TWI664790B - 分散式單級車載充電裝置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一種分散式單級車載充電裝置，包含：一第一變壓器，具有第一初級繞組與第一次級繞組；一第一電容，連接該第一初級繞組；一第一電感，連接該第一電容，該第一電容位於該第一電感與該第一變壓器之間；一第一電晶體，連接該第一電容與該第一電感；一第一二極體，連接該第一次級繞組；一第二變壓器，具有第二初級繞組與第二次級繞組，該第二變壓器與該第一變壓器並聯；一第二電容，連接該第二初級繞組；一第二電感，連接該第二電容，該第二電容位於該第二電感與該第二變壓器之間；以及一第二電晶體，連接該第二電容與該第二電感。

Description

分散式單級車載充電裝置及其方法
本案係關於一種分散式單級車載充電裝置及其方法。
現有電動車輛中的電力轉換系統包括充電系統與驅動系統兩個部分，而充電系統與驅動系統各自需要獨立的線路及變流器(Inverter)分別連接至電池組，充電系統是使用外部交流電源(AC Power)對電池組充電，而驅動系統則是由電池組供應啟動發電機(Integrated Starter Generator,ISG)及牽引馬達(Traction Motor)運轉所需的電力。
在現有的充電系統中，外部交流電源與電池組之間需要一車載充電器(On-Board Charger)將外部交流電源轉換為穩定的直流電力對電池組充電。現有的充電系統大都僅能夠達到升壓充電，而無法降壓充電。現有的充電系統若需達到升壓或降壓充電的功能，則會增加電路的複雜度，且必須加裝一個大功率的儲能電感器。因此如何簡化電動車輛之電力轉換系統的電路架構，如何降低成本與體積，且又能達到升壓或降壓充電的功能，實是目前有待解決的重要課題。
本揭露之一實施例提供一種分散式單級車載充電裝置，包含：一第一變壓器，具有第一初級繞組與第一次級繞組；一第一電容，連接該第一初級繞組；一第一電感，連接該第一電容，該第一電容位於該第一電感與該第一變壓器之間；一第一電晶體，連接該第一電容與該第一電感；一第一二極體，連接該第一次級繞組；一第二變壓器，具有第二初級繞組與第二次級繞組，該第二變壓器與該第一變壓器並聯；一第二電容，連接該第二初級繞組；一第二電感，連接該第二電容，該第二電容位於該第二電感與該第二變壓器之間；一第二電晶體，連接該第二電容與該第二電感；以及一第二二極體，連接該第二次級繞組，該第一二極體與該第二二極體並聯。
本揭露之一實施例提供一種分散式單級車載充電方法，包含：輸入一交流電源；判定定電壓充電模式或定電流充電模式；對該交流電源的交流電流端與交流電壓端進行功率因數修正；在該交流電源的上半波時，利用第一變壓器，進行升壓或降壓轉換；在該交流電源的下半波時，利用第二變壓器，進行升壓或降壓轉換；以及輸出一脈動直流電流。
10‧‧‧充電架構
12‧‧‧外部電源
14‧‧‧整流器
15‧‧‧分散式單級車載充電裝置
16、17‧‧‧隔離轉換器
18‧‧‧正半波
19‧‧‧整流後的負半波
20‧‧‧電池
22、23、24、25‧‧‧波形圖
30‧‧‧分散式單級車載充電裝置
31‧‧‧第一初級繞組
32‧‧‧第一次級繞組
33‧‧‧第二初級繞組
34‧‧‧第二次級繞組
35‧‧‧起繞端
36‧‧‧起繞端
37‧‧‧起繞端
38‧‧‧起繞端
41‧‧‧電磁干擾濾波器
42‧‧‧交流電源
43‧‧‧起繞端
45‧‧‧起繞端
47‧‧‧車用充電電池
Vac‧‧‧交流電壓端
Iac‧‧‧交流電壓端
T1‧‧‧第一變壓器
T2‧‧‧第二變壓器
L1‧‧‧第一電感
L2‧‧‧第二電感
C1‧‧‧第一電容
C2‧‧‧第二電容
Co‧‧‧第三電容
D1‧‧‧第一二極體
D2‧‧‧第二二極體
D3‧‧‧第三二極體
M1‧‧‧第一電晶體
M2‧‧‧第二電晶體
Dp‧‧‧第四二極體
Dn‧‧‧第五二極體
dr1、dr2‧‧‧汲極
G1、G2‧‧‧閘極
s1、s2‧‧‧源極
50‧‧‧控制電路
52‧‧‧充電模式控制電路
53‧‧‧功率因數修正控制電路
54‧‧‧第一加法器
55‧‧‧第二加法器
56‧‧‧第六二極體
57‧‧‧第七二極體
58‧‧‧第一比例積分控制器
59‧‧‧低通濾波器
Ierr‧‧‧電流誤差訊號
Verr‧‧‧電壓誤差訊號
Vn‧‧‧節點電壓
Ifb‧‧‧電流回授端
Vfb‧‧‧電壓回授端
Iref‧‧‧電流參考命令端
Vref‧‧‧電壓參考命令端
Sn1‧‧‧充電控制訊號
61‧‧‧乘法器
62‧‧‧第三加法器
|Vac|‧‧‧全波整流交流電壓端
|Iac|‧‧‧全波整流交流電流端
Iac-ref‧‧‧交流電流參考命令
Iac-error‧‧‧交流電流參考命令
63‧‧‧第二比例積分控制器
64‧‧‧振幅限制器
65‧‧‧第一比較器
Sn2‧‧‧功率因數修正控制訊號
66‧‧‧第二比較器
67‧‧‧第一及閘
68‧‧‧第二及閘
69‧‧‧反閘
70‧‧‧高頻鋸齒波端
71‧‧‧正半波
72‧‧‧負半波
75‧‧‧分散式單級車載充電方法
