باتری چیست؟
چه کسی است که نداند باتری چیست؟ وقتی که باتری ها همه جا هستند؛ در ساعت دیواری، ساعت مچی، ماشین حساب، تلفن همراه، چراغ قوه، ماشین، موتورسیکلت و بسیاری وسایل برقی که می‌توانید تصور کنید، از جمله ربات ها.
در پاسخ به سوال بالا، باتری وسیله‌ای است که انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. چون اکثر ربات‌های ما از باتری استفاده می‌کنند، پس لازم است برای درک باتری و انواع مختلف باتری وقت بگذاریم. بعداً خواهیم دید که کدام باتری‌ها مناسب ربات ها هستند.
نحوه کار باتری‌ها
به زبان ساده، باتری‌ها ظروف شیمیایی هستند. واکنش الکتروشیمیایی داخل مواد شیمیایی این ظرف ها، الکترون تولید می‌کند و جریان یافتن این الکترون‌ها از یک پایانه به پایانه دیگر، منجر به جریان الکتریسیته می‌شود. واکنش الکترون‌های از بین رفته را اکسیداسیون و جذب الکترون‌ها را کاهش می‌گویند.
حالا بیایید وارد جزئیات شویم و به مفاهیم پایه‌ای باتری پی ببریم.
دیاگرام داخلی سلول شیمیایی باتری
باتری‌های معمولی دارای دو پایانه یا ترمینال هستند. پایانه با علامت (+) معمولا با نام مثبت یا کاتد شناخته می‌شود و پایانه با علامت (–) به عنوان منفی یا آند شناخته می‌شود (با این حال پیشنهاد می‌کنم از استفاده از کاتد و آند خودداری کنید و به آنها پایانه‌های مثبت یا منفی بگویید) این دو قسمت باتری، در واقع همان الکترودها هستند و از نظر فیزیکی توسط جدا کننده‌ای به نام الکترولیت جدا می‌شوند.
وقتی که مدار، این دو پایانه را به هم متصل می‌کند، واکنش اکسیداسیون در پایانه منفی که الکترون آزاد می‌کند، اتفاق می‌افتد. در پایانه دیگر واکنش کاهش اتفاق می‌افتد که الکترون‌هایی را که از پایانه منفی آزاد می‌شوند، جذب می‌کند. این جریان الکترون‌ها از پایانه منفی به پایانه مثبت منجر به جریان برق (DC) می‌شود.
کل فرآیند در یک محفظه انجام می‌شود که به عنوان سلول شناخته می‌شود. اگر دو یا چند سلول از نظر الکتریکی به هم متصل شده باشند، فقط در این صورت است که به آن باتری گفته می‌شود. اما معمول است که در جهان فقط به یک سلول باتری می‌گویند و ما هم در اینجا برای جلوگیری از سردرگمی از باتری استفاده می‌کنیم. مثلا یک سلول ۱.۵ ولت AAA ، فقط یک سلول است، اما معمولا به آن باتری گفته می‌شود.
پارامترهای عملکرد باتری
هر باتری برای انجام یک کار خاص طراحی شده است و هیچ باتری نمی‌تواند تمام نیازهای ربات شما را برآورده کند (این جمله را گوشواره گوشتان کنید). باتری‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که دارای توان بالا، یا انرژی زیاد باشند و به ندرت باتری‌هایی برای دوام و ماندگاری بالا ساخته می‌شوند. من چند اصطلاح را بیان می‌کنم که می‌توانند به شما در تصمیم گیری برای انتخاب باتری مناسب برای ربات کمک کنند.
ولتاژ پایانه:
ولتاژ بین پایانه‌های باتری را ولتاژ پایانه می‌نامند که با ولت اندازه گیری می‌شود. معمولا یک سلول، ولتاژی از ۱ تا ۲ ولت دارد (اگر دانشمندان از گاز فلورین با پتانسیل کاهش ۲.۸۷ و فلز لیتیوم با -۳.۰۵ برای گرفتن ۵.۹۲ ولت استفاده کنند، چه می‌شود؟ فقط یک خیال پردازی …) . با اتصال چندین باتری (در واقع سلول) به صورت سری، ولتاژ بالاتری را می‌توان به دست آورد.
