續談【大功率電池─鋰離子篇】

↑只要電池組"夠硬"，北宜公路電動機車也能暢遊無阻！


曾經有位產界的朋友問過里柯：

"你認為影響電動機車推展的關鍵是什麼?"

里柯不假思索立馬回答他：

"電池"。

    雖然里柯感受得出來，這答案似乎與他所想的相去甚遠，但時至今日，里柯依舊還是那個答案。

    後來又有位遊走兩岸三地的退休教授，與里柯淺聊了他的構想：在電動"汽車"上使用"多模組的交換式電池組"─即用完一組抽換一組；這個概念當時也被里柯在心裡所否定了。

時至今日，里柯也依舊還是否定那個概念。

    一台電動機車，在擁有了完美的配線、高階的控制與輸出元件之後，其性能就完全取決於所搭載的電池組了，能與大功率匹配的電池組，往往佔了整車造價非常高的比重，也正是因為如此，電池組的成本也常為眾多廠家所首要削減的項目─想當然爾，性能就相對的被"閹割"了。

    里柯寫這篇的目的，主要是想給希望接觸大功率的朋友們一個關於"for大功率電池組"的概念(建立起對電池電性的各種概念無法懶人，所以要接著看下去的朋友要有點心裡準備XD)：

"我到底需要什麼樣的電池組才能滿足我的用車需求?"

    而要了解這個需求，首先就要先來概略性的了解一下關於電動機車的起步、加速與爬坡等"性能"所對照的"電流(A)輸出值"大致為多少：

※ 安培(A)：Ampere，電流大小的計量單位；1安培(A)等於1000毫安培(mA)。

 50c.c二行程： 40A~60A
100c.c四行程： 60A~80A
125c.c四行程： 80A~100A
150c.c四行程： 90A~120A
250c.c四行程：150A+

以上的電流輸出值，並不會是一直持續，而是只會出現在機車的起步、加速與爬坡時，當車子在極速行駛時，往往只有以上不到一半的持續電流值。

    接著是"速度需求所對應的電池組電壓(V)值"，這裡以大家比較熟悉的"錶速"來溝通，先不講GPS、也不考慮"弱磁提速"這項魔控的特異功能：

※電壓(V)：伏特(Volt)，電壓的單位，電壓越高電機的轉速就能越快。

 50 ~ 60  Km/h：48V+[扭力型電機]
 60 ~ 70  Km/h：48V+[速度型電機] 或60V+[扭力型電機]
 70 ~ 80  Km/h：60V+[速度型電機] 
 80 ~ 90  Km/h：72V+[扭力型電機]
 90 ~100  Km/h：72V+[速度型電機]
     100+ Km/h：72V+[速度型電機]

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※[2014.12.10]補充一下電機額定功率的選擇參考：
    一般有一定品質的輪轂式電機，可以直接將以上選定的性能相對最大電流值 乘以 電池電壓值，然後：

• 單騎或平路佔絕大多數的"中低負載使用者"：以上數值除以 3 。

比如80~100A(125c.c) * 72V(80~90Kph) / 3 = 1920~2400，則可選擇額定功率為2000W或2500W的電機。

• 雙載或爬坡、載重等"高負載需求量大者"：以上數值除以 2： 

5760~7200 / 2 = 2880~3600，如此可選擇額定功率3000W或4000W的電機。
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    最後是"里程需求"，這個部分的計算比較複雜，也是本篇的重點。由於電池的種類與品質的好壞都會直接影響到"電性"的表現，所以雖然在里柯自己所騎乘的大功率設定之下，平均的電耗值約為每公里30Wh(瓦時)左右，但並不能以此為抓里程的計算標準。

※"電性"：充/放電曲線、倍率、溫度變化...等電池性能表現上的特性。

下面要先來了解一下"瓦時"在不同電壓的電池組上其容量的對應：

※"瓦特(Watt)"：功率的計量單位。
※"瓦時(Wh)"：瓦特小時(Watt-hour)，一小時內所計量的瓦特數總合。1KWh = 1000Wh。

30Wh = 48V0.625Ah (30Wh/48V)
     = 60V0.5  Ah (30Wh/60V)
     = 72V0.42 Ah (30Wh/72V)

