鉛酸電瓶車
最近因為工作的關係，開始接觸到鉛酸電池跟台灣的鉛酸電池所堆砌出來的電動腳踏車, 電動摩托車的市場。 然後自己也買了一台鉛酸電池電動腳踏車來代步。台灣國內的電動車市場正在快速起飛，雖然相信大部分拜 gogoro 這種高階電動車的成功所導致。但是比較低階鉛酸電瓶電動車，因為不需要牌照跟駕照，所以仍然的非常受歡迎，依舊有一定龐大的市場和商機。 所以，這裡就來篇如何增加電動車鉛酸電池壽命的部落格文吧！
鉛酸電池電動車，只要保養得當，其實是不會輸鋰離子電池的車子的。 例如國內某摩托車大廠最近所推出的電動摩托車，50V/13Ah 的鋰離子電池規格，其實也沒比鉛酸電池高明到哪裡去的！
鉛酸電池種類
講到鉛酸電池，大家一定都被汽車裡面的那顆電瓶給嚴重誤導囉！以為鉛酸電池，啊這個我知道我知道，就是每台汽車引擎室都有一顆的那個電瓶嘛！
其實鉛酸電池種類非常的多勒！因為鉛酸電池的技術經過百年的發展，已經非常成熟了。所以廠商會根據不同使用情境，改變設計，得到絕佳的性能！所以鉛酸電池是根據用途而有不同種類的電池的，用錯不同種類的電池，例如拿汽車引擎室被分類為「啟動電池」的鉛酸電池，拿到電動腳踏車上被分類為「動力電池」的鉛酸電池來使用，縱使容量/電壓都一樣，但使用性能卻是會有天差地遠的分別喲！
一般來說，主要把鉛酸電池分成四大類(當然不只這四種啦！)：
1. 啟動電池： 大家最熟悉的，每台汽車都會有一顆， 主要負責引擎啟動的瞬間要能提供非常高的電流給直流馬達運作，而引擎啟動後電池要能承受長期都在浮充的狀態進行充電還能維持住電池的壽命。
2. 動力電池： 就專門設計來給電動摩托車跟腳踏車的電池，需要有很強的於深放電下(100%DOD)，及持續高電流 (高 C-rate)放電下的電池壽命。
3. 儲能電池： 用在對再生能源系統，對於持續不斷再生能源功率改變下對其作即時的調控。需要很強的充電放電能力及在中等放電深度下(60%DOD)有長達7, 8 年以上的電池壽命。
4. UPS電池： 一年只會用到數次充放電，需要有長達 5年以上長期的電池壽命。
由上面的分類可以知道，電動車或電動腳踏車所使用的叫做動力電池。 這裡有個術語叫做放電深度 Depth Of Discharge (簡稱叫 DOD), 當我們把一個電池充飽電, 然後把它的電力百分之百的用掉，這時候叫做放電深度 100%; 假如我們對這個已經充飽的電池只用掉 50% 一半的電，這時候叫做放電深度 50%; 同樣的，假如一個 100% 充飽的電池我們只用掉少少的 30% 電力，這時候叫做放電深度 30%。
動力電池的兩個使用情境
1. 深放電循環
對於一個鉛酸電池而言，電動車的使用情境算是最嚴苛的。因為使用者常常可能需要長距離的騎乘，所以電池容量在每次的騎乘中可能都會被使用超過 50% 以上, 甚至是 80% - 90% 這樣很高的程度。
所以放電深度 DOD 很容易就是 50% -90% 以上這種叫深放電的情境，這種情境對鉛酸電池是最傷的。
2. 高電流長時間的輸出
另外一個問題來自於高電流的需求。這裡舉例例如筆者這台電動腳踏車它的輪轂馬達的額定功率是 350W, 假如我們在騎乘的時候只會使用它的 75% 的出力，也就是功率 350W * 75% = 262.5W
假如我們的輪轂馬達是由四顆 12V 的鉛酸電池串連起來提供 12V * 4 = 48V 來運作的，所以要提供 262.5W 的功率給輪轂馬達這時候所需的電流會是 262.5 Watt / 48 Volt = 5.469 Amp
看，隨隨便便就是 5.469 安培的高電流輸出，這種情境也是對鉛酸電池是最傷的。
由於上面這兩個使用情境，它們會對應到鉛酸電池不同的失效模式，廠商會針對這失效模式進行強化，得到合理的壽命跟性能。而這樣的電池被歸類叫做動力電池。
