博碩士論文 985201009 詳細資訊




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姓名 蔡瀚章(Han-Chang Hsai)  查詢紙本館藏   畢業系所 電機工程學系
論文名稱 智慧型控制數位化鋰錳電池充電器之研製
(Design and Implementation of DSP-based Intelligent Control for Li-ion Battery Charger)
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摘要(中) 本論文提出一只以數位訊號處理器為基礎之機率型模糊類神經網路智慧型控制器控制兩級交流-直流鋰錳電池充電器。此充電器前級為具有主動式功率因數修正之單相交流-直流升壓轉換器;後級為相移式全橋直流-直流降壓轉換器。此充電器將設計對於兩顆鋰錳電池組實現定電流充電以及定電壓充電之混合式充電策略。為了要改善輸出電壓在負載調節時的暫態響應,而機率型模糊類神經網路控制器取代傳統的比例積分控制器。此外,使用所提出之機率型模糊類神經網路控制器可明顯地改善電池組在定電流充電模式轉換定電壓充電模式瞬間的不連續充電電流以及充電電壓之問題。本文將詳細介紹機率型模糊類神經網路的架構以及線上學習法則,而所提之機率型模糊類神經網路控制器在實現混合式充電策略的控制性能將由實驗結果驗證。
摘要(英) A digital signal processor (DSP)-based probabilistic fuzzy neural network (PFNN) is proposed in this study to control a two-stage AC-DC charger. The input stage and output stage of the charger are AC-DC boost converter with power factor correction (PFC) and phase-shift full-bridge (PSFB) DC-DC converter. The designed charger adopts constant-current and constant-voltage (CC-CV) charging strategy to charge two Lithium-ion (Li-ion) battery packs. To improve the transient of voltage regulation during load variation, a PFNN controller is proposed to replace the traditional proportional-integral (PI) controller. Moreover, the discontinuous charging voltage and current during the transition between the CC and CV charging modes can also be reduced significantly using the proposed PFNN controller. The network structure and the online learning algorithms of the PFNN controller are introduced in detail. Furthermore, the control performances of the proposed PFNN control system for CC-CV charging are evaluated by some experimental results.
關鍵字(中) ★ 定電流充電
★ 定電壓充電
★ 數位訊號處理器
★ 相移式全橋轉換器
★ 單相功率因數修正轉換器
★ 機率型模糊類神經網路
關鍵字(英) ★ Probabilistic fuzzy neural network (PFNN)
★ power factor correction (PFC)
