鉛酸電池量測技術之研究

(1)

國立高雄應用科技大學電機工程系碩士班

碩士論文

鉛酸電池量測技術之研究

The Study of Lead-Acid Battery Measurement Technique

研究生：段人豪

指導教授：周宏亮

(2)

鉛酸電池量測技術之研究

The Study of Lead-Acid Battery Measurement Technique

研究生：段人豪 Student：Jen-Hau Tuan 指導教授：周宏亮 Advisor：Hurng-Liahng Jou

國立高雄應用科技大學電機工程系碩士班

碩士論文

A Thesis Submitted to

Institute of Electrical Engineering

National Kaohsiung University of Applied Sciences in Partial Fulfillment of the Requirements

for the Degree of Master of Science

in

Electrical Engineering

June 2005

Kaohsiung, Taiwan, Republic of China 中華民國九十四年六月

(3)

鉛酸電池量測技術之研究

學生：段人豪指導教授：周宏亮

國立高雄應用科技大學電機工程系碩士班

摘要

鉛酸電池廣泛的應用於不斷電電源系統與電動車輛中，上述應用如能預先診斷電池的老化現象將有助於提高供電系統的可靠度。本論文提出利用電池之交流阻抗、電池容量與電池電壓等方法來判斷電池的老化狀態，並考慮環境溫度與電池均化技術對電池壽命之影響，在量測系統的建構上是以個人電腦為基礎結合數位訊號處理器（DSP）做數位化取樣，並利用 Visual Basic（VB）撰寫資料庫程式來記錄電池的電壓、電流、溫度與阻抗，以改善傳統上利用電池電壓來做為判斷老化的依據，以進行電池的維護；本論文並經由實驗驗證其可行性與準確性，期使電池系統的維護能更有效且更準確的判斷電池之老化狀態，以提高電池設備供電的可靠度。

此外，鉛酸電池應用在電動車輛及電動載具時必須注意電池容量的狀態，以避免續航力不足，故電池的殘電量偵測也是相當重要的課題，本論文實驗中將以庫侖量測法為基礎，提出改良式庫侖量測法，改善傳統的庫侖量測法在大電流放電及不同電池容量下所造成的誤差，並以實驗驗證其可行性與準確性。

關鍵字：鉛酸電池、交流阻抗、電池老化、電池均化技術、殘電量

(4)

The Study of Lead-Acid Battery Measurement Technique

Student：Jen-Hau Tuan Advisors：Hurng-Liahng Jou Institute of Electrical Engineering

National Kaohsiung University of Applied Sciences Abstract

Lead acid battery is widely used in the uninterruptible power supply (UPS) and electric vehicle (EV). The reliability of the above system is seriously affected by the detection accuraty of the battery aged. In this paper, the aged diagnosis of battery based on detecting battery impedance, battery capacity and battery voltage is proposed, and the ambient temperature and the battery voltage equalization (BVE) are also taking into consideration. A computer based battery measurement system (BMS) combine the digital signal processor (DSP) is used to measure and record voltage, current, impedance and temperature. The diagnosed results of this system are more accurate than the conventional diagnosed method that only uses the battery voltage. The experimental results show that the developed system can diagnose the aged of battery accurately and effectively.

Moreover, the residual battery capacity detection is very important, when lead acid battery is used in the electric vehicle, to prevent endurance from being insufficient. In this paper, two new residual battery capacity measurement method improved from coulomb method is proposed. The experimental results show that the accuracy of the developed method is batter than the conventional coulomb method.

Keywords：Lead Acid Battery，AC Impedance，Battery Aged，Battery Voltage Equalization，Residual Capacity

(5)

誌謝

首先，本人誠摯地感謝指導教授周宏亮博士於兩年的研究期間細心的指導與諄諄教誨，並提供最佳的研究環境與優良的實驗設備及資源，使本論文得以如期完成，也對本人的專業技能與人生觀有積極且正面的影響，在此謹致上崇高的敬意與謝意。

同時感謝電機系吳坤德副教授以及崑山科技大學電機系吳晉昌副教授等兩位教師在本論文製作期間抽空給予指導並提供寶貴之意見，使得本論文之實驗能更加完備。

此外，感謝國科會與盈正豫順電子股份有限公司在經費與實驗器材的贊助及盈正豫順電子股份有限公司的張耀仁協理、馮雅聰經理、徐文彬副理和謝啟南副理，以及工程師明勳、立祥、宇庭、炎宗、南英和南村等人於論文製作期間所提供的硬體電路與程式設計等寶貴的觀念，並有電力電子應用實驗室的文榮與慶宇同學和禹華與竣傑兩位學弟在研究期間的討論與砥礪，使得本人在論文製作能夠順利的完成，在此同表謝意。

最後，感謝父母及朋友們在研究所期間所給予的支持與鼓勵，使本人能在無後顧之憂的情況下順利完成學業，本人願將此成果與喜悅獻給他們，並再次向他們表達內心最真誠的謝意。

(6)

目錄

中文摘要 ... i

英文摘要 ... ii

誌謝 ... iii

目錄 ... iv

表目錄 ... vii

圖目錄 ... viii

符號說明 ... xiv

第一章緒論 ... 1

1.1 前言 ... 1

1.2 研究動機與目標 ... 1

第二章鉛酸電池之介紹 ... 3

2.1 鉛酸電池的簡介 ... 3

2.1.1 鉛酸電池的內部構造 ... 4

2.1.2 鉛酸電池的化學原理 ... 5

2.1.3 鉛酸電池內部CELL的連接方式 ... 7

2.1.4 電池之等效模型 ... 7

2.2 鉛酸電池的特性 ... 9

2.2.1 鉛酸電池的壽命診斷標準 ... 9

2.2.2 溫度補償 ...11

2.2.3 電池的容量 ...11

2.2.4 電池的應用 ... 12

2.2.5 電池的均化技術 ... 13

2.2.6 鉛酸電池的老化 ... 14

2.3 電池的充電法則 ... 15

2.3.1 定電壓充電法 ... 16

2.3.2 定電流充電法 ... 16

2.3.3 混合定電流╱定電壓充電法 ... 17

2.3.4 脈衝充電法 ... 18

2.4 鉛酸電池之殘電量偵測 ... 18

2.4.1 內阻法 ... 18

2.4.2 起始放電電壓法 ... 19

2.4.3 比重計法 ... 19

(7)

2.4.4 開路電壓法 ... 20

2.4.5 加載電壓法 ... 20

2.4.6 庫侖量測法 ... 20

第三章鉛酸電池交流阻抗量測 ... 22

3.1 交流阻抗量測原理 ... 22

3.1.1 交流阻抗法 ... 22

3.1.2 漣波電壓產生 ... 23

3.2 量測系統 ... 23

3.2.1 實驗一硬體電路架構 ... 24

3.2.2 實驗二硬體電路架構 ... 35

3.2.3 監測軟體簡介 ... 39

3.3 量測步驟 ... 45

3.3.1 充電法則 ... 46

3.3.2 放電法則 ... 47

3.3.3 電池量測方式 ... 47

3.3.4 實驗條件之定義 ... 48

第四章量測結果與分析 ... 49

4.1 實驗一量測結果與分析 ... 49

4.1.1 第一串電池組之充放電實驗結果分析 ... 49

4.1.1.1 第一串電池組之劣化電池分析 ... 56

4.1.2 第二串電池組之充放電實驗結果分析 ... 63

4.1.2.1 第二串電池組之劣化電池分析 ... 67

4.1.3 第三串電池組之充放電實驗結果分析 ... 72

4.1.3.1 第三串電池組之劣化電池分析 ... 76

4.1.4 第四串電池組之充放電實驗結果分析 ... 82

4.1.4.1 第四串電池組之劣化電池分析 ... 86

4.1.5 四串電池組的總容量與個別電池容量比較 ... 89

4.2 實驗二量測結果與分析 ... 96

4.2.1 第一串電池組之充放電實驗結果分析 ... 96

4.2.1.1 第一串電池組之劣化電池分析 ... 101

4.2.2 第二串電池組之充放電實驗結果分析 ... 106

4.2.2.1 第二串電池組之劣化電池分析 ...111

4.2.3 第三串電池組之充放電實驗結果分析 ...118

4.2.3.1 第三串電池組之劣化電池分析 ... 123

(8)

