第二章 理論分析
2.9 電量估測方法
2.9.4 線性模型
以最小平方法計算電池電壓對電量的線性參數，想提高精確度需要較多資料來 表現系統的種種運作狀況，比如說考慮不同放電率、溫度…等其他因素， 就必須使 用輸入更多，演算更為複雜的線性模型。
2.9.5 類神經網路
利用類神經網路的概念，制定許多輸入與輸出參數，電量計在使用前透過訓練 與學習產生參數，節由這些參數讓電量計了解電池的特性。此法雖然可以適用於各 種電池，但是相對的輸入與輸出參數該使用什麼與及如何訓練與學習更是一大學 問，而且類神經網路演算法通常極為複雜，於可以攜式裝置上實現起來也很困難。
2.9.6 阻抗頻譜
對電池打入不同的信號來分析電池的響應，以量測電池的內電阻來判斷電池目 前電容量的狀態。充電時電池內電阻會隨著電池電量充飽而增加；當放電時，內電 阻會隨著電池內儲電量完全放電因此減少，因此在檢測電量時，只需判斷電池內電 阻即可。此法適用各種電池。但是需要額外電源產生驅動信號與及昂貴的頻率分析 功能，所以不太適合應用在可攜裝置上。
第三章 實驗方法與實驗設備平台的建立
目前已經有許多模擬鋰電池放電行為的模式建立的研究，但其精準性一定沒有 實際對鋰電池測試來得精準，尤其不同廠牌與規格的電池芯與負載端。隨著使用的 次數增加鋰電池的壽命也是會改變，故利用實際的平台包括電池模組控制板與消耗 功率元件，做測試得到最精準的參數其放電曲線與對於使用時間的預測有相當大的 貢獻。
3.1 鋰電池模組實驗平台建立
為了取得鋰電池模組的專屬放電曲線，並且進一步預測放電終了時間，我們必 須要建立一個有順序控制，量測，顯示，電源供應器，電池模組與負載端的軟硬體 實驗平台，進一步取得實際的電池模組或整個系統放電電壓，電流，工作時間與循 環次數等的數值，再將取得的數據加以整理與計算，得出在特定條件下的放電曲線，
再找出轉折點。利用這些轉折點之後，計算出其曲線方程式，將其化為電腦語言寫 入韌體中，使系統能準確檢知電池模組的該次殘存使用時間。
此外利用 8051 可以做許多取代理電池電源管理晶片的工作，例如 1.監管電池 模組不要過充電或過放電的保護。2.市電與電池模組供電切換。3.系統狀態的紀錄。
4.省電模式的設定。5.系統電路的保護。6.外加多重串並聯 input 的組件。
3.2 硬體說明
圖 3-1 系統控制架構圖 (本論文研究設計)
根據實驗的需求，設出一個軟硬體平台架構主要包含幾個部分，如圖 3-1 所 示為整個實驗平台的系統控制架構方塊圖，因此整個實驗平台實體圖其中包含了 的單元有電池模組、Converter、Inverter、Laptop、DAQ CARD、Micro Controller、
顯示儀器與負載元件等等，所使用的專業軟體有 LabView、 Keil4 與 Matlab 等等.
