CN110014986A - 分布式单级车载充电装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种分布式单级车载充电装置，包含：一第一变压器，具有第一初级绕组与第一次级绕组；一第一电容，连接该第一初级绕组；一第一电感，连接该第一电容，该第一电容位于该第一电感与该第一变压器之间；一第一晶体管，连接该第一电容与该第一电感；一第一二极管，连接该第一次级绕组；一第二变压器，具有第二初级绕组与第二次级绕组，该第二变压器与该第一变压器并联；一第二电容，连接该第二初级绕组；一第二电感，连接该第二电容，该第二电容位于该第二电感与该第二变压器之间；以及一第二晶体管，连接该第二电容与该第二电感。

Description

分布式单级车载充电装置及其方法
技术领域
本发明系关于一种分布式单级车载充电装置及其方法。
背景技术
现有电动车辆中的电力转换系统包括充电系统与驱动系统两个部分，而充电系统与驱动系统各自需要独立的线路及变流器(Inverter)分别连接至电池组，充电系统是使用外部交流电源(AC Power)对电池组充电，而驱动系统则是由电池组供应启动发电机(Integrated Starter Generator,ISG)及牵引马达(Traction Motor)运转所需的电力。
在现有的充电系统中，外部交流电源与电池组之间需要一车载充电器(On-BoardCharger)将外部交流电源转换为稳定的直流电力对电池组充电。现有的充电系统大都仅能够达到升压充电，而无法降压充电。现有的充电系统若需达到升压或降压充电的功能，则会增加电路的复杂度，且必须加装一个大功率的储能电感器。因此如何简化电动车辆之电力转换系统的电路架构，如何降低成本与体积，且又能达到升压或降压充电的功能，实是目前有待解决的重要课题。
发明内容
本本发明之一实施例提供一种分布式单级车载充电装置，包含：一第一变压器，具有第一初级绕组与第一次级绕组；一第一电容，连接该第一初级绕组；一第一电感，连接该第一电容，该第一电容位于该第一电感与该第一变压器之间；一第一晶体管，连接该第一电容与该第一电感；一第一二极管，连接该第一次级绕组；一第二变压器，具有第二初级绕组与第二次级绕组，该第二变压器与该第一变压器并联；一第二电容，连接该第二初级绕组；一第二电感，连接该第二电容，该第二电容位于该第二电感与该第二变压器之间；一第二晶体管，连接该第二电容与该第二电感；以及一第二二极管，连接该第二次级绕组，该第一二极管与该第二二极管并联。
本本发明之一实施例提供一种分布式单级车载充电方法，包含：输入一交流电源；判定定电压充电模式或定电流充电模式；对该交流电源的交流电流端与交流电压端进行功率因素修正；在该交流电源的上半波时，利用第一变压器，进行升压或降压转换；在该交流电源的下半波时，利用第二变压器，进行升压或降压转换；以及输出一脉动直流电流。
附图说明
图1系根据一些实施例说明充电架构的示意图。
图2系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置的电路图。
图3系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置的控制电路之电路图。
图4系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法的流程图。
图5系根据一些实施例说明图4中判定定电压充电模式或定电流充电模式之步骤的细部流程图。
图6系根据一些实施例说明图4中对该交流电源的交流电流端与交流电压端进行功率因素修正之步骤的细部流程图。
图7系根据一些实施例说明图4中在该交流电源的上半波时，利用第一变压器，进行升压或降压转换之之步骤的示意图。
图8系根据一些实施例说明图4中在该交流电源的上半波时，利用第一变压器，进行升压或降压转换之之步骤的另一示意图。
图9系根据一些实施例说明图4中在该交流电源的下半波时，利用第二变压器，进行升压或降压转换之步骤的示意图。
图10系根据一些实施例说明图4中在该交流电源的下半波时，利用第二变压器，进行升压或降压转换之步骤的另一示意图。
图11系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置的波形图。
图12系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置的效率折线图。
图13系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置的电路图。
图14系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置的效率折线图。
其中附图标记为：
10充电架构 12外部电源
14整流器
15分布式单级车载充电装 16、17隔离转换器置
18正半波 19整流后的负半波
20电池 22、23、24、25波形图
30分布式单级车载充电装 31第一初级绕组置
32第一次级绕组 33第二初级绕组
