TWI536701B - 用於電動載具的充電器網路以及其操作方法 - Google Patents

用於電動載具的充電器網路以及其操作方法 Download PDF

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Description

用於電動載具的充電器網路以及其操作方法
本發明係關於一種用於電動載具電池的充電器，複數個該類型的耦合充電器，以及操作該些充電器的方法。
當建立一讓複數部電動載具使用的充電站時，必須決定該等可用電池充電器需要的充電電力。當充電需求成長時，對更大電力充電器的需求也會隨之成長。此處的目標便係能夠在一充電站的任何埠口處為每部載具提供最佳的充電服務。因此，每一個充電器的大小可能都會經過設計，俾使得其能夠應付在各種操作條件下可預見的最大充電電力。然而，實際上，這意謂著對要被充電的大多數載具的需求來說，該等充電器具有過大的尺寸。
其一範例為美國專利申請案第US 2004 189 251號，該申請案說明一種能夠配備額外電力轉換器以提高其電力的模組式充電器，其並非電動載具專用。
國際專利申請案第WO 01 97360號則提出一種不同的解決方案，其說明一種由數個充電器所組成的配置，其中，兩個充電器的電力輸出可能會將電力傳遞至不同的載具，或者，兩者可能會將電力傳遞至相同的載具。
本發明的一目標便係提供一種用於電動載具電池的充電器，其同時會克服上面先前技術的缺點。
此外，根據本發明還提出一種用於電動載具電池的充 電器網路，每一個充電器皆包括：一第一電力連接線，用以和一電源交換電力；一電力轉換器，用以將來自該電源的電力轉換成用於充電電動載具的充電電流合宜數值；至少一第二電力連接線，用以和載具交換電力；以及至少一第三電力連接線，用以和另一充電器交換電力。該充電器會被配置成用以在要從該電源來充電一載具時將電力傳送至該第二電力連接線；及/或當要將電力傳遞至另一充電器時，則將電力傳送至該至少一第三電力連接線；及/或當電力要從被耦合至該至少一第三電力連接線的另一充電器被傳遞至該載具時，則將電力從該至少一第三電力連接線傳送至該第二電力連接線。
此處必須強調的係，電力可能實際上為正或負，因此，一載具亦可能會被放電，以便經由該轉換器將電力傳遞至一電源。一電力連接線可能配備多個連接器與轉接器，舉例來說，用以幫助耦合具有不同實體電力連接線的載具。
上面的充電器能夠和電源、要被充電的載具、以及另一電力轉換器交換能量。在正常的使用期間，和電源進行交換基本上可能係在從該電源至該充電器的方向中以及從該充電器至一車用電池或是至另一充電器(並且隨即又間接至一車用電池)的方向中。此外，額外的電力亦可以從另一充電器處取得並傳遞至該電池；或者，電力可被傳遞至另一充電器。為達此目的，可以同時存在多重電力流的方式來傳送電力。接著，在充電一電池時，傳遞電力基本上意謂著控制流向該電池的電流，因為電壓係由該電池來決定。
總結來說，本發明能夠將多個充電器連接在一起，用以形成一具有多條充電連接線之更大電力的充電系統。
在實際的實現方式中，該充電器可能包括：一可控制的電力切換器，其會被耦合至由該電力轉換器、該第二電力連接線、以及該至少第三電力連接線所組成之群中的至少其中兩者；以及一控制器，用以藉由控制該切換器來傳送電力，其會被配置成用以實施下面至少其中一者：當要從該電源來充電一載具時將該電力轉換器連接至該第二電力連接線，當要將電力傳遞至另一充電器時則將該電力轉換器連接至該至少一第三電力連接線，及/或當電力要從另一充電器被傳遞至該載具時則將該至少一第三電力連接線連接至該第二電力連接線。該電力切換器可能係一能夠以任何方式被控制的電切換裝置，舉例來說，手動操作的電切換器、繼電器、半導體裝置、電晶體、金屬氧化物半導體場效電晶體、固態繼電器、磁簧切換器、閘流體、或是(光學式)雙向閘流體。
