淺談大功率電池

在談到電池之前，首先先為大家建立起一些基本的”電”概念：

• 電壓：單位伏特(V)，一種電的”勢”，就像山一樣，電壓越高好比山勢越高、電的”勢”也就越強，所以人在感電(觸電)的時候就是因為感受到了電的”勢”。 

• 電流：單位安培(A)，電流的大小好比水管的粗細，水管越粗，單位時間內能流過的水量就越多。1,000毫安培(mAh)等於1安培。 

• 電容量：單位安時(Ah)，意思是一小時能以幾安培的電流放電。比如說一顆2Ah的電池，可以以2安培的電流持續放電一小時。 

• 電功率：單位瓦特(W)。電壓(V) x 電流(A) = 瓦特(W) ，所以一顆2Ah、電壓為1.2V的電池，可以以2.4W(1.2V x 2A)連續作功一小時，此時這顆電池的電容量也可以說有"2.4Wh"。 

• 充放電深度：簡稱C，也可以用”充放電倍率”來解讀，例如一顆電容量為2Ah的電池，"1C充放"意即以2A的電流進行充電或放電，2C就是4A、3C=6A，以此類推。 

以上大部分其實大家唸小學時就已經學過了，現在只是稍加複習而已，可以開始討論電池了！

    相信大家對”電池”的映象，不外乎一般在超商就能隨手可得的那種、有外殼的三號或四號碳鋅/鹼性電池；或是一般燃油汽機車上面那種方方正正、重得要死、裡面的液體澆在土上還會寸草不生的鉛酸電瓶；再來就是大家人手一機的手機所用的那種、輕薄短小的鋰電池。但這些個電池都是使用在極小功率的3C用品上面，若是拿來推大功率電動機車，OK嗎?

    當然首先碳鋅電池與鹼性電池就已經先排除在外了，因為它們是一次性電池，就算你錢多沒地方花，這些每次得用上數以百計的一次性電池，光是要將他們移進移出電動機車就很搞笑了！

    那那些外觀與碳鋅/鹼性電池一樣、可以進行充放數百次的充電電池呢?像數位相機用的那種鎳氫、鎳錳、鎳鎘電池…等等，又適不適合呢?如果你有使用過上述這些電池的經驗，尤其在充電的時候，你就會知道這些電池不但充電慢速、還容易發燙！而這還只是弱電流的充放，若是使用大電流，電池迅速升溫，那後果還真是難以想像！ 

    現在剩下鉛酸與鋰電池了。先來看看鉛酸電池，這種研發至今已逾百年歷史的笨重電池，因為單位體積重量可以儲存的能量(能量比)有限，充放電深度也不夠大，所以用在小功率電動機車還OK，但要用在動輒幾千瓦作功的大功率電機，也不是說不行，但因為大功率輸出的高放電深度將會使鉛酸電瓶的使用壽命大打折扣。加上鉛酸電瓶的重量實在是太重了，在設計上也不可能設計成可以抽取式，只能定置在車體內，也就是說充電時得”整車進行充電”，這對不是住一樓的使用者來說總是不太方便的事。 

    所以，目前最適用於大功率電機的電池，就剩下鋰系電池了。何謂”鋰系”?因為鋰電池發展至今，依其開發使用的目的，在種類、成分與配方上各造就其充放特性，像是：

• 適合於只需小電流，但需高容量持久放電的3C產品用的能量型鋰離子電池； 
• 需要一定電流作輸出，與能快速充電再使用，具一定放電深度，如電動工具所使用的動力型鋰離子電池； 
• 在容量與放電深度上取得一平衡，如行動電源所使用的通用型鋰離子電池； 
• 犧牲使用壽命而換取超高充放電深度，以求能發揮極緻性能、與極短充電時間再使用，如遙控航模所使用的高活性鋰聚合物電池(較具危險性)； 
• 還有目前較普遍用在電動機車上的鋰三元電池(鋰鈷、鋰錳、鋰鎳鈷)與鋰鐵電池…等等。 

    這些相對於鉛酸電瓶，在儲存相同能量的條件下，體積更小、重量又輕得多的鋰系電池，意即同樣的容積下能儲存比鉛酸電瓶更多的電容量，且充放電深度與電池壽命都比鉛酸電瓶來得好，在設計上也能做成抽取式，使得家住電梯大樓的人也能輕鬆帶上樓回家充電，也不必擔心放在外面進行整車充電時會不會被奇怪的人剪線或偷走充電器或電池。

    綜上所述，電池若想用在大功率電動機車上，鋰系電池可說是必然的選擇！那既然鋰系電池還可以再細分下去許多的種類，究竟孰優孰劣呢?就里柯目前看來，還是勝負難料的階段。因為鋰電池的發展相較於鉛酸電池，可說是近代的事，未來要走的路還很長，最後離要定型與能改善到什麼樣的程度都還很難說。所以里柯在此就先以目前比較多用在電動機車上的兩種主流鋰電池來做比較：

