ในยุคที่เทคโนโลยีแบตเตอรี่ขับเคลื่อนนวัตกรรมในรถยนต์ไฟฟ้า (EV) ระบบพลังงานทดแทน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา การทำความเข้าใจสถานะการชาร์จ (SoC) และสถานะสุขภาพ (SoH) ของแบตเตอรี่ถือเป็นสิ่งสำคัญ ตัวชี้วัดเหล่านี้ไม่เพียงแต่เพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังช่วยเพิ่มความปลอดภัยและอายุการใช้งานอีกด้วย บล็อกนี้จะสำรวจความสำคัญของ SoC และ SoH ในเชิงลึก และให้วิธีการคำนวณที่ครอบคลุม
สถานะการชาร์จ (SoC) คืออะไร?
SoC แสดงถึงระดับการชาร์จปัจจุบันของแบตเตอรี่เป็นเปอร์เซ็นต์ของความจุที่กำหนด ตัวอย่างเช่น หากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีความจุ 100 Ah มีพลังงานเหลืออยู่ 50 Ah SoC ของแบตเตอรี่จะอยู่ที่ 50% SoC มีความสำคัญด้วยเหตุผลหลายประการ:
1. การจัดการผลการปฏิบัติงาน
การทำความเข้าใจ SoC ช่วยให้ผู้ใช้สามารถเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่ได้ ในยานพาหนะไฟฟ้า การรักษาช่วง SoC ที่เหมาะสม (โดยปกติจะอยู่ระหว่าง 20% ถึง 80%) สามารถเพิ่มประสิทธิภาพในการขับขี่และขยายระยะของยานพาหนะได้ EV จำนวนมากรวมระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ที่ปรับกำลังขับตาม SoC เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพที่ราบรื่นและป้องกันการคายประจุลึก
2. อายุการใช้งานแบตเตอรี่
อายุการใช้งานที่ยาวนานของแบตเตอรี่มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับการจัดการ SoC ที่ดีเพียงใด การคายประจุลึกบ่อยครั้ง (ต่ำกว่า 20% SoC) และการชาร์จมากเกินไป (มากกว่า 80% SoC) อาจทำให้อายุแบตเตอรี่เร็วขึ้นและความจุลดลง การดูแลแบตเตอรี่ให้อยู่ในช่วง SoC ที่เหมาะสมสามารถยืดอายุการใช้งานได้อย่างมาก ทำให้สามารถทนทานต่อการชาร์จจำนวนที่มากขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป
3. ข้อพิจารณาด้านความปลอดภัย
การตรวจสอบ SoC ถือเป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันสถานการณ์อันตราย การชาร์จไฟมากเกินไปอาจทำให้ความร้อนหนีออกไปได้ โดยที่อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างควบคุมไม่ได้ อาจทำให้เกิดเพลิงไหม้หรือการระเบิดได้ ในทางกลับกัน การคายประจุแบตเตอรี่มากเกินไปอาจทำให้เกิดความเสียหายอย่างถาวรได้ ระบบที่ตรวจสอบ SoC แบบเรียลไทม์ช่วยลดความเสี่ยงเหล่านี้
สภาวะสุขภาพ (SoH) คืออะไร?
