ما هو تعويم الجهد؟

الجهد العائم هو مستوى الجهد المطبق على بطارية مشحونة بالكامل للحفاظ على شحنها عن طريق تعويض التفريغ الذاتي-. يمنع جهد الصيانة هذا الشحن الزائد والشحن الزائد، مما يبقي البطارية جاهزة للاستخدام الفوري في أنظمة الطاقة الاحتياطية، ومعدات الطوارئ، ومنشآت الطاقة المتجددة.

البطاريات لا تبقى مشحونة إلى أجل غير مسمى. حتى عند فصلها عن أي حمل، تواجه جميع البطاريات-تفريغًا ذاتيًا-فقدانًا تدريجيًا للشحن بسبب التفاعلات الكيميائية الداخلية. تفقد بطاريات الرصاص الحمضية- ما يقرب من 3-5% من سعتها شهريًا عند درجة حرارة الغرفة، بينما تفقد بعض كيمياء الليثيوم 1-3%.

يعمل الشحن العائم على حل هذه المشكلة عن طريق تطبيق جهد كهربائي منخفض وثابت يعوض بالضبط ما تفقده البطارية من خلال التفريغ الذاتي-. يعمل الشاحن والبطارية بالتوازي، حيث يوفر الشاحن تيارًا كافيًا للحفاظ على البطارية بكامل طاقتها دون فرض تيار زائد قد يؤدي إلى تلف الخلايا.

يصبح هذا المفهوم حاسما في التطبيقات الاحتياطية. تحتاج مصادر الطاقة غير المنقطعة لمراكز البيانات إلى بطاريات بسعة 100% عند تعطل الشبكة. يجب تفعيل أنظمة الإضاءة في حالات الطوارئ على الفور أثناء انقطاع التيار الكهربائي. تتطلب هذه السيناريوهات بطاريات تبقى في وضع الخمول لعدة أشهر ولكنها تظل مشحونة بالكامل-وهو بالضبط ما يوفره الجهد العائم.

Float Voltage

تتطلب أنواع البطاريات المختلفة جهدًا كهربائيًا عائمًا مختلفًا بشكل واضح، كما أن استخدام الجهد الكهربي الخاطئ يمكن أن يقلل بشكل كبير من عمر البطارية أو يخلق مخاطر على السلامة.

تتمتع بطاريات الرصاص-الحمضية، بما في ذلك بطاريات الرصاص المغمورة وبطاريات AGM والبطاريات الهلامية، بنطاقات جهد عائمة ثابتة-. عند 25 درجة (77 درجة فهرنهايت)، يكون المعيار حوالي 2.25 إلى 2.30 فولت لكل خلية. بالنسبة لبطارية 12 فولت نموذجية ذات ست خلايا، فإن هذا يترجم إلى 13.5-13.8 فولت.

عادةً ما تطفو بطاريات الرصاص الحمضية-المغمورة عند 13.4 فولت (2.23 فولت لكل خلية)، وهو أقل قليلاً من الأنواع المختومة لتقليل فقد الماء نتيجة إطلاق الغاز بالكهرباء. تعمل بطاريات AGM بشكل مريح عند 13.5-13.6 فولت، بينما تفضل البطاريات الهلامية 13.1-13.3 فولت بسبب حساسيتها لجهد الشحن الزائد.

هذه القيم ليست تعسفية. عند الجهد العائم، تقبل البطارية الحد الأدنى من التيار-عادةً أقل من 1% من سعتها بالأمبير-ساعة. قد تسحب بطارية بقوة 100 أمبير/ساعة 0.5-1 أمبير فقط أثناء الشحن العائم، وهو ما يكفي فقط لمواجهة التفريغ الذاتي دون الضغط على كيمياء البطارية.

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على الجهد العائم الأمثل. تتسارع التفاعلات الكهروكيميائية في بطاريات الرصاص-الحمضية مع الحرارة وتتباطأ مع البرودة. يبلغ تعويض درجة الحرارة القياسي في الصناعة حوالي -3.9 مللي فولت لكل درجة لكل خلية. بالنسبة لبطارية 12 فولت، يكون هذا حوالي -23 مللي فولت لكل درجة للحزمة بأكملها.

