แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 48 โวลต์มีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานมากน้อยเพียงใด

ความเข้าใจเกี่ยวกับอัตราประสิทธิภาพแบบรอบวง (RTE) ในระบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 48 โวลต์

อัตราประสิทธิภาพแบบรอบวง (RTE) วัดอะไรสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 48 โวลต์

ตัวชี้วัดประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบไป-กลับ (Round Trip Efficiency: RTE) บ่งบอกถึงความสามารถของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน 48 โวลต์ ในการเก็บพลังงานและคืนพลังงานกลับมาใช้งานเมื่อจำเป็น โดยพื้นฐานแล้ว ตัวชี้วัดนี้วัดปริมาณพลังงานที่สามารถใช้งานได้จริงซึ่งออกมาจากแบตเตอรี่ เทียบกับพลังงานที่ป้อนเข้าไปในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุหนึ่งรอบสมบูรณ์ เมื่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง จะเกิดปรากฏการณ์ต่าง ๆ ขึ้นภายในเซลล์ เช่น มีความต้านทานอยู่เสมอภายในเซลล์เอง รวมทั้งเซลล์มักจะร้อนขึ้นขณะทำงานหนัก และปฏิกิริยาเคมีต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นก็ไม่สมบูรณ์แบบอย่างที่ควรจะเป็น ในปัจจุบัน ระบบลิเธียมไอออน 48 โวลต์รุ่นใหม่ส่วนใหญ่สามารถบรรลุค่า RTE ได้ประมาณ 90–95 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งหมายความว่าพลังงาน 5–10 เปอร์เซ็นต์จะสูญเสียไปในแต่ละรอบการชาร์จและคายประจุ ด้านต้นทุน แม้การปรับปรุงเล็กน้อยก็มีความสำคัญมาก จากผลการวิจัยที่เผยแพร่โดยกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (U.S. Department of Energy) ซึ่งระบุไว้ในรายงานประเมินเทคโนโลยีการจัดเก็บพลังงานประจำปี 2023 การเพิ่มค่า RTE ขึ้นเพียง 5 จุด อาจช่วยลดปริมาณไฟฟ้าที่สูญเสียไปได้ประมาณ 250 กิโลวัตต์-ชั่วโมงต่อปี สำหรับแต่ละแบตเตอรี่ที่ใช้งานในโรงงานและคลังสินค้าทั่วประเทศ

การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ: อัตราการคืนพลังงาน (RTE) อยู่ที่ 90–95% เทียบกับแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรด (70–80%) และเหตุผลที่สิ่งนี้มีความสำคัญ

เทคโนโลยีลิเธียม-ไอออนมีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานสูงกว่าแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดอย่างมาก:

ช่องว่างของอัตราร้อยละ 15–25 นี้ส่งผลให้เกิดข้อได้เปรียบที่วัดผลได้จริง:

• ค่าใช้จ่ายพลังงานที่ต่ำลง : ระบบอัตราการคืนพลังงาน (RTE) ที่ 95% ใช้พลังงานจากโครงข่ายไฟฟ้าลดลงประมาณ 20% เมื่อเทียบกับระบบแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดที่มี RTE 80% สำหรับปริมาณพลังงานขาออกที่เท่ากัน
• อายุการใช้งานที่ยาวนาน : การสร้างความร้อนลดลงช่วยชะลอการเสื่อมสภาพของเซลล์แบตเตอรี่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่รองรับ
• การลดมลพิษ : ประสิทธิภาพที่สูงขึ้นส่งผลให้ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ลง 1.2–1.8 ตันต่อปีต่อบรรจุภัณฑ์แบตเตอรี่หนึ่งชุด (รายงานการผสานรวมพลังงานหมุนเวียน โดย IEA, รายงานการผสานรวมพลังงานหมุนเวียน , 2023)

ผลประโยชน์เหล่านี้ทำให้อัตราการคืนพลังงาน (RTE) เป็นปัจจัยสำคัญที่มีผลโดยตรงต่อการคำนวณผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) สำหรับแอปพลิเคชันที่มีความสำคัญยิ่งต่อภารกิจ หรือแอปพลิเคชันที่ต้องใช้งานบ่อยครั้ง

