طراحی و ساخت یک پایشگر و ثبت‌ کننده داده جهت ثبت تعداد دفعات استارت خودرو مبتنی بر آنالیز سیگنال ولتاژ پایانه باتری با هدف بهره¬وری انرژی

الموضوعات :

اشکان کلهر ¹ , مجید سنایی پور ² , مریم مومنی ³ , سینا فیضی ⁴ , سهیل شبان عشینی ⁵

1 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
2 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
3 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
4 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
5 - گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

تاريخ الإرسال : 15 الأربعاء , ربيع الأول, 1446 تاريخ التأكيد : 13 الجمعة , جمادى الأولى, 1446 تاريخ الإصدار : 01 الجمعة , شوال, 1447

الکلمات المفتاحية: باتری خوردو, ثبت‌کننده داده, خدمات گارانتی, ولتاژ پایانه, بهره¬وری انرژی,

ملخص المقالة :

در این مقاله یک روش جدید جهت پایش باتری­های خودرو مبتنی بر ثبت سیگنال ولتاژ پایانه باتری در حین استارت خودرو با هدف ایجاد یک امکان جدید جهت تغییر ضوابط ارائه خدمات گارانتی و بهره­وری انرژی ارائه شده است. در روش پیشنهادی در این مقاله، به جای اینکه خدمات گارانتی بر مبنای زمان استفاده از باتری ارائه گردد بر مبنای تعداد دفعات استفاده از باتری برای استارت خودرو ارائه خواهد شد. برای پیاده سازی روش پیشنهاد شده در این مقاله یک مدار میکروکنترلری طراحی و ساخته شده است. از میکروکنترلر اتمگا 328 پی و میکرو اس دی کارت به ترتیب جهت پایش سیگنال ولتاژ باتری و به‌ عنوان یک حافظه خارجی استفاده شده است. همچنین از یک مقسم ولتاژ مقاومتی برای تغییر بازه تغییرات ولتاژ پایانه باتری به محدوده قابل دریافت توسط میکروکنترلر استفاده شده است. مدار مذکور پس از طراحی و مونتاژ بر روی چند خوردوی سواری مختلف نصب و در شرایط عملی واقعی مورد بررسی قرار گفته است. نتایج این بررسی نشان می‌دهد سیستم طراحی و ساخته شده به درستی تعداد دفعات استارت خودرو را شمارش کرده و با سایر مشخصات مورد نظر از سیگنال ولتاژ باتری در حین استارت در حافظه در نظر گرفته شده ثبت می‌نماید. عملکرد موفقیت آمیز نمونه ساخته شده تحت شرایط مختلف، موید کارایی و قابلیت اطمینان بالای روش پیشنهادی در این مقاله می­باشد.

المصادر:


