TWI634721B - 一種雙向車載充放電系統及其方法 - Google Patents

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莊志祥
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Abstract

本發明公開了一種雙向車載充放電系統，運用於車載電池，其包含：一交流/直流轉換模組，係配置以進行交直流電力轉換；以及一直流/直流轉換模組，耦接交流/直流轉換模組，以穩定輸出電壓及穩定輸出電流並對車載電池充電；其中交流/直流轉換模組及直流/直流轉換模組包含至少一雙向轉換電路，係配置以進行所述車載電池的放電。

Description

一種雙向車載充放電系統及其方法
本發明相關於電動車充電領域，特別是關於雙向車載充放電的系統及其方法。
近年來用車人口日益增多，科技的高速進步使得汽車科技蓬勃發展，除了追求汽車性能的提升外，對於汽車所使用的能源也越來越受到人們的重視，對於乾淨能源的要求下，電動車隨即問市，隨後，隨著社會的發展和國家政策的推廣，電動車開始發展起來。
電動車的種類越來越多，隨之而來的電子車系統，不論是行車環境、路況或是智能駕駛甚至是充電系統，結合新一代智能技術後展現出更貼近使用者的行車控制環境。舉例而言，新型電動車皆具有車輛控制單元(Vehicle Control Unit,VCU)，或稱車輛控制系統或整車控制單元。車輛控制單元可提供用戶在不同的操控情境下所需的控制命令，且具有安全防護功能，還具備CAN通信接口可通過各系統的信號整合達到完備的控制功能。這些行車應用系統不僅提升了駕駛者的行車安全質量，同時也造就電動車應用趨勢，儼然成為電動車不可或缺的配備之一。
除了對電動車進行控制以外，最值得重視的即為電動車使用的能源電力，電池則是電動車發展的最重要關鍵技術。由於電池成本佔了電動車整體成本相當大的比重，製造電池的排碳量也佔了整個使用周期排碳量相當大部份，因此電動車的發展幾乎仰賴於電動車電池技術的成長。電池性能參數包括有：電池容量、充電時間與電池壽命。目前常見用於電動車的充電電池包括有鎳氫電池(Ni-MH)或鋰離子電池(Li-ion battery)，目前適用於電動車之鋰電池有如磷酸鐵鋰電池及鈦酸鋰電池已相繼使用於市。
電動車的車載充電電池可在短時間內充電，但充電時間則與行車距離成反比，快速充電代價是該次充電所得的電量較少，該次的行駛距離會明 顯減少，對電池壽命也有不利影響。因此，要達到便利性就必須保持著充電站電網的廣泛設立，但儘管如此，仍有些許的狀況造成電池沒電，例如駕駛忽略電池電量或者發生緊急事故使得電池故障，而需面對沒有救援電力的情形。
另一方面，現階段電動車的電池容量有其限制，有時須仰賴停靠充電站，使用充電裝置以對電池充電。一般而言，習知的車載充電裝置或充電系統具有交流/直流轉換器及直流/直流轉換器。首先充電樁可藉由充電裝置連接電池，完成連接後，充電裝置將電網的交流電，通常為220V，輸入至充電裝置，經過交流/直流轉換器後轉換成直流電，再經由直流/直流轉換器輸出充電電池可使用之直流電，來對充電電池充電。
習知的充電裝置充電效率並不佳，而雖然可以對電池充電，卻無法反向將電池的電力轉換為交流電再次使用。需了解，電池電力盈餘時的再利用將可提供更多的用途性，舉例而言，在停電時可將車載電池的電力供給家電設備使用，可暫時提供燈具或緊急電用設備供電。電池電力的反向再利用還可包括對其他車載的電池進行緊急充電。
有鑑於上述現有雙向車載充放電系統的缺失，本發明即用以解決上述問題。
本發明一目的在於提供一種雙向車載充放電系統及方法，改善目前車載充電器效率不佳且無法雙向充放電之缺失。本發明的系統改進上述缺失，以雙向轉換電路使車載電池進行反向交流電放電，通過本發明的雙向車載充放電系統，除了可使用習知的充電方式輸入交流電220V，經轉換器轉成直流電對車載電池進行充電外，直流/直流轉換模組與交流/直流轉換模組可將車載電池的直流電轉換為交流電輸出，而交流/直流轉換模組與直流/直流轉換模組使用雙向轉換電路，利用脈衝寬度調變訊號(PWM)控制更可提升充放電的效率，以此方式來車載電池充放電，達成車載電池穩定充放電及提升充放電效率的功效。
