TWI707520B

TWI707520B - 充電器及充電方法

Info

Publication number: TWI707520B
Application number: TW108123248A
Authority: TW
Inventors: 魏宗華; 卓正賢; 林輝信
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2020-10-11
Also published as: TW202103404A

Abstract

一種充電器包含第一連接埠、第二連接埠、直流直流轉換器、第一微控制器與第二微控制器。直流直流轉換器用以根據調整訊號將第一直流電壓轉換成第二直流電流或第二直流電壓，並經由第二連接埠輸出第二直流電流或第二直流電壓。其中，第二直流電壓小於第一直流電壓。第一微控制器用以經由第一連接埠與直流充電樁交握，並經由第二連接埠與電池交握。當第一微控制器與直流充電樁交握成功時，第一微控制器根據與電池的交握結果產生調整指示，第二微控制器根據調整指示產生相應的調整訊號，且第一直流電壓由直流充電樁提供。

Description

充電器及充電方法

本發明係關於充電技術，特別是可利用各地已設置之汽車用充電樁對電動機車之電池進行充電的一種充電器及充電方法。

隨著空汙改善與節能減碳之意識的抬頭，綠色能源的開發與利用逐漸受到大眾重視，並成為各國積極投入發展的重點項目。因此，近年來，以其內裝的電池作為驅動能源的電動載具因不會排放廢氣而越來越受歡迎，使得電動載具的運用數量逐年增加。

目前，主要可以更換電池方式或透過充電樁直接充電方式來對電動載具之電池進行充電。常見的電動載具包含電動汽車與電動機車。並且，因應專用的電動載具之充電插頭的規格與充電電壓的不同，充電樁更可分為汽車用充電樁與機車用充電樁。

一般而言，在電動汽車較為普及之國家中，機車用充電樁之設置的普及度通常非常低，此時電動機車若無法應用普及度較高的汽車用充電樁來進行充電甚為可惜。

在一實施例中，一種充電器包含第一連接埠、第二連接埠、直流直流轉換器、第一微控制器與第二微控制器。第一連接埠用以連接直流充電樁。第二連接埠用以連接電池。直流直流轉換器耦接於第一連接埠與第二連接埠之間。直流直流轉換器用以根據調整訊號將第一直流電壓轉換成第二直流電流或第二直流電壓，並經由第二連接埠輸出第二直流電流或第二直流電壓。其中，第二直流電壓小於第一直流電壓。第一微控制器用以經由第一連接埠與直流充電樁交握，且第一微控制器用以經由第二連接埠與電池交握。當第一微控制器與直流充電樁交握成功時，第一微控制器根據與電池的交握結果產生調整指示，且第一直流電壓由直流充電樁提供。第二微控制器用以根據調整指示產生相應的調整訊號。

在一實施例中，一種適用於充電器的充電方法包含：利用充電器的第一微控制器經由充電器的第一連接埠與直流充電樁交握；利用第一微控制器經由充電器的第二連接埠與電池交握；當第一微控制器與直流充電樁交握成功時，利用第一微控制器根據與電池的交握結果產生調整指示；利用充電器的第二微控制器根據調整指示產生相應的調整訊號；及利用充電器的直流直流轉換器根據調整訊號將第一直流電壓轉換成第二直流電流或第二直流電壓，並經由充電器的第二連接埠輸出第二直流電流或第二直流電壓，以對連接於第二連接埠的電池進行充電，其中第一直流電壓於第一微控制器與直流充電樁交握成功時是由直流充電樁提供，且第二直流電壓小於第一直流電壓。

100:充電器

111:第一連接埠

112:第二連接埠

113:第三連接埠

120:直流直流轉換器

130:第一微控制器

131:第一控制單元

132:第一通訊單元

133:第二通訊單元

134:第三通訊單元

140:第二微控制器

141:第二控制單元

142:電流/電壓調整單元

143:第四通訊單元

150:交流直流轉換器

200:電池

210:電池管理系統

300:直流充電樁

400:交流電源

AC:交流電

DC1:第一直流電壓

DC2:第二直流電壓

I1:調整指示

I2:充電指示

S1:調整訊號

S10、S20、S30、S40、S50、S51、S52、S60、S70:步驟

第1圖為應用第一實施例之充電器之充電系統的方塊示意圖。

第2圖為充電方法之第一實施例的流程圖。

第3圖為應用第二實施例之充電器之充電系統的方塊示意圖。

第4A圖與第4B圖為充電方法之第二實施例的流程圖。

為使本發明之實施例之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文配合所附圖式，作詳細說明如下。

必須了解的是，使用於本說明書中的「包含」、「包括」等詞，是用以表示存在特定的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件以及/或組件，但並不排除可加上更多的技術特徵、數值、方法步驟、作業處理、元件、組件，或以上的任意組合。

