หนงั สอื เรยี นเพิม่ เตมิ ความร้แู ละทกั ษะ SHoRT CoURSE Electric Motorcycle (EV) เอกสารประกอบการสอนรายว�ชางานจักรยานยนต ไฟฟา ตามแนวทางการพฒั นาหลกั สตู รการเร�ยนการสอนทางอาชวี ศกึ ษา ประเภทวช� าอตุ สาหกรรม สาขาวช� าชา งยนต งานเทคโนโลยียานยนตสมยั ใหม ผูเ้ รยี บเรยี ง พงศ์พิพัฒน์ คำหอม
บทท่ี 1 ระบบแบตเตอรี่ แบตเตอรเ่ี ป็นอุปกรณ์ทางไฟฟ้าทส่ี าคญั ชน้ิ หนึ่งของยานยนต์ไฟฟ้า เน่ืองจากเป็นอุปกรณ์ทใ่ี ช้ ปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้ากักเก็บพลงั งานท่ีใช้ในการขบั เคล่ือน โดยส่วนประกอบหลักของแบตเตอร่ี ประกอบดว้ ยสว่ นหลกั สามส่วนคอื ขวั้ บวก (แคโทด) ขวั้ ลบ (แอโนด) และสารละลายอเิ ลก็ โตรไลต์ ซง่ึ เมอ่ื แบตเตอร่ีถูกใช้งาน ขวั้ ลบหรือขวั้ แอโนดเป็นขวั้ ท่ีเกิดปฏิกริยาเคมีส่งผลให้เกิดการเคล่ือนท่ีของ อิเลก็ ตรอน (ปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั่ ) และขวั้ บวก หรอื ขวั้ แคโทดเป็นขวั้ ทเ่ี กดิ ปฏกิ รยิ าเคมที ร่ี บั อเิ ลก็ ตรอน (ปฏกิ ริ ยิ ารดี กั ชนั่ ) โดยอเิ ลก็ ตรอนทไ่ี ดจ้ ากปฏกิ ริ ยิ าออกซเิ ดชนั่ จะวงิ่ ผา่ นลวดโลหะก่อใหเ้ กดิ การไหลของ กระแสไฟฟ้าขน้ึ โดยอเิ ลก็ โตรไลต์เป็นสารละลายทไ่ี มน่ าอเิ ลก็ ตรอนแตม่ หี นา้ ทส่ี ่งผา่ นไอออนทจ่ี าเป็นตอ่ การเกดิ ปฏกิ ริ ยิ าดงั กล่าวไดอ้ ยา่ งตอ่ เน่อื งจนกว่าแบตเตอรจ่ี ะหมด ดงั แสดงในรปู ท่ี 2-1 1.1 ประเภทของแบตเตอรี่ การใชง้ านของแบตเตอรม่ี คี วามตอ้ งการในการใชง้ านทห่ี ลากหลายในอุปกรณไ์ ฟฟ้า รปู แบบการใช้ งานมคี วามตา่ งกนั ทาใหค้ วามเหมาะสมของสภาพแบตเตอร่แี ต่ละประเภท ไดถ้ กู แบง่ สดั ส่วนออกเป็น 2 ประเภทในรปู แบบหลกั ๆ 1. แบตเตอรช่ี นิดปฐมภูมิ (Primary batteries) หรอื แบตเตอรแ่ี บบใชค้ รงั้ เดยี วแลว้ ทง้ิ ไม่สามารถ ทาการชาร์จเหมอื นกบั แบบทุติยภูมิ เพ่อื กระตุน้ ปฏกิ รยิ าทางเคมี (Electrochemical) เพ่อื นากลบั มาใช้ ใหม่ไดอ้ กี 2. แบตเตอรช่ี นดิ ทุตยิ ภมู ิ (Rechargeable batteries) หรอื แบตเตอรแ่ี บบอดั ประจไุ ฟฟ้าใหมไ่ ด้ ซงึ่ สามารถทาการชารจ์ และรชี ารจใ์ หม่ไดห้ ลายครงั้ รปู ที่ 1.1 สว่ นประกอบพน้ื ฐานของแบตเตอรแ่ี บบปฐมภูมิ (ซา้ ย) และทุตยิ ภมู ิ (ขวา)
บทที่ 1 ระบบแบตเตอรี่ | 2 ตารางท่ี 1.1 ความแตกต่างของแบตเตอรป่ี ฐมภูมแิ ละทุตยิ ภูมิ แบบปฐมภมู ิ แบบทตุ ิยภมู ิ - มคี วามจุพลงั งานสงู คา่ คายประจตุ ่า ใชง้ านงา่ ย - มคี วามจุพลงั งานนอ้ ย - ไมม่ ขี องเหลวในเซลล์ หรอื เป็นเซลล์แบบแหง้ - เป็นเซลลเ์ ปียก และสารละลายเกลอื - มคี ่าความตา้ นทานภายในสงู - มคี ่าความตา้ นทานภายในต่า - ไม่สามารถฟ้ืนฟูปฏกิ รยิ าทางเคมไี ด้ - สามารถฟ้ืนฟูปฏกิ รยิ าทางเคมไี ด้ - มกี ารออกแบบทเ่ี ลก็ กระทดั รดั - มกี ารออกแบบทซ่ี บั ซอ้ นและหนกั - มรี าคาถูก - มรี าคาแพง อ้างองิ : https://byjus.com/chemistry/difference-between-primary-cell-and-secondary-cell/ โดยแบตเตอรท่ี ใ่ี ชใ้ นยานยนต์ไฟฟ้าจะเป็นแบตเตอรช่ี นดิ ทุตยิ ภูมิ ซง่ึ มอี งคป์ ระกอบทางเคมขี อง ขวั้ แคโทดและแอโนดทแ่ี ตกต่างกนั หลายประเภท ดงั จะไดก้ ลา่ วต่อไป 1.2 คำกำจัดความสมรรถนะของแบตเตอร่ี สมรรถนะของแบตเตอร่สี ามารถวดั ได้หลายมติ ิ โดยมิติท่สี าคญั ได้แก่ กาลงั จาเพาะ (Specific power, W/kg) อายุการใชง้ าน (Service life) อตั ราการเกบ็ และคายประจุ (Charge and discharge rate) ราคาและความปลอดภยั (Cost and safety) อายุการใช้งานของแบตเตอร่ขี น้ึ กบั ความจุ (Capacity, Ah) และจานวนรอบทส่ี ามารถเกบ็ ประจุ (Charge cycles) ซง่ึ คา่ ความจจุ ะขน้ึ กบั คา่ พลงั งานจาเพาะ (Specific energy, Wh/kg) หรือค่าความหนาแน่นพลังงาน (Energy density, Wh/l) ดงั นัน้ องค์ประกอบในการ พจิ ารณาสมรรถนะของแบตเตอรจ่ี งึ เขยี นไดด้ งั รปู ท่ี 2.2 Battery Specific power, Service life Charge and Cost and safety W/kg discharge rate Energy density, Charge cycles Wh/l Specific energy, Wh/kg รปู ที่ 1.2 แผนผงั สมรรถนะของแบตเตอร่ี
บทที่ 1 ระบบแบตเตอรี่ | 3 นอกจากน้ี คาจากดั ความอน่ื ๆ ทใ่ี ชส้ าหรบั แบตเตอรใ่ี นยานยนตไ์ ฟฟ้า มดี งั ต่อไปน้ี ก. C-rate (Charge rate) ซึ่งบ่งบอกถึงอัตราการอัดประจุหรืออตั ราการจ่ายไฟของแบตเตอร่ี เทยี บกบั ปรมิ าณความจขุ องแบตเตอรท่ี เ่ี ตม็ ตวั อย่างเชน่ (h)C หมายถึง แบตเตอร่จี ะจ่ายกระแสออกไปโดยใช้เวลา 1/h ชวั่ โมงกว่าจะ หมด หรอื แบตเตอรจ่ี ะถูกอดั ประจดุ ว้ ยอตั รากระแสทท่ี าใหแ้ บตเตอรเ่ี ตม็ ภายในเวลา 1/h ชวั่ โมง 1C หมายถึง แบตเตอร่จี ะจ่ายกระแสออกไปโดยใชเ้ วลา 1 ชวั่ โมงกว่าจะหมด หรอื แบตเตอรจ่ี ะถูกอดั ประจดุ ว้ ยอตั รากระแสทจ่ี ะทาใหแ้ บตเตอรเ่ี ตม็ ภายในเวลา 1 ชวั่ โมง 2C หมายถงึ แบตเตอรจ่ี ะจ่ายกระแสออกไปโดยใชเ้ วลา 1/2 ชวั่ โมงกว่าจะหมด หรอื แบตเตอรจ่ี ะถกู อดั ประจดุ ว้ ยอตั รากระแสทจ่ี ะทาใหแ้ บตเตอรเ่ี ตม็ ภายในเวลา 1/2 ชวั่ โมง C/4 หมายถงึ แบตเตอรจ่ี ะจ่ายกระแสออกไปโดยใช้เวลา 4 ชวั่ โมงกว่าจะหมด หรอื แบตเตอรจ่ี ะถูกอดั ประจดุ ว้ ยอตั รากระแสทจ่ี ะทาใหแ้ บตเตอรเ่ี ตม็ ภายในเวลา 4 ชวั่ โมง ข. DOD (Depth of discharge) ซง่ึ บ่งบอกถงึ ปรมิ าณความจุทแ่ี บตเตอรถ่ี กู ใชไ้ ปเทยี บกบั ความจุ ทงั้ หมด โดยการใชง้ านแบตเตอรใ่ี นงานแตล่ ะประเภท DOD ทแ่ี บตเตอรต่ี อ้ งเจอบอ่ ยๆ นนั้ จะอย่ใู นระดบั ทไ่ี ม่เทา่ กนั เช่นในยานยนตไ์ ฟฟ้าทใ่ี ชแ้ บตเตอรข่ี บั เคล่อื นทงั้ หมด DOD จะอยรู่ ะหวา่ ง 20% ในขณะทร่ี ถ ประเภทไฮบรดิ นนั้ DOD ของแบตเตอรจ่ี ะอยูท่ ่ี 40% ตวั อยา่ งเช่น 10% DOD หมายถงึ แบตเตอรถ่ี กู ใชง้ านไป 10% และเหลอื ความจอุ ยู่ 90% 80% DOD หมายถงึ แบตเตอรถ่ี ูกใชง้ านไป 80% และเหลอื ความจอุ ยู่ 20% ค. SOC (State of charge) ซงึ่ บ่งบอกถงึ ปรมิ าณความจุทแ่ี บตเตอรม่ี อี ยู่ ตวั อยา่ งเชน่ 10% SOC หมายถงึ แบตเตอรม่ี คี วามจุอยู่ 10% 80% SOC หมายถงึ แบตเตอรม่ี คี วามจุอยู่ 80% โดยการใชง้ านแบตเตอรใ่ี นงานแต่ละประเภท SOC ทแ่ี บตเตอรต่ี อ้ งเจอบ่อยๆ นนั้ จะอย่ใู นระดบั ทไ่ี ม่เท่ากนั เช่นเดยี วกบั DOD เช่นยานยนต์ไฟฟ้าทใ่ี ช้แบตเตอร่ขี บั เคล่อื นทงั้ หมด SOC จะอยู่ระหว่าง 20-95% ในขณะทร่ี ถประเภทไฮบรดิ นนั้ SOC ของแบตเตอรจ่ี ะอยู่ทร่ี ะดบั 40-80% ง. P/E Ratio (Power to Energy Ratio) ซึ่งบ่งบอกถึงกาลังไฟฟ้าท่ีแบตเตอร่ีให้ได้เทียบกับ ความจุของพลงั งานทงั้ แบตเตอร่ี เช่น ตวั อยา่ งเช่น P/E = 2:1 หมายถงึ แบตเตอร่ี 1 kWh จะมศี กั ยภาพใหก้ าลงั ไฟฟ้าเป็น 2 kW P/E = 1:3 หมายถงึ แบตเตอร่ี 1 kWh จะมศี กั ยภาพใหก้ าลงั ไฟฟ้าเป็น 1/3 kW ทงั้ น้แี บตเตอรท่ี ม่ี คี า่ P/E ratio สงู จะเรยี กแบตเตอรช่ี นิดน้เี ป็น High power battery ซง่ึ มกั จะถกู ใชส้ าหรบั งานทต่ี อ้ งการกาลงั ไฟฟ้าสงู เป็นช่วงสนั้ ๆ เช่น ใชส้ าหรบั การตดิ เคร่อื งยนต์ หรอื สาหรบั การเร่ง เคร่อื งยนต์เท่านนั้ แต่ไม่ใช่เป็นแหลง่ พลงั งานหลกั ในการขบั เคลอ่ื น
บทท่ี 1 ระบบแบตเตอร่ี | 4 1.3 แบตเตอรส่ี ำหรบั ยานยนต์ไฟฟ้า จากหวั ข้อท่ี 1.1 แบตเตอร่ที ่ใี ช้ ใ น ย า น ย น ต์ไ ฟ ฟ้ า จ ะเ ป็ น แบต เ ต อ ร่ี ชนิดทุติยภูมิ ซึ่งมีองค์ประกอบทาง เ ค มี ข อ ง ขั้ว แ ค โ ท ด แ ล ะ แ อ โ น ด ท่ี แตกต่างกนั หลายประเภท การใชง้ าน แบตเตอร่ีสา หรับยานยนต์ไฟฟ้ า ประเภทต่างๆ นัน้ จะมีความแตกต่าง กันตามลักษณะการใช้งานของยาน ยนต์ไฟฟ้า ดงั แสดงในรูปท่ี 1.3 โดย แบตเ ตอ ร่ีชนิด ต่า ง ๆ จ ะมีค วา ม รปู ท่ี 1.3 คุณลกั ษณะ C-rate, SOC และ %DOD สมรรถนะ แตกตา่ งกนั ในดา้ นตา่ งๆ เชน่ วสั ดทุ ใ่ี ช้ ของแบตเตอรท่ี จ่ี าเป็นสาหรบั ยานยนต์ไฟฟ้า ส ร้า ง แบต เ ต อ ร่ี โค รง ส ร้า งของ แบตเตอร่ี ความจุ ประจุและค่าความต่างศกั ย์ของแบตเตอร่ี ซง่ึ ข้นึ อยู่กบั ชนิดของปฏกิ ริ ยิ าทเ่ี กิดข้นึ ท่ี ขวั้ บวกและขวั้ ลบของแบตเตอร่ชี นิดนัน้ ๆ รวมไปถึงลกั ษณะการใชง้ าน เช่น อุณหภูมทิ ใ่ี ช้ หรอื ปรมิ าณ ไฟทถ่ี ูกใชไ้ ป หรอื อตั ราการอดั ประจุ (C-rate) หรอื ปรมิ าณประจุของแบตเตอร่ี (SOC) ณ ขณะนัน้ ส่วน อายุการใช้งานแบตเตอร่ขี น้ึ อยู่กบั อุณหภูมทิ ใ่ี ชง้ าน ความรวดเรว็ ในการดงึ พลงั งานไปใช้ (Load level) ชนดิ และลกั ษณะอนุภาคของสว่ นประกอบขวั้ ชนิดของอเิ ลก็ โตรไลต์ และ %DOD เป็นตน้ ในช่วงปี ค.ศ. 1880 การใช้แบตเตอร่สี าหรบั ยานยนต์ไฟฟ้าเกดิ ขน้ึ ประมาณ 20 ปี หลงั จากการ คน้ พบแบตเตอรก่ี รดตะกวั่ ขน้ึ เป็นครงั้ แรก ถงึ แมว้ ่ายานยนต์ไฟฟ้าจะไดร้ บั ความนยิ มลดลงหลงั จากมกี าร ใช้เคร่ืองยนต์สันดาปภายในท่มี ีประสิทธิภาพสูงเพิ่มข้ึน ประกอบกับราคาของน้ามนั ท่ีถูกลง และ ระยะทางขบั เคลอ่ื นทไ่ี กลขน้ึ อยา่ งไรกต็ ามในชว่ งปี ค.ศ. 1970 พบว่ามกี ารใชย้ านยนตไ์ ฟฟ้าเพมิ่ มากขน้ึ โดยประเภทแบตเตอรท่ี ่ใี ชย้ งั เป็นประเภทกรดตะกวั่ เช่นเดมิ จนกระทงั่ ววิ ฒั นาการของแบตเตอรไ่ี ดร้ บั การพฒั นาเพมิ่ ขน้ึ อกี หลายประเภท โดยแบตเตอร่ที ไ่ี ดร้ บั ความนยิ มสาหรบั ใชง้ านในยานยนต์ไฟฟ้าใน ปัจจบุ นั มปี ระเภทดงั รายละเอยี ด 1.3.1 แบตเตอรี่ประเภทกรดตะกั่ว (Lead-Acid Battery) แบตเตอรป่ี ระเภทกรดตะกวั่ ถูกคดิ ค้นขน้ึ มาครงั้ แรกตงั้ แต่ปี ค.ศ. 1859 โดย Gaston Plante และ ไดร้ บั การพฒั นาอย่างรวดเรว็ ในชว่ งครสิ ต์ศตวรรษท่ี 19 โดยปัจจบุ นั เป็นแบตเตอรช่ี นดิ ทใ่ี ชก้ นั มากท่สี ุด ในยานยนต์ โดยใชเ้ ป็นแบตเตอรส่ี าหรบั ตดิ เคร่อื งยนตเ์ ป็นส่วนใหญ่ ทงั้ น้เี น่ืองจากแบตเตอรป่ี ระเภทน้ีมี ราคาถูกเน่อื งจากวสั ดทุ ใ่ี ชส้ ามารถหาไดง้ ่ายและมกี ระบวนการผลติ ไมซ่ บั ซอ้ น
บทที่ 1 ระบบแบตเตอรี่ | 5 แบตเตอร่ีประเภทกรดตะกัว่ มีขวั้ ลบทา จากตะกวั่ ท่มี ีลกั ษณะพรุน (Porous lead) ส่วน ขวั้ บวกเป็นตะกวั่ ออกไซด์ (PbO2) ท่มี ีลักษณะ พรุนเช่นเดยี วกัน โดยมกี รดกามะถนั หรือกรด ซัลฟิวรกิ (H2SO4) เขม้ ข้นเป็นสารละลายอเิ ล็ก โตรไลต์ และมปี ฏกิ ริ ยิ าเคมที เ่ี กดิ บนขวั้ ทงั้ สองใน ระหว่างการใชง้ าน (จ่ายประจ)ุ สามารถแสดงได้ ดงั น้ี รปู ท่ี 1.4 สว่ นประกอบแบตเตอรก่ี รดตะกวั่ Electrochemical reaction (Lead-Acid Battery): Pb(s) + PbO2 (S) + 2H2SO4 (Aq). Disch arg e 2PbSO4 (S) + 2H2O(L) Ch arg e PbSO4 (S) + 2e− Pb(s) + SO 2− ( Aq). Disch arg e PbSO4 (S) + 2H2O(L) 4 Ch arg e Disch arg e PbO (S) + 4H+ ( Aq) + SO 2− ( Aq) + 2e − . Ch arg e 4 2 ทงั้ น้ี ขณะท่ีใช้งานแบตเตอร่ี Pb และ PbO2 จะทาปฏิกิริยากับ SO42-เกิดเป็น PbSO4 (s) ท่ีทงั้ ขวั้ บวกและขวั้ ลบ โดยอเิ ลก็ ตรอนทเ่ี กดิ จากปฏกิ ริ ยิ าทข่ี วั้ ลบวงิ่ ผ่านวงจรขา้ งนอกไปยงั ขวั้ บวก กอ่ ใหเ้ กดิ ไฟฟ้าทส่ี ามารถนาไปใชง้ าน ส่วน H+ จะรวมตวั กบั O2 ทถ่ี ูกปล่อยออกมาจาก PbO2 กลายเป็นน้า ดงั นนั้ เมอ่ื อดั ประจุแบตเตอร่ี ปฏกิ ริ ยิ าน้จี ะเกดิ การยอ้ นกลบั ทาใหส้ ามารถนาแบตเตอรก่ี ลบั มาใชง้ านไดอ้ กี ขวั้ ทงั้ สองน้ีมีลกั ษณะพรุนเพ่อื ให้มพี ้นื ทผ่ี ิวท่จี ะทาปฏิกิรยิ า ซ่ึงก่อให้เกิดไฟฟ้าไดม้ ากข้นึ และส่งผลใหม้ ี กาลงั ไฟฟ้าสูงข้นึ การปล่อยแบตเตอร่ใี ห้อยู่ในสถานะท่ไี ฟหมดเป็นเวลานานทาให้เกิดผลึก PbSO4 ขนาดใหญ่ซึ่งไปอุดตันรูพรุนเหล่าน้ี ส่งผลให้ความต้านทานไฟฟ้าของขัว้ เพิ่มสูงข้ึนและเกิดการ เสอ่ื มสภาพของแบตเตอรใ่ี นทส่ี ุด นอกจากน้ี บางครงั้ เกิดการรวมตวั ของ H+ เป็นก๊าซ H2 และและ O2 เป็นก๊าซ O2 แพร่ออกจาก แบตเตอรด่ี งั นนั้ จงึ ตอ้ งมกี ารเตมิ นา้ กลนั่ อยูเ่ สมอเพ่อื ทดแทน H+ และ O2 ทเ่ี สยี ไป อย่างไรกต็ ามแบตเตอร่ี สมยั ใหมน่ นั้ ไม่ต้องเติมน้ากลนั่ บ่อยครงั้ เน่ืองจากกล่องของแบตเตอร่ไี ดถ้ ูกออกแบบมาใหเ้ อ้อื อานวยตอ่ การรวมตัวของก๊าซไฮโดรเจนและออกซิเจนให้กลัน่ ตัวเป็นน้า (Sealed/valve regulated lead acid battery หรอื Gel battery) แบตเตอรช่ี นิดกรดตะกวั่ มคี วามจุพลงั งานต่อน้าหนักและปรมิ าตรต่า การใช้งานในยานยนตจ์ งึ มกั ใช้สาหรบั การติดเคร่อื งยนต์ในรถยนต์ขนาดทวั่ ไป แต่ก็เป็นทน่ี ิยมใช้ในในการขบั เคล่อื นยานยนต์ ไฟฟ้าขนาดเลก็ เป็นอยา่ งมาก โดยแบตเตอรก่ี รดตะกวั่ สามารถแบง่ ประเภทย่อยไดอ้ กี 3 ประเภท [3] คอื
