國立臺灣大學工學院機械工程學系 碩士論文
Department of Mechanical Engineering College of Engineering
National Taiwan University Master Thesis
鋰電池自平衡與獨立型太陽光發電系統喚醒技術研究 Studies on Self-balance of Lithium Battery and Waking
Technology of Stand-alone PV System
鄭士儀 Cheng, Shih-Yi
指導教授：黃秉鈞 教授 Advisor: Huang, Bin-Juine, Ph.D.
中華民國 103 年 7 月
July, 2014
誌謝
回首，兩年的碩士生涯宛如白駒過隙，轉眼即將告一段落，邁入人生下個里 程碑，十八年來的求學過程，有太多的感觸與悸動…。
首先，士儀要感謝父母的辛勤栽培，不僅教導士儀做人處事的道理，更讓士 儀衣食無虞，一路走來可以心無旁騖地全力衝刺學業。還要謝謝所有家人長期的 支持與陪伴，一起外出旅遊、享受人生，與我一同面對低潮與分享榮耀。
再來，謝謝指導老師 黃秉鈞教授的諄諄教誨，不只教導了士儀往後面對問 題時，所應具備的態度與方法，更傳受了許多可貴的人生哲理與經驗！
接者，感謝吳大哥與葉大哥的經驗傳授，宛亭姊姊的細心照料，阿甘學長的 用心教導，泰權的耐心協助。貼心的旭偉、性情直率的建智、認真負責的宗翰、
天真耍寶的譯鴻，你們讓實驗室增添了許多歡樂。
最後，感謝同儕天真無邪的偉荃、帶來歡樂的宏彥、穩重成熟的佑任兩年來 的照顧與協助，很高興能與你們一同努力打拼，完成這得來不易的碩士學位。
士儀 謹識 2014/07/23
鋰電池自平衡與獨立型太陽光發電系統 喚醒技術研究
鄭士儀* 黃秉鈞**
國立台灣大學 機械工程學研究所
摘 要
本研究旨在探討鋰電池自平衡以及喚醒技術，以提升獨立型太陽光發電系統 的性能。
鋰電池主被動式平衡技術係利用一些元件，如電晶體(MOSFET)、電阻、電 容及電感等來對鋰電芯作能量轉移，以達到平衡的功能，但是過程中會產生熱能 造成能量損失，或因為設計複雜使得價格昂貴故障率高。
本研究的自平衡技術是利用切換控制，當鋰電芯有異常時，將鋰電芯從串聯 轉為並聯，以進行自平衡，平衡過程中不會產生大量的熱能，而且電路設計簡單 價格便宜。
對一些獨立型太陽光發電系統，當鋰電池開啟低電壓保護後，會造成斷電，
使太陽能控制器失效。本研究開發一喚醒電路，當太陽出現時，可重新啟動鋰電 池正常運作。
* 研究生
** 指導教授
Studies on Self-balance of Lithium Battery and Waking Technology of Stand-alone PV System
Shih-Yi Cheng* Bin–Juine Huang**
Department of Mechanical Engineering National Taiwan University
Abstract
The main purpose of this thesis is to investigate the self-balancing battery management system and wake-up technology to improve the performance of stand-alone solar PV system.
Both active and passive battery management system design will use some of the components such as transistors (MOSFET), resistors, capacitors and inductance to store the lithium energy and to transfer to the other in order to achieve battery balance, but the process will generate heat causing energy loss, or because the design complexity makes the circuit expensive.
Self-balancing battery management system design is to use the simple components to reach the advantage of both active and passive battery management system－low cost and low energy loss. It can also reach the function of battery balance.
For some solar PV system, when the lithium battery reach low-voltage protection will shut down the solar controller. This study design a wake-up circuit.
When the sun appears, solar system can be restarted by the wake-up circuit.
* Graduate Student
** Advisor
目錄
誌謝 ...I 摘 要 ... II Abstract ... IV 目錄 ... VI 圖目錄 ... VIII 表目錄 ... XI
第一章 緒論 ... 1
1.1 前言 ... 1
1.2 研究內容 ... 9
第二章 鋰電池自平衡技術研究 ... 10
2.1 電池平衡技術 ... 10
2.2 自平衡式電池管理系統原理 ... 17
2.3 鋰電池自平衡電路設計 ... 21
2.4 自平衡切換控制方法 ... 28
2.5 自平衡式鋰電池系統整合測試 ... 31
2.5-1 電壓差信號處裡 ... 35
2.6 自平衡式電池管理系統戶外測試 ... 37
2.6-1 獨立型太陽光發電系統 ... 37
2.6-2 停工平衡時間長度 ... 39
2.6-3 停工平衡時間點 ... 41
2.6-4 自平衡式電池管理系統測試分析 ... 42
第三章 鋰電池的喚醒技術研究 ... 49
3.1 鋰電池的喚醒技術原理 ... 49
3.2 喚醒電路設計 ... 50
3.3 喚醒電路測試 ... 54
第四章 結論與未來展望 ... 56
4.1 結論 ... 56
4.2 未來展望 ... 57 參考文獻 ... 58
圖目錄
圖 1.1.1 102 年各項發電比例 ... 2
圖 1.1.2 近 10 年核能發電量 ... 2
圖 1.1.3 太陽光發電系統 ... 4
圖 1.1.4 太陽能板特性曲線 ... 5
圖 1.1.5 三段式充電 ... 6
圖 2.1.1. A為 A 電芯對電感充電 ... 13
圖 2.1.1. B為電感對 B 電芯充電 ... 13
圖 2.1.2. A為 A 電芯對電感充電 ... 13
圖 2.1.2. B為電感對 B 電芯充電 ... 13
圖 2.1.2. C為電阻做被動平衡 ... 13
