市電及太陽能電池對電動車電池的快速充電(转）

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本文主要在市電及太陽能電池對電動車電池的快速充電。在市電方面，針對高峰值充電電流進行充電以縮短充電時間，並且探討電池充電時間、充電電流、溫度變化、切換頻率及脈衝週期等。在太陽能供電方面，為提高太陽能電池的轉換效率，本研究以擾動觀察法追蹤太陽能電源，在最大功率下操作，使其能產生最高的電功率並傳送至電動車電池進行充電。  

  
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現代科技發展所帶來的環境影響，以及能源可應用量的限制，能夠研發出減少環境污染及提高能源使用效率的交通工具已成為當務之急。由於電動車不會造成環境污染，勢必將成為未來發展及應用的主要交通工具，有鑑於此，政府積極推動電動車計劃，希望在1999年時能達到一萬台以上的銷售量，但目前仍未達到此預定目標，因為發展電動車遭遇了以下三大瓶頸：
  
1.電動車的續航力比不上一般傳統的汽油車。
2.電動車充電時間過長。
3.充電技術不成熟因而導致電池壽命減短。  
本研究將針對上述之缺點加以探討及分析，以尋求最佳充電法則，達到快速充電之目標。


電動車續航力問題，主要是電池的能量密度、功率密度及蓄電容量的影響。目前幾種比較重要之已開發或發展中的二次電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子電池。本研究針對鉛酸電池加以深入探討其蓄電容量，以提高電池之使用效率，並且以脈衝與ReflexTM 充電法提高充電峰值電流及提供充足的休息時間，有助於電池緩和化學反應，不但可減短充電時間，並且可提高電池使用壽命。


由於太陽能是一種取之不盡、用之不竭的天然能源，太陽能電池所產生的電力可經由電力轉換器，使之成為穩定且可靠之電力來源。太陽能電池之可用功率取決於太陽光輻射密度及太陽能電池本身溫度等條件，太陽能電池有其最佳工作點，於此點可獲得最大之輸出功率，但太陽能電池的最佳工作點往往隨著周圍環境而改變，如果將太陽能電池之輸出電壓固定，則無法持續地產生最大輸出功率。目前太陽能電池最大功率追蹤的方法可分為四種：

  
1.增量電導法 (Incremental and Conductance)
2.擾動觀察法 (Perturbation and Observeation method)
3.曲線近似法 (Curve Fitting)
4.類神經學習法 (Neural Learning)  
其中擾動觀察為目前四種追蹤方法中技術最為成熟以及被採用最多的方法，所以本研究使用擾動觀察法控制以達到太陽能最大功率追蹤之功能。
  
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圖1為電池充電特性曲線圖，由圖可知電池充電可分為三個階段─
  
階段一：此階段若以大電流對電池充電，將造成電池電壓急速上升，電池無法完全吸收此電流，無法吸收之能量將會損失於電池內阻，造成電池溫度上升。為了避免損失所造成的低充電效率，本階段宜採用小電流充電。


階段二：此階段適合用大電流充電，所以採用ReflexTM 充電方式快速充電。
  
  
圖1. 充電過程電池電壓變化曲線圖

  
階段三：此階段由於電池已接近飽和，為了避免電池因大電流充電造成傷害，因此以定電壓或小電流充電，其目的在於將電池電壓保持在飽和狀態。由於第三階段需較長的充電時間，在本文中不將此階段列入充電過程中考慮。
  
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本研究採用脈衝及ReflexTM充電法對26AH電池作充電測試，並探討充電器之電池充電效率。利用DSP處理器記錄充電時間，在一週充電過程中抓取30次電池充電電流，並運\算及判斷充入電池之容量。電池充電截止點判斷條件為電池是否已充入70%電池容量或電池上升溫度大於45度，若滿足其中一項則立即中止充電過程，其充電流程如圖2。本文採用2.6A定電流放電，利用DSP處理器記錄放電時間，並運\算電池所放出之總容量。電池放電截止點判斷條件為電池之端電壓是否到達10.7V，若滿足則立即中止放電過程，放電流程如圖3。
  
