เครื่องชาร์จ Li-ion เป็นอุปกรณ์แบบจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่มีความคล้ายคลึงกับการชาร์จแบตเตอรี่ตะกั่วกรด ความแตกต่างของ Li-ion อยู่ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่อเซลล์ที่สูง มีแรงดันไฟฟ้าที่ต้องควบคุมไม่ให้เกินพิกัด และไม่สามารถชาร์จแบบเติมประจุต่อเนื่อง (floating charge) ได้เมื่อชาร์จเต็มแล้ว ผู้ผลิตเซลล์ Li-ion เข้มงวดมากในการตั้งค่าที่ถูกต้องเนื่องจาก Li-ion ไม่สามารถทนต่อการ overcharge ได้ ตารางที่ 1 แสดงค่าตัวแปรของแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมเป็นพื้นฐาน
ตารางที่ 1 : ค่าตัวแปรมาตรฐานของแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมเป็นพื้นฐาน
การชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion ที่มีส่วนผสมโคบอลต์
Li-ion ที่ใช้วัสดุแกน cathode ที่ทำมาจากโคบอลต์ นิกเกิล แมงกานีส และอลูมินัม จะชาร์จจนแรงดันไฟฟ้าอยู่ที่ 4.2 V/cell ความคลาดเคลื่อน +/–50mV/cell แบตเตอรี่ Li-ion ที่ใช้นิกเกิลบางชนิดชาร์จจนแรงดันอยู่แค่ที่ 4.1 V/cell แต่ Li-ion ความจุสูงอาจชาร์จไปที่ 4.30V / เซลล์และสูงกว่าได้ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มความจุ แต่การเพิ่มเกินที่กำหนดจะทำให้แบตเตอรี่เครียดและส่งผลต่อความปลอดภัย วงจรป้องกันที่ติดตั้งอยู่ในแบตเตอรี่แพ็คไม่อนุญาตให้ชาร์จจนแรงดันไฟฟ้าต่อเซลล์เกินค่าที่ตั้งไว้ รูปที่ 1 แสดงลักษณะของแรงดันไฟฟ้า และกระแสไฟฟ้าขณะชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion โดยมีเฟสการชาร์จแบบกระแสไฟฟ้าคงที่ (constant current) และเฟสการชาร์จแบบแรงดันไฟฟ้าคงที่ (constant voltage) การชาร์จเต็มจะถึงเมื่อกระแสไฟฟ้าลดลงเหลือระหว่าง 3 ถึง 5 เปอร์เซ็นต์ของระดับอัตรา Ah ของแบตเตอรี่
รูปที่ 1: เฟสในการชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion
อัตราการชาร์จที่แนะนำของเซลล์พลังงาน (Energy cell) อยู่ระหว่าง 0.5C ถึง 1C เวลาในการชาร์จทั้งหมดประมาณ 2–3 ชั่วโมง ผู้ผลิตเซลล์เหล่านี้แนะนำให้ชาร์จที่ 0.8C หรือน้อยกว่าเพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ อย่างไรก็ตามเซลล์พลังงาน (Power cell) ส่วนใหญ่สามารถชาร์จที่อัตรา C rate ที่สูงกว่าโดยมีความเครียดเพียงเล็กน้อย ประสิทธิภาพการชาร์จอยู่ที่ประมาณ 99 เปอร์เซ็นต์และอุณหภูมิเซลล์จะยังคงต่ำระหว่างการชาร์จ Li-ion บางแพ็คอาจมีอุณหภูมิสูงขึ้นประมาณ 5ºC (9ºF) เมื่อชาร์จเต็ม ซึ่งอาจเป็นเพราะวงจรป้องกันและ / หรือความต้านทานภายในสูงขึ้น ควรเลิกใช้แบตเตอรี่นั้นหากอุณหภูมิสูงกว่า10ºC (18ºF) ภายใต้อัตราความเร็วในการชาร์จระดับปานกลาง การชาร์จเต็มจะเกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ถึงเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าลดลงเหลือ 3-5 เปอร์เซ็นต์ของอัตรา Ah ความจุที่กำหนด แบตเตอรี่อาจจะถือว่าชาร์จเต็มแล้วหากระดับกระแสไฟฟ้าลดลงต่ำสุดแล้วมีการคงที่และไม่สามารถลงไปได้อีก การคายประจุเองที่เพิ่มขึ้นอาจเป็นสาเหตุของภาวะนี้ การเพิ่มอัตรากระแสในการชาร์จไม่ได้ทำให้สถานะการชาร์จเต็มเร็วขึ้นมากนัก แม้ว่าแบตเตอรี่จะถึงจุดที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดเร็วกว่า แต่ช่วงเวลาการชาร์จให้อิ่มตัว (saturation charge)จะใช้เวลานานขึ้นตามลำดับ อย่างไรก็ตามการชาร์จด้วยกระแสไฟสูงจะทำให้แบตเตอรี่เต็มอย่างรวดเร็วถึงระดับ 70 เปอร์เซ็นต์ Li-ion