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鉛酸電池與鋰電池 — 探討

為何只監控,何不監控與管理兼具?

未來十年,隨著新的電池化學儲存材料和技術不斷演進與發展,緊急電力備援儲存領域將會是空前的振盪變化。

化學電池仍然是提供緊急瞬時電力的最可靠的唯一方案。

百年來,鉛酸電池技術的應用已經非常的成熟。但在2020年即將到來時刻,緊急電力備援儲存的材料選擇成為一重要課題,所討論的已經不是哪種鉛酸電池技術,而是哪種新的化學電池技術,但在這重要議題,面對著新的技術的確認與轉換的切入時間點,這多是需要多方面考量的問題。

接下來這幾年,可完全取代且應用於緊急電力備援的新電池材料技術成熟前,確實將會出現很有趣的一件事,因為很確信一點,需要給我們的老朋友鉛酸電池 (或可說是強勁的競爭者),一個公平且更充分、更好的表現的機會空間。

本篇文章,探討一種與鉛酸電池技術有關但從未被重視、且連電池製造商也一樣忽略未採用的觀念,但這一觀念確在目前新的電池材料技術上應用非常廣泛(事實上它是一種非常重要觀念)。

我們會對鉛酸電池這麼熟悉、與應用這麼悠久,是因它擁有合理的成本易於回收相對穩定的鉛酸化學特性,在這所有一切已經成為更重要且完全被倚賴應用於瞬時緊急電力供應的運作。但在這個觀念未被重視下,現幾乎已經掩蓋了這些,越來越被認為鉛酸電池是一種高成本商品的主要因素。

就因為如此,大家就誤認為鉛酸電池它的使用壽命是非常短,且容易故障,所以常常需要花費大筆經費更換新的電池。往往這些被更換下來的電池,其真正使用壽命,卻只有短短幾年,約為電池設計使用年限的50%~60%,或是更短,就因為一個理由,確保沒有重大問題。

長久以來,演變成公認鉛酸電池是一種消耗商品,造成大量廢棄電池嚴重污染影響整體環境。而確沒有試圖嘗試改善,善用鉛酸電池的優點,延長它的使用年限,減輕廢棄電池降低污染。或許即將的未來,當新的化學材料電池,進入市場競爭時,可能將會喚醒廣大鉛酸電池行業(客戶和製造商),開始考慮發展鉛酸電池的延長壽命技術,讓鉛酸電池於緊急電力備援儲存的領域保守競爭力。

有關電池的電子控制與管理技術,雖然目前普遍認為,僅新的化學材料電池才需應用得到。但事實上,長久以來鉛酸電池製造商一直是抱持懷疑與抵制這種技術,相對的,對於銷售近百年來,確沒有去思考著將此技術應用於鉛酸電池,且一直沒有此類似的觀念。

撰寫本篇文章的初衷,在於緊急電力應用的市場,長期以來一直倚重鉛酸電池的技術。當轉換新的電池材料技術取代現今使用的鉛酸電池的這段期間,我們試圖以一個真相可行性,一種客觀的實用性與及成本效益等做為選項,來探討『增進鉛酸電池的運作效率甚而延長它的使用壽命年限』的解決方案。

鉛酸電池使用規範,工作環境溫度應該保持在25°C與及維持在電池設計要求的浮充電壓狀態。但在某些的應用環境,在某些電池製造商,要求浮充電壓的精確度需在±1/100V範圍內

這樣的條件,對於將單顆電池配予專用的穩定電壓充電機使用情境下,是很容易達成與維持。

然而,於實際應用,我們不可能只使用壹顆電池,而是使用很多顆電池串聯起來,且每單顆均為同一品牌、型號和批號來組成的電池組再搭配穩定電壓充電機,如此每顆電池浮充電壓,是無法精確的控制,這還牽涉到製造商與化學材料成份比重混合比例的差異,致使每顆電池的電壓不一致產生電壓差。

電池組就是由很多顆鉛酸電池串聯組成,在此情境下每單顆電池將會出現個別變化的兩個現象:

1) 過度充電
2) 充電不足

過度充電/充電不足這兩個基本現象往往是 VRLA 鉛酸電池主要故障的原因。雖然當新的電池組建置安裝時,通常過度充電/充電不足的現象是比較輕微極小,但電池組隨著時間持續持續著運作,原本輕微的過度充電/充電不足的現象將會逐漸加深演變成嚴重,在這樣的持續使用情況下將會無法避免故障根本原因:

1) 正柵極腐蝕
2) 晾乾
3) 硫酸化

如果改善或解決過度充電/充電不足造成故障的主要原因,故障的機率將會大大降低甚至於被排除。

這樣電池組減少了故障,將會增加了電池組使用效率:

1) 每單顆電池電量將能個別儲存飽和,促使整體電池組電量處於完全儲存飽和狀態。
2) 整體電池組使用壽命相對下將被延長。
3) 因為排除了過度充電現象,也就減少熱量產生,降低電解液被蒸發機會,如此VLA電池在此情況下就會減少需要加水的問題。
4) 當電池組也不會因為更換某顆新的電池,而影響到其他電池的充電問題。

個別電池浮充電壓是最主要關鍵,會影響到整個電池組儲存容量飽和程度。一個緊急電力備援電池組的運作性能如果希能符合電池製造商建議要求,就必需提供電池組浮充電流來維持,且這浮充電流是微量的,如此才可避免個別電池電壓因為補充需求產生〝相互補捨〞的現象,才可使電池組中每顆電池儲存容量均維持在飽和狀態,確保電池組在放電時能夠提供最大的電量釋放與防止電池組的〝滯留能量〞。

當串電壓要提高需求,鉛酸電池電池組勢必需更多的電池數量來串聯,但電池組的浮充電流不可能因而提升或產生額外的電流,仍然是維持微量浮充電流,如此狀況下更容易產生電池電壓彼此〝鎖定〞。BACS® 電池管理系統』能有效與能力〝化解〞這種的問題現象,確保電池組的儲存容量完全飽和,且可安全穩定瞬時放電,也不會發生過度的應力或電池反向。

(圖-1)顯示電池組每一單顆電池的容量分佈趨勢圖

除了電池組的每單顆電池容量的分佈外,當此電池組隨著時間的推移,持續運作進行測試,個別電池的浮充電壓,將影響到容量儲存飽和度,相對電池組總容量飽合度也會跟隨著降低。

在(圖-2)顯示,是一託管客戶的數據機房,於2011年開始,並於2012年完成安裝『BACS®電池管理系統』,在這八年期間,現場電池故障更換的次數統計分析趨勢圖。

在這期間,電池的使用量從 10,000 增加到 15,000顆,儘管電池隨著時間持續運作會有老化現象,但在整個預防性維護報告顯示,自從安裝了『BACS®電池管理系統』,且在這6年運作中,與之前比較,現場電池因為故障而更換的數量不斷在減少(見圖-2)。

(圖-2)顯示每年電池更換的數量趨勢圖

在(圖-3)是為VRLA鉛酸電池製造商的電池浮充使用壽命曲線圖表,此電池應用於小型 UPS不斷電設備。

於此,共有三組電池組,電池組A與B,屬於2012年製造和電池組C是為2009年製造。這三個電池組A、B、C 均安裝了『BACS®電池管理系統』,並聯連接至UPS不斷電設備進行浮充電壓充電。

(圖-3)顯示製造商容量與被測電池的使用年限圖表

由圖中我們可以看出,當電池使用壽命3.5至4.5年,容量將低至80%(通常於 UPS 不斷電設備應用均認為電池的壽命到期),若使用壽命在4.5至5年,它的容量將會更低。電池製造商的電池設計壽命是5年,所以在5年之後容量相對較低,與原始額定容量相比只剩40%的容量。

如下面的製造商圖表顯示,這三組的電池以3小時放電速率的電池電壓為10.2V。

(圖-4)顯示製造商的電池設計放電電流與時間曲線圖
(圖-5)顯示製造商的電池電流安培與時間表

從(圖-5)中可以看出,三小時速率的電池容量應為1.97×3小時= 5.91Ah。

測試的結果:

(圖-6)顯示電池組A的放電性能(生產製造日期2012年- 使用6年)
(圖-7)顯示電池組B的放電性能(生產製造日期2012年- 使用6年)
(圖-8)顯示電池組C的放電性能(生產製造日期2009年- 使用9年)

