ظرفیت باتری (Battery capacity)

ظرفیت باتری (Battery capacity) یک مشخصه بنیادین است که میزان انرژی الکتریکی یا بار الکتریکی قابل ذخیره در یک باتری را تعیین می‌کند. این ویژگی نه تنها برای باتری‌های کوچک در دستگاه‌های الکترونیکی قابل حمل مهم است، بلکه برای باتری‌های بزرگ و پرقدرت مورد استفاده در خودروهای برقی (EVs)، سیستم‌های ذخیره انرژی در مقیاس بزرگ و کاربردهای صنعتی، حیاتی محسوب می‌شود. ظرفیت باتری مستقیماً بر مدت زمان کارکرد دستگاه متکی به باتری (مانند برد پیمایش خودروهای برقی) و همچنین بر ابعاد، وزن و هزینه باتری تأثیر می‌گذارد. درک ظرفیت باتری (Battery capacity): چیستی، مفهوم و آنچه اندازه می‌گیرد (انرژی یا شارژ) برای فهم قابلیت‌ها و محدودیت‌های فناوری باتری در بستر جهانی ضروری است.

مفهوم و اندازه ظرفیت باتری

ظرفیت باتری (Battery capacity) در واقع معیاری برای تعیین مقدار کل الکتریسیته‌ای است که باتری می‌تواند پس از شارژ کامل ذخیره و سپس در طول فرآیند دشارژ تحویل دهد، تا زمانی که ولتاژ آن به سطح غیرقابل استفاده‌ای برسد. چیستی آن در توانایی باتری در تأمین جریان (آمپر) در طول یک بازه زمانی (ساعت) است.

مفهوم ظرفیت باتری می‌تواند از دو منظر نگریسته شود:

1. ظرفیت بار الکتریکی (Charge Capacity): میزان کل بار الکتریکی ذخیره شده. واحد اصلی آن کولن (Coulomb) است، اما در عمل اغلب از آمپر ساعت (Ah) یا میلی‌آمپر ساعت (mAh) استفاده می‌شود.
2. ظرفیت انرژی الکتریکی (Energy Capacity): میزان کل انرژی الکتریکی ذخیره شده. واحد اصلی آن ژول (Joule) است، اما در عمل اغلب از وات ساعت (Wh) یا کیلووات ساعت (kWh) استفاده می‌شود.

آنچه اندازه می‌گیرد (انرژی یا شارژ) به واحدی که برای بیان ظرفیت استفاده می‌شود بستگی دارد. برای مقایسه باتری‌هایی با ولتاژهای مختلف، ظرفیت انرژی (kWh) معیار دقیق‌تر و مفیدتری است، زیرا ولتاژ را نیز در نظر می‌گیرد.

واحدهای اندازه‌گیری ظرفیت باتری (آمپر ساعت Ah، کیلووات ساعت kWh) و نحوه تبدیل آن‌ها

واحدهای اندازه‌گیری ظرفیت باتری به طور رایج شامل آمپر ساعت (Ah) و وات ساعت (Wh) یا مشتقات آن‌ها هستند.

• آمپر ساعت (Ah): این واحد برای بیان میزان بار الکتریکی ذخیره شده استفاده می‌شود. اگر باتری بتواند با جریان ثابت ۱ آمپر به مدت ۱ ساعت کار کند، ظرفیت آن ۱ آمپر ساعت است. این واحد برای باتری‌های کوچک (مانند باتری گوشی) معمولاً به صورت میلی‌آمپر ساعت (mAh) بیان می‌شود (۱۰۰۰ mAh = ۱ Ah).
• وات ساعت (Wh): این واحد برای بیان میزان انرژی الکتریکی ذخیره شده استفاده می‌شود. اگر باتری بتواند با توان ثابت ۱ وات به مدت ۱ ساعت کار کند، ظرفیت آن ۱ وات ساعت است. برای باتری‌های بزرگ مانند باتری خودروهای برقی، از کیلووات ساعت (kWh) استفاده می‌شود (۱۰۰۰ Wh = ۱ kWh).

