具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統

全文

(1)國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士論文. 指導教授：呂藝光博士. 具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統 Stand-alone Super Capacitor Charging System with the Design of Starting Protection. 研究生：黃嘉煒撰. 中華民國一百零二年六月.

(2) 具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統. 學生：黃嘉煒. 指導教授：呂藝光博士. 國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士班. 摘. 要. 本論文針對一個不需要依靠任何外部電源裝置供電的獨立超級電容儲能系統，作暫態及轉換效率研究，提出其操作遇到的問題及改善可靠性討論。獨立超級電容儲能系統在啟動瞬間電路往往會因為電感電流過大而導致零件可靠性受到影響，由這個問題找出啟動瞬間升壓型直流轉換器的電感電流飽和原因，改善啟動瞬間開關電感電流過大的問題，解釋啟動瞬間電感電流的狀態，使用實驗數據和模擬驗證電路特性，最後量測獨立超級電容儲能系統的頻率響應與效率，找出獨立超級電容儲能系統最有效的充電頻率。. 關鍵字：升壓型直流轉換器、電荷幫浦、超級電容、電感電流、單擊電路。. i.

(3) Stand-alone Super Capacitor Charging System with the Design of Starting Protection. Student：Chia-Wei Huang. Advisors：Dr. Yih-Guang Leu. Institute of Applied Electronics Technology National Taiwan Normal University. ABSTRACT This thesis focuses on studying the electronics transient response and conversion efficiency of a stand-alone super capacitor charging system, which is capable of working independently without relying on any external power supply. Components of the charge are easily degraded due to a large transient inductor current. This occurs at the moment when the stand-alone super capacitor charging system switches on. To understand the problem, this thesis studies the transient behavior, finds the reason why the inductor current of the boost converter saturates at the switching moment, and analyzes the waveforms of the inductor current at the switching moment of the charger. The verification of the circuit characteristics with an external stimulation is carried out with both experiments and simulation. Finally, we measure the frequency response and efficiency of the stand-alone super capacitor charging system in order to find out the most efficient charging frequency of the stand-alone super capacitor charger.. Keywords: Boost converter, charge pump, super capacitor, inductor current, one-shot circuit. ii.

(4) 誌. 謝. 在研究所求學期間，非常感謝我的指導教授呂藝光博士，謝謝呂老師專業指導及人生經驗分享，呂老師曾說過每一句重要人生哲理，學生都銘記在心，不僅獲益良多，更是受益無窮，還要感謝華夏技術學院的黃棟洲老師，在碩班期間擔任共同指導，以老師在業界多年的豐富經驗教授專業的知識，讓學生得以順利地完成每一階段的實驗，使本論文得以順利完成，也感謝口試委員李永勳老師、吳政郎老師、王順源老師和陳宏良老師對本論文的教導與指正，使論文更加完善。. 最後謝謝家人不斷給予支持及鼓勵，讓我得以專心研究與學習，也要感謝在碩班求學過程中學長汪志孙、黃克勤、林育正、林正義、李承洲；同學陳碩甫、林裕勝、溫彥侯；學弟陳拱北、孫士勳、李典融、盧苹源的幫忙及建議，若文章有遺漏感謝曾經幫助我的人，謹以此論文獻給所有關心我的人。. iii.

(5) 目. 錄. 摘要................................................................ i ABSTRACT ........................................................ ii 目. 錄........................................................... iv. 表目錄............................................................ v 圖目錄............................................................ v 第一章. 緒論 ................................................... 1. 1.1 研究背景與動機 .............................................................................................. 1 1.2 研究方法 .......................................................................................................... 2 1.3 章節簡述 .......................................................................................................... 3 第二章. 獨立超級電容儲能系統 .................................... 4. 2.1 手搖發電 .......................................................................................................... 4 2.2 超級電容 .......................................................................................................... 6 2.3 電路特性分析 .................................................................................................. 8 第三章. 具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統 ............................................ 21. 3.1 脈波寬度調變電路啟動瞬間的暫態分析 ..................................................... 21 3.2 單擊電路量測電感電流暫態 ........................................................................ 23 3.3 改善後啟動瞬間的電感電流狀態 ................................................................. 26 3.4 電感電流分析與模擬 .................................................................................... 29 第四章. 獨立超級電容儲能系統的頻率響應與效率 ................... 37. 4.1 獨立超級電容儲能系統的頻率響應 ............................................................ 37 4.2 獨立超級電容儲能系統的效率 ..................................................................... 38 第五章. 研究結論與未來展望 ..................................... 54. 5.1 研究結論 ........................................................................................................ 54 5.2 未來展望 ........................................................................................................ 54 參考文獻........................................................... 55. iv.

(6) 表目錄表 3-1. 硬體電路與實驗過程………………………………………….………….23. 表 3-2. 可再觸發單穩態電路真值表………………………………….………….25. 表 4-1. 超級電容充電實驗數據表…………………………………….………….37. 表 4-2. 200Hz 的瞬間功率與效率的實驗數據表………………………….…….41. 表 4-3. 500Hz 的瞬間功率與效率的實驗數據表………………………….…….45. 表 4-4. 1kHz 的瞬間功率與效率的實驗數據表……………………..………..…49. 表 4-5. 不同時間下頻率與效率的關係數據…………………………….……….51. v.

(7) 圖目錄圖 2-1. 手搖發電多功能手電筒……………………………………………………4. 圖 2-2. 內部結構……………………………………………………………………5. 圖 2-3. 三相直流無刷發電機………………………………………………………5. 圖 2-4. 獨立超級電容儲能系統硬體架構圖………………………………………8. 圖 2-5. 橋式整流器輸入與輸出波型………………………………………………9. 圖 2-6. 輸出入轉換曲線……………………………………………………………9. 圖 2-7. D1 , D3 導通時狀態與 D2 , D4 導通時狀態……………………….…………10. 圖 2-8. 橋式整流與濾波電路……………………………………………………..10. 圖 2-9. 濾波電容濾波後輸出電壓……………….. ………..………………..…...11. 圖 2-10. Dickson Charge Pump…………………………………………………….11. 圖 2-11. Charge Pump 轉換器電路圖……………………..……………………….12. 圖 2-12. 脈波寬度調變電路……………………………………………………….14. 圖 2-13. 工作周期變化圖………………………………………………………….14. 圖 2-14. 脈波寬度調變電路實驗訊號…………………………………………….16. 圖 2-15. Boost 直流轉換器電路…………………………………………..……….17. 圖 2-16. 升壓型直流轉換電路…………………………………………………….18. 圖 2-17. 直流轉換器操作模式………………………………….…………………20. 圖 3-1. 脈波寬度調變電路啟動瞬間產生的暫態……………………….……….22. 圖 3-2. 加入單擊電路的獨立超級電容儲能系統………………………………..24. 圖 3-3. 可再觸發單穩態電路邏輯電路圖…………………………….………….25. 圖 3-4. 可再觸發單穩態電路產生基本脈波波型圖…………………………….25. 圖 3-5. 可再觸發單穩態電路觸發示意圖……………………………………….26. 圖 3-6. 電感電流飽和實驗圖…………………………………………………….27. 圖 3-7. 啟動瞬間的電感電流………...…………………………………………..28. 圖 3-8. 電感電流在 Toff 對超級電容充電………………………………..………..29. 圖 3-9. 電感電流對超級電容充電電荷電..……….……………………..…….....29. vi.

