MakerPot.com


90


30


0

الدليل الكامل لبداية التعلم الخطوة الثانية: البطارية

2017-04-18

البطارية هي منبع الجهد أو بشكل أدق هي منبع للطاقة الكهربائية. تؤمن البطارية الطاقة الكهربائية عن طريق تفاعل كيميائي داخلها. البطارية هي جهاز ثنائي القطبية. قطب يدعى بالقطب الموجب (+V) والأخر هو القطب السالب (-V) أو الأرضي. وبشكل عام هناك نوعان للبطاريات:

- بطاريات أساسية Primary. - بطاريات ثانوية Secondary.

البطاريات الأساسية هي البطاريات التي تستخدم مرة واحدة فقط ويتم التخلص منها بعد الاستخدام، البطاريات الثانوية هي البطاريات التي يتم استخدامها وإعادة شحنها عدة مرات. تأتي البطاريات بعدة أشكال وأحجام من الخلايا الصغيرة المستخدمة لتشغيل أجهزة مساعدة السمع وساعات المعصم وصولا إلى بطاريات بحجم الغرف والتي تؤمن الطاقة لمراكز الهاتف والمستشفيات. تبعا لكيميائية البطاريات يمكن أن نحصل على أنواع مختلفة، بعض الأنواع الشائعة والمستخدمة في الروبوتات والمشاريع التقنية نناقشها هنا:

بطاريات 1.5V:

يتوفر أحجام مختلفة لهذه البطاريات. الأحجام الأكثر شيوعا هي AA و AAA. تمتد سعتها من 500 إلى 3000 ميلي أمبير.

خلايا الليثيوم على شكل عملة ذات الجهد 3V:

هذه البطاريات تأخذ شكل العملة المعدنية وهي رقيقة مقارنة مع قطرها. كل خلايا الليثيوم هذه تعطي جهد 3V (إلى الحمل)، بينما تعطي جهد 3.6V. لها سعات مختلفة تبدأ من 30 وصولا إلى 500 ميلي أمبير. وتستخدم بشكل كبير في الأجهزة المحمولة بسبب حجمها الصغير.

البطاريات القلوية Alkaline:

هذه البطاريات غير قابلة لإعادة الشحن ويمكن استخدامها في الروبوتات الصغيرة.

بطاريات النيكل المعدنية الهدروجينية Nickel-Metal Hydide(NIMH):

تمتلك هذه البطاريات طاقة كبيرة ويمكن شحنها بسرعة بالإضافة لميزة أخرى وهي السعر حيث أن هذه البطاريات رخيصة مقارنة مع حجمها وسعتها. يستخدم هذا النوع من البطاريات في تطبيقات الروبوتات.

بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الليثيوم بوليمير ذات الجهد 3.7V:

هذه البطاريات هي بطاريات يمكن إعادة شحنها، تمتلك هذه البطاريات سعة عالية وكثافة طاقة مرتفعة وحجم صغير. تستخدم بطاريات الليثيوم بوليمير في الروبوتات و مشاريع التحكم عن بعد.

بطاريات 9V:

استخدمت هذه البطاريات لتشغيل الراديو المصنوع باستخدام الترانزستورات. لها شكل مستطيل مع جوانب منحنية والقطبان على الوجه الأفقي لها، كل هذه البطاريات لها شكل المستطيل. أبعادها هي 48.5mm الارتفاع و 26.5mm الطول و 17.5mm العرض. يوجد القطبان لهذه البطاريات على أحد نهايتيها في الوسط يبتعد مركزا القطبين بمسافة 12.7mm. تمتلك سعة حوالي 600 ميلي أمبير.

بطاريات الرصاص Lead Acid:

هذه البطاريات هي بطاريات العمود الفقري في الصناعة حيث أنها رخيصة وقابلة للشحن ومتوفرة بشكل كبير. تستخدم هذه البطاريات في الآلات والروبوتات و وحدات عدم انقطاع التيار الكهربائي UPS وفي الأنظمة الأخرى التي تحتاج إلى الكثير من الطاقة ولا يشكل الوزن فيها عائقا. تأتي هذه البطاريات بخلايا كل خلية ذات جهد 2V مما يعني أنه يمكننا امتلاك بطارية بعدد زوجي من الجهد. الجهود الأكثر شيوعا هي 2V, 6V, 12V ,24V.