為了達到上述目的及其他目的，本發明公開了一種雙向車載充放電系統，運用於車載電池，其包含：一交流/直流轉換模組，系配置以進行交直流電力轉換；以及一直流/直流轉換模組，耦接交流/直流轉換模組，以穩定輸出電壓及穩定輸出電流並對車載電池充電；其中交流/直流轉換模組及直流/直流轉 換模組包含至少一雙向轉換電路，系配置以進行所述車載電池的放電。
本發明的另一目的在於提供一種雙向車載充放電的方法，改善目前車載充電裝置無法反向放電的缺點。本發明的系統改進上述缺失，以雙向轉換電路使車載電池進行反向交流電放電，通過本發明的雙向車載充放電系統，除了可使用習知的充電方式輸入交流電220V，經轉換器轉成直流電對車載電池進行充電外，直流/直流轉換模組與交流/直流轉換模組可將車載電池的直流電轉換為交流電輸出，而交流/直流轉換模組與直流/直流轉換模組使用雙向轉換電路，利用脈衝寬度調變訊號(PWM)控制更可提升充放電的效率，以此方式來車載電池充放電，達成車載電池穩定充放電及提升充放電效率的功效。
為達上述目的，本發明提供一種雙向車載充放電方法，運用於車載電池，其包含：將一直流電傳輸至一直流/直流轉換模組以穩定輸出電壓及穩定輸出電流；將所述直流電傳輸至交流/直流轉換模組，轉換所述直流電為一交流電；以及輸出所述交流電。
為達上述所有目的，其中至少一雙向轉換電路更包含多個金氧半場效晶體管，用以改變電流方向。
為達上述所有目的，其中所述至少一雙向轉換電路更包含至少一電磁閥，藉由脈衝寬度調變控制所述多個金氧半場效晶體管。
為達上述所有目的，其中所述脈衝寬度調變控制進行同步整流或零切以降低導通損失增進轉換效率。
為達上述所有目的，其中將車載電池的電力轉換為交流電使用。
為達上述所有目的，其中更包含一通訊模組，耦接所述交流/直流轉換模組及所述直流/直流轉換模組，用以與電子裝置進行通訊。
以上所述用以說明本發明的目的、技術手段以及其可達成的技術效果，本領域技術人員可以經由以下實施例的示範與伴隨的附圖說明及權利要求書更清楚明了本發明。
100‧‧‧雙向車載充放電系統
110‧‧‧交流/直流轉換模組
120‧‧‧直流/直流轉換模組
210‧‧‧交流/直流轉換電路
220‧‧‧直流/直流轉換電路
311‧‧‧金氧半場效晶體管
312‧‧‧金氧半場效晶體管
313‧‧‧金氧半場效晶體管
314‧‧‧金氧半場效晶體管
400‧‧‧雙向車載充電方法
410‧‧‧步驟
420‧‧‧步驟
430‧‧‧步驟
500‧‧‧雙向車載放電方法
510‧‧‧步驟
520‧‧‧步驟
530‧‧‧步驟
540‧‧‧步驟
900‧‧‧交流電網
910‧‧‧車載充電電池
920‧‧‧交流電輸出
第一圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的架構示意圖。
第二圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的充放電架構示意圖。
第三圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的充放電電路圖。
第四圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的充電方法流程圖。
第五圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的放電方法流程圖。
藉由參考下列詳細敘述，將可以更快地瞭解上述觀點以及本發明之優點，並且藉由下面的描述以及附加圖式，更容易了解本發明之精神。
