نویسنده: mahdi.ahk

انواع باتری های قابل شارژ
مزایا و معایب و ویژگی ها
نحوه ی شارژ و نمودارهای مربوطه

۱- لیتیوم یون :

امروزه باتری های لیتیومی کاربرد گسترده ای در تجهیزات الکترونیکی یافته اند و شاید بتوان نام متداول ترین نوع باتری را بر آنها گذاشت.وزن سبک و حجم کم نسبت به حجم انرژی بالا  باعث شده در بسیاری از کاربردهای قابل حمل این نوع باتری همه ی رقیب های خود را کنار بزند.

از کاربردهای باتری لیتیوم یون:

• لپ تاپ ها
• گوشی ها ی هوشمند
• خودرو برقی
• چراغ قوه های قابل شارژ
• دستگاه های الکترونیکی پرتابل
• دوربینهای دیجیتال عکاسی و فیلم برداری

مزایا:

• وزن کم
• چگالی انرژی بالا
• نداشتن حافظه ی شارژ
• عدم وابستگی شدید طول عمر به تعداد دفعات شارژ
• گستره ی دمایی خوب
• تحمل دمای بالا تا ۶۰ درجه و آسیب ندیدن ظرفیت باتری در این دما
• امکان ساخته شدن در شکل فیزیکی ظریف و نازک (لیتیوم یون)
• دامنه ی ولتاژ مناسب برای پردازنده های نسل جدید

معایب:

• تاثیر پذیری شدید و کاهش ظرفیت باتری و خراب شدن آن در صورت افزایش یا کاهش ولتاژ آن از محدوده ی نرمال
  اگر ولتاژ باتری به کمتر از ۲٫۴ ولت برسد می تواند باعث اکسید شدن الکترودهای آن شده و در اثر واکنش شیمیایی داخلی کل ظرفیت یا بیشترش را از دست بدهد.
  متاسفانه باتری ها در انبار فروشگاه ها در اثر دشارژ خودبخودی به این وضعیت دچار می شوند.
  افزایش ولتاژ باتری(به بیش از ۴٫۳ ولت) یا جریان دادن به یک باتری کاملا پر هم می تواند باعث خوردگی الکترودهای آن شده و  همه  ی ظرفیت باتری را از بین ببرد.
• مقاومت داخلی بالا
  مقاومت داخلی باتری های لیتیومی به طور منصفانه ای بیشتر از باتری های نیکلی است ، علاوه بر محدود شدن جریان خروجی در صورت اتصال کوتاه باعث داغ شدن باتری و انفجار آن خواهد شد.
• طول عمر پایین برای کاربردهای خودرو برقی
• محدود بودن به شکل فیزیکی مکعبی
• ایجاد دماهای زیاد در حد ذوب فلزات در صورت اشتعال و انفجار ( لیتیوم یون)
• قیمت بالا نسبت به باتری های نیکلی

نحوه شارژ – ولتاژ سل – ظرفیت : محدوده ی ولتاژ باتری های لیتیومی برای هر سل از ۳ تا ۴٫۳ ولت می باشد و بهمین علت ولتاژ نامی سل ۳٫۶ یا ۳٫۷ ولت است.این بازه بسیار مناسب برای پردازنده های نسل جدید است به همین دلیل ولتاژ یک سل برای اکثر کاربردهای الکترونیکی مثل تلفن های هوشمند کفایت می کند و نیازی به سری کردن باتری ها همانند باتری های ۱٫۵ ولتی نیست.

در بیشتر تلفن های هوشمند تنها معیار برای انرژیِ باقی مانده ی باتری(یا همان درصد شارژ) سطحِ ولتاژ آن است به این ترتیب که ولتاژ ۴٫۳ ولت متناظر با ۱۰۰% و ولتاژ ۳ ولت متناظر با ۰ درصد است.این روش تقریبی است و دقیق نیست و برای درصد های پایین تر مقدار ظرفیت واقعی کمتر از مقدار محاسبه شده است . این خطا با افزایش طول عمر باتری و تغییر منحنی شارژ آن بیشتر خواهد شد. همین امر سبب می شود که درصدهای پایین باتری در تلفن های قابل شارژ سریع تر خالی شوند.

اگرچه این روش تقریبی و غیر دقیق است اما دم دست ترین و ساده ترین روشی است که بدون نیاز به سنسورهای جریان و تحلیل های پیچیده قابل اجراست.

