เรามารู้จักกับแบตเตอรี่ที่ใช้กับดวงโคมไฟ LED Solar Street all-in-one นวัตกรรมใหม่ของแบตเตอรี่ที่ใช้ร่วมกับดวงโคมไฟฟ้าส่องถนน ซึ่งปัจจุบันมีการใช้แบตเตอรี่กันหลายแบบ และผู้ใช้งานจำเป็นต้องรู้เรื่องนี้บ้าง เพื่อที่จะได้เลือกผลิตภัณฑ์ที่มีอายุการใช้งานที่ยาวนานคุ้มค่ากับการลงทุน

ภาพดวงโคมไฟ LED Solar Street all-in-one

 แบตเตอรี่ LiFePO4 เป็นแบตเตอรี่ชนิด Lithium-Ion ที่ค้นคิดขึ้นมาใหม่ โดยเป็นการรวมข้อดีของแบตฯ Li-Po กับ แบตฯ A123 เข้าด้วยกัน

ภาพของเซลล์แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4

   LiFePO4 ย่อมาจาก Lithium Ion Phosphate นั้นจะยึดโครงสร้างทางเคมีเช่นเดียวกับแบต Li-Po (Lithium Polymer) ทั่วไป แต่ว่ามีการเปลี่ยนวัสดุที่ใช้จาก Cobalt Dioxide ที่เป็นก๊าซมาเป็นโลหะที่ทนทานมากขึ้น การที่ LiFePO4 เปลี่ยนวัสดุจาก Lithium Cobalt Dioxide (LiCoO2) มาเป็นโลหะทำให้ปลอดจากปฎิกริยาเคมีที่ทำให้เกิดความร้อนในแบตฯ Li-Po ทั่วไป มีผลทำให้ LiFePO4 ไม่สามารถติดไฟหรือเกิดการเผาไม้เหมือนกับ Li-Po แม้จะถูกใช้งานอย่างสุดขีด หรือเกินขอบเขตที่แบต Li-Po ทั่วไปจะสามารถรับได้ ในขณะเดียวกันตัว LiFePO4 ยังมีการขับพลังงานที่สูงกว่า (higher discharge rate) และไม่เป็นพิษ (nontoxic) แถมยังมีอายุการใช้งานที่มากกว่าแบต Li-Po ทั่วไปหลายเท่า

LiFePO4 ถูกคิดค้นโดย Mr. John Goodenough ทีมวิจัยของมหาวิทยาลัย เท๊กซัลในปี 1996 เพราะคุณสมบัติพิเศษของวัสดุใหม่นี้ ทำให้ LifePO4 มีต้นทุนที่ถูกลง, ไม่เกิดพิษภัย, มีความทนทานมากขึ้น, มีการควบคุมอุณหภูมิที่ดีขึ้น, มีความปลอดภัยมากขึ้น, นำไฟได้ดีขึ้นและสามารถบรรจุ mAh ได้มาขึ้นอีกด้วย ถ้าเทียบกับ Li-Po ทั่วไป

จุดเด่นของ LiFePO4

ความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ได้เป็นอย่างดี ไม่ทำให้เกิดความร้อนมาก หรือถ้าเกิดความร้อนมากก็ไม่มีผลทำให้ตัวแบตมีการเปลี่ยนรูปร่างหรือเปลี่ยน สถานะของตัวเอง มีอายุการใช้งานต่อรอบมากขึ้น (Life Cycle) และมีอายุยาวขึ้น (Calendar Life)

กระแสไฟจ่ายได้สูงมากขึ้นและการจ่ายกระแสสูงชั่วขณะได้มากขึ้น (Peak-power rating) และ การใช้ Iron & Phosphate ทำให้ไม่มีผลเสียหายต่อสิ่งแวดล้อมเพราะ เป็นสารที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมอยู่แล้ว ไม่เหมือน Cobalt ที่จะทำลายสิ่งแวดล้อมในระยะยาว การพัฒนาอย่างต่อเนื่องโรงงานผลิตทั่วโลกพยายามทำให้ LiFePO4 มีค่าบรรจุที่สูงขึ้นและขนาดที่เล็กลงและเบาขึ้น

ข้อเปรียบเทียบ Li-Po & LiFePO4

LiFePO4 เกิดจากาการใช้สารที่มีโครงสร้างทางโมเลกุลทนทานกว่าของ Li-Po ทั่วไปทำให้เวลาที่เกิดการใช้งานที่ผิดแปลกจากปกติ เช่นการลัดวงจร หรือการใช้ในสภาวะที่เกิดความร้อนสูง ตัวโมเลกุลที่แข็งแรงของ LiFePO4 ทำให้อนูของออกซิเจนไม่แยกตัวออก ทำให้ไม่บวมเหมือน Li-Po ที่ใช้โครงสร้างสาร CoO2.

