關於電瓶組系統&充電分配

 

開船從事海上活動或開車去野營,都須備妥所需的水、燃油及食物。備妥所需要的電力常常都會被有所忽略!大家會加增冰箱、音樂、照明,甚至電視等設備來好好享受戶外的悠閒時光,但卻往往忽略原廠的電力系統無法負擔增大的用電量,或保護啟動引擎的電力。過了一段舒適的時間,往往就會有電力不夠,來發動引擎的窘境發生,讓家人或朋友有安全上的風險。
所以增加電瓶到原本的電力系統及如何讓所有電瓶充電就很重要。

 

電瓶組系統常用到的大致可分為電瓶1-2系統和House-Engine電瓶系統。

 

電瓶1-2系統為船舶經常用到,它會有兩組電瓶,電瓶組1及電瓶組2。
這個設定提供很大的靈活性,利用電瓶開關可以選擇所有電用電瓶1或電瓶2,也可將兩個結合一起(1+2)用來增加容量。車輛不太會用到這種電瓶組系統。
這個系統有個問題是所用的電瓶大多是同化學成份的電瓶,引擎負載與其它設備所需的負載很不相同,引擎需用啟動電瓶,其它負載則是用深循環電瓶。啟動電瓶的設計是在短時間內輸出大電流,深循環電瓶是在長時間當中輸出小電流。使用錯誤的電瓶會大大減短電瓶的壽命。市場上有可折衷的兩用電瓶,但是兩用電瓶對兩邊都不是最好的選擇。

 

House-Engine電瓶系統
船舶時,一組電瓶做為啟動電瓶(Engine),另一組做為副(House)電瓶,啟動電瓶用來給引擎用,其他設備都用副電瓶。
車輛則是原廠的系統的電瓶為啟動電瓶(Engine),一組副電瓶來跑附加的電器,如冰箱,照明燈,逆變器... 副電瓶在車輛上大多用Auxiliary這個字。
這種設定較單純簡單,副電瓶用深循環電瓶,引擎用啟動電瓶。對應不同負載到理想的電瓶類型,電瓶依本來設計的方式充放電,這會讓它保有應有的壽命。

 

充電分配
直流電力系統最理想的狀態是兩組電瓶是分開獨立的有自己的充電來源。實際上大多數都只有一個充電來源(發電機),所以會設計單一充電來源強制充多個電瓶組。
電瓶開關(battery switch),電瓶隔離器(battery isolator)及電瓶整合器(battery combiner)都可以用單一來源同時充多個電瓶組。它們功用相同,但是分配充電的方式不同。
電瓶開關需要手動切換,電瓶隔離器及電瓶整合器可自動和簡單的充電。

 

電瓶開關依兩種電瓶組系統有兩種開關。車輛不太會用到電瓶開關。

電瓶1-2系統用的電瓶開關可以選擇用電瓶1,電瓶2,或結合(1+2)。這個系統需要手動操作確保電瓶選擇開關切換到正確的位置。很多這種系統需要手動旋轉開關切到結合的位置(1+2)兩組電瓶才能正常充電。當結合在一起,負載會吃兩組電瓶的電。確保啟動引擎的用電,ㄧ組電瓶要保持充飽,當電瓶充飽後需切換開關只聯接至一組電瓶。長時間忘記從1+2的位置切換回電瓶1或電瓶2會導致無法發動引擎。
開關切換的時機如下:

  • 沒充電時需切換開關選擇電瓶1或2,選擇使用一組電瓶讓另一組電瓶保持滿電。當你需要多次運作啟動馬達時(引擎無法一次就發動)需要較大的電。
  • 當一組電瓶沒電時,不是啟動引擎充電,就是關掉負載。嚴禁切換到另一組滿電的電瓶,除非沒電這組已充飽。
  • 當引擎發動時切換開關至結合(1+2),同時充兩組電瓶。如果停留在電瓶1或2,只有一組電瓶會充電。可以裝一個電瓶整合器或隔離器來自動充兩組電瓶。
  • 除了充電外開關不能在結合(1+2)位置,這會導致兩組電瓶意外沒電。
  • 電瓶有一個循環次數的限制,超過就需更換。盡量讓兩組電瓶有相同的循環次數,這樣才能掌握換電瓶的時機。
  • 如果兩組電瓶都不小心用掉太多電,有時候切換至結合(1+2)會夠電發動。這是緊急的方案,不能依靠它。
 

