ข่าวสาร กิจกรรม

สิ่งที่น่ารู้เกี่ยวกับแบตเตอรี่


    แนวคิดที่อยากเขียน เกี่ยวกับเรื่องแบตเตอรี่ก็เพราะว่าเป็นเรื่องใกล้ตัวมาก และก็สร้างปัญหาให้ปวดหัวให้เสมอมา ประกอบกับเพื่อนอาจารย์มีของเล่นที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ในรถยนต์มาให้ได้เห็นได้ทดลอง และทดสอบด้วยเครื่องมือราคาที่ไม่แพงมากแต่ให้ข้อมูลบางอย่างที่ไม่เคยรู้ จึ่งอยากรู้ว่าสเปคบางอย่างมันคืออะไร บอกอะไร และอยากรู้ว่าที่เป็นของเล่นนั้นมันเป็นข้อเท็จจริง หรือเรื่องหลอกลวง ซึ่งคาดว่าเพื่อนอาจารย์คงจะนำมาเขียนมาเล่าให้ฟังภายหลัง จึ่งอยากจะเล่ารายละเอียดข้อมูลสเปคบางอย่างที่ได้ไปอ่านมาเผื่อจะได้ประโยชน์บ้างเพราะเราคงจะหลีกเลี่ยงการจะเข้าไปเกี่ยวข้องกับการใช้งานแบตเตอรี่ไม่ได้แน่ ๆ เพราะอย่างน้อยในโทรศัพย์มือถือก็ต้องมี การชาร์ทและการใช้งานจะสัมพันธ์กับแบตเตอรี่ในโทรศัพท์ แต่เป้าใหญ่จะมุ่งไปแบตเตอรี่ที่อยู่ในรถยนต์ แต่ข้อมูลสเปคที่จะเล่าให้ฟังจะเป็นข้อมูลพื้นฐานอยู่แล้ว แต่จะเข้าไปเกี่ยวกับรถยนต์มากกว่าเพราะยังมีใช้งาน  และรถยนต์ไฟฟ้า หรือ Hybrid ก็มีแบตเตอรี่เข้ามาเกี่ยวข้องแต่อาจเป็นคนละชนิดกัน สเปคพื้นฐานที่น่าสนใจเริ่มต้นที

 

 


เซล (cell) โมดูล (modules) แพ็ค (pack) ในรถยนต์ไฟฟ้า รถยนต์ไฮบริดจะต้องใช้แพ็คแบตเตอรี่ที่มีแรงดันสูงมากซึ่งประกอบด้วยไปด้วยโมดูลย่อยหลายอันมาต่อร่วมกันทั้งแบบอนุกรมและขนาน โดยโมดูลย่อยก็จะประกอบด้วยเซลหลายเซลมาต่อร่วมกันในลักษณะทั้งแบบอนุกรมขนานมาผสม ๆ กัน ดังนั้นเซลจะเป็นส่วนที่เล็กสุดที่จะมีแรงดันในระดับหนึ่งถึงหกโวลท์ เอาเซลหลายเซลมาต่อรวมกันสร้างเป็นโมดูล ถ้าเอาโมดูลมาต่อร่วมกันก็จะกลายเป็นแบตเตอรี่แพ็ค โดยการต่อร่วมกันทำได้ทั้งในลักษณะอนุกรม ขนานหรือผสม

การกำหนดแบ่งชั้นของแบตเตอรี่ มีคนพูดไว้ว่า "แบตเตอรี่ทั้งหมดที่ถูกสร้างขึ้นมามีคุณสมบัติไม่เหมือนกันถึงแม้ว่าสร้างจากสารเคมีอย่างเดียวกัน" จุด trade off หลักในการพัฒนาแบตเตอรี่คือจะต้องเลือกระหว่างกำลังงานกับพลังงานเพราะแบตเตอรี่ให้ได้แค่ว่าจะให้กำลังงานสูงหรือให้พลังงานสูงแต่ไม่สามารถให้ทั้งคู่พร้อมกันได้โดยหลาย ๆ ครั้งบริษัทผู้ผลิตจะแบ่งชั้นแบตเตอรี่โดยอาศัยแนวทางนี้ แต่ก็มีการกำหนดแบ่งชั้นร่วมอันอื่น เป็นความทนทานสูง (High Durability) ซึ่งหมายความว่าสารเคมีที่ถูกปรับปรุงเพื่อให้มีอายุใช้งานสูงพอถึงแม้จะต้องให้ทั้งกำลังงานและพลังงานที่มากพอออกมา

