طراحی باتری و ساختار شیمیایی - بخش دوم

طراحی باتری و ساختار شیمیایی 2 :

تعیین ظرفیت باتری
در قسمت اول بررسی خود در مورد اصول باتری، توضیح مختصری در مورد نحوه عملکرد باتری، تفاوت بین باتری های یکبار مصرف و قابل شارژ و طرح های مختلف استفاده شده برای هر کدام ارائه کردیم.
در قسمت 2، ما نگاهی به نحوه تفسیر مشخصات باتری (مانند ظرفیت، عملکرد و عمر) و نحوه تطبیق آنها با برنامه خاص خود می اندازیم تا اطمینان حاصل کنیم که مناسب ترین باتری را برای نیازهای خود انتخاب می کنید. برای اطمینان از مقایسه صحیح هنگام انتخاب باتری، اجازه دهید کمی به بحث در مورد مشخصات باتری اختصاص دهیم.

آمپر ساعت (Ah)

علاوه بر ولتاژ و جریان، یک معیار مهم برای قضاوت در مورد ظرفیت باتری آمپر ساعت است که به اختصار Ah نامیده می شود. این نشان دهنده جریان تخلیه ای است که یک باتری می تواند به طور ایده آل در طول زمان ارائه دهد. به عنوان مثال، یک باتری با سرعت 2000 میلی آمپر ساعت می تواند یک میلی آمپر برای 2000 ساعت، 2000 میلی آمپر (به عبارت دیگر، 2 آمپر) برای یک ساعت و غیره ارائه دهد. (توجه داشته باشید که این نشان دهنده عملکرد "ایده آل" باتری است؛ عوامل واقعی می توانند ظرفیت واقعی باتری را تحت تاثیر قرار دهند.در زیر توضیح داده شده است.)

آمپر ساعت روشی سریع برای تخمین مدت زمانی است که باتری می تواند برای یک برنامه خاص انرژی ارائه دهد و برای این منظور به سادگی آمپر ساعت ها را بر بار تقسیم کنید.

با این حال، به دلیل امپدانس داخلی باتری، محدودیتهایی برای این محاسبه وجود دارد.
آمپر ساعت نیز می تواند تحت تأثیر بار باشد. بارهای بیشتر می تواند باعث از دست دادن انرژی باتری به صورت گرما شود و عمر موثر آن را کاهش دهد. همچنین می تواند ولتاژ باتری را کاهش دهد. بنابراین امتیاز آمپر ساعت فقط در شرایط خاص اعمال می شود. برای تعیین میزان تأثیر بارهای بیشتر بر آمپر ساعت، باید با مشخصات بیشتری از باتری آشنا شویم.
توجه داشته باشید که آمپر ساعت بیانگر  میزان انرژی ذخیره شده در باتری نیست. باتری هایی با آمپر ساعت یکسان ممکن است ولتاژ متفاوتی داشته باشند. باتری با ولتاژ بالاتر می تواند انرژی بیشتری نسبت به باتری ولتاژ پایین تر در مدت زمان مشابه برای یک جریان خاص ارائه دهد. بنابراین برای اطمینان از مقایسه معنی‌دارتر، می‌توانیم ولتاژ را در آمپر ساعت ضرب کنیم تا مقدار وات ساعت هر باتری را محاسبه کنیم.

ضریب تخلیه باتری C-rating
متغیر مهم دیگری که باید در نظر گرفته شود، به اصطلاح C-rating است. این میزان دشارژ باتری را اندازه گیری می کند و برای محاسبه حداکثر جریان تخلیه مداوم استفاده می شود. این بالاترین جریانی است که باتری می تواند با خیال راحت ارائه دهد. برای این کار، ضریب تخلیه باتری را در آمپر ساعت ضرب کنید. ضریب C برای میزان شارژ باتری های قابل شارژ نیز استفاده می شود. به عنوان مثال، باتری 2000 میلی آمپر ساعتی را که قبلاً صحبت کردیم را در نظر بگیرید. اگر این باتری دارای ضریب تخلیه یک باشد، حداکثر جریان تخلیه مداوم 2 آمپر است. اگر ضریب تخلیه پنج باشد، حداکثر جریان 10 آمپر است. این یک عامل مهم در هنگام انتخاب باتری برای وسایل الکترونیکی با بارهای متغیر است. ضریب C به شما امکان می دهد تعیین کنید که آیا باتری شما قادر به تحمل ماکزیمم بارهای مورد نیاز است یا خیر.

