم أجهزة فحص البطاريات، بالإضافة إلى أهم طرق فحص بطاريات حمض الرصاص والنيكل والليثيوم وغيرها...

فحص البطاريات

1.6 أجهزة اختبار البطاريات (Battery Test Equipment's):

يتم اختبار البطاريات عموماً عن طريق قياس السعة عند التفريغ الكامل. فحيث أن الجهد والمقاومة الداخلية توفران مؤشرات تقريبية عن حالة البطارية، فإن هذه القراءات لا تستطيع كشف السعة، أو مؤشر صحة البطارية. فالجهد والمقاومة تقومان بكشف الأمور الشاذة في البطارية المعيبة فقط. معظم البطاريات تحتفظ بجهد طبيعي ومقاومة منخفضة طالما أن السعة تبهت تدريجياً مع تقدم سن البطارية.

يجري الآن التوجه نحو نمط الفحص السريع. بكل حال، فإن الطرق الحالية توفر فقط تخميناً لأداء البطارية وبنتائج غير دقيقة. إن طرق الفحص السريع تعكل بشكل جيد مع مجموعات بطاريات الليثيوم أيون وحيدة الخلية. لأن الوصل التسلسلي أو التفرعي قد يشوه القراءات. تقوم منظمات السلامة العامة، والمنظمات الدفاعية والطبية بتطبيق دورات شحن/تفريغ كاملة بشكل دوري، وهذا يعد طبيعياً مع أجهزة تحليل البطاريات.

1.1.6 محلل البطاريات:

لاقت هذه الأجهزة شعبية كبيرة بين الأعوام 1980 و 1990 وذلك بسبب التأثير الذاكري على بطاريات NiCd في تلك الفترة. اليوم، تستخدم أجهزة التحليل في خدمة المجموعات المتمايزة التي لا تلبي المتطلبات.

إن محللات البطاريات النموذجية هي سلسلة محللات Cadex C7000، والتي تخدم تشكيلة واسعة من البطاريات. هذه الأجهزة تلائم بطاريات النيكل والليثيوم والحمض-رصاص. إن ميزة الأتمتة في هذه المحللات تخدم كلاً من البرامج ونمط العمل المنفرد.

تحتوي محللات Cadex على برمجيات محددة حسب الطلب والتي يمكن للمستخدم فيها من ضبط خيارات الشحن، التفريغ، التجديد، الانتظار والتكرار. يقوم برنامج دورة حياة البطارية بتدوير البطارية حتى تهبط السعة إلى سعة الهدف المقررة أثناء عد الدورات المستلمة. إن فحص الأوم يقيس المقاومة الداخلية، وتفريغ أزمنة التشغيل عند ثلاث مستويات تصنيف بطاريات الليثيوم أيون خلال 30 ثانية إلى 3 أصناف جيدة، منخفضة، سيئة. البرامج الأخرى تتضمن تفريغاً ذاتياً لقياس الضياعات خلال 24 ساعة، والتجهيز لتهيئة البطاريات الجديدة والمخزنة للاستعمال المحلي.

إن وصل البطاريات للخدمة كان يشكل دوماً التحدي الأبرز. ولكن شركة Cadex استطاعت حل هذه المشكلة عن طريق وصل البطارية مع نظام الموائمة SnapLockTM الذي يتضمن موائمات مخصصة للبطاريات العامة والموائمات العامة للمجموعات الخاصة.

إن الموائم الخاص سهلة الاستخدام كونها مصممة لنوع بطارية محدد. يتضمن الموائم شيفرات ضبط تخزن 10 أنواع بطاريات فريدة وحساس حراري لمراقبة الحرارة. يتم وصل الموائم مع المحلل. إن عملية التعديل ممكنة مع القائمة الوظيفية الرئيسية للمحلل أو عبر برمجيات PC-BatteryShop.

ومع انتشار بطاريات الهواتف الخلوية على نطاق واسع ومع تزايد الحاجة إلى تبديل البطاريات بشكل بسيط وسريع، فقد طورت شركة Cadex تقنية RigidArmTM. وأما بخصوص الجزء الثالث لهذه التقنيات فهو ببساطة الكابلات الذكية، الشكل 2.6 يبين حساس درجة الحرارة لمراقبة حرارة البطارية.

