TWI491144B - 再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法 - Google Patents

再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法 Download PDF

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Description

再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法
本案係關於一種電源供應裝置與控制方法，尤指一種再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法。
近年來，由於能源需求與日俱增及環保意識的高漲，使再生能源(Renewable energy)的利用備受重視。目前，再生能源供電系統包括太陽能供電系統、風力供電系統、燃料電池供電系統..等。舉例而言，太陽能供電系統係透過太陽能板(或稱太陽能電池、光伏電池)接收太陽光並進行光電轉換而產生直流電源，再經由電源轉換裝置將直流電源轉換以提供負載所需能量，或進一步轉換為交流電後饋入市電匯流排。


一般而言，再生能源供應系統如依其功能區分可包括獨立型(standalone)、市電並聯型(grid-connection)及混合型(hybrid)等。獨立型再生能源供應系統通常包括發電單元(例如太陽能板、風力發電機或燃料電池)及蓄電池，且獨立型再生能源供應系統除利用發電單元來產生電源外，並無其他電源(例如市電)連結供電，因此發電單元所產生的電源可直接提供負載所需能量，亦可將多餘能量對蓄電池充電。另一方面，當發電單元的輸出電源無法供應足夠能量予負載時，蓄電池則可放電以提供負載不足的能量部分。


傳統的再生能源供應系統之發電單元與蓄電池間會跨接二極體，以作為發電單元對蓄電池充電的簡單控制，其電路架構的成本雖然較低，但無法控制發電單元對蓄電池之充電電量及充電電壓，因此當充電電壓過高或過充的情況發生時，將會影響蓄電池的使用壽命或造成蓄電池損壞。換言之，前述的再生能源供應系統無法實現穩壓充電控制，且不具有蓄電池保護功能。


此外，再生能源供應系統之發電單元會因環境條件或發電單元本身的特性而造成發電單元的輸出電壓、輸出電流或功率不穩定。舉例而言，太陽能供電系統之太陽能板會受到日照強度、遮蔽及/或溫度等因素影響而造成輸出電壓、輸出電流或功率不穩定，進而造成太陽能供電系統之轉換效率無法提升。因此，為了使太陽能供電系統可以有較佳的轉換效率，以有效利用太陽能板，最大功率追蹤(Maximum Power Point Tracking，簡稱MPPT)技術於是被發展與應用。


最大功率追蹤技術是一種能夠於太陽能板之非線性的功率-輸出電壓曲線中找出最高功率點的一種方法，由於太陽能板輸出電壓與輸出電流並不是線性的關係，且在不同的環境條件下(例如日照量及/或溫度不同之情況下)每個工作曲線也都不同，而每一個工作曲線均有一個對應的最大功率點，此即為太陽能板於該條件下的最佳工作點。為了提高太陽能供電系統的轉換效率並充分的利用太陽能板，需要一電源轉換裝置並利用控制單元來控制與調整太陽能板之輸出電壓，以擷取太陽能板之最大功率，俾使太陽能板作最有效的利用，此即最大功率追蹤(MPPT)技術。然而，現行具有功率追蹤功能的太陽能供電系統大部分皆使用最大功率追蹤技術，但此技術需要較強運算功能及較快執行速度的數位訊號處理器(DSP)來實現，因此成本較高。此外，於目前具有最大功率追蹤技術之太陽能供電系統中，其控制方式僅考量太陽能板之最大輸出功率，因此當太陽能板之輸出電壓(例如11伏特)低於蓄電池電壓(例如12伏特之蓄電池)時，將無法對蓄電池進行充電，且當太陽能板之輸出電壓超過蓄電池之一均充電壓上限值時(例如12伏特之蓄電池，其均充電壓上限值約為14.8伏特)，以過高的充電電壓對蓄電池充電將會使蓄電池產生膨脹，進而影響蓄電池的使用壽命或造成蓄電池損壞，此情況下無法提供保護蓄電池的功能。


此外，目前市面上的供電系統已逐漸朝向體積小方便攜帶的方向發展，例如供3C電子產品進行充電之行動電源，惟目前應用再生能源之行動電源較少，其係因再生能源之功率易受外在因素影響而不易掌控，若欲維持較高之功率則可使用MPPT技術，但MPPT技術門檻較高，相對成本也較為昂貴，故無法普遍使用於行動電源產品中。


因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決之問題。
本案之目的在於提供一種再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法，其可實現對蓄電池之穩壓充電控制，並且控制充電電壓不大於蓄電池之一預定充電電壓上限值(蓄電池之均充電壓上限值)，以避免蓄電池因充電電壓過高或過充而影響蓄電池的使用壽命或造成蓄電池損壞。


本案之另一目的在於提供一種再生能源供電系統及其具蓄電池保護功能之電源供應裝置與控制方法，其可於蓄電池安全充電之情況下，同時實現最大功率追蹤，以取得蓄電池充電與發電單元輸出間最高效率的平衡。本案之再生能源供電系統及其電源供應裝置之電路架構簡單，且成本較低。

