鉛酸電池的老化

鉛酸蓄電池隨著充放電的次數增加，會逐漸降低儲能的能力，這是由於電池之充 放電並不屬於完全可逆的電化學反應，會因極板之逐漸劣化造成所謂的電池老化 現象。放電深度的不同，也會影響電池的老化速度，深度放電將加速電池老化，

電池壽命也隨之減少。亦即電池的容量會隨著使用次數與放電深度而有所變化，

由此可知電池的殘電量，會隨著電池的老化而有所不同，這也使得電池的殘電量 較難計算。

造成電池老化的原因有很多種，例如不當的使用，像將電池置於高溫下使用 和不適當的更新充電（Freshening Charge）的頻率等，都會加速電池的老化速度。

以下介紹電池儲存時必須注意的事項。

（1）自我放電[5]

任何電池，不管是一次電池或二次電池，當此電池處於開迴路狀態下，會隨 著時間損失能量。這種情形稱為電池的自我放電（Self-Discharge）。

若電池因為自我放電而損失的能量，在一段時間內沒有補充回去的話，會導 致活性物質（正電極的二氧化鉛（PbO2），負電極的海綿狀鉛）逐漸形成無法回覆 的硫酸鹽物質（硫酸鉛PbSO4），而使電池的儲存容量減小。

導致自我放電反應增快最主要的原因是溫度升高，在高溫狀態放置時自我放 電反應速度增加，例如在夏天時自我放電量比冬天有兩倍之多。因為溫度的升高 會導致於電池內部化學反應加速。因此如果長時間不使用時，盡量放在低溫處所，

而再度使用時應作電壓的檢查。

（2）儲存時的電壓損失[5]

雖然將電池儲存在理想溫度的環境，但每隔一段時間，電池的開路電壓（OCV）

掉到每Cell 2.00 VPC 以下時，仍須對電池重新充電一次。如果讓電池的開路電壓 降到太低的程度時，可能會造成電池的永久損壞而不能回復。

3.3 電池的充電法則

電池的充電方式會影響到電池的性能和壽命，當使用過大的充電電流時，電 池的化學反應不及，使得電池內阻增加，造成電池溫度的急遽上升，使用不當則 會傷及電池內部的材料；反之，若充電電流太小，則需較長的充電時間，使用上 十分不方便。因此，欲發揮電池的最大效能，且不需要太長的時間對電池充電，

則電池的充電方法就顯得十分重要。

電池的充電方法有定電壓（CV）充電法、定電流（CC）充電法、混合定電流 定電壓（CC CV）充電法以及脈衝充電法（CP）等。一般市面上較常使用之 充電方法大多為定電壓充電法與定電流充電法兩種，主要原因在於充電器之電路 結構簡單，設計亦較容易，但此兩種方法亦存在兩個主要的問題，定電壓充電法 在充電初期電流較大，除了會造成蓄電池的溫度升高外，電池極板也容易損壞，

而定電流充電法則是充電時間過長。脈衝充電法由於在充電過程中可提供充電休 息時間，使電池電解液獲得緩和的時間，故可採用較大電流進行充電，以縮短蓄 電池的充電時間，以下將分別介紹上述所提的充電法則。

3.3.1 定電壓充電法

如圖 3-9 所示，定電壓充電法的原理是利用定電壓源對電池進行充電，其優點 為電路架構簡單及控制電路設計容易。在定電壓充電模式下，充電電流會隨著電 池充飽的程度而降低，當電池充飽後，充電器自動進入浮充(Float charging)模式，

讓電池保持在充飽的狀態。此法在充電初期時，因電池端的電壓較低，造成初始 充電電流過大，因而容易使電池的極板損壞及蓄電池本身溫度升高，以致縮短蓄 電池的壽命。欲改善此缺點，可採用多段電壓充電法，亦即充電初期先以較低之 充電電壓進行充電，待電池端的電壓上升後，再將充電電壓提昇[5,21-24]。

定電壓充電模式

電流

電壓浮充模式

時間

電池電壓/電流

圖3-9 定電壓充電法曲線圖 3.3.2 定電流充電法

如圖 3-10 所示，定電流充電法是以一固定電流對電池充電，此法與定電壓充 電法相同的是，當電池充飽後，充電器須轉換為滴流充電模式以避免電池過充而 損壞。相較於定電壓充電法，此法可以在短時間內將電池充飽，但是必須注意電 池的充電程度，因為充電器會一直提供定電流給電池進行充電，所以當電池充飽 後，若不立即停止充電或切換至滴流充電模式，則會造成電池過度充電，使電池 的極板損壞，減少電池的壽命[5,24-27]。

此外，充電電流通常以容量為計算單位，以 YUASA NP7-12 的鉛酸電池為例，

其額定容量為7AH，若以 7 安培（1C）的電流充電，理論上此蓄電池可在 1 小時 充飽。但為了避免電池因大電流充電而傷即電池的內部材料，目前電池廠所建議 的最大充電電流為1.75 安培（0.25C）左右。

