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脈衝充電實驗探討

前一章節連續直交表討論,發現實驗所得參數組合用於脈衝充 電,結果與定電流相差無幾,為了更瞭解脈衝充電的特性,本章中將 以更多的實驗進行探討。

4-1 電流與導通率和頻率的影響

選擇九組相同平均電流 Iavg 為 2A,不同的脈衝高度 I、頻率 f 和 導通率 d 的參數,進行脈衝充電實驗,分別觀察其充入容量、放出容 量、容量效率與能量效率將其實驗數據紀錄於表 4-1 和表 4-2。將 結果與表 4-3 中定電流 2A 充電進行比較,觀察頻率 f 和導通率 d 與 電流高度 I 參數組合對脈衝充電影響程度。

表 4-1 充入與放出容量比較

150Hz 450Hz 750Hz

充電條件

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 充入容量(Ah) 放出容量(Ah)

Duty=0.25 1.2 1.15 1.25 1.19 1.02 0.98

Duty=0.5 0.94 0.91 1.09 1.01 1.12 1.1

Duty=0.75 1.19 1.07 1.03 0.98 1.08 1.03

表 4-2 容量與能量效率比較

150Hz 450Hz 750Hz

充電條件

容量效率(%) 能量效率(%) 容量效率(%) 能量效率(%) 容量效率(%) 能量效率(%) Duty=0.25 95.83 84.45 95.2 89.59 96.08 87.05

Duty=0.5 96.8 90.92 93 78.56 98.21 85.93

Duty=0.75 89.93 78 95.14 81.25 95.37 82.36

表 4-3 定電流 2A 充電實驗

充電模式 充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%) 能量效率(%)

定電流充電 1.1 1.06 96.36 85.23

圖 4-1 到圖 4-4 是在三個選定的頻率 (150Hz、450Hz 和 750Hz),

不同導通率組合,在相同平均電流 2A 下,所得到的充入容量、放出 容量、容量效率和容量效率比較圖,圖中虛線的部份是定電流 2A 充 電所得到的結果。由圖 4-1 到圖 4-4 的比較圖可發現,在不同的充電 條件下,所得到的充入容量、放出容量、容量效率和能量效率差異不 大,且與定電流充電接近。

0.25

0.5

0.75

150 450 0 750

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 充入容量(Ah)

導通率

頻率(Hz)

DC2A : 1.1Ah

圖 4-1 充入容量比較

0.25

0.5

0.75

150 450 0 750

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 放出容量(Ah)

導通率

頻率(Hz)

DC2A : 1.06Ah

圖 4-2 放出容量比較

0.25

0.5

0.75

150 450

750 0

20 40 60 80 100 容量效率 (%)

導通率

頻率(Hz)

DC2A : 96.36%

圖 4-3 容量效率比較

0.25

0.5

0.75

150 450 0 750

20 40 60 80 100 能量效率 (%)

導通率

頻率(Hz)

DC2A : 85.23%

圖 4-4 能量效率比較

在此一系列的實驗過程中,在選擇的實驗範圍內,導通率與電流 組合和頻率的實驗結果類似,且與定電流充電接近,並無法得到一個 明確的趨勢與結論,所有的結果全都指向平均電流是影響脈衝充電容 量的唯一因素。因此,無法證實脈衝充電在實驗範圍中,充入容量及 效率上能明顯優於定電流充電。

4-2 充電過程溫升

由於文獻提及脈衝充電有助於改善充電過程中的溫升,本節將就 連續直交表中所得電流高度 4A、頻率 510Hz 及導通率 0.5 之參數組 合進行充電,將溫度上升的情形與定電流 2A 比較。

使用同一顆電池,充電連接方式如圖 2-10 所示,但此時已將電 池移出溫控箱,此舉可避免電池產生的熱量迅速被溫控箱所吸收。將 電池長時間靜置於室溫 25℃的環境中,確保電池內外的溫度皆維持 在與室溫相同的溫度。溫度感測器置於電池側面中心位置,如圖 4-5 所示。充電時每三分鐘紀錄一次電池溫度值,直到充電過程結束。先