本案之另一目的在於提供一種可攜式的再生能源供電系統，可作為行動電源使用，具有蓄電池保護功能，且成本較低。

根據本案之構想，本案提供一種再生能源供電系統，包含發電單元及電源供應裝置。發電單元接收再生能源並將再生能源轉換為第一直流電壓及第一直流電流後輸出。電源供應裝置電性連接於發電單元與負載之間，且包括直流/直流轉換器、蓄電池、回授電路及最大功率追蹤控制器。直流/直流轉換器電性連接於發電單元之輸出端，且接收第一直流電壓及第一直流電流並轉換為第二直流電壓及第二直流電流後輸出。蓄電池電性連接於直流/直流轉換器之輸出端與負載之間，且架構於儲存直流/直流轉換器所輸出之能量或釋放儲存的能量至負載。回授電路電性連接於直流/直流轉換器之輸出端及蓄電池之間，且依據第二直流電壓產生一回授電壓並傳送至直流/直流轉換器。最大功率追蹤控制器電性連接於回授電路，且依據第一直流電壓之電壓值與蓄電池之一預定充電電壓下限值之比較結果執行一最大功率追蹤程序，且藉由控制與調整回授電路之回授電壓的電壓值，使直流/直流轉換器輸出之第二直流電壓的電壓值與功率因應地調整，俾使直流/直流轉換器之功率限制於最大功率區，且使直流/直流轉換器之第二直流電壓的電壓值不大於蓄電池之預定充電電壓上限值。

根據本案之構想，本案提供一種具蓄電池保護功能之電源供應裝置，電性連接於發電單元及負載之間，其中發電單元接收再生能源並將再生能源轉換為第一直流電壓及第一直流電流後輸出。該具蓄電池保護功能之電源供應裝置包含直流/直流轉換器、蓄電池、回授電路及最大功率追蹤控制器。直流/直流轉換器電性連接於發電單元之輸出端，且接收第一直流電壓及第一直流電流並轉換為第二直流電壓及第二直流電流後輸出。蓄電池電性連接於直流/直流轉換器之輸出端與負載之間，且架構於儲存直流/直流轉換器所輸出之能量或釋放儲存的能量至負載。回授電路電性連接於直流/直流轉換器之輸出端及蓄電池之間，且依據第二直流電壓產生一回授電壓並傳送至直流/直流轉換器。最大功率追蹤控制器電性連接於回授電路，且依據第一直流電壓之電壓值與蓄電池之一預定充電電壓下限值之比較結果執行一最大功率追蹤程序，且藉由控制與調整回授電路之回授電壓的電壓值，使直流/直流轉換器輸出之第二直流電壓的電壓值與功率因應地調整，俾使直流/直流轉換器之功率限制於最大功率區，且使直流/直流轉換器之第二直流電壓的電壓值不大於蓄電池之預定充電電壓上限值。
根據本案之構想，本案提供一種電源供應裝置之控制方法，其中電源供應裝置係電性連接於發電單元及負載之間，發電單元接收再生能源並將再生能源轉換為第一直流電壓及第一直流電流後輸出，該電源供應裝置包括直流/直流轉換器、蓄電池、回授電路及最大功率追蹤控制器。該電源供應裝置之控制方法包含步驟:直流/直流轉換器接收第一直流電壓及第一直流電流並轉換為第二直流電壓及第二直流電流後輸出；檢測第一直流電壓的電壓值，且最大功率追蹤控制器判斷第一直流電壓的電壓值是否大於等於蓄電池之預定充電電壓下限值；當最大功率追蹤控制器檢知第一直流電壓的電壓值大於等於蓄電池之預定充電電壓下限值時，執行一最大功率追蹤程序；最大功率追蹤控制器控制與調整回授電路之回授電壓的電壓值，直流/直流轉換器依據回授電壓的電壓值因應地調整輸出之第二直流電壓的電壓值與功率，使直流/直流轉換器之功率限制於一最大功率區，且使直流/直流轉換器之第二直流電壓的電壓值不大於蓄電池之預定充電電壓上限值。
1：再生能源供電系統
2：負載
10：發電單元
11：電源供應裝置
V1 ：第一直流電壓
I1 ：第一直流電流
111：直流/直流轉換器
111a：電源控制器
112：蓄電池
113：回授電路
114：最大功率追蹤控制器(簡稱MPPT控制器)
115：電池管理電路
1151：控制單元
1152：第一切換開關
1153：電源時序電路
1154：第二切換開關
1155：開關驅動電路
1156：電流感測器
1157：電池檢測單元
V2 、V2 (t1) 、V2 (t2) ：第二直流電壓
I2 ：第二直流電流
P、P(t1) 、P(t2) ： 功率
VFB ：回授電壓
VCH_LOW ：預定充電電壓下限值
VCH_HIGH ：預定充電電壓上限值
R1 ：第一電阻
R2 ：第二電阻
R3 ：第三電阻
R4 ：第四電阻
R5 ：第五電阻
Q1 ：第一開關元件
Q2 ：第二開關元件
Q3 ：第三開關元件
A：共接點
S11~S14、S141~S145：步驟
S1~S3：控制訊號
t0：初始時點
t1：第一時點
t2：第二時點
Vlevel_1：第一段充電電壓
Vlevel_2：第二段充電電壓
Vlevel_3：第三段充電電壓
VDIS_LOW：預設放電電壓下限值
VDIS_HIGH：預設放電電壓上限值
CLOW：預設蓄電量百分比例下限值
CHIGH：預設蓄電量百分比例上限值
Sc：開關控制訊號
Sp：電源時序控制訊號
Ith：預設電流值
第1圖係為本案較佳實施例之再生能源供電系統之電路方塊圖。
第2圖係為第1圖所示之電源供應裝置之一較佳實施例之電路圖。
第3圖係為第2圖所示之電源供應裝置之控制方法流程圖。
第4圖係為適用於本案控制方法之一示範性最大功率追蹤程序之流程圖。
第5圖係為第1圖所示之電源供應裝置之另一較佳實施例之電路圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非用於限制本案。

