不斷電系統追求續航力 電池選型掌握要趁早
隨著UPS系統從閥控式鉛酸蓄電池過渡到鋰電池，人們必須掌握正確評估電池的性能標準，以確保為某種特定應用場景選擇最佳解決方案。儘管電池芯的設計和化學成分千差萬別，鋰離子(Li-ion)電池有兩種常用的類型，但他們的特點大不相同，可分為能量電池和動力電池。儘管UPS系統大多採用動力電池，但經常在大眾媒體看到的是與能量電池相關的參數和規範。多數關於電池的新聞報導主要關注能量電池系統，比如新上市的電動車不斷刷新續航里程紀錄、儲能系統延長續航時間，以及能量電池系統成本持續下降。對能量電池的這種過度曝光，導致市場對於動力電池系統的價格和性能的認知混亂不堪。
動力電池系統雖然不像能量電池一樣受到新聞媒體的青睞，但它也有多種應用，如UPS系統就是其中一種，但它們也廣泛用於混合動力和微混合動力汽車(旨在減少怠速)、無繩(Cordless)電動工具、汽車啟動器電池和電池跨接啟動裝置等。
UPS電池系統通常設計用於高功率、短時放電的應用場合，因為UPS的傳統應用場景是在市電中斷的情況下向負載提供備用電源。但是，由於鋰離子電池的能量性能日益提高，使其運行時間不斷延長，並且出現了一些新興的UPS應用場景。這些以節約能源為目標的UPS應用包括調峰、需求響應、發電機替代、削峰和調頻。UPS各應用場景中使用各種類型的動力電池和能量電池，但最關鍵的是使用與應用匹配的最佳化電池系統。無論是小型便攜式電子設備還是大型電網級儲能系統，電池的最佳化對於所有由電池供電的系統都極為重要。
與鉛酸電池相比，鋰電池的特性要複雜得多。因此，本文目的不是教人們如何選購或設計一個電池系統，而是介紹一些決定電池選型的關鍵因素。掌握這些知識也可以幫助使用者提前做好與供應商討論方案的準備，尤其是當其必須在諸多方案之間進行權衡取捨時。
能量/動力電池指標大不同 須依當前應用場景慎選使用
顧名思義，動力電池的設計目的是為了在短時間內提供大量電能，而能量電池的設計目的則是提供少量電能，但可以長時間使用。請注意，動力電池通常以瓦特(W)作為計量單位，而能量電池通常以瓦時(Wh)為計量單位。儘管以下這些指標適用於所有類型的電池，但每個動力電池和能量電池的應用都有一組獨特指標，用於確定較適合當前應用場景的電池。
區分兩大電池系統常見指標
表1列出了各種電池指標及其定義。表1中前六列選項是有助於區分能量電池和動力電池的關鍵指標；其餘指標對於給定應用場景的電池選取也非常重要，但這些指標無法區分動力電池與能量電池。
電池系統中兩個最常見指標主要與能源應用有關，第一個常用指標是能量密度(W/L)。能量密度經常與比能(Specific Energy)混淆，而比能的定義是每單位重量可利用的能量(Wh/kg)。第二個常用指標是能源成本($/W)。這兩個常用指標無法準確定義動力電池的特性，但在評估動力電池時仍極為常用。在比較用於電源應用的動力電池和能量電池時，對這些指標的濫用使人們對這些電池系統的價值產生混淆。
如何衡量價值
衡量電池的價值不僅展現在貨幣方面，即美元/瓦時($/Wh)和美元/瓦($/W)，而且展現在能量密度(Wh/L)、比能(Wh/kg)、功率密度(W/L)和比功率(W/kg)等方面。
如何決定能量電池價值
能量電池的價值是以美元/瓦時為單位計算，這與每電池單元和系統中活性材料的含量直接相關。換句話說，能量電池價值取決於單位體積和重量中活性材料的含量。
如何決定動力電池價值
動力電池的價值是以$/W為單位計算，這取決於可以從電池單元和系統中提取電能的速度。活性材料在動力電池中仍然發揮作用，但與能量電池中較厚的電極相比，動力電池中的活性材料要少得多。能量電池中這些較厚的電極導致了更高的內部電阻，進而降低輸出功率。
均衡性能