進行定電流充電,放完電後再以同樣的步驟進行脈衝充電,充電終點 電壓 14V,放電的終點電壓 10.5V,兩者的充電時間都在三十分鐘左 右。

溫度感測器

圖 4-5 溫度感測器放置位置

圖 4-6 是電池前後兩次充電溫度上升的情形,在此一次試驗的整 個充電過程中,脈衝充電的溫升和定電流充電的溫升很接近,無法證 實文獻聲稱脈衝可改善溫升的優點。

0 1 2 3

0 5 10 15 20 25 30 35

時間(分)

溫度上升(度) 定電流 脈衝

圖 4-6 脈衝與定電流充電溫度上升比較 4-3 低頻脈衝充電

在連續直交表一整個系列的實驗過程中,雖然將搜尋的頻率定於 0-900Hz 的範圍,但由於第一次直交表所建議的搜尋方向,已經將極 低頻的部份有最佳參數組合的可能性去除。而在脈衝充電的過程中,

電池的休息時間的長短是影響去極化作用程度的重要因素。因此,休 息時間似乎應該會與脈衝充電的訴求─亦即高效率、低溫升和縮短充 電時間等優點─息息相關。一旦考慮將休息時間延長,充電電流的頻 率自然就需要降至相當低的程度,例如 10Hz 以下。本節將就脈衝充 電在極低頻的部份,與定電流充電作一比較。

將相同型號電池 B1 和 B2 進行相同條件的脈衝充電,頻率設定 為 1Hz,平均電流都設為 1A,以便與 1A 的定電流充電進行比對。導 通率選擇 0.4、0.5 和 0.75,進行低頻實驗,將實驗的結果紀錄於表 4-4 與表 4-5 中。

表 4-4 B1 電池在 1Hz 下充放電實驗

B1 充電條件 充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 充電時間(hr) 放電時間(hr) 容量效率(%)

Duty = 0.75 1.65 1.61 1.65 3.22 97.58

Duty = 0.5 1.96 1.94 1.96 3.88 98.98

Duty = 0.4 1.82 1.81 1.82 3.63 99.40

DC = 1A 1.52 1.49 1.52 2.98 98.03

表 4-5 B2 電池在 1Hz 下充放電實驗

B2 充電條件 充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 充電時間(hr) 放電時間(hr) 容量效率(%)

Duty = 0.75 1.76 1.66 1.76 3.32 94.32

Duty = 0.5 2.17 1.99 2.17 3.98 91.71

Duty = 0.4 1.74 1.69 1.74 3.38 97.13

DC = 1A 1.58 1.56 1.58 3.12 98.73

圖 4-7 和 4-8 分別是兩顆電池的容量比較圖,由圖中可以明顯的 看出,低頻部份的脈衝充電可充及可放容量似乎優於定電流充電,此 結果顯示,在較低頻充電時,電池電壓的上升較為緩慢,因此在相同 的充電起止點,可充入的容量有所提升。而在容量效率的比較上,並 沒有一定的規則性,無法確實看出脈衝充電效率較佳的好處。

0 0.5 1 1.5 2

Duty = 0.75 Duty = 0.5 Duty = 0.4 DC

容量(Ah) 充入容量 放出容量

圖 4-7 充入與放出容量比較(B1, f =1Hz)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

Duty = 0.75 Duty = 0.5 Duty = 0.4 DC

容量(Ah) 充入容量 放出容量

圖 4-8 充入與放出容量比較(B2, f =1Hz)

雖然在低頻的部份似乎可看得到較好的結果,但在實驗的過程 中,卻需要面對新產生的問題:

(1) 在低頻充電的過程中,由於在每個充電電流周期中充電的時 間較高頻的長,造成電池端電壓因充電電流變化造成的變動 值過大。在尚未達到設定的終點電壓之前,電壓變動的峰值 部份可能已遠超過吐氣電壓,因而傷害電池的壽命。在相同 的平均電流下,頻率愈低此現象愈明顯。

(2) 在充電過程中,由於低頻充電造成電池電壓的劇烈變動,在 此狀況下,使用電池平均電壓的判斷方式是否合理?在上述 實驗中得到的結果是否與終點電壓判定的方式有相關?

