臺灣博碩士論文加值系統

近年來，隨著全球的氣候極端變化及能源損耗的議題，各國對二氧化碳的排放標準提出更嚴格的要求與限制，因此如何發展高效能的環保動力電池，成為各大汽車廠家重要的研究議題。汽車發動機的起停系統，是近年來發展最快速的環保技術。由於發動機起停功能要求蓄電池頻繁地進行放電啟動，因此對蓄電池的充放電效率和次數都有更高的要求，傳統的鉛酸蓄電池無法適應這種頻繁的充放電工作狀況，將使電池壽命大幅縮短。因此，本文首先開發一款動力汽車起停專用電池，選用2種不同特性之碳材，添加在鉛酸電池的負極活性物質中，並以不同比率混合製成電池。透過對小型試作電池樣品的各種測試分析比較，找出最適合之負極活性物質添加方式及條件。同時開發電池正極配方及製程技術，將4BS活性物質晶體縮小至適當粒徑及增加晶體比率，使化學反應面積加大、堅固結構晶體增多。透過熟成後與化成後對電池正極板活性物質外觀、晶相、成分分析確認，再經由最佳條件小型試作經驗，開發出具高功率、高充電接收性、高冷啟動電流與長起停循環能力之起停汽車專用鉛酸蓄電池。試作電池樣品經電性測試及起停循環測試實驗，結果顯示小型試作電池樣品的充電接收性、冷啟動電流、高率放電特性及C20能量密度等項目，都能符合預期的性能目標。本研究擷取上述鉛酸電池高穩定電流輸出，鋰鐵電池高放電功率與超級電容高充放電效率等特性，發展出動力用高效能複合電池，在成本限縮範圍內，大幅提升電池性能，讓產品經濟效益能達到最大化。

電池管理系統是動力汽車中不可缺少的裝置，在國內外快速發展。它能完成電池的電壓、溫度、充放電電流及SOC的即時監測，其中SOC估測是BMS最重要的功能。本研究採用一階RC等效電路模型建立電池的模型，以庫侖計算法和平衡開路電壓脈衝放電的量測，來估算電池等效電路模型的參數。並以SOC作為狀態變數建立電池模型的狀態方程式，以此狀態方程式進行卡爾曼濾波器的狀態估測，完成BMS管理系統最核心重要的SOC估測工作。最後，本文以電動推高機進行複合電池性能的測試實驗，電動堆高機在工場區搬運1057Kg的鉛條原物料，進行起停行駛的實機測試。實驗結果顯示，本文所提動力用複合電池及其電池管理系統確實具有可行性及優越性能。

In recent years, as the issues such as weather extremes, climate change and energy consumption come out, many country intend to set stricter requisitions and limits on carbon dioxide emissions. Therefore, how to develop high-performance ecological power batteries has become the most essential topic for each automotive enterprise. The start/stop system of automotive engine is the emerging ecological technology during these times. Due to the fact that the start/stop system of automotive engine requires the storage battery to have frequent electrical discharges, we need to set higher standards of charge/discharge efficiency and number of times for storage batteries. The traditional lead-acid battery is unable to realize this frequent charge/discharge function, which absolutely shortens the life of battery. For this reason, in this study, we will develop an automotive special-purpose battery for start/stop system. Two different carbon materials are used to add in the negative-electrode active substances of lead-acid battery with various ratios in order to fabricate the batteries. We will find out the most suitable way and condition to add negative-electrode active substances by analysing as well as comparing different test results of battery samples for small-scale trial. In the meantime, we will develop the formula and manufacturing technology of positive plates to reduce the 4BS crystals to an appropriate particle diameter and to increase the ratio of crystal at the same time. In this way, the chemical reaction area can become wider, and the robust-structure crystals can be increased. After the ripeness and transformation, we will analyse and confirm the appearance, crystalline phase, and components of battery positive plates’ active substances, as well as conduct small-scale trials in the best circumstances to develop an automobile special-purpose battery for start/stop system with high power, high-charging performance, high cold cranking amperes, and long-term start/stop cycling. After the battery sample trial, such as electrical tests and start/stop flow tests, the result shows that the test items, including charging performance, cold cranking amperes, high rate discharge and C20 energy density, of battery samples for small-scale trial all meet the expected performance. In this study, we capture the high stability of electrical discharge of above-mentioned lead-acid batteries, and the high electrical discharging power and high charging/discharging performance, ultracapacitors, high charging/discharging performance and other functions of lithium iron oxide battery to develop an automobile composite battery with high performance. With the restricted costs, we increased massively the functions of battery and optimised the economic benefits of the product.

