แบตเตอรี่ ยานยนต์ไฟฟ้า EV

ตารางแสดงแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนประเภทต่างๆ วัสดุขั้วลบและขั้วบวก และการใช้งาน

ประเภทที่	วัสดุขั้วบวก	วัสดุขั้วลบ	การใช้งาน
1	Lithium Cobalt Oxide (LiCoO₂ , LCO)	แกรไฟต์	โทรศัพท์มือถือ แท็บเล็ต แล็ปท็อป กล้องดิจิทัล
2	Lithium Manganese Oxide (LiMn₂O₄ , LMO)	แกรไฟต์	เครื่องมือไฟฟ้า (Power tools) อุปกรณ์การแพทย์ ระบบส่งกำลังในยาน พาหนะไฟฟ้า
3	Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (Li(Ni,Mn,Co)O₂ , NMC,NCM)	แกรไฟต์	จักรยานไฟฟ้า อุปกรณ์การแพทย์ ระบบส่งกำลังในยานพาหนะไฟฟ้า (มักใช้ ในรถไฮบริด) ระบบสำรองไฟฟ้า
4	Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (Li(Ni,Co,Al)O₂ , NCA)	แกรไฟต์	อุปกรณ์การแพทย์ ระบบส่งกำลังใน ยานพาหนะไฟฟ้า (เช่นที่พบใน Tesla Model S) ระบบสำรองไฟฟ้า
5	Lithium Iron Phosphate (LiFePO₄ ,LFP)	แกรไฟต์	ระบบส่งกำลังในยานพาหนะไฟฟ้า หรือแทนแบตเตอรี่กรดตะกั่วใน รถยนต์ (Start-Lighting-Ignition battery) ระบบที่ต้องการกระแส และความทนทานสูง
6	แกรไฟต์ หรือ LMO	แกรไฟต์	ระบบสำรองไฟฟ้า ระบบส่งกำลังใน ยานพาหนะไฟฟ้า (Mitsubishi i-MiEV, Honda Fit EV)

ตารางเปรียบเทียบสมบัติของแบตเตอรี่แต่ละประเภท

วัสดุขั้วบวก	หน่วย	LCO หรือ NCA	NMC	LMO		LFP
วัสดุขั้วลบ		แกรไฟต์	แกรไฟต์	แกรไฟต์	LTO	แกรไฟต์
ออกแบบโดยเน้น		ความจุพลังงาน	ความจุพลังงานหรือกำลังไฟฟ้า	กำลังไฟฟ้า	จำนวนรอบในการใช้งาน	กำลังไฟฟ้า
ช่วงแรงดันในการใช้งาน (Operating voltage range)	V	2.5-4.2	2.5-4.2	2.5-4.2	1.5-2.8	2.0-3.6
แรงดันเฉลี่ย (Nominal cell voltage)	V	3.6-3.7	3.6-3.7	3.7-3.8	2.3	3.3
ความจุพลังงานต่อน้ำหนัก	Wh/kg	175-240 (cylindrical) 130-450 (pouch)	100-240	100-150	70	60-110
ความจุพลังงานต่อปริมาตร	Wh/L	400-640 (cylindrical) 250-450 (pouch)	250-640	250-350	120	125-250
อัตราการคายประจุอย่างต่อ เนื่อง (Continuous discharge rate)	C²	2-3	2-3 สำหรับ แบตเตอรี่ความจุ พลังงานสูง >30 สำหรับ แบตเตอรี่กำลัง ไฟฟ้าสูง	>30	10	10-125
อายุการใช้งาน	รอบ	500+	500+	500+	4000+	1000+
ช่วงอุณหภูมิที่สามารถอัด ประจุได้	ºC	0-45	0-45	0-45	-20-45	0-45
ช่วงอุณหภูมิที่สามารถคาย ประจุได้	ºC	-20-60	-20-60	-30-60	-30-60	-30-60
ความปลอดภัย	1-4 (4 = ปลอดภัยที่สุด)	2	3	3	4	4
ราคา	1-4 (4 = ราคา ต่ำที่สุด)	3 (LCO) 2 (NCA)	3	3	1	3