บทที่ 1 ระบบแบตเตอร่ี | 6 ก. แบตเตอรก่ี รดตะกวั่ สาหรบั ตดิ เครอ่ื งยนต์ (Starting Lighting Ignition หรอื SLI Battery) ซงึ่ เป็นแบตเตอรก่ี รดตะกวั่ ทม่ี สี ดั สว่ นการใชง้ านมากทส่ี ดุ โดยถูกใชส้ าหรบั งานทต่ี อ้ งการกระแสไฟฟ้าสงู เป็นระยะสนั้ เช่น สาหรบั ตดิ เคร่อื งยนตใ์ นรถยนต์ หรอื ตดิ เคร่อื งยนตส์ าหรบั เครอ่ื งจกั ร ทงั้ น้ี แบตเตอร่ี สาหรบั ตดิ เครอ่ื งยนตจ์ ะมอี ายกุ ารใชง้ านสนั้ ประมาณ 1.5-3 ปี ข. แบตเตอรกี่ รดตะกวั่ แบบ Deep cycle หรอื Traction battery ซงึ่ เป็นแบตเตอรท่ี ส่ี าหรบั ใช้ งานทต่ี ้องมกี ารจ่ายกระแสต่อเน่ืองเป็นระยะเวลานาน โดยมกี ารใช้งานอยู่หลายประเภท เช่น สาหรบั ยานยนต์ไฟฟ้า รถกอล์ฟ รถ forklift อุปกรณ์ทางการแพทย์ หรอื สาหรบั เกบ็ ไฟฟ้าจากแหล่งพลงั งาน หมนุ เวยี นอ่นื เชน่ จากเซลลแ์ สงอาทติ ย์ หรอื จากกงั หนั ลม เป็นตน้ ค. แบตเตอร่ีกรดตะกวั่ แบบ Stationary ซึ่งแบตเตอรช่ี นิดน้ีเป็นแบตเตอร่ที ่ถี ูกออกแบบมา ให้สามารถจ่ายกระแสต่อเน่ืองเป็นระยะเวลานาน แต่แบตเตอร่ชี นิดน้ีต่างจากแบตเตอร่ปี ระเภท deep cycle โดยท่มี กั ใช้งานในสถานะประจุถูกอดั อยู่เตม็ อยู่ตลอดเวลา และมกี ารใชง้ านเป็นครงั้ คราวเทา่ นั้น มกั ใชเ้ พอ่ื การสารอง ไฟฟ้าเวลาฉุกเฉนิ (UPS) และใชง้ านอยกู่ บั ท่ี ดงั นนั้ ความจพุ ลงั งานตอ่ นา้ หนักจงึ ไม่ มีความสาคญั เท่าแบตเตอร่ีประเภท deep cycle ท่ีต้องมีการเคล่ือนท่ีจึงมีขนาดค่อนขา้ งใหญ่กว่า แบตเตอรป่ี ระเภทอน่ื ทค่ี วามจุเดยี วกนั แบตเตอรช่ี นดิ น้ไี ดถ้ ูกออกแบบใหม้ อี ายุการใชง้ านนานกว่า 3 ปี และอาจจะใชง้ านไดน้ านถงึ 5-10 ปี ตารางที่ 1.2 ขอ้ ด-ี ขอ้ เสยี แบตเตอรป่ี ระเภทกรดตะกวั่ ข้อดี ขอ้ เสีย - มรี าคาถูกกวา่ แบตเตอรช่ี นดิ อ่นื และ - มคี วามจขุ องพลงั งานตอ่ น้าหนักต่า - มคี วามซบั ซอ้ นน้อยจงึ สามารถผลติ ไดง้ ่าย - มนี ้าหนกั มาก - มคี วามทนทานหากใชง้ านอย่างถกู ตอ้ ง - แบตเตอรจ่ี ะเส่อื มสภาพเรว็ หากไม่มปี ระจุ - มกี ารพฒั นามานานแลว้ หาขอ้ มลู ตา่ งๆ ไดง้ ่าย - ตะกวั่ และกรดซง่ึ เป็นสว่ นประกอบหลกั เป็นพษิ - มรี ะดบั การคายประจุดว้ ยตวั เองต่า - มรี ะเบยี บทเ่ี ขม้ งวดในการขนส่ง - ไมต่ อ้ งการการบารงุ รกั ษามากนัก (แบบแหง้ ) - อาจเกดิ การรวั่ ซมึ ของกรด (แบบเปียก) - ไมเ่ กดิ ปัญหา Memory Effect - สามารถคายประจุ (Discharge) ไดม้ าก - มขี นาดใหเ้ ลอื กหลากหลาย 1.3.2 แบตเตอรี่ประเภทนกิ เกลิ -แคดเมียม (Nickel-Cadmium) แบตเตอรช่ี นดิ นิเกลิ -แคดเมยี มเป็นแบตเตอรท่ี ตุ ยิ ภมู ชิ นิดอลั คาไลน์ชนิดแรก โดยช่อื อลั คาไลน์นนั้ มาจากสารอเิ ลก็ โตรไลต์ทใ่ี ชซ้ งึ่ มธี าตุในหม่อู ลั คาไลน์เป็นส่วนประกอบ เชน่ สารละลายโปแตสเซยี มไฮดร อกไซดใ์ นนา้ (KOH) เป็นตน้
บทที่ 1 ระบบแบตเตอรี่ | 7 แบตเตอร่ีชนิดน้ีเป็นท่ีรู้จกั ในนาม “ไน แคด” โดยไนแคดได้ถูกค้นพบมานานกว่า ศตวรรษโดยนักวิทยาศาสตร์ชาวสวีเดน แต่ ไม่ได้นาเข้าส่ตู ลาดจนกระทงั่ ช่วงเวลา 40 ปีท่ี ผา่ นมา ขอ้ ดขี องแบตเตอรช่ี นดิ น้อี ยู่ทไ่ี ม่ตอ้ งการ การดูแลรกั ษา เช่น การเติมน้ากลนั่ เก็บไว้ได้ นานไม่ว่าจะ อยู่ใน สถานะท่ีมีประจุไฟฟ้ าเต็ม หรือไม่ สามารถอดั ประจุไฟฟ้าได้เร็ว ใช้ได้ท่ี อุณหภูมติ ่าและค่าความต่างศกั ย์ขณะใช้งาน รปู ที่ 1.5 ส่วนประกอบแบตเตอร่ี Ni-Cd คงท่ี อย่างไรก็ตามแบตเตอรป่ี ระเภทน้ีมขี อ้ เสยี คอื ราคาวตั ถุดิบและราคาการผลติ ท่สี งู กว่าแบตเตอร่ี แบบกรดตะกวั่ มากอีกทงั้ แบตเตอร่ชี นิดน้ียงั มี Memory effect ซ่ึงหมายถึงสภาวะท่แี บตเตอร่เี ส่อื ม เน่ืองจากการถูกใช้งานไมห่ มดกอ่ นถูกอดั ประจุไฟฟ้าอกี ครงั้ และมคี วามสูญเสยี ทางประจไุ ฟฟ้ามากกวา่ แบตเตอรป่ี ระเภทกรดตะกวั่ องค์ประกอบหลักของแบตเตอร่ีชนิดน้ีมี ขวั้ ลบซ่ึงเป็นแคดเมียม (Cd) ขวั้ บวกเป็นนิกเกิล ออกไซด์ (NiO(OH)) โดยมีสารละลายโปแตสเซียมไฮดรอกไซด์ในน้า (KOH) เป็นอิเล็กโตรไลต์ของ แบตเตอร่แี บบอลั คาไลน์นีซึ่งต่างจากแบตเตอรช่ี นิดกรดตะกวั่ ตรงท่อี เิ ลก็ โตรไลต์ไม่ไดร้ ่วมทาปฏกิ ริ ยิ า กบั ขวั้ แบตเตอรโ่ี ดยตรงเพยี งแต่เป็นตวั นาไอออนเท่านนั้ อย่างไรกต็ าม เน่อื งจากแคดเมยี มเป็นสารมพี ษิ ทค่ี ่อนขา้ งรา้ ยแรง การใชง้ านและพฒั นาแบตเตอรช่ี นดิ น้จี งึ ไม่ไดร้ บั การสนับสนุนมากนัก การพฒั นายาน ยนต์ไฟฟ้าโดยใชแ้ บตเตอรไ่ี นแคดจงึ มอี ยนู่ ้อยมาก Electrochemical reaction (Nickel-Cadmium): Cd(s) + 2NiO(OH)(s) + 2H2O(l). Disch arg e Cd(OH)2(s) + 2Ni(OH)2(s) Cd(s) + 2OH2−(Aq). Ch arg e Cd(OH)2(S) + 2e− Disch arg e Ni(OH)2(s) + OH−(aq) NiO(OH)(s) + H2O(aq) + e−. Ch arg e Disch arg e Ch arg e ตารางท่ี 1.3 ขอ้ ด-ี ขอ้ เสยี แบตเตอรป่ี ระเภทนกิ เกลิ -แคดเมยี ม ข้อดี ขอ้ เสีย - กาลงั ไฟสงู - แคดเมยี มทใ่ี ชเ้ ป็นพษิ ตอ่ สง่ิ แวดลอ้ ม - มปี ัญหา Memory Effect - ไมส่ ามารถอดั ประจุในขณะทแ่ี บตเตอรย่ี งั มปี ระจุ - แบตเตอรไ่ี มจ่ ดจาระดบั การอดั ประจุสงู สุดได้
บทที่ 1 ระบบแบตเตอร่ี | 8 1.3.3 แบตเตอรปี่ ระเภทนกิ เกลิ -เมทัลไฮไดรด์ (Ni-MH Battery) แบตเตอรช่ี นิดน้ีอาศยั ปฏกิ ิรยิ าเคมที ่มี ขี ัว้ ลบซ่ึงเป็นโลหะผสม (M) ท่สี ามารถทาปฏกิ ิรยิ า กบั ไฮโดรเจนเกิดเป็นเมทลั ไฮไดรด์ ได้ โดยโลหะ พวกน้ีมกั มตี วั ย่อทางเคมอี ยู่ในรูปแบบของ AB2 ห รือ AB5 เ ช่ น ZrNi2 ห รือ LaNi5 ส่ ง ผ ล ใ ห้ แบตเตอรป่ี ระเภทนิกเกลิ -เมทลั ไฮไดรดม์ คี วามจุ พลงั งานสงู กวา่ แบตเตอรป่ี ระเภทกรดตะกวั่ มาก รปู ท่ี 1.6 สว่ นประกอบแบตเตอร่ี Ni-MH Electrochemical reaction (Nickel-MH): MH(s) + NiO(OH)(s). Disch arg e M(s) + Ni(OH)2(s) MH(s) + OH2− (aq). Ch arg e M(s) + H2O(l) + e− Disch arg e Ni(OH)2(s) + OH−(aq) NiO(OH)(s) + H2O(l) + e−. Ch arg e Disch arg e Ch arg e การพฒั นาด้านอายุการใช้งานและความปลอดภยั ทาให้แบตเตอร่แี บบนิกเกลิ -เมทลั ไฮไดรด์ ได้ ถูกนาไปใชใ้ นยานยนต์ไฟฟ้าประเภทไฮบรดิ ในยุคแรกทผ่ี ลติ โดยบรษิ ทั โตโยตา้ จากดั ซง่ึ พฒั นาร่วมกบั บริษัท Panasonic EV Energy จากดั ซึ่งเป็นบรษิ ัทลูกของบรษิ ัท พานาโซนิค จากดั อย่างไรก็ตาม แบตเตอรช่ี นดิ น้ไี ม่เป็นทน่ี ยิ มสาหรบั ยานยนต์ไฟฟ้าขนาดเลก็ เน่อื งจากราคาแพงเม่อื เทยี บกบั แบตเตอร่ี ประเภทกรดตะกวั่ ในขณะเดยี วกนั ประสทิ ธภิ าพโดยรวม เช่น ความจุพลงั งาน อายุการใช้งาน และการ บารุงรกั ษา นัน้ ยงั คงดอ้ ยกว่าแบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี มไอออนซง่ึ ขณะน้ีเป็นแบตเตอร่ที ุตยิ ภูมทิ ่ใี ช้กัน อยา่ งแพรห่ ลายทส่ี ุด เน่อื งจากแบตเตอรป่ี ระเภทนกิ เกลิ -เมทลั ไฮไดรด์ จะเส่อื มสภาพหากไมถ่ ูกใชง้ าน ตารางที่ 1.4 ขอ้ ด-ี ขอ้ เสยี แบตเตอรป่ี ระเภทนกิ เกลิ -เมทลั ไฮไดรด์ ขอ้ ดี ข้อดอ้ ย - กาลงั ไฟสงู - ราคาคอ่ นขา้ งสงู - ใชเ้ มทลั ไฮไดรด์ ซง่ึ ไมม่ ผี ลกระทบตอ่ สง่ิ แวดลอ้ ม - มปี ัญหา Memory Effect - มคี วามหนาแน่นพลงั งานสงู - ไม่สามารถอดั ประจุในขณะทแ่ี บตเตอรย่ี งั มปี ระจุ - อายกุ ารใชง้ านนาน - ไม่จดจาระดบั การอดั ประจุสงู สุดได้ - จานวนวฏั จกั รการอดั ประจุ (Charge) สงู - คายประจุ (Discharge) สงู
บทท่ี 1 ระบบแบตเตอร่ี | 9 1.3.4 แบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี มไอออน (Li-ion Battery) เน่ืองจากขอ้ จากดั ทางความจุพลงั งานของ แบตเตอรช่ี นิดต่างๆ ขา้ งตน้ การพฒั นาแบตเตอร่ี จงึ มุ่งไปส่กู ารคดิ คน้ แบตเตอรช่ี นิดลเิ ทยี มไอออน โ ด ย แ ร่ ลิเ ทีย ม มีข้อ ไ ด้ เ ป รีย บ ก ว่ า ส า ร ท่ี ใ ช้ ใ น แบตเตอร่ีชนิดอ่ืนๆ ในด้านพลังงานต่อน้าหนัก เน่อื งจากลเิ ทยี มเป็นธาตทุ ม่ี นี ้าหนักเบาเกอื บทส่ี ุด ในตารางธาตุและมีค่าความเสถียรต่า ซ่ึงทาให้ แบตเตอรป่ี ระเภทน้มี คี า่ ความต่างศกั ดแิ์ ละความจุ พลงั งานมากทส่ี ุดเม่อื เทยี บกบั แบตเตอรป่ี ระเภท อ่นื ๆ ดงั ทก่ี ล่าวมาขา้ งตน้ รปู ท่ี 1.7 สว่ นประกอบแบตเตอร่ี Li-ion นอกจากน้ีแบตเตอร่ปี ระเภทลิเทยี มไอออนยงั ไม่มปี ัญหาเร่อื ง memory effect อีกทงั้ ยงั มคี วาม สญู เสยี ทางประจไุ ฟฟ้าต่าในขณะไม่ใช้งาน ทงั้ น้ีทาง บรษิ ทั โซนี่ จากดั ไดน้ าเสนอแบตเตอรช่ี นดิ น้ีออก ส่ตู ลาดเม่อื ปี ค.ศ.1991 และภายในระยะเวลาอนั สนั้ ความตอ้ งการของตลาดได้เพม่ิ สูงข้นึ อย่างรวดเรว็ โดยเฉพาะการใชง้ านสาหรบั อุปกรณ์ไฟฟ้าแบบพกพา แม้ว่าแบตเตอร่ชี นิดน้ีจะใช้ได้ไม่ดเี ทยี บเท่ากบั แบตเตอร่ปี ระเภทไนแคดหรือนิกเกิล-เมทลั ไฮไดรด์ ในช่วงอุณหภูมิต่าและค่ากาลงั ต่อน้าหนักและ ปรมิ าตรจะไมส่ งู นกั กต็ าม แบตเตอร่ชี นิดลเิ ทียมไอออนในปัจจุบนั ใช้ LiCoO2 โลหะออกไซด์อ่ืนๆ หรือสารประกอบ ฟอสเฟตเช่น LiMn2O4 (LMO), LiNiO2 (LNO), Li- Mn-Ni-Co-O2 (NMC), LiFePO4 เป็นขวั้ บวก และ คารบ์ อนเป็นขวั้ ลบ มสี ารละลายอนิ ทรยี ข์ องเกลอื ท่ี มี Li+ เป็นสว่ นประกอบเป็นอเิ ลก็ โตรไลต์ ปฏกิ ริ ยิ า ท่กี ่อให้เกิดไฟฟ้าในแบตเตอร่ชี นิดน้ีเกดิ จากการ แพรข่ อง Li+ จากขวั้ ลบทม่ี พี ลงั งานศกั ยท์ างเคมสี งู ไปยงั ขวั้ บวกซง่ึ มพี ลงั งานศกั ยต์ ่ากว่า หากแต่การ แพร่ของสารนัน้ จะเกดิ ข้นึ ไดต้ ่อเม่อื ประจุรวมของ สารท่แี พร่ทงั้ หมด (ไอออนบวก ไอออนลบ และ อเิ ลก็ ตรอน) มคี า่ เป็นกลาง เน่อื งจากอเิ ลก็ โตรไลต์ ไม่สามารถเป็นส่อื นาอเิ ลก็ ตรอนได้ การแพร่ของ Li+ จะเกิดข้ึนได้ก็ต่อเม่ือมีวงจรภายนอกต่อให้ รปู ที่ 1.8 หลกั การทางานการคายประจุ (Discharge) อิ เ ล็ ก ต ร อ น ว่ิ ง ผ่ า น จ า ก ขั ้ว ล บ ไ ป ยั ง ขั ้ว บ ว ก ของแบตเตอรล่ี เิ ทยี มไอออน ก่อใหเ้ กดิ ไฟฟ้าทเ่ี ราสามารถนาไปใชไ้ ด้
บทท่ี 1 ระบบแบตเตอร่ี | 10 นอกจากน้นี ักวจิ ยั ไดพ้ ฒั นานาวสั ดชุ นดิ ใหม่ มาใช้ในส่วนต่างๆ ของแบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี ม ไอออน เช่น Li-Mn-Ni-Co-O2-Fe-PO ใชเ้ ป็นวสั ดุ สาหรับขัว้ บวก (Cathode) และ Metal-based oxide หรือวัสดุประเภท โลหะ เช่น กราไฟรต์ (LiC6) เจอมอเนียม หรือแม้กระทงั้ ซิลิกอน (Si) เพ่ือใช้เป็นขัว้ ลบ (Anode) แทนท่ีคาร์บอน ดัง แสดงในรูปท่ี 1.9 เกย่ี วกบั ค่าสมรรถนะต่างๆ ของ วัสดุท่ีนามาใช้ ควบคู่ไปกับการค้นคว้าพัฒนา สารละลายอิเล็กโตรไลต์ท่ีเหมาะสมกบั ขวั้ ชนิด ใหม่ เพ่อื พฒั นาแบตเตอรท่ี ม่ี ปี ระสทิ ธภิ าพสูงข้นึ และราคาถกู ลง รูปที่ 1.9 พลงั งานขวั้ บวกและขวั้ ลบของแบตเตอร่ี ลเิ ทยี มไอออน ตารางที่ 1.5 ขอ้ ด-ี ขอ้ เสยี แบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี มไอออน ข้อดี ขอ้ ดอ้ ย - มคี า่ พลงั งานตอ่ น้าหนกั สงู - อายกุ ารใชง้ านค่อนขา้ งสนั้ - ไม่มปี ัญหา Memory Effect - ความตา้ นทานในเซลล์เพม่ิ ขน้ึ ตามรอบการอดั - มอี ตั ราการคายประจตุ ามต่ากว่าแบตเตอรอ่ี ่นื - ประสทิ ธภิ าพในการคายประจุลดลงเร่อื ยๆ - ตอ้ งมอี ุปกรณแ์ ละโครงสรา้ งดา้ นความปลอดภยั หากพิจารณาเปรียบเทียบสมบัติของ แบตเตอร่ีประเภทต่างๆ ท่ีใช้สาหรับยานยนต์ ไฟฟ้า ดังแสดงในรูปท่ี 1.10 และตารางท่ี 1.6 พบว่ามเี ทคโนโลยีแบตเตอร่ที ่มี คี วามเหมาะสม กว่าแบตเตอร่ปี ระเภทกรดตะกวั่ เช่น แบตเตอร่ี ประเภทลเิ ทยี มไอออน ซ่งึ มคี ่าความจพุ ลงั งานสงู ท่ีสุดสุดเม่ือเทียบกบั แบตเตอร่ีท่ีนิยมใช้ในยาน ยนต์ทงั้ หมด มอี ายุการใช้งานนานกว่า อดั ประจุ ไฟฟ้าได้รวดเร็วกว่า ความต่างศักย์สูงกว่าซ่ึง ส่งผลให้ไม่จาเป็ นต้องต่อแบตเตอร่ีหลายเซลล์ และต้องการการดูแลรกั ษาท่นี ้อยกว่าแบตเตอร่ี รูปที่ 1.10 เปรียบเทียบพลังงานต่อขนาดของ แบตเตอรแ่ี บบต่างๆ ประเภทกรดตะกวั่ และแบตเตอรป่ี ระเภทนิกเกลิ