[1] H. Tarzamni, H. S. Gohari, M. Sabahi, and J. Kyyrä, “Non-Isolated High Step-Up DC-DC Converters: Comparative Review and Metrics Applicability” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 1, pp. 582 – 625, 2023. doi: 10.1109/TPEL.2023.3264172.
[2] M. Forouzesh, Y. P. Siwakoti, S. A. Gorji, F. Blaabjerg, and B. Lehman, “Step-up DC–DC converters: a comprehensive review of voltage-boosting techniques, topologies, and applications,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 32, no. 12, pp. 9143-9178, 2017, doi: 10.1109/TPEL.2017.2652318.
[3] S. Hasanpour, A. Afzalian, T. Nouri, “A New Ultra High-Gain DC/DC Converter with Full Soft-Switching Performance and Low Voltage Stress,” Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 3, no. 3, pp. 85-102, 2024, doi: 10.30486/teeges.2022.1885851.1173.
[4] S. Hasanpour, “Design and Implementation of a New Step-Up DC-DC 16 Converter with Two Extended Outputs for Renewable Energy Applications,” Journal of Iranian Association of Electrical and Electronics Engineers, vol. 21, no. 2, pp. 13-24, 2024, doi: 10.61186/jiaeee.21.2.13.
[5] S. Hasanpour and S. S. Lee, "New Step-Up DC/DC Converter with Ripple Free Input Current," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 2, pp. 2811-2821, 2024, doi: 10.1109/TPEL.2023.3336005, 2023.
[6] T. Shamsi, M. Delshad, E. Adib, M. Rouhollah Yazdani, "A Single-Switch DC-DC High Step-Up Converter with Soft Switching for Photovoltaic Applications," Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System, vol. 3, no. 3, pp. 1-14, 2024, doi: 10.30486/TEEGES.2024.904808.
[7] H. Gholizadeh and S. Hasanpour, "A New Quadratic CUK-Based Step-Up DC/DC Converter Without Right Hand Plane Zero," International Journal of Industrial Electronics Control and Optimization, 2024, doi:10.22111/ieco.2024.48683.1565.
[8] R. Rajesh, N. Prabaharan, and E. Hossain, "Design and Analysis of a New High Step-Up Converter Using Switched-Inductor-Capacitor Voltage Multiplier Cells for Photovoltaic Application," IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2036-2041, 2023, doi: 10.1109/TCSII.2022.3226187.
[9] S. Hasanpour, "A New Structure of Single-Switch Ultra High-Gain DC/DC Converter for Renewable Energy Applications," IEEE Trans. on Power Electron., vol. 37, no.10, pp. 12715 – 12728, May 2022, doi: 10.1109/TPEL.2022.3172311.
[10] A. Samadian, M. G. Marangalu, H. Tarzamni, S. H. Hosseini, M. Sabahi, and A. Mehrizi-Sani, "High Step-Up Common Grounded Switched Quasi Z-Source DC–DC Converter Using Coupled Inductor with Small Signal Analysis," IEEE Access, vol. 11, pp. 120516-120529, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3327303.
[11] S. Hasanpour, Y. Siwakoti, and F. Blaabjerg, "A New Soft-Switched High Step-Up Trans-Inverse DC/DC Converter Based on Built-In Transformer," IEEE Open Journal of Power Electronics, vol. 4, pp. 381 – 394, 2023, doi: 10.1109/OJPEL.2023.3275651.
[12] L. Chen, D. Rong, and X. Sun, "A high-gain interleaved quadric DC-DC converter with dual-coupled inductors," IEICE Electronics Express, p. 21.20240408, 2024, doi: 10.1587/elex.21.20240408.
[13] M. Karimi Hajiabadi, A. Lahooti Eshkevari, A. Mosallanejad, and A. Salemnia, "Non‐isolated high step‐up DC/DC converter for low‐voltage distributed power systems based on the quadratic boost converter," International Journal of Circuit Theory and Applications, vol. 50, no. 6, pp. 1946-1964, 2022, doi: 10.1002/cta.3234.
[14] D. Yu, J. Yang, R. Xu, Z. Xia, H. H.-C. Iu, and T. Fernando, "A family of module-integrated high step-up converters with dual coupled inductors," IEEE Access, vol. 6, pp. 16256-16266, 2018, doi: 10.1109/ACCESS.2018.2815148.
[15] T. Nouri, S. Hasanpour, and S. S. Lee, "A Semi-Quadratic Trans-Inverse High Step-Up DC-DC Converter for Renewable Energy Applications," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 11, 2024, DOI: 10.1109/TPEL.2024.3423666.
[16] S. Hasanpour, "A novel soft‐switching quadratic high voltage gain trans‐inverse DC/DC converter," IET Power Electronics, 2024, doi: 10.1049/pel2.12716.
[17] M. Rezaie, V. Abbasi, and T. Kerekes, "High step‐up DC–DC converter composed of quadratic boost converter and switched capacitor," IET Power Electronics, vol. 13, no. 17, pp. 4008-4018, 2020, doi: 10.1049/iet-pel.2020.0044.
[18] M. Hajilou and H. Farzanehfard, "Single Switch Ultra-High Step-Up Quadratic Converter With Low Input Current Ripple," IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2024, doi: 10.1109/TIE.2024.3413825.
[19] S. A. Modaberi, T. G. Bolandi, M. Hassanifar, and Y. Neyshabouri, "A high step‐up single switch DC‐DC quadratic boost converter based on coupled inductor with reduced voltage stress of power components," International Journal of Circuit Theory and Applications, 1-27, 2024, doi: 10.1002/cta.4233.
[20] M. Rezayat, B. M. Dehkordi, and M. Niroomand, "Quadratic High Step-up DC-DC Converter With Passive Clamp Circuit," in 2024 11th Iranian Conference on Renewable Energy and Distribution Generation (ICREDG), 2024, vol. 11, pp. 1-8, doi: 10.1109/ICREDG61679.2024.10607817.
[21] P. Alavi, P. Mohseni, E. Babaei, and V. Marzang, "An ultra-high step-up DC–DC converter with extendable voltage gain and soft-switching capability," IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 67, no. 11, pp. 9238-9250, 2019, doi: 10.1109/TIE.2019.2952821.
[22] V. Abbasi, S. Rostami, S. Hemmati, and S. Ahmadian, "Ultrahigh Step-Up Quadratic Boost Converter Using Coupled Inductors With Low Voltage Stress on the Switches," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 10, pp. 7733-7743, 2022, doi:10.1109/JESTPE.2022.3195817.
[23] V. Abbasi, M. M. Kashani, M. Rezaie, and D. D.-C. Lu, "Two-Switch Ultrahigh Step-Up DC-DC Converter with Low Input Current Ripple and Low Switch Voltage Stress," IEEE Open Journal of Power Electronics, 2024, doi: 10.1109/OJPEL.2024.3432628.
[24] S. A. Modaberi, B. Allahverdinejad, and M. R. Banaei, "A quadratic high step-up DC-DC boost converter based on coupled inductor with single switch and continuous input current," in 2021 12th Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC), 2021, pp. 1-6, doi: 10.1109/PEDSTC52094.2021.9405958.
