پارامترهای باتری مانند ولتاژ، ظرفیت، نرخ خوددشارژی و سایر پارامترها :

مقدمه :

پارامترهای باتری مانند هر مولد انرژی الکتریکی دیگر، بیانگر ویژگی‌های آن از دیدگاه مهندسی سیستم‌های الکتریکی بوده و شاخص‌هایی برای مقایسه عملکرد باتری‌های مختلف با یکدیگر بدست می‌دهد.

ولتاژ باتری :

اختلاف پتانسیل بین دو قطب مثبت و منفی باتری، ولتاژ گفته می‌شود که با واحد ولت اندازه‌گیری می‌گردد. از بین پارامترهای باتری ، ولتاژ مهم‌ترین پارامتر می‌باشد. زیرا تعیین‌کننده قابلیت استفاده از یک باتری در یک سیستم الکتریکی بوده و بسیاری از پارامترهای باتری تابع ولتاژ هستند.

جدول ۱ ولتاژ هر سلول باتری‌های رایج امروزی را نشان می‌دهد:

جدول ۱ : ولتاژ استاندارد هر سلول باتری‌های رایج

ظرفیت باتری :

به مقدار بار الکتریکی ذخیره شده در باتری، ظرفیت گفته می‌شود. از بین پارامترهای باتری ، ظرفیت از نظر اهمیت بعد از ولتاژ در رتبه دوم قرار دارد.

ظرفیت در سیستم آحاد بین‌المللی (SI) با واحد Coulomb (با تلفظ کولن) اندازه‌گیری می‌شود که برابر قابلیت جریان‌دهی ۱ آمپر ظرف مدت ۱ ثانیه می‌باشد.

اما چون زمان ۱ ثانیه در کاربردهای روزمره باتری بسیار کوتاه است، از واحدهای رایج‌تر آمپرساعت برای باتری‌های بزرگ (مثل سیستم‌های سولار، باتری خودرو و …) یا میلی‌آمپرساعت برای باتری‌های متوسط و کوچک (مثل باتری گوشی موبایل، پاوربانک و …)  استفاده می‌شود که برابر قابلیت جریان‌دهی ۱ آمپر ظرف مدت ۱ ساعت می‌باشد.

رابطه بین آمپرساعت و میلی‌آمپرساعت و کولن به شرح زیر است:

۱ آمپرساعت = ۱۰۰۰ میلی‌آمپرساعت

۱ آمپرساعت = ۳۶۰۰ کولن

۱ میلی‌آمپرساعت = ۳.۶ کولن

انرژی باتری :

انرژی پتانسیل ذخیره شده در باتری که آماده تبدیل به انرژی الکتریکی می‌باشد. انرژی یک باتری حاصل‌ضرب ظرفیت در ولتاژ آن می‌باشد:

E = C × V

واحد بین‌المللی انرژی ژول می‌باشد. اما به دلیل مشابه فوق، از واحدهای زیر استفاده می‌گردد:

• میلی‌وات‌ساعت برای باتری‌های کوچک (سمعک و …)

• وات‌ساعت برای باتری‌های متوسط (باتری گوشی موبایل، پاوربانک و …)

• کیلو‌وات ساعت و مگاوات‌ساعت (برای مجموعه یا همان بانک باتری‌های بزرگ مثل نیروگاه‌های سولار و …)

چگالی جرمی انرژی باتری :

به انرژی ذخیره شده یک باتری در واحد جرم آن گفته می‌شود و واحد آن وات‌ساعت بر کیلوگرم (Wh/Kg) می‌باشد که گاهی به آن «چگالی مخصوص انرژی باتری» نیز گفته می‌شود.

هرچه چگالی انرژی یک باتری بیشتر باشد، دوام آن در وزن برابر بیشتر از باتری دارای چگالی انرژی پایین‌تر خواهد بود. اما به دلیل موارد اولیه گرانتر و تکنولوژی ساخت پیچیده‌تر، قیمت باتری نیز با افزایش چگالی انرژی، افزایش می‌یابد.