ไม่จำเป็นต้องชาร์จเต็มเช่นเดียวกับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด และไม่ควรทำเช่นนั้น ในความเป็นจริงจะเป็นการดีกว่าที่จะไม่ชาร์จให้เต็มเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่สูงจะทำให้แบตเตอรี่มีความเครียด การเลือกชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า หรือยกเลิกเฟสการชาร์จให้อิ่มตัวจะช่วยยืดอายุแบตเตอรี่ แต่เวลาการใช้งานของแบตเตอรี่จะลดลง เครื่องชาร์จสำหรับผู้บริโภคราคาประหยัดบางรุ่นอาจใช้วิธี “charge-and-run” แบบง่ายซึ่งจะชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนภายในหนึ่งชั่วโมงหรือน้อยกว่านั้นโดยไม่ต้องชาร์จแบตเตอรี่ให้อิ่มตัวในเฟสที่ 2 ไฟ “Ready” จะปรากฏขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ถึงเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าในเฟสที่ 1 โดย State-of-charge (SoC) ณ จุดนี้อยู่ที่ประมาณ 85 เปอร์เซ็นต์ซึ่งเป็นระดับที่อาจเพียงพอต่อการใช้งานสำหรับผู้ใช้ส่วนใหญ่ เครื่องชาร์จอุตสาหกรรมบางรุ่นตั้งค่าเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าสูงสุดของเชลล์ในการชาร์จให้ต่ำลงโดยมีจุดประสงค์เพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ ตารางที่ 2 แสดงความจุโดยประมาณเมื่อชาร์จไปยังเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่แตกต่างกันโดยมีและไม่มีการชาร์จอิ่มตัว
ตารางที่ 2: ลักษณะการชาร์จโดยทั่วไปของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน
การเพิ่มการชาร์จอิ่มตัวที่แรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ตั้งไว้จะช่วยเพิ่มความจุได้อีกประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์ แต่จะเพิ่มความเครียดให้แบตเตอรี่เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าสูง เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion ในช่วงแรกแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ความจุของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง และเกือบเต็ม (รูปที่ 3)
รูปที่ 3: แรงดันไฟฟ้า/ความจุ เวลา เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ Li-ion (Tenergy 18650 2200mAh P/N 30003) การประมาณ SoC โดยการอ่านแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ขณะที่ชาร์จนั้นไม่สามารถคาดการณ์ได้ถูกต้องนัก แต่การวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV) หลังจากแบตเตอรี่ได้พักสองสามชั่วโมงเป็นตัวบ่งชี้ที่ดีกว่า เช่นเดียวกับแบตเตอรี่ทุกชนิด อุณหภูมิมีผลต่อ OCV ดังนั้นแบตเตอรี่ Li-ion ก็เช่นกัน SoC ของสมาร์ทโฟน แล็ปท็อป และอุปกรณ์อื่น ๆ ประมาณโดยวิธี “coulomb counting” Li-ion ไม่สามารถทนต่อการ overcharge ได้ ดังนั้นเมื่อชาร์จเต็มแล้วจะต้องตัดกระแสไฟออก การชาร์จแบบ trickle charge อย่างต่อเนื่องจะทำให้เกิดความเสียหายต่อแท่งตัวนำ และเสี่ยงต่อความไม่ปลอดภัย เพื่อลดความเครียดของแบตเตอรี่ Li-ion ให้ชาร์จในเฟสที่ 2 หลังจากแรงดันไฟฟ้าแตะจุดสูงสุดแล้วให้ใช้เวลาสั้นที่สุด เมื่อการชาร์จสิ้นสุดลง แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะเริ่มลดลง ซึ่งจะช่วยลดความเครียดของแบตเตอรี่ เมื่อเวลาผ่านไปแรงดันไฟฟ้าของวงจรเปิด (OCV) จะอยู่ระหว่าง 3.70V ถึง 3.90V / เซลล์ แบตเตอรี่ที่ได้รับการชาร์จในเฟสของการชาร์จอิ่มตัวจะเก็บแรงดันไฟฟ้าสูงได้นานกว่าแบตเตอรี่ที่ไม่ได้รับการชาร์จในเฟสนี้ เมื่อต้องทิ้งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไว้ในเครื่องชาร์จเพื่อความพร้อมในการใช้งานเครื่องชาร์จบางรุ่นจะใช้วิธีเติมประจุด้วย topping charge เป็นเวลาสั้น ๆ เพื่อชดเชยที่แบตเตอรี่คายประจุเองและการใช้ไฟฟ้าของวงจรป้องกัน เครื่องชาร์จอาจเริ่มทำงานเมื่อแรงดันไฟฟ้า OCV ลดลงเหลือ 4.05V / เซลล์และหยุดทำงานอีกครั้งที่ 4.20V / เซลล์ เครื่องชาร์จที่สร้างขึ้นเพื่อรองรับความพร้อมในการใช้งานหรือโหมดสแตนด์บายมักปล่อยให้แรงดันแบตเตอรี่ลดลงเหลือ 4.00V / เซลล์และชาร์จกลับให้แรงดันไฟฟ้าถึงแค่ 4.05V / เซลล์แทนที่จะชาร์จเต็มถึง 4.20V / เซลล์ ซึ่งวิธีนี้จะช่วยลดความเครียดที่เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าและยืดอายุแบตเตอรี่
การชาร์จ Li-ion ที่ไม่มีส่วนผสมโคบอลต์ ในขณะที่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมมี nominal voltage ที่ 3.60V แต่แบตเตอรี่ Li-phosphate (LiFePO) นั้นแตกต่างด้วย nominal voltage ที่ 3.20V และชาร์จถึงแรงดันสูงสุด 3.65V และที่ค่อนข้างใหม่คือแบตเตอรี่ Li-titanate (LTO) ที่มีแรงดันไฟฟ้า nominal voltage ที่ 2.40V และชาร์จไปที่ 2.85V เครื่องชาร์จสำหรับ Li-ion ที่ไม่ผสมโคบอลต์เหล่านี้ไม่สามารถใช้งานร่วมกับ Li-ion ปกติ 3.60 โวลต์ได้ ดังนั้นต้องศึกษาข้อมูล data sheet ของแบตเตอรี่ และตั้งค่าการชาร์จให้ถูกต้อง แบตเตอรี่ลิเธียม 3.60 โวลต์ในเครื่องชาร์จที่ออกแบบมาสำหรับแบตเตอรี่ Li-phosphate จะไม่ได้รับประจุที่เพียงพอ แต่แบตเตอรี่ Li-phosphate ในเครื่องชาร์จปกติจะทำให้เกิดการ overcharge
การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมากเกินไป (overcharging) ลิเธียมไอออนทำงานได้อย่างปลอดภัยภายในแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด อย่างไรก็ตามแบตเตอรี่จะไม่เสถียรหากชาร์จด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าที่กำหนด การชาร์จเป็นเวลานานที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 4.30V บน Li-ion ที่ออกแบบมาสำหรับ 4.20V / เซลล์จะทำให้เกิดการเคลือบโลหะลิเธียม (plate metallic lithium) ที่ขั้วบวก ส่วนวัสดุขั้วลบจะกลายเป็นตัวออกซิไดซ์ สูญเสียความเสถียรและก่อให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2) ความดันของเซลล์จะเพิ่มขึ้น และหากการชาร์จยังดำเนินการต่อไป วาล์วควบคุมแรงดัน (current interrupt device, CID) ที่รับผิดชอบต่อความปลอดภัยของเซลล์จะตัดการเชื่อมต่อที่ 1,000–1,380kPa (145–200psi) หากความดันเพิ่มสูงขึ้นต่อเนื่อง เยื่อหุ้มนิรภัยของแบตเตอรี่ Li-ion จะเปิดออกที่ประมาณ 3,450kPa (500psi) และในที่สุดเซลล์ก็อาจระบายออกด้วยเปลวไฟ การระบายออกด้วยเปลวไฟสัมพันธ์กับอุณหภูมิ แบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มจะมีอุณหภูมิของเปลวไฟต่ำกว่าและจะระบายออกเร็วกว่าแบตเตอรี่ที่ชาร์จเพียงบางส่วน แบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมปลอดภัยกว่าหากมีแรงดันไฟฟ้าในเซลล์ที่ต่ำ และนี่คือเหตุผลว่าทำไมหน่วยงานด้านความปลอดภัยในการเดินอากาศจึงบังคับให้การจัดส่งแบตเตอรี่ Li-ion ทางอากาศต้องมีสถานะการชาร์จ (SOC) ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์แทนที่จะชาร์จเต็ม ลิเธียมไอออนไม่ใช่แบตเตอรี่ชนิดเดียวที่ก่อให้เกิดอันตราย หรือเสี่ยงต่อความปลอดภัยหากชาร์จไฟเกิน แบตเตอรี่ที่ใช้ตะกั่ว และนิกเกิลเป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถที่จะร้อนจนละลายและทำให้เกิดไฟไหม้ได้หากใช้งานไม่ถูกต้อง เครื่องชาร์จที่ได้รับการออกแบบมาอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญยิ่งสำหรับระบบแบตเตอรี่ทั้งหมด และการตรวจจับอุณหภูมิเป็นสิ่งที่เชื่อถือได้
