第四章 風力發電量測系統與實測
4.4 功率對轉速量測數據分析
圖4-9 為 LabVIEW 在轉速 400、600、800、1000、1200 RPM 下，功 率對電壓與轉速的關係圖。如上節功率對電壓的關係式，本研究將利用功 率與轉速的關係來分析其數學方程式之特徵。
圖4-9. 功率對轉速關係
如圖 4-10 所示，虛線 為未經其它次方係數修正之曲線；圖形 為理 論最大功率點未經其它次方係數修正之曲線，這兩曲線的數學式相當於式 (2-21)之方程式，但諸多文獻中式(2-21)之 k 值大多未推導出實際值 [6]。
由迴歸運算後找出虛線與三角形實線之方程式分別為式(4-4)、(4-5)，並且 確切的推導出 k、k´值分別為 1.05×10-7、1.404×10-7，圖形 為圖4-8 的原 始功率點；若將式(2-21)經係數修正與加入其它次方的修正後會得到式(4-6) 的三次迴歸方程式。
圖4-10. kω3與三次多項式
3 10 0.0001 0.0192 2.586
1
(4-5)、(4-6)、(4-7)即為根據實測的數據找出最佳的最大功率曲線方程式。
第五章 磷酸鋰鐵電池充放電量測系統與實測
表5-1. LYS3470144S-15 磷酸鋰鐵電池規格表 Nominal Capacity 15000mAH Nominal Voltage 3.2V
Max. Charging Current 0.5C
Charging Voltage 3.65V±0.05V Max. Discharging Current 5C
Discharge Cut-off Voltage 2.2V
Charge 0°C ~ +45°C
Charge Method CC-CV
5.2 磷酸鋰鐵電池放電深度與電量
圖5-1.相同條件下 1A、3A、5A 的放電深度
圖5-2. 相同條件下 1A、3A、5A 的放電量
5.3 控制器與充放電周邊電路設計
此章節介紹量測系統周邊電路之設計，其中包含 ADC 轉換訊號電 路、分壓取樣電路、電流偵測電路以及繼電器驅動電路。
5.3.1 ADC 轉換電路
微處理器 AT89C51ED2 並無內建的 AD 訊號轉換功能，所以在量測 電壓訊號時，必須先將類比訊號轉換成數位訊號。ADC0804 是一顆 8 位元 的 CMOS 連續漸近式的 AD 轉換器，可將類比訊號轉換成解析度為 8 位 元的數位訊號，ADC 轉換電路圖如圖 5-3，實體電路如圖 5-4。訊號轉換 過程為利用 Zener 二極體搭配可變電阻，產生一參考電壓，與輸入訊號比 較之後，再由 ADC0804 將類比訊號 0~5V 轉換成數位訊號(0~255/51)V，
其轉換位階電壓為5/51≒0.01953V。因為取樣的訊號需要不停的轉換，所 以負責轉換的 IC，ADC0804 的接腳必須採用 FREE-RUN MODE，使 ADC0804 持續進行類比與數位的訊號轉換。
圖5-3. ADC 轉換電路
圖5-4. ADC 轉換實體電路 5.3.2 降壓取樣電路
ADC 轉換類比電壓的範圍為 0~5V，所以利用電阻分壓的原理，將12.8V 降壓得到適合轉換的電壓訊號，為了避免取樣訊號受雜訊影響，所以必須 加上電容當濾波器，經過濾波器濾除雜訊，再送到微處理器做運算。其電 路如圖5-5。
Vin
2K
1K C104
RS232 ADC
轉換電路
微處理器 AT89C51ED2
LABVIEW 監控介面
圖5-5. 降壓取樣電路
5.3.3 電流偵測電路
此電路主要目的是偵測電源供應器輸出電流的訊號，如圖 5-6 所 示，首先利用取樣電阻作為電流轉電壓訊號的取樣元件，擷取電流流 過取樣電阻產生的電壓訊號，利用差動放大器，將取樣電阻上的電壓 訊號送至ADC 轉換電路，再由 LabVIEW 經由微處理器讀取後，做電 流訊號還原處理 [31]。
圖5-6. 電流偵測電路
5.3.4 繼電器驅動電路
