📘 ซีรีส์ออกแบบ IoT Product · EP.18/70 · บทที่ 3: ไฟเลี้ยง แบตเตอรี่ การสื่อสาร และต้นแบบแรก
ตอนนี้ตอบคำถามว่า แบตเคมีไหนเหมาะกับงานแบบไหน และแบตที่เป็นไฟหลักกับแบตสำรองออกแบบต่างกันอย่างไร ต่อจาก EP.17 ที่เราวางทางสลับไปแบตเมื่อไฟบ้านดับไว้แล้ว
เทียบ 4 เคมียอดนิยมจากเอกสารผู้ผลิต
ตัวเลขในตารางยกจาก datasheet ของเซลล์ตัวอย่างหนึ่งรุ่นต่อเคมี (รุ่นอื่นอาจต่างกัน ต้องเปิด datasheet ของรุ่นที่ใช้จริงเสมอ)
| เคมี (เซลล์ตัวอย่าง) | แรงดันระบุ | ชาร์จได้ไหม | ช่วงอุณหภูมิตาม datasheet | การคายประจุเอง / อายุเก็บ | ต้นทุนเทียบ |
|---|---|---|---|---|---|
| Li-ion 18650 (Panasonic NCR18650B) | 3.6V | ได้ | ชาร์จ 0–45°C · ใช้งาน -20–60°C | datasheet ไม่ระบุ | ปานกลาง |
| LiFePO4 26650 (Lithium Werks ANR26650M1B) | 3.3V | ได้ | ชาร์จ 0–60°C · ใช้งาน -30–60°C | datasheet ไม่ระบุ | ปานกลาง–สูง |
| ถ่านอัลคาไลน์ AA (Energizer E91) | 1.5V | ไม่ได้ | ใช้งาน -18–55°C | อายุเก็บ 12 ปีที่ 21°C | ต่ำ |
| Li-SOCl₂ AA (Saft LS14500) | 3.6V | ไม่ได้ | ใช้งาน -60–85°C | คายเองน้อยกว่า 1% ต่อปีที่ 20°C | สูง |
อ่านตารางแบบวิศวกร:
- Li-ion ความจุต่อขนาดสูง (NCR18650B ราว 3,350 mAh) แต่ ชาร์จได้แค่ถึง 45°C และ Panasonic ระบุว่าต่ำกว่า 10°C ให้ลดกระแสชาร์จเหลือ 0.25C
- LiFePO4 ความจุต่อขนาดต่ำกว่า (2.6 Ah ในเซลล์ 26650) แต่ ชาร์จได้ถึง 60°C และเคมีนี้ขึ้นชื่อเรื่องเสถียรต่อความร้อนกว่า Li-ion รอบชาร์จตาม datasheet เกิน 4,000 รอบ
- อัลคาไลน์ AA หาซื้อง่ายที่สุด ผู้ใช้เปลี่ยนเองได้ แต่แรงดันลดลงเรื่อย ๆ ตลอดการใช้ และทนเย็นได้น้อยกว่าลิเธียม
- Li-SOCl₂ (ลิเธียมไทโอนิลคลอไรด์) คือแชมป์งาน ติดตั้งแล้วลืม หลายปี คายประจุเองน้อยมาก ช่วงอุณหภูมิกว้างที่สุด แต่จ่ายกระแสกระชากได้ไม่ดี งาน Wi-Fi ที่กินกระแสยอดสูงมักต้องมีตัวเก็บประจุช่วย
อัตราคายประจุเองของ Li-ion และ LiFePO4 ไม่ได้ระบุไว้ใน datasheet สองรุ่นที่ยกมา ถ้าโปรเจกต์ของคุณต้องเก็บแบตไว้นานก่อนขาย ให้ขอตัวเลขนี้จากผู้ผลิตเซลล์โดยตรง อย่าใช้ตัวเลขจากฟอรัม
อุณหภูมิกินความจุ และห้ามชาร์จนอกช่วง
ความจุที่พิมพ์บนแบตวัดที่อุณหภูมิห้อง (ราว 20–25°C) กราฟใน datasheet ของทุกเคมีที่เราเปิดดู แสดงว่าความจุที่ใช้ได้จริงลดลงเมื่อเย็นจัด เพราะปฏิกิริยาเคมีช้าลง ส่วนความร้อนไม่ได้ทำให้หมดเร็วทันที แต่ เร่งการเสื่อมถาวร ยิ่งแบตอยู่ในที่ร้อนและถูกชาร์จเต็มค้างไว้นาน อายุยิ่งสั้น
กฎเหล็กของลิเธียมแบบชาร์จได้คือ ห้ามชาร์จนอกช่วงอุณหภูมิที่ผู้ผลิตกำหนด ชาร์จตอนเย็นจัดหรือร้อนเกินทั้งเร่งการเสื่อมและเพิ่มความเสี่ยง ประเทศไทยไม่ค่อยเจอปัญหาเย็นจัด แต่ ปัญหาจริงของเราคือร้อนเกิน 45°C ในกล่องใต้หลังคา
ระบบชาร์จและป้องกัน
แบตลิเธียมแบบชาร์จได้ต้องมีสองส่วนนี้เสมอ:
- IC ชาร์จ ที่ตรงกับเคมี Li-ion กับ LiFePO4 ชาร์จที่แรงดันปลายต่างกัน ใช้ IC ผิดเคมีคือชาร์จเกินหรือไม่เต็ม เลือกรุ่นที่มีขาต่อ NTC (ตัวต้านทานวัดอุณหภูมิ) ติดกับตัวแบต เพื่อให้ IC หยุดชาร์จเองเมื่ออุณหภูมิออกนอกช่วง
