مبانی باتری — بخش سوم: اصطلاحات رایج و موارد استفاده باتری

در بخش‌های اول و دوم این مطلب به معرفی تاریخچه باتری، اجزای تشکلی دهنده و نحوه عملکرد آن پرداختیم. در بخش سوم و نهایی پست «معرفی باتری»، به توضیح اصطلاحات رایج مرتبط با این منبع انرژی قابل‌حمل و کاربردهای آن می پردازیم.

اصطلاحات رایج مرتبط با باتری

در هنگام صحبت در مورد ولتاژ، ظرفیت، قابلیت منبع جریان و دیگر موارد مربوط به باتری‌ها، معمولاً مجموعه‌ای از اصطلاحات رایج را استفاده می‌کنند.

سلول

اصطلاح «سلول»، به یک آند و کاتد جداشده توسط الکترولیت گفته می‌شود که برای تولید یک ولتاژ و جریان مورد استفاده قرار می‌گیرد. یک باتری را می‌توان از یک یا چند سلول درست کرد. به عنوان مثال، یک باتری AA دارای یک سلول است. باتری‌های ماشین دارای ۶ سلول با ولتاژ ۲.۱ برای هر سلول هستند.

باتری یا سلول اولیه

مواد شیمیایی سلول‌های اولیه غیر قابل بازگشت هستند. در نتیجه، باید این نوع سلول‌ها را بعد از تمام شدن، دور انداخت.

باتری یا سلول ثانویه

سلول‌های ثانویه قابل شارژ هستند. مواد تشکیلی دهنده این سلول‌ها، قابلیت بازگشت به وضعیت اولیه خود را دارند. این باتری‌ها با عنوان «باتری‌های قابل شارژ» نیز شناخته می‌شوند و قابلیت استفاده چندباره را دارند.

ولتاژ اسمی

ولتاژ معرفی‌شده توسط شرکت برای یک باتری را «ولتاژ اسمی» می‌گویند.

برای مثال، باتری‌های آلکالین AA، دارای ولتاژ اسمی ۱.۵ ولت هستند. یک آزمایش نشان داد که باتری‌های آلکالین، فعالیت خود را با ولتاژ ۱.۵۵ شروع کرده و با کم شدن شارژ خود، به ولتاژ پایین‌تری می‌رسند. در این مثال، ولتاژ اسمی «۱.۵ ولت» به ولتاژ حداکثر یا ولتاژ شروع اشاره دارد.

ولتاژ اسمی بیشتر سلول‌های لیتیوم-یون و لیتیوم-پلیمر، ۳.۷ ولت است. در این مورد، ولتاژ اسمی «۳.۷ ولت»، میانگین ولتاژ باتری در طول چرخه تخلیه شارژ (discharge cycle) است.

ظرفیت باتری

«ظرفیت باتری»، میزان بار الکتریکی قابل دریافت باتری در یک ولتاژ مشخص است. ظرفیت بیشتر باتری‌ها بر اساس واحد آمپر-ساعت (Ah) یا میلی‌آمپر-ساعت (mAh) مشخص می‌شوند.

باتری لیتیوم-پلیمری با ظرفیت ۱۰۰۰ میلی‌آمپر-ساعت (یعنی این باتری قبل از تمام شدن می‌تواند به مدت یک ساعت ۱۰۰۰ میلی‌آمپر را فراهم کند)

بیشتر نمودارهای عملکرد باتری، ولتاژ باتری را به عنوان تابعی از ظرفیت آن نشان می‌دهند. برای فهمیدن کفایت ظرفیت باتری به منظور استفاده در یک مدار خاص، باید مقدار کمتر ولتاژ قابل‌قبول و میزان آمپر-ساعت یا میلی‌آمپر-ساعت مربوط به آن را پیدا کرد.

نرخ شارژ/نرخ تخلیه شارژ

بسیاری از باتری‌ها، به خصوص باتری‌های قدرتمند لیتیوم-یونی، برای نشان دادن بهتر ویژگی‌های باتری، جریان تخلیه الکتریکی را به صورت نرخ شارژ یا «C-Rate» معرفی می‌کنند. نرخ شارژ، نرخ تخلیه شارژ باتری مرتبط با حداکثر ظرفیت آن است.

نرخ شارژ «1C»، نشان‌دهنده جریان مورد نیاز برای تخلیه شارژ باتری در طول ۱ ساعت است. به عنوان مثال، یک باتری ۴۰۰ میلی‌آمپر-ساعتی که جریانی با نرخ شارژ 1C را فراهم می‌کند، ۴۰۰ میلی‌آمپر جریان را در یک ساعت تأمین خواهد کرد. برای همین باتری، نرخ شارژ 5C مقدار ۲ آمپر را البته در زمان کمتری (۱۲ دقیقه) فراهم خواهد کرد.

