臺灣博碩士論文加值系統

本論文之主要目的為完成「鋰鐵電池管理系統」之研製，此系統包含單元電池電壓量測、電池組電壓/電流/溫度量測、電池組保護、電池組殘餘電量估測、電池組充電等化以及透過CAN通訊與Visual Basic人機介面的電腦監控等功能。本研究所研製的系統能隨時掌握電池組狀態，並且透過電腦監控介面，完整監控電池組之電壓、電流與溫度，在充/放電過程中，系統亦能估測目前電池組殘餘電量以供參考，另外，在充電過程中，系統能對電池組中單元電池進行充電等化。最後，本論文實際研製一套鋰鐵電池管理系統，來對電池組進行充/放電管理，以驗證此系統具有能將電池組充電等化及電腦監控之功能，並且透過電池組充/放電實驗，來驗證本系統所設計之電池組保護策略及殘餘電量估測是否適用。

The research aims to build up a Lithium-Iron Battery Management System. The system consists of single cell voltage measurement, battery pack voltage/current/temperature measurements, battery pack protection, State of Charge (SOC) calculation, battery charging equalization, and communicates with PC base Visual Basic human interface via CAN protocol. The human interface monitors the system’s voltage, current and temperature in all states. In addition, the system is able to dynamically calculate the State of charge while charging and discharging and to equalize the cells with over voltage situation when charging. Finally, the system was demonstrated to be capable of performing above design functions and the results are shown in the thesis.

書名頁…………………………………………………………………Ⅰ
論文口試委員審定書…………………………………………………Ⅱ
中文摘要………………………………………………………………Ⅲ
英文摘要………………………………………………………………Ⅳ
誌 謝………………………………………………………………Ⅴ
目 錄………………………………………………………………Ⅵ
圖 目 錄………………………………………………………………X
表 目 錄………………………………………………………………XIV
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1前言…………………………………………………………………1
1.2文獻回顧……………………………………………………………4
1.2.1電池模型相關文獻之探討………………………………………4
1.2.2電池殘餘電量(SOC)相關文獻之探討…………………………5
1.2.3電池健康狀態(SOH)相關文獻之探討…………………………8
1.2.4電池等化技術相關文獻之探討…………………………………9
1.2.5電池保護系統相關文獻之探討…………………………………11
1.3研究動機與目的……………………………………………………12
1.4研究步驟……………………………………………………………13
1.5論文架構……………………………………………………………15
第二章 二次電池類型介紹……………………………………………17
2.1二次電池定義………………………………………………………17
2.2影響電池可輸出電容量的因素……………………………………20
2.2.1放電電流…………………………………………………………21
2.2.2環境溫度…………………………………………………………22
2.2.3電池老化…………………………………………………………22
2.2.4自放電率…………………………………………………………23
2.3電池殘餘電量估測方法……………………………………………23
2.3.1比重法……………………………………………………………24
2.3.2開路電壓法………………………………………………………24
2.3.3加載電壓法（閉迴路電壓法）…………………………………25
2.3.4查表法……………………………………………………………25
2.3.5安培小時法………………………………………………………25
第三章 測試方法與設備………………………………………………28
3.1測試設備……………………………………………………………28
3.2鋰鐵單元電池性能測試……………………………………………35
3.3電池管理系統與鋰鐵電池組功能驗證……………………………36
3.4鋰鐵電池組性能測試………………………………………………37
第四章 電池管理系統發展與實現……………………………………39
4.1電池保護技術介紹…………………………………………………39
4.1.1電池管理技術……………………………………………………39
4.1.2電池等化技術……………………………………………………44
4.2電池管理系統控制器之實現………………………………………52
4.2.1電池管理系統控制器硬體電路…………………………………54
4.2.2電池管理系統控制器軟體設計…………………………………61
4.2.3電池管理系統控制策略…………………………………………74
第五章 實驗與驗證結果………………………………………………81
5.1鋰鐵單元電池性能測試……………………………………………81
5.1.1鋰鐵單元電池電壓與內阻量測…………………………………81
5.1.2鋰鐵單元電池容量確認測試……………………………………82
5.1.3鋰鐵單元電池充電測試…………………………………………83
5.1.4鋰鐵單元電池放電測試…………………………………………84
5.1.5鋰鐵單元電池OCV測試…………………………………………86
5.2電池管理系統搭載於鋰鐵電池組功能驗證………………………88
5.3鋰鐵電池組性能測試………………………………………………90
第六章 結論……………………………………………………………96
6.1結論…………………………………………………………………96
6.2未來研究方向………………………………………………………98
參 考 文 獻……………………………………………………………100

