בחירת הסוללה הנכונה

בחירת הסוללה הנכונה

מאת: גלעד מרק

ככל שציוד אלקטרוני נעשה נייד, יגדל הצורך הדחוף להשיג סוללות ומצברים טובים יותר עם קיבול גבוה יותר, גודל קטן יותר ומשקל נמוך יותר. השיפור המתמיד בטכנולוגיות הסוללות והמצברים, דורש שיטות טעינה חכמות יותר הדואגות לטעינה מהירה יותר ובטוחה יותר. דיוק גבוה יותר בניטור של תהליך הטעינה נדרש כדי להקטין את זמן הטעינה ולהגיע לטעינה של מלוא קיבול הסוללה, תוך כדי מניעת נזק לסוללה.

מוצרי צריכה מודרניים עושים שימוש ב-5 טכנולוגיות עיקריות: מצבר עופרת אטום, ניקל-קדמיום, ניקל-מטל-היידריד, ליטיום-יון וליטיום-פולימר. חשוב ביותר לכל מתכנן ומפתח מערכת, המופעלת בעזרת סוללות נטענות, להכיר את מאפייני כל טכנולוגיה ואת דרישות ויכולות הטעינה, כדי להגדיר בתכנון המקורי את הטכנולוגיה האידיאלית ביותר ליישום.  

מצבר עופרת אטום – (Sealed Lead Acid SLA)

מצברי עופרת נמצאים בשימוש ביישומים רבים בהם שאלת המחיר הינה חשובה יותר משאלת המשקל והנפח. בדרך כלל מעדיפים טכנולוגיה זו כגיבוי במערכות אל-פסק, כגיבוי במערכות אזעקה ובמערכות תאורה סולרית נייחות. מצברי העופרת נטענים בשיטה של מתח קבוע (CV) עם הגבלת זרם למניעת חימום יתר בתחילת הטעינה כתוצאה מאספקת מלוא זרם הטעינה במצב של מצבר פרוק. מצברים אלה מסוגלים להימצא במצב טעינה תמידית לכל אורך חיי המצבר. זאת כל עוד נשמרים מגבלות הטעינה, כגון: מתח מקסימאלי לתא של 2.3 וולט וטמפרטורת טעינה ועבודה קרובים לטמפ’ חדר (20-30 מעלות צלזיוס).

ניקל-קדמיום – (Nickel Cadmium NiCd)

סוללות ניקל-קדמיום נמצאות בשימוש נרחב במשך שנים רבות וגם כיום.

באופן יחסי הן נוחות וזולות לשימוש. תא ניק”ד איכותי יכול לספק במהלך חייו מעל 500 ועד 1,000 מחזורים (מחזור מוגדר כפריקה חלקית או מלאה ושלאחריה מגיעה טעינה מלאה). לסוללות הניק”ד יש רמת פריקה עצמית גבוהה יחסית. כמו כן, תא ניק”ד ניזוק מהפיכת קוטביות ולכן במארז המכיל מספר סוללות יש להימנע מפריקה עמוקה כדי להימנע מהפיכת הקוטביות של התא הבודד בעל הקיבול הנמוך ביותר. כדי להימנע מבעיה זו, חשוב לנטר את מתח המארז הכללי ולהפסיק את הפריקה במתח של 1.00 וולט לתא. סוללות ניק”ד נטענות בזרם קבוע עם הגבלה של זמן הטעינה (תלוי ביחס בין קיבול הסוללה לזרם הטעינה). ככל שהיחס בין קיבול הסוללה לזרם הטעינה קטן יותר, אזי יש יותר חשיבות לדיוק בזמן הטעינה המותר.

ניקל-מטל-היידריד – (Nickel Metal Hydride NiMH)

סוללות ניקל-מטל-היידריד נמצאות בשימוש הנרחב ביותר כיום ומחליפות חלק גדול מהיישומים שהיו בשליטת טכנולוגיית הניקל-קדמיום בעבר. סוללת ה-NiMH קלה יותר ובעלת צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מאשר מציעה טכנולוגיית ה-NiCd . סוללות אלה ניזוקות מהר יותר כתוצאה מטעינת יתר או כאשר הן נחשפות לטמפ’ יתר או טמפ’ סביבה גבוהה יותר מהמוגדר במפרט התא. לכן חשוב מאוד למדוד את זמן הטעינה הנדרש לסוללה ולהימנע מטעינת יתר.