圖 2.1.3. A電芯串對變壓器一次側充電 ... 14
圖 2.1.3. B變壓器二次側對 A 電芯充電 ... 14
圖 2.1.3. C電芯串對變壓器二次側充電 ... 14
圖 2.1.3. D變壓器一次側對電芯組充電 ... 14
圖 2.1.4. A為 A 電芯對電容充電 ... 15
圖 2.1.4. B為電容對 B 電芯充電 ... 15
圖 2.1.5. A為電芯串對電容充電 ... 16
圖 2.1.5. B為電容對電芯串充電 ... 16
圖 2.1.5. C為電容對電阻做被動平衡 ... 16
圖 2.1.5. D為電芯串對電阻做被動平衡 ... 16
圖 2.2.1 最高電壓點作平衡示意圖 ... 17
圖 2.2.2 最低電壓點作平衡示意圖 ... 18
圖 2.2.3 鋰電池串並聯切換動作示意圖 ... 19
圖 2.2.4 自平衡示意圖 ... 20
圖 2.3.1 鋰電池(2 並 4 串)串並示意圖 ... 21
圖 2.3.2 分壓電路示意圖 ... 22 圖 2.3.3 自平衡式電池管理系統電路設計－繼電器控制電路及電壓量測
... 23
圖 2.3.4 ACS712 電流量測示意圖 ... 24
圖 2.3.5 電壓電流比例換算圖 ... 24
圖 2.3.6 自平衡式電池管理系統電路設計－微處理器基本電路及使用者 介面及電流量測 ... 25
圖 2.3.7 升壓模組示意圖 ... 26
圖 2.3.8 升壓模組實測圖 ... 26
圖 2.3.9 自平衡式電池管理系統電路實體圖 ... 27
圖 2.4.1 昇陽鋰電池規格圖 ... 28
圖 2.4.2 繼電器尚未切換 ... 29
圖 2.4.3 繼電器 1.2.3.切換 ... 30
圖 2.4.4 繼電器 4.5.6 切換 ... 30
圖 2.5.1 充放電控制器控制流程圖 ... 32
圖 2.5.2 自平衡式電池管理系統的控制流程圖 ... 34
圖 2.5.3 常態分佈圖 ... 35
圖 2.5.4 電壓誤差信號處理流程圖 ... 36
圖 2.6.1 獨立型太陽光電系統 ... 37
圖 2.6.2 太陽光發電系統架構 ... 38
圖 2.6.3 平衡時間 10 分鐘的電池電壓變化 ... 40
圖 2.6.4 平衡時間 1 分鐘的電池電壓變化 ... 40
圖 2.6.5 6/24 電池電壓曲線 ... 42
圖 2.6.6 6/28 電池電壓曲線 ... 43
圖 2.6.7 6/27 電池電壓曲線 ... 44
圖 2.6.8 6/28 電池電壓曲線 ... 44
圖 2.6.9 6/24 電池電壓曲線 ... 45
圖 2.6.10 6/27 電池電壓曲線 ... 46
圖 2.6.11 6/28 電池電壓曲線 ... 46
圖 2.6.12 6/29 電池電壓曲線 ... 47
圖 2.6.11 7/1 電池電壓曲線 ... 47
圖 2.6.12 7/3 電池電壓曲線 ... 48
圖 3.2.1 喚醒電路設計構想 ... 50
圖 3.2.2 喚醒電路設計圖 ... 52
圖 3.2.3 喚醒電路實體圖 ... 52
圖 3.2.4 喚醒電路安裝位置 ... 53
圖 3.3.1 電池組保護參數圖 ... 54
圖 3.3.2 6/5~6/6 太陽能冰箱系統放電曲線圖 ... 55
圖 3.3.3 6/11~6/12 太陽能冰箱系統放電曲線圖 ... 55
表目錄
表 2.6.1 自平衡式電池管理系統測試數據 ... 43
第一章 緒論
1.1 前言
隨著科技的發展，能源議題越來越受到重視，石油等化石能源的過度使用，
使得油價逐年攀漲，2014年國際油價最高已來到每桶110美金，其影響不僅僅是 反映在油價上，燃燒化石能源所產生的溫室氣體，更是對全球氣候造成無以復加 的影響。2010年在北歐丹麥所舉行的全球氣候變遷會議中，為了讓地球氣溫增加 的幅度控制在2°C以內[1]，各國政府達成共識，在2020年全球所產生的碳排放量，
要下降到1990年的狀態，以減緩地球暖化速度。
在不考慮核廢料的前提下，發電效益最高的不外乎是核能發電，核能屬於低 碳能源的一種[2]，與風力和太陽能等再生能源一樣，在發電過程中不會排放CO2， 此外核能發電在2013年佔全台總發電量的18.8%，近十年來更是每年提供近400 億度的發電量。有得必有失，核廢料輻射汙染問題，使得核能的使用存在著許多 爭議。而在2011年3月11日，日本發生了芮氏規模9.0的超級大地震，地震引發的 海嘯，造成了福島核電廠的輻射外洩，核能安全問題再度成為全球的焦點。「福 島核災」再次喚醒世人，了解再生能源的重要性。再生能源無疑是人類能否永續 發展的關鍵所在，更是未來發展必須依賴的主要能源。
圖 1.1. 1 102 年各項發電比例
圖 1.1. 2 近 10 年核能發電量
我國屬於海島型國家，土地面積狹小與密集的工業發展，能源消耗量龐大，
97%以上的能源仰賴進口，其中又以石油佔大多數，以長遠的發展來看，再生能 源的發展勢在必行，在經濟部能源局的綠色能源產業旭升方案中[2]，推展「能 源光電雙雄」，以太陽能光電和LED照明兩大產業為主力，希望2015年能夠成為全 球前三大的太陽能光電生產大國，以及全世界排名第一的LED光源和模組供應國，
以台灣的地理位置來說，擁有發展太陽能光電的絕佳條件，然而，台灣目前電力 供給還是以火力發電與核能佔絕大部分，再生能源未來發展極具潛力。
人類生存必須依賴能源，但也必須付出代價，因此能源與經濟息息相關，
也就造成任何新能源開發必須經歷三個階段:由最初的省能不省錢、到中期的省 能省一點錢、發展成熟後既省能又省錢。另一方面，環境保護議題已是國際社 會共識，環保的投資已不是一般商品的投資，不能從商品本身的成本效益來看 待，而是透過法律政策成為必要的投資。因此，新能源發展只能倚賴兩大動力:
1. 從能源供應角度來看，新能源必須符合經濟效益。
2. 無關經濟，完全從環境保護角度出發。
新能源必須在這兩方面發展成熟，才能順利推廣普及。
長久以來太陽光電能(圖 1.1. 3)給人印象是:發電成本高、不具經濟效益，必 須由政府補助，由社會來共同負擔。但也可能付出過高代價，不符合國家整體 利益。因此，純粹由經濟角度，太陽光電能可進入自由經濟市場自然發展而不 用政府補助，要有兩個條件:系統安裝成本小於每千瓦(kW)台幣 90,000 元(3,000 美元)，以及石油漲價到每桶超過 120 美元或電價超過每度(kWh)台幣 4 元。2005 年每太陽光電系統安裝成本約每千瓦 8,000 美元，換算一般家庭如安裝 3 千瓦 太陽光發電系統，大概需要 80 萬台幣，想必沒有家庭可接受。而今數年過去，
當時成本偏高、不具經濟誘因的太陽光電，現在無論從經濟或環境效益兩大動 力來看，替代核電已經指日可待。
核電雖有其便利之處，過去曾蓬勃發展，但核廢料的終端處理問題移植沒 有完善解決方法，加上日本 311 福島核災事故，讓世人對其安全性存疑。隨著 環保意識高漲，反核浪潮洶湧，廢核幾乎是全民共識，但是廢核以後的電力缺 口必須先有妥善解決方案，才能推動非核家園。由上述分析顯示，太陽光電已
具備經濟效益，因此，以太陽光電取代核電出現一道曙光。