وصل البطاريات على التفرع أو على التسلسل:

يمكن وصل البطاريات إما على التفرع أو على التسلسل. عندما توصل البطاريات على التسلسل فإن مستوى الجهد يرتفع وعندما توصل على التفرع فان سعة البطارية ترتفع.

أمران هامان عن البطارية:

سعة البطارية:

هي مقياس للشحنة المخزنة ضمن البطارية وتقاس عادة بالأمبير الساعي وتحدد هذه السعة بكمية المادة النشطة والمحتوات ضمن البطارية. تمثل سعة البطارية كمية الطاقة الأعظمية التي يمكن استخراجها من البطارية تحت ظروف معينة. ولكن الطاقة الفعلية المخزنة ضمن البطارية يمكن أن تتغير بشكل كبير عن القيمة الأسمية لها وذلك لأن سعة البطارية تعتمد بشكل كبير على عمر البطارية وتاريخ استعمالها ودورات الشحن والتفريغ لها بالإضافة للحرارة المحيطة.

تقاس سعة البطارية إما بالواط الساعي (Wh)، الكيلو واط الساعي (kWh)، الأمبير الساعي (Ah) أو الميلي أمبير الساعي (mAh). الواط الساعي هو الجهد (V) الذي توفره البطارية مضروبا بكمية التيار (بالأمبير) الذي تستطيع البطارية تأمينه خلال مدة من الزمن (عموما بالساعات). الجهد× التيار × عدد الساعات= الواط الساعي.

بما أن الجهد تقريبا ثابت حسب نوع البطارية وذلك تبعا للكيميائية الداخلية لها ( قلوي، ليثيوم، رصاص... الخ) يتم طباعة الأمبير× عدد الساعات على جانب البطارية ويتم التعبير عنه بالأمبير الساعي (Ah) أو بالميلي أمبير الساعي (mAh) (1000mAh=1Ah). لكي نحصل على القيمة بالواط الساعي (Wh) يجب أن نضرب الأمبير الساعي بالقيمة الأسمية للجهد. على سبيل المثال لنفترض أنه لدينا بطارية بقيمة جهد اسمية 3V بسعة أمبير ساعي واحد، لذلك تمتلك هذه البطارية سعة 3 واط ساعي (3Wh). وتكون سعة البطارية أفضل في حال كانت تيارات السحب من البطارية منخفضة. نستطيع تحديد زمن عمل البطارية بتقسيم سعتها على تيار الحمل الفعلي فنحصل بذلك على عدد ساعات العمل. إن دارة تسحب 10 ميلي أمبير (10mA) وتعمل على بطارية بجهد 9V فإنها ستعمل لحوالي ال50 ساعة: 500mAh10mA=50 hours.

في العديد من أنواع البطاريات لا يمكن سحب أو استخدام الطاقة الكلية المخزنة ضمنها (أي لا يمكن افراغ البطارية من شحنتها بالكامل) دون أن نتسبب بضرر كبير وغير قابل للإصلاح في بعض الاحيان للبطارية.

يحدد عمق تفريغ البطارية القسم الذي يمكن سحبه من البطارية. على سبيل المثال اذا كان عمق تفريغ البطارية معطى من المصنع على أنه 25% هذا يعني أنه يمكننا استخدام 25% فقط من السعة الكلية.