סוללות אלה פגיעות יותר לפריקת יתר, כמו כן, פריקה מתחת למתח מסוים עלולה לגרום לאיבוד קבוע של כ- 10%-20% מהקיבול הנקוב של הסוללה.

סוללות אלה סובלות מפריקת עצמית גבוהה ביותר של כ-20% בחודש.  סוללות ה-NiMH נטענות בזרם קבוע עם הגבלה של זמן הטעינה (תלוי ביחס בין קיבול הסוללה לזרם הטעינה). אולם, עקב פגיעותן הרבה לטעינת יתר, יש חשיבות גבוהה יותר )מאשר בטכנולוגיית ה- (NiCd לדיוק במשך זמן הטעינה המייחס לקיבול והמוגדר ע”י יצרן הסוללה.

ליטיום-יון – (Lithium-Ion Li-Ion)

סוללות הליטיום-יון ניחנות באנרגיה המשקלית והאנרגיה הנפחית הגבוהה ביותר ביחס לטכנולוגיות שנסקרו עד עתה.

סוללות הליטיום-יון נטענות בשיטת CV-CC, כלומר טעינה בזרם קבוע ועם הגבלת מתח. לאחר השגת המתח הרצוי, עוברת הטעינה למתח קבוע וזרם משתנה ויורד עד לרמת זרם נמוכה שבה מופסקת הטעינה. טעינת יתר בטכנולוגיה זו עלולה לגרום לפגיעה במארז הסוללות ולהתפוצצות על גוף הסוללה.

טעינה בטוחה ניתנת ליישום ע”י תכנון של שלושת מרכיבי המערכת:
הסוללה, המטען והמערכת:

הסוללה: בניית מארז סוללות הכולל רכיבי הגנה וניטור טמפ’ ומעגלי הגנה למניעת טעינת יתר, פריקת יתר וקצר .

המטען: שימוש במטען מאושר לשימוש המיישם את כל דרישות הבטיחות, כגון: מתח טעינה מדויק (עד לדיוק של כ-2% בטולרנס המתח), זרם טעינה שלא עולה על המותר, טיימר ביטחון (יש מטענים שונים המיישמים טיימר בסוף הטעינה או בשלבים שונים של הטעינה), התחלת טעינה אך ורק במידה ויש ביטחון שמתח הסוללה תקין (גבוה מ-3 וולט לתא).

המערכת: תכנון המערכת כך שתתנתק מהסוללה כאשר מתח הסוללה נמוך מ-3 וולט לתא. כמו כן, שהמחברים והחיווט הפנימי לא יגרמו לסכנת קצר במגעי הסוללה, ושהמערכת לא תצרוך זרם גבוה יותר ממקסימום יכולת הסוללה.

ליטיום-פולימר –  (Lithium-Polymer Li-Po)

סוללות הליטיום-פולימר מתנהגות די בדומה לסוללות הליטיום-יון אך עדיין נבדלות במספר נקודות חשובות. ככלל, סוללות אלה הן בעלות אנרגיה משקלית ואנרגיה נפחית גבוהה במקצת מליטיום-יון. צורת הטעינה גם היא בשיטת CV-CC, המיושמת ב-Li-Ion. טעינת יתר בטכנולוגיה זו, עלולה לגרום להתנפחות הסוללה ולדליקה, אולם לא לפיצוץ כפי שעלול לקרות ב- Li-Ion. התנהגות זו מאפשרת להתייחס לטכנולוגיה זו כבטוחה יותר מאשר Li-Ion.

גם בליטיום-פולימר יש להתייחס לכל 3 מרכיבי המערכת: הסוללה, המטען והמערכת, בתכנון מערכת הכוללת סוללות ליטיום-פולימר.

יתרונות הליטיום-פולימר מול Li-Ion הם:

תכנון מכאני: ניתן לקבל את הקיבול והמתח הדרושים בעובי סוללה קטן יותר (אם כי בשטח פנים גבוה יותר). לדוגמא: קיבול של 3.3AH בליטיום-פולימר ניתן לקבל בעובי של 5.2 מ”מ . בליטיום-יון ניתן לקבל קיבול של 2.6AH בעובי של 18.2 מ”מ.

