抽取式鋰電池組並接技術與電動機車性能提升應用

刊登日期:2017/4/5
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電池儲能是許多移動式用電設備或工具的主要電力來源,以目前國內電動機車依據經濟部工業局制定的補助標準為例:在電池重量10公斤的限制下,鋰電池組容量約1.1~1.5千瓦小時,大約可以滿足「輕型」電動機車40公里的續航力要求以及其他各項爬坡加速等需求。然而這樣的電動機車性能相較於現有100 C.C.汽油引擎機車的性能,在加速爬坡與續航力等性能仍有一段差距,因此難以吸引大部分汽油機車使用者改用電動機車。

為了在有限的重量規格下,提供更高的電功率與更多能量以提升電動機車的性能與續航力,使用兩組或更多電池模組的串/並接成為必要的措施。若是考慮以相同電池設計,藉由擴增電池數量來滿足大小額定不同的電動機車,採用並接設計是比較具有彈性的方法。本文將從電池的特性差異情況下,探討可充電電池並接使用時可能面臨的狀況,以及技術上可能解決的各種方法及其優缺點分析。

電池並接應用的問題
藉由電池並接擴充電容量,除了提供電動機車更長的續航力之外,更有提高電池供電功率的目的。相較於固定式鋰電池電池並接安裝出廠後,消費者不能單獨使用其中部分電池組;抽取式鋰電池組實際上會面臨比較複雜的電池差異狀況,如個別電池組有機會單獨充電或放電到不同的電量準位,或因使用次數不一而有性能衰退的差異。當並接電池連接到同一個負載時,如有電壓或阻抗的些微差異,負載電流無法平均分配在各並接電池,造成電壓較高或阻抗較低的電池組分配到比較多的電流,也就是輸出比較高的功率,圖一與圖二簡單說明這種情況。

圖一、具有阻抗差異的兩電池組並接放電時,產生的電流分配不平均現象
圖一、具有阻抗差異的兩電池組並接放電時,產生的電流分配不平均現象

抽取式電池(Portable Battery)在良好的管控下,如果電動機車所配用的複數電池組出廠後,長期專用於特定電動機車並接供電,其間差異變化雖然可預期的緩慢擴大,不至於突然造成超出預期的負載差異狀況出現。然而若是隨機更換的兩組抽取式鋰電池是很容易遇到嚴重的特性差異,或者未來若是以市面流通的各式共通型電池隨機並接使用,除了並接時的電壓或阻抗差異之外,可以預期電池組之間的容量差異以及放電電壓平台差異,將使並接電池組之間的負載更加複雜。以下藉由圖三各曲線說明幾種電池組之間的差異:①SOC(State of Charge)差異:相同的電池設計,但是充電容量有明顯的差異,圖三中曲線X與A分別代表SOC不同的電池組。並接時A電池組之SOC比X電池組的SOC高,情況如同圖二所示。如果沒有迴路上的管制,A電池組將會先對X電池組進行充電,最終達到兩者的SOC相同,此後兩者即可平衡放電負載電流。圖四顯示實驗中兩電池組分別串接一個二極體後再並接,以防止電池測試過程中兩電池組相互充放電。實驗結果顯示,電池組之間的負載電流分配非常不均勻。

圖四、兩組SOC分別為100%與50%的磷酸鐵鋰電池並接放電的電流差異
圖四、兩組SOC分別為100%與50%的磷酸鐵鋰電池並接放電的電流差異

電池組的並接管理
除了電池電壓的差異造成並接時大量電能在其間流動的問題之外,為了避免並接電池當中任一電池組因為負載電流不均造成保護斷電,電池的輸出應有一調節裝置,使得負載電流超過該額定電流時,僅降低電池輸出電壓,以維持不超過最大電流,其連接架構如圖八所示。其中以假想的A、B兩電池組空載端電壓VA與VB為例做說明:並接時當負載從零電流逐漸上升時,如圖九所示,總負載電流IM完全由端電壓較高的A電池組輸出IA = IM。因此當IA升高時…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:周裕福 / 統達能源(股)公司
★本文節錄自「工業材料雜誌」364期,更多資料請見下方附檔。


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