圖 目 錄
圖3.1 昇陽單電池外觀………………………………………………30
圖3.2 昇陽單電池實體圖……………………………………………30
圖3.3 16串鋰鐵電池組（上視圖）…………………………………30
圖3.4 16串鋰鐵電池組（左側視圖）………………………………31
圖3.5 16串鋰鐵電池組（右側視圖）………………………………31
圖3.6 電池管理系統…………………………………………………32
圖3.7 Bitrode LCN1 100-48………………………………………33
圖3.8 HIOKI 3560 AC mΩ HiTESTE…………………………………34
圖3.9 恆溫恆濕測試櫃外觀…………………………………………35
圖3.10 鋰鐵單元電池性能測試流程………………………………36
圖3.11 監控程式介面………………………………………………37
圖3.12 鋰鐵電池組性能測試示意圖………………………………38
圖4.1 消耗型電路等化電路…………………………………………45
圖4.2 升壓型轉換器電池等化器電路………………………………46
圖4.3 切換電容式電池等化電路……………………………………47
圖4.4 雙向直流轉換器電池等化電路………………………………49
圖4.5 集中式變壓器電池等化電路…………………………………50
圖4.6 電池組系統圖…………………………………………………53
圖4.7 電池管理系統架構圖…………………………………………53
圖4.8 電源供應單元電路……………………………………………54
圖4.9 微控制器單元電路圖…………………………………………55
圖4.10 電源控制單元電路…………………………………………56
圖4.11 單電池電壓量測電路圖……………………………………57
圖4.12 電池組電壓量測電路………………………………………57
圖4.13 電池組電流量測電路………………………………………58
圖4.14 電池組溫度量測電路………………………………………59
圖4.15 單電池等化電路……………………………………………59
圖4.16 CAN通訊電路………………………………………………60
圖4.17 RS-232通訊電路……………………………………………61
圖4.18 皮爾茲晶振電路（XCLKS=1）………………………………62
圖4.19 時鐘合成暫存器（SYNR）…………………………………62
圖4.20 時鐘分頻暫存器（REFDV）…………………………………62
圖4.21 9S12 ATD模組圖……………………………………………63
圖4.22 PIM模組圖……………………………………………………68
圖4.23 CAN Clock source……………………………………………72
圖4.24 Segments within the Bit Time……………………………73
圖4.25 CAN Message Buffer Organization………………………73
圖4.26 單元電池電壓保護條…………………………………………75
圖4.27 電池組溫度保護條件…………………………………………76
圖4.28 電池組電流保護條件…………………………………………76
圖4.29 開機模式流程圖………………………………………………77
圖4.30 操作模式流程圖………………………………………………78
圖4.31 保護模式流程圖………………………………………………80
圖5.1 鋰鐵單元電池OCV曲線(室溫) ………………………………86
圖5.2 鋰鐵單元電池OCV曲線圖(5℃) ………………………………87
圖5.3 鋰鐵單元電池OCV曲線圖(40℃) ……………………………87
圖5.4 鋰鐵電池組10A(1C)充電電壓曲線……………………………91
圖5.5 鋰鐵電池組10A(1C)充電SOC曲線……………………………91
圖5.6 鋰鐵電池組10A(1C)充電單元電池電壓曲線…………………92
圖5.7 鋰鐵電池組10A(1C)放電電壓曲線……………………………92
圖5.8 鋰鐵電池組10A(1C)放電SOC曲線……………………………93
圖5.9 鋰鐵電池組10A(1C)放電單元電池電壓曲線…………………93
圖5.10 鋰鐵電池組20A(2C)放電電壓曲線……………………………94
圖5.11 鋰鐵電池組20A(2C)放電SOC曲線……………………………94
圖5.12 鋰鐵電池組20A(2C)放電單元電池電壓曲線…………………95

表 目 錄
表2-1 二次電池基本種類……………………………………………17
表2-2 電池特性………………………………………………………18
表2-3 電池常用技術用語……………………………………………19
表2-4 電池殘餘電量估測方法比較表………………………………27
表3-1 鋰鐵電池規格…………………………………………………29
表3-2 LCN1 100-48規格………………………………………………33
表4-1 消耗型電池等化優缺點比較…………………………………45
表4-2 升壓型轉換器電池等化優缺點比較…………………………47
表4-3 切換電容式電池等化優缺點比較……………………………48
表4-4 雙向直流轉換器電池等化優缺點比較………………………49
表4-5 集中式變壓器電池等化優缺點比較…………………………50
表4.6 CAN Port對映接腳……………………………………………69
表4.7 CAN0暫存器填入(1) …………………………………………70
表4.8 CAN0暫存器填入(2) …………………………………………71
表4.9 CAN0暫存器讀取………………………………………………71
表5.1 鋰鐵單元電池電壓與內阻……………………………………82
表5.2 鋰鐵單元電池容量測試………………………………………82
表5.3 鋰鐵單元電池充電測試(室溫) ………………………………83
表5.4 鋰鐵單元電池充電測試(5℃) ………………………………84
表5.5 鋰鐵單元電池充電測試(40℃) ………………………………84
表5.6 鋰鐵單元電池放電測試(室溫) ………………………………85
表5.7 鋰鐵單元電池放電測試(5℃) ………………………………85
表5.8 鋰鐵單元電池放電測試(40℃) ………………………………85
表5.9 單元電池電壓量測……………………………………………88
表5.10 電池組電壓量測………………………………………………88
表5.11 電池組電流量測………………………………………………89
表5.12 電池組溫度量測………………………………………………89
表5.13 鋰鐵電池組性能測試…………………………………………90

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