ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ (Internal Resistance of Battery) : IR บทความนี้จะกล่าวถึงตัวแปรสำคัญอย่างหนึ่งของแบตเตอรี่ในทุกประเภทคือ ความต้านทานภายในแบตเตอรี่ (Internal Resistance of Battery)
หรือ เรียกสั้นๆว่า IR ครับ
ความต้านทานภายในแบตเตอรี่นั้นเป็นส่วนกลับ (การต้าน) การไหลของกระแสภายในแบตเตอรี่ แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ
1. Electronic Resistance คือความต้านทานจากวัสดุจริงเช่นแผ่นโลหะและส่วนประกอบภายในอื่นๆ
2. Ionic Resistance คือความต้านทานที่เกิดจากองค์ประกอบของวัสดุที่เป็นส่วนผสม เช่นการนำไฟฟ้าอิเล็กโทรไลต์และพื้นที่ผิวอิเล็กโทรด ผลโพลาไรเซชันเหล่านี้เกิดขึ้นช้ากว่าความต้านทานทางอิเล็กทรอนิกสตามข้อ 1 โดยทั่วไปจะเริ่มต้นไม่กี่มิลลิวินาทีหรือมากกว่าหลังต่อแบตเตอรี่กับโหลด
เทคนิคการวัดเพื่อหาค่า IR ที่นิยมกันมากคือการใช้เทคนิคการวัดด้วยการใช้ไฟกระแสสลับ โดยที่ความถี่ที่นิยมใช้คือ 1000Hz เนื่องจากช่วงคาบเวลาดังกล่าวจะไม่ทำให้เกิดปัจจัยด้าน Ionic Resistance โดยขั้นตอนการทำงานเป็นดังรูปที่1
ตรงนี้มีภาพ! แต่ท่านจะมองไม่เห็น , ท่านต้อง สมัครสมาชิก หรือ
ลงชื่อเข้าระบบ รูปที่ 1
จากตัวอย่างรูปที่ 1 ผลการทดสอบการวัด IR จากแบตเตอรี่อัลคาไลน์โดยเริ่มจากการใส่โหลด 5mA และ 505mA ด้วยระยะเวลาห่าง 100 มิลลิวินาที แล้วทำการวัดแรงดันที่จุดเริ่มต้นและสิ้นสุด เพื่อให้ได้ความต่างของแรงดันทั้ง 2 จุด (Delta Voltage) ก็จะได้ค่าความต้านทานดังนี้
ครั้งที่ 1 Voltage = 1.48v ได้ค่าความต้านทางเท่ากับ 1.48/0.005 = 300 mOhm
ครั้งที่ 2 Voltage = 1.37v ได้ค่าความต้านทางเท่ากับ 1.37/0.505 = 2.71 mOhm
ดังนั้น IR = 300–2.71 = 297.29 mOhm เป็นต้น
นั่นหมายความว่าหากแบตเตอรี่ที่มีความจุสูงก็จะมีค่า IR ต่ำไปด้วย
ปัจจัยด้านอุณหภูมิก็มีผลกับค่า IR เช่นกันโดย อุณหภูมิที่มีความเย็นจะทำให้เกิดปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในแบตเตอรี่จะชะลอตัวลงและจะลดการเคลื่อนที่ของไอออนในอิเล็กโทรไลต์ก็อาจทำให้ IR เพิ่มขึ้น
ความหมายของคำศัพท์ที่ควรทราบ
1. SoC (State of Charge) คือระดับประจุของแบตเตอรี่ไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับความจุ หน่วยของ SoC คือคะแนนเปอร์เซ็นต์ (0% = หมดเกลี้ยง; 100% = เต็ม) เป็นค่าที่แสดงถึงความจุปัจจุบัน มี 2 นัยยะที่ใช้กับศัพท์นี้คือ ความจุของแบตเตอรี่ใหม่หรือความจุของแบตเตอรี่ใช้งานแล้ว (มือสอง) ดังนั้นหากเราคุยถึงคำนี้จะต้องขยายความต่อไปว่าหมายถึงแบตใหม่หรือแบตมือสอง
