پرسش‌های متداول درباره باتری‌های خودرویی

امروزه مشتریان علاقه‌مندند پاسخ پرسش‌های متداول درباره كالاهای مصرفی خود را بدانند؛ تأمین این خواسته مشتریان علاوه بر بالا بردن سطح آگاهی‌های آنها به كاهش مشكلات ناشی از اشتباهات ناخواسته در مصرف كالاهای 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 (اكومولاتور) یك دستگاه الكتروشیمیایی ثانویه (قابل شارژ) است كه انرژی شیمیایی را ذخیره و سپس به صورت الكتریكی روی بار آزاد می‌كند. وقتی یك باتری به یك مصرف كننده خارجی نظیر موتور برق متصل شود، انرژی شیمیایی به انرژی الكتریكی تبدیل می‌شود و جریان مستقیم از مدار عبور می‌كند. با توجه به میزان باتری‌های سرب ـ اسیدی تولیدی، باتری‌های استارتری حدود ۸۸ درصد از كل تولید را شامل می‌شوند كه ۶۵ درصد باتری خودرو و ۲۳ درصد باتری‌های استارتری (موتورسیكلتی و غیره) است. ۸ درصد هم به موتورهای سیكل طولانی (صندلی‌های چرخدار، دستگاه‌های گلف، لیفتراك‌ها و غیره) و ۴ درصد به باتری‌های سیكل طولانی (برق رزرو، UPS و برق اضطراری) اختصاص دارد.
باتری‌های خودرویی كه در صنعت به باتری‌های “SLI” معروف هستند، چهار وظیفه مهم را برعهده دارند:
۱. روشن كردن موتور
۲. عبور آهسته یا تثبیت ریتم تند جریان DC خروجی از سیستم شارژ خودرو
۳. تأمین انرژی اضافی برای روشنایی، رادیوهای دوموجی، سیستم‌های صوتی و دیگر دستگاه‌هایی كه ملحقات آنها بار اضافی به سیستم شارژ وسیله نقلیه است. بعضی مصارف بار اضافی به مجموعه زمانی حساب می‌شود كه خودرو در جا كار كند و یا در مسافرت‌های كوتاه و در وضعیتی نظیر رانندگی در شب در شرایط بد جوی، بار سنگینی بر خودرو تحمیل شود.
ـ تأمین یك منبع انرژی برای سیستم الكتریكی وسیله نقلیه زمانی كه سیستم شارژ فعال نیست.
یك باتری خودرویی خوب با قیمت ۵۰ تا ۱۰۰ دلار در صورتی كه به درستی نگهداری شود، حداقل پنج سال یا بیشتر عمر خواهد كرد. براساس گزارشBCI، در امریكای شمالی از ۶/۱۰۶ میلیون باتری فروخته شده در سال ۲۰۰۱ حدود ۸۰ درصد جایگزین باتری‌های قبلی شده و ۲۰ درصد روی خودروهای صفر نصب شده‌اند. Eurobat نیز گزارش داده كه در سال ۲۰۰۳ تعداد ۵/۵۸ میلیون باتری در اروپای غربی به فروش رسیده است كه ۷۱ درصد جایگزین و ۲۹ درصد برای اولین بار روی خودروهای صفر نصب شده‌اند. در كنفرانس تكنولوژی صنایع روبرت دبلیو بیرد
(Robert W.Baird)، شركت جانسون كنترلز گزارش داد در سال ۲۰۰۴ حدود ۳۵۰ میلیون باتری استارتری ساخته خواهد شد. بر این اساس، بزرگترین تولیدكننده جانسون كنترلز با ۳۱ درصد كل تولید است و پس از آن اكساید با ۱۴ درصد، جی اس یواسا (در حال تركیب تدریجی
Japan Storage Battery, Yuasa) با ۱۰ درصد، ماتسوشیتا با ۴ درصد، ایست پن با ۳ درصد، فیام با ۳ درصد و بقیه تولیدكنندگان با ۳۵ درصد قرار گرفته‌اند. در بازارهای دیگر كه توسط Recharge مطالعه شده‌اند، در سال ۲۰۰۳ بازارهای جهانی تقریباً ۳۰ بیلیون دلار درآمد داشته‌اند كه ۳۰ درصد به باتری‌های SLI (خودرویی) و ۱۵.۳ درصد به باتری‌های سرب ـ اسیدی (سیكل طولانی) صنعتی اختصاص داشته است.