均衡性能是一種實現電池指標標準化的方法，可以更準確地針對同一應用比較動力電池和能量電池的區別。影響典型UPS場景下均衡性能的主要變數是放電效率。放電效率指標對一個給定應用，從電池系統中以設定的放電速率提取的電量。放電速率越快，則放電效率越低，尤其是能量電池。充放效率既包括充電效率，也包括放電效率，但對於充電速度慢但要求放電速度快的典型UPS應用，只需要關注放電效率。
鉛酸電池均衡性能在能量應用和動力應用中差異明顯。鉛酸電池在20小時放電速率下釋放的電量接近100%，但在5分鐘放電速率下釋放的電量僅為33%。如果鉛酸電池在100%放電效率下的成本為$100/kWh，那麼在33%放電效率下，平均成本為$100/kWh/33%效率＝$303/kWh。請注意，電池系統的尺寸和重量等其他指標也很重要，鋰離子的能量電池和動力電池單元和系統也是如此。與在相同應用中以相似速率使用的鋰離子動力電池相比，用於動力應用的鋰離子能量電池具有較低的放電效率。
電池系統外部設計具多重限制 多方綜合評估尋求最佳解
許多關鍵應用限制因素會影響電池系統設計，包括尺寸、外型、製冷和效率。由於這些外部設計限制，企業在選擇電池系統時無法做出直觀和正確的判斷。
・空間限制
受空間限制的場地可能無法使用尺寸較大的電池，因此不得不選擇價格更高的電池系統。這是許多小型場所選擇電池會面臨的挑戰，也是一個鼓勵創新和開發顛覆性技術的領域。
・運作溫度
當電池的應用場景需要密封並且處於高溫環境時，運作溫度對電池的限制會更大。這些挑戰可能會導致電池選擇需要權衡，比如在能量類的應用中會選擇較高功率的動力電池。因為動力電池具有更高的充電和放電效率，因此產生的熱量較少。
・能量轉換效率
能量轉換效率指放電期間從電池中輸出的總電量除以充電期間輸入電池中的總電量。能量轉換效率對能源收益、調峰和可再生能源併網消納等應用非常重要。就像上一段提到的電池面臨製冷方面的挑戰一樣，可以使用功能更強大的電池來提高能量轉換效率。在典型的電網穩定的UPS應用中，由於很少發生斷電，因此能量轉換效率並不太重要，但效率會影響電池系統的製冷要求和壽命。較低的效率通常意謂著需要較高的製冷容量。
・電池充放電特性
電池的充電和放電速率各不相同，這些速率可說明區分能量電池與動力電池。UPS和儲能電池配置的規格是按照滿載進行放電的，但在實際使用中它們往往並不會達到滿載。
例如一個用於UPS的動力電池可能會在滿負荷下放電10分鐘，但UPS的負載率可能只有50%，導致當要求電池運行10分鐘時，實際上它的執行時間超過20分鐘。執行時間過長會令人懷疑電池系統組態是否合理。UPS產品需要支援各種類型的負載，這些負載的耗電量通常是動態的，因此不同負載率下的電池放電時間各不相同。
電池充放電率(C-Rate)是電池產業中的一個常用術語，用於定義電池的充放電速率和應用場景。C-Rate由「C」來定義。「C」是整個電池產業公認的標準時間單位，相當於1小時(統一)。C-Rate表示對電池充電或放電需要多長時間，從0到100%或100到0%。表2是一些常見的電池C-Rate。
區分能量電池和動力電池通常很容易，但C-Rate在30分鐘到1小時之間時，區分二者則比較困難。動力電池的C-Rate通常不超過30分鐘，而能量電池的C-Rate一般在1小時以上。1小時電池恰好定義了「C」，通常將其視為中間點或中速。鉛酸電池通常用於動力應用，但是在高充放電速率下其效率非常低，導致電池無法針對應用進行最佳化。鉛酸電池在能量應用中較長放電時間下效率更高。最佳化的解決方案必須滿足實際應用要求的指標。請注意，應用的定義也包含C-rate，當C-rate與電池特性不匹配時，此方案並不是優選的最佳方案。
電池系統最佳化並非既定條件
當能量電池的成本遠低於動力電池的成本且可以靈活應對外部設計限制因素時，通常會在動力應用中使用能量電池。
