باتری و عملکرد آن

باتری چیست؟

باتری یک انباره شیمیایی است که نیروی الکتریکی تولید شده توسط آلترناتور ( دینام ) در هنگام عملکرد موتور را، ذخیره می کند.

به طور کلی، سیستم الکتریکی خودرو، شامل آلترناتور (دینام) به عنوان تولید کننده انرژی، باتری به عنوان ذخیره کننده انرژی و استارتر و سایر بارهای الکتریکی به عنوان مصرف کننده، می باشند.

تمامی این اجزا، بایستی مطابقت کامل با یکدیگر داشته باشند.

پارامترهای ذیل دارای تاثیرات اساسی بر روابط مابین باتری، آلترناتور ( دینام ) و استارتر می باشند :

۱-   نیازمندی های مربوط به  بارهای الکتریکی ( مصرف کننده های برقی خودرو )

۲-   خروجی جریان آلترناتور ( دینام )

۳-   سرعت موتور در هنگام رانندگی با خودرو

۴-   ولتاژ شارژ

۵-   درجه حرارت در هنگام استارت زنی

نکته: از باتری های دارای قدرت استارت زنی بالا، در کشور ها و مناطقی که دارای درجه حرارت پایینی می باشند استفاده می گردد که در برخی موارد تا ۲۰- درجه سانتی گراد نیز خواهد رسید.

نکته: باتری های مورد استفاده در خودرو های تجاری، عمومی، ماشین آلات راه سازی و تراکتور ها و ماشین آلات کشاورزی و جنگل بانی بایستی دارای قابلیت مقاومت در برابر ارتعاشات بالا و تنش های ضربه ای در حین عملکرد باشند.

عملکرد باتری چگونه است؟

در سیستم الکتریکی خودرو، باتری خودرو نقش یک انباره شیمیایی را جهت نگهداری انرژی الکتریکی ایفا می کند که این انرژی توسط آلترناتور (دینام) در هنگام حرکت خودرو تولید می شود.

این انرژی بایستی به اندازه ای باشد که قادر به راه اندازی مجدد موتور پس از خاموش کردن آن را داشته باشد. این عامل یکی از دلایلی است که از باتری به عنوان باتری راه انداز نام برده می شود. آلترناتور (دینام) و باتری بایستی تطابق کامل و صحیح با یکدیگر داشته باشند. هنگامی که موتور متوقف می باشد ( و بالطبع آلترناتور) باتری خودرو بایستی قادر به تامین و تحویل جریان زیاد در مدت زمان کوتاه جهت استارت زنی و راه اندازی موتور باشد ( این مورد به خصوص در درجه حرارت های پایین بسیار مهم و بحرانی می باشد ).

هنگامی که موتور در دور آرام در حال حرکت می باشد، باتری بایستی قادر به تامین جریان مورد نیاز برای اجزای مهم سیستم الکتریکی خودرو باشد. باتری همچنین ولتاژ های ناگهانی و زیاد در سیستم الکتریکی خودرو را جذب کرده و در نتیجه از آسیب دیدن اجزای حساس الکترونیکی خودرو جلوگیری به عمل می آورد. باتری های اسید-سربی قادر به تامین نیازمندی های فوق بوده و موثرترین نوع انباره انرژی جهت برآوردن نیازمندی های ذکر شده می باشند. ولتاژ اسمی در خودرو های سواری، ۱۲ ولت (۱۲v) و در خودرو های تجاری، ۲۴ ولت (۲۴v) می باشد که از سری کردن ۲ عدد باتری ۱۲ ولت حاصل می گردد.

فرآیند الکتروشیمیایی در صفحات باتری سربی

اگر یک الکترود سربی در محلول رقیق شده اسید سولفوریک غوطه ور شود، یون های مثبت از الکترود به الکترولیت منتقل می شود ( تاثیر پدیده فشار محلول ). انتقال یون های مثبت سرب به الکترولیت بیانگر آن است که شارژ منفی ( الکترون ها ) در الکترود سربی باقی می ماند. به بیان دیگر، الکترود سربی به صورت الکتریکی نبوده و دارای پتانسیل منفی مرتبط با الکترولیت می باشد.

