วิธีการชาร์จแบตเตอรี่ NiCd และ NiMH

แบตเตอรี่นิกเกิล-แคดเมียม(NiCd) และนิกเกิล-เมทัลไฮไดร์ (NiMH) เป็นแบตเตอรี่ที่ถูกนำมาใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าสำหรับผู้บริโภคทั่วไป สำหรับ NiCd นั้นนำมาใช้ในอากาศยานเพราะมีความปลอดภัยสูงและเชื่อถือได้สูง ส่วนแบตเตอรี่ MiMH นั้นมีความจุมากกว่าและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าได้มีการนำมาใช้ในรถยนต์ไฮบริดและรถยนต์ไฟฟ้า

การชาร์จแบตเตอรี่ตระกูลนิกเกิลนั้นคล้ายคลึงกันเนื่องจากเซลล์แบตเตอรี่ที่ทำมาจากนิกเกิลนั้นมีแรงดันไฟฟ้าปกติที่ 1.2 V เท่ากัน และในขณะที่ชาร์จมีโปรไฟล์แรงดันไฟฟ้า อุณหภูมิ และแรงดันภายในเซลล์คล้ายคลึงกันแต่ไม่เท่ากัน ดังแสดงในรูปที่ 1 แบตเตอรี่ NiCd มีอุณหภูมิสูงขึ้นเพียงเล็กน้อยในระหว่างการชาร์จ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิส่วนใหญ่เกิดขึ้นใกล้กับจุดสิ้นสุดของรอบการชาร์จ แบตเตอรี่ NiMH มีความแตกต่างกันในแง่นี้โดยที่อุณหภูมิของแบตเตอรี่จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องในระหว่างการชาร์จและเพิ่มมากขึ้นเมื่อใกล้ถึงจุดสิ้นสุดของรอบการชาร์จ

การเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดขึ้นเมื่อชาร์จแบตเตอรี่ NiMH น้อยกว่า NiCd สิ่งนี้ทำให้ค่อนข้างยากต่อการตรวจจับการชาร์จเต็มของแบตเตอรี่ NiMH โดยเฉพาะเมื่อชาร์จด้วยอัตรากระแสน้อยกว่า 0.5C

รูปที่ 1 แรงดันไฟฟ้า และอุณหภูมิภายในเซลล์แบตเตอรี่ NiCd และ NiMH ในขณะชาร์จ

แบตเตอรี่ที่ทำมาจากนิกเกิลนั้นชาร์จด้วยกระแสไฟฟ้าคงที่ (constant current) โดยในขณะที่ชาร์จแรงดันไฟฟ้าจะเพิ่มสูงขึ้นอย่างอิสระ การตรวจจับว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้วนั้นจะใช้การสังเกตุว่าแรงดันไฟฟ้าลดลงหลังจากที่ขึ้นไปสูงสุด นอกจากนั้นอาจจับที่เวลาหรืออุณหภูมิที่สูงขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป (รายละเอียดด้านล่าง)

แบตเตอรี่ NiCd สามารถชาร์จได้หลายระดับกระแส (capacity rating, C rate*) ขึ้นอยู่กับวิธีการผลิตเซลล์ของผู้ผลิต แต่การชาร์จด้วยอัตรากระแสสูงจะได้ผลสูงสุดเพราะเครื่องชาร์จสามารถวัดจุดที่แบตเตอรี่ชาร์จเต็มได้แม่นยำสุด

ข้อเสียของการชาร์จเร็วคือความเสี่ยงที่จะเกิดการชาร์จเกิน (overcharge) ซึ่งอาจทำให้แบตเตอรี่เสียหายได้ และอุณหภูมิที่เพิ่มมากขึ้นในเซลล์อาจทำให้อายุเซลล์สั้นลง อัตราการชาร์จเร็วสำหรับแบตเตอรี่ NiCd และ NiMH จะอยู่ที่ 0.5C-1C

ผู้ผลิตแบตเตอรี่แนะนำให้ชาร์จแบตเตอรี่ใหม่อย่างช้าๆ (ชาร์จที่อัตรากระแสน้อยกว่า 0.1C) เป็นเวลา 16-24 ชั่วโมงก่อนใช้งาน การชาร์จแบบช้าจะทำให้เซลล์ทั้งหมดในก้อนแบตเตอรี่มีระดับการชาร์จที่เท่ากัน สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากเซลล์แต่ละเซลล์ภายในแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมอาจมีการคายประจุเองในอัตราของตัวเอง นอกจากนี้ในระหว่างการเก็บรักษาเป็นเวลานานอิเล็กโทรไลต์มีแนวโน้มที่จะตกตะกอนไปที่ด้านล่างของเซลล์และการประจุช้าในตอนแรกเริ่มจะช่วยในการกระจายตัวของอิเล็กโทรไลต์เพื่อกำจัดจุดแห้งบนตัวคั่น(separator)