يؤثر معدل شحن/تفريغ البطارية على سعة البطارية. حيث إن كانت البطارية تفرغ بشكل سريع (أي تيار التفريغ كبير) فإن كمية الطاقة التي يمكن سحبها من البطارية ينخفض وبالتالي تصبح سعة البطارية أخفض. وبالعكس عندما يتم تفريغ البطارية بشكل بطيء باستخدام تيار منخفض فإن كمية أكبر من الطاقة يمكن سحبها من البطارية وبالتالي تصبح سعة البطارية أعلى. على سبيل المثال إن الخلية على شكل العملة المعدنية والمقيّمة على أنها بسعة أمبير ساعي واحد 1Ah لا تستطيع تأمين أمبير واحد لساعة واحدة والأكثر من ذلك لا تستطيع حتى تأمين تيار قدرة 0.1 أمبير بدون أن تستهلك نفسها. هذا يشابه أن نقول أن الانسان يمتلك القدرة على السفر لمسافة 30 ميل ولكن بالطبع الركض لمسافة 30 ميل تختلف جدا عن المشي لنفس المسافة. وعلى غرار هذا المثال فإن بطارية العملة ذات الأمبير الساعي الواحد لا تواجه مشكلة في تأمين تيار ذو قيمة 1 ميلي أمبير لمدة 1000 ساعة ولكن في حال حاولت سحب 100 ميلي أمبير منها فإنها ستصمد أقل بكثير من 10 ساعات. تؤثر حرارة البطارية على الطاقة التي نستطيع استخراجها منها. سعة البطارية عند الحرارة المرتفعة أعلى منها عند الحرارة المنخفضة. ولكن رفع حرارة البطارية ليست طريقة فعالة لرفع سعة البطارية لأن ذلك ينقص من زمن حياتها.

النسبة C-rate:

يقاس تيار الشحن والتفريغ لبطارية عن طريق النسبة C-rate. معظم البطاريات المحمولة باستثناء بطاريات الرصاص تمتلك النسبة 1C. إن تفريغ 1C يسحب تيار مساو لسعة البطارية. مثلا بطارية بسعة 1000mAh تؤمن 1000mA لساعة واحدة فقط إذا فرغت بنسبة 1C. نفس البطارية السابقة اذا تم تفريغها عند نسبة 0.5C فإنها تؤمن 500mA لساعتين. عند النسبة 2C فإن نفس البطارية تؤمن 2000mA لمدة 30 دقيقة. ترمز 1C إلى ساعة تفريغ واحدة وبالتالي تكون 0.5C ساعتي تفريغ و 0.1C تكون 10 ساعات تفريغ. تقاس سعة البطارية عموما باستخدام محلل البطارية. اذا كانت قراءة السعة على المحلل تعطى بشكل نسبة مئوية من السعة الاسمية، فإن 100% سوف تظهر إذا كان من الممكن سحب تيار قدره 1000mA لساعة واحدة من بطارية ذات سعة قدرها 1000mAh. في حال صمدت البطارية فقط لمدة 30 دقيقة قبل القطع فان نسبة 50% تظهر على محلل البطارية. تؤمن أحيانا البطاريات الجديدة سعة أكبر من نسبة 100%. في هذه الحالة فأن البطارية تمتلك زمن تفريغ أطول من الزمن المحدد من قبل المصنع. نسبة الشحن والتي تعرف عادة ب C او C-rate تدل على معدل شحن أو تفريغ مساو لسعة البطارية خلال ساعة واحدة. يخصص لشاحن البطارية مصطلح متعلق بسعة البطارية أو النسبة C حيث أن شاحن بمعدل C/10 سوف يعيد سعة البطارية الكلية خلال 10 ساعات. بينما شاحن بمعدل 4C سوف يعيد شحن البطارية خلال 15 دقيقة. معدلات شحن البطارية السريعة والتي تستغرق ساعة أو أقل تحتاج لشاحن يراقب بحذر بارمترات البطارية مثل جهد القطبين وحرارة البطارية وذلك لمنع شحن البطارية بشكل فائض والاضرار بالخلايا. كيف يتم قياس البطاريات:

الحجم

من الاسم يتضح المعنى أي كم تبلغ ضخامة البطارية وحجمها الفيزيائي؟ إن بطاريات الرصاص ليست أصغر بكثير من بطاريات خلايا الكادميوم. بطاريات العملة لا يزيد حجمها عن حجم اي عملة معدنية. بالإضافة لما سبق يوجد قياسات معروفة مثل AA و 9V وهي الأكثر استعمالا أو شهرة.