(8) 圖 3-10. 開關導通時..………..…………………………………………………….31. 圖 3-11. 電感電流示意圖..………..……………………………………………….33. 圖 3-12. MATLAB 模擬暫態超級電容電壓..………..……..…………………….34. 圖 3-13. MATLAB 模擬暫態 Charge Pump 電壓..………..……………………...34. 圖 3-14. MATLAB 模擬暫態電感電流..………..…………………………………35. 圖 3-15. MATLAB 模擬穩態超級電容電壓..………..……………………………35. 圖 3-16. MATLAB 模擬穩態 Charge Pump 電壓..…..……..…………………….36. 圖 3-17. MATLAB 模擬穩態電感電流..………..…………………………………36. 圖 4-1. 獨立超級電容儲能系統的頻率響應……………………...……………..38. 圖 4-2. 200Hz 的輸入電壓與電流…………………………………………….….39. 圖 4-3. 200Hz 瞬間輸入功率……………………………………………………..39. 圖 4-4. 200Hz 整流與濾波後輸出的電壓與電流………………………….…….40. 圖 4-5. 200Hz 對超級電容充電 10 秒電壓………………………………….……40. 圖 4-6. 獨立超級電容儲能系統在 200Hz 下對超級電容充電的效率…………..42. 圖 4-7. 500Hz 的輸入電壓與電流………………………………………………..43. 圖 4-8. 500Hz 瞬間輸入功率….……………………………………………….....43. 圖 4-9. 500Hz 整流與濾波後輸出的電壓與電流….………………………….....44. 圖 4-10. 500Hz 對超級電容充電 10 秒電壓………………………...………..…..44. 圖 4-11. 獨立超級電容儲能系統在 500Hz 下對超級電容充電的效率…………..46. 圖 4-12. 1kHz 的輸入電壓與電流…………………………………………………47. 圖 4-13. 1kHz 瞬間輸入功率……………………………….…………………..….47. 圖 4-14. 1kHz 整流與濾波後輸出的電壓與電流………………...……………….48. 圖 4-15. 1kHz 對超級電容充電 10 秒電壓..………..………..…………………….48. 圖 4-16. 獨立超級電容儲能系統在 1kHz 對超級電容充電的效率……….…….50. 圖 4-17. 不同時間下頻率與效率的關係圖…………………………………….....52. 圖 4-18. 500Hz 單個二極體所消耗的平均功率……………………………….....53. 圖 5-1. 改善後的獨立超級電容儲能系統…………………………………….....54. vii.

(9) 第一章. 緒論. 本章節主要針對獨立超級電容儲能系統的優點以及研究的價值做說明，由於地球的污染日益嚴重，綠色能源的發展勢必成為未來發展的趨勢。本論文以一個獨立超級電容儲能系統做研究，改善電路的可靠性，證明所提出的問題，解釋電感電流的狀態，最後使用實驗數據和模擬驗證電路特性，另外也針對不同的輸入頻率量測系統的頻率響應與效率。. 1.1 研究背景與動機由於環保意識的抬頭以及能源枯竭的影響，綠色能源逐漸轉變為能源使用的主流，如何產生潔淨零汙染的能源或是如何讓能源永續不斷的重複利用成為政府機關以及學術各界致力研究的方向。台灣身為一個島國，因物資缺乏，90%以上的能源需仰賴國外進口，根據經濟部能源局的官方統計資料顯示，於 2011 年，台灣最大宗的發電來源是火力發電(含煤炭、石油、天然氣)約占 89%，核能約佔 8.8%，再生能源的總和(含太陽能、風力、水力等)不到總能源支出的 2% 。但是火力發電會產生大量溫室氣體，破壞生態環境；核能所產生的有毒廢料處理不易，費用龐大；零汙染的綠色能源雖然是未來趨勢，但大部分成本過高，轉換效率也是一大問題。本論文針對一套獨立超級電容儲能系統做研究，其輸入為手搖發電機所產生的再生能源，而儲能裝置為超級電容，整套系統不頇外接任何的電源供應裝置，所產生的能量足以供給小型家電使用，從手搖發電產生能量到將能量儲存在超級電容都不會產生汙染，為社會提供一個產生潔淨能源的管道。超級電容是新興的儲能裝置，其應用非常廣泛，可提供如筆記型電腦、手機、平板電腦、數位相機、遊戲機、機器人、再生能源儲能系統……等的動力，取代玩具中的水銀電池、取代太陽能充電的鎳氫電池、取代 UPS 中的鉛酸電池，隨著時間的增長，超級電容的應用將越來越廣泛。. 1.

(10) 1.2 研究方法超級電容由於體積小、功率密度高、容易充/放電、零污染等特性，是新興的儲能裝置。由於超級電容應用在消費性電子產品於近幾年有大幅成長的趨勢，因此，可靠且有效率的充電技術勢必被要求。一個獨立超級電容儲能系統已經被提出[1]，硬體架構組成包含整流與濾波電路、電荷幫浦、升壓型直流轉換器以及脈波寬度調變電路四個部分，如圖 2-4。將手搖發電機的輸入電壓，經過整流與濾波電路，輸出一個近似直流的電壓供給電荷幫浦，經由電荷幫浦提升電壓後使稽納崩潰，供應穩定的電壓給脈波寬度調變電路，產生脈波寬度調變(PWM)以控制升壓型直流轉換器的開關，來調整對超級電容充電的大小。電路設計概念主要以自主性、低成本、低汙染為出發點，前饋式的控制方式除了可以有效的保護超級電容充電電壓與漣波電流[2-4]，增加使用壽命外，也省略複雜的迴授控制電路，降低電路複雜度及成本。但是獨立超級電容儲能系統，在啟動瞬間很容易因為過載造成元件燒毀，因為脈波寬度調變電路產生 PWM 需要一段時間，開關尚未正常啟動時，輸入電源持續對升壓型直流轉換器的電感充電，一旦電感達到飽和，電感就會失去電感量而近似為一個電阻，容易使開關燒毀。因此針對電感的啟動瞬間電感電流狀態做探討，了解電路過載的原因，改善電路缺陷，找出元件合理之容忍範圍。本論文討論獨立超級充電儲能系統啟動瞬間容易過載的問題，利用可再觸發單穩態電路來改善升壓型直流轉換器的啟動瞬間電感電流的狀態，並研究啟動瞬間電感電流的特性，使用實驗數據與電路特性模擬做比較，然後再以實驗數據驗證用數學推導的電路特性模擬。本論文根據不同的輸入頻率，讓獨立超級電容儲能系統對超級電容做相同時間的充電，找出對超級電容充電的頻率響應。另外，為了符合實際情況，針對三種頻率與三個時間點下量測功率，分別討論整流器與轉換器個別之效率，了解消耗功率最多的部分，以利未來改善與改進。. 2.

(11) 1.3 章節簡述本論文總共分為五個章節，主要內容包括：. 第一章. 緒論：. 說明本論文的研究背景、動機、方法及章節簡述。. 第二章. 獨立超級電容儲能系統：. 介紹整套獨立超級電容儲能系統，從輸入經過系統處理到輸出，將會在本章節完整介紹. 第三章. 具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統：. 介紹本論文所提出之方法與改善後硬體架構，並針對實驗與理論兩者互相驗證。. 第四章. 獨立超級電容儲能系統的頻率響應：. 根據實驗數據分析獨立超級電容儲能系統的最佳充電頻率與效率。. 第五章. 研究結論與未來展望：. 總結本論文的研究並提出未來研究發展方向及目標。. 3.

(12) 第二章. 獨立超級電容儲能系統. 本章節將介紹獨立超級電容儲能系統的硬體架構及工作原理，獨立超級電容儲能系統由整流與濾波電路、電荷幫浦、升壓型直流轉換器以及脈波寬度調變電路四個部分所組成，使用前饋式的控制方式省略成本並降低電路複雜度，亦可保護並延長超級電容使用壽命，還可以針對不同的超級電容耐壓參數做調整。. 2.1 手搖發電機本論文所使用的輸入電壓源如圖 2-1 所示，為一市售的手搖發電多功能手電筒，內部結構如圖 2-2，手搖發電多功能手電筒的操作原理主要是藉由轉動外部把手，再由把手帶動內部齒輪旋轉以啟動三相直流無刷發電機，三相直流無刷發電機主要是由 12 個磁極的永久磁鐵與 9 個繞組組成如圖 2-3，而齒輪上的永久磁鐵則會跟隨齒輪轉動，藉由改變內部磁場的方式，感應產生交流電壓，再由內部電路整理輸出供電，經過獨立超級電容儲能系統的全波整流與濾波電路處理後，以較平穩的直流電壓當作輸入。. 圖 2-1.手搖發電多功能手電筒 4.