4.2.4 第四串電池組之充放電實驗結果分析 ... 128

4.2.4.1 第四串電池組之劣化電池分析 ... 133

4.2.5 四串電池組的總容量與個別電池容量比較 ... 140

第五章鉛酸電池殘電量偵測 ... 149

5.1 庫侖量測法原理 ... 149

5.2 改良式庫侖量測法 ... 150

5.3 量測系統 ... 161

5.3.1 硬體電路架構 ... 161

5.3.2 監測軟體簡介 ... 163

5.4 實驗結果與分析 ... 165

第六章結論與未來研究方向 ... 175

6.1 結論 ... 175

6.2 未來研究方向 ... 176

參考文獻 ... 178

作者簡介 ... 182

(9)

表目錄

表4-1 第一串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗一） ... 94

表4-2 第二串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗一） ... 94

表4-3 第三串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗一） ... 95

表4-4 第四串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗一） ... 95

表4-5 第一串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗二） ... 145

表4-6 第二串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗二） ... 145

表4-7 第三串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗二） ... 146

表4-8 第四串電池組之總容量與個別電池容量比較表（實驗二） ... 146

表4-9 環境溫度對電池壽命的比較表 ... 148

表5-1 編號A之電池經由文獻[8]之方法於不同電流下之實驗結果... 152

表5-2 編號A之電池利用文獻[8]之方法於不同電流下之誤差比較表... 153

表5-3 編號A之電池於不同電流下的實驗結果 ... 155

表5-4 編號A之電池利用加成效應電流方程式於不同電流下之誤差比較表 .... 157

表5-5 編號A之電池利用電流倍率方程式於不同電流下之誤差比較表 ... 160

表5-6 編號B之電池於不同電流下的實驗結果 ... 166

表5-7 編號B之電池利用加成效應電流方程式於不同電流下之誤差比較表 .... 166

表5-8 編號B之電池利用電流倍率方程式於不同電流下之誤差比較表 ... 167

表5-9 編號B之電池經由文獻[8]之方法於不同電流下之誤差比較表... 167

表5-10 編號C之電池於不同電流下的實驗結果 ... 169

表5-11 編號C之電池利用加成效應電流方程式於不同電流下之誤差比較表 .... 169

表5-12 編號C之電池利用電流倍率方程式於不同電流下之誤差比較表 ... 170

表5-13 編號C之電池經由文獻[8]之方法於不同電流下之誤差比較表... 170

表5-14 編號D之電池於不同電流下的實驗結果 ... 172

表5-15 編號D之電池利用加成效應電流方程式於不同電流下之誤差比較表 .... 172

表5-16 編號D之電池利用電流倍率方程式於不同電流下之誤差比較表 ... 173

表5-17 編號D之電池經由文獻[8]之方法於不同電流下之誤差比較表... 173

表5-18 編號A～D之電池於不同電流下之加成效應電流誤差（％）比較表 ... 174

(10)

圖目錄

圖2-1 電池分類樹狀圖 ... 3

圖2-2 鉛酸電池內部構造之示意圖 ... 4

圖2-3 鉛酸電池理想模型 ... 7

圖2-4 鉛酸電池線性模型 ... 8

圖2-5 鉛酸電池戴維寧模型 ... 8

圖2-6 鉛酸電池線性電子模型 ... 9

圖2-7 八個電池的串聯充電情形 ... 13

圖2-8 過壓放電的電池均化法 ... 14

圖2-9 定電壓充電法曲線圖 ... 16

圖2-10 定電流充電法曲線圖 ... 17

圖2-11 混合定電流／定電壓充電法曲線圖 ... 17

圖2-12 脈衝充電法曲線圖 ... 18

圖2-13 電池起始放電電壓曲線圖 ... 19

圖3-1 1K Hz交流電流產生電路... 23

圖3-2 系統架構圖 ... 24

圖3-3 充電機實體圖 ... 25

圖3-4 恆溫箱內部電池組配置實體圖 ... 26

圖3-5 恆溫箱內部環境溫度設定圖 ... 27

圖3-6 （a）電磁開關控制圖（b）充放電系統示意圖 ... 28

圖3-7 充放電系統實體圖 ... 29

圖3-8 阻抗量測電路方塊圖（實驗一） ... 29

圖3-9 Relay開關電路之示意圖... 31

圖3-10 高通濾波放大器 ... 32

圖3-11 1K Hz帶通濾波器... 33

圖3-12 阻抗量測電路實體圖（實驗一） ... 34

圖3-13 均壓器配置實體圖 ... 34

圖3-14 阻抗量測電路方塊圖（實驗二） ... 35

圖3-15 差動電路線路圖 ... 36

圖3-16 阻抗量測電路實體圖（實驗二） ... 37

圖3-17 DSP程式流程圖... 38

圖3-18 BMS量測板實體圖... 39

圖3-19 電流及溫度量測板之實體圖 ... 39

(11)

圖3-20 電池監測系統之主設定畫面 ... 40

圖3-21 電池監測系統之電壓量測畫面 ... 41

圖3-22 電池監測系統之電流量測畫面 ... 42

圖3-23 溫度檢測電路 ... 43

圖3-24 電池監測系統之溫度量測畫面 ... 43

圖3-25 電池監測系統之阻抗量測畫面 ... 44

圖3-26 電池量測系統實體圖（實驗一） ... 45

圖3-27 電池量測系統實體圖（實驗二） ... 45

圖3-28 充電機之充電曲線圖 ... 46

圖3-29 電池放電曲線圖 ... 47

圖4-1 第一串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：2 ... 51

圖4-2 第一串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：112（b）循環數：113... 53

圖4-3 第一串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：149（b）循環數：154 ... 54

圖4-4 第一串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：170（b）循環數：180 ... 55

圖4-5 第一串第三顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：112（b）循環數：113... 57

圖4-6 第一串第三顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：149（b）循環數：154 ... 58

圖4-7 第一串第三顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：170（b）循環數：180 ... 59

圖4-8 第一串第七顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：112（b）循環數：113... 60

圖4-9 第一串第七顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：149（b）循環數：154 ... 61

圖4-10 第一串第七顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：170（b）循環數：180 ... 62

圖4-11 第二串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：2 （b）循環數：78 ... 64

圖4-12 第二串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：97 （b）循環數：102 ... 65 圖4-13 第二串電池組之充放電曲線圖（實驗一）

(12)

（a）循環數：103（b）循環數：128 ... 66 圖4-14 第二串第一顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：97 （b）循環數：102 ... 68 圖4-15 第二串第一顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：103（b）循環數：128 ... 69 圖4-16 第二串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：97 （b）循環數：102 ... 70 圖4-17 第二串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：103（b）循環數：128 ... 71 圖4-18 第三串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：2 （b）循環數：136 ... 73 圖4-19 第三串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：137（b）循環數：143 ... 74 圖4-20 第三串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：145（b）循環數：159 ... 75 圖4-21 第三串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：136（b）循環數：137 ... 77 圖4-22 第三串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：145（b）總電壓與個別電池電壓比較圖 ... 78 圖4-23 第三串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）（a）循環數：159 ... 79 圖4-24 第三串第六顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：136（b）循環數：137 ... 80 圖4-25 第三串第六顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：145（b）循環數：159 ... 81 圖4-26 第四串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：2 （b）循環數：143 ... 83 圖4-27 第四串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：144（b）循環數：153 ... 84 圖4-28 第四串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：156（b）循環數：173 ... 85 圖4-29 第四串第三顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：143（b）循環數：144 ... 87 圖4-30 第四串第三顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗一）

