對電動機車有興趣的人，應該都很關注電池性能這個問題吧？我雖不是電子相關科系，但一直以來就對這方面很有興趣，也有買書來學習相關知識 (Batteries in a Portable World)。書裡很多資訊在 BatteryUniversity.com 這個網站就可以免費取得，上面所說的在其他英文電動車論壇也常被拿來引用或印證，所以我想在這裡做個整理，也許有人用得著。無奈東西太多，寫得有點累，沒寫完的部分如果有網友表示興趣未來再補齊吧。當然，有任何謬誤及不足之處也請不吝指教。
鋰電池有哪些常見種類？
- 鋰鈷 (Li-cobalt)：高能量，但壽命短，安全性相較為低，最普遍的電器用鋰電池
- 鋰錳 (Li-manganese)：安全性比鋰鈷高些，但能量較低，一樣短命
- 鋰鐵 (Li-phosphate)：安全性和壽命都是冠軍，但能量又更低
- 鋰三元 (NMC)：高能量，安全性和壽命也還不錯
- 鋰鎳 (NCA)：能量高，壽命又長，但昂貴且安全性較差，少見
Tesla 汽車的 Model S 使用 NCA，中華汽車 E-Moving 使用鋰鐵或鋰三元。鋰鐵是最多 DIY 的首選。
鋰電池的電壓和剩餘電量有什麼關係？
一般來說，一顆鋰電池剩餘電量愈多，它的電壓也愈高，但這不是線形的關係，且不同的種類的鋰電池也有不同的電壓及充放電特性。 拿鋰鐵為例：
一般充滿時，它的電壓會是大約 3.6V 左右。一開始放電時，它的電壓會下降比較快，到大概 3.3V 左右。接下來電壓降低的速度就慢了下來，直到大概 3.1V 左右，電壓下降的速度又會加快，也就是差不多沒電了。
充電就剛好倒過來。假設開始充電時是 3.0V，它的電壓會用較快的速度上升，到 3.1V 以上變慢，直到 3.3V 以上又再加快，並上升愈來愈快，當它到大約 3.6V 時充電就可以中止了。
鋰電池的這個特性，使得我們可以利用測量電壓的方式，來猜測電池的剩餘電量。可是因為只有在快滿跟快空的時候電壓的變化才比較大，我們用電壓估測電量時，也只有快滿和快空才比較準確；至於如果電池是 40% 還 60% 滿？量電壓只能很粗略地抓個大概而已。
要更準確地判斷電池剩餘電量，需要有「聰明」的電子元件，隨時注意出入這顆電池的電流來統計 (coulomb counting)，做些計算，並且隨著電池老化，偶爾需要校準一下。
(註：為了簡化，放電敘述沒提到放電時的降壓，充電也沒有提到 CC/CV 階段等等，不妨假設充/放電都是以微小的 0.1C 進行吧。)
什麼狀況會嚴重傷害到鋰電池的容量，甚至造成危險？
- 太熱
溫度太高易故障，蠻直覺的吧？
- 充電/放電速度太快
不同鋰電池有不同的安全充電速度，充放速度也會影響電池的溫度。
- 充電充太飽
之前講到充電充到快滿時，鋰電池的電壓會加速提升，所以是不是充過頭，一般也會用電壓來形容。譬如：鋰鈷和鋰三元的充電安全上限一般是大約 4.2V，如果充到 4.2V 繼續充，它的電壓會繼續上升到 4.3V, 4.4V... 此時電池溫度可能會開始拔升，內部的化學變化使得這顆電池的容量急遽縮減，甚至內部短路，燃燒爆炸。
- 放電放太深
和過度充電有點類似，之前也有提到放電到快空的時候，電壓會加速下降。而電壓降到某限度以下的鋰電池也可能會因此產生不可逆的化學反應，因而降低容量或內部短路。某些情況下，過度放電而電壓達到低於建議值的鋰電池，還是可以推它一把，重新充回來正常使用；但如果充一陣子它的電壓都不升高到正常值，就真的要淘汰了。
什麼狀況會加速鋰電池的老化？
鋰電池隨著每一次的充電、放電，蓄電力都會慢慢退化，而且其實！把它放著什麼都不做，它也是會用較慢的速度退化的。至於影響它退化的速度有哪些因素呢？說穿了，就是上一個段落裡所提到的那幾項，不那麼極端的版本。
- 儲放溫度
儲存鋰電池的環境，溫度愈高，鋰電池容量的退化就愈快。拿鋰鈷為例，一個充到 100% 滿來存放的鋰鈷電池，三個月內，攝氏 0 度的環境下退化到 94% 原有容量，在40 度卻會退化到 65%。
- 大電流充電/放電
愈快速的充電、放電對電池來說就是愈大的負擔。
- 常充到最飽的狀態
