بخشی از مقاله
چکیده -به دلیل ظرفیت محدود باتریهای قابل شارژ، برای فراهم کردن توان و یا ظرفیت مناسب برای کاربردهای خاصی از جمله ذخیره انرژی در تولیدات پراکنده و باتریهای خودروهای برقی نیاز به سری و یا موازی کردن تعداد بالایی از آنها میباشد. تعیین دقیق و لحظهای وضعیت شارژ در یک باتری، همواره یکی از مسائل مهم در سیستمهای مدیریت باتریها بوده است. به دلیل اختلافات جزئی ذاتی در یک دسته باتری یکسان، تعیین وضعیت شارژ در حالت باتریهاس سری و موازی شده پیچیدهتر هم میشود. در این مقاله روش تعیین شارژ یک باتری با روش تلفیقی شمارش کولن و ولتاژ مدار باز باتری، برای یک دسته باتری سری و موازی شده تعمیم داده شده و سطح شارژ کلی مجموعه باتریها محاسبه شده است و سپس روش تشخیص شارژ بین شده و مدار اتصال سری پیشنهادی، شیوه یکسان سازی شارژ در یک دسته باتریهای سری شده بیان شده است.
-1 مقدمه
این یکی از مهمترین مسائل موجود در سیستمهای مبتنی بر منابع ذخیره انرژی، باتریها هستند. از آنجایی باتریهای تجاری موجود، پاسخگوی سطح ولتاژ، توان و یا جریان مورد نیاز در خودروهای برقی و سیستمهای تولید پراکنده نمیباشند، برای داشتن سطح ولتاژ بالاتر از دسته باتریهای سری شده و برای داشتن مشخصه توان و یا جریان مناسب از دسته باتریهای موازی شده کمک میگیرند. وضعیت شارژ یک باتری به درصد شارژ باقی در یک باتری نسبت به کل ظرفیت آن میگویند و از آنجایی که این پارامتر تابع مشخصات الکترو شیمیایی میباشد، اندازهگیری مستقیم آن مشکل است .
[1] همچنین از آنجایی که ظرفیت کل باتری با گذشت زمان، تغییر پروفیل شارژ و دشارژ و همچنین تغییر دمای باتری تغییر میکند، وضعیت شارژ باتری باید به طور پیوسته از طریق روشی پر سرعت، دقیق و با حداقل محاسبات کنترل گردد. به دلیل خاصیت ذاتی یکسان سازی شارژ در اتصال موازی، چندین سلول باتری موازی شده را میتوان مانند یک سلول باتری با ظرفیت و توان مشخصه بالاتر در نظر گرفت. اما در اتصال سری بدون مدارات یکسان ساز شارژ، قابلیت شارژ و یا دشارژ یک ماژول سری شده توسط ضعیفترین سلول موجود در ماژول تعیین میشود .[2]
مدلهای بسیاری برای اندازهگیری پارامترهای باتریهای معرفی شده است. مدلهای الکتروشیمیایی به دلیل محاسبات بالا معمولاً وقتگیر بوده و برای بهبود طراحی باتریها به کار برده میشوند. مدلهای ریاضی قادر به محاسبه کلیه پارامترهای یک باتری میباشند، ولی به دلیل خاصیت غیر خطی باتریها این مدلها نیز از دقت کافی برخوردار نمیباشند. مدلهای الکتریکی برای استفاده در شبیهسازیهای مداری مناسبترین مدلها هستند .[3] در مدلهای الکتریکی با توجه به مشخصه-های شارژ و دشارژ باتریها، باتریها با پارامترهای الکتریکی مناسب از جمله یک مدار RC موازی و یک منبع ولتاژ وابسته به وضعیت شارژ مدل میشوند.
روش تست دشارژ یکی از دقیقترین روشهای اندازهگیری وضعیت شارژ باتری میباشد، ولی از آنجایی که درعمل نمیتوان برای اندازهگیری سطح شارژ فعلی یک باتریآن را کاملاً دشارژ کرد، کاربرد آن در سیستمهای مدیریت باتری - BMS - امکان پذیر نمیباشد. روش شمارش کولنی یکی از سادهترین و دقیقترین روش-های موجود برای تعیین وضعیت شارژ یک باتری میباشد. در این روش با توجه به معلوم بودن وضعیت اولیه شارژ باتری، با اندازه-گیری و محاسبه آمپر -ساعت - Ah - ورودی - به علامت مثبت - و خروجی به باتری - با علامت منفی - و جمع کردن با Ah اولیه باتری، میزان انرژی باقیمانده در باتری را به طور پیوسته محاسبه میکنند.