由於可從屬於一耦合充電器的相鄰電力轉換器中取得該被轉換電力的一部分，所以，該電力轉換器並不需要有過大的尺寸；確切地說，其尺寸可以被設計成用於一正常的載具。舉例來說，其可能為10kW。當該充電器被耦合至電路板上另一10kW電力轉換器時，總共20kW的電力便可透過該第二電力連接線被傳遞至一載具。另外一種極端情形則可能係將全部數額的10kW傳遞至該相鄰的充電器。顯而易見的係，當有三條以上的連接線可以採用而且有多個 充電器被相互耦合時，便能夠達到較高的倍數。
於一實施例中，該第二電力連接線的至少其中一者以及該第三電力連接線中的至少其中一者及/或與其耦合的纜線的尺寸會被設計成用以傳導可由該電力轉換器轉換之電力的至少數倍。這使得可以使用複數個雷同或相同的充電器，它們可於必要時全部用來充電一載具。
於一實施例中，每一個充電器的第一電力連接線可從一電源處取得其電力，例如，公共電網連接線、再生性電源、發電機、或是能量儲存裝置(例如，電池、電容器、或飛輪)。於具有相互連接的多個充電器的進一步實施例中，每一個充電器可能會有一不同的電源被連接至其第一電力連接線。
於某些實施例中，該電力轉換器可能係一雙向轉換器，其可讓能量從該載具流到該等電源連接線中的其中一者。此配置可達成通稱為「車對電網(vehicle-to-grid)」的功能；但是，其亦可用以從該等車用電池中的其中一者來充電一固定式電池。
該充電器的控制器還可進一步被配置成用於以從下面所組成之群中的至少其中一者處取得的資訊為基礎來控制切換：具有要被充電之電池的載具；被耦合至該充電器的另一充電器；其它電源所組成的電網；或是一遠端控制裝置。為達此目的，可能要提供通信構件，舉例來說，該第二電力連接線可能包括用以和一車上的載具控制系統、電池控制系統、或是引擎控制系統進行通信的多條通信線 路，它們可以提供(最大)充電電流、最大可用充電時間、或是類似物。
該等充電器可能具備多個通信網路連接器，用以彼此進行通信。舉例來說，一耦合一載具的充電器可以和該載具所進行的通信為基礎來決定在預設的時間中需要多少的電力來充電該載具，並且在該電力需求超出其轉換器的電力時要求一或多個相鄰充電器提供額外的電力。再者，該電網可能會提供和該可用電力有關的資訊或是限制該可用電力。另一種可能為，該充電器配備著用於進行遠端通信的構件，例如，無線或網際網路通信，其會受到一中央控制中心的控制或是由一中央控制中心來提供和電力需求有關的資料。
舉例來說，倘若該等相互連接的充電器中的其中一者不具有任何上面提及的通信構件的話，則可以在多個充電器之間共用該通信構件。舉例來說，當有四個充電器相互連接而且僅有一個充電器具有網際網路連接線時，該連接線便可以經由一和該等至少一第三電力埠口相關聯的通信來與該等其它充電器共用。
於一實施例中，該控制器會被配置成用以將該第一電力連接線連接至該第二電力連接線，以便直接從該電源處來對具有車上充電器的載具的電池充電。除了對具有車上充電器的載具充電之外，還有機會使用該充電器的電力轉換器來傳遞電力給被耦合至該第三或更多電力連接線的另一充電器。
為調節被傳遞至該載具或是另一充電器的電力的電力速率和波形，該電力轉換器可能會進一步被耦合至一控制器，用以控制所需要的輸出電力和形式。本文中，用於控制該切換器的控制器以及控制該電力轉換器的控制器會被整合在一起，並且舉例來說，係由一共同的微處理器來具現。
利用根據本發明的充電器可以製作多個有利的實施例。隨即，複數個充電器可各自被耦合至一電源並且藉由透過它們的至少一第三電力連接線彼此互連而一起形成一模組式充電節點系統。端視是否有三條或更多條電力連接線而定，可以有不同的互連方式。下文中將更詳細說明數個範例。
當該等充電器僅具備一第三電力連接線用以連接至另一充電器時，所有充電器的第三電力連接線可能具有一共同的連接線，從而形成一電力匯流排或是一星狀連接。可以套用此配置的充電器的數量有二或更多個。當使用兩個充電器時，可能會在該些充電器之間提供一直接通信線路；而當使用更大數量的充電器時，則可能會提供網際網路或是類IP通信。
當每一個充電器具有至少兩條第三電力連接線時，該模組式充電節點系統可能為逐環狀耦合，也就是，每一個充電器會被耦合至兩個相鄰的充電器。此實施例的優點係，當該等連接線中其中一者斷裂時，依此方式所形成的配置比較不會受到中斷的影響，因為於此情況中的充電器 可以從剩餘的其它連接線處接收電力或是傳遞電力給剩餘的其它連接線。
