TWI822063B - 燃料電池系統對二次電池充放電機制 - Google Patents
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Abstract
一種電子裝置包括提供燃料電池電壓之燃料電池、第一開關、提供電池電壓之可充電電池、第二開關、繼電器、驅動電路以及控制器。第一開關根據第一控制信號，將燃料電池電壓提供至第一節點。第二開關耦接至第一節點，且根據第二控制信號，利用燃料電池電壓對可充電電池充電。繼電器根據第三控制信號，將第一節點之電壓提供至負載。驅動電路根據驅動信號，產生第一控制信號、第二控制信號以及第三控制信號。控制器根據燃料電池電壓以及電池電壓，而產生驅動信號。
Description
本發明係有關於一種具有燃料電池以及可充電電池之電子裝置及其保護方法、電量計算方法以及供電方法。
隨著替代性能源地蓬勃發展，各種新型態的電池架構不斷的被提出，燃料電池也因此再次受到重視。為了更有效的利用燃料電池，因此有必要針對燃料電池的電池組進行優化，以利加速燃料電池應用至現實生活的目標。
本發明在此提出電子裝置及其保護方法、電量計算方法以及供電方法，透過燃料電池搭配可充電電池以彌補燃料電池之電流驅動能力不足且提升可充電電池之續航力。此外，保護方法、電量計算方法以及供電方法有助於確保燃料電池結合可充電電池能夠正常運作，並且提供使用者有關可充電電池之可靠的電量資訊，
以提升使用者體驗。
有鑑於此，本發明提出一種電子裝置，包括一燃料電池、一第一開關、一可充電電池、一第二開關、一繼電器、一驅動電路以及一控制器。上述燃料電池提供一燃料電池電壓。上述第一開關根據一第一控制信號，將上述燃料電池電壓提供至一第一節點。上述可充電電池提供一電池電壓。上述第二開關耦接至上述第一節點，其中上述第二開關根據一第二控制信號，利用上述燃料電池電壓對上述可充電電池充電。上述繼電器根據一第三控制信號，將上述第一節點之電壓提供至一負載。上述驅動電路根據一驅動信號，產生上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述第三控制信號。上述控制器根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓，而產生上述驅動信號。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓不大於一第一臨限電壓時，上述驅動電路導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓大於一第一臨限電壓時，上述驅動電路導通上述第一開關以及上述繼電器，且不導通上述第二開關。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述
燃料電池電壓小於上述電池電壓時，上述驅動電路導通上述繼電器且不導通上述第一開關以及上述第二開關，其中上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述燃料電池電壓等於上述電池電壓時，上述驅動電路導通上述第一開關以及上述繼電器且不導通上述第二開關。上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電，上述燃料電池透過上述第一開關對上述負載進行供電。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述燃料電池電壓超過一第一臨限電壓時，上述驅動電路不導通上述第一開關。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述電池電壓超過一第二臨限電壓時，上述驅動電路不導通上述第二開關。
根據本發明之一些實施例，上述電子裝置更包括一第一電壓偵測電路以及一第二電壓偵測電路。上述第一電壓偵測電路用以偵測上述燃料電池電壓而產生一第一電壓偵測信號。上述第二電壓偵測電路用以偵測上述電池電壓而產生一第二電壓偵測信號，其中上述控制器根據上述第一電壓偵測信號以及上述第二電壓偵測信號，判斷上述燃料電池電壓以及上述電池電壓。
根據本發明之一些實施例，上述電子裝置更包括一
第一電流偵測器。上述第一電流偵測器耦接於上述第二開關以及上述可充電電池之間，用以偵測上述可充電電池之一電池電流而產生一第一電流偵測信號。
根據本發明之一些實施例，當上述控制器判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且根據上述第一電流偵測信號判斷上述可充電電池之充電電流超過一最大充電電流時，上述驅動電路將上述第一開關以及上述繼電器導通且週期性導通上述第二開關。
根據本發明之一些實施例，當判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且根據上述第一電流偵測信號判斷上述可充電電池之充電電流不超過一最大充電電流時，上述驅動電路導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
根據本發明之一些實施例，當上述繼電器不導通時，上述控制器利用一開路電壓法計算上述可充電電池之電量，其中上述控制器更根據上述第一電流偵測信號判斷上述可充電電池之上述電池電流是否超過一第一電流。
