พื้นฐานแบตเตอรี่ยานยนต์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่ (Battery) หรือ เรียกอีกอย่างหนึ่งว่า Chemical machine เป็นอุปกรณ์ที่เก็บพลังงานเคมี และเปลี่ยนพลังงานเคมีให้เป็นพลังงานไฟฟ้า โดยที่ปฏิกิริยาทางเคมีในแบตเตอรี่ เกี่ยวข้องกับการไหล ของอิเล็กตรอนจากวัสดุหนึ่งหรือเรียกว่าขั้วบวก ไปยังอีกวัสดุหนึ่งหรือเรียกว่าขั้วลบ ผ่านทางวงจรภายนอก ซึ่งแบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่ายพลังงานหลักในการทำงานของยานยนต์ไฟฟ้า ในปัจจุบันแบตเตอรี่นิยมนำมาใช้กับเครื่องใช้ไฟฟ้าหลายชนิด เนื่องจากสามารถนำอุปกรณ์ไฟฟ้า ไปใช้งานในสถานที่ต่างๆที่ไม่มีไฟฟ้าได้

1.1 ประเภทของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ปฐมภูมิ

(Primary battery)

แบตเตอรี่ที่เมื่อผ่านการใช้งานแล้ว จะไม่สามารถนำมาอัดประจุหรือนำมาชาร์จ (Non-Rechargeable batteries) เพื่อให้สามารถใช้งาน ได้อีกครั้ง เช่น แบตเตอรี่แบบ อัลคาไลน์ หรือที่เรียกด้วยคำทั่วไป ว่า “ถ่าน” สำหรับใช้ในวิทยุ นาฬิกา หรือรีโมทโทรทัศน์ เป็นต้น

แบตเตอรี่ทูติยภูมิ

(Secondary battery)

แบตเตอรี่ที่ผ่านการใช้งานแล้วสามารถ นำมาอัดประจุหรือนำมาชาร์จ (Rechargeable batteries) เพื่อให้สามารถนำกลับมาใช้ได้ใหม่ เช่น แบตเตอรี่ลิเทียมไอออน (Li-ion) ที่ใช้ ในโทรศัพท์เคลื่อนที่ โน๊ตบุ๊กคอมพิวเตอร์ หรือแบตเตอรี่รถยนต์ เป็นต้น

เปรียบเทียบประเภทของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ปฐมภูมิ

(Primary battery)

- มีความจุพลังงานสูง ค่าคายประจุต่ำ ใช้งานง่าย

- ไม่มีของเหลวในเซลล์ หรือเป็นเซลล์แบบแห้ง

- มีค่าความต้านทานภายในสูง

-ไม่สามารถฟื้นฟูปฏิกริยาทางเคมีได้

- มีการออกแบบที่เล็กกระทัดรัด

- มีราคาถูก

แบตเตอรี่ทูติยภูมิ

(Secondary battery)

- มีความจุพลังงานน้อย

- เป็นเซลล์เปียก และสารละลายเกลือ

- มีค่าความต้านทานภายในต่ำ

- สามารถฟื้นฟูปฏิกริยาทางเคมีได้

- มีการออกแบบที่ซับซ้อนและหนัก

- มีราคาแพง

1.2 ประเภทของแบตเตอรี่ลิเทียม

-แบตเตอรี่ลิเทียม มีหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับชนิดของขั้ว Cathode และ Anode

-การอัดประจุ LiLi-ion จะไหลจาก Cathodeผ่านอิเล็กโทรไลค์/แผ่นกั้น ไปยังฝั่งของ Anode ทำให้อิเล็กตรอนไหลจากขั้วลบไปหาขั้วบวกผ่านวงจรการทางานภายนอก (Powersupply)

-การคายประจุ LiLi-ionion จะไหลกลับผ่าน ผ่านอิเล็กโทรไลค์/แผ่นกั้น ไปยังฝั่งของ Cathode ทำให้อิเล็กตรอนไหลจากขั้วบวกไปหาขั้วลบผ่านวงจรการทำงานภายนอก จนไอออนหมด แบตเตอรี่เต็ม

-แผ่นกั้นทาหน้าที่ป้องกันความเสียหาย โดยจะสามารถผ่านได้เมื่อเกิดการต่อการทางานผ่านภาระโหลดไฟฟ้า หากไม่มีแผ่นกั้นจะทาให้เกิดการระเบิด

