Battery in Electric Vehicles — แบตเตอรี่ในรถ EV
ในการขับรถยนต์ไฟฟ้า หรือ Electric Vehicle (EV) นั้น แหล่งจ่ายพลังงาน หรือ Energy Source ต้องมีคุณสมบัติที่เกื้อหนุนการขับรถ หลักๆเช่น เก็บพลังงานได้เยอะ (High Energy Density) เพื่อที่จะได้ระยะทางเยอะ และจ่ายพลังงานได้รวดเร็ว (High Power Density) เพื่อที่จะเร่งรถได้เร็ว
และคุณสมบัติที่รองลงมาเช่น ชาร์จได้เร็ว (Fast Charging), มีอายุการใช้งานนาน (Long Lifetime), ราคาถูก (Low Price), มีประสิทธิภาพดี (High Efficiency) และมีการซ่อมบำรุงต่ำ (Low Maintenance) ล้วนแล้วแต่เป็นสิ่งที่เราอยากได้
ซึ่ง แบตเตอรี่ (Battery) ก็เป็น Energy Source ชนิดหนึ่ง ที่สามารถตอบโจทย์ของความต้องการเหล่านี้ได้อย่างดี และถูกใช้ในวงการรถ EV มาเป็นเวลานาน แน่นอนว่า ณ ปัจจุบันนี้ เทคโนโลยีของแบตเตอรี่ได้พัฒนาคุณสมบัติต่างๆข้างต้นอย่างมาก
ในตัวแบตเตอรี่เองก็แบ่งได้ออกเป็นหลายชนิด และหลายรูปแบบ ซึ่งในแต่ละรูปแบบ ก็จะมีคุณสมบัติ ข้อดี และข้อเสีย ที่แตกต่างกันไป ดังนั้น ในบทความนี้ ผมจะพูดถึง รายละเอียดของ ชนิดของแบตเตอรี่ คุณสมบัติ ข้อดีและข้อเสียของแต่ละแบบครับ
ชนิดของแบตเตอรี่ (ที่ Common)
ตัวชี้วัดของแบตที่ดี: Energy Density (สูงคือดี), Power Density (สูงคือดี), Voltage per Cell (สูงคือดี), Cost per Cycle (ต่ำคือดี), Discharge Rate (ต่ำคือดี), Charging Time (ต่ำคือดี), Lifetime (สูงคือดี) เป็นต้น
1. Lead-Acid
เป็นแบตเตอรี่ที่นิยมใช้กันมาเก่าแก่ และเนิ่นนานมาก (กว่า 50 ปี) ปกติใช้แค่ช่วยในการ Start ของเครื่องยนต์สันดาปภายใน หรือ Internal Combustion Engine (ICE) และเป็นไฟเลี้ยงวงจรเสริมต่างๆในรถ ICE โดยที่จะมีโครงสร้างคือ Lead Oxide ที่ Positive Electrode, Spongy Lead ที่ Negative Electrode และสาร Diluted Sulfuric Acid เป็น Electrolyte และมี Voltage per Cell 2 V
ข้อดีคือ มีใช้อยู่เป็นจำนวนมาก, ราคาถูกมาก (Cost per Cycle 3 บาท), เป็นเทคโนโลยีที่ค่อนข้างคงที่แล้ว, มี Self-Discharge ต่ำ และมีความคงทนต่ออุณหภูมิ
ข้อเสียคือ เก็บพลังงานได้น้อย (Low Energy Density, 30–50 Wh/kg) และรับ/จ่ายพลังงานได้ช้า (Discharge Rate 3 Ah), มีน้ำหนักเยอะ, อายุการใช้งานสั้นหาก Charge และ Discharge ด้วย State of Charge (SoC) และ Depth of Discharge (DoD) ที่ลึก, และ ไม่สามารถคายประจุได้ต่ำกว่า 20%
2. NiMH (Nickel-Metal Hydride)
เป็นแบตเตอรี่ที่มาแทน Lead Acid และเป็นที่นิยมใช้ตั้งแต่ปี 1990s ในรถ EV มีโครงสร้างคือ Nickel Hydroxide ที่ Positive Electrode, Alloy of Nickel, Titanium, Vanadium ที่ Negative Electrode และสารละลาย Alkaline เป็น Electrolyte และมี Voltage per Cell 1.2 V
ข้อดีคือ มีราคาถูก (Cost per Cycle 3.6 บาท), ชาร์จเร็ว (Charging Time 2 hrs), เก็บพลังงานได้มากกว่า Lead Acid (Low Energy Density, 80–100 Wh/kg), รับ/จ่ายพลังงานได้เร็วกว่า Lead Acid (Discharge Rate 10 Ah), ปลอดภัยเนื่องจาก Voltage per Cell ต่ำ, ปลอดภัยต่อสิ่งแวดล้อม, และสามารถ Recycle ได้
