S-2302 : حرارت قاتل عمر باتری؛ بررسی تأثیر حرارت بر عمر باتری

S-2302 : حرارت قاتل عمر باتری؛ بررسی تأثیر حرارت بر عمر باتری

How heat and harsh loading reduces battery life

حرارت قاتل باتری‌ها است. حرارت، اصلی‌ترین دلیل کاهش عمر باتری است. اما همیشه نمی‌توان از دماهای بالا جلوگیری کرد. مثلاً در موقعیت‌هایی مثل باتری‌هایی که در لپ‌تاپ‌ها استفاده می‌شوند، باتری راه‌اندازی که زیر کاپوت خودرو قرار دارد و باتری‌های ثابتی که درون حفاظ نازکی زیر آفتاب داغ قرار می‌گیرند. هر 10 درجه افزایش دما، سبب کاهش طول عمر باتری‌ سیلد لید اسید به نصف مقدار اولیه می‌شود.

باتری سرب-اسیدی برای استفاده در موقعیت‌های ثابت که انتظار می‌رود در دمای معمولی به مدت ۱۰ سال دوام داشته باشد، اگر همیشه در معرض دمای زیاد قرار بگیرد، به مدت 5 سال و اگر همیشه در معرض دمای بیابان باشد، به اندازه ۳۰ ماه دوام می‌آورد. وقتی باتری بر اثر حرارت آسیب ببیند، ظرفیت آن قابل بازیابی نیست. در این مقاله قصد بررسی تأثیر حرارت بر طول عمر باتری را داریم.

تأثیر حرارت بر کاهش عمر باتری

بنابر مطالعه انجام شده به وسیله انجمن بین‌المللی باتری در سال ۲۰۱۰ درباره حالت‌های خرابی مختلف، باتری‌های راه‌انداز مقاومت بیشتری در برابر حرارت دارند. داده‌های آماری نشان می‌دهند که در سال ۱۹۶۲، باتری راه‌انداز ۳۴ ماه دوام می‌آورد؛ پیشرفت‌های فنی باعث شد که انتظار طول مدت کارکرد باتری در سال ۲۰۰۰ به ۴۱ ماه افزایش یابد. انجمن بین‌المللی باتری در سال ۲۰۱۰ گزارش داد که عمر میانگین باتری‌های راه‌انداز ۵۵ ماه است و این میزان برای هوای سردتر ۵۹ ماه و برای هوای گرم‌تر ۴۷ ماه است. شنیده‌ها از سال ۲۰۱۵ حاکی از این است که قرار دادن باتری در صندوق عقب خودرو به جای قرارگیری آن در کنار موتور خودرو، سبب افزایش یک ساله طول عمر آن شده است.

عمر باتری به فعالیت آن نیز بستگی دارد و اگر باتری بر اثر دشارژهای (تخلیه یا خالی شدن شارژ) مکرر تحت تنش قرار گیرد، عمر مفید آن کاهش می‌یابد. روشن کردن موتور خودرو چند مرتبه در روز تنش کمی را به باتری راه‌انداز اعمال می‌کند؛ اما این وضعیت برای عملکرد راه‌اندازی-توقف خودروهای میکروهیبرید فرق می‌کند. خودروی میکروهیبرید موتور احتراق داخلی را هنگام توقف پشت چراغ قرمز خاموش می‌کند و وقتی ترافیک دوباره جریان می‌یابد، آن را مجدداً روشن می‌کند؛ که نتیجه آن انجام ۲۰۰۰ میکروسیکل در سال است. داده‌های به دست آمده از تولید کننده‌ها، افت ظرفیتی 50 درصدی پس از ۲ سال را نشان می‌دهند.

خودروسازان برای افزایش طول عمر باتری، از AGM ویژه یا انواع دیگر استفاده می‌کنند.

شکل ۱ – افت ظرفیت از ۱۰۰ به ۵۰ درصد پس از مواجه باتری با ۷۰۰ میکروسیکل را نشان می‌دهد. آزمایش شبیه‌سازی شده راه‌اندازی–توقف در آزمایشگاه‌های شرکت کدکس انجام شده است. مقدار CCA  بالا باقی می‌ماند و بعد از ۲۰۰۰ سیکل شاهد کاهش آن خواهیم بود.

