行动电力系统测试

156行動電力系統測試組員：劉佳明、周芳賢德霖技術學院機械工程系日五專0921指導老師：王岱淇老師摘要現代生活對於電力的使用需求，無所不在；基於休閒旅遊的舒適性，可攜帶式之電源供應，為未來休閒生活不可或缺的設備。蓄電瓶電力的攜帶，必須考慮再充電的正確時機，以延長蓄電瓶的使用壽命，電力供應系統的控制，成為重要課題。本研究利用微電腦充電器與交直流電壓轉換器，整合為可攜式行動電力系統。採用電動車用蓄電瓶GSTEV12500做為電力儲存。微電腦充電器將市電儲存於蓄電瓶，當蓄電瓶充電完成，自動停止充電，並以燈號顯示充電完成訊息。在無市電供應之場地，交直流電壓轉換器將蓄電瓶之電力，轉換成110V之交流電供應戶外活動使用，當電量降低至某程度後，交直流電壓轉換器發出斷續聲響，提醒電瓶之低電壓，持續耗電至某更低電壓後，系統將停止供電，並持續發出聲響，提醒使用者應進行充電。當市電供應狀態下，交直流電壓轉換器未啟動狀態下，系統供電插座可直接供應市電。本系統利用繼電器整合供電線路，使系統可產生不斷電功能，在交直流電壓轉換器啟動狀態下，當市電斷電時，繼電器將自動將蓄電瓶電力於極短時間內，供應至系統供電插座，經試驗結果，電腦呈現穩定運轉。本系統提供車充功能，可使用汽車點煙器插座逕行充電，全部系統整合於一絕緣塑膠箱，並配有伸縮拉桿，便於收藏於汽車行李箱，塑膠箱配有膠輪，可輕易將行動電力系統拖行至戶外使用。一、前言現今的社會休閒活動日新月異，難免外出會碰到用電或是野外用電的種種問題，碰到天災例如地震導致停電，使用發電機又會因為它吵雜的聲音吵到他人，所以才想到做一種安靜又便利的電力系統。行動方便的發電機有目前市面上有多樣化，又以汽油發電為普遍化，但是卻有吵雜的噪音和難聞的汽油味道，當然也有環保的發電方法，目前以環保方法發電的有燃料電池、風力發電、太陽能等等，但是成本昂貴，便利性和實用性卻沒有如此的方便，當然也有動力發電得商品，如用捏的發電手電筒、也有轉動式腳踏發電機，但是在現今的社會追求的方便，等到動力發電放出的電量，也已經滿身大汗，所以不符合現代人所需要的便利。圖1、拉力手把在這些條件種種要求下，我們將各種器材不斷輕量化，也加裝了手把跟輪子產生出拉力手把請看圖1，也未了外出便利怕中途電量不夠用，加裝了車上充電設備將點煙器，拔157下後再將車用插頭插上，就能在車上旅途中進行充電，在功能上也加裝了UPS不斷電系統和LED燈泡來提醒使用者，是否有電量充足或是否放電正常，來符合各種便利性。二、研究目的本專題是以利用電腦充電器跟交直流電壓轉換器做組合再連接到電瓶，組合出一台行動電力系統，請看圖2組合圖，以測試來降低這些問題的發生。充電速率以一般家用110V的插頭做充電測試，充電速率以平均一小時紀錄一次，電量充到16.5V的時候他是否會自動切斷不再繼續充電，避免充過頭導致意外的發生。放電速率以家用型電風扇，做放電測試固定放電電壓110V，平均每小時紀錄一次，在電壓太少時，是否會自動發出警訊提醒使用者，那電壓又是到達多少會發出警訊。將過程出現的問題加以改良，並且加裝ＬＥＤ燈泡來提醒使用者，是否有電量充足或是否放電正常，在充電和放電過程中也觀察ＬＥＤ燈泡，是否會隨電流增減進行變化顏色。圖2、電腦充電器與交直流電壓轉換器組合圖三、文獻探討交直流電壓轉換器的特性為：設有溫度感測器，感測溫度升至某溫度，風扇開始啟動，溫度超過60℃，發出連續短笛聲，且自動關機以保護裝置，請看圖3。電流超過2.5~7安培，風扇自動啟動。超過8.5A，笛-笛-笛短響聲。電池電壓降低至10.50.5℃時，系統每隔數十秒發出短警笛聲，預先警告電瓶低電壓，提醒使用者儘速充電。電池電壓降低至10.00.5℃時，系統供電插座將停止供電，並發出持續笛聲提醒使用者儘速充電。當負載超過，系統微電腦則啟動保護而自動關機，降低負載後，可重新開機。使用點煙插頭連接汽車電源供應本轉換器時，為保護汽車電力供應系統，本系統輸出功率勿超過150W。