باتریها و شارژ آنها در لیفتراک ها و ماشین های برقی

سلام من محمد امین یادگاری دانشجوی  مهندسی برق هستم و در این مقاله در مورد باتریها و شارژ آنها در ماشینهای برقی و لیفتراک ها تحقیق میکنم.

یکی از چالش های ماشین های برقی نحوه انرژی رسانی به آنها است و شرکت ها سعی در پیدا کردن بهینه ترین روش ها را برای شارژ و نگهداری نیروی الکتریکی را دارند. ما در این مقاله یکی از ساده ترین روش‌ها را ارایًه خوایم داد در ابتدا به سراغ باتری ها میرویم جایی که منبع انرژی ماشین ما خواهد بود برای ساده تر کردن مفاهیم باتری ها را به دو دسته قابل شارژ و غیر قابل شارژ تقسیم بندی میکنیم واضح است که باتری های غیر قابل شارژ مناسب برای استفاده در این صنعت نمی باشند اما برای باتری های قابل شارژ به 4 مثال میپردازیم.

باتری های نیکل کادمیم :

نوعی از باتری های قابل شارژ هستند که در آن از نیکل اکسید و کادمیم بصورت فلز به عنوان الکترود استفاده میشود این باتری ها توسط والدمار جانگنر، مهندس سویًدی در سال 1899 اختراع گردید.

مصرف عمده این باتری ها در لوازم الکترونیکی است. سرعت دشارژ این باتری ها نسبت به سایز آنها بستگی دارد.

ولتاژ سلول باتری نیکل:

سلول های نیکل کادمیم ولتاژ تقریبی 1.2 ولت را دارد و هنگام تخلیه به ولتاژ 0.9 ولت میرسد و این باتری ها تقریبا افت ولتاژ ناچیزی دارد.

شارژ:

سرعت شارژ این باتری ها نسبت به ساختار آن متفاوت است و جریان شارژ باتری معمولا متناسب با ظرفیت نامی باتری است و میتواند از 0.1 آمپر ساعت نامی تا 4برابر آمپر ساعت نامی باشد که البته بسیار کم استفاده میشود.

فرآیند شارژ این باتری ها گرماگیر است و هنگام شارژ دمای این باتری ها افزایش میابد.

اضافه شارژ:

سلول های نیکل کادمیم دارای مخزن تحت فشار هستند که گازهای اکسیژن و هیدروژن را قبل از اینکه بتوانند دوباره به آب ترکیب شوند را دربرمیگیرد از آنجایی که تولید این گازها بطور متعارف طی شارژ و تخلیه سریع و در شرایط اضافه شارژ اتفاق می افتد و اگر فشار بیش از حد باشد دریچه اطمینان باز میشود و این باعث کم شدن ظرفیت سلول‌ها می‌شود .

باتری های نیکل متال:

این باتری از دسته باتری های قابل شارژ است این باتری میتواند دو تا سه برابر باتری های نیکل ظرفیت داشته باشد همینطور چگالی انرژی آنها به میزان قابل توجهی از باتری های نیکل بالاتر است.

شارژ:

ولتاژ شارژ این باتری ها بین 1.4-1.6 ولت است و بطور کلی برای شارژ اتوماتیک نمیتوان از روش شارژ ولتاژ ثابت استفاده کرد و هنگام شارژ سریع توصیه می‌شود سلول‌های نیکل متال را با یک شارژر هوشمند شارژ کنید تا از شارژ بیش از حد جلوگیری کند. بیشتر از حد مجاز شارژ شدن آنها باعث آسیب رسیدن به باتری ها می‌شود.

دشارژ:

یک سلول کاملاً شارژ شده در حین تخلیه بطور متوسط 1٫25 ولت در هر سلول را تأمین میکند و به حدود 1٫0-1٫1 ولت در سلول کاهش میابد.

باتری های یون لیتیوم:

این باتری از نوع قابل شارژ است که در زمان تخلیه یون های لیتیوم از الکترود منفی به سمت مثبت و در هنگام شارژ شدن در خلاف جهت حرکت میکند. امروزه کاربرد آنها در صنعت هوافضا بطور چشمگیری افزایش پیدا کرده است.