（a）循環數：156（b）循環數：173 ... 88

(13)

圖4-31 四串電池組之總容量曲線圖（實驗一） ... 91

圖4-32 第一串電池組之總容量曲線圖（實驗一） ... 92

圖4-33 第二串電池組之總容量曲線圖（實驗一） ... 92

圖4-34 第三串電池組之總容量曲線圖（實驗一） ... 93

圖4-35 第四串電池組之總容量曲線圖（實驗一） ... 93

圖4-36 第一串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗二）（循環數：5） ... 97

圖4-40 第一串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 102

圖4-41 第一串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ... 103

圖4-42 第一串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 104

圖4-43 第一串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ... 105

圖4-44 第二串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗二）（循環數：5） ... 107

圖4-47 第二串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗二）（循環數：49） ...110

圖4-48 第二串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ...112

圖4-49 第二串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ...113

圖4-50 第二串第五顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ...114

圖4-51 第二串第五顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ...115

圖4-52 第二串第六顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ...116

圖4-53 第二串第六顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ...117

圖4-54 第三串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗二）（循環數：5） ...119

(14)

圖4-55 第三串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗二）（循環數：18） ... 120

圖4-58 第三串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 124

圖4-59 第三串第四顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ... 125

圖4-60 第三串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 126

圖4-61 第三串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：49 ... 127

圖4-62 第四串電池組之充放電實驗曲線圖（實驗二）（循環數：5） ... 129

圖4-66 第四串第一顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 134

圖4-67 第四串第一顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：41 ... 135

圖4-68 第四串第七顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 136

圖4-69 第四串第七顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：41 ... 137

圖4-70 第四串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：5 （b）循環數：18 ... 138

圖4-71 第四串第八顆電池的充放電實驗曲線圖（實驗二）（a）循環數：34 （b）循環數：41 ... 139

圖4-72 四串電池組之總容量曲線圖（實驗二） ... 142

圖4-73 第一串電池組之總容量與個別電池容量曲線圖（實驗二） ... 143

圖4-74 第二串電池組之總容量與個別電池容量曲線圖（實驗二） ... 143

圖4-75 第三串電池組之總容量與個別電池容量曲線圖（實驗二） ... 144

圖4-76 第四串電池組之總容量與個別電池容量曲線圖（實驗二） ... 144

圖5-1 放電電流與加成效應電流之關係圖 ... 156

圖5-2 利用MATLAB建立加成效應電流方程式之關係圖... 156

(15)

圖5-3 利用MATLAB建立誤差修正方程式之關係圖... 158

圖5-4 放電電流與電流倍率之關係圖 ... 159

圖5-5 利用MATLAB建立電流倍率方程式之關係圖... 160

圖5-6 殘電量偵測系統架構圖 ... 161

圖5-7 定電流放電實驗步驟流程圖 ... 162

圖5-8 殘電量偵測系統實體圖 ... 162

圖5-9 殘電量偵測系統之VB監測畫面... 163

圖5-10 殘電量偵測系統量測步驟與程式流程圖 ... 164

(16)

符號說明

Pb ：鉛

PbO2 ：二氧化鉛

PbSO4 ：硫酸鉛

H2O ：水

H2SO4 ：硫酸

O2 ：氧氣

H⁺ ：氫原子

e^- ：電子

Vb ：電池電壓

Ib ：電池電流

Voc ：電池無載電壓

R ：電阻

C ：電容

N ：電池數目

(17)

第一章緒論 1.1 前言

近年來隨著科技的發展，許多電腦相關之儀器設備對電源品質的要求越來越高，如發生電力中斷，對這些儀器設備影響極為嚴重，例如工作站、醫療設備、

生產機器等。為了能及時提供電源、防止電源的中斷並產生穩定的電源等需求，

於是電池被廣泛的使用以提供備用電源。

電池除了能提供高品質的電源，也是相當重要的儲能元件，例如可攜式電器、

通訊設備、緊急照明器材、電動車輛等皆需要使用電池當作能源。由於二次電池的種類相當多，因此應用的場合也不盡相同，但在需要較大容量電源的應用上，

鉛酸電池仍是主要的選擇，其原因是目前鉛酸電池之技術已經相當成熟，就經濟性與實用性等方面來看，鉛酸電池在需要大容量的電源時仍是目前的主流。

鉛酸電池在使用上，如何確保電池可以正常的工作，是一個很重要的議題，

一般而言，電池在正常的使用下不至於突然損壞而不能工作，因此在判斷電池是否損壞時，是以電池的容量為基準，對電池進行完整的充放電實驗，將電池的放電容量與初始放電容量做比較；經常被用來判斷電池壽命所使用的方法，為當電池的放電容量低於初始放電容量之80％時，即判斷電池的壽命終了。

1.2 研究動機與目標

電池在實際使用時，通常會將電池串並聯連接，其目的是為了提升電池組的容量，因此在對電池的壽命作判斷時，是以一串電池組作為量測的單位，也由於是以一串電池組作為一個單位，所以在設定實驗條件時常將電池組的各個電池視為相同，但在實際使用上卻會有相當程度的差異[1-3]，導致有些電池老化的速度相當快，因而減少整串電池組的可用容量，所以在電池損壞而不堪使用之前必須將其更換，以確保電池系統的正常運作。

當電池老化到一定程度時，有些電池的電壓會有過低的現象產生，但並非所有的電池老化都有相同的現象，所以電池的電壓並不能夠當成對電池老化判斷的準則，因此有相當多的電池容量偵測技術被提出來[4-10]。

(18)

本論文將量測電池的阻抗、電池電壓與電池容量來判斷電池的狀態。利用電池阻抗做為電池狀態分析的技術相當多[11-21]，但利用電池阻抗來對電池壽命做分析的技術目前還不是很成熟。所以本論文中對電池進行壽命試驗，並利用電腦將電池的充放電狀態記錄下來，包含電池的電壓、電流、溫度與阻抗，並將上述之資料儲存於資料庫中，使其老化過程之變化能更明顯的被顯示出來，本論文期望利用上述電池參數可以準確且快速的預估與判斷電池的老化狀態。此外，本論文同時也提出新的改良式庫侖量測法，針對鉛酸電池的容量進行殘電偵測，並期望此法可以準確的估算電池的殘電量。

本論文共分為六章，以下為各章之內容大綱：

第一章：緒論，主要是說明本論文之研究動機與目標。

第二章：鉛酸電池之介紹，主要是說明電池的簡介、電池的特性、電池的充電方式與電池之殘電量偵測。

第三章：電池交流阻抗量測，說明本論文所使用之電路架構、監視系統、電池系統的充放電方法與實驗方式。

第四章：交流阻抗量測結果與分析。

第五章：鉛酸電池之殘電量偵測，說明本論文所提出之改良式庫侖量測法，以及實驗所使用的電路架構、量測系統與實驗結果。

第六章：結論與未來研究方向。

(19)

第二章鉛酸電池之介紹 2.1 鉛酸電池的簡介

現今電池依其能量的產生方式大致可分為「物理電池」與「化學電池」兩大類。通常一般所使用的電池泛指化學電池，其構成材料為化學物質，藉由其氧化還原反應所產生的能量轉換成電能；而物理電池即利用光或熱變換成電能的系統。電池的組成主要分為正電極、負電極及電解液，不同的化學成份，所表現出的特性及應用領域亦不同，因應各種電子產品的需求，電池工業發展至今，亦衍生出各種不同應用範圍之電池種類。

