پرسش‌های متداول درباره باتری‌های خودرویی

اقتباس از: The Car Battery FAQ

William Darden

April 23|2006

 

گردآوری و ترجمه:

محمدطیب عزیزی ـ شرکت سایپا

فرشته عبدالهی ـ شرکت سهامی باتری سازی نیرو

امروزه مشتریان علاقه‌مندند پاسخ پرسش‌های متداول درباره کالاهای مصرفی خود را بدانند؛ تأمین این خواسته مشتریان علاوه بر بالا بردن سطح آگاهی‌های آنها به کاهش مشکلات ناشی از اشتباهات ناخواسته در مصرف کالاهای صنعتی منجر می‌شود. این مقاله به معرفی باتری به صورت اجمالی برای مشتریان باتری‌های سرب ـ اسیدی به ویژه باتری‌های خودرویی می‌پردازد.

 

باتری‌های سرب ـ اسیدی

باتری سرب ـ اسیدی (اکومولاتور) یک دستگاه الکتروشیمیایی ثانویه (قابل شارژ) است که انرژی شیمیایی را ذخیره و سپس به صورت الکتریکی روی بار آزاد می‌کند. وقتی یک باتری به یک مصرف کننده خارجی نظیر موتور برق متصل شود، انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و جریان مستقیم از مدار عبور می‌کند. با توجه به میزان باتری‌های سرب ـ اسیدی تولیدی، باتری‌های استارتری حدود 88 درصد از کل تولید را شامل می‌شوند که 65 درصد باتری خودرو و 23 درصد باتری‌های استارتری (موتورسیکلتی و غیره) است. 8 درصد هم به موتورهای سیکل طولانی (صندلی‌های چرخدار، دستگاه‌های گلف، لیفتراک‌ها و غیره) و 4 درصد به باتری‌های سیکل طولانی (برق رزرو، UPS و برق اضطراری) اختصاص دارد.

 

 

 

 

 

 

 

شکل (1): درصد باتری‌های سرب ـ اسیدی

 

باتری‌های خودرویی که در صنعت به باتری‌های “SLI”[1] معروف هستند، چهار وظیفه مهم را برعهده دارند:

1. روشن کردن موتور

2. عبور آهسته یا تثبیت ریتم تند جریان DC خروجی از سیستم شارژ خودرو

3. تأمین انرژی اضافی برای روشنایی، رادیوهای دوموجی، سیستم‌های صوتی و دیگر دستگاه‌هایی که ملحقات آنها بار اضافی به سیستم شارژ وسیله نقلیه است. بعضی مصارف بار اضافی به مجموعه زمانی حساب می‌شود که خودرو در جا کار کند و یا در مسافرت‌های کوتاه و در وضعیتی نظیر رانندگی در شب در شرایط بد جوی، بار سنگینی بر خودرو تحمیل شود.

ـ تأمین یک منبع انرژی برای سیستم الکتریکی وسیله نقلیه زمانی که سیستم شارژ فعال نیست.

یک باتری خودرویی خوب با قیمت 50 تا 100 دلار در صورتی که به درستی نگهداری شود، حداقل پنج سال یا بیشتر عمر خواهد کرد. براساس گزارشBCI[2]، در امریکای شمالی از 6/106 میلیون باتری فروخته شده در سال 2001 حدود 80 درصد جایگزین باتری‌های قبلی شده و 20 درصد روی خودروهای صفر نصب شده‌اند. Eurobat [3] نیز گزارش داده که در سال 2003 تعداد 5/58 میلیون باتری در اروپای غربی به فروش رسیده است که 71 درصد جایگزین و 29 درصد برای اولین بار روی خودروهای صفر نصب شده‌اند. در کنفرانس تکنولوژی صنایع روبرت دبلیو بیرد
(Robert W.Baird)، شرکت جانسون کنترلز گزارش داد در سال 2004 حدود 350 میلیون باتری استارتری ساخته خواهد شد. بر این اساس، بزرگترین تولیدکننده جانسون کنترلز با 31 درصد کل تولید است و پس از آن اکساید با 14 درصد، جی اس یواسا (در حال ترکیب تدریجی
 Japan Storage Battery| Yuasa) با 10 درصد، ماتسوشیتا با 4 درصد، ایست پن با 3 درصد، فیام با 3 درصد و بقیه تولیدکنندگان با 35 درصد قرار گرفته‌اند. در بازارهای دیگر که توسط Recharge[4] مطالعه شده‌اند، در سال 2003 بازارهای جهانی تقریباً 30 بیلیون دلار درآمد داشته‌اند که 30 درصد به باتری‌های SLI (خودرویی) و 15.3 درصد به باتری‌های سرب ـ اسیدی (سیکل طولانی) صنعتی اختصاص داشته است.

