TWI418112B - 功率轉換器、充電方法以及充電系統 - Google Patents

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H02J7/0014—Circuits for equalisation of charge between batteries
    • H02J7/0018—Circuits for equalisation of charge between batteries using separate charge circuits

Description

功率轉換器、充電方法以及充電系統
本發明係有關一種功率轉換器、充電方法以及充電系統，特別關於一種可平衡電池的功率轉換器、充電方法以及充電系統。
在現有技術的對一電池組充電的一充電系統中，多個旁路與電池組中的多個電池單元耦接，以平衡這些電池單元。舉例來說，如果這些電池單元中某個電池單元所具有的一電壓大於其他所有電池單元的電壓時，則對應的旁路將導通，以使這個具有最大電壓的電池單元放電。根據這些電池單元的電壓選擇性地導通對應的旁路，以平衡這些電池單元。然而，這些旁路的功率損耗相對較高。此外，這種充電系統需要一旁路控制器，以根據指示這些電池單元的電壓的多個回饋信號，控制這些旁路，然而這樣的設計將會增加平衡多個電池單元所需的時間，並且增加功率損耗。
本發明要解決的技術問題在於提供一種能夠同時對多個電池充電，並平衡這些電池的功率轉換器、充電方法以及充電系統。
為解決上述技術問題，本發明提供一種功率轉換器，包括：一一次線圈，接收一輸入功率；以及多個二次線圈，將該輸入功率轉換成多個充電電流，以經由多個路徑對多個電池充電，並且基於該多個充電電流平衡該多個電池，其中，該多個二次線圈的一第一二次線圈的一第一匝數與該多個二次線圈的一第二二次線圈的一第二匝數的一比值決定於該多個電池中兩個對應的電池之間的一標稱電壓比。
本發明更提供一種對多個電池的充電方法，包括：在一功率轉換器的一一次線圈處接收一輸入功率；由該功率轉換器的多個二次線圈將該輸入功率轉換成多個充電電流，其中，該多個二次線圈的一第一二次線圈的一第一匝數與該多個二次線圈的一第二二次線圈的一第二匝數的一比值決定於該多個電池中兩個對應的電池之間的一標稱電壓比；由該多個充電電流經由多個路徑對該多個電池充電；以及基於該多個充電電流平衡該多個電池。
本發明更提供一種充電系統，包括：一功率轉換器，提供多個充電電流，以經由多個路徑對多個電池充電，其中，該功率轉換器包括：一一次線圈，經由一輸入開關耦接於一供應端和一地端之間，並接收來自該供應端的一輸入功率；以及多個二次線圈，將該輸入功率轉換成該多個充電電流，並且基於該多個充電電流平衡該多個電池，其中，該多個二次線圈的一第一二次線圈的一第一匝數與該多個二次線圈的一第二二次線圈的一第二匝數的一比值決定於該多個電池中兩個對應的電池之間的一標稱電壓比；以及一控制器，耦接至該輸入開關，並透過控制該輸入開關控制該多個二次線圈，以將該輸入功率轉換成該多個充電電流。
與現有技術相比，本發明的功率轉換器、充電方法以及充電系統利用一次線圈和多個二次線圈將輸入功率轉換成多個充電電流，以對多個電池充電，並同時利用多個充電電流，以平衡多個電池，因此可以省略了現有技術中的多個旁路和旁路控制器，進而減少了功耗並且縮短了多個電池達到平衡所需的時間。以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明，以使本發明的特性和優點更為明顯。
以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。
另外，為了更好的說明本發明，在下文的具體實施方式中給出了眾多的具體細節。本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外一些實施例中，對於大家熟知的方法、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。
在一實施例中，本發明提供了一種對多個電池充電的充電系統。在充電期間，這些電池自動平衡。具體來說，充電系統包括將一輸入功率轉換成多個充電電流的一功率轉換器(例如，一種變壓器)。同時，每個充電電流根據對應的一電池的一電壓而變化，使得這些電池相互平衡。當這些電池獲得平衡時，充電系統進一步地根據每個電池電壓控制輸入功率以調整這些充電電流的總和。
圖1A為根據本發明一實施例的一功率轉換器100的方塊圖。功率轉換器100可以是但不限於一種返馳式轉換器(flyback converter)。具體來說，功率轉換器100包括一變壓器102。變壓器102具有一個經由一開關108耦接於供一應端120和一地端GND之間的一一次線圈104。此外，變壓器102具有一個經由一二極體112與一電容器124及一負載110(或電池)並聯的一二次線圈106。電池110可以是但不限於一種可充電電池。
在本實施例中，一電流感應器(例如，一電阻器114)與一次線圈104串聯，使得橫跨電阻器114的一電壓(V114 )指示流過一次線圈104的一輸入電流IP ，例如，V114 =IP *R114 ，其中，R114 表示電阻器114的電阻值。一比較器116將電壓(V114 )和一參考電壓VREF 比較並且產生一比較結果信號118給一控制器130。控制器130根據比較結果信號118產生控制信號122，控制開關108。
供應端120與具有一電壓VIN 的一電源(未顯示在圖1A中)耦接。當控制信號122導通開關108時，一輸入電流IP 由供應端120經過一次線圈104流到地端GND。同時，二極體112反向偏置(截止)，並且二次線圈106接收來自一次線圈104的能量。當開關108關斷時，輸入電流IP 為零。同時，二極體112正向偏置(導通)。因此，二次線圈106將接收到的能量轉換成一輸出電流IS ，而且電池110可由充電電流IO 進行充電。充電電流IO 等於輸出電流IS 的平均電流(ISEQV )。