نحوه تبدیل آن‌ها به یکدیگر: انرژی ذخیره شده (بر حسب وات ساعت) برابر است با حاصل‌ضرب ظرفیت بار (بر حسب آمپر ساعت) در ولتاژ باتری (بر حسب ولت): $$\text{Energy (Wh)}=\text{Charge (Ah)}\times \text{Voltage (V)}$$ و برای کیلووات ساعت: Energy (kWh)=Charge (Ah)×1000Voltage (V)​ بنابراین، برای مقایسه انرژی قابل دسترس از باتری‌های با ولتاژهای متفاوت، استفاده از کیلووات ساعت ضروری است.

ظرفیت نامی در مقابل ظرفیت قابل استفاده (عملی) باتری: عوامل موثر بر کاهش ظرفیت در عمل

ظرفیت نامی (Nominal Capacity) عددی است که سازنده باتری تحت شرایط آزمایشگاهی استاندارد و ایده‌آل (مانند دمای ۲۰-۲۵ درجه سانتی‌گراد و سرعت دشارژ پایین و ثابت) برای بیان حداکثر ظرفیت باتری اعلام می‌کند. با این حال، ظرفیت قابل استفاده (عملی) باتری در شرایط رانندگی واقعی ممکن است متفاوت و معمولاً کمتر از ظرفیت نامی باشد. عوامل موثر بر کاهش ظرفیت در عمل شامل:

• نرخ دشارژ (Discharge Rate): اگر باتری با جریان بسیار بالایی (یعنی با توان بالا و سرعت زیاد) دشارژ شود، ظرفیت قابل استفاده آن عملاً کمتر از ظرفیت نامی خواهد بود (این پدیده به اثر پئوکرت – Peukert’s effect – مربوط است).
• دما (Temperature): دماهای بسیار پایین یا بسیار بالا می‌توانند به طور موقت بر واکنش‌های شیمیایی داخل باتری تأثیر گذاشته و ظرفیت قابل استفاده آن را کاهش دهند.
• سن باتری و چرخه‌های شارژ/دشارژ (Battery Age/Cycles): با گذشت زمان و تعداد دفعات شارژ و دشارژ شدن باتری، ظرفیت کلی آن به تدریج و به صورت برگشت‌ناپذیر کاهش می‌یابد. این همان دگرادسیون باتری است که به عنوان کاهش وضعیت سلامت باتری (SOH) بیان می‌شود.
• محدودیت‌های BMS: سیستم مدیریت باتری (BMS) ممکن است بخشی از ظرفیت کل باتری (در بالا و پایین) را برای حفاظت از سلول‌ها و افزایش طول عمر کلی باتری، قابل استفاده قرار ندهد.

اهمیت ظرفیت باتری در خودروهای برقی (EVs): تأثیر مستقیم بر برد پیمایش، عملکرد و زمان شارژ

ظرفیت باتری در خودروهای برقی (EVs) یکی از مهم‌ترین و تأثیرگذارترین مشخصات فنی خودرو است. اهمیت ظرفیت باتری در خودروهای برقی شامل:

• برد پیمایش (Driving Range): ظرفیت باتری (بر حسب kWh) اصلی‌ترین عامل تعیین‌کننده مسافتی است که یک خودروی برقی می‌تواند با یک بار شارژ کامل طی کند. هرچه ظرفیت باتری بیشتر باشد، برد پیمایش خودرو نیز بیشتر خواهد بود (با فرض بازدهی مصرف انرژی ثابت). این تأثیر مستقیم بر برد پیمایش، یکی از اصلی‌ترین فاکتورها برای خریداران خودروهای برقی است.
• عملکرد (Performance): باتری‌های با ظرفیت بالاتر معمولاً قادر به تأمین جریان و توان بالاتری هستند که می‌تواند به بهبود شتاب‌گیری و توان کلی پیشرانه کمک کند.
• زمان شارژ (Charging Time): برای اضافه کردن مقدار مشخصی برد یا انرژی، باتری با ظرفیت بالاتر به زمان شارژ بیشتری نیاز دارد (اگرچه خودروهای با باتری بزرگتر معمولاً از توان شارژ سریع بالاتری نیز پشتیبانی می‌کنند). برای شارژ کامل یک باتری با ظرفیت بزرگ، زمان بیشتری نسبت به یک باتری با ظرفیت کوچکتر لازم است.