برای شارژ باتری معمولا از منابع جریان سوئیچینگ کنترل شده استفاده می شود. جریان شارژ نبایستی بیشتر از حد مجاز آن باشد . سازنده های باتری جریان ۱C یا ۰٫۸C را پیشنهاد می دهند. یعنی برای یک باتری با ظرفیت ۲۰۰۰  میلی آمپر ساعتی حداکثر جریان شارژ ۲ آمپر می تواند باشد.برای توقف شارژ بایستی ولتاژ باتری سنجیده شود ، ولتاژ باتری در حالت بدون جریان بایستی سنجیده شود زیرا مقاومت داخلی باتری ضرب در جریان شارژ باعث می شود تا ولتاژ قطب های باتری درحالت شارژ بیشتر از ولتاژِ واقعی سل باشد.
به همین علت پردازنده یا تراشه ی شارژ-کنترلر بایستی هر از گاهی جریان شارژ را قطع کند تا ولتاژ سل را بطور دقیق اندازه گیری کند و یا اینکه جریان شارژ با نزدیک شدن به سطح شارژِ کامل کاهش داده شود تا این اختلاف ولتاژ اندک باشد. معمولا در تلفن های هوشمند جریان شارژ از ظرفیتِ ۹۰% به بالا کاهش می یابد و باتری بصورت قطره ای شارژ می شود. ایراد اینکار بالا رفتن زمان شارژ است.

شارژر های تلفن های هوشمند (موبایل)  چگونه کار می کنند؟

امروزه تلفن های هوشمند دارای قابلیت شارژ از USB هستند و آداپتور های آنها نیز معمولا ولتاژ برق شهری را تبدیل به ۵ تا ۵٫۵ ولت می کند. آداپتورهای با قابلیت شارژ سریع معمولا دو سطح ولتاژ را دارند ۹ و ۵ ولت.
بنابر این این آداپتورهای پروسه ی شارژ باتری را کنترل نمی کنند و صرفا یک منبع ولتاژ برای گوشی محسوب می شوند.کنترل نحوه ی شارژ و جریان شارژ در داخل خود گوشی هوشمند قرار دارد و بر اساس سطح ولتاژ باتری – دمای باتری – و سطح ولتاژ ورودی انجام می پذیرد.
با تست هایی که روی گوشی سامسونگ s4 انجام دادیم متوجه شدیم که سطح ولتاژ ورودی روی جریان شارژ موثر است.زمانی که ولتاژ وروردی ۵ ولت است جریان شارژ پایین و در حد ۳۰۰ تا ۴۰۰ میلی آمپر قرار دارد. با توجه به اینکه پورت های USB کامپیوتر توانایی جریان دهی بیش از ۵۰۰ میلی آمپر را ندارند ، شارژر های هوشمند به نحوی جریان کشی می کنندکه باعث افت ولتاژ در پورت نشوند. ولی با افزایش ولتاژ ورودی به ۵٫۵ ولت جریان شارژ تا نزدیک ۱٫۸ آمپر افزایش می یابد. و وقتی درصد باتری از ۹۰ بیشتر می شود جریان شارژ دوباره به حد ۳۰۰ تا ۴۰۰ میلی آمپر کاهش می یابد.
با افزایش ولتاژ وروردی تا حد ۶ ولت جریان شارژ صفر می شود زیرا گوشی هوشمند متوجه عبور ولتاژ از حد مجاز آن می شود.

تفاوت باتری های لیتیوم یون با لیتیوم پلیمر چیست؟

باتری های لیتیوم پلیمر شباهت زیادی با باتری های لیتیوم یونی دارند اما تفاوت آنها در امکان جریان دهی بالا و تخلیه ی سریع و سبک بودنشان نسبت به باتری های لیتیوم یونی است که باعث شده از آنها بیشتر در کوآد کوپترهای شارژِی – هلی شات ها و ربات های پرنده استفاده شود. ,ولی باتری های لیتیوم  پلیمری عمر کمتری نسبت به لیتیوم یونی ها دارند ، تقریبا نصف
عمر باتری های لیتیوم پلیمری ۳۰۰ تا ۵۰۰ چرخه ی شارژ کامل بدون از دست دادن ظرفیت است در حالیکه این عدد برای باتری های لیتیوم یونی  ۱۰۰۰ می باشد.