圖1B為根據本發明的一實施例的輸入電流IP 、輸出電流IS 以及充電電流IO 的示例性波形圖100’。以下將結合圖1A對圖1B進行描述。
如圖1B所示，開關108在t0 時刻導通使得輸入電流IP 在第一期間T1 從零增加至峰值電流位準IPP 。在本實施例中，與供應端120上的電壓VIN 相比，電阻器114上的電壓V114 較小可以忽略不計。因此，峰值電流位準IPP 由下式給出：
其中，LP 表示一次線圈104的電感值。在第一期間T1 ，變壓器102的輸入能量EIN 由下式給出：
當第一期間T1 結束時(例如，在t1 時刻)，開關108截止。在第二期間T2 ，流過二次線圈106的輸出電流IS 從一峰值電流位準ISP 減少至零。如果nP 是一次線圈104的匝數，nS 是二次線圈106的匝數，因此峰值電流位準ISP 由下式給出：
此外，當輸出電流IS 減少至零時(例如，在t2 時刻)，開關108仍然關斷且在第三期間T3 維持不變。在第三期間T3 ，二極體112截止並且輸出電流IS 為零。
第一期間T1 、第二期間T2 和第三期間T3 的之和等於總期間TTOT (例如，TTOT =T1 +T2 +T3 )。在本實施例中，因為輸入電流IP 在第一期間T1 從零增加至峰值電流位準IPP ，並且在第二期間T2 和第三期間T3 為零。所以，輸入電流IP 在總期間TTOT 的平均電流IPEQV 由下式給出：
同理，輸出電流IS 在第一期間T1 為零，在第二期間T2 從峰值電流位準ISP 減少至零，並且在第三期間T3 為零。因此，輸出電流IS 在總期間TTOT 的平均電流ISEQV 由下式給出：
流過電池110的充電電流IO 等於輸出電流IS 的平均電流ISEQV ，例如，IO =ISEQV 。因此，基於等式(3)和(5)，充電電流IO 由下式給出：
請再參照圖1A所示，VO 為橫跨電池110的電壓，VD 為二極體112的正向偏置電壓。如果EOUT 是在總期間TTOT 傳給二極體112和電池110的輸出能量時，輸出能量EOUT 由下式給出：
EOUT =(VO +VD )×ISEQV ×TTOT =(VO +VD )×IO ×TTOT 。　(7)
假設η是將輸入能量EIN 轉換成輸出能量EOUT 的能量轉換效率。在本實施例中的能量轉換損耗相對比較小且可以忽略不計。因此，能量轉換效率η約等於1，例如，η=1。輸出能量EOUT 約等於輸入能量EIN ，例如，EOUT =EIN 。根據等式(2)和(7)得到如下等式：
其中，fSW 表示開關108的切換頻率且等於1/TTOT 。基於等式(1)和(4)，重寫等式(8)的：
控制器130根據電池電壓VO 的變化調整輸入電流IP ，以調整或保持充電電流IO 至一特定位準。具體來說，橫跨電池110的電池電壓VO 在充電放電期間發生變化。電池監控器(未顯示在圖1A中)監控電池電壓VO 並且產生指示電池電壓VO 的回饋信號給控制器130。基於等式(8)，控制器130隨著電池電壓VO 的增加而增加峰值電流位準IPP ，隨著電池電壓VO 的減少而減少峰值電流位準IPP 。
更具體來說，控制器130產生具有一預設頻率(例如，切換頻率fSW )的一內部時脈信號(未顯示在圖1A中)。開關108在本實施例中為N通道金屬氧化物半導體場效應電晶體(N-channel metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor，簡稱為NMOSFET)。控制信號122被設定為高位準，以回應內部時脈信號的每個脈衝，例如，每個上升緣(rising edge)。此外，控制信號122被設定為低位準，回應比較結果信號118的每個脈衝，例如，每個上升緣。舉例來說，當內部時脈信號在t0 時刻(如圖1B所示)出現一脈衝的一上升緣時，開關108依據高位準的控制信號122而被導通，並且輸入電流IP 開始(例如，從零安培開始)增加。在t1時刻，輸入電流IP 增加至值VREF /R114 (例如，橫跨電阻器114的電壓V114 增加至參考電壓VREF )，使得比較器116將輸出高位準的比較結果信號118。因此，開關108依據低位準的控制信號122而被關斷，並且輸入電流IP 變為零。在t2 時刻，內部時脈信號的一個時脈週期(例如，等於總期間TTOT 的時間長度)結束，因此，內部時脈信號再次出現脈衝上升緣。因此，開關108再次被導通。所以，在每個時脈週期(例如，等於總期間TTOT 的時間長度)中，峰值電流位準IPP 被調整至值VREF /R114 ，例如，IPP =VREF /R114 。假設IPRE 是充電電流IO 的一預設電流位準或期望電流位準。基於等式(8)得如下等式：
重寫等式(10)得：
控制器130基於等式(11)設定參考電壓VREF ，使得充電電流IO 調整至位準IPRE ，例如，IO =IPRE 。基於等式(9)，控制器130可隨著電池電壓VO 的增加而增加平均電流IPEQV ，隨著電池電壓VO 的減少而減少平均電流IPEQV ，使得充電電流IO 可被調整至或被維持在位準IPRE 。
在圖1A的實施例中，一次線圈104經由開關108(NMOSFET)與地端GND耦接。然而，在另一實施例中，一次線圈104經由開關(PMOSFET，未顯示在圖1A中)與供應端120耦接，在這樣的實施例中開關108(NMOSFET)可被省略。控制信號122可控制開關(PMOSFET)。在這個實施例中，控制信號122被設定為低位準，以回應內部時脈信號的每個脈衝，而且可被設定為高位準，以回應比較結果信號118的每個脈衝。