圖3、交直流電路板系統連結電池時的正負極性保護採35A保險司裝置。本系統電力轉換效率為85%以上。輸出之波形為模擬正弦波，系統待機消耗電流小於0.3A。輸入電壓為10~15ADC。輸入最大電流35A，輸出電壓(AC)為115V，輸出頻率為60Hz。電瓶介紹：1.放電：為了達到較長使用壽命，電瓶放電時應避免超過蓄電容量的80%，相當於放電末期，電瓶液的比重不應低於1.13Kg/L，放電後之電瓶應馬上充電，不要留下不管，因它本身會自行放電，導致電瓶過度放電並形成硫酸鉛結晶附著在極板上(即所謂硫化現象)，對電瓶壽命傷害甚大。1582.充電：只能用直流電充電，充電時所產生的易燃性氣體應讓它快速擴散，充電器附近應嚴禁火花，電瓶箱蓋應該打開或移出，電瓶排氣塞子應關緊，確定充電器電源關上，將電瓶組連接到充電器，正極接正極，負極接負極，然後打開電源開關開始充電，電瓶液溫度太高，應暫停充電，直到溫度降到45度以下。電瓶液的溫度，至少應該比充電前增加10度，當電瓶液比重與電瓶電壓保持2小時不變，即代表充電完成，充電完成後,至少半小時才可以將電瓶箱箱蓋蓋上，每組電瓶應選擇適合它規格的充電器，這是極為重要。3.均等充電：它會保護電瓶的使用壽命並維持正常的蓄電容量，在過度放電或重複未充分充電時，必須在正常充電後實施均等充電，它最大的充電電流為5A/100A額定容量。4.檢查溫度：電瓶液的設計溫度為30度，高溫會縮短電瓶使用壽命，低溫會降低電瓶的蓄電量，攝氏55度是不可接受的操作極限溫度。5.電瓶液：電瓶液的正常比重設定在20℃時1.280Kg/L，高溫時比重減少，低溫時增加，適當的校正係數為每℃,0.0007Kg/L，即相當於30℃時1.270Kg/L的比重，電瓶液的比重必須符合規定，太高會影響電瓶壽命，太低會影響蓄電容量。鉛酸電瓶介紹:基本原理結構式：(－)Pb|H2SO4|PbSO2(＋)因為硫酸為二質子酸，再加上其一級解離常數的值(K1)遠大於二級解離常數(K2)，所以電解液中的反應主要是透過H+與HSO4-來與電極進行。放電反應：陽極(－)：Pb(s)+HSO4-→PbSO4+H++2e-陰極(＋)：PbO2+3H++HSO4-+2e-→PbSO4+2H2O淨反應：Pb+PbO+2H2SO4→2PbSO4+2H2O由上面的反應可以看出，放電的進行會使得陰陽極上的Pb與PbO2以及電解液中的硫酸持續的被消耗。這樣的情形會造成放電電位的下降，在電解液中硫酸含量降至約14.72%wt時，應該進行充電的步驟以使陰陽極再度活化、電解液硫酸濃度回到初始值。要進行充電的步驟，應該將充電器與鉛酸電池的兩個正極、負極兩兩相接。充電反應：陰極(－)：PbSO4+H++2e-→Pb(s)+HSO4-陽極(＋)：PbSO4+2H2O→PbO2+3H++HSO4-+2e-淨反應：2PbSO4+2H2O→Pb+PbO2+2H2SO4鉛酸電池充電方法:由於鉛酸電池雖然具有高容量的優點，但其電化學反應速率不如鎳金屬電池或鋰系電池快速，其電化學反應時延也較為明顯。由於這種特性，各國學者與產業界對於鉛酸電池提出許多不同的充電策略，概分成下列幾種或其組合：1.定電壓充電法在充電過程中，以固定電壓高於電池電壓的直流電進行充電。此時由於電壓差的因素，強迫電池進行逆化學反應，進行儲能。此種充電方法在充電初期因為電位差相差較大，充電的速度效果較佳，但伴隨電池內電阻上升，充電電壓與電池電壓差逐漸減小，充電的速度效果降低。而且，當充電電壓與電池電壓差過大時，極大的充電電流流入電池使逆化學反應速度過快，可能造成電池內部溫度上升，當電池經常處於超過45℃，對電池的壽命會造成嚴重的影響。為解決充電初期，定電壓使充電電流過大的問題，目前衍生出多段定電壓充電方法，待電池電壓逐漸上升至設定的電位時，再提高電壓繼續充電。2.定電流充電法在充電過程中，以高於電池電壓之固定電流的直流電進行充電。此時由於電壓差的影159響，電池也會進行逆化學反應，進行儲能。