淺談鋰鐵電池充電器

    相信一般人對於充電器的映象，不外乎就是像手機那種，電池或接頭一接上去即可"置之不理"，方便又好用，怎麼在電動機車上面反而"貴為四大元件之一"了呢？到底何德何能？

說來說去，還是因為"電池特性"使然。

    前面的篇章有提到過，大功率的輸出得靠鐵鋰電池的充放電特性才能支持得住，但好死不死，鐵鋰電池的充放電電壓變化實在太特別了，中間有近90%的區段其電壓幾乎可說是不變化的，這對穩定的極速表現固然有利，但卻也難以被用來評估與拿捏電池的殘電量。

以下是一顆鹼性電池的放電曲線變化：

    可以看到，從一開始滿電時的1.5V左右，電池隨著放電，其電壓變化會呈現一種曲線式的逐漸下降，到約1V左右，直到電力放盡後"電壓直直落"。以上這個放電曲線近乎規律向下，所以只要透過測量電壓值的變化，即可推估當前電池的殘電量大約是多少。比如說如果目前電池的電壓值若是1.2V，則參照上圖，即可判斷出電池大約還剩下一半左右的殘電量。

再來這張是鋰離子(鋰鈷)電池的放電曲線：

四個顏色是分別代表在不同放電深度下的降壓變化，不同放電深度下的曲線雖然不盡相同，但還是可以用來預估電池的殘電量。

最後來看看搞怪的鐵鋰電池放電曲線：

    這張是著名的鐵鋰電池製造商A123公司(現在被對岸萬向收購後，竟改名為"B456"了，真的是有點搞笑) 的26650型鐵鋰電池，在不同放電深度下的電壓變化曲線。從黑色的0.43C到深綠色的15C放電，無論是哪一條，是不是中間有近90%的區段，隨著放電電壓都還是呈現”直直的一條”？也就是說，如果利用一般鹼性電池與鋰離子電池的電壓值變化來預測鐵鋰電池的剩餘殘電量，那麼從電量剩下約95%時一直到5%的這段是沒有變化的！

充電時同理，鋰離子先來：

下面再來鐵鋰，中間依然”直直一條”：

    但電動機車的充電相較於放電，畢竟是個相對較緩慢的過程，而且電流也不像放電(騎乘)時變化會很大，可能三不五時一下子就有大C數的放電出現(例如剛起步加速時)，所以充電器理論上還是可以利用鐵鋰電池快滿電時，其末段電壓急遽變化的區間，來做為判斷電壓與電流的適時調整。

    但鐵鋰電池還有另外一個搞怪的特性！就是它們彼此間不易維持”一致性”。所謂的一致性，是指同一組電池裡，每顆電池的電壓值或殘餘電量是否都相同；很奇怪吧，同一組電池，充放電時都是一起充放的，照理說每顆電池的電量都應該相同才對呀？這就是鐵鋰電池目前"不好搞"的地方。

    一但電池失去了一致性，每顆電池的殘電量開始出現了落差，導致電壓值也相對的出現了落差，且落差的拉距又逐漸的拉大，那充電器就會出現錯誤的電壓與電流調整判斷，且電池串連數量越多、誤判就越大。

舉例說明最快。

    鐵鋰的滿電電壓值是3.65V，所以坊間有很多家充電器在充電的電壓設定上，就直接以這個數字來乘以電池串聯的數量，比如說16S(16顆串聯)的充電器，它的充電電壓值就設定為3.65v x 16s = 58.4V。這個設定，對於一組永遠不會失去一致性的鐵鋰電池組來說應該是完美的，因為電池芯間彼此一起充到3.65V，總電壓值達到了58.4V，充電器判斷電池充滿了，也就自動斷開了，天下太平相安無事。

    但如果電池組已經失去了一致性(或一開始就根本不一致)，且落差明顯，導致16顆電芯裡有一顆已經充到3.65V了(單顆已充滿)、但其他15顆可能都還沒達到3.5V(可能才充到95%)，這時充電器判斷總電壓值只有56.15V，還不到58.4V的斷開值，所以繼續充電，結果已經到達100%容量的電芯還被繼續的充電，就形成”過充”了。

