磷酸鋰鐵電池運轉管理與強化

前言

1.1 鋰鐵電池導入

基於安全、環保、使用年限及維護議題，鋰鐵電池漸漸取代鉛酸電池於市場的地位，其特性表現都優於鉛酸電池。各區廠務不斷電系統(UPS)紛紛開始安排導入或汰換，鋰鐵電池相較鉛酸電池除了較為安全優勢外，使用壽命也較長久，相對降低人力維護成本，如 表1。

由於電池在製造時，無法百分之百確保各電池內容物之化學特性及容量一致，長期使用下也無法確保每顆電池芯內阻及容量衰減程度相同，數顆電池串聯長期充放電時，將導致電池容量高之電芯會先達到充電截止電壓(Over Charge)，電池容量低之電芯會先到達放電截止電壓(Over Discharge)問題。為避免電池串中任何一電芯有過充或過放情況，BMS將會使該串電池停止充放電，因此該串部分電芯容量將有未充飽或未放盡之情況，如 圖1。長期運轉將造成電池容量下降、壽命減短等問題產生，因此如何進行電芯電壓管理是一重要的課題，透過BMS的加入顯得格外重要。

圖1、(a)電池芯充電平衡/不平衡(過壓) (b)電池芯放電平衡/不平衡(低壓)

1.2 廠內鋰鐵電池運轉現況

BMS主要用來監控與管理電池模組，並提供預警保護的功能。透過均衡控制電路平衡電池芯之間電壓壓差，經系統內部通訊將電池芯電壓資訊、電池組充電和放電電流及溫度完整記錄，基於這些資訊的收集，不僅可以使電池安全運行，而且可以進行電池電量狀態(State of Charge, SOC)和健康狀態(State of Health, SOH)計算，對電池的容量與性能皆有參考價值。統計廠區易造成BMS告警為過壓告警，最常發生於 ①UPS新裝機時，因電池在組裝過程中沒有充電，電池本身自放電將會造成電壓分佈不均 ②因每顆電池容量製造無法完美一致，電池經放電測試後，將導致電壓分佈不均。綜合上述狀況當UPS充電機開啟對電池進行充電時，原先電池芯較高電壓透過BMS均衡電路調整電池電芯電壓，若電池異常過壓則UPS充電機立即停止充電，確保電池組及系統安全，將異常事件紀錄並回傳SCADA告警，使系統建立一個安全有效率的管理方式。^[1]

1.3 廠內鋰鐵電池管理面臨之問題

鋰鐵電池在運轉管理上重要任務之一就是電池芯充放電管理，初期管理設計當電池芯電壓超過均衡電壓時啟動「均衡控制電路」，方法就是把高準位電芯電壓透過平衡電阻放電。長時間下雖然全數電池芯電壓符合告警範圍內，但電池芯電壓準位分佈不均，電池組內部電壓差異性大，於大功率放電易造成電池壽命減短與損壞。

1.4 鋰鐵電池強化管理之方式

導入BMS電池智能均衡管理模式，有效改善上述問題與強化電池使用年限。電池芯高準位電壓透過平衡電阻強制放電，使電壓準位向下調整。若偵測到低準位電壓將啟動充電機對低電壓電芯進行充電。經過反覆的充放電運作，將大大提高電池芯電壓一致性，詳細內容將會於第三節進行介紹。

文獻探討

2.1 鋰鐵電池介紹

全世界儲能系統種類繁多，大至抽蓄水力電廠、儲能貨櫃和超級電容等，小至生活周遭處處可見的電池。以目前電池發展而言，鋰電池最具有成長性，眾多的電池種類需因材適用，而鋰電池最大優勢就是能量密度高，製造成本隨著市場的需求效應而不斷下降，是目前應用最多的電池種類，也是未來最具有發展性電池之一，許多不斷電系統設備更紛紛導入使用。

2.2 電池管理系統介紹

達維德-安德烈亞(Davide Andrea)著作的「Battery Management Systems for Large Lithium-Ion Battery Packs」^[2]提到，BMS主要的功能是讓所有電池組的電池芯確保在其安全工作區域(State of Aging, SOA)中。BMS功能沒有絕對的定義，廣義上的需求為電池保護量測(Measurement)、電量估算(Analysis)、電池性能最佳化管理(Management)、外部設備通訊(Communications)與電池監視(Logging&Telemetry)等技術，其基礎架構如 圖2所示。

圖2、BMS功能架構

• Measurement
  電池電壓、電池電流、電池溫度。
• Management
  State of aging(SOA)、電池芯電壓平衡、電池溫度。
• Analysis
  State of charge(SOC)、Depth of discharge(DOD)、State of health(SOH)、電池容量、電池內阻。
• Communications
  典型的BMS通訊架構，使用CAN bus溝通內部資訊，並透過通訊模組將結果傳送至外部SCADA，如 圖3 BMS通訊架構。