[25] H. Tarzamni, N. V. Kurdkandi, H. S. Gohari, M. Lehtonen, O. Husev, and F. Blaabjerg, "Ultra-high step-up DC-DC converters based on center-tapped inductors," IEEE Access, vol. 9, pp. 136373-136383, 2021, doi:10.1109/ACCESS.2021.3117856.
[26] D. Alizadeh, E. Babaei, and M. Sabahi, "High Step-Up Quadratic Impedance Source DC-DC Converter Based on Coupled Inductor," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2022, doi:10.1109/JESTPE.2022.320703.
[27] M. Rezaie and V. Abbasi, "Ultrahigh step-up DC–DC converter composed of two stages boost converter, coupled inductor, and multiplier cell," IEEE Trans. on Ind. Electron., vol. 69, no. 6, pp. 5867-5878, 2021, doi: 10.1109/TIE.2021.3091916.
[28] S. Hasanpour and S. S. Lee, "A New Quadratic DC/DC Converter with Ultra-High Voltage Gain," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 39, no. 7, pp. 8800 – 8812, 2024, doi: 10.1109/TPEL.2024.3385411.
[29] H. Li, W. Chen, Y. Zhang, H. Duan, X.-F. Cheng, and D. Wang, "A novel quadratic cascaded coupled inductor high gain DC-DC converter," IEICE Electronics Express, vol. 21, no. 16, pp. 20240363-20240363, 2024, doi: 10.1587/elex.21.20240363.
[30] M. Hajilou, S. Gholami, and H. Farzanehfard, "Ultra-high Step-up Soft Switched Quadratic DC-DC Converter with Continuous Input Current and Low Switch Voltage Stress," Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC), 2023, pp. 1-7, doi: 10.1109/PEDSTC57673.2023.10087159.
[31] M. Izadi, A. Mosallanejad, and A. Lahooti Eshkevari, "A non‐isolated quadratic boost converter with improved gain, high efficiency, and continuous input current," IET Power Electronics, vol. 16, no. 2, pp. 193-208, 2023, doi: 10.1049/pel2.12376.
[32] L. Chen, D. Rong, and X. Sun, "A Family of High Step-up Soft-Switching Integrated Sepic Converter With Y-source Coupled Inductor," IEEE Access, 2023, DOI: 10.1109/ACCESS.2023.3322459.
[33] S. Habibi, R. Rahimi, M. Ferdowsi, and P. Shamsi, "Coupled Inductor-Based Single-Switch Quadratic High Step-Up DC–DC Converters With Reduced Voltage Stress on Switch," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Ind. Electron., vol. 4, no. 2, pp. 434-446, 2022, doi: 10.1109/JESTIE.2022.3209146.
[34] A. Masoud, M. Packnezhad, and H. Farzanehfard, "A Single-Switch Ultra-High Step-Up DC-DC Converter With Low Voltage Stress Based on Quadratic Y-Sources Topology," Power Electronics, Drive Systems, and Technologies Conference (PEDSTC), pp. 1-6, 2023, doi: 10.1109/PEDSTC57673.2023.10087094.
[35] T. Jin, J. Lin, H. Li, X. Yan, Y. Weng, and X. Mao, "A Novel Three-Winding Coupled Inductor-Based High Step-up DC-DC Converter for Renewable Energy Application," IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2023, doi:10.1109/JESTPE.2023.3260899. =============== RESTART: D:/bahador/VOL4/No4/1/add_references.py ===============
[1] Iran Battery and Energy Storage Association.
[Online]. Available: www.isbs.ir
[2] T.-W. Noh, J.-H. Ahn, and B. K. Lee, "Cranking Capability Estimation Algorithm Based on Modeling and Online Update of Model Parameters for Li-Ion SLI Batteries," Energies, vol. 12, no. 17, p. 3365, 2019, doi: 10.3390/en12173365
[3] H. Rahimi-Eichi, U. Ojha, F. Baronti, and M.-Y. Chow, "Battery management system: An overview of its application in the smart grid and electric vehicles," IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 7, no. 2, pp. 4-16, 2013, doi: 10.1109/MIE.2013.2250351.
[4] K. W. E. Cheng, B. Divakar, H. Wu, K. Ding, and H. F. Ho, "Battery-management system (BMS) and SOC development for electrical vehicles," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 1, pp. 76-88, 2011, doi: 10.1109/TVT.2010.2089647.
[5] B. Balasingam, M. Ahmed, and K. Pattipati, "Battery management systems Challenges and some solutions," Energies, vol. 13, no. 11, p. 2825, 2020, doi: 10.3390/en13112825.
[6] R. R. Kumar, C. Bharatiraja, K. Udhayakumar, S. Devakirubakaran, K. S. Sekar and L. Mihet-Popa, "Advances in Batteries, Battery Modeling, Battery Management System, Battery Thermal Management, SOC, SOH, and Charge/Discharge Characteristics in EV Applications," IEEE Access, vol. 11, pp. 105761-105809, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3318121.
[7] J. E. M. Abasi, S. Bagheri, M. Mohseni, A. N. Kumlah, and M. Joorabian, "Unit commitment planning under uncertainty and fuel cost volatility with economical and emission reduction objective," Technovations of Electr. Eng. Green Energy Syst., vol. 4, no. 1, pp. 67-84, 2025, doi: 10.30486/TEEGES.2025.1120474.
[8] N. K. M. Mohseni, J. Ebrahimi, M. Abasi, and M. Joorabian, "Optimal planning model for electric vehicle fast charging stations in a low-polluting distribution network to improve technical and economic parameters," Technovations of Electr. Eng. Green Energy Syst., vol. 3, no. 4, pp. 67-84, 2025, doi: 10.30486/TEEGES.2024.1105498.
[9] J. Halderman, Automotive Electricity and Electronics, 6th ed., Pearson, 2021.
[10] G. Tim, Automotive Service: Inspection, Maintenance, Repair, Delmar, New York, 2012.
[11] Y. Tao, J. Qiu, S. Lai, X. Sun, and J. Zhao, "Adaptive integrated planning of electricity networks and fast charging stations under electric vehicle diffusion," IEEE Trans. Power Syst., vol. 38, no. 1, pp. 499-513, 2022, doi: 10.1109/TPWRS.2022.3167666.
[12] S. Singh, V. More and R. Batheri, "Driving electric vehicles into the future with battery management systems," IEEE Engineering Management Review, vol. 50, no. 3, pp. 157-161, Sept. 2022, doi: 10.1109/EMR.2022.3194655.
[13] S. Li, P. Zhao, C. Gu, J. Li, D. Huo and S. Cheng, "Aging mitigation for battery energy storage system in electric vehicles," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 14, no. 3, pp. 2152-2163, May 2023, doi: 10.1109/TSG.2022.3210041.
[14] S. Jafari and Y. -C. Byun, "Prediction of the battery state using the digital twin framework based on the battery management system," IEEE Access, vol. 10, pp. 124685-124696, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3225093.

