TWI750087B - 智慧能量存儲系統 - Google Patents

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TWI750087B
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林子閔
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Abstract

本發明提供一種智慧能量存儲系統，電性連接外部電源以及負載，其包含：第一儲能裝置，第二儲能裝置，至少一轉換器以及控制器；其中第一儲能裝置作用在於儲蓄電能；第二儲能裝置與外部電源以及負載電性連接；轉換器電性連接於第一儲能裝置與第二儲能裝置之間；控制器用以偵測第一儲能裝置或第二儲能裝置的至少一電性特性，以調節轉換器的輸出電壓以及輸出電流；在儲電模式，以外部電源作為電力來源，經過第二儲能裝置對第一儲能裝置進行充電，在轉儲模式，以第一儲能裝置作為電力來源，對第二儲能裝置進行充電。

Description

智慧能量存儲系統
本發明涉及一種能量存儲系統，特別是指一種智慧型能量存儲系統。
充電式蓄電池已被廣泛應用於各式日常生活物品中，其中內燃機(以下記載為「引擎」)為動力源之載具中用來啟動引擎用的電池即為一例。目前市面上的多數汽機車的啟動和蓄電都是使用鉛酸電池， 然而鉛酸電池是含鉛製程並不環保且使用壽命一般僅為2~3年，該種傳統鉛酸電池，係由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部份構成，蓄電池的原理是將化學能和直流電能相互轉化，在放電後經由充電能再提供重複蓄電與使用。目前利用鉛酸電池啓動引擎的裝置，由於必需瞬間抽載大電流，多次作業後易導致鉛酸電池劣化，而使其內阻升高，可是在啓動引擎的抽載大電流不變之下，鉛酸電池將加速劣化，而導致鉛酸電池漸漸失效，鉛酸電池會因不同的抽載電流而影響其壽命。再者，鉛酸電池之缺點，除了使用壽命會因內阻不斷增加而縮短使用期限之外，過充時可能產生具危險性的可燃氫氣，過放時電解液及鉛板將因大量硫酸鉛結晶而產生不可逆的嚴重損害，導致電池嚴重老化，所能儲存的容量劇減甚至減成零；再者，鉛酸電池重量重，體積大，且廢棄後對於環境存有高污染風險，實不理想。
因此，近年來業界發展出以超級電容組和鋰(鐵)電池來延長鉛酸電池壽命或取代鉛酸電池，現今雖然有超級電容組和鉛酸電池的合併應用，但仍無法完全在啟動中以及啟動後發揮出兩者結合的蓄電量、大電流以及穩壓優勢；而現今使用鋰(鐵)電池仍會有因大電流放電造成壽命下降的問題，且鋰(鐵)電池的充電電流不可控制；因此，如何以超級電容組和鋰(鐵)電池來取代鉛酸電池，同時避免鋰(鐵)電池大電流充電或放電，達到保護鋰(鐵)電池的目的，並增加鋰(鐵)電池壽命的技術亟待解決。
有鑑於上述缺失，並為達成上述改善目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，電性連接一外部電源以及一負載，智慧能量存儲系統包含：一第一儲能裝置，作用在於儲蓄電能；一第二儲能裝置，與外部電源以及負載電性連接，在一儲電模式(Energy Storage Mode)，以外部電源作為電力來源，經過第二儲能裝置對第一儲能裝置進行充電，在一轉儲模式(Energy Transfer Mode)，以第一儲能裝置作為電力來源，對第二儲能裝置進行充電；至少一轉換器，電性連接於第一儲能裝置與第二儲能裝置之間，用以調節一輸出電壓以及一輸出電流，允許第一儲能裝置單向對第二儲能裝置充電，或者允許外部電源經過第二儲能裝置單向對第一儲能裝置充電；以及，一控制器，用以偵測第一儲能裝置或第二儲能裝置的至少一電性特性，以調節轉換器的輸出電壓以及輸出電流，避免第一儲能裝置大電流充電或放電，達到保護第一儲能裝置的目的。