- วงจรป้องกันแบต (protection circuit) ตัดเมื่อแรงดันสูงเกิน ต่ำเกิน หรือกระแสเกิน/ลัดวงจร แบตสำเร็จรูปบางแพ็กมีมาในตัว แต่ต้องเช็กจากเอกสาร อย่าเดา
ความปลอดภัย: แบตบวมหรือไหม้มักมาจากเซลล์ไม่มีที่มา ชาร์จผิดวิธี หรือโดนความร้อนสะสม ให้ซื้อเซลล์ที่มี datasheet และผลทดสอบตามมาตรฐาน และรู้ไว้ว่าการขนส่งแบตลิเธียมทางอากาศและทางเรือมีข้อกำหนดเฉพาะ เช่นผลทดสอบ UN 38.3 (ลงลึก EP.60) ข้อนี้ไม่ใช่คำแนะนำทางกฎหมาย ต้องตรวจสอบกับผู้ขนส่งทุกครั้ง
แบตไฟหลัก vs แบตสำรอง
- แบตเป็นไฟหลัก (เครื่องใช้แบตอย่างเดียว) ทุกไมโครแอมป์มีผล ต้องออกแบบเครื่องให้หลับเกือบตลอดเวลา และมักเลือกถ่านที่คายเองน้อยอย่าง Li-SOCl₂ หรือถ่าน AA ให้ผู้ใช้เปลี่ยนเอง
- แบตสำรอง (มีไฟบ้านเป็นหลัก) แบตถูกชาร์จเต็มค้างไว้แทบตลอด ใช้จริงแค่ตอนไฟดับ เรื่องสำคัญจึงเป็น ทนชาร์จค้าง ทนร้อน และอายุการใช้งานหลายปี มากกว่าความจุต่อขนาด
ลองใช้กับโปรเจกต์ตัวอย่าง: ตัวเฝ้าโรงเห็ด
ตัวเฝ้าโรงเห็ดเป็นกรณี แบตสำรอง กล่องติดใต้ชายคานอกโรงเรือน และหน้าร้อนใต้หลังคาสังกะสีอุณหภูมิในกล่องอาจเกิน 45°C ได้ (ต้องวัดจริงตอน pilot)
การตัดสินใจ: เลือก LiFePO4 1 เซลล์ แทน Li-ion เหตุผลคือช่วงชาร์จตาม datasheet ไปถึง 60°C เผื่อความร้อนได้มากกว่า และเสถียรต่อความร้อนกว่า เหมาะกับการชาร์จค้างหลายปี แรงดัน 3.3V ระบุยังเข้า Buck-Boost ตัวเดิมได้ ใช้ IC ชาร์จสำหรับ LiFePO4 ที่มี NTC ติดตัวแบต ส่วนถ่าน AA และ Li-SOCl₂ ตัดทิ้งเพราะชาร์จไม่ได้ ลูกค้าต้องคอยเปลี่ยนเอง
ประเมินคร่าว ๆ (ตัวเลขห้องเรียน): ถ้าตอนไฟดับเครื่องกินเฉลี่ย 30 mA เพราะหยุดพยายามต่อ Wi-Fi แล้ว เซลล์ 2,500 mAh ใช้ได้ราว 2,500 ÷ 30 ≈ 83 ชั่วโมงบนกระดาษ เผื่อความจุลดจากอายุและอุณหภูมิไว้ครึ่งหนึ่ง ยังเหลือราว 40 ชั่วโมง เกินเป้า "หลายชั่วโมง" สบาย ๆ
วางแบตใน กล่องที่อยู่ในร่ม ไม่โดนแดดตรง แยกแบตออกห่างจากตัวที่ร้อนบนบอร์ด และเจาะทางระบายอากาศที่ยังกันน้ำได้
กับดักที่เจอบ่อย: เอา IC ชาร์จ Li-ion ที่ใช้กันทั่วไปมาชาร์จ LiFePO4 เพราะ "ก็ลิเธียมเหมือนกัน" แรงดันปลายของสองเคมีต่างกัน ผลคือชาร์จเกินจนแบตเสื่อมเร็วหรือเสี่ยงอันตราย เปลี่ยนเคมีเมื่อไร ต้องเปลี่ยน IC ชาร์จตามเสมอ
เช็กลิสต์ก่อนไปตอนถัดไป
- จด datasheet ของเซลล์ที่ใช้จริง: ช่วงอุณหภูมิชาร์จ ช่วงใช้งาน และกระแสชาร์จสูงสุด
- ตรวจว่า IC ชาร์จตรงกับเคมี และมีขา NTC ต่อกับตัวแบต
- ยืนยันว่าแบตหรือบอร์ดมีวงจรป้องกันแรงดันเกิน ต่ำเกิน และลัดวงจร
- วัดอุณหภูมิในกล่องที่จุดติดตั้งจริงช่วงบ่ายหน้าร้อนอย่างน้อย 1 สัปดาห์
เลือกแบตจากสภาพที่มันต้องอยู่ ไม่ใช่จากตัวเลข mAh บนฉลาก — สำหรับแบตสำรองในที่ร้อน ความทนร้อนและการชาร์จที่ปลอดภัยสำคัญกว่าความจุ
ตอนต่อไป — EP.19: ออกแบบให้กินไฟต่ำ: Sleep Mode, Duty Cycle และวิธีคำนวณอายุแบตเตอรี่
อยากให้ทีมช่วยออกแบบอุปกรณ์ IoT เฉพาะงานของคุณ ดูบริการได้ที่ /iot หรือปรึกษาฟรีที่ /consult และทัก LINE @spvtech