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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

336期2019年12月號

出版日期:2019/12/15

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可動態重組與自我調節之電池陣列系統

撰文/凃心怡

工研院研發的RAIBA可動態重組與自我調節之電池陣列系統,透過人工智慧延長整個電池系統壽命,榮獲2019年「全球百大科技研發獎」殊榮。
工研院研發的RAIBA可動態重組與自我調節之電池陣列系統,透過人工智慧延長整個電池系統壽命,榮獲2019年「全球百大科技研發獎」殊榮。

常聽到新舊電池不能混用,輕則影響電池壽命,重則損害電器、造成危險。但工研院研發的RAIBA可動態重組與自我調節之電池陣列系統,透過人工智慧調控新舊電池間的放電負載,涓滴電力不浪費,延長整個電池系統壽命,減輕電動車汰役電池處理負擔,榮獲2019年「全球百大科技研發獎」殊榮。

電動車帶動全球儲能裝置需求,根據國際能源署(IEA)調查,2020年全球電動車累計銷售量將達到900至2,000萬輛,平均每一台電動車中配備上千顆電池芯組成的10至100組電池模組。但是當車子老舊、報廢時,大量汰役電池可能還有電力,難道也要跟著廢棄?原本為解決排碳問題而興起的電動車,若因汰役電池處理不易,極可能遭遇產業逆風。

工研院費時4年,成功研發出「可動態重組與自我調節之電池陣列系統」(Reconfigurable Array of Inexpensive Batteries Architecture;RAIBA),透過「線上恆電流開關模組」以及「電池陣列重組演算軟體」,無論電池新舊,或是鉛酸、鋰電池等不同類型的電池,都可以整合裝置在同一套儲電系統上,透過人工智慧技術控制電池模組的放電負載,善用不均勻老化的電池,讓不同電池模組以有效率的方式互相搭配,減少電池系統無效能量,同時延長系統循環壽命,進一步達到減廢、循環再用的目的。

最適化能源分配 涓滴電力都珍惜

RAIBA系統不僅可以改善51%的系統衰退程度,還能延長90%的系統運轉時間,無須外掛任何硬體設備,就能即時量測電阻值是否快要降到短路的數值。
RAIBA系統不僅可以改善51%的系統衰退程度,還能延長90%的系統運轉時間,無須外掛任何硬體設備,就能即時量測電阻值是否快要降到短路的數值。

放眼全球市場,RAIBA獨樹一格,尚未有相似的技術出現。談起研發的起心動念,工研院資訊與通訊研究所所長闕志克坦言,「一開始其實是來自於會議中的無心插柳。」

當時大家談到「為什麼電池模組中只要有一顆電池壞了,整組就不能用了?」淘汰下來的電池還有70%至80%的儲能效果,若能妥善應用,或許能解決綠色能源儲能的困境。面對這個問題,闕志克直覺地回答:「這不是很浪費嗎?電腦的電源管理都可以用程式控制了,為什麼電池模組不行呢?」就是這樣的一句話,激發出研發團隊強勁的研發動能。

為了做實驗,團隊買來各個電動車廠牌的汰役電池,與新電池組裝在同一個儲電面板上,嘗試透過程式控制,排除失去效能或是損壞的電池。闕志克進一步解釋,透過電路、演算法,RAIBA系統會先掌握個別電池的狀態,接下來再進行最適化的能源分配,挑選該放電的電池,「傳統電池模組往往比較強的電池會先耗盡電力,然後整組就不能用了,十分可惜。我們程式設計的目標,是讓所有電池幾乎在同一時刻把電力用盡。」

軟體即時量測電阻值 安全有保障

闕志克希望RAIBA所帶來的儲能良效,成為臺 灣投入綠能市場時的最大亮點。
闕志克希望RAIBA所帶來的儲能良效,成為臺 灣投入綠能市場時的最大亮點。

研發這條路從來不是一帆風順,當研發的進程從關鍵模組進入到系統整合階段,由於電池系統重組、切換時產生的暫態電流突波太大,電池經常爆炸,也燒壞不少模組。為了測試穩定度,團隊成員時常得做為期1週至2週不間斷的量測,「一開始同仁們還在研究室陪著模組睡過夜,深怕電池突然爆掉,整棟大樓都毀了!」研發期間的戰戰兢兢,闕志克仍記憶猶新。

當新舊電池整合技術有所突破之後,團隊成員又開始自我挑戰:「如果不只是汰役電池,而是嘗試將不同種類的電池放在一起?」

就這樣,團隊買來了鋰三元電池、鋰鐵電池、鉛酸電池混合組成,也成功達成預設目標。以一組容量分布於1.5Ah至4Ah的20個電池模組而言,RAIBA系統不僅可以改善51%的系統衰退程度,還能延長90%的系統運轉時間。

自我挑戰達標之後,安全性成為RAIBA系統在解決異質性之後的第二道門檻。闕志克回憶當時,當他們四處去向別人介紹這一項技術時,往往接收到的第一回饋,幾乎都是質疑的問:「安全嗎?」

「畢竟我們標榜用的都是回收電池,回收電池已經用了幾年,確實有安全上的疑慮。」闕志克解釋,電池爆炸的影響可大可小,也曾有工廠因為1顆電池爆炸,整個廠房被炸毀的憾事發生,因此他們格外謹慎。「電池爆炸最主要原因是內部短路,要量測電阻值是否快要降到短路的數值,以往做法需先停機並再由量測儀器檢測;現在,RAIBA已經做到即使在充電與放電過程,僅透過軟體,無須外掛任何硬體設備,就能即時量測。」

軟體控制電力 無人機飛更久

除了電動車,研發團隊也把RAIBA應用到無人機的電力供應上。「我們正好也有做無人機,發現無人機若用傳統電池模組,頂多只能飛30分鐘,」闕志克與團隊發現,現今無人機電池的電力供給,無論飛快、降速或是懸停,供電能量始終維持在最大值,「於是我們就開始思索,運用RAIBA控制能源分配的能力,轉速低一點給少一點電,轉速高給多一點電力,同樣的電池就能讓無人機飛更久了。」

他們針對無人機,開發出「零浪費的可動態電壓轉換技術」:當直流電轉換成交流電時,由程式控制電流弦波起伏時所需的電力供給,「1個弦波大約是0.016秒,我們可以在這樣的短短時間內切割成5、6次,根據每一次無人機上升或下降的需求,隨時調整給予不同電力。」闕志克指出,透過這項技術,可成功延長30%無人機的電力使用時間。

跨域研發 成就臺灣之光

「這是一個跨領域的研發計畫,我們有相關背景的人才,但沒有人是非常專精的,大家都是在摸索中學習,」過程中,闕志克除了在經費上全力支持,並不斷的給予鼓勵,「做就對了!」

破釜沉舟的決心,終究圓滿了RAIBA的成功研發,談起這項新技術,闕志克的心裡滿是喜悅與驕傲,「這是工研院資通訊領域很大的突破,過往我們總是看美國有什麼、以色列有什麼,再來做些技術開發,但RAIBA是完全獨創。」

目前RAIBA已與臺灣廠商及有德國工研院之稱的Fraunhofer研究機構進行三方合作,預計在2020年於Fraunhofer進行場域驗證,讓世界看見這項技術。同時研發團隊也與國內離岸風電下游廠商展開討論,讓RAIBA的技術能量從家用電力擴及至輸配電網,為未來的綠能儲能系統做出貢獻。

「希望RAIBA所帶來的儲能良效,成為臺灣投入綠能市場時的最大亮點,」闕志克信心滿滿的說。

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