根據本發明之一些實施例，當上述可充電電池之上述電池電流超過上述第一電流時，上述控制器利用一安培小時法計算上述可充電電池之電量，其中當上述可充電電池之上述電池電流不超過上述第一電流時，上述控制器於一第一既定時間後再次利用上述開路電壓法計算上述可充電電池之電量。
本發明更提出一種供電方法，適用於一電子裝置。
上述電子裝置包括一燃料電池、一第一開關、一第二開關、一可充電電池以及一繼電器，其中上述第一開關耦接至上述燃料電池以及一第一節點之間，上述第二開關耦接於上述第一節點以及上述可充電電池之間，上述繼電器耦接於上述第一節點以及一負載之間。上述供電方法包括偵測上述燃料電池之一燃料電池電壓；偵測上述可充電電池之一電池電壓；以及根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓，控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通。
根據本發明之一些實施例，上述根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓不大於一第一臨限電壓時，導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
根據本發明之一些實施例，上述根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓大於一第一臨限電壓時，導通上述第一開關以及上述繼電器，且不導通上述第二開關。
根據本發明之一些實施例，上述根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括當上述燃料電池電壓小於上述
電池電壓時，導通上述繼電器且不導通上述第一開關以及上述第二開關。上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電。
根據本發明之一些實施例，上述根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括當上述燃料電池電壓等於上述電池電壓時，導通上述第一開關以及上述繼電器且不導通上述第二開關。上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電，上述燃料電池透過上述第一開關對上述負載進行供電。
根據本發明之一些實施例，上述供電方法更包括偵測上述可充電電池之一充電電流。上述根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述充電電流超過一最大充電電流時，導通上述第一開關以及上述繼電器且週期性導通上述第二開關。
根據本發明之一些實施例，上述根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述充電電流不超過上述最大充電電流時，導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
100,200,300,400,500,600,700:電子裝置
101:燃料電池
102:單向導通元件
103:第一開關
104:第一電壓偵測電路
105:第一溫度偵測電路
106:可充電電池
107:保護電路
108:第二開關
109:第一電流偵測器
110:第二電壓偵測電路
111:第二溫度偵測電路
112:繼電器
113:第二電流偵測器
114:驅動電路
115:控制器
116:周邊電源
800:電壓偵測電路
900:溫度偵測電路
1000:保護方法
1100:電量計算方法
1200:供電方法
VFC:燃料電池電壓
VBAT:電池電壓
N1:第一節點
N2:第二節點
SW1:第一控制信號
SW2:第二控制信號
SW3:第三控制信號
VS1:第一電壓偵測信號
VS2:第二電壓偵測信號
SC:驅動信號
IS1:第一電流偵測信號
IS2:第二電流偵測信號
TS1:第一溫度偵測信號
TS2:第二溫度偵測信號
IBAT:電池電流
IL:負載電流
LOAD:負載
D1:二極體
D2:外加二極體
NA:陽極端
NC:陰極端
RA:第一電阻
RB:第二電阻
RC:第三電阻
VX:待測電壓
VS:電壓偵測信號
RT:熱敏電阻
C1:第一電容
VDD:供應電壓
S1010~S1070、S1110~S1140、S1210~S1280:步驟流程
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置之示意圖：第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置之控制器以及驅動電路之操作示意圖；第3圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之電子裝置之示意圖；第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第一模式之示意圖；第5圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第二模式之示意圖；第6圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第三模式之示意圖；第7圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第四模式之示意圖；第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓偵測電路之電路圖；第9圖係顯示根據本發明之一實施例所述之溫度偵測電路之電路圖；第10圖係顯示根據本發明之一實施例所述之保護方法之流程圖；