بین پارامترهای باتری ، معمولاً از این پارامتر برای مقایسه ارزش جایگزینی منابع قدیمی و آلاینده انرژی مانند سوخت‌های فسیلی، زغال‌سنگ، چوب و … با منابع جدید و پاک مانند پیل سوختی، باتری، ابرخازن و …  استفاده می‌شود. زیرا نشان می‌دهد که از یک واحد جرم آن منبع، چه مقدار انرژی می‌توان استخراج نمود و امکان‌سنجی جایگزینی از نظر اقتصادی را انجام داد.

در شکل ۱ مقایسه چگالی جرمی انرژی چند نوع باتری رایج را می‌توان دید:

شکل ۱ : مقایسه چگالی جرمی انرژی چند نوع باتری رایج

از این شکل کاملاً مشخص است که چگالی انرژی باتری‌های غیرقابل شارژ (اولیه) از باتری‌های قابل شارژ (ثانویه) بیشتر است.

چگالی حجمی انرژی باتری :

به انرژی یک باتری در واحد حجم آن گفته می‌شود و واحد آن وات‌ساعت بر لیتر (Wh/L) می‌باشد.

چگالی جرمی توان باتری :

به توان یک باتری در واحد جرم آن گفته می‌شود و واحد آن وات‌ساعت بر کیلوگرم (W/Kg) می‌باشد و گاهی به آن «چگالی مخصوص توان باتری» نیز گفته می‌شود.

هرچه چگالی توان یک باتری بیشتر باشد، در وزن برابر جریانی بیشتر از باتری دارای چگالی انرژی پایین‌تر می‌توان از آن گرفت.

شکل ۲ نمودار مقایسه چگالی انرژی بر حسب چگالی توان چند مبدل انرژی متفاوت مانند چند نوع باتری، سلول (یا پیل) سوختی، ابرخازن و موتور احتراق داخلی را نشان می‌دهد:

شکل ۲ : مقایسه چگالی انرژی چند نوع منبع انرژی متفاوت

نتیجه قابل توجهی که از نمودار فوق می‌توان گرفت این است که با وجود پیشرفت روزمره تکنولوژی ساخت مبدل‌های جدید انرژی مانند انواع باتری، ابرخازن‌ و سلول سوختی، هنوز این مبدل‌ها مانند موتور‌های احتراق داخلی دارای چگالی انرژی و چگالی توان بالا به صورت هم‌زمان نیستند. به همین دلیل جایگزینی خودروهای بنزینی و گازوییلی توسط خودروهای برقی به کندی صورت می‌پذیرد.

به عبارت دیگر به ازای وزن مساوی، از بنزین یا گازوییل انرژی و توان بیشتری نسبت به باتری، سلول سوختی یا ابرخازن می‌توان گرفت یا یک خودروی بنزینی به ازای یک کیلوگرم بنزین، برد حرکتی و توان  لحظه‌ای بیشتری از یک خودروی برقی دارد.

البته این موضوع مطلق نبوده و فاصله پارامترهای باتری مانند چگالی انرژی و توان باتری‌ها با موتورهای احتراق داخلی به تدریج در حال کم شدن است.

نرخ شارژ/دشارژ (C-Rate) باتری :

به مقدار جریانی گفته می‌شود که سبب شارژ/تخلیه باتری ظرف مدت ۱ ساعت گردد.

به عنوان مثال، یک سلول باتری لیتیوم-یون سایز ۱۸۶۵۰ با ظرفیت ۳۳۵۰ میلی‌آمپرساعت اگر با جریان ۱۶۷۵ میلی‌آمپر یا ۰.۵C شارژ گردد، ظرف مدت ۲ ساعت شارژ خواهد گردید.

حال اگر از این باتری جریان ۶۷۰۰ میلی‌آمپر یا ۲C گرفته شود، ظرف مدت نیم‌ساعت تخلیه خواهد شد.

