باتری خودرو

مقدمه

براي استفاده از برخي وسايل الكتريكي خودرو مانند راديو و پخش، هنگامي كه موتور خودرو خاموش است بايد از يك منبع تغذيه جريان مستقيم استفاده نمود. علاوه بر اين، تمامي خودروها داراي راه­انداز الكتريكي (استارتر) مي­باشند كه براي تأمين برق مورد نياز آن به يك باتري نياز است همچنين امروزه استفاده از دستگاههاي الكترونيكي در خودروها  رو به افزايش بوده و اين سيستم­ها معمولاً نسبت به نوسانات ولتاژ حساس مي­باشند و با معيوب شدن باتري و سيستم شارژ، كار خودرو نيز دچار مشكل مي­شود. در اينصورت از باتري مي­توان به عنوان يك عنصر كليدي در مدارات برقي خودرو نام برد و به لحاظ كاربرد زياد و اهميت آن در اين فصل به طور مفصل در مورد باتريهاي مورد استفاده در خودرو و به خصوص باتري سربي- اسيدي بحث شده است.

با توجه به موارد فوق لازم است قبل از بررسي هر مدار، انواع آزمايش­ها و روشهاي تست باتري را ياد گرفته تا در صورت بروز مشكل در مدارات برقي خودرو، ابتدا كليدي­ترين عنصر مدار يا باتري را از لحاظ وجود عيب بررسي نموده، در صورت بي­عيب­ بودن باتري، قسمت­هاي ديگر مدار بررسي گردد.

 

وظيفة باتري

باتري دستگاهي است كه انرژي شيميايي را به انرژي الكتريكي تبديل مي­كند. وظيفة باتري در خودرو اين است كه در لحظة روشن نمودن موتور خودرو و همچنين هنگامي كه موتور خودرو خاموش است يا دور موتور پايين است نيازهاي الكتريكي خودرو مانند استارت زدن، استفاده از راديو، لامپ­ها، شيشه بالابرها و … را برآورده سازد.

 

انواع باتري

انواع­ دسته ­بندي باتري­ هاي ثانويه:

باتري­ هاي ثانويه به روش­ هاي گوناگوني دسته ­بندي مي­ شوند، كه مهمترين آنها در ادامه آمده است.

دسته ­بندي باتري­ ها از نظر جنس مواد تشكيل ­دهنده:

اين روش مهمترين نوع  دسته­ بندي باتري­ ها به شمار مي­ رود. در واقع با دانستن نوع مواد تشكيل­ دهنده يك باتري مي­ توان به خصوصيات كلي آن باتري پي برد. معروفترين باتري­ ها از اين نقطه ­نظر عبارتند از:

باتري سربي- اسيدي، باتري نيكل- كادميوم (آلكالاين)، باتري سديم- گوگرد و باتري نيكل- آهن در جدول (1) برخي از انواع باتري­ ها را از نظر ولتاژ توليدي هر خانه با هم مقايسه كرده است.

 

نوع باتري	ولتاژ هر خانه باتري	احتياج به نگهداري
سربي- اسيدي	V2	اگر از ژل به عنوان الكتروليت استفاده شود نياز به نگهداري ندارد
نيكل- كادميم	V2/1	دارد
نيكل- آهن	V2/1	دارد
سديم- گوگرد	V2/1	ندارد

جدول 1- مقايسة چند نوع باتري مورد استفاده در خودرو

 

دسته ­بندي باتري­ها از نظر حالت الكتروليت:

باتری­ هایی که الكتروليت آنها جامد است (الكتروليت مانند ژل است) باتري­ هاي خشك و باتري­ هايي كه الكتروليت آنها مايع است باتري­ هاي تر ناميده مي­ شوند.

 

توجه: در گروه خاصي از باتري­ها، الكتروليت به صورت گاز به داخل باتري وارد شده و پس از انجام واكنش شيميايي مربوطه از باتري خارج مي­شوند. به اين نوع باتري­ها، پيل سوختي مي­گويند كه معروفترين آنها پيل سوختي هيدروژن مي­باشد كه هيدروژن را از منبع هيدروژن و اكسيژن را از هواي اطراف كه به نحوي وارد باتري مي­شود دريافت مي­كند.

به ­جز اين دو روش دسته ­بندي، روش­ هاي ديگري نيز وجود دارد مثلاً دسته ­بندي از نظر:

ولتاژ توليدي، قابليت شارژ مجدد، قابليت تغيير پذيري و سايز، كه نسبت به دو روش ذكر شده از درجه اهميت كمتري برخوردار هستند.

باتري خودروها معمولاً از نوع سربي- اسيدي بوده و از نظر حالت الكتروليت نوع تر و خشك آن وجود دارد ولتاژ آن 12 ولت و قابليت شارژ مجدد را دارا بوده و در سايزهاي مختلف توليد مي­ شوند.

 

طرز كار باتري سربي- اسيدي

هرگاه دو فلز غير هم­جنس درون محلول اسيدي يا الكتروليت قرار گيرند، جريان برق توليد مي­ شود. به طوري كه يكي از اين دو فلز الكترون مي­ دهد (صفحة منفي) و ديگري الكترون مي­گيرد (صفحة مثبت).