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，第一儲能裝置係為一鋰電池結構，包含鋰(鐵)電池、三元鋰電池等任一項或其組合，第二儲能裝置係為一電容結構，包含超級電容、超級電容組、電容組等任一項或其組合，外部電源作為電力來源，包含一發電機、一外部電池等任一項或其組合，外部電源用於提供負載所需電力，另外第二儲能裝置電性連接至外部電源，當外部電源為一外部電源供電狀態，即在儲電模式，外部電源經由第二儲能裝置連接至轉換器後再連接至第一儲能裝置，藉由控制器對轉換器控制輸出電壓以及輸出電流，對第一儲能裝置充電，亦即，外部電源輸出的電能得以經由轉換器單向回充至第一儲能裝置。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，控制器偵測第一儲能裝置的至少一電性特性，係偵測藉由電壓量測器以及電流量測器分別量測第一儲能裝置的一第一電壓值以及一第一電流值；控制器偵測第二儲能裝置的至少一電性特性，係偵測藉由電壓量測器量測第二儲能裝置的一第二電壓值；其中第一儲能裝置的第一電壓值、第一電流值以及第二儲能裝置的第二電壓值分別提供控制器，控制器藉以調節轉換器的輸出電壓以及輸出電流。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，轉換器包含一關閉狀態、一充電控制狀態以及一放電控制狀態，關閉狀態係為轉換器不進行充電或放電動作，充電控制狀態係為外部電源經由第二儲能裝置以及轉換器單向對第一儲能裝置充電，放電控制狀態係為第一儲能裝置經由轉換器單向對第二儲能裝置充電。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，控制器依據偵測的第一儲能裝置或第二儲能裝置的至少一電性特性，控制轉換器於關閉狀態、充電控制狀態以及放電控制狀態間切換。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，控制器偵測第二儲能裝置的第二電壓值符合一外部電源供電狀態後，進入儲電模式，控制器控制轉換器切換至充電控制狀態，以外部電源作為電力來源，經過第二儲能裝置以及轉換器單向對第一儲能裝置進行充電，直到第一儲能裝置充飽至一高電位，亦即，第一儲能裝置的第一電流值達到一第一下限電流值。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，控制器偵測第二儲能裝置的第二電壓值符合一外部電源停止供電狀態後，負載以第一儲能裝置以及第二儲能裝置的至少其中之一作為電力供電來源，當第二儲能裝置的電量不足以供應負載所需電量，亦即，第二儲能裝置的第二電壓值低於一第二下限電壓值時，進入轉儲模式，控制器控制轉換器切換至放電控制狀態，以第一儲能裝置放電作為電力來源，經過轉換器單向對第二儲能裝置進行充電，直到第二儲能裝置充飽至一高電位，亦即，第二儲能裝置的第二電壓值達到一第二上限電壓值時，控制器控制轉換器切換至關閉狀態，使轉換器不進行充電或放電動作。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，在外部電源停止供電狀態時，負載以第二儲能裝置作為電力供電來源，當控制器偵測第二儲能裝置的第二電壓值有突然快速的持續下降時，負載應有持續長時間的大電量需求，控制器控制一開關電路導通第一儲能裝置以及第二儲能裝置，使第一儲能裝置以及第二儲能裝置共同作為電力供電來源，供電負載所需持續長時間的大電量需求。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，在儲電模式，當轉換器切換至充電控制狀態，藉由控制器調節轉換器單向對第一儲能裝置進行充電，依序執行一固定電流充電模式及一固定電壓充電模式，當固定電流充電模式變更為固定電壓充電模式之條件為滿足一預設上限充電電壓值。