  圖3、BMS通訊架構

  
• Logging & Telemetry
  記錄電池各項資訊、健康狀態、錯誤訊息及告警。

目前未有明確的標準規範來訂定BMS的產品安全設計，大多參考通用的電子設備功能安全標準，例如 : 國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)及美國保險商實驗室(Underwriters Laboratories Inc., UL)的IEC/UL60730-1準則。內容主要評估規範電子控制裝置的安全，為BMS安全設計提供了一個生命周期的理念，涵蓋功能性及安全方面開發設計、製造驗證及實際應用整體過程，目的為保障鋰鐵電池及BMS的安全與強健性^[3][4]。

至於如何設計出一套對電池最佳化的控制技術，則是各家電池製造商參考此規範標準下，集眾知識研發的重要關鍵。

2.3 電芯電壓均衡原理

當充電機對一整串電池進行充電如 圖4(a)，可觀察到最高電池芯電壓為4.1V，此時充電機將持續充電，當該顆最高電芯電壓為4.2V時，BMS判斷電芯過壓，將使充電機關閉如圖4(b)，待該顆電芯透過平衡電阻放電，電壓低於過充電壓設定值時，充電機再開啟對該串電池進行充電如 圖4(c)，待下次有電芯過壓時又重覆此步驟如 圖4(d)、圖4(e)，最終達到每顆電芯電壓一致性如 圖4(f)。

圖4、BMS對電池均衡動作原理

研究方法

3.1 廠區電池管理運轉架構

F15B廠區UPS配置鋰鐵電池運轉，由四大部分構成，如 圖5所示 ①UPS主機 ②鋰鐵電池 ③BMS電池管理系統 ④SCADA監控系統。其中BMS電池管理系統架構簡述，於BMS中的電池控制單元(Battery Control Unit, BCU)與電池中的電池管理單元BMU(Battery Management Unit, BMU)透過CAN Bus溝通，為主從式(Master-Slave)的架構。BCU是BMS的大腦核心，負責進行電池組運轉管理，透過RS485通訊傳輸訊號至HMI與SCADA供使用者監視與分析。電池模組內的每顆電池芯則是透過BMU來偵測其電壓與電池極柱溫度，再經由CAN Bus對BCU來傳遞該串數顆電池資訊^[5]。

圖5、廠區BMS系統運轉架構

BMS偵測電池本體電芯電壓 ①當偵測值高於上限設定值，電芯電壓將透過平衡電阻進行放電程序或觸發BMS內部繼電器乾接點訊號關閉充電機 ②當偵測值低於下限設定值，BMS判斷電芯電壓異常，同樣迫使UPS關閉充電機，停止對電池充電。上述功能除了保護電池本體，也可提高系統安全性。

3.2 BMS傳統均衡電路

目前廠內UPS充電機對電池組充電電壓為550V，對每串20顆電池共160個電池芯(1顆電池內有8個電池芯)進行充電，理想上每個電芯電壓應為550/160=3437.5mV，但由於每顆電芯特性些許不一，電芯電壓會高於或低於理想值。

每顆電池組內部皆有嵌入一BMU均衡電路如 圖6，其中每顆電池內有8顆電芯，每個電芯將分別與1個平衡電阻並聯，其平衡電阻規格為5W 8Ω。

圖6、電池BMU平衡電阻

表2為均衡電路動作相關設定值，BMS設定當偵測電芯電壓高於傳統均衡電壓設定值3443mV時，將透過BMU觸發安裝於均衡電路板MOSFET開關導通如 圖7，使電芯並聯平衡電阻進行放電，達到抑制過壓效果。

圖7、電池BMU MOSFET電路

當電芯電壓未達充電截止電壓設定值3750mV時，UPS充電機依然對整串電池充電，此時若UPS對電芯充電速率大於平衡電阻對電芯放電速率時，電芯電壓將高於3750mV，BMS將會觸發內部繼電器乾接點訊號斷開並發出過壓告警，使UPS關閉充電機不再對電池充電，電芯進而持續透過平衡電阻持續放電至低於過充回復電壓設定值3443mV時，繼電器乾接點訊號閉合，UPS開啟充電機重新對電池充電。

其上述電芯均衡流程如 圖8所示，雖然進行反覆充放電過程，但最終還是將會發生電芯電壓不均情況。

圖8、單一電池芯過壓均衡流程

當充電機若正常對電芯充電時，若電芯電壓低於放電截止電壓設定值2000mV時，BMS也會觸發內部繼電器乾接點訊號斷開，使UPS關閉充電機不再對電池充電，此時將需檢查電池電芯狀況，其流程如 圖9所示。