「第一」、「第二」、「第三」等詞是用來修飾元件，並非用來表示之間優先順序或先行關係，而僅用來區別具有相同名字的元件。

第1圖為應用第一實施例之充電器之充電系統的方塊示意圖。請參閱第1圖，充電器100可用以作為直流充電樁300和電池200之間的充電橋梁。於此，電池200是一種可重複充電的二次電池，並且特別是指可裝設於電動機車中以作為其驅動電源的二次電池。此外，直流充電樁300特別是指用以對電動汽車進行充電的直流充電站。

在一些實施例中，電池200可具備電池管理系統(Battery Management System，BMS)210。於此，電池管理系統210一般可用以監控電池200的電荷狀態以及管理電池200的運行狀態。但本發明並非以此為限，在另一些實施例中，電池200亦可不具備電池管理系統210。

在一些實施態樣中，電池200可為鋰離子電池、鎳氫電池、鉛酸電池、鉛晶電池、鋅空電池，或任何其他適用的電池。

充電器100可包含至少二連接埠(以下，分別稱之為第一連接埠111與第二連接埠112)、直流直流轉換器120與至少二微控制器(以下，分別稱之為第一微控制器130與第二微控制器140)。其中，直流直流轉換器120耦接於第一連接埠111、第二連接埠112與第二微控制器140，且第一微控制器130耦接於第一連接埠111、第二連接埠112與第二微控制器140。

第一連接埠111用以連接直流充電樁300。在一實施例中，直流充電樁300包含充電槍，且充電槍的充電連接埠與充電器100的第一連接埠111可彼此相契合，以使得充電器100可藉此連接於直流充電樁300。換言之，充電槍的充電連接埠與充電器100的第一連接埠111可分別為符合某一充電標準所採用之通訊界面的接頭，例如符合CHAdeMO充電標準所採用之控制器區域網路(Controller Area Network，CAN)通訊介面的公端接頭與母端接頭。但本案並非以為限，所符合的充電標準亦可為SAE、IEC CCS等，或任何其他適用的充電標準。

第二連接埠112用以連接電池200。於此，第二連接埠112可透過專用的連接線連接至電池200。在一些實施例中，第二連接埠112所採用的通訊界面可為控制器區域網路通訊介面、I²C(Inter-Integrated Circuit)通訊介面、通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)通訊介面、系統管理匯流排(System Management Bus，SMBus)通訊介面，或任何其他適用的通訊介面。但本發明並非以此為限，在另一些實施例中，第二連接埠112亦可為一般的連接端子而不具備通訊界面。舉例而言，當電池200不具備電池管理系統210時，第二連接埠112可不具備通訊界面。

直流直流轉換器120具有輸入端與輸出端，且直流直流轉換器120可用以根據調整訊號S1將輸入端所接收到的第一直流電壓DC1轉換成第二直流電流或第二直流電壓DC2後，再將第二直流電流或第二直流電壓DC2經由輸出端輸出。於此，由於直流充電樁300所輸出的第一直流電壓DC1原適用於對電動汽車進行充電，故第一直流電壓DC1通常遠大於對電池200進行充電所需的第二直流電壓DC2。因此，直流直流轉換器120於此通常是作為降壓器使用，以將電壓較高的第一直流電壓DC1轉換成電壓較低的第二直流電流或第二直流電壓DC2。而直流直流轉換器120所轉換出的第二直流電流或第二直流電壓DC2的電流或電壓值大小可視電流/電壓調整訊號S1而定。

在一些實施態樣中，第一直流電壓DC1的電壓值可大致上介於200伏特(V)至500伏特之間，且第二直流電壓DC2的電壓值可大致上為50伏特。但本發明並非以此為限。第一直流電壓DC1的電壓值可視各家廠商所設置之直流充電樁300所能輸出的電壓值而定。第二直流電壓DC2的電壓值可視電池200所需的充電電壓而定。