บทที่ 1 ระบบแบตเตอรี่ | 11 ทาให้แบตเตอร่ปี ระเภทน้ีเป็นท่นี ิยมอย่างมากในปัจจุบันสาหรบั การใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้า ทวั่ ไป อย่างไรก็ตามจากรายงานของ Pike Research [19] จะเหน็ ไดว้ ่าแบตเตอร่กี รดตะกวั่ ยงั คงไดร้ บั ความนิยมสาหรบั การใช้งานในยานยนตไ์ ฟฟ้าขนาดเลก็ โดยเฉพาะรถจกั รยานยนต์ไฟฟ้า ทงั้ น้ีเป็นผล เน่ืองมาจากลกั ษณะของการใชแ้ ละกลุ่มผูซ้ ้อื ซง่ึ มกั ขบั ขใี่ นระยะใกล้ และเป็นตลาดซง่ึ คานึงถึงราคาและ ค่าใชจ้ ่ายเม่อื ซ้อื เป็นหลกั แมว้ ่าหากคานงึ ถงึ ระยะยาวแลว้ ราคาของแบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี มไอออนตอ่ จานวนครงั้ ในการใชง้ านจะถกู กวา่ เมอ่ื ใชง้ านในเขตรอ้ นชน้ื เช่น ประเทศไทย ตารางที่ 1.6 คุณสมบตั ขิ องแบตเตอรป่ี ระเภทต่างๆ
บทท่ี 2 มอเตอร์ไฟฟ้า บทน้ีจะนำเขำ้ สู่เน้ือหำเกี่ยวกับหวั ใจหลักของกำรทำงำนของรถจกั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ นัน้ ก็คอื มอเตอร์ไฟฟ้ำ มอเตอร์ท่ใี ชก้ นั ทวั่ ไปมหี ลำกหลำยชนิด หลำกหลำยรูปทรงและหลำกหลำยขนำด หำก เปรียบเทยี บกับเคร่อื งยนต์สนั ดำปภำยในกบั เคร่อื งยนต์ไฟฟ้ำนัน้ มคี วำมต่ำงกันมำกในหลำยส่วน มอเตอร์ไฟฟ้ำไม่เหมอื นกบั เคร่อื งยนต์สนั ดำปภำยในท่ตี อ้ งมกี ำรบำรุงรกั ษำช้นิ ส่วนต่ำงๆ กำรบรกิ ำร ตำมระยะทำง พรอ้ มทงั้ กำรปลอ่ ยมลพษิ สอู่ ำกำศ แตม่ อเตอรจ์ ะชว่ ยให้มกี ำรลดปรมิ ำณกำรปลอ่ ยมลพษิ และมกี ำรบำรุงรกั ษำชน้ิ สว่ นต่ำงๆ ไดน้ อ้ ยลง ประสิทธิภำพกำรทำงำนมอเตอร์ไฟฟ้ ำมี รูปที่ 2.1 ส่วนประกอบจกั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ มำกกว่ำเคร่อื งยนต์สนั ดำปภำยใน ประสิทธิภำพกำร ใชม้ อเตอรต์ น้ กำลงั ขบั ลอ้ ทำงำนของมอเตอร์ไฟฟ้ ำท่ีสร้ำงแรงขับให้กับล้อ โดยตรงมปี ระมำณ 85 - 90 เปอร์เซ็นต์ ท่ใี ชใ้ นกำรขบั ล้อได้โดยตรง ส่วนของเคร่ืองยนต์สนั ดำปภำยในมี ประสิทธภิ ำพเพยี ง 15 - 20 เปอร์เซ็นต์ เม่อื ใช้ในกำร ขบั ล้อ ส่วนอีก 80 – 85 เปอร์เซ็นต์ สูญเสยี ไปกบั กำร ถ่ำยเทควำมร้อน แรงเสยี ดทำนของช้นิ ส่วนภำยในของ เคร่ืองยนต์ท่ีมีกำรเคล่ือนท่ี และกำรส่งถ่ำยกำลัง ระหว่ำงเคร่อื งยนตแ์ ละชดุ เกยี ร์ ในกำรเลอื กมอเตอรไ์ ฟฟ้ำในยำนพำหนะไฟฟ้ำ รปู ที่ 2.2 กรำฟลกั ษณะควำมเรว็ กำลงั ของ มคี วำมสำคญั มำก เม่อื เรม่ิ ใชง้ ำนต้องมคี ่ำแรงบดิ สงู ใน มอเตอรย์ ำนยนตไ์ ฟฟ้ำ กำรออกตวั และกำลงั ขบั ในขณะขบั เคล่อื นท่คี วำมเรว็ สูง ดงั แสดงในรูปท่ี 2.2 กำลงั ของมอเตอรท์ งั้ ขนำดเล็ก และใหญ่ ตอ้ งมกี ำลงั ขบั ทม่ี ำกพอใหเ้ หมำะสมกบั กำรใช้ งำน ในบทควำมต่อจำกน้ี จะทำให้เกิดควำมเข้ำใจ เกยี่ วกบั มอเตอรไ์ ฟฟ้ำสำหรบั ยำนพำหนะ เพอ่ื นำมำใช้ เป็นควำมรู้ เพ่อื เลอื กมอเตอร์สตำรท์ ไดอ้ ย่ำงเหมำะสม กบั กำรใชง้ ำน ในแตล่ ะประเภท
บทที่ 2 มอเตอรไ์ ฟฟา้ | 13 2.1 หลกั การทำงานของมอเตอร์ไฟฟา้ รปู ท่ี 2.1 หลกั กำรทำงำนของมอเตอร์ ไฟฟ้ำ ม อ เ ต อ ร์ ถู ก อ อ ก แ บ บ ม ำ เพ่ือ เ ป็ น อุป ก รณ์ท่ี เปล่ียนแปลงพลังงำนไฟฟ้ำให้เป็นพลังงำนกล จะมีกำร รูปท่ี 2.2 หลักกำรกำรเคล่ือนท่ีของ ทำงำนเม่ือมีกระแส I ไหลผ่ำนขดลวดตัวนำภำยใน สนำมแม่เหลก็ สนำมแม่เหล็ก จะทำให้เกดิ แรง F ข้นึ ในทศิ ทำงตงั้ ฉำก ดงั รูปท่ี 2.1 หำกนำกฎสกรูเกลยี วขวำของแอมแปร์มำพจิ ำรณำ เม่ือทำให้กระแสไฟฟ้ ำไหลเข้ำไปในเส้นลวดตัวนำ สนำมแม่เหลก็ รอบๆ เส้นลวดตวั นำจะเกดิ ข้นึ ในทศิ ทำงตำม เขม็ นำฬกิ ำ เมอ่ื ใหเ้ สน้ ลวดตวั นำทำงไฟฟ้ำทม่ี กี ระแส I ไหล ผ่ำน อยู่ในระหว่ำงขวั้ แม่เหลก็ N (ขวั้ เหนือ) และ S (ขวั้ ใต้) จะมีเส้นแรงแม่เหล็กสองชุด ชุดท่ีหนึ่งเกิดจำกเส้นแรง แมเ่ หลก็ รอบๆ เสน้ ลวดตวั นำ F อกี ชดุ หนึง่ เกดิ จำกกำรไหล ของเส้นแรงแม่เหล็กระหว่ำง N และ S จะเกิดเส้นแรง แม่เหลก็ ทท่ี ศิ ทำงต่ำงกนั และทศิ ทำงตำมกนั ดำ้ นทม่ี เี สน้ แรง แม่เหล็กท่มี ที ศิ ทำงต่ำงกนั เส้นแรงแม่เหลก็ ก็จะหกั ล้ำงกัน ทำให้เส้นแรงแม่เหล็กด้ำนนัน้ อ่อนลง ส่วนทำงด้ำนท่ีมี ทศิ ทำงตำมกนั กจ็ ะมคี วำมเขม้ ของเสน้ แรงแม่เหล็กมำกขน้ึ ทำใหเ้ กดิ กำรผลกั ดนั จำกกำรสรำ้ งแรงบดิ เกดิ กำรหมุนขน้ึ ขัว้ แม่เหล็กแต่ละขัว้ มีสนำมแม่เหล็ก (Magnetic Field) เกดิ ขน้ึ ควำมเขม้ ของสนำมแม่เหลก็ เกดิ ขน้ึ มำทป่ี ลำย ขวั้ ทงั้ สองสนำมแมเ่ หลก็ แผ่ออกรอบขวั้ แม่เหล็ก วงิ่ เคล่อื นท่ี ประสำนกันระหว่ำงขวั้ แม่เหล็กทงั้ สอง กำรเคล่ือนท่ขี อง สนำมแม่เหล็กจะเคล่ือนท่ีจำกขวั้ เหนือ N ไปหำขวั้ ใต้ S เสมอ กำรเคล่ือนท่ีดังกล่ำวทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็ก (Magnetic Line of Force) ข้นึ มำรอบแท่งแมเ่ หล็ก ดงั แสดง ในรปู 2.2 เม่ือทดลองนำเส้นลวดตัวนำไปสอดไว้ระหว่ำง ขวั้ แม่เหล็ก N และ S จะเห็นได้ว่ำเสน้ แรงแม่เหล็กจะไหล จำก N ไปยงั S ตำมหลกั กำรทไ่ี ดก้ ลำ่ วไปแลว้ ส่วนทำงดำ้ น เส้นแรงแม่เหล็กรอบขดลวดตวั นำจะไหลวนหมุนตำมเขม็ นำฬกิ ำ ตำมกฎของเฟรมมงิ่ ทท่ี ำใหเ้ กิดกำรหมนุ มอเตอร์
บทที่ 2 มอเตอรไ์ ฟฟา้ | 14 2.2 ชนดิ ของมอเตอรไ์ ฟฟา้ มอเตอรม์ หี ลำกหลำยชนิดทใ่ี ชก้ นั ในเครอ่ื งยนตไ์ ฟฟ้ำ กำรใชง้ ำนใหเ้ หมำะสมกบั ชนิดของงำนแต่ ละแบบ เพอ่ื ใหเ้ กดิ ประโยชน์สงู สดุ โดยมอเตอรไ์ ฟฟ้ำแบง่ เป็น 2 ประเภท คอื มอเตอรแ์ บบกระแสตรง (DC Motor) และมอเตอรก์ ระแสสลบั (AC Motor) 2.2.1 มอเตอรไ์ ฟฟ้ากระแสตรง (Direct Current Motor) มอเตอร์กระแสตรงเป็นรูปแบบของมอเตอร์ท่มี คี วำมซับซ้อนในกำรจ่ำยพลังงำนไฟฟ้ำน้อย เน่ืองจำกมอเตอร์กระแสตรงสำมำรถรบั ไฟฟ้ำกระแสตรงจำกแหล่งจ่ำย เช่น แบตเตอร่ี และสำมำรถ ทำงำนได้โดยไม่ต้องกำรระบบไฟฟ้ำกำลงั เพมิ่ เติม โดยมอเตอรก์ ระแสตรงทไ่ี ด้รบั ควำมนิยมนำมำใช้ สำหรบั ยำนยนต์ไฟฟ้ำ สำมำรถแบ่งเป็นประเภทย่อยได้อีก 2 ประเภท คอื มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมี แปรงถ่ำน และ มอเตอรก์ ระแสตรงแบบไรแ้ ปลงถำ่ น 1) มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน (Brush DC motor หรือ BDC) มอเตอร์กระแสตรง แบบมแี ปรงถ่ำนประกอบดว้ ยแกนหมุน (Rotor) โดยมขี ดลวดเหน่ียวนำ (Armature) หลำยชุดอยู่รอบๆ เพ่ือรับกระแสไฟฟ้ำจำกคอมมิวเทเตอร์ (Commutator) ท่ีต่ออยู่กับปลำยของขดลวดเพ่ือสร้ำง สนำมแม่เหลก็ ผลกั หรอื ดดู กบั แมเ่ หลก็ ถำวรบนสเตเตอร์ (Stator) ทำใหม้ อเตอรส์ ำมำรถหมนุ ได้ ดงั แสดง ในรูปท่ี 2.3 โดยคอมมิวเทเตอร์นั้นมีหน้ำสมั ผัสกับแปรงถ่ำนเพ่ือรับกระแสไฟจำกสำยส่งไฟฟ้ำ กระแสตรงจำกภำยนอก กำรทำงำนของมอเตอร์กระแสตรงแบบมแี ปรง ถ่ำนเรม่ิ จำกแหล่งจ่ำยไฟฟ้ำกระแสตรงจ่ำยไฟฟ้ำผ่ำน ขวั้ ทต่ี อ่ อยกู่ บั แปรงถำ่ นไปยงั ขดลวด เม่อื มกี ระแสไฟฟ้ำ ไหลผ่ำนขดลวดจะเกดิ สนำมแม่เหล็กข้นึ ซ่ึงหำกมขี วั้ ตรงขำ้ มกบั สนำมแม่เหลก็ ท่ตี ดิ อยู่กบั สเตเตอรก์ ็จะดูด กัน แต่หำกมีขัว้ เหมือนกันจะผลักกันส่งผลให้เกิด แรงบดิ และทำใหแ้ กนหมุน ทงั้ น้ี กำรจดั วำงแปรงถ่ำนท่ี สมั พทั ธก์ บั กำรหมุนของคอมมวิ เทเตอร์ ทำใหเ้ มอ่ื แกน หมุนเคล่อื นท่ี แปรงถ่ำนจะสมั ผสั กบั คอมมวิ เทเตอรช์ ดุ ใหม่ ซึ่งจะสรำ้ งสนำมแม่เหลก็ ในทศิ ทำงใหม่ ส่งผลให้ รูปที่ 2.3 ส่วนประกอบกำรทำงำนมอเตอร์ กระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำน เกดิ กำรหมุนของแกนอยำ่ งต่อเน่อื ง มอเตอร์กระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำนมขี อ้ ดคี ือมโี ครงสร้ำงท่ไี ม่ซบั ซ้อน แขง็ แรงและเช่อื ถอื ได้ สำมำรถตอ่ กบั แบตเตอรไ่ี ดโ้ ดยตรง มสี ำยไฟเพยี ง 2 เสน้ ทต่ี ่อเขำ้ ไปยงั มอเตอร์ทำใหจ้ ดั ระเบยี บสำยไฟ ไดง้ ่ำย และทนทำนต่อกำรใชง้ ำนในสภำวะสนั่ สะเทอื น จงึ ได้รบั ควำมนิยมถูกนำมำใชใ้ นยำนยนต์ไฟฟ้ำ ควำมเรว็ ต่ำ เช่น รถกอล์ฟไฟฟ้ำ เป็นต้น อย่ำงไรก็ตำมมอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำนนนั้ มขี อ้ เสยี บำงประกำร ไดแ้ ก่ แปรงถำ่ นจะยดื ตวั ไดน้ ้อยลงเน่อื งมำจำกกำรสกึ กรอ่ นของคอมมวิ เทเตอร์ นอกจำกน้ี
บทท่ี 2 มอเตอร์ไฟฟ้า | 15 มอเตอร์ประเภทดงั กล่ำวยงั มปี ระสทิ ธภิ ำพทต่ี ่ำลงเม่อื ใช้งำนท่คี วำมเร็วรอบสูง เน่ืองจำกกำรเสยี ดสี ระหวำ่ งคอมมวิ เทเตอรแ์ ละแปรงถ่ำน นอกจำกน้กี ำรใชส้ นำมแม่เหลก็ เหนีย่ วนำขดลวดในแกนหมุนจะทำ ใหเ้ กดิ แรงดนั ไฟฟ้ำยอ้ นกลบั (Back Voltage) ขน้ึ ในขดลวดตำ้ นกบั แรงดนั ไฟฟ้ำจำกแหล่งจ่ำยได้ ซงึ่ มี ผลใหก้ ระแสไฟฟ้ำทไ่ี หลผ่ำนขดลวดลดลงดว้ ย ส่งผลใหแ้ รงบดิ ลดลง ขอ้ จำกดั อกี ประกำรหน่งึ คอื สำหรบั มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่ำน แรงบดิ แปรผนั ตรงกับกระแส และควำมเรว็ รอบแปรผนั ตรงกับ แรงดนั ไฟฟ้ำ ดงั นัน้ ค่ำแรงบิดสูงสุดจะถูกจำกัดไว้เพ่อื จำกัดพกิ ดั ของกระแสในระบบ ทงั้ จำกระบบ ควบคมุ มอเตอร์ และควำมตำ้ นทำนภำยในของแบตเตอร่ี ตารางที่ 2.1 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระตรงแบบมแี ปรงถำ่ น ขอ้ ดี ขอ้ ดอ้ ย - มโี ครงสรำ้ งทง่ี ำ่ ย ไม่ซบั ซอ้ น และแขง็ แรง - มผี งฝ่นุ ทเ่ี กดิ จำกกำรสกึ หรอของแปรงถ่ำน - ใชใ้ นทส่ี นั่ สะเทอื น และมคี วำมชน้ื ได้ปัญหำนอ้ ย - เกดิ ประกำยไฟจำกกระบวนกำร Commutation - สำมำรถตอ่ หมนุ กลบั ทำงโดยกำรกลบั ขวั้ ได้ - เกดิ กำรรบกวนทำงสนำมแมเ่ หลก็ - มสี ำยไฟสองเสน้ ทใ่ี ช้ ทำใหง้ ่ำยต่อกำรจดั สำย - เกดิ เสยี งรบกวนทำงกล - เปลย่ี นชุดควบคมุ ง่ำยและรวดเรว็ - อำยสุ นั้ และประสทิ ธภิ ำพต่ำ - มขี ดี จำกดั ทำงควำมเรว็ 2) มอเตอรก์ ระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถ่าน (Brushless DC Motor หรอื BLDC) ดว้ ยรำคำของ อปุ กรณไ์ ฟฟ้ำทล่ี ดต่ำลง สง่ ผลใหร้ ำคำของมอเตอรก์ ระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำนสงู กว่ำมอเตอรก์ ระแสตรง แบบมแี ปรงถ่ำนเล็กน้อย จึงทำให้มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่ำนได้รบั ควำมนิยมนำมำใช้เพ่อื ขบั เคลอ่ื นยำนยนตไ์ ฟฟ้ำเพม่ิ มำกขน้ึ ม อ เตอ ร์ก ระแส ตรง แบบไ ร้แปรง ถ่ำ น มี โครงสรำ้ งสลบั กบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำน โดยมีแกนหมุน (Rotor) เป็ นแม่เหล็กถำวร และมี ขดลวดเหนี่ยวนำอยูท่ ส่ี เตเตอร์ โดยขดลวดเหนย่ี วนำมี จำนวนไม่น้อยกว่ำสำมชุด มอเตอร์ชนิดน้ีจงึ สำมำรถ ทำงำนไดโ้ ดยกำรจ่ำยไฟฟ้ำไปยงั ขดลวดแต่ละชุดเป็น เฟสสลบั กนั ไปเร่อื ยๆ เพ่อื ให้เกดิ สนำมแม่เหล็กดงึ และ ผลกั แกนหมุนอย่ำงต่อเน่อื ง โดยมกี ำรตรวจจบั ตำแหน่ง รปู ท่ี 2.4 ส่วนประกอบกำรทำงำนมอเตอร์ เพ่อื เรม่ิ ทำงำนโดยใช้อุปกรณ์ตรวจจบั สนำมแม่เหลก็ กระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถำ่ น (Hall Sensor) ดงั แสดงในรูปท่ี 2.4 มอเตอรช์ นดิ น้สี ำมำรถปรบั แรงบดิ ไดโ้ ดยปรบั กำรจำ่ ยกระแสไฟฟ้ำ และปรบั ควำมเรว็ รอบไดโ้ ดย กำรปรบั ควำมถใ่ี นกำรสลบั กระแสไฟฟ้ำของขดลวด ซงึ่ สำมำรถเรยี กกำรทำงำนของมอเตอรท์ ม่ี คี วำมเรว็ ในกำรหมนุ ตรงกบั ควำมเรว็ ของกำรหมุนของสนำมแมเ่ หลก็ วำ่ เป็นกำรทำงำนแบบ Synchronous นนั่ เอง
