96 รูปที่4.14 แÿดงการท างานขĂงมĂเตĂร์รีลัคแทนซ์ (SRM) มĂเตĂร์รีลัคแทนซ์ (Reluctance Motors) นี้ใช้งานได้เนื่Ăงจากจ านüนขั้ü ÿเตเตĂร์(Stator) และ ขั้üโรเตĂร์ (Rotor) ไม่ตรงกัน ในกรณีนี้มีเÿาĀรืĂฟัน (แล้üแต่จะเรียก) ÿเตเตĂร์6 เÿา และที่โรเตĂร์มี4 เÿา เพื่ĂใĀ้แน่ใจü่าเÿาโรเตĂร์และเÿาÿเตเตĂร์ไม่Ăยู่ในแนüเดียüกันในทุกช่üงเüลา ท าใĀ้ÿามารถดึงดูดกัน เพื่Ăÿร้างการĀมุนได้ Āากจ านüนขั้üเท่ากัน และขั้üทั้งÿĂงĂยู่ในแนüเดียüกัน การยิงขั้üÿเตเตĂร์ใดๆ ก็จะดึง ขั้üโรเตĂร์ที่Ăยู่ตรงĀน้าĂĂกไปด้านนĂก ซึ่งไม่มีประโยชน์ในการÿร้างการĀมุน แม้ü่าจ านüนขั้üÿเตเตĂร์และ โรเตĂร์จะไม่ตรงกัน โรเตĂร์ก็ยังคงĀมุนด้üยคüามเร็üเท่ากับÿนามแม่เĀล็กที่ก าลังĀมุนĂยู่ ดังนั้น มĂเตĂร์ รีลัคแทนซ์ (Reluctance Motors)จึงถืĂเป็นมĂเตĂร์ซิงโครนัÿ เช่นกัน มĂเตĂร์นี้ท างานบนĀลักการขĂงการฝืนผันแปร ซึ่งĀมายคüามü่า โรเตĂร์จะพยายามจัดต าแĀน่ง ตามเÿ้นทางที่ไม่เต็มใจต่ าที่ÿุดเÿมĂ ดังที่เราทราบดีü่าฟลักซ์แม่เĀล็กมีแนüโน้มที่จะไĀลผ่านเÿ้นทางที่มีการ ฝืนน้Ăยที่ÿุด ดังนั้นโรเตĂร์จึงมีแนüโน้มที่จะจัดต าแĀน่งตามเÿ้นทางที่มีการฝืนน้Ăยที่ÿุดเÿมĂ นี่คืĂĀลักการ ท างานพื้นฐานขĂง Switched Reluctance Motor ĀรืĂ Variable Reluctance Motor เมื่ĂเฟÿขĂงÿเตเตĂร์ถูกท าใĀ้เป็นแม่เĀล็ก ÿนามแม่เĀล็กแบบปิดจะถูกÿร้างขึ้นระĀü่างÿเตเตĂร์ ช่Ăงü่างĂากาý และโรเตĂร์
97 ÿนามแม่เĀล็กนี้มีแนüโน้มที่จะลดคüามฝืนโดยการลดช่Ăงü่างĂากาýซึ่งÿร้างการเคลื่Ăนที่ขĂงโร เตĂร์ เมื่Ăขั้üÿเตเตĂร์Ăยู่ในแนüเดียüกันกับขั้üโรเตĂร์ กล่าüกันü่าพüกมันĂยู่ในต าแĀน่งที่ฝืนน้Ăยที่ÿุด และ เมื่Ăพüกมันไม่Ăยู่ในแนüเดียüกันทั้งĀมด ก็จะกล่าüกันü่าพüกมันĂยู่ในต าแĀน่งขĂงคüามไม่เต็มใจÿูงÿุด ลักþณะเฉพาะขĂงมĂเตĂร์นี้ท าใĀ้ÿามารถÿร้างการเคลื่Ăนที่แบบĀมุนขĂงโรเตĂร์ได้โดยการท าใĀ้ แม่เĀล็กและล้างĂ านาจแม่เĀล็กในแต่ละเฟÿĂยู่ในต าแĀน่งที่ถูกต้ĂงขĂงโรเตĂร์ แม้ü่ามĂเตĂร์รีลัคแทนซ์ (Reluctance Motors) จะĂาýัยเÿาÿเตเตĂร์แม่เĀล็กไฟฟ้าและโรเตĂร์ที่ เป็นแม่เĀล็กเป็นĀลัก แต่ไม่ใช่แม่เĀล็กถาüร มĂเตĂร์รีลัคแทนซ์ (Reluctance Motors) ที่ Tesla ใช้Ăยู่นั้น กล่าüกันü่าเป็นมĂเตĂร์รีลัคแทนซ์ (Reluctance Motors) แม่เĀล็กถาüร ชื่Ăที่Ăาจÿร้างคüามÿับÿนนี้ Āมายถึงเพียงü่าพüกเขาใช้แม่เĀล็กถาüรจ านüนเล็กน้Ăยในขั้üÿเตเตĂร์เพื่Ăท าใĀ้การĀมุนขĂงมĂเตĂร์ ราบรื่นขึ้น ซึ่งมิฉะนั้นĂาจÿับมากกü่าที่เราต้Ăงการÿ าĀรับใช้ในยานพาĀนะไฟฟ้า รถยนต์ไฟฟ้าÿ่üนใĀญ่ในตลาดปัจจุบันใช้มĂเตĂร์ซิงโครนัÿบางชนิด โดยมีÿนามแม่เĀล็กĀมุนĂยู่ใน ÿเตเตĂร์ซึ่งจะดึงโรเตĂร์แม่เĀล็กไปรĂบๆแต่มีมĂเตĂร์ที่ÿ าคัญĂีกประเภทĀนึ่งที่ใช้Ăยู่ในปัจจุบันซึ่งใช้ ÿเตเตĂร์ที่คล้ายกัน แต่เป็นโรเตĂร์ประเภทĂื่นที่ไม่ใช้üัÿดุแม่เĀล็ก แต่มĂเตĂร์เĀล่านี้ท างานโดยการ เĀนี่ยüน ากระแÿไฟฟ้าในโรเตĂร์ ซึ่งตĂบÿนĂงต่Ăÿนามแม่เĀล็กที่ก าลังĀมุน ซึ่งÿร้างขึ้นโดยกระแÿไฟฟ้า กระแÿÿลับที่จ่ายใĀ้กับÿเตเตĂร์ ด้üยเĀตุนี้จึงเรียกü่า มĂเตĂร์เĀนี่ยüน ากระแÿÿลับ Āากต้Ăงการชื่นชม üิธีการท างานขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน ากระแÿÿลับ เราต้ĂงýึกþากฎขĂงฟาราเดย์ก่Ăน
98 4.8 กฎของฟำรำเดย์(Faraday’s Law) จากที่กล่าüไü้ü่า แรงกระท าต่ĂĂนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า ซึ่งเคลื่Ăนที่ในบริเüณที่มีÿนามแม่เĀล็ก เมื่Ă Ăนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า q เคลื่Ăนที่ผ่านเข้าไปในบริเüณที่มีÿนามแม่เĀล็ก B จะมีแรงมากระท าต่ĂĂนุภาคนั้น ท าใĀ้มีทิýการเคลื่Ăนที่เปลี่ยนแปลงไป ĀรืĂ“แรงเนื่Ăงจากÿนามแม่เĀล็ก” (กฎขĂง Lorentz Force) และ กระแÿไĀลผ่านเÿ้นลüดจะท าใĀ้เกิดÿนามแม่เĀล็ก (กฎขĂง Biot-Savart) ตามĀลักการเĀล่านี้ เราได้แÿดง üิธีการต่างๆไü้Āลายประการแรงแม่เĀล็กไฟฟ้าÿามารถน ามาใช้เพื่Ăÿร้างการเคลื่Ăนที่แบบĀมุน ในÿ่üนนี้เราจะýึกþากฎขĂงเฟรเดย์ (Faraday's Law) ซึ่งกล่าüü่าการเปลี่ยนแปลงคลื่นแม่เĀล็กที่ ไĀลผ่านüงจรขดลüดจะท าใĀ้เกิดแรงดันไฟฟ้าในขดลüดนั้น ÿิ่งนี้จะมีผลกระทบที่ÿ าคัญĀลายประการ การ เปลี่ยนพลังงานไฟฟ้าใĀ้เป็นการเคลื่Ăนที่แบบĀมุน ĀรืĂĀลักการขĂงมĂเตĂร์ ยังÿามารถท าĀน้าที่เป็นเครื่Ăง ก าเนิดไฟฟ้าเพื่Ăแปลงการเคลื่ĂนไĀüĀมุนเüียนเป็นพลังงานไฟฟ้า คืĂÿิ่งที่ท าใĀ้ระบบเบรกจับพลังงานที่ ก าลังเบรกกลับมาเป็นพลังงานไฟฟ้าในยานพาĀนะไฟฟ้า (regenerative braking) ประการที่ÿĂง คืĂ จะ เกิด Back EMF (ทิýทางขĂงแรงเคลื่Ăนไฟฟ้าต่Ăต้าน ĀรืĂย้Ăนกลับ ĀรืĂการÿูญเÿียกระแÿไĀลüน) ซึ่งกล่าü ไü้ทีĀัüข้Ă4.5 (เรื่Ăง มĂเตĂร์กระแÿตรงแบบมีแปรงถ่าน (Brushed DC Motors: DC Motors)ซึ่งจะลด แรงบิดที่ÿามารถรับจากมĂเตĂร์ได้เมื่Ăเปรียบเทียบกับค่าประมาณแรกที่เราพัฒนาขึ้นในÿ่üนนั้น ในที่ÿุดนี้ มันเป็นÿิ่งที่ท าใĀ้มĂเตĂร์ AC แบบĂินดักชัน (AC induction motors) เป็นไปได้ ซึ่งจะĂธิบายไü้ในĀัüข้Ă 4.9 เรื่Ăง AC Induction Motors กฎขĂงฟาราเดย์ÿามารถแÿดงได้ดังนี้ ÿมกำร = − (4.19) ที่คüามเร็ü คืĂแรงดันไฟฟ้าที่ที่เกิดขึ้นในขดลüดและ คืĂ กระแÿแม่เĀล็กที่ไĀลผ่านพื้นผิüที่ ถูกก าĀนดโดยขดลüด การĀาĂนุพันธ์ขĂง นั้น üัดการเปลี่ยนแปลงขĂงกระแÿแม่เĀล็กเมื่Ăเüลาผ่านไป ดังรูปที่ 4.15 แÿดงขดลüดเดียüภายในเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า รูปนี้ดูÿามารถĂธิบายü่า การตั้งค่า คĂยล์ Helmholtz ล้ĂมรĂบขดลüด เป็นÿิ่งที่ใช้ในการÿร้างมĂเตĂร์ DC แบบแปรงถ่าน ซึ่งĂธิบายไü้ในĀัüข้Ă 4.5 เรื่Ăง มĂเตĂร์กระแÿตรงแบบมีแปรงถ่าน (Brushed DC Motors: DC Motors)
99 รูปที่ 4.15แÿดงขดลüดเดี่ยüภายในเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า ขดลüด Helmholtz ก าลังÿร้างÿนามแม่เĀล็กแนüตั้งที่ÿม่ าเÿมĂ ซึ่งแÿดงด้üยเÿ้นประ üงลüดจะ Āมุนทüนเข็มนาāิกาในÿนามแม่เĀล็ก ⃗ เนื่Ăงจากแรงบิดที่จ่ายจากภายนĂก เช่น แรงบิดจากล้ĂĀมุนขĂง รถยนต์ไฟฟ้าที่เคลื่Ăนตัüลงเนินเขา คüามเป็นจริงแล้ü üงลüดนี้จะต้ĂงพันĀลายรĂบ แต่เนื่Ăงจากการÿร้าง ภาพตัüĂย่าง เลยÿร้างแค่üงเดียü เพื่Ăÿร้างคüามเข้าใจขĂงผู้Ă่าน เนื่Ăงจากฟลักซ์แม่เĀล็ก คืĂ ÿนามแม่เĀล็กคูณกับพื้นที่ ที่กระแÿไĀลผ่าน จึงเขียนกฎขĂงฟาราเดย์ (Faraday’s Law) ได้ดังÿมการ (4.20) ÿมกำร = − −(⃗⃗ ∙ ⃗⃗ ) (4.20)
100 โดยที่ÿนามแม่เĀล็ก ⃗ คืĂ พื้นที่ที่ล้ĂมรĂบด้üยüงลüด โดยพิจารณาü่า ÿนามแม่เĀล็กระĀü่างขั้ü ทั้งÿĂงขĂงขดลüดเăล์มโăลทซ์มีคüามเข็มÿม่ าเÿมĂกัน ถืĂü่า ⃗⃗ เป็นค่าคงที่ และมุ่งเน้นไปที่การ เปลี่ยนแปลงในค่า ⃗⃗ เมื่Ăเüลาผ่านไป จากรูปที่ 4.16 แÿดงการĀมุนüนซ้ าขĂงเÿ้นลüดที่มุมÿĂงมุมที่แตกต่างกัน ที่ 20° จากตั้งฉากกับ ÿนาม และที่ 50° จากตั้งฉากกับÿนามแม่เĀล็ก ที่ 20° พื้นที่ที่ล้ĂมรĂบÿนามแม่เĀล็กจะมากกü่าพื้นที่ที่ ล้ĂมรĂบÿนามแม่เĀล็กที่ 50° เพื่Ăดูü่าท าไมลĂงนึกภาพการถืĂกระดาþแผ่นĀนึ่งไü้ใต้แÿงจ้าที่Ăยู่เĀนืĂýีรþะ โดยตรง ĀากถืĂกระดาþขนานกับพื้น จะท าใĀ้เกิดเงาขนาดใĀญ่ แต่เมื่ĂตัüเĂงĀมุนกระดาþ โดยเĂียงใĀ้ ด้านขüาÿูงกü่าด้านซ้าย เงาที่ทĂดลงบนพื้นจะเล็กลง จนกระทั่งเมื่Ăกระดาþตั้งฉากกับพื้นโดยตรง เงาขĂง มันจะĀายไปเป็นĀลัก ที่พื้นที่เงาบนพื้น คืĂ พื้นที่ ที่เราÿนใจเมื่Ăกล่าüถึงการüิเคราะĀ์เรื่Ăงนี้ รูปที่ 4.16แÿดงขดลüดเดี่ยüในเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า ท ามุม 20° และ 50° เนื่Ăงจากพื้นที่ ที่ÿนามแม่เĀล็กผ่านไปจะแตกต่างกันไปตามฟังก์ชันขĂงเüลาจากค่าÿูงÿุดที่ 0° ถึง 0 ที่ 90° เราจึงÿามารถแÿดงค่าที่แปรผันตามเüลาขĂงพื้นที่นี้ได้เป็น ⃗⃗ เมื่Ăถึงเüลาÿูงÿุด () โคไซน์เป็นฟังก์ชันที่เĀมาะÿมที่จะใช้ เนื่Ăงจากโคไซน์Ăยู่ที่ค่าÿูงÿุดที่ 0° และ 0 ที่ 90° เช่นกัน ดังนั้นเราจึง เขียนกฎขĂงฟาราเดย์ได้ดังนี้ ÿมกำร = − [−(∙ ()] (4.21) เมื่Ăพิจารณาü่าĂนุพันธ์ขĂง () คืĂ () เราÿามารถเขียนใĀม่ได้เป็น ÿมกำร = () (4.22)
101 ĀากโรเตĂร์(Rotor) ไม่ได้ประกĂบด้üยüงลüดเพียงüงเดียüแต่มีจ านüน n ขĂงขดลüด แรงดันไฟฟ้า เĀนี่ยüน าจะถูกคูณด้üยn ดังต่Ăไปนี้ ÿมกำร = () (4.23) เนื่Ăงจากแรงดันไฟฟ้ากระแÿÿลับ (AC) ก าĀนดโดยคลื่นไซน์ และค่าÿูงÿุดขĂงไซน์คืĂ 1 เราจะเĀ็น ü่าเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้าขĂงเราก าลังผลิตแรงดันไฟฟ้ากระแÿÿลับ (AC) โดยมีค่าÿูงÿุดเป็น ÿมกำร = (4.24) เนื่Ăงจากฟลักซ์แม่เĀล็ก ถูกก าĀนดใĀ้เป็น เราก็ÿามารถทดแทนได้ ด้üย ÿมกำร = (4.25) ในที่ÿุด Ăย่างที่เราท าในÿมการ (4.17) ในโลกแĀ่งคüามเป็นจริง เราแทนที่นโดยมีค่าคงที่ขĂง มĂเตĂร์ ซึ่งไม่เพียงแต่ค านึงถึงจ านüนการพันขดลüดเท่านั้น แต่ยังกล่าüถึงคüามไม่ÿมบูรณ์Ăื่นๆ ในการ üิเคราะĀ์ข้Ăมูลครั้งนี้ด้üย ÿมกำร = (4.26) การüิเคราะĀ์นี้มีนัยÿ าคัญÿĂงประการ Ăันดับแรก เราพบü่า แรงบิดที่ÿ่งมาจากภายนĂก ในกรณีนี้ คืĂ แรงบิดที่เกิดจากการเคลื่Ăนที่ขĂงยานพาĀนะ ท าใĀ้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่ÿามารถใช้เพื่Ăชาร์จแบตเตĂรี่ขĂง ยานพาĀนะได้ ประการที่ÿĂง ÿิ่งนี้ยังÿ่งผลต่Ăแรงบิดภายใต้การท างานปกติขĂงยานพาĀนะ เมื่ĂมĂเตĂร์แปลง พลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานการĀมุน ในกรณีนี้ แรงดันไฟฟ้าที่ก าĀนดโดยÿมการ (4.26) ตรงข้ามกับ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับแบตเตĂรี่ ด้üยเĀตุนี้ แรงดันไฟฟ้านี้จึง เรียกü่า EMF ด้านĀลัง ĀรืĂใน เนื่Ăงจาก แรงดันไฟฟ้า EMF ด้านĀลังเพิ่มขึ้นตามฟังก์ชันขĂงคüามเร็üในการĀมุนโĂ้รแรงบิดที่ได้รับจากมĂเตĂร์จะ ลดลงตามฟังก์ชันขĂง เราÿามารถĀาจ านüนผลกระทบนี้ได้โดยการนึกถึงÿมการ (4.17) จากการüิเคราะĀ์มĂเตĂร์ กระแÿตรงแบบมีแปรงถ่านขĂงเรา
102 ÿมกำร = (4.27) ปัจจุบัน ไĀลเข้าไปในโรเตĂร์ขĂงมĂเตĂร์กระแÿตรงแบบมีแปรงถ่าน ตามกฎขĂงโĂĀ์ม = และกระแÿนี้เท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้Āารด้üยคüามต้านทานขĂงโรเตĂร์ ในกรณีนี้ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้คืĂ แรงดันไฟฟ้าต้นทางจากแบตเตĂรี่ ลบแรงดัน EMF ด้านĀลัง ÿมกำร =− (4.28) ถ้าเราใÿ่ค่าขĂง จากÿมการ (4.26) เราได้รับ ÿมกำร = − (4.29) แทนที่นิพจน์ทั้งĀมดนี้ด้üย จากÿมการ (4.29) ÿ าĀรับ ในÿมการ (4.27) เราได้รับ ÿมกำร = − () (4.30) คüามÿัมพันธ์ที่ÿ าคัญนี้ถูกพล็Ăตไü้ÿ าĀรับมĂเตĂร์กระแÿตรงขนาด 10 กิโลüัตต์ตามรูปที่4.17 เÿ้นทแยงมุมแÿดงคüามÿัมพันธ์ที่ก าĀนดโดยÿมการ (4.30) ที่มุมขüาบน ตัüเĂงจะเĀ็นü่า ตามทฤþฎีแล้ü มี แรงบิดÿูงÿุด 200 N-m ที่คüามเร็üโรเตĂร์ 0 แต่ในทางปฏิบัติ แรงบิดคüามเร็üต่ านี้ถูกจ ากัดไü้ที่ 150 N-m โดยตัüคüบคุมเพื่Ăปกป้ĂงมĂเตĂร์จากที่ÿูง กระแÿและคüามล้าทางกลเนื่Ăงจากแรงบิดÿูง เมื่Ăคüามเร็üขĂง โรเตĂร์เพิ่มขึ้น EMF ด้านĀลัง จะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะจ ากัดแรงบิดที่มีĂยู่ ในที่ÿุด มĂเตĂร์จะถึงคüามเร็üโดยที่ แรงบิดที่มีĂยู่เป็นýูนย์
