「鋰電池壽命與健康狀態研究」SOC與SOH的估測_中山大學莫清賢教授 @ CTE 承德科技

2015/6/30 由承德科技所籌組的「前瞻電池研究與測試技術交流平台」舉辦第二次技術講座，主題為：鋰電池壽命與健康狀態研究

緊接著由中山大學電機系莫清賢教授帶來「關於電池的一些事_SOC與SOH的估測」，再來跟著我們一起來回顧一下莫教授精彩的演講吧。

u電池的發明

西元1600年 William Gilbert開啟了電化學相關的研究，西元1748年Benjamin Franklin 首度提出〝battery〞一詞並以此命名製作的蓄電裝置，西元1780年 Luigi Galvani發現了生物神經傳導是以電壓脈衝，在西元1800年 Alessandro Volta 發明了伏打電池堆(voltaic pile)(圖 1)訂定化學電池發展的里程碑。在Italy的Lake Como建立的Volta Temple內有展示伏打電池堆，莫教授推薦從事電池相關產業人員前往參觀。然而西元1936年挖掘出一件西元前200年Baghdad的古文物(圖 2)，其複製品分別在西元1940年Willard F.M Gray與西元1970年 Arne Eggebrecht的實驗中發現古文物加入果酸電解液後有0.5V、0.87V的電位，使其成為古文明電池之謎。

圖1 伏打電池堆

圖2 Baghdad 出土文物

u快速充電的傳奇

電池-既簡單又複雜的東西；電池等效電路由最簡易的定電壓源串聯等效阻抗至二階以上的系統等效電路皆可呈現部分電池的特性，但也無法完全等效電池。電池充電也是同樣既簡單又複雜。關於快速充電，莫教授引用《孟子》裡的『…是不為也非不能也』概括。莫教授提出一則例子：〝中國新聞網引述《星島日報》報導 MIT研發超短時間充電電池技術，10秒可將電池充滿。〞以此例子反思，將此技術套用到常見的1200mAh 18650鋰離子電池上，相當於以360C充電率(432 A)進行充電。

目前常用的充電方式有定電流-定電壓充電(Constant-Current Constant-Voltage Charging)(圖 3)、脈衝充電(Pulse Charging)(圖 4)、反向脈衝充電(Reflex Charging ,Burp Charging , Negative Pulse Charging)(圖 5)。反向脈衝充電的功能〝假說〞：反向脈衝可能有助於釋出極板表面氣泡，使充電效率提高並降低溫度與壓力。然而以上的假說是建立在鉛酸電池充電應用，鋰離子電池是否適用還是未知數。

圖 3定電流-定電壓充電

圖4 脈衝充電

圖5 反向脈衝充電

u電量估測的神話

電池電量狀態(SOC , State of Charge)，廣義定義當電池充飽電時SOC = 100%；電池放完電時SOC = 0%；但電池充飽電與電池放完電是相當模糊的界線。以電池出廠設定的額定容量作為充飽電的依據與電池在可循環使用的條件下可釋出電量比較，則SOC定義如下：

電池最大容量可能會隨時間衰減，使電池可釋出電量恆低於額定容量。使用指定方式(如：CC-CV)充電的最大輸入電量作為充飽電的依據，則SOC定義如下：

電池最大輸入電量並不完全等同於最大可釋出電量。以指定方式充電完成以後可釋出電量為依據，則SOC定義如下：

SOC估測方式可分為線上式(On Board)：庫侖/安時累計法(Coulomb/Ampere-hour Counting)、負載電壓量測法(Loaded Voltage Measuring)、開路電壓量測法(Open-Circuit-Voltage Measuring)、內部阻抗量測法(Internal Resistance Measuring)；離線式(Off Board)：電解質量測(Electrolyte Concentration Measure)、負載電壓反射效應(Coup de Fouet Effect)、電化學頻譜分析(Electrochemical Spectroscopy)。

•吳溪煌教授補充說明：庫倫/安時累計法測定釋出電量(電池容量)可以用1/25 C的放電倍率執行，測定容量會最接近熱力學計算容量。

u電池老化的宿命

電池健康狀態(SOH , State of Health)是用來衡量電池目前狀態與出廠特性差異。SOH主要參數為：充放電週期數、可釋出容量、充電接收能力、內部阻抗、電壓暫態變化、自放電率與充/放電溫升情況。以可釋出容量衰變情形計算SOH表示如下：

其中Q_M為充電完成後可釋出電量、Q_Mr為出廠額定容量

u電池電源模組

單電芯電池因為其輸出能力與容量侷限，所以無法直接應用。單電芯電池會透過串聯或並聯的方式組成電池組增加輸出效能與續航力。電池電源模組(Battery Power Module ,BPM)(圖 6)不只包含電池組還需要感測器、記錄器、通訊模組、控制器與雙向直流電壓轉換器。電池電源模組功能：輸出電壓平衡、電池動態平衡、多輸出電壓準位、整合異類電位、SOC/SOH估測，並具有可擴充性與容錯能力。若單電芯皆可搭載電池電源模組是最理想的，但會提升成本。單串電池組搭配電池電源模組是較實際的應用方式，因為可量測電池串使用中每個單電芯電壓且利用單電芯電壓作為基準執行電池平衡方式較多元。

•吳溪煌教授補充說明：目前大型鋰離子電池應用上搭載的BMS(Battery Management System)或SBS(Smart Battery System)可執行SOC/SOH估測與簡易過充、過放預防

圖 6電池電源模組