為了更有感覺，讓我們來看看廠商的規格吧！
其實鉛酸電池做得比較好的應該是中國大陸那邊的電池。但這裡我們就挑選兩家台灣國內比較有名的電池廠商：廣隆跟湯淺，來看看他們針對動力車所開發的動力電池規格吧! 這裡挑選比較常用的 12V - 12Ah 的電池來比較
廣隆 WP12-12
這一款比較通用型的電池，廠商宣稱也是用在電動車上。 不過真悽慘啊，廠商是用 0.17 CA 的 C-Rate 的放電電流，結果壽命在 100%放電深度下，壽命只有 210 cycle。也就是每天騎一次，每次都把電池的電百分之百的用掉，壽命約是 210/30 = 7 個月就會掛掉囉。這也是為什麼國內電動車廠商對鉛酸電池只肯保固半年的原因，因為廠商的規格大概只有這樣。
什麼叫做 C-Rate？ 0.17CA 對12Ah的電池而言，到底是多少電流？
原來啊，電池的容量百百種， 有 12Ah, 有 14Ah, 也有 20Ah ... etc. 直接用電流 Amp 實在不容易看出放電跟容量的關係。所以大家比較習慣用 C-rate 來標定充放電的大小，它其實跟百分比一樣，是一種比例的數字，定義為一小時的電流下的容量跟電池總容量的一個比例。
所以對於一個 12Ah容量的電池: 12A 的電流叫做 1CA (12A 1hr / 12Ah)，24A 的電流就做 2CA (24A 1hr / 12Ah)， 6A 的電流就做 0.5CA (6A 1hr / 12Ah)， 1.2A 的電流就做 0.1CA (1.2A 1hr / 12Ah)
0.17CA = 0.17 * 12 = 2.04 Amp 所以是兩安培左右的電流 (對 12Ah的電池而言)。
上面這個圖，有沒有注意到一個很重要很重要很重要的特性啊！似乎，電池的壽命跟放電深度有很大的相關耶！
放電深度 100% 時，電池壽命只有 210 cycle
放電深度 50% 時，電池壽命增加至 500 cycle，整整可是增加了一倍多了耶!
放電深度 30% 時，電池壽命增加至驚人的 1000 cycle，哇! 將近快5倍喲!
這給了我們提示喲，是不是我每次不要把電池的電全部用掉，隨用隨充。每次只用 30%後就立刻去充電，這樣是最有利的呢？
廣隆 WP12-12E
這一款似乎是有經過強化的版本，性能比較好些。一樣在 0.17CA = 2.04 Amp 下放電，電池壽命卻大幅增加至約 320 cycle 左右
放電深度 100% 時，電池壽命有 320 cycle
放電深度 50% 時，電池壽命增加至 600 cycle，這也整整可是增加了快一倍耶!
放電深度 30% 時，電池壽命增加至驚人的 1460 cycle，哇! 一樣將近快5倍喲!
湯淺 REC12-12
這是一款廠商宣稱用在電動車上的動力電池。一樣在 0.17CA * 12 Ah = 2.04 Amp 下放電。
放電深度 100% 時，電池壽命約 250 cycle
放電深度 50% 時，電池壽命增加至 620 cycle，這也整整增加了一倍多耶!
放電深度 30% 時，電池壽命增加至驚人的 1440 cycle，哇! 超過5倍喲!
我們選了兩家廠商，三款的鉛酸電池，規格很一致的告訴了我們，鉛酸電池有一個很重要很重要很重要的特性啊！電池的循環壽命跟放電深度有很大的相關！
電池的循環壽命（充放電次數）會是放電深度的函數：放電深度的越淺，電池可以充放電的循環壽命（次數）就越多。
以放電深度一半50% 的方式來使用（放電），鉛酸電池的使用次數約會是放電深度100%的1倍
假如以放電深度30%的方式來使用（放電），鉛酸電池的使用次數約會是放電深度100%的5倍之多，非常驚人的使用次數！
使用鉛酸電池的策略
所以我們在進一步來計算看看，是不是我每次最好使用鉛酸電池的策略就是不要一次把電瓶裡的電完全用完?