    被過充電的電芯，電壓值還是會繼續攀升，超過3.65V；而前面已經提過，鐵鋰電池的單顆電壓值一但超過3.65V，會開始對內部造成不可逆的傷害。而這顆電芯的電壓值會隨著繼續充電而一直攀升、到與其他電芯的電壓值加總起來達到58.4V、充電器判斷斷開為止。

以上現象，當電池串連數量越多時越容易發生，因為串連數量越多的電池組，就等於越不容易維持一致性。

    也有的充電器，單顆電壓值是以3.6V去累計，不把3.65V都用滿，多預留一點安全的空間，但也意味著電池組”永遠充不滿”(因為單顆滿電電壓值是3.65V，不是3.6V)。所以這種方法也算是一種”以犧牲掉一點總容量、來換取對電池多一點保護”的交換手段。

    對岸也開始有人索性把電池組組成17S，這樣充電器到達58.4V斷開時，每顆電芯的電壓值還不過3.435V，距離3.65V還有很大的一段距離，但這樣做就表示電池組”更充不滿”了，總有一種”不是辦法的辦法”的感覺。

總之兩種方法問題都沒實際解決，只是巧妙的閃過去而已。

    難道就此無解了嗎？也不盡然，辦法總是人想出來的。於是有人開始想出”並充串放”的方式—充電的時候設法讓電池並連充電、放電的時候則一樣是以串聯的方式放電。前面說過，鐵鋰電池因為一致性的問題，串連得越多、越不易維持；OK！那如果將16顆(48V)甚至是24顆(72V)電池芯在充電的時候，是以”個別單顆的方式充電”、或是有辦法將這些電芯”並連起來一起充電”，兩種方法的總電壓值都是"視同為一顆"，自然也就不會有一不一致的問題，這樣總可以了吧？

    可以是可以，但這樣的電池組內部充電配線，尤其是充電器的迴路套數設計將會很”工程浩大”、成本也會增加數倍，應用在電動汽車上還無可厚非，但用在電動機車上則顯得”牛刀”了些，設計與成本考量，廠家可能不太情願。

    以下里柯先用兩顆串聯的電池組來解說一下，如何對已串聯好的電池組進行單顆的"個別充電"：

上面是一組2S的電池組，兩顆電芯以一銅片串聯。

現在標上記號開始講解。a + d = 6.6V 輸出，兩個若相連就會造成非常危險的"短路"，要千萬避免！

所以當要對電芯1進行單顆充電時，就將充電器的接頭負極接上a、正極接上b，道理同監測器診斷線。

同理，對電芯2進行單顆充電時，就將充電器的接頭負極接上c、正極接上d。

重點來了。如果這是一組16S的電池組，若要進行個別的電芯充電的話，就得拉出16組的充電線、並搭配16套的獨立充電迴路。所以里柯才說這樣的設計規模與成本可不小！

那可不可以將16條的正極線拉出後匯集成一條粗線、負極同法，這樣不是僅需接上一台充電器就可以了嗎?

如果你也有過這種想法，那說明了你與里柯一樣，不是本科系、亦無相關知識背景出身！因為如果真的這樣搞，可是會短路滴！

現在里柯改用平面圖來進一步解釋為何會造成短路：

    首先上面這張圖是每顆電芯都對應1套充電器的情況，2顆用2套、16顆就是16套、24顆24套，規模與成本驚人，但不會有過充的問題。圖中b與c兩點雖有銅片相連，但充電器I與充電器II是兩套獨立的迴路，彼此不相通，所以a(線2，在充電器I)與d(線4，在充電器II)兩點永遠都不會因為充電線路相通而造成短路，就像各位家裡的各式電器用品一樣，即使都接在同一個插座或用電迴路上同時使用，他們也都還是彼此獨立、相互不影響的。

再來看下面這張"匯集充電"圖：

如果是採"正負極線先匯集"的方式，然後僅用一顆充電器充電，這下搞笑了，a點的4號線與d點的2號線因為接往同一顆充電器迴路上，這不是短路了嗎？

    但鐵鋰電池目前單價並不算低，勢必得仰賴一套夠完善的BMS(Battery Management System，電池管理系統)才能得以長治久安，讓電池組能夠維持一致性，不過充、不過放，廠家不常出保固，才肯願意大量採用，然後帶起需求市場、活絡供應鏈，最後以量制價、進入到一個良性的循環...。

