TWI583095B

TWI583095B - 電能儲存系統

Info

Publication number: TWI583095B
Application number: TW104135198A
Authority: TW
Inventors: 楊之領; 楊之碩; 楊兆華
Original assignee: 張美玲
Priority date: 2015-10-27
Filing date: 2015-10-27
Publication date: 2017-05-11
Also published as: TW201715818A

Description

電能儲存系統

本發明是有關於一種電能儲存系統，且特別是有關於一種可將外部電源之電能暫存後轉移至後級負載裝置的兩段式/兩級式電能儲存系統。

在現代生活中，由於科技的蓬勃發展，舉凡，智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、智慧手錶或其他穿戴式電子裝置等行動電子產品已充斥於現在人的生活之中。此外，隨著各類行動電子產品的功能及效能增加，耗電量也隨之提升，因此可隨時隨地提供額外電力給行動電子產品的行動電源的重要性也日漸提高。

目前所有行動電源皆以電池為主要儲能元件。為了縮短充電時間，一般行動電源皆會採用快充模式來為電池充電。然而，快速充電所帶來的負面影響是會造成電池壽命縮短。在現有技術中，雖然快充方法及電路在理論與實務應用上種類繁多，即便是現今最應用最廣的定電流快充手段仍無法改善充電速度會與電池壽命成反比之致命傷。

本發明提供一種電能儲存系統，其可解決快充帶來電池壽命縮短的問題。

本發明的電能儲存系統包括電能暫存電路、充電控制電路、電池組、電源轉換電路以及監控電路。電能暫存電路接收直流輸入電源，並且用以將直流輸入電源之電能暫存於儲能元件。充電控制電路耦接該電能暫存電路，用以基於暫存於儲能元件之電能進行電源轉換，並據以產生充電電源。電池組耦接充電控制電路，用以依據充電電源進行充電，並且提供第一輸出電源。電源轉換電路耦接電能暫存電路，用以基於暫存於儲能元件之電能進行電源轉換，並據以產生並提供第二輸出電源。監控電路耦接電能暫存電路、充電控制電路以及電源轉換電路，用以偵測所述電路的運作狀態，並且據以產生控制訊號以控制所述電路的運作。

基於上述，本發明提出一種電能儲存系統，其係以兩級式的電路架構進行電源轉換，藉以利用前級的電能暫存電路先將直流輸入電源暫存於儲能元件，再利用後級的充電控制電路將儲能元件所儲存的電能轉換為充電電源來為電池組充電，並且利用後級的電源轉換器將儲能元件所儲存的電能轉換為輸出電源以提供給後端的負載裝置使用。藉此，本實施例的電能儲存系統可在不需應用一般快充手段之前提下，令讓外部電源可以快速將電能轉移至需用電之後端負載裝置，從而降低電池組130可能因快充手段而造成之電池壽命縮短的問題。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

為了使本揭露之內容可以被更容易明瞭，以下特舉實施例做為本揭露確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟，係代表相同或類似部件。

圖1為本發明一實施例的電能儲存系統的示意圖。請參照圖1，本實施例的電能儲存系統100可例如實施為一行動電源（power bank），其包括電能暫存電路110、充電控制電路120、電池組130、電源轉換電路140、監控電路150、電源選擇電路160以及多個介面電路170_1~170_4。

電能暫存電路110用以接收直流輸入電源DC _in，並且可快速地將所接收的直流輸入電源DC _in之電能轉移並暫存於儲能元件SE以作為下一級電路的供電來源（即，暫存電源DC _st）。於此，所述儲能元件SE可例如為電容器或電感器，本發明不以此為限。

充電控制電路120耦接電能暫存電路120與電池組130，其可基於暫存於儲能元件SE之暫存電源DC _st進行直流對直流轉換（DC-to-DC convert），並據以產生充電電源DC _BAT。其中，電池組130會反應於接收到的充電電源DC _BAT進行充電，並且提供輸出電源DC _o1。

電源轉換電路140耦接電能暫存電路110，其可基於暫存於儲能元件SE之暫存電源DC _st進行直流對直流轉換，並據以產生並提供輸出電源DC _o2。

監控電路150可例如由微控制器與其相關週邊電路所組成，其經由不同介面電路170_1~170_4分別與電能暫存電路110、充電控制電路120、電源轉換電路140及電源選擇電路160耦接，藉以通過介面電路170_1~170_4與各電路110、120、140、160相互傳輸訊號。在本實施例中，監控電路150可用以偵測所述電路110、120、140、160的運作狀態，並且據以產生控制訊號以控制所述電路的運作。更具體地說，監控電路150可監控各電路110、120、140、160的運作情形，藉以讀取各電路110、120、140、160的電壓、電流及溫度等相關資料，再與事先設定之資料一併比對、分析進而下達控制訊號至上述各電路，期使整體系統穩定工作於事先設定之模式。