第1圖係揭示本案較佳實施例之再生能源供電系統之電路方塊圖。如第1圖所示，本案之再生能源供電系統1係架構於提供一負載2所需之能量，且以獨立型再生能源供電系統為較佳。本案之再生能源供電系統1包括發電單元10與具蓄電池保護功能之電源供應裝置11(以下簡稱電源供應裝置)。發電單元10係接收一再生能源，並將該再生能源轉換為第一直流電壓V1 及第一直流電流I1 後輸出。於本實施例中，發電單元10可為太陽能板、風力發電機或燃料電池，且以太陽能板為較佳。電源供應裝置11係電性連接於發電單元10與負載2之間，且包括直流/直流轉換器111及蓄電池112。直流/直流轉換器111係電性連接於發電單元10之輸出端，且接收發電單元10輸出之第一直流電壓V1 及第一直流電流I1 ，並將其轉換為第二直流電壓V2 及第二直流電流I2 後輸出。蓄電池112係電性連接於直流/直流轉換器111之輸出端與負載2之間，以架構於儲存直流/直流轉換器111所輸出之能量或釋放儲存的能量至負載2。
第2圖係為第1圖所示之電源供應裝置之一較佳實施例之電路圖。如第1圖及第2圖所示，電源供應裝置11更包括回授電路113及最大功率追蹤控制器114(以下簡稱MPPT控制器)，其中回授電路113係電性連接於直流/直流轉換器11之輸出端及蓄電池112之間，且依據該第二直流電壓V2 產生一回授電壓VFB 並傳送至直流/直流轉換器111之電源控制器111a，藉此直流/直流轉換器111之電源控制器111a便可因應該回授電壓VFB 而控制與調整直流/直流轉換器111所輸出之第二直流電壓V2 的電壓值。MPPT控制器114係電性連接於回授電路113，且依據發電單元10所輸出之第一直流電壓V1 之電壓值與蓄電池112之一預定充電電壓下限值VCH_LOW 之比較結果而執行最大功率追蹤程序，以藉由控制與調整回授電路113之回授電壓VFB 的電壓值，使直流/直流轉換器111輸出之第二直流電壓V2 的電壓值與功率因應地調整，俾使直流/直流轉換器111之功率限制於一最大功率區，且使直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值不大於蓄電池112之一預定充電電壓上限值VCH_HIGH 。
於一實施例中，回授電路113包括複數個電阻及複數個開關元件，其中複數個電阻包括但不限於第一電阻R1 、第二電阻R2 、第三電阻R3 、第四電阻R4 及第五電阻R5 ，複數個開關元件包括但不限於第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 及第三開關元件Q3 。第一電阻R1 之一端電性連接於直流/直流轉換器111之輸出端與蓄電池112之間，第一電阻R1 之另一端與第二電阻R2 之一端連接於一共接點A，第二電阻R2 之另一端連接於一接地端。第三電阻R3 係與第一開關元件Q1 串聯連接後與第二電阻R2 並聯連接，第四電阻R4 係與第二開關元件Q2 串聯連接後與第二電阻R2 及第三電阻R3 並聯連接，第五電阻R5 係與第三開關元件Q3 串聯連接後與第二電阻R2 、第三電阻R3及第四電阻R4 並聯連接。第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 及第三開關元件Q3 之各控制端係分別與MPPT控制器114電性連接。
於一實施例中，當MPPT控制器114檢知發電單元10所輸出的第一直流電壓V1 的電壓值大於等於蓄電池112之預定充電電壓下限值VCH_LOW 時，MPPT控制器114執行最大功率追蹤程序。於執行最大功率追蹤程序時，MPPT控制器114產生控制訊號S1 ~S3 且分別傳送至回授電路113之第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 與第二開關元件Q3 ，以分別控制第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 與第二開關元件Q3 之導通與截止的切換運作，藉此以控制回授電路113切換於複數個不同段的分壓電路，俾使回授電路113依據其不同段的分壓電路之不同阻抗而因應地調整與控制回授電壓VFB 的電壓值。藉此，直流/直流轉換器111之電源控制器111a便可因應該回授電壓VFB 之電壓值變化而控制與調整直流/直流轉換器111所輸出之第二直流電壓V2 的電壓值與功率，以對蓄電池112充電。因此，MPPT控制器114便可使直流/直流轉換器111之功率限制於一最大功率區，且可限制直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值不大於蓄電池112之該預定充電電壓上限值VCH_HIGH 。
