由前述的第五章至第七章,從電池保險絲的概念出發,確立控制電池組中分 支電流之可能性,並且達到在經歷突增電流時,犧牲少數電池將電池組中電池所 受傷害降至最低的目的。此處控制分支電流的想法,以及研究如何量測電池組中 分支電流的過程,驅使一個利用控制並聯電池組分支電流達到延長電池組使用壽 命的想法在心中萌芽。
為了控制分支電流以達到延緩電池組老化速度的目的,首先,了解並聯電池 組之行為模式為一項不可或缺之研究。透過研究電池組分支電流之實驗結果與許 多文獻,在深入分析並聯電池組行為模式的過程中,意外的發現電池內阻與極化 過電位之奧妙。
最後透過對並聯電池組的了解,發展出一個可以有效延緩並聯電池組之電子 電路設置,並且依據電池的基礎特性建立了一個並聯電池組的模型,可以有效預 測並聯電池組中分支電流的分配情況。各項詳細的結論敘述將以以下各小節進行 描述。
8-1 電池保險絲
電池保險絲可用於防患突增電流對電池組造成未知傷害,利用控制手段將多 餘的非預期電流導至預想之位置,以犧牲某顆電池作為代價保護整個電池組。若 被犧牲電池產生不可挽回的傷害,使得電池組不堪使用,也只需更換被犧牲的電 池即可使電池組再次正常運作,達到犧牲一顆電池用以避免整個電池組受損的目 的。依據章節 5-1 中透過控制通過待保護電池電流的實驗結果,可證實電池保險 絲概念的可行性,亦說明控制電池組中分支電流分配之可行性。
8-2 並聯電池組分支電流行為模式
關於電池組之並聯分支電流分配行為引來了許多學者進行探討,但各家眾說
紛紜,且均無直接而有效的證據證實並聯分支中電流如何進行分配。本論文於章 節 5-2 與 5-3 中利用量測並聯電池組中之各項電池工作特性,例如各並聯分支電 流、各電池端電壓大小以及電池組之端電壓,配合電子電路之基本概念,並且將 電池視為電壓源與電阻組合之元件,以此方式對並聯電池組進行解析。
因此得知,處於工作狀態下之並聯電池組中的各顆電池端電壓不一定會完全 相同,而此端電壓的差值即為造成分支電流差異之主要元兇。電池組中,各分支 之電池端電壓與電池當前狀態之電壓源和電池內阻相關。從第六章中更進一步得 知,以電壓源和電阻近似為一顆電池的模型中,電壓源包含電池之開路電壓與因 電流流經所產生之極化過電壓,而電阻即為工作狀態下電池之工作內阻。而電池 之極化過電壓與工作內阻,均會隨著電池工作電流與電池當下 SOC 不同而產生 變化,而此二項電池參數於電池 SOC 約小於 10~20%後,開始產生較為明顯的梯 度變化,使得以相同電池組成之並聯電池組於放電快結束時會有較大的分支電流 差異產生。
從本論文的研究中可以發現,並聯電池組之各分支電流分配,會受到外部電 路阻抗、電池開路電壓、電池工作內阻與極化過電壓共四項變數的影響。其中電 池開路電壓、電池工作內阻與極化過電壓均會隨電池 SOC 改變而有所變化,電 池工作內阻與極化過電壓之數值又都會受到工作電流大小的影響。而電池組始終 將保持各並聯分支之端電壓一致、電流連續等最基本的理論想法。
8-3 工作狀態下電池的內阻與極化過電位
為了瞭解並聯電池組各分支的電流分配,本研究意外地發現了電池於工作狀 態下之內阻與過電壓會隨著 SOC 變化而有所不同。在此之前,從未有研究對鋰 離子電池內阻、極化過電壓二者與 SOC 之關係進行如此詳細之研究,且不同研 究對於鋰離子電池內阻之量測方式均不盡相同。
章節 6-1.2 中說明了並聯電池組中,電池內阻對各分支電流分配的重要性,
且電池內阻必須會隨電池 SOC 變化而有所不同,才有辦法解釋:為何以兩顆一
工作內阻與極化過電壓之絕對值也就越大。
從圖 6.18 與圖 6.19 中可以發現,隨著電池老化程度增加,電池工作內阻與 極化過電壓之絕對值也隨著上升。電池內阻隨著電池老化而增加為廣為人知的事 實,這也是為什麼於圖 6.18 中隨著 SOH 的遞減,電池工作內阻隨 SOC 變化之 曲線整體上移之原因;極化過電壓隨 SOH 遞減而整體增加的原因,可能為隨著 電池老化,鋰離子嵌入電極之難度增加,使得電池內部濃度梯度變化加劇。
理論上通過鋰離子電池的工作電流越大(C-rate 越大),電池內部的鋰離子濃 度梯度變化也越劇烈,故電池之工作內阻與極化過電壓之絕對值也會隨之增加。
從圖 6.23 中,可以看到隨著 C-rate 的增加,電池之極化過電壓也隨之增加,符 合前述的想法;從圖 6.22 中,可以看到隨著 C-rate 的增加,電池之工作內阻卻 隨之減少,此狀況不符合前述的想法。因此本論文認為,可能還有一項影響著電 池工作內阻的因素尚未被發現。
