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研究生:黃晟智
研究生(外文):Cheng-Chih Huang
論文名稱:混合型再生能源LED路燈與電池電量管理整合系統開發
論文名稱(外文):LED Lighting and Battery Management Development for Hybrid Renewable Energy System
指導教授:李達生李達生引用關係
指導教授(外文):Da-Sheng Lee
口試委員:楊進丁曾重仁
口試委員(外文):Chin-Ting YangChung-Jen Tseng
口試日期:2013-06-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北科技大學
系所名稱:能源與冷凍空調工程系碩士班
學門:工程學門
學類:其他工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:163
中文關鍵詞:混合型再生能源電池電量管理系統脈衝寬度調變控制超級電容磷酸鋰鐵電池
外文關鍵詞:Hybrid Renewable EnergyBattery Management SystemPulse Width Modulation ControlSupercapacitorsLiFePO4 Battery
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  本研究在實驗案場─奇美電子/群創光電 (竹南園區)中大門口,實地建置六套混合型再生能源供電於雙負載LED路燈照明系統,其中,由於再生能源不穩定性以及負載端需要穩定供電,造成儲能元件頻繁充、放電進而讓壽命急遽減少,迫使提前更換電池致使投資成本間接提升,對於未來要完全依靠儲能系統來減少市電的供電照明,也成為一大挑戰性;為此,本文將探討並開發電池電量管理控制系統,以保護並延長電池壽命。
  在實際案場安裝發電與氣象監測平臺,收集一年來的發電與氣象數據,並從發電、氣象數據分析,乃至於對磷酸鋰鐵電池做充、放電相關性探討,進而衍生三大控制邏輯;一為電壓、電流上限設定來判別切換時機,二為超級電容的物理性儲能做為輔助中繼點,三為利用LED晶粒可序列控制之特性,開發負載放電脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)控制。控制模組可準確將電池充電趨勢穩定於過放與過充電區間,藉此控制可讓磷酸鋰鐵電池趨緩充、放速度,於日間充電可以趨緩83%的充電速度,讓電池反應可以更完整;夜間同時充與放電可以趨緩80%的充、放速度,並且減少電池循環次數。
  本文將開發的控制模組進行多組測試,而經過實驗結果證實,本控制方式在日間充電可緩和充電速度,讓電池內部反應更可完整並充入較大的電容量;而在夜間充、放電同時進行時,會讓磷酸鋰鐵電池只做單一性放電並與超級電容互相供電於LED,而隨著電容量降低PWM輸出電流亦會降低,小幅度減少LED亮度,此方式可減緩電池放電速度避免過放電。在電容量殘存的部分,夜間充、放電截止電量結果,本控制可多出10%的電容量。


  The on-site experiments of this study were conducted at the entrance gates of Chemei/Innolux Corporation (Jhunan Science Park). Six sets of hybrid renewable power supply systems were constructed for LED road illuminating. For the reasons of unstable supply of renewable power and demand of stability on load side, the energy storage parts went on charging and discharging cycle frequently. To the end, would cause the decrease of battery life cycle and replace parts in shorter period which means increase of cost. This problem will be the main challenge when use the storage energy system to take place of grid power for illuminating. In this study, battery management system was developed and investigated to protect and enlogate the battery life cycle.
  

  The experiments were conducted for one year and power supply and weather information was collected continuously. By analyzing those data and charging/discharging characteristics of LiFePO4 , we developed three power control logic processes. The first is to set current and voltage upper limitations as the timing of power shift. The second is to employ super capacitor as temporary auxiliary power storage device. The third is to harness the serializability of the LED grain to develop Pulse Width Modulation (PWM) control processes. With the help of the three logic processes, the power management system could precisely control the charging states stably between over-charging and over-discharging. Charging was slower 83% in daytime. Charging and discharging were slower 80% at night. Also, the system could decrease the charging and discharging speed of LiFePO4 battery and extend the period of cycle.
  After conducting the experiments repeatedly, the results showed that the power management system could slow down the charging during daytime. There was enough time for the chemical reaction inside the battery which would promote the capacity. During night, the LiFePO4 battery only went on constant short charging and the super capacitor took turn to supply power to LED. However, when the capacity of capacitor decreased the PWM output current decreased also. The brightness of LED diminished. The battery discharging speed were retarded to avoid over-discharging. With the control of power management system the battery capacity increased 10% during night time charging and discharging.