於一些實施例中，當第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 與第三開關元件Q3 因MPPT控制器114控制而截止時，回授電路113之第一電阻R1 與第二電阻R2 可架構為第一分壓電路。當第一開關元件Q1 因MPPT控制器114控制而導通，且第二開關元件Q2 與第三開關元件Q3 因MPPT控制器114控制而截止時，回授電路113之第一電阻R1 、第二電阻R2 與第三電阻R3 可架構為第二分壓電路。當第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 因MPPT控制器114控制而導通，且第三開關元件Q3 因MPPT控制器114控制而截止時，回授電路113之第一電阻R1 、第二電阻R2 、第三電阻R3 與第四電阻R4 可架構為第三分壓電路。當第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 與第三開關元件Q3 因MPPT控制器114控制而導通時，回授電路113之第一電阻R1 、第二電阻R2 、第三電阻R3 、第四電阻R4 與第五電阻R5 可架構為第四分壓電路。因此，藉由MPPT控制器114控制回授電路113切換於第一分壓電路、第二分壓電路、第三分壓電路與第四分壓電路之間，可對應地調整與控制回授電路113之回授電壓VFB 之電壓值。藉此，直流/直流轉換器111之電源控制器111a便可因應該回授電壓VFB 之電壓值變化而控制與調整直流/直流轉換器111所輸出之第二直流電壓V2 的電壓值與功率。
舉例而言，當MPPT控制器114控制回授電路113切換至第一分壓電路、第二分壓電路、第三分壓電路或第四分壓電路時，直流/直流轉換器111可因應回授電路113之回授電壓VFB 之電壓值變化分別輸出電壓值為12V、13V、14V或14.8V之第二直流電壓V2 ，亦即直流/直流轉換器111可因應地輸出第一至第四段充電電壓以對蓄電池112充電，其中第四段充電電壓係設定為不大於蓄電池112之預定充電電壓上限值VCH_HIGH 。當然，直流/直流轉換器111因應回授電路113之回授電壓VFB 而可調變輸出之第二直流電壓V2 之電壓值及段數並不以此為限，亦可依實際應用而任意調整。
於本實施例中，最大功率追蹤程序係以類似“擾動觀察法”之方式實現，但不以此為限。簡言之，MPPT控制器114控制調整直流/直流轉換器111輸出之第二直流電壓V2 之電壓值變換於第一段至第四段充電電壓，並判斷直流/直流轉換器111對應的輸出功率的變化方向，其中若是直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值調升一段後(例如由第一段充電電壓調升至第二段充電電壓或其他類似例)，直流/直流轉換器111對應的輸出功率提升，則往相同調整方向繼續調升直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值。反之，若是直流/直流轉換器111對應的輸出功率降低，則往相反的調整方向調降直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值。此外，若是直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值調降一段後(例如由第三段充電電壓調降至第二段充電電壓或其他類似例)，直流/直流轉換器111對應的輸出功率提升，則往相同調整方向繼續調降直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值。反之，若是直流/直流轉換器111對應的輸出功率降低，則往相反的調整方向調升直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值。藉此，便可使該直流/直流轉換器111之功率限制於一最大功率區，且使該直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值不大於該預定充電電壓上限值VCH_HIGH 。
第3圖係為第2圖所示之電源供應裝置之控制方法流程圖。如第1圖、第2圖及第3圖所示，本案電源供應裝置11之控制方法步驟如下。首先，如步驟S11所示，MPPT控制器114檢測發電單元10於一初始時點t0之第一直流電壓V1 與第一直流電流I1 以及檢測直流/直流轉換器111於初始時點t0之第二直流電壓V2 、第二直流電流I2 及功率P(t0) 。然後，如步驟S12所示，MPPT控制器114判斷發電單元10於該時點之第一直流電壓V1 之電壓值是否大於等於蓄電池112之一預定充電電壓下限值VCH_LOW (例如12伏特之蓄電池112的預定充電電壓下限值VCH_LOW 可設定為12V)。接著，如步驟S13所示，若判斷發電單元10於初始時點t0之第一直流電壓V1 之電壓值大於等於蓄電池112之預定充電電壓下限值VCH_LOW 時，則啟動執行最大功率追蹤程序。若判斷發電單元10於初始時點t0之第一直流電壓V1 之電壓值小於蓄電池112之預定充電電壓下限值VCH_LOW 時，則重覆進行步驟S11~S12。於本實施例中，最大功率追蹤程序係以類似“擾動觀察法”之方式實現，但不以此為限。
接著，如步驟S14所示，MPPT控制器114控制與調整回授電路113之回授電壓VFB 的電壓值，且直流/直流轉換器111依據回授電壓VFB 因應地調整其輸出之第二直流電壓V2 的電壓值與功率，使直流/直流轉換器111之輸出功率P限制於一最大功率區，且限制直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值不大於蓄電池112之預定充電電壓上限值VCH_HIGH (例如12伏特之蓄電池112的預定充電電壓上限值VCH_HIGH 可設定為14.8V)。
