電池的組配

    在前篇稍微瞭解了”大功率電池”是怎麼一回事後，這篇就開始來談談電池該怎麼組配吧！但里柯在此也僅能分享自身組配過的”鐵鋰電池”，至於鋰三元電池的組配就尚無經驗可供分享了。

    前篇有稍微提到鐵鋰電池的一些特性，但即使是同一種類的電池，因為各家的配方與製程技術上的不同，特性也就會不盡相同，畢竟鐵鋰電池目前也還在發展剛起步的階段，距離要走向定型的時間還是個未知數。以里柯自身所使用過的台製鐵鋰電池來說，其特性如下：

• 規格：22mm(W) x 95mm(L) x 130mm(H)(不含極柱12mm) 
• 常態電壓值(電池佔大部份殘電區間的電壓值)：3.328V 
• 容量：18Ah(18,000mAh) 
• 安全充放電電壓值範圍：2.65V-3.65V(過壓與欠壓都將導致電池不可逆的傷害) 
• 安全充放電深度：2C(36A)充電、5C(90A)放電。 
• 低自放電，可安全靜置儲放至少一年。 
• 安全洩壓閥設計，可在電池芯內部壓力過大時自動開發洩壓、避免繼續膨脹、降低導致爆炸的可能性。 
• 電池連接與鎖付方式：2mm銅片與M6螺帽。 

    這顆鐵鋰電池是里柯第一次正式使用過的鐵鋰電池，雖然在這之前已經入手過一組A123的鋁箔大單體電池，但最終因為”不好用”而半賣半相送去了！

    那究竟這組台製的鐵鋰電池”好用”在哪裡呢?其實光是它的“電池連接與鎖付的方式”就已經夠友善了。A123鋁箔大單體難用在於它的串並聯方式”不親民”，一般不會使用焊槍的民眾根本無從對策，感覺起來也頗危險；而這組台製的方形鐵鋰電池僅需一隻10號T桿、連接銅片與公制M6螺帽，外加一捆膠布就可以輕鬆的全部搞定。

    OK，在組配電池芯之前，一般較為正統的作法是在選購電池芯的時候，就需要求電池芯彼此間是可以”相互匹配”的，比如說希望每顆電池芯的容量與內阻值都能是差不多的，最好也能是從同一批生產的電池芯當中所挑選出來的。但以國內目前鐵鋰電池的取得管道還是處於非常狹隘的情況之下，只能說能買到就已經算很不容易了，所以也只能希望以後這個”管道”可以發展成為一條”康莊大道”！

    雖然入手前的匹配這個步驟大部分的人應該都只能選擇跳過了，但至少我們還能為手邊剛入手的電池芯自己作一下充電平衡--先將電池芯以數顆並聯的方式都並聯起來進行充電。並聯中的電池芯在進行充放電的時候，高電壓電芯的電會自己往低電壓的電芯流動，可說是"並聯的自平衡"；再來是並聯的電池組電壓值並無提升，提升的是電容量(後有詳述)，電壓值視同一顆電芯，所以若用正確的充電器以正確的電壓進行充電，就不會有過充電的問題(可使用航模用充電器，設定僅充一顆鐵鋰電池的電壓值來進行充電)。

平衡充電完成後，即可開始準備組裝成電池組了。在此之前，再讓我們來複習一下小學的”自然與科學”—電池的並聯與串聯： 

    電池的串聯就是"前一顆的正極對著後一顆的負極相連接"，在一般的市售3號電池，看上去就像串燒丸子一樣，故名之"串"，因為英文叫做” Series connection”，所以通常以”S”來簡稱之。串聯著的電池，彼此的電壓會相加，但容量不變；比如說兩顆3.345V、18Ah的電池芯串聯，就會變成6.69V、18Ah的電池組。所以電池的串聯旨在”增加電壓”，如下圖左。

(點圖可放大)

    電池的並聯則是"兩顆電池芯的正極與負極各自相聯接"，就像肩併著肩一樣，故謂之"併"，因為英文叫做”Parallel connection” ，所以常以”P”來簡稱，如上圖右。並聯著的電池，彼此的容量會相加，但電壓不變；例如兩顆3.345V、18Ah的電池芯併聯，就會變成3.345V、36Ah的電池組。所以電池的併聯旨在”增加容量”。