電池依可否重複充電主要分為一次電池與二次電池兩大類，而隨著綠色能源的發展，一種可以利用化學材料進行發電的電池稱為燃料電池，如圖2-1 所示[4]。

電池僅可使用一次，而不可再次補充能量的稱為一次電池，如人們常用的鹼性電池等；可以再次充電補充能量的稱為二次電池，二次電池種類也相當多，包括鉛酸(Lead acid)，鎳鎘(Ni-Cd)，鎳氫(Ni-MH)及鋰離子(Li-ion)電池等是市面上最常使用的，其中鉛酸電池是目前所有二次電池中，最常被使用且技術最成熟的電池，

價格便宜為其主要優點，但其有能量密度低及容量和壽命之偵測不易，為目前鉛酸電池所要克服的問題。不過由於電池價格的因素，因此在大型電力的使用上仍以鉛酸電池為主。本章節將對鉛酸二次電池的工作原理及其應用作概略性的介紹。

電池

物理電池

化學電池

太陽能電池

一次電池

二次電池

燃料電池

鹼性電池錳乾電池固體電解電池鎳氫蓄電池鋰離子電池鉛酸電池

固體電解質燃料電池氫氧燃料電池磷酸型燃料電池

圖2-1 電池分類樹狀圖

(20)

2.1.1 鉛酸電池的內部構造

鉛酸電池基本上可以分為密封式的鉛酸電池（Sealed Lead-Acid Battery）與開放式的鉛酸電池（Flooded Lead-Acid Battery）。兩者最大的差別在於前者在過度充放電時所產生的氣體會先經過再結合的作用，使散出的氣體降至最低；而後者在過度充放電時所產生的氣體會直接散出電池外，所以必須經常補充水分。由於密封式的鉛酸電池有免保養的特性，故現今所採用的鉛酸電池中大部分都使用密封式的鉛酸電池[6]。

鉛酸電池的基本構造大致上可分為四個部分，正電極、負電極、電解質和隔離板等，如圖2-2 所示[22-23]。

正電極負

電極

電解質電解質

負載

隔離板

電子流動方向電子流動方向

電流方向

圖2-2 鉛酸電池內部構造之示意圖

鉛酸蓄電池內部的正電極為格子狀板，表面上附著二氧化鉛，此二氧化鉛由氧化的鉛細粒結合組成，在粒子間的縫隙中能自由通過電解液，此細粒目的為擴大與電解液接觸面積，以便減低內阻。在負電極方面就將格子狀板弄成海綿狀的鉛板。將此二極板在不接觸的情況下，使其盡量平行相靠近，然後在兩張電極板間插入以絕緣物質製造的多孔性隔離板，以防止相互接觸。其電池構造為兩個不同種類的鉛電極板浸漬在電解液中，然後將其全部放在容器中。鉛酸蓄電池內部構成的零件介紹如下[5-7,22-23]：

(21)

極板：

極板都是由板柵與活性物質所構成，板柵除了用以附著活性物質外亦具有充作集電體的作用。板柵一般除使用鉛銻合金外，也有使用純鉛或其他鉛合金的。

要將活性物質附著於板柵上可以透過塗膏的方式，也就是將 PbO 與 Pb 混合成的鉛粉、硫酸與水三者混合成糊狀，再將此糊狀物塗於板柵上，經過酸淋、乾燥、

化成等步驟來製備極板。所謂的化成是指透過充電或放電的方式使前述的鉛粉中的氧化鉛與鹼式硫酸鉛活化成活性物質二氧化鉛與金屬鉛的過程。

電解液：

硫酸電解液除了導電用外，也參與電極的反應，因此在放電的過程中會逐漸被消耗，不過也會因為充電而回復。但是因為過充所導致正極產生氧氣、負極產生氫氣的反應，這些反應都造成了電解液中水的蒸發，因此需加入損失的水量以維持電池正常運作。而密閉式鉛酸電池就無此需要。

隔板：

作為隔離之用，避免電池內部正負極的接觸而造成的短路，一般對隔板的性能要求主要有化學穩定性高與價格低廉等，目前所使用的有合成樹脂、橡膠隔板等。外槽內部與硫酸溶液接觸，所以耐酸性要好；同時也需具有高的機械強度、

抗震動、抗衝擊與耐高低溫的特性，以維持電池材料的完整。一般的外槽有塑料電池槽、硬橡膠電池槽等等。

當電池裝置在一個電路系統中，便完成一個迴路，讓電可以在此電路系統中均勻地流動。在外部電路中，電子的流動造成電流，在內部電路中，電是以離子的方式，從一個電極到另一個電極。如圖2-2 所示，正電極在放電時，是由外界電路接收電子，而形成"還原"反應，電解質則提供正電極與負電極之間電流動的功能，至於隔離板則用來隔離正電極與負電極。

2.1.2 鉛酸電池的化學原理

鉛酸電池之充放電化學反應方程式如下所示：

Pb SO 2H

PbO₂ + ₂ ₄ +

放電充電

4 2

4 2H O PbSO

PbSO + +

Positive Electrolyte Negative Positive Electrolyte Negative

( 2-1 )

(22)

由上面的反應式可以看出，放電的進行會使得正極和負極上的PbO2與Pb以及電解液中的硫酸持續的被消耗。由於還原之作用，使正極板上的氧化鉛（PbO2）形成硫酸鉛（PbSO4）；而氧化之作用，使負極的海綿鉛形成硫酸鉛，這樣的情形會造成放電電位的下降，整個放電之氧化還原反應使大部分的硫酸與極板作用產生水，使電解液的比重下降。充電期間，反應逆向進行，正極硫酸鉛氧化為二氧化鉛，負極硫酸鉛還原為鉛，使電解液濃度上升回到初始狀態。這些化學變化可由上面的化學反應式來表示[5-6]。

當電池過度充電達到汽化電壓時，會導致電解液內部之水進行水解，而水解的結果會在正極和負極產生氧氣與氫氣，如（2-2）式所示。密閉式鉛酸電池不讓電解液水分流失之原理為利用正極所產生的氧氣與負極之海綿狀鉛反應轉變成一氧化鉛，如（2-3）式所示；而（2-3）式中的一氧化鉛再與電解液內之硫酸反應轉變成硫酸鉛與水，如（2-4）式所示，（2-4）式中的硫酸鉛再與氫氣反應轉變成負極之海綿狀鉛與硫酸，如（2-5）式所示，於是正極所產生之氧氣並不會釋出電池外部，而是在負極板還原成水，故可避免水分散失，如（2-6）式所示。其正極與負極的反應方程式如下所示[5,23]：

Positive：

2H2O → O2 + 4H⁺ + 4e^- （2-2）

Negative：

2Pb + O2 → 2PbO （2-3）

2PbO + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O （2-4）

2PbSO4 + 4H⁺ + 4e^- → 2Pb + 2H2SO4 （2-5）

Total reaction at negative：

O2 + 4H⁺ + 4e^- → 2H2O （2-6）

因為上述的反應，氧氣不會在電池中累積，且負極也無氫氣的生成，也就是沒有水消耗與加水的問題，這類的鉛酸電池被稱之為密閉式（免維護）鉛酸電池。

(23)

2.1.3 鉛酸電池內部 CELL 的連接方式

不同種類的電池中之 Cell 電壓值是依據其不同的化學成份特性所建立的，例如鎳氫電池的Cell 電壓值大約是 1.2 伏特，鋰電池的 Cell 電壓值大約是 4 伏特，