獨立型太陽能發電系統常應用於太陽能 LED 路燈或偏遠地區用電等，主要 硬體包含有太陽能板、蓄電池、充放電控制器與負載。在設計太陽能系統時需 考慮許多事項，諸如負載多寡、太陽能板的發電量、天氣條件以及蓄電池的續 航力等等，隨不同的系統設計和控制，太陽能發電系統的使用效率有很大的差 異，一般太陽能板的使用壽命約 20 年，但所搭配的蓄電池如鉛酸電池，其平均 壽命約 2~3 年，此差異無疑地增加了太陽能發電系統的成本，如何增加蓄電池 的續航力與可靠度，是重要的課題。
圖 1.1. 3 太陽光發電系統
一般市面上的太陽能充電控制器為了發揮太陽能板最大的發電功率，皆會 加入最大功率點追蹤(Maximum power point tracking, MPPT)控制器，此 MPPT 控制器在操作時會有能量損耗，目前最佳的 MPPT 控制器轉換效率約為 95%，
但你在全載運轉時才會發生，在實際使用時太陽輻射瞬息萬變，MPPT 控制器 無法任何時刻都在全載運轉，故實際上其轉換效率可能低於 95%且加入了 MPPT 控制器不僅增加發電成本，也降低了系統的可靠度。台大孫輔笙[3]利用
太陽能板的電壓-電流操作特性曲線，如圖 1.1. 4，和鉛酸電池操作電壓進行匹 配，發展了「近最大功率點操作(Maximum Power Point Operation, nMPPO)」設 計，並由實驗結果得知在良好的匹配下其操作可達到理想最大功率點追蹤率發 電量的 97%以上，節省了使用 MPPT 控制器的成本，同時也提升了系統硬體的 可靠度。
圖 1.1. 4 太陽能板特性曲線
在獨立型太陽能LED照明系統部分，由台大吳民聖[4]利用一金氧半場效電晶 體，於充電時，代替傳統之最大功率點(MPPT)追蹤控制器，配合近最大功率點 操作(nMPPO)與迴授控制方式，除可在電池到達飽充電壓點時，降低充電之平均 電流，保護鉛酸電池不過充電，尚能持續充電，能相較於傳統之開/關式充電方 法，增加約18%之蓄電量；於放電時，利用一金氧半場效電晶體，代替傳統之直 流變壓器，配合迴授控制技術，利用PWM電流，直接由電池出來驅動LED燈具，
增加系統續航能力。
在蓄電池充電控制的部分，由台大吳民聖[5]所設計的三階段充電控制 (Phase1、Phase2 和 Phase3) ，如圖 1.1. 5，一般蓄電池都會有規定的充電電壓，
當鉛酸電池在大於此電壓操作時，會造成蓄電池在充電過程中產生損壞，嚴重 可能導致蓄電池爆炸的危險，如使用鋰電池必須更加注意。有鑑於此，一般傳 統的控制器當蓄電池電壓到達規定電壓上限後會關閉充電，但此時蓄電池之充 電量狀況(State of Charge, SOC)可能只到達 90%以下，並未充飽。而三段式充電
在電池達到規定電壓點時，將利用脈波寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM) 與回授控制來限制蓄電池的充電電壓，使電池在規定之安全的操電壓下繼續充 電。由實驗的結果得知，三段式充電較傳統的充電發式增加約 18%的充電量，
故在不影響電池壽命的操作下讓整體系統有更高的使用效率[5]。
圖 1.1. 5 三段式充電
由於蓄電池占整套太陽能發電系統的成本很高的比重，加上鉛酸電池的循環 次數少，為了改善蓄電池的循環次數，未來改採用有較大能量密度和功率密度，
在相同放電深度下，擁有較多循環次數的鋰電池來做為系統的蓄電池。
鋰電池的特性
1970 年代由 M.S.Whittingham[6]採用硫化鈦為正極材料，金屬鋰作為負極 材料，製成第一個鋰電池。1982 年 R.R.Agarwal 和 J.R.Selman 發現鋰離子具有 嵌入石墨的特性，過程快速，並且可逆，而且比原先安全。1983 年 M.Thackeray 和 J.Goodenough 等人發現錳尖晶石是優良的正極材料，具有低價、穩定和優良 的導電、導鋰性能。其分解溫度高，且氧化性遠低於鈷酸鋰，即使出現短路、
過充電，也能夠避免了燃燒、爆炸的危險。直到 1991 年才開始有公司推出商用
鋰電池等產品。到了 1996 年 Padhi 和 Goodenough 發現具有橄欖石架構的磷酸 鐵(LiFePO4)，比先前的正極材料性能更好。磷酸鋰鐵電池擁有更高的放電功率 以及能量密度，加上有更長的循環壽命因此漸漸成為鋰電池的主流。
鋰電池的電化學反應如下；
充電反應:
正極: LiFePO4 → Li1-xFePO4 + xLi+ + xe− 負極: xLi+ + xe− + 6C → LixC6
放電反應:
正極: LixFePO4 + xLi+ + xe− → LiFePO4 負極: LixC6 → xLi+ + xe− + 6C
鋰電池的優點如下:
(1) 高能量密度:鋰電池擁有很高的能量密度。
(2) 輸出功率大:放電電流可超過1C。
(3) 無記憶效應:電池可在還沒放完電的情況下充電，在使用上會更方便。
(4) 低自放電:與鉛酸電池相比，磷酸鋰鐵電池有更低的自放電特性。
(5) 工作溫度範圍廣:操作電壓只要低於最大額定電壓即可。
(6) 充放電速度快:可以用更大的電流充電或放電。
鋰電池缺點如下:
(1) 衰老:磷酸鋰鐵電池會因操作上的疏失而使蓄電容量快速衰退。
(2) 充電時不能承受過充: 過充電時，過量嵌入的鋰離子會永久固定於晶格中，
無法再釋放，可導致電池壽命縮短。
(3) 充電時不能承受過放:放電電壓過低時，電極脫嵌過多鋰離子，可導致晶格 坍塌，從而縮短壽命。
(4) 需要多重保護機制: 由於錯誤使用會減少壽命，甚至可能導致爆炸，所以，
鋰 離 子 電 池 設 計 時 增 加 了 多 種 保 護 機 製 ， 如 電 池 管 理 系 統 (Battery Management System)
電池管理系統
電池管理系統(Battery Management System，簡稱 BMS)[7]，是電池與用戶 間的樞紐，其主要目的是為了防止電池出現過充電和過放電、延長電池使用壽 命、監控電池的狀態。
BMS 的功能包括如下:
(1) 準確估測 SOC:準確估測電池組的電荷狀態(State of Charge，即 SOC)，即 電池剩餘電量，保證 SOC 維持在合理範圍內，防止由於過充或過放對電池 損傷。
(2) 動態監測:在電池充放電過程中，及時採集電池組中每顆電池的端電壓、溫 度、充放電電流及電池包總電壓，防止電池發生過充或過放現象，同時能 夠及時給出電池狀況，以便挑選出有問題的電池，保持電池運行的可靠性。
(3) 電芯間的均衡:即對單體電芯均衡充電，使電池組中各電芯都達到均衡的狀 態，避免單一電芯衰退過速，影響整體充放電性能。
鋰電池的 BMS 影響太陽能系統充放電性能，其中電芯均衡控制(balance) 更與蓄電池壽命息息相關，此為本研究探討主題之一。
另外，採鋰電池的獨立型太陽能光電系統，因 BMS 隨時耗電，長久使用 後可能使鋰電池放光，並啟動 BMS 保護而斷電，導致太陽能系統因缺電而無 法運轉。本研究擬研發一個喚醒控制電路，藉由太陽光電板的供電來自動喚醒 太陽光電系統繼續操作。
1.2 研究內容
本研究主要內容包括:獨立型太陽光發電系統的鋰電池自平衡技術，以及喚 醒控制電路以提升太陽光發電系統可靠度。
第二章 鋰電池自平衡技術研究
2.1 電池平衡技術
鋰電池管理模組的設計[8]，考慮要素很多，主要包含:(1)過充過放保護(2) 過載保護(3)電池平衡。其中電池平衡技術最為複雜，何種平衡技術最為合適並 沒有一定的標準，但是需考慮產品使用環境、充放電條件、充電技術、電池容 量、安裝空間及散熱條件等等。