於進一步實施例中，每一個充電器具有複數條第三電力連接線，而該模組式充電節點系統則係藉由相互連接多個充電器的該等第三電力連接線所形成。依此方式所形成的配置係一網狀組織，其中，全部或者基本上全部充電器會彼此直接連接，從而達到非常高的可靠度。
於進一步實施例中，該充電系統配備一種用於解決出現在該等充電纜線之中或是出現在連接每一個接續充電器之該等第三電力埠口的纜線之中的損失(例如，電壓降)的方案。此等解決方案的範例為大直徑纜線；或者，更詳細地說，其係一種具有一控制器的系統，該控制器可控制該等電力轉換器用以補償每一條纜線之中的電壓降。此等系統特別有利於每一個個別充電器之間的距離很大的情況或是許多充電器被連接在一起的時候。
於另一實施例中，該充電器配備用以量測經由該第一電力連接線、該第二電力連接線、或是該第三電力連接線所傳輸的電能量數額的至少一系統。因此，一由多個充電器所組成的系統可能會配備多個能量量測裝置或方法。
以一實際實施例的範例來說，該第一電力連接線以及電力轉換器實際上可能位於該系統的一隔離隔間之中，而該第二電力連接線以及第三電力連接線則可能位於另一隔離隔間之中。本發明並不受限於特定的實體排列，因為有許多可能的方式來排列該系統。現在將參考後面的圖式來 更詳細解釋本發明。
圖1所示的係根據本發明的充電器的一實施例1的概略示意圖。該充電器包括一第一電力連接線2，用以和一電源(例如，主電源)交換電力，但是，此處亦可以使用任何其它電源，其包含太陽能電源或是風能電源。再者，該充電器還包括一電力轉換器，其係由一可由微控制器4來控制的AC/DC轉換器3所構成。一第二電力連接線5可用以和載具(圖中並未顯示)交換電力。圖中還顯示一第三電力連接線6以及第四電力連接線7，用以和另一充電器交換電力，它們會形成一被併入該充電器之中的所謂的電力連接中心(power hub)的一部分，而且其包括一可控制的電力切換器8。該控制器4還會用來控制9該切換器8，明確地說，當要從該電源來充電一載具時用以將該電力轉換器連接至該第二電力連接線，當要將電力傳遞至另一充電器時，則將該電力轉換器連接至該至少一第三電力連接線，以及當電力要從另一充電器被傳遞至該載具時，則將該至少一第三電力連接線連接至該第二電力連接線。
如圖1a中所示，該切換器8可能係一多極切換器。該電流線路會被連接至用於正確操作、達到安全的目的、及/或符合充電標準所需要的額外組件(於此情況中為具有一緊急按鈕10a的電路斷路器10、熔絲12、二極體11、電流感測器13、電壓感測器14、以及隔離監視器15)。再者，還存在一網路連接線16以及一種用以將一輔助電力供應器17 耦合至該充電器的可能連接方式，以便從該處直接充電一載具。一使用者介面18會用來提供資訊給一正在充電一載具的人員。最後，一第二二極體19則係用來保護該充電器，防止來自一載具的過電流；而一量測單元20則會在該載具連接處進行量測。
在圖1b所示的實施例中，該第二電力連接線5會直接被耦合至該載具23並且僅有該第三電力連接線6b會透過一切換器8被耦合至一相鄰充電器1a的一第四電力連接線7a。該載具23包括其自己的切換器，該切換器8係由一載具管理系統來管理。
在圖1c所示的實施例中，該等充電器1a、1b、1c會被耦合。介於該等充電器1a、1c、1c之間的連接線會因一載具23出現在該充電連接線處而受到控制。該切換器8會因該載具的存在而開張。該載具23僅會被連接至其所連接的充電器1c以及其左邊的充電器1a。舉例來說，一載具23的存在可藉由一切換器8或是藉由該連接器上的電壓、電流、或電阻的存在或不存在來偵測。舉例來說，該載具23可能會供應電力給該切換器8，以便將其張開。
圖1d顯示又一實施例，其在該充電連接線中使用一二極體19，因此，當一載具23a或23b出現時，該切換器8並不需要立刻張開。當有兩部載具23a、23b被連接至該充電系統時，雖然有不同的電壓，不過，該二極體19卻會防止較高電壓的電池放電。取而代之的係，該充電系統的所有電力將會流入最低電壓的電池之中。該非必要的切換器8 將使其有機會藉由分離該等兩個充電器1a、1c而對該較高電壓的電池充電。
