باتری (battery) یا پیل الکتریکی منبعی از انرژی الکتریکی است که در آن با انجام واکنش‌های شیمیایی، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل شده و این انرژی در قطب مثبت (آند - سر قرمز رنگ) و قطب منفی (کاتد - سر سیاه رنگ) قابل دریافت است. باید در اتصال سرهای باتری به تجهیزاتی که به معکوس شدن تغذیه حساس بوده دقت کرد، در غیر اینصورت آن تجهیز خراب می شود. ولتاژ هر سلول باتری به ماده شیمیایی بکار رفته (الکترولیت) و جنس الکترودهای آن بستگی دارد و به اندازه باتری ارتباطی ندارد. مثلا ولتاژ یک سلول آلکالینی 1.5 ولت و باتری های قابل شارژ NiCd, NiMH مقدار 1.2 ولت می باشد.
تعیین ظرفیت مورد نیاز باتری بر حسب مقدار مصرف، کاربرد و حساسیت دستگاه انجام می گیرد و به طور کل ظرفیت باتری با واحد آمپر ساعت بیان می شود. مثلاً یک باتری ۶۰ آمپر ساعت می‌تواند ۶۰ آمپر را تا یک ساعت تامین کند، این باتری بعد از گذشت یک ساعت و با کشیدن جریان ۶۰ آمپر از آن به صورت کامل تخلیه می‌شود.( توجه نمایید که فقط در این حالت ملاک جریان 60 آمپر می باشد و ولتاژ هر چه می تواند باشد. ( در اینصورت باید مثلا بار مقاومتی باتری را با افزایش مدت زمان، کم کرد تا جریان 60 آمپر حفظ شود ) با کاهش جریان دریافتی از باتری می‌توان مدت زمان کارکرد باتری را افزایش داد، در این حالت باید پارامتر‌های مانند دما، لزرش و مقدار تنش جریان را نیز در زمان نهایی لحاظ کرد. به عنوان مثال باتری ۶۰ آمپر ساعتی در حالت تئوری باید جریان ۲۰ آمپر را برای مدت زمان ۳ ساعت تامین کند در حالی که با توجه به ساختار باتری و کیفیت ساخت و همچنین دمای محیط ممکن است این زمان تا نیم ساعت کاهش یابد.
مهمترین مشخصه فنی باتریها:
ظرفیت باتری یا مقدار آمپر ساعت:
انرژی ذخیره شده در باتری بر حسب آمپر ساعت بیان می شود. واحد اصلی انرژی، ولتاژ*جریان*زمان است. ولی با توجه به اینکه در باتری ولتاژ یک سل تقریبا ثابت است بنابراین از ضرب جریان در مدت زمان برای ظرفیت باتری استفاده می شود. باتری های قابل شارژ معمولا از چگالی انرژی کمتری ( اندازه فیزیکی باتری / ولتاژ*جریان*زمان ) نسبت به باتری های غیر قابل شارژ برخوردارند.
شکل ظاهری:
باتریها در اندازه ها و شکل های مختلفی موجود می باشد که بسته به نوع کاربرد آن در یک وسیله انتخاب می شود.
چگالی انرژی:
چگالی انرژی باتری در حقیقت ترکیب اندازه در ظرفیت باتری می باشد. تکنولوژی های مختلف ساخت باتری، سبب ایجاد چگالی انرژی مختلف شده است. بطور مثال باتری های لیتیومی در اندازه برابر با باتری های الکالین قادرند انرژی بیشتری را ذخیره کنند.
ولتاژ نامی باتری:
میانگین ولتاژ خروجی یک سلول در صورتیکه کاملا شارژ شده است. یک باتری ماشین ولتاژ نامی آن 12 ولت و یک باتری آلکالین قلمی 1.5 ولت است. در هنگام دشارژ باتری ولتاژ خروجی آن تغییر می کند.