خذ بعين الاعتبار مثالًا عمليًا: بطارية 12 فولت مغمورة بجهد عائم 13.4 فولت عند 25 درجة. إذا ارتفعت درجة الحرارة المحيطة إلى 35 درجة (زيادة 10 درجات)، يصبح جهد التعويم المعوض 13.17 فولت. وبدون هذا التعديل، فإن الجهد العالي عند درجة حرارة مرتفعة من شأنه أن يسبب الإفراط في الغاز وفقدان الماء. على العكس من ذلك، عند 15 درجة، يجب أن يزيد جهد التعويم إلى 13.63 فولت لمنع الشحن الزائد في الظروف الباردة.

تقدم بطاريات الليثيوم صورة أكثر تعقيدًا. بينما تم تصميم بطاريات الرصاص-الحمضية مع وضع الشحن العائم في الاعتبار، فإن كيمياء الليثيوم-وخاصة الليثيوم-أيون-تتطلب دراسة متأنية قبل تطبيق جهد تعويم ثابت.

يمكن لبطاريات LiFePO4 (فوسفات الحديد الليثيوم) أن تتحمل الشحن العائم عند تكوينها بشكل صحيح. يتراوح جهد التعويم الموصى به من 3.35 إلى 3.45 فولت لكل خلية (13.4-13.8 فولت لحزمة 12 فولت). ومع ذلك، حتى خلايا LiFePO4 تواجه شيخوخة متسارعة عندما يتم الاحتفاظ بها عند أقصى جهد لفترات طويلة.

تواجه خلايا أيون الليثيوم- القياسية (كيمياء NMC وNCA) مخاطر أكبر. يتم شحن هذه الخلايا عادةً إلى 4.2 فولت لكل خلية، لكن الاحتفاظ بها عند هذا الجهد بشكل مستمر يسبب ضغطًا على مواد القطب الكهربائي. يخضع الكاثود لتغييرات هيكلية، ويمكن أن يحدث طلاء الليثيوم على الأنود، وتؤدي التفاعلات الجانبية إلى تسريع تحلل الإلكتروليت.

هنا حيثشاحن بطارية ليثيوم أيونيصبح التصميم حاسما. لا تستخدم شواحن بطاريات الليثيوم أيون عالية الجودة عادة الشحن العائم الحقيقي. بدلاً من ذلك، يستخدمون إستراتيجية "جهد التخزين"-الشحن إلى 3.9-4.0 فولت لكل خلية ثم فصلها، وإعادة الاتصال فقط عندما ينخفض الجهد إلى ما دون الحد الأدنى. وهذا يمنع إجهاد الجهد المستمر للشحن العائم التقليدي.

تقوم أنظمة إدارة البطارية (BMS) في بطاريات الليثيوم بمراقبة جهد الخلية بشكل مستمر. عند محاولة الشحن العائم، يجب أن يضمن نظام إدارة المباني توازن الخلايا بشكل مثالي والتحكم الدقيق في الجهد. حتى 50-100 مللي فولت فوق الجهد الموصى به يمكن أن يؤدي إلى تدهور سريع.

المعنى العملي: تنصح معظم الشركات المصنعة لشواحن بطاريات الليثيوم أيون على وجه التحديد بعدم الشحن المستمر العائم لبطاريات الليثيوم-. وبدلاً من ذلك، يوصون بشحن "أعلى-" دوريًا أو تخزينه بنسبة 80-90% للتطبيقات الاحتياطية طويلة المدى.

Float Voltage

لا يوجد الجهد العائم بمعزل عن الآخر-فإنه المرحلة الأخيرة من عملية الشحن ثلاثية-المراحل التي تستخدمها معظم أجهزة شحن البطاريات الحديثة لحمض الرصاص- وبعض كيمياء الليثيوم.

توفر المرحلة السائبة أقصى تيار لاستعادة سعة البطارية بسرعة. عندما تكون البطارية فارغة بشكل ملحوظ-على سبيل المثال، أقل من 80% من سعتها-يمكنها قبول معدلات تيار عالية. سيوفر الشاحن ذو الحجم المناسب ما بين 15 إلى 25% من سعة البطارية بالأمبير. قد تستقبل بطارية 100 أمبير ما بين 15 إلى 25 أمبير أثناء الشحن بالجملة.

