วิธีทดสอบว่าแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานแบบไซเคิลยาวนานหรือไม่?

การทำความเข้าใจสมรรถนะการใช้งานระยะยาว: คำจำกัดความและตัวชี้วัดสำคัญ

วงจรชีวิตยาวนานในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนคืออะไร?

คำว่าอายุการใช้งานแบบไซเคิลยาว (long cycle life) โดยพื้นฐานแล้วอธิบายถึงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ในการรักษาพลังงานที่ใช้งานได้หลังจากผ่านกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุไปหลายร้อยครั้ง เมื่อกล่าวถึงแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนโดยเฉพาะ เราจะพิจารณาว่าแบตเตอรี่สามารถรองรับการชาร์จเต็มรูปแบบ (จากประมาณ 80 ถึง 100%) ได้กี่ครั้ง ก่อนที่ความจุจะลดลงเหลือเพียง 80% ของค่าความจุเดิม ซึ่งถือเป็นจุดที่ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมส่วนใหญ่พิจารณาว่าแบตเตอรี่เริ่มมีความไม่น่าเชื่อถือ (Ponemon Institute รายงานในปี 2023) การทำงานที่ดีตลอดไซเคิลเหล่านี้มีความสำคัญอย่างมากสำหรับอุปกรณ์ที่ต้องการพลังงานต่อเนื่องโดยไม่ต้องเปลี่ยนบ่อย เช่น รถยนต์ไฟฟ้าที่ขับขี่ได้ระยะทางไกลต่อเนื่อง หรือระบบแบตเตอรี่ขนาดใหญ่ที่ใช้เก็บพลังงานหมุนเวียนในโครงข่ายไฟฟ้าขนาดใหญ่

ความสัมพันธ์ระหว่างไซเคิลการชาร์จ-ปล่อยประจุกับการคงความจุ

ทุกครั้งที่แบตเตอรี่ผ่านกระบวนการชาร์จและคายประจุ จะมีการสูญเสียความสามารถในการเก็บพลังงานอย่างช้าๆ เนื่องจากเกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมีภายในวัสดุอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ เมื่อเราใช้งานหนักขึ้นด้วยการคายประจุลึกในแต่ละรอบ การสึกหรอก็จะเกิดเร็วขึ้นมาก พิจารณาตัวเลขจากสภาพการใช้งานจริง: แบตเตอรี่ที่ถูกใช้งานจนเหลือความจุ 90% โดยทั่วไปจะถึงจุดหมดอายุประมาณเร็วกว่า 40% เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ที่ถูกคายประจุเพียงแค่ 50% การหาจุดสมดุลที่เหมาะสมระหว่างระดับการคายประจุและความยาวนานของอายุการใช้งานแบตเตอรี่ จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับผู้ที่ต้องการประสิทธิภาพสูงสุดในระยะยาว

มาตรฐานอุตสาหกรรม: ความจุ 80% เป็นเกณฑ์จุดสิ้นสุดอายุการใช้งาน

จุดอ้างอิงความจุ 80% — ซึ่งแบตเตอรี่ยังคงเก็บพลังงานได้เพียงสี่ในห้าของค่าเริ่มต้น — เป็นที่ยอมรับกันอย่างแพร่หลายว่าเป็นจุดสิ้นสุดการใช้งานเชิงหน้าที่ในอุตสาหกรรมต่างๆ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือจะลดลงอย่างมากเมื่อต่ำกว่าระดับนี้ โดยอัตราการเสียหายเพิ่มขึ้นถึงห้าเท่า (IEEE 2023) มาตรฐานนี้ถูกนำมาใช้กำหนดเงื่อนไขการรับประกัน ตารางการบำรุงรักษา และแผนการเปลี่ยนอุปกรณ์