76~81‧‧‧步驟
86~90‧‧‧步驟
91~98‧‧‧步驟
I1‧‧‧一次電流
102‧‧‧迴路
103‧‧‧迴路
I2‧‧‧二次電流
I3‧‧‧一次電流
104‧‧‧迴路
105‧‧‧迴路
I4‧‧‧二次電流
108‧‧‧交流輸入電壓
109‧‧‧電池充電電壓
110‧‧‧交流輸入電流
111‧‧‧電池充電電流
112‧‧‧虛線
113‧‧‧虛線
114‧‧‧圓圈
120‧‧‧分散式單級車載充電裝置
131‧‧‧第一變壓器
132‧‧‧第一初級繞組
133‧‧‧第一次級繞組
134‧‧‧第一電容
135‧‧‧第一電感
136‧‧‧第一電晶體
137‧‧‧第一二極體
140‧‧‧第二變壓器
141‧‧‧第二初級繞組
142‧‧‧第二次級繞組
143‧‧‧第二電容
144‧‧‧第二電感
145‧‧‧第二電晶體
146‧‧‧第二二極體
150‧‧‧電磁干擾濾波器
151‧‧‧交流電源
153‧‧‧第三電容
154‧‧‧第三二極體
155‧‧‧車用充電電池
160‧‧‧全橋整流器
161、162‧‧‧交流端
163、164‧‧‧直流端
第1圖係根據一些實施例說明充電架構的示意圖。
第2圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充 電裝置的電路圖。
第3圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置的控制電路之電路圖。
第4圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法的流程圖。
第5圖係根據一些實施例說明第4圖中判定定電壓充電模式或定電流充電模式之步驟的細部流程圖。
第6圖係根據一些實施例說明第4圖中對該交流電源的交流電流端與交流電壓端進行功率因數修正之步驟的細部流程圖。
第7圖係根據一些實施例說明第4圖中在該交流電源的上半波時，利用第一變壓器，進行升壓或降壓轉換之之步驟的示意圖。
第8圖係根據一些實施例說明第4圖中在該交流電源的上半波時，利用第一變壓器，進行升壓或降壓轉換之之步驟的另一示意圖。
第9圖係根據一些實施例說明第4圖中在該交流電源的下半波時，利用第二變壓器，進行升壓或降壓轉換之步驟的示意圖。
第10圖係根據一些實施例說明第4圖中在該交流電源的下半波時，利用第二變壓器，進行升壓或降壓轉換之步驟的另一示意圖。
第11圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置的波形圖。
第12圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置的效率折線圖。
第13圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置的電路圖。
第14圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置的效率折線圖。
本案提供一種分散式單級車載充電裝置及其方法。本車載充電裝置係基於單端初級電感轉換器(Single Ended Primary Inductive Converter)，並且進一步減少功率元件的使用及簡化電路結構設計的單級車載充電裝置。本案提供控制策略不需要直流至直流轉換器(DC to DC converter)。本案搭配此控制策略來達成脈動直流充電、能源轉換、以及高壓電氣隔離，同時符合汽車安全規範的要求。
第1圖係根據一些實施例說明充電架構10的示意圖。充電架構10的特點係將外部電源12轉換為穩定的直流電力對電池20充電。外部電源12為交流電或市用電源(110/220伏特)，其電壓與時間的關係如波形圖22所示，電壓隨時間變化並且為弦波，具有正電壓與負電壓。外部電源12的交流 電壓進入整流器14，整流器14可選擇橋式整流器(bridge rectifier)進行整流，或可選用無橋式整流器(bridgeless rectifier)進行整流，整流後的電壓與時間關係如波形圖23所示，負電壓經過整流後變成正電壓。整流後的電壓進入分散式單級車載充電裝置15，分散式單級車載充電裝置15包含隔離轉換器16與隔離轉換器17，隔離轉換器16負責正半波18的訊號轉換，進行升壓或降壓處理，隔離轉換器17負責整流後的負半波19(原始訊號如波形圖22的負半波，經過整流後成為正電壓)的訊號轉換，進行升壓或降壓處理。分散式單級車載充電裝置15具有功率因數修正(Power Factor Correction)、升壓與降壓電路、及取代直流至直流轉換器(DC-DC converter)的功能。分散式單級車載充電裝置15調整電壓與電流之間的相位差，對輸入電壓進行功率因數調整，以降低虛功產生並且提升能量的利用效率。並且，分散式單級車載充電裝置15能進行提升電壓與降低電壓的處理，經過提升的電壓與降低的電壓用來對電池20充電，分散式單級車載充電裝置15的輸出電壓如充電電壓Vo如波型圖24，充電電壓Vo為一定值直流電壓。分散式單級車載充電裝置15能產生脈動直流電流Io，其特點具有二倍頻率的弦波電流如波型圖25，此種充電架構10是將外部電源12經分散式單級車載充電裝置15轉換後，直接傳送至電池20，因此不需要直流鏈電容及第二級的直流至直流轉換器，如此可以大幅度地降低充電 器的體積及成本。
