จะรักษามาตรฐานความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่ในอุณหภูมิสูงได้อย่างไร

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับภาวะความร้อนล้นเกินและอันตรายที่เกิดขึ้นกับชุดแบตเตอรี่

ภาวะความร้อนล้นเกินในชุดแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน เกิดขึ้นเมื่อการผลิตความร้อนมีอัตราเร็วกว่าการถ่ายเทความร้อน ซึ่งทำให้เกิดวงจรความล้มเหลวที่เร่งตัวเองอย่างต่อเนื่อง ปรากฏการณ์นี้เป็นสาเหตุถึง 38% ของการเสียหายของแบตเตอรี่ในอุณหภูมิสูง (Energy-Storage.news 2023) โดยเฉพาะในรถยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานตามโครงข่ายไฟฟ้า ซึ่งความต้องการในการดำเนินงานเพิ่มความเสี่ยงให้สูงขึ้น

อะไรเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดภาวะความร้อนล้นเกินในชุดแบตเตอรี่

ตัวกระตุ้นทั่วไป ได้แก่:

• ความเสียหายทางกายภาพต่อความสมบูรณ์ของเซลล์ (เช่น รอยทะลุจากข้อบกพร่องในการผลิต)
• การใช้งานไฟฟ้าผิดวิธี เช่น การชาร์จเกินกว่า 4.25V ต่อเซลล์
• อุณหภูมิโดยรอบที่สูงกว่า 45°C (113°F)

ที่อุณหภูมิ 80°C วัสดุแยกตัวเริ่มเสื่อมสภาพ ทำให้เกิดวงจรลัดวงใน ซึ่งอาจทำให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง 500°C ภายในไม่กี่วินาที ส่งผลให้มีการปล่อยอิเล็กโทรไลต์ที่ติดไฟได้และเพิ่มความเสี่ยงจากไฟไหม้ (ที่มา: Discovery Alert 2024)

การสร้างความร้อนเทียบกับการกระจายความร้อน: การควบคุมสมดุลพลวัตของความร้อนในระดับเซลล์

การจัดการความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพจำเป็นต้องรักษาระดับการกระจายความร้อนให้สูงกว่าการสร้างความร้อน 2–3 เท่า ปัจจัยการออกแบบหลักๆ มีผลต่อสมดุลนี้:

ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟมักล้มเหลวในสภาพแวดล้อมที่สูงกว่า 30°C ทำให้จำเป็นต้องใช้ระบบควบคุมอุณหภูมิแบบแอคทีฟสำหรับการใช้งานที่ต้องการสมรรถนะสูง

การใช้ปัจจัยการเกิดภาวะความร้อนล้น (TRF) เพื่อประเมินความเสี่ยงด้านความปลอดภัย

ปัจจัยการเกิดภาวะความร้อนล้น (TRF) ใช้สูตรในการคำนวณความเสี่ยง ดังนี้:
TRF = (อัตราการผลิตความร้อน) / (ความสามารถในการถ่ายเทความร้อน)

ระบบที่มีค่า TRF >1.2 มีโอกาส 85% ที่จะเกิดความล้มเหลวแบบลูกโซ่ (Energy-Storage.news 2023) การออกแบบรุ่นใหม่ที่รวมการตรวจสอบค่า TRF แบบเรียลไทม์ ช่วยลดเหตุการณ์อุณหภูมิสูงลงได้ 72% โดยการปรับกระแสไฟล่วงหน้าและเปิดระบบทำความเย็นตามลำดับขั้น

การออกแบบเซลล์แบตเตอรี่เพื่อเพิ่มความมั่นคงทางความร้อน

วัสดุอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์สำหรับความทนทานต่ออุณหภูมิสูง