舉例來說，如果一個最佳化後的集裝箱中動力系統功率為2MW，能量為1MWh(相當於30分鐘的系統)的成本為「X」，而兩個集裝箱中系統的功率為2MW，能量為4MWh，成本為「0.8X」。如果外部空間設計限制條件允許使用兩個集裝箱，則從經濟角度考慮兩個集裝箱的設計將是首選。
在功率密度指標和比功率指標對系統成本指標($/W)不那麼重要的情況下，可以做出一些權衡。使用能量電池可能會帶來其他預料之外的好處，例如獲得額外的能量容量，進而可以延長執行時間。
電池外型
鋰電池有三種主要電池芯形狀，它會影響電池系統的設計、性能和成本。這三種電池芯形狀分別圓柱型(Cylindrical)、方型(Prismatic)和方型軟包裝(Prismatic Pouch)(圖1)。
第一款商用鋰電池所用的電池芯是小型18650圓柱型電池芯。在20世紀的90年代，18650電池芯成為筆記型電腦的標配，需求迅速成長，隨著製造商的大量湧現，其價格也大幅降低。
在過去的幾十年，電池芯的外型已經發生了很大變化，進而影響了電池系統的尺寸、形狀和包裝。方型電池芯的出現是由於小型手持設備(如手機和其他可攜式電子產品)市場快速成長，推動了對聚能的需求。可攜式電子產品市場呈指數成長，而方型鋰電池是這一成長的推手。方型電池包括軟包裝和方型兩種形狀。方型電池芯經常用於使用者需要改變或更換電池的設備中，而軟包裝電池芯則用於一些對性能和壽命有較高要求，需要永久安裝電池的設備中。標準圓柱型電池不適合安裝在這些輕薄設備中。
方型電池芯的出現使可攜式電子設備變得更輕薄。然而，電極技術的改進又催生了軟包裝電池，使電子設備變得更薄更輕。軟包裝電池發展的關鍵是能否具備方型外殼所提供的必要功能和保護。
圓柱型電池芯是唯一標準化的電池芯形狀，這是由於1990年代和2000年代初期湧現出大量製造廠商。從最受歡迎的18650型，到新推出的21700型(作為18650的升級版)和26650型，圓柱電池芯共有這三種常見的標準尺寸。
圓柱型電池芯的名稱(如18650)代表電池本身的尺寸。「18」是指電池芯的直徑，以毫米為單位，「65」是指電池芯總長度，以毫米為單位。這些電池芯標準推動了電池系統成本的降低，並實現了多個電池芯供應商的產品尺寸標準化。18650中「0」與該電池芯本身無關，只是為了保持一致的標準，因為不太常見的32113電池芯針對113毫米的長度要求使用3位數，如圖2所示。
電池芯尺寸的增加會對電池系統的設計、性能和成本產生巨大影響。實際上，改用尺寸稍大一點的電池芯也可以大幅降低電池系統的複雜性和成本。例如，如果將18650電池芯換為尺寸稍大一些的21700電池芯，但仍使用相同的基本內部電池芯元件，則會節省成本。
這些節省是因為減少了電池芯、連接和其他支援元件的數量。例如，如果有一個大型鋰電池模組，其中包含8,000個18650電池芯，如果將這些電池換為較大的21700電池芯，則可以有效減少約1,600個電池芯。
電池設計特點
鋰電池的基本元件是鋰離子電池芯，各種鋰離子電池芯設計對電池系統的性能(包括成本)有重大影響。本段落目的不是討論電池芯設計細節，而是介紹一些會影響總體系統價值的電池芯設計基本要點。
電極的化學成分構成對電池芯的性能影響最大。陰極和陽極有許多不同的化學成分，這些化學成分將決定電池芯設計是能量型還是動力型電池系統。電池芯化學成分引起電壓變化會影響電池可儲存的總電量。常見的陰極化學成分包括三元鋰(NMC)、磷酸鐵鋰(LFP)和鎳鈷鋁(NCA)，而陽極化學成分通常是以碳為主。
電極的厚度決定電池芯更適合用於動力電池還是能量電池。較厚的電極意謂著電池芯中存在更多活性材料，進而容納更多的能量，但是這些厚電極會產生更多的內阻，進而降低電池的功率。相反地，如果是薄電極，則內部的活性材料較少，能量較低，但內部電阻較少，功率更大。圓柱型電池芯使用捲繞型電極，這會限制電極的厚度和電池中的活性材料含量，而方型電池芯使用扁平電極，其電極要厚得多。
