מצב טעינה

מצב טעינה (State of Charge – SoC) הוא הקיבולת הנותרת הזמינה בסוללה חשמלית בזמן נתון וביחס למצב התיישנות מסוים. מדידת המטען החשמלי נעשית ביחידות של אמפר-שעה, אך מצב הטעינה מוצג בדרך כלל באחוזים (0% = ריק; 100% = מלא). צורה חלופית של אותה מדידה היא עומק הפריקה (Depth of Discharge – DoD), המחושב כגודל המשלים ל-SoC (100% = ריק; 0% = מלא) ומתייחס לכמות המטען שניתן לנצל אם התא נפרק לחלוטין. מצב טעינה משמש בדרך כלל בדיון על המצב הנוכחי של סוללה בשימוש, בעוד שעומק פריקה משמש בעיקר לדיון בשינוי קבוע של מצב טעינה במהלך מחזורים חוזרים.^[1]

מכשירים נפוצים שבהם מוצג מצב הטעינה הם טלפון סלולרי, מחשב נייד, מחשב לוח ורכב חשמלי.

ברכב חשמלי

ברכב חשמלי מונע מצבר מצב הטעינה מציין את האנרגיה הנותרת בערכת הסוללה.^[2] זהו המקביל למד הדלק ברכב עם מנוע בנזין. הצגת מצב הטעינה מועילה במיוחד בעת המתנה לטעינת המצבר, משום שהוא משקף את התקדמות הטעינה ומאפשר לנהג לדעת מתי הרכב יהיה מוכן לשימוש. עם זאת, בלוח המחוונים של כל רכב, במיוחד ברכב היברידי, מצב הטעינה המוצג כמד או כערך באחוזים עשוי לא לייצג את רמת הטעינה האמיתית. כמות ניכרת של אנרגיה עשויה להיות שמורה לפעולות היברידיות. דוגמה לכך היא מכונית מיצובישי אאוטלנדר PHEV, שבה מוצגת לנהג רמת טעינה אפסית, בעת שרמת הטעינה האמיתית היא כ-20%.

קביעת מצב טעינה

בדרך כלל, לא ניתן למדוד מצב טעינה באופן ישיר, אך ניתן להעריך אותו ממשתני מדידה ישירים בשתי דרכים: לא מקוונת ומקוונת. בטכניקות לא מקוונות, הסוללה נטענת ונפרקת בקצב קבוע כמו מניית קולון. שיטה זו מספקת הערכה מדויקת של מצב טעינת הסוללה, אך היא ממושכת, יקרה ומפריעה לביצועי הסוללה העיקריים. לכן, חוקרים מחפשים טכניקות מקוונות. ישנן חמש שיטות לקביעת מצב טעינה בעקיפין:^[3]

כימית: שיטה זו פועלת רק עבור סוללות המאפשרות גישה לאלקטרוליט הנוזלי שלהן, כמו סוללת עופרת-חומצה לא אטומות. ניתן להשתמש במשקל הסגולי של האלקטרוליט כדי לציין את מצב הטעינה של הסוללה.

הידרומטר משמש לחישוב המשקל הסגולי של סוללה. כדי למצוא את המשקל הסגולי, יש צורך למדוד את נפח האלקטרוליט ולשקול אותו. לאחר מכן המשקל הסגולי ניתן על ידי (מסת האלקטרוליט [גרם] / נפח האלקטרוליט [מ"ל]) / (צפיפות המים, כלומר 1 גרם/1 מ"ל). כדי למצוא את מצב הטעינה מהמשקל הסגולי, נדרשת טבלת השוואה של משקל סגולי מול מצב טעינה.