ولتاژ مدار باز:
وقتی باتری نه در حال شارژ است و نه خالی شدن، در این هنگام ولتاژ پایانه به عنوان ولتاژ مدار باز شناخته می‌شود.
منحنی ولتاژ:
منحنی ولتاژ یک باتری افت ولتاژ پیشرونده را هنگام تخلیه نشان می‌دهد.
منحنی تخلیه:
باتری‌ها معمولا تمایل دارند هنگام کار از لحاظ ولتاژ افت کنند. تعداد کمی از باتری‌ها ولتاژ اولیه خود را تا زمان تخلیه کامل حفظ می‌کنند. این تخلیه در ولتاژ به صورت نموداری در برابر زمان نشان داده می‌شود. هر چه منحنی صاف‌تر باشد، باتری بهتر است؛ اکثر باتری‌های قدیمی دارای تخلیه شیب‌دار بودند و باتری‌های جدیدتر البته صاحب برند معتبر، منحنی تخلیه صاف دارند. خیلی بعید است بتوانید برای یک باتری قلمی عادی که از بازار می خرید، خصوصاً در ایران انتظار دریافت منحنی باتری داشته باشید. چرا که اغلب فروشندگان قطعات تخصصی متاسفانه و با ابراز ناراحتی زیاد از این مساله، سواد و تخصص کافی در ارائه اطلاعات فنی محصول خود را ندارند! غیر از این مورد تولید کننده هم ممکن است برای یک باتری با کاربرد ساده مثلاً اسباب بازی و مشابه آن منحنی ارائه ندهد. اما در لوازم حساس تر مثلاً یک ربات پرنده، یک دستگاه نظامی خرید باتری خیلی شوخی به نظر نمی رسد.
ظرفیت ذخیره سازی:
مقدار جریانی است که باتری می‌تواند در واحد زمان تأمین کند که با آمپر-ساعت اندازه‌گیری می‌شود (برای باتری‌ها معمولاً میلی آمپر ساعت است). مثلا اگر باتری ۲۰۰۰ میلی آمپر ساعت است، یعنی باتری می‌تواند ۲ آمپر یا ۲۰۰۰ میلی آمپر جریان را برای مدت یک ساعت تأمین کند. اگر ربات فقط ۱۰۰۰ میلی آمپر جریان مصرف می‌کند، باتری شما ۲ ساعت کار می‌کند. حالا دیگر باید تفاوت بین mA و mAh را بدانید و متوجه شده باشید که در مقایسه باتری ها با یکدیگر آمپر ساعت از آمپر تنها خیلی مهم تر است. معمولاً روی تمام باتری‌ها عدد میلی آمپر نوشته شده. با اتصال موازی باتری‌ها (در واقع سلول‌ها) می‌توان جریان خروجی بالاتر را بدست آورد.
C-rate:
این مورد برای یک طراح ربات خیلی مهم نیست، اما خُب … C-rate میزان شارژ و دشارژ باتری است که با توجه به ظرفیت ذخیره سازی آن که معمولا mAh یا Ah است، بیان می‌شود. ۱C به معنای تخلیه کل انرژی ذخیره شده در ۱ ساعت است و ۰.۵C به معنای تخلیه کل انرژی در ۲ ساعت است. مثلاً، یک باتری با ۱.۵ میلی آمپر ساعت، در صورت تخلیه با ۱C ، جریان ۱۵۰۰ میلی آمپر، برای یک ساعت می‌دهد. اگر همان باتری ۰.۵C باشد، ۷۵۰ میلی آمپر در ۲ ساعت تخلیه می‌شود. معمولا اکثر باتری‌ها ۱C هستند.
چگالی انرژی:
مقدار انرژی ذخیره شده در باتری در واحد حجم است.
توان:
مقدار توان باتری در واحد حجم است که با وات بر متر مکعب اندازه گیری می‌شود.
تعداد دوره:
به تعداد دفعاتی گفته می‌شود که باتری شارژ و خالی (قابل استفاده برای باتری‌های شارژشونده) می‌شود، پیش از اینکه عملکرد به زیر حد انتظار برسد.