第2圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置30的電路圖。分散式單級車載充電裝置30包含：第一變壓器T1，具有第一初級繞組31與第一次級繞組32；第一電容C1，連接第一初級繞組31；第一電感L1，連接第一電容C1，第一電容C1位於第一電感L1與第一變壓器T1之間；第一電晶體M1，連接第一電容C1與第一電感L1；第一二極體D1，連接第一次級繞組32；第二變壓器T2，具有第二初級繞組33與第二次級繞組34，第二變壓器T2與第一變壓器T1並聯；第二電容C2，連接第二初級繞組33；第二電感L2，連接第二電容C2，第二電容C2位於第二電感L2與第二變壓器T2之間；第二電晶體M2，連接第二電容C2與第二電感L2；以及第二二極體D2，連接第二次級繞組34，第一二極體D1與第二二極體D2並聯。
在一實施例中，在第一變壓器T1中，第一初級繞組31的起繞端(starting winding end)35連接第一電容C1，第一次級繞組32連接第一二極體D1的陽極。詳言之，第一次級繞組32的起繞端36連接第一二極體D1的陽極。在第二變壓器T2中，第二初級繞組33的起繞端37連接第二電容C2，第二次級繞組34連接第二二極體D2的陽極。詳言之，第二次級繞組34的起繞端38連接第二二極體D2的陽極。
在一實施例中，第二變壓器T2與第一變壓器T1 並聯，第一初級繞組31的末端連接第二初級繞組33的末端、第一電晶體M1的源極s1、及第二電晶體M2的源極s2。第一次級繞組32的末端(ending winding end)及第二次級繞組34的末端接地。
在一實施例中，對於第一電晶體M1與第二電晶體M2的連接方式，第一電晶體M1的汲極dr1同時連接第一電容C1與第一電感L1，第二電晶體M2的汲極dr2同時連接第二電容C2與第二電感L2，第一電晶體M1的源極s1連接第二電晶體M2的源極s2。第一電晶體M1與第二電晶體M2可採用金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)或絕緣柵雙極電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等。
在一實施例中，分散式單級車載充電裝置30另包含：電磁干擾濾波器41(Electro Magnetic Interference filter)，位於第一電感L1與交流電源42之間，也位於第二電感L2與交流電源42之間。第一電感L1的起繞端43及第二電感L2的起繞端45分別連接電磁干擾濾波器41。交流電源42輸入電磁干擾濾波器41，電磁干擾濾波器41係過濾交流電雜訊。
在一實施例中，分散式單級車載充電裝置30另包含第三電容Co，第三電容Co的一端連接第一二極體D1的陰極及第二二極體D2的陰極，第三電容Co的另一端接地。分散式單級車載充電裝置30另包含車用充電電池47以及第三二 極體D3，車用充電電池47的陰極接地。第三二極體D3的陽極連接第三電容Co、第一二極體D1的陰極、及第二二極體D2的陰極，車用充電電池47的陽極連接第三二極體D3的陰極。
在一實施例中，分散式單級車載充電裝置30另包含第四二極體Dp、及第五二極體Dn。第四二極體Dp的陰極連接第一電感L1的起繞端43。第五二極體Dn的陰極連接第二電感L2的起繞端45，其中第四二極體Dp的陽極連接第五二極體Dn的陽極、第一電晶體M1的源極s1、第二電晶體M2的源極s2、第一初級繞組31的末端、及第二初級繞組33的末端。
第3圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置30的控制電路50之電路圖。分散式單級車載充電裝置30另包含控制電路50，控制電路50判斷當下應採用定電壓模式(constant voltage mode)或是定電流模式(constant current mode)，對車用充電電池47進行充電，並且進行功率因數修正控制，控制電路50的兩輸出端分別連接第一電晶體M1的閘極G1與第二電晶體M2的閘極G2，簡言之，控制電路50控制第一電晶體M1與第二電晶體M2。在一實施例中，控制電路50係由軟體方法實現，將控制電路50寫入數位信號處理器(digital signal processor，DSP)中。在一實施例中，控制電路50係由現場可程式化閘陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)來實現，但不在此限。
