شناخت نحوه افت ظرفیت در پک‌های ذخیره‌سازی انرژی برای خریداران لپتاپ و خودروهای برقی اهمیت فراوانی دارد. هنگام بروز افت شارژدهی، بسیاری از کاربران تصور می‌کنند تمام بخش‌های باتری به یک اندازه فرسوده شده‌اند. با این حال، پدیده اثر بشکه در باتری نشان می‌دهد که عملکرد کل یک مجموعه چندسلولی تنها به ضعیف‌ترین بخش آن وابسته است. در یک بشکه چوبی با تخته‌های ناهمسان، میزان آب قابل نگهداری را کوتاه‌ترین تخته تعیین میکند و آب اضافه از همان نقطه سرریز می‌شود. در باتری‌های چندسلولی نیز اگر تنها یک سلول دچار افت ظرفیت یا افزایش مقاومت داخلی شود، کل پک باتری امکان بهره‌برداری از تمام توان ذخیره‌شده خود را از دست می‌دهد.
گوشی‌های هوشمند معمولا از یک سلول باتری لیتیومی بهره می‌برند. در این ساختار تک‌سلولی، کاهش ظرفیت شارژدهی حاصل واکنش‌های شیمیایی تدریجی میان الکترولیت و الکترودها در طول زمان است. عواملی مانند گرمای زیاد و چرخه‌های شارژ متوالی این زوال شیمیایی را سرعت می‌بخشند، اما موضوع ناهمگونی یا عدم توازن سلولی در آن‌ها معنا ندارد. در مقابل، دستگاه‌های پرمصرف مانند لپ‌تاپ‌ها، ابزارهای شارژی صنعتی و وسایل نقلیه الکتریکی نیازمند ولتاژ و جریان بسیار بیشتری هستند. برای تامین این انرژی، ده‌ها یا حتی هزاران سلول کوچک‌تر به صورت سری و موازی در کنار یکدیگر متصل می‌شوند تا یک پک باتری واحد را تشکیل دهند.
هر سلول باتری شامل دو الکترود اصلی به نام کاتد با بار مثبت و آند با بار منفی است. این دو بخش توسط ماده‌ای شیمیایی به نام الکترولیت و یک لایه جداکننده متخلخل از هم مجزا شده‌اند. جریان یون‌های لیتیوم میان کاتد و آند طی چرخه‌های شارژ و تخلیه، انرژی الکتریکی را ذخیره یا آزاد میکند. در یک باتری چندسلولی، لایه‌های الکترود و جداکننده به صورت متناوب چیده می‌شوند. تفاوت‌های جزیی در فرایند ساخت، ناهمگونی شیمیایی اولیه یا حتی عدم یکنواختی دما در بخش‌های مختلف کیس باتری باعث می‌شود برخی سلول‌ها سریع‌تر از بقیه دچار استهلاک شوند.
مکانیسم اثر بشکه در باتری و تاثیر آن بر زنجیره سلول ها
هنگامی که یک پک چندسلولی زیر شارژ قرار می‌گیرد، جریان الکتریکی به تمام سلول‌های متوالی وارد می‌شود. اگر یکی از سلول‌ها به دلیل مقاومت داخلی بالاتر یا آسیب دیدگی ساختاری زودتر از سایرین به سقف ولتاژ مجاز برسد، مدار نظارتی مجبور است فرایند شارژ کل مجموعه را متوقف کند. این اقدام ایمنی برای جلوگیری از داغ شدن شدید یا انفجار سلول پرشده انجام می‌شود، اما نتیجه مستقیم آن نیمه‌کاره ماندن شارژ سایر سلول‌ها است. بدین ترتیب بخش قابل توجهی از ظرفیت اسمی باتری بدون استفاده باقی می‌ماند.
