แบตเตอรี่ในเครื่องบินทำหน้าทีจ่ายพลังงานไฟฟ้าแก่ระบบของเครื่องบินทั้งในยามปกติและยามฉุกเฉิน ในยามปกติเมื่อเครื่องบินยังอยู่ที่พื้น แบตเตอรี่ สำหรับเครื่องบินขนาดเล็ก ทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้าสำหรับการสตาร์ทเครื่องยนต์ ส่วนสำหรับเครื่องบินขนาดกลางและขนาดใหญ่นั้น แบตเตอรี่จะทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้าสำหรับการสตาร์ท APU ที่ทำหน้าที่สตาร์ทเครื่องยนต์อีกทีหนึ่ง ในยามฉุกเฉิน เมื่อเครื่องบินอยู่ในอากาศ แบตเตอรี่จะทำหน้าที่เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าสำรองแหล่งสุดท้ายที่จ่ายไฟฟ้าให้กับระบบของเครื่องบินที่นักบินจำเป็นต้องใช้ในการบังคับเครื่องบิน และสื่อสารนำร่องในการนำเครื่องบินกลับสู่พื้นอย่างปลอดภัย รูปที่ 1 แสดงการทำงานของแบตเตอรี่ของเครื่องบินเมื่อแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าหลักไม่ทำงาน
รูปที่ 1: ระบบไฟฟ้าของเครื่องบิน แอร์บัส A320 ในสภาวะฉุกเฉินเมื่อแหล่งจ่ายไฟหลักไม่สามารถจ่ายไฟได้ แบตเตอรี่จะทำหน้าที่จ่ายไฟฟ้าให้กับระบบที่จำเป็นของเครื่อง เพื่อที่จะสามารถบังคับควบคุมเครื่องบินได้
แบตเตอรี่ที่ใช้กับอากาศยานนั้นในปัจจุบันมี 3 ชนิดได้แก่ แบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรด (Lead acid, Pb) แบตเตอรี่ชนิดนิกเกิล-แคดเมียม (Nickel-cadmium, NiCd) และแบตเตอรี่ชนิดลิเธียม-ไอออน (Lithium-ion, Li-ion)
เครื่องบินขนาดกลางและขนาดใหญ่นิยมใช้แบตเตอรี่ชนิด NiCd เนื่องจากมีน้ำหนักเบา ให้พลังงานสูง เชื่อถือได้ อายุการใช้งานยาวนานกว่าแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรด ส่วนแบตเตอรี่ชนิด Li-ion นั้นเริ่มมีการนำมาใช้งานกับเครื่องบินรุ่นใหม่ เช่น Boeing 787 และ Airbus A350 เป็นต้น แต่ด้วยเหตุการณ์อุบัติการที่เกิดขึ้นหลายครั้งเกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ Li-ion นั้นจึงทำให้การใช้งานแบตเตอรี่ Li-ion กับเครื่องบินนั้นชะลอตัวลง
จากความจำเป็นที่ต้องมีแหล่งพลังงานไฟฟ้าสำรองที่เชื่อถือได้นั้น แบตเตอรี่จะต้องได้รับการตรวจเช็คทุกครั้งก่อนทำการบิน และต้องได้รับการซ่อมบำรุงตามวงรอบที่กำหนดไว้ในคู่มือ
การซ่อมบำรุงนั้นจำเป็นต้องทำใน Battery shop ที่ได้มาตราฐานที่ได้รับการรับรองจากหน่วยงานด้านความปลอดภัยในการบินของประเทศ เพื่อที่จะให้มั่นใจได้ว่าแบตเตอรี่นั้นสามารถนำกลับไปติดตั้งกับเครื่องบินได้ด้วยความปลอดภัย และมั่นใจได้ว่าสามารถใช้งานได้ในสภาวะฉุกเฉิน
ในบล็อกนี้ผมขอพูดถึงการซ่อมบำรุงแบตเตอรี่ชนิด NiCd เท่านั้นน เพราะแบตเตอรี่ชนิดนี้ใช้กับเครื่องบินโดยสารเกือบทั้งหมด และมีสัดส่วนการใช้งานมากกว่าแบตเตอรี่ชนิดอื่นๆ