在一實施例中，控制電路50包含定電壓/定電流之充電模式控制電路52與功率因數修正控制電路53，充電模式控制電路52連接功率因數修正控制電路53。充電模式控制電路52間接耦合第一電晶體M1與第二電晶體M2。功率因數修正控制電路53的兩輸出端分別連接第一電晶體M1的閘極G1與第二電晶體M2的閘極G2。
在一實施例中，充電模式控制電路52判斷當下應採用定電壓模式或是定電流模式，對車用充電電池47進行充電。充電模式控制電路52包含：第一加法器54，連接電流回授端Ifb及電流參考命令端Iref，用以輸出電流回授端Ifb與電流參考命令端Iref的差值(Iref-Ifb)；第六二極體56，連接第一加法器54；第二加法器55，連接電壓回授端Vfb及電壓參考命令端Vref，用以輸出電壓回授端Vfb與電壓參考命令端Vref的差值(Vref-Vfb)；以及第七二極體57，連接第二加法器55，第六二極體56與第七二極體57並聯。電流回授端Ifb的訊號係來自車用充電電池47的充電電流訊號，電流參考命令端Iref係一預設的電流值，電壓回授端Vfb的訊號係來自車用充電電池47的充電電壓訊號，電壓參考命令端Vref係一預設的電壓值。第一加法器54係輸出電流誤差訊號Ierr(Iref-Ifb=Ierr)，第二加法器55係輸出電壓誤差訊號Verr(Vref-Vfb=Verr)。在電流誤差訊號Ierr小於電壓誤差訊號Verr的情況下，節點電壓Vn與電流誤差訊號Ierr的差異讓第六二極體56產生順向偏壓並且導 通時，電流誤差訊號Ierr進入第一比例積分控制器(proportion-integration controller)58，此時為定電流模式(Constant Current mode)。在電壓誤差訊號Verr小於電流誤差訊號Ierr的情況下，節點電壓Vn與電壓誤差訊號Verr的差異讓第七二極體57產生順向偏壓並且導通時，電壓誤差訊號Verr進入第一比例積分控制器58，此時為定電壓模式(Constant Voltage mode)。
在一實施例中，充電模式控制電路52包含第一比例積分控制器(proportional integral controller)58以及低通濾波器59，第一比例積分控制器58的輸入端連接第六二極體56的陽極與第七二極體57的陽極。低通濾波器59的輸入端連接第一比例積分控制器58的輸出端。第一比例積分控制器58的輸出與輸入誤差訊號成比例關係，能使系統在進入穩態後不會產生穩態誤差。低通濾波器59係過濾高頻訊號，讓低頻訊號通過，低通濾波器59輸出充電控制訊號Sn1。
在一實施例中，功率因數修正控制電路53包含：乘法器61，連接充電模式控制電路52的輸出端、及一全波整流交流電壓端|Vac|；第三加法器62，連接乘法器61的輸出端、及一全波整流交流電流端|Iac|；第二比例積分控制器63，連接第三加法器62的輸出端；以及振幅限制器(limiter)64，連接第二比例積分控制器63的輸出端。全波整流交流電壓端|Vac|和全波整流交流電流端|Iac|分別擷取交 流電源42的交流電壓訊號與交流電流訊號，並且經過全波整流。乘法器61接收充電控制訊號Sn1和全波整流交流電壓端|Vac|的訊號，乘法器61輸出交流電流參考命令Iac-ref。第三加法器62接收全波整流交流電流端|Iac|的訊號以及交流電流參考命令Iac-ref，第三加法器62輸出交流電流誤差命令Iac-error。第二比例積分控制器63接收交流電流誤差命令Iac-error，並且進行比例控制項與積分控制項的調整。振幅限制器(limiter)64能防止過大的振幅訊號，去除過載訊號以保護後續邏輯電路，振幅限制器64輸出功率因數修正控制訊號Sn2。
在一實施例中，功率因數修正控制電路53包含：第一比較器65，第一比較器65的正端連接第二比例積分控制器63，第一比較器65的負端連接高頻鋸齒波端70；第二比較器66，第二比較器66的正端連接交流電壓端Vac，第二比較器66的負端接地；第一及閘(AND gate)67；以及第二及閘68，其中第一比較器65的輸出端連接第一及閘67、與第二及閘68，第二比較器66的輸出端連接第一及閘67。功率因數修正控制電路53另包含反閘(NOT gate)69，位於第二及閘68與第二比較器66之間，反閘69的輸入端連接第二比較器66的輸出端，反閘69的輸出端連接第二及閘68。高頻鋸齒波端70輸出一高頻鋸齒波。交流電壓端Vac含有正半波71與負半波72，第二比較器66與反閘69將正半波71與負半波72分離，並 且配合第一及閘67以及第二及閘68，讓第一電晶體M1的閘極G1與第二電晶體M2的閘極G2具有區分時序的作用，用以決定當正半波71與負半波72分別輸入第一電晶體M1與第二電晶體M2時，第一電晶體M1與第二電晶體M2的開關狀態。