บทที่ 2 มอเตอรไ์ ฟฟ้า | 16 ถึงแมว้ ่ำมอเตอร์กระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถำ่ นจะมขี อ้ ดคี อื มปี ระสทิ ธภิ ำพท่สี งู และไม่ตอ้ งมแี ปรง ถ่ำน ซึ่งจะสกึ หรอเม่อื ใช้งำนเป็นเวลำนำน แต่อย่ำงไรก็มขี อ้ เสยี คอื ตอ้ งมชี ุดควบคุมอเิ ล็กทรอนิกสท์ ่ี ซับซ้อน สำมำรถทำงำนในสภำวะกำรใช้งำนต่ำงๆ ของยำนยนต์ได้ เช่น สำมำรถกนั น้ำ ทนต่อกำร สนั่ สะเทอื นและควำมรอ้ นได้ เป็นตน้ นอกจำกน้สี ำยไฟทต่ี ่อเขำ้ มอเตอรแ์ ละชดุ ควบคมุ อิเลก็ ทรอนิกสย์ งั มหี ลำยสำย ต่ำงกบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำนทเ่ี พยี งจ่ำยไฟทส่ี ำยไฟทงั้ สองด้ำนก็ทำงำนได้ ดงั นนั้ กำรตดิ ตงั้ สำยไฟจงึ ตอ้ งระมดั ระวงั เพ่อื ป้องกนั ไม่ใหเ้ กดิ กำรลดั วงจรขน้ึ ในกำรใช้งำนมอเตอร์กระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำน พบว่ำมลี กั ษณะกำรสรำ้ งแรงบิดและกำลงั คล้ำยกบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำน และจำกกำรทแ่ี กนหมุนเป็นแม่เหล็กถำวร จงึ ทำให้เกดิ ปัญหำแรงดนั ไฟฟ้ำยอ้ นกลบั เม่อื ใชง้ ำนมอเตอรท์ ค่ี วำมเรว็ สงู ตารางท่ี 2.2 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระแสตรงแบบไมม่ แี ปรงถำ่ น ข้อดี ขอ้ ด้อย - ใชง้ ำนไดใ้ นชว่ งควำมเรว็ 0 –100,000 rpm - มคี ่ำใชจ้ ่ำยจำกอปุ กรณ์อเิ ลก็ ทรอนกิ สส์ งู กวำ่ - ใหแ้ รงบดิ ดที ค่ี วำมเรว็ สงู - ชุดควบคมุ กำรขบั เคลอ่ื นยงุ่ ยำกกวำ่ - แรงบดิ และขนำดดกี วำ่ BDC - กระจำยควำมรอ้ นในขดสเตเตอรด์ กี ว่ำ BLD - ประสทิ ธภิ ำพสงู เหมำะกบั ยำนยนตไ์ ฟฟ้ำ รปู ท่ี 2.5 เปรยี บเทยี บสว่ นประกอบของมอเตอรแ์ บบ BLDC (ซำ้ ย) กบั BLDC (ขวำ)
บทที่ 2 มอเตอร์ไฟฟา้ | 17 2.2.2 มอเตอร์ไฟฟ้ากระแสสลับ (Alternating Current Motor) มอเตอร์ไฟฟ้ำกระแสสลบั นัน้ มโี ครงสร้ำงคล้ำยกบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถ่ำน คอื มี ขดลวดเหนี่ยวนำอย่บู รเิ วณสเตเตอร์เพอ่ื รบั พลงั งำนไฟฟ้ำจำกไฟฟ้ำกระแสสลบั แลว้ แปลงเป็นพลงั งำน แม่เหลก็ ไฟฟ้ำ ส่วนโรเตอรน์ นั้ สำมำรถแบ่งไดเ้ ป็น 2 ประเภท คอื มอเตอรเ์ หนี่ยวนำ (Induction motor) และ มอเตอรก์ ระแสสลบั แบบซงิ โครนัส (Synchronous) 1) มอเตอรก์ ระแสสลบั แบบเหนี่ยวนา (Induction AC Motor) มอเตอรเ์ หน่ียวนำ มี 2 แบบ คอื แบบกรงกระรอก (Squirrel) กับแบบพันขดลวด (Wound or Slipring) มี ควำมแตกต่ำงกนั ตรงลกั ษณะของตวั โรเตอร์ ซง่ึ ในส่วนน้ี จะอธบิ ำยอำ้ งถงึ แบบกรงกระรอกเป็นแนวทำง ส่วนของสเตเตอร์มีลักษณะเดียวกับมอเตอร์ รูปท่ี 2.6 ส่วนประกอบกำรทำงำนมอเตอร์ กระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำน แต่มคี วำมแตกต่ำงกนั ทแ่ี กน ห มุน ข อ ง ม อ เตอ ร์เหนี่ย ว น ำ จะมีแท่ ง ตัวน ำ วำง ตัวเป็ น แบบเหนี่ยวนำ ส่วนประกอบ วงรอบแกนเพลำ ซึ่งลักษณะกำรออกแบบโรเตอร์ (บน) ภำยในโรเตอร์ (กลำง) ดังกล่ำวเรียกว่ำโรเตอร์แบบกรงกระรอก เน่ืองจำกโร ภำยนอกโรเตอร์ (ลำ่ ง) เตอรด์ งั กล่ำวประกอบดว้ ยแทง่ ตวั นำจำนวนมำกทถ่ี กู ฝัง อยู่ในแผ่นชนั้ เหลก็ ซง่ึ อำจเป็นทองแดงหรอื อะลูมเิ นียม ประกบั หวั และทำ้ ยดว้ ยแผ่นประกบั ดงั แสดงในรูปท่ี 2.6 ห ำ ก พิจ ำ ร ณ ำ ห ลัก ก ำ ร ท ำ ง ำ น ข อ ง ม อ เ ตอ ร์เ ห น่ี ย วน ำ พ บว่ำ เ ม่ือ จ่ ำ ย ไ ฟ ฟ้ ำ ก ระแส ส ลับแบบส ำ ม เ ฟ ส ใ ห้กับ ขดลวดสเตเตอรส์ ำมคู่ทว่ี ำงเหล่อื มกนั ทำมุม 120 องศำ ตำมเฟสทำงไฟฟ้ำ จะเกดิ สนำมแม่เหลก็ เคลอ่ื นทห่ี มนุ อยู่ โดยรอบแกนหมนุ แต่สนำมแม่เหลก็ ในแกนหมุนทจ่ี ำเป็น เพ่ือกำรหมุนเพลำไม่ได้เกิดจำกกำรจ่ำยกระแสเข้ำสู่ ขดลวดดงั เช่นมอเตอร์กระแสตรง แต่สนำมแม่เหล็กใน โรเตอร์แบบกรงกระรอกจะเกิดจำกกำรตดั ผ่ำนของโครง ตวั นำของแกนหมุนผ่ำนสนำมแม่เหล็กจำกสเตเตอร์ ซ่ึง จะสรำ้ งกระแสเหนี่ยวนำขน้ึ ส่งผลใหเ้ กิดสนำมแม่เหล็ก ในแกนหมุนอีกทอดหน่ึง ควำมสัมพันธ์ระหว่ำ ง สนำมแม่เหลก็ ทเ่ี กดิ จำกกระแสเหน่ียวนำในแกนหมนุ ซงึ่ พยำยำมจะวำงตวั ในแนวเดยี วกบั สนำมแม่เหลก็ ต้นทำง จำกสเตเตอร์เป็นสำเหตุท่สี ร้ำงแรงบดิ ของแกนหมุนใน กำรขบั มอเตอรเ์ หน่ียวนำ
บทที่ 2 มอเตอร์ไฟฟา้ | 18 เม่อื พจิ ำรณำควำมสมั พนั ธร์ ะหวำ่ ง แรงบิดและควำมเร็วรอบของมอเตอร์ เหน่ียวนำ พบว่ำแรงบิดจะเพ่ิมข้ึนตำม ควำมเรว็ รอบจนถึงจดุ ทค่ี วำมแตกตำ่ งของ ควำมเร็วกำรหมุนของสนำมแม่เหล็กกบั แ ก น ห มุ น แ ต ก ต่ ำ ง กั น ม ำ ก ท่ี สุ ด (Breakdown toque) ซ่ึงจะส่งผลใหแ้ รงบดิ ลดลง ดงั นนั้ อำจกล่ำวไดว้ ำ่ แรงบดิ สำมำรถ รูปที่ 2.7 ควำมสมั พนั ธ์ควำมเร็วรอบกับแรงบิดมอเตอร์ ถูกควบคุมได้โดยกำรปรบั ควำมเข้มของ แบบเหน่ียวนำ (Induction Motor) สนำมแม่เหล็กโดยปรบั ค่ำกระแสไฟฟ้ำท่ี จ่ำยให้กบั ขดลวด ซึ่งส่งผลให้กำรควบคุม กำรทำงำนของมอเตอร์เหนี่ยวนำมีควำมซบั ซ้อนค่อนข้ำงมำกอย่ำงไรก็ตำม มอเตอร์เหน่ียวนำถูก นำมำใชง้ ำนอยำ่ งแพร่หลำยในยำนยนต์ไฟฟ้ำ เน่อื งจำกโครงสรำ้ งส่วนประกอบมคี วำมเรยี บงำ่ ย มคี วำม ทนทำนสูงเม่อื เทยี บกบั มอเตอรก์ ระแสตรง มคี วำมปลอดภยั เน่อื งจำกชุดควบคมุ มอเตอร์ มหี น้ำทเ่ี พยี ง สร้ำงกำลังขับ ดังนั้น หำกชุดควบคุมมอเตอร์เสีย มอเตอร์ก็จะหยุดกำรทำงำนเท่ำนั้น โดยไม่มี แรงดนั ไฟฟ้ำจำกแหล่งพลงั งำนจำ่ ยไปยงั มอเตอร์แต่อยำ่ งใด นอกจำกน้มี อเตอร์เหนี่ยวนำสำมำรถสรำ้ ง พลงั งำนไฟฟ้ำยอ้ นกลบั ขณะเบรก (Regenerative Braking) ไดโ้ ดยไม่ตอ้ งกำรอปุ กรณพ์ เิ ศษเพมิ่ เตมิ ซงึ่ หำกเป็นมอเตอรก์ ระแสตรงจะตอ้ งมกี ำรตดิ ตงั้ อุปกรณ์พเิ ศษเพอ่ื สรำ้ งพลงั งำนไฟฟ้ำย้อนกลบั เพม่ิ เตมิ มอเตอรเ์ หนีย่ วนำสำมเฟส โรเตอรแ์ บบกรงกระรอกสว่ นมำกจะนำไปใชเ้ ป็นตน้ กำลงั ขบั เคร่อื งกล ชนดิ ตำ่ งๆ ในงำนอุตสำหกรรม เช่น เครอ่ื งกลงึ เคร่อื งไส เครอ่ื งกดั เครอ่ื งเจยี ระไนรำบและตงั้ ขบั ปัม้ ไฮ ดรอลกิ ส์ ขบั ปั้มน้ำ ขบั คอมเพรสเซอรแ์ ละงำนอน่ื ๆ เน่ืองจำกมคี ณุ ลกั ษณะใหแ้ รงบดิ ในกำรเรมิ่ เดนิ ทด่ี ี และมคี วำมเรว็ รอบค่อนขำ้ งคงท่ี ส่วนมอเตอรเ์ หน่ียวนำสำมเฟสโรเตอรแ์ บบพนั ขดลวด จะใชก้ บั งำน หนัก ใช้ควำมต้ำนทำนภำยนอกช่วยในกำรเรม่ิ เดนิ จะไดแ้ รงบดิ ในตอนเรม่ิ เดนิ สงู สุดและกระแสเรมิ่ เดนิ จะลดลง ตารางที่ 2.3 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระแสสลบั แบบเหนยี่ วนำ ข้อดี ข้อดอ้ ย - ใชเ้ งนิ ลงทุนรวมทงั้ กำรบำรงุ รกั ษำต่ำ - กระแสเรม่ิ ตน้ สงู - กำรควบคุมกส็ ำมำรถทำไดง้ ำ่ ย - ประสทิ ธภิ ำพต่ำเน่อื งจำกกำรสรำ้ งแมเ่ หลก็ - สำมำรถตอ่ เขำ้ กบั สำยป้อนไดโ้ ดยตรง
บทท่ี 2 มอเตอร์ไฟฟ้า | 19 2) มอเตอรก์ ระแสสลบั แบบซิงโครนสั (Synchronous AC Motor) มอเตอร์ชนิดน้ีใช้โรเตอร์แบบขดลวดพนั รอบโร รูปที่ 2.8 ส่วนประกอบมอเตอร์แบบ เตอร์โดยต่ออนุกรมกนั และจ่ำยไฟฟ้ำกระแสตรงให้กบั ซงิ โครนสั ขดลวดเพ่ือให้เกิดขัว้ แม่เหล็กท่ีคงตัว โดยขดลวด สนำมแม่เหล็กท่ตี วั หมุนน้ีจะต่อเขำ้ กับวงแหวนหรือสลิ ปริงจำนวน 2 วงเพ่ือรับไฟกระแสตรงจำกแหล่งจ่ำย ภำยนอก และท่ีตัวหมุนยังฝั่งแท่งตัวนำไว้ท่ีผิวของ ขวั้ แม่เหลก็ ทกุ ๆ ขวั้ หลักกำรทำงำนของมอเตอร์กระแสสลับแบบ ซิงโครนัส เรม่ิ ต้นจำกกำรจ่ำยแรงดนั ไฟฟ้ำกระแสสลบั สำมเฟส ให้กับขดลวดสเตเตอร์และหมุนดว้ ยควำมเรว็ ซิงโครนัส จำกนั้นโรเตอร์จะหมุนตำมซ่ึงทำ งำน เหมือนกบั มอเตอร์เหน่ียวนำสำมเฟสแบบกรงกระรอก ครัน้ เม่ือป้อนแรงดันไฟฟ้ำกระแสตรงให้กับขดลวด สนำมแม่เหลก็ หมุนทต่ี วั โรเตอรจ์ ะเกดิ ขวั้ แม่เหลก็ ทต่ี วั โร เตอร์เช่นเดียวกัน เป็นขวั้ แม่เหล็กท่คี งตัวโดย ดงั รูปท่ี 2.8 จะหมุนเกำะติดกับขัว้ แม่เหล็กท่ีสเตเตอร์ด้วย ควำมเรว็ ซงิ โครนสั ดงั นัน้ ควำมเรว็ ของมอเตอร์ชนดิ น้จี ะ ตรงกบั ควำมถขี่ องไฟฟ้ำกระแสสลบั และจำนวนขดลวดท่ี สเตเตอรท์ ใ่ี ชใ้ นกำรควบคุม ตารางที่ 2.4 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระแสสลบั แบบซงิ โครนัส ขอ้ ดี ข้อดอ้ ย - ควำมเรว็ คงทไ่ี ม่ว่ำมโี หลดหรอื ไมม่ โี หลด - ตน้ ทนุ สงู - มอเตอรม์ ขี นำดใหญ่ พกิ ดั 200–20,000 HP - ควำมเรว็ เฉลย่ี เป็นสดั สว่ นโดยตรงกบั ควำมถ่ี
บทท่ี 2 มอเตอร์ไฟฟา้ | 20 3) มอเตอรแ์ บบสวิชตร์ ีลกั แตนซ์ (Switched Reluctance Motors) ม อ เ ต อ ร์ แ บ บ น้ี มีลัก ษ ณ ะ โ ค ร ง ส ร้ ำ ง ค ล้ ำ ย กั บ รูปท่ี 2.9 ส่ ว น ป ร ะ ก อ บ ม อ เตอ ร์ มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่ำน แต่วสั ดุท่ใี ช้ทำแกน แบบสวชิ ตร์ ลี กั แตนท์ หมุนนัน้ เป็นเหลก็ อ่อน ดงั แสดงในรปู ท่ี 2.9 ซง่ึ กำรทำงำน อ ำ ศัย ห ลักกำ รของ วัส ดุท่ีมีคุณสม บัติเป็ นแม่เหล็กท่ีจะ เ ค ล่ือ น ตัว เ พ่ือ ใ ห้อ ยู่ ใ น ต ำ แ ห น่ ง ท่ีมีค ว ำ ม ต้ำ น ท ำ น ต่ อ สนำมแม่เหล็กน้อยท่สี ุด ดงั นัน้ เม่อื เน้ือวสั ดุของแกนหมุน หลบห่ำงจำกขวั้ แม่เหล็กท่ีสเตเตอร์ ควำมต้ำนทำนต่อ สนำมแม่เหล็กกจ็ ะมคี ่ำสงู ขน้ึ ส่งผลให้แกนหมุนพยำยำม จะหมนุ เคล่อื นท่ี เพ่อื ใหข้ วั้ ของแกนหมุนอยู่ในแนวเดยี วกบั ขวั้ แม่เหล็กซ่ึงจะทำให้ควำมต้ำนทำนต่อสนำมแม่เหล็ก น้อยสุด ดงั นัน้ กำรสลบั จงั หวะกำรสร้ำงสนำมแม่เหล็กท่ี ขดลวดบนสเตเตอรแ์ ต่ละขวั้ อย่ำงเหมำะสม จะทำใหแ้ กน หมนุ เคล่อื นทไ่ี ดอ้ ย่ำงต่อเน่อื ง จำกหลกั กำรขำ้ งตน้ ส่งผลให้ มอเตอร์แบบสวชิ ต์รีลกั แตนท์ ต้องกำรอุปกรณ์ตรวจจับ ตำแหน่งแกนหมุน ซ่ึงในปัจจุบันได้มีกำรพฒั นำระบบ ควบคมุ กำรทำงำนแบบไรอ้ ปุ กรณ์ตรวจจบั ขน้ึ ประกอบกบั รำคำของอุปกรณ์ประมวลสญั ญำณดจิ ทิ ลั ท่ลี ดลง จงึ ทำให้ มอเตอร์แบบสวชิ ต์รลี กั แตนท์ มกี ำรใชง้ ำนแพร่หลำยเพมิ่ มำกขน้ึ ตารางท่ี 2.5 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรแ์ บบสวชิ ต์รลี กั แตนท์ ข้อดี ขอ้ ดอ้ ย - ตน้ ทนุ กำรผลติ ต่ำ - ตอ้ งกำรตำแหน่งโรเตอรใ์ นกำรควบคุม - โครงสรำ้ งง่ำยไมซ่ บั ซอ้ น - มกี ำรกระเพอ่ื มของแรงบดิ - พฒั นำเป็นมอเตอรค์ วำมเรว็ สงู ไดง้ ำ่ ย - ตอ้ งใชช้ ดุ ขบั เคลอ่ื นทำงำนร่วมกนั -กำรบำรุงรกั ษำนอ้ ย - มจี ำนวนสำยทอ่ี อกจำกมอเตอรม์ ำก - ใชจ้ ำนวนอุปกรณส์ วทิ ชก์ ำลงั มำก
บทที่ 2 มอเตอร์ไฟฟา้ | 21 4) มอเตอรแ์ บบเอก็ เซลฟลกั ซ์ (Axial-Flux Motors) มอเตอรป์ ระเภทน้ีใชเ้ สน้ แรงแม่เหลก็ แตกต่ำงจำกมอเตอร์แบบอ่นื ๆ โดยเสน้ แรงแม่เหลก็ ของ มอเตอร์ปกตจิ ะเคล่อื นตวั ในแนวรศั มผี ่ำนช่องอำกำศระหว่ำงโรเตอร์และสเตเตอร์ แต่มอเตอรแ์ บบเอก็ เซลฟลกั ซ์นนั้ เสน้ แรงแมเ่ หลก็ จะไหลขนำนกบั แกนของมอเตอร์ ดงั แสดงในรปู ท่ี 2-13 จงึ ทำใหส้ ำมำรถ ออกแบบโรเตอร์ได้บำงและเบำกว่ำมอเตอร์แบบอ่ืน ๆ เหมำะสำหรับกำรใช้งำนท่ีต้องกำรเปล่ยี น อตั รำเรว็ อย่ำงรวดเรว็ (อตั รำเรง่ สงู ) โ ร เ ต อ ร์ข อ ง ม อ เ ต อ ร์แ บ บ Axial Flux Permanent-Magnet Brushless ลักษณะกำรวำง ขวั้ แม่เหลก็ ถำวรทงั้ สองแผน่ จะตอ้ งวำงสลบั ขวั้ กนั ดังรูปท่ี 2.10 โรเตอร์ของเคร่ืองกำเนิดไฟฟ้ำ แบบเอ็กเซลฟลกั ซ์ ใช้เรซ่ินหล่อทบั แม่เหล็กเพ่อื ควำมแขง็ แรงลกั ษณะทศิ ทำงกำรเคล่อื นทข่ี องเส้น แรงแม่เหลก็ จะพุ่งผำ่ นจำกแผน่ เหลก็ แผ่นแรก (ขวั้ เหนือ) ข้ำมช่องว่ำงอำกำศ (Air Gap) ไปยังอีก แผ่นหนึ่ง (ขัว้ ใต้) ผ่ำนแม่เหล็กจนครบวงจร แมเ่ หลก็ เครอ่ื งกำเนดิ ไฟฟ้ำแบบน้ีจะมลี กั ษณะกำร กระจำยของเส้นแรงแม่เหล็กเป็ นวงรอบปิ ด โดย ทศิ ทำงของเสน้ แรงแม่เหล็กจะมลี ักษณะเสริมกัน จงึ ทำให้ไดค้ ่ำควำมหนำแน่นเสน้ แรงแม่เหลก็ มำก ข้ึนเป็ น 2 เท่ำ แต่อย่ำงไรก็ดี เม่ือค่ำควำม รปู ที่ 2.10 ส่วนประกอบมอเตอรเ์ อกเซลฟลกั ซ์ ห น ำ แ น่ น เ ส้น แ ร ง แ ม่เ ห ล็ก ( Magnetic Flux Density) ย่ิงมำกข้ึนเท่ำใดก็อำจยิ่งทำ ให้เกิด แรงบดิ ตำ้ นมำกขน้ึ ตำมไปดว้ ย รปู ท่ี 2.11 ทศิ ทำงกำรไหลของกระแสในมอเตอร์ สเตเตอร์ (Stator) จะเป็นส่วนท่อี ยู่กับท่ี มี หน้ำท่ียึดกับขดลวดอำร์เมเจอร์ (Armature- Winding) หรือชุดขดลวดไฟฟ้ำเหนี่ยวนำท่ีผลติ แรงเคล่อื นไฟฟ้ำเหนี่ยวนำออกมำใช้งำนโดยทงั้ สองด้ำนของสเตเตอรจ์ ะถูกประกบดว้ ยโรเตอรท์ งั้ สองด้ำนเพ่ือให้เกิดแรงเคล่ือนไฟฟ้ ำเหนี่ยวนำ ออกมำเป็น 2 เท่ำ ในกำรท่นี ำขดลวดอำร์เมเจอร์ มำตดิ กบั ชดุ ของ สเตเตอรน์ นั้ เพ่อื ลดปัญหำในเร่อื ง กำรฉนวนไฟฟ้ำ และยดึ ขดลวดให้แขง็ แรงได้ง่ำย เน่ืองจำกไม่ถูกแรงเหว่ียง หรือกำรสนั่ สะเทอื น เน่อื งจำกกำรหมุนได้