103 รูปที่4.17แÿดงแรงบิดและก าลังตามฟังก์ชันคüามเร็üขĂงมĂเตĂร์กระแÿตรงขนาด 10 กิโลüัตต์ เÿ้นโค้งประที่ด้านล่างขĂงรูปที่4.17แÿดงก าลังทางกลจากมĂเตĂร์ตามที่ก าĀนดโดยÿมการพื้นฐาน ÿ าĀรับก าลังในระบบĀมุน ÿมกำร = (4.31) ซึ่ง คืĂ ก าลังงาน คืĂแรงบิด และ คืĂ คüามเร็üรĂบ ขĂงมĂเตĂร์กระแÿตรง (DC motor) ที่คüามเร็üต่ า ก าลังจะเพิ่มขึ้นตามคüามเร็üที่เพิ่มขึ้น แต่ในที่ÿุดจะลดลงเĀลืĂýูนย์ที่คüามเร็üÿูง เมื่Ă EMF ด้านĀลังจะลดแรงบิดที่มีĂยู่
104 4.9 มอเตอร์เĀนี่ยวน ำไฟฟ้ำกระแÿÿลับ (AC Induction Motor) จากĀัüข้Ă 4.6.2 เราได้ýึกþา AC motors แบบไร้แปรงถ่าน ซึ่งท างานโดยใช้ไฟฟ้ากระแÿÿลับÿาม เฟÿ เพื่Ăÿร้างÿนามแม่เĀล็กที่ĀมุนĂย่างต่Ăเนื่Ăง ซึ่งจะดึงขั้üแม่เĀล็กขĂงโรเตĂร์ไปรĂบๆ ในการซิงโครไนซ์ที่ ÿมบูรณ์แบบกับÿนามที่ก าลังĀมุน ÿเตเตĂร์ขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน า กระแÿÿลับท างานในลักþณะเดียüกันทุกประการ โดยÿร้าง ÿนามแม่เĀล็กที่ĀมุนĂย่างต่Ăเนื่Ăง แต่โรเตĂร์ขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน านั้น น่าÿนใจกü่าเล็กน้Ăย แทนที่จะชาร์จ ด้üยÿนามแม่เĀล็ก โรเตĂร์ขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน ากระแÿÿลับเป็นเพียงชุดขĂงĀ ่üงลüด ในĀัüข้Ăที่ 4.8 พบü่า เมื่ĂüงลüดĀมุนผ่านÿนามแม่เĀล็กÿม่ าเÿมĂ กระแÿไฟฟ้าจะถูกเĀนี่ยüน าใน üงลüดนั้น แต่ÿิ่งที่ตรงกันข้ามก็เป็นจริง เช่นกัน เมื่Ăÿนามแม่เĀล็กĀมุนรĂบüงลüด กระแÿก็จะถูกเĀนี่ยüน า ด้üย จากนั้น ตามกฎขĂงแรงลĂเรนซ์ üงแĀüนขĂงเÿ้นลüดจะมีแรงเกิดขึ้น ในกรณีขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน า กระแÿÿลับ แรงนี้คืĂแรงบิดในทิýทางการĀมุนขĂงÿนามแม่เĀล็ก เมื่Ăพิจารณาขั้üแม่เĀล็กชุดเดียüและĀ่üงลüดเข้าĂีกครั้งตามรูปที่ 4.15 ท าซ้ าโดยมีป้ายก ากับใĀม่ เข้ามาตามรูปที่4.18 ลĂงถึงภาพที่ü่า แทนที่จะเป็นĀ่üงขĂงลüดที่Āมุนทüนเข็มนาāิกา ระĀü่างขั้üที่Ăยู่กับที่ ขั้üแม่เĀล็กจะĀมุนทüนเข็มนาāิการĂบĀ่üงขĂงลüดที่Ăยู่กับที่ ÿิ่งÿ าคัญ คืĂต้Ăงทราบü่าในคüามเป็นจริง ขดลüดทางกายภาพขĂงÿเตเตĂร์จะĂยู่กับที่ เป็นเพียงÿนามแม่เĀล็กที่Āมุน แต่โดยการเปรียบเทียบ รูปที่4.15 จะเป็นการง่ายที่ÿุดที่จะแÿดงภาพ Āากจินตนาการü่าขั้üในแผนภาพนั้นก าลังĀมุนÿัมพันธ์กับการ เคลื่Ăนที่ทüนเข็มนาāิกา ขĂงเÿาตĂนนี้Ā่üงลüดที่Ăยู่นิ่งจะĀมุนตามเข็มนาāิกาด้üย รูปที่4.18แÿดงท าคüามเข้าใจเกี่ยüกับมĂเตĂร์เĀนี่ยüน าโดยการเปรียบเทียบกับเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า
105 ดังที่กล่าüในĀัüข้Ă กฎขĂงฟาราเดย์ 4.8 ระบุü่าแรงเคลื่Ăนไฟฟ้าท างานตรงข้ามกับการเคลื่Ăนที่ แบบĀมุนขĂงüงลüด เนื่Ăงจากüงที่Ăยู่นิ่งเคลื่Ăนที่ตามเข็มนาāิกาÿัมพันธ์กับÿนามแม่เĀล็ก แรงเคลื่Ăนไฟฟ้า จึงท างานเพื่ĂĀมุนüงüนทüนเข็มนาāิกา เพื่Ăต่Ăต้านการเคลื่Ăนที่ÿัมพัทธ์นี้ ในตัüĂย่างนี้ ท าได้โดยการเĀนี่ยüน ากระแÿในลูปที่เดินทางเข้าÿู่เพจผ่านÿายด้านล่าง และĂĂกจาก เพจผ่านÿายบน เมื่Ăใช้กฎมืĂขüาท ามุมฉาก ตัüเĂงจะเĀ็นü่าลüดด้านบนดึงĂĂกจากĀน้าไปทางซ้าย และดัน ลüดด้านล่าง × ⃗ เข้าไปในĀน้าไปทางขüา โดยĀมุนüนทüนเข็มนาāิกา ซึ่งจะแตกต่างจากมĂเตĂร์Ăื่นๆ ที่ได้กล่าüมาแล้ü การĀมุนขĂงโรเตĂร์(Rotor) เĀนี่ยüน าไฟฟ้า กระแÿÿลับ (AC induction motor)จะไม่ซิงโครไนซ์กับการĀมุนขĂงÿนามแม่เĀล็ก ⃗⃗ ในคüามเป็นจริง มĂเตĂร์ไม่ÿามารถท าได้ด้üยเĀตุผลที่มĂเตĂร์เĀนี่ยüน าท างานได้ ก็คืĂ มีการเคลื่Ăนที่ÿัมพัทธ์ระĀü่างการ ĀมุนขĂงĀ ่üงลüดในโรเตĂร์ (Rotor) กับการĀมุนขĂงÿนามแม่เĀล็ก ⃗⃗ ขĂงÿเตเตĂร์ (Stator) ĀากโรเตĂร์ Āมุนซิงโครไนซ์กับÿนามแม่เĀล็กĂย่างÿมบูรณ์แบบ ฟลักซ์แม่เĀล็กจะไม่เปลี่ยนแปลงผ่านĀ่üงลüด ซึ่ง Āมายคüามü่า ไม่มีกระแÿไฟฟ้าเĀนี่ยüน า และไม่มีแรงบิด ดังนั้น เพื่ĂใĀ้มĂเตĂร์เĀนี่ยüน าท างานได้ คüามเร็üในการĀมุนขĂงโรเตĂร์จะต้Ăงช้ากü่าคüามเร็üการĀมุนขĂงÿนามแม่เĀล็ก เพื่Ăรักþาการเคลื่Ăนที่ ÿัมพัทธ์ที่จ าเป็นÿ าĀรับการเĀนี่ยüน า ในบริบทขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน า คüามล่าช้านี้ระĀü่างการĀมุนขĂงโร เตĂร์กับÿนามแม่เĀล็กเรียกü่า ÿลิปขĂงโรเตĂร์s จะถูกก าĀนดเป็นเปĂร์เซ็นต์ ÿมกำร = 100 ( − ) (4.32) เมื่Ă คืĂ คüามเร็üการĀมุนขĂงโรเตĂร์และℎ คืĂ คüามเร็üการĀมุนขĂง ÿนามแม่เĀล็กในÿเตเตĂร์ ĀรืĂที่เรียกü่า คüามเร็üซิงโครนัÿ โดยทั่üไปแล้ü มĂเตĂร์เĀนี่ยüน าจะท างานโดย มีÿลิปเพียงไม่กี่เปĂร์เซ็นต์ รูปที่ 4.19 แÿดงคüามÿัมพันธ์ระĀü่างÿลิปและแรงบิดขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน า ตัüĂย่าง ครึ่งซ้ายขĂง ภาพ แÿดงแรงบิดที่ใช้ได้เมื่Ăคüามเร็üขĂงโรเตĂร์ช้ากü่าคüามเร็üซิงโครนัÿ ดังที่เราได้กล่าüไü้ก่ĂนĀน้านี้ แรงบิดจะเป็นýูนย์เมื่Ăคüามเร็üขĂงโรเตĂร์ตรงกับคüามเร็üซิงโครนัÿ แต่จะเพิ่มขึ้นถึงÿูงÿุดเมื่Ăคüามเร็üขĂง โรเตĂร์น้Ăยกü่าคüามเร็üซิงโครนัÿเล็กน้Ăย
106 รูปที่ 4.19แÿดงแรงบิดเป็นฟังก์ชันขĂงคüามเร็üโรเตĂร์ÿ าĀรับมĂเตĂร์เĀนี่ยüน าไฟฟ้ากระแÿÿลับ ครึ่งขüาขĂงภาพแÿดงใĀ้เĀ็นü่าเกิดĂะไรขึ้นเมื่Ăคüามเร็üขĂงโรเตĂร์เร็üกü่าคüามเร็üซิงโครนัÿ ÿิ่งนี้ จะเกิดขึ้นได้ก็ต่Ăเมื่ĂมĂเตĂร์ได้รับแรงบิดจากภายนĂก เĀมืĂนกับที่เกิดจากล้ĂขĂงรถยนต์ไฟฟ้าที่ก าลัง เคลื่Ăนที่ลงเนินเขา ในÿถานการณ์เช่นนี้ มĂเตĂร์เĀนี่ยüน ากระแÿÿลับจะท าĀน้าที่เป็นเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า กระแÿÿลับและแปลงแรงบิดภายนĂกนี้เป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่Ăชาร์จแบตเตĂรี่ เนื่Ăงจากเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า ก าลังท าĀน้าที่ชะลĂคüามเร็üขĂงโรเตĂร์ซึ่งก าลังน าĀน้าĂยู่ ÿัญญาณขĂงแรงบิดจึงเป็นลบ ในการท างานขĂงรถยนต์ไฟฟ้าจะมีÿภาüะที่ĀลากĀลายคüามเร็ü/แรงบิดที่ไม่Ăยู่บนเÿ้นโค้งนี้ บาง ทีต้Ăงการคüามเร็üÿูงขึ้น ĀรืĂแรงบิดที่ÿูงขึ้น ซึ่งกล่าüไü้ในÿมการ (4.18) จากĀัüข้Ă4.6.2 ซึ่งÿามารถเปลี่ยน คüามเร็üซิงโครนัÿได้โดยการเปลี่ยนคüามถี่ขĂงรูปคลื่นไฟฟ้ากระแÿÿลับที่ใช้กับÿเตเตĂร์ เพื่Ăคüามเข้าใจ มาทบทüนÿมการ (4.18) ท าซ้ าด้านล่าง สมการ , = × × , (4.33) ด้üยการเปลี่ยนคüามถี่ขĂงรูปคลื่นไฟฟ้ากระแÿÿลับ ÿามารถเปลี่ยนคüามเร็üซิงโครนัÿ รüมถึง คüามเร็üขĂงโรเตĂร์และแรงบิดที่มีĂยู่ด้üย ดูตัüĂย่างตามรูปที่ 4.20 แÿดงเÿ้นโค้งแรงบิดเทียบกับคüามเร็ü
107 ต่างๆ ที่มีใĀ้ÿ าĀรับมĂเตĂร์เĀนี่ยüน ากระแÿÿลับขนาด 18 กิโลüัตต์แบบปรับคüามเร็üได้ แต่ละเÿ้นโค้ง ÿĂดคล้Ăงกับคüามถี่เฉพาะขĂงกระไฟฟ้ากระแÿÿลับ AC รูปคลื่นที่ใช้กับÿเตเตĂร์ โดยเพิ่มขึ้นทีละ 10-Hzจาก10-Hzถึง 70-Hz โปรดทราบü่าแต่ละเÿ้นโค้ง จะมีเพียงครึ่งซ้ายขĂงเÿ้นโค้งเท่านั้น รูปที่4.19โดยที่มĂเตĂร์ท าĀน้าที่เป็นมĂเตĂร์ ไม่ใช่เครื่Ăงก าเนิด ไฟฟ้า รูปที่ 4.20แÿดงแรงบิดเทียบกับเÿ้นโค้งคüามเร็üÿ าĀรับมĂเตĂร์เĀนี่ยüน าไฟฟ้ากระแÿÿลับขนาดเล็ก Ăย่างที่เĀ็น โดยการเปลี่ยนรูปคลื่นไฟฟ้ากระแÿÿลับ ซึ่งÿามารถเข้าถึงจุดปฏิบัติการจ านüนมากขึ้น ในพื้นที่คüามเร็ü/แรงบิด ด้üยการปรับรูปคลื่นใĀ้มากยิ่งขึ้น คüามแม่นย ายิ่งมากขึ้น เช่น โดยการเพิ่มครั้งละ 5-Hz ĀรืĂเพิ่มครั้งละ 1-Hz ก็ÿามารถเข้าถึงจุดปฏิบัติการได้มากขึ้น รูปที่ 4.21 แÿดงเÿ้นโค้งเดียüกันกับรูปที่ 4.20 แต่มีข้Ăจ ากัดที่ÿ าคัญเพิ่มเข้ามาĂีกÿĂงประการ ที่ คüามเร็üโรเตĂร์ต่ า จุดÿูงÿุดขĂงเÿ้นโค้งแรก จะถูกจ ากัดด้üยขีดจ ากัดแรงบิด 900 N-m ที่คüามเร็üโรเตĂร์ จุดÿูงÿุดขĂงเÿ้นโค้งจะถูกจ ากัดด้üยขีดจ ากัดก าลัง 18kW ขĂงมĂเตĂร์
108 รูปที่ 4.21แÿดงแรงบิดเมื่Ăเทียบกับเÿ้นโค้งคüามเร็üที่มีขีดจ ากัดต่างๆ ในท้ายที่ÿุด พื้นที่การท างานทั้งĀมดขĂงมĂเตĂร์ตามที่ก าĀนดโดยเÿ้นโค้งแต่ละÿ่üน (และเÿ้นโค้ง Ăื่นๆ ที่คล้ายกัน) จะคล้ายกันมากกับเÿ้นโค้งแรงบิดเทียบกับคüามเร็üขĂงมĂเตĂร์กระแÿตรง DC Motor ดัง รูปที่4.17 ทั้งÿĂงกรณี จะมีแรงบิดÿูง (จ ากัดแรงบิดจากภายนĂก) ที่คüามเร็üต่ า แต่แรงบิดนี้จะลดลงเมื่Ă คüามเร็üขĂงโรเตĂร์เพิ่มขึ้น
109 4.10 ประÿิทธิภำพของมอเตอร์(Motor Efficiency) ข้Ăพิจารณาที่ÿ าคัญÿ าĀรับมĂเตĂร์ทุกประเภทคืĂประÿิทธิภาพขĂงมĂเตĂร์ ซึ่งเท่ากับ ก าลังไฟฟ้าเĂาท์พุตที่เราได้จากมĂเตĂร์ Āารด้üยก าลังไฟฟ้าเข้าที่เราใÿ่เข้าไป ขĂĂภัย ค่านี้ไม่เคยเป็น 100 เปĂร์เซ็นต์ สมการ = (4.34) ก าลังไฟฟ้าเข้า เท่ากับก าลังไฟฟ้าĂĂกบüกกับการÿูญเÿียประเภทต่างๆ มากมายที่เราจะÿ ารüจ ด้านล่าง ก าĀนดแต่ละข้ĂจะĂธิบายไü้ด้านล่าง สมการ = + (4.35) การประมาณการÿูญเÿียในมĂเตĂร์ไฟฟ้าโดยประมาณ จะได้รับจากÿมการ (4.36) เงื่Ăนไข ซึ่งจะ Ăธิบายแต่ละรายการด้านล่าง สมการ Losses = + + + (4.36) ดังนั้น ประÿิทธิภาพขĂงมĂเตĂร์ เท่ากับ ก าลังไฟฟ้าเĂาท์พุต แรงบิดคูณด้üยคüามเร็ü เชิงมุม, ÿ่üนก าลังด้านĂĂก,ทีโĂบüกกับการÿูญเÿียที่ก าĀนดในÿมการ (4.36) สมการ = + + + + (4.37) การÿูญเÿีย ครั้งแรก 2 เรียกü่า การÿูญเÿียทĂงแดงเนื่Ăงจากจ าลĂงการÿูญเÿียเนื่Ăงจาก คüามต้านทานไฟฟ้าในขดลüดขĂงÿายไฟในมĂเตĂร์ คüามÿูญเÿียเĀล่านี้เป็นÿัดÿ่üนกับฉัน 2 ที่ไĀน คืĂ กระแÿในขดลüดและ คืĂคüามต้านทานขĂงขดลüด เนื่Ăงจากแรงบิดนั้นเป็นÿัดÿ่üนกับกระแÿ เราÿามารถ แÿดงการÿูญเÿียทĂงแดงเป็นÿัดÿ่üนกับแรงบิดก าลังÿĂง การÿูญเÿีย ครั้งที่ÿĂง เรียกü่า การÿูญเÿียธาตุเĀล็กเนื่Ăงจากจ าลĂงการÿูญเÿีย เนื่Ăงจากÿ่üนประกĂบขĂงเĀล็กในมĂเตĂร์ การÿูญเÿียธาตุเĀล็กมีÿาเĀตุĀลักÿĂงประการ (1) ต้Ăง ใช้พลังงานในการดึงดูดและล้างĂ านาจแม่เĀล็กขĂงÿ่üนประกĂบเĀล็กขĂงมĂเตĂร์Ăย่างต่Ăเนื่Ăงเมื่Ă
