TWI734933B - 電源控制器、供電系統及其控制方法 - Google Patents

電源控制器、供電系統及其控制方法 Download PDF

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楊　源生
徐金峰
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亞太燃料電池科技股份有限公司
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Abstract

本案係關於一種電源控制器、供電系統及其控制方法，依供電系統情況與二次電池特性，適當調整功率命令值，當電源轉換器的轉換功率大於或等於功率命令值，或充電電流小於充電電流下限值時，控制電源控制器執行功率調整模式，以提供第一輸出電流預設值，電源轉換器依第一輸出電流預設值調整其轉換功率；當充電電流大於或等於充電電流上限值時，控制電源控制器執行充電控制模式，以提供第二輸出電流預設值，電源轉換器依第二輸出電流預設值調整其輸出電流。

Description

電源控制器、供電系統及其控制方法
本案係關於一種電源控制器、供電系統及其控制方法，尤指一種僅包含一組電源轉換器，即可藉由控制其轉換功率來保護供電設備，以及控制其輸出電流來保護二次電池之電源控制器、供電系統及其控制方法。
目前燃料電池常見應用於供電系統中，以電動車為例，習知供電系統通常包含有二次電池、燃料電池、負載及兩組電源轉換器，其作動方式為以燃料電池作為主要動力來源，再藉由二次電池作為備用電力(Backup power)與緩衝；其中燃料電池所提供之電能經由第一組電源轉換器轉換後，提供電力來源；二次電池則藉由第二組電源轉換器所轉換之電能來對其充電，另其亦可直接放電而供給負載使用。
由於燃料電池的輸出特性，當電池堆(Stack)因無法有效地進行功率控制以減輕負荷，常造成電壓異常驟降，而此現象將造成其永久性傷害，或引起暫時性失效，而使得供電系統進入緊急停止狀態。目前的供電系統雖有朝向可調整電源轉換器之輸出功率的趨勢，然而卻又發現在調整其輸出功率的同時，可能導致二次電池所接收之充電電流超過其所能負荷之電流量，進而造成二次電池的損壞。
再者，目前由燃料電池、二次電池與負載等所構成的供電系統當中，由於需使用到上述兩組電源轉換器，如此一來，將造成供電系統成本與體積的大幅增加。
因此，如何發展一種克服上述缺失的電源控制器、供電系統及其裝置與控制方法，實為目前最為迫切需要解決的課題。
技術名詞定義：
1、輸入電壓回授值Vfb1：反映輸入電壓V1之輸入電壓回授值。
2、輸出電壓回授值Vfb2：反映輸出電壓V2之輸出電壓回授值。
3、輸入電流回授值Ifb1：反映輸入電流I1之輸入電流回授值。
4、輸出電流回授值Ifb2：反映輸出電流I2之輸出電流回授值。
5、充電電流回授值Ifb3：反映充電電流I3之充電電流回授值。
6、轉換電壓Vc：視系統情況可為輸入電壓V1或輸出電壓V2。
7、轉換電流Ic：視系統情況可為輸入電流I1或輸出電流I2。
8、轉換電壓回授值Vfbc：電源控制器13所需的電壓回授信號，為反映轉換電壓Vc之電壓回授值。
9、轉換電流回授值Ifbc：電源控制器13所需的電流回授信號，為反映輸轉換電流Ic之輸出電流回授值。
10、轉換功率Pc：電源轉換器11的轉換功率，視系統情況可為輸入功率Pi或輸出功率Po。
11、負載需求量：由負載模組提供。
本案之目的在於提供一種電源控制器、供電系統及其控制方法，俾解決習知供電系統無法動態調整電源轉換器的轉換功率，以及避免二池電池所接收之充電電流超過其所能負荷之電流量等缺失。
本案之另一目的在於提供一種電源控制器、供電系統及其控制方法，俾解決習知供電系統需使用兩組電源轉換器來保護二次電池，以及為改善供電設備的穩定及可靠度，而導致生產成本與體積的增加。
為達上述目的，本案之一較廣義實施樣態為提供一種電源控制器，適用於供電系統，其係可提供功率調整模式及/或充電控制模式，以對應控制電源轉換器之轉換功率或輸出電流。
上述之電源控制器，其中當電源轉換器的轉換功率大於或等於功率命令值，或其充電電流小於充電電流下限值時，則電源控制器執行功率調整模式，以調整電源轉換器的轉換功率。
上述之電源控制器，其中當電源轉換器所提供的充電電流大於或等於充電電流上限值時，則電源控制器執行充電控制模式，以調整電源轉換器的輸出電流。
為達上述目的，本案另一較廣義實施樣態為提供一種供電系統，至少包含有：電源轉換器，用以接收輸入電壓及輸入電流，將其轉換成輸出電壓及輸出電流，而其轉換電壓與轉換電流的乘積即為其轉換功率；二次電池，與電源轉換器連接，用以接收由輸出電流所提供之充電電流；以及電源控制器，與電源轉換器及二次電池連接，用以接收轉換電壓回授值、轉換電流回授值、充電電流回授值及功率命令值，根據二次電池的特性預設充電電流上限值及充電電流下限值；當電源轉換器的轉換功率大於或等於功率命令值時，控制電源控制器執行 功率調整模式，以調整電源轉換器的轉換功率；當充電電流大於或等於充電電流上限值時，控制電源控制器執行充電控制模式，以調整電源轉換器的輸出電流。
上述之供電系統，其中電源控制器更進一步判斷，當充電電流小於充電電流下限值時，執行功率調整模式，以調整電源轉換器的轉換功率。
