พื้นฐานแบตเตอรี่ลิเธียม (LiFePO₄)
คอร์สเรือไฟฟ้า · วัน 2 เช้า (1) · รู้จักลิเธียม · การต่อ S/P · เลือกแพ็ก
นิยาม · หน้าที่ · ความสำคัญ
นิยามความรู้เรื่องเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียม และการต่อแบบอนุกรม (S)/ขนาน (P) เป็นแพ็ก
หน้าที่กำหนดแรงดันด้วยจำนวน S และกำหนดความจุด้วยจำนวน P ให้ตรงกับระบบเรือ
ความสำคัญแบตคือหัวใจของเรือไฟฟ้า เข้าใจ S/P และชนิดเซลล์จึงออกแบบแพ็กได้ถูก ปลอดภัย และคุ้มค่า
1 ชนิดของแบตเตอรี่ลิเธียม
หน้าตาเซลล์จริง — LiFePO₄ (ซ้าย) กับ NMC (ขวา) · ทั้งคู่มีทั้งทรงปริซึมและทรงกระบอก
| ชนิด | แรงดัน/เซลล์ | จุดเด่น | นิยมใช้กับ |
|---|---|---|---|
| LCO | 3.7 V | ความจุสูง | มือถือ / แล็ปท็อป |
| LMO | 3.7 V | เสถียร ปลอดภัย | เครื่องมือไฟฟ้า / การแพทย์ |
| LFP (LiFePO₄) ⭐ | 3.2 V | ปลอดภัยสูง อายุยาว ทนร้อน | รถ/เรือไฟฟ้า |
| NMC | 3.6–3.7 V | กำลังสูง พลังงานหนาแน่น | รถยนต์ไฟฟ้า |
| NCA | 3.6 V | พลังงานสูง อายุยาว (แพง) | EV ระดับสูง |
| LTO | 2.4 V | ชาร์จไว ทนรอบมาก (ความจุต่ำ) | ระบบสำรองไฟ |
เทียบ LiFePO₄ กับ NMC — แรงดันและคุณสมบัติ
สองชนิดที่ใช้ในรถ/เรือไฟฟ้า · เลือกให้ตรงงาน
เทียบกันชัด ๆ
LiFePO₄ — แรงดันต่อเซลล์ต่ำกว่า แต่ปลอดภัยและอายุยาวกว่า
NMC — แรงดัน/พลังงานต่อน้ำหนักสูงกว่า แต่ไวไฟกว่า อายุสั้นกว่า
งานเรือนิยม LFP เพราะ ความปลอดภัยและอายุการใช้งาน สำคัญที่สุดบนเรือกลางน้ำ —
แลกกับแรงดันต่อเซลล์ที่ต่ำกว่า (ต้องใช้เซลล์ S มากกว่าเพื่อให้ได้แรงดันเท่ากัน: ที่ 16S → LFP ≈ 51.2V · NMC ≈ 59.2V)
ส่วนประกอบภายในเซลล์ LFP และ NMC
ขั้วบวก/ลบ · เยื่อกั้น (separator) · ม้วนแผ่นอิเล็กโทรด (Jelly Roll)
กายวิภาคของเซลล์
โครงสร้างภายในเซลล์ทรงปริซึมและทรงกระบอก — ทั้ง LFP และ NMC ใช้หลักการเดียวกัน ต่างกันที่ "วัสดุขั้วบวก"
- ขั้วบวก (+) / ขั้วลบ (−) จุดรับ-จ่ายไฟของเซลล์
- เยื่อกั้น (Separator) กั้นไม่ให้ 2 ขั้วแตะกัน (ลัดวงจร) แต่ยอมให้ไอออนผ่าน
- ม้วนแผ่นอิเล็กโทรด (Jelly Roll) แผ่นขั้วบวก-ลบ-เยื่อกั้น ม้วนซ้อนกันเพื่อเพิ่มพื้นที่
รูปทรงของเซลล์และแพ็กแบตลิเธียม
นอกจาก "ชนิดเคมี" ยังมีหลาย "รูปทรง" ให้เลือกใช้
รูปทรงที่พบบ่อย
ตัวอย่างรูปทรงเซลล์/แพ็กลิเธียม — ทรงกระบอก, ปริซึม, โมดูล และแพ็กสำเร็จ
- ทรงกระบอก (Cylindrical) เช่น 18650 / 21700 — เล็ก หาง่าย นิยมทำแพ็ก e-bike/เรือเล็ก
