تعاریف باتری و معانی آن

تعاریف باتری و معانی آن

باتری ها با سه ویژگی اصلی مشخص می‌شوند: ترکیب شیمیایی، ولتاژ و انرژی ویژه (ظرفیت). یک باتری استارتر همچنین آمپراژ استارت سرد (CCA) را فراهم می‌کند که به توانایی تأمین جریان بالا در دماهای پایین مربوط می‌شود.

شیمی

رایج‌ترین ترکیبات شیمیایی باتری، سرب، نیکل و لیتیوم هستند. در ادامه به ترکیب شیمیایی برخی باتری ها اشاره شده است.

1. باتری های قلیایی (Alkaline Battery): 

• الکترود مثبت (کاتد): دی‌اکسید منگنز  (MnO₂)
• الکترود منفی (آند) : روی  (Zn)
• الکترولیت:  محلول پتاسیم هیدروکسید  (KOH)

​

2. باتری لیتیوم-یونی (Lithium-ion Battery) 

• الکترود مثبت : ترکیبات لیتیوم مانند
  • لیتیوم کبالت اکسید  (LiCoO₂)
  • لیتیوم منگنز اکسید  (LiMn₂O₄)
  • لیتیوم آهن فسفات  (LiFePO₄)
• الکترود منفی: گرافیت (کربن)
• الکترولیت: محلول نمک لیتیوم مانند(LiPF₆)  در حلال‌های آلی مانند کربنات اتیلن

3. باتری سرب-اسیدی (Lead-Acid Battery):

• الکترود مثبت: دی‌اکسید سرب  (PbO₂)
• الکترود منفی: سرب  (Pb)
• الکترولیت: اسید سولفوریک رقیق  (H₂SO₄)

​

4. باتری نیکل-کادمیم (NiCd):

• الکترود مثبت: هیدروکسید نیکل  (Ni(OH)₃)
• الکترود منفی: کادمیم  (Cd)
• الکترولیت: محلول پتاسیم هیدروکسید  (KOH)

​

5. باتری نیکل-فلز هیدرید :(NiMH) 

• الکترود مثبت: نیکل اکسید هیدروکسید  (NiOOH)
• الکترود منفی: آلیاژهای فلزی جذب‌کننده هیدروژن مثل  (LaNi₅)
• الکترولیت: پتاسیم هیدروکسید  (KOH)

​ولتاژ

ولتاژ باتری در خودرو و باتری‌های UPS (منبع تغذیه بدون وقفه) متفاوت است و هرکدام بسته به کاربرد خود طراحی شده‌اند. در ادامه تفاوت‌ها و اطلاعات کلیدی را توضیح می‌دهیم:

ولتاژ باتری خودرو (باتری ماشین):
 

• ولتاژ اسمی: 12 ولت  DC
• ولتاژ در حالت شارژ کامل: حدود 12.6 تا 12.8 ولت
• ولتاژ در حال شارژ (توسط دینام): حدود 13.8 تا 14.4 ولت
• نوع باتری: معمولاً اسید-سرب  (Lead Acid)
• کاربرد: تأمین انرژی برای استارت زدن موتور، چراغ‌ها و سیستم‌های الکتریکی خودرو

برخی خودروهای سنگین مانند کامیون‌ها از باتری‌های 24 ولت (دو باتری 12 ولت سری‌شده) استفاده می‌کنند.

ولتاژ باتری یو پی اس :(UPS) 

• ولتاژ باتری‌های داخلی: معمولاً باتری‌های 12 ولت (اسید-سرب یا لیتیومی)
• ولتاژ نهایی سیستم: بسته به ظرفیت UPS می‌تواند متفاوت باشد:
  • UPS  کوچک خانگی: یک باتری 12 ولت
  • UPS  متوسط (مثلاً 1000VA یا بیشتر): 2 یا 4 باتری 12 ولت = 24 یا 48 ولت
  • UPS  صنعتی: ممکن است 96، 120 یا حتی 240 ولت DC باشد (تعداد زیادی باتری سری‌شده)

در بیشتر موارد، باتری‌های12  ولت و 7 آمپر ساعت (12V 7Ah) رایج‌ترین نوع در  UPSهای کوچک تا متوسط هستند.

