鋰離子二次電池壽命與充放電特性的研究.ppt

1、鋰離子二次電池壽命與充放電特性的研究,11.2210,綠材所 潘耀輝 K990C105,Contents,研究方法與步驟,參考文獻,預期完成項目與結果,可能遭遇困難及如何解決,4,1,2,3,前言,5,6,研究計劃執行進度,前言,1-1、研究動機與目的 (1/2),當電器產品以電池為主力來源時，使用者需要知道目前電池的使用狀況，並瞭解電池還能維持多久執行時間，讓使用者或系統本身能評估電池是否可完成剩餘的工作，若有需要，可提早更換電池或即時進行充電，若沒有電力來源時，就必須提早結束動作，而要避免這不必要的麻煩，此即研究鋰離子二次電池壽命的主要目的。,鋰電池為現今應用最廣且投入最多研發的電池能源，

2、我們生活週遭的電子產品，都無法脫離鋰電池帶來的便利性及可攜性。採用鋰電池來當作主要電源，不外乎其體積小、能量密度高、無記憶效應、循環壽命高、高電壓準位、自放電率低等優點。但鋰電池與一般能源不同的是需要額外的保護電路，以保證鋰電池使用的安全性，現今鋰電池顯然已成為為各種可攜式行動設備的主要電池規格。 而本論文主要探討的就是應用在電動機車的鋰電池殘電量檢測技術並統計其使用壽命與整個充電管理系統的架構。,1-1、研究動機與目的 (2/2),前言,前言,1-2、研究背景與發展現況(1/10),目前許多已發表的電池電容量檢測技術，為了提高估測的準確度，也同時增加了使用該估測方法的限制，而該限制也阻礙了其

3、應用的範圍。又若所發表的估測方法雖能夠達到高準確度，且能適用於各種使用情況，但欲實現其估測方法需要極高的成本，根本無法將該技術實現於可攜式產品上。 發展出適用於單一種類電池的高準確度電容量估測方法，並不困難，可以依該種類電池特有的電特性進行量身設計。但若欲發展出可廣泛運用於多種電池種類的 電容量估測技術，就有相當大的挑戰性。,前言,1-2、研究背景與發展現況(2/10),1-2-1、電池結構與組成：,(A) (B) 圖 1.1、鋰電池結構圖 (A)圓柱型電池、(B)方型電池,前言,1-2、研究背景與發展現況(3/10),圖1.2、鋰電池組成剖視圖,前言,1-2、研究背景與發展現況(4/10),

4、1-2-2、鋰電池的類型：,前言,1-2、研究背景與發展現況(5/10),1-2-3、電池容量：,容量：電流時間；單位：mAh或Ah 容量及電壓受放電速度及溫度影響 二次電池一般用23 / 0.2C量測容量,前言,1-2、研究背景與發展現況(6/10),1-2-4、電池壽命 ：,電池壽命常用充電/放電週期數來表示，但是週期壽命和電池壽命（或服務壽命）的時間長度可能不同。充電和放電最終將減少電池的活性材料，並引起其他化學材料的變化，從而引起內部電阻提高和永久性容量損失。即使電池未使用時也會發生永久性容量損失。,前言,1-2、研究背景與發展現況(7/10),1-2-5、延長或縮短電池壽命的因素 ：

5、,(1) 採用部分放電的做法。 (2) 避免充電至容量的100。 (3) 選擇合適的充電終止方法。 (4) 限制電池溫度。 (5) 避免大充電和放電電流，因為這會縮短週期壽命。 (6) 避免低於2V或2.5V的深度放電，因為這會迅速永久性損壞鋰離子電池。,前言,1-2、研究背景與發展現況(8/10),1-2-6、鋰電池的典型充電曲線 ：,前言,1-2、研究背景與發展現況(9/10),1-2-7、充電器浮動電壓與電池容量和週期壽命 ：,大多數鋰電池製造商都設定了一個4.2V浮動電壓，以此作為容量和週期壽命之間的最佳平衡。用4.2V作為定限壓值（浮動電壓）時，電池一般可以提供約500個充電/放電週