مع وجود برمجية PC-BatteryShopTM. يصبح الحاسب هو السيد أو المسيطر والمحلل يصبح التابع أو Slave، وبالنقر بالفأرة على أي نوع بطاريات من البطاريات الـ 2000 المؤرشفة ضمن البرنامج أو عن طريق قراءة الباركود لماركة البطارية يمكّننا من ضبط المحلل على الإعدادات الصحيحة. يمكن توسيع المكتبة بإضافة موديلات بطاريات جديدة أو تحميل آخر تحديثاتها من الموقع العام لشركة المحلل. يمكن لهذه البرمجية عرض وقراءة الرسوميات والمنحنيات بالزمن الحقيقي كما أنها قادرة على تشغيل 32 جهاز تحليل لخدمة 128 بطارية بشكل لحظي.

بما أن أجهزة تحليل البطاريات تستخدم بشكل أساسي كأدوات خدمة، فإن أنظمة فحص البطاريات توفر وظائف فحص متعددة الأغراض لمراكز البحث العلمي. إن التطبيقات النموذجية هي دورة الحياة وفحص الإجهاد لتمكين الاستعمال المحلي للبطاريات، والعديد من هذه الاختبارات تكون مؤتمتة.

إن نظام فحص البطاريات Cadex C8000 المبين في الشكل 4.6 هو نظام مؤتمت. حيث يمكن قياس زمن التشغيل عن طريق التقاط وتخزين ومضات الحمل من الهاتف المحمول، الحاسب المحمول وأدوات القدرة وبعدها تتم مضاعفة هذه الومضات في المختبر.

في حال احتجنا لتيارات تفريغ أعلى من 10A، فإن جهاز Cadex C8000 يقوم بالاتصال إلى مصارف الأحمال الخارجية المحددة. إن هذا النظام يشكل نظام مختبر يتحكم بحجرات بيئية، يراقب الإشارات التماثلية ويطلق إنذارات للمستخدم. يقدم هذا النظام برامج شحن وتفريغ آمنة تستطيع تمييز البطاريات المتضررة من السليمة. ويمكنه تحمل أقسى ظروف العمل.

2.6 فحص بطاريات حمض-رصاص (Testing Lead-Acid Battery):

العديد من مصنعي فاحصات البطاريات يدعون بقدرتها على إجراء الفحص بسرعة فائقة. حيث تعمل هذه المعدات بشكل جيد في إيجاد عيوب البطارية والتي تتضمن الجهود الشاذة والمقاومة الداخلية المرتفعة، لكن معايير الأداء الأخرى تبقى مجهولة. يجب التذكير بأن الفواحص التي تعتمد على قياس المقاومة الداخلية يمكنها قياس السعات المخادعة. إن الميزات التي يتم الإعلان عنها في معدات الفحص والتي لا تتضمنها هذه المعدات تشوش على الصناع الذين يعتقدون أن نتائج الفحص متعددة الأوجه تكون سهلة المنال باستخدام طرق الفحص الأساسية. فمصنعي هذه المعدات يدركون التعقيد الحاصل. سنلقي نظرة على تاريخ فاحصات بطاريات LA وما الذي تستطيع هذه الفاحصات فعله.

أول هذه الفواحص كان ما يسمى "Carbon Pile" أو كومة الكربون، والذي ظهر في العام 1980م، حيث يقوم بتطبيق حمل مستمر لفترة قصيرة لبطارية البدء، مشابهاً لما يفعله المحرك في السيارة. فهبوط الجهد واستعادة الزمن يزودان الفاحص بمؤشر تقريبي عن صحة البطارية. إن الميزة الرئيسية تكمن في القدرة على اكتشاف البطاريات التي تفشل بسبب وجود خلية مقصورة (يعود ذلك للوزن النوعي المنخفض للخلية بسبب وجود التفريغ الذاتي المرتفع). تخمين القدرة، بكل الأحوال، غير ممكن، والبطارية التي لديها حالة شحن منخفضة تظهر ضعفها مباشرة. بكل حال، الميكانيكي الماهر، يستطيع اكتشاف البطارية الفاشلة بناءً على إشارة الجهد وسلوك الحمل. من أجل إجراء اختبار CCA مرور/فشل، يتم تحميل بطارية البدء المشحونة بشكل كامل بنصف قيمة النسبة CCA لمدة 15 ثانية. من أجل العبور، يجب إبقاء الجهد فوق 9.6V عند عشر درجات مئوية و أعلى. فدرجات الحرارة الباردة تسبب هبوطاً كبيراً في الجهد.