نسبت تخلیه داخلی:
اگر باتری به مدت طولانی استفاده نشود بارهای ذخیره شده در آن از مسیر داخل باتری جریان یافته ودر دراز مدت سبب خالی شدن باتری می شوند.
ایمنی:
بخاطر اینکه باتری انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می کند، اگر بدرستی نگهداری نشوند، احتمال وقوع حادثه دارد. بیشتر باتری های لیتیوم پلیمر دارای مدارات داخلی هستند که از باتری در برابر استفاده ناصحیح و احتمال صدمه محافظت می کنند.
انواع باتری:
ما در اینجا باتری ها را صرف نظر از تکنولوژی ساخت به دو دسته کلی، قابل شارژ مجدد (rechargeable یا Secondary cells ) و غیر قابل شارژ مجدد (non-rechargeable یا primary cells) تقسیم بندی می کنیم. باتری های غیر قابل شارژ معمولا برای یک بار استفاده انتخاب شده اند و پس از اتمام انرژی ذخیره شده، معمولا دور انداخته می شوند ولی در باتری های قابل شارژ، پس از اتمام انرژی ذخیره شده در آن، توسط شارژهای مخصوص احیاء و آماده استفاده مجدد می شوند.
باتریهای قلیایی یا خشک (Alkaline):
باتریهای آلکالین عادی قابل شارژ نیستند. این باتریها، عمومی ترین نوع باتری مورد استفاده در وسایل خانگی مثل چراغ قوه و وسایل اسباب بازی و ... هستند. یک مشکل باتری های آلکالین اینست که ولتاژ آن در طی استفاده کاهش می یابد. همچنین آنها عملکرد خوبی در زیر فشار ندارند ( وقتیکه کشیدن جریان زیاد لازم است) . این باتریها ارزان، ایمن و در همه جا در دسترس هستند. این نوع از باتری بیشتر در سایز AA , AAA و سکه ای با ولتاژ نامی 1.5 ولت می باشد و باید برای استفاده از این باتری در مدارات الکترونیکی 3.3 یا 5 ولتی چند تا از آنها سری شود. درعوض باتری 9 ولتی آلکالین، 9 ولت خروجی دارد.
نیکل کادمیوم (Nickel Cadmium or NiCd):
باتریهای قابل شارژ نیکل کادمیوم از سال 1950 تولید شده اند. اگرچه این باتریها مزایا یی مثل توانایی تحویل جریان بالا و تعداد دفعات زیاد شارژ و دشارژ را دارند ولی در این نوع از باتری ها آنها باید ابتدا کاملا تخلیه شده و سپس شارژ گردند درغیر اینصورت ظرفیت آنها پایین می آید و حتی با شارژ کامل مجدد مانند اول نخواهند شد. بخاطر مضربودن کادمیوم موجود در آن برای محیط زیست ( آن بشدت سمی است) بسیاری از طرفداران محیط زیست عدم استفاده از این باتریها برای تغذیه دستگاههای خود را شروع کرده اند.
نیکل متال هایدرید (Nickel Metal Hydride or NiMH):
حدودا دو دهه قبل، این نوع از باتریهای شارژی در بازار گسترش پیدا کرده اند. در این نوع باتری لازم نیست که آنها کاملا تخلیه شده و سپس شارژ شوند ( مثل نیکل کادمیوم ) و همچنین آنها ظرفیت انرژی بیشتری نسبت به NiCad دارند. متاسفانه، آنها باتریهای هستند که اگر از آن استفاده نکنید، آنها شارژ خود را خیلی بیشتر از انواع دیگر باتری از دست می دهند. ( به اندازه 30 درصد درماه ) براحتی می توان این باتری را با باتری آلکالین جایگزین نمود. منحنی شارژ آنها به حساسیت باتریهای LiPo یا Li-ion نبوده و بطور کل می توان از یک شارژر خوب بطور مشترک برای شارژ باتری های NiCd و NiMH استفاده کرد.
