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系統識別號 U0002-0908201214291400
中文論文名稱 以電化學模式為核心之鋰電池充電流程模擬與分析
英文論文名稱 Analysis and Simulation of Lithium Battery Charging Based on Electrochemical Model
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Aerospace Engineering
學年度 100
學期 2
出版年 101
研究生中文姓名 馬阡蔚
研究生英文姓名 Chien-Wei Ma
學號 699430699
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2012-06-27
論文頁數 87頁
口試委員 指導教授-蕭照焜
委員-蕭照焜
委員-馬德明
委員-周明
中文關鍵字 電池模型  升降壓電源轉換器  電池充電模型 
英文關鍵字 battery model  buck-boost power converter  battery charging model 
學科別分類 學科別應用科學航空太空
中文摘要 本篇論文主要是以鋰離子電池的電化學模式結合電源升降壓轉換器運用在太陽能電源管理系統的鋰電池充放電流程的分析。鋰離子嵌入和脫出正負極材料而造成電池內部的鋰離子濃度變化,鋰電池的電壓會因內部鋰離子濃度變化而有所不同。經由升降壓轉換器的三個模式:升壓、降壓和升降壓;根據充電的形式調整升降壓轉換器的模式來對電池進行充電。電池濃度的判斷,是將電極假設為單一球型粒子,藉由得到粒子表層的濃度分布後,經由鋰電池的開路電壓方程式來計算出電池的電壓狀況及電池之殘存電量,並於MATLAB環境先行模擬電池充電,最後再由建立在simulink底下的PLECS電子電路模擬軟體來執行鋰電池充電流程分析與模擬。並將充電過程和當下電池的殘存電量完整地呈現出來。
英文摘要 This thesis presents the analysis and simulation of Li-ion battery charging process for a solar powered battery management system based on electrochemical model. The battery is charged with a non-inverting synchronous buck-boost DC/DC power converter. The system can operate in buck, buck-boost or boost mode according to the condition of the supply voltage from the solar panels. The approximate electrochemical based lithium battery model is investigated and tailored to control and estimation applications. The approximate model is expressed in state space form with nonlinear output. In this model, the surface concentration information and the applied current , the battery voltage can be determined. A dynamical model for the battery charging process is established based on electrochemical model for the Li-ion battery along with the dynamic model of the buck-boost power converter. The battery charging model is verified by utilizing the MATLAB based Simulink toolbox-Piecewise Linear Electric Circuit Simulation tool.
論文目次 目錄
目錄 i
圖次 iii
表次 v
符號定義 vi
第一章 緒論 1
1.1 問題陳述 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究動機與系統架構 6
第二章 鋰離子電池的基本概念 9
2.1 工作原理 9
2.2 主要特點 10
第三章 鋰離子電池電化學模型 13
3.1 固態電位 14
3.2 電解液電位 15
3.3 電解液的濃度 17
3.4 固態的濃度 19
3.5 Butler-Volmer方程式 20
3.6 平均電極模型(Electrode Averaged Model) 24
第四章 鋰電池充電動態模式 34
4.1 降壓模型 34
4.1.1 降壓型充電模型 35
4.1.2 降壓型放電模型 39
4.2 升壓模型 44
4.2.1 升壓型充電模型 45
4.2.2 升壓型放電模型 46
4.3 升降壓模型 48
4.3.1 升降壓型充電模型 49
4.3.2 升降壓型放電模型 50
4.4 小擾動 52
第五章 鋰電池充電模型建立與模擬 56
5.1 模型建立 56
5.2 電池充電模擬 62
第六章 結論與未來展望 67
參考文獻 69
附錄一 71
附錄二 74


圖次
圖1-1 (a) Thevenin-Based Electrical Model (b) Impedance-Based Electrical Model 3
圖1-2 Runtime-Based Electrical Model 4
圖1-3 Electrical Battery Model combine with Thevenin, Impedance and Runtime-Based Model 4
圖1-4 Buck-Boost Converter 5
圖1-5 Electrical Battery Model with Buck-Boost Converter 5
圖1-6 電池管理系統架構 7
圖2-1 鋰離子充放電示意圖 10
圖3-1 鋰離子電池電化學模型示意圖 14
圖3-2 電極中的單粒子示意圖 24
圖3-3 Electrode Averaged 示意圖 26
圖3-4 電池充電內部電位變化 28
圖3-5 電解液的電流密度分布 31
圖4-1 (a)降壓型電感充電示意圖(b) 降壓型電感放電示意圖 35
圖4-2 降壓型電感充電 35
圖4-3 降壓型電感放電 39
圖4-4 鋰離子電池充電系統方塊圖 43
圖4-5 (a) 升壓型電感充電示意圖(b) 升壓型電感放電示意圖 44
圖4-6 升壓型電感充電 45
圖4-7 升壓型電感放電 46
圖4-8 (a)升降壓型電感充電示意圖(b)升降壓型電感放電示意圖 48
圖4-9 升降壓型電感充電 49
圖4-10 升降壓型電感放電 50
圖5-1 鋰離子電池充電模型 56
圖5-2 邏輯信號 57
圖5-3 電源轉換器 58
圖5-4 電化學模型 58
圖5-5 Controller 59
圖5-6 差動放大器 59
圖5-7 Duty ratio update 60
圖5-8 整體架構透視圖 61
圖5-9 電化學模型程式流程 62
圖5-10 電池充電電壓 63
圖5-11 充電正極濃度變化 64
圖5-12 充電負極濃度變化 64
圖5-13 電池充電殘存電量 65
圖5-14 PLECS電池模型充電模擬 66
圖5-15 PLECS模擬電池充電殘電量 66


表次
表2-1 各類電池性能表 [10] 11
表2-2 鋰離子電池分類 12
表3-1 The governing equations for the positive/negative electrode [6] 23

參考文獻 [1] 蔡信行,2006,替代能源之回顧與展望(上),石油季刊,第42卷,第一期,頁33-48。
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[3] 陳彥勳, 以非反向同步升降壓電壓源轉換器執行鋰電池充電之動態模式探討與模擬, 淡江大學碩士論文, 民國100年6月.
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[9] K. Smith, C. Rahn, and C.-Y. Wang, “Control oriented 1D electrochemical model of lithium ion battery,” Energy Convers. Manage., vol. 78, on. 9, pp.2565-2578, 2007.
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[13] S. Santhanagopalan and R. E. White, “Online estimation of the state of charge of a lithium ion cell,” J. Power Sources, vol.161, no.2, pp. 1346-1355, 2006.
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[15] Bergveld H J, Kruijt W S and Notten P H L 2002 Battery Management System, Design by Modelling (Philips Research Book Series) vol 1 (Boston, MA: Kluwer)
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