蓄電池充電策略研究Investigation on Battery Charging Strategy

(1)

一、摘要 本計畫針對目前二次電池中最廣泛使用的鉛酸電池進行脈衝充電特性研究，期望能利用連續直交表實驗方法，快速且有系統地搜尋脈衝充電中的各項參數，包括脈衝電流大小、導通率和頻率的最佳值。然而，在設定的參數範圍中，連續直交表搜尋的結果卻顯示充電效率和充電時間並不受電流大小、導通率與頻率的影響。這些結果指向脈衝充電法並不如預期的比定電流充電法更具優勢。為了更進一步比較兩種充電方法，本文繼續進行了一系列的實驗，對各項充電參數的影響個別進行探討，所有實驗結果均無法證實脈衝充電法具有如文獻所聲稱的優越特性。 關鍵詞：脈衝充電、鉛酸電池、直交表 Abstract: This project investigates the

performance of pulse charging upon the extensively used lead-acid batteries. The method with consecutive orthogonal arrays is applied to search for the optimum operating variables of pulse charging, including pulse amplitude, duty ratio and frequency of the pulsed charging current. Regrettably, the experimental results of the consecutive orthogonal arrays reveal that charging efficiency is not obviously affected by pulse amplitude, duty ratio or frequency. These results indicate that pulse charging scheme is not superior to constant current charging. To compare these two charging schemes further, a series of experiments are carried out to discuss the effects of each operating variables. As formerly documented, no

evidence from the experimental results can prove the superiority of pulse charging to constant current charging.

Keywords: Pulse charging, Lead acid battery,

Orthogonal array 二、計畫緣由與目的 在充電過程中，電解液中的正負離子是靠擴散作用移動，但其擴散的速度並不快。因此當電池在充放電時，正負離子分開所形成的過電壓，或稱極化，需要一段長時間才會恢復。而此過電壓會消耗充電能量，而降低充電效率。脈衝充電法是在每個充電週期內取一小段時間，將充電電流降為零，讓電池有一休息時間，使不均勻分佈的電荷能有時間可以互相中和，減少極化現象的影響，使額外消耗於極化壓降的能量可以減少，充電效率得以提高，溫升也會較低[1-10]。脈衝充電法能否發揮預期的效益，需要考慮充電電流相關參數的影響，包括脈衝電流高度、充電脈衝寬度和靜止時間等。這些參數與效能之間的關係相當複雜，當充電電流愈大、充電脈衝寬度愈寬以及靜止時間愈短，雖然可以使充電時間縮短，但同時也會使得充電效率變差及電池溫升劇增，難免陷入顧此失彼的窘境。為了搜尋最佳的脈衝充電參數，本文引入連續直交表實驗方法以最少的實驗次數，獲得最佳實驗的數據[11-18]。然而，利用連續直交表，在設定的範圍和目標下，對影響脈衝充電的參數作搜尋，將所搜尋之結果與相同平均電流之定電流充電實驗進行比對，結果卻發現兩種

行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

蓄電池充電策略研究

Investigation on Battery Charging Strategy

計畫編號：NSC91-2213-E-110-052

執行期限：91 年 8 月 1 日至 92 年 7 月 31 日

計畫主持人：莫清賢國立中山大學電機工程學系

(2)

