تفريغ البطاريات

9335a96ef7b007d073aad9f4adf5a6fa

1.5 طرق التفريغ (Discharging Methods):

*
إن الغرض من البطارية هو تخزين وتحرير الطاقة في الزمن المرغوب والأسلوب المتحكم به، هنا سوف نتطرق لشرح طرق التفريغ تحت نسب C مختلفة كما سنخمن العمق لمعرفة البطارية التي يمكن أن تستنفذ طاقتها بأمان، وسنلقي نظرة على نسب الشحن والتفريغ والمعروفة أيضاً باسم C-Rate.

*
التفريغ العميق:
إن جهد انتهاء التفريغ لبطاريات حمض-رصاص هو 1.75V/cell وللنيكل 1.00V/cell ومعظم بطاريات الليثيوم بحدود 3.00V/cell. عند هذا المستوى، فإن 95% تقريباً من الطاقة يتم صرفها والجهد يبدأ بالهبوط بشكل سريع إذا استمرت عملية التفريغ، ولحماية البطارية من زيادة التفريغ، فإن معظم الأجهزة تمتنع عن العمل تحت جهد نهاية التفريغ المحدد لكل نوع.

*
عند إزالة الحمل بعد التفريغ، يتم استعادة الجهد للبطارية بشكل صحيح وتدريجي ويرتفع الجهد نحو قيمته الاسمية. إن الاختلافات في نوعية معادن الالكترودات تمكن البطارية من تحمل الجهد عند نهاية التفريغ البطارية. البطاريات القديمة الاستخدام مع تفريغ ذاتي مرتفع لا تستطيع استعادة الجهد بسبب الحمل الطفيلي.

*
إن تيار الحمل العالي يخفض من جهد البطارية، وعتبة جهد نهاية التفريغ يجب ضبطها بشكل أفضل وفقاً لذلك. إن المقاومة الداخلية، الأسلاك، دارات الحماية و المتصلات كلها تضاف إلى المقاومة الداخلية الكلية.

*
إن فرق الجهد يجب أيضاً تخفيضه أثناء التفريغ في درجات الحرارة الباردة جداً. وهذا يمكن تعويضه بشكل أكبر من المقاومة الداخلية الطبيعية.
الجدول 1.5 يبين جهود انتهاء التفريغ النموذجية لكيميائيات بطاريات مختلفة:

*

discharge1

*

إن جهد نهاية التفريغ الأخفض عند الحمل المرتفع يعوض الخسارات المتحرضة عن طريق المقاومة الداخلية للبطارية.

*
إن بعض أجهزة تحليل البطاريات تطبق تفريغ ثانوي (إعادة تكيف) والتي تقوم بتصريف جهد بطارية النيكل 0.5V/cell أو أقل ، أو يمكن القول بـأنها نقطة القطع التي تكون تحت بند تخصيص المصنِّع.

*
هذه المحللات (من شركة Cadex) تحافظ على حمل التفريغ منخفضاً ليبقى متوافقاً مع التيار المسموح به طالما أنه ضمن مجال التفريغ الثانوي.

*
1.1.5 ما الذي يكون دورة التفريغ؟
إن معظم دورات شحن/تفريغ غير المفهومة كحالة تسليم كل الطاقة المختزنة مثلاً، وهذه الحالة ليست موجودة دوماً، فبدلاً من عمق تفريغ 100%، فإن المصنعين يحددون نسب البطاريات بـ 80% عمق تفريغ، وهذا يعني أن 80% من الطاقة المتوفرة يتم تسليمها والـ 20% المتبقية تكون احتياطية.

*
إن التفريغ الكامل الأقل يزيد من دورة حياة خدمة البطارية، ويتناقش المصنعون عن أن هذا أقرب لتمثيل الحقل لأن البطاريات نادراً ما تفرغ بشكل كامل قبل إعادة شحنها.
لا توجد هناك معايير تميز عملية تشكل دورة التفريغ. البطاريات الذكية تحافظ على مسار العد لدورات التفريغ تتطلب عمق تفريغ بحدود 70% لتمييز دورة التفريغ.

*

وأي شيء أقل لا يمكن عده كدورة، وهناك العديد من التطبيقات الأخرى التي يكون تفريغ البطارية فيها أقل، فعلى سبيل المثال: تشغيل السيارة يفرغ بطاريتها بأقل من 5%، وعمق التفريغ في الأقمار الصناعية يبلغ من 6-10% قبل أن تبدأ البطاريات الداخلية بإعادة الشحن، وأكثر من ذلك، السيارة الهجينة تستخدم فقط معامل السعة خلال تسارعها قبل إعادة شحن بطاريتها من جديد.

