臺灣博碩士論文加值系統

針對現今電動機車最常用到的鉛酸電池，提出一較快速且安全的充電控制。市面上的一般鉛酸電池充電器充飽一顆電池在正常的充電狀態下往往須5~8個小時，甚至更久，對電池的大電流快速充電下，會使鉛酸電池溫度上升及內部阻抗改變，所以長時間的使用會縮減其使用壽命，嚴重的話可能發生危險，而適當的放電會致使電池的內部化學液充分還原，能有效和緩快充所引起之溫度上升，本碩士論文採用双向快速充放電電路結構，完成以下各項工作：
(1) 提出一簡單有效之PWM控制器來調整正負脈衝快速充電；
(2) 在Matlab/Simpower tool下完成軟體數學模擬分析，驗證所提充電規則之有效性；
(3) 將電池充電電路數學模型，在電腦Matlab平台上驗證所提充電規則之有效性，轉檔後下載到FPGA晶片內；
(4) 將數學模擬模式全部以電子電路實現，並透過AD介面卡與數位FPGA控制電路傳輸完成快速充電。

The charging time of the general lead-acid battery charger on the market often exceeds five hours under the normal state. High current quick charger can condense the charging time but it will induce high inner- impedance and temperature of lead-acid battery whose life cycle will be shortened under often using quick-charging state. Published research pointed out that it will lessen above mentioned bad effects for applying appropriate discharging during charging time. This thesis adopts quick pulse charging and discharging circuit to finish the following several work:
(1) Propose a simple and effective PWM controller to adjust the quick charger with positive/negative pulse charging/discharging function;
(2) Finish the mathematics simulation of software by Matlab/Simpower tool, and analyze proposed one validity;
(3) Rules of charging proposed will be downloaded in FPGA chip will be applied to the circuit mathematical simulation in the computer Matlab platform with battery;
(4) All of simulation of circuit mathematics is realized with electronic circuit finally, and experiment on lead-acid battery through AD interface card and digit FPGA control circuit.

誌謝 I
摘要 II
Abstract III
目錄 IV
圖目錄 VII
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機與目的 2
1.3論文大綱 3
第二章 鉛酸電池之介紹 4
2.1鉛酸電池的特性 4
2.1.1鉛酸電池內部構造 5
2.1.2鉛酸電池的化學原理 5
2.1.3鉛酸電池之放電特性 7
2.1.4鉛酸電池之壽命特性 8
2.2電池充電方法 10
2.2.1定電壓充電法(Constant Voltage，C.V.) 10
2.2.2定電流充電法(Constant Current，C.C.) 11
2.2.3混合型充電法(C.C./C.V.) 11
2.2.4正脈衝充電法(Pulse Charging) 12
2.2.5正負脈衝充電法( ) 13
第三章 双向轉換器之基本原理 14
3.1充電模式 15
3.1.1連續導通模式 15
3.1.2不連續導通模式 19
3.2充電模式之穩態分析 22
3.3放電模式 26
3.3.1連續導通模式 26
3.4双向轉換器之電感與電容設計 29
第四章 快速充電之策略與探討 30
4.1定電流充電方法 30
4.2定電壓充電方法 31
4.3充放電脈衝之PWM設計 32
4.4充電模式架構 35
4.5建模與模擬驗證其可行性 37
4.5.1以DSP builder建立控制器 39
4.5.2模擬結果 41
第五章 硬體系統架構與實驗結果 46
5.1充電系統架構之硬體設計 46
5.2 FPGA實作分析 47
5.3電壓量測電路 51
5.4電流量測電路 52
5.5閘極驅動電路 53
5.6監控系統 54
5.7 充電系統硬體整合 55
5.8實驗結果 57
第六章 結論與未來研究方向 61
參考文獻 62

[1]K. Kutluay, Y. Cadirci, Y. S. Ozkazanc, and I. Cadirci, “A new online state-of-charge estimation and monitoring system for sealed lead-acid batteries in Telecommunication power supplies”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, No.5, pp. 1315-1327, 2005.
[2]S. West, and P. T. Krein, “Equalization of valve-regulated lead-acid batteries: issues and life test results” Telecommunications Energy Conference, INTELEC Twenty-second International, pp. 439-446, 2000.
[3]M. Bhatt, W. G. Hurley, and W. H. Wolfle, “A new approach to intermittent charging of valve-regulated lead-acid batteries in standby applications” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 52, No. 5, pp. 1337-1342, 2005.
[4]Y. Çadırcı , and Y. Özkazanç “Microcontroller-based on-line state-of-charge estimator for sealed lead–acid batteries” Journal of Power Sources, Vol. 129, No. 2, pp. 330-342, 2004.
[5]J. Moreno, M. E. Ortuzar, and J. W. Dixon, “Energy-management system for a hybrid electric vehicle, using ultracapacitors and neural networks” IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 53, No. 2, pp. 614-623, 2006.
[6]H. J. Chiu, L. W. Lin, P. L. Pan, and M. H. Tseng “A novel rapid charger for lead-acid batteries with energy recovery” IEEE Transactions on Power Electronics, Vol 21, No. 3, pp. 640-647, 2006.
[7]T. J. Liang, T. Wen, K. C. Tseng, and J. F. Chen, “Implementation of a regenerative pulse charger using hybrid buck-boost converter” IEEE International Conference on. Power Electronics and Drive Systems, 4th Vol 2, pp.437-422, 2001.
[8]SOPC-NIOSII EDA/SOPC System Platform NiosII-EP2C35 User Guide”, 2007.
[9]黃聖欽，具準確電量估測之鉛酸電池，國立中央大學電機工程學系研究所，碩士論文，2004。
[10]李明駿，鉛酸電池之快速充電技術研究，國立中央大學電機工程研 究所，碩士論文，2003。
[11]朱延松，具能量回送與功因修正之正負脈衝電池充電器，國立成功大學電機工程學系，碩士論文，2002。
[12]梁適安，“交換式電源供應器之理論與實務設計”，全華圖書股份有限公司，2008。
[13]梁適安，“高頻交換式電源供應器”，全華圖書股份有限公司，1995。
[14]莊慧仁，“FPGA/CPLD數位電路設計入門與實務應用”，全華圖書股份有限公司，2006。
[15]統一工業股份有限公司：http://www.gy-zyi.com.tw
[16]National Instruments：http://sine.ni.com
[17]Matlab軟體工具之ㄧSimpower tool