第11圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電量計算方法之流程圖；以及第12圖係顯示根據本發明之一實施例所述之供電方法之流程圖。
以下說明為本發明的實施例。其目的是要舉例說明本發明一般性的原則，不應視為本發明之限制，本發明之範圍當以申請專利範圍所界定者為準。
能理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」、「第三」等來敘述各種元件、組成成分、區域、層、及/或部分，這些元件、組成成分、區域、層、及/或部分不應被這些用語限定，且這些用語僅是用來區別不同的元件、組成成分、區域、層、及/或部分。因此，以下討論的一第一元件、組成成分、區域、層、及/或部分可在不偏離本揭露一些實施例之教示的情況下被稱為一第二元件、組成成分、區域、層、及/或部分。
值得注意的是，以下所揭露的內容可提供多個用以實踐本發明之不同特點的實施例或範例。以下所述之特殊的元件範例與安排僅用以簡單扼要地闡述本發明之精神，並非用以限定本發明之範圍。此外，以下說明書可能在多個範例中重複使用相同的元件符號或文字。然而，重複使用的目的僅為了提供簡化並清楚的說
明，並非用以限定多個以下所討論之實施例以及/或配置之間的關係。此外，以下說明書所述之一個特徵連接至、耦接至以及/或形成於另一特徵之上等的描述，實際可包含多個不同的實施例，包括該等特徵直接接觸，或者包含其它額外的特徵形成於該等特徵之間等等，使得該等特徵並非直接接觸。
第1圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置之示意圖。如第1圖所示，電子裝置100包括燃料電池101、單向導通元件102、第一開關103、第一電壓偵測電路104以及第一溫度偵測電路105。
燃料電池101提供燃料電池電壓VFC，單向導通元件102用以單方向的將燃料電池電壓VFC提供至第一開關103。根據本發明之一實施例，單向導通元件102係為一二極體。根據本發明之另一實施例，單向導通元件102係為蕭特基二極體。
第一開關103係耦接於燃料電池101以及第一節點N1之間，且根據第一控制信號SW1而導通以及不導通。根據本發明之一實施例，第一開關103係為金屬氧化物半導體。
第一電壓偵測電路104用以偵測燃料電池電壓VFC，而產生第一電壓偵測信號VS1。第一溫度偵測電路105用以偵測第一開關103之溫度，而產生第一溫度偵測信號TS1。
如第1圖所示，電子裝置100更包括可充電電池106、第二開關108、第一電流偵測器109、第二電壓偵測電路110
以及第二溫度偵測電路111。
可充電電池106提供電池電壓VBAT。根據本發明之一些實施例，可充電電池106可為鉛酸電池、鎳氫(Ni-MH)電池、鋰離子(Li-ion)電池、鋰離子聚合物(Li-Po)電池、高壓鋰離子聚合物電池(Li-HV)、磷酸鋰鐵(Li-Fe)電池以及其他任何可重複使用之電池。
根據本發明之一實施例，當可充電電池106係由鋰離子(Li-ion)電池、鋰離子聚合物(Li-Po)電池、高壓鋰離子聚合物(Li-HV)電池或磷酸鋰鐵(Li-Fe)電池所組成之電池組時，電子裝置100可更包括保護電路107，用以保護可充電電池106之每一個電池單元之電壓不超過臨限電壓，且使每一個電池單元之電壓相互接近。
根據本發明之一實施例，當可充電電池106係由鋰離子電池或鋰離子聚合物電池之複數電池單元串接所組成時，保護電路107用以保護每一電池單元之電壓不超過4.2V。根據本發明之另一實施例，當可充電電池106係由高壓鋰離子聚合物(Li-HV)電池之複數電池單元串接所組成時，保護電路107用以保護每一電池單元之電壓不超過4.35V。根據本發明之另一實施例，當可充電電池106係由磷酸鋰鐵池之複數電池單元串接所組成時，保護電路107用以保護每一電池單元之電壓不超過3.65V。
第二開關108係耦接於第一節點N1以及可充電電
池106之間，且根據第二控制信號SW2而將第一節點N1之電壓對可充電電池106進行充電。根據本發明之一實施例，第二開關108係為絕緣閘極雙極性電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)。根據本發明之一實施例，可充電電池106係透過第二開關108之外加二極體(第1圖並未顯示)，放電至負載LOAD。
第一電流偵測器109係耦接於可充電電池106以及第二開關108之間，用以量測電池電流IBAT而產生第一電流偵測信號IS1。根據本發明之一些實施例，電池電流IBAT包括對可充電電池106充電之充電電流以及可充電電池106之放電電流。
第二電壓偵測電路110用以偵測可充電電池106之電池電壓VBAT，而產生第二電壓偵測信號VS2。第二溫度偵測電路111用以偵測可充電電池106之溫度，而產生第二溫度偵測信號TS2。
如第1圖所示，電子裝置100更包括繼電器112、第二電流偵測器113、驅動電路114、控制器115以及周邊電源116。繼電器112係耦接於第一節點N1以及負載LOAD之間，並且根據第三控制信號SW3，而將第一節點N1之電壓提供至負載LOAD。