*
2.1.5 ومضة التفريغ:
إن التفريغ الكلاسيكي للبطاريات هو أن تقوم للبطارية بتسليم كامل احتياطها، فمثلاً ضوء الكشاف له نسبة تفريغ 0.2C يمكن اخذه كمثال، العديد من التطبيقات تتطلب أحمال متحركة عند ضعف وثلاثة أضعاف نسب C للبطارية، ونظام GSM (النظام العالمي للاتصالات المتنقلة) للهاتف الخلوي يمكن أخذه كمثال (الشكل 1.5). إن هذا النظام يقوم بتحميل البطارية بـ 2A عند نسبة نبضات 577µs. وهذا متطلب ضخم لجميع بطاريات 1000mAh الصغيرة، على أية حال، مع وجود تردد عالي فالبطارية تسلك سلوك مكثف وتتغير بالتالي خصائصها.

*

discharge2

*

في شروط حياة الدورة، التيار المعتدل عند تفريغ ثابت يكون أفضل من الأحمال النبضية أو الأحمال المؤقتة المرتفعة. الشكل 2.5 يظهر تناقص سعة بطارية NiMH عند ظروف تحميل مختلفة وتتضمن تفريغ مستمر لطيف عند نسبة 0.2C أي تفريغ تماثلي وتفريغ نبضي. إن حياة الدورة لكيميائيات البطاريات الأخرى تكون متشابهة تحت ظروف التحميل.

*

discharge3

*

لوقت طويل، اعتبرت بطاريات الليثيوم أيون هشة وسهلة الكسر وغير ملائمة للأحمال العالية، ولكن هذا تغير اليوم، فاليوم هناك العديد من أنظمة الليثيوم أكثر متانة من كيميائيات النيكل أو الحمض الأقدم. إن نوعي المنغنيز والفوسفات لبطاريات الليثيوم تسمح بتفريغ مستمر بنسبة 30C، وهذا يعني أن الخلية المقدرة بـ 15mAh يمكن أن تزودنا بكل الاحتياطي من 45A، وهذا بدأ إنجازه بشكل أساسي عن طريق خفض المقاومة الداخلية من خلال تحسين المنطقة السطحية بين مواد الخلية الفعالة. المقاومة المنخفضة تبقي درجة الحرارة منخفضة، وتعمل عند تيار تفريغ أعظمي. تسخن الخلايا لحوالي 50ºC، والحرارة الأعظمية بحدود 60ºC.

*
3.1.5 بعض الإرشادات حول تفريغ البطاريات:

  •   إن أداء البطارية يتناقص في درجات الحرارة الباردة ويزداد مع ازديادها.
  •   إن التسخين يرفع من أداء البطارية لكنه يقصر عمرها بمعامل يبلغ درجتين لكل 10ºC زيادة فوق 25ºC-30ºC.
  •   بالرغم من أن أداء البطاريات أفضل عند تدفئتها، فإن البطارية تعمل لفترة أطول في الحرارة الباردة.
  •   إن تشغيل البطارية عند درجات الحرارة الباردة لا يسمح آلياً بالشحن تحت هذه الشروط، حيث يجب الشحن فقط عند الحرارة المعتدلة.
  •   بعض البطاريات تتقبل عملية الشحن تحت مستوى التجمد لكن مع تيار شحن أقل بكثير، حيث يجب التحقق من مواصفات المنتج ونصائح التصنيع.
  •   يمكن استعمال أغطية تسخين إذا احتجنا لشحن سريع عند درجات الحرارة الباردة.
  •   يجب منع حدوث زيادة تفريغ، فعكس قطبية الخلية قد يسبب قصراً كهربائياً.
  •   إن التفريغ المستمر المعتدل أفضل للبطارية من التحميل النبضي والجمعي.
  •   تسلك البطارية سلوك مكثف في خصائصها أثناء تفريغها عند تردد عالي، وهذا يسمح بتيارات الذروة أعلى من الممكنة مع الأحمال المستمرة.
  •   إن بطاريات الرصاص ذات تفريغ بطيء وتتطلب عدة ثواني لاستعادتها بين الأحمال الحرجة الثقيلة.

*

2.5 حساب زمن تشغيل البطارية (Calculating the Battery Runtime):

*
إذا افترضنا أن للبطارية مصدر قدرة ممتاز ويسلك سلوكاً خطياً، فإن زمن التفريغ يمكن حسابه وفقاً لكمية التيارات الداخلة المتدفقة، أي أن “ما يدخل البطارية يساوي ما يخرج منها بنفس المقدار” وكمثال:

*
الشحن بتيار 5A لساعة واحدة يكافئه تفريغ 5A خلال ساعة أو 1A خلال 5 ساعات، ولكن في الحقيقة، هذا غير ممكن بسبب الضياعات الفعلية، فالخرج أقل دائماً من الدخل، والخسارات تتصاعد مع زيادة الحمل كما أن تيارات التفريغ العالية تجعل البطارية أقل كفاءة.