ชุดแบตเตอรี่ในปัจจุบันมีการใช้วัสดุที่ทนต่อความร้อนได้ดีขึ้น ทำให้มีความปลอดภัยมากยิ่งขึ้น โดยแบตเตอรี่รุ่นใหม่มักมีแคโทดที่อุดมไปด้วยนิกเกิล และแอนโอดที่มีซิลิคอน ซึ่งสามารถทนต่อความร้อนได้ค่อนข้างดี โดยไม่ลดทอนปริมาณพลังงานที่เก็บได้ ผู้ผลิตยังใช้แผ่นแยก (separator) ที่เคลือบด้วยวัสดุเซรามิก และอิเล็กโทรไลต์ที่ไม่ติดไฟง่าย เพื่อป้องกันการลัดวงจรภายในที่อาจเป็นอันตรายได้ อีกทั้งแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต หรือ LFP ก็ถือเป็นอีกก้าวสำคัญ เพราะช่วยลดความเสี่ยงจากปัญหาความร้อนสะสมลงประมาณ 40 เปอร์เซ็นต์ เมื่อเทียบกับแบตเตอรี่รุ่นเก่า ทั้งหมดนี้ทำให้แบตเตอรี่ยังคงทำงานได้อย่างเหมาะสมแม้อุณหภูมิจะสูงเกิน 60 องศาเซลเซียส ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าและระบบจัดเก็บพลังงานขนาดใหญ่ ที่การจัดการความร้อนเป็นเรื่องที่ต้องให้ความสำคัญเสมอ

นวัตกรรมเชิงโครงสร้างที่ป้องกันการลุกลามของความร้อน

วิศวกรจำกัดการกระจายความร้อนโดยใช้โครงสร้างอิเล็กโทรดแบบ 3 มิติ และชั้นบีบอัดที่จัดการแรงขยายตัว ผนังกันไฟภายในที่ทำจากฉนวนแอโรเจลแยกเซลล์ที่เกิดความร้อนสูงออก ส่วนการออกแบบเซลล์รวมเป็นแพ็คแบบบูรณาการช่วยลดการถ่ายเทความร้อนแบบสะพานความร้อน ฟีเจอร์เหล่านี้ร่วมกันช่วยควบคุมความร้อนไว้ที่ต้นทางโดยไม่กระทบต่อความจุพลังงาน

กรณีศึกษา: การออกแบบเซลล์ลิเธียมไอออนใหม่เพื่อประสิทธิภาพด้านความร้อนที่ดีขึ้น

ในปี 2023 ผู้ผลิตรายใหญ่รายหนึ่งได้ออกผลิตภัณฑ์ที่ออกแบบใหม่ ซึ่งแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงข้อดีของการปรับปรุงแบบบูรณาการ โดยพวกเขาใช้เซลล์แบบกระเป๋า (pouch type cells) ร่วมกับเทคโนโลยีการจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูง ส่งผลให้มีความหนาแน่นพลังงานเพิ่มขึ้นประมาณ 15 เปอร์เซ็นต์ในพื้นที่เดิม สิ่งที่น่าสนใจคือ แม้จะชาร์จเร็วที่อัตรา 3C เหล่านี้ยังสามารถควบคุมอุณหภูมิผิวได้ดี โดยรักษาระดับอุณหภูมิไม่เกิน 45 องศาเซลเซียสตลอดการใช้งาน เมื่อนำการออกแบบใหม่นี้ไปทำการทดสอบอายุการใช้งานเร่ง (accelerated aging tests) สิ่งหนึ่งที่โดดเด่นคือ มีการสูญเสียความจุของแบตเตอรี่ลดลงประมาณ 30% หลังจากผ่านการชาร์จ 1,000 รอบ ในสภาวะอุณหภูมิ 55°C เมื่อเทียบกับรุ่นก่อนหน้าจากบริษัทเดียวกัน

ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS): การป้องกันแบบเรียลไทม์ในสภาวะร้อน

ระบบจัดการแบตเตอรี่สมัยใหม่ (BMS) ทำหน้าที่เหมือนระบบประสาทส่วนกลางสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่ทำงานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง โดยการตรวจสอบอย่างต่อเนื่องและโปรโตคอลความปลอดภัยแบบปรับตัวได้ ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงเมื่อสภาวะแวดล้อมเกินขีดจำกัดที่ปลอดภัย

