การวัดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Lithium Ion Battery: LIBs) ซึ่งเป็นแบตเตอรี่ชนิดประจุซ้ำได้ที่มีประสิทธิภาพสูงเป็นอันดับต้น ๆ ถูกนำมาใช้เป็นหลักในผลิตภัณฑ์ต่างๆในท้องตลาด เช่น ยานยนต์ไฟฟ้า และโทรศัพท์มือถือ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ผู้ผลิตแบตเตอรี่ได้ทำงานร่วมกับผู้ผลิตอุตสาหกรรมรถยนต์และอุตสาหกรรมอื่น ๆที่เกี่ยวข้อง เพื่อพัฒนาประสิทธิภาพของ LIBs ที่ใช้ในรถยนต์ไฟฟ้าและรถยนต์ไฮบริดที่มีปริมาณเพิ่มขึ้นมาก เพื่อให้ได้ให้ประสิทธิภาพและเป็นการยกระดับเทคโนโลยีให้สูงขึ้น และอายุการใช้งานที่ยาวนานเพิ่มขึ้น มีการพัฒนาทั้งด้านวิจัย การผลิต และการควบคุมคุณภาพของแบตเตอรี่ประเภทนี้เพิ่มมากขึ้น บทความนี้เป็นการนำเสนอวิธีการวัดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมโดยใช้เทคนิคการวัดความต้านทานภายในแบตเตอรี่แบบกระแสสลับหรือค่าอิมพิแดนซ์ที่เป็นเทคนิคใหม่ที่นิยมใช้กันในอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

รูปที่ 1 รูปแบบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

เนื่องจากแบตเตอรี่ไอออน (รูปที่ 1 ) มีใช้ในผลิตภัณฑ์ที่หลากหลาย รวมถึงการใช้งานกับยานพาหนะไฟฟ้าและยานพาหนะไฮบริดที่จะต้องส่งมอบระดับประสิทธิภาพและคุณภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ การวัดความต้านทานภายในเป็นวิธีการหนึ่งในการประเมินประสิทธิภาพการทำงานและคุณภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ความต้านทานภายในเกิดจากปฏิกิริยาทางเคมีภายในแบตเตอรี่ของแต่ละเซล ในอดีตเราสามารถวัดได้โดยใช้วิธีการที่เรียกว่าการวัด DC-IR วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่ชาร์จไว้ก่อนล่วงหน้า แล้วปล่อยประจุโดยการจ่ายกระแสไฟฟ้าปริมาณมากสู่โหลด อย่างไรก็ตาม ต้องใช้เวลาการประจุแบตเตอรี่ที่ไว้ก่อนและกระบวนการวัดความต้านทานภายในตัวเองนั้นต้องใช้ระยะเวลาตั้งแต่หลายนาทีจนถึงประมาณหนึ่งชั่วโมงจึงจะเสร็จสมบูรณ์ ด้วยเหตุนี้จึงมีจำเป็นอย่างมากจากผู้ทดสอบในการแก้ปัญหาในการวัดที่ใช้เวลามากเกินไปโดยเลือกใช้เครื่องมือที่ช่วยลดเวลาในการวัดผล ด้วยวิธีการวัดความต้านทานภายในที่ความถี่ต่ำ (การวัด AC ความถี่ต่ำ AC-IR) วิธีการทดสอบแบบนี้ช่วยแก้ไขปัญหานี้ในการลดเวลาทดสอบให้สั้นลงเหลือเพียงเล็กน้อยแค่ 10 วินาที

การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่
คุณลักษณะของแบตเตอรี่มีความแตกต่างกันอย่างมากขึ้นอยู่กับความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ยิ่งความต้านทานภายในสูงขึ้นเท่าใดการสูญเสียพลังงานก็จะยิ่งสูงขึ้นและประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ก็จะต่ำลงเท่านั้น นอกจากนี้ความร้อนที่เกิดจากแบตเตอรี่ในระหว่างการใช้งานเพิ่มขึ้นนำไปสู่การเสื่อมสภาพก่อนเวลาอันควร โดยทั่วไปแบตเตอรี่ที่มีความต้านทานภายในต่ำกว่าจะเป็นแบตเตอรี่ที่คุณภาพดีกว่า ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ถูกนำมาใช้เป็นตัวบ่งชี้คุณลักษณะของแบตเตอรี่

การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่มีสองประเภท: วิธี AC และวิธี DC
วิธีการ DC เป็นวิธีการที่แบตเตอรี่จะถูกปล่อยออกที่กระแสคงที่และความต้านทานภายในจะถูกคำนวณจากค่าปัจจุบันของการคายประจุและแรงดันตกที่เวลาที่กำหนด ส่วนใหญ่จะใช้ในการตรวจสอบคุณลักษณะการตอบสนองโหลดขนาดใหญ่

ในการวัดความต้านทานภายในโดยใช้วิธีการ AC สัญญาณ AC ขนาดเล็กจะถูกนำไปใช้กับการทดสอบแบตเตอรี่ เพื่อหาส่วนประกอบความต้านทาน (Resistance) และความต้านทานปฏิกิริยา(Reactive Resistance) ของแบตเตอรี่จะถูกแยกและวัดเพื่อประเมินหาประสิทธิภาพและคุณภาพของแบตเตอรี่ การวัดความต้านทานภายในด้วยวิธีกระแสสลับสามารถใช้งานดีเนื่องจาก สามารถวัดได้ง่าย และมีการวัดซ้ำ (Repeatability) อุปกรณ์ขนาดเล็กและใช้เวลาทดสอบน้อย จึงเป็นวิธีที่เริ่มนิยมมากขึ้น

โดยทั่วไปแล้วค่าความต้านทานที่วัดได้ด้วยวิธี DC จะเรียกว่า DC-IR และค่าความต้านทานที่วัดโดยวิธี AC นั้นเรียกว่า AC-IR โดยที่ IR คือ ความต้านทานภายใน (Internal Resistance) นอกจากนี้การวัดความต้านทานภายในด้วยวิธี AC มักเรียกง่ายๆว่า “การวัดอิมพิแดนซ์” หรือความต้านทานต่อไฟฟ้ากระแสสลับซึ่งจะอธิบายรายละเอียดต่อไป

ข้อสังเกต เราไม่สามารถวัดแบตเตอรี่ด้วยโอห์มมิเตอร์ปกติที่ใช้สำหรับการวัดความต้านทานและเครื่องวัดความต้านทาน (LCR meter) รูปที่ 3 แสดงถึงเครื่องวัดความต้านทานภายในแบตเตอรี่ซึ่งมีความแตกต่างจากเครื่องวัดความต้านทานทั่วไป โดยที่ผู้ทดสอบแบตเตอรี่มักจะสามารถวัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ได้นอกเหนือจากความต้านทาน

รูปที่ 2 การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ด้วยเครื่องทดสอบแบตเตอรี่ (เครื่องวัดความต้านทาน AC)

โดยปกติแล้วในการวัดอิมพิแดนซ์จะใช้ความถี่เฉพาะ (ปกติ 1 kHz) สำหรับการตรวจสอบ พิจารณารวมทั้งองค์ประกอบความต้านทาน (Resistance) และองค์ประกอบปฏิกิริยาความต้านทาน (Reactive resistance) เป็นการวัดอิมพิแดนซ์ (Impedance) ที่แสดงเป็นค่าความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ เนื่องจากสามารถตรวจสอบได้ในเวลาอันสั้น จึงเหมาะสำหรับการตรวจสอบการผลิตจำนวนมากและการตรวจสอบการยอมรับ

สำหรับการวัดความต้านทานที่ 1 kHz เป็นไปมาตรฐาน JIS C 8711: 2013 เป็นมาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับอุปกรณ์พกพา ในหัวข้อ “วิธีการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ AC” นอกจากนี้ยังมีมาตรฐาน IEC61960-3: 2017 ก็มีการกำหนดเช่นเดียวกันกับเนื้อหานี้ ตัวอย่างการคำนวนตามมาตรฐาน ดังต่อไปนี้

ตัวอย่าง สัญญาณไฟฟ้า AC ความถี่ 1.0±0.1 kHz ทําาให้ เกิดกระแส Ia เป็นระยะเวลา 1 – 5 วินาที โดยวัดแรงดันไฟฟ้า Ua โดยรวมจะทําาการวัดที่ขั้วของแบตเตอรี่ ที่ต่อไว้สําหรับการวัด ความต้านทานภายใน Ra ของแบตเตอรี่ท่ีประกอบข้ึน คํานวณได้ จากสมการ Ra = Ua / Ia