התאמת גודל ליישום: בליטיום-פולימר ניתן לקבל כמעט כל גודל רצוי ממגוון של מאות גדלים שונים, כאשר בליטיום-יון ניתן לקבל עשרות גדלים שונים.

יכולת ייצור דגם מיוחד: הודות לשיטת הייצור של הליטיום-פולימר, ניתן לייצר גודל חדש המותאם ללקוח בקלות יחסית לייצור גודל מיוחד בליטיום-יון (אולם, גם בליטיום-פולימר נדרשת בדיקה של כמויות דרושות וכדאיות ייצור).

צפיפות אנרגיה ויכולת אספקת זרם: זהו אחד היתרונות הגדולים של טכנולוגיה זו. סוללת ליטיום-פולימר מסוגלת לספק זרם גבוה מאוד יחסית לליטיום-יון. לדוגמא: כאשר סוללת ליטיום-יון מסוגלת לספק עד פי 2-3 מהקיבול הנקוב של התא, סוללת ליטיום-פולימר מסוגלת לספק עד פי 8 מקיבול הסוללה וסדרות מסוימות מסוגלות גם לספק עד פי  30-50 מקיבול הסוללה. 

שיטת העבודה:
טעינה של מצבר אפשרית על ידי הפיכת התגובה הכימית המחזירה את האנרגיה במערכת הכימית הנקראת “סוללה נטענת”. תוך תלות בכימיה של הסוללה הבסיסית, המצבר יקבל את מאפייניו המיוחדים לטכנולוגיה זו. כאשר מתכננים מטען, נדרשים מהמתכנן והמפתח ידע מקדים ומפורט של מאפייני הסוללה שאמורה להיטען ע”י מטען זה. זאת, כדי להימנע מפגיעה בסוללה ובמשתמש כתוצאה מטעינת יתר.

צורת טעינה:
סוללות עופרת, ליטיום-יון וליטיום-פולימר נטענות ממתח קבוע CV (עם הגבלת זרם) וסוללות ניק”ד ונימ”ה נטענות בזרם קבוע עם שיטת הפסקת טעינה שונה.

זרם טעינה מכסימלי:
זרם הטעינה המכסימלי תלוי בקיבול הסוללה ומוגדר כיחס של הקיבול C.

לדוגמא: טעינה של סוללה בקיבול של 1,800 מיליאמפר-שעה עם זרם טעינה של 900 מיליאמפר, מוגדרת כטעינה ב-C/2 (כלומר חצי מקיבול הסוללה). במידה ומתייחסים לטעינת הטפטוף בגמר הטעינה של C/25 (עבור הסוללה הנ”ל) אזי מתייחסים לזרם טפטוף של 72 מיליאמפר.

טמפרטורת יתר:
ע”י אספקת אנרגיה חשמלית לתוך הסוללה, הסוללה נטענת. אנרגיה זו משמשת לביצוע התהליך הכימי בסוללה. אבל לא כל האנרגיה החשמלית המסופקת לסוללה משמשת לביצוע התהליך הכימי ולטעינת הסוללה. חלק מהאנרגיה החשמלית נהפכת לאנרגיה תרמית ומחממת את הסוללה. לאחר שהסוללה הגיעה לטעינה מכסימלית, כל האנרגיה החשמלית העודפת נהפכת לאנרגיה תרמית. בטעינה מהירה (C/1-C/5) אנרגיה תרמית זו תוביל לחימום מהיר של גוף הסוללה ובמידה ולא תופסק הטעינה, היא תגרום לפגיעה בביצועי ואורך חיי הסוללה. ניתור של טמפ’ הסוללה בזמן טעינה מהווה גורם חשוב בתכנון מארז הסוללה והמטען.
היישום והסביבה שבהם הסוללה מיועדת לעבוד, מגדירים ומגבילים את אפשרויות שיטות הפסקת הטעינה שייושמו בסוללה. לפעמים אולי יהיה לא מעשי למדוד את הטמפרטורה של המצבר ויותר קל למדוד את המתח, או להפך. לפי שיקולי תכנון אלה, מיישמים מנגנון גילוי ירידת מתח כתלות בזמן (-dV/dt)  כמנגנון ראשון להפסקת הטעינה, עם בדיקת טמפ’ או מתח הטעינה של הסוללה כמנגנון גיבוי.