34第二次级绕组 35起绕端
36起绕端 37起绕端
38起绕端 41电磁干扰滤波器
42交流电源 43起绕端
45起绕端 47车用充电电池
Vac交流电压端 Iac交流电压端
T1第一变压器 T2第二变压器
L1第一电感 L2第二电感
C1第一电容 C2第二电容
Co第三电容 D1第一二极管
D2第二二极管 D3第三二极管
M1第一晶体管 M2第二晶体管
Dp第四二极管 Dn第五二极管
dr1、dr2漏极 G1、G2栅极
s1、s2源极 50控制电路
52充电模式控制电路 53功率因子修正控制电路
54第一加法器 55第二加法器
56第六二极管 57第七二极管
58第一比例积分控制器 59低通滤波器
Ierr电流误差信号 Verr电压误差信号
Vn节点电压 Ifb电流回馈端
Vfb电压回馈端 Iref电流参考命令端
Vref电压参考命令端 Sn1充电控制信号
61乘法器 62第三加法器
|Vac|全波整流交流电压端 |Iac|全波整流交流电流
端
Iac-ref交流电流参考命令 Iac-error交流电流参考命令
63第二比例积分控制器 64振幅限制器
65第一比较器 Sn2功率因子修正控制信
号
66第二比较器 67第一与门
68第二与门
69非门 70高频锯齿波端
71正半波 72负半波
75分布式单级车载充电方法 76～81步骤
86～90步骤
91～98步骤 I1一次电流
102回路 103回路
I2二次电流 I3一次电流
104回路 105回路
I4二次电流 108交流输入电压
109电池充电电压 110交流输入电流
111电池充电电流 112虚线
113虚线 114圆圈
120分布式单级车载充电装置 131第一变压器
132第一初级绕组 133第一次级绕组
134第一电容 135第一电感
136第一晶体管 137第一二极管
140第二变压器 141第二初级绕组
142第二次级绕组 143第二电容
144第二电感 145第二晶体管
146第二二极管 150电磁干扰滤波器
151交流电源 153第三电容
154第三二极管 155车用充电电池
160全桥整流器 161、162交流端
163、164直流端
具体实施方式
本发明提供一种分布式单级车载充电装置及其方法。本车载充电装置系基于单端初级电感转换器(Single Ended Primary Inductive Converter)，并且进一步减少功率元件的使用及简化电路结构设计的单级车载充电装置。本发明提供控制策略不需要直流至直流转换器(DC to DC converter)。本发明搭配此控制策略来达成脉动直流充电、能源转换、以及高压电气隔离，同时符合汽车安全规范的要求。
图1系根据一些实施例说明充电架构10的示意图。充电架构10的特点系将外部电源12转换为稳定的直流电力对电池20充电。外部电源12为交流电或市用电源(110/220伏特)，其电压与时间的关系如波形图22所示，电压随时间变化并且为弦波，具有正电压与负电压。外部电源12的交流电压进入整流器14，整流器14可选择桥式整流器(bridgerectifier)进行整流，或可选用无桥式整流器(bridgeless rectifier)进行整流，整流后的电压与时间关系如波形图23所示，负电压经过整流后变成正电压。整流后的电压进入分布式单级车载充电装置15，分布式单级车载充电装置15包含隔离转换器16与隔离转换器17，隔离转换器16负责正半波18的信号转换，进行升压或降压处理，隔离转换器17负责整流后的负半波19(原始信号如波形图22的负半波，经过整流后成为正电压)的信号转换，进行升压或降压处理。分布式单级车载充电装置15具有功率因子修正(Power FactorCorrection)、升压与降压电路、及取代直流至直流转换器(DC-DC converter)的功能。分布式单级车载充电装置15调整电压与电流之间的相位差，对输入电压进行功率因子调整，以降低虚功产生并且提升能量的利用效率。并且，分布式单级车载充电装置15能进行提升电压与降低电压的处理，经过提升的电压与降低的电压用来对电池20充电，分布式单级车载充电装置15的输出电压如充电电压Vo如波型图24，充电电压Vo为一定值直流电压。分布式单级车载充电装置15能产生脉动直流电流Io，其特点具有二倍频率的弦波电流如波型图25，此种充电架构10是将外部电源12经分布式单级车载充电装置15转换后，直接传送至电池20，因此不需要直流链电容及第二级的直流至直流转换器，如此可以大幅度地降低充电器的体积及成本。
图2系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置30的电路图。分布式单级车载充电装置30包含：第一变压器T1，具有第一初级绕组31与第一次级绕组32；第一电容C1，连接第一初级绕组31；第一电感L1，连接第一电容C1，第一电容C1位于第一电感L1与第一变压器T1之间；第一晶体管M1，连接第一电容C1与第一电感L1；第一二极管D1，连接第一次级绕组32；第二变压器T2，具有第二初级绕组33与第二次级绕组34，第二变压器T2与第一变压器T1并联；第二电容C2，连接第二初级绕组33；第二电感L2，连接第二电容C2，第二电容C2位于第二电感L2与第二变压器T2之间；第二晶体管M2，连接第二电容C2与第二电感L2；以及第二二极管D2，连接第二次级绕组34，第一二极管D1与第二二极管D2并联。
