儲能鉛酸電池替代品之拙見

鉛酸電池已經使用了相當長的時間，雖然每單位重量的能量密度早已被其他電池超越，給人笨重但又存不了多少電的印象，循環壽命不佳，過放電又容易受損，但是鉛酸電池價格便宜，所以在很多需要儲能的場合，例如太陽能儲能，不斷電系統，通信機房，甚至一些老人代步用電動車，仍可以見到鉛酸電池被大量採用。目前市場上開始出現使用其他種類電池(例如磷酸鋰鐵電池)來取代儲能用鉛酸電池的產品，其有單位體積/重量下具備更高能量密度的優勢，且充放電性能也較優異，逐漸吸引市場關注，在一些可控制範圍內使用這類取代電池，的確可以一掃原本鉛酸電池所具備的缺點。但是天下沒有白吃的午餐，想要完全發揮取代電池的最佳效能，必須針對兩者電池不同的充放電特性/參數，去調整設備，否則會無法釋放取代電池的完整效能。舉常見的不斷電系統來說，其針對鉛酸電池的使用場合，平常使用浮充(Float charge)方式讓電池維持一定的電量，對於每一顆12V的鉛酸電池，其浮充電壓維持在13.6V至13.8V，為一定電壓(CV)充電的特性，若是使用磷酸鋰鐵電池將其取代，雖然其四串組合標稱電壓接近12V鉛酸電池，但充電上採取的是先定電流後定電壓(CC-CV)的充電，且其四串組合充電截止電壓在14.4V，相較於原本鉛酸電池浮充電壓區間，會顯現出充電未能全滿(FULL)的問題，使得無法有效發揮完整能量密度。另外，不斷電系統內控制電路是使用電壓來作為剩餘可用時間參考，對於兩種電池有不同放電平台電壓來說，若是不進行相對應的修改，也同樣會出現剩餘可用時間判讀失準的狀況。

另外還有最重要的一件事，不斷電系統屬於長時間通電，且不一定會隨時有人在旁邊的設備，電子零件存在失效機率的問題，同樣電池也是有這個機率，尤其隨使用時間過去，電池逐漸老化，失效機率也會提高，不斷電系統使用的密封閥控式鉛酸電池，本身內部無液態電解液，負極回收設計也可盡量減少氫氣產生及外洩，即使長久使用的老化，最多就是極板膨脹導致外殼變形或脹裂，較少發生嚴重事故狀況。磷酸鋰鐵電池雖然安全性已經很好，但失效時可能會導致本體洩壓閥動作，排出內部氣體釋放壓力，也可能同時產生高溫，進而造成更明顯的影響，所以目前搭配磷酸鋰鐵電池使用的不斷電系統，大多會在具備監視及滅火設備的場所(例如機房)，使其在發生狀況時，能立即被發現及進行處置，在而不適用在家用環境下

總而言之，為了使取代電池能發揮最佳效能，並更安全的使用，除了針對使用的設備進行最適化設定與調整外，也要評估使用的環境是否適合，方可享受替代電池帶來的好處並降低其影響

報告完畢，謝謝收看

電池常見術語解釋
Absorbent Glass Mat (AGM)：吸收性玻璃纖維
富有微小孔洞的玻璃纖維材質墊片，用來吸收電解液，無硫酸分層的影響，採大面積緊密結構以提高隔板及極板的接觸壓力，降低電池內阻及提高充放電性能，此為AGM電池的主要特色及名稱由來

Acid Stratification：硫酸分層
傳統加水式鉛酸電池充電時，會產生密度比水高的硫酸，因為重力作用而下沉到分電池槽底部，密度較低的水則上升到分電池槽頂部。當電解液密度不均時，會影響電池放電能力及容量

Active Material：活性材料
鉛酸電池正極極板的活性材料是二氧化鉛(PbO2)，負極極板的活性材料是海綿狀金屬鉛(Pb)，當充/放電進行時，會依照此化學式與電解質中的硫酸(H2SO4)進行反應：PbO2 + Pb + 2H2SO4 = 2PbSO4 + 2H2O