نص كامل:



اشکان کلهر، مجید سنایی پور، مریم مومنی، سینا فیضی، سهیل شبان اشینی

 

 

Technovations of Electrical Engineering in Green Energy System

Research Article                                                                         (2026) 4(4):66-75

 

Design and Construction of a Data Monitor and Recorder to Record the Number of Car Battery Starts by Analyzing the Voltage Signal of Battery Terminal to Enhance Energy Efficiency

 

Ashkan Kalhor 1, M.Sc, Majid Sanaeepur 1, Assistant Professor, Maryam Momeni 1, Assistant Professor,

Sina Feyzi 1, B.Sc, Soheil Shaban Ashini 1, B.Sc

 

1 Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Arak University, Arak, Iran

Abstract:
This article presents a novel approach to monitoring car batteries, based on the recording of battery terminal voltage signals during the vehicle's startup. The objective is to introduce a new capability for modifying warranty service terms and enhancing energy efficiency. In contrast to the existing approach, the proposed method would provide warranty services based on the number of times the battery is used for starting the car, rather than on the battery's usage time. To facilitate the implementation of the methodology outlined in this article, a microcontroller circuit has been designed and constructed. The microcontroller circuit employs an ATmega328P microcontroller and a micro SD card for monitoring the battery voltage signal and as external memory, respectively. Furthermore, a resistive voltage divider has been utilized to calibrate the range of battery terminal voltage fluctuations to a level that the microcontroller can process. The circuit was designed, assembled, and installed on several different passenger cars, and tested under real-world operating conditions. The results of this examination demonstrate that the designed and built system accurately counts the number of times the car is started and records the desired characteristics of the battery voltage signal during startup in the allocated memory. The successful performance of the prototype under various conditions confirms the high efficiency and reliability of the proposed method presented in this article.

Keywords: Car battery, Data logger, Terminal voltage, Warranty service, Energy efficiency

 

 

 

 

 

 

Received: 18 September 2024

Revised: 03 October 2024

Accepted: 15 November 2024

Corresponding Author: Dr. Majid Sanaeepur, [e-mail]

  Dr. Maryam Momeni, [e-mail]

DOI: https://doi.org/10.71691/teeges.2026.1184370

 

 

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز

         ..مقاله پژوهشی...       

 

طراحی و ساخت یک پایشگر و ثبت‌ کننده داده جهت ثبت تعداد دفعات استارت خودرو مبتنی بر آنالیز سیگنال ولتاژ پایانه باتری با هدف بهره­وری انرژی

اشکان کلهر1، کارشناسی ارشد، مجید سنایی پور1، استادیار ، مریم مومنی1، استادیار، سینا فیضی1، کارشناسی،
سهیل شبان اشینی1، کارشناسی

1- گروه مهندسی برق، دانشکده مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران

 

چكيده: در این مقاله یک روش جدید جهت پایش باتری­های خودرو مبتنی بر ثبت سیگنال ولتاژ پایانه باتری در حین استارت خودرو با هدف ایجاد یک امکان جدید جهت تغییر ضوابط ارائه خدمات گارانتی و بهره­وری انرژی ارائه شده است. در روش پیشنهادی در این مقاله، به جای اینکه خدمات گارانتی بر مبنای زمان استفاده از باتری ارائه گردد بر مبنای تعداد دفعات استفاده از باتری برای استارت خودرو ارائه خواهد شد. برای پیاده سازی روش پیشنهاد شده در این مقاله یک مدار میکروکنترلری طراحی و ساخته شده است. از میکروکنترلر اتمگا 328 پی و میکرو اس دی کارت به ترتیب جهت پایش سیگنال ولتاژ باتری و به‌ عنوان یک حافظه خارجی استفاده شده است. همچنین از یک مقسم ولتاژ مقاومتی برای تغییر بازه تغییرات ولتاژ پایانه باتری به محدوده قابل دریافت توسط میکروکنترلر استفاده شده است. مدار مذکور پس از طراحی و مونتاژ بر روی چند خوردوی سواری مختلف نصب و در شرایط عملی واقعی مورد بررسی قرار گفته است. نتایج این بررسی نشان می‌دهد سیستم طراحی و ساخته شده به درستی تعداد دفعات استارت خودرو را شمارش کرده و با سایر مشخصات مورد نظر از سیگنال ولتاژ باتری در حین استارت در حافظه در نظر گرفته شده ثبت می‌نماید. عملکرد موفقیت آمیز نمونه ساخته شده تحت شرایط مختلف، موید کارایی و قابلیت اطمینان بالای روش پیشنهادی در این مقاله می­باشد.

 

واژه هاي كليدي: باتری خوردو، ثبت‌کننده داده، خدمات گارانتی، ولتاژ پایانه، بهره­وری انرژی

 

 

 

تاریخ ارسال مقاله: 28/06/1403

تاریخ بازنگری مقاله: 12/07/1403

تاریخ پذیرش مقاله: 25/08/1403

نویسنده­ی مسئول: دکتر مجید سنایی پور، دکتر مریم مومنی، [e-mail], [e-mail]

DOI: http://dx.doi.org/10.71691/teeges.2026.1184370

 

 