又，為了達成上述目的，本發明所揭智慧能量存儲系統，其中，在轉儲模式，當轉換器切換至放電控制狀態，藉由控制器調節轉換器單向對第二儲能裝置進行充電，依序執行固定電流充電模式及固定電壓充電模式，當固定電流充電模式變更為固定電壓充電模式之條件為滿足一預設上限充電電壓值。
有關本發明所揭智慧能量存儲系統的詳細構造、特點、組裝或使用方式，將於後續的實施方式詳細說明中予以描述。然而，在本發明領域中具有通常知識者應能瞭解，該等詳細說明以及實施本發明所列舉的特定實施例，僅係用於說明本發明，並非用以限制本發明之專利申請範圍。
以下，茲配合各圖式列舉對應之較佳實施例來對本發明所揭智慧能量存儲系統的組成構件、步驟及達成功效來作說明，然各圖式中智慧能量存儲系統的構件、尺寸及外觀僅用來說明本發明的技術特徵，而非對本發明構成限制。
此外，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。此外，本文中所使用之『及／或』，包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。
本發明所揭智慧能量存儲系統提供第一儲能裝置10和第二儲能裝置20的組合架構，其中第一實施例、第二實施例以及第三實施例智慧能量存儲系統提供能量電池和功率電池的組合架構，其中能量電池係為鋰電池結構，功率電池係為電容結構，亦即，第一儲能裝置係為一鋰電池結構，第二儲能裝置係為一電容結構，此架構取代傳統的鉛酸電池和負載/發電機電性連接架構，達到無鉛永久電池的目的，將外部負載和發電機需求的鉛酸電池以電容結構取代，發電機偶發的瞬間電壓跳動將由電容結構吸收，穩定發電機的直流供電，因此不論提供負載電量或是發電機穩壓都是透過電容結構去作動，當發電機供電狀態時，鋰電池結構僅是用來儲存電量，當發電機停止供電狀態後，鋰電池結構提供電容結構因自耗電或車載用設備耗電造成的電量損失；以上說明本發明的智慧能量存儲系統的組成，隨後，詳述本發明的智慧能量存儲系統的運作及功效。
參考圖1所示第一實施例，本發明提供一種智慧能量存儲系統100，電性連接外部電源400以及負載500，智慧能量存儲系統100包含：第一儲能裝置10，作用在於儲蓄電能；第二儲能裝置20，與外部電源400以及負載500電性連接；轉換器30電性連接於第一儲能裝置10與第二儲能裝置20之間；以及控制器40，用以偵測第一儲能裝置10或第二儲能裝置20的至少一電性特性，以調節轉換器30的輸出電壓以及輸出電流；在儲電模式，以外部電源400作為電力來源，經過第二儲能裝置20以及轉換器30單向對第一儲能裝置10進行充電，亦即，控制器40控制轉換器30用以調節一輸出電壓V 1crg以及一輸出電流I 1crg，允許外部電源400經過第二儲能裝置20單向對第一儲能裝置10充電，避免第一儲能裝置10大電流充電的影響；在轉儲模式，以第一儲能裝置10作為電力來源，經過轉換器30單向對第二儲能裝置20進行充電，亦即，控制器40控制轉換器30用以調節一輸出電壓V 2crg以及一輸出電流I 2crg，允許第一儲能裝置10單向對第二儲能裝置20充電，以避免第一儲能裝置10大電流放電或過放電的影響；藉由以上所述技術手段，達到保護第一儲能裝置10並且延長第一儲能裝置10的使用壽命。