الوزن وكثافة الطاقة

يتعلق هذا بأداء البطارية حيث البطاريات ذات النوعية الأفضل (والأغلى سعرا) سوف تمتلك كثافة طاقة أكبر. اذا كان الوزن قضية مهمة في المشروع الذي تفكر في عمله فعليك استخدام بطاريات أخف وذات كثافة عالية. ويعبر عن هذه القيمة عادة بالواط الساعي بالكيلو غرام الواحد.

السعر

يتعلق سعر بكثافة الطاقة (فأنت تدفع أكثر لكثافة أعلى) وأيضا بسعة الطاقة (أيضا أنت تدفع أكثر لسعة أكبر).كلما أردت طاقة أكبر وحجم أقل ووزن أخف كلما اضطررت لدفع مبالغ أكبر.

الجهد

يتحدد جهد خلية البطارية بالمواد الكيميائية المستخدمة ضمنها. فمثلا الخلايا القلوية يبلغ جهدها 1.5V، خلايا الرصاص 2V، الليثيوم 3V. تصنع البطاريات من عدد من الخلايا فمثلا أنت نادرا ما تلاحظ وجود بطاريات رصاص بجهد 2V. عادة ما توصل هذه الخلايا مع بعضها للحصول على بطاريات بجهد 6V أو 12V أو 24V. في معظم الدارات الالكترونية أيضا نصل عدة بطاريات قلوية للحصول على الجهد المرغوب والذي نحتاجه لتشغيل الدارة. لا تنسى أن الجهد الموجود على البطارية هو قيمة اسمية فمثلا بطاريات AA ذات قيمة جهد اسمية 1.5V ولكن جهدها الفعلي يبدأ من 1.6V وسرعان ما يهبط الى الجهد 1.5V لتبدأ بالانخفاض ببطئ وصولا الى الجهد 1V الذي تعتبر عنده البطارية ميتة أي فارغة.

إعادة الاستعمال

بعض البطاريات قابلة للشحن وعادة ما يمكن اعادة شحنها 100 مرة.

أي بطارية هي الأفضل لمشروعك؟

كما ترى هنالك العيدي من أنواع البطاريات والعديد من الأنواع المختلفة فيما يخص كيميائية البطارية لذلك ليس من السهل أن نختار أيها الأفضل لمشروعي. في حال كان مشروعك يحتاج الى مستهلك للطاقة بشكل كبير كأنظمة الصوت الضخمة والمشاريع التي تحوي على محركات فتستطيع اختيار بطاريات الرصاص. إذا كنت تقوم ببناء مشروع يمكن لنا ارتداؤه ويحتاج لكمية قليلة من الطاقة فعليك بإختيار خلايا الليثيوم ذات شكل العملة. وبالنسبة للمشاريع التي تحتاج طاقة متوسطة وتكون غالب الوقت محمولة نستطيع اختيار بطاريات الليثيوم أيون. كما تستطيع اختيار بطاريات النيكل الهدروجينية فهي أرخص ولكن أثقل بقليل مقارنة مع بطاريات الليثيوم ايون. في حال أردت صنع طائرة صغيرة يتحكم فيها عن بعد (quad-copter) فأنت بحاجة لبطاريات الليثيوم بوليمير لأنها ذات أحجام صغيرة وخفيفة الوزن مقارنة مع الأنواع الأخرى من البطاريات ويمكن شحنها بسرعة وتوفر تيار خرج كبير.

اذا كنت بحاجة لبطاريات يمكن للمستخدم بسهولة استبدالها فعليك باختيار بطاريات AA او AAA أو 9V. بينما إذا كنت بحاجة لبطارية بجهد 5V فعليك باستخدام ثلاث بطاريات AAA أو بطاريات AA لتحصل على جهد 4.5V أو تستطيع استخدام اربع خلايا من NIMH لتحصل على 4.8V. ولكن تأكد أن جهازك سوف يعمل على هذه الجهود المنخفضة قليلا عن الجهد المطلوب (على الغالب سوف يعمل).

تريد لبطارياتك القابلة للشحن أن تدوم طويلا؟

استعمل شاحن جيد النوعية يمتلك حساس ليحافظ على مستوى الشحن الجيد وذلك لأن شاحن رخيص ورديء سوف يقلل من عمر بطاريتك.

0


Test User