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博碩士論文 etd-0705105-203847 詳細資訊
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論文名稱
Title
鎳氫電池電容量管理之研究
Study fo Ni-MH Battery Capacity Management
系所名稱
Department
畢業學年期
Year, semester
語文別
Language
學位類別
Degree
頁數
Number of pages
109
研究生
Author
指導教授
Advisor
召集委員
Convenor
口試委員
Advisory Committee
口試日期
Date of Exam
2005-06-26
繳交日期
Date of Submission
2005-07-05
關鍵字
Keywords
鎳氫電池、殘電估測、修正型積分法、快速充電截止方式
estimating the residual capacity, improved coulomb counting measurement, Ni-MH batteries, fast-charge end method
統計
Statistics
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中文摘要
本論文以電池容量管理為研究主題,目的在於監控管理電池的充、放電狀態,藉由管理系統可以讓使用者知道目前電池的使用狀況,瞭解電池尚可使用的時間,可避免因電容量不足導致資料遺失。藉由電池量測平台蒐集鎳氫電池在不同充、放電方式下的資料並且分析其特性,而後針對其電池特性來設計快速充電系統與殘電估測系統。
快速充電系統旨在於快速且安全的充電策略,本文以電壓差累加時間檢測法作為快速充電截止的方式,並於充電前先估測電池的初始電容量狀態,再根據此初始狀態以最佳化之充電方式,讓電池能在最短的時間內回覆電池所能儲存的電量,且不對電池的循環使用壽命造成負面的影響。
殘電估測系統的設計為先估測出電池初始容量後,再配合積分法,持續記錄電池輸出電流狀態,並針對環境溫度、電池老化效應、輸出電流效應對可輸出容量的影響因素加以修正。
Abstract
The topic of this study is to develop a battery capacity management system. The main purpose is to monitor the state of battery during charging and discharging. Form this, user can know the battery status and to avoid loss of data before sudden system power down caused by a spent battery. Different states of battery were collected in different conditions by a battery measurement system, after which characteristics were analyzed. A fast-charge and residual capacity estimation system was developed according to the battery characteristics.
The fast-charge system is a technique that emphasizes not only fastness charging but also safety. In this study a fast-charge end method was adopted to terminate the fast charging state of the battery and the initial state had been estimated before charging. Furthermore, the battery was charged with the optimum method according to the battery initial state. That can recover the capacity of the battery within a short period without causing any side effects from repeated usage.
The residual capacity estimation system works by first estimating the initial capacity of the batteries, and then recording the current of batteries continuously using the coulomb counting method to make compensation for the effects of battery aging, environmental temperature, self-discharging, and output current.