上述之供電系統，其中功率調整模式係藉由功率控制裝置來達成；充電控制模式係藉由充電控制裝置來達成。功率命令值係參考負載需求量或供電設備所提供之輸入電壓而決定；電壓倍率係根據轉換電壓而決定電源控制器可預設或接收充電電流門檻值。
上述之供電系統，更包含有：負載模組，可提供負載需求量；供電設備，用以提供輸入電壓及輸入電流；供電控制器，與供電設備、電源轉換器、電源控制器及負載模組連接，用以根據輸入電壓回授值、輸出電壓回授值及負載需求量，而對應產生功率命令值，且根據二次電池的特性而預設充電電流門檻值及電壓預設值。
1:供電系統
10:供電設備
11:電源轉換器
12:二次電池
13:電源控制器
14:供電控制器
141:微處理器
142:第一訊號轉換器
143:第二訊號轉換器
15:負載模組
131:功率控制裝置
132:充電控制裝置
133:除法器
134:第二乘法器
135:第一乘法器
136:第三乘法器
137:第四乘法器
Gc:電流倍率
Gv:電壓倍率
Gp:功率倍率
I1:輸入電流
I2:輸出電流
I3:充電電流
Ic:轉換電流
Ifbc:轉換電流回授值
Ifb1:輸入電流回授值
Ifb2:輸出電流回授值
Ifb3:充電電流回授值
Iref:充電電流門檻值
Iref1:第一輸出電流預設值
Iref2:第二輸出電流預設值
K1:第一功率參數
K2:第二功率參數
K3:充電電流參數
Lr:負載需求量
Pc:轉換功率
Pi:輸入功率
Po:輸出功率
Pref:功率命令值
V1:輸入電壓
V2:輸出電壓
Vc:轉換電壓
Vfbc:轉換電壓回授值
Vfb1:輸入電壓回授值
Vfb2:輸出電壓回授值
Vref:電壓預設值
圖1為本案較佳實施例(一)之供電系統的系統方塊示意圖。
圖2為本案較佳實施例(二)之供電系統的系統方塊示意圖。
圖3為圖1及圖2所示之電源控制器的運算邏輯示意圖。
圖4為本案另一較佳實施例(一)之供電系統的系統方塊示意圖。
圖5為本案另一較佳實施例(二)之供電系統的系統方塊示意圖。
圖6為圖4及圖5所示之供電控制器的內部結構示意圖。
圖7為電源控制器應用於供電系統之控制方法的步驟流程圖。
圖8為供電控制器依供電系統之情況，適當調整功率命令值之較佳步驟流程圖。
圖9為二次電池控制機制的流程圖。
圖10為供電設備控制機制的流程圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，然其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案；此外，下列所述電路內元件間之連接皆可為電性連接，故不再贅述。
圖1為本案較佳實施例(一)之供電系統的系統方塊示意圖。供電系統1至少包含有：電源轉換器11，用以將輸入端的輸入電壓V1及輸入電流I1轉換成輸出端的輸出電壓V2及輸出電流I2，而轉換電壓Vc與轉換電流Ic的乘積即為其轉換功率Pc；二次電池12，與電源轉換器11的輸出端連接，用以接收由輸出電流I2所提供之充電電流I3；以及電源控制器13，與電源轉換器11及二次電池12連接，用以接收輸出電壓回授值Vfb2、輸出電流回授值Ifb2、充電電流回授值Ifb3、充電電流門檻值Iref及功率命令值Pref，並根據二次電池12的特性設定充電電流上限值及充電電流下限值；當電源轉換器11的轉換功率Pc大於或等於功率命令值Pref，或充電電流I3小於充電電流下限值時，控制電源控制器13執行功率調整模式，以根據輸出電壓回授值Vfb2、輸出電流回授值Ifb2及功率命令值Pref，而提供第一輸出電流預設值Iref1，使電源轉換器11依據第一輸出電流預設值Iref1控制調整轉換功率Pc；當充電電流I3大於或等於充電電流上限值時，控制電源控制器13執行充電控制模式，以根據充電電流回授值Ifb3及充電電流門檻值Iref，而 提供第二輸出電流預設值Iref2，使電源轉換器11依據第二輸出電流預設值Iref2控制調整輸出電流I2。其中充電電流門檻值Iref亦可由電源控制器13內部自行預設，而無需由外部輸入。
圖2為本案較佳實施例(二)之供電系統的系統方塊示意圖。供電系統1’大致上與圖1所示之內容相同，其不同點在於：電源控制器13是採以輸入功率Pi來做控制，故電源轉換器11是以輸入端的輸入電壓V1及輸入電流I1來計算其輸入功率Pi(即轉換功率Pc)；而在電源控制器13的輸入信號中，則改以接收輸入電壓回授值Vfb1(即轉換電壓回授值Vfbc)、輸入電流回授值Ifb1(即轉換電流回授值Ifbc)來做控制；其餘同圖1所述之內容，故不再贅述；上述圖1及圖2在實際應用時，可視情況做不同的選擇與變化。
