การใช้เครื่องวัดทางไฟฟ้าในงานแบตเตอรี่ยานยนต์ไฟฟ้าเป็นเรื่องที่สำคัญมาก เนื่องจากการตรวจเช็คแบตเตอรี่ในสภาวะต่างๆจำเป็นต้องมีเครื่องมือวัดทางไฟฟ้าเพื่อทำการตรวจเช็คและวิเคราะห์ปัญหาของแบตเตอรี่ยานยนต์ไฟฟ้า ตั้งแต่ระดับแพ็คแบตเตอรี่ ระดับโมลดูล และระดับเซลล์ รวมถึงในการแพ็คแบตเตอรี่จำเป็นที่จะต้องใช้เครื่องมือวัดทางไฟฟ้า ซึ่งเครื่องมือทางไฟฟ้ามีหลากหลายรุ่น หลากหลายยี่ห้อ ในการวัดค่าของแบตเตอรี่นั้นจะมีเครื่องมือชนิดต่างๆตามค่าที่ต้องการใช้งาน ในบทเรียนนี้จะเป็นการวัดทางไฟฟ้าเบื้องต้น ที่จำเป็นต่อการแพ็คแบตเตอรี่ดังนี้
1. สวิตช์ปรับแบบหมุน (Rotary switch) เป็นสวิตช์ที่ถูกใช้เพื่อให้ผู้ใช้เปลี่ยนฟังก์ชั่นการวัด เช่น แรงดัน AC, แรงดัน DC, ฟังก์ชั่นเช็คความต่อเนื่อง, เช็คความต้านทาน, เช็คค่าความจุไฟฟ้า, เช็คกระแส และอื่นๆ โดยจะเป็นฟังก์ชั่นไหนนั้น ขึ้นอยู่กับผู้ใช้งานว่าจะเลือกใช้ฟังก์ชั่นไหน
2. ช่องสำหรับที่มีไว้เสียบเข็มวัด (Test lead, Measurement cable) จะใช้เพื่อการติดตั้งเข็มวัดสำหรับวัดค่าตามที่เราต้องการวัด โดยการติดตั้งเข็มวัดลงในช่องที่ถูกต้อง คือ เข็มวัดสีแดงจะต้องต่อกับช่องที่มีสัญลักษณ์ “VΩ” และเข็มวัดสีดำจะตัองต่อกับช่องที่มีสัญลักษณ์ “COM”(เกือบทุกค่าที่ต้องการวัดจะติดตั้งเข็มวัดที่ช่องเดียวกันในลักษณะนี้ ยกเว้นการวัดค่ากระแส)
3. ปุ่มกดฟังก์ชั่น (The operation keys) มีไว้เพื่อใช้สำหรับการเข้าสู่ฟังก์ชั่นกรวัดค่ากระแสและแรงดันในระบบไฟฟ้า AC และ DC และค่าอื่นๆ เช่น ค่าอุณหภูมิ, ฟังก์ชั่นการตรวจสอบไดโอด หรือ ปรับเป็นฟังก์ชั่นการแสดงผลอื่นๆ เช่นการค้างข้อมูลบนหน้าจอ การแสดงค่าสูงสุด/ต่ำสุดได้ด้วย
การวัดแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่ยานยนต์ไฟฟ้า จำแนกเป็นมี 3 ส่วน ดังนี้
1. แรงดันไฟฟ้าขณะแบตเตอรี่เต็ม (Charge Limited Voltage) มักใช้ในการออกแบบวงจรชาร์จแบตเตอรี่ โดยไอซีชาร์จแบตเตอรี่มักจะมีขา หรือรุ่นย่อยให้เลือกแรงดันแบตเตอรี่ชาร์จเต็ม โดยอาจมีให้เลือก 4.2V 4.3V 4.4V โดยการเลือกต้องดูเอกสารข้อมูลสินค้าของแบตเตอรี่เป็นหลัก แต่โดยปกติแล้วแรงดันขณะชาร์จเต็มของแบตลิเธียมไอออนจะอยู่ที่ 4.2V
2. แรงดันไฟฟ้าขณะทำงานปกติ (Nominal Voltage) ใช้ในการออกแบบวงจรของอุปกรณ์ที่จะนำไปจ่ายไฟ โดยปกติแรงดันจะอยู่ในช่วง 3.7V - 3V โดยขึ้นอยู่กับกระแสที่ใช้ด้วย ยิ่งดึงกระแสสูงต่อเนื่องนาน ๆ จะยิ่งทำให้แรงดันปกติต่ำกว่า 3.7V โดยแนะนำให้ดูกราฟของแบตเตอรี่จากในเอกสารข้อมูลสินค้าประกอบ
3. แรงดันไฟฟ้าขณะแบตเตอรี่หมด (Cut off voltage) ใช้ออกแบบวงจรป้องกันแบตเตอรี่ วงจรวัดแบตเตอรี่ โดยปกติแรงดันแบตเตอรี่หมดของแบตลิเธียมไอออนอยู่ที่ 2.75V
วิธีการวัดแรงดัน DC (DC Voltage)
แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงจากแบตเตอรี่ มีวิธีการตั้งค่าก่อนการใช้งานดังนี้
1. หมุนปรับสวิตช์ (Rotary switch) ไปที่สัญลักษณ์ :::V (หมายเลข “1” ดังรูป)
