איך הסוללה יודעת
את אחוזי הטעינה שלה?

אם אתם קוראים את הכתבה הזו במחשב הנייד או בטלפון החכם שלכם, תוכלו לאתר את סמל הסוללה בהצצה חטופה לחלקו העליון או התחתון של המסך. כמי שהמכשירים הללו מרכזיים בחייהם כמעט כאילו היו ההמשך הישיר של כף היד, נראה לנו טבעי ומובן מאליו שהמכשיר "יודע" עד כמה הסוללה טעונה, ו"יודע" גם לספק לנו את המידע החשוב שנגזר מכך – כמה זמן נוכל להשתמש בו באין מפריע. אך בדרך לסמל הסוללה התמים ולאחוזי הטעינה שלצידו מתרחשים תהליכים הנדסיים מעניינים: הבה ננסה להבין אותם על קצה המזלג.

הרוב המוחלט של הטלפונים החכמים והמחשבים הניידים כוללים סוללות ליתיום-יון. מדד הטעינה של סוללות, ביניהן סוללות מהסוג הזה, נקרא בשם המקצועי SOC – ראשי תיבות של State of Charge (ובעברית: מצב טעינה). המדד הזה אומד את כמות המִטעָן החשמלי הזמין, ביחידות של אמפר-שעה. מטען חשמלי הוא תכונה של חלקיקים שמבטאת את יכולתם לקיים יחסי גומלין עם שדה חשמלי, והוא קשור גם לכמות האנרגיה הזמינה לשימוש, שכן כדי לחשב אותה, מכפילים את המתח החשמלי במטען. לצד ה-SOC משתמשים גם במדד SOH, ראשי תיבות של State of Health (ובעברית: מצב בריאות), שמייצג את יכולתה של הסוללה לאחסן אנרגיה חשמלית ולמסור אותה הלאה, למכשיר חשמלי – בהשוואה לסוללה חדשה שלא נעשה בה שימוש.

נוסף עלינו, המשתמשים, חישובי SOC ו-SOH חיוניים בראש ובראשונה עבור יצרני הסוללות, שמעוניינים (או, לפחות, מוטב להניח שהם מעוניינים...) לייצר סוללה עמידה ובעלת "חיים" ארוכים. כיום נהוגות שלוש שיטות עיקריות לחישוב SOC.

בדרך לסמל הסוללה התמים ולאחוזי הטעינה שלצידו מתרחשים תהליכים הנדסיים מעניינים.סמארטפון עם 82% סוללה | Shutterstock, DenPhotos

שיטת מְנִיַּת המטען

זו השיטה השימושית והנפוצה ביותר, לפחות עבור סוללות ליתיום-יון. נוח יחסית למדוד את הזרם החשמלי, שמייצג, בהפשטה, את מהירותם של המטענים – וליתר דיוק, את השתנות כמות המטען עם הזמן. כאשר מודדים אותו ברצף וצוברים את הנתונים לאורך זמן, אפשר למצוא את כמות המטען הזמין באמצעות חישוב. נהוג למדוד מטען ביחידות של קולון (Coulomb) או אמפר-שעה, ולכן השיטה מכונה גם Coulomb Counting ו-Ah.

במהלך פעילות הסוללה אובד חלק מהמטען החשמלי, כך שבחישוב מתרחשות שגיאות. המטענים אובדים בעיקר כתוצאה מפריקה עצמית, שמתרחשת בשל תגובות כימיות בסוללה, גם אם אין לה כל חיבור חיצוני. חישוב ה-SOC בדרך הזו אמור לקחת בחשבון את איבודי המטען; למעשה, על מנת שהקריאה תהיה מהימנה, ה-SOC אמור לעבור כיול מחדש על בסיס קבוע.

שיטת המתח

מתח חשמלי, או הפרש פוטנציאלים, מייצג יכולת להניע מטענים ממקום למקום. בשיטת המתח לחישוב SOC מודדים את מתח הסוללה, והתוצאה מומרת ל-SOC לפי עקומות שנבנו מראש. הקשר בין המתח החשמלי למדד ה-SOC משתקף גם בחוק אוהם, שמגדיר את היחס בין הזרם החשמלי למתח החשמלי דרך הגודל שמקשר ביניהם – ההתנגדות. לפי החוק, מתח חשמלי מחושב כמכפלת הזרם בהתנגדות.