פירוט שיטות הפסקת הטעינה:

זמן (t): זוהי השיטה הפשוטה ביותר ליישום. בדרך כלל מיושמת כמנגנון שני כגיבוי בלבד בטעינה מהירה. כמו כן, משמשת כמנגנון ראשון ליישומים שבהם נדרשת טעינה איטית של 14- 16 שעות טעינה. נמצאת בשימוש ברוב הטכנולוגיות.

מתח (V): הטעינה מופסקת כאשר המתח עולה מעל גבול עליון המוגדר מראש. נמצא בשימוש בשילוב עם טעינה בזרם קבוע. זרם מרבי נקבע על ידי הסוללה, בדרך כלל 1C/ . הגבלת זרם הינה הכרחית למנוע נזק תרמי לסוללה במידה וזרם הטעינה גבוה מידי. מצברי עופרת בדרך כלל נטענים ללא הגבלת זמן ע”י מתח מכסימלי שנקבע מעל מתח הטעינה של הסוללה. לסוללות ליטיום-יון וליטיום-פולימר, שיטה זו מוגדרת כמנגנון ראשון להפסקת הטעינה. מטעני ליטיום נטען ממשיכים למנגנון שני לאחר שהמתח המכסימלי שנקבע במנגנון הראשון הושג. לסוללות ניק”ד ונימ”ה שיטה זו משמשת כמנגנון גיבוי בלבד.

שינוי בירידת מתח כתלות בזמן (-dV/dt): שיטת הפסקת טעינה זו, משתמשת בתופעה של ירידת מתח כתלות בזמן לאחר שהסוללה נטענה למקסימום ועדיין מוזרם זרם טעינה לסוללה. בדרך כלל נמצאת בשימוש בטעינת זרם. כמו כן, במצב של טעינה מהירה בסוללות ניק”ד ונימ”ה.

זרם (I): הטעינה נפסקת כאשר זרם הטעינה יורד מתחת לערך מסוים שנקבע מראש. בדרך כלל נמצא בשימוש בטעינה במתח קבוע. כמו כן, בשלב זה מופסקת טעינת הטפטוף שבוצעה לאחר טעינה מהירה בסוללות עופרת וליטיום-יון וליטיום-פולימר.

טמפרטורה (T): ניתן להשתמש בערך טמפרטורה שיוגדר כמנגנון הפסקת טעינה (בעיקר לסוללות ניק”ד ונימ”ה) , אבל היא מועדפת רק כשיטת גיבוי שניה בלבד. טעינה של כל טכנולוגיות הסוללות והמצברים צריכה להיות מופסקת במידה וטמפרטורת הסוללה עולה מעל טמפרטורת העבודה המוגדרת ע”י יצרן הסוללה. בנוסף, נמצאת בשימוש כשיטת גיבוי שנייה ולהפסקת הטעינה במקרה שהטמפ’ יורדת מתחת לסף הטמפ’ הבטוחה המוגדרת ע”י היצרן (ניתן ליישום בכל הטכנולוגיות של הסוללות).

שינוי בעליית הטמפ’ (dT/dt): השינוי בטמפרטורה במשך הטעינה יכול להיות בשימוש כשיטה לסיום טעינה מהירה.  יש להתייחס לנתוני היצרן לגבי מידע על הסיום המדויק (בדרך כלל עליה של 1 מעלה צלזיוס תוך 1 דקה בסוללות ניק”ד). בשימוש בסוללות ניק”ד ונימ”ה.

טמפרטורה מעל טמפרטורת הסביבה (DT): מסיימת טעינה כאשר ההבדל בין טמפרטורת הסביבה (חדר) לטמפרטורה הנמדדת על גבי הסוללה, גבוה מסף שנקבע. מתאימה לסוללות ניק”ד ונימ”ה כמנגנון הגנה ראשון. שיטה זו עדיפה על פני קביעת סף טמפ’ קבוע , מפני שבשיטה של סף קבוע, עלול להיגרם נזק לסוללה הנמצאת בטעינה בטמפרטורה קרה וכאשר טמפ’ הסוללה הגיעה לסף שנקבע היא נמצאת כבר בטעינת יתר. מפני שרוב המערכות מצוידות בתרמיסטור אחד, כדאי לבדוק את טמפ’ הסביבה לפני תחילת הטעינה.