第二電流偵測器113係耦接於第一節點N1以及繼電器112之間，用以量測流至負載LOAD之負載電流IL而產生第二電流偵測信號IS2。根據本發明之一實施例，第二電流偵測器113用以偵測燃料電池101以及可充電電池106之總輸出電流。根據本發
明之一些實施例，第一電流偵測器109以及第二電流偵測器113係為霍爾偵測器。
驅動電路114根據驅動信號SC，而產生第一控制信號SW1、第二控制信號SW2以及第三控制信號SW3，進而控制第一開關103、第二開關108以及繼電器112導通以及不導通。控制器115根據第一溫度偵測信號TS1、第二溫度偵測信號TS2、第一電流偵測信號IS1、第二電流偵測信號IS2、第一電壓偵測信號VS1以及第二電壓偵測信號VS2，而產生驅動信號SC。以下將針對驅動電路114以及控制器115進行詳細說明。
周邊電源116耦接至第一節點N1，且用以對電子裝置100進行供電。如第1圖所示，繼電器112係耦接於周邊電源116之後，並且第二電流偵測器113係偵測流至負載LOAD之電流以及流至周邊電源116之電流的總和。
第2圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置之控制器以及驅動電路之操作示意圖。如第2圖所示，周邊電源116係對第一溫度偵測電路105、第一電流偵測器109、第二溫度偵測電路111、第二電流偵測器113、驅動電路114以及控制器115進行供電。
根據本發明之一些實施例，周邊電源116係提供供應電壓至第一溫度偵測電路105、第一電流偵測器109、第二溫度偵測電路111、第二電流偵測器113、驅動電路114以及控制器115。
根據本發明之其他實施例，當燃料電池101進行反應而產生燃料電池電壓VFC時，需要輔助電路(第1圖以及第2圖未顯示)協助燃料電池101有效率地進行反應，而這些輔助電路係由周邊電源116所供電。
此外，控制器115接收第一電壓偵測電路104所產生之第一電壓偵測信號VS1、第一溫度偵測電路105所產生之第一溫度偵測信號TS1、第一電流偵測器109所產生之第一電流偵測信號IS1、第二電壓偵測電路110所產生之第二電壓偵測信號VS2、第二溫度偵測電路111所產生之第二溫度偵測信號TS2以及第二電流偵測器113所產生之第二電流偵測信號IS2而產生驅動信號SC，驅動電路114根據驅動信號SC，分別利用第一控制信號SW1、第二控制信號SW2以及第三控制信號SW3驅動第一開關103、第二開關108以及繼電器112。
如第1圖所示，由於燃料電池101之電流驅動能力較為不足，因此電子裝置100更包括可充電電池106以補足燃料電池101之較低的電流驅動能力。根據本發明之其他實施例，當可充電電池106並非為鋰離子(Li-ion)電池、鋰離子聚合物(Li-Po)電池、高壓鋰離子聚合物電池(Li-HV)、磷酸鋰鐵(Li-Fe)電池之任一者時，電子裝置100可省略保護電路107，以降低成本。
第3圖係顯示根據本發明之另一實施例所述之電子裝置之示意圖。將第3圖之電子裝置300與第1圖之電子裝置100相
比，第1圖之單向導通元件102係替換為二極體D1，其中第二開關108更包括外加二極體D2。根據本發明之一些實施例，可充電電池106係透過第二開關108之外加二極體D2而對負載LOAD供電。
如第3圖所示，二極體D1包括陽極端NA以及陰極端NC，其中陽極端NA耦接至燃料電池101，陰極端NC耦接至第一開關103。根據本發明之另一實施例，二極體D1可為蕭特基二極體，以進一步降低因二極體之跨壓所造成之功率損耗。
第4圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第一模式之示意圖。如第4圖所示，當控制器115判斷電子裝置400之燃料電池電壓VFC大於電池電壓VBAT且可充電電池106之充電電流超過最大充電電流IP時，控制器115係操作於第一模式而產生驅動信號SC，且驅動電路114根據驅動信號SC而將第一開關103以及繼電器112導通，並且週期性的導通第二開關108，使得可充電電池106之平均的充電電流係為最大充電電流IP。
根據本發明之一實施例，控制器115在第一時間T1內對電池電流IBAT取樣N次，並進行平均而產生平均電流IAVE，其中平均電流IAVE如公式1所示：
根據本發明之一實施例，當平均電流IAVE不大於最大充電電流IP時，代表第二開關108持續導通即可對可充電電池
106安全充電，因此第二開關108持續導通以對可充電電池106安全的持續充電。
根據本發明之另一實施例，當平均電流IAVE大於最大充電電流IP時，為了使單位時間內的充電電流不超過最大充電電流IP，因此第二開關108之導通週期比DON係如公式2所示：
換句話說，當平均電流IAVE大於最大充電電流IP時，第二開關108在第一時間T1內僅可導通導通週期比DON(即，T1×DON)，其餘時間內(即，T1×(1-DON))第二開關108係為不導通，使得可充電電池106之平均充電電流不超過最大充電電流IP。
第5圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第二模式之示意圖。如第5圖所示，當控制器115判斷電子裝置500之燃料電池電壓VFC大於電池電壓VBAT且電池電壓VBAT超過臨限電壓時，代表可充電電池106具有足夠電量，控制器115係操作於第二模式而產生驅動信號SC，且驅動電路114根據驅動信號SC而將第一開關103以及繼電器112導通，且不導通第二開關108。
