臺灣博碩士論文加值系統

此篇論文探討使用同步非反向升降壓電源轉換器運用於太陽能電源管系統的鋰電池充電模擬之穩定性分析。此系統可依照電壓源的不同，分為降壓、升壓或升降壓系統三種型式。電壓源的改變則是來自大氣條件的變化和飛機飛行時機翼所受光照的角度不同而有所不同。升降壓轉換器功能是用於太陽能電源管理系統用來處理經過最大功率追蹤後的電壓值。最後將電源轉換器連接鋰電池的電子電路模型，以鋰電池電路來當作此研究的負載，並使用建立於MATLAB環境下的PLECS這套電子電路模擬軟體來做鋰電池充電過程的分析與模擬。最後的目標是希望針對降壓、升壓和升降壓三種不同的電源轉換器型式去分別調整適合該型式下的控制器的參數，使其達到三個控制器去分別控制三個mode的目的，並將整個充電過程呈現出來。

This thesis presents the analysis and simulation of Li-ion battery charging process with a non-inverting synchronous buck-boost DC/DC power converter. The system can operate in buck, buck-boost or boost mode according to the condition of the supply voltage. The variation of the supply voltage arises from the rapid changes of the atmospheric conditions or sunlight incident angle. An equivalent circuit model for the Li-ion battery is used to derive the dynamical model of Li-ion battery charging with the buck-boost power converter. Stability controllers are designed to provide adequate stability margin for each individual operation mode. Simulation of the Li-ion battery charging process is performed using the OLECS circuit simulator.

目錄
目錄 i
表目錄 ii
圖目錄 iv
第一章、前言 1
第二章、同步升降壓轉換器 8
2.1 降壓模型 8
2.2 升壓模型 9
2.3 升降壓模型 10
第三章、動態方程式 12
3.1 降壓型式 12
3.2 升壓模式 22
3.3 升降壓模式 31
3.4 41
第四章、小擾動 43
4.1 降壓小擾動 44
4.2 升壓小擾動 48
4.3 升降壓小擾動 54
第五章、鋰電池充電流程模擬 60
5.1升降壓與鋰電池模型建立 60
5.2 補償器設計 68
5.2-1降壓Mode與Type III 補償器之探討 71
5.2-2升壓Mode與Type III 補償器之探討 76
5.2-3升降壓Mode與Type III 補償器之探討 81
5.2.4 三個補償器運用在充電模擬上 86
5.3 鋰電池充電過程模擬 91
第六章 、結論 96
參考文獻 98
附錄 100

表目錄
表1.1、鋰電池電子電路比較…………………………………………...6
表5.1、補償器增益值和極零點位置(補償器調整前)……………….72
表5.2、降壓型系統GM&PM (補償器調整前)………………………72
表5.3、降壓型Damping、Frequency(補償器調整前)……………….73
表5.4、降壓型增益值和極零點(補償器調整後)…………………….74
表5.5、降壓型系統GM&PM(補償器調整後)……..………………...74
表5.6、降壓型Damping、Frequency(補償器調整後)……………….75
表5.7、補償器增益值和極零點位置(補償器調整前)……………….77
表5.8、升壓型系統GM&PM(補償器調整前)……………………….77
表5.9、升壓型Damping、Frequency(補償器調整前)……………….78
表5.10、補償器增益值和極零點位置(補償器調整後)……………...79
表5.11、升壓型系統GM&PM(補償器調整後)……………………...79
表5.12、升壓型Damping、Frequency(補償器調整後)………………80
表5.13、補償器增益值和極零點位置(補償器調整前)……………...82
表5.14、升降壓型系統GM&PM(補償器調整前)…………………...82
表5.15、升降壓型Damping、Frequency(補償器調整前)…………...83
表5.16、補償器增益值和極零點位置(補償器調整後)……………...84
iv
表5.17、升降壓型系統GM&PM(補償器調整後)…………………...84
表5.18、升降壓型Damping、Frequency(補償器調整後)…………...85
v
圖目錄
圖1.1、太陽能管理系統架構圖…………………………………………2
圖1.2、Thevenin-Based Electrical Model……………………………….4
圖1.3、Impedance-Based Electrical Model………………………………5
圖1.4、Runtime-Based Electrical Model………………………………..5
圖1.5、鋰電池電子電路圖………………………………………………7
圖2.1、同步非反向升降壓功率轉換器………………………………..8
圖2.2、(a)降壓型電感充電(b)降壓型電感放電………………….....9
圖2.3、(a)升壓型電感充電(b)升壓型電感放電…………………….10
圖2.4、(a)升降壓型電感充電(b)升降壓型電感放電……………….11
圖3.1、降壓型電感充放電示意............................................................12
圖3.2、Buck mode during inductor charging state…………………….13
圖3.3、Buck mode during inductor discharging state…………………17
圖3.4、升降壓型電感充放電示意圖…………………………………22
圖3.5、Boost mode during inductor charging state…………………....22
圖3.6、Boost mode during inductor discharging state………………...26
圖3.7、升降壓型電感充放電示意圖…………………………………31
圖3.8、Buck-boost mode during inductor charging state……………...31
vi
圖3.9、Buck-boost mode during inductor discharging state…………...36
圖3.10、System block diagram for Li-ion battery charging……………41
圖3.11 鋰電池充電電壓、電流與時間關係…………………………41
圖3.12、OCv與電池電容量之間的關係圖…………………………....42
圖5.1、模擬流程架構…………………………………………………60
圖5.2、PLECS上的模擬架構圖……………………………………...61
圖5.3、升降壓邏輯判斷………………………………………………62
圖5.4、升降壓電路與鋰電池電路……………………………………63
圖5.5、Type III補償器電子電路……………………………………..64
圖5.6、Duty ratio update………………………………………………65
圖5.7、整體系統透視圖………………………………………………67
圖5.8、Type 補償器…………………………………………………..68
圖5.9、三個補償器系統的透視圖……………………………………70
圖5.10、三個補償器的系統架構圖…………………………………..86
圖5.11、三個補償器分別控制三個Mode……………………………87
圖5.12、半個Cycle的sin波電壓訊號………………………………88
圖5.13、單一補償器與三顆補償器運用於定電壓之端電壓變化…...90
圖5.14、單一補償器與三顆補償器運用於定電壓之充電電流變化..90
圖5.15、單一補償器與三顆補償器運用於定電流之端電壓變化…..91
vii
圖5.16、單一補償器與三個補償器運用於定電流之充電電流變化...91
圖5.17、降壓Mode之下四個GATE的運作情形…………………...92
圖5.18、升壓Mode之下四個GATE的運作情形…………………...93
圖5.19、升降壓Mode之下四個GATE的運作情形………………...94
圖5.20、不同電壓值對應之Gain Margin……………………………95
圖5.21、不同電壓值對應之Phase Margin…………………………...95
圖5.22、鋰電池充電過程模擬………………………………………..96

