كيفية قياس جهد البطارية بدقة؟

يُعد قياس دقيق لجهد البطارية أمرًا بالغ الأهمية لضمان موثوقية وأداء الأجهزة التي تعمل بالبطارية. سواء في الإلكترونيات الاستهلاكية أو الأنظمة السياراتية أو أنظمة تخزين الطاقة المتجددة، فإن معرفة كيفية قياس جهد البطارية بدقة يمكن أن يمنع أعطال المعدات، ويُطيل عمر البطارية، ويضمن السلامة. سيُرشدك هذا المقال خلال المبادئ والأساليب ومعالجة الأخطاء وحلول الاتصال وحالات التطبيق الخاصة بقياس جهد البطارية، ليمنحك فهمًا شاملاً لكيفية قياس جهد البطارية بدقة.

المبدأ الأساسي لقياس جهد البطارية

لفهم كيفية قياس جهد البطارية بدقة، نحتاج أولاً إلى إدراك المبدأ الأساسي الكامن وراء ذلك. تولد البطارية طاقة كهربائية من خلال تفاعلات كيميائية، مما يخلق فرقًا في الجهد بين طرفيها الموجب والسالب. وعند توصيل جهاز فولتميتر عبر هذين الطرفين، فإنه يقوم بقياس هذا الفرق في الجهد.

تكمن المفتاح للحصول على قياس دقيق في تقليل التيار المستمد من البطارية أثناء العملية. وبما أن البطاريات تمتلك مقاومة داخلية، فإن تدفق تيار كبير سيتسبب في انخفاض في الجهد عبر هذه المقاومة، ما يؤدي إلى قراءة غير دقيقة. لذلك، ينبغي أن يكون لمقياس الفولتميتر مقاومة دخل عالية جداً تضمن سحب تيار ضئيل لا يؤثر.

يُظهر مخطط الدائرة أعلاه مؤشر مستوى جهد البطارية باستخدام شريحة LM3915. فهو لا يقيس الجهد فحسب، بل يعرض أيضًا المستوى من خلال سلسلة من الصمامات الثنائية الباعثة للضوء (LEDs). ويوضح هذا كيف يمكن تصميم دوائر قياس الجهد لتوفير معلومات كمية ونوعية حول جهد البطارية.

دليل خطوة بخطوة لقياس جهد البطارية

ليس من الضروري أن يكون قياس جهد البطارية معقدًا. باستخدام الأدوات المناسبة والتقنية الصحيحة، يمكنك الحصول على نتائج دقيقة. إليك دليلًا خطوة بخطوة:

• استعد الأدوات اللازمة : ستحتاج إلى مقياس متعدد رقمي (DMM) بوظيفة قياس الجهد. تأكد من ضبط المقياس المتعدد الرقمي على النطاق الجهد المناسب. بالنسبة لمعظم البطاريات، يكون نطاق 0 - 20 فولت كافيًا.
• أوقف تشغيل الجهاز (إن كان ذلك منطبقًا) : إذا كانت البطارية مثبتة داخل جهاز، افصل تشغيل الجهاز لتجنب أي تيار حمل قد يؤثر على القياس.
• حدد طرفي البطارية : حدد طرفي البطارية الموجب (+) والسالب (-). وعادةً ما تكون هذه الأطراف مُعلَّمة على غلاف البطارية.
• قم بتوصيل أقطاب جهاز القياس المتعدد : قم بتوصيل القطب الأحمر لجهاز القياس الرقمي (DMM) بالطرف الموجب، والقطب الأسود بالطرف السالب. تأكد من التوصيل بشكل آمن لمنع مقاومة التلامس.
• اقرأ القياس : انتظر حتى يستقر عرض جهاز القياس ثم سجّل القراءة. تمثل هذه القيمة جهد الدائرة المفتوحة للبطارية.

تُظهر هذه الصورة إعدادًا عمليًا لقياس جهد البطارية باستخدام جهاز قياس رقمي. لاحظ كيف تتصل الأقطاب بأطراف البطارية، ويعرض جهاز القياس قراءة واضحة. وباتباع هذه الخطوات، يمكنك قياس جهد البطارية بدقة في معظم الحالات الشائعة.

المصادر الشائعة لأخطاء القياس وكيفية التعامل معها

حتى مع القياس الدقيق، قد تحدث أخطاء في بعض الأحيان. إن فهم هذه الأخطاء وكيفية تقليلها أمر ضروري للحصول على قياس دقيق لجهد البطارية.

مقاومة الاتصال : عند توصيل أطراف جهاز القياس المتعدد بأقطاب البطارية، يمكن أن يؤدي التلامس غير الجيد إلى إدخال مقاومة، مما يسبب انخفاضًا في الجهد. لتقليل ذلك، تأكد من نظافة الأطراف واتصالها المحكم بالأقطاب. كما يمكن أن يساعد استخدام أطراف ذات مجسات حادة ومُحافظ عليها جيدًا.