時間 電壓

定電流

電池電壓/電流 滴流充電

圖3-10 定電流充電法曲線圖

3.3.3 混合定電流╱定電壓充電法

由上述得知，定電壓與定電流充電法各有其優缺點，為了改善此兩種方法的 缺點，於是定電流 定電壓充電法被提出來，此充電方法可以明顯的減少充電時 間，也因具有定電壓充電法之自我調節電流的功能，不會造成電池過充的情形 [5,24-27]。如圖 3-11 所示，充電初期採用定電流模式，由於電池在電量較少時對 電流的接受度較高，此時可將大部分釋放的能量快速的補回，當此模式一直進行 到電池電壓到達設定電壓時，充電器會轉換為定電壓充電模式繼續充電，此時稱 為均充模式，待電池充飽後，充電器會自動轉換為浮充模式，讓電池維持在充飽 電的狀態。

時間

定電流 定電壓

電流 電壓

浮充

電池電壓/電流

圖3-11 混合定電流 定電壓充電法曲線圖

3.3.4 脈衝充電法

脈衝充電法是以週期性脈衝電流對電池充電，如圖 3-12 所示，此法因為有一 段停止充電的時間，使得電池內之電解液可以利用這段時間獲得較均勻的擴散，

因此充電的能量能充分的由化學能轉換成電能，故此充電效率較前述之方法為高 [24-27]。

由於密閉式的鉛酸電池僅添加剛好足夠的電解液，因此任何形式的電解液損 失均會造成電池容量的下降，所以在充電過程中不宜用過高的電流對電池充電，

以避免過高的電流使電解液的汽化速度超過氣體的吸收速度。所以在實驗設計 時，對於充電電流與頻率都需要加以規範，以確保電池能適度充飽又不至於傷害 到電池。

脈衝充電電流

電池休息時間

時間

電池電流

電池充電時間

圖3-12 脈衝充電法曲線圖

3.4 鉛酸電池之殘電量偵測

電池殘電量偵測有下列幾種方法：（1）內阻法、（2）起始放電電壓法、（3）

比重計法、（4）開路電壓法、（5）加載電壓法、（6）庫侖量測法。

3.4.1 內阻法

內阻法是測量電池的內部電阻，由電池的內阻值來判斷電池的容量[11-15]。

鉛酸電池在兩極板間和極板與電解液間存在一會變動的阻抗，此阻抗值在電池放 電末期會急遽增加，因此每隔一段時間去測量電池的內阻，若電池內阻開始急遽 增加，即可視為電池容量所剩不多。電池在放電過程中，會隨著電壓之降低（容 量的減少）而使內阻增加，這是由於電池內部之變化，包括極板由 Pb 和 PbO2變 成PbSO4和電解液中硫酸濃度減低。

由於內阻法是測量電池的內阻來判斷電池的容量，但電池的內阻通常極小，

3.4.2 起始放電電壓法

鉛酸電池在放電初期，由於電池本身內阻，會使電池電壓下降再逐漸回升，

此電化學反應稱為Coup De Fouet，圖 3-13 為電池之起始放電電壓曲線。起始放電 電壓法是依此峰值電壓（Plateau voltage）及谷值電壓（Trough voltage）來預測電 池的容量，但是這種方法只適用於電池充飽時，通常用在負載固定的系統上，因 此並不適用於急遽變動負載時的殘電量偵測[10]。

時間 14

13

12

Trough Voltage Plateau Voltage

電池電壓

圖3-13 電池起始放電電壓曲線圖

3.4.3 比重計法

電池的充電與放電為一可逆之電化學反應，以鉛酸電池為例，在充電時極板 上之硫酸鉛被轉換為硫酸、二氧化鉛與鉛，因此電池在充（放）電的過程中，電 解液的濃度會增高（降低），故利用比重計測量電解液的比重，即可測出其硫酸的 濃度，進而作為電池容量的偵測方法。

由於電池在充放電過程中，極板附近的電化學反應較為劇烈，其比重主要發 生在極板附近，極板以外的部分則需靠擴散作用，才能使電解液的比重均勻分佈，

因此需要一段穩定的時間才能測出準確的電解液濃度，但是在實際使用時不可能

完全靜止一段時間，而且使用比重計必須將其裝置在電池內部使其接觸到電解液 才能量測，此法對於密封式的鉛酸電池而言並不適用，因此比重計法比較少被拿 來偵測電池的殘電量[7,9]。

3.4.4 開路電壓法

鉛酸電池的開路電壓與硫酸液的濃度成線性關係，所以開路電壓亦可作為判 斷電池電量的參考。但是使用開路電壓法跟比重計法有同樣的限制，當電池在充 放電之後需要等待一段時間使電池的開路電壓回復到穩定值，如果在使用上無法 提供足夠的時間去得到穩定的電池電壓，則此法在殘電量的偵測將產生相當大的 誤差[5,9]。

3.4.5 加載電壓法

加載電壓法是指電池接上負載時去量測電池的電壓，當電池的放電電流固定 時，電池電壓與電解液的比重成線性關係，所以此法是依據電池的加載電壓來計 算電池的容量。由於電動車輛及電動載具在使用時必須注重電池容量的狀態，以

加載電壓法是指電池接上負載時去量測電池的電壓，當電池的放電電流固定 時，電池電壓與電解液的比重成線性關係，所以此法是依據電池的加載電壓來計 算電池的容量。由於電動車輛及電動載具在使用時必須注重電池容量的狀態，以