- ทรงกระบอกใหญ่ ความจุต่อก้อนสูงกว่า
- ปริซึม (Prismatic) ก้อนสี่เหลี่ยมความจุสูง (เช่น 280Ah) นิยมงานเรือ/โซลาร์
- โมดูล / แพ็กสำเร็จ ประกอบเป็นชุดพร้อมสายและขั้วต่อ
การต่อแบตเตอรี่ — อนุกรม (S) / ขนาน (P)
เซลล์พื้นฐาน LiFePO₄ · ต่อ S เพิ่มโวลต์ · ต่อ P เพิ่ม Ah
2 ข้อมูลพื้นฐานเซลล์ LiFePO₄
| รายการ | ค่า |
|---|---|
| แรงดัน Nominal | 3.2 V / เซลล์ |
| แรงดันชาร์จเต็ม | 3.65 V / เซลล์ |
| แรงดันต่ำสุด (ตัดการจ่าย) | 2.5 V / เซลล์ |
| ตัวอย่างความจุ | 100 Ah |
3 ต่ออนุกรม (Series)
แรงดันรวม เพิ่มขึ้น · ความจุ (Ah) เท่าเดิม
4S — ต่อ + เข้า − ของเซลล์ถัดไป (เซลล์ละ 100Ah)
3.2V 100Ah × 4 = 12.8V 100Ah (Ah เท่าเดิม)
4 ต่อขนาน (Parallel)
แรงดัน เท่าเดิม · ความจุรวม เพิ่มขึ้น
2P — + รวมกับ + , − รวมกับ −
3.2V 100Ah + 3.2V 100Ah = 3.2V 200Ah
วงจรอนุกรม · ขนาน · ผสมอนุกรม-ขนาน
ภาพรวมการต่อ 3 แบบ และผลต่อแรงดัน (V) และความจุ (Ah)
ภาพเปรียบเทียบการต่อ 3 แบบ
ตัวอย่างจากแบต 12V 4Ah จำนวน 4 ก้อน
วงจรอนุกรม (Series)
ต่อ + เข้า − เรียงกัน → แรงดันรวมเพิ่ม · ความจุเท่าเดิม
4×12V → 48V 4Ah
วงจรขนาน (Parallel)
+ รวม +, − รวม − → แรงดันเท่าเดิม · ความจุรวมเพิ่ม
4×4Ah → 12V 16Ah
วงจรผสมอนุกรม-ขนาน (Series-Parallel)
ผสมทั้งสอง → เพิ่มทั้งแรงดันและความจุ
เช่น 24V 8Ah
หลักเดียวกับเซลล์ LiFePO₄ 3.2V — แค่เปลี่ยนตัวเลขแรงดันต่อก้อน: อนุกรมเพิ่มโวลต์ · ขนานเพิ่ม Ah · ผสมเพิ่มทั้งคู่
เปรียบเทียบการต่อ และอ่านชื่อแพ็ก
อนุกรม vs ขนาน · 4S2P / 8S1P หมายความว่าอะไร
5 เปรียบเทียบการต่อ
| รูปแบบ | แรงดัน (V) | ความจุ (Ah) | ใช้เมื่อ |
|---|---|---|---|
| อนุกรม (Series) | เพิ่มขึ้น ▲ | เท่าเดิม ＝ | ต้องการแรงดันสูงขึ้น |
| ขนาน (Parallel) | เท่าเดิม ＝ | เพิ่มขึ้น ▲ | ต้องการความจุ/กระแสมากขึ้น |
6 อ่านชื่อแพ็กแบต (S = อนุกรม, P = ขนาน)
S = จำนวนก้อนที่ต่ออนุกรม (กำหนดแรงดัน) · P = จำนวนชุดที่ต่อขนาน (กำหนดความจุ)
| ชื่อแพ็ก | จำนวนเซลล์ | แรงดัน (3.2V/เซลล์) | ความจุ (เซลล์ 100Ah) |
|---|---|---|---|
| 4S1P | 4 | 12.8 V | 100 Ah |
| 4S2P | 8 | 12.8 V | 200 Ah |
| 8S1P | 8 | 25.6 V | 100 Ah |
จำง่าย ต่ออนุกรมเพิ่ม "โวลต์" · ต่อขนานเพิ่ม "แอมป์-ชั่วโมง (Ah)" · จำนวนเซลล์ทั้งหมด = S × P