當驅動電路114不導通第二開關108時，燃料電池
101之燃料電池電壓VFC直接對負載LOAD進行供電，且可充電電池106可透過第二開關108之外加二極體D2而對負載LOAD供電。由於第二開關108係為不導通，因此燃料電池101不對可充電電池106進行充電。
第6圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第三模式之示意圖。如第6圖所示，當控制器115判斷電子裝置600之燃料電池電壓VFC小於電池電壓VBAT時，控制器115係操作於第三模式而產生驅動信號SC，且驅動電路114根據驅動信號SC而將繼電器112導通，且不導通第一開關103以及第二開關108。因此，可充電電池106之電池電壓VBAT係透過第二開關108之外加二極體D2而對負載LOAD進行供電。
第7圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電子裝置操作於第四模式之示意圖。如第7圖所示，當控制器115判斷電子裝置700之燃料電池電壓VFC等於電池電壓VBAT時，控制器115係操作於第四模式而產生驅動信號SC，且驅動電路114根據驅動信號SC而將第一開關103以及繼電器112導通，且不導通第二開關108。
由於第一開關103係為導通，因此燃料電池101之燃料電池電壓VFC係對負載LOAD進行供電。並且，可充電電池106之電池電壓VBAT係透過第二開關108之外加二極體D2而對負載LOAD進行供電。
第8圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電壓偵測電路之電路圖。如第8圖所示，電壓偵測電路800包括第一電阻RA以及第二電阻RB，其中電壓偵測電路800利用第一電阻RA以及第二電阻RB將待測電壓VX分壓而產生電壓偵測信號VS，並且將電壓偵測信號VS提供至控制器115。
根據本發明之一實施例，電壓偵測電路800係對應第1圖之第一電壓偵測電路104，用以偵測燃料電池101之燃料電池電壓VFC而產生第一電壓偵測信號VS1。根據本發明之另一實施例，電壓偵測電路800係對應第1圖之第二電壓偵測電路110，用以偵測可充電電池106之電池電壓VBAT而產生第二電壓偵測信號VS2。
第9圖係顯示根據本發明之一實施例所述之溫度偵測電路之電路圖。如第9圖所示，溫度偵測電路900包括熱敏電阻RT、第三電阻RC以及第一電容C1。熱敏電阻RT係耦接於供應電壓VDD以及第二節點N2之間，第三電阻RC係耦接於第二節點N2以及接地端之間，電容係耦接於第二節點N2以及接地端之間。根據本發明之一實施例，熱敏電阻RT具有負溫度係數。換句話說，熱敏電阻RT之電阻值係隨著溫度上升而降低。
根據本發明之一實施例，由於熱敏電阻RT之電阻值係隨著溫度而改變，加上供應電壓VDD係由熱敏電阻RT以及第三電阻RC分壓而於第二節點N2產生溫度偵測信號TS，因此控制器
115根據溫度偵測信號TS之電壓值，可推得環境溫度。根據本發明之一實施例，供應電壓VDD係由第1圖之周邊電源116所提供。根據本發明之一實施例，第一電容C1係用以穩定溫度偵測信號TS之電壓值。
根據本發明之一實施例，溫度偵測電路900係對應第1圖之第一溫度偵測電路105，用以偵測第一開關103之溫度而產生第一溫度偵測信號TS1。根據本發明之另一實施例，溫度偵測電路900係對應第1圖之第二溫度偵測電路111，用以偵測可充電電池106之溫度。
第10圖係顯示根據本發明之一實施例所述之保護方法之流程圖。以下針對第10圖保護方法1000之敘述，將搭配第1圖之電子裝置100，以利詳細說明。
首先，控制器115根據第一電壓偵測電路104所產生之第一電壓偵測信號VS1，判斷燃料電池電壓VFC是否超過第一臨限電壓(步驟S1010)。當判斷燃料電池電壓VFC超過第一臨限電壓時，控制器115利用驅動信號SC，控制驅動電路114將第一開關103不導通(步驟S1020)。
根據本發明之一實施例，當燃料電池電壓VFC超過第一臨限電壓時，過高的燃料電池電壓VFC可能會燒毀負載LOAD及/或可充電電池106，為了保護負載LOAD以及可充電電池106，必須先利用第一開關103將燃料電池101斷開。
回到步驟S1010，當判斷燃料電池電壓VFC並未超過第一臨限電壓時，控制器115根據第二電壓偵測電路110所產生之第二電壓偵測信號VS2，判斷可充電電池106之電池電壓VBAT是否超過第二臨限電壓(步驟S1030)。當判斷電池電壓VBAT超過第二臨限電壓時，控制器115利用驅動信號SC，控制驅動電路114將第二開關108不導通(步驟S1040)。
根據本發明之一實施例，當電池電壓VBAT超過第二臨限電壓時，代表可充電電池106係已充滿電或接近充滿電，為了保護可充電電池106，不導通第二開關108以避免可充電電池106過度充電。然而，可充電電池106依然可透過第二開關108之外加二極體(如第3圖所示之D2)，對負載LOAD進行供電。
回到步驟S1030，當判斷電池電壓VBAT並未超過第二臨限電壓時，控制器115根據第二溫度偵測電路111所產生之第二溫度偵測信號TS2，判斷可充電電池106之溫度是否超過第一溫度(步驟S1050)。當判斷可充電電池106之溫度超過第一溫度時，控制器115利用驅動信號SC，控制驅動電路114將第一開關106、第二開關108以及繼電器112皆不導通(步驟S1060)。
