آشنایی با نحوه عملکرد باطری خودرو

باتری‌های ماشین مسئول تامین نیروی تمام خودرو می‌باشند. اگر باتری کار نکند، دیگر اجزای ماشین نیز کار نخواهند کرد. سوال اینجاست که چگونه یک باتری کوچک می‌تواند انرژی لازم برای عملکرد کل ماشین را تامین کند. باتری‌های ماشین با انرژی شیمیایی و الکتریکی کار می‌کنند. یک مدار الکتریکی بیرون از باتری وجود دارد که باتری ماشین را شارژ کرده و به الکترون‌ها اجازه می‌دهد تا به جریان بیافتند. البته همچنین باید به مواد شیمیایی داخل باتری نیز اشاره کرد که با یکدیگر و الکترون‌ها فعل و انفعالات شیمیایی ایجاد می‌کنند. الکترون‌های باتری در قالب ذرات زیر اتمی‌، باتری را فعال کرده و آن را قادر به روشن کردن موتور خودرو می‌کنند.
اگر همیشه برایتان سوال بوده است که باتری ماشین چگونه کار می‌کند، این مقاله برای شخص شما به تحریر درآمده است. پس با ما در ادامه این مقاله همراه باشید چرا که در آن به آشنایی با نحوه عملکرد باتری خودرو و انواع آن پرداخته‌ایم.

آشنایی با نحوه عملکرد باتری خودرو

باتری ماشین از ۳ جزء تشکیل داده شده است: به ۲ جزء آن رابط‌هایی هستند که با نام‌های آند و کاتد شناخته می‌شوند و سپس به جزء سوم می‌رسیم که یک محلول شیمیایی است که رابط‌ها در آن قرار گرفته‌اند. یک شارژ الکتریکی از بیرون باتری آن را شارژ کرده و واکنش شیمیایی‌ای را داخل باتری فعال می‌کند. بدین سان انرژی شیمیایی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و انرژی لازم باتری تامین می‌شود.
آند، الکترود شارژ شده مثبت درون باتری است که به الکترون‌ها اجازه می‌دهد به بیرون است باتری سفر کنند، و کاتد دقیقا برعکس آن است؛ الکترود شارژ شده منفی که از طریق آن الکترون‌ها دوباره به باتری بازمی‌گردند.
واکنش‌های شیمیایی میان محلول شیمیایی درون باتری و آند و کاتد هستند که مهاجرت مدام و تحرک الکترون‌ها را ممکن می‌سازند. الکترودها در واکنش‌های شیمیایی‌ای که میان محلول و رابط‌ها صورت می‌گیرند ذخیره می‌شوند.

فیزیک نحوه عملکرد باتری خودرو

از دیدگاه فیزیکی، باتری از سه نوع اجزای اساسی تشکیل شده است:

• یک الکترولیت
• دو الکترود
• یک تفکیک ‎کننده

به این دو الکترود مذکور آند و کاتد می‌گویند و هردو آن‌ها از مواد رسانایی که به جریان الکتریکی اجازه عبور می‌دهند ساخته شده‌اند. این دو الکترود هرکدام نقش متفاوتی درون باتری ماشین ایفا می‌کنند. کاتد به پایانه مثبت باتری می‌چسبد. پایانه مثبت همچنین جاییست که جریان الکتریکی از باتری خارج می‌شود. این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که انرژی داخل باتری از بین رفته باشد یا اینکه تمام آن مصرف شده باشد. خالی شدن شارژ باتری هم‌زمان با خارج شدن جریان الکتریکی از پایانه مثبت باتری صورت می‌گیرد، اما در عین حال جریان الکتریکی از قطب مخالف، یعنی قطب منفی وارد باتری می‌شود. این الکترود که به قطب منفی مربوط است را آند می‌نامند.
جریان الکتریکی نباید با الکترون‌ها اشتباه گرفته شود. در بخش بعدی مفصل‌تر به این نکته پرداخته‌ایم. زمانی که جریان الکتریکی از طریق آند وارد باتری می‌شود، الکترون‌ها از همان طریق خارج می‌شوند؛ بدین ترتیب جهت حرکت الکترون‌ها بر خلاف جهت جریان الکتریکی می‌باشد.