SoH สะท้อนถึงสภาพโดยรวมของแบตเตอรี่เมื่อเปรียบเทียบกับสถานะที่เหมาะสมที่สุดเมื่อเป็นแบตเตอรี่ใหม่ ประกอบด้วยปัจจัยต่างๆ รวมถึงความจุ ความต้านทานภายใน และประสิทธิภาพ โดยทั่วไป SoH จะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ซึ่งระบุถึงความจุเดิมที่เหลืออยู่
1. การติดตามสุขภาพ
การประเมิน SoH เป็นประจำช่วยให้สามารถบำรุงรักษาเชิงรุกได้ ด้วยการติดตาม SoH เมื่อเวลาผ่านไป ผู้ใช้สามารถระบุแนวโน้มการเสื่อมสภาพและดำเนินการแก้ไขก่อนที่แบตเตอรี่จะล้มเหลว ตัวอย่างเช่น ในการใช้งานที่สำคัญ เช่น การบินและอวกาศหรืออุปกรณ์ทางการแพทย์ การตรวจหาปัญหาสุขภาพตั้งแต่เนิ่นๆ ถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือในการปฏิบัติงาน
2. การทำนายอายุขัย
SoH ทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้หลักในการทำนายความจุที่เหลืออยู่และอายุการใช้งาน (RUL) ของแบตเตอรี่ โมเดลขั้นสูงสามารถประมาณ SoH ได้โดยใช้ข้อมูลประสิทธิภาพในอดีตและตัววัดสภาพปัจจุบัน ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการจัดการสินค้าคงคลังและการวางแผนการบำรุงรักษาในการใช้งานทางอุตสาหกรรม
3. ประสิทธิภาพการดำเนินงาน
การทำความเข้าใจ SoH ช่วยให้ผู้ใช้สามารถปรับรูปแบบการใช้งานตามสภาพแบตเตอรี่ได้ หาก SoH บ่งชี้ถึงการสูญเสียความจุอย่างมาก ผู้ใช้อาจเลือกที่จะจำกัดแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานสูงเพื่อป้องกันการปิดเครื่องโดยไม่คาดคิด
วิธีการคำนวณ SoC
1. วิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV)
วิธี OCV เป็นการวัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เมื่อไม่ได้โหลด ระดับแรงดันไฟฟ้าแต่ละระดับสอดคล้องกับ SoC เฉพาะโดยอิงตามกราฟแรงดันไฟฟ้า-SoC ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า วิธีการนี้แม่นยำแต่ต้องพักแบตเตอรี่สักพัก ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้แบบเรียลไทม์
ตัวอย่าง:สมมติว่าคุณมีแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่มีแรงดันไฟฟ้า 3.7V เมื่อคุณวัดแรงดันไฟฟ้าขณะไม่มีโหลดและพบว่ามีค่าเป็น 3.6V คุณสามารถอ้างอิงกราฟแรงดันไฟฟ้า-SoC ของผู้ผลิตแบตเตอรี่ได้ นี่บ่งชี้ว่า SoC อยู่ที่ประมาณ 80%
2. การนับแอมแปร์-ชั่วโมง (Ah)
วิธีนี้จะติดตามประจุสะสมที่เข้าและออกจากแบตเตอรี่ ด้วยการผสานรวมกระแสเมื่อเวลาผ่านไป ผู้ใช้สามารถประมาณ SoC ได้ อย่างไรก็ตาม ข้อผิดพลาดอาจสะสมเนื่องจากการคายประจุเอง โดยเฉพาะในแบตเตอรี่รุ่นเก่า การปรับเทียบใหม่เป็นประจำถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อรักษาการอ่าน SoC ที่แม่นยำ
ตัวอย่าง:พิจารณาแบตเตอรี่ที่มีความจุ 100 Ah หากคุณกำลังคายประจุที่กระแส 10 A เป็นเวลา 5 ชั่วโมง คุณสามารถคำนวณความจุที่คายประจุได้:
ความจุที่ปล่อยออกมา=กระแสการคายประจุ × เวลา=10A × 5h=50Ah
เริ่มต้นจากสถานะชาร์จเต็ม (100 Ah) SoC ปัจจุบันจะเป็น:
SoC=((100Ah−50Ah) / 100Ah ) × 100%=50%
3. การกรองคาลมานและการเรียนรู้ของเครื่อง
เทคนิคขั้นสูงใช้อัลกอริธึมเพื่อทำนาย SoC โดยอิงจากอินพุตหลายตัว เช่น แรงดัน กระแส และอุณหภูมิ คาลมานกรองการปรับประมาณการแบบไดนามิกตามข้อมูลเรียลไทม์ ในขณะที่โมเดลการเรียนรู้ของเครื่องสามารถเรียนรู้จากข้อมูลในอดีตเพื่อปรับปรุงความแม่นยำเมื่อเวลาผ่านไป วิธีการเหล่านี้มีประโยชน์อย่างยิ่งในการใช้งานที่ซับซ้อนซึ่งสภาพแบตเตอรี่มีความผันผวน
