چگونه یک باتری انتخاب کنیم؟

بسیاری از مدارها و دستگاه های تعبیه شده برای منبع تغذیه به باتری ها متکی هستند و بسیاری از این دستگاه ها از باتری های اولیه استفاده می کنند که ممکن است نیاز به تعویض داشته باشند. سایر دستگاه های تعبیه شده قابل شارژ هستند و از باتری های ثانویه برای روشن ماندن استفاده می کنند.

انتخاب نوع باتری، مواد شیمیایی یا بسته بندی برای یک مدار یا کاربرد معین کار دشواری نیست. مزایا و معایب، و همچنین کاربردهای خاص ملاحظات کلیدی در انتخاب باتری است. باتری های با وزن سبک اولیه مانند باتری های آلکالین و روی-کربن به طور گسترده ای به عنوان سلول های استوانه ای در دستگاه های غیر قابل شارژ استفاده می شود. سلول های دکمه ای معمولاً به عنوان باتری های اولیه در دستگاه های فشرده (مانند ساعت ها و نوارها) استفاده می شوند یا برای تأمین انرژی بخش های خاصی از مدار استفاده می شوند.

دستگاه‌های تعبیه‌شده قابل شارژ (ابزارهای قابل حمل، دستگاه‌های تلفن همراه، اسباب‌بازی‌ها، هدفون‌ها و سایر دستگاه‌های قابل حمل) معمولاً از سلول‌های استوانه‌ای NiCd یا NiMH یا سلول‌های مستطیلی یا کیسه‌ای لیتیوم یون استفاده می‌کنند. برای محصولات جاسازی شده بسیار فشرده مانند هدفون های بلوتوث، باتری های کیسه ای لیتیوم یون انتخاب ارجح باقی می مانند. دستگاه های قابل حملی که به چرخه عمر باتری بالاتری نیاز دارند از باتری های لیتیوم یون منشوری (مستطیل شکل) استفاده می کنند. سلول‌های استوانه‌ای NiCd و NiMH معمولاً به عنوان باتری‌های ثانویه در محصولات حساس به هزینه استفاده می‌شوند. باتری های سرب اسیدی سنگین و حجیم به عنوان باتری ثانویه در برنامه های غیر قابل حمل مانند یو پی اس و پشتیبان برق استفاده می شوند.

عوامل زیر عمدتاً بر انتخاب باتری تأثیر می گذارد:

قابلیت استفاده مجدد

اولین چیزی که باید مشخص شود این است که آیا مدار داده شده باید قابل شارژ باشد یا باید به تعویض باتری متکی باشد. بر این اساس، ممکن است از انواع باتری های اولیه یا ثانویه برای دستگاه استفاده شود.

دوام چرخه عمر

زمانی که باتری اصلی مورد استفاده در مدار باشد، دوام باتری اهمیت بیشتری پیدا می کند. حتی اگر باتری ثانویه مورد استفاده در یک مدار باشد، مهم است که توجه داشته باشید که یک چرخه شارژ-دشارژ چقدر طول می کشد و چند چرخه باتری می تواند بدون آسیب کار کند (مانند تورم در مورد سلول های منشوری و کیسه ای). همچنین توجه به مدت چرخه شارژ-دشارژ برای یک باتری ثانویه برای تعیین روند شارژ و برنامه زمانبندی مهم است.

چگالی/دانسیته انرژی

مقدار انرژی است که می تواند در واحد جرم یا حجم ذخیره شود. هر باتری چگالی انرژی خاصی دارد که بر اندازه و وزن باتری تأثیر می گذارد. دستگاه های قابل حمل اساساً به باتری هایی نیاز دارند که سبک وزن و جمع و جور باشند. کاربردهای غیرقابل حمل ممکن است با مشکل وزن یا حجم روبرو باشند.

چگالی/دانسیته توان

حداکثر نرخ تخلیه انرژی در واحد جرم یا حجم است. چگالی توان نقش مهمی در مناسب بودن شیمی باتری برای یک کاربرد معین ایفا می کند. بسیاری از برنامه ها به سرعت تخلیه بالایی نیاز دارند یا ممکن است مستعد افزایش ناگهانی دشارژ برق باشند. این ممکن است ایمنی باتری را تحت تأثیر قرار دهد.

