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(II)
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC92-2213-E-110-053- 執行期間： 92 年 08 月 01 日至 93 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學電機工程學系(所) 計畫主持人： 莫清賢 共同主持人： 謝耀慶 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢中 華 民 國 93 年 9 月 27 日
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 Reflex 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 Reflex 充電中的各項參數， 包括正負向脈衝電流大小、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 Reflex 充電法並不 如預期的比其他充電法更具優勢。為了更 進一步追蹤 Reflex 充電法在充電後期是否 有其優點，本計畫繼續進行了一系列的實 驗，並與其他充電方式進行比較。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：Reflex 充電、鉛酸電池、直交表
Abstract: This project investigates the
performance of Reflex charging upon the extensively used lead-acid batteries. The method with consecutive orthogonal arrays is applied to search for the optimum operating parameters of Reflex charging, including the amplitudes of positive and negative pulses, the duty-ratio of the positive pulse, and the operating frequency of the Reflex charging current. Regrettably, experimental results of the consecutive orthogonal arrays reveal that charging efficiency is not obviously affected by the pulse amplitude, the duty-ratio or the frequency. These results indicate that Reflex charging scheme is not superior to other charging methods. Comparative experiments
were also carried out on the latter charging stage of batteries. No evidence from the experimental results can prove the superiority of Reflex charging to other charging methods.
Keywords: Reflex charging, Lead-acid
battery, Orthogonal array 二、計畫緣由與目的 當電池在充放電時，正負離子分開所 形成的過電壓，或稱為極化，需要一段長 時間才會恢復。此一過電壓會消耗充電能 量，而降低充電效率。因此若能設法減輕 極化現象，應能提高充電效率。脈衝充電 [1-3]及 Reflex 充電法[4-13]，即是著眼於 此。去年的計畫中已經對脈衝充電法做過 多項深入的研究，但是卻無法證實脈衝充 電在縮短充電時間及提高充電效率上有明 顯的效果。本年期計畫則是在驗證 Reflex 充電是否如同文獻上所記錄的優越性。所 謂 Reflex 充電是在每個充電脈衝之後，緊 跟著一個短暫的放電脈衝，之後再給予電 池一段休息時間。放電脈衝的目的，即是 在加強不均勻分佈的電荷間互相中和的效 果，更進一步減少極化現象的影響，以提 高充電效率。Reflex 充電法較脈衝充電法 所需要考慮的充電相關參數更多，包括脈 衝電流高度、充電脈衝寬度和靜止時間； 以及負向脈衝寬度、高度以及位置等。這 些參數與效能之間的關係較之脈衝充電更 為複雜。為了搜尋最佳的充電參數，本文 仍然採用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[14]。
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：NSC92-2213-E-110-053
執行期限：92 年 8 月 1 日至 93 年 7 月 31 日
計畫主持人：莫清賢教授 國立中山大學電機工程學系
計畫協同主持人：謝耀慶助理教授 高苑技術學院電機工程系
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 充電法之可充放容量、容量效率相差無 幾。為了進一步觀察 Reflex 充電法在不同 同的充電階段中是否有其優點，本計畫執 行了多次多階段 Reflex 充電的實驗，並與 其他充電方式作比較。結果顯示 Reflex 充 電法並沒有明顯的比其對照組實驗優越； 甚至有些部份還略差。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、連續直交表的參數設定 實驗裝置配置如圖一所示，充電時的 電池電壓及電流經由示波器量取後，經由 GPIB 界面傳至電腦儲存與處理。實驗數據 是由電腦每 15 秒自動記錄儲存。由於 Reflex 充電時的變數多達 5 個，為減少變 數個數，先針對負向脈衝的出現位置進行 一系列實驗。如圖二，對不同的負向電流 位置 1, 2, 3 分別進行 4 次充電實驗。其中， 充電脈衝頻率為 1kHz，導通率為 50%，而 負脈衝寬度為 20μs。實驗結果如圖三，發 現充電所需要時間與負向脈衝位置的相關 性不大；反而是與充電的起始電池電壓值 較有關。因此，在之後的直交表實驗中， 將負向脈衝位置的參數省略。 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，將正向脈衝電流高度 Ip、負向脈衝電流高度In、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。