第4圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法75的流程圖。可同時參酌第2、3圖，一種分散式單級車載充電方法75包含步驟76至步驟81。在步驟76中，輸入一交流電源42(含有交流電流端Vac與交流電壓端Iac)到分散式單級車載充電裝置30，並且，藉由充電模式控制電路52從車用充電電池47擷取電流回授端Ifb和電壓回授端Vfb的訊號；在步驟77中，藉由充電模式控制電路52，判定定電壓充電模式或定電流充電模式；在步驟78中，藉由功率因數修正控制電路53，對交流電源42的交流電流端Vac與交流電壓端Iac進行功率因數修正；在步驟79中，在交流電源42的上半波71時，利用第一變壓器T1，進行升壓或降壓轉換；在步驟80中，在交流電源42的下半波72時，利用第二變壓器T2，進行升壓或降壓轉換；在步驟81中，藉由分散式單級車載充電裝置30，輸出一脈動直流電流。
第5圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法75之步驟77的細部流程圖。可同時參酌第3圖，判定定電壓充電模式或定電流充電模式的步驟77包含步驟86至步驟90。在步驟86中，將電流回授端Ifb的電流回授值與電流參 考命令端Iref的電流參考命令值相減，產生電流誤差訊號Ierr；在步驟87中，將電壓回授端Vfb的電壓回授值與電壓參考命令端Vref的電壓參考命令值相減，產生電壓誤差訊號Verr；在步驟88中，比較電流誤差訊號Ierr與該電壓誤差訊號Verr的量值大小；在步驟89中，根據該比較量值大小的結果，判斷電流誤差訊號Ierr或電壓誤差訊號Verr進入第一比例積分控制器58，並且進行比例積分補償調節；在步驟90中，第一比例積分控制器58的輸出訊號，進入低通濾波器59，產生充電控制訊號Sn1。
在步驟88中，在電流誤差訊號Ierr小於電壓誤差訊號Verr的情況下，電流誤差訊號Ierr進入第一比例積分控制器58，此時為定電流模式(Constant Current mode)。在電壓誤差訊號Verr小於電流誤差訊號Ierr的情況下，電壓誤差訊號Verr進入第一比例積分控制器58，此時為定電壓模式(Constant Voltage mode)。
第6圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法75之步驟78的細部流程圖。同時參酌第2、3圖，對交流電源42的交流電流端Iac與交流電壓端Vac進行功率因數修正的步驟78包含步驟91至步驟98。在步驟91中，利用乘法器61，將充電控制訊號Sn1與全波整流交流電壓端|Vac|的全波整流交流電壓值相乘，產生交流電流參考命令Iac-ref；在步驟92中，利用第三加法器62，將交流電流參考命令Iac-ref與全波 整流交流電流端|Iac|的全波整流交流電流值相減，產生交流電流誤差命令Iac-error。在步驟93中，利用第二比例積分控制器63，將交流電流誤差命令Iac-error進行比例積分補償調節；在步驟94中，利用振幅限制器64，接收第二比例積分控制器63的輸出訊號，並且產生功率因數修正控制訊號Sn2。
在步驟95中，利用第一比較器65，接收功率因數修正控制訊號Sn2與高頻鋸齒波端70的鋸齒波訊號；在步驟96中，利用第二比較器66，接收交流電源42與接地訊號；在步驟97中，利用第一及閘67，聯集第一比較器65的輸出訊號與第二比較器66的輸出訊號；在步驟98中，利用第二及閘68，聯集第一比較器65的輸出訊號與第二比較器66的輸出訊號的一反相訊號。
第7圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法75之步驟79的示意圖。在該交流電源42的上半波71時，利用第一變壓器T1，進行升壓或降壓轉換的步驟79包含：導通第一電晶體M1，關閉第二電晶體M2，迴路102流通第一電容C1、第一電感L1、與第一變壓器T1的第一初級繞組31，並且第一變壓器T1產生一次電流I1。再者，迴路102導通第五二極體Dn，並且進入電磁干擾濾波器41。在一實施例中，交流電源42係60赫茲的頻率，第一電晶體M1與第二電晶體M2係以70赫茲的頻率作切換。
第8圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充 電方法75之步驟79的另一示意圖。在該交流電源42的上半波71時，利用第一變壓器T1，進行升壓或降壓轉換的步驟79包含：關閉第一電晶體M1，關閉第二電晶體M2，第一變壓器T1的第一次級繞組32產生二次電流I2，並且迴路103流通第一二極體D1、第三電容Co、第三二極體D3與車用充電電池47。第三電容Co的容量較小，在第三電容Co充飽電荷後，二次電流I2隨即對車用充電電池47充電。
第9圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法75之步驟80的示意圖。在交流電源42的下半波72時，利用第二變壓器T2，進行升壓或降壓轉換的步驟80包含：關閉第一電晶體M1，導通第二電晶體M2，迴路104流通第二電容C2、第二電感L2、與第二變壓器T2的第二初級繞組33，第二變壓器T2產生一次電流I3。並且迴路104導通第四二極體Dp，並且進入電磁干擾濾波器41。
