ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกันเมื่อใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลานาน

ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกันเมื่อใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลานาน

แบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกันอาจเป็นทางเลือกที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์หรือระบบจัดเก็บพลังงานที่ต้องใช้งานเป็นเวลานาน แต่ความทนทานของมันไม่ได้ขึ้นอยู่เพียงแค่คำว่า “ซ้อนกัน” เท่านั้น ในการใช้งานต่อเนื่อง คำถามที่สำคัญคือชุดแบตเตอรี่โดยรวมสามารถควบคุมอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า ขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้า และความแปรผันระหว่างเซลล์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะยาวหรือไม่

จากมุมมองด้านวิศวกรรม แบตเตอรี่ลิเธียมแบบสแต็กควรประเมินเป็นระบบทั้งระบบ ซึ่งประกอบด้วยเซลล์ ทางเดินกระแสไฟฟ้า การบีบอัดเชิงกล ฉนวนกันความร้อน การตรวจวัดสัญญาณ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) โครงหุ้ม และรูปแบบภาระงานทั้งหมดล้วนมีผลต่อผลลัพธ์ที่ได้ แพ็กที่ผสานรวมกันอย่างดีสามารถรักษาระดับแรงดันไฟฟ้าให้คงที่ยิ่งขึ้นภายใต้การใช้งานซ้ำ ๆ ขณะที่แพ็กที่ไม่เข้ากันดีอาจเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วแม้รูปแบบการจัดวางภายในจะดูทันสมัยเพียงใดก็ตาม

ความหมายของคำว่า สแต็ก ในการจัดชุดแบตเตอรี่

คำว่า แบตเตอรี่ลิเธียมแบบสแต็ก ถูกใช้ในความหมายที่แตกต่างกัน อาจหมายถึงเซลล์ที่เรียงซ้อนกันหรือชุดเซลล์แบบพอร์ต (pouch-cell assemblies) หรืออาจหมายถึงชุดแบตเตอรี่ที่มีทางเดินกระแสไฟฟ้าต้านทานต่ำ หรือโมดูลที่จัดเรียงในรูปแบบสถาปัตยกรรมแบบซ้อนกัน ทั้งสามความหมายนี้ไม่สามารถใช้แทนกันได้เมื่อพูดถึงองค์ประกอบทางเคมี ความจุ หรืออายุการใช้งาน ดังนั้น ก่อนเปรียบเทียบตัวเลือกต่าง ๆ ควรยืนยันให้ชัดเจนก่อนว่าเป็นรูปแบบเซลล์ชนิดใด แรงดันไฟฟ้ากำหนดค่า (nominal voltage) ช่วงพลังงานที่ใช้งานได้จริง (usable energy window) กระแสไฟฟ้าสูงสุดที่จ่ายต่อเนื่องได้ (maximum continuous current) วิธีการระบายความร้อน และหน้าที่ของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

เพื่อการดำเนินงานอย่างต่อเนื่อง การจัดเรียงอาจช่วยย่นระยะทางของกระแสไฟฟ้าและกระจายการรองรับเชิงกล ซึ่งอาจมีประโยชน์เมื่อแบตเตอรี่แพ็กถูกเรียกร้องให้ส่งกำลังไฟฟ้าบ่อยครั้งและต่อเนื่อง อย่างไรก็ตาม การจัดเรียงดังกล่าวไม่สามารถขจัดการเสื่อมสภาพจากปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมีได้ แบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกันยังคงไวต่ออุณหภูมิ สภาวะประจุสูง การคายประจุลึก อัตราการชาร์จ และคุณภาพของการจับคู่เซลล์

สี่เงื่อนไขที่กำหนดประสิทธิภาพในระยะยาว

การควบคุมอุณหภูมิ

ความร้อนมักเป็นข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพแรกที่ควรตรวจสอบ ทุกครั้งที่ชาร์จหรือคายประจุจะเกิดการสูญเสียพลังงาน และการใช้งานอย่างต่อเนื่องทำให้มีเวลาน้อยลงสำหรับแพ็กในการกลับสู่อุณหภูมิที่เสถียร หากอุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งแบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกัน เซลล์ที่ร้อนกว่าอาจเสื่อมสภาพเร็วกว่าและเบี่ยงเบนออกจากเซลล์อื่นในสาย ความเบี่ยงเบนนี้ลดช่วงการใช้งานที่ใช้ได้จริง เพราะระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ต้องปกป้องเซลล์แรกที่ถึงขีดจำกัดแรงดันหรืออุณหภูมิ

