TW201445853A - 電源供應裝置 - Google Patents

Abstract

在電源供應裝置中，由控制單元控制切換電路，在進行充電時將儲能單元模組切換為並聯線路，在進行放電時則切換為串聯線路，使得電源供應裝置在充電端以及放電端皆使用降壓電路。利用切換電路配合降壓電路所輸出的充電電壓以及放電電壓，讓電源供應裝置具有穩定、效率高、低損耗的表現。

Description

電源供應裝置

本發明關於一種電源供應裝置，尤指一種電池單元陣列可在串並聯之間切換的電池模組。

請參考第1圖，第1圖繪示了一種傳統式電源供應裝置的架構示意圖。傳統的電源供應裝置1需使用一同步降壓電路110(buck circuit)以及一同步升壓電路112(boost circuit)。在第1圖中，外部的輸入電壓經由電源供應裝置1的充電端120對電源供應裝置1內的儲能單元模組13充電，由於外部的輸入電壓較高，對電源供應裝置1充電時需先降壓才能對儲能單元模組13(通常由多個電池芯所組成)進行充電，因此在充電端120以及儲能單元模組13之間加上了同步降壓電路110。而常規的輸出電壓值通常會大於電源供應裝置1的儲能單元模組13所輸出的電壓。換言之，電源供應裝置1的放電端122需要配合常規輸出電壓值，而在儲能單元模組13以及放電端122之間也需要加上同步升壓電路112。此外，整個充放電的控制皆由控制單元15來進行控制。

舉例來說，假設在電源供應裝置1中，儲能單元模組13由兩顆電池芯(圖上未顯示)組成，而單顆電池芯的輸出電壓為3~4.2伏特，電源供應裝置1的同步降壓電路110以及同步升壓電路112均以常規的輸出電壓/電流值5V/2A的定功率輸出。若儲能單元模組13內的兩顆電池芯以並聯排列時，則如前所述，在放電端122與儲能單元模組13間使用同步升壓電路112， 此時輸入同步升壓電路112的電壓即為單顆電池芯的3~4.2伏特；若儲能單元模組13內的兩顆電池芯以串聯排列時，則在放電端122與儲能單元模組13間使用同步降壓電路110，此時輸入同步降壓電路110的電壓即為兩顆電池芯的串聯電壓6~8.4伏特，但充電端120與儲能單元模組13間則需使用同步升壓電路112，使得充電端120的電壓透過同步升壓電路112從5V升壓成8.4V才能對儲能單元模組13充電。從電源供應裝置1的系統轉換效率的觀點來看，由於電源供應裝置1的定功率輸出，可知同步升壓電路112為一高電流電路，而同步降壓電路110為一低電流電路且較同步升壓電路112的電流來得低。在這樣的設定條件下，當電源線的阻抗固定，且同步升壓電路112或同步降壓電路110內的MOS損耗固定時，由於同步降壓電路110為低電流系統，因此損耗的功率也較小，所以對電源供應裝置1來說，同步降壓電路110較同步升壓電路112的電路效率較高。

然而不論在儲能單元模組13中的多個電池芯是採用了固定式串聯設計或是固定式並聯設計，電源供應裝置1都必須採用一個同步升壓電路112來進行升壓，這樣一來將大大降低整體系統的轉換效率。

有鑑於此，為改善上述缺陷，本發明提出一種設計合理且可以有效增進充/放電端效率，並且僅需使用轉換效率高的同步降壓電路以簡化結構之電源源供應裝置。

依據本發明之發明內容，本發明的一實施例中提供了一種一種電源供應裝置，其包括一充電端、一放電端、一儲能單元模組、一切換電路、一降壓電路以及一控制單元。該儲能單元模組包含一第一儲能單元以及一第二儲能單元。該切換電路並聯於該第一儲能單元以及該第二儲能單元之間，該降壓電路電性連接於該充電端、該放電端與儲能單元模組之間，該控制單 元電性連接於該降壓電路、該儲能單元模組以及該切換電路。其中該控制單元用來於該電源供應裝置存在一充電迴路時，控制該切換電路使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此並聯連接，以及用來於該電源供應裝置存在一放電迴路時，控制該切換電路使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此串聯連接。