ตัวอย่าง:ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ใช้การกรองคาลมานเพื่อปรับประมาณการ SoC แบบไดนามิก ในช่วงเวลาที่กำหนด ระบบจะวัดกระแสดิสชาร์จที่ -5 A และแรงดันไฟฟ้า 3.6V ที่ 25 องศา หลังจากประมวลผลข้อมูลนี้แล้ว อัลกอริธึมจะประมาณ SoC ไว้ที่ 78%
วิธีการคำนวณ SoH
1. การวัดความต้านทานภายใน
การวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับสุขภาพของแบตเตอรี่ได้ ความต้านทานที่เพิ่มขึ้นมักบ่งบอกถึงการเสื่อมสภาพ เทคนิคต่างๆ เช่น สเปกโทรสโกปีอิมพีแดนซ์สามารถวัดความต้านทานข้ามความถี่ต่างๆ ได้อย่างแม่นยำ ทำให้เห็นภาพรวมของสภาพแบตเตอรี่ที่ครอบคลุมมากขึ้น
ตัวอย่าง:เมื่อใช้อิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปี คุณจะวัดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนได้ หากความต้านทานที่วัดได้คือ 30 มิลลิโอห์ม ในขณะที่ความต้านทานของแบตเตอรี่ใหม่คือ 10 มิลลิโอห์ม การเพิ่มขึ้นนี้บ่งชี้ว่าสุขภาพของแบตเตอรี่เสื่อมลงเมื่อเวลาผ่านไป
2. การทดสอบความจุ
การดำเนินการวงจรการคายประจุที่มีการควบคุมทำให้ผู้ใช้สามารถวัดความจุที่ลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เมื่อเปรียบเทียบความจุปัจจุบันกับความจุเดิม ผู้ใช้สามารถคำนวณ SoH ได้ วิธีการนี้ต้องใช้เวลาและการควบคุมเงื่อนไขการทดสอบอย่างแม่นยำเพื่อให้มั่นใจถึงผลลัพธ์ที่แม่นยำ
ตัวอย่าง:คุณทำการทดสอบการคายประจุแบบควบคุม หลังจากชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มแล้ว คุณจะสังเกตประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ภายใต้โหลดที่กำหนด พิกัดเริ่มต้นที่ 100 Ah ปัจจุบันแบตเตอรี่รองรับเฉพาะ 80 Ah ภายใต้เงื่อนไขเดียวกัน ดังนั้น SoH จะถูกคำนวณดังนี้:
SoH=( 80Ah / 100Ah ) × 100%=80%
3. การวิเคราะห์ที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล
BMS สมัยใหม่สามารถตรวจสอบตัวชี้วัดประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง และใช้อัลกอริธึมเพื่อประเมิน SoH ระบบเหล่านี้จะวิเคราะห์พารามิเตอร์ต่างๆ รวมถึงอุณหภูมิ รอบการชาร์จ และรูปแบบการใช้งาน โดยให้การประเมินสุขภาพแบบเรียลไทม์ที่ปรับให้เข้ากับสภาวะที่เปลี่ยนแปลง
ตัวอย่าง:BMS อัจฉริยะจะตรวจสอบรอบการชาร์จของแบตเตอรี่อย่างต่อเนื่อง ซึ่งถึง 500 แล้ว บันทึกกระแสไฟเฉลี่ยที่ 10 A และตั้งข้อสังเกตว่าอุณหภูมิมีความผันผวนระหว่าง -10 องศา ถึง 40 องศา จากข้อมูลนี้ ระบบจะประเมิน SoH ปัจจุบันเป็น 75% และคาดการณ์อายุการใช้งานที่เหลืออยู่อีกประมาณ 600 รอบการชาร์จ
ปัจจัยที่ส่งผลต่อ SoC และ SoH
1. อุณหภูมิ
อุณหภูมิมีบทบาทสำคัญในประสิทธิภาพและสุขภาพของแบตเตอรี่ อุณหภูมิสูงสามารถเร่งปฏิกิริยาเคมี ทำให้เกิดการเสื่อมสภาพเร็วขึ้น ในขณะที่อุณหภูมิต่ำสามารถลดกำลังการผลิตและประสิทธิภาพได้ อุณหภูมิการทำงานที่เหมาะสมที่สุดโดยทั่วไปคือตั้งแต่ 20 องศาถึง 25 องศาสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
2. อัตราค่าบริการและการคายประจุ
อัตราการชาร์จหรือคายประจุแบตเตอรี่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อ SoC และ SoH การปล่อยประจุ C-rate สูงอาจทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน ในขณะที่การชาร์จที่เร็วเป็นพิเศษสามารถเพิ่มอุณหภูมิภายในได้ ผู้ผลิตจะแจ้งอัตราค่าบริการและการปล่อยประจุที่แนะนำเพื่อลดผลกระทบเหล่านี้
3. รูปแบบการปั่นจักรยาน
ความถี่และความลึกของรอบการคายประจุอาจส่งผลต่อสุขภาพแบตเตอรี่ โดยทั่วไปวงจรตื้น (การคายประจุบางส่วน) โดยทั่วไปมีอันตรายน้อยกว่าวงจรลึก ซึ่งอาจนำไปสู่การสูญเสียกำลังการผลิตอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเวลาผ่านไป