圖3為圖1及圖2所示之電源控制器的運算邏輯示意圖。電源控制器13所輸出之第一輸出電流預設值Iref1或第二輸出電流預設值Iref2，實際上係分別應用在功率調整模式或充電控制模式，並依供電系統1、1’之情況、轉換電壓Vc、轉換電流Ic之變化與二次電池12之特性，使電源控制器13依實際轉換電壓Vc對應調整電源轉換器11之轉換電流Ic，亦即調整其轉換功率Pc，或控制二次電池12所接收之充電電流I3。電源控制器13至少包含有功率控制裝置131及充電控制裝置132。其中功率控制裝置131至少包含有除法器133、第一乘法器135及第二乘法器134。除法器133接收功率倍率Gp及功率命令值Pref，並輸出第一功率參數K1；其中第一功率參數K1等於功率倍率Gp除以功率命令值Pref。第二乘法器134接收電壓倍率Gv及轉換電壓回授值Vfbc，並輸出第二功率參數K2；其中第二功率參數K2等於電壓倍率Gv乘以轉換電壓回授值Vfbc。第一乘法器135接收轉換電流回授值Ifbc、第一功率參數K1及第二功率參數K2，並輸出第一輸出電流預設值 Iref1；其中第一輸出電流預設值Iref1為轉換電流回授值Ifbc、第一功率參數K1及第二功率參數K2三者的乘積而得。另，充電控制裝置132至少包含有第三乘法器136及第四乘法器137。第三乘法器136接收電流倍率Gc及充電電流回授值Ifb3，並輸出充電電流參數K3；其中充電電流參數K3等於電流倍率Gc乘以充電電流回授值Ifb3。第四乘法器137接收充電電流參數K3及充電電流門檻值Iref，並輸出第二輸出電流預設值Iref2；其中第二輸出電流預設值Iref2為充電電流參數K3及充電電流門檻值Iref兩者的乘積而得。前述第一輸出電流預設值Iref1與第二輸出電流預設值Iref2間之切換，可包括但不限於使用機械式、電磁式或數位邏輯式控制開關、或控制電路，以人工方式控制或自動化控制等。另外，電壓倍率Gv和電流倍率Gc係可分別根據轉換電壓Vc與充電電流I3而決定；功率倍率Gp是由二次電池12的特性而預設，或依其與功率命令值Pref之間的關係而修正。
表1為顯示電源控制器13內之各個參數的實施例。在第一種實施態樣(a)中，功率命令值Pref為720W，功率倍率Gp為36，第一功率參數K1為0.050，輸出電流回授值Ifb2為20A，電壓倍率Gv可為0.02778，輸出電壓回授值Vfb2可為36V，求出第二功率參數K2為1.000，藉此在功率調整模式下計算出第一輸出電流預設值Iref1為1.000。此外，充電電流回授值Ifb3為5A，電流倍率Gc為0.0400，求出充電電流參數K3為0.20，充電電流門檻值Iref為5A，藉此在充電控制模式下計算出第二輸出電流預設值Iref2為1.000；其餘實施態樣(b)、(c)則依此類推。
Figure 107132706-A0305-02-0009-8
Figure 107132706-A0305-02-0010-2
其次，請參閱表2係根據上述表1中的實施態樣(b)，進一步計算出電源控制器13內之第二功率參數K2的另一實施態樣(b1)：功率倍率Gp為50，輸出電壓回授值Vfb2為45V，電壓倍率Gv可為0.02000，求出第二功率參數K2為0.900；其餘實施態樣(b2)、(b3)則依此類推。
Figure 107132706-A0305-02-0010-3
接著，請參閱表3係根據上述表1中實施態樣(b)，進一步計算出電源控制器13內之充電電流參數K3的另一實施態樣(b4)：充電電流門檻值Iref為10A，充電電流回授值Ifb3為9A，電流倍率Gc可為0.01000，求出充電電流參數K3為0.0900；其餘實施態樣(b5)、(b6)則依此類推。
Figure 107132706-A0305-02-0011-4
另根據圖2的內容可得出表4電源控制器13之各個參數的實施例。在第四種實施態樣(d)中，功率命令值Pref為720W，功率倍率Gp為18，第一功率參數K1為0.0250，輸入電流回授值Ifb1為40A，電壓倍率Gv可為0.05556，輸入電壓回授值Vfb1可為18V，求出第二功率參數K2為1.0，藉此在功率調整模式下計算出第一輸出電流預設值Iref1為1.000。此外，充電電流回授值Ifb3為5A，電流倍率Gc為0.0400，求出充電電流參數K3為0.20，充電電流門檻值Iref為5A，藉此在充電控制模式下計算出第二輸出電流預設值Iref2為0.9；其餘實施態樣(e)、(f)則依此類推。
Figure 107132706-A0305-02-0012-5
其次，請參閱表5係根據上述表4中的實施態樣(e)，進一步計算出電源控制器13內之第二功率參數K2的另一實施態樣(e1)：功率倍率Gp為25，輸入電壓回授值Vfb1為22.5V，電壓倍率Gv可為0.04000，求出第二功率參數K2為0.900；其餘實施態樣(e2)、(e3)則依此類推。
Figure 107132706-A0305-02-0012-6
Figure 107132706-A0305-02-0013-7
圖4為本案另一較佳實施例(一)之供電系統之系統方塊示意圖。供電系統100至少包含有供電設備10、電源轉換器11、二次電池12、電源控制器13、供電控制器14及負載模組15。供電設備10用以提供輸入電壓V1及輸入電流I1。電源轉換器11與供電設備10及負載模組15連接，用以將供電設備10所提供之輸入電壓V1及輸入電流I1，轉換成輸出電壓V2及輸出電流I2，以供電給負載模組15；而轉換電壓Vc及轉換電流Ic兩者的乘積即為其轉換功率Pc。二次電池12與電源轉換器11及負載模組15連接，用以接收由輸出電流I2所提供之充電電流I3，以進行充電；此外，二次電池12亦可將所儲存之電能進行放電，提供予負載模組15。
