臺灣博碩士論文加值系統

本研究研發一套應用於磷酸鋰鐵電池組之電池管理系統，此系統具有校正點之容量估測功能及主動式電池平衡功能。主要以微控制器為核心，透過電流感測器量測電池組的電流及多電池芯監控晶片讀取每顆單電池芯的電壓。再根據量測資料估測出電池組的容量及計算出各電池芯與電池組間能量轉移所需的時間及方向。最後透過雙向多電池芯平衡控制晶片及雙向返馳式直流對直流轉換電路進行能量轉移，達到電池組平衡的目的。
目前許多應與於磷酸鋰鐵電池的容量估測法被提出，如開路電壓法、卡爾曼濾波法及庫倫積分法等。開路電壓法需要電池長時間休息，故不切實際；卡爾曼濾波法需要準確的電池等效模型參數，才能準確估測電池容量。而一般庫倫積分雖然有初始容量誤差缺點，但若能夠解決此問題便是最實用的估測方法。由於磷酸鋰鐵電池組在長期充放電下，會有不平衡情況發生且磷酸鋰鐵電池在SOC 20%至SOC 60%難以估測，目前許多應與於磷酸鋰鐵電池組的平衡法被提出。其中以應用雙向返馳式直流對直流轉換電路的主動平衡法最簡單且效率高。
本研究研發一套具有校正點之容量估測功能及主動式電池平衡功能之電池管理系統。其中一個電池組由四顆電池芯串聯組而成，進行SOC估測及主動平衡實驗。實驗結果顯示在電池組的SOC估測時，可以顯著地消除因庫倫方法所引起的起始點誤差。測試結果也證實本研究使用的平衡策略能夠平衡電池組的不平衡現象及增加電池組的總電容量。

This study developed a battery management system for a LiFePO4 battery pack, which has a SOC estimation method with calibration points and an active battery balance function. Based on the microcontroller, the current of the pack is measured by a current sensor and the voltage of each cell is read by a multi-cell monitoring chip. Then the SOC of the pack is estimated by the Ah method with calibration points. Furthermore, the difference in SOC between the cells is estimated and the time and direction required for energy transfer between a cell and the pack are calculated. Finally, by a high-efficiency bidirectional multi-cell chip and bidirectional flyback circuits, the energy was transferred to achieve battery balancing.
Numerous SOC estimation methods for a LiFePO4 battery pack have been proposed. The open-circuit voltage method is available that needs a long period of rest, so the method is impractical. The Kalman filter method requires an accurate battery model to estimate the SOC of a pack. However, even the Ah method has starting point errors, but it is more accurate and practical method once the errors can be eliminated in a timely manner.
Due to a LiFePO4 pack would be in unbalancing state under long-term charge and discharge and the SOC of the pack in SOC 20% to SOC 80% range is difficult to estimate. Numerous balancing strategies for the pack have been proposed. Among them, the active balance method using a bidirectional flyback DC-to-DC converter is simplest and most efficient.
This study developed a battery management system with a SOC estimation function and an active balancing function. In the experiments, four cells were connected in series to form a pack for SOC estimation and active balance experiments. The experimental results show that the initial error and cumulative error of the SOC estimation caused by the Ah method can be significantly eliminated. The test results also confirmed that the balance method used in this study can balance the imbalance of the pack and increase the total capacity of the pack.

