หลักการทำงานของคูลอมบ์เคาน์เตอร์

                  โดยทั่วไปหลักการวัดความจุคงเหลือของแบตเตอรี่นิยมวัดจากแรงดันคงเหลือปัจจจุบันแล้วเทียบเป็นเปอร์เซ็นต์ว่าความจุคงเหลือประมาณเท่าใด ซึ่งค่าที่ได้อาจไม่แม่นยำสำหรับแบตเตอรี่บางประเภท เช่นแบตเตอรี่ประเภทลิเที่ยมไออนฟอสเฟต (LiFePO4)

กราฟเส้นสีแดง (Lifepo4) แสดงให้เห็นว่าแรงดันจะตกลงอย่างรวดเร็วเมื่อความจุคงเหลือใกล้หมด

                  ดังนั้นเราจะมาพูดถึงวิธีการวัดความจุคงเหลือด้วยวิธีที่น่าสนใจกว่าที่เรียกว่า ตัวนับคูลอมบ์ (Coulomb Counter)   อย่างแรกเรามาทำความเข้าใจก่อนว่าคูลอมบ์คือ กระแสไฟฟ้าที่ไหลด้วยปริมาณ 1A ต่อ 1 วินาที เขียนเป็นสมการได้ดังนี้

1C= 1A * 1s หรือ 

1A=3600C (ต่อชั่วโมง)

                 ดังนั้นจึงมีแนวคิดง่ายๆว่าถ้าเราต้องการวัดพลังงานที่ใช้ไป (หรือชาร์จกลับ) ก็สามารถวัดได้จากกฏของคูลอมบ์นี้ ผมจะขอยกตัวอย่างจากไอซีสำเร็จรูปเพื่อทำหน้าที่นี้ได้แก่ LTC4150  ของ analog.com  ซึ่งการต่อใช้งานจะต่อผ่าน Shunt Resister (Current Sence Shunt Resistors) คือ R ที่อนุกรมอยู่กับโหลด ซึ่งเราสามารถหากระแสที่ไหลผ่านโหลดได้โดยการวัดแรงดันตกคร่อม R ดังกล่าว จาก datasheet ของ LTC4150 ที่ขา int จะ ส่งสัญญาณออกมาทุก 0.614439C หรือ 5859 ครั้งต่อ 1Ah  หรือ สัญญาณ int 1 ครั้งจะเท่ากับ 0.0001707Ah ดังนั้นเราก็จะนับ Pulse ดังกล่าว

                ซึ่งเราจะ Reset ค่า Counter นี้เมื่อทำการชาร์จแบตเตอรี่จนเต็มแล้ว

ตัวอย่างการต่อใช้งาน

                      ด้วยหลักการดังกล่าวจึงทำให้เราสามารถบอกข้อมูลของแบตเตอรี่ได้หลายตัวแปรได้แก่
1. ค่าประจุที่ไหลเข้าหรือ ออกก็คือค่าประจุที่ชาร์แบตเตอรี่หรือค่าประจุที่ใช้ไป (จากขา POL ของ LTC4150)
2. ค่า SOC (state of Charge)
3. ระยะเวลาที่ใช้โหลด
4. จ่ายโหลดเกินกว่าสเปคของแบตเตอรี่หรือไม่
5. และแน่นอน ค่าความจุคงเหลือ

บางค่ายผู้ผลิดไอซีได้พัฒนาความแม่นยำของ Coulomb Counter โดยการนำค่าอุณหภูมิเข้ามาประมวลผลมากยิ่งขึ้นซึ่งก็น่าสนใจสำหรับนักออกแบบของไทยเนื่องจากบ้านเราเป็นเมืองร้อน

ลองเข้าไปเลือกใช้ไอซีสพหรับการออกแบบ Coulomb Counter ได้จาก ที่นี่
* แน่นอนว่ากระแสที่ใช้ในการชาร์ตแบตเตอรี่ย่อมต้องมากกว่ากระแสที่เรานำไปใช้งานภายหลัง เนื่องจากกระบวนการทางเคมีที่ไม่มีประสิทธิภาพ 100% ซึ่งอาจสูญเสียไปในกระบวนการความร้อนเป็นต้น