تأثيرات درجة الحرارة : جهد البطارية يعتمد على درجة الحرارة. فعند ارتفاع درجات الحرارة، تزداد سرعة التفاعلات الكيميائية داخل البطارية، ما يزيد الجهد، بينما تنخفض هذه السرعة في درجات الحرارة المنخفضة، مما يقلل الجهد. إذا كانت هناك حاجة لدقة عالية، يجب قياس البطارية عند درجة حرارة مستقرة ومعلومة، والرجوع إلى بيانات معامل درجة حرارة البطارية لإجراء التصويب اللازم.

تيار الحمل : كما ذُكر سابقًا، فإن أي تيار حمل يمر أثناء القياس سيتسبب في انخفاض الجهد بسبب المقاومة الداخلية للبطارية. يجب دائمًا قياس البطارية في حالة دارة مفتوحة (بدون حمل) كلما أمكن ذلك. وإذا كان لا بد من وجود الحمل، فيجب استخدام تقنية القياس بأربعة أسلاك (الاستشعار الكيلڤيني) لإلغاء تأثير مقاومة الأسلاك.

دقة جهاز القياس المتعدد : تُعد دقة جهاز القياس المتعدد نفسه عاملاً مؤثرًا. استخدم جهاز قياس متعدد معاير بدقة لا تقل عن ±0.5٪ للقياسات الحرجة. ويضمن المعايرة المنتظمة بقاء جهاز القياس المتعدد دقيقًا مع مرور الوقت.

من خلال التنبه لمصادر الأخطاء هذه واتخاذ الإجراءات المناسبة، يمكنك تحسين دقة قياسات جهد البطارية بشكل كبير.

حلول الاتصال لأنظمة قياس جهد البطارية

في العديد من التطبيقات، وبخاصة عند التعامل مع بطاريات متعددة أو حزم بطاريات، من الضروري إرسال بيانات قياس الجهد إلى نظام رصد مركزي. توجد عدة بروتوكولات وطرق توصيل مناسبة لهذا الغرض، ولكل منها مزاياها الخاصة.

حافلة CAN : يتم استخدام حافلة شبكة تحكم المنطقة (CAN) على نطاق واسع في التطبيقات automotive والصناعية بسبب موثوقيتها العالية وأدائها في الوقت الفعلي. وتستخدم هذه الحافلة نظام إشارة تفاضلي، مما يجعلها مقاومة للتداخل الكهرومغناطيسي (EMI). كما تدعم حافلة CAN وجود عقد متعددة على حافلة واحدة، مما يتيح دمج وحدات مراقبة البطاريات بعدد كبير بسهولة.

يوضح الرسم أعلاه إشارات الجهد ونقل العقد لحافلة CAN. ويضمن الجهد التفاضلي بين خطوط CAN_H وCAN_L اتصالاً قويًا حتى في البيئات المعرضة للتشويش.

RS485 : يعتبر RS485 خيارًا شائعًا آخر للاتصالات الصناعية. فهو يدعم الاتصال على مسافات طويلة (تصل إلى 1200 متر) ويمكنه توصيل ما يصل إلى 32 جهازًا على حافلة واحدة. وكما في حافلة CAN، يستخدم RS485 الإشارة التفاضلية لتحقيق مقاومة الضوضاء. وغالبًا ما يُستخدم في أنظمة إدارة البطاريات الخاصة بتخزين الطاقة الشمسية وتطبيقات أنظمة التغذية غير المنقطعة (UPS).

يوضح هذا الرسم نظام اتصالات حافلة تفاضلي، وهو نموذجي لـ RS485. ويُساعد استخدام الكابلات المزدوجة الملتويّة ومقاومات النهاية في تقليل انعكاسات الإشارة وضمان إرسال بيانات موثوق.

Modbus modbus هو بروتوكول يُستخدم عادةً مع RS485 والإيثرنت. ويحدد كيفية هيكلة البيانات ونقلها بين الأجهزة. ويسهل تنفيذ Modbus ويدعمه عدد كبير من الأنظمة على نطاق واسع، مما يجعله خيارًا جيدًا لدمج قياس جهد البطارية في أنظمة المراقبة الحالية.

يُظهر الرسم أعلاه إطارات رسالة Modbus للطلب والاستجابة. إن البنية البسيطة لرسائل Modbus تجعل تنفيذها وتصحيحها سهلًا.

بنية سلسلة التوصيل المتسلسلة : في التوصيل على شكل سلسلة دايزية، يتم توصيل كل وحدة مراقبة للبطارية بشكل متسلسل بالوحدة التالية، مشكلةً بذلك سلسلة. هذه الطريقة بسيطة من حيث التوصيل ومناسبة للتطبيقات التي تكون فيها الوحدات مرتبة بشكل خطي. ولكن، إذا فشلت إحدى الوحدات، فقد يؤدي ذلك إلى تعطيل الاتصال مع الوحدات اللاحقة. ولتقليل هذه المشكلة، تتضمن بعض تنفيذات السلسلة الدايزية دوائر تجاوز.

