ขอบเขตและสมมติฐานการทำงาน
เอกสารฉบับนี้กล่าวถึงพฤติกรรมทางไฟฟ้าฝั่งการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบหลายเซลล์สำหรับขับเคลื่อนโดรน UAV โดยเน้นกลไกที่เกี่ยวข้องกันสามประการ ได้แก่ แรงดันตกภายใต้โหลดซึ่งเกิดจากความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ การเพิ่มขึ้นของความต้านทานภายในอย่างค่อยเป็นค่อยไปในฐานะตัวชี้วัดสถานะความสมบูรณ์ (state of health) และการปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟระหว่างการชาร์จ เอกสารนี้เขียนขึ้นสำหรับวิศวกรที่ทำการบูรณาการแบตเตอรี่อัจฉริยะกับระบบควบคุมการบิน และสำหรับทีมบริการทางเทคนิคที่ทำการตีความข้อมูลทดสออรี่ (telemetry) ของแบตเตอรี่จากบันทึกการบินหรือข้อมูลจากสถานีควบคุมภาคพื้น การอภิปรายนี้จำกัดอยู่ที่พฤติกรรมทั่วไปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเท่านั้น ไม่มีการอ้างสิ่งใดเกี่ยวกับเคมีของเซลล์ ค่าเซตพอยต์ หรือโปรโตคอลที่เจาะจงต่อผลิตภัณฑ์ใดของ GOTION JTM และไม่อนุญาตให้นำตัวเลขจากแบตเตอรี่ของบุคคลที่สามมาใช้กับแบตเตอรี่ JTM ในกรณีที่มีการระบุแพลตฟอร์มใด ๆ นั้น ทำหน้าที่เพียงเป็นขอบเขตของความเป็นไปได้ในการใช้งานเท่านั้น ตัวอย่างเช่น โดรนเชิงพาณิชย์ระดับ DJI โดยทั่วไปจะส่งกระแสข้อมูลของแบตเตอรี่อัจฉริยะไปยังระบบควบคุมการบินของตน และตรรกะการบูรณาการเดียวกันนี้สามารถใช้ได้กับอากาศยานใดก็ตามที่รับค่าแรงดันเซลล์ กระแสไฟฟ้า อุณหภูมิ และแฟลกความผิดปกติผ่านการเชื่อมต่อแบบอนุกรมหรือ CAN รุ่นตามปีผลิตและรุ่นตามภูมิภาคอาจแตกต่างกัน และการระบุชื่อแบรนด์ไม่ได้เป็นการบ่งชี้หรือหยิบยกเอาผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใดรายหนึ่งเข้ามาหรือตัดออก
สมมติฐานตลอดทั้งเอกสาร: แบตเตอรี่เป็นสตริงแบบอนุกรมของเซลล์ (อาจมีกลุ่มขนานร่วมด้วย) ซึ่งได้รับการจัดการโดยวงจรจัดการแบตเตอรี่ที่วัดแรงดันรายเซลล์ (หรือรายกลุ่ม) กระแสของแบตเตอรี่ และจุดวัดอุณหภูมิอย่างน้อยหนึ่งจุด อากาศยานวางแผนภารกิจโดยอิงจากสถานะการชาร์จ (state of charge) ที่รายงาน และการตรวจสอบความถูกต้องดำเนินการผ่านการบันทึกข้อมูล ไม่ใช่ผ่านการเจาะสอบขณะมีไฟเลี้ยง การเปิดแบตเตอรี่ หรือการบายพาสระบบป้องกัน
หลักการทำงานและตรรกะการควบคุม