เอกสารประกอบการสอนเลมนี้ผูจัดทำไดใชความรูความสามารถในดานทฤษฎี และปฏิบัติทางเครื่องกล ทั้งไดรวบรวมขอมูลตางๆ จากหนังสือ เอกสารการบรรยาย อนิ เทอรเ นต็ ทผ่ี จู ดั ทำไดท ำการคน ควา เปน หลกั เพอ่ื นำขอ มลู มาใชป ระกอบการจดั ทำเอกสาร จะไดนำมาใชใ หเ กิดประโยชนตอ การเรยี นการสอนไดมากท่สี ดุ ภายในเอกสารการสอนเลมนี้ ประกอบไปดวยเนื้อหาเกี่ยวกับรถจักรยานยนตไฟฟาที่เขามามีบทบาทมากในยุคปจจุบัน เกี่ยวกับเทคโนโลยียานยนตสมัยใหม ภายในหนังสือเนื้อหาเหมาะสมกับผูท่สี นใจ e-mail: [email protected] e-book: http://pubhtml5.com/homepage/djuu
บทท่ี 2 ระบบแบตเตอร่ี | 20 นอกจากน้นี ักวจิ ยั ไดพ้ ฒั นานาวสั ดุชนดิ ใหม่ มาใช้ในส่วนต่างๆ ของแบตเตอร่ปี ระเภทลเิ ทยี ม ไอออน เช่น Li-Mn-Ni-Co-O2-Fe-PO ใช้เป็นวสั ดุ สาหรับขัว้ บวก (Cathode) และ Metal-based oxide หรือวัสดุประเภท โลหะ เช่น กราไฟรต์ (LiC6) เจอมอเนียม หรือแม้กระทงั้ ซิลิกอน (Si) เพ่ือใช้เป็นขัว้ ลบ (Anode) แทนท่ีคาร์บอน ดัง แสดงในรูปท่ี 2.9 เกยี่ วกบั ค่าสมรรถนะต่างๆ ของ วัสดุท่ีนามาใช้ ควบคู่ไปกับการค้นคว้าพัฒนา สารละลายอิเล็กโตรไลต์ท่ีเหมาะสมกับขวั้ ชนิด ใหม่ เพ่อื พฒั นาแบตเตอรท่ี ม่ี ปี ระสทิ ธภิ าพสูงข้นึ และราคาถกู ลง รูปที่ 2.9 พลงั งานขวั้ บวกและขวั้ ลบของแบตเตอร่ี ลเิ ทยี มไอออน ตารางที่ 2.5 ขอ้ ด-ี ขอ้ เสยี แบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี มไอออน ข้อดี ขอ้ ดอ้ ย - มคี า่ พลงั งานตอ่ น้าหนกั สงู - อายุการใชง้ านค่อนขา้ งสนั้ - ไม่มปี ัญหา Memory Effect - ความตา้ นทานในเซลล์เพม่ิ ขน้ึ ตามรอบการอดั - มอี ตั ราการคายประจตุ ามต่ากว่าแบตเตอรอ่ี น่ื - ประสทิ ธภิ าพในการคายประจุลดลงเร่อื ยๆ - ตอ้ งมอี ุปกรณ์และโครงสรา้ งดา้ นความปลอดภยั หากพิจารณาเปรียบเทียบสมบัติของ แบตเตอร่ีประเภทต่างๆ ท่ีใช้สาหรบั ยานยนต์ ไฟฟ้า ดังแสดงในรูปท่ี 2.10 และตารางท่ี 2.6 พบว่ามเี ทคโนโลยีแบตเตอร่ที ่มี ีความเหมาะสม กว่าแบตเตอร่ปี ระเภทกรดตะกวั่ เช่น แบตเตอร่ี ประเภทลเิ ทยี มไอออน ซ่งึ มคี ่าความจุพลงั งานสงู ท่ีสุดสุดเม่ือเทยี บกบั แบตเตอร่ีท่ีนิยมใช้ในยาน ยนต์ทงั้ หมด มอี ายุการใช้งานนานกว่า อดั ประจุ ไฟฟ้าได้รวดเร็วกว่า ความต่างศักย์สูงกว่าซึ่ง ส่งผลให้ไม่จาเป็ นต้องต่อแบตเตอร่ีหลายเซลล์ และต้องการการดูแลรกั ษาท่นี ้อยกว่าแบตเตอร่ี รูปที่ 2.10 เปรียบเทียบพลังงานต่อขนาดของ แบตเตอรแ่ี บบต่างๆ ประเภทกรดตะกวั่ และแบตเตอรป่ี ระเภทนิกเกลิ
บทที่ 2 ระบบแบตเตอรี่ | 21 ทาให้แบตเตอร่ปี ระเภทน้ีเป็นท่นี ิยมอย่างมากในปัจจุบันสาหรบั การใช้งานในยานยนต์ไฟฟ้า ทวั่ ไป อย่างไรก็ตามจากรายงานของ Pike Research [19] จะเหน็ ไดว้ ่าแบตเตอร่กี รดตะกวั่ ยงั คงไดร้ บั ความนิยมสาหรบั การใช้งานในยานยนตไ์ ฟฟ้าขนาดเล็ก โดยเฉพาะรถจกั รยานยนต์ไฟฟ้า ทงั้ น้ีเป็นผล เน่ืองมาจากลกั ษณะของการใชแ้ ละกลุ่มผู้ซ้อื ซง่ึ มกั ขบั ขใี่ นระยะใกล้ และเป็นตลาดซง่ึ คานึงถงึ ราคาและ ค่าใชจ้ ่ายเม่อื ซ้อื เป็นหลกั แมว้ ่าหากคานงึ ถงึ ระยะยาวแล้วราคาของแบตเตอรป่ี ระเภทลเิ ทยี มไอออนตอ่ จานวนครงั้ ในการใชง้ านจะถกู กวา่ เมอ่ื ใชง้ านในเขตรอ้ นชน้ื เช่น ประเทศไทย ตารางที่ 2.6 คุณสมบตั ขิ องแบตเตอรป่ี ระเภทต่างๆ
บทท่ี 2 ระบบแบตเตอรี่ | 22 2.4 การต่อวงจรเซลลแ์ บตเตอร่ที างไฟฟา้ ในชุดแบตเตอรแ่ี พค็ รถจกั รยานยนต์ไฟฟ้า มกี ารเช่อื มต่อกนั ของแบตเตอรท่ี งั้ อนุกรมทต่ี อ้ งการ แรงดนั ไฟฟ้าทส่ี งู ขน้ึ และการขนานทต่ี ้องการระยะเวลาในการใชก้ ระแสทย่ี าวนานขน้ึ การต่อแบตเตอร่ี ทงั้ สองแบบตอ้ งมกี ารใชจ้ านวนแบตเตอรท่ี ม่ี ากกวา่ หน่งึ เซลล์ โดยการตอ่ แบตเตอรท่ี งั้ สองแบบจะชว่ ยให้ เหมาะสมกบั การใชง้ านของมอเตอรช์ ุดจกั รยานยนต์ไฟฟ้า ท่ผี ่านการคานงึ ถึงคณุ สมบตั ทิ เ่ี หมาะสมของ ความสมั พนั ธท์ งั้ สองสว่ น 2.4.1. การต่อแบตเตอรีแ่ บบอนุกรม เม่อื ทาการใชแ้ บตเตอร่แี รงดนั ไฟ 6V 50Ah จานวน 2 ก้อน ในการต่อแบบอนุกรมแรงดนั ไฟจะ เพมิ่ ข้นึ เป็น 12V แต่กระแสยงั คงท่ี 50Ah (กาลงั ไฟทงั้ หมด 600 Wh) การนาเซลล์ไฟฟ้ามาต่อกนั แบบ อนุกรมนัน้ จะทาให้พลงั งานหรอื แรงดนั ไฟฟ้ารวม หาไดจ้ ากผลรวมของแรงดนั ไฟฟ้าแต่ละเซลล์ เม่อื แรงดนั มากขน้ึ จะทาใหก้ ระแสไฟฟ้าทไ่ี หลในวงจรมคี า่ มากขน้ึ รปู ท่ี 2.11 การตอ่ วงจรแบตเตอรแ่ี บบอนุกรม 2.4.2. การต่อแบตเตอรแี่ บบขนาน การทาการตอ่ แบบขนานแรงดนั ไฟ 6V 50Ah จานวน 2 กอ้ น จะมกี ระแสทใ่ี ชง้ านไดเ้ พมิ่ ขน้ึ เป็น 100Ah ทแ่ี รงดนั ไฟ 6V (กาลงั ไฟทงั้ หมด 600 Wh) การนาเซลลไ์ ฟฟ้ามาต่อกนั แบบขนาน แรงดนั ไฟฟ้า จะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าเพียงเซลล์เดียว แต่จะทาให้จ่ายไฟฟ้าได้มากหรือจ่ายได้นานกว่าการใช้ เซลลไ์ ฟฟ้าเพยี งเซลล์เดยี ว รปู ท่ี 2.12 การตอ่ วงจรแบตเตอรแ่ี บบขนาน
บทท่ี 2 ระบบแบตเตอร่ี | 23 ตารางที่ 2.7 Electric Shock Hazard
บทท่ี 3 มอเตอร์ไฟฟ้า บทน้ีจะนำเขำ้ สู่เน้ือหำเกี่ยวกับหวั ใจหลักของกำรทำงำนของรถจกั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ นัน้ ก็คอื มอเตอร์ไฟฟ้ำ มอเตอร์ท่ใี ชก้ นั ทวั่ ไปมหี ลำกหลำยชนิด หลำกหลำยรูปทรงและหลำกหลำยขนำด หำก เปรียบเทยี บกับเคร่อื งยนต์สนั ดำปภำยในกบั เคร่อื งยนต์ไฟฟ้ำนัน้ มคี วำมต่ำงกันมำกในหลำยส่วน มอเตอร์ไฟฟ้ำไม่เหมอื นกบั เคร่อื งยนต์สนั ดำปภำยในท่ตี อ้ งมกี ำรบำรุงรกั ษำช้นิ ส่วนต่ำงๆ กำรบรกิ ำร ตำมระยะทำง พรอ้ มทงั้ กำรปลอ่ ยมลพษิ สอู่ ำกำศ แตม่ อเตอรจ์ ะชว่ ยให้มกี ำรลดปรมิ ำณกำรปลอ่ ยมลพษิ และมกี ำรบำรุงรกั ษำชน้ิ สว่ นต่ำงๆ ไดน้ อ้ ยลง ประสิทธิภำพกำรทำงำนมอเตอร์ไฟฟ้ ำมี รูปที่ 2.1 ส่วนประกอบจกั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ มำกกว่ำเคร่อื งยนต์สนั ดำปภำยใน ประสิทธิภำพกำร ใชม้ อเตอรต์ น้ กำลงั ขบั ลอ้ ทำงำนของมอเตอร์ไฟฟ้ ำท่ีสร้ำงแรงขับให้กับล้อ โดยตรงมปี ระมำณ 85 - 90 เปอร์เซ็นต์ ท่ใี ชใ้ นกำรขบั ล้อได้โดยตรง ส่วนของเคร่ืองยนต์สนั ดำปภำยในมี ประสิทธภิ ำพเพยี ง 15 - 20 เปอร์เซ็นต์ เม่อื ใช้ในกำร ขบั ล้อ ส่วนอีก 80 – 85 เปอร์เซ็นต์ สูญเสยี ไปกบั กำร ถ่ำยเทควำมร้อน แรงเสยี ดทำนของช้นิ ส่วนภำยในของ เคร่ืองยนต์ท่ีมีกำรเคล่ือนท่ี และกำรส่งถ่ำยกำลัง ระหว่ำงเคร่อื งยนตแ์ ละชดุ เกยี ร์ ในกำรเลอื กมอเตอรไ์ ฟฟ้ำในยำนพำหนะไฟฟ้ำ รปู ที่ 3.2 กรำฟลกั ษณะควำมเรว็ กำลงั ของ มคี วำมสำคญั มำก เม่อื เรม่ิ ใชง้ ำนต้องมคี ่ำแรงบดิ สงู ใน มอเตอรย์ ำนยนตไ์ ฟฟ้ำ กำรออกตวั และกำลงั ขบั ในขณะขบั เคล่อื นท่คี วำมเรว็ สูง ดงั แสดงในรูปท่ี 3.2 กำลงั ของมอเตอรท์ งั้ ขนำดเล็ก และใหญ่ ตอ้ งมกี ำลงั ขบั ทม่ี ำกพอใหเ้ หมำะสมกบั กำรใช้ งำน ในบทควำมต่อจำกน้ี จะทำให้เกิดควำมเข้ำใจ เกยี่ วกบั มอเตอรไ์ ฟฟ้ำสำหรบั ยำนพำหนะ เพอ่ื นำมำใช้ เป็นควำมรู้ เพ่อื เลอื กมอเตอร์สตำรท์ ไดอ้ ย่ำงเหมำะสม กบั กำรใชง้ ำน ในแตล่ ะประเภท
บทที่ 3 มอเตอรไ์ ฟฟา้ | 25 3.1 หลกั การทำงานของมอเตอร์ไฟฟ้า รปู ที่ 3.1 หลกั กำรทำงำนของมอเตอร์ ไฟฟ้ำ ม อ เ ต อ ร์ ถู ก อ อ ก แ บ บ ม ำ เพ่ือ เ ป็ น อุป ก รณ์ท่ี เปล่ียนแปลงพลังงำนไฟฟ้ำให้เป็นพลังงำนกล จะมีกำร รูปที่ 3.2 หลักกำรกำรเคล่ือนท่ีของ ทำงำนเม่ือมีกระแส I ไหลผ่ำนขดลวดตัวนำภำยใน สนำมแม่เหลก็ สนำมแม่เหล็ก จะทำให้เกิดแรง F ขน้ึ ในทศิ ทำงตงั้ ฉำก ดงั รูปท่ี 3.1 หำกนำกฎสกรูเกลยี วขวำของแอมแปร์มำพจิ ำรณำ เม่ือทำให้กระแสไฟฟ้ ำไหลเข้ำไปในเส้นลวดตัวนำ สนำมแมเ่ หลก็ รอบๆ เส้นลวดตวั นำจะเกดิ ขน้ึ ในทศิ ทำงตำม เขม็ นำฬกิ ำ เมอ่ื ใหเ้ สน้ ลวดตวั นำทำงไฟฟ้ำทม่ี กี ระแส I ไหล ผ่ำน อยู่ในระหว่ำงขวั้ แม่เหลก็ N (ขวั้ เหนือ) และ S (ขวั้ ใต้) จะมีเส้นแรงแม่เหล็กสองชุด ชุดท่ีหนึ่งเกิดจำกเส้นแรง แมเ่ หลก็ รอบๆ เสน้ ลวดตวั นำ F อกี ชุดหน่ึงเกดิ จำกกำรไหล ของเส้นแรงแม่เหล็กระหว่ำง N และ S จะเกิดเส้นแรง แม่เหลก็ ทท่ี ศิ ทำงตำ่ งกนั และทศิ ทำงตำมกนั ดำ้ นทม่ี เี สน้ แรง แม่เหล็กท่มี ที ศิ ทำงต่ำงกนั เสน้ แรงแม่เหลก็ ก็จะหกั ลำ้ งกัน ทำให้เส้นแรงแม่เหล็กด้ำนนัน้ อ่อนลง ส่วนทำงด้ำนท่ีมี ทศิ ทำงตำมกนั กจ็ ะมคี วำมเขม้ ของเส้นแรงแม่เหล็กมำกขน้ึ ทำใหเ้ กดิ กำรผลกั ดนั จำกกำรสรำ้ งแรงบดิ เกดิ กำรหมนุ ขน้ึ ขัว้ แม่เหล็กแต่ละขัว้ มีสนำมแม่เหล็ก (Magnetic Field) เกิดขน้ึ ควำมเขม้ ของสนำมแมเ่ หลก็ เกดิ ขน้ึ มำทป่ี ลำย ขวั้ ทงั้ สองสนำมแมเ่ หลก็ แผ่ออกรอบขวั้ แมเ่ หล็ก วงิ่ เคลอ่ื นท่ี ประสำนกันระหว่ำงขวั้ แม่เหล็กทงั้ สอง กำรเคล่ือนท่ขี อง สนำมแม่เหล็กจะเคล่ือนท่ีจำกขวั้ เหนือ N ไปหำขวั้ ใต้ S เสมอ กำรเคล่ือนท่ีดังกล่ำวทำให้เกิดเส้นแรงแม่เหล็ก (Magnetic Line of Force) ข้นึ มำรอบแทง่ แม่เหล็ก ดงั แสดง ในรปู 3.2 เม่ือทดลองนำเส้นลวดตัวนำไปสอดไว้ระหว่ำง ขวั้ แม่เหล็ก N และ S จะเหน็ ได้ว่ำเสน้ แรงแม่เหล็กจะไหล จำก N ไปยงั S ตำมหลกั กำรทไ่ี ดก้ ล่ำวไปแลว้ ส่วนทำงดำ้ น เส้นแรงแม่เหล็กรอบขดลวดตวั นำจะไหลวนหมุนตำมเขม็ นำฬกิ ำ ตำมกฎของเฟรมมงิ่ ทท่ี ำใหเ้ กดิ กำรหมุนมอเตอร์
บทท่ี 3 มอเตอรไ์ ฟฟ้า | 26 3.2 ชนิดของมอเตอร์ไฟฟา้ มอเตอรม์ หี ลำกหลำยชนดิ ทใ่ี ชก้ นั ในเครอ่ื งยนตไ์ ฟฟ้ำ กำรใชง้ ำนใหเ้ หมำะสมกบั ชนิดของงำนแต่ ละแบบ เพอ่ื ใหเ้ กดิ ประโยชน์สงู สุด โดยมอเตอรไ์ ฟฟ้ำแบง่ เป็น 2 ประเภท คอื มอเตอรแ์ บบกระแสตรง (DC Motor) และมอเตอรก์ ระแสสลบั (AC Motor) 3.2.1 มอเตอรไ์ ฟฟา้ กระแสตรง (Direct Current Motor) มอเตอร์กระแสตรงเป็นรูปแบบของมอเตอร์ท่มี คี วำมซับซ้อนในกำรจ่ำยพลังงำนไฟฟ้ำน้อย เน่ืองจำกมอเตอร์กระแสตรงสำมำรถรบั ไฟฟ้ำกระแสตรงจำกแหล่งจ่ำย เช่น แบตเตอร่ี และสำมำรถ ทำงำนได้โดยไม่ตอ้ งกำรระบบไฟฟ้ำกำลงั เพมิ่ เตมิ โดยมอเตอรก์ ระแสตรงทไ่ี ด้รบั ควำมนิยมนำมำใช้ สำหรบั ยำนยนต์ไฟฟ้ำ สำมำรถแบ่งเป็นประเภทย่อยได้อีก 2 ประเภท คอื มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมี แปรงถ่ำน และ มอเตอรก์ ระแสตรงแบบไรแ้ ปลงถำ่ น 1) มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่าน (Brush DC motor หรอื BDC) มอเตอร์กระแสตรง แบบมแี ปรงถ่ำนประกอบด้วยแกนหมุน (Rotor) โดยมขี ดลวดเหน่ียวนำ (Armature) หลำยชุดอยู่รอบๆ เพ่ือรับกระแสไฟฟ้ำจำกคอมมิวเทเตอร์ (Commutator) ท่ีต่ออยู่กับปลำยของขดลวดเพ่ือสร้ำง สนำมแม่เหลก็ ผลกั หรอื ดดู กบั แม่เหลก็ ถำวรบนสเตเตอร์ (Stator) ทำใหม้ อเตอรส์ ำมำรถหมนุ ได้ ดงั แสดง ในรูปท่ี 3.3 โดยคอมมิวเทเตอร์นัน้ มีหน้ำสมั ผัสกับแปรงถ่ำนเพ่ือรับกระแสไฟจำกสำยส่งไฟฟ้ำ กระแสตรงจำกภำยนอก กำรทำงำนของมอเตอร์กระแสตรงแบบมแี ปรง ถ่ำนเรม่ิ จำกแหล่งจ่ำยไฟฟ้ำกระแสตรงจ่ำยไฟฟ้ำผ่ำน ขวั้ ทต่ี ่ออยู่กบั แปรงถำ่ นไปยงั ขดลวด เมอ่ื มกี ระแสไฟฟ้ำ ไหลผ่ำนขดลวดจะเกิดสนำมแม่เหล็กข้นึ ซึ่งหำกมขี วั้ ตรงขำ้ มกบั สนำมแม่เหลก็ ท่ตี ดิ อยู่กับสเตเตอรก์ ็จะดูด กัน แต่หำกมีขัว้ เหมือนกันจะผลักกันส่งผลให้เกิด แรงบดิ และทำใหแ้ กนหมนุ ทงั้ น้ี กำรจดั วำงแปรงถ่ำนท่ี สมั พทั ธก์ บั กำรหมุนของคอมมวิ เทเตอร์ ทำให้เม่อื แกน หมุนเคล่อื นท่ี แปรงถ่ำนจะสมั ผสั กบั คอมมวิ เทเตอรช์ ดุ ใหม่ ซึง่ จะสรำ้ งสนำมแม่เหล็กในทศิ ทำงใหม่ ส่งผลให้ รูปท่ี 3.3 ส่วนประกอบกำรทำงำนมอเตอร์ กระแสตรงแบบมแี ปรงถำ่ น เกดิ กำรหมนุ ของแกนอยำ่ งตอ่ เน่อื ง มอเตอร์กระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำนมขี อ้ ดคี ือมโี ครงสร้ำงท่ไี ม่ซบั ซ้อน แข็งแรงและเช่อื ถือได้ สำมำรถตอ่ กบั แบตเตอรไ่ี ดโ้ ดยตรง มสี ำยไฟเพยี ง 2 เส้นทต่ี ่อเขำ้ ไปยงั มอเตอรท์ ำใหจ้ ดั ระเบยี บสำยไฟ ไดง้ ่ำย และทนทำนต่อกำรใชง้ ำนในสภำวะสนั่ สะเทอื น จงึ ได้รบั ควำมนิยมถูกนำมำใช้ในยำนยนต์ไฟฟ้ำ ควำมเรว็ ต่ำ เช่น รถกอล์ฟไฟฟ้ำ เป็นตน้ อย่ำงไรก็ตำมมอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำนนนั้ มขี อ้ เสยี บำงประกำร ไดแ้ ก่ แปรงถ่ำนจะยดื ตวั ไดน้ อ้ ยลงเน่อื งมำจำกกำรสกึ กร่อนของคอมมวิ เทเตอร์ นอกจำกน้ี