החיסרון הבולט בשיטה הזו הוא שקריאת המתח צריכה להתבצע כשהמכשיר אינו פעיל, בניגוד לשיטה הקודמת, שאפשר למדוד איתה במהלך פעולת המכשיר. למעשה, כדי לקרוא את המתח נדרש מצב של מעגל פתוח – כלומר, ללא פעילות של המכשיר – במשך ארבע שעות ואפילו יותר. זאת מאחר שתוצאת המדידה מושפעת מתנועת המטענים בתוך הסוללה, וכן מהטמפרטורה שלה, שעולה בעת פעילות. יתרה מזאת, נדרשת מדידה במשך זמן ארוך יחסית. מסיבות אלה, השיטה הזאת פחות שימושית בפועל.

מתח חשמלי, או הפרש פוטנציאלים, מייצג יכולת להניע מטענים ממקום למקום. מדידת מתח בסוללה של מכונית | Shutterstock, Peter Gudella

שיטת מסנן קלמן

מסנן קלמן, שידוע יותר בשם קלמן פילטר (Kalman Filter), הוא אלגוריתם שמיועד לגשר על הפער בין חיזויים לבין תצפיות. לכאורה, חוקי הפעולה של המערכת – ובדוגמה שלפנינו, של הסוללה – ידועים מראש, כחלק ממודל שכבר נחקר בעבר או מצורת התכנון שלה, ולכן אפשר לחזות מראש את מצבה בעתיד. אלא שהמציאות תמיד נבדלת מהחיזוי, ולו במקצת – בגלל שלל סיבות, פנימיות וחיצוניות, שלצורך העניין נתייחס אליהן תחת הכותרת הכללית "רעש". כדי להתגבר על הרעש ולקבל תמונה של המתרחש במערכת בזמן אמת, הציע מהנדס החשמל היהודי-אמריקאי רודולף קלמן לעדכן את החיזויים כל העת בהתאם לקריאות המגיעות מהמערכת עצמה. מאחר שכל אחד מהחיישנים במערכת נותן בדרך כלל תמונה חלקית, ולכל אחד מהם רעש משל עצמו, נדרשת אינטגרציה של הנתונים. האלגוריתם עצמו מורכב ודורש כתבה נפרדת, אך בדיוק כשם שהוא אפשר את שיגורה של החללית אפולו 11, הוא משמש גם למדידת ה-SOC.מצד אחד, היצרן יודע מבעוד מועד איך מתנהג הזרם של הסוללה לאורך זמן. מצד שני, המדידות בזמן אמת מגדילות את הדיוק. החיסרון הבולט של השיטה הוא הצורך ליצור מודל מתאים עבור כל סוללה. כיוון שהאלגוריתם מסובך, ולפיכך גם דורש כוח חישוב, ירדה קרנה של השיטה הזו. לכאורה היא הייתה אמורה לצבור תאוצה דווקא בשנים האחרונות, עם ההתפתחויות בתחומי הבינה המלאכותית והאלקטרוכימיה, אך בפועל, מתברר שנגזרותיה העדכניות לא מתאימות לסוללות
מהנדס החשמל רודולף קלמן הציע לעדכן את החיזויים כל העת בהתאם לקריאות המגיעות מהמערכת עצמה. אילוסטרציה של פעילות מסנן קלמן | ויקימדיה, Suki907

לא מתחילים מאפס

אם כן, נשארנו בעיקר עם שיטת מניית המטען כ"שחקנית" העיקרית ב"מגרש" מדידת ה-SOC. למרות שיטות נוספות שהוצעו ברבות השנים – כמו מדידה כימית, או מדידת לחץ – היא עדיין נותרה מקובלת. 

נקודה אחרונה שכדאי לקחת בחשבון היא המטען ההתחלתי של הסוללה. למעשה, בכל בעיה שעניינה שינוי של גודל לאורך זמן, עלינו להכיר את תנאי ההתחלה לצורך חישוב מדויק של הפתרון המלא – אחרת הדיון דומה לחישוב צורה של מסלול ריצה בלי לציין אם רצים באצטדיון (במסלול מעגלי) או בפארק (בקו ישר). על כל פנים, במקרה הזה מדובר על ה-SOC ההתחלתי של הסוללה. איך קובעים אותו?

כל סוללה יכולה להימצא בשלושה מצבים בלבד: טעינה, פריקה ומעגל פתוח (שאין בו פעילות חשמלית). כדי לקבוע את ה-SOC ההתחלתי, משווים בין מתח המעגל הפתוח של הסוללה אחרי שהתייצבה במידה מספקת, לבין העקומות שמספק היצרן – אשר קושרות בין המתח לבין ה-SOC. במילים אחרות, לפנינו מקרה פרטי של שיטת המתח.

אז בפעם הבאה שתבדקו את מצב הסוללה שלכם, אל תתייחסו אליה כאל מובנת מאליה – היא נושאת איתה מטען לא פשוט.