依據本發明之發明內容，本發明實施例中電源供應裝置的該降壓電路包括一第一降壓電路及一第二降壓電路，其中該第一降壓電路電性連接於該充電端與該儲能單元模組之間，該第二降壓電路電性連接於該放電端與該儲能單元模組之間。

依據本發明之發明內容，本發明實施例中電源供應裝置的該切換電路包含一第一開關組以及一第二開關組。該第一開關組包含二第一開關，該第一開關組與該第一儲能單元以及該第二儲能單元電性連接以形成並聯線路。該第二開關組包含一第二開關，該第二開關組與該第一儲能單元以及該第二儲能單元電性連接以形成串聯線路。

依據本發明之發明內容，其中當該電源供應裝置存在該充電迴路時，該控制單元用來導通該第一開關組以及斷開該第二開關組，使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此並聯連接；當該電源供應裝置存在該放電迴路時，該控制單元用來導通該第二開關組以及斷開該第一開關組，使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此串聯連接。

依據本發明之發明內容，其中該第一開關組的其中一第一開關電性連接於該第一儲能單元以及該第二儲能單元的正極之間，另一第一開關電性連接於該第一儲能單元以及該第二儲能單元的負極之間，該第二開關電性 連接於該第一儲能單元的負極以及該第二儲能單元的正極之間。

依據本發明之發明內容，其中於該充電迴路轉換為該放電迴路，或於該放電迴路轉換為該充電迴路的過程中，該控制單元另用來同時斷開該第一開關組以及該第二開關組，使該電源供應裝置進入靜置狀態。

依據本發明之發明內容，其中當該電源供應裝置由該放電迴路切換至該充電迴路時，該控制單元用來先控制該第一開關組以及該第二開關組斷開，再控制該第一開關組導通以及該第二開關組斷開，以使該第一儲能單元以及該第二儲能單元形成並聯線路；當該電源供應裝置由該充電迴路切換至該放電迴路時，該控制單元用來先控制該第一開關組以及該第二開關組斷開，再控制該第二開關組導通以及該第一開關組斷開，以使該第一儲能單元以及該第二儲能單元形成串聯線路。

依據本發明之發明內容，其中該電源供應裝置另包含一保護電路，電性連接於該第一開關組與該儲能單元模組之間，於該電源供應裝置由該放電迴路切換至該充電迴路時，該保護電路用來防止該第一儲能單元以及該第二儲能單元並聯，以防止該第一儲能單元以及該第二儲能單元於電壓不平衡時產生瞬間大電流(Inrush current)。其中該保護電路包括一電阻以及與該電阻並聯之一開關，且該保護電路為一緩啟動電路。

依據本發明之發明內容，其中當該電源供應裝置存在該放電迴路時，該降壓電路係用來將串聯排列之該第一儲能單元以及該第二儲能單元的輸出電壓，轉換為一預設電壓值。

依據本發明之發明內容，其中該第一儲能單元以及該第二儲能單 元為電池芯或電池模組。

本發明所提供的電源供應裝置，由控制單元控制切換電路，在進行充電時將儲能單元模組切換為並聯線路，在進行放電時則切換為串聯線路，使得電源供應裝置在充電端以及放電端皆使用降壓電路。利用切換電路配合降壓電路所輸出的充電電壓以及放電電壓，讓電源供應裝置具有穩定、效率高、低損耗的表現。