วิธีการทดสอบมาตรฐานสำหรับการประเมินสมรรถนะในการชาร์จ-ปล่อยไฟฟ้าระยะยาว

ภาพรวมของโปรโตคอลการทดสอบอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

มาตรฐาน IEC 61960 มีวิธีการประเมินสมรรถนะของแบตเตอรี่ตลอดหลายรอบการใช้งาน โดยใช้การทดสอบที่ควบคุมได้ ซึ่งมีการชาร์จและปล่อยประจุซ้ำๆ ห้องปฏิบัติการจะดำเนินการทดสอบเหล่านี้ให้เร็วกว่าปกติด้วยการเร่งกระบวนการเสื่อมสภาพ ทำให้สามารถเห็นผลลัพธ์หลังจากใช้งานมาหลายปีได้ภายในไม่กี่สัปดาห์ เมื่อสถานที่ทำการทดสอบปฏิบัติตามแนวทาง EN 45552:2020 สำหรับการทดสอบความทนทาน การคาดการณ์อายุการใช้งานของแบตเตอรี่มักจะค่อนข้างแม่นยำในเกือบทุกกรณี โดยทั่วไปมีความคลาดเคลื่อนประมาณ 2% สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าการยึดถือตามมาตรฐานที่กำหนดไว้มีความสำคัญเพียงใดในการได้มาซึ่งข้อมูลที่เชื่อถือได้เมื่อทดสอบอายุการใช้งานของแบตเตอรี่

การทดสอบวงจรชาร์จ-ปล่อยประจุ: วิธี CC-CV และวิธีกระแสคงที่

มีสองวิธีหลักที่ใช้ในการทดสอบวงจร

• กระแสคงที่-แรงดันคงที่ (CC-CV) : ใช้กระแสไฟฟ้าคงที่จนกระทั่งถึงขีดจำกัดแรงดัน จากนั้นจะคงแรงดันไว้เพื่อให้การชาร์จเสร็จสมบูรณ์ วิธีนี้ช่วยสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและความแข็งแรงของเซลล์
• กระแสไฟฟ้าคงที่อย่างเดียว : ง่ายกว่าแต่อาจทำให้เซลล์เครียดเกินไปโดยไม่คำนึงถึงขีดจำกัดแรงดัน

การศึกษาแสดงให้เห็นว่าการชาร์จแบบ CC-CV ช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้เพิ่มขึ้น 18% เมื่อเทียบกับการชาร์จด้วยกระแสคงที่เพียงอย่างเดียว โดยทดสอบจนเหลือความจุ 80%

การตรวจสอบแรงดัน กระแสไฟฟ้า และความต้านทานภายในระหว่างการทดสอบ

การตรวจสอบพารามิเตอร์หลักแบบเรียลไทม์ช่วยให้สามารถตรวจจับรูปแบบการเสื่อมสภาพได้ตั้งแต่ระยะแรก ซึ่งรวมถึงตัวชี้วัดสำคัญดังต่อไปนี้:

ระบบอัตโนมัติใช้มาตรฐาน ASTM F3283-17 เพื่อแจ้งเตือนความผิดปกติและระบุแนวโน้มการลดลงของความจุในระหว่างการทดสอบระยะยาว

ห้องปฏิบัติการเทียบกับสภาวะการใช้งานจริง: การแก้ไขความแตกต่างของการจำลอง

การทดสอบในห้องปฏิบัติการมักเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่ควบคุมได้ โดยเฉลี่ยอยู่ที่ประมาณ 25 องศาเซลเซียส บวกหรือลบหนึ่งองศา แต่ในโลกแห่งความเป็นจริง แบตเตอรี่ต้องเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและภาระงานที่แตกต่างกันไป ลองนึกดูว่าอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลดลงเร็วเพียงใดเมื่อสัมผัสกับความร้อนหรือความเย็นจัด ตามการวิจัยที่ตีพิมพ์โดย AAC ในปี 2023 การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงอย่างเดียวสามารถเร่งการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ได้ถึง 35% ข่าวดีก็คือ วิธีการทดสอบสมัยใหม่มีความชาญฉลาดมากขึ้น สถานที่หลายแห่งในปัจจุบันใช้ห้องควบคุมภูมิอากาศที่สามารถปรับอุณหภูมิได้ตั้งแต่ลบ 20 จนถึงบวก 60 องศาเซลเซียส พร้อมทั้งใช้รูปแบบการใช้งานจริงแทนการพึ่งพาแค่แบบจำลองทางทฤษฎี แนวทางนี้ช่วยลดการจำลองที่ไม่แม่นยำได้อย่างมาก โดยลดอัตราความคลาดเคลื่อนจากประมาณ 40% ลงมาต่ำกว่า 12% ในกรณีส่วนใหญ่

