در بیشتر فناوری های مربوط به باتری، اگر ولتاژ باتری از حد مورد نیاز سیستم پایین تر بیاید، آن باتری دیگر قادر به تأمین انرژی مورد نیاز سیستم نبوده و آن سیستم دیگر نمی تواند به کار خود ادامه دهد. در این حالت لزوماً انرژی ذخیره شده در باتری تمام نشده است، بلکه برای برآورده کردن ولتاژ مورد نظر کافی نیست و در اصطلاح میگوییم باتری خالی شده است، حال آن که این باتری برای سیستمی که ولتاژ قطع آن کمتر باشد قابل استفاده خواهد بود.
به دلیل رفتار غیر خطی باتری در روند تخلیه یا دشارژ، بیشینه کردن طول عمرآن مسأله ای سخت و چالش برانگیز می باشد.
بعلاوه، به علت وابستگی میزان انرژی استخراج شده از باتری به الگوی جریان دشارژ آن، می توان با کنترل سطح جریان و الگوی دشارژ طول عمر باتری را افزایش داد.
مهم ترین مدل هایی که تا کنون برای باتری ارائه شده اند عبارتند از:
- مدلهای تصادفی
- مدل الکتروشیمیایی
- مدل مدارهای الکتریکی
- مدلهای تحلیلی
در اغلب مطالعات انجام گرفته بر مبنای تغییر پویای ولتاژ، باتری به عنوان یک منبع ایده آل انرژی می باشد که مقدار معین انرژی را در یک ولتاژ خروجی ثابت، ذخیره یا پخش می کند. اخیراً تلاش های بسیاری برای استفاده از روشهای ابتکاری که از مدل باتری به دست آمده، برای زمان بندی پویای وظایف دوره ای شکل گرفته است. در سالهای اخیر طراحی سیستم های مبتنی بر باتری یک مقوله مهم و جدی بوده است.
کارهایی که تا کنون در این زمینه انجام شده به چند دسته عمده تقسیم بندی می شوند:
- مدل کردن باتری و توصیف رفتار
- رفتار غیر خطی آن، مدیریت توان و انرژی مصرفی باتری
- زمانبندی وظایف در سیستمهای مبتنی بر باتری
تخصیص بهینه باتری ذخیره ساز انرژی در شبکه تخصیص
موضوع استفاده از ذخیره سازها مورد توجه محققین قرار گرفته است. به عنوان نمونه، نویسندگان در یک راهبرد برای یافتن ظرفیت و نحوه شارژ و دشارژ بهینه باتری، به منظور کنترل ولتاژ و کاهش تلفات ارائه داده اند.
یکی از دلایل استفاده از ذخیره ساز در شبکه های توزیع، به تعویق انداختن توسعه شبکه از طریق کاهش اوج بار است. احداث فیدرهای جدید یا توسعه فیدرهای موجود برای شرکت های توزیع برق هزینه بر می باشد. با استفاده از نتایج پیش بینی بار می توان فیدرهای دارای اضافه بار در آینده را مشخص نموده و با نصب ذخیره ساز مناسب بر روی آنها، ضمن تأمین بار به صورت محلی، از اضافه بار شدن فیدر در زمان اوج بار جلوگیری به عمل آورد.
در این موارد با توجه به قیمت بالای ذخیره سازها و به ویژه باتریها، با در نظر گرفتن مزیت های دیگری همچون خرید و فروش (تجارت) انرژی، کاهش قیمت دسترسی به سیستم انتقال و بهبود انتشار گازهای گلخانه ای توجیه پذیراست.
باتری ها بر اساس فناوری ساخت به دو دسته تقسیم میشوند:
باتریهای مرسوم همانند سرب اسیدی، نیکل کادمیم، سدیم سولفار و باتری های جریان همانند وانادیم ریداکس تقسیم بندی می گردند. همچنین، چگالی انرژی بالا، چرخه عمر بالا و قیمت پایین از جمله مزایای باتریهای سدیم سولفار می باشند. باتری وانادیم ریداکس در بین باتری های جریان پیشرفته ترین باتری و در بین باتریهای معرفی شده دارای بیشترین تعداد دفعات شارژ و دشارژ است.
باتری سرب-اسید
ارزیابی بازار باتری نشان می دهد که باتری های سرب-اسید، بازار باتریهای قابل شارژ را در اختیار دارند. باتری های سرب-اسید در مقایسه با باتری های قابل شارژدیگر مزایای زیادی مانند کار در ولتاژهای بالاتر، انرژی ویژه قابل قبول، کار در محدوده وسیعی از دما، هزینه تولید و نگهداری کم و سامانه ی بازیافت جاافتاده و موفق را دارند.
