實驗一硬體電路架構

充電機：

充電機是由盈正豫順電子公司所提供，於本實驗中採用四組充電機，分別對 四串電池組進行充電，充電模式為混合定電流／定電壓充電法，可控制充電機的 輸出電壓和輸出電流大小，最大充電電流約為1.5A，浮充電壓為 DC 113.6V，平 均每顆電池之浮充電壓為DC 14.2V，充電機會依照所設定之最大輸出電壓和最大

輸出電流來運作，如果輸出電流太大超過設定值時，充電機會將輸出電流限制在 所設定的最大輸出電流值內，此時充電機會工作在定電流輸出模式；如果輸出電 壓太高超過設定值時，充電機會將輸出電壓限制在所設定的最大輸出電壓值內，

此時充電機會工作在定電壓輸出模式，實體圖如圖3-3 所示。

圖3-3 充電機實體圖 電池組：

實驗中所使用的電池為YUASA 公司所出產，型號為 NP7-12，規格為 12V/7AH 的鉛酸電池。在硬體建構上，由於每顆鉛酸電池之內部材料於出廠時皆會有些微 之差異，在特性之反應上會有不同程度的變化，以至有些電池在正常使用下特性 極佳，難以找出電池劣化及老化之特性，因此為了收集更完整之實驗資料，做為 判斷鉛酸電池好壞之依據，於本論文之實驗中建構四串電池組，每串八顆電池，

共32 顆電池，採用循環式，進行充放電實驗，以增加實驗資料收集之完整性，期 望透過這些資料分析找出電池維護及診斷之特性依據，將有助於提供產業界做為 鉛酸電池維護及診斷之量測技術。

本論文的實驗一共有4 串 32 顆電池，每串電池採用獨立充放電系統，由四組 充電機分別對四串電池組進行充電，放電則設計四組獨立之放電負載，而為了同 時量測電池充放電期間之電壓以及阻抗之變化，特別將電池之正負極兩端另接線 至端子台以供量測，電池組配置之實體圖如圖3-4 所示。由於每串電池組以 8 顆電 池串聯連接，因此每串電池共有九條線接至端子台，端子台之接線如圖3-2 所示，

分別接至BMS 板、阻抗量測模組之電流迴路及電壓迴路以及均壓器等三個部份，

其中均壓器裝設於四串電池組中之第一組及第二組，另外連接至BMS 量測板是用 來做電壓量測，而接線至阻抗量測模組之電流迴路及電壓迴路則是用來做交流阻 抗量測用。

圖3-4 恆溫箱內部電池組配置實體圖

由於本實驗所量測到的交流阻抗值相當小，在浮充狀態之交流漣波大小只有 10mV～20mV 而已，對類比的取樣電路或 DSP 之 A/D 取樣而言，此微量之訊號近 似於雜訊，難以取樣分析，而又從電路學之觀念得知，當線路有電流流過時即會 產生線路壓降，此線路壓降於本實驗之微量訊號量測可說是有相當程度的影響，

因此為了避免線路壓降對電池取樣訊號之大小造成影響，採用四線量測方式，將 1K Hz 之交流電流訊號經阻抗量測模組之電流迴路傳送至每一顆電池上，再由阻抗 量測模組之電壓迴路取其每顆電池兩端的開路電壓做分析，如此一來即可避免因 線路壓降而造成對電池阻抗取樣的誤差，此法有助於提升量測的準確度，但缺點 是線路及成本會增加一倍，同時在施工上之困難度也會增加。

恆溫箱：

由於鉛酸電池是透過化學反應之過程來提供電池放電的輸出能量，而使用上 會隨著負載及溫度之不同而提供不同程度之容量，在相同之容量下當負載越重 時，電池所能供應之時間越短，而隨著環境溫度之不同，使得鉛酸電池內部之材 料特性反應不同，當溫度越高時，有提升電池容量之特性，但卻有加速材料老化 之問題存在[5]，因此本論文之實驗採用訂製之恆溫箱，提供 24 小時環境溫度為 50℃之工作溫度，以防止實驗過程中環境溫度之變化對電池造成不同程度之影

響，並透過較高之環境溫度，對電池做加速老化試驗，以收集電池老化過程之資 料，同時也可縮短實驗之時間，以增加實驗次數及收集更多之實驗數據，恆溫箱 內部電池配置實體圖如圖3-4 所示，恆溫箱內部環境溫度設定如圖 3-5 所示。

圖3-5 恆溫箱內部環境溫度設定圖 負載：

在製作負載時，設計每串電池組以 1.6C 放電，對 YUASA NP7-12 之鉛酸電池 而言，相當於實際電流11.2A，負載之設計考慮成本及空間的問題，每組負載以三 只規格為120V/500W 之鹵素燈管並聯使用，相當於 1500W 之負載，採用大電流放 電，取代價格昂貴之電子式負載，屬於定電阻模式之設計，此外，為了方便實驗 之進行及增加操作之安全性，以工業用之電磁接觸器配合自保持按鈕開關來啟斷 充放電迴路，完成充放電系統之設計，並在充放電迴路上裝設比流器以記錄實際 之充放電電流。

