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研究生： 楊士祈
Shih-Chi Yang
論文名稱： 風力發電與磷酸鋰鐵電池充放電量測系統介面之設計
Measurement Interface Design of Wind Power Generator and Charging and Discharging System of LiFePO4 Batteries
指導教授： 程金保
Cheng, Chin-Pao
李坤彥
Lee, Kung-Yen
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 機電工程學系
Department of Mechatronic Engineering
論文出版年： 2011
畢業學年度： 99
語文別： 中文
論文頁數： 81
中文關鍵詞： 微處理器AT89C51ED2 、風力發電 、磷酸鋰鐵電池 、充放電
英文關鍵詞： LabVIEW, microcontroller AT89C51ED2, wind generation, LiFePO4 batteries, charging/discharging
論文種類： 學術論文
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    • 本文將探討風力發電系統最大功率點與轉速、電壓關係曲線並建立其數學模式。實驗以美國西南公司(South West)所開發的AIR-X Land 400 型風力發電系統結合介面軟體LabVIEW 設計量測介面與紀錄實際發電數據，進而推導出最大功率點(Maximum Power Point)曲線與轉速二次及三次方多項式。並且利用LabVIEW設計磷酸鋰鐵電池充放電控制系統，此電路系統包含ADC轉換電路、分壓取樣電路、繼電器控制電路、電流偵測電路;並且搭配微處理器AT89C51ED2經由軟體與韌體的交握程式和實作的硬體電路結合，藉由RS-232串列埠的傳輸指令控制磷酸鋰鐵電池充放電與紀錄實測充放電數據，經過分析後建立以放電電壓與時間關係式及充電電量為基準的充放電系統。

    The purpose of this thesis is to investigate the relationship between maximum power points and revolutions per minute (RPM), and the mathematical model can be then built. The AIR-X Land 400 wind generation system was used to generate power and LabVIEW was used to design the interface between PC and humans, and record data which was then analyzed to derive the second and third order polynomial equations for fitting curves of power versus RPM. A charging and discharging system, including ADC circuits, partial voltage sampling circuits, relay control circuits and current detection circuits can interconnect each other by programming LabVIEW and microprocessor AT89C51ED2. RS-232 serial ports were used to transmit commands to control and record data of charging and discharging of LiFePO4 batteries. After analyzing the data, we can establish the charging and discharging interface based on the relationship of discharging voltages and time and charging capacities.