第10圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電方法75之步驟80的另一示意圖。在交流電源42的下半波72時，利用第二變壓器T2，進行升壓或降壓轉換的步驟80包含：關閉第一電晶體M1，關閉第二電晶體M2，第二變壓器T2的第二次級繞組34產生二次電流I4，並且迴路105流通第二二極體D2、第三電容Co、第三二極體D3與車用充電電池。
第11圖係根據一些實施例說明分散式單級車載 充電裝置30的波形圖。第11圖的(a)圖顯示橫軸為時間(秒)，縱軸為電壓(伏特)。弦波代表交流輸入電壓108，交流輸入電壓108係交流電源42的交流電流端Vac的訊號，交流輸入電壓108的範圍介於±300伏特之間。水平線代表電池充電電壓109，電池充電電壓109係輸入車用充電電池47的電壓值，電池充電電壓109約300伏特。
第11圖的(b)圖顯示橫軸為時間(秒)，縱軸為電流(安培)。弦波代表交流輸入電流110，交流輸入電流110係交流電壓端Iac的訊號，交流輸入電流110的範圍介於±15安培之間。第11圖的(c)圖顯示橫軸為時間(秒)，縱軸為電流(安培)。弦波代表電池充電電流111，交流電源42輸入分散式單級車載充電裝置30後，配合分散式單級車載充電方法75，分散式單級車載充電裝置30輸出電池充電電流111，電池充電電流111對車用充電電池47進行充電，電池充電電流111的範圍介於0~15安培之間。電池充電電流111係一脈動直流電流。
分散式單級車載充電裝置30對交流電源42進行功率因數修正後，交流輸入電壓108的相位與交流輸入電流110的相位呈現同相，如虛線112代表交流輸入電壓108的波峰對應交流輸入電流110的波峰，虛線113代表交流輸入電壓108的波谷對應交流輸入電流110的波谷，以降低虛功產生並且提升能量的利用效率。另外，分散式單級車載充電裝置30 能輸出脈動直流電流，圓圈114表示電池充電電流111的量值係大於0的正值電流，電池充電電流111亦為2倍頻率的弦波充電電流(在輸入一週期T波形下，輸出為兩週期波形)。
第12圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置30的效率折線圖。橫軸係輸出功率(瓦特watt)，縱軸係能源轉換效率(百分比%)。能源轉換效率係輸出功率除以輸入功率。在輸出功率為500瓦時，能源轉換效率約為82.3%；在輸出功率為1000瓦時，能源轉換效率約為89%；在輸出功率為1500瓦時，能源轉換效率約為93%；在輸出功率為2000瓦時，能源轉換效率約為93.9%；在輸出功率為2500瓦時，能源轉換效率約為93.5%；在輸出功率為3000瓦時，能源轉換效率約為93%。分散式單級車載充電裝置30具有93.9%的峰值效率，故分散式單級車載充電裝置30具有較高的能源轉換效率。
第13圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置120的電路圖。分散式單級車載充電裝置120和分散式單級車載充電裝置30相似。分散式單級車載充電裝置120包含：第一變壓器131，具有第一初級繞組132與第一次級繞組133；第一電容134，連接第一初級繞組132；第一電感135，連接第一電容134，第一電容134位於第一電感135與第一變壓器131之間；第一電晶體136，連接第一電容134與第一電感135；第一二極體137，連接第一次級繞組133；第二 變壓器140，具有第二初級繞組141與第二次級繞組142，第二變壓器140與第一變壓器131並聯；第二電容143，連接第二初級繞組141；第二電感144，連接第二電容143，第二電容143位於第二電感144與第二變壓器140之間；第二電晶體145，連接第二電容143與第二電感144；以及第二二極體146，連接第二次級繞組142，第一二極體137與第二二極體146並聯。
在一實施例中，分散式單級車載充電裝置120另包含：電磁干擾濾波器150，位於第一電感135與交流電源151之間，也位於第二電感144與交流電源151之間。分散式單級車載充電裝置120另包含第三電容153，連接第一二極體137的陰極及第二二極體146的陰極，第三電容153的另一端接地。分散式單級車載充電裝置120另包含車用充電電池155以及第三二極體154，車用充電電池155的陰極接地。
分散式單級車載充電裝置30和分散式單級車載充電裝置120主要差異在於：分散式單級車載充電裝置120使用全橋整流器160取代第四二極體Dp與第五二極體Dn。全橋整流器160的交流端161、162連接電磁干擾濾波器150，全橋整流器160的一直流端163連接第一電感135與第二電感144，全橋整流器160的另一直流端164連接第一初級繞組132的末端、第二初級繞組141的末端、第一電晶體136、及第二電晶體145。
