鉛酸電池已成為許多電子產品的電力來源，然而其卻存在需要花費較長的充電時間的缺點。本論文旨在研究設計一個以Reflex正負脈衝之充電策略為基礎，以數位訊號處理器（DSP）為核心，結合單級不對稱半橋直流轉換電路，與返馳式負脈衝能量回送電路的快速充電器。直流轉換電路工作時存在零電壓切換特性，能有效降低切換損失，另外負脈衝能量回送單元，以返馳式轉換電路將負脈衝放電能量回送至直流匯流排，免除傳統消耗性電阻之龐大體積與無謂的能源浪費。本論文使用12V/7.5AH的密閉式鉛酸電池作為驗證。此系統能夠達到1小時之內快速充電的目的，且因為採用本論文的快速充電策略，能夠依電池溫度和電壓的不同，給予不同的充電區間；再加上有電壓過高、溫度過高限制，所以不至於造成電池的損壞情形發生，進而保護電池。本文所提出的充電器，具有相當簡單的電路拓樸，卻很完善的充電機制與電池保護機制，並以實驗波形結果驗證其可行性。

The Lead-Acid battery has become the power source of several electron product. The major drawback is that it requires long charging time. This thesis is to design a programmable rapid charger and energy recovery scheme with DSP. Furthermore zero-voltage-switching(ZVS) capability of the adopted asymmetrical half-bridge topology enhances the power density of the charger. The energy recovery cell stores the negative pulse energy into DC bus capacitor temporarily to avoid unnecessary energy consumption in conventional schemes. This thesis is experimentally verified on 12V/7.5Ah nonspillable sealed-lead assembled batteries. According to experimental results, the charger can achieve the goal of rapid charge within 1 hour. Because of using the rapid charge algorithm, it can give different charging section depends on temperature and voltage of battery, and it can adjust the over-temperature and the over-voltage of battery to guarantee the battery be charged safely. In this thesis, a prototype module is implemented with mature protection condition. Some experiments are shown to verify the feasibility of the proposed scheme.

目錄

誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究背景與動機 1
1.3 論文架構 3
第二章 電池之種類與基本特性介紹 4
2.1 蓄電池介紹 4
2.1.1 鎳鎘電池(Nickel-Cadmium Battery,Ni-Cd) 4
2.1.2 鎳氫電池(Nickel-Metal Hydride Battery,Ni-MH) 5
2.1.3 鋰離子電池電池(Lithium-Ion Battery) 5
2.1.4 鉛酸電池(Lead-Acid Battery) 7
2.2 鉛酸二次電池的基本原理 7
2.2.1 鉛酸電池內部的結構 8
2.2.2 鉛酸電池的化學原理 9
2.2.3 鉛酸電池內部Cell的連接方式 9
2.3 鉛酸二次電池的特性 10
2.3.1 鉛酸電池的壽命診斷標準 11
2.3.2 溫度補償 14
2.3.3 安培小時規則 14
2.3.4 電池的容量 15
2.3.5 電池的應用 16
2.3.6 鉛酸電池的老化 17
第三章 電池快速充電管理策略 20
3.1 電池的管理 20
3.1.1 充電與放電速率 21
3.1.2 電池的充電 21
3.1.3 電池的鑑定 23
3.2 鉛酸電池常見的充電法則 24
3.2.1 定電流（CC）充電法 25
3.2.2 定電壓（CV）充電法 25
3.2.3 混和定電流/定電壓（CC/CV）充電法 26
3.2.4 脈衝（CP）充電法 27
3.3 快速充電法 28
3.3.1 REFLEX充電法 29
3.3.2 Podrazhansky充電法 33
3.3.3 Motorola充電法 42
3.3.4 本論文的快速充電法 44
第四章 快速充電器硬體架構設計 47
4.1 不對稱半橋直流轉換電路 48
4.1.1 不對稱半橋直流轉換單元 49
4.1.2 能量回送單元 56
4.1.3 實體電路設計 58
4.2 閘極驅動電路 64
4.3 訊號迴授控制電路 69
4.4 溫度感測電路 70
第五章 數位訊號處理器發展系統 72
5.1 數位訊號處理器的硬體資源 73
5.1.1 ADC模組 73
5.1.2 FIO模組 76
5.2 數位訊號處理器的發展環境 78
5.3 軟體控制程式設計流程 80
第六章 實驗結果 83
6.1 不對稱半橋直流轉換電路波形圖 85
6.2 閘極驅動電路波形圖 89
6.3 DSP FIO控制波形圖 91
6.4 實驗結果討論 93
第七章 結論 95
7.1 結論 95
7.2 未來展望 95
參考文獻 97