目前平衡技術有兩種，一為主動式平衡 (Active balance)，另一為被動式 平衡 (Passive balance)。被動式平衡是將電芯多餘的蓄電量直接利用電阻轉 換成熱量消耗掉；主動式平衡是將一些電芯電量搬移到其他較少電量的電芯求 得平衡，前者會有電能的損失。
2.1-1 被動式電池平衡技術
被動式平衡的特色是將電芯多餘的能量利用電阻轉換成熱量消耗，以下 會簡單介紹在不同情況下所進行的電池平衡方式。
1. 於定電壓充電模式(CV)中進行被動平衡，有兩種方法:
(1)Bleeding (2)Direct balance
(1) Bleeding－此方法為平衡過程中，針對過高電壓的電池串，讓其充電 電流流入平衡電阻(Balance resistor)，流入電流的大小與電阻值相 關，電阻值越小流入的電流越大，所 Bleeding 電流也越大，所產生 的熱量也越大，因此散熱設計對此電路設計相當重要。
(2) Direct balance－此方法為直接停止充電，讓過高電壓的電芯做平衡 放電動作，直達到平衡截止電壓後，停止放電，繼續再充電；相對來 說放電電流大小跟平衡電阻 (Balance resistor)、各部元件規格都有
相對關係。此平衡方式，與上述方法大不相同，當偵測到過電壓時，
保護板立即送出訊號將充電電流停止，此時平衡電路啟動，開始對電 池串做平衡放電，因此在設計上，保護板需有能力控制充電電路或控 制充電器本身，並於在平衡放電結束後繼續 CV 模式充電，直到充電電 流達到充飽截止位準。
2. 於靜態模式中作平衡放電。所謂靜態模式是指未充電及未放電狀態情 形，只要多串電壓差值(最高壓與最低壓)達到設定值，就啟動平衡電 路，執行平衡功能。此法並不常用，因為一般在靜態模式下的電壓大 都不是處於高低容量區域內(約指 soc 95%~100% 和 soc 0%~5%)，其電 壓持平，除非有下列狀況:
每串電池自耗電率不相同，電池長期未使用時，容易造成不平衡。
電池內部微短路所造成的差異。
每串電池所使用的電池容量差異過大(未經篩選、配對)。
閒置的環境溫度過高。
但如果屬於充飽電後未使用或是放完電後未進行充電情形下，電池電 壓均會回壓，此時是屬於假性電壓狀態，很容易啟動平衡機制，因此 時電池容量是處於高低容量區域內，很容易造成很大壓差值。
3. 在任何狀態下作平衡放電，所謂任何狀態，意指充電、放電、靜態模 式中，均可以啟動平衡電路。只要多串電壓差值(最高壓與最低壓)達 到設定值，就可啟動平衡電路，執行平衡功能；此法使用上，會有一 些疑慮，如使用在 3C 產品或是儲能產品或是動力產品上，其充放電 電流與平衡電流相比，差異各不相同。
2.1-2 主動式電池平衡技術
主動式平衡的特色是利用一些緩衝元件來儲存多餘的電能，在將電能轉 移到電量較低的電芯上，以下簡單介紹主動平衡的方式及緩衝元件。
1. 於定電壓充電模式(CV)中進行主動式平衡，當平衡電路偵測到電池電 壓達到系統設定平衡點時，保護板會直接停止充電，對過高電壓的電 芯做電量搬移，從電量高的電池芯搬移到電量低的電池芯。
2. 於靜態模式中進行主動式平衡，此動作原理與上述被動平衡的靜態模 式相同。所謂靜態模式是指未充電及未放電狀態情形，只要多串電壓 差值(最高電壓與最低電壓)達到設定值，就會啟動平衡電路，執行平 衡功能，將過高電壓的電芯做電量搬移動作，從電量高的電芯搬移到 電量低的電池芯。
主動式平衡搬移電量時，需要緩衝元件來儲存多餘的能量，此元件可以是 電感、變壓器或是電容，這三種元件用於能量儲存，對於主動式平衡的功能差 異很大。
(i) 電感(inductance)－用此元件來作為儲存電量的容器，將多餘的電量儲 存於電感中，並透過連動開關(N & P-Mosfet or Relay)，讓過電壓電 芯做放電儲存，如圖 2.1.1. a，再轉對低電壓電芯做放電充電動作，如 圖 2.1.1. b；此種設計衍生出一問題，當所有電芯電壓均過高時，多餘 電量需另外消耗，因此需在最前串電路或最後串電路，加設一個平衡 電阻，將無法主動平衡的電量，藉由電阻將它消耗，如圖 2.1.2. a、圖 2.1.2. b、圖 2.1.2. c 所示。
圖 2.1.1. a 為 A 電芯對電感充電 圖 2.1.1. b 為電感對 B 電芯充電
圖 2.1.2. a 為 A 電芯對電感充電 圖 2.1.2. b 為電感對 B 電芯充電 圖 2.1.2. c 為電阻做被動平衡
A
B
B
A
(ii) 變壓器(Transformer)－變壓器也是電感的一種，其主要功能用於儲存 能量，做為能量轉移的中間站，抽取電芯串的電量，儲存於一次側中，
並藉由二次側將多餘的電量補入較低的電芯串裡，另一是抽取較高電 芯串的電量，儲存於二次側中，並藉由一次側將多餘的電量補入整組 電芯串裡，如圖 2.1.3. a、圖 2.1.3. b、圖 2.1.3. c、圖 2.1.3. d 所示。
圖 2.1.3. a 電芯串對變壓器一次側充電 圖 2.1.3. b 變壓器二次側對 A 電芯充電 圖 2.1.3. c 電芯串對變壓器二次側充電 圖 2.1.3. d 變壓器一次側對電芯組充電
D
C
B
A
(iii) 電容(Capacitance)－電容元件也可儲存電量，其接法與電感不同，但 原理是相同的。電路將多餘的電量儲存於電容中，並也是透過連動開 關(N & P-Mosfet or Relay)，對過電壓電芯串做放電儲存，如圖 2.1.4.
a 再轉對低電壓電芯串做放電充電動作，如圖 2.1.4. b；這只是單純的 電量搬移，針對整體過多的電量，也會發生無處可去的問題，因此如 同電感電路一樣，增加一被動平衡。當所有電芯串電壓均過高時，多 餘電量需另外消耗，因此在於最前串電路或最後串電路，加設一個平 衡電阻，將無法主動平衡的電量，藉由電阻將它消耗殆盡。這部份有 一些差異，被動平衡分為電容對平衡電阻及電芯串對平衡電阻，如圖 2.1.5. a、圖 2.1.5. b、圖 2.1.5. c、圖 2.1.5. d 所示。
圖 2.1.4. a 為 A 電芯對電容充電 圖 2.1.4. b 為電容對 B 電芯充電
B
A
圖 2.1.5. a 為電芯串對電容充電 圖 2.1.5. b 為電容對電芯串充電 圖 2.1.5. c 為電容對電阻做被動平衡 圖 2.1.5. d 為電芯串對電阻做被動平衡
由以上說明可知，主被動式平衡技術很複雜，成本高且易故障，因此本研 究目的是針對鋰電池管理系統的缺點，來設計一個全新概念、成本不高、低能 量損失的鋰電池平衡技術。
2.2 自平衡式電池管理系統原理
被動式鋰電池平衡可用木桶理論[9]來解釋，一具木桶盛水的多寡，並不取 決於桶壁上最高的那塊木板，反而恰恰取決於桶壁上有缺口最低的那一塊，只 有桶壁上的所有木板都足夠高，木桶才能盛滿水，只要這個木桶裡有一塊木板 有缺口，木桶裡的水就不可能是滿的。對鋰電池來說也是相同的道理，鋰電池 在日經月累的使用下，各電池間的狀態不盡相同，有高有低，鋰電池平衡便是 以最高點或最低點來做為設計的基準。
最高基準點平衡技術
以圖 2.2. 1 為例，用電壓最高的電芯 Vot2 來當作平衡的基準開始對其他電 芯充電，直到各電芯電壓都達到 3.5V，平衡停止。此方法的優點是，當電池組 中有一顆電芯產生老化現象，其電壓會比其他電芯低，可透過充電控制以適當 充電速度進行充電，使整體電池蓄電量不至於降低。此法缺點是，對已老化的 電芯仍然繼續充電(以較慢速度)，可能加深老化速度。