วงรอบการซ่อมบำรุงแบตเตอรี่ NiCd นั้นโดยทั่วไปแบ่งออกเป็น 3 ระดับ ได้แก่ 1. Periodical check เพื่อตรวจเช็คสภาพทั่วไปของแบตเตอรี่ ชาร์จประจุ และปรับระดับของอิเล็กโตรไลท์ โดยจะทำการตรวจเช็คทุก 3 เดือน ดังมีขั้นตอนการปฏิบัติแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 : Flow chart ของการตรวจเช็คระดับ periodical check
2. Regular check เพื่อตรวจเช็คประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ด้วยการทำ capacity test และชาร์จประจุ ตลอดจนปรับระดับอิเล็กโตรไลท์ โดยจะทำการตรวจเช็คทุก 6 เดือน ดังมีขั้นตอนการปฏิบัติแสดง
ในรูปที่ 3
รูปที่ 3 : Flow chart ของการตรวจเช็คระดับ regular check
3. Overhaul เป็นการตรวจเช็คแบตเตอรี่โดยละเอียดทุกชิ้นส่วนด้วยการถอดแยกชิ้นส่วน ล้างทำความสะอาด ทดสอบตัวเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิของแบตเตอรี่ ตรวจเช็คประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ด้วยการทำ capacity test และชาร์จประจุ ตลอดจนปรับระดับอิเล็กโตรไลท์ โดยจะทำการตรวจเช็คทุก 1 ปี ดังมีขั้นตอนการปฏิบัติแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4 : Flow chart ของการตรวจเช็คระดับ general overhaul
สำหรับวงรอบการซ่อมบำรุงแบตเตอรี่นั้นโดยทั่วไปจะถูกกำหนดไว้ในคู่มือกำหนดระยะเวลาการซ่อมของเครื่องบิน (Maintenance Schedule) ส่วนการซ่อมบำรุงในแต่ละระดับนั้นจะต้องทำตามขั้นตอนที่ระบุไว้ในคู่มือการซ่อมบำรุงแบตเตอรี่ (Component Maintenance Manual, CMM)เฉพาะสำหรับหมายเลข part number นั้นๆ แต่หากไม่มี CMM เป็นการเฉพาะก็สามารถใช้คู่มือซ่อมบำรุงแบตเตอรี่เพื่อเป็นการทั่วไป (Operating and Maintenance Manual, OMM)แทนได้ ที่สำคัญคู่มือที่ใช้จะต้องเป็นฉบับปรับปรุงใหม่ล่าสุดเท่านั้น
การชาร์จประจุและตรวจเช็คประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ด้วยการทำ capacity test
การชาร์จและการตรวจเช็คประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ด้วยการทำ capacity test นั้นต้องทำใน battery shop ที่ต้องใช้เครื่องชาร์จและวิเคราะห์แบตเตอรี่ (charger/analyzer) ที่เหมาะสมกับแบตเตอรี่ของเครื่องบิน battery shop ต้องสะอาด ปราศจากฝุ่นละออง มีการควบคุมอุณหภูมิที่เหมาะสม (25 องศาเซลเซียส หรือน้อยกว่า) มีระบบระบายอากาศที่ดี มีแสงสว่างเพียงพอต่อการปฏิบัติงาน แบตเตอรี่ NiCd สำหรับเครื่องบิน ประกอบด้วยเซลล์แบตเตอรี่ความจุไฟฟ้าสูง (high capacity) ชนิดนิกเกิ้ล-แคดเมื่ยม ต่อพ่วงกันแบบอนุกรม จำนวน 20 เซลล์ ดังนั้นจึงมี nominal voltage อยู่ที่ 24 โวลท์ เซลล์แบตเตอรี่เป็นแบบที่ขั้ว electrode จุ่มใน electrolyte หรือที่เรียกว่า “เซลล์แบบเปียก” นั่นเอง ดังรูปที่ 5