110 ÿนามแม่เĀล็กเปลี่ยนแปลง และ (2) ÿนามแม่เĀล็กที่เปลี่ยนแปลงไปนี้จะกระตุ้นใĀ้เกิดกระแÿในเĀล็ก ซึ่งท า ใĀ้ร้Ăน เĀล็ก ผลกระทบทั้งÿĂงจะเพิ่มขึ้นเมื่Ăคüามถี่ขĂงÿนามแม่เĀล็กเปลี่ยนแปลงเพิ่มขึ้น ดังนั้นการ ÿูญเÿียเĀล็กจึงเป็นÿัดÿ่üนกับคüามเร็üเชิงมุม การÿูญเÿีย ครั้งที่ÿาม เรียกü่า การÿูญเÿียแรงลม และแÿดงถึงคüามต้านทานตามĀลัก Ăากาýพลýาÿตร์บนโรเตĂร์ Ăย่างที่ได้กล่าüมาแล้üในบทที่ 3พลังงานที่จ าเป็นในการเĂาชนะคüามต้านทาน ตามĀลักĂากาýพลýาÿตร์เป็นÿัดÿ่üนกับคüามเร็üยกก าลังÿาม ดังนั้นการÿูญเÿียขĂงลมจึงเป็นÿัดÿ่üนกับ การÿูญเÿีย ครั้งที่ÿี่ รüมถึงการÿูญเÿียคงที่ซึ่งไม่แปรผันตามคüามเร็üĀรืĂแรงบิด เช่น ก าลังที่ จ าเป็นในการรักþาÿนามแม่เĀล็กเมื่ĂมĂเตĂร์Ăยู่กับที่ และก าลังจ าเป็นต้Ăงเรียกใช้คĂนโทรลเลĂร์ ĀากเราทราบถึงตัüเĂงค่าขĂง , , และ เราÿามารถพล็Ăตได้ เป็นĀน้าที่ขĂง และ ด้üยเĀตุนี้รูปที่ 4.22 แÿดงเÿ้นโค้งประÿิทธิภาพขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน าไฟฟ้ากระแÿÿลับ AC ขนาด 100 kW AC ด้üย = 0.3, = 0.01, = 5×10−5,และ = 600 นĂกจากนี้ยังมีเÿ้นโค้งที่แÿดง ต าแĀน่งที่มĂเตĂร์ท างานในพื้นที่ประÿิทธิภาพนี้ เมื่Ăท างานด้üยก าลัง 50 kW ĀรืĂ 100 kW รูปที่4.22แÿดงกราฟประÿิทธิภาพÿ าĀรับมĂเตĂร์เĀนี่ยüน าไฟฟ้ากระแÿÿลับขนาด 100กิโลüัตต์ มĂเตĂร์เĀนี่ยüน าใน Tesla Model S และ Model X มีประÿิทธิภาพตามรายงานĂยู่ที่ 93 เปĂร์เซ็นต์ ในขณะที่มĂเตĂร์ฝืนแม่เĀล็กถาüรใน Model 3 และ Y มีประÿิทธิภาพตามรายงานĂยู่ที่ 97 เปĂร์เซ็นต์ ในĂนาคตĂันใกล้นี้ Tesla üางแผนที่จะĂัพเกรด S และ X เพื่ĂใĀ้ท างานบนมĂเตĂร์ฝืน ประÿิทธิภาพÿูงเĀล่านี้เช่นกัน
111 4.11 กำรเร ่งควำมเร็วÿูงÿุด (Maximum Acceleration) Āนึ่งในตัüเĂงÿมบัติที่เป็นที่ต้Ăงการมากที่ÿุดขĂงรถยนต์ไฟฟ้าก็ คืĂ ÿามารถเร่งคüามเร็üได้Ăย่าง รüดเร็üและราบรื่น เพื่ĂตĂบÿนĂงต่ĂแรงบิดจากมĂเตĂร์ไฟฟ้า ในคüามเป็นจริง คüามเร็üที่รถยนต์ไฟฟ้า ÿามารถเร่งคüามเร็üได้นั้น ขึ้นĂยู่กับก าลังขĂงมĂเตĂร์เป็นÿ่üนใĀญ่ Āากรู้รายละเĂียด ĀรืĂÿเปค ขĂงระบบขับเคลื่Ăนรถยนต์ ก็ก็ÿามารถจะค านüณĂัตราเร่งÿูงÿุดจาก ข้Ăมูลนั้นๆ ได้ เช่นเดียüกับที่ Larminie และ Lowry (2012) ลĂงท ามาแล้ü Ăย่างไรก็ตาม ตามที่ Masias (2018) ตั้งข้Ăÿังเกต การพารามิเตĂร์ระบบขับเคลื่Ăนที่ÿ าĀรับรูปแบบการค านüณขĂง Larminie และ Lowry ดังที่ Masias (2018) ตั้งข้Ăÿังเกตü่า เüลาที่เร่งคüามเร็üขĂงรถจาก 0 ถึง 60 ไมล์ต่Ăชั่üโมง ÿามารถ ประมาณได้ü่าเป็นฟังก์ชันเชิงเÿ้นขĂงก าลังขับÿูงÿุดขĂงมĂเตĂร์ (kW) และน้ าĀนักขĂงรถ (kg) 3ดังแÿดงใน รูปที่4.23 ซึ่งüางแผนเüลา 0 ถึง 60 ขĂง EV Āลักทุกตัüที่ขายในปัจจุบันในÿĀรัฐĂเมริกา โดยเป็นฟังก์ชัน ขĂงĂัตราÿ่üนน้ าĀนักต่Ăก าลัง (kg/kW) จาก Tesla Model S ที่ด้านซ้ายล่างไปจนถึง Kia Soul EV ใน ด้านขüาบน รูปที่ 4.23แÿดงคüามเร็üขĂงรถจาก0 ถึง 60 เüลาเร่งคüามเร็üเป็นฟังก์ชันขĂงĂัตราÿ่üนน้ าĀนักต่Ăก าลัง
112 จากข้Ăมูลที่มีĂยู่ทั้งĀมดจะถูกจัดกลุ่มไü้Ăย่างแน่นĀนารĂบเÿ้นแนüโน้มเชิงเÿ้นโดยมีคüามชัน 0.58 และมีจุดตัดที่แยกไม่ĂĂกจาก 0 ซึ่งĀมายคüามü่า ในการĀาเüลา 0 ถึง 60 ขĂง EV ที่ĂĂกแบบใĀม่ ÿิ่งที่เรา ต้Ăงท าทั้งĀมด do คืĂ ป้Ăนน้ าĀนักและก าลังเĂาท์พุตÿูงÿุดขĂงมĂเตĂร์ลงในÿูตรต่Ăไปนี้ สมการ = . (4.38) เมื่Ă คืĂ เüลาเร่งคüามเร็ü0 ถึง 60 เüลาเป็นüินาที(s) คืĂ น้ าĀนักขĂงรถเป็นกิโลกรัม (kg) และ คืĂ ก าลังขĂงมĂเตĂร์ (ĀรืĂก าลังรüมขĂงมĂเตĂร์) มีĀน่üยเป็นกิโลüัตต์(kW) นĂกจากจะท าใĀ้เราÿามารถประมาณเüลา 0 ถึง 60 ขĂงรถยนต์ไฟฟ้าใดๆ แล้ü ค านüณĀาจาก ÿมการที่ (4.38) ยังใĀ้ค าแนะน าในการĂĂกแบบรถยนต์ไฟฟ้าใĀม่Ăีกด้üย Āากเราต้ĂงการใĀ้รถขĂงเราเร่ง คüามเร็üÿูงๆเราต้Ăงลดน้ าĀนักขĂงรถลง เพิ่มก าลังขĂงมĂเตĂร์ ĀรืĂทั้งÿĂงĂย่าง เป็นต้น 4.12 บทÿรุป (Conclusion) บทนี้ครĂบคลุมเนื้ĂĀาจ านüนมาก ÿร้างคüามเข้าใจขĂงเราเกี่ยüกับมĂเตĂร์ตั้งแต่Āลักการพื้นฐาน ในฟิÿิกÿ์ (กฎแรงลĂเรนซ์ กฎขĂงคูลĂมบ์ กฎขĂงไบโĂต-ซาüาร์ต และกฎขĂงฟาราเดย์) ไปจนถึงüิýüกรรม และการท างานขĂงมĂเตĂร์ประเภทขĂงมĂเตĂร์ เช่น มĂเตĂร์แบบมีแปรงถ่าน มĂเตĂร์ไร้แปรงถ่าน มĂเตĂร์ฝืน และมĂเตĂร์เĀนี่ยüน า นĂกจากนี้ เราได้เĀ็นü่ามĂเตĂร์ÿามารถใช้เป็นเครื่Ăงก าเนิดไฟฟ้า ช่üยใĀ้ ÿามารถเบรกแบบจ่ายพลังงานใĀม่ได้Ăย่างไร และ EMF ย้Ăนกลับจะจ ากัดแรงบิดที่คüามเร็üÿูงได้Ăย่างไร 4.13 ทบทวน 1. Āากจินตนาการü่าก าลังยืนĂยู่บนขั้üแม่เĀล็กเĀนืĂขĂงโลกโดยตรงโดยที่เÿ้นÿนามแม่เĀล็กชี้ตรง ลงไปถึงพื้น (ÿนามแม่เĀล็กทิýเĀนืĂขั้üโลกนั้นตรงกับขั้üใต้ขĂงแม่เĀล็กจริงๆ) ĀากยิงĂนุภาคที่มีประจุตรง ĂĂกไปจากตัüเราเข้าÿู่ÿนามแม่เĀล็กนี้ Ăนุภาคจะเป็นเÿ้นทางใด? (ค าแนะน า: เปรียบเทียบÿถานการณ์นี้กับ รูปที่ 4.2) 2. Āากจินตนาการü่าขณะนี้ตัüเĂงก าลังยืนĂยู่บนขั้üแม่เĀล็กใต้ขĂงโลก ซึ่งที่นั่น เÿ้นÿนามแม่เĀล็ก ชี้ตรงขึ้นไปบนท้Ăงฟ้า ĀากจะถืĂÿายĀิ้üกระแÿไฟจากขüาไปซ้าย ลüดจะดึงไปทางไĀน? (ค าใบ้: เปรียบเทียบ ÿถานการณ์นี้กับรูปที่ 4.3)
113 3. ลĂงนึกภาพĂีกครั้งü่าตัüเĂงก าลังถืĂÿายไฟที่น ากระแÿไฟฟ้าจากทางขüาไป ซ้ายขĂงตัüเĂง ÿนามแม่เĀล็กที่เกิดจากเÿ้นลüดนี้มีรูปร่างĂย่างไร และเป็นรูปใด มันชี้ยังไง? (ค าแนะน า: เปรียบเทียบ ÿถานการณ์นี้กับรูปที่ 4.5) 4. ลĂงนึกภาพü่าตัüเĂงก าลังมĂงตรงไปที่กึ่งกลางขĂงขดลüดที่ถืĂĂยู่ ปัจจุบันทüนเข็มนาāิกา รูปร่างขĂงÿนามแม่เĀล็กที่เกิดจากÿิ่งนี้คืĂĂะไร ลüด แล้üมันชี้ไปทางไĀน? (ค าแนะน า: เปรียบเทียบ ÿถานการณ์นี้กับรูปที่ 4.6) 5. พิจารณามĂเตĂร์กระแÿตรงแบบมีแปรงถ่านที่แÿดงในรูปที่ 4.24โรเตĂร์ไปทางไĀน การĀมุน? (ค าแนะน า: เปรียบเทียบÿถานการณ์นี้กับรูปที่ 4.10) รูปที่ 4.24แÿดงการüิเคราะĀ์มĂเตĂร์กระแÿตรงแบบมีแปรงถ่าน 6. พิจารณามĂเตĂร์กระแÿตรงไร้แปรงถ่านที่แÿดงในรูปที่ 4.25เนื่Ăงจากมีการใช้ cos ωtถึง PP1 และ sin ωt ใช้กับ PP2 ขั้üเĀนืĂขĂงโรเตĂร์จะชี้ไปในทิýทางใดตามเüลาที่ระบุด้üยเÿ้นแนüตั้งตัüĀนา?
114 รูปที่ 4.25แÿดงการüิเคราะĀ์มĂเตĂร์กระแÿตรงไร้แปรงถ่าน 7. มĂเตĂร์ AC แบบไร้แปรงถ่านที่มี 6 ขั้üคู่ (12 ขั้ü) ท างานที่คüามถี่ AC ที่50 เăิรตซ์ คüามเร็ü ซิงโครนัÿขĂงมĂเตĂร์เป็น RPM คืĂĂะไร? 8. พิจารณา Reluctance motor ที่แÿดงในรูปที่ 4.26 โรเตĂร์Ăยู่ในÿถานะพักการท างาน จะเกิด Ăะไรขึ้นถ้าเรารüมพลัง PP1? จะเป็นĂย่างไรถ้าเราเติมพลังใĀ้กับ PP2? แล้ü PP3? (ระĀü่างค าถามทั้งÿาม ข้Ăนี้ ÿมมติü่าโรเตĂร์ได้กลับมาĀยุดนิ่งแล้üต าแĀน่งเดิม) รูปที่ 4.26แÿดงการüิเคราะĀ์Reluctance motor.
115 9. Ăธิบายüิธีการท างานขĂงมĂเตĂร์เĀนี่ยüน ากระแÿÿลับ 10 โดยใช้เครื่ĂงมืĂค านüณที่ตัüเĂงเลืĂก ตามรูปที่ 4.22 11. การประเมินĂย่างไม่เป็นทางการท าใĀ้น้ าĀนักและก าลังขĂง Tri-Motor Cybertruck ขĂง Tesla Ăยู่ที่ประมาณ 3,000 กก. และ 600 กิโลüัตต์ ตัüเลขซึ่งÿĂดคล้Ăงกับเüลาที่รายงาน 0 ถึง 60 Ăย่าง ÿมบูรณ์แบบ 2.9 üินาทีตามÿมการ (4.38) คüามÿามารถในการลากจูงมีรายงานü่ามีĂย่างน้Ăย 14,000 ปĂนด์ÿมมติü่า Tri-Motor Cybertruck ก าลังลาก Ford F-150 ÿามคันที่มีน้ าĀนักประมาณ Ăันละ 4,500 ปĂนด์ ขึ้นĂยู่กับÿมการ (4.38) Cybertruck และมันจะใช้เüลานานแค่ไĀน รถไฟ F-150 ÿามล าเพื่Ăเร่ง คüามเร็üจาก 0 ถึง 60 ไมล์ต่Ăชั่üโมง?
บทที่ 5 แบตเตอรี่ 5.1 บทน ำ (Introduction) เพื่ĂใĀ้มĂเตĂร์รถยนต์ไฟฟ้ćท ćงćนได้ จ ćเป็นต้Ăงมีไฟฟ้ćÿ ćĀรĆบขĆบเคลื่ĂนมĂเตĂร์ไฟฟ้ć ÿ่üนใĀญ่ แล้üไฟฟ้ćนี้จąถูกเก็บไü้ในแบตเตĂรี่ ในบทนี้ จąกล่ćüถึงÿ่üนปรąกĂบÿ ćคĆญๆ แลąคุณลĆกþณąขĂง แบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ć (EV) ĀรืĂเรียกü่ć แบตเตĂรี่แบบฉุดลćกเนื่Ăงจćกรถยนต์ไฟฟ้ćเกืĂบทุกคĆนในตลćด ปัจจุบĆนใช้แบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน ฉนĆ้นĀนĆงÿืĂเล่มนี้จึงจąเน้นไปที่คุณÿมบĆติทćงเคมีนี้โดยเฉพćą 5.2 ควำมรู้พื้นฐำนเกี่ยวกับแบตเตอรี่(Battery Fundamentals) ใช้ครĆ้งแรกในลĆกþณąนี้โดยเบนจćมิน แฟรงคลิน ในปี ค.ý. 1749 ค ćü่ć "แบตเตĂรี่" Āมćยถึงกลุ่ม ขĂงเซลล์ไฟฟ้ćเคมี เซลล์ไฟฟ้ćเคมีเป็นĂุปกรณ์ที่เก็บพลĆงงćนในรูปขĂงพลĆงงćนýĆกย์เคมี แล้üปล่ĂยĂĂกมć เป็นไฟฟ้ć Āน่üยไฟฟ้ćเคมีที่เล็กที่ÿุดที่ÿćมćรถจ่ćยพลĆงงćนได้เรียกü่ć เซลล์ เนื่ĂงจćกแรงดĆนไฟฟ้ćขĂงเซลล์ เดียü (โดยทĆ่üไปคืĂ 3.6 โüลต์ÿ ćĀรĆบแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน) ไม่เพียงพĂที่จąจ่ćยไฟใĀ้กĆบรถยนต์ไฟฟ้ć เซลล์แต่ลąเซลล์จąถูกรüมเข้ćด้üยกĆนเพื่Ăÿร้ćงโมดูล แลąแต่ลąโมดูลจąถูกรüมเข้ćด้üยกĆนเพื่Ăÿร้ćงชุด แบตเตĂรี่ แต่ลąเซลล์ปรąกĂบด้üยĂิเล็กโทรดบüก เรียกü่ć แคโทด แลąĂิเล็กโทรดลบ เรียกü่ć แĂโนด รąĀü่ćงแคโทดแลąแĂโนด จąมีĂิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) ที่ช่üยใĀ้ไĂĂĂนบüกเดินทćงไปมćรąĀü่ćง Ăิเล็กโทรดทĆ้งÿĂง แลąตĆüแยกที่ป้ĂงกĆนไม่ใĀ้Ăิเล็กโทรดÿĆมผĆÿกĆนแลąเกิดกćรลĆดüงจร เมื่Ăเชื่Ăมต่ĂกĆบüงจร Ăิเล็กตรĂนจąเคลื่Ăนที่ไปมćรąĀü่ćงแคโทดแลąแĂโนดผ่ćนüงจร ยćนพćĀนąไฟฟ้ćในยุคแรกๆ üิ่งบนเซลล์ปฐมภูมิ ซึ่งĀมćยคüćมü่ć ไม่ÿćมćรถชćร์จใĀม่ได้ แบตเตĂรี่เริ่มต้นด้üยพลĆงงćนเคมีในปริมćณคงที่ แลąเมื่ĂพลĆงงćนเคมีทĆ้งĀมดถูกแปลงเป็นไฟฟ้ć ก็แค่นĆ้นเĂง เพื่ĂใĀ้แบตเตĂรี่ท ćงćนได้ĂีกครĆ้ง จ ćเป็นต้Ăงเปลี่ยนÿćรตĆ้งต้น (คล้ćยกĆบกćรเติมน้ ćมĆนเบนซินใĀ้กĆบรถยนต์ ICE) ĀรืĂเปลี่ยนแบตเตĂรี่เป็นแบตเตĂรี่ใĀม่ทĆ้งĀมด ต่ĂมćแบตเตĂรี่ĀลĆกยćนพćĀนąไฟฟ้ćในยุคแรกๆ เĀล่ćนี้ก็ถูกแทนที่ด้üยแบตเตĂรี่แบบชćร์จไฟได้ ĀรืĂที่เรียกü่ćแบตเตĂรี่ÿ ćรĂงĀรืĂแบตเตĂรี่จĆดเก็บ
117 เมื่ĂแบตเตĂรี่ÿ ćรĂงก ćลĆงชćร์จ Ăิเล็กตรĂนจąเดินทćงจćกแคโทด (Cathode (+))ไปยĆงแĂโนด (Anode (−)) ผ่ćนüงจร ในขณąที่ไĂĂĂนบüก(Li+ ions) จąเดินทćงขนćนกĆนผ่ćนĂิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) เมื่ĂแบตเตĂรี่คćยปรąจุ กรąบüนกćรนี้จąกลĆบกĆน เนื่ĂงจćกĂิเล็กตรĂน (electrons) แลąไĂĂĂนบüก (Li+ ions) เดินทćงผ่ćนüงจรแลąĂิเล็กโทรไลต์จćกแĂโนด(Anode (−)) ถึงแคโทด (Cathode (+)) (รูปที่5.1) รูปที่5.1แÿดงÿ่üนปรąกĂบพื้นฐćนขĂงแบตเตĂรี่ 5.3 แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Lithium-Ion Batteries) เนื่Ăงจćกรถยนต์ไฟฟ้ćÿ่üนใĀญ่ในตลćดปัจจุบĆนใช้แบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน (Li-ion)ฉนĆ้นจąมุ่งเน้น ไปที่คุณÿมบĆติทćงเคมีนี้โดยเฉพćą ก่ĂนĂื่นเรćจąมćดูÿ่üนปรąกĂบที่ÿ ćคĆญๆ ใช้ปรąกĂบเป็นแบตเตĂรี่ ตćม ด้üยกรąบüนกćรที่ท ćใĀ้แบตเตĂรี่ท ćงćน 5.3.1 แคโทด (+) Cathode Cathode (+) ขĂงแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน (Li-ion) จąท ćจćกÿćรปรąกĂบ คืĂ ลิเธียม โคบĂลต์ĂĂกไซด์ (LiCoO2) üĆÿดุแคโทดĂื่นๆ ได้แก่ ลิเธียมแมงกćนีÿĂĂกไซด์ (LiMn2O4)ลิเธียมเĀล็ก ฟĂÿเฟต (LiFePO4) ลิเธียมนิกเกิลโคบĂลต์ĂลูมิเนียมĂĂกไซด์ (LiNiCoAlO2) ĀรืĂลิเธียมนิกเกิลแมงกćนีÿ