圖2為根據本發明的一實施例的對一電池組210充電的一充電系統200的方塊圖。電池組210包括多個串聯的電池210_1-210_N。充電系統200包括一控制器230和一功率轉換器202(例如，變壓器)。功率轉換器202提供多個充電電流IO1 -ION ，以經由多個路徑(例如，多個二極體212_1-212_N)分別對多個電池210_1-210_N進行充電。
功率轉換器202包括一一次線圈204和多個二次線圈206_1-206_N。一次線圈204經由一輸入開關208耦接於一供應端220和地端之間，且接收來自供應端220的一輸入功率。二次線圈206_1-206_N分別與電池210_1-210_N並聯，將輸入功率轉換成充電電流IO1 -ION 經由多個路徑(例如，二極體212_1-212_N)分別對電池210_1-210_N充電。此外，二次線圈206_1-206_N基於充電電流IO1 -ION 平衡電池210_1-210_N的電池電壓VO1 -VON 。
具體來說，二次線圈206_1-206_N中一第一二次線圈的一第一匝數與一第二二次線圈的一第二匝數(例如，約等於)的一匝數比決定於電池210_1-210_N中兩個對應的電池之間的一標稱電壓比(nominal voltage ratio)。此處所述的“約等於”指的是一匝數比與一對應的標稱電壓比之間允許存在的差距，其中，這個差距相對較小且可忽略不計。舉例來說，n206_A為二次線圈206_A的匝數，n206_B為二次線圈206_B的匝數(A=1,2,...N;B=1,2,...N；並且A≠B)，因此匝數n206_A與匝數n206_B之間的比值等於n206_A/n206_B。如果VNOM_A 是電池210_A的標稱電壓，VNOM_B 是電池210_B的標稱電壓，因此電池210_A和電池210_B之間的標稱電壓比為VNOM_A /VNOM_B 。匝數比n206_A/n206_B等於標稱電壓比VNOM_A /VNOM_B ，例如，n206_A/n206_B=VNOM_A /VNOM_B 。此處所述的電池的“標稱電壓”指的是電池在充滿電時的電壓。換言之，一電池的“一標稱電壓”等於電池在一定壓充電模式下的充電電流小於一個特定的電壓臨界值時的一電壓。
如圖2所示，每條路徑212_1-212-N包括與對應的二次線圈206_1-206_N和對應的電池210_1-210_N串聯的一二極體。在一實施例中，電池210_1-210_N具有相同的標稱電壓(例如，VNOM )。舉例來說，每個電池210_1-210_N由相同的材料和相同的方式製造而成。在這樣的實施例中，二次線圈206_1-206_N具有相同的匝數(例如，n206 )。當與一次線圈204串聯的輸入開關208導通時，每條路徑(二極體)212_1-212_N反向偏置(截止)，所以這些路徑(二極體)212_1-212_N皆被除能。同時，由於輸入電流IP 流過一次線圈204，每個二次線圈206_1-206_N接收來自一次線圈204的能量。由於每個二次線圈206_1-206_N具有相同的匝數n206 ，每個二次線圈206_1-206_N接收到的能量相等。當輸入開關208關斷時，每個路徑(二極體)212_1-212_N正向偏置(導通)，所以這些路徑(二極體)212_1_212_N皆被致能。同時，每個二次線圈206_1_206_N將能量轉換成對應的充電電流IO1 -ION 。
優點在於，在本實施例中，如果第一電池的第一電壓(例如，橫跨電池210_1的電池電壓VO1 )大於第二電池的第二電壓(例如，橫跨電池210_2的電池電壓VO2 )，第一電池的第一充電電流(例如，充電電流IO1 )小於第二電池的第二充電電流(例如，充電電流IO2 )。因此，第一電池電壓VO1 增加的速度比第二電池電壓VO2 增加的速度慢。反之，如果第一電池電壓VO1 小於第二電池電壓VO2 ，則第一充電電流IO1 大於第二充電電流IO2 ，因此第一電池電壓VO1 增加的速度比第二電池電壓VO2 增加的速度快。換言之，充電電流IO1 -ION 根據電池210_1_210_N的電池電壓VO1 -VON 自動地調整。結果，電池電壓VO1 -VON 調整至相同的電壓位準。電池電壓VO1 -VON 以及充電電流IO1 -ION 得到平衡。本實施例中充電系統200省略了現有技術中的旁路和旁路控制器，減小了充電系統200的功率損耗。此外，還減少了電池的平衡時間。
更具體來說，在本實施例中，由於二次線圈206_1-206_N具有相同的匝數n206 ，分別橫跨二次線圈206_1-206_N的電壓VS1 -VSN 具有相同的一峰值電壓位準VSP 。T'2 為二次線圈206_1的輸出電流IS1 從峰值電流位準ISP 減小至零所需要的時間，T"2 為二次線圈206_2的輸出電流IS2 從峰值電流位準ISP 減小至零所需要的時間。如果電池電壓VO1 大於電池電壓VO2 ，因此電池電壓VO1 與峰值電壓位準VSP 之差小於電池電壓VO2 與峰值電壓位準VSP 之差。因此，電池電壓VO1 和橫跨二次線圈206_1的電壓VS1 平衡的速度比電池電壓VO2 和橫跨二次線圈206_1的電壓VS2 平衡的速度快。換言之，時間T'2 比時間T"2 短。同理，如果電池電壓VO1 小於電池電壓VO2 ，時間T'2 比時間T"2長。根據等式(6)，充電電流IO 正比於第二期間T2 的時間長度。同理，充電電流IO1 正比於時間T'2 ，充電電流IO2 正比於時間T"2 。因此，充電電流IO1 在電池電壓VO1 大於電池電壓VO2 時小於充電電流IO2 ;IO1 在電池電壓VO1 小於電池電壓VO2 時大於充電電流IO2 。