ในวงการอุตสาหกรรมทั่วไปตัว LifePO4 ได้รับความนิยมอย่างสูง เพราะข้อได้เปรียบและจุดเด่นที่เหนือกว่า Li-Po โดยเฉพาะเรื่องความปลอดภัยจากการรั่วของก๊าซและเพลิงไหม้ ทำให้ LiFePO4 ได้ถูกยอมรับในวงการต่างๆมากยิ่งขึ้น สำหรับในวงการ Hobby RC เองก็เริ่มได้รับการยอมรับมากขึ้นเรื่อยๆเพราะตัว LiFePO4 สามารถ Charge ได้ไว้กว่าและมากครั้งกว่า และไม่มีโอกาสติดไฟได้อย่าง Li-Po ทั่วไป ทั้งยังแข็งแรงกว่าด้วย

นวัตกรรมแบตเตอร์รี่ตระกูลลิเทียมไอออน แบตเตอร์รี่ LiFePo4 ชาร์จได้เร็วกว่าประสิทธิภาพเหนือกว่า !!

เป็นที่ประจักษ์แล้วว่าแบตเตอร์รี่ไอออน Li-ion (polymer) และ แบตเตอร์รี่ ลิเทียมโคบอลล์ออกไซด์ (LiCoO2) มีการใช้งานอย่างมากในอุตสาหกรรมอิเลกทรอนิกส์  แต่แบตเตอร์รี่ลิเทียมโคบอลล์ออกไซด์ (LiCoO2) ราคาแพงมาก และไม่ปลอดภัยเมื่อมันมีความจุสูงขึ้น แบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4) เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในปัจจุบันนี้ ตลาดแบตเตอร์รี่ตระกูลลิเทียมไอออนมีความนิยมเนื่องจากมีความจุสูงและสามารถ นำไปใช้งานได้หลากหลาย เช่น คอมพิวเตอร์แลบทอป เครื่องมือกล รถวีลแชร์ไฟฟ้า รถจักรยานไฟฟ้า รถไฟฟ้า แม้นแต่รถบัสไฟฟ้า แบตเตอร์รี่ลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4) มีความปลอดภัยเทียบเท่าแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด แต่ความแรงเทียบเท่าแบตแบบตระกูลลิเทียมไอออน ข้อดีของลิเทียมไอออน Li-ion (polymer) ที่เป็นชนิดลิเทียมไอออนฟอสเฟต (LiFePo4)คือ

1. ชาร์จไว

ในระหว่างกระบวนการชาร์จแบตเตอร์รี่ Li-ion แบบดั้งเดิมประกอบด้วย ลิเทียมโคบอลต์ออกไซต์(LiCoO2) ต้องการชาร์จสองขั้นตอน ขั้นตอนแรก คือการใช้กระแสคงที่ (Constant Current:CC) เพื่อให้ถึง 60% ของจุดชาร์จ (Stage of Charge:SOC) ขั้นตอนที่สอง เกิดขึ้นเมื่อแรงดันไปถึง 4.2V เป็นขีดจำกัดบนแรงดันของการชาร์จ ก็จะเริ่มชาร์จที่แรงดันคงที่จนกว่ากระแสจะลดลงเรื่อยๆ ในขั้นตอนที่  (60%SOC) ใช้เวลาประมาณ 2 ชั่วโมง และในขั้นตอนที่ 2 (40%SOC) ใช้เวลาอีกประมาณ 2 ชั่วโมง แต่แบตเตอร์รี่ LiFePo4 สามารถใช้แค่ 1 ขั้นตอน เมื่อ CC ไปถึง 95% ของ SOC หรืออาจชาร์จทั้ง CC+CV เพื่อให้ถึง 100%SOC เวลาทั้งหมดประมาณสองชั่วโมง