ระบบต่างๆภายในรถยนต์ไฟฟ้า

ระบบกำลัง

รถไฟฟ้าจะเก็บไฟฟ้าในแบตเตอรี่และนำมาใช้ในการขับเคลื่อนมอเตอร์เมื่อต้องการ โดยมีเครื่องควบคุมการทำงานของชุด แบตเตอรี่ นอกจากนยังมีเทคโนโลยีอื่นๆ เช่น เซลล์เชื้อเพลิง “Fuel cell” ซึ่งได้รับการพัฒนาสำหรับรถไฟฟ้าซึ่งมีหน้าที่สร้างไฟฟ้าผ่านกระบวนการทางเคมี ขณะขับขี่ตามความต้องการของรถไฟฟ้าชนิดนั้นๆ

ระบบพลังงาน

การไหลผ่านของกระแสไฟฟ้าจากที่เก็บอยู่ในแบตเตอรี่ไปยังมอเตอร์จะถูกกำหนดโดยตัวควบคุมเครื่อง (motor controller) ซึ่งเป็นเสมือน “สมอง” ของรถและเป็นองค์ประกอบหลักของระบบพลังงาน ถ้ารถไฟฟ้ามีระบบมอเตอร์แบบกระแสสลับ ระบบพลังงานจะมีส่วนที่เป็นตัวแปลงกลับ (inverter) เพื่อเปลี่ยนกระแสไฟแบบ DC จากแบตเตอรี่เป็นกระแส AC สำหรับมอเตอร์

ระบบขับเคลื่อน

ส่วนนี้เป็นกล้ามเนื้อของรถไฟฟ้ามอเตอร์ไฟฟ้าซึ่งเปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าให้เป็นพลังงานกล ซึ่งถูกส่งไปยังล้อผ่านเพลาเพื่อขับเคลื่อนยานพาหนะ

ระบบการชาร์จ

เครื่องชาร์จเปลี่ยนกระแสไฟฟ้ากระแสสลับเป็นกระแสตรง เพื่อป้อนให้กับแบตเตอรี่ในการเก็บพลังงาน หลังจากได้ใช้ไปจนหมด รถไฟฟ้าบางประเภทมีเครื่องประจุแบตเตอรี่อยู่บนตัวรถ ขณะที่รถไฟฟ้าบางประเภทใช้เครื่องชาร์จติดตั้งภายนอกและทำการชาร์จในบริเวณที่จัดไว้ กระแสไฟฟ้าจะถูกส่งผ่านไปยังรถโดยผ่านเครื่องชาร์จ

**โดยในส่วนของตัว Charger ทาง ปตท.ได้นำเข้าเทคโนโลยีสถานีชาร์จไฟฟ้า เพื่อมาศึกษาระบบ Charger โดยตรง ซึ่งเทคโนโลยี Charger สำหรับรถยนต์พลังงานไฟฟ้าแบ่ง

แบตเตอรี่ ทำหน้าที่ ป้อนกระแสไฟฟ้าให้อุปกรณ์ต่างๆของเครื่องยนต์เพื่อให้ทำงานได้ เช่น มอเตอร์สตาร์ท ระบบจุดระเบิด ในขณะที่สตาร์ทรถยนต์ นอกจากนี้ยังทำหน้าที่ป้อนพลังงานให้กับอุปกรณ์อำนวยความสะดวกหลายๆอย่าง ด้วย เช่น ระบบไฟส่องสว่าง วิทยุ เป็นต้น

แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (lead-acid battery) แบตเตอรี่ชนิดนี้จะบรรจุในภาชนะที่ไม่ได้ปิดผนึก (unsealed container) ซึ่งแบตเตอรี่จะต้องอยู่ในตำแหน่งตั้งตลอดเวลาและต้องเป็นพื้นที่ที่ระบายอากาศได้เป็นอย่างดี เพื่อระบายก๊าซ ไฮโดรเจน ที่เกิดจากปฏิกิริยาและแบตเตอรี่ชนิดจะมีน้ำหนักมาก รูปแบบสามัญของแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด คือแบตเตอรี่ รถยนต์ ซึ่งสามารถจะให้พลังงานไฟฟ้าได้ถึงประมาณ 10,000 วัตต์ในช่วงเวลาสั้นๆ และมีกระแสตั้งแต่ 450 ถึง 1100 แอมแปร์ สารละลายอิเล็กโตรไลต์ของแบตเตอรี่คือ กรดซัลฟิวริกซึ่งสามารถเป็นอันตรายต่อผิวหนังและตาได้ แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดที่มีราคาแพงมากเรียกว่า แบตเตอรี่เจล (หรือ “เจลเซลล์”) ภายในจะบรรจุอิเล็กโตรไลต์ประเภทเซมิ-โซลิด (semi-solid electrolyte) ที่ป้องกันการหกได้ดี