لیتیوم پولیمر (Lithium polymer or LiPo):
این نوع باتری قابل شارژ است. ساختار این نوع از باتری شبیه باتری یون لیتیومی است که با تغییر در الکترولیت آن سبب کاهش قیمت شده اند. ولتاژ در این از باتریها از 3.7 ولت( دشارژ شده) تا 4.23 ولت (شارژ شده) متغیر است. در آن مداراتی استفاده شده که اجازه نمی دهد که ولتاژ شارژ باتری از مقدار 4.235 ولت بیشتر شود. از این باتری ها در موبایلها، قطار و هواپیماهای اسباب بازی استفاده شده است. در صورت نیاز به ولتاژ بیشتر نباید این نوع باتری ها رو سری کرد، در این مواقع باید از یک باتری با ولتاژ نامی بالاتر استفاده شود. آنها همچنین نیاز به شارژ مخصوصی دارند.
لیتیوم (Lithium):
این باتری عموما غیر قابل شارژ است. چگالی انرژی بالا و قیمت بالایی نسبت به بقیه باتری ها داشته و بسته به طراحی و مواد شیمیایی استفاده شده در آن ولتاژش از 1.5ولت تا 3.7 ولت است. در بسیاری از وسایل می توان به جای باتری آلکالین این نوع از باتری ها را قرار داد. بخاطر ذخیره انرژی بالا، جریان نشتی کم و توانایی تحویل جریان کم به مدت طولانی، مصرف این باتری برای تغذیه سیستمهای پشتیبان حساس مثل PLC, HMI و ساعت و کامپیوترها ایده آل می باشد.
اکسید نقره (Silver Oxide):
قابل شارژ نبوده و بیشتر بصورت دکمه ای ساخته می شود. ولتاژ نامی آن 1.55 ولت می باشد. ظرفیت این نوع باتری حدود 50 درصد بیشتر از نوع باتری سکه ای آلکالین است. از مشخصه خوب آن تغذیه بار با ولتاژ تقریبا ثابت است برخلاف نوع آلکالین که با مصرف جریان، ولتاژ آن پایین می آید. تقریبا در تمامی ساعت های مچی از این نوع باتری استفاده شده است که باید بر حسب قطر و ضخامت باتری مورد نیاز، شماره مناسب انتخاب گردد. در ساعت های ارزان قیمت چینی معمولا از مشابه آلکالینی این باتری استفاده می شود، استفاده از باتری های سکه ای آلکالین برای ساعت های گران قیمت توصیه نمی شود و بهتر است که از این نوع باتری استفاده گردد. تعدادی از حروف پیشوند که مشخص کننده نوع باتری هستند به شرح زیر است:
BR/CR=Lithium
L=Alkaline
SR=Silver Oxide
LR=Alkaline
SG=Silver Oxide
AG=Alkaline
روی هوا (Zinc Air):
این باتریها غیر قابل شارژ و در اندازه های خیلی کوچک ساخته شده و چگالی انرژی بالایی دارند. ولتاژ نامی آنها 1.4 ولت بوده و در وسایل کمک شنوایی (سمعک) استفاده شده اند.
- باتریهایی که غیر قابل شارژ هستند بهتر است که از تاریخ تولید آنها مدت زمان زیادی نگذشته باشد، چون در دراز مدت شارژ آنها خالی شده و عملا غیر قابل استفاده می شود و هچنین قبل از استفاده ولتاژ ترمینالهای آن باید اندکی بالاتر از ولتاژ نامی آن باشد.
