TWI501503B

TWI501503B - 充電裝置及其控制方法

Info

Publication number: TWI501503B
Application number: TW102135646A
Authority: TW
Inventors: Tzung Lin Lee; Yen Ching Wang
Original assignee: Univ Nat Sun Yat Sen
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2015-09-21
Also published as: TW201515361A

Description

充電裝置及其控制方法

本發明係關於一種充電裝置及其控制方法，特別關於一種用以對一動力裝置例如電動車的一電池外插充電模組進行供電的充電裝置及其控制方法。

為因應能源危機與溫室效應，電動車相關技術與應用廣為眾多廠商與學者所探討。電動車所配備的電池容量越大，越能利用電池行駛更遠的距離，而節省更多燃油，並降低更多溫室氣體排放，因此，電動車的儲能系統相當重要。以充電技術而言，電動車快速充電的發展最為蓬勃。

目前的家庭用電，電壓一般為110伏特至220伏特，電流限制為16.5安培。以此用電規格應用於電動車充電的情形下，便有諸多限制，無法達成電動車快速充電。目前的電動車規範，一般所需的使用電流為16.5安培以上，因此，目前為進行電動車電池快充時，需與電力公司訂定契約，以提升用戶的用電配線容量，才能以相對應的高額定功率及高電流，以進行電動車電池快速充電。但相對的，訂定契約的用電配線容量越高，其電價越高。

另外，現有的功率緩衝電路用於不斷電系統(Uninterruptible Power Supply，UPS)的應用。當電力系統或電力配線端點發生故障或電壓驟降時，將由UPS即時提供輸出電壓與功率能量給用戶、負載，避免因故障或電壓驟降造成損失。當配線端點故障或電壓驟降排除後，UPS停止輸出功率，並於平常時段對UPS內部儲能元件充電。此類技術僅用於用戶電力品質應用，尚未應用在電動車快速充電上。

故，有必要提供一種充電裝置及其控制方法，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種充電裝置，其利用電流控制單元控制市電及二次電池供電給電池外插(plug-in)充電模組，以進行快速充電。

本發明之另一目的在於提供一種充電裝置之控制方法，其其利用電流控制單元控制市電及二次電池供電給電池外插充電模組，以提高充電效率。

為達上述之目的，本發明提供一種充電裝置，用以對一動力裝置的一電池外插充電模組進行供電，該充電裝置包含一交流輸入端、一交流輸出端、一電流控制單元及至少一個二次電池，該交流輸入端用以電性連接一市電，該交流輸出端用以供電予該動力裝置的電池外插充電模組，該電流控制單元電性連接該交流輸入端及該交流輸出端，該二次電池電性連接該電流控制單元，該二次電池蓄存的電流透過該電流控制單元往該交流輸出端輸出，其中該電流控制單元用以將該交流輸入端輸入的電流蓄存至該二次電池或由該交流輸出端輸出。

在本發明之一實施例中，該電流控制單元更具有一交流控制器及一交流檢測器，該交流控制器電性連接該交流輸入端，該交流檢測器電性連接於該交流控制器及該交流輸出端之間，該交流控制器用以控制流往該交流輸出端的電流量，該交流檢測器用以檢測流往該交流輸出端的電流量。

在本發明之一實施例中，該電流控制單元具有一交流/直流轉換器及一直流/直流轉換器，該交流/直流轉換器電性連接該交流控制器，該直流/直流轉換器電性連接於該交流/直流轉換器及該二次電池之間。

在本發明之一實施例中，該電流控制單元更具有一直流檢測器，電性連接於該直流/直流轉換器及該二次電池之間，該直流檢測器用以檢測流往該二次電池的電流量。

在本發明之一實施例中，該充電裝置更包含一備用電源輸出端，電性連接該電流控制單元，該二次電池蓄存的電流透過該電流控制單元往該備用電源輸出端輸出。

在本發明之一實施例中，該電流控制單元另具有：一直流/交流轉換器，一端電性連接於該交流/直流轉換器及該直流/直流轉換器之間，及另一端電性連接該備用電源輸出端。

在本發明之一實施例中，該充電裝置更包含一繼電器，電性連接在該交流輸入端及電流控制單元之間。

為達上述之目的，本發明提供一種充電裝置之控制方法，其包含步驟：(1)將一交流輸入端電性連接一市電，使該電流控制單元對至少一個二次電池充電以蓄存電流；及(2)將一交流輸出端電性連接一動力裝置的一電池外插充電模組，使該交流輸入端對該交流輸出端輸出電流，以及使該二次電池經由該電流控制單元同時對該交流輸出端輸出電流，以並行供電給該電池外插充電模組。