این فرایند در زمان تخلیه شارژ و مصرف انرژی نیز به همان شکل رخ می‌دهد. زمانی که دستگاه در حال کار است، انرژی از تمام سلول‌ها دریافت می‌شود. سلول ضعیف‌تر به دلیل ظرفیت واقعی کمتر، سریع‌تر از بقیه به حداقل ولتاژ ایمن می‌رسد. به محض رسیدن این سلول به آستانه تخلیه کامل، مدار حفاظتی خروجی کل پک باتری را قطع میکند تا از قطبی شدن معکوس یا خرابی دائمی آن سلول جلوگیری کند. در این وضعیت، حتی اگر سایر سلول‌ها 30 یا 40 درصد شارژ ذخیره شده داشته باشند، دستگاه خاموش می‌شود.
نابرابری شارژ بین سلول‌ها یک چرخه مخرب ایجاد میکند. سلولی که ضعیف‌تر شده در هر چرخه شارژ و تخلیه فشار کاری بیشتری را تحمل میکند و داغ‌تر می‌شود. این افزایش دما استهلاک شیمیایی همان سلول را شتاب می‌دهد و فاصله آن را با سایر سلول‌های سالم بیشتر میکند. کاربران لپ‌تاپ‌های ویندوزی می‌توانند با استخراج گزارش سلامت باتری ویندوز وضعیت زوال شیمیایی و افت ظرفیت واقعی دستگاه خود را بررسی کنند. تحلیل این داده‌ها نشان می‌دهد که افت ناگهانی شارژدهی معمولا ناشی از تخریب کلی تمام سلول‌ها نیست، بلکه حاصل ضعف شدید یک یا چند سلول خاص است.
نقش سیستم مدیریت باتری در کنترل نابرابری ولتاژ سلول ها
برای کنترل پدیده عدم توازن و به تاخیر انداختن افت ظرفیت کل مجموعه، مهندسان از سیستم مدیریت باتری یا BMS استفاده می‌کنند. این سامانه هوشمند متشکل از مدارهای الکترونیکی و الگوریتم‌های نرم‌افزاری است که پارامترهای حیاتی پک باتری شامل ولتاژ تک‌تک سلول‌ها، جریان ورودی و خروجی و دمای نقاط مختلف را به طور لحظه‌ای پایش میکند. وظیفه اصلی این سیستم جلوگیری از شارژ بیش از حد، تخلیه عمیق و ایجاد نقاط داغ در داخل مجموعه سلول‌ها است.
در سیستم‌های تک‌سلولی مانند تلفن‌های همراه، وظیفه مدار کنترلی عمدتا به تنظیم سطح جریان و قطع ولتاژ در آستانه مشخص محدود می‌شود. اما در تجهیزات چندسلولی، سیستم مدیریت باتری وظیفه بسیار پیچیده‌تری به نام بالانس سلول را بر عهده دارد. بالانس سلولی به معنای هم‌سطح‌سازی ولتاژ و میزان شارژ تمام سلول‌های موجود در یک پک است تا نابرابری میان آن‌ها به حداقل برسد و تاثیر افت عملکرد یک سلول روی کل مجموعه کاهش یابد.
کالیبراسیون دوره‌ای باتری به سیستم مدیریت فرصت می‌دهد تا ظرفیت واقعی هر سلول را بازشناسایی کند. وقتی کاربر اجازه می‌دهد شارژ باتری تا درصدهای پایین تخلیه شده و سپس به طور کامل شارژ شود، الگوریتم‌های کنترلی وضعیت نابرابری ولتاژ را با دقت بیشتری اندازه‌گیری می‌کنند. برخی اشتباهات کاربری مانند اتصال مداوم به شارژر یا قرار دادن دستگاه در محیط‌های بسیار گرم باعث تشدید نابرابری ولتاژ می‌شود. اگاهی از اشتباهات باتری لپ تاپ به کاربران کمک میکند تا شرایط کاری متناسبی برای عملکرد بهینه BMS فراهم سازند.
با وجود تمام قابلیت‌های پیشرفته، سیستم مدیریت باتری نمی‌تواند استهلاک طبیعی مواد شیمیایی را به طور کامل متوقف کند. مهار واکنش‌های جانبی بین الکترولیت و الکترودها خارج از توان مدارهای الکترونیکی است. این سیستم تنها اثرات مخرب عدم توازن را تعدیل کرده و اجازه می‌دهد پک باتری تا حداکثر طول عمر مفید شیمیایی خود کار کند.