C rates และ E rates เป็นการบอกรายละเอียดแบตเตอรี่ ที่เน้นการใช้กระแสที่ถูกคายประจุ (discharge current) ออกมาโดยใช้ในนาม C rate เพื่อบ่งบอกความจุแบตเตอรี่ ที่มีแตกต่างกันระหว่างชนิดของแบตเตอรี่. C rate เป็นการวัดอัตราที่แบตเตอรี่จ่ายกระแสออกมาสัมพันธ์กับความจุที่มากที่สุด  ถ้าอัตรา 1C จะหมายความว่ากระแสคายประจุจะจ่ายออกมาจากแบตเตอรี่ได้ภายในหนึ่งชั่วโมง สำหรับแบตเตอรี่ที่มีความจุเป็น 100 Ah กระแสคายประจุ 100A ในเวลาหนึ่งชั่วโมง  ถ้าอัตราเป็น 5C ของแบตเตอรี่เดียวกันนี้จะต้องจ่ายกระแสคายประจุเป็น 500A ซึ่งจะให้ได้แค่ 12 นาที และถ้าอัตราเป็น C/2 จะเป็น 50A จะให้ได้เป็นเวลา2ชั่วโมง เช่นเดียวกัน E rate จะเป็นการอธิบายกำลังงานคายประจุออกจากแบตเตอรี่ในหนึ่งชั่วโมง

 

 

Secondary cells กับ Primary cells

Primary cells เป็นแบตเตอรี่แบบหนึ่งที่ไม่สามารถจะประจุซ้ำได้ ส่วน secondary cells เป็นแบตเตอรี่แบบหนึ่งที่สามารถประจุซ้ำ ๆ ได้ ดังนั้นแบตเตอรี่สำหรับรถยนต์ รถยนต์ไฟฟ้า รถยนต์ไฮบริดทั้งหมดเป็นแบบ secondary cells

ส่วนตัวแปรที่ใช้เพื่ออธิบายสภาวะของแบตเตอรี่

สถาณะการประจุ (State of Charge,SOC,%) เป็นค่าที่เป็นหลักในการใช้งานแบตเตอรี่ ใช้อธิบายความจุที่คงเหลืออยู่ของแบตเตอรี่โดยบอกเป็นเปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับค่าของความจุมากที่สุด (ประจุเต็ม)  การคิดหาค่า SOC หาค่าได้โดยใช้การรวมกระแสเพื่อทำการเปลี่ยนความจุของแบตเตอรี่ในช่วงเวลาหนึ่ง

ความลึกของการคายประจุ (Depth of Discharge ,DOD,%) เป็นค่าเปอร์เซนต์ของความจุแบตเตอรี่ที่สามารถถูกคายประจุออกมาได้ต่อความจุที่มากที่สุดที่สามารถคายออกมาได้ ถ้าค่าความลึกของการคายประจุที่แสดงเป็น DOD อย่างน้อย 80% ถือว่าเป็นการคายประจุที่ลึกแล้ว  ความสัมพันธ์ของค่า SOC กับ DOD เป็น   DOD = 1 - SOC

สถานะทางสุขภาพ (State Of Health , SOH ,%) เป็นค่าเปอร์เชนต์ที่บ่งบอกการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ โดยใช้การคำนวนจากอัตราส่วนระหว่างค่าความจุสูงสุดแบตเตอรี่ที่ได้ใช้งานแล้ว(ที่ประจุเต็ม) ณ เวลานี้ ต่อค่าความจุสูงสุดของแบตเตอรี่ ณ เริ่มต้นใช้งานครั้งแรก 

แรงดันที่ขั้ว (Terminal Voltage ,V) เป็นแรงดันระหว่างขั้วของแบตเตอรี่ขณะที่ต่อกับภาระแล้ว โดยค่าแรงดันนี้จะแปรเปลี่ยนกับ SOC และกระแสประจุหรือกระแสคายประจุ

แรงดันเปิดวงจร (Open-circuit voltage, V) เป็นแรงดันระหว่างขั้วของแบตเตอรี่ที่ไม่ได้ต่อกับภาระ แรงดันเปิดวงจรขึ้นอยู่กับสภาวะการประจุ มีค่าเพิ่มขึ้นตาม SOC