1-       مقدمه

1-1-       انگیزه پژوهش و مروری بر پژوهش­های پیشین

باتری‌های سرب-اسیدی¹ به طور عمده برای راه‌اندازی خودروها و موتورسیکلت‌ها استفاده می‌شوند، به طوری که نزدیک به ۶۰ درصد از بازار را به خود اختصاص داده‌اند. به‌دلیل دوره طولانی توسعه، بازار باتری‌های سرب-اسیدی در حال تغییر از تعقیب پیشرفت تکنولوژی به سمت رقابت بر سر قیمت و خدمات پس از فروش می‌باشد. کاربردهای متنوع باتری‌های سرب-اسیدی موجب تاسیس کارخانجات تولیدی فراوانی در سراسر جهان و همچنین کشور ایران، شده است. پیش از انقلاب اسلامی تنها یک کارخانه تولیدکننده باتری تحت عنوان باتری نیرو در کشور وجود داشت؛ اما هم اکنون بیش از 20 کارخانه در کشور انواع باتری خودرو و سایر باتری‌های صنعتی را تولید می‌کنند. این واحدها تقریباً با بهره‌گیری از 60 درصد توان اسمی تولید خود، سهم 80 درصدی از بازار باتری‌های خودرو در داخل کشور را به خود اختصاص داده‌اند. این صنعت توانسته با سرمایه‌گذاری حدود 240 میلیون‌ دلاری به ‌صورت مستقیم و غیرمستقیم بیش از 40 هزار شغل ایجاد کند. میزان تولید کنونی باتری خودرو حدود 9 میلیون عدد در سال است. ظرفیت اسمی تولید باتری در حال حاضر حدود 15 میلیون عدد می‌باشد [1].         
این آمار نشان می‌دهد سرمایه‌گذاری روی افزایش بهره وری برای تولیدکنندگان از جذابیت بالایی برخوردار است. یکی از راههای افزایش بهره‌وری واقعی-تر شدن ارائه خدمات گارانتی به مصرف کنندگان است. در این پژوهش با هدف واقعی و عادلانه‌تر شدن خدمات گارانتی، برای اولین بار یک مدار لاگر باتری طراحی و ساخته شده است که این امکان را به تولیدکنندگان باتری می‌دهد که خدمات گارانتی را از زمان محوری (ارائه خدمات گارانتی تا یک زمان مشخص پس از شروع استفاده از باتری) به تعداد دفعات استفاده از باتری برای استارت خودرو تغییر دهند. ازآنجایی‌که فشار اصلی به باتری به دلیل آمپردهی بالا در هنگام استارت خودرو وارد می‌شود، اطلاع از تعداد استارت‌های خودرو می‌تواند در برآورد وضعیت سلامت و باقی‌مانده عمر باتری جهت ارائه خدمات گارانتی و حنی در آگاهی از وضعیت سلامت سایر بخش های سیستم استارت خودرو و سرویس دوره‌ای آن نقش مهمی ایفا کند. در وضعیت کنونی شرکت‌های تولیدکننده باتری، گارانتی باتری خودرو را به ‌صورت ماهانه ارائه می‌دهند یعنی تعداد معینی ماه پس از شروع استفاده از باتری مثلا 12 یا 18 ماه. این در حالی‌است که تعداد استارت در وسایل نقلیه تجاری (تاکسی²، مینی‌بوس، اتوبوس، کامیون و غیره) به طور قابل‌توجهی در مقایسه با وسایل نقلیه شخصی بیشتر است. در نتیجه، فرسودگی باتری در وسایل نقلیه مورد استفاده برای کاربردهای تجاری و حمل و نقل عمومی بسیار بیشتر و طول عمر آن کمتر خواهد بود. بنابراین مالکان وسایل نقلیه تجاری اغلب در دوره گارانتی باتری درخواست تعویض آن را خواهند داشت. این امر منجر به زیان مالی تولید کننده به دلیل جایگزینی باتری‌هایی می‌شود که توسط این گروه از مشتریان استفاده می‌شود. مطالعه روی 300 وسیله نقلیه نشان داده است که میانگین تعداد استارت برای وسایل نقلیه‌ شخصی بین 6 تا 7 استارت در روز است. این در حالی است که تاکسی‌ها با میانگین 24 تا 26 استارت در روز، به میزان قابل توجهی، استارت بیشتری داشته‌اند [2]. 

اغلب مطالعات انجام شده در این حوزه بر روی طراحی، ساخت و بهینه‌سازی سیستم‌های مدیریت باتری بوده است [3-8]. دما، ولتاژ، جریان و وضعیت شارژ و دشارژ باتری، از پارامترهای رایج برای نظارت بر عملکرد باتری هستند که در یک سیستم مدیریت باتری بررسی و ثبت می‌شوند. در تحقیقات اخیر واحد سیستم‌های مدیریت باتری بیشتر در خودرو‌های برقی³ مورد توجه قرار گرفته به این علت که باتری در خودرو‌های برقی نقش مهم‌تری ایفا می‌کند. برای خودرو‌های برقی مسائلی همچون شارژ زیاد، تخلیه زیاد یا کم و یا اتصال کوتاه می‌توانند به آسیب‌های جدی در باتری‌ها منجر شوند. این موارد در واحد سیستم‌های مدیریت باتری بررسی می‌شوند. در جستجوی انجام شده در اینترنت دیده نشد نمونه ای از سیستم لاگر باتری با قابلیت ثبت تعداد دفعات استارت دیده نشد بنابراین میتوان گغت شمارشگر دفعات استارت خودرو معرفی شده در این مقاله برای اولین بار طراحی و ساخته شده است. در اغلب پژوهش‌های انجام شده در این زمینه دستگاهی ساخته شده است که کار پایش باتری خودرو را، هم برای راننده و هم برای شرکت سازنده انجام می‌دهد و اطلاعاتی مانند ولتاژ باتری، دمای باتری، جریان باتری، و حتی آنالیز سلامت باتری را در اختیار آنها قرار می‌دهد [4, 8-14]. با توجه به پژوهش‌های صورت گرفته، تا کنون هیچ طرحی جهت طراحی و ساخت نمونه کامل ثبت تعداد دفعات استارت خودرو با هدف اصلاح خدمات گارانتی و بر مبنای افزایش بهره‌وری انرژی ارائه نشده است. لذا در این مقاله به طور ویژه جهت رفع چالش مذکور به این مسئله پرداخته شده است.        
 موارد نوآوری طرح پیشنهادی به طور تیتروار عبات اند از:

1- استفاده از ولتاژ پایانه باتری برای شمارش تعداد دفعات استارت

2- استفاده از شمارش تعداد دفعات استارت برای تعریف یک روش جدید ارائه خدمات گارانتی

3- استفاده از ولتاژ پایانه باتری برای پیش بینی وضعیت سلامت سیستم استارت خودرو

در ادامه سهم مشارکت و نوآوری طرح پیشنهادی ارائه شده به تفصیل آورده شده است.