以鋰鈷為例，一般認為完全充滿的電壓是 4.2V。4.1V 約為 90% 飽，4.0V 約為 70% 飽。假設這個電池每次都充滿到 4.2V，預計在使用 300-500 個充放週期後，容量會減退到需要淘汰的地步 (七成？)。那如果每次只充到 90%，也就是 4.1V 呢？次數加倍，600-1000 週期。充到 4.0V 呢？再加倍，1200-2000 週期。因此如果每次充電不要充到最滿，雖然可用的電量會少一些，卻會大大延長電池壽命。
(註：這裡的充放週期的定義不明確，但並不影響結論)
附帶一提：Tesla Model S 的充電模式有兩種，Standard (標準) 和 Max Range (最大續航)。在預設的 Standard 模式下，電池只充到 85% 滿，正是為了延長電池壽命。 10 分40 秒處：
- 常大幅度的充放
再以鋰鈷為例 (因為這些例子都是直接從網站上取的)，假設每次充放都是 100%，即全滿-全空，電池可以用 300-500 週期。如果每次只充放一半，也就是 50% 呢？變成四倍 1200-1500 週期。25% 則再延長為 2000-2500 週期。
(註：又有所謂週期的定義不明，所以這部分的數據比較難確認到底如何解讀。但一般的認知是，若減少一顆電池的平均充放深度，會提升它在報廢前一生累計的總充放電量)
就像上面說的，鋰電池不喜歡常被充到最滿，同時，它也不喜歡被用到全空。也許這個充放深度的條件也與此有關？(個人臆測)
換句話說，延長鋰電池的壽命的方法有哪些？
- 避免過熱
平常電池要避免熱源。在充/放電的發熱這方面，我們通常沒有辦法改變在什麼環境下使用，所以用的時候只能期望保持鋰電池周圍的通風。但在充電時，就應確保電池在一個通風蔭涼的環境。
- 溫柔使用
充電時，假設你有兩個選擇：不到一個小時的快充，跟三個小時的慢充。如果不趕時間，選擇三小時慢充，對電池比較溫和。
放電方面，拿騎電動機車當例子：飆極速不但會縮短航程，對電池的負擔也較大。視電池的容量和放電特性，有可能加速老化。
還有一招：使用容量較大的電池。一般電池容量愈大，它能出的電流就愈大。如果一臺電動機車會吃 30A 的電流，對一顆 10AH 容量的電池來說這是 3C 的大電流，負擔較大；但對另一顆 20AH 容量的電池來說只有 1.5C，相對負擔較小。這種情況下大電池比小電池來得耐久。相同的耗電量，對比較大的電池來說當然也是較淺的放電深度，同樣代表更長的壽命。
- 避免充放電的兩個極端
換言之，不充太飽，不放太空。原則上如果上下各抓 20% 為準，那就是盡量讓電池的電量總是保持在 20%~80% 之間。這樣同時我們也會避免常有大幅度的充放。
要避免放電的最後 20% 比較容易，反正就是盡量不要用到完全沒電。電器本身正常來說都有過放保護，就是在電池電壓太低的時候就關機，阻止你繼續使用傷害到電池，可是它的電壓界線可能蠻低的，已經到會影響電池長期壽命的範圍，所以不要等它切斷就先充電會比較好。
要避免充電的最後 20% 就比較困難了，一般人可以不用考慮，因為除非 DIY，市面上的充電器幾乎都只會幫你把電池充到飽飽的。DIY 的話可以考慮把充電的最高電壓設定稍低一點，當然，如果是串聯的電池組的話還要顧到平衡等等的考量。
關於鋰電池的幾個迷思
- 用到底再充，充到底再用
鋰電池沒有記憶效應，隨時都可以充，沒充滿也可以馬上用。其實這樣避免了充放電的兩個極端，對它的壽命反而有好處。
- 充完電要盡快拔起，不然會充過頭
的確，過度充電對鋰電池有破壞性的影響。但正因如此，任何妥善設計的鋰電池充電器，一定會在適當的時機中止充電，就算不拔掉，也不會讓電池超過安全電壓，或是讓電池在高電壓的狀態下浮充。
也就是說，用一個好的充電器，充電完插著是沒關係的，但若你不信任你的充電器，或是這個充電器真的設計上有缺陷甚至故障，那不但應該趕快拔起，還是考慮換個充電器吧。
以上都是針對單體電池的討論，雖然在舉例時會用不同的化學種類，但其他種類鋰電池來說，基本上道理都是相通的。
接下來再來談談，當有好幾個單體鋰電池串聯成一組時，最需要注意的問題。不過一切都是以上面談到的單體電池的特性為基礎，看要怎麼樣才能把每顆電池都照顧好，如此而已。
串聯電池組的「平衡」是怎麼回事？
一般來說，一組串聯的電池在同時充電/放電的時候，每顆電池進/出的電量會是相同的。理想上，如果一組電池是數個相同容量的電池所組成的，並且一開始全部都充滿了，那使用時它們就會同時被用完，充電時同時被充飽。