در جدول زیر برخی از تفاوت ها ی باتری های لیتیوم یونی با لیتیوم پلیمری را خواهید یافت:

۲-باتری های نیکل متال هیدریدNI-MH :

این باتری ها از لحاظ چگالی انرژی نسبت به وزن باتری در جایگاه ضعیف تری نسبت به باتری های لیتیومی و نسبت به باتری های نیکل کادمیومی در جایگاه بهتری قرار دارند. ولتاژ نامی سل برای این باتری ها مشابه با باتری های نیکل کادمیومی و برابر با ۱٫۲ ولت است . در بیشتر کاربردها توانسته جایگاه باتری های نیکل کادومیومی را از آن خود کند. برتری این نوع باتری بر باتریهای نیکل کادمیومی نداشتن حافظه ی شارژ است. یعنی بر خلاف باتری های نیکل کادمیومی می توان آنها را در هر زمانی به شارژر متصل کرد.

مزایا:

• ثبات ولتاژ بالا در چرخه ی شارژ و دشارژ
• مقاومت داخلی کم و امکان جریان دهی بالا
• دوست دار طبیعت

معایب:

• کاهش شدید بازده شارژ در دماهای بالا ی ۴۰ درجه تا ۱/۳
• چگالی انرژی پایین

طول عمر: ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ بار شارژ و دشارژ کامل ، این عدد بسته به کیفیت ساخت و برند سازنده و شرایط نگهداری  می تواند تا ۴۰۰۰ بار شارژ و دشارژ کامل هم افزایش یابد.

نحوه ی شارژ:
روش دلتا وی: در نمودار شارژ با طی زمان ولتاژ باتری به آرامی افزایش می یابد ولی در پایان منحنی نمودار ثابت شده و با ادامه ی شارژ ولتاژ باتری حتی کمتر هم میشود این قسمت از منحنی دقیقا جایی است که بایستی  شارژر هوشمند آن را ملاک پر شدن باتری قرار دهد.
متناظر با این رفتار باتری دمای باتری هم شروع به افزایش می کند و نمودار دمای باتری نیز متاثر از همین دلتا وی می باشد:

بیشینه ی ولتاژ باتری در چرخه ی شارژ از ۱٫۴ تا ۱٫۶ ولت است.
و کمینه ی ولتاژ باتری نیز در حدود ۱ یا ۱٫۱ ولت می باشد.

برخی از کاربردها:
تلفن های بی سیم خانگی
خودروهای برقی

۳-باتری های نیکل کادمیومی:

این نوع باتری از بیشتر جهات با نوع متال هیدریدی مشابهت دارد. اگر چه دارای چگالی انرژی پایین تری است و به دلیل داشتن حافظه ی شارژ و مشکلات محیط زیستی بیشتر کاربردهای قدیمی اش را ازدست داده ولی هنوز  هم در بعضی موارد مثل جاروهای شارژی و… مورد استفاده قرار دارد.
باتوجه به سمیت شدید فلز کادمیوم و دیگر معایبی که دارد در حال منسوخ شدن است.
تنها نوع باتری است که دشارژ شدن کامل برای آن مضرّ نیست و حتی مفید است! با توجه به داشتن حافظه ی شارژ بایستی بعد از خالی شدن کامل آن را به شارژر متصل کرد و تا شارژ کامل نشده از آن جدا نکرد. اگر این رویه مراعات نشود می توان حافظه ی شارژ آن را با چند بار شارژ و دشارژ شدن کامل پاک کرد ولی روی ظرفیت باتری تاثیر منفی خواهد داشت.

مزایا:

• ارزان ترین نوع باتری قابل شارژ
• تحمل شارژ سریع: تنها نوع باتری است که زمان  شارژ سریع آن توانسته تا ۱۰ دقیقه کاهش یابد.
  این زمان برای باتری های نیکل متال هیدرید درحد یک ساعت و برای باتری های لیتیوم یونی بین یک تا دو ساعت است.
• قابلیت جریان دهی بالا
• طول عمر بالا تا ۱۵۰۰ دوره ی شارژ و دشارژ

معایب:

• سمیت و آسیب به محیط زیست
• داشتن حافظه ی شارژ
• چگالی انرژی پایین

نمودار عمر مفید یا همان تعداد دفعات شارژ دشارژ برای انواع مختلف باتری ها

چرا بعضی از کابل ها دیرتر شارژ می کنند؟