1、2‧‧‧電源供應裝置

13、23‧‧‧儲能單元模組

15、25‧‧‧控制單元

21‧‧‧降壓電路

24‧‧‧切換電路

26‧‧‧第一開關組

27‧‧‧第二開關組

29‧‧‧保護電路

110‧‧‧同步降壓電路

112‧‧‧同步升壓電路

120、220‧‧‧充電端

122、222‧‧‧放電端

210‧‧‧第一降壓電路

212‧‧‧第二降壓電路

231‧‧‧第一儲能單元

232‧‧‧第二儲能單元

233‧‧‧第三儲能單元

234‧‧‧第四儲能單元

261、262‧‧‧第一開關

271‧‧‧第二開關

291‧‧‧電阻

292‧‧‧開關

第1圖是傳統式電源供應裝置的架構示意圖。

第2圖是本發明的電源供應裝置一實施例的示意圖。

第3圖是第2圖的電源供應裝置另一實施態樣的示意圖。

第4、5、6圖為本發明實施例中，切換電路的運作示意圖。

第7圖為本發明的電源供應裝置中，保護電路的設置示意圖。

第8圖為本發明的電源供應裝置中利用多組儲能單元加上切換電路進行串並聯切換之示意圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。此外，「耦接」或「連接」一詞在此係包含任何直接及間接的電氣或結構連接手段。因此，若文中描述一第一裝置耦接/連接於一第二裝置，則代表該第一裝置可直接電氣/結構連接於該第二裝置，或透過 其他裝置或連接手段間接地電氣/結構連接至該第二裝置。

請參考第2圖，第2圖為本發明所揭露的電源供應裝置一實施例的示意圖。如第2圖所示，電源供應裝置2僅需使用同步降壓電路，配合在多個儲能單元中，利用切換電路將多個儲能單元進行串並聯切換的方式，達到高效率、低損耗的充放電表現。電源供應裝置2包含了一充電端220、一放電端222、一儲能單元模組23(包含了複數個儲能單元，在本實施例中，則包含了至少一第一儲能單元231以及一第二儲能單元232，且可以是電池芯或電池組)、一切換電路24、一降壓電路21以及一控制單元25。儲能單元模組23電性連接於降壓電路21，同時降壓電路21電性連接於充電端220以及放電端222。控制單元25電性連接於降壓電路21、儲能單元模組23以及切換電路24，用來偵測目前的電源供應裝置2存在充電迴路或處於放電迴路，以及用來控制切換電路24切換為串聯線路或並聯線路，其中切換電路24為一串並聯切換裝置，在本實施例中，切換電路24並聯於第一儲能單元231以及第二儲能單元232之間。

當電源供應裝置2存在充電迴路時，控制單元25控制切換電路24，使得儲能單元模組23的第一儲能單元231以及第二儲能單元232以並聯線路連接；當電源供應裝置2存在放電迴路時，控制單元25控制切換電路24，使得第一儲能單元231以及第二儲能單元232以串聯線路連接。特別要說明的是，在放電迴路中，第一儲能單元231以及第二儲能單元232彼此串聯，使得儲能單元模組23的放電電壓值會大於一預設電壓值，因此透過降壓電路21降壓至該預設電壓值，再透過放電端222輸出至外部載體(圖上未圖示)。

上述切換電路24的具體作法如下：在第2圖的實施例中，切換電 路24包含了一第一開關組26以及一第二開關組27。第一儲能單元231以及第二儲能單元232電性連接於第一開關組26以及第二開關組27，以分別形成一並聯線路以及一串聯線路。更具體來說，第一開關組26包含了兩個第一開關261、262，其中第一開關261電性連接於第一儲能單元231以及第二儲能單元232的正極之間，第二開關262則電性連接於第一儲能單元231以及第二儲能單元232的負極之間。第二開關組27則包含了一個第二開關271，電性連接於第一儲能單元231的負極以及第二儲能單元232的正極之間。當電源供應裝置2存在充電迴路時，控制單元25控制第一開關組26導通，第二開關組27斷開，使第一儲能單元231以及第二儲能單元232並聯排列；於放電迴路時，控制單元25控制第二開關組27導通，第一開關組26斷開，使第一儲能單元231以及第二儲能單元232串聯排列。

