مقدمة
تشمل تقنية البطاريات في الأجهزة الإلكترونية المحمولة اليوم جوانب متعددة، مثل خوارزميات كشف الطاقة، وخوارزميات شحن البطاريات، وتقنيات شحنها. وتتوفر البطاريات القابلة لإعادة الشحن بأنواع عديدة، منها بطاريات النيكل والكادميوم، وبطاريات النيكل والهيدريد المعدني، وبطاريات الليثيوم أيون، وبطاريات الليثيوم بوليمر. ورغم أن لكل نوع من هذه البطاريات خصائصه المميزة، إلا أن بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم بوليمر أصبحت الخيار الأمثل للأجهزة الصغيرة التي تعمل لفترات طويلة، مثل أجهزة الكمبيوتر المحمولة ومشغلات الوسائط المحمولة المزودة بأقراص صلبة، وذلك بفضل كثافة طاقتها وميزات الأمان التي تتمتع بها. بالنسبة للمهندسين العاملين في مجال الإلكترونيات المحمولة، يُعد اختيار تقنية البطاريات المناسبة وتطبيقها بشكل صحيح أمرًا بالغ الأهمية، وستتناول هذه المقالة هذه الجوانب وتحللها من خلال أمثلة عملية.
1. خوارزميات شحن البطارية: الشحن البطيء، والشحن السريع، والشحن بجهد ثابت
بحسب متطلبات الطاقة للتطبيق النهائي، قد تحتوي حزمة البطارية على ما يصل إلى أربع خلايا من أيونات الليثيوم أو بوليمر الليثيوم، مُرتبة بطرق مختلفة، وتُغذى بواسطة محول طاقة رئيسي: محول مباشر، أو منفذ USB، أو شاحن سيارة. على الرغم من الاختلافات في عدد الخلايا، أو ترتيبها، أو نوع محول الطاقة، فإن حزم البطاريات هذه تشترك في خصائص الشحن نفسها، وبالتالي، فإن خوارزميات الشحن متشابهة. يمكن تقسيم خوارزمية الشحن الأمثل لبطاريات أيونات الليثيوم وبوليمر الليثيوم إلى ثلاث مراحل: الشحن البطيء، والشحن السريع، والشحن بجهد ثابت.
الشحن البطيء: يُستخدم للخلايا التي تم تفريغها بشكل كبير. عندما ينخفض جهد الخلية إلى أقل من 2.8 فولت تقريبًا، يتم تطبيق تيار ثابت مقداره 0.1C لشحن الخلية.
الشحن السريع: بمجرد أن يتجاوز جهد الخلية عتبة الشحن البطيء، يتم زيادة تيار الشحن للشحن السريع. يجب أن يكون تيار الشحن السريع أقل من 1.0C.
الشحن بجهد ثابت: أثناء الشحن السريع، بمجرد أن يصل جهد الخلية إلى 4.2 فولت، تبدأ مرحلة الشحن بجهد ثابت. ويتوقف الشحن عندما ينخفض الحد الأدنى لتيار الشحن إلى أقل من 0.07C تقريبًا، أو عندما يُفعّل مؤقتٌ عمليةَ التوقف.
تأتي شواحن البطاريات المتطورة عادةً مزودة بميزات أمان إضافية. فعلى سبيل المثال، إذا تجاوزت درجة حرارة البطارية النطاق المحدد (عادةً من 0 إلى 45 درجة مئوية)، فسيتوقف الشحن مؤقتًا. وتدمج حلول شحن بطاريات الليثيوم أيون والليثيوم بوليمر الحديثة مكونات خارجية أو تتضمنها لمواكبة خصائص الشحن هذه، مما يضمن كفاءة وأمانًا أفضل.
2. حلول شحن بطاريات الليثيوم أيون/البوليمر
تختلف حلول شحن بطاريات الليثيوم أيون/البوليمر باختلاف عدد الخلايا وتكوينها ونوع مصدر الطاقة. توجد ثلاثة حلول رئيسية للشحن: الشحن الخطي، والشحن الخافض للجهد (باك)، والشحن الصاعد والخافض للجهد (ملحمة).
2.1 الحل الخطي
عندما يكون جهد الإدخال أعلى قليلاً من جهد الدائرة المفتوحة لخلية مشحونة بالكامل، يُعدّ الشاحن الخطي الخيار الأمثل. ويكون هذا فعالاً بشكل خاص عندما لا يتجاوز تيار الشحن السريع 1.0C تيار 1 أمبير. على سبيل المثال، يستخدم مشغل ملف صوتي بصيغة MP3 عادةً خلية واحدة بسعة تتراوح بين 700 و1500 مللي أمبير/ساعة وجهد دائرة مفتوحة يبلغ 4.2 فولت. وتستخدم هذه الأجهزة عادةً محول تيار متردد/مستمر أو منفذ USB بجهد خرج منظم 5 فولت. في مثل هذه الحالات، يُعدّ الشاحن الخطي الحل الأمثل والأكثر كفاءة.