電源選擇電路160具有多個輸入端與一輸出端。電池組130與電源轉換電路140的輸出端分別連接至電源選擇電路160的兩不同輸入端，並且電源選擇電路160的輸出端可用以連接後端待供電的負載裝置。在本實施例中，電源選擇電路160會受控於監控電路150而選擇將電池組130所提供的輸出電源DC _o1與該電源轉換電路140所提供的輸出電源DC _o2其中之一提供輸出端以作為後級電路運作所需的直流輸出電源DC _out。

舉例來說，本實施例的電能儲存系統100可在偵測到有外部的直流輸入電源DC _in接入時，對電池組130進行充電，並且電源選擇電路160選擇以電源轉換電路140所提供的輸出電源DC _o2作為直流輸出電源DC _out提供給後級的負載裝置使用。另一方面，當電能儲存系統100未偵測到外部的直流輸入電源DCin時，電池組130會進行放電的動作並提供輸出電源DCo1，而電源選擇電路160此時則會切換為選擇電池組130所提供的輸出電源DCo1作為直流輸出電源DC _out以提供給後級的負載裝置使用。

換言之，本實施例的電能儲存系統100整合以微處理機為核心之數位控制介面電路，數位控制軟體，電力電子學，並融入電能暫存之概念而實現之二段式/二級式電能儲存系統。第一級電路是由電能暫存電路110所構成，而第二級電路則是由充電控制電路120、電池組130、電源轉換電路140及電源選擇電路160所構成，藉以在不需應用一般快充手段之前提下，令讓外部電源可以快速將電能轉移至需用電之後端負載裝置，從而降低電池組130可能因快充手段而造成之電池壽命縮短的問題。

底下分別以第一實施例（圖2與圖3）與第二實施例（圖4與圖5）來說明以電容器/電感器作為儲能元件SE的電路架構實施範例。

圖2為本發明第一實施例的電能暫存電路的示意圖。圖3為本發明第一實施例的充電控制電路的示意圖。請先參照圖2，本實施例的電能暫存電路110包括電容器C _S以及定電流電源轉換電路CC。

定電流電源轉換電路CC耦接電容器C _S，其係用以將直流輸入電源DC _in以定電流轉換手段轉換為暫存電源DC _st，並且以具有定電流之暫存電源DC _st對電容器C _S進行充電。

具體而言，由基本電學得知，電容器C _S所儲存之電能可表示為：，其中J為儲存於電容器C _S之電能，C為電容器C _S的電容量，並且V為電容器C _S的跨壓。另外，電容器C _S所儲存的電荷量可表示為：Q=It=CV，其中I為充電電流大小，並且t為充電時間。所述定電流轉換手段即係依據上述關係，配合事先設定之目標，使監控電路150提供相應的控制訊號給定電流電源轉換電路CC藉以實現定電流轉換。

詳細而言，定電流電源轉換電路CC包括直流對直流轉換器112、電流取樣電路114、運算與補償電路116以及脈寬調變控制晶片118。

直流對直流轉換器112輸入端接收直流輸入電源DC _in，並且受控於脈寬調變控制晶片118所產生的脈寬調變控制電壓V _d1對直流輸入電源DC _in進行直流對直流轉換，並且據以在其輸出端產生暫存電源DC _st。其中，電容器C _S會反應於暫存電壓V _CS進行充電，並且產生負載電流i _CS。

電流取樣電路114耦接電容器C _S。電流取樣電路114用以取樣流經電容器C _S的負載電流i _CS，並且據以產生電流取樣訊號V _ics。

運算與補償電路116耦接電流取樣電路114以接收電流取樣訊號V _ics，其中運算與補償電路116會依據指示負載電流i _CS大小的電流取樣訊號V _ics與參考訊號V _ref1進行補償運算，並且據以產生回授訊號V _fb1。於此，所述參考訊號V _ref1是監控電路150經介面電路170_1所提供的，且其大小是由監控電路150預先設定的。

脈寬調變控制晶片118耦接直流對直流轉換器112、運算與補償電路116以及監控電路150。脈寬調變控制晶片118可用以依據回授訊號V _fb1及經介面電路170_1接收到的控制訊號產生脈寬調變控制電壓V _d1，以控制直流對直流轉換器112進行定電流轉換。換言之，本實施例的暫存電源DC _st經定電流輸出之直流對直流轉換器112對電容器C _S以定電流方式充電，所以電容器C _S兩端的充電電壓/暫存電壓V _CS是浮動的。

