UPS電池內循環放電作業安全管理

1. 前言

由於傳統的負載箱放電方式實屬高風險作業，其中風險包括：施工人員連接引接線導致感電風險以及設備儀器搬運存在人員跌、墜、落等疑慮，且部分廠區電池櫃配置於夾層或變電站內有上下樓梯等問題。綜合以上風險評估，導入一套相對安全的放電模式，透過UPS廠商開發的內循環功能，將電池放電能量回併至上游電力系統，為了驗證此方法是否可以完全取代負載箱放電且達到活化電池功效之可行性，本文以F12P45作為測試廠區，並使用儲盈鋰鐵電池進行內循環放電測試，檢測之UPS機型為Eaton 9395 UPS及Delta DPM UPS，透過BMS(Battery Management System, BMS)紀錄數據進行電池剩餘容量(State of Charge, SoC)及電池健康度(State of Health, SoH)分析，UPS電池放電架構圖如 圖1所示。

圖1、UPS電池放電架構圖

2. 文獻探討

電池廣泛地應用於備用電源、不斷電系統與電動機具等相關設備，電池長時間處於工作狀態，其健康狀態不易得知，電池保養目的在於透過量測得知電池健康度或電池內部剩餘容量。

內循環原理及效益於文獻^[1][2]提及，UPS壽命測試過程中，透過調節相位角和電壓幅值控制電力潮流，將消耗的能量返回至電力系統，從文獻之實驗結果來看節能量約80~82%。文獻^[3]則針對內循環功能在UPS內部如何運作及效益進行比較說明。

而本節將針對現行常見的電池放電手法進行說明：直流內阻量測、負載箱放電、內循環放電。

2.1 直流內阻量測法^[4]

直流內阻量測法是利用電池輸出電壓與電流的變化，計算得知內阻的變化，來估測電池的殘餘電量。內阻量測法可對單一電池內阻異常定位，此方法受限於電池內阻測量的精確度，且電池內阻與其壽命亦有一定關係，使用越久之電池其電池內阻會越高，造成狀態預測的誤差。

2.2 負載箱放電量測法^[5][6]

負載箱放電量測法是將電池串利用假負載進行電池放電，並使用電壓量測儀紀錄各電池放電資訊，依據截止電壓做為電池健康度判斷指標。此方法除了造成電能損耗及產生熱能外，因檢測設備儀器搬運不易，導致檢測時間增加，負載箱放電示意圖如 圖2所示。

圖2、負載箱放電示意圖

2.3 內循環放電量測法^[6]

內循環放電量測法利用不斷電系統內部架構將電池放出的電能反饋至市電電網，並利用電池管理系統BMS顯示之電池健康度SoH及電池剩餘容量SoC作為判斷指標^[7]。此方法不僅可達到節能效益，操作上無需投入額外設備儀器，且免去引接線進行電池放電，可降低工安事故發生機率，UPS內循環放電架構圖如 圖3所示。

圖3、UPS內循環放電架構圖

2.4 效能及技術面分析^[6]

分析台積廠區常見的三大電池檢測方法，比較項目說明如下，而三大電池檢測方法之比較結果整理如 表1及 圖4。

圖4、台積廠區常見三大電池檢測方法比較長條圖

1. 檢測時間：直流內阻法檢測時間較長，原因為操作前需將電池與電壓檢測儀(BMR)連接且內阻運算等待時間較長；負載箱放電量測法則省去了運算時間。
2. 檢測成本：負載箱放電量測法需額外人力搬運負載箱外，且在放電測試的過程中，負載箱所消耗掉的電池電能將無法回收再使用，因此電池測試將會產生額外的電能耗損，進而增加使用成本。
3. 環境影響：負載箱放電量測法在施作過程中所消耗的電能會在變電站中產生熱能。過多的熱能會對變電站現場的設備造成影響，這些設備及影響包括了 :
   • 空調：由於環境溫度會因為電池放電測試而升高，為了維持一定的環境溫度，空調系統必須提供更強的制冷能力以讓變電站的溫度維持在設定的水準。
   • UPS：若是UPS吸入過多的熱空氣時，不但會影響系統的運作效率，同時也有可能會發生過溫的告警。
4. 檢測危險性：內循環放電量測法僅需使用UPS軟體設定操作即可，無需連接額外量測儀器。而負載箱放電需利用放電線(100mm²及125mm²)或快速接頭進行放電，需考量完整放電之最大電流值，以確保放電過程的作業安全。

3. 研究方法

3.1 內循環(ECT)放電介紹^[8]

電池放電能量藉由UPS內部之DC-DC converter，經由Inverter反饋至Bypass STS再回併至電網。此時Inverter透過自動控制手法，將其令為電流源輸出形態，並能即時利用電腦連線UPS，調整反饋到電網的功率大小，UPS內循環放電電力潮流路徑如 圖5說明，圖中綠色路徑為電池放電潮流路徑，藍色路徑為UPS備機電能供給路徑，而執行ECT放電測試儀器設備與電池箱之接線圖如 圖6所示。

圖5、UPS內循環放電電力潮流圖

圖6、ECT放電測試儀器設備與電池箱接線圖^[6]

