TWI496384B - 複合供電系統 - Google Patents

Description

複合供電系統

本發明是有關於一種發電裝置之供電系統，特別是一種發電裝置搭配二次電池之複合供電系統。

目前，如我國第200826412號專利公開案的「具燃料電池及二次電池之在線互動式不斷電系統」需於二次電池輸出端加入電壓調整電路，造成系統相對複雜。如日本第JP2002064902A號專利公開案的DC/DC變換器是以調控電壓之方式與電池並接，但並未明示DC/DC變換器如何輸出固定功率，以及在負載驟變下如何即時維持固定功率之輸出。

如我國第559602號專利提出調控燃料電池輸出電能之控制系統，但並未說明在負載驟變下，如：電動機車瞬間加速需求之功率如何維持燃料電池既定之輸出功率控制，也未提及如何提供定電壓與定電流之充電模式以確保電池與充電裝置之安全，其直流電-直流電轉換器之實施例為習知技術，且因受限於電容之導通電流，多適用於數百瓦以下之低功率應用，在原應用實施例上有其侷限。

另外，發電裝置如燃油發電引擎、燃料電池、風力發電機、水力發電…等等可以產生穩定之電能，但下達之功率命令，需經數拾毫秒以上之時間延遲，才可輸出至設定的發電功率，因而此類發電裝置皆有發電延遲之特質；又，如電動載具之負載需較大瞬間功率，但平均功率卻相對不高，於加 速時需求功率較大但時間不長。

本發明的一目的，即是提供一種以二次電池支援發電裝置的複合供電系統。

本發明的另一目的，即是提供一種供應需較大瞬間功率之負載的複合供電系統。

本發明的複合供電系統配合一發電裝置供應一負載所需之電力，該複合供電系統包括一直流對直流轉換電路、一功率控制單元、一輸出轉換器及一二次電池。

該直流對直流轉換電路接受該發電裝置產生之直流電源並受控制產生一輸出電流；該功率控制單元控制該直流對直流轉換電路產生該輸出電流；該輸出轉換器將該輸出電流轉換為該負載所需電力；該二次電池並聯該直流對直流轉換電路之輸出端，且受該功率控制單元控制進行放電或充電。

本發明的複合供電系統之功效在於：發電裝置提供負載固定功率，負載所需之額外瞬時功率由二次電池提供，如此可有效降低發電裝置之備載容量。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1，本發明複合供電系統100配合一發電裝置5及一電源轉換電路6供應一負載7所需之電力，該複合供電系統100包括一功率控制單元1、一直流對直流轉換電路2、 一輸出轉換器3及一二次電池4。

本實施例中，發電裝置5可以是一燃油發電機、一燃料電池、一太陽能電池或一風力發電機，用以輸出一交流電源V _AC 予電源轉換電路6。

電源轉換電路6橋接於發電裝置5及直流對直流轉換電路2之間，本實施例是一交流對直流轉換電路，將該交流電源V _AC 轉換為一電流i ₀ 及一直流電壓V ₀ 予直流對直流轉換電路2；其他實施例中，若發電裝置5的輸出為一直流電源，可省略電源轉換電路6之設置，或者，電源轉換電路6可設計為一將直流電源轉換為固定輸出之直流電的直流對直流轉換電路，亦屬於本發明的範疇。

直流對直流轉換電路2(如圖6、圖7或圖8之架構，容後再述)電性連接功率控制單元1、電源轉換電路6、二次電池4及輸出轉換器3；直流對直流轉換電路2的一端接收前述的電流i ₀ 及直流電壓V ₀ ，並接受功率控制單元1的脈波控制輸出一電流i ₁ 及一電壓V _out ，配合並聯的二次電池4的一電流i ₂ 及一電壓V _B ，最後輸出一加總電流i ₃ (電流i ₁ 及電流i ₂ 的加總)予輸出轉換器3。

功率控制單元1是一微處理器或一數位訊號處理器結合適當之硬體元件，主要是偵測直流對直流轉換電路2的輸入端的電流i ₀ 及直流電壓V ₀ 、直流對直流轉換電路2的輸出端的電流i ₁ ,i ₃ ，及配合二次電池4輔助提供的電流i ₂ 及電壓V _B ，藉此輸出脈波控制訊號以控制直流對直流轉換電路2的輸出功率或電流，且負載7停止輸出功率時，功率控制單元 1配合直流對直流轉換電路2，將發電裝置5所產生之電能對二次電池4進行定電壓或定電流之充電。