สภาวะการใช้งานที่ลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน 48 โวลต์

ผลกระทบจากอุณหภูมิต่ำ: สูญเสียประสิทธิภาพมากกว่า 15% ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 10°C

เมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่า 10 องศาเซลเซียส แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบ 48 โวลต์จะเริ่มสูญเสียประสิทธิภาพในการชาร์จและคายประจุ (round trip efficiency) ประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ เนื่องจากไอออนเคลื่อนที่ช้าลงและค่าความต้านทานภายในเพิ่มสูงขึ้น สถานการณ์จะแย่ลงยิ่งกว่านั้นเมื่ออุณหภูมิลดลงถึงลบ 10 องศาเซลเซียส ซึ่งความจุของแบตเตอรี่อาจลดลงมากกว่า 30 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับสภาวะการทำงานปกติที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประสบปัญหาต่าง ๆ ที่แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดไม่มีในอุณหภูมิต่ำเหล่านี้ เราพบปัญหา เช่น การเกิดการสะสมของลิเธียม (lithium plating) บนขั้วไฟฟ้า และอิเล็กโทรไลต์หนาตัวขึ้นจนยากต่อการใช้งาน ปัญหาเหล่านี้ทำให้กระบวนการชาร์จและคายประจุของแบตเตอรี่ช้าลง รวมทั้งเร่งให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วขึ้นด้วย สำหรับผู้ที่พึ่งพาแผงโซลาร์เซลล์โดยไม่มีการเชื่อมต่อกับระบบสายส่งไฟฟ้า ยานยนต์ไฟฟ้าในพื้นที่ที่มีหิมะตก หรือระบบที่สำรองฉุกเฉินซึ่งต้องการกำลังไฟฟ้าที่เชื่อถือได้ การลดประสิทธิภาพของแบตเตอรี่นี้มีผลกระทบอย่างมาก ดังนั้น การจัดการความร้อน (thermal management) จึงไม่ใช่เพียงแค่คุณสมบัติเสริมที่น่าสนใจในสถานการณ์ดังกล่าว แต่เป็นสิ่งจำเป็นอย่างยิ่ง หากผู้ใช้งานต้องการให้แบตเตอรี่ทำงานตามที่ผู้ผลิตกำหนดไว้

ผลกระทบของการปล่อยประจุที่อัตราสูงต่อความต้านทานภายในและการสูญเสียความร้อน

เมื่อแบตเตอรี่ปล่อยประจุที่อัตราเกิน 1C จะเกิดการลดลงอย่างรวดเร็วของแรงดันไฟฟ้าควบคู่ไปกับผลกระทบจากการให้ความร้อนแบบโอห์มิก (ohmic heating) อย่างมีนัยสำคัญ ประมาณ 20% ของพลังงานที่เก็บไว้จะสูญเสียไปในรูปของความร้อนทิ้ง แทนที่จะถูกแปลงเป็นพลังงานที่ใช้งานได้จริง ความร้อนที่สะสมขึ้นนี้เร่งกระบวนการเสื่อมสภาพของขั้วไฟฟ้า และนำไปสู่การสูญเสียความจุของแบตเตอรี่อย่างถาวรตามระยะเวลา การชาร์จแบบเร็วซ้ำๆ จะเพิ่มภาระให้กับโครงสร้างคาโทดและบริเวณพรมแดนที่บอบบางระหว่างวัสดุแข็งกับอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพโดยรวมของแบตเตอรี่หลังผ่านหลายรอบของการชาร์จและคายประจุ สำหรับระบบที่มีเป้าหมายในการรักษาประสิทธิภาพให้สูงกว่า 90% ช่วงเวลาที่มีความต้องการสูงสุด วิศวกรจำเป็นต้องนำแนวทางการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพมาใช้ร่วมกับกลยุทธ์การกระจายโหลดอย่างชาญฉลาด ระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management Systems) มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในกรณีนี้เช่นกัน โดยทำหน้าที่ตรวจสอบอย่างต่อเนื่องเพื่อตรวจจับการเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันของความต้านทานภายใน เพื่อสามารถเข้าแทรกแซงได้ทันเวลา ก่อนที่สถานการณ์จะลุกลามจนเกิดภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) ที่อาจเป็นอันตราย