★ phase-shift full-bridge (PSFB)
★ digital signal processor (DSP)
★ constant current (CC) charging
★ constant voltage (CV) charging
論文目次 目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XIII
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 論文大綱 7
第二章 鋰離子電池 9
2.1 簡介 9
2.2 電池相關名詞定義 9
2.3 鋰離子電池原理與其安全保護 12
2.3.1 鋰離子電池之電化學原理 12
2.3.2 鋰離子電池之特性與規格 15
2.4 二次電池充電法簡介 19
2.4.1 定電壓充電法 19
2.4.2 定電流充電法 19
2.4.3 混合式充電法 20
2.4.4 脈衝式充電法 20
2.4.5 充電法 21
第三章 以數位訊號處理器為基礎之兩級充電器控制器 22
3.1 以TMS320F28035為核心之數位訊號處理器簡介 22
3.1.1 數位訊號處理器TMS320F28035之功能簡介 22
3.1.2 記憶體規劃 23
3.2 TMS320F28035週邊功能介紹 25
3.2.1 增強型脈波寬度調變模組 25
3.2.2 中斷處理之流程 27
3.2.3 類比/數位轉換器 28
3.2.4 串列週邊介面模組 29
3.2.5 增強型輸入捕捉模組 31
第四章 單相功率因數修正轉換器之研製 32
4.1 簡介 32
4.2 功率因數定義 33
4.3 主動式功率因數修正轉換器 38
4.4 主動式功率因數修正之控制方法 39
4.4.1 峰值電流控制模式 40
4.4.2 平均電流控制模式 41
4.4.3 磁滯電流控制模式 42
4.5 單相升壓型功率因數修正轉換器 43
4.5.1 硬體電路設計 44
4.5.1.1 功率晶體開關與二極體之選配 48
4.5.1.2 電感與輸出電容設計 50
4.5.1.3 數位訊號處理器之類比數位轉換器保護電 51
4.5.1.4 零交越偵測電路 52
4.5.1.5 功率級硬體保護電路 53
4.5.1.6 週邊電路 53
4.5.2 系統軟體流程規劃 55
4.6 實驗結果 58
第五章 相移式全橋直流轉換器之研製 63
5.1 簡介 63
5.2 相移式全橋直流轉換器原理與分析 63
5.2.1 全橋直流轉換器之控制方式 63
5.2.2 隔離型相移式全橋直流轉換器 66
5.3 相移式全橋直流轉換器 74
5.3.1 電路架構與規格 74
5.3.2 硬體電路設計 75
5.3.2.1 高頻變壓器設計 75
5.3.2.2 輸出低通濾波器設計 79
5.3.2.3 功率晶體與整流二極體之選擇 80
5.3.2.4 電壓與電流回授電路 81
5.3.2.5 硬體保護電路 82
5.3.3 小訊號分析 83
5.3.4 比例積分控制器設計與模擬 84
5.3.4.1 比例積分控制策略 84
5.3.4.2 比例積分電壓控制器設計 85
5.3.4.3 比例積分電流控制器設計 87
5.3.5 系統軟體流程規劃 88
5.4 實驗結果 90
第六章 以比例積分控制器控制兩級充電器之研製 97
6.1 簡介 97
6.2 充電系統模組整合 97
6.2.1 充電系統模組硬體架構 97
6.2.2 系統軟體流程規劃 98
6.2.3 混合式充電策略之探討與實 101
6.3 實驗結果 101
6.3.1兩級轉換器實驗結果 103
6.3.2兩級充電器實驗結果 107
第七章 以機率型模糊類神經網路控制器控制兩級充電器之研製 111
7.1 簡介 111
7.2 機率型模糊類神經網路 111
7.2.1 機率型模糊類神經網路之描述 111
7.2.2 線上學習法則 115
7.3 所提之充電系統控制架構 117
7.3.1 系統軟體流程規劃 117
7.3.2 混合式充電策略之探討與實現 119
7.4 實驗結果 120
7.3.1兩級轉換器實驗結果 120
7.3.2兩級充電器實驗結果 123
第八章 結論與未來展望 125