สรุป การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนนั้นง่ายกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลเป็นพื้นฐาน ลักษณะโปรไฟล์ของแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าที่เป็นขีดจำกัดในการชาร์จนั้นตรงไปตรงมา (ดูรูปที่ 3) ง่ายกว่าการวิเคราะห์โปรไฟล์แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จแบตเตอรี่ชนิดนิกเกิล ซึ่งโปรไฟล์เปลี่ยนไปตามอายุของแบตเตอรี่
กระบวนการชาร์จ Li-ion อาจไม่ต่อเนื่อง และ Li-ion ไม่จำเป็นต้องชาร์จช่วงอิ่มตัวแบบแบตเตอรี่ตะกั่วกรด นี่เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับการจัดเก็บพลังงานหมุนเวียน เช่นแผงโซลาร์เซลล์และกังหันลม ซึ่งไม่สามารถชาร์จแบตเตอรี่ให้เต็มได้เสมอไป การไม่มีการชาร์จแบบ trickle charge ช่วยลดความยุ่งยากในการชาร์จ และ equalizing charge นั้นไม่ต้องมีสำหรับแบตเตอรี่ Li-ion แต่จำเป็นต้องทำในการชาร์จแบตเตอรี่ชนิดตะกั่วกรด เครื่องชาร์จ Li-ion สำหรับผู้บริโภคและอุตสาหกรรมส่วนใหญ่จะชาร์จแบตเตอรี่จนเต็ม พวกเขาไม่ได้เสนอการปรับแต่งแรงดันไฟฟ้าสูงสุดเมื่อชาร์จที่สามารถปรับได้ซึ่งจะยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ Li-ion ด้วยการลดแรงดันไฟฟ้าสุดท้าย และยอมรับเวลาใช้งานที่สั้นลง ผู้ผลิตเครื่องชาร์จกลัวว่าตัวเลือกดังกล่าวจะทำให้เครื่องชาร์จมีความยุ่งยากในการใช้งาน แต่สำหรับยานพาหนะไฟฟ้าและดาวเทียมนั้นหลีกเลี่ยงการชาร์จเต็ม เพื่อให้มีแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานที่ยาวนาน
แนวทางง่ายๆในการชาร์จแบตเตอรี่ที่ใช้ลิเธียมเป็นพื้นฐาน • ศึกษาข้อมูลทางเทคนิคเบื้องต้นของแบตเตอรี่ลิเธียมก่อนทำการชาร์จและคายประจุ • ปิดอุปกรณ์ไฟฟ้า หรือปลดโหลดออกจากเครื่องชาร์จเพื่อให้กระแสไฟฟ้าลดลงในช่วงของการชาร์จอิ่มตัว การใช้โหลดในช่วงนั้นจะทำให้เครื่องชาร์จสับสน • ชาร์จแบตเตอรี่ในที่อุณหภูมิปานกลาง อย่าชาร์จที่อุณหภูมิเยือกแข็ง • ลิเธียมไอออนไม่จำเป็นต้องชาร์จเต็ม การชาร์จเกือบเต็มจะดีกว่า • ปิดเครื่องชาร์จ และ / หรือปลดแบตเตอรี่ออกหากแบตเตอรี่ร้อนผิดปกติ • ชาร์จแบตเตอรีที่หมดก่อนจัดเก็บ (ควรจัดเก็บแบตเตอรี่ลิเธียมที่ระดับ 40-50 เปอร์เซ็นต์ SoC)
เอกสารอ้างอิง
[1] Battery University, [Online]. Available: www.batteryuniversity.com
[2] Turnigy Power System, Instruction Manual, Accucell 6 Professional Balance Charger/Discharger
[3] MarathonNorco Aerospace, Inc, "Operator's Manual For CASP/ProEase Models 2500(L,H,D), 2200(M), 2100(E)", 2004
[4] Panasonic, Datasheet, Lithium Ion NCR18650B
[5] Tenergy Corporation , Datasheet, Tenergy Lithium Ion 18650 Cell Product number 30003
AEC Hybrid Plus ให้บริการตรวจเช็คแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery testing) ซ่อมแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery repair) ฟื้นฟูสภาพแบตเตอรี่ (Hybrid battery reconditioning) และเปลี่ยนชุดแบตเตอรี่ไฮบริด(Hybrid battery rebuild/replacement) ด้วยเครื่องมือที่ทันสมัย อะไหล่ที่มีคุณภาพและทีมงานที่เชี่ยวชาญ พร้อมใบรับประกัน