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明志科技大學碩士學位論文 口試委員審定書 ii
誌謝 iii
摘要 iv
Abstract v
目錄 vii
圖目錄 ix
表目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景與動機 1
1.2 文獻探討 2
1.2.1 電池容量估測 2
1.2.2 電池平衡系統 3
1.3 論文架構 4
第二章 各種鋰離子電池介紹 6
2.1 鋰離子電池架構 6
2.2 鋰電池介紹 7
2.2.1 鋰錳電池介紹 8
2.2.2 鋰鈷電池介紹 12
2.2.3 磷酸鋰鐵電池介紹 16
2.3 鋰三元介紹 18
2.3.1 鈷鎳錳三元電池介紹 19
2.3.2 鈷鎳鋁三元電池介紹 21
2.4 固態電池介紹[35] 23
第三章 測試相關設備介紹 25
3.1 測試系統介紹 27
3.1.1 待測磷酸鋰鐵電池 27
3.1.2 Arbin BT2000多功能電池測試系統 31
3.1.3 MACCOR 4300M 32
3.1.4 Giant Force GTH-800恆溫恆濕機 32
3.2 SOC估測系統 33
3.2.1 TMS320F28335控制器 34
3.2.2 LTC6804-2電壓量測 34
3.2.3 ACS759電流感測器 36
3.3 電池平衡系統介紹 38
3.3.1 DC2100B電池平衡板 38
3.3.2 LTC3300-1晶片 40
3.4 人機介面設計 46
第四章 磷酸鋰鐵電池估測與平衡系統研製 48
4.1 磷酸鋰鐵電池庫倫效率實驗與探討 48
4.2 磷酸鋰鐵電池充電特性實驗 51
4.2.1 相同充電電流但不同環境溫度下之電池特性實驗 52
4.2.2 相同環境溫度不同測試次數下之電池特性實驗 61
4.3 容量估測校正點之探討 63
4.4 電池平衡系統策略探討 67
4.4.1 電池平衡板之雙向反馳式電路測試實驗 67
4.4.2 平衡時間策略探討 69
第五章 磷酸鋰鐵電池組估測與電池平衡方法驗證 71
5.1 Case 1估測系統有初始容量誤差但電池組為平衡情況 74
5.2 Case 2估測系統有初始容量誤差且電池芯有1顆實際值為0.75Ah的不平衡 77
5.2.1 使用具有校正點之庫倫積分解決估測有初始容量誤差 79
5.2.2 使用主動式平衡解決電池芯有初始容量誤差 80
5.3 Case 3估測系統有初始容量誤差且電池芯有3顆實際值為0.75Ah的不平衡 83
5.3.1 使用具有校正點之庫倫積分解決估測有初始容量誤差 85
5.3.2 使用主動式平衡解決電池芯有初始容量誤差 86
第六章 結論與未來展望 90
6.1 結論 90
6.2 未來展望 91
參考文獻 92
圖目錄
圖2. 1鋰離子電池內部架構圖[21] 6
圖2. 2在25 °C定電流特性曲線[23] 9
圖2. 3 -20 °C定電流特性曲線[23] 9
圖2. 4 Sanyo UR18650ZT在CC-CV下特性曲線[24] 10
圖2. 5 Sanyo UR18650ZT不同溫度下放電容量曲線[24] 11
圖2. 6 ICR 18650M在CC-CV充電之特性曲線[26] 13
圖2. 7 ICR 18650M在不同定電流放電之特性曲線[26] 13
圖2. 8 Sanyo UR18650ZTA在CC-CV下特性曲線[27] 14
圖2. 9 Sanyo UR18650ZTA在不同溫度下放電容量曲線[27] 15
圖2. 10 PC40138-LFP在CC-CV下特性曲線[29] 17
圖2. 11 PC40138-LFP在不同溫度下放電容量曲線[29] 17
圖2. 12鎳、鈷、猛比例對於成本與安全之比較[30] 18
圖2. 13 Sanyo UR18650E在CC-CV下特性曲線[32] 20
圖2. 14 Sanyo UR18650E不同溫度下放電容量曲線[32] 21