يرتفع الجهد بشكل مطرد أثناء الشحن بالجملة مع زيادة حالة شحن البطارية. بالنسبة لبطارية الرصاص-الحمضية بقدرة 12 فولت، قد يرتفع الجهد الكهربي من 11.5 فولت عند تفريغها بعمق إلى حوالي 14.4 فولت بنهاية مرحلة التجميع. يحافظ الشاحن على تيار ثابت بينما يتبع الجهد قبول البطارية.

تتم استعادة ما يقرب من 80% من سعة البطارية أثناء الشحن بالجملة. هذه المرحلة سريعة نسبيًا-قد تكتمل شحن بطارية بقوة 100 أمبير مفرغة بشدة خلال 3 إلى 5 ساعات باستخدام شاحن بقدرة 20 أمبير.

عندما تقترب سعة البطارية من 80-90%، تتضاءل قدرتها على قبول التيار. ينتقل الشاحن إلى وضع الامتصاص، مع الحفاظ على الجهد الكهربي ثابتًا (عادةً 14.4-14.8 فولت لحمض الرصاص 12 فولت) بينما يتضاءل التيار بشكل طبيعي.

أثناء الامتصاص، قد ينخفض تيار الشحن من 15 أمبير إلى 5 أمبير، ثم إلى 2 أمبير عندما تقترب البطارية من سعتها الكاملة. تعمل التفاعلات الكيميائية في ألواح البطارية على إبطاء-احتلال مواقع المواد النشطة، وزيادة المقاومة الداخلية قليلاً.

تستغرق هذه المرحلة وقتًا أطول من الحجم الإجمالي على الرغم من استعادة 10-20% فقط من السعة. قد تقضي نفس البطارية التي تبلغ سعتها 100 أمبير في الساعة 3-4 ساعات في وضع الامتصاص. يقوم الشاحن عادةً بمراقبة التيار، في انتظار انخفاضه إلى ما دون عتبة - ربما C/50 (2 أمبير لبطارية 100 أمبير) - قبل الانتقال إلى الطفو.

بمجرد اكتمال الامتصاص، يقوم الشاحن بتقليل الجهد إلى مستوى التعويم. بالنسبة لمثال حمض الرصاص-بجهد 12 فولت، ينخفض الجهد من 14.4 فولت إلى 13.5 فولت. ينخفض التيار على الفور إلى الحد الأدنى من المستويات-غالبًا ما يكون أقل من 1 أمبير.

أصبحت البطارية الآن في حالة "راحة" عند الشحن الكامل. يمنع الجهد الكهربي المنخفض الشحن الحالي-العالي الذي قد يسبب الغاز في البطاريات المغمورة بالمياه أو الضغط على البطاريات المغلقة. يستبدل الحد الأدنى من التيار ما تفقده البطارية عند التفريغ الذاتي-.

يمكن أن تظل أجهزة الشحن الحديثة ذات الثلاث-المراحل في الوضع العائم إلى أجل غير مسمى. يمكن للبطارية المتصلة بشاحن عائم مناسب أن تبقى لأشهر أو حتى سنوات، وتكون جاهزة دائمًا لتوفير السعة الكاملة عند الحاجة. وهذا يجعل الشحن العائم مثاليًا للبطاريات الاحتياطية في أنظمة UPS وإضاءة الطوارئ وأنظمة الإنذار.

تعتمد مراكز البيانات بشكل كبير على الإدارة المناسبة للجهد العائم. قد يتضمن تركيب UPS النموذجي العشرات من بطاريات 12 فولت متسلسلة لإنشاء جهد 480 فولت أو أعلى لناقل التيار المستمر. تطفو هذه البطاريات بشكل مستمر، وأحيانًا لسنوات بين أحداث التفريغ.