این نوع باتری ها بالاترین چگالی انرژی باتری ها را فراهم میکند و این باتری در مقایسه با باتری های قبل 3-5 برابر وزن و حجم کمتری دارد اما ایمنی آن‌ها نسبت به باتری های نیکل متال کمتر است.

نکته منفی دیگری که در این باتری ها وجود داشت این بود که باتری ها زود آتش میگرفتند اما این نکته در نسخه های جدیدتر این باتری ها اصلاح شد.

این باتری چگالی انرژی بالایی دارد اما دارای خود تخلیه ای هستند که این نرخ در هر ماه بین 1٫5-2 درصد میباشد.

باتری های سرب اسید:

این باتری در سال 1859 توسط گاستون پارانته فرانسوی اختراع شد.

این باتری انرژی کمتری نسبت به وزن و حجمی که دارد ذخیره میکند اما بدلیل هزینه بسیار پایین آن، در وسایل نقلیه مورد استفاده قرار میگیرد. بطور کلی باتری سرب اسید را میتوان متشکل از 4 بخش کلی دانست:

الکترود یا صفحات مثبت که به آنها کاتد نیز گفته می‌شود. الکترونها در حین دشارژ، جذب این قطب ها یا صفحات می‌شوند.

در باتری های سرب اسیدی ماده شیمیایی عمده تشکیل‌دهنده صفحات مثبت، اکسید سرب میباشد.

الکترود یا صفحات منفی که به آنها آند هم گفته می‌شود. الکترونها در حین دشارژ از این قطب خارج می‌شوند.

ماده تشکیل‌دهنده الکترود های منفی سرب است. لازم به ذکر است که سرب یا اکسید آن از لحاظ مکانیکی قابلیت فرم گیری مناسب ندارند و به این مواد، مواد فعال میگویند زیرا در اصل واکنش شیمیایی داخل باتری به کمک سرب اکسید آن صورت میگیرد.

ولتاژ شارژ این باتریها 2٫45 ولت و ولتاژ تخلیه آنها 1٫85 ولت میباشد.

حال که کمی با انواع باتری های مدنظر آشنا شدیم جلوتر می‌رویم و درمورد نحوه شارژ کردن باتری مورد نظر به مباحثه میپردازیم.

نحوه شارژ کردن

ساده ترین روش برای شارژ کردن باتری سرب اسید استفاده از یک ترانسفورماتور برای منبع ولتاژ است که بتوانیم بوسیله یک پل دیود خروجی ترانس را یک‌سو کنیم. در اینجا باید بگویم در این روش نیازی به رفع ریپل خروجی نداریم و از ریپل ها بهترین استفاده را میکنیم. نوسانی که در ولتاژ خروجی پل دیود ما وجود دارد باعث حرکت ضربه‌ای ولتاژ بسمت الکترود ها می‌شود و این امر از سولفاته شدن الکترود ها جلوگیری میکند.

این روش دارای یک چالش است. باتری ما ممکن است در دو حالت شارژ شود: 1- زمانی که کاملاً خالی میباشند 2- زمانی که شارژ دارند

زمانی که باتریها کاملاً خالی میباشند اخلاف ولتاژ ما در ماکسیمم خود قرار دارد بنابراین جریانی که از ترانس کشیده می‌شود هم در حالت ماکسیمم است.

زمانی که باتری بطور مثال نیمه شارژ باشد در این حالت اختلاف ولتاژ کمتری نسبت به حالت قبل وجود دارد و بدلیل ثابت بودن مقاومت‌ها جریانی که از ترانس کشیده می‌شود کمتر است.

این اختلاف جریان میتواند به سیستم آسیب برساند و برای جلوگیری از این مشکل روش‌های متعددی وجود دارد مثل استفاده از ترانزیستور یا رگولاتور اما ما سعی در ارایُه ساده ترین روش داریم.

برای رفع این اختلاف ولتاژ ما میتوانیم از یک مقاومت محدود کننده استفاده کنیم و میتوانیم این مقاومت را با ایجاد تلفات بیشتر در ترانسفورماتور ایجاد کنیم و در ساده ترین حالت فرایند شارژ را انجام دهیم.

ارزیابی

حال با توجه به روش ارایُه شده باید باتری مورد نظر خود را بیابیم.