*
إن عامل الكفاءة لتفريغ البطاريات يعبر عنه بقانون Peukert نسبة للعالم الألماني Peukert، هذا القانون كان متنبهاً لهذه للخسارة، حيث ابتكر صيغة تعبر عن الخسارة بأرقام عند نسبة تفريغ معطاة.

*
بسبب الأداء البطيء لبطاريات LA، فإنه يتم تطبيق أرقام Peukert غالباً على كيميائية هذه البطارية وتساعد بذلك على حساب السعة أثناء تحميلها عند نسب تفريغ متفاوتة.

*
إن قانون Peukert يأخذ بالحسبان المقاومة الداخلية ونسبة الاستعادة للبطارية. إن القيمة القريبة من [1] تشير للأداء الجيد للبطارية مع كفاءة جيدة، وخسارة صغيرة جداً، كما إن قانون Peukert ذو صيغة أسية والقراءات للـ LA تتراوح بين 1.3 & 1.4.

*
إن بطاريات النيكل لديها أرقام منخفضة والليثيوم أفضل منها، الشكل 4.5 يشرح السعة المتوفرة كتابع للأمبير مع نسب Peukert مختلفة.

*

discharge4

*

إن جميع البطاريات تحتاج لاستعادة، ومع أنظمة النيكل والليثيوم فإن التفاعل الكهروكيميائي أسرع من بطاريات حمض-رصاص.

*
إن زمن التشغيل في الأجهزة المحمولة يرتبط بالطاقة النوعية المشار إليها بالـ Ah (في الأجهزة الشخصية يعبر عنها بـ mAh).

*
إن السعة Ah هي مؤشر أداء يعمل بشكل أفضل عند تيارات التفريغ المنخفضة، عند الأحمال الأعلى، فإن المقاومة الداخلية تلعب دوراً مهماً في القدرة على تسليك الطاقة حيث يمكن تمثيل المقاومة بـ “حارس البوابة”.

*
الطاقة في الـ Ah تمثل السعة المخزنة المتوفرة للبطارية وهي مسؤولة عن زمن التشغيل والقدرة محكومة بتيار الحمل.

*
إن هاتين الخاصتين تكونان في حالة حرجة في الأجهزة الرقمية التي تتطلب أزمنة تشغيل طويلة والتي يجب عليها أيضاً تسليم نبضات تيار عالية.

*
إن الـ Ah ليست مؤشر زمن تشغيل موثوق والعلاقة بين السعة والإمكانية على تسليم التيار تكون أفضل لها لو تم تمثيلها بمخطط “Rangone” وذلك نسبة للعالم David V.Rangone، إن مخطط رانغون يقيم البطارية بناءً على طاقتها ويقوم أيضاً بتمثيل القدرة فيها.

*
الشكل 5.5 يشرح مخطط رانغون في الكاميرات الرقمية التي تعمل ببطاريات قلوية، NiMH، أو Li-FeS2 باستطاعة 1.3W، الـ 1.3Watt عند جهد 3V تعطي تيار 433mA.
إن المحور الأفقي يظهر الطاقة بالـ Watt/hours والمحور العمودي يظهر القدرة بالوات. إن المقياس المتبع هو مقياس لوغاريتمي وذلك للسماح باختيار واسع لأحجام البطارية.

*

discharge5

إن الخط المنقط يمثل الطلب على القدرة للكاميرات الرقمية، كل البطاريات الثلاث لديها نسب Ah متشابهة.

*
إن بطارية NiMH تسلم أعلى قدرة بينها ولكن أقل طاقة نوعية بينهم أيضاً. إن هذه البطارية تعمل بشكل جيد عند الأحمال العالية مثل أدوات القدرة (التجهيزات الاستطاعية).

*
إن بطارية Li-FeS2 تقدم طاقة نوعية عالية ولكن لديها شروط تحميل معتدلة، حيث إن الكاميرات الرقمية والأدوات الطبية الشخصية يناسب نظام البطاريات هذا بشكل جيد.

*
البطارية القلوية تقدم حلاً اقتصادياً من أجل تصريف التيارات الأخفض مثل أضواء الكشافات، أجهزة التحكم عن بعد، ساعات الحائط.

