TW201421858A - 複合發電系統 - Google Patents

Abstract

一種複合發電系統，用以提供一驅動功率予一負載，並包括一電能供應裝置、一轉換電路、一功率控制單元以及一充電電池。電能供應裝置用以提供一輸出功率。轉換電路並聯負載，並根據一控制信號轉換輸出功率，用以產生一主要功率。功率控制單元根據驅動功率，產生控制信號。充電電池並聯電能供應裝置。當主要功率小於驅動功率時，充電電池根據主要功率與驅動功率的差值，提供一輔助功率。

Description

複合發電系統

本發明係有關於一種複合發電系統，特別是有關於一種利用一充電電池作為一輔助能量緩衝裝置的複合發電系統。

隨著運輸科技的進步，人們的活動範圍也愈來愈廣。因此，交通工具也就成為人們必要的工具。在目前的主要交通工具中(如汽車、機車)，主要係以汽油作為主要動力來源。然而，近年來由於油源逐漸枯竭、造成油價高漲，因此，車輛所造成的成本也就愈來愈高。

本發明提供一種複合發電系統，用以提供一驅動功率予一負載，並包括一電能供應裝置、一轉換電路、一功率控制單元以及一充電電池。電能供應裝置用以提供一輸出功率。轉換電路並聯負載，並根據一控制信號轉換輸出功率，用以產生一主要功率。功率控制單元根據驅動功率，產生控制信號。充電電池並聯電能供應裝置。當主要功率小於驅動功率時，充電電池根據主要功率與驅動功率的差值，提供一輔助功率。

為讓本發明之特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

第1圖為本發明之複合發電系統之示意圖。複合發電 系統102提供一驅動功率，用以驅動負載104。在本實施例中，驅動功率係為電流i₃與電壓V_B的乘積。本發明並不限定複合發電系統102的應用領域。在一可能實施例中，複合發電系統102係應用於車輛中。

另外，本發明並不限定負載104的種類。在本實施例中，負載104包括一轉換電路132以及一用電裝置134。轉換電路132係取決於用電裝置134的種類。舉例而言，若用電裝置134為連接市電的一電子產品時，則轉換電路132為一直流/交流轉換電路(DC/AC converter)，其輸出電壓與頻率可與市電相容。在其它實施例中，若用電裝置134係為一馬達(Motor)，則轉換電路132可為一驅動裝置，其輸出可以是對三相馬達供電的三相交流電源或是對直流馬達供電的直流電源。在一可能實施例中，用電裝置134用以帶動一車輛的輪胎。

在本實施例中，複合發電系統102包括一電能供應裝置106、一轉換電路108、一功率控制單元110以及一充電電池112。電能供應裝置106提供一輸出功率，其中輸出功率係為電流i₀與電壓V₀的乘積。在本實施例中，電能供應裝置106所提供的輸出功率係為一固定值，因而可提供較佳的發電效率。

本發明並不限定電能供應裝置106的內部架構。在一可能實施例中，電能供應裝置106包括一燃油發電機、一燃料電池、一太陽能電池或是一風力發電機。在本實施例中，電能供應裝置106包括一電源產生器116以及一轉換電路118。

電源產生器116包括一引擎120以及一發電機122。當引擎120轉動時，可提供一動能EN_M。在本實施例中，當負載104所需的驅動功率增加時，動能EN_M仍保持在一固定值。動能EN_M帶動發電機122，用以產生一電能EN_E。

轉換電路118根據電能EN_E，產生一輸出功率(即i₀ ＊ V₀)。在本實施例中，轉換電路118係為一交流/直流轉換器(AC/DC converter)，用以將電能EN_E由交流型態轉換成直流型態。在其它實施例中，若電源產生器116係產生直流型態的電能時，則轉換電路118可轉換電能EN_E的位準，或是省略轉換電路118。

轉換電路108並聯負載104，並根據一控制信號S_C轉換電能供應裝置106所提供的輸出功率，用以產生一主要功率，其中主要功率為電流i₁與電壓V_B的乘積。在本實施例中，主要功率與電流i₁均為固定值。轉換電路108係作為電能供應裝置106的輸出緩衝。在一可能實施例中，轉換電路108係為一直流/直流轉換器(DC/DC converter)。

功率控制單元110根據負載104的狀態，也就是負載104所需的驅動功率，產生控制信號S_C。在本實施例中，功率控制單元110係透過檢知電路114，得知負載104的狀態。在一可能實施例中，檢知電路114包括至少一電流檢知器(未顯示)及至少一電壓檢知器(未顯示)，用以檢測負載104所需的電流及電壓。

