ระบบจัดเก็บพลังงานแบบสมดุลเชิงรุกช่วยแก้ปัญหาความไม่สอดคล้องกันของแบตเตอรี่อย่างไร

การรักษาพฤติกรรมที่สม่ำเสมอของเซลล์ทั่วทั้งชั้นวางแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ยังคงเป็นหนึ่งในความท้าทายที่ยากที่สุดในอุตสาหกรรมระบบเก็บพลังงาน ในการติดตั้งเชิงพาณิชย์และระดับสาธารณูปโภค เซลล์แต่ละตัวมักไม่สามารถรักษาความสอดคล้องกันอย่างสมบูรณ์แบบได้ตลอดเวลา ความแตกต่างเล็กน้อยของแรงดันไฟฟ้าและระดับประจุ (SOC) จะสะสมจนทำให้กำลังการผลิตของระบบทั้งหมดลดลง ทำให้อายุการใช้งานสั้นลง และเพิ่มความเสี่ยงด้านความร้อนอย่างรุนแรง

การติดตั้งระบบจัดการสมดุลแบบแอคทีฟจะช่วยแก้ไขความไม่สมดุลในระดับเซลล์โดยตรง โดยการถ่ายโอนพลังงานอย่างกระตือรือร้นจากเซลล์ที่มีประจุสูงไปยังเซลล์ที่มีประจุต่ำกว่า ระบบดังกล่าวจะกู้คืนกำลังการผลิตที่ถูกจำกัดไว้ ลดการพุ่งขึ้นของอุณหภูมิ และรักษาความปลอดภัยในการดำเนินงานของระบบเก็บพลังงานขนาดใหญ่ให้ยาวนานหลายปี

สาเหตุหลักที่ทำให้เซลล์ไม่สอดคล้องกันในระบบเก็บพลังงานขนาดใหญ่

ไม่มีเซลล์ลิเธียม-ไอออนสองเซลล์ใดที่ออกจากสายการผลิตด้วยคุณสมบัติทางกายภาพที่เหมือนกันอย่างสมบูรณ์ ความแปรผันในระดับจุลภาค เช่น ความหนาของชั้นเคลือบอิเล็กโทรด ความหนาแน่นของแผ่นกั้น และการกระจายของอิเล็กโทรไลต์ ส่งผลให้เกิดความแตกต่างโดยธรรมชาติทั้งในด้านความจุและค่าความต้านทานภายในตั้งแต่วันแรก

เมื่อมีการต่อกันเป็นจำนวนมากหรือหลายพันเซลล์แบบอนุกรมและขนาน ความแปรผันเริ่มต้นเหล่านี้จะยิ่งสะสมมากขึ้น เซลล์ที่มีค่าความต้านทานภายในสูงกว่าเพียงเล็กน้อยจะได้รับแรงกดดันมากขึ้นในระหว่างรอบการชาร์จหรือปล่อยพลังงานอย่างหนัก ความเครียดส่วนเกินนี้ทำให้อัตราการเสื่อมสภาพเพิ่มขึ้น ส่งผลให้เซลล์นั้นสูญเสียความจุเร็วกว่าเซลล์ข้างเคียง

สภาพแวดล้อมในการทำงานมีบทบาททำลายที่เท่าเทียมกัน อุณหภูมิที่แตกต่างกันภายในชั้นวางแบตเตอรี่—ซึ่งมักมีช่วงความแตกต่างระหว่าง 5 ถึง 10 องศาเซลเซียสในโครงสร้างขนาดใหญ่—ส่งผลให้อัตราการเสื่อมของแต่ละจุดไม่สม่ำเสมอ เซลล์ที่วางใกล้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังหรืออยู่บริเวณกลางชั้นวางจะร้อนกว่าเซลล์ที่วางอยู่ตามขอบด้านนอก เนื่องจากอุณหภูมิในการทำงานที่สูงขึ้นเร่งกระบวนการเสื่อมทางเคมี ดังนั้นเซลล์ที่ร้อนกว่าจึงเสื่อมเร็วกว่าได้สูงสุดถึง 30% หลังผ่านการชาร์จ-คายประจุหลายร้อยรอบ ภูมิทัศน์ความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอนี้ก่อให้เกิดความแปรปรวนอย่างมากทั้งในด้านแรงดันไฟฟ้าและระดับสถานะการชาร์จของแต่ละเซลล์ หากไม่มีการปรับแก้แบบต่อเนื่อง ความจุใช้งานทั้งหมดของสายแบตเตอรี่จะถูกจำกัดโดยเซลล์ที่อ่อนแอที่สุดเพียงเซลล์เดียว

ต้นทุนที่แท้จริงของการไม่สมดุลกันของเซลล์ต่อความจุใช้งานและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