在一实施例中，在第一变压器T1中，第一初级绕组31的起绕端(starting windingend)35连接第一电容C1，第一次级绕组32连接第一二极管D1的阳极。详言之，第一次级绕组32的起绕端36连接第一二极管D1的阳极。在第二变压器T2中，第二初级绕组33的起绕端37连接第二电容C2，第二次级绕组34连接第二二极管D2的阳极。详言之，第二次级绕组34的起绕端38连接第二二极管D2的阳极。
在一实施例中，第二变压器T2与第一变压器T1并联，第一初级绕组31的末端连接第二初级绕组33的末端、第一晶体管M1的源极s1、及第二晶体管M2的源极s2。第一次级绕组32的末端(ending winding end)及第二次级绕组34的末端接地。
在一实施例中，对于第一晶体管M1与第二晶体管M2的连接方式，第一晶体管M1的漏极dr1同时连接第一电容C1与第一电感L1，第二晶体管M2的漏极dr2同时连接第二电容C2与第二电感L2，第一晶体管M1的源极s1连接第二晶体管M2的源极s2。第一晶体管M1与第二晶体管M2可采用金氧半场效晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-EffectTransistor，MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等。
在一实施例中，分布式单级车载充电装置30另包含：电磁干扰滤波器41(ElectroMagnetic Interference filter)，位于第一电感L1与交流电源42之间，也位于第二电感L2与交流电源42之间。第一电感L1的起绕端43及第二电感L2的起绕端45分别连接电磁干扰滤波器41。交流电源42输入电磁干扰滤波器41，电磁干扰滤波器41系过滤交流电噪声。
在一实施例中，分布式单级车载充电装置30另包含第三电容Co，第三电容Co的一端连接第一二极管D1的阴极及第二二极管D2的阴极，第三电容Co的另一端接地。分布式单级车载充电装置30另包含车用充电电池47以及第三二极管D3，车用充电电池47的阴极接地。第三二极管D3的阳极连接第三电容Co、第一二极管D1的阴极、及第二二极管D2的阴极，车用充电电池47的阳极连接第三二极管D3的阴极。
在一实施例中，分布式单级车载充电装置30另包含第四二极管Dp、及第五二极管Dn。第四二极管Dp的阴极连接第一电感L1的起绕端43。第五二极管Dn的阴极连接第二电感L2的起绕端45，其中第四二极管Dp的阳极连接第五二极管Dn的阳极、第一晶体管M1的源极s1、第二晶体管M2的源极s2、第一初级绕组31的末端、及第二初级绕组33的末端。
图3系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置30的控制电路50之电路图。分布式单级车载充电装置30另包含控制电路50，控制电路50判断当下应采用定电压模式(constant voltage mode)或是定电流模式(constant current mode)，对车用充电电池47进行充电，并且进行功率因子修正控制，控制电路50的两输出端分别连接第一晶体管M1的栅极G1与第二晶体管M2的栅极G2，简言之，控制电路50控制第一晶体管M1与第二晶体管M2。在一实施例中，控制电路50系由软件方法实现，将控制电路50写入数字信号处理器(digital signal processor，DSP)中。在一实施例中，控制电路50系由现场可程序化门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)来实现，但不在此限。
在一实施例中，控制电路50包含定电压/定电流之充电模式控制电路52与功率因子修正控制电路53，充电模式控制电路52连接功率因子修正控制电路53。充电模式控制电路52间接耦合第一晶体管M1与第二晶体管M2。功率因子修正控制电路53的两输出端分别连接第一晶体管M1的栅极G1与第二晶体管M2的栅极G2。