اگر دو الکترود از جنس های مختلف ( به طور مثال، سرب { Pb } و دی اکسید سرب { PbO2 } ) در الکترولیتی غوطه ور شوند، پتانسیل های متفاوتی در هر کدام از الکترود ها با توجه به نوع الکترولیت گسترش می یابند. اختلاف پتانسیل مابین الکترودها همان ولتاژ تولیدی می باشد. از آنجایی که، شارژهای منفی موجود در الکترود باعث به وجود آمدن یک نیروی جذب کننده (نیروی برگشتی) بر روی یون های مثبت که وارد محلول الکترولیت شده اند، می گردد پدیده ذکر شده فوق در هر قسمت شارژ شده در محلول الکترولیت آزاد شده و موازنه ای را به وجود می آورد. پس از یک مدت زمان معین، این نیروی برگشتی دقیقا برابر با فشار حل کننده محلول می باشد.

اگر یک نیروی بیرونی به الکترودها اعمال گردد، بسته به جهت جریان، قسمت های الکتریکی بیشتری می توانند در محلول الکترولیت آزاد شده و یا از الکترولیت به الکترود سربی منتقل گردند. این مورد پدیده ای است که امکان شارژ مجدد باتری اسید-سربی را فراهم می آورد. در یک صفحه سربی شارژ شده، الکترود مثبت دارای دی اکسید سرب و الکترود منفی دارای اسید خالص می باشد.

در الکترولیت های ( اسید سولفوریک رقیق شده ) مورد استفاده در صفحات سربی، انتقال جریان از طریق یک هادی یونی صورت می پذیرد. در یک حلال آبی، مولکول های اسید سولفوریک { H2SO4 } به هیدروژن مثبت { H+ } و یون های منفی اسید { SO2-4 } تجزیه می گردد. تجزیه مولکول های اسید سولفوریک جهت قدرت انتقال و هدایت الکترولیت و در نتیجه جریان شارژ یا دشارژ بسیار حیاتی می باشد. هنگامی که جریان های دشارژ جاری می گردد، دی اکسید سرب { PbO2 } الکترود مثبت به سولفات سرب { PbSO4 } تبدیل می شود. در صفحه سربی دشارژ شده هر دو الکترود دارای سولفات سرب می باشند. الکترولیت شامل اسید سولفوریک رقیق شده ( ۱۷% اسید سولفوریک خالص { H2SO4 } و ۸۳% آب { H2O } ) می باشد.

اجزا اسید سولفوریک بدین معناست که آب خالص تبدیل به یک رسانا و هادی شده و میتواند به عنوان الکترولیت مورد استفاده قرار گیرد.

فرآیند انتقالی جزئی تر که در مراحل شارژ و دشارژ صفحات سربی روی می دهند عبارتند از :

شارژ شدن

جهت شارژ صفحات پیل ( انباره ) سربی، الکترود مثبت آن را به قطب مثبت یک منبع DC و الکترود منفی آن را به قطب منفی منبع متصل می گردد.

جهت دشارژ عکس عمل فوق صورت خواهد پذیرفت. انرژی الکتریکی بایستی بر صفحات سربی نیرو وارد آورد، چون که در ابتدا فرآیند دارای سطوح انرژی بالایی می باشند.

منبع جریان شارژ شده، الکترون ها را از الکترود مثبت جدا کرده و آنها را به حرکت در سمت الکترود منفی وامی دارد. به دلیل اینکه الکترون ها که توسط منبع جریان شارژ شده به طرف الکترود منفی حرکت می کنند، سرب فلزی در همین الکترود توسط اتم های مثبت سرب تشکیل می شود و این در صورتی است که مولکول های اسید سولفیت تجزیه می شوند. در همین زمان، یون های اکسیژن شارژ شده منفی باقیمانده { SO2-4 } از الکترود منفی به الکترولیت آزاد می شوند.