本發明的電源供應裝置2使用了同一個降壓電路21，以作為充電端220與儲能單元模組23之間，以及儲能單元模組23與放電端222之間的電壓轉換電路，加上不需使用升壓電路，因此可以顯著地提升電源供應裝置2的轉換效率，以及達成電路設計的一致性與簡易性。下面表1以及表2分別列出了多個儲能單元串聯而使用降壓電路降壓後輸出至輸出端的轉換效率，以及多個儲能單元並聯而使用升壓電路升壓後輸出至輸出端的轉換效率的數據。由表2可知，當電源供應裝置使用並聯線路連接多個儲能單元，並且使用升壓電路(如第1圖習知的同步升壓電路112)將多個儲能單元之電壓轉換為預設輸出電壓(例如5伏特)時，其轉換效率會隨著儲能單元的儲存電力下降而降低，且轉換效率會由84%降至79%。由表1可知，當電源供應裝置使用串聯線路連接多個儲能單元，並且使用降壓電路(例如第2圖的降壓電路21)將多個儲能單元之電壓轉換為預設輸出電壓(例如5伏特)時，其轉換效率則可維持在87%至88%之間。相較之下，使用降壓電路可以比使用升壓電路提升約3%至9%的轉換效率。特別說明的是，在針對輸出電壓較 小的電源供應裝置時，即使提升1%的轉換效率，對於整個電源供應裝置都具有很大的效益。

以電池放電的特性而言，單一電池只有在充飽電的當時，電壓可達到4.2伏特，且單一電池較長時間的放電電壓會落在3.7伏特。因此當電源供應裝置使用並聯線路連接多個儲能單元，由表2可知，轉換效率落在84%的情況只有極短暫的時間，而大部分的轉換效率落在81%；反觀當電源供應裝置使用串聯線路連接多個儲能單元，轉換效率則可以穩定地維持在87~88%之間。

接著請參考第3圖，第3圖為第2圖的電源供應裝置的另一具體態樣的示意圖。在本發明的實施例中，電源供應裝置2的降壓電路21可以如第2圖所示以單一電路作為接收充電端220以及供應放電端222的降壓輸入，也可以如第3圖所示，降壓電路21包含一第一降壓電路210以及一第二降壓電路212，其中第一降壓電路210連接於充電端220與儲能單元模組23之間，第二降壓電路212連接於儲能單元模組23與放電端222之間。這樣的設計同樣可以達到當電源供應裝置存在放電迴路，且儲能單元模組23的第一儲能單元231以及第二儲能單元232以串聯連接，使得放電電壓值大於該預設電壓值時，透過第二降壓電路212降壓至該預設電壓值，並且輸出至外部載體的功能。第3圖其餘元件之運作原理與第2圖相同，故不再贅述。本發明不限定該降壓電路的數量。

請參考第4、5、6圖，其為本發明實施例中，切換電路24的運作示意圖。請先參考第4圖，第4圖是當電源供應裝置2存在充電迴路時，控制單元25控制切換電路24，使得第一儲能單元231以及第二儲能單元232以並聯線路連接的示意圖，其中第一開關261、262呈現導通的狀態，第二開關271呈現開路的狀態，如此即可使第一儲能單元231以及第二儲能單元232以並聯方式連接。再請參考第6圖，第6圖是當電源供應裝置2存在放電迴路時，控制單元25控制切換電路24，使得第一儲能單元231以及第二儲能單元232以串聯線路連接的示意圖，其中第二開關271呈現導通的狀態，第一開關261、262呈現開路的狀態，如此即可使第一儲能單元231以及第二儲能單元232以串聯方式連接。

再請參考第5圖並配合第4圖以及第6圖，第5圖是切換電路在充/放電迴路轉換過程中的靜置狀態示意圖。在本發明的實施例中，電源供應 裝置2由充電迴路轉換至放電迴路時，切換電路24並不會由第4圖的並聯電路直接切換至第6圖的串聯電路。控制單元25會先控制第一開關組26以及第二開關組27斷開，如第5圖所示，使得電源供應裝置2進入不充電、不放電的一種靜置狀態，再進行充電迴路以及放電迴路之間的轉換。因此電源供應裝置2於充電迴路切換至放電迴路時，第一儲能單元231以及第二儲能單元232由第一開關組26導通且第二開關組27開路的並聯線路(第4圖)，切換至第一開關組26以及第二開關組27都呈現開路的靜置狀態(第5圖)後，再將第二開關組27導通(第6圖)，使得第一儲能單元231以及第二儲能單元232以串聯線路連接。