當判斷可充電電池106之溫度並未超過第一溫度時，控制器115根據第一溫度偵測電路105所產生之第一溫度偵測信號TS1，判斷第一開關103之溫度是否超過第二溫度(步驟S1070)。當判斷第一開關103之溫度超過第二溫度時，控制器115
利用驅動信號SC，控制驅動電路114將第一開關106、第二開關108以及繼電器112皆不導通(步驟S1060)。
當判斷第一開關103之溫度並未超過第二溫度時，控制器115結束保護方法1000。根據本發明之一些實施例，控制器115每格既定時間就會執行保護方法1000，以確保電子裝置100運作正常。
根據本發明之一實施例，由於高溫會降低可充電電池106之壽命，並且高溫往往來自於可充電電池106運作不正常，因此當可充電電池106之溫度超過第一溫度時，停止對負載LOAD供電以免發生危險。根據本發明之一實施例，由於第一開關106係為電子裝置100中運作較長時間的元件，為了保護第一開關106，因此須持續監控第一開關106之溫度，以防第一開關106因高溫而損壞。
第11圖係顯示根據本發明之一實施例所述之電量計算方法之流程圖。以下針對第11圖電量計算方法1100之敘述，將搭配第1圖之電子裝置100，以利詳細說明。
首先，當電子裝置100完成初始化且繼電器112係為不導通時，控制器115根據第二電壓偵測電路110所產生之第二電壓偵測信號VS2，判斷可充電電池106之電池電壓VBAT，並且根據電池電壓VBAT，利用開路電壓法計算可充電電池106之電量狀態(步驟S1110)。
根據本發明之一實施例，控制器115存有一個查找
表。當控制器115在繼電器112不導通時取得電池電壓VBAT後，控制器115於查找表查找對應電池電壓VBAT之電量，並以查找到的電量做為可充電電池106之電量，其中不同種類的可充電電池106對應不同的查找表。
接著，控制器115根據第一電流偵測器109所產生之第一電流偵測信號IS1，判斷電池電流IBAT是否超過第一電流(步驟S1120)。根據本發明之一實施例，電池電流IBAT係代表可充電電池106之充電電流以及放電電流。
當判斷電池電流IBAT不超過第一電流且持續超過第一既定時間(步驟S1130)時，控制器115再次利用開路電壓法計算可充電電池106之電量狀態(步驟S1110)。根據本發明之一些實施例，第一既定時間係為30分鐘。
當判斷電池電流IBAT係超過第一電流時，控制器115利用安培小時法計算電量(步驟S1140)。根據本發明之一些實施例，第一電流係為1安培。根據本發明之一些實施例，控制器115係利用開路電壓法取得可充電電池106之電量的初始值，當電池電流IBAT足夠大(即，可充電電池106之充電電流及/或放電電流超過第一電流)時，控制器115利用開路電壓法取得之電量的初始值，利用安培小時法計算可充電電池106經充電及/或放電後之電量。
第12圖係顯示根據本發明之一實施例所述之供電
方法之流程圖。以下針對第12圖電量計算方法1200之敘述，將搭配第1圖之電子裝置100，以利詳細說明。
首先，控制器115根據第一電壓偵測信號VS1以及第二電壓偵測信號VS2，判斷燃料電池101之燃料電池電壓VFC以及可充電電池106之電池電壓VBAT之間的關係(步驟S1210)。
當判斷燃料電池電壓VFC大於電池電壓VBAT時，控制器115更判斷電池電壓VBAT是否超過臨限電壓(步驟S1220)。當步驟S1220判斷為是時，驅動電路114導通第一開關103以及繼電器112且不導通第二開關108(步驟S1230)，其中步驟S1230係如第5圖所示。
當步驟S1220判斷為否時，控制器115更根據第一電流偵測信號IS1判斷可充電電池106之充電電流是否超過最大充電電流IP(步驟S1240)。當步驟S1240判斷為是時，驅動電路114導通第一開關103以及繼電器112且週期性的導通第二開關108(步驟S1250)，其中步驟S1250係如第4圖所示。根據本發明之一實施例，第二開關108之導通週期比DON係如公式2所示。
回到步驟S1240，當步驟S1240判斷為否時，驅動電路114導通第一開關103、第二開關108以及繼電器112(步驟S1260)。回到步驟S1210，當判斷燃料電池電壓VFC係小於電池電壓VBAT時，驅動電路114導通繼電器112且不導通第一開關103以及第二開關108(步驟S1270)，其中步驟S1270係如第6圖所示。
回到步驟S1210，當控制器115判斷燃料電池電壓VFC等於電池電壓VBAT時，驅動電路114導通第一開關103以及繼電器112且不導通第二開關108(步驟S1230)。在步驟S1230、步驟S1250、步驟S1260以及步驟S1270之後，控制器115延遲既定時間(步驟S1280)後再次回到步驟S1210，以持續針對燃料電池電壓VFC以及電池電壓VBAT而對應控制第一開關103、第二開關108以及繼電器112。
本發明在此提出電子裝置及其保護方法、電量計算方法以及供電方法，透過燃料電池搭配可充電電池以彌補燃料電池之電流驅動能力不足且提升可充電電池之續航力。此外，保護方法、電量計算方法以及供電方法有助於確保燃料電池結合可充電電池能夠正常運作，並且提供使用者有關可充電電池之可靠的電量資訊，以提升使用者體驗。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露一些實施例之揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本
