電池的知識收集

本章節裡主要是在簡介電池的相關知識，由電池的種類出發，電池的化學特性，電池的測試，直到電池的保養維護等，主要的來自網站 http://www.mpoweruk.com的技術文件。讀者可以籍由本章節的解說對電池更加的了解，更能掌握電池相關問題的找出解決的方法。

• 電池的種類

• Primary Batteries – 市面上無法回充的乾電池。
• Second Batteries – 可充電的電池。
• High Power Batteries – 電池容量高於 5A/Hr。
• Low Power Batteries -電池容量低於 5A/Hr。
• Fuel Batteries – 主要原理是利用水中的氫氧分解產生電子。
• Solar Batteries – 主要是把陽光的能量轉成電流。靠著二氣化鈦轉換太陽光的熱能。

• 電池的化學特性

• 鋅碳電池 – 陽極用鋅，陰極用碳棒，加入銨氯化物和鋅氯化物的電解液。兩端可產生1.5伏特的電壓
• 鹼性電池 – 電解液改採用鉀氫氧化物。
• 鋅/銀氧化物電池 – 一般稱為水銀電池，兩端可產生1.6伏特的電壓。
• 鉛酸電池 - Gaston Planté 於1859發明，因為可忍受大功率的輸出，應用於汔車點火系統SLI[Starting, Lighting and Ignition]，單顆電池的兩端輸出為2伏特。
• NiMH電池 – Ovonics於1986發明，NiMH電池的組成部分包括鎳氫氧化物的陰極，吸收合金和鉀氫氧化物電解液的一個氫的陽極。單顆電池的兩端輸出為1.2伏特
• Lithium電池 -典型的鋰離子電池把碳做為它的陽極和鋰鈷二氧化物或者一鋰錳化合物作為陰極。 電解液通常使用鋰鹽溶液。

• 影響電池的效能因素

• 電池的化學材質 – 不同化學材料的電池所提供的電壓不同，放電曲線也會因為不同材料所變化，所以依據電池的化學材料選用在適用的系統上是很重要的。
• 溫度對放電時間的影響 – 以鋰電池來話，溫度愈高，鋰離子的活性愈高，放電時間可以比較長。
• 溫度對儲存時間的影響 - 鋰電池在儲存時，溫度愈高，鋰電池愈活躍而消耗的電量也愈高。
• 溫度對電池內阻的影響 - 以鎳鎘電池的曲線為例，如下圖，溫度愈高阻抗愈小。
• 電池的放電電流對放電時間的影響 – 放電電流愈大，放電曲線愈不穩定，放電時間也會愈短。
• 電池老化 – 電池經過多次反覆充放電使用過後，電池因為老化而造戶的效率降低，也是電池放電效率下降的原因。

• 影響電池壽命的因素

電池壽命的定義是電池的有效蓄電能力低於它的最初額定容量的80%之前，電池循環充放電的次數。 500到1200個循環的壽命是典型的。

• 化學變化 – 電解液的變化
• 溫度影響 – 溫度愈高，能加快化學反應加快，使電池供應電子的速度更快，但也造成電子畜電的功能效率變低而影響壽命。
• 壓力影響 – 造成的影響和溫度一樣。
• 電池完成放空 – 電池容量完成放空時，在對電池充電之前，需要對電池先做小電流的回充，讓電池活化。但是如果放空的次數太多或太久，容易造成活化失敗。所以大部分的系統都在電池電壓達到限制電壓時，就把系統斷電。
• 電壓影響 – 電池電壓放電超過電池的限制時，產生的電池壽命的縮減。如NiMH電池超過0.1V電壓的放電會造成40%電池壽命的縮減；相對鋰電池超過0.3V電壓的放電會造成66%電池壽命的縮減。如果鋰電池充電電壓超過0.1-0.25V對系統的安全性雖不會造成影響，但會造成鋰電池壽命減低80%。
• 電池老化 – 化學反應使材料的狀態改變稱為電池老化
• 記憶效應 – 鎳鎘電池中，電極端的化學反應造成鎳金屬的沈澱，阻礙了電池的導電性，造成電池有效容量下降，稱為記憶效應。 

• 電池管理系統

電池管理系統 (Battery Management System) 主要的目標分為保護電池、延長電池的壽命及達成系統指定的工作。為了達到這些目標，BMS 需要提供了以下的功能：電池單體 (Cell) 的保護、電池充電管理、操作管理、電池的電荷的狀況、電池健康的狀況、平衡電池單體、監控和儲存電池的歷史、紀錄電池單體的製造商和化學訊息及電池和系統通訊介面。