而鉛酸電池的 Cell 電壓值大約是 2 伏特。一般常看到的鉛酸電池標準電壓值有 2 伏特、6 伏特、12 伏特等，是因為電池通常是由多個 Cells 作連接所組成的，而不同的連接方式決定了不同的電池電壓和容量。如果電池中Cells 的連接方式是由一個Cell 的正電極連接著另一個 Cell 的負電極，以此連接下去的方式稱為串聯連接，

此時電池的電壓是全部Cell 電壓的總和，例如一個 12 伏特的鉛酸電池，就是由六個2 伏特的鉛酸 Cells 串聯連接所組成的。如果電池的連接方式是將每個 Cell 的正電極都連接在一起，再將 Cell 的負電極也都連接在一起，稱此種連接方式為並聯連接，此時電池的電壓是單個Cell 的電壓，但電池的容量就為每個 Cell 容量的總和[4,6-7,22]。

2.1.4 電池之等效模型

鉛酸電池經常的被用來當作儲存能量及釋放能量的元件。為了使電池更有效率，及幫助電路模擬的分析計算，必須了解各種狀態下之電池等效模型。由於電池的儲能及釋能皆為電化學反應，會受到操作環境的影響，所以在實際的電池使用上還必須考量下列的因素：（1）電池的儲能能力，（2）電池的工作環境溫度，（3）

電池的老化程度。

1. 理想模型[24]：

理想電池之電路模型如圖 2-3 所示，忽略電池內部的構造，將電池視為理想之電壓源，Voc為電池的無載電壓。

+- VOC

+ - Vb

Ib

圖2-3 鉛酸電池理想模型

(24)

2. 線性模型[24]：

若考慮電池的內阻因素，則電池之線性模型如圖 2-4 所示，Voc為電池的無載電壓，Ri為電池的內阻。

+ - V

OC

+ - V

b

I

b

R

i

圖2-4 鉛酸電池線性模型 3. 戴維寧模型[24]：

鉛酸電池之戴維寧等效模型如圖 2-5 所示，包括電池的無載電壓（Voc）、電池的內阻（R2）、等效過電壓電阻（R1）及等效過電壓電容（C）並聯組態。此等效過電壓並聯組態以RC電路並聯構成時間常數延遲，可解釋電池充放電完畢經閒置一段時間後電池電壓回復的現象。

+- V^OC +

- Vb

Ib C R1

R2

Zth

圖2-5 鉛酸電池戴維寧模型 4. 線性電子模型[25]：

鉛酸電池之線性電子模型如圖 2-6 所示，此等效模型以線性元件解釋電池的自放電及過電壓狀態。其中包括電池的自放電電阻（Rp）、電池無載電壓（Voc）及各種等效電池過電壓狀態的電阻與電容參數（R1、R2、R3、C1、C2、C3）。雖然此模型優於以上幾種模型架構，但仍未將電池的工作環境溫度與電池的老化程度等因素考慮進去。

(25)

+- V^OC +

- Vb

Ib

R1

R2 R3

C3

C2

C1

Rp

Ip

圖2-6 鉛酸電池線性電子模型 2.2 鉛酸電池的特性

當鉛酸電池在使用時，會因為使用的情形與電池本身的化學狀態有不一樣的反應，其特性敘述如下。

2.2.1 鉛酸電池的壽命診斷標準

電池經長時間的使用，本身的材料會產生變化，若電池到達其使用壽命終了時，則難以用充電方式使其容量回復。蓄電池之壽命，在實際上是指電池無法維持正常之運作而定義，但就一般使用上而言，當電池的容量到達額定之 80%以下時，即當作電池的壽命終止。

電池壽命有多種的定義方式，一般使用的定義方式有兩種，一種是以時間為單位，另一種是以充放電的循環次數為單位。其定義方式分別為備用式（Standby or Float）和循環式（Cycle）。備用式是指把電池當成備用電源，只在必要時才使用，

平時則維持待命狀態，通常被應用在需要緊急供電的部份，例如不斷電系統

（UPS）、緊急照明等，此時電池的壽命是以使用的時間來計算。至於循環式則是把電池當成主要電源，經常被使用在需要充放電頻繁的系統，例如電動車輛、手機和可攜式電器等，此時電池的壽命則是以充放電的循環次數來計算。以下分別敘述：

（1）備用式[5]

在備用式的應用情況下，電池通常會一直接著充電器（Charger），以補充電池的自我損失，此時電池的壽命是以時間來計算。使用備用式時，電池通常會持續在充電的狀態，已保證電池隨時都是充飽電的。所以在浮充（Floating Charge）時

(26)

的電壓設定會影響充電的程度進而影響電極鉛版的腐蝕速度，所以在可以充飽電並補償電池自我放電的情形下，盡量減小充電電壓，就可以相對的延長電池的壽命。一般充電電壓會設定在每單元（per cell）2.25 到 2.30 VPC 左右，這是在溫度 25℃下的設定，而定電壓充電法必須視溫度變化而調整電壓的大小使得充電量略大於自我放電量。

另一個影響備用式電池壽命的主要因素為工作的環境溫度，在溫度每上升 7℃

～10℃，備用式電池的壽命會減少一半。例如溫度在 25℃時電池有十年的期望壽命，但當環境溫度增加為32℃～35℃時，電池的壽命會減為只有五年的期望壽命，

因此環境溫度會對電池的壽命造成相當程度的影響。

（2）循環式[5]

另一種定義電池壽命的方法，是紀錄電池可以使用多少次充放電的循環數來決定。在循環式使用下，放電深度（Depth of Discharge，DOD）會影響電池的使用壽命，其和電池壽命呈現非線性的關係，當放電深度越深，電池的壽命會減少。

例如以 0.25C，25℃的情況下，電池放電至 80%DOD 的深度，其壽命大約有 500 次的循環數；同樣的情況下，電池放電至 100%DOD 的深度，會導致壽命減少為 400 次的循環數。另一個影響電池壽命，僅次於放電深度的因素是電池的充放電時間，如欲減少充放電的時間則必須增加充放電的電流，但電流若超過電池所能容忍的範圍則會加速電池的老化。

另外，在充電時間的比較上，備用式較循環式有更多的充電時間。如果充電時間不足，而讓電池一直維持在電量不足的狀態下，會造成電池提早損壞。因此，

電池的充電參數（電壓、電流、時間與溫度）對於在循環式使用下的電池是很重要的因素。

在使用上，會減少電池壽命的原因有以下幾點[5-7,22,26]：

1、深度放電：放電深度越深，會減少電池的壽命，甚至損壞無法使用。

2、大電流放電：使用較大的放電電流，會縮短電池的使用壽命。這可以用電極鉛版的腐蝕和截面積來加以解釋，一般而言，鉛酸電池的自然損壞是由於正電極鉛版的腐蝕，而使電流流動的截面積變小，所以在大電流放電時，需要更大的鉛版面積來提供如此大的電流流動，但當鉛版的截面積已不足夠讓放電電流流過時，便會影響電池的壽命。

3、大電流充電：使用大電流充電，產生的氣體超過一定量時，會超過電池本身能

(27)

吸收的速率，使內壓上升，氣體從安全閥排出，導致電解液被大量消耗，而減少電池的壽命。

4、過度充電：若電池已經過度充電時，其各組成要件（極板、隔離板等）都將因電解液之氧化作用而受損。

5、環境溫度之影響：電池的環境溫度會對其壽命造成影響。若以定電壓充電，週遭溫度過高時會加速電池內部材料的惡化，導致電池壽命縮短。太低溫充電會有氫氣產生，使內部壓力增大或電解液減少，導致壽命縮短。一般而言，電池的工作溫度在20℃到 40℃為最佳環境。