Ampere(Amp、A)：安培
電路中電子流/電流量測的單位

Ampere-Hours, Ah：安培小時/安時
電量的單位，每1安培提供/消耗1小時則為1安培小時/安時，例如一個電池可提供連續20小時的5安培電流，就是5*20=100安培小時/安時

Capacity：容量
一個完全充電的電池在固定時間(小時)內以固定電流(安培)輸出固定電量(安培小時)的能力

Cell：分電池
由正極板、隔板、負極板、電解質所組成，多個分電池可組成整個電池，一個12V鉛酸電池內有6個分電池

Cold Cranking Ampere(CCA)：冷啟動電流
鉛酸電池在華氏零度/攝氏零下17.8度時可提供30秒且每個分電池至少維持1.2V輸出下的最大電流值，對於處在寒冷/雪地中的機動車輛，啟動電池CCA是重要的參數

Cycle：循環
二次電池中，完整一次放電加上一次充電，稱作一次循環

Deep Discharge：深度放電
用小電流將電池完全放電的狀態，使電池電壓降到最終放電電壓以下

Electrolyte：電解質/電解液
鉛酸電池中，電解質/電解液是水稀釋的硫酸，為電池充放電化學反應提供水和硫酸鹽

Fading：衰退
使用一段時間後長期的容量損失

Final discharging voltage：放電截止電壓
電池放電的最低容許電壓值，若放電到低於該截止電壓(深度放電)會損害電池

High Current Charging：大電流充電
充電電流倍率大於1C(1Ah電池的1C就是1A)

High Current Discharging：大電流放電
放電電流倍率大於5C

Enhanced Flooded Battery(EFB)：增強型富液電池
相較於傳統鉛酸電池，同為富液式設計的EFB電池採用強化的正負極板，使其較傳統鉛酸電池有更深的放電深度，更大的電流充放電能力，更好的循環壽命，適合於採用ISS及充電制御系統的車輛上

Idle Stop/Start(ISS)：怠速熄火啟停
為了減少汽車於怠速下暫停的燃油消耗及污染排放，具備ISS的車種偵測到車輛停止並踩著刹車時，燃油引擎會自動熄火，起步時輕踏油門會自動啟動引擎，因為熄火時車上電裝品會消耗電池電能，啟動時電池要提供大電流發動引擎，所以對電池考驗比較嚴苛

GEL Battery：膠體電池
內部採用凝膠狀稀硫酸電解質包覆正負極板，與AGM同樣為貧液式設計，並透過凝膠內的微小縫隙來完成負極氣體吸收，使電池結構可以密封

Effective Inner Resistance：等效電池內阻
電池中抵抗電流流動的可測量電阻值，會表現在與放電電流大小成比例的輸出電壓壓降上。該值取決於電池構造、充電狀態、溫度和電池使用年限

Lead-Calcium Alloy：鉛鈣合金
用於免維護貧液式鉛酸電池(AGM/GEL)負極極板的網狀鉛合金，其鈣含量約在0.08-0.1%，鉛鈣合金極板可提高氣體回收能力，降低失水速度

Low Current Charging：低電流充電
充電電流僅略高於補償自放電損耗的電流值

Low Current Discharging：低電流放電
放電電流低於0.1 C

Maintenance-Free battery：免維護電池
把電解質/電解液固定在吸收性玻璃纖維(AGM)或凝膠(GEL)中的鉛酸電池，電池密封並配有洩壓閥門，又被稱為密閉閥控式鉛酸電池Sealed Valve Regulated Lead-Acid(VRLA)

Rated Capacity：額定容量
在規定電流/溫度的放電條件，電池可放出的Ah容量

Self-Discharging：自放電
自放電是沒有連接負載下，電池電極上與溫度有關的永久性化學反應過程，仍會使電池電量緩慢降低

Short Circuit：短路
電氣設備或配線中的非預期電流旁路，旁路電阻通常來說很低，因此會導致大電流流動。在電池中，分電池短路可能會造成該分電池永久放電並使整個電池故障