إن مقياس التيار المتردد المتواصل، ظهر في العام 1992م، واعتبر آنذاك اختراقاً. تعتمد هذه الطريقة على حقن البطارية بتيار متناوب من أجل قياس المقاومة الداخلية لها. اليوم، تستخدم هذه الفواحص من أجل التحقق من نسبة CCA في بطاريات البدء والتحقق أيضاً من تغير المقاومة في البطاريات الثابتة.

ولكن من حيث كون الفاحص صغير وسهل الاستعمال، إلا أنه لا يمكنه قراءة السعة، والقيمة المقاومة تعطي فقط تقريب لقيمة النسبة CCA الحقيقية في بطارية البدء.

إن هذه الطريقة لها شهرة واسعة في أمريكا الشمالية، أما في أوروبا فيفضلون طريقة الحمل المستمر.

الآن فإن الاهتمام قد توجه نحو جهاز تحليل طيف الممانعة الكهروكيميائية EIS. حيث قامت شركة Cadex بخطو خطوة للأمام عن طريق تطوير نماذج بطاريات محددة لها القدرة على تخمين الحالة الصحية لبطاريات LA. إن مطيافية الممانعة الكهروكيميائية المتعددة الأنماط، أو تستطيع قراءة السعة، النسبة CCA، وحالة الشحن بشكل منفرد، وغير متداخل. الشكل 5.6 يبين فاحص البطارية المحمول Spectro CA-12 من إنتاج شركة Cadex.

إن تجهيزة Spectro CA-12 المحمولة، تتضمن تقنية Spectro CA-12TM المدمجة، والتي تقوم بإثارة البطارية بإشارت ذات تردد يتراوح ما بين 20-2000Hz. إن معالج الإشارة الرقمية يقوم بحل الشيفرة المكونة من 40 مليون عُلاَّمة مخصصة خلال عملية الفحص التي تستغرق 15 ثانية إلى نتائج مقروئة. للتحقق من البطارية، فإن المستخدم ببساطة يحدد جهد البطارية، الأمبير الساعي والمصفوفة المعينة. إن عملية الفحص يمكن إجراؤها بوجود حمل ثابت وحتى في حالة كون البطارية مشحونة بشكل جزئي، بكل حال، إذا كانت حالة الشحن أقل من 40%، فإن ينصح بشحن البطارية فوق هذه القيمة ومن ثم إجراء الفحص.

إن طريقة Spectro أكثر تطوراً من تقنية EIS، التي كانت مستخدمة لعقود. والجديد في تقنية Spectro هو استخدام النماذج المتعددة وأزمنة المعالجة السريعة. إضافة إلى الحجم والسعر المقبولين. النماذج البدائية لفواحص البطاريات كانت تكلف عشرات آلاف الدولارات إضافة إلى حجمها الكبير. ولكن نقنية Spectro مختلفة فهي لا تعتمد في جوهرها على الميكانزمات وإنما على خوارزمية معينة. فأنظمة EIS القديمة لا تستطيع استعياب كميات البيانات الهائلة المتدفقة من البطاريات. أما بخصوص أنظمة الـ EIS الجديدة والمعدلة فإن الخبراء يعتقدون بأن صناعة البطاريات تتجه نحو تقنية الـ EIS متعددة الأنماط لتخمين أداء البطاريات.

الأشكال 6،7،8 تظهر مشاكل البطاريات النموذجية وكيفية قدرة تقنيات الفحص الحديثة على كشف هذه المشاكل.

