以內阻法於UPS系統中的蓄電池電量估測設計

摘要：本文研製以內阻法為基礎的不斷電系統蓄電池電量估測系統，本系統藉由量測電池在充放電過程中的內阻變化來預估電池的殘餘電量，此法不但可以快速偵測電池的殘餘電量，並可以準確預測其數值。本系統只需擷取電池電壓與電流的變化即能運算出電池內阻，進而得知電池的電容變化，可不需事先得知電池目前電量狀態。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/180947.htm

引言

近年來由於科技的急速發展，所產生的汙染也隨之增加，更由於環保意識抬頭，人類了解到環保的重要性，進而開始使用環保、無汙染的用品，尤其是在交通工具方面，如：電動滑板車、電動自行車、油電混合車、電動機車等等，已是不可或缺的重要代步品，但是在許多地方仍然有諸多缺點，如：價格昂貴、電池壽命不足、續航能力短、充電效率差等，皆為導致普及化低下的原因。而在上述等原因之中，最重要的關鍵為電池的能量供應。

而各式各樣的電器設備普及化，緊急照明設備與蓄電池儲能裝置大量的使用，造成蓄電池及其周邊設備的需求飛躍成長。以電腦設備、監控儀器、消防設備、醫療儀器……等，各種精密儀器對電力品質的嚴格要求而言，不斷電系統（Uninterruptible Power Supply, UPS）成為真正能徹底解決電源問題的必要設備，而在UPS遇到電壓下陷（sags）、尖波（spikes）、電壓突波（surges）、雜訊幹擾（noise）、高（低）電壓暫態（transients），足以影響設備正常運轉的電力品質問題時，UPS均會自動穩壓濾除雜訊，提供給設備穩定且乾淨的電源環境，而提供UPS的主要設備還是電池。

由上述可知，未來對於蓄電池的供電要求勢必將會提高。而在電動機車方面，如何使充電效率提升，不會使蓄電池有過充、溫升過高的現象，並且能延長蓄電池使用壽命，為設計充電器的重點之一。而在不斷電系統之中，當市電斷電時使用者必須了解UPS中還有多少電量可供使用，所以如何快速準確的得知電池剩餘容量，則是在殘餘容量顯示方面相當重要的一項環節[1,2]。

本文研究目的系建立一快速充電轉換器並能監控蓄電池的殘餘容量為目的的系統，藉由轉換器的控制來達到快速充電的效果，並且利用電腦來監測電池端電壓與電流並顯示殘餘容量，如圖1所示。系統架構可分為Flyback轉換器與Buck轉換器；輸入端由市電供給110Vrms/60Hz的交流電壓，經由Flyback隔離再由Buck降壓對電池端充電。本文利用DSP（TMS320LF2407A）與LabVIEWDAQ(DAQPad-6016)為控制核心，達成轉換器與控制法則的實現。

系統控制規劃及流程

本文內阻估測法採用方法為直流量測法，其方法為，在蓄電池流出大量電流的瞬間，此時電池端電壓將會有突降的變化。當電池放電結束時，端電壓將會有突升的情形，此突升、突降的變化斜率與電池內阻有密切關係，如圖2所示[7]。

圖2 直流訊號量測示意圖

利用上述的方法可在蓄電池充電開始與充電結束和放電開始、放電結束時，量測電池內阻值的變化情形。

利用上述的實驗方法可得圖3為電池放電與內阻關係圖，由圖可觀察得知當充電容量越飽時電池的內阻會呈現越小的狀況，而當電池容量越少時，電池的內阻將會越大。

圖3 蓄電池內阻―容量曲線

利用上述內阻的性質，可對應出當內阻有所不同時其電池容量也有所不同的特性，但因其曲線為非線性變化的曲線，因此透過方程式擬合法，將曲線資料輸入至數位處理器內進行殘量的估測，並利用Matlab中曲線擬合法來求解其電池內阻與放電時間對應曲線。