C-rate — อัตราการชาร์จ/จ่ายกระแสแบตเตอรี่
เข้าใจ "C" ในสเปกแบต · คำนวณกระแสจากความจุ · เลือก C ให้เหมาะกับงานเรือ
นิยาม · หน้าที่ · ความสำคัญ
นิยามC-rate คืออัตราส่วนกระแสเทียบกับความจุแบต — 1C หมายถึงจ่าย/ชาร์จที่กระแสเท่าความจุพอดีใน 1 ชั่วโมง
หน้าที่บอกว่าแบต "รับ/จ่ายกระแสเร็วแค่ไหน" โดยไม่เสียหาย — ใช้เลือกแบตและตั้งค่าเครื่องชาร์จ/คอนโทรลเลอร์
ความสำคัญC สูง = เร็วแต่ร้อน/เสื่อมเร็ว · C ต่ำ = ช้าแต่อายุยืน — เลือกผิดทำให้แบตพังก่อนอายุหรือจ่ายไม่พอ
7 นิยาม C-rate และสูตรคำนวณ
C-rate เป็นตัวเลขบอก อัตราการไหลของกระแสเทียบกับความจุแบต — ตัวเลข C บอกว่ากระแสเท่ากับความจุกี่เท่า
กระแส (A) = C × Ah · เวลา (ชม.) ≈ 1 ÷ C
C-rate บอกว่ากระแสไหล "กี่เท่าของความจุ" — ตัวเลขยิ่งใหญ่ = ไหลเร็วขึ้น เวลาใช้งานสั้นลง
⚠ ห้ามสับสน C ใน "C-rate" (อัตรากระแส) ไม่ใช่ C ใน "ความจุ" (Capacity) —
C-rate เป็น ตัวคูณ ไม่ใช่หน่วย · ส่วน Ah เป็น ความจุ จริง
8 ตัวอย่าง C-rate — แบต 100Ah
จากแบต 100Ah ค่ากระแสและเวลาใช้งานที่ C-rate ต่าง ๆ คือ:
| C-rate | กระแส (A) | เวลาจ่าย ≈ | ความหมาย |
|---|---|---|---|
| 0.2C | 20 A | 5 ชม. | จ่ายเบา ๆ อายุยืนสุด |
| 0.5C | 50 A | 2 ชม. | ชาร์จ/จ่ายปกติ แนะนำ |
| 1C | 100 A | 1 ชม. | จ่ายเต็มความจุ |
| 2C | 200 A | 30 นาที | จ่ายแรง ร้อน เสื่อมเร็ว |
| 3C | 300 A | 20 นาที | พีค ใช้ชั่วขณะสั้น ๆ |
จำง่าย 1C = กระแสเท่าความจุพอดี (100Ah → 100A) · 0.5C = ครึ่งความจุ (50A) · 2C = สองเท่าความจุ (200A) · เวลา ≈ 1÷C
เวลาจ่าย ≈ 1÷C — C ยิ่งสูง จ่ายเร็วยิ่งขึ้น แต่เวลาใช้งานสั้นลง
9 C-rate กับงานเรือ — เลือกให้ถูก
- ชาร์จปกติ LiFePO₄ แนะนำ 0.5C (100Ah → ชาร์จ 50A) — สมดุลระหว่างความเร็วและอายุ
- จ่ายต่อเนื่อง (มอเตอร์เรือ) ≤ 1C (100Ah → 100A) — ทนได้นาน ร้อนไม่มาก
- พีค (ออกตัว/กระชาก) ≤ 3C (100Ah → 300A) — ใช้ได้ชั่วขณะสั้น ๆ เช่นออกตัว 10–30 วินาที
- ชาร์จเร็ว บางรุ่นทน 1C ได้ แต่ 0.5C ปลอดภัยกว่า สำหรับเรือ
⚠ C สูง = ร้อน = เสื่อมเร็ว จ่าย 3C บ่อย ๆ ทำให้แบตเสื่อมก่อนครึ่งอายุ ·
มอเตอร์เรือกินกระแสต่อเนื่องนาน จึงควรเลือกแบตที่ ทน 1C ต่อเนื่อง ไม่ใช่แค่ทนพีค
ตัวอย่างเรือจริง แพ็ก 280Ah 24S · มอเตอร์ดึงต่อเนื่อง 80A → 80÷280 = 0.29C (เบามาก อายุยืน)