而一套完整的BMS，必須確保電池在使用的過程當中能得到最大的保護，除了充電器，尚須從以下兩點同時著手：

• 控制器：限制電池組的電能回充/放電電流與終止放電電壓。

• 保護板：限制電池組的充放電電流與終止充放電電壓，並以平衡功能維持電池一致性。

    不然光是充電器聰明優異，但卻讓電池在放電(騎乘)的時候過放電了，結果還不是一樣沒達到保護的目的嗎？或是電動機車控制器有電能回充的設計與功能，但回充的電流與電壓若無妥善的管理，一樣會傷害到控制器與電池組。所以說在理想上，充電器、保護板與控制器，應是三位一體的，缺一不可。他們應該是要整合在一起設計、而不是分開設計的，除非能有參數自定義的功能，可因應實際情況做調整，否則這三個元件的某些參數無法對應在一起，就無法共同發揮到最大的保護效果，弄不好甚至還會互相牽制。

    將"能正確對應電池特性的保護板"整合進電池組，也是一種解決方案。里柯在今年2013年的電動機車展上，就看到了一家源自瑞士的主動式BMS廠商，其概念就是將保護板整片的整合在電池組上面，一開始先對電池組進行串充(較有效率)，然後在當發現單顆電芯充飽電的時候，即對該電芯停止充電、而改對尚未飽電的電芯進行單顆個別充電，如此即可確保每顆電芯都能安全的充飽電。

    在這個BMS方案裡，充電器反而不是重點，因為只要充電器設有通訊端口，在接收到來自保護板的斷電訊號時能正確的執行斷電的動作就行了，而電壓與電流是透過保護板再去分流管理的，充電器僅需對保護板輸出一個固定的電壓與電流值即可。這個BMS方案，保護板的過充放電壓與電流等各參數亦可自行定義，並可依客戶需求量身訂做，貌似是一個完美的解決方案，但里柯還是認為，此方案若應用在電動汽車、電動巴士或其他大型儲能系統上是很不錯的，但若要應用在電動機車上，大幅拉高電池組的成本則是必然，不太像是普羅廠家會願意去考慮的事。

    總之最後無論是"保護板整合充電器"、還是"充電器整合保護板"，這兩者都不應該是分開的，若還要擁有"電能回充"，則還需整合進控制器，方能達成"三位一體"。

電池的CC-CV充電模式：

CC指的是” Constant Current(定電流)”，意即以一穩定不變的電流值進行充電；

CV則是指” Constant Voltage(定電壓)”，即以一穩定不變的電壓值來進行充電。

    設計有CC-CV切換模式的充電器，就能對電池”溫柔的充電”。因為無論是使用太大的電流、或太高的電壓充電，對電池來說都是一種傷害，就像我們吃飯時應細嚼慢嚥一樣。

    CC-CV切換模式充電的大致作用方式是，當電池殘電量低的時候，因為可被充進去的電容量還有很大的空間，所以充電器一開始就能以其設計的最大電流穩定的對電池組進行充電；而電壓則視電池組當時實際的電壓值而跟著浮動調整，但基本上一定會是略大於電池組(就像水往低處流的道理一樣，充電器的電壓一定要比被充電的電池組來得高，電才充得過去)，此時稱為”CC模式充電”。

    再來當電充到電池容量差不多達到八、九成的時候，因為可被充進去的電容量空間快沒了，充電器的充電電壓值也達到了設定值的上限，此時充電器開始轉為CV模式，以充電器設定的電壓值上限穩定的充電，而電流值則開始慢慢往下調(就像我們往空杯子裡到水一樣，水快滿的時候，倒水的速度與量會跟著越降越低，否則杯子裏的水就會溢濺出來)。

最後當充電器的電流小到某個值的時候，電充不進去電池組了，充電器切電，完成了充電。

    里柯目前所使用的48V10Ah型鐵鋰電池充電器，實際輸出的電壓值即是DC 58.4V，是設計非常粗淺的充電器，所以里柯是利用電池組搭配"Cell Log"這款電壓監測器，在當偵測到單顆電芯電壓值超過3.55V時發出警示音、再以手動斷開的方式終止充電，此法雖談不上聰明，但卻有用。當然里柯還是希望能有更好、更方便且價格實惠的解決方案出現！