第一微控制器130主要用以處理通訊、管控、與指示下達等動作。於此，第一微控制器130是連接於第一連接埠111與第二連接埠112之間，使得第一連接埠111並非是直接和第二連接埠112之間形成通訊。如此一來，連接於第一連接埠111的直流充電樁300並無法看到電池200的資訊，使得直流充電樁300自始至終都以為是在對電動汽車進行供電。同樣地，連接於第二連接埠112的電池200亦無法看到直流充電樁300的資訊，使得電池200自始至終都無法發現其實際上是在利用汽車用充電樁進行充電。因此，藉由第一微控制器130之設置來隔離電池200與直流充電樁300之間的通訊後，除可避免直流充電樁300和電池200之間可能因通訊不同(例如，通訊速度不匹配、通訊標準不匹配)而出現的諸多問題之外，更使得電池200因此可應用汽車用的直流充電樁300來進行充電。

在一實施例中，第一微控制器130可包含一第一控制單元131與至少二通訊單元(以下，分別稱之為第一通訊單元132與第二通訊單元133)。其中，第一控制單元131耦接於第一通訊單元132與第二通訊單元133。第一通訊單元132耦接於第一連接埠 111。並且，第二通訊單元133耦接於第二微控制器140。於此，第一控制單元131可利用第一通訊單元132透過第一連接埠111和直流充電樁300進行通訊，並利用第二通訊單元133和第二微控制器140進行通訊。

在另一實施例中，第一微控制器130可更包含第三通訊單元134，且第三通訊單元134耦接於第一控制單元131和第二連接埠112。此時，第一控制單元131更可利用第三通訊單元134透過第二連接埠112和具備電池管理系統210的電池200進行通訊。在一些實施例中，第一通訊單元132所採用的通訊標準可相應於第一連接埠111所採用的通訊界面。第二通訊單元133所採用的通訊標準可相應於第二微控制器140所採用的通訊標準，例如通用非同步收發傳輸器通訊標準、序列周邊介面(Serial Peripheral Interface，SPI)通訊標準、控制器區域網路通訊介面、I²C(Inter-Integrated Circuit)通訊介面、通用非同步收發傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)通訊介面、系統管理匯流排(System Management Bus，SMBus)通訊介面，或任何其他適用的通訊介面。但本發明並非以此為限。

此外，第三通訊單元134所採用的通訊標準可相應於第二連接埠112所採用的通訊界面。

第二微控制器140主要用以根據第一微控制器130所下達的指示對直流直流轉換器120進行相應的調控。在一實施例中，第二微控制器140可包含第二控制單元141、電流/電壓調整單元142與第四通訊單元143。其中，第二控制單元141耦接於電流/電壓調整單元142與第四通訊單元143。電流/電壓調整單元142耦接於直流直流轉換器120。並且，第四通訊單元143耦接於第一微控制器130的第二通訊單元133。於此，第二控制單元141可利用第四通訊單元143與第一微控制器130進行通訊，並且利用電流/電壓調整單元142來調控直流直流轉換器120。

在本案中，充電器100透過兩個微控制器(即第一微控制器130與第二微控制器140)之配置，使得通訊(即，與直流充電樁300之間的通訊及/或與電池之間的通訊)和降壓(即，對直流直流轉換器120的調控)的執行動作可分別由個別的微控制器進行處理，因而降低了各微控制器的工作負擔並提升了工作效率，且通訊上會更簡潔乾淨，有隔離不同功能的通訊，避免混雜。

第2圖為充電方法之第一實施例的流程圖。請參閱第1圖至第2圖，充電器100可根據充電方法的第一實施例來對電池200進行充電。

在充電方法之第一實施例中，充電器100可利用第一微控制器130經由第一連接埠111與直流充電樁300進行交握(步驟S10)，並且利用第一微控制器130經由第二連接埠112與電池200進行交握(步驟S30)。於此，充電器100可先執行步驟S10，並根據步驟S10之交握結果判斷是否接續進行步驟S30，如第2圖所示。但本發明並非以此為限，充電器100亦可先執行步驟S30後，再接續執行步驟S10。此外，在另一些實施例中，充電器100更可同步執行步驟S10與步驟S30。以下是以先執行步驟S10，並根據步驟S10之交握結果判斷是否接續進行步驟S30為例來進行說明。

在步驟S10之一實施例中，第一微控制器130可定時主動地發送交握請求訊號至第一連接埠111以嘗試進行交握，並藉由確認是否經由第一連接埠111收到交握回應訊號來判斷交握是否成功。但本發明並非以此為限，在另一實施例中，第一微控制器130亦可待經由第一連接埠111接收到直流充電樁300所發送的交握請求訊號後，再藉由回傳交握回應訊號來嘗試與直流充電樁300進行交握。

