ما هي حالة شحن البطاريات الشمسية؟

في أنظمة تخزين الطاقة الحديثة والمركبات الكهربائية، تُعد حالة شحن البطارية (SOC) معلمة رئيسية لتقييم أداء البطارية والطاقة المتاحة.

لا يساعد التقدير الدقيق لمركّز التشغيل الدقيق في تحسين استراتيجيات الشحن والتفريغ فحسب، بل يضمن أيضًا سلامة النظام ويطيل عمر البطارية ويعزز إدارة الطاقة. تقدم هذه المقالة التعريف وطرق الحساب وخوارزميات التقدير الشائعة والعوامل المؤثرة في SOC، إلى جانب تطبيقاتها العملية في تخزين الطاقة الكهروضوئية والمركبات الكهربائية.

ما هو SOC

يمثل SOC النسبة المئوية للطاقة المخزنة في البطارية أو نظام تخزين الطاقة بالنسبة إلى سعتها الكاملة. في البطارية، يشير SOC إلى النسبة بين الشحنة الحالية المتبقية والسعة المشحونة بالكامل، وعادةً ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية.

تساعد هذه المعلمة المستخدمين على فهم سعة البطارية المتبقية وتخطيط جداول الشحن والتفريغ. وهي أيضًا مدخلات حيوية لأنظمة إدارة البطاريات (BMS) في التحكم في الشحن وتحسين الطاقة وحماية السلامة، حيث إنها بمثابة مؤشر رئيسي لأداء النظام بشكل عام وتوافر الطاقة.

حالة شحن أصول الطاقة المختلفة

البطارية

في أنظمة البطاريات الشمسية، يُستخدم مركز العمليات الشمسية لمراقبة الطاقة المتبقية في الوقت الفعلي، مما يساعد المستخدمين على تخطيط استخدام الطاقة وجداول الشحن بكفاءة لتحقيق أقصى استفادة من الطاقة.

السيارة الكهربائية (EV)

في السيارات الكهربائية، يعتبر SOC هو المعلمة الأساسية لنظام إدارة البطارية (BMS)، حيث يعكس بشكل مباشر مدى القيادة المتبقي للسيارة. وهو يوفر معلومات أساسية لاتخاذ قرارات القيادة ويلعب دوراً حاسماً في ضمان سلامة البطارية وطول عمرها.

سواءً في أنظمة تخزين الطاقة الشمسية أو السيارات الكهربائية، يعتبر الحفاظ على SOC بين 20% و80% هو الأمثل ويمكن أن يحسن بشكل كبير من عمر دورة البطارية.

كيفية حساب SOC

يمكن تمثيل حالة شحن البطارية كنسبة مئوية من السعة المتبقية بالنسبة لسعتها القصوى.

المعادلة كالتالي:
SOC = السعة المتبقية / السعة الإجمالية × 100

مثال على ذلك:

السعة التخزينية الإجمالية لـ جودي LF51200-02 حزمة بطارية LiFePO₄ حزمة بطارية LiFePO₄ 10 كيلوواط ساعة. إذا تم استخدام 3 كيلوواط/ساعة، فإن （
7 كيلوواط/ساعة/10 كيلوواط/ساعة） × 100 = 70% SoC.

وصف المعلمة:

• س₀ (مللي أمبير): السعة الأولية
• س (مللي أمبير/ساعة): سعة الشحن أو التفريغ
• Qmax (mAh): السعة القصوى القابلة للتخزين للبطارية

كيفية قياس حالة الشحن في البطاريات الشمسية

في نظام إدارة البطارية (BMS)، لا يمكن قياس SOC بشكل مباشر، وعادةً ما يتم تقديره باستخدام النماذج التالية:

1. عدّ كولوم

تقوم طريقة عدّ كولوم بتتبع تيار الشحن والتفريغ بمرور الوقت (التكامل الحالي). وهي توفر استجابة عالية وبساطة ولكنها تعاني من أخطاء تراكمية على مدى فترات طويلة وتعتمد بشكل كبير على دقة SOC الأولية وتصحيح الكفاءة.

2. طريقة جهد الدائرة المفتوحة

تقيس طريقة جهد الدائرة المفتوحة الجهد الطرفي في ظروف السكون أو التيار المنخفض وتعيّنه إلى SOC باستخدام منحنى OCV-SOC معاير مسبقًا. وهي بديهية ودقيقة في ظروف الحالة المستقرة ولكنها تتطلب فترات راحة لتجنب الأخطاء الناتجة عن الاستقطاب.

3. التقدير القائم على النموذج

تستخدم طريقة التقدير المستند إلى النموذج نماذج الدوائر الفيزيائية أو المكافئة إلى جانب بيانات المراقبة لتقدير أو التنبؤ بمركّز التشغيل SOC. وتعكس هذه الطريقة السلوك الكهروكيميائي الديناميكي وتحافظ على دقة عالية في ظل ظروف متغيرة ولكنها تتطلب نمذجة دقيقة وتحديداً دقيقاً للمعامل وقدرة حسابية أعلى.

