اقتصاد انرژی خانه هوشمند: مقایسه باتری‌های قابل شارژ لیتیوم-یون ۱.۵ ولتی و نیکل-متال هیدرید (NiMH)

همه فرض می‌کنند باتری‌های قابل شارژ سنتی — سلول‌های آشنای نیکل-متال هیدرید (NiMH) مانند پاناسونیک انلوپ (Eneloop) — بهترین انتخاب سازگار با محیط زیست برای هر دستگاه خانگی هستند. شواهد نشان می‌دهد که در حالی که NiMH در طول عمر خام چرخه‌های شارژ برتری دارد، ولتاژ عملیاتی پایین‌تر آن اساساً سیستم‌های اندازه‌گیری باتری در دستگاه‌های خانه هوشمند مدرن را مختل می‌کند. مصرف‌کنندگان اغلب مجبورند باتری‌های قفل‌های هوشمند یا تجهیزات صوتی بی‌سیم خود را دائماً تعویض کنند، با این فرض که دستگاه پرمصرف است، در حالی که مقصر اصلی عدم تطابق شیمیایی است. نسل جدید باتری‌های لیتیوم-یون ۱.۵ ولتی این مشکل را با یک خروجی تنظیم‌شده حل می‌کند، که اساساً محاسبات مربوط به انرژی خانه هوشمند را تغییر داده و هشدارهای کاذب رایجی که باتری‌های قابل شارژ سنتی را آزار می‌دهند، از بین می‌برد.[2]

برای دهه‌ها، بازار باتری‌های AA بر اساس استاندارد ۱.۵ ولتی سلول‌های قلیایی یک‌بار مصرف بنا شده بود. هنگامی که باتری‌های قابل شارژ NiMH وارد بازار مصرف شدند، ولتاژ اسمی آن‌ها تنها ۱.۲ ولت بود. در یک اسباب‌بازی موتوری کودک یا یک چراغ قوه رشته‌ای ساده، این کمبود ۰.۳ ولتی اهمیت چندانی ندارد؛ دستگاه فقط کمی کندتر یا کم‌نورتر کار می‌کند. اما در عصر قفل‌های هوشمند، میکروفون‌های بی‌سیم و حسگرهای دیجیتال دقیق، این افت ولتاژ جزئی تفاوت بین دستگاهی است که بی‌نقص کار می‌کند و دستگاهی که دائماً درخواست تعویض دارد. دستگاه‌های دیجیتال برای عملکرد قابل اعتماد ریزپردازنده‌ها و رادیوهای بی‌سیم خود به آستانه‌های ولتاژ دقیق نیاز دارند.[1][2]

مشکل اصلی در نحوه اندازه‌گیری توان باقی‌مانده توسط دستگاه‌های دیجیتال مدرن نهفته است. معمولاً فریم‌ور قفل هوشمند طوری برنامه‌ریزی شده است که وقتی ولتاژ به ازای هر سلول تقریباً به ۱.۱۵ ولت می‌رسد، هشدار «باتری کم» را فعال کند. یک باتری قلیایی زمانی به این آستانه می‌رسد که واقعاً تقریباً خالی است، زیرا به تدریج از نقطه شروع ۱.۶ ولت خود کاهش یافته است. با این حال، یک باتری NiMH تقریباً در تمام چرخه خود با ولتاژ ۱.۲ ولت کار می‌کند. از آنجایی که ولتاژ شروع آن از قبل بسیار نزدیک به آستانه هشدار فریم‌ور است، کوچک‌ترین افت ولتاژ تحت بار می‌تواند دستگاه را فریب دهد تا فکر کند باتری در حال از کار افتادن است.

هنگامی که ولتاژ باتری NiMH به ۱.۱۵ ولت می‌رسد، اغلب هنوز ۵۰ تا ۶۰ درصد از ظرفیت انرژی فیزیکی خود را حفظ کرده است. قفل هوشمند، با تفسیر اشتباه افت ولتاژ، یک هشدار کاذب را فعال می‌کند و حتی ممکن است برای جلوگیری از گیر کردن، عملکردهای موتوری را غیرفعال کند. کاربران مجبور می‌شوند باتری‌هایی را تعویض کنند که تنها تا نیمه تخلیه شده‌اند، که این امر مزیت راحتی و طول عمر نظری سلول قابل شارژ را کاملاً از بین می‌برد. این عدم تطابق دلیلی است که تولیدکنندگان بزرگ قفل هوشمند صراحتاً در دفترچه‌های راهنمای خود نسبت به استفاده از باتری‌های قابل شارژ هشدار می‌دهند و مصرف‌کنندگان را به سمت باتری‌های قلیایی یک‌بار مصرف گران‌قیمت و پرمصرف سوق می‌دهند.[2]

باتری قابل شارژ لیتیوم-یون ۱.۵ ولتی AA وارد می‌شود. این‌ها سلول‌های لیتیومی استاندارد نیستند؛ آن‌ها اساساً منابع تغذیه کوچک و مستقل هستند. در داخل محفظه استاندارد AA، یک هسته لیتیوم-یون ۳.۷ ولتی همراه با یک مبدل باک (buck converter) میکروسکوپی قرار دارد — یک تنظیم‌کننده ولتاژ بسیار کارآمد که خروجی داخلی را به ۱.۵ ولت ثابت کاهش می‌دهد. این فناوری شکاف بین چگالی انرژی بالای شیمی لیتیوم مدرن و الزامات ولتاژ قدیمی لوازم الکترونیکی استاندارد خانگی را پر می‌کند و جایگزینی را ارائه می‌دهد که دقیقاً مانند یک باتری قلیایی درجه یک عمل می‌کند.

