5-1 電池保險絲
5-1.1 電池保險絲基本概念與目的
於使用鋰離子電池的過程中，可能因為遇到突發意外使一瞬間的大電流通過 電池，對電池造成影響甚至是傷害損毀鋰離子電池。這可能會因為鋰離子電池失 控進而發生危險，為了避免此情況發生，台灣大學應用力學研究所蔡慶鴻的碩士 論文中，提出了一套電池保險絲的概念[8]。利用一個可變電阻調控通過並聯電池 組中兩電池的分支電流，使多餘的電流不會流經被保護的電池，以犧牲一顆電池 避免另一顆電池因為意外的突增電流而受影響甚至是損毀。詳細設置情況如圖 5.1 所示。
圖 5.1 文獻[8]所提及電池保險絲示意圖(圖片參考文獻[8])
雖說是被犧牲的電池，但因為該電池選用可以承受較高電流、較安全且具高 度穩定與循環壽命等特性材料的磷酸鐵鋰電池(LFP 電池)，故該電池組理論上在 突增電流作用後依然能正常運作，使電池組因突增電流所受到的影響降至最低；
即使 LFP 電池因為突增電流損毀，因為材料本身較為安全，不容易產生高熱進 而影響電池組的安全性，僅需將損毀的 LFP 電池更換掉即可。因為以較為便宜 的 LFP 電池保護相較之下較貴的其他電池，在遇突增電流時保護電池組達到安 全性的目的，如此的特徵使其可被稱為電池保險絲。
NCA
LFP
5-1.2 改良版電池保險絲模型
圖 5.1 中的模型設置，於 COMSOL 分析中可以得到良好的驗證[8]。若可以 有效並且準確的監測總電流並且即時調控制可變電阻之電阻值，的確可以在突增 電流發生的狀況下，額外的電流均流過 LFP 電池而不影響三元材料鋰電池。不 幸地，電池在不同 SOC 下均會有不同的電阻值，所以如何在真實形況下即時針 對總電流變化迅速調整可變電阻，為此課題中最困難的一個問題。
為此，遵循其想法之核心概念，衍生出一新的設置用以改善電池保險絲難以 用於現實中的困境，如圖 5.2 所示。圖 5.1 電池保險絲的想法為利用調整可變電 阻，改變並聯電池中分支電流的分配狀況，使通過三元材料鋰電池的電流不變；
而圖 5.2 電池保險絲改良版的想法為，直接控制通過三元材料鋰電池的電流不變，
讓多餘的電流流經 LFP 電池。
圖 5.2 電池保險絲改良模型示意圖
圖 5.2 中虛線所圈起處，為由兩對電流源與二極體所組成的兩向通道，使此 電池組於充電時I1,a 0,I1,b ；放電時0 I1,a 0,I1,b 。利用電流源控制三元材料0
鋰電池的充放電電流為I1，其中I1I1,a I1,b，讓通過 LFP 電池的電流為I2，其
中I2 Itotal I1。當有瞬間突增電流通過此電池組時，因為I1仍只受電流源的影
響，電流大小不會改變，所以增加的電流全部通過 LFP 電池，以此方法達到電池 保險絲的概念。
NCA
LFP
5-1.3 實驗結果與可行性評估
圖 5.3 電路可行性測試：(a)仿效電池放電之情況 (b)仿效電池充電之情況
為了確保此電路模型為一可行之電路設計，並確定在一個安全穩定的狀況下 進行實驗，先將圖 5.2 模型中具危險性與多變化性的電池換成電阻進行電路測試，
並先以功率較低的電子元件進行測試，並選用可調式穩壓器電子元件 LM-317 組 成的電流源進行實驗。因此實驗中的電流大小會比一般電池充放電實驗小很多，
結果如圖 5.3 所示，其單位為毫安培。實驗中，與 5-1.2 中描述的預想結果一致。
圖 5.4 實驗結果示意圖
透過上述的測試可以確定此電路具輸出穩定電流的特性，為了提高輸出電流 用於電池的測試，將使用可承受較大功率的電子元件進行替換，並把為了簡化電 (a)