請再參閱第2圖、第3圖及第4圖，其中第4圖係為適用於本案控制方法之一示範性最大功率追蹤程序之流程圖。於一實施例中，前述步驟S14可包括下列步驟：首先，如步驟S141所示，於第一時點t1時，MPPT控制器114產生控制訊號S1 ~S3 至回授電路113之複數個開關元件Q1 ~Q3 ，以控制該複數個開關元件Q1 ~Q3 為截止狀態，回授電路113將切換為第一分壓電路並產生一回饋電壓VFB ，且直流/直流轉換器111因應該回饋電壓VFB 對應地調整第二直流電壓V2 之電壓值為第一段充電電壓Vlevel_1 (例如第二直流電壓V2 =第一段充電電壓Vlevel_1 =12V)。此時，MPPT控制器114檢知第一時點t1之第二直流電壓V2 (t1) 之電壓值及功率P(t1) 。
接著，如步驟S142所示，於第二時點t2時，MPPT控制器114發出控制訊號S1 ~S3 至回授電路113之第一開關元件Q1 、第二開關元件Q2 及第三開關元件Q3 ，以控制回授電路113切換至第二分壓電路，藉此以調整回授電路113之回授電壓VFB ，俾使直流/直流轉換器111因應該回授電壓VFB 而對應地調升其輸出之第二直流電壓V2 之電壓值為第二段充電電壓Vlevel_2 (例如第二直流電壓V2 =第二段充電電壓Vlevel_2 =13V)。此時，MPPT控制器114檢知第二時點t2之第二直流電壓V2 (t2) 之電壓值及功率P(t2) 。
然後，如步驟S143所示，MPPT控制器114將第二時點t2 之功率P(t2) 與第一時點t1 之功率P(t1) 比較，以判斷第二時點t2之功率P(t2) 是否大於第一時點t1之功率P(t1) 。於此步驟中，於比較第二時點t2之功率P(t2) 與第一時點t1之功率P(t1) 之前，更可包括下列子步驟：MPPT控制器114判斷發電單元10於第二時點t2之第一直流電壓V1 之電壓值是否大於等於蓄電池112之該預定充電電壓下限值VCH_LOW ，如判斷結果為發電單元10於該時點之第一直流電壓V1 之電壓值持續大於等於蓄電池112之預定充電電壓下限值VCH_LOW 時，則進行功率比較與判斷之步驟，如判斷結果為“否”，則回覆進行步驟S11~S12。
接著，如步驟S144所示，於步驟S143之判斷結果為該時點之功率P大於上一個時點之功率P時，亦即直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值調升一段後，直流/直流轉換器111對應的輸出功率提升時，則往相同調整方向繼續調升直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值。舉例而言，如於步驟S143之判斷結果為該時點之功率P大於上一個時點之功率P時，MPPT控制器114將直流/直流轉換器111調升為以第三段充電電壓輸出Vlevel_3 (例如第二直流電壓V2 =第三段充電電壓Vlevel_3 =14V)，此時MPPT控制器114檢知此時點之第二直流電壓V2 之電壓值及功率P，並將此時點之功率P與上一個時點之功率P比較，以判斷此時點之功率P是否大於上一個時點之功率P。
接著，如步驟S145所示，於步驟S143之判斷結果為該時點之功率P小於上一個時點之功率P時，亦即直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值調升一段後，直流/直流轉換器111對應的輸出功率降低時，則往相反調整方向調降直流/直流轉換器111的第二直流電壓V2 之電壓值。舉例而言，如於步驟S143之判斷結果為該時點之功率P小於上一個時點之功率P時，MPPT控制器114將直流/直流轉換器111調降為以第一段充電電壓輸出Vlevel_1 (例如第二直流電壓V2 =第一段充電電壓Vlevel_1 =12V)，此時MPPT控制器114檢知此時點之第二直流電壓V2 之電壓值及功率P，並將此時點之功率P與上一個時點之功率P比較，以判斷此時點之功率 P是否大於上一個時點之功率P。
如於步驟S144之最後判斷結果為“是”時，則重複進行步驟S144。反之，如於步驟S144之最後判斷結果為“否”時，則進行步驟S145。
如於步驟S145之最後判斷結果為“是”時，則重複進行步驟S145。反之，如於步驟S145之最後判斷結果為“否”時，則進行步驟S144。
因此，藉由執行調升與調降充電電壓的程序(即執行步驟S144與步驟S145)之後，MPPT控制器114可使直流/直流轉換器111之輸出功率P限制於一最大功率區，且限制直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值不大於蓄電池112之預定充電電壓上限值VCH_HIGH 。
第5圖係為第1圖所示之電源供應裝置之另一較佳實施例之電路圖。於此實施例中，本案之電源供應裝置可包括直流/直流轉換器111、蓄電池112、回授電路113、MPPT控制器114及電池管理電路115。於此實施例中，直流/直流轉換器111、蓄電池112、回授電路113及MPPT控制器114之電路架構、運作方式及功能與第2圖所示實施例相似，於此不再贅述。