在一实施例中，充电模式控制电路52判断当下应采用定电压模式或是定电流模式，对车用充电电池47进行充电。充电模式控制电路52包含：第一加法器54，连接电流回馈端Ifb及电流参考命令端Iref，用以输出电流回馈端Ifb与电流参考命令端Iref的差值(Iref-Ifb)；第六二极管56，连接第一加法器54；第二加法器55，连接电压回馈端Vfb及电压参考命令端Vref，用以输出电压回馈端Vfb与电压参考命令端Vref的差值(Vref-Vfb)；以及第七二极管57，连接第二加法器55，第六二极管56与第七二极管57并联。电流回馈端Ifb的信号系来自车用充电电池47的充电电流信号，电流参考命令端Iref系一预设的电流值，电压回馈端Vfb的信号系来自车用充电电池47的充电电压信号，电压参考命令端Vref系一预设的电压值。第一加法器54系输出电流误差信号Ierr(Iref-Ifb＝Ierr)，第二加法器55系输出电压误差信号Verr(Vref-Vfb＝Verr)。在电流误差信号Ierr小于电压误差信号Verr的情况下，节点电压Vn与电流误差信号Ierr的差异让第六二极管56产生顺向偏压并且导通时，电流误差信号Ierr进入第一比例积分控制器(proportion-integration controller)58，此时为定电流模式(ConstantCurrent mode)。在电压误差信号Verr小于电流误差信号Ierr的情况下，节点电压Vn与电压误差信号Verr的差异让第七二极管57产生顺向偏压并且导通时，电压误差信号Verr进入第一比例积分控制器58，此时为定电压模式(Constant Voltage mode)。
在一实施例中，充电模式控制电路52包含第一比例积分控制器(proportionalintegral controller)58以及低通滤波器59，第一比例积分控制器58的输入端连接第六二极管56的阳极与第七二极管57的阳极。低通滤波器59的输入端连接第一比例积分控制器58的输出端。第一比例积分控制器58的输出与输入误差信号成比例关系，能使系统在进入稳态后不会产生稳态误差。低通滤波器59系过滤高频信号，让低频信号通过，低通滤波器59输出充电控制信号Sn1。
在一实施例中，功率因子修正控制电路53包含：乘法器61，连接充电模式控制电路52的输出端、及一全波整流交流电压端|Vac|；第三加法器62，连接乘法器61的输出端、及一全波整流交流电流端|Iac|；第二比例积分控制器63，连接第三加法器62的输出端；以及振幅限制器(limiter)64，连接第二比例积分控制器63的输出端。全波整流交流电压端|Vac|和全波整流交流电流端|Iac|分别撷取交流电源42的交流电压信号与交流电流信号，并且经过全波整流。乘法器61接收充电控制信号Sn1和全波整流交流电压端|Vac|的信号，乘法器61输出交流电流参考命令Iac-ref。第三加法器62接收全波整流交流电流端|Iac|的信号以及交流电流参考命令Iac-ref，第三加法器62输出交流电流误差命令Iac-error。第二比例积分控制器63接收交流电流误差命令Iac-error，并且进行比例控件与积分控件的调整。振幅限制器(limiter)64能防止过大的振幅信号，去除过载信号以保护后续逻辑电路，振幅限制器64输出功率因子修正控制信号Sn2。
在一实施例中，功率因子修正控制电路53包含：第一比较器65，第一比较器65的正端连接第二比例积分控制器63，第一比较器65的负端连接高频锯齿波端70；第二比较器66，第二比较器66的正端连接交流电压端Vac，第二比较器66的负端接地；第一与门(AND gate)67；以及第二与门68，其中第一比较器65的输出端连接第一与门67、与第二与门68，第二比较器66的输出端连接第一与门67。功率因子修正控制电路53另包含非门(NOT gate)69，位于第二与门68与第二比较器66之间，非门69的输入端连接第二比较器66的输出端，非门69的输出端连接第二与门68。高频锯齿波端70输出一高频锯齿波。交流电压端Vac含有正半波71与负半波72，第二比较器66与非门69将正半波71与负半波72分离，并且配合第一与门67以及第二与门68，让第一晶体管M1的栅极G1与第二晶体管M2的栅极G2具有区分时序的作用，用以决定当正半波71与负半波72分别输入第一晶体管M1与第二晶体管M2时，第一晶体管M1与第二晶体管M2的开关状态。
图4系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75的流程图。可同时参酌第2、3图，一种分布式单级车载充电方法75包含步骤76至步骤81。在步骤76中，输入一交流电源42(含有交流电流端Vac与交流电压端Iac)到分布式单级车载充电装置30，并且，藉由充电模式控制电路52从车用充电电池47撷取电流回馈端Ifb和电压回馈端Vfb的信号；在步骤77中，藉由充电模式控制电路52，判定定电压充电模式或定电流充电模式；在步骤78中，藉由功率因子修正控制电路53，对交流电源42的交流电流端Vac与交流电压端Iac进行功率因素修正；在步骤79中，在交流电源42的上半波71时，利用第一变压器T1，进行升压或降压转换；在步骤80中，在交流电源42的下半波72时，利用第二变压器T2，进行升压或降压转换；在步骤81中，藉由分布式单级车载充电装置30，输出一脉动直流电流。