2.2.2 溫度補償

由於電池鉛版的腐蝕速度和電池的工作環境溫度有緊密的關係，溫度越高，

腐蝕速度越快，將導致電池的損壞越快。因為在定電壓充電下，電池吸收的電流會隨著溫度升高而增加，導致電池溫度上升更快速。為了減小溫度對電池的影響，

必須對溫度加以補償，溫度上升則必須降低充電電壓，以防止電池的溫度繼續上升。

因此，不論以何種模式充電，溫度的補償都是有必要的，通常充電電壓皆是以 20℃為基準，當電池的工作環境溫度上升或下降時，必須對電池的充電電壓做適當的調整。在備用式下，溫度以 20℃為基準，當溫度每上升 1℃，其每單元的充電電壓要下降3mV，反之當溫度每下降 1℃，其每單元的充電電壓要上升 3mV；

在循環式下，溫度以 20℃為基準，當溫度每上升 1℃，其每單元的充電電壓要下降4mV，反之當溫度每下降 1℃，其每單元的充電電壓要上升 4mV[5]。

2.2.3 電池的容量

電池的容量通常是以電池的放電電流（A）與放電時間（H）之乘積來表示。

電池容量（AH）= 放電電流（A）× 放電時間（H）（2-7）

由（2-7）式得知，以一個固定容量之電池而言，其放電電流與放電時間呈非線性的關係，放電時間會隨著放電電流的大小而改變，當電池以額定電流放電時，

其所能提供的容量與額定容量相符合，但是當電池以大電流放電時，電池的容量則有明顯的下降，所以通常放電之終止電壓（End of Discharge Voltage，EODV）

(28)

亦隨著放電電流而改變。電池的AH 值會隨著 EODV、溫度和放電電流有所增減。

2.2.4 電池的應用

為了符合系統電力的需求，通常會將一些電池以串聯或並聯的方式連結。電池串聯是為了得到較高的電壓，並聯是為了增加電池的放電電流。而此種連結在使用上必須注意一些事項，以下就串聯和並聯分別討論之。

（1）電池串聯

當電池使用在串聯模式時，由於電池本身的特性不一致，導致電池在充放電的循環使用以後會產生更大的不一致性，造成有些電池過度充電而有些電池會充電不足的現象，因而加速電池的損壞。一般所謂電池的不一致性是指電池的化學反應、充放電的能力以及極板劣化的程度不同而言，這些差異會導致每個電池的差異更大。例如一串電池組當中有一個電池的容量比其他電池的容量還小，當此電池組放電至設定的終止電壓時，此電池的電壓會明顯的低於其他電池電壓，一旦這種情況發生後，隨著使用的次數增加，此電池的情況會越來越差，最後甚至會放出負電壓。因此，當電池容量不平衡發生後，對電池的損害是永久的，而此容量的不平衡，可能都來自於製造過程的些微差異。

除了電池製造過程的差異，最常導致電池容量不平衡的原因是電池的充電不足。適當的充電可以保持電池一定的容量，但是由於電池對於充電的反應並不相同，而此種反應是由各個電池的充電效率與老化程度所產生，充電效率會因為製造上的差異所產生的溫度差而有很大的影響，如果充電過程未完成會導致容量不同，所以施以適當的充電可以把充電效率的差異減小，使電池可以達到充飽電的狀態。欲改善充電的不平衡，通常會採用均等化（Equalization）的技術來對電池充電，此技術的目的在於將一串電池組中的各個電池之充電電壓均等化，其方法是對各個電池施以一固定的充電電壓，使充飽電的電池均保持在相同的電壓值，

減少電池間的容量差異，其相關的技術將在下一節做詳細介紹。

（2）電池並聯[1]

為了增加系統的容量，讓電池能更有效率的被使用，通常電池會以並聯方式連結。當電池以並聯連接時，如果每串電池的電壓不相等，環流會產生在電池串之間，其原因是電池的內阻不同所導致，而環流會導致電池的加速老化，因此電池在並聯使用時要注意下列的因素：

(29)

1、電池必須是同一品牌及容量規格，和相同的製作過程。

2、電池必須防止放在不同的溫度環境中。

3、為了達到相同的充電電流，其連結的導體及接觸面的電阻都必須相同。

4、必須去注意電池因為衰老過程的變化而導致電池內阻增加所造成的內阻不一情形。

電池內部阻抗的增加和容量的降低與電池壽命皆有關。電池的內部阻抗大小取決於電極版的面積與劣化程度、電解液的特性、電池的工作溫度等等。

2.2.5 電池的均化技術

電池均化技術（Battery Voltage Equalization，BVE）的目的在於將一串電池組之各個電池的充電電壓均等化，使電池充飽電的電壓均保持在相同的電壓值，避免電池有過度充電的情形發生。由於電池本身的化學反應以及電池對溫度的影響均不相同，因此在使用一段時間後，其電池間的差異會逐漸加大，如圖2-7 所示，

為一台輸出DC 110V 的充電機同時對一串八個電池進行充電，理論上每個電池的平均充電電壓應為DC 13.75V，以 YUASA NP7-12 的鉛酸電池為例，由使用手冊得知[4]，電池的浮充電壓在 DC 13.65V±0.15V 為正常的充電範圍，但電池以串聯使用進行充電時，會發生如圖2-7 的情況，造成電池的充電不平均，因此為了使電池在充電時的差異減小，以下提出許多的方法來解決這個問題[2-3]。

- + - + - + - +

充電機 DC 110V + -

13.75V

充電不足

13.77V 14.53V

13.76V 13.77V

13.79V 13.78V

12.85V

過度充電

正常正常正常正常正常正常

圖2-7 八個電池的串聯充電情形

在達成電池均化技術的方法上大致可分為兩種，一種是將能源消耗掉的均化技術，此技術有兩種方法[2]，分別為「並聯電阻的電池均化法」與「過壓放電的電池均化法」，其原理是利用電熱元件來達到電池電壓的均等化；另一種是不消耗

(30)

能源的均化技術，此技術有七種方法被提出[2]。在本論文的實驗是選用過壓放電的電池均化技術作為對電池充電的保護，以期能增加每個電池的使用壽命，並在實驗結果比較有無裝設均壓器對電池壽命的影響，以下將對「過壓放電的電池均化法」作一介紹。

過壓放電的電池均化技術如圖 2-8 所示，這個架構中主要是改良「並聯電阻的電池均化技術」其本身能量消耗過多的缺點，雖然也使用電熱元件來消耗電池的能源，但有加裝一個開關元件來控制能源的消耗，所以此架構的能源消耗比並聯電阻的電池均化技術消耗的能源小很多，而且電路架構也相當的簡單[2]。在實際應用上，此方法只能適用在小容量的電池系統，如果電池系統的容量太大的話，

使用電熱元件來消耗能量會有相當多的問題產生，因此就有不消耗能源的均化技術被提出[2]，本實驗所使用的均壓器將在第三章有更完整的介紹。

ICE

Control signal

+

ICE: Individual Cell Equalizer 1

2

+ ICE N

圖2-8 過壓放電的電池均化法 2.2.6 鉛酸電池的老化

鉛酸蓄電池隨著充放電的次數增加，會逐漸降低儲能的能力，這是由於電池之充放電並不屬於完全可逆的電化學反應，會因極板之逐漸劣化造成所謂的電池老化現象。放電深度的不同，也會影響電池的老化速度，深度放電將加速電池老

(31)