רפרקטומטריה (אנ') הוכחה כשיטה ישימה לניטור רציף של מצב הטעינה. מקדם השבירה של האלקטרוליט בסוללה קשור ישירות למשקל הסגולי או לצפיפות של האלקטרוליט בתא.^[4]^[5]

ניתוח האלקטרוליט אינו מספק מידע על מצב הטעינה במקרה של סוללת יוני ליתיום וסוללות אחרות, שאינן מייצרות או צורכות ממס במהלך פעולתן. השיטה עובדת עבור סוללות עופרת-חומצה, מכיוון שריכוז חומצה גופרתית משתנה עם מצב הטעינה של הסוללה בהתאם לתגובה הבאה:

{\ce {Pb_{(s)}+PbO2_{(s)}+2H2SO4_{(aq)}\to 2PbSO4_{(s)}+2H2O_{(l)}}}

מתח חשמלי: שיטה זו ממירה קריאה של מתח הסוללה למצב טעינה, באמצעות עקומת הפריקה הידועה (מתח לעומת מצב טעינה) של הסוללה. עם זאת, המתח רגיש יותר לזרם הסוללה (עקב הקינטיקה האלקטרוכימית של הסוללה) ולטמפרטורה. שיטה זו יכולה להיעשות מדויקת יותר על ידי תיקון קריאת המתח בגורם תיקון המתכונתי לזרם הסוללה, ועל ידי שימוש בטבלה של מתח המעגל הפתוח של הסוללה לעומת הטמפרטורה. למעשה, מטרה מוצהרת של תכנון הסוללה היא לספק מתח קבוע ככל האפשר, ללא קשר למצב הטעינה, מה שמקשה על יישום השיטה הזו. עבור סוללות שיש להן מתח בלתי תלוי במצב הטעינה שלהן (כגון סוללת ליתיום ברזל פוספט (אנ')), מדידות מתח במעגל פתוח אינן יכולות לספק אומדן אמין של מצב הטעינה. מצד שני, סוללות בעלות עקומות מטען מתח משופעות (כגון סוללת ניקל-קובלט-מנגן), ניתנות יותר להערכת מצב טעינה ממדידות המתח במעגל הפתוח.^[6]
אינטגרציית זרם: שיטה זו, המכונה גם מניית קולון או מניית מטען, מחשבת את מצב הטעינה על ידי מדידת זרם הסוללה ואינטגרציה שלו בזמן. כיוון ששום מדידה לא יכולה להיות מושלמת, שיטה זו סובלת מסחף ארוך טווח והיעדר נקודת ייחוס. לכן, מצב הטעינה חייב להיות מכויל מחדש על בסיס קבוע, כגון על ידי איפוס מצב הטעינה ל-100% כאשר מטען קובע כי הסוללה טעונה במלואה (באמצעות אחת מהשיטות האחרות המתוארות כאן).
סינון קלמן: כדי להתגבר על החסרונות של שיטת המתח ושיטת אינטגרציית זרם, ניתן להשתמש במסנן קלמן. ניתן לתאר את הסוללה עם מודל חשמלי שבו ישמש מסנן קלמן כדי לחזות את מתח היתר בהינתן הזרם הנצפה. בשילוב עם מניית קולון, שיטה זו מאפשרת הערכה מדויקת של מצב הטעינה. החוזק של טכניקה זו הוא שמסנן קלמן מתקן בזמן אמת את המהימנות היחסית שלו ע"פ מתח הסוללה ומניית קולון.^[7]^[8]
לחץ: ניתן להשתמש בשיטה זו עם סוללות ניקל מתכת-הידריד (NiMH) מסוימות, שהלחץ הפנימי שלהן גדל במהירות כאשר הסוללה נטענת. בדרך כלל, מתג לחץ מציין אם הסוללה טעונה במלואה. ניתן לשפר שיטה זו על ידי התחשבות בחוק פיוקרט (אנ') שהוא פונקציה של זרם טעינה/פריקה.

קישורים חיצוניים

יהונתן ברקהיים, איך הסוללה יודעת את אחוזי הטעינה שלה?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 15 בדצמבר 2024

