Basics Passive Balancing for LiFePO4 Battery

ในบทความพาสซีฟบาลานซ์ (Passive Balancing) สำหรับลิเทียมไอรอนฟอสเฟตนี้ (Lithium iron phosphate : LiFePO4) จะขอนำเสนอเนื้อหาที่ต้องการให้ท่านเข้าใจได้ง่ายขึ้น ทั้งนี้ต้องการนำเสนอแนวความคิดของการทำงานของการบาลานซ์ (การปรับความสมดุลย์ของพลังงานไฟฟ้าในระบบของแต่ละเซลล์แบตเตอรี่ให้เท่ากัน) ทั้งนี้เพื่อให้การจัดเก็บพลังงานไฟฟ้าเข้าระบบได้อย่างมีประสิทธิภาพที่สุดโดยใช้การคำนวณสำหรับการออกแบบนัอยที่สุด

ทั้งนี้ในกรณีที่ระบบไม่ใช้การบาลานซ์ให้กับเซลล์ของแบตเตอรี่นั้น จะมีผลให้เซลล์ที่ได้รับแรงดันสูงที่สุดอาจจะเกิดความเสียหาย การให้การใช้งานพลังงานไฟฟ้าของระบบไม่เกิดประสิทธิภาพได้สูงสุด อันเกิดจากแรงดันของเซลล์แบตเตอรี่บางเซลล์สูงเกินไป รวมทั้งอายุการใช้งานของระบบจะสั้นลงและใช้งานไม่คุ้มค่ากับการลุงทุนโดยภาพรวม

สำหรับบทความนี้จะขออธิบายวิธิการทำงานของวงจรพาสซีฟบาลานซ์ เพื่อเป็นแนวทางให้เราสามารถออกแบบวงจรไว้ใช้งานได้ตามความเหมาะสมทั้งในเรื่องของการใช้ในจำนวนเซลล์ต่างๆ เช่น 4 เซลล์ (4S) 8 เซลล์ (8S) เซลล์ และ 16 เซลล์ (16S) เป็นต้น รวมทั้งการกำหนดปริมาณกระแสการบายพาส (Current bypass) เพื่อให้เราใช้งานในระบบที่เหมาะสม ทั้งนี้การออกแบบวงจรสามารถใช้วิธีการหรือเทคนิคอื่นๆ ได้ตามที่เราต้องการ และในตอนนี้จะเป็นบทความของพาสซีฟบาลานซ์เพื่อเป็นการทำความเข้าใจเบื้องต้น ในส่วนตอนต่อไปจะเป็นลักษณะของการบาลานซ์แบบแอกทีฟ (Active Balancer for LiFePO4 Battery) กันต่อไปครับ

สำหรับกรณีที่เราซื้อเซลล์แบตเตอรี่มาเพื่อใช้งานใหม่นั้น เราอาจจะไม่ทราบถึงปริมาณประจุไฟฟ้าที่มีว่าแตกต่างกันเท่าใด แต่ก็จะใช้วิธีการวัดค่าแรงดันตกคร่อมเพื่อประเมินในเบื้องต้นวิเคราะห์ ซึ่งความไม่เท่ากันนี้เราไม่ต้องการให้เกิดขึ้นกับเซลล์ทั้งหมดนั้นเอง

สิ่งที่เราควรทำเมื่อเราซื้อเซลล์แบตเตอรี่มานั้นเป็นที่ทราบกันคือการทำบาลานซ์ของเซลล์ทุกตัวให้เท่ากันก่อน ซึ่งโดยทั่วไปเราจะใช้แผ่นนิเกิลมายึดที่ขั้วเดียวกันทั้งหมด คือแถบขั้วบวกจะต่อถึงกันทั้งหมด และแถบขั้วลบก็จะต่อถึงกันทั้งหมดและทิ้งไว้เพื่อให้ประจุไฟฟ้าไหลเข้าหากันและปรับค่าเฉลี่ยใหม่ที่เท่ากันทุกเซลล์ แต่ทั้งนี้ถ้าเป็นไปได้ถ้าเราใช้เซลล์ไม่มากแนะนำให้ใช้ตัวต้านทานแทนแผ่นนิเกิลที่ต่อขนานกัน ทั้งนี้เพื่อลดปริมาณกระแสลงในกรณีที่เซลล์บาลเซล์มีค่าแรงดันที่ต่างกันมากๆ ซึ่งอาจจะให้เกิดควาเสียหายขึ้นได้ ในรูปที่ 2 แสดงลักษณะการต่อตัวต้านทานค่าต่ำสำหรับลดปริมาณกระแสลง

