1

การ

บทท 1 บทน า

1.1 ความเปนมาและความส าคญของปญหา ในชวงหลายปทผานมาผใชรถยนตเรมตระหนกถงราคาของเชอเพลงทเพมสงขนและส าหรบอตสาหกรรมยานยนตทมการแขงขนทคอนขางสงประกอบกบขอจ ากดของรฐบาลในประเทศของผ ออกแบบรถยนต ทงใน สหรฐอเมรกา สหภาพยโรปหรอญปน ท าใหบรษทตางๆ ไดมการพฒนารถยนตแบบไฮบรดกบเครองยนตแบบสนดาปภายใน (Internal combustion hybrid) หรอแบบไฮบรดแบบเสยบสาย (Plug-in hybrid) (ทเนนการใชพลงงานไฟฟาเปนหลก) ออกมาสตลาด ทงนกเนองมาจากมอตราการประหยดน ามนทสงกวารถยนตน ามนดเซลหรอเบนซนแบบทวไป [1] อยางไรกตาม การใชน ามนในรถยนตยงกอใหเกดมลภาวะอยางหลกเลยงไมได ไมวาจะเปนคารบอนไดออกไซด (CO2) หรอไนโตรเจนออกไซด (NOx) ทออกมาจากทอไอเสย จงสงผลท าใหในปจจบนนในอตสาหกรรมรถยนตการน าแบตเตอรซงเปนพลงงานสะอาดมาใชรวมกบแหลงจายพลงงานอนเปนทนาสนใจ

ส าหรบการจดการระบบพลงงาน ชนดของแบตเตอรทใชมอยดวยกนหลายชนด อาทเชน แบตเตอรแบบตะกวมกถกใชในรถยนตไฮบรด (ไฟฟา) รนแรก ๆ นเกลเมทลไฮไดรด (NiMH) ทใชในรถยนตยหอโตโยตาเปนตน ระบบเซลลเชอเพลงทใชแบตเตอรแบบตะกวส าหรบรถบรรทกไดถกพฒนาขนและท าการทดสอบจรงใน [2] แตวา แบตเตอรแบบตะกวมความหนาแนนพลงงานตอน าหนกต าประมาณ 30 วตต-ชวโมง/กโลกรม [3] นเกลเมทลไฮไดรดมความหนาแนนพลงงานตอน าหนกต าประมาณ 40-60 วตต-ชวโมง/กโลกรม [4] สวนในกรณของแบตเตอรลเธยมไอรอนฟอสเฟตทมอยในตลาดในปจจบน มความหนาแนนทางพลงงานอยในระดบ 100-200 วตต-ชวโมง/กโลกรม [5] ซงสงกวาแบบอนๆ ท าใหแบตเตอรลเธยมไอรอนฟอสเฟตเปนตวเลอกในการศกษาของวทยานพนธน โดยในโครงการวจยนไดใชแบตเตอรลเธยมไอรอนฟอสเฟตดวยเหตผลในเรองของอายการใชงานทสง มความปลอดภยสงเมอเทยบกบตระกลลเธยมแบตเตอรแบบอนๆ [6] อาทเชน แบตเตอรลเธยมโคบอลตออกไซด (

2LiCoO ) ทสามารถเกดทอรมอลรนอเวย (Thermal

runaway) ไดงายกวา ในการออกแบบระบบสงก าลง (Powertrain) ส าหรบการศกษานจะพจารณาทงหมด 2

รปแบบคอ แบบแรกคอการจายพลงงานรวมกนระหวางเครองยนตของรถยนตและแบตเตอรดง

2

แสดงในรป 1.1 การจายก าลงงานใหแกภาระงานเครองยนตอาจจะจายก าลงหรอไมกได หากเครองยนตไมจายก าลงงาน จะมเพยงแตแบตเตอรจายก าลงงานโดยเครองจกรกลไฟฟาท าหนาทเปนมอเตอร (Motor) แตหากเครองยนตจายก าลงงาน ทงเครองยนตและแบตเตอรจะท าหนาทในการจายก าลงงานรวมกน ในชวงทรถท าการเบรกแบบรเจนเนอเรทฟ (Regenerative) จะเปลยนพลงงานกลใหอยในรปของไฟฟาและน ามาชารจประจของแบตเตอร โดยใชเครองจกรกลไฟฟาท าหนาทเปนเครองก าเนดไฟฟา (Generator)

รป 1.1 แผนภาพการจายพลงงานรวมกนระหวางเครองยนตและแบตเตอร

แบบทสองคอการจายพลงงานรวมกนระหวางเซลลเชอเพลงและแบตเตอรดงแสดงในรป 1.2 ในกรณทพลงงานทดแทนแบบสะอาด เซลลเชอเพลงน าไฮโดรเจนมาใชเปนแหลงพลงงานจากปฏกรยาทางเคม ไฟฟาเองนน เซลลเชอเพลงมอยดวยกนหลายแบบ เชน ชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน (Proton Exchange Membrane Fuel cells, PEMFC) ชนดออกไซดแขง (Solid Oxide) และชนดเมทานอล (Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) [6] เปนตน แตส าหรบรถยนตพลงงานผสมแบบเซลลเชอเพลงหรอแหลงจายไฟส ารองขนาดยอมหรออปกรณอเลกทรอนกสเคลอนท พบวาเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนเปนตวเลอกทด [6] ท งนเนองจากมความหนาแนนพลงงานทมศกยภาพเพยงพอ และอณหภมการท างานคอนขางต า 50-90 oC