در حالت اتصال سری، ولتاژ تمام سلول‌ها باید یکسان باشد و این موضوع برای سیستم‌های بزرگ و ثابت باتری بسیار مهم است. با گذشت زمان، سلول‌ها از این حالت خارج می‌شوند؛ اما با اعمال شارژ یکنواخت‌سازی، در هر دوره ۶ ماهه و یا در همین حدود، سلول‌ها به سطوح ولتاژ یکسان برمی‌گردند.

چیزی که انجام اینکار را بسیار دشوار می‌کند، ارائه راهکار اصلاحی برای هر یک از سلول‌ها است. یکنواخت‌سازی باعث تقویت سلول‌های نیازمند به اصلاح می‌شود؛ اما اگر شارژ یکنواخت‌سازی بدون دقت صورت گیرد، سلول‌های سالم دچار تنش می‌شوند. باتری‌های ژلی و AGM نسبت به باتری‌های غرق‌آبی تحمل کمتری نسبت به اورشارژ دارند و شرایط یکنواخت‌سازی متفاوتی برای آن‌ها اعمال می‌شود.

باتری‌های سرب-اسیدی غرق‌آبی یکی از باتر‌های با قابلیت اطمینان هستند و بهترین کاربرد را برای آب و هوای گرم دارند. این باتری‌ها، با نگهداری مناسب تا ۲۰ سال عمر می‌کنند. از معایب آن‌ها هم نیاز به آب‌رسانی و تهویه مناسب است.

وقتی که باتری‌های سرب-اسیدی با شیر تنظیم در دهه ۱۹۸۰ معرفی شدند، تولید کنندگان ادعا داشتند طول عمر مورد انتظار آن‌ها مشابه با سیستم‌های غرق‌آبی است و صنعت مخابرات ترغیب شد که این باتری‌های فارق از نگهداری را جایگزین کند. در اواسط دهه ۱۹۹۰ مشخص شد که عمر این باتری‌ها به اندازه نوع غرق‌آبی نیست؛ عمر مفید متداول باتری‌های سرب-اسیدی با شیر تنظیم ۵ تا ۱۰ سال است که کمتر از نصف طول عمر باتری‌های غرق‌آبی است. همچنین مشخص شد که قرارگیری باتری سرب-اسیدی با شیر تنظیم (Valve Regulated) در معرض دماهای بالاتر،  می‌تواند منجر به کاهش غیر قابل کنترل عمر باتری و خشک شدن آن شود.

خرابی‌های باتری‌ خودروها در آمریکای شمالی

مطالعه حالت‌های خرابی در سال ۲۰۰۵ توسط داگلاس، ایست پن، اکساید تکنولوجیز و جانسون کنترلز انجام شد. مجموعه باتری‌ها شامل ۲۶۸۱ باتری بود که بین سال‌های ۲۰۰۳ و ۲۰۰۴ آزمایش شدند. نکات برجسته این مطالعه عبارتند از:

• عمر باتری به طور میانگین ۵۰ ماه است. این مقدار نسبت به سال‌های پیش که برابر با ۴۱ ماه (۲۰۰۰) و ۳۴ ماه (۱۹۶۲) بود، بهتر است. بهبود مواد، سبب افزایش طول عمر باتری‌ها شده است.
• باتری‌ها در نواحی شمالی و جنوبی آمریکا، طول عمر متفاوتی دارند. باتری‌ها در آب و هوای گرم‌تر، مرگی زودتر از باتری‌های آب و هوای سرد را تجربه می‌کنند. به شکل ۲ مراجعه کنید.
• اتصال کوتاه سلول‌ها و خرابی شبکه‌ها، دلایل اصلی خرابی باتری‌ها در این بررسی اعلام شدند.

شکل ۲ – حالت خرابی به عنوان تابعی از ناحیه دمایی.

باتری‌های استفاده شده در منطقه شمال آمریکای شمالی، طول عمری بیشتر از باتری‌های استفاده شده در جنوب دارند.

منبع: مطالعه انجام شده توسط شرکت‌های داگلاس، ایست پن، اکساید تکنولوجیز و جانسون کنترلز.