控制器230與輸入開關208耦接，且通過控制輸入開關208進而控制二次線圈206_1-206_N將輸入功率轉換成充電電流IO1 -ION 。如圖2所示，控制器230包括與一電流感應器(例如，感應電阻器214)耦接的一電流監控器234，以監控輸入電流IP 。控制器230更包括與電池210_1-210_N耦接的一電壓監控器236，以監控電池電壓VO1 -VON 。控制器230更包括一級控制器232(stage controller)，取樣/接收來自電流監控器234的指示輸入電流IP 的電流資訊以及來自電壓監控器236的指示電池電壓VO1 -VON 的電壓資訊。級控制器232根據電流資訊和電壓資訊產生一控制信號222(例如，一脈衝寬度調變(pulse-width modulation，簡稱為PWM)信號)，以控制輸入開關208。振盪器238提供一時脈信號給級控制器232，以對級控制器232進行操作。舉例來說，級控制器232在時脈信號的每個上升緣/下降緣取樣電流資訊和電壓資訊。此外，級控制器232可將控制信號222設定為高位準，以回應時脈信號的每個脈衝。級控制器232亦可將控制信號222設定為低位準，以回應來自電流監控器234的一回饋信號，其中，回饋信號係指示輸入電流IP 大於或等於某一預設值。
POi 為傳送給電池210_i(i=1,2,...N)的功率，例如，POi =VOi *IOi ，ISUM 為充電電流IO1 -ION 的總和，例如，因此，電流總和ISUM 由下式給出：
ISUM =IO1 +IO2 ...+ION =(PO1 /VO1 )+(PO2 /VO2 )...+(PON /VON )。　(12)
當電池電壓VO1 -VON 互相平衡時，每個電池電壓VO1 -VON 約等於電池電壓VO1 -VON 的平均電壓VOAVE ，例如，VO1 =VO2 ...=VON =VOAVE =(VO1 +VO2 ...+VON )/N。因此，重寫等式(12)得：
此處所述的“約等於”指的是每個電池電壓VO1 -VON 與平均電壓VOAVE 之間允許存在差距，而這個差距相對較小且可忽略不計。
如果E’OUT 是在總期間TTOT 傳送給路徑(二極體)212_1-212_N和電池210_1-210_N的輸出能量，輸出能量E’OUT 由下式給出：
由於功率轉換器202的輸出能量E’OUT 約等於功率轉換器202的輸入能量EIN ，例如，E’OUT =EIN ，基於等式(2)和(14)得如下等式：
電流監控器234包括一電流感應比較器(類似於圖1A中所示的比較器)將指示輸入電流IP 的一感應信號(例如，橫跨感應電阻器214的電壓V214 )和一參考電壓VREF 比較。控制器230因而調整峰值電流位準IPP 至一位準VREF /R214 ，例如，IPP =VREF /R214 ，其中R214 表示感應電阻器214的電阻值。IPRE 是電流總和ISUM 的一預設/期望電流位準。基於等式(15)，得如下等式，控制器230根據如下等式計算並且設定參考電壓VREF ：
換言之，控制器230根據每個電池210_1-210_N的電池電壓VO1 -VON 調整輸入電流IP ，例如，調整參考電壓VREF ，使電流總和ISUM 被調整至或被維持在一預設值IPRE ，例如，ISUM =IPRE 。在這樣的實施例中，由於充電電流IO1 -ION 互相平衡，充電電流IO1 -ION 均調整至值IPRE /N。
與圖1A的相關描述類似，根據等式(1)和(4)，重寫等式(15)得：
控制器230還隨著平均電壓VOAVE 的增加而增加平均電流IPEQV ，隨著平均電壓VOAVE 的減少而減少平均電流IPEQV ，使得電流總和ISUM 調整至或保持等於預設值IPRE 。
本實施例中的充電系統200根據電池電壓VO1 -VON 和輸入電流IP 工作在選擇的模式(例如，預處理/預充電模式、定流充電模式、定壓充電模式，充電終止模式等)。
舉例來說，如果電池電壓VO1 -VON 中的任何一個電壓小於一第一預設參值VPRE1 ，充電系統200工作在預充電模式。在預充電模式下，控制器230調整輸入電流IP 的峰值電流位準IPP (或者平均電流IPEQV )至相對比較低的水準，使得充電電流IO1 -ION 相對比較小。在圖2的實施例中，輸入開關208為NMOSFET。因此，級控制器232通過調整控制信號222(例如，PWM信號)的責任週期至相對比較小的值進而調整峰值電流位準IPP (或者平均電流IPEQV )至相對比較低的水準。在一個可替換的實施例中，供應端220和一次線圈204之間耦接著一個由控制信號222控制的PMOSFET。在這樣的實施例中，輸入開關208d可被省略，一次線圈204與感應電阻器214直接耦接。級控制器232設定控制信號222(例如，PWM信號)的責任週期至相對比較大的值，進而調整峰值電流位準IPP (或者平均電流IPEQV )至相對比較低的水準。在另一實施例中，控制器230通過設定參考電壓VREF 至相對較小的值進而調整峰值電流位準IPP 至相對比較低的水準。
如果每個電池電壓VO1 -VON 均大於第一預設參值VPRE1 ，並且平均電壓VOAVE小於第二預設參值VPRE2 (VPRE1 <VPRE2 )，充電系統200工作在定流充電模式。在定流充電模式下，級控制器232根據電池電壓VO1 -VON 調整輸入電流IP ，進而保持電流總和ISUM 等於預設值IPRE 。譬如說，基於等式(16)，參考電壓VREF 根據電池電壓VO1 -VON 來調整。