化，電池壽命也隨之減少。亦即電池的容量會隨著使用次數與放電深度而有所變化，由此可知電池的殘電量，會隨著電池的老化而有所不同，這也使得電池的殘電量較難估測。

造成電池老化的原因有很多種，例如不當的使用，像將電池置於高溫下使用和不適當的更新充電（Freshening Charge）的頻率等，都會加速電池的老化速度。

以下介紹電池儲存時必須注意的事項。

（1）自我放電[5]

任何電池，不管是一次電池或二次電池，當此電池處於開迴路狀態下，會隨著時間損失能量。這種情形稱為電池的自我放電（Self-Discharge）。

若電池因為自我放電而損失的能量，在一段時間內沒有補充回去的話，會導致電物質（正電極的二氧化鉛（PbO2），負電極的海綿狀鉛）逐漸形成無法回覆的硫酸鹽物質（硫酸鉛PbSO4），而使電池的儲存容量減小。

導致自我放電反應增快最主要的原因是溫度升高，在高溫狀態放置時自我放電反應速度增加，例如在夏天時自我放電量比冬天有兩倍之多。因為溫度的升高會導致於電池內部化學反應加速。因此如果長時間不使用時，盡量放在低溫處所，

而再度使用時應作電壓的檢查。

（2）儲存時的電壓損失[5]

雖然將電池儲存在理想溫度的環境，但每隔一段時間，電池的開路電壓（OCV）

掉到每Cell 2.00 VPC 以下時，仍須對電池重新充電一次。如果讓電池的開路電壓降到太低的程度時，可能會造成電池的永久損壞而不能回復。

2.3 電池的充電法則

電池的充電方式會影響到電池的性能和壽命，當使用過大的充電電流時，電池的化學反應不及，使得電池內阻增加，造成電池溫度的急遽上升，使用不當則會傷及電池內部的材料；反之，若充電電流太小，則需較長的充電時間，使用上十分不方便。因此，欲發揮電池的最大效能，且不需要太長的時間對電池充電，

則電池的充電方法就顯得十分重要。

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電池的充電方法有定電壓（CV）充電法、定電流（CC）充電法、混合定電流

／定電壓（CC／CV）充電法以及脈衝充電法（CP）等。一般市面上較常使用之充電方法大多為定電壓充電法與定電流充電法兩種，主要原因在於充電器之電路結構簡單，設計亦較容易，但此兩種方法亦存在兩個主要的問題，定電壓充電法在充電初期電流較大，除了會造成蓄電池的溫度升高外，電池極板也容易損壞，

而定電流充電法則是充電時間過長。脈衝充電法由於在充電過程中可提供充電休息時間，使電池電解液獲得緩和的時間，故可採用較大電流進行充電，以縮短蓄電池的充電時間，以下將分別介紹上述所提的充電法則。

2.3.1 定電壓充電法

如圖 2-9 所示，定電壓充電法的原理是利用定電壓源對電池進行充電，其優點為電路架構簡單及控制電路設計容易。在定電壓充電模式下，充電電流會隨著電池充飽的程度而降低，當電池充飽後，充電器自動進入浮充(Float charging)模式，

讓電池保持在充飽的狀態。此法在充電初期時，因電池端的電壓較低，造成初始充電電流過大，因而容易使電池的極板損壞及蓄電池本身溫度升高，以致縮短蓄電池的壽命。欲改善此缺點，可採用多段電壓充電法，亦即充電初期先以較低之充電電壓進行充電，待電池端的電壓上升後，再將充電電壓提昇[5,27-30]。

定電壓充電模式

電流

電壓浮充模式

時間

電池電壓/電流

圖2-9 定電壓充電法曲線圖 2.3.2 定電流充電法

如圖 2-10 所示，定電流充電法是以一固定電流對電池充電，此法與定電壓充電法相同的是，當電池充飽後，充電器須轉換為滴流充電模式以避免電池過充而損壞。相較於定電壓充電法，此法可以在短時間內將電池充飽，但是必須注意電池的充電程度，因為充電器會一直提供定電流給電池進行充電，所以當電池充飽後，若不立即停止充電或切換至滴流充電模式，則會造成電池過度充電，使電池

(33)

的極板損壞，減少電池的壽命[5,27-30]。

此外，充電電流通常以容量為計算單位，以 YUASA NP7-12 的鉛酸電池為例，

其額定容量為7AH，若以 7 安培（1C）的電流充電，理論上此蓄電池可在 1 小時充飽。但為了避免電池因大電流充電而傷即電池的內部材料，目前電池廠所建議的最大充電電流為1.75 安培（0.25C）左右。

時間電壓

定電流

電池電壓/電流滴流充電

圖2-10 定電流充電法曲線圖 2.3.3 混合定電流╱定電壓充電法

由上述得知，定電壓與定電流充電法各有其優缺點，為了改善此兩種方法的缺點，於是定電流／定電壓充電法被提出來，此充電方法可以明顯的減少充電時間，也因具有定電壓充電法之自我調節電流的功能，不會造成電池過充的情形 [5,27-30]。如圖 2-11 所示，充電初期採用定電流模式，由於電池在電量較少時對電流的接受度較高，此時可將大部分釋放的能量快速的補回，當此模式一直進行到電池電壓到達設定電壓時，充電器會轉換為定電壓充電模式繼續充電，此時稱為均充模式，待電池充飽後，充電器會自動轉換為浮充模式，讓電池維持在充飽電的狀態。

時間

定電流定電壓

電流電壓

浮充

電池電壓/電流

圖2-11 混合定電流／定電壓充電法曲線圖

(34)

2.3.4 脈衝充電法

脈衝充電法是以週期性脈衝電流對電池充電，如圖 2-12 所示，此法因為有一段停止充電的時間，使得電池內之電解液可以利用這段時間獲得較均勻的擴散，

因此充電的能量能充分的由化學能轉換成電能，故此充電效率較前述之方法為高 [27-30]。

由於密閉式的鉛酸電池僅添加剛好足夠的電解液，因此任何形式的電解液損失均會造成電池容量的下降，所以在充電過程中不宜用過高的電流對電池充電，

以避免過高的電流使電解液的汽化速度超過氣體的吸收速度。所以在實驗設計時，對於充電電流與頻率都需要加以規範，以確保電池能適度充飽又不至於傷害到電池。

脈衝充電電流

電池休息時間

時間

電池電流

電池充電時間

圖2-12 脈衝充電法曲線圖 2.4 鉛酸電池之殘電量偵測

電池殘電量偵測有下列幾種方法：（1）內阻法、（2）起始放電電壓法、（3）

比重計法、（4）開路電壓法、（5）加載電壓法、（6）庫侖量測法。

2.4.1 內阻法

內阻法是測量電池的內部電阻，由電池的內阻值來判斷電池的容量。鉛酸電池在兩極板間和極板與電解液間存在一會變動的阻抗，此阻抗值在電池放電末期會急遽增加，因此每隔一段時間去測量電池的內阻，若電池內阻開始急遽增加，

即可視為電池容量所剩不多。電池在放電過程中，會隨著電壓之降低（容量的減

(35)

少）而使內阻增加，這是由於電池內部之變化，包括極板由Pb和PbO2變成PbSO4和電解液中硫酸濃度減低。

由於內阻法是測量電池的內阻來判斷電池的容量，但電池的內阻通常極小，

而且會隨著電池的老化而改變，所以利用此法量測的精確度並不是很高。

2.4.2 起始放電電壓法

鉛酸電池在放電初期，由於電池本身內阻，會使電池電壓下降再逐漸回升，

此電化學反應稱為Coup De Fouet，圖 2-13 為電池之起始放電電壓曲線。起始放電電壓法是依此峰值電壓（Plateau voltage）及谷值電壓（Trough voltage）來預測電池的容量，但是這種方法只適用於電池充飽時，通常用在負載固定的系統上，因此並不適用於急遽變動負載時的殘電量偵測[10]。