圖目錄

圖1-1 一般市面上充電器與殘電器架構 1
圖1-2 本論文所使用快速充電之架構 2
圖2-1 密封的鉛酸電池 7
圖2-2 浸在水?堛犒]酸電池 7
圖2-3 電池Cell的構造圖（放電狀態） 8
圖2-4 串聯連接的電池 10
圖2-5 並聯連接的電池 10
圖2-6 浮充模式下電壓補償曲線 14
圖2-7 電池容量與溫度的關係 15
圖2-8 電池壽命與溫度的關係 18
圖2-9 電池殘存電量與開路電壓的關係 19
圖3-1 定電流充電曲線圖 25
圖3-2 定電壓充電曲線 26
圖3-3 混和定電流/定電壓充電曲線 27
圖3-4 定電流脈衝充電曲線 28
圖3-5 REFLEX 充電的電池端電壓與充電電流 30
圖3-6 REFLEX 充電在電池端所量測到的電流 31
圖3-7 REFLEX 充電的電池端電壓與充電電流 32
圖3-8 快速電池充電器、放電器與調節器的電池端電壓與充電電流 35
圖3-9 充電、解凍與格式化電池的方法與裝置的電池端電壓與充電電流 38
圖3-10 充電過程的控制與終止的電池端電壓與充電電流 41
圖3-11 鋰離子電池快速充電的電池端電壓與充電電流 43
圖3-12 電池端電壓與充電電流 45
圖4-1 整體架構連接圖 48
圖4-2 快速充電器主電路圖 49
圖4-3 不對稱半橋直流轉換電路 50
圖4-4 控制脈波與工作時序圖 51
圖4-5 諧振暫態區波形圖 51
圖4-6 工作狀態Ⅰ( t0∼t1 ) 52
圖4-7 工作狀態Ⅱ ( t1∼t2 ) 53
圖4-8 工作狀態Ⅲ ( t2∼t3 ) 53
圖4-9 工作狀態Ⅳ (諧振暫態區) ( t3~t4 ) 54
圖4-10 工作狀態Ⅴ( t4~t5 ) 55
圖4-11 工作狀態Ⅵ（t5~t6） 55
圖4-12 工作狀態Ⅶ( t6~t7 ) 56
圖4-13 正脈衝充電週期殘留能量轉移至電池 56
圖4-14 負脈衝放電週期Q3 為導通時 57
圖4-15 負脈衝放電週期Q3 截止時 57
圖4-16 EE型變壓器結構 60
圖4-17 非對稱半橋之控制訊號 65
圖4-18 非對稱半橋之控制線路時序圖 66
圖4-19 閘極驅動電路電路圖 67
圖4-20 DSP FIO訊號與閘極驅動電路訊號邏輯圖 68
圖4-21訊號迴授控制電路 69
圖4-22訊號迴授控制子電路 69
圖4-23 AD22100內部構造示意圖 70
圖4-24 AD22100電路連接圖 71
圖5-1 ADSP-21990功能架構圖 72
圖5-2 Single-Ended Input Configuration for ADSP-2199x 74
圖5-3 ADC功能架構圖 74
圖5-4 data registers data format 75
圖5-5 simultaneous sample mode 75
圖5-6 FIO section1時序圖 76
圖5-7 FIO section2時序圖 77
圖5-8 FIO section3時序圖 77
圖5-9 FIO section4時序圖 77
圖5-10 VisualDSP++ 3.0操作畫面 78
圖5-11 充電程式流程圖 82
圖6-1 不對稱半橋直流轉換電路實體圖 83
圖6-2 閘極驅動電路實體圖 84
圖6-3 訊號迴授控制電路實體圖 84
圖6-4 ADSP-21990實體圖 84
圖6-5 變壓器一次側電壓VP 85
圖6-6 直流轉換電路之Vgs1Vds1 85
圖6-7 直流轉換電路之Vgs2Vds2 86
圖6-8 直流轉換電路section1之IPIN 87
圖6-9 直流轉換電路section2之IPIN 87
圖6-10 直流轉換電路section3之IPIN 88
圖6-11 直流轉換電路section4之IPIN 88
圖6-12 TL494(Pin8) CD4098(Pin6 & Pin9) 89
圖6-13 TL494(Pin8) CD4098(Pin6) CD4030(Pin3) 89
圖6-14 TL494(Pin8) CD4098(Pin9) CD4030(Pin10) 90
圖6-15 TL494(Pin8) CD4030(Pin3 & Pin10) 90
圖6-16 TL494(Pin8) IR2110 91
圖6-17 DSP FIO section1 91
圖6-18 DSP FIO section2 92
圖6-19 DSP FIO section3 92
圖6-20 DSP FIO section4 93
圖6-21 不對稱半橋閘極驅動訊號 93

表目錄

表2-1 二次電池的分類 5
表2-2 各種二次電池的比較 6
表2-3 電池容量與放電電流的關係 15
表3-1 各電池的電化學特性比較 24
表3-2 美國專利4,829,225 舉出四種電池型式在快速充電下的充放電參數 36
表3-3 美國專利5,307,000 以三種鉛酸電池為例在快速充電下的充放電參數 40
表3-4 美國專利5,694,023 舉出兩種鉛酸電池在快速充電下的充放電參數 42
表3-5 充電之限制範圍 44
表3-6 充放電參數 45
表5-1 constant.h檔的參數定義 80
表5-2中斷服務副程式的撰寫方式 81