在本發明第一實施例中，以汽車為例，第一儲能裝置10係為鋰(鐵)電池，第二儲能裝置20係為超級電容組，外部電源400係為發電機，用於提供負載500所需電量，負載500包含啟動馬達、車載用設備等任一項或其組合，超級電容組直接電性連接至發電機、啟動馬達及車載用設備，轉換器30位於鋰(鐵) 電池與超級電容組之間，並且分別電性連接鋰(鐵) 電池與超級電容組，用以調節輸出電壓以及輸出電流，當汽車行進時，符合一外部電源供電狀態後，允許發電機發電出電力經過超級電容組及轉換器30單向對鋰(鐵)電池充電；另外當汽車熄火時，符合一外部電源停止供電狀態後，由超級電容組提供負載500所需電量，當超級電容組電量不足以提供負載500所需電量，允許鋰(鐵)電池放電經由轉換器30單向對超級電容組充電，但本發明第一儲能裝置10不以鋰 (鐵)電池為限，第二儲能裝置20不以超級電容組為限，外部電源不以發電機為限，負載不以啟動馬達與車載用設備為限。
第一實施例中的轉換器30具有雙向充電功能，分別具有單向對鋰(鐵) 電池充電功能以及單向對超級電容組充電功能，轉換器30包含關閉狀態、充電控制狀態以及放電控制狀態，其中關閉狀態係為轉換器30不進行對鋰(鐵) 電池充電動作或不進行鋰(鐵) 電池放電動作，充電控制狀態係為以發電機為電力來源，經由超級電容組及轉換器30單向對鋰(鐵) 電池充電，放電控制狀態係為以鋰(鐵) 電池為電力來源，經由轉換器30單向對超級電容組充電。
進一步說明第一實施例具體運作方式，啟始時，轉換器30係為關閉狀態，轉換器30不進行充電或放電動作，當控制器40偵測超級電容組的第二電壓值V 2符合一外部電源供電狀態後，例如轉換器30係為關閉狀態或放電控制狀態同時第二儲能裝置20的第二電壓值V 2上升至符合一預設啟動電壓值，或是第二電壓值V 2的變化量符合一預設啟動電壓差值，又或者是汽車提供的一啟動訊號，即進入儲電模式，控制器40提供轉換器30對應於充電控制狀態的控制訊號CS crg，用以調節轉換器30產生輸出電壓V 1crg以及輸出電流I 1crg，使轉換器30切換至充電控制狀態，以發電機作為電力來源，經過超級電容組以及轉換器30單向對鋰(鐵) 電池進行充電，直到鋰(鐵) 電池的第一電壓值已達依需求設定至較預設第一下限電壓值V 1min高的任一電壓值，即預設為第一上限電壓值V 1max，較佳為設定至滿電位或額定電壓，或，控制器40偵測鋰(鐵) 電池的第一電流值I 1達到一第一下限電流值I 1min，本實施例第一下限電流值I 1min可以設定為0.2C，由控制器40提供對應於關閉狀態的控制訊號CS off給轉換器30，使轉換器30切換至關閉狀態，不進行充電動作，如此可以避免鋰(鐵) 電池過度充電。
當控制器40偵測超級電容組的第二電壓值V 2符合一外部電源停止供電狀態後，例如轉換器30係為關閉狀態同時第二儲能裝置20的第二電壓值V 2下降至符合一預設熄火電壓值，或是第二電壓值V 2的變化量符合一預設熄火電壓差值，又或者是汽車提供的一熄火訊號，當超級電容組的第二電壓值V 2過低，這個現象也被稱為欠電壓，表示超級電容組不能正常提供啟動馬達的冷啟動電流(CCA, Cold Cranking Ampere)，也就是超級電容組無法供應足夠的電流給啟動馬達啟動，因此當控制器40偵測到超級電容組的第二電壓值V 2低於第二下限電壓值V 2min時，同時控制器40偵測鋰(鐵) 電池的第一電壓值V 1大於第一下限電壓值V 1min，其中第一下限電壓值V 1min設定係以鋰(鐵) 電池已達過放電壓值，以避免鋰(鐵) 電池過度放電，即進入轉儲模式，控制器40提供轉換器30對應於放電控制狀態的控制訊號CS discrg，用以調節轉換器30產生的輸出電壓V 