โดยที่ Ra คือ ความต้านทาน AC ภายในของแบตเตอรี่ [ Ω ]

Ua คือแรงดันไฟฟ้าACตกคร่อมแบตเตอรี่ [V]

Ia คือ กระแสไฟฟ้า AC ท่ีไหลผ่านแบตเตอรี่ [ A ]

หมายเหตุ1 ในการวัดกระแสไฟฟ้าสลับแรงดันไฟฟ้าสูงสุด (Peak Voltage) ของการเปลี่ยนแปลงขนาด 20 mV

หมายเหตุ2 วิธีนี้กําหนดความถี่และเพื่อหาอิมพิแดนซ์หรือการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรที่วไป

โดยปกติแล้วในการวัดอิมพิแดนซ์จะใช้ความถี่เฉพาะ (ปกติ 1 kHz) สำหรับการตรวจสอบ พิจารณารวมทั้งองค์ประกอบความต้านทาน (Resistance) และองค์ประกอบปฏิกิริยาความต้านทาน (Reactive resistance) เป็นการวัดอิมพิแดนซ์ (Impedance) ที่แสดงเป็นค่าความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ เนื่องจากสามารถตรวจสอบได้ในเวลาอันสั้น จึงเหมาะสำหรับการตรวจสอบการผลิตจำนวนมากและการตรวจสอบการยอมรับ

สำหรับการวัดความต้านทานที่ 1 kHz เป็นไปมาตรฐาน JIS C 8711: 2013 เป็นมาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมสำหรับอุปกรณ์พกพา ในหัวข้อ “วิธีการวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ AC” นอกจากนี้ยังมีมาตรฐาน IEC61960-3: 2017 ก็มีการกำหนดเช่นเดียวกันกับเนื้อหานี้ ตัวอย่างการคำนวนตามมาตรฐาน ดังต่อไปนี้

นอกจากนี้ ยังมีการวัดความต้านทานโดยการกวาดความถี่แทนที่จะทดสอบโดยใช้ความถี่เดียว โดยทั่วไปแล้วผลการวัดจะแสดงในกราฟที่เรียกว่าพล็อต Cole-Cole ดังรูปที่ 3 เป็นปรากฏการณ์ทางกายภาพแสดงถึงความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับคลื่นความถี่ในช่วงต่างๆ เช่น ส่วนประกอบของการถ่ายโอนประจุของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ที่ความถี่สูง (~ 1 kHz) (Electrolytic resistance component), ส่วนประกอบของการแพร่ของไอออนภายในอิเล็กโทรดที่ความถี่ต่ำ (<1 Hz) (diffusion component) และปฏิกิริยาการถ่ายโอนประจุของไอออนที่ความถี่กลาง (1 Hz - หลายร้อย Hz) (reactive component) ทั้งสามส่วนใหญ่ที่ก่อให้เกิดความต้านทาน กล่าวอีกนัยหนึ่งในการอธิบายแต่ละปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในแต่ละส่วนของแบตเตอรี่ด้วยการวิเคราะห์พล็อต Cole-Cole อย่างละเอียด ที่แสดงเป็นวงจรสมมูลสำหรับการวิเคราะห์โดยใช้แบบจำลองวงจรสมมูลดังแสดงในรูปที่ 4 แสดงถึงความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ในทุกปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่ที่แสดงโดยแบบจำลองด้วยองค์ประกอบวงจรเทียบเท่าที่แตกต่างกัน ค่าของแต่ละองค์ประกอบที่ได้รับจากการวิเคราะห์สามารถพิจารณาเป็นค่าที่แสดงถึงลักษณะของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่องค์ประกอบนั้นเป็นตัวแทน [caption id="attachment_24462" align="alignnone" width="924"] รูปท่ี 4 วงจรสมมูลของแบตเตอรี่[/caption]