· ออกตัวพีค 250A → 250÷280 = 0.89C (ยัง < 1C ปลอดภัย) — นี่คือเหตุผลที่เรือใช้เซลล์ ใหญ่ (280Ah) ไม่ใช่เซลล์เล็ก
10 คำนวณ C-rate จากสเปกมอเตอร์
C-rate ที่ใช้งาน = กระแสมอเตอร์ (A) ÷ ความจุแบต (Ah)
| มอเตอร์ | กระแส | แบต 100Ah | แบต 280Ah |
|---|---|---|---|
| เดินทาง 3kW @ 76.8V | ~39 A | 0.39C | 0.14C |
| เร่งเต็ม 9kW @ 76.8V | ~117 A | 1.17C ⚠ | 0.42C ✅ |
| พีคออกตัว 20kW | ~260 A | 2.60C ❌ | 0.93C ✅ |
เห็นชัด แบต 100Ah รับพีค 2.6C (เกินขีด) แต่ 280Ah รับแค่ 0.93C (ปลอดภัย) —
ขนาดแบตหนึ่งรองรับมอเตอร์ได้ดูจาก C-rate ที่เกิดขึ้นจริง
เลือก LiFePO₄ และต่อใช้จริงในเรือ
ทำไมต้อง LFP · เลือกจำนวน S/P ตามระบบเรือ
7 จุดเด่นของ LiFePO₄ สำหรับงานเรือ
- ปลอดภัยที่สุด ในกลุ่มลิเธียม โครงสร้างเคมีเสถียร ไม่ลุกไหม้/ระเบิดง่ายแม้ร้อนหรือถูกเจาะ — สำคัญมากบนเรือกลางน้ำที่หนีไฟลำบาก
- อายุยาว 3,000–5,000 รอบ ชาร์จเกือบทุกวันก็ใช้ได้หลายปี
- ทนความร้อนและจ่ายกระแสต่อเนื่องได้ดี เหมาะกับมอเตอร์เรือที่กินกระแสนาน ๆ
- แรงดันนิ่ง 3.2V ตลอดการใช้งาน ทำให้คำนวณ/ออกแบบระบบง่าย
ข้อแลก พลังงานต่อน้ำหนักน้อยกว่า NMC เล็กน้อย และแรงดันต่อเซลล์ต่ำกว่า (ต้องใช้เซลล์จำนวนมากขึ้นเพื่อให้ได้แรงดันเท่ากัน)
แต่แลกกับความปลอดภัยและอายุที่คุ้มกว่ามากสำหรับงานเรือ
8 เลือกจำนวน S ตามแรงดันระบบเรือ
จำนวนอนุกรม (S) กำหนดแรงดัน · จำนวนขนาน (P) กำหนดความจุ/ระยะวิ่ง
S = แรงดันที่ต้องการ ÷ 3.2V · P = ความจุที่ต้องการ ÷ ความจุต่อเซลล์ · เซลล์ทั้งหมด = S × P
| ระบบเรือ | LiFePO₄ (3.2V) | NMC (3.6–3.7V) |
|---|---|---|
| 12V | 4S (12.8V) | 3S–4S |
| 24V | 8S (25.6V) | 7S |
| 48V | 15S–16S (48–51V) | 13S |
| 72V | 22S–24S | 20S |
ข้อสังเกต ชนิดเซลล์ต่างกัน → จำนวน S ต่างกัน เพราะแรงดันต่อเซลล์ไม่เท่ากัน
(คู่มือช่างเดฟใช้ NMC จึง 48V=13S, 72V=20S — แต่เรือใช้ LFP ต้องใช้ S มากกว่า)
ตัวอย่าง อยากได้แพ็กเรือ 24V 20Ah จากเซลล์ทรงกระบอก 3.2V 5Ah → ต้อง 8S4P = 32 เซลล์ (8 อนุกรม ได้ 25.6V · 4 ขนาน ได้ 20Ah)
ระบบจริงบนเรือ — 24S LiFePO₄
12V/24V คือชุดฝึก · เรือใช้งานจริงต้องการแรงดันสูงกว่ามาก
9 ทำไมเรือจริงใช้แรงดันสูง
ระบบ 12V/24V ที่ใช้ในแบบฝึกหัด เป็น "ชุดฝึก/ทดสอบ" เพื่อให้เข้าใจหลัก S/P ก่อน แต่เรือใช้งานจริงต้องการกำลังสูง (มอเตอร์หลายกิโลวัตต์) จึงใช้แรงดันสูงกว่ามาก — ที่นิยมคือ 24S ขึ้นไป