負載模組15與電源轉換器11及二次電池12連接，以接收電源轉換器11所提供之輸出電壓V2及輸出電流I2，並提供負載需求量Lr。此外，於一些實施例中，負載模組15可包括但不限於車輛動力控制系統、具有行車控制器之車輛系統、馬達驅動器與馬達、直流對交流轉換器與交流負載、光源驅動器與發光元件…等；可根據油門、車速、煞車或照度等信號來判斷，而決定所需負載需求量Lr。因此，負載需求量Lr可包括但不限於負載功率值、油門量、車速值、煞車信號值或照度值等；若其為負載功率值時，則可藉由功率偵測器(圖未示)來提供。
供電控制器14與供電設備10、電源轉換器11、電源控制器13及負載模組15連接，其係依據輸入電壓回授值Vfb1、輸出電壓回授值Vfb2及負載需求量Lr，而對應產生功率命令值Pref。此外，供電控制器14更根據二次電池12之特性而預設充電電流門檻值Iref及電壓預設值Vref；其中充電電流門檻值Iref係為二 次電池12可承受之最大電流值，故可藉由充電電流門檻值Iref來判斷充電電流I3是否過大。
電源控制器13與電源轉換器11、二次電池12、供電控制器14及負載模組15連接，用以接收輸出電壓回授值Vfb2、輸出電流回授值Ifb2、充電電流回授值Ifb3、充電電流門檻值Iref、功率命令值Pref及電壓預設值Vref，並根據二次電池12的特性設定充電電流上限值及充電電流下限值。其中電源控制器13對應執行功率調整模式或充電控制模式。當電源控制器13判斷出電源轉換器11的轉換功率Pc大於或等於功率命令值Pref時，係執行功率調整模式，以根據輸出電壓回授值Vfb2、輸出電流回授值Ifb2、功率命令值Pref及電壓預設值Vref，而輸出第一輸出電流預設值Iref1，電源轉換器11依據第一輸出電流預設值Iref1控制調整轉換功率Pc。反之，當電源控制器13判斷出充電電流I3大於或等於充電電流上限值時，則執行充電控制模式，以根據充電電流回授值Ifb3及充電電流門檻值Iref，而輸出第二輸出電流預設值Iref2，電源轉換器11依據第二輸出電流預設值Iref2控制調整輸出電流I2。此外，電源控制器13所輸出的第一輸出電流預設值Iref1或第二輸出電流預設值Iref2，與供電控制器14所輸出的電壓預設值Vref，係連接到電源轉換器11的訊號輸入端，經其回授處理之後，以相對控制電源轉換器11之輸出。
於一些實施例中，電源控制器13亦可判斷充電電流I3是否小於充電電流下限值；換言之，當電源控制器13判斷電源轉換器11的轉換功率Pc大於或等於功率命令值Pref，或判斷充電電流I3小於充電電流下限值時，係執行功率調整模式。另，由於電源轉換器11接收到上述的電壓預設值Vref，使得其輸出電壓V2的最高電壓可控制趨近於電壓預設值Vref，以保護二次電池12避免過充電壓。此 外，功率倍率Gp亦可被設定為電壓預設值Vref；電源轉換器11的輸出電壓V2亦可被電壓預設值Vref所控制，以進行恆定電壓充電；而以充電電流門檻值Iref來控制電源轉換器11的充電電流I3，以進行恆定電流充電，避免二次電池12過充。 其中電源轉換器11的輸出係可為空載，二次電池12的充電電流I3為等於電源轉換器11的輸出電流I2。電流倍率Gc係根據充電電流I3而決定。充電電流門檻值Iref可由電源控制器13內部自行預設，或接收來自外部的訊號。
此外，二次電池12可包括但不限於鋰離子電池、鎳氫電池、鎳鎘電池、鉛酸蓄電池或超級電容器等可充電電池。電源轉換器11可包括但不限於升壓式直流對直流轉換器、降壓式直流對直流轉換器、升降壓式直流對直流轉換器、交流對直流轉換器、推挽式直流對直流轉換器或全橋式直流對直流轉換器等。供電設備10可包括但不限於燃料電池組、燃油發電機、風力發電機、太陽能發電模組等發電設備。
圖5為本案另一較佳實施例(二)之供電系統的系統方塊示意圖。供電系統100’大致上與圖4所示之內容相同，其不同點在於：電源控制器13可視情況以轉換功率Pc(即以輸入功率Pi，或者輸出功率Po)來做控制，意即電源轉換器11可以輸入電壓V1及輸入電流I1來計算其輸入功率Pi，或者以輸出電壓V2及輸出電流I2來計算其輸出功率Po；而在電源控制器13的輸入信號中，係以接收轉換電壓回授值Vfbc與轉換電流回授值Ifbc(即以輸入電壓回授值Vfb1與輸入電流回授值Ifb1，或以輸出電壓回授值Vfb2與輸出電流回授值Ifb2)來做控制；其餘同圖4所述之內容，故不再贅述。在一些實施例中，亦可將圖5中的輸出電壓回授值Vfb2與輸出電流回授值Ifb2予以省略，做其他不同的應用；上述的圖4及圖5在實際應用時，可視情況做不同的選擇與變化。
圖6為圖4及圖5所示之供電控制器之內部結構示意圖。供電控制器14至少包含有微處理器141、複數個第一訊號轉換器142及複數個第二訊號轉換器143。微處理器141透過各個第一訊號轉換器142分別與供電設備10、電源轉換器11及負載模組15相連接，而此複數個第一訊號轉換器142係分別將所接收之輸入電壓回授值Vfb1、輸出電壓回授值Vfb2及負載需求量Lr等訊號經轉換後，傳輸給微處理器141做處理。
當微處理器141接收到上述諸訊號後，則對應產生功率命令值Pref，且根據二次電池12的特性而預設充電電流門檻值Iref及電壓預設值Vref。此外，微處理器141亦透過各個第二訊號轉換器143分別與電源轉換器11及電源控制器13連接；其中複數個第二訊號轉換器143係分別將所接收之充電電流門檻值Iref、功率命令值Pref及電壓預設值Vref等訊號予以轉換後，傳輸給電源控制器13；同時亦將電壓預設值Vref之訊號傳輸至電源轉換器11。