如果平均電壓VOAVE 大於或等於第二預設參值VPRE2 ，充電系統200工作在定壓充電模式。在定壓充電模式下，平均電壓VOAVE 保持基本不變(例如，等於第二預設參值VPRE2 )。同時，級控制器232逐漸地(例如，以預設的速率)減小電流總和ISUM 。舉例來說，對於NMOSFET輸入開關208，級控制器232逐漸地減小控制信號222(例如，PWM信號)的責任週期。對於上述該的PMOSFET，級控制器232逐漸地增加控制信號222(例如，PWM信號)的責任週期。級控制器232也可以以預設的速率減小參考電壓VREF 進而逐漸地減小電流總和ISUM 。優點在於，在預充電模式下、定流充電模式下以及定壓充電模式下，電池電壓VO1 -VON 自動平衡。結果，每個電池電壓VO1 -VON 約等於第二預設參值VPRE2 。在本實施例中的第二預設參值VPRE2 等於電池210_1-210_N的標稱電壓VNOM 。
此外，在定壓充電模式下，如果電流總和ISUE 減小至一個電流臨界值IOTH (IOTH <IPRE )，電池組210被認為充滿電，此時充電系統200工作在充電終止模式。在一實施例中，在充電終止模式下，級控制器232藉由去能(disable)輸入開關208終止對電池組210充電。在另一實施例中，級控制器232藉由切斷供應端220和電源的耦接進而終止對電池組210充電。
如果出現異常現象(例如，電壓過大、電流過大、溫度過高)，充電系統200也工作在充電終止模式。舉例來說，如果電池210_1-210_N中某個電池的電壓大於一個電壓臨界值VOTH (VPRE1 <VPRE2 <VOTH )，即出現電壓過大現象，控制器230終止對電池充電。再舉例來說，利用溫度感應器(未顯示在圖2中)感應電池組210的溫度。如果電池組210的溫度大於一個溫度臨界值，即出現溫度過高現象，控制器230終止電池充電。
如上面所述，本實施例中的電池210_1-210_N具有相同的標稱電壓VNOM ，並且二次線圈206_1-206_N具有相同的匝數n206 。然而，在另一實施例中，二次線圈206_1-206_N可具有不同的匝數。
在圖2的實施例中，電池210_1僅包含一個電池單元。然而，在另一實施例中，電池210_1可以是包括兩個串聯的電池單元(未顯示在圖2中)的電池組。同理，電池210_2可以是包含三個串聯的電池單元的電池組。電池(或電池組)210_1中的每個電池單元與電池(或電池組)210_2中的每個電池單元相同。因此，電池(或電池組)210_1的標稱電壓VNOM_1 與電池(或電池組)210_2的標稱電壓VNOM_2 的比值等於2/3(例如，VNOM_1 /VNOM_2 =2/3)。與標稱電壓VNOM_1 和標稱電壓VNOM_2 相比，二極體212_1和212_2上的電壓較小且可以忽略不計。二次線圈206_1與二次線圈206_2的匝數比n206_1/n206_2等於標稱電壓比VNOM_1 /VNOM_2 (例如，n206_1/n206_2=2/3)。在這樣的實施中，電池(或電池組)210_1中的電池單元和電池(或電池組)210_2中的電池單元在充電/平衡操作中自動平衡。同理，在一實施例中，每個電池210_1-210_N可以是包含不同數目NCELL 的相同電池單元的電池組。每個二次線圈206_1-206_N的匝數根據對應的電池(或電池組)210_1-210_N中電池單元的數目NCELL 來選擇。在這樣的實施例中，電池(或電池組)210_1-210_N中的電池單元在充電/平衡操作中相互平衡。
圖3為根據本發明的一實施例的充電系統300的方塊圖。在圖2和圖3中標記相同的元件具有相似的功能。如圖3所示，二次線圈206_1-206_N經由多個路徑分別與電池210_1-210_N耦接。每條路徑包括一個輸出開關312_1-312_N。每個輸出開關312_1-312_N是一個包含體二極體的MOSFET。在本實施例中，輸出開關312_1-312_N的體二極體與圖2中路徑(二極體)212_1-212_N的功能類似，路徑(二極體)212_1-212_N在圖3的實施例中省略了。控制器230更包括開關控制器340產生控制信號222控制輸入開關208，並且產生控制信號322_1-322_N控制輸出開關312_1-312_N。
在本實施例中，由於輸出開關312_1-312_N的體二極體與圖2中路徑(二極體)212_1-212_N具有相似的功能，所以輸出開關312_1-312_N在充電/平衡操作中可以處於關斷狀態。更具體來說，無論輸入開關208導通還是關斷，輸出開關312_1-312_N皆為關斷。
在另一實施例中，開關控制器340根據輸入開關208的狀態控制輸出開關312_1-312_N。具體來說，開關控制器340選擇地導通輸出開關312_1-312_N以減少電池平衡時間。舉例來說，如上面所述，在每個時脈週期(例如，等於總期間TTOT 的時間長度)期間，輸入開關208在第一期間T1 導通，在第二期間T2 和第三期間T3 截止。在第一期間T1 ，開關控制器340將輸出開關312_1-312_N截止。在第二期間T2 ，如果電池210_m(m=1,2,...N)在電池210_1-210_N中的電壓最低，開關控制器340導通與電池210_m耦接的輸出開關312_m。因此，輸出開關312_m上的電壓損耗減小。電池210_m的充電電流IOm 增加。開關控制器340導通輸出開關312_m相對比較短的時間(例如，比第二期間T2 的時間短)以防電池210_m經由輸出開關312_m放電給二次線圈206_m。
再舉例來說，如果電池210_n(n=1,2,...N)的電壓VLOWER 小於一個預選電壓(例如，電池210_1-210_N的平均電壓VOAVE )，並且VLOWER 和預選電壓之差大於一個電壓臨界值VDIF_TH ，開關控制器340導通與電池210_n耦接的輸出開關312_n。因此，電池210_n的充電電流IOn 增加。同理，開關控制器340導通輸出開關312_n相對比較短的時間以防電池210_n經由輸出開關312_n放電給二次線圈206_n。如此一來，縮短了電池平衡的時間。