1 และไมกอใหเกดมลพษ

1 เซลลเชอเพลงทใชในชวงอณหภมต า ( Low-Temperature Membrane , LTMEM) สวนเซลลเชอเพลงทใชเยอแลกเปลยนแบบ

อณหภมสง (High-Temperature Membrane, HTMEM) จะมอณหภมการท างานท 120-180 C

3

รป 1.2 แผนภาพการจายพลงงานรวมกนระหวางเซลลเชอเพลงและแบตเตอร

แมวาเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนจะเปนตวเลอกทด แตขอจ ากดทส าคญส าหรบพลงงานทไดจากเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนส าหรบการประยกตใชในรถยนต กคอ ระบบเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนในปจจบน ไมวาจะผลตโดย Ballard, Horizon หรอ ITRI ฯลฯ มความสามารถในการตอบสนองความตองการจากภาระงานคอนขางชา เมอเทยบกบพลศาสตรของภาระงานของรถยนตตามความตองการของผขบทมการเปลยนแปลงรวดเรวกวา หรออกนยหนงกคอ มคาคงตวเวลา (Time constant) หรอชวงลาชา (Lag) ในการผลตพลงงานของเซลลเชอเพลงคอนขางนาน (10-200 วนาท) [7] ทงนกเนองมาจากการเปลยนแปลงของอตราปฏกรยาทางเคมไฟฟาทท าใหเกดก าลงงานระหวางกาซไฮโดรเจนและออกซเจนทมตวเรงปฏกรยา (Catalyst) และเยอแลกเปลยน (Membrane) อยดวยนน ไมสามารถเปลยนแปลงไดทนท แตตองเปนแบบคอยเปนคอยไป ฉะนนในการควบคมการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนจะตองมการระมดระวงอยางเปนพเศษ การดงพลงงานไฟฟาจากเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนตามภาระงานทเรวเกนไปนนจะท าใหอายการใชงานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนส นลง ซงเกดขนไดหลายสาเหต เชน การขาดออกซเจน (Oxygen starvation) [8] และในกรณทรนแรงอาจท าใหเซลลเชอเพลงเสยหายได

วธการแกปญหาเรองคาคงตวเวลาหรอชวงลาชาในเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนคอการใชแหลงจายพลงงานแบบอนเขามาเสรมแบบไฮบรด ในทนคอแบตเตอร นอกจากนแบตเตอรยงถกน ามาใชในการเพมประสทธภาพการจดการระบบพลงงานแบบผสมผสานส าหรบเปนระบบสนดาป

ดงนนเพอเพมประสทธภาพในการจดการพลงงานทผลตขน หลกการการใชแบตเตอรรวมกบเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน [1, 9] โดยยอ กลาวไดวา คอการใหเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนนนจายพลงงานในภาวะทเรยกวาสภาวะภาระงานคงท (Steady-state) หรอโหลดแบบเฉลย และใหแบตเตอรเปนอปกรณชวยจายพลงงานไฟฟาใหกบภาระ

4

ในชวงภาวะชวคร (Transient) ระบบผลตพลงงานหลกและโมดลแบตเตอรจะตองถกออกแบบใหเหมาะสมกบขนาดและลกษณะของภาระงานทตองการเพอประสทธภาพสงสดเพราะพลงงานทผลตไดจากแหลงก าเนดพลงงานหลกทเกนภาระงานขณะนนหรอพลงงานทสามารถเกบสะสมไดในกรณทรถเบรกแบบรเจนเนอเรทฟ ซงเปลยนพลงงานสวนเกนใหอยในรปของไฟฟาและน ามาเกบไวในแบตเตอร โดยใชเครองจกรกลไฟฟา (Electric Drive, ED) ทท าหนาทเปนเครองก าเนดไฟฟา (Generator, GEN) และสามารถน าไปใชได ในกรณทภาระงานเพมขนอยางรวดเรวเกนระดบก าลงเฉลยทเครองก าเนดพลงงานผลตอยขณะนน จะสงผลท าใหเครองก าเนดพลงงานเหลานสามารถท างานในชวงทมประสทธภาพสง ลดการใชงานในชวงทมการสญเสยมาก ดงนนแบตเตอรเปนอปกรณทส าคญในการจดการและเพมประสทธภาพของระบบพลงงานแบบไฮบรด

ในกรณทระบบตนก าลงผลตก าลงไมพอเพยงตอความตองการจะท าใหรถยนตไมมสมรรถนะในการขบขทด ซงเปนหนงในปญหาทางดานการเออตอการขบข (Driveability) [10] ในทางตรงกนขาม ขนาดของระบบก าลงสงทใหญเกนไปนน นอกจากจะท าใหสนเปลองในดานของราคาแลว ยงเปนการเพมน าหนกหรอภาระใหกบระบบเองโดยไมจ าเปน รวมทงการน าแหลงพลงงานหลกอนมาใชรวมกบแบตเตอรตองมการค านงถงอตราสวนของก าลงงานทมาจากแหลงพลงงานหลกและแบตเตอรอยางเหมาะสม ส าหรบตวอยางการวางระบบตนก าลงแบบไฮบรดทไมเหมาะสม เชน แบตเตอรมขนาดเลกไปจะมผลท าใหแบตเตอรตองท างานหนกและมอายการใชงาน (Life cycle) ทส นลง ในทางตรงกนขามการมโมดลแบตเตอรทมากเกนความจ าเปนจะกอใหเปนการเพมภาระงานเนองจากน าหนก คาใชจายในการดแลและลดทอนประสทธภาพโดยรวมของระบบอกดวย ฉะนนปญหาทางดานการออกแบบระบบไฮบรดจงมความส าคญตอประสทธภาพและการออกแบบระบบควบคมการท างาน