所以在相同的功率消耗之下，電池組的電壓不同、所對應的容量消耗也就不相同，因此單憑"一安時(Ah)能跑多少公里"來描述電池組的續航力其實並不恰當。

※ 安時(Ah)：安培小時(Ampere-hour)，一小時內所計量的安培數總合。

    要先大致瞭解自己所需的車子性能之後，才能開始構思"符合自己性能所需的電池組"，里柯在此篇先以目前品質與一致性相對鐵鋰穩定的【Panasonic NCR-18650PF鋰離子電池】其技術參數來做為設計大功率電池組的參考依據。

首先先來看看這電池到底有些什麼"本事"：

↑【Panasonic NCR-18650PF】技術參數。

    PF也是PD的後繼款，所以電性上兩者可說是幾乎是一模一樣的，但在安全性上PF則有所提昇：

從"技術參數表"中，請大家先看"Capacity"與"Standard Charge(CCCV)"這兩欄：

    "Capacity"也就是此款電池的"容量"，又可分為"Rated Capacity(額定容量)"、"Typical Capacity(典型容量)"與" Nominal Capacity(標稱容量)"；而其中又以"當電池充飽後，再放電至截止電壓為止所能放出來的電容量"的" Nominal Capacity(標稱容量)"最具計算上的參考指標。

※2880mAh = 2.88Ah(1000mAh = 1Ah)。 

    Standard Charge(CCCV)的意思簡單的說就是"標準充電定電流與定電壓"，由圖表得知，這款電池的標準充電定電流為0.5C、標準充電定電壓則為4.2V。

※C：充/放電比率(C-rate)，0.5C意即標稱容量的0.5倍，也就是2880mAh的一半、1440mAh)

    再來是"Maximun Continuous Discharge Current(MCDC)"，最大持續放電電流，一樣由圖表中得知此款電池的能耐為10A，也就是約莫3.5C，但是否真能放心的這樣做持續的高倍數放電使用，其實還要看溫度控制。

    其它可供組配參考的資訊還有電池的規格(長、寬&重)，以便蓋略估算電池組成後的整體規格；18650電池一般里柯會強烈建議搭配支架組配以增強整體的結構安全，甚至空間如果許可的話，亦可在最外層使用"佔位器(也就是大小相同的空電池殼)"權做"潰縮區"，所以一顆電池的規格可以大略用20mm * 20mm * 70mm 、50g(鎳片、線材&接頭等其他材料重)下去計算。整組電池組組配完成後，還要考慮置放保護板、散熱與做外層防護等的預留空間，最為理想的是最終還能以硬殼電池盒裝載保護。

再來看看此電池的【放電表現】：

    放電電流的大小倒是影響最終可放出的容量不太大，差別較顯著的是在"壓降"，它牌的控制器里柯是不知道，但壓降也是會影響到魔控的"電壓分段限流參數設定值"(註一)。

    這邊要注意的是，鋰離子電池是很怕高溫的，里柯的建議是"不宜超過40度使用"(除非不在乎它們的使用壽命)，所以依照上表的圖型可以看出，在恆溫25度的環境下放電，約莫4A放電，到末期昇溫就差不多要頂到攝氏40度的大關了，6A放電則僅放到2000mAh開始就突破攝氏40度，8A與10A的昇溫情況就更不能看了。唯一能解套的方法就是為電池組做"溫度控制(散熱)"，TESLA就是在這方面下足了功夫，所以人家的電池組可以用了八年以上到現在都還頭好壯壯。

4A是幾個"C"呢?還不到1.4C(4000/2880mA)，若再考慮台灣盛夏的炎熱高溫，那這電池豈不是根本空有10A的放電性能卻無法發揮出來了嗎?關鍵還是在於"溫度控制"！

    OK！現在請各位開始回想之前自己的性能需求，看看您所需要的性能需要多大的電流方能達成；以里柯的自己的通勤需求來舉例：

扭力與馬力：125c.c四行程：80A~100A
速度：80~90 Km/h：72V+[扭力型電機] 
續航力：50Km

    還記得這顆電池的"MCDC"值嗎?沒錯，10A(3.5C)，問題是除非能做好溫度控制，否則在自然散熱的情況之下，還是只能用4A(1.4C)來放電以求昇溫能夠自然控制在攝氏40度以內，所以大致上里柯所要求的"扭力與馬力性能"需要80~100A的電流，這裡就最少需要"20~25倍的並聯(4A*20~4A*25)"的電池組方能達成；雖說這樣的性能要求也並不會持續讓電池組一直處於80~100A的放電狀態，但里柯的想法是凡事抓取可能的極限值，如此只要是在此極限值以內使用，就自然都不會有什麼問題了。所以此例就直接選定為20倍並聯，也方便接下來的計算。