House-Engine電瓶系統用的電瓶開關控制兩個接點,想成一個開關分成兩半,ㄧ半是啟動電瓶接引擎相關負載,另一半是副電瓶接其他負載。
這種電瓶開關不是開就是關,沒有選擇電力來源的選項。啟動電瓶只接到引擎,所以不會有其它設備把電吃到不能發動的情形。緊急情況下可結合兩個電瓶來發動引擎。缺點是不能切斷一邊的電源,因為關閉開關會把兩邊同時切斷。
開關切換的時機如下:

  • 當你要使用船時,將電瓶開關切換到開(On),這會將啟動電瓶接引擎,副電瓶接其他負載。一個簡單的切換就可同時連接或切斷兩組電瓶。
  • 如果沒有裝電瓶整合器或隔離器,充電時需切換至結合(Combine),同時充兩組電瓶。 如果停留在開(On),只有一組電瓶會充電。
  • 除了充電外開關不能在結合(Combine)位置,這會預防兩組電瓶意外沒電,失去這個系統主要的好處。
  • 如果啟動電瓶沒電,切換至結合(Combine)讓引擎用啟動電瓶及副電瓶兩者發動。這是緊急的備案,幾乎也不會用到。
 

電瓶整合器也叫自動充電繼電器Automatic Charging Relay(ACR)或電壓感應繼電器Voltage Sensitive Relay(VSR),它的設計是當有充電電壓時會將兩個電瓶組自動並聯,沒充電電壓時就分開隔離。
電瓶整合器在有相同化學成分,容量大小和使用時間相當的電瓶組是個很好的選擇,它們會一起充電,但可以單獨放電。電瓶整合器就像電瓶切換開關的結合(1+2),但不需手動切換。
電瓶整合器依特定電壓運作,約13.3V(充電)時並聯,電壓降到約12.8V(放電)時隔離。
當電瓶組有大的電壓差異時會有個問題,一組電瓶已深度放電另一組電瓶是滿的,兩組電瓶並聯它們會自己平衡,電會從高電壓電瓶流向低電壓電瓶。這個快速大電流的流動會造成超過電瓶整合器最大電流限制,保護電瓶整合器的保險絲會燒斷。系統會失去整合器的功能,有組電瓶就不會自動充電。何時會發現保險絲已燒斷? 這就是電瓶整合器適合用在容量大小相當的電瓶組的原因。
電流在電瓶整合器中可雙向流動,所以加裝一個交流電瓶充電器可以同時充兩組電瓶。

 

電瓶隔離器也是讓單一充電來源充多組電瓶。想像它就像一個閘閥,讓電流從發電機流向兩組或三組電瓶,每組電瓶看不到對方。
它的設計是用二極體diode或場效電晶體 Field-Effect Transistors (FET)來讓電流流向單一方向,一個充飽的電瓶無法流向一個未充飽的電瓶。
早期是用二極體,但它有個問題就是二極體隔離器會造成約60%的壓降。
近期FET電瓶隔離器出現,它擁有二極體隔離器所有的優點,但沒有壓降的缺點。FET隔離器的高效率讓它在市場上受到歡迎。

 

電瓶開關:
如果你想完全控制充電的時機,又不會忘記做開關的切換,你可以用它來手動分配充電。如果要自動可加裝電瓶整合器或隔離器。

電瓶整合器:
如果一個引擎,發電機不是很大,兩組相當容量而且不是很大的電瓶,你可以用它來自動分配充電。

電瓶隔離器:
如果你要每組電瓶在充放電時都獨立,有一個引擎,兩組或三組電瓶,你可以用它來自動分配充電。每組電瓶不會看到對方,最大電流的限制是依發電機的大小。沒有一組電瓶可以分享電壓給其它的電瓶組,這可以避免大電流的流動造成保險絲的燒毀。
如果你有兩個引擎(兩個發電機),兩個啟動電瓶跟一個副電瓶,你可以裝它在每個發電機上。發電機透過它可以充對應的啟動電瓶也可充副電瓶。所有的電瓶組同時充電,同時也都隔離。

 

每個系統都有它的優缺點,可以依照您的需求選擇一個最適合的系統來達到最大的效能喔!

關於電瓶監視器Battery Monitor

 

不管是船還是車子,電瓶就是直流電的心臟,電瓶的充電狀態(State Of Charge)是非常重要的訊息

除了要知道還剩多少儲存電力可用;也需要瞭解如何維護電瓶的健康狀態來達到最大的循環壽命;

還有我的電瓶可以讓電子產品維持運作多久?