وظیفه باتری‌های سیكل طولانی تأمین برق صندلی‌های چرخدار، قایق موتوری‌های ماهیگیری، دستگاه‌های گلف، قایق‌ها، لیفتراك‌های چنگكی، منبع ذخیره الكتریكی مداوم (UPS) و دیگر دستگاه‌های مخصوص تجهیزات دریایی و وسایل نقلیه تفریحی (RV) و نیز كاربردهای ساكن و تجاری است. یك باتری سیكل طولانی مطلوب با كیفیت با قیمتی بین ۵۰ تا ۳۰۰ دلار، در صورتی كه به خوبی نگهداری و استفاده شود، حداقل ۲۰۰ سیكل شارژ ـ دشارژ طولانی ایجاد می‌كند. شركت‌های اكساید و انرسیس دو تولیدكننده بزرگ باتری‌های سیكل طولانی جهان هستند.
●یك باتری چگونه ساخته می‌شود؟
یك باتری سرب ـ اسیدی از ۶ خانه (cell) ساخته شده است كه هر خانه ولتاژی حدود ۱۱/۲ تولید می‌كند. 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 كه حاوی صفحات مثبتی است كه به صورت سری به هم متصل شده‌اند و نیز صفحات منفی كه به صورت سری با هم ارتباط دارند. این دسته صفحات با صفحات عایق الكتریكی كه سپراتورها یا پاكت‌های ساخته شده از مواد متخلخل هستند، از هم جدا شده‌اند كه در واقع بین صفحات مثبت (معمولاَ نارنجی روشن) و صفحات منفی (معمولاً خاكستری مایل به سیاه) فضایی ایجاد می‌كند تا از اتصال كوتاه بین آنها و تخلیه باتری جلوگیری شود. همان طوری كه در شكل مشاهده می‌شود، صفحات سپراتور به صورت یك در میان بین صفحات مثبت و منفی قرار گرفته‌اند.
امروزه متداول‌ترین صفحه‌ای كه در صنایع باتری‌سازی به كار می‌رود، شبكه فلزی است كه 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) كه از جنس لاستیك 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 اكسید سرب خمیر شده (Pasted) از سرب جامد بسیار گران‌قیمت به شكل استوانه‌ای (صفحه مارپیچی)، منچكس (دكمه‌هایی كه روی شبكه قرار می‌گیرد) یا سرب جامد لوله‌ای و یا صفحات مثبت منشوری شكل ساخته شده از سرب جامد استفاده می‌كنند. سپس داخل باتری را از اسید سولفوریك رقیق پر می‌كنند. شارژ اولیه باتری به منظور تبدیل اكسید سرب زرد (Pbo یا لیتارژ) صفحات مثبت (كاتد) به پروكساید (Pbo۲) كه معمولاً قهوه‌ای تیره یا سیاه است، صورت می‌گیرد. مواد فعال صفحات خمیرمالی شده منفی‌(آند) از سرب اسفنجی است كه ساختار بسیار متخلخلی دارد و خاكستری متمایل به سیاه می‌باشد. اگر سرب اسفنجی با یك شیء سخت ساییده شود، رنگ آن نقره‌ای خواهد شد. الكترولیت نیز به باتری اضافه و شارژ نهایی به آن داده می‌شود. باتری شارژ شده باتری سرب ـ اسیدی مرطوبی به همراه الكترولیت و «باتری خشك» بدون الكترولیت است اگر باتری به صورت خشك فروخته شود، الكترولیت یا اسید باتری به آن افزوده و جذب صفحات شده، باتری شارژ می‌شود و سپس مورد استفاده قرار می‌گیرد. باتری خشك به نگهداری چندانی تا زمان فروش نیاز ندارد و انبارداری آن بسیار آسانتر از باتری‌های مرطوب است.