第14圖係根據一些實施例說明分散式單級車載充電裝置120的效率折線圖。橫軸係輸出功率(瓦特watt)，縱軸係能源轉換效率(百分比%)。能源轉換效率係輸出功率除以輸入功率。在輸出功率為500瓦時，能源轉換效率約為87.5%；在輸出功率為1000瓦時，能源轉換效率約為91.5%；在輸出功率為1500瓦時，能源轉換效率約為92.7%；在輸出功率為2000瓦時，能源轉換效率約為93.4%；在輸出功率為2500瓦時，能源轉換效率約為93.5%；在輸出功率為3000瓦時，能源轉換效率約為93.4%。分散式單級車載充電裝置120具有93.5%的封值效率，故分散式單級車載充電裝置120具有較高的能源使用效率。
綜合上述，本案提供分散式單級車載充電裝置與方法，分散式單級車載充電裝置的特點為兩相交錯式，每一相各自負責交流電源的正半波及負半波的功率轉換與傳送，輸出充電電流為二倍線頻(double line frequency)的弦波電流，亦為脈動直流電流，如此對車載電池的充電效率、時間、及最大溫升均有改善。此外，兩相的變壓器各負責交流電源正半波及負半波的升壓或降壓轉換，具有分散功率功效，避免過大功率負載，並且採用變壓器的設計具有高壓電氣隔離之功效。分散式單級車載充電裝置的主要架構只需14個元件(以分散式單級車載充電裝置30為例，包含2個主動開關)，即可不需要直流至直流轉換器，達到升壓或降壓充 電，搭配本案分散式單級車載充電方法，能有效地達到功率因數修正，藉以提升充電品質及降低成本。
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。

Claims (24)

  1. 一種分散式單級車載充電裝置，包含：一第一變壓器，具有第一初級繞組與第一次級繞組；一第一電容，連接該第一初級繞組；一第一電感，連接該第一電容，該第一電容位於該第一電感與該第一變壓器之間；一第一電晶體，連接該第一電容與該第一電感；一第一二極體，連接該第一次級繞組；一第二變壓器，具有第二初級繞組與第二次級繞組，該第二變壓器與該第一變壓器並聯；一第二電容，連接該第二初級繞組；一第二電感，連接該第二電容，該第二電容位於該第二電感與該第二變壓器之間；一第二電晶體，連接該第二電容與該第二電感；以及一第二二極體，連接該第二次級繞組，該第一二極體與該第二二極體並聯。
  2. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，其中該第一初級繞組的起繞端連接該第一電容，該第一次級繞組連接該第一二極體的陽極。
  3. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，其中該第二初級繞組的起繞端連接該第二電容，該第二次級繞組連接該第二二極體的陽極。
  4. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，其中該第一初級繞組的末端連接該第二初級繞組的末端、該第一電晶體的源極、及該第二電晶體的源極，該第一次級繞組的末端及該第二次級繞組的末端接地。
  5. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，其中該第一電晶體的汲極同時連接該第一電容與該第一電感，該第二電晶體的汲極同時連接該第二電容與該第二電感，該第一電晶體的源極連接該第二電晶體的源極。
  6. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，另包含：一電磁干擾濾波器，位於該第一電感與一交流電源之間，也位於該第二電感與該交流電源之間，該第一電感的起繞端與該第二電感的起繞端分別連接該電磁干擾濾波器。
  7. 如請求項6所述之分散式單級車載充電裝置，另包含：一全橋整流器，該全橋整流器的交流端連接該電磁干擾濾波器，該全橋整流器的一直流端連接該第一電感與該第二電感，該全橋整流器的另一直流端連接該第一初級繞組的末端、該第二初級繞組的末端、該第一電晶體的源極、及該第二電晶體的源極。
  8. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，另包含：一第三電容，連接該第一二極體的陰極及該第二二極體的陰極，該第三電容的另一端接地。
  9. 如請求項8所述之分散式單級車載充電裝置，另包含：一車用充電電池，該車用充電電池的陰極接地；以及一第三二極體，該第三二極體的陽極連接該第三電容、該第一二極體的該陰極、及該第二二極體的該陰極，該車用充電電池的陽極連接該第三二極體的陰極。
  10. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，另包含：一第四二極體，該第四二極體的陰極連接該第一電感的起繞端；以及一第五二極體，該第五二極體的陰極連接該第二電感的起繞端，其中該第四二極體的陽極連接該第五二極體的陽極、該第一電晶體的源極、該第二電晶體的源極、該第一初級繞組的末端、及該第二初級繞組的末端。
  11. 如請求項1所述之分散式單級車載充電裝置，另包含：一充電模式控制電路，耦合該第一電晶體與該第二電晶體；以及一功率因數修正控制電路，連接該充電模式控制電路，該功率因數修正控制電路的輸出端分別連接該第一電晶體的閘極與該第二電晶體的閘極。
  12. 如請求項11所述之分散式單級車載充電裝置，其中該充電模式控制電路包含：一第一加法器，連接一電流回授端及一電流參考命令端，用以輸出該電流回授端與該電流參考命令端的差值；一第六二極體，連接該第一加法器；一第二加法器，連接一電壓回授端及一電壓參考命令端，用以輸出該電壓回授端與該電壓參考命令端的差值；以及一第七二極體，連接該第二加法器，該第六二極體與該第七二極體並聯。
  13. 如請求項12所述之分散式單級車載充電裝置，其中該充電模式控制電路包含：一第一比例積分控制器，該第一比例積分控制器的輸入端連接該第六二極體的陽極與該第七二極體的陽極；以及一低通濾波器，該低通濾波器的輸入端連接該第一比例積分控制器的輸出端。
  14. 如請求項11所述之分散式單級車載充電裝置，其中該功率因數修正控制電路包含：一乘法器，連接該充電模式控制電路的輸出端、及一全波整流交流電壓端；一第三加法器，連接該乘法器的輸出端、及一全波整流交流電流端；一第二比例積分控制器，連接該第三加法器的輸出端；以及一振幅限制器，連接該第二比例積分控制器的輸出端。
  15. 如請求項14所述之分散式單級車載充電裝置，其中該功率因數修正控制電路包含：一第一比較器，該第一比較器的正端連接該第二比例積分控制器，該第一比較器的負端連接一高頻鋸齒波端；一第二比較器，該第二比較器的正端連接一交流電壓端，該第二比較器的負端接地；一第一及閘；以及一第二及閘，其中該第一比較器的輸出端連接該第一及閘、與該第二及閘，該第二比較器的輸出端連接該第一及閘。
  16. 如請求項15所述之分散式單級車載充電裝置，其中該功率因數修正控制電路包含：一反閘，位於該第二及閘與該第二比較器之間，該反閘的輸入端連接該第二比較器的該輸出端，該反閘的輸出端連接該第二及閘。
  17. 一種分散式單級車載充電方法，包含：輸入一交流電源；判定定電壓充電模式或定電流充電模式；對該交流電源的交流電流端與交流電壓端進行功率因數修正；在該交流電源的上半波時，利用第一變壓器，進行升壓或降壓轉換；在該交流電源的下半波時，利用第二變壓器，進行升壓或降壓轉換；以及輸出一脈動直流電流。
  18. 如請求項17所述之分散式單級車載充電方法，其中在該判定定電壓充電模式或定電流充電模式的步驟包含：將一電流回授值與一電流參考命令值相減，產生一電流誤差訊號；將一電壓回授值與一電壓參考命令值相減，產生一電壓誤差訊號；以及比較該電流誤差訊號與該電壓誤差訊號的量值大小。
  19. 如請求項18所述之分散式單級車載充電方法，其中在該判定定電壓充電模式或定電流充電模式的步驟包含：根據該比較量值大小的結果，判斷該電流誤差訊號或該電壓誤差訊號進入一第一比例積分控制器，並且進行比例積分調節；以及該第一比例積分控制器的輸出訊號進入一低通濾波器，產生一充電控制訊號。
  20. 如請求項17所述之分散式單級車載充電方法，其中在對該交流電源的該交流電流端與該交流電壓端進行功率因數修正的步驟包含：利用一乘法器，將一充電控制訊號與一全波整流交流電壓相乘，產生一交流電流參考命令；以及利用一加法器，將該交流電流參考命令與一全波整流交流電流相減，產生一交流電流誤差命令。
  21. 如請求項20所述之分散式單級車載充電方法，其中在對該交流電源的該交流電流端與該交流電壓端進行功率因數修正的步驟中，包含：利用一第二比例積分控制器，將該交流電流誤差命令進行比例積分補償調節；以及利用一振幅限制器，接收該第二比例積分控制器的輸出訊號，並且產生一功率因數修正控制訊號。
  22. 如請求項21所述之分散式單級車載充電方法，其中在對該交流電源的該交流電流端與該交流電壓端進行功率因數修正的步驟包含：利用一第一比較器，接收該功率因數修正控制訊號與一鋸齒波訊號；利用一第二比較器，接收該交流電源與接地訊號；利用一第一及閘，聯集該第一比較器的輸出訊號與該第二比較器的輸出訊號；以及利用一第二及閘，聯集該第一比較器的該輸出訊號與該第二比較器的該輸出訊號的一反相訊號。
  23. 如請求項17所述之分散式單級車載充電方法，其中在該交流電源的該上半波時，利用該第一變壓器，進行升壓或降壓轉換的步驟包含：導通第一電晶體，關閉第二電晶體，導通第一電容、第一電感、及該第一變壓器的第一初級繞組的迴路，並且該第一變壓器產生一次電流；以及關閉該第一電晶體，關閉該第二電晶體，該第一變壓器產生二次電流，並且導通第一二極體、及車用充電電池的迴路。
  24. 如請求項17所述之分散式單級車載充電方法，其中在該交流電源的該下半波時，利用該第二變壓器，進行升壓或降壓轉換的步驟包含：關閉第一電晶體，導通第二電晶體，導通第二電容、第二電感、與該第二變壓器的第二初級繞組的迴路，並且該第二變壓器產生一次電流；以及關閉該第一電晶體，關閉該第二電晶體，該第二變壓器產生二次電流，並且導通第二二極體、及車用充電電池的迴路。
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