مقایسه کلی:

:ظرفیت

تعریف "ظرفیت" در باتری‌ها (اعم از باتری خودرو یا باتری یو پی اس) به مقدار انرژی الکتریکی قابل ذخیره و تخلیه از باتری گفته می‌شود. این ظرفیت معمولاً با واحد آمپر-ساعت (Ah) یا میلی‌آمپر-ساعت (mAh) بیان می‌شود.

ظرفیت در باتری خودرو:

• باتری‌های خودرو معمولاً از نوع سربی-اسیدی هستند.
• ظرفیت آنها معمولاً بین 35  تا 100 آمپر-ساعت است.
• این عدد نشان می‌دهد که باتری می‌تواند چند آمپر جریان را در مدت یک ساعت فراهم کند. برای مثال:

یک باتری 60Ah می‌تواند 60 آمپر را به مدت یک ساعت یا 30 آمپر را به مدت دو ساعت تحویل دهد (نظری).

• کاربرد اصلی: تأمین انرژی برای استارت زدن، روشن کردن چراغ‌ها، رادیو و سیستم‌های الکترونیکی خودرو.

​

ظرفیت در باتری یو پی اس :(UPS) 

• باتری‌های یو پی اس نیز معمولاً از نوع سربی-اسیدی  (VRLA)یا لیتیومی هستند.
• ظرفیت آنها نیز با Ah سنجیده می‌شود اما معمولاً در کنار آن، ولتاژ (V) باتری نیز اهمیت زیادی دارد.
• مثلاً یک باتری 12V 100Ah به این معناست که:

این باتری می‌تواند 12 ولت را با جریان 100 آمپر برای مدت یک ساعت تأمین کند.

• کاربرد اصلی: تأمین برق اضطراری برای دستگاه‌های حساس (سرورها، کامپیوترها، تجهیزات پزشکی و ...).

​

تفاوت‌های مهم:
 

تقویت کننده های استارت سرد (CCA):

CCA یا Cold Cranking Amps  (آمپراژ استارت سرد) یکی از مشخصه‌های مهم باتری‌های خودرو است که نشان می‌دهد باتری تا چه حد توانایی راه‌اندازی موتور را در دمای پایین دارد.

تعریف:CCA 

CCA به حداکثر جریانی گفته می‌شود که یک باتری می‌تواند در دمای ۰ درجه فارنهایت (حدود -۱۸ درجه سانتی‌گراد) به مدت ۳۰ ثانیه تولید کند، در حالی که ولتاژ باتری پایین‌تر از 7.2 ولت (برای باتری 12 ولت) نیاید.

چرا CCA مهم است؟

·  در دمای پایین، روغن موتور سفت‌تر می‌شود و مقاومت بیشتری ایجاد می‌کند.

·  توانایی باتری در تأمین جریان کاهش می‌یابد.

·  هرچه عدد CCA بالاتر باشد، باتری در هوای سرد بهتر عمل می‌کند و احتمال استارت خوردن موتور بیشتر می‌شود.

مثال: اگر روی یک باتری عدد 600 CCA  نوشته شده باشد، یعنی باتری می‌تواند در دمای -18 درجه سانتی‌گراد، به مدت ۳۰ ثانیه جریان 600 آمپر را تأمین کند، بدون اینکه ولتاژ آن به زیر 7.2 ولت برسد.

نکته مهم:

• عدد بالاتر همیشه بهتر نیست. باید مطابق با نیاز خودروی شما باشد.
• باتری‌هایی با CCA بالا معمولاً بزرگ‌تر و گران‌تر هستند.

انرژی ویژه، چگالی انرژی

چگالی انرژی وزنی در باتری (Gravimetric Energy Density) یکی از مهم‌ترین پارامترها برای ارزیابی عملکرد باتری‌هاست. این پارامتر نشان‌دهنده‌ی مقدار انرژی‌ای است که یک باتری به ازای واحد جرم ذخیره می‌کند. به عبارتی، مشخص می‌کند که چند وات‌ساعت  (Wh) انرژی به ازای هر کیلوگرم  (kg)از وزن باتری قابل ذخیره‌سازی است.