บทท่ี 3 มอเตอร์ไฟฟา้ | 27 มอเตอร์ประเภทดงั กล่ำวยงั มปี ระสทิ ธภิ ำพทต่ี ่ำลงเม่อื ใช้งำนท่คี วำมเร็วรอบสูง เน่ืองจำกกำรเสยี ดสี ระหวำ่ งคอมมวิ เทเตอรแ์ ละแปรงถ่ำน นอกจำกน้กี ำรใชส้ นำมแม่เหลก็ เหนีย่ วนำขดลวดในแกนหมุนจะทำ ใหเ้ กดิ แรงดนั ไฟฟ้ำยอ้ นกลบั (Back Voltage) ข้นึ ในขดลวดตำ้ นกบั แรงดนั ไฟฟ้ำจำกแหล่งจ่ำยได้ ซงึ่ มี ผลใหก้ ระแสไฟฟ้ำทไ่ี หลผ่ำนขดลวดลดลงดว้ ย สง่ ผลใหแ้ รงบดิ ลดลง ขอ้ จำกดั อกี ประกำรหน่งึ คอื สำหรบั มอเตอร์กระแสตรงแบบมีแปรงถ่ำน แรงบดิ แปรผนั ตรงกับกระแส และควำมเรว็ รอบแปรผนั ตรงกับ แรงดนั ไฟฟ้ำ ดงั นัน้ ค่ำแรงบิดสูงสุดจะถูกจำกดั ไว้เพ่อื จำกัดพกิ ดั ของกระแสในระบบ ทงั้ จำกระบบ ควบคมุ มอเตอร์ และควำมตำ้ นทำนภำยในของแบตเตอร่ี ตารางที่ 3.1 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระตรงแบบมแี ปรงถ่ำน ขอ้ ดี ขอ้ ดอ้ ย - มโี ครงสรำ้ งทง่ี ำ่ ย ไม่ซบั ซอ้ น และแขง็ แรง - มผี งฝ่นุ ทเ่ี กดิ จำกกำรสกึ หรอของแปรงถำ่ น - ใชใ้ นทส่ี นั่ สะเทอื น และมคี วำมชน้ื ได้ปัญหำนอ้ ย - เกดิ ประกำยไฟจำกกระบวนกำร Commutation - สำมำรถตอ่ หมนุ กลบั ทำงโดยกำรกลบั ขวั้ ได้ - เกดิ กำรรบกวนทำงสนำมแมเ่ หลก็ - มสี ำยไฟสองเสน้ ทใ่ี ช้ ทำใหง้ ่ำยต่อกำรจดั สำย - เกดิ เสยี งรบกวนทำงกล - เปลย่ี นชุดควบคมุ งำ่ ยและรวดเรว็ - อำยุสนั้ และประสทิ ธภิ ำพต่ำ - มขี ดี จำกดั ทำงควำมเรว็ 2) มอเตอรก์ ระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถา่ น (Brushless DC Motor หรอื BLDC) ดว้ ยรำคำของ อปุ กรณไ์ ฟฟ้ำทล่ี ดต่ำลง สง่ ผลใหร้ ำคำของมอเตอรก์ ระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำนสงู กว่ำมอเตอรก์ ระแสตรง แบบมแี ปรงถ่ำนเล็กน้อย จึงทำให้มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่ำนได้รบั ควำมนิยมนำมำใช้เพ่อื ขบั เคลอ่ื นยำนยนตไ์ ฟฟ้ำเพม่ิ มำกขน้ึ ม อ เตอ ร์ก ระแส ตรง แบบไ ร้แปรง ถ่ำ น มี โครงสรำ้ งสลบั กบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำน โดยมีแกนหมุน (Rotor) เป็ นแม่เหล็กถำวร และมี ขดลวดเหนี่ยวนำอยูท่ ่สี เตเตอร์ โดยขดลวดเหนย่ี วนำมี จำนวนไม่น้อยกว่ำสำมชุด มอเตอร์ชนิดน้ีจึงสำมำรถ ทำงำนไดโ้ ดยกำรจ่ำยไฟฟ้ำไปยงั ขดลวดแต่ละชุดเป็น เฟสสลบั กนั ไปเร่อื ยๆ เพ่อื ให้เกดิ สนำมแม่เหล็กดงึ และ ผลกั แกนหมุนอย่ำงต่อเน่อื ง โดยมกี ำรตรวจจบั ตำแหน่ง รปู ท่ี 3.4 ส่วนประกอบกำรทำงำนมอเตอร์ เพ่อื เรม่ิ ทำงำนโดยใช้อุปกรณ์ตรวจจบั สนำมแม่เหล็ก กระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถำ่ น (Hall Sensor) ดงั แสดงในรูปท่ี 3.4 มอเตอรช์ นดิ น้สี ำมำรถปรบั แรงบดิ ไดโ้ ดยปรบั กำรจำ่ ยกระแสไฟฟ้ำ และปรบั ควำมเรว็ รอบไดโ้ ดย กำรปรบั ควำมถใ่ี นกำรสลบั กระแสไฟฟ้ำของขดลวด ซงึ่ สำมำรถเรยี กกำรทำงำนของมอเตอรท์ ม่ี คี วำมเรว็ ในกำรหมนุ ตรงกบั ควำมเรว็ ของกำรหมุนของสนำมแมเ่ หลก็ วำ่ เป็นกำรทำงำนแบบ Synchronous นนั่ เอง
บทท่ี 3 มอเตอร์ไฟฟ้า | 28 ถึงแมว้ ่ำมอเตอร์กระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำนจะมขี อ้ ดคี อื มปี ระสทิ ธภิ ำพท่สี งู และไม่ตอ้ งมแี ปรง ถ่ำน ซึ่งจะสกึ หรอเม่อื ใช้งำนเป็นเวลำนำน แต่อย่ำงไรก็มขี อ้ เสียคอื ตอ้ งมชี ุดควบคุมอเิ ล็กทรอนิกสท์ ่ี ซับซ้อน สำมำรถทำงำนในสภำวะกำรใช้งำนต่ำงๆ ของยำนยนต์ได้ เช่น สำมำรถกันน้ำ ทนต่อกำร สนั่ สะเทอื นและควำมรอ้ นได้ เป็นตน้ นอกจำกน้สี ำยไฟทต่ี ่อเขำ้ มอเตอรแ์ ละชดุ ควบคมุ อเิ ลก็ ทรอนิกสย์ งั มหี ลำยสำย ต่ำงกบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำนทเ่ี พยี งจ่ำยไฟทส่ี ำยไฟทงั้ สองด้ำนก็ทำงำนได้ ดงั นนั้ กำรตดิ ตงั้ สำยไฟจงึ ตอ้ งระมดั ระวงั เพ่อื ป้องกนั ไมใ่ หเ้ กดิ กำรลดั วงจรขน้ึ ในกำรใช้งำนมอเตอร์กระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำน พบว่ำมีลักษณะกำรสร้ำงแรงบิดและกำลงั คล้ำยกบั มอเตอรก์ ระแสตรงแบบมแี ปรงถ่ำน และจำกกำรทแ่ี กนหมุนเป็นแม่เหล็กถำวร จึงทำให้เกดิ ปัญหำแรงดนั ไฟฟ้ำยอ้ นกลบั เม่อื ใชง้ ำนมอเตอรท์ ค่ี วำมเรว็ สงู ตารางท่ี 3.2 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถ่ำน ข้อดี ข้อด้อย - ใชง้ ำนไดใ้ นชว่ งควำมเรว็ 0 –100,000 rpm - มคี ำ่ ใชจ้ ำ่ ยจำกอปุ กรณ์อเิ ลก็ ทรอนกิ สส์ งู กวำ่ - ใหแ้ รงบดิ ดที ค่ี วำมเรว็ สงู - ชุดควบคุมกำรขบั เคลอ่ื นยงุ่ ยำกกว่ำ - แรงบดิ และขนำดดกี วำ่ BDC - กระจำยควำมรอ้ นในขดสเตเตอรด์ กี ว่ำ BLD - ประสทิ ธภิ ำพสงู เหมำะกบั ยำนยนตไ์ ฟฟ้ำ รปู ท่ี 3.5 เปรยี บเทยี บสว่ นประกอบของมอเตอรแ์ บบ BLDC (ซำ้ ย) กบั BLDC (ขวำ)
บทที่ 3 มอเตอร์ไฟฟา้ | 29 3.2.2 มอเตอรไ์ ฟฟา้ กระแสสลับ (Alternating Current Motor) มอเตอรไ์ ฟฟ้ำกระแสสลบั นัน้ มโี ครงสร้ำงคล้ำยกบั มอเตอร์กระแสตรงแบบไม่มแี ปรงถ่ำน คอื มี ขดลวดเหนี่ยวนำอย่บู รเิ วณสเตเตอรเ์ พอ่ื รบั พลงั งำนไฟฟ้ำจำกไฟฟ้ำกระแสสลบั แลว้ แปลงเป็นพลงั งำน แม่เหลก็ ไฟฟ้ำ ส่วนโรเตอรน์ นั้ สำมำรถแบง่ ไดเ้ ป็น 2 ประเภท คอื มอเตอรเ์ หนี่ยวนำ (Induction motor) และ มอเตอรก์ ระแสสลบั แบบซงิ โครนสั (Synchronous) 1) มอเตอรก์ ระแสสลบั แบบเหน่ียวนา (Induction AC Motor) มอเตอรเ์ หน่ยี วนำ มี 2 แบบ คอื แบบกรงกระรอก (Squirrel) กับแบบพันขดลวด (Wound or Slipring) มี ควำมแตกต่ำงกนั ตรงลกั ษณะของตวั โรเตอร์ ซง่ึ ในส่วนน้ี จะอธบิ ำยอำ้ งถงึ แบบกรงกระรอกเป็นแนวทำง ส่วนของสเตเตอร์มีลักษณะเดียวกับมอเตอร์ รูปที่ 3.6 ส่วนประกอบกำรทำงำนมอเตอร์ กระแสตรงแบบไรแ้ ปรงถ่ำน แตม่ คี วำมแตกต่ำงกนั ทแ่ี กน ห มุน ข อ ง ม อ เตอ ร์เหนี่ย ว น ำ จะมีแท่ ง ตัวน ำ วำง ตัวเป็ น แบบเหนี่ยวนำ ส่วนประกอบ วงรอบแกนเพลำ ซึ่งลักษณะกำรออกแบบโรเตอร์ (บน) ภำยในโรเตอร์ (กลำง) ดังกล่ำวเรียกว่ำโรเตอร์แบบกรงกระรอก เน่ืองจำกโร ภำยนอกโรเตอร์ (ลำ่ ง) เตอรด์ งั กล่ำวประกอบดว้ ยแทง่ ตวั นำจำนวนมำกทถ่ี กู ฝัง อยู่ในแผ่นชนั้ เหลก็ ซ่งึ อำจเป็นทองแดงหรอื อะลูมเิ นียม ประกบั หวั และทำ้ ยดว้ ยแผ่นประกบั ดงั แสดงในรูปท่ี 3.6 ห ำ ก พิจ ำ ร ณ ำ ห ลัก ก ำ ร ท ำ ง ำ น ข อ ง ม อ เ ตอ ร์เ ห น่ี ย วน ำ พ บว่ำ เ ม่ือ จ่ ำ ย ไ ฟ ฟ้ ำ ก ระแส ส ลับแบบส ำ ม เ ฟ ส ใ ห้กับ ขดลวดสเตเตอรส์ ำมคู่ท่วี ำงเหล่อื มกนั ทำมุม 120 องศำ ตำมเฟสทำงไฟฟ้ำ จะเกดิ สนำมแม่เหลก็ เคล่อื นทห่ี มุนอยู่ โดยรอบแกนหมนุ แตส่ นำมแม่เหลก็ ในแกนหมุนทจ่ี ำเป็น เพ่ือกำรหมุนเพลำไม่ได้เกิดจำกกำรจ่ำยกระแสเข้ำสู่ ขดลวดดงั เช่นมอเตอร์กระแสตรง แต่สนำมแม่เหลก็ ใน โรเตอร์แบบกรงกระรอกจะเกิดจำกกำรตดั ผ่ำนของโครง ตวั นำของแกนหมุนผ่ำนสนำมแม่เหล็กจำกสเตเตอร์ ซ่งึ จะสรำ้ งกระแสเหนี่ยวนำขน้ึ ส่งผลใหเ้ กดิ สนำมแม่เหล็ก ในแกนหมุนอีกทอดหน่ึง ควำมสัมพันธ์ระหว่ำ ง สนำมแม่เหลก็ ทเ่ี กดิ จำกกระแสเหนี่ยวนำในแกนหมุนซงึ่ พยำยำมจะวำงตวั ในแนวเดยี วกบั สนำมแม่เหลก็ ตน้ ทำง จำกสเตเตอร์เป็นสำเหตุท่สี ร้ำงแรงบดิ ของแกนหมุนใน กำรขบั มอเตอรเ์ หน่ียวนำ
บทที่ 3 มอเตอร์ไฟฟา้ | 30 เม่อื พจิ ำรณำควำมสมั พนั ธร์ ะหวำ่ ง แรงบิดและควำมเร็วรอบของมอเตอร์ เหน่ียวนำ พบว่ำแรงบิดจะเพ่ิมข้ึนตำม ควำมเรว็ รอบจนถึงจดุ ทค่ี วำมแตกตำ่ งของ ควำมเร็วกำรหมุนของสนำมแม่เหล็กกับ แ ก น ห มุ น แ ต ก ต่ ำ ง กั น ม ำ ก ท่ี สุ ด (Breakdown toque) ซ่ึงจะส่งผลใหแ้ รงบดิ ลดลง ดงั นนั้ อำจกล่ำวไดว้ ่ำแรงบดิ สำมำรถ รูปที่ 3.7 ควำมสัมพนั ธ์ควำมเร็วรอบกับแรงบิดมอเตอร์ ถูกควบคุมได้โดยกำรปรบั ควำมเข้มของ แบบเหน่ียวนำ (Induction Motor) สนำมแม่เหล็กโดยปรบั ค่ำกระแสไฟฟ้ำท่ี จ่ำยให้กบั ขดลวด ซึ่งส่งผลให้กำรควบคุม กำรทำงำนของมอเตอร์เหนี่ยวนำมีควำมซบั ซ้อนค่อนข้ำงมำกอย่ำงไรก็ตำม มอเตอร์เหน่ียวนำถูก นำมำใชง้ ำนอยำ่ งแพร่หลำยในยำนยนต์ไฟฟ้ำ เน่อื งจำกโครงสรำ้ งส่วนประกอบมคี วำมเรยี บงำ่ ย มคี วำม ทนทำนสูงเม่อื เทยี บกบั มอเตอรก์ ระแสตรง มคี วำมปลอดภยั เน่อื งจำกชุดควบคมุ มอเตอร์ มหี น้ำทเ่ี พยี ง สร้ำงกำลังขับ ดังนั้น หำกชุดควบคุมมอเตอร์เสีย มอเตอร์ก็จะหยุดกำรทำงำนเท่ำนั้น โดยไม่มี แรงดนั ไฟฟ้ำจำกแหล่งพลงั งำนจำ่ ยไปยงั มอเตอร์แต่อยำ่ งใด นอกจำกน้มี อเตอร์เหนี่ยวนำสำมำรถสรำ้ ง พลงั งำนไฟฟ้ำยอ้ นกลบั ขณะเบรก (Regenerative Braking) ไดโ้ ดยไม่ตอ้ งกำรอปุ กรณพ์ เิ ศษเพมิ่ เตมิ ซงึ่ หำกเป็นมอเตอรก์ ระแสตรงจะตอ้ งมกี ำรตดิ ตงั้ อุปกรณ์พเิ ศษเพอ่ื สรำ้ งพลงั งำนไฟฟ้ำยอ้ นกลบั เพม่ิ เตมิ มอเตอรเ์ หนีย่ วนำสำมเฟส โรเตอรแ์ บบกรงกระรอกสว่ นมำกจะนำไปใชเ้ ป็นตน้ กำลงั ขบั เคร่อื งกล ชนดิ ตำ่ งๆ ในงำนอุตสำหกรรม เช่น เครอ่ื งกลงึ เคร่อื งไส เครอ่ื งกดั เครอ่ื งเจยี ระไนรำบและตงั้ ขบั ปัม้ ไฮ ดรอลกิ ส์ ขบั ปั้มน้ำ ขบั คอมเพรสเซอรแ์ ละงำนอน่ื ๆ เน่ืองจำกมคี ณุ ลกั ษณะใหแ้ รงบดิ ในกำรเรมิ่ เดนิ ทด่ี ี และมคี วำมเรว็ รอบค่อนขำ้ งคงท่ี ส่วนมอเตอรเ์ หน่ียวนำสำมเฟสโรเตอรแ์ บบพนั ขดลวด จะใชก้ บั งำน หนัก ใช้ควำมต้ำนทำนภำยนอกช่วยในกำรเรม่ิ เดนิ จะไดแ้ รงบดิ ในตอนเรม่ิ เดนิ สงู สุดและกระแสเรมิ่ เดนิ จะลดลง ตารางที่ 3.3 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระแสสลบั แบบเหนยี่ วนำ ข้อดี ข้อดอ้ ย - ใชเ้ งนิ ลงทุนรวมทงั้ กำรบำรงุ รกั ษำต่ำ - กระแสเรม่ิ ตน้ สงู - กำรควบคุมกส็ ำมำรถทำไดง้ ำ่ ย - ประสทิ ธภิ ำพต่ำเน่อื งจำกกำรสรำ้ งแมเ่ หลก็ - สำมำรถตอ่ เขำ้ กบั สำยป้อนไดโ้ ดยตรง
บทท่ี 3 มอเตอร์ไฟฟ้า | 31 2) มอเตอรก์ ระแสสลบั แบบซิงโครนัส (Synchronous AC Motor) มอเตอร์ชนิดน้ีใช้โรเตอร์แบบขดลวดพนั รอบโร รูปที่ 3.8 ส่วนประกอบมอเตอร์แบบ เตอร์โดยต่ออนุกรมกนั และจ่ำยไฟฟ้ำกระแสตรงให้กบั ซงิ โครนสั ขดลวดเพ่ือให้เกิดขัว้ แม่เหล็กท่ีคงตัว โดยขดลวด สนำมแม่เหล็กท่ตี วั หมุนน้ีจะต่อเขำ้ กับวงแหวนหรือสลิ ปริงจำนวน 2 วงเพ่ือรับไฟกระแสตรงจำกแหล่งจ่ำย ภำยนอก และท่ีตัวหมุนยังฝั่งแท่งตัวนำไว้ท่ีผิวของ ขวั้ แม่เหลก็ ทกุ ๆ ขวั้ หลักกำรทำงำนของมอเตอร์กระแสสลับแบบ ซิงโครนัส เรม่ิ ต้นจำกกำรจ่ำยแรงดนั ไฟฟ้ำกระแสสลบั สำมเฟส ให้กับขดลวดสเตเตอร์และหมุนดว้ ยควำมเรว็ ซิงโครนัส จำกนั้นโรเตอร์จะหมุนตำมซ่ึงทำ งำน เหมือนกบั มอเตอร์เหน่ียวนำสำมเฟสแบบกรงกระรอก ครัน้ เม่ือป้อนแรงดันไฟฟ้ำกระแสตรงให้กับขดลวด สนำมแม่เหลก็ หมุนทต่ี วั โรเตอรจ์ ะเกดิ ขวั้ แม่เหลก็ ทต่ี วั โร เตอร์เช่นเดียวกัน เป็นขวั้ แม่เหล็กท่คี งตวั โดย ดงั รูปท่ี 3.8 จะหมุนเกำะติดกับขัว้ แม่เหล็กท่ีสเตเตอร์ด้วย ควำมเรว็ ซงิ โครนสั ดงั นัน้ ควำมเรว็ ของมอเตอร์ชนดิ น้จี ะ ตรงกบั ควำมถขี่ องไฟฟ้ำกระแสสลบั และจำนวนขดลวดท่ี สเตเตอรท์ ใ่ี ชใ้ นกำรควบคุม ตารางที่ 3.4 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรก์ ระแสสลบั แบบซงิ โครนัส ขอ้ ดี ข้อดอ้ ย - ควำมเรว็ คงทไ่ี ม่ว่ำมโี หลดหรอื ไมม่ โี หลด - ตน้ ทนุ สงู - มอเตอรม์ ขี นำดใหญ่ พกิ ดั 200–20,000 HP - ควำมเรว็ เฉลย่ี เป็นสดั สว่ นโดยตรงกบั ควำมถ่ี