二次電池4用以輸出電流i ₂ 及電壓V _B ，其架構可以是鋰電池、鉛酸或鎳氫電池的標準電池單元進行串聯、並聯或串並聯所組成。

本發明的原理就在於，基於克希荷夫電流定律，直流對直流轉換電路2及二次電池4供給輸出轉換器3之加總電流i ₃ =i ₁ +i ₂ ；其中，電流i ₁ 是直流對直流轉換電路2的輸出電流；電流i ₂ 是二次電池4的輸出電流；及電流i ₃ 是輸出轉換器3的輸入電流。

因此，當電流i ₁ 被控制為定值，電流i ₃ 所需求之電流可由電流i ₂ 來補充i ₁ 之需求；當電流i ₃ 需求不足時，可由二次電池4輸出電流i ₂ 提供，此時二次電池4處於放電。相對地，若電流i ₃ 需求小於電流i ₁ 時，則可將過多之電流(或電能)對二次電池4進行充電，因此二次電池4可視為一種電能之緩衝裝置；由於發電裝置5通常多運作在固定功率，如此會有較高之發電效率。

最後，輸出轉換器3是依據負載7來選用，若負載7為連接於市電之用電產品，則輸出轉換器3可以是直流對交流轉換電路，其輸出電壓與頻率可與市電相容；若負載7為馬達，則輸出轉換器3為馬達驅動裝置，其輸出可以是對三相馬達供電之三相交流電源或對直流馬達供電之直流電源。

由前述可知，本發明的特點在於：針對現有發電裝置5 有延遲輸出發電功率之缺點，因此以二次電池4作為能量緩衝器，提供負載7所需之瞬間功率及吸收發電裝置多餘之電能，如此可有效降低發電裝置5之設置容量並滿足負載7之即時功率需求。此外，當負載7停止運作不需供電時，可利用本發明複合供電系統100對二次電池4進行「定電流充電模式」或「定電壓充電模式」之充電。

參閱圖2，功率控制單元1包括一微處理器10、一功率晶體驅動電路11、一通訊介面電路12、一介面電路13及一保護電路14。

微處理器10負責控制策略之執行與相關訊號之處理，功率晶體驅動電路11主要是將脈波寬度調變之訊號放大後，再將此放大訊號用來驅動功率晶體；微處理器10可經由內建程式命令運算讀取偵測的輸出電壓及電流產生控制訊號，再由功率晶體驅動電路11放大後驅動直流對直流轉換電路2之功率晶體；經由控制調變控制訊號的功率晶體的工作週期方式控制輸出電流，並可間接地達到輸出功率控制之目的；除了內建程式命令的方式以外，微處理器10亦可經由介面電路13讀取來自電源轉換電路6的輸出電壓V ₀ 、輸出電流i ₀ 、直流對直流轉換電路2的輸出電流i ₁ ,i ₃ ，及二次電池4之電流i ₂ 及電壓V _B ，達到功率控制之目的。

配合圖1及圖2，功率控制單元1是輸出一電流命令予直流對直流轉換電路2以使其產生對應該電流命令之電流，且該直流對直流轉換電路2之輸出端與二次電池4並聯 一起供電給輸出轉換器6供負載7使用；且功率控制單元1是藉由一功率命令及測得的一直流對直流轉換電路2與二次電池4並接端之直流電壓V _B 以計算該電流命令，其電流控制原理詳述如下：在忽略電源轉換電路6之效率下，發電裝置5的輸出功率P _G 為P _G =V _o ×i _o ，此時，欲達到輸出功率為P _G 之直流對直流轉換電路2輸出一電流命令，可表示為，因此，在已知輸出功率P _G 或輸出功率命令與直 流對直流轉換電路2之效率η下，經由即時偵測二次電池4的電壓V _B ，即可知道需求之電流命令，再由微處理器10依據電流命令調控直流對直流轉換電路2之輸出電流i ₁ ，使i ₁ =；或者，由通訊介面電路12輸入之輸出功率命令計 算輸出電流命令。