現對本發明不同的實施方式進行說明。下列描述提供本發明特定的施行細節，使讀者徹底了解這些實施例的實行方式。然而熟悉本領域的技術人員須了解本發明也可在不具備這些細節的條件下實行。此外，文中不會對一些已熟知的結構或功能作細節描述，以避免造成各種實施例間不必要的混淆，以下描述中使用的術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本發明某特定實施例的細節描述一起使用。此外，附圖並未描繪實際實施例的每一特徵，所描繪的附圖組件皆為相對尺寸，而非按實際比例繪製。
第一圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統100(以下稱充放電系統)的架構示意圖。一交流/直流轉換模組110，系配置以進行交直流電力轉換；以及一直流/直流轉換模組120，耦接交流/直流轉換模組110，以穩定輸出電壓及穩定輸出電流並對車載電池充電；其中交流/直流轉換模組110及直流/直流轉換模組120包含至少一雙向轉換電路，系配置以進行所述車載電池的放電。
參閱第一圖的說明，在一實施例中，交流/直流轉換模組110，可包含電源電路所組成之結構，舉例而言，可包括：變壓器-將交流電網輸入之交流電壓降低、整流電路-將交流電壓轉換為脈動的直流電壓，但不僅限於此，還可包括其他用於交直流轉換之電路組件，以及功率因子修正之電路，例如被動式功率因子修正電路或主動式功率因子修正電路，用適當的回授補償來控制主動式開關的切換狀態，進行儲能組件能量的儲存與釋放，使得輸入電流追隨命令電流，以得到一個接近正弦波形且與輸入電源同相位的輸入電流，來達成功率因數修正的目的。
參閱第一圖的說明，在一實施例中，直流/直流轉換模組120，可包含電源電路所組成之結構，舉例而言，可包括：濾波電路-將脈動的直流電壓轉換為平整的直流電壓及穩壓電路-用以提供一個穩定的直流電壓源，但不僅限於此，還可包括其他用於直流/直流轉換之電路組件，以及進行隔離及穩定輸出電壓和穩定輸出電流的電路設計。
參閱第一圖的說明，在一實施例中，交流/交流轉換模組110及直流/直流轉換模組120更包含至少一雙向轉換電路，系配置以進行車載電池的反向放電。雙向轉換電路包含多個金氧半場效晶體管(MOSFET)，取代習知使用二極管的轉換電路，以改變電流方向。
第二圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的充放電架構示意圖。參閱第二圖的說明，在一實施例中，交流電網或充電樁900，提供交流電，例如220V。使用者或駕駛將交流電網900與充放電系統100連接後，得以輸入一交流電，交流電輸入充放電系統100之交流/直流轉換模組110後，透過電路組件作用，舉例而言，變壓器-將交流電網輸入之交流電壓降低、整流電路-將交流電壓轉換為脈動的直流電壓，但不僅限於此，還可包括其他用於交直流轉換之電路組件，以及主動式功率因子修正電路，用適當的回授補償來控制主動式開關的切換狀態，進行儲能組件能量的儲存與釋放，使得輸入電流追隨命令電流，以得到一個接近正弦波形且與輸入電源同相位的輸入電流，來達成功率因數修正的目的。
參閱第二圖所示，在一實施例中，從交流/直流轉換模組110輸出之直流電接著再經由直流/直流轉換模組120的濾波電路-將脈動的直流電壓轉換為平整的直流電壓及穩壓電路-用以提供一個穩定的直流電壓源及其他用於直流/直流轉換之電路組件，以及進行隔離及穩定輸出電壓和穩定輸出電流的電路設計，以輸出充電電池可使用之直流電，來對車載充電電池910充電。
參閱第二圖所示，在一實施例中，若車載充電電池910具有電力，也可經由充放電系統100反向進行放電。車載充電電池910所放出之直流電，首先輸入充放電系統100的直流/直流轉換模組120，雙向轉換電路於此時改變電流的方向，使得車載充電電池之直流電由平整的直流電壓轉為脈動的直流電壓，再將此脈動的直流電壓輸入交流/直流轉換模組110，經由交流/直流轉換模組110的電路組件，例如整流電路-將脈動的直流電壓轉換為交流電壓，及 變壓器將輸入的交流電壓升高，但不僅限於此，還可包括其他用於交直流轉換之電路組件，以及功率因子修正之電路，最後將轉換為交流電輸出，例如220V之市用交流電。