RS232 : يُعد RS232 بروتوكول اتصال بسيط ومنخفض السرعة، وهو مناسب للاتصال النقطة-إلى-نقطة لمسافات قصيرة (تصل إلى 15 مترًا). ويُستخدم غالبًا في البيئات المخبرية لتوصيل جهاز قياس بطارية واحد بجهاز كمبيوتر.

عند اختيار حل اتصال، يجب مراعاة عوامل مثل عدد العقد، ومسافة الاتصال، وبيئة التشويش، والتكامل مع الأنظمة الحالية. تعد حافلة CAN وRS485 خيارين ممتازين لمعظم التطبيقات الصناعية والسيارات، في حين يوفر Modbus بروتوكولًا مرنًا لتبادل البيانات.

حالات تطبيقية في سيناريوهات اختبار الأداء

قياس جهد البطارية هو جزء أساسي من اختبار الأداء في مختلف الصناعات. دعونا نستعرض بعض حالات الاستخدام التي يكون فيها قياس الجهد الدقيق أمرًا بالغ الأهمية.

اختبار الإلكترونيات الاستهلاكية : في تطوير الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر المحمولة والأجهزة اللوحية، تُعدّ عمر البطارية والأداء من النقاط الرئيسية في البيع. ويقوم المصنعون باختبارات مكثفة للجهد لتقييم أداء البطارية تحت أحمال مختلفة (مثل تشغيل الفيديو، الألعاب، أو الوضع التلقائي). ومن خلال قياس انخفاض الجهد مع مرور الوقت، يمكنهم تحسين خوارزميات إدارة الطاقة وتقدير عمر البطارية بدقة.

حزم بطاريات المركبات الكهربائية : تعتمد المركبات الكهربائية (EV) على حزم بطاريات كبيرة تتكون من مئات أو آلاف الخلايا الفردية. يجب مراقبة جهد كل خلية باستمرار لضمان شحن وتفريغ متوازنين، مما يُحسّن السعة والعمر الافتراضي للحزمة. يمكن أن تؤدي التباينات في جهود الخلايا إلى تقليل المدى، أو فشل مبكر، أو حتى مخاطر أمنية. ويُستخدم حافلة CAN عادةً في أنظمة إدارة بطاريات المركبات الكهربائية لجمع بيانات الجهد من كل وحدة خلية.

أنظمة تخزين الطاقة المتجددة : تستخدم أنظمة تخزين الطاقة الشمسية وطاقة الرياح بطاريات لتخزين الطاقة الزائدة. ويُعد قياس الجهد أمرًا ضروريًا لمراقبة حالة الشحن (SOC) وحالة البطارية (SOH) لمجموعة البطاريات. وغالبًا ما تُستخدم تقنية اتصال RS485 لتوصيل وحدات المراقبة الموزعة للبطاريات بوحدة تحكم مركزية، تقوم بإدارة عمليتي الشحن والتفريغ بناءً على الجهود المقاسة.

أنظمة التزويد بالطاقة بدون انقطاع (UPS) توفر أنظمة UPS طاقة احتياطية أثناء انقطاع التيار الكهربائي. يتم مراقبة جهد البطارية بشكل مستمر للكشف عن الوقت المناسب للتبديل إلى الطاقة الاحتياطية، ولضمان شحن البطارية بالكامل. ويُستخدم بروتوكول Modbus بشكل شائع في أنظمة UPS لدمج مراقبة البطارية مع نظام إدارة الطاقة الشامل.

في جميع هذه الحالات، تُعد القدرة على قياس جهد البطارية بدقة ونقل البيانات بشكل موثوق أمراً حاسماً لتحسين الأداء، وضمان السلامة، وتمديد عمر البطارية. وتؤدي حلول الاتصالات المذكورة سابقاً دوراً أساسياً في تحقيق هذه الأهداف.

الاستنتاج

يُعد قياس جهد البطارية بدقة أمراً ضرورياً في العديد من التطبيقات، بدءاً من الإلكترونيات الاستهلاكية ووصولاً إلى الأنظمة الصناعية. ومن خلال فهم المبادئ الأساسية، واتباع تقنيات القياس السليمة، ومعالجة الأخطاء المحتملة، واختيار حلول اتصال مناسبة، يمكنك ضمان قياسات دقيقة وموثوقة للجهد.

تشمل الخطوات الرئيسية فهم مبدأ قياس الفرق في الجهد، واستخدام الأدوات والأساليب المناسبة، والتقليل من الأخطاء الناتجة عن مقاومة التلامس ودرجة الحرارة، واختيار بروتوكولات اتصال مناسبة مثل حافلة CAN أو RS485 أو Modbus لنقل البيانات. وتُظهر حالات التطبيق في اختبار الأداء أهمية هذه القياسات في تحسين أداء البطارية وضمان السلامة.

سواء كنت هاوٍ أو مهندسًا أو فنيًا، فإن المعارف والتقنيات المقدمة في هذا المقال ستساعدك على قياس جهد البطارية بدقة وفعالية. ومع استمرار تطور تقنية البطاريات، ستزداد الحاجة إلى قياس الجهد بدقة، مما يجعل هذه المهارة ذات قيمة في عالم التكنولوجيا الحالي القائم على التقنية.