在本發明之一實施例中，在步驟(2)之前，該交流輸入端與該市電形成斷路，使該電流控制單元利用該二次電池對一備用電源輸出端輸出電流。

在本發明之一實施例中，在步驟(2)之後，該交流輸入端與該市電形成斷路，及該交流輸出端與該電池外插充電模組形成斷路，使該電流控制單元利用該二次電池對一備用電源輸出端輸出電流。

如上所述，利用該電流控制單元可控制市電及該二次電池並行供電給該電池外插充電模組，可於不提高市電用電量的情況下，能對該電池外插充電模組進行快速充電，可有效縮短充電的時間，提高充電效率。

100‧‧‧充電裝置

100’‧‧‧充電裝置

101‧‧‧電池外插充電模組

102‧‧‧市電

2‧‧‧交流輸入端

3‧‧‧交流輸出端

4‧‧‧電流控制單元

41‧‧‧交流控制器

42‧‧‧交流檢測器

43‧‧‧交流/直流轉換器

44‧‧‧直流/直流轉換器

45‧‧‧直流檢測器

47‧‧‧直流/交流轉換器

5‧‧‧二次電池

6‧‧‧繼電器

7‧‧‧備用電源輸出端

第1圖：本發明一第一實施例之充電裝置的元件關係的示意圖；及第2圖：本發明一第二實施例之充電裝置的元件關係的示意圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明一第一實施例之充電裝置100，用以對一動力裝置(例如電動汽車或機車)的一電池外插(plug-in)充電模組101進行供電，其中該充電裝置100包含一交流輸入端2、一交流輸出端3、一電流控制單元4、至少一個二次電池5及一繼電器6，本發明將於下文詳細說明各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

續參照第1圖所示，該交流輸入端2用以電性連接一市電102，目前市電的電壓一般為110V至220伏特，電流最大限制為16.5安培。另外，該繼電器102電性連接在該交流輸入端2及電流控制單元4之間，用以保護電路而作為自動切換斷開/接通的開關。該交流輸出端3用以供電予該動力裝置的電池外插充電模組101，例如電動車的充電端(plug-in)，該電池外插充電模組101用以對該動力裝置的一電池組(未繪示)進行快速充電。

續參照第1圖所示，該二次電池5可蓄存的電流透過該電流控制單元4往該交流輸出端3輸出，其中該電流控制單元4用以將該交流輸入端2輸入的電流蓄存至該二次電池5或由該交流輸出端3輸出，在本實施例中，該二次電池5為一個，但也可視需求設置數個，該二次電池5可採用例如鉛蓄電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鋰離子聚合物電池或磷酸鋰鐵。

續參照第1圖所示，該電流控制單元4電性連接該交流輸入端2及該交流輸出端3，該二次電池5電性連接該電流控制單元4，其中，該電流控制單元4具有一交流控制器41、一交流檢測器42、一交流/直流(AC/DC)轉換器43、一直流/直流(DC/DC)轉換器44及一直流檢測器45。

續參照第1圖所示，該交流控制器41電性連接該交流輸入端2，該交流檢測器42電性連接於該交流控制器41及該交流輸出端3之間，該交流控制器41用以分別控制流往該交流輸出端3及該二次電池5的電流量，該交流檢測器42用以檢測流往該交流輸出端3的電流量。

續參照第1圖所示，該交流/直流轉換器43電性連接該交流控制器41，該直流/直流轉換器44電性連接於該交流/直流轉換器43及該二次電池5之間，其中該交流/直流轉換器43用以將該市電102導入的交流電轉換成直流電，該直流/直流轉換器44用以將轉換後的直流電進行降壓至50伏特以下。

續參照第1圖所示，該直流檢測器45電性連接於該直流/直流轉換器44及該二次電池5之間，該直流檢測器45用以檢測流往該二次電池5的電流量，該直流/直流轉換器44則依據檢測的電流量而恆定流往該二次電池5的電流量，以提高該二次電池5的充電效率。

請配合參照第1圖所示，其顯示依照本發明該第一實施例的充電裝置100。該第一實施例的充電裝置100的控制方法可包括如下步驟：

步驟(1)：將該交流輸入端2電性連接該市電102，使該電流控制單元4對該二次電池5充電以蓄存電流。

步驟(2)：將該交流輸出端3電性連接該動力裝置的電池外插充電模組101，使該交流輸入端2對該交流輸出端3輸出電流，以及使該二次電池5經由該電流控制單元4同時對該交流輸出端3輸出電流，以並行供電給該電池外插充電模組101。