بیشتر باتری‌ها در جریان‌هایی با نرخ شارژ بالاتر، ظرفیت خود را از دست می‌دهند. به عنوان مثال، آزمایش‌های مختلف نشان داده‌اند که سلول‌های لیتیوم-پلیمر میلی‌آمپر-ساعت کمتری را در نرخ شارژ بالاتر از خود نشان می‌دهند.

توجه: توصیه می‌شود که باتری‌های لیتیوم-پلیمری با نرخ شارژ 1C یا کمتر شارژ شوند.

موارد استفاده باتری

سلول اولیه

نیروی مورد نیاز برخی از مدارها، تنها با استفاده از یک سلول قابل تأمین است اما باید توجه داشت که باتری ولتاژ و جریان کافی را فراهم می‌کند.

کیت باتری «Photon» که از یک سلول لیتیوم-پلیمر تغذیه می‌کند

اگر ولتاژ خیلی زیاد یا خیلی کم باشد، احتمالاً به یک مبدل جریان دی‌سی به دی‌سی (DC-DC converter) نیاز خواهد بود.

مدار سری

به منظور افزایش ولتاژ بین قطب‌های باتری، می‌توان از سلول در یک «مدار سری» استفاده است. مدار سری یعنی اتصال انتها به انتهای سلول‌ها به یکدیگر به صورتی که آند یک سلول به کاتد دیگری متصل شود.

با اتصال باتری‌ها به صورت سری، ولتاژ کل مدار افزایش می‌یابد. با جمع ولتاژ هر سلول، ولتاژ عملیاتی به دست می‌آید. ظرفیت مدار در این حالت ثابت باقی می‌ماند.

در این مثال، چهار سلول ۱.۵ ولتی به صورت سری به هم متصل شده‌اند. ولتاژ درون بار (load)، ۶ ولت است در حالی که کل مجموع باتری‌ها، ظرفیت ۲۰۰۰ میلی‌آمپر-ساعت دارد.

در بیشتر وسایل الکتریکی که از باتری‌های آلکالین استفاده می‌کنند، باتری‌ها به صورت سری در کنار یکدیگر قرار گرفته‌اند. برای مثال، محل باتری «2x AA»، ولتاژ اسمی را تا ۳ ولت افزایش می‌دهد.

توجه: اگر یک باتری لیتیوم-یون یا لیتیوم-پلیمر را در یک مدار شارژ کنید، باید برای اطمینان از ثابت بودن ولتاژ درون سلول‌ها از یک متعادل‌کننده (balancer) در درون مدار استفاده شود. برخی از شارژرها، برای شارژ کردن ایمن، خود دارای متعادل‌کننده هستند.

مدار موازی

اگر ولتاژ یک سلول برای بار کافی باشد، جهت افزایش ظرفیت باتری‌ها می‌توان آن‌ها را به صورت موازی در مدار قرار داد. این موضوع، افزایش نرخ شارژ (C-Rate) را نیز در پی خواهد داشت.

در هنگام اتصال باتری‌ها به صورت موازی باید احتیاط کرد. همه سلول‌ها باید دارای ولتاژ اسمی و سطح شارژ یکسان باشند. اگر هر گونه اختلافی بین ولتاژها وجود داشته باشد، امکان ایجاد اتصال کوتاه و درنتیجه گرمای شدید و حتی آتش گرفتن مدار نیز وجود دارد.

در این مثال، چهار سلول به صورت موازی در مدار قرا گرفته‌اند. ولتاژ درون بار همان ۱.۵ ولت باقی می‌ماند اما ظرفیت کل به ۸۰۰۰ میلی‌آمپر-ساعت افزایش می‌یابد.

مدار سری موازی

اگر قصد افزایش ولتاژ و ظرفیت را دارید، سری موازی کردن باتری‌ها راه مناسبی است. در این حالت نیز باید توجه داشت که سطح ولتاژ باتری‌های موازی یکسان باشد تا اتصال کوتاه رخ ندهد.

در این مثال، ولتاژ کل درون بار، ۳ ولت است و ظرفیت ترکیب باتری‌ها، ۴۰۰۰ میلی‌آمپر ساعت است

در مجموعه‌های باتری بزرگ، مخصوصاً در باتری لیتیوم-یون، اغلب پیکربندی سلول‌ها به صورت «P» و «S» برای مدار سری موازی دیده می‌شود. پیکربندی مدار بالا مدار به صورت «2S2P» است. مثال کاربردی این نوع مدار، ماشین‌های مدرن الکتریکی است که آرایه‌های باتری عظیمی به صورت مدارهای سری موازی در آن‌ها بسته می‌شود.

در این آموزش، چگونگی اختراع باتری و نحوه عملکرد آن‌ها توضیح داده شد. استفاده از باتری‌ها، یکی از روش‌های تأمین انرژی الکتریکی است. باتری‌ها به عنوان منبع انرژی قابل‌حمل، در بسیاری از کاربردها مفید واقع می‌شوند.