(b)
305 mA
LFP
NMC
路所用的電阻換回電池進行實際的測試。
於實驗中，將使用 A123 型號為 ANR26650M1A 的磷酸鐵鋰電池(LFP 電池) 與 SAMSUNG 出廠型號為 ICR18650-26H 的鋰鎳鈷錳電池(NMC 電池)進行實驗，
並以型號為 TO-3 的 317 電子元件組成圖 5.4 電路中的電流源。TO-3 的 LM-317 具有金屬外殼，散熱佳且功率較高，可以提高通過 NMC 電池的電流大小之 範圍。
控制通過三元材料 NMC 電池的電流為 305mA，並藉由調整通過 LFP 電池 之電流大小達到改變總電流的目的。由實際的實驗結果圖 5.5 可以看出，不論總 電流如何改變，通過 NMC 電池的電流均為 305mA；而通過 LFP 電池的電流則 會隨著總電流改變而產生變化，且滿足I2 Itotal I1的關係式，如圖 5.4 與圖 5.5 所示。
圖 5.5 實際實驗結果照片(上排為Itotal數值，下排為I 數值) 1
5-2 並聯電池組之行為測試
5-2.1 實驗儀器與設備介紹
於實驗之初，必須先介紹實驗所使用的儀器以及實驗所用的相關耗材器具。
鋰離子電池的充放電實驗主要為利用 Bio-Logic Science Instruments 生產，北 極光科技公司代理之 BCS-815 充放電儀，為一個 8 通道的電池充放電系統。各
個通道各自獨立，並具有一個 K-type 熱電偶接槽，可以連接 K-type 熱電偶溫度 線量測待測物體的溫度變化。每個通道均可以依據使用者需要給予適當的電池工 作條件，並記錄各項電池工作狀態下的數據，例如隨時間變化通過電池的電流大 小、電池端電壓與利用溫度線量測工作中電池的溫度變化……等數據。
圖 5.6 BCS-815 充放電儀與原廠纜線
圖 5.7 Bio-Logic Science Instruments 原廠電池四線制夾
為了讓待測試的電池可以進行測試，必須在 BCS-815 充放電儀上裝上纜線 並以電池夾具作為連接待測電池與纜線之媒介。電池夾具除了作為連接待測電池 與 充 放 電 儀 之 媒 介 外 ， 還 具 有 固 定 實 驗 中 電 池 的 效 用 。 Bio-Logic Science Instruments 原廠電池四線制夾具價格昂貴，且為四個夾具緊鄰排列，故若使電池 相鄰進行實驗時，電池試體會受到彼此因工作時產生的溫度變化而有所影響。為
了節省時間，會希望多個充放電儀通道同時進行實驗，但因為原廠夾具過於昂貴，
量測電壓的伏特計可視為一具極大電阻的感測器，量測電流的安培計因為電 阻值極小可視為一零電阻的感測器。故理論上，當同時使用伏特計及安培計，量 測通過電池電流大小以及電池端電壓值時，幾乎不會有電流通過伏特計，且電流 通過安培計不會有任何壓降產生。
二線制的電路設置如圖 5.9(a)所示，其中 經伏特計至2 區段流經的電流為2 零， 經2 後通過安培計再通過2 和2 之區域流經的電流大小為安培計所示；2 四線制的電路設置如圖 5.9(b)，圖中上部伏特計迴路中無電流流過，而下部安培 計迴路中的電流為安培計讀數。
因此在二線制中，因為在 到2 與2 到2 間有電流流經，且現實中此二區2 間內電阻並不為零，所以於此二區間均會有壓降產生，使伏特計讀數為 與2 2 兩點間的電壓，而非電池當前狀態下真實的端電壓；在四線制中，因為 與4V 4A 共點、 與4V 共點且伏特計迴路中電流為零，所以4A 4V, 4V, 4A, 4V, 4A和4V六 處的電壓值均相等，即為電池當前狀態下的端電壓，亦為伏特計上所得到之數值。
