目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究方法與步驟 4 1.2.1 研究方法 4 1.2.2 研究步驟 7 1.3 論文架構 11 第二章 建立電池電量演算法與等效電路 13 2.1 前言 13 2.2 理想電池與實際電池的差異 13 2.3 二次電池 19 2.3.1 燃料電池 21 2.3.2 鋰電池 25 2.3.3 鎳氫電池 34 2.3.4 鎳鎘電池 36 2.3.5 鉛酸電池 38 2.3.6 二次電池性能比較 42 2.4 電池等效電路 42 2.4.1 理想模型 43 2.4.2 線性模型 44 2.4.3 戴維寧等效模型 45 2.4.4 等效電容模型 46 2.4.5 Pspice巨觀模型 47 2.5本章小結 49 第三章 二次電池之充放電特性與電量量測 50 3.1 前言 50 3.2 影響電池可輸出容量的因素 50 3.2.1 放電電流 51 3.2.2 環境溫度 52 3.2.3 電池老化 53 3.2.4 自放電率 54 3.3 電池電容量檢測方法 56 3.3.1 內阻法 56 3.3.2 比重法 64 3.3.3 開路電壓法 65 3.3.4 安培小時法 67 3.3.5 負載電壓法 68 3.3.6 庫倫計量法 69 3.3.7 查表法 69 3.3.8 其它電量量測方法 70 3.3.9 各電量量測方法之比較 72 3.4 蓄電池的充電方法 73 3.4.1 定電壓充電法 73 3.4.2 二段式定電壓充電法 74 3.4.3 定電流充電法 75 3.4.4 混合定電流/定電壓充電法 77 3.5 本章小結 78 第四章 電池電量量測模組與資料讀取器的實現 79 4.1 前言 79 4.2 電池電量量測模組的硬體開發 79 4.3 量測模組之功能方塊圖與主要零件之規格說明 81 4.3.1 電量量測模組之主要電路功能與規格 83 4.4 資料讀取器之功能方塊圖與主要零件之規格說明 95 4.4.1 資料讀取器主要零件之規格說明 96 4.4.2 電池電量量測模組與資料讀取器之實現 99 4.4.3 量測模組在固定負載與變動負載下之放電線路 102 4.5 電動車電池電量模組韌體的開發與實現 104 4.5.1 韌體設計方塊圖 104 4.5.2 電壓量測的韌體設計 111 4.5.3 電流量測的韌體設計 119 4.5.4 功率量測的韌體設計 120 4.5.5 電量量測的韌體設計 120 4.5.6 充放電狀態 121 4.5.7 UART的通訊格式 123 4.5.8 Labview操作介面與圖控程式 127 4.6 本章小結 129 第五章 硬體實驗之結果 130 5.1 前言 130 5.2 ZigBee無線模組之功能驗證 130 5.3 電池電量量測模組與資料讀取器的功能驗證 132 5.3.1 電壓的量測結果 132 5.3.2 電流的量測結果 135 5.3.3 功率的量測結果 140 5.4 本章小結 142 第六章 韌體與軟體實驗之結果 143 6.1 前言 143 6.2 量測模組與資料讀取器結合鉛酸電池組之實驗 143 6.2.1 固定負載電流放電實驗 144 6.2.2 變動負載電流放電實驗 146 6.2.3 變動負載電流充電實驗 150 6.3 本章小結 151 第七章 結論與未來研究方向 152 7.1 結論 152 7.2 未來研究方向 154 參考文獻 156 作者簡介 158 圖目錄 圖1-1 電池電量量測模組之功能方塊圖 6 圖1-2 研究方法與進行步驟之流程圖 10 圖2-1 理想電池放電之電壓曲線圖 14 圖2-2 電池放電端電壓與放電時間之關係圖 14 圖2-3 急劇變化放電端電壓與放電時間之關係圖 15 圖2-4 電池可輸出電容量、溫度與輸出電流之關係圖 17 圖2-5 鋰離子電池放電過程中電量與端電壓之關係曲線圖 29 圖2-6 鋰離子二次電池在充電過程中之內電阻變化曲線圖 32 圖2-7 鎳鎘電池充電末期(a)表面溫度(b)電壓與電池電容量 之關係曲線圖 36 圖2-8 理想電池模型之等效電路 44 圖2-9 電池線性模型之等效電 45 圖2-10 電池戴維寧等效模型之電路圖 45 圖2-11 電池等效電容模型之等效電路 46 圖3-1 電池輸出電量與放電電流之關係圖 52 圖3-2 電池可輸出電量與循環使用次數之關係圖 54 圖3-3 電池儲存時間與剩餘電量之關係曲線圖 55 圖3-4 電池儲存時間與環境溫度之關係圖 56 圖3-5 