以下在平均電流 1A 導通率 0.5 的條件下,分別進行 100 到 1000Hz 和 5 到 50Hz 兩頻率區段的實驗,比較加載端電壓暫態波形的差異。

圖 4-9 是 100 到 1000Hz 區段電池加載端電壓暫態波形圖,從圖中可 知,100 到 1000Hz 區段內的加載端電壓的峰對峰值皆於 0.3V 以內,

隨頻率的增高,差距逐漸縮小。

12.6 12.8 13

0 2 4 6 8 10

時間(ms) 電池端電壓(V) 1000Hz 250Hz 100Hz

圖 4-9 電池加載端電壓暫態波形(100 到 1000Hz)

圖 4-10 是 5 到 50Hz 區段內電池加載端電壓暫態波形圖,由圖中 可知,在極低頻的部份,端電壓間峰對峰值的差異愈增明顯。在頻率 5Hz 時,電壓峰值間的差距甚至到達了 0.7V。因此,欲證明低頻部份 脈衝充電有其優點存在,頻率對終點電壓和電池壽命的影響有待釐 清。

12.4 12.6 12.8 13 13.2 13.4

0 0.05 0.1 0.15 0.2

時間(s)

電池端電壓(V) 50Hz 10Hz 5Hz

4-4 電池反覆充放電的影響

在鉛酸電池反覆的充電過程中,電池的容量都會不斷地衰減。若 是以大電流進行充電,其衰減的速度會更快,數次後甚至不足原可充 入容量的一半。

圖 4-11 及圖 4-12 表示以相同平均電流 1 安培的脈衝充電,對同 一顆鉛酸電池連續充放電三次,其容量與衰減率對時間的關係圖,實 驗相關的資料數據整理於表 4-6 中。由表中可以得知,雖然連續三次 充放電的容量效率都非常高,都達到九成以上,但電池可用容量卻是 在持續衰減的狀態。

1 1.2 1.4 1.6

0 1 2 3 4

順序

容量(Ah) 充入容量 放出容量

圖 4-11 脈衝充電連續充放電容量關係

70 80 90 100

0 1 2 3 4

順序

衰減率(%) 充電 放電

圖 4-12 脈衝充電連續充放電衰減率 表 4-6 連續充放實驗

脈衝充電連續充放 順序

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%) 充入衰減率(%) 放出衰減率(%)

1 1.54 1.53 99.35 100 100

2 1.37 1.31 95.62 88.96 85.62

3 1.28 1.23 96.09 83.12 80.39

充電條件: I=2A, d=0.5, f=450Hz, 充電終點=14V, 放電終點=10.5V

為了讓衰減的狀況更為顯著,將電池的充電終點電壓提高到 14.5V,以相同平均電流 1 安培的定電流和脈衝電流,分別對相同型 號的兩顆電池(編號 B1 和 B2)各充放一次,比較兩種充電方式的差 異,如此可看到較明顯的比較結果。其容量與衰減率的數據整理在表 4-7 到表 4-10 中。B1 充放容量和衰減率關係比較圖如圖 4-13 和圖 4-14 所示。B2 充放容量和衰減率關係比較圖如圖 4-15 和圖 4-16 所示。由 圖可知,不管是脈衝或是定電流,在連續充電的過程中都會不斷的減 少可充入的容量,但由兩顆電池的結果並不一致,因此無法進一步比 對出脈衝和定電流充電對電池衰減狀況造成的影響。

表 4-7 B1 脈充連續充放實驗 脈衝連續充放 順序

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%) 充入衰減率(%) 放出衰減率(%)

1 2.117 2.077 98.11 100 100

2 1.877 1.81 96.43 88.66 87.14

3 1.613 1.523 94.42 76.19 73.33

4 1.49 1.44 96.64 70.38 69.33

5 1.39 1.32 94.96 65.66 63.55

充電條件 : I=2A, d=0.5, f=450Hz, 充電終點=14.5V, 放電終點=10.5V 表 4-8 B1 定電流連續充放實驗

定電流連續充放 順序

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%) 充入衰減率(%) 放出衰減率(%)