งานวจยทไดมการตพมพทเกยวของกบระบบไฮบรดส าหรบรถยนต ทงในตางประเทศหรอในประเทศ สวนใหญนนจะเนนไปทการควบคมระบบการแปลงพลงงาน (Power conversion) ยกตวอยางเชนใน [11] ซงไมไดระบถงผลของขนาดตางๆของแหลงพลงงานหลกและแบตเตอรทเลอกใช ในงานวจยนจะศกษาถงผลของอตราสวนระหวางแบตเตอรและแหลงพลงงานหลก 2 แหลงจายซงไดแกเครองยนตและเซลลเชอเพลงทมผลตอดชนชวดทใชในการศกษา นนกคอ ประสทธภาพรวมของระบบไฮบรด ราคา และน าหนกของระบบไฮบรด โดยทราคาและน าหนกทใชในการค านวณส าหรบกรณศกษาน จะใชการค านวณจากขนาดของวสดในหองวจยระบบอตโนมตและแมคคาโทรนกส ศนยเทคโนโลยโลหะและวสดแหงชาตทมอย

ภาระงานของระบบสงก าลงจะถกค านวณจากก าลงไฟฟาทรถยนตใชโดยอางองจากภาระงานของรถยนตทตองวง ณ ระดบความเรวตางๆ คอ ตารางทดสอบภาระงานของรถยนตแบบ

5

Highway Fuel Economy Test (HWFET) แบบ Urban Dynamometer Driving Schedule (UDDS) ซงเปนการทดสอบโดยการทดสอบการขบขในเมองหลวง Supplemental Federal Test Procedure (SFTP) เปนการทดสอบโดยขบขดวยอตราเรงทสง ทง 3 การทดสอบเปนของประเทศสหรฐอเมรกา แบบ Japan 10/15mode เปนการทดสอบของประเทศญปนและแบบ United Nations Economic Commission for Europe (UN/ECE) เปนการทดสอบของยโรป

1.2 สรปสาระส าคญจากเอกสารทเกยวของ Andrew Ritchie และคณะ [12]ไดน าเสนออเลกโทรไลต (Electrolyte) ใหม คอลเธยมบส- ออกซาลาโตบอเรต (Lithium Bis Oxalato Borate, LiBOB) และวสดส าหรบท าแคโทดใหม ลเธยมไอรอนฟอสเฟตและการแกปญหาขอจ ากดในการประยกตใชกบระบบขนาดใหญ เชน ยานยนต ซงมขอจ ากดในเรองราคาและความปลอดภย ในการพฒนาไดมการทดลองใชลเธยมไอรอนฟอสเฟต หรอลเธยมเมทลฟอสเฟต (Lithium Metal Phosphates) แทนทลเธยมโคบอลตออกไซด (Lithium Cobalt Oxide) ซงใชเปนวสดของแคโทด วสดชนดนมขอดหลายอยาง คอ ราคาถกและมความปลอดภยกวาแบบเดม แตกมขอดอยคอสามารถน าไฟฟาไดต ากวา แตเมอลองน าคารบอน (Carbon) หรอเหลก (Fe) ฟอสเฟต (P) มาเคลอบ ท าใหสามารถน าพลงงานไดดขน หากมการเลอกใชลเธยมแมงกานสพอโลเนยม (LiMnPO) จะไดแรงดนทสงกวาการใชลเธยมไอรอนฟอสเฟต โลหะชนดอนนอกเหนอจากเหลกและแมงกานสจะมราคาทแพงและเปนพษจงยงไมเหมาะแกการน ามาใช ในสวนของความปลอดภยของแบตเตอรซงเปนอกปจจยหนงทส าคญอยางมากในการผลตแบตเตอร ส าหรบแบตเตอรทมขนาดใหญตองการความปลอดภยทสงกวาแบตเตอรทมขนาดเลก หากท าการชารจประจแบตเตอรลเธยมไอออนสงกวา 4.6 โวลต โดยทใชลเธยมเมทลออกไซดและอเลกโทร-ไลตเปนของเหลวไวไฟ เปนการกระท าทไมปลอดภย ลเธยมไอรอนฟอสเฟตจะมความปลอดภยกวาโดยมระดบแรงดน 3.4 โวลต หากน าลเธยมไอรอนฟอสเฟตมาใชเปนวสดของแคโทดจะท าใหราคาของแบตเตอรถกลง 50% ถง 10% เมอเทยบกบลเธยมโคบอลตออกไซด

Springer และคณะ [13] ไดน าเสนอการทดสอบการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเซลลเดยว (Single cell) เพอดประสทธภาพ โดยใหคาตวแปรตางๆของแคโทดและแอโนดคงท ประสทธภาพการท างานของเซลลเชอเพลงหาไดจากเสนโคงโพลาไรเซชน (Polarization curve) ตามทฤษฎแลวความสมพนธของความตางศกยและความหนาแนนกระแสควรจะเปนเสนตรงขนานกบแกนนอน แตเนองจากขอจ ากดในการท างานของเซลลเชอเพลงท าใหความสามารถในการท างานลดลง ทงนเนองมาจากสาเหตส าคญ ดงน คอ