1-2-       سهم مشارکت، نوآوری و اهداف

در این مقاله، یک طرح جدید جهت طراحی و ساخت نمونه واقعی یک پایشگر سیستم‌های استارت خودرو مبتنی بر آنالیز سیگنال ولتاژ دریافت شده از باطری خودرو ارائه شده است. در این راستا از یک میکروکنترلر⁴ اتمگا 328 پی⁵ با سطح ولتاژ 5 ولت و آی‌سی⁶ بافر CD4050 جهت ثبت اطلاعات استفاده شده است. با توجه به اینکه ولتاژ کاری در حدود 5 ولت است و ولتاژ پایانه باتری در حدود 8 الی 14 ولت است، از یک مقسم ولتاژ مقاومتی جهت تبدیل ولتاژ استفاده شده است. در طرح ارائه شده، زمان دقیق هر استارت ثبت می‌شود. برای این منظور از یک آی‌سی RTC و ارتباط آن با میکروکنترلر از طریق پروتکل I2C و همچنین حافظه جانبی استفاده شده است. در ادامه، جزئیات طراحی یک سیستم شمارنده استارت خودرو ارائه می‌شود، که می‌تواند در ارائه خدمات پس از فروش (گارانتی⁷) به شرکت تولیدکننده کمک بسیاری کند. این پروژه به شرکت‌های تولیدکننده پیشنهاد می‌کند که دوره گارانتی را بر حسب تعداد استارت یک وسیله نقلیه، ارائه دهند، تا اینکه زیان و خسارتی که از طرف وسایل نقلیه عمومی و پرکاربرد به شرکت تحمیل می‌شود، کاهش یابد. همچنین مدار طراحی شده با ایجاد امکان نظارت بر عملکرد باتری به کاربر در تشخیص ایراد در سیستم استارت از جمله باتری و دینام کمک کرده و باعث افزایش طول عمر سیستم استارت خودرو و تعویض به ‌موقع باتری و سایر قطعات آن شده و از این طریق موجب کاهش هزینه‌های کاربر می‌شود. در مقاله حاضر با توجه به اینکه هدف، تغییر مدل ارائه ضمانت باتری از زمان‌محور به شمارش دفعات استفاده از باتری می‌باشد اطلاعاتی همچون تعداد و زمان استارت خودرو و ولتاژ مینیمم و ماکزیمم در حین استارت ثبت می‌شود. با استفاده از این اطلاعات تعریف نوع جدیدی از خدمات پس از فروش که به دلیل شفافت بالاتر برای مشتری و تولید کننده از جذابیت بیشتری برخوردار است ممکن می‌شود. همچنین شرایط و ضوابط گارانتی جدید را می‌توان به صورت ترکیبی از تعداد استارت‌های انجام شده و شرایط ضمانت ماهانه عادی معرفی کرد.

1-3-       سازمان‌دهی مقاله

مقاله ارائه شده، در چهار بخش سازمان‌دهی شده است، بخش دوم مقاله به بررسی فنی عملکرد باتری در حین استارت می‌پردازد، در بخش سوم، تئوری طراحی و ساخت سیستم ثبت اطلاعات استارت باتری خودرو ارائه شده است و در بخش چهارم نتیجه و پیشنهادات پژوهشی این طرح ارائه می‌شود. در بخش پایانی برنامه نوشته شده در میکروکنترلر به پیوست آورده شده است.

2-       بررسی عملکرد باتری در حین استارت

هدف این بخش تحلیل عملکرد باتری در حین استارت خودرو می­باشد، لذا ضروری است که نحوه­ی عملکرد و همچنین اجزای اساسی سیستم استارت به طور دقیق مورد بررسی قرار گیرد. سیستم راه‌اندازی خودرو شامل باتری، کابل‌های حامل جریان بالا و سیم‌های اتصال، کلید یا سوئیچ استارت، شیر برقی و یا رله استارت، موتور استارت، حلقه فلایویل⁸، درایو استارت و سوئیچ ایمنی استاتور برای خودروهای درایو اتوماتیک است [9, 10]. موتور استارت مقدار زیادی جریان برای تولید گشتاور کافی برای چرخاندن فلایویل که به نوبه خود موتور خودرو را به حرکت در می‌آورد، می‌کشد. سیستم جرقه‌زنی، ولتاژ ۱۲ ولت معمولی باتری را با استفاده از کوئل تا حدود ۸ تا ۴۰ کیلوولت افزایش می‌دهد و آن را به سیلندر موتور می‌رساند تا هوای فشرده و بخار سوخت موجود در آن با جرقه ایجاد شده مشتعل شود. موتور استارت می‌تواند تا 1500 آمپر در وسایل نقلیه سبک و 2500 آمپر در وسایل نقلیه تجاری جریان بکشد. این جریان بالا به دلیل وجود مقاومت داخلی در باتری باعث ایجاد یک افت قابل ملاحظه در ولتاژ پایانه باتری می‌شود.