ایمنی

دو عامل مهم که بر ایمنی باتری تأثیر می‌گذارند، پایداری حرارتی و چگالی توان آن است. یک باتری باید چگالی توان کافی برای برآوردن نرخ تخلیه احتمالی در یک مدار داشته باشد. هر باتری نیز دمای عملیاتی خاصی دارد. در دماهای بالا، اجزای باتری ممکن است خراب شده و تحت واکنش های گرمازا قرار گیرند. سلول ها باید به اندازه کافی برای پایداری حرارتی بهتر فاصله داشته باشند. ممکن است برای مدیریت گرما در یک دستگاه مکانیسم هایی مانند خنک کننده مایع یا خنک کننده هوا فراهم شود. همچنین توجه به دمای باتری برای میزان دشارژ و سطوح جریان مختلف مهم است.

هندسه و اندازه باتری

باتری های مختلف در اشکال و اندازه های مختلف موجود است. برای شیمی باتری معین، شکل و اندازه بهینه باتری باید به گونه ای انتخاب شود که ظرفیت آمپر ساعت مورد نیاز، مدت چرخه عمر، محدودیت های اندازه یا وزن و ایمنی را به خطر نیندازد. بیشتر باتری‌های منشوری و کیسه‌ای در استفاده طولانی مدت مستعد تورم هستند، بنابراین باید فضای کافی برای جا دادن آن در دستگاه وجود داشته باشد.

هزینه

در نهایت، انتخاب باتری به هزینه بستگی دارد. هزینه را می توان با انتخاب باتری یا بسته بندی جایگزین تنظیم کرد. با این حال، برای کاهش هزینه ها نباید با عملکرد یا ایمنی سازشی وجود داشته باشد.

هنگامی که با نوع باتری و بسته بندی باتری (بر اساس ملاحظات عملکرد، ایمنی، قابلیت حمل، قابلیت شارژ مجدد و هزینه) کنار آمدید، باید مشخصات باتری مورد نیاز را مشخص کنید. مهمترین مشخصات باتری که باید به آن توجه کنید موارد زیر است:

ولتاژ

هر باتری به عنوان منبع ولتاژ در مدار استفاده می شود. بنابراین، اولین مشخصاتی که باید بررسی شود، ولتاژ مورد نیاز است. ولتاژ باتری باید همیشه با استفاده از مدار ترانزیستور یا آی سی تنظیم کننده ولتاژ تنظیم شود تا از هرگونه نویز یا نوسانات باتری جلوگیری شود. تنظیم کننده ولتاژ همچنین می تواند ولتاژ تغذیه را تا مقدار مورد نیاز کاهش دهد در صورتی که ولتاژ باتری بیشتر از ولتاژ مورد نیاز در مدار باشد. در صورت نیاز به ولتاژ بالاتر، گاهی اوقات ممکن است نیاز باشد که منبع تغذیه باتری با استفاده از تقویت کننده ترانزیستوری افزایش یابد. با تخلیه باتری، ولتاژ پایانه آن شروع به کاهش می کند و مقاومت داخلی آن شروع به افزایش می کند. بهترین راه برای آزمایش وضعیت باتری اندازه گیری ولتاژ پایانه آن بدون بار یا در شرایط بار است.

نرخ/سرعت دشارژ

میزان دشارژ به ویژه در تعیین عملکرد باتری در یک مدار مهم است. همچنین عامل مهمی در تعیین ایمنی باتری است.

ظرفیت آمپر ساعت

ظرفیت انرژی باتری ها به صورت آمپر ساعت بیان می شود. هر باتری می تواند تعداد مشخصی الکترون را قبل از تخلیه کامل به مدار منتقل کند. این عدد قابل توجهی است – مقدار تقریبی جریان پیوسته ای است که ممکن است توسط باتری در مدت زمان مشخصی به مدار تحویل داده شود. اگر باتری 1 آمپر ساعت ظرفیت داشته باشد، به این معنی است که باتری می تواند 1 آمپر جریان مداوم برای یک ساعت یا 2 آمپر جریان مداوم برای نیم ساعت و غیره تامین کند. درجه آمپر ساعت، مدت زمان تقریبی را به عنوان تعداد ساعاتی که باتری می تواند قبل از تخلیه کامل با تامین مقدار مشخصی جریان پیوسته کار کند، نشان می دهد.