وظیفه باتری‌های سیکل طولانی تأمین برق صندلی‌های چرخدار، قایق موتوری‌های ماهیگیری، دستگاه‌های گلف، قایق‌ها، لیفتراک‌های چنگکی، منبع ذخیره الکتریکی مداوم (UPS) و دیگر دستگاه‌های مخصوص تجهیزات دریایی و وسایل نقلیه تفریحی (RV) و نیز کاربردهای ساکن و تجاری است. یک باتری سیکل طولانی مطلوب با کیفیت با قیمتی بین 50 تا 300 دلار، در صورتی که به خوبی نگهداری و استفاده شود، حداقل 200 سیکل شارژ ـ دشارژ طولانی ایجاد می‌کند. شرکت‌های اکساید و انرسیس دو تولیدکننده بزرگ باتری‌های سیکل طولانی جهان هستند.

 

یک باتری چگونه ساخته می‌شود؟

یک باتری سرب ـ اسیدی از 6 خانه (cell) ساخته شده است که هر خانه ولتاژی حدود 11/2 تولید می‌کند. این خانه‌ها به صورت موازی از ترمینال مثبت اولین سل به ترمینال منفی دومین سل و به همین ترتیب تا آخرین سل با هم ارتباط دارند.

در هر سل المنتی وجود دارد که حاوی صفحات مثبتی است که به صورت سری به هم متصل شده‌اند و نیز صفحات منفی که به صورت سری با هم ارتباط دارند. این دسته صفحات با صفحات عایق الکتریکی که سپراتورها یا پاکت‌های ساخته شده از مواد متخلخل هستند، از هم جدا شده‌اند که در واقع بین صفحات مثبت (معمولاَ نارنجی روشن) و صفحات منفی (معمولاً خاکستری مایل به سیاه) فضایی ایجاد می‌کند تا از اتصال کوتاه بین آنها و تخلیه باتری جلوگیری شود. همان طوری که در شکل مشاهده می‌شود، صفحات سپراتور به صورت یک در میان بین صفحات مثبت و منفی قرار گرفته‌اند.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (2): ساختار باتری‌های خودرویی

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (3) ساختار باتری‌های سیکل طولانی

امروزه متداول‌ترین صفحه‌ای که در صنایع باتری‌سازی به کار می‌رود، شبکه فلزی است که به عنوان پایه‌ای برای قرار گرفتن خمیری از مواد متخلخل فعال استفاده می‌شود. بعد از عمل آوری (Curing) صفحات آنها را به صورت دسته صفحه در می‌آورند و سپس داخل خانه‌های جلد (Case) که از جنس لاستیک سخت یا پلی پروپیلن سخت با دانسیته بالا هستند، قرار می‌دهند. صفحات مثبت خانه‌ها به طور موازی به ترمینال مثبت و صفحات منفی به طور موازی به ترمینال منفی متصل شده‌اند.

بعضی از باتری‌ها به جای اکسید سرب خمیر شده (Pasted) از سرب جامد بسیار گران‌قیمت به شکل استوانه‌ای (صفحه مارپیچی)، منچکس (دکمه‌هایی که روی شبکه قرار می‌گیرد) یا سرب جامد لوله‌ای و یا صفحات مثبت منشوری شکل ساخته شده از سرب جامد استفاده می‌کنند. سپس داخل باتری را از اسید سولفوریک رقیق پر می‌کنند. شارژ اولیه باتری به منظور تبدیل اکسید سرب زرد (Pbo یا لیتارژ) صفحات مثبت (کاتد) به پروکساید (Pbo2) که معمولاً قهوه‌ای تیره یا سیاه است، صورت می‌گیرد. مواد فعال صفحات خمیرمالی شده منفی‌(آند) از سرب اسفنجی است که ساختار بسیار متخلخلی دارد و خاکستری متمایل به سیاه می‌باشد. اگر سرب اسفنجی با یک شیء سخت ساییده شود، رنگ آن نقره‌ای خواهد شد. الکترولیت نیز به باتری اضافه و شارژ نهایی به آن داده می‌شود. باتری شارژ شده باتری سرب ـ اسیدی مرطوبی به همراه الکترولیت و «باتری خشک» بدون الکترولیت است اگر باتری به صورت خشک فروخته شود، الکترولیت یا اسید باتری به آن افزوده و جذب صفحات شده، باتری شارژ می‌شود و سپس مورد استفاده قرار می‌گیرد. باتری خشک به نگهداری چندانی تا زمان فروش نیاز ندارد و انبارداری آن بسیار آسانتر از باتری‌های مرطوب است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (4): صفحه خمیرمالی شده