放電測試期間的實際平均電流超過1.80A(廠商值)實際為1.91A。
電池組 A(使用6年)-當電池電壓10.2v時,實際放電時間為3.23小時,運行時間的容量%= 108%
電池組 B(使用6年)-當電池電壓10.2v時,實際放電時間為3.21小時,運行時間的容量%= 107%
電池組 C(使用9年)-當電池電壓10.2v時,實際放電時間為3.13小時,運行時間的容量%= 104%

雖然依電池廠商所提供的圖表顯示,兩年後預期電池的百分比容量將會開始下降,且在設計壽命及壽命到期時,電池容量將降至額定容量的40%。但由這些測試的結果說明,這些測試的電池組雖然已經使用了6年及9年之久,安裝了BACS®電池管理系統』後,實際上這些電池,仍然能正常運作且提供100%以上的電量。

隨著時間繼續往後推算,經過多年的運作與測試數據顯示,『BACS®電池管理系統』的平衡功能、系統管理能力與及浮充電壓維持,均有能力提高電池放電容量與及維持,且達到電池製造商的原始設計規範,相對的可以有效延長電池的使用壽命。

當我們正在撰寫本文當時,德國某一大學針對鉛酸電池正也同時進行一項實驗研究,以研究 Generex 『BACS® 電池管理系統』的功效,將同性能的電池分成兩個電池組實驗測試,一組有安裝『BACS® 電池管理系統』,另一組沒有安裝,在同樣測試環境針對電池組持續重複放電測試。研究至今,可由下面的(圖-9)顯示看出,有安裝『BACS®電池管理系統』的電池組容量比沒有安裝的電池組容量實際上增加了4%至5%。

(圖-9)德國某大學針對鉛酸電池的一項實驗研究顯示重複放電曲線圖

在(圖-10)為GENEREX實驗室所進行的電池組加載運作測試,長時間持續監測的數據曲線圖形顯示結果。

(圖10)同性能的電池有安裝與沒有安裝BACS的電池組之間放電容量比較曲線圖。

結論:

『GENEREX BACS® 電池管理系統』已經於全球市場銷售超過14年的時間,建置成本遠低於大多數僅有監控功能的競爭品牌。是業界第一領導品牌且仍然是壹套具有最完整功能和成本效益的電池管理系統。

現今『BACS® 電池管理系統』在市場銷售已經發展至第三代,緊急電力備援的電池組應用上,一直被肯定與及證明它的電池管理能力可有效延長電池使用壽命。

由於鉛酸電池本身的製造成本低廉,在電池串接的同時,常被誤導電池電壓不平衡是一種常態,相對要解決不平衡的問題,需昂貴的花費,通常就這樣放棄而忽略。在幾十年前年代,簡單與低成本的被動式控制,是很不容易的一項技術,但現在這項技術已經成熟後,解決電壓不平衡被公認是“最佳解決方案”。

現在時代已經不同了,在十幾年前,『電池監控系統』一直被認為是項奢侈品。今天,在緊急電力備援電池應用上,〝電池監控系統〞已經成為是一必備,且成為建置的既定標準。當今規劃與建置電池監控系統需含蓋系統、準確的可靠度與及監測電池個別的電壓、溫度、內阻,和充/放電流等功能。 『GENEREX BACS® 電池管理系統』除了提供這些功能外,更提供浮充電壓管理的功能,可以依據電池製造商的設計規範,提供電池最佳化的效能。(『BACS® 電池管理系統』也搭配溫度補償充電系統可確保電池管理的可靠度)。

當進行電池監控系統規劃時,再進一步考量電池管理系統,需具有收集所有電池監測數據功能,實際自我分析判斷能力,主動管理控制緊急電力備援電池組的個別電池,並且優化電池性能與真正達到延長電使用壽命。

當取代鉛酸電池的時代真正來到之前,我們還是有很長的一段時間必需繼續倚賴鉛酸電池,該是時候幫它添加或建置壹套完整的電池管理系統,以提高鉛酸電池的性能與延長使用壽命。

關於 GENEREX

GENEREX 的產品行銷全球,緊急電力備援領域應用領導品牌。位於德國漢堡,主要產品 UPS 不斷電設備 SNMP 控制卡、網路關機應用軟體與電池管理系統等等。且在美國銷售的所有產品均在美國設計,製造和庫存。

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