電池重組技術  

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陳建宇、施宏澤、莊凱翔/工研院資通所

在全球面臨氣候變遷與節能減碳的挑戰下,新興的綠能產業已成為各國逐鹿的主流能源產業,其中以太陽光電、風力發電產業發展最為快速,儲電系統顯得格外重要;先進國家如德、日、美、歐等國,近年來更將此列為國家之重要政策而積極發展。電池重組技術,直接合成所需要之電壓、電流、甚至交流電,達到儲能/轉能一體化、系統低成本及高效率之需求。

前 言
全球面臨氣候變遷與節能減碳的趨勢需求,加上未來原油及其他傳統能源將逐漸短缺,使得再生能源之發展顯現其重要性與迫切性。為解決缺電危機,儲電系統日趨重要,其中,電池為最廣泛的儲能元件,甚至在30年後之比重將有可能超越石油與燃煤,成為全球主要之儲電能源;它能解決環保與能源短缺問題,為現今值得討論及研究的議題。因此先進國家如美、日、歐洲諸國等,近年來已將儲能系統視為重要政策並積極發展。

電池重組晶片技術
電池重組技術,可依系統負載直接合成所需要之電壓、電流、甚至交流電,可免除電源轉換、穩壓調節電路,提升轉換效率及系統成本。此外因電池組態改變,可控制每個電池單元工作責任週期,並輪替使用,達到電池平衡等化效果,增加電池有效容量及使用壽命,亦可使用混搭或汰役電池。本電池重組技術可應用在再生能源及電動車充/放電系統。

工研院資通所致力於開發電池重組技術,自行開發IC衡流切換技術、線上重組切換(On-line Reconfigurable Switching Operations)控制晶片,達到使用中不斷電並可依需求改變組態。On-line Battery Reconfiguration Control IC可在系統運作過程中進行電池連接組態改變,不需斷電即維持對負載持續供電。IC具有極快的切換速度和低功耗之優點,可因應不同的負載需求。透過多組串並聯結構,當欲輸出特定電壓,即串聯重組成最接近電壓;當欲輸出特定電流,即並聯達到需求電流。此技術提供交流輸出,可應用於市電併網與馬達系統中。透過電池的重組作一體式的控制,可以直接將能量產生交流電110 V/220 V,達到效能最佳化。其擁有低成本、簡易控制方式等優點,除此之外,還有著高轉換效率和極佳的電池管理。

在中油論壇中,中油董事長戴謙對於資通所新的電池重組技術相當感興趣(圖一)。正因為現今環保的議題以及政府對再生能源政策目標擴大,儲能方面的應用日趨重要,我們正著手整合軟/硬體,促進儲能產品商業化機會。藉以讓國內儲能產業增強國際競爭力,同時有效利用汰役電池作為儲電元件,在經濟效益與環保議題上都能達到雙贏的局面。

由於現今電動車產業蓬勃發展,國外像Tesla公司已經將產品逐漸市場化,但電池仍是系統中最關鍵的問題,它的成本相當高且無法彈性的作調整,以致於電池的壽命較短,仍有進步的空間。而我們的技術深度整合軟體與晶片、電力電子與電化學元件硬體,開發出可動態重組之電池系統,改善了電池壽命的問題,對電動車產業有相當卓越的幫助。

圖二為電池重組晶片的示意圖,其為類似一個矩陣的形式,達到可彈性組合輸出電壓。電池單元模組中模式切換過程,對應於矩陣式各模組處於互相串並狀態,每一個電池搭配一個控制模組,可為不同形式的任何電池,如鉛酸電池、鋰電池、鋰鐵電池。圖二右側則為晶片的布局圖。此為我們自行開發的重組切換控制晶片技術,模組於切換過程電流將維持恆定,透過閉迴路控制,達到精確恆定電流及快速之切換。

圖二、電池重組晶片技術
圖二、電池重組晶片技術

圖三為電池重組轉能系統架構,在電池重組實際應用中,我們發展出基於電池可重組合成電壓之特性,產生交流時變訊號,因此產出結合儲能/轉能一體化之交流電能供應系統。此電路重組技術採全數位化之控制用雙迴路電壓電流控制方式,將電池模組重組切換策略配合誤差修正,構成之演算策略實現交流電,可以直接將能量產生交流電110 V/220 V,依滿足不同電壓組合適應寬廣電壓電流範圍,達到效能最佳化。

圖四為系統架構圖,將電池重組結合轉能控制,直接對負載供應直流/交流所需電壓、電流,可以為單相或是三相電,控制器採用美商德州儀器DSP F28335算出命令電流,免除電力調節及轉換,以期整體達到電池彈性、延壽使用。

圖四、系統架構圖
圖四、系統架構圖

圖五為本技術於中油論壇參展的情境展示圖。儲電為新成形的產業,近年在各國政府策略性地推廣下,加上再生能源在許多國家已達飽和造成電力系統之問題,使得儲電系統的需求逐漸萌芽。透過電池重組技術,在離峰時間將能量儲存下來,當需要用電時,再將電透過電網傳送到各個家庭。現今新興的技術是如何透過儲能/儲電系統將電力再送至電網,這將慢慢成為電力電子產業新興的議題。我們的技術將可廣泛地應用在儲電系統中。

儲電系統的壽命與穩定性將影響整體的成本與使用效率,而可重組式平價電池陣列(Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture; RAIBA)技術的導入將可增進使用效率並降低成本。圖六為電池重組技術展示DEMO,我們透過此技術成功地將電池儲存的DC直流能量,轉換成市電交流110 V,供給家用電器使用。也可依據不同的應用需求,轉換出220 V的交流電,供電動巴士或是馬達使用......以上為部分節錄資料,完整內容請點選下方「檔案下載」。

圖六、電池重組技術展示DEMO
圖六、電池重組技術展示DEMO

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