充電法之可充放容量、容量效率、能量效率相差無幾。為了獲致更確切的結果，針對特定範圍中的電流與導通率和頻率的影響進行多點驗證，並在充電過程中比較定電流與脈衝充電的溫度上升趨勢。實驗結果並無法證實文獻中所提及脈衝充電的諸多優點。 三、連續直交表參數實驗 利用直交表搜尋參數時，需先設定參數的範圍。在電池壽命、充電效率及消弭 極化作用的考慮下，將脈衝電流高度 I、脈 衝頻率 f 及導通率 δ 的參數範圍及最小準位 差設定如表一。由於有三個可控變數，選 擇一個 L9(34)直交表進行 9 次組合實驗。將實驗電池置於圖一所示之溫控箱中，為排除溫度效應，所有實驗過程都將溫度控制在 251C 之下進行。電子負載專責提供可控制的脈衝電流及作為放電實驗時的定電流負載。實驗過程的電池電壓及電流，由示波器量測，並經由 GPIB 介面傳輸至電腦儲存、計算與處理。其中，實驗數據是由電腦每 15 秒自動記錄儲存。本計劃是將電池充電終點電壓設於有載電壓 14V；放電時的終點電壓則設於有載電壓 10.5V。每次充放電實驗之後，再以定電壓 14V 進行浮充，將電池活化；放電實驗則採用 0.5A 定電流負載放電至 10.5V 為止，以求保持充放電實驗的起始點一致。 四、連續直交表實驗 對充電而言，期望的目標是在較少的充電時間中，能夠充入最大的容量。因此，以連續直交表應用於脈衝充電時，必須要將可輸出容量和所需充電時間列為觀測值，並求出其平均效應，以作為搜尋指標。本計畫以最少的充電時間獲得輸出容量大於 1Ah 為目標，並依此法之設計準則搜尋最佳的參數組合。圖二為連續直交表的設計流程，每當完成一次直交表實驗，最佳平均效應的變數準位，將成為下一次的中心準位。同時將變數的準位差縮小一半，逐漸縮小搜尋範圍。表二為連續直交表實驗變數各準位觀測值的平均效應，由數值顯示，最佳值出現在第四次直交表實驗中各變數的中心準位。然而，在四次直交表實驗中，各個變數平均效應的最佳值大多出現在中心準位，再將直交表實驗平均電流在 2A 附近的組合加以比較，如表三所示。從表三的結果，令人懷疑是否搜尋過程落入直交表的平坦高原限制之中[19]。因此，再設計執行下述的實驗，以驗證該組參數的可信度。 五、驗證實驗 首先，選擇九組相同平均電流 Iavg 為 2A，不同的脈衝高度和導通率的參數，在三個不同頻率(150Hz、450Hz 和 750Hz)進行脈衝充電實驗，觀察頻率、導通率及電 流高度 I 參數組合對脈衝充電的影響。由 圖三可發現，在不同的充電條件下的充入容量、放出容量、容量效率和能量效率差異均不大，且與圖中虛線部份表示的定電流 2A 充電所得結果極為接近。其次，將上節的平均電流 2A 之最佳參數組合與相同之固定連續電流 2A 充電實驗進行比對，進行脈衝充電與定電流充電的驗證，觀察兩者在充放電容量、容量效率、能量效率及電池溫升的相對優劣關係。考慮充電次序先後可能造成的影響，對編號 B1 和 B2 兩組同型號電池採取反覆實驗驗證，其順序及數據資料整理如表四和表五。從表中的結果可知，在充放容量與效率上，脈衝與定電流充電並無明顯差別。最後，就連續直交表中所得電流高度 4A、頻率 510Hz 及導通率 0.5 之參數組合與定電流 2A 分別進行充電實驗，記錄溫度上升的情形。圖四是電池前後兩次充電溫度上升的情形，在整個充電過程中，脈衝充電的溫升和定電流充電的溫升很接近，亦無法證實文獻中所聲稱脈衝可改善溫升的優點。由所有驗證實驗的結果，可以觀察連續直交表實驗搜尋得到的參數組合與定電流充電比較，並無法證實脈衝充電優於定電流充電的論點。

(3)

六、結論與討論 本計畫以連續直交表搜尋最佳參數組合的方式，對鉛酸電池脈衝充電特性進行實驗，試圖找出影響脈衝充電的最佳參數。實驗中發現，直交表實驗似乎落於平坦高原的限制中，而無法指示出充電參數應該往什麼方向修正，所得到的最佳解並不如預期可證明脈衝充電優於定電流充電。此外，分別就電流大小與導通率組合和頻率個別作比較實驗，依然無法證實它們對充電效率或是充電容量有明顯的影響，在溫升上也無顯著之差異。實驗過程中，雖然儘可能減少實驗環境與量測所造成的誤差，仍遭遇以下幾點問題： (1) 採用平均電壓作為脈衝充電充電終點設定的準則，在不同頻率會對判斷產生誤差，極低頻的部份尤其明顯。 (2) 即使相同編號的同一批電池，在製造過程中的差異，且施以多次不同參數組合的脈衝充電後，對電池內部結構變化影響難以估測。 (3) 以電池端電壓作為判斷放電終點的準則，不能保證每一次充電前電池內部既存容量完全相同，此既存的容量會對下一次的充電造成影響，使可充入的容量減少。這些尚待克服的問題或許是造成實驗結果誤差過大的因素，導致無法作為直交表實驗判斷的指標。未來或可繼續朝以下幾個方向繼續進行研究： (1) 電池內部各種化學反應程度可左右實驗結果。由本文實驗的誤差可得知，目前尚有許多無法掌握之變因，可由不同領域的角度探討影響電池操作的因素。 (2) 採用平均電壓估測脈衝充電時的容量，可能造成判斷上極大的誤差，應尋找一更佳之替代指標。 (3) 本研究對充電終點與放電終點設定採取較保留的方式，應評估其影響。 (4) 脈衝充電對電池壽命的影響尚未探討，脈衝充電在這方面的優勢極待證實。 七、計畫成果自評 本計畫針對鉛酸電池脈衝充電特性，在各種不同條件下進行實驗並作深入探討，並未如預期，找出各個影響脈衝充電的因素的最佳解。因此，本計畫額外執行了各種驗證實驗，依然無法證實許多文獻中所述脈衝充電的諸多優點。但是從實驗過程得到許多寶貴的經驗，和大量的實驗數據，可作為後續研究計畫修正研究方向和實驗方法的參考依據。 八、參考文獻