因為電池的充放電截止條件時常與電池端電壓有關，當流經電池的電流越大，
二線制所產生的電壓誤差也將會跟著增加，這將會影響電池在充放電過程中的行 為表現。圖 5.10 的實驗結果即為強而有力的證明，因此目前大多數的實驗均採 用四線制的方式進行實驗，就是為了避免端電壓誤差的產生。
圖 5.10 同一顆鋰電池在二線制與四線制的實驗操作下電壓隨時間變化之關係圖 時間[s]
電壓[V]
5-2.3 並聯狀況下的鋰離子電池工作情況
一直以來，如何準確地量測並聯電池組的分支電流，都是一個重要的課題。
因為電池具有低電阻、兩端電位差高的特性，與一般電子元件不太相同，且量測 電流時感測器必須與電池串聯才不會失真。若因為量測電流的感測器阻值不夠小，
將會影響並聯電池組中的電流分配，則無法得知真實電池組並聯時的分支電流大 小，故量測分支電流大小的感測器必須具備極低阻抗的特性。
圖 5.11 固緯電子(GWINSTEK)型號為 GDM-8341 的桌上型數字電表
一開始，本研究預計打算以低阻值的安培計作為量測分支電流的感測器，使 用固緯電子(GWINSTEK)型號為 GDM-8341 的桌上型數字電表作為安培計使用，
照片如圖 5.11 所示。其安培計檔位的阻值僅有10m，但因為電池內阻大約落在 30 ~ 200m 等級左右[1]，因此 GDM-8341 數字電表仍會影響並聯電池組的電流 分配，不適合拿來量測並聯電池組的分支電流。為了證實是否可以使用 GDM-8341 進行分支電流的量測，本論文進行如圖 5.12(a)的電路設置實驗後，可以得 到圖 5.12(b)的實驗結果。理論上，兩顆一樣規格的電池組成並聯電池組，工作時 的分支電流應該會方向相同且大小一樣。而從圖 5.12(b)的實驗結果可以明顯看 出，GDM-8341 僅有10m 阻值會影響兩顆一樣型號電池的工作電流，使兩條分
支電流產生較大的差異，且充放電所使用電池容量有著明顯的差異(依據工作時 間內電流對時間積分可得知該電池工作狀況中所使用的電池容量)。
圖 5.12 相同型號電池並聯實驗的 (a)實驗設置示意圖 (b)分支電流之實驗結果
圖 5.13 霍爾電流感測器模組量測電流示意圖
為了量測並聯電池組分支電流，必須尋求阻抗更低的感測器，故採用非接觸 式感測器進行並聯電池組分支電流的量測。依據實驗中電流範圍並對照文獻的經 驗[8]可以得知，使用霍爾元件(Hall sensor)組成的電流感測器(WCS1800 霍爾電
(a)
(b)
NMC
NMC
total
I
1
I
AA
時間[10 s] 4 電流[A]
電壓轉換成電流
電壓資訊
得到 電流數值 電流流經 Hall sensor
對電壓產生影響
流感測器模組)，可以得到較準確的分支電流數值。霍爾電流感測器模組工作原 理為，利用電流流經 Hall sensor 周圍時，Hall sensor 周圍磁場改變，使其內阻改 變進而導致電壓發生變化。此電壓變化與流經的電流成一個線性關係，而兩者關
流感測器模組)，可以得到較準確的分支電流數值。霍爾電流感測器模組工作原 理為，利用電流流經 Hall sensor 周圍時，Hall sensor 周圍磁場改變，使其內阻改 變進而導致電壓發生變化。此電壓變化與流經的電流成一個線性關係，而兩者關