تخزين الطاقة للمراقبة الصامتة (Silent Watch): مكثف فائق أم بطارية؟

تشغيل إلكترونيات المهمة والمحرك الرئيسي متوقف، وهو ما يُعرف بالمراقبة الصامتة (Silent Watch)، يعتمد على الطاقة المخزّنة في المركبة. ويتكرر السؤال نفسه في بداية كل تصميم: في مقارنة المكثف الفائق بالبطارية، أي التقنيتين تناسب؟ الإجابة المختصرة أنهما ليستا متنافستين؛ فكلٌّ منهما يؤدي عملًا مختلفًا. البطارية تحمل الأحمال منخفضة القدرة لساعات. والمكثف الفائق يغطي نبضات القدرة العالية التي تدوم ثواني وفترات الإمساك القصيرة.

يتناول هذا المقال التخزين فقط. أما الطاقة المساعدة المولَّدة بمحرك وتقليل البصمة فتجدهما في دليل APU والمراقبة الصامتة، وأما موقع التخزين في بنية الطاقة العامة للمركبة فتجده في البنية الكهربائية للمركبات العسكرية.

معظم أخطاء التخزين تنشأ من الخلط بين الطاقة والقدرة.

• الطاقة (Wh، kWh) تحدّد المدة التي يمكن أن يعمل فيها الحمل. والمراقبة الصامتة متطلب طاقة.
• القدرة (W، kW) تحدّد سرعة تسليم الطاقة. وبدء تشغيل المحرك متطلب قدرة.

يتكوّن ملف الأحمال النموذجي والمحرك متوقف من ثلاثة أجزاء:

1. 1.نبضة بدء التشغيل: تيار عالٍ جدًا لبضع ثوانٍ. طاقة صغيرة وقدرة كبيرة.
2. 2.الإمساك القصير: إبقاء حاسوب المهمة والاتصالات عاملة بعد إطفاء مفتاح التشغيل أو أثناء الانتقال بين المصادر. دقائق، بقدرة متوسطة.
3. 3.المراقبة الطويلة: تغذية المراقبة والاتصالات وحاسوب المهمة لساعات. قدرة منخفضة وطاقة كبيرة.

لا يُتوقع من تقنية واحدة أن تخدم الثلاثة على أفضل وجه.

يخزّن المكثف الفائق الطاقة كهروستاتيكيًا في طبقة كهربائية مزدوجة لا عبر تفاعل كيميائي؛ والتعريف المختصر موجود في المسرد. وهذا الفرق يفسّر الجدول أدناه كله. والقيم نطاقات هندسية عامة، وليست قيم منتج بعينه.

صفّان يحسمان معظم التصاميم. كثافة الطاقة تبيّن لماذا تكون تغذية مراقبة طويلة من المكثفات الفائقة غير عملية. ومنحنى الجهد يفسّر لماذا يُستخدم المكثف الفائق مع مرحلة إلكترونيات قدرة: فالطاقة المخزّنة تتبع العلاقة E = ½CV²، ولذلك ينخفض الجهد كلما سُحبت الطاقة، ويلزم محوّل للحفاظ على الجهد المستقر الذي يتوقعه الحمل.

لنفترض أن حمل مهمة يسحب 500 W يجب أن يعمل 4 ساعات والمحرك متوقف.

• الطاقة المطلوبة: 500 W × 4 h = 2,000 Wh، أي 2 kWh.
• في نظام جهده الاسمي 24 V يساوي ذلك نحو 83 Ah.
• إذا استُخدم نحو نصف سعة بطارية الرصاص الحمضية لحماية عمرها، ترتفع السعة المركّبة إلى نحو 170 Ah. ويُضاف فوق ذلك هامش للطقس البارد والتقادم.
• يجب أن تبقى طاقة إعادة تشغيل المحرك في نهاية المراقبة، ولهذا تكون بطاريات بدء التشغيل وبطاريات المهمة منفصلة في معظم المركبات.

تخزين المقدار نفسه، 2 kWh، في مكثفات فائقة يعني، بكثافة الطاقة الواردة في الجدول، مئات الكيلوغرامات من الخلايا. ولذلك يُوضع المكثف الفائق بوصفه مصدر القدرة المكمّل للبطارية، لا مصدر الطاقة لمراقبة طويلة.