جهت بررسی رفتار باتری در حین استارت، پراب اسیلوسکوپ به دوسر باتری 9 خودروی سواری از جمله پراید، رنو تندر 90، پژو 206 و سایر خودروها (شکل های 1 تا 9) متصل شده و تغییرات سیگنال ولتاژ باتری در حین استارت به ترتیب و متناسب با شکل­های (1) الی (9) مشاهده و ثبت گردید. با دقت در تصاویر ثبت شده، یک الگوی مشابه در سیگنال ولتاژ باتری در حین استارت در هر همه خودروها مشاهده می‌شود. به این ترتیب که ابتدا ولتاژ به صورت ناگهانی افت قابل توجهی را نشان می‌دهد. این افت ناگهانی به دلیل جریان بالایی است که در لحظه استارت از باتری کشیده می‌شود. افت ولتاژ لحظه استارت، ولتاژ دو سر باتری را که حدود 12 ولت است به یک مقدار مینیمم که به عنوان مثال در پراید 8 ولت، در تندر 90، 7/9 ولت، و در پژو 206، 8/9 ولت است کاهش می‌دهد. پس از استارت، دینام در یک بازه زمانی حدود 0.5 تا 1 ثانیه به دور نامی می‌رسد. در همین بازه ولتاژ دو سر باتری نیز ابتدا از مقدار مینیمم به مقدار قبل از استارت و سپس بسته به دور موتور خودرو و در نتیجه سرعت چرخش دینام به مقداری بیش از ولتاژ باتری (حدود 14 ولت) افزایش می‌یابد و تا زمان خاموش شدن موتور بسته به دور موتور در مقادیری بالاتر از ولتاژ باتری باقی خواهد ماند. این بررسی نشان می‌دهد از روی الگوی تغییرات ولتاژ حین استارت، می‌توان تعداد استارت‌های یک خودرو را شمارش کرد.

 

 

شکل (1): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو پراید

 

 

شکل (2): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو تندر 90

 

 

شکل(3): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو پژو 206

 

 

شکل (4): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو پیکان شماره یک

 

 

 

 

شکل (5): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو پیکان شماره دو

 

 

شکل (6): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو ام وی ام شماره یک

 

 

 

شکل (7): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو ام وی ام شماره دو

 

 

 

شکل (8): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو پیکان شماره سه

 

شکل (9): سیگنال ولتاژ باتری در هنگام استارت در خودرو زانتیا

3-       طراحی و ساخت سیستم ثبت اطلاعات استارت باتری خودرو

در این بخش، جزئیات طراحی و ساخت سیستم ثبت اطلاعات استارت باتری خودرو بررسی میشود. شکل (10)، مدار کامل میکروکنترلر سیستم ثبت اطلاعات باتری را نشان میدهد که در آن از اتمگا 328 پی استفاده شده است. در جدول (1)، اطلاعات کامل سیستم پیاده سازی شده آورده شده است. در این طرح سطح منطقی و ولتاژ کاری میکروکنترلر ۵ ولت است، بنابراین برای تأمین ولتاژ تغذیه آن از باتری ۱۲ ولتی خودرو، از یک رگولاتور⁹ ۵ ولتی (7805) استفاده شده است. جهت ذخیره‌سازی اطلاعات برای استفاده‌های بعدی در طولانی ‌مدت نیاز به یک حافظه خارجی است. برای این منظور از یک کارت میکرو اس دی¹⁰ استفاده شده ‌است. ولتاژ کاری کارت حافظه 3/3 ولت است که توسط یک رگولاتور 3/3 ولتی و از خروجی رگولاتور 5 ولتی تامین می‌شود. برای کاهش سطح ولتاژ منطقی سیگنال خارج شونده از میکروکنترلر جهت ذخیره اطلاعات در حافظه از آی‌سی بافر CD4050 استفاده شده است. جهت پایش ولتاژ باتری، یکی از ‌پایه‌های میکروکنترلر به صورت ورودی آنالوگ تعریف شده و به ترمینال مثبت باتری متصل می‌شود. با توجه به اینکه ولتاژ کاری میکرو 5 ولت و ولتاژ پایانه باتری در محدوده 8 تا 14 ولت (بسته به وضعیت روشن یا خاموش بودن خودرو و عمر باتری) است، از یک مقسم ولتاژ مقاومتی برای تبدیل ولتاژ پایانه باتری به ولتاژ قابل قبول برای میکروکنترلر استفاده شده است. زمان هر استارت (با فرمت روز-ساعت-دقیقه-ثانیه) با استفاده از یک آی‌سی RTC و ارتباط آن با میکروکنترلر از طریق پروتکل I2C روی کارت حافظه جانبی ثبت می‌شود. شکل (11) نمونه‌ای از اطلاعات ذخیره شده روی کارت حافظه را در یک سناریوی مشخص نشان می‌دهد. در این سناریو، برای ارزیابی عملکرد مدار، آن را روی باتری یک خودروی ال90 نصب نموده و پس از چند مرتبه استارت فایل ذخیره شده روی کارت حافظه بررسی و ارزیابی شده است. همانطور که دیده میشود مقادیر مورد نظر از خمله تعداد استارت خودرو به درستی روی کارت حافظه ثبت شده‌اند.

 

شکل (10): برد طراحی شده شمارنده استارت

 

شکل (11): یک نمونه از فایل ذخیره شده روی حافظه

 

جدول (1): اطلاعات کامل مدار طراحی شده

قطعه	مقدار	نوع
SMD	5K	Resistance 1
SMD	10K	Resistance 2
SMD	1uF	Capacitor 1
SMD	100nF	Capacitor 2
SMD	33ohm	Resistance 3
SMD	10uH	Inductor
-	-	Switch PB
SMD	ATmega328P-AU	ATmega328P-AU
-	16 MHz	Crystal
SMD	22pF	Capacitor 3
-	2Pin	Terminal
-	2x3	Header 1
PIN	1x5	Header 2
-	2Pin	Jumper
SMD	12.5pF	Capacitor 4
-	32.768KHz	Crystal
-	BH32T-C	Battery holders
RTC	DS1307Z	IC
SMD	Micro	SD
BUFFER	CD4050BD	IC
SMD	1n4007	Diode
SMD	5.0V	AMS1117
DIP	100uF	Capacitor 5
DIP	1000uF	Capacitor 6
SMD	4.7K	Resistance 4
SMD	-	LED
SMD	3.3V	AMS1117