הערות שוליים

^ Saxena, Saurabh; Hendricks, Christopher; Pecht, Michael (2016-09-30). "Cycle life testing and modeling of graphite/LiCoO2 cells under different state of charge ranges". Journal of Power Sources. 327: 394–400. doi:10.1016/j.jpowsour.2016.07.057. ISSN 0378-7753.
^ Espedal, Ingvild B.; Jinasena, Asanthi; Burheim, Odne S.; Lamb, Jacob J. (4 ביוני 2021). "Current Trends for State-of-Charge (SoC) Estimation in Lithium-Ion Battery Electric Vehicles". Energies (באנגלית). 14 (11): 3284. doi:10.3390/en14113284. hdl:11250/2758056. ISSN 1996-1073. {{cite journal}}: (עזרה)
^ "Battery State of Charge Determination". www.mpoweruk.com. אורכב מ-המקור ב-2021-05-01. נבדק ב-2019-11-06.
^ S Accetta, Joseph. "Applications of Refractometry in Battery State-of-Charge (SOC) Measurements". JSA Photonics. נבדק ב-21 בדצמבר 2024. {{cite web}}: (עזרה)
^ Patil, Supriya S.; Labade, V. P.; Kulkarni, N. M.; Shaligram, A. D. (2013-11-01). "Analysis of refractometric fiber optic state-of-charge (SOC) monitoring sensor for lead acid battery". Optik. 124 (22): 5687–5691. Bibcode:2013Optik.124.5687P. doi:10.1016/j.ijleo.2013.04.031. ISSN 0030-4026.
^ Li JF, Zhao M, Dai CS, Wang ZB, Pecht M. A mathematical method for open-circuit potential curve acquisition for lithium-ion batteries. J Electroanal Chem. 2021;895:11 doi: 10.1016/j.jelechem.2021.115488.
^ Zhang, J. and Lee, J., A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery, Journal of Power Sources Volume 196, Issue 15, 1 August 2011
^ Wei, He; Nicholas Williard; Chaochao Chen; Michael Pecht (2013). "State of charge estimation for electric vehicle batteries using unscented kalman filtering". Microelectronics Reliability. 53 (6): 840–847. Bibcode:2013MiRe...53..840H. doi:10.1016/j.microrel.2012.11.010.

[1] Saxena, Saurabh; Hendricks, Christopher; Pecht, Michael (2016-09-30). "Cycle life testing and modeling of graphite/LiCoO2 cells under different state of charge ranges". Journal of Power Sources. 327: 394–400. doi:10.1016/j.jpowsour.2016.07.057. ISSN 0378-7753.

[2] Espedal, Ingvild B.; Jinasena, Asanthi; Burheim, Odne S.; Lamb, Jacob J. (4 ביוני 2021). "Current Trends for State-of-Charge (SoC) Estimation in Lithium-Ion Battery Electric Vehicles". Energies (באנגלית). 14 (11): 3284. doi:10.3390/en14113284. hdl:11250/2758056. ISSN 1996-1073. {{cite journal}}: (עזרה)

[3] "Battery State of Charge Determination". www.mpoweruk.com. אורכב מ-המקור ב-2021-05-01. נבדק ב-2019-11-06.

[4] S Accetta, Joseph. "Applications of Refractometry in Battery State-of-Charge (SOC) Measurements". JSA Photonics. נבדק ב-21 בדצמבר 2024. {{cite web}}: (עזרה)

[5] Patil, Supriya S.; Labade, V. P.; Kulkarni, N. M.; Shaligram, A. D. (2013-11-01). "Analysis of refractometric fiber optic state-of-charge (SOC) monitoring sensor for lead acid battery". Optik. 124 (22): 5687–5691. Bibcode:2013Optik.124.5687P. doi:10.1016/j.ijleo.2013.04.031. ISSN 0030-4026.

[6] Li JF, Zhao M, Dai CS, Wang ZB, Pecht M. A mathematical method for open-circuit potential curve acquisition for lithium-ion batteries. J Electroanal Chem. 2021;895:11 doi: 10.1016/j.jelechem.2021.115488.

[7] Zhang, J. and Lee, J., A review on prognostics and health monitoring of Li-ion battery, Journal of Power Sources Volume 196, Issue 15, 1 August 2011

[8] Wei, He; Nicholas Williard; Chaochao Chen; Michael Pecht (2013). "State of charge estimation for electric vehicle batteries using unscented kalman filtering". Microelectronics Reliability. 53 (6): 840–847. Bibcode:2013MiRe...53..840H. doi:10.1016/j.microrel.2012.11.010.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]