電源供應裝置11之電池管理電路115係架構於管理與保護蓄電池112，且包括控制單元1151、第一切換開關1152、電源時序電路1153(Power on sequence circuit)、第二切換開關1154、開關驅動電路1155及電流感測器1156。控制單元1151係控制電池管理電路115之內部電路運作。第一切換開關1152係電性連接於蓄電池112、控制單元1151與負載2之間以及直流/直流轉換器111之輸出端、控制單元1151與負載2之間，以因應控制單元1151之控制而進行導通與截止之切換運作，俾使電源供應裝置11對負載2進行供電或停止供電。電源時序電路1153之一端係電性連接於直流/直流轉換器111之輸出端與蓄電池112之間，且電源時序電路1153之另一端係電性連接於控制單元1151，且產生一電源時序控制訊號Sp至控制單元1151。第二切換開關1154係連接於電源時序電路1156與直流/直流轉換器111之輸出端之間，且開關驅動電路1155係電性連接於第二切換開關1154與控制單元1151之間，以因應控制單元1151之控制而驅動第二切換開關1154進行導通或截止之切換運作。電流感測器1156係電性連接於直流/直流轉換器111之輸出端與控制單元1151，且感測直流/直流轉換器111輸出之第二直流電流I2 的電流值，並將感測結果提供至控制單元1151。
於此實施例中，電池管理電路115之控制單元1151係持續檢測蓄電池112之電壓或蓄電量。當控制單元1151檢知蓄電池112之電壓低於一預設放電電壓下限值VDIS_LOW 或蓄電量低於一預設蓄電量百分比例下限值CLOW 時，則電池管理電路115之控制單元1151將執行一低電壓強制斷電之程序，以保護蓄電池112使其免於過放之情況發生。於一實施例中，當控制單元1151檢知蓄電池112之電壓低於一預設放電電壓下限值VDIS_LOW 或蓄電量低於一預設蓄電量百分比例下限值CLOW 時，電池管理電路115之控制單元1151控制第一切換開關1152切換為截止狀態，藉此使電源供應裝置11截斷對負載2供電。於一些實施例中，控制單元1151更發出一開關控制訊號Sc至開關驅動電路1155，使開關驅動電路1155因應該開關控制訊號Sc而控制第二切換開關1154切換為截止狀態，藉此以截斷直流/直流轉換器111供電至電源時序電路1153。此時，控制單元1151將依據電源時序電路1153為失能狀態而因應地切換為節能模式，以減少能量之損耗。
於本實施例中，電池管理電路115之控制單元1151藉由電流感測器1156持續檢測直流/直流轉換器111所輸出之第二直流電流I2 之電流值。當控制單元1151檢知第二直流電流I2 之電流值大於該預設電流值Ith 時，控制單元1151並不直接控制電源供應裝置11供電予負載2，控制單元1151發出一開關控制訊號Sc至開關驅動電路1155，使開關驅動電路1155因應該開關控制訊號Sc而控制第二切換開關1154切換為導通狀態，藉此以使直流/直流轉換器111供電至電源時序電路1153以致能電源時序電路1153。
之後，電源時序電路1153發出一電源時序控制訊號Sp至控制單元1151，控制單元1151依據該電源時序控制訊號Sp而因應地從節能模式切換為正常運作模式。此時，控制單元1151檢測蓄電池112之電壓或蓄電量，並判斷蓄電池112之電壓是否大於一預設放電電壓上限值VDIS_HIGH 或蓄電量是否大於一預設蓄電量百分比例上限值CHIGH 。當控制單元1151檢知蓄電池112之電壓大於該預設放電電壓上限值VDIS_HIGH 或蓄電量大於該預設蓄電量百分比例上限值CHIGH 時，控制單元1151控制第一切換開關1152切換為導通狀態以致能電源供應裝置11對負載2供電。藉此，電池管理電路115便可在蓄電池112經低電壓中止放電後，先執行一低電壓強制充電開機程序，以強迫蓄電池112充電至某一程度後再恢復放電以及啟動負載2運作。
因此，本案之電源供應裝置更可利用其電池管理電路115實現低電壓保護機制，可避免習用技術當充電量小於負載耗電量時所形成的中止放電與恢復放電的循環，而造成負載重複開關，進而造成負載損害，且可解決習用技術當電池低電壓時因控制器之耗電造成電池電壓的持續下降，形成電池電壓過低，造成負載運作異常或電池充電功能耗損。
於一些實施例中，本案之再生能源供電系統1可架構為可攜式，以作為行動電源使用，以提供各種電子裝置或設備所需之電源。
綜上所述，本案之電源供應裝置11可於其MPPT控制器114判斷發電單元10之第一直流電壓V1 之電壓值大於等於蓄電池112之一預定充電電壓下限值VCH_LOW 時執行最大功率追蹤程序，藉由控制與調整回授電路113之回授電壓VFB 的電壓值，使直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值與功率因應地調整，俾使該直流/直流轉換器111之功率限制於一最大功率區，因此可於蓄電池112安全充電之情況下，同時實現最大功率追蹤，以取得蓄電池充電與發電單元輸出間最高效率的平衡。此外，直流/直流轉換器111之第二直流電壓V2 的電壓值將被限制不大於預定充電電壓上限值VCH_HIGH ，藉此可避免蓄電池112因充電電壓過高或過充而影響蓄電池112的使用壽命或造成蓄電池112損壞。本案之再生能源供電系統1及其電源供應裝置11之電路架構簡單，且成本較低。再則，本案之電源供應裝置11係利用蓄電池112當中繼，藉此可防止突波以保護負載，且可省去突波裝置之設置成本。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。
 