یون لیتیوم (Lithium Ion or Li-Ion):
اگر شما یک لپ تاپ شیک جدید دارید، احتمالا در آن یک باتری لیتیوم یون وجود دارد. این باتریها در کالاهای الکترونیکی جدید خیلی معروف شدند، جاییکه اندازه کوچک مهم است. یک سلول Li-Ion سه بار بیشتر از باتریهای NiCad و NiMH مشابه در یک اندازه خیلی کوچکتر می تواند انرژی تحویل بدهد. باتریهای Li-Ion همچنین نشتی جریان داخلی خیلی کمی داشته و بدی آن اینست که باتریهای Li-Ion هنوز خیلی گران هستند. در خودروهای الکتریکی گرانقیمت جدید و بخاطر مزایای زیاد آن، از این تکنولوژی باتری به زیاد استفاده شده است، جاییکه وزن خودرو و چگالی بالای انرژی اهمیت پیدا می کند.
سرب اسیدی (Lead Acid):
زیر کاپوت ماشین قدیمی تان را ببینید. آیا در گوشه ای باتری می بینید؟ آن یک باتری سرب اسیدی است. برخلاف باتریهای خشک که قبلا نامبرده شد (که در آن مواد شیمیایی بصورت خشک هستند) باتریهای سرب اسیدی حاوی مواد سوزش آور و خورنده هستند. این باتریها اگر کج شده یا سوراخ شوند می توانند چکه بکنند. هر سلول باتری سرب اسیدی 2 ولت بوده که در داخل یک باتری خودرو 6 تا از آنها سری شده اند. قطب مثبت باتری از اکسید سرب و قطب منفی از سرب است. الکترولیت داخل آن اسید سولفوریک با درصد معینی از آب مقطر است. برای مشخص بودن سطح الکترولیت، بدنه این نوع باتری از مواد پلاستیکی ساخته شده است. این باتری در طی شارژ سبب تولید اکسیژن و هیدروژن می شود و اگر این باتری های زیاد شارژ(over charge) شوند فرآیند تولید این گازها افزایش یافته و سبب خطرات زیاد و حتی انفجار می شود. برای جلوگیری از این اتقاق در هنگام شارژ این باتریها ( در جاهایی که تعداد زیادی ازاین نوع باتری استفاده می شود ) باید تهویه محل نصب باتری ها بخوبی انجام گرفته و از تجهیزات ضد انفجار استفاده شده و نحوه شارژ آنها بدرستی کنترل گردد. بخاطر ارزانی و تحویل جریان لحظه ای بالا از این باتریها در خودروها زیاد استفاده می شد. هر چند که امروزه بخاطر معایبی که ذکر شد، با بهینه کردن ضعف ها جای خود را خصوصا در خودروها به باتریهای نسل جدید با تکنولوژی مشابه دادند. فرمول شیمیایی باتری سرب اسیدی درهنگام شارژ و دشارژ در زیر آمده است:
اسید سربی آببندی شده (Sealed Lead Acid or Valve Regulated Lead Acid- SLA or VRLA):
این نوع از باتریها اسید سولفوریک و صفحات سربی، بطور دائم در یک محفظه پلاستیکی آب بندی شده است.بخاطر آب بندی شدن این نوع باتری از حساسیت کمتری در مورد محل نصب و عدم اجبار برای نصب تجهیزات ضد انفجار برخوردار بوده، ولی همچنان نحوه صحیح شارژ آنها از اهمیت خود برخوردار است. SLA در بیشتر تجهیزات بخاطر توانایی دادن جریان بالا، قیمت معقول، ایمنی نسبی استفاده می شوند. قیمت SLA نسبت به باتری سرب اسیدی معمولی بیشتر بوده و قابلیت احیاء مثل باتری های سرب اسیدی را نداشته، اندازه بزرگتری دارد و وزن آن نسبت به ظرفیت شان از انواع دیگر باتریها بیشتر است.