แรงดันตกภายใต้โหลด เมื่อระบบขับเคลื่อนเบิกกระแสไฟฟ้า แรงดันที่ขั้วจะลดลงต่ำกว่าแรงดันวงจรเปิดโดยคิดเป็นค่าคลาดเคลื่อนแบบโอห์มมิกและแบบโพลาไรเซชัน:
V_terminal = V_ocv(SoC, T) − I × R_total
โดยที่ I คือกระแสของแบตเตอรี่ (A) R_total คือผลรวมของความต้านทานไอออนิกของเซลล์ ความต้านทานของขั้วไฟฟ้า และความต้านทานของจุดเชื่อมต่อ อ้างอิงถึงขั้วของแบตเตอรี่ (Ω) V_ocv คือแรงดันวงจรเปิดที่สถานะการชาร์จและอุณหภูมิปัจจุบัน (V) และ V_terminal คือแรงดันที่วัดได้ของแบตเตอรี่หรือเซลล์ (V) ดังนั้นแรงดันตกจึงมีสาเหตุเชิงเหตุผลสามประการ ได้แก่ กระแสโหลด ความต้านทานภายใน และตำแหน่งบนเส้นโค้งแรงดันวงจรเปิด เหตุการณ์ไต่ระดับด้วยกระแสสูงจะทำให้เกิดแรงดันตกซึ่งเป็นเรื่องปกติและกลับคืนได้ กล่าวคือ แรงดันจะฟื้นกลับเมื่อกระแสลดลง ในทางกลับกัน แรงดันตกที่ลึกขึ้นเมื่อโหลดคงที่ระดับปกติบ่งชี้ว่า R_total เพิ่มสูงขึ้น ซึ่งเป็นลักษณะของการเสื่อมสภาพหรือความผิดปกติ ไม่ใช่ความผิดปกติของการควบคุม
การตัดสินใจควบคุมจากแรงดันตก ตรรกะการป้องกันจะเปรียบเทียบแรงดันเซลล์ที่วัดได้ต่ำสุดกับเกณฑ์แรงดันต่ำเกินไป (undervoltage threshold) ภายใต้โหลด เซลล์ที่อ่อนแอที่สุดหรือมีความต้านทานสูงสุดจะแตะระดับเกณฑ์นั้นก่อน จากนั้นวงจรจัดการจะลดหรือยุติการคายประจุไม่ว่าพลังงานที่เหลืออยู่ในแบตเตอรี่จะเป็นเท่าใด ลำดับเหตุผล: แรงดันเซลล์ต่ำที่วัดได้ขณะกระแสสูง → การตัดสินใจว่าเป็นแรงดันต่ำเกินไป → การตัดการคายประจุหรือการเปลี่ยนสถานะจำกัดคันเร่ง → ปลดล็อกเฉพาะเมื่อแรงดันฟื้นกลับขึ้นเหนือช่วงฮิสเทรีซิสและมีการประเมินเงื่อนไขโหลดใหม่ สิ่งนี้อธิบายข้อสังเกตภาคสนามคลาสสิกที่ว่าแบตเตอรี่ "กลับมาโดยยังมีประจุเหลืออยู่": พลังงานยังคงเหลืออยู่ในเซลล์ที่แข็งแรงกว่า แต่แบตเตอรี่ถูกจำกัดโดยเซลล์ที่ต่ำที่สุดของมัน ค่าเกณฑ์ที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับแบตเตอรี่แต่ละรุ่น และต้องมาจากเอกสารของแบตเตอรี่นั้นเอง ไม่ใช่จากค่าของผลิตภัณฑ์อื่น
การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ ความแปรปรวนจากการผลิตทำให้เซลล์อนุกรมมีความจุและการคายประจุเองแตกต่างกันเล็กน้อย ระหว่างการชาร์จ (หรือการพักที่แรงดันสูง) วงจรจัดการจะทยอยคายพลังงานปริมาณเล็กน้อยจากเซลล์ที่อยู่เหนือค่าเฉลี่ยผ่านตัวต้านทานระบาย ทำให้ช่วงความต่างของแรงดันระหว่างเซลล์แคบลง การปรับสมดุลแบบพาสซีฟกระจายอย่างช้า ๆ และด้วยความร้อน ไม่สามารถช่วยเซลล์ที่ไม่ตรงกันอย่างรุนแรงหรือเสียหายได้ และความร้อนจากตัวต้านทานระบายเป็นเหตุผลหนึ่งที่การปรับสมดุลมักเกิดขึ้นใกล้ช่วงท้ายของการชาร์จมากกว่าที่โหลดสูง