این تنظیم داخلی یک منحنی تخلیه کاملاً مسطح ایجاد می‌کند. باتری دقیقاً ۱.۵ ولت خروجی می‌دهد، از لحظه‌ای که از شارژر خارج می‌شود تا لحظه‌ای که از کار می‌افتد. برای یک قفل هوشمند، یک میکروفون بی‌سیم یا کنترلر واقعیت مجازی، این دقیقاً شبیه یک باتری قلیایی همیشه تازه به نظر می‌رسد. دستگاه ولتاژ بهینه مورد نیاز خود را برای به حرکت درآوردن قوی موتورها و انتقال سیگنال‌های بی‌سیم با قدرت کامل دریافت می‌کند و تضمین می‌کند که ۱۰۰ درصد انرژی ذخیره‌شده را قبل از فعال شدن هشدار کمبود باتری استفاده می‌کند.[1]

انتقال به لیتیوم-یون ۱.۵ ولتی بدون اصطکاک نیست، به ویژه در مورد زیرساخت شارژ. به دلیل مدارهای داخلی، این باتری‌ها نمی‌توانند در شارژرهای دیواری استاندارد NiMH شارژ شوند، زیرا این شارژرها برای تشخیص پر شدن سلول به شناسایی افت ولتاژ جزئی متکی هستند. آن‌ها به شارژرهای اختصاصی نیاز دارند که ۵ ولت ثابت تأمین کنند، و بسیاری از مدل‌های جدیدتر با گنجاندن پورت‌های مستقیم USB-C در کنار خود باتری، به طور کامل شارژر خارجی را دور می‌زنند. در حالی که این امر مستلزم جایگزینی شارژرهای موجود است، سلول‌های لیتیوم-یون معمولاً می‌توانند در دو ساعت شارژ شوند — کمتر از نصف زمان مورد نیاز برای یک سلول NiMH با ظرفیت بالا.[2]

علاوه بر این، منحنی تخلیه مسطح یک ویژگی رفتاری جدید به نام «پرتگاه» را معرفی می‌کند. از آنجایی که باتری تا لحظه آخر ۱.۵ ولت خروجی می‌دهد، دستگاه‌ها قبل از از کار افتادن باتری هیچ هشداری دریافت نمی‌کنند. یک قفل هوشمند ممکن است روز سه‌شنبه ۱۰۰ درصد عمر باتری را نشان دهد و روز چهارشنبه کاملاً از کار بیفتد. برای کاهش این مشکل، برندهای لیتیوم ۱.۵ ولتی درجه یک، تنظیم‌کننده‌های داخلی خود را طوری مهندسی می‌کنند که ولتاژ را به طور مصنوعی برای ۵ درصد نهایی ظرفیت به ۱.۱ ولت کاهش دهند. این افت ولتاژ شبیه‌سازی شده، به دستگاه یک پنجره کوتاه و دقیق می‌دهد تا قبل از خاموش شدن کامل، هشدار کمبود باتری را ارسال کند.

اقتصاد این دو شیمی، موارد استفاده ایده‌آل آن‌ها را دیکته می‌کند. یک بسته چهار عددی باتری NiMH درجه یک تقریباً ۱۵ دلار هزینه دارد و می‌تواند بیش از ۱۰۰۰ چرخه شارژ را تحمل کند، که آن‌ها را در طول عمر طولانی بسیار ارزان می‌کند. یک بسته چهار عددی باتری لیتیوم-یون ۱.۵ ولتی AA بین ۲۵ تا ۳۵ دلار هزینه دارد و معمولاً پس از ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ چرخه تخریب می‌شود. با این حال، هنگامی که فکت‌لن (Factlen) هزینه واقعی به ازای هر وات-ساعت قابل استفاده در یک قفل هوشمند را تجزیه و تحلیل کرد — با تعدیل برای ۵۰ درصد ظرفیت هدر رفته توسط هشدارهای کاذب NiMH — مشخص شد که گزینه لیتیوم-یون در طول عمر خود تقریباً ۱۸ درصد ارزان‌تر است و ۲.۵ برابر انرژی قابل استفاده بیشتری در هر چرخه ارائه می‌دهد.[2]

در نهایت، انتخاب دیگر در مورد اینکه کدام باتری به طور کلی «بهتر» است، نیست، بلکه در مورد این است که کدام مشخصات تخلیه با تجهیزات مطابقت دارد. برای دستگاه‌های آنالوگ، اسباب‌بازی‌های موتوری پرمصرف و چراغ قوه‌های ساده، NiMH همچنان قهرمان بی‌رقیب انرژی مقرون‌به‌صرفه و بادوام است. اما برای اکوسیستم رو به رشد فناوری خانه هوشمند حساس به ولتاژ و تجهیزات صوتی حرفه‌ای، خروجی تنظیم‌شده لیتیوم-یون ۱.۵ ولتی تنها راه برای شکستن چرخه هشدارهای کاذب و آزادسازی پتانسیل واقعی انرژی قابل شارژ است.[2]