*
3.5 التفريغ عند درجات الحرارة الباردة والمرتفعة (Discharging at L&H temp):

*
إن التفريغ عند درجات الحرارة الباردة والمرتفعة يتم كما في الجسم البشري، حيث تعمل البطاريات بشكل أفضل عند درجة حرارة الغرفة، وأي انحراف نحو الحرارة الزائدة أو البرودة المتجمدة سيغير الأداء و/أو طول عمر البطارية. إن تشغيل البطارية عند درجات حرارة مرتفعة بشكل مؤقت يحسن الأداء عن طريق تخفيض المقاومة الداخلية وتسريع الأيض “التمثيل” الكيميائي، ولكن مثل هذه الشروط تقصر من عمر البطارية إذا سمح لها بالاستمرار لفترة زمنية طويلة.

*
إن الحرارة الباردة تزيد من المقاومة الداخلية وتقلل من السعة. البطاريات التي قد توفر سعة 100% عند حرارة 27ºC ستقوم بتسليم 50% سعة فقط عند 18ºCبشكل نموذجي.

*
إن تناقص السعة يكون خطياً مع درجة الحرارة.

*
تؤدي بطاريات ليثيوم أيون بشكل أفضل عند درجات الحرارة العالية أكثر من المنخفضة. إن التسخين يخفض المقاومة ولكن هذا يجهد البطارية.

*
تستعمل بطارية ليثيوم بوليمير الحافة الصلبة التسخين من أجل السماح للأيونات بالتدفق بما يسمى “البطارية البلاستيكية الحقيقية”. تتطلي هذه البطارية حرارة نواة تبلغ من 60ºC إلى 100 ºC لتنتقل إلى حالة الناقلية. إن هذه البطارية Li-Polymer وجدت سوقاً متخصصة للتطبيقات الكهربائية الثابتة في المناخات الدافئة حيث تكون الحرارة ميزة عمل بدل كونها سيئة تضر بالبطارية. إن عناصر التسخين الداخلي تحافظ على عمل البطارية في جميع الأوقات. إن كلفة البطارية المرتفعة واعتبارات الأمان حد من تطبيق هذه التكنولوجيا. إن أكثر أنواع الليثيوم بوليمير شيوعاً تستخدم الكتروداً رطباً لتحسين الناقلية.

*
يمكن للبطارية أن تكون في أوج عطائها إذا استخدمت في حرارة 20 ºC أو أقل بشكل طفيف، وبطاريات النيكل تنخفض بسرعة عند تدويرها في درجات حرارة مرتفعة. على سبيل المثال، إذا تم وضع بطارية في وضعية تشغيل عند درجة حرارة 30 ºC بدلاً من درجة حرارة الغرفة، فإن حياة الدورة تقل بنسبة 20%. عند حرارة 40 ºC فإن هذه الخسارة تقفز بشكل هائل، وإذا تم شحتها وتفريغها عند حرارة 45 ºC، فإن حياة الدورة تبلغ نصف الحالة التي تكون فيها في أوجها.

*
إن أداء الكيميائي لجميع البطاريات ينخفض بشدة عند درجات الحرارة المنخفضة. عند حرارة -20 ºC فإن معظم بطاريات النيكل والليثيوم والحمض تتوقف عن العمل. بالرغم أن حرارة النيكل كادميوم يمكن أن تنخفض إلى -40ºC، إن التفريغ الجائز يبلغ فقط 0.2C (5 ساعات). بالنسبة لبطاريات حمض-رصاص فلدينا خطر تجمد الالكترود. إن تجمد بطاريات Lead-acid أكثر سهولة عند الشحن المنخفض عندما يكون الوزن النوعي للالكترود أكثر قرباً لوزن الماء.

*
إن ربط الخلايا باستخدام خلايا من نفس السعة يلعب دوراً مهماً أثناء التفريغ عند درجات الحرارة المنخفضة تحت الحمل العالي. إن زيادة التفريغ في الأحمال العالية والحرارة المنخفضة تعد أكبر مساهم في فشل البطارية في أدوات القدرة اللاسلكية ، خصوصاً مجموعات النيكل، تأتي مجموعات الليثيوم مع دارات حماية وتنخفض بذلك نسبة الفشل.

*
إن مستخدمي العربات الكهربائية يحتاجون لمعرفة مسافة القيادة المحددة لكل عملية شحن تتم تحت درجة الحرارة الطبيعية، البرد الشديد يخفض بشكل حاد من نسبة المسافة المقطوعة بالأميال. بالنتيجة تقلل الحرارة الباردة من قدرة بطارية السيارة على البقاء مشحونة لتلبية حاجة السيارة لمدة طويلة.

*

المصدر