The battery management system (BMS) is essential to automobiles. It has developed extremely rapidly in Taiwan and all around the world. This system can conduct real-time monitoring on the electric pressure, temperature, charging/discharging currents and the state of charge (SOC). Especially, the SOC evaluation is the most important function for the BMS. In this study, we adopt the first-class RC circuit model to build a battery model. The Coulomb-counting algorithm and the evaluation of balanced open circuit voltage and impulsive discharge are used to assess the parameters of battery circuit model. The SOC is considered as the state variable to build the state equation of battery model as well, and the Kalman filter is used to accomplish the state estimation and the most important SOC evaluation task in the BMS. The last but not the least, the fork lift truck is used to conduct the composite battery performance trial in this study. The machine carries the lead bars with 1,057 kg in the construction site, and the start/stop system of this machine is analysed during the trial. The result shows that the automobile composite battery and the BMS that mentioned in this study are indeed very feasible and with excellent performance.

目 錄
摘 要…………………………………………………………………………………………...I
Abstract…………………………………………………………………..……………..…….II
誌謝…………………………………………………………………………………….…….III
目 錄………………………………………………………………………………………..IV
圖目錄…………………………………………………………………………………………V
表目錄………………………………………………………………………………………..VI
第一章 緒論……………………………………………………………………………...……1
1.1研究背景……………………………………………………………………..…...1
1.2研究動機……………………………………………………………………..…...2
1.3研究章節內容………………………………………………………………..…...3

第二章 動力起停專用電池的開發………………………………………………… …..…....4
2.1動力起停專用蓄電池的發展與性能需求…………………………………..…...4
2.2動力起停專用蓄電池的設計與開發………………………………………...…..5
2.3動力起停專用蓄電池的電性及起停循環測試………………………………...35

第三章 動力用複合式電池技術發展………………………………………………….…....41
3.1鉛酸電池發展…………………………………………………………………...41
3.2鋰電池發展……………………………………………………………...............42
3.3超級電容發展…………………………………………………………………...43
3.4動力用複合式電池技術發展…………………………………………………...43

第四章 複合式電池模型建立與參數量測………………………………………….………45
4.1常見電池等效電路模型簡介…………………………………………………...45
4.2一階RC電池等效電路模型參數量測………………………………………....46
4.3電池Vocv 與SOC特性曲線…………………………………………………..49
4.4卡爾曼濾波器的 SOC狀態估測技術…………………………………….…....52
4.5 SOH電池健康狀態估測技術…………………………………………………..55

第五章 電池管理系統測試平台的硬體設計………………………………………….…....57
5.1系統架構………………………………………………………………………...57
5.2主控制器………………………………………………………………………...57
5.3系統電源………………………………………………………………………...58
5.4電壓信號量測電路……………………………………………………………...58
5.5電流信號量測電路……………………………………………………………...59
5.6溫度信號量測電路……………………………………………………………...59
5.7電池平衡保護電路……………………………………………………………...60

第六章 電池管理系統測試平台的軟體設計………………………………….……………62
6.1系統架構………………………………………………………………………...62
6.2數據量測模組…………………………………………………………………...63
6.3卡爾曼濾波器的 SOC狀態估測器設計……………………………................64
6.4 SOH電池健康狀態估測器設計………………………………………………..65
6.5雲端監控顯示模組設計………………………………………………………...66

第七章 模擬與實驗結果……………………………………………………….……………68
7.1實驗設備簡介…………………………………………………………………...68
7.2模擬實驗結果…………………………………………………………………...68
7.3雲端監控系統設計實驗結果…………………………………………………...71
7.4電動推高機進行複合電池性能實測結果……………………………………...71

第八章 結論…………………………………………………………………….……………75
參考文獻……………………………………………………………………….……………..76