目次 Table of Contents
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 研究背景與發展現況 2
1.3 論文架構 3
第二章 研究背景 4
2.1 二次電池介紹 4
2.1.1 鉛酸電池 7
2.1.2 鎳鎘電池 7
2.1.3 鎳氫電池 9
2.1.4 鋰電池 11
2.1.5 二次電池性能比較 13
2.2 電池基本特性 15
2.3 蓄電池充電方式 18
2.3.1 定電壓充電 19
2.3.2 二段式定電壓充電法 19
2.3.3 定電流充電法 20
2.3.4 混合定電流/定電壓充電法 22
2.3.5 脈衝式充電法 23
2.3.6 Reflex充電法 24
2.3.7 Podrazhansky充電法 25
2.4 電池電容量檢測方式 25
2.4.1 影響電池可輸出電容量的因素 26
2.4.1.1 放電電流 26
2.4.1.2 環境溫度 27
2.4.1.3 電池老化 27
2.4.1.4 自放電率 28
2.4.2 電池電容量檢測方法 29
2.4.2.1 比重法 30
2.4.2.2 開路電壓法 30
2.4.2.3 加載電壓法(閉迴路電壓法) 31
2.4.2.4 安培小時法(庫倫檢測法、積分法) 32
2.4.2.5 內電阻法 33
2.4.2.7 各種電容量檢測方法之比較 35
第三章 研究方法 36
3.1 快速充電策略 36
3.1.1 快速充電截止法則 36
3.1.1.1 溫度檢測法 37
3.1.1.2 電壓檢測法 38
3.1.1.3 電壓差累加時間檢測法 40
3.1.2 快速充電方式 42
3.1.3 快速充電系統 43
3.1.3.1 判斷電池在進行快速充電前的狀態 44
3.1.3.2 進行快速充電之程序 47
3.2 電容量檢測法則 50
3.2.1 初始電容量估測法則 51
3.2.1.1 開路電壓法 52
3.2.1.2 閉迴路電壓法 55
3.2.1.3 修正老化效應 56
3.2.2 修正型積分法 59
3.2.2.1 修正溫度效應 60
3.2.2.2 修正輸出電流狀態 61
3.2.3 殘電估測系統 64
第四章 實驗結果與分析 66
4.1 實驗硬體架構 66
4.2 驗證快速充電截止法則 68
4.3 驗證電壓差累加時間檢測法之穩定性 76
4.4 驗證快速充電系統 78
4.4 驗證殘電估測系統 84
4.4.1 以開路電壓法估測初始電容量 84
4.4.2 以”1C”放電1分鐘閉迴路電壓法估測初始電容量 86
第五章 結論 90
5.1 結論 90
5.2 未來展望 91
參考文獻 92
圖目錄
圖2.1 電池分類圖 5
圖2.2 鎳鎘電池充電時電壓與表面溫度關係曲線 8
圖2.3 鎳氫電池充電時電壓與表面溫度關係曲線 10
圖2.4 鋰離子電池電容量與內電阻的關係 13
圖2.5 (a)理想電池放電之電壓曲線 3 圖2.5 (b)實際電池放電之電壓曲線 15
圖2.6 實際電池放電之端電壓曲線 16
圖2.7 電池可輸出電容量與溫度、輸出電流的關係 17
圖2.8 電池可輸出電容量受老化效應影響之曲線 18
圖2.9 定電壓充電法之充電曲線 19
圖2.10 二段式定電壓充電法之充電曲線 20
圖2.11 定電流充電法之充電曲線 21
圖2.12 –ΔV控制法之充電曲線 21
圖2.13 鎳鎘及鎳氫電池以定電流充電時的溫度變化曲線 22
圖2.14 鋰離子電池使用混合定電流/定電壓充電法之充電流程 23
圖2.15 混合定電流/定電壓充電法之電流、電壓曲線 23
圖2.16 脈衝式充電之充電電流與電池端電壓曲線 24
圖2.17 Reflex充電法之充電電流曲線 24
圖2.18 充電脈衝與放電脈衝維持週期不變及不充不放的休息週期 25
圖2.19 電池可輸出電量與放電電流的關係 27
圖2.20 電池儲存時間與溫度的關係 28
圖3.1 不同的快速充電截止方式 38
圖3.2 線性迴歸檢測最大電壓的方式 39
圖3.3 連續量測電壓每增加15mV/cell所需要的時間 40
圖3.4 根據所量測到的時間建立三個區域 41
圖3.5 不同充電電流波形式 43
圖3.6判斷電池是否損壞流程 45
圖3.7 同一放電率下電壓對所放出能量的比例 45
圖3.8 以“1C”放電率進行重複10次放電動作之曲線 46
圖3.9 電池初始狀態估測方法之流程 47
圖3.10 不同初始狀態充電方式之流程 48
圖3.11 快速充電系統設計流程 49
圖3.12 初始電容量估測法配合修正因素預估電池初始電容量之流程 52
圖3.13 開路電壓實驗流程圖 53
圖3.14 鎳氫電池在不同定電流值放電之開路電壓與電池初始電容量關係圖 54
圖3.15 Panasonic鎳氫電池電容量與循環使用次數關係圖 57
圖3.16 電池電容量受老化效應影響之關係圖 58
圖3.17 修正型積分法之流程圖 59
