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研究生：	王柏崴 Wang, B0-Wei
論文名稱：	機器人之智慧型充電站與電源管理 The Intelligent Charging Station and Power Management for Robot
指導教授：	王榮泰 Wang, Rong-Tai
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	工學院 - 工程科學系 Department of Engineering Science
論文出版年：	2008
畢業學年度：	96
語文別：	中文
論文頁數：	76
中文關鍵詞：	充電站、庫侖檢測法、機器人
外文關鍵詞：	charging stations, robots, coulometer measurement
相關次數：	點閱：70 下載：8
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本論文主要設計與研製一個智慧型機器人之充電站，此充電站包含充電電路、自動充電、電力檢測電路、電池殘餘電量估測，和具有新型自動更換電池的功能。而電池殘電量估測是應用於鋰電池的智慧型管理系統，不但可以對電池的各種參數即時監控，並且可以讓機器人得知電池快用完且還有多少工作時間，以確保機器人可以順利回到充電站換電池並可以馬上工作。
充電站以單晶片(PIC16F877)為主控中心，可以控制驅動直流與步進馬達做更換電池的流程，並且以極限開關的控制訊號，藉此控制機器人離開充電站及表示電池更換完畢；主控端以BCB撰寫人機介面，由RS232傳輸模組傳送控制指令及接收回傳資料，而可以得知電池各種參數做即時監控，以避免機器人過度放電。
實驗結果顯示在監控電池輸出容量方面，提出修正型庫侖檢測法，可以準確的估測出電池的殘電量，及自動充電站也能夠確保電池可以更換完畢。

This research designs an intelligent robot recharging stations. This charging station including charging circuit, automatic recharge, power detection circuit, battery residual power estimation, and a new type of automatic replacement battery function. The battery which is estimated residual power Li-ion batteries used to in the intelligent management system. The battery not only cans immediately monitoring the various parameters, but also let the robot know that the battery is used up and how many working hours it can use. to ensure that the robot can successfully return to the station to change the battery and work immediately.
Charging stations in the chips (PIC16F877) for the control centre can control driven by of direct current motor and step motor drive to replace the battery processes, and limit switches to the control signals to control robot to leave the charging station and show the battery replacement of the end; a Human-Machine-interface system was constructed by BCB(Borland C++ Builder),RS232 transmission control modules send and receive commands to return information, and batteries that can be done instantly monitor various parameters, the robot to avoid excessive discharge.
This results show that in monitoring the battery output capacity, proposed an amendment Coulomb-detection method, can accurately estimate the residual power to the battery and charging station can also automatically ensure that the batteries can be replaced finished.