在圖1e所示的本發明的實施例中，該等充電器1a、1c、1c會直接相互連接。該充電策略可能係一序列式系統，其中，該等載具23a、23b、23c中的每一者會輪流接收該等充電器1a、1c、1c的組合電力。另外一種充電策略可能係具有最低電壓的電池會被充電至具有次低電壓的電池的位準。接著，該等兩個最低電壓的電池會被平行充電，直到它們抵達接著要被連接的下一個電池電壓的電壓為止。
圖2所示的係互連充電器1a至1d(例如，圖1中的充電器1)的配置，但是僅具有一第三電力連接線6a至6d。該等第三電力連接線6a至6d會互連，並且構成一電力匯流排22。該等四條第二電力連接線5a至5d中的其中三條會耦合載具23a至23c。充電器1c的電力轉換器可以用來提供已轉換的電力給該等載具23a至23c中的一或多者，以便充電它們的車上電池。
圖3所示的係一實施例24，其中，該等充電器1a至1d各具備用於其它充電器的第三電力連接線6a至6d以及第四電力連接線7a至7d。該等第三電力連接線6a至6d會分別被耦合至相鄰充電器的第四電力連接線7a至7d。兩部載具23a與23b會被耦合至第二電力耦合線5b、5d。
圖4所示的係又一實施例27，其中，該等充電器1a至1d具備連接至所有個別其它充電器的三條電力連接線6a至6d、7a至7d、以及26a至26d。載具23a至23d會被耦合 至該等充電器的個別第二電力連接線，以便充電它們的電池。
1‧‧‧實施例
1a‧‧‧充電器
1c‧‧‧充電器
1c‧‧‧充電器
1d‧‧‧充電器
2‧‧‧第一電力連接線
3‧‧‧可控制的AC/DC轉換器
4‧‧‧微控制器
5‧‧‧第二電力連接線
5a‧‧‧第二電力連接線
5b‧‧‧第二電力連接線
5c‧‧‧第二電力連接線
5d‧‧‧第二電力連接線
6‧‧‧第三電力連接線
6a‧‧‧第三電力連接線
6b‧‧‧第三電力連接線
6c‧‧‧第三電力連接線
6d‧‧‧第三電力連接線
7‧‧‧第四電力連接線
7a‧‧‧第四電力連接線
7b‧‧‧第四電力連接線
7c‧‧‧第四電力連接線
7d‧‧‧第四電力連接線
8‧‧‧切換器
9‧‧‧控制
10‧‧‧電路斷路器
11‧‧‧二極體
12‧‧‧熔絲
13‧‧‧電流感測器
14‧‧‧電壓感測器
15‧‧‧隔離監視器
16‧‧‧網路連接線
17‧‧‧輔助電力供應器
18‧‧‧使用者介面
19‧‧‧第二二極體
20‧‧‧量測單元
21‧‧‧另一實施例
22‧‧‧電力匯流排
23a‧‧‧載具
23b‧‧‧載具
23c‧‧‧載具
23d‧‧‧載具
24‧‧‧實施例
25‧‧‧環狀連接線
26a‧‧‧電力連接線
26b‧‧‧電力連接線
26c‧‧‧電力連接線
26d‧‧‧電力連接線
27‧‧‧實施例
圖1a至1d所示的係充電器之實施例的概略示意圖；圖2所示的係互連充電器的第一種配置；圖3所示的係互連充電器的第二種配置；以及圖4所示的係互連充電器的第三種配置。
1‧‧‧實施例
2‧‧‧第一電力連接線
3‧‧‧可控制的AC/DC轉換器
4‧‧‧微控制器
5‧‧‧第二電力連接線
6‧‧‧第三電力連接線
7‧‧‧第四電力連接線
8‧‧‧切換器
9‧‧‧控制
10‧‧‧電路斷路器
11‧‧‧二極體
12‧‧‧熔絲
13‧‧‧電流感測器
14‧‧‧電壓感測器
15‧‧‧隔離監視器
16‧‧‧網路連接線
17‧‧‧輔助電力供應器
18‧‧‧使用者介面
19‧‧‧第二二極體
20‧‧‧量測單元

Claims (14)