2. ต่อเข็มวัด (Test lead) เข้ากับดิจิตอลมัลติมิเตอร์: สีดำ (ขั้วลบ) ต่อกับช่องที่มีสัญลักษณ์เขียนว่า “COM” และ สีแดง (ขั้วบวก) ต่อที่ช่องที่มีสัญลักษณ์เขียนว่า (VΩ) (หมายเลข “2” ดังรูป
3. ต่อเข็มวัดกับจุดที่ต้องการวัดโดยให้เข็มวัดสีดำต่อในด้านที่เป็นลบ
4. ต่อเข็มวัดกับจุดที่ต้องการวัดโดยให้เข็มวัดสีแดงต่อในด้านที่เป็นบวก
ข้อควรระวัง!!: ห้ามต่อเข็มวัดที่ช่องวัดกระแส (“A” Terminal) ในกรณีที่เราไม่ใช้ฟังก์ชั่นวัดกระแส สำหรับดิจิตอลมัลติมิเตอร์บางรุ่นถูกออกแบบมาให้มีกลไกการปิดช่องวัดกระแส เพื่อป้องกันการเชื่อมต่อที่ผิดพลาดหรือไม่ได้ตั้งใจ และบางรุ่นก็ไม่มีช่องวัดกระแสเลย (จงใจนำออกไป) ในขณะที่ดิจิตอลมัลติมิเตอร์ของ Hioki นั้น ได้ติดตั้งฟิวส์เข้าไปเพื่อป้องกันความเสียหายที่เกิดจากการเชื่อมต่อเข็มวัดโดยไม่่ตั้งใจท่อาจเกิดขึ้นได้ สำหรับข้อมูลเพิ่มเติมเราดูได้จากข้อมูลจำเพาะของดิจิตอลมัลติมิเตอร์แต่ละชนิด โดยดูว่าค่าที่เราต้องการวัดนั้นอยู่ในช่วงการวัดที่วงจรของดิจิตอลมัลติมิเตอร์นั้นทำการวัดได้หรือไม่
หมายเหตุ ถ้าการวัดค่าเป็นค่าลบที่หน้าจอแสดงผล แสดงถึงการต่อสายวัดผิดขั้ว
การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ (Internal Resistance)
คุณลักษณะของแบตเตอรี่มีความแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ยิ่งความต้านทานภายในสูงขึ้นเท่าใดการสูญเสียพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้นและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ก็จะต่ำลงเท่านั้น นอกจากนี้ความร้อนที่เกิดจากแบตเตอรี่ในระหว่างการใช้งานที่เพิ่มขึ้นนำไปสู่การเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควร โดยทั่วไปแบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในต่ำกว่าจะเป็นแบตเตอรี่ที่มีคุณภาพดีกว่า ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ถูกนำมาใช้เป็นตัวบ่งชี้คุณลักษณะของแบตเตอรี่
วิธีการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่
โดยทั่วไป การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่มี 2 ประเภท ได้แก่ วิธีกระแสตรง (DC) และวิธีกระแสสลับ (AC) วิธีกระแสตรงเป็นวิธีการที่แบตเตอรี่จะคายประจุด้วยกระแสคงที่และความต้านทานภายในจะถูกคำนวณจากค่าปัจจุบันของ การคายประจุและแรงดันที่ลดลงภายในเวลาที่กำหนด ส่วนใหญ่จะใช้ในการตรวจสอบดุณลักษณะการตอบสนองโหลดขนาดใหญ่
ในการวัดความต้านทานภายในโดยใช้วิธีกระแสสลับสัญญาณ AC ขนาดเล็กจะถูกนำไปใช้ในการทดสอบแบตเตอรี่ เพื่อหาส่วนประกอบความต้านทาน (Resistance) และความต้านทานปฏิกิริยา (Reactive Resistance) ของแบตเตอรี่จะถูกแยกและวัดเพื่อประเมินหาประสิทธิภาพและคุณภาพของแบตเตอรี่ การวัดความต้านทานภายในด้วยวิธีกระแสสลับสามารถใช้งานดี เนื่องจากสามารถวัดได้ง่าย และมีการวัดซ้ำ (Repeatability) อุปกรณ์ขนาดเล็กและใช้เวลาทดสอบน้อย จึงเป็นวิธีที่เริ่มนิยมมากขึ้น