很可惜的是，現實並不這麼完美。每一顆電池在出廠的時候都難免有些許差異，使得他們在老化的速度、自放電、能量轉換效率... 等等特性上都稍有不同。此外，想像一組組裝好的電池，固定在電動車上。這組電池在盒內，有的靠內、有的靠外，受到的溫度、壓力、震動等等都不同，影響它們老化的速度也有差異。有時，電池上接著控管的電路 (BMS)，也可能對這些電池消耗不等量的電流。
結論就是，在一個串聯的電池組中，各個電池所含的電量，會慢慢的開始有差異，也就是失去平衡。
不平衡的電池組的第一大問題，就是它無法應用它原有的容量。
所以不平衡的電池組，用起來會覺得怎麼充一下就充滿了？用一下卻就沒電了？實際上裡面的電池並沒有壞，只是有難言的苦衷。
不平衡還有一個問題，就是如果充電器不夠聰明，最滿的那顆已經充滿了，但充電器只看到整理的電壓還不足，繼續充的話不是就過度充電了嗎？最空的那顆也是，有著被過度放電的危險。不平衡還能調整，過充過放就沒救了。
「平衡」有哪些方法？
(未完待續)
什麼是 BMS？
BMS 是 Battery Management System 的縮寫，直接翻譯也就是電池管理系統。可想而知，這樣的定義很廣，如果有人拿一個便宜的電壓計來插在電池上，說這是他的 BMS，行嗎？好像也沒什麼不對，只是也未免也「管理」得少了點。
一個 BMS 可能有的功能：
- 監測電池溫度、電壓
- 過充/過放保護
- 限制充電/放電電流
- 統計出入電流，預估剩餘電量，計算循環次數
- 顯示或輸出電池狀態資訊
所以一個 BMS 可以張羅一組電池所有需要的偵測、保護的需要。有些 DIY 電動車熱愛者不裝 BMS，但他就要不時拿著電壓計來自己當「手動 BMS」。有時，DIY 不裝 BMS 是故意的，因為 BMS 也可能來一些問題：
- 有時 BMS 「管太多」，使用者少了些自由度
- 為了要能在必要時切斷電源，BMS 在電池前插入的自動開關 (如 mosfet) 會消耗一些能量
- BMS 本身也是可能故障的環節
- BMS 也要吃電，而且很多設計都是取串聯電池的最後數截，長時間下來反而是電池組不平衡的成因。(如：串聯 16x 鋰電，只取最後二截 2 * 3.3V 來給 BMS 使用，雖然量小，久了仍會產生不平衡)
- 鋰電池因為本身的自放電很低，原本如果不用是可以放很久的。但有裝 BMS 的電池組要供應 BMS 的耗電，反而可能在幾個月內過度放電。所以電動機車的電池，廠商都會建議如果長時間不用，固定多久時間充飽一次。
如果電池有規律正常的使用，這些問題就比較不易發生，且對一般使用者來說，BMS 絕對是必要的裝置，所以說有時候，成也在 BMS，敗也在 BMS。
參考資料
BatteryUniversity.com，"Batteries in a Portable World"
鋰電池的種類
http://batteryuniversity.com/learn/article/lithium_based_batteries
http://batteryuniversity.com/learn/article/types_of_lithium_ion
鋰電池充電
http://batteryuniversity.com/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
過放的鋰電池
http://batteryuniversity.com/learn/article/low_voltage_cut_off
儲放鋰電池的老化
http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_store_batteries
延長鋰電池壽命
http://batteryuniversity.com/learn/article/how_to_prolong_lithium_based_batteries
充放深度對鋰電池壽命的影響
http://batteryuniversity.com/learn/article/discharge_methods
BMS
http://en.wikipedia.org/wiki/Battery_management_system
