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應用磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯供電之研究

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中華民國第十七屆?輛工程學術研討會,南開科技大學機械工程系,台灣南投,2012 ? 11 月 9 日。
The 17th National Conference on Vehicle Engineering, Nov. 9, 2012, Nan Kai U. of Tech., Nantou, Taiwan, R.O.C. C –011
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應用磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯供電之研究
黃裕煒 1、吳志宏 2、陳昌錦 3
1 國立彰化師範大學?輛科技研究所(教授) 2 建國科技大學電機工程系(教授) 3 國立彰化師範大學?輛科技研究所(碩士生) 1
E-mail: huangyw@cc.ncue.edu.tw 摘要
本研究利用 ARM7 微處理器設計一系統來控制磷 酸鋰鐵電池(LiFePO4)與超級電容(Super Capacitor)並聯 供電之管理。當電池供電給負載時,依據負載功率需求 的狀況,透過電力調度的機制,使得磷酸鋰鐵電池的轉 換效率維持在良好的充/放電狀態,進而提升磷酸鋰鐵 電池的供電量。本文透過電力調度的機制讓磷酸鋰鐵電 池能依負載的大小,調整其輸出電流的大小。當負載所 需的電流未超過磷酸鋰鐵電池的額定輸出電流時,磷酸 鋰鐵電池經過降壓轉換器提供負載電能,同時經過升/ 降壓轉換器對超級電容充電;當負載所需的電流超過磷 酸鋰鐵電池的額定輸出電流時,超級電容與磷酸鋰鐵電 池會分別經過不同的降壓轉換器提供能量至負載。經過 實際測試,本文提供的供電方式可以減少電池在大電流 供電的時間,並提升電池的供電量。 關鍵詞:磷酸鋰鐵電池、超級電容、並聯供電。
1. 前言
在 1980 ?初,電動?開始重新被人們關注,而且 電動?能有效降低大氣環境的汙染。日本豐田汽?利用 內燃機與電動馬達的結合,生產出複合動力?,使得電 動?的復出跨出了第一步。複合動力?比起一般的內燃 機汽?有效的降低了廢氣排放,並提升了性能。在電動 ?的發展,以目前的油電混合? (Hybrid Electric Vehicle,HEV)、純電動?(Battery Electric Vehicle,BEV) 與插電式混合電動?(Plug in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)為主要趨勢。 目前有關純電電動?(BEV)的研究,大多是採用 單獨電池組的架構,簡單的說純電電動?的動力來源, 是透過電池直接供電給負載。當負載越大,電池的供電 電流也隨之變大。依據電池的特性,越大的供電電流, 其輸出的功率越少。電動?在這樣的供電方式,會造成 電池的輸出功率減少,電池加速老化與壽命變短。在提 升電池供電性能的相關研究,有許多論文提出使用超級 電容來改善電動?的效率,已經獲得良好的成效。[1-5] 本文提出利用磷酸鋰鐵電池與超級電容的結合,採 用並聯供電的架構,讓電池能維持在一定的放電電流範 圍內,避免電池連續提供過大的電流放電。如電池能在 最佳的狀態下供電,可提升供電的能量,同時能延長系 統的使用時間及電池的壽命。本研究提出的方法是當負 載需要的電流小於電池提供的平均電流時,多餘的電流 將會儲存到超級電容,以備不時之需。當供電給負載大 於電池提供的平均電流時,超級電容會提供額外的電量 供負載使用,以降低電池在大電流的放電時間,增加電 池的供電量。
2. 儲能元件
本研究使用磷酸鋰鐵電池與超級電容作為儲能元 件,經由本文提出的方法供電給負載。
2.1 磷酸鋰鐵電池
磷酸鋰鐵電池內部主要是由正極、負極、電解質及 隔膜所組成。大多數鋰電池的正極材料是含有鋰的過渡 金屬化合物,並且以氧化物為主。以磷酸鋰鐵為材料的 正極材質在穩定性方面優於一般電子產品所使用的鋰 鈷電池。A123 Systems 所生產的磷酸鋰鐵電池性能優 異,廣為使用,以 ANR26650M1-B 磷酸鋰鐵電池為例, 其規格如表 2-1。 表 2-1 ANR26650M1-B 規格[6]
