以脈衝式阻抗譜掃描實現智慧型低功耗之快速充電系統

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王冠翔(Guan-Hsiang Wang) 查詢紙本館藏

畢業系所

光電科學與工程學系

論文名稱

以脈衝式阻抗譜掃描實現智慧型低功耗之快速充電系統
(Intelligent and Low Power Consumed Fast Charging System by Pulsing with Impedance Spectrum Scanning Method)

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摘要(中)

本研究主要目的為建立一套以脈衝式充電搭配阻抗譜掃描的快速充電系統。此系統以Microchip的PIC18F4520 MCU作為核心處理器，以MPLAB X IDE開發；在硬體上，以PWM的型式去做高頻率匹配完成脈衝輸出的效果，並且以特殊的頻率切換模式以直流電用軟體模擬出直流電加交流電的系統。特別採用了大功率電感以及電晶體達到承受大電流充電的需求，在Layout上考慮到了零件的散熱以及訊號的干擾還有去除雜訊的功能。
這套系統是以鉛酸電池為目標去設計，阻抗譜掃描的充電方式可以自動偵測目標電池的狀態，並且根據偵測到的資訊加以分析，自動選擇當下最佳的充電方式對目標電池做一個快速充電的動作以防止電池再充電時升溫，達到延長壽命的效果；此次的實驗以1.2AH的鉛酸電池為實驗目標電池，分別比對有無加上本系統的兩組電池充電速度，以及電池本身的狀態作為實驗數據，整理出透過本系統達到的充電優化程度以及增加電池壽命的因素，經實驗後本實驗效率勝過市售的充電器效率15%。

摘要(英)

The main purpose of this study is to establish a fast charging system with pulsed charging and impedance spectrum scanning. This system uses the microchip PIC18F4520 MCU as the core processor and MPLAB X IDE. On the hardware, the PWM type is used to do the high frequency matching to complete the pulse output effect. And there is a system for simulating DC and AC system with simply DC power with a special frequency switching mode.
Especially the high power inductor and the transistor are used to withstand The need for high-current charging takes into account the heat dissipation of the parts and the interference of the signals as well as the function of removing noise.
This system is designed with lead-acid batteries as the target. The impedance spectrum scanning charging method can automatically detect the status of the target battery, and analyze according to the detected information, automatically select the current best charging method to do the target battery. A fast charging action; this experiment uses a 1.2AH lead-acid battery as the experimental target battery, comparing the charging speed of the two groups with the system and the state of the battery itself as experimental data, respectively. The degree of charge optimization achieved by the system and factors that increase battery life.

關鍵字(中)

★ 脈衝充電
★ 快速充電
★ 阻抗譜
★ 等效電路

關鍵字(英)

★ Pulsed charging
★ Fast charging
★ Impedance spectrum
★ Equivalent Circuit

論文目次

目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iv
目錄 vi
圖目錄 ix
表目錄 xiii
第一章緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 研究目的 1
1-3 研究貢獻 3
1-4 論文架構 4
第二章研究原理 5
2-1 鉛酸電池 5
2-1-1 鉛酸電池內部等效電路 6
2-1-2 雙電層 7
2-1-3 電動力學效應 8
2-1-4 雙電層電容 9
2-1-5 電池需要達到的要求 11
2-2 阻抗譜 13
2-3 脈衝充電系統 16
2-3-1 想法來源 16
2-3-2 白努利定理(Bernoulli’s Principle) 17
2-3-3 脈衝充電系統 18
2-3-4 改良型脈衝電路 20
2-4 應用電路 21
2-4-1 電壓測量電路 22
2-4-2 電流感測電路 23
2-4-3 大功率控制開關 26
2-4-4 降壓型開關穩壓電路 27
2-4-5 MCU的安全供電電路 32
2-5 軟體應用 35
2-5-1 軟體撰寫流程 35
2-5-2 I/O 37
2-5-3 PWM模組 39
2-5-4 ADC模組 42
2-6 電路圖LAYOUT 45
第三章研究設備 47
3-1 系統架構 47
3-2 軟硬體設備介紹 48
3-2-1 鉛酸電池 48
3-2-2 MCU(PIC18F4520) 49
3-2-3 零件一覽 50
3-2-4 燒錄器 52
3-2-5 Protel 99 SE 53
3-2-6 Microchip公司提供的開發環境MPLAB X IDE 54
第四章研究實驗與結果分析 55
4-1 電流鏡解析度調整 55
4-2 電感的LC震盪與開關的頻率匹配造成的結果 61
4-3 電池放電特性 63
4-4 本系統充電效率以及比較 69
第五章研究結論與未來展望 76
5-1 研究結論 76
5-2 未來展望 76