從運作上來看，在電能暫存電路110中，直流輸入電源DC _in經直流對直流轉換電路112而輸出暫存電壓V _CS與負載電流i _CS，並耦接至電容器C _S以進行充電。流經電容器C _S之負載電流i _CS經電流取樣電路114產生取樣電壓V _ics，再與參考訊號V _ref1分別接至運算與補償電路116而產生回授訊號V _fb1。回授訊號V _fb1接至脈寬調變控制晶片118產生脈寬調變控制電壓V _d1。脈寬調變控制電壓V _d1接至直流對直流轉換器112而使充電電流為定值，從而完成電容器C _S定電流充電功能。

請接著參照圖3，充電控制電路120包括直流對直流轉換器122、電流取樣電路124、運算與補償電路126以及脈寬調變控制晶片128。

直流對直流轉換器122的輸入端耦接至電容器C _S的兩端以接收暫存電源DC _st，其中直流對直流轉換器122會受控於脈寬調變控制晶片128所產生的脈寬調變控制電壓V _d2而對暫存電源DC _st進行直流對直流轉換，並據以利用轉換所產生的充電電源DC _BAT為電池組130充電。在本實施例中，直流對直流轉換器122例如是以定電流方式對電池組130充電。在定電流充電的情形下，電池組130兩端電壓為浮動電壓。

電流取樣電路124耦接電池組130。電流取樣電路124用以取樣流經電池組130的充電電流i _BAT，並且據以產生電流取樣訊號V _ibat。

運算與補償電路126耦接電流取樣電路124以接收電流取樣訊號V _ibat，其中運算與補償電路126會依據指示充電電流i _BAT大小的電流取樣訊號V _ibat與參考訊號V _ref2進行補償運算，並且據以產生回授訊號V _fb2。於此，所述參考訊號V _ref2是監控電路150經介面電路170_2所提供的，且其大小是由監控電路150預先設定的。

脈寬調變控制晶片128耦接直流對直流轉換器122、運算與補償電路126以及監控電路150。脈寬調變控制晶片128可用以依據回授訊號V _fb2及經介面電路170_2接收到的控制訊號產生脈寬調變控制電壓V _d2，以控制直流對直流轉換器122進行定電流轉換。

從運作上來看，在充電控制電路120中，電容器C _S的跨壓V _CS經直流對直流轉換器122輸出充電電壓V _BAT與充電電流i _BAT，並耦接至電池組130以進行充電。流經電池組130之充電電流i _BAT經電流取樣電路124產生取樣電壓V _ibat，再與參考訊號V _ref2分別接至運算與補償電路126而產生回授控制電壓V _fb2。回授訊號V _fb2接至脈寬調變控制晶片128產生脈寬調變控制電壓V _d2。脈寬調變控制電壓V _d2接至直流對直流轉換器122而使充電電流i _BAT為定值，從而完成電池組130定電流充電功能。

圖4為本發明第二實施例的電能暫存電路的示意圖。圖5為本發明第二實施例的充電控制電路的示意圖。請先參照圖4，本實施例的電能暫存電路110’包括電感器L _S以及定電壓電源轉換電路CV。

定電壓電源轉換電路CV耦接電感器L _S，其係用以將該直流輸入電源DC _in以定電壓轉換手段轉換為暫存電源DC _st，並且以具有定電壓之暫存電源DC _st對電感器L _S進行充電。

具體而言，由基本電學得知，電感器L _S所儲存之電能可表示為：，其中J為儲存於電感器L _S之電能，L為電感器L _S的電感量，並且i為電感電流。另外，電感器L _S的磁通量可表示為：ψ=Vt=Li，其中V為電感器L _S的跨壓，並且t為充電時間。所述定電壓轉換手段即係依據上述關係，配合事先設定之目標，使監控電路150提供相應的控制訊號給定電壓電源轉換電路CV藉以實現定電壓轉換。於此附帶一提的是，在儲能元件以電感器L _S實施之範例下，後級的充電控制電路120的輸入電流必須是連續的。

詳細而言，定電壓電源轉換電路CV包括直流對直流轉換器112、電流取樣電路114、電壓取樣電路115、運算與補償電路116以及脈寬調變控制晶片118。

直流對直流轉換器112輸入端接收直流輸入電源DC _in，並且受控於脈寬調變控制晶片118所產生的脈寬調變控制電壓V _d1對直流輸入電源DC _in進行直流對直流轉換，並且據以在其輸出端產生暫存電源DC _st。其中，電感器L _S會反應於暫存電流i _LS進行充電，並且在其兩端建立負載電壓V _LS。