2crg以及輸出電流I 2crg，使轉換器30切換至放電控制狀態，以鋰(鐵) 電池作為電力來源，單向對超級電容組進行充電，直到控制器40偵測超級電容組的第二電壓值V 2達到預設的第二上限電壓值V 2max，較佳為設定至滿電位或額定電壓，又或者當控制器40偵測鋰(鐵) 電池的第一電壓值V 1低於第一下限電壓值V 1min，由控制器40提供對應於關閉狀態的控制訊號CS off給轉換器30，使轉換器30切換至關閉狀態，不進行鋰(鐵) 電池放電動作，必要時可以發出警告，包含蜂嗚、顯示或亮燈警告等任一項或其組合。
本發明第一實施例中轉儲模式中，超級電容組的第二下限電壓值V 2min以及第二上限電壓值V 2max的設定方式如下，以汽車為例，現有汽車啟動馬達的負載電流與汽車排氣量CC有關，排氣量是指內燃式發動機在一次完整發動機循環中吸入的空氣和燃氣混和氣的總體積，通常用立方釐米（CC）表示，而排氣量的大小則與車輛的動力強弱、加速性能、油耗值以及CO 2排放量有關；冷啟動電流(CCA) 的最低電流值係為啟動電池出廠規格書所訂，例如定義12伏特啟動電池可以在0°F的溫度下傳遞30秒，同時保持至少為7.2伏特的電壓的安培數，若啟動電池對應於7.2伏特電壓值的電流低於冷啟動電流的最低電流值，啟動電池瞬間放電的電力將不足，也就是啟動電池無法供應足夠的電流給啟動馬達，通常啟動電池分級介於1600 CC與 2000 CC之間需要使用500A冷啓動電流安培數(CCA)的啟動電池，本發明智慧能量存儲系統因為完全由超級電容組的總CCA提供啟動馬達電流，例如超級電容組由串聯6顆超級電容組成，每顆超級電容電壓2.8V ，超級電容組最大電壓2.8V x 6 = 16.8V，因此超級電容組升壓到能抽出500A，超級電容組的內阻加上線阻為0.013Ω，則超級電容組能抽出500A的第二下限電壓值V 2min為13.7V，計算方式如下：7.2V/500A=0.0144Ω，V 2min/(0.013Ω+0.0144Ω) = 500A，因此，較佳設計為第二下限電壓值V 2min低於與超級電容組並聯連接的外部電源的電壓值，使超級電容組的電壓值保持在高於第二下限電壓值V 2min，例如外部電源為12V系統的汽車發電機，發電機充電電壓一般為大於或等於14.2V，第二下限電壓值V 2min設定為13.7V，使超級電容組能隨時供應足夠的電流給啟動馬達進行啟動；另超級電容組的第二上限電壓值V 2max可依需求設定至較第二下限電壓值V 2min高的任一電壓值，較佳為設定至滿電位或額定電壓，例如超級電容組的第二上限電壓值V 2max可以設定為15.8 V。
本發明第一實施例中智慧能量存儲系統利用超級電容組可以出大電流和穩壓的特性，以汽車為例，將超級電容組直接與發電機及啟動馬達、車載用設備電性並聯連接，可以有效啟動啟動馬達和對發電機進行穩壓作用，同時提升車載用設備的穩定度及使用壽命，由於鋰(鐵) 電池可不直接參與整體啟動啟動馬達和發電機穩壓的動作，啟動馬達啟動瞬間(＜ 5ms)大電流無需從鋰(鐵)電池提供，發電機的交流電穩壓時，汽車行進間偶發的瞬間電壓跳動將由超級電容組吸收，亦即，僅有超級電容組協助穩壓，使鋰(鐵) 電池不會承受鏈波和大的充電電流，而可延長鋰(鐵)電池的壽命。