กราฟแสดงความสัมพัธ์ระหว่างแรงดันและกระแสในการชาร์จ

2. มีการเผื่อต่อการชาร์จมากไป (over charge) สูง และสมรรถนะที่ปลอดภัยกว่า

แบตเตอร์รี่ LiCoO2 มีการเผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จแคบมาก ประมาณ 0.1V ที่แรงดันชาร์จ 4.2V และต้องพิจารณาขีดจำกัดควบคุมบนของการชาร์จแรงดันด้วย ถ้าชาร์จเกิด 4.3V อาจทำให้แบตเตอร์รี่ประสิทธิภาพตกได้และอาจเป็นเหตุให้ไฟไหม้และระเบิดได้ แบตเตอร์รี่ LiFePO4 มีการผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จกว้างมากกว่าเป็น 0.7V ที่แรงดันชาร์จเป็น 3.4V

ความร้อนจากปฏิกิริยาเคมีวัดจาก DSC หลังจากโอเวอร์ชาร์จเป็น 90J/g สำหรับ LiFePO4 และ 1600J/g for LiCoO2 ยิ่งมีการคายความร้อนมากเท่าไร จะเกิดพลังงานจะสะสมในแบตเตอร์รี่ในทางสิ้นเปลืองและอาจทำให้ไฟไหม้และ ระเบิดได้ แต่แบตเตอร์รี่ LiFePo4 สามารถโอเวอร์ชาร์จได้ถึง 30V โดยไม่ต้องมีวงจรป้องกัน เหมาะสมกับการใช้งานที่กระแสสูงๆ ความจุสูงๆ ในรูปแสดงถึงความปลอดภัยและความทนต่อการโอเวอร์ชาร์จของแบตเตอร์รี่ LiFePO4 กราฟมีลักษณะคล้ายการตอบสนองของแบตเตอร์รี่ตะกั่วกรด

กราฟเปรียบเทียบ แบตเตอร์รี่ LiFePo4 และแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด

3. สมดุลด้วยตัวเอง

เซลล์ของ LiFePO4 จะถูกต่ออนุกรมและจัดให้สมดุลระหว่างกระบวนการชาร์จ เนื่องจากมีความเผื่อต่อการโอเวอร์ชาร์จสูง นี่คือข้อแตกต่างจากแบตเตอร์รี่แบบตะกั่วกรด คุณลักษณะการสมดุลย์ตัวเองสามารถยอมให้ความแตกต่างระหว่างเซลสำหรับทั้งแรง ดันและความจุของแบตเตอร์รี่ไม่เกิน 10% ดังรูปด้านล่าง

กราฟแสดงการสมดุลย์แรงดันแต่ละเซลให้แตกต่างไม่เกิน 10%

4. ระบบจัดการแบตเตอร์รี่ (Battery Management System) และ แบตเตอร์รี่ชาร์จเจอร์ง่ายกว่า  

การเผื่อโอเวอร์ชาร์จและชุดสมดุลของแบตเตอร์รี่ LiFePo4 ส่วนมากจะมีชุดป้องกันแบตเตอร์รี่และวงจรที่มีราคาไม่แพง ใช้การชาร์จเพียงหนึ่งขั้นตอน อาจใช้แหล่งจ่ายไฟแบบทั่วไปเพื่อชาร์จแบตเตอร์รี่ LiFePO4 แทนที่จะเป็นชาร์จเจอร์แบบ Li-ion

5. อายุการใช้งานที่ยืนยาว

เมื่อเปรียบเทียบอายุการใช้งานของแบตเตอร์รี่ LiCoO2 มีอายุการชาร์จเพียง 400 ครั้ง แต่แบตเตอร์รี่ LiFePO4 อายุการชาร์จถึง 2000 ครั้ง

6. สมรรถนะอุณหภูมิสูง

ข้อเสียของการแบตเตอร์รี่ LiCoO2  คือประสิทธิภาพจะลดลงเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นจนถึง 60C แบตเตอร์รี่ LiFePO4 ทำงานได้ดีกว่า ที่อุณหภูมิสูงขึ้น เนื่องจากการนำความร้อนของลิเทียมไอออนนิกที่สูงกว่า

ตารางเปรียบเทียบแบตเตอร์รี่ชนิดต่างๆ

แหล่งที่มา https://www.powerstream.com/LLLF.htm

The post แบตเตอรี่ชนิด LiFePO4 สำหรับ LED Solar Street all-in-one appeared first on iPACH.