 

در ساختمان باتری می‌بایست به دو ویژگی مهم یعنی «تخلخل» و «نفوذ» توجه شود. منظور از تخلخل، حفره‌ها و تونل‌های سطح صفحه است که باعث ورود اسید سولفوریک به درون صفحات می‌شود. نفوذ هم در اینجا به معنی پوشاندن، به هم زدن و مخلوط کردن یک سیال با سیال دیگر است. زمانی که از باتری استفاده می‌کنید، اسید تازه می‌بایست با مواد موجود روی صفحه در تماس باشد و آب تولید شده نیز از سطح صفحات جمع‌آوری شود. روزنه‌های بزرگتر یا الکترولیت گرمتر به نفوذ بهتر منجر می‌شود.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (5): صفحه صاف و صفحه استوانه‌ای

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (6): صفحه آماده شده

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل (7): صفحه مارپیچی

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

یک باتری چگونه کار می‌کند؟

فرایندهای تخلیه (Discharge)

Pbo2 + Pb + 2h2so4                               2PbSO4 + H2O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فرایندهای شارژ (عکس فرایندهای تخلیه)

2PbSO4 + H2O                                     PbO2 + Pb + 2H2SO4

 

یک باتری از دو نوع فلز متفاوت و به صورت یک در میان نظیر اکسید سرب (PbO2) در صفحات مثبت و سرب اسفنجی (Pb) در صفحات منفی تشکیل شده است. این فلزات در الکترولیت که همان اسید سولفوریک رقیق است غوطه‌ورند.

بسته به نوع فلزات و الکترولیت به کار رفته، خروجی هر خانه (سله) مشخص خواهد شد. در نمونه معمولی باتری سرب ـ اسیدی کامل شارژ شده، ولتاژ هر سله حدود 11/2 ولت است. واکنش شیمیایی بین فلزات و الکترولیت (اسید باتری) به ایجاد انرژی الکتریکی منجر می‌شود. به محض این که یک بار الکتریکی، به طور مثال یک موتور استارتری در مسیر باتری قرار گیرد، انرژی از باتری جریان می‌یابد و مدار بین ترمینال مثبت (که به صفحات مثبت متصل شده) و ترمینال منفی (که به صفحات منفی متصل شده) را کامل می‌کند. جریان الکتریکی ایجاد شده توسط یون‌ها بین صفحات باتری و از طریق الکترون‌ها در مدار خارجی برقرار می‌شود.

عملکرد باتری سرب ـ اسیدی براساس مواد شیمیایی به کار رفته، نمودار حالت شارژ (SoC) [5]، درجه حرارت، تخلخل، نفوذ و بار الکتریکی تعیین می‌شود. هر سیکل در واقع مرکب از یک واکنش شارژ و یک واکنش دشارژ است.

 

باتری چگونه از کار می‌افتد؟

زمانی که مواد فعال موجود روی صفحات باتری نتوانند یک جریان تخلیه (Discharge) را تحمل کنند، باتری خودرو به اصطلاح می‌میرد. به طور معمول یک باتری تا وقتی مواد فعال صفحات مثبت به دلیل انقباض و انبساط ایجاد شده بر اثر سیکل‌های شارژ و تخلیه پوسته پوسته شوند، عمر می‌کند. این حالت افت ظرفیت الکتریکی صفحات و ایجاد رسوب قهوه‌ای رنگی (لجن) را به دنبال دارد که در انتهای جلد باتری ته نشین می‌شود. البته وجود لجن نیز باعث اتصال کوتاه و تخلیه باتری می‌شود.

