電流與分壓擷取控制

鋰電池在充放電時，由於ADC0804 轉換的類比電壓必須在 5V 以下，

所以利用分壓原理與軟體、韌體的程式控制，擷取三組鋰電池取樣的電池 分壓。ADC 轉換電路一次只能轉換一個類比訊號，要進行多個類比訊號轉 換必須利用多工器，本實驗使用 CD4052 來當作多通道訊號轉換的開關，

CD4052 為兩組四通道的多工器，可藉由腳位選擇通道開關，其真值表如 表5-2，IC 腳位圖如圖 5-10。

如上所述之分壓取樣電路、電流偵測電路、繼電器驅動電路與多工器 將其結合成一塊實驗取樣用的實體電路板如圖 5-11，用以進行充放電實 驗。實驗由三組鋰電池連接至多通道放電電路，如圖5-12，藉由 LabVIEW 人機介面控制鋰電池BAT1、BAT2 與 BAT3 連接 LED 燈進行小電流放電，

其中利用電流偵測電路去擷取電流流經取樣電阻的電壓訊號，再將電壓訊 號以差動放大器放大，藉由人機介面監控電壓與電流變化，如圖5-13。

表5-2. CD4052 真值表 INHIBIT B A CHANNEL

0 0 0 0x,0y 0 0 1 1x,1y 0 1 0 2x,2y 0 1 1 3x,3y 1 X X none

圖5-10. CD4052 腳位圖

圖5-11. 實體取樣控制電路

圖5-12. 多通道放電控制

圖5-13. 電壓與電流監控介面

如上圖所示，CH1 為經過放大器放大 10 倍後的電流值，其實際電流 值以三用電錶量測結果為0.06A，電流誤差為 0.015A，而 CH2 為電壓分壓 值，實際電壓分壓值為 4.22V，誤差值為+0.27V。在使用 AD 轉換電路的 Zener 二極體將參考電壓微調後，可將誤差值縮小。如圖 5-14，為三通道 監控三組鋰電池放電電壓之介面，其實際電壓、量測電壓與誤差值如下表 5-3，藉由表 5-3 可得知，經過調整參考電壓可修正量測電壓數據的誤差值，

使量測實驗的數據，更為準確。

表5-3. 實際與量測電壓值與誤差

通道編號 實際電壓值(V) 量測電壓值(V) 誤差值

(實際電壓-量測電壓)

CH1 4.25 4.25 0

CH2 4.15 4.16 -0.01

CH3 2.38 2.37 0.01

圖5-14.多通道放電監控介面

5.5 放電介面與實驗數據分析

放電實驗由編號BAT1、BAT2、BAT3 三組電池以 1、3、5A 電流放 電，放電流程圖，如圖5-15，因為放電過程為了避免瞬間放電電流過大與 放電實驗的安全性，所以使用直流電子式負載作為放電實驗的負載;放電監 控介面如圖5-16，從開始放電至停止放電，可記錄鋰電池放電壓、電流與 電量;放電時間如下表5-4。

3310D 直流電子式負載

電壓<8.8V? LABVIEW 監控介面 鋰電池

12.8V

停止放電

RS232

圖5-15.放電實驗流程圖

圖5-16. 放電監控介面

表5-4. 電流放電時間

放電電流(A) 放電時間(Sec) 放電電量(AH) 截止電壓(V) 1 6606 1.835 8.801 3 1373 1.1082 8.808 5 826 0.98707 8.815

結果如前章節所述，放電電流愈大可放的電量就愈少，由於3A 與 5A 放電時間太短，所以，本實驗以放電 1A 為主要放電電流，紀錄並分析放 電電壓、電流與回復電壓數據。大部分電池在開始放電時，鋰電池電壓似 乎是依一定關係變化，如圖5-17，在重複三次的放電與閒置之後，在第四 次放電時其放電曲線電壓斜率變化量增加，此時，回復電壓的變化率也較 之前大，在第五次放電時，電壓呈現急遽下降的曲線，顯示電池的電量幾 乎已經耗盡，而回復電壓如同放電電壓劇烈的變化量，當放電電壓變化量 愈大時，回復電壓的變化量就愈大 [32]。

