以LabVIEW為基礎的電池壽命量測系統

許志良 黃永坤

 

摘要

本專題提出一種簡易且具彈性的電池壽命檢測方法，其中利用LabVIEW軟體規劃出人性化的人機介面，縮短了量測實驗中所需的人力與提升量測數據的準確度，並進而提供了建立電池殘餘電容量模型與預測的一良好實驗環境。

一、前言

隨著科技的進步，過去體積佔極大空間的電器產品正快速地縮小，可攜帶的電器產品也越來越普遍，而跟隨著電的使用也越來越頻繁，因為電池使用很便利，許多生活用品如照相機、隨身聽、行動電話、電腦辭典、手電筒、筆記型電腦和攝影機……等都是現代的生活用品，都須要用到它，所以消耗量也越來越大。電池已成為現代日常生活中不可缺少生活用品之一，有許多的研究團隊正積極投入心力在改進電池的使用壽命和研發新的電池材料。電池依其可否充、放電重複使用，分為一次電池與二次電池。有關電池主要的研究主題有以下幾點有待進一步研發與探討：

(1)     電池殘餘電量檢測誤差過大
準確度高的電池殘餘電量檢測技術，可以提供使用者可靠的電池狀態，讓使用者在電池即將耗盡時，適時更換電池，讓所操作的系統得以運作正常。若沒有準確的電池電容量檢測技術，不僅系統會因電池耗盡而無法動作且會影響二次電池的壽命。基於保護電池性能與系統的運作，具有準確的電池殘餘電量檢測技術是相當重要。在電池殘餘電量檢測技術方面，雖然已經有許多高準確度的方法陸續問世，如智慧型量測法【1】、電池內阻量測法【2-4】等等，但目前基於成本、使用環境的考量，多數電器產品仍以閉迴路電壓法或簡單積分法為主要電池容量檢測的方式。

(2)     電池的能量密度過低
由於電子產品的功能愈來愈多且執行速度愈來愈快，其所需的電力就相對的提高，因而對電池容量的需求就愈來愈大但又希望其重量不要因需求而增高，所以對於電池能量密度的提升就越來越殷切。電池的能量密度可分為單位重量能量密度、單位體積能量密度。以目前能量密度最高的高分子鋰電池為例，其重量能量密度為150Wh/kg、體積能量密度為220Wh/L，與傳統的鉛酸電池比較其重量能量密度僅35Wh/kg。目前許多研究團隊也正努力尋找替代材料或全新的電池結構，如燃料電池等。

(3)     二次電池所需充電時間過長
為了縮短二次電池的充電時間，許多學者提出不同的充電法，如脈衝充電法、智慧型充電法、多段式充電法等，對於充電時間有大幅的縮短。雖然燃料電池可能是未來電池的主流，但以目前的技術仍有許多關鍵技術尚待克服。

在一次與二次電池的研究中，電池容量的檢測是一相當重要且基本的工具之一，如何以最簡單與彈性的方式來達到設立電池容量檢測的實驗環境，是本文所要探討的主題。本文利用Labview軟體透過DAQ卡在有負載下來擷取外部電池電壓與電流的變化並同時監測環境與電池的溫度，藉著執行所設計的控制程式以架構成一完整的電池容量檢測系統

二、研究目的

比較常用各廠牌3號一次電池在相同的負載的容量。

(1)     比較各廠牌同一型號電池放電時間與電容量的變異性

(2)     比較不同種類電池的放電時間與電容量

(3)     電池價格效益的評估

研究方法與系統架構

整個系統架構如圖一所示，以個人電腦為資料擷取的核心，透過資料擷取卡，以讀取外界的信號其中包含電池的電壓、溫度與外在環境的溫度。

 

 

圖一 系統架構圖

 

而信號處理電路則是處理信號的轉換，將溫度與電流的信號轉換成電壓的信號，以供資料擷取卡讀取。溫度量測的電路是採用AD590 IC型的感溫元件，其用途在於量測電池與環境的溫度。其電路如圖二所示，AD590的溫度與電流的關係可寫為式(1)

                                                                                             (1)

其中表示相對應於溫度的電流，表示時所對應的電流，表示電流與溫度的係數。

當AD590將溫度轉換成電流信號後再將電流信號轉成電壓信號，由於其電流信號相當小，故電壓信號必需透過運算放大器放大成資料擷取卡可接受的範圍，同時也減少輸出阻抗，以降低負載效應的影響。

 

圖二 溫度感測電路

 

本系統中的資料擷取卡是採用DAQ PCI-6024E其主要的功能有：

l    16個頻道的類比輸入；12-bit解析度；200ks/s取樣頻率

l    2個頻道的類比輸出；12-bit解析度；10ks/s輸出頻率

l    8個數位輸出與輸入

l    2個頻道24bit計數器

本系統主要利用5個類比輸入頻道檢測兩組電池的溫度、一組環境溫度與兩組電池的電壓，而電池的電流則以負載的大小與電池的電壓換算而得。

在軟體方面則利用Labview軟體設計規劃人機介面，其主要的工作有前置面板(front panel)的繪製與程式方塊圖(block diagram的編寫，所謂前置面板的繪製就是利用軟體所提供的工具，設計所需的監控畫面、控制按鈕、與曲線圖表，以顯示所擷取到的訊號狀態，例如溫度的顯示就設計一個傳統溫度計的樣式，以達到人機間最大的親和力。而程式方塊圖的編寫則是利用圖形的方式來編寫控制的流程與資料的流向。其所設計的電池容量檢測人機介面如圖三所示：