    
      
圖2. 充電流程圖  圖3. 放電流程圖

  
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一、脈衝充電法


圖4為脈衝充電電路，經由TM320F240數位信號處理器抓取電池電壓及充電電流，並經由運\算結果產生所需之PWM信號來控制開關元件，因Q1充電電流約為DC電流200A，所以選用耐流80A之TOSHIBA公司所出產的絕緣閘雙極性電晶體GT80J101四顆，以平均分流達到脈衝充電之功能，並經由LabVIEW軟體記錄電池電壓、電池溫度及充電電流之變化。
  
  
圖4. 脈衝充電電路

  
圖5(a)為第一階段脈衝充電之實測電流波形，以峰值電流200A，工作週期為10%；圖5(b)為第二階段脈衝充電之實測電流波形，以峰值電流200A，工作週期為30%。圖6(a)至圖6(c)以LabVIEW軟體記錄脈衝充電過程中電池溫度、電池電壓及電池電流之變化，圖6(d)為放電過程中電池電壓之變化。
  
    
      
圖5(a). 第一階段脈衝充電電流波形(40A /div)   圖5(b). 第二階段脈衝充電電流波形(40A /div)

  
    
      
圖6(a). 脈衝充電之電池溫度變化   圖6(b). 脈衝充電之電池電壓變化

  

    
      
圖6(c). 脈衝充電之電池電流波形   圖6(d). 電池放電之電池電壓變化

  
圖7(a)至圖7(c)為脈衝充電峰值電流200A 在不同頻率及不同工作週期之充電時間、電池上升之最高溫度及充電效率作比較。從圖7(a)可得知，在相同工作週期時，若工作頻率較大者，其所需的充電時間相對增加；在相同之工作頻率，若工作週期增加時，其所需的充電時間相對減少。從圖7(b)可得知，在相同工作週期時，若工作頻率較高者，其電池溫度比較低；在相同之工作頻率下，若工作週期增加時，其電池溫度比較高。有關充電效率由圖7(c)可得知，工作週期加大時其效率會上升，但電池溫度也同樣會往上升，將對電池壽命產生影響。    
    
  圖7(a). 脈衝充電之電池充電時間比較

  
    
      
圖7(b). 脈衝充電之電池充電溫度比較   圖7(c). 脈衝充電之電池充電較率比較

  
二、ReflexTM 充電法


ReflexTM充電法為脈衝充電法之改善，其特色即在每一個充電脈衝之後，緊跟著一個放電脈衝，此過程可以讓電池內部的電解液獲得緩衝時間，可以去除電極之氣泡及延長電池壽命。圖8為ReflexTM 充電電路，圖9為充電開關切換及ReflexTM電流波形，此電路架構在充電時，有三個工作模式(ModeⅠ：0~T0、ModeⅡ：T0~T1 、ModeⅢ：T1~T2)。ModeⅠ為充電休息時段，ModeⅡ為電池充電時段，ModeⅢ為電池放電時段。

  
    
      
圖8. ReflexTM充電電路  圖9. 電開關切換及ReflexTM電流波形

  
圖10(a)為ReflexTM充電過程中第一階段實測電流波形，本階段是以脈衝電流充電，峰值電流100A，工作週期為10%。圖10(b)為第二階段ReflexTM充電之實測電流波形，T1峰值電流100A，工作週期為30%；T2峰值電流-100A，工作週期為5%。圖11(a)至圖11(c)即是將不同頻率及不同工作週期之充電時間、電池上升之最高溫度及充電效率作比較。

  
    
      
圖10(a). 第一階段ReflexTM充電電路(50A/div)  圖10(b). 第二階段ReflexTM充電(50A/div)