在本實施例中，功率控制單元110固定轉換電路108所產生的主要功率。當轉換電路108所產生的主要功率小於負載104所需的驅動功率時，充電電池112根據主要功 率與驅動功率的差值，提供一輔助功率。此時，充電電池112操作於一放電狀態，並作為一輔助電力，與轉換電路108共同供電予負載104。舉例而言，在本實施例中，轉換電路108所提供的電流i₁係為一固定值，當負載104所需的電流i₃變大時，可由充電電池112所提供的電流i₂補充。因此，充電電池112操作於一放電狀態。

當轉換電路108所產生的主要功率大於負載104所需的驅動功率時，轉換電路108對充電電池112充電。此時，充電電池112吸收轉換電路108多餘的電能，並進入一充電狀態。舉例而言，由於轉換電路108所提供的電流i₁係為一固定值，因此，當負載104所需的電流i₃變小時，過多的電流可對充電電池112充電。此時，充電電池112可視為一電能緩衝裝置。

在另一實施例中，當負載104停止運作時，轉換電路108可對充電電池112進行定電流與定電壓模式充電。在其它實施例中，充電電源可由電能供應裝置106所提供，或是市電經由轉換電路118供應。

在本實施例中，充電電池112並聯負載104，作為一能量緩衝器，可提供負載104所需的瞬間功率並接收電能供應裝置106多餘的電能，如此可有效降低電能供應裝置106的設置容量，並可滿足負載104的即時功率需求。再者，充電電池112不需配置一輸出轉換器，故可降低成本需求。

本發明並不限定充電電池112的種類。在一可能實施例中，充電電池112係為鋰電池、鉛酸或是鎳氫電池，其架構可為標準電池單元的串聯、並聯或串並聯。在另一可 能實施例中，充電電池112係為車輛裡的電瓶。

另外，功率控制單元110更根據一外部資訊，產生控制信號S_C，用以調整轉換電路108所提供的主要功率。在一可能實施例中，外部資訊係由電能供應裝置106所提供。舉例而言，電能供應裝置106可告知本身的輸出功率(i₀*V₀)、功率命令P^* _G、最大電流i^* _max或是最小電流i^* _min。在另一可能實施例中，功率控制單元110可能接收其它外部控制器(未顯示)所傳來的其它控制參數。另外，功率控制單元110可透過一通訊介面電路(未顯示)，接收外部資訊。本發明並不限定通訊介面電路的種類。在一可能實施例中，通訊介面電路符合RS232、RS485、I²C、CAN等通訊規範。

在本實施例中，充電電池112作為一輔助電力，用以供給負載104所需的額外瞬間功率。舉例而言，當電能供應裝置106所產生的輸出能量不足以驅動負載104時，充電電池112提供一輔功能量。然而，當電能供應裝置106所產生的輸出能量過多時，充電電池112儲存過多的能量。因此，電能供應裝置106可操作在一穩定狀態，因而提高供給效率。

第2圖為本發明之功率控制單元之一可能實施例。如圖所示，功率控制單元110包括一通訊介面電路202以及一微處理器204。通訊介面電路202對檢知電路114所檢測的類比訊號(如V₀、i₀~i₃、V_B)作電氣位準轉換，並接收電能供應裝置106所提供的訊息。在一可能實施例中，通訊介面電路202接收檢知電路114所檢測的電壓V_B以及電 壓V₀及電流i₀，其中根據電壓V₀及電流i₀的乘積，便可得知電能供應裝置106的輸出功率P_G。另外，通訊介面電路202亦可接收電能供應裝置106所告知的功率命令P^* _G。

微處理器204係為一數位訊號處理器或是一微處理器(MCU)，並具有一功率計算器206、一差異比較器208、一電流補償器210以及一脈寛調變器212。功率計算器206依據回授電壓V_B及電能供應裝置106的輸出功率P_G，得知一電流命令i^* ₁，其中電流命令i^* ₁如下式所示：

