مبانی عملکرد باتری: پارامترهای اصلی و تعاملات آنها

ظرفیت باتری (mAh): معیاری از قدرت باتری

1. تعریف و ماهیت

ظرفیت باتری به میلی‌آمپر-ساعت (mAh) بیان می‌شود، که حاصل‌ضرب جریان (میلی‌آمپر، mA) در زمان (ساعت، h) است. به عنوان مثال، یک باتری 1000mAh به معنای این است که:

تخلیه با جریان 1000mA (1A) می‌تواند به مدت 1 ساعت دوام بیاورد؛

تخلیه با جریان 500mA می‌تواند به مدت 2 ساعت دوام بیاورد.

در واقع: mAh مقدار کل باری که یک باتری می‌تواند ذخیره کند را بدون اشاره به ولتاژ اندازه‌گیری می‌کند، همانند "ظرفیت آب" یک سطل.

2. سوء تفاهم رایج: mAh بالا ≠ عمر طولانی‌تر باتری

توهَم: فکر کردن اینکه یک باتری 5000mAh حتماً عمر بیشتری نسبت به یک باتری 3000mAh دارد.

حقیقت: عمر باتری توسط انرژی (Wh)، نه فقط ظرفیت تعیین می‌شود.

 

چگالی انرژی (وات-ساعت/کیلوگرم): شاخص کلیدی حمل‌ونقل‌پذیری

1. تعریف و اهمیت

چگالی انرژی به مقدار انرژی ذخیره شده در هر واحد وزن باتری (وات-ساعت/کیلوگرم) اشاره دارد و یک پارامتر کلیدی برای سنجش توانایی «کاهش وزن» باتری است:

چگالی انرژی حجمی (وات-ساعت/لیتر): ضخامت دستگاه را تحت تأثیر قرار می‌دهد (مانند باتری تلفن‌های همراه)

چگالی انرژی جرمی (وات-ساعت/کیلوگرم): تعیین‌کننده سبک‌وزنی تجهیزات است (مانند برد الکتریکی خودروهای برقی).

2. مقایسه چگالی انرژی در فناوری‌های مختلف.

نوع باتری	چگالی انرژی جرمی (وات-ساعت/کیلوگرم)	کاربردهای معمول
باتری سرب-اسیدی	50-70	باتری استارت خودروهای برقی
باتری لیتیوم آهن فسفات	140-200	نیروگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی، وسایل نقلیه تجاری
باتری لیتیوم ترنری	250-350	وسایل نقلیه برقی، گوشی‌های هوشمند پریمیوم
باتری لیتیومی جامد	350-500 (در دست توسعه)	نسل بعدی وسایل نقلیه برقی و پهپادها

3. شمشیر دو لبه چگالی انرژی

مزیت: هنگامی که چگالی انرژی باتری‌های لیتیومی سه‌گانه به 300 وات-ساعت بر کیلوگرم برسد، برد وسایل نقلیه برقی می‌تواند از 600 کیلومتر فراتر رود؛

چالش: با هر 10 درصد افزایش در چگالی انرژی، خطر گرمای خارج از کنترل 15 درصد افزایش می‌یابد و این امر نیازمند سیستم کنترل دما پیچیده‌تری است.

 

منحنی شارژ و دشارژ: «الکتروکاردیوگرام» عملکرد باتری

1. کد الکتروشیمیایی پشت منحنی

منحنی شارژ و دشارژ قانون تغییر ولتاژ باتری را با توان نشان می‌دهد، با ویژگی‌های مشخصه زیر:

مرحله شارژ:

شارژ با جریان ثابت (افزایش سریع ولتاژ);

شارژ با ولتاژ ثابت (کاهش تدریجی جریان، ولتاژ به سطح ثابتی می‌رسد).

مرحله دشارژ:

ولتاژ ابتدا به سرعت کاهش می‌یابد، سپس وارد دوره پایداری می‌شود و در نهایت به طور ناگهانی تا ولتاژ قطع، به شدت کاهش می‌یابد.

 

2. تحلیل پارامترهای کلیدی

سطح ولتاژ: دامنه‌ای که ولتاژ در حین دشارژ در آن ثابت می‌ماند. هرچه این سطح بالاتر و طولانی‌تر باشد، عملکرد باتری بهتر است.

مثال: سطح دشارژ باتری فسفات لیتیم آهنی 3.2 ولت است و سطح دشارژ باتری لیتیمی سه‌گانه 3.7 ولت است، این مورد دوم دارای انرژی بیشتری است.