於此，當第一微控制器130與直流充電樁300之間交握失敗時，充電器100可返回至步驟S10或者進入睡眠模式(sleep mode)以等待喚醒。當第一微控制器130與直流充電樁300之間交握成功時，接續執行步驟S30。

在步驟S30之一實施例中，第一微控制器130可透過第二連接埠112發送交握請求訊號給電池200以嘗試進行交握，並藉由確認是否經由第二連接埠112收到交握回應訊號來得到與電池200之間的交握結果。其中，當第一微控制器130可經由第二連接埠112收到交握回應訊號時，第一微控制器130與電池200之間的交握結果為交握成功。反之，當第一微控制器130無法經由第二連接埠112收到交握回應訊號時，第一微控制器130與電池200之間的交握結果為交握失敗。

於此，直流充電樁300唯有在與第一微控制器130之間交握成功且第一微控制器130與電池200亦交握後才准許輸出第一直流電壓DC1至充電器100的第一連接埠111。

當第一微控制器130與直流充電樁300之間交握成功，且第一微制器130與電池200之間交握後，充電器100便可利用第一微控制器130根據第一微制器130與電池200之間的交握結果去產生調整指示I1給第二微控制器140(步驟S50)，以致使第二微控制器140可根據調整指示I1產生相應的調整訊號S1至直流直流轉換器120(步驟S70)。之後，充電器100便可利用直流直流轉換器120根據調整訊號S1將經由第一連接埠111輸入的第一直流電壓DC1轉換成第二直流電流或第二直流電壓DC2，並且經由第二連接埠112輸出第二直流電流或第二直流電壓DC2至連接於第二連接埠112的電池200(步驟S90)，以對電池200進行充電。其中，第二直流電壓DC2小於第一直流電壓DC1。

在步驟S50之一實施例中，當第一微控制器130與電池200之間的交握結果為交握成功時，表示電池200具有電池管理系統210，此時第一微控制器130可受控於電池200的電池管理系統210，並依據電池管理系統210經由第二連接埠112所傳送的充電指示I2來產生相應的調整指示I1(步驟S51)。其中，充電指示I2之內容可包含電池200所需的充電電流與電壓值。然而，當第一微控制器130與電池200之間的交握結果為交握失敗時，表示電池200不具備電池管理系統210，此時第一微控制器130可選擇根據預先寫入至第一微控制器130的預設充電指示來產生相應的調整指示I1。或者，第一微控制器130亦可先透過第二連接埠112對電池200進行量測，之後再根據所得到的量測結果來產生相應的調整指示I1(步驟S52)。

在步驟S70之一實施例中，第二微控制器140可透過電流/電壓調整單元142來產生調整訊號S1。於此，調整訊號S1可為一種脈波訊號或是調頻訊號。

第3圖為應用第二實施例之充電器之充電系統的方塊示意圖。請參閱第3圖，充電器100除可作為直流充電樁300和電池200之間的充電橋梁外，亦可作為交流電源400和電池200之間的充電橋梁。

在第二實施例中，充電器100可更包含第三連接埠113與交流直流轉換器150。其中，第三連接埠113耦接於交流直流轉換器150與第二微控制器140，且交流直流轉換器150耦接於直流直流轉換器120的輸入端與第二微控制器140。

第三連接埠113用以連接交流電源400。在一些實施例中，交流電源400可為市電，第三連接埠113可為相應的市電插頭，並且充電器100可藉由將第三連接埠113插入至市電插座而連接至交流電源400。

交流直流轉換器150具有輸入端與輸出端，且交流直流轉換器150可用以將輸入端所接收到的交流電AC轉換成第一直流電壓DC1後，再將第一直流電壓DC1經由其輸出端輸出到後級的直流直流轉換器120之輸入端。

在第二實施例中，第二微控制器140更可用以偵測是否有交流電AC經由第三連接埠113輸入，並且可將偵測結果回報給第一微控制器130。在一些實施例中，第二微控制器140可透過零交越點檢測方法來進行偵測。

第4A圖與第4B圖為充電方法之第二實施例的流程圖。請參閱第3圖至第4B圖，充電器100亦可根據充電方法的第二實施例來對電池200進行充電。

在充電方法之第二實施例中，充電器100可利用第一微控制器130經由第一連接埠111與直流充電樁300進行交握(步驟S10)，並且利用第二微控制器140偵測是否有交流電AC經由第三連接埠113輸入(步驟S20)。