بین پارامترهای باتری از این پارامتر برای توصیف جریان شارژ در بخش‌های مختلف منحنی شارژ و همچنین مقایسه منحنی شارژ انواع مختلف باتری استفاده می‌شود.

نرخ خود دشارژی (SDR) باتری :

به کاهش انرژی و ظرفیت یک باتری در حالت عدم استفاده، خود دشارژی (Self-Discharge Rate) گفته می‌شود. دلیل این پدیده، ساختمان فیزیکی و همچنین ماهیت واکنش‌های شیمیایی درون باتری بوده و یک عیب برای باتری محسوب نمی‌گردد. گرچه ساخت نادرست و نگهداری غیراصولی باتری به این پدیده دامن خواهد زد.

جدول ۲ مقایسه نرخ خود دشارژی باتری‌های مختلف را نشان می‌دهد:

جدول ۲ : مقایسه نرخ خود دشارژی باتری‌های مختلف

از جدول فوق نتایج زیر بدست می‌آید:

۱) به طور کلی نرخ خود دشارژی باتری‌های غیرقابل شارژ (اولیه) از باتری‌های قابل شارژ (ثانویه) کمتر است.

۲) نرخ خود دشارژی به صورت نمایی کاسته می‌شود. مثلاً در مورد باتری بسیار پرمصرف لیتیوم-یون که در تمامی انواع خودروهای برقی، گوشی موبایل، پاوربانک و … کاربرد دارد، در همان ۲۴ ساعت اول پس از شارژ کامل %۵ است که بعداً به %۱ تا %۲ درصد در ماه کاهش می‌یابد. اگر مصرف مدارات کنترلی و حفاظتی جانبی باتری را نیز درنظر بگیریم، این نرخ به %۴ تا %۵ درصد در ماه خواهد رسید. گرچه مصارف مدارات الکترونیکی جانبی باتری، جزء ویژگی‌های ذاتی سلول باتری نیست و فقط از دیدگاه افت ولتاژ کلی مجموعه باتری مهم است.

وضعیت شارژ (SOC) باتری :

 وضعیت شارژ (State of Charge) نشان‌دهنده وضعیت فعلی شارژ نسبت به ظرفیت کلی باتری می‌باشد.

به عنوان مثال ظرفیت نامی یک سلول باتری لیتیوم-یون سایز ۱۸۶۵۰ برابر ۳۳۵۰ میلی‌آمپرساعت است. اگر شارژ آن ۱۶۷۵ میلی‌آمپرساعت باشد، SOC = 1675/3350 = 50% و اگر میزان شارژ آن ۳۶۸۵ میلی‌آمپرساعت (تحت شرایط خاص بیش از ظرفیت نامی) شود، SOC = 3685/3350 = 110% است.

عمق دشارژ (DOD) باتری :

عمق دشارژ (Depth of Discharge) نشان‌دهنده میزان تخلیه باتری نسبت به ظرفیت نامی می‌باشد. به عنوان مثال اگر %۷۵ ظرفیت نامی یک باتری مصرف شده باشد، DOD = 75% خواهد بود.

باید توجه داشت که تمام ظرفیت نامی یک باتری قابل تبدیل به انرژی الکتریکی نیست. زیرا اگر باتری به طور کامل تخلیه گردد، آسیب جدی غیرقابل بازگشت دیده و دیگر قابل استفاده نخواهد بود. بنابراین، مقداری از ظرفیت نامی به عنوان «ظرفیت غیرفعال» (Inactive Capacity) درنظر گرفته می‌شود و روابط زیر همیشه برقرار هستند:

• ظرفیت نامی = وضعیت شارژ + عمق دشارژ = (انرژی دخیره شده + ظرفیت غیرفعال) + عمق دشارژ

• ظرفیت قابل دسترسی = انرژی ذخیره شده + عمق دشارژ

• Rated Capacity =SOC + DOD = (Inactive Capacity + Stored Energy) + DOD

Available Capacity = Stored Energy + DOD •

شکل ۳ ارتباط بین این پارامترها را به خوبی نشان می‌دهد:

شکل ۳ : ارتباط بین وضعیت شارژ، ظرفیت کلی، ظرفیت غیرفعال و ظرفیت استفاده شده یک باتری

مقاومت داخلی باتری :

مقاومت داخلی باتری از سری شدن مقاومت الکتریکی بخش‌های مختلف مانند الکترودها، الکترولیت، جداکننده (Separator) بدست می‌آید.