مثال على الاستخدام: شاحن MAX8677A ثنائي المدخلات لبطاريات الليثيوم أيون: يُعدّ MAX8677A شاحنًا خطيًا ثنائي المدخلات USB/مكيف هواء مزودًا بمحدد طاقة ذكي مدمج، وهو مناسب للأجهزة المحمولة التي تعمل ببطارية ليثيوم أيون أحادية الخلية. يقوم الشاحن بالتبديل بين مدخلات الطاقة لشحن البطارية على النحو الأمثل. كما يتضمن ميزات أخرى مثل تحديد التيار، وتنظيم درجة الحرارة، والحماية من الجهد الزائد، مما يضمن شحنًا آمنًا وفعالًا لأجهزة مثل الهواتف الذكية، وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي، والكاميرات، وأجهزة تحديد المواقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).
2.2 حل تحويل الجهد الخافض (باك)
في الحالات التي يتجاوز فيها تيار الشحن 1.0C قيمة 1 أمبير، أو عندما يكون جهد الدخل أعلى بكثير من جهد الدائرة المفتوحة للبطارية، يُعدّ استخدام محول خافض للجهد (باك) خيارًا أفضل. على سبيل المثال، تستفيد مشغلات الوسائط المحمولة المزودة ببطارية ليثيوم أيون واحدة ونطاق جهد دخل واسع (من 9 إلى 16 فولت) من هذا الحل، لأنه أكثر كفاءة من الشحن الخطي عند وجود فرق جهد كبير بين جهد الدخل وجهد البطارية.
2.3 حلول التبديل ملحمة (الرافعة والخافضة للجهد)
بالنسبة للأجهزة التي تحتوي على ثلاث خلايا أو أكثر من بطاريات الليثيوم أيون/البوليمر الموصولة على التوالي، حيث لا يكون جهد الدخل دائمًا أعلى من جهد البطارية، يُعدّ حل ملحمة مثاليًا. على سبيل المثال، تستخدم أجهزة الكمبيوتر المحمولة عادةً بطارية ليثيوم أيون ثلاثية الخلايا بجهد دائرة مفتوحة مشحون بالكامل يبلغ 12.6 فولت. يستطيع محول ملحمة التعامل مع كلا الحالتين: عندما يكون جهد الخرج أعلى أو أقل من جهد البطارية.
3. خوارزمية كشف الطاقة
تعتمد العديد من الأجهزة المحمولة على قياس الجهد لتقدير سعة البطارية المتبقية، إلا أن دقة هذه الطريقة تتأثر بشكل كبير بمعدل التفريغ ودرجة الحرارة وعمر البطارية. ولتحقيق تقدير أكثر دقة لسعة البطارية، تُستخدم عدادات الطاقة لقياس الشحنة المضافة أو المستهلكة، مما يوفر تقديرات أكثر دقة عبر نطاق واسع من مستويات طاقة التطبيقات.
3.1 مثال تطبيقي لخوارزمية كشف الطاقة: تصميم حزمة بطارية كاملة لتطبيق محمول ببطارية واحدة/بطاريتين
يجب أن يقيس مقياس الطاقة الجيد للكشف عن البطارية على الأقل جهد البطارية ودرجة حرارتها وتيارها. ويُعدّ المعالج الدقيق ومجموعة من خوارزميات الكشف عن الطاقة المُختبرة جيدًا عنصرين أساسيين. على سبيل المثال، يأتي مقياسا الطاقة bq2650x وbq27x00 مزودين بمحولات تناظرية رقمية لقياس الجهد ودرجة الحرارة والتيار، كما يدمجان خوارزميات الكشف عن الطاقة من شركة تي آي للتعويض عن التفريغ الذاتي والتقادم ودرجة الحرارة ومعدل التفريغ. توفر هذه المقاييس معلومات عن سعة البطارية المتبقية، بل وتوفر سلسلة bq27x00 تقديرًا لوقت التشغيل المتبقي حتى نفاذ البطارية.
3.2 مثال تطبيقي لخوارزمية كشف الطاقة: دائرة متكاملة جديدة لأجهزة قياس الطاقة للأغراض العامة
تُقدّم العديد من الشركات المصنّعة مجموعة واسعة من دوائر قياس الطاقة المتكاملة، مما يُتيح للمستخدمين اختيار الجهاز الأنسب لتحقيق أقصى استفادة من المنتج من حيث التكلفة. على سبيل المثال، تُعدّ DS2762 من شركة دالاس سيميكوندكتور دائرة قياس طاقة متكاملة ومنخفضة التكلفة، مناسبة للهواتف المحمولة وأجهزة المساعد الرقمي الشخصي وغيرها من الأجهزة المحمولة المماثلة. فهي تجمع بين خاصية كشف الطاقة والحماية من الجهد الزائد والجهد المنخفض والتيار الزائد. كما تُوفّر DS2762 مسار شحن استعادة محدود التيار عندما ينخفض جهد البطارية إلى أقل من 3 فولت، مما يُوفّر إدارة فعّالة للطاقة.
4. الخاتمة
يُعدّ استخدام تقنية البطاريات المناسبة في الأجهزة الإلكترونية المحمولة أمرًا بالغ الأهمية لاختيار بطاريات الليثيوم أيون أو الليثيوم بوليمر وشواحنها. ويجب أن يستند هذا الاختيار إلى المتطلبات الخاصة بالجهاز الإلكتروني المحمول.