ฟีเจอร์การตรวจสอบอุณหภูมิอย่างต่อเนื่องและการปิดเครื่องอัตโนมัติ

ระบบจัดการแบตเตอรี่ที่ทันสมัย (BMS) อาศัยเซ็นเซอร์วัดอุณหภูมิที่กระจายอยู่ทั่วไป ซึ่งตรวจสอบสภาพของแต่ละเซลล์ได้บ่อยถึง 100 ครั้งต่อวินาที หากค่าอุณหภูมิที่อ่านได้เริ่มเข้าใกล้โซนแดงในระดับอันตราย ซึ่งเกิดขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงเกินประมาณ 60 องศาเซลเซียส สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ BMS จะทำงานโดยใช้มาตรการป้องกันหลายชั้น ก่อนอื่นอาจลดความเร็วในการชาร์จแบตเตอรี่ จากนั้นเปิดใช้งานกลไกการระบายความร้อนเพิ่มเติมหากจำเป็น และในที่สุดจะปิดการทำงานทั้งหมดอย่างสมบูรณ์เป็นทางเลือกสุดท้าย ตามผลการทดสอบภาคสนามที่ดำเนินการในโรงงานผลิตต่างๆ การใช้วิธีการแบบหลายชั้นนี้ในการจัดการปัญหาความร้อนสามารถป้องกันปัญหาการร้อนเกินศักยภาพได้ประมาณ 9 ใน 10 กรณี ก่อนที่จะก่อให้เกิดความเสียหายร้ายแรง

การป้องกันการชาร์จเกินและกระแสไฟกระชากภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมที่สูง

อุณหภูมิที่สูงขึ้นเร่งการเสื่อมสภาพทางไฟฟ้าเคมี ทำให้เพิ่มความเสี่ยงต่อความเสียหายจากประจุเกิน โซลูชัน BMS ขั้นสูงจะปรับแรงดันการชาร์จสูงสุดแบบไดนามิกตามข้อมูลอุณหภูมิแบบเรียลไทม์ — โดยลดเกณฑ์ลง 3–5% ต่อการเพิ่มขึ้นทุก 10°C เมื่ออุณหภูมิเกิน 35°C อัลกอริธึมจำกัดกระแสยังช่วยป้องกันการพุ่งของกระแสที่เป็นอันตรายในระหว่างรอบการคายประจุอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะร้อน

ข้อมูลเชิงลึก: BMS ช่วยลดอัตราความล้มเหลวจากอุณหภูมิสูงได้สูงสุดถึง 60%

การวิเคราะห์ในปี 2024 จากการติดตั้งเชิงพาณิชย์ 12,000 รายการ พบว่าเทคโนโลยี BMS แบบปรับตัวช่วยลดความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับความร้อนได้ 58% เมื่อเทียบกับระบบตรวจสอบแรงดันพื้นฐาน ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 40°C อย่างต่อเนื่อง แพลตฟอร์ม BMS ขั้นสูงแสดงความน่าเชื่อถือได้มากกว่า 60–67%

อัลกอริธึมเชิงคาดการณ์สำหรับการตรวจจับความเครียดจากความร้อนในระยะแรก

ระบบจัดการแบตเตอรี่รุ่นถัดไปใช้แบบจำลองการเรียนรู้ของเครื่องที่ได้รับการฝึกฝนจากข้อมูลประสิทธิภาพในอดีตและแนวโน้มสภาพแวดล้อม ขั้นตอนวิธีเหล่านี้สามารถตรวจจับสัญญาณเบื้องต้นของความเครียดจากความร้อน—เช่น การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอย่างเล็กน้อยและการเคลื่อนตัวของความต้านทาน—พร้อมทำนายเหตุการณ์ที่อาจเกิดขึ้นล่วงหน้า 8–12 ชั่วโมง ด้วยความแม่นยำ 89% ซึ่งช่วยให้สามารถดำเนินการเชิงรุก เช่น การกระจายภาระงานใหม่หรือการทำความเย็นล่วงหน้า

ระบบจัดการอุณหภูมิ: กลยุทธ์การระบายความร้อนแบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ

ระบบจัดการอุณหภูมิ (TMS) มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการรับประกันความปลอดภัยและความทนทานของชุดแบตเตอรี่ในสภาวะที่มีอุณหภูมิสูง

เปรียบเทียบการระบายความร้อนแบบแอคทีฟกับแบบพาสซีฟเพื่อประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่