圖7為電源控制器應用於供電系統之控制方法的步驟流程圖。該供電系統至少包含有電源轉換器、二次電池及電源控制器；電源控制器執行功率調整模式或充電控制模式，其控制方法包含下列步驟：首先，執行步驟S1，於供電系統1運作時，根據二次電池12的特性設定充電電流上限值及充電電流下限值。當步驟S1執行完後，接著執行步驟S2，初始預設為功率調整模式。接著再執行步驟S3，判斷是否為功率調整模式。當步驟S3判斷結果為是時，則執行步驟S4，執行功率調整模式，以根據轉換電壓回授值Vfbc、轉換電流回授值Ifbc及功率命令值Pref，而輸出第一輸出電流預設值Iref1，並控制電源轉換器11調整其轉換功率Pc。 接著執行步驟S5，判斷充電電流I3是否大於或等於充電電流上限值。當步驟S5判斷結果為是時，則執行步驟S6，跳至充電控制模式，然後重新執行步驟S3。
再者，當上述步驟S3判斷結果為否時，則執行步驟S7，執行充電控制模式，以根據充電電流回授值Ifb3及充電電流門檻值Iref，而輸出第二輸出電流預設值Iref2，並控制電源轉換器11調整輸出電流I2。接著執行步驟S8，判斷電源轉換器11的轉換功率Pc是否大於或等於功率命令值Pref。當步驟S8判斷結果為是時，則執行步驟S9，跳至功率調整模式，然後重新執行步驟S3。
另外，當上述步驟S5判斷結果為否時，則執行步驟S3。再者，當上述步驟S8判斷結果為否時，亦執行步驟S3。此外，在一些實施例中，上述的充電電流門檻值Iref和充電電流上限值與充電電流下限值彼此之間的關係，視充電電流I3的漣波而決定；例如：充電電流上限值可以是等於充電電流門檻值Iref的1.1倍，而充電電流下限值可以是等於充電電流門檻值Iref的0.9倍。
於一些實施例中，上述步驟S8除了判斷電源轉換器11的轉換功率Pc是否大於或等於功率命令值Pref外，亦可判斷其充電電流I3是否小於充電電流下限值；因此當上述步驟S8判斷結果為是時，則執行步驟S9，跳至功率調整模式，然後重新執行步驟S3。
由此可知，當執行本案之控制方法，便可使電源控制器13對應執行功率調整模式或充電控制模式，以在功率調整模式時，輸出第一輸出電流預設值Iref1，依實際轉換電壓Vc來對應調整電源轉換器11之轉換電流Ic，進而對供電設備10的轉換功率Pc進行調整，以使輸出功率穩定及改善其性能，並可以提升其耐久性，更能應用於最大功率追蹤功能。而在充電控制模式時，則輸出第二輸出電流預設值Iref2來對應調整電源轉換器11之轉換電流Ic，進而對二次電池12所接收之充電電流I3進行調整，使二次電池12以充電電流門檻值Iref為參考基準，進行恆定電流充電，以避免二次電池12過充。
在一些實施例中，當執行上述圖7所述之控制方法時，供電控制器14亦同步經由一控制方法而輸出功率命令值Pref，該控制方法說明如下：
圖8為供電控制器依供電系統之情況，適當調整功率命令值之較佳實施步驟流程圖。首先，供電控制器14：執行步驟M1，根據二次電池12之特性，預設電壓預設值Vref給電源轉換器11與電源控制器13，以及預設充電電流門檻值Iref給電源控制器13。接著，執行步驟M2，偵測輸入電壓回授值Vfb1、輸出電壓回授值Vfb2及負載需求量Lr，而對應輸出功率命令值Pref。然後，執行步驟M3，判斷二次電池12的動態參數值是否超出第一區間值。當步驟M3判斷結果為否時，則執行步驟M4，判斷供電設備10的動態參數值是否超出第二區間值。當步驟M4判斷結果為否時，則執行步驟M5，判斷負載需求量Lr是否低於功率命令值Pref。 當步驟M5判斷結果為否時，則執行步驟M9，將功率命令值Pref輸出給電源控制器13，然後重新執行步驟M2。
另外，當上述步驟M3判斷結果為是時，則執行步驟M6，設定功率目標值Ptgt，然後執行步驟M4。而當上述步驟M4判斷結果為是時，則執行步驟M7，設定功率命令值Pref，然後執行步驟M5。而當上述步驟M5判斷結果為是時，則執行步驟M8，將功率目標值Ptgt調降為等於負載需求量Lr，並將功率命令值Pref調降為等於功率目標值Ptgt，並接續執行步驟M9，將功率命令值Pref輸出給電源控制器13，然後重新執行步驟M2。此外，在此實施例中，負載需求量Lr為負載功率值；二次電池的動態參數值為二次電池的電量或電源轉換器的輸出電壓。
圖9為二次電池控制機制流程圖。本實施例係由圖8所示之步驟M3與M6為二次電池的控制機制，可進一步細分為步驟M31、M32、M61及M62。其中第一區間值包含第一上限值及第一下限值；於步驟M31中，藉由轉換電壓回授值 Vfbc來判斷輸出電壓V2(即二次電池的電壓)是否到達充電啟動電壓，或判斷二次電池12之電量是否低於第一下限值；其中第一下限值可包括但不限於二次電池12的總電量之百分之四十，根據二次電池12的特性設定其充電啟動電壓可包括但不限於3.0V(即單電池電壓)。當步驟M31判斷結果為否時，則執行步驟M32，藉由轉換電壓回授值Vfbc來判斷輸出電壓V2(即二次電池的電壓)是否到達充電結束電壓，或判斷二次電池12之電量是否高於第一上限值；其中第一上限值可包括但不限於二次電池12的總電量之百分之七十，根據二次電池12的特性設定其充電結束電壓可包括但不限於3.6V(即單電池電壓)。當步驟M32判斷結果為否時，則結束。當上述步驟M31判斷結果為是時，則執行步驟M61，設定功率目標值Ptgt等於輸出電壓V2乘以充電電流門檻值Iref之後，再與負載需求量Lr相加的值(即Ptgt=(V2*Iref)+Lr)，然後執行步驟M32。而當上述步驟M32判斷結果為是時，則執行步驟M62，設定功率目標值Ptgt等於負載需求量Lr，然後結束。