این همیشه یک مقدار تقریبی است و ممکن است باتری قبل از مدت زمان تخمین زده شده کاملاً تخلیه شود. به عنوان مثال، اگر یک باتری 20 آمپر ساعتی ممکن است به یک بار مقاومتی کم متصل شود، که ممکن است جریان 20 آمپر را بکشد، در حالت ایده آل، باتری باید یک ساعت طول بکشد. اما ممکن است کمی قبل از یک ساعت به دلیل گرم شدن کاملاً تخلیه شود. به طور مشابه، باتری متصل به یک بار کم مصرف ممکن است برای چندین سال تخمین زده شود. با این حال، ممکن است به دلیل عوامل مرتبط با چرخه زندگی مانند جریان نشتی، تبخیر الکترولیت، دماهای بالا، رطوبت، یا خرابی الکترودها، قبل از مدت زمان تخمینی به طور کامل تخلیه شود.

ظرفیت آمپر ساعت باتری برای یک جریان خاص مشخص می شود. سازندگان همچنین ممکن است منحنی های کاهش ظرفیت را برای جریان ها و دماهای مختلف ارائه دهند. در مورد باتری های ثانویه، درجه آمپر ساعت به تعیین روند و برنامه شارژ کمک می کند.

ترکیب سری و موازی باتری ها

ممکن است لازم باشد باتری‌ها به هم متصل شوند تا یک بانک بزرگ‌تر از باتری‌ها تشکیل شود تا ولتاژ یا جریان بالاتری حاصل شود. هنگامی که باتری ها یا سلول ها به صورت سری به هم متصل می شوند، جریان ثابت می ماند، در حالی که ولتاژ کل مجموع ولتاژ تمام باتری ها است. باتری های متصل به صورت سری باید دارای امتیاز آمپر ساعت یکسانی باشند. در غیر این صورت، باتری با درجه آمپر ساعت کمتر قبل از سایرین تخلیه می شود و منبع تغذیه قطع می شود. مجموع امتیاز آمپر ساعت پک مانند اتصال سری باقی می ماند. این فقط ولتاژ خروجی بسته باتری را افزایش می دهد.

هنگامی که باتری ها یا سلول ها به صورت موازی متصل می شوند، ولتاژ ثابت می ماند، در حالی که جریان کل مجموع جریان های باتری ها/سلول ها است. باتری هایی که به صورت موازی متصل می شوند باید ولتاژ ترمینال یکسانی داشته باشند. باتری ها به صورت موازی مجدداً امتیاز کلی آمپر ساعت را تغییر نمی دهند و فقط جریان خروجی را افزایش می دهند.

حفاظت در برابر جریان بیش از حد

باتری ها از هر نوع می توانند جریان برگشتی تولید کنند. جدای از آن، ممکن است نوساناتی در تامین باتری وجود داشته باشد. برای محافظت از مدار در برابر جریان برگشتی و نوسانات، باید از فیوز یا قطع کننده مدار استفاده کرد. در باتری های متصل به صورت سری، یک فیوز برای محافظت از مدار بار کافی است. در باتری های متصل به صورت موازی توصیه می شود برای هر باتری از فیوز جداگانه استفاده شود تا هیچ باتری بر دیگری غلبه نکند. کلید مدار می تواند به سادگی یک دیود حفاظتی باشد.

حفاظت از شارژ بیش از حد

در مورد باتری های ثانویه، مهم است که از شارژ و تخلیه بیش از حد خودداری کنید. برای این، در ابتدا، تولید و برنامه شارژ مناسب باید حفظ شود. از نشانگرهای شارژ باتری می توان برای جلوگیری از شارژ و تخلیه بیش از حد استفاده کرد. مدارهای حفاظت از شارژ بیش از حد نیز می توانند برای محافظت از باتری استفاده شوند. در برخی کاربردها می توان از مدار منبع تغذیه استفاده کرد که ممکن است بار را مستقیماً از منبع DC تامین کند و در صورت قطع برق ممکن است به منبع تغذیه باتری سوئیچ کند. در چنین کاربردهایی، ممکن است یک باتری قابل شارژ به عنوان منبع انرژی آماده به کار استفاده شود.