مقدمه
در سالهای گذشته ساده ترین و محبوب ترین روش ذخیره سازی انرژی، ذخیره در باتری هاست. در دنیا امروزی باتریهای نه تنها در دستگاه هایی مثل وسایل شخصی، اتومبیل ها، منبع تغذیه های بدون توقف کاربرد دارند بلکه در حوزه هایی مثل اتومبیل های الکتریکی یا انرژی های تجدید پذیر نیز جا باز کرده اند. ویژگی های متفاوت باتری ها سبب شده که انتخاب و استفاده از باتری، چالشی برای برای افراد ساده و یا حتی مهندسین بشود. در این مقاله قصد داریم راجع به دو نوع از باتری محبوب یعنی باتری های لیتیومی و سرب-اسید صحبت کنیم و تفاوت بین آن ها را شرح دهیم که با اطمینان بیشتر، شارژر مناسب برای این باتری ها انتخاب نمایید.
مشخصه های باتری سرب-اسید و لیتیومی
یکی از انواع باتری های محبوب، باتری های سرب-اسید اند که از سالها قبل در دستگاه مختلف بکار گرفته شده است. تحمل بالای ولتاژ شارژ، توانایی جریان لحظه ای زیاد، دمای کاری گسترده و قیمت کم، تنها بخشی از ویژگی های مثبت این باتری هاست. معمولا در اتومبیل ها و لیفتراک ها یا حتی در سیستم ها پشتیبان برق از آنها استفاده میکنند. این باتری های نقاط ضعفی نیز دارند؛ برای مثال جریان اتلاف داخلی بالا و به نسبت چرخه عمر کمتری دارند. بنابراین برای ذخیره سازی انرژی گزینه مناسبی نیستند.
برخلاف باتری های سرب-اسید، باتری های لیتیومی نرخ شارژ و دشارژ بالاتر و میزان جریان اتلاف داخلی کمتری دارند و برای ذخیره سازی انرژی در یک بازه طولانی، گزینه ای مناسب هستند. با توجه به نوع فلزی که برای کاتد باتری های لیتیوم در نظر گرفته میشود، رنج وسیعی از باتری ها با کارایی های متنوعی ساخته شده است. باتری های لیتیوم-کبالت اکساید (LCO) چگالی انرژی و به نسبت درصد محبوبیت بالاتری دارند. باتری های لیتیوم آهن فسفات(LiFePo4) چرخه عمر بالاتر و پایداری نسبی حرارتی بهتری دارند و برای ذخیره سازی انرژی، ایده ای خوبی هستند. یکی از نقاط ضعف باتری های لیتیومی، لغزش حرارتی است که سبب انفجار یا حتی آتش سوزی میشود. بنابراین لازم است که برای شارژ و دشارژ محاسبات و دقت بیشتری کنید.
لغزش گرمایی و باد کردن باتری لیتیومی
الگوریتم شارژ باتری های سرب-اسید
ولتاژ یک سلول باتری سرب-اسید، حدودا بین 1.8 تا 2.3 ولت و حداکثر با جریان شارژ 0.3C است. اکثر در باتری های بازار، این سلول ها را به صورت سری بهم وصل می کنند ظرفیت و ولتاژ باتری را افزایش دهند زیرا بیشتر ولتاژ های کاری 12 ولت، 24 ولت ویا 48 ولت است. هنگامی که میگوییم ولتاژ باتری 12 ولت،24 ولت یا 48 ولت است منظورمان ولتاژ نامی است و رنج ولتاژ خود باتری در یک بازه ای محدود قابل تغییر است. ولتاژ واقعی پیوسته در حال تغییر و وابسته به ظرفیت به باتری می باشد. برای مثال، ولتاژ مدار باز یک باتری AGM Lead-acid 12 ولتی بین 10.8 ولت(هنگامی که ظرفیت باتری 30 درصد است) تا 13.8 ولت(هنگامی که ظرفیت باتری 100 درصد است) قابل تغییر است.
به علت اینکه اتلاف داخلی باتری های سرب-اسید بالاست، پیشنهاد میکنیم از شارژر های 3 مرحله ای استفاده کنید. شارژر های معمولی در ابتدای دوره یعنی همان مرحله اول، با مد جریان ثابت شروع میکنند. همچنین ولتاژ شارژ باتری را پیوسته افزایش میدهند تا هنگامی که ولتاژ باتری به بیشینه ولتاژ شارژ برسد. در اینجا وارد مرحله دوم شارژ خواهیم شد و شارژر به مد ولتاژ ثابت تغییر حالت میدهد و همزمان روی جریان شارژ باتری نظارت میکند. در نهایت یعنی مرحله سوم به مد شناور(Floating mood) میرسیم. در این مرحله جریان شارژ حداکثر به 10 درصد جریان باتری محدود شده و ولتاژ شارژ باتری را نیز کاهش می دهد تا از اضافه شارژ شدن باتری جلوگیری شود. در نتیجه شارژ باتری نزدیک به 100 درصد باقی میماند. علت اینکه از باتری یک توان پیوسته ای کشیده میشود این است که تا حدودی اثر اتلاف توان خودی باتری جبران کنیم.