องค์ประกอบของการชาร์จแบตเตอร์จะมีตัวชาร์จเจอร์และตัวแบตเตอรี่ ซึ่งส่วนของการชาร์จนั้นจะถูกออกแบบให้ปรับขนาดของแรงดันชาร์จและปริมาณกระแสในการชาร์จที่เหมาะสมเพื่อไม่ให้แบตเตอรี่เกิดการชำรุดเสียหายเนื่องจากการชาร์จกระแสหรือแรงดันเกิน (Overcharge battery) ซึ่งเราจะเห็นลักษณะการต่อวงจรชาร์จกับแบตเตอรี่ดังในรูปที่ 3

อธิบายแนวความคิดของการชาร์จแบตเตอรี่ในรูปที่ 3 ดังนี้คือ จากในรูปจะเห็นถังน้ำ 2 ใบ โดยให้ถังด้านซายมือเป็นวงจรชาร์จและด้านขวาเป็นแบตเตอรี่ ซึ่งถังน้ำทั้ง 2 ใบจะถูกเชื่อมต่อถึงกันด้วยท่อที่เขียนว่า Constant Current คือ กระแสคงที่ หมายความว่าปริมาณกระแสชาร์จจะถูกกำหนดด้วยขนาดท่อส่วนนี้เพื่อให้แบตเตอรี่เต็มช้าหรือเร็ว ในส่วนของแรงดันคงที่ Constant Voltage จะถูกกำหนดที่ท่อระบายออกด้านบนซ้ายมือ กล่าวอีกแบบหนึ่งคือวงจรชาร์เจอร์จะได้รับพลังงานจากแหล่งจ่ายใดๆ เช่น ไฟบ้าน 220Vac หรือ Solar cells มายังปั้มน้ำและปั้มน้ำก็จะเติมน้ำให้ทั้ง 2 ถังเต็ม โดยเมื่อทั้ง 2 ถังเต็มก็หมายความว่า แบตเตอรี่เต็มแล้วตามเส้นระดับน้ำ A ในระดับที่เต็มนี้จะเหมือนเซลล์ทุกก้อนก็เต็มด้วยเช่นกันตามเส้นระดับน้ำ B และเมื่อเต็มแล้วก็ไม่สามารถชาร์จนั้นเอง

ในส่วนวงจรบาลานซ์เซลล์ของแบตเตอรี่แบบพาสซีฟนั้น จะอาศัยการลดพลังงานไฟฟ้าส่วนเกินของเซลล์ในแบตเตอรี่ ซึ่งจะทำงานด้วยกัน 2 ลักษณะคือ ส่วนแรกจะคายพลังงานไฟฟ้าส่วนเกิน (Discharger) ของเซลล์ออกให้อยู่ในค่าที่กำหนด (ค่าแรงดันที่กำหนดจะขึ้นอยู่กับชนิดของตัวเซลล์แบตเตอรี่) ดังในรูปที่ 4 ลูกศรสีน้ำเงิน ส่วนที่ 2 จะทำหน้าที่บายพาส (Bypass) พลังงานไฟฟ้าที่จะเข้ามาชาร์จให้ไหลผ่านไปยังเซลล์อื่นๆ แทนตามลูกศรสีน้ำแดงนั้นเอง

ในรูปที่ 4 เราจะเห็นลักษระของการต่อวงจรชาร์จเข้ากับแบตเตอรี่ทั้งหมด โดยในส่วนของวงจรชาร์จจะกำหนดค่ากระแสคงที่ไว้เท่ากับ Ic = 2A และแรงดันคงที่เท่ากับ 14.4V ซึ่งทั้งสองส่วนจะต่อขนานเข้าด้วยกัน โดยมีวงจรบาลานซ์เซลล์คอยปรับความสมดุลย์ของแรงดันทุกเซลล์ตลอดเวลาจนไม่เกิดการไหลของการชาร์จหรือน้อยลงอย่างมากนั้นเอง

