مرکز دانلود خلاصه کتاب و جزوات دانشگاهی

باطريها قابل شارژ

اشاره

كاربرد روزافزون تجهيزات ديجيتال قابل حمل مانند دوربين‌هاي ديجيتالي، پخش‌كننده‌هاي موسيقي و امثال آن‌ها كه انرژي الكتريكي مورد نياز خود را از باتري‌هاي استاندارد تأمين مي‌كنند، استفاده‌كنندگان اين قبيل تجهيزات را به استفاده از انواع قابل شارژ مجدد اين باتري‌ها تشويق مي‌نمايد كه خريد آگاهانه آن‌ها مستلزم شناخت گزينه‌هاي موجود در بازار مي‌باشد. علاوه بر اين، استفاده بهينه و نگهداري صحيح، شرط ماندگاري طولاني اين گونه از باتري‌ها مي‌باشد. در ادامه سعي داريم با تشريح گونه‌هاي متداول و تفاوت‌هاي آن‌ها با يكديگر، راهنماي مناسبي جهت خريد و به كارگيري اين گونه باتري‌ها فراهم آوريم.

اصولاً وقتي صحبت از باتري‌هاي با اندازه استاندارد مي‌شود، بلافاصله به ياد باتري‌هاي قلمي و نيم‌قلمي يا اگر بخواهيم دقيق‌تر باشيم، اندازه‌هاي AA و AAA مي‌افتيم. اساساً سه فرم سيلندري، دگمه‌اي و كتابي (يا بلوكي) براي باتري‌هاي استاندارد وجود دارد. انواع دگمه‌اي در ابزارهاي كوچك مانند ساعت‌هاي مچي و ماشين حساب‌هاي جيبي كاربرد فراوان دارند. باتري‌هاي كتابي 9 ولتي در تجهيزات كنترل از راه دور و برخي مصارف خاص كاربرد دارند و انواع سيلندري كه متداولترين نوع مي‌باشند در طيف وسيعي از تجهيزات الكتريكي از ساعت‌هاي ديواري و چراغ قوه‌ها گرفته تا پخش‌كننده‌هاي 3MP و دوربين‌هاي ديجيتالي به كارگرفته مي‌شوند. جدول 1 خلاصه‌اي از ابعاد باتري‌هاي سيلندري‌شكل را نشان مي دهد.

باطريهاي قابل شارژ معمول در بازار رو ميشه به 4 دسته تقسيم کرد

1 باطريهاي ( Sealed Lead Acid (SLA يا سرب-اسيد (در محفظه بسته)

ابن باطريها قيمت کمتر ولي وزن و ابعاد بزرگتري دارن .براي شارژ از يک ولتاژ ثابت استفاده ميشه ولي براي جلوگيري از گرم شدن بيش از اندازه موقع شارژ بايد جريان شارژ رو کنترل کرد تا از مقدار معيني بيشتر نشه(مخصوصا اوايل شارژ) اين نوع باطري به تعداد نامحدود قابل شارژ هست ولي به شرطي که مقدار ولتاژ هنگام شارژ بيشتر از مقدار تعين شده (معمولا 2.2 ولت براي هر سلول) نباشه که باعث کاهش عمر و اسيب دبدن اون ميشه

2 باطريهاي ( Nickel Cadmium (NiCd

نسبتا ارزان و به طور معمول تا 1000 بار قابل شارژ هستند "تخليه داخلي" بالايي دارند و در مقابل کاهش ولتاژ هر سلول به کمتر از 1.0 ولت اسيب پذيرند و باعث ايجاد حالت معکوس که باعث تخليه سلول هاي ديگر ميشود اين نوع باطري بوسيله جريان ثابت شارژ ميشوند

3 باطريهاي ( Nickel Metal Hydride (NiMH

داراي چگالي انرژي بيشتري نسبت به نوع NiCd هستند و در مقابل شارژ بيش از مقدار و زمان معين اسيب پذيرند و البته همنانند NiCd نسبت به تخليه سلول تا حدود کمتر از 8. ولت اسيب پذيرند تخليه داخلي (خود به خود ) در حدود 20% در ماه هست و بمانند NiCd با جريان ثابت شارژ ميشوند