2：負載
10：發電單元
11：電源供應裝置
V1 ：第一直流電壓
I1 ：第一直流電流
V2 ：第二直流電壓
I2 ：第二直流電流
P：功率
111：直流/直流轉換器
111a：
112：蓄電池
113：回授電路
114：最大功率追蹤控制器(簡稱MPPT控制器)
VFB ：回授電壓
R1 ：第一電阻
R2 ：第二電阻
R3 ：第三電阻
R4 ：第四電阻
R5 ：第五電阻
Q1 ：第一開關元件
Q2 ：第二開關元件
Q3 ：第三開關元件
A：共接點
S1~S3：控制訊號

Claims (1)


  1. 一種再生能源供電系統，包含:

      一發電單元，接收一再生能源並將該再生能源轉換為一第一直流電壓及一第一直流電流後輸出；以及

      一電源供應裝置，電性連接於該發電單元與一負載之間，且包括：

         一直流/直流轉換器，電性連接於該發電單元之一輸出端，且接收該第一直流電壓及該第一直流電流並轉換為一第二直流電壓及一第二直流電流後輸出；

         一蓄電池，電性連接於該直流/直流轉換器之一輸出端與該負載之間，且架構於儲存該直流/直流轉換器所輸出之能量或釋放儲存的該能量至該負載；

         一回授電路，電性連接於該直流/直流轉換器之該輸出端及該蓄電池之間，且依據該第二直流電壓產生一回授電壓並傳送至該直流/直流轉換器；以及

         一最大功率追蹤控制器，電性連接於該回授電路，且依據該第一直流電壓之電壓值與該蓄電池之一預定充電電壓下限值之比較結果執行一最大功率追蹤程序，且藉由控制與調整該回授電路之該回授電壓的電壓值，使該直流/直流轉換器輸出之該第二直流電壓的該電壓值與一功率因應地調整，俾使該直流/直流轉換器之該功率限制於一最大功率區，且使該直流/直流轉換器之該第二直流電壓的該電壓值不大於該蓄電池之一預定充電電壓上限值。

    2.如申請專利範圍第1項所述之再生能源供電系統，其中該發電單元為一太陽能板、一風力發電機或一燃料電池。

    3.如申請專利範圍第1項所述之再生能源供電系統，其中該回授電路包括：

       一第一開關元件、一第二開關元件及一第三開關元件，該第一開關元件、該第二開關元件及該第三開關元件之各控制端係分別與該最大功率追蹤控制器電性連接；

       一第一電阻，該第一電阻之一端電性連接於該直流/直流轉換器之該輸出端與該蓄電池之間；

       一第二電阻，該第二電阻之一端與該第一電阻之另一端連接於一共接點，該第二電阻之另一端連接於一接地端；

       一第三電阻，與該第一開關元件串聯連接後與該第二電阻並聯連接；

       一第四電阻，與該第二開關元件串聯連接後與該第二電阻及該第三電阻並聯連接；以及

       一第五電阻，與該第三開關元件串聯連接後與該第二電阻、該第三電阻及該第四電阻並聯連接。

    4.如申請專利範圍第3項所述之再生能源供電系統，其中該當該最大功率追蹤控制器檢知該第一直流電壓的該電壓值大於等於該蓄電池之該預定充電電壓下限值時，該最大功率追蹤控制器執行該最大功率追蹤程序。