圖3.18 電池可輸出電容量受環境溫度的影響 60
圖3.19 鎳氫電池電容量與放電電流關係圖 61
圖3.20 電池可輸出電容量受輸出電流狀態的影響 62
圖4.1 電池量測平台硬體架構圖 66
圖4.2 電池自動化量測平台操作視窗 67
圖4.3 實際量測之儀器設備 67
圖4.4 (a)電池充電量測電路 68 圖4.4 (b)電池放電量測電路 68
圖4.5 以0.5C充電採用溫度檢測法之電壓與電流曲線圖 69
圖4.6 以0.5C充電採用溫度檢測法之電壓與溫度曲線圖 69
圖4.7 以1.0C充電採用溫度檢測法之電壓與電流曲線圖 69
圖4.8 以1.0C充電採用溫度檢測法之電壓與溫度曲線圖 70
圖4.9 以1.5C充電採用溫度檢測法之電壓與電流曲線圖 70
圖4.10 以1.5C充電採用溫度檢測法之電壓與溫度曲線圖 70
圖4.11 以0.5C充電採用電壓檢測法之電壓與電流曲線圖 71
圖4.12 以0.5C充電採用電壓檢測法之電壓與溫度曲線圖 71
圖4.13 以1.0C充電採用電壓檢測法之電壓與電流曲線圖 71
圖4.14 以1.0C充電採用電壓檢測法之電壓與溫度曲線圖 72
圖4.15 以1.5C充電採用電壓檢測法之電壓與電流曲線圖 72
圖4.16 以1.5C充電採用電壓檢測法之電壓與溫度曲線圖 72
圖4.17 以0.5C充電採用電壓差累加時間檢測法之電壓與電流曲線圖 73
圖4.18 以0.5C充電採用電壓差累加時間檢測法之電壓與溫度曲線圖 73
圖4.19 以1.0C充電採用電壓差累加時間檢測法之電壓與電流曲線圖 73
圖4.20 以1.0C充電採用電壓差累加時間檢測法之電壓與溫度曲線圖 74
圖4.21 以1.5C充電採用電壓差累加時間檢測法之電壓與電流曲線圖 74
圖4.22 以1.5C充電採用電壓差累加時間檢測法之電壓與溫度曲線圖 74
圖4.23 以電壓差累加時間檢測法為充電截止方式之充電電壓與電容量曲線圖 77
圖4.24 DC電池快速充電系統實驗電壓與電流曲線圖(Vinitial=0.00188V) 79
圖4.25 DC電池快速充電系統實驗電壓與溫度曲線圖(Vinitial=0.00188V) 79
圖4.26 DC電池快速充電系統實驗電壓與電流曲線圖(Vinitial=0.975847V) 79
圖4.27 DC電池快速充電系統實驗電壓與溫度曲線圖(Vinitial=0.975847V) 80
圖4.28 HC電池快速充電系統實驗電壓與電流曲線圖(Vinitial=1.28413V) 80
圖4.29 HC電池快速充電系統實驗電壓與溫度曲線圖(Vinitial=1.28413V) 80
圖4.30 HC電池快速充電系統實驗電壓與電流曲線圖(Vinitial=1.29339V) 81
圖4.31 HC電池快速充電系統實驗電壓與溫度曲線圖(Vinitial=1.29339V) 81
圖4.32 FC電池快速充電系統實驗電壓與電流曲線圖(Vinitial=1.39284V) 81
圖4.33 FC電池快速充電系統實驗電壓與溫度曲線圖(Vinitial=1.39284V) 82
圖4.34 FC電池快速充電系統實驗電壓與電流曲線圖(Vinitial=1.41914V) 82
圖4.35 FC電池快速充電系統實驗電壓與溫度曲線圖(Vinitial=1.41914V) 82
圖4.36 電池電壓與電流曲線圖(充入電量為1722.19 mAh) 84
圖4.37 電池電容量曲線圖(充入電量為1722.19 mAh) 85
圖4.38 電池電壓與電流曲線圖(充入電量為1006.63 mAh) 85
圖4.39 電池電容量曲線圖(充入電量為1006.63 mAh) 85
圖4.40 電池電壓與電流曲線圖(充入電量為1781.5 mAh) 87
圖4.41 電池電容量曲線圖(充入電量為1781.5mAh) 87
圖4.42 電池電壓與電流曲線圖(充入電量為1005.93 mAh) 87
圖4.43 電池電容量曲線圖(充入電量為1005.93mAh) 88
圖4.44 電池電壓與電流曲線圖(充入電量為500.505 mAh) 88
圖4.45 電池電容量曲線圖(充入電量為500.505mAh) 88
表目錄
表2.1 各類二次電池綜合比較表 14
表2.2 電池電容量檢測方法的優缺點比較 35
表3.1 以“1C”放電率進行重複10次放電動作後之電壓統計表 47
表3.2 鎳氫電池開路電壓與電池初始電容量關係表 55
表3.3 每放出1%的額定電容量與電池端電壓間之對照表 56
表3.4 室溫下電池可輸出電容量與輸出電流狀態的關係 62
表4.1 三種不同方法之實驗結果比較表 75
表4.2 以電壓差累加時間檢測法為充電截止方式之充電統計表 77
參考文獻 References
[1] J. Heydecke, H.A. Kiehne(VARTA), “Portable NiCd and NiMH Batteries for Telecom Applications”, Eighteenth International Telecommunications Energy Conference(INTELEC), 1995.