تحافظ شواحن بطاريات UPS عادةً على البطاريات عند مستوى -الجهد العائم المحدد من قبل الشركة المصنعة-وغالبًا ما يكون 2.27 فولت لكل خلية لبطاريات VRLA (صمام-حمض الرصاص-المنظم). تقوم أجهزة استشعار درجة الحرارة بضبط هذا الجهد بشكل مستمر. تتطلب وحدة UPS بقدرة 480 فولت مع 20 بطارية متسلسلة-فولت تنظيمًا دقيقًا للجهد عبر جميع الخلايا البالغ عددها 240 خلية.

ويزداد التحدي مع تقدم عمر البطارية. مع تقدم عمر البطاريات، يمكن أن تزيد معدلات التفريغ الذاتي-، الأمر الذي يتطلب اختلافًا طفيفًا في الفولتية العائمة. تستخدم أنظمة UPS المتقدمة مراقبة الجهد لكل سلسلة- لاكتشاف البطاريات المتدهورة التي تسحب تيارًا عائمًا زائدًا-علامة على ظهور شورتات أو خلايا جافة-.

تمثل تركيبات الطاقة الشمسية خارج الشبكة- تحديات فريدة للشحن العائم. تقضي البطاريات أيامًا أو أسابيع مشحونة بالكامل خلال الفترات المشمسة، ثم يتم تفريغها أثناء الطقس الغائم الطويل.

تستخدم وحدات التحكم في الشحن بالطاقة الشمسية خوارزميات تعويم متطورة. خلال النهار، بمجرد وصول البطاريات إلى الشحن الكامل، تقوم وحدة التحكم بتقليل جهد اللوحة إلى المستوى العائم. وهذا يمنع الشحن الزائد مع السماح للألواح بتزويد الأحمال المنزلية بالطاقة مباشرة. في الليل، عندما لا تنتج الألواح أي طاقة، يتوقف الشحن العائم بشكل واضح، وتبدأ البطاريات في التفريغ.

الفرق الرئيسي بين تطبيقات UPS هو ركوب الدراجات. قد تطفو البطاريات الشمسية لمدة 8 إلى 12 ساعة يوميًا، وتفرغ طوال الليل، ثم يتم إعادة شحنها في اليوم التالي. يتطلب هذا النمط تعويضًا أكثر قوة لدرجة الحرارة، حيث يمكن أن تتأرجح درجة حرارة البطارية بشكل كبير بين النهار والليل.

تقدم بطاريات المركبات سيناريو شحن عائم مختلف. عندما يعمل المحرك، يتم شحن المولد بجهد كبير (14.2-14.4 فولت). ومع ذلك، تشتمل المولدات الحديثة على منظمات ذكية تعمل على تقليل الجهد بمجرد اقتراب البطارية من الشحن الكامل، مما يوفر بشكل أساسي شحنًا عائمًا أثناء القيادة.

غالبًا ما تقوم أنظمة البطاريات البحرية بفصل البطاريات المنزلية (للأضواء والإلكترونيات) عن بطاريات البداية. قد تظل البطاريات المنزلية مشحونة من الطاقة الشاطئية أو الألواح الشمسية أثناء رسو القارب. توفر شواحن البطاريات البحرية عالية الجودة شحنًا متعدد-بنوك، مع إعدادات جهد تعويم مستقلة لمختلف بنوك البطاريات.

يتطلب الحصول على الجهد العائم الصحيح الانتباه إلى عدة عوامل تتجاوز مواصفات الجهد الأساسي.

وبدون تعويض درجة الحرارة، تعاني البطاريات. تواجه البطارية الموجودة في غرفة معدات بزاوية 40 درجة والتي تستقبل 13.8 فولت نفس الضغط الذي تتعرض له البطارية عند درجة 25 التي تستقبل 14.2 فولت - وكلاهما أعلى بكثير من جهد التعويم الآمن لدرجة الحرارة الفعلية.

تشتمل أجهزة شحن البطاريات عالية الجودة على أجهزة استشعار لدرجة الحرارة. قد يكون المستشعر داخليًا (إذا كان الشاحن يشترك في حاوية مع البطاريات) أو بعيد (مسبار يتم وضعه على البطاريات أو بالقرب منها). يقوم جهاز التحكم الدقيق الخاص بالشاحن بضبط جهد الخرج تلقائيًا بناءً على قراءات درجة الحرارة.