(13) 圖 2-2.內部結構. 圖 2-3.三相直流無刷發電機馬達和發電機的基本原理其實相同，只是在能量轉換的方向不同，馬達由電能轉動能再由動能轉機械能，而發電機則是由機械能轉動能再由動能轉電能，本論文所使用的轉子為 12 個磁極的永久磁鐵，定子為 9 個繞組，其中定子與轉子之間的氣隙是為了確保永久磁鐵能夠轉動，此種三相直流無刷發電機主要是讓定子繞組的換相為一個特定的序列，當繞組正對磁極的時候會產生最大的吸引力，產生多個吸引點使繞組能用最大的吸引力吸引磁性相反的轉子，一個完整的旋轉可以產生 36 個步驟 6 個週期。 5.

(14) 2.2 超級電容超級電容與傳統電容相比具有大容量、高功率密度、使用壽命長、易充/放電等的特性，是新興的儲能裝置，應用超級電容來發展電源系統的例子很多，大致上可以分成輔助電池的混合電源系統、超級電容備用電源以及獨立應用的電源。輔助電池的混合電源系統藉由超級電容在尖峰時刻提供瞬間的高功率來降低電池的負擔，不僅延長電池壽命，亦可使電力設備達到輕薄短小的優點，例如： (1) 超級電容結合全數控轉換器應用混合動力車輛的能量傳輸系統[5]：. 文章提出能讓混合電動車(Hybrid Electric Vehicle,HEV)增進效率以及減少排放廢氣的能量傳輸系統，超級電容結合數位的 DC-DC 轉換器提供能量給混合電動車的馬達，當電動車加速時，超級電容提供電能經由全數位 boost 直流轉換器轉換供給馬達；當電動車減速時，全數位 buck 直流轉換器轉換將能量轉換供給超級電容儲能，藉此達到節能減碳的目的。 (2) 超級電容結合鋰電池應用在機器人電源管理[6]：. 這篇文章因為超級電容的低損耗、簡單、體積小等優點，提出利用開關平衡超級電容與機器人的電力系統，延長鋰電池使用壽命，在對串聯鋰電池充電或放電時，超級電容可以主動平衡串聯鋰電池組，對於使用串聯電池當作電源的機器人有很大的應用價值。 (3) 太陽能板管理策略-電池-超級電容混合能源系統應用太陽能車[7]：. 文章提出一種應用在太陽能電動車的超級電容與電池混合能源系統，關鍵是文章中提出的能源管理控制演算法，將太陽能板、電池、超級電容三種電源做控制與配合，可以降低損耗、增進電動車性能、延長電池壽命。. 6.

(15) 超級電容備用電源主要是扮演當主要電源關閉或故障時，當作暫時供電的腳色，例如：UPS 不斷電系統、memory back-up、筆記型電腦備用電源。 (1) 儲能電容結合備用開關電源[8]：. 文章應用超級電容儲能裝置結合備用開關電源，來確保自動化終端機在短周期的斷電時仍能正常工作，這個設計只需要考量轉換器的最小工作電壓、所需的超級電容容量和輸出電容量，儲能電容結合備用開關電源已經成功的應用在饋線自動化系統，配電變壓器監測系統……等。獨立應用的超級電容主要是利用超級電容易充/放電、高功率密度的特性取代電池，例如：玩具、太陽能、儲能裝置、RFID。 (1) 超級電容儲能裝置應用風力發電的建模與控制聚集[9]：. 風力發電的功率波動對於電力品質有不利的影響，文章針對一個可以服務整個風力發電場的超級電容儲能系統(Super-Capacitor Energy Storage system,SCES)的控制設計做說明，此種聚集的控制方法可以平穩功率波動的中頻以及維護風電場的終端電壓，模擬結果表示此種聚集 SCES 的控制方式適合風力發電機的應用。 (2) 高電壓超級電容儲能裝置的應用[10]：. 為了增加超級電容的耐壓，我們可以選擇串聯多個超級電容，但是這樣會使得超級電容的容量減少和內阻的增加，本文提出一個混合型的超級電容，其耐壓可以達到 100V，且內阻只有 0.05Ω，儲存能量可以到達 30J，與一般的超級電容相比，具有高耐壓、低內阻、好的電容穩定性、高充/ 放電效率且滿足大電流與快速充/放電的需求，適合對於脈衝電源的應用。. 7.

(16) 2.3 電路特性分析本文所探討的獨立超級電容儲能系統[1]由整流與濾波電路、電荷幫浦、升壓型直流轉換器以及脈波寬度調變電路四個部分所組成，如圖 2-4。凡是日常生活中隨手可採集的綠色能源，只要是單相交流電源皆可當作本系統的輸入電壓源，經過整流與濾波電路，輸出一個近似直流的電壓 Vin ，同時供給電荷幫浦、升壓型直流轉換器以及脈波寬度調變電路。輸入電荷幫浦的 Vin 先經過 R4 充電路徑對 C2 充電，當 C2 電容電壓達到硬體電路最小工作電壓，則脈波寬度調變電路產生鋸齒波與驅動 MOSFET M1 作開關，當開關 M1 導通( Ton )時， Vin 對 C1 , C2 , L1 充電，開關 M1 截止( Toff )的時候 C1 供應電荷給 C2 維持供給脈波寬度調變電路的電壓，電感則是將一部份電流供給 C1 ，大部分供給超級電容 C3 充電。. 圖 2-4.獨立超級電容儲能系統硬體架構圖[1]. 8.

(17) 由圖 2-4 我們可以知道獨立超級電容儲能系統主要由整流與濾波電路、 R2 與. C2 和電荷幫浦構成的自動啟動及自供電系統、升壓型直流轉換器以及脈波寬度調變電路四個區塊所組成，本章節將針對四個區塊詳細介紹其電路工作原理與特性。 (1) 整流與濾波電路：橋式整流器其實是全波整流器的改良，不需要使用全波整流的中間抽頭變壓器，體積也變小，成本也變低，唯一的缺點就是必頇使用四個二極體，圖 2-5 顯示橋式整流器輸入與輸出的波型。. 圖 2-5. 橋式整流器輸入與輸出波型假設橋式整流器的輸入為 Vi ，輸出為 Vo 。  當 Vi  0  D1 , D3 導通， Vo  Vi  當 Vi  0  D2 , D4 導通， Vo  Vi 其輸出入轉換曲線如圖 2-6，通過橋式整流器的交流電源，不論正半周或負半周，當電路導通時，電流流經負載 RL 的方向都是一致的，如圖 2-7。. 9.

(18) 圖 2-6. 輸出入轉換曲線. 圖 2-7. D1 , D3 導通時狀態與 D2 , D4 導通時狀態但整流過後的電壓並不是一個非常平穩的直流電壓，而是一個帶有漣波的脈動直流電壓，並不能直接供應大部分電子電路使用，故加入一個濾波電容如圖 2-8，消除漣波成分，將全波濾為一較平穩的直流電壓如圖 2-9，供後段電路使用。圖 2-9 顯示一開始弦波對電容充電充到 Vm ，當弦波下降時，電容電壓大於弦波電壓，所以橋式整流器不導通，電容對電阻放電，當電容放電到下一次弦波電壓大於電容電壓的時候，弦波繼續對電容充電充到 Vm ，如此不斷循環，最後輸出電壓為一個平穩的直流電壓。. 圖 2-8.橋式整流與濾波電路. 10.

(19) 圖 2-9.濾波電容濾波後輸出電壓 (2) 自啟動及自供電系統：直流轉換器有一種不使用電感儲能，而是利用電路上的特點，將輸出的電壓提升到倍壓於輸入電壓，此種方法稱為 Charge Pump，但是因為受到電子產品本身以及元件的規格問題，只適用於低功率的電子產品。 Charge Pump 依不同應用對象可以分成許多不同特性，大約可以分成倍壓電路、Dickson Charge Pump、New Charge Pump、Heap Pump、CCST 電路五種，以下就簡單介紹 Dickson Charge Pump 的基本工作原理。. 圖 2-10. Dickson Charge Pump [11] Dickson Charge Pump 是一種最基本的 Charge Pump 如圖 2-10[11] 所 . 示， Q 與 Q 為相反相位的脈波，為了簡化分析，我們假設 Charge Pump 電路為穩態、電容的阻抗與所有元件參數皆相同且在理想狀態下，穩態的意思是指電容能將電荷完全轉換給下一個電容。 11.