در شرایط آب و هوایی گرم، افزایش وزن صفحات مثبت و خوردگی شبکه مثبت، انقباض شبکه منفی، تاب برداشتن صفحات و یا تبخیر آب باعث از کار افتادن باتری می‌شود. عواملی نظیر تخلیه‌های طولانی مدت، گرما، لرزش، شارژ سریع و شارژ بیش از حد ظرفیت نیز همگی مرگ باتری را سرعت می‌بخشند.

تقریباً در 50 درصد، موارد اولین و اصلی‌ترین دلیل از کارافتادگی پیش از موقع باتری تبخیر آب است که از گرمای بسیار زیاد کاپوت یا شارژ بیش از حد ظرفیت باتری ناشی می‌شود. همچنین افزایش وزن صفحات مثبت و زیر شارژ بودن باتری باعث سولفاتاسیون و ضعف عملکرد باتری می‌شود. در باتری‌های استارتری و سیکل طولانی که هفته به هفته به کار نروند تا حدود 85 درصد احتمال سولفاتاسیون وجود دارد.

برای یک باتری که مدت زمان طولانی نگهداری شده یا زیر شارژ قرار گرفته است، زمانی که SoC به کمتر از 100 درصد افت کند، سولفاتاسیون اتفاق می‌افتد. کریستال‌های سخت سولفات سرب منافذ و پوشش صفحات را پر می‌کنند. شارژ دوباره یک باتری سولفاته شده مثل تلاش برای شستن دست‌هایی است که دستکش داشته باشند.

شرکت جانسون کنترلز مطابق بررسی‌هایی که روی باتری‌های مستعمل در آب و هوای گرم (بدترین وضعیت موجود برای یک باتری) انجام داد، مشخص کرد عمر متوسط باتری خودرو در این شرایط دمایی 37 ماه است. تحقیق جداگانه BCI در امریکای شمالی میزان متوسط عمر را 48 ماه تخمین زده و مطالعات مؤسسه Interstate Batteries نیز عمر تخمینی در گرمای شدید و طاقت فرسا را 30 ماه دانسته است. اگر عمر باتری شما بیش از سه سال است و در منطقه‌ای با آب و هوای گرم ساکن هستید، باتری احتمالاً بیش از حد انتظارتان عمر خواهد کرد. استارت خوردن غیرعادی و نامناسب به خصوص در یک روز سرد علامت دیگری است برای این که باتری شما در حال خراب شدن است و باید دوباره شارژ شده، شارژ سطحی برطرف و بار تحمیلی به سیستم آزمایش شود. ضعف باتری در اغلب موارد در زمان‌های بسیار نامناسب اتفاق می‌افتد که در چنین وضعیتی می‌بایست باتری دیگری خریداری کنید یا در حالت اضطراری برای استارت اولیه، ماشین را بکسل کنید یا هل دهید.

بیشتر باتری‌های  معیوبی که در طول مدت زمان گارانتی برگردانده می‌شوند، سالم هستند و ایرادی ندارند. لذا این موضوع به طور جدی به برخی فروشندگان باتری‌های جدید که نمی‌دانند می‌بایست زمان کافی برای شارژ کامل و تست باتری‌ها اختصاص دهند، گوشزد می‌شود. برای رفع این مشکل می‌توان از تسترهای باتری مثل نمونه‌هایی که توسط میدترونیکس و کادکس ساخته می‌شود، استفاده کرد. این تسترها برای پیش‌بینی ظرفیت باتری‌ها بدون این که به شارژ کامل آنها در ابتدا نیاز باشد، به کار می‌روند.

 

چرا باتری‌ها از قسمت منفی به زمین متصل می‌شوند؟

این موضوع ثابت شده است خودروهایی که به صورت مثبت به زمین متصل شده‌اند، آمادگی آسیب دیدن از ناحیه شاسی و خوردگی بدنه آنها بیش از خودروهایی است که به صورت منفی به زمین متصل هستند. علت آن هم بسیار ساده است زیرا خوردگی فلزی، یک فرایند الکترولیتی است که در آن آند یا الکترود مثبت (بدنه خودرو) قربانی کاتد شده، دچار خوردگی می‌شود. این واکنش در «حفاظت کاتدیک» کشتی‌های بدنه استیل و خط لوله‌های زیرزمینی که در آنها مقدار کمی فلزات نجیب[6] و مقدار بیشتری فلزات الکترونگاتیو[7] نظیر منیزیم یا آلومینیم وجود دارد به کار می‌رود تا آنها به جای استیل خورده شوند و در نتیجه از خوردگی بدنه اصلی جلوگیری به عمل آید.