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創新技術系列報導(8)主動式放電平衡增程裝置及其控制方法



越來越多的電動機車、電動巴士穿梭在大街小巷,而讓電動車大行其道的關鍵,就是鋰離子二次電池(Lithium Ion Secondary Battery)。電池管理系統是儲電系統的關鍵技術,關係儲能系統的安全與性能,而其中又以平衡系統最為重要。國立勤益科技大學先進儲能技術服務中心主任林正乾教授研發的「主動式放電平衡增程裝置及其控制方法」,能有效對鋰電池模組增程10%~15%與增壽5%~10%,可望對鋰電池應用帶來新變革。

「電芯是藝術,不是科學。」林主任表示,電芯的製造無法保證每一次、每一顆特性、內阻的恆定和統一,即使經過非常嚴謹的製程也不可能相同,再加上使用的歷程及老化的速度不同,其內阻的差異勢必存在,且差異可能越來越大。

而鋰電池普遍存在電池容量與內阻不一致的困擾,導致在充、放電的過程中,有些電池充、放電的速度較快,造成部份電池率先到達過放或容量飽和的限制而整組電池組必須被迫終止充放電,但其餘電池可能尚有充足的電力可容納或供應的情況產生。「即使仰賴電源管理系統來控制規範,也無法完全使用儲存的電力,達到增程的效果。」

即使通過篩選的方式讓電芯品質較一致的電池進行串聯使用,然而每顆電池的外在環境條件都不甚相同,因此問題依舊存在。業界改善的做法多採被動式放電,但平衡力不足,且電流過小,若讓使每個電芯都到達飽和狀態,勢必還是有某些電芯會出現過充問題。

林主任舉例,一輛電動巴士裝有多個電池模組,經過一段時間的使用後,因為電池平衡問題,會讓電池的蓄電量下降。而電池電壓不平衡造成電池組中的電壓差距過大,則將嚴重影響整個電池組的供電效率、與壽命與電動車的行駛距離。此時便需要靠人工卸下一個個重達近百公斤的電池模組,進行三天三夜的手工平衡充電。

「主動式放電平衡增程裝置及其控制方法」是由全域式主動平衡電路和使用外部的平衡電源來進行主動式放電平衡增程的裝置。在放電時將各電芯間的電壓值進行運算並計算出最大電壓與最小電壓的電壓差,當電壓差達設定值時,系統將自動啟動放電平衡機制,也就是打開最低電壓之電芯開關進行平衡。而當該電芯的電壓達到設定值後,便停止平衡並重新判斷條件來決定是否繼續平衡。因此不僅可減緩部份電芯提早出現過放的機會,也可延長電池組的使用時間與電動車的行駛距離。

林主任認為,「主動式放電平衡增程裝置及其控制方法」可直接應用於高壓主從式電池管理系統,無須增加使用模組間的平衡電路,且硬體成本與現有電池管理系統相比成本不變,徹底解決鋰電池容量與內阻不一致的困擾,目前「電池管理系統市場尚無性能更好的技術。」而看好儲能電池的市場將是電動車的數倍,未來「主動式放電平衡增程裝置及其控制方法」也將結合再生能源發展儲電系統,擴大應用領域。


(發佈時間:2019-10-07)

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