圖目錄
圖1 鉛酸電池模型 6
圖2 鉛酸電池內部等效電路 7
圖3 雙電層模型 8
圖4 等效電路圖 14
圖5 阻抗譜(Nyquist圖)示意圖 15
圖6 電極表面的假想圖 17
圖7 電極表面的微觀構造 19
圖8 脈衝訊號 19
圖9 改良型脈衝搭配頻率掃描示意圖 20
圖10 電路簡易方塊圖 21
圖11 電壓測量電路 22
圖12 電流感測電路 23
圖13 電流感測電路推導(1) 24
圖14 電流感測電路推導(2) 25
圖15 大功率控制開關 27
圖16 降壓型開關穩壓電路 28
圖17 電路運作時各波形 29
圖18 MCU的安全供電電路 33
圖19 史密特觸發器的特性曲線 35
圖20 程式流程圖 36
圖21 I/O的硬體架構 38
圖22 PWM的硬體架構 40
圖23 timer2模組的架構 41
圖24 ADC的硬體架構 43
圖25 PCB電路圖 45
圖26 系統架構 47
圖27 PIC18F4520腳位圖 49
圖28 輸入電壓為13V時的轉換數值 56
圖29 輸入電壓為14V時的轉換數值 56
圖30 輸入電壓為15V時的轉換數值 57
圖31 輸入電壓為16V時的轉換數值 57
圖32 輸入電壓為17V時的轉換數值 58
圖33 輸入電壓為18V時的轉換數值 58
圖34 R2為39K歐姆時的電流感測解析度 59
圖35 R2為100K歐姆時的電流感測解析度 60
圖36 R2為16K歐姆時的電流感測解析度 60
圖37 未經過頻率匹配的波形(70°C / 3W輸出) 61
圖38 經過頻率匹配的波形(30°C / 7.6W輸出) 62
圖39 1號電池放電電壓 63
圖40 1號電池放電電流 64
圖41 1號電池放電功率 64
圖42 1號電池放電瓦時 65
圖43 2號電池放電電壓 65
圖44 2號電池放電電流 66
圖45 2號電池放電功率 66
圖46 2號電池放電瓦時 67
圖47 3號電池放電電壓 67
圖49 3號電池放電功率 68
圖50 3號電池放電瓦時 69
圖52本研究充電後放電電壓 71
圖53 市售充電器充電後放電電流 71
圖54 本研究充電後放電電流 72
圖55 市售充電器充電後放電功率 72
圖56 本研究充電後放電功率 73
圖57 市售充電器充電後放電瓦時 73
圖58 本研究充電後放電瓦時 74
圖59 本研究與市售充電器比較 74

表目錄
表1 鉛酸電池規格 48
表2 PIC18F4520規格 49
表3 零件一覽表 50
表4 ICD4規格 52
表5 Protel 99 SE 硬體需求 53

參考文獻

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〔12〕洪連輝教授、趙書漢，白努利原理(Bernoulli’s Principle)，科學Online(高瞻自然科學教學資源平台)(2009/06/26)

指導教授

張榮森(Rong-Seng Chang)

審核日期

2019-7-29

推文