รูปที่ 5 : เซลล์แบตเตอรี่เครื่องบินการชาร์จแบตเตอรี่เครื่องบิน
การชาร์จแบตเตอรี่เครื่องบินนั้นเริ่มต้นจากแบตเตอรี่ที่มีการคายประจุของแบตเตอรี่ลงมาเหลือ 1V/cell (เรียกว่า residual discharge) หรือ เริ่มต้นหลังจากที่ได้ทำการ balance cell ไว้แล้ว การชาร์จจะใช้การชาร์จแบบกระแสคงที่ (constant current) โดยจะมีขั้นตอนการชาร์จอยู่ 2 ขั้นตอน ขั้นตอนแรกที่เรียกว่า main charge นั้นจะเป็นการชาร์จแบบ fast charge ด้วยอัตราประจุที่ 1C เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ถึง 1 ชั่วโมง 15 นาที ส่วนขั้นตอนที่สองที่เรียกว่า top charge จะเป็นการชาร์จแบบ slow charge ที่อัตราประจุ 0.1C เป็นเวลา 2-4 ชั่วโมง
ในช่วง main charge นั้นแรงดันไฟฟ้าของเซลล์จะเพิ่มขึ้นต่อเนื่องจนถึงจุดสูงสุดที่ประมาณ 1.50-1.60 V/cell โดยในช่วงนี้แบตเตอรี่จะได้ความจุของ capacity อยู่ที่ประมาณ 80% เท่านั้น ส่วนในช่วง top charge นั้นเป็นการเติมประจุอย่างช้าๆ ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าของเซลล์จะต้องอยู่ในช่วง 1.50-1.90 V/cell ความจุของ capacity ในช่วงนี้จะได้ capacity เพิ่มอีกประมาณ 20% สำหรับเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์แบตเตอรี่ ดังนั้นต้องดูเกณฑ์ที่ถูกต้องใน CMM หรือ OMM รูปที่ 6 แสดง voltage profile ของการชาร์จ
รูปที่ 6 แสดง voltage profile ของการชาร์จแบตเตอรี่ Marathon
สิ่งที่ต้องระวังในขณะที่เริ่มต้นทำการชาร์จก็คือเรื่อง thermal runaway ดังนั้นต้องคอยวัด voltage ตอนช่วงแรกๆ หากมีเซลล์ใดมีค่า voltage สูงเกิน 1.50 V ให้เติมน้ำกลั่นลงไป 5 cc ที่เซลล์นั้น ในช่วงของ top charge นั้นจะเกิดแก๊สจากปฏิกิริยา electrolysis ขึ้น และระบายออกทางช่อง vent valve แก๊สไฮโดรเจนเกิดขึ้นที่แผ่นขั้วลบ และแก๊สออกซิเจนเกิดขึ้นที่แผ่นขั้วบวกภายในเซลล์ จำนวนแก๊สที่เกิดขึ้นนั้นขึ้นอยู่กับอัตรากระแสที่ใช้ในการชาร์จ นอกเหนือจากเกิดแก๊สแล้วยังเกิดความร้อนสูงขึ้นด้วย ในช่วง 15-30 นาทีสุดท้ายของช่วง top charge ให้ทำการปรับระดับของ electrolyte ในแต่ละเซลล์ให้อยู่ในระดับที่กำหนดไว้ใน CMM หรือ OMM
การทำ capacity test
การทำ capacity test เป็นการทดสอบขีดความสามารถการจ่ายกระแสไฟฟ้าในปริมาณที่กำหนดของแบตเตอรี่ในเวลาที่กำหนด การทำ capacity test จะทำหลังจากที่ชาร์จแบตเตอรี่ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น เริ่มต้นการทดสอบด้วยการ discharge แบตเตอรี่ในอัตรากระแสคงที่ที่ 1C แล้วจับเวลาจน แรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์จะค่อยๆลดลง จนเซลล์แรกถึง 1V เป็นอันสิ้นสุด capacity test รูปที่ 7 แสดง voltage profile ของการ discharge