ถามว่าเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิถูกติดตั้งที่ตำแหน่งใด ตัวเรือนระบายความร้อนอย่างไร และระบบลดกำลังขาออก (derate) หรือไม่เมื่อถึงค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ อุณหภูมิแวดล้อมมีความสำคัญไม่แพ้อุณหภูมิภายใน แบตเตอรี่ชุดที่ให้สมรรถนะเพียงพอในการทดสอบในอาคารระยะสั้น อาจต้องใช้การออกแบบระบบจัดการความร้อนแบบต่างออกไปเมื่อใช้งานในห้องอุปกรณ์ที่ร้อนจัด ตู้ติดตั้งกลางแจ้ง หรือวงจรเก็บพลังงานจากแสงอาทิตย์รายวัน

กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าลดลงอย่างต่อเนื่อง

ควรประเมินแบตเตอรี่ลิเทียมแบบซ้อนกันตามกระแสไฟฟ้าต่อเนื่องที่ใช้งานจริง ไม่ใช่เพียงแค่ค่าสูงสุดที่ระบุไว้บนฉลากเท่านั้น กระแสไฟฟ้าสูงจะเพิ่มการสูญเสียจากความต้านทาน และทำให้แรงดันที่ขั้วแบตเตอรี่ลดลงอย่างเห็นได้ชัดขณะจ่ายโหลด ผลกระทบดังกล่าวขึ้นอยู่กับความต้านทานของเซลล์ การออกแบบสายเชื่อมระหว่างเซลล์ ขนาดของสายไฟ คุณภาพของการสัมผัสที่ขั้วต่อ อุณหภูมิของชุดแบตเตอรี่ และระดับประจุ (state of charge) แรงดันที่ต่ำลงภายใต้โหลดคงที่อาจทำให้เครื่องแปลงพลังงาน (inverter) หรือตัวควบคุม (controller) ตัดการทำงานก่อนเวลาที่คาดไว้ เนื่องจากถึงค่าแรงดันต่ำสุดที่กำหนดไว้

เพื่อการประเมินที่สมจริง ให้ระบุโหลดเป็นแอมแปร์หรือกิโลวัตต์ ระยะเวลาที่ใช้งาน กระแสไฟฟ้าช่วงเริ่มต้น (inrush current) และช่วงเวลาพักฟื้นระหว่างเหตุการณ์ จากนั้นจึงร้องขอกราฟการปล่อยประจุ (discharge curve) หรือรายงานผลการทดสอบภายใต้สภาวะที่เทียบเคียงได้ หากผู้จัดจำหน่ายไม่สามารถปรับสภาวะการทดสอบให้สอดคล้องกับรอบการทำงานที่ตั้งใจใช้งาน ความจุแบบนอมินัลที่ระบุเป็นแอมแปร์-ชั่วโมงเพียงอย่างเดียวจะไม่เพียงพอในการทำนายพฤติกรรมการใช้งานอย่างต่อเนื่อง

ช่วงระดับประจุ (SoC) และความลึกของการชาร์จ-ปล่อยประจุในแต่ละรอบ

อายุการใช้งานที่ยาวนานมักขึ้นอยู่กับนโยบายการปฏิบัติงานมากกว่าการใช้งานแบตเตอรี่จนหมดทุกรอบอย่างเต็มที่ ความลึกของการคายประจุ (depth of discharge) เป็นปัจจัยที่ยอมรับกันโดยทั่วไปว่าส่งผลต่อจำนวนรอบการใช้งาน ดังนั้น แบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อน (stacked lithium battery) ที่ใช้งานอย่างต่อเนื่องควรมีขอบเขตของระดับประจุที่ใช้งานได้ (usable state-of-charge limits) ซึ่งสอดคล้องกับการใช้งานจริง การคงสำรองพลังงานไว้ในสัดส่วนที่เหมาะสมจะช่วยลดภาระความเครียดต่อบรรจุภัณฑ์ และช่วยให้ระบบยังคงจ่ายกำลังไฟฟ้าได้อย่างมั่นคงเมื่อเกิดการเปลี่ยนแปลงของโหลดอย่างไม่คาดคิด

หน้าต่างที่เหมาะสมนั้นขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ ระบบสำรองอาจให้ความสำคัญกับพลังงานสำรองที่เก็บไว้ ในขณะที่ระบบจัดเก็บพลังงาน (ESS) ที่ใช้งานแบบชาร์จ-คายทุกวันอาจให้ความสำคัญกับปริมาณพลังงานที่ผ่านระบบภายในขีดจำกัดที่ผู้ผลิตกำหนดไว้ ทั้งสองกรณี กลยุทธ์การควบคุมควรบันทึกไว้ในระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และการตั้งค่าอินเวอร์เตอร์ แทนที่จะปล่อยให้ขึ้นอยู่กับวิธีปฏิบัติในการใช้งานแบบไม่เป็นทางการ

การควบคุมโดยระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และการปรับสมดุลเซลล์

ระหว่างการใช้งานระยะยาว เซลล์แต่ละตัวจะเสื่อมสภาพในอัตราที่ไม่เท่ากันอย่างแม่นยำ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่มีประสิทธิภาพจะตรวจสอบแรงดันรวมของแพ็ก แรงดันของแต่ละเซลล์ อุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า และสภาวะข้อผิดพลาด นอกจากนี้ ยังต้องจัดการการสมดุลของเซลล์ภายในขอบเขตการออกแบบที่ระบุไว้ด้วย สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมแบบเรียงซ้อน การเชื่อมต่อเซนเซอร์ที่เชื่อถือได้และตรรกะการแจ้งเตือนที่ชัดเจน มีความสำคัญไม่แพ้การจัดเรียงเซลล์ เพราะความไม่สมดุลเล็กน้อยอาจกลายเป็นข้อจำกัดที่เกิดซ้ำหลังจากผ่านการชาร์จ-คายมาหลายรอบ

ทบทวนโปรโตคอลการสื่อสารของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ค่าเกณฑ์การป้องกัน บันทึกเหตุการณ์ และการเข้าถึงบริการก่อนนำระบบไปใช้งานจริง ผู้ปฏิบัติงานควรสามารถระบุได้ว่าการหยุดทำงานนั้นเกิดจากอุณหภูมิสูงเกินไป แรงดันเซลล์ต่ำเกินไป การสูญเสียการสื่อสาร กระแสไฟฟ้าล้นเกิน หรือเหตุการณ์การป้องกันอื่น ๆ ข้อมูลดังกล่าวจะเปลี่ยนการบำรุงรักษาจากแนวทางเดาสุ่มให้กลายเป็นการตอบสนองอย่างมีการควบคุม

สิ่งใดบ้างที่เปลี่ยนแปลงไปเมื่อผ่านไปหลายเดือนและหลายปี

ในกระบวนการเสื่อมตามธรรมชาติ แบตเตอรี่ลิเทียมแบบเรียงซ้อนจะสูญเสียความจุที่ใช้งานได้ทีละน้อยไปเรื่อย ๆ และความต้านทานภายในอาจเพิ่มสูงขึ้น สัญญาณที่สังเกตได้ในทางปฏิบัติ ได้แก่ เวลาใช้งานสั้นลงภายใต้ภาระงานเท่าเดิม การตัดแรงดันเร็วกว่าปกติ ความร้อนเพิ่มขึ้นภายใต้กระแสไฟฟ้าที่เท่ากัน หรือความไม่สอดคล้องกันระหว่างโมดูลมากขึ้น นอกจากนี้ กระบวนการเสื่อมตามเวลา (calendar aging) ยังดำเนินต่อไปแม้ขณะที่แบตเตอรี่ไม่ได้ใช้งาน โดยเฉพาะเมื่ออยู่ในอุณหภูมิหรือระดับประจุที่ไม่เหมาะสม

การใช้งานอย่างต่อเนื่องไม่ได้หมายความโดยอัตโนมัติว่าอายุการใช้งานสั้น ภาวะอุณหภูมิที่คงที่ กระแสไฟฟ้าในระดับปานกลาง ขีดจำกัดของระดับการชาร์จที่เหมาะสม และการตรวจสอบอย่างสม่ำเสมอ ล้วนช่วยให้การให้บริการคาดการณ์ได้แม่นยำยิ่งขึ้น ตรงกันข้าม การคายประจุลึกซ้ำๆ การชาร์จเมื่อเซลล์ร้อนเกินไปหรือเย็นเกินไป การระบายอากาศไม่เพียงพอ และความไม่สมดุลที่ไม่ได้รับการแก้ไข ล้วนเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพ แทนที่จะพยายามตามหาตัวเลขอายุการใช้งานที่ใช้ได้ทั่วไป ควรประเมินประสิทธิภาพที่ผ่านการรับรองแล้วภายใต้รอบการทำงานจริงที่ระบบจะต้องเผชิญ