بسته های باتری (Battery packs):
این واقعا یک باتری نیست، در حقیقت راهی برای جمع کردن باتریهای با هم است. در بیشتر موارد استفاده از یک عدد باتری، ولتاژ و ظرفیت مورد نیاز ما را بر آورده نمی کند. در بیشتر روباتها، وسایل اسباب بازی و تجهیزات کاربردی شما یک آجر ناهموار عجیب مشاهده می کنید، این یک بسته باتری است. داخل آن چندین باتری قابل شارژ وجود داشته ( NiCad, NiMH) که معمولا بصورت سری بهم وصل شده اند و در داخل یک قاب پلاستیکی پوشیده شده اند. این بسته ها برای استفاده راحتر هستند زیرا اینکار سبب صرفه جویی در وزن و حجم شده و اینکه می توان همه باتریها را در یک زمان شارژ کرد. همین قضیه در مورد باتری های سرب اسیدی هم صادق است ولی در اینجا معمولا بخاطر بزرگی اندازه و حساسیت و احتمال خطر آنها در جایی به نام باتری خانه یا battery room نگهداری شده و توسط کابلهایی به شارژر و مصرف کننده نصب شده در جاهای دیگر وصل می شوند.
اندازه باتری ها:
باتریها در اندازه و شکل های گوناگونی تولید شده اند. یک باتری ممکن است فقط بصورت یک سلول بوده یا ترکیبی از چند سلول باشد مثلا باتری 9 ولتی از 6 سلول 1.5 ولتی که بصورت سری اتصال یافته است. به طور کلی دو استاندارد IEC , ANCI برای بیان اندازه و مشخصات باتری وجود دارد. در جدول زیر فقط تعدادی از معروفترین باتریهای مورد استفاده آورده شده است. در بسیاری از تجهیزات جدید بسته به نوع دستگاه اندازه و شکل باتری فرق می کند.
| اندازه (mm) | ظرفیت نامی (mAh) | استاندارد ANSI | استاندارد IEC | حرف مشخصه اندازه و تصویر |
| Dia: 10.5 H: 44.5 |
1200 (alkaline) 540 (carbon–zinc) 800–1000 (NiMH) |
24A (alkaline) 24D (carbon–zinc) 24LF (Li–FeS2) |
LR03 (alkaline) HR03 (NiMH) KR03 (NiCd) |
AAA |
| Dia: 14.5 H: 50.5 |
2700 (alkaline) 1700–2900 (NiMH) 600–1000 (NiCd) |
15A (alkaline) 1.2H2 (NiMH) 1.2K2 (NiCd) |
LR6 (alkaline) HR6 (NiMH) KR6 (NiCd) |
AA |
| Dia: 26.2 H: 50 |
14A (alkaline) | 14A (alkaline) | LR14 (alkaline) HR14 (NiMH) KR14 (NiCd) |
C |
| Dia: 34.2 H: 61.5 |
12000 (alkaline) 2200–12000 (NiMH) |
13A (alkaline) | LR20 (alkaline) HR20 (NiMH) KR20 (Ni-Cd) |
D |
| H: 67 L: 62 W: 22 |
6100 (alkaline) 1200 (carbon‑zinc) |
MN1203 (manganese) | 3LR12 (alkaline) 3R12 (carbon‑zinc) |
4.5Volt کتابی  |
| H: 48.5 L: 26.5 W: 17.5 |
565 (alkaline) 1,200 (lithium) 175–300 (NiMH) 120 (NiCd) 500 (LiPo) |
1604A (alkaline) 1604LC (lithium) 7.2H5 (NiMH) 11604 (NiCd) |
6LR61 (alkaline) 6KR61 (NiCd) 6HR61 (NiMH) |
9 Volt کتابی |
| H: 34.5 Ø:17 |
1500 (lithium) 700 (Li–ion) |
5018LC (lithium) | CR17345 (lithium) | CR123A |
| Dia: 20 H: 1.6 |
90 | 5000LC | CR2016 | سکه ای لیتیوم |
| Dia: 20 H: 3.2 |
225 (CR) 190 (BR) |
5004LC | CR2032 | سکه ای لیتیوم |
| Dia: 11.6 H: 5.4 |
600 | 7003ZD | PR44 | دکمه ای زینک675 |
نحوه استفاده از باتری قابل شارژ مجدد:
از باتری قابل شارژ به دو صورت می توان استفاده کرد:
استفاده دوره ای (cycle use):
در این حالت باتری در دستگاه مصرفی قرار گرفته و پس از اتمام شارژ باتری، بوسیله شارژ مخصوص به خود احیاء شده و دوباره در دستگاه نصب و استفاده می شود. در این حالت باتری یا فقط در حال شارژ است یا فقط در حال مصرف است . مانند بسیاری از دستگاههای مصرفی مثل دوربین دیجیتال، کنترل از راه دور، مسواک برقی، ریش تراش و ...