6

1. ความสามารถของตวเรงปฏกรยาไมสามารถท าใหเกดประจไฟฟาเพยงพอขณะทตองการกระแสไฟฟาเพมขน

2. ความตานทานภายในของชนการแพรและชนเยอแลกเปลยน สงผลใหความสามารถในการน าอเลกตรอนและโปรตอนต าลง

3. อตราการแพรของกาซเขาไปท าปฏกรยาไมเพยงพอ เนองจากเกดน าในชนการแพร หรอในชองการไหลของกาซ กาซจงไหลไดลดลง ท าใหการเกดปฏกรยานอยลง

เมอการสญเสย ทง 3 ชนดมคาสงจะท าใหประสทธภาพของเซลลเชอเพลงต าลง

Barbir และ Yazici [14] ไดน าเสนอการพฒนาเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน

ซงในขณะนเซลลเชอเพลงไดถกสนใจเปนอยางมาก เนองจากมประสทธภาพทสง (84% ตาม

ทฤษฎ), ไมกอเกดมลภาวะ, ไฮโดรเจนเปนเชอเพลงทมตามธรรมชาต, มอายการใชงานทยาวนาน,

สามารถน ามาประกอบตอกนไดหลายๆตว เพอการผลตกระแสไฟฟาในขนาดทตางกนออกไป,ใช

งานทอณหภมต า (ต ากวา 90 oC ) และสามารถเรมท างานและผลตกระแสไฟฟาและเพมก าลงใน

การผลตกระแสไฟฟาไดอยางรวดเรว การจดการเกยวกบน ากเปนสงส าคญทมผลตอประสทธภาพ

ของเซลลเชอเพลง น าจะเกดขนบรเวณแคโทดจงจ าเปนตองมการระบายน าออก เนองจากหากน า

มากเกนไปจะทวม (Gas Diffusion Layer, GDL) ซงมผลใหประสทธภาพลดลง นอกจากนนควรม

การพฒนาดานขนาดและน าหนกเพอสะดวกส าหรบเซลลเชอเพลงทมการเคลอนท ความทนทานสง

ราคาต า ในสวนของการพฒนาระบบของเซลลเชอเพลง การใชพลงงานจากอปกรณจายไฟ ใน

ระบบไมควรมากกวา 10%ของพลงงานทผลตไดและใชในการผลตก าลงไฟฟาไดสงสด 200 kW

(เนองจากมพลงงานไฟฟาทสงจงเหมาะกบการน าไปใชกบรถยนตได)

Vishnyakov และ Barbia [15] ไดเสนอรายละเอยดเบองตนของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลก เปลยนโปรตอนเกยวกบโครงสรางและกระบวนการผลตกระแสไฟฟา โดยในเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน กาซไฮโดรเจนจะถกปอนเขาดานแอโนด โดยใชแรงดน เมอกาซไปสมผสกบตวเรงปฏกรยา กจะเกดการแตกตวออกเปนโปรตอนและอเลกตรอน โดยการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน อเลกตรอนจะถกสงตอไปยงคอนเวอรเตอรแบบภายนอก ซงการไหลของอเลกตรอนน จะน าไปใชเปนไฟฟากระแสตรง สวนโปรตอนนนจะจบตวกบน าในรปกรดเคลอนทผานเยอแลกเปลยนโปรตอนไปยงแคโทด ซงทางดานนจะมการเตมออกซเจน เมอโปรตอนและอเลกตรอนของไฮโดรเจนรวมตวกบออกซเจน จะกอใหเกดเปนน าขน จงจ าเปนตองมการจดการน าทด เนองจากหากน ามากเกนไป น าจะเคลอนทไปตามชองทางเดนกาซ จงท าใหเกด