กำลัง P = V × I → แรงดันสูง ทำให้ กระแสต่ำลง ที่กำลังเท่ากัน
ผลคือ สายไฟเล็กลง ร้อนน้อยลง สูญเสียพลังงานน้อยลง และมอเตอร์ทำกำลังได้มากขึ้น
| มอเตอร์ 3,000W | ที่ 24V | ที่ 76.8V (24S) |
|---|---|---|
| กระแสที่ต้องดึง (I = P÷V) | ~125 A | ~39 A |
| ขนาดสายที่ต้องใช้ | ใหญ่มาก | เล็กลงเยอะ |
เรือลำใหญ่ อาจใช้สูงกว่านี้อีก เช่น 48S–96S (150–300V) ตามกำลังมอเตอร์ที่ต้องการ
10 ตัวอย่างแพ็กจริง 24S LiFePO₄
- จำนวนเซลล์ 24 ก้อนต่ออนุกรม (24S)
- แรงดัน Nominal 24 × 3.2 = 76.8 V
- แรงดันชาร์จเต็ม 24 × 3.65 = 87.6 V
- แรงดันตัดต่ำ 24 × 2.5 = 60 V (ตั้งปลอดภัยที่ ~2.8V/เซลล์ = 67.2 V)
- BMS 24S · สาย balance B-, B1 … B24 รวม 25 เส้น
ตัวอย่างคำนวณ (เซลล์ปริซึม LiFePO₄ 280Ah ที่นิยมในงานเรือ ต่อ 24S1P)
• แรงดัน 76.8 V · ความจุ 280 Ah → พลังงาน = 76.8 × 280 = 21,504 Wh ≈ 21.5 kWh
• มอเตอร์เรือแล่นเดินทางเฉลี่ย 3,000 W → เวลาวิ่ง ≈ 21,500 × 0.9 ÷ 3,000 ≈ 6.4 ชั่วโมง
• น้ำหนักแพ็กราว 130 กก. (เซลล์ 280Ah หนัก ~5.4 กก. × 24)
• แรงดัน 76.8 V · ความจุ 280 Ah → พลังงาน = 76.8 × 280 = 21,504 Wh ≈ 21.5 kWh
• มอเตอร์เรือแล่นเดินทางเฉลี่ย 3,000 W → เวลาวิ่ง ≈ 21,500 × 0.9 ÷ 3,000 ≈ 6.4 ชั่วโมง
• น้ำหนักแพ็กราว 130 กก. (เซลล์ 280Ah หนัก ~5.4 กก. × 24)
| เปรียบเทียบ | ชุดฝึก/ทดสอบ | เรือใช้งานจริง |
|---|---|---|
| การต่อ | 4S – 8S | 24S ขึ้นไป |
| แรงดัน Nominal | 12.8 – 25.6 V | 76.8 V |
| ใช้ทำอะไร | เรียนหลัก S/P | ขับมอเตอร์จริง |
แบบฝึกหัดการต่อแบตเตอรี่
เขียนสัญลักษณ์การต่อให้ถูกต้องตามแบบอนุกรม (S)/ขนาน (P) แล้วคำนวณ V และ Ah
สัญลักษณ์ที่ใช้
เซลล์ตัวอย่าง 1 ก้อน = 1.5V, 6Ah · + = ขั้วบวก · − = ขั้วลบ
· (ใช้ตัวเลขกลม ๆ เพื่อฝึกหลัก S/P ก่อน — หลักเดียวกับ LiFePO₄)
ข้อ 1 ต่อแบบ 4S1P (อนุกรม 4 ก้อน)
4 ก้อนต่ออนุกรม (4S) · 1 ชุด (1P)
ข้อ 2 ต่อแบบ 4S2P (อนุกรม 4 ขนาน 2 ชุด)
2 แถวแบบ 4S นำมาขนานกัน (+ รวม +, − รวม −)
ข้อ 3 ต่อแบบ 8S1P (อนุกรม 8 ก้อน)
8 ก้อนต่ออนุกรมต่อเนื่อง (แถวบน → ม้วนลงแถวล่าง)
ข้อ 4 ออกแบบเอง — วาดและบันทึกวิธีคิด
โจทย์: ต้องการแพ็ก 12V 12Ah จากเซลล์ 1.5V 6Ah — ต้องต่อแบบกี่ S กี่ P? จงวาดการต่อในพื้นที่ด้านล่าง แล้วเขียนวิธีคิด
พื้นที่วาดการต่อ (ใช้สัญลักษณ์เซลล์ + ขั้ว + / −)
อธิบายวิธีคิด