از اولین باتری شروع میکنیم

ارزیابی باتری های نیکل کادمیم

اگر بطور مثال باتری با 700 میلی آمپر ساعت در نظر بگیریم شارژ کردن این باتریها با این روش در حالت امن (0.1 آمپر ساعت نامی) برابر با 70 میلی آمپر ساعت خواهد بود و در حالت ماکسیمم و خطرناک برابر با 700 میلی آمپر ساعت خواهد بود اما در این باتری زمان شارژ شدن بسیار مهم است و اگر زمان شارژ شدن باتری با قطع شدن ولتاژ ورودی زیاد باشد منجر به آسیب دیدن باتری می‌شود و در نهایت خراب می‌شود اما برای این کار میتوان از منبع ولتاژ با ولتاژ شارژ شده باتری استفاده کرد تا در زمان شارژ شدن باتری اختلاف بتانسیل تقریباً برابر با صفر شود.

ارزیابی باتری های نیکل متال

این باتری ها را بهتر است با این روش شارز نکنیم چون در این روش روی مدت زمان شارژ شدن کنترلی نداریم و باتری های نیکل متال به سرعت دچار افزایش حرارت می‌شوند و ممکن است دچار آسیب های جدی شوند میتوان برای این امر مثل روش قبل عمل کرد اما این باتری ها بدلیل فلز بکار رفته در مواد شیمیایی که دارند حساسیت بشدت بیشتری نسبت به باتری های نیکل کادمیم دارد و سریعتر داغ میشوند.

ارزیابی باتری های یون لیتیومی

برای شارژ باتری های یون لیتیومی اصلاً بیشنهاد نمیشود زیرا این باتری ها به دامنه ولتاژ حساسیت بالایی دارند و ما در این روش از دامنه ولتاژ کمی بهره نمی بریم بنابراین این روش در این باتری ها به سرعت منجر به آسیب دیدگی و در نهایت منجر به آتش گرفتگی میشود.

ارزیابی باتری های سرب اسید

این باتریها نسبت به باتری های قبل حساسیت کمتری دارند.  توان تحمل دامنه ولتاژ و جریان بیشتری را نسبت به موارد قبل دارند اما به هرحال دامنه ولتاژ و جریان منجر به آسیب دیدن این باتریها نیز می‌شود. اما میتوان از این روش برای این باتری ها استفاده کرد. این دسته از باتری مانند تمامی باتری های دیگر در صورت استفاده از نرخ دشارژ 1C یا بالاتر، دمای داخلی اش بالا می رود و عمرش بشدت کاهش می یابد.

موارد خاص

در موارد خاصی که دمای هوا بشدت کم است برای اینکه بتوانند در دمای کم ولتاژ ثابت داشته باشند از باتری های نیکل کادمیم استفاده میکنند. در تکنولوژی روز دنیا استفاده از باتری های لیتیومی مطرح است. بخصوص باتری لیتیوم فرو فسفات به علت ایمنی بالاتر آن و کمتر بودن احتمال آتش سوزی و انفجار. این باتری ها به آرامی در حال رایج شدن در این صنعت هستند و میتوان گفت در آینده نه چندان دور از این باتری ها بیشتر استفاده خواهیم کرد.

در مواقعی از ابر خازن ها استفاده شده است اما هنوز به مرحله استفاده رایج صنعتی نرسیده‌اند.

میدانیم که باتری های لیتیومی برای شارژ به دقت بالایی نیاز دارند اما باتریهای سرب–اسید کمتر به چنین دقتی نیاز دارند.

تا اینجا تحقیقات اولیه من بود برای اینکه بفهمم در صنعت خودروهای برقی از چه تجهیزاتی برای شارژ و نگهداری نیرو الکتریکی استفاده می‌شود.

خیلی زود متوجه شدم در صنعت خودروهای حمل و نقل در انبارها و کارخانه ها مثل لیفتراک ها یدک کش ها ریچتراک ها و …. بیشتر از باتری های سرب–اسید استفاده می‌شود.

در مقاله های بعدی در مورد شارژ باتری های سرب–اسید و سیستم‌های لازم دیگر برای شارژ کردن این باتریها می پردازم.