通訊介面電路12是符合RS232、RS485、I ² C 、CAN、....等通訊規範，用來接受外部所傳來之資訊，外部所傳來之資訊可以是發電裝置5之輸出功率命令、「定電流充電模式」下之允許最大電流命令、最小電流命令或其他控制策略所需之參數；需說明的是，前述最小電流命令與最大電流命令是依據所用之二次電池4之規格訂定，除了經由通訊介面電路12所傳遞命令進行設定，也可預設於處理 器10之記憶體內，皆屬於本發明之範疇。

介面電路13用來作為感測元件偵測類比訊號V _o 、i _o 、V _B 、i ₂ 、i ₁ 與i ₃ 之電氣準位轉換，以符合微處理器10之輸入訊號規格；保護電路14依據微處理器10讀取之V _o 、i _o 、V _B 、i ₁ 與i ₂ 等訊號進行過電壓、欠電壓、過電流與過負載等異常行為之防護；當系統之保護電路14啟動時，經由微處理器10以及功率晶體驅動電路11之輸出訊號，來停止直流對直流轉換電路2之輸出，以達到保護之目的。

參閱圖3，微處理器10內建的程式邏輯包含一功率控制模組30，功率控制模組30包括一功率計算器301、一電流補償器302、一電壓限制器303與一脈波寬度調變305，當「定功率輸出模式」時，功率控制模組30可間接對二次電池4施以電流控制。

功率計算器301是依據回授電壓V _B 與發電裝置5即時之輸出功率P _G 計算出電流命令，輸出功率命令可由通訊介面電路12輸入；隨後，利用電流命令與電流回授i ₁ 之誤差值i _err ，經過電流補償器302、電壓限制器303與脈波寬度調變305產生脈波寬度調變訊號V _PWM ，脈波寬度調變訊號V _PWM 再經由如圖2的功率晶體驅動電路11放大後，再推動如圖1的直流對直流轉換電路2之功率晶體，以達到控制電流i ₁ 之目的。

參閱圖4，微處理器10內建的程式邏輯還包含一充電控制模組31，充電控制模組31包括一電壓補償器311、一電流限制器312、一電流補償器313、一電壓限制器314、 一模式開關310與一脈波寬度調變315，模式開關310為軟體撰寫之判斷式，其功能是用來判別充電模式是定電流或是定電壓模式充電，當充電時，充電控制模組31依據二次電池4之電壓或由通訊介面電路12輸入切換指令予模式開關310以切換「定電壓充電模式」與「定電流充電模式」。

於「定電流充電模式」時，充電控制模組31設定之定電壓命令與回授電壓V _B 之誤差量V _err 經過電壓補償器311產生電流命令，而電流命令再經由電流限制器312產生電流命令，電流命令與回授電流i ₁ 之誤差值經過電流補償器313、電壓限制器314與脈波寬度調變315產生脈波寬度調變訊號V _PWM ，脈波寬度調變訊號V _PWM 再經由如圖2的功率晶體驅動電路11放大後，推動如圖1的直流對直流轉換電路2之功率晶體，以達到強迫輸出電流i ₁ 追隨電流命令之目的。

配合圖4及圖5，電流限制器312之工作原理為：當電壓補償器311產生的電流命令不小於最大電流命令()時，則電流限制器312控制輸出的電流命令等於該最大電流命令，亦即限制電流命令在二次電池4於「定電流充電模式」下之允許最大電流命令；當電壓補償器311產生的電流命令大於最小電流命令且小於最大電流命令時，則控制電流限制器312的電流命令等於電壓補償器311產生的電流命令；當電壓補償器311產生的電流命令小於最小電流命令()時，則可控制模式開關310切換至「定電壓充電模 式」。

參閱圖6至圖8，是直流對直流轉換電路2的三種架構，如圖6的直流對直流轉換電路2’是一非隔離之降壓轉換電路，具有功率晶體、回授電路以及被動元件，如圖7的直流對直流轉換電路2”是一非隔離之升壓轉換電路，如圖8的直流對直流轉換電路2”’是一具隔離之全橋轉換電路，由於前述架構皆為已知技術，不在此描述其動作原理。