• 鋰三元電池(鋰鈷、鋰錳、鋰鎳鈷)：單芯安全電壓值4.2V-3.2V，常態電壓值3.7V，能量比較鋰鐵電池為大。其中鋰鈷電池其實也沒有多好的放電深度，所以目前主要還是用在3C產品上居多，而真正較廣為使用在電動機車上面的鋰三元素電池是鋰錳及鋰鎳鈷，尤其以鋰錳為主；隨著放電而有一個線性下降的電壓值為其特性，故可用以推測電池的殘量，但考量到電池組整體的使用壽命(品質好的理論上約可達700-800次循環；電池從0%充飽到100%稱為1個循環)，通常都會以盡量不超過2C的放電深度為使用的條件來設計電池組(單顆稱為電池芯，由多顆電池芯串/並聯起來的稱做為電池組)。但鋰三元電池也不能支持太高倍數的充電，通常最佳的充電深度為0.2C，否則發熱明顯，而鋰三元電池一但溫度超過攝氏40度，即可能導致不可逆的壽命衰退！所以若鋰三元素電池要用在大功率電機上做大C數的充放，電池組的散熱就顯得非常的重要，同時電池組的容量(並聯數)也須加大因應。 

• 鋰鐵電池(LiFePO4)：單芯安全電壓值2.65V-3.65V，常態電壓3.285V，能量比較鋰三元電池為小。全名為”磷酸鐵鋰電池”，所以也有人稱之為”鐵鋰電池”，最著名的公司莫過於A123。好的鐵鋰電池可以安全的進行2C充電、5C放電，甚至最大可以到7-10C的安全放電(但犧牲循環壽命則是必然)；鐵鋰電池一般在1C以內放電、0.5C以內充電，理論上可得1,500次以上的最佳使用壽命，但其電壓變化並不像鋰三元那樣會隨著放電而呈現一種線性的下降，而是除了頭尾段之外，中間約85%以上都成近乎一直線的穩定電壓，這對不影響車子極速來說雖是件好事(記得前面有說過電壓越高、電機轉速越快的事嗎)，但卻無法以此來預測殘存的電容量。另外，鐵鋰電池還有一個更大的問題—電池芯間的一致性難以維持，即使使用同一批電池芯，並經過匹配，幾次充放後這些電池芯的平衡還是會”跑掉”，且原因目前尚未完全掌握，這都是未來在技術上要去克服的重點。 

    可見鋰三元電池與鐵鋰電池還真是有許多難分難解之處。再以電壓值為例，若同樣要組出一組48V的電池組，鐵鋰電池需用到16顆電芯(42.5V-53.5V)，但鋰三元卻僅需使用到13顆(41.5V-54.5V)，除拉低電池組整體成本之外，相同電容量之下也比鐵鋰電池來得輕與小。而鋰三元電池雖怕熱(40度以上不可逆影響壽命)，但鐵鋰電池卻怕冷(22度以下降低放電效能，但非不可逆)，真可謂冤家死對頭，也難怪全世界各自發展兩種電池的公司都致力於突破現有的瓶頸，想盡快的分出一個高下了。

    最後補充一下”電池的內阻”。電能在流動的時候會遇到阻礙，稱為電阻，電阻會消耗掉電能，就像無形的風也會遇上風阻而降低了風力。電阻的大小視導體而定(導體材質的導電效率、長度與面積等)，就像水流的大小取決於水管的硬軟、長短與粗細一樣；導體的電阻過大，在導電的過程當中導體就會發熱，也就是這些電能被消耗掉的原因(轉為熱能逸散)；同理，”電池的內阻”就是因為電池內部的材質與結構等因素所形成的”電池內部電阻”，所以一顆內阻值很大的電池，在有負載(放電)的時候就很容易發熱，同時也與電池以外的外部電阻(端子、接頭、線材與其他通過電流的元件)加總起來進而導致電壓的下降(歐姆定律)，稱”負載降壓”。

    整個大功率系統的電阻值是可以被毆姆定律所計算出來的，像是里柯的電動機車，使用48V36Ah電池組時，在空載(無負載狀態)的時候電壓值是52.5V，而當車子騎到極速時的電流輸出是約莫60A左右，此時電壓值降到約50.5V，降了2V，也就是說整個大功率系統的電阻值約為： 

Vx = I*R  (電路兩端的電壓差=電流 x 電阻)

2(V)= 60(I) x R ，R = 0.0333Ω

而這降下來的電壓值 2V x 60A = 120W 就變成了熱能而逸散掉了。 

    既是定律，必為真理，就像1+1=2的結果一樣的必然。國中就學過的簡單又好用的毆姆定律告訴了我們，電流與電阻值越大、負載降壓值就越大，比如上面的電阻R如果乘以2倍，那降壓Vx也會變成兩倍；電流乘以2倍，降壓也會變成2倍。所以在組建整個大功率平台的時候，材料的選用就顯得非常的重要，因為只要能盡量的降低整體系統的電阻值，負載降壓就會跟著拉小了，所以之後的文章會介紹到這些”看似小處，卻至關重要”的大電流材料與元件！