منحنی شارژ سه مرحله ای
الگوریتم شارژ باتری های لیتیومی
ولتاژ تنها یک سل باتری لیتیومی بین 3.2 تا 4.2 ولت و بیشینه جریان 1C می باشد. حتی اگر دو باتری از نظر شیمیایی کاملا مشابه در نظر بگیریم اما شرکت سازنده متفاوتی داشته باشد، ممکن است که جریان و ولتاژ شارژ آنها باهم فرق کند. برخلاف باتری سرب-اسید، باتری های لیتیومی در برابر ولتاژ زیاد تحملی ندارند و نیازی به مرحله سوم شارژ نیست. بنابراین مطابق شکل زیر، باتری های لیتیومی معمولا به صورت دو مرحله و بدون مرحله شناور شارژ میشود.
منحنی شارژ دو مرحله ای باتری
عدم تقارن سلول های یک بانک باتری لیتیومی، مشکلی بزرگ است. علت متقارن نبودن باتری ها این است که شرایط تولید ایده آلی وجود ندارد. بنابراین مقاومت سری معادل(ESR) سل های باتری لیتیومی ممکن است باهم منطبق نباشند. تفاوت بین سل های یک بانک ها باعث میشود که نرخ جریان و ولتاژ شارژ باتری های با هم متفاوت باشند. سلول هایی که پارامتر ESR آنها از همه کمتر است، سریع تر شارژ یا دشارژ میشوند. بنابراین عمر کمتری نسبت به باقی سل ها دارند و زودتر خراب میشوند. عدم تقارن سلول های باتری علاوه اینکه عمر مفید باتری ها کم میشود، ضریب لغزش گرمایی نیز افزایش پیدا میکند که بسیار خطر آفرین است. برای جلوگیری از این خطر، پیشنهاد میکنیم حتما از سیستم های مدیریت باتری(BMS) استفاده نمایید.
اصلی ترین کار BMS ، نظارت بر مراحل شارژ و متقارن سازی سلول هاست. عمل متقارن سازی BMS ها یا به صورت اکتیو انجام میشود یا پسیو. برای متقارن سازی به روش پسیو، از یک مقاومت توان بالا استفاده میکنیم و سلول های شارژ شده را از این طریق تخلیه میکند. این ایده قدرتمند و به نسبت طراحی ساده ای دارد اما یا بهره وری کمی یا در بعضی موارد هیچ صرفه ای ندارند. در مقابل، BMS های اکتیو، مراحل شارژ تک تک باتری ها را کنترل میکند. BMS های اکتیو تنها به منبع تغذیه AC/DC ولتاژ ثابت به عنوان شارژر نیاز دارند چرا که این سیستم به صورت جداگانه بر روی شارژ تمامی سلول ها نظارت کرده و آن ها را کنترل می نماید.
شارژر های هوشمند مین ول
همانطور که در بالا گفتیم حتی اگر دو باتری از نظر شیمیایی کاملا مشابه در نظر بگیریم اما شرکت سازنده متفاوتی داشته باشد، احتمال دارد مشخصه های متفاوتی داشته باشند. بنابراین پیشنهاد میشود(برای باتری های لیتیومی اجباری است) منحنی شارژ میبایست برای باتری ها بهینه شود تا از اطمینان و عمر طولانی و ایمنی ها مطمئن شویم. با استفاده از شارژر های برنامه پذیر مین ول، همراه با رابط SPB-001 میتوانید با انعطاف بیشتر و رابط کاربری عالی، منحنی شارژ را تغییر بدهید.
در ادامه یک مثال کاربردی از شارژهای HEP-1000 که اخیرا وارد بازار شده اند آورده ایم. تنظیمات پیش فرض HEP-1000-48 روی ولتاژ 48 ولت و توان بیشینه 1008 وات تنظیم شده است. با استفاده از پروگرامر SPB-001 شارژر HEP-1000-48 به رایانه متصل کردیم و مد شارژر آن را فعال نمودیم. منحنی پیش فرض شارژر، طبق شکل زیر منحنی آن، یک شارژر 3 مرحله ای که باتری های سرب-اسید موجود در بازار با ولتاژ 57.6 ولت و ولتاژ شناور 55.2 تنظیم شده است. ولتاژ و جریان شارژ به ترتیب بین 36 تا 60 ولت و 3.5 تا 17.5 آمپر قابل تنظیم است.
تنظیم منحنی در نرم افزار به صورت دو مرحله ای
به سادگی میتوان مد دو مرحله ای HEP-1000 را برای باتری های لیتیومی فعال نمود. در این قسمت قصد داریم تا تنظیمات فرضی یک باتری لیتیومی LiFePo4 با حداکثر ولتاژ شارژی 56 ولت ، 20 آمپر ساعت را شارژ نماییم. گزینه حالت های CC و CV در نرم افزار مطابق شکل زیر قابل مشاهده است. برای مد شارژ سریع یا همان fast charge آن ها را میتوانیم روی 56 ولت و 17.5 آمپر به ترتیب تنظیم نماییم. البته میتوانید جریان کمتری در نظر بگیرید زیرا که جریان بالاتر باعث افزایش دما خواهد شد. همچنین با در نظر گرفتن ولتاژ شارژ کمتر، احتمال وقوع اضافه شارژ کاهش می یابد.
تنظیم منحنی در نرم افزار به صورت دو مرحله ای
نتیجه گیری:
در نتیجه شارژ های برنامه پذیر مین ول قابل انطباق و شخصی سازی با هر منحنی شارژ و هر نوع باتری سرب-اسید یا لیتیومی هستند. تغییر ولتاژ و جریان به هنگام تغییر دمای باتری باعث میشود که باتری ها سالم تر بمانند و از ظرفیت آن ها بیشترین استفاده را نماییم.
منبع :
https://meanwelliran.com/complete-npb-1200/