การปรับแต่งประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน 48 โวลต์ในระดับระบบ

ปัญญาประดิษฐ์ของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS): การสมดุลแบบเรียลไทม์ การจัดการความร้อน และการรักษาประสิทธิภาพ

สำหรับระบบลิเธียม-ไอออนแบบ 48 โวลต์ ระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System: BMS) ที่มีคุณภาพสูงมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาอัตราการคืนพลังงาน (Return to Energy: RTE) ให้อยู่ในระดับที่ยอมรับได้ ระบบจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ อุณหภูมิ และกระแสไหลผ่านอย่างต่อเนื่อง เพื่อดำเนินการปรับสมดุลเซลล์แบบไดนามิก ซึ่งช่วยป้องกันการสูญเสียพลังงานที่เกิดขึ้นเมื่อเซลล์มีความไม่สอดคล้องกัน อีกหนึ่งฟังก์ชันหลักคือการควบคุมอุณหภูมิ เมื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในช่วงที่เหมาะสม (20–30 องศาเซลเซียส) BMS จะสามารถป้องกันการสูญเสีย RTE อย่างรุนแรงที่เกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 10 องศาเซลเซียส ซึ่งโดยทั่วไปประสิทธิภาพจะลดลงมากกว่า 15% การปรับค่าการชาร์จและการคายประจุแบบเรียลไทม์ช่วยลดการสูญเสียจากความต้านทาน รวมถึงการเปลี่ยนแปลงแรงดันที่ซับซ้อนซึ่งเรียกว่า “ฮิสเตอรีซิส” (hysteresis) สิ่งที่ทำให้หน้าที่นี้มีความสำคัญยิ่งคือ ความสามารถของ BMS ในการป้องกันสถานการณ์อันตราย เช่น การชาร์จเกิน ปล่อยประจุลึกเกินไป และการพุ่งของกระแสไฟฟ้าอย่างฉับพลัน ซึ่งล้วนส่งผลให้ประสิทธิภาพการแปลงพลังงานลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป การป้องกันเหล่านี้ไม่เพียงแต่ยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ก่อนต้องเปลี่ยนใหม่เท่านั้น แต่ยังรับประกันว่าอัตราการคืนพลังงาน (RTE) จะคงความสม่ำเสมอตลอดอายุการใช้งานจริงของแบตเตอรี่ด้วย

การเปรียบเทียบด้านเคมี: LiFePO₄ เทียบกับ NMC สำหรับการแปลงพลังงานแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน 48V

ความเสถียรของจำนวนรอบการชาร์จ-ปล่อย, ความสม่ำเสมอของแรงดันไฟฟ้า และข้อแลกเปลี่ยนด้านความต้านทานภายใน