圖10為供電設備控制機制的流程圖。同上所述，步驟M4與M7為供電設備的控制機制，可進一步細分為步驟M41、M42、M71及M72。其中第二區間值包含第二上限值及第二下限值；於步驟M41中，判斷輸入電壓V1是否高於第二上限值；其中供電設備10的第二上限值可包括但不限於0.7V(即單電池電壓)。當步驟M41判斷結果為否時，則執行步驟M42，判斷輸入電壓V1是否低於第二下限值；其中供電設備10的第二下限值可包括但不限於0.65V(即單電池電壓)。當步驟M42判斷結果為否時，則結束。又當上述步驟M41判斷結果為是時，則執行步驟M71，將功率命令值Pref緩慢調升為等於功率目標值Ptgt，然後執行步驟M42。而當上述步驟M42判斷結果為是時，則執行步驟M72，停止調整功率命令值Pref，然後結束。其餘的步驟及說明，則請參考圖8所述之內容，故不再贅述。
由上述可知，本案係揭露一種供電系統及其裝置與控制方法，係在電源轉換器的轉換功率大於或等於功率命令值，或充電電流小於充電電流下限 值時，透過電源控制器執行功率調整模式，以輸出第一輸出電流預設值，依實際轉換電壓而調整電源轉換器的轉換電流，亦即調整其轉換功率，使電源轉換器的轉換功率得到控制，進而使供電設備的轉換功率得到控制，故在功率調整模式下，可對供電設備之轉換功率進行調整，以改善其性能使轉換功率更加穩定，並可提升其耐久性，更可應用於功率追蹤功能。另外，電源轉換器在充電電流大於或等於充電電流上限值時，透過電源控制器執行充電控制模式，以輸出第二輸出電流預設值，藉此調整電源轉換器的輸出電流，由於電源控制器所產生的第二輸出電流預設值係以充電電流門檻值為參考基準而進行恆定電流充電，故在充電控制模式下，可藉由調整電源轉換器的輸出電流而對二次電池所接收之充電電流進行調整；另藉由功率倍率來控制電源轉換器的輸出電壓，以進行恆定電壓充電，以保護二次電池。再者，由於本案之供電系統及其裝置與控制方法可在充電控制模式下，對二次電池所接收之充電電流進行調整，因此供電系統僅須使用單一組電源轉換器，而無須如習知供電系統需要兩組電源轉換器，故本案之供電系統的成本與體積相對地減小。
綜上所述，本案係兼具保護供電設備和二次電池，可改善供電設備性能、提升耐久性，減少供電系統的成本與體積，並可動態調整轉換功率和應用於功率追蹤功能。本案得由熟知此項技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫離如附申請專利範圍所欲保護者。
1:供電系統
11:電源轉換器
12:二次電池
13:電源控制器
I1:輸入電流
I2:輸出電流
I3:充電電流
Ifb2:輸出電流回授值
Ifb3:充電電流回授值
Iref:充電電流門檻值
Iref1:第一輸出電流預設值
Iref2:第二輸出電流預設值
V1:輸入電壓
V2:輸出電壓
Vfb2:輸出電壓回授值

Claims (22)

  1. 一種電源控制器，適用於一供電系統，其係可提供一功率調整模式及/或一充電控制模式，以對應控制一電源轉換器的轉換功率或輸出電流；其中該功率調整模式係由一功率控制裝置來達成，該功率控制裝置至少包含有一第一乘法器，用以接收一轉換電流回授值、一第一功率參數及一第二功率參數，並輸出一第一輸出電流預設值至該電源轉換器；其中當該電源轉換器的轉換功率大於或等於一功率命令值時，則該電源控制器執行該功率調整模式，以調整該電源轉換器的轉換功率；當該電源轉換器所提供的充電電流大於或等於一充電電流上限值時，則該電源控制器執行該充電控制模式，以調整該電源轉換器的輸出電流。
  2. 如請求項1所述之電源控制器，其中當該電源轉換器所提供的充電電流小於一充電電流下限值時，則該電源控制器執行該功率調整模式，以調整該電源轉換器的轉換功率。
  3. 如請求項1所述之電源控制器，其中該電源控制器接收一轉換電壓回授值、該轉換電流回授值、一充電電流回授值、一充電電流門檻值及該功率命令值；當該電源控制器執行該功率調整模式時，係根據該轉換電壓回授值、該轉換電流回授值及該功率命令值，而提供該第一輸出電流預設值，使該電源轉換器依據該第一輸出電流預設值控制調整其轉換功率；當該電源控制器執行該充電控制模式時，係根據該充電電流回授值及該充電電流門檻值，而提供一第二輸出電流預設值，使該電源轉換器依據該第二輸出電流預設值控制調整其輸出電流。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之電源控制器，其中該功率控制裝置更包含有：一除法器，接收一功率倍率及該功率命令值，並輸出該第一功率參數； 以及一第二乘法器，接收一電壓倍率及該轉換電壓回授值，並輸出該第二功率參數；其中該電源轉換器以該第一輸出電流預設值控制調整其轉換功率。
  5. 如請求項1至3中任一項所述之電源控制器，其中該充電控制模式由一充電控制裝置來達成，該充電控制裝置至少包含有：一第三乘法器，接收一電流倍率及一充電電流回授值，並輸出一充電電流參數；一第四乘法器，接收一充電電流門檻值及該充電電流參數，並輸出一第二輸出電流預設值；其中該電源轉換器以該第二輸出電流預設值控制調整其輸出電流。
  6. 一種供電系統，至少包含：一電源轉換器，用以接收一輸入電壓及一輸入電流，並將其轉換成一輸出電壓及一輸出電流，而其轉換電壓與轉換電流的乘積即為其轉換功率；一二次電池，與該電源轉換器連接，用以接收由該輸出電流所提供之一充電電流；以及一電源控制器，與該電源轉換器及該二次電池連接，用以接收一轉換電壓回授值、一轉換電流回授值、一充電電流回授值及一功率命令值，根據該二次電池的特性預設一充電電流上限值及一充電電流下限值；當該電源轉換器的轉換功率大於或等於該功率命令值時，控制該電源控制器執行一功率調整模式，以調整該電源轉換器的轉換功率；當該電源轉換器所提供的充電電流大於或等於該充電電流上限值時，控制該電源控制器執行一充電控制模式，以調整該電源轉換器的輸出電流；其中該功率調整模式係由一功率控制裝置來達成，該功率控制裝置至少包含有一第一乘法器，用以接收該轉換電流回授值、一第一功率參數及一第二功率參數，並輸出一第一輸出電流預設值至該電源轉換器。
  7. 如請求項6所述之系統，其中該電源控制器更進一步判斷，當該充電電流小於該充電電流下限值時，執行該功率調整模式，以調整該電源轉換器的轉換功率。
  8. 如請求項6或7所述之系統，其中當該電源控制器執行該功率調整模式時，係根據該轉換電壓回授值、該轉換電流回授值及該功率命令值，而提供該第一輸出電流預設值，使該電源轉換器依據該第一輸出電流預設值控制調整其轉換功率；其中當該電源控制器執行該充電控制模式時，係根據該充電電流回授值及一充電電流門檻值，而提供一第二輸出電流預設值，使該電源轉換器依據該第二輸出電流預設值控制調整其輸出電流；該轉換電壓為輸入電壓或輸出電壓；該轉換電流為輸入電流或輸出電流；該轉換電壓回授值為輸入電壓回授值或輸出電壓回授值；該轉換電流回授值為輸入電流回授值或輸出電流回授值；該轉換功率為輸入功率或輸出功率。
  9. 如請求項8所述之系統，其中該第一輸出電流預設值為該轉換電流回授值、該第一功率參數及該第二功率參數三者的乘積；該第一功率參數等於一功率倍率除以該功率命令值；該第二功率參數等於一電壓倍率乘以該轉換電壓回授值；其中該第二輸出電流預設值為一充電電流參數及該充電電流門檻值兩者的乘積；該充電電流參數等於一電流倍率乘以該充電電流回授值。
  10. 如請求項6或7所述之系統，其中該功率控制裝置更包含有：一除法器，接收一功率倍率及該功率命令值，並輸出該第一功率參數；以及一第二乘法器，接收一電壓倍率及該轉換電壓回授值，並輸出該第二功率參數；其中藉由該第一輸出電流預設值控制該電源轉換器的轉換功率；該功率命令值係參考一負載需求量或一供電設備所提供之輸入電壓而決定；該電壓倍率係根據該轉換電壓而決定；該功率倍率是由該二次電池的特性而預設，或依其與該功率命令值之間的關係而修正。
  11. 如請求項8所述之系統，其中該充電控制模式由一充電控制裝置來達成，該裝置至少包含有：一第三乘法器，接收一電流倍率及該充電電流回授值，並輸出該充電電流參數；一第四乘法器，接收該充電電流門檻值及該充電電流參數，並輸出該第二輸出電流預設值；其中藉由該第二輸出電流預設值控制該電源轉換器的輸出電流；該電流倍率係根據該充電電流而決定。
  12. 如請求項6或7所述之系統，更包含有：一負載模組，可提供一負載需求量；一供電設備，用以提供該輸入電壓及該輸入電流；以及一供電控制器，與該供電設備、該電源轉換器、電源控制器及該負載模組連接，用以根據一輸入電壓回授值、一輸出電壓回授值及該負載需求量，而對應產生該功率命令值，且根據該二次電池的特性預設一充電電流門檻值及一電壓預設值。
  13. 如請求項12所述之系統，其中該供電控制器至少包含有：複數個第一訊號轉換器，分別與該供電設備、該電源轉換器及該負載模組連接，用以將該輸入電壓回授值、該輸出電壓回授值及該負載需求量之訊號予以轉換；一微處理器，與該複數個第一訊號轉換器連接，以接收前述該諸訊號，而對應產生該功率命令值，並根據該二次電池的特性預設該充電電流門檻值及該電壓預設值；以及複數個第二訊號轉換器，分別與該微處理器及該電源控制器連接，用以將該功率命令值、該充電電流門檻值及該電壓預設值之訊號予以轉換。
  14. 如請求項13所述之系統，其中該複數個第二訊號轉換器之諸該訊號係傳輸至該電源控制器，使該電源控制器對應輸出該第一輸出電流預設值或該第二輸出電流預設值，以控制該電源轉換器的轉換功率或輸出電流；該電 壓預設值之訊號亦傳輸至該電源轉換器；該負載需求量為負載功率值、油門量、車速值、煞車信號值或照度值。
  15. 如請求項12所述之系統，其中該供電控制器的控制方法至少包含下列步驟：(i1)根據該二次電池之特性，預設該電壓預設值及該充電電流門檻值；(i2)偵測該輸入電壓回授值、該輸出電壓回授值及該負載需求量，對應輸出該功率命令值；(i3)判斷該二次電池的動態參數值是否超出一第一區間值；(i4)判斷該供電設備的動態參數值是否超出一第二區間值；(i5)判斷該負載需求量是否低於該功率命令值；(i6)設定一功率目標值；(i7)設定該功率命令值；(i8)將該功率目標值調降為等於該負載需求量，並將該功率命令值調降為等於該功率目標值；以及(i9)輸出該功率命令值；其中當該步驟(i1)執行完後，執行該步驟(i2)，當該步驟(i2)執行完後，執行該步驟(i3)，當該步驟(i3)判斷的結果為否時，執行該步驟(i4)，當該步驟(i4)判斷的結果為否時，執行該步驟(i5)，當該步驟(i5)判斷的結果為否時，執行該步驟(i9)，當該步驟(i9)執行完後，重新執行該步驟(i2)；而當該步驟(i3)判斷結果為是時，執行該步驟(i6)，當該步驟(i6)執行完後，執行該步驟(i4)；而當該步驟(i4)判斷結果為是時，執行該步驟(i7)，當該步驟(i7)執行完後，執行該步驟(i5)；而當該步驟(i5)判斷結果為是時，執行該步驟(i8)；而當該步驟(i8)執行完後，執行該步驟(i9)。