摘 要 i
ABSTRACT iii
誌 謝 v
目 錄 vi
表目錄 ix
圖目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.1.1 能源耗竭 1
1.1.2 溫室效應 2
1.1.3 替代能源 3
1.1.4 節能產業 5
1.2 動機與目的 9
1.2.1 研究動機 9
1.2.1.1 再生能源發展 9
1.2.1.2 LED發展 10
1.2.2 研究目的 12
1.3 文獻回顧 13
1.3.1 儲能元件充、放電特性 13
1.3.1.1 國外相關文獻 13
1.3.1.2 國內相關文獻 14
1.3.2 再生能源與混合電源管理 16
1.3.2.1 國外相關文獻 16
1.3.2.2 國內相關文獻 18
1.4 論文架構 20
第二章 理論 21
2.1 再生能源發電系統 21
2.1.1 太陽能發電 21
2.1.1.1 太陽能發電基本原理 21
2.1.1.2 太陽能電池的等效電路 23
2.1.2 風力發電 30
2.1.2.1風力發電基本原理 30
2.1.2.2 風力發電種類與形式 33
2.2 LED照明 35
2.2.1 LED基本原理 35
2.2.2 用於道路照明─高功率白光LED介紹 38
2.2.2.1 多晶型RGB LED 38
2.2.2.2 藍光晶片混合黃色螢光粉 39
2.2.2.3 紫外光晶片混合RGB螢光粉 40
2.3 儲能系統 41
2.3.1 磷酸鋰鐵電池 41
2.3.1.1 磷酸鋰鐵電池基本架構 41
2.3.1.2 磷酸鋰鐵電池特性 44
2.3.2 超級電容 46
2.3.1.1 超級電容原理 46
2.3.1.2 超級電容之電容量定義 48
2.3.1.3 超級電容的優點 49
2.4 控制邏輯 51
2.4.1 直流轉換器介紹 51
2.4.1.1 升壓型直流至直流轉換器 51
2.4.1.2 降壓型直流至直流轉換器 53
2.4.1.3 升降壓型直流至直流轉換器 54
2.4.2脈衝寬度調變 55
第三章 實驗設備及方法 57
3.1 整體實驗架構 57
3.2 實驗設備 58
3.2.1 發電端 58
3.2.2 儲能端 61
3.2.3 負載端 66
3.3 電池相關規範與準則 67
3.3.1 電池充電方式 67
3.3.2 電池相關術語 70
3.3.3 電池電量檢測評估方法 72
3.4 電池電量管理研發 75
3.4.1 案場實際氣象與發電 75
3.4.1.1 氣象監測 75
3.4.1.2 發電監測 83
3.4.2磷酸鋰鐵電池特性與限制 89
3.4.2.1 鋰電池內部組成與充、放速率及溫度影響 89
3.4.2.2 鋰電池過充過放電與自放電率 92
3.4.2.3 電池老化現象 93
3.4.3開發電池電量管理系統 95
3.4.3.1 控制邏輯與規範制定 96
3.4.3.2 開發控制電路模組實體化 101
3.5 實驗測試方式 107
第四章 實驗結果與討論 111
4.1 實驗分析與研究 111
4.1.1 日間充電實驗結果分析 112
4.1.2夜間充與放電實驗結果分析 122
第五章 結論與未來展望 152
5.1 結論 152
5.2 未來展望 153
參考文獻 154
符號彙編 161



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