[1] 楊秉穎.太陽能電力電源管理系統測試環境建立與系統驗證,淡江大學碩士論文,民國96年

[2] 鄭淳仁,太陽能電源管理系統非反向升降壓轉換器之穩定性分析,淡江大學碩士論文,民國97年

[3] D.W. Dennis,V. S. Battaglia, andA.Belanger, “Electrochemical modeling of lithium polymer batteries,” J. Power Source, vol. 110, no. 2, pp. 310–320, Aug. 2002.

[4] J. Newman, K. E. Thomas, H. Hafezi, and D. R. Wheeler, “Modeling of lithium-ion batteries,” J. Power Sources, vol. 119–121, pp. 838–843, Jun.2003.

[5] M. Pedram and Q. Wu, “Design considerations for battery-powered electronics,”
in Proc. 1999 Des. Autom. Conf., pp. 861–866.

[6] Min Chen, Gabriel A. Rinc´on-Mora.,“Accurate Electrical Battery Model Capable of Predicting Runtime and I–V Performance”, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 21, NO. 2, JUNE 2006.

[7] Michael Knauff, Jeffrey McLaughlin, Dr. Chris Dafis,Dr. Dagmar Niebur, Dr. Pritpal Singh , Dr. Harry Kwatny, and Dr. Chika Nwankpa,“Simulink Model of a Lithium-Ion Battery for the Hybrid Power System Testbed”.

[8] Lijun Gao, Shengyi Liu, Roger A. Dougal,“Dynamic Lithium-Ion Battery Model
for System Simulation”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 25, NO. 3, SEPTEMBER 2002.

[9] Valerie H. Johnson,Ahmad A. Pesaran, “Temperature-Dependent Battery Models for High-Power Lithium-Ion Batteries”, National Renewable Energy Laboratory
1617 Cole Boulevard Golden, Colorado 80401.

[10] O. Erdinc, B. Vural and M. Uzunoglu,“A dynamic lithium-ion battery model
considering the effects of temperature and capacity fading”, IEEE,P383-386, June 2009.

[11] H. L. Chan and D. Sutanto, “A new battery model for use with battery energy storage systems and electric vehicles power systems”, in Proc. IEEE PES Winter Meeting, vol. 1, Jan. 23–27, 2000, pp.470–475.

[12] P. Rong andM. Pedram, “An analytical model for predicting the remaining battery capacity of lithium-ion batteries,” in Proc. Design, Automation,and Test in Europe Conf. and Exhibition, 2003, pp. 1148–1149.

[13] 江炫樟編譯，電力電子學，全華科技圖書，民國92年。

[14] Muhammad H. Rashid,“Power Electronics-circuits, devices, and applications,＂Prentice-Hall, Inc., 2nd Ed., 1993.

[15] 張英彬，電力電子學，高利圖書有限公司，民國90年。

[16] H. L. Chan and D. Sutanto, “A new battery model for use with battery energy storage systems and electric vehicles power systems,” in Proc. IEEE