图5系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75之步骤77的细部流程图。可同时参酌图3，判定定电压充电模式或定电流充电模式的步骤77包含步骤86至步骤90。在步骤86中，将电流回馈端Ifb的电流回馈值与电流参考命令端Iref的电流参考命令值相减，产生电流误差信号Ierr；在步骤87中，将电压回馈端Vfb的电压回馈值与电压参考命令端Vref的电压参考命令值相减，产生电压误差信号Verr；在步骤88中，比较电流误差信号Ierr与该电压误差信号Verr的量值大小；在步骤89中，根据该比较量值大小的结果，判断电流误差信号Ierr或电压误差信号Verr进入第一比例积分控制器58，并且进行比例积分补偿调节；在步骤90中，第一比例积分控制器58的输出信号，进入低通滤波器59，产生充电控制信号Sn1。
在步骤88中，在电流误差信号Ierr小于电压误差信号Verr的情况下，电流误差信号Ierr进入第一比例积分控制器58，此时为定电流模式(Constant Current mode)。在电压误差信号Verr小于电流误差信号Ierr的情况下，电压误差信号Verr进入第一比例积分控制器58，此时为定电压模式(Constant Voltage mode)。
图6系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75之步骤78的细部流程图。同时参酌第2、3图，对交流电源42的交流电流端Iac与交流电压端Vac进行功率因素修正的步骤78包含步骤91至步骤98。在步骤91中，利用乘法器61，将充电控制信号Sn1与全波整流交流电压端|Vac|的全波整流交流电压值相乘，产生交流电流参考命令Iac-ref；在步骤92中，利用第三加法器62，将交流电流参考命令Iac-ref与全波整流交流电流端|Iac|的全波整流交流电流值相减，产生交流电流误差命令Iac-error。在步骤93中，利用第二比例积分控制器63，将交流电流误差命令Iac-error进行比例积分补偿调节；在步骤94中，利用振幅限制器64，接收第二比例积分控制器63的输出信号，并且产生功率因子修正控制信号Sn2。
在步骤95中，利用第一比较器65，接收功率因子修正控制信号Sn2与高频锯齿波端70的锯齿波信号；在步骤96中，利用第二比较器66，接收交流电源42与接地信号；在步骤97中，利用第一与门67，联集第一比较器65的输出信号与第二比较器66的输出信号；在步骤98中，利用第二与门68，联集第一比较器65的输出信号与第二比较器66的输出信号的一反相信号。
图7系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75之步骤79的示意图。在该交流电源42的上半波71时，利用第一变压器T1，进行升压或降压转换的步骤79包含：导通第一晶体管M1，关闭第二晶体管M2，回路102流通第一电容C1、第一电感L1、与第一变压器T1的第一初级绕组31，并且第一变压器T1产生一次电流I1。再者，回路102导通第五二极管Dn，并且进入电磁干扰滤波器41。在一实施例中，交流电源42系60赫兹的频率，第一晶体管M1与第二晶体管M2系以70赫兹的频率作切换。
图8系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75之步骤79的另一示意图。在该交流电源42的上半波71时，利用第一变压器T1，进行升压或降压转换的步骤79包含：关闭第一晶体管M1，关闭第二晶体管M2，第一变压器T1的第一次级绕组32产生二次电流I2，并且回路103流通第一二极管D1、第三电容Co、第三二极管D3与车用充电电池47。第三电容Co的容量较小，在第三电容Co充饱电荷后，二次电流I2随即对车用充电电池47充电。
图9系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75之步骤80的示意图。在交流电源42的下半波72时，利用第二变压器T2，进行升压或降压转换的步骤80包含：关闭第一晶体管M1，导通第二晶体管M2，回路104流通第二电容C2、第二电感L2、与第二变压器T2的第二初级绕组33，第二变压器T2产生一次电流I3。并且回路104导通第四二极管Dp，并且进入电磁干扰滤波器41。
图10系根据一些实施例说明分布式单级车载充电方法75之步骤80的另一示意图。在交流电源42的下半波72时，利用第二变压器T2，进行升压或降压转换的步骤80包含：关闭第一晶体管M1，关闭第二晶体管M2，第二变压器T2的第二次级绕组34产生二次电流I4，并且回路105流通第二二极管D2、第三电容Co、第三二极管D3与车用充电电池。
图11系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置30的波形图。图11的(a)图显示横轴为时间(秒)，纵轴为电压(伏特)。弦波代表交流输入电压108，交流输入电压108系交流电源42的交流电流端Vac的信号，交流输入电压108的范围介于±300伏特之间。水平线代表电池充电电压109，电池充电电压109系输入车用充电电池47的电压值，电池充电电压109约300伏特。
