第一章 緒論
1.2 文獻探討
1.2.2 鋰電池充電之最佳化研究
丁宇佑等人[2] 隨著可攜式電子產品的成長，例如手機、筆記型電腦和個人數位 助理器等，使得鋰電池在電源管理扮演非常重要的角色，如何有效提高充電效率及 縮短充電時間，得到較高的鋰電池充電效能變得非常重要。目前市面鋰電池充電主 要採用定電流-定電壓方法，但是以此方法將鋰電池充滿需要很冗長的充電時間。本 文提出鋰電池充電最佳化的方法，有別於傳統的定電流-定電壓充電模式，將充電過 程畫分成多段來考量，透過整數線性規劃決定每一段的充電電流值，再將每一段充 電電流合成為整個鋰電池的充電輪廓，可以依據電路設計者對效能的需求提出一套 最佳化鋰電池充電配方，如圖1-1所示為典型的鋰電池系統架構圖。以此方法規畫出 來的最佳化充電配方分別以快速和慢速定電流-定電壓充電方法做比較，經由實驗發 現的確有效縮短充電時間分別為18%和21%。
圖1-1 典型的鋰電池充放系統架構圖
1.2.3 使用高精準度電流偵測技巧之高轉換效能同步互補式金氧半降壓切換式穩 壓器
柯欣欣等人[3]等人提到晶片的操作電壓從過去的5V、3.3V 下降至2.5V、1.8V 或更低，但是主要的供應電壓源還是在較高準位如24V 、12V、3.6V，因此必須靠 直流對直流轉換器(DC to DC Converter)來提供操作電壓，如下圖1-2所示直流對 直流轉換器扮演的角色而直流對直流轉換器(DC to DC Converter )廣泛的存在於 各種應用電路中，其有三個主要特性：(1) 可以將電壓轉換到所需的準位。(2) 輸 出電壓不會隨著輸入電壓變化有大幅的改變。(3) 輸出電壓在不同的負載電流 下，輸出電壓都能穩定在一個區間。尤其當核心IC 供應電壓ㄧ值下降，直流轉換 的準位也要更準，以及瞬間能夠提供的負載電流也會隨著應用而有不同。電源管 理設計，必須兼具低功率消耗、低雜訊、體積小、穩定高等特點，為設計者提出 了困難的挑戰。而使用高精準度電流偵測技巧之高轉換效能同步互補式金氧半降 壓切換式穩壓器是一個好的方向。
1.2.4 非線性鋰電池之充放電模型
劉峰其等人[4] 現今許多的鋰電池電路模型中，部份過於簡陋，無法模擬出 電池老化與溫度的問題，而功能完善的模型，卻只能模擬放電行為，缺乏充放電 皆可的電路模型，此外，現階段的電路模型，皆只能針對特定製造商的電池型號，
模擬其行為與特性。
此篇論文提出一個非線性鋰電池充放電之電路模型。只要根據電池製造 商的電極與電解液的阻抗數據資料，作為推導模型內重要組成元件參數，即可得 到與實際電池相似的表現。此研究實驗使用磷酸鋰鐵離子電池作為對照，結果表 明，其測量結果與模擬結果的兩者誤差，在放電實驗下，當電池電壓值達到截止 電壓 2.5V，時間為 6480 秒，其兩者電壓值誤差為 3.12%，其兩條曲線在穩態時，
最大電壓誤差則為 16mV，誤差百分比為 0.501%；在充電實驗下，當電池電壓達到 預定的額定電壓 3.65V，時間為 2880 秒，其兩者電壓值誤差為 0.712%，最大電壓 誤差則為 37mV，誤差百分比為 1.072%。因此，所提出的電路模型可適用於鋰電池 的模擬工作上，除了降低電池實驗的風險外，也減少電池製造商的生產成本，並 且希望能預測出電池使用的極限區塊，防止電池汽化或爆炸等危險。
1.2.5 質子交換膜燃料電池的動態模式估測與控制系統設計
