روش‌هایی برای افزایش طول عمر باتری‌های شارژی لیتیوم یونی / بخش دوم

روش‌های صحیح شارژ باتری لیتیوم یونی

در بخش اول این مطلب آموزشی، به روش‌هایی برای نگهداری و استفاده صحیح از باتری‌های لیتیوم یونی پرداختیم. در بخش دوم و پایانی به روش‌های صحیح شارژ و انتخاب شارژر مناسب این باتری‌های پرکاربرد پرداخت خواهد شد.

روش توصیه شده برای شارژ باتری لیتیوم یون این است که یک جریان ثابت با ولتاژ محدود ± 1٪ به باتری متصل شود، تا زمانی که باتری به طور کامل شارژ شود. روش‌های مورد استفاده برای تعیین زمان شارژ کامل باتری شامل زمان‌بندی کل زمان شارژ، نظارت بر جریان شارژ یا ترکیبی از این دو است.

روش اول یک جریان ثابت ولتاژ محدود را اعمال می کند که از C/2 تا 1C به مدت 2.5 تا 3 ساعت متغیر است، این روش باتری را تا 100 درصد شارژ می‌کند. همچنین می‌توان از جریانی کمتر استفاده کنید، اما در این حالت شارژ کامل باتری به زمان بیشتری نیاز دارد.

روش دوم مشابه روش اول است، اما نیاز به نظارت بر جریان شارژ دارد. همانطور که باتری شارژ می‌شود، ولتاژ افزایش می‌یابد، دقیقا مانند روش اول. هنگامی که به حد مجاز ولتاژ برنامه‌ریزی شده می‌رسد (که ولتاژ شناور نیز نامیده می‌شود) جریان شارژ شروع به کاهش می‌کند.

هنگامی که باتری حدود 50٪ تا 60٪ شارژ شد، ولتاژ شارژ شروع به افت می‌کند. این پروسه (ولتاژ شناور) تا زمانی اعمال می‌شود که جریان شارژ به سطح کافی پایین (C/10 تا C/20) برسد، در این زمان باتری تقریباً 92٪ تا 99٪ شارژ شده و چرخه شارژ به پایان می‌رسد. در حال حاضر، هیچ روش مطمئنی برای شارژ سریع (کمتر از یک ساعت) باتری استاندارد لیتیوم یون (با ظرفیت 100٪) وجود ندارد.

اعمال ولتاژ مداوم به باتری پس از شارژ کامل توصیه نمی‌شود، زیرا باعث تسریع کاهش ظرفیت دائمی شده و ممکن است باعث ذوب شدن فلز لیتیوم داخل باتری شود. این امر می‌تواند به یک اتصال کوتاه داخلی تبدیل شود که منجر به گرم شدن بیش از حد باتری و ناپایداری حرارتی باتری می‌شود.

برخی از شارژرهای باتری لیتیوم یون از یک ترمیستور (ابزار مقاوم در مقابل برق) برای نظارت بر دمای باتری استفاده می‌کنند. هدف اصلی این امر، جلوگیری از شارژ شدن در صورتی است که دمای باتری خارج از محدوده توصیه شده 0 تا 40 درجه سانتی‌گراد باشد. البته در نظر داشته باشید که برخلاف باتری‌های نیکل کادمیوم Ni-Cd یا باتری‌های نیکل هیدرید فلز Ni-MH، دمای باتری‌های لیتیوم یون هنگام شارژ بسیار کم افزایش می‌یابد.

عامل اصلی تعیین کننده ولتاژ شناور، پتانسیل الکتروشیمیایی مواد فعال مورد استفاده در کاتد باتری است که برای لیتیوم تقریباً 4 ولت است. ترکیبات شیمیایی دیگر این ولتاژ را افزایش یا کاهش می‌دهد. فاکتور دوم، تعادل بین ظرفیت سلول، عمر چرخه، عمر باتری و ایمنی است.