由於有四個可控變數，選擇一個L9(34) 直交表進行 9 次組合實驗。 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 Reflex 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。 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。其搜尋的最佳參數值如表三所示。然 而，將最佳參數組合再做一次驗證實驗， 再與定電流 2.3A 的充電結果加以比較，如 表四所示。從表四的結果，發現此一最佳 參數組合的結果並不如定電流充電。由於 此組參數的可信度值得存疑，且無法證實 Reflex 充電法的優點。因此，再設計執行 下述的實驗，以求得更確定的結果。 五、其他實驗 由於上述實驗均是以固定正向脈衝電 流高度的 Reflex 波形對電池充電，而充電 的終點設定為 14V。在這樣的條件下，電 池並未完全充飽。為了將電池確實充飽， 並進一步檢驗 Reflex 充電法在充電的後段 過程是否有其優越性，我們先以定電流 2.5A 將電池充電至 14V；之後再分別以定 電壓高度 14V 的 Reflex 及脈衝充電法，對 電池充電至充電電流降至 100mA 為止。其 中，充電脈衝的切換頻率為 10Hz，脈衝寬 度為 70ms，而且每個充電法分別進行 8 次 實驗。實驗結果如圖四及圖五所顯示，横 座標表示切換至定電壓脈衝高度充電後的 充電時間。圖四表示將電池以定電流 1A 放 電至 10.5V 為止所釋放出的電量。在這麼 多次實驗中，並無法獲得一個明確的結 果，能顯示 Reflex 充電有明顯的優於脈衝 充電法。圖五則表示電池充電的電量效 率，也就是所放出電量對充入電量的比 值。其數據顯示，兩種充電法仍然無法有 明顯的區隔。
下一個實驗是將轉為定電壓脈衝高度 的後期充電分成兩個階段；亦即在定電流 脈衝高度 4A 的 Reflex 充電至 14V 後，切 換至 14.2V 定電壓脈衝高度，至充電電流 小於 0.5A，再切換至 14V 定電壓脈衝高 度，繼續充電至電流小於 0.1A 時停止充 電。其對照組實驗則為定電流 2A 充電至 14V，轉為 14V 定電壓充電，直至充電電 流小於 0.1A 為止。其實驗結果表五顯示， 雖然 Reflex 充電的充電時間較短，但是其 放出的能量及充電的效率均不及定電流-定電壓模式。 另外，又再進行一項實驗，以定電流 脈衝高度 2A，10Hz 切換頻率，70ms 正脈 衝寬度，負脈衝寬度 1ms，對電池充電至 14.2V；之後轉為定電壓 14.2V 的 Reflex 充 電，至充電電流小於 100mA 為止。其對照 實驗則為 1.4A 定電流充電至 14.2V，再轉 為 14.2V 定電壓充電。其結果呈現在表六 中。其實驗結果同樣無法證明 Reflex 充電 比對照實驗優越。由此結果表示，雖然將 多階段 Reflex 充電的階段轉換點改變，也 無法得到較佳的結果。 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。 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 Reflex 充電特性進 行實驗，試圖找出影響 Reflex 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 Reflex 充電優於其他充 電方式。此外，在多階段的充電實驗中， Reflex 充電其他的對照實驗也無顯著之差 異。顯示即使在充電後期，電池電壓較高 時，Reflex 充電仍然不能表現得優於其他 充電法。 七、計畫成果自評 本計畫針對鉛酸電池 Reflex 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 Reflex 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] 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.
[2] 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.
[3] C. C. Hua and M. Y. Lin, “A Study of Charging Control of Lead-Acid Battery for Electric Vehicles,” International Symposium on Industrial Electronics, ISIE 2000, pp. 135-140.
[4] 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. [5] B. Tsenter, “Battery Charger and
Method of Charging Nickel Based Batteries,” U.S. Pat. No.6313605, Nov. 6, 2001.
[6] L. T. Lam, N. C. Wilson, and C. G. Phyland, “Charging of Batteries,” U.S. Pat. No. 6154011, Nov. 28, 2000.
[7] W. B. Burkett and J. H. Bigbee, “Rapid Charging of Batteries”, U.S. patent No. 3597673, Aug. 1971.
[8] W. B. Burkett and R. V. Jackson, “Rapid Charging of Batteries”, U. S. Patent No. 3614583, Oct. 1971.
[9] L. T. Lam, N. C. Wilson, and C. G. Phyland, “Charging of Batteries”, U.S. Pat. No. 6154011, Nov. 28, 2000.
[10] T. J. Liang, T. Wen, K. C. Tseng, and J. F. Chen, “Implementation of A Regenerative Pulse Charger Using Hybrid Buck-Boost Converter,” The 4th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, PEDS 2001, pp. 437-442.