4. الخوارزمية الهجينة

وتجمع الخوارزمية الهجينة بين التتبع في الوقت الحقيقي لطريقة عدّ كولوم والتصحيح الديناميكي للتقدير القائم على النموذج والمعايرة الثابتة لطريقة OCV. وهي توازن بين الأداء في الوقت الحقيقي والدقة على المدى الطويل، ويتم اعتمادها على نطاق واسع في تطبيقات نظام إدارة المباني الصناعية.

تتميز جميع بطاريات تخزين الطاقة من GODE بشاشات LCD أو أضواء مؤشر أو تطبيقات الهاتف المحمول للمراقبة في الوقت الفعلي لمُركّز التشغيل SOC والمعلمات الأخرى - لا حاجة إلى حساب يدوي.

يساعد هذا المؤشر المستخدمين على تقييم الطاقة المتاحة وأداء النظام بشكل عام.

العوامل الرئيسية التي تؤثر على SOC

معدل الشحن والتفريغ

إن المعدل C-معدل يؤثر بشكل كبير على SOC. يزيد تيار الشحن المرتفع من معدل SOC بشكل أسرع، بينما يقلل تيار التفريغ المرتفع من معدل SOC بسرعة أكبر. يمكن أن تؤدي معدلات C المفرطة إلى إضعاف دقة SOC في حسابات نظام إدارة المحرك.

جهد الشحن

يحدد جهد الشحن الحد الأقصى الذي يمكن تحقيقه من SOC. يسمح الجهد العالي بالشحن بشكل أسرع ولكنه يسرّع من التقادم ويزيد من مخاطر السلامة، بينما يؤدي الجهد المنخفض جداً إلى شحن غير كافٍ وتقليل من قيمة SOC.

عمق التفريغ

أكبر عمق التفريغ (DOD) يؤدي إلى انخفاض أكبر في SOC. تؤدي التفريغات العميقة إلى تسريع تدهور السعة وتسبب سلوكاً غير خطي في SOC. يوصى بالحفاظ على وزارة الدفاع في حدود 20%-80% لإطالة عمر البطارية بشكل كبير.

التفريغ الذاتي

حتى عندما تكون البطاريات في وضع الخمول، تتسبب التفاعلات الكيميائية الداخلية في فقدان البطاريات للشحن تدريجياً. وتؤدي معدلات التفريغ الذاتي الأعلى إلى اضمحلال أسرع لشحن البطارية الذاتي، خاصةً في درجات الحرارة العالية أو فترات التخزين الطويلة.

درجة الحرارة

تؤثر درجة الحرارة بشكل مباشر على معدلات التفاعل الكيميائي والمقاومة الداخلية. وتؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع التفاعلات وتقلبات SOC ولكنها تزيد من التقادم، بينما تقلل درجات الحرارة المنخفضة من النشاط والقدرة، مما يبطئ من تغيرات SOC ويزيد من أخطاء التقدير.

الرطوبة

تؤثر الرطوبة المحيطة بشكل غير مباشر على SOC من خلال التأثير على التبريد والعزل. يمكن أن تتسبب الرطوبة العالية في أكسدة الطرفية أو تدهور العزل، مما يؤدي إلى تسرب دقيق وانخفاض بطيء في المكوّن SOC، بينما تدعم الرطوبة المنخفضة الأداء الكهربائي المستقر.

نوع البطارية

تُظهر الكيميائيات المختلفة (على سبيل المثال، LiFeFePO₄، وNCM، وLFP، وحمض الرصاص) منحنيات مختلفة للجهد والقدرة. لي فيبو₄ لديها هضبة جهد مسطحة، مما يجعل تقدير SOC صعبًا، بينما تُظهر NCM حساسية أعلى للجهد، مما يبسّط التقدير القائم على الجهد.

BMS

إن دقة خوارزميات نظام إدارة المحرك تحدد بشكل مباشر موثوقية مركز التشغيل SOC. إذا لم يتم أخذ درجة الحرارة وتلاشي السعة وتعويض الجهد الديناميكي في الحسبان بشكل صحيح، فإن نتائج نظام تشغيل المحرك تنحرف عن الواقع. توفر الخوارزميات المتقدمة تصحيحًا في الوقت الفعلي لتقدير مستقر ودقيق لمركّز التشغيل SOC.

الخاتمة

يُعد SOC معلمة أساسية في تخزين الطاقة وأنظمة المركبات الكهربائية. من خلال التقدير العلمي والخوارزميات عالية الدقة، من الممكن تعزيز الكفاءة وضمان السلامة وإطالة عمر البطارية. تواصل شركة GODE دفع عجلة التحول نحو مستقبل طاقة أكثر اخضراراً وذكاءً من خلال الابتكار في مجال تخزين الطاقة وتكنولوجيا أنظمة إدارة المحركات.