ความไม่สอดคล้องกันของระดับการชาร์จที่เล็กน้อยระหว่างเซลล์ที่ต่ออนุกรมกัน จะส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลงอย่างรุนแรงเกินสัดส่วน เมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เริ่มแตกต่างกัน วงจรการชาร์จแบบมาตรฐานจะหยุดทำงานทันทีที่เซลล์ที่มีแรงดันสูงสุดถึงขีดจำกัดบนของแรงดัน ขณะเดียวกัน การคายประจุจะหยุดทันทีที่เซลล์ที่มีแรงดันต่ำสุดถึงขีดจำกัดล่าง

การหยุดทำงานก่อนกำหนดนี้ทำให้พลังงานที่ยังใช้งานได้ถูกค้างอยู่ภายในเซลล์ที่เหลือ ส่งผลให้ช่วงความจุที่ใช้งานได้จริงของแบตเตอรี่ลดลงอย่างมาก การทดสอบในสนามโดยผู้เชี่ยวชาญยืนยันว่า ความไม่สมดุลของระดับการชาร์จเพียงเล็กน้อยถึง 5% ภายในสายเซลล์หนึ่งชุด อาจทำให้ความจุในการเก็บพลังงานที่ใช้งานได้จริงโดยรวมลดลงได้มากถึง 22%

นอกเหนือจากการสูญเสียพลังงานที่ใช้งานได้เป็นกิโลวัตต์-ชั่วโมงแล้ว ความไม่สมดุลของเซลล์ยังทำให้อายุการใช้งานของระบบโดยรวมสั้นลงอย่างมาก เซลล์ที่อ่อนแอในสายเซลล์ที่ไม่สมดุลจะถูกบังคับให้ทำงานใกล้ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดอยู่ตลอดเวลา ความเครียดแบบต่อเนื่องนี้เร่งการเกิดชั้น SEI (solid-electrolyte interphase) ทำให้ความต้านทานภายในเพิ่มขึ้น และเพิ่มโอกาสของการเกิดลิเทียมพลาติง (lithium plating) บนแอนโอด ข้อมูลจากสถานที่จริงเชิงพาณิชย์แสดงว่า หากปล่อยให้ความแตกต่างของเซลล์ดำเนินต่อไปโดยไม่แก้ไข จะเร่งการเสื่อมสภาพของอายุการใช้งานแบบไซเคิลได้ถึงร้อยละ 30 ถึง 40 ส่งผลให้เจ้าของสินทรัพย์ต้องเปลี่ยนโมดูลแบตเตอรี่ก่อนกำหนด ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูง

ความไม่สมดุลของเซลล์ที่ไม่ได้รับการควบคุมส่งผลให้ความเสี่ยงต่อเหตุการณ์ thermal runaway เพิ่มขึ้นอย่างไร

นอกเหนือจากการลดความสามารถในการเก็บพลังงานแล้ว ความแตกต่างของเซลล์ยังก่อให้เกิดภัยคุกคามพื้นฐานต่อความปลอดภัยของสถานที่จริง เมื่อเซลล์ใดเซลล์หนึ่งมีความไม่สมดุลอย่างรุนแรง มันจะประสบกับความเครียดทางไฟฟ้าสูงขึ้นในระหว่างเหตุการณ์การชาร์จกำลังสูง ความเครียดนี้สร้างความร้อนส่วนเกิน ทำให้เกิดจุดร้อนเฉพาะที่บริเวณภายในโมดูลที่จัดเรียงแน่นหนา

ในสารเคมีที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง จุดร้อนที่ไม่มีการตรวจสอบอาจร้อนขึ้นจนเกิดปฏิกิริยาเอกซ์โซเทอร์มิกที่สามารถดำรงตัวเองได้ กรณีชาร์จเกินซึ่งเกิดจากความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง เป็นสาเหตุสำคัญของเหตุการณ์การลุกลามความร้อนที่บันทึกไว้ในสถานที่จัดเก็บแบบคงที่

เมื่อเซลล์ที่เสียหายเริ่มปล่อยก๊าซ รังสีความร้อนที่รุนแรงจะแพร่กระจายไปยังเซลล์ข้างเคียงอย่างรวดเร็ว ในระบบตู้คอนเทนเนอร์ที่มีความหนาแน่นสูง ปรากฏการณ์ลูกโซ่เช่นนี้อาจทำให้เกิดการลุกลามอย่างกว้างขวางภายในไม่กี่วินาที มาตรการป้องกันแบบพาสซีฟ หรือการตัดวงจรระดับแพ็กของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่หยาบคาย มักตอบสนองช้าเกินไป เนื่องจากแรงดันเฉลี่ยของแร็กอาจดูปกติดีทั้งหมด ขณะที่เซลล์เดี่ยวๆ กำลังประสบภาวะเสื่อมสภาพจากความร้อนอย่างรุนแรง การปรับสมดุลระดับเซลล์แบบเรียลไทม์จึงเป็นการดำเนินการเชิงป้องกันที่จำเป็น เพื่อหยุดยั้งการชาร์จเกินเฉพาะจุดก่อนที่การลุกลามจากความร้อนจะเริ่มต้น