以上，如果我們用16顆電池芯直接串聯起來，就可以做成一組”48V18Ah”的”電池組”，簡稱”16S1P”。但明明16顆串起來的電壓值應該是：

3.345V x 16S = 53.52V 

那用15S1P，組成50.18V，一樣高於48V，難道不行嗎?別忘了！前篇有提到”負載降壓”的現象，如果只用15S1P，再來個負載降壓不就馬上低於48V去了嗎？而且這還沒包括考量到鐵鋰電池在殘電量區間的尾段，隨著放電將盡，電壓會"猛爆性下降"的特性。

那假設如果要組成48V的電池組，手邊的電池芯數量又夠多的話，究竟是：

1. 先16S1P成兩組48V18Ah，再分別把兩組同時接上車體”後併聯”成48V36Ah(此舉又稱”先串後併”，如下圖)：
   (點圖可放大)
2. 還是在當初要組裝的時候，就直接把電池芯先"倆倆相併聯"後、再串聯成48V16S2P為48V36Ah(此稱”先併後串”，如下圖)好呢？
   (點圖可放大) 

就里柯實際上使用的心得，”先併後串”確實比”先串後併”來得好處多多：

• 可減少線材、端子、接頭與固定材料的使用數量。 
• 可減少充電/診斷線組的使用數量(稍後解說)。 
• 可減少充放電時的插拔次數，並減少充電時間。 
• 可降低因電池組內電池芯發生異常而導致電壓立即下降、造成無法繼續騎乘的狀況。 

    以上，尤其是最後一點的效益最為重要，因為在里柯實際使用上所發生過的狀況，當電池組先串後併使用時，電池組內若有一顆電池芯發生異常，總電壓值馬上就被拉了下來(等於變成15S電池組了)。而當這種狀況是發生在先併後串的電池組時，最多就是"容量暫時的折半"了(因為還有當初先雙併在一起的另外一顆好的電池芯先頂著)，車子還是能夠繼續騎行，只是續行力減半，至少還可以選擇慢慢騎，死撐活拉到可以救急或充電的地方。

所以如果車子放置電池的空間充足的話，電池組”先併後串”是不二的選擇！

    OK！電池芯組裝好變成電池組了，但還有一個問題得解決：如何避免電池組的過充電與過放電？這是在使用一個電池組的時候最為重要的問題，因為文章前面有提到過一個重點，”過壓與欠壓都將導致電池芯不可逆的傷害”！當電池的電壓在充電的時候單顆超過3.65V、與放電的時候單顆低於2.65V，就形成過壓與欠壓了！所以業內人士常說”鐵鋰嬌貴”，意即在此。

    所以為了避免電池的過充電與過放電，通常都會在電池組內加裝”保護板”：一片在當檢測到單芯電池電壓超過或低於設定值的時候，能夠以斷開電路的方式來達到保護目的的IC板。比如說當充電時單芯電壓達到3.6V、或放電時偵測到單芯電壓值低於了2.8V，就予以斷電，使電池不致過充放電。

    有些保護板也同時具有”平衡”的功能，就是讓每顆電容量不一致的電池芯能夠一致化的功能，此功能通常是以電壓值為判斷的依據，並有”主動式”與”被動式”之分：

主動式平衡：當偵測到一組電池芯裡有一顆電壓值比其他顆來得低時，只對這顆低壓的電芯充電、或其他顆電芯先停止充電，等待這顆低的電芯充到與其他電芯相同電壓時，即達平衡。

被動式平衡：當偵測到一組電池芯裡有一顆電壓值比其他顆來得低時，其他電壓較高的電芯開始放電，等放到與低壓的電芯一樣的電壓時，即達平衡。

一種是”誰缺就補誰”、另一種是”除了缺的那個之外，其他的通通再吐出來！”，相信各位一看就能判斷，以上兩種平衡方式，那種較為聰明與理想了吧？ 還有，如果各位手邊的保護板是被動式的，請再注意當它啟動放電平衡機制的時候，它的放電電流有沒有比當時充電器的充電電流來得大！不然最後的結果一樣是過充！

    保護板通常也會有”限制電流上限”的功能，若是電池組裡的電芯設計上並不是能夠承受太大電流的輸出、或是為求延長電池組的整體使用壽命，只希望它做較小電流的輸出時，就會需要這個功能。

    保護板就好比一把雙面刃，一面保護著電池組、另一面卻也限制了電池組的性能。因為保護板中的限壓、限流與平衡啟動條件等參數值都是出廠時就已經事先設定好的，不能再更改，所以如果要決定在電池組上使用保護板，請務必先搞清楚你所要的”保護條件”，一定要先弄清楚它究竟"保護了些什麼"、與"怎麼個保護法"，因為這也代表著電池組”被限制住了什麼”、與”怎麼個限制法”！