    中文摘要……………………………………………………………………Ⅰ 英文摘要……………………………………………………………………Ⅱ 總目錄………………………………………………………………………Ⅲ 圖目錄………………………………………………………………………Ⅵ 表目錄………………………………………………………………………Ⅸ 第一章 緒論………………………………………………………………………1 1.1研究背景……………………………………………………………1 1.2 研究動機及目的…………………………………………………1 1.3 論文架構…………………………………………………………2 第二章 獨立型風力發電機與鋰電池介紹……………………………………4 2.1風力發電機介紹……………………………………………………4 2.2風力發電原理……………………………………………………5 2.3 電池介紹…………………………………………………………10 2.3.1化學電池……………………………………………………11 2.3.2物理電池……………………………………………………12 2.3.3一次電池……………………………………………………12 2.3.4二次電池……………………………………………………12 2.4鋰電池介紹……………………………………………………13 2.4.1鋰電池運作原理……………………………………………14 2.4.2電池記憶效應……………………………………………16 2.5 電池充電方式……………………………………………………16 2.5.1定電壓充電……………………………………………17 2.5.2定電流充電……………………………………………17 2.5.3混合式定電流/定電壓充電………………………………18 2.5.4脈波式充電……………………………………………19 2.5.5 ReflexTM充電………………………………………20 2.6 電池容量影響因素………………………………………………21 2.6.1放電電流大小……………………………………………21 2.6.2電池工作溫度……………………………………………22 2.6.3電池老化…………………………………………………22 2.6.4自我放電率………………………………………………22 2.7 電池電容量檢測………………………………………………23 2.7.1開路電壓法………………………………………………23 2.7.2閉迴路電壓法……………………………………………23 2.7.3安培小時積分法…………………………………………24 2.7.4比重法……………………………………………………24 2.7.5查表法……………………………………………………25 2.7.6電池內阻法………………………………………………25 第三章 量測系統與監控介面設計……………………………………………26 3.1圖控軟體LabVIEW介紹………………………………………26 3.1.1人機介面…………………………………………………27 3.1.2程式方塊圖………………………………………………27 3.1.3圖示與連結器………………………………………………29 3.2 DAQ(Data Acquisition Card)資料擷取卡…………………29 3.3 微處理器AT89C51ED2介紹……………………………………30 3.3.1串列埠傳輸…………………………………………………31 3.3.2 RS-232C規格介紹………………………………………33 3.3.3 軟體與韌體程式交握……………………………………34 第四章 風力發電量測系統與實測……………………………………………37 4.1 風力發電量測系統………………………………………………37 4.2 功率、電壓與轉速之量測介面…………………………………40 4.3 功率對電壓量測數據分析…………………………………43 4.4 功率對轉速量測數據分析…………………………………45 第五章 鋰電池充放電量測系統與實測………………………………………48 5.1 鋰電池充放電量測系統…………………………………………48 5.2 鋰電池放電深度與電量…………………………………………49 5.3 控制器與充放電周邊電路設計…………………………………50 5.3.1 ADC轉換電路……………………………………………51 5.3.2 降壓取樣電路……………………………………………52 5.3.3 電流偵測電路……………………………………………53 5.3.4 繼電器驅動電路…………………………………………53 5.4 電流與分壓擷取控制…………………………………………55 5.5 鋰電池放電介面與實驗數據分析………………………………59 5.6 鋰電池充電介面與實驗數據分析………………………………70 5.7鋰電池充放電介面設計與實測………………………………74 第六章 結論……………………………………………………………………78 參考文獻………………………………………………………………………79 圖目錄 圖1-1. 研究架構圖……………………………………………………………2 圖2-1. 管流內風的流動圖……………………………………………………5 圖2-2. 風機前後流場…………………………………………………………6 圖2-3. 功率係數與尖端速度比關係…………………………………………9 圖2-4. 電池種類………………………………………………………………11 圖2-5. 全球二次電池市場規模………………………………………………13 圖2-6. 鋰電池基本構造……………………………………………………15 圖2-7. 鋰離子傳遞方向………………………………………………………16 圖2-8. 定電壓充電……………………………………………………………17 圖2-9. 定電流充電……………………………………………………………18 圖2-10. 混合式定電流/定電壓充電法………………………………………19 圖2-11. 脈波式充電…………………………………………………………19 圖2-12. ReflexTM充電……………………………………………………20 圖3-1. LabVIEW前置面版…………………………………………………27 圖3-2. 程式方塊圖……………………………………………………………28 圖 3-3. 微處理器AT89C51ED2內部構造……………………………………30 圖3-4. AT89C51ED2實習板………………………………………………31 圖3-5. UART串列傳輸……………………………………………………32 圖3-6. 二進位形式指令……………………………………………………35 圖3-7. 人機介面前置面版……………………………………………………35 圖3-8. 人機介面程式方塊……………………………………………………36 圖4-1. 實驗架構圖……………………………………………………………38 圖4-2. 實驗硬體圖…………………………………………………………38 圖4-3. 標準全雙工接線模式………………………………………………39 圖4-4. LabVIEW與RS-232同步鮑率設定……………………………………39 圖4-5. LabVIEW量測介面…………………………………………………41 圖4-6. 功率對電阻關係………………………………………………………42 圖4-7. 功率對電壓關係………………………………………………………42 圖4-8. LabVIEW推算之最大功率曲線…………………………………43 圖4-9. 功率對轉速關係…………………………………………………45 圖4-10. kω3與三次多項式……………………………………………45 圖5-1. 相同條件下1A、3A、5A放電深度………………………………50 圖5-2. 相同條件下1A、3A、5A放電電量………………………………50 圖5-3. ADC轉換電路………………………………………………………51 圖5-4. ADC實體轉換電路…………………………………………………52 圖5-5. 降壓取樣電路…………………………………………………………52 圖5-6. 電流偵測電路…………………………………………………………53 圖5-7. ULN2003A內部電路………………………………………………54 圖5-8. 繼電器驅動電路……………………………………………………54 圖5-9. 繼電器驅動實體電路………………………………………………55 圖5-10. CD4052腳位圖……………………………………………………55 圖5-11. 降壓取樣與電流偵測實體電路……………………………………56 圖5-12. 多通道放電控制……………………………………………………57 圖5-13. 電壓與電流監控介面………………………………………………57 圖5-14. 多通道放電監控介面………………………………………………58 圖5-15. 放電實驗流程………………………………………………………59 圖5-16. 放電監控介面………………………………………………………60 圖5-17. 1A放電電壓回復變化………………………………………………61 圖5-18. 1A放電電量積分……………………………………………………61 圖5-19. 第一次放電…………………………………………………………62 圖5-20. 第二次放電…………………………………………………………63 圖5-21. 第三次放電…………………………………………………………63 圖5-22. 第四次放電…………………………………………………………64 圖5-23. 第五次放電…………………………………………………………64 圖5-24. 第一次電壓回復……………………………………………………65 圖5-25. 第二次電壓回復……………………………………………………66 圖5-26. 第三次電壓回復……………………………………………………66 圖5-27. 第四次電壓回復……………………………………………………67 圖5-28. 第五次電壓回復……………………………………………………67 圖5-29. 第一次放電迴歸曲線………………………………………………68 圖5-30. 第一次放電電壓回復迴歸曲線……………………………………68 圖5-31. 1A放電實驗每隔100秒電壓變化………………………………69 圖5-32. 每隔100秒電壓斜率………………………………………………69 圖5-33. 每隔100秒電壓斜率變化量………………………………………70 圖5-34. LabVIEW監控充電流程…………………………………………71 圖5-35. 混合式充電法-1A充電……………………………………………72 圖5-36. 1A充電時取樣電阻上電壓之變化…………………………………72 圖5-37. 混合式充電法-3A充電……………………………………………73 圖5-38. 3A充電時取樣電阻上電壓之變化…………………………………73 圖5-39. 充放電實驗流程圖…………………………………………………75 圖5-40. 充放電硬體實測圖…………………………………………………76 圖5-41. 充放電硬體示意圖…………………………………………………76 圖5-42. 即時充放電控制介面………………………………………………77 表目錄 表1-1. 小型風力發電與太陽能發電比較……………………………………1 表2-1. 風力發電系統主要市場區隔及競爭…………………………………4 表2-2. 各種電池發展年代……………………………………………………10 表 2-3. 各式二次電池比較……………………………………………………14 表 2-4. 充電方法比較表………………………………………………………21 表2-5. 電池容量檢測方法……………………………………………………25 表3-1. RS-232串列介面接線與功能……………………………………… 33 表3-2. 3310D直流電子式負載指令……………………………………… 34 表4-1. 3310D傳輸規格……………………………………………………39 表4-2. 判定係數R2範圍值用說明…………………………………………44 表5-1. LYS3470144S-15鋰電池規格表……………………………………48 表5-2. CD4052真值表………………………………………………………56 表5-3. 量測電壓值與誤差……………………………………………………58 表5-4. 電流放電時間…………………………………………………………60

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