圖5-17. 1A 放電與回復電壓變化

本實驗依據放電時電壓變化量與時間關係判斷，停止放電，放電電量 積分如圖5-18，每次放電 3600 秒，閒置 3600 秒，所以對放電積分時，會 有一段斜率為正值的直線，而在每次放電間隔會有一段閒置時間，此閒置 時間的電量積分值為0，所以積分圖形呈現梯狀圖形。

圖5-18. 1A 放電電量積分

放電實驗各有五次的放電時間與五次閒置時間，開始放電時，因為放 電電流較小，電池內部的化學反應速度較為緩和，所以電壓變化率沒有顯 著的改變，其電壓變化呈現梯狀圖形，如圖5-19 與圖 5-20。在第三次放電 時，由於電池的電量已經有部分消耗，而電池為了提供1A 的定電流放電，

會加強內部的化學反應，使輸出電流維持在 1A，所以，電壓變化率就會 慢慢增加，如圖5-21，雖然還可辨識出階梯圖形，但其圖形不如前兩次放 電來的明顯。第四次放電，其圖形就更為接近多項式的曲線，如圖5-22。

第五次放電圖形，電池電量已經消耗殆盡，為了維持 1A 的輸出電流，其 電池內部的化學反應會更為劇烈，如果持續太久會對電池造成永久性的傷 害，不同於前三次放電實驗每次持續 3600 秒，為了保護電池，所以第四 次放電不足3600 秒;而第五次放電只有持續約 200 秒。

圖5-19. 第一次放電

圖5-20. 第二次放電

圖5-21. 第三次放電

圖5-22. 第四次放電

半個小時的時間，電池電壓才會停止回復。

本實驗由四顆磷酸鋰鐵電池串聯成一組電池，為了精準的量測回復電 壓變化，所以將閒置時間延長為3600 秒，其前三次的電壓回復如圖 5-24、

圖5-25 與圖 5-26。前三次的電壓回復圖形，結果相似，其原因是因為前三 次放電的電壓變化率較為緩和，電池內部的氧化與還原反應速度亦較為緩 和，所以，前三次的電壓回復圖形如同前三次的放電圖形並無大太差異，

而第四次放電較前三次放電電壓變化率稍大其電壓回復如圖 5-27;到第五 次放電時，電壓變化率已經遠超過前三次，如圖5-28，與前幾次電壓回復 圖形已經有很明顯的差異。

圖5-24.第一次電壓回復

圖5-25.第二次電壓回復

圖5-26.第三次電壓回復

圖5-27.第四次電壓回復

圖5-28.第五次電壓回復

經由幾次的放電與電壓回復實驗所得到的結論為: 放電的電壓變化率 與回復電壓的變化率成正比，劇烈的電壓變化常伴隨著劇烈的電壓回復;

反之，亦然。

對第一次放電與第一次電壓回復的曲線作迴歸運算，建立其數學模 型，如圖5-29 與圖 5-30，由圖可得知，鋰電池放電時曲線以多項式方式呈 現，而回復電壓則是以對數方式呈現 [33]。

圖5-29. 第一次放電迴歸曲線

圖5-30. 第一次放電電壓回復迴歸曲線

藉由上述實驗結果，可以設計放電實驗在放電電壓與時間關係變化超 過定值時，電池會自動停止放電，經過幾次的放電與閒置後，在第四次放 電時，其電壓斜率變化量最大，所以可推估在此段斜率範圍。經由重複幾

次的1A 放電實驗，以 LabVIEW 設計每間隔 100 秒擷取電壓計算其斜率變 化，如圖 5-31 為放電實驗中每隔 100 秒之電壓，圖 5-32 為每隔 100 秒的 電壓斜率，圖 5-33 為斜率變化量。當斜率變化超過定值時，LabVIEW 所設計的程式便會自動停止放電。

圖5-31. 1A 放電實驗每隔 100 秒電壓變化

圖5-32. 每隔 100 秒電壓斜率

圖5-33. 每隔 100 秒電壓斜率變化量

5.6 鋰電池充電數據分析

本節利用圖控軟體 LabVIEW 介面與微處理器 AT89C51ED2。使用軟 體LabVIEW 設計的人機介面經由韌體微處理器去控制硬體電路，藉由軟 體程式與韌體程式間互相交握與傳送，建立監控電池充放電介面。