洪政賢等人[5]以質子交換膜燃料電池的控制器設計作為研究對象，Labview 平台的圖控環境下，探討藉由調節供應至燃料電池的氣體流量的方式，以控制燃 料電池，得到適當的輸出電壓如圖1-3所示。首先，採用矩形雙脈波的輸入測試訊 號，藉由量測燃料電池的輸入氫氣流量與輸出電壓的相對數據，以田口分析法估 測得到燃料電池系統二階具有時延動態模式的最佳參數。其次，根據所估測得到 燃料電池系統模式的動態特性，來從事燃料電池的PID 控制器設計。並將燃料電 池的系統動態與控制系統，在MATLAB/Simulink 環境下，來建構與從事受控系統 的模擬。此外，在PID控制器的基礎架構上，探討以提供額外前回饋控制訊號的方 式，以增進受控系統對輸出電壓外加控制命令的追蹤性能。
圖1-3 燃料電池的系統動態與控制系統
1.2.6 鋰離子電池充放電過程之離子遷移模型與模擬
劉孔翔等人[6]提及電動車的潛在需求與手持電子裝置的廣泛使用，使鋰離子 電池新技術與新材料的研發變得很迫切，因此鋰離子電池的電腦模擬系統可以快 速觀察新設計或新材料的效果，可以明顯的提升研究工作的效率，縮短產品的研 發時程。本論文針對鋰離子電池在充放電程序中，鋰離子在正電極板固態粒子、
電解液、穿透膜、負電極板固態粒子等媒介之間的遷移過程如圖1-4所示，進行建 模並設計電腦模擬程式。此模型與模擬程式可應用於協助發展快速充電技術、電 能等化技術、殘電量估測技術、電池生命期的估測技術等。此論文所建立的鋰離 子電池電化學模型模擬程式，可以清楚描述電池內部各個位置的鋰離子濃度和電 位的變動，設定標準型鈷酸鋰離子電池的模型參數後，所產生的模擬數據與標準 型鈷酸鋰離子電池取得的實驗數據頗為吻合，驗證了電池模型的正確性與模擬程 式的可用性，最後將鋰離子電池的模擬程式，應用於估測鋰離子電池的殘電量，
以展示電池模型與模擬程式的功用。
圖1-4 鋰電池的內部結構
1.3 研究目的
第二章 理論分析
2.1.1 各種電池專有名詞解釋 位。舉例來說，當電池總容量為 1000mAh，若充電電流為 1C 代表此電流為 1000mAh;
若充電電流為 0.5C 代表此電流為 500mAh。此量化的好處在於，以電池總電量 為基本單位可避免因為電池容量不同而造成不同充放電流大小的混淆。
6.循環壽命(Cycle Life)是在特定條件下，電池可以被充放電的次數。此條件通常 是指電池在特定充放電條件下，電池被使用的總容量低於原始設計的百分之八 十，可以使用的循環次數。
7.截止電壓(Cut-off voltage)，此電壓表示電池放電的終止電壓。
8.電量狀態(State of Charge)，表示實際在電池內部的電荷量相較於電池總容 量或最大可充電電量的值，並以 SOC 代稱。電量狀態值利用百分比來來表示,
當 SOC=100%表示電池為全滿狀態,當 SOC=50%表示電池相對於原始設計容量有 一半的總電量。
9.電動勢(Electro-Motive Force)指的是真正驅動電池輸出的電位能;此電動勢 為電極兩端靜置位能的總和，當電池處在平衡狀態時，所量測到的開路電壓值 即為電動勢。
10.過電位(Over potential)為電池電極電壓值與完全靜置時的電壓差.此電壓差 為其內部因離子擴散或飄移反應所造成。此過電位電壓值與環境操作方式有關。
11.內阻(internal resistance)是包含電池內部因化學作用所產生的等效阻抗以 及電池電極到外部電路間的阻抗，隨不同製程與包裝技術而有些不同。
12.逆變器(Inverter)是一種電子設備將直流電轉化成所要求的電壓與頻率之交流 電。
2.2 一次電池的介紹 顧名思義，為僅能使用一次的電池。也就是無法透過充電的方式再補充已轉化掉 的化學能。一般市面上常見的乾電池（碳鋅電池）、鹼性電池（鹼錳電池）以及水