118 โคบĂลต์ĂĂกไซด์ (LiNixMnyCozO2) เนื่Ăงจćกกรąบüนกćรโดยพื้นฐćนแล้üจąเĀมืĂนกĆน ในที่นี้จąใช้ลิเธียม โคบĂลต์ĂĂกไซด์(LiCoO2) เป็นตĆüĂย่ćง Cathode (+) ตćมธรรมชćติขĂงไĂĂĂนบüก (Li+ ions) ที่ท ćใĀ้แบตเตĂรี่ท ćงćน เมื่ĂแบตเตĂรี่คćย ปรąจุจนĀมด (แบตเตĂรี่Āมด) แคโทด (Cathode (+)) จąไĀลกลĆบที่เดิมจนĀมดบริเüณที่ลิเธียมĂćýĆยĂยู่ (ขĆ้üบüก) เมื่Ăชćร์จ ขĆ้üบüกจąรĆบ ไĂĂĂนบüก (Li+ions) ไü้ชĆ่üครćü เพียงเพื่Ăจąÿ่งกลĆบไปที่แคโทด (Cathode (+)) เมื่Ăคćยปรąจุ 5.3.2 แอโนด (-) Anode ขĆ้üบüกขĂงแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน (Li-ion) ท ćจćกÿćรปรąกĂบที่ÿćมćรถรĆบ ไĂĂĂนบüก (Li+ ions) โดยทĆ่üไปจąท ćจćกกรćไฟท์ (C6) üĆÿดุแĂโนดĂื่นๆ ได้แก่ ลิเธียมไททćเนต ((Li4Ti5O12) คćร์บĂน แข็ง โลĀąผÿมขĂงดีบุกแลąโคบĂลต์ ĀรืĂÿ่üนผÿมขĂงซิลิคĂนแลąคćร์บĂน เนื่Ăงจćกกรąบüนกćรโดยพื้นฐćนเĀมืĂนกĆน จąใช้กรćไฟท์เป็นตĆüĂย่ćง เมื่Ăชćร์จ ขĆ้üบüกจąรĆบ ไĂĂĂนบüก (Li+ ions) ไü้ชĆ่üครćü เพียงเพื่Ăจąÿ่งกลĆบไปที่แคโทด(Cathode (+)) เมื่Ăคćยปรąจุ 5.3.3 อิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) Ăิเล็กโทรไลต์เป็นÿิ่งที่ช่üยใĀ้ ไĂĂĂนบüก (Li+ ions) จąเคลื่Ăนที่รąĀü่ćงแคโทด (Cathode (+)) แลąแĂโนด (Anode(-)) ลĆกþณąÿ ćคĆญขĂงĂิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) คืĂเป็นตĆüน ćไฟฟ้ćแลąฉนüน ไĂĂĂนิก ซึ่งĀมćยคüćมü่ćลิเธียมไĂĂĂน (Li-ion)ÿćมćรถผ่ćนเข้ćไปได้ง่ćย แต่Ăิเล็กตรĂนไม่ÿćมćรถท ćได้ ในแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน (Li-ion) โดยทĆ่üไปĂิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) ปรąกĂบด้üยเกลืĂลิเธียม (เช่น LiPF6, LiAsF6, LiClO4, LiBF4, or LiCF3SO3) ลąลćยในตĆüท ćลąลćยĂินทรีย์ (เช่น เĂทิลีนคćร์บĂเนต, ไดเมทิลคćร์บĂเนต ĀรืĂไดเĂทิลคćร์บĂเนต) Ăิเล็กโทรไลต์ (Electrolyte) ยĆงมีÿćรเติมแต่งเพื่Ăป้ĂงกĆนกćร เÿื่ĂมÿภćพขĂงĂิเล็กโทรด (Electrolyte) เช่นเดียüกĆบน้ ćมĆนเบนซินคุณภćพÿูงที่มีÿćรเติมแต่งเพื่Ăป้ĂงกĆน กćรเÿื่ĂมÿภćพขĂงเครื่Ăงยนต์ 5.3.4 วงจร(Circuit) แม้ü่ćในทćงเทคนิคจąไม่ได้เป็นÿ่üนĀนึ่งขĂงแบตเตĂรี่ แต่üงจรก็เป็นÿ่üนÿ ćคĆญขĂงกćร ท ćงćน คล้ćยกĆบ (แต่ตรงกĆนข้ćมกĆบ) Ăิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) üงจรนี้เป็นตĆüน ćไฟฟ้ćแลąฉนüนไĂĂĂนิก กล่ćüคืĂ Ăิเล็กตรĂนÿćมćรถผ่ćนเข้ćไปได้ง่ćย แต่ลิเธียมไĂĂĂนไม่ÿćมćรถท ćได้ ซึ่งĀมćยคüćมü่ć ในขณąที่ ลิเธียมไĂĂĂนเดินทćงจćกĂิเล็กโทรดĀนึ่งไปยĆงĂีกĂิเล็กโทรไลต์ผ่ćนĂิเล็กโทรไลต์ จ ćนüนĂิเล็กตรĂนที่เท่ćกĆน จąเดินทćงจćกĂิเล็กโทรดĀนึ่งไปยĆงĂีกĂิเล็กโทรดผ่ćนüงจร มĆนเĀมืĂนกĆบĂิเล็กโทรไลต์แลą üงจร
119 เปรียบเทียบกćรเดินทćงจćกบ้ćนโดยทćงเรืĂกĆบรถไฟ แคโทด(Cathode) ไปยĆงขĆ้üบüกซึ่งเป็นที่พĆกชĆ่üครćü ĀรืĂในทćงกลĆบกĆน ไĂĂĂนบüก(Li+ ions) จąเคลื่Ăนที่ผ่ćนĂิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) เทียบกĆบทćงเรืĂ ในขณąที่Ăิเล็กตรĂนจąเคลื่Ăนที่ผ่ćนทćงüงจร (Circuit) เทียบกĆบทćงรถไฟ ไม่ü่ć ไĂĂĂนบüก (Li+ ions) แลą Ăิเล็กตรĂน จąเดินทćงคู่ขนćนในเÿ้นทćงที่แตกต่ćงกĆน แลąจąมćพบกĆนที่จุดĀมćยปลćยทćงด้üยกĆน 5.3.5 ตัวค ั่น (Separator) ตĆüคĆ่น คืĂ ÿิ่งที่ป้ĂงกĆนไม่ใĀ้ขĆ้üบüก แลąแคโทดÿĆมผĆÿกĆนแลąป้ĂงกĆนกćรลĆดüงจร กćรแยก ปรąจุนี้เป็นÿิ่งที่ท ćใĀ้แบตเตĂรี่ÿćมćรถกĆกเก็บพลĆงงćนได้ ในแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน โดยทĆ่üไปตĆüแยกจą เป็นüĆÿดุบćงแลąมีรูพรุน เช่น ผ้ćที่ท ćจćกไฟเบĂร์กลćÿĀรืĂฟิล์มที่ท ćจćกไนลĂน โพลีเĂทิลีน ĀรืĂโพลีโพรพี ลีน ตĆüคĆ่นช่üยใĀ้ ไĂĂĂนบüก (Li+ ions) จąเดินทćงผ่ćนĂิเล็กโทรไลต์(Electrolyte) ในขณąเดียüกĆนก็ท ćใĀ้ Ăิเล็กตรĂนเดินทćงผ่ćนüงจรแทน 5.3.6 กำรชำร์จ(Charging) เมื่Ăชćร์จแบตเตĂรี่ เครื่Ăงชćร์จจąใช้พลĆงงćนจćกโครงข่ćยเพื่Ăถ่ćยโĂนĂิเล็กตรĂนจćกแคโทด ไปยĆงขĆ้üบüก ในเüลćเดียüกĆน จ ćนüนไĂĂĂนบüก (Li+ ions) เคลื่Ăนที่จćกแคโทดผ่ćนĂิเล็กโทรไลต์แลąตĆü แยกไปยĆงขĆ้üบüก ในตĆüĂย่ćงนี้ไĂĂĂนบüก (Li+ ions) ถูกÿกĆดจćกลิเธียมโคบĂลต์ĂĂกไซด์ที่แคโทด แลąใÿ่เข้ćไปใน กร ćไฟท์ที่ขĆ้üบüก ค ćýĆพท์ทćงเทคนิคÿ ćĀรĆบกćรÿกĆดแลąกćรแทรกนี้คืĂ deintercalation แลą intercalation เมื่Ăเรćพูดü่ćบćงÿิ่งมีกćรĂินเทĂร์คćเลท ก็Āมćยคüćมü่ć มĆนถูกเก็บไü้ในโครงÿร้ćงขĆดแตą ขĂงÿćรปรąกĂบ รูปที่ 5.2 แÿดงลิเทียมที่แทรกĂยู่ใน LiCoO2แÿดง CoO2 โดยมีĂąตĂมลิเธียมจ ćนüนมćก แทรกĂยู่รąĀü่ćงชĆ้นต่ćงๆ LiC6 มีโครงÿร้ćงคล้ćยกĆน ยกเü้น C6 ท ćมćจćกüงแĀüนคćร์บĂน รูปที่ 5.2แÿดงลิเธียมแทรกĂยู่ใน CoO2
120 ÿมกćร (5.1) แลą (5.2) แÿดงÿิ่งที่เกิดขึ้นที่แคโทดแลąแĂโนดรąĀü่ćงกćรชćร์จ ที่แคโทด LiCoO2 ปล่Ăย ไĂĂĂนบüก (Li+ ) แลą −ĂĂกไป จąไปพĆกที่ขĆ้üบüก แลąจąรüมกĆบ C6 เพื่Ăÿร้ćง LiC6 ÿมกำร : → + + + − (5.1) ÿมกำร :+ + − + → (5.2) 5.3.7 กำรคำยประจ ุ(Discharging) เมื่Ăใช้แบตเตĂรี่ (คćยปรąจุ) Ăิเล็กตรĂนจąเคลื่Ăนที่จćกขĆ้üบüกไปยĆงแคโทด เพื่Ăจ่ćยพลĆงงćน ใĀ้กĆบโĀลด ในเüลćเดียüกĆน จ ćนüนไĂĂĂนบüก (Li+ ) จąเคลื่Ăนที่จćกขĆ้üบüกผ่ćนĂิเล็กโทรไลต์แลąตĆüแยก ไปยĆงแคโทด ÿมกćร (5.3) แลą (5.4) แÿดงÿิ่งที่เกิดขึ้นที่ขĆ้üบüกแลąแคโทดรąĀü่ćงกćรคćยปรąจุ ที่ขĆ้üบüก LiC6 จąปล่Ăย ไĂĂĂนบüก (Li+ ) แลą −ĂĂกไป จąรüมตĆüกĆนĂีกครĆ้งที่แคโทดเพื่Ăÿร้ćง LiCoO2 ÿมกำร : → + + − + (5.3) ÿมกำร : + + + − → (5.4) กรąบüนกćรทćงเคมีที่เกี่ยüข้ĂงกĆบเคมีลิเธียมไĂĂĂนĂื่นๆ มีคüćมคล้ćยคลึงกĆน เพียงแทนที่ CoO2 แลą C6 ด้üยÿćรปรąกĂบที่ÿĂดคล้ĂงกĆนซึ่งท ćĀน้ćที่เป็นโครงÿร้ćงขĆดแตąที่แคโทดแลąแĂโนด üิธีคิดĂีกüิธีĀนึ่ง เกี่ยüกĆบกćรชćร์จแลąกćรคćยปรąจุคืĂกćรจินตนćกćรü่ć เมื่Ăชćร์จ ซึ่งก ćลĆงดĆน ลิ เธียมไĂĂĂนแลąĂิเล็กตรĂนขึ้นเนิน ĀรืĂพูดง่ćยๆ ก็คืĂ ไปยĆงÿถćนที่ที่มีพลĆงงćนýĆกย์ÿูงกü่ć ในกćร เปรียบเทียบนี้ กćรคćยปรąจุจąเทียบเท่ćกĆบกćรปล่ĂยใĀ้พüกมĆนตกลงมćจćกเนินเขćในลĆกþณąที่ได้รĆบกćร คüบคุม โดยแปลงพลĆงงćนýĆกย์ที่เก็บไü้ใĀ้เป็นงćนที่ใช้งćนได้นĆ่นเĂง
121 5.4 ค ุณลักþณะของแบตเตอรี่(Battery Characteristics) นĂกเĀนืĂจćกÿ่üนปรąกĂบ แลąกรąบüนกćรขĂงแบตเตĂรี่ที่จ ćเป็นเĀล่ćนี้แล้ü แบตเตĂรี่ทุกก้Ăน ยĆงมีคุณลĆกþณąที่ÿ ćคĆญĀลćยปรąกćร ในÿ่üนนี้ จąแนąน ćเกี่ยüกĆบคุณลĆกþณąที่ÿ ćคĆญที่ÿุดบćงปรąกćร เĀล่ćนี้ โดยเริ่มจćกคุณลĆกþณąที่มีคüćมÿ ćคĆญมćกที่ÿุดต่Ăผู้ขĆบขี่ EV โดยเฉลี่ย 5.4.1 ค ่ำใช้จ ่ำย(Cost) ÿ ćĀรĆบผู้ขĆบขี่ (ĀรืĂĂย่ćงน้Ăยก็เจ้ćขĂง) รถยนต์ไฟฟ้ć ÿิ่งÿ ćคĆญที่ÿุดปรąกćรĀนึ่งขĂง แบตเตĂรี่ก็คืĂต้นทุน ซึ่งมĆกจąรćยงćนเป็นดĂลลćร์ต่ĂกิโลüĆตต์ชĆ่üโมง (kWh) ขĂงกćรจĆดเก็บพลĆงงćน แม้ü่ć แบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂนจąยĆงมีรćคćค่Ăนข้ćงแพง แต่ในช่üงไม่กี่ปีที่ผ่ćนมć ต้นทุนขĂงแบตเตĂรี่ก็ลดลงĂย่ćง มćก ตćมกćรüิเครćąĀ์ล่ćÿุดโดย Forbes ต้นทุนโดยปรąมćณขĂงแบตเตĂรี่ใน Tesla ลดลงจćก 230 เĀรียญÿĀรĆฐĄ ต่Ă kWh ในปี 2019 เĀลืĂ 127 เĀรียญÿĀรĆฐĄ ต่Ă kWh ในปี 2019 ซึ่งĀมćยคüćมü่ć รćคć แบตเตĂรี่ Model S ขนćด 100 กิโลüĆตต์ชĆ่üโมงลดลงมćกกü่ć 10,000 เĀรียญÿĀรĆฐĄ เพียง 3 ปี นĂกเĀนืĂจćก Tesla แล้ü Forbes ปรąมćณกćรü่ćต้นทุนแบตเตĂรี่ EV ลดลงจćก 288 ดĂลลćร์ต่Ă kWh ในปี 2016 เĀลืĂปรąมćณ 158 ดĂลลćร์ต่Ă kWh ในปี 2019 เนื่Ăงจćกต้นทุนแบตเตĂรี่ยĆงคงลดลงĂย่ćง ต่Ăเนื่Ăง ÿิ่งนี้จąท ćใĀ้รถยนต์ไฟฟ้ćที่มีรćคćต่ ćกü่ćในช่üงเดียüกĆน ĀรืĂรถยนต์ไฟฟ้ćที่มีช่üงรćคćÿูงกü่ćใน รćคćเดียüกĆน ซึ่งทĆ้งÿĂงĂย่ćงนี้จąท ćใĀ้กćรเป็นเจ้ćขĂงรถยนต์ไฟฟ้ćน่ćดึงดูดใจÿ ćĀรĆบผู้คนจ ćนüนมćกขึ้น 5.4.2กำรจ ัดเก็บพลังงำน/ควำมจ ุประจ ุ(Energy Storage/Charge Capacity) ลĆกþณąÿ ćคĆญĂีกปรąกćรĀนึ่งขĂงแบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ć คืĂ ปริมćณพลĆงงćนที่ÿćมćรถ กĆกเก็บได้ ซึ่งโดยปกติจąรćยงćนเป็นกิโลüĆตต์ชĆ่üโมง (kWh)Ăย่ćงĂื่นมีคüćมเท่ćเทียมกĆน (เช่น โดยไม่ÿนใจ คüćมแตกต่ćงในปรąÿิทธิภćพขĂงยćนพćĀนą) กćรจĆดเก็บพลĆงงćนเป็นเพียงüĆดคร่ćüๆ ÿ ćĀรĆบช่üง โดยทĆ่üไป ยิ่งกิโลüĆตต์ชĆ่üโมงเก็บไü้ในแบตเตĂรี่รถยนต์มćกเท่ćไร รถก็จąÿćมćรถเดินทćงได้ไกลขึ้นเท่ćนĆ้น เนื่Ăงจćก ต้นทุนแบตเตĂรี่ลดลง กćรจĆดเก็บพลĆงงćนโดยเฉลี่ยจึงเพิ่มขึ้นเนื่Ăงจćกผู้ผลิตรถยนต์ÿćมćรถรüมไü้ได้Ăย่ćงมี นĆยÿ ćคĆญ เกี่ยüกĆบกćรกĆกเก็บพลĆงงćนได้มćกขึ้นในรćคćเท่ćเดิม ในทćงเทคนิคแล้ü กćรจĆดเก็บพลĆงงćนเป็นเพียงกćรüĆดคร่ćüๆ เท่ćนĆ้น เนื่Ăงจćกในขณąที่แบตเตĂรี่ ดูเĀมืĂนจąกĆกเก็บพลĆงงćน (แลąในแง่Āนึ่งแบตเตĂรี่ก็เก็บพลĆงงćนได้) แต่จริงๆ แล้üÿิ่งที่เก็บĂยู่ คืĂ ปรąจุ (Ăิเล็กตรĂนแลąลิเธียมไĂĂĂน) ดĆงนĆ้น ในบริบททćงเทคนิค เรćจึงมĆกใĀ้คüćมÿ ćคĆญกĆบคüćมจุในกćรชćร์จ ขĂงแบตเตĂรี่มćกกü่ćกćรจĆดเก็บพลĆงงćน