 

圖三 電池容量檢測人機介面

 

從畫面中的左側可看到此系統可顯示目前的日期與時間並可設定操作模式為手動或自動模式，所謂自動模式即自動量測有負載的電池電壓隨時間的變化情形，當電池電壓下降至一低限值時則自動停止量測，並將所量測的數據自動儲存成Execl的格式，以方便以後資料的分析。而手動模式則純粹由人工方式停止量測並儲存檔案。而在畫面的左下方可讀取目前現在環境的溫度。在畫面的右側則有兩組量測電池的子畫面，在量測子畫面的右側可設定電池的型號與使用的負載電阻，並可讀取量測中電池的溫度與電壓。在量測的過程中可即時觀察溫度即時的曲線圖如圖四。同時也可以由即時的數據表中讀取量測的資料。如圖五所示。當檢測中止時，則由程式中式(2)計算電池容量並顯示在畫面上如圖六所示。

                                                                                                                            (2)

其中為電池量測終止時所檢測的電池容量，為第時間的電池電壓，為負載電阻大小，為取樣週期。

式(2)為離散時間安培小時的估算法，安培小時法是目前較為可行，準確度較高的電容量檢測方法，雖然實際的電池容量應為瓦特-小時，但一般電池電壓均視為固定，故習慣上使用安培-小時。

 

圖四 溫度即時曲線圖

 

圖五 即時數據顯示

 

圖六 電池容量顯示

基於前言部份的延伸，本研究主要在建構一電池容量檢測系統並量測各種不同電池的容量以測試電池容量檢測系統的使用性能。故初期研究以下列幾個研究項目為目的：

四、實驗結果與實作成品

 

利用上段所描述的方法來執行電池容量檢測，其主要的實驗有三項：

(1)  比較市面上各常用相同廠牌相同種類電池的差異性

(2)  比較相同種類不同廠牌電池的差異性

(3)  價格效益的比較

此實驗採定電阻放電，即以不同廠牌的3號電池進行定電阻放電，直到電池電壓在0.8V時即停止量測，存檔並繪製曲線圖。

 

l   鹼性電池檢測

此實驗分別以四顆相同廠牌3號鹼性電池進行定電阻放電。以四種廠牌分別取名D牌、P牌、E牌、T牌。其結果如圖七(a-d)所示。D牌終止時間最大差距為14分鐘、電池容量最大差距為68.89mAh；P牌終止時間最大差距為16分鐘、電池容量最大差距為52.46mAh；E牌終止時間最大差距為15分鐘、電池容量最大差距為58.77mAh；T牌終止時間最大差距為22分鐘、電池容量最大差距為114.42mAh。四種不同廠牌鹼性電池其終止時間大致落在320分-410分之間如圖九所示，若以均值為母數則其依廠牌的變動率為，而其終止時間誤差依不同廠牌控制在14-22分之間。

 

圖七(a) D牌電池放電曲線圖

 

圖七(b) P牌電池放電曲線圖

 

圖七(c) E牌電池放電曲線圖

 

圖七(d) T牌電池放電曲線圖

 

l    碳鋅電池檢測

再分別以四顆相同廠牌3號碳鋅電池進行定電阻放電。以四種廠牌分別取名N牌、E牌、M牌、T牌。其結果如圖八(a-d)所示。N牌終止時間最大差距為7分鐘、電池容量最大差距為30.32mAh；E牌終止時間最大差距為1分鐘、電池容量最大差距為9.93mAh；M牌終止時間最大差距為9分鐘、電池容量最大差距為40.6mAh；T牌終止時間最大差距為22分鐘、電池容量最大差距為104.3mAh。

四種不同廠牌碳鋅電池其終止時間大致落在80分-120分之間如圖十所示，若以均值為母數則其依廠牌的變動率為，而其終止時間誤差依不同廠牌控制在1-22分之間。可見不同廠牌對於品質的管控仍有明顯的差距。

 

圖八(a) N牌電池放電曲線圖

 

圖八(b) E牌電池放電曲線圖

 

圖八(c) M牌電池放電曲線圖

 

圖八(d) T牌電池放電曲線圖

 

圖九 不同廠牌鹼性電池放電曲線圖

 

圖十 不同廠牌碳鋅電池放電曲線圖

 

l    鹼性電池與碳鋅電池的比較

將上述檢測的鹼性電池與碳鋅電池數據重新整理，分別把鹼性與碳鋅兩類中，同一種類不同廠牌最長及最短的曲線分別繪出如圖十一所示。

 

圖十一 不同廠牌碳鋅電池放電曲線圖

 

鹼性電池與碳鋅電池的放電時間比率變化在4.4倍-2.65倍之間；電池電容量比率變化在4.13倍-2.76倍之間。

 

l    價格效益分析

當鹼性電池與碳鋅電池在負載時(模擬小玩具的負載環境)連續放電至終止時，其終止時間鹼性電池約為碳為碳鋅電池的2.65倍-4.4倍。所以假設一個碳鋅電池的價格為8元時，若鹼性電池的價格在21.6元以下時，使用鹼性電池就一定更有經濟效益。若價格在21.6元—35.2元之間時且不考慮使用上的方便性則使用鹼性電池或碳鋅電池就沒有特別的差別了。若價格在35.2元以上時且不考慮使用上的方便性，使用碳鋅電池就較有經濟效益了。

 

l    專題成品

成品外觀圖