利用上面的資料來計算，假如我每次都把電池的電百分之百用完，跟每次只用掉一半就立刻開始充電，跟每次只用30%的電，就立刻開始充電。這三種情境中，對一顆電池從一開始全新到最後掛掉，哪一種情境它的總儲電量是最高的呢？
電池從全新到完全掛掉的電量總儲存量 = 每次放電的電量 * 電池從全新到掛掉的充放電次數
每次放電的電量 = 放電深度(%) * 電池的總容量
所以
電池從全新到完全掛掉的電量總儲存量 = (放電深度(%) * 電池的總容量) * 電池從全新到掛掉的充放電次數
以廣隆 WP12-12, 放電深度 30% 為例
WP12-12 以30%放電深度，從全新到完全掛掉的電量總儲存量 = 30% * 12 Ah * 1000 cycle = 3600 Ah
其他依此類推，計算出來的結果如下
WP12-12
哇!! 一如預期啊! 充電深度越淺，整體來說是對電池電量的使用最有利的。全充淺放，會比全充全放的狀況更為有利。
以30%的全充淺放來看，甚至比全充全放的總電量還要多上 42.9% 的喲!
WP12-12E
這顆型號的電池比較怪，也許是因為已經是深循環電池的加強版了。 50% 的中等程度的充放電雖然說壽命從 320 cycle 增加至 600 cycle, 但每次電量只有 50%, 所以最後還是跟 放電深度 100% 的相差無幾。
但是，以 30% 的全充淺放來看，還是比全充全放的總電量還要多上 36.9% 的喲! 這裡又符合預期了!
REC12-12
哇!! 一樣一如預期啊! 放電深度越淺，整體來說是對電池電量的使用最有利的。全充淺放，會比全充全放的狀況更為有利。
以30%的全充淺放來看，甚至比全充全放的總電量還要多上 72.8% 的喲!
所以鉛酸電瓶車的兩種使用情境
1. 每次騎出去回家後，哎呀！反正電池電量還有好幾格哩！不管啦，等到剩最後一格的時候再來充電啦！
2. 每次騎出去回家後，我管你電池電量還剩多少，充電囉！隨用隨充！
這兩種情境，哪一種是對我們最有利的呢？？
根據剛剛我們的計算，答案是 2. 隨用隨充！ 對於鉛酸電池而言，全充淺放是對我們最有利的，放電深度越淺就立刻回充這樣電池的壽命是最長的。最後直到電池死亡之前，總體所儲存使用的電量也是最多的！
所以電量假如掉了 1/4 (四格掉了一格），可以的話就趕快去充電吧！ 這樣的使用下，鉛酸電池的壽命也是最長的，總體被使用的電量也可以增加 37% - 73% 左右。
為什麼? 為什麼?? 為什麼???
那，鉛酸電池為什麼會有這個奇怪的現象？它背後的科學機制是什麼 ？
回頭來看鉛酸電池的化學反應吧!