例如鋰(鐵)電池的電量為30AHrs，在儲電模式，當發電機發動後，以發電機作為電力來源，經過超級電容組以及轉換器30單向對鋰(鐵)電池進行充電，轉換器30以0.5C最大15A的充電IC可控輸出電流和可控輸出電壓對鋰(鐵)電池充電，可以杜絕鋰(鐵)電池大電流充電的可能；在轉儲模式，超級電容組需要補電時，以鋰(鐵)電池放電作為電力來源，轉換器30以 1C最大30A的充電IC可控輸出電流和可控輸出電壓單向對超級電容組充電，可以杜絕鋰(鐵)電池的大電流放電的可能；透過上述機制，可以滿足蓄電、穩壓以及瞬間大電流的需求且不會造成鋰(鐵)電池因大電流的損傷，本實施例轉換器30包含一個或多個升/降壓模組(boost/buck module)，但本發明不以此為限，升/降壓模組具方向性，可單向接收一電壓源，並將之轉換成一個或多個輸出電壓，升/降壓模組的設計取決於鋰(鐵)電池與超級電容組的電位，操作於升壓模式或降壓模式，顧名思義，”升壓模式”代表的是將某一電壓升壓而得到另一電壓；”降壓模式”代表的是將某一電壓降壓而得到另一電壓。
不論在儲電模式或轉儲模式，當轉換器30係為充電控制狀態或放電控制狀態，藉由控制器40調節轉換器30單向對鋰(鐵)電池或超級電容組進行充電，較佳的充電模式為依序執行一固定電流充電模式(CC模式)及一固定電壓充電模式(CV模式)，於剛開始充電時(假設鋰(鐵)電池或超級電容組處於低電量狀態，但不局限於此狀態)，此時鋰(鐵)電池或超級電容組的充電模式為固定電流充電模式，此時充電電流固定且為較高充電電流，因此充入鋰(鐵)電池或超級電容組的蓄電容量較多且速度也較快，以讓鋰(鐵)電池或超級電容組蓄電容量能被快速充滿，當鋰(鐵)電池或超級電容組的蓄電容量快充滿至接近一上限充電電壓值時，此時鋰(鐵)電池或超級電容組的充電模式會變更為固定電壓充電模式充電，此時電壓固定且充電電流下降，充電速度變慢，使鋰(鐵)電池或超級電容組接近被完全充飽的最佳狀況。
又例如汽車具有一怠速熄火系統時，由於發動次數為一般車輛的N倍，為了降低汙染與油耗，一些汽車製造商在其新一代車型中加裝啟動/停止(start/stop)系統，當汽車停下來時關閉引擎，而當駕駛人的腳從剎車踏板移向油門踏板時，就自動重新啟動引擎，這就幫助降低市區駕車及停停走走式的交通繁忙時期的油耗同時減少空氣汙染，本發明智慧能量存儲系統100可以供電於汽車有加裝具有一怠速熄火系統 (啟動/停止系統)時，相較於一般啟動馬達的一啟動次數係為N倍，N為算術平均數或進位之正整數，因此，當汽車停下來時關閉引擎，亦即，發電機沒有供電符合一外部電源停止供電狀態後，以超級電容組來供電汽車上車載用設備的電子耗電例如冷氣、音響或大燈等，造成超級電容組的持續電量損失，因此當控制器40偵測超級電容組的第二電壓V 2低於第二下限電壓V 2min時，控制器40控制轉換器30切換至放電控制狀態，將鋰(鐵)電池放電經由轉換器30單向對超級電容組充電及補充供電，直到超級電容組的第二電壓值V 2達到第二上限電壓V 2max，供下一次引擎起動；若於汽車行進間，亦即，發電機供電符合一外部電源供電狀態後，控制器40控制轉換器30切換至充電控制狀態，發電機電力經過超級電容組以及轉換器30單向對鋰(鐵)電池充電至預設的第一上限電壓值V 1max，較佳為設定至滿電位或額定電壓，超級電容組的第二電壓值V 2將只會與發電機電壓等電位或略高。
參閱圖2所示第二實施例，本發明之智慧能量存儲系統200與第一實施例智慧能量存儲系統100大致相同，兩者之差異處僅在於：第二實施例具有二個不同方向的轉換器30a及轉換器30b，其中轉換器30a電性連接於第一儲能裝置10與第二儲能裝置20之間，當符合一外部電源停止供電狀態後，例如控制器40偵測超級電容組的第二電壓值V 2過低，亦即，超級電容組不能正常提供負載500所需電力，因此進入轉儲模式，控制器40控制轉換器30a切換至放電控制狀態，以鋰(鐵) 電池作為電力來源，藉由轉換器30a單向對超級電容組進行充電，但另一轉換器30b係為關閉狀態，因此鋰(鐵) 電池不直接參與整體負載500電力提供和對發電機進行穩壓的動作；當符合一外部電源供電狀態後，進入儲電模式，控制器40控制轉換器30b切換至充電控制狀態，以發電機作為電力來源，發電機經過超級電容組藉由轉換器30b單向對鋰(鐵)電池進行充電，但另一轉換器30a係為關閉狀態。