8.1結論 125
8.2未來展望 125
參考文獻 126
作者簡歷 133
圖目錄
圖1.1 所提之充電系統模組架構 4
圖2.1 鋰離子二次電池的充放電原理 13
圖2.2 鋰離子電池結構 14
圖2.3 單元電池UR18650Y規格 17
圖2.4 單元電池UR18650Y在不同放電電流狀況下的電壓/放電容量曲線
18
圖2.5 單元電池UR18650Y充電特性曲線 18
圖2.6 單元電池UR18650Y在不同溫度下的充放電電壓/放電容量曲線 18
圖2.7 定電壓充電法之充電曲線圖 19
圖2.8 定電流充電法之充電曲線圖 20
圖2.9 混合式充電法之充電曲線圖 20
圖2.10 脈衝式充電法之充電電流波形圖 21
圖2.11 充電法之充電電流波形圖 21
圖3.1 TMS320F28035功能方塊圖 23
圖3.2 TMS320F28035記憶體配置圖 25
圖3.3 增強型脈波寬度調變模組功能方塊圖 26
圖3.4 向上計數模式示意圖 27
圖3.5 週邊中斷延伸架構 28
圖3.6 類比/數位轉換器模組 29
圖3.7 串列週邊通訊介面功能方塊圖 30
圖3.8 數位資料轉換類比資料之方塊圖 31
圖3.9 輸入捕捉模組之上升緣計數功能時序圖 31
圖4.1 被動式功率因數修正架構:(a)電感濾波改善功率因數;(b)LC型濾波改善功率因數;(c) 型濾波改善功率因數;(d)填谷式功率因數修正 33
圖4.2 主動式功率因數修正架構 33
圖4.3 輸入電壓、電流及基頻電流波形 36
圖4.4 常用主動式功率因數修正器基本架構:(a)降壓式;(b)降升壓式;(c)升壓式 39
圖4.5 峰值電流控制之電流命令、實際電感電流及開關狀態 41
圖4.6 平均電流控制之電流命令、實際電感電流及開關狀態 42
圖4.7 磁滯電流控制之電流命令、實際電感電流及開關狀態 43
圖4.8 單相功率因數修正升壓轉換器之硬體電路與控制方塊圖 44
圖4.9 單相功率因數修正升壓轉換器之F28035控制核心架構 44
圖4.10 升壓型功率因數修正轉換器架構 45
圖4.11 升壓型功率因數修正轉換器開關模式(a)升壓型轉換器之開關導通模式等效電路;(b)升壓型轉換器之開關截止模式等效電路 46
圖4.12 STW45NM50功率晶體參數規格 49
圖4.13 30EPF06二極體參數規格 50
圖4.14 T249-26鐵粉芯參數規格 51
圖4.15 類比/數位轉換器保護電路 52
圖4.16 零交越偵測電路 52
圖4.17 功率級硬體保護電路方塊圖 53
圖4.18 MCP4922之規格、架構與資料傳送格式 54
圖4.19 命令輸入模組電路圖 55
圖4.20 單相功率因數修正轉換器系統程式流程圖 56
圖4.21 電流命令之弦波相位產生圖 58
圖4.22 50%額定負載下之輸入電壓電流波形 59
圖4.23 100%額定負載下之輸入電壓電流波形 60
圖4.24 100%額定負載下之輸出電壓漣波波形 60
圖4.25 100%額定負載變動至50%額定負載之輸出電壓以及輸入電流波形
61
圖4.26 50%額定負載變動至100%額定負載之輸出電壓以及輸入電流波形
61
圖5.1 全橋直流轉換器之架構 64
圖5.2 雙極性切換脈波寬度調變 65
圖5.3 單電壓極性切換脈波寬度調變 65
圖5.4 相移式全橋電路架構以及F28035控制核心架構 66
圖5.5 相移式全橋轉換器開關之控制信號時序圖與變壓器一次側電壓波形 68
圖5.6 功率晶體與變壓器一次側電壓和電流時序圖 69
圖5.7 能量傳遞區間 之電流路徑示意圖 70
圖5.8 右臂諧振暫態區間 之電流路徑示意圖 72
圖5.9 一次側能量停止傳送區間 之電流路徑示意圖 72
圖5.10 左臂諧振轉態區間 之電流路徑示意圖 73
圖5.11 能量傳遞區間 之電流路徑示意圖 74
圖5.12 ETD59的材料特性表 77
圖5.13 ETD59的磁通密度對溫度的關係 77
圖5.14 蕭特基二極體MBR40250T參數規格 81
圖5.15 輸出電壓回授電路 82
圖5.16 HTY 50-P電流感測元件 82
圖5.17 相移式全橋轉換器小訊號模型 84
圖5.18 相移式全橋轉換器控制方塊圖 85