(20) . A. 當 Q  0 , Q  1 ( VH )時，Da on 而 Db off，Vin 持續對 Ca 充電到 Vin  VD 如式 2-1，其中 VD 為二極體導通電壓。 Node= Vin  VD. (2-1). . B. 當 Q  1 ( VH ), Q  0 時， Db on 而 Da off。 Node = VH Vin VD. (2-2). Node= VH  Vin  2 VD. (2-3). . C. 依此類推，當 Q  1 ( VH ), Q  0 時，經過 N 級的電路輸出如式 2-4。 Vout  VH  N  (Vin VD ). (2-4). 本論文使用的 Charge Pump 如圖 2-11[12]所示，Charge Pump 在本論文硬體電路主要是維持供應脈波寬度調變的工作電壓，下面將說明其基本的操作原理。. 圖 2-11. Charge Pump 轉換器電路圖[12]. 12.

(21) Charge Pump 的開關動作由脈波寬度調變電路產生的脈波所控制，其頻率由包含在脈波寬度調變電路的振盪電路固定，工作週期( D  Ton / Toff ) 會隨著整流與濾波之後的輸入電壓( Vin )做改變，初始期間，充電電壓需要先經過 R4 充電路徑對 C2 充電，當 C2 電容達到硬體電路最小工作電壓，其電壓為升壓型直流轉換器與脈波寬度調變電路的電壓來源，則脈波寬度調變電路產生鋸齒波，經過比較電路後產生脈波，驅動 MOSFET M1 當作開關，當開關導通( Ton )時， Vin 對 C1 充電， V x 電壓等於 C1 電容跨壓 Vin ，當開關截止( Toff )時，V x 電壓等於輸入電壓加上超級電容電壓( Vo1 )，使稽納二極體崩潰達到穩壓的作用，穩定的提供電壓給脈波寬度調變電路。 (3) 脈波寬度調變電路. 本論文所使用的脈波寬度調變電路由振盪電路、鋸齒波電路、和比較器三種電路組成，振盪電路主要是用來產生固定頻率與脈波，鋸齒波電路則是以雙極性接面電晶體（bipolar junction transistor, BJT）當作開關驅動 R 、 C 充放電，取較線性部分來近似鋸齒波型，最後再由比較器比較產生脈波. 寬度調變(PWM)控制 MOSFET M1 開關，其電路圖如圖 2-12[12]所示。. 13.

(22) 圖 2-12.鋸齒波電路[12] 本論文所採用的石英震盪器震盪頻率為 38kH z ，使用 LM393 IC 當作比較器， V z 是由 Charge Pump 提供的稽納崩潰電壓，電壓為 4V，鋸齒波的峰值電壓( Vs )為 1.2V，隨著輸入電壓的不同，脈波寬度調變電路的工作週期(Duty)會隨著參考電壓 V 的變動而改變來保護超級電容如圖 2-13，實驗量測結果如圖 2-14[12]。. 圖 2-13.工作周期變化圖. 14.

(23) (a). (b). (c) 15.

(24) (d) 圖 2-14.脈波寬度調變電路實驗訊號:(a)脈波訊號；(b)鋸齒波訊號；(c)輸入電壓為 3.5V、工作週期為 54%；(d) 輸入電壓為 4V、工作週期為 50%[12] 圖 2-13 輸入一個 Sin 波當作參考電壓 V ，隨著參考電壓的變化可以得到不同工作週期的 PWM 訊號，參考電壓 V 是由輸入電壓 Vin 經 R1、R2 分壓得到，藉此保護超級電容不受過充電電壓影響其壽命，圖 2-14-(a)[12] 脈波訊號導通時間 3.2 s 為 C5 電容放電時間，利用 R C 充放電的原理，取線性部分製造鋸齒波如圖 2-14-(b)[12]，圖 2-14-(c)[12]與圖 2-14-(d)[12]則是根據不同的輸入電壓 3.5V、4V 量測 PWM 工作周期的變化。 (4) 升壓型直流轉換器. DC-DC 轉換器的功能是將一直流源轉為另一個不同準位之直流源，轉換器先將直流轉為交流，再將交流轉回直流，而輸入轉換器的直流源通常來自於由交流經過整流器轉成之具有漣波的直流電壓，其中降壓式 (Step-down)與升壓式(Step-up)為兩個基本的轉換器架構，也稱為 Buck 與 Boost 轉換器，升壓型直流轉換器也就是降流(Step-down current)轉換器；反之亦然，因為輸入功率必頇等於輸出功率的緣故，圖 2-15 為 boost 轉換器的基本架構，其工作原理與特性將會在下面推導與說明：. 16.

(25) 圖 2-15.Boost 直流轉換器電路升壓型直流轉換器為電壓上升電流下降的轉換器，電流源是由一直流電壓源串聯一個電感而形成，隨著開關 On 與 Off，直流電壓源轉成交流對電感充電，電感再釋放電流給電容充電，而升壓型直流轉換器的電感電流在穩態時又可分為連續模式、非連續模式與邊界模式，假設電容大到足以使負載電阻之電壓( Vo )有最小的漣波電壓，在一個切換週期上，電感電流波型為連續或非連續，依電感與負載電阻的值而定。當升壓型直流轉換器的開關( S )導通時，二極體反向偏壓，輸入電壓對電感充電，電感電壓( VL )等於輸入電壓( Vs )，如圖 2-16-(a)。當升壓型直流轉換器的開關( S )截止時，會產生瞬間的高阻抗，而電感電流並不會馬上被截斷，故產生一個很高的瞬間電壓，使二極體順偏，這時電感將儲存的能量釋放給負載與電容充電，電感電壓( VL )為輸入電壓 ( Vs )與輸出電壓( Vo )的差，如圖 2-16-(b)。. 17.

(26) (a). (b) 圖 2-16.升壓型直流轉換電路：(a)開關導通狀態；(b)開關截止狀態根據 Kirchhoff's Voltage Law 可以推導升壓型轉換器的輸出電壓( Vo )、輸入電壓( Vs )與工作週期(D)的關係 [12]: 由法拉第電磁感應定律得電感電壓可以表示為式 2-5 VL  L  di dt. (2-5). 方程式 2-5 經過整理後得 di  i  VL dt t L. 而電感電流變化( i )，如式 2-6. i . VL t L. (2-6). 當開關導通(DT)時，電感電壓( VL )等於輸入電壓( Vs )，電感電流變化 ( I L1 )如式 2-7 18.

(27) I L1 . Vs  D T L. (2-7). 當開關截止((1-D)T)時，電感電壓( VL )等於輸入電壓( Vs )與輸出電壓 ( Vo )的電壓差，電感電流變化( I L 2 )如式 2-8. V V I L 2  ( s o )  (1 D) T L. (2-8). 由能量孚恆得知一個週期電感電流變化量相加等於零，將式 2-7 與式 2-8 代入，得式 2-9 I L1  I L 2  0  Vs   Vs   D T    ( L  .  Vo )  (1 D) T   0 L . (2-9). 展開後得. Vs V V V V  D T  s  T  s  D  T  o  T  o  D  T  0 L L L L L 經移相整理後得輸出電壓( Vo )、輸入電壓( Vs )與工作週期(D)的關係如式 2-10 所示. Vo  Vs  1 1 D. (2-10). 由式 2-10 得知電壓增益大於 1，故升壓型直流轉換器主要功用是將低準位輸入電壓轉換成高準位輸出電壓。而直流轉換器根據操作模式的不同可以分為三種模式：連續模式 (Continuous Current Mode,CCM) 、非連續模式 (Discontinuous Current Mode,DCM )及邊界模式(Boundary Mode)，主要由電感電流主導，當電感電流最小值大於零，即為連續模式如圖 2-17-(a)；當電感電流最小值等於零，即為非連續模式，如圖 2-17-(b)；而邊界模式是一個週期電感電流降為零，如圖 2-17-(c) [12]。本論文將獨立超級電容儲能系統的電感電流操作在非連續模式，目的是降低功率耗損，若將電感電流操作在連續模式，則電感電流含有直流成. 19.

(28) 分，在電感釋放能量時，只有交流能讓超級電容儲能，而直流的部分則讓負載做無謂的耗損。. (a). (b). (c) 圖 2-17.直流轉換器操作模式：(a)連續導通模式(b)非連續導通模式(c)邊界模式[12]. 20.