122 แม้ü่ćĀน่üย SI ÿ ćĀรĆบกćรชćร์จจąเป็นคูลĂมบ์ (C) แต่โดยทĆ่üไป ถืĂü่ćมีขนćดเล็กเกินไปที่จąเป็น ปรąโยชน์ในกćรใช้งćนแบตเตĂรี่ในโลกแĀ่งคüćมเป็นจริง ดĆงนĆ้น Āน่üยทĆ่üไปÿ ćĀรĆบคüćมจุปรąจุขĂง แบตเตĂรี่คืĂ แĂมป์-ชĆ่üโมง (Ah) ซึ่งเป็นปริมćณปรąจุที่ÿ่งผ่ćนโดย 1 A ในช่üงเüลć 1 ชĆ่üโมง (เท่ćกĆบ 3,600 คูลĂมบ์) คüćมจุปรąจุขĂงแบตเตĂรี่แÿดงด้üยตĆüĂĆกþร C (Ăย่ćÿĆบÿนกĆบคูลĂมบ์) ตĆüĂย่ćงเช่น เซลล์ลิเธียม ไĂĂĂน LG H2 มีพิกĆดคüćมจุ 3000 mAh (ĀรืĂ 3 Ah) ซึ่งĀมćยคüćมü่ćÿ ćĀรĆบเซลล์นี้ C = 3 Ah ค่Ăนข้ćงน่ćÿĆบÿน C มีคüćมĀมćยเพิ่มเติมในบริบทขĂงแบตเตĂรี่ Āćกมีคนพูดü่ć 3C ในบริบทขĂง เซลล์ LG (โดยที่ C เป็น 3 Ah) พüกเขćĀมćยถึงกรąแÿ 9 A (9 = 3×3). ถ้ćเขćบĂกü่ć 0.5C แปลü่ćกรąแÿ 1.5 A (1.5 = 0.5×3). LG H2 ได้รĆบกćรจĆดĂĆนดĆบใĀ้จ่ćยกรąแÿไฟÿูงÿุดที่ 11.7C (ĀรืĂ 35 A) แลąกรąแÿไฟ เÿถียรที่ 6.7C (ĀรืĂ 20 A) แม้ü่ćคüćมจุในกćรชćร์จ (ในĀน่üย Ah) จąเป็นที่ต้Ăงกćรในบริบททćงเทคนิค แต่กćรเก็บพลĆงงćน (ในĀน่üย kWh) ยĆงคงเป็นกćรüĆดที่ÿ ćคĆญในโลกแĀ่งคüćมเป็นจริง เนื่Ăงจćกจąÿร้ćงคüćมแตกต่ćงĂย่ćงมćก ใĀ้กĆบผู้ขĆบขี่ü่ćแบตเตĂรี่ขĂงพüกเขćจąเก็บพลĆงงćนได้ 100 kWh ĀรืĂไม่ ดĆงในกรณีนี้ ขĂง Tesla Model S ĀรืĂ 8.8 kWh เช่นในกรณีขĂง Toyota Prius Prime Plug-In Hybrid 5.4.3 อำยุกำรใช้งำนแบตเตอรี่(Battery Life) น่ćเÿียดćยที่คüćมจุÿูงÿุดขĂงแบตเตĂรี่ลดลง เมื่Ăเüลćผ่ćนไป แม้ü่ćแบตเตĂรี่ขĂงรุ่น S รุ่นใĀม่ จąÿćมćรถรĂงรĆบพลĆงงćนได้ 100 kWh แต่เมื่Ăชćร์จแลąคćยปรąจุĂĂกไป เมื่Ăเüลćผ่ćนไป คüćมจุÿูงÿุดนี้ จąค่Ăยๆ ลดลง จćกกćรüิจĆยล่ćÿุด ÿ่üนใĀญ่เกิดจćกกćรเÿื่ĂมÿภćพขĂงüĆÿดุแĂโนดแลąแคโทดใน กรąบüนกćรที่คล้ćยกĆบเĀล็กที่เกิดÿนิม2 โชคดีที่จćกกćรÿ ćรüจข้Ăมูลผู้ขĆบขี่ในโลกแĀ่งคüćมเป็นจริง คćดü่ć แบตเตĂรี่ใน Tesla Model S จąรĆกþćรąดĆบคüćมจุได้ 90 เปĂร์เซ็นต์เป็นรąยąทćงกü่ć 180,000 ไมล์ โดยทĆ่üไป ถืĂü่ćแบตเตĂรี่ใช้งćนได้ดีจนกü่ćจąถึง 80 เปĂร์เซ็นต์ขĂงคüćมจุเดิม แม้ü่ć “กฎ 80%” นี้แพร่Āลćย แต่ÿิ่งÿ ćคĆญที่คüรทรćบ คืĂไม่มีเĀตุผลใดที่ผู้ขĆบขี่ EV ที่ยĆงคงพĂใจกĆบรąยą 80 เปĂร์เซ็นต์ขĂง รąยąดĆ้งเดิม (เช่น 80 เปĂร์เซ็นต์ขĂงรąยą 322 ไมล์ขĂง Model 3 Long Range นĆ้น 258 ไมล์) ไม่ÿćมćรถ ใช้แบตเตĂรี่เดิมได้ต่Ăไปจนกü่ćจąถึงจุดที่ไม่พĂใจ ไม่มีĂąไรน่ćĂĆýจรรย์เกี่ยüกĆบตĆüเลข 80 เปĂร์เซ็นต์ ซึ่ง Āมćยคüćมü่ć แบตเตĂรี่ใช้งćนไม่ได้Ăีกต่Ăไป เนื่ĂงจćกคุณĂćจคćดเดćได้จćกüิธีที่บćงคนพูดถึงแบตเตĂรี่ (เช่น แบตเตĂรี่ĀมดĂćยุกćรใช้งćน) แปดÿิบเปĂร์เซ็นต์ไม่ใช่กćรÿิ้นÿุดĂćยุกćรใช้งćนขĂงแบตเตĂรี่จริงๆ มĆน เป็นเพียงกฎง่ćยๆ ที่มีปรąโยชน์
123 นี่เป็นเรื่ĂงจริงโดยเฉพćąĂย่ćงยิ่งเนื่Ăงจćกมีแนüคิดมćกมćยเกี่ยüกĆบüิธีที่แบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ć ÿćมćรถกลĆบมćมีชีüิตĂีกครĆ้งได้ ĀลĆงจćกที่แบตเตĂรี่ไม่รĂงรĆบรąยąกćรขĆบขี่ที่น่ćพĂใจĂีกต่Ăไป ตĆüĂย่ćงเช่น แบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ćที่เลิกใช้แล้üÿćมćรถใช้เพื่ĂปรĆบรąดĆบĂุปทćนแลąĂุปÿงค์ไฟฟ้ćในรąบบÿ่งไฟฟ้ć ĀรืĂ เพื่Ăเก็บไฟฟ้ćจćกพลĆงงćนแÿงĂćทิตย์แลąพลĆงงćนลมเพื่Ăใช้เมื่Ăลมไม่พĆดแลąดüงĂćทิตย์ไม่ÿ่Ăงแÿงใน Tesla Powerwall เüĂร์ชĆนมĀภćค จćกนĆ้น เมื่Ăพิจćรณćแล้üü่ćแบตเตĂรี่เĀล่ćนี้ĀมดĂćยุกćรใช้งćนจริงแล้ü ÿ ćĀรĆบทุกคนมีแนüคิดมćกมćยเกี่ยüกĆบüิธีที่ดีที่ÿุดในกćรรีไซเคิล 5.4.4 ควำมĀนำแน ่นของพลังงำน (Energy Density) คüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćนมีÿĂงปรąเภทที่แตกต่ćงกĆน ซึ่งทĆ้งÿĂงปรąเภทมีคüćมÿ ćคĆญĂย่ćง ยิ่งในบริบทขĂงยćนพćĀนąไฟฟ้ć คüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćนกรćüิเมตริก (ĀรืĂที่เรียกü่ćพลĆงงćนจ ćเพćą) คืĂปริมćณพลĆงงćนที่ ÿćมćรถเก็บไü้ในแบตเตĂรี่ที่มีมüลที่ก ćĀนด มีĀน่üยเป็น Wh/kg ÿ ćĀรĆบพลĆงงćนจ ćนüนĀนึ่งที่เก็บไü้ (เป็น Wh) Āćรด้üยพลĆงงćนจ ćเพćąจąบĂกคุณü่ćแบตเตĂรี่จąĀนĆกแค่ไĀน (เป็นกิโลกรĆม) ÿ ćĀรĆบมüลแบตเตĂรี่ที่ ก ćĀนด (เป็นกิโลกรĆม) กćรคูณด้üยพลĆงงćนจ ćเพćąจąบĂกคุณü่ćแบตเตĂรี่ÿćมćรถเก็บพลĆงงćนได้มćก เพียงใด (ในĀน่üย Wh) = เมื่ĂคิดถึงพลĆงงćนเฉพćą ÿิ่งÿ ćคĆญคืĂต้Ăงพิจćรณćü่ćมüลใดรüมĂยู่ในกćรค ćนüณนี้ ตĆüĂย่ćงเช่น แม้ü่ćพลĆงงćนจ ćเพćąขĂงเซลล์แบตเตĂรี่แต่ลąเซลล์ที่ Tesla ใช้นĆ้นรćยงćนü่ćĂยู่ที่ปรąมćณ 250 Wh/kg แต่ชุดแบตเตĂรี่ที่ปรąกĂบแล้üจąมีพลĆงงćนจ ćเพćąที่ต่ ćกü่ćมćกปรąมćณ 150 Wh/kg เนื่Ăงจćกมีมüลเพิ่ม ขĂงแบตเตĂรี่ĂีกชุดĀนึ่ง ÿ่üนปรąกĂบ Ăย่ćงไรก็ตćม นี่เป็นกćรเพิ่มขึ้นĂย่ćงมćกจćกปรąมćณ 100 Wh/กก. ÿ ćĀรĆบชุดแบตเตĂรี่ Tesla Roadster ดĆ้งเดิมเมื่Ăทýüรรþที่แล้ü พลĆงงćนจ ćเพćąที่เพิ่มขึ้นĀมćยคüćมü่ćÿćมćรถเก็บพลĆงงćนได้มćกขึ้นในแบตเตĂรี่ที่มีน้ ć ĀนĆก เท่ćกĆน (ท ćใĀ้มีรąยąเพิ่มขึ้น) ĀรืĂพลĆงงćนเท่ćกĆนÿćมćรถเก็บไü้ในแบตเตĂรี่ที่มีน้ ćĀนĆกน้Ăยกü่ć (ท ćใĀ้ ปรąÿิทธิภćพขĂงยćนพćĀนąเพิ่มขึ้น) เนื่ĂงจćกพลĆงงćนจ ćเพćąเพิ่มขึ้นเมื่Ăเüลćผ่ćนไป ผู้ผลิตรถยนต์จึงใช้ กลยุทธ์ทĆ้งÿĂงนี้เพื่Ăÿร้ćงรถยนต์ไฟฟ้ćที่มีรąยąทćงเพิ่มขึ้น ปรąÿิทธิภćพเพิ่มขึ้น ĀรืĂทĆ้งÿĂงĂย่ćง คüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćนตćมปริมćตร (ĀรืĂที่เรียกü่ćคüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćน) คืĂปริมćณ พลĆงงćนที่ÿćมćรถเก็บไü้ในแบตเตĂรี่ในปริมćตรที่ก ćĀนด มีĀน่üยเป็น Wh/L ÿ ćĀรĆบปริมćณพลĆงงćนที่เก็บ
124 ไü้ (ในĀน่üย Wh) Āćรด้üยคüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćนตćมปริมćตรจąบĂกคุณü่ćแบตเตĂรี่ต้ĂงมีขนćดใĀญ่ เพียงใด (ในĀน่üย L) ÿ ćĀรĆบพื้นที่ภćยในยćนพćĀนąที่ก ćĀนด (L) กćรคูณด้üยคüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćน เชิงปริมćตรจąบĂกใĀ้คุณทรćบü่ćคุณÿćมćรถเก็บพลĆงงćนไü้ในพื้นที่นĆ้นได้มćกเพียงใด (Wh) = เช่นเดียüกĆบพลĆงงćนจ ćเพćą ÿิ่งÿ ćคĆญคืĂต้Ăงพิจćรณćü่ćปริมćตรใดรüมĂยู่ในกćรค ćนüณนี้ ในก้Ăน แบตเตĂรี่ใดๆ ปริมćณมćกจąทุ่มเทใĀ้กĆบÿ่üนปรąกĂบที่ไม่ได้กĆกเก็บพลĆงงćน รüมถึงโครงÿร้ćงขĂงแบตเตĂรี่ แลąรąบบท ćคüćมเย็นใดๆ คüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćนที่เพิ่มขึ้นĀมćยคüćมü่ćÿćมćรถเก็บพลĆงงćนได้มćกขึ้นในแบตเตĂรี่ที่มี ขนćดเท่ćกĆน (ท ćใĀ้มีช่üงเพิ่มขึ้น) ĀรืĂพลĆงงćนเท่ćกĆนÿćมćรถเก็บไü้ในแบตเตĂรี่ที่มีขนćดเล็กกü่ćได้ (เพื่Ă เพิ่มพื้นที่ÿ ćĀรĆบบรรทุกÿินค้ćĀรืĂคุณลĆกþณąด้ćนคüćมปลĂดภĆย) เมื่ĂคüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćนเพิ่มขึ้น ผู้ผลิตรถยนต์จึงใช้กลยุทธ์ทĆ้งÿĂงนี้เพื่Ăÿร้ćงรถยนต์ไฟฟ้ćที่มีรąยąทćงเพิ่มขึ้น เพิ่มพื้นที่เพื่Ăคüćม ÿąดüกÿบćยแลąปลĂดภĆย ĀรืĂทĆ้งÿĂงĂย่ćง 5.4.5 อ ำนำจเฉพำะ(Specific Power) ในขณąที่พลĆงงćนจ ćเพćąüĆดปริมćณพลĆงงćนที่ÿćมćรถเก็บไü้ในแบตเตĂรี่ที่มีมüลที่ก ćĀนด พลĆงงćนจ ćเพćąจąüĆดปริมćณพลĆงงćนที่ÿćมćรถดึงĂĂกมćจćกแบตเตĂรี่ที่มีมüลที่ก ćĀนดได้ มีĀน่üยเป็น W/kg = แบตเตĂรี่ÿćมćรถĂĂกแบบใĀ้มีพลĆงงćนจ ćเพćąÿูง พลĆงงćนจ ćเพćąÿูง ĀรืĂทĆ้งÿĂงĂย่ćงในปริมćณ ปćนกลćง ทĆ้งนี้ขึ้นĂยู่กĆบกćรใช้งćน เปรียบเÿมืĂนกćรมีขüดน้ ćใĀญ่ปćกเล็ก ขüดน้ ćเล็กปćกใĀญ่ ĀรืĂขüดน้ ć ขนćดปćนกลćงปćกเล็ก ในแง่ EV Āมćยคüćมü่ć มีกćรเÿียเปรียบรąĀü่ćงก ćลĆงÿูงÿุดที่คุณมีÿ ćĀรĆบกćรเร่งคüćมเร็üแลą พลĆงงćนÿูงÿุดที่คุณมีใĀ้ในรąยąไกล ดĆงนĆ้น Āćกคุณก ćลĆงĂĂกแบบรถÿปĂร์ตไฟฟ้ć คุณĂćจต้Ăงกćรใช้ แบตเตĂรี่ที่มีก ćลĆงจ ćเพćąÿูงกü่ćเล็กน้Ăย (ด้üยต้นทุนพลĆงงćนจ ćเพćąที่ต่ ćกü่ćเล็กน้Ăยแลąช่üงที่ÿĆ้นกü่ć) ในขณąที่Āćกคุณก ćลĆงĂĂกแบบรถยนต์นĆ่งÿ่üนบุคคลที่มีปรąÿิทธิภćพ คุณĂćจต้Ăงกćร ใช้แบตเตĂรี่ที่มี พลĆงงćนจ ćเพćąÿูงกü่ćเล็กน้Ăย (โดยมีต้นทุนพลĆงงćนจ ćเพćąต่ ćกü่ćเล็กน้Ăยแลąช้ćกü่ć 0 ถึง 60 เท่ć)
125 5.4.6 ÿถำนะของประจ ุและควำมลึกของกำรคำยประจ ุ(State of Charge and Depth of Discharge) จนถึงตĂนนี้ เรćได้ดูคุณลĆกþณąบćงปรąกćรที่ผู้ขĆบขี่รถยนต์ไฟฟ้ćใÿ่ใจเมื่Ăซื้Ăรถยนต์แล้ü คุณลĆกþณąÿĂงปรąกćรต่Ăไปนี้คืĂÿิ่งที่ผู้ขĆบขี่รถยนต์ไฟฟ้ćใÿ่ใจมćกที่ÿุดเมื่ĂขĆบรถดĆงกล่ćü ÿถćนąกćรชćร์จ (SoC) คืĂเปĂร์เซ็นต์ขĂงคüćมจุแบตเตĂรี่ทĆ้งĀมดที่เĀลืĂĂยู่ĀลĆงกćรใช้งćน (100% = เต็ม, 0% = แบตเตĂรี่Āมด) ดĆงนĆ้นÿถćนąกćรชćร์จจึงคล้ćยคลึงกĆบมćตรüĆดน้ ćมĆนเชื้Ăเพลิงในรถยนต์ ICE คüćมลึกขĂงกćรคćยปรąจุ (DoD) ตรงกĆนข้ćม: เป็นเปĂร์เซ็นต์ขĂงคüćมจุแบตเตĂรี่ทĆ้งĀมดที่ใช้ไป (0% = เต็ม, 100% = แบตเตĂรี่Āมด) ผลรüมขĂง SoC แลą DoD เท่ćกĆบคüćมจุขĂงแบตเตĂรี่ = + กćรปรąมćณÿถćนąกćรชćร์จขĂงแบตเตĂรี่มีคüćมÿ ćคĆญĂย่ćงยิ่งต่Ăกćรท ćงćนขĂงรถยนต์ไฟฟ้ć เพรćąĀćกกćรปรąมćณค่ćไม่ถูกต้Ăง คนขĆบĂćจติดĂยู่ข้ćงถนนโดยไม่มีกćรชćร์จ (แลąไม่มีüิธีชćร์จง่ćยๆ เลย) น่ćเÿียดćยที่ไม่มีüิธีใดที่จąüĆดปรąจุที่เĀลืĂĂยู่ในแบตเตĂรี่ได้โดยตรง ไม่มีมิเตĂร์ใดที่ÿćมćรถบĂกคุณได้ Ăย่ćงแน่ชĆดü่ćคุณเĀลืĂปรąจุ Ah เท่ćใด Ăย่ćงไรก็ตćม ÿćมćรถปรąมćณค่ćนี้ได้Āลćยüิธี • วิธ ีกำรใช้แรงดันไฟฟ้ำ (Voltage Method) แรงดĆนไฟฟ้ćขĂงแบตเตĂรี่จąลดลงเมื่Ă คüćมจุที่เĀลืĂĂยู่ (เช่น SoC) ลดลง กćรใช้คüćมÿĆมพĆนธ์ที่ทรćบรąĀü่ćงแรงดĆนไฟฟ้ćแลą SoC ท ćใĀ้คุณ ÿćมćรถüĆดแรงดĆนไฟฟ้ćแลąใช้คüćมÿĆมพĆนธ์นĆ้นเพื่Ăปรąมćณ SoC ได้ เนื่ĂงจćกแรงดĆนไฟฟ้ćยĆงขึ้นĂยู่กĆบ กรąแÿแลąĂุณĀภูมิด้üย üิธีกćรนี้จึงÿćมćรถแม่นย ćยิ่งขึ้นโดยกćรแก้ไข ปัจจĆยเĀล่ćนี้ เนื่Ăงจćกเป้ćĀมćยปรąกćรĀนึ่งขĂงกćรĂĂกแบบแบตเตĂรี่คืĂกćรท ćใĀ้เÿ้น โค้งแรงดĆนไฟฟ้ćเรียบที่ÿุดเท่ćที่จąเป็นไปได้ (เพื่ĂใĀ้แน่ใจü่ćกćรท ćงćนมีคüćมÿม่ ćเÿมĂบนช่üง SoC ที่ ĀลćกĀลćย) ซึ่งจąท ćใĀ้üิธีกćรใช้แรงดĆนไฟฟ้ćท ćได้ยćกขึ้น • วิธ ีกำรปัจจ ุบัน (Current Method) üิธีกćรนี้เรียกĂีกĂย่ćงü่ć "กćรนĆบคูลĂมบ์" จąüĆด กรąแÿที่ไĀลĂĂกจćกแบตเตĂรี่ (ĀรืĂเข้ćÿู่แบตเตĂรี่) Ăย่ćงต่Ăเนื่Ăง แลąรüมเข้ćด้üยกĆนเมื่Ăเüลćผ่ćนไป เพื่ĂใĀ้ได้ค่ćปรąมćณÿ ćĀรĆบปรąจุÿąÿมที่ดึงĂĂกมćจćกแบตเตĂรี่ (เช่น DoD ) คล้ćยกĆบÿิ่งที่กล่ćüไü้ในบทที่ 3 แน่นĂนü่ćüิธีนี้ไม่ได้แม่นย ćĂย่ćงÿมบูรณ์ ดĆงนĆ้นจึงĂćจเกิดกćรเบี่ยงเบนเมื่Ăเüลćผ่ćนไป คüćมแม่นย ćขĂง üิธีนี้ÿćมćรถเพิ่มขึ้นได้โดยกćรรีเซ็ตตĆüนĆบเป็นรąยą เช่น เมื่ĂแบตเตĂรี่ชćร์จเต็มแล้ü
126 • วิธีกำรรวม (Combined Methods) üิธีกćรรüมซึ่งพิจćรณćทĆ้งแรงดĆนแลąกรąแÿ (รüมถึงปัจจĆยĂื่นๆ เช่น ĂุณĀภูมิขĂงแบตเตĂรี่แลąĂćยุขĂงแบตเตĂรี่) Ăćจแม่นย ćมćกกü่ćüิธีใดüิธีĀนึ่งเพียง Ăย่ćงเดียü 5.4.7 แรงดันไฟฟ้ำของเซลล์และแบตเตอรี่(Cell and Battery Voltages) แม้ü่ćจąไม่ใช่ÿิ่งที่ผู้ขĆบขี่ EV ÿĆมผĆÿโดยตรง แต่แรงดĆนไฟฟ้ćขĂงแบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ćก็เป็น ÿิ่งÿ ćคĆญที่ต้ĂงพิจćรณćในกćรĂĂกแบบแลąกćรใช้งćน แต่ลąเซลล์ขĂงแบตเตĂรี่มีแรงดĆนไฟฟ้ćปกติ ซึ่งโดย ปกติจąĂยู่ที่ปรąมćณ 3.6 โüลต์ÿ ćĀรĆบเซลล์ลิเธียมไĂĂĂน ซึ่งมćกกü่ćแรงดĆนไฟฟ้ćขĂงแบตเตĂรี่ AA มćกกü่ćÿĂงเท่ćเล็กน้Ăย เพื่ĂใĀ้ได้แรงดĆนไฟฟ้ćที่เĀมćąÿมในกćรจ่ćยไฟใĀ้กĆบรถยนต์ไฟฟ้ćขนćดเต็ม เซลล์ จąรüมกĆนเป็นĂนุกรม ซึ่งท ćใĀ้แรงดĆนไฟฟ้ćขĂงเซลล์เพิ่มขึ้น ตĆüĂย่ćงเช่น กćรรüมเซลล์ 3.6 V ÿĂงเซลล์ แบบĂนุกรมจąÿ่งผลใĀ้แรงดĆนไฟฟ้ćรüมĂยู่ที่ 7.2 V เซลล์จąรüมกĆนเป็นĂนุกรมจนกรąทĆ่งถึงแรงดĆนไฟฟ้ćที่ ต้Ăงกćร ซึ่ง ณ จุดนี้ซีรีย์ไฟฟ้ćแรงÿูงเĀล่ćนี้จąถูกรüมขนćนกĆนเพื่Ăเพิ่มกรąแÿแลąก ćลĆงไฟฟ้ćที่มีĂยู่ เĂćท์พุต ขĂงก้ĂนแบตเตĂรี่ ตćมตĆüĂย่ćงที่เฉพćąเจćąจง กćรก ćĀนดค่ćขĂงแบตเตĂรี่ Tesla Model 3 Long Range ได้รĆบกćรรćยงćนü่ćเป็น 96s46p ซึ่งĀมćยถึง 96 เซลล์แบบĂนุกรมแลą 46 เซลล์แบบขนćน แม้ü่ćแต่ลąเซลล์ โมดูล แลąแพ็คจąมีแรงดĆนไฟฟ้ćรąบุ ĀรืĂเรียกĂีกĂย่ćงü่ćแรงดĆนไฟฟ้ćüงจรเปิด แรงดĆนไฟฟ้ćในกćรท ćงćนจริงจąผĆนผüนขึ้นĂยู่กĆบü่ćก ćลĆงชćร์จ (แรงดĆนไฟฟ้ćÿูงกü่ć) ĀรืĂกćรคćยปรąจุ (แรงดĆนไฟฟ้ćต่ ćกü่ć) เนื่Ăงจćกแต่ลąเซลล์มีคüćมต้ćนทćนภćยในซึ่งขĆดขüćงกćรไĀลขĂงกรąแÿเข้ćแลąĂĂก (รูปที่5.3) รูปที่5.3แÿดงüงจรคüćมต้ćนทćนภćยใน