4 باطريهاي (Lithium-Ion (Li-Ion

بيشترين چگالي انرژي نسبت به وزن و ابعاد رو نسبت به انواع ديگر باطري داراست بوسيله يک ولتاژ ثابت قايل شارژ هست(توسط سازنده معين ميشه) و در مقابل شارژ بيش از اندازه اسيب پذير و حتي امکان انفجار و احتراق هم وجود دارد با توجه به کاهش جريان هنگام شارژ از مقداري که سازنده باطري معين ميکنه ميتوان پايان عمليات شارژ را تعيين کرد (در لپ تاپ ها بيشتر از اين نوع باطري استفاده ميشه)

در شارژر هاي مدرن باطري در کمتر از 3 ساعت شارژ کامل و به طور معمول در 1 ساعت شارژ ميشوند که براي جلوگيري از اسيب رسيدن و کاهش عمر مفيد بايد اندازه گيري و کنترل دقيقي از ميزان ولتاژ و جريان عبوري و دماي هر سلول وجود داشته باشد در هنگام شارژ باطري انرژي الکتريکي تبديل يه شيميايي شده ودر باطري ذخيره ميشود ولي مقداري از از انرژي الکتريکي هم به انرژي گرمايي تبديل و باعث گرم شدن باطري ميشود در شارژر هايه سريع اين گرما سريعا ايجاد ميشود(به خاطر جريان شارژ بالا) و شارژر بايد قادر به تشخيص اين گرما باشد تا از طريق ان عمليات شارژ را متوقف کند از اين رو فاکتور تشخيص دما نقش مهمي را در يک شارژر سريع داراست(براي جلوگيري از اسيب ديدن باطري به خاطر افزايش دماي ان)
با کنترل دما , زمان,جريان و يا ولتاژ شارژ و وابسته به نوع باطري ميتوان پايان شارژ کامل سلول را تعين کرد
در نوع NiCd و NiMH مناسبترين متد اندازه گيري مشتق منفي ولتاژ بر زمان هست يا به عبارتي افت ولتاژ دو سر باطري که بيشتر از 20 ميلي ولت باشد به معني شارژ کامل باطري خواهد بود و البته از فاکتور دما (حداکثر 40 درجه) و ولتاژ(حداکثر1.5 ولت) و زمان (براي شارژ سريع و جريان برابر با ظرفيت باطري, در حدود 90 دقيقه) هم بعنوان علائم بعدي براي پايان دادن به شارژ استفاده خواهد شد

باتري‌هاي قابل شارژ استاندارد، عموماً از نوع NiCd يا NiMH مي باشند. انواع NiMH به دلايل مزاياي آشكار، به سرعت در حال گسترش و جايگزيني با انواع قديمي‌تر NiCd مي‌باشند. انواع LiIon كه داراي بهترين نسبت كارآيي به وزن مي‌باشند، به دليل گران بودن در موارد خاص همچون تلفن‌هاي همراه و كامپيوترهاي كيفي كاربرد دارند. ولتاژ باطري‌هاي سيلندري‌شكل عموماً برابر با 1.5 ولت مي‌باشد كه در انواع قابل شارژ NiCd و NiMH كمي كمتر از اين مقدار و برابر با 2/1 ولت است، از طرفي وزن انواع قابل شارژ بين 30 تا 40 درصد بيشتر است.

باتري‌هاي NiMH

در حال حاضر اولين گزينه براي هر خريدار در انتخاب يك باتري قابل شارژ، انوع NiMH مي‌باشد، كما اين‌كه از حدود پنج سال گذشته فرآيند جايگزيني اين گونه با انواع قديمي‌تر ‌ NiCd آغاز گرديده است. باتري‌هاي NiMH داراي مزاياي بسياري هستند كه در ادامه به برخي از مهمترين آن‌ها اشاره مي كنيم:

‌ظرفيت اين باتري‌ها به مراتب بيشتر از انواع قديمي‌تر است. در حال حاضر باتري‌هاي NiMH اندازه AA با ظرفيت‌هاي فراتر از 2000 ميلي آمپرساعت (MAh) وارد بازار شده‌اند و مطالعه و تحقيق براي ساخت مدل‌هايي با ظرفيت بيشتر ادامه دارد. باتري‌هاي NiMH نسبت به باتري‌هاي آلكالاين نيز از ظرفيت بيشتري برخوردارند و به خصوص در كاربردهاي پرمصرف همچون دوربين‌هاي ديجيتال مدت سرويس‌دهي بيشتري را با هر بار شارژ كامل فراهم مي‌كنند. بسياري از شركت‌هاي سازنده مدعي هستند كه باتري‌هاي NiMH ساخت آن‌ها در هر بار شارژ تا چهار يا پنج برابر يك باتري آلكالاين كارايي دارد، كه البته اين مقدار به عوامل بسياري چون ظرفيت باطري، نحوه شارژ آن و نوع كاربرد بستگي دارد.

‌●‌ در ابتدا هزينه بالاتر مانع استفاده گسترده از باتري‌هاي NiMH بود، ولي فرآيند كاهش قيمت در پنج سال گذشته اين هزينه را به مقدار معقولي رسانده است. در حال حاضر قيمت تقريبي اين گونه تنها 20 درصد بيشتر از NiCd مي‌باشد اين در حالي است كه قيمت باتري‌هاي LiIon در حدود دو برابر اين مقدار است.
●شايد بزرگترين مزيت باتري‌هاي NiMH در عدم وجود مشكل <اثر حافظه> (Memory effect) در آن‌ها باشد. اين اثر به زبان ساده افت تدريجي ولتاژ و ظرفيت در اثر عدم تخليه كامل باتري پيش از شارژ مجدد آن مي‌باشد، بنابراين استفاده‌كنندگان اين گونه باتري‌ها نگراني از بابت اين مشكل ندارند.
‌●‌ ولتاژ باتري‌هاي قابل شارژ در بيشتر زمان كاركرد در حد 2/1 ولت باقي مي‌ماند، كه جريان يكدستي را فراهم مي‌كند. در‌صورتي‌كه ولتاژ باتري‌هاي آلكالاين از مقدار 5/1 ولت شروع شده و تا كمتر از 1 ولت كاهش مي يابد.

‌●‌ باتري‌هاي NiMH فاقد ماده كادميوم مي‌باشند كه در انواع NiCd كاربرد دارد. اين ماده فلزي بسيار سمي و مخرب محيط زيست است، بنابراين باتري‌هاي NiMH پاك‌تر نيز مي‌باشند.

• حداكثر دفعات شارژ براي باتري‌هاي NiMH تا 1000 نوبت است، كه بسيار بيشتر از ساير انواع باتري‌هاي قابل شارژ مي‌باشد. براي مقايسه به جدول 2 توجه فرماييد.

در مقابل نقاط منفي اندكي در مورد باتري‌هاي NiMH وجود دارد. همان‌طور كه اشاره شد، قيمت تقريبي آن‌ها هنوز 20درصد بيشتر از مدل‌هاي قديمتر NiCd مي‌باشد. همچنين زمان شارژ و تخليه مجدد آن‌ها كمي بيشتر از انواع داراي كادميوم است. اين موضوع در برخي تجهيزات خاص، مزيتي براي باتري‌هاي NiCd به حساب مي آيد، براي مثال در پيچ‌گوشتي‌هاي برقي كه سرعت دوران بالايي دارند به سرعت تخليه بالا در باتري نيازمندند، انواع NiCd داراي مزيت نسبي هستند.

نحوه استفاده و نگهداري باتري‌هاي NiMH

اولين موضوعي كه بايد به خاطر داشته باشيد، نحوه صحيح شارژ و تخليه باطري‌هايتان مي باشد. شارژ بيش از اندازه باتري‌هاي NiMH مي‌تواند صدمات جبران‌ناپذيري به آن‌ها وارد كند. بنابراين حتي‌المقدور از شارژرهايي استفاده كنيد كه داراي مدار كنترل شارژ مي‌باشند. انواع پيشرفته، مجهز به پردازنده كنترلي هستند، ولي مدل‌هاي ساده‌تر از نوعي تايمر براي قطع خودكار شارژ برخوردارند. شكل 1 رابطه مستقيم زمان شارژ و افزايش حرارت را نشان مي دهد.