在另一實施例中，當輸入開關208導通時，輸出開關312_1-312_N關斷。當輸入開關208關斷時，輸出開關312_1-312_N導通。因此，輸出開關312_1-312_N的體二極體上的電壓損耗減少了，因此電池平衡的時間也會縮短。在這樣的實施例中，當輸入開關208關斷時，開關控制器340導通輸出開關312_1-312_N相對比較短的時間以防電池210_1-210_N經由輸出開關312_1-312_N放電給二次線圈206_1-206_N。
圖4為根據本發明的一實施例的充電系統400的方塊圖。在圖2和圖4中標記相同的元件具有相似的功能。如圖4所示，充電系統400包括功率轉換器202和電池組210。充電系統400更包括一電池監控器436，以監控電池210_1-210_N的電池電壓VO1 -VON 。電池監控器436基於電池電壓VO1 -VON 計算參考電壓VREF 並且產生指示參考電壓VREF 的一參考信號給一匯流排448(例如，一種串列通信匯流排)。電池監控器436根據電池電壓VO1 -VON 產生致能/除能電池充電過程的一控制信號給匯流排448。充電系統400更包括一控制器430，以基於來自電池監控器436的參考信號以及來自感應電阻器214的電流資訊控制輸入開關208。
更具體來說，控制器430包括一串列通信電路432、一數位類比轉換器434、一比較器446、一RS正反器(reset-set flip flop)440、一振盪器438、一及閘442，以及一驅動器444。串列通信電路432經由匯流排448接收一參考信號，並且輸出指示計算所得的一參考電壓VREF 的數位信號給數位類比轉換器434。數位類比轉換器434產生參考電壓VREF 給比較器446。
比較器446將參考電壓VREF 和橫跨感應電阻器214的電壓V214 比較，並且產生一比較結果信號RIN 給RS正反器440的一重設端R。此外，振盪器438產生時脈信號SIN 給RS正反器440的一設定端S。時脈信號SIN 具有一預設頻率(例如，切換頻率fSW )。在本實施例中，RS正反器440由時脈信號SIN 和比較結果信號RIN 的上升緣觸發。舉例來說，RS正反器440的輸出信號QOUT 在時脈信號SIN 出現脈衝上升緣時置為高位準，在比較結果信號RIN 出現脈衝上升緣時置為低位準。及閘442接收輸出信號QOUT 、時脈信號SIN ，以及來自串列通信電路432的致能信號ENS 。因此，當振盪器438產生時脈信號SIN 給RS正反器440並且致能信號ENS 為高位準時，及閘442產生高位準信號給驅動器444，進而導通輸入開關208。當輸入電流IP 增加至值VREF /R214 時，比較器446產生比較結果信號RIN 給RS正反器440，使得及閘442產生低位準信號給驅動器444，進而關斷輸入開關208。當時脈信號SIN 的一個時脈週期(例如，等於總期間TTOT 的時間長度)結束時，時脈信號SIN 再次將輸出信號QOUT 設定為高位準。
在圖4的實施例中，及閘442的輸入信號包括時脈信號SIN 。因此，時脈信號SIN 的責任週期相對較大(例如，50%、60%)，使得在每個時脈週期裡，時脈信號SIN 在比較器446產生比較結果信號RIN 給RS正反器440之前(例如，在輸入電流IP 增加至值VREF /R214 之前)變為低位準。結果，輸入開關208在時脈信號SIN 出現上升緣時導通，且保持導通狀態直至比較結果信號RIN 出現上升緣。優點在於，如果比較器446被禁止了或者有異常現象出現(例如，比較器446壞了，或者數位類比轉換器434壞了等等)，及閘442根據時脈信號SIN 產生輸出信號。時脈信號SIN 週期性地導通輸入開關208使得充電系統400仍然適當地工作。
此外，如果電池210_1-210_N充滿電，或者出現異常現象(例如，電壓過大、電流過大、溫度過高)，電池監控器436經由匯流排448產生控制信號給串列通信電路432，將致能信號ENS 置為低位準以去能輸入開關208。
供應端220可接收不同電源的功率。舉例來說，供應端220與電源410耦接。410可以是但不限於輔助電源、太陽能板等。再舉例來說，供應端220與電池210耦接。在這樣的實施例中，功率轉換器202接收來自電池210_1-210_N的能量，並且將能量分配給電池210_1-210_N。電池210_1-210_N基於自身的能量達到互相平衡。結果，經過平衡後的電池210_1-210_N的電池電壓V’O1 -V’ON 約等於平衡前的電池電壓VO1 -VON 的平均電壓VOAVE ，例如，V’O1 =V’O2 ...=V’ON =VOAVE 。
圖5為根據本發明的一實施例的充電系統500的方塊圖。在圖2、圖4和圖5中標記相同的元件具有相似的功能。如圖5所示，充電系統500對多個電池組510_1-510_N中的電池充電/平衡。
更具體來說，二次線圈206_1-206_N經由多個開關陣列550_1-550_N分別與電池組510_1-510_N耦接。每個電池組510_1-510_N包括多個電池。每個開關陣列550_1-550_N相應地包括多對開關，且每對開關可建立/切斷(connect/disconnect)對應的電池和對應的二次線圈206_1-206_N的耦接。多個開關控制器552_1-552_N(例如，一種串列通信和功率開關解碼器)基於來自匯流排448的控制信號554分別控制開關陣列550_1-550_N中的開關。控制信號554來自監控電池組510_1-510_N中的電池的電池監控器536。優點在於，通過適當控制開關陣列550_1-550_N，電池組510_1-510_N中的電池相互平衡。