ANR26650M1-B Cell Specifications Cell Dimensions (mm) O26 x 65 Cell Weight (g) 76 Cell Capacity (nominal/minimum, Ah) 2.5/2.4 Voltage (nominal, V) 3.3 HPPC 10 Sec Discharge Pulse Power 50% SOC 200 W Recommended Standard Charge Method 1C to 3.6V CCCV, 45 min Recommended Fast Charge Method to 80% SOC 4C to 3.6V CC, 12 min Maximum Continuous Discharge (A) 70 Maximum Pulse Discharge (10 seconds, A) 120 Operating Temperature -30°C to 55°C Storage Temperature -40°C to 60°C
圖 2-1 為磷酸鋰鐵電池於不同放電電流之放電曲 線,其實驗以 1C、5C、20C 做放電(所謂 C 值,指的是 電池的容量基數,以容量為 2.5Ah 的電池為例,1C 放

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電即是以電流 2.5 安培放電,放電時間為 1 小時;若以 2C 放電,即是以電流 5 安培放電,放電時間為 0.5 小時; 以此類推。)。在溫度為攝氏 23 度條件下,放電電流從 1C 到 20C,均可保持平穩的放電電壓曲線,只有稍微 的電壓降,在結束時才有快速的電壓下降。放電至 2.0V,都可以達到放電量 2.5Ah。 圖 2-1 鋰電池之放電曲線圖[6] 本研究使用的磷酸鋰鐵電池採用蘭陽能源科技公 司製造的電池,型號是 LYS-203465S。單顆電池的電壓 為 3.2V,容量為 2A,總放電電量可輸出 23040 焦耳。 根據廠商提供的資料電池最高充電電壓為 3.8V,完全 放電最低不能低於 2.5V。本研究的電池供電設定在 36V,需要 12 顆同樣類型與特性的電池作串聯。當每 個磷酸鋰鐵電池串聯時,以相同的電流做輸出,但是因 為每個電池內電阻的差異,其輸出電壓將有所不同,必 須在每個電池提供監控與保護。 2.2 超級電容 超級電容器的儲能方式不同於傳統的介電電容 器,反而類似充電電池,且比傳統的充電電池具有更優 良的儲能特性,如:充電時間短、充放電效率高、功率 密度高(W/kg)與循環壽命次數高等特性。 電容器儲存的電量 Q(coulombs)為 CV,其中 C 是 電容量(法拉,F)、V 是電位差(伏特,V)、儲存的能量大小 為 Q= CV2/2,單位為(庫侖,C)。超級電容器在應用上可 視為只有電阻與電容之串聯,其等效電路如圖 2-2 所示。 圖 2-2 超級電容等效電路圖 超級電容採用 NESSCAP 廠商所製造的電容,其規 格為 2.7V/360F。超級電容由於耐壓低的關係,使用 時必須串聯多個才能達到所需的耐壓值;此外必須注意 串聯的每個超級電容之電壓是否一致。 依據本研究系統耐壓的需求,串聯 15 顆相同數值 與特性的超級電容,使耐壓達 40.5V,容量為 24F。當 輸入電壓對串聯的超級電容充電,流經每個超級電容的 電壓會因超級電容的內電阻關係,導致每個超級電容的 電壓不一致。本研究採用「被動式平衡電壓法」,將電 阻與超級電容並聯起來,使每個超級電容在充電或放電 的情況下,都能得到相同的電壓值。
3. 系統架構與電路設計
本研究主要是探討磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯 供電之系統,應用微處理器控制磷酸鋰鐵電池與超級電 容並聯供電的電力調度,控制磷酸鋰鐵電池的放電功 率,減少以超過額定電流放電的時間,讓磷酸鋰鐵電池 的轉換效率能維持在良好狀態,增加磷酸鋰鐵電池的供 電量,並提升磷酸鋰鐵電池的壽命。
3.1 系統架構與設計
本節主要研究兩種儲能元件並聯供電的功率分 配,主要系統架構如圖 3-1 所示。當用電負載變動時, 系統供電的功率隨著變化,一般供電端的電壓大致維持 恆定,隨著負載變化的主要是電流。當供電端有二個以 上的電源時,就需要考量其最大的效益,並聯時的端電 壓,每個電源的供電電流是否過載等問題。 本研究探討磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯供電 時,如何利用超級電容減少電池過大電流放電的時間。 隨著負載端的電流變化,本實驗架構利用電流調度的機 制,來控制超級電容的充放電。在較小的負載電流,電 池供電給負載同時對超級電容充電;在較大的負載電 流,電池和超級電容並聯供電,避免電池以過大的電流 放電。
電池 MosFET 降壓電路 MosFET 升降壓電路 MosFET 降壓電路 超級電容 負載 電力分配 微控制器
電壓電流訊號 控制訊號 超級電容電源 電池電源
圖 3-1 系統架構圖

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3.2 複合供電系統模式