相反地，電源供應裝置2由放電迴路轉換至充電迴路時，切換電路24並不會由由第6圖的串聯電路直接切換至第4圖的並聯電路，第一儲能單元231以及第二儲能單元232會由第一開關組26開路且第二開關組27導通的串聯線路(第6圖)，切換至第一開關組26以及第二開關組27都呈現開路的靜置狀態(第5圖)後，再將第一開關組26導通(第4圖)，使得第一儲能單元231以及第二儲能單元232以並聯線路連接。如此一來，可避免第一儲能單元231以及第二儲能單元232電壓或電流相衝突，造成儲能單元受到損壞、造成危險或電壓、電流不穩定的情形發生。

請參考第7圖，第7圖為當第一儲能單元231以及第二儲能單元232切換至並連線路連接時，可能因為第一儲能單元231以及第二儲能單元232各自的電壓不同而產生壓差，而在第一儲能單元231以及第二儲能單元232之間產生一個瞬間大電流(Inrush Current)，因此在第7圖中，在儲能單元模組23與第一開關組26之間(例如第一儲能單元231以及第二儲能單元232的正極與第一開關261之間)加上了一個保護電路29，保護電路29可以是一種緩啟動電路(soft-start circuit)或其他可能的實施態樣。在第7圖的實 施例中，保護電路29具有一電阻291以及與電阻291並聯的一開關292，而電阻291具有限流的功能。於第一儲能單元231以及第二儲能單元232由靜置狀態轉換為並聯之前，控制單元25控制保護電路29的開關292斷開，接著再如前述控制切換電路24使第一儲能單元231以及第二儲能單元232形成並聯。當第一儲能單元231以及第二儲能單元232在並聯狀態且電壓不平衡時，會產生一個瞬間大電流，而透過保護電路29的電阻291進行限流，可以避免第一儲能單元231以及第二儲能單元232的壓差不平衡產生瞬間大電流流動，對並聯迴路上之電子元件(例如第一開關組26)的損害，或減少儲能單元之壽命。而當第一儲能單元231以及第二儲能單元232的電壓平衡後再將保護電路29的開關292導通，使得電流不通過保護電路29的電阻291，以避免能量的損耗。

最後請參考第8圖，其為本發明的電源供應裝置中利用多組儲能單元加上切換電路進行串並聯切換之示意圖。在本發明所提供的電源供應裝置2中，可以在儲能單元模組23內橫向延伸連接多個儲能單元以及多個切換電路24。例如在第8圖中，第一儲能單元231以及第二儲能單元232以及之間的切換電路24的架構以及功能如前所述，而在第二儲能單元232橫向連接一第三儲能單元233以及一第四儲能單元234(當然還可以繼續連接更多的儲能單元)，在第二儲能單元232與第三儲能單元233之間也同樣具有切換電路24，第三儲能單元233與第四儲能單元234之間亦然(但圖上未繪出)。這些切換電路24中的第一開關261、262與第二開關271與相鄰的儲能單元一並聯線路以及一串聯線路。當處於充電迴路時，控制單元25(如第2、3圖所示)控制所有切換電路24的第一開關261、262導通，第二開關271斷開，使所有的儲能單元彼此並聯排列；當處於放電迴路時，控制單元25控制所有切換電路24的第二開關271導通，第一開關261、262斷開，使所有的儲能單元彼此串聯排列。其餘元件之運作原理與第2圖相同，故不再贅述。

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，任何熟習此技藝者，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。另外，本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

2‧‧‧電源供應裝置

21‧‧‧降壓電路

23‧‧‧儲能單元模組

24‧‧‧切換電路

25‧‧‧控制單元

26‧‧‧第一開關組

27‧‧‧第二開關組

220‧‧‧充電端

222‧‧‧放電端

231‧‧‧第一儲能單元

232‧‧‧第二儲能單元

261、262‧‧‧第一開關

271‧‧‧第二開關

Claims (12)