舉例來說，每個開關控制器552_1-552_N在對應的開關陣列550_1-550_N中依次導通開關對，使得能量在對應的電池組510_1-510_N中依次地傳送給電池。每個開關控制器552_1-552_N基於對應的電池組510_1-510_N中電池狀態(例如，電池電壓)選擇地導通一對開關。舉例來說，如果電池組510_k(k=1,2,...N)中的某個電池電壓在其包含的所有電池電壓中為最低，開關陣列550_k導通對應的一對開關以傳送能量給具有最低電壓的電池。結果，通過多次地選擇地導通開關陣列550_1-550_N中的開關，電池組510_1-510_N中的電池可相互平衡。
在圖5的實施例中，開關陣列550_1-550_N由多個獨立的開關控制器552_1-552_N控制。然而，在另一實施例中，單個開關控制器(未顯示在圖5中)代替獨立的開關控制器552_1-552_N控制開關陣列550_1-550_N中的所有開關。在圖5的實施例中，單個電池監控器536監控電池組510_1-510_N中的所有電池。然而，在另一實施例中，多個獨立的電池監控器(未顯示在圖5中)代替電池監控器536分別監控電池組510_1-510_N中的電池。
圖6為根據本發明的一實施例的對多個電池充電的示例性方法流程圖600。以下將結合圖2、圖3、圖4和圖5對圖6進行描述。
在步驟602中，由一次線圈204接收來自一供應端220的輸入功率。
在步驟604中，由多個二次線圈206_1-206_N將輸入功率轉換成多個充電電流IO1 -ION 。在本實施例中，第一二次線圈(例如，二次線圈206_A)的第一匝數(例如，匝數n206_A )與第二二次線圈(例如，二次線圈206_B)的第二匝數(例如，匝數n206_B )的比值決定於電池210_1-210_N中兩個對應的電池之間的標稱電壓比。(A=1,2,…N;B=1,2,…N；且A≠B)
在步驟606中，由多個充電電流IO1 -ION 經由多個路徑(例如，多個二極體212_1-212_N)分別對多個電池210_1-210_N充電。
在步驟608中，基於多個充電電流IO1 -ION 平衡多個電池210_1-210_N。
承上所述，本發明提供了功率轉換器和使用功率轉換器的充電系統。功率轉換器包括經由輸入開關耦接在供應端和地端之間的一次線圈。功率轉換器更包括經由多個路徑(例如，多個二極體)與多個電池耦接的多個二次線圈。利用功率轉換器，充電系統在對這些電池充電的同時平衡這些電池。此外，充電系統根據這些電池電壓控制輸入開關進而調整這些電池的多個充電電流至期望值。
上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離申請專利範圍所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元件、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。
100．．．功率轉換器
100’．．．示例性波形圖
102．．．變壓器
104．．．一次線圈
106．．．二次線圈
108．．．開關
110．．．電池
112．．．二極體
114．．．電阻器
116．．．比較器
118．．．比較結果信號
120．．．供應端
122．．．控制信號
124．．．電容器
130．．．控制器
200．．．充電系統
202．．．功率轉換器
204．．．一次線圈
206_1-206_N．．．二次線圈
208．．．輸入開關
210．．．電池
210_1-210_N．．．電池
212_1-212_N．．．二極體
214．．．感應電阻器
220．．．供應端
222．．．控制信號
230．．．控制器
232．．．級控制器
234．．．電流監控器
236．．．電壓監控器
238．．．振盪器
300．．．充電系統
322_1-322_N．．．控制信號
312_1-312_N．．．輸出開關
340．．．開關控制器
400．．．充電系統
410．．．電源
430．．．控制器
432．．．串列通信電路
434．．．數位類比轉換器
436．．．電池監控器
438．．．振盪器
440．．．RS正反器
442．．．及閘
444．．．驅動器
446．．．比較器
448．．．匯流排
500．．．充電系統
536．．．電池監控器
510_1-510_N．．．電池組
550_1-550_N．．．開關陣列
552_1-552_N．．．開關控制器
554．．．控制信號
600．．．流程圖
602~608．．．步驟
IO ．．．充電電流
IO1 -ION ．．．充電電流
IS ．．．輸出電流
IS1 -ISN ．．．輸出電流
ISP ．．．峰值電流位準
ISEQV ．．．平均電流
IP ．．．輸入電流
IPP ．．．峰值電流位準
GND．．．地端
RIN ．．．比較結果信號
SIN ．．．時脈信號
ENS ．．．致能信號
QOUT ．．．輸出信號
VREF ．．．參考電壓
VIN ．．．電壓
nP ．．．匝數
nS ．．．匝數
t0 -t2 ．．．時刻
T1 ．．．第一期間
T2 ．．．第二期間
T3 ．．．第三期間
TTOT ．．．總期間
S．．．設定端
R．．．重設端
圖1A為根據本發明的一實施例的功率轉換器的方塊圖；
圖1B為根據本發明的一實施例的輸入電流、輸出電流以及充電電流的示例性波形圖；
圖2為根據本發明的一實施例的充電系統的方塊圖；
圖3為根據本發明的一實施例的充電系統的方塊圖；
圖4為根據本發明的一實施例的充電系統的方塊圖；
圖5為根據本發明的一實施例的充電系統的方塊圖；以及
圖6為根據本發明的一實施例的對多個電池充電的方法流程圖。
200．．．充電系統
202．．．功率轉換器
204．．．一次線圈
206_1~206_N．．．二次線圈
208．．．輸入開關
210．．．電池
210_1~210_N．．．電池