    舉個例子，如果今天想要的電動機車性能要有100A的電流輸出才能夠達成，那就不能去搭配了一片限流50A的保護板，否則騎一騎就斷電，豈不自找麻煩？但如果100A的電流輸出對這組電池組來說負擔太重了，負載時會導致電池組的降壓過大、甚至影響到整體的使用的壽命，也不是說就要因此而選用限流小一點的保護板、或降低控制器的限流值設定，正確的作法，應該是要"再加大電池的容量"(串聯起來前先多併聯一顆電芯、或再增加組電池組)才對，這樣才能符合你當初的設計初衷。不然搞了半天，到最後為了配合電池組，結果還是只弄出了台小功率，那還不如當初就不要選擇升級了！

據里柯的實際使用經驗，電池組的容量大小至少要是設計時最大電流輸出值的1/3，降壓才不會太難看，對電池組的整體使用壽命也比較理想，若能1/2則更為理想。

    再舉一例(因為這些例子其實也就是現在非常普遍正在發生的事)，如果今天你的電池組是使用鐵鋰電池，在本文的前段已經說過，它的安全充放電電壓值範圍是：2.65V-3.65V。結果你卻買了一片設計給鋰三元素電池的保護板來使用，結果會發生什麼事呢？鋰三元素電池的安全充放電壓值範圍是：3.2V-4.2V，所以它的平衡保護啟動電壓值及過壓切斷保護電壓值的設定一定是超過3.65V的，也就是說當你的鐵鋰電池發生充電過壓、都已經傷害到電池了，保護板的過壓保護機制都還沒啟動呢！這不是花錢來搞笑的嗎？更慘的是欠壓保護機制，因為鐵鋰電池可以安全的放電到2.65V，但鋰三元電池可能卻得在3.2V就要啟動欠壓斷電機制了，結果明明你的電池組還挺有電的，卻才跑一下子就被斷電保護而顧路了！ 

    總而言之，每種電池都有它的充放電特性，當然也就有不同的設定值來對應這些不同特性電池的保護板，”拿機車的輪胎去裝在汽車上使用”，下場當然是欲哭無淚！ 

    所以里柯的電池組，直到目前為止是還沒有使用到任何保護板的，因為其實只要你有把握能讓電池組在使用的過程當中不過充過放、控制器上的電流又設定得合理得宜，那樣的話也是可以不需要使用保護板的。但是，總得要能隨時知道每顆電池芯的電壓值，才能隨時監測與判斷有無過欠壓吧？所以接下來里柯就要再講解一下”電池的診斷線”與其接配的方式(製作方式將另開篇幅介紹)。電池的診斷線是為了連結至可以對電池進行電壓監測的電池監測器，通常可使用航模部品，例如Cell Log(另行介紹)。

以下我們以一組8S的台製鐵鋰電池組來做解說示範：

(點圖可放大)

上圖是尚未接上診斷線的8S電池組，無法得知每顆電池芯的電壓值變化為何。

電池診斷線的接線原理其實非常簡單，就是各有一條正極線與負極線去分別接上要監測電池芯的正極與負極。 

(點圖可放大)

現在標記上數字與英文字母來講解，假設a-i這9條監測線都已經接好了。

如果要監測第1顆電芯的電壓，就把a線接上監測器的負極、b線接上正極。

    如果是監測第2顆電芯的電壓，就把b線接上監測器的負極、c線接上正極。所以b線既是代表第1顆電芯的正極、亦代表第2顆電芯的負極，因為它們是用銅片相連接著的。所以b線可以用R型端子鎖付在第1顆電芯的正極、或是第2顆電芯的負極，抑或是直接設法固定在銅片上也是可以，因為都是一樣的意思，就看各位習慣怎麼接、或是視情況配合理線。

那如果是要監測整組電池組的電壓呢？那就把a線接上監測器的負極、i線接正極。簡單吧！

現在再以一組4S的電池組來講解診斷線的接法，但這次改用一般最常見的"遙控器電池"為例子：

若要監測第一顆的電壓，就接上負極1+正極2號線；
若要監測第二顆的電壓，就接上負極2+正極3號線；
若要監測第三顆的電壓，就接上負極3+正極4號線；
若要監測第四顆的電壓，就接上負極4+正極5號線；
若要監測整組的電壓，就接上負極1+正極5號線。

1號線是第一顆的負極、也是整組的負極；
2號線是第一顆的正極、也是第二顆的負極；
3號線是第二顆的正極、也是第三顆的負極；
4號線是第三顆的正極、也是第四顆的負極；
5號線是第四顆的正極、也是整組的正極。