電池芯大小受電極和形狀的影響。尺寸非常大的電池芯通常用於能量電池，而尺寸較小的電池芯可同時用於能量型和動力型電池。電池芯尺寸越大，可以容納的活性物質越多。捲繞型電極因電極厚度限制，使得方型電池芯因其厚電極優勢而被廣泛採用。
電池芯材料的品質和製造過程對電池芯性能和安全性具有重大影響。儘管材料的名稱可能相同，但並非所有電池元件都具有相同的性能。兩家供應商提供的兩種陰極材料的化學成分相同，但這兩種陰極材料的性能卻截然不同。電池芯的製造方法會嚴重影響電池芯品質。
例如，全自動生產流程與手動生產流程可能會產生不同的品質表現。不良的製造過程會導致電池芯產生問題，進而引發事故。程式控制、自動化、材料控制和追蹤對於確保高品質的鋰電池電池芯至關重要。
安全無比重要，當電池系統的能量越多，系統的波動性就越大。動力電池芯和動力電池系統通常採用更穩定的化學成分，進而使電池和系統更加安全。請注意，隨著陶瓷添加劑和陶瓷塗層等創新技術的開發，能量電池芯和電池系統已變得非常安全。
電池芯/電池系統技術不斷演進 創新設計迎新興應用
反覆運算創新和發明
鉛酸電池系統已有100多年的生產歷史，電池產業已發展為非常成熟穩定的產品體系。鉛酸電池也在不斷改進，但近些年在鉛酸電池領域並沒有完全顛覆性的改進。實際上，如今鉛酸電池通常被視為一種大宗商品流通。另一方面，與鉛酸電池系統相比，鋰電池系統相對較新，並且採用的化學成分和技術令人眼花繚亂，很難對其進行評估和預測。這個產業正在經歷巨大的成長和創新，同時也出現了一些顛覆性技術。鋰離子產業剛剛開始整合，一些大型公司開始從市場競爭中脫穎而出，但是目前該產業的成熟度遠不及鉛酸電池產業。
電動車電池與靜態電池非常相似，它們通常採用相同的鋰電池化學成分和外型，以滿足相似的應用指標要求和外部設計條件限制。電動車對鋰電池的需求比靜態應用的需求大幾個數量級，而創新通常起源於電動車產業。就像在靜態電池應用場景中看到的那樣，電動車電池有多種類型，包括能量電池和動力電池。
轉至大尺寸電池芯(從18650到21700)
另一種創新形式是利用現有的設備進行調整，如今人們看到，隨著新型21700圓柱型電池芯的推出，它最終將取代18650圓柱型電池芯。圓柱型電池芯的全球製造能力巨大，並且由於大多數可攜式電子產品正在轉向更大尺寸的電池芯(如軟包裝電池芯)，這些產能未得到充分利用。為了使圓柱型電池芯與不斷成長的大尺寸電池芯技術展開競爭，製造商已確定他們毋需購買新的電極製造設備即可增大18650電池芯的物理尺寸。如果能夠使用現有製造設備，這對鋰電池芯製造商具有重大意義，因為他們在小型圓柱型電池芯的製造設備上投入了巨額成本。這使傳統的鋰電池製造商可以在短期內保持競爭力，但這只是一個權宜之計，因為更大型的電池和其他顛覆性技術正在悄然湧現。
鋰電池產業遊戲規則有望改變
即將出現的顛覆性技術可能會改變鋰電池產業的面貌。如今智慧手表等穿戴式裝置已開始使用固態電池。固態電池沒有液態電解質，並且比具有可燃液態電解質的傳統鋰電池安全得多。這項技術有幾個獨特的特徵，可能會改變人們設計電池的方式。例如，固態電池不需要堆壓或剛性包裝來保護，它將為系統設計開創新的可能性，並可以靈活安裝。目前以及未來還會出現其他的顛覆性技術，將顯著改變這個充滿活力的產業。
隨著UPS和儲能系統從鉛酸電池逐步過渡到鋰電池，決策者需要清楚地瞭解正確的電池評估指標，以確保為給定應用選擇最佳化的電池系統。鋰電池較為複雜而且種類繁多，使選定電池的任務困難重重，但是做出明智的電池決策極為重要，畢竟其結果影響深遠。
(本文作者為施耐德電機技術業務決策師暨儲能系統高階技術專家)