โดยทั่วไปแล้วค่าความต้านทานที่วัดได้ด้วยวิธี DC จะเรียกว่า DC-IR และด่าความต้านทานที่วัดโดยวิธี AC นั้นเรียกว่า AC-IR โดยที่ IR คือ ความต้านทานภายใน (Internal Resistance) นอกจากนี้การวัดความต้านทานภายในด้วยวิธี AC มักเรียกง่ายๆ ว่า"การวัดอิมพิแดนซ์" หรือความต้านทานต่อไฟฟ้ากระแสสลับ ซึ่งจะอธิบายรายละเอียดต่อไป
ข้อสังเกต เราไม่สามารถวัดแบตเตอรี่ด้วยโอห์มมิเตอร์ปกติที่ใช้สำหรับการวัดความต้านทานและเครื่องวัดความต้านทาน (LCR meter) เครื่องวัดความต้านทานภายในแบตเตอรี่ซึ่งมีความแตกต่างจากเครื่องวัดความต้านทานทั่วไป โดยที่ผู้ทดสอบแบตเตอรี่มักจะสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ได้นอกเหนือจากความต้านทาน
สำหรับการวัดความต้านทานที่ 1 kHz เป็นไปมาตรฐาน JIS C 8711: 2013 ซึ่งเป็นมาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม สำหรับอุปกรณ์พกพาในหัวข้อ “วิธีการวัดความต้านทานภายใน ของแบตเตอรี่ AC” นอกจากนี้ยังมีมาตรฐาน IEC61960 -3:2017 ซึ่งมีข้อกำหนดเช่นเดียวกันกับเนื้อหานี้ ตัวอย่างการคำนวณ ตามมาตรฐาน ดังต่อไปนี้ ตัวอย่าง สัญญาณไฟฟ้า AC ความถี่ 1.0±0.1 kHz ทำ ให้ เกิดกระแส Ia เป็นระยะเวลา 1 - 5 วินาที โดยวัดแรงดันไฟฟ้า Va โดยรวมจะทำการวัดที่ขั้วของแบตเตอรี่ ที่ต่อไว้สำหรับการวัดความต้านทานภายใน Ra ของแบตเตอรี่ที่ประกอบขึ้น จาก
คำนวณได้สมการ Ra = Va / Ia
โดยที่ Ra คือ ความต้านทาน AC ภายในของแบตเตอรี่ (Ω)
Va คือ แรงดันไฟฟ้า AC ตกคร่อมแบตเตอรี่ (V)
Ia คือ กระแสไฟฟ้า AC ที่ไหลผ่านแบตเตอรี่ (A)
หมายเหตุ วิธีนี้กำหนดความถี่และเพื่อหาอิมพิแดนซ์ หรือการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ทั่วไป
การจัดกลุ่มเซลล์แบตเตอรี่
การจัดกรุ๊ปเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมให้ได้ค่า ความด้านทานภายใน (IR) มีหน่วยเป็นมิลิโอห์ม ที่ เท่ากันหรือให้ได้ใกล้เคียงมากที่สุด โดยการนำเอาค่า IR ในกรุ๊ปมาบวกกันเพื่อให้ได้ผลรวมของแต่ละกรุ๊ปที่เท่ากันหรือใกล้เคียงกันมากที่สุด ขั้นตอนนี้เป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการแพ็คแบตเตอรี่ใช้กับมอเตอร์ไซค์ไฟฟ้า โดยมีวิธีการทำมีดังนี้
1. การนำเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมที่ชาร์ทเต็มแล้วทั้งหมดมาวัดหาค่า IR แล้วทำการเขียนค่า IR ไว้ที่เซลล์แบตเตอรี่ทุกเซลล์โดยใช้เครื่องวัดค่าความต้านทานภายในแบตเตอรี่เป็นตัววัด
2. การนำเซลล์แบตเตอรี่ที่วัดค่า IR ทั้งหมดที่จะแพ็คมาทำการจัดกรุ๊ปเซลล์แบตเตอรี่ จากค่า IR ที่วัดได้ โดยใช้โฮลเดอร์ในการจัดวางเซลล์แบตตอรี่ โดยการจัดค่าความต้านทานภายใน แต่ละกรุ๊ปให้ได้เท่ากันมากที่สุดหรือให้ได้ใกล้เคียงมากที่สุดนำค่า IR ในกรุ๊ปมาบวกกัน ให้ได้ผลรวมที่ในแต่ละกรุ๊ปเท่ากันหรือใกล้เคียงกันมากที่สุด ตามรูปตัวอย่างในตารางหน้าถัดไป
ตัวอย่างการจัดกลุ่มเซลล์แบตเตอรี่ 48V 20Ah (13S5P)