3.2 UPS旁路盤架構比較

目前台積廠區UPS旁路盤架構包含兩種形式：五個ACB架構及七個ACB架構。在不同的架構中，會因為放電潮流的不同而影響內循環放電施做的可行性。以下將針對兩種不同的旁路盤ACB架構進行完整的說明及介紹。

3.2.1 七個ACB架構說明^[9]

台積部分廠區之旁路盤為七個ACB架構，架構圖如 圖7。此種架構放電時須經由Q4S往MTS-U放電(MTS-T切離)，但遇到台電壓降轉態到Online Mode時，放電電流會逆灌到UPS備機的DC BUS可能會造成瞬間過電壓，進而使得UPS在運轉模式(Online Mode)跳轉至旁路模式(Bypass Mode)。歷年來台積廠區曾因為四次連續兩次壓降造成影響，故在此配置下，操作電池放電測試模式會有風險，詳細UPS七個ACB旁路盤單線圖如 圖8所示。

圖7、七個ACB之旁路盤架構

圖8、七個ACB旁路盤單線圖

3.2.2 五個ACB架構說明

與3.2.1七個ACB架構比較，可發現五個ACB架構少了耦合路徑，並不會產生放電電流逆灌到UPS備機問題，架構圖如 圖9，因此內循環放電方式可在五個ACB架構之UPS導入。

圖9、五個ACB之旁路盤架構

4. 結果分析^[10]

4.1 台積各廠區UPS機型統計

目前台積廠區UPS機型以Eaton及Delta居多，統計竹科/中科/南科UPS台數總數約3,893台，各廠區詳細數量分布"9字，各廠區詳細數量分布如 表2及 圖10所示。目前可施作內循環放電之UPS廠牌型號為Eaton 9395 & Delta DPM，佔台積全廠區UPS總數1,819台(約46.7%)，如 表3及 圖11所示。

圖10、台積全廠區UPS型號數量分布

圖11、台積全廠區可執行內循環放電UPS型號數量分布

4.2 實驗結果分析

以F12P45為例，目前廠區鋰鐵電池以儲盈鋰鐵電池為大宗，放電測試時間為3分鐘，利用Eaton 9395 UPS及Delta DPM UPS之內循環功能(Easy Capacity Test, ECT/Energy Recycle, ER)，設定UPS以131kW定功率輸出使電池放電，放電電量約電池30%，將能量由UPS反饋電網，透過電壓電流量測儀或BMS紀錄數據進行SoC及SoH分析，鋰鐵電池保養架構示意圖如 圖12所示。

圖12、鋰鐵電池保養架構示意圖

受測電池採用儲盈TW-BP-2450A容量為50AH鋰鐵電池，以單串及多串同時電池放電，放電條件為每串131kW定功率6C (300A)放電3分鐘，並以SoC%及SoH%測試數據是否在標準範圍內作為電池健康度判斷指標，SoC%及SoH%標準值如 表4說明^[7]，其中標準範圍是依據300A放電電流計算，而放電後SoC%會依實際量測電流有差異(296.7A~309.5A)。

4.2.1 Eaton 9395 UPS測試結果

Eaton 9395 UPS測試結果如 表5說明，電池放電電壓平台範圍落於458V~460.3V間，SoC%平均值為68.8%，SoH%平均值為98.7%，第一二三串電池放電電壓平台曲線圖如 圖13~圖15所示，而SoC%及SOH%測試數據皆在標準範圍內。

圖13、第一串電池放電電壓平台曲線圖

圖14、第二串電池放電電壓平台曲線圖

圖15、第三串電池放電電壓平台曲線圖

4.2.2 Delta DPM UPS測試結果

Delta DPM UPS測試結果如 表6說明，電池放電電壓平台範圍落於465.1V~466.8V間，SoC%平均值為70.8%，SoH%平均值為100%，第一至三串電池放電電壓平台曲線圖如 圖16~圖18所示，而SoC%及SOH%測試數據皆在標準範圍內。

圖16、第一串電池放電電壓平台曲線圖

圖17、第二串電池放電電壓平台曲線圖

圖18、第三串電池放電電壓平台曲線圖

4.3 效益分析

依據電池廠商建議手冊，鉛酸電池放電保養週期為每年一次，而鋰鐵電池則為每三年一次。以F12P45為例，既有負載箱放電方式預估工時為三人，負載箱所消耗的電池電能約130kW/串，利用內循環放電功能，將既有保養項目(UPS主機及電池)合併執行，效益分析如下：

• PM Loading：可節省39MD/Yr(4hr縮減為2.5hr/台，共210台)。
• Cost Saving：可節省1.57M NTD/Yr負載箱放電費用(750(串)*2100(NTD/串))。
• Energy Saving：由能量回收取代既有負載箱電能消耗130kW*3min/60=6.5kWh/串，6.5度*436串=944.6 kWh/Yr。

5. 結論

本文提出一新型之UPS電池放電保養方式，透過UPS內部迴路將電能反饋回電網，並將此電池放電保養手法併入UPS年度保養同步執行，進而降低電池放電所投入的相關環境及人力成本，以降低工安事故發生的可能性。此方法將電能反饋至上游電網的放電方式，若放電參數設定不當或多串電池同時進行放電，可能導致上游開關偵測到異常大電流反饋，但依照標準程序執行書(SOP)或Checklist即能預防上述問題發生。