วิธีการใช้วงจรสำหรับบาลานซ์เซลล์คือ การออกแบบวงจรตรวจค่าแรงดันของเซลล์นั้นแบบแยกส่วนและอิสระจากกัน โดยเมื่อแรงดันของเซลล์ใดมีค่าเกินที่กำหนด เช่น เซลล์แบบลิเธียมไอออนฟอสเฟตจะมีค่าแรงดันที่ประมาณ 3.6V ต่อเซลล์เมื่อชาร์จเต็มจะทำให้สวิตช์ในรูปที่ 4 ต่อวงจร

อุปกรณ์ที่จะหน้าที่เป็นสวิตช์นั้นส่วนใหญ่จะเป็นทรานซิสเตอร์และมอสเฟต โดยการใช้ไอซีสร้างแรงดันอ้างอิงหรือออปแอมป์ เพื่อตรวจจับแรงดันที่ต้องการให้สวิตช์ทำงาน ทั้งนี้การเลือกใช้งานอุปกรณ์สวิตช์นั้น จะต้องมีความเหมาะสมกับปริมาณกระแสที่ต้องการบายพาสพลังงานไฟฟ้าและความร้อนที่เกิดขึ้น

การทำงานรูปที่ 5 จะเป็นวงจรอย่างง่ายซึ่งจะมีตัวอย่าง 2 แบบคือ แบบแรกด้านซ้ายจะใช้ซีเนอร์ไดโอดในการตรวจจับแรงดันเกินให้กับเซลล์แบตเตอรี่ โดยเมื่อแรงดันของเซลล์แบตเตอรี่มีค่าเกิน 3.6V ทำให้ซีเนอร์ไดโอดนำกระแสและทำให้ทรานซิสเตอร์ Q2 (ฺBD139) ได้รับไบอัสตรงเป็นผลให้เกิดการนำกระแสระหว่างขา C และ E ขึ้นนั้นเอง ในแบบที่สองวงจรด้านขวามือจะใช้ไอซี TL431 ในการตรวจจับแรงดันเกินของเซลล์แบตเตอรี่ และเราสามารถปรับค่าที่ต้องการด้วย RP1 โดยเมื่อแรงดันของเซลล์แบตเตอรี่เกิน 3.6V ก็จะเป็นผลให้ทรานซิสเตอร์ Q1 ได้รับไบอัสตรง (PNP Type) แต่จะเป็นการไบอัสด้านลบและเกิดการนำกระแสระหว่างขา C และ E เช่นกัน ซึ่งการใช้ไอซีนั้นจะให้ความแม่นยำเพิ่มขึ้น

โดยสรุปการทำงานของวงจรบาลานซ์เซลล์แบบพาสซีฟนั้น เหมาะสมมากสำหรับแบตเตอรี่โดยรวมขนาดไม่ใหญ่มากนัก (ประมาณไม่เกิน 50Ah) ซึ่งสามารถใช้งานได้ดี และจะดีเพิ่มขึ้นเมื่อนำไปใช้กับระบบขนาดที่เล็กลง ซึ่งทำให้การนำวงจรบาลานซ์แบบพาสซีฟมาใช้เป็นที่ยอมรับได้ในเรื่องพลังงานสูญเสีย จุดเด่นอีกอย่างหนึ่งคือการออกแบบวงจรที่ง่ายและไม่ซับซ้อนมากเกินไป แต่ในทางตรงข้ามถ้าชุดแบตเตอรี่รวมที่มีขนาดใหญ่ เราอาจจะต้องพิจารณาเรื่องพลังงานสูญเสีย (Efficiency) ที่เกิดขึ้นกับวงจรบาลานซ์เซลล์เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพของระบบโดยรวมดีขึ้นครับ.

Reference

1. https://www.analog.com/en/technical-articles/passive-battery-cell-balancing.html
2. https://circuitdigest.com/article/cell-balancing-techniques-and-how-to-use-them
3. https://www.researchgate.net/figure/Exemplary-passive-left-and-active-right-balancing-circuit-topologies_fig3_274655455
4. https://www.eetimes.com/balance-hybrid-ev-battery-packs-to-extend-operational-lifetime-pt-2-algorithm-and-lab-tests/
5. https://passive-components.eu/evaluation-of-active-balancing-circuits-for-supercapacitors/
6. https://www.researchgate.net/figure/Passive-cell-balancing-circuit_fig15_283955435
7. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/passive-balancing
8. https://autotechreview.com/cover-stories/battery-cell-balancing-with-integrated-cell-monitoring
9. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/24/5391/htm