در حالت آماده باش (standby use):
در این حالت باتری با سیستم اصلی برق dc که شامل بارها و شارژر می باشد بصورت موازی قرار گرفته و داتما در حال شارژ است. اگر برق اصلی سیستم AC قطع شد. این باتری های نصب شده بصورت پشتیبان عمل کرده و تغذیه مصرف کننده ها را به عهده می گیرند. برخلاف نوع استفاده cycle use این باتری همواره در حال شارژ است. نحوه شارژ باتری در این سیستم با cycle use فرق می کند. این سیستم بیشتر برای تجهیزات حساس که احتمال وجود خطر یا ضرر در صورتیکه برق اصلی AC قطع شود مورد استفاده قرار می گیرد.
روش های شارژ باتری:
یکی از مهمترین بخش های سرویس و نگهداری باتری نحوه شارژ صحیح آن است. در شارژ باتری مواد شیمیایی داخل باتری توسط جریان الکتریکی احیاء می شود. برای شارژ باتری شما به منبعی الکتریکی نیاز دارید که دارای یکی از مشخصه های خروجی زیر باشد.
شارژ با منبع ولتاژ ثابت:
یکی از بزرگترین مشکلات باتری شارژر با ولتاژ ثابت در هنگامی روی میدهد که بخواهیم یک باتری کاملا خالی را شارژ کنیم در این حالت جریان شدیدی از منبع تغذیه کشیده می شود. در این حالت جریان عبوری از باتری فقط به وسیله مقاومت داخلی باتری و خروجی منبع تغذیه محدود می شود که سبب صدمه دیدن سیم ها و باتری و تجهیزات الکترونیک رابط می گردد.
شارژ با منبع جریان ثابت:
در شارژر با جریان ثابت مشکل ضربه جریانی ذکر شده حل شده است ولی در این حالت ولتاژ به جریان باتری ربطی پیدا نمی کند و در صورتیکه هیچ باتری به خروجی آن وصل نشود مقدار ولتاژ تقریبا بی نهایت می شود!
شارژ با منبع توان ثابت:
منبع با توان ثابت از مزیت هر دو طرح فوق استفاده می کند و در بیشتر شارژر ها می توان از این طرح استفاده می شود ولی در این طرح پیچیدگی ساخت شارژر خیلی زیاد می شود.
شاید بهترین طرح برای ساخت باتری شارژر ترکیب دو طرح جریان ثابت و ولتاژ ثابت و بهره گیری از مزایای هر دوی آنها باشد. بعبارت دیگر بهترین شارژرها باید رفتاری مثل جریان ثابت به همراه محدود کننده ولتاژ و یا ولتاژ ثابت به همراه محدود کننده جریان داشته باشند. درعمل بیشتر از روش ولتاژ ثابت به همراه محدود کننده جریان استفاده می شود. در حال حاضر بهترین روش برای ساخت یک باتری شارژر با حداکثر بهینه سازی ممکن، استفاده از تغذیه سوئچینگ است. در این حالت با استفاده از سنسورهای جریان و ولتاژ امکان نظارت بر نحوه شارژ باتری وجود دارد. می توان با استفاه از این اطلاعات، پهنای پالس اعمال شده به باتری را کنترل کرده و شرایط حفاظتی و حدی را به راحتی در آن لحاظ کرد.
گزارش