เคมีที่เลือกใช้มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อพฤติกรรมของอัตราการแปลงพลังงานแบบกลับคืน (RTE) ภายในระบบแรงดัน 48 โวลต์ ยกตัวอย่างเช่น แบตเตอรี่ลิเทียมเฟอร์โรฟอสเฟต (LiFePO₄ หรือ LFP) วัสดุชนิดนี้มีความเสถียรในการชาร์จ-ปล่อยไฟซ้ำได้อย่างโดดเด่น โดยยังคงความจุไว้ได้มากกว่า 80% แม้หลังจากผ่านการชาร์จ-ปล่อยไฟหลายพันรอบ เนื่องจากโครงสร้างผลึกโอลิวีนที่มีความมั่นคง แม้แรงดันต่อเซลล์จะต่ำกว่าโดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 3.2 โวลต์ แต่ข้อได้เปรียบนี้กลับส่งผลให้มีสมรรถนะที่ดีกว่าในบางแอปพลิเคชัน ความหนาแน่นพลังงานของ LFP ไม่สูงนัก โดยอยู่ที่ประมาณ 90–120 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม อย่างไรก็ตาม สิ่งที่ทำให้ LFP โดดเด่นคือความสามารถในการรักษาระดับกำลังไฟขาออกอย่างสม่ำเสมอ และต้านทานปัญหาความร้อนสะสมภายในเซลล์ขณะทำงานภายใต้ภาระหนัก ในทางกลับกัน แบตเตอรี่ NMC มีศักยภาพสูงกว่าด้วยแรงดันต่อเซลล์อยู่ระหว่าง 3.6–3.7 โวลต์ และให้ความหนาแน่นพลังงานสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ คือ 150–250 วัตต์-ชั่วโมงต่อกิโลกรัม อย่างไรก็ตาม ข้อได้เปรียบเหล่านี้มาพร้อมกับข้อเสีย กล่าวคือ เซลล์ NMC ส่วนใหญ่มีอัตราการเสื่อมสภาพเร็วกว่า โดยมักถึงจุดหมดอายุการใช้งานหลังผ่านการชาร์จ-ปล่อยไฟเพียง 1,000–1,500 รอบ นอกจากนี้ ค่า RTE ของ NMC ยังแย่กว่า LFP ราว 3–5% ในการปล่อยพลังงานสูงอย่างต่อเนื่องเป็นเวลานาน ส่วนหนึ่งเกิดจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นจากส่วนประกอบโคบอล และความไวต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิที่มากกว่า นี่จึงเป็นเหตุผลที่เราพบว่า LFP กำลังเข้ามามีบทบาทแทนที่ในระบบติดตั้งแบบคงที่ เช่น ระบบจัดเก็บพลังงานแสงอาทิตย์ ซึ่งความน่าเชื่อถือในระยะยาวมีความสำคัญยิ่งกว่าขนาดที่กะทัดรัด ในขณะที่ผู้ผลิตยังคงนิยมใช้ NMC สำหรับอุปกรณ์พกพา ซึ่งน้ำหนักทุกกรัมมีความสำคัญ

ส่วน FAQ

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบรอบวง (Round-Trip Efficiency: RTE) ของแบตเตอรี่คืออะไร?

ประสิทธิภาพการใช้พลังงานแบบรอบวง (RTE) วัดปริมาณพลังงานที่ใช้งานได้จริงซึ่งแบตเตอรี่จ่ายออกมานั้นเมื่อเปรียบเทียบกับพลังงานที่ป้อนเข้าไปในระหว่างรอบการชาร์จ-ปล่อยประจุแบบเต็มหนึ่งรอบ

ทำไม RTE จึงสำคัญสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน?

RTE มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพราะส่งผลต่อต้นทุนพลังงาน อายุการใช้งานของแบตเตอรี่ และระดับการปล่อยก๊าซเรือนกระจก จึงมีบทบาทสำคัญต่อการประเมินผลตอบแทนจากการลงทุน (ROI) ในการประยุกต์ใช้งานที่ต้องการประสิทธิภาพสูงและจำนวนรอบการใช้งานมาก

อุณหภูมิส่งผลต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างไร?

อุณหภูมิต่ำสามารถลดประสิทธิภาพลงอย่างมีนัยสำคัญ โดยสูญเสียพลังงานมากกว่า 15% เมื่ออุณหภูมิต่ำกว่า 10°C เนื่องจากความต้านทานภายในเพิ่มขึ้นและการเคลื่อนที่ของไอออนช้าลง

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (Battery Management System: BMS) มีบทบาทอย่างไรในการเพิ่มประสิทธิภาพของแบตเตอรี่?

BMS เพิ่มประสิทธิภาพโดยการควบคุมแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ ควบคุมอุณหภูมิ ปรับการชาร์จ/ปล่อยประจุแบบเรียลไทม์ และป้องกันความเสียหายที่อาจกระทบต่อประสิทธิภาพ