خرابی باتری‌های خودرو در اروپا

شکل ۳ به طور خلاصه، توزیع حالت‌های خرابی بیش از ۸۰۰ باتری راه‌انداز AGM  را نشان می‌دهد که به وسیله بخش EMEA جانسون کنترلز پاور سولوشنز انجام شده است. این نتایج در شرکت AABC اروپا در سال ۲۰۱۷ و شهر ماینز کشور آلمان ارائه شدند.

منبع: جانسون کنترلز پاور سولوشنز EMEA در شرکت AABC اروپا در سال ۲۰۱۷ و شهر ماینز کشور آلمان

شکل ۳ – تحلیل حالت‌های خرابی در اروپا. بیشترین خرابی به خاطر از دست رفتن جرم به عنوان تابعی از میزان مصرف است که به صورت کم شدن ظرفیت و افزایش مقاومت داخلی بازتاب یافته است.

جدول ۴ – به طور خلاصه دلایل خرابی به دست آمده از مطالعه JCI را نشان می‌دهد.

جدول ۴ –  علت خرابی بر حسب درصد برای بیش از ۸۰۰ باتری AGM در پایان چرخه عمر.

مطالعه بالا که توسط JCI برای تعیین علت پایان چرخه عمر باتری‌ها انجام شده، مشابه با نتایج آزمایش انجام شده به وسیله خودروساز لوکس کشور آلمان در سال ۲۰۰۷ است که شامل ۱۷۵ باتری راه‌انداز بود. در این آزمایش، باتری‌های خراب شده بر اثر حرارت (مقاومت داخلی بالا) حذف شده و نتایج در شکل ۵ ترسیم شده‌اند. محور افقی بیانگر ظرفیت است؛ مقاومت داخلی مرتبط با CCA روی محور عمودی ترسیم شده است. CCA مطابق با استانداردهای DIN و IEC اندازه‌گیری شده است.

پایان چرخه عمر بیشتر باتری‌ها، با عبور از خط ظرفیت قرار گرفته در سمت چپ کادر سبز در شکل ۵ رخ می‌دهد. باتری‌های خیلی کمی هستند که با رسیدن به پایین خط CCA خراب شده باشند. افت ظرفیت به خاطر استفاده معمول رخ می‌دهد که عمدتاً ناشی از تلفات ماده فعال است. توان کمکی مثل راه‌اندازی-توقف، المنت‌های حرارتی و باز و بسته شدن درب‌های مکانیکی سبب تسریع تلفات ظرفیت می‌شود. افزایش مقاومت داخلی از اثرات جانبی تلفات ماده فعال است؛ اما برآورد ظرفیت، یک شاخص قابل اطمینان‌تر برای تشخیص پایان عمر باتری است. این موارد برای باتری‌های قرار گرفته در ناحیه خاکستری مشخص شده‌اند.

شکل ۵ –  ظرفیت و CCA مربوط به ۱۷۵ باتری راه‌انداز کهنه.

بیشتر باتری‌ها از خط ظرفیت عبور می‌کنند؛ تعداد بسیار کمی از آن‌ها به خاطر CCA پایین خراب می‌شوند. باتری‌ها در صندوق عقب خودرو نصب شده بودند و در آب و هوایی معتدل بکار رفته‌اند.

نکته: این آزمایش به وسیله یکی از خودرسازان لوکس آلمان انجام شده است. باتری‌های آسیب دیده از حرارت، حذف شده‌اند.

روش آزمایش: ظرفیت و CCA مطابق با استانداردهای DIN و IEC آزمایش شده‌اند.

دیدگاه‌ها

برخی از سازنده‌های تسترهای باتری، ادعا می‌کنند تنها با خواندن مقاومت داخلی ظرفیت را اندازه‌گیری می‌کنند. ویژگی‌های تبلیغاتی که خارج از گستره قابلیت‌ها‌ی تجهیزات هستند، صنعت را به این اشتباه انداخته‌اند که آزمایش‌های پیچیده را می‌توان با روش‌های ساده انجام داد. ابزارهای مبتنی بر مقاومت می‌توانند باتری در حال مرگ یا مرده را شناسایی کنند؛ اما یک کاربر با عملکرد راه‌اندازی ضعیف نیز دقیقاً همین کار را می‌کند.

پیشنهاد : خود تخلیه باتری؛ پایان عمر باتری!

منبع : باتری یونیورسیتی