(29) 第三章. 具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統. 在第二章已經完整的介紹獨立超級電容儲能系統的電路特性與分析，本系統供電來源使用手搖發電機，儲能裝置採用超級電容，而超級電容的壽命受充電電壓與漣波電流的影響，若充電電壓超過超級電容耐壓易造成內部電解質變質，漣波電流過大則工作溫度越高，皆會影響超級電容的壽命，獨立超級電容儲能系統使用前饋式控制方式的優點除了能夠降低電路複雜度、省略電子元件達到降低成本的目的外，最主要的特色是工作週期會隨輸入電壓的大小做變動以保護超級電容(詳細的介紹請參考[12])，使超級電容能操作在最大承受參數範圍內，延長超級電容的使用壽命，卻又能發揮最大的效率，但是獨立超級電容儲能系統在啟動瞬間電路往往會因為過載而導致零件燒毀，所以本章節將針對電路的問題做分析以探討解決方法。. 3.1 脈波寬度調變電路啟動瞬間的暫態分析根據 MOSFET M1 燒毀的情形判斷，本論文假設燒毀原因為汲極(Drain)端電流過大導致 M1 燒毀，固針對電流過大原因來思考，並以實驗驗證假設。第二章說明脈波寬度調變電路是由振盪電路、鋸齒波電路和比較器三者組成，如圖 2-12[12]，而輸入電壓 Vin 與工作週期的變化關係也在第二章圖 2-13 表示。整流過後的輸入電壓 Vin 經過分壓後會變成參考電壓 V，而隨著轉動手搖發電機頻率大小的不同輸入電壓也會上下起伏，參考電壓 V 也會上下變動，藉由改變 PWM 來控制開關的工作週期 D 如圖 2-13，將超級電容控制於最大承受參數範圍內。. 21.

(30) 圖 3-1.脈波寬度調變電路啟動瞬間產生的暫態由實驗圖圖 3-1 得知，脈波寬度調變電路中的鋸齒波電路產生穩定的鋸齒波需要一段時間(大約 1.5 s)，在 472ms 前，鋸齒波大於參考電壓 V ，使得比較器輸出的 PWM 責任週期全滿，MOSFET M1 維持導通， Vin 則持續對電感充電導致電感飽和，而電感的飽和電流過大容易造成 M1 開關燒毀，表 3-1 描述量測圖 3-1 的實驗過程。. 表 3-1.硬體電路與實驗過程實驗截圖. 圖片說明. 獨立超級電容儲能系統硬體電路圖. (a). 22.

(31) 利用電壓探棒量測鋸齒波與脈波寬度調變電路所產生的 PWM. (b). 直接對 Vin 輸入 4.5V，量測鋸齒波與脈波寬度調變電路所產生的 PWM 暫態。. (c). 示波器顯示的量測結果。. (d). 3.2 單擊電路量測電感電流暫態獨立超級電容儲能系統在啟動瞬間容易因為過載而導致元件燒毀，經過檢查後發現原因為脈波寬度調變電路從啟動到完全產生 PWM 需要一段時間，在這段時間 Vin 持續對電感充電，使得電感飽和而近似為一個電阻，進而造成電路過載，為了進一步釐清問題，使用可再觸發單穩態電路量測電感電流的暫態。藉由可再觸發單穩態電路量測獨立超級電容儲能系統如圖 3-2 所示，先供應. 23.

(32) 電源電壓給脈波寬度調變電路，確保脈波寬度調變電路產 PWM，然後再由可再觸發單穩態電路驅動 MOSFET M 2 導通，即可量測正常操作的電感電流啟動瞬間的狀態。. 圖 3-2 加入單擊電路的獨立超級電容儲能系統可再觸發單穩態電路亦稱單擊電路(One-Shot)，其邏輯電路如圖 3-3 所示，所產生的基本脈波的寬度 t 是由邏輯電路圖外部的 R 、 C 決定，其中 t  0.45RC 。表 3-1 為可再觸發單穩態電路的增值表，使用當 B 與 CLEAR 皆為 High 的狀態時，只要 A 是一個由 High 往 Low 的轉態，即可觸發單擊電路，產生基本脈波，如圖 3-4。. 24.

(33) 圖 3-3.可再觸發單穩態電路邏輯電路圖. 表 3-2.可再觸發單穩態電路真值表. 圖 3-4.可再觸發單穩態電路產生基本脈波波型圖 25.

(34) 可再觸發單穩態電路一次脈波的觸發可以使單擊電路產生一個基本脈波，連續脈波的觸發則可以延長單擊電路產生的脈波寬度，輸出一個持續且穩地的高準位電壓，如圖 3-5，瞬間切換 M 2 導通，即可量測到啟動瞬間電感電流的狀態。. 圖 3-5. 可再觸發單穩態電路觸發示意圖. 3.3 改善後啟動瞬間的電感電流狀態當升壓型直流轉換器的電感對超級電容充電時，如果電感達到飽和如圖 3-6，其功能不像電感反而類似一個電阻，而圖 3-6 飽和電流達到 2.7A，MOSFET M1 的 I D (Drain Current)最大為 0.85A，瞬間峰值電流 3.4A，如此的情況在每次獨立超級. 電容儲能系統啟動時皆會發生，容易造成元件毀損。所以必頇討論啟動瞬間電感電流的狀態以保護整個硬體電路，讓升壓型直流轉換器對超級電容做最有效率的充電，當輸入電壓 Vin 為 4.5V，啟動瞬間電感電流的狀態實驗圖如圖 3-7-(a)，Spice 模擬如圖 3-7-(b)。. 26.

(35) 圖 3-6.電感電流飽和實驗圖. (a). 27.

(36) (b) 圖 3-7.啟動瞬間的電感電流：(a)實驗圖；(b) Spice 模擬圖初始期間，超級電容電壓 Vo1  0 ，電感電流的變化量 VL  L di ，在 MOSFET dt M1 導通 ( Ton )時，電感的電流變化量 ion . Vin V T ，斜率為 in ，在 MOSFET M1 截 L on L. 止( Toff )時，電感的電流變化量 ioff  Vin Vo1 Toff ，斜率為 Vin Vo1 ，由圖 3-7(a)可以 L L 知道初始期間電感的充電電流多於釋放電流，不論是 Ton 或是 Toff ，皆為正斜率，故電感電流會越來越大；然而隨著時間增加，超級電容電壓 Vo1 也越來越高，Toff 時的電感電流斜率也慢慢變小，漸漸由正斜率改變為負斜率，電感電流 i 開始往下降；最後當充電電流等於釋放電流時，電感電流達到穩態。. 28.

(37) 3.4 電感電流分析與模擬透過電感電流的暫態實驗與 Spice 模擬圖，我們能推導整個系統的 Charge Pump 電壓、超級電容電壓與電感電流的關係，因為電感電流會將能量傳遞給超級電容儲能，而超級電容電壓與 Charge Pump 輸出電壓在 MOSFET M1 不導通時差異甚小，環環相扣，因此，本論文分析電路之間能量互相傳遞的過程，並透過方程式的推導，了解電路特性，最後再將方程式套入 MATLAB 軟體模擬，繪出超級電容電壓、Charge Pump 電壓與電感電流模擬圖與實驗圖相互驗證。 (1) 超級電容電壓. 圖 3-8.電感電流在 Toff 對超級電容充電電感電流只有在 Toff 的時候才會對超級電容充電，如圖 3-8 所示，對超級電容充電時，電感電流會將一小部分的電流供給 Charge Pump 的電容 C1 充電，補足在 Toff 的時候 C1 供應給 C2 失去的電荷，但是相對於供給超級電容的電流太小，為了方便計算，我們假設在理想狀況下，電感電流將全部的電流在 Toff 的時候供給超級電容充電，如圖 3-9 所示。 29.

(38) 圖 3-9.電感電流對超級電容充電電荷不論是使用 Spice 模擬或是使用推導公式來模擬電路特性，我們發現都必頇將超級電容的等效串聯電阻(Equivalent Series Resistance,ESR)考慮進去，否則無法符合實驗數據，本實驗所使用的 1F 超級電容，ESR 介於 10~30Ω之間。首先，由基本的定義式開始推導，電容與電荷的關係如式 3-1. C. Q V. (3-1). 電流與電荷的關係如式 3-2. I. Q t. (3-2). 電感電流的變化量如式 3-3 VL  L di dt. (3-3). 假設 Vo1 (n) 為超級電容初始電壓，Vo1 (n 1) 為下一個週期超級電容的初始電壓，根據圖 3-10，斜線面積為電感電流在一個週期內供給超級電容的電荷量，加上原本的電荷量 Vo1 (n) ，即為超級電容在每一次周期結束後所累積的電壓，由能量孚恆定律可以得式 3-4 30.