در حال حاضر مدل‌هايي از شارژرها موسوم به سريع (Fast) يا خيلي سريع (UltraFast) وارد بازار شده‌اند. اين مدل‌ها تنها در صورتي توصيه مي‌شوند كه داراي مدار كنترل‌كننده مطمئني باشند كه در غير اين صورت به احتمال زياد، باتري‌هايتان را كباب شده تحويل خواهيد‌گرفت! در هر صورت فرمول ساده‌اي براي محاسبه زمان شارژ وجود دارد. كافيست ظرفيت باطريتان را بر حسب MAh بر توان شارژر با همان واحد تقسيم نماييد و 20درصد به نتيجه حاصل اضافه كنيد تا زمان شارژ بهينه بر حسب ساعت به دست‌آيد. براي مثال زمان لازم براي شارژ يك باتري NiMH اندازه AA با ظرفيت 2000MAh در يك شارژر با توان 200MAh براي همان سايز باطري، در حدود 12 ساعت مي‌باشد.

البته در مورد زمان شارژ استثنائي وجود دارد كه توجه به آن اهميت زيادي دارد، باتري‌هايي كه به تازگي خريداري شده‌اند، به دليل زمان نسبتاً زياد نگهداري در شرايط انبار، معمولاً زمان بيشتري براي شارژ لازم دارند و تنها بعد از دو يا سه بار شارژ و تخليه به حداكثر توان خود مي‌رسند، بنابراين اگر باتري جديدتان در ابتدا كارآيي مورد انتظار را نشان نمي‌دهد، جاي نگراني نيست.

در بسياري از شارژرهاي موجود در بازار، دو يا چهار كانال شارژ وجود دارد كه امكان شارژ همزمان را براي تعدادي باتري را فراهم مي‌كند. در مدل‌هاي ارزان‌تر براي هر دو يا چهار كانال تنها يك كنترل‌كننده وجود دارد كه در اين‌صورت استفاده‌كننده نمي‌تواند يك باتري را به صورت جداگانه شارژ كند. در اين صورت بايد دقت شود تمام باتري‌هاي قرار گرفته داخل شارژر در يك وضعيت قرار داشته باشند، چرا كه در غير اين‌صورت امكان شارژ بيش از حد يكي از باتري‌ها وجود دارد. البته در مدل‌هايي كه براي هر كانال به صورت جداگانه داراي كنترل‌كننده مي باشند، اين مشكل وجود ندارد.

به ياد داشته باشيد كه باتري شارژ شده به‌طور روزانه مقداري از توان خود را از دست مي دهد. ميانگين تقريبي اين افت توان روزانه يك درصد مي‌باشد. به عبارت ديگر پس از تقريباً سه ماه و بدون استفاده از باتري‌هايتان، نياز به شارژ مجدد آن‌ها داريد. البته با نگهداري باتري در يك محيط خنك مي توان اين فرآيند را تاحدودي آهسته نمود. بسياري از انواع شارژها داراي حالت شارژ خفيف (Trickle mode) هستند، كه معمولاً به صورت خودكار و پس از شارژ كامل باتري‌ها فعال مي شود. در اين حالت جريان ضعيفي به صورت پيوسته و يا متناوب به باتري‌ها اعمال مي شود، اين جريان تنها در حدي است كه توان باتري را در حالت حداكثر حفظ كند. البته در هر حال بهتر است براي مدت طولاني (مثلاً بيش از يك ماه) از اين قابليت استفاده نكنيد.