1.2.6 المصفوفات:

إن أجهزة القياس مثل جهاز Spectro CA-12TM ليست أجهزة عملية قادرة على تخمين السعة لأي بطارية. فهي تحتاج مصفوفات محددة للبطارية، أو ما يعرف بخوارزمية التقدير النموذجية، حيث تتكون هذه الخوارزمية من ثلاث طرق:

• المدرج (Scalar): إن فحص مدرج القيمة المفردة يأخذ القراءات ويقوم بمقارنتها مع القيم المرجعية. أثناء فحص البطارية يمكن لهذه الطريقة قياس الجهد، وبعدها تستجوب البطارية عن طريق تطبيق نبضات تفريغ أو حقن تردد ما وبعدها يتم مقارنة النتيجة المشتقة مع النقطة المرجعية الوحيدة. تعتبر هذه الطريقة بسيطة، ومعظم الأحمال المستمرة وفواحص التيار المتردد الموصلة الوحيدة التردد تستخدم هذه الطريقة.

• الموجه (Vector): تقوم هذه الطريقة على تطبيق نبضات بتيارات مختلفة، أو تهييج البطارية عن طريق ترددات عدة. وتقييم النتائج مقابل نقاط التوجيه من أجل دراسة البطارية تحت شروط الإجهاد المختلفة. ولكن بسبب التعقيدات المضافة في تقييم مؤشرات البيانات المختلفة وبسبب الفوائد المحدودة، فإن هذه الطريقة تستخدم بشكل نادر.

• المصفوفة (Matrix): تقوم هذه الطريقة على مسح البطارية بواسطة طيف ترددي، وتعتبر طريقة مطورة عن طريقة Scalar والتي شكلت الأرضية لظهور طريقة Spectrora، حيث يمكنها توفير أكثر المعلومات عمقاً ولكنها تكون معقدة من ناحة تقييم البيانات المولدة.ومع وجود خوارزمية ملكية، فإن تقنية Spectrora قادرة على تخمين سعة البطارية، الـ CCA وحالة الشحن.

الجدول 1.6 يبين دقة قراءات البطارية باستخدام نظريات فحص متعددة.

3.6 فحص بطاريات النيكل (Testing Nickel Batteries):

لبطاريات النيكل خصائص فريدة. وشركة Cadex طورت طريقة اختبار سريعة لأنظمة البطاريات هذه تسمى "™QuickTest" أو الفحص السريع. حيث تستغرق عملية الفحص 3 دقائق وتستخدم خوارزمية استدلال. الشكل 9.6 يشرح التركيب العام للخوارزمية المطبقة.

إن الطريقة "™QuickTest " تقوم بدمج البيانات من ستة متحولات، والتي هي السعة، المقاومة الداخلية، التفريغ الذاتي، تقبل الشحن، سعات التفريغ وحركة الالكترودات. إن خوارزمية التعليم الموجه تقوم بتوحيد البيانات للحصول على قراءة الحالة الصحية للبطارية بشكل موثوق. يستخدم النظام مصفوفات مخصصة للبطارية ومخزنة في وصلات البطارية إلى جهاز التحليل المصمم من شركة Cadex. يمكن للمستخدم إنشاء مصفوفة حقلية عن طريق مسح بطارية أو اثنتين على برنامج التعليم الخاص بجهاز التحليل. حيث يجب أن توكن البطارية مشحونة بـ 20% على الأقل.

من بين البارامترات الأخرى، فإن طريقة "™QuickTest " تعتمد على المقاومة الداخلية لمجموعة البطارية، ولكن وصلات الربط بين الخلايا قد تسبب المشاكل، خصوصاً مع المجموعات ذات العشر خلايا أو أكثر. إن هذه المشكلة تسمى بخطأ الترابط وهذا الخطأ لا يمكن مشاهدته أو مراقبته باستخدام اختبار الشحن التقليدي أو عند القيام بمراقبة المقاومة ولكن يمكن التخلص مما سبق بإجراء اختبارات الشحن المستمرة على الفولطيات الأعلى من 20V. كما أنه من المحتمل أن كل خلية من مجموعة خلايا البطارية لديها شخصية مختلفة عن الأخرى عند إثارتها بإشارة مشتركة والنتيجة تصبح بذلك مختلطة وغير واضحة.