20倍並聯也就是術語上常稱的"20P"。

    接下來由於里柯的通勤需求是"速度要能夠有80~90Km/h"，所以電池組必須是起碼60V的型式，而里柯的選定是"72V+扭力型電機"，所以電池組就需為72V的串連形式。現在請各位再看回去第一張的電池參數表，這款鋰離子電池的"Nominal Voltage(額定電壓)"為3.6V，一般業界的串連電壓便是以此為計算的基準而向上串連昇壓；由於總串連電壓值"可多不可少"，所以鋰離子最常見的72V串連數便為21串(術語上常稱為"21S")，Nominal Voltage為75.6V左右、"安全使用電壓值區間"則為63~86V上下(詳見"容量計算修正因素一")。

    總結以上，性能方面電池需21S20P即可達成任務，但接下來還有"續航力"這關得過。先前里柯提過，以自己所騎乘的大功率設定下，平均的電耗值約為每公里30Wh(瓦時、瓦特小時)左右，如今里柯的續航力要求為至少50公里，所以在"直觀上"，電池組的總能量需為：

30Wh * 50Km = 1500Wh

接下來是重點！在計算所需電能量的時候，千萬不可太過於"直觀"，因為電池還有許多其他會影響到最終放電容量的因素尚需納入容量計算的修正：

§容量計算修正因素一：安全電壓值
    如果希望手邊的電池組能夠使用得長久，那絕對不會是每次都把電池組充得快吐快吐、與放得快乾快乾！鋰離子電池在快要充滿電的末期，也將是昇溫變化加劇的開始，過充電的鋰離子電池就常以極激烈的昇溫現象而最終以爆炸收場。而就連對這種電池的溫度控制功夫做足到家還有剩的TESLA，也不過將快充容量的上限設定在80%。有關此電池的"電壓值安全使用區間"，我們先來看看下面的官方文件內是怎麼說的：

4.2~3V。但里柯在此會建議，只將電池充到4.1V，電池組將可有使用得更長久的機會(註二)。

實際上4.1V與4.2V的容量，也並不會相差到哪裡去。

那安全低電壓值是3V的理由又是什麼呢?再來看看官方文件內又是怎麼說的：

    所以官方其實是希望"當單串電池的電壓值等於或低於2.9V時，應以0.1C的低電流起充"，也就是說，如果您的電池組容量只有20Ah，每串又給它放電到低於2.9V，那就最好先用2A的低電流來起充，直至每串電壓值高於3V以後，再提高到0.7C(14A)以內來充電。

那如果電池組的容量有100Ah，不就可以"10A起充"了嗎?沒錯！所以，容量可以稀釋所有的限制與放大一切的優勢。

    現在請再回頭看看關於"電池放電表現"那張圖表。當使用2A(0.7C)與4A(1.4C)的電流放電到3V的安全建議值界線時，可放出的容量僅相差了約100mAh(2A:2650mAh / 4A:2550mAh)，這只有將近4%的差距，幾乎可以不計，但若是在有做溫度控制的電池組上以10A(3.5C)放電到3V，則就僅能放出2200mAh了，這就相差了有將近14%的容量。此時若想再將容量多放出一點出來利用的話，則控制器的"電壓分段限流值"設定(註一)就扮演了吃重的角色了。

    好了，之前我們已經計算出"若要符合里柯自己所需的性能需求，則最少需要20P的電池組"，20顆並聯的電池串其標稱容量為57.6Ah，換個方試驗算一下，乘以1.4C的安全昇溫放電倍率，剛好約莫80A，1.4C放電到3V的容量則為"單顆2550mAh"，也就是約88.5%，這種情況下電池組容量總需求就必須再除以0.885的"安全可用容量修正因數"了：