7

การขดขวางการท าปฏกรยาของกาซ แรงดนตกลง หากน ามปรมาณนอยจะท าใหพอลเมอร (Polymer) แหง โปรตอนไมสามารถจบตวใหเปนกรดจงท าใหโปรตอนไหลผานไดยาก ตวเรงปฏกรยานยมท าจากทองค าขาว (Ti) แตมราคาแพง Pathapati และคณะ [16] ไดใชโมเดลใหมในการวเคราะหการเกดแรงดนเกนชวคร ภายในเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน โดยไดศกษาเกยวกบอณหภมภายในเซลล, อตราการไหลเขาและออกของไฮโดรเจนและออกซเจน, อณหภมบรเวณแอโนดและแคโทด ความดนเมอมการเปลยนแปลงกระแสไฟฟาอยางกะทนหน โดยใชโปรแกรม MATLAB/SIMULINK ในการวเคราะหเซลลเชอเพลงซงประกอบรวม 35 เซลล จากการวเคราะห พบวาเมอกระแสไฟฟาเพมขนอยางรวดเรวแรงดนไฟฟาจะลดลงอยางรวดเรวและจะคอยๆเขาสคาคงท และเมอกระแสลดลง แรงดนไฟฟาจะเพม ขนและจะคอยๆเขาสคาคงทเชนกน หรอแรงดนไฟฟาแปรผกผนกบกระแสไฟฟานนเอง ความรอนทเกดขนภายในโครงสรางของเซลลเชอเพลง เชน แอโนดและแคโทดจะแปรผนตามขนาดของกระแสไฟฟาซงจะแปรผนตามปรมาณไฮโดรเจนและออกซเจนทท าปฏกรยา หากตองการกระแสไฟฟาสงกจ าเปนตองเพมปรมาณไฮโดรเจนใหเพยงพอในตวเรงปฏกรยาแอโนดและปรมาณออกซเจนทเพยงพอในตวเรงปฏกรยาแคโทด ในกรณทอตราการไหลซงมระดบความชนต าในระดบทเกนกวาทตองการมาก อตราการไหลทมากนท าใหความชนในแตละช นลดลง ซงความชนทลดลงนสงผลใหความตานทานในเยอแลกเปลยนเพม ขนและแรงดนไฟฟาทขวตกลง Boscaino และคณะ [7] ไดเสนอรายละเอยดเกยวกบแหลงจายแบบไฮบรดส าหรบภาระงานแบบพกพาซงประกอบดวยแหลงจายเซลลเชอเพลงและแบตเตอร โดยใชเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนขนาดเลก (10 เซลล 10วตต) แตเซลลเชอเพลงเพยงอยางเดยวไมเหมาะสมตอการเปนแหลงจายไฟฟาแกอปกรณเคลอนยายงาย (Portable) เนองดวยมการตอบสนอง ภาวะชวครทชาและมชวงแรงดนตกทนาน ระบบแหลงจายแบบไฮบรดทมแบตเตอรชนดนเกลเมทลไฮไดรดแรงดนปกต 1.2V 2500 มลลแอมป-ชวโมง จงไดออกแบบเพอแกไขขอเสยของเซลลเชอเพลงดงกลาว และในระบบนจะประกอบไปดวยคอนเวอรเตอรแบบแปลงผนก าลงไฟฟากระแสตรงเปนกระแสตรง (DC-DC converter) เพอใชในการปรบขนาดของแรงดนขาออกใหเหมาะสมตอการน าไปใชงาน โดยในการทดลองไดเลอกใชกลองดจตอล ตองการแรงดน 6 โวลต หากแรงดนต ากวา 4.2 โวลต กลองจะปดการท างานหนาจอ ตองการกระแสเฉลย 269 มลลแอมป กระแสสงสด 351 มลลแอมป ในเงอนไขการท างานทงหมด ทงนขนาดของกระแสขนอยกบฟงกชนการท างานของกลอง โมเดลของกลองดจตอลใชการจ าลอง โดยโปรแกรม MATLAB/SIMULINK โมเดลของเซลลเชอเพลงใชการจ าลองโดยโปรแกรม PSIM ประสทธภาพของแหลงก าเนดไฮบรดจะมการ

8

ตอบสนองแบบภาวะชวครทดขนโดยการใชแบตเตอรเพอแกปญหาการตอบสนองภาวะชวครทชาของเซลลเชอเพลง ระบบไฮบรดจะประกอบไปดวยเซลลเชอเพลงและแบตเตอรชนดนเกลเมทลไฮไดรดตออนกรมกนโดยม วงจรทอนระดบแรงดนไฟฟา (Buck converter) คนระหวาง 2 แหลงก าเนด มคอนเวอรเตอรแบบเพมระดบแรงดนไฟฟา (Boost converter) อยระหวางแหลงก าเนดและโหลด โดยการควบคมคอนเวอรเตอรแบบทอนระดบแรงดนไฟฟา ประกอบไปดวย 3 ลป (Loop) ไดแก ลปแรก คอ วงแรงดนซงควบคมแรงดนขาออก ลปทสอง คอ วงกระแสไฟฟาซงควบคมกระแสเฉลยของตวเหนยวน าและลปสดทาย คอ วงขาออกทปองกนไมใหแรงดนของเซลลเชอเพลงต าเกนไป Piergiorgio Alotto และคณะ [17] ไดเสนอรายละเอยดเกยวกบแหลงจายแบบไฮบรดซงมแหลงจายเซลลเชอเพลงแบบปฐมภมและแบตเตอรทตภม โดยเซลลเชอเพลงใชชนดเมทานอล ม 6 ชนขนาด 10 ตารางเซนตเมตร กระแสเอาตพต 0.2 แอมป แบตเตอรแบบลเธยมไอออนซงมระดบแรงดนปกต 3.6โวลต 750 มลลแอมป-ชวโมง การท างานของระบบไฮบรด ในชวงทความตองการพลงงานต า เซลลเชอเพลงชนดเมทานอลทสามารถน าเชอเพลงประเภทแอลกอฮอลใชไดเลย จะถกควบคมเพอจายไฟฟาตามทโหลดตองการและชารจใหกบแบตเตอรลเธยมไอออน และในทางกลบกนหากความตองการพลงงานสง เซลลเชอเพลงจะผลตก าลงทพกด (Rated power) และแบตเตอรจะจายก าลงสงสด (Peak power) แบตเตอรลเธยมท าหนาทเปนแหลงพลงงานส ารอง กระแสไฟฟาในชวงทคายประจทมคาคงท ซงมผลตออายการใชงานของ เซลลเชอเพลงชนดเมทานอลทดขน ในระบบไฮบรดจะประกอบไปดวยคอนเวอรเตอรแบบทอนระดบแรงดนไฟฟา วงจรเพมระดบแรงดนไฟฟา และแบตเตอร โดยวงจรเพมระดบแรงดนไฟฟาแบบซงโครนสจะท าหนาทยกระดบแรงดนทไดจากเซลลเชอเพลงชนดเมทานอลใหสงเทาแรงดนไฟฟากระแสตรงทบส (DC-Bus voltage) (ประมาณ 3.3 โวลต ส าหรบใชกบอปกรณอเลกทรอนกส) เซลลเชอเพลงประกอบดวย 4-6 เซลล เชอมตอแบบอนกรม (2-2.4 โวลต) ในสวนของแบตเตอรจะเชอมตอกบคอนเวอรเตอรทอน-เพมระดบแรงดนแบบเอชบรดจ (H-bridge buck-boost converter) เพอควบคมการอดประจและคายประจของแบตเตอร โดยจะท างานเปนคอนเวอรเตอรแบบทอนระดบแรงดนเมอแบตเตอรลเธยมชารจเตมทแลวและมแรงดนทสงกวาแรงดนทบสกระแสตรง ในทางตรงกนขามจะท างานเปนคอนเวอรเตอรเพมระดบแรงดน เมอแบตเตอรลเธยมจายประจและมแรงดนทต ากวา แรงดนทบสกระแสตรง การทดสอบการท างานของระบบไฮบรดจะท าโดยใชโมเดลของวงจรจากโปรแกรม MATLAB/SIMULINK เพอใชในการจ าลองประสทธภาพเชงพลวต จากการจ าลอง สามารถสรปไดวาเมอใชการควบคมกระแสสงสด (Peak-current controller) แรงดนทบส