باتریهای سرب-اسید در گستره وسیعی به کار برده می شوند. این طیف وسیع شامل:
- توانایی از پالس های سریع جریان بالا تا جریان های کم و پایدار
- همچنین از موتورهای احتراق داخلی تا توان پشتیبان برای ارتباطات مخابراتی
- انتظار تحمل کردن این باتریها، دشارژ و شارژ عمیق در دوره های زمانی کوتاه در وسایل الکتریکی
- انتظار تامین توان کافی برای وظیفه اختصاص یافته برای باتری
بهینه کردن ابعاد باتری و همچنین مساحت سطح فعال آن در جهت افزایش ظرفیت، مدت زمان شارژ کمتر و نیز دمای کاری کمتر چالش قابل توجهی برای محققان در این زمینه است و پیشرفت مهمی برای طراحان در صنعت باتریهای سرب-اسید به حساب می آید. در حال حاضر روش متداول در صنعت، استفاده از سعی وخطا برای بیشتر کردن ظرفیت باتری هااست که بسیار پرهزینه و زمانبر می باشد. کمبود لوازم آزمایشگاهی از دیگر ایرادهای تستهای تجربی است که به همین دلیل در عمل محدود میشوند. مدلسازی ریاضی از دیگر روشهای تحقیق و بررسی رفتار دینامیکی باتریهاست.
روش حجم محدود
روش حجم محدود یک روش دقیق و بهروز برای مدلسازی با مقاصد طراحی و بهینه سازی است. این روش قادر است با حل عددی معادلات الکتروشیمیایی و حرارتی باتری، تحلیل دقیقی از سیستم مورد مطالعه ارائه دهد.
در مورد مدلسازی رفتار دینامیکی باتری مطالعه های زیادی انجام گرفته است. نیومن و تیدمن ک تئوری جامع در مورد الکترودهای متخلخل را برای اولین بار ارائه دادند. این دو محقق، از مدل پیشنهادی خود برای شبیه سازی رفتار یک سل سرب-اسید در فرآیند دشارژ استفاده کردند.
پیشرفت بعدی این مدل ارائه شده، توسط سونو انجام گرفت. مدل سونو توانست تاثیر توزیع غیریکنواخت غلظت اسید را در محفظه الکترولیت در نظر بگیرد.
کارها و نتایج محققین در زمینه باتری
- گو و همکاران مدلی ارائه دادند که علاه بر فرآیند دشارژ، فرآیند شارژ را نیز مدل کرد در پژوهشی دیگر، یک مدل یکپارچه با فرمولبندی جامع برای اولین بار برای باتریها سرب-اسید ارائه دادند. آنها برای حل معادلههای حاکم از تکنیک های عددی موجود در دینامیک سیالات محاسباتی و از روش حجم محدود استفاده نمودند.
- اصفهانیان و همکاران روش های مدلسازی باتریهای سرب اسید را با روش جعبه ای-کلر و ترکیب مدلهای دینامیک سیالات محاسباتی با مدل مدار معادل، بهبود دادند.
- مصباحی و همکاران پس از مدلسازی الکتریکی یک باتری تحت شرایط واقعی، این مدل مدار عادل پویا را با استفاده از یک الگوریتم دوگانه ازدحام ذرات-نلدر-مید بهینه سازی کردند.
- کویندژیک و همکاران یک الگوریتم برای شارژ بهینه یک مجموعه از باتری های سرب-اسید را براساس مدل کنترل پیش ینی شده، پیشنهاد دادند. هدف این الگوریتم بیشینه سازی سرعت شارژ باتریها بود به صورتی که محدودیت های مربوط به جریان، ولتاژ و دما را نقض نکند.
- پورمیرزاآقا و همکاران رفتار دینامیکی یک سل سرب-اسید را با هدف انرژی بیشتر و ابعاد کمتر بهینه سازی کردند.
با توجه به اهمیت باتری های سرب-اسید در صنعت، روش های مختلفی برای سنجش این وسیله ذخیره انرژی الکتروشیمیایی وجود دارد. این روش ها، عملکرد باتری را با استفاده از پارامترهای متنوعی از جمله ظرفیت باتری، مدت زمان شارژ و دمای کاری مورد سنجش قرار می دهند.
ظرفیت بیشینه باتری
توانایی اصلی ذخیره انرژی در باتری ها می تواند به طور معنی داری از ظرفیت اسمی آن متفاوت باشد. زیرا ظرفیت باتری به شدت به نحوه استفاده و دمای کاری آن، عمر، نرخ های شارژ و دشارژ، وابسته می باشد. علاوه براین، ظرفیت باتری نشان دهنده ی بیشینه مقدار انرژی قابل استخراج از باتری تحت شرایط معین خواهدبود.
دمای باتری
- دمای باتری حین شارژ و دشارژ افزایش می یابد و این دما بر عملکرد باتری و همچنین خصوصیت های آن مانند رسانایی الکترود و الکترولیت تاثیر می گذارد.
- علاوه بر آن، افزایش دمای باتری به یکی از حالت های خرابی باتری به نام گریز حرارتی منجر می شود.
- کاهش دمای باتری به خصوص حین شارژ از هدف های مهم محققان است.
- افزایش ظرفیت، کاهش زمان شارژ و کاهش دمای کاری، مطلوب و مورد استفاده خواهد بود. حال باید دید با تغییر چه پارامترهایی می توان به این مهم دست یافت.
این پارامترها باید دو شرط را داشته باشند:
- اول تغییر آنها امکانپذیر باشد
- دوم تغییر این پارامترها تا حد امکان راحت باشد.
سطح فعال که در معادله های الکتروشیمیایی و حرارتی حاکم بر رفتار باتری به شکل جمله چشمه ظاهر می گردد از سطح فعال بیشینه حاصل می گردد. بعلاوه، باید دقت داشت که اندازه سل متغیر هندسی مهمی در ساختار باتری می باشد که در صنعت ساخت باتری مورد توجه واقع شده است.