  1. 一種用於電動載具的充電器網路，每一個充電器皆包括：- 一第一電力連接線，用以和一電源交換電力；- 一電力轉換器，用以將來自該電源的電力轉換成用於充電電動載具的充電電流合宜數值；- 至少一第二電力連接線，用以和載具交換電力；- 至少一第三電力連接線，用以和另一充電器交換電力；- 該充電器會被配置成用以在要從該電源來充電一載具時將電力傳送至該第二電力連接線，及/或當要將電力傳遞至另一充電器時，則將電力傳送至該至少一第三電力連接線，及/或當電力要從被耦合至該至少一第三電力連接線的另一充電器被傳遞至該載具時，則將電力從該至少一第三電力連接線傳送至該第二電力連接線，其中：- 每一個該等充電器皆會被耦合至一電源，以及- 該等充電器會藉由透過它們的至少一第三電力連接線彼此互連而一起形成一充電節點系統，其中，該等充電器中的至少一者包括一可控制的電力切換器，其會被耦合至由該電力轉換器、該第二電力連接線、以及該至少第三電力連接線所組成之群中的至少兩者；- 一控制器，用以藉由控制該切換器來傳送電力， 其會被配置成用以實施下面至少一者：○ 當要從該電源來充電一載具時，將該電力轉換器連接至該第二電力連接線；○ 當要將電力傳遞至另一充電器時，則將該電力轉換器連接至該至少一第三電力連接線；○ 當電力要從另一充電器被傳遞至該載具時，則將該至少一第三電力連接線連接至該第二電力連接線，其中，該控制器會被配置成用於以從下面所組成之群中的至少一者處取得的資訊為基礎來傳送電力：- 具有要被充電之電池的載具；- 被耦合至該充電器的另一充電器；- 電網；- 遠端控制裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項的充電器網路，其中，該等充電器的該等第三電力連接線具有一共同連接線，從而會形成一電力匯流排。
  3. 如申請專利範圍第1項的充電器網路，其中，該電力轉換器會直接被耦合至該等電力連接線或該切換器中的至少一者，尤其是並不需要另一電力轉換器的介入。
  4. 如申請專利範圍第1項的充電器網路，其中，該控制器可進一步被配置成用以將電力從該第一電力連接線傳送至該至少一第二電力連接線，以便直接從該電源處來充電具有車上充電器的載具的電池。
  5. 如申請專利範圍第1到第3項中任一項的充電器網路，其中，該電力轉換器會進一步被耦合至一控制器，用以控制所需要的輸出電力以及形式。
  6. 如申請專利範圍中第1到第3項中任一項的充電器網路，其中，用於控制該切換器的控制器以及控制該電力轉換器的控制器會被整合在一起。
  7. 如申請專利範圍第1到第3項中任一項的充電器網路，其配備著用於進行遠端通信的構件，例如，無線或網際網路通信，其會受到一中央控制中心的控制或是由一中央控制中心來提供和電力需求有關的資料。
  8. 如申請專利範圍第1到第3項中任一項的充電器網路，其每一者皆會被耦合至一電源並且會透過它們的至少一第三電力連接線彼此互連而一起形成一模組式充電節點系統。
  9. 如申請專利範圍第1到第3項中任一項的充電器網路，其中，該等充電器的該等第三電力連接線具有一共同連接線，從而會形成一電力匯流排。
  10. 如申請專利範圍第9項的充電器網路，其中，每一個充電器皆具有至少兩條第三電力連接線，而且該模組式充電節點系統為逐環狀耦合。
  11. 如申請專利範圍第10項的充電器網路，其中，每一個充電器者具有複數條第三電力連接線，而該模組式充電節點系統係藉由相互連接多個充電器的該等第三電力連接線而形成。
  12. 如申請專利範圍中第1到第3項中任一項的充電器網路，其中，該電力轉換器會直接被耦合至該等電力連接線或該切換器中的至少一者，尤其是並不需要另一電力轉換器介入。
  13. 一種用以操作用於電動載具之電池的複數個充電器的方法，該等複數個充電器會被互連在如前面申請專利範圍中任一項的網路之中，該方法包括：- 當要從該電源來充電一載具時，將該電力轉換器連接至該第二電力連接線；- 當要將電力傳遞至另一充電器時，則將該電力轉換器連接至該至少一第三電力連接線；- 當電力要從另一充電器被傳遞至該載具時，則將該至少一第三電力連接線連接至該第二電力連接線。
  14. 如申請專利範圍第13項的方法，其包括：- 經由一第二電力連接線將可由一電力轉換器轉換之至少數倍的電力傳導給一要被充電的載具。
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