銀電池，皆屬此類。因為只能單次使用，而且在原料及製程上使用具污染性的汞，
用的是電解的二氧化錳，因為純度以及活性較高的關係，可以提昇電池的電壓與 電容量。
2.2.2 鹼性乾電池(鹼、錳電池) 他們的正負極活化物質均與錳乾電池相同，因此使用氫氧化鉀的電解液，是
高容量且有優越的強放電性，隨著電子機器的多功能化，高輸出化，其使用量愈 形增加。鹼性電池由鋅錳電池發展而來，與鋅錳電池最大不同在於電解液以氯化 鉀代替氯化銨，提高了電池使用壽命。在 25℃下，工作電壓為 1.5 伏特，適用於 電動玩具、錄放影機等的使用。反應式如下：
陽極( anode ) ：Zn（s）＋2OH- （aq） → ZnO（s）＋H2O（l）＋2e- 陰極( cathode ) ：MnO2（s）＋2H2O（l）＋2e-→ Mn（OH）2（s）＋2OH-（aq）
電池全反應 ： MnO2（s）＋H2O（l）＋Zn（s） → Mn（OH）2（s）＋ZnO（s）
鹼性電池的優點是放電流較大、放電電位穩定。
2.2.3 銀電池（ silver cell ）
銀電池的負極是鋅，正極是氧化銀及碳粉混合物，電解液為氧化鋅及氫氧化
鉀的鹼性溶液。在 25℃，產生電壓 1.48 伏特。反應式如下：
陽極( anode ) ：Zn（s）＋2OH- （aq） → ZnO（s）＋H2O（l）＋2e-
陰極( cathode ) ：Ag2O（s）＋H2O（l）＋2e- → 2Ag（s）＋2OH-（aq）
電池全反應 ： Ag2O（s）＋Zn（s） → ZnO（s）＋2Ag（s）
銀電池的體積小、能量密度高、放電效率快、電壓平穩，常用於電子計算機、電 子錶和自動照相機；但其價格較貴。
2.2.4 汞電池（ mercury cell ） 構造上與銀電池很像，不同於正極組成是氧化汞與碳粉的化合物。在 25℃時，
其工作電壓為 1.34 伏特。反應式如下：
陽極( anode ) ： Zn（s）＋2OH- （aq） → ZnO（s）＋2H2O（l）＋2e- 陰極( cathode ) ： HgO（s）＋H2O（l）＋2e- → Hg（l）＋2OH-（aq）
電池全反應 ： HgO（s）＋Zn（s） → ZnO（s）＋Hg（l）
汞電池與銀電池的優點大致
類似且較便宜，令人憂心的是汞對於環境的污染。
2.3 二次電池介紹 二次電池又稱可充電電池（Rechargeable battery），是一種可以被重新完全 充電的電池。
表 2-2 二次電池種類表
Pb(s) Pb2+(aq) + 2e--->Pb2+(aq) + SO4(aq)+PbSO4(s) Pb(s) + SO4(aq) -->PbSO4(s) + 2e-
電池總反應 : Pb(s) + PbO2(s) + 4H+(aq) + 2SO4(aq) -->2PbSO4(s) + 2H2O(l) 當此反應發生時，就發出電流。假使要反回這些反應，就是加夠大的電壓充電，
使電池回復原狀況，舉一般鉛蓄電池而言，包含有 13 或 15 片極板，三個電池串 連，每電池可放 2V，一個電池可有 6V。
再進一部探討其中反應向反方向進行，將正電極極板轉換成二氧化鉛，若持 續充電一段時間，電池端電壓會急速上升。所以充電過程中充電電壓配合溫度電 池作調整，以確保充電過程中的安全性。當溫度上升時充電電壓需調降；反之溫
再進一部探討其中反應向反方向進行，將正電極極板轉換成二氧化鉛，若持 續充電一段時間，電池端電壓會急速上升。所以充電過程中充電電壓配合溫度電 池作調整，以確保充電過程中的安全性。當溫度上升時充電電壓需調降；反之溫