第一章 緒論
1.3 文獻回顧
1.3.1 鋰離子電池系統建模
Pop V. 等人在 2005 年的研究中指出，電池的 SOC(state of charge)對於系統 建模會造影響，實驗進行中維持電池的 SOC 在準確的數值。正確的 SOC 測定法 及準確的殘電量顯示，讓使用者依靠這些數據，正確的使用電池，使其增加效能 及延長使用壽命。但仍然會有例外，其關鍵在於使用者的使用方法。時常對電容 量尚充足的電池充電，雖可使充放電的次數增加，但也會造成電容量提早衰退。
反過來說，經常過度充電或過度放電，則會使電池的循環壽命降低[3]。
Barsoukov 與 Macdonald[4]於 2005 年發現電池在連續放電的狀態下，會使得 電位連續下降，而電位下降幅度會受到溫度、放電電流及電池的剩餘電量影響，
若只考慮電壓，則電量的估測的準確度是不可靠的，故建模時，將各項變異數加 入參考，對於模型的準確度提昇會有正面的作用。
圖 1.2 鋰電池電壓特性圖[8]
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1.3.2 交流阻抗分析
使用電化學阻抗頻譜，獲得電池動態是一項專門的工具。其原理是透過一個 微小的弦波訊號激發待測系統，得到電池在特定工作點的狀態為何，且其精確度 不會受到電化學上的非線性或長時間閒置影響[8]。
鋰電池的交流阻抗頻譜理論曲線用奈氏圖表示，如圖 1.3。鋰電池之阻抗頻 譜受到電池特定的動態過程影響，如圖所示可分成五個區塊。第一區為超高頻區 域，主要顯示為電池及線路所引起的電感行為。第二區從 0 至頻譜與實軸的交越 點，為電池的等校電路中的串聯電組值，串聯電組中包含了活性材料、電解液及 隔離膜所產生的電阻值。第三區為頻譜中第一個半圓，此現象與循環過程中在正 極形成的固態電解質層有關[9,10]。第四區為頻譜中第二個半圓，代表電極的雙 層電容和介電層的電阻[10,11]。第五區為頻譜中的低頻區，為電極中的活性物質 電荷轉移的擴散情形[12]。
Andre 等人[19]在 2011 年的研究中，利用兩種不同的等效電路模型模擬阻抗 頻譜時發現，使用簡單的 RC 模型無法模擬出與實驗數值吻合的阻抗頻譜，圖 1.4 對應到圖 1.3 的 5 個區塊分別表示 5 種不同的等效電路模型。
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-Z”
Z’
Section1
Section 2 Section 3 Section 4 Section 5
圖 1.3 鋰電池的理想交流阻抗頻譜[8]
-Z”
Z’
W
Z Z
W
L R
Zarc1 Zarc2
ZW
圖 1.4 鋰電池理想交流阻抗頻譜之相對應等效電路[8]
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Suresh 等人[6]於 2002 年的研究發現，鋰電池從-10℃到 40℃的交流阻抗頻譜 測試中發現，高頻域時的等校串聯電阻測試結果，並未產生直接的動態關係，而 在低頻時，發現電池電量和電池溫度對等校串聯電阻有直接的影響。
Andre 等人[19]於 2011 年的研究發現，將電池的溫度從-30℃到 50℃做交流 阻抗測試，溫度對電池內阻有顯著的影響。當溫度下降時，電池的內阻會隨著溫
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圖 1.5 Gomez 等人提出的鋰電池等效電路模型[20]
根據上述文獻，本研究目的為研究與建立具有溫度效應之鋰電池即時動態模 型。研究中使用 3.2V/11.5Ah 之磷酸鋰鐵電池。本研究主要分為三階段；第一階 段為熱動態響應量測；透過二步驟量測法，在不同電池操作溫度下，依照電池在 恆溫室中絕緣與一般對流，可求得電池單元之比熱與熱對流係數。第二階段為電 池等效電路特性量測。主要作法為透過交流阻抗(AC Impedance)技術，在頻率 0.1-1000 Hz 的範圍下，針對不同溫度(10C、20C、30C、40C)、不同放電 電流(0.5C、1C、2C)、不同電池電量(State-of-Charge，SOC)，進行等效電路之元 件參數量測。第三步驟為建立具溫度動態之高非線性電池即時模型；透過一具有 隱藏層(Hidden layer)之類神經網路，將電池溫度、SOC 作為網路之 2 變數輸入向 量，等效電路參數值(三電阻、一電容)作為網路之 4 變數輸出向量。經過倒傳遞 法(Back Propagation)之神經元權重(weighting)訓練後，便可求得代表目標鋰電池 之即時模擬等效電路。
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