6、期，電池容量降至80。,前言,1-2、研究背景與發展現況(10/10),1-2-8、NOTE：,提高鋰電池的容量，以透過物理尺寸最小的電池來實現最長的產品工作時間，是人們一直以來的目標。 要延長電池壽命的應用獲得極大利益。可透過選擇具有較低浮動電壓、或較早終止充電週期的電池充電器所實現的。,研究方法與步驟,1.單芯過充保護之電壓值 1-1.測試目的： 試驗二次電池組於常溫下，過電壓充電時，確定保護板是否啟動過充保 護機制。 1-2.測試項目所需求儀器： 1-2-1.Chroma 62012P電源供應器*1。 1-2-2.示波器Agilent 54624A*1、Taktronix TCPA300

7、電流槍*1。 1-2-3.三用電錶*1。 1-3測試項目之步驟： 1-3-1.將鋰電池組充電輸入座連接至電源供應器，正()負()相接後， 啟動電源供應器電源在CC-CV模式下設定電流值、電壓值，按下 Output鍵後，電池會開始充電。 1-3-2.保護板SMbus線透過黑盒子與PC連線，使用O2軟體記錄各組cell 電壓值變化，並持續對電池充電直到其中一串Cell達到規定保護電 壓 VDC，過充電壓之旗標為1，即結束測試。 1-3-3.依儲存之檔案裡資料charge/discharge state之欄位由原本 charging變化成 idle狀態後分析其數值。,研究方法與步驟,2.輸出端短路保

8、護之電流 2-1.測試目的： 試驗二次電池組於常溫下，輸出端短路時，確定保護板是否啟動短路 保護機制。 2-2.測試項目所需求儀器： 2-2-1.大功率電子負載Chroma 63205(6500W)*1。 2-2-2.示波器Agilent 54624A、Taktronix TCPA300電流槍*1。 2-2-3.三用電錶*1。 2-3.測試項目之步驟： 將鋰電池組輸出端連接至電子負載，正()負()相接後，使用兩組示 波器探棒，一組示波器探棒連接電池輸出端，另一組用電流槍勾住電 池正極()電線，示波器設定觸發信號之電流值，並調整規定時間 (s/div)，按下Short鍵後，當示波器stop並查看

9、螢幕上之最大值位於 標準範圍後分析其數值。,研究方法與步驟,3.充電過電流保護 3-1.測試目的： 試驗二次電池組於常溫下，過電流充電時，確定保護板是否啟動過充保 護機制。 3-2.測試項目所需求儀器 3-2-1.Chroma 62012P電源供應器*1。 3-2-2.示波器Agilent 54624A*1、Taktronix TCPA300電流槍*1。 3-2-3.三用電錶*1。 3-3.測試項目之步驟： 3-3-1.將鋰電池組充電輸入端連接至電源供應器，正()負()相接後， 使用兩組示波器探棒，一組示波器探棒連接充電輸入端，另一組 用電流槍勾住電池充電正極()電線，啟動電源供應器電源在CC

10、- CV模式下設定電流值，按下Output鍵。 3-3-2.示波器設定上緣觸發信號之電流值，並調整規定時間(s/div)，當 示波器stop並移動上下游標至最大值和offset，量測電流最大值 位於標準範圍後分析其數值。,研究方法與步驟,4.放電過電流保護 4-1.測試目的： 試驗二次電池組於常溫下，過電流放電時，確定保護板是否啟動過放保 護機制。 4-2.測試項目所需求儀器： 4-2-1.大功率電子負載Chroma 63205(6500W)*1。 4-2-2.示波器Agilent 54624A *1、Taktronix TCPA300電流槍*1。 4-2-3.三用電錶*1。 4-3.測試項目

11、之步驟： 將鋰電池組輸出端連接至電子負載並設定放電電流值，正()負()相 接後，使用兩組示波器探棒，一組示波器探棒連接電池輸出端，另一組 用電流槍勾住電池正極()電線，示波器設定上緣觸發信號之電流值， 並調整規定時間(s/div)，按下Load鍵後，當示波器stop並移動上下游 標至最大值和offset，量測電流最大值位於標準範圍後分析其數值。,研究方法與步驟,5.內阻量測 5-1.測試目的： 試驗二次電池組於常溫下，量測電池內阻變化。 5-2.測試項目所需求儀器： 5-2-1.三用電錶*1。 5-2-2.HIOKI 3551*1。 5-3.測試項目之步驟： 將內阻計開機且設定量測單位300m