圖2. 15 Panasonic NCR18650GA在不同溫度下特性曲線[34] 23
圖3. 1系統架構圖 26
圖3. 2 PC40138LFP_15Ah電池在不同C-rate下充電特性曲線[29] 28
圖3. 3 PC40138LFP_15Ah電池在不同C-rate下放電特性曲線[29] 29
圖3. 4 PC40138LFP_15Ah電池在相同C-rate但不同溫度下之特性曲線[29] 29
圖3. 5 PC40138LFP_15Ah電池之壽命循環週期[29] 30
圖3. 6 PC40138LFP_15Ah單電芯實體圖 30
圖3. 7 PC40138LFP_15Ah電池組實體圖 30
圖3. 8多功能電池測試系統Arbin BT2000機台實體圖 31
圖3. 9 MACCOR 4300M電池測試機台 32
圖3. 10 Giant GTH-800恆溫恆濕機 33
圖3. 11 eZdsp TMS320F28335數位訊號處理器實體圖 34
圖3. 12 DC2100B中LTC6804-2實體位置圖 35
圖3. 13 LTC6804-2被動式平衡電路架構圖[36] 35
圖3. 14 LTC6804-2模組電路圖[36] 36
圖3. 15 ACS759電流感測器之接線圖[37] 37
圖3. 16 ACS759電流感測器之實體圖 37
圖3. 17 DC2100B電池平衡板實體圖 39
圖3. 18 DC2100B電池平衡板多板串接接線圖[38] 40
圖3. 19多顆電池芯串連之主動式平衡器接線圖[39] 41
圖3. 20 LTC3300-1在DC2100B中實體位置 42
圖3. 21雙向返馳式電路圖 43
圖3. 22單電池芯能量傳至變壓器一次測的電路動作圖 44
圖3. 23變壓器二次側能量傳至電池組的電路動作圖 44
圖3. 24電池組能量傳至變壓器二次側的電路動作圖 45
圖3. 25變壓器一次側能量傳至單電池芯的電路動作圖 46
圖3. 26 LabVIEW人機介面圖 47
圖4. 1環境溫度15度下磷酸鋰鐵電池組充電曲線 52
圖4. 2環境溫度15度下各電池芯充電電壓曲線 53
圖4. 3環境溫度25度下磷酸鋰鐵電池組充電曲線 53
圖4. 4環境溫度25度下各電池芯充電電壓曲線 54
圖4. 5環境溫度35度下磷酸鋰鐵電池組充電曲線 54
圖4. 6環境溫度35度下各電池芯充電電壓曲線 55
圖4. 7環境溫度45度下磷酸鋰鐵電池組充電曲線 55
圖4. 8環境溫度45度下各電池芯充電電壓曲線 56
圖4. 9環境溫度55度下磷酸鋰鐵電池組充電曲線 56
圖4. 10環境溫度55度下各電池芯充電電壓曲線 57
圖4. 11相同充電電流但不同環境溫度下電池組充電電壓曲線 57
圖4. 12不同環境溫度下Cell 1充電電壓曲線 58
圖4. 13不同環境溫度下Cell 2充電電壓曲線 58
圖4. 14不同環境溫度下Cell 3充電電壓曲線 59
圖4. 15不同環境溫度下Cell 4充電電壓曲線 59
圖4. 16不同環境溫度下Cell 1ΔV/ΔQ對電池容量曲線 60
圖4. 17不同環境溫度下Cell 2ΔV/ΔQ對電池容量曲線 60
圖4. 18不同環境溫度下Cell 3ΔV/ΔQ對電池容量曲線 61
圖4. 19不同環境溫度下Cell 4ΔV/ΔQ對電池容量曲線 61
圖4. 20 Cell 1在不同測試次數之ΔV/ΔQ對容量曲線 62
圖4. 21 Cell 2在不同測試次數之ΔV/ΔQ對容量曲線 62
圖4. 22 Cell 3在不同測試次數之ΔV/ΔQ對容量曲線 63
圖4. 23 Cell 4在不同測試次數之ΔV/ΔQ對容量曲線 63
圖4. 24在充電期間各電池芯ΔV/ΔQ對容量曲線 64
圖4. 25各電池芯7次ΔV/ΔQ加總對電池容量曲線圖 65
圖4. 26 雙向反馳式電路變壓器一次測與二次側電流波形圖 68
圖4. 27連接Cell 1變壓器的一次測電流波形 68
圖4. 28連接Pack變壓器的二次測電流波形 69
圖5. 1 電池組充電曲線圖 71