揭露一些實施例使用。因此，本揭露之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。
100:電子裝置
101:燃料電池
102:單向導通元件
103:第一開關
104:第一電壓偵測電路
105:第一溫度偵測電路
106:可充電電池
107:保護電路
108:第二開關
109:第一電流偵測器
110:第二電壓偵測電路
111:第二溫度偵測電路
112:繼電器
113:第二電流偵測器
114:驅動電路
115:控制器
116:周邊電源
VFC:燃料電池電壓
VBAT:電池電壓
N1:第一節點
SW1:第一控制信號
SW2:第二控制信號
SW3:第三控制信號
VS1:第一電壓偵測信號
VS2:第二電壓偵測信號
SC:驅動信號
IS1:第一電流偵測信號
IS2:第二電流偵測信號
TS1:第一溫度偵測信號
TS2:第二溫度偵測信號
IBAT:電池電流
IL:負載電流
LOAD:負載
Claims (20)
- 一種電子裝置，包括：一燃料電池，提供一燃料電池電壓；一第一開關，根據一第一控制信號，將上述燃料電池電壓提供至一第一節點；一可充電電池，提供一電池電壓；一第二開關，耦接至上述第一節點，其中上述第二開關根據一第二控制信號，利用上述燃料電池電壓對上述可充電電池充電；一繼電器，根據一第三控制信號，將上述第一節點之電壓提供至一負載；一驅動電路，根據一驅動信號，產生上述第一控制信號、上述第二控制信號以及上述第三控制信號；以及一控制器，根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓，而產生上述驅動信號。
- 如請求項1之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓不大於一第一臨限電壓時，上述驅動電路導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
- 如請求項1之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓大於一第二臨限電壓時，上述驅動電路導通上述第一開關以及上述繼電器， 且不導通上述第二開關。
- 如請求項1之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述燃料電池電壓小於上述電池電壓時，上述驅動電路導通上述繼電器且不導通上述第一開關以及上述第二開關，其中上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電。
- 如請求項1之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述燃料電池電壓等於上述電池電壓時，上述驅動電路導通上述第一開關以及上述繼電器且不導通上述第二開關，其中上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電，上述燃料電池透過上述第一開關對上述負載進行供電。
- 如請求項1之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述燃料電池電壓超過一第一臨限電壓時，上述驅動電路不導通上述第一開關。
- 如請求項1之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述電池電壓超過一第二臨限電壓時，上述驅動電路不導通上述第二開關。
- 如請求項1之電子裝置，更包括：一第一電壓偵測電路，用以偵測上述燃料電池電壓而產生一第一電壓偵測信號；以及一第二電壓偵測電路，用以偵測上述電池電壓而產生一第二電壓偵測信號，其中上述控制器根據上述第一電壓偵測信號以及上述 第二電壓偵測信號，判斷上述燃料電池電壓以及上述電池電壓。
- 如請求項1之電子裝置，更包括：一第一電流偵測器，耦接於上述第二開關以及上述可充電電池之間，用以偵測上述可充電電池之一電池電流而產生一第一電流偵測信號。
- 如請求項9之電子裝置，其中當上述控制器判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且根據上述第一電流偵測信號判斷上述可充電電池之充電電流超過一最大充電電流時，上述驅動電路將上述第一開關以及上述繼電器導通且週期性導通上述第二開關。
- 如請求項9之電子裝置，其中當判斷上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且根據上述第一電流偵測信號判斷上述可充電電池之充電電流不超過一最大充電電流時，上述驅動電路導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
- 如請求項9之電子裝置，其中當上述繼電器不導通時，上述控制器利用一開路電壓法計算上述可充電電池之電量，其中上述控制器更根據上述第一電流偵測信號判斷上述可充電電池之上述電池電流是否超過一第一電流。
- 如請求項12之電子裝置，其中當上述可充電電池之上述電池電流超過上述第一電流時，上述控制器利用一安培小時法計算上述可充電電池之電量，其中當上述可充電電池之上述 電池電流不超過上述第一電流時，上述控制器於一第一既定時間後再次利用上述開路電壓法計算上述可充電電池之電量。