0 שינוי במתח הסוללה (dV/dt=0): שיטה זו של הפסקת טעינה מאוד דומה לשיטה של –dV/dt , אך נקודת ההפסקה היא יותר מדויקת, כאשר המתח לא משתנה במהלך אותו קטע טעינה. מתאימה לסוללות ניק”ד ונימ”ה.

סוגי מטענים:

לאור חשיבות איכות הטעינה, הבטיחות ותאימות המטען לסוללה וליישום, כדאי למתכננים ולמפתחים להסתמך על ניסיונם של יצרני המטענים והיועצים בתחום. זאת, כדי לצמצם את זמן הפיתוח, הבדיקות והאספקה של מעגל הטעינה או המטען המושלם לסוללה הנמצאת בשימוש או בפיתוח. מטען מכיל יחידת הספק, ואחד או יותר של המרכיבים הבאים: מנגנון זיהוי מצב סוללה, טיימר ביטחון, זיהוי זרם מינימאלי להפסקת טעינה, חיווי למצב הטעינה, חיווי לתקלה, מדידת טמפרטורה, וכו’.

לא אחת רואים מוצרים בשוק אשר תוכננו ללא שימת דגש על טעינה נכונה, בטיחות הסוללה והמשתמש, ניצול מכסימלי של קיבול הסוללה. כמו כן, לעיתים ניתן לראות כי ספקים מקומיים ויצרנים של ספקי-כוח מחו”ל, מציעים ללקוחות ספקי-כוח “מכוילי מתח” במקום מטענים הדורשים מענה לכל דרישות הסוללה. ספקים “מכוילים” אלה גורמים נזקים לסוללות, לא נותנים מענה לבטיחות הסוללה, לא טוענים את הסוללה למקסימום ולא מסוגלים לטפל בבעיות שעלולות להתרחש בסוללה.

ניתן למצוא בשוק יצרני מטענים איכותיים ( Mascot , Friwo, Ansmann, Egston, Kokam) הנותנים מענה למגוון הטכנולוגיות הקיימות . כמו כן, ניתן למצוא מטענים המופעלים מרשת החשמל (120VAC, 230VAC, 90-264VAC) או מרכב (12VDC, 24VDC).

כתבות נוספות

פיתוח טיסן ד’2 פלפר

מאת: פר פינדל. לורד פלאש 4 הוא הפלפר הראשון שלו. מנגנון הפעלת הפלפר, שיפור משמעותי במגוון פרמטרים, צורת האיזון לטיסני הפלפ. אז פלפ או לא? קראו בכתבה.

קרא עוד

בחירת הקייטנה הנכונה לילדינו

עשינו עבורכם עבודה קטנה ולא מסובכת, מה יש שם בקייטנות, למה הילדים בשנים האחרונות פחות ופחות צורכים את הקייטנות, או שאנחנו ההורים פחות ופחות מאמינים וסומכים על מפעילי הקייטנות.

קרא עוד

כתבות נוספות שיעניינו אותך

כיצד עובדת מערכת שלט רחוק

אם יש בבעלותכם, או שאתם חושבים לקנות מערכת שלט רחוק הפועלת בתחום רחב הפס של 2.4GHz תרצו בוודאי להבין כיצד בדיוק היא עובדת, מאמר זה ינסה לשפוך אור על דרך עבודתן של מערכות אלו.

קרא עוד »

הפלייאוף המדהים ביותר

בתחרויות טיסנים חופשיים בארץ מתקיימים חמישה סיבובים. המתחרים אשר ביצעו תוצאה מלאה בכל חמשת הסיבובים ממשיכים לטיסות ההמשך, שמתקיימות למחרת מיד עם הזריחה

קרא עוד »

בחירת הקייטנה הנכונה לילדינו

עשינו עבורכם עבודה קטנה ולא מסובכת, מה יש שם בקייטנות, למה הילדים בשנים האחרונות פחות ופחות צורכים את הקייטנות, או שאנחנו ההורים פחות ופחות מאמינים וסומכים על מפעילי הקייטנות.

קרא עוד »
גלילה לראש העמוד