میان الکترود‌های داخل باتری و همچنین داخل آن‌ها (از آنجا که الکترود‌ها در واقع دو اسفنج هستند که خودشان هم محلول الکترولیت را جذب می‌کنند) الکترولیت قرار دارد.
این ذرات، که همچنین با نام یون نیز شناخته می‌شوند، با موادی که هر یک از الکترودها از  آن ساخته شده‌اند ترکیب شده و واکنش نشان می‌دهند، و بدین صورت یک واکنش شیمیایی به‌دست می‌آید. این واکنش شیمیایی به باتری اجازه می‌دهد که یک جریان الکتریکی تولید کند؛ جریانی که می‌تواند انرژی قطعاتی که به باتری وصل هستند را تامین کند.
باتری شارژ الکتریکی را از دینام خودرو دریافت می‌کند. دینام قطعه‌ایست که از یک کویل و یک میله تشکیل شده و درون موتور ماشین قرار گرفته است تا انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.
انرژی الکتریکی تولید‌شده توسط دینام در باتری انباشت می‌شود، یا به عبارتی دیگر باتری شارژ می‌شود. در عوض باتری قادر خواهد بود که انرژی لازم قطعات الکتریکی موتور ماشین، مهم‌تر از همه استارتر (که ماشین بدون وجود آن هرگز روشن نخواهد شد) را تامین کند.

آشنایی با نحوه عملکرد باتری خودرو از دیدگاه شیمی

برای درک چگونگی عملکرد باتری ماشین از دیدگاه شیمی، نخست باید مواد شیمیایی حاضر در هر یک از اجزای باتری ماشین را درک کنیم. تمامی مواد شیمیایی داخل باتری حاوی ترکیبی از هیدروژن، اکسیژن، سولفور و سرب می‌باشند:

• محلول شیمیایی: سولفوریک اسید یا “H2SO4” (که ترکیبی از هیدروژن، سولفور و اکسیژن می‌باشد).
• کاتد: سرب دی‌اکسید با علامت شیمیایی “PbO2” (ترکیبی از سرب و اکسیژن).
• آند: سرب که با علامت شیمیایی “Pb” نشان داده می‌شود.

باتری انرژی را در یک قالب شیمیایی ذخیره می‌کند و سپس انرژی شیمیایی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

کاتد اسفنجی که از سرب دی‌‌اکسید تشکیل شده است با محلول سولفوریک اسید داخل باتری که هر دو رابط در آن قرار گرفته‌اند، واکنش نشان می‌دهد و بدین شکل سولفات سرب تولید می‌شود. برای اینکه بهتر متوجه این ساز و کار بشوید، موازنه شیمیایی آن را به زبان ساده‌تر به شما توضیح داده‌ایم:

اگر بخواهیم به زبان ساده بگوییم، چیزی که در این فرمول می‌بینیم این است که وقتی الکترون‌هایی که در شارژ الکتریکی ذخیره شده‌اند از پایانه باتری عبور می‌کنند، با سرب دی‌اکسید کاتد واکنش نشان می‌دهند و فرآورده‌های جانبی این واکنش، سولفوریک اسید محلول شیمیایی، سولفات سرب و آب سنگین هستند.

اگر بخواهیم نقش آند را بررسی کنیم باید بگوییم که در این موازنه سرب آند با سولفوریک اسید محلول واکنش نشان می‌دهد، تماس این دو ماده شیمیایی سولفات سرب و الکترون تولید می‌کند.
الکترون‌ها برای واکنش شیمیایی‌ای که در بخش کاتد رخ می‌دهد الزامی هستند، با این وجود الکترون‌ها نمی‌توانند از فرمول شیمیایی عبور کنند تا به کاتد برسند؛ در عوض باید از یک مدار الکتریکی خارجی بگذرند تا بتوانند به کاتد بازگردند. این موازنه به واکنش شیمیایی زیر منجر می‌شود:

این دو واکنش شیمیایی به عنوان یک چرخه در باتری ایفای نقش می‌کنند، یکی از دیگری تغذیه می‌کند و بالعکس تا بتوانند انرژی مود نیاز باتری را تامین کرده و به آن اجازه بدهند تا انرژی را به موتور ماشین منتقل کنند.

