TWI501504B - 行動載具之充電裝置 - Google Patents

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Description

行動載具之充電裝置
本創作係有關一種充電裝置，尤指一種行動載具之充電裝置。
現今，行動載具發展已朝向無污染、高效能之電動驅動時代。然而作為電動驅動之能源必須藉由電池以作為能源儲存之容器，使得能源能被儲存到電池中。透過將能源，例如火力、水力、風力、熱能、太陽能以及核能…等轉換成電能後，才能夠將電能做適當地轉換後儲存在電池中。然而，在電能轉換的過程，必須考慮到安全性、高效能以及便利性等問題。
傳統充電電源供應器係通常由一功率因數校正器接收並轉換一外部交流電源為一直流電源輸出。再透過一直流電源轉換器接收並轉換該直流電源為適合充電電池所需之充電電壓準位之直流電源。其中，在實際應用中，該功率因數校正器所輸出之該直流電源是為固定之電壓準位，亦即，該直流電源輸出係根據該功率因數校正器之規格與電路，為固定不可調整之輸出電壓。也因此，傳統充電電源供應器所提供之充電電壓將受到限制而無法有彈性之調整。再者，由於該功率因數校正器所輸出之該直流電源是為固定之電壓準位，因此，對於後級之直流電源轉換器所輸出之電壓範圍將大大地受到限制，進而降低該直流電源轉換器之轉換效率 以及該充電電源供應器之整體充電效率。
因此，如何設計出一種行動載具之充電裝置，透過調整該功率因數校正器之輸出電壓，以最佳化該直流對直流轉換器之轉換效率以及該充電裝置之整體充電效率，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
為了解決上述問題，本發明係提供一種行動載具之充電裝置，係接收並轉換一交流輸入電源為一直流輸出電源，以對該行動載具之一充電電池提供充電時所需之充電電壓與充電電流；該行動載具之充電裝置係包含：一電磁干擾濾波器，係接收該交流輸入電源，以消除該交流輸入電源之雜訊；一功率因數校正器，係電性連接該電磁干擾濾波器，以轉換濾波後之該交流輸入電源並輸出一第一直流電壓，該功率因數校正器可輸出不同位準之電壓；一直流對直流轉換器，係電性連接該功率因數校正器，以接收該第一直流電壓，該直流對直流轉換器之輸出係直接電連接至該充電電池且提供一輸出電壓，該輸出電壓提供該充電電池充電時所需之一充電電壓；及一電壓控制單元，係電性連接該直流對直流轉換器，其中該充電裝置係設置於該行動載具外；當充電裝置用以對該充電電池充電時，該充電電池係電性連接該直流對直流轉換器與該電壓控制單元，並且該電壓控制單元係依據該直流對直流轉換器之輸出電壓控制該功率因數校正器，以調整該第一直流電壓動態追隨該充電電壓，使得該第一直流電壓與該充電電池所接收到該充電電壓大小實質相等，以最佳化該直流對直流轉換器之轉換效率
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
〔本發明〕
Vs‧‧‧交流輸入電源
10‧‧‧充電裝置
102‧‧‧電磁干擾濾波器
104‧‧‧功率因數校正器
106‧‧‧直流對直流轉換器
20‧‧‧充電電池
Vp‧‧‧第一直流電壓
Vb‧‧‧電池電壓
第一圖係為本發明行動載具之充電裝置之方塊圖；第二圖係為本發明一充電電池於充電過程之電池電壓曲線示意圖；第三圖係為本發明充電裝置之功率因數校正器之一實施例之方塊圖；及第四圖係為本發明充電裝置之功率因數校正器之另一實施例之方塊圖。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：
請參見第一圖係為本發明行動載具之充電裝置之方塊圖。該行動載具之充電裝置10係接收並轉換一交流輸入電源Vs為一直流輸出電源，以對該行動載具之一充電電池20提供充電時所需之充電電壓與充電電流。該行動載具之充電裝置10係包含一電磁干擾濾波器102、一功率因數校正器104、一直流對直流轉換器106以及一電壓控制單元108。其中，該充電裝置10係可設置於該行動載具內，或者該充電裝置10係可設置於該行動載具外。該行動載具係可為一電動汽車或一電動機車，並且，該充電電池20係為該電動汽車或該電動機車之車用充電電池。