參閱圖9，本較佳實施例在固定輸出電流i ₁ 下之實測波形中，當輸出轉換器3的輸入電流i ₃ 變動時，其需求之額外電流是由二次電池4的電流i ₂ 來提供，圖中可清楚說明所提發明可由控制輸出電流i ₁ 來達到對發電裝置5之定功率輸出及二次電池4在無需輸出轉換電路之情形下，可作為能量緩衝裝置，而電流i ₂ 為負值與正值時分別表示處於充電與放電狀態。

微處理器10還內建有控制軟體，控制軟體分為主程式、電流迴路之副程式以及電壓迴路之副程式來實現相關控制功能，分述如下。

參閱圖10，於開始主程式(步驟200)時，是先進行系統參數與初始化之設定(步驟201)，偵測中斷要求是否產生(步驟202)？若否，持續偵測；若有，則進入中斷服務程序(步驟203)，中斷服務程序(步驟203)區分為如圖11之電流迴路的副程式及如圖12之電壓迴路之副程式，此兩迴路之副程式是以固定時間 之中斷來執行，而電流迴路之中斷頻率與優先順序皆較電壓迴路高。

參閱圖11，電流迴路的副程式中，於開始電流迴路中斷程序(步驟401)後，進入串列通訊傳輸模式(步驟402)，接著讀取電流命令與回授電流i ₁ (步驟403)，再判斷系統是否啟動(步驟404)？若是，執行電流補償器313之運算(步驟405)，與依據電壓限制器314之運算(步驟406)，接著，判斷是否定電壓充電模式(步驟407)？若是，以二次電池4之定電壓命令進行脈寬調變之運算(步驟408)以產生功率晶體之驅動訊號；若否，依據電壓限制器314進行脈波寬度調變之運算(步驟409)以產生功率晶體之驅動訊號。

參閱圖12，電壓迴路之副程式中，於開始電壓迴路中斷程序(步驟601)後，讀取對應二次電池4之定電壓命令、回授電壓V _B 與發電裝置5之輸出功率P _G (步驟602)，再依據工作模式之指令，判斷是「定功率輸出模式」或「二次電池充電模式」(步驟603)？當進行「定功率輸出模式」時，由功率計算器產生電流命令(步驟604)，以供給如圖11之步驟403使用。

當「二次電池充電模式」時，會先判斷是「定電流充電模式」或「定電壓充電模式」(步驟605)？若處於「定電流充電模式」時，則進行電壓補償器311之運算(步驟606)以產生，再經由電流限制器312之運算(步驟608)以產生電流命令；若處於「定電壓充電模式」 時，則產生對應二次電池4之定電壓命令(步驟607)。

綜上所述，本發明的複合供電系統100之功效在於：發電裝置5提供負載7固定功率，負載7所需之額外瞬時功率由二次電池4提供，如此可有效降低發電裝置5之備載容量，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧複合供電系統