1.3 ชนิดของเซลล์แบตเตอรี่ตามรูปทรง

รูปทรงของเซลล์แบตเตอรี่ ในยานยนต์ไฟฟ้าที่นิยมนำมาใช้ในการผลิตแบตเตอรี่ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการเป็นแหล่งพลังงานให้กับยานยนต์ไฟฟ้า นิยมนำมาใช้ 3 รูปทรง ได้แก่ เซลล์ถุง (Pouch cell) เซลล์ทรงกระบอก (Cylindrical cell) และเซลล์ทรงกล่อง (Prismatic cell) ดังนี้

1. Cylindrical Cells เซลล์ทรงกระบอก จะมีโครงสร้างที่มีความปลอดภัย สามารถรับแรงกดได้โดยไม่เกิดการเสียรูป มีความเสถียรภาพในการปล่อยกระแสไฟฟ้า พลังงานต่อน้ำหนักสูง แต่ใช้เซลล์เยอะในการประกอบ มีความนิยมในอุปกรณ์เครื่องใช้ไฟฟ้า

2. Pouch Cells

เซลล์กล่อง ตัวแบตจะรับแรงกดได้พอสมควร มีความแข็งแรง เก็บความจุได้มาก การระบายความร้อนได้น้อย ใช้เซลล์น้อยในการประกอบ

3. Prismatic Cells เซลล์ถุง จะมีน้ำหนักเบา ราคาถูก พลังงานต่อน้ำหนักสูง แต่มีการยืดหยุ่นของเซลล์ง่าย บวมง่าย ไม่สามารถรับแรงกระแทกได้ มีเสถียรภาพในการระบายความร้อนต่ำ ใช้เซลล์น้อยในการประกอบ

1.4 ส่วนประกอบของเซลล์แบตเตอรี่

ส่วนประกอบของเซลล์แบตเตอรี่

ขั้วบวก (Anode) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยาออกซิเดชันหรือขั้วที่อิเล็กตรอนไหลเข้าหา เมื่อเกิดการคายประจุ (Discharge) โดยจะทำมาจากคาร์บอนที่มีรูพรุน เช่น แกรไฟต์ (Graphite ) เคลือบบนแผ่นทองแดง

ขั้วลบ (Cathode) ขั้วที่เกิดปฏิกิริยารีดักชันหรือขั้วที่อิเล็กตรอนไหลออก เมื่อเกิดการคายประจุ (Discharge) ทำมาจากเมทัลออกไซด์บนแผ่นอลูมิเนียม ซึ่งตัวนี้เป็นตัวหลักที่ทำให้แบตเตอรี่แต่ละยี่ห้อมีความแตกต่างกันในการใช้งาน และความปลอดภัย

สารละลายอิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) มีลักษณะเป็นของเหลว โดยทั่วไป ประกอบด้วยเกลือลิเธียมและตัวทำละลายอินทรีย์

แผ่นกั้น (Separator) ป้องกัน ไม่ให้ขั้วแคโทดสัมผัสกับขั้วแอโนด เพราะจะ ทำให้เกิดการลัดวงจร ทำจาก พอลิโพรพิลีน ( Polypropylene PP ) / พอลิเอทิลีน ( Polyethylene PE )

1.5 หลักการทำงานของแบตเตอรี่

เมื่ออัดประจุ (Charge)

เมื่อทำการอัดประจุเข้าแบตเตอรี่ลิเธียม อิเล็กตรอนจะไหลจากขั้วบวกไปขั้วลบ ลิเทียมไอออนบวกจะเคลื่อนที่โดนสารประกอบอิเล็กโตรไลต์ จากขั้วบวก ไปขั้วลบ โดยเคลื่อนที่ผ่านแผ่นกั้น (Separator) เพื่อไปรวมตัวกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จาก ขั้วลบมาขั้วบวกจนเกิดการสมดุล จากนั้นขั้วบวกจะขาดอิเล็กตรอน จึงเรียกว่า ไอออนบวก หรือ ขั้วบวก

เมื่อคายประจุ(Discharge)