เครื่องมือวัดความอิมพิแดนซ์แบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพ จะสามารถทดสอบทั้งแรงดันแบตเตอรี่และช่วงความถี่การวัดในช่วงที่กว้าง ในที่นี่เราจะแนะนำจุดสำหรับกำหนดเครื่องมือวัดและวิธีการวัด โดยเฉพาะอย่างยิ่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความจุขนาดใหญ่มีความต้านทานภายในต่ำมากเพียง 1m Ω หรือน้อยกว่า ทำให้การตรวจวัดมีความแม่นยำ เราควรให้ความใส่ใจอย่างระมัดระวังกับการเลือกอุปกรณ์การวัดและวิธีการวัด

(1) วิธีการวัด สำหรับการวัดอิมพีแดนซ์ต่ำนั้นมักใช้วิธี 4 สาย (4-wire) แทนวิธี 2 สาย (2-wires) การวัดแบบ 4 สาย เป็นการวัดที่แม่นยำและเสถียรโดยไม่ได้รับผลกระทบจากความต้านทานจากการเดินสายไฟหรือความต้านทานสัมผัสของโพรบวัด ดังรูปที่ 2

(2) อิทธิพลของสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าที่ใช้ทำให้กระแสไหลวน (eddy current) ในโลหะโดยรอบและสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำ (magnetic induction) ถูกสร้างขึ้น ต้องใช้ความระมัดระวังเนื่องจากสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำนี้ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดหากสัญญาณรบกวนเข้าสู่วงลูปที่สร้างขึ้นโดยสายการวัดแรงดันไฟฟ้า (รูปที่ 5) ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้เกิดขึ้นกับไฟฟ้ากระแสตรง แต่เป็นค่าเฉพาะของการวัดไฟฟ้ากระแสสลับ

ตัวอย่างเช่นในกรณีของแบตเตอรี่ขนาดใหญ่สำหรับ EVs ระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าจะมากขึ้นเนื่องจากแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ เป็นผลให้พื้นที่ลูปที่สร้างขึ้นโดยสายการวัดแรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นด้วย เมื่อวัดแบตเตอรี่ดังกล่าวสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำเนื่องจากกระแสการวัดนั้นสร้างขึ้นจากชิ้นส่วนโลหะของแบตเตอรี่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัด

มาตรการต่อไปนี้สามารถนำมาพิจารณาเพื่อลดอิทธิพลของสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำ
a.สายเคเบิลที่ใช้วัดแบบตีเกลียว มันจะมีประสิทธิภาพในการบิดสายเคเบิลปัจจุบันและสายแรงดันไฟฟ้าข้ามสายเคเบิลทั้งหมดให้มากที่สุด หากสายเคเบิลปัจจุบันถูกตีเกลียว สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยกระแสจะถูกยกเลิกและสนามแม่เหล็กที่รั่วไปด้านนอกจะลดลง นอกจากนี้การตีเกลียวสายแรงดันไฟฟ้ายังมีประสิทธิภาพเพราะช่วยลดพื้นที่ของลูปที่สนามแม่เหล็กเข้ามา นอกจากนี้ยังสามารถลดผลกระทบของกระแสวนและสนามแม่เหล็กภายนอกอื่น ๆ ได้
b.เก็บสายเคเบิลและแบตเตอรี่ให้ห่างจากโลหะ หากระยะห่างระหว่างกระแสและโลหะเพิ่มขึ้นอิทธิพลของสนามแม่เหล็กเหนี่ยวนำจะลดลงตามลำดับ ให้ความสนใจกับโลหะของอุปกรณ์ตรวจวัดและชิ้นส่วนโลหะของโต๊ะทำงานที่ตั้งอุปกรณ์วัดและรักษาระยะห่างให้มากที่สุด
c.ใช้วิธีการจับคู่ 4 เทอร์มินัล นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพในการเลือกอุปกรณ์การวัดคู่ 4 เทอร์มินัลแทนวิธีการ 4 เทอร์มินัล (รูปที่ 6) ในวิธีการจับคู่ 4 เทอร์มินัลปริมาณการไหลของกระแสเท่ากันในทิศทางตรงกันข้ามผ่านส่วนที่ป้องกันของกระแสที่วัดได้ เป็นผลให้สนามแม่เหล็กที่เกิดจากกระแสรั่วไหลออกมาแทบจะไม่ออกไปข้างนอกและผลที่ได้จะลดลง
d.เปลี่ยนความถี่ในการวัด นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพโดยการลดความถี่ในการวัด ในการวัดค่าอิมพิแดนซ์ ปกติความถี่ที่ใช้เป็น 1 kHz โดยผลของกระแสไหลวนเพิ่มขึ้นตามความถี่ที่เพิ่มขึ้น ที่ 1 kHz ผลกระทบต่อค่าที่วัดอาจมีมาก ตัวอย่างเช่น หากตั้งค่าความถี่เป็น 1/10, 100 Hz อิทธิพลของกระแสไหลวนจะลดลงอย่างมาก การลดความถี่จะเพิ่มเวลาทดสอบดังนั้นจึงเป็นความคิดที่ดีที่จะกำหนดความถี่ตามการออกแบบการทดลอง