          ปัจจุบันหลอดLED ที่เราใช้กันอยู่ น้อยคนนักที่จะรู้ว่ามันคืออะไร ถ้าย้อนกลับไปเมื่อ 200 กว่าปีที่แล้ว เรามีหลอดไส้ใช้กันนั้นมีการใช้พลังงานไฟฟ้าที่มากแต่ประสิทธิภาพการให้แสงสว่างต่ำเหลือเกิน และมีการพัฒนาหลอดต่างจนมายุคสุดท้ายคือหลอดฟลูออเรสเซ็นต์ที่มีทั้งแบบขั้วที่ E27 และ G5 ที่เราคิดว่าเป็นนวัตกรรมสุดท้าย หลังจากนั้นเร็วมากไม่เกิน 2 ปี เทคโนโลยี LED เข้ามาแทนแบบไม่ทันตั้งตัว ทำให้บังคับเราต้องรู้จัก LED มากขึ้นเพื่อไม่ให้ ผู้จำหน่ายหลอกขาย LED ให้กับเรา ดังนั้นเรามารู้จัก LED กันก่อนว่ามันคืออะไร?

ประวัติความเป็นมาของ LED

• ปี 2450 มีการค้นพบ LED ครั้งแรก ของโลก โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ ชื่อ Henry H.J ของ Marconi Labs พบการกำเนิดแสงระหว่างสารกึ่งตัวนำใน แต่แสงมันไม่สว่างพอและไม่สมารถนำไปใช้ในเชิงพานิชย์ได้
• ปี 2493 ได้พัฒนา เป็นไดโอดเปล่งแสงอินฟาเรด ซึ่งมนุษย์เราไม่สามารถมองเห็นด้วยตาเปล่าได้ ซึ่งเรายังคงเห็นรูปแบบการใช้งานในช่วงแสง infra-red นี้ตามอุปกรณ์ประเภทรีโมทคอนโทรลในเครื่องใช้ไฟฟ้าตามบ้านเรือนจนปัจจุบัน และในปี 2498 ที่อังกฤษมีการพัฒนา โดยใช้โลหะผสมสารกึ่งตัวนำโดย นาย Bob Biard & Gary
• ปี 2505 ได้พัฒนาจนพบแสงที่ให้สเปกตัมแรกเป็น แสงสีแดง โดย Nick Holonyak โดยเค้าทำงานที่ General Electric Company การค้นพบนี้ทำให้เขาได้รับฉายา “Father of the Light-Emitting Diode.” การค้นพบครั้งนี้ทำให้สามารถนำไฟ LED มาใช้งานในเชิงพาณิชได้

Mr.Nick Holonyak

• ปี 2515 ได้พัฒนา จนพบแสง สีเหลือง และสีแดงส้ม โดย George Craford ซึ่งลูกศิษย์อาจารย์ Nick Holonyak
• ปี 2533 ได้พัฒนา จนพบ LED สีฟ้า โดย ดร. Shuji Nakamura จากประเทศญี่ปุ่น ทำให้ LED มีครบ 3 สี คือ แดง เหลือง น้ำเงิน
• ปี 2539 ได้พัฒนา จนสามารถ ทำให้ LED เปล่งแสงสีขาว ได้โดย ดร. Shuji Nakamura แห่งบริษัท Nichia จากประเทศญี่ปุ่น การค้นพบครั้งสำคัญนี้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่ที่สุดในวงการแสงสว่างของโลกอีกครั้งนับจาก เอวา-เอดิสัน คิดค้นหลอดไฟ หลอดแรกของโลกได้

ดร. Shuji Nakamura

• ปี 2557 – ปัจจุบัน ระบบแสงสว่างของโลก 70% จะเปลี่ยนจากเทคโนโลยีเก่า เช่น หลอดไส้ ฟลูออเรสเซนต์ ฯลฯ มาเป็น LED