電瓶過度充放電都會減低壽命,我要如何知道是否過充或過放?

 

 

油箱有油量錶可提供可用油量,電瓶也需要監視器來提供可用電量, 一個電壓錶可以粗估算電瓶的充電狀態,但單一電壓值無法正確掌握電瓶正確的即時狀態 電瓶監視器不只提供電壓和充電狀態,也可顯示即時電流和可持續消耗儲存電力的時間。

電瓶充電狀態的表示有安培小時(Ah)及剩餘電的百分比(%),很多監視器都有自我學習的功能,它可補償充電的電效率,當電瓶充飽時,它會重新校正充電狀態在100%,這可增加監視器的準確度。

電流是電從電瓶經過電線流到用電設備,單位是安培(A)。

用電量的單位是安培小時(Ah),安培(A)x小時(h), 一個小時用了多少安培
例:100Ah的電量,持續消耗100安培的電器可用1小時, 持續消耗10安培的電器可用10小時

 

電器的用電單位會用安培或瓦特(W),瓦特是電壓(V)x電流
例:50W的電器,當電器吃12V電, 50W/12V=4.17A,這個電器會用4.17安培,如果持續用5小時它會用掉20.85Ah

 

監視電瓶最重要的兩點是:這個時間電瓶內還有多少電?
你用電的速度有多快?經常監視這兩點,電瓶就不會有突發狀況發生。

 

電瓶監視器需正確的設定, 監視器才會準確的顯現你需要的訊息。
例如:需設定的有電瓶容量(Ah),充飽電壓(V),電瓶容量底值(%),低充電狀態(%)警報......等。

 

有很多電瓶監視器有可以透過手機APP來做監視,經由無線傳輸在有效距離內可以在帳篷內或甲板上就可了解電瓶的狀態, 用APP來做設定及監視會比傳統螢幕要來的方便多了。

 

 

監視充電狀態(%)顯示可掌握電瓶的充電時機,不要過度放電可以維持電瓶的壽命。有很多監視器都可設定電瓶百分比來觸發低電力的警報。

監視電流(A)顯示可知道電力消耗的速度,低電力時又尚未想充電可關閉一些電器,電流顯示可讓你了解每個電器的用電量。

檢查用電(Ah)顯示可了解你一天的用電量,這可讓你依照想用的電器規劃行程及多久需要充一次電(發動引擎或電機)喔!

 

沒裝電瓶監視器前,電瓶狀態往往都是用猜側的佔居多

例如:是否應該要多買一顆電池;睡到一半是否需要發動引擎來充電,否則電瓶會不會沒電;裝上太陽能板後,電瓶是否就會一直都有電......等問題。

裝上電瓶監視器後,既無需再猜測電瓶狀態,又可以省去多買ㄧ些不需要的電瓶或其它設備,掌握你的電力系統及用電狀況,讓您更可以無憂無慮享受戶外的美好喔!

 

淺談船車用第二電瓶

 

    off-road到達野溪,拉出車邊帳,搬出桌椅

                           或開船至魚礁,按下按鈕下錨 拿出釣竿

準備好好享受這無人打擾的悠閒時光...         

但 如果吃啟動電瓶,要離開時卻發現引擎發不動

這時就需要第二電瓶來提供電器所需用電 所以電力充足與否卻是很多人頭痛的困擾

今天我們就來淺談船車的第二電瓶

 

 

選擇電瓶需要考慮三個因素: 功用,化學成份,大小

 

1.電瓶功用

啟動電瓶
  • 發動引擎用
  • 設計短時間高電流輸出
  • 需立即由引擎發電機來充電
    不是設計用來長時間不充電
    不是設計用來深放電
  • 容量為CCA(冷啟動電流)或CA(啟動電流)
啟動電瓶的價格是深循環電瓶的半價,但若用啟動電瓶來做深放電應用,啟動電瓶會很快就壞了,這並不會比較省錢! 所以並不建議用於第二電瓶喔。

 

深循環電瓶
  • 供應電器電源用
  • 設計用來長時間深放電
  • 容量為Ah(安培小時)
第二電瓶(組)就是要用深循環。
 

 

2.電瓶化學

適用的有 鉛酸電瓶 和 鋰電瓶
 
鉛酸電瓶
細分 開放式 和 密封式
  • 開放式的鉛酸電瓶(Flooded Lead-Acid Battery)
    啟動(Starter)、深循環(Deep-Cycle)、兩用(Dual Purpose)
  • 密封式的鉛酸電瓶(Sealed Lead-Acid Battery)
    Gel、AGM...
 