รายการตรวจสอบก่อนเริ่มใช้งานสำหรับการใช้งานแบบต่อเนื่อง

• ปรับค่าแรงดันและค่ากระแสต่อเนื่องของแบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกันให้สอดคล้องกับอินเวอร์เตอร์ เครื่องชาร์จ และการออกแบบสายเคเบิล
• บันทึกสภาวะแวดล้อม อัตราการระบายอากาศ ระยะว่างรอบตู้ครอบ และแผนลดกำลัง (derating) ที่อาจจำเป็น
• ตั้งค่าขีดจำกัดการชาร์จ การคายประจุ และระดับการชาร์จ ตามที่ระบุไว้ในใบรับรองของแบตเตอรี่และโครงสร้างระบบ
• ยืนยันว่าระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) สัญญาณเตือน คอนแทคเตอร์ ฟิวส์ และระบบแยกฉุกเฉิน ทำงานถูกต้องก่อนนำระบบเข้าสู่การใช้งานปกติ
• บันทึกค่าความจุพื้นฐาน แรงดันไฟฟ้าภายใต้ภาระงานที่เป็นตัวแทน และค่าอุณหภูมิ เพื่อนำไปเปรียบเทียบในภายหลัง
• ตรวจสอบบันทึกการใช้งานตามช่วงเวลาที่วางแผนไว้ และวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของแนวโน้มก่อนที่เหตุการณ์การป้องกันจะกลายเป็นการหยุดให้บริการซ้ำๆ

วิธีเปรียบเทียบผู้จัดจำหน่ายโดยไม่พึ่งพาข้ออ้างทางการตลาด

เมื่อจัดหาแบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนสำหรับโครงการ ESS ให้ขอหลักฐานที่สอดคล้องกับสภาวะการใช้งานจริง เช่น องค์ประกอบเคมีของเซลล์และการจัดเรียง ขีดจำกัดการใช้งานอย่างต่อเนื่องและสูงสุด อุณหภูมิที่ใช้ในการทดสอบ ช่วงพลังงานที่ใช้งานได้จริง ตรรกะการป้องกัน ความเข้ากันได้ของการสื่อสาร และเงื่อนไขการรับประกัน ผู้จัดจำหน่ายที่น่าเชื่อถือสามารถอธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับการรวมระบบเข้าด้วยกันได้ รวมทั้งชี้แจงขอบเขตความรับผิดชอบระหว่างแบตเตอรี่ อินเวอร์เตอร์ และการติดตั้ง โดยไม่รับประกันระยะเวลาการใช้งานที่ใช้ได้ทั่วไป

เอชเอ็นโอ ทำงานร่วมกับความต้องการด้านระบบเก็บพลังงานสำหรับที่อยู่อาศัย อุตสาหกรรม และเชิงพาณิชย์ โดยต้องพิจารณาทั้งการจัดวางโครงสร้างและการใช้งานในสภาพแวดล้อมร่วมกัน สำหรับแอปพลิเคชันที่ใช้งานต่อเนื่องเป็นเวลานาน การตัดสินใจซื้อที่ดีที่สุดคือการพิจารณาจากโปรไฟล์โหลดที่กำหนดไว้อย่างชัดเจน และการควบคุมที่ตรวจสอบได้จริง มากกว่าการอ้างอิงเพียงข้อเรียกร้องด้านประสิทธิภาพเดี่ยวๆ

สรุป

แบตเตอรี่ลิเธียมแบบซ้อนกันสามารถให้สมรรถนะที่มั่นคงในการใช้งานต่อเนื่องระยะยาว เมื่อการออกแบบแพ็กสอดคล้องกับระบบจัดการความร้อนที่เหมาะสม ขีดจำกัดกระแสไฟฟ้า ช่วงระดับประจุที่สมเหตุสมผล และการควบคุมแบบแอคทีฟโดยระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ควรพิจารณาแบตเตอรี่เป็นส่วนหนึ่งของระบบที่ผสานรวมกัน บันทึกข้อมูลพื้นฐานในช่วงเริ่มต้นการใช้งาน และเปรียบเทียบสมรรถนะในอนาคตเทียบกับรอบการใช้งานจริง แนวทางนี้จะช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมีพื้นฐานที่ชัดเจนยิ่งขึ้นสำหรับการประเมินความน่าเชื่อถือ การบำรุงรักษา และการวางแผนอายุการใช้งาน