เมื่อมีโหลดไปต่อเข้ากับแบตเตอรี่ อิเล็กตรอนที่ถูกอัดประจุ (Charge) ไว้ที่ขั้วลบ จะเคลื่อนที่ผ่านโหลดเข้าไปที่เข้าบวก เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านโหลด จึงทำให้ โหลดทำงานได้และลิเทียมไอออนก็จะเคลื่อนที่ โดยสารประกอบอิเล็กโตรไลต์ผ่าน แผ่นกั้นจากขั้วลบไปหาอิเล็กตรอนที่ขั้วบวก เมื่อลิเธียมไออออน กลับไปที่ขั้วบวก ทั้งหมด หมายความว่าแบตหมดจะต้องทำการอัดประจุใหม่ อีกครั้ง

1.6 คุณลักษณะต่างๆ ของเซลล์แบตเตอรี่

อัตราการคายประจุและการอัดประจุ (C-Rate)

C-Rate คือ หน่วยของการอัดประจุไฟฟ้าและการคายประจุไฟฟ้า จะคิดเป็นจํานวนเท่าของความจุของแบตเตอรี่ เช่น แบตเตอรี่ NMC 3.7V 2.4 Ah

- อัตราการคายประจุ (Discharge) 0.5C คือ การคายประจุกระแสไฟฟ้า 1.2 A จะสามารถใช้งานได้นาน 2 ชั่วโมง

- อัตราการคายประจุ (Discharge) 1C คือ การคายประจุกระแสไฟฟ้า 2.4 A จะสามารถใช้งานได้นาน 1 ชั่วโมง

- อัตราการคายประจุ (Discharge) 2C คือ การคายประจุกระแสไฟฟ้า 4.8 A จะสามารถใช้งานได้นาน 30 นาที

- อัตราการอัดประจุ (Charge) 1C คือ ใช้เวลาในการอัดประจุ 1 ชั่วโมง

- อัตราการอัดประจุ (Charge) 2C คือ ใช้เวลาในการอัดประจุ 30 นาที

แต่การคายประจุไฟฟ้าที่ C-Rate สูงขึ้นประสิทธิภาพจะลดลง เช่น แบตเตอรี่ 2.4 Ah ถ้าคายประจุไฟฟ้า ที่ 1C ในทางปฏิบัติแล้ว จะจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ไม่ถึง 1 ชั่วโมง

การใช้งานการชาร์จเร็ว หรือ Fast charge หรือ Quick charge หรือ Supper charge จะทำให้เซลล์แบตเตอรี่มีอุณหภูมิสูงและเสี่ยงต่อการเกิด ความเสียหายของแบตเตอรี่

State of charge (SOC) หรือสถานะการประจุไฟฟ้า เป็นค่าที่เป็นหลักในการใช้งานแบตเตอรี่ ใช้อธิบายความจุที่คงเหลือ อยู่ของแบตเตอรี่ หรือระดับการเก็บประจุ หรืออัดประจุไฟฟ้าของแบตเตอรี่ โดยบอกค่าเป็นเปอร์เซ็น เช่น SOC =100 % คือ แบตเตอรี่ที่ประจุไฟจนเต็มแล้ว

Deep of discharge (DOD) เป็นค่าเปอร์เซนต์ของความจุแบตเตอรี่ที่สามารถถูกคายประจุออกมาได้ต่อความจุที่มากที่สุด ที่สามารถคายออกมาได้ โดยบอกค่าเป็นเปอร์เซ็น ถ้าค่าความลึกของการคายประจุที่แสดงเป็น DOD อย่างน้อย 80% ถือว่าเป็น การคายประจุที่ลึกแล้ว ความสัมพันธ์ของค่า SOC กับ DOD เป็น DOD = 1 - SOC

State of health (SOH) บ่งบอกการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ โดยใช้การคำนวนจากอัตราส่วนระหว่างค่าความจุสูงสุดแบตเตอรี่ที่ได้ใช้งานแล้ว(ที่ประจุเต็ม) ณ เวลานี้ ต่อค่าความจุสูงสุดของแบตเตอรี่ ณ เริ่มต้นใช้งานครั้งแรก โดยบอกค่าเป็นเปอร์เซ็น