ความต้านทานภายใน (Internal Resistance) ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ซึ่งจะมีค่าแตกต่างกันระหว่างการประจุกับการคายประจุ ค่าความต้านทานนี้ขึ้นอยู่กับ SOC ของแบตเตอรี่ ถ้าค่าความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น จะทำให้ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลงและความเสถียรภาพทางอุณหภูมิก็จะลดลงด้วยนั้นก็คือพลังงานที่จะต้องถูกประจุเข้าไปมากขึ้นเพื่อทำการประจุจนได้SOCเท่าเดิม โดยพลังงานที่ถูกเพิ่มเข้าไปจะถูกแปลงเป็นความร้อนที่จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก สเปคทางเทคนิคของแบตเตอรี่ที่อาจจะพบเห็นได้เช่น

  • แรงดันปกติ (Normal Voltage) เป็นแรงดันอ้างอิงหรือแรงดันที่ปรากฏของแบตเตอรี่
  • แรงดันตัดออก (Cut-off Voltage) เป็นแรงดันที่ยอมให้ใช้งานได้ต่ำสุด แรงดันนี้ชอบเรียกกันเล่น ๆ ว่าเป็นแรงดันที่แสดงว่าอยู่ในสถานะแบตเตอรี่หมด

ความจุ หรือ ความจุปกติ (Capacity or Nominal Capacity, Ah) เป็นความจุทางไฟฟ้า ค่า Amp-hours รวมที่เป็นไปได้เมื่อแบตเตอรี่ถูกคายที่กระแสคายค่าหนึ่ง ๆ (ที่กำหนดลักษณะเป็น C rate) จากที่ SOC 100% ไปสู่ แรงดันตัดออก ค่าความจุนี้สามารถคำนวนได้ด้วยการคูณกันของกระแสคายประจุในหน่วยแอมป์กับเวลาที่ใช้ในการคายประจุซึ่งมีหน่วยเป็นชั่วโมง ค่านี้จะน้อยลงเมื่อทำการเพิ่ม C rate

วงรอบอายุการใช้งาน เป็นจำนวนของวงรอบการคายและประจุของแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้ก่อนที่แบตเตอรี่จะล้มเหลวตามสเปคคุณสมบัติประสิทธิภาพเฉพาะ  วงรอบอายุการใช้งานจะใช้การประมาณการตามที่สภาวะการประจุและคายประจุเฉพาะ ทำให้อายุการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ถูกทำให้มีผลจากอัตราและความลึกของรอบการทำงานและโดยเงื่อนไขอื่นอีกเช่นอุณหภูมิและความชื้น การที่มีค่า DOD ที่สูงขึ้นจะทำให้วงรอบอายุการใช้งานต่ำลง

กระแสคายประจุต่อเนื่องสูงสุด เป็นค่ากระแสสูงสุดที่แบตเตอรี่สามารถถูกคายประจุต่อเนื่องได้ ข้อจำกัดถูกกำหนดโดยผู้ผลิตเพื่อจะป้องกันการอัตราการคายประจุที่มากเกินไปที่อาจจะทำลายแบตเตอรี่หรือลดความจุของแบตเตอรี่เช่นเดียวกับกับกำลังต่อเนื่องสูงสุดของมอเตอร์ที่กำหนดให้ได้เป็นค่าความเร็วและความเร่งสูงสุดยั่งยืนของรถยนต์

กระแสพลัส์คายประจุสูงสุดในสามสิบวินาที่ ค่าเหมือนกับกระแสคายประจุต่อเนื่องสูงสุด เช่นเดียวกับกำลังพีคของมอเตอร์ไฟฟ้าค่านี้นิยามเป็นความสามารถในการเร่ง(เวลาจาก 0 ถึง 60 ไมล์ต่อชั่วโมง)ของยายยนต์

แรงดันประจุ เป็นแรงดันที่แบตเตอรี่จะถูกประจุเข้าไปถึงเมื่อประจุจนเต็มความจุ รูปแบบการประจุจะประกอบด้วยการประจุแบบกระแสคงที่จนกระทั่งแรงดันแบตเตอรี่ไปจนถึงแรงดันประจุ ดังนั้นจะเข้าสู่การประจุคงที่ที่ยอมให้กระแสที่ประจุเข้าน้อยจนกระทั่งน้อยมาก ๆ

แรงดันลอย (Float Voltage) เป็นแรงดันที่แบตเตอรี่ที่ยังคงอยู่หลังจากถูกประจุไปถึง SOC 100%

กระแสประจุ เป็นกระแสอุดมคติที่ซึ่งแบตเตอรี่ที่ถูกประจุ (ไปจนถึง SOC 70%) ภายใต้รูปแบบการประจุคงที่ก่อนจะเข้าสู่การประจุแบบแรงดันคงที่

<< ย้อนกลับ