第三章 實驗方法與實驗平台的建立
3.2 硬體說明
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 引起在放電過程中電池電壓的變化。為了研究鋰電池模組電壓與容量衰減的關
發覺在放電的過程中，影響鋰離子電池容量衰減的主要因素可以分為三個部分的
26.98 26.03
25.56
25.2 24.9
24.65 24.42 24.23 24.03
23.59
Discharge Time, Min
Discharge Capacity
4.2 轉折點的位置求出
M1-48~49=-(23.3-23.45)/1=-0.15 其中 tanθ=0.15 θ=8.53° …………(4-3)
M1-49~50=-(23.45-23.07)/1=-0.38 其中 tanθ=0.15 θ=20.81°…………(4-4)
M1-50~51=-(23.07-22.62)/1=-0.45 其中 tanθ=0.15 θ=24.22°…………(4-5)
由上述算式得知，我們得知區間斜率與角度發生最大變化達到 244%是在 M1-49~50與
M1-50~51之間，故我們定義第 1 次循環的轉折點座標為(48,23.45)
在第 300 次循環曲線中，從 43 分鐘到 47 的斜率分別計算如下:其中定義 M=Slope 斜率其後第 300 數字為循環次數，第二與三的數字為量測的時間區間。
M300-43~44=(23.6-23.68)/1=-0.08 其中 tanθ=0.08 θ=4.57°…………(4-6)
M300-44~45=(23.5-23.6)/1=-0.1 其中 tanθ=0.1 θ=5.71°…………(4-7)
M600-45~46=(22.2-22.6)/1=-0.4 其中 tanθ=0.3 θ=16.7°…………(4-12) 由上述算式得知，我們得知區間斜率與角度發生最大變化達到 200%是在 M600-44~45
與 M600-45~46之間，故我們定義第 600 次循環的轉折點座標為(44,23)
在第 900 次循環曲線中，從 40 分鐘到 43 的斜率分別計算如下:其中定義 M=Slope 斜率其後第 900 數字為循環次數，第二與三的數字為量測的時間區間。
M900-39~40=(23-23.15)/1=-0.15 其中 tanθ=0.15 θ=8.53°…………(4-13)
M900-40~41=(22.85-23)/1=-0.15 其中 tanθ=0.15 θ=8.53°…………(4-14)
M900-41~42=(22.5-22.8)/1=-0.3 其中 tanθ=0.3 θ=16.7°…………(4-15)
M900-42~43=(22.2-22.5)/1=-0.3 其中 tanθ=0.3 θ=16.7°…………(4-16)
由上述算式得知，我們得知區間斜率與角度發生最大變化達到 200%, M900-44~57與
M900-45~46之間，故我們定義第 900 次循環的轉折點座標為(41,22.85)
在第 1200 次循環曲線中，從 43 分鐘到 49 的斜率分別計算如下:其中定義 M=Slope 斜率其後第 300 數字為循環次數，第二與三的數字為量測的時間區間。
M1200-36~37=(23.1-23.2)/1=-0.1 其中 tanθ=0.06 θ=5.71°………(4-17) M1200-37~38=(22.8-23.1)/1=-0.3 其中 tanθ=0.3 θ=16.7°………(4-18) M1200-38~39=(22.5-22.8)/1=-0.3 其中 tanθ=0.3 θ=16.7°………(4-19)
M1200-39~40=(22-22.5)/1=-0.5 其中 tanθ=0.5 θ=26.56° ……(4-20) 由上述算式得知，我們得知區間斜率與角度發生最大變化達到 292%, M1200-37~38與
M1200-38~39之間，故我們定義第 1200 次循環的轉折點座標為(38,22.8)
4.3 放電曲線計算
如下方程式(4-20)為運用 Matlab 計算後所得到方程式:
Y=0.0000000018333X4+0.00033699X3-0.0359X2+1.2752X+7.7056 ……… (4-20) 經過 Matlab 將曲線做一個呈現，曲線圖形如圖 4-5。
圖 4-5 曲線圖形
由於此次要探討的為預測鋰電池壽命故第二轉折點相對重要，找出此點並連 成曲線對於預測鋰電池終端壽命甚為重要，所以將各轉折點座標的數據帶入求出 一條四次曲線方程式。
4.4 循環次數曲線
假設曲線是連續的，鋰電池循環次數曲線由實驗得知之數據與所提出的觀點 相當, 但重點放在其中放電特性曲線計算如通式(4-19)。
表 4-3 鋰電池模組電池放電取樣數據
Y=-0.0000045174X4+0.00032843X3-0.0044X2-0.126X+26.98 ………(4-21) 放電第 300 次循環次數的曲線方程式如下
Y=-0.0000035831X4+0.00021185X3-0.0004828X2-0.1678X+26.95………(4-22) 放電第 600 次循環次數的曲線方程式如下
Y=-0.0000047313X4+0.00026983X3-0.00061758X2-0.1881X+26.92 ………(4-23) 放電第 900 次循環次數的曲線方程式如下
Y=-0.0000046355X4+0.00021401X3+0.002X2-0.2264X+26.9 ………(4-24) 放電第 1200 次循環次數的曲線方程式如下
Y=-0.0000079957X4+0.00039437X3-0.00075367X2-0.2219X+26.88…………(4-25)
由圖 4-5 中曲線方程式(4-20)與(4-21)(4-22)(4-23)(4-24)(4-25)中的五 條循環放電曲線模擬後作重合得到圖 4-6，由圖 4-6 所示當次放電曲線碰到曲線方 程式(4-1)，跟據資料顯示將剩餘不到 10%的電容量，將方程式利用 C 語言編譯然 後燒入 8051 晶片即可達到跟專業大廠電源管理晶片同樣的效果。
圖 4-6 循環放電曲線模擬圖
如圖 4-7 為鋰電池廠商所提供的電容量與使用次數的關聯性的規格圖表從中 發現跟表 4-1 鋰電池模組電池放電數據是吻合的。
圖 4-7 電容量與使用次數的關聯性
內建有 AVR (Automatic Voltage Regulator)，電壓變動時會自動調整，以輸出 穩定電壓。如圖 4-8 負載端功率圖中，可以觀察出輸入到負載端的功率是平穩，此 功能會使得系統有穩定的輸出。
圖 4-8 負載端功率圖
第五章 結論與未來方向
最後還可以探討單一電池芯與多重串並聯的電池模組，做各種特性實驗，確 認其中的相互的關聯性，如此可以用電池芯找出該電池模組之各項特性曲線與參 數，某種程度上可以節省測試時間與成本，也是相當值得探討的課題。
第六章 參考文獻
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