บทท่ี 3 มอเตอร์ไฟฟา้ | 32 3) มอเตอรแ์ บบสวิชตร์ ีลกั แตนซ์ (Switched Reluctance Motors) ม อ เ ต อ ร์ แ บ บ น้ี มีลัก ษ ณ ะ โ ค ร ง ส ร้ ำ ง ค ล้ ำ ย กั บ รูปท่ี 2.9 ส่ ว น ป ร ะ ก อ บ ม อ เตอ ร์ มอเตอร์กระแสตรงแบบไร้แปรงถ่ำน แต่วสั ดุท่ใี ช้ทำแกน แบบสวชิ ตร์ ลี กั แตนท์ หมุนนัน้ เป็นเหลก็ อ่อน ดงั แสดงในรปู ท่ี 3.9 ซง่ึ กำรทำงำน อ ำ ศัย ห ลักกำ รของ วัส ดุท่ีมีคุณสม บัติเป็ นแม่เหล็กท่ีจะ เ ค ล่ือ น ตัว เ พ่ือ ใ ห้อ ยู่ ใ น ต ำ แ ห น่ ง ท่ีมีค ว ำ ม ต้ำ น ท ำ น ต่ อ สนำมแม่เหล็กน้อยท่สี ุด ดงั นัน้ เม่อื เน้ือวสั ดุของแกนหมุน หลบห่ำงจำกขวั้ แม่เหล็กท่ีสเตเตอร์ ควำมต้ำนทำนต่อ สนำมแม่เหล็กกจ็ ะมคี ่ำสงู ขน้ึ ส่งผลให้แกนหมุนพยำยำม จะหมนุ เคล่อื นท่ี เพ่อื ใหข้ วั้ ของแกนหมุนอยู่ในแนวเดยี วกบั ขวั้ แม่เหล็กซ่ึงจะทำให้ควำมต้ำนทำนต่อสนำมแม่เหล็ก น้อยสุด ดงั นัน้ กำรสลบั จงั หวะกำรสร้ำงสนำมแม่เหล็กท่ี ขดลวดบนสเตเตอรแ์ ต่ละขวั้ อย่ำงเหมำะสม จะทำใหแ้ กน หมนุ เคล่อื นทไ่ี ดอ้ ย่ำงต่อเน่อื ง จำกหลกั กำรขำ้ งตน้ ส่งผลให้ มอเตอร์แบบสวชิ ต์รีลกั แตนท์ ต้องกำรอุปกรณ์ตรวจจับ ตำแหน่งแกนหมุน ซ่ึงในปัจจุบันได้มีกำรพฒั นำระบบ ควบคมุ กำรทำงำนแบบไรอ้ ปุ กรณ์ตรวจจบั ขน้ึ ประกอบกบั รำคำของอุปกรณ์ประมวลสญั ญำณดจิ ทิ ลั ท่ลี ดลง จงึ ทำให้ มอเตอร์แบบสวชิ ต์รลี กั แตนท์ มกี ำรใชง้ ำนแพร่หลำยเพมิ่ มำกขน้ึ ตารางท่ี 3.5 เปรยี บเทยี บขอ้ ดี ขอ้ เสยี ของมอเตอรแ์ บบสวชิ ต์รลี กั แตนท์ ข้อดี ขอ้ ดอ้ ย - ตน้ ทนุ กำรผลติ ต่ำ - ตอ้ งกำรตำแหน่งโรเตอรใ์ นกำรควบคุม - โครงสรำ้ งง่ำยไมซ่ บั ซอ้ น - มกี ำรกระเพอ่ื มของแรงบดิ - พฒั นำเป็นมอเตอรค์ วำมเรว็ สงู ไดง้ ำ่ ย - ตอ้ งใชช้ ดุ ขบั เคลอ่ื นทำงำนร่วมกนั -กำรบำรุงรกั ษำนอ้ ย - มจี ำนวนสำยทอ่ี อกจำกมอเตอรม์ ำก - ใชจ้ ำนวนอุปกรณส์ วทิ ชก์ ำลงั มำก
บทที่ 3 มอเตอรไ์ ฟฟา้ | 33 4) มอเตอรแ์ บบเอก็ เซลฟลกั ซ์ (Axial-Flux Motors) มอเตอรป์ ระเภทน้ีใชเ้ สน้ แรงแม่เหลก็ แตกต่ำงจำกมอเตอร์แบบอ่นื ๆ โดยเสน้ แรงแม่เหล็กของ มอเตอร์ปกตจิ ะเคล่อื นตวั ในแนวรศั มผี ่ำนช่องอำกำศระหว่ำงโรเตอร์และสเตเตอร์ แต่มอเตอร์แบบเอก็ เซลฟลกั ซ์นนั้ เสน้ แรงแมเ่ หลก็ จะไหลขนำนกบั แกนของมอเตอร์ ดงั แสดงในรปู ท่ี 2-13 จงึ ทำใหส้ ำมำรถ ออกแบบโรเตอร์ได้บำงและเบำกว่ำมอเตอร์แบบอ่ืน ๆ เหมำะสำหรับกำรใช้งำนท่ีต้องกำรเปล่ยี น อตั รำเรว็ อย่ำงรวดเรว็ (อตั รำเรง่ สงู ) โ ร เ ต อ ร์ข อ ง ม อ เ ต อ ร์แ บ บ Axial Flux Permanent-Magnet Brushless ลักษณะกำรวำง ขวั้ แม่เหลก็ ถำวรทงั้ สองแผน่ จะตอ้ งวำงสลบั ขวั้ กนั ดังรูปท่ี 3.10 โรเตอร์ของเคร่ืองกำเนิดไฟฟ้ำ แบบเอ็กเซลฟลกั ซ์ ใช้เรซ่ินหล่อทบั แม่เหล็กเพ่อื ควำมแขง็ แรงลกั ษณะทศิ ทำงกำรเคล่อื นทข่ี องเส้น แรงแม่เหลก็ จะพุ่งผำ่ นจำกแผน่ เหลก็ แผ่นแรก (ขวั้ เหนือ) ข้ำมช่องว่ำงอำกำศ (Air Gap) ไปยังอีก แผ่นหนึ่ง (ขัว้ ใต้) ผ่ำนแม่เหล็กจนครบวงจร แมเ่ หลก็ เคร่อื งกำเนดิ ไฟฟ้ำแบบน้ีจะมลี กั ษณะกำร กระจำยของเส้นแรงแม่เหล็กเป็ นวงรอบปิ ด โดย ทศิ ทำงของเส้นแรงแม่เหล็กจะมลี กั ษณะเสริมกัน จงึ ทำให้ไดค้ ่ำควำมหนำแน่นเสน้ แรงแม่เหลก็ มำก ข้ึนเป็ น 2 เท่ำ แต่อย่ำงไรก็ดี เม่ือค่ำควำม รปู ที่ 3.10 ส่วนประกอบมอเตอรเ์ อกเซลฟลกั ซ์ ห น ำ แ น่ น เ ส้น แ ร ง แ ม่เ ห ล็ก ( Magnetic Flux Density) ย่ิงมำกข้ึนเท่ำใดก็อำจยิ่งทำ ให้เกิด แรงบดิ ตำ้ นมำกขน้ึ ตำมไปดว้ ย รปู ท่ี 3.11 ทศิ ทำงกำรไหลของกระแสในมอเตอร์ สเตเตอร์ (Stator) จะเป็นส่วนท่อี ยู่กับท่ี มี หน้ำท่ียึดกับขดลวดอำร์เมเจอร์ (Armature- Winding) หรือชุดขดลวดไฟฟ้ำเหน่ียวนำท่ีผลติ แรงเคล่อื นไฟฟ้ำเหนี่ยวนำออกมำใช้งำนโดยทงั้ สองด้ำนของสเตเตอรจ์ ะถูกประกบดว้ ยโรเตอรท์ งั้ สองด้ำนเพ่ือให้เกิดแรงเคล่ือนไฟฟ้ ำเหน่ียวนำ ออกมำเป็น 2 เท่ำ ในกำรท่นี ำขดลวดอำร์เมเจอร์ มำตดิ กบั ชดุ ของ สเตเตอรน์ นั้ เพ่อื ลดปัญหำในเร่อื ง กำรฉนวนไฟฟ้ำ และยดึ ขดลวดใหแ้ ขง็ แรงได้ง่ำย เน่ืองจำกไม่ถูกแรงเหว่ียง หรือกำรสนั่ สะเทอื น เน่อื งจำกกำรหมนุ ได้
บทท่ี 4 ระบบควบคมุ มอเตอร์ไฟฟา้ ระบบควบคมุ เป็นหนง่ึ ในสว่ นสำคญั ของยำนยนตไ์ ฟฟ้ำ (EV) ทม่ี กี ำรพฒั นำอยำ่ งต่อเน่อื งในกำร แกป้ ัญหำตำ่ งๆ ของระบบ ในอนำคตกำรพฒั นำอำจจะทำใหม้ ปี ระสทิ ธภิ ำพทส่ี งู ขน้ึ และมขี นำดทเ่ี ลก็ ลง เหมำะสำหรบั กำรใชง้ ำนทส่ี ะดวกไดด้ ยี ง่ิ ขน้ึ กำรเลอื กกล่องควบคุมมคี วำมสำคญั มำกในกำรตดั สนิ ใจ ส่วนสำคญั ในกำรเลอื กใช้มำประกอบ คอื มอเตอร์ แบตเตอร่ี แรงดนั ไฟ กระแสไฟทใ่ี ช้ ใหท้ ำงำนไดเ้ หมำะสม และตอ้ งตอ้ งคดิ ถงึ น้ำหนัก ขนำด ส่วนประกอบเสรมิ ทจ่ี ะเขำ้ มำเกยี่ วพนั ธ์ ทงั้ หมดน้ีคอื ปัจจยั ทจ่ี ำเป็นตอ้ งทำใหเ้ กดิ ควำมเหมำะสมของใน แต่ละดำ้ น เพ่อื ใหไ้ ดป้ ระสทิ ธภิ ำพทย่ี อดเยย่ี ม 4.1 พนื้ ฐานระบบควบคมุ กล่องควบคุมมีหน้ำท่คี วบคุมควำมเร็ว กำลงั ไฟ ของมอเตอร์ไฟฟ้ำ กำรพฒั นำแต่แรกกล่อง ควบคมุ เป็นเพยี ง ตวั สวติ ชท์ ำงำนของอปุ กรณ์ต่ำงๆ ในกำรควบคมุ วำ่ แรงดนั ขน้ึ หรอื ลงช่วงใด เน่อื งจำกกำรสตำรท์ มอเตอรไ์ ฟฟ้ำตอ้ งกำรกระแสไฟทจ่ี ำกดั กำรเรม่ิ ตน้ สตำรท์ ของมอเตอรจ์ ะมี กำรใชก้ ระแสไฟทม่ี ำกเทำ่ กบั จำนวนกำลงั ไฟของแหล่งจำ่ ยของแบตเตอร่ี กระแสไฟมอเตอรส์ ำมำรถสงู ถงึ 2,000 แอมป์ เม่อื เชอ่ื มต่อโดยตรงกบั แหล่งจำ่ ยกำลงั ไฟ ถำ้ หำก ใช้ แรงดนั ไฟแหล่งจ่ำย 120VDC ท่ี 1,000A จะใชก้ ำลงั ไฟไปถึง 120 kW ถำ้ หำกกำรใชก้ ำรตอ่ ตรงจำก แหลง่ จ่ำยเขำ้ มอเตอรจ์ ะทำใหเ้ กดิ ควำมเสยี หำย เพรำะกำรหมุนของมอเตอรต์ อนช่วงเรม่ิ ตน้ กระแสสงู กลอ่ งคอนโทลเลอรค์ วบคุมมอเตอรส์ ่วนใหญใ่ นปัจจบุ นั ทใ่ี ชง้ ำนทวั่ ไปกบั มอเตอรบ์ สั เลสแบบ 3 เฟส จะมกี ำรใชง้ ำนในกำรจำ่ ยไฟฟ้ำในองศำท่ี 60° และ 120° โดยจะเปลย่ี นพลงั งำนไฟฟ้ำกระแสตรงให้ เป็นกระแสสลบั ตำมจงั หวะของเฟสต่ำงๆ มกี ำรใช้กำรควบคุมวงจรกำรทำงำนดว้ ยไมโคคอนโทลเลอร์ และมี เพำเวอรม์ อสเฟส ในกำรตดั ต่อกระแสไฟฟ้ำ จะสง่ พลงั งำนใหก้ บั มอเตอร์ 3 เฟส 4.2 ประเภทของระบบควบคมุ แบ่งกำรควบคุมทำงำนในกำรจำ่ ยเป็นคล่นื พลงั งำนทป่ี ลอ่ ยใหก้ บั มอเตอร์ 2 แบบ คอื 1. แบบคลน่ื สแควรเ์ วฟ (Square Wave) จะมลี กั ษณะเป็นทรงสเ่ี หลย่ี ม จะมจี ุดเปลย่ี นระหว่ำง ขวั่ บวกกับขวั่ ลบมคี วำมชนั น้อย และเป็นเส้นตรง ทำให้มกี ำรจ่ำยไฟฟ้ำไม่รำบเรียบ ซึ่งจะส่งผมให้ มอเตอรเ์ กดิ เสยี งฮมั และควำมรอ้ นสะสมกบั ตวั มอเตอร์ แต่จะมรี ำคำถกู หำซ้อื ไดง้ ำ่ ยทวั่ ไป และนิยมใช้ กบั มอเตอรท์ ม่ี ขี นำดไม่ใหญ่มำก
บทท่ี 4 ระบบควบคมุ | 35 2. แบบคล่ืนซายน์เวฟ (Sine Wave) จะมีรูปคล่ืนโคล้งมน ตำมองศำของเฟส ซ่ึงจะมีกำร ตรวจสอบองศำเฟส จำก ฮอล์เซน็ เซอร์ จะทำใหม้ กี ำรรำบเรยี บของกำรจ่ำยกระแส และทำใหป้ ระหยดั พลงั งำน ไมเ่ กดิ ควำมรอ้ นสะสม ไมเ่ กดิ เสยี งมำกนัก แตจ่ ะมรี ำคำทส่ี งู และหำซ้อื ไดย้ ำก 4.3 การเลอื กใชก้ ล่องควบคุม ปัจจุบนั กล่องควบคมุ มคี วำมหลำกหลำย แต่มหี ลกั กำรทำงำนทม่ี คี วำมคลำ้ ยกนั ในกำรน้ผี เู้ ขยี นจงึ ขอยกกล่องควบคมุ ของ VOTOL ทม่ี ไี ดร้ บั ควำมนิยม และมขี อ้ มลู ทจ่ี ะนำมำใชต้ อ่ กำรนำเสนอ คุณสมบตั ิ ของกำรเลอื กกล่องควบคมุ จะมตี วั แปรหลำยสว่ นเขำ้ มำเกย่ี วขอ้ ง ดงั น้ี 1. ค่ำแรงดนั ไฟฟ้ำ 2. ค่ำอตั รำกระแสไฟ (Rate Current) 3. ค่ำกระแสสงู สดุ (Peak Current) 4. ค่ำกำลงั ไฟสงู สดุ (Max Power) 5. คำ่ ประสทิ ธภิ ำพสงู สุด (Max Efficiency) ในตวั แปรต่ำงๆ กำรเลือกท่เี หมำะสมของมอเตอร์จะข้นึ อยู่กบั ขีดจำกัดของมอเตอร์ท่จี ะทำงำน ร่วมกนั โดยกล่องควบคุมต้องมีคุณสมบตั ิท่มี ำกกว่ำ หรือดีกว่ำคุณสมบตั ิของมอเตอร์ เพ่อื ให้กล่อง ควบคมุ มอเตอรไ์ ด้อย่ำงเหมำะสม กล่องควบคุมสำมำรถใช้กับมอเตอร์ท่มี ีคุณสมบัติท่ีน้อยกว่ำได้ โดยข้ึนอยู่กับผู้ใช้งำนทำกำร ปรบั แตง่ กล่องควบคมุ นนั้ ซงึ่ กลอ่ งควบคุมทใ่ี ชก้ นั ในทอ้ งตลำดมรี ำยละเอยี ดดงั น้ี รปู ท่ี 4.1 คุณสมบตั กิ ล่องควบคุม VOTOL EM 50 SP
บทที่ 4 ระบบควบคุม | 36 4.4 ตวั แปรส่งั การในการประมวลผลภายในกล่องควบคุม ภำยในกลอ่ งควบคุมอุปกรณ์อเิ ลก็ ทรอนกิ ส์ในกำรสงั่ กำรใหก้ ล่องควบคุมทำงำนโดยรบั คำสงั่ เขำ้ มำจำกสำยสญั ญำณต่ำงๆ ของระบบ ในกำรน้ีผู้เขียนจึงขอยกตัวอย่ำงของกำรรบั สัญญำณ หรือ สำยสญั ญำณสงั่ กำรเขำ้ รบั กำรประมวลผลของกล่องควบคุม VOTOL รุ่น EM50SP รปู ท่ี 4.4 รูปลกั ษณะกล่องควบคุม EM50SP รปู ท่ี 4.4 ขวั้ สำยสญั ญำณควบคมุ กลอ่ ง EM50SP
บทที่ 4 ระบบควบคมุ | 37 4.5 วงจรควบคมุ 4.5.1 วงจรแหล่งจา่ ยไฟ แหลง่ จำ่ ยไฟจะทำกำรจำ่ ยไฟจำกแบตเตอร่เี ขำ้ สกู่ ล่องควบคมุ โดยแรงดนั ไฟขน้ึ อยกู่ บั ชนิดของ กล่องควบคมุ และตวั มอเตอรต์ น้ กำลงั ในกำรกนิ กระแสไฟ แหลง่ จำ่ ยไฟจะทำกำรจ่ำยแรงดนั ไฟออกมำท่ี ขวั้ B+ ของกล่องควบคมุ คอื ขวั้ + ของแหลง่ จำ่ ย สว่ นขวั้ B – คอื ขวั้ - ของแหล่งจ่ำยไฟ โดยในสว่ นของ ขวั้ – จะทำกำรต่อเขำ้ กบั เบรกเกอร์ของรถจกั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ เพ่อื ทป่ี ้องกนั กระแสรดั วงจรท่จี ะเกดิ ขน้ึ เบรกเกอรน์ ้ี หำกไม่ทำกำรใชจ้ กั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ ควรทำกำรสบั เบรกเกอร์ เพอ่ื ป้องกนั กำรคำยประจุไฟ เลย้ี วอปุ กรณ์สว่ นอ่นื ๆ ของระบบจกั รยำนยนตไ์ ฟฟ้ำ รปู ท่ี 4.5 วงจรแหล่งจำ่ ยเขำ้ กบ้ ระบบควบคมุ 4.5.2 วงจรต้นกาลงั มอเตอร์ จกั รยำนยนตไ์ ฟฟ้ำจะมกี ำรรบั สญั ญำณ Hall Sensor เพ่อื ทำกำรสงั่ กำรใหม้ อเตอรท์ ำกำรหมนุ โดยสง่ สญั ญำณเขำ้ ทก่ี ลอ่ งควบคมุ แบ่งออกเป็นสญั ญำณ สำมสำย คอื สญั ญำณ U, V, W จะมแี รงดนั ไฟ เพ่อื ตรวจสอบสญั ญำณดงั กล่ำวทก่ี ล่องควบคมุ รปู ท่ี 4.6 วงจรตน้ กำลงั มอเตอร์
บทท่ี 4 ระบบควบคมุ | 38 4.5.3 วงจร Hall Effect Sensor สญั ญำณ Hall Sensor จะทำกำรสรำ้ งแรงดนั ไฟประมำณ 5V (4.2 – 4.8V) และเปลย่ี นแปลงตำม กำรทำงำน เป็นเซนเซอรใ์ นกำรตรวจสอบกำรทำงำนของมอเตอร์ ชุดสญั ญำณ Hall Sensor จะทำกำร สร้ำงแรงดนั ไฟจำกกล่องควบคุมและแปรผนั ตำมกำรทำงำน ผ่ำนตัวคล่นื สญั ญำณต่ำงๆ โดยมกี ำร ตรวจสอบอณุ หภมู ทิ ำงำนของชุดมอเตอรต์ น้ กำลงั รปู ที่ 4.7 วงจรสญั ญำณ Hall effect 4.5.4 วงจรอิเลก็ ทรอนิกสล์ อ็ ก วงจร e-lock เป็นวงจรกำรทำงำนของตวั กลอ่ งควบคุม หำกไม่ทำกำรต่อวงจรน้ี กล่องควบคุมจะ ไม่สำมำรถสงั่ กำรใดๆ ใหเ้ กดิ กำรทำงำนได้ วงจรน้จี ะรบั แรงดนั ไฟขวั้ + จำกแหล่งจ่ำยไฟ เพยี งเสน้ เดยี ว โดยขน้ึ อยกู่ บั แรงดนั ของแบตเตอร่ีทใ่ี ช้งำน หำกทำกำรใช้งำนแบตเตอร่ที ่ี 72VDC สำมำรถทำกำรป้อน แรงดนั ไฟเขำ้ ทข่ี วั้ e-lock ของกลอ่ งควบคมุ เพอ่ื ปลดลอ็ คกำรทำงำนไดเ้ ลย รปู ท่ี 4.8 วงจร e-lock
บทที่ 4 ระบบควบคุม | 39 4.5.5 วงจรคนั เรง่ ไฟฟ้า วงจรคนั เรง่ ไฟฟ้ำจะทำกำรทแ่ี รงดนั ไฟป้อนออกมำจำกกลอ่ งควบคมุ 5V และจะแปลผนั ตำมกำร บดิ ทค่ี นั เร่งเขำ้ ส่ขู วั้ สญั ญำณ โดนผำ่ นตวั ตำ้ นทำนภำยใน หำกคนั เร่งไฟฟ้ำไมแ่ ปรผนั จะทำใหไ้ มส่ ำมำรถ ควบคุมกำรทำงำนของระบบมอเตอร์ไฟฟ้ำได้ เม่อื ทำกำรตรวจสอบสำมำรถใช้มลั ติมิเตอร์วดั ควำม แตกต่ำงของควำมตำ้ นทำน เพ่อื นำมำคดิ วเิ ครำะหข์ อ้ บกพร่องทอ่ี ำจจะเกิดขน้ึ ได้ รปู ที่ 4.9 วงจรคนั เรง่ ไฟฟ้ำ 4.5.6 วงจรปรบั ระดบั ความเรว็ มอเตอรต์ ้นกาลงั กำรปรบั ระดบั กำรกนิ แสไฟ เพอ่ื ทำใหร้ อบกำรทำงำนของมอเตอรส์ ำมำรถทำไดร้ อบทส่ี งู ขน้ึ โดย ผำ่ นสวติ ชค์ วบคมุ กำรกนิ แสไฟ 2 ระดบั เม่อื ตอ้ งกำรรอบทส่ี งู ขน้ึ ทำกำรปรบั ในโหมดทเ่ี ลขมำกขน้ึ แตจ่ ะ สง่ ผลต่อแบตเตอรท่ี จ่ี ะทำใหม้ กี ำรกนิ แสสงู ตอ้ งทำกำรชำรจ์ เน่อื งจำกแบตเตอรห่ี มดเรว็ ขน้ึ รปู ที่ 4.10 วงจรปรบั ระดบั ควำมเรว็ มอเตอรต์ น้ กำลงั