212_1~212_N．．．二極體
214．．．感應電阻器
220．．．供應端
222．．．控制信號
230．．．控制器
232．．．級控制器
234．．．電流監控器
236．．．電壓監控器
238．．．振盪器
IO1 ~ION ．．．充電電流
IS1 ~ISN ．．．輸出電流
IP ．．．輸入電流
VIN ．．．電壓

Claims (21)

  1. 一種功率轉換器，包括：一一次線圈，接收一輸入功率；以及多個二次線圈，將該輸入功率轉換成多個充電電流，以經由多個路徑對多個電池充電，並且基於該多個充電電流平衡該多個電池，其中，該多個路徑中的一路徑包括一輸出開關，且其中，該多個二次線圈的一第一二次線圈的一第一匝數與該多個二次線圈的一第二二次線圈的一第二匝數的一比值決定於該多個電池中兩對應的電池之間的一標稱電壓比。
  2. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中，當與該一次線圈串聯的一輸入開關被導通時，該多個路徑中的一路徑被去能，當該輸入開關被關斷時，該路徑被致能。
  3. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中，該多個路徑中的一路徑包括與該多個二次線圈中對應的一二次線圈和該多個電池中對應的一電池串聯耦接的一二極體。
  4. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中，一開關控制器基於與該一次線圈串聯的一輸入開關的一狀態控制該輸出開關。
  5. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中，如果該多個電池中一第一電池的一第一電壓大於該多個電池中一第二電池的一第二電壓時，則對該第一電池充電的一第一充電電流小於對該第二電池充電的一第二充電電流。
  6. 如申請專利範圍第1項的功率轉換器，其中，該第一二次線圈的該第一匝數與該第二二次線圈的該第二匝數的該比值約等於該兩對應的電池之間的該標稱電壓比。
  7. 一種對多個電池的充電方法，包括：在一功率轉換器的一一次線圈處接收一輸入功率；由該功率轉換器的多個二次線圈將該輸入功率轉換成多個充電電流，其中，該多個二次線圈的一第一二次線圈的一第一匝數與該多個二次線圈的一第二二次線圈的一第二匝數的一比值決定於該多個電池中兩對應的電池之間的一標稱電壓比；由該多個充電電流經由多個路徑對該多個電池充電，其中，該多個路徑中的一路徑包括一輸出開關；以及基於該多個充電電流平衡該多個電池。
  8. 如申請專利範圍第7項的充電方法，其中，該充電方法更包括：當與該一次線圈串聯的一輸入開關導通時，去能該多個路徑中的一路徑；以及當該輸入開關關斷時，導通該路徑。
  9. 如申請專利範圍第7項的充電方法，其中，該多個路徑中的一路徑包括一二極體。
  10. 如申請專利範圍第7項的充電方法，其中，該充電方法更包括：基於與該一次線圈串聯的一輸入開關的一狀態控制該輸出開關。
  11. 如申請專利範圍第7項的充電方法，其中，如果該多個電池中一第一電池的一第一電壓大於該多個電池中一第二電池的一第二電壓時，對該第一電池充電的一第一充電電流小於對該第二電池充電的一第二充電電流。
  12. 如申請專利範圍第7項的充電方法，其中，該第一二次線圈 的第一匝數與該第二二次線圈的該第二匝數的該比值約等於該兩對應的電池之間的該標稱電壓比。
  13. 一種充電系統，包括：一功率轉換器，提供多個充電電流，以經由多個路徑對多個電池充電，其中，該多個路徑中的一路徑包括一輸出開關，且其中，該功率轉換器包括：一一次線圈，經由一輸入開關耦接於一供應端和一地端之間，並接收來自該供應端的一輸入功率；以及多個二次線圈，將該輸入功率轉換成該多個充電電流，並且基於該多個充電電流平衡該多個電池，其中，該多個二次線圈的一第一二次線圈的一第一匝數與該多個二次線圈的一第二二次線圈的一第二匝數的一比值決定於該多個電池中兩對應的電池之間的一標稱電壓比；以及一控制器，耦接至該輸入開關，並透過控制該輸入開關控制該多個二次線圈，以將該輸入功率轉換成該多個充電電流。
  14. 如申請專利範圍第13項的充電系統，其中，當該輸入開關導通時，該多個二次線圈中的一二次線圈接收來自該一次線圈的一能量，當該輸入開關關斷時，該二次線圈將該能量轉換成該多個充電電流中對應的一充電電流。
  15. 如申請專利範圍第13項的充電系統，其中，該多個路徑中的一路徑包括與該多個二次線圈中對應的一二次線圈和該多個電池中對應的一電池串聯耦接的一二極體。
  16. 如申請專利範圍第13項的充電系統，其中，如果該多個電池中一第一電池的一第一電壓大於該多個電池中一第二電池的一第二電壓時，對該第一電池充電的一第一充電電流小於對該 第二電池充電的一第二充電電流。
  17. 如申請專利範圍第13項的充電系統，其中，該第一二次線圈的該第一匝數與該第二二次線圈的該第二匝數的該比值約等於該兩對應的電池之間的該標稱電壓比。
  18. 如申請專利範圍第13項的充電系統，其中，該控制器根據該多個電池中的每個電池電壓中的一個電壓調整流經該一次線圈的一輸入電流。
  19. 如申請專利範圍第13項的充電系統，其中，該控制器包括比較一感應信號和一參考信號的一比較器’其中該感應信號指示流經該一次線圈的一輸入電流。
  20. 如申請專利範圍第19項的充電系統，其中，該控制器通過調整該參考信號調整該多個充電電流的一總和至一預設位準。
  21. 如申請專利範圍第19項的充電系統，其中，該控制器根據該多個電池中的每個電池電壓中的一個電壓調整該參考信號。
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