圖 2.2. 1 最高電壓點作平衡示意圖
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
電池狀態 電
壓(
)V
Vot1 Vot2 Vot3 Vot4 Vot5
最低基準點平衡技術
以圖 2.2. 2 為例，用電壓最低的電芯 Vot1(有老化)來當作平衡的基準開始 對其他電芯放電，直到各電芯電壓都放到 2.7V 時，平衡停止。這種方式會因為 需要放電而產生熱能，且伴隨能量損失。低點平衡的做法可以保護已老化的電 芯，提升整體電池組的可靠度，但卻使蓄電量降低。
圖 2.2. 2 最低電壓點作平衡示意圖
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
電池狀態 電
壓(
)V
Vot1 Vot2 Vot3 Vot4 Vot5
自平衡原理
綜合上述兩種平衡技術的優缺點，本研究採自平衡技術。是利用一個控制 迴路，在電池串聯時，偵測各電芯的電壓，當電芯間壓差過高時，訊號回傳給 電路板，將電池組改為並聯且進行自平衡，如圖 2.2. 3 所示，當六顆繼電器均 做切換時，四顆鋰電池並聯。在平衡一段時間後，改回電池串聯。
以並聯模式做平衡的方法，平衡時的電壓並不會有最高點及最低點的要求，
而是以平衡當下的電壓作為基準(圖 2.2. 4)，此方法不像被動式平衡，需要電阻 放電產生熱量，所以散熱需求低，也不像主動式平衡需要複雜的電路設計，成 本低。
圖 2.2. 3 鋰電池串並聯切換動作示意圖
圖 2.2. 4 自平衡示意圖
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
電池狀態 電
壓(
)V
Vot1 Vot2 Vot3 Vot4 Vot5
2.3 鋰電池自平衡電路設計
鋰電池自平衡電路設計包含四個電壓量測、一個輸出總電流量測、升壓模 組、六顆繼電器(型號:943-1C-3DS)以及 LCD 使用者介面螢幕。本電路是以 8 顆鋰電池(2 並 4 串)為例，進行電路設計，藉由六顆繼電器來控制四組鋰電池的 串聯和並聯，如圖 2.3. 1 所示。
圖 2.3. 1 鋰電池(2 並 4 串)串並示意圖 鋰電池串聯
鋰電池並聯
自平衡電路設計的切換概念如圖 2.3. 3 所示，當六顆繼電器尚未做切換的 時候(2 接 5)，鋰電池串聯；當六顆繼電器切換後(2 接 4)，鋰電池並聯。在電壓 量測部分，四組電芯輸出的訊號，經由分壓電路圖 2.3. 2 以比例算出對應的四 組電壓，目的是為了讓電壓值落在 0V~5V 之間，再將訊號傳給 PIC18F25K80 內部做運算，將類比訊號轉成數位訊號顯示在 LCD 螢幕上。
圖 2.3. 2 分壓電路示意圖
圖 2.3. 3 自平衡式電池管理系統電路設計－繼電器控制電路及電壓量測
自平衡控制器的心臟是處理器，本研究選用 Microchip 公司生產的微處理 器，型號 : PIC18F25K80，內建的控制功能有 : 類比數位訊號轉換(Analog to Digital)、脈衝平寬調變(PWM)、計數器/計時器(Counter/Timer)、資料儲存器 (EEPROM)、外部中斷(Interrupt)、增強行通用同步異步收發器(EUSART)等，功 能強大，足以作為控制器核心，對於未來需要擴充額外功能也極為方便。
電流量測(圖 2.3. 4)是使用 Allegro 公司生產的電流量測 IC(型號:ACS712，
30A )，IC 內部設有霍爾電路，當電流流過線圈後，產生的磁場經由 IC 按比例 轉換成電壓，最後再利用 Allergo 公司給的電壓電流比例圖(圖 2.3. 5)轉換成電 流。圖 2.3. 6 包含微處理器、電流量測以及使用者介面 LED。
圖 2.3. 4 ACS712 電流量測示意圖
圖 2.3. 5 電壓電流比例換算圖
圖 2.3. 6 自平衡式電池管理系統電路設計－微處理器基本電路及使用者介面及電流量測
控制器的電源採用 DC-DC 升壓模組如圖 2.3. 7[10]，此模組特色為輸入 2V~5V 直流電壓(圖 2.3. 8)，均可穩定輸出 5V 直流電壓，單鋰電芯(3.5V)供電 最大可輸出 1200mA，DC-DC 轉換效率最高可達 90%(平均約 85%)[10]。
PIC18F25K80 的工作電壓範圍為 1.8V~5.5V，昇陽鋰電芯的開路電壓為 3.2V，
取一顆電芯供電 DC-DC 升壓模組，產生 5V 輸出電壓來驅動控制器 PIC18F25K80。
圖 2.3. 7 升壓模組示意圖
圖 2.3. 8 升壓模組實測圖
2V~5V 輸入 5V 輸出
控制器的完整製作流程如下:先以軟體 Protel 設計電路圖並進行 PCB 電路 板佈線，確認佈線沒有問題後，在實驗室經過曝光、顯影和蝕刻三個步驟，自 行製作電路板，待電子元件焊上後，把程式利用軟體 MPLAB 燒路後進行測試。
圖 2.3. 9 為自平衡式電池管理系統電路實體圖，考量到鋰電池排列方式，
將電線正負端分別設計在電路板兩側，增加組裝時的安全性。
圖 2.3. 9 自平衡式電池管理系統電路實體圖
2.4 自平衡切換控制方法
本實驗所使用的是昇陽磷酸鋰鐵電芯(15Ah)[11]，依規格書(圖 2.4. 1)，15Ah 鋰電池內電阻小於 4mΩ，充電電流最大為 45A。因為有上述條件限制，所以在 電芯串並聯相互轉換的過程中，六顆繼電器切換的順序就扮演著重要的角色。
圖 2.4. 1 昇陽鋰電池規格圖
繼電器切換的條件為，在單晶片量測四組電池電壓過程中，其中兩個電芯 電壓相差達 0.18V 以上時，單晶片發出訊號使繼電器做切換。假使六顆繼電器 同時切換，藉由公式 2.4.1:
I = ∆𝑉 𝑅 = 0.004Ω 0.18𝑉 = 45𝐴
( 2.4-1) 計算出瞬間電流可達 45A，有可能會對鋰電芯造成損害。為了避免這種情況發 生，本實驗採用並聯兩顆電芯，這樣就可以把最大容許充電電流提高到 90A。其次是在四組電芯的正端加裝保險絲，最後就是控制各繼電器切換的順序。
圖 2.4. 2、圖 2.4. 3 及圖 2.4. 4 是切換控制流程，鋰電池由串聯轉成並聯的 過程中，繼電器切換順序是先由編號 1.2.3.的繼電器切換，使四顆鋰電芯的正端 都接在同一點，約莫 1~2 秒後，再切換編號 4.5.6.的繼電器。此切換順序可以 避免六顆繼電器同時切換後，瞬間產生大電流而燒壞控制電路。
待停工平衡達一段時間後，由並聯轉成串聯的順序，也是由編號 1.2.3.的繼 電器先同時做切換，先斷開並聯正端的共同點，過 1~2 秒再同時切換 4.5.6.的 繼電器，不過並聯切回串聯已經先經過停工平衡，所以瞬間電流影響會比串聯 轉並聯還小。
圖 2.4. 2 繼電器尚未切換
圖 2.4. 3 繼電器 1.2.3.切換
圖 2.4. 4 繼電器 4.5.6 切換
2.5 自平衡式鋰電池系統整合測試
本研究設計一套含自平衡式鋰電池的獨立型太陽能照明系統，進行系統整 合測試。鋰電池平衡深深影響壽命，自平衡切換控制策略非常重要。和上一節 主被動平衡不同的地方在於，本研究採停工平衡策略，平衡時間長短的拿捏，
影響的不僅僅只是充電與供電的中斷，也影響平衡效果。
