朱明彥、白祐承、梁世豪、林昱岐／工研院資通所
全球各先進國家皆積極發展再生能源，如風力、太陽能等，不過此種能源的建置受限於天候條件，無地利情況下，運用儲電設備配合電網需求進行適當的電力調度，是各電力公司常用的解決方案。然而現今儲電產品價格仍然居高不下，加上內部電池陣列之連接為固定式，如果其中一個模組電量耗盡或是故障，則整個系統必須停止工作，因此需要再提高成本選用性能一致性高的電池芯以及模組。工研院獨創的「可即時線上重組軟體定義電池系統—RAIBA (Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture)」可將新、舊電池模組整合在一起運用、延長系統運轉的時間及循環壽命。
【內文精選】
氣候變遷與再生能源
自18世紀工業革命以來，產業迅速發展帶來大量的能源消耗，樹林遭到大面積砍伐，使地球環境的碳循環遭到破壞，更加劇了全球氣候的暖化。根據聯合國以及世界氣象組織(WMO)於2019年9月發表的報告，由於全球暖化失控、防止氣候災難的競爭嚴重落後，過去的五年(2015~2019)成為有史以來均溫最高的五年，2016年受到強烈聖嬰現象影響，成為史上最熱的一年，接著2015年、2017年以及2018年則分別位居第二名到第四名；而北極冬天的平均溫度，從1990年開始整整提高了3˚C；全球均溫則提高了將近1˚C，如圖一所示。
電動車蓬勃發展製造大量汰役電池
當今電動車(Electric Vehicle; EV)興起，全球車廠因應環保議題與日益嚴格的油耗規定，逐步推出各款混合動力及純電車款，再加上消費者對於電動車市場的接受度越來越高，供需兩方平衡下，市場必定日益茁壯。
電動車的出現除了解決能源面的問題，也因應環境保護、永續發展等議題。近年來在電動車的大量產出下，伴隨而來的是數量日益增長的汰役電池，但不論是存放或是處理，對公司而言都是成本，也就是「負面經濟」。如圖三所示，電池的需求不斷成長，美國著名商業周刊《Bloomberg Businessweek》在2018年6月的一篇文章中指出，第一批問世的電池目前已經到達退休的時候了，而未來將會有更多的汰役電池出現，該如何好好利用這些電池以達到循環經濟(Circular Economy)將會是各國、各大廠要面對的問題；更有學者指出，到了2030年，全球汰役電池的數量可能會高達2,200萬顆。
圖三、《Bloomberg Businessweek》對電池需求成長的市場分析
創新與挑戰
一般市面上常見的儲能系統，通常是藉由許多規格及特性皆一致的電池串、並聯組成的，然而要將這些退休下來的舊電池使用在儲能系統上，第一個將會面臨的挑戰便是容量不均勻的問題，因為大部分的汰役電池極有可能當初就是由於相對於系統中其他電池較為老化、使得系統中的電池變得不一致而被汰換下來的。
除了前述容量不均勻的問題，緊接著將會面臨的第二個難關，是電池規格以及特性不一所產生的問題，因為畢竟每個電池可能種類、來源都不相同，再加上老化程度的差異，想要將這些電池都放在同一個系統中一起使用，與電池一致性的需求背道而馳。
工業技術研究院獨創的「可即時線上重組軟體定義電池系統(Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture; RAIBA)」，藉由軟體、硬體的配合，不僅能解決上述的兩大困難問題，還能安全、有效地使用系統中的每一個電池，並且延長系統90%運作時間與51%循環壽命。
RAIBA技術的誕生
RAIBA系統運用其三大特色：線上電流軟切換模組、電池陣列重組演算軟體、基於電化學阻抗頻譜之老化適應性運作區間（如圖四），可將新、舊電池模組整合在一起運用。透過此軟、硬整合系統，控制電池模組的充、放電負載以及電池連接組態，使不同電池模組以有效率的方式相互搭配，達到延長系統運轉時間及循環壽命的效果。
圖四、RAIBA系統架構圖
RAIBA技術與重大效益
RAIBA主要是透過Zero-redundant Failoperational 、Smart Battery Model、Simulation of System與Risc等四項技術運作，分別說明如下。
1. Zero-redundant Fail-operational
在一般的EES中，充放電能力會因容量最弱的電池組而受限，最嚴重可能會導致系統完全停擺。Zero-redundant Fail-operational是透過EBM與重組演算法的配合，使因電池組受損而完全無法運作的EES，能以65~90%能力繼續運行，如圖六所示。如此，不僅改善了客戶端負載機組運行上的隱憂，也可節約維修人力的開銷…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》400期，更多資料請見下方附檔。