فرمول چگالی انرژی وزنی:

مثال از چگالی انرژی وزنی در انواع باتری‌ها:
 

نرخ‌های  C

نرخ C سرعت شارژ یا دشارژ باتری را مشخص می‌کند. این نرخ نشان می‌دهد که باتری با چه سرعتی نسبت به ظرفیت نامی‌اش شارژ یا دشارژ می‌شود.

در 1C باتری با جریانی برابر با نرخ Ah مشخص شده، شارژ و دشارژ می شود. در 0.5C جریان نصف و زمان دو برابر می شود. و در 0.1C جریان یک دهم و زمان ده برابر می شود.

تعریف نرخ:C 
 

• C-rate = 0.5C  یعنی باتری در مدت نیم ساعت شارژ یا دشارژ می‌شود.
• C-rate = 1C  یعنی باتری در مدت 1 ساعت کامل شارژ یا دشارژ می‌شود.
• C-rate = 2C  یعنی باتری در مدت 2ساعت شارژ یا دشارژ می‌شود.
  ​

مثال:

اگر یک باتری سرب-اسیدی ظرفیت100  آمپر ساعت  (Ah)داشته باشد:

بار:

در باتری، "بار" به معنای تجمع الکترون‌ها یا یون‌ها در یک نقطه خاص یا در یک سطح خاص از یک باتری اشاره دارد. این تجمع بارها، انرژی شیمیایی را که در باتری ذخیره شده، به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. بار در باتری می‌تواند به صورت منفی (جمع شدن الکترون‌ها) یا مثبت (جمع شدن یون‌ها) باشد و این بارها هستند که جریان الکتریکی را در مدارها ایجاد می‌کنند.
 

وات و ولت-آمپر (VA):

در باتری‌ها، وات  (Watt) و ولت-آمپر  (VA)دو واحد اندازه‌گیری توان هستند که تفاوت‌هایی دارند.

 .1ولت (V) و آمپر :(A) 
 

• ولت :(V) نشان‌دهنده‌ی ولتاژ یا فشار الکتریکی است که نیروی حرکت الکترون‌ها را فراهم می‌کند.
• آمپر :(A) نشان‌دهنده‌ی شدت جریان یا میزان عبور جریان الکتریکی است.
• فرمول پایه: توان (وات)= ولت × آمپر
   

2. وات (W) چیست؟
 

• وات واحد توان واقعی  (Real Power) است.
• این مقدار، توانی است که واقعاً به مصرف‌کننده (مثل موتور یا لامپ) داده می‌شود و باعث انجام کار واقعی می‌شود.

مثلاً اگر باتری 12 ولت و 2 آمپر باشد:

توان = 12 × 2 24 ....  وات
 

 .3ولت آمپر (VA) چیست؟
 

• VA واحد توان ظاهری  (Apparent Power) است.
• این مقدار کل توانی است که از منبع گرفته می‌شود، شامل توان واقعی و توان راکتیو.

در دستگاه‌های ساده مانند باتری‌های DC، معمولاً:

وات ≈ ولت آمپر
چون توان راکتیو وجود ندارد یا خیلی کم است.

اما در سیستم‌های AC مثل UPS یا ترانس‌ها، تفاوت بین W و VA بیشتر می‌شود.
 

 SOHدر باتری خودرو:

تعریف:

SOH در باتری خودرو نشان می‌دهد که ظرفیت و عملکرد فعلی باتری چقدر به باتری نو نزدیک است. این مقدار معمولاً به صورت درصد بیان می‌شود:

• 100٪ = باتری کاملاً سالم (مثل روز اول)
• زیر 70٪ = نیاز به تعویض باتری

عوامل مؤثر:
 

• تعداد سیکل شارژ/دشارژ
• دما (گرمای زیاد عمر را کم می‌کند)
• شیوه رانندگی و مصرف انرژی
• زمان (پیری طبیعی باتری)

کاربرد:

• در خودروهای برقی، افت SOH مستقیماً باعث کاهش برد خودرو می‌شود.
• نمایش SOH معمولاً در سیستم مدیریت باتری (BMS) خودرو در دسترس است.
  ​

 SOHدر باتری خودرو:

تعریف:

در باتری UPS نیز SOH نشان‌دهنده ظرفیت واقعی باتری نسبت به ظرفیت اسمی اولیه آن است.