2. DoD (Depth of discharge) คือแปลตรงๆก็คือระดับความลึกของการปลดปล่อยพลังงานเป็นการผกผัน (กลับกันของข้อ1) คือ (100% = ปล่อยจนหมดเกลี้ยง; 0% = ยังเต็มอยู่) โดยทั่วไปแล้วจะใช้ SoC เมื่อพูดถึงสถานะปัจจุบันของแบตเตอรี่ที่ใช้งานในขณะที่ DoD มักจะเห็นเมื่อพูดถึงอายุการใช้งานของแบตเตอรี่หลังจากใช้งานซ้ำ ๆ
วิธีการหาค่า SoC มีหลากหลายวิธีในการหาค่าหรือประเมินค่านี้ ซึ่งบางวิธีก็เหมาะเฉพาะเจาะจงกับนักเคมีเท่านั้นคงไม่เหมาะกับเราๆที่เป็นผู้ใช้งานทั่วไป ซึ่งมีวิธีได้แก่
1. Chemical method การคำนวนทางเคมี (ซึ่งคงไม่เหมาะกับผู้ใช้งานทั่วไปอย่างเราๆเท่าไหร่) แต่อาจใช้ได้กับแบตเตอรี่บางประเภทเช่นประเภทตะกั่วกรดที่เราใช้ Hydrometers ใช้ในการคำนวณความถ่วงจำเพาะของแบตเตอรี่ คือการวัดปริมาณของอิเล็กโทรไลต์เป็นต้น
2. Voltage method การวัดแรงดันไฟฟ้า ซึ่งก็จะใช้ได้กับแบตเตอรี่บางประเภทเช่นตะกั่วกรด ,ลิเที่ยมไอออน หรือโพลิเมอร์ เป็นต้น
3. Current integration method คือการนับคูลอมบ์ที่วิ่งเข้า-ออก (Coulomb Counter) แบตเตอรี่ซึ่งเป็นวิธีที่แม่นยำและนิยมที่สุดในตอนนี้ แต่มีข้อจำกัดที่จะต้องกำหนดจุดอ้างอิง (จุดที่ SoC = 100%) ให้ถูกต้อง ตัววัด (หรือตัวนับ) ของคูลอมบ์ เช่น
ตรงนี้มีภาพ! แต่ท่านจะมองไม่เห็น , ท่านต้อง สมัครสมาชิก หรือ
ลงชื่อเข้าระบบรูปที่ 2 ตัวอย่าง Coulomb Counter
ตรงนี้มีภาพ! แต่ท่านจะมองไม่เห็น , ท่านต้อง สมัครสมาชิก หรือ
ลงชื่อเข้าระบบรูปที่ 3 ตัวอย่าง Coulomb Counter
ซึ่ง Coulomb Counter จะมาพร้อม Shunt Resister โดยวัดแรงดันที่ตกคร่อม Shunt Resister ซึ่งแปรผันตรงกับกระแสเพื่อที่ไหลผ่านเข้า-ออกแบตเตอรี่ แล้วนำมาคำนวนเป็นกระแสที่ใช้งาน (หรือชาร์จเข้า) นับเพื่อสะสมค่านั้นมาแสดงผลต่อไป
4. Combined approaches หลักการเดิมเหมือนตามข้อ 3 โดยเพิ่มเติมส่วนของการชดเชยผลจากค่าความร้อนโดยจะมี Thermister (NTC) ทำงานร่วมด้วย ทำให้ได้ค่าที่แม่นยำยิ่งขึ้น ตัวอย่างของโมดูลที่ใช้งานเช่น MAX17050 ของ Maxim IC
5. Kalman filtering คือการสร้างแบบจำลองแบบ Kalman มาใช้งานร่วมกับวิธีตามข้อ 3 ซึ่งตัวกรองนี้จะสามารถปรับแบบจำลอง (Feedback)ได้เอง
6. Pressure method เป็นวิธีที่เหมาะกับแบตเตอรี่ NiMH บางรุ่นซึ่งความดันภายในเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อชาร์จแบตเตอรี่ โดยทั่วไปสวิตช์ความดันจะระบุว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้วหรือไม่
ข้อมูลอ้างอิงhttps://data.energizer.com/PDFs/BatteryIR.pdfhttps://www.mpoweruk.com/soc.htm