รูปท่ี 5 วิธีการวัดแบบ 4 เทอร์มินอล

รูปที่ 6 วิธีการจับคู่การวัดแบบ 4 เทอร์มินอลร่วมกับสายชีลด์

รูปที่ 7 การทดสอบแบบสถิตย์

การประยุกต์ใช้งาน
ในการใช้งานจริงกับการทดสอบกับยานยนต์ไฟฟ้าสามารถทดสอบได้สองแบบ คือการทดสอบแบบสถิตย์ (Static Test) และการการทดสอบแบบพลวัตร (Dynamic Test) การทดสอบแบบสถิตย์มักจะทำการทดสอบในห้องปฏิบัติการ แต่การทดสอบแบบพลวัตรมักจะทำการทดสอบร่วมกับการใช้งานจริง เพื่อเก็บข้อมูลหาประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่จากการใช้งานจริง ดังรายละเอียดดังรูป ที่ 7 และ 8

รูปที่ 8 การทดสอบและบันทึกข้อมูลตามระยะเวลาการใช้งาน

สรุป
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนขนาดใหญ่ได้ถูกนำไปใช้งานจริงและมีปริมาณการใช้งานก็เพิ่มขึ้นทุกปี แบตเตอรี่ประสิทธิภาพสูง จำเป็นจะต้องมีข้อพิจารณาอื่นๆ เช่น ต้องมีความปลอดภัยสูง ผลผลิตสูง และอายุการใช้งานที่ยาวนาน จำเป็นที่จะต้องการการควบคุมคุณภาพที่ดี การควบคุมคุณภาพมีบทบาทสำคัญในการผลิตแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงอย่างแน่นอน การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่หรือการวัดอิมพิแดนซ์ของแบตเตอรี่ เป็นเทคนิคในการวัดคุณภาพของแบตเตอรี่ที่สะดวกและแม่นยำ แต่จำเป็นต้องเลือกเครื่องมือวัดที่เหมาะสม และต้องเข้าใจในเทคนิคและข้อจำกัดในการวัด และเลือกอุปกรณ์การวัดที่มีคุณภาพและความแม่นยำสำหรับกระบวนการผลิตและการผลิตของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

สนใจเครื่องมือวัดสำหรับยานยนต์ไฟฟ้าแบบความละเอียดสูง ติดต่อ คุณเสาวลักษณ์ บริษัท อินโนวาแพค จำกัด ตัวแทนจำหน่ายอย่างเป็นทางการและการบริการ จาก บริษัท HIOKI (Thailand) จำกัด โทร 02-331-9014 E-Mail : sales@innovapack.co.th

อ้างอิง
[1] Ahiko Narusawa, Battery Impdance Meter, HIOKI Technical Note Vol.1 2015 No.1
[2] User Guide HIOKI, Electrical Measurements of Lithium Ion Batteries: Fundamentals and Applications (A_UG_BT0001J01), 2019 HIOKI E.E. CORPORATION

หรือโหลดเอกสาร EVAT Directory 2020 ฉบับสมบูรณ์ในรูปแบบ PDF ได้ที่

https://drive.google.com/file/d/1jgSPP9yKSo6frJ3PQHwEdjhCqyaTbGST/view

cr : https://news.evat.online/battperfmeas/?fbclid=IwAR34b3_6t3557aetJV4MK-EPbfips8lE6TNITbwP6BIOXfTrMs-JtgOjz3I