電流取樣電路114耦接電感器L _S。電流取樣電路114用以取樣流經電感器L _S的負載電流i _LS，並且據以產生電流取樣訊號V _iLS。在本實施例中，電流取樣電路114所產生的電流取樣訊號V _iLS會被提供給監控電路150作為分析之用。

電壓取樣電路115耦接電感器L _S。電壓取樣電路115用以取樣電感器L _S兩端的負載電壓V _LS，並且據以產生電壓取樣訊號V _VLS。

運算與補償電路116耦接電壓取樣電路115以接收電壓取樣訊號V _VLS，其中運算與補償電路116會依據指示負載電流i _CS大小的電流取樣訊號V _VLS與參考訊號V _ref1進行補償運算，並且據以產生回授訊號V _fb1。於此，所述參考訊號V _ref1是監控電路150經介面電路170_1所提供的，且其大小是由監控電路150預先設定的。

脈寬調變控制晶片118耦接直流對直流轉換器112、運算與補償電路116以及監控電路150。脈寬調變控制晶片118可用以依據回授訊號V _fb1及經介面電路170_1接收到的控制訊號產生脈寬調變控制電壓V _d1，以控制直流對直流轉換器112進行定電壓轉換。換言之，本實施例的暫存電源DC _st經定電壓輸出之直流對直流轉換器112對電感器L _S以定電壓方式充電，所以電感器L _S的充電電流/暫存電流i _LS是浮動的。

從運作上來看，在電能暫存電路110’中，直流輸入電源DC _in經直流對直流轉換器112而輸出暫存電壓V _CS與負載電流i _CS，並耦接至電感器L _S以進行充電。跨接電感器L _S二端之負載電壓V _LS經電壓取樣電路115產生取樣電壓V _VLS，再與參考訊號V _ref1分別接至運算與補償電路而產生回授訊號V _fb1。回授訊號V _fb1則接至脈寬調變控制晶片118產生脈寬調變控制電壓V _d1。脈寬調變控制電壓V _d1接至直流對直流轉換器112而使充電電壓為定值，從而完成電感器L _S定電壓充電功能。

有關於圖5所繪示的充電控制電路120’大致與圖3的充電控制電路120相同，故相關電路運作及功能請參照圖3之說明，於此不再重複贅述。

另外應注意的是，因為電感器L _S是以磁場方式儲能，所以其負載電流i _LS會連續的，故充電控制電路120’的輸入電流必須是連續的。因此，在本實施例中，充電控制電路120’的直流對直流轉換器122大都以BOOT、SEPIC…等基本電路架構來實施。

綜上所述，本發明提出一種電能儲存系統，其係以兩級式的電路架構進行電源轉換，藉以利用前級的電能暫存電路先將直流輸入電源暫存於儲能元件，再利用後級的充電控制電路將儲能元件所儲存的電能轉換為充電電源來為電池組充電，並且利用後級的電源轉換器將儲能元件所儲存的電能轉換為輸出電源以提供給後端的負載裝置使用。藉此，本實施例的電能儲存系統可在不需應用一般快充手段之前提下，令讓外部電源可以快速將電能轉移至需用電之後端負載裝置，從而降低電池組130可能因快充手段而造成之電池壽命縮短的問題。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100：電能儲存系統 110：電能暫存電路 112、122：直流對直流轉換器 114、124：電流取樣電路 115：電壓取樣電路 116、126：運算與補償電路 118、128：脈寬調變控制晶片 120：充電控制電路 130：電池組 140：電源轉換電路 150：監控電路 160：電源選擇電路 170_1~170_4：介面電路 Cs：電感器 DC _BAT：充電電源 DCin：直流輸入電源 DCo1：第一輸出電源 DCo2：第二輸出電源 DCout：直流輸出電源 DCst：暫存電源 i _BAT：充電電流 i _CS、i _LS：暫存電流/負載電流 L _S：電感器 SE：儲能元件 V _BAT：充電電壓 V _CS、V _LS：暫存電壓/負載電壓 Vd1、Vd2：脈寬調變控制電壓 V _fb1、V _fb2：回授訊號 V _ibat、V _ics、V _iLS：電流取樣訊號 V _VLS：電壓取樣訊號 Vref1、Vref2：參考訊號

圖1為本發明一實施例的電能儲存系統的示意圖。圖2為本發明第一實施例的電能暫存電路的示意圖。圖3為本發明第一實施例的充電控制電路的示意圖。圖4為本發明第二實施例的電能暫存電路的示意圖。圖5為本發明第二實施例的充電控制電路的示意圖。