鋰電瓶
目前較適用的是鋰鐵電瓶

 

開放式的鉛酸電瓶( 深循環)
  • 價格低, 需保養
  • 液態酸性電解質
  • 需要電瓶盒以免電瓶液溢出
  • 需加電瓶液
  • 自放電15%/月
  • 壽命約300循環
  • 約35%的應用容量,實用範圍85%至50%。例:容量100Ah的電瓶,可用容量為35Ah。
 
AGM電瓶 (常用的密封式鉛酸電瓶)
  • 價格適中
  • 電解質在吸收玻璃纖維墊 (AGM)中,不會漏液
  • 密封閥控式:限制放氣
  • 不需保養
  • 自放電2%/月
  • 壽命約300循環
  • 約55%的應用容量,實用範圍85%至30%。例:容量100Ah的電瓶,可用容量為55Ah。
 
磷酸鋰鐵電瓶(LiFePO4)
  • 價格高
  • 可快速充電
  • 不需保養
  • 自放電低
  • 壽命3000-5000循環
  • 電瓶尺寸及電壓有多種選擇
  • 放電時電壓不變
  • 約80%的應用容量,實用範圍100%至20% 。 例:容量100Ah的電瓶,可用容量為80Ah。
  • 高能量密度,可節省空間及重量。 (同樣Ah約1/3鉛酸電瓶的尺寸及重量)

 

3.電瓶大小

電瓶的可用容量頂值(Battery “Ceiling”)
  • 因鉛酸電瓶的化學性, 85%容量(absorption stage)以上的充電需要很長的時間,所以實際要以85%來計算
  • 磷酸鋰鐵電瓶則以100%算
 
電瓶的可用容量底值(Battery “Floor”)
電瓶過度放電會造成壽命(循環次數)快速的縮短,不影響壽命最低的值就是底值。
  • 開放式的鉛酸電瓶:50%
  • AGM/GEL:30%
  • 磷酸鋰鐵電瓶:20%
 
計算需要的電力(Ah)
每日需要的電力,例:冰箱,冷氣...
最大的直流負載,例:冰箱,逆變器(inverter)...
 
電瓶容量的需求
最少可用電瓶容量:
 -每日需要的電力(Ah) X 預計充電的頻率(天)
  例:算出每日需要100Ah電力,每兩天會充電一次
     100Ah X 2天 = 200Ah的可用電瓶容量
     如果用AGM電瓶(約55%的應用容量),需要約364Ah(200/0.55)的標示容量
     如果用80Ah的AGM電瓶,需要用到5顆(80x5=400Ah)並聯組成的電瓶組

 

4.理想的電瓶充電速率

選擇電瓶時應考慮充電速率
依電瓶容量的大小選擇充電速率
  • 最小的充電速率為電瓶容量的約10%
    增加充電速率可縮短充電的時間
  • 最大的充電速率為電瓶容量的約25%(AGM約40%,鋰鐵電瓶50%以上)
  • 多久要啟動引擎/發電機一次充電?

 

5.電瓶的選擇

綜合以上的比較,可以適合用來當第二電瓶的電瓶為:深循環開放式鉛酸電瓶(俗稱深循環電瓶)、AGM電瓶與磷酸鋰鐵電瓶。

但要選哪種電瓶來當第二電瓶呢?
您應該先考量以下問題:
你需要多少電力? 可放電瓶的空間及位置? 你一定會記得保養電瓶嗎? 預算為多少? 現有或要購買的充電系統可用嗎?
              深循環  AGM  鋰鐵
可用容量      35%     55%  80%
漏液/需正放   是      否   否
體積          x1      x1   x1/3
需保養        是      否   否
價格          $       $$   $$$$$$
壽命          x1      x1   x10
自放電(每月)  15%     2%   <2%

電瓶需要正確的充放電才能確保應有的循環次數,所以充電系統也是很重要的,長期看來價格較高不見得是最貴的選擇,最適合每個人需求的第二電瓶也都會不太一樣, 電瓶的容量、費用、體積與如何充電等都需列入考慮範圍喔!