回頭審思不同 C-rate 的實驗中,還有什麼會發生可能之實驗變因尚未被考慮 進來,發現僅剩下溫度的因素尚未被考慮。根據 Yang 等人的研究中[5],可以發 現隨著電池工作環境的溫度上升,電池內阻會隨之降低。隨著 C-rate 增加,電池 因電化學反應所產生之反應熱也會隨之上升,造成電池工作於時之溫度增加。換 言之,在沒有控制環境溫度的情況下,工作電流越大電池實驗時之環境溫度越高。
綜合以上所述,可知因 C-rate 增加而產生之熱,對電池內阻的影響較內部鋰離子 濃度梯度變化產生的影響大,才有了如圖 6.22 之實驗結果。
藉由整理章節 6-2.8 之實驗結果可以得知,電池因工作電流通過所產生之極 化過電壓,會受到電池 SOC、工作電流以及電池內部鋰離子濃度分佈狀態等因素 的影響;電池之工作內阻,會受到電池 SOC、工作電流、電池內部鋰離子濃度分 佈狀態以及工作環境溫度等因素的影響。
8-4 並聯電池組老化速度的延緩
於章節 5-2.3 中,使用一般三用電表安培計量測並聯分支電流之失敗的實驗 經驗中,發現安培計之阻抗對鋰離子電池而言依舊太大,使安培計阻抗不可被忽 略,且會影響並聯電池組之分支電流分配。從電阻過大會影響並聯電池組分支電 流分配的現象作為啟發,加上第五章對電池組分支電流的了解與章節 6-2 中對電 池內阻之研究成果,反過來利用電阻不可被忽略之現象。以外加電阻做為控制電 池組分支電流分配之依據,降低電池組於充放電過程中之分支電流差異,達到延 長電池組使用壽命的目的。
從前述章節 6-3 中,可知藉由如圖 6.24 的簡單電子電路設置,達到延長並聯 電池組壽命為一可行的方法。此處所謂的延長並聯電池組壽命,指的是此電子電 路設置可以有效的抵銷電池因並聯後產生分支電流差異而產生老化加快之影響,
故最多也只可以使電池組之循環壽命與單電池的循環壽命一致。而且此電子電路 設置亦可以避免過大的非預期分支電流出現,對於電池組使用的安全性上也提供 了不小的建樹。
8-5 電池的儲存老化
在陰錯陽差下,拜實驗儀器通道不足所賜,使本論文發現了一項有趣的事實:
電池放置不用也會發生老化的現象。而這裡所指的電池老化,在一開始的電池容 量上不會有明顯的差異,而是顯示在電池循環老化的老化速度上。
章節 6-3.5 之實驗結果,不但顯示了圖 6.24 電子電路設置對延緩並聯電池組 老化速度之功效,也間接顯示此項電池之特性。雖然
圖 6.35、圖 6.36 顯示加入 0.5之並聯電池組之老化速度與單電池老化速度 相似,但與圖 6.33、圖 6.34 相比之下,
圖 6.35、圖 6.36 中之電池循環次數少了許多,意指
圖 6.35、圖 6.36 所使用之電池老化速度比圖 6.33、圖 6.34 使用的電池快了
許多。而這兩批電池為同一時間從同一 SAMSUNG 代理廠商取得,唯一的差異 為開始實驗時電池靜置存放的時間。
為了驗證靜置時間拉長是否會使電池老化速度加速,於章節 6-3.5 之中也進 行了簡單的驗證,確定不論鋰離子電池製作好之後是否有經過充放電循環,電池 都會開始慢慢老化,只是靜置的電池儲存老化與充放電循環老化對電池造成之影 響不盡相同。雖然這是一個壞消息,鋰離子電池又多了一個待解決的問題,但無 疑使我們對於鋰離子電池之老化又有了更新一步的認識,況且知道問題總比什麼 都不知道好得太多。
8-6 並聯電池組之分析模型
根據第五章對並聯電池組的了解,再加上第六章測得的不同工作電流下電池 內阻與極化過電壓對電池 SOC 關係曲線之實驗結果,最後透過電腦工程運算軟 體 matlab 進行建模。如第七章中所述,得到一個可以預測並聯電池組分支電流 之模型,與實際測得並聯電池組分支電流的實驗數據相比,趨勢一致且數值相差 不遠,是一個可以準確預知並聯電池組分支電流分配之模型。
此並聯電池組模型之分析結果與實際實驗結果相近,代表著許多重大的意義 與優點。無疑地,分析結果與實際量測結果相近,表示模型十分接近真實並聯電 池組的運作狀況。而此模型中,包含著章節 5-3 之基本構想與章節 6-2 對電池於 工作狀況下的電池內阻、極化過電壓的理論以及實驗結果,且此些想法以及實驗 結果所述之現象,於目前並聯鋰離子電池研究中均從未出現過,為一套敘述並聯
此並聯電池組模型之分析結果與實際實驗結果相近,代表著許多重大的意義 與優點。無疑地,分析結果與實際量測結果相近,表示模型十分接近真實並聯電 池組的運作狀況。而此模型中,包含著章節 5-3 之基本構想與章節 6-2 對電池於 工作狀況下的電池內阻、極化過電壓的理論以及實驗結果,且此些想法以及實驗 結果所述之現象,於目前並聯鋰離子電池研究中均從未出現過,為一套敘述並聯