    5.如申請專利範圍第4項所述之再生能源供電系統，其中該最大功率追蹤控制器產生複數個控制訊號並傳送至該回授電路之該第一開關元件、該第二開關元件與該第三開關元件，以分別控制該第一開關元件、該第二開關元件與該第三開關元件之導通與截止的切換運作，使該回授電路切換於複數個不同段的分壓電路，俾使該回授電路因應地調整該回授電壓的電壓值。

    6.如申請專利範圍第1項所述之再生能源供電系統，其更包括一電池管理電路，用於管理及保護該蓄電池，其中當該蓄電池之一電壓或一蓄電量分別低於一預設放電電壓下限值或一預設蓄電量百分比例下限值時，該電池管理電路截斷該電源供應裝置對該負載供電；以及當該第二直流電流之電流值大於一預設電流值時，且當該蓄電池之該電壓或該蓄電量分別大於一預設放電電壓上限值或一預設蓄電量百分比例上限值時，該電池管理電路使該電源供應裝置致能對該負載供電。

    7.如申請專利範圍第6項所述之再生能源供電系統，其中該電池管理電路包括：

      一控制單元，其係架構於控制該電池管理電路之運作；

      一第一切換開關，電性連接於該蓄電池、該控制單元與該負載之間以及該直流/直流轉換器之該輸出端、該控制單元與該負載之間，以因應該控制單元之控制而進行導通與截止之切換運作，俾使該電源供應裝置對該負載進行供電或停止供電；

      一電源時序電路，該電源時序電路之一端係電性連接於該直流/直流轉換器之該輸出端與該蓄電池之間，該電源時序電路之另一端係電性連接於該控制單元，且產生一電源時序控制訊號至該控制單元；

      一第二切換開關，電性連接於該電源時序電路與該直流/直流轉換器之該輸出端之間；

      一開關驅動電路，電性連接於該第二切換開關與該控制單元之間，以因應該控制單元之控制而驅動該第二切換開關進行導通或截止之切換運作；以及

      一電流感測器，電性連接於該直流/直流轉換器之該輸出端與該控制單元，且感測該第二直流電流的該電流值，並將感測結果提供至該控制單元。

    8.如申請專利範圍第1項所述之再生能源供電系統，其中該再生能源供電系統為可攜式。

    9.一種具蓄電池保護功能之電源供應裝置，電性連接於一發電單元及一負載之間，其中該發電單元接收一再生能源並將該再生能源轉換為一第一直流電壓及一第一直流電流後輸出，該具蓄電池保護功能之電源供應裝置包含:

       一直流/直流轉換器，接收該第一直流電壓及該第一直流電流並轉換為一第二直流電壓及一第二直流電流後輸出；

       一蓄電池，電性連接於該直流/直流轉換器之一輸出端與該負載之間，且架構於儲存該直流/直流轉換器所輸出之能量或釋放儲存的該能量至該負載；

       一回授電路，電性連接於該直流/直流轉換器之該輸出端及該蓄電池之間，且依據該第二直流電壓產生一回授電壓並傳送至該直流/直流轉換器；以及

       一最大功率追蹤控制器，電性連接於該回授電路，且依據該第一直流電壓之電壓值與該蓄電池之一預定充電電壓下限值之比較結果執行一最大功率追蹤程序，且藉由控制與調整該回授電路之該回授電壓的電壓值，使該直流/直流轉換器輸出之該第二直流電壓的該電壓值與一功率因應地調整，俾使該直流/直流轉換器之該功率限制於一最大功率區，且使該直流/直流轉換器之該第二直流電壓的該電壓值不大於該蓄電池之一預定充電電壓上限值。

    10.一種電源供應裝置之控制方法，其中該電源供應裝置係電性連接於一發電單元及一負載之間，該發電單元接收一再生能源並將該再生能源轉換為一第一直流電壓及一第一直流電流後輸出，該電源供應裝置包括一直流/直流轉換器、一蓄電池、一回授電路及一最大功率追蹤控制器，該電源供應裝置之控制方法包含步驟:

       該直流/直流轉換器接收該第一直流電壓及該第一直流電流並轉換為一第二直流電壓及一第二直流電流後輸出；

       檢測該第一直流電壓的電壓值，且該最大功率追蹤控制器判斷該第一直流電壓的該電壓值是否大於等於該蓄電池之一預定充電電壓下限值；

       當該最大功率追蹤控制器檢知該第一直流電壓的該電壓值大於等於該蓄電池之該預定充電電壓下限值時，執行一最大功率追蹤程序；

       該最大功率追蹤控制器控制與調整該回授電路之該回授電壓的電壓值，該直流/直流轉換器依據該回授電壓的電壓值因應地調整輸出之該第二直流電壓的該電壓值與一功率，使該直流/直流轉換器之該功率限制於一最大功率區，且使該直流/直流轉換器之該第二直流電壓的該電壓值不大於該蓄電池之一預定充電電壓上限值。
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