9

กระแสตรงไดรบจะคงทและการน าเซลลเชอเพลงชนดเมทานอลมาท างานรวมกบแบตเตอรลเธยมจะใหการตอบสนองทดและสามารถจายพลงงานทภาระงานสงสดได Jason M. Tyrus และคณะ [18] ไดเสนอรายละเอยด การใชระบบไฮบรดเปนการประหยดเชอเพลงและลดมลพษทเกดจากยานยนต โดยในการศกษาไดใชรถยนตประเภทรถยนตอเนกประสงคสมรรถนะสง (Sport utility vehicles, SUVs) ซงตองใชเชอเพลงมากกวาเมอเทยบกบรถทใชในการขนสง โดยไดดผลทางดานการใชเชอเพลงและประสทธภาพไดนามก รถยนตไฮบรดมแรงขบเคลอนรวมจากเครองยนตสนดาปภายในและพลงงานสะสมจากแบตเตอรซงตอรวมกบมอเตอรไฟฟาและสวนทสองคอสวนการตอขนานระหวางแรงทางกลจากเครองยนตและมอเตอรไฟฟา โดยอตราสวนของการจายก าลงแกระบบแรงขบเคลอนคอตวประกอบไฮบรด (Hybridization factor, HF) สามารถหาคาตวประกอบไฮบรดซงมคาเทากบอตราสวนระหวางก าลงไฟฟาจากมอเตอรและก าลงไฟฟาทใชในการขบเคลอนรถยนตทงหมด คาตวประกอบไฮบรดมคาเทากบ 0 เมอเครองยนตสนดาปภายในใหพลงงานทงหมด หากคาตวประกอบไฮบรดมคาเปน 1 แสดงวารถยนตไฮบรดไดใชพลงงานไฟฟาทงหมด ในการศกษาผลไดท าการทดสอบ SUVs เพอดคาตวประกอบไฮบรดทเหมาะสมทสดเพอการประหยดพลงงานและประสทธภาพทดทสด โดยใชซอฟตแวร AD-VISOR ใชมาตรฐาน FTP-75 ตารางทดสอบภาระงานของรถยนตแบบการขบขในตวเมอง โดยไดแบงออกเปน 3 ชวง คอ การสตารทตอนเครองยนตเยน ภาวะชวครในชวงเครองรอน และการสตารทในชวงทเครองยนตรอน โดยไดแบงกลมพจารณาเปนรถขนาดเลก กลาง และใหญ โดยคาขอมลของรถไดใชคาเฉลยจากขอมลรถตามขนาดนนๆ แบตเตอรทใชในการทดสอบครงนไดใช แบตเตอรชนดตะกว-กรด (Lead-Acid) ขนาด 26 แอมป-ชวโมง ซงเปนแบตเตอรแบบเกาในการควบคมการท างานของสถานะประจแบตเตอร (State of charge, SOC) ของแบตเตอรตองมคาไมต ากวา 0.5 เมอ SOC มคาต ากวา 0.5 แบตเตอรตองการชารจประจจากการเบรกแบบรเจนเนอเรทฟหรอจากเครองยนตสนดาปภายในทเดนเครองดวยแรงบดทสง พบวาตวประกอบไฮบรดทท าใหประหยดเชอเพลงไดดทสดและประสทธภาพสงคอตวประกอบไฮบรดเทากบ 0.5 และคาความสามารถไตความชนได (Gradeability) ควรมคาทสงกวา 6% ซงเปนการแสดงวามประสทธภาพทดยอมรบได John W. Chinneck [19] ไดเสนอเกยวกบการใชไดนามกโปรแกรมมงซงเปนวธการหาเสนทางทเหมาะสมทสดโดยการตดสนใจอยางเปนล าดบขน ซงแตละล าดบขนจะเกยวของกน สามารถค านวณโดยใชมอได แตทเปนทนยมจะใชกระบวนการทเรยกวาการวนซ า (Recursive) เปนชดค าสงโดยใชคอมพวเตอรซงเรยกการท างานไดดวยตนเอง โดยเกบขอมลในแตละชวงเวลาจนกระทงถงเงอนไขทจะหยด กระบวนการจะมดงน เรมตนดวยการแบงปญหาออกเปนสวนยอยๆ

