本研究係以嵌入式系統建構電動車電池管理系統。在傳統電動車電池系統架構中，常因電池間的特性差異產生不均勻充放電，導致整體效率不佳與電池模組壽命降低等問題。本研究之架構可針對單一電池進行電源管理，監控每顆電池都操作在正常工作電壓範圍內，若單一電池發生故障也能迅速觸發排除故障機制，只隔離故障電池，正常電池依舊可進行供電，除了能提高電池模組的供電效率，也能延長電池的使用壽命。
本研究採用以ARM-TDMI-S為核心的Philips LPC2119 晶片開發板，搭配電流感測器、繼電器、交換式電源轉換器等電路與磷酸鋰鐵電池來設計硬體系統，並運用嵌入式系統完成電動車電池管理系統。在電池殘餘電量判斷方面，使用開路電壓法估算電池電量，並設定電池的安全操作電壓範圍。根據不同的串聯電池總電壓，改變交換式電源轉換器之PWM訊號，自動調整出負載所需之輸出電源。
關鍵字：嵌入式系統、磷酸鋰鐵電池、電池殘餘電量

This research applies embedded system to design battery management system for electric vehicle use. The different feature of batteries causing the unbalance charge and discharge in the battery structure of traditional electric vehicle, result in decreasing of efficiency and life cycle. Architecture of my dissertation focus on management process for each battery, we monitor each battery under normal voltage range. If one of battery set become abnormal, we’ll isolate it quickly and allow normal battery set to discharge except for the abnormal battery. Above all action will enhance the battery discharging efficiency and life cycle.
Our study implement ARM-TDMI-S (Philips LPC2119) to battery management system with Hall Unit, Relay, Switching Power Converter and LiFePO4 Lithium battery. The battery residual capacity measuring methodology using the Open Circuit Voltage to configure the safety voltage range of battery. According to the output voltage of different serial battery set, we can change PWM signal to Switch Power Converter. Finally, our study can automatically apply demanding output power of load.


Keyword : Embedded System , LiFePO4, Battery Residual Capacity

摘要.......................I
Abstract..................II
謝誌.....................III
目錄.....................IV
表目錄....................VI
圖目錄...................VII
第一章 緒論................1
1.1 研究背景...............1
1.2 研究動機與目的.........2
1.3 論文架構...............3
第二章 電池管理系統簡介....5
2.1 電動車供電系統架構.....5
2.2 鋰電池介紹.............7
2.3 串聯電池供電控制......10
2.4 並聯電池供電控制......12
2.5 放電深度理論..........14
2.6 嵌入式系統簡介........15
第三章 系統架構之研製.....19
3.1 串聯系統架構..........20
3.2 電池訊號量測..........22
3.3 電池開關設計..........24
3.4 昇壓式轉換器設計......27
3.5 並聯供電控制..........33
第四章 模擬與測試.........37
4.1系統實驗設備介紹.......37
4.2串聯電池模組供電測試...38
4.3並聯電池模組供電測試...44
4.4故障電池排除機制測試...49
第五章 結論...............58
5.1結論...................58
5.2建議...................59
參考文獻..................61

表目錄
表2-1各類鋰電池之特性.....................8
表2-2不同放電深度下預估鋰電池壽命測試....15
表4-1磷酸鋰鐵電池規格....................37
表4-2壞掉電池電壓特性....................50
表4-3故障電池數量與轉換效率之關係表......57
圖目錄
圖2-1電動車電池供電系統示意圖...................6
圖2-2常見二次電池分類表..........................7
圖2-3電池於各電流下之放電曲線圖.................10
圖2-4循環壽命與可充容量之關係...................10
圖2-5串聯電池異常示意圖.........................11
圖2-6串聯電池模組系統架構.......................12
圖2-7並聯電池異常示意圖.........................13
圖2-8並聯電池模組系統架構.......................14
圖3-1電池模組管理系統架構.......................19
圖3-2串聯模組系統架構...........................20
圖3-3串聯電池模組系統方塊圖.....................21
圖3-4光耦合電路.................................22
圖3-5電池輸入電壓與光耦合器輸出電壓之關係.......23
圖3-6四組光耦合器轉換比較.......................24
圖3-7繼電器腳位圖...............................25
圖3-8開關設計圖.................................26
圖3-9繼電器驅動電路.............................26
圖3-10理想昇壓式轉換器之架構....................27
圖3-11昇壓式轉換器各工作模式之等效電路..........28
圖3-12昇壓式轉換器各工作模式之理論波形..........29
圖3-13電壓回授法系統方塊圖.....................33
圖3-14並聯供電架構.............................34
圖3-15並聯供電週期示意圖.......................35
圖3-16並聯供電動態週期示意圖...................36
圖4-1串聯電池模組實體圖.........................37
圖4-2水泥電阻負載板.............................38
圖4-3(a) 負載電流0.84A之各電池電壓變化..........40
圖4-3(b) 負載電流0.84A之轉換器輸入輸出電壓......40
圖4-4(a) 負載電流1.48A之各電池電壓變化..........41
圖4-4(b) 負載電流1.48A之轉換器輸入輸出電壓......41
圖4-5(a) 負載電流1.9A之各電池電壓變化...........42
圖4-5(b) 負載電流1.9A之轉換器輸入輸出電壓.......42
圖4-6 不同負載電流下之電池電壓變化比較..........43
圖4-7(a) 串聯模組1間歇供電電壓變化(0.84A).......45
圖4-7(b) 串聯模組2間歇供電電壓變化(0.84A).......45
圖4-7(c) 串聯模組3間歇供電電壓變化(0.84A).......45
圖4-7(d) 間歇供電負載端電壓變化(0.84A)..........46
圖4-8(a) 串聯模組1間歇供電電壓變化(1.48A).......46
圖4-8(b) 串聯模組2間歇供電電壓變化(1.48A).......46
圖4-8(c) 串聯模組3間歇供電電壓變化(1.48A).......47
圖4-8 (d) 間歇供電負載端電壓變化(1.48A).........47
圖4-9(a) 串聯模組1間歇供電電壓變化(1.48A).......47
圖4-9(b) 串聯模組2間歇供電電壓變化(1.48A).......48
圖4-9(c) 串聯模組3間歇供電電壓變化(1.48A).......48
圖4-9(d) 間歇供電負載端電壓變化(1.9A)...........48
圖4-10串聯模組導通瞬間電壓變化..................49
圖4-11(a) 0顆故障電池時電壓輸入、輸出變化.......51
圖4-11(b) 0顆故障電池時電流輸入、輸出變化.......52
圖4-12(a) 1顆故障電池時電壓輸入、輸出變化.......52
圖4-12(b) 1顆故障電池時電流輸入、輸出變化.......53
圖4-13(a) 2顆故障電池時電壓輸入、輸出變化.......53
圖4-13(b) 2顆故障電池時電流輸入、輸出變化.......54
圖4-14(a) 3顆故障電池時電壓輸入、輸出變化.......54
圖4-14(b) 3顆故障電池時電流輸入、輸出變化.......55
圖4-15(a) 輸入、輸出電壓變化....................56
圖4-15(b) 輸入、輸出電流變化....................56

參考文獻

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