در ساختمان باتری می‌بایست به دو ویژگی مهم یعنی «تخلخل» و «نفوذ» توجه شود. منظور از تخلخل، حفره‌ها و تونل‌های سطح صفحه است كه باعث ورود اسید سولفوریك به درون صفحات می‌شود. نفوذ هم در اینجا به معنی پوشاندن، به هم زدن و مخلوط كردن یك سیال با سیال دیگر است. زمانی كه از باتری استفاده می‌كنید، اسید تازه می‌بایست با مواد موجود روی صفحه در تماس باشد و آب تولید شده نیز از سطح صفحات جمع‌آوری شود. روزنه‌های بزرگتر یا الكترولیت گرمتر به نفوذ بهتر منجر می‌شود.
●یك باتری چگونه كار می‌كند؟
فرایندهای تخلیه (Discharge)
Pbo۲ + Pb + ۲h۲so۴ ۲PbSO۴ + H۲O
فرایندهای شارژ
۲PbSO۴ + H۲O PbO۲ + Pb + ۲H۲SO۴
یك باتری از دو نوع فلز متفاوت و به صورت یك در میان نظیر اكسید سرب (PbO۲) در صفحات مثبت و سرب اسفنجی (Pb) در صفحات منفی تشكیل شده است. این فلزات در الكترولیت كه همان اسید سولفوریك رقیق است غوطه‌ورند.
بسته به نوع فلزات و الكترولیت به كار رفته، خروجی هر خانه (سله) مشخص خواهد شد. در نمونه معمولی باتری سرب ـ اسیدی كامل شارژ شده، ولتاژ هر سله حدود ۱۱/۲ ولت است. واكنش شیمیایی بین فلزات و الكترولیت (اسید باتری) به ایجاد انرژی الكتریكی منجر می‌شود. به محض این كه یك بار الكتریكی، به طور مثال یك موتور استارتری در مسیر باتری قرار گیرد، انرژی از باتری جریان می‌یابد و مدار بین ترمینال مثبت (كه به صفحات مثبت متصل شده) و ترمینال منفی (كه به صفحات منفی متصل شده) را كامل می‌كند. جریان الكتریكی ایجاد شده توسط یون‌ها بین صفحات باتری و از طریق الكترون‌ها در مدار خارجی برقرار می‌شود.
عملكرد باتری سرب ـ اسیدی براساس مواد شیمیایی به كار رفته، نمودار حالت شارژ (SoC) ، درجه حرارت، تخلخل، نفوذ و بار الكتریكی تعیین می‌شود. هر سیكل در واقع مركب از یك واكنش شارژ و یك واكنش دشارژ است.
●باتری چگونه از كار می‌افتد؟
زمانی كه مواد فعال موجود روی صفحات باتری نتوانند یك جریان تخلیه (Discharge) را تحمل كنند، باتری خودرو به اصطلاح می‌میرد. به طور معمول یك باتری تا وقتی مواد فعال صفحات مثبت به دلیل انقباض و انبساط ایجاد شده بر اثر سیكل‌های شارژ و تخلیه پوسته پوسته شوند، عمر می‌كند. این حالت افت ظرفیت الكتریكی صفحات و ایجاد رسوب قهوه‌ای رنگی (لجن) را به دنبال دارد كه در انتهای جلد باتری ته نشین می‌شود. البته وجود لجن نیز باعث اتصال كوتاه و تخلیه باتری می‌شود.