[1] R. C. Cope and Y. Podrazhansky, “The Art of Battery Charging,” The 14th Annual Battery Conference on Applica- tions and Advances, 1999, pp. 233-235. [2] J. P. Gun, J. N. Fiorina, M. Fraisse , and

H. Mabboux, “Increasing UPS Battery Life: Main Failure Modes, Charging and Monitoring Solutions”, The 19th Interna- tional Telecommunications Energy Conference, INTELEC’97, Oct. 1997, pp. 389-396.

[3] F. B. Diniz, L. E. P. Borges, and B. B. Neto, “A Comparative Study of Pulsed Current Formation for Positive Plates of Automotive Lead Acid Batteries,” Journal of Power Sources, Vol. 109, No. 1, June 2002, pp. 184-188.

[4] L. T. Lam, H. Ozgun, O. V. Lim, J. A. Hamilton, L. H. Vu, D. G. Vella, and D. A. J. Rand, “Pulsed-Current Charging of Lead/Acid Batteries – a Possible Means for Overcoming Premature Capacity Loss?” Journal of Power Sources, Vol. 53, No. 2, Feb. 1995, pp. 215-228.

[5] E. D. Sexton, R. F. Nelson, and J. B. Olson, “Improved Charge Algorithms for Valve Regulated Lead Acid Batteries,” The 15th Annual Battery Conference on Applications and Advances, 2000, pp. 211-216.

(4)

[6] S. C. Kim and W. H. Hong, “Fast- Charging of a Lead-Acid Cell: Effect of Rest Period and Depolarization Pulse,” Journal of Power Sources, Vol. 89, No. 1, July 2000, pp. 93-101.

[7] C. E. Holland, J. W. Weidner, R. A. Dougal, and R. E. White, “Experiment- al Characterization of Hybrid Power Systems Under Pulse Current Loads,” Journal of Power Sources, Vol. 109, No. 1, June 2002, pp. 32-37.

[8] B. Tsenter, “Battery Charger and Method of Charging Nickel Based Batteries,” U.S. Pat. No.6313605, Nov. 6, 2001.

[9] F. G. Broell, J. Parvereshi, and S. P. Sacarisen, “Lead Acid Charger with Ratiod Time-Out Periods and Current Pulse Mode of Operation,” U.S. Pat. No. 5670863, Feb. 7, 1995.

[10] L. T. Lam, N. C. Wilson, and C. G. Phyland, “Charging of Batteries,” U.S. Pat. No. 6154011, Nov. 28, 2000. [11] V. N. Seshadri, “Application of the

Taguchi Method for Facsimile Per- formance Characterization on ATT International Network,” IEEE Inter- national Conference on Communiation, 1988, pp. 833-835.

[12] M. Fallon, A. J. Walton, M. I. Newsam, and G. J. Gaston, “A Comparison of Taguchi Methods and Response Surface Methodology for Optimising a CMOS Process,” IEE Colloquium on Improving the Efficiency of IC Manufacturing Technology, 1995, pp. 8/1-8/4.

[13] G. Taguchi, “Quality Engineering (Taguchi methods) for the Development of Electronic Circuit Technology,” IEEE Trans. on Reliability, Vol. 44, No. 2, Jun. 1995, pp. 225-229.

[14] M. S. Phadke, “Design Optimization, Case Studies,” Journal of AT&T Technical, Vol. 65, No. 2, March/April 1986, pp. 51-68.

[15] S. Salkalachen, N. H. Krishnan, S. Krishnan, H. B. Satyamurthy, and K. S. Srinivas, “Edge Passivation and Related Electrical Stability in Silicon Power Devices,” IEEE Trans. on Semi- conductor Manufacturing, Vol. 3, No. 1, Feb. 1990, pp. 12-17.

[16] S. C. Tam, Y. M. Noor, and L. J. Yang, “Maximizing the Output Power of a CO2 Laser Using the Taguchi

Technique,” IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 29, No. 1, Jan. 1993, pp. 192-200.

[17] P. Arpaia, “Experimental Optimisation of Flexible Measurement Systems,” IEE Proceedings-Science, Measurement and Technology, Vol. 143, No. 2, March 1996, pp. 77-84.