鉛酸電池構造
正極活性物質: 二氧化鉛 PbO2
負極活性物質: 海綿鉛 Pb
電解液: 30%-40%的稀硫酸溶液 H2SO4,
隔離版: 玻璃纖維不織布（吸附電解液）
放電反應式
這裡可以看到有一個化學的清楚圖像:
1. 鉛酸電池充滿電的時候: 正極是二氧化鉛，負極是海綿鉛，電解液是稀硫酸。
2. 鉛酸電池開始放電時: 正極的二氧化鉛開始跟氫離子和硫酸根離子反應，形成硫酸鉛加水。負極的海綿鉛開始跟硫酸根離子反應，也一樣形成硫酸鉛。
3. 隨著放電的程度愈來越深，正極跟負極上面的硫酸鉛堆積的越來越多，反應掉的硫酸根跟正極所產生的水也讓稀硫酸的濃度越來越低。
4. 當稀硫酸的濃度低到某個程度，硫酸根都轉化去形成正極負極上面所堆積的硫酸鉛了，已經沒有硫酸根離子提供反應了，這時候電壓低到截止電壓，電流也低到截止電流，反應終止。
5. 充電的過程是剛剛 1,2,3,4 的逆反應，也就是說正負極板上所堆積的硫酸鉛，慢慢的轉化回去原來的二氧化鉛跟海綿鉛。硫酸鉛越來越少，最後沒有時充電完畢！(這時候再充下去變成電解水囉，會轉變成鉛酸電池的另一個失效模式，失水！)
硫酸鉛的晶體化(鹽化)
看到問題了嗎? 放電過程中正極跟負極會開始大量形成硫酸鉛 PbSO4 的堆積。
鉛酸電池有個很大的失效模式是來自於這個放電時所產生的硫酸鉛，原來啊，硫酸鉛是一種非常容易結晶的物質：當電解液中硫酸鉛的濃度過高，或靜置時間過長時（超過三十分鐘），就像食鹽過飽和溶液結晶一樣，慢慢成團，結成小晶體。小晶體形成晶核，再吸引周圍的硫酸鉛，如滾雪球般，形成更大的硫酸鉛惰性結晶（硫酸鉛結晶不導電，是絕緣的）。這些結晶也俗稱「鹽」，整個過程叫做硫酸鉛的鹽化，或簡稱「硫化」。
硫酸鉛一但形成大顆的硫酸鉛惰性結晶，就沒辦法透過充電方式還原回正負極原來的活性物質的，所以馬上實際蓄電容量開始下降。而且更糟的是，它們會沈澱附著在電極板上，造成了電極板工作面積下降，反應面積減少了，電力輸出也開始下降，隨著硫酸鉛鹽化的越來越嚴重，直到最後整個電池無法運作而壽命終止。
1. 深放電循環
所以可以看到為什麼鉛酸電池的壽命跟放電深度有密切的關係了嗎?
原來當放電深度的持續加深，鉛酸電池裡頭的硫酸鉛的濃度也越來越高。濃度越高，因硫酸鉛特性的關係，正負極電極板上就越容易硫酸鹽化！
放電深度淺 --> 電極板上的硫酸鉛濃度比較低 --> 電極版比較不容易硫酸鹽化 --> 電池充放電可使用次數變多 ( DOD: 30%, discharge cycles > 1000 cycle)
放電深度深 --> 電極板上的硫酸鉛濃度比較高 --> 電極版比較容易硫酸鹽化 --> 電池充放電可使用次數變少. ( DOD: 100%, discharge cycles ~ 200 cycle)
2. 高電流長時間的輸出
另外一個硫酸鹽化的失效模式來自於鉛酸電池的大電流放電。雖然說硫酸鉛容易鹽化結成惰性晶體，但也沒那麼糟！
當鉛酸電池以小電流放電時，硫酸鉛生成的速度比較慢，所以可以很均勻的在電極板上形成均勻分佈且顆粒細小絨毛狀可以被反應還原回去的硫酸鉛。
可是當鉛酸電池以大電流放電時，因為硫酸鉛生成的速度太快了，在高濃度下立刻在電極版上形成大顆粒鹽化無法透過充電還原回去的惰性結晶。如前所述，電池慢慢就掛掉囉。
最後，如何增加電動車鉛酸電池使用壽命呢?
I. 鉛酸電瓶電動車騎完之後，回到家30分鐘內就要立刻充電啦！養成隨用隨充的好習慣！ 可以的話，盡量控制里程數只使用電池 30% 左右的電量。不要讓電池電量低於 50%，把電池的電完全用完更是大忌。
要記住，剛騎完鉛酸電瓶電動車回到家，這時候裡頭的硫酸鉛濃度是最高的時候，趕快充電讓硫酸鉛消失吧，這樣就可以減少鉛酸電池電極板的進一步硫酸鹽化而增加電池的壽命。
II. 鉛酸電瓶電動車盡量不要載重物，或是急加速。這些都會造成電池要長時間或瞬間輸出大電流而造成電池電極板的硫酸鹽化而減少電池的壽命。和緩，穩定的加速讓電流穩定的輸出會讓鉛酸電池裡頭電極板上的硫酸鉛生成的更均勻，減少鹽化大晶體的產生，進而增加整個電池的壽命!
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