4.6 فحص بطاريات الليثيوم (Testing Lithium Battery):

مع وجود عدد كبير من بطاريات الليثيوم في الاستخدام ومع الشعبية المتزايدة لها، فإن تطوير طريقة فحص متقدمة أصبح حاجة ملحة. إن طريقة Quick StartTM من شركة CADEX أكثر تطوراً من الطريقة القديمة التي تستخدم المصفوفات. التبسيط كام ممكناً عن طريق تحديد البطارية الأكثر شعبية بخلية واحدة ذات سعة تبلغ 1500mAh. (إن الخلايا الأكبر والجهود الأعلى تتطلب مصفوفات عامة مختلفة). وبدلاً من قراءة السعة على شكل نسبة مئوية، فإن طريقة Quick StartTM تصنف حالة البطارية الصحية بمؤشرات "جيدة، منخفضة، سيئة".

بالنسبة للاستجابة الديناميكية الكهروكيميائية، فإن الطريقة المستخدمة للـ Quick StartTM، تقيس حركية تدفق الأيونات بين الالكترودات على حمل رقمي. الشكل 10.6 يشرح مبدأ هذه التقنية.

يستغرق الفحص 30 ثانية، وتبلغ دقة القياس حوالي 90% بغض النظر عن مادة مهبط البطارية ويستطيع إنجاز مجال حالة الشحن بين 40%-100%. يتطلب Quick StartTM السعة الصحيحة، ووجود قيمة خاطئة لا يزيح القراءة من حالة جيد إلى منخفض مثلاً، ولكن يجعل تصنيف الحالة أقل دقة. النظام لا يعتمد على المقاومة الداخلية في كل ثانية. وهذا يمكن أن ينتج عنه قراءات غير موثوقة لأن بطاريات الليثيوم أيون الحديثة تبقي مقاومة منخفضة مع استخدامها لفترة طويلة، وفي نهاية الاختبار يكون قد تم فحص المقاومة الداخلية الكلية للبطارية.

لبطاريات الليثيوم نسب انتشار مختلفة، ومن ناحية الاستجابة الديناميكية الكهروكيميائية، فإن بطاريات ليثيوم بوليمير مع الكترودات هلامية تظهر سرعة أكبر من بطاريات الليثيوم أيون التي تحتوي الكترودات سائلة. إن بطارية ليثيوم بوليمير تحتاج مصفوفة مختلفة لإنتاج قراءات دقيقة.

اكتشف العلماء طرق جديدة لتقييم صحة البطارية بمسح الترددات التي تتراوح من عدّة kilohertz إلى milihertz. الترددات العالية تظهر نوعية البطارية. بتخفيض التردد، يبدأ الفحص الدقيق بتوفير الفهم العميق لخصائص البطاريات الفريدة التي تسمح بتقدير سعتها، كاكتشاف حالة التكبرت أو حالة الجفاف.

إن تقييم البطارية عند تردد ثانوي 1Hz يحتاج لأزمنة فحص طويلة. عند 1mHz، تستغرق الدورة 1000sec وعدة نقاط بيانات يجب توافرها لتقييم البطارية بدون أدنى شك. إن اختبارات التردد المنخفض تستغرق عدة دقائق من أجل إنجاز قياس واحد، بكل حال، مع وجود برامج المحاكاة الذكية، فإن هذه المدة يمكن خفضها إلى بضع ثواني فقط.

إن مهندسي الأبحاث في شركة Cadex يعملون على تقنية جديدة تسمى قطار نبضات التردد المنخفض LFPT، أو تسمى اختصاراً تقنية الانتشار. يعمل الانتشار مع معظم الكيميائيات، والمعلومات المسترجعة تزودنا بمعلومات حيوية تتعلق بسعة البطارية وحالات النقص الأساسية. تمكن هذه المعرفة من تقدير بارامتر حياة البطارية والذي يعتبر أهم بارامتر في البطارية، وهي الهدف الأساسي لأنظمة إدارة البطاريات المتقدمة BMS.

هناك حاجة حرجة لفاحصات البطاريات العملية والتي يمكنها فحص حالة البطاريات في التجهيزات الطبية، العسكرية، أجهزة الحوسبة، أدوات القدرة، ومنظومات UPS. حالياً لا توجد أي تجهيزات يمكنها تقدير حالة حياة البطارية بشكل موثوق وبسرعة فائقة، على الرغم من أن العديد من مصنعي البطاريات يدعون عكس ذلك.

المصدر: هنا

مصدر الصورة: هنا