پدیده قطبی‌شدگی: در دشارژ با جریان بالا ولتاژ سریع‌تر کاهش می‌یابد (مثلاً در دشارژ 10C ولتاژ 0.5 ولت پایین‌تر از دشارژ 1C کاهش می‌یابد) که به دلیل افزایش اتلاف ناشی از مقاومت داخلی است.

3. رابطه بین منحنی و سناریوهای استفاده

شتاب‌دهنده خودروی برقی: نیازمند تخلیه جریان بالا (5-10C) و نیازمند یک منحنی کم‌شیب (نوسان ولتاژ کم) است.

ذخیره‌سازی انرژی و مدیریت اوج بار: تخلیه جریان کم به مدت طولانی (کمتر از 0.5C)، ثبات بیشتر پلتفرم اهمیت بیشتری دارد.

 

طول عمر چرخه‌ای: یک تایمر برای دوام باتری

1. تعریف و استانداردها

طول عمر چرخه‌ای به تعداد چرخه‌های کامل از شارژ کامل تا تخلیه کامل (DOD=100%) و سپس دوباره شارژ کامل اشاره دارد، تا زمانی که ظرفیت به 80% مقدار نامی کاهش یابد.

داده‌های معمول:

باتری لیتیومی سه‌تایی: 1000 چرخه (DOD=100%);

باتری فسفات آهن لیتیومی: 3000 چرخه (DOD=100%);

باتری سرب-اسیدی: 500 چرخه (DOD=80%).

۲. چهار عامل اصلی موثر بر طول عمر باتری (چرخه عمر)

شارژ و دشارژ بیش از حد: شارژ بالاتر از ۴.۳ ولت یا دشارژ پایین‌تر از ۲.۵ ولت آسیب جبران‌ناپذیر به ساختار الکترود می‌زند.

محیط با دمای بالا: نگهداری در دمای ۶۰ درجه سانتی‌گراد برای یک ماه، طول عمر چرخه‌ای را ۵۰٪ کاهش می‌دهد.

شارژ و دشارژ با جریان بالا: شارژ سریع ۱۰C نسبت به شارژ سریع ۰.۵C، تعداد چرخه‌ها را ۳۰٪ کاهش می‌دهد.

نگهداری طولانی‌مدت در حالت کاملاً شارژ شده: هنگامی که یک باتری لیتیومی به مدت یک ماه در حالت کاملاً شارژ شده نگه داشته شود، ظرفیت آن ۵٪ کاهش می‌یابد.

۳. قانون طلایی برای افزایش عمر باتری

شارژ و دشارژ نسبتاً کم: برای استفاده روزانه، SOC را بین ۲۰٪ تا ۸۰٪ حفظ کنید (مثلاً هنگامی که باتری گوشی شما به ۲۰٪ رسید، آن را شارژ کنید).

از دمای بالا اجتناب کنید: از قرار گرفتن خودروی برقی در معرض نور خورشید مستقیم در هنگام شارژ خودداری کنید. هنگامی که دمای داخل خودرو در تابستان از ۶۰ درجه سانتی‌گراد بیشتر شود، عمر باتری به سرعت کاهش می‌یابد.

شارژ و دشارژ عمیق منظم: هر ۳ ماه یک بار یک چرخه کامل شارژ و دشارژ انجام دهید و نمایشگر توان BMS را کالیبره کنید.

 

اثر «ارتباطی» پارامترهای کلیدی

1. تقابل بین چگالی انرژی و عمر سیکل

باتری‌های لیتیومی سه‌گانه چگالی انرژی بالایی دارند اما عمر سیکل کوتاه‌تری دارند، این موضوع آن‌ها را مناسب برای خودروهای برقی که نیاز به برد بیشتر دارند می‌کند.

باتری‌های فسفات آهن لیتیومی عمر سیکل طولانی‌تری دارند اما چگالی انرژی پایین‌تری دارند، در نتیجه استفاده از آن‌ها بیشتر در نیروگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی (که نیاز به شارژ و دشارژ مکرر دارند) مناسب است.

2. تعامل بین ظرفیت و منحنی‌های شارژ/دشارژ

باتری‌های با ظرفیت بالا (مانند 5000 میلی‌آمپر ساعت) معمولاً مقاومت داخلی بیشتری دارند و در هنگام دشارژ با جریان بالا، ولتاژ پلتفرم کاهش بیشتری می‌یابد.

در یک ظرفیت یکسان، باتری‌هایی با ولتاژ پلتفرم بالاتر (مانند 3.7 ولت نسبت به 3.2 ولت) انرژی بیشتری دارند، اما ممکن است این موضوع با اتلاف قطبش بیشتری همراه باشد.