本研究針對磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯供電提 出的能源管理架構,主要是提升整體系統的效率與穩定 性。系統架構運作方式將分解為以下七種模式: 模式 I 當系統啟動,檢查電池電壓是否大於安全值、超級 電容電壓是否達到預設低標準值、負載是否啟動。若電 池電壓大於安全值、超級電容電壓低於標準值、負載未 啟動,系統將會對超級電容充電,電池會經由直流轉直 流轉換電路 2 提供超級電容能量,如圖 3-2 所示; 若負載啟動,超級電容電壓已達預設高標準值,將 會進入模式 II;若超級電容電壓未達預設高標準值,將 會進入模式 III。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 開啟 開啟 放電路徑 未作動路徑
圖 3-2 模式 I 模式 II 系統檢查電池電壓大於安全值,超級電容電壓已達 到預設高標準值,超級電容停止充電。當負載電流小於 電池安全值,電池經由直流轉直流轉換電路 1 提供負載 電壓,如圖 3-3 所示; 若負載電流大於電池安全值,將進入模式 IV; 若電池電壓值低於安全值,將進入模式 VI。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 開啟 放電路徑 未作動路徑 開啟
圖 3-3 模式 II 模式 III 電池電壓大於安全值,超級電容電壓未達預設高標 準值,負載電流小於電池電流量,電池經直流轉直流轉 換電路 1 提供電力,同時會經直流轉直流轉換電路 2 對 超級電容充電,此模式如圖 3-4 所示; 若超級電容電壓已達預設高標準值,則進入模式 II; 若負載電流大於電池安全值,則進入模式 IV; 若電池電壓低於安全值時,則進入模式 VI。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 開啟 開啟 放電路徑 未作動路徑 開啟
圖 3-4 模式 III 模式 IV 電池電壓大於安全值,超級電容未低於預設低標準 值時,負載電流大於電池安全值,電池繼續提供負載電 量,經直流轉直流轉換電路 1 提供電力,同時啟動直流 轉直流轉換電路 3 讓超級電容提供電力;此模式如圖 3-5 所示。 負載電流小於電池安全值,則進入模式 III。 電池電壓低於安全值,則進入模式 VI。 超級電容電壓已達預設低標準值,則進入模式 V。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 開啟 開啟 放電路徑 未作動路徑 開啟
圖 3-5 模式 IV 模式 V 超級電容已達預設低標準值時,超級電容停止供 電;當負載電流大於電池安全值,負載所需的電力完全 由電池以不超過最大電量提供電力,如圖 3-6 所示。 如負載電流小於電池安全值,則進入模式 III。 若電池電壓低於安全值時,則進入模式 VII。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 開啟 放電路徑 未作動路徑 開啟
圖 3-6 模式 V

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模式 VI 電池電壓低於安全值時,電池停止供電,負載所需 電力完全由超級電容供應,如圖 3-7 所示。當超級電容 電壓已達預設低標準值時,則進入模式 VII。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 開啟 放電路徑 未作動路徑 開啟
圖 3-7 模式ⅤI 模式 VII 當電池及超級電容電量都不足時,系統將停止所有 供電運作以避免電池發生過度放電的情形,此模式如圖 3-8 所示。
主要供電 電池 DC to DC 電路 1 負載 DC to DC 電路 2 DC to DC 電路 3 次要供電 超級電容 放電路徑 未作動路徑
圖 3-8 模式 VII
3.3 直流轉直流轉換電路
本研究採用的轉換電路為降壓型(如圖 3-9)與升降 壓型(如圖 3-10)直流轉換電路。升降壓型直流轉換電路 主要是用於電池到超級電容的電路;根據負載電流,控 制電池提供給超級電容的電壓與電流。當負載電流較 大,且小於電池安全電流時,電池對超級電容充電的電 流變小。反之,當負載電流變小,且小於電池安全電流 時,對超級電容充電的電流變大。兩個降壓型直流轉換 電路主要是提供負載穩定的端電壓,一個是在電池與負 載的供電電路,另一個是在超級電容與負載的供電電 路。 圖 3-9 降壓型直流轉換電路[7] 圖 3-10 升降壓型直流轉換電路[7]
3.4 並聯供電控制器設計
本研究採用 ARM7 作為實驗的控制核心(圖 3-11), 再經由類比數位轉換電路來量測整個實驗的電壓與電 流訊號。電流量測採用數位積體電路高壓測電流感測器 電路。在每個開關的前後都裝上電壓感測器,在負載 端、電池輸出端、超級電容輸出與輸入端,都裝上電流 感測器。每個節點量測的訊號都會送到處理器做運算, 資料運算完成,處理器會以脈波訊號控制升壓與降壓直 流轉換電路。 圖 3-11 LPC-2129 ARM 晶片與開發板
4. 實驗結果與分析
4.1 直流/直流降壓電路測試