再利用Matlab軟體的曲線擬合功能，將圖3的各點數值代入，可求解得方程式（1）。圖中的圓圈表示電池實際的放電時間，曲線代方程式（1），比較圖3與圖4可知結果極為相近。在式中R皆以mΩ為計算單位。

電池容量= -0.00013678R3+0.019894R2-1.2632R+30.384 (1)

圖5為內阻估測法的演算流程圖，其演算核心為數位單晶片。當電量估測法的程式開始執行時，先取得電池的端電壓是否大於10.5V，進而決定是否要開始進行內阻偵測，在確認無誤後偵測電池是否開始充電或是放電，等到電池有突升或是突降的狀態，利用電流檢測電路與電壓檢測電路將電流與電壓訊號回授至DSP，將電池的端電壓與端電流相除取得其內阻值，再利用式（1）取得電池內阻與容量的關係，得知電池的容量為多少，進而判斷出電池剩餘容量為多少，之後等待下一次電池的突升或突降的狀態，來判斷電池的電流是否做改變進而再重新計算出電池殘餘電量。本文利用DSP的數位轉類比功能，將估測的電量以LED表示，再以資料收集器記錄其估測電量的輸出變化。在電量計算結束後，判斷電池電壓是否已經低於10.5V的截止放電條件，假設還未低於10.5V則繼續進行進行放電，而且程式也繼續計算電池的殘餘電量，直到電池電壓低於10.5V才停止放電。

圖5 內阻估測法的演算流程圖

充電法則與電量估測

充電方式的不同將會影響到電池的壽命，若依照電池廠商所提供的使用手冊，照其規定的充電法是最安全且最有效率的充電方法，但所提供的方式花費充電時間都過於冗長。所以能夠快速充電又不影響其特性的充電法陸續被提出，本文將使用多階段充電法對電池充電。多階段脈衝充電法是利用不同的定電流對電池進行充電，如圖6所示。當電池充電到所設定的電壓之後，隨即降低電流大小再持續對電池進行充電，直到再度充到所設定的電壓再降低電流。此方法的優點為具有快速充電功能與避免電池過度充電以確保電池的使用壽命，並且能確實的將電量充至飽和狀態[3]。

圖6 多階段脈衝充電法示意圖

電池電量估測目的是在於偵測電池內部剩餘電量多少，能夠隨時清楚的掌握電池目前剩餘多少電量，即可了解電池的剩餘工作時間。電量估測不但可了解電池是否處於充飽狀態或是容量已接近末期，也能防止電池發生過度充電與過度放電的情形。

文中使用的方法為內阻偵測法，電池的內阻包含了兩種意思，其中一種指純歐姆電阻，另一種是由電化學反應中電極極化所產生的，如圖7所示。電池內阻可分為金屬類電阻（RMetallic）與化學材料類電阻（RElectrochemical）；而在金屬類中又可分極板（RTerminal Post）、金屬帶（RStrap）、極板網柵（RGrid）、極板網柵到糊狀材料（RGrid to Paste）；而化學材料類包含了糊狀材料（RPaste）、電解液（RElectrolyte）、隔離板（RSeparator）。電池的電解液濃度的變化將會影響電池內阻值的變化，當在充電時內阻將會隨電量而降低，但在放電狀態時，內阻將會跟隨電量而有所增加[4-6]。

圖7 鉛酸電池內阻等效電路

電池內電阻會依不同的輸出電流、電池使用次數、溫度及老化狀況而有不同的數據，所以可以將電池的內電阻當做為電池可輸出的容量代表，因電池內部的內電阻值本身會因上述的因數來自我修正參數。因此，內阻量測法就是藉由量測電池在充放、電過程中內阻的變化，來進行預估電池的殘餘電量，如圖8鉛酸電池內阻與電量的關係曲線圖所示。

圖8 鉛酸電池內阻與電量的關係曲線圖