مدل مداری باتری نیز هماندد هر منبع ولتاژ واقعی، از سری شدن یک منبع ولتاژ ایده‌آل و یک مقاومت معادل مجموع کل مقاومت‌های فوق بدست می‌آید.

اگر ولتاژ مدار باز (Open Circuit) باتری را با EMF (مخفف Electro-Motive Force) و ولتاژ بین ترمینال‌‌های باتری را با V و جریان مدار با مصرف کننده با مقاومت R را با I و مقاومت داخلی باتری را با R_i نشان دهیم، رابطه زیر برقرار خواهد بود:

EMF = V + (R+R_i) × I

منحنی شارژ باتری :

چون واکنش‌های شیمیایی هر باتری قابل شارژ (اولیه) واکنش‌های غیرخطی هستند، ولتاژ و جریان شارژ باتری می‌بایست از منحنی خاصی پیروی نماید تا باتری تا بیشینه ظرفیت ممکن پر شده و عمر مفید آن کاهش نیابد.

شارژرهای امروزی از میکروپروسسور کنترلر شارژ استفاده می‌کنند که همیشه پارامترهای باتری شامل ولتاژ، جریان، دما و حتی زمان شارژ را تحت نظر داشته و متناسب با شرایط، ولتاژ مدار شارژ را به نحوی تغییر می‌دهند که جریان شارژ طبق منحنی مناسب نوع باتری، تغییر نماید.

در صورت افزایش دمای بدنه باتری به دلایل مختلف مانند خرابی یا اتصال کوتاه داخلی یا دمای محیط بیش از حد، کنترلر مدار شارژ را قطع می‌کند تا از خطراتی مانند نشتی باتری یا آتش‌سوزی جلوگیری نماید.

شکل ۴ منحنی شارژ باتری لیتیوم-یون را نشان می‌دهد:

شکل ۴ : منحنی شارژ باتری لیتیوم-یون

این نوع منحنی شارژ که به جریان-ثابت ولتاژ-ثابت (CC-CV) نیز معروف است، از چهار بخش زیر تشکیل شده است:

۱) بخش اول جریان ثابت :

در این بخش میکروپروسسور کنترلر شارژ شروع به افزایش ولتاژ تا ولتاژ نامی سلول لیتیوم-یون یعنی ۳/۷ ولت می‌نماید. شیب این افزایش بسیار تند اما در حدی است که جریان شارژ ثابت بماند.

۲) بخش دوم جریان ثابت : 

در این بخش کنترلر شیب افزایش ولتاژ را تا رسیدن به مقدار ۴.۲ ولت کم می‌کند. در این نقطه به دلیل افزایش ولتاژ داخلی باتری، جریان شارژ شروع به کاهش می‌کند. پس از طی این دو مرحله، ظرفیت باتری نیز تا حدود %۵۰ پر شده است.

۳) ولتاژ ثابت : 

ولتاژ در مقدار ثابت ۴/۲ ولت ثابت می‌ماند تا جریان شارژ کاهش یافته و به زیر %۳ مقدار جریان نامی شارژ برسد (شکل ۵). در این نقطه مدار شارژ قطع و فرآیند شارژ به پایان می‌رسد.

نکته بسیار مهم :

سلول باتری لیتیوم-یون تحمل شارژ اضافی را نداشته و در صورت ادامه شارژ، آسیب دایمی خواهد دید. پس لازم است که در پایان این مرحله، کنترلر فرآیند شارژ را با قطع مدار شارژ متوقف نماید.