參閱第二圖所示，在一實施例中，車載充電電池910所轉換之交流電輸出920，為市電可使用之交流電，可於停電時供應家用設備之電力，緊急危難時緊急設備所需之電力，但不僅止於此，還可包括使用此交流電輸出920做為其他電動車之救援電源。因此，經由本發明之充放電系統100，車載充電電池皆可經由充放電系統100彼此分享電力，在附近無充電站的車載充電電池也可經由充放電系統100適時獲得電力。
第三圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的充放電電路圖。參閱第三圖所示，在一實施例中，此電路包含雙向轉換電路，該雙向轉換電路，具有一交流/直流轉換電路210與一直流/直流轉換電路220，該交流/直流轉換電路210的電路配置如第三圖所示，但不限於此，可為其他電路，該直流/直流轉換電路220的電路配置如第三圖所示，但不限於此，可為其他電路，該雙向轉換電路也具有多個金氧半場效晶體管(MOSFET)311、312、313、314，取代習知使用的二極管。習知轉換電路所使用的二極管，只要通電即進行導通，無法改變電流方向，也無其他的控制時序。在雙向轉換電路中使用金氧半場效晶體管311、312、313、314時可透過脈衝寬度調製訊號控制來讓金氧半場效晶體管311、312、313、314導通和關閉，也可以透過控製程序來改變電流的方向。脈衝寬度調製訊號(Pulse Width Modulation,PWM)，是將脈波轉為模擬信號的一種技術，利用在頻率不變的狀態下，改變工作週期大小，使整體平均電壓值上升或下降，藉此間歇性電壓及功率切換以節省能源及控制等效果。
參閱第三圖所示，在一實施例中，應注意的是，雙向轉換電路更包含一電磁閥，配合脈衝寬度調變控制所述多個金氧半場效晶體管311、312、313、314。而使用金氧半場效晶體管也將使得雙向轉換電路的充放電效率提升，舉例而言，在直流/直流轉換模組120兩側使用金氧半場效晶體管，藉由脈衝寬度調變控制技術，達到同步整流或零切的功效。
參閱第一圖及第二圖所示，在一實施例中，雙向車載充放電系統100具有下列性質，交流電端為：電壓85-265Vac、頻率47-63Hz、電流16Amax、功率因子≧0.92半載以上，直流電端為：電壓250-432Vdc、電流10Amax、 電壓精度+/- 1%、電流精度+/- 3%、電壓紋波+/- 5%、功率3.3kWmax。在另一實施例中，雙向車載充放電系統100具有下列性質，交流電端為：電壓85-265Vac、頻率47-63Hz、電流32Amax、功率因子≧0.92半載以上，直流電端為：電壓250-432Vdc、電流20Amax、電壓精度+/- 1%、電流精度+/- 3%、電壓紋波+/- 5%、功率6.6kWmax。應注意的是，上述的電氣性質僅用以舉例實施例，電壓範圍、電流及輸出/輸入電壓等參數可能隨著所使用之電網900及所組合之車載充電電池910改變。
第四圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的充電方法流程圖。參閱第四圖所示，對應上述之雙向車載充放電系統100及相關圖標第一圖到第三圖，以下對於雙向車載充電方法400之步驟410至430進行詳細闡述。
參閱第四圖及第二圖所示，在步驟410中，在一實施例中，交流電網900將交流電送入交流/直流轉換模組110，例如使用者或駕駛將交流電網900與充放電系統100連接後，得以輸入一交流電。
參閱第四圖及第二圖所示，在步驟420中，交流電輸入充放電系統100之交流/直流轉換模組110後，透過電路組件作用，舉例而言，變壓器-將交流電網輸入之交流電壓降低、整流電路-將交流電壓轉換為脈動的直流電壓，但不僅限於此，還可包括其他用於交直流轉換之電路組件，以及主動式功率因子修正電路，用適當的回授補償來控制主動式開關的切換狀態，進行儲能組件能量的儲存與釋放，使得輸入電流追隨命令電流，以得到一個接近正弦波形且與輸入電源同相位的輸入電流，來達成功率因數修正的目的，完成後將上述直流電送入直流/直流轉換模組120。