  
在ReflexTM充電方面，由圖10(b)中可知T1及T2之充放電電流各為100A電流。由圖11(a)可知，若頻率不同而工作週期一樣，電池充電時間約略相同。由圖11(b)可知，充電過程中頻率及工作週期都會影響充電時之電池溫度，若充電頻率減少或工作週期加大時，電池溫度將會上升較高。在效率方面由圖11(c)可知，工作週期減少時其充電效率會上升，電池溫度也同樣會往下降，如此對電池壽命有提升之效果，但相對的需花費更長的充電時間。    
    
  圖11(a). ReflexTM充電之電池充電時間比較

  
    
      
圖11(b). ReflexTM充電之電池充電溫度比較  圖11(c). ReflexTM充電之電池充電效率比較

  
三、太陽能電池功率追蹤訪法及演算法


擾動觀察法是目前太陽能電池最大功率追蹤技術中最為成熟以及被採用最多的方法，其系統方塊圖如圖12所示。由圖中可以很明顯的看出此法的硬體需求較少，類比／數位轉換器節省得相當多，因此在製造的成本上將大為降低。擾動觀察法之缺點在於最大功率追蹤過程中，當大氣條件迅速改變時，由於響應速度未能因應調整，會使追蹤的速度變緩，造成功率的損失，不過此一缺點可以用軟體技術來加以改善，賦予系統自我調整響應速度之功能，這也是本文的研究重點，亦即以軟體演算法來達到太陽能電池最大功率的追蹤，並分析系統操作於較高頻率下，其追蹤的性能。

依電路理論而言，當太陽能電池的等效輸出阻抗等於負載端的等效輸入阻抗時，太陽能電池所送出的功率為最大，這就是最大功率轉移定理。因此當太陽能電池模組串接直流－直流轉換器之後如圖13，若要得到太陽能電池的最大功率，則轉換器的輸入阻抗必須和太陽能電池的輸出阻抗相等，但是太陽能電池的輸出功率受到大氣條件的影響，使得其等效輸出阻抗並不會固定在某一定值。對轉換器而言，其輸入阻抗是隨著工作週期的改變而有所不同，所以轉換器若要維持太陽能電池於最大功率下操作，就必須隨時地調整其工作週期。

  

  
圖12. 擾動觀察法方塊圖
  

  
圖13. 儲能系統方塊圖
  
當輸入到轉換器的功率為一定值，且轉換器的輸出是可調時，則此轉換器即具有負阻抗的特性如圖14所示，也就是說，若輸入電壓減少則輸入電流將增加，以維持輸入到轉換器的功率為一定。在圖14中，是輸出可調時的最小輸入電壓，即當輸入電壓小於此值，則轉換器就不具有調節功能，而轉換器所呈現的是正阻抗的特性。由於轉換器具有負阻抗的特性，使得在追蹤最大功率的過程中易造成系統崩潰，因為當轉換器的輸入阻抗比太陽能電池的輸入阻抗小時，系統將無法追蹤到最大功率。換句話說，當太陽能電池操作在高阻抗區時，系統為了要追蹤太陽能電池的最大功率，因此會調整開關的責任週期，使得導通時間增加，這將造成太陽能電池的輸出電壓降低，如此反複循環，最後使得開關的責任週期保持在最大，但卻不是系統的最大功率。因此對於一個具有負阻抗特性的轉換器，太陽能電池只能操作在低阻抗區，即最大功率點的右邊區域，而不能操作在高阻抗區。 
   

   
為了改善上述現象，系統控制之設計需避免轉換器操作在負阻抗特性區。由於引起負阻抗的原因是當輸入電壓（或電流）增加時，造成輸入電流（或電壓）的減少，所以在追蹤最大功率的過程中，當電壓增加時，經由迴授與控制器的計算判斷，促使開關的導通時間增加，電流也因此而增加。由於輸入到轉換器的功率為一定值，所以電壓將會因電流的增加而減少。上述過程中，因電壓的增加造成電流的增加，所以負阻抗的性質就不存在了，太陽能電池也因此可以操作在高阻抗區域。