باتری ماشین برای چه مدتی کار می‌کند؟

طول عمر معمولی باتری ماشین بین ۳ الی ۵ سال است. این بازه تحت تاثیر عوامل متعددی می‌باشد که هنگام تخمین طول عمر باتری باید آن‌ها را نیز مد نظر داشت. به دلیل اینکه بخش اعظمی از باتری توسط عناصر شیمیایی داخل آن به کار می‌افتند، هر عامل محیطی که بتواند این عناصر شیمیایی را تحت تاثیر قرار دهد، به طبع می‌تواند عملکرد باتری را نیز تحت تاثیر قرار بدهد. یک مثال عالی در این زمینه، دما می‌باشد. زمانی که هوا سرد باشد، ماشین نیاز دارد تا روشن بشود و کمی کار کند تا سردی هوا فشاری بر باتری وارد نکند. این نوع فشار بر باتری می‌تواند باتری را تضعیف کرده و طول عمر آن را از آنچه انتظار می‌رود کمتر بکند. این نوع فشارها حتی ممکن است منجر به خراب شدن ماشین در وسط جاده یا خیابان بشوند.

از طرفی دیگر گرمای هوا می‌تواند نقش بسیار مهم‌تر و قابل توجه‌تری بر عملکرد و طول عمر باتری داشته باشد. هوای گرم می‌تواند باعث تبخیر مایع درون باتری شده و این اتفاق به آسیب داخلی باتری منجر خواهد شد. وقتی حرارت باتری را ضعیف کرده باشد، باتری آسیب‌پذیری بیشتری از خودش در دمای پایین نشان خواهد داد، زیرا باتری از مقاومت لازم برای دست و پنجه نرم کردن با تغییر دما را نخواهد داشت.
یک عامل دیگر که می‌تواند به تخلیه باتری منجر شود، بی‌استفاده رها کردن آن برای بازه‌های زمانی طولانی است. این موضوع باعث می‌شود که تمام شارژ باتری پیش از دفعه بعدی که می‌خواهید از ماشین استفاده کنید تخلیه بشود. برای حل این مشکل به یک شارژر باتری ماشین نیاز خواهید داشت که باتری ماشین را از کاپوت خارج کرده، شارژش کرده، و پیش از استارت زدن دوباره ماشین باتری را سر جای اولش برگردانید. در مقالات دیگر به تفصیل به آموزش بهترین روش شارژ باتری ماشین پرداخته‌ایم.

چگونه باتری ماشین شارژ می‌شود؟

همان‌طور که بالاتر اشاره کردیم، زمانی که ماشین مشغول کار است، باتری توسط قطعه‌ای دیگر که در موتور ماشین جا گرفته است و به آن دینام می‌گویند، شارژ می‌شود. وظیفه دینام این است که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل کرده و آن را به باتری برای ذخیره و شارژ شدن آن منتقل کند. بنابراین در عموم مواقع باتری نیازی به شارژ دستی ندارد.

باتری ماشین به خودی خود انرژی الکتریکی را به دیگر اجزای خودرو منتقل می‌کند، بنابراین باتری هم به یک منبع الکتریکی نیاز دارد تا ولتاژش را در یک حد به‌خصوص حفظ کند تا بتواند ماشین را روشن نگه دارد. ولتاژ باتری در واقع میزان نیروی الکتریکی‌ای است که باتری تولید می‌کند. بیشتر ماشین‌ها با باتری ۱۲ ولتی کار می‌کنند. اما به هر حال در اکثر ماشین‌ها باتری باید ولتاژی بیش از ۱۰.۵ ولت داشته باشد تا بتواند نیروی لازم موتور را تامین کند. یکی دیگر از نکاتی که در زمینه باتری و شارژش با آن سر و کار داریم، ظرفیت رزرو شده است. ظرفیت رزرو شده به ما نشان می‎دهد که در صورت بروز مشکلی در اتصال باتری و دینام، باتری برای چه مدتی می‌تواند با نرخ تخلیه انرژی ۲۵ آمپر دوام بیاورد. به عبارتی دیگر ظرفیت رزرو شده، اندازه‌گیری مدت زمانیست که باتری می‌تواند هنگام رانندگی بدون دریافت شارژ جدید از دینام دوام بیاورد. به هر ترتیب، هر موقع ولتاژ باتری به زیر ۱۰.۵ برسد نیاز به شارژ مجدد خواهد داشت. بنابراین در چنین شرایطی که باتری انرژی لازم را (به دلیل هر مشکلی که در اتصال میان باتری و دینام رخ داده است) دریافت نمی‌کند، به یک منبع خارجی برای شارژ کردن باتری نیاز خواهیم داشت. اگرچه این وضعیت چندان دوام نخواهد آورد، چرا که نه باتری و نه دینام قادر نیستند که برای مدت زیادی بدون یکدیگر کار بکنند.