如圖 3-2 所示為實際架構後的實驗平台，作為測試使用。
圖 3-2 實體測試平台 (本論文研究設計)
圖 3-3 控制流程系統圖 (本論文研究設計)
如圖 3-3 所示控制流程系統圖說明如下，當程序被啟動時先檢查 AC power 是 否電壓準位，如不是則進入電池模組供電模式並檢查電池模組是否在準備工作狀 態，如電池模組是在準備工作狀態，則進入經過 Inverter 將電供應至負載端，接 著啟動放電實驗程序到電池模組在電壓準位低下為止，直到循環至判定電池模組 失效為止。
3.2.1 8051 單晶片說明
圖 3-4 8051 的單晶片微電腦架構圖
8051 是一種 8 位元的單晶片微電腦的名稱，屬於 MCS-51 單晶片的一種，由 英特爾公司於 1981 年 製造的 MCS-51 族系單晶片。基本上 8051 單晶片如圖 3-4 所 示為同步式的順序邏輯系統，整個系統的工作完全是依賴系統內部的時脈信號，用 以來產生各種動作週期及同步信號。在 8051 單晶片中已內建時脈產生器，在使用 時只需接上石英晶體 (或其它振盪子) 及電容, 就可以讓系統產生正確的時脈信 號。
本實驗所採用的為 C8051F340 晶片如圖 3-5 所示是完全集成的混合信號系統級
MCU 晶片高速流水線結構的 8051 相容的 CIP-51 內核（最大 48MIPS）；USB 匯流排界 面,全速 12Mbps，1KB FIFO；高速 AD 轉換能力達 10 位 200ksps；4 個通用的 16 位計 時器，40 個 I/O 埠；MCU：C8051F340，片內 64K FLASH，5376Byte SRAM，內置網路 變壓器的 RJ45 網路介面，2 路 RS232 介面，實現雙串口資料傳輸功能。
圖 3-5 C8051F340 晶片電路圖
3.2.2 電池模組與電池芯
本次實驗測試所用的電池芯為 BOSTON POWER 所提供的型號是 Swing® 4400 其 規格如表 3-2 所示，其實體圖如圖 3-6 所示，電池模組是將電池芯以 3 並 7 串共 21 顆所製成的規格如表 3-3 所示，其實體圖如圖 3-7 所示，其組成方式如圖 3-8 所示。
以達到系統 29.4V 與 13.2AH 規格及控制設定之標準依據。
表 3-1 電池心規格表
圖 3-6 電池芯實體圖
表 3-2 電池模組規格
項目 Items Conditions Value Units
模組電壓 Voltage Average Voltage under 1C rate 29.4 Volt
模組電容量 Capacity Voltage at 25℃ 92.4 Ah
操作溫度 Operation Temperature Charge State 60 ℃ 循環使用壽命 Cycle Life 1C cycle at 25℃ 2000 Cycles
保固年限 Warranty 1 Year
過電壓保護
Over-Voltage Detection
Trigger Points 4.2 Volt
Delay Time 2 Sec
Release Points 0.1 Volt 低電壓保護
Under-Voltage Detection
Trigger Points 2.8 Volt
Delay Time 5 Sec
Release Points 0.2 Volt 過電流保護_放電(1st)
Discharge Over-current Detection
Trigger Points 200 Amp
Delay Time 2 Sec
Release Points 8 Sec 過電流保護_充電
Charge Over-current Detection
Trigger Points 25 Amp
Delay Time 1 Sec
Release Points 8 Sec
圖 3-7 電池模組實體圖
圖 3-8 三並七串電池模組示意圖
3.2.3 ＤＣ／ＡＣ轉換器
ＤＣ TO ＡＣ轉換器常稱為INVERTER，電路結構如圖3-9所示。其中控制電路的 主要作用是以一個高頻的三角波和低頻的正弦波作比較為精確的帶通濾波器（Band pass filter, BPF），則可更真確地得到基本波的輸出。電池中的直流電供變流器轉 換為交流電，提供穩定的電力給負載使用。其中表3-4所示為本論文題目所使用的 inverter規格表。如圖3-10所示為INVERTER實體圖照片。
圖 3-9 INVERTER 電路示意圖
表 3-3 Inverter 規格
項目 Items Value Unit
