Basics Active Balancing for LiFePO4 Battery

สำหรับบทความที่ผ่านมานั้นได้นำเสนอพาสซีฟบาลานซ์ (Passive Balancing) ไปแล้ว ดังนั้นในบทความนี้จะขอนำเสนอแบบแอกทีฟบาลานซ์ (Active Balancing) กันบ้างครับ ทั้งนี้แอกทีฟบาลานซ์จะมีจุดเด่นในเรื่องของการลดพลังงานสูญเสียภายในวงจรให้น้อยลง สามารถออกแบบเพื่อนำไปใช้กับระบบที่มีขนาดใหญ่ได้เป็นอย่างดี รวมทั้งมีเทคนิดการออกแบบวงจรได้หลายรูปแบบอีกด้วย แต่ทั้งนี้ก็จะมีความซับซ้อนเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับแบบพาสซีฟบาลานซ์ดังแสดงรูปที่ 1

Picture by : https://www.mdpi.com/2076-3417/8/8/1278/pdf
Basics Active Balancing for LiFePO4 Battery
Picture by : https://autotechreview.com/cover-stories/battery-cell-balancing-with-integrated-cell-monitoring

จากรูปข้างบนจะเห็นว่าวงจรแอกทีฟบาลานซ์ จะมีหลายเทคนิคในการออกแบบและเราจะเห็นกันโดยทั่วไป 3 แบบด้านขวา ซึ่งในรูปจะยังเป็นแนวความคิดหลักของการทำงานภายในวงจรนั้นๆ โดยลักษณะการนำไปประยุกต์ใช้งานอาจจะเปลี่ยนแปลงหรือเพิ่มเติมให้สอดคล้องระบบนั้นๆ ต่อไป ทั้งนี้ในบทความจะอธิบายการทำงานของวงจรแอกทีฟบาลานซ์ทั้ง 3 แบบกันก่อนแบบเข้าใจง่ายๆ ครับ

Basics Active Balancing for LiFePO4 Battery
รูปที่ 1 Capacitor Based Battery Balancing

จากในรูปที่ 1 เป็นแนวความคิดของการบาลานซ์ด้วยการใช้ตัวเก็บประจุตัวเก็บพลังงานไฟฟ้า โดยการต่อวงจรใช้งานแสดงในรูป 1 (A) ซึ่งเราจะสังเกตเห็นว่าจะสวิตช์ด้วยกัน 2 ตัวคือ S1 และ S2 เพื่อทำการการบาลานซ์เซลล์ ด้วยการเลือกช่วงเวลาการเก็บพลังานไฟฟ้า (Charger) และช่วงเวลาการคายพลังงานไฟฟ้า (Discharge)

โดยสวิตช์ทั้ง 2 จะทำงานพร้อมกัน โดยในรูปที่ 1 (B) จะเป็นการเก็บพลังานไฟฟ้าคือ สวิตช์ S1 และ S2 จะต่อวงจรขนานกับเซลล์ที่ 2 จากนั้นพลังงานไฟฟ้าก็จะไหลมายังตัวเก็บประจุ C ตามลูกศรเส้นสีเขียวและเมื่อพลังงานไฟฟ้าเต็มแล้วสวิตช์ S1 และ S2 จะเปลี่ยนตำแหน่งมาต่อวงจรขนานกับเซลล์ที่ 3 ในรูปที่ 1 (C) โดยในช่วงนี้จะเป็นการการคายพลังงานไฟฟ้าจากตัวเก็บประจุ C ไปที่เซลล์ที่ 3 นั้นเอง ตามลูกศรสีส้ม ซึ่งตามที่กล่าวนี้จะหมายความว่าค่าแรงดันของเซลล์ที่ 2 มากกว่าเซลล์ที่ 3 แต่ในทางกลับกันถ้าเซลล์ที่ 3 มากกว่าเซลล์ที่ 2 ก็จะเป็นการทำงานในลักษณะเดียวกัน

รูปที่ 2 inductive charge transfer method

ต่อมาในรูปที่ 2 เป็นการบาลานซ์ด้วยการใช้ตัวเหนี่ยวนำทำหน้าที่เก็บพลังงานไฟฟ้า โดยลักษณะการทำงานของวงจรนี้จะคล้ายกับการใช้ตัวเก็บประจุตัว แต่จะใช้สวิตช์ในการรับค่ากระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ (L) และส่งออกไปด้วยสวิตช์เพียงตัวเดียวดังรูปที่ 1 (A) ซึ่งตัวเหนี่ยวนำและสวิตช์อย่างละ 1 ตัวสามารถทำการบาลานซ์ได้ 2 เซลล์