اکثر تولیدکنندگان باتری‌های لیتیوم یون ولتاژ شناور 4.2 ولت را به عنوان بهترین تعادل بین ظرفیت و عمر چرخه تعیین کرده‌اند. با استفاده از 4.2 ولت به عنوان حد ولتاژ ثابت (ولتاژ شناور)، یک باتری معمولاً می تواند حدود 500 چرخه شارژ/دشارژ را قبل از کاهش ظرفیت باتری به 80 درصد ارائه دهد. (یک چرخه شارژ شامل شارژ کامل تا تخلیه کامل است) تخلیه‌های کم عمق به یک چرخه شارژ کامل اضافه می‌شود. (بطور مثال سه بار چرخه تخلیه / شارژ ۳۰٪ برابر با یک بار تخلیه / شارژ کامل است)

سازندگان باتری روش شارژ و ولتاژ شناور را مشخص می‌کنند که کاربر باید برای برآورده کردن مشخصات باتری از نظر ظرفیت، عمر چرخه و ایمنی استفاده کند. شارژ بیش از ولتاژ شناور توصیه شده توصیه نمی‌شود. بسیاری از باتری‌ها دارای مدار حفاظتی بسته باتری هستند که در صورت تجاوز از حداکثر ولتاژ باتری، به طور موقت اتصال باتری را قطع می‌کند. پس از قطع شدن، اتصال بسته باتری به شارژر معمولاً محافظ بسته را بازنشانی می‌کند. بسته‌های باتری اغلب دارای ولتاژ چاپ شده روی باتری هستند، مانند 3.6 ولت برای باتری تک سلولی. این ولتاژ ولتاژ شناور نیست، بلکه میانگین ولتاژ باتری در هنگام تخلیه باتری است.

انتخاب و خرید شارژر باتری لیتیوم یون مناسب

اگرچه شارژر باتری عموما هیچ کنترلی بر عمق تخلیه باتری، جریان تخلیه و دمای باتری ندارد، (مواردی که همگی بر عمر باتری تأثیر می‌گذارند) اما بسیاری از شارژرها دارای ویژگی‌هایی هستند که می‌توانند عمر باتری را افزایش دهند.

نقش شارژر باتری در افزایش طول عمر باتری عمدتاً با ولتاژ شناور شارژر و روش پایان شارژ تعیین می‌شود. بسیاری از شارژرهای لیتیوم یون دارای ولتاژ شناور ثابت 1% (یا کمتر) 4.2 ولت هستند، اما برخی از شارژرهای 4.1 ولت و 4 ولت ولتاژ شناور قابل تنظیم هم وجود دارد. استفاده از شارژرهای باتری که دارای ولتاژ شناور کاهش یافته هستند، می‌تواند عمر باتری را برای شارژ باتری لیتیوم یونی 4.2 ولت افزایش دهد.

شارژرهای باتری که گزینه‌های ولتاژ شناور پایین تری را ارائه نمی‌دهند نیز می‌توانند عمر باتری را افزایش دهند. شارژرهایی که حداقل روش‌های خاتمه جریان شارژ (C/10 یا C/x) را ارائه می‌کنند، می‌توانند با انتخاب سطح صحیح شارژ-جریان برای پایان چرخه شارژ، عمر باتری طولانی‌تری را فراهم کنند.

سطح پایانی C/10 تنها ظرفیت باتری را تا حدود 92 درصد افزایش می‌دهد، اما عمر چرخه آن افزایش می‌یابد. سطح پایانی C/5 می تواند عمر چرخه را دو برابر کند، اگرچه ظرفیت شارژ باتری حتی تا حدود 85٪ کاهش می‌یابد. تعدادی از آی‌سی‌های شارژر حالت پایان شارژ C/10 (آستانه 10 درصد جریان) یا C/x (آستانه جریان قابل تنظیم) را ارائه می‌دهند.