ميزان برق توليدي يا ولتاژ برق توليدي بستگي به جنس دو فلز و نوع الكتروليت دارد. جدول (2) قدرت الكترون­گيري يا الكترون­دهي چند فلز را نسبت به هيدروژن نشان مي­ دهد. اعداد منفي به معني دهندة الكترون و اعداد مثبت به معني گيرندة الكترون مي ­باشد.

 

ماده	طلا	مس	هيدروژن	سرب	قلع	نيكل	آهن	كرم	روي	آلومينيوم
ولتاژ توليدي	+1.5	+0.34	0	-0.13	-0.14	-0.25	-0.44	-0.74	-0.76	-1.66

جدول 2- ولتاژ توليدي برخي فلزات نسبت به هيدروژن (قدرت الكترون­دهي يا الكترون­گيري)

 

اگر دو فلز غير هم­جنس طلا و آلومينيم به عنوان صفحات باتري انتخاب شوند بيشترين مقدار برق توليد مي­ گردد:

شكل (1)

 

ولي به دليل كميابي و گران بودن اين فلزات، ترجيح داده مي­شود كه از فلزات ارزان­تر، فراوان­تر و مقاوم­تر در مقابل خوردگي الكتروليت استفاده گردد و از اينرو با انجام اعمال شيميايي روي فلز سرب، از اين فلز در باتري هاي خودرو استفاده مي­ گردد. در اين باتري ها از محلول آب مقطر و اسيد سولفوريك به عنوان الكتروليت استفاده مي­ شود.

با توجه به مطالب فوق و شكل (1) اگر دو فلز غير هم­جنس، يكي از جنس سرب (pb) به عنوان صفحة منفي و ديگري از جنس دي­اكسيد سرب (pbo2) به عنوان صفحة مثبت در محلول آب (H2o) و اسيد سولفوريك (H2SO4) قرار گيرد، باتري سربي- اسيدي تشكيل مي­ شود كه حداكثر 2/2 ولت برق توليد مي­ كند.

شكل 1- تشكيل باتري سربي اسيدي در حالت شارژ كامل

 

اگر مطابق شكل (2) از اين باتري استفاده شده و برق آن مورد مصرف قرار گيرد به تدريج سولفات (SO4) از الكتروليت جدا شده و به صفحة مثبت و منفي مي­ چسبد و از طرفي اكسيژن (O2) صفحة مثبت نيز از اين صفحه جدا شده و وارد الكتروليت مي ­شود.

شكل 2- روند دشارژ باتري سربي- اسيدي

 

در اين حالت فعل و انفعالات شيميايي باتري به صورت زير مي ­باشد:

ابتدا محلول الكتروليت كه اسيد سولفوريك رقيق مي­ باشد تجزيه مي­ شود:

موازنة (1)

موازنه شيميايي بر روي صفحات مثبت  انجام مي­ شود.

موازنة (2)

با توجه به موازنه ­هاي بالا، موازنة شيميايي نهايي صفحات مثبت در هنگام دشارژ كامل باتري، مطابق موازنة (4-6) انجام مي ­شود:

موازنة (3)

بنابراين در هنگام دشارژ كامل باتري، جنس صفحات مثبت PbSO4 مي ­باشد.

در روند دشارژ باتري، موازنة شيميايي بر روي صفحات منفي نيز با توجه به موازنة (4) انجام مي­ شود.

موازنة (4)

از اينرو، موازنه نهايي صفحات منفي در هنگام دشارژ كامل باتري، با توجه به موازنه­ هاي (1) و (2) مطابق موازنة (5) مي­ باشد.

موازنة (5)

بنابراين در هنگام دشارژ كامل باتري، جنس صفحات منفي نيز PbSO4 مي­باشد.

در اينصورت موازنة مايع الكتروليت نيز در حالت دشارژ كامل باتري، با توجه به موازنه ­هاي (1) و (2) مطابق موازنة (6) مي ­باشد.

موازنة (6)

بنابراين در حالت دشارژ كامل باتري، جنس صفحة مثبت و منفي به سولفات سرب (PbSO4 ) و الكتروليت به آب تبديل مي­ شود. اين موضوع در شكل (3-6) ملاحظه مي ­شود.

شكل 3- باتري سربي- اسيدي در حالت  دشارژ يا تخليه کامل

 

براي آنكه دوباره بتوان از اين باتري استفاده نمود، بايد باتري را به دستگاه شارژ باتري، دينام يا آلترناتور خودرو وصل نمود تا مطابق شكل (4-6) جنس صفحة مثبت به دي  اكسيد سرب (PbO2)، جنس صفحة منفي به سرب (Pb) و جنس الكتروليت به اسيد سولفوريك (H2SO4) تبديل گردد.

شكل 4- روند شارژ باتري سربي- اسيدي

 

به عبارتي ديگر شارژ باتري روندي است كه سولفات هاي (SO4) چسبيده شده به صفحة مثبت و منفي از صفحات جدا شده و وارد الكتروليت مي­ گردند و اكسيژن (O2) وارد شده از صفحة مثبت به الكتروليت، به صفحة مثبت باز مي­ گردد.

 

نویسنده مهندس صیاد نصیری

گروه فنی مهندسی اِیمِگ