۴) شارژ تکمیلی : 

اگر پس از پایان شارژ در مرحله سوم باتری هنوز در شارژر باقی مانده باشد، جهت جبران خود دشارژی (Self-Discharge) مرحله شارژ تکمیلی (Topping Charge) آغاز می‌گردد. در این مرحله کنترلر شارژ به محض کاهش ولتاژ ترمینال‌های باتری به زیر مقدار نامی ۳/۷ ولت، شروع به افزایش ولتاژ تا مقدار ۴/۲ ولت می‌نماید و مرحله ۳ دوباره تکرار می‌گردد.

در شکل ۵ مرحله شارژ تکمیلی نمایش داده شده است:

شکل ۵ : شارژ تکمیلی در مرحله چهارم فرآیند شارژ باتری لیتیوم-یون

شکل ۶ منحنی شارژ باتری سرب-اسید را نشان می‌دهد که شامل سه بخش زیر است:

۱) شارژ جریان-ثابت (CC) یا اصلی (Bulk) :

در این مرحله جریان شارژ ثابت و لتاژ با شیب ملایمی از ۲/۲ تا ۲/۳۵ ولت افزایش می‌یابد.

۲) شارژ ولتاژ-ثابت (CV) یا تکمیلی (Topping) :

ولتاژ در این مرحله در مقدار ۲/۳۵ ولت ثابت می‌ماند و جریان شروع به کاهش می‌نماید. در پایان این مرحله، شارژ باتری تکمیل شده است.

۳) شارژ شناور (Float) :

با کاهش ولتاژ شارژ به ۲/۲ ولت یعنی ۱۰ درصد بالاتر از ولتاژ نامی سلول سرب-اسید، می‌توان جهت جلوگیری از افت شارژ، ب مدت نامحدودی باتری را بدون آسیب تحت شارژ نگهداشت.

شکل ۶ : منحنی شارژ باتری سرب-اسید

اصلی‌ترین تفاوت دو باتری لیتیوم-بون و سرب-اسید از دیدگاه شارژ در همین نکته است که اگر شارژر باتری لیتیوم-یون پس از پرشدن باتری فرآیند شارژ را به طور کامل قطع ننماید، باتری آسیب دایمی خواهد دید. اما در مورد باتری سرب-اسید فقط با کاهش ولتاژ شارژ می‌توان باتری را در وضعیت شارژ کامل نگهداری نمود.

عمر مفید باتری قابل شارژ :

متأسفانه تعاریف غلطی مانند تعداد سال، تعداد ماه، تعداد شارژ و … برای عمر مفید باتری‌های قابل شارژ شنیده می‌شود که هیچکدام پایه علمی نداشته و کاملاً نادرست هستند.

برای تعریف عمر مفید باتری قابل شارژ، ابتدا سه مفهوم زیر می‌بایست تعریف گردد:

تعریف عمر مفید یک باتری از نظر ظرفیت :

طبق تعریف اگر ظرفیت یک باتری به طور مداوم به کمتر از %۸۰ ظرفیت نامی خود برسد، عمر مفید باتری به پایان رسیده است. یعنی اگر ظرفیت یک باتری ۱۰۰ آمپرساعت به صورت دایمی به زیر ۸۰ آمپرساعت برسد، عمر مفید آن به پایان رسیده است.

به دو نکته مهم زیر توجه فرمایید:

1. تأکید بر واژه «مداوم» به این دلیل است که تأثیر شرایط گذرا مانند سرمای شدید، بار با شوک لحظه‌ای شدید و … کنار گذاشته شوند. تأثیر این عوامل اگر به آن حد شدید نباشد که به باتری آسیب دایمی وارد کرده باشند، بعد از برطرف شدن شرایط غیرعادی از بین رفته و ظرفیت باتری به مقدار نامی باز خواهد گشت.
2. حتی پس از پایان عمر مفید، باتری هنوز %۸۰ ظرفیت اولیه خود را داراست و کاملاً از انرژی تخلیه نشده است. اما روند کاهش ظرفیت آن به حدی سرعت خواهد گرفت که دیگر قابل اتکاء و اعتماد نخواهد بود.