圖5. 2充電過程中各電池芯電壓曲線 72
圖5. 3電池組電池容量對時間之曲線圖 72
圖5. 4一般庫倫與具有校正點庫倫分別對Arbin充電電池容量誤差 73
圖5. 5 電池組放電曲線圖 74
圖5. 6電池組充電曲線圖 75
圖5. 7 Case 1之電池組電池容量對時間之曲線圖 75
圖5. 8 Case1之一般庫倫跟具有校正點庫倫分別對Arbin充電電池容量誤差 76
圖5. 9 Case 1的各電池芯電壓曲線圖 76
圖5. 10 Case 2不平衡下各電池芯充電電壓曲線 77
圖5. 11 Case 2不平衡下電池組充電容量對時間曲線圖 78
圖5. 12 Case 2不平衡下電池組放電容量對時間曲線圖 78
圖5. 13經過平衡策略Case 2電池組電池容量曲線 80
圖5. 14 Case 2之一般庫倫與具有校正點庫倫分別對Arbin充電電池容量誤差 80
圖5. 15經過平衡策略後Case 2各電池芯充電電壓曲線 81
圖5. 16 Case 2經過平衡策略電池組充電曲線 82
圖5. 17 Case 2經過平衡策略電池組放電曲線 83
圖5. 18 Case 3不平衡下各電池芯充電電壓曲線 84
圖5. 19 Case 3不平衡下電池組充電曲線 84
圖5. 20 Case 3不平衡下電池組放電曲線 85
圖5. 21經過平衡策略Case 3電池組電池容量曲線 86
圖5. 22 Case 3之一般庫倫與具有校正點庫倫分別對Arbin充電電池容量誤差 86
圖5. 23經過平衡策略後Case 3各電池芯充電電壓曲線 87
圖5. 24 Case 3經過平衡策略電池組充電曲線 88
圖5. 25 Case 3經過平衡策略電池組放電曲線 89
表目錄
表2. 1 各種鋰電池比較[22] 7
表2. 2 IMR-18650E規格[23] 8
表2. 3 Sanyo UR18650ZT 規格[24] 10
表2. 4 ICR18650-32A規格[25] 11
表2. 5 ICR-18650M電池規格[26] 12
表2. 6 Sanyo UR18650ZTA規格[27] 14
表2. 7 ICR18650-26F規格[28] 15
表2. 8 PC40138-LFP規格[29] 16
表2. 9 INR18650-25R5規格[31] 19
表2. 10 Sanyo UR18650E規格[32] 20
表2. 11 INR18650-32E規格[33] 21
表2. 12 NCR18650GA規格[34] 22
表3. 1 PC40138LFP_15Ah電池規格 27
表3. 2多功能電池測試系統Arbin BT2000 規格 31
表3. 3 MACCOR 4300M規格 32
表3. 4 Giant GTH800恆溫恆濕機規格 33
表3. 5 eZdsp TMS320F28335數位訊號處理器規格 34
表3. 6 ACS759LCB-100B-PFF-T之規格 37
表3. 7 DC2100B電池平衡板規格 39
表4. 1 電池芯A之庫倫效率 49
表4. 2 電池芯B之庫倫效率 49
表4. 3 電池芯C之庫倫效率 50
表4. 4 不同溫度下電池組之庫倫效率 50
表4. 5充電時(0Ah-1Ah)各電池芯ΔV/ΔQ與電池容量對照表 64
表4. 6充電時(1Ah-3Ah與9Ah-12Ah)各電池芯ΔV/ΔQ與電池容量對照表 66
表5. 1 Case 2電池容量比較表 82
表5. 2 Case 3電池容量比較表 88

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[21]王榮基，胡毅，劉俊興，“鋰離子電池儲能製作與量測技術簡介”，101年度「大專能源科技人才培育資源中心計畫」。
[22]朱明彥，“研發具有SOC校正點之庫倫積分法應用於磷酸鋰鐵電池組容量估測”，明志科技大學碩士論文，2018。
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