自平衡式電池管理系統戶外測試

2.6-1 獨立型太陽光發電系統

本研究建造的獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統如圖 2.6. 1 所示，太陽電池 透過充放電控制器對蓄電池直接充電。放電時透過外接逆變器(Inverter)，供給 交流負載。

圖 2.6. 1 獨立型太陽光電系統

本研究主要針對太陽能照明系統，來探討自平衡式電池管理技術，其架構 如圖 2.6. 2 所示。系統分成四大部分，太陽電池、充放電控制器、鋰電池加自 平衡式電池管理系統，以及鹵素杯燈，其硬體設備詳細規格如下 :

(1) 太陽電池(PV) 廠牌 : Sacred Solar

型號 : SDSP-60W-5432-01 規格 : 60Wp 一片

(2) 充放電控制器(i-sCon2)

充放電控制器的主要功能為太陽能電池對鋰電池的充電，並且記錄其 充電電壓及電流，計算太陽電池的發電量。夜間時，對負載放電。

(3) 鋰電芯和電池模組 廠牌 : PSI

型號 : PC40138LFP_15Ah(電芯)

模組規格 : 12V15Ah 電芯兩顆並聯四顆串聯共八顆(12V30Ah) 鋰電池主要是做為儲能裝置，為了增加其壽命，在電池箱外面增加遮 陽板，避免鋰電池長期處於 50℃以上的高溫環境，並加裝自平衡式電 池管系統來對鋰電池進行保護。

(4) 負載(鹵素杯燈)

夜晚時，充放電控制器會開啟燈具將鋰電池放光，並控制在固定低電 壓，保護電池安全

圖 2.6. 2 太陽光發電系統架構

2.6-2 停工平衡時間長度

圖 2.6. 3 平衡時間 10 分鐘的電池電壓變化

圖 2.6. 4 平衡時間 1 分鐘的電池電壓變化

平衡 5 次

平衡 50 次以上

2.6-3 停工平衡時間點

獨立型太陽光發電系統會因為停工平衡時間點的選擇，而影響到發電量或 供電中斷，當系統進入停工平衡時，充放電控制器會停止運作，此時太陽電池 不能夠對鋰電池充電。因此，從日出到日落這段時間，停工平衡次數能夠越少 越好，尤其中午時間太陽輻射最大，除非不得已時。從上述來看，最佳停工平 衡時機有兩個:天亮和天黑。

1. 天亮停工平衡

自平衡式電池管理系統設計在晚上放電過程中並因電壓差過大作停工 平衡，即便電池電壓已經達到充放電控制器所設定的最低電壓，電池停止 放電，也不會進入平衡。自平衡式電路會一直維持串聯模式直到日出的時 候，鋰電池在一個晚上的放電下，電芯狀態差異變大。在剛日出時，充放 電控制器會進入充電模式，同時也啟動一次平衡。

2. 天黑停工平衡

太陽下山時，充放電控制器轉為放電模式，同時也啟動一次停工平衡，

天黑時的停工平衡不會影響到太陽能發電量，。

2.6-4 自平衡式電池管理系統測試分析

本節將從停工平衡時間點所造成的能量損失，以及太陽光發電系統進入停 工平衡後，對於各鋰電池電壓的狀態影響這兩部分，來對自平衡式電池管理系 統作測試分析。

(1) 自平衡式電池管理系統停工平衡時間點對系統發電效率的 影響

由表 2.6.1 來看，同樣都採停工平衡時間一分鐘的情況下，雖然 2014/6/28 當天停工平衡次數 34 次少於 2014/6/24 停工平衡次數 47 次，但 是停工平衡的損失能量為 4.4Wh 大於 6/24 的 1.2Wh(停工平衡損失能量是 由充放電控制器計算而得)。2014/6/24(圖 2.6. 5)和 2014/6/28(圖 2.6. 6)可以 明顯發現，2014/6/24 停工平衡時間點都集中在清晨五點三十分以前，此時 才剛天亮，發電量很小，因此損失的能量比較小。2014/6/28 在上午十點左 右做過停工平衡，此時太陽發電量正大，該段損失能量就佔了 3.4Wh，所 以停工平衡時機能夠提升太陽光發電系統發電效率。

圖 2.6. 5 6/24 電池電壓曲線

圖 2.6. 6 6/28 電池電壓曲線

表 2.6.1 自平衡式電池管理系統測試數據

累積發電量 (Wh/day)

停工平衡次數(次) 停工平衡發電損失 (Wh/day)

停工平衡發電損失 比例(%)

2014/6/24 79.1 47 1.2 1.52

2014/6/27 156.7 65 11.2 7.15

2014/6/28 150.2 34 4.4 2.93

2014/6/29 161.2 53 13.1 8.13

2014/7/1 130 119 22.8 17.54

由表 2.6.1 我們可以發現，在 2014/6/27 和 2014/6/28 這兩天發電量差不多，

但是 2014/6/27 這天停工平衡次數 65 次，遠大於 2014/6/28 的 34 次，即使 2014/6/27 在早上十點以後因為停工平衡而損失的能量只有 1.8Wh，但是因為停 工平衡次數較多，以至於總能量損失比較高。圖 2.6. 7 和圖 2.6. 8 分別為 2014/6/27 和 2014/6/28 電芯電壓曲線。

圖 2.6. 7 6/27 電池電壓曲線

圖 2.6. 8 6/28 電池電壓曲線

(2) 停工平衡對鋰電池電壓影響

停工平衡的目的是為了縮短各鋰電芯間的壓差，讓鋰電池能夠在穩定 的狀況下運作，以延長鋰電池壽命，增加工作效率。圖 2.6. 9~圖 2.6. 14 為 一連串太陽光發電系統經過停工平衡後，四組鋰電芯的電壓曲線(一組為兩 顆 15Ah 鋰電芯並聯)。

從圖中我們可以發現，經過一整晚的放電後，各電芯電壓差變大，其 最大電壓差(Vmax-Vmin)可達到 0.14V，所以在每天清晨時平衡次數會較頻 繁，經過一連串平衡後，最大電壓差會縮減至 0.06V~0.08V。此外我們可 以發現，四組鋰電芯在經過停工平衡前，四組鋰電芯彼此間有一定的電壓 差距，不過經由停工平衡之後，各組鋰電芯的電壓差差距降低，而且在充 電過程中電壓浮動的幅度降低且慢慢趨於穩定，所以自平衡式電池管理系 統對於鋰電池電壓的平衡有顯著的效果。

圖 2.6. 9 6/24 電池電壓曲線

圖 2.6. 10 6/27 電池電壓曲線

圖 2.6. 11 6/28 電池電壓曲線

圖 2.6. 12 6/29 電池電壓曲線

圖 2.6. 13 7/1 電池電壓曲線

圖 2.6. 14 7/3 電池電壓曲線