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研究生: 吳曜先
Yao-sian Wu
論文名稱: 動力電池模組電量平衡之研究
A Study on Capacity Balance of Power Battery Modules
指導教授: 陳南鳴
Nan-ming Chen
口試委員: 劉國基
Guo-ji Liu
劉益華
Yi-hua Liu
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 81
中文關鍵詞: 電動車動力電池模組電量平衡庫倫量測法
外文關鍵詞: Electric-vehicle, Power battery module, Power balance, Coulomb measurement method
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  • 在提倡節能環保的概念下,電動車的相關產業已如火如荼的蓬勃發展,其中最重要的關鍵技術就在能量來源的動力電池模組,畢竟這是一個幾千顆電池所串並聯結合起來的動力電池模組,必須準確的監測與控制內部電量的平衡,才能有效運用電力與保護動力電池模組的使用壽命。本文旨在分析與比較動力電池模組間之架構形式與有無電量平衡控制之相對效益。本研究提出5串5並共25顆磷酸鋰鐵的動力電池模組,採用先串後並的架構,對其進行50次的充放電之後,觀察並記錄各顆電池的性能狀態。再將動力電池模組搭配電量平衡模組,進行50次有電量平衡功能的充放電實驗,觀察並記錄各顆電池的性能狀態,最終比較兩者的差異。
    在監測與控制器的選擇上,本研究使用 NI PXIe – 6259資料擷取卡,藉由其類比輸出及輸入功能,有效運用庫倫量測法,進行監測計算動力電池模組的電量狀態,再搭配開路電壓法進行電量監測的修正,並且控制充電器,以達到定電流切換定電壓(CC/CV)充電的要求。並配合其數位輸出,驅動各開關電路,導通電量平衡的路徑,達到動力電池模組間的電量平衡。


    Based on the concept of advocating energy saving, the development of electric-vehicle-related industries is in full swing. The most important key technology of the electric vehicle is the power battery module used for supplying energy. After all, a power battery module with a series and parallel combination of thousands of cells requires accurate monitoring and controls to the inner power balance to efficiently supply energy and protect the power battery module for long service lifetime. This thesis aims to analyze and evaluate the benefit of power balance control used in the power battery modules. Moreover, this study proposes a 5- series and 5-parallel (5S5P) power battery module, which consists of a total of 25 lithium iron phosphates cells. That is, each 5 cells are in a series connection, and then 5 series connections are in a parallel connection. At first, the research carried out 50 times of charge and discharge of the 5S5P battery module, and monitored and recorded the electric properties of each cell. Then, the power balance control was added into the 5S5P battery module, and the research carried out 50 times of charge and discharge of the new module and recorded the electric properties of each cell as well. Finally, the study compared the differences of these two modules.

    Regarding the choice of the monitoring/control system, the research adopted the NI PXIe - 6259 data acquisition card (DAQ card) to implement the system. By means of the analog input/output functions of the DAQ card, the monitoring/control system can monitor and calculate all electric statuses of the power battery module efficiently with Coulomb measurement method. Moreover, the electric monitoring is modified using the open-circuit voltage method, and finally the constant current constant voltage (CC / CV) charge could be achieved with the control of the charger. Furthermore, tying in with the digital output can drive the power switching circuit for balancing the conduction paths to complete the power balance among the battery modules.

    摘要 Abstract 誌謝 目錄 圖目錄 表目錄 第一章 緒論 1.1 研究背景與動機 1.2 研究目的 1.3 系統與電路架構 1.4 章節概述 第二章 電池之種類與特性介紹 2.1 蓄電池分類與基本特性介紹 2.2 二次電池介紹 2.2.1 鉛酸電池 2.2.2 鎳鎘電池 2.2.3 鎳氫電池 2.2.4 鋰二次電池 2.2.5 二次電池性能之比較 2.3 鋰離子電池的介紹 2.3.1 工作原理 2.3.2 主要特點 2.3.3 電動勢 2.3.4 電池開路電壓 2.3.5 磷酸鋰鐵電池之介紹 2.3.6 主要鋰離子電池種類之比較 第三章 電池充電方式與電量偵測方式介紹 3.1 電池充電方式 3.1.1 定電壓充電法 3.1.2 定電流充電法 3.1.3 二段式定電壓充電法 3.1.4 定電流切換定電壓(CC/CV)充電法 3.1.5 脈衝式充電法 3.1.6 Reflex充電法 3.2 電量偵測方式 3.2.1 開路電壓法 3.2.2 加載電壓法 3.2.3 比重計法 3.2.4 查表法 3.2.5 內電阻測定法 3.2.6 庫倫量測法 第四章 動力電池模組介紹 4.1 電池串並聯分析 4.2 電動車與電能管理架構介紹 4.3 動力電池模組保護功能介紹 第五章 電量平衡模組介紹 5.1 電量平衡方式介紹 5.2 平衡模組架構分析 5.2.1 先串後並架構 5.2.2 先並後串架構 5.3 監控保護與電量平衡控制介紹 5.3.1 監控保護機制 5.3.2 電量平衡機制 第六章 實作與量測結果 6.1 動力電池模組之先串後並架構系統整合測試 6.1.1 實驗架構 6.1.2 實驗設備介紹 6.2 實驗結果 第七章 結論與未來展望 7.1 結論 7.2 未來展望 參考文獻 作者簡介

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