ระบบระบายความร้อนแบบพาสซีฟทำงานโดยปล่อยให้ความร้อนหลุดออกตามธรรมชาติผ่านอุปกรณ์ต่างๆ เช่น ฮีทซิงก์ วัสดุพิเศษที่เปลี่ยนสถานะเมื่อร้อน หรือการนำความร้อนผ่านตัวเรือนโดยตรง วิธีเหล่านี้มีข้อดีคือไม่ต้องใช้พลังงานและแทบจะดูแลตัวเองได้ แต่กลับใช้การไม่ได้ผลเลยเมื่อต้องจัดการกับความร้อนเข้มข้นที่เกิดจากแบตเตอรี่ที่ถูกจัดเรียงอย่างแน่นหนา ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟใช้วิธีการที่แตกต่างออกไปโดยใช้พัดลม ปั๊มน้ำเพื่อหมุนเวียนของเหลว บางครั้งแม้แต่สารทำความเย็น เพื่อควบคุมอุณหภูมิ ข้อเสียคือ? ระบบนี้ใช้พลังงานมากกว่าแบบพาสซีฟประมาณ 15 ถึง 25 เปอร์เซ็นต์ แต่สิ่งที่ได้กลับมานั้นคุ้มค่าสำหรับการใช้งานหลายประเภท เพราะสามารถรักษาระดับอุณหภูมิให้คงที่มากขึ้นทั่วทุกเซลล์แบตเตอรี่ มักช่วยปรับปรุงความสม่ำเสมอได้สูงถึง 40 เปอร์เซ็นต์

แนวโน้มระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวในชุดแบตเตอรี่ EV เพื่อการควบคุมความร้อนที่เหนือกว่า

ผู้ผลิยานยนต์ไฟฟ้าเริ่มหันมาใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมากขึ้นเนื่องจากมีประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนสูง สารหล่อเย็นจะไหลเวียนผ่านช่องไมโครที่รวมเข้ากับโมดูลแบตเตอรี่โดยตรง ซึ่งสามารถนำความร้อนออกได้เร็วกว่าการออกแบบระบายความร้อนด้วยอากาศถึง 50% สิ่งนี้มีประสิทธิภาพโดยเฉพาะในการจัดการกับการปล่อยความร้อนที่สูงขึ้น 60–80% ซึ่งพบได้ในแบตเตอรี่ EV ที่ชาร์จเร็ว

การออกแบบตู้ควบคุมสภาพอากาศเพื่อเพิ่มความปลอดภัย

ตู้ขั้นสูงรวมฉนวนและระบบระบายอากาศแบบแอคทีฟเพื่อให้สภาวะภายในคงที่ การสร้างหลายชั้นโดยใช้วัสดุฉนวนแบบแอโรเจลและชั้นกันรั่วอัตโนมัติ ลดการแทรกซึมของความร้อนจากภายนอกได้ 70% ในพื้นที่ทะเลทราย ปัจจุบันตู้ที่ได้มาตรฐาน IP67 พร้อมระบบควบคุมความชื้นอัตโนมัติเป็นมาตรฐานทั่วไป ช่วยลดความเสี่ยงจากการกัดกร่อนลง 35% ในสภาพแวดล้อมเขตร้อน

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับการชาร์จ การจัดเก็บ และการตรวจสอบความปลอดภัย

โปรโตคอลการชาร์จอย่างปลอดภัยเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพเมื่ออุณหภูมิเกิน 40°C

การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่อุณหภูมิเกิน 40°C จะเร่งการเสื่อมสภาพ โดยงานวิจัยแสดงให้เห็นว่า ความจุลดลงเร็วขึ้นถึง 3 เท่า เมื่อเทียบกับการใช้งานที่อุณหภูมิ 25°C (Ponemon 2023) แนวทางปฏิบัติที่แนะนำ ได้แก่:

• ใช้ที่ชาร์จที่ผ่านการรับรองและมีวงจรตรวจสอบอุณหภูมิ ซึ่งจะหยุดการชาร์จเมื่ออุณหภูมิถึง 45°C
• จำกัดอัตราการชาร์จที่ 0.5C เมื่ออุณหภูมิแวดล้อมเกิน 35°C
• รักษาระดับการชาร์จ (SoC) ไว้ระหว่าง 20–80% เพื่อลดการเติบโตของผลึกที่ขั้วไฟฟ้า