[18] S. Lee and V. K. Madisetti, “Parameter Optimization of Robust Low-Bit-Rate Video Coders,” IEEE Trans. on Circuits and Systems for Video Technology, Vol. 9, No. 6, Sept. 1999, pp. 849-855. [19] 鄭戎傑，“鉛酸電池脈衝充電特性研究”，國立中山大學電機工程研究所論文，中華民國九十二年五月。 九、圖表 電子負載 + 脈衝電流源電源供應器電池 - + 個人電腦 GPIB A V 示波器溫控箱圖一實驗裝置示意圖

(5)

表一可控變數範圍和最小準位差設定可控變數變數範圍最小準位差 I (C) 0-2 0.1 f (Hz) 0-900 30 δ 0-1 0.05 表二直交表實驗變數各準位觀測值平均效應 I f δ 直交表次數變數 準位 I - I 0 I + f - f 0 f + δ- δ0 δ+ Q(Ah) 2.29 1.15 0.78 1.39 1.35 1.48 2.44 1.27 0.51 一 T (hr) 6.49 1.46 0.65 5.00 1.74 1.87 6.65 1.45 0.51 Q(Ah) 1.67 1.12 0.99 1.26 1.18 1.35 1.81 1.05 0.93 二 T (hr) 1.50 0.73 0.51 1.08 0.77 0.89 1.60 0.67 0.47 Q(Ah) 1.29 1.00 0.81 0.91 1.07 1.12 1.30 1.03 0.77 三 T (hr) 0.91 0.57 0.41 0.61 0.64 0.64 0.91 0.60 0.37 Q(Ah) 1.27 1.12 0.93 1.08 1.12 1.11 1.16 1.18 0.98 四 T (hr) 0.71 0.57 0.47 0.61 0.57 0.57 0.69 0.58 0.48 N Y 計算 N Y N Y 驗證實驗所有 = A i+1 A i l l 期望目標: 結束結束重新安排變數範圍 N Y N Y N 開始設定 可控變數 A={I, f, D} 最小準位差 LDA(min) 可控變數範圍 變數準位 Al l=-,o,+ = Ao i+1 Ao Y Y LDA(min) A i+1 o = A i+1 + + i+1LDA -- A 1. 2. 可放容量最小充電時間 >1AH -直交表實驗 AH -iAl>1AH_- A= o i+1 Al i 最小充電時間 1. 2. 可放容量充電時間短 >1AH -A i+1 o = A i+1 LD i+1 = LD i+1 A LD i A = LD i+1 A LD i A/2 容量充電時間短 >1AH -是否有符合的參數組選擇直交表 變數 A: 可控變數 前上標 i : 直交表次數 後上標 l : 變數準位

A

i l AH -iAl AH- - - - -i Al 第i次直交表變數A在l準位的輸出容量平均效應 A -i l t A -i l t 第i次直交表變數A在l準位的充電時間平均效應 圖二連續直交表實驗實驗流程

(6)

0.25 0.5 0.75 150 450 750 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 導通率頻率(Hz) 充入容量(Ah) DC2A : 1.1_Ah (a) 充入容量 0.25 0.5 0.75 150 450 750 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 導通率放出容量(Ah) 頻率(Hz) DC2A : 1.06Ah (b) 放出容量 0.25 0.5 0.75 150 450 750 0 20 40 60 80 100 導通率頻率(Hz) 容量效率 (%) DC2A : 96.36% (c) 容量效率 0.25 0.5 0.75 150 450 750 0 20 40 60 80 100 導通率 DC2A : 85.23% 頻率(Hz) 能量效率 (%) (d) 能量效率 圖三頻率和導通率與電流高度 I 參數組合對脈衝 充電的影響 0 1 2 3 0 5 10 15 20 25 30 35 時間(分) 溫度上升(度) 定電流脈衝圖四脈衝充電與定電流充電溫度上升比較表三直交表實驗中相同平均電流的比較 I 4.0 4.0 3.2 4.0 4.8 3.6 4.0 4.4 f 150 300 510 390 450 540 480 510 變數 _ 0.5 0.5 0.6 0.5 0.4 0.55 0.5 0.45 Q(Ah) 1.07 0.95 1.16 0.92 1.16 1.20 1.21 1.05 T(hr) 0.57 0.53 0.60 0.46 0.65 0.57 0.58 0.55 表四 B1 電池脈衝與定電流充電比較 B1 電池順序充入容量 (Ah) 放出容量 (Ah) 容量效率 (%) 能量效率 (%) 第一次脈衝 1.07 1.03 96.26 86.24 第一次定電流 0.98 0.96 97.96 86.78 第二次定電流 1.1 1.03 93.64 82.32 第二次脈衝 1.05 1.01 96.19 84.56 表五 B2 電池脈衝與定電流充電比較 B2 電池順序充入容量 (Ah) 放出容量 (Ah) 容量效率 (%) 能量效率 (%) 第一次定電流 1.13 1.09 96.46 85.78 第一次脈衝 1.12 1.1 98.21 86.42 第二次脈衝 1.02 0.98 96.08 84.96 第二次定電流 1.05 1.04 99.05 87.02