SOH> 80% สภาพที่ดีเยี่ยม

80% - 60% สภาพดี

60% - 45% คำเตือนแบตเตอรี่ใกล้หมดอายุ

SOH <45% แนะนำให้เปลี่ยน

1.7 หลักการทางไฟฟ้า

รูปแบบการต่อวงจรทางไฟฟ้า

Wired In Series การต่อแบตเตอรี่แบบอนุกรม

Wired In Parallel การต่อแบตเตอรี่แบบขนาน

กฎของโอห์ม

จากกฎของโอห์มที่กล่าวไว้ว่า “ ในวงจรไฟฟ้าใด ๆ กระแสไฟฟ้าจะแปรผันโดยตรงกับแรงดันไฟฟ้าและแปรผกผันกับค่าความต้านทานของวงจร” เพื่อให้ง่ายแก่การจำสามารถเขียนให้อยู่ในรูปสามเหลี่ยมได้ดังนี้

สมการ I = V/R

เมื่อ I กระแสไฟฟ้าของวงจร A

V แรงดันไฟฟ้า โวลต์ V

R ความต้านทานของวงจร Ω

เมื่อต้องการทราบค่าใดให้ใช้นิ้วปิดที่ค่านั้นจะได้สูตรความสัมพันธ์ กฎของโอห์มที่ต้องการได้ดังนี้

I = V/R

V = IR

R = V/I

ตัวอย่าง จงคำนวณหาค่าความต้านทานไฟฟ้าของวงจร

จากสมการ R = V/I

R = 15V / 3A

R = 5 Ω

การคำนวณหาค่าแรงดันรวมของแบตเตอรี่

สมการ Vtotal = nV

เมื่อ Vtotal พลังงานแบตเตอรี่ V

n จำนวนเซลล์แบตเตอรี่

V ความจุของแบตเตอรี่ V

การคำนวณหาค่าความจุรวมของแบตเตอรี่

สมการ Ctotal = nC

เมื่อ Ctotal พลังงานแบตเตอรี่ mAh , Ah

n จำนวนเซลล์แบตเตอรี่

C ความจุของแบตเตอรี่ mAh , Ah

การคำนวณพลังงานทางไฟฟ้า

สมการ P = CV

เมื่อ P พลังงานแบตเตอรี่ Wh

C ความจุของแบตเตอรี่ Ah

V แรงดันไฟฟ้า V

ตัวอย่างที่ 1 จากรูปเซลล์แบตเตอรี่ Li-ion 18650 2400 mAh 3.7V เชื่อมต่อแบบอนุกรม 4 เซลล์ จงคำนวณหาพลังงานทางไฟฟ้า

จากสมการ P=CV

แทนค่า P = 2.4 Ah × (4x3.7V)

P = 35.520 Wh

หรือ P = 0.035 kWh

ตัวอย่างที่ 2 จากรูปเซลล์แบตเตอรี่ Li-ion 18650 2400 mAh 3.7V เชื่อมต่อแบบนุกรมและแบบขนาน จงคำนวณหาพลังงานทางไฟฟ้า

ค่าทางไฟฟ้าแบบขนาน

การเชื่อมต่อแบบขนานจะได้ความจุของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นและแรงดันไฟฟ้าเท่าเดิม

ความจุของแบตเตอรี่ 1 เซลล์ คือ 2,400 mAh นำมาเชื่อมต่อแบบขนาน

จากสมการ Ctotal = nC

Ctotal = 8 x 2,400 mAh

Ctotal = 19,200 mAh

ค่าทางไฟฟ้าแบบขนาน 8 เซลล์ หรือ 8P คือ 19,200 mAh หรือ 19.2 mAh

คำนวณหาค่าทางไฟฟ้าแบบอนุกรม

การเชื่อมต่อแบบอนุกรมจะได้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นและความจุของแบตเตอรี่เท่าเดิม

แรงดันไฟฟ้า 1 โมดูล คือ 3.7 V นำมาเชื่อมต่อแบบอนุกรม

จากสมการ Vtotal = nV

Vtotal = 4 x 3.7 V

Vtotal = 14.8 V

ค่าทางไฟฟ้าแบบอนุกรม 4 โมดูล หรือ 4S คือ 14.8 V

คำนวณหาค่าพลังงานทางไฟฟ้าของแบตเตอรี่

จากสมการ P = CtotalVtotal

แทนค่า P = 19.2 Ah × 14.8 V

P = 284.16 Wh

หรือ P = 0.284 kWh

ค่าพลังงานทางไฟฟ้าของแบตเตอรี่ 4S8P คือ 0.284 kWh

หน้าแรก

เครื่องมือวัด

การเชื่อมต่อแบตเตอรี่

ระบบจัดการแบตเตอรี่

Page updated

Google Sites

Report abuse