現在是不是更一目瞭然了呢？

所以原則上診斷線的用線數量就會是欲監測的電池芯的數量再+1。以Cell Log這台電壓監測警示器來說，一次可最大同時監測8顆電池芯，也就是說每台一共要做出9條的診斷線、並搭配9Pin的XH2.5端子座與端子：

 

所以電池先串後併，會比同樣規格的先併後串電池組要多使用兩倍的診斷線組材料與診斷器。還要注意的是，第一線一定會是負極、最末線一定會是正極，中間的部份就看怎麼接對你最方便。 

    里柯的習慣是先做好R型端子，待把所有診斷線都接妥上電池樁頭後，再統一整線、引出，然後決定長度後劃上一條記號線一併切齊、再分別作好XH端子頭並卡進端子座內，這樣整組線組引出來的時候就不會顯得長短不一、曲曲折折的了(詳可見"材料製作篇")。 以上，基本上就已經完成一個”功能齊備”的電池組了(人工監測)！

最後來談談電池組因應負載降壓時的組配對策—該組建降低多少電壓值以內的電池組才是可以被接受的？

先來個觀念！16個人合力扛600公斤的東西若覺得吃力，那換成32個人下去扛同樣的東西，是不是大家都可省了一半的負擔(37.5Kg>18.75Kg)？

OK，可以繼續了。

以里柯的實例來說，里柯的額定3000W電機，在搭配48V36Ah的鐵鋰電池組時，在約60A電流下的降壓值約為2V左右。

所以當電池組接近滿電的時候，車子的空載電壓值應為：53.6V(3.345v x 16s)、負載60A時為51.6V；

當電池組電量在常態電壓值之間的時候，車子的空載電壓值應為：52.6V(3.285v x 16s)、負載60A時為50.6V；

    而鐵鋰電池單芯安全電壓值的下限是：2.65V，為保險起見，里柯是習慣抓2.8V、再加上負載降壓的 0.125V( 2V除以16顆電芯 )，等於2.91V，再乘回16顆電芯( = 46.6V )就是你所能讓電池組承受的”最大安全限度電壓下限值”了。所以當里柯在使用48V的鐵鋰電池組時，控制器上是設定當電池電壓低於47V時予以斷電，藉此保護電池。 

    所以如果當你組建出來的電池組，在使用的時候發現降壓很大、甚至很快就瀕臨到你的”最大安全限度電壓下限值”，那你就得認真的考慮是不是應該要再多併一組相同的電池組來分攤降壓了(多一組 = 降壓值少一半，還記得前面的扛重物觀念嗎？)。

電池組的"一致性"迷思
    里柯特別將這個議題放到最後面來談，就是因為它很重要！到底"一致性"對一組電池組來說有多麼的重要呢?舉個例子，如果組成一組電池組的電芯，在當初購入的時候就良莠不齊、品質不一了，甚至混入了拆機品或已使用過的舊品，導致每顆電芯彼此間容量不一，最高與最低的容量差有20%，這意味著：

電池組整組進行充電，當最低容量的電芯充滿電的時候，最高容量的電芯只充到了80%。

現在利用單顆充電的方式，將這顆80%的電芯再補充20%到了100%。

整組電池組進行放電，當最低容量的電芯放完電的時候，最高容量的電芯還剩下20%，而其他電芯也都還有一點餘電，但對這組電池組來說，它已經變成"少一顆"了。

也就是說，整組電池組的容量，將會是以容量最低的那顆電芯為準，即使用上最好的BMS，也只能保證每顆電芯都能安全的充滿電、與安全的放電到進入保護狀態，如此而已。

    里柯這次看展的時候，就有一家號稱全世界第一家研發出主動式BMS的廠家，竟對現場的來賓說，使用這套BMS，即可不需採購A-Grade(A級品)的電芯、可以改採購D-Grade(次級品)的電芯，因為只要電芯是Life(活著)的，都可以透過這套BMS去充放得很好，不用擔心造成電芯損壞提早夭折云云，聽得來賓就像是感覺被搔到了癢處似的。

    這就是業務話術的問題，因為他講得雖然沒錯，但也只對了一半。好的BMS確實可以很好的管理不一致的電池組，讓它們依然能夠在不一致的條件下發揮出應有的循環壽命，但這並不表示使用了這套BMS，就可以去採購次級的電芯，因為電池組的有效容量依然會以最差的電芯為基準，這是再好的BMS也無法改變的事實。