การตรวจจับการชาร์จเต็มด้วยอุณหภูมิ

การตรวจจับการชาร์จเต็มของแบตเตอรี่แบบปิดผนึกที่ใช้นิกเกิลมีความซับซ้อนมากกว่าของตะกั่วกรดและลิเธียมไอออน เครื่องชาร์จราคาประหยัดมักใช้วิธีการตรวจจับอุณหภูมิเพื่อยุติการชาร์จแบบเร็ว แต่วิธีนี้อาจไม่แม่นยำ เพราะแกนกลางของเซลล์ร้อนกว่าผนังด้านนอกที่วัดอุณหภูมิหลายองศา ความแตกต่างที่เกิดขึ้นและอุณหภูมิของสภาพแวดล้อมอาจทำให้เกิดการ overcharge ได้ ผู้ผลิตเครื่องชาร์จใช้อุณหภูมิที่ 50 ° C (122 ° F) เป็นเกณฑ์ตัดการชาร์จ แม้ว่าการชาร์จต่อเนื่องเมื่ออุณหภูมิของแบตเตอรี่สูงกว่า 45 ° C (113 ° F) เป็นเวลานานจะเป็นอันตรายต่อแบตเตอรี่ แต่อุณหภูมิที่เกินในช่วงสั้น ๆ นั้นยอมรับได้หากอุณหภูมิของแบตเตอรี่ลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อชาร์จเสร็จ

เครื่องชาร์จที่ไฮเทคไม่อาศัยเกณฑ์อุณหภูมิคงที่อีกต่อไป แต่รับรู้ถึงอัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิเมื่อเวลาผ่านไปหรือที่เรียกว่าอุณหภูมิที่แตกต่างในช่วงเวลาสั้นๆ หรือ dT / dt แทนที่จะรอให้อุณหภูมิสัมบูรณ์เกิดขึ้น dT / dt จะใช้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในตอนท้ายของการประจุไฟฟ้าเพื่อหยุดการชาร์จ วิธีใช้อุณหภูมิที่แตกต่างนี้ช่วยให้แบตเตอรี่มีอุณหภูมิน้อยกว่าวิธีการตัดที่อุณหภูมิคงที่อันใดอันหนึ่ง แต่เซลล์ต้องชาร์จเร็วพอสมควรเพื่อกระตุ้นให้อุณหภูมิขึ้น เกณฑ์การสิ้นสุดการชาร์จเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น 1 ° C (1.8 ° F) ต่อนาที หากแบตเตอรี่ไม่สามารถเพิ่มอุณหภูมิที่ต้องการได้การตั้งค่าการตัดตามอุณหภูมิสัมบูรณ์ไว้ที่ 60 ° C (140 ° F) จะยุติการชาร์จ

เครื่องชาร์จที่อาศัยอุณหภูมิเป็นตัวตัดการชาร์จอาจจะทำให้เกิดการ overcharge ที่เป็นอันตรายได้หากมีการถอดแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มแล้วใส่เข้าออกซ้ำหลาย ๆ ครั้ง การชาร์จต่อใหม่จะเป็นการเริ่มรอบการชาร์จใหม่ที่ต้องใช้เวลาในการทำให้แบตเตอรี่มีอุณหภูมิสูงขึ้น

การตรวจจับการชาร์จเต็มโดยการตรวจจับลักษณะการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า

เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ที่ทันสมัยจะยุติการชาร์จเมื่อมีลักษณะของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้เกิดขึ้น วิธีนี้สามารถตรวจจับการชาร์จเต็มของแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลได้แม่นยำกว่าวิธีที่ใช้การตรวจจับอุณหภูมิ เครื่องชาร์จจะตรวจจับแรงดันไฟฟ้าตกที่เกิดขึ้นเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว วิธีนี้เรียกว่าเดลต้าวีลบ (negative delta V, NDV หรือ -slope) แต่เครื่องชาร์จบางรุ่นอาจมีฟังก์ชันการตรวจจับการเพิ่มขึ้นของแรงดันไฟฟ้าในช่วงเวลาสั้นๆก่อนที่แรงดันจะสูงสุดและตกลง วิธีนี้เรียกว่าเดลต้าวีบวก (positive delta V, PDV หรือ +slope) ซึ่งข้อเสียของ -slope ก็เรื่องโอกาสที่จะเกิดการ overcharge ของแบตเตอรี่ตระกูลนิกเกิลได้ ดังรูปที่ 2