แหล่งที่มา
1. https://learn.sparkfun.com/tutorials/ltc4150-coulomb-counter-hookup-guide/all
2. https://offgridham.com/2016/03/about-lifepo4-batteries/

รู้จักกับ Balancer และ BMS

                 กระแส EV มาแรงทำให้ความน่าสนใจของแบตเตอรี่บ้านเรามีมากขึ้น สิ่งที่สำคัญอย่างหนึ่งของการใช้แบตเตอรี่แบบ Multicell  ซึ่งอุปกรณ์มีความสำคัญมากให้เลือกใช้ได้แก่

• Balancer ซึ่งมีหน้าที่หลักคือรักษาสมดุลย์ในแต่ละ Cell เพื่อยืดอายุการใช้งานเนื่องจากเมื่อนำแต่ละ Cell มาต่อกันจะพบปัญหาว่าแต่ละ Cell นั้นมีค่าการประจุและคายประจุไม่เท่ากัน โดย Balancer แบ่งออกเป็น 2 ประเภทคือ 
• แบบที่  1  Passive Balancer

ตัวอย่าง Passive Balancer

                            หลักการทำงาน Balancer ชนิดนี้จะนำแรงดันส่วนเกินไปจ่ายกระแสทิ้งที่ Resister (R1-R4) ตัวอย่างตามรูปนี้ประกอบด้วย HY2212 (AB3A) ทำหน้าที่ตรวจจับแรงดันส่วนเกินส่งไปที่ขา 6 ให้ขอ Gate ของ Mosfet (N-Channel) เบอร์ A2SHB  หรือ Si2302DS  (Q1-Q4) เพื่อทำการเดรนไปที่ Resister โดย Balancer ชนิดนี้นิยมใช้ในบ้านเรา  มีหลายรุ่นให้เลือกตามกระแส Balance เช่น 56mA ,500mA หรือ 1500mA  เหมาะกับงานขนาดเล็กที่ต้องการต้นทุนต่ำ

Passive Balancer แบบ 360mA

Passive Balancer แบบ 500mA

Passive Balancer แบบ 1500mA

                             ข้อดีคือราคาถูก หาซื้อง่าย  

                             ข้อเสียเกิดความร้อนสูง , ประสิทธิภาพต่ำเนื่องจากพลังงานส่วนเกินสูญเสียไปในรูปของความร้อน ส่งผลใช้เวลาในการชาร์จนานกว่า

                       

วงจร Passive Balancer 

• แบบที่  2  Active Balancer 
  

                                                                     ตัวอย่าง Passive Balancer

                                           หลักการทำงาน Balancer ชนิดนี้จะนำแรงดันส่วนเกินไปชาร์จที่ Cell อื่นที่มีแรงดันต่ำกว่าโดยใช้ IC สำเร็จรูปซึ่งมีหลายเบอร์เช่น  LTC3300  ISL94202  ซึ่งทำหน้าที่ตรวจสอบแรงดันแต่ละ Cell ให้ต่างกันไม่เกิน 1.2mV และจะนำแรงดันส่วนเกินส่งไปชาร์จที่ Cell อื่นที่มีแรงดันต่ำกว่า ทำการเหมาะกับงานที่ต้องการประสิทธิภาพสูง โดย Board บางรุ่นสามารถนำมาต่ออนุกรมกันเพื่อเพิ่มจำนวนอนุกรม Cell ได้

• Battery Management System (BMS)  ทำหน้าที่เหมือน Balancerและเพิ่มส่วนของการป้องกัน Overload และหรือมี temperature Sensor ,ต่อเชื่อมกับมือถือหรือคอมพิวเตอร์เพื่อแสดงค่าต่างๆมาด้วย  

รู้จักกับ Parameter ต่างๆจาก บทความ นี้ 

ที่มาข้อมูล 

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_balancing

2. https://www.analog.com/en/technical-articles/active-battery-cell-balancing.html