همان‌طور كه پيشتر اشاره شد، در حالي‌كه ولتاژ يك باتري معمولي در حد 5/1 ولت است، ولتاژ يك باتري NiMH برابر با 2/1 ولت مي‌باشد، اين مقدار براي اغلب كاربردها كافي است و تنها در برخي از موارد كه مقدار ولتاژ روي كارآيي تأثير مستقيم دارد (براي مثال در چراغ قوه و يا راديوهاي قابل حمل)، اين تفاوت آشكار مي شود، البته در هر حال به دليل افت طبيعي توان باتري‌هاي شارژي، استفاده از آن‌ها در كاربردهاي طولا‌ني مدت (مانند ساعت‌هاي ديواري) يا اضطراري (مانند چراغ قوه) توصيه نمي‌شود. در اين موارد استفاده از يك باتري آلكالاين و يا حتي باتري‌هاي قديمي‌تر Heavy Duty نتيجه بهتري دارد.

نكته آخر اين‌كه همواره از شارژرهاي خاص باتري‌هاي NiMH، جهت شارژ اين باتري‌ها استفاده كنيد (تصوير 2). منحني شارژ باتري‌هاي NiMH خاص خودشان مي‌باشد و بهترين كارآيي تنها در صورت استفاده از شارژر مخصوص آن‌ها حاصل مي گردد. استفاده از شارژرهايي كه ادعاي شارژ هر دو نوع NiMH و NiCd را دارند، توصيه نمي‌شود. اين مدل‌ها معمولاً همان انواع ساده‌تر NiCd مي‌باشند كه تغييرات جزيي داشته‌اند و از كيفيت مناسبي برخوردار نيستند.

و اما سخني با آن دسته از خوانندگاني كه از استفاده‌كنندگان باتري‌هاي معمولي (غيرقابل شارژ) يا به عبارت ديگر يكبارمصرف مي باشند. مي‌توان كاربردهاي يك باتري را در دو گروه پرمصرف و كم‌مصرف دسته‌بندي كرد. كاربردهاي پرمصرف مانند دوربين‌هاي ديجيتال و پخش‌كننده‌هاي 3 MP مستلزم به كارگيري باتري‌هاي نوع آلكالاين و در صورت امكان انواع پيشرفته آن كه با عناويني همچون Ultra يا MAX مشخص مي‌شوند (استانداردي در مورد اين گونه عناوين وجود ندارد)، مي‌باشند. البته انواع قابل شارژ در هر صورت گزينه‌هاي بهتري هستند. در مقابل در كاربردهاي كم مصرف كه توان اندكي را در مدت طولاني طلب مي‌كنند، مي‌توان از باتري‌هاي عادي (غير آلكالاين)، با توجه به بهاي اندك آن‌ها بهره‌ گرفت. الزامي وجود ندارد كه از يك باتري نسبتاً گران آلكالاين در يك ساعت ديواري استفاده شود.

بنابراين بايد توجه داشت كه نوع كاربرد، باتري مطلوب را مشخص مي‌كند و در بسياري از مواقع، انتخاب باطري، از طريق تجربه و امتحان حاصل مي‌شود. اما چند توصيه مفيد براي اين گروه از استفاده‌كنندگان جهت بهره‌گيري بهينه از توان باتري‌هايشان:

1) انرژي الكتريكي حاصل از يك باطري، يكي از گرانترين انواع انرژي‌هاي موجود در جهان است. با ‌انرژي يك باتري AA فقط مي‌توان تا ده فنجان آب را به جوش آورد كه در مقايسه با انرژي الكتريكي موجود در منازل، بسيار گرانتر است. بنابراين در مصرف آن دقت كنيد.

2) به هيچ وجه از باتري‌هايي گوناگون با توان باقي‌مانده متفاوت در كنار يكديگر استفاده نكنيد.
3) اگرچه ثابت شده كه بر خلاف تصور عموم، نگهداري باتري‌ها در يخچال تأثير چنداني بر افزايش طول عمر آن‌ها ندارد، اما در هر حال گرما عامل مخربي است. بنابراين از نگهداري دراز مدت باتري‌ها در محيط‌هاي گرمي همچون داخل ماشين، پرهيز كنيد.

4) نگهداري باتري‌ها به صورت رها‌شده در كنار يكديگر مي‌تواند باعث تخليه اتفاقي انرژي آن‌ها شود.

منبع:

بخشي از http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc1659.pdf