參閱第四圖及第二圖所示，在步驟430中，從交流/直流轉換模組110輸出之直流電接著再經由直流/直流轉換模組120的濾波電路-將脈動的直流電壓轉換為平整的直流電壓及穩壓電路-用以提供一個穩定的直流電壓源及其他用於直流/直流轉換之電路組件，以及進行隔離及穩定輸出電壓和穩定輸出電流的電路設計，以輸出充電電池可使用之直流電，來對車載充電電池910充電。
第五圖是根據本發明實施例說明雙向車載充放電系統的放電方法流程圖。參閱第五圖所示，對應上述之雙向車載充放電系統100及相關圖標第一圖到第三圖，以下對於雙向車載放電方法500之步驟510至540進行詳細 闡述。
參閱第五圖及第二圖所示，在步驟510中，在一實施例中，車載充電電池910具有直流電電力，可經由充放電系統100反向進行放電。車載充電電池910所放出之直流電，首先輸入充放電系統100的直流/直流轉換模組120。在步驟520中，在一實施例中，雙向轉換電路於此時改變電流的方向，使得車載充電電池之直流電由平整的直流電壓轉為脈動的直流電壓，再將此脈動的直流電壓輸入交流/直流轉換模組110。在步驟530中，在一實施例中，經由交流/直流轉換模組110的電路組件，例如整流電路-將脈動的直流電壓轉換為交流電壓，及變壓器將輸入的交流電壓升高，但不僅限於此，還可包括其他用於交直流轉換之電路組件，以及功率因子修正之電路，最後將轉換為交流電輸出，例如220V之市用交流電。
參閱第五圖及第二圖所示，在步驟540中，在一實施例中，車載充電電池910所轉換之交流電輸出920，為市電可使用之交流電，可於停電時供應家用設備之電力，緊急危難時緊急設備所需之電力，但不僅止於此，還可包括使用此交流電輸出920做為其他電動車之救援電源。因此，經由本發明之充放電系統100，車載充電電池皆可經由充放電系統100彼此分享電力，在附近無充電站的車載充電電池也可經由充放電系統100適時獲得電力。
參閱第一圖及第二圖所示，在一實施例中，充放電系統100可包括一通訊模組，可監測充電柱900及車載充電電池910中的充放電信息。通信模組能以各種方式與經由車輛控制單元所控制的車載充電電池910或充電柱900通信，其通信方法可包含：一般通信線、2G網絡、3G網絡以及無線網絡WiFi，值得說明的是，通信方法不限於此，還可包括其他目前已知的通信方式，可實現國標GB對直流充放電所規範的所有通信、監控、量測、保護、及人機交互對口的各種細節，對電動車、電源、觸控顯示器及雲端後台做通信溝通，記錄交流電網900與電動車之間溝通的所有信息和異常發生，並與雲端後台對接，提供信息給車廠進行分析。但不限於此，還可進行預約充電、充電時間設定、充電金額設定及程序更新等控製程序。GB國標CAN協議可見於，GB/T27930-2011《電動汽車非車載傳導式供電機與電池管理系統之間的通信協議》。
綜上所述，本發明之雙向車載充放電系統及其方法，採用雙向電 路設計，利用脈衝寬度調變訊號(PWM)控制來讓金氧半場效晶體管導通和關閉，並透過控製程序改變電流方向，達成雙向充放電之功效。本發明之雙向車載充放電系統及其方法，平時負責將市電轉換為直流電來對電動車充電，更可將電動車上電池的電力轉換成交流電使用，例如：停電時的備用電力或做為另外一部電動車救援使用，突破習知僅單向使用之車載充電器。另一方面，本發明之雙向車載充放電系統及可使用脈衝寬度調變訊號方式來控制，例如：同步整流，藉此達成轉換效率之提升。
上述之目的在於解釋，各種特定細節係為了提供對於本發明之徹底理解。熟知本發明領域之通常知識者應可實施本發明，而無需其中某些特定細節。在其他實施例中，習知的結構及裝置並未顯示於方塊圖中。在圖式組件之間可能包含中間結構。所述的組件可能包含額外的輸入和輸出，其並未詳細描繪於附圖中。
於不同實施例所提之組件係為單獨電路，惟亦可將部分或全部組件整合於單一電路中，因而，所附之申請專利範圍中所述之不同組件可能對應一或多電路之部分功能。
本發明可以包括多個不同的方法。本發明的這些方法可以由硬件部件來執行或者可嵌入多個計算機可讀的指令中，它們可以用來使一種通用或專用的處理器或者用這些指令程序設計的多個邏輯電路來執行這些方法。可替代地，這些方法可以藉由硬件和軟件的組合來實施。