12、，與鋰電池正()負()極相接後， 在鋰電池SOC規定之百分比時，檢查電池內阻值變化。,研究方法與步驟,6.放電狀態 6-1.測試目的： 二次電池組於常溫下，作電流3C放電10sec時，試驗電池是否正常放電 。 6-2.測試項目所需求儀器： 6-2-1.大功率電子負載Chroma 63205(6500W)*1。 6-2-2.示波器Agilent 54624A *1、Taktronix TCPA300電流槍*1。 6-2-3.三用電錶*1。 6-3.測試項目之步驟： 將鋰電池組輸出端連接至電子負載並設定放電電流值，正()負()相 接後，使用兩組示波器探棒，一組示波器探棒連接電池輸出端，另一組 用電

13、流槍勾住電池正極()電線，示波器設定上緣觸發信號之電流值， 並調整規定時間 (s/div)，按下Load鍵後，當示波器stop並移動左右游標 至最大電流起始點和截止點，量測時間位於標準範圍即Pass。,研究方法與步驟,7.充電狀態 7-1.測試目的： 二次電池組於常溫下，作電流0.5C充電30sec時，試驗電池是否正常 充電。 7-2.測試項目所需求儀器： 7-2-1.Chroma 62012P電源供應器*1。 7-2-2.示波器Agilent 54624A *1、Taktronix TCPA300電流槍*1。 7-2-3.三用電錶*1。 7-3.測試項目之步驟： 7-3-1.將鋰電池組充電輸

14、入端連接至電源供應器，正()負()極相接 後，使用兩組示波器探棒，一組示波器探棒連接充電輸入端， 另一組用電流槍勾住電池充電正極()電線，啟動電源供應器電 源在CC-CV模式下設定電 流值、電壓值，按下Output鍵。 7-3-2.示波器設定上緣觸發信號之電流值，並調整規定時間(s/div)， 按下Load鍵後，當示波器stop並移動左右游標至最大電流起始 點和截止點，量測時間位於標準範圍即Pass。,參考文獻,1 H. L. Chan, “A new battery model for use with battery energy storage systems and electric

15、vehicles power systems”, IEEE POWER ENGINEERING SOCIETY, VOL. 1, 470-475 (2000) 2 賴世榮，”智慧型鋰離子電池殘存電量估測之研究”，國立中山大學電機工程系碩士論 文，民國93年10月。 3 朱順益，”鋰電池快速充電波形設計”，義守大學電機工程研究所論文，民國93年6月。 4 廖英傑，”應用於筆記型電腦電源管理晶片之研究”，國立中山大學電機工程系碩士論 文，民國93年10月。 5 葉家銘，”以DSP為控制單元之智慧型電源管理”，國立中山大學電機工程系碩士論文， 民國92 年7 月。 6 鄭福剛，”智慧型電動機車電池充

16、殘電管理與診斷”，國立中山大學電機工程系碩士論 文，民國90 年6 月。 7 Lijun Gao, Shengyi Liu, Roger A. Dougal,“Dynamic Lithium-Ion Battery Model for System Simulation”, IEEE TRANSACTIONS ON COMPONENTS AND PACKAGING TECHNOLOGIES, VOL. 25, NO.3, 495-505 (2002) 8 Diaz, J., Martin-Ramos, J.A., Pernia, A.M., Nuno, F., Linera, F.F.,“In

17、telligent and universal fast charger for Ni-Cd and Ni-MH batteries in portable applications”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 51, NO.4 (2004),預期完成項目與結果,此研究，我們可得到以下完成項目與結果並藉由這些結果瞭解鋰離子二次電池的Cycle Life與充電參數對其數據之影響： 單芯過充保護之電壓值： 瞭解過電壓充電時，確定保護板是否啟動過充保護機制並分析其數據。 輸出端短路保護之電流： 輸出端短路時，確定保護板是否啟動短路保護機制並分析其數據。 充電過電流保護： 過電流充電時，確定保護板是否啟動過充保護