โครงสร้างการกระจายพลังงานแบบไม่สูญเสียพลังงาน

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟแบบดั้งเดิมจัดการกับความแตกต่างของเซลล์โดยการเผาพลังงานส่วนเกินผ่านตัวต้านทาน ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนที่ไม่ต้องการภายในตู้แบตเตอรี่ ระบบปรับสมดุลแบบแอคทีฟขจัดข้อเสียนี้ออกไปด้วยวิธีที่ไม่สูญเสียพลังงาน โดยนำพลังงานจากเซลล์ที่มีแรงดันสูงและมีประจุมากกว่าไปเก็บไว้ชั่วคราว แล้วส่งพลังงานนั้นไปยังเซลล์ที่มีประจุน้อยกว่าอย่างไดนามิก

วงจรถ่ายโอนประจุแบบใช้ตัวเก็บประจุ

การปรับสมดุลแบบแอคทีฟที่ใช้ตัวเก็บประจุอาศัยเครือข่ายสวิตช์ความถี่สูงร่วมกับตัวเก็บประจุมาตรฐาน เพื่อถ่ายโอนประจุระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกัน ระบบจะเชื่อมตัวเก็บประจุสำรองชั่วคราวข้ามเซลล์ที่มีแรงดันสูงกว่า ทำให้ตัวเก็บประจุนั้นชาร์จอย่างรวดเร็ว จากนั้นแมทริกซ์สวิตช์จะสลับตัวเก็บประจุไปยังเซลล์ที่มีแรงดันต่ำกว่า เพื่อปล่อยประจุที่เก็บไว้เข้าสู่เซลล์นั้น

เนื่องจากกระบวนการนี้ถ่ายโอนประจุผ่านความต่างศักย์ไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว โดยไม่มีการสูญเสียพลังงานจากการเผาไหม้แบบมีความต้านทาน จึงทำให้การสูญเสียพลังงานต่ำมาก การถ่ายโอนประจุด้วยตัวเก็บประจุ (capacitor shuttling) ทำงานได้ดีเยี่ยมในการปรับสมดุลความต่างศักย์ที่เล็กน้อยระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกัน ขณะเดียวกันก็รักษาระดับความร้อนภายในตู้ให้อยู่ในระดับต่ำสุด

โครงสร้างวงจรแบบขดลวดเหนี่ยวนำและหม้อแปลง

สำหรับการใช้งานที่ต้องการการถ่ายโอนพลังงานอย่างรวดเร็วและแยกฉนวนกัน โครงสร้างวงจรแบบสมดุลพลังงานเชิงรุกที่ใช้สนามแม่เหล็กจะอาศัยขดลวดเหนี่ยวนำแบบคู่หรือหม้อแปลงที่มีขดลวดหลายชุด แทนที่จะส่งผ่านประจุตามลำดับจากเซลล์หนึ่งไปยังอีกเซลล์ที่อยู่ติดกัน ระบบแบบขดลวดเหนี่ยวนำจะถ่ายโอนพลังงานผ่านสนามแม่เหล็ก โดยมีประสิทธิภาพโดยทั่วไปสูงถึงร้อยละ 95

สถาปัตยกรรมการแปลงกระแสตรงแบบสองทิศทาง (Bidirectional DC-DC conversion architectures) ช่วยเพิ่มความยืดหยุ่นนี้ให้สูงยิ่งขึ้น โดยการส่งพลังงานผ่านบัสกระแสตรงภายในร่วมกัน (shared internal DC bus) ระบบสามารถดึงพลังงานจากเซลล์ที่อยู่ด้านบนสุดของแร็ก (rack) และจ่ายพลังงานโดยตรงไปยังเซลล์ที่มีปัญหาซึ่งตั้งอยู่ปลายอีกด้านหนึ่งของสตริง (string) ได้ ความสามารถในการถ่ายโอนพลังงานข้ามสตริง (cross-string transfer capability) นี้ไม่จำเป็นต้องผ่านเซลล์กลางใดๆ เลย จึงสามารถปรับสมดุลได้อย่างรวดเร็วแม้ในสถานีผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่ที่มีกำลังการผลิตรวมหลายเมกะวัตต์

ข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพที่วัดได้จากการใช้งานจริงในโครงการระบบเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์