در الکترود مثبت، سرب مثبت به سمت سرب مثبت به دلیل رها شدن الکترون ها انتقال می باید و این در حالی است که ترکیبات سربی { PbSO4 } ( سولفات سرب ) به صورت الکتروشیمیایی توسط ولتاژ شارژ اعمالی، تجزیه می شود.

سرب مثبت با اکسیژن آزاد شده از آب { H2O } ترکیب شده و دی اکسید سرب { PbO2 } را تشکیل می دهد. در همان زمان، یون های سولفات آزاد شده در الکترود مثبت در حین فرآیند اکسیداسیون ( از ترکیب بندی { PbSO4 } ) و یون های هیدروژن (از آب) به سمت الکترولیت جریان می یابند.

همانطور که در بالا ذکر شد، یون های سولفات از الکترود منفی به الکترولیت وارد می شوند. بنابراین در حین فرآیند شارژ، تعداد یون های هیدروژن و یون های سولفات در الکترولیت، افزایش می یابند. به بیان دیگر، اسید سولفوریک تازه { H2SO4 } تشکیل شده و چگالی (ρ) الکترولیت نیز افزایش می یابد. در صفحات شارژ شده، چگالی عادی برای ρ = ۱٫۲۸ kg/L و مرتبط با درصد ترکیبات الکترولیت که در حدود ۳۷% اسید سولفوریک و ۶۳% آب می باشد.

این بدان معناست که وضعیت شارژ باتری از طریق اندازه گیری چگالی ویژه الکترولیت قابل اندازه گیری است.

فرآیند شارژ هنگامی کامل است که :

۱-   سولفات سرب در الکترود مثبت به دی اکسید سرب {PbO2} تبدیل شود.

۲-   سولفات سرب در الکترود منفی به سرب {Pb} تبدیل شود.

۳-   ولتاژ شارژ و جاذبه مخصوص الکترولیت حتی در هنگام شارژ مداوم ثابت باقی بماند.

اگر فرآیند شارژ تداوم داشته باشد، تجزیه الکترولیت به آب روی خواهد داد. اکسیژن در صفحه مثبت و هیدروژن در صفحه منفی به وجود می آید و در اصطلاح به باتری ((تولید کننده گاز)) می گویند.

هنگامی که باتری شارژ شد، می توان آن را از منبع شارژ جدا نمود. در فرآیند شارژ باتری، انرژی الکتریکی اعمال شده به صفحات به شکل انرژی شیمیایی تبدیل شده است.

دشارژ شدن ( تخلیه جریان از باتری )

اگر باری ( به طور مثال یک لامپ ) مابین قطب های صفحات سربی متصل گردد، به دلیل اختلاف پتانسیل مابین قطب ها (ولتاژ صفحات)، الکترون ها از قطب منفی به قطب مثبت جریان می یابند. در مقایسه با فرآیند شارژ باتری جهت جریان و فرآیند های الکتروشیمیایی در هنگام دشارژ باتری، برعکس می شود. این جریان الکترون ها باعث تغییر شکل چهارظرفیتی سرب در الکترود مثبت به شکل دوظرفیتی آن شده و در نتیجه شکستن پیوند بین سرب و اتم های اکسیژن حاصل خواهد شد. اتم های اکسیژن آزاد شده و با یون های هیدروژن ناشی از اسید سولفوریک ترکیب گردیده و تشکیل آب می دهند. در الکترود منفی، سرب با شکل دو ظرفیتی از حرکات الکترون ها از سرب به الکترود مثبت تشکیل می گردد. یون های منفی سولفات با شکل دوظرفیتی ({SO2-4} ناشی از اسید سولفوریک) با شکل دوظرفیتی مثبت سرب {Pb2+} در هر دو الکترود ترکیب شده و تشکیل سولفات سرب {PbSO4} به عنوان محصول دشارژ در هر الکترود می دهد.