State of Charge (SOC)：充電狀態
檢測電池當下電壓，相較於充飽狀態的充電百分比

State of Health (SOH)：健康狀態
檢測電池，相較於同規格全新電池的健康百分比，需要較為詳細的檢測項目及步驟

Thermal Runaway：熱失控
電池充放電過程中，因高環境溫度或電壓/電流增大導致內部化學反應加速，加速的化學反應產生更多熱量使電池整體溫度上升，上升的溫度又使內部反應更快而產生更多熱量，熱量因累積性疊加作用而使電池損壞
密封式鉛酸電池因密封加上貧液式結構，電池充放電中熱量發散更不易，使用時需特別注意溫度狀況

Venting Valve：排氣閥
密封式電池(AGM/GEL電池)上的安全排氣閥平時防止外部空氣進入，在過壓情況下會打開排出氣體，並在內部恢復正常壓力時自動關閉

Voltage Dip：電壓驟降
當使用大電流放電(例如啟動引擎)時，電池電壓瞬間下降的情形

Voltage Drop：壓降
當電流流過電路內電阻較大的部分，就會發生壓降

Watt(W)：瓦特
電功率的測量單位。瓦特=安培x伏特

Watt-Hour(Wh)：瓦特-小時(瓦時)
一定功率使用一段時間的測量單位。1瓦時=1瓦特功率連續使用1小時(1Wh=1W x 1h)，1kWh=1瓩時=1度

#電源設計 #電池充電 #降壓—升壓型電池充電器

【供應電壓大不同？萬用充電器就能搞定】

電源是電子產品的生命，然由於各種產品的電池組成與額定電壓不盡相同、充電的輸入電壓範圍大，有時會低於或高於輸出電池的負載電壓；為了適於替各種化學電池充電並接受各式電源輸入，電池須同時具備升壓及降壓的能力。凌力爾特 (Linear) LTC4020 降壓—升壓型電池充電器可在 4.5V～55V 的輸入範圍內運作，並產生高達 55V 的輸出電壓；由一個「降壓—升壓型 DC/DC 控制器」和一個「PowerPath」電池充電器組成，專為多種電池化學組成而優化。

LTC4020具有許多特點，包括：PowerPath 即時接通、基於定時器的充電、電池溫度監視、用於高阻抗電源的輸入電壓調節、充電狀態和故障報告，是一款通用的高電壓、高效率降壓—升壓型電源控制晶片。它採用四開關降壓—升壓型轉換器，只需一個電感轉換器的輸出直接連到系統負載，且能同時為電池充電。最大充電電流可藉由採樣電阻進行監測和調節，用戶可自行選擇在充電通路上加一個「場效應管」，以便在需要時將輸出電池與系統負載分開。

LTC4020適用於汽車電池、12V～24V軍工業／醫療用電源或太陽能板，採用三種充電模式，針對不同電池類型最佳化：
—對鋰電池可選擇恆流、恆壓充電模式，既可採用1/10電流，也可定時以終止充電；
—鉛酸電池可用優化的四步三級充電模式；
—帶定時功能的恆流充電。

它採用平均電流型控制，抗干擾能力強，電感平均電流透過輸入部分的兩個採樣電阻進行監測，能在系統負載供電的同時，為電池充電。充電過程中，充電通路場效應管絕大部分時間皆在開通狀態，阻抗很低。將電池和轉換器輸出連接在一起，對於過度放電而電壓很低的電池，LTC4020會自動將充電通路場效應管設置為一個線性穩壓器，以允許降壓—升壓型轉換器輸出；當高於電池電壓時，仍然能夠充電，該功能被稱為「即時開通」。

只要輸入電源具備，轉換器能立即提供高於電池電壓的輸出。在非充電狀態下，LTC4020自動將充電通路場效應管設置為一個理想二極管，如此電池與轉換器輸出是斷開的；然而一旦系統負載電流超過轉換器的最大供電能力，額外功率馬上能由電池通過該理想二極管，高效提供給負載。詳細工作原理如影片連結所示。

延伸閱讀：《Linear：高效率降壓—升壓型電池充電器》
http://www.compotechasia.com/a/CTOV/2015/1103/30397.html…
(點擊內文標題即可閱讀全文)

#凌力爾特Linear #LTC4020

圖檔取材：pixabay.com