در شرایط آب و هوایی گرم، افزایش وزن صفحات مثبت و خوردگی شبكه مثبت، انقباض شبكه منفی، تاب برداشتن صفحات و یا تبخیر آب باعث از كار 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 ۵۰ درصد، موارد اولین و اصلی‌ترین دلیل از كارافتادگی پیش از موقع باتری تبخیر آب است كه از گرمای بسیار زیاد كاپوت یا شارژ بیش از حد ظرفیت باتری ناشی می‌شود. همچنین افزایش وزن صفحات مثبت و زیر شارژ بودن باتری باعث سولفاتاسیون و ضعف عملكرد باتری می‌شود. در باتری‌های استارتری و سیكل طولانی كه هفته به هفته به كار نروند تا حدود ۸۵ درصد احتمال سولفاتاسیون وجود دارد.
برای یك باتری كه مدت زمان طولانی نگهداری شده یا زیر شارژ قرار گرفته است، زمانی كه SoC به كمتر از ۱۰۰ درصد افت كند، سولفاتاسیون اتفاق می‌افتد. كریستال‌های سخت سولفات سرب منافذ و پوشش صفحات را پر می‌كنند. شارژ دوباره یك باتری سولفاته شده مثل تلاش برای شستن دست‌هایی است كه دستكش داشته باشند.
شركت جانسون كنترلز مطابق بررسی‌هایی كه روی باتری‌های مستعمل در آب و هوای گرم (بدترین وضعیت موجود برای یك باتری) انجام داد، مشخص كرد عمر متوسط باتری خودرو در این شرایط دمایی ۳۷ ماه است. تحقیق جداگانه BCI در امریكای شمالی میزان متوسط عمر را ۴۸ ماه تخمین زده و مطالعات مؤسسه Interstate Batteries نیز عمر تخمینی در گرمای شدید و طاقت فرسا را ۳۰ ماه دانسته است. اگر عمر باتری شما بیش از سه سال است و در منطقه‌ای با آب و هوای گرم ساكن هستید، باتری احتمالاً بیش از حد انتظارتان عمر خواهد كرد. استارت خوردن غیرعادی و نامناسب به خصوص در یك روز سرد علامت دیگری است برای این كه 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 كه در چنین وضعیتی می‌بایست باتری دیگری خریداری كنید یا در حالت اضطراری برای استارت اولیه، ماشین را بكسل كنید یا هل دهید.
بیشتر باتری‌های معیوبی كه در طول مدت زمان گارانتی برگردانده می‌شوند، سالم هستند و ایرادی ندارند. لذا این موضوع به طور جدی به برخی فروشندگان باتری‌های جدید كه نمی‌دانند می‌بایست زمان كافی برای شارژ كامل و تست باتری‌ها اختصاص دهند، گوشزد می‌شود. برای رفع این مشكل می‌توان از تسترهای باتری مثل نمونه‌هایی كه توسط میدترونیكس و كادكس ساخته می‌شود، استفاده كرد. این تسترها برای پیش‌بینی ظرفیت باتری‌ها بدون این كه به شارژ كامل آنها در ابتدا نیاز باشد، به كار می‌روند.
●چرا باتری‌ها از قسمت منفی به زمین متصل می‌شوند؟
این موضوع ثابت شده است خودروهایی كه به صورت مثبت به زمین متصل شده‌اند، آمادگی آسیب دیدن از ناحیه شاسی و خوردگی بدنه آنها بیش از خودروهایی است كه به صورت منفی به زمین متصل هستند. علت آن هم بسیار ساده است زیرا خوردگی فلزی، یك فرایند الكترولیتی است كه در آن آند یا الكترود مثبت (بدنه خودرو) قربانی كاتد شده، دچار خوردگی می‌شود. این واكنش در «حفاظت كاتدیك» كشتی‌های بدنه استیل و خط لوله‌های زیرزمینی كه در آنها مقدار كمی فلزات نجیب و مقدار بیشتری فلزات الكترونگاتیو نظیر منیزیم یا آلومینیم وجود دارد به كار می‌رود تا آنها به جای استیل خورده شوند و در نتیجه از خوردگی بدنه اصلی جلوگیری به عمل آید.

گردآوری و ترجمه:
محمدطیب عزیزی ـ شركت سایپا
فرشته عبدالهی ـ شركت سهامی باتری سازی نیرو

منبع : اندیشه گستر سایپا