127 ตćมกฎขĂงโĂĀ์ม ในกćรคćยปรąจุ = − คืĂ แรงดĆนไฟฟ้ćüงจรเปิด (ไม่มีโĀลด) คืĂกรąแÿ แลą คืĂคüćมต้ćนทćนภćยใน ในขณą ที่เซลล์ใĀ้แรงดĆนไฟฟ้ćüงจรเปิดเท่ćกĆบในนี้ก็ผ่ćนไปแลąฉĆนเĀนืĂคüćมต้ćนทćนภćยในโดยใĀ้แรงดĆนไฟฟ้ćต่ ć กü่ćในĂĂกข้ćมĂćคćรผู้โดยÿćร เมื่Ăชćร์จ แรงดĆนไฟฟ้ćในกćรท ćงćนจąเพิ่มขึ้นด้üยเĀตุผลเดียüกĆน = + เพื่ĂใĀ้ได้แรงดĆนไฟฟ้ć ทĆ่üทĆ้งเซลล์เพิ่มเติม แลąกรąแÿ ต้Ăงมีไü้เพื่ĂชดเชยแรงดĆนตกคร่Ăม คüćมต้ćนทćนภćยใน 5.4.8 ประจ ุและประÿิทธ ิภำพพลังงำน (Charge and Energy Efficiency) ตćมĀลĆกกćรแล้ü แบตเตĂรี่จąÿ่งคืนพลĆงงćนที่คุณใÿ่เข้ćไป 100 เปĂร์เซ็นต์ Ăย่ćงไรก็ตćม ในโลกแĀ่งคüćมเป็นจริง ไม่มีแบตเตĂรี่ใดÿćมćรถท ćได้ เĀมืĂนกĆบü่ćคุณเทน้ ć 1 ลิตรลงในขüด แลąเมื่Ăคุณ เทน้ ćĂĂก จąมีน้ ćĂĂกมćน้Ăยกü่ć 1 ลิตร มีÿĂงปรąÿิทธิภćพที่แตกต่ćงกĆนที่เรćต้Ăงพิจćรณć: ปรąÿิทธิภćพ กćรชćร์จแลąปรąÿิทธิภćพกćรใช้พลĆงงćน ปรąÿิทธิภćพกćรชćร์จ คืĂ ĂĆตรćÿ่üนขĂงปริมćณ Ah ที่คุณใÿ่เข้ćกĆบปริมćณ Ah ที่ปล่ĂยĂĂกมć = ในขณąที่เคมีขĂงแบตเตĂรี่Ăื่นๆ ปรąÿบปัญĀćปรąÿิทธิภćพกćรชćร์จที่ต่ ćกü่ć โดยทĆ่üไป ปรąÿิทธิภćพขĂงแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂนจąมćกกü่ćร้Ăยลą 99 ในทćงกลĆบกĆน ปรąÿิทธิภćพกćรใช้พลĆงงćนคืĂĂĆตรćÿ่üนขĂงพลĆงงćน (ในĀน่üย Wh) ที่คุณใÿ่เข้ćไป ในแบตเตĂรี่ต่ĂพลĆงงćนที่ปล่ĂยĂĂกมć = เนื่ĂงจćกแบตเตĂรี่มีคüćมต้ćนทćนภćยใน แม้ü่ćปรąจุไฟฟ้ćที่คุณใÿ่เข้ćไปในแบตเตĂรี่มćกกü่ć 99 เปĂร์เซ็นต์จąกลĆบĂĂกมć แต่พลĆงงćนที่มีปรąโยชน์บćงÿ่üนที่ปรąจุนĆ้นถ่ćยทĂดĂĂกมćจąÿูญเÿียไปกĆบคüćม ต้ćนทćนภćยใน ดĆงนĆ้น ปรąÿิทธิภćพกćรใช้พลĆงงćนโดยรüมขĂงแบตเตĂรี่จึงเท่ćกĆบ ต่ ćกü่ć
128 ĂีกเĀตุผลĀนึ่งที่แบตเตĂรี่ไม่ÿćมćรถคืนพลĆงงćนที่คุณใÿ่เข้ćไปได้ 100 เปĂร์เซ็นต์ก็คืĂเมื่Ăเüลćผ่ćน ไป แบตเตĂรี่จąค่Ăยๆ คćยปรąจุเĂง ในกćรเปรียบเทียบขüดน้ ć ขüดมีรĂยรĆ่üเล็กน้Ăย ĂĆตรćที่เกิดÿิ่งนี้ เรียกü่ćĂĆตรćกćรคćยปรąจุเĂง ยิ่งĂĆตรćกćรปลดปล่ĂยตĆüเĂงต ่ ćลงก็ยิ่งดีเท่ćนĆ้น โดยเฉลี่ยแล้ü แบตเตĂรี่ลิ เธียมไĂĂĂนที่ไม่ได้ใช้งćนจąÿูญเÿียปรąจุÿĂงÿćมเปĂร์เซ็นต์ต่ĂเดืĂน แบตเตĂรี่ที่เก็บไü้ที่ĂุณĀภูมิÿูงจąมี ĂĆตรćกćรคćยปรąจุเĂงÿูงกü่ć เช่นเดียüกĆบแบตเตĂรี่ที่ได้รĆบคüćมเครียดจćกกćรคćยปรąจุลึกซ้ ćๆ 5.4.9 อุณĀภูมิแบตเตอรี่(Battery Temperature) ĂุณĀภูมิขĂงแบตเตĂรี่มีผลมćกกü่ćĂĆตรćกćรคćยปรąจุเĂง ปรąกćรĀนึ่ง แบตเตĂรี่ลิเธียม ไĂĂĂนที่ท ćงćนที่ĂุณĀภูมิต่ ćท ćใĀ้คüćมจุแลąก ćลĆงไฟฟ้ćลดลง4ในทćงกลĆบกĆน กćรใช้งćนแบตเตĂรี่ลิเธียม ไĂĂĂนที่ĂุณĀภูมิÿูงจąเพิ่มĂĆตรćที่คüćมจุÿูงÿุดจąลดลงเมื่Ăเüลćผ่ćนไป ซึ่งจąท ćใĀ้Ăćยุกćรใช้งćนแบตเตĂรี่ ลดลง ดĆงนĆ้น เพื่ĂปรąÿิทธิภćพแบตเตĂรี่ÿูงÿุด ÿิ่งÿ ćคĆญคืĂต้Ăงเก็บแบตเตĂรี่ไü้ที่ĂุณĀภูมิปćนกลćง ใน รąĀü่ćงกćรท ćงćนขĂงรถยนต์ไฟฟ้ć โดยทĆ่üไปจąต้Ăงใช้รąบบรąบćยคüćมร้Ăนด้üยแบตเตĂรี่ ในรถยนต์ Tesla ÿิ่งนี้Ăยู่ในรูปแบบขĂงรąบบท่Ăน้ ćĀล่Ăเย็นที่งูĂยู่รąĀü่ćงเซลล์ทรงกรąบĂกในโมดูลแบตเตĂรี่ 5.4.10 เรขำคณิตของแบตเตอรี่(Battery Geometry) แบตเตĂรี่มีĀลćยรูปทรง ลĂงนึกถึงแบตเตĂรี่ขนćด AA เทียบกĆบ 9-V เทียบกĆบแบตเตĂรี่ นćāิกć โดยทĆ่üไปแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂนมีĂยู่ÿćมรูปแบบ: เซลล์ทรงกรąบĂก เซลล์ปริซึม แลąเซลล์กรąเป๋ć ทĆ้งĀมดใช้โครงÿร้ćงพื้นฐćนเดียüกĆน โดยมีชĆ้นเคลืĂบแคโทด ตĆüแยก แลąüĆÿดุแĂโนด ในเซลล์ ทรงกรąบĂก แผ่นเคลืĂบนี้จąถูกม้üนเĀมืĂนเยลลี่โรลแลąใÿ่เข้ćไปในกรąป๋ĂงทรงกรąบĂกแข็ง ในเซลล์แบบ แท่งปริซึม แผ่นลćมิเนตจąถูกพĆบทĆบด้üยตĆüเĂงแลąใÿ่เข้ćไปในกรąป๋ĂงทรงเĀลี่ยมแข็ง ในเซลล์กรąเป๋ć แผ่น ลćมิเนตแบบพĆบจąบรรจุĂยู่ภćยในกรąเป๋ćแบบĂ่Ăน Tesla ใช้เซลล์ทรงกรąบĂก เนื่Ăงจćกในขณąที่พüกเขć ก ćลĆงพĆฒนć Roadster รุ่นดĆ้งเดิม เซลล์เĀล่ćนี้มีปรąÿิทธิภćพที่ดีขึ้นĂย่ćงเĀ็นได้ชĆด โดยผ่ćนกćรเพิ่ม ปรąÿิทธิภćพในรąดĆบÿูงÿ ćĀรĆบกćรใช้งćนก่ĂนĀน้ćนี้ในแล็ปท็Ăป แต่ผู้ผลิตรถยนต์รćยĂื่นๆ มĆกใช้เซลล์แบบ แท่งปริซึมĀรืĂแบบกรąเป๋ć
129 5.5 กำรชำร์จรถยนต์ไฟฟ้ำ (Electric Vehicle Charging) เพื่ĂใĀ้มีพลĆงงćนเพียงพĂที่จąท ćใĀ้เรćขĆบรถต่Ăไปได้เป็นรąยąทćงกü่ćÿĂงÿćมร้Ăยไมล์ จąต้Ăง ชćร์จแบตเตĂรี่ขĂงรถยนต์ไฟฟ้ć ในÿ่üนนี้ เรćจąมćดูกćรชćร์จรถยนต์ไฟฟ้ćจćกมุมมĂงที่ĀลćกĀลćย 5.5.1 ระดับกำรชำร์จ(Charging Level) กำรชำร์จระดับ 1 (Level 1 Charging) กćรชćร์จรąดĆบ 1 เป็นชื่Ăที่แปลกใĀม่ÿ ćĀรĆบกćร เÿียบยćนพćĀนąไฟฟ้ćขĂงคุณเข้ćกĆบเต้ćรĆบไฟฟ้ć 120-V ทĆ่üไปในครĆüเรืĂน แม้ü่ćจąท ćได้ง่ćย แต่ก็ไม่เร็üนĆก แต่กćรชćร์จรąดĆบ 1 จąเพิ่มรąยąทćงเพียงไม่กี่ไมล์ÿ ćĀรĆบกćรชćร์จทุกๆ ชĆ่üโมง ซึ่งĀมćยคüćมü่ćจąใช้เüลć ĀลćยüĆนในกćรชćร์จ Model 3 ใĀ้เต็มจćกแบตเตĂรี่Āมด Ăย่ćงไรก็ตćม ปรąโยชน์ĀลĆกขĂงกćรชćร์จรąดĆบ 1 คืĂÿćมćรถใช้ได้ทุกที่ที่มีปลĆ๊กไฟ แม้ü่ćโดยทĆ่üไปแล้üกćรชćร์จรąดĆบ 1 จąถืĂü่ćช้ćเกินไปที่จąเป็นปรąโยชน์ÿ ćĀรĆบรถยนต์ไฟฟ้ćที่ใช้ แบตเตĂรี่เต็ม แต่ก็เพียงพĂÿ ćĀรĆบรถปลĆ๊กĂินไăบริดที่มีรąยąกćรใช้ไฟฟ้ćÿĆ้น เช่น 25 ไมล์ÿ ćĀรĆบ Toyota Prius Prime แม้ü่ćคุณจąเคยใช้กćรชćร์จรąดĆบ 1 มćก่Ăน แต่รąยąไฟฟ้ćที่ÿĆ้นเĀล่ćนี้ÿćมćรถฟื้นตĆüได้Ăย่ćง ง่ćยดćยในชĆ่üข้ćมคืน ÿิ่งนี้ก็เกิดขึ้นจริงเช่นกĆนÿ ćĀรĆบรถยนต์ที่ใช้แบตเตĂรี่ไฟฟ้ćเต็มรูปแบบ ตรćบใดที่คุณ ไม่ได้ขĆบรถĀลćยไมล์ในĀนึ่งüĆนเกินกü่ćที่คุณจąฟื้นตĆüได้ในแต่ลąคืน กำรชำร์จระดับ 2 (Level 2 Charging) กćรชćร์จรąดĆบ 2 Āมćยถึงกćรชćร์จที่เกิดขึ้นที่ 240V แรงดĆนไฟฟ้ćขĂงüงจรเครื่ĂงซĆกผ้ćแลąเครื่ĂงĂบผ้ćในบ้ćนขĂงคุณ กćรชćร์จรąดĆบ 2 ต่ćงจćกกćร ชćร์จรąดĆบ 1 ที่คุณเพียงเÿียบเข้ćกĆบเต้ćรĆบใดๆ กćรชćร์จรąดĆบ 2 ต้ĂงกćรใĀ้คุณเÿียบเข้ćกĆบแท่นชćร์จ เฉพćą (ทĆ้งที่บ้ćนĀรืĂบนท้Ăงถนน) แม้ü่ćกćรชćร์จรąดĆบ 2 จąÿćมćรถรĆบพลĆงงćนได้ÿูงถึง 19.2kW แต่โดย ปกติแล้üจąจ ćกĆดĂยู่ที่ĂĆตรćที่ต่ ćกü่ć (เช่น ขĆ้üต่Ăที่ผนĆงขĂงเทÿลćถูกจ ćกĆดไü้ที่ 11.5kW) พลĆงงćนที่ÿูงขึ้นนี้ÿ่งผลใĀ้กćรชćร์จเร็üขึ้นมćก ด้üยก ćลĆงไฟ 11.5 กิโลüĆตต์ โมเดล 3 ÿćมćรถกู้คืน รąยąทćง 44 ไมล์ในกćรชćร์จĀนึ่งชĆ่üโมง แลąชćร์จได้Ăย่ćงง่ćยดćยตĆ้งแต่ 0 ถึง 100 เปĂร์เซ็นต์ในชĆ่üข้ćมคืน DC ชำร์จเร็ว (ระดับ 3) (DC Fast Charging (Level 3)) ในกćรชćร์จทĆ้งรąดĆบ 1 แลą รąดĆบ 2 เครื่Ăงชćร์จจąป้Ăน AC ไปยĆงĂุปกรณ์ชćร์จภćยในรถยนต์ ซึ่งจąแปลง AC เป็น DC แลąจ่ćย DC ใĀ้กĆบแบตเตĂรี่ Ăย่ćงไรก็ตćม เมื่ĂแรงดĆนไฟฟ้ć กรąแÿไฟฟ้ć แลąพลĆงงćนเพิ่มขึ้น กćรแปลงไฟฟ้ć กรąแÿÿลĆบเป็นไฟฟ้ćกรąแÿตรงจąมีปรąÿิทธิภćพมćกขึ้นโดยใช้Ăุปกรณ์ชćร์จภćยนĂกซึ่งจąป้Ăนไฟฟ้ć กรąแÿตรงเข้ćไปในแบตเตĂรี่โดยตรง โดยเลี่ยงผ่ćนĀน่üยชćร์จภćยใน ÿิ่งนี้เรียกü่ćกćรชćร์จเร็ü DC (บćงครĆ้งเรียกü่ćกćรชćร์จรąดĆบ 3) ด้üยกćรชćร์จแบบเร็ü DC พลĆงงćนที่มีĂยู่จąถูกจ ćกĆดเฉพćąตćมพิกĆดขĂง ยćนพćĀนąแลąĂุปกรณ์ชćร์จ ซึ่งมีตĆ้งแต่ 50 kW ถึง 250 kW
130 Tesla Superchargers เป็นรูปแบบĀนึ่งขĂงกćรชćร์จแบบเร็ü DC ที่ÿćมćรถจ่ćยไฟได้ÿูงÿุดถึง 250 kW เมื่Ăเชื่Ăมต่ĂกĆบเครื่Ăงชćร์จขนćด 250 กิโลüĆตต์ Model 3 Long Range ÿćมćรถชćร์จจćก แบตเตĂรี่Āมดไปจนถึง 50 เปĂร์เซ็นต์ได้ในเüลćไม่ถึง 15 นćที แลąชćร์จจćกแบตเตĂรี่Āมดจนเต็มได้ภćยใน ไม่ถึงĀนึ่งชĆ่üโมง (รูปที่5.5 ÿ ćĀรĆบข้ĂมูลจćกเซÿชĆนกćรชćร์จเต็ม) Tesla ได้üćงซุปเปĂร์ชćร์จเจĂร์ไü้Ăย่ćงมี กลยุทธ์ ดĆงนĆ้น ในกรณีÿ่üนใĀญ่ กćรชćร์จ 30 นćทีจąใĀ้รąยąที่เพียงพĂในกćรเข้ćถึงซูเปĂร์ชćร์จเจĂร์ถĆดไป ท ćใĀ้ÿćมćรถขĆบรถ Tesla ไปได้ทุกที่ในÿĀรĆฐĂเมริกćที่Ăยู่ติดกĆน 5.5.2 ขั้วต ่อกำรชำร์จ(Charging Connectors) นĂกจćกรąดĆบกćรชćร์จที่แตกต่ćงกĆนแล้ü ยĆงมีขĆ้üต่Ăกćรชćร์จที่ĀลćกĀลćยที่ใช้ÿ ćĀรĆบเÿียบÿćย ชćร์จเข้ćกĆบรถยนต์ SAE J1772 พĆฒนćโดยÿมćคมüิýüกรยćนยนต์ SAE J1772 เป็นตĆüเชื่Ăมต่Ăมćตรฐćนÿ ćĀรĆบ ยćนพćĀนąไฟฟ้ćในÿĀรĆฐĂเมริกć แลąถูกใช้โดยผู้ผลิตรถยนต์ไฟฟ้ćแลąÿถćนีชćร์จÿ่üนใĀญ่ ใช้ได้กĆบกćร ชćร์จทĆ้งรąดĆบ 1 (120-V AC) แลąรąดĆบ 2 (240-V AC) โดยมีกćรถ่ćยโĂนพลĆงงćนÿูงÿุด 1.92 kW แลą 19.2 kW ตćมล ćดĆบ (รูปที่5.4) รูปที่5.4แÿดงขĆ้üต่Ă SAE J1772 J1772 มี 5 พิน ซึ่งปรąกĂบด้üย 2 พินแรก ÿ ćĀรĆบไฟ AC (L1 แลą N, ÿćย 1 แลąนิüทรĆล) 1 พิน ÿ ćĀรĆบกรćüด์ (PE, ÿćยดินป้ĂงกĆน) แลą 2 พินÿ ćĀรĆบกćรÿื่ĂÿćรรąĀü่ćงรถยนต์กĆบเครื่Ăงชćร์จ Āมุดน ćร่Ăง
131 (PP) บĂกใĀ้รถทรćบü่ćมีกćรเชื่Ăมต่Ăเครื่Ăงชćร์จĂยู่ (ป้ĂงกĆนไม่ใĀ้รถขĆบĂĂกไป) แลąĀมุดน ćร่Ăงคüบคุม (CP) ใช้คลื่นÿี่เĀลี่ยม 1 kHz, 12 V เพื่Ăÿื่ĂÿćรรąĀü่ćงเครื่Ăงชćร์จแลąรถยนต์แลąปรąÿćนงćน กรąบüนกćร ชćร์จ J1772 มีกćรป้ĂงกĆนแรงกรąแทกĀลćยรąดĆบ เมื่Ăเชื่Ăมต่Ăแล้ü พินจąถูกแยกĂĂกจćกด้ćนในขĂง ขĆ้üต่Ă ท ćใĀ้มĆ่นใจได้ü่ćกćรชćร์จจąปลĂดภĆยแม้ในÿภćพเปียก นĂกจćกนี้ กćรĂĂกแบบตĆüเชื่Ăมต่ĂยĆงช่üยใĀ้ แน่ใจü่ćพินไฟเป็นกćรเชื่Ăมต่ĂครĆ้งแรก เกิดขึ้นแลąกćรเชื่Ăมต่ĂครĆ้งล่ćÿุดขćด เมื่Ăเชื่Ăมต่ĂปลĆ๊กแล้ü พินกรćüด์จąเชื่Ăมต่Ăก่Ăน ตćมด้üยพินไฟ ตćมด้üยพินกćรÿื่Ăÿćร รĆบปรąกĆนü่ćไฟจąไม่ไĀลก่Ăนที่จąเชื่Ăมต่Ă กรćüด์แลąพินไฟ เมื่ĂถĂดปลĆ๊ก Āมุดÿื่ĂÿćรจąตĆดกćรเชื่Ăมต่Ăก่Ăน ซึ่งจąตĆดกćรไĀลขĂงพลĆงงćนก่Ăนที่จą ถĂดปลĆ๊กไฟ เพื่Ăป้ĂงกĆนกćรเกิดปรąกćยไฟ แลąพินกรćüด์จąเป็นพินÿุดท้ćยที่จąตĆดกćรเชื่Ăมต่Ă ในกรณีนี้ นĂกจćกนี้ พินพร็Ăกซิมิตี้ยĆงเชื่Ăมต่ĂกĆบÿüิตช์บนปุ่มที่จąปลดล็ĂคตĆüเชื่Ăมต่Ăจćกรถยนต์ โดยจąตĆด กรąแÿไฟฟ้ćทĆนทีที่ปลดล็ĂคตĆüเชื่Ăมต่Ă รąบบชćร์จแบบรüม (CCS) รąบบชćร์จแบบรüม (Combined Charging System) คืĂตĆüเชื่Ăมต่Ă SAE J1772 ที่มีพิน เพิ่มเติมĂีกÿĂงตĆüที่ด้ćนล่ćงเพื่Ăเปิดใช้งćนกćรชćร์จ DC Ăย่ćงรüดเร็ü (รูปที่5.5) รูปที่5.5แÿดงขĆ้üต่Ăรąบบกćรชćร์จแบบรüม (CCS)