電池放電期間內電阻之變化曲線圖 57 圖3-6 電池內電阻之等效電路圖 58 圖3-7 鉛酸電池電容量與內電阻之關係曲線圖 61 圖3-8 直流訊號量測內電阻之電壓波形圖 64 圖3-9 放電深度與電解液比重之關係圖 65 圖3-10 電池殘餘電量與開路電壓之關係圖 66 圖3-11 鉛酸電池開路電壓之恢復曲線圖 67 圖3-12 定電流放電之電壓變化曲線圖 68 圖3-13 查表法中的放電電流、電池電壓與時間之關係曲線圖 70 圖3-14 二段式定電壓充電法之充電曲線圖 74 圖3-15 定電流充電法之充電曲線圖 75 圖3-16 –ΔV控制法之充電曲線圖 76 圖3-17 鎳鎘及鎳氫電池在定電流充電時之溫度變化曲線圖 76 圖3-18 混合定電流/定電壓充電法之電流、電壓曲線圖 78 圖4-1 量測模組與資料讀取器的主要硬體功能方塊圖 80 圖4-2 電池電量量測模組之功能方塊圖 81 圖4-3 CSNF161霍爾電流感應器之(a)外觀圖(b)電路圖 83 圖4-4 CSNF161霍爾電流感應器之量測原理圖 85 圖4-5 CSNF161霍爾電流感應器之接線示意圖 85 圖4-6 MAX4081電流感測放大器之接腳圖 87 圖4-7 MAX4081電流感測放大器之內部電路圖 87 圖4-8 MAX4081之(a)接線圖(b)充、放電示意 88 圖4-9 微控制器(MSP430FG4618IPZ)之外觀圖 90 圖4-10 ADC12類比轉數位轉換器之內部功能方塊圖 92 圖4-11 CC1101EMK無線通訊模組之外觀圖 93 圖4-12 CC1101控制晶片內部之功能圖 94 圖4-13 CC1101EMK無線通訊模組之電路圖 94 圖4-14 資料讀取器之功能方塊圖 95 圖4-15 TUSB3410 USB控制器之外觀圖 96 圖4-16 TUSB3410橋接電腦與MSP430微控制器之示意圖 97 圖4-17 NHD-0420AZ-FSW-GBW-3V3液晶顯示器之外觀圖 97 圖4-18 MSP430F2013鍵盤控制晶片 98 圖4-19 電池電量量測模組之外觀圖 99 圖4-20 資料讀取器之外觀圖 100 圖4-21 電池電量量測模組與周邊設備之接線圖 100 圖4-22 電池電量量測模組與周邊設備連接之外觀圖 101 圖4-23 高功率放電電阻之外觀圖 102 圖4-24 電池電量量測模組在固定負載下之放電線路圖 103 圖4-25 電池電量量測模組在變動負載下放電之線路圖 103 圖4-26 量測初始電量與判斷充放電狀態之方塊圖 106 圖4-27 放電模式子程式之方塊圖 107 圖4-28 充電模式子程式之方塊圖 108 圖4-29 ZigBee無線模組動作之方塊圖 110 圖4-30 輸入待測電壓(Vi)之電路圖 113 圖4-31 使用LED顯示條建立參考電壓表之電路圖 115 圖4-32 UART資料通訊結果 126 圖4-33 Labview操作介面之示意圖 128 圖4-34 Labview圖控程式之示意圖 129 圖5-1 驗證程式資料輸出之示意圖 131 圖5-2 電源供應器電壓(V1)與微控制器讀值(V3)之表示圖 134 圖5-3 電源供應器與單晶片電壓讀值之誤差百分比之表示圖 134 圖5-4 在順向電流下Vo的變化 137 圖5-5 在逆向電流下Vo的變化 137 圖5-6 在順向電流下，量測電流與理論電流值的誤差(%) 140 圖5-7 在逆向電流下，量測電流與理論電流值的誤差(%) 140 圖5-8 理論功率與量測功率之表示圖 141 圖6-1 固定負載放電之表示圖 146 圖6-2 各種路況的變動負載放電之曲線圖 149 圖6-3 變動負載充電之曲線圖 150 表目錄 表2-1 電池之分類 19 表2-2 一次電池之比較表 20 表2-3 各種燃料電池之種類與特性表 24 表2-4 鋰離子電池之分類表 27 表2-5 二次電池的特性比較表 42 表3-1 電池電容量檢測方法的優缺點比較 72 表4-1 CSNF161霍爾電流感測器之電氣規格 86 表4-2 電流感測電阻值之參考表 89 表4-3 NHD-0420AZ-FSW-GBW-3V3液晶顯示器之接腳訊號 97 表5-1 電源電壓(V1)與微控制器的讀值(V3)之量測數據 133 表5-2 順向電流之量測數據 135 表5-3 逆向電流之量測數據 136 表5-4 在順向電流與逆向電流下，電流之讀值誤差百分比 139 表5-5 理論功率與量測功率之讀值表 141 表6-1 固定負載放電之實驗數據表 145