در این مواقع دینام باید تعویض بشود و کل موتور نیز مورد بررسی قرار بگیرد تا مطمئن شوید بخش دیگری با مشکلی مواجه نیست. اگر مشکل از کمربندی باشد که باتری و دینام را به هم متصل می‌کند، به یک مکانیک خبره نیاز خواهید داشت تا کمربند را تعویض کرده و اتصال میان این دو قطعه را دوباره برقرار کند.
فارغ از این مسائل، برای شارژ باتری ۲ روش اساسی وجود دارد. شما با استفاده از کابل‌هایی که یک سر آن مستقیما به باتری شما و سر دیگر آن به یک باتری روشن سالم وصل می‌شوند می‌توانید باتری ماشین‌تان را تا حدی که دینام را به کار بیاندازید یا خودتان را به تعمیرگاه برسانید شارژ کنید. به این کابل‌ها، کابل جامپر و به این روش، روش “باتری به باتری” می‌گویند. روش دیگر هم این است که باتری را از کاپوت خارج می‌کنید و با استفاده از یک شارژر باتری ماشین، باتری خود را شارژ می‌کنید.

اگر قصد انجام هر یک از روش‌های بالا برای شارژ باتری را دارید، نخست باید تمامی چراغ‌های ماشین و لوازم جانبی از قبیل رادیو، جهت‌یاب و سیستم پخش صوتی و شارژ فندکی را خاموش کنید. باتری را خارج کنید برخی از فرآیندهای حفظ و نگهداری را روی آن اجرا کنید. نخست کابل منفی را از باتری جدا کنید. کابل منفی همیشه سیاه است، مگر اینکه طی سالیان کابل منفی جایگزین شده باشد. حتی اگر کابل‌ها هم جایگزین شده باشند، می‌توانید کابل منفی را از روی پایانه‌اش تشخیص دهید. سپس کابل مثبت را از باتری جدا کنید. 

اگر هرگونه اسید از باتری بیرون ریخت، پایانه‌‌ها را با فرچه سیمی مسواکی و ترکیبی از آب و جوش شیرین تمیز کنید (ترکیب آب و جوش شیرین برای خنثی‌سازی اسید باتری استفاده می‌شود). هنگام کار با باتری حتما مراقب چشم، بینی و دهان خود باشید. اگر باتری درپوش‌هایی روی بدنه‌اش دارد با دقت آن‌ها را باز کرده و سطح آب درون باتری را بسنجید. اگر سطح آب کم بود، مقداری آب مقطر به آن بیافزایید تا پر بشود. توجه داشته باشید که این برای تمام باتری‌ها لازم نیست؛ تنها باتری‌هایی که درپوش دارند.

اگر قصد شارژ باتری با شارژر را دارید پس از پاکسازی باتری ماشین را روی یک سطح سفت و صاف و امن بگذارید. شارژر را به باتری ماشین وصل کنید. ابتدا کابل‌ قرمز و سپس کابل مشکی. با کمترین نرخ شارژ شروع کنید چرا که شارژ با سرعت کم بهترین نتیجه را در طولانی‌مدت ارائه می‌دهد. اگر به کمک بیشتری نیاز دارید، با ما تماس بگیرید.