本實驗測試 P-MOSFET 直流轉直流轉換器降壓電 路(如圖 4-1)的特性。在輸入端提供 36 伏特的電源,經 過直流轉直流降壓電路,輸出端的電壓為 12 伏特。在 負載端使用電阻值 12Ω的電阻做為負載。實驗的量測 結果為輸入電壓 36V,輸入電流 0.411A,輸入功率 14.78W;輸出電壓 12V,輸出電流 1.05A,輸出功率 12.60W;效率為 85.24%。 圖 4-1 P-MOSFET 直流轉直流轉換器降壓電路[7]

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4.2 磷酸鋰鐵電池性能測試
單顆磷酸鋰鐵電池放電特性測試 本測試項目針對單顆磷酸鋰鐵電池的性能與特性 進行放電測試,其測試項目分別為:0.2C、0.4C、0.6C、 0.8C、1C、1.5C、2C、2.5C、3C,其結果如圖 4-2 所示。 以上測試項目的數據彙整如表 4-1 所示,在小電流放電 時,電池內的儲存能量能夠全部釋放出來。電流越大, 釋放出來的能量越少。 圖 4-2 單顆磷酸鋰鐵電池放電電壓曲線 表 4-1 單顆磷酸鋰鐵電池放電特性 放電電流 放電時間 ( sec ) 輸出能量 ( J ) 0.2 C ( 0.4A ) 15853 27990 0.4 C ( 0.8A ) 7991 26408 0.6 C ( 1.2A ) 4960 23573 0.8C ( 1.6A ) 3798 22204 1 C ( 2A ) 2797 21431 1.5 C ( 3A ) 1736 18675 2 C ( 4A ) 1268 17777 2.5 C ( 5A ) 1002 17360 3 C ( 6A ) 807 16462 四顆磷酸鋰鐵電池串聯放電特性測試 本實驗將 4 顆磷酸鋰鐵電池串聯成 13.2V/2A,進行 放電特性實驗。測試項目將進行 1C、1.5C、2C、2.5C 和 3C 五種放電方式,其結果如圖 4-3 所示。 圖 4-3 四顆磷酸鋰鐵電池串聯放電曲線 針對磷酸鋰鐵電池串聯測試後,實驗數據統計如表 4-2。在表 4-2 的 1C 放電實驗中,放電量最大的是電池 1,最小的是電池 2,相差 647(約 3.3%)。檢視不同負載 下,從 1C 到 3C 的放電,單顆電池放電量的最大差距 約 2.3%-3.6%左右。 表 4-2 磷酸鋰鐵電池串聯放電數據
放電實驗數據 放電電 流量 電池 1 (J) 電池 2 (J) 電池 3 (J) 電池 4 (J) 總能 量 (J) 時間 (sec) 1 C 20359 19712 20222 20090 80383 2590 1.5 C 19594 19035 19532 19388 77549 1700 2 C 16981 16983 16605 16831 67400 1305 2.5 C 15870 16440 16054 16245 64610 902 3 C 16144 16138 15780 16133 64195 850
在電池串聯供電,流經每顆電池的放電電流都相 同,但是其端電壓由於每個電池的內電阻不同,導致電 池端電壓不一致,必須採用分壓的方式維持相同的放電 電壓。因此在表 4-2 每個電池的放電量很接近,相差在 2.3%-3.6%左右。但是均壓電路會造成額外的功率消 耗,而且不能讓每顆電池都做最大的放量,串聯電池的 總放電量比單顆電池最大放電量的總和小。
4.3 超級電容充放電測試
本研究採用 NESSCAP 超級電容,規格為 2.7 V, 360 F。根據實驗的耐壓需求,超級電容耐壓必須超過 36V。將超級電容串聯 15 顆,其耐壓為 40.5V,電容為 24F。 超級電容經 PWM 降壓電路放電測試實驗,將超級 電容放電初始電壓設為 36V,截止電壓設為 15V,負載 端為 12V,分別以 1 安培、2 安培、3 安培的負載電流 做放電測試。超級電容放電的電壓和時間關係如圖 4-4,其放電時間和放電量彙整如表 4-3 所示。根據表 4-3,超級電容分別用 1A、2A、3A 放電,其放電時間 呈線性遞減,但是總放量相差不遠。 圖 4-4 超級電容之放電特性

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表 4-3 超級電容放電特性 放電電流(A) 放電時間(sec) 放電能量(J) 1 338 8385 2 169 8366 3 114 8267 超級電容之充電測試,分別是以 1 安培、2 安培、3 安培定電流充電,將充電初始電壓設為 24V,截止電壓 設為 36V 做充電測試。超級電容充電的電壓和時間關 係如圖 4-5,其充電時間和充電量彙整如表 4-4 所示。 根據表 4-4,超級電容分別用 1A、2A、3A 充電,其放 電時間呈線性遞增,但是總充電量並不相同。其原因是 電路產生的暫態電壓造成感測器的量測誤差,造成在判 斷充電的截止時間提早結束。 圖 4-5 超級電容之充電特性 表 4-4 超級電容充電特性 充電電流(A) 充電時間(sec) 充電能量(J) 1 330 8521 2 132 7969 3 80 6975