獨立型太陽光發電系統的太陽電池、鋰電池及負載均使用現成產品，控制 器則採用實驗室自行研發的 i-sCon2 充放電控制器，作為充電、放電的控制，
並進行太陽電池充電電壓和電流量測與記錄。圖 2.5. 1 為充放電控制器控制流 程圖。控制器藉由量測太陽電池與鋰電池的電壓來進行充放電模式(白天和夜晚) 的切換:
(1) 白天的充電模式
日出時，太陽電池電壓由低電壓漸漸攀升，當高於鋰電池電壓時，充 放電控制器即判斷為白天並進入充電模式，由太陽電池透過控制器對鋰電 池進行充電，並量測鋰電池的電壓與電流。若鋰電池在充電一段時間後電 壓升高到鋰電池飽充點，此時控制器利用脈衝頻寬調變(PWM1)方式控制 場效電晶體(MOSFET1)來降低充電電流，避免鋰電池因過度充電造成損 壞。
(2) 夜晚的放電模式
日落時，太陽電池電壓漸漸下降，當低於鋰電池電壓時，充放電控制 器即判斷為夜晚開始進入放電模式，並量測鋰電池的電壓與電流。若鋰電 池在放電一段時間後電壓降低到過放點，為避免鋰電池過度放電而造成毀 損，控制器會中斷放電以保護電池，直到次日白天時，鋰電池以過放點電 壓開始進行充電，完成一天週期的充放電控制。
量測太陽電池 與蓄電池電壓
判斷白天或夜晚
充電模式：太陽電池對蓄 電池充電並量測蓄電池電
壓、電流
放電模式：蓄電池對照明 設備放電並量測蓄電池電
壓、電流
蓄電池 電壓是否過高
開啟PWM降低充電電流來 保護蓄電池
白天 晚上
Yes
蓄電池 電壓是否過低
放電停止(PWM Duty Cycle=0)以保
護蓄電池 Yes 開啟PWM限流 調整放電功率
No No
START
圖 2.5. 1 充放電控制器控制流程圖
圖 2.5. 2 為自平衡式電池管理系統的控制流程圖。結合本實驗室自行研發 的 i-sCon2 充放電控制器，自平衡式電池管理系統切換控制策略也分成白天和 夜晚兩個部分，白天是以電壓差訊號來作為判斷依據，而晚上是以電流方向作 為判斷依據。
(1) 白天充電模式
日出時，當太陽電池電壓大於鋰電池電壓時，充放電控制器即判斷為白 天並進入充電模式，由太陽能電池透過控制器對鋰電池進行充電，此時自平 衡式電池管理系統開始量測四組電池電壓，並每秒計算一次最大電壓與最小 電壓差(命名為 e)。在充電過程中，當 e 大於切換判斷的條件，計算 1 分鐘內 大於的次數(命名為 L)，因為電壓量測會因為一些干擾造成雜訊，對電池電 壓造成量測誤差，所以在計次的過程中，會先對電壓差信號做濾波，若 L 仍 連續出現達 10 次，則進入停工平衡。停工平衡結束後，自平衡式電路重新 量測四組電壓值，並重複上述動作。
(2) 晚上放電模式
當太陽下山後，充放電控制器(i-sCon2)會中斷對鋰電池的充電， 此時 系統會先做一次停工平衡，讓四組電芯狀態穩定，停工結束後便進入放電 模式，此模式會一直維持到隔天日出的時候；在放電過程中，系統並不會 執行停工平衡。
電壓量測:
Vbat1,Vbat2,Vbat3,Vbat4
對4個電壓做排序 Vmax-Vmin= e
如果e>150(0.18V)
Yes 開始計數L++
Cutoff=1;
Teq1++(1min);
L=0 Teq1=0 Case=0 Cutoff=3
Teq3++(1min) 停工平衡(並聯)
系統重新運作(串聯) Teq3=0，Case=0 No
電流量測:h
判斷是否為放電
Yes Cutoff=2;
Teq2++(1min);
停工平衡(並聯)
系統重新運作(串聯) Teq2=0 Case=1;
Case = 1，判斷是否為充 電
Ture
Case = 0
電池維持串聯 模式 False No
電池串聯 系統運作 Case = 0
訊號誤差 過濾
判斷是否切換
Yes
No
放電 (晚上) 充電
(早上)
圖 2.5. 2 自平衡式電池管理系統的控制流程圖
2.5-1 電壓差信號處裡
自平衡式電池管理系統對四組電池進行電壓量測時，會有雜訊，影響停工 平衡的判斷，必須先對量測訊號進行信號處理。
在自平衡式電池管理系統運作時，會先量測四個電芯瞬時電壓。在最主要 的電壓差(e)判斷部分，使用統計學上最常使用作為統計分佈程度的量測方式－
標準差(Standard Deviation，數學符號為𝜎)[12]。
本實驗設計是對電壓差(𝑒)一秒一次取三十次作移動平均𝑒𝑀𝐴30(𝑡)，並計算 此三十次數據的標準差𝜎，並對下一次的 e 作判斷，如果𝑒(𝑡)>𝑒̅ + 3σ 則剔除該 異常點，若 0.18V< 𝑒(𝑡)< 𝑒̅ + 3 𝜎，則列入切換判斷依據，又或者是𝑒(𝑡)<0.18V，
則該點納入資料庫並重新作一次移動平均𝑒𝑀𝐴30(𝑡)及標準差𝜎。
𝑒𝑀𝐴30(𝑡) ≡ ∑𝑡𝑡−30𝑒(𝑡)30 (2.5-1) 𝑒𝑀𝐴30(𝑡)之運算剃除異常點:𝑒(𝑡) > 𝑒̅ + 3𝜎 (2.5-2) 切入平衡(並聯):𝑒𝑀𝐴30(𝑡) > 0.18𝑉 (2.5-3)
本實驗設計以大於三個標準差作為誤差過濾的基準，發生的機率小於千分 之一。圖 2.5. 3 為常態分佈示意圖。
圖 2.5. 3 常態分佈圖
圖 2.5. 4 為電壓差誤差過濾流程圖。當 0.18V< 𝑒(𝑡)< 𝑒̅ + 3 𝜎，開始累計達 成條件的次數(L)，當 L 達到 10 次後，系統進入停工平衡(並聯)。
1秒1次取30次做移動平均 eM30(t)和標準差σ
計算e + 3σ &e - 3σ 並取t+1秒的e
e(t) > e + 3σ
No 當e>150 (0.18v時)
Yes
次數(L)+1
次數L>=10
Yes
停工平衡 No
No
取t + 2秒的e Yes
圖 2.5. 4 電壓誤差信號處理流程圖
2.6 自平衡式電池管理系統戶外測試
2.6-1 獨立型太陽光發電系統
本研究建造的獨立型(Stand-Alone)太陽光電系統如圖 2.6. 1 所示，太陽電池 透過充放電控制器對蓄電池直接充電。放電時透過外接逆變器(Inverter)，供給 交流負載。
圖 2.6. 1 獨立型太陽光電系統
本研究主要針對太陽能照明系統，來探討自平衡式電池管理技術，其架構 如圖 2.6. 2 所示。系統分成四大部分，太陽電池、充放電控制器、鋰電池加自 平衡式電池管理系統，以及鹵素杯燈，其硬體設備詳細規格如下 :
(1) 太陽電池(PV) 廠牌 : Sacred Solar
型號 : SDSP-60W-5432-01 規格 : 60Wp 一片
(2) 充放電控制器(i-sCon2)
充放電控制器的主要功能為太陽能電池對鋰電池的充電，並且記錄其 充電電壓及電流，計算太陽電池的發電量。夜間時，對負載放電。
(3) 鋰電芯和電池模組 廠牌 : PSI
型號 : PC40138LFP_15Ah(電芯)
模組規格 : 12V15Ah 電芯兩顆並聯四顆串聯共八顆(12V30Ah) 鋰電池主要是做為儲能裝置，為了增加其壽命，在電池箱外面增加遮 陽板，避免鋰電池長期處於 50℃以上的高溫環境，並加裝自平衡式電 池管系統來對鋰電池進行保護。
(4) 負載(鹵素杯燈)
夜晚時，充放電控制器會開啟燈具將鋰電池放光，並控制在固定低電 壓，保護電池安全
圖 2.6. 2 太陽光發電系統架構
2.6-2 停工平衡時間長度
停工平衡時間長短，會影響鋰電池的性能與系統效率，當系統進入停工平 衡時，充放電控制器斷電，導致太陽電池無法對鋰電池進行充電或對負載放電，
因此要如何選擇一個既能夠達到平衡的要求，又能夠減少發電量損失，是本實 驗所要探討的目標。