該電磁干擾濾波器102係接收該交流輸入電源Vs，以消除該交流輸入電源Vs之雜訊。該功率因數校正器104係電性連接該電磁干擾濾波器102，以轉換濾波後之該交流輸入電源Vs並輸出一第一直流電壓Vp。其中，該功率因數校正器104係可為一昇壓式轉換器(boost converter)或一降壓式轉換器(buck converter)或一昇降壓式轉換器(buck-boost converter)或一整合昇降壓式轉換器(integrated buck/boost converter)或一邱克轉換器(Cuk converter)或一單端初級電感轉換器(single ended primary inductor converter,SEPIC)，或者，該功率因數校正器104係可為一無橋式功率因數校正器(bridgeless PFC)，來達成功率因數校正功能。因此，該功率因數校正器104係可提供昇壓與降壓之操作，使得該功率因數校正器104可提供大範圍之輸出電壓。
該直流對直流轉換器106係電性連接該功率因數校正器104，以接收該第一直流電壓Vp，並提供該充電電池20充電時所需之充電電壓與充電電流。其中，該直流對直流轉換器106係可為一降壓式轉換器(buck converter)。該電壓控制單元108係電性連接該直流對直流轉換器106與該充電電池20，以調整該第一直流電壓Vp。
通常，該充電裝置10之該功率因數校正器104之該第一直流電壓Vp輸出為高壓之直流電壓，典型電壓值可為400伏特或其他電壓值。再透過該直流對直流轉換器106(在此實施例為一降壓式轉換器106)對該高壓之直流電壓進行降壓動作。值得一提，該降壓式轉換器106(該直流對直流轉換器106)最高效率係通常發生在當該降壓式轉換器106之輸入電壓與輸出電壓實質相等時，其中，所 謂實質相等係為所屬技術領域中之通常知識，更甚，該降壓式轉換器106最高效率係通常發生在當該降壓式轉換器106之輸入電壓與輸出電壓相等，惟，由於電路元件必然存在有不等之誤差，故此，在此僅以實質相等表示。因此，當該充電電池20接上該充電裝置10進行充電時，該電壓控制單元108係根據該降壓式轉換器106之輸出電壓(亦即該充電電池20之電池電壓Vb)以調整該第一直流電壓Vp(亦即該降壓式轉換器106之輸入電壓)，使得該第一直流電壓Vp與該充電電池20所接收到該充電電壓大小實質相等，如此，以最佳化該直流對直流轉換器106之轉換效率。如前所述，該功率因數校正器104可提供大範圍之輸出電壓，因此，該第一直流電壓Vp(亦即該功率因數校正器104之輸出電壓)係可根據該些不同電路架構而得以調整之。此外，雖然可藉由調整該降壓式轉換器106之輸入電壓Vp使得與該充電電池20之電池電壓Vb實質相等，以期得到該直流對直流轉換器106之最佳轉換效率。惟，若當該直流對直流轉換器106已達成最佳轉換效率，然而該充電裝置10未達成整體充電效率最佳，則該電壓控制單元108係可再調整該第一直流電壓Vp(即該降壓式轉換器106之輸入電壓Vp)，使得該直流對直流轉換器106之轉換效率達到最佳化時，再最佳化該充電裝置10之整體充電效率。
請參見第二圖係為本發明一充電電池於充電過程之電池電壓曲線示意圖。在實際充電操作過程中，由於該充電電池20之電池電壓是為非線性曲線，因此，當該充電電池20進行充電時，由於該充電電池20之該電池電壓Vb在充電的過程中是為變動增加的。如此，透過調整該降壓式轉換器106之輸入電壓Vp以追隨該充電電池 20之該電池電壓Vb，使得該直流對直流轉換器106最高效率係發生在當該降壓式轉換器106之輸入電壓Vp與該充電電池20之該電池電壓Vb實質相等時。
再者，若當該直流對直流轉換器106已達成最佳轉換效率，同時該充電裝置10之整體充電效率也達到最高，則維持該降壓式轉換器106之輸入電壓Vp。反之，若該充電裝置10之整體充電效率尚未達到最高，則可再調整該降壓式轉換器106之輸入電壓Vp，使得該充電裝置10之整體充電效率達到最高。
請參見第三圖與第四圖係分別為本發明充電裝置之功率因數校正器一實施例之方塊圖與另一實施例之方塊圖。如第三圖所示之該功率因數校正器104係為該昇壓式轉換器(boost converter)。在此實施例中，該功率因數校正器104係接收該電磁干擾濾波器102濾波後之該交流輸入電源並輸出該第一直流電壓Vp，以達成功率因數校正功能。