本實驗所使用的類比訊號必須轉換成數位訊號才能經由微處理器傳 送至電腦，再由LabVIEW 所設計的介面顯示出來。其流程如下圖:

圖5-34. LabVIEW 監控充電流程

經過 AD 轉換後數位訊號會先存入微處理器 AT89C51ED2 的 BUFFER 傳送暫存器，等待LabVIEW 經由 RS-232 傳送接收指令給微處理器時，微 處理器會將暫存器裡面的數位訊號傳送給 LabVIEW，顯示在設計的介面 上。由於監控介面顯示的資料必須是即時資料，所以必須在軟體與韌體交 握時加入中斷程式，達到即時監控的效果。

充電實驗的數據分析結果如下，圖 5-35 為電源供應器使用 1A 定電流 對磷酸鋰鐵電池進行充電，電池初始為8.91V，充電一段時間之後進入定 電壓浮充模式，最後電池電壓為12.95V，圖 5-36 為電流偵測電路取樣電 阻上之電壓，因取樣電阻固定為0.1 歐姆，所以取樣電壓與充電電流成正

比，因此，圖5-35 與圖 5-36 圖形類似。

圖5-35. 混合式充電法-1A 充電

圖5-36. 1A 充電時取樣電阻上電壓之變化

同理以3A 定電流充電時，其圖形如圖 5-37，電池初始電壓為 9.67V，

充電初期以3A 定電流對電池充電，後期進入定電壓的浮充模式，最後電

池電壓為12.89V。圖 5-38 為取樣電阻上之電壓變化量，因其取樣電阻皆 固定為0.1 歐姆，所以，電壓與電流成正比。

圖5-37. 混合式充電法-3A 充電

圖5-38. 3A 充電時取樣電阻上電壓之變化

由圖 5-35 與圖 5-37 比較可知，充電初期皆是以定電流對電池充電，

到達一定的電壓時，電源供應器會自動切換成定電壓的浮充模式，不但可 以節省充電時間，也可以避免在電池飽和時，過大的充電電流對電池造成 不可回復傷害。而以1A 為初始定電流的混合式充電法，其充電時間太長，

所以改為以 3A 為初始定電流，其充電時間相對較短，充電圖形也較合乎 混合式充電法的圖形。

5.7 鋰電池充放電介面設計

充放電的即時控制主要由 LabVIEW 設計的介面控制，本研究為了使 人機介面更為方便使用與簡便，將充電與放電介面結合。由於充放電時的 控制皆由RS-232 傳送與接收，但一般 PC 通常只有一個 RS-232 PORT，所 以本研究利用RS-232 轉 USB 多建立一個傳輸埠，因此在結合兩組介面程 式時，必須依充電與放電的順序結構、區域變數、傳輸速率加上韌體的中 斷控制程式，充放電實驗流程圖如圖5-39，硬體電路圖如圖 5-40。

由 LabVIEW 監控介面可得知目前電池電量，進而控制電池的充放電 狀態。充放電控制示意圖如圖 5-41，當進行放電控制時，LabVIEW 傳輸 指令至微處理器AT89C51ED2 對 Relay1 進行開關打開，同時對 Relay2 進 行關閉的動作;反之，充電時，Relay1 關閉，Relay2 打開。而當閒置時，

Relay1 與 Relay2 則皆為關閉狀態。

圖5-39. 充放電實驗流程圖

圖5-40. 充放電硬體實測圖

圖5-41. 充放電硬體示意圖

Relay1 放電 控制開關

Relay2 充電 控制開關

電流取樣電阻

ULN2003 繼 電器驅動IC TL072 差動

放大器

CD4052 多工器

ADC 轉換電路 AT89C51ED2 實驗板

磷酸鋰鐵電池

電源供應器 直流電子式負載

實測過後可完整呈現即時充放電的監控介面，如圖5-42，可觀察目前

實測過後可完整呈現即時充放電的監控介面，如圖5-42，可觀察目前