10

โดยการค านวณจะท าการค านวณแบบยอนกลบ เนองจากหากเรมตนทสถานะปจจบนไปยงสถานะอนาคตทเปนเปาหมายจะเปนเพยงแคสวนหนงของท งหมดของการท าการแบบไปขางหนา (Forward) จากสถานะทอยในขณะนน โดยจะหาผลทเหมาะทสดในแตละสวน จะท าการพจารณาปญหาสวนยอยรวมกบผลทเหมาะทสดของปญหายอยทอยตดกนซงไดหาผลทเหมาะทสดมาแลว และท าการหาผลทเหมาะทสด โดยจะท าการค านวณซ าเชนนไปเรอยๆจนกระทงถงจดทตองการเดนทางไปและหยดการค านวณ เราไมจ าเปนตองค านวณเสนทางทงหมดจนถงจดเรมตน แตจะท าการค านวณหาผลทเหมาะทสดไปจนถงจดทตองการเดนทางไป ในการตดสนใจหาจดทเหมาะทสดโดยการเลอกจากจดทท าให ผลบวกระหวางระยะทางทสนทสดจากจดเรมตนไปยงจดตอ (Node) ทอยกอนหนาและผลทเหมาะสมทสด ณ จดตอทพจารณา Chan-Chiao Lin และคณะ [20] ไดเสนอรายละเอยดเกยวกบการใชไดนามกโปรแกรมมงเพอหาวธการควบคมรถบรรทกไฮบรดทมแหลงจายพลงงานคอเครองยนต IV6, 5.475L, 157HP/2400 รอบ/นาท และแบตเตอรตะกว-กรด 18 แอมป-ชวโมง จ านวน 25 กอน เพอใหปรมาณการใชเชอเพลงต าทสด น าหนกของรถ 7258 กโลกรม มอเตอรขนาด 49 กโลวตต โดยควบคมใหสถานะประจของแบตเตอรมคาอยในชวง 55-60% สถานะประจแบตเตอรเรมตนและสนสดมคา 57% โดยท าการศกษาในรปแบบการขบ ขแบบในตว เ มองของรถบรรทกหนก (Urban Dynamometer Driving Schedule for Heavy-Duty Vehicles, UDDSHDV) เมอท าการทดสอบสามารถสรปเงอนไขการแบงจายพลงงานไดดงน 1. เมอความตองการพลงงานต ากวา 15 กโลวตต มอเตอรเปนตวจายพลงงาน 2. การชารจแบตเตอรจะเกดขนแคบางชวง โดยจะท าการชารจเมอสถานะประจ

แบตเตอรของแบตเตอรมคาต าเกนไป 3. แบตเตอรจะถกชารจเฉพาะในชวงทความเรวของลอรถมคาสงกวา 10 เรเดยน/วนาท

หรอ ความตองการพลงงานต ากวา 15 กโลวตต (เนองจากชวงดงกลาวมอเตอรมประสทธภาพสง)

4. มอเตอรจะท าหนาทเปนแหลงจายพลงงานเมอความตองการพลงงานต ากวา 8 กโลวตต (เพอหลกเลยงชวงทประสทธภาพของเครองยนตมคาต า)

Olle Sundstrom และ Anna Stefanopoulou [21] ไดเสนอรายละเอยดเกยวกบการแบงจายก าลงงานของรถยนตไฮบรดโดยมแหลงก าลงงานคอเซลลเชอเพลงและแบตเตอรตะกว-กรด ในขนาดทแตกตางกน มศกษาผลของขนาดแบตเตอร เนองจากเมอเพมขนาดของแบตเตอร น าหนกโดยรวมของรถไฮบรดจะเพมขน มผลตอการใชเชอเพลง โดยใชไดนามกโปรแกรมมงหาการควบคมทเหมาะสมทสดและใชขนาดแบตเตอรทเหมาะสมมาท าการทดสอบทหลายๆรอบการขบข

11

ทแตกตางกน ไดแกการขบขในนวยอรกซต (New York city cycle, NYCC) เปนลกษณะการขบเคลอนแบบความเรวต า FTP-72 เปนลกษณะการขบเคลอนแบบในตวเมองใชความเรวต าและการขบขบนทางหลวง ความเรวปานกลาง และ SFTP ลกษณะการขบขแบบอตราเรงทสง ในการศกษาจะไมค านงถงการสญเสยในระบบสงก าลง มอเตอรกระแสตรง อนเวอรเตอร และคอน-เวอรเตอร และสมมตใหคอนเวอรเตอรสามารถท างานอยางรวดเรว สามารถปอนพลงงานไดในทนทพรอมกบกระแสขาออกจากเซลลเชอเพลง รถยนตทใชเปนรถยนตขนาดกลาง น าหนก 1384 กโลกรม (รวมเซลลเชอเพลงและถงเกบไฮโดรเจนไมรวมแบตเตอร) ในการทดสอบจะแบงออกเปน 2 กรณ คอ กรณไมค านงถงผลของอตราสวนเกนของออกซเจนทชน (Stack oxygen excess ratio, OER) และ กรณค านงถงผลของอตราสวนเกนของออกซเจนทชน พบวาการเพมขนาดของแบตเตอรจะมผลท าใหน าหนกของรถเพมขน ขนาดของแบตเตอรทเหมาะสมจะขนอยกบภาระงานรปแบบตางๆ น าหนกของรถ ชนดของแบตเตอรและความหนาแนนของพลงงานในแบตเตอร ระบบไฮบรดจะมประโยชนในกรณภาระงานแบบ NYCCมากกวาในกรณแบบ FTP-72 และ SFTP