(39)  (( I L (n)  ESR  Vo1 (n 1)) Vin ) Toff 2    I L (n 1) Toff } 2L . Vo1 (n 1)  Vo1 (n)  { 1   C3 . (3-4). 將式 3-4 展開得式 3-5 Vo1 (n 1)  Vo1 (n) . I L (n)  ESR Toff 2 Vo1 (n 1) Toff 2 Vin Toff 2 I L (n 1) Toff    (3-5) 2  C3  L 2  C3  L 2  C3  L C3. 將式 3-5 包含 Vo1 (n 1) 的項移至左邊得式 3-6 (1. Toff 2 I (n)  ESR Toff 2 Vin Toff 2 I L (n 1) Toff ) Vo1 (n 1)  Vo1 (n)  L   (3-6) 2  C3  L 2  L  C3 2  C3  L C3. 將式 3-6 移項後得式 3-7. Vo1 (n 1) . Vo1 (n) . I L (n)  ESR Toff 2 Vin Toff 2 I L (n 1) Toff   2  L  C3 2  C3  L C3 2 Toff (1 ) 2  C3  L. (3-7). 整理後得超級電容在每一次周期結束後所累積的電壓為式 3-8 Vo1 (n 1) . (2  C3  L Vo1 (n))  ( I L (n)  ESR Toff 2 )  (Vin Toff 2 )  ( I L (n 1) Toff  2  L) (3-8) 2  C3  L  Toff 2. (2) Charge Pump 電壓. 圖 3-10.開關導通時 31.

(40) 第二章已經介紹 Charge Pump 基本工作原理，當開關導通時，輸入電壓 Vin 對 L 、 C1 、 C2 充電如圖 3-10；當開關截止時， C1 供應電荷給 C2 ，同時電感電流也會補足 C1 失去的電荷使稽納崩潰維持穩壓，由能量孚恆定律可以推得式 3-9 Vo 2 (n 1)  Vo 2 (n)  1 {C1  (Vin VD5 )  C1 [Vo 2 (n 1)  VD 6 VD 7 Vo1 (n 1)] C2 (3-9) (Vo 2 (n) Vz ) T (Vin Vo 2 (n)) T   } Rz R4. C1  (Vin VD5 ) 為 C1 電容在開關導通時的電荷增加量，扣掉 C1 電容殘存. 的電荷量 C1 [Vo 2 (n  1)  VD 6  VD 7  Vo1 (n  1) ，加上 R4 電阻平均充電電荷，扣掉流出 RZ 電阻的平均充電電荷，再加上原本的電荷量，即為每一次周期結束後 Charge Pump 輸出電壓。將式 3-9 展開得式 3-10 C1 Vo 2 (n 1))  1 {C1  (Vin VD 5 )  C1  VD 6  VD 7  Vo1 (n  1)  C2 C2 (3-10) (Vo 2 (n) VZ ) T (Vin Vo 2 (n)) T  (Vo 2 (n)  C2 )   } RZ R4. Vo 2 (n 1)  (. 將式 3-10 包含 Vo 2 (n 1) 的項移至左邊得式 3-11. (1. C1 ) Vo 2 (n 1)  1 {C1  (Vin VD5 )  C1  VD 6 VD 7 Vo1 (n 1)  C2 C2 V T Vin T  (C2  T  T ) Vo 2  Z  } RZ R4 RZ R4. (3-11). 將 3-11 移項並整理後得 3-12. {C1  (Vin VD5 )  C1  VD6 VD7 Vo1 (n 1)  (C2  T  T ) Vo 2  VZ T  Vin T } RZ R4 RZ R4 Vo 2 (n 1)  C1  C2 (3-12). 32.

(41) (3) 電感電流. 圖 3-11.電感電流示意圖圖 3-11 為電感電流示意圖， I L (n) 為電感電流一個週期的初始值， I L (n  1) 為電感電流下一個週期的初始值，當 MOSFET M1 導通時電感充電，. MOSFET M1 不導通時電感將能量釋放給超級電容儲能，根據能量孚恆定律我們可以推導下一次電感電流 I L (n 1) ，如式 3-13. ((I (n)  ESR Vo1 (n 1)) Vin ) Toff V T I L (n 1)  I L (n)  ( in on )  ( L ) L L. (3-13). 將 3-13 式整理後得式 3-14. I L (n 1) . (L  ESR Toff )  I L (n) Vin Ton (V (n 1)) Vin ) Toff ( )  ( o1 ) (3-14) L L L. 因為超級電容電壓式 3-8、Charge Pump 電壓式 3-12、電感電流式 3-14 彼此之間都有關聯，超級電容電壓式 3-8 包含 I L (n 1) 項，Charge Pump 電壓式 3-12 與電感電流式 3-14 都包含 Vo1 (n 1) 項，固先將電感電流式 3-14 取代超級電容電壓式 3-8 I L (n 1) 項，經整理後即可求得超級電容電壓 Vo1 (n 1)，然後將 Vo1 (n 1) 代入 Charge Pump 電壓式 3-12、電感電流式 3-14. 求解，如此不斷疊代計算，得圖 3-12、圖 3-13 及圖 3-14。 33.

(42) 圖 3-12.MATLAB 模擬暫態超級電容電壓. 圖 3-13.MATLAB 模擬暫態 Charge Pump 電壓. 34.

(43) 圖 3-14.MATLAB 模擬暫態電感電流本章節由分析電路暫態特性來推導公式，並利用 MATLAB 模擬驗證推導公式，圖 3-15、圖 3-16、圖 3-17 為模擬穩態的電路特性。. 圖 3-15.MATLAB 模擬穩態超級電容電壓 35.

(44) 圖 3-16.MATLAB 模擬穩態 Charge Pump 電壓. 圖 3-17.MATLAB 模擬穩態電感電流. 36.

(45) 第四章. 獨立超級電容儲能系統的頻率響應與效率. 本章節將針對獨立超級電容儲能系統的最佳充電頻率與效率去作探討，經過實驗結果後討論獨立超級電容儲能系統在何種頻率下的儲能最多，統計獨立超級電容儲能系統在各種不同頻率下的輸入、輸出與效率的關係，綜合各種最佳化與可行性的因素，使獨立超級電容儲能系統能發揮最大的效益。. 4.1 獨立超級電容儲能系統的頻率響應獨立超級電容儲能系統所使用的手搖發電機為一個電壓源，為了準確的模擬獨立超級電容儲能系統在正常運作時的最佳充電頻率與效率，本論文使用功率放大器 LM675 將訊號產生器的電壓與電流放大，提供獨立超級電容儲能系統所需的電壓與電流以量測正確的功率，本方法用以模仿手搖發電機所產生的電壓源，以下的實驗皆是使用訊號產生器振幅 1.7V 的 Sin 弦波、電源供應器電壓  8V，與耐壓 11V 容量 0.5F 的超級電容，唯一改變的只有頻率，獨立超電容儲能系統對超級電容充電 3 分 20 秒後的實驗結果如表 4-1 所示。表 4-1.超級電容充電實驗數據表充電頻率(Hz). 充電電壓(V). 200. 8.08. 400. 8.32. 1k. 8.36. 10k. 8.4. 30k. 8.28. 50k. 8.24. 由表 4-1 可以看出若在同一時間內提供持續且穩定的輸入，能夠使超級電容儲存最多能量的頻率在 10kHz，將實驗數據匯入 Matlab 之後繪圖得圖 4-1 獨立超級電容儲能系統的頻率響應。. 37.