依據上述的結構，該第一實施例之充電裝置100可通過對該電池外插充電模組101供電，進而用於對一電動車之電池組進行快速充電(電動車的充電規範為NEC625或IEC61851)，也就是，透過本發明的設計，將該市電102及該二次電池5並行供電給該電池外插充電模組101，使其快速充電所需的電流可調整為16.5安培(一般市電規範的最大電流)以上。

首先，該交流輸入端2電性連接該市電102，該市電102導入的交流電經該交流/直流轉換器43及直流/直流轉換器44轉換成直流電後，以對該二次電池5進行充電。

接著，當開始對該電動車進行快速供電時，該交流輸入端2同樣電性連接該市電102，且該交流輸出端3電性連接該電池外插充電模組101(例如plug-in)，由於該電動車一開始進行快速充電時，需將充電功率設定超過一般市電規範的功率，即增加流往該電池外插充電模組101的電流量，因此，該電池外插充電模組101會同時接受該交流輸入端2及該二次電池5所輸送的電流，以對該電動車之電池組進行快速充電。

當該電池外插充電模組101的充電量接近滿載時，該電池外插充電模組101的充電功率會減低而小於市電規範的功率，此時，該電池外插充電模組101的充電僅需由該市電102所提供即可，也就是說，當該交流檢測器42檢測到輸送往該交流輸出端3的電流量小於市電規範的電流量時，該交流控制器41即停止由該二次電池5輸送至該電池外插充電模組101的電流，僅由該市電102持續提供電流輸送至該電池外插充電模組101。

當該電池外插充電模組101不需充電或充電功率小於市電規範時，該交流控制器41則會控制該市電102的電流對該電池外插充電模組101或該二次電池5充電，直到該電池外插充電模組101或該二次電池5的電量充飽為止。

當該電池外插充電模組101進行充電且該二次電池5的電量不足或即將耗盡時，該交流控制器41會停止該二次電池5的電流輸出，同時維持該市電102提供電流輸送至該電池外插充電模組101，待該電池外插充電模組101電量充飽時，再對該二次電池5進行充電。

藉由上述的設計，利用該電流控制單元4可控制該市電102及該二次電池5並行供電給該電池外插充電模組101，可於不提高該市電102用電量的情況下，能對該電池外插充電模組101進行快速充電，可有效縮短充電的時間，提高充電效率。

請參照第2圖所示，為本發明第二實施例的充電裝置100’相似于本發明第一實施例，並大致沿用相同元件名稱及圖號，該第二實施例的差別特徵在于：該充電裝置100’更包含一備用電源輸出端7，該備用電源輸出端7電性連接該電流控制單元4，該二次電池5蓄存的電流透過該電流控制單元4往該備用電源輸出端7輸出，且該電流控制單元4另具有一直流/交流(DC/AC)轉換器47，該直流/交流轉換器47一端電性連接於該交流/直流轉換器43及該直流/直流轉換器44之間，及另一端電性連接該備用電源輸出端7。

依據上述的結構，當該市電102無法供電時(發生停電)，該二次電池5可作為備用電源，該二次電池5蓄存的電流透過該直流/直流轉換器44升壓，接著在經由該直流/交流轉換器47將直流電轉換為交流電，使該備用電源輸出端7可供應停電時的緊急用電，例如可提供交流電源給室內/ 室外照明燈具使用或供給醫療照護裝置使用等。

請配合參照第2圖所示，其顯示依照本發明的第二實施例的充電裝置100’。該第二實施例的充電裝置100’的控制方法包括步驟如上述，該第二實施例的控制方法的差別特徵在于：在步驟(2)之前，還可以將該交流輸入端2與該市電102形成斷路，使該電流控制單元4利用該二次電池5對一備用電源輸出端7輸出電流。在步驟(2)之後，該交流輸入端2與該市電102形成斷路，及該交流輸出端3與該電池外插充電模組101形成斷路，使該電流控制單元4利用該二次電池5對該備用電源輸出端7輸出電流。

如上所述，利用該電流控制單元4不僅可控制該市電102及該二次電池5並行供電給該電池外插充電模組101，以對該電池外插充電模組101進行快速充電，而且當該市電102無法供電時，該備用電源輸出端7也可以作為緊急供電，藉此提高本發明充電裝置100’的便利性。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，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。