การประมาณค่าสถานะการชาร์จ แบตเตอรี่อัจฉริยะโดยทั่วไปจะประมาณค่า SoC ด้วยวิธีนับคูลอมบ์ (coulomb counting) กล่าวคือ อินทิเกรตกระแสของแบตเตอรี่ตลอดเวลา แล้วแก้ไขด้วยแรงดันที่จุดอ้างอิงที่ทราบค่า เช่น การยุติการชาร์จหรือการพักที่กระแสต่ำ:
SoC(t) = SoC(0) − (1/C_rated) × ∫ i(t) dt, แก้ไขด้วยการค้นค่าจาก V_ocv
โดยที่ C_rated คือความจุที่กำหนด (Ah) และ i เป็นค่าบวกสำหรับการคายประจุ การนับคูลอมบ์จะเพี้ยนตามค่าออฟเซ็ตของเซนเซอร์และการคายประจุเองที่ไม่ถูกจำลอง การแก้ไขด้วยแรงดันช่วยจำกัดการเพี้ยนนั้น การตัดสินใจกลับฐาน (return-to-home) ขึ้นอยู่กับค่าประมาณนี้ ดังนั้นความคลาดเคลื่อนของการประมาณค่าจึงแปลงเป็นการยกเลิกภารกิจก่อนเวลาหรือการคายประจุลึกโดยตรง ทั้งสองกรณีปรากฏให้เห็นภาคสนามว่า "อากาศยานกลับมาก่อนเวลา" หรือ "กลับมาไม่ทัน" โดยไม่มีความเสียหายของฮาร์ดแวร์ใด ๆ
พารามิเตอร์และอินเทอร์เฟซ
- แรงดันเซลล์/กลุ่ม (V): เป็นอินพุตสำหรับการปรับสมดุลและการป้องกันแรงดันต่ำเกินไป เซลล์ที่ต่ำสุด ไม่ใช่ค่าเฉลี่ยของแบตเตอรี่ เป็นตัวกำหนดการป้องกัน
- กระแสของแบตเตอรี่ (A): เป็นอินพุตสำหรับการนับคูลอมบ์และการป้องกันกระแสเกิน อนุสัญญาเครื่องหมายควรได้รับการยืนยันตามอินเทอร์เฟซแต่ละกรณี
- อุณหภูมิ (°C): ความเย็นจัดเพิ่มความต้านทานภายในและลดความจุ ดังนั้นแรงดันตกในอากาศเย็นจัดจึงเป็นพฤติกรรมที่คาดหมายได้ อุณหภูมิที่สูงขึ้นเร่งการเพิ่มขึ้นของความต้านทาน และอาจกระตุ้นการลดกำลัง (derating) หรือการตัดก่อนที่จะถึงขีดจำกัดแรงดันใด ๆ
- ความต้านทานภายใน (mΩ): เป็นปริมาณที่ได้จากการคำนวณหรือวัดเป็นระยะ แนวโน้มที่เพิ่มขึ้นตลอดหลายรอบการใช้งานที่อุณหภูมิและ SoC ที่เทียบเคียงกันได้คือสัญญาณที่มีประโยชน์ เนื่องจากค่าสัมบูรณ์แปรผันตามวิธีการวัด
- ลิงก์สื่อสาร (UART, I²C, CAN หรือ SMBus ตามที่ใช้กันทั่วไปในการนำไปใช้งานแบตเตอรี่อัจฉริยะ): นำส่งแรงดันเซลล์ SoC กระแส อุณหภูมิ จำนวนรอบการใช้งาน และแฟลกความผิดปกติ CAN เหมาะกับลำตัวอากาศยานที่มีสัญญาณรบกวนทางไฟฟ้าสูง I²C เหมาะกับระยะทางสั้นและสัญญาณรบกวนต่ำ การเลือกอินเทอร์เฟซเป็นการตัดสินใจระดับชั้นบูรณาการที่ต้องกำหนดให้แน่นอนก่อนเริ่มงานเฟิร์มแวร์