如第四圖所示之該功率因數校正器104係為該整合昇降壓式轉換器(integrated buck/boost converter)。該整合式昇降壓轉換器104係包含兩個開關(未標示)、兩個二極體(未標示)、一電感(未標示)以及一電容(未標示)。利用如第四圖所示之電路架構，達成具有整合昇壓式轉換器與降壓式轉換器功能之整合式昇降壓轉換器。在此實施例中，該功率因數校正器104係接收該電磁干擾濾波器102濾波後之該交流輸入電源並輸出該第一直流電壓Vp，以達成功率因數校正功能。
如前所述，該整合式昇降壓轉換器104之實施態樣並不以上述兩 種態樣為限，更可為一昇降壓式轉換器(buck-boost converter)或一降壓式轉換器(buck converter)或一邱克轉換器(Cuk converter)或一單端初級電感轉換器(single ended primary inductor converter,SEPIC)，以及一無橋式功率因數校正器(bridgeless PFC)，來達成功率因數校正功能。
綜上所述，本發明係具有以下之優點：1、透過調整該直流對直流轉換器106之輸入電壓，以最佳化該直流對直流轉換器106之轉換效率；及2、透過調整該直流對直流轉換器106之輸入電壓，以最佳化該充電裝置10之整體充電效率。
惟，以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
Vs‧‧‧交流輸入電源
10‧‧‧充電裝置
102‧‧‧電磁干擾濾波器
104‧‧‧功率因數校正器
106‧‧‧直流對直流轉換器
108‧‧‧電壓控制單元
20‧‧‧充電電池
Vp‧‧‧第一直流電壓
Vb‧‧‧電池電壓

Claims (5)

  1. 一種行動載具之充電裝置，係接收並轉換一交流輸入電源為一直流輸出電源，以對該行動載具之一充電電池提供充電時所需之充電電壓與充電電流；該行動載具之充電裝置係包含：一電磁干擾濾波器，係接收該交流輸入電源，以消除該交流輸入電源之雜訊；一功率因數校正器，係電性連接該電磁干擾濾波器，以轉換濾波後之該交流輸入電源並輸出一第一直流電壓，該功率因數校正器可輸出不同位準之電壓；一直流對直流轉換器，係電性連接該功率因數校正器，以接收該第一直流電壓，該直流對直流轉換器之輸出係直接電連接至該充電電池且提供一輸出電壓，該輸出電壓提供該充電電池充電時所需之一充電電壓；及一電壓控制單元，係電性連接該直流對直流轉換器，其中該充電裝置係設置於該行動載具外；當充電裝置用以對該充電電池充電時，該充電電池係電性連接該直流對直流轉換器與該電壓控制單元，並且該電壓控制單元係依據該直流對直流轉換器之輸出電壓控制該功率因數校正器，以調整該第一直流電壓動態追隨該充電電壓，使得該第一直流電壓與該充電電池所接收到該充電電壓大小實質相等，以最佳化該直流對直流轉換器之轉換效率。
  2. 如申請專利範圍第1項之行動載具之充電裝置，其中該電壓控制單元係可再調整該第一直流電壓，使得該直流對直流轉換器之轉 換效率達到最佳化時，再最佳化該充電裝置之整體充電效率。
  3. 如申請專利範圍第1項之行動載具之充電裝置，其中該功率因數校正器係為一昇壓式轉換器(boost converter)或一降壓式轉換器(buck converter)或一昇降壓式轉換器(buck-boost converter)或一整合昇降壓式轉換器(integrated buck/boost converter)或一邱克轉換器(Cuk converter)、或一單端初級電感轉換器(single ended primary inductor converter,SEPIC)來達成功率因數校正功能。
  4. 如申請專利範圍第1項之行動載具之充電裝置，其中該功率因數校正器係為一無橋式功率因數校正器(bridgeless PFC)。
  5. 如申請專利範圍第1項之行動載具之充電裝置，其中該直流對直流轉換器係為一降壓式轉換器(buck converter)。
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