[2] N. Furukawa, “Development and commercialization of nickel-metal hydride secondary batteries”, Journal of Power Sources, vol.51, 1994.

[3] A. Jossen, V. Spath, H. Doring, J. Garche, “Reliable battery operation — a challenge for the battery management system”, Journal of Power Sources, vol. 84, pp.283-286, 1999.

[4] Shane Duryea, Syed Islam, William Lawrance, “A battery management system for stand-alone photovoltaic energy systems”, IEEE Industry Applications Magazine, May/June 2001

[5] John Chatzakis, Kostas Kalaitzakis, Nicholas C. Voulgaris, and Stefanos N. Manias, Senior Member, IEEE, “Designing a new generalized battery management system”, IEEE Transactions on Industry electronics, vol. 50, No. 5, 2003

[6] Gonzalez, M., Perez, M.A., Diaz, J., Campo, J.C., Horta, S, “New intelligent Ni-Cd and Ni-MH battery fast-charger”, Proceedings of the IEEE International Symposium vol. 2, pp. 501-506, 1997

[7] Gonzalez, M., Perez, M.A., Diaz, J., Ferrero, F.J, “Ni-Cd and Ni-MH battery optimized fast-charge method for portable telecommunication applications”, Telecommunications Energy Conference, 18th International pp.522 – 529, 1996

[8] Gonzalez, M., Ferrero, F.J., Anton, J.C., Perez, M.A., “Considerations to improve the practical design of universal and full-effective NiCd/NiMH battery fast-chargers”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, Fourteenth Annual vol. 1 pp.167 – 173, 1999

[9] 李世興, “電池活用手冊”, 全華出版社, 民國88年

[10] John P. Nelson, Senior Member, IEEE, and William D. Bolin, Member, IEEE, “Basic and advances in battery systems”, IEEE Transaction on Industry applications, vol. 31, No. 2, 1995

[11] Manuela Gonzalez, Jose Lopez, Emilio Lopez, Miguel Angel Perez, “Universal test-bench for charging/discharging of Ni-Cd and Ni-MH batteries”, IEEE, 1994

[12] Bernhard Schweighofer, Klaus Raab and Georg Brasseur, “Modeling of high power automotive batteries by the use of an automated test system”, IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, 2002

[13] Bernhard Schweighofer, Klaus M. Raab, and Georg Brasseur, Senior Member, IEEE, “Modeling of High Power Automotive Batteries by the Use of an Automated Test System”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 52, No. 4, 2003

[14] Kim, J.B., D. Fan, and R.E. White, “A mathematical model of the self-discharge process of the Ni/H/sub2/ battery”, Proceedings of the 25th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, vol. 3, pp.39-42, 1990

[15] Torikai, T., Takesue, T., Toyota, Y., Nakano, K., “Research and development of model-based battery state of charge indicator”, Proceedings of the International Conference, vol. 2, pp.996-1001, 1992

[16] Naoki KATO and Katsuhiko YAMAMOTO, “Estimation of the capacity of nickel-cadmium batteries by measureing impedance using electrolyte-deficient battery characteristics”, IEEE, 1995

[17] Damlund, I. “Analysis and Interpretation of AC-measurements on batteries used to assess state-of –health and capacity-condition”, IEEE, 1995

[18] James D. Kozlowski, “A novel online measurement technique for AC impedance of batteries and other electrochemical systems”, IEEE, 2001