รูปที่ 2 การตรวจจับการชาร์จเต็มโดยการตรวจจับลักษณะการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้า

ในระหว่างการชาร์จ เครื่องชาร์จจะคำนวน battery slope curve จาก battery voltage curve ซึ่ง battery slope curve แสดงถึงอัตราการเปลี่ยนแปลงของ battery voltage โดย +slope นั้นจะตัดการชาร์จเมื่อเมื่อ slope ลดลงต่ำกว่า 50% ของ peak slope ซึ่งจะเป็นช่วงก่อนถึงจุด peak voltage สำหรับ –slope นั้นจะตัดการชาร์จเมื่อ slope เป็นลบ นั่นคือช่วงหลัง peak voltage

NDV และ PDV เป็นวิธีการตรวจจับการชาร์จเต็มสำหรับเครื่องชาร์จที่ใช้อัตราการชาร์จตั้งแต่ 0.3C หรือมากกว่า วิธีนี้ตอบสนองรวดเร็วและทำงานได้ดีกับแบตเตอรี่ที่ชาร์จไว้บางส่วนหรือชาร์จเต็มแล้ว เมื่อใส่แบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มแล้วแรงดันไฟฟ้าของขั้วจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วจากนั้นจะลดลงอย่างรวดเร็วเครื่องชาร์จจะหยุดการชาร์จทันที การชาร์จจะใช้เวลาเพียงไม่กี่นาทีและอุณหภูมิของเซลล์ยังไม่สูงขึ้น โดยทั่วไปเครื่องชาร์จ NiCd ที่มีระบบการตรวจจับ NDV จะตอบสนองต่อแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง 5mV ต่อเซลล์ สิ่งนี้ต้องใช้การกรองแบบอิเล็กทรอนิกส์เพื่อชดเชยสัญญาณรบกวนและความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าที่เกิดจากแบตเตอรี่และเครื่องชาร์จ

อัลกอริทึมการชาร์จสำหรับ NiMH นั้นคล้ายกับ NiCd โดยมีข้อยกเว้นว่า NiMH นั้นซับซ้อนกว่า เพื่อให้ได้ลักษณะแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อถือได้อัตราการชาร์จต้องอยู่ที่ 0.5C หรือสูงกว่า การชาร์จแบบช้าด้วยอัตรากระแสตำ่จะทำให้เกิดจุดที่แรงดันไฟฟ้าตกไม่ชัดเจนโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเซลล์ไม่เข้ากันได้ (mismatch) ซึ่งในกรณีนี้แต่ละเซลล์จะชาร์จเต็มในเวลาที่ต่างกัน เพื่อให้มั่นใจในการตรวจจับการชาร์จเต็มที่เชื่อถือได้เครื่องชาร์จ NDV ส่วนใหญ่ยังมีการใช้การตรวจจับแรงดันไฟฟ้าที่จะยุติการชาร์จเมื่อแรงดันไฟฟ้าอยู่ในสถานะคงที่ในช่วงเวลาที่กำหนด นอกจากนั้นเครื่องชาร์จเหล่านี้ยังมีการใช้เกณฑ์ลักษณะอุณหภูมิที่แตกต่างในขณะชาร์จ อุณหภูมิของเซลล์ และตัวจับเวลาการชาร์จ ร่วมด้วย

การชาร์จแบบเร็วช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการชาร์จ ที่อัตราการชาร์จ 1C ประสิทธิภาพของ NiCd มาตรฐานอยู่ที่ 91 เปอร์เซ็นต์และเวลาในการชาร์จประมาณหนึ่งชั่วโมง (66 นาทีที่ 91 เปอร์เซ็นต์) สำหรับการชาร์จแบบช้าด้วยอัตราการชาร์จ 0.1C ประสิทธิภาพจะลดลงเหลือ 71 เปอร์เซ็นต์และยืดเวลาการชาร์จออกไปประมาณ 14 ชั่วโมง

ในระหว่างการชาร์จ 70 เปอร์เซ็นต์แรกประสิทธิภาพของ NiCd ใกล้เคียงกับ 100 เปอร์เซ็นต์ แบตเตอรี่ดูดซับพลังงานเกือบทั้งหมดและอุณหภูมิแบตเตอรี่ยังคงเย็นอยู่ เมื่อแบตเตอรี่ใกล้เต็มการดูดซัพพลังงานลดลง พลังงานส่วนเกินเปลี่ยนเป็นความร้อน เซลล์เริ่มสร้างก๊าซความดันสูงขึ้นและอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อลดความเครียดของแบตเตอรี่เครื่องชาร์จบางรุ่นจะลดอัตราการชาร์จให้ต่ำลงเมื่อแบตเตอรี่ประจุได้เกิน 70 เปอร์เซ็นต์แล้ว