4-       نتیجه‌گیری

در این مقاله برای اولین بار یک مدار مبتنی بر میکروکنترلر برای پایش و ثبت تعداد استارت خودرو و برخی ویژگی‌های دیگر از سیگنال ولتاژ باتری در حین استارت خودرو، طراحی، ساخته و با موفقیت مورد آزمایش قرار گرفت. برای بررسی عملکرد مدار در شرایط واقعی آن را روی تعدادی خودروی سواری از جمله پیکان، پراید، زانتیا و پژو 206 نصب نمودیم. نتایج آزمایش مدار طراحی شده در شرایط واقعی نشان می‌دهد مدار به درستی تعداد دفعات استارت خودرو را شمارش کرده و برای استفاده بعدی در حافظه ثبت می‌نماید. اهمیت ساخت این مدار در ایجاد یک امکان جدید برای شرکت‌های تولیدکننده باتری خودرو برای تغییر ضوابط ارائه خدمات گارانتی به مشتریان است. خدمات مذکور از یک‌سو به دلیل ایجاد شفافیت و عادلانه‌تر بودن باعث رضایت بیشتر مشتری شده و از سوی به دلیل واقعی‌تر شدن خدمات گارانتی، باعث افزایش بهره‌وری شرکت‌های تولیدکننده باتری خودرو خواهد شد. نتایج آزمایش مدار طراحی شده نشان می‌دهد مدار به درستی تعداد دفعات استارت خودرو را شمارش کرده و برای استفاده بعدی در حافظه ثبت می‌نماید. برای افزایش کارایی مدار میتوان حسگر دما را نیز به آن اضافه نمود تا امکان بررسی اثر دما بر عملکرد باتری خوردو در شرایط مختلف ایجاد گردد.

مراجع

 

[1]       Iran Battery and Energy Storage Association. [Online]. Available: www.isbs.ir

[2]       T.-W. Noh, J.-H. Ahn, and B. K. Lee, "Cranking Capability Estimation Algorithm Based on Modeling and Online Update of Model Parameters for Li-Ion SLI Batteries," Energies, vol. 12, no. 17, p. 3365, 2019, doi: 10.3390/en12173365

[3]       H. Rahimi-Eichi, U. Ojha, F. Baronti, and M.-Y. Chow, "Battery management system: An overview of its application in the smart grid and electric vehicles," IEEE Ind. Electron. Mag., vol. 7, no. 2, pp. 4-16, 2013, doi: 10.1109/MIE.2013.2250351.

[4]       K. W. E. Cheng, B. Divakar, H. Wu, K. Ding, and H. F. Ho, "Battery-management system (BMS) and SOC development for electrical vehicles," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 1, pp. 76-88, 2011, doi: 10.1109/TVT.2010.2089647.

[5]       B. Balasingam, M. Ahmed, and K. Pattipati, "Battery management systems Challenges and some solutions," Energies, vol. 13, no. 11, p. 2825, 2020, doi: 10.3390/en13112825.

[6]       R. R. Kumar, C. Bharatiraja, K. Udhayakumar, S. Devakirubakaran, K. S. Sekar and L. Mihet-Popa, "Advances in Batteries, Battery Modeling, Battery Management System, Battery Thermal Management, SOC, SOH, and Charge/Discharge Characteristics in EV Applications," IEEE Access, vol. 11, pp. 105761-105809, 2023, doi: 10.1109/ACCESS.2023.3318121.

[7]       J. E. M. Abasi, S. Bagheri, M. Mohseni, A. N. Kumlah, and M. Joorabian, "Unit commitment planning under uncertainty and fuel cost volatility with economical and emission reduction objective," Technovations of Electr. Eng. Green Energy Syst., vol. 4, no. 1, pp. 67-84, 2025, doi: 10.30486/TEEGES.2025.1120474.

[8]       N. K. M. Mohseni, J. Ebrahimi, M. Abasi, and M. Joorabian, "Optimal planning model for electric vehicle fast charging stations in a low-polluting distribution network to improve technical and economic parameters," Technovations of Electr. Eng. Green Energy Syst., vol. 3, no. 4, pp. 67-84, 2025, doi: 10.30486/TEEGES.2024.1105498.

[9]       J. Halderman, Automotive Electricity and Electronics, 6th ed., Pearson, 2021.

[10]       G. Tim, Automotive Service: Inspection, Maintenance, Repair, Delmar, New York, 2012.

[11]       Y. Tao, J. Qiu, S. Lai, X. Sun, and J. Zhao, "Adaptive integrated planning of electricity networks and fast charging stations under electric vehicle diffusion," IEEE Trans. Power Syst., vol. 38, no. 1, pp. 499-513, 2022, doi: 10.1109/TPWRS.2022.3167666.

[12]       S. Singh, V. More and R. Batheri, "Driving electric vehicles into the future with battery management systems," IEEE Engineering Management Review, vol. 50, no. 3, pp. 157-161, Sept. 2022, doi: 10.1109/EMR.2022.3194655.

[13]       S. Li, P. Zhao, C. Gu, J. Li, D. Huo and S. Cheng, "Aging mitigation for battery energy storage system in electric vehicles," IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 14, no. 3, pp. 2152-2163, May 2023, doi: 10.1109/TSG.2022.3210041. 

[14]       S. Jafari and Y. -C. Byun, "Prediction of the battery state using the digital twin framework based on the battery management system," IEEE Access, vol. 10, pp. 124685-124696, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3225093.

 

زیرنویس‏ها

فناوری‏های نوین مهندسی برق در سیستم انرژی سبز، سال چهارم، شماره ۴، زمستان ۱۴۰۴                                    1

---

[1]  Lead-acid battery

[2]  Taxi

[3]  Electric vehicles

[4]  Microcontroller

[5]  ATmega328p

[6]  IC

[7]  Warranty

[8]  Flywheel

[9]  Regulator

[10]  Micro SD card