รูปที่ 7 แสดง voltage profile ของการ discharge แบตเตอรี่เครื่องบิน ด้วยอัตรากระแส 1C, 10C และ 20C
แบตเตอรี่จะผ่านเกณฑ์หากเวลาที่ใช้เท่ากับหรือมากกว่า 51 นาที หรืออย่างน้อย 1 ชั่วโมง ขึ้นอยู่กับชนิดของเซลล์แบตเตอรี่ ดังนั้นจึงต้องดูเกณฑ์ที่กำหนดไว้ใน CMM หรือ OMM หากมีเซลล์แบตเตอรี่ที่ไม่ผ่านเกณฑ์ที่กำหนด แบตเตอรี่จะต้องถูกทำการ balance cell ด้วยการ discharge แบตเตอรี่ต่อจนแต่ละเซลล์เหลือแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 0.5V/cell แล้วทำการ short cell ทิ้งไว้ 4-16 ชั่วโมง (แนะนำทิ้งไว้ข้ามคืน) รูปที่ 8 แสดงการทำ balance cell ด้วยการ short cell
รูปที่ 8 แสดงการทำ balance cell ด้วยการ short cell
จากนั้นก็เริ่มต้นการชาร์จ (main charge และ top charge) และ charge เพิ่มเติม (supplementary test) และ ทำ capacity test อีกครั้ง
• แบตเตอรี่ที่ไม่บาลานซ์อย่างมากอาจจะต้องทำการ deep cycle และ short cell เพื่อบาลานซ์เซลล์ถึง 3 ครั้งเพื่อที่จะคืน capacity กลับมา
• หากหลังจากที่ทำการ deep cycle และ short cell แล้ว 3 ครั้ง แต่ค่า capacity ของเซลล์ยังไม่ผ่านเกณฑ์ เซลล์นั้นจะต้องถูกถอดออกและเปลี่ยนเซลล์ใหม่เข้าไปแทน
• หากมีจำนวนเซลล์ไม่ผ่านเกณฑ์ในแต่ละวงรอบของการซ่อมบำรุง หรือตลอดอายุการใช้งานที่ผ่านมา เกิน 25% ของจำนวนเซลล์ทั้งหมดของแบตเตอรี่ แนะนำให้ทำการเปลี่ยนเซลล์ทั้งหมดด้วยเซลล์ใหม่ เพื่อไม่ให้เกิดปัญหาด้านการเข้ากันได้ของเซลล์ (cell matching)
เมื่อแบตเตอรี่ผ่านเกณฑ์ของ capacity test แล้วแบตเตอรี่จะถูกชาร์จตามขั้นตอนของการชาร์จอีกครั้ง และปรับระดับของ electrolyte อีกครั้ง ส่วน vent valve ก็ต้องทำความสะอาดและตรวจเช็คตามเกณฑ์ของแรงดันที่กำหนด Battery shop จะต้องบันทึกข้อมูลการซ่อมบำรุงทั้งหมดทุกขั้นตอนไว้ ออก report ของการซ่อมบำรุง หากแบตเตอรี่ผ่านเกณฑ์การทดสอบก็จะออกใบรับรองการนำกลับไปติดตั้งกับอากาศยานได้ (Authorized Release Certificate)
เอกสารอ้างอิง :
[1] Saft, Operating and Maintenance Manual for Ni-Cd Aircraft Batteries
[2] Marathon Norco Aerospace, Operating and Maintenance Manual For Nickel-Cadmium Aircraft Batteries
Aircraft Engineering and Consultant (AEC) ศูนย์ซ่อมแบตเตอรี่
เครื่องบินที่ดีที่สุดในประเทศไทย ให้บริการตรวจเช็คและซ่อมบำรุง
แบตเตอรี่ทุกชนิดสำหรับเครื่องบิน ได้รับการรับรองจาก
สำนักงานการบินพลเรือนแห่งประเทศไทยเลขที่ 534/2557