- 一種供電方法，適用於一電子裝置，其中上述電子裝置包括一燃料電池、一第一開關、一第二開關、一可充電電池以及一繼電器，其中上述第一開關耦接至上述燃料電池以及一第一節點之間，上述第二開關耦接於上述第一節點以及上述可充電電池之間，上述繼電器耦接於上述第一節點以及一負載之間，其中上述供電方法包括：偵測上述燃料電池之一燃料電池電壓；偵測上述可充電電池之一電池電壓；以及根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓，控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通。
- 如請求項14之供電方法，其中根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括：當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓不大於一第一臨限電壓時，導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
- 如請求項14之供電方法，其中根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括： 當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述電池電壓大於一第二臨限電壓時，導通上述第一開關以及上述繼電器，且不導通上述第二開關。
- 如請求項14之供電方法，其中根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括：當上述燃料電池電壓小於上述電池電壓時，導通上述繼電器且不導通上述第一開關以及上述第二開關；其中上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電。
- 如請求項14之供電方法，其中根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括：當上述燃料電池電壓等於上述電池電壓時，導通上述第一開關以及上述繼電器且不導通上述第二開關；其中上述可充電電池透過上述第二開關之一外加二極體而對上述負載進行供電，上述燃料電池透過上述第一開關對上述負載進行供電。
- 如請求項14之供電方法，更包括：偵測上述可充電電池之一充電電流；其中根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開 關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括：當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述充電電流超過一最大充電電流時，導通上述第一開關以及上述繼電器且週期性導通上述第二開關。
- 如請求項19之供電方法，其中根據上述燃料電池電壓以及上述電池電壓控制上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器導通以及不導通之步驟更包括：當上述燃料電池電壓大於上述電池電壓且上述充電電流不超過上述最大充電電流時，導通上述第一開關、上述第二開關以及上述繼電器。
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Applications Claiming Priority (1)
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| TW111120231A TWI822063B (zh) | 2022-05-31 | 2022-05-31 | 燃料電池系統對二次電池充放電機制 |
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| TW (1) | TWI822063B (zh) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105553070A (zh) * | 2016-02-19 | 2016-05-04 | 成都雅骏新能源汽车科技股份有限公司 | 一种混合动力电池系统 |
| TWM638128U (zh) * | 2022-05-31 | 2023-03-01 | 中興電工機械股份有限公司 | 電子裝置 |
-
2022
- 2022-05-31 TW TW111120231A patent/TWI822063B/zh active
- 2022-10-28 US US17/976,700 patent/US20240006636A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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| CN105553070A (zh) * | 2016-02-19 | 2016-05-04 | 成都雅骏新能源汽车科技股份有限公司 | 一种混合动力电池系统 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202349777A (zh) | 2023-12-16 |
| US20240006636A1 (en) | 2024-01-04 |
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