图11的(b)图显示横轴为时间(秒)，纵轴为电流(安培)。弦波代表交流输入电流110，交流输入电流110系交流电压端Iac的信号，交流输入电流110的范围介于±15安培之间。图11的(c)图显示横轴为时间(秒)，纵轴为电流(安培)。弦波代表电池充电电流111，交流电源42输入分布式单级车载充电装置30后，配合分布式单级车载充电方法75，分布式单级车载充电装置30输出电池充电电流111，电池充电电流111对车用充电电池47进行充电，电池充电电流111的范围介于0～15安培之间。电池充电电流111系一脉动直流电流。
分布式单级车载充电装置30对交流电源42进行功率因子修正后，交流输入电压108的相位与交流输入电流110的相位呈现同相，如虚线112代表交流输入电压108的波峰对应交流输入电流110的波峰，虚线113代表交流输入电压108的波谷对应交流输入电流110的波谷，以降低虚功产生并且提升能量的利用效率。另外，分布式单级车载充电装置30能输出脉动直流电流，圆圈114表示电池充电电流111的量值系大于0的正值电流，电池充电电流111亦为2倍频率的弦波充电电流(在输入一周期T波形下，输出为两周期波形)。
图12系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置30的效率折线图。横轴系输出功率(瓦特watt)，纵轴系能源转换效率(百分比％)。能源转换效率系输出功率除以输入功率。在输出功率为500瓦时，能源转换效率约为82.3％；在输出功率为1000瓦时，能源转换效率约为89％；在输出功率为1500瓦时，能源转换效率约为93％；在输出功率为2000瓦时，能源转换效率约为93.9％；在输出功率为2500瓦时，能源转换效率约为93.5％；在输出功率为3000瓦时，能源转换效率约为93％。分布式单级车载充电装置30具有93.9％的峰值效率，故分布式单级车载充电装置30具有较高的能源转换效率。
图13系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置120的电路图。分布式单级车载充电装置120和分布式单级车载充电装置30相似。分布式单级车载充电装置120包含：第一变压器131，具有第一初级绕组132与第一次级绕组133；第一电容134，连接第一初级绕组132；第一电感135，连接第一电容134，第一电容134位于第一电感135与第一变压器131之间；第一晶体管136，连接第一电容134与第一电感135；第一二极管137，连接第一次级绕组133；第二变压器140，具有第二初级绕组141与第二次级绕组142，第二变压器140与第一变压器131并联；第二电容143，连接第二初级绕组141；第二电感144，连接第二电容143，第二电容143位于第二电感144与第二变压器140之间；第二晶体管145，连接第二电容143与第二电感144；以及第二二极管146，连接第二次级绕组142，第一二极管137与第二二极管146并联。
在一实施例中，分布式单级车载充电装置120另包含：电磁干扰滤波器150，位于第一电感135与交流电源151之间，也位于第二电感144与交流电源151之间。分布式单级车载充电装置120另包含第三电容153，连接第一二极管137的阴极及第二二极管146的阴极，第三电容153的另一端接地。分布式单级车载充电装置120另包含车用充电电池155以及第三二极管154，车用充电电池155的阴极接地。
分布式单级车载充电装置30和分布式单级车载充电装置120主要差异在于：分布式单级车载充电装置120使用全桥整流器160取代第四二极管Dp与第五二极管Dn。全桥整流器160的交流端161、162连接电磁干扰滤波器150，全桥整流器160的一直流端163连接第一电感135与第二电感144，全桥整流器160的另一直流端164连接第一初级绕组132的末端、第二初级绕组141的末端、第一晶体管136、及第二晶体管145。
图14系根据一些实施例说明分布式单级车载充电装置120的效率折线图。横轴系输出功率(瓦特watt)，纵轴系能源转换效率(百分比％)。能源转换效率系输出功率除以输入功率。在输出功率为500瓦时，能源转换效率约为87.5％；在输出功率为1000瓦时，能源转换效率约为91.5％；在输出功率为1500瓦时，能源转换效率约为92.7％；在输出功率为2000瓦时，能源转换效率约为93.4％；在输出功率为2500瓦时，能源转换效率约为93.5％；在输出功率为3000瓦时，能源转换效率约为93.4％。分布式单级车载充电装置120具有93.5％的封值效率，故分布式单级车载充电装置120具有较高的能源使用效率。
综合上述，本发明提供分布式单级车载充电装置与方法，分布式单级车载充电装置的特点为两相交错式，每一相各自负责交流电源的正半波及负半波的功率转换与传送，输出充电电流为二倍线频(double line frequency)的弦波电流，亦为脉动直流电流，如此对车载电池的充电效率、时间、及最大温升均有改善。此外，两相的变压器各负责交流电源正半波及负半波的升压或降压转换，具有分散功率功效，避免过大功率负载，并且采用变压器的设计具有高压电气隔离的功效。分布式单级车载充电装置的主要架构只需14个元件(以分布式单级车载充电装置30为例，包含2个主动开关)，即可不需要直流至直流转换器，达到升压或降压充电，搭配本发明分布式单级车载充电方法，能有效地达到功率因子修正，藉以提升充电质量及降低成本。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (24)