1500Wh / 0.885 = 1700Wh

雖說鋰離子電池的單串最低電壓值可到2.3V，但如果忽略了"3V以下應以0.1C低電流起充"的這個官方建議充電原則，則難免對電池造成不可逆的損害而降低了使用壽命；其實如能將單串電壓值限定在不低於3V使用，也才損失了約11.5%的可利用容量，但卻可換來電池組使用壽命延長的機會。

§容量計算修正因素二：容量的衰退
    鋰離子電池的容量衰退，一般是以"衰退到80%"為判定堪用與否的分界點，因為80%以下，電池容量就會開始衰退得非常快(通常達到這個衰退率就幾乎等同"壽終正寢")，所以如果這50公里的續航力要求還包含了"容量衰退修正"，則還需再除以0.8的"容量衰退修正因數"：

1700Wh / 0.8 = 2125Wh

§容量計算修正因素三：溫度變化的影響
    一般普遍對鋰離子電池的印象是"怕熱不怕冷"，咁有影?看圖便可知其一二：

    在環境溫度為攝氏0度時，電池所能夠放電至3V的容量與在攝氏25度時相比，相差了近400mAh(約14%)的可利用容量；由於台灣即便是在冬季，平地區域也鮮少降到攝氏0度那樣的冷，且隨著電池的充放使用過程當中，電池組也會有所昇溫而減低了這種電池的"低溫症候群"，所以里柯會建議最後還需再加以計算的"溫度變化修正因數"為10%(0.9)：

2125Wh / 0.9 = 2360Wh

而一顆18650PF的能量為：3.6V * 2.88Ah = 10.4Wh

所以： 2360Wh / 10.4Wh = 227顆電芯的總能量。

227顆電芯再除以21串聯，即得出11的並聯數量(電芯的最小單位為1故計算上為無條件進位)。但11並聯的電池組是低於先前所計算出里柯性能所需的20並聯的，所以雖然11P可滿足里程上的需求，卻反而無法滿足性能上的"安全放電需求"，此時除非對性能有所妥協，否則最終的電池組配計算結論將會是"21S20P"。

1S=3.6V ，21S=75.6V
1P=2.88Ah ，20P=57.6Ah

    電壓業界通常會簡化為"72V"，容量則看業者是要"澎風"以求賣相、還是要"消風"預留安全餘裕了。

    了解電池的電性是非常重要的，不了解電池的電性，又怎能設計出合乎於車輛性能需求的電池組?胡亂組配、容量又不夠大到能夠稀釋掉限制，超限使用的結果便是何以坊間眾多車款的電池組多半以"災難"收場，往往超出預期與出乎意料的早夭。

    平常若有觀測電耗量習慣的大功率使用者也許會開始發現：明明電池組的容量夠大，但怎麼常常才放出7、8成的電，電池組就已經像是"快沒電"的樣子?相信看完這篇文章，應該有些"略懂略懂"了吧?

    而21S20P = 420顆18650電芯，所以可以概略的抓出電池組的成重約為21Kg上下(50g*420顆)，成品規格也可自行稍微排列試算一番，但關於這S該怎麼S、P該怎麼P的，則還是請直接留給電池組配的廠家去燒腦袋吧！


(註一)："魔控"有電壓分段限流參數，可供認證工程師根據每個不同的硬體配置與性能需求者加以制宜設定：

↑上圖中的控制器監控程式參數設定頁面當中，參數98至101這四個項目即是"四個電壓分段"的定義值，工程師可根據不同電性的電池來做合宜的設定。

↑此圖中的參數36至47這12項則為定義三種不同輸出模式(Turbo、Normal & Eco)下、每個電壓分段值區間的"對應電流輸出值"。

    若要細說以上這些參數的對應作用變化，恐怕又得落落長一篇了，簡單的說，這些參數的設定可使電池組隨著電壓的下降而跟著向下調整電流的輸出，使壓降幅度始終能夠趨於穩定、並讓電池組安全合宜的盡可能放出最多的電能量。


(註二)：一般市售的72V鋰離子電池充電器，其充電電壓多訂在88.2V(4.2V*21S)，如此每串電池皆會被充電到4.2V；里柯在此會建議可改為使用充電電壓為84~86.1V的充電器(訂做或購買可調式充電器)，如此每串電池就僅會充到4~4.1V。不充飽、不放盡，對電池組的使用壽命上絕對是有益而無害的事！