132 IEC 62196 ปรąเภท 2 (Mennekes) ขĆ้üต่Ă IEC 62196 Type 2 (ĀรืĂที่รู้จĆกกĆนทĆ่üไปในชื่ĂขĆ้üต่Ă Mennekes) เป็นมćตรฐćน ÿ ćĀรĆบกćรชćร์จรถยนต์ไฟฟ้ćในยุโรป (รูปที่5.6) รูปที่ 5.6แÿดงขĆ้üต่ĂMennekes ขĆ้üต่Ă Mennekes มีพินเจ็ดพิน พินĀนึ่งÿ ćĀรĆบกćรตรüจจĆบรąยąใกล้ Āนึ่งพินÿ ćĀรĆบนĆกบินคüบคุม Āนึ่งพินÿ ćĀรĆบกรćüด์ พินจ่ćยไฟÿĂงพินÿ ćĀรĆบชćร์จด้üยไฟ AC เฟÿเดียü แลąพินจ่ćยไฟเพิ่มเติมĂีกÿĂงพิน ÿ ćĀรĆบกćรชćร์จด้üยไฟ AC ÿćมเฟÿ ขĆ้üต่Ă Mennekes CCS เช่นเดียüกĆบ J1772 CCS ขĆ้üต่Ă Mennekes CCS มีพินเพิ่มเติม 2 พิน ÿ ćĀรĆบกćรชćร์จ DC Ăย่ćงรüดเร็ü (รูปที่5.7) รูปที่5.7แÿดงขĆ้üต่Ă CCS ขĂง Mennekes
133 CHAdeMO ได้ถูกพĆฒนćโดย CHAdeMO Association (รüมถึง Nissan, Mitsubishi แลą Toyota) ขĆ้üต่Ă CHAdeMO เป็นขĆ้üต่Ă DC แบบชćร์จเร็üโดยเฉพćą ซึ่งÿćมćรถจ่ćยไฟได้ÿูงÿุด 62.5 kW เป็นĀĆüต่Ă ชćร์จเร็üยĂดนิยมในญี่ปุ่น ปรąกĂบด้üยพินจ่ćยไฟÿĂงตĆüÿ ćĀรĆบกćรชćร์จ DC แลąพินเพิ่มเติมĂีกแปดพิน ÿ ćĀรĆบกćรคüบคุมแลąกćรÿื่Ăÿćร (รูปที่5.8) รูปที่ 5.8แÿดงขĆ้üต่Ă 5.8 CHAdeMO Tesla มีขĆ้üต่ĂขĂงตĆüเĂงซึ่งใช้เชื่Ăมต่ĂกĆบเครื่Ăงชćร์จที่บ้ćนแลąเครืĂข่ćยซุปเปĂร์ชćร์จเจĂร์ แม้ ü่ćพินจąแตกต่ćงกĆนเล็กน้Ăย แต่ฟังก์ชĆ่นขĂงพüกมĆนโดยพื้นฐćนแล้üเĀมืĂนกĆบ J1772 ยกเü้นü่ćตĆüเชื่Ăมต่Ă Tesla ยĆงÿćมćรถรĆบกćรชćร์จ DC ที่รüดเร็üได้ ในÿĀรĆฐĂเมริกć Tesla ยĆงจ ćĀน่ćยĂąแดปเตĂร์ที่ช่üยใĀ้ไดร เüĂร์เชื่Ăมต่ĂกĆบ J1772, CHAdeMO แลąเต้ćรĆบติดผนĆงมćตรฐćนได้ ในยุโรป Tesla ได้รĆบกćรติดตĆ้งขĆ้üต่Ă Mennekes เพื่ĂใĀ้ÿćมćรถชćร์จแบบÿćมเฟÿได้ (รูปที่5.9) รูปที่5.9แÿดงขĆ้üต่Ăเทÿลć 5.9
134 5.5.3 กระบวนกำรชำร์จ จąเกิดĂąไรขึ้นเมื่ĂตĆüเชื่Ăมต่ĂตĆüใดตĆüĀนึ่งที่Ăธิบćยไü้ข้ćงต้นเชื่Ăมต่ĂกĆบรถยนต์ไฟฟ้ć ก่ĂนĀน้ćนี้ใน บทนี้ เรćได้เรียนรู้ü่ćในรąดĆบจุลทรรýน์ กćรชćร์จแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂนเกี่ยüข้ĂงกĆบกćรÿ่งĂิเล็กตรĂนจćก แคโทดไปยĆงแĂโนดผ่ćนüงจร ซึ่งท ćใĀ้ Li ÿĂดคล้ĂงกĆน+ไĂĂĂนที่จąขนÿ่งจćกแคโทดไปยĆงขĆ้üบüกผ่ćนĂิเล็ก โทรไลต์ ในทćงไฟฟ้ć ÿćมćรถท ćได้โดยกćรใช้แรงดĆนไฟฟ้ćกĆบแบตเตĂรี่ที่ÿูงกü่ćแรงดĆนไฟฟ้ćขĂงแบตเตĂรี่ เล็กน้Ăย ซึ่งใĀ้แรงเคลื่Ăนไฟฟ้ćที่จ ćเป็นในกćรÿ่งĂิเล็กตรĂนจćกแคโทดไปยĆงขĆ้üบüก ในรąดĆบมĀภćคนี่คืĂรูปที่5.10 แÿดงÿิ่งที่เกิดขึ้นเมื่Ăคุณเÿียบรถยนต์ไฟฟ้ćเข้ćกĆบÿถćนีชćร์จ เÿ้น โค้งนี้Ăิงตćมข้ĂมูลจćกเซÿชĆ่นกćรชćร์จ Model 3 Long Range ที่Āนึ่งในซุปเปĂร์ชćร์จเจĂร์ขนćด 250kW ขĂง Tesla ซึ่งรถชćร์จจćก 2 เปĂร์เซ็นต์ถึง 100 เปĂร์เซ็นต์แม้ü่ćรąดĆบพลĆงงćนที่เกี่ยüข้Ăงจąไม่ปกติ ÿ ćĀรĆบกćรชćร์จรถยนต์ไฟฟ้ćโดยเฉลี่ย แต่รูปทรงทĆ่üไปขĂงเÿ้นโค้งนĆ้นเป็นแบบÿćกลÿ ćĀรĆบแบตเตĂรี่ลิเธียม ไĂĂĂน รูปที่5.10แÿดงซุปเปĂร์ชćร์จเจĂร์ V3 กรćฟก ćลĆง ในช่üงเริ่มต้นขĂงกćรชćร์จ รถยนต์แลąÿถćนีชćร์จจąÿื่ĂÿćรกĆนถึงÿิ่งที่พüกเขćÿćมćรถใĀ้แลąรĆบได้ แลąรąดĆบแรงดĆนไฟฟ้ćแลąกรąแÿไฟฟ้ćจąÿูงถึงรąดĆบÿูงÿุด ในตĂนแรก แบตเตĂรี่จąรĆบกรąแÿไฟจ ćนüน
135 มćก แลąน ćพลĆงงćนกลĆบมćใช้ใĀม่ได้Ăย่ćงรüดเร็ü แต่เมื่Ăกćรชćร์จด ćเนินต่Ăไป กรąแÿไฟที่รĆบได้จąเริ่ม ลดลง เมื่Ăได้รĆบแรงดĆนไฟฟ้ćคงที่ Āมćยคüćมü่ćก ćลĆงไฟฟ้ć (P = IV) ลดลงด้üย แลąด้üยเĀตุนี้ ĂĆตรćกćร ชćร์จจึงลดลงด้üย เพื่Ăท ćคüćมเข้ćใจü่ćท ćไม โปรดจ ćไü้ü่ćแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂนท ćงćนĂย่ćงไร: ในกćรชćร์จ ลิเธียม ไĂĂĂนจąถูกแทรกเข้ćไปในกรćไฟท์ที่ขĆ้üบüก เมื่ĂแบตเตĂรี่มีปรąจุĂยู่ที่ 2เปĂร์เซ็นต์ ÿ่üนใĀญ่แล้ü พื้นที่ที่ÿงüนไü้ÿ ćĀรĆบลิเธียมในกรćไฟท์นĆ้นü่ćงเปล่ć ดĆงนĆ้นจึงง่ćยต่ĂกćรดĆนลิเธียมไĂĂĂนเข้ćไป Ăย่ćงไรก็ตćม เมื่Ăพื้นที่นĆ้นเริ่มเต็ม มĆนก็จąยćกขึ้น แลąĂĆตรćที่ลิเธียมไĂĂĂนÿćมćรถเข้ćÿู่ขĆ้üบüกจąลดลง เนื่ĂงจćกลิเธียมไĂĂĂนแลąĂิเล็กตรĂนเคลื่Ăนที่เป็นคู่ แลąĂĆตรćกćรเคลื่Ăนที่ขĂงĂิเล็กตรĂนจąเป็นกรąแÿ ในขณąที่กćรขนÿ่งลิเธียมช้ćลง กรąแÿก็เช่นกĆน Āćกเรćพล็Ăตข้ĂมูลเดียüกĆนด้üยüิธีที่แตกต่ćงĂĂกไปเล็กน้Ăยโดยใช้เüลćชćร์จเป็น แกน x แทนที่จą เป็นÿถćนąกćรชćร์จ เรćจąเĀ็นผลกรąทบขĂงกรąแÿแลąกćรไĀลขĂงพลĆงงćนที่ลดลงได้Ăย่ćงชĆดเจน เช่น รูปที่5.11แÿดงใĀ้เĀ็นü่ćกรąแÿไฟÿูงเริ่มต้นจćกเครื่Ăงชćร์จจąช่üยเพิ่มÿถćนąกćรชćร์จเป็น 50 เปĂร์เซ็นต์ Ăย่ćงรüดเร็ü (ในกรณีขĂงซูเปĂร์ชćร์จเจĂร์ที่ล้ ćÿมĆยนี้ ใช้เüลćเพียง 11.5 นćที) แต่เมื่Ăกรąแÿลดลง ĂĆตรćที่ ปรąจุกลĆบคืนมćก็เช่นกĆน ในกรณีนี้ ใช้เüลćนćนกü่ćÿี่เท่ćในกćรชćร์จเต็ม (52 นćที) เมื่ĂเทียบกĆบกćรชćร์จ 50 เปĂร์เซ็นต์ (แน่นĂนü่ć 52 นćทียĆงค่Ăนข้ćงน่ćปรąทĆบใจÿ ćĀรĆบกćรชćร์จรถยนต์เต็มรąยąทćงกü่ć 300 ไมล์) รูปที่5.11แÿดงเüลćในกćรชćร์จซูเปĂร์ชćร์จเจĂร์ V3
136 5.6 บทÿรุป (Conclusion) ในบทนี้ เรćได้ใĀ้ภćพรüมขĂงแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน โดยĂภิปรćยถึงüิธีกćรท ćงćน ÿ่üนปรąกĂบ ขĂงแบตเตĂรี่ แลąüิธีกćรกĆกเก็บพลĆงงćนเพื่Ăใช้ในยćนพćĀนąไฟฟ้ć นĂกจćกนี้เรćยĆงแนąน ćคุณลĆกþณą ÿ ćคĆญต่ćงๆ ที่ใช้ในกćรปรąเมินแบตเตĂรี่โดยทĆ่üไป แลąโดยเฉพćąแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน นĂกจćกนี้ เรćยĆง ครĂบคลุมกćรชćร์จรถยนต์ไฟฟ้ć รüมถึงรąดĆบกćรชćร์จ ขĆ้üต่Ăกćรชćร์จ แลąกรąบüนกćรชćร์จ โดยรüมแล้ü เรćĀüĆงü่ć ü่ćบทนี้ช่üยใĀ้คุณเข้ćใจÿิ่งที่เกิดขึ้นจริงภćยในแบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ć เพื่Ăที่ในĂนćคตคุณจąเĀ็นü่ć มĆนเป็นมćกกü่ćกล่Ăงด ćที่รĆบพลĆงงćนเข้ćแลąจ่ćยไฟกลĆบ 5.7 ทบทวน 1. Ăธิบćยü่ćเกิดĂąไรขึ้นทĆ้งทćงกćยภćพแลąทćงเคมี เมื่Ăมีกćรชćร์จแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน 2. Ăธิบćยÿิ่งที่เกิดขึ้นทĆ้งทćงกćยภćพแลąทćงเคมี เมื่ĂมีกćรดึงพลĆงงćนจćกแบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂน 3. ลĂงจินตนćกćรü่ćคุณก ćลĆงĂĂกแบบชุดแบตเตĂรี่รถยนต์ไฟฟ้ćที่มีเซลล์แต่ลąเซลล์ปรąมćณ 5,000 เซลล์ (±1%) โดยแต่ลąตĆüมีแรงดĆนไฟฟ้ć 3.6 V กćรก ćĀนดค่ćĂนุกรม/ขนćน (_s_p) ขĂงแพ็คจąเป็นĂย่ćงไร Āćกคุณต้ĂงกćรใĀ้แรงดĆนไฟฟ้ćขĂงแพ็คÿุดท้ćยใกล้เคียงกĆบ 300 V มćกที่ÿุด 350 โüลต์? 400 โüลต์? ในแต่ ลąกรณี คุณจąใช้เซลล์แต่ลąเซลล์จ ćนüนเท่ćใด แลąแรงดĆนไฟฟ้ćขĂงแพ็คÿุดท้ćยจąเป็นเท่ćใด (ค ćใบ้: ใน ชีüิตจริง คุณไม่ÿćมćรถมีเซลล์เýþÿ่üนในโมดูลได้ ดĆงนĆ้นค่ćÿุดท้ćยทĆ้งĀมดขĂงคุณจึงต้Ăงเป็นจ ćนüนเต็ม ดĆงนĆ้นค่ćเผื่ĂขĂง±1% ในเซลล์ทĆ้งĀมด) 4. รถยนต์ไฟฟ้ćในยุคแรกๆ ใช้พลĆงงćนจćกแบตเตĂรี่ตąกĆ่üกรด ซึ่งปัจจุบĆนมีคüćมĀนćแน่นขĂงพลĆงงćน ปรąมćณ 80 Wh/l แลą 30 Wh/kg แบตเตĂรี่ 100-kWh ขĂง Tesla Model S จąใĀญ่แลąĀนĆกแค่ไĀน Āćกท ćจćกแบตเตĂรี่ตąกĆ่üกรด 5. กćรแÿดงขĆ้üต่Ăกćรชćร์จขĂง Tesla รูปที่5.9 ได้รĆบกćรจงใจปล่Ăยทิ้งไü้โดยไม่มีป้ćยก ćกĆบ เนื่Ăงจćก ตĆüเชื่Ăมต่Ă Tesla เป็นมćตรฐćนที่เป็นกรรมÿิทธิ์ จึงยĆงไม่มี " pin out" (แผนภćพแÿดงกćรจĆดเรียงพิน) แพร่Āลćย Ăย่ćงไ รก็ตćม เนื่Ăงจćกฟังก์ชĆนขĂงพินทĆ้งĀ้ćนĆ้นÿ่üนใĀญ่จąเĀมืĂนกĆบ SAE J1772 (นĂกเĀนืĂจćกกćรชćร์จ DC Ăย่ćงรüดเร็ü) แลą Tesla ได้จĆดเตรียมตĆüแปลงแบบ snap-on ธรรมดćใĀ้กĆบ เจ้ćขĂงซึ่งช่üยใĀ้ÿćมćรถเชื่Ăมต่Ăÿćยเคเบิล SAE J1772 เข้ćกĆบรถยนต์ได้คุณĂćจÿćมćรถคćดเดćได้Ăย่ćงมี กćรýึกþć จćกกćรคćดเดćĂย่ćงมีกćรýึกþćเกี่ยüกĆบพินตĆüเชื่Ăมต่Ă Tesla ใĀ้Ăธิบćยü่ćคุณคิดü่ćพินทĆ้งĀ้ćพิน ในพĂร์ตชćร์จขĂง Nick's Model 3 ใช้ท ćĂąไร (ค ćใบ้: :รูปที่ 5.12 แÿดงภćพรถไม่ใช่ปลćยÿćยชćร์จ)
137 รูปที่5.9แÿดงพĂร์ตกćรชćร์จบน Tesla Model 3 6. ในปี 2020 บĆนทึกคüćมเร็üปัจจุบĆนขĂง Cannonball Run ĂĆนโด่งดĆงจćก Red Ball Garage ใน นิüยĂร์กไปยĆง Portofino Hotel ในลĂÿแĂงเจลิÿคืĂ 26 ชĆ่üโมง 38 นćที ด้üยคüćมเร็üเฉลี่ย (แลąผิด กฎĀมćยĂย่ćงมćก) ที่ 106 ไมล์ต่ĂชĆ่üโมง กćรใช้โปรแกรมüćงแผนกćรเดินทćง Tesla Supercharger (www.tesla.com/trips) พิจćรณćü่ćจąใช้เüลćนćนเท่ćใดในกćรüิ่งด้üยลูกกรąÿุนปืนใĀญ่ในรąยąที่ไกลที่ÿุด ที่ Tesla มีĂยู่ในปัจจุบĆน โดยÿมมติü่ćคüćมเร็üเฉลี่ยขĂงคุณขณąĂยู่บนถนนตรงกĆบกćรตĆ้งค่ćÿถิติ 106 ไมล์ ต่ĂชĆ่üโมง (ค ćแนąน ć: ค ćตĂบขĂงคุณจąน้Ăยกü่ćเüลćที่ผู้üćงแผนกćรเดินทćงขĂง Tesla เÿนĂไü้Ăย่ćงมćก เนื่Ăงจćกจąใช้คüćมเร็üตćมกฎĀมćย เพื่ĂใĀ้ได้ค ćตĂบ คุณจąต้Ăงค ćนüณจริงๆ นĂกจćกนี้ แม้ü่ćรąยąทćงใน โลกแĀ่งคüćมเป็นจริงขĂงคุณĂćจได้รĆบผลกรąทบเมื่ĂขĆบรถด้üยคüćมเร็üเฉลี่ย 106 ไมล์ต่ĂชĆ่üโมง แต่เพื่Ă จุดปรąÿงค์ในกćรüิเครćąĀ์นี้ คุณÿćมćรถเชื่ĂถืĂค่ćปรąมćณช่üงที่ผู้üćงแผนกćรเดินทćงใช้) 7. ในกćรเปิดปรąตูÿู่ยุคใĀม่ขĂงรถยนต์ไฟฟ้ćรąยąไกลTesla Motors เริ่มต้นด้üยกćรเปิดตĆüรถÿปĂร์ต Āรู (รุ่น Roadster) ที่รćคć 100,000 ดĂลลćร์ÿĀรĆฐĄ ต่Ăด้üยรถยนต์ซีดćนĀรู (รุ่น S) ที่รćคć 50,000 ดĂลลćร์ÿĀรĆฐĄ แลąเพียง ต่Ăมćได้เปิดตĆü Model 3 ในรćคć 35,000 ดĂลลćร์ ตćมที่พนĆกงćนยุคแรกขĂง Tesla มีเĀตุผลเฉพćąเจćąจงü่ćท ćไมจึงต้Ăงปล่Ăยรถยนต์ตćมล ćดĆบนี้ คุณคิดü่ćเĀตุผลนี้Ăćจเป็นĂย่ćงไร (ค ć ใบ้: พิจćรณćü่ćโจทย์กćรบ้ćนนี้มćพร้ĂมกĆบบทใด)
บทที่ 6 ระบบควบคุม 6.1 บทน ำ (Introduction) ในบทที่4 ได้กล่าüถึงเกี่ยüกับมĂเตĂร์ไฟฟ้าĀลากĀลายชนิดที่ÿามารถใช้เพื่Ăเปลี่ยนไฟฟ้าใĀ้เป็นการ เคลื่Ăนที่แบบทางĀมุน ในบทที่5 ได้กล่าüถึงüิธีการใช้แบตเตĂรี่ลิเธียมไĂĂĂนเพื่Ăกักเก็บพลังงานไฟฟ้าเพื่Ă จ่ายพลังงานไฟฟ้าใĀ้กับมĂเตĂร์รถยนต์ไฟฟ้า แต่น่าเÿียดายที่ไม่ÿามารถเชื่Ăมต่ĂมĂเตĂร์และแบตเตĂรี่เข้าด้üยกัน แล้üขับได้เลยตามที่กล่าüไü้ใน บทที่5 แบตเตĂรี่จะปล่ĂยกระแÿตรงĂĂกมาตามแรงดันไฟฟ้าที่ตั้งไü้ ยกเü้น มĂเตĂร์ไฟฟ้ากระแÿตรงแบบ มีแปรงถ่าน (DC Motor) เท่านั้น การท างาน เมื่Ăเชื่Ăมต่Ăÿายเข้ากับแบตเตĂรี่ ไม่ต้Ăงใช้ตัüคüบคุม เพื่Ăที่จะ ปรับคüามเร็üขĂงมĂเตĂร์ DC แบบมีแปรงถ่าน และĂนุญาตใĀ้มĂเตĂร์ประเภทĂื่นๆ ท างานได้ จ าเป็นต้Ăง ÿามารถเปลี่ยนลักþณะขĂงไฟฟ้าที่ĂĂกมาจากแบตเตĂรี่ได้ ไม่ü่านั่น จะĀมายถึงการแปลงเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ แตกต่างกัน แปลงเป็นไฟฟ้ากระแÿÿลับ เปลี่ยนคüามถี่ขĂงไฟฟ้ากระแÿÿลับ ĀรืĂทั้งĀมดที่กล่าüมาข้างต้น ในบทนี้ เราจะเรียนรู้üิธีด าเนินการทั้งĀมดนี้โดยใช้เครื่ĂงมืĂĂิเล็กทรĂนิกÿ์ ที่เรียกü่า “ตัüคüบคุม (Controller)” 6.2 องค์ประกอบของวงจร(Circuit Elements) คĂนโทรลเลĂร์(controller) คืĂĂะไร และ ท างานĂย่างไรจะต้Ăงท าคüามเข้าใจÿ่üนประกĂบ พื้นฐานที่จ าเป็นในการÿร้างÿ่üนประกĂบ ได้แก่ ตัüต้านทาน ตัüเĀนี่ยüน า ตัüเก็บประจุ ไดโĂด และ ทรานซิÿเตĂร์ (รูปที่6.1) รูปที่6.1แÿดงตัüต้านทาน ตัüเĀนี่ยüน า ตัüเก็บประจุ ไดโĂด และทรานซิÿเตĂร์ (จากซ้ายไปขüา)
