應用磷酸鋰鐵電池與超級電容並聯供電之研究 3 黃裕煒 1 吳志宏 2 3 陳昌錦 1 國立彰化師範大學車輛科技研究所 ( 教授 ) 2 建國科技大學電機工程系 ( 教授 ) 國立彰化師範大學車輛科技研究所 ( 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 當電池供電給時, 依據功率需求的狀況, 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的大小, 調整其輸出電流的大小 當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電能, 同時經過升 / 降壓轉換器對超級電容充電 ; 當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 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 年初, 電動車開始重新被人們關注, 而且電動車能有效降低大氣環境的汙染 日本豐田汽車利用內燃機與電動馬達的結合, 生產出複合動力車, 使得電動車的復出跨出了第一步 複合動力車比起一般的內燃機汽車有效的降低了廢氣排放, 並提升了性能 在電動車的發展, 以目前的油電混合車 (Hybrid Electric Vehicle,HEV) 純電動車 (Battery Electric Vehicle,BEV) 與插電式混合電動車 (Plug in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 為主要趨勢 目前有關純電電動車 (BEV) 的研究, 大多是採用單獨電池組的架構, 簡單的說純電電動車的動力來源, 是透過電池直接供電給 當越大, 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 電動車在這樣的供電方式, 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車的效率, 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 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% 200 W SOC Recommended Standard Charge Method 1C to 3.6V CCCV, 45 min 4C to 3.6V CC, 12 min Recommended Fast Charge Method to 80% SOC 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
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 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 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= CV 2 /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 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 在較小的電流, 電池供電給同時對超級電容充電 ; 在較大的電流, 電池和超級電容並聯供電, 避免電池以過大的電流放電 電力分配微控制器 MosFET 升降壓電路 電池 MosFET 降壓電路 超級電容 MosFET 降壓電路 電池電源超級電容電源控制訊號電壓電流訊號 圖 2-2 超級電容等效電路圖 圖 3-1 系統架構圖
若電池電壓低於安全值時, 則進入模式 VI 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 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 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 提供超級電容能量, 如圖 3-2 所示 ; 若啟動, 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 圖 3-2 模式 I 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, 電流大於電池安全值, 電池繼續提供電量, 經直流轉直流轉換 提供電力, 同時啟動直流轉直流轉換 讓超級電容提供電力 ; 此模式如圖 3-5 所示 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 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 當電流小於電池安全值, 電池經由直流轉直流轉換 提供電壓, 如圖 3-3 所示 ; 若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 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 ; 當電流大於電池安全值, 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 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, 電流小於電池電流量, 電池經直流轉直流轉換 提供電力, 同時會經直流轉直流轉換 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; 若電流大於電池安全值, 則進入模式 IV; 圖 3-6 模式 V
模式 VI 電池電壓低於安全值時, 電池停止供電, 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 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 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 3-8 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 ; 根據電流, 控制電池提供給超級電容的電壓與電流 當電流較大, 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穩定的端電壓, 一個是在電池與的供電電路, 另一個是在超級電容與的供電電路 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 在端使用電阻值 12Ω 的電阻做為 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 3-9 降壓型直流轉換電路 [7] 圖 4-1 P-MOSFET 直流轉直流轉換器降壓電路 [7]
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 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 放電電流量 電池 1 電池 2 放電實驗數據 電池 3 電池 4 總能量 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 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 放電時間輸出能量 ( sec ) ( 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 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, 端為 12V, 分別以 1 安培 2 安培 3 安培的電流做放電測試 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 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 4-4 超級電容之放電特性 圖 4-3 四顆磷酸鋰鐵電池串聯放電曲線
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 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 加了 67642 焦耳 (39.41%), 供電時間增加 1360 秒 ( 32.94% ) 圖 4-6 端電流 ( 不使用超級電容 ) 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 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 測試使用電阻 1.5-12Ω, 電流為 1-8A 首先考量不使用並聯超級電容的供電方式, 經過測試後, 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 104013 焦耳 接著使用超級電容做並聯供電, 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 圖 4-7 電池端輸出功率 ( 不使用超級電容 ) 圖 4-8 端電流 ( 使用超級電容 )
學, 台灣台北,2011 [6] A123 Datasheet, A123 Systems Inc. [7] K. Kit Sum, Switch Mode Power Conversion Basic Theory And Design, Marcel Dekker, 1987. 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 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 ", 中華民國第十六屆車輛工程學術研討會,E5-016, 國立臺北科技大