1. 一種電源供應裝置，其包括：一充電端；一放電端；一儲能單元模組，包含一第一儲能單元以及一第二儲能單元；一切換電路，並聯於該第一儲能單元以及該第二儲能單元之間；一降壓電路，電性連接於該充電端、該放電端與儲能單元模組之間；以及一控制單元，電性連接於該降壓電路、該儲能單元模組以及該切換電路；其中該控制單元用來於該電源供應裝置存在一充電迴路時，控制該切換電路使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此並聯連接，以及用來於該電源供應裝置存在一放電迴路時，控制該切換電路使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此串聯連接。
2. 如請求項1所述的電源供應裝置，其中該降壓電路包括一第一降壓電路及一第二降壓電路，其中該第一降壓電路電性連接於該充電端與該儲能單元模組之間，該第二降壓電路電性連接於該放電端與該儲能單元模組之間。
3. 如請求項1所述的電源供應裝置，其中該切換電路包含：一第一開關組，包含二第一開關，該第一開關組與該第一儲能單元以及該第二儲能單元電性連接以形成並聯線路；以及一第二開關組，包含一第二開關，該第二開關組與該第一儲能單元以及該第二儲能單元電性連接以形成串聯線路。
4. 如請求項3所述的電源供應裝置，其中當該電源供應裝置存在該充電迴 路時，該控制單元用來導通該第一開關組以及斷開該第二開關組，使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此並聯連接；當該電源供應裝置存在該放電迴路時，該控制單元用來導通該第二開關組以及斷開該第一開關組，使該第一儲能單元以及該第二儲能單元彼此串聯連接。
5. 如請求項3所述的電源供應裝置，其中該第一開關組的其中一第一開關電性連接於該第一儲能單元以及該第二儲能單元的正極之間，另一第一開關電性連接於該第一儲能單元以及該第二儲能單元的負極之間，該第二開關電性連接於該第一儲能單元的負極以及該第二儲能單元的正極之間。
6. 如請求項3、4或5所述的電源供應裝置，其中於該充電迴路轉換為該放電迴路，或於該放電迴路轉換為該充電迴路的過程中，該控制單元另用來同時斷開該第一開關組以及該第二開關組，使該電源供應裝置進入靜置狀態。
7. 如請求項3所述的電源供應裝置，其中當該電源供應裝置由該放電迴路切換至該充電迴路時，該控制單元用來先控制該第一開關組以及該第二開關組斷開，再控制該第一開關組導通以及該第二開關組斷開，以使該第一儲能單元以及該第二儲能單元形成並聯線路；當該電源供應裝置由該充電迴路切換至該放電迴路時，該控制單元用來先控制該第一開關組以及該第二開關組斷開，再控制該第二開關組導通以及該第一開關組斷開，以使該第一儲能單元以及該第二儲能單元形成串聯線路。
8. 如請求項3所述的電源供應裝置，另包含一保護電路，電性連接於該第一開關組與該儲能單元模組之間，於該電源供應裝置由該放電迴路切換 至該充電迴路時，該保護電路用來防止該第一儲能單元以及該第二儲能單元並聯，以防止該第一儲能單元以及該第二儲能單元於電壓不平衡時產生瞬間大電流(Inrush current)。
9. 如請求項8所述的電源供應裝置，其中該保護電路包括一電阻以及與該電阻並聯之一開關。
10. 如請求項8或9所述的電源供應裝置，其中該保護電路為一緩啟動電路。
11. 如請求項1、2、3、4或5所述的電源供應裝置，其中該第一儲能單元以及該第二儲能單元為電池芯或電池模組。
12. 如請求項1所述的電源供應裝置，其中當該電源供應裝置存在該放電迴路時，該降壓電路係用來將串聯排列之該第一儲能單元以及該第二儲能單元的輸出電壓，轉換為一預設電壓值。