圖5.19 比例積分電壓控制方塊圖 85
圖5.20 補償前開路轉移函數 、比例積分電壓控制器 以及補償後開路轉移函數 之波德圖 86
圖5.21 比例積分電流控制方塊圖 87
圖5.22 補償前開路轉移函數 、比例積分電流控制器 以及補償後開路轉移函數 之波德圖 88
圖5.23 相移式全橋直流轉換器系統之軟體流程圖 89
圖5.24 比例積分控制器控制輸出電壓在50%額定負載下一次側電壓、電流以及二次側電壓、電流波形:(a)一次側電壓、電流波形;(b)二次側電壓、電流波形;(c)功率晶體 汲極-源極電壓、電流波形 92
圖5.25 比例積分控制器控制輸出電壓在100%額定負載下一次側電壓、電流以及二次側電壓、電流波形:(a)一次側電壓、電流波形;(b)二次側電壓、電流波形;(c)功率晶體 汲極-源極電壓、電流波形 93
圖5.26 比例積分控制器控制輸出電壓在100%額定負載下輸出電壓漣波、電流漣波波形 94
圖5.27 比例積分控制器控制輸出電壓在100%額定負載變動至50%額定負載之輸出電壓、電流暫態波形 95
圖5.28 比例積分控制器控制輸出電壓在50%額定負載變動至100%額定負載之輸出電壓、電流暫態波形 95
圖6.1 充電系統模組整合硬體架構 97
圖6.2 充電系統模組實體圖:(a)以數位訊號處理器為核心之兩級充電器; (b)電子式負載以及鋰錳電池組 98
圖6.3 充電系統模組之控制方塊圖:(a)功率因數修正轉換器控制方塊圖; (b)相移式全橋轉換器控制方塊圖 99
圖6.4 比例積分控制器控制充電系統模組整合軟體規劃流程 100
圖6.5 比例積分控制器控制輸出電壓在100%額定負載之下的直流鏈電壓漣波以及輸出電壓漣波波形 104
圖6.6 比例積分控制器控制輸出電壓在100%額定負載變動至50%額定負載之輸出電壓、直流鏈電壓、輸入電流暫態波形 105
圖6.7 比例積分控制器控制輸出電壓在50%額定負載變動至100%額定負載之輸出電壓、直流鏈電壓、輸入電流暫態波形 106
圖6.8 比例積分控制器控制定電流模式切換到定電壓模式之暫態響應
107
圖6.9 比例積分控制器控制定電流模式切換到定電壓模式之暫態響應
108
圖6.10 比例積分電壓外迴路電流內迴路之充電模式轉換暫態響應 108
圖6.11 比例積分控制器實現混合式充電策略之完整充電曲線 109
圖6.12 比例積分電壓外迴路電流內迴路實現混合式充電策略之完整充電曲線 110
圖7.1 機率型模糊類神經網路架構圖 111
圖7.2 三角形函數;(a)歸屬函數層之三角形函數;(b)機率層之三角形函數 111
圖7.3 所提之機率型模糊類神經網路控制實現混合式充電策略方塊圖
114
圖7.4 機率型模糊類神經網路控制器控制充電系統模組整合軟體規劃流程圖 115
圖7.5 機率型模糊類神經網路控制器控制輸出電壓在100%額定負載變動至50%額定負載之輸出電壓、直流鏈電壓、輸入電流暫態波形 117
圖7.6 機率型模糊類神經網路控制器控制輸出電壓在50%額定負載變動至100%額定負載之輸出電壓、直流鏈電壓、輸入電流暫態波形 118
圖7.7 機率型模糊類神經網路控制器控制定電流模式切換到定電壓模式之暫態響應 119
圖7.8 機率型模糊類神經網路控制器控制定電流模式切換定電壓模式之暫態響應 120
圖7.9 機率型模糊類神經網路控制器實現混合式充電策略之完整充電曲線 121
表目錄
表1.1 各種二次電池性能比較 2
表2.1 鋰錳電池組規格 17
表4.1 單相升壓型功率因數修正轉換器規格 45
表4.2 單相功率因數修正轉換器之功率因數、轉換器效率以及輸入電流總諧波失真 62
表5.1 相移式全橋直流轉換器電路規格 75
表5.2 相移式全橋直流轉換器之系統效率 96
表6.1 兩級轉換器之模組規格 103
表6.2 兩級轉換器之功率因數、轉換器效率以及輸入電流總諧波失真 106
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指導教授 林法正(Faa-Jeng Lin) 審核日期 2011-8-16
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