(46) 圖 4-1.獨立超級電容儲能系統的頻率響應. 4.2 獨立超級電容儲能系統的效率獨立超級電容儲能系統理想的輸入端是由再生能源提供，而本論文所使用的手搖發電機在一般狀態下轉動所產生交流電源的頻率介於 300Hz~500Hz 之間，為了瞭解獨立超級電容儲能系統在哪種頻率下對超級電容儲能效率最高，因此本論文針對 200Hz、500Hz、1kHz 做實驗量測功率，對超級電容做最有效率的充電，在頻率 200Hz 下的瞬間電壓與電流圖如圖 4-2，瞬間輸入功率如圖 4-3，經過整流與濾波之平均功率為 0.49528 瓦，效率大約剩 30%，如圖 4-4 所示，超級電容輸出電壓如圖 4-5，有了超級電容電壓我們就可以推導超級電容的瞬間輸出功率，超級電容瞬間所儲存的能量 w  1  C v2 ，瞬間輸出功率 p  w ，最後取平均 t 2 瞬間輸入功率與平均瞬間輸出功率還有效率，數據如表 4-2 所示。. 38.

(47) 圖 4-2.200Hz 的輸入電壓與電流. 圖 4-3.200Hz 瞬間輸入功率. 39.

(48) „ 圖 4-4.200Hz 整流與濾波後輸出的電壓與電流. 圖 4-5.200Hz 對超級電容充電 10 秒電壓. 40.

(49) 表 4-2.200Hz 的瞬間功率與效率的實驗數據表時間. Pi(瓦特). Po(瓦特). Po/Pi(η). %. 0.5~0.6 秒. 1.629047. 0.227273. 0.139513. 13.95127. 1.5~1.6 秒. 1.332123. 0.102041. 0.0766. 7.660013. 2.5~2.6 秒. 1.237015. 0.02551. 0.020622. 2.062239. 然後根據表 4-2 的數據劃出獨立超級電容儲能系統在 200Hz 下對超級電容充電的效率，輸入功率與輸出的關係如圖 4-6-(a)，輸出功率與時間的關係如圖 4-6-(b) 以及效率與時間的關係如圖 4-6-(c)。. 200Hz輸入功率與時間的關係 1.8. 1.62904664. 1.6 1.33212332. 1.4. 輸入 1.2 功 1 率. 1.23701502. (. 0.8. 瓦 0.6 特 ). 0.4 0.2 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 時間(秒). (a). 41. 2.5~2.6.

(50) 200Hz輸出功率與時間的關係 0.25. 0.227272727. 0.2. 輸出 0.15 功率 ( 瓦特. 0.102040816. 0.1. ) 0.05. 0.025510204. 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 2.5~2.6. 時間(秒). (b) 200Hz效率與時間的關係 16 14. 13.95127197. 12. 效 10 率 8. 7.660012762. ( % ). 6 4. 2.062238831. 2 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 2.5~2.6. 時間(秒). (c) 圖 4-6. 獨立超級電容儲能系統在 200Hz 下對超級電容充電的效率：(a)200Hz 輸入功率與輸出的關係；(b) 200Hz 輸出功率與時間的關係；(c) 200Hz 效率與時間的關係 42.

(51) 在頻率 500Hz 下的瞬間電壓與電流圖如圖 4-7，瞬間輸入功率如圖 4-8，經過整流與濾波之平均功率為 0.5321 瓦，效率大約剩 35%，如圖 4-9 所示，超級電容輸出電壓如圖 4-10，平均瞬間輸入功率與平均瞬間輸出功率還有效率的數據如表 4-3 所示。. 圖 4-7.500Hz 的輸入電壓與電流. 圖 4-8.500Hz 瞬間輸入功率 43.

(52) 圖 4-9.500Hz 整流與濾波後輸出的電壓與電流. 圖 4-10.500Hz 對超級電容充電 10 秒電壓. 44.

(53) 表 4-3.500Hz 的瞬間功率與效率的實驗數據表時間. Pi(瓦特). Po(瓦特). Po/Pi(η). %. 0.5~0.6 秒. 1.517085. 0.227273. 0.149809. 14.98088. 1.5~1.6 秒. 1.293515. 0.10101. 0.07809. 7.808965. 2.5~2.6 秒. 1.224753. 0.025253. 0.020618. 2.061846. 根據表 4-3 的數據劃出獨立超級電容儲能系統在 500Hz 下對超級電容充電的效率，輸入功率與輸出的關係如圖 4-11-(a)，輸出功率與時間的關係如圖 4-11-(b) 以及效率與時間的關係如圖 4-11-(c)。. 500Hz輸入功率與時間的關係 1.6. 1.517085149. 1.4. 1.293514563. 1.224752941. 輸 1.2 入 1 功率 0.8. ( ). 瓦 0.6 特 0.4 0.2 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 時間(秒). (a). 45. 2.5~2.6.

(54) 500Hz輸出功率與時間的關係 0.25. 0.227272727. 輸 0.2 出功 0.15 率. ( 瓦特. 0.101010101. 0.1. ). 0.05. 0.025252525. 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 2.5~2.6. 時間(秒). (b). 500Hz效率與時間的關係 16. 14.98088143. 14 12 10. 效率 8 %. 7.808965117. ( ). 6 4 2.061846467 2 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 2.5~2.6. 時間(秒). (c) 圖 4-11. 獨立超級電容儲能系統在 500Hz 下對超級電容充電的效率：(a)500Hz 輸入功率與輸出的關係；(b) 500Hz 輸出功率與時間的關係；(c) 500Hz 效率與時間的關係 46.

(55) 在頻率 1kHz 下的瞬間電壓與電流圖如圖 4-12，瞬間輸入功率如圖 4-13，經過整流與濾波之平均功率為 0.58512 瓦，效率大約剩 38%，如圖 4-14 所示，超級電容輸出電壓如圖 4-15，平均瞬間輸入功率與平均瞬間輸出功率還有效率的數據如表 4-4 所示。. 圖 4-12.1kHz 的輸入電壓與電流. 圖 4-13.1kHz 瞬間輸入功率 47.

(56) 圖 4-14.1kHz 整流與濾波後輸出的電壓與電流. 圖 4-15.1kHz 對超級電容充電 10 秒電壓. 48.

(57) 表 4-4.1kHz 的瞬間功率與效率的實驗數據表時間. Pi(瓦特). Po(瓦特). Po/Pi(η). %. 0.5~0.6 秒. 1.540612. 0.227273. 0.147521. 14.75211. 1.5~1.6 秒. 1.342431. 0.10101. 0.075244. 7.524415. 2.5~2.6 秒. 1.271278. 0.025253. 0.019864. 1.986388. 根據表 4-4 的數據劃出獨立超級電容儲能系統在 1kHz 下對超級電容充電的效率，輸入功率與輸出的關係如圖 4-16-(a)，輸出功率與時間的關係如圖 4-16-(b) 以及效率與時間的關係如圖 4-16-(c)。. 1kHz輸入功率與時間的關係 1.8 1.6. 1.540611765 1.342431373. 1.271278431. (. 輸 1.4 入 1.2 功 1 率 0.8 瓦 0.6 特. ). 0.4 0.2 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 時間(秒). (a). 49. 2.5~2.6.

(58) 1kHz輸出功率與時間的關係 0.25. 0.227272727. 0.2. 輸出 0.15 功率. ( 瓦特. 0.101010101. 0.1. ). 0.05. 0.025252525. 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 2.5~2.6. 時間(秒). (b). 1kHz效率與時間的關係 16. 14.75210903. 14 12 10. 效率 8 %. 7.524414512. ( ). 6 4 1.98638824. 2 0 0.5~0.6. 1.5~1.6. 2.5~2.6. 時間(秒). (c) 圖 4-16. 獨立超級電容儲能系統在 1kHz 對超級電容充電的效率：(a)1kHz 輸入功率與輸出的關係；(b) 1kHz 輸出功率與時間的關係；(c) 1kHz 效率與時間的關係. 50.

(59) 為了清楚的了解充電頻率與獨立超級電容儲能系統對超級電容充電效率的關係，整理表 4-2、表 4-3、表 4-4 後得在不同時間下頻率與效率的關係數據表 4-5，然後根據表 4-5 的數據劃出 0.5 秒~0.6 秒效率與頻率的關係如圖 4-17-(a)、1.5 秒 ~1.6 秒效率與頻率的關係如圖 4-17-(b)、2.5 秒~2.6 秒效率與頻率的關係如圖 4-17-(c)。表 4-5. 不同時間下頻率與效率的關係數據 0.5~0.6 秒. 1.5~1.6 秒. 2.5~2.6 秒. 200Hz. 13.9513%. 7.66%. 2.0622%. 500Hz. 14.9809%. 7.809%. 2.0618%. 1kHz. 14.7521%. 7.5244%. 1.9864%. 0.5秒~0.6秒效率與頻率的關係 15.2 14.98088143. 15. 14.75210903. 14.8 14.6. 效 14.4 率 ( %. 14.2. ). 14. 13.95127197. 13.8 13.6 13.4 200. 500. 頻率(Hz). (a). 51. 1k.