อุปกรณ์จำเป็นสำหรับการทดสอบวงจรยาวอย่างแม่นยำ

เครื่องทดสอบแบตเตอรี่ (Battery Cyclers): คุณสมบัติและเกณฑ์การเลือก

เครื่องทดสอบวงจรแบตเตอรี่มีบทบาทสำคัญในการทดสอบวงจรยาว เพื่อให้สามารถจำลองลำดับการชาร์จและการคายประจุได้อย่างแม่นยำ รุ่นระดับสูงมีความแม่นยำของกระแสไฟฟ้า ±0.05% และควบคุมสภาพแวดล้อมได้ตามโปรแกรมที่กำหนด ซึ่งได้รับการยืนยันจากงานศึกษา BTS-4000 ปัจจัยสำคัญในการเลือกใช้งาน ได้แก่

• ความสามารถหลายช่องทางสำหรับการทดสอบแบบขนาน
• ช่วงอุณหภูมิการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +85°C
• การปฏิบัติตามมาตรฐานความปลอดภัย UN 38.3 และ IEC 62133

คุณสมบัติเหล่านี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการประเมินอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนอย่างเชื่อถือได้และสามารถขยายผลได้

ระบบเก็บข้อมูลเพื่อการตรวจสอบประสิทธิภาพอย่างต่อเนื่อง

ระบบเก็บข้อมูล (DAQ) รุ่นใหม่สามารถตรวจสอบพารามิเตอร์มากกว่า 15 ชนิดพร้อมกัน รวมถึงค่าอิมพีแดนซ์ (ความละเอียดลงได้ถึง 0.1mΩ) และสัมประสิทธิ์เอนโทรปี การผสานเครื่องมือวิเคราะห์โปรไฟล์ความร้อนช่วยลดข้อผิดพลาดในการทำนายการเสื่อมของความจุลงได้ 22% เมื่อเทียบกับการตรวจสอบเฉพาะแรงดันเพียงอย่างเดียว คุณสมบัติที่จำเป็น ได้แก่

• ตัวแปลงสัญญาณแบบ 24 บิต (24-bit ADCs) สำหรับการวัดไมโครโวลต์ที่มีความแม่นยำสูง
• อัตราการสุ่มตัวอย่างเกิน 1kHz เพื่อบันทึกเหตุการณ์ชั่วขณะ
• การวิเคราะห์ข้อมูลบนคลาวด์สำหรับการติดตามการเสื่อมสภาพแบบเรียลไทม์

ร่วมกับเครื่องทดสอบวงจรแบตเตอรี่ ระบบเก็บข้อมูล (DAQ) ช่วยให้สามารถประเมินความหนาแน่นของพลังงาน (Wh/kg) และการคงกำลัง (%) ได้อย่างครอบคลุมตลอดหลายพันรอบ

การประเมินการเสื่อมสภาพและสถานะสุขภาพ (SOH) ตลอดอายุการใช้งานแบบวงจรยาว

การประเมินประสิทธิภาพในระยะยาวอย่างมีประสิทธิภาพ ต้องอาศัยการตรวจสอบการเสื่อมสภาพอย่างเป็นระบบและการสร้างแบบจำลองขั้นสูงของสถานะสุขภาพ (SOH)