زمان کارکرد در مقابل عمر باتری لیتیوم یونی

با فناوری فعلی باتری و بدون افزایش اندازه باتری، نمی‌توانید هم زمان کار طولانی‌تر و هم عمر باتری طولانی‌تری داشته باشید. برای حداکثر زمان کارکرد، شارژر باید باتری را تا 100 درصد ظرفیت شارژ کند. این ولتاژ باتری را نزدیک به ولتاژ شناور توصیه شده سازنده قرار می‌دهد که معمولاً 1 ± 4.2 ولت است. متأسفانه، شارژ و نگهداری باتری در نزدیکی این سطوح عمر باتری را کوتاه می‌کند. یک راه حل این است که ولتاژ شناور کمتری را انتخاب کنید، که باتری را از دستیابی به 100 درصد شارژ منع می‌کند، اگرچه این امر به باتری با ظرفیت بالاتر برای ارائه همان زمان کار نیاز دارد. البته، در بسیاری از وسایل قابل حمل، باتری با اندازه بزرگتر ممکن است گزینه مناسبی نباشد.

همچنین استفاده از روش خاتمه جریان شارژ حداقل C/10 یا C/x می‌تواند تأثیری مشابه با استفاده از ولتاژ شناور پایین‌تر بر عمر باتری داشته باشد. کاهش ولتاژ شناور به میزان 100 میلی ولت، ظرفیت را تقریباً 15 درصد کاهش می‌دهد، اما می‌تواند عمر چرخه را دو برابر کند. در عین حال، پایان دادن به چرخه شارژ زمانی که جریان شارژ به 20٪ کاهش یافته است (C/5) نیز ظرفیت را تا 15٪ کاهش‌می دهد و به همان میزان دوبرابر عمر چرخه دست می‌یابد.

همانطور که انتظار می‌رود، در هنگام تخلیه، ولتاژ باتری به آرامی کاهش می‌یابد. مشخصات ولتاژ تخلیه در مقابل زمان به عوامل مختلفی از جمله جریان تخلیه، دمای باتری، عمر باتری و نوع ماده آنُد استفاده شده در باتری بستگی دارد. در حال حاضر، بیشتر باتری‌های لیتیوم یونی از مواد کُک مبتنی بر نفت یا گرافیت استفاده می‌کنند. مواد گرافیتی که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولتاژ تخلیه مسطح‌تری بین 20 تا 80 درصد ظرفیت تولید می‌کند، سپس به سرعت نزدیک به انتها کاهش می‌یابد، در حالی که آند کک دارای شیب ولتاژ تندتر و پایین‌تر است. ولتاژ قطع 2.5 ولت ظرفیت تقریبی باقیمانده باتری را با اندازه‌گیری ولتاژ باتری با مواد کک ساده‌تر می‌توان تعیین کرد.

برای افزایش ظرفیت، باتری‌های لیتیوم یون (Li-ion) اغلب به صورت موازی متصل می‌شوند. برای اتصال موازی، نیازی به کار خاصی نیست، باتری‌ها باید همان شیمی، سازنده و اندازه باشند. باتری‌های متصل شده به صورت سِری، نیاز به مراقبت بیشتری دارند زیرا تطبیق ظرفیت باتری و مدارهای متعادل کننده باتری اغلب برای اطمینان از رسیدن هر باتری به ولتاژ شناور یک‌سان و همان سطح شارژ مورد نیاز است.

اتصال دو باتری (که دارای مدار محافظ بسته جداگانه هستند) به صورت سری توصیه نمی‌شود زیرا عدم تطابق ظرفیت می‌تواند منجر به رسیدن یک باتری به حد مجاز اضافه ولتاژ شود و در نتیجه اتصال باتری باز شود. بسته‌های باتری چندتایی باید به همراه مدارهای حفاظتی مناسب از سازنده باتری خریداری شوند.

منبع: Power Electronics