不斷電系統電池在線活化修復器之應用

前言

半導體產業自發展開始，製程發展就不斷以摩爾定律成長，近幾年產品元件已進入奈米等級，製造所需的環境要求也越趨嚴格，也代表設備生產過程中需要更高的電力供應品質。台電的電力供應系統橫跨區域廣闊且設備眾多，常常會有不可預期的事故造成電力中斷或電力壓降影響電力品質，除此之外電壓電流諧波、電壓突波等，也有可能影響生產設備運作。目前有效解決電力品質不良以及電力中斷的最佳解法是安裝不斷電系統，不斷電系統不僅提供穩定電源、改善功率因數、降低電壓電流諧波也能防禦電壓降或短時間的電力中斷。

不斷電系統有如此功效，主要是依賴內部的電池儲存電能，而要在最關鍵時刻發揮效益，必需要掌握電池特性，如此才能提早針對可能會發生的異常進行故障預知與防範。現今不斷電系統的儲能元件主要是鉛酸電池，根據不斷電系統的規格及容量，鉛酸電池的用量也不盡相同，系統容量越大，所需要的電池越多。而鉛酸電池各有不同規格及特性，壽命也有3~10年之分，以現在設備的用電量來看，不斷電系統的容量越來越大，電池的使用也越來越多，以竹科十二廠六期而言，光是重要設備的CUPS所使用的電池就有23,040顆，只要使用期限一到，淘汰下來的電池數量將會非常可觀，而購置新電池也是所費不貲，若能讓電池延長使用期限將有助於降低開銷成本並減少大量廢棄物，因此電池再生技術探討也成為相當受注重的議題。

文獻回顧

鉛酸電池之組成

電池是一種將電能以化學能儲存的裝置，必須具備體積小、可攜帶、耐震、耐衝擊、壽命長以及高能量密度等特性，因此在許多的領域受到普遍的應用，尤其是鉛酸電池更是累積了相當多的技術，而構成鉛酸電池的四個主要部分為電極(陽極板與陰極板)、電解液、隔離板、與外部的電槽，如 圖1所示。

電極

電池中最為重要的材料就是極板 圖2，構成極板的原料為鉛粉，亦是可變化成正、負極活性物質的材料，較為代表性的鉛粉製造機最早由日本電池公司創設人發明，藉以將鉛塊表面的氧化物去除，收集充分磨細之鉛粉。鉛粉中的主要成分為一氧化鉛，其百分比含量將會是影響電池性能的重要指標。在極板中所使用的蕊條，形狀如格子般的板柵，主要材質為鉛銻(Pb-Sb)系與鉛鈣(Pb-Ca)系合金，用以附著活性物質，具有充作集電體的作用。銻(Sb)的加入可以改善正極與活性物質間的接和，有助於耐蝕性之提升、延長壽命，缺點在於銻若溶解於電解液中成為SbO^3-離子，而在負極板上產生Sb，將會產生氫氣造成自放電。Pb-Ca系合金之結晶組織則因添加適當的鈣後，促使鉛結晶細小、提升硬度，而且不會產生自放電，目前普遍使用於小型密封型鉛酸電池。極板的製造上則有兩種方式，第一種方式是塗漿式極板，將稀硫酸與添加材料，添加於鉛粉調製成膏狀，並均勻塗覆在格子狀極板上，進行金屬鉛之氧化、乾燥，造成活性物質之結晶成長，最後置於稀硫酸電解液中進行氧化，這種方式形成的極板，通常採用在鉛酸電池的陰極板上。第二種方式則是包層式極板，將直徑9μm之微細玻璃長纖維當作紡織絲，將其編成圓筒型之管子，與配置在管子中心的鋁合金蕊條間，填充鉛粉，接著浸漬於稀硫酸中，使鉛粉一部分變成硫酸鉛後，置於空中乾燥，這種方式所形成的極板具有良好的彈性，是鉛酸電池中陽極板最佳的選擇。因此在電池充放電時，兩極的活化物質會隨著化學變化而反覆膨脹與收縮，電極必須根據電池的容量，選擇適當的規格與數量。但是在兩極活性物質中，陰極板的海綿狀鉛的結合力較強，陽極板的過氧化鉛結合力弱，使得在長期使用之後，會不斷脫落，這就是鉛酸電池壽命受到限制的主要原因，因此若要設法延長鉛酸電池的使用期限，從陽極板的改良下手是當務之急。