圖目錄

圖 1.1 複合電池模組結構優化示意圖…………………..................................................2
圖 1.2 動力用複合電池之開發及其電池管理系統全文架構..........................................3
圖 2.1 樣品(A) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果…………6
圖 2.2 樣品(B) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果………8
圖 2.3 樣品(C) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果……….9
圖 2.4 樣品(D) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果…….......11
圖 2.5 樣品(E) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果….......12
圖 2.6 樣品(A) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果…….....14
圖 2.7 樣品(A) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果……......15
圖 2.8 樣品(C) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果………...17
圖 2.9 樣品(D) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果……..18
圖 2.10 樣品(E) 的 SEM觀察、EDS碳元素Mapping及XRD晶相分析結果…..…20
圖 2.11 樣品(C) 負極板熟成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果…........21
圖 2.12 最佳化樣品(C)負極板熟成後活性物質的XRD繞射圖與晶相分析結果….....23
圖 2.13 樣品(C) 負極板熟成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果…........24
圖 2.14 最佳化樣品(C) 負極板熟成後活性物質的XRD繞射圖與晶相分析結果.......25
圖 2.15 正極板熟成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果………………...27
圖 2.16 正極板熟成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果………………...28
圖 2.17 正極板熟成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果……...................30
圖 2.18 正極板化成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果……...………....31
圖 2.19 正極板化成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果………...............33
圖 2.20 正極板化成後活性物質的SEM、EDS及XRD晶相分析結果………………...34
圖 2.21 電性測試使用設備…………………………………………….……...................35
圖 2.22 蓄電池的正極格子體外觀…………………………………………....................38
圖 3.1 鉛酸電池外觀……………………………………………………........................42
圖 3.2 4串2並磷酸鋰鐵電池組外觀……………………………………….................43
圖 3.3 5串超級電容組外觀……………………………………………………...……..43
圖 3.4 動力用複合電池之開發及其電池管理系統架構………………………….…...44
圖 4.1 簡單電池模型等效電路……………………………………………………........45
圖 4.2 戴維寧等效電路模型…………………………………………………….…….. 45
圖 4.3 一階RC電路等效模型………………………………………………………….46
圖 4.4 二階RC等效模型……………………………………………………………….46
圖 4.5 電池脈衝放電響應圖……………………………………………………….…...47
圖 4.6 脈衝放電電池端電壓量測波形圖………………………………………….…...48
圖 4.7 電池平衡開路電壓Vocv與SOC相對的特性曲線圖…………………………51
圖 4.8 以一階線性方程式描述Vocv與SOC的特性曲線……………………………..51
圖 4.9 擴展型卡曼濾波器估測架構方塊圖…………………………………………....53
圖 4.10 擴展型卡曼濾波器之運算時間示意圖………………………………………....55
圖 4.11 擴展型卡曼濾波狀態估測遞迴運算示意圖…………………………………....55
圖 5.1 動力用複合電池之開發及其電池管理系統架構圖…………………………....57
圖 5.2 電池管理系統的硬體電路板……………………………….……………….…..58
圖 5.3 電壓信號感測模組………………………………….…………………………...59
圖 5.4 分流器外觀與信號放大模組................................................................................59
圖 5.5 DS18B20溫度感測模組腳位外觀.......................................................................60
圖 5.6 電容式主動電池平衡電路原理…………………………………………….…...61
圖 5.7 電容式主動電池平衡電路架構圖……………………………………….……...62
圖 5.8 四串鋰電池組主動電池平衡電路模…………………………………….….......62
圖 6.1 BMS系統軟體控制流程圖……………………………………………….……..63
圖 6.2 數據量測模組程式流程圖……………………………………………….……...64
圖 6.3 以卡曼濾波器估測SOC程式流程圖……………………………………….…..65
圖 6.4 SOH程式設計流程圖……………………………………………………….…..66
圖 6.5 Node-RED 的流程化程式設計操作式窗………………………………….…...67
圖 6.6 利用Node-RED流程完成之dashboard儀表板的監控畫面…………….…….67
圖 7.1 複合式電池充放電效能量測實驗設備與波形圖…………………………........68
圖 7.2 卡爾曼濾波器 Simulink模擬方塊圖…………………………………………..69
圖 7.3 卡曼濾波器估測SOC相關模擬波形…………………………………….……..70
圖 7.4 雲端網路顯示數據資料………………………………………………………....71
圖 7.5 以電動推高機實際進行複合電池性能的測試實驗………………………....…72
圖 7.6 電動推高機內部複合蓄電池組的照片……………………………………....…72
圖 7.7 電動推高機啟動時複合電池的啟動電流與電壓波形圖…………………........73
圖 7.8 四種不同組合蓄電池的啟動運轉性能測試電壓、電流響應波形圖…….…...74

表目錄

表 2.1 添加在鉛酸電池負極的活性物質之碳材比率……………………..…...……….5
表 2.2 樣品(A) XRD晶相成分分析一覽表……………………….……..………..…….7
表 2.3 樣品(B) XRD晶相成分分析一覽表………………………….…………...……..8
表 2.4 樣品(C) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………………10
表 2.5 樣品(D) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………………11
表 2.6 樣品(E) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………….……13
表 2.7 樣品(A) XRD晶相成分分析一覽表…………………………………….……...14
表 2.8 樣品(A) XRD晶相成分分析一覽表…………………………………………....16
表 2.9 樣品(C) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………………17
表 2.10 樣品(D) XRD晶相成分分析一覽表…………………………………………....19
表 2.11 樣品(E) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………………20
表 2.12 樣品(E) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………………22
表 2.13 樣品(E) XRD晶相成分分析一覽表……………………………………………24
表 2.14 樣品(E) XRD晶相成分分析一覽表………………………………………….…27
表 2.15 正極板熟成後 XRD晶相成分分析一覽表……………………………………29
表 2.16 正極板熟成後 XRD晶相成分分析一覽表……………………………………30
表 2.17 正極板化成後 XRD晶相成分分析一覽表……………………………………32
表 2.18 正極板化成後 XRD晶相成分分析一覽表……………………………………33
表 2.19 正極板化成後 XRD晶相成分分析一覽表……………………………………35
表 2.20 電性測試實驗結果………………………………………………………………36
表 2.21 最佳條件樣品(C)試作測試實驗結果…………………………………………..36
表 2.22 最佳適量產條件試作測試實驗結果…………………………………………....37
表 4.1 脈衝放電電池端電壓量測數據…………………………………………….…...48
表 4.2 電池等效電路模型參數估算表………………………………………….……...49

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