繼電器主要目的是作為電源供應器與鋰電池之間的開關，可藉由人機 介面控制繼電器對鋰電池做充放電動作。由於微處理器送出的信號不足以 直接驅動繼電器，以及為了避免突波會傷害到微處理器，所以在微處理器 與繼電器之間加入 ULN2003A，此 IC 由七組反向器與二極體組成，如圖 5-7，繼電器驅動電路如圖 5-8，實體電路如圖 5-9，而本實驗設計之繼電 器驅動電路具有將訊號放大與保護電路的功能。
圖5-7. ULN2003A 內部電路
圖5-8. 繼電器驅動電路
圖5-9. 繼電器驅動實體電路
5.4 電流與分壓擷取控制
鋰電池在充放電時，由於ADC0804 轉換的類比電壓必須在 5V 以下，
所以利用分壓原理與軟體、韌體的程式控制，擷取三組鋰電池取樣的電池 分壓。ADC 轉換電路一次只能轉換一個類比訊號，要進行多個類比訊號轉 換必須利用多工器，本實驗使用 CD4052 來當作多通道訊號轉換的開關，
CD4052 為兩組四通道的多工器，可藉由腳位選擇通道開關，其真值表如 表5-2，IC 腳位圖如圖 5-10。
如上所述之分壓取樣電路、電流偵測電路、繼電器驅動電路與多工器 將其結合成一塊實驗取樣用的實體電路板如圖 5-11，用以進行充放電實 驗。實驗由三組鋰電池連接至多通道放電電路，如圖5-12，藉由 LabVIEW 人機介面控制鋰電池BAT1、BAT2 與 BAT3 連接 LED 燈進行小電流放電，
其中利用電流偵測電路去擷取電流流經取樣電阻的電壓訊號，再將電壓訊 號以差動放大器放大，藉由人機介面監控電壓與電流變化，如圖5-13。
表5-2. CD4052 真值表 INHIBIT B A CHANNEL
0 0 0 0x,0y 0 0 1 1x,1y 0 1 0 2x,2y 0 1 1 3x,3y 1 X X none
圖5-10. CD4052 腳位圖
圖5-11. 實體取樣控制電路
圖5-12. 多通道放電控制
圖5-13. 電壓與電流監控介面
如上圖所示，CH1 為經過放大器放大 10 倍後的電流值，其實際電流 值以三用電錶量測結果為0.06A，電流誤差為 0.015A，而 CH2 為電壓分壓 值，實際電壓分壓值為 4.22V，誤差值為+0.27V。在使用 AD 轉換電路的 Zener 二極體將參考電壓微調後，可將誤差值縮小。如圖 5-14，為三通道 監控三組鋰電池放電電壓之介面，其實際電壓、量測電壓與誤差值如下表 5-3，藉由表 5-3 可得知，經過調整參考電壓可修正量測電壓數據的誤差值，
使量測實驗的數據，更為準確。
表5-3. 實際與量測電壓值與誤差
通道編號 實際電壓值(V) 量測電壓值(V) 誤差值
(實際電壓-量測電壓)
CH1 4.25 4.25 0
CH2 4.15 4.16 -0.01
CH3 2.38 2.37 0.01
圖5-14.多通道放電監控介面
5.5 放電介面與實驗數據分析
放電實驗由編號BAT1、BAT2、BAT3 三組電池以 1、3、5A 電流放 電，放電流程圖，如圖5-15，因為放電過程為了避免瞬間放電電流過大與 放電實驗的安全性，所以使用直流電子式負載作為放電實驗的負載;放電監 控介面如圖5-16，從開始放電至停止放電，可記錄鋰電池放電壓、電流與 電量;放電時間如下表5-4。
3310D 直流電子式負載
電壓<8.8V? LABVIEW 監控介面 鋰電池
12.8V
停止放電
RS232
圖5-15.放電實驗流程圖
圖5-16. 放電監控介面
表5-4. 電流放電時間
放電電流(A) 放電時間(Sec) 放電電量(AH) 截止電壓(V) 1 6606 1.835 8.801 3 1373 1.1082 8.808 5 826 0.98707 8.815