[11] K. C. Tseng, T. J. Liang, J. F. Chen, and M. T. Chang, “High Frequency Positive/Negative Pulse Charger with Power Factor Correction,” The 33rd IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC 2002, pp. 671-675. [12] P. H. Cheng and C. L. Chen, “High
Efficiency and Nondissipative Fast Charging Strategy,” IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 150, No. 5, Sep. 2003, pp. 539-545.
[13] Y. C. Hsieh, C. S. Moo, C. K. Wu, J. C. Cheng, “A non-dissipative reflex charging circuit,” 25th IEEE International Telecommunications Energy Conference, INTELEC’03, Oct 2003, pp. 679 – 683. [14] 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 Q 電池 Q 1 Q + 1 2 D1 A V 示波器 個人電腦 GPIB 圖一 實驗裝置示意圖 T+ T I+ I -充電電流 位 置 1 位 置 2 位 置 3 圖二 Reflex 充電波形示意圖 11.4 11.5 11.6 11.7 150 170 190 210 充電初始電壓 (V) 充電時間 (分鐘) 位置1 位置2 位置3 圖三 負向脈衝位置的影響 4 5 6 7 3 3.2 3.4 3.6 3.8 Reflex Pulse Output Capacity (Ah)
Charging Time (hr) 圖四 不同充電法所放出電量比較圖 82 84 86 88 90 4 5 6 7 Reflex Pulse Capacity Efficiency (%) Charging Time (hr) 圖五 不同充電法的充電效率比較圖
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 正向脈衝 Ip(C) 0~2 0.1 負向脈衝 In(C) 0~4 0.2 脈衝頻率 f(Hz) 0~100 10 導通率 Duty(%) 50~90 5 表三 直交表實驗搜尋之最佳參數值 參數 正向脈 衝 Ip (C) 負向脈衝 In(C) 脈衝頻 率f(Hz) 導通率 Duty(%) 最佳值 1.0 2.0 50 58 四 直交表實驗變數各準位觀測值平均效應 Reflex 定電流 充電時間(min) 59 63 充入容量(Ah) 2.28 2.44 靜置電壓(V) 12.48 12.59 放出容量(Ah) 1.62 1.81 容量效率(%) 71.13 74.29 表五 多階段 Reflex 與定電流-定電壓 充電法之比較 多階段 Reflex 定電流-定電壓 充電時間(min) 219 392 充入容量(Ah) 4.31 3.69 靜置電壓(V) 12.7 13.19 放出容量(Ah) 3.09 3.31 容量效率(%) 71.69 89.7 表二 直交表實驗變數各準位觀測值平均效應 直交表 次數 一 二 三 四 變數
準位 Q(Ah) T(hr) Q(Ah) T (hr) Q(Ah) T (hr) Q(Ah) T (hr)
Ip- 2.474 4.93 2.614 4.68 1.117 1.256 1.083 1.208 Ip0 1.697 1.034 1.187 1.318 1.107 1.144 1.078 0.944 正向 脈衝 Ip(C) Ip+ 0.838 0.378 0.87 0.392 0.967 0.875 0.924 0.783 In- 1.783 1.661 1.599 2.054 1.039 1.048 1.009 0.98 In0 1.568 1.638 1.533 2.014 1.052 1.027 1.008 0.968 負向脈衝 In(C) In+ 1.658 3.044 1.54 2.322 1.101 1.201 1.068 0.987 f -1.217 1.775 1.484 2.006 1.068 1.11 1.025 0.984 f 0 1.712 1.774 1.513 1.996 1.031 1.035 1.002 0.951 f(Hz) f + 2.079 2.794 1.675 2.388 1.092 1.131 1.058 1 D- 1.823 1.836 1.56 2.015 1.093 1.219 1.093 1.041 D0 1.799 1.955 1.485 2.008 1.01 0.973 1.012 0.973 Duty D+ 1.386 2.552 1.626 2.367 1.088 1.084 0.982 0.921 六 不同轉換點之多階段 Reflex 與定電流-定電壓充電法之比較 Reflex1 Reflex2 CC-CV 充電時間(min) 458 490 409 放電時間(min) 479 490 467 充入容量(Ah) 4.2 4.86 4.08 充入能量(kWh) 209.27 239.09 191.623 放電起始電壓(V) 12.9 12.95 12.92 容量效率(%) 86.67 78.6 86.76