如圖 3-6（a）所示，為電磁開關之控制圖，線路中以自保持開關做 ON/OFF，

當自保持開關閉合，則電磁開關及風扇的線圈激磁，由於採用鹵素燈管做為電池 放電之負載，在放電的過程中，鹵素燈管的溫度高達 80℃以上，因此為了考量安 全性之問題因而加裝風扇輔助散熱，而電磁開關則是選用具有啟斷直流DC 50A 斷 弧能力的電磁開關，分別有三組主接點及一組控制接點，如圖3-6（b）所示。

在線路之配置上，符合電工法規安全之規定，於充電時之最大電流 DC 1.5A 配置1.25 平方的絞線，放電時之最大電流 DC 11.2A 配置 5.5 平方的絞線。在接點 之配置上，由於電磁開關只有一組控制接點，其控制接點在線圈未激磁的狀態下 屬於常閉接點，又其接點只適合小電流容量之啟斷，因此在設計上用來啟斷電池 之充電迴路，而另外三組之主接點具有大電流之啟斷能力，用來啟斷電池之放電 迴路，此外，為了避免電池長時間使用大電流放電造成電磁開關之主接點過熱熔 化，在設計上採用兩段式斷弧的配置方式。

如圖 3-6 所示，其動作原理是當電磁開關之線圈激磁，則控制接點斷開、主接 點閉合，切離充電迴路，讓電池對負載進行放電，反之，則控制接點閉合、主接 點斷開，讓電池進行充電，亦即當自保持開關未閉合時，線路屬於充電模式，充 電機將持續的對電池串進行充電，使電池在充飽時的電壓一直維持在浮充狀態，

而當需要進行放電實驗時，才將自保持開關閉合，讓線路轉換為放電模式，使電 池串對負載進行放電，如此利用電磁開關配合自保持按鈕開關來啟斷充放電回 路，完成充放電系統之設計，實體圖如圖3-7 所示。

（a）

（b）

圖3-6（a）電磁開關控制圖（b）充放電系統示意圖

圖3-7 充放電系統實體圖 阻抗量測模組：

交流阻抗量測電路之工作原理是先將單一顆電池經由高通濾波器（High Pass Filter，HPF）將電池兩端之直流成份濾除，取其交流漣波訊號，透過 DSP 之 A/D 取樣，將交流之漣波訊號經由帶通濾波器（Band Pass Filter，BPF）程式取出其中 1K Hz 之交流成份，再利用傅立葉級數之觀念將交流成份整合換算為該顆電池之相 對阻抗值。

阻抗量測電路方塊圖如圖 3-8 所示，包含繼電器（Relay）開關電路、高通濾 波器及DSP A/D 轉換電路等三大部份。各部份說明如下：

電 池 電 壓

Relay 開關電路 高通濾波器 DSP A/D 轉換電路

圖3-8 阻抗量測電路方塊圖（實驗一）

（1）繼電器（Relay）開關電路：

由於 DSP 之 A/D 只有 16 組通道可供取樣，加上傳統之交流阻抗法，只適用 於對單顆電池做量測，此乃因為了產生一組固定之交流電流加在電池的兩端，藉 由其反應在電池兩端之電壓大小，利用相對阻抗之觀念來觀察其阻抗之變化，但 若將電池以串聯八顆使用時，同樣要產生一組固定之交流電流時，則必須要有八 組交流電流產生電路，以避免電池因電路共地而產生短路之迴路。

本實驗為了要同時量測四串 32 顆電池之交流阻抗，所以在體積及成本上會因 電池之數目而增加為32 倍，為了減少大量之體積及成本之考量，在設計上希望只 有一組交流電流產生電路即可提供32 顆電池之交流漣波電流，因此利用 Relay 開 關的切換方式來達成交流漣波電流訊號之提供，如此一來DSP 在取樣時，也只需 使用一組 A/D 即可完成 32 顆電池之取樣，硬體電路可大幅之減少體積及降低成 本，於DSP 之程式撰寫也較為容易。

在本實驗之交流阻抗量測中，是利用 Relay 開關之切換來完成 32 顆電池之交 流阻抗量測，而Relay 開關的切換則是透過 DSP 之程式配合硬體電路來完成控制，

也就是說一個Cycle 即是對 32 顆電池完成交流阻抗之取樣，於本實驗中一個 Cycle 之取樣時間設為十秒，而Relay 開關的切換時間設為 90ms，其中穩態時間為 50 ms，

前後各有20 ms 之時間提供 Relay 開關做切換使用，以避免電池短路之現象發生，

而在穩態之50 ms 時間內，取十個 1K Hz 之週期相當於 10ms 做平均值，求出該顆 電池之相對阻抗值。

Relay 開關電路設計之示意圖如圖 3-9 所示，輸入之 1K Hz 交流電流只有一組，

要同時將訊號傳送給8 顆電池時，則必須避免電池因電路共地而產生短路之情形，

舉例說明，要將訊號送給第一顆電池時，如區段A 內之四組 Relay 開關所示，Relay 必須經由DSP 控制而切換至導通之位置，使得交流電流得以流至第一顆電池上，

此時由於其他七顆電池皆與第一顆電池形成串聯連接模式，為了防止短路現象發 生，將Relay 分為前段開關及後段開關來控制，前段開關是用來切換至 Vin 及 Gnd 之位置，使得要量測之電池正端接至Vin、負端接至 Gnd，而後段開關之設計是用 來做隔離保護用的，當其中一顆電池被量測時，其他電池的線路連接必須被切離，

一來是防止線路有形成短路回路之可能，二來也可確保量測到的是單一顆電池之 阻抗值。