تفاوت مهم:
 

• باتری UPS معمولاً در حالت standby (آماده‌باش) است و به ندرت دشارژ کامل می‌شود.
• کاهش SOH در UPS معمولاً در اثر پیری شیمیایی و دمای بالا است نه سیکل کاری بالا.

​

روش‌های بررسی:SOH 
 

• تست داخلی از طریق BMS یا کنترلر  UPS
• اندازه‌گیری ولتاژ، مقاومت داخلی (internal resistance)، و ظرفیت واقعی
• در سیستم‌های پیشرفته، تست خودکار دوره‌ای برای تعیین SOH وجود دارد.

​

وضعیت شارژ (State of Charge) یا به اختصار SoC یکی از مهم‌ترین پارامترها در مدیریت باتری است، به‌ویژه در باتری‌های قابل شارژ مانند باتری‌های لیتیوم-یونی که در خودروهای الکتریکی، گوشی‌های موبایل، لپ‌تاپ‌ها و سیستم‌های ذخیره انرژی استفاده می‌شوند.

تعریف وضعیت شارژ:(SoC) 
 

SoC درصدی است که نشان می‌دهد باتری چقدر از ظرفیت کامل خود را در حال حاضر در اختیار دارد.

مثلاً:

• SoC = 100٪ ⇒ باتری کاملاً شارژ است
• SoC = 0٪ ⇒ باتری کاملاً تخلیه شده است
• SoC = 50٪ ⇒ باتری نیمی از ظرفیت خود را دارد​

تفاوت SoC و ظرفیت:
 

• SoC یک پارامتر نسبی است که نسبت به ظرفیت اسمی یا واقعی باتری سنجیده می‌شود.
• در مقابل، ظرفیت معمولاً برحسب آمپر-ساعت (Ah) یا وات-ساعت (Wh) بیان می‌شود و مقدار مطلق انرژی را نشان می‌دهد.

​

روش‌های تخمین:SoC 
 

1. روش انتگرال‌گیری جریان (Coulomb Counting) :
   اندازه‌گیری جریان ورودی/خروجی از باتری و جمع آن‌ها برای تخمین میزان شارژ
   مشکل: خطای تجمعی در طول زمان
2. روش ولتاژی:
   استفاده از ولتاژ باتری برای تخمین SoC 
   مشکل: ولتاژ وابسته به دما، جریان و شیمی باتری است
3. مدل‌های معادله‌ای یا فیزیکی:
   شبیه‌سازی رفتار باتری با استفاده از مدل‌های ریاضی و فیزیکی
4. روش‌های یادگیری ماشین / فیلتر کالمن:
   استفاده از فیلترهای تخمین (مثل EKF یا UKF) برای تخمین دقیق‌تر در سیستم‌های پیچیده

اهمیت:SoC 
 

وضعیت عملکرد:(SoF) 
 

• :SOC (State of Charge) میزان شارژ فعلی باتری.
• :SOH (State of Health) میزان سلامت کلی باتری نسبت به شرایط نو.
• :SOP (State of Power) توان قابل ارائه در لحظه.

SOF ترکیبی از این پارامترهاست و به‌نوعی نشان‌دهنده عملکرد واقعی باتری در زمان مورد نظر است.

وضعیت عملکرد SOF در باتری سرب-اسیدی:

1. وابستگی به SOC:

• وقتی SOC پایین باشد (زیر 50%)، SOF  به شدت کاهش می‌یابد.
• چون باتری‌های سرب-اسیدی در ولتاژ پایین نمی‌توانند توان بالایی ارائه دهند، عملکرد آن‌ها نیز افت می‌کند.
   

2. وابستگی به دما: