TWI658687B - 直流至交流轉能器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
根據一實施例提出一直流至交流轉能器,包括:電池陣列模組、電池控制模組與極性變換器,其中電池陣列模組及極性變換器分別與電池控制模組耦接,電池陣列模組用以接收直流訊號,經由電池控制模組,控制所述電池陣列模組,用以重組配置出一多相位步階訊號送至極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出。
Description
本案是有關於一種直流至交流轉能器及其控制方法。
現今綠能環保的議題日趨重要,特別是電動載具的相關產業如電動車、電動機車等持續蓬勃發展,以至於電動載具對電源有相當大量的需求。鋰電池為現今廣泛被使用的產品,此會驅使鋰電池未來全面取代現今的鉛酸電池。隨著雲端運算的運用及網路儲存裝置的普及,為了提升續航力也紛紛採用電源陣列系統。然而,採用電源陣列系統會導致其對應的高額輸出電壓需要加入更新穎、更繁複的控制策略。為了持續改善電源管理的效能及實用性,轉能變流器的設計扮演重要的角色,並且需要在整體系統的設計上進行完整的考量。
一般的多準位逆變器(Multi-level inverter)系統實現上需要一直流匯流排(DC-bus)電壓源,此直流匯流排電壓源與多個串接電容分壓並且與多個半導體開關的疊接和切換,來達成多相位電壓的輸出。當被需要的多準位逆變器的階數增加時,此系統需要的開關元件和電容的數量就會增加,造成成本增加且控制複雜。
多準位逆變器常應用工作模式如電網連接模式(Grid connected mode)、聯機交互模式(Line interactive mode)或是單獨使用模式(Stand alone mode)下,常會有能量損耗的議題,因此,如何藉由搭配電源管理系統和一個轉能系統來維持系統最佳化應用狀態及儲能轉能一體化是現今重要的議題之一。
根據本案一實施範例之直流至交流轉能器,所述直流至交流轉能器包括電池陣列模組、電池控制模組與極性變換器,其中電池陣列模組及極性變換器分別與電池控制模組耦接,電池陣列模組用以接收直流訊號,經由電池控制模組,控制所述電池陣列模組,用以重組配置出一多相位步階訊號(multi-phase step signal)送至極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出(AC signal output)。
根據本案另一實施例之直流至交流轉能器之控制方法,所述控制方法包括:利用電池陣列模組來接收一直流訊號,經由電池控制模組,控制所述電池陣列模組,用以重組配置出一多相位步階訊號,再經由極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出。
為了對本案的上述及其他方面有更佳的瞭解,下文特舉若干實施範例,並配合所附圖式,作詳細說明如下:
本說明書的技術用語係參照本技術領域的習慣用語,這些技術用語的解釋係以本說明書的說明或定義為準。本揭露的各個實施範例分別具有一或多個技術特徵。在可以實施的前提下,本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施範例中部分或全部的技術特徵,或者選擇性地組合這些實施範例中部分或全部的技術特徵。
第1圖顯示根據本案一實施例之直流至交流轉能器之功能方塊圖。如第1圖所示,直流至交流轉能器100包括: 電池陣列模組110、電池控制模組120與極性變換器130,其中電池陣列模組110及極性變換器130分別與電池控制模組120耦接,電池陣列模組110用以接收直流訊號,經由電池控制模組120,控制所述電池陣列模組110,用以重組配置出一多相位步階訊號送至極性變換器130,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出。
第2圖顯示根據本案一實施範例的電池陣列模組110方塊圖,電池陣列模組110包括一或多個電池模組110_i_j,於第2圖實施例中i=1, 2, …, n,j=1, 2, …, m,n與m皆為大於等於1的正整數,其中所述一或多個電池模組110_i_j經設置以串聯形成複數個電池串模組110_1 ~110_m,由電流模式開關轉換器110_m_t控制,將複數個電池串模組110_1 ~110_m經由並聯方式相互電性連結形成電池陣列模組110。
請同時參考第1圖及第2圖,當電池陣列模組110於直流端接收直流訊號後,電池控制模組120利用遞增所述複數個電池串模組110_1~110_m及遞減所述複數個電池串模組110_1~110_m,產生所述多相位步階訊號。遞增及遞減可用例如致能(enable)或旁路(bypass)模式切換所述複數個電池串模組110_1~110_m來達成,亦即所述多相位步階訊號的產生可藉由一些積分處理或經低通濾波器(low-pass filter)而得到一個近似原輸入訊號的平滑類比訊號(smooth analog signal),在一實施範例中,欲產生4-相位步階訊號,由電池控制模組120控制電池陣列模組110遞增及遞減110_1_1、至110_n_1中任意五個,來產生4-相位步階訊號,此為範例說明,其餘相位依此類推,在此不再贅述,之後再將多相位步階訊號送至極性變換器130,將所述多相位步階訊號轉換成交流訊號輸出。
第3A圖顯示根據本案一實施範例的極性變換器130之電路示意圖,其中該極性變換器130包含第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3、第四功率開關Q4、電感L、電容C、二極體D1~D4(第一二極體、第二二極體、第三二極體及第四二極體)及控制單元101,其中,第一功率開關Q1與第二功率開關Q2彼此相互串聯,而第三功率開關Q3與第四功率開關Q4彼此相互串聯。第一功率開關Q1及第二功率開關Q2與第三功率開關Q3及第四功率開關Q4相互並聯,第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3、及第四功率開關Q4分別連接控制單元101,進而控制單元101可分別控制第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3、及第四功率開關Q4的運作,例如控制各功率開關之導通與截止時間。
詳言之,第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3、及第四功率開關Q4的每一功率開關具有控制端、第一端及第二端。並且,二極體D1的陰極連接第一功率開關Q1的第一端,而二極體D1的陽極連接第一功率開關Q1的第二端。二極體D2的陰極連接第二功率開關Q2的第一端,而二極體D2的陽極連接第二功率開關Q2的第二端。二極體D3的陰極連接第三功率開關Q3的第一端,而二極體D3的陽極連接第三功率開關Q3的第二端。同樣地,二極體D4的陰極連接第四功率開關Q4的第一端,而二極體D4的陽極連接第四功率開關Q4的第二端。另外,第一功率開關Q1的第二端連接於第二功率開關Q2的第一端。第三功率開關Q3的第二端連接於第四功率開關Q4的第一端,並且,第一功率開關Q1的第一端與第三功率開關Q3的第一端相連,而第二功率開關Q2的第二端與第四功率開關Q4的第二端相連。從而第一功率開關Q1與第二功率開關Q2彼此相互串聯,而第三功率開關Q3及第四功率開關Q4彼此相互串聯。
第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3以及第四功率開關Q4的控制端更分別連接至控制單元101。亦即,控制單元101可輸出控制信號至第一功率開關Q1的控制端、第二功率開關Q2的控制端、第三功率開關Q3的控制端及第四功率開關Q4的控制端,分別控制第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4的導通與截止時間,進而控制整體電路的運作。
在一實施例中,第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4可為絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)。據此,第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之控制端為絕緣柵雙極電晶體的閘極(gate)。第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之第一端為絕緣柵雙極電晶體的集極(collector)。第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4之第一端為絕緣柵雙極電晶體的射極(emitter)。但第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3與第四功率開關Q4也可採用其他功率電晶體實現,例如功率金氧半場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)。
經由第一功率開關Q1 之第一端的A訊號及第四功率開關Q4之第一端的B訊號可將多相位步階訊號轉換成交流訊號輸出,如第3B圖所示。
請同時參照第4及4A圖,根據本案另一實施例之直流至交流轉能器更包括一訊號補償模組150,用以優化所述多相位步階訊號,其中訊號補償模組150包括一運算單元150_2及一補償單元150_1,利用運算單元150_2將多相位步階訊號4A-1減去一預設訊號4A-2後得到一第一訊號4A-3,此第一訊號4A-3代表須補償的部分,如第4A圖所示,再經由補償單元150_1補償後,送入電池陣列模組110之電流模式開關轉換器150_2。
另根據本案一實施例,同時參照第1、3及4圖,其中感測模組140包括電流感測單元140_1及電壓感測單元140_2,其中電壓感測單元用以控制電池串模組110_1中各個電池模組110_n_1,依此類推,另電流感測單元140_1接收極性變換器130中之A訊號,電壓感測單元140_2接收極性變換器130中之B訊號,電流感測單元140_1將A訊號分別送入複數個電池串模組110_1 ~110_m,依據負載特性控制複數個電池串模組110_1~110_m所需,可用以做複數個電池串模組110_1~110_m並聯間的微調,避免產生電路功耗。