ในปัจจุบันส่วนใหญ่ รถยนต์ไฟฟ้า ไม่ว่าจะเป็นรูปแบบ EV, PHEV หรือ Hybrid ก็มักจะเลือกใช้งานแบตเตอรี่แบบ Lithium-ion กันทั้งนั้น ซึ่งเป็นประเภทที่ดีที่สุดในปัจจุบันแล้ว แต่ด้วยข้อจำกัดของแบตเตอรี่แบบกึ่งเปียกแบบนี้ ที่มีโอกาสติดไฟและระเบิดได้เมื่อมีการเกิดความร้อนสะสมสูง หรือที่เรียกว่า Overheat หรือเกิดรอยรั่วจากในระบบ ทำให้ผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้าต้องติดตั้งระบบระบายความร้อนด้วยน้ำหรืออากาศ จนทำให้ต้องเพิ่มน้ำหนักและพื้นที่ไหม้มากขึ้น กระทบถึงเรื่องการบริหารพื้นที่กับการใช้พลังงานมากขึ้นจากน้ำหนักที่เพิ่ม และยังไม่รวมการชาร์จที่ช้า, ระยะทางวิ่งที่ได้ไม่มากพอเมื่อเทียบกับการใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน จนทำให้การเติบโตของรถยนต์ไฟฟ้าเป็นไปแบบจำกัด ไม่มากพอเท่าที่ควรจะเป็น

ปัญหานี้จึงทำให้ค่ายรถยนต์กำลังพัฒนาแบตเตอรี่แบบให่ที่เรียกว่า Solid-state ที่จะมาช่วยแก้ปัญหาเหล่านี้ ไม่ว่าจะเป็นขนาดของแบตเตอรี่ที่เล็กลง แต่มีความจุมากขึ้น น้ำหนักเบาลง ไม่มีความร้อนสะสม และที่สำคัญคือ ชาร์จได้เร็วขึ้นกว่าเดิมเป็นอย่างมาก โดยล่าสุดผู้ผลิตเแบตเตอรี่แห่งหนึ่งในสหรัฐฯ ชื่อว่า Solid Power

ชนิดของแบตเตอรี่ (ที่ Common)

ตัวชี้วัดของแบตที่ดี: Energy Density (สูงคือดี), Power Density (สูงคือดี), Voltage per Cell (สูงคือดี), Cost per Cycle (ต่ำคือดี), Discharge Rate (ต่ำคือดี), Charging Time (ต่ำคือดี), Lifetime (สูงคือดี) เป็นต้น

1. Lead-Acid

เป็นแบตเตอรี่ที่นิยมใช้กันมาเก่าแก่ และเนิ่นนานมาก (กว่า 50 ปี) ปกติใช้แค่ช่วยในการ Start ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือ Internal Combustion Engine (ICE) และเป็นไฟเลี้ยงวงจรเสริมต่างๆในรถ ICE โดยที่จะมีโครงสร้างคือ Lead Oxide ที่ Positive Electrode, Spongy Lead ที่ Negative Electrode และสาร Diluted Sulfuric Acid เป็น Electrolyte และมี Voltage per Cell 2 V

ข้อดีคือ มีใช้อยู่เป็นจำนวนมาก, ราคาถูกมาก (Cost per Cycle 3 บาท), เป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างคงที่แล้ว, มี Self-Discharge ต่ำ และมีความคงทนต่ออุณหภูมิ