1.一种分布式单级车载充电装置，其特征在于，包含：
一第一变压器，具有第一初级绕组与第一次级绕组；
一第一电容，连接该第一初级绕组；
一第一电感，连接该第一电容，该第一电容位于该第一电感与该第一变压器之间；
一第一晶体管，连接该第一电容与该第一电感；
一第一二极管，连接该第一次级绕组；
一第二变压器，具有第二初级绕组与第二次级绕组，该第二变压器与该第一变压器并联；
一第二电容，连接该第二初级绕组；
一第二电感，连接该第二电容，该第二电容位于该第二电感与该第二变压器之间；
一第二晶体管，连接该第二电容与该第二电感；以及
一第二二极管，连接该第二次级绕组，该第一二极管与该第二二极管并联。
2.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该第一初级绕组的起绕端连接该第一电容，该第一次级绕组连接该第一二极管的阳极。
3.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该第二初级绕组的起绕端连接该第二电容，该第二次级绕组连接该第二二极管的阳极。
4.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该第一初级绕组的末端连接该第二初级绕组的末端、该第一晶体管的源极、及该第二晶体管的源极，该第一次级绕组的末端及该第二次级绕组的末端接地。
5.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该第一晶体管的漏极同时连接该第一电容与该第一电感，该第二晶体管的漏极同时连接该第二电容与该第二电感，该第一晶体管的源极连接该第二晶体管的源极。
6.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，另包含：
一电磁干扰滤波器，位于该第一电感与一交流电源之间，也位于该第二电感与该交流电源之间，该第一电感的起绕端与该第二电感的起绕端分别连接该电磁干扰滤波器。
7.如权利要求6所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，另包含：
一全桥整流器，该全桥整流器的交流端连接该电磁干扰滤波器，该全桥整流器的一直流端连接该第一电感与该第二电感，该全桥整流器的另一直流端连接该第一初级绕组的末端、该第二初级绕组的末端、该第一晶体管的源极、及该第二晶体管的源极。
8.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，另包含：
一第三电容，连接该第一二极管的阴极及该第二二极管的阴极，该第三电容的另一端接地。
9.如权利要求8所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，另包含：
一车用充电电池，该车用充电电池的阴极接地；以及
一第三二极管，该第三二极管的阳极连接该第三电容、该第一二极管的该阴极、及该第二二极管的该阴极，该车用充电电池的阳极连接该第三二极管的阴极。
10.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，另包含：
一第四二极管，该第四二极管的阴极连接该第一电感的起绕端；以及
一第五二极管，该第五二极管的阴极连接该第二电感的起绕端，
其中该第四二极管的阳极连接该第五二极管的阳极、该第一晶体管的源极、该第二晶体管的源极、该第一初级绕组的末端、及该第二初级绕组的末端。
11.如权利要求1所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，另包含：
一充电模式控制电路，耦合该第一晶体管与该第二晶体管；以及
一功率因子修正控制电路，连接该充电模式控制电路，该功率因子修正控制电路的输出端分别连接该第一晶体管的栅极与该第二晶体管的栅极。
12.如权利要求11所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该充电模式控制电路包含：
一第一加法器，连接一电流回馈端及一电流参考命令端，用以输出该电流回馈端与该电流参考命令端的差值；
一第六二极管，连接该第一加法器；
一第二加法器，连接一电压回馈端及一电压参考命令端，用以输出该电压回馈端与该电压参考命令端的差值；以及
一第七二极管，连接该第二加法器，该第六二极管与该第七二极管并联。
13.如权利要求12所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该充电模式控制电路包含：
一第一比例积分控制器，该第一比例积分控制器的输入端连接该第六二极管的阳极与该第七二极管的阳极；以及