تاثیر درجه حرارت بر عملکرد باتری

هنگامی که درجه حرارت باتری افزایش می یابد، ولتاژ دشارژ و ظرفیت آمپرساعت نیز افزایش می یابد و در صورت کاهش درجه حرارت، پارامترهای فوق کاهش می یابد. افزایش در پارامترها در نتیجه کاهش ویسکوزیته الکترولیت در درجه حرارت های بالاتر و افت در مقاومت داخلی رخ می دهد. کاهش ظرفیت آمپر ساعت و ولتاژ دشارژ که در بالا به آن اشاره شد بدین دلیل است که در درجه حرارت های پایین تر، فرآیند ضعیف الکترومکانیکی در باتری روی می دهد. در هنگام انتخاب باتری، ظرفیت آمپر ساعت آن بایستی به اندازه کافی و مناسب باشد. به عبارت دیگر، در یک باتری با ابعاد نامناسب امکان بروز خطر اینکه در درجه حرارت های پایین باتری قادر به تامین نیروی کافی جهت چرخاندن موتور نباشد، وجود دارد.

جریان تست در درجه حرارت پایین بیانگر قابلیت جریان خروجی باتری دردرجه حرارت های پایین می باشد. مطابق استاندارد EN 60095 – ۱ ولتاژ ترمینال باتری در زمان دشارژ در جریان ICC و دمای ۱۸- درجه سانتی گراد که ۱۰ ثانیه پس از زمان شروع دشارژ اندازه گیری می شود، بایستی حداقل ۷٫۵ ولت ( ۱٫۲۵ ولت در هر صفحه) باشد.

در باتری خودروها که بایستی انرژی الکتریکی مورد نیاز استارتر را فراهم آورد، قابلیت های استارت زنی در درجه حرارت های پایین، معمولا از ظرفیت آمپر ساعت (AH) باتری مهم تر می باشد. از آنجایی که این مفاهیم در خصوص تحویل جریان در درجه حرارت های پایین عنوان می گردند، جریان تست دشارژ در هوای سرد به عنوان قابلیتی از استارت زنی بیان می گردد که بستگی به مساحت کل مواد فعال (تعداد صفحات، مساحت صفحات) دارد و هرچه مساحت مابین صفحات سربی و الکترولیت بیشتر باشد، مقدار جریانی که می تواند در مدت زمان کم تحویل شود، بیشتر خواهد بود.

موقعیت قرارگیری صفحات و جنس جداکننده ها دو متغیری می باشند که در تسریع فرآیند شیمیایی در الکترولیت تاثیر گذاشته و همچنین جریان تست دشارژ در هوای سرد را نیز مشخص می کند.

تاثیر درجه حرارت بر الکترولیت باتری

هنگامی که باتری به طور فزاینده ای دشارژ می شود، الکترولیت آن بیشتر رقیق می گردد. این امر باعث می شود که نقطه انجماد افزایش یابد که بسیار نا مطلوب است. باتری با شارژ کامل و گرانش ویژه g/lit 1280 نقطه انجماد بین ۶۰- الی ۶۸- درجه سانتی گراد می باشد. اگر باتری خالی باشد (دشارژ کامل) نقطه انجماد آن به ۳- الی ۱۱- درجه سانتی گراد افزایش می یابد. یک باتری با الکترولیت یخ زده، جریان بسیار کمی  را ایجاد خواهد کرد و برای استارت زنی نمی توان بکار گرفته شود.

اندازه گیری غلظت الکترولیت با وسیله ای به نام تست کننده اسید یا هیدرومتر انجام می گیرد. این وسیله شامل یک مکنده اسید ( لوله شیشه ای با توپ مکنده پلاستیکی ) می باشد که حاوی چگالی سنج می باشد. در باتری های سیلد ( بدون نیاز به نگهداری ) این عمل توسط نشانگر ( چشمی ) آن انجام می گیرد.