100：電能儲存系統 110：電能暫存電路 120：充電控制電路 130：電池組 140：電源轉換電路 150：監控電路 160：電源選擇電路 170_1~170_4：介面電路 DC _BAT：充電電源 DC _in：直流輸入電源 DC _o1：第一輸出電源 DC _o2：第二輸出電源 DC _out：直流輸出電源 DC _st：暫存電源 SE：儲能元件

Claims

一種電能儲存系統，包括：一電能暫存電路，接收一直流輸入電源，並且用以將該直流輸入電源之電能暫存於一儲能元件；一充電控制電路，耦接該電能暫存電路，用以基於暫存於該儲能元件之電能進行電源轉換，並據以產生一充電電源；一電池組，耦接該充電控制電路，用以依據該充電電源進行充電，並且提供一第一輸出電源；一電源轉換電路，耦接該電能暫存電路，用以基於暫存於該儲能元件之電能進行電源轉換，並據以產生並提供一第二輸出電源；以及一監控電路，耦接該電能暫存電路、該充電控制電路以及該電源轉換電路，用以偵測所述電路的運作狀態，並且據以產生一控制訊號以控制所述電路的運作，其中，該電能暫存電路更用以對該儲能元件的狀態進行取樣以產生一取樣訊號，將該取樣訊號與一參考訊號進行補償運算以產生一回授訊號，並依據該回授訊號與該控制訊號產生一脈寬調變控制訊號，其中，該電能暫存電路依據該脈寬調變控制訊號對該直流輸入電源之電能進行電源轉換，並暫存於該儲能元件。
如申請專利範圍第1項所述的電能儲存系統，更包括：一電源選擇電路，具有多個輸入端與一輸出端，該些輸入端其中之一耦接該電池組的輸出端，並且該些輸入端其中之另一耦接該電源轉換電路的輸出端，其中該電源選擇電路受控於該監控電路而選擇將該第一輸出電源與該第二輸出電源其中之一提供至該輸出端以作為一直流輸出電源。
如申請專利範圍第1項所述的電能儲存系統，其中該儲能元件為一電容器，該電能暫存電路更包括：一定電流電源轉換電路，耦接該電容器，用以將該直流輸入電源以一定電流轉換手段轉換為一暫存電源，並且以具有定電流之暫存電源對該電容器進行充電。
如申請專利範圍第3項所述的電能儲存系統，其中該定電流電源轉換電路包括：一直流對直流轉換器，其輸入端接收該直流輸入電源，受控於一脈寬調變控制電壓對該直流輸入電源進行直流對直流轉換，並且據以在其輸出端產生該暫存電源；一電流取樣電路，耦接該電容器，用以取樣流經該電容器的一負載電流，並且據以產生一電流取樣訊號；一運算與補償電路，耦接該電流取樣電路，用以依據該電流取樣訊號與一參考訊號進行補償運算，並且據以產生一回授訊號；以及一脈寬調變控制晶片，耦接該直流對直流轉換器、該運算與補償電路以及該監控電路，用以依據該回授訊號及對應的控制訊號產生該脈寬調變控制電壓以控制該直流對直流轉換器進行定電流轉換。
如申請專利範圍第1項所述的電能儲存系統，其中該儲能元件為一電感器，該電能暫存電路更包括：一定電壓電源轉換電路，耦接該電感器，用以將該直流輸入電源以一定電壓轉換手段轉換為一暫存電源，並且以具有定電壓之暫存電源對該電感器進行充電。
如申請專利範圍第5項所述的電能儲存系統，其中該定電壓電源轉換電路包括：一直流對直流轉換器，其輸入端接收該直流輸入電源，受控於一脈寬調變控制電壓對該直流輸入電源進行直流對直流轉換，並且據以在其輸出端產生該暫存電源；一電流取樣電路，耦接該電感器，用以取樣流經該電感器的一負載電流，並且據以產生一電流取樣訊號；一電壓取樣電路，耦接該電感器，用以取樣該電感器兩端的一負載電壓，並且據以產生一電壓取樣訊號；一運算與補償電路，耦接該電壓取樣電路，用以依據該電壓取樣訊號與一參考訊號進行補償運算，並且據以產生一回授訊號；以及一脈寬調變控制晶片，耦接該直流對直流轉換器、該運算與補償電路以及該監控電路，用以依據該回授訊號及對應的控制訊號產生該脈寬調變控制電壓以控制該直流對直流轉換器進行定電壓轉換。
如申請專利範圍第1項所述的電能儲存系統，更包括：多個介面電路，其中該監控電路分別通過該些介面電路耦接該電能暫存電路、該充電控制電路以及該電源轉換電路，藉以發送或接收訊號。