其中η係為轉換電路108的效率；P_G=i₀*V₀。

另外，功率計算器206亦可依據回授電壓V_B及功率命令P^* _G，得知一電流命令i^* ₁，其中電流命令i^* ₁如下式所示：

差異比較器208計算電流命令i^* ₁與電流i₁之間的差值。差異比較器208的計算結果經過電流補償器210及脈寛調變器212，產生一控制信號S_C。在本實施例中，控制信號S_C係為一脈寬調變信號。在一可能實施例中，控制信號S_C經轉換電路108內的一功率晶體驅動電路124放大後，再推動轉換電路108內的一功率晶體(未顯示)，用以控制調整電流i₁，使其維持在一固定值。當電流i₃大於等於i₁時，充電電流112為放電模式，並輸出電流i₂。當電流i₃小於電流i₁時，充電電池112處於充電模式，並接收電流i₂，如此可間接地對充電電池112進行定電流控制，而不需考慮電壓控制模式下的充電電池112內阻過小所造 成的問題。

在本實施例中，微處理器204更包括一保護電路，如電壓限制器214，用以避免過電壓、欠電壓等異常行為。在一可能實施例中，當異常行為發生時，電壓限制器214可停止轉換電路108的輸出，以達到保護的目的。

第3圖為本發明之功率控制單元之另一可能實施例。在本實施例中，功率控制單元110係依據充電電池的電壓，或是由通訊介面電路302所接收到的命令，提供定電壓與定電流兩種充電方式。差異比較器306計算電壓命令V^* _B與電壓V_B之間的差值。在一可能實施例中，電壓命令V^* _B係由使用者提供。電壓命令V^* _B與電壓V_B之間的差值經過電壓補償器308，產生電流命令i^* ₁₀。電流命令i^* ₁₀經再經由電流限制器310，產生電流命令i^* ₁。

差異比較器312計算電流命令i^* ₁與電流i₁之間的差異，經過電流補償器314、電壓限制器316及脈寛調變器318，產生控制信號S_C。在本實施例中，電流限制器310及電壓限制器316均為保護電路，用以避免異常行為。

選擇器320根據一外部控制信號(未顯示)，提供電壓命令V^* _B或是電壓限制器316的輸出予脈寬調變器318。在本實施例中，當脈寬調變器318接收到電壓命令V^* _B時，表示欲對充電電池進行定電壓充電。當脈寬調變器318接收到電壓限制器316的輸出時，表示欲對充電電池進行定電流充電。

第4圖為本發明之電流及電壓示意圖。電流i₃係為負載104所需的驅動電流。電流i₁係為轉換電路108所提供 的轉換電流。電流i₂係為充電電池112的電流，其中當電流i₂為負值時，表示充電電池112處於充電狀態，當電流i₂為正值時，表示充電電池112處於放電狀態。電壓V_B為轉換電路108所提供的轉換電壓。

如圖所示，當電流i₃改變時，電流i₁仍維持在一固定值。在本實施例中，轉換電路108所提供的電壓V_B將隨著電流i₃而變化。因此，轉換電路108所提供的主要功率(即電流i₁與電壓V_B的乘積)為一固定值。

第5圖為本發明之控制方法之示意圖。如圖所示，先對複合發電系統進行初始化設定(步驟511)。在一可能實施例中，初始化設定係由使用者設定。複合發電系統可藉由一通訊介面電路接收使用者所輸入的設定參數。

接著，判斷是否發生電流迴路中斷(步驟512)。若是，則進入電流中斷服務程序(步驟514)。若未發生電流迴路中斷，則判斷是否發生電壓迴路中斷(步驟513)。若是，則進入電壓中斷服務程序(步驟515)。若未發生電壓迴路中斷，則回到步驟512，繼續判斷是否產生中斷要求。在本實施例中，電流迴路的中斷頻率及優先順序比白高於電壓迴路。

第6及7圖均係用以實現第2-3圖的功能，其中第6圖為本發明之電流中斷服務程序之示意圖。讀取電流命令i^* ₁與電流i₁(步驟611)。接著，判斷複合發電系統是否已啟動(步驟612)。若已啟動，則進行電流補償的運算(步驟613)。若未啟動，則回到步驟612。在其它實施例中，步驟613更進行電壓限制，用以避免過壓或欠壓等異常行為。接著，進行脈寬調變信號運算，用以產生功率晶體的驅動 訊號(步驟614)。

第7圖為本發明之電壓中斷服務程序之示意圖。首先，讀取充電電池的電壓命令(如V^* _B)、電壓V_B及輸出功率P_G(步驟711)。接著，依據工作模式的指令，進行定功率輸出或是充電動作。在本實施例中，係先判斷是否欲進行定功率輸出(步驟712)。若是，則由功率計算器207產生電流命令i^* ₁，再交由電流迴路中斷使用(步驟713)。