一個實施例是本發明的一種實施方式或者一個實例。本說明書提到的“一種實施例”、“一個實施例”、“一實施例”“一些實施例”、或者“其他實施例”是指與這些實施例相關說明的一具體的特點、結構、或者特性被包括在至少一些實施例之中，但不須包括在所有實施例之中。“一種實施例”、“一個實施例”、“一實施例”或者“一些實施例”等不同的表現形式並不是必須全部都針對同一批實施例。應當理解，在本發明的示例性實施例的以上說明中，本發明的不同特徵有時在一單一實施例、附圖、或其說明中共同構成一組，其目的使本說明流暢並幫助理解一或數個不同的發明方面。
若文中有一組件“A”耦接(或耦合)至組件“B”，組件A可能直接耦接(或耦合)至B，亦或是經組件C間接地耦接(或耦合)至B。若說明書載明一組件、特徵、結構、程序或特性A會導致一組件、特徵、結構、 程序或特性B，其表示A至少為B之一部分原因，亦或是表示有其他組件、特徵、結構、程序或特性協助造成B。在說明書中所提到的“可能”一詞，其組件、特徵、程序或特性不受限於說明書中；說明書中所提到的數量不受限於“一”或“一個”等詞。
本發明並未局限在此處所描述的特定細節特徵。在本發明的精神與範疇下，先前描述與附圖相關的許多不同的發明變更是允許的。因此，本發明將由權利要求來包括其可能的修改變更，而非由上方描述來限定本發明的範圍。

Claims (9)

  1. 一種雙向車載充放電系統，運用於車載電池，其包含：一交流/直流轉換模組，系配置以進行交直流電力轉換；一直流/直流轉換模組，耦接所述交流/直流轉換模組，以穩定輸出電壓及穩定輸出電流並對車載電池充電；以及，一通訊模組，耦接所述交流/直流轉換模組及所述直流/直流轉換模組，以與電子裝置進行通訊，執行預約充電及充電有關設定；其中所述交流/直流轉換模組及所述直流/直流轉換模組包含至少一雙向轉換電路，系配置以進行所述車載電池的放電。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙向車載充放電系統，其中所述至少一雙向轉換電路更包含多個金氧半場效晶體管，用以改變電流方向。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雙向車載充放電系統，其中更包含一脈衝寬度調變控制進行同步整流或零切以降低導通損失增進轉換效率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之雙向車載充放電系統，其中將車載電池的電力轉換為交流電使用。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雙向車載充放電系統，其中所述至少一雙向轉換電路更包含一電磁閥，配合脈衝寬度調變控制所述多個金氧半場效晶體管。
  6. 一種雙向車載充放電方法，運用於車載電池，包含：將一直流電傳輸至一直流/直流轉換模組以穩定輸出電壓及穩定輸出電流；將所述直流電傳輸至交流/直流轉換模組與一功率因子修正電路，轉換所述直流電為一交流電；以及輸出所述交流電；其中，所述交流電的功率因子修正可達0.92以上。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雙向車載充放電方法，更包含所述直流電通過至少一雙向轉換電路，其中所述至少一雙向轉換電路包含多個金氧半場效晶體管。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之雙向車載充放電方法，更包含所述交流電通過至少一雙向轉換電路，其中所述至少一雙向轉換電路包含多個金氧半場效晶體管。
  9. 如申請專利範圍第7項所述之雙向車載充放電方法，所述至少一雙向轉換電路藉由脈衝寬度調變控制所述多個金氧半場效晶體管。
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