เริ่มจากคำย่อ LED

          L-Light แสง
          E-Emitting เปล่งประกาย
          D-Diode ไดโอด

          แปลรวมกัน ก็คือ “คือสารกึ่งตัวนำชนิดหนึ่งที่สามารถเปล่งแสงได้ หรือ “Diode แปล่งแสง”

มีสัญลักษณ์ที่ใช้ในวงจรคือ

สัญลักษณ์ LED

ส่วนหน้าตาของ LED ที่เห็นกันบ่อย ๆ

ตัวอย่าง LED

ไดโอดคืออะไร

          ไดโอดเป็นวัสดุสารกึ่งตัวนำ ที่เราสามารถเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของมันได้   ปกติวัสดุสารกึ่งตัวนำเป็นตัวนำไฟฟ้าที่เลว  ถ้าเราใส่สารเจือปนเข้าไป  เราจะสามารถควบคุมการนำไฟฟ้าให้มากหรือน้อยได้   เราเรียกวิธีนี้ว่า  “การโดปปิ้ง  (Doping)” ส่วนใหญ่หลอด  LED  ใช้สาร  ซิลิกอน คาร์ไบด์  (Silicon Carbide) ย่อเป็น  SiC  เป็นสารกึ่งตัวนำ ถ้ายังไม่ได้ใส่สารเจือปน  พันธะในอะตอมจะเกาะกันอย่างแข็งแรง  ไม่มีเล็กตรอนอิสระ  (ประจุไฟฟ้าลบ) หรือมีอยู่น้อย  ดังนั้นมันจึงไม่ค่อยจะนำกระแส   แต่เมื่อทำการโดป  โดยการเติมสารเจือปน  ทำให้ความสมดุลของวัสดุเปลี่ยนไป  เมื่อเราใส่สารเจือปนแล้วทำให้อิเล็กตรอนอิสระในสารกึ่งตัวนำเพิ่มขึ้น   เรียกว่าสารประกอบชนิด  N (-)    ส่วนสารกึ่งตัวนำที่ใส่สารเจือปนแล้ว มีประจุไฟฟ้าบวกหรือมีหลุมและ โฮลเพิ่มขึ้น   เรียกว่าสารประกอบชนิด  P  (+) โฮล (hole)

หลักการทำงานของ LED

          เพื่อให้ทันต่อกระแส การเข้าใจและรู้หลักการทำงาน LED จึงน่าจะเป็นประโยชน์ เพื่อที่จะได้เปิดใจและยอมรับสิ่งที่กำลังจะกลายเป็นอนาคตของพวกเราทุกคน..

          Figure a. สารกึ่งตัวนำที่ตัดแต่งแล้วจะต้องมี อิเล็กตรอนอิสระ (-) และประจุไฟฟ้าบวก (+)

          Figure b. เมื่อเรานำสารกึ่งตัวนำที่ตัดแต่งแล้วมาจับชนกันในขณะที่ไม่มีแรงดันไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระ (-) และประจุไฟฟ้าบวก (+) จะต่างคนต่างอยู่ไม่มีการเคลื่อนที่ข้ามรอยต่อไปที่ P  ซึ่งจะเรียกว่า “เกิดโซนดีพลีชั่น (depletion)”  โซนนี้เปรียบเทียบได้กับกำแพงป้องกันการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ถ้าโซนนี้มีขนาดใหญ่ขึ้น การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระจะยากขึ้น

          Figure c. ขณะเราปล่อยแรงดันไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระ (-) และประจุไฟฟ้าบวก (+) จะเคลื่อนที่กระโดดจากวงโคจรนอกเข้าสู่วงโคจรในและจะปลดปล่อยพลังงานออกมาเป็นพลังงานแสง “แสงโฟรตรอน” เป็นความถี่ของพลังงานอยู่ในช่วงความถี่ที่ตามองเห็นได้   ถ้าความถี่ที่ตามองไม่เห็นจะเป็นช่วงอินฟาเรดซึ่งสามารถนำไปใช้ในเครื่องควบคุมระยะไกลหรือรีโมทคอนโทรล

          Figure d. หลังจากที่เราหยุดปล่อยแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า อิเล็กตรอนอิสระ (-) และประจุไฟฟ้าบวก (+) จะไหลย้อนกลับมาอยู่ฝั่งเดียวกัน

The post LED คืออะไร? appeared first on iPACH.