توجه داشته باشید که منحنی تخلیه ولتاژ همیشه برای باتریها با ساختارهای شیمیایی متقاوت یکسان نیست. منحنی باتری های قلیایی کم و بیش خطی است و بنابراین نشانگر خوبی برای میزان شارژ باقی مانده در باتری است. از طرف دیگر، باتریهای هیدرید نیکل-فلز ابتدا در طول زمان نسبتاً آهسته تخلیه می شوند و سپس به سرعت تخلیه می شوند. این امر تخمین توان باقیمانده باتری از میزان دشارژ را دشوار می کند.
به خاطر داشته باشید که آمپر نامی یک باتری نشان دهنده میزان جریانی است که می تواند تامین کند، نه لزوما جریانی که تامین می کند. جریان ارائه شده توسط باتری به بار بستگی دارد. به عنوان مثال، یک باتری 1 آمپر متصل به یک بار 500 میلی آمپر، 500 میلی آمپر جریان خواهد داشت. افزایش بار میزان جریان تامین شده را تا سقف 1 آمپر باتری افزایش می دهد.

سایز باتریها
یک واقعیت شناخته شده در مورد باتری ها این است که آنها در طیف وسیعی از اندازه ها و شکل ها هستند. برخی از اینها مانند سلولهای AA و C برای اکثر مصرف کنندگان بسیار رایج و آشنا هستند. برخی دیگر برای دستگاه ها و برنامه های خاص طراحی شده اند. برخی از اندازه ها برای ساختار شیمی خاص کاربرد دارند و برخی در همه ساختارهای شیمیایی موجود هستند.
به عنوان یک قاعده کلی، هرچه باتری بزرگتر باشد ظرفیت آن بیشتر می شود، اگرچه استثناهای متعددی برای این قانون وجود دارد، به ویژه برای باتری هایی که برای کاربردهایی طراحی شده اند که هم به انرژی بالا و هم به اندازه و وزن محدود نیاز دارند.
جدول زیر تعدادی از اندازه های رایج باتری استاندارد را مقایسه می کند.

ایمنی
باتری نیکل-فلز هیدرید و لیتیوم-یون می توانند به سرعت سطوح بالایی از انرژی را آزاد کنند. در نتیجه اغلب در این نوع باتریها مدارات ایمنی گنجانده می‌شوند تا در حین کارکرد، حمل و نقل و ذخیره‌سازی باتری خطر را به حداقل برسانند و از باتری و دستگاهی که در آن نصب شده است محافظت شود.
این مدارات می تواند یک فیوز ساده باشد که با جریان بالا باز می شود. در برخی موارد، فیوز باتری را از کار می‌اندازد. سایر فیوزها قابل تنظیم مجدد هستند. توجه داشته باشید که صدور گواهینامه CE برای برخی از دستگاه ها نیاز به قابلیت محافظت از منبع انرژی باتری دارد.
باتری‌های لیتیوم یونی گاهی اوقات از یک معیار ایمنی پیچیده‌تر استفاده می‌کنند که شامل یک کلید حالت جامد است که جریان و ولتاژ را اندازه‌گیری می‌کند و در صورت بالا بودن مقادیر، مدار را قطع می‌کند.
سایر وسایل ایمنی شامل دستگاه‌های دمای مقاومتی یا RTD هستند که برای جدا کردن باتری در زمانی که دمای داخلی آن از حد آستانه فراتر رفت، طراحی شده‌اند.
در قسمت پایانی ویژگی های ایمنی باتری، باتری هوشمند قرار دارند. این نوع باتریها شامل یک بسته باتری قابل شارژ، یک ریزتراشه داخلی، مدارها و سنسورها است. این سیستم مدیریت باتری روی ولتاژ، جریان، دما و سایر پارامترهایی که وضعیت سلامت کلی باتری را تشکیل می‌دهند، نظارت می‌کند. سپس این داده ها برای صدور درخواست هایی مانند شروع و توقف شارژ مجدد به دستگاه های خارجی منتقل می شود. سیستم های مدیریت باتری به قیمت خرید دستگاه ها اضافه می کنند، اما به اطمینان از استفاده ایمن و کارآمد از باتری کمک می کنند.
این موارد و سایر اقدامات ایمنی در هنگام انتخاب باتری برای وسایل الکترونیکی مورد استفاده در مناطق خطرناک، ملاحظات مهمی هستند.
در اینجا قسمت دوم بررسی ما درباره اصول باتری به پایان می رسد. در قسمت سوم، ما بحث خود را با بررسی شارژ مجدد، ذخیره سازی، تمیز کردن و در نهایت زباله باتری تکمیل می کنیم.