أساسيات البطاريات والشواحن

مرجع فني --- أساسيات الشواحن والبطاريات
يُولّد التوسع المستمر لسوق المعدات المحمولة طلبًا متزايدًا على تحسين أداء البطاريات وعمرها التشغيلي. ولتلبية هذه المعايير، ازدادت سعة وقدرة الخلايا القابلة لإعادة الشحن بشكل مطرد، بدءًا من طرح بطاريات النيكل والكادميوم (NiCd) التجارية وبطاريات الرصاص الحمضية المغلقة (SLA) في ستينيات القرن الماضي، وصولًا إلى طرح تقنيات هيدريد النيكل المعدني (NiMH) وأيونات الليثيوم (Li-I أو Li+) مؤخرًا. لكل نوع من الخلايا مزاياه، ولكن قرار استخدام أي منها في تطبيق معين قد يعتمد على الاعتبارات الاقتصادية بقدر ما يعتمد على الكفاءة التقنية.

أساسيات البطارية
يوضح الجدول بعض خصائص التشغيل والشحن لأكثر أنواع الخلايا الثانوية شيوعًا. يختلف الأداء باختلاف الشركة المصنعة، لذا يُرجى استخدام هذه البيانات للإرشاد فقط. تختلف معدلات الشحن القصوى المسموح بها، ولكن بناءً على ذلك وسعة الأمبير/ساعة (C) للخلية، يُمكن حساب أوقات الشحن السريع وفقًا للصيغ الموضحة. تجدر الإشارة إلى أن هذه قواعد عامة، مبنية على خبرة واسعة، وأن السعة المُعادة تعتمد بشكل كبير على الحالة الأولية للخلايا وعمرها.
مميزة اتفاقية مستوى الخدمة (الاجتماع العام السنوي) نيكل-كادميوم نيمه بوليمر الليثيوم +/الليثيوم
كثافة الطاقة (واط/كجم) 30 40 60 100
دورات التشغيل (نموذجية) 300 800 500 800
درجة حرارة التشغيل (°م) 0~35 0~45 0~40 0~50
أقصى تيار شحن (أمبير) 0.25 درجة مئوية 2 ج 1 ج 1 ج
طريقة الشحن الجهد الثابت تيار ثابت تيار ثابت التيار/الجهد الثابت
وقت الشحن السريع (ساعة) ج/أ + ساعتان C/A + 20% C/A + 20% ج/أ × 2

مطابقة الشواحن للبطاريات 
يُفضّل المستخدمون شاحنًا يشحن البطاريات بأسرع ما يمكن. لكن السرعة ليست العامل الوحيد عند تصميم شاحن. إذا كان الشحن ممكنًا طوال الليل، يُمكن أن يكون الشاحن البطيء المُناسب صغير الحجم للغاية، لأنه لا يحتاج إلى مصدر تيار كبير. ومن المُرجّح أيضًا أن يكون خفيف الوزن، وسهل الحمل، وغير مُكلف نسبيًا في الإنتاج.
تتطلب بطاريات الرصاص الحمضية المغلقة شحنًا بجهد ثابت محدود التيار. بالنسبة لبطاريات SLA المستخدمة في وضع الاستعداد، يكفي الشحن المستمر بجهد 2.25 فولت/خلية. عند هذا الجهد، لن تُشحن البطارية بشكل زائد، ويمكن أن تبقى متصلة إلى أجل غير مسمى دون أن تتلف. المكافئ لبطاريات NiCd وNiMH هو شحن بتيار ثابت طوال الليل (14 ساعة) عند 0.1 درجة مئوية. في حين أن معظم خلايا SLA وNiCd مناسبة للشحن البطيء طويل الأمد، يجب إيقاف شحن بطاريات NiMH لمنع التلف.
ومع ذلك، ما هي العوامل التي يجب مراعاتها عند اختيار شاحن سريع؟ قد تؤثر معدلات الشحن السريع العالية جدًا سلبًا على العمر الافتراضي للخلايا. ليس من الضروري أن يكون التحذير من انخفاض العمر الافتراضي ودورات الشحن الواقعية من الاعتبارات الرئيسية لمصنعي البطاريات، وإذا فعلوا ذلك، فقد لا تكون التفاصيل واضحة. يتطلب الشحن السريع الناجح بمعدلات تصل إلى 2C مراقبة ذكية لمعلمات البطارية في جميع مراحل دورة الشحن. يمكن لأحدث جيل من الشواحن الذكية معالجة آثار دوائر الحماية وتغيرات درجة حرارة التشغيل ومقاومة التلامس. من الميزات الأساسية للشواحن السريعة التخفيض التلقائي لمعدل الشحن قبل بدء الشحن الزائد وما يليه من ارتفاع في درجة الحرارة والضغط.
تتشابه خصائص شحن خلايا NiCd وNiMH، على الرغم من أن NiMH تُولّد حرارةً أكبر أثناء الشحن، ويكون جهد الذروة أقل وضوحًا. تُستخدم تقنياتٌ مُختلفةٌ لإنهاء الشحن السريع بتيارٍ ثابت في كلا النوعين من الخلايا. وتشمل هذه التقنيات dV/dt، وهو معدل تغير الجهد المُقارب لجهد الذروة؛ و-dV، وهو انخفاض جهد الخلية إلى ما بعد الذروة؛ واستشعار درجة حرارة الخلية عند الشحن الكامل. كما أن وجود دوائرٍ لإصلاح وتكييف الخلايا المُستهلكة أو غير المُشكّلة أو القديمة قبل الشحن الشامل أمرٌ مرغوبٌ فيه للغاية في خلايا النيكل. من الواضح أن جميع هذه الميزات لها ثمن، ولكن بدون هذه التقنية المتطورة، يُمكن أن يُلحق ضررًا جسيمًا بالخلايا، مما يحد من سعتها وعمرها الافتراضي، بالإضافة إلى المخاطرة بسلامتها.
شحن خلايا الليثيوم-أيون مشابه لشحن SLA، حيث يتطلب كلاهما جهدًا ثابتًا محدودًا بالتيار. ومع ذلك، بالنسبة لبطاريات الليثيوم-أيون، من الضروري أن يتضمن الشاحن قاطع تيار عند نقطة النهاية ومؤقت أمان للفشل لتوفير حماية شاملة. ونظرًا للمتطلبات الخاصة بكل تطبيق على حدة، ينبغي دمج أنظمة شحن الليثيوم-أيون مع تصميم حزمة البطاريات في أقرب فرصة ممكنة خلال عملية التصميم. يلبي الجيل الجديد من شواحن الليثيوم-أيون الذكية من Lawtronics المعايير التي وضعها مصنعو الخلايا، ويمكن تهيئته لتلبية معظم متطلبات مُصنِّعي المعدات الأصلية.
تستمر تقنية البطاريات في التطور ببطء ولكن بثبات،  ويمكن لتصميم الشاحن الذكي  أن يضمن تقديم أقصى قدر من الفوائد للمستخدم.