ماندگاری:
مدت زمانی که باتری می‌تواند بدون استفاده در قفسه یا فروشگاه سالم بماند.
طول عمر:
مدت زمان تا پیش از افت عملکرد باتری؛ چه استفاده شده چه استفاده نشده.
دما:
عملکرد اکثر باتری‌ها با تغییر دما کاهش می‌یابد. بهتر است که باتری انتخاب کنید که با کمی تغییر دما عملکرد آن افت نکند.
شیمی باتری:
تولیدکنندگان مختلف از شیمی مختلفی برای ساخت باتری استفاده می‌کنند. بعضی از آنها ممکن است از مواد سمی استفاده کنند و بعضی دیگر هنگام شارژ یا خالی شدن، گازهای خطرناکی تولید می‌کنند. بهترین موارد آنهایی هستند که سازگار با محیط زیست باشند.
هزینه و اندازه:
هزینه باتری یکی از مهمترین عوامل هنگام بررسی باتری است. قطعاً وقتی می‌خواهیم یک ربات ۲۰۰ هزار تومانی بسازیم، نمی‌خواهیم ۳۰۰ هزار تومان برای باتری هزینه کنیم. از طرف دیگر، اندازه و وزن باتری مهم است. نمی‌توانیم یک باتری با وزن ۴.۵ کیلوگرم به یک ربات کواد کوپتر اضافه کنیم یا یک باتری به طول نیم متر را با یک ربات کوچک قابل حمل ترکیب کنیم. تناسب اندازه و وزن باتری با بدنه ربات و عملکرد آن خیلی مهم است. به خطر بسپرید هر قدر باتری سنگین تر باشد وزن کل رباتتان بیشتر شده و برای حمل آن انرژی بیشتری از باتری مصرف خواهد شد.
عمق تخلیه:
این مقیاس اندازه گیری، میزان عمیق تخلیه باتری را نشان می‌دهد. به عنوان مثال، ۴۰٪ عمق تخلیه به این معنی است که ما ۴۰٪ باتری را استفاده کرده‌ایم و اگر ظرفیت باتری ۱۰۰٪ باشد، ۶۰٪ باقیمانده است. لازم به ذکر است که بدانید اکثر باتری‌ها برای تخلیه ۱۰۰٪ طراحی نشده‌اند. پس باتری را تا ته خالی نکنید، چون طول عمر آن کاهش پیدا می کند.
مقاومت داخلی:
تمام باتری‌ها یک مقاومت داخلی دارند که بر وضعیت شارژ آنها تأثیر می‌گذارد. با افزایش مقاومت داخلی، باتری گرمای بیشتری تولید می‌کند و ثبات حرارتی کاهش می‌یابد و بر کارایی باتری تأثیر می‌گذارد.
اثر حافظه باتری:
که به عنوان اثر باتری تنبل نیز شناخته می‌شود؛ معمولا در برخی از باتری‌های قابل شارژ (به خصوص باتری‌های نیکل کادمیوم) یافت می‌شود. اگر باتری وقتی کاملاً خالی نشده است، شارژ شود، به نوعی نقطه تخلیه قبلی را به یاد می‌آورد و هر زمان که میزان شارژ به آن نقطه خاص رسید، نیاز به شارژ پیدا می‌کند. مثلاً، اگر باتری تا ۵۰٪ خالی شود و شما آن را شارژ کنید، دفعات بعدی، دیگر زیر ۵۰٪ کار نمی‌کند و حتی زیر این میزان شارژ هم نخواهد شد. پس باتری ها خیلی ناز نازی و حساس هستند نه بایستی بگذارید تا ته خالی شوند و نه وقتی نصفه و نیمه خالی شدند سریع آن ها را به شارژر بزنید.
هیچ باتری ایده‌آلی وجود ندارد که در هر شرایطی کار کند. براساس عوامل بالا باتری متناسب با ربات خودتان را انتخاب کنید. اگر کمکی خواستید زیر همین مقاله نظر بگذارید ما به شما کمک می کنیم.