電解液

電解液中的硫酸，是參與電動反應的活性物質，除了導電用之外，也參與電極的反應，經放電而消耗，充電即可生成。若是電池中電解液比重較高時，會因為能量密度的關係可以提供較佳的電力特性，但卻有可能加速極板的腐蝕與劣化，若是要延長電池的使用壽命與可靠性，則在比重上必須有所限制。另外，在電解液中還有很重要的一環就是雜質含量，雜質含量的增加也會加速極板的腐蝕與劣化，減少電池使用的性能與壽命。不過，卻有些雜質被適當的添加，是為了要避免電解液處於過放電時，發生格離板被貫穿，而造成短路的情形。

隔離板

所謂隔離板，就是放置於兩極之間，除了作為隔離電極的裝置，還必須防止正、負極間之短路。實際安裝時，正、負兩極板的距離相當靠近，在中間插入以絕緣物質製造的多孔性隔離板，防止兩極板接觸。因此隔離板必須具備良好的離子導電性，也就是低電阻的特性，還有優異的耐酸性以及抗氧化性，且不得溶出雜質，防止活性物質的脫落，造成短路。

電槽

在電池外部的電解槽與槽蓋，均採用熱可塑性塑膠，以加壓射出成型為主，必須具有耐電壓、耐衝擊性、耐熱性以及耐酸性等特性。至於電解槽及其槽蓋的接合，必須做到完全密封的狀態，除了以往常見的接合劑與熱熔接法外，還有採用超音波特殊封裝，具有相當良好的安全性。

鉛酸電池的原理

鉛酸電池的正極為多孔性的二氧化鉛，負極為海綿狀的鉛，極板上面的活性物質與電解液中的硫酸產生化學變化而放出電子，每一單位(Cell)至少可提供2.04伏特(V)的電壓，下面列出電化學反應式。

放電反應式正極：

放電反應式負極：

放電總反應式：

充電反應式正極：

充電反應式負極：

放電總反應式：

從上面的反應式可以發現鉛酸電池的充放電化學反應是可逆反應 圖3，電池在放電時會產生硫酸鉛(PbSO₄)，而充電時硫酸鉛(PbSO₄)還原為二氧化鉛(PbO₂) 圖4，在理論上沒有額外的物質產生或減少，所以可以不斷地反覆使用 圖5。

但實際上，硫酸鉛是一種容易結晶的鹽化物，當電解溶液的硫酸鉛濃度過高或靜態閒置時間過長時 圖6，濃度過高的部分就會結成小晶體，這些小晶體再與周圍的硫酸鉛結合，就會形成大的惰性結晶 圖7，結晶後的硫酸鉛充電時不但不容易再還原成氧化鉛，還會吸附在柵板上破壞原本可逆的循環，造成了極板工作面積下降，導致電池內阻提高，充放電效率、容量下降。

脈衝活化的原理及應用

由前面的電池運作原理可以知道鉛酸電池的極板在反覆充放電後會有硫化物產生並且附著於極板上，而脈衝活化的原理是在電池充電時加入電流脈衝，利用較高的電流脈衝達成瞬間過反應的效果，將極板上的硫酸鉛結晶震碎並還原成氧化鉛，如此在放電時便可維持電池極板的化學能轉電能的反應面積，維持電池的性能並延長使用壽命。

目前在實際的應用上多為一些電動載具如：堆高機(竹科十二廠六期庫房電動堆高機已有在使用)、高爾夫球車、無人搬運機等等，實際導入的單位可以參考 圖8。

計畫方法

電池活化的方式

鉛酸電池效能的降低主要因素為極板附著硫酸結晶，使得電池內阻增加造成充、放電容量效能降低，現今去除硫酸結晶方法為幾類：大電流充電法、添加藥劑、使用脈衝器，以下將分別介紹應用方法與優缺點比較。