การติดตามการลดลงของความจุจนเหลือ 80% ตลอดรอบการชาร์จ-คายประจุที่ขยายออกไป

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่มักมีการลดลงประมาณ 1-4% ของความจุทุกปีเมื่อใช้งานตามปกติ แม้ว่าการชาร์จซ้ำบ่อยครั้งจะเร่งกระบวนการนี้ให้เร็วขึ้นอย่างมาก ห้องปฏิบัติการจะทำการทดสอบมาตรฐานโดยตรวจสอบปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมาหลังจากแต่ละรอบการชาร์จ/คายประจุเต็มรูปแบบ และนำผลลัพธ์เหล่านี้มาแสดงในกราฟเพื่อดูว่าอุณหภูมิและการคายประจุลึกแค่ไหนมีผลต่ออายุการใช้งานของแบตเตอรี่อย่างไร โดยทั่วไปในอุตสาหกรรมเห็นพ้องกันว่า เมื่อแบตเตอรี่เหลือความจุประมาณ 80% ของความจุเดิม ก็ควรพิจารณาเปลี่ยนใหม่สำหรับการใช้งานทั่วไปส่วนใหญ่ แม้ว่าอุปกรณ์เฉพาะทางบางชนิดอาจยังคงทำงานได้ต่อไปหลังจากจุดนี้

การประมาณค่าสภาพสุขภาพโดยใช้โมเดลอายุการใช้งานจากการชาร์จซ้ำ

โมเดล SOH ในปัจจุบันมีความก้าวหน้าอย่างมาก โดยการผสมผสานข้อมูลการใช้งานจริงของแบตเตอรี่เข้ากับหลักการทางอิเล็กโทรเคมี เพื่อทำนายอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ก่อนที่จะต้องเปลี่ยนใหม่ แนวทางแบบไฮบริดรูปแบบใหม่บางประเภทที่รวมเทคนิคการเรียนรู้ของเครื่องจักร (machine learning) เข้ากับรูปแบบการเสื่อมสภาพจริง สามารถทำนายความจุได้แม่นยำในระดับต่ำกว่า 3% แม้หลังจากชาร์จไปแล้วถึง 500 รอบ สิ่งที่ทำให้โมเดลเหล่านี้ทำงานได้ดีคือ ความสามารถในการพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าตามเวลา ความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น และการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิระหว่างการทำงาน ซึ่งช่วยให้สามารถคาดการณ์ความจุของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำโดยไม่จำเป็นต้องทำการปรับเทียบค่าใหม่อย่างสม่ำเสมอ

กรณีศึกษา: การทำนาย SOH ของแบตเตอรี่ในรถยนต์ไฟฟ้าหลังผ่านการชาร์จมากกว่า 1,000 รอบ

ในแอปพลิเคชันยานยนต์ ข้อมูลช่วงต้นวงจรสามารถทำนายประสิทธิภาพในระยะยาวได้อย่างแม่นยำ การศึกษาในปี 2024 พบว่าการใช้ข้อมูล 200 รอบแรกสามารถทำนายความจุที่ 1,000 รอบได้อย่างถูกต้อง โดยมีข้อผิดพลาดในการทำนายต่ำกว่า 5% สิ่งนี้แสดงให้เห็นถึงคุณค่าของการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องและการสร้างแบบจำลองจากข้อมูล เพื่อให้มั่นใจในความน่าเชื่อถือในสภาพแวดล้อมที่มีความต้องการสูง

ปัจจัยสำคัญที่มีผลต่อประสิทธิภาพการใช้งานระยะยาว

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่และอายุการใช้งาน

อุณหภูมิส่งผลอย่างมากต่ออัตราการเสื่อมสภาพ ซึ่งเป็นไปตามความสัมพันธ์ของอาร์เรเนียส (Arrhenius relationship) แบตเตอรี่ที่ใช้งานที่อุณหภูมิ 45°C จะเสื่อมสภาพเร็วกว่าที่ 25°C ถึง 2.3 เท่า (การศึกษาการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ ปี 2023) โดยเกิดจากการสลายตัวของอิเล็กโทรไลต์และชั้น SEI (Solid Electrolyte Interphase) เติบโตเร็วขึ้น การรักษาระบบควบคุมอุณหภูมิให้อยู่ในสภาวะเหมาะสมจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการยืดอายุการใช้งาน

ผลกระทบของอัตราการชาร์จ/ปล่อยประจุและความลึกของการคายประจุ (Depth of Discharge: DoD)

อัตราการชาร์จ/คายประจุสูง (>1C) ก่อให้เกิดความเครียดทางกลที่ทำลายโครงสร้างของขั้วไฟฟ้า ในขณะที่การคายประจุลึก (>80% DoD) จะทำให้ลิเธียมที่ใช้งานได้ลดลง ข้อมูลจากภาคสนามแสดงความสัมพันธ์ผกผันอย่างชัดเจนระหว่าง DoD และอายุการใช้งานแบบไซเคิล:

การจำกัด DoD ให้ต่ำกว่า 60% สามารถยืดอายุการใช้งานเป็นสองเท่าในระบบกักเก็บพลังงานแบบคงที่

การถ่วงดุลระหว่างประสิทธิภาพสูงและอายุการใช้งานแบบไซเคิลยาวนานในแอปพลิเคชันอุตสาหกรรม

ตลาดยานยนต์ไฟฟ้าแสดงให้เห็นถึงการถ่วงดุลแบบคลาสสิกระหว่างสมรรถนะและการใช้งานระยะยาว เมื่อผู้ขับขี่เหยียบเบรกอย่างแรง ระบบชาร์จกลับ (regen) จะชาร์จแบตเตอรี่เร็วขึ้น แต่อาจทำให้เกิดรอยแตกร้าวที่แอนโอดของแบตเตอรี่ในระยะยาวได้ และการเดินทางไกลบนทางหลวงที่ความเร็วสูง (ประมาณ 4 เท่าของอัตราการคายประจุปกติ) จะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมสภาพเร็วกว่าการขับขี่ในเมืองที่ต้องหยุดและออกตัวบ่อย จนทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วขึ้นประมาณ 18% บางคนอาจสงสัยว่าทำไมบริษัทต่างๆ จึงใช้เงินเพิ่มในการติดตั้งระบบจัดการอุณหภูมิ ซึ่งเพิ่มต้นทุนขึ้นประมาณ 9 ถึง 12 เปอร์เซ็นต์ แต่ระบบนี้ช่วยรักษาอุณหภูมิของแบตเตอรี่ให้เย็นลงขณะทำงาน และสามารถยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้มากถึง 40 เปอร์เซ็นต์ ผู้ผลิตรถยนต์รายใหญ่ก็เริ่มฉลาดขึ้นเช่นกัน โดยนำอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง (machine learning) มาใช้ปรับแต่งเวลาและวิธีการชาร์จแบตเตอรี่ วิธีการชาร์จอัจฉริยะเหล่านี้ช่วยลดการเสื่อมสภาพตามกาลเวลา (calendar aging) ลงได้ประมาณ 22 เปอร์เซ็นต์ ในขณะที่ยังคงรักษาระดับการส่งกำลังที่ดีสำหรับการใช้งานด้านการจัดเก็บพลังงานเชิงพาณิชย์ในหลากหลายอุตสาหกรรม

คำถามที่พบบ่อย

ความสําคัญของอายุจักรยานยาวในแบตเตอรี่ลิตியம்ไอออนคืออะไร?

อายุการใช้งานระยะยาวจะกําหนดว่าแบตเตอรี่สามารถเก็บพลังงานได้อย่างมีประสิทธิภาพแค่ไหน ภายในวงจรการชาร์จ-การชาร์จที่ยาวนาน ซึ่งเป็นสิ่งสําคัญสําหรับการใช้งานที่ต้องการแหล่งพลังงานที่ยั่งยืน เช่น ยานไฟฟ้าและระบบเก็บพลังงานขนาด

อุณหภูมิส่งผลต่ออายุของแบตเตอรี่อย่างไร

อุณหภูมิส่งผลต่ออัตราการทําลายล้างอย่างสําคัญ แบตเตอรี่จะลดความร้อนเร็วขึ้นในอุณหภูมิที่สูงสุด ซึ่งสามารถเร่งกระบวนการสวมใส่ได้ ดังนั้นการรักษาสภาพความร้อนที่ดีที่สุดจึงเป็นสิ่งสําคัญในการยกระดับอายุการใช้งาน

ขั้นตอนสุดท้ายของอายุการใช้ของแบตเตอรี่ คืออะไร?

ช่วงปลายอายุของแบตเตอรี่มักจะอยู่ที่ 80% ของกําลังเดิมเท่านั้น ซึ่งการทํางานและความน่าเชื่อถือสามารถลดลงอย่างรวดเร็ว