參閱圖3所示第三實施例，本發明之智慧能量存儲系統300與第一實施例智慧能量存儲系統100大致相同，兩者之差異處僅在於：增加一開關電路50，用於第一儲能裝置10與第二儲能裝置20的導通及不導通之切換，當發電機停止供電時，符合一外部電源停止供電狀態後，由第二儲能裝置20提供負載500所需電量，若由控制器40偵測第二儲能裝置20的第二電壓值V 2持續下降太快，亦即，負載500仍有持續性大電量耗損，由控制器40提供對應於關閉狀態的控制訊號CS off給轉換器30，使轉換器30切換至關閉狀態，不進行充電或放電動作，同時控制器40提供對應的控制訊號CS fast，使開關電路50導通第一儲能裝置10與第二儲能裝置20，相較於第一實施例轉換器30的充電電流30A，第三實施例可提供較高的充電電流，例如70A，達到第一儲能裝置10對第二儲能裝置20快速充電，而能迅速滿足負載500的大電量需求；其中開關電路50例如是金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET：Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、絕緣柵雙極電晶體(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)、繼電器(Relay)及電磁開關之至少其一所構成之開關，但本發明不以此為限。
本發明智慧能量存儲系統的變化實施例中(圖未示)，控制器40偵測第二儲能裝置20的第二電壓值V 2符合一外部電源停止供電狀態後，負載500可以第一儲能裝置作為電力供電來源，或者負載500可以第二儲能裝置20作為電力供電來源，亦或者負載500可以第一儲能裝置10以及第二儲能裝置20作為電力供電來源。
本發明智慧能量存儲系統所應用不以汽機車、漁船為限，智慧能量存儲系統本身就是一個獨立電瓶，可以達到保護並且延長智慧能量存儲系統的使用壽命，使車輛及內燃機等終其一生只需要用一個智慧能量存儲系統即可，同時滿足蓄電、穩壓以及大電流的需求，其中穩壓讓載具及內燃機、燃油或電控更有效率及穩定，減少空氣汙染，本發明可以被應用在任何內燃機為動力源之載具或需要電瓶的電力設備等，無需變更設計而可直接導入原廠，同時亦可滿足後裝市場的需求。
最後，強調，本發明於前揭實施例中所揭露的構成元件，僅為舉例說明，並非用來限制本案之範圍，其他等效元件的替代或變化，亦應為本案之申請專利範圍所涵蓋。
100、200、300:智慧能量存儲系統 400:外部電源 500:負載 10:第一儲能裝置 20:第二儲能裝置 30、30a、30b:轉換器 40:控制器 50:開關電路 V 1:第一儲能裝置的第一電壓值 V 2:第二儲能裝置的第二電壓值 I 1:第一儲能裝置的第一電流值 V 1crg、V 2crg:輸出電壓 I 1crg、I 2crg:輸出電流 CS crg、CS discrg、CS off、CS fast:控制訊號
圖1為第一實施例具有一個轉換器的智慧能量存儲系統的示意圖。 圖2為第二實施例具有二個轉換器的智慧能量存儲系統的示意圖。 圖3為第三實施例具有一個轉換器以及一個開關電路的智慧能量存儲系統的示意圖。
100:智慧能量存儲系統
400:外部電源
500:負載
10:第一儲能裝置
20:第二儲能裝置
30:轉換器
40:控制器
V1:第一儲能裝置的第一電壓值
V2:第二儲能裝置的第二電壓值
I1:第一儲能裝置的第一電流值
V1crg、V2crg:輸出電壓