• SMART BATTERY – 電池提供相關的訊息給系統。
• 電池監控 – 監控電池狀態是電池管理系統的主要工作之一，將電池的狀態傳送給使用者或是使用警告燈告知使用者。
• 電池單體的保護 – 電池單體保護是電池管理系統的最好工作之一。利用電池監控功能做出電池錯誤處理，以保護電池單體。
• 電池的電荷的狀況 – SOC (State Of Charge) 指示電池的容量。
• 電池的管理 – 可以分為三大部分電池監控單位(BMU)， 電池控制單位(BCU)和電池內部及外界的通訊介面。
• 電池監控單位 – 控制電池單體的狀態透過電池控制單位傳送給使用者。監控裝置的設定可分為二類，一類是針對每個單體加上一個監控裝置；另一類是把單體組裝後，加入一個監控裝置。
• 電池控制單位 – 對內保護電池單體，對外傳送電池資訊給使用者。
• 通訊介面 – 大部分採用SMBUS。
• 平衡電池單體 – 一般大容量的電池由多個電池單體所組合而成，電池單體之間的相互作用潛藏著電池故障原因，而任何一個電池單體故障皆需要更換整個電池。因此，在組合電池之前，在同批生產的電池單體中，篩選特性相當的電池單體，再靠著BMS系統管理每個電池單體。

• 電池的安全

為了達到電池的安全，電池做了許多保護的措施。尤其是鋰電池特別需要的保護和控制電路在規定的電壓，電流和溫度工作極限內。否則一次錯誤的使用可能造成電池的爆炸或者著火。

• 電流工作限制 – 一般系統會加入保險線或熱敏電阻來偵測或保護系統。
• 電壓工作限制 –

• 電池的測試

• Cycle Testing – 電池壽命的測試。電池容量保持在80%以上充放電的次數。
• Load Testing – 電池負載的測試。
• EMC (Electromagnetic Compatibility) Testing – 電子設備要生產所必需的測試。
• Performance Monitoring – 包含電池的內阻、開路電壓、電池容量情況及電池健康狀態。

• 電池的保存

告知使用者如何保存各型式的電池。

• 乾電池 –電池存放在 0-10℃的環境。
• 鉛酸電池 - 電池應該被儲存在10 °℃或更少的環境，但是電解液是不允許結冰的。當電池在充電時，電解液是硫酸溶液，冰點是-36℃；電池放電時，電解液僅僅是水而已。
• 鎳鎘電池 / 鎳氫電池– 因為溫度會造成電池的活性增加，所以要存放在涼爽，乾淨，乾燥，非腐蝕環境裡。電池的單體可以存放在 -20℃ 和+45℃。長期儲存時，需要放空電池再重新充飽來恢復電池的電荷消減記憶效應。
• 鋰離子 - 電池的單體可以存放在 -20℃ 和+60℃。但是建議存放在15℃為最佳，並且蓄有30% - 50%的容量。電池放電時，不要低於2.0V；電池充電時，不要高於4.1V。

• 電池的充電器

電池的充電可分為三個階段，由充電(電荷進入電池)再穩定(優化電池)到終止(停止充電)。基本充電的方法有：

• 定電壓充電 – 起源是利用變壓器產生固定的電壓輸出來對電池充電，現今用於汔車的鉛酸電池指示燈和補給動力系統及鋰電池的充電。
• 定電流充電 – 利用改變輸出電壓來達到固定電流輸出來對電池充電，現今用於鎳鎘和鎳氫電池的充電。
• TAPER充電 – 早期的定電壓充電器，當電池電壓上升，電流變小，若系統的負載變大時，容易造成電池損壞。只適用於SLA電池。
• PULSE充電 – 充電時，每秒鐘會停充約20-30mS。在電池表面容易產生氣泡。
• 反射/負脈波充電 – 在PULSE停充的時間內,加入5mS放電，放電電流為2到3倍的充電電流，用於減少電池表面產生的氣泡。
• IUI充電 – 先以定電壓的方法對電池充電，電流下降到設定的準位時，轉為定電流充電直到充飽為止。用於鉛酸電池。
• Trickle充電 – 用來補償電池自放能量消耗的電能。
• 鎳氫電池充電方法 – 以定電流充電直到 Negative Delta V到達50 – 75 mV表示電池充飽。
• 鋰電池的充電方法 – 第一階段為定電流充電，第二階段為定電壓充電。

• SELF-DISCHARGE

• Self-Discharge的定義是指電池內部線路對電池容量的消耗程度，Self-Discharge的大小和會影響到電池在運送時的功率消耗及電池充飽後，系統停止充電後，電池容量的消耗。系統針對鋰電池Self-Discharge造成的容量消耗，在鋰電池容量下降一個固定的容量後，重新在對電池充電。
• 在電池方面，需要依照客戶的要求，在電池充飽後，設定Fully-Charged位元，等電池容量下降到客戶要求Recharging的容量時，才把Fully-charged位元清除。
• 系統的Embedded Control需在電池充飽後，停止對電池充電，開始檢測Fully-Charged位元被清除的時間，直到Fully-charged位元被清除後，再對電池充電。整個充電的流程如下圖。