ข้อเสียคือ เก็บพลังงานได้น้อย (Low Energy Density, 30–50 Wh/kg) และรับ/จ่ายพลังงานได้ช้า (Discharge Rate 3 Ah), มีน้ำหนักเยอะ, อายุการใช้งานสั้นหาก Charge และ Discharge ด้วย State of Charge (SoC) และ Depth of Discharge (DoD) ที่ลึก, และ ไม่สามารถคายประจุได้ต่ำกว่า 20%

2. NiMH (Nickel-Metal Hydride)

เป็นแบตเตอรี่ที่มาแทน Lead Acid และเป็นที่นิยมใช้ตั้งแต่ปี 1990s ในรถ EV มีโครงสร้างคือ Nickel Hydroxide ที่ Positive Electrode, Alloy of Nickel, Titanium, Vanadium ที่ Negative Electrode และสารละลาย Alkaline เป็น Electrolyte และมี Voltage per Cell 1.2 V

ข้อดีคือ มีราคาถูก (Cost per Cycle 3.6 บาท), ชาร์จเร็ว (Charging Time 2 hrs), เก็บพลังงานได้มากกว่า Lead Acid (Low Energy Density, 80–100 Wh/kg), รับ/จ่ายพลังงานได้เร็วกว่า Lead Acid (Discharge Rate 10 Ah), ปลอดภัยเนื่องจาก Voltage per Cell ต่ำ, ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม, และสามารถ Recycle ได้

ข้อเสียคือ มี Self-Discharge สูง, อายุการใช้งานสั้นถ้ามีการชาร์จด้วยกระแสสูง (Supercharge) บ่อยๆ, และมี Memory Effect ที่แบตเตอรี่จะเก็บพลังงานได้น้อยลงหลังจากทำการชาร์จบ่อยๆ

3. Ni-Cd (Nickel-Cadmium)

เป็นแบตเตอรี่ Nickel อีกชนิดหนึ่งที่มี Nickel Hydroxide ที่ Positive Electrode, Cadmium ที่ Negative Electrode และมี Voltage per Cell 1.2 V

ข้อดีคือ จะคล้ายกับ NiMH แล้วจะมีราคาถูกกว่า (Cost per Cycle 1.2 บาท), มี Lifetime ที่นานกว่า

ข้อเสียคือ เมื่อเทียบกับ NiMH คือ Cd นั้นเป็นสารที่อันตราย หากไม่มีการจัดการที่ดี, ทำให้ราคาและความซับซ้อนของการ Recycle สูง และมี Memory Effect ที่แรงกว่า

4. Li-Ion (Lithium-Ion) — Conventional and Polymer

เป็นแบตเตอรี่ที่นิยมใช้ใน มือถือ คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ต่างๆ โดยจะมีสารละลาย Lithium เป็น Electrolyte และ มี Positive Electrode และ Negative Electrode ที่แตกต่างกันตามชนิดของแบตเตอรี่ เช่น LCO (Li-Cobalt), LMO (Li-Manganese), LFP (Li-Phosphate), NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide), NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide), LTO (Li-Titanate), Li-S (Lithium Sulfur) และ Li-O (Lithium Oxygen) หรือจะเป็น แบตเตอรี่ที่ผสมระหว่างสารเหล่านี้ก็ได้

ข้อดีคือ มี Voltage per Cell ประมาณ 3.2–4.2 V ซึ่งทำให้น้ำหนักเบา และขนาดเล็ก, มี Energy Density ที่สูง 100–400 Wh/kg (บางชนิดเช่น Li-S และ Li-O สูงถึง 600–1000 Wh/kg), มี Power Density ที่สูง, มี Self-Discharge ที่ต่ำมาก, มี Lifetime ที่เยอะมาก และ มี Charging Time ที่เร็ว เป็นต้น

ข้อเสียคือ มีราคาแพง (High Cost per Cycle 3–8 บาท) จาก ระบบป้องกันแบตเตอรี่ หรือ Battery Management System (BMS) ที่เพิ่มขึ้นมา เพื่อ ควบคุมกระแส แรงดัน และอุณหภูมิของแบต เพื่อยืดอายุการใช้งาน ประเมิณความจุของแบต และอื่นๆอีกมากมาย

ขอบคุณข้อมูล https://krityodpradit.medium.com/