1 2.02 1.92 95.05 100 100

2 1.81 1.73 95.58 89.6 90.1

3 1.6 1.51 94.38 79.21 78.65

4 1.51 1.41 93.38 74.75 73.44

5 1.41 1.33 94.33 69.8 69.27

充電條件 : 定電流=1A, 充電終點=14.5V, 放電終點=10.5V 表 4-9 B2 定電流連續充放實驗

定電流連續充放 順序

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%) 充入衰減率(%) 放出衰減率(%)

1 1.9 1.72 90.53 100 100

2 1.5 1.46 97.33 78.95 84.88

3 1.27 1.23 96.85 66.84 71.51

4 1.13 1.11 98.23 59.47 64.53

5 1.05 1.02 97.14 55.26 59.3

充電條件 : 定電流=1A, 充電終點=14.5V, 放電終點=10.5V

表 4-10 B2 脈充連續充放實驗 脈衝連續充放 順序

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%) 充入衰減率(%) 放出衰減率(%)

1 2.04 1.92 94.12 100 100

2 1.74 1.6 91.95 85.29 83.33

3 1.58 1.53 96.84 77.45 79.68

4 1.44 1.38 95.83 70.59 71.88

5 1.37 1.35 98.54 67.16 70.31

充電條件 : I=2A, d=0.5, f=450Hz, 充電終點=14.5V, 放電終點=10.5V

1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0 1 2 3 4 5 6

順序

容量(Ah) 脈衝充電 脈衝充電放電 定電流充電 定電流放電

圖 4-13 B1 連續充放電容量比較

50 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6

順序

衰減率(%) 脈衝充電 脈衝充電放電 定電流充電 定電流放電

圖 4-14 B1 連續充放電衰減率比較

1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2

0 1 2 3 4 5 6

順序

容量(Ah) 脈衝充電 脈衝充電放電 定電流充電 定電流放電

圖 4-15 B2 連續充放電容量比較

50 60 70 80 90 100

0 1 2 3 4 5 6

順序

衰減率(%) 脈衝充電 脈衝充電放電 定電流充電 定電流放電

圖 4-16 B2 連續充放電衰減率比較

由以上的討論可知,電池在一系列連續的充放電過程中,不論是 脈衝或定電流充電,電池的可用容量都是不斷的在衰減中,若以同一 顆電池不斷進行循環實驗,長此以往,可預知的容量衰減情形將會對 實驗的準確性造成影響。因此,為了減輕電池充電時容量衰減的影 響,並增加實驗的可信度,在本文的每一次實驗之前都對電池施以一 相同之容量回復程序,使其可充容量回復至與前次充電較接近的狀 態。

本文所採行的容量回復程序如表 4-11 所示,採用定電壓限流 0.125C 對電池進行充電。將定電壓充電的電壓值設在 14V,在充電初 期為了避免過大的電流對電池造成傷害,故將電流限制在 0.125C,

整個過程充電時間定為 8 小時。當電池電壓上升到一定值後,充電電 流即不再處於限流的狀態,而會隨電池電壓上升而逐漸下降,到充電 過 程 的 末 期 時 , 電 池 已 經 處 於 浮 充 狀 態 , 此 時 的 電 流 值 大 約 為

表 4-11 容量回復程序步驟

充電

放電 1

2

定電壓14V限流0.125C充 電

定電壓14V浮充

充電時間8小時

0.125C定電流放電至10.5V

表 4-18 是同一顆電池兩次都經過容量回復程序後,平均電流 1A 之脈衝充電充放電的數據資料。圖 4-22 和圖 4-23 分別是經過容量回 復程序和未經容量回復程序之充入容量和輸出容量比較圖。是由表 4-12 和圖 4-25 及圖 4-26 可知,經過容量回復程序後,電池的充放電 效應會在比較接近的狀態,充放電的容量變化量都在 5%以內,因此,

電池可回復到較接近的狀態。在本文中,為了避免反覆充電影響可充 入容量,所有的實驗均經過此一容量回復程序。

表 4-12 經容量回復程序之脈衝充電充放容量 脈衝充電連續充放

順序

充入容量(Ah) 放出容量(Ah) 容量效率(%)

1 1.58 1.51 95.78

2 1.62 1.56 96.54

3 1.52 1.49 98.35

充電條件: I=2A, d=0.5, f=450Hz, 充電終點=14V, 放電終點=10.5V

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