詳言之,電流感測單元140_1及電壓感測單元140_2分別連接至控制單元101。電流感測單元140_1接收A訊號後,可用以感測於電路運作時流經電感L之電流Io 變化(亦即輸入電流變化)並將該電流Io 變化輸入至控制單元101,以進行演算分析。電壓感測單元140_2接收B訊號後,可用以感測輸出電壓Vc並將該輸出電壓Vc輸入至控制單元101,以進行演算分析。亦即控制單元101可依據電流感測單元140_1與電壓感測單元140_2分別感測到的電路電流Io變化以及輸出電壓Vc,產出頻率相同之控制信號用以分別控制第一功率開關Q1、第二功率開關Q2、第三功率開關Q3及第四功率開關Q4的導通與截止之運作。
換言之,控制單元101可依據電流感測單元104_1所感測之每週期流經電感L的電流變化、電壓感測單元104_2所感測之輸出之直流電 的電壓準位及需補償的第一訊號4A-3,控制第三與第四功率開關Q3、Q4之運作。要說明的是,本發明並不限定控制單元101的實際實施方式或是第三及第四功率開關Q3、Q4的實際控制方式。
電流感測單元140_1可用電流感測器例如霍爾效應感測元件(Hall Effect Sensor)或電阻等來實現。電壓感測單元140_2可以電壓感測器或是分壓電路來實現。控制單元101可以可編式微處理器,例如,數位訊號處理器(digital signal processor,DSP)來實現。負載可依據所應用之系統架構而變換。舉例來說,以電動載具為例,負載可以是馬達或是其他可替代之負載。
請參照第5圖,根據本案另一實施例之直流至交流轉能器之控制方法包括:利用電池陣列模組來接收一直流訊號(步驟S501),經由電池控制模組,控制所述電池陣列模組,用以重組配置出一多相位步階訊號(步驟S502),再經由極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出(步驟S503)。
另根據本案一實施例,請參照第6圖,其中沿用上一實施例的元件符號與部分內容,並採用相同的元件符號來表示相同或近似的元件,並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例,本實施例不再重複贅述。步驟S502更包括利用運算單元將多相位步階訊號減去一預設訊號後得到一第一訊號(步驟S502_1),將第一訊號經由補償單元補償後,送入電池陣列模組之電流模式開關轉換器(步驟S502_2),再經由極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出(步驟S503)。
再根據本案一實施例,請參照第7圖,其中步驟S502更包括將多相位步階訊號利用電壓感測單元用以控制電池串模組中各個電池模組,電流感測單元依據負載特性控制複數個電池串模組所需(步驟S502_1_1)後之多相位步階訊號,減去一預設訊號後得到一第一訊號(步驟S502_1),將第一訊號經由補償單元補償後,送入電池陣列模組之電流模式開關轉換器(步驟S502_2),再經由極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出(步驟S503)。
另根據本案一應用實施例,請參照第8圖,當本案之直流至交流轉能器100應用於混合式發電系統時,以風力(Wind)801和太陽能板(PV)802進行直流至交流轉能器100,除了提供負載804電力外,多餘的電可以對電池陣列模組110充電,當風力(Wind)801和太陽能板(PV)802小於負載804之需求時,可由電池陣列模組110放電補足,形成一雙向之直流至交流轉能器100,達成儲能與轉能一體化之好處。
換言之,由於本案利用電池陣列模組110取代原先利用直流至直流轉能器803所會造成之能量損耗,因此能夠順利減少損耗,達成利用本案之電池陣列模組100可控制需要多少電壓能量,就重組多少的好處。
因此,藉由搭配電源管理,根據本案實施例,所述直流至交流轉能器100及其控制方法基於在直流端控制電池陣列模組110的方式具有成本低且易於多相位產生達成控制簡單的好處。
綜上所述,雖然本案已以實施範例揭露如上,然其並非用以限定本案。本案所屬技術領域中具有通常知識者,在不脫離本案的精神和範圍內,當可作各種的更動與潤飾。因此,本案的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧直流至交流轉能器
101‧‧‧控制單元
110‧‧‧電池陣列模組
110_1 ~110_m‧‧‧電池串模組
110_1_1~110_n_m‧‧‧電池模組
110_1_t~110_m_t‧‧‧電流模式開關轉換器
120‧‧‧電池控制模組
130‧‧‧極性變換器
140‧‧‧感測模組
140_1‧‧‧電流感測單元
140_2‧‧‧電壓感測單元
150‧‧‧訊號補償模組
150_1‧‧‧補償單元
150_2‧‧‧運算單元
801‧‧‧風力
802‧‧‧太陽能板(PV)
803‧‧‧直流至直流轉能器
804‧‧‧負載
A、B‧‧‧訊號
C‧‧‧電容
D1~D4‧‧‧二極體