ในรูปที่ 2 (B) จะแสดงช่วงเวลาของการให้กระแสไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ ตามลูกศรสีม่วงโดยสวิตช์ S1 จะอยู่ที่ตำแหน่งดันขึ้น กระแสจากเซลล์ที่ 2 ผ่านมายังตัวเหนี่ยวนำโดยทางด้านขวามือของตัวเหนี่ยวนำจะมีศักย์เป็นบวกและด้านซ้ายมีศักย์เป็นลบ จากนั้นเมื่อเราเปลี่ยนตำแหน่งสวิตช์ S1 ลงมาตำแหน่งข้างล่างดังในรูปที่ 2 (C) เป็นผลให้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่สะสมอยู่เกิดการยุบตัวลงแล้วเกิดการสลับทิศทางของแรงดันที่ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ โดยในช่วงเวลานี้เป็นการส่งพลังงานไฟฟ้ามายังเซลล์ที่ 3 ตามลูกศรสีแดง ซึ่งโดยทั่วไปการสวิตช์ของ S1 นั้นจะใช้ความถี่ที่ค่อนข้างสูง

รูปที่ 3 Active Balancing by Transformer

สำหรับเทคนิคการบาลานซ์ด้วยการใช้หม้อแปลงสวิตชิ่งนั้น จะเป็นลักษณะคล้ายกับการทำงานของแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าแบบสวิตชิ่ง โดยจะใช้ไฟเลี้ยงวงจรจากแบตเตอรี่ทั้งหมดมาเลี้ยงวงจรควบคุมและปรับการบาลานซ์ สำหรับวิธีการทำงานนั้นจะเห็นว่าขดลวดทางด้านทุติยภูมิจะต่อเข้ากับเซลล์แบตเตอรี่แยกกันทุกเซลล์ด้วยจำนวนรอบคงที่ โดยจะมีอัตราแรงดันที่เท่ากันทุกเซลล์ แต่เมื่อมีเซลล์ใดเซลล์หนึ่งมีขนาดแรงดันสูงขึ้น ก็จะเป็นผลให้ถูกดึงกำลังไฟฟ้าออกมาเพื่อทำการสวิตชิ่งใหม่ที่ตำแหน่ง S3 โดยผลที่ได้จะทำให้กำลังไฟฟ้าในแต่ละเซลล์จะมีค่าใกล้เคียงกันมากที่สุด

บทความการบาลานซ์เซลล์แบบแอกทีฟนี้ยังคงเป็นแนวความคิดเบื้องต้น สำหรับการเลือกใช้วงจรหรือการออกแบบเพื่อนำมาใช้งานจริง นอกจากนี้จะยังมีเทคนิคและวิธีอื่นอีกหลายรูปแบบ และข้างล่างบทความนี้ จะมีลิ้งก์เว็บไซต์อ้างอิงให้ท่านได้ศีกษาเพิ่มเติม และน่าจะช่วยลดเวลาการค้นหาข้อมูลในเรื่องนี้ได้บ้างครับ.

Reference

  1. https://de.wikipedia.org/wiki/Balancer
  2. https://www.semanticscholar.org/paper/Cell-Balancing-Techniques%3A-Theory-and/39a8bcda90c9b0c5ea2495a3fbf679a4488d2cf5
  3. https://www.beyondlogic.org/review-li-ion-lipo-lifepo4-lithium-battery-active-equalizer-balancer-energy-transfer-board/
  4. https://www.semanticscholar.org/paper/Optimal-dimensioning-of-active-cell-balancing-Narayanaswamy-Steinhorst/a2415bf1c32c484f38adbbdd5633e0b67b6c8055
  5. https://autotechreview.com/cover-stories/battery-cell-balancing-with-integrated-cell-monitoring
  6. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/24/5391/htm
  7. https://www.mdpi.com/2076-3417/8/8/1278/pdf
  8. https://www.mdpi.com/1996-1073/11/5/1037/htm
  9. https://www.walmart.ca/en/ip/Inductive-Balancer-Battery-Active-Equalizer-20-A-Static-Power-Consumption-For-Lithium-Iron-Phosphate-Batteries/PRD6ZM4IG39WU95
  10. https://www.amazon.com/Equalizer-Balancer-Transfer-Equalization-Capacitor/dp/B096NLHXPF
  11. https://th.aliexpress.com/item/1005004314227420.html