1.3 วตถประสงคของงานวจย

1.3.1 เพอศกษาจ านวนแบตเตอรในระบบไฮบรดแบบเครองยนตทมผลตออตราการใชน ามนส าหรบภาระงานแบบตางๆ 1.3.2 เพอศกษาจ านวนแบตเตอรในระบบไฮบรดแบบเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนทมผลตอประสทธภาพการท างานส าหรบภาระงานแบบตางๆ 1.3.3 เพอจดท าขอเสนอแนะเกยวกบเงอนไขการแบงจายก าลงงานระหวางแหลงพลงงานหลกและแบตเตอรทเหมาะสม

1.4 ขอบเขตการวจย

1.4.1 ศกษาขอมลจากรถยนตยหอฮอนดารนซวค ขนาด 1.4ลตร 1.4.2 ใชขอมลโมดลแบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟตแตละเซลลมความจ 2.3 แอมป-ชวโมง ระดบแรงดน 3.3 โวลต ตออนกรมจ านวน 44 กอน 1.4.3 ใชขอมลเซลลเชอเพลง 127 เซลล 100 ตารางเซนตเมตร

1.4.4 ศกษาโดยใชตารางความเรวของรถยนต 5 รปแบบ ไดแก Japan 10/15 mode, UDDS, HWFET, UN/ECE และ SFTP 1.4.5 การวเคราะหใชไดนามกโปรแกรมมงเพอค านวณหาจดทเหมาะทสด 1.4.6 วเคราะหหาขนาดของแบตเตอรทเหมาะสมทสดโดยใชคาใชจายเชอเพลงเปนดชนวด

12

1.5 ประโยชนทคาดวาจะไดรบ

1.5.1 องคความรในการค านวณหาจดคมทนของการเลอกขนาดแบตเตอรทเหมาะสมของระบบไฮบรดแบบเครองยนตโดยมตามดชนวดคออตราการใชน ามนส าหรบภาระงานแบบตางๆ 1.5.2 องคความรในการค านวณหาจดคมทนของการเลอกขนาดของแบตเตอรทเหมาะสมของระบบไฮบรดแบบเซลล เ ชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนโดยมตามดชนว ดคอประสทธภาพการท างานส าหรบภาระงานแบบตางๆ 1.5.3 องคความรในการควบคมการแบงจายก าลงงานระหวาง 2 แหลงจายในระบบแบบไฮบรดแบบเครองยนตและระบบไฮบรดแบบเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนส าหรบรถยนตอยางเหมาะสม

1.6 วธการท าวจย

ท าการศกษาราคาและน าหนกของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนและแบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟต พรอมกนนนท าการหาขอมลลกษณะเฉพาะของเครองยนตของรถยนตยหอฮอนดารนซวค ขนาด 1.4 ลตร เพอน ามาประกอบการค านวณหาความสมพนธระหวางความเรวของรถยนตตอภาระงานของระบบก าลงสง ถดจากนนจะท าการหาสมบตพนฐานของการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนทมการเชอมโยงระหวางระดบกระแสไฟฟาตางๆ และแรงดนไฟฟาทเกดขนรวมถงหาสมบตพนฐานของกระแสไฟฟาและแรงดนไฟฟาของแบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟต เพอน าขอมลดงกลาวไปหาประสทธภาพการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนและแบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟต ณ ระดบตางๆ โดยจะน าขอมลทไดดงกลาวนค านวณหาคาใชจายเชอเพลงโดยการสรางแบบจ าลองระบบไฮบรดระหวางเครองยนตและแบตเตอร และประสทธภาพการท างานของแบบจ าลองระหวางเซลลเชอเพลงและแบตเตอรซงท าการค านวณโดยใชไดนามกโปรแกรมมง

13

ตาราง 1.1 รายละเอยดและระยะเวลาในการด าเนนการวจย

การด าเนนการวจย ระยะเวลา (เดอนท)

1 2 3 4 5 6 7 8 1. ศกษาทฤษฎและรวบรวมขอมลทเกยวของกบงานวจย 2.ศกษาราคาและน าหนกของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยน โปรตอนและ แบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟต

3. ศกษาลกษณะเฉพาะของเครองยนตของรถยนตยหอฮอนดา รนซวค ขนาด 1.4ลตร

4. ศกษาความสมพนธระหวางความเรวของรถยนตตอภาระงานของระบบก าลงสง

5. ศกษาสมบตพนฐานของกระแสไฟฟาและแรงดนไฟฟาของแบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟต

6. ศกษาหลกการค านวณหาคาใชจายเชอเพลง 7. สรางแบบจ าลองระบบไฮบรดแบบเครองยนต 8. ศกษาสมบตพนฐานของการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนทมการเชอมโยงระหวาง ระดบกระแสไฟฟาตางๆ และแรงดนไฟฟาทเกดขนของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน

9. หาประสทธภาพการท างานของเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอนและแบตเตอรแบบลเธยมไอรอนฟอสเฟต ณ ระดบตางๆ

10. สรางแบบจ าลองระบบไฮบรดแบบเซลลเชอเพลงชนดเยอแลกเปลยนโปรตอน

11. ท าการค านวณโดยใชการโปรแกรมดวยไดนามกโปรแกรม มง

12. วเคราะห สรปผลการวจย และจดท าวทยานพนธ