تفاوت های فنی و اقتصادی بالانس فعال و غیرفعال در پک های باتری
سیستم‌های مدیریت باتری برای اجرای فرایند بالانس سلول از دو راهکار سخت‌افزاری متفاوت استفاده می‌کنند که تحت عنوان بالانس غیرفعال و بالانس فعال شناخته می‌شوند. در روش بالانس غیرفعال، وقتی ولتاژ یک سلول هنگام شارژ از سایر سلول‌ها بالاتر می‌رود، سیستم یک مقاومت الکتریکی را موازی با آن سلول قرار می‌دهد. انرژی اضافی این سلول به صورت گرمایی تلف می‌شود تا ولتاژ آن با سلول‌های کندتر برابر گردد. این روش از نظر طراحی مدار بسیار ارزان و کم‌حجم است و نیازی به قطعات پیچیده ندارد.
بزرگ‌ترین نقطه ضعف بالانس غیرفعال، اتلاف مستقیم انرژی و تولید حرارت درون پک باتری است. گرما یکی از عوامل اصلی تخریب الکترولیت و کاهش عمر سلول‌های لیتیومی محسوب می‌شود. به همین دلیل، بالانس غیرفعال بیشتر در ابزارهای الکترونیکی کوچک مانند لپ‌تاپ‌ها، تبلت‌ها و ابزارهای شارژی کم‌مصرف که شدت جریان بالانس در آن‌ها پایین است استفاده می‌شود. در این تجهیزات، هزینه و اندازه محدود مدار مانع از به کارگیری روش‌های پیچیده‌تر می‌شود.
در مقابل، روش بالانس فعال به جای سوزاندن انرژی اضافی، شارژ را از سلول‌های پرتر برداشته و به سلول‌های کم‌شارژ منتقل میکند. این فرایند انتقال انرژی با استفاده از خازن‌ها، القاگرها یا مبدل‌های پیشرفته سوئیچینگ انجام می‌شود. بالانس فعال بازده انرژی بسیار بالایی دارد و گرمای ناچیزی تولید میکند. در نتیجه، این روش نه تنها شارژ موجود در پک را حفظ میکند، بلکه از ایجاد فشار حرارتی روی سلول‌های مجاور نیز جلوگیری می‌نماید.
با این حال، پیچیدگی فنی و هزینه ساخت مدار بالانس فعال به مراتب بیشتر از روش غیرفعال است. اضافه شدن قطعات الکترونیکی متعدد باعث افزایش وزن، حجم و قیمت تمام شده پک باتری می‌شود. به همین علت، استفاده از بالانس فعال عمدتا به خودروهای برقی، اتوبوس‌های الکتریکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی بزرگ محدود است، جایی که قیمت و وزن مدار کنترلی در مقایسه با کل ارزش باتری سهم کوچکی دارد.
پژوهشگران علوم مواد در حال توسعه نسل جدیدی از الکترودها هستند تا توزیع یون‌های لیتیوم در سطح کاتد و آند یکنواخت‌تر شود. بهبود ساختار فیزیکی و شیمیایی الکترودها می‌تواند انتقال یون‌ها را تسهیل کرده و عدم توازن اولیه سلول‌ها را کاهش دهد. این دستاوردها در صورت تجاری‌سازی می‌توانند نیاز پک‌های باتری به مدارهای بالانس پیچیده و گران‌قیمت را تا حد زیادی برطرف سازند.
آینده فناوری باتری‌های چندسلولی بر تعادل میان شیمی مواد و مهندسی مدار استوار است. با وجود پیشرفت در طراحی BMS، چالش اصلی صنعت خودروهای برقی و رایانه‌های قابل حمل همچنان کند کردن روند ناهمگونی سلول‌ها در اثر تغییرات دمایی و چرخه‌های شارژ سریع است. سوال اصلی که خریداران و سازندگان با آن روبرو هستند این است که آیا الکترودهای جدید می‌توانند وابستگی به سیستم‌های بالانس گران‌قیمت را به طور کامل از بین ببرند یا مهندسی مدار همچنان خط اول دفاع در برابر زوال باتری باقی خواهد ماند.