1‧‧‧功率控制單元

10‧‧‧微處理器

11‧‧‧功率晶體驅動電路

12‧‧‧通訊介面電路

13‧‧‧介面電路

14‧‧‧保護電路

2、2’、2”、2”’‧‧‧直流對直流轉換電路

200~203‧‧‧步驟

3‧‧‧輸出轉換器

30‧‧‧功率控制模組

301‧‧‧功率計算器

302‧‧‧電流補償器

303‧‧‧電壓限制器

305‧‧‧脈波寬度調變

31‧‧‧充電控制模組

310‧‧‧開關

311‧‧‧電壓補償器

312‧‧‧電流限制器

313‧‧‧電流補償器

314‧‧‧電壓限制器

310‧‧‧模式開關

315‧‧‧脈波寬度調變

4‧‧‧二次電池

401~409‧‧‧步驟

5‧‧‧發電裝置

6‧‧‧電源轉換電路

601~608‧‧‧步驟

7‧‧‧負載

i ₁ ‧‧‧直流對直流轉換電路之輸出電流

i ₂ ‧‧‧二次電池之輸出電流

i ₃ ‧‧‧輸出轉換器之輸入電流

P _G ‧‧‧發電裝置之輸出功率

‧‧‧發電裝置之輸出功率命令

V _o ‧‧‧直流對直流轉換電路之輸入電壓

i _o ‧‧‧直流對直流轉換電路之輸入電流

V _B ‧‧‧直流對直流轉換電路之輸出電壓，亦為二 次電池之電壓

F ₁ ,F ₂ ‧‧‧快速熔斷保險絲

‧‧‧直流對直流轉換電路之輸出電流命令

‧‧‧經電壓補償器之輸出電流命令

‧‧‧二次電池於定電流模式下之允許最大電流命令

‧‧‧二次電池於定電 流模式下之最小電流命令

‧‧‧二次電池之電壓命令

V _in ‧‧‧輸入電壓

V _out ‧‧‧輸出電壓

Q ₀ ~Q ₄ ‧‧‧功率晶體

D ₀ ~D ₄ ‧‧‧二極體

L ‧‧‧電感

T ‧‧‧變壓器

圖1是一系統方塊圖，說明本發明複合供電系統之較佳實施例；圖2是一電路方塊圖，說明用於本較佳實施例之功率控制單元；圖3是一功能方塊圖，說明本較佳實施例操作在功率控制模式；圖4是一功能方塊圖，說明本較佳實施例操作在充電模式；圖5是一功能方塊圖，說明本較佳實施例之電流限制器之工作模式；圖6是一電路圖，說明本較佳實施例之直流對直流轉換電路的一實施架構例，為非隔離之降壓轉換電路；圖7是一電路圖，說明本較佳實施例之直流對直流轉換電路另一實施架構例，為非隔離之升壓轉換電路； 圖8是一電路圖，說明本較佳實施例之直流對直流轉換電路又一實施架構例，為具隔離之全橋轉換電路；圖9是一時序圖，說明本較佳實施例於固定i下之實測波形；圖10是一流程圖，說明本較佳實施例之主程式；圖11是一流程圖，說明本較佳實施例之電流迴路的副程式；及圖12是一流程圖，說明本較佳實施例之電壓迴路之副程式。

100‧‧‧複合供電系統

1‧‧‧功率控制單元

2‧‧‧直流對直流轉換電路

3‧‧‧輸出轉換器

4‧‧‧二次電池

5‧‧‧發電裝置

6‧‧‧電源轉換電路

7‧‧‧負載

Claims (7)

1. 一種複合供電系統，配合一發電裝置供應一負載所需之電力，該複合供電系統包括：一直流對直流轉換電路，接受該發電裝置產生之直流電源並受控制產生一預定的輸出電流；一二次電池，直接並聯該直流對直流轉換電路之輸出端；一功率控制單元，電性連接該直流對直流轉換電路及該二次電池，控制該直流對直流轉換電路產生該輸出電流以達到定功率輸出；及一輸出轉換器，電性連接該直流對直流轉換電路、該二次電池及該功率控制單元，將該直流對直流轉換電路之輸出電流及該二次電池產生之輸入電流轉換為該負載所需電力；其中，該輸出轉換器的輸入電流等於該直流對直流轉換電路的輸出電流及該二次電池的輸出電流的加總，藉此，當該直流對直流轉換電路的輸出電流被控制為定值，且該輸出轉換器在需求較大的輸入電流時，可由該二次電池輸出電流補充。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之複合供電系統，其中，該功率控制單元輸出一電流命令予該直流對直流轉換電路以使其產生對應該電流命令之電流，且該直流對直流轉換電路之輸出端與該二次電池並聯一起供電給輸出轉換器供負載使用。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之複合供電系統，其中，該功 率控制單元係藉由該發電裝置的一功率命令、該直流對直流轉換電路的一效率，及一對該直流對直流轉換電路與該二次電池並接端之直流電壓以計算該電流命令。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之複合供電系統，其中，該功率控制單元還包括一處理器及一通訊介面，該功率命令可經由該通訊介面傳遞至該處理器。
5. 依據申請專利範圍第4項所述之複合供電系統，其中，該功率命令預先儲存在該處理器的記憶體中。
6. 依據申請專利範圍第3項所述之複合供電系統，還包括一橋接於該發電裝置及該直流對直流轉換電路之間的電源轉換電路，該功率控制單元計算該發電裝置之功率命令是由該電源轉換電路的一輸出電壓與一輸出電流相乘。
7. 依據申請專利範圍第1至任一項所述之複合供電系統，其發電裝置是一燃油發電機、一燃料電池、一太陽能電池或一風力發電機。