ข้อเสียคือ มี Self-Discharge สูง, อายุการใช้งานสั้นถ้ามีการชาร์จด้วยกระแสสูง (Supercharge) บ่อยๆ, และมี Memory Effect ที่แบตเตอรี่จะเก็บพลังงานได้น้อยลงหลังจากทำการชาร์จบ่อยๆ
3. Ni-Cd (Nickel-Cadmium)
เป็นแบตเตอรี่ Nickel อีกชนิดหนึ่งที่มี Nickel Hydroxide ที่ Positive Electrode, Cadmium ที่ Negative Electrode และมี Voltage per Cell 1.2 V
ข้อดีคือ จะคล้ายกับ NiMH แล้วจะมีราคาถูกกว่า (Cost per Cycle 1.2 บาท), มี Lifetime ที่นานกว่า
ข้อเสียคือ เมื่อเทียบกับ NiMH คือ Cd นั้นเป็นสารที่อันตราย หากไม่มีการจัดการที่ดี, ทำให้ราคาและความซับซ้อนของการ Recycle สูง และมี Memory Effect ที่แรงกว่า
4. Li-Ion (Lithium-Ion) — Conventional and Polymer
เป็นแบตเตอรี่ที่นิยมใช้ใน มือถือ คอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เคลื่อนที่ต่างๆ โดยจะมีสารละลาย Lithium เป็น Electrolyte และ มี Positive Electrode และ Negative Electrode ที่แตกต่างกันตามชนิดของแบตเตอรี่ เช่น LCO (Li-Cobalt), LMO (Li-Manganese), LFP (Li-Phosphate), NMC (Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide), NCA (Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide), LTO (Li-Titanate), Li-S (Lithium Sulfur) และ Li-O (Lithium Oxygen) หรือจะเป็น แบตเตอรี่ที่ผสมระหว่างสารเหล่านี้ก็ได้
ข้อดีคือ มี Voltage per Cell ประมาณ 3.2–4.2 V ซึ่งทำให้น้ำหนักเบา และขนาดเล็ก, มี Energy Density ที่สูง 100–400 Wh/kg (บางชนิดเช่น Li-S และ Li-O สูงถึง 600–1000 Wh/kg), มี Power Density ที่สูง, มี Self-Discharge ที่ต่ำมาก, มี Lifetime ที่เยอะมาก และ มี Charging Time ที่เร็ว เป็นต้น
ข้อเสียคือ มีราคาแพง (High Cost per Cycle 3–8 บาท) จาก ระบบป้องกันแบตเตอรี่ หรือ Battery Management System (BMS) ที่เพิ่มขึ้นมา เพื่อ ควบคุมกระแส แรงดัน และอุณหภูมิของแบต เพื่อยืดอายุการใช้งาน ประเมิณความจุของแบต และอื่นๆอีกมากมาย
สุดท้ายนี้ เนื่องจากเทคโนโลยีของแบตเตอรี่มีการเปลี่ยนแปลงที่เร็วมาก มีแบตเตอรี่ชนิดใหม่ออกมามากมายที่มีคุณสมบัติ ที่ได้เปรียบแบตเตอรี่ทั้งหลายที่กล่าวมาข้างต้น เช่น Solid-State Battery, Zinc-Air Battery , Li-Air Battery หรือ Redox Flow Battery ที่เหมาะสม กับระบบของ Electric Vehicle, Grid Support และ Bulk Power Management อย่างไรก็ตาม ในการเลือกแบตเตอรี่มาใช้ในรถ EV นั้น เราต้องเลือกชนิดของแบตเตอรี่มาให้ตรงกับความต้องการของเรา
ปล. บทความนี้อ้างอิงมาจาก: Aoxia Chen and P. K. Sen, “Advancement in battery technology: A state-of-the-art review,” 2016 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, Portland, OR, 2016, pp. 1–10.
ถ้าชอบโพสนี้ และอยากได้อัพเดทข้อมูลเกี่ยวกับเทคโนโลยีของ EV ในอนาคต ก็สามารถกด Follow ได้เลยนะครับบ :)