本實驗為獨立型太陽能照明系統戶外測試。圖 2.6. 3 和圖 2.6. 4 分別代表著 四組鋰電芯在完整充電放電下，平衡時間為十分鐘和一分鐘的電壓變化圖。由 圖 2.6. 3 可以觀察到，6/20 當天停工平衡次數為六次，從圖中發現在早上八點 五十一分的停工平衡確實讓電壓差從 0.11V 降到 0.08V。當天發電量由充放電 控制器記錄為 120Wh，五次停工平衡下來累積的能量損失為 18Wh，占總能量 的 15%。
鋰電池電壓經過一整晚的放電後，電芯電壓差異變大，由圖 2.6. 4 可以發 現，日出後鋰電池進入一連串的停工平衡，6/24 當天發電量約 79Wh，停工平 衡的次數約五十次左右， 但由於停工平衡皆在日出的那段時間，所以累積的發 電量損失不大，約 1.21Wh，占總能量損失的 1.5%。
雖然停工平衡時間長(10 分鐘)能夠減少系統停工平衡的次數，但是平衡過 程中所損失的能量比起停工平衡時間短(1 分鐘)的大很多，為了降低平衡時造成 的系統能量損失，因此選擇停工平衡時間長度為一分鐘來做實驗。
圖 2.6. 3 平衡時間 10 分鐘的電池電壓變化
圖 2.6. 4 平衡時間 1 分鐘的電池電壓變化
平衡 5 次
平衡 50 次以上
2.6-3 停工平衡時間點
獨立型太陽光發電系統會因為停工平衡時間點的選擇，而影響到發電量或 供電中斷，當系統進入停工平衡時，充放電控制器會停止運作，此時太陽電池 不能夠對鋰電池充電。因此，從日出到日落這段時間，停工平衡次數能夠越少 越好，尤其中午時間太陽輻射最大，除非不得已時。從上述來看，最佳停工平 衡時機有兩個:天亮和天黑。
1. 天亮停工平衡
自平衡式電池管理系統設計在晚上放電過程中並因電壓差過大作停工 平衡，即便電池電壓已經達到充放電控制器所設定的最低電壓，電池停止 放電，也不會進入平衡。自平衡式電路會一直維持串聯模式直到日出的時 候，鋰電池在一個晚上的放電下，電芯狀態差異變大。在剛日出時，充放 電控制器會進入充電模式，同時也啟動一次平衡。
2. 天黑停工平衡
太陽下山時，充放電控制器轉為放電模式，同時也啟動一次停工平衡，
天黑時的停工平衡不會影響到太陽能發電量，。
2.6-4 自平衡式電池管理系統測試分析
本節將從停工平衡時間點所造成的能量損失，以及太陽光發電系統進入停 工平衡後，對於各鋰電池電壓的狀態影響這兩部分，來對自平衡式電池管理系 統作測試分析。
(1) 自平衡式電池管理系統停工平衡時間點對系統發電效率的 影響
由表 2.6.1 來看，同樣都採停工平衡時間一分鐘的情況下，雖然 2014/6/28 當天停工平衡次數 34 次少於 2014/6/24 停工平衡次數 47 次，但 是停工平衡的損失能量為 4.4Wh 大於 6/24 的 1.2Wh(停工平衡損失能量是 由充放電控制器計算而得)。2014/6/24(圖 2.6. 5)和 2014/6/28(圖 2.6. 6)可以 明顯發現，2014/6/24 停工平衡時間點都集中在清晨五點三十分以前，此時 才剛天亮，發電量很小，因此損失的能量比較小。2014/6/28 在上午十點左 右做過停工平衡，此時太陽發電量正大，該段損失能量就佔了 3.4Wh，所 以停工平衡時機能夠提升太陽光發電系統發電效率。
圖 2.6. 5 6/24 電池電壓曲線
圖 2.6. 6 6/28 電池電壓曲線
表 2.6.1 自平衡式電池管理系統測試數據
累積發電量 (Wh/day)
停工平衡次數(次) 停工平衡發電損失 (Wh/day)
停工平衡發電損失 比例(%)
2014/6/24 79.1 47 1.2 1.52
2014/6/27 156.7 65 11.2 7.15
2014/6/28 150.2 34 4.4 2.93
2014/6/29 161.2 53 13.1 8.13
2014/7/1 130 119 22.8 17.54
由表 2.6.1 我們可以發現，在 2014/6/27 和 2014/6/28 這兩天發電量差不多，
但是 2014/6/27 這天停工平衡次數 65 次，遠大於 2014/6/28 的 34 次，即使 2014/6/27 在早上十點以後因為停工平衡而損失的能量只有 1.8Wh，但是因為停 工平衡次數較多，以至於總能量損失比較高。圖 2.6. 7 和圖 2.6. 8 分別為 2014/6/27 和 2014/6/28 電芯電壓曲線。
圖 2.6. 7 6/27 電池電壓曲線
圖 2.6. 8 6/28 電池電壓曲線
(2) 停工平衡對鋰電池電壓影響
停工平衡的目的是為了縮短各鋰電芯間的壓差，讓鋰電池能夠在穩定 的狀況下運作，以延長鋰電池壽命，增加工作效率。圖 2.6. 9~圖 2.6. 14 為 一連串太陽光發電系統經過停工平衡後，四組鋰電芯的電壓曲線(一組為兩 顆 15Ah 鋰電芯並聯)。
從圖中我們可以發現，經過一整晚的放電後，各電芯電壓差變大，其 最大電壓差(Vmax-Vmin)可達到 0.14V，所以在每天清晨時平衡次數會較頻 繁，經過一連串平衡後，最大電壓差會縮減至 0.06V~0.08V。此外我們可 以發現，四組鋰電芯在經過停工平衡前，四組鋰電芯彼此間有一定的電壓 差距，不過經由停工平衡之後，各組鋰電芯的電壓差差距降低，而且在充 電過程中電壓浮動的幅度降低且慢慢趨於穩定，所以自平衡式電池管理系 統對於鋰電池電壓的平衡有顯著的效果。
圖 2.6. 9 6/24 電池電壓曲線
圖 2.6. 10 6/27 電池電壓曲線
圖 2.6. 11 6/28 電池電壓曲線
圖 2.6. 12 6/29 電池電壓曲線
圖 2.6. 13 7/1 電池電壓曲線
圖 2.6. 14 7/3 電池電壓曲線
第三章 鋰電池的喚醒技術研究
3.1 鋰電池的喚醒技術原理
鋰電池設計通常包括管理系統、過電壓及低電壓保護，在放電過程 中，當鋰電池電壓降到最低電壓時，開啟低電壓保護措施，阻斷電流輸 出，以保護鋰電池。到了日出時，充放電控制器因為鋰電池的斷電，無 法進入充電模式，太陽電池便無法對鋰電池進行充電。若要重新啟動太 陽光發電系統，必須給予鋰電池管理系統額外刺激，喚醒鋰電池重新啟 動。常見的方法是，從外部輸入電壓，且此電壓大於鋰電池管理系統的 工作電壓，便能夠喚醒鋰電池模組繼續充電。
本研究是針對當電池管理系統開啟低電壓保護時，藉由喚醒電路讓 電源供應從鋰電池轉為太陽電池，因此充放電控制器不會斷電，電池管 理系統能夠藉由太陽電池直接給予刺激，喚醒鋰電池維持獨立型太陽光 發電系統正常運作。
3.2 喚醒電路設計
喚醒電路設計構想如圖3.2. 1所示，當鋰電池管理系統(BMS)完全關閉輸出時，
充放電控制器(i-sCon2)因斷電無法運作，此時繼電器切入Normally Close(NC)，
在太陽電池和鋰電池間形成通路。日出時，太陽電池會直接對鋰電池充電，當電 池管理系統受到刺激，便會喚醒鋰電池進行充電，喚醒時間約為一分鐘，此時充 放電控制器接收到鋰電池的電源而開機，繼電器切入Normally Open(NO)，因此 太陽光發電系統就能夠正常運作。
圖 3.2. 1 喚醒電路設計構想
喚醒電路設計簡單，主要元件有下面幾項:
(1) 繼電器 廠牌 : Bestar 型號 : BS-901CS
規格 : 12V 耐電流NO : 20A NC : 15A
(2) 降壓IC
廠牌 : UNISONIC TECHNOLOGIES CO.