เงื่อนไขการจัดเก็บที่เหมาะสมที่สุดสำหรับชุดแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมที่ร้อน

การสัมผัสกับความร้อนเป็นเวลานานส่งเสริมปฏิกิริยาทางเคมีที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ การศึกษาของ NREL ปี 2024 พบว่า ชุดแบตเตอรี่ที่จัดเก็บที่ระดับ SoC 50% ในสภาพแวดล้อม 30°C มีอัตราการเสื่อมสภาพ ช้าลง 40% เมื่อเทียบกับชุดแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มและจัดเก็บที่ 40°C แนวทางการจัดเก็บที่สำคัญ:

การตรวจสอบความปลอดภัย: การทดสอบเร่งความร้อนด้วย ARC และการจำลองภาวะเครียด

วิธีการตรวจสอบขั้นสูง เช่น การวัดอัตราการเพิ่มอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว (Accelerating Rate Calorimetry - ARC) และการวิเคราะห์ด้วยไฟไนต์เอลิเมนต์ (FEA) ใช้สำหรับจำลองสถานการณ์ความร้อนสุดขีด มาตรฐานการทดสอบตาม UL 9540A จะทำให้ชุดแบตเตอรี่ต้องเผชิญกับ:

• อัตราการเพิ่มอุณหภูมิสูงสุดถึง 10°C/นาที
• แรงกดทับเชิงกลเทียบเท่ากับ 200% ของโหลดที่กำหนด
• กระแสลัดวงจรที่เกินกว่า 1,000A

ตามรายงานอุตสาหกรรมปี 2023 โปรโตคอลเหล่านี้ช่วยลดอัตราความล้มเหลวในสนามได้ถึง 70% ในแบตเตอรี่แพ็คที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่า 45°C (UL Solutions)

ส่วน FAQ

สาเหตุหลักของภาวะการเกิดความร้อนไม่สามารถควบคุมได้ (thermal runaway) ในแบตเตอรี่แพ็คคืออะไร

สาเหตุหลักของภาวะการเกิดความร้อนไม่สามารถควบคุมได้ในแบตเตอรี่แพ็ค ได้แก่ ความเสียหายทางกายภาพของเซลล์ การใช้งานไฟฟ้าผิดวิธี เช่น การชาร์จเกิน และอุณหภูมิแวดล้อมที่สูงเกิน 45°C

การประเมินความเสี่ยงของการเกิดความร้อนไม่สามารถควบคุมได้ทำอย่างไร

ความเสี่ยงของการเกิดความร้อนไม่สามารถควบคุมได้จะถูกวัดโดยใช้ดัชนี Thermal Runaway Factor (TRF) ซึ่งคำนวณจากอัตราการผลิตความร้อนหารด้วยความสามารถในการระบายความร้อน โดยค่า TRF ที่มากกว่า 1.2 บ่งชี้ถึงความเสี่ยงสูงต่อความล้มเหลว

ระบบ Battery Management System (BMS) มีบทบาทอย่างไรในการป้องกันการร้อนเกิน

ระบบ Battery Management System (BMS) จะตรวจสอบอุณหภูมิของเซลล์อย่างต่อเนื่อง และปรับอัตราการชาร์จรวมถึงกลไกการทำความเย็น นอกจากนี้ยังสามารถปิดการทำงานของแบตเตอรี่แพ็คเพื่อป้องกันการร้อนเกินได้

ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบพาสซีฟแค่ไหน

ระบบระบายความร้อนแบบแอคทีฟมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบพาสซีฟในการจัดการกับระดับความร้อนสูง แม้จะใช้พลังงานมากกว่าแต่สามารถรักษาระดับอุณหภูมิได้อย่างสม่ำเสมอมากขึ้น

มีการปรับปรุงใดบ้างในด้านการออกแบบเซลล์แบตเตอรี่เพื่อยกระดับเสถียรภาพทางความร้อน

การปรับปรุงรวมถึงการใช้วัสดุที่ทนต่ออุณหภูมิสูง การออกแบบขั้วไฟฟ้าแบบ 3 มิติ และเทคโนโลยีการจัดการความร้อนขั้นสูงที่ป้องกันการแพร่กระจายของความร้อน