[19] J. M. Hawkins and L. O. Barling, “Some aspects of battery impedance characteristics”, IEEE, 1995

[20] C. Eswarn and V. G. K. Murti, “On a relationship between terminal capacity and impedance matrices”, IEEE Transactions on circuits and systems, vol. cas-21, No. 6, 1974

[21] J. M. Hawkins, “Some field experience with battery impedance measurement as a useful maintenance tool”, IEEE, 1994

[22] Cheng-Hui Cai, Dong Du, Zhi-Yu Liu, Hua Zhang, “Modeling and identification of Ni-MH battery using dynamic neural network ” Proceedings of the First International Conference on Machine Learning and Cybernetics, Beijing, 2002

[23] Andre Girard and Mary-Ann Bell, “Blocking Evaluation for Networks with Residual Capacity Adaptive Routing”, IEEE Transactions, vol. 37, No. 12, 1989

[24] W. X. Shen, C. C. Chan, E. W. C. Lo, K. T. Chau, “Adaptive Neuro-Fuzzy modeling of battery residual capacity for electric vehicles”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 49, No. 3, 2002

[25] Jinchun Peng, Yaobin Chen and R. Eberhart, “Battery pack state of charge estimator design using computational intelligence approaches”, Processings of the Fifteenth Annual Battery Conference on Applications, pp. 173-177, 2000

[26] Bose, C. S. C. and F. C. Laman, “Battery state of health estimation through coup de fouet”, Proceedings of 22nd International Telecommunications Energy Conference, pp.597-601, 2000

[27] Bonnett, W. B., “Smart battery adaptive algorithms-system gain calibration elimination by use of adaptive learn cycle in integrated VFC measurement circuit”, Proceedings of the 16th Annual Battery Conference on Application and Advances, pp.311-316, 2001

[28] Power Integrations Inc., “Energy efficient, CV/CC switcher for very low cost chargers and adapters”, Application Note LNK501

[29] R. C. Cope and Y. Podrazhansky, “The art of battery charging”, Battery Conference on Application and Advances, pp. 12-15, 1999

[30] W. B. Burkett, J. H. Bigbee III, “Rapid charging of batteries”, U.S. Patent 3,597,673, 1971
[31] Y. Podrazhansky and P. W. Popp, “Rapid battery charger, discharger and conditioner”, U.S. Patent 3,597,673, 1971

[32] Gonzalez, M., Perez, M.A., Campo, J.C., Ferrero, F.J., “Accurate detection algorithm of battery full-capacity under fast-charge”, IEEE, Instrumentation and Measurement Technology Conference, vol. 2, pp.755 - 759 1998

[33] Gonzalez, M.A. Perez, J.C. Viera, C. Carballo, A. Garrido, “A new, reliable and easily implemented NiCd/NiMH battery state estimation method”, IEEE, 1999

[34] Viera, J.C., Gonzalez, M., Carballo, C., Blanco, C., “An intelligent instrumentation system for testing fast-charging process in high-capacity batteries”, Proceedings of the 17th Instrumentation and Measurement Technology Conference of the IEEE, vol. 3, pp. 1372-1376, 2000

[35] Martin, J.A., Gonzalez, M., Perez, M.A., Ferrero, F.J., Diaz, J., “A microcontroller-based intelligent fast-charger for Ni-Cd and Ni-MH batteries in portable applications”, Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE, vol. 3 pp. 1638 – 1643, 1998

[36] Philips, “Semiconductors for battery management”, Data Sheet, 1994

[37] Alminauskas, V., Johnson, W., “Comparison of AA NiMH cells with AA NiCd cells”, Proceeding of the 31st Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, pp. 1168-1170, 1996

[38] J. H. Avlor, A. Thieme and B. W. Johnso, “A battery state-of-charge indicator for electric wheelchairs”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 39, pp. 583-587, 1998

[39] Djordjevic, A. B., Karanovic, D. M., “Cell testing by calculated discharge curve method”, Journal of Power Source, vol. 83, pp.134-140, 1999

[40] Djordjevic, A. B., “Simulation of the discharge curve by short-time discharge based on the power of internal resistance”, Journal of Power Source, vol. 50, pp.97-108, 1994
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