型號 : 78D12AL
規格 : 輸入20V~24V 輸出7.2V~19.7V
(3) 二極體
廠牌 : SCHOTTKY RECTIFIER 型號 : MBR20
在系統運作過程中，若繼電器因為故障而永遠切換在 Normally Close 時，
日落後，當鋰電池電壓大於太陽電池電壓，鋰電池可能會對太陽能電池放電，
會造成太陽電池損壞，二極體的設計是為了避免鋰電池對太陽電池放電。圖 3.2.
2 和圖 3.2. 3 為喚醒電路設計圖和實體圖，端子座設計由左到右分別為負載、太 陽電池、鋰電池， 圖 3.2. 4 為喚醒電路安裝架設位置。
圖 3.2. 2 喚醒電路設計圖
圖 3.2. 3 喚醒電路實體圖
圖 3.2. 4 喚醒電路安裝位置
3.3 喚醒電路測試
本實驗設計是利用太陽能冰箱系統來測試喚醒電路，測試當鋰電池過放達 低電壓保護斷電後，喚醒電路是否能刺激電池管理系統，使鋰電池甦醒，讓太 陽能冰箱系統能夠重新運作。
太陽能冰箱系統所使用的鋰電池組是由 24 顆 15Ah 磷酸鋰鐵電芯，以 8S3P 串並接加上電池管理系統(BMS)組成，電池組保護參數如圖 3.3. 1 所示。
圖 3.3. 1 電池組保護參數圖
圖 3.3. 3 為 6/11~6/12 太陽能冰箱系統鋰電池充放電曲線圖。鋰電池電壓 達到放電低電壓保護啟動電壓(約 19.2V)，此時鋰電池斷電，充放電控制器 (i-sCon2)停止運作。到 6/12 早上四點四十五分時，天亮時，喚醒電路開始發揮 作用，繼電器從 Normally Open(NO)切回 Normally Close(NC)，讓太陽電池成為 電源供應端。由於充放電控制器最低啟動電壓為 6V，從 圖 3.3. 3 中我們可以 發現，充放電控制器所量測到的電壓為 6V 左右，此電壓即為太陽電池電壓；
隨著日照越來越強，太陽電池的電壓也漸漸的攀升，直到早上七點零八分時，
太陽電池電壓大於電池低電壓保護點(約 24V)，鋰電池恢復正常運作，繼電器 從 Normally Close(NC)切到 Normally Open(NO)，讓鋰電池成為電源供應端，太 陽能冰箱系統重新正常運作。
圖 3.3. 2 6/5~6/6 太陽能冰箱系統放電曲線圖
圖 3.3. 3 6/11~6/12 太陽能冰箱系統放電曲線圖
第四章 結論與未來展望
4.1 結論
自平衡式電池管理系統
自平衡電路設計不僅沒有主動式的複雜，也沒有被動式的能量損失，電路 設計簡單，大大降低了元件與元件間的干擾，可靠度提升，此外電路設計成本 低，初步估計約為 500~600 元之間，提高市場接受度；功能部分，在本實驗的 測試下，經過停工平衡後，電芯最大電壓差距有明顯縮短，更重要的是，鋰電 池經過停工平衡後，各鋰電芯間電壓不僅差距慢慢縮小，而且電壓跳動降低，
有漸漸趨於穩定的趨勢，對於鋰電池的壽命以及太陽光發電系統的效率有提升 的作用。
不過自平衡電路仍有需要改善和精進的地方，當系統進入停工平衡後，太 陽光發電系統便毫無作用，所以目前設計僅限於太陽光照明；電路設計以單一 顆鋰電芯供應升壓電路電源，當鋰電池放完電後，升壓電路會持續耗電，此顆 鋰電芯在使用上會比其它鋰電芯還來的頻繁，壽命比其它鋰電芯還來的短，電 壓差距大，會增加停工平衡次數，不利於系統運作。
喚醒電路
對於太陽能冰箱系統來說，每當鋰電池產生過放電，達低電壓保護時，藉 由喚醒電路，的確可以讓電源輸入由鋰電池轉為太陽電池，直到太陽電池電壓 大於放電低電壓保護點後，就能夠喚醒鋰電池，讓太陽能冰箱系統正常運作。
對於一些偏遠山區來說，如果架設太陽光發電系統，當上述的情況發生，
要手動喚醒鋰電池非常不方便，所以喚醒電路對太陽光發電系統來說是一項重 要的設計，而且電路設計簡單、成本低，能夠讓系統本身自行甦醒、運作更有 效率。
4.2 未來展望
自平衡電路可以從幾個方面來改善，首先為了解決單一顆鋰電芯供電給升 壓模組問題，未來將會把升壓模組改為升降壓模組，升降壓模組有 3V 轉 5V 以 及 12V 轉 5V 的功能，耐電流可以高達 2 安培，這樣不論鋰電池是處在串聯或 並聯，四組鋰電芯都可以平均供電，可以增加鋰電池的使用壽命。
從實驗數據圖可以發現，自平衡式電池管理系統在天亮時切換次數較多，
為了降低停工平衡次數，在程式邏輯部分，可以改成天亮時停工平衡時間較長，
讓鋰電池有足夠的電池反應時間，使鋰電池電壓趨於穩定，而且清晨的發電量 小，即使拉長停工平衡時間，對於發電損失影響也較小。
對於系統僅限制在太陽能照明部分，未來我們也許可以從低電壓保護裝置 著手，結合喚醒電路，讓自平衡式電池管理系統有喚醒功能，結合 HyPV 系統 可以解決停工斷電問題，這樣自平衡式電池管理系統所能應用的部分就不僅僅 只限於太陽能照明，更能夠推廣到太陽能冰箱系統甚至到太陽能住宅系統。
自平衡式電池管理系統未來還會多架兩套在台灣大學工學院綜合大樓頂樓，
增加運轉樣本數，進行長期測試，比較在不同日期相同天氣狀況下，監測各鋰 電池的老化狀態。雖然這只是一項小小的設計，不過如果以上缺點能夠改善的 話，不僅能夠提升系統發電效率、增加鋰電池壽命，對於太陽光發電系統更是 一項福音。
參考文獻
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http://www.moeaboe.gov.tw(經濟部能源局網站)
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2006
[4] 吳民聖: “獨立型太陽能 LED 照明技術研究”，國立台灣大學機械工程研究 所，碩士論文，2005
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[7] 綠能知識:什麼是 BMS 電池管理系統
http://www.energytrend.com.tw/knowledge/20120709-4584.html
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9F%E7%90%86(木桶理論)
[10] http://goods.ruten.com.tw/item/show?21308115719952(升壓模組) [11] 昇陽國際半導體股份有限公司
http://www.psi.com.tw/
[12] http://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%A8%99%E6%BA%96%E5%B7%AE