大電流充電

顧名思義就是使用大電流去充電，藉以刺激極板上的結晶解離達成活化的效果，且正常的循環為正極板析氧以後，氧氣直接到負極板與負極板的析氫還原為水，但是大電流充電除了會使電池溫度升高外，氧氣還原的循環也會變差，造成氣體滯留在電池內，電解液中的水分也會減少形成失水。

添加活性劑

透過加入化學活化劑消除極板硫酸結晶，此方法可獲得一次性有效的改善，但也會改變電池原電解液之成分，再次使用活化劑的成效會遠低於第一次的使用的結果。此法可使電池獲得短暫的修復改善。

脈衝電流充電

在電池充電時加入電流脈衝，並透過脈波電流去刺激電池的極板，藉以衝擊極板上的硫酸結晶使其從極板上分解，達成活化電池的效果。這個方式原理跟大電流充電一樣，以電流刺激沉澱在極板上的硫酸結晶來活化，但是是用高頻的脈衝電流來刺激極板，每一個脈衝的時間都極短，所以不會使電池有過度反應的現象發生，自然也不會使電池溫度升高。根據不同頻率的脈衝各有不同的效果，依據廠商或實驗單位的經驗來看，低頻脈衝易於擊碎顆粒較大的結晶，而高頻脈衝則易擊碎顆粒較小的結晶。

電池活化器(Active Pulsar)方式的原理

電池失效主要是因電極板產生了結晶性的硫酸鉛顆粒，造成電池容量大幅減少，只有正常容量的70％-80％，有的甚至低於60%，於是使用上時間變短，充電的次數更為頻繁。而電池活化是使用電池再生器於充放電時，產生一個附加特殊的脈衝電流，藉以消解硫酸鉛硬塊 圖9，讓電池的電極板回復原始狀態，進而提升電池使用壽命。在這個過程中，一方面消除了既有的硫酸鉛結晶，一方面也防止新的硫酸鉛結晶鹽產生 圖10，如此讓蓄電、充電、放電能力都得以加強，也就會使電池的壽命延長。

結果與分析

現場實測及驗證規劃

為了驗證電池活化脈衝的成效，現場工程方面配合廠商碩成電子/日商心榮通商進行實測^[7]，Active Pulsar的脈衝電流為600mA，脈波寬度為10n sec (1/100,000,000秒)，其脈波頻率為20~80KHz，為變頻式的電池活化器，會根據電池電壓產生對應的脈衝頻率，如此可以透過不同頻率的脈衝來消除大小顆粒不同的硫酸鉛結晶。本實驗於竹科十二廠六期內選定四台UPS及兩台DC Bank進行電池活化器安裝 圖11，其中每台受測對象分別挑選各兩串電池群進行實驗組(安裝電池活化器)及對照組(未安裝電池活化器)之比較，所測試時間為一年期，並分別以電池內阻量測及電池放電測試之兩種方法進行驗證分析。

電池內阻量測驗證

電池內阻量測為廠內電池保養項目之一，其檢測之電池內阻值與容量有互為反比之關係存在 圖12，當內阻值達新品標準之2倍時，判定此電池容量不足80%，屬失效情形需進行汰換，因此以下將所測試結果以每月進行一次內阻量測作記錄分析。

於一年期間之統計值 表1可觀察出安裝電池活化器之內阻平均值相較於安裝前有下降之變化，而未安裝電池活化器之電池，其內阻平均值呈現持平或上升趨勢。

若將所得量測數值之月統計平約值以趨勢圖表示 圖13，其中對照組(未安裝電池活化器)為紅色曲線，而實驗組(安裝電池活化器)為藍色曲線，由量測值之趨勢變化可發現此六台設備在安裝電池活化器約三個月後，內阻值會開始產生差異分歧，而在一年期的量測結果，則可觀察到改善約有2%~4%之明顯差異變化。