時間 14

13

12

Trough Voltage Plateau Voltage

電池電壓

圖2-13 電池起始放電電壓曲線圖 2.4.3 比重計法

電池的充電與放電為一可逆之電化學反應，以鉛酸電池為例，在充電時極板上之硫酸鉛被轉換為硫酸、二氧化鉛與鉛，因此電池在充（放）電的過程中，電解液的濃度會增高（降低），故利用比重計測量電解液的比重，即可測出其硫酸的濃度，進而作為電池容量的偵測方法。

由於電池在充放電過程中，極板附近的電化學反應較為劇烈，其比重主要發生在極板附近，極板以外的部分則需靠擴散作用，才能使電解液的比重均勻分佈，

因此需要一段穩定的時間才能測出準確的電解液濃度，但是在實際使用時不可能

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完全靜止一段時間，而且使用比重計必須將其裝置在電池內部使其接觸到電解液才能量測，此法對於密封式的鉛酸電池而言並不適用，因此比重計法比較少被拿來偵測電池的殘電量[7,9]。

2.4.4 開路電壓法

鉛酸電池的開路電壓與硫酸液的濃度成線性關係，所以開路電壓亦可作為判斷電池電量的參考。但是使用開路電壓法跟比重計法有同樣的限制，當電池在充放電之後需要等待一段時間使電池的開路電壓回復到穩定值，如果在使用上無法提供足夠的時間去得到穩定的電池電壓，則此法在殘電量的偵測將產生相當大的誤差[5,9]。

2.4.5 加載電壓法

加載電壓法是指電池接上負載時去量測電池的電壓，當電池的放電電流固定時，電池電壓與電解液的比重成線性關係，所以此法是依據電池的加載電壓來估測電池的容量。由於電動車輛及電動載具在使用時必須注重電池容量的狀態，以避免續航力不足，故加載電壓法為偵測操作狀態下電池容量最常用的方法，但在實際使用上電流的變動範圍相當大，不同的負載造成電池電壓下降的斜率差異很大，因此使用這種方法的精確度比較差[9]。

由於電池是非線性元件，不論是量測電池的開路電壓、加載電壓或內阻，都必須事先建立該電池的曲線關係圖，一般是由電池廠提供或經由實驗得知，在實際使用上，如果在負載劇烈變動的情況下或是電池老化時，都會降低其精確度。

2.4.6 庫侖量測法

庫侖量測法是將電池流出與流入的電流對時間積分，藉此估算電池的容量，

其單位是以安培小時（AH）來表示。這種方法的原理簡單，但在使用上仍需考慮下列問題：（1）長時間累加後，會因電流量測的誤差使誤差量越來越大、（2）負載變動時會使誤差量增加、（3）電池本身老化或更新電池都會增加其誤差量。此方法多用於數位系統，經由軟體控制，補償因工作溫度、電池老化、電流的量測等所造成的累積誤差[6,8]。

(37)

根據安培小時（AH）法來計算容量，在定電壓充電法時，由於電源電壓保持固定，充電電流會逐漸減小，因此只要量測瞬間充電電流I 值，乘以充電時間 t 值，

則I×t 之值即為電池實際充入的 AH 值。在定電流充電法時，由於充電電流保持固定，因此只要計算出I×t 之值，即為實際充入電池的 AH 值。其計算公式如下：

容量（AH）= 上一次充電時的容量（AH）＋充電的 AH 值（2-8）

在放電時，將（2-8）式的〝＋〞號改為〝-〞號，充電的 AH 值改為放電的 AH 值即可。

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第三章鉛酸電池交流阻抗量測 3.1 交流阻抗量測原理

鉛酸電池在二極板及極板與電解液間存在一會變動的阻抗，此阻抗值會隨著電池能量的多寡而產生變化，一般而言，電池的容量越小時，其阻抗會越大。

3.1.1 交流阻抗法

本論文的交流阻抗量測是利用DSP 產生 1K Hz 之方波訊號，透過差動電路產生一固定之交流漣波電流。利用電池流過的漣波電流與電池本身所產生的漣波電壓除以流過電池的漣波電流即可得知電池本身的阻抗，其關係式為Z=V/I。使用不同的漣波電流（頻率、振幅）來量測電池的阻抗會有不同的結果，所以在量測電池的阻抗大小時，所選用的漣波電流也要注意。

理論上，如果同一個電池串上的每顆電池之阻抗大小都一樣，那麼所量得的每顆電池上之漣波電壓大小會一樣。由於電池本身有電化學反應，所以每顆電池會有不同的直流電壓，而且此直流電壓會跟隨著電池的充放電狀態改變而不同，

所以測量電池的直流電壓並不能得知電池的阻抗大小。因此本實驗是利用一固定之交流漣波電流加在電池串之每顆電池上，再測量每顆電池上之漣波電壓。

由於關係式為Z=V/I，而加在每個電池上的漣波電流大小是一樣的，所以同一串上各顆電池之漣波電壓可以相互比較，而此漣波電壓又正比於電池阻抗，所以其比較的結果正比於各顆電池之阻抗情形，這種利用電池上之漣波電壓大小來反應電池之阻抗情形稱其為相對阻抗值，亦即當加在電池上之漣波電流固定，反應在電池上之漣波電壓越大，表示其電池之阻抗越高，反之，則電池之阻抗越低。

當電池在老化過程，其電池阻抗會有增加的趨勢，其原因是電池極版的腐蝕與電解液的損失等。所以在比較同一串上各顆電池之阻抗時，如果某些電池的相對阻抗明顯大於其他的電池時，可知電池老化的程度大於其他的電池。此種利用漣波電壓來得知電池相對阻抗的方法又可稱為交流阻抗法。

(39)

3.1.2 漣波電壓產生

本論文之實驗為了要同時紀錄電池在放電和浮充狀態的交流阻抗變化，所以建構一組1K Hz 的交流（AC）電流產生電路，此電路是和電池並聯連結，因此電池在充電狀態和放電狀態時都會有交流電流流過，就可以測量電池的交流阻抗。

其電路圖如圖3-1 所示[31]。

+V

Battery 回授訊號

回授訊號 1KHZ方波

充電

放電控制電路

圖3-1 1K Hz 交流電流產生電路

在 1K Hz 交流電流產生電路中，是使用兩個電晶體來控制電池的充放電狀態。

當輸入的1K Hz 方波在正半週時，電路是對電池做充電的動作；在負半週時，電路是對電池做放電的動作。在對電池做充電和放電的動作時，是將電池充電和放電的能量控制成一樣的大小，因此並不會對電池造成太大的影響。這個充放電的動作跟電池本身的狀態無關，不管是在充電、放電或是浮充時均能進行量測動作。

因此經由本電路即可長時間的測量電池之交流阻抗，而不必限制在只有充電狀態時才可測量。

3.2 量測系統

本論文之實驗先後建立兩組不同量測方式的硬體架構，如圖3-2 所示，為實驗所建立的系統架構圖，其中在「阻抗量測模組」的部份有較大的差異，以下將分別對此兩種不同的系統架構做介紹，並分別說明其設計之優缺點。

鉛酸電池量測技術之研究

國 立 高 雄 應 用 科 技 大 學 電 機 工 程 系 碩 士 班

碩 士 論 文

鉛酸電池量測技術之研究

The Study of Lead-Acid Battery Measurement Technique

研 究 生：段 人 豪

指導教授：周 宏 亮

鉛酸電池量測技術之研究

鉛酸電池量測技術之研究

The Study of Lead-Acid Battery Measurement Technique

+ - V

+ - V

I

R

國立高雄應用科技大學電機工程系碩士班

碩士論文

研究生：段人豪

指導教授：周宏亮