  16. 如請求項15所述之系統，其中該步驟(i3)與(i6)為該二次電池的控制機制，可進一步細分為：(i31)判斷該二次電池的電壓是否到達其充電啟動電壓；(i32)判斷該二次電池的電壓是否到達其充電結束電壓；(i61)設定該功率目標值等於該輸出電壓乘以該充電電流門檻值後，再與該負載需求量相加的值；以及(i62)設定該功率目標值等於該負載需求量；其中當該步驟(i31)判斷的結果為否時，執行該步驟(i32)，當該步驟(i32)判斷的結果為否時，則結束；而當該步驟(i31)判斷結果為是時，執行該步驟(i61)，當該步驟(i61)執行完後，執行該步驟(i32)；而當該步驟(i32)判斷結果為是時，執行該步驟(i62)，當該步驟(i62)執行完後，則結束。
  17. 如請求項16所述之系統，其中該第一區間值更包含一第一上限值及一第一下限值；於該步驟(i31)中更進一步判斷該二次電池的電量是否低於該第一下限值；於該步驟(i32)中更進一步判斷該二次電池的電量是否高於該第一上限值；該負載需求量為負載功率值、油門量、車速值、煞車信號值或照度值；該二次電池的動態參數值為二次電池的電量或電源轉換器的輸出電壓。
  18. 如請求項15項所述之系統，其中該第二區間值包含一第二上限值及一第二下限值；該步驟(i4)與(i7)為該供電設備的控制機制，可進一步細分為：(i41)判斷該輸入電壓是否高於該第二上限值；(i42)判斷該輸入電壓是否低於該第二下限值；(i71)將該功率命令值緩慢調升為等於該功率目標值；以及(i72)停止調整該功率命令值； 其中當該步驟(i41)判斷的結果為否時，執行該步驟(i42)，當該步驟(i42)判斷的結果為否時，則結束；而當該步驟(i41)判斷結果為是時，執行該步驟(i71)，當該步驟(i71)執行完後，執行該步驟(i42)；而當該步驟(i42)判斷結果為是時，執行該步驟(i72)，當該步驟(i72)執行完後，則結束。
  19. 一種電源控制器之控制方法，適用於一供電系統；該供電系統至少包含有：一電源轉換器、一二次電池及一電源控制器；該電源控制器執行一功率調整模式或一充電控制模式，其控制方法包含下列步驟：(a)於該供電系統運作時，根據該二次電池的特性預設一充電電流上限值及一充電電流下限值；(b)將其初始預設為該功率調整模式；(c)判斷是否為該功率調整模式；(d)執行該功率調整模式，輸出一第一輸出電流預設值；(e)判斷該電源轉換器所提供的充電電流是否大於或等於該充電電流上限值；(f)跳至該充電控制模式；(g)執行該充電控制模式，輸出一第二輸出電流預設值；(h)判斷該電源轉換器的轉換功率是否大於或等於一功率命令值；以及(i)跳至該功率調整模式；其中首先執行該步驟(a)，當該步驟(a)執行完後，執行該步驟(b)，然後再執行該步驟(c)，當該步驟(c)判斷結果為是時，則執行該步驟(d)，當該步驟(d)執行完後，執行該步驟(e)，當該步驟(e)判斷的結果為是時，則執行該步驟(f)，當該步驟(f)執行完後，重新執行該步驟(c)；而當該步驟(c)判斷結果為否時，則執行該步驟(g)，當該步驟(g)執行完後，執行該步驟(h)，當該步驟(h)判斷的結果為是時，則執行該步驟(i)，當該步驟(i)執行完後，重新執行該步驟(c)；而當該步 驟(e)判斷結果為否時，則重新執行該步驟(c)；而當該步驟(h)判斷的結果為否時，亦重新執行該步驟(c)；其中該第一輸出電流預設值為一轉換電流回授值、一第一功率參數及一第二功率參數三者的乘積而得。
  20. 如請求項19所述之方法，其中在該步驟(h)之後，更進一步包括步驟(h1)判斷該充電電流是否小於該充電電流下限值；當步驟(h)執行完後，執行步驟(h1)；當該步驟(h1)判斷的結果為是時，則執行該步驟(i)；而當該步驟(h1)判斷的結果為否時，則重新執行該步驟(c)；其中於該步驟(d)中，該電源控制器以該第一輸出電流預設值控制該電源轉換器調整其轉換功率；其中於該步驟(g)中，該電源控制器以該第二輸出電流預設值控制該電源轉換器調整其輸出電流。
  21. 如請求項19或20所述之方法，其中該第一功率參數等於一功率倍率除以該功率命令值；該第二功率參數等於一電壓倍率乘以一轉換電壓回授值；該電壓倍率係根據一轉換電壓而決定；其中該功率調整模式是由一功率控制裝置來達成。
  22. 如請求項19或20所述之方法，其中該第二輸出電流預設值為一充電電流參數及一充電電流門檻值兩者的乘積；該充電電流參數等於一電流倍率乘以一充電電流回授值；該電流倍率係根據該充電電流而決定；其中該充電控制模式是由一充電控制裝置來達成。
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