當隨充電時間增加，電池的內電阻加大，由於環路電流仍保持固定值，造成電池電壓逐漸上升，保持充電電壓高於電池電壓，而能持續對電池充電。這種充電方法缺點為，在電池逐漸充飽的過程時，電池電壓逐漸上升，若不進行有效的上限控制，電池電壓過高將造成電池永久的損壞，而控制的上限電壓值的選擇，將直接影響充電的飽充程度。3.脈衝充電法這種充電方法主要是在充電過程中，在每一個充電脈衝後緊接著一個短暫休息，或甚至緊接著一個放電脈衝。其原理是借由放電脈衝以去除化學反應產生的氣體附著於極板上，阻礙反應的進行，較為熟知的為ChristieElectric提出的ReflexTM充電法，為脈衝充電法的例子。但經過學者及業者許多的實驗逐漸證明，在新電池其物質活性較高，這個方法確實可以提高電池的充電效率，其單位時間充入的電量較其他方法高。但當電池活性略降低後，一如使用一段時間後的電池，其單位時間充入的電量與其他方法比較，卻沒有明顯的差異。甚至，一些實驗結果顯示，這種加速充電法，在電池充電過程中，尤其運用在鉛酸電池時將使電池活性快速降低，減少電池使用壽命；而當電池電量較高時，例如充電已接近充飽時，使用此種方法雖然可維持電池電量，但在此種方法不斷充電放電過程，一如電池不斷的放電與充電，反而影響電池的壽命。4.電池內電阻估測充電法由於充電時，電池的內電阻不斷產生變化，要能滿足穩定、不影響電池壽命、快速充電的要求，一種可行的方法是，充電策略隨著電池內電阻的變化隨時調整，此即這種方法的基本概念。但是電池的內電阻在充電過程中，是難以直接量測，且會隨不同廠牌電池或不同活性程度的電池，發生極大的估算偏差，因此這種充電法尚未達實用階段。但是利用電池內電阻形成電池的外顯能量位準，與充電器形成電池的外顯能量位準之間，構成充電的電池能量障壁BEB，卻是可以替代電池內電阻估測而可以為充電策略調整的條件，這種方法稱BEB充電法，預期將可達到最適且無段充電的追求目標。UPS介紹:UPS的產品分類，分為在線式(ON-LINE)、離線式(OFF-LINE)、線上互動式(LINEINTERACTIVE)三大類。在早期，UPS原本只有在線式(ON-LINE)及離線式(OFF-LINE)兩種，後來美國生產不斷電系統的廠商推出介於在線式與離線式的線上互動式(LINEINTERACTIVE)後，分類已從原本的二大類變成了三大類。但是線上互動式的動作特性類似離線式，所以UPS的架構主要還是以在線式及離線式兩類為主。所謂在線式UPS，是指當台電正常供電時，電流分為兩個進行方向同時動作，一方面經由充電迴路對電池充電，另一方面則是經過變流器變流器的轉換功能，提供電力給機械設備使用；此時若台電供電發生異常，則變流器的輸入則改由電池組來供應，變流器持續提供電力沒有中斷。由此可知，不論供電正常與否，在線式不斷電系統輸出給設備的電力完全由變流器來供應，因此不論台電供應的電力品質如何，機械設備所收到的電力均是穩定而不受任何影響。但是因為架構較複雜，所以成本較高，一般用在醫療設計、緊急逃生設備、大型辦公大樓、高精密度儀器等設備使用。離線式UPS是指當台電正常供電時，電力經過UPS過濾雜訊後，直接供應電力給設備使用，在此另外有一組迴路在對電池組進行充電，而變流器此時並不動作。此時若台電供應的電壓不穩定時，輸出電壓因為沒有經過整流器，所以會和台電供應的電壓一樣不穩定；必須等到電力突然發生異常時，UPS才會切換到變流器，由變流器提供穩定的電力給設備使用。由此可知，離線式UPS有兩組電力交替使160用，這並不是好事，因為兩組電力於交替轉換時會產生3~4微秒的轉換時間，此轉換時間對於某些設備將會造成當機，雖然如此，由於一般個人電腦允許10微秒以內的轉換時間，所以並不會造成傷害。也因為離線式UPS架構簡單，體積小，而保護性較差，因此較適合一般個人電腦與周邊設備使用。而線上互動式UPS原理與離線式相去不遠，最大的特色在於電池充電器與變流器共用一個電力轉換器，這個電力轉換器除了平時對電池進行大電流快速充電外，一旦停