[1] “Introduction to Batteries,” Hawker Energy Products Inc.
[2] “Electric Vehicle Application Handbook For Genesis Sealed-Lead Battery” – Fourth Edition, Hawker Energy Products Inc.
[3] “Genesis Application Manual” – Fifth Edition, Hawker Energy Products Inc.
[4] R. C. Cope and Y. Podrazhansky, “The Art of Battery Charging,” Battery Conference on Applications and Advances, pp. 12-15, Jan. 1999.
[5] W. B. Burkett, P. Palisades, and R. V. Jackson, “Rapid Charging of Batteries,” U.S. Patent 3,517,293, June 1970.
[6] W. B. Burkett, P. Palisades, and J. H. Bigbee III, “Rapid Charging of Batteries,”U. S. Patent 3,559,025, Jan. 1971.
[7] W. B. Burkett, P. Palisades, and J. H. Bigbee III, “Rapid Charging of Batteries,”U. S. Patent 3,597,673, Aug. 1971.
[8] W. B. Burkett, P. Palisades, and J. H. Bigbee III, “Termination of Battery Charging,” U. S. Patent 3,614,584, Oct. 1971.
[9] I. K. Sethi, “Control Circuitry for Termination of Rapid Battery Charging,” U. S. Patent 3,622,857, Nov. 1971.
[10] Y. Podrazhansky and P. W. Popp, “Rapid Battery Charger, Discharger and Conditioner,” U. S. Patent 4,829,225, May 1989.
[11] Y. Podrazhansky and B. Tsenter, “Control and Termination of a Ba ttery Charging Process,” U. S. Patent 5,694,023, Dec. 1997.
[12] L. J. Martin and S. M. Garrett, “Method of Rapidly Charging a Lithium Ion Cell,” U. S. Patent 5,481,174, Jan. 1996.
[13]http://www.medequipb2b.com/work/servlet/grn_productDes?supplier=19690&model=31858&industry=MH
[14] Feel-Soon Kang, Student Member, IEEE, Sung-Jun Park,Member, IEEE, and Cheul-U Kim, Member, IEEE “ZVZCS Single-Stage PFC AC-to-DC Half-Bridge Converter” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.49, NO. 1, FEBRUARY 2002 pp. 206-216.
[15] T. Ninomiya N. Matsumoto M. Nakahara and K. Harada“Static and Dynamic Analysis of Zero Voltage Switched Half Bridge Topology converter With PWM Control” PESC 1991
[16] O. Garcta J.A Cobos J. Uceda and J. Sebastian “Zero Voltage Switching in the PWM Half Bridge Topology with Complementary Control and Synchronous Rectification” PESC 1995 pp. 286~291.
[17] Huang-Jen Chiu, Member, IEEE, Ping-Rong Pan, Wei-Hao Yeh“A Novel Rapid Charger of Lead-Acid Batteries with Energy Recovery” IEEE APEC International conference 2003.
[18] Tobias.Toile，Thomas Duerbaum “Modelling of ZVS Transitions in Asymmetrical Half-Bridge PWM converter” IEEE 2001 pp.308-313.
[19] S.abedinpour, R. Liu＊G. Fasullo＊ and K. Shenai “Small Signal Analysis of a New Asymmetrical Half-Bridge DC-DC converter” IEEE 2000 pp. 843-847.
[20] Sergey Korotkov, Rais Miftakhutdinov, Alexey Nemchinov,Simon Fraidin “Asymmetrical Half-Bridge in a single stage AC/DC Converter” IEEE APEC 1997 PP.484-488.
[21] BHAG S. GURU HUSEYIN R.HIZIROGLU Electric Machinery and Transformers Third Edition.
[22] Lloyd H. Dixon TI-Unitrode Magnetics Design Handbook Unitrode Products from Texas Instruments.
[23] 謝沐田“高低頻變壓器設計”全華圖書出版社 1999 年。
[24] Analog Devices,“ADSP-21990 EZ-KIT LITE Evaluation System Manual”Data Sheet.
[25] Analog Devices,“ADSP-2199x Mixed Signal DSP Controller Hardware Reference”Data Sheet.
[26] Analog Devices,“ADSP-219x DSP Instruction Set Reference”Data Sheet.
[27] 葉家銘，“以DSP為控制單元之智慧型電源管理”，國立中山大學電機工程學系碩士論文，民國九十二年七月。
[28] 江炫樟，“電力電子學”，全華圖書出版社，2002 年。
[29] 梁適安，“交換式電源供給器之理論與實務設計”，全華圖書出版社，2001 年。
[30] 梁適安，“高頻交換式電源供應器原理與設計”，全華圖書出版社，2002 年。
[31] 張義和，“主流電腦輔助電路設計 : Protel 99 SE”，全華圖書出版社，2003 年。
[32] http://www.cpes.vt.edu/groups/dps/files/2002/04_02_02/AHBC.pdf