輸出功率 Continuous output power 500 W 輸出電壓 Output voltage 115 Volt頻率 Output frequency 60 Hz 額定電壓 DC input voltage 24 VDC 電壓範圍 DC input voltage range 20~24 VDC 電壓波形 Output wave form 60 Hz
圖 3-10 INVERTER 實體拍攝圖
3.2.4 LABVIEW 與 DAQ 介紹
LabVIEW 乃為 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench 的簡 稱。它是一種圖形化程式語言，即它的指令多數是圖形，具有強而有力的功能，包 括資料擷取、資料分析與結果呈現。LabVIEW 更提供量測後的數學分析與顯示功能，
並且對於真實世界中所選擇的待測物提供一個溝通的介面。可以用來量測溫度、壓 力、位移、張力、pH 值等等。
表3-5 資料擷取卡規格
項目 規格
類比輸入 8 個(48 kS/s、14 位元) 類比輸出 2 個(12 位元、150 S/s)
數位輸出 8個數位 I/O
數位輸入 4個數位 I/O
Counter 32 位元計數器
匯流排供電功能 內建訊號連結功能
軟體 相容於 LabVIEW NI-DAQ mx 驅動軟體與Signal Express
LabVIEW 與 DAQ 卡搭配後，電腦可以藉著DAQ 卡來和外界做溝通，透過LabVIEW 程式的配合，便可以利用電腦來取代示波器及訊號產生器的功能。除了具有資訊擷 取的基本功能之外，還具備以下特性：對於所有多功能資料擷取硬體都能使用單一 的程式設計介面，進行類比輸入、類比輸出、數位I/O與計數器程式撰寫。
使用多執行序(multithreading) 且經過最佳化的單點 I/O，性能可提高在各種 程式撰寫環境如LabVIEW、 LabWindows/CVI、Visual Studio .NET、與C/C++，均可 用相同的VI函式與功能。如圖3-11為美商國家儀器的資料擷取卡(DAQ)實體圖。
圖 3-11 資料擷取卡實體圖
3.2.5 軟體平台
從圖 3-12 LabView 模擬儀表控制介面圖，實現全自動化擷取去各種數據在 系統運作狀態下可擷取數據如下，循環次數、負載端電壓值、電池模組端電壓值、
預估電池容量、工作時間、消耗功率以及系統狀態。
圖 3-12 LabView 模擬儀表控制設計畫面圖 3.2.6 負載端規格
負載端的機台是使用繁葵實業股份有限公司的產品 Vena Press VP 500 如圖 3-13 負載端實體圖，深層靜脈栓塞防護器為具風險的病患提供全方位血栓防護，
包含接受手術、藥物治療及長期位於病床上之病患。 目前此機器規格為，消耗功 率 500W ，輸入電壓為 110AV。
圖 3-13 負載端實體圖
第四章 實驗結果與分析
我們本次的研究重點在於鋰電池模組工作時間以及即將放電截止時間，實驗 的方式為鋰電池儲能與穩壓，再導入至負載端，藉此來提升供電品質觀察並紀錄 鋰電池與負載情況的電池控制系統。
4.1 實驗流程說明
採用的電池為 4.4Ah 鋰離子電池共 21 顆。為使每次實驗資料更加準確，使鋰 離子電池達到滿充滿放的狀態，在實驗時基本上都在室內操作，保持溫度在一定 範圍，所以暫時不考慮溫度的影響。
如圖 4-1 所示為實驗流程圖，其流程細節說明如下，先用定電流-定電壓充電 法。第一階段先用定電流充電，較快可以到需求的電壓，藉由調變充電電流即可 達到調控充電時間的效能，比定電壓法較節省時間。在這個階段時，使用的充放 電如下按照 0.2C 充電速率進行恒流充電，到達截止電壓為 28V 時，再改以第二階 段的定電壓充電了，直到截止電壓為 29.4V，截止電流 200mA，如此做會使電池不 會有作虛充的現象且電池較能充到飽和。
以機台功率下全開進行 1.13C 放電，截止電壓為 21V。在此過程中擷取所需的 特性資料以及進行所有的順序控制與保全機制。按此一步驟直到電池老化至判定 只有放電深度 DOD 小於 80%時或 100%充放電 1200 次循環，此實驗才算結束。
圖 4-1 實驗流程圖
圖 4-2 典型電池模組放電圖
實際測量中最容易得到的靜態參數是電池開路電壓和電池內阻。在相同的溫 度下，如果電池中的電化學反應所消耗的電極活性物質的量相同，其開路電壓也 應該相同，當電池的放電深度（DOD）相同時，具有相同的開路電壓（開路電壓是 指電池達到平衡時的電壓），那麼如果能找到鋰電池模組電壓值與容量的對應關 係，就能利用鋰電池模組電池的電壓，對鋰電池模組電池的容量進行估算。
隨著鋰離子電池充放電迴圈次數的增加，在鋰離子電池內部有很多副反應發 生，因此導致電池容量的衰減。同時由於電池內部電化學性能參數的改變，必然
隨著鋰離子電池充放電迴圈次數的增加，在鋰離子電池內部有很多副反應發 生，因此導致電池容量的衰減。同時由於電池內部電化學性能參數的改變，必然