在一實施態樣中，步驟S10與步驟S20之執行順序可相互對調，或者是同步執行，並且第二微控制器140會將偵測結果回報給第一微控制器130，以交給第一微控制器130根據其和直流充電樁300的交握結果以及第二微控制器140的偵測結果來決定如何執行後續的充電步驟。換言之，此時步驟S10與步驟S20都必須執行，且第一微控制器130需待接收到兩個結果(即，交握結果和偵測結果)後才會決定出後續的執行步驟。

但本發明並非以此為限，在另一實施態樣中，只要第一微控制器130發現其和直流充電樁300的交握是成功時，無論是否接收到第二微控制器140的偵測結果，充電器100都將利用第一微控制器130透過第二微控制器140禁能交流直流轉換器150(步驟S60)。換言之，只要步驟S10的結果為交握成功時，可不執行步驟S20。

然而，當步驟S10的結果為交握失敗時，充電器100就必需要執行步驟S20，以確認是否有交流電AC輸入。於此，當第二微控制器140偵測到交流電AC經由第三連接埠113輸入時，充電器100可利用第一微控制器130透過第二微控制器140致能交流直流轉換器150以轉換交流電AC成第一直流電壓DC1(步驟S40)。

而當第二微控制器140未偵測到交流電AC經由第三連接埠113輸入時，充電器100可返回執行步驟S10(或步驟S10與步驟S20)，或者進入睡眠模式以等待喚醒。

此外，充電器100可利用第一微控制器130經由第二連接埠112與電池200進行交握(步驟S30)。於第二實施例中，充電器100可先進行與直流充電樁300的交握及/或偵測交流電AC(即步驟S10、步驟S20、步驟S60、步驟S40)，之後再接續進行與電池200的交握(即步驟S30)，如第4A圖與第4B圖所示。但本發明並非以此為限，充電器100亦可先進行與電池200的交握，之後再進行與直流充電樁300的交握及/或偵測交流電AC。此外，在另一些實施例中，充電器100更可同步地進行。

在第一微控制器130與直流充電樁300之間交握成功或者第一微控制器130與直流充電樁300之間交握失敗但第二微控制器140偵測到交流電AC經由第三連接埠113輸入，且第一微制器130與電池200之間交握後，充電器100更利用第一微控制器130根據與電池200之間的交握結果去產生調整指示I1給第二微控制器140(步驟S50)，以致使第二微控制器140可根據調整指示I1產生相應的調整訊號S1至直流直流轉換器120(步驟S70)。之後，充電器100便可利用直流直流轉換器120根據調整訊號S1將經由第一連接埠111輸入的第一直流電壓DC1轉換成第二直流電流或第二直流電壓DC2，並且經由第二連接埠112輸出第二直流電流或第二直流電壓DC2至連接於第二連接埠112的電池200(步驟S90)，以對電池200進行充電。其中，當第一微控制器130與直流充電樁300之間交握成功時，此時直流直流轉換器120之輸入端所接收到的第一直流電壓DC1會是由直流充電樁300經由第一連接埠111提供的。而當第一微控制器130與直流充電樁300之間交握失敗但第二微控制器140偵測到交流電AC經由第三連接埠113輸入時，此時直流直流轉換器120之輸入端所接收到的第一直流電壓DC1則是由交流直流轉換器150轉換出來的。

於此，因第二實施例中的步驟S30大致上相同於第一實施例中的步驟S30，第二實施例中的步驟S50大致上相同於第一實施例中的步驟S50，第二實施例中的步驟S70大致上相同於第一實施例中的步驟S70，故詳細內容不再贅述。

在一些實施例中，充電器100可為一種車載充電器(On-Board Charger)而整合於電動機車中。但本發明並非以此為限，在另一些實施例中，充電器100亦可為車外充電器(Off-Board Charger)而獨立於電動機車之外。

綜上所述，本發明之實施例提供一種充電器與充電方法，其透過第一微控制器之設置來隔離電池與直流充電樁之間的通訊，以避免直流充電樁和電池之間可能因通訊不同而出現的諸多問題，並且使得電池可應用已配置的直流充電樁來進行充電。此外，透過兩個微控制器之配置，使得充電過程中的通訊和降壓的執行動作可分別由個別的微控制器進行處理，而降低了各微控制器的工作負擔並提升了工作效率。再者，藉由第三連接埠與交流直流轉換器之配置，電池除了可應用直流充電樁來進行充電外，亦可應用交流電源來進行充電。

本發明之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明實施例之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。