4.4 磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯測試
本研究主要的目的是利用超級電容提升磷酸鋰鐵 電池的放電量,以延長電池的放電時間。本文提出的架 構使用超級電容調節電量供應,讓電池能維持在負載的 平均值。 本實驗使用 12 顆 3.3V 磷酸鋰鐵電池串聯成 39.6V/2AH,電池經過直流轉直流降壓電路,輸出 12V 的電壓,電池端截止電壓為 33V。測試負載使用電阻 1.5-12Ω,負載電流為 1-8A。 首先考量不使用並聯超級電容的供電方式,經過負 載測試後,負載端電流如圖 4-6 所示,電池端輸出功率 如圖 4-7。電池輸出平均電流為 3 安培,供電時間為 2808 秒,提供負載 104013 焦耳。接著使用超級電容做並聯 供電,負載端電流如圖 4-8 ,電池端輸出功率如圖 4-9。 電池平均供電電流為 3.22 安培,供電時間為 4168 秒, 提供 171655 焦耳的電量。實驗數據彙整如表 4-5,比較 本文提出的方法與電池直接降壓供電的結果,供電量增 加了 67642 焦耳(39.41%),供電時間增加 1360 秒 ( 32.94% )。 圖 4-6 負載端電流(不使用超級電容) 圖 4-7 電池端輸出功率(不使用超級電容) 圖 4-8 負載端電流(使用超級電容)

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圖 4-9 電池端輸出功率(使用超級電容) 表 4-5 本系統架構與直接供電比較 供電時間(sec) 供電量(J) 直接供電 2808 104013 本文方法 4168 171655
5. 結論
本文使用磷酸鋰鐵電池與超級電容的並聯供電架 構,來調度電池的供電能量。本文提出的供電方式,讓 電池放電電流維持在一個穩定的範圍內,進而提升電池 的供電能力。實驗結果顯示在供電時間有明顯的改善, 同時供電能量從原本的 104013 焦耳提升到 171655 焦 耳。因此,減少電池在大電流輸出的放電時間,可以提 升放電量,延長供電時間。
參考文獻
[1] Yonghua Cheng, Joeri Van Mierlo, Peter Van den Bossche, and Philippe Lataire, " Super capacitor based energy storage as peak power unit in the applications of hybrid electric vehicles, "The 3rd IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives, pp.404- 408, 2006. [2] Eiji Hiraki, Koji Yamamoto, Toshihiko Tanaka, and Tomokazu Mishima, "An Isolated Bidirectional DC-DC Soft Switching Converter for Super Capacitor Based Energy Storage Systems, " IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 390-395, 2007. [3] J.-M. Timmermans, P. Zadora, Y. Cheng, J. Van Mierlo, and Ph. Lataire, " Modelling and design of super capacitors as peak power unit for hybrid electric vehicles, " 2005 IEEE Conference Vehicle Power and Propulsion, pp.701-708, 2005. [4] N. Jinrui, W. Zhifu, and R. Qinglian, "Simulation and Analysis of Performance of a Pure Electric Vehicle with a Super-capacitor, " IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, pp.1-6, 2006. [5] 黃裕煒、鄭宗銘、陳昌錦、許家興," 鉛酸電池與 超級電容並聯供電之能源管理", 中華民國第十? 屆?輛工程學術研討會,E5-016,國立臺?科技大 學,台灣台?,2011。 [6] A123 Datasheet, A123 Systems Inc. [7] K. Kit Sum, Switch Mode Power Conversion Basic Theory And Design , Marcel Dekker, 1987.

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