Io‧‧‧電流
L‧‧‧電感
Q1~Q4‧‧‧功率開關
Vc‧‧‧輸出電壓
S501~S503‧‧‧步驟
S502_1、S502_2、S502_1_1‧‧‧步驟
第1圖顯示根據本案一實施範例的直流至交流轉能器之功能方塊圖。
第2圖顯示根據本案一實施範例的電池陣列模組方塊圖。
第3A圖顯示根據本案一實施範例的極性變換器電路圖示意圖。
第3B圖顯示根據本案一實施範例的經由極性變換器之訊號圖。
第4圖顯示根據本案另一實施範例的直流至交流轉能器之功能方塊圖。
第4A圖顯示根據本案另一實施範例的補償訊號產生圖。
第5圖顯示根據本案一實施範例的直流至交流轉能器之控制方法之流程圖。
第6圖顯示根據本案另一實施範例的直流至交流轉能器之控制方法之流程圖。
第7圖顯示根據本案另一實施範例的直流至交流轉能器之控制方法之流程圖。
第8圖顯示根據本案另一應用實施範例。
Claims (23)
- 一種直流至交流轉能器,包括:一電池陣列模組,接收一直流訊號;一電池控制模組,控制所述電池陣列模組,用以重組配置出一多相位步階訊號;一極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出;以及一訊號補償模組,包括一運算單元,利用所述運算單元將所述多相位步階訊號減去一預設訊號後得到一第一訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述的直流至交流轉能器,其中所述電池陣列模組包括一或多個電池模組。
- 如申請專利範圍第2項所述的直流至交流轉能器,其中所述一或多個電池模組經設置以串聯形成複數個電池串模組,再將所述複數個電池串模組經並聯相互電性連結形成所述電池陣列模組。
- 如申請專利範圍第1項所述的直流至交流轉能器,其中所述極性變換器更包括複數個功率開關、複數個二極體及一控制單元。
- 如申請專利範圍第4項所述的直流至交流轉能器,更包括一感測模組,且所述感測模組包括一電流感測單元及一電壓感測單元。
- 如申請專利範圍第5項所述的直流至交流轉能器,其中所述電流感測單元用以控制複數個電池串模組。
- 如申請專利範圍第5項所述的直流至交流轉能器,其中所述電壓感測單元用以控制電池串模組中各個電池模組。
- 如申請專利範圍第3項所述的直流至交流轉能器,其中所述電池控制模組利用遞增所述複數個電池串模組及遞減所述複數個電池串模組,用以產生所述多相位步階訊號。
- 如申請專利範圍第5項所述的直流至交流轉能器,其中所述控制單元依據所述電流感測單元所感測之每週期流經電感的電流變化、所述電壓感測單元所感測之輸出之直流電的電壓準位及需補償的第一訊號,控制所述複數個功率開關之運作。
- 如申請專利範圍第5項所述的直流至交流轉能器,其中所述電流感測單元係以電流感測器來實現。
- 如申請專利範圍第5項所述的直流至交流轉能器,其中所述電流感測器係以霍爾效應感測元件或電阻來實現。
- 如申請專利範圍第5項所述的直流至交流轉能器,其中所述電壓感測單元係以電壓感測器或是分壓電路來實現。
- 如申請專利範圍第4項所述的直流至交流轉能器,其中所述控制單元係以可編式微處理器來實現。
- 如申請專利範圍第1項所述的直流至交流轉能器,其中所述訊號補償模組更包括一補償單元。
- 如申請專利範圍第14項所述的直流至交流轉能器,其中所述第一訊號經由所述補償單元補償後,送入所述電池陣列模組中之一電流模式開關轉換器,用以優化所述多相位步階訊號。
- 一種直流至交流轉能器之控制方法,包括:利用電池陣列模組來接收一直流訊號;經由電池控制模組,控制所述電池陣列模組,用以重組配置出一多相位步階訊號;以及經由極性變換器,將所述多相位步階訊號轉換成一交流訊號輸出;其中,所述直流至交流轉能器包括一訊號補償模組,且所述訊號補償模組包括一運算單元,利用所述運算單元將所述多相位步階訊號減去一預設訊號後得到一第一訊號。
- 如申請專利範圍第16項所述的直流至交流轉能器之控制方法,其中所述電池陣列模組包括一或多個電池模組。
- 如申請專利範圍第17項所述的直流至交流轉能器之控制方法,其中所述一或多個電池模組經設置以串聯形成複數個電池串模組,再將所述複數個電池串模組經並聯相互電性連結形成所述電池陣列模組。
- 如申請專利範圍第18項所述的直流至交流轉能器之控制方法,其中所述直流至交流轉能器包括一感測模組,且所述感測模組包括一電流感測單元及一電壓感測單元。
- 如申請專利範圍第19項所述的直流至交流轉能器之控制方法,其中所述電流感測單元用以控制所述複數個電池串模組。
- 如申請專利範圍第19項所述的直流至交流轉能器之控制方法,其中所述電壓感測單元用以控制電池串模組中各個電池模組。
- 如申請專利範圍第18項所述的直流至交流轉能器之控制方法,其中所述電池控制模組利用遞增所述複數個電池串模組及遞減所述複數個電池串模組,用以產生所述多相位步階訊號。
- 如申請專利範圍第16項所述的直流至交流轉能器之控制方法,更包括將所述第一訊號經由所述訊號補償模組之補償單元補償後,送入所述電池陣列模組中之一電流模式開關轉換器,用以優化所述多相位步階訊號。
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