〈工業技術與資訊〉可動態重組與自我調節之電池陣列系統

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。

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。

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

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。」

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。
軟體即時量測電阻值  安全有保障

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。

 

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。
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。

 

轉載自《工業技術與資訊》月刊第 336 期 2019 年 12 月號，未經授權不得轉載。