การผสานรวมระบบปรับสมดุลแบบแอคทีฟ (active balancing) เข้ากับโครงการจัดเก็บพลังงานระดับสาธารณูปโภค (utility-scale storage projects) ทำให้เกิดผลประโยชน์ในการดำเนินงานที่วัดค่าได้จริง ในโครงการแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์ที่มีความจุ 2.4 เมกะวัตต์-ชั่วโมง ซึ่งถูกใช้งานแบบไซเคิลทุกวัน สถาปัตยกรรมการจัดการแบบปรับสมดุลแบบแอคทีฟสามารถรักษาความสม่ำเสมอของระดับประจุ (state-of-charge uniformity) ทั้งแพ็ก (pack-level) ไว้ที่ร้อยละ 98.7 เป็นเวลาเกิน 1,200 รอบไซเคิลต่อเนื่อง

ด้วยการรักษาความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าระหว่างเซลล์ให้อยู่ต่ำกว่า 15 มิลลิโวลต์ โรงเก็บพลังงานนี้จึงสามารถกำจัดปัญหาการลดลงของความจุที่มักเกิดจากประจุที่ค้างอยู่ ทำให้พลังงานที่ใช้งานได้สอดคล้องกับค่าแรงดันไฟฟ้าที่ระบุไว้เดิมทุกปี

ระบบสมดุลแบบแอคทีฟยังมอบข้อได้เปรียบด้านความเร็วที่สำคัญในระหว่างเหตุการณ์การชาร์จแบบเร็ว โดยสามารถปรับค่าความเบี่ยงเบนระดับเซลล์ได้เร็วกว่าทางเลือกแบบพาสซีฟถึง 85% จึงป้องกันไม่ให้เซลล์แต่ละตัวถึงจุดตัดแรงดันสูงสุดก่อนเวลาอันควร ส่งผลให้ระบบแบตเตอรี่โดยรวมสามารถรับกระแสชาร์จต่อเนื่องที่สูงขึ้นได้ในช่วงเวลาที่จำกัดสำหรับการดูดซับพลังงานหมุนเวียน นอกจากนี้ การลดจุดร้อนเฉพาะที่ยังช่วยลดอุณหภูมิในการทำงานเฉลี่ยของแพ็กเกจลงหลายองศาเซลเซียส ซึ่งเพิ่มอายุการใช้งานตามปฏิทินโดยรวมของระบบติดตั้งได้อีกหลายปี

การผสานระบบสมดุลแบบแอคทีฟเข้ากับตู้ควบคุม BMS ที่สามารถปรับขนาดได้

การพัฒนาระบบที่เก็บพลังงานเชิงพาณิชย์ที่ใช้การปรับสมดุลแบบแอคทีฟ จำเป็นต้องอาศัยสถาปัตยกรรมระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่มีลักษณะโมดูลาร์และอัจฉริยะ วงจรปรับสมดุลแบบแอคทีฟซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้ตัวแปลงไฟตรง-ตรง (DC-DC) แบบสองทิศทางที่มีขนาดกะทัดรัด จะถูกฝังไว้โดยตรงในบอร์ดควบคุมย่อยของแต่ละโมดูล ส่วนตัวควบคุมหลักกลางจะทำหน้าที่ประสานข้อมูลแบบเรียลไทม์จากโมดูลเหล่านี้ และดำเนินการคำนวณเพื่อปรับสมดุลตามความต้านทานภายในเซลล์แบบไดนามิก แผนที่อุณหภูมิ และค่าระดับประจุขณะนั้น (state-of-charge)

การผลิตระบบที่เก็บพลังงานที่มีความน่าเชื่อถือสูงและมีความหนาแน่นพลังงานสูง จำเป็นต้องอาศัยความเชี่ยวชาญลึกซึ้งด้านการบรรจุเซลล์ การประกอบอัตโนมัติ และการออกแบบระบบระบายความร้อนขั้นสูง ผู้ร่วมผลิต เช่น Hano Energy ให้บริการโซลูชันห่วงโซ่อุปทานแบบครบวงจรและสนับสนุนด้านวิศวกรรมสำหรับโครงการจัดเก็บพลังงานระดับองค์กร โดยการผสานการจับคู่เซลล์อย่างแม่นยำเข้ากับแพลตฟอร์ม BMS ที่มีระบบปรับสมดุลแบบแอคทีฟอัตโนมัติ Hano Energy ช่วยให้ผู้พัฒนาระบบ ผู้รับเหมา EPC และพันธมิตรเชิงพาณิชย์สามารถส่งมอบระบบที่เก็บพลังงานที่ปลอดภัย มีประสิทธิภาพสูง และออกแบบมาเพื่ออายุการใช้งานยาวนาน