سیکل شارژ / دشارژ :

طبق تعریف هر گاه جمع مقادیر درصد دشارژ یک باتری به %۱۰۰ برسد، باتری یک سیکل شارژ/دشارژ طی نموده است.

به مثال زیر در جدول ۳ توجه بفرمایید:

جدول ۳ : مثال برای تعریف یک سیکل شارژ باتری قابل شارژ (اولیه)

در مثال فوق با وجود اینکه باتری چهار بار به شارژر متصل شده است، یک سیکل شارژ را طی نموده است. چون جمع درصد دشارژ در این چهار بار برابر %۱۰۰ شده است، تمام آنها یک سیکل شارژ محسوب می‌گردند.

تعریف عمر مفید یک باتری از دید سیکل شارژ :

هر شرکت تولیدکننده در مشخصات فنی باتری‌های خود، تعداد سیکل شارژ آنها را اعلام می‌نماید. عمر مفید باتری‌های رایج امروزی از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ سیکل و به طور متوسط ۷۵۰ سیکل شارژ می‌باشد.

یعنی به عنوان مثال پس از ۷۵۰ سیکل شارژ، ظرفیت باتری به %۸۰ ظرفیت نامی خود افت خواهد نمود.

اما بعضی از انواع باتری‌ها (مثل انواع خاصی از باتری لیتیوم-یون) نیز وجود دارند که عمر مفیدشان تا ۲۰۰۰ سیکل شارژ هم می‌رسد.

کاربرد پارامترهای باتری در طراحی یک سیستم سولار :

مجموعه باتری‌ها در یک سسیستم سولار که «بانک باتری» نامیده می‌شوند، بخش ذخیره‌کننده انرژی الکتریکی برای مصرف در طی شب و روزهای ابری را بر عهده دارند. طراح سیستم بعد از تخمین انرژی مورد نیاز برای مواقع فوق، تعداد باتری‌های مورد نیاز در شاخه‌های سری و موازی ماتریس بانک باتری را از روی پارامترهای باتری محاسبه می‌نماید.

به عنوان مثال، فرض کنیم مصرف انرژی یک منزل مسکونی برای ۲ روز ابری متوالی، ۲۴ کیلووات‌ساعت برآورد شده است. اگر ظرفیت باتری‌های سرب-اسید در دسترس ۱۰۰ آمپرساعت و ولتاژ ورودی اینورتر ۴۸ ولت باشد، تعداد باتری‌های سری در یک شاخه ماتریس ۴ = ۱۲ / ۴۸ خواهدبود. چون انرژی هر باتری ۱۲۰۰ = ۱۰۰ × ۱۲ وات‌ساعت یا ۱/۲ کیلووات‌ساعت است، پس به حداقل ۲۰ = ۱/۲ ÷ ۲۴ عدد باتری نیاز داریم که با موازی کردن حداقل ۵ = ۴ ÷ ۲۰ شاخه سری، به حداقل تعداد باتری برای تشکیل بانک باتری خواهیم رسید.

البته جهت ساده‌سازی، فقط تأثیر اصلی‌ترین پارامترهای باتری در این مثال درنظر گرفته شده است و سایر عوامل محدودکننده مانند افت ظرفیت باتری به مرور زمان، جمع توان پنل‌های سولار و محدودیت‌های شارژ کنترلر و اینورتر در نظر گرفته نشده است.

* جهت مطالعه بیشتر در مورد روش‌های نگهداری اصولی باتری به منظور حداکثر نمودن عمر مفید آن این مطلب مراجعه نمایید.

* جهت مطالعه بیشتر در مورد ساختار باتری به این مطلب مرجعه نمایید.

* جهت مطالعه بیشتر در مورد پارامترهای باتری به این منبع مراجعه فرمایید.