中文摘要................................ ................................ ................................ ........................... I
Abstract................................ ................................ ................................ ............................ II
致謝................................ ................................ ................................ ................................ III
目錄................................ ................................ ................................ ................................ IV
表目錄................................ ................................ ................................ ...........................VII
圖目錄................................ ................................ ................................ ......................... VIII
第一章緒論................................ ................................ ................................ ..................... 1
1 前言................................ ................................ ................................ ..................... 1
2 研究動機................................ ................................ ................................ ............. 1
3 文獻回顧................................ ................................ ................................ ............. 2
4 論文架構................................ ................................ ................................ ............. 3
第二章鋰二次電池之基本介紹................................ ................................ ...................... 4
1 二次電池的種類................................ ................................ ................................ . 4
1.1 鉛酸電池................................ ................................ ................................ .. 4
1.2 鎳鎘電池................................ ................................ ................................ .. 4
1.3 鎳氫電池................................ ................................ ................................ .. 5
1.4 鋰電池................................ ................................ ................................ ...... 5
1.5 二次電池之性能比較................................ ................................ ............... 6
2 鋰電池概論介紹................................ ................................ ................................ . 8
2.1 鋰離子的構造與化學反應................................ ................................ ....... 8
2.2 鋰離子電池特性................................ ................................ ....................... 9
3 鋰離子電池充電方法與充電曲線................................ ................................ .... 10
3.1 定電壓(CV)充電法................................ ................................ ................. 11
3.2 定電流(CC)充電法................................ ................................ ................. 11
3.3 定電流切換定電壓(CC/CV)充電法................................ ....................... 12
3.4 脈衝式充電法................................ ................................ ......................... 13
3.5 Reflex 充電法................................ ................................ ......................... 14
第三章電池容量檢測與預估方法................................ ................................ ................ 15
1 開路電壓法................................ ................................ ................................ ...... 15
2 加載電壓法................................ ................................ ................................ ...... 16
3 內電阻法................................ ................................ ................................ .......... 17
4 安培小時法................................ ................................ ................................ ...... 20
5 各電池容量檢測方法之比較................................ ................................ ........... 20
6 本實驗使用之方法................................ ................................ ........................... 21
V
第四章電池管理系統之規劃................................ ................................ ........................ 23
1 電池管理系統之架構................................ ................................ ........................ 23
2 實驗之硬體架構................................ ................................ ............................... 23
2.1 單晶片PIC16F877 簡介................................ ................................ ......... 23
2.2 四位數七節顯示器................................ ................................ ................. 26
3 實驗開發軟體工具及操作介面................................ ................................ ........ 27
3.1 Borland C++ Builder ................................ ................................ ............... 27
3.2 人機操作介面................................ ................................ ......................... 27
4 放電實驗規劃與環境................................ ................................ ........................ 28
4.1 基本量測................................ ................................ ............................... 28
4.2 放電量測硬體電路................................ ................................ ................ 29
4.3 初始電量量測................................ ................................ ......................... 30
4.4 初始電量的計算................................ ................................ .................... 37
5 估測電池殘餘電量流程................................ ................................ .................... 39
第五章充電站架構設計與硬體電路分析................................ ................................ .... 40
1 整體系統架構簡介................................ ................................ ............................ 40
2 充電站架構................................ ................................ ................................ ....... 41
3 更換電池機構設計與流程................................ ................................ ................ 44
3.1 更換電池機構設計................................ ................................ ................ 44
3.2 更換電池流程................................ ................................ ........................ 45
4 硬體設備與電路................................ ................................ ............................... 49
4.1 直流馬達驅動IC(TA7291P) ................................ ................................ .. 49
4.2 步進馬達................................ ................................ ............................... 50
4.3 電力檢測模組IC(UCC3946) ................................ ................................ . 51
4.4 充電器模組................................ ................................ ............................ 53
4.4.1 電路元件................................ ................................ ................... 54
4.4.2 電路原理說明................................ ................................ ........... 56
第六章實驗結果................................ ................................ ................................ ........... 57
1 電池殘電量估測實驗結果................................ ................................ ................ 57
2 電力檢測模組實驗結果................................ ................................ .................... 60
3 充電器模組實驗結果................................ ................................ ........................ 61
4 充電站換電池與電池充電實驗結果................................ ................................ . 63
第七章結論與建議................................ ................................ ................................ ....... 67
1 結論................................ ................................ ................................ ................... 67
2 建議................................ ................................ ................................ ................... 68
参考文獻................................ ................................ ................................ ........................ 69
VI
附錄一................................ ................................ ................................ ............................ 72
附錄二................................ ................................ ................................ ............................ 74
自述................................ ................................ ................................ ................................ 76
                                    

[1] 日本SONY 公司， http://support.sony-europe.com/aibo/index.asp
[2] 美國iRobot公司， http://www.roombavac.com.tw/index.php
[3] 日本HONDA公司，http://www.roombavac.com.tw/index.php
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[28] 朱延松，具能量回送與功因修正之正負脈衝電池充電器，國立成功大學電機工程學系碩士班，民國九十一年。
[29] 黃聖欽，具準確電量估測之鉛酸電池快速充電系統，國立中央大學電機工程學系，民國九十二年。
[30] 何文隆，電動車輛負載之電池殘電量研究，大葉大學車輛工程學系碩士論文，民國九十三年。
[31] 鄧人豪、林家齊、劉益華，整合PIC單晶片及CPLD之鋰電池快速充電機研究，
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[32] 張瓊仁，鎳氫電池電容量管理之研究，國立中山大學電機工程學系，民國九十四年七月。
[33] 趙春棠，PIC單晶片學習秘笈以PIC16F877為例，全華科技，民國九十六年。

校內：2009-07-23公開
校外：2009-07-23公開

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