حساب التعويض واضح ومباشر: بالنسبة لبطارية الرصاص-الحمضية بجهد 12 فولت والتي تحتوي على 6 خلايا وخط تعويم أساسي قدره 13.5 فولت عند 25 درجة، استخدم -3.9 مللي فولت/ درجة × 6 خلايا=-23.4 مللي فولت/ درجة . إذا كانت درجة حرارة البطارية 30 درجة، فاضبط الجهد بمقدار (30-25) × -0.0234 فولت=-0.117V، لينتج 13.38 فولت.

التيار العائم يكشف عن صحة البطارية. يجب أن تسحب البطارية السليمة في الوضع العائم أقل من 1% من تصنيف Ah الخاص بها بالأمبير. يشير التيار الأعلى بشكل ملحوظ إلى وجود مشاكل: قصور داخلي، أو جفاف الخلايا-في البطاريات المغمورة بالمياه، أو الكبريت الناتج عن الشحن الزائد السابق.

تعمل أنظمة مراقبة البطارية المتقدمة على تتبع الاتجاهات الحالية للطفو مع مرور الوقت. غالبًا ما تسبق الزيادات التدريجية فشل البطارية بأشهر، مما يوفر تحذيرًا لجدولة الاستبدال أثناء نوافذ الصيانة بدلاً من مواجهة حالات فشل مفاجئة.

العديد من المزالق تصيب أنظمة الشحن العائمة بانتظام. ربما يكون استخدام الشاحن المصمم لكيمياء بطارية واحدة مع أخرى هو الأكثر شيوعًا. إن البطارية الهلامية الموجودة على شاحن البطارية المغمور بالمياه والتي تستقبل 13.8 فولت بدلاً من 13.2 فولت المطلوبة سوف ترتفع درجة حرارتها وتفشل قبل الأوان.

هناك خطأ شائع آخر وهو إهمال تعويض درجة الحرارة في البيئات ذات التباين الكبير في درجات الحرارة. قد يتعرض بنك البطاريات الموجود في خزانة الاتصالات الخارجية لدرجات حرارة تتراوح من -10 درجة إلى 50 درجة سنويًا. بدون تعويض، يتم شحن البطاريات بشكل زائد بشكل مزمن في الصيف وشحنها أقل من اللازم في الشتاء، مما يقلل من العمر الافتراضي بشكل كبير.

كما أن فقدان الانتقال من الامتصاص إلى التعويم يسبب مشاكل أيضًا. بعض أجهزة الشحن ذات الجودة المنخفضة-لا تقلل أبدًا من الجهد الكهربي إلى مستويات التعويم المناسبة، وبدلاً من ذلك تحافظ على البطاريات عند جهد الامتصاص إلى أجل غير مسمى. يعمل هذا لساعات أو حتى أيام ولكنه يسبب أضرارًا تراكمية على مدار أسابيع وأشهر من الاتصال المستمر.

Float Voltage

تظهر الأبحاث باستمرار أن الشحن العائم المناسب يمكن أن يطيل عمر البطارية بشكل كبير. يمكن لبطاريات الرصاص الحمضية- التي يتم الحفاظ عليها عند جهد تعويم صحيح مع تعويض درجة الحرارة أن تحقق من 8 إلى 10 سنوات من الخدمة في التطبيقات الاحتياطية، مقارنة بـ 4 إلى 5 سنوات عندما تتم إدارة جهد التعويم بشكل سيء.

الآلية واضحة ومباشرة: يؤدي الشحن الزائد إلى تآكل الشبكة في بطاريات الرصاص-الحمضية ويؤدي إلى تسريع تساقط المواد النشطة. يتيح الشحن المنخفض للكبريتات-نمو بلورات كبريتات الرصاص بشكل كبير وصلب، مما يقلل من قدرتها بشكل دائم. يصل الجهد العائم إلى النقطة المثالية حيث لا تهيمن أي من الظاهرتين.