結果如前章節所述，放電電流愈大可放的電量就愈少，由於3A 與 5A 放電時間太短，所以，本實驗以放電 1A 為主要放電電流，紀錄並分析放 電電壓、電流與回復電壓數據。大部分電池在開始放電時，鋰電池電壓似 乎是依一定關係變化，如圖5-17，在重複三次的放電與閒置之後，在第四 次放電時其放電曲線電壓斜率變化量增加，此時，回復電壓的變化率也較 之前大，在第五次放電時，電壓呈現急遽下降的曲線，顯示電池的電量幾 乎已經耗盡，而回復電壓如同放電電壓劇烈的變化量，當放電電壓變化量 愈大時，回復電壓的變化量就愈大 [32]。
圖5-17. 1A 放電與回復電壓變化
本實驗依據放電時電壓變化量與時間關係判斷，停止放電，放電電量 積分如圖5-18，每次放電 3600 秒，閒置 3600 秒，所以對放電積分時，會 有一段斜率為正值的直線，而在每次放電間隔會有一段閒置時間，此閒置 時間的電量積分值為0，所以積分圖形呈現梯狀圖形。
圖5-18. 1A 放電電量積分
放電實驗各有五次的放電時間與五次閒置時間，開始放電時，因為放 電電流較小，電池內部的化學反應速度較為緩和，所以電壓變化率沒有顯 著的改變，其電壓變化呈現梯狀圖形，如圖5-19 與圖 5-20。在第三次放電 時，由於電池的電量已經有部分消耗，而電池為了提供1A 的定電流放電，
會加強內部的化學反應，使輸出電流維持在 1A，所以，電壓變化率就會 慢慢增加，如圖5-21，雖然還可辨識出階梯圖形，但其圖形不如前兩次放 電來的明顯。第四次放電，其圖形就更為接近多項式的曲線，如圖5-22。
第五次放電圖形，電池電量已經消耗殆盡，為了維持 1A 的輸出電流，其 電池內部的化學反應會更為劇烈，如果持續太久會對電池造成永久性的傷 害，不同於前三次放電實驗每次持續 3600 秒，為了保護電池，所以第四 次放電不足3600 秒;而第五次放電只有持續約 200 秒。
圖5-19. 第一次放電
圖5-20. 第二次放電
圖5-21. 第三次放電
圖5-22. 第四次放電
半個小時的時間，電池電壓才會停止回復。
本實驗由四顆磷酸鋰鐵電池串聯成一組電池，為了精準的量測回復電 壓變化，所以將閒置時間延長為3600 秒，其前三次的電壓回復如圖 5-24、
圖5-25 與圖 5-26。前三次的電壓回復圖形，結果相似，其原因是因為前三 次放電的電壓變化率較為緩和，電池內部的氧化與還原反應速度亦較為緩 和，所以，前三次的電壓回復圖形如同前三次的放電圖形並無大太差異，
而第四次放電較前三次放電電壓變化率稍大其電壓回復如圖 5-27;到第五 次放電時，電壓變化率已經遠超過前三次，如圖5-28，與前幾次電壓回復 圖形已經有很明顯的差異。
圖5-24.第一次電壓回復
圖5-25.第二次電壓回復
圖5-26.第三次電壓回復
圖5-27.第四次電壓回復
圖5-28.第五次電壓回復
經由幾次的放電與電壓回復實驗所得到的結論為: 放電的電壓變化率 與回復電壓的變化率成正比，劇烈的電壓變化常伴隨著劇烈的電壓回復;
反之，亦然。
對第一次放電與第一次電壓回復的曲線作迴歸運算，建立其數學模 型，如圖5-29 與圖 5-30，由圖可得知，鋰電池放電時曲線以多項式方式呈 現，而回復電壓則是以對數方式呈現 [33]。
圖5-29. 第一次放電迴歸曲線
圖5-30. 第一次放電電壓回復迴歸曲線
藉由上述實驗結果，可以設計放電實驗在放電電壓與時間關係變化超 過定值時，電池會自動停止放電，經過幾次的放電與閒置後，在第四次放 電時，其電壓斜率變化量最大，所以可推估在此段斜率範圍。經由重複幾
次的1A 放電實驗，以 LabVIEW 設計每間隔 100 秒擷取電壓計算其斜率變 化，如圖 5-31 為放電實驗中每隔 100 秒之電壓，圖 5-32 為每隔 100 秒的 電壓斜率，圖 5-33 為斜率變化量。當斜率變化超過定值時，LabVIEW 所設計的程式便會自動停止放電。
圖5-31. 1A 放電實驗每隔 100 秒電壓變化
圖5-32. 每隔 100 秒電壓斜率
圖5-33. 每隔 100 秒電壓斜率變化量
5.6 鋰電池充電數據分析
本節利用圖控軟體 LabVIEW 介面與微處理器 AT89C51ED2。使用軟
本節利用圖控軟體 LabVIEW 介面與微處理器 AT89C51ED2。使用軟