若並非進行定功率輸出，則判斷是否欲進入充電模式(步驟714)。若否，則回到步驟711。若是，則判斷是否為定電流模式(步驟715)。若是，則由電壓補償器產生i^* ₁₀(步驟716)，再經由電限制器產生電流命令i^* ₁(步驟717)。若不為定電流模式，則判斷是否為定電壓模式(步驟718)。若否，則回到步驟715。若是，則提供電壓命令V^* _B予充電電池(步驟719)。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

102‧‧‧複合發電系統

104‧‧‧負載

134‧‧‧用電裝置

106‧‧‧電能供應裝置

108、118、132‧‧‧轉換電路

110‧‧‧功率控制單元

112‧‧‧充電電池

116‧‧‧電源產生器

120‧‧‧引擎

122‧‧‧發電機

114‧‧‧檢知電路

204、304‧‧‧微處理器

202、302‧‧‧通訊介面電路

206‧‧‧功率計算器

210、314‧‧‧電流補償器

308‧‧‧電壓補償器

212、318‧‧‧脈寛調變器

310‧‧‧電流限制器

214、316‧‧‧電壓限制器

320‧‧‧選擇器

124‧‧‧功率晶體驅動電路

i₀~i₃‧‧‧電流

i^* ₁、i^* ₁₀‧‧‧電流命令

V₀、V_B‧‧‧電壓

V^* _B‧‧‧電壓命令

EN_M‧‧‧動能

EN_E‧‧‧電能

S_C‧‧‧控制信號

P_G‧‧‧輸出功率

208、306、312‧‧‧差異比較器

P^* _G‧‧‧功率命令

511~515、611~614、711~719‧‧‧步驟

第1圖為本發明之複合發電系統之示意圖。

第2及3圖為本發明之功率控制單元之可能實施例。

第4圖為本發明之電流及電壓示意圖。

第5圖為本發明之控制方法之示意圖。

第6圖為本發明之電流中斷服務程序之示意圖。

第7圖為本發明之電壓中斷服務程序之示意圖。

102‧‧‧複合發電系統

104‧‧‧負載

134‧‧‧用電裝置

106‧‧‧電能供應裝置

108、118、132‧‧‧轉換電路

110‧‧‧功率控制單元

112‧‧‧充電電池

116‧‧‧電源產生器

124‧‧‧功率晶體驅動電路

120‧‧‧引擎

122‧‧‧發電機

114‧‧‧檢知電路

i₀~i₃‧‧‧電流

S_C‧‧‧控制信號

EN_M‧‧‧動能

EN_E‧‧‧電能

V₀、V_B‧‧‧電壓

P^* _G‧‧‧功率命令

i^* _max‧‧‧最大電流

i^* _min‧‧‧最小電流

Claims (10)

1. 一種複合發電系統，提供一驅動功率予一負載，該複合發電系統包括：一電能供應裝置，用以提供一輸出功率；一轉換電路，並聯該負載，並根據一控制信號轉換該輸出功率，用以產生一主要功率；一功率控制單元，根據該驅動功率，產生該控制信號；以及一充電電池，並聯該電能供應裝置，其中當該主要功率小於該驅動功率時，該充電電池根據該主要功率與該驅動功率的差值，提供一輔助功率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之複合發電系統，其中當該主要功率大於該驅動功率時，該轉換電路對該充電電池充電。
3. 如申請專利範圍第1項所述之複合發電系統，其中該主要功率係為一固定值。
4. 如申請專利範圍第3項所述之複合發電系統，其中該轉換電路提供一轉換電壓以及一轉換電流，該轉換電流係為一固定值。
5. 如申請專利範圍第3項所述之複合發電系統，其中該功率控制單元根據一外部資訊以及該驅動功率，產生該控制信號，用以調整該主要功率。
6. 如申請專利範圍第5項所述之複合發電系統，其中該外部資訊係由該電能供應裝置所提供。
7. 如申請專利範圍第1項所述之複合發電系統，其中該電能供應裝置包括：一引擎，用以提供一動能；一發電機，根據該動能，產生一電能；以及一第二轉換電路，根據該電能，產生該輸出功率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之複合發電系統，其中當該驅動功率改變時，該動能保持不變。
9. 如申請專利範圍第1項所述之複合發電系統，其中該電能供應裝置包括一燃油發電機、一燃料電池、一太陽能電池或是一風力發電機。
10. 如申請專利範圍第1項所述之複合發電系統，其中該負載係為一馬達，用以帶動一車輛的輪胎。