139 ตัüต้านทานถูกใช้เพื่Ăÿร้างแบบจ าลĂงĂงค์ประกĂบที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานรูปแบบĂื่น ใน กรณีนี้ เราÿ่üนใĀญ่เกี่ยüข้Ăงกับการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นการเคลื่Ăนที่แบบĀมุนในมĂเตĂร์ไฟฟ้า ตัüต้านทานจะมีÿัญลักþณ์ และคüามต้านทานüัดเป็นโĂĀ์ม (Ω) เช่นเดียüกับĂงค์ประกĂบüงจร ทั้งĀมด ตัüต้านทานมีลักþณะเฉพาะด้üยคüามÿัมพันธ์ระĀü่างแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่ĂมĂงค์ประกĂบกับ กระแÿที่ไĀลผ่านĂงค์ประกĂบ ÿ าĀรับตัüต้านทาน คüามÿัมพันธ์นี้แÿดงไü้ในกฎขĂงโĂĀ์ม ÿมการ () = () (6.1) ซึ่งระบุü่าแรงดันไฟฟ้า โดยฟังก์ชันขĂงเüลาจะเท่ากับกระแÿ ตามฟังก์ชันขĂงเüลา คูณ คüามต้านทาน แรงดันไฟฟ้ามีĀน่üยเป็นจูล/คูลĂมบ์ และüัดพลังงานที่ต้Ăงใช้ในการเคลื่ĂนประจุĀนึ่งคู ลĂมบ์ผ่านตัüต้านทาน กระแÿไฟฟ้ามีĀน่üยเป็นคูลĂมบ์/üินาที และüัดĂัตราที่ประจุไĀลผ่านตัüต้านทาน เนื่Ăงจาก () มีĀน่üยเป็น จูล/คูลĂมบ์ และ () มีĀน่üยเป็นคูลĂมบ์/üินาที ผลคูณขĂงทั้งÿĂง มีĀน่üยเป็นจูล/üินาที ซึ่งก็คืĂ ก าลัง ÿมกำร () = ()() (6.2) Āากเรารüมนิพจน์ก าลังไü้ในÿมการ (6.2) ที่มีคüามÿัมพันธ์ระĀü่างแรงดัน กระแÿ และคüาม ต้านทาน แÿดงในÿมการ (6.1) เราÿามารถพัฒนาÿมการก าลังไฟฟ้าที่เป็นฟังก์ชันขĂงแรงดัน ĀรืĂกระแÿได้ ดังต่Ăไปนี้ สมการ () = {}() (6.3) สมการ () =() (6.4) Āากเรารüมÿมการ (6.2) เมื่Ăเทียบกับเüลา จะได้พลังงานทั้งĀมดที่แปลงโดยตัüต้านทาน (มีĀน่üยเป็นจูล) สมการ = ∫ ()() (6.5) การไĀลขĂงพลังงานเฉลี่ยในช่üงเüลานี้เป็นเพียงพลังงานทั้งĀมดĀารด้üยเüลาทั้งĀมด สมการ = . ∫ ()() (6.6)
140 6.2.2 ตัวเĀนี่ยวน ำ(Inductors) จะเĀ็นตัüเĀนี่ยüน ามาก่Ăนแล้ü แม้ü่าจะใช้ชื่ĂĂื่นก็ตาม ขั้üแม่เĀล็กไฟฟ้าในÿเตเตĂร์ขĂง มĂเตĂร์ที่Ăธิบายไü้ในบทที่ 4 เป็นตัüเĀนี่ยüน า ในบทนั้น จะได้เรียนรู้ü่ากฎขĂงไบโĂต-ซาüาร์ตÿามารถใช้ใน การประมาณค่าÿนามแม่เĀล็กที่เกิดจากกระแÿไฟฟ้าไĀลเป็นม้üนลüดรูปที่ 6.2 แÿดงÿนามแม่เĀล็กที่เกิด จากขดลüดที่ท าจากลüดĀ้าĀ่üง รูปที่ 6.2แÿดงÿนามแม่เĀล็กที่ÿร้างขึ้นโดยตัüเĀนี่ยüน า ดังที่กล่าüไü้ก่ĂนĀน้านี้ คüามแรงขĂงÿนามแม่เĀล็กที่ÿร้างขึ้นนั้นเป็นÿัดÿ่üนกับกระแÿที่ไĀลในüง ซึ่งÿามารถแÿดงได้ด้üยÿมการ (6.7) ÿมกำร () = () (6.7) คืĂ ค่าคüามเĀนี่ยüน าขĂงขดลüด (มีĀน่üยเป็นเăนรีÿ์) () คืĂ กระแÿที่ไĀลผ่านขดลüดเป็น ฟังก์ชันขĂงเüลา คืĂจ านüนรĂบในการม้üน และ () คืĂ ผลฟลักซ์แม่เĀล็กที่เกิดขึ้นตามฟังก์ชันขĂง เüลา ถ้าเปลี่ยนรูปทรงขĂงคĂยล์ เช่น โดยการเพิ่มเÿ้นผ่านýูนย์กลางขĂงลูป เพิ่มระยะĀ่างระĀü่างลูป ĀรืĂใช้ลูปÿี่เĀลี่ยมแทนที่จะเป็นüงกลม ÿิ่งนี้จะปรับเปลี่ยนค่าคüามเĀนี่ยüน า ถึงกระนั้นก็ตาม () จะ ยังคงเป็นฟังก์ชันเชิงเÿ้นขĂง () (และในทางกลับกัน)
141 ถ้าจะĀาĂนุพันธ์ขĂงÿมการ (6.7) จะได้รับ สมการ = (6.8) จากที่กล่าüไü้ที่บทที่ 4 กฎขĂงฟาราเดย์ระบุü่าด้านขüาขĂงÿมการนี้เท่ากับแรงดันไฟฟ้าในฟังก์ชัน ขĂงเüลา สมการ = () (6.9) ต่างจากคüามÿัมพันธ์พื้นฐานขĂงตัüต้านทาน ซึ่งระบุü่าแรงดันไฟฟ้าเป็นÿัดÿ่üนกับกระแÿไฟฟ้า ใน กรณีขĂงตัüเĀนี่ยüน า แรงดันไฟฟ้าจะเป็นÿัดÿ่üนกับĂนุพันธ์ขĂงกระแÿไฟฟ้า ดังนั้น เพื่Ăค้นĀาการแÿดงĂĂกขĂงกระแÿเป็นฟังก์ชันขĂงเüลา จะเพียงแต่รüมเข้าด้üยกัน ดัง ÿมการ (6.9) สมการ () = ∫ () + () (6.10) ÿมการ (6.10) แÿดงใĀ้เĀ็นคุณÿมบัติที่น่าÿนใจขĂงตัüเĀนี่ยüน า นั่นคืĂ การเปลี่ยนแปลงขĂง กระแÿผ่านตัüเĀนี่ยüน า จะต้Ăงมีคüามต่Ăเนื่Ăง โดยไม่ÿามารถเลื่Ăนขึ้นĀรืĂลงเป็นค่าใĀม่ได้ในทันที ท าไม เป็นเช่นนี้? แม้ü่าเราจะเปลี่ยนแรงดันกะทันĀัน แต่กระแÿก็ไม่เปลี่ยนทันที เนื่Ăงจากเป็นฟังก์ชันÿ าคัญขĂง แรงดันไฟฟ้า จึงเพิ่มขึ้นเมื่Ăเüลาผ่านไป ถ้ากระแÿเปลี่ยนทันทีแÿดงü่ามีพื้นที่ที่üัดได้ใต้เÿ้นโค้งเมื่Ăใด dt= 0 ซึ่งเป็นไปไม่ได้ จากÿมการ (6.2) จะได้() = ()() เมื่Ăพิจารณาÿิ่งนี้ และคüามจริง ที่ü่าพลังงานเป็นÿ่üน ÿ าคัญขĂงพลังงานในช่üงเüลาĀนึ่ง จะÿามารถพูดได้ü่าพลังงานที่เก็บไü้ในÿนามแม่เĀล็กขĂงตัüเĀนี่ยüน าคืĂ สมการ = ∫ ()() −∞ = () = () (6.11) จากÿมการ 6.11 ซึ่งไม่ÿามารถเปลี่ยนแปลงกระแÿได้ทันที เพราะมันแÿดงใĀ้เĀ็นü่าพลังงานใน ÿนามแม่เĀล็กเป็นÿัดÿ่üนกับ () ดังนั้น () กระโดดไปÿู่ค่าใĀม่ทันที พลังงานก็จะเปลี่ยนไปจ านüน Āนึ่งขĂงในเüลาเป็นýูนย์ แต่ใĀ้ÿิ่งนั้น () = / ซึ่งĀมายคüามü่า จะต้Ăงใช้พลังที่ไม่มีที่ÿิ้นÿุด
142 เพื่Ăท าการเปลี่ยนแปลงนี้ ซึ่งเป็นไปไม่ได้ ดังที่ จะเĀ็นในภายĀลัง คุณภาพขĂงตัüเĀนี่ยüน านี้เป็นĀนึ่งใน Āลักการทางแม่เĀล็กไฟฟ้าที่ÿ าคัญที่ช่üยใĀ้ตัüคüบคุมท างานได้ 6.2.3 ตัวเก็บประจ ุ(Capacitors) แÿดงภาพตัüเก็บประจุแบบธรรมดาที่มีแผ่นขนานÿĂงแผ่น รูปที่6.3 ที่ÿ าคัญ แผ่นทั้งÿĂงนี้ ถูกคั่นด้üยชั้นฉนüน เพื่ĂใĀ้ÿนามไฟฟ้าÿามารถมีĂยู่บนชั้นนี้ได้ แต่ประจุเĂงไม่ÿามารถไĀลผ่านได้ รูปที่6.3แÿดงตัüเก็บประจุแบบแผ่นขนาน แบตเตĂรี่ ที่แÿดงทางด้านขüาขĂงภาพจะดึงĂิเล็กตรĂนจากแผ่นด้านบนเข้าÿู่ขั้üบüกขĂงแบตเตĂรี่ Ăิเล็กตรĂนจะได้รับพลังงานเมื่Ăผ่านแบตเตĂรี่และÿะÿมไü้ที่แผ่นด้านล่างขĂงตัüเก็บประจุ เป็นผลใĀ้เกิด ÿนามไฟฟ้าขึ้นโดยมีเÿ้นÿนามเชื่Ăมต่Ăประจุบüกบนเพลตด้านบนกับประจุลบบนเพลตด้านล่าง ÿ าĀรับตัüเก็บประจุแบบแผ่นขนาน ประจุจะแปรผันตามแรงดันไฟฟ้าที่ก าĀนดในÿมการ (6.12) สมการ = (6.12) ซึ่ง คืĂค่าประจุ คืĂแรงดันไฟฟ้า และ คืĂ คüามจุ (Āน่üยเป็นฟารัด) ตามที่ก าĀนดโดย คüามÿัมพันธ์ในÿมการ (6.13) สมการ = (6.13) เมื่Ă A คืĂ พื้นที่ขĂงแผ่นใดแผ่นĀนึ่ง (มีĀน่üย เป็นตารางเมตร) d คืĂ ระยะĀ่างขĂงพื้นที่ (มีĀน่üย เป็น เมตร) และ ε0 คืĂค่าคงที่ทางไฟฟ้าที่ป้Ăนเข้า (ตามที่กล่าüไü้ในบทที่ 4) คüามจุขนาดใĀญ่จึงดูเĀมืĂน
143 จะต้Ăงใช้พื้นที่ขนาดใĀญ่ ในทางปฏิบัติ ตัüเก็บประจุจ านüนมากจะจัดเก็บพื้นที่นี้Ăย่างมีประÿิทธิภาพโดย การกลิ้งแผ่นตัüน าทั้งÿĂงแผ่นและฉนüนที่แยกพüกมันĂĂกเป็นทรงกระบĂกดังแÿดงในรูปที่6.4 รูปที่6.4 แÿดงตัüเก็บประจุทรงกระบĂก แม้ü่าตัüเก็บประจุในโลกแĀ่งคüามเป็นจริงจะมีรูปทรงเรขาคณิตที่แตกต่างกัน แต่คüามÿัมพันธ์ พื้นฐาน = ยังคงถืĂĂยู่ คüามจุ เปลี่ยนแปลงตามรูปทรงขĂงĂุปกรณ์ แต่คüามÿัมพันธ์ระĀü่าง ประจุและแรงดันไฟฟ้ายังคงเป็นเÿ้นตรง แต่ÿามารถแÿดงคüามÿัมพันธ์นี้เป็นฟังก์ชันขĂงเüลาตามที่ก าĀนดในÿมการ (6.14) สมการ () = () (6.14) ĀากเราĀาĂนุพันธ์ขĂงÿิ่งนั้น จะได้ สมการ = (6.15) เนื่Ăงจากกระแÿนั้น เป็นการเปลี่ยนแปลงประจุเมื่Ăเüลาผ่านไป จะÿามารถพูดได้ü่า สมการ () = (6.16)
144 ÿมการ (6.16) ใĀ้คüามÿัมพันธ์ระĀü่างกระแÿและแรงดันÿ าĀรับตัüเก็บประจุ โปรดÿังเกตü่าÿิ่งนี้ คล้ายกัน แต่เกืĂบจะตรงกันข้ามกับคüามÿัมพันธ์เดียüกันขĂงตัüเĀนี่ยüน า ในกรณีขĂงตัüเĀนี่ยüน า () เป็นÿัดÿ่üนกับ /ในขณะที่ในกรณีขĂงตัüเก็บประจุ() เป็นÿัดÿ่üนกับ / การใช้ตรรกะเดียüกันกับ ที่จะท าในÿ่üนที่แล้ü ซึ่งÿามารถพูดได้ü่า สมการ () = ∫ () + () (6.17) นĂกจากนี้ยังÿามารถค้นĀาพลังงานที่เก็บไü้ในÿนามไฟฟ้าระĀü่างแผ่นเปลืĂกโลกตามที่ก าĀนดใน ÿมการ (6.18) สมการ = ∫ ()() −∞ = ∫ () −∞ =() (6.18) ทุกÿิ่งที่เรากล่าüไü้ในĀัüข้Ăที่แล้üเกี่ยüกับการไม่ÿามารถเปลี่ยนแปลงกระแÿได้ใช้ที่นี่ทันที แต่ใน กรณีนี้ ใช้กับแรงดันไฟฟ้า 6.2.4 ไดโอด (Diodes) ไดโĂดเปรียบเÿมืĂนüาล์üทางเดียüÿ าĀรับกระแÿ กล่าüคืĂ กระแÿÿามารถไĀลผ่าน ทิýทาง เดียü ไดโĂดจะมีแรงดันไฟฟ้าคüามÿัมพันธ์ปัจจุบัน แÿดงในรูปที่ 6.5คüามÿัมพันธ์ระĀü่างแรงดัน กับ กระแÿที่เกิดขึ้นจริง ไĀลผ่านÿามÿ่üนดังที่แÿดงในรูปที่ 6.5 รูปที่ 6.5 แÿดงเÿ้นโค้ง IV ÿ าĀรับไดโĂด
145 บริเüณด้านĀน้าที่เĀ็นทางด้านขüาขĂงรูป เป็นบริเüณการท างานปกติเมื่Ăขั้üบüกมีแรงดันไฟฟ้าÿูง กü่าแคโทด กระแÿไฟฟ้าเป็นบüก ซึ่งĀมายคüามü่า กระแÿจะไĀลไปข้างĀน้าผ่านไดโĂด ไดโĂดระดับ EV ÿามารถรĂงรับแĂมป์ได้Āลายร้ĂยแĂมป์ในทิýทางบüก แม้ü่าแรงดันไฟฟ้าตกคร่ĂมไดโĂดจะĂยู่ใกล้กับýูนย์ แต่แรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ยังคงĂยู่เล็กน้Ăย ซึ่งĀมายคüามü่า มีการÿูญเÿียพลังงานเพียงเล็กน้Ăย (ĀรืĂĂาจจะ เพียงเล็กน้Ăย เมื่Ăüัดกระแÿเป็นร้ĂยแĂมป์ ตามที่เป็นĂยู่ ใน EV) บริเüณย้Ăนกลับที่Ăยู่ตรงกลางขĂงภาพ เป็นบริเüณการท างานปกติเมื่Ăขั้üบüกมีแรงดันไฟฟ้าต่ ากü่า ขั้üลบ ในกรณีนี้กระแÿไฟจะไĀลน้Ăยมาก ตราบใดที่ไดโĂดไม่พัง ไดโĂดระดับ EV ÿามารถเก็บโüลต์ได้Āลาย ร้Ăยโüลต์ที่ด้านĀลังทิýทาง Ăย่างไรก็ตาม แม้ü่าการไĀลขĂงกระแÿจะĂยู่ใกล้กับýูนย์ แต่กระแÿคüามĂิ่มตัü เล็กน้ĂยจะไĀลในทิýทางตรงกันข้าม ซึ่งĀมายคüามü่ายังมีการÿูญเÿียพลังงานในจ านüนเล็กน้Ăยด้üย กรณีนี้ (ĀรืĂĂาจจะเพียงเล็กน้Ăย เมื่Ăüัดแรงดันไฟฟ้าเป็นร้Ăยโüลต์ เช่นเดียüกับใน EV) ด้านซ้ายขĂงภาพแÿดงขĂบเขตการแยกÿ่üน ในกรณีนี้ไดโĂดเÿียและเกิดไฟฟ้าลัดüงจรในทิýทาง ย้Ăนกลับ ไดโĂดÿามารถทนต่Ăการพังทลายชั่üคราüได้ แต่ก็Ăาจร้Ăนเกินไปและล้มเĀลüĂย่างถาüรได้ เนื่Ăงจากในบริเüณที่พังทลาย กระแÿและแรงดันไฟฟ้าจะÿูงทั้งคู่ (ในทิýทางลบ) เพื่Ăป้Ăงกันไม่ใĀ้ÿิ่งนี้เกิดขึ้น ไดโĂดจะถูกติดตั้งบนแผงระบายคüามร้Ăนเพื่Ăกüาดล้างĂุณĀภูมิÿูงĂĂกไป 6.2.5 ทรำนซิÿเตอร์(Transistors) ทรานซิÿเตĂร์ที่แÿดงใน รูปที่6.6 เป็นทรานซิÿเตĂร์แบบไบโพลาร์เกตแบบĀุ้มฉนüน (IGBT) ซึ่งท าĀน้าที่ เป็นÿüิตช์Ăิเล็กทรĂนิกÿ์ Āากแรงดันไฟฟ้าขĂงตัüÿ่งเกตĂยู่ที่ĀรืĂÿูงกü่าแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ที่ ก าĀนด กระแÿจะไĀลจากตัüÿะÿมไปยังตัüÿ่ง รูปที่ 6.6แÿดงทรานซิÿเตĂร์ÿĂงขั้üเกตแบบĀุ้มฉนüน (IGBT) ในตัüคüบคุมที่Ăธิบายไü้ในÿ่üนที่เĀลืĂขĂงบทนี้ จะมีการใช้พัลÿ์ที่มีคüามกü้างต่างกันไปที่เกต คüาม กü้างขĂงพัลÿ์ได้รับการคüบคุมเพื่ĂใĀ้พลังงานในปริมาณที่เĀมาะÿมไĀลจากแบตเตĂรี่ไปยังÿ่üนที่เĀลืĂขĂง