一低通滤波器，该低通滤波器的输入端连接该第一比例积分控制器的输出端。
14.如权利要求11所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该功率因子修正控制电路包含：
一乘法器，连接该充电模式控制电路的输出端、及一全波整流交流电压端；
一第三加法器，连接该乘法器的输出端、及一全波整流交流电流端；
一第二比例积分控制器，连接该第三加法器的输出端；以及
一振幅限制器，连接该第二比例积分控制器的输出端。
15.如权利要求14所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该功率因子修正控制电路包含：
一第一比较器，该第一比较器的正端连接该第二比例积分控制器，该第一比较器的负端连接一高频锯齿波端；
一第二比较器，该第二比较器的正端连接一交流电压端，该第二比较器的负端接地；
一第一与门；以及
一第二与门，
其中该第一比较器的输出端连接该第一与门、与该第二与门，该第二比较器的输出端连接该第一与门。
16.如权利要求15所述的分布式单级车载充电装置，其特征在于，该功率因子修正控制电路包含：
一非门，位于该第二与门与该第二比较器之间，该非门的输入端连接该第二比较器的该输出端，该非门的输出端连接该第二与门。
17.一种分布式单级车载充电方法，其特征在于，包含：
输入一交流电源；
判定定电压充电模式或定电流充电模式；
对该交流电源的交流电流端与交流电压端进行功率因素修正；
在该交流电源的上半波时，利用第一变压器，进行升压或降压转换；
在该交流电源的下半波时，利用第二变压器，进行升压或降压转换；以及
输出一脉动直流电流。
18.如权利要求17所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在该判定定电压充电模式或定电流充电模式的步骤包含：
将一电流回馈值与一电流参考命令值相减，产生一电流误差信号；
将一电压回馈值与一电压参考命令值相减，产生一电压误差信号；以及
比较该电流误差信号与该电压误差信号的量值大小。
19.如权利要求18所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在该判定定电压充电模式或定电流充电模式的步骤包含：
根据该比较量值大小的结果，判断该电流误差信号或该电压误差信号进入一第一比例积分控制器，并且进行比例积分调节；以及
该第一比例积分控制器的输出信号进入一低通滤波器，产生一充电控制信号。
20.如权利要求17所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在对该交流电源的该交流电流端与该交流电压端进行功率因素修正的步骤包含：
利用一乘法器，将一充电控制信号与一全波整流交流电压相乘，产生一交流电流参考命令；以及
利用一加法器，将该交流电流参考命令与一全波整流交流电流相减，产生一交流电流误差命令。
21.如权利要求20所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在对该交流电源的该交流电流端与该交流电压端进行功率因素修正的步骤中，包含：
利用一第二比例积分控制器，将该交流电流误差命令进行比例积分补偿调节；以及
利用一振幅限制器，接收该第二比例积分控制器的输出信号，并且产生一功率因子修正控制信号。
22.如权利要求21所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在对该交流电源的该交流电流端与该交流电压端进行功率因素修正的步骤包含：
利用一第一比较器，接收该功率因子修正控制信号与一锯齿波信号；
利用一第二比较器，接收该交流电源与接地信号；
利用一第一与门，联集该第一比较器的输出信号与该第二比较器的输出信号；以及
利用一第二与门，联集该第一比较器的该输出信号与该第二比较器的该输出信号的一反相信号。
23.如权利要求17所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在该交流电源的该上半波时，利用该第一变压器，进行升压或降压转换的步骤包含：
导通第一晶体管，关闭第二晶体管，导通第一电容、第一电感、及该第一变压器的第一初级绕组的回路，并且该第一变压器产生一次电流；以及
关闭该第一晶体管，关闭该第二晶体管，该第一变压器产生二次电流，并且导通第一二极管、及车用充电电池的回路。
24.如权利要求17所述的分布式单级车载充电方法，其特征在于，在该交流电源的该下半波时，利用该第二变压器，进行升压或降压转换的步骤包含：
关闭第一晶体管，导通第二晶体管，导通第二电容、第二电感、与该第二变压器的第二初级绕组的回路，并且该第二变压器产生一次电流；以及
关闭该第一晶体管，关闭该第二晶体管，该第二变压器产生二次电流，并且导通第二二极管、及车用充电电池的回路。
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