• مراقبة تدوم ساعات: البطارية. كيميائيات الليثيوم حيث يضيق الوزن والحجم، والرصاص الحمضي عميق الدورة حيث تتقدم التكلفة والبساطة. وعندما تتجاوز المدة سعة البطارية تدخل الطاقة المساعدة المولَّدة بمحرك في الحساب.
• بدء التشغيل وهبوط الجهد: المكثف الفائق. إذا تولّى المكثف الفائق تيار بدء التشغيل أمكن تفريغ بطارية المهمة تفريغًا أعمق لأن قدرة البدء تنتظر في مصدر منفصل. وتزداد الفائدة في الطقس البارد.
• الإمساك القصير والتغذية بعد إطفاء مفتاح التشغيل: وحدة طاقة احتياطية قائمة على المكثف الفائق. فهي تتحمل دورات الشحن والتفريغ المتكررة وتمتلئ من جديد في دقائق. ومنتج TEDEG في هذه الفئة هو PowerGuard EBB؛ وقيمه موجودة في ورقة البيانات على صفحة وحدة الطاقة الاحتياطية بالمكثف الفائق.
• الحل الهجين: أكثر الحلول شيوعًا عمليًا يستخدم الاثنين معًا: البطارية للطاقة، والمكثف الفائق للقدرة والإمساك.

يُصمَّم التخزين مع نظام الشحن. فالمولّد يشحن والمحرك يعمل؛ وشاحن بطاريات يتغذى من الشبكة يتولى المهمة عند التوقف. وثلاث نقاط مهمة:

1. 1.تيار الشحن: المكثف الفائق الفارغ يبدو للمصدر كدائرة قصر؛ ومن دون تحديد التيار يُجهَد المولّد والمصاهر. أما البطارية فتحتاج إلى جهد شحن وتعويض حراري مناسبين لكيميائها.
2. 2.أحداث جهد الخط: ينخفض جهد الخط أثناء بدء التشغيل ويرتفع عند فصل الحمل. ويُقيَّم تحمّل وحدة التخزين وأحمالها وفق الحدود الموصوفة في دليل MIL-STD-1275.
3. 3.التوصيل الخاطئ: استبدال البطارية والتشغيل بالمساعدة هما أكثر الأوقات احتمالًا للتوصيل المعكوس. وقد شرحنا فيزياء ذلك في الحماية من عكس القطبية؛ ولوحدة حماية على خط البطارية راجع صفحة PowerGuard TPB-01.

جميع وحدات التخزين والحماية مدرجة ضمن إدارة الطاقة وحمايتها.

1. 1.أي الأحمال تعمل والمحرك متوقف، وبكم واط إجمالًا، ولكم ساعة؟
2. 2.أين تُحفظ الطاقة المخصّصة لإعادة تشغيل المحرك في نهاية المراقبة؟
3. 3.ما السعة القابلة للاستخدام عند أدنى درجة حرارة تشغيل؟
4. 4.ما زمن الشحن الكامل وما أقصى تيار شحن مسموح به؟
5. 5.هل تُرسَل حالة الشحن (SoC) وحالة الصحة (SoH) إلى ناقل بيانات المركبة؟
6. 6.ما مقدار السعة المضمونة بعد كم دورة، وهل يمكن استبدال الخلايا في الميدان؟

هل يمكن للمكثف الفائق أن يحل محل البطارية؟

ليس لساعات من التغذية؛ فكثافة طاقته منخفضة جدًا. أما لدعم بدء التشغيل ومنع هبوط الجهد والإمساك الذي يدوم دقائق فقد يكون الخيار الأفضل.

أي كيمياء بطارية تناسب المراقبة الصامتة؟

كيميائيات الليثيوم حيث يتقدم الوزن والمدة، والرصاص الحمضي عميق الدورة حيث تتقدم التكلفة وبساطة الصيانة. ومع الليثيوم يكون نظام إدارة البطارية وقيد الشحن في درجات الحرارة المنخفضة جزءًا من التصميم.

لماذا لا يستطيع المكثف الفائق الاحتفاظ بالطاقة طويلًا؟

تفريغه الذاتي مرتفع مقارنةً بالبطارية؛ فالمكثف الفائق المتروك مشحونًا يفقد حصة ملحوظة من طاقته خلال أيام. ولذلك يناسب التطبيقات التي يُعاد شحنها كثيرًا.

هل يمكن توصيل مكثف فائق وبطارية على التوازي على الخط نفسه؟

التوصيل المباشر على التوازي ممكن لكنه يحتاج إلى مطابقة الجهد وتحديد تيار الشحن. وفي معظم الأنظمة يقع المكثف الفائق خلف مرحلة إلكترونيات قدرة تدير التيار والجهد.

اختيار تخزين الطاقة للمراقبة الصامتة ليس قرار «إما هذا أو ذاك». فالطاقة طويلة الأمد تأتي من البطارية، ونبضات القدرة العالية والإمساك القصير من المكثف الفائق، ويربط بينهما نظام الشحن وطبقة الحماية. وإذا كانت قائمة أحمالكم ومدة المراقبة معروفتين فيمكننا تحديد التركيبة المناسبة معًا: اطلبوا عرض سعر أو تواصلوا مع فريق الهندسة لدينا.

مثال ميداني: اقرأ لماذا اختيرت الطاقة الاحتياطية بالمكثف الفائق بدلًا من بطارية ليثيوم أيون لنظام فرعي في مركبة في قصة نجاح الطاقة الاحتياطية بالمكثف الفائق.