圖9、單一電池芯低壓判斷流程

3.3 BMS智能均衡電路

3.2節所討論為BMS對電芯過壓管理問題，以及若電芯電壓低於放電截止電壓設定值2000mV異常狀況。其中BMS於電芯過壓管理上存在一問題，當電芯電壓未高於均衡電壓設定值3443mV，於該串電池之電芯即會停止均衡，但此時會存在某些電池芯電壓偏低，造成整串電芯電壓不均現象，因此智能均衡概念被提出解決此問題。

表3為智能均衡電路動作相關設定值，其概念為當有電芯電壓低於智能均衡啟動電壓時，但尚未低於放電截止電壓設定值，將透過降低電芯均衡電壓10mV，使原本傳統均衡電壓設定值3443mV將低至3433mV，此時將有更多電芯電壓因高於此電芯均衡電壓設定值，進而開始進行放電。較低電壓的電芯將會透過充電進而提升電壓，改善傳統均衡電路只針對高電壓電芯進行管理，而無法解決電壓電芯過低問題，其智能均衡流程如 圖10所示。

圖10、單一電池芯電壓智能均衡流程

結果與分析

4.1 BMS傳統均衡對電池平衡分析

以一套建置完成的UPS供電系統而言，UPS充電機電壓550V對鋰鐵電池充電，將依 圖8傳統均衡流程進行電芯電壓平衡，由 圖11觀察到因電池已進入CV模式，雖部分電芯電壓落在3443mV水平下，但還是有一部分電芯電壓較低，但也無法進行充電，將造成電池內部壓差變大，於電池放電時將有容量不均問題，長時間影響下將造成電池壽命減短。

圖11、傳統均衡電路對電芯電壓關係

運轉經驗中最常造成電池過壓告警的2個案例為 ①UPS新裝機時，因電池在組裝過程中沒有充電，電池本身自放電將會造成電壓分佈不均。當充電機對電池開始充電時，原高電壓電芯將觸發過壓告警，如 圖12所示 ②因每顆電池容量製造無法完美一致，電池經放電測試後，將導致電壓分佈不均。電芯回充時，易造成原高電壓電芯觸發過壓告警，如 圖13所示。

圖12、新裝機電芯電壓分佈

圖13、放電驗收電芯電壓分佈

4.2 BMS智能均衡對電池平衡分析

智能均衡的特點為當有低電壓電芯觸發智能均衡啟動電壓3350mV，將啟動智能均衡功能，使原均衡電壓3443mV下修10mV至3433mV，此時若高於3433mV之電芯，BMU觸發均衡電路板上MOSFET開關導通，使電芯開始對平衡電阻放電。此時UPS充電機對該串電池充電，部分電壓較低之電芯，反覆透過此智能均衡方式，最後達到各電芯電壓一致。

由 圖14可觀察出，時間6/5 12:34起初在進行電池充電時，均衡電壓設定值為3443mV，部分電芯電壓落在3443mV下，但因尚未啟動智能均衡功能，而有部分電芯電壓將有明顯偏低離群，最低電壓為3355mV。

圖14、初期智能均衡之電池電芯平衡

於12:34至13:00間，因有電芯電壓低於3350mV並啟動智能均衡，在13:00、13:30明顯看出因智能均衡啟動，使原均衡電壓設定值為3443mV下修10mV改為3433mV，原大部分電芯電壓高於3433mV者，將透過平衡電阻放電，低電壓電芯獲得充電，使大部分電芯電壓若在3420mV~3460mV間，只有少部分落在3420mV以下。而原離群低壓電芯將有明顯獲得改善，因透過高壓電芯放電，UPS充電機提供充電電流對該串電池進行充電，進而將電芯電壓提高。

經過數日均衡後，由 圖15可觀察出時間6/8 11:12最低電芯電壓高於3350mV，所以智能均衡功能停止，全數電芯皆落在於3432mV~3435mV間，如此一來除了確保電芯電壓皆接近理想值，也使各電芯容量一致。

圖15、後期智能均衡之電池電芯平衡

4.3 比較BMS智能均衡與傳統均衡差異

由4.1及4.2節可以了解傳統均衡僅對於電芯高電壓有抑制的功能，但對於低壓電芯無法有效的管理，進而無法達到整體電池電芯一致性。透過 圖10智能均衡的加入，當低電壓電芯觸發智能均衡啟動電壓設定值時，透過下修均衡電壓來使高電壓電芯強制放電，進而提升低電壓電芯，於電池長時間充放電運用時，能達到理想的管理。

結論

鋰鐵電池因安全性佳、能量密度大、充放電循環次數高及環保材質等優點，逐漸取代傳統鉛酸電池的應用，搭配BMS系統能夠清楚掌握每一顆電池電芯的參數及特徵。電池芯在BMS智能均衡控制加入下，也大幅改善部分電芯電壓偏低問題，避免大功率放電造成電池壽命減短損壞。

未來可以透過鋰鐵電池能運轉在環境溫度較高之特性，配合BMS監控功能來調整廠內電氣室空調溫度，改善不必要的電力耗損，已達到節能減碳之效益。