การตรวจสอบและการวินิจฉัยความผิดปกติ
- เปรียบเทียบแรงดันเซลล์ขณะโหลดกับขณะพักจากบันทึกการบิน: การฟื้นกลับหลังจากนำโหลดออกยืนยันว่าเป็นแรงดันตกแบบโอห์มมิก การกดต่ำที่คงอยู่บ่งชี้เซลล์ที่อ่อนแอ
- ติดตามแรงดันเซลล์ต่ำสุดและกระแสไปด้วยกันตลอดการบินหลายครั้งติดต่อกัน แรงดันตกที่ลึกขึ้นที่กระแสและอุณหภูมิคล้ายกันบ่งชี้การเพิ่มขึ้นของความต้านทาน ซึ่งโดยทั่วไปเป็นเหตุผลให้พิจารณาการปลดระวางมากกว่าที่จะเป็นข้อบกพร่องของวงจรป้องกัน
- ตรวจสอบการปรับสมดุลโดยอ้อม: ช่วงความต่างของแรงดันเซลล์ ณ การยุติการชาร์จควรแคบลงตลอดหลายรอบการใช้งานติดต่อกัน ช่วงความต่างที่ขยายกว้างขึ้นหรือเซลล์ใดเซลล์หนึ่งที่ไม่เคยลู่เข้าหากันถือเป็นความผิดปกติ
- ตรวจสอบความสอดคล้องของ SoC กับเหตุการณ์ชาร์จเต็มหรือเหตุการณ์อ้างอิงที่ทราบค่า ความแตกต่างระหว่าง SoC ที่ประมาณได้กับ SoC อ้างอิงชี้ไปที่ค่าออฟเซ็ตของเซนเซอร์กระแสหรือการเสื่อมของความจุ
- ตรรกะก่อนบิน เช่น การปฏิเสธการพร้อมทำงาน (arm) เมื่อ SoC ต่ำ อุณหภูมิอยู่นอกช่วง หรือมีแฟลกความผิดปกติที่กำลังทำงานอยู่ เป็นพฤติกรรมป้องกันปกติ และควรอ่านจากบันทึกข้อมูล ไม่ใช่หลีกเลี่ยงหรือแทนที่
- การทดสอบแบบทำลายล้าง งานต่อสายไฟขณะมีไฟเลี้ยง และการเปิดแบตเตอรี่อยู่นอกขอบเขต ให้ใช้บันทึกข้อมูลและหลักฐานจากห้องปฏิบัติการที่ผ่านการรับรองสำหรับสิ่งใด ๆ ที่เกินกว่าการวินิจฉัยเชิงสังเกต
ข้อจำกัด
ไม่มีการยืนยันค่าเกณฑ์ เคมีของเซลล์ ความจุ หรือนิยามการสื่อสารใด ๆ ที่เจาะจงต่อ GOTION JTM ในที่นี้ เฉพาะเอกสารเฉพาะของผลิตภัณฑ์และบันทึกของ JTM ที่ผ่านการตรวจสอบเท่านั้นที่รองรับตัวเลขดังกล่าว กลไกทั่วไปที่อธิบายไว้ใช้ได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบอนุกรมของทุกแบรนด์ แต่ไม่ได้สร้างความสอดคล้องกับอากาศยานหรือระบบนิเวศ OEM ใด ๆ ค่าสัมบูรณ์ของความต้านทานภายในขึ้นอยู่กับวิธีวัดและไม่สามารถเปรียบเทียบข้ามเครื่องมือได้ ค่าเซตพอยต์ที่ยังไม่ระบุ ค่าฮิสเทรีซิสของการฟื้นกลับ และเส้นโค้งการลดกำลังที่เหลืออยู่ ต้องถือว่าเป็นค่าที่ไม่ทราบ ไม่ใช่ยืมมาจากผลิตภัณฑ์ที่คล้ายคลึงกัน