تأثیر ظرفیت باتری بر برد پیمایش، عملکرد و زمان شارژ آن را به یک فاکتور کلیدی در مهندسی، طراحی و انتخاب خودروهای برقی در سطح جهانی تبدیل کرده است. ظرفیت باتری در BEVهای موجود در سطح جهانی از حدود ۲۰ کیلووات ساعت (برای خودروهای کوچک شهری) تا بیش از ۱۵۰ کیلووات ساعت (برای خودروهای لوکس یا با عملکرد و برد بسیار بالا) متغیر است.

ارتباط میان ظرفیت باتری، هزینه تولید، وزن و ابعاد بسته باتری در صنعت خودرو

ظرفیت باتری با چندین عامل مهم در طراحی و تولید خودروهای برقی ارتباط تنگاتنگی دارد. ارتباط میان ظرفیت باتری، هزینه تولید، وزن و ابعاد بسته باتری در صنعت خودرو بدین شرح است:

• هزینه تولید: سلول‌های باتری لیتیوم-یون یکی از گران‌ترین اجزای خودروی برقی هستند. برای افزایش ظرفیت باتری، به تعداد بیشتری سلول نیاز است، که این به طور مستقیم باعث افزایش قابل توجه هزینه تولید بسته باتری و در نتیجه قیمت نهایی خودرو می‌شود.
• وزن: هرچه ظرفیت باتری بیشتر باشد، تعداد سلول‌ها، مواد تشکیل دهنده و اجزای بسته باتری افزایش یافته و وزن بسته باتری به طور مستقیم متناسب با آن افزایش می‌یابد. بسته‌های باتری بزرگ بسیار سنگین هستند و بخش قابل توجهی از وزن کلی خودروی برقی را تشکیل می‌دهند، که این امر بر راندمان کلی و هندلینگ خودرو تأثیر می‌گذارد.
• ابعاد: افزایش ظرفیت باتری معمولاً به معنای افزایش ابعاد بسته باتری نیز هست. بسته باتری باید در فضای مشخصی از خودرو (معمولاً در کف) جای گیرد و ابعاد آن محدودیت‌هایی را در طراحی خودرو ایجاد می‌کند.

این ارتباط میان ظرفیت باتری، هزینه تولید، وزن و ابعاد بسته باتری یک چالش مهندسی مداوم در صنعت خودرو است و خودروسازان به دنبال افزایش چگالی انرژی سلول‌ها (انرژی بیشتر در حجم و وزن کمتر) برای دستیابی به برد بیشتر بدون افزایش بیش از حد هزینه یا وزن هستند.

نتیجه‌گیری

ظرفیت باتری (Battery capacity) معیاری بنیادین برای تعیین میزان انرژی یا بار الکتریکی قابل ذخیره در باتری‌هاست و نقشی حیاتی در عملکرد خودروهای برقی ایفا می‌کند. درک ظرفیت باتری (Battery capacity): چیستی، مفهوم و آنچه اندازه می‌گیرد (انرژی یا شارژ) و واحدهای اندازه‌گیری ظرفیت باتری (آمپر ساعت Ah، کیلووات ساعت kWh) و نحوه تبدیل آن‌ها برای فهم این مفهوم ضروری است. با وجود تفاوت بین ظرفیت نامی در مقابل ظرفیت قابل استفاده (عملی) باتری ناشی از عوامل موثر بر کاهش ظرفیت در عمل، اهمیت ظرفیت باتری در خودروهای برقی (EVs) در تأثیر مستقیم بر برد پیمایش، عملکرد و زمان شارژ حیاتی است. در نهایت، ارتباط میان ظرفیت باتری، هزینه تولید، وزن و ابعاد بسته باتری در صنعت خودرو نشان‌دهنده چالش‌های مرتبط با افزایش ظرفیت است. درک ظرفیت باتری برای فهم قابلیت‌های خودروهای برقی و فناوری باتری در بستر جهانی ضروری است.