(60) 1.5秒~1.6秒效率與頻率的關係 7.85. 7.808965117. 7.8 7.75 7.7. 7.660012762. (. 效 7.65 率 7.6 7.524414512. % 7.55 ) 7.5 7.45 7.4 7.35 200. 500. 1k. 頻率(Hz). (b) 2.5秒~2.6秒效率與頻率的關係 2.08 2.062238831. 2.061846467. 2.06 2.04. 效 2.02 率 ( %. 2. ). 1.98638824. 1.98 1.96 1.94 200. 500. 1k. 頻率(Hz). (c) 圖 4-17. 不同時間下頻率與效率的關係圖：(a) 0.5 秒~0.6 秒效率與頻率；(b) 1.5 秒~1.6 秒效率與頻率；(c) 2.5 秒~2.6 秒效率與頻率. 52.

(61) 由效率與時間的關係圖得知效率會隨著時間的增加而降低，但這並不表示整個系統對超級電容充電的效率會越來越低，而是因為隨著時間的增加，超級電容越充越飽，但是輸入功率降低的量卻很少，導致效率越來越低。由效率與頻率的關係圖得知在頻率 500Hz 時對超級電容充電的效率最高，推測可能是因為阻抗較匹配的關係，因此輸入的頻率若能控制在 500Hz 左右，將會使獨立超級電容儲能系統作最有效率的充電。整體效率會低的原因是因為輸入電流只有在整流與濾波電路的濾波電容導通的時候才會產生，大部分的輸入功率都消耗在整流二極體上，因此以 500Hz 的輸入針對單個二極體的消耗功率量測，如圖 4-18 所示。. 圖 4-18.500Hz 單個二極體所消耗的平均功率由圖 4-18 得知單個二極體消耗的平均功率大約為 0.219 瓦，因此橋式整流器整體消耗平均功率約為 0.878 瓦，與 500Hz 的 0.5~0.6 秒輸入功率 1.54 瓦相除後消耗功率佔總輸入 57%，因此大部分的功率都消耗在整流器的二極體上，若能夠選用消耗功率較小的二極體，再搭配合適參數的濾波電容，改善後的效率可以提高至 30%~50%。. 53.

(62) 第五章研究結論與未來展望 5.1 研究結論獨立超級電容儲能系統除了以前饋式的方式保護超級電容外，還能根據不同的超級電容特性調整合適的參數，而且自供電/自充電電壓來源可以從生活中自然能源取得，本文改善硬體電路的缺陷並增加其可行性如圖 5-1，討論啟動瞬間電感電流的狀態，由實驗結果與電路特性模擬分析驗證，找出問題的根本，解決開關容易燒毀的問題及元件合理之容忍範圍，並依據不同的頻率量測獨立超級電容儲能系統對超級電容充電的頻率響應與效率，其中整流器的效率與輸入的低功率因數有關，未來可以針對需求去做調整或是改善。. 圖 5-1.改善後的獨立超級電容儲能系統. 5.2 未來展望本論文改善硬體電路的可靠性並增加其可行性，量測目前獨立超級電容儲能系統的頻率響應與效率，未來可以依據目前的數據來提升獨立超級電容儲能系統對超級電容充電的效率，改善輸出功率或是功率因數校正、降低硬體電路功率的耗損、增加合適的應用電路或提升儲能裝置等等的方向發展。 54.

(63) 參考文獻 [1]. Cheng Chou Li, Yin Guang Leu, Chin Ming Hong, Ton Churo Huang, Ke Chin Huang, and Yi Chuan Lu, “A stand alone super capacitor charging system using a feed forward boost converter,” International Conference on System Science and Engineering., Jun. 2011, pp.65-69.. [2]. Maxwell Technologies Data sheet, HC power series ultra capacitors data sheet, Documentation number 1013793, 2010, pp.1-4.. [3]. D. Linzen, S.Buller, E.Karden, and R.W. De Doncker, “Analysis and evaluation of charge-balancing circuits on performance, reliability, and lifetime of supercapacitor systems,” IEEE Transactions on Industry Applications., vol. 41, No. 5, pp.1135 – 1141, Sep. 2005.. [4]. S. Basu, and T.M. Undeland, “A novel design scheme for improving Ultra-Capacitor lifetime while charging with switch mode converters,” IEEE Power electronics specialists conference., 2008, pp.2325 -2328.. [5]. Haoming Zhang, Yukun Sun, Shenping Ding and Wang Yinghai, “Application of Super Capacitor with Full-digital Converter in,” Chinese Control Conference., Jul. 2008, pp.212 - 215.. [6]. Sheng Chen, Chih Chen Chen, Chen Chain Hwu, Shao Hua Chen and Han Pang Huang “Super-Capacitor Applications on Series Lithium Batteries for Robot Power Management,” Asia-Pacific International Conference on Lightning., Chengdu, China, Nov. 2011, pp.20 - 25.. [7]. Bin Wu, Fang Zhuo, Fei Long, Weiwei Gu, Yang Qing and YanQin Liu, “A management strategy for solar panel - battery - super capacitor hybrid energy system in solar car,” International Conference on Power Electronics., Korea, Jun. 2011, pp.1682-1687. 55.

(64) [8]. Cheng Hongli, Wang Li, Wang Liqiang and Liu Jian, “Back-up Switching Supplies with Energy Storage Capacitor and Its Applications,” International Confrence on Industrial and Information Systems., 2009, pp.429-432.. [9]. Xiao Li, Changsheng Hu , Changjin Liu and Dehong Xu, “Modeling and Control of Aggregated Super-capacitor Energy Storage System for Wind Power Generation,” Industrial Electronics Society., Orlando, FL, 2008, pp.3370-3375.. [10]. P. Papadimitratos and Z. J. Haas, “High Voltage Super-capacitors for Energy Storage Devices Applications,” Electromagnetic Launch Technology., 2008, pp.1-4.. [11]. Ming Zhang, and Nicolas Llaser, “Dynamic analysis of Dickson charge pump circuits with a resistive load,” International conference on electronics, circuits and systems, 2003, vol. 2, pp.431-434.. [12]. 李承洲，“獨立自我充電儲能系統”國立臺灣師範大學應用電子科技學系碩士論文，七月 2012 年。. 56.

(65) 自傳我是黃嘉煒，出生於桃園縣龍潭鄉，目前就讀國立臺灣師範大學應用電子所，大學修習基礎專業有電路學、電子學、電磁學、C 語言、Matlab，而進階專業有伺服控制、訊號處理、微處理機控制，透過實作課程了解理論與實作互相結合的重要性，有了電類的理論基礎與理工科訓練的邏輯，逐步地分析並思考，解決實作上遇到的許多問題，是我所磨練到的經驗。研究所修習高等控制系統理論、非線性控制器設計、機器人控制相關課程，在學期間研究主題是具有啟動保護之獨立超級電容儲能系統，研究目的是改善電路缺陷，找出元件最大容忍範圍，增進系統的可行性並量測系統效率，研究主題主要是優化獨立超級電容儲能系統，使其對超級電容做可靠且有效率的充電，在修課與研究學習中，不僅領悟如何將所學應用於實作，也從教授身上獲得人生經驗與研究的態度，在科技資訊發展如此迅速的世代，要站在巨人肩膀上才能快速吸收知識，要以謙虛、勇於請教的心態學習，才能不斷的學習成長並充實自我，在研究工作上呈現專業、謹慎的態度。. 學 1.. 術. 成. 就. Chia-Wei Huang, Ton-Churo Huang, Yih-Guang Leu, “ Stand-alone Super Capacitor Charging System with the Design of Starting Protection,” ICMMA International Conference on Materials, Mechatronics and Automation, April 2013.. 57.

(66)