بالنسبة لبطاريات الليثيوم، تأتي فائدة طول العمر من تجنب الجهد العالي المستمر. يمكن أن يؤدي تخزين خلية أيون الليثيوم- بجهد 4.2 فولت مقابل 3.9 فولت إلى تقليل عمر الدورة بنسبة 30-40%. تدمج شواحن بطاريات الليثيوم أيون عالية الجودة هذه المعرفة، إما بتجنب الشحن العائم تمامًا أو تطبيق حدود الجهد الكهربي أقل بكثير من الحد الأقصى لجهد الشحن.

يجب أن تكون لمواصفات الشركات المصنعة للبطاريات الأولوية دائمًا. على الرغم من أن الإرشادات العامة توفر نقاط البداية، إلا أن البطاريات المحددة غالبًا ما يكون لها متطلبات فريدة بناءً على بنيتها الداخلية ومواد الأقطاب الكهربائية والتطبيق المقصود.

الشحن العائم ليس الطريقة الوحيدة للحفاظ على البطاريات، على الرغم من أنه الأكثر شيوعًا للتطبيقات الثابتة.

يطبق الشحن المتتابع تيارًا منخفضًا ثابتًا بدلاً من الجهد الثابت. تفتقر هذه الطريقة القديمة إلى ذكاء الشحن العائم ويمكن أن تزيد من شحن البطاريات إذا تجاوز التيار المتقطر تيار التفريغ الذاتي-. لقد حلت أجهزة الشحن الحديثة ذات الثلاث مراحل- محل أجهزة الشحن البسيطة إلى حد كبير لسبب وجيه.

يستخدم الشحن النبضي نبضات تيار متقطعة بدلاً من الجهد المستمر. تدعي بعض الشركات المصنعة أن الشحن النبضي يقلل من الكبريتات في بطاريات الرصاص-الحمضية، على الرغم من تضارب الأدلة. يعد الشحن النبضي أقل شيوعًا في التطبيقات السائدة.

بالنسبة لبطاريات الليثيوم، اكتسب الشحن "وضع التخزين" استحسانًا. يقوم الشاحن بفحص الجهد بشكل دوري ويوفر شحنًا أعلى-إذا انخفض الجهد إلى ما دون الحد، ثم يتم قطع الاتصال. وهذا يتجنب الاتصال المستمر للشحن العائم التقليدي مع الحفاظ على البطاريات جاهزة للاستخدام.

يمثل الجهد العائم جانبًا أساسيًا لصيانة البطاريات الحديثة، خاصة لتطبيقات الطاقة الاحتياطية. تم تصميم بطاريات الرصاص-الحمضية بسلوكها المتميز-وارتفاع معدلات تفريغها الذاتي-عمليًا للشحن العائم. الجهد الكهربي منخفض بدرجة كافية لمنع حدوث ضرر ولكنه مرتفع بدرجة كافية للحفاظ على الشحن الكامل إلى أجل غير مسمى.

تتطلب بطاريات الليثيوم أساليب أكثر دقة. يتطلب الاعتماد المتزايد لشواحن بطاريات الليثيوم أيون في تطبيقات الطاقة الاحتياطية فهم أن الشحن العائم التقليدي قد لا ينطبق. تعمل العديد من بطاريات الليثيوم بشكل أفضل مع الشحن الدوري- بدلاً من تطبيق الجهد المستمر.

لا يمكن المبالغة في تقدير دور درجة الحرارة. تستجيب الكيمياء الكهربائية للبطاريات بقوة للظروف الحرارية، مما يجعل تعويض درجة الحرارة ضروريًا لأي نظام شحن عائم يتعرض لبيئات مختلفة.

يعمل الشحن العائم المناسب، جنبًا إلى جنب مع أجهزة الشحن عالية الجودة والمراقبة المناسبة، على تحويل البطاريات من مواد مستهلكة تتطلب استبدالًا متكررًا إلى أصول -طويلة الأمد يمكن الاعتماد عليها. إن الاستثمار المتواضع في معدات الشحن الجيدة يؤتي ثماره من خلال عمر البطارية الطويل والطاقة الاحتياطية الموثوقة عندما يكون الأمر أكثر أهمية.