แบตเตอรี่ NiCd ที่มีความจุสูงพิเศษ เช่นแบตเตอรี่สำหรับอากาศยาน มักจะร้อนกว่า NiCd มาตรฐานเมื่อชาร์จที่ 1C ขึ้นไป สาเหตุส่วนหนึ่งนั้นเป็นผลมาจากความต้านทานภายในที่เพิ่มขึ้น การใช้กระแสไฟสูงเมื่อเริ่มชาร์จแล้วลดเป็นอัตราที่ต่ำลงเนื่องจากแบตเตอรี่รับประจุได้น้อยลง เป็นวิธีการชาร์จที่แนะนำสำหรับแบตเตอรี่ชนิดนี้

เป็นที่ทราบกันดีว่าในระหว่างการชาร์จ การชาร์จด้วยการสลับด้วยการคายประจุไฟฟ้าในเวลาสั้นๆระหว่างชาร์จ (reflex charging) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการประจุของแบตเตอรี่ที่ใช้นิกเกิลนั้น วิธีนี้ช่วยลดการอัตราการเพิ่มของก๊าซที่เกิดขึ้นระหว่างการชาร์จด้วย ผลลัพธ์คือแบตเตอรี่มีอุณหภูมิที่เย็นกว่าและมีประสิทธิภาพการประจุที่ดีกว่าการใช้เครื่องชาร์จไฟกระแสตรงทั่วไป วิธีนี้ยังกล่าวอีกว่าสามารถแก้ไข "memory effect" ได้ แม้ว่าการชาร์จแบบ reflex อาจมีประโยชน์สำหรับแบตเตอรี่ NiCd และ NiMH แต่วิธีนี้ใช้ไม่ได้กับแบตเตอรี่ที่ใช้ตะกั่วและลิเธียม แบตเตอรี่เหล่านี้ทำงานได้ดีที่สุดกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเท่านั้น

การชาร์จแบตเตอรี่นิกเกิลแคดเมียมชนิดเปียก (flooded Nickel-cadmium)

แบตเตอรี่ NiCd ชนิดเปียก เช่นแบตเตอรี่เครื่องบินจะถูกชาร์จด้วยกระแสคงที่ที่อัตรา 1C จนแรงดันไฟฟ้าถึงประมาณ 1.55V / เซลล์ จากนั้นท็อปชาร์จด้วยกระแสที่ลดลงเหลือ 0.1C และการชาร์จจะดำเนินต่อไปจนถึง 1.55V / เซลล์อีกครั้ง NDVไม่สามารถใช้ได้เนื่องจาก NiCd ชนิดเปียกไม่ดูดซับก๊าซเนื่องจากไม่ได้อยู่ภายใต้ความดันเพราะความดันจะถูกปล่อยออกทางวาล์วระบาย

รูปที่ 3 เซลล์ NiCd ชนิดเปียก

หมายเหตุ: * C-rate ตัวอักษร“ C” คือหน่วยวัดความจุของเซลล์ในหน่วย mAH

เอกสารอ้างอิง

[1] Battery University, [Online]. Available: www.batteryuniversity.com

[2] “FROM NICKEL-CADMIUM TO NICKEL-HYDRIDE FAST BATTERY CHARGER”,

AN 417, J. NICOLAI, L. WUIDART(SGS-THOMSON Microelectronics)

[3] “Nickel–cadmium battery”, Wikipedia, [Online]. Available: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Nickel–cadmium_battery

[4] MarathonNorco Aerospace, Inc, "Operator's Manual For CASP/ProEase Models 2500(L,H,D), 2200(M), 2100(E)", 2004

---

AEC Hybrid Plus ให้บริการตรวจเช็คแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery testing) ซ่อมแบตเตอรี่ไฮบริด (Hybrid battery repair) ฟื้นฟูสภาพแบตเตอรี่ (Hybrid battery reconditioning) และเปลี่ยนชุดแบตเตอรี่ไฮบริด(Hybrid battery rebuild/replacement) ด้วยเครื่องมือที่ทันสมัย อะไหล่ที่มีคุณภาพและทีมงานที่เชี่ยวชาญ พร้อมใบรับประกัน