電池內阻量測之壽命延長推估

以電池活化器安裝前後的電池內阻下降來判斷電池壽命，其中電池壽命阻抗值上限標準取新品電池阻抗值之1.5倍，避免失效情形發生。在此使用古河電池株式會社所發表之蓄電池壽命計算程式^[8]進行分析：

在安裝電池活化器的情形下，所實驗之電池可以延長壽命約3至5年，其中又以新電池 圖14較舊電池 圖15於安裝活化器下可延長較長之壽命。

H5G-UPS-U4-01電池組安裝電池活化器，壽命可從原本預估之6.6年增加為10.3年，共可延長壽命3.7年，其總壽命預估可增加為1.6倍之多 表2。

F1E-UPS-U4-02電池組安裝電池活化器，壽命可從原本預估之4.1年增加為9.6年，共可延長壽命5.5年，其總壽命預估可增加為2.3倍之多 表3。

電池放電測試驗證

廠內另一項電池保養項目為電池放電測試，在放電測試中，電池放電電壓與容量有互為正比之關係，對此我們以放電測試結果做為檢測依據。量測方面使用2C/5分鐘之檢測方式來進行，並將所測得之電壓值以圖形記錄觀察。在放電的過程中，若放電後截止電壓小於10.8V，則判定電池容量不足80%，必須考慮汰換。

分析比較方面，以瞬時低點電壓與放電5分鐘結束電壓進行比較判定，其實驗組與對照組之放電測試曲線比較情形，我們取其中一組進行代表分析說明，如 圖16所示。

由圖中可觀察出經安裝電池活化器之實驗組，其電池放電電壓值較對照組為高，證明活化後對電池容量及壽命方面可有所改善。而針對放電測試之實際數據分析，我們以瞬時低點電壓與放電結束電壓之兩種量測值來進行比較。

瞬時低點電壓比較

瞬時低點電壓執行第一階段時電池便會開始對負載放電，放電初期會有電壓突降現象發生，一旦觸及截止電壓10.8V即為測試失敗，並終止放電。

由 表4可以得知，在安裝電池活化器後，瞬時低點電壓提升0.08V~ 0.23V；而未安裝電池活化器瞬時低點電壓呈現持平狀態。

放電結束電壓比較

當電池呈穩定放電狀態時便會進入第二階段，此階段會持續五分鐘後結束放電，並回復正常供電模式，我們可以依此了解目前電池的放電能力與健康狀態。

由 表5可以得知，在安裝電池活化器後，放電結束電壓提升0.06V~ 0.21V；未安裝電池活化器瞬時低點電壓呈現持平狀態。

綜合以上，電池於安裝活化器以後，無論是瞬時低點電壓，亦或是放電結束電壓，皆可以有效達到電壓提升的具體成效。

結論

在這一年期的測試中，我們可以發現透過電池活化脈衝，對於硫酸鉛結晶現象可以達到有效的改善，並藉由內阻量測及放電測試的手法，皆可以驗證電池容量及預估壽命得以改善提升。

以竹科十二廠六期為例，全廠CUPS共使用23,040顆電池之多，而每次已屆年限更換的金額更逾8千8百萬元，以十年期的電池而言，假如我們能將壽命再延展三年，那至少可替本廠節省2千6百萬元的費用，實為龐大的數字。除此之外，若將方法推廣至全公司，那效益更是驚人可觀。

鉛酸電池在生產中會產生大量的有毒重金屬物質及廢水，若處置不當，會對土壤、空氣及水源造成汙染，而報廢之鉛酸電池含有有害物質，如鉛及硫酸，這些皆會對人體健康構成威脅，並對於環境造成相當大的衝擊。因此以環境保育及永續經營的角度來看，延長使用年限當屬必要之道。

電池活化技術的案例，亦在許多企業有導入實績：如日本MORI TRUST公司的大樓、台灣豐田產業機械公司旗下電動車等，因此在新的電池技術成長普及前，不斷電系統中電池活化器的安裝改善，相信對於工廠的生產成本、維舊如新及環境保育將能提供很大的助益。