บทท่ี 4 ระบบควบคุม | 40 4.5.7 วงจรปรบั ลกั ษณะการขบั ข่ี กำรปรบั ลกั ษณะกำรขบั ขเี่ ป็นกำรปรบั โหมด Sport เพอ่ื ใหม้ อเตอรท์ ำงำนทร่ี อบสงู กว่ำขน้ึ แตจ่ ะ สง่ ผลเสยี ต่อแบตเตอร่ี ทจ่ี ะตอ้ งทำกำรชำรจ์ ไวมำกขน้ึ และกำรกลบั กำรหมนุ ของมอเตอร์ สำมำรถทำได้ ดว้ ยกำรต่อวงจร Reverse จะทำใหม้ อเตอรห์ มนุ กลบั อกี ทำง รปู ท่ี 4.11 วงจรปรบั ลกั ษณะกำรขบั ข่ี 4.5.8 วงจรเขา้ เกียรจ์ อด กำรทำงำนของระบบควบคมุ จะทำกำรจ่ำยไฟของมอเตอร์ ขณะทท่ี ำกำรปลดเกยี ร์ P ออก หำก ไม่ทำกำรปลดตัว P ขณะจะทำกำรขับ มอเตอร์จะไม่สำมำรถหมุนไฟได้ เน่ืองจำกเข้ำเกียร์ P อยู่ เหมอื นกบั รถยนตท์ เ่ี ป็นเพยี งเกยี รจ์ อดรอสแตนบำย รปู ท่ี 4.12 วงจรเขำ้ เกยี รจ์ อด
บทที่ 4 ระบบควบคุม | 41 4.5.9 วงจรจอแสดงผล วงจรแสดงผลจะทำกำรแสดงผลขอ้ มูลของกำรทำงำนมอเตอร์ โดยรบั สญั ญำณ 3 ส่วน คอื e- lock, LIN และ Can bus เพ่อื ทำกำรรบั ขอ้ มูลจำกกล่องควบคมุ ในกำรประมวลผลคำ่ ตวั แปรต่ำงๆ ไม่วำ่ จะแบตเตอร่ี ควำมเรว็ รอบ ทแ่ี สดงผ่ำนจอประมวลผล รปู ที่ 4.13 วงจรจอแสดงผล 4.5.10 วงจรลดแรงดนั ไฟ วงจรแปลไฟ 12 VDC เน่ืองจำกวงจรน้เี ปลย่ี นกำรแปลงไฟจำก 72VC เป็น 12VDC กำรทำงำน คอื กำรลดแรงดนั ของแหล่งจ่ำยผ่ำนโมดูลควบคุม เพ่อื นำไปใช้ประโยชน์ในส่วนต่ำงๆ เช่นไฟเล้ยี ว ไฟ สอ่ งสวำ่ ง ไฟเบรก ฯลฯ รปู ที่ 4.14 วงจรลดแรงดนั ไฟ
บทท่ี 4 ระบบควบคมุ | 42 4.5.11 วงจรเบรก วงจรแปลไฟ 12 VDC จำกกำรลดแรงดนั ไฟ 72VDC เม่อื ทำกำรต่อวงจรเขำ้ กบั ระบบ เพ่อื ทำ กำรรเี จนเนอเรทฟี เบรก ต้องมกี ำรรบั สญั ญำณเบรก เพ่อื สรำ้ งกำรทำงำนของชุดควบคมุ โดยผ่ำนเขำ้ ท่ี ขวั้ High Brake รปู ที่ 4.15 วงจรเบรก 4.5.12 วงจรเช่ือมต่อกบั โปรแกรมควบคมุ กำรปรบั ตงั้ มอเตอร์ เพ่อื ให้มปี ระสทิ ธภิ ำพ พร้อมทงั้ ทำกำรตรวจสอบกำรทำงำนผ่ำนหน้ำจอ วงจรน้มี สี ว่ นสำคญั เพอ่ื ทจ่ี ะทำใหเ้ กดิ กำรแกป้ ัญหำไดง้ ่ำยยงิ่ ขน้ึ เมอ่ื เกดิ ปัญหำจำกกำรทำงำนของระบบ มอเตอร์ ผำ่ นสญั ญำณ Can H และ Can L และใชง้ ำนผ่ำนโปรแกรมของผขู้ ำยกล่องควบคุม รปู ท่ี 4.15 วงจร USB Port
บทท่ี 4 ระบบควบคมุ | 43 4.6 ปรากฏการณผ์ ลกระทบฮออล์ กำรผลิตแรงดนั ไฟฟ้ำ (แรงดนั ฮอลล์) ให้ตกคร่อมจำกด้ำนหนึ่งของแผ่นตวั นำไฟฟ้ำ ไ ปอีก ด้ำ น ห น่ึง แรง ดัน น้ีจ ะเกิด ข้ึน เม่ือ สนำมแม่เหล็กถูกใส่ตัง้ ฉำกกับผิวหน้ำของ ตวั นำและแรงดนั กระแสตรงถกู ป้อนใหก้ บั ตวั นำ นัน้ แรงแม่เหล็กจะบังคบั ให้กระแสไฟฟ้ำจำก แรงดนั กระแสตรงใหไ้ หลไปตำมขอบของตวั นำ ถกู คน้ พบโดยนำยเอด็ วนิ ฮอลล์ในปี ค.ศ. 1879 กำรใช้งำนของเซ็นเซอร์ Hall Effect รปู ท่ี 4.16 กำรผลติ แรงดนั ฮอลล์ คือกำรวดั ควำมเร็วของล้อ/โรเตอร์หรือ RPM ตลอดจนกำหนดตำแหน่งของเพลำขอ้ เหวย่ี ง หรอื เพลำลกู เบ้ยี วในระบบเครอ่ื งยนต์ ซงึ่ ตดิ อยู่ บนเพลำหมุนช่องว่ำงระหว่ำงเซ็นเซอรแ์ ละฟัน ของดสิ ก์มขี นำดเลก็ มำกดงั นนั้ ทกุ ครงั้ ทฟ่ี ันผำ่ น เข้ำใกล้เซ็นเซอร์มนั จะเปล่ยี นสนำมแม่เหล็ก โดยรอบซึ่งจะทำให้เอำต์พุตของเซ็นเซอร์สูง หรือต่ำ ดังนัน้ เอำต์พุตของเซ็นเซอร์จึงเป็น สัญญำณคล่ืนส่ีเหล่ียมซ่ึงสำมำรถใช้ในกำร คำนวณ RPM ของเพลำหมุนไดอ้ ย่ำงง่ำยดำย หรอื แม้กระทงั้ มหี น้ำท่จี บั ทศิ ทำงกำรหมุนของ ล้อ จะจับจำกสนำมแม่เหล็กท่ีถูกจ่ำยไฟโดย กล่องควบคุมติดตัง้ อยู่ในมอเตอร์ประเภท รปู ที่ 4.17 กำรวดั แรงเคล่อื นสญั ญำณ Hall Effect BLDC ตำแหน่งกำรหมนุ ทศิ ทำงของ มอเตอร์ต้นกำลงั ของจกั รยำนยนต์ไฟฟ้ำ จะใช้ hall sensor ในกำรดูทศิ ทำงกำรหมุน เพ่อื จ่ำย กระแสไฟท่เี หมำะสม เพ่อื ให้ลอ้ หมนุ ถูกทศิ ทำง ล้อระดบั พรเี ม่ยี มบำงรุ่นมี hall sensor ถึง 2 ชุด กล่อง บำงรนุ่ อำจไม่ตอ้ งต่อสญั ญำณ hall sensor กไ็ ดแ้ ตข่ อ้ เสยี กค็ อื จะกนิ ไฟมำกกว่ำปกติ เพรำะเป็นกำรจ่ำย อย่ำงเดยี วไมไ่ ดจ้ บั ทศิ ทำงและคำนวณกำรจ่ำยไฟ จงึ วงิ่ ไดแ้ ต่เปลอื งแบต ได้มกี ำรเปรยี บเทยี บระหว่ำง กล่องทม่ี ี hall sensor กบั กลอ่ งทไ่ี ม่ตอ้ งใช้ hall sensor ผลปรำกฏว่ำกลอ่ งทไ่ี มใ่ ช้ hall กนิ ไฟกว่ำกลอ่ งท่ี ใช้ hall sensor จบั สญั ญำณลอ้ ประหยดั ไฟกว่ำ เน่ืองจำกกำรคำนวณขำ้ งต้นด้วยเช่นกนั สำเหตุกำรเสยี ของ hall sensor สว่ นใหญ่เกดิ จำกน้ำเขำ้ ลอ้ หรอื วงจรกล่องชอ็ ตจงึ ใหล้ ำมมำถงึ ตวั เซน็ เซอรน์ ้ดี ว้ ย เคสน้ี กเ็ ช่นกนั ลกู คำ้ รอ้ื กลอ่ งจนกลอ่ งชอ็ ต จงึ ทำให้ hall sensor เสยี ไปดว้ ย รวมถงึ น้ำเขำ้ ลอ้ ซงึ่ เกดิ จำกกำรปิด ฝำลอ้ ไมส่ นิท
บทท่ี 5 ระบบบริหารจดั การแบตเตอรี่ ระบบจดั การแบตเตอรเ่ี ป็นอุปกรณ์ในการควบคุมการทางานของเซลล์แต่ละเซลล์แบตเตอร่ี ใน การจดั การผลลพั ธ์ทอ่ี อกมา ในการอดั ประจุและคายประจุ ระบบจดั การแบตเตอร่จี ะเตือนสถานะการ ทางานของชุดแบตเตอรแ่ี พค็ ทจ่ี ะป้องกนั ความเสยี หายจากการผดิ พลาดเน่อื งจากการทางาน หน้าท่สี ่วนสาคญั ในระบบจดั การแบตเตอร่คี อื การป้องกนั ในสองกรณี คอื การอดั ประจุมากเกนิ (Overcharge) มันสามารถทาแบตเตอร่ีเกิดความเสียหายก่อให้เกิดความร้อน และการระเบิด จาก กระแสแรงดนั เกนิ ส่วนอกี นัยนงึ แบตเตอรจ่ี ะถูกทาลายจากการคายประจุทต่ี ่าจนหมดสภาพประมาณ 5 เปอรเ์ ซ็นต์ของความจุทงั้ หมด มนั จะส่งผลต่อการใช้งานของแบตนนั้ จะไดค้ ณุ ภาพท่ตี ่าลง แบตเตอรจ่ี งึ ไม่สามารถท่จี ะทางานในค่าการอดั ประจุและคายประจุท่สี ูงและต่าเกนิ กว่าค่าทจ่ี ดั กดั ไว้ ในบทน้ีระบบ บริหารจดั แบตเตอร่ี (Battery Management System) หรือเรียกตัวย่อว่า BMS อาจมีการอ้างถึงคาว่า BMS เป็นบางสว่ น การน้ใี หพ้ งึ เขา้ ใจในทางเดยี วกนั ว่า คอื ระบบบรหิ ารจดั การแบตเตอร่ี 5.1 หลกั การทำงานของระบบจดั การแบตเตอร่ี การทางานของระบบแบตเตอร่ีหากมหี ลายๆ เซลล์ จะต้องมกี ารจดั การควบคุมระบบให้มคี วาม เหมาะสมกบั การใชง้ าน โดยผา่ นการควบคุมดว้ ยระบบการจดั แบตเตอร่ี (BMS) 5.1.1 ระบบการจดั การของแบตเตอรี่ มหี ลกั การพน้ื ฐาน 3 ประการ 1. ควบคุมการอดั ประจุไฟฟ้า จากการชาร์จพลงั งานสูงเกนิ ไปในเซลล์ (แรงดนั สูง) หรอื การใช้ พลงั งานทม่ี ากเกนิ ไป (แรงดนั ต่า) มนั ช่วยในการขยายอายุการใชง้ านของแบตเตอรไ่ี ด้ เพอ่ื จะทาใหเ้ ซลล์ แบตเตอรใ่ี นทุกๆ เซลล์มคี ่าท่ใี กลเ้ คยี งกนั กบั ความเหมาะสม ดว้ ยการคานวนนการชาร์จป้อนกลบั เขา้ แบตเตอร่ี และการใชพ้ ลงั งานของมนั เอง 2. ประเมนิ สถานะค่า SoC (State of Charge) บอกสถานะปรมิ าณของแบตเตอรใ่ี นการอดั ประจุ และคายประจุ ได้จากการวดั แรงดันของเซลล์ย่อยในแบตเตอร่ีและหรือค่าความเป็นกรดในเซลล์ แบตเตอร่ี 3. ประเมนิ ความปลอดภยั และสถานะแบตเตอร่ี ควบคุมแบตเตอร่แี ต่เซลล์ใหม้ คี ่าคงท่ี ด้วยการ ตรวจสอบการในกระแสไฟและความบ่งพร่องทเ่ี กดิ เพอ่ื ทจ่ี ะทาการแทนท่ี 5.1.2 การทำงานของระบบการจัดการแบตเตอร่ี มี 4 ประการ ถา้ หากพจิ ารณาหน้าทพ่ี น้ื ฐานทงั้ 3 ประการของระบบจดั การแบตเตอร่ี (BMS) มคี วามสามารถใน การจดั การขอ้ มลู จากหน้าทห่ี ลกั ดงั น้ี
บทท่ี 5 ระบบจดั การแบตเตอร่ี | 45 1. รบั สมดลุ แรงดนั ไฟของเซลล์แบตเตอร่ี ใหเ้ หมาะสมกบั การอดั และคายประจุ 2. จดั การอุณหภูมขิ องแบตเตอร่ี ด้วยการควบคุมใหพ้ ดั ลมทางานปกตใิ นการระบายความรอ้ น ให้กับแบตเตอร่ที ่ีมกี ารอัดคายประจุ และส่วนสาคญั พดั ลมสามารถแสดงให้เหน็ ได้ว่าระบบจดั การ แบตเตอร่ี (BMS) มกี ารทางานอยู่ ถา้ หากไม่มี หรอื เสยี พดั ลมจะไม่หมุนระบายความรอ้ น 3. จดั การขอ้ มูลทไ่ี ดร้ บั มากจากตวั แปรตา่ งๆ ตลอดเวลา เช่น การควบคมุ มอเตอรท์ ท่ี าการชารจ์ กลับเข้าแบตเตอร่ี แสดงผลค่าตัวแปรด้วยสัญญาณต่างๆ เช่น CANBUS, สัญญาณอนาล็อก และ สญั ญาณดจิ ติ อล 4. เกบ็ ผลขอ้ มูลทม่ี ปี ัญหาและทาการแสดงผล เพ่อื นาไปใชใ้ นการแกไ้ ขปัญหาใหถ้ กู จุด รปู ท่ี 5.2 ไดอะแกรมการทางานของระบบจดั การแบตเตอร่ี (BMS) 5.1.3 สภาวะการอัดประจไุ ฟ (State of Charge) แบง่ ได้ออกเป็น 4 ระยะ 1. การอดั กระแสคงท่ี (Constant current charge) คอื การอดั ประจไุ ฟฟ้าดว้ ยกระแสคงทจ่ี นกวา่ แรงดนั จะเขา้ ส่คู ่าทก่ี าหนด 2. การอัดประจุเต็ม (Saturation charge) คือ เม่ือแรงดันเข้าสู่ค่าท่ีกาหนด แรงดันจะคงท่ี จนกระทงั่ อดั ประจไุ ดเ้ ตม็ ในขณะเดยี วกนั นนั้ กระแสจะลดลงไปเรอ่ื ยๆ 3. การหยุดการอดั ประจุ (Ready; no current) คอื เม่อื ทาการอดั ประจุจนเต็มแล้ว กระบวนการ อดั ประจุจะหยดุ ลง 4. การควบคุมประจุให้คงท่ี (Standby mode) คอื เม่อื อดั ประจุเรยี บรอ้ ยแล้ว และแบตเตอรย่ี งั ไมไ่ ดถ้ ูกใชง้ าน แรงดนั จะลงลง จงึ มรี ะยะน้ไี วเ้ พอ่ื อดั ประจุกลบั ไปใหเ้ ตม็ อกี ครงั้
บทที่ 5 ระบบจดั การแบตเตอร่ี | 46 5.2 การสมดุลเซลล์แบตเตอรี่ (Balancing Cell) รถจกั รยายนต์ไฟฟ้ามีแบตเตอร่ลี เิ ธยี มเรยี งต่ออนุกรมกนั หลายเซลล์เพ่อื ให้ไดค้ วามจุทต่ี อ้ งการ สงิ่ สาคญั อย่างยงิ่ ในการออกแบบคอื คุณสมบตั ทิ างอเิ ลก็ ทรอนิกส์ ท่จี ะทาการปรบั สมดุลแรงดนั ไฟฟ้า ของเซลล์อย่างตอ่ เน่ือง และไม่เพยี งแตส่ าหรบั ประสทิ ธภิ าพของเซลล์แบตเตอรีเ่ ทา่ นัน้ แต่ยงั รวมถึง วงจรการทางานท่เี หมาะสมดว้ ย ในช่วงแรกบรษิ ัทต่างๆ จานวนมากเลอื กทจ่ี ะไม่ใชก้ ารปรบั สมดุลเซลล์ เพ่อื ช่วยลดต้นทนุ ทาใหส้ ถานะการชารจ์ ไม่สามารถเขา้ ใกล้ 100 เปอรเ์ ซน็ ต์ เซลล์แบตเตอร่จี งึ มอี ายุ การใช้งานท่สี นั้ ในกรณีเซลลเ์ กิดความสมดลุ การใชก้ ารปรบั สมดลุ ของเซลลช์ ่วยให้ ประสทิ ธภิ าพการ ทางานของชดุ แบตเตอรแ่ี พค็ มคี วามจุที่เหมาะสมและใช้งานไดน้ านข้นึ เน่ืองจากการปรบั สมดุลทาให้ แบตเตอรมี่ สี ถานะการชารจ์ (SoC) ที่มปี ระสทิ ธภิ าพสงู ขน้ึ และเทา่ กนั ทุกเซลลไ์ มม่ เี ซลล์ใดทจ่ี ะฉุด ประสทิ ธภิ าพการทางานของชุดแบตเตอร่แี พค็ ในกรณีเซลลไ์ ม่เกิดความสมดลุ ส่งผลต่อการใชง้ านท่รี ้อนเกินไปหรอื มีการประจุไฟมากเกนิ มแี นวโน้มท่จี ะมสี ่วนเร่งทาใหเ้ ซลล์เส่อื มภาพ ซึง่ อาจเกดิ ลุกเป็นไฟหรอื ระเบดิ ไดเ้ น่ืองจากสภาวะทม่ี ี การระบายความร้อนไม่เพยี งพอ อาจเกิดขนึ้ ไดห้ ากแรงดนั ไฟฟ้าของเซลล์แบตเตอรี่ เกนิ 4.2 โวลต์ (สาหรบั แบตลเิ ทยี ม) แมแ้ ต่ไม่กี่ร้อยมลิ ลโิ วลต์ การปรบั สมดุลของเซลล์เป็นกระบวนการปรบั สมดุลของแรงดนั ไฟฟ้าและสถานะการประจุ ไฟฟ้าระหว่างเซลล์เมอ่ื ประจไุ ฟฟ้าเตม็ ไม่มที างทแ่ี ตล่ ะเซลล์จะเหมอื นกนั แต่อาจจะมคี วามแตกต่าง เล็กน้อยในอตั ราการคายประจุ ความตา้ นทานและระดบั อุณหภมู ิ แม้ว่าเซลลจ์ ะเป็นรุ่นเดยี วกนั ผูผ้ ลติ รายเดยี วกนั และลอ็ ตการผลติ เดยี วกนั ก็ตาม ผู้ผลติ จะจดั เรยี งเซลล์ตามแรงดนั ไฟฟ้าท่ีใกล้เคยี งกนั เพ่อื ใหใ้ กลเ้ คยี งทส่ี ดุ แต่ยงั มกี ารเปลย่ี นแปลงเลก็ น้อยในอมิ พแี ดนซ์และอตั ราการคายประจขุ องเซลล์ แต่ละเซลล์ซึ่งในท่สี ุด อาจนาไปส่คู วามแตกต่างของแรงดนั ไฟฟ้าเม่อื เวลาผ่านไป ขณะที่เคร่อื งชารจ์ แบตเตอร่ที วั่ ไปส่วนใหญ่ตรวจจบั การ รปู ที่ 5.3 เซลล์แบตเตอรแ่ี ละการเชอ่ื มต่อ ชารจ์ เตม็ โดยการตรวจสอบวา่ แรงดนั ไฟฟ้าของเซลล์ อุปกรณส์ มดุลเซลล์ ทงั้ หมดถงึ จุดควบคุมแรงดนั ไฟฟ้าหรอื ไม่ แรงดนั ไฟฟ้า ของแต่ละเซลล์อาจแตกต่างกนั ไดต้ ราบเท่าทไ่ี มเ่ กินขดี จากดั สาหรบั การป้องกนั แรงดนั ไฟฟ้าเกนิ อย่างไรกต็ าม เซลล์ที่พลงั งานน้อยกว่า (เซลล์ทีม่ คี วามจุต่ากว่า / อ มิ พ แี ดน ซ์ภายใ นสงู กว่า) ม แี น วโน้มที่จะแสดง แรงดนั ไฟฟ้าสูงกว่าเซลล์อืน่ ๆ เม่ือสน้ิ สดุ การชาร์จเตม็ จากนัน้ เซลล์เหล่านี้จะคายประจุอีก โดยที่วงจรการใช้ งานอย่างต่อเนื่อง แรงดนั ไฟฟ้าที่สงู ขึน้ ของเซลล์ท่ี พลงั งานน้อยกว่า เม่อื ประจุไฟฟ้าจนเตม็ การใชง้ านของ เซลล์นัน้ จะทาใหก้ าลงั ไฟลดลงอย่างรวดเรว็
Search