از آنجایی که دقت این روش به دقت اندازهگیری جریان وابسته میباشد و حتی مقدار خطاهای کوچک با مرور زمان با هم جمع شده و باعث محاسبه نادرست وضعیت شارژ خواهند شد. همچنین از آنجا که اندازهگیری جریان دشارژ باتری امکان-پذیر نیست، این جریان ناچیز هم با گذشت زمان مشکل ساز خواهد بود.[4] از آنجا که ولتاژ مدار باز باتریها با وضعیت شارژ آنها رابطه مستقیم دارد، میتوان برای تخمین وضعیت شارژ باتریها از ولتاژ مدار باز - Voc - آنها نیز کمک گرفت. یکی از مشکلات اصلی این روش این است که Voc علاوه بر وضعیت شارژ به دما و مشخصه شارژ و دشارژ باتری نیز وابسته است. همچنین باتری در حال شارژ نیاز به زمان دارد تا ولتاژ آن پایدار شود. همچنین برخی از انواع باتریها در رنج وسیعی از وضعیت شارژ تغییر Voc چندانی از خود نشان نمیدهند و این امر تخمین دقیق وضعیت شارژ را مشکل میکند. روش های دیگری از جمله فیلترهای کالمن، کنترل مد لغزشی، شبکههای عصبی نیز در مقالات معرفی شدهاند که معمولاً به دلیل نیاز به محاسبات بالا پیاده سازی عملی آنهای امکان پذیر نمیباشد .[3-6]
-2 روش تشخیص شارژ ترکیبی یک باتری
روش تشخیص شارژ شمارش کولنی روشی ساده، کلی و با دقت است، اما مهمترین مشکلات این روش عبارتند ازخطای محاسباتی تجمعی به دلیل خطا در اندازهگیری جریان و همچنین نیاز به داشتن وضعیت شارژ اولیه باتری .[7] میتوان تشخیص وضعیت شارژ را به سه بخش تقسیم کرد:
-1-2 باتری در حالت سکون
در حالتی که Voc باتری در حال سکون - باتری که نه شارژ و نه دشارژ میشود - ، به مقدار نهایی خود رسیده و همچنین دمای آن با دمای محیط همیهنگ شده، میتوان با کمک Voc آن وضعیت شارژ باتری را با دقت قابل قبولی اندازه گرفت و از آن به عنوان مرجعی برای اصلاح وضعیت شارژ اولیه باتری در روش شمارش کولنی استفاده کرد .[8] شکل1 - الف و ب - نمودار وضعیت شارژ بر حسب ولتاژ مدار باز دو باتری Li-Ion و Ni-MH با ولتاژ نامی و ظرفیت نامی آورده شده است.
با توجه به غیر خطی بودن مقدار مقاومت درونی باتریها با کمک تستهای شارژ و دشارژ میتوان مقدار مقاومت درونی باتری را در هر مقدار شارژ بدست آورد. نتایج محاسبه مقاومت درونی باتری در شکل 2 نشان داده شده است. البته باید توجه داشت که مقدار مقاومت درونی علاوه بر وضعیت شارژ به دمای باتری و عمر باتری نیز وابسته میباشد، که بررسی شیوه تغییرات Rint نسبت به این پارامترها میتواند از جمله زمینههای تحقیق در آینده باشد.
-2-2 باتری در حالت شارژ و یا دشارژ
همانطور که دیده میشود، برای باتریهای Li-Ion وضعیت برای با داشتن وضعیت اولیه شارژ یک سلول باتری، میتوان شارژ به دقت محاسبه میشود، زیرا میزان شارژ نامی آنها دقیقاً با روش شمارش کولنی وضعیت شارژ را در حالت شارژ و دشارژ مشخص است. در ارتباط با باتری Ni-MH ظرفیت کل آنها از را با دقت بالایی اندازهگیری کرد و از آنجایی که بین وقفههای مقدار نامی آنها بیشتر میباشد، به همین دلیل بین مقدار واقعی بین بکار گیری باتری، به کمک Voc مرجع شارژ روش شمارش و مقدار محاسبه شده کمی اختلاف وجود دارد.