I1crg、I2crg:輸出電流
CScrg、CSdiscrg、CSoff:控制訊號

Claims (11)

  1. 一種智慧能量存儲系統，電性連接一外部電源以及一負載，該智慧能量存儲裝置包含：一鋰電池結構，作用在於儲蓄電能；一電容結構，與該外部電源以及該負載電性連接，在一儲電模式，以該外部電源作為電力來源，經過該電容結構對該鋰電池結構進行充電，當該電容結構的一第二電壓值低於一第二下限電壓值時，同時該鋰電池結構的一第一電壓值大於一第一下限電壓值時，進入一轉儲模式，以該鋰電池結構作為電力來源，對該電容結構進行充電；至少一轉換器，電性連接於該鋰電池結構與該電容結構之間，用以調節一輸出電壓以及一輸出電流，允許該鋰電池結構單向對該電容結構充電，或者允許該外部電源經由該電容結構以及該轉換器單向對該鋰電池結構充電；以及一控制器，用以偵測該鋰電池結構的該第一電壓值或該電容結構的該第二電壓值，以調節該轉換器的該輸出電壓以及該輸出電流，避免該鋰電池結構大電流充電或放電，達到保護該鋰電池結構的目的。
  2. 如請求項1所述之智慧能量存儲系統，其中，該轉換器包含一關閉狀態、一充電控制狀態以及一放電控制狀態，該關閉狀態係為該轉換器不進行一充電動作或一放電動作，該充電控制狀態係為該外部電源經由該電容結構以及該轉換器單向對該鋰電池結構充電，該放電控制狀態係為該鋰電池結構經由該轉換器單向對該電容結構充電。
  3. 如請求項2所述之智慧能量存儲系統，其中，該控制器依據偵測該鋰電池結構的該第一電壓值、一第一電流值或該電容結構的該第二電壓值，控制該轉換器於該關閉狀態、該充電控制狀態以及該放電控制狀態間切換。
  4. 如請求項1所述之智慧能量存儲系統，其中，該控制器偵測該電容結構的該第二電壓值符合一外部電源供電狀態後，進入該儲電模式。
  5. 如請求項3所述之智慧能量存儲系統，其中，在該儲電模式，該轉換器係為該充電控制狀態，直到該鋰電池結構的該第一電壓值達到一第一上限電壓值，或者該鋰電池結構的該第一電流值達到一第一下限電流值，由該控制器控制該轉換器切換至該關閉狀態，不進行該充電動作。
  6. 如請求項2所述之智慧能量存儲系統，其中，該控制器偵測該電容結構的該第二電壓值符合一外部電源停止供電狀態後，該負載以該鋰電池結構以及該電容結構的至少其中之一作為電力供電來源。
  7. 如請求項2或6所述之智慧能量存儲系統，其中，當進入該轉儲模式時，該轉換器係為該放電控制狀態，直到該電容結構的該第二電壓值達到一第二上限電壓值。
  8. 如請求項2所述之智慧能量存儲系統，其中，在該儲電模式或該轉儲模式，當該轉換器係為該充電控制狀態或該放電控制狀態，藉由該控制器調節該轉換器對該鋰電池結構或該電容結構進行充電，依序執行一固定電流充電模式及一固定電壓充電模式。
  9. 如請求項8所述之智慧能量存儲系統，其中，該固定電流充電模式變更為該固定電壓充電模式之條件為滿足一預設上限充電電壓值。
  10. 如請求項2所述之智慧能量存儲系統，其中，更包含一開關電路，該控制器控制該轉換器切換至該關閉狀態，使該開關電路導通該鋰電池結構與該電容結構，達到該鋰電池結構對該電容結構快速充電的目的。
  11. 如請求項1所述之智慧能量存儲系統，其中，該負載包含一啟動馬達，進入該轉儲模式，滿足以下的公式：RM=7.2V/CCA，以及V2min=CCA×(RC+RL+RM)，其中V2min係該電容結構的該第二下限電壓值，CCA係該電容結構啟動該啟動馬達的一冷啟動電流安培數，RC係該電容結構的一內阻值，RL係該電容結構的一線阻值，RM係該啟動馬達的一電阻值。
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