TWI824730B - 具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統 - Google Patents

Abstract

一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統包括馬達、電源整合電路以及電池。電源整合電路包括變頻器與充電器。變頻器具有多相橋臂，各相橋臂包括上開關與下開關，且各相橋臂耦接馬達的各相繞組。充電器包括至少開關、電感或二極體組成的充電單元與共用變頻器的至少一相橋臂的上開關與下開關。電池耦接電源整合電路。電源整合電路接收直流電源裝置提供的直流電源，且充電器轉換直流電源對電池充電。

Description

具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統

本發明係有關一種電源整合系統，尤指一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統。

現行輕型電動載具系統包含馬達驅動器和充電器，其中充電器又分車載式(on-board)和非車載式(off-board)。由於充電器因電池規格不同，各家廠商都會推出專用的非車載式(off-board)充電器供使用者使用，其缺點就是不同載具無法共用充電器，造成攜帶不便。

為此，如何設計出一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，解決現有技術所存在的問題與技術瓶頸，乃為本案發明人所研究的重要課題。

本發明之一目的在於提供一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統包括馬達、電源整合電路以及電池。電源整合電路包括變頻器與充電器。變頻器具有多相橋臂，各相橋臂包括上開關與下開關，且各相橋臂耦接馬達的各相繞組。充電器包括至少開關、電感或二極體組成的充電單元與共用變頻器的至少一相橋臂的上開關與下開關。電池耦接電源整合電路。電源整合電路接收直流電源裝置提供的直流電源，且充電器轉換直流電源對電池充電。

藉由所提出的具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，實現馬達三相驅動器的功率開關共用於充電器之架構，可減少外加元件數，藉此達到縮小體積以及實現高效率之優點。

本發明之另一目的在於提供一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，解決現有技術之問題。

為達成前揭目的，本發明所提出的具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統包括馬達、電源整合電路以及電池。電源整合電路包括變頻器與充電器。變頻器具有多相橋臂，各相橋臂包括上開關與下開關，且各相橋臂耦接馬達的各相繞組。充電器包括至少開關、電感或二極體組成的充電單元與共用變頻器的至少一相橋臂的上開關與下開關。電池耦接電源整合電路。充電單元包括儲能電感與次迴路。儲能電感耦接共用的下開關。次迴路耦接儲能電感。電源整合電路接收直流電源裝置提供的直流電源，且充電器轉換直流電源對電池充電；以及電池透過變頻器提供驅動馬達所需的電力。

藉由所提出的具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，實現馬達三相驅動器的功率開關共用於充電器之架構，可減少外加元件數，藉此達到縮小體積以及實現高效率之優點。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

10:馬達

20:電源整合電路

30:電池

40:直流電源裝置

50:受電裝置

21:變頻器

22:充電器

22A,22B,22C:充電單元

221,222,223:次迴路

Q₁,Q₃,Q₅:上開關

Q₂,Q₄,Q₆:下開關

Q₇:第一開關

Q₈:第二開關

L₄:儲能電感

D₁:第一二極體

圖1：係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統配合直流電源裝置與受電裝置使用之方塊圖。

圖2：係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統配合直流電源裝置使用之方塊圖。

圖3：係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第一實施例的方塊圖。

圖4：係為圖3之充電器之第一實施例的電路方塊圖。

圖5：係為圖3之充電器之第二實施例的電路方塊圖。

圖6：係為圖3之充電器之第三實施例的電路方塊圖。

圖7：係為圖3之充電器之第四實施例的電路方塊圖。

圖8：係為圖3之充電器之第五實施例的電路方塊圖。

圖9：係為圖3之充電器之第六實施例的電路方塊圖。

圖10：係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第二實施例的方塊圖。

圖11：係為圖10之充電器之第一實施例的電路方塊圖。

圖12：係為圖10之充電器之第二實施例的電路方塊圖。

圖13：係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第三實施例之充電器之第一實施例的電路方塊圖。

圖14：係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第三實施例之充電器之第二實施例的電路方塊圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

由於Type C傳輸線的通用性與USB-PD充電器的便利性，因此本發明提出整合型(共用元件)雙向充電器之架構如圖1，結合傳統馬達三相驅動 器與充電器。該系統可直接透過Type C傳輸線連接外部USB-PD進行充電。除了充電功能外，亦可將電池能量透過Type C傳輸線提供給外部設備(或稱受電裝置)，例如但不限制為輕型電動載具(例如電動機車、電動自行車、電動腳踏車、電動輪椅、電動滑板車...等)使用。故此，實現馬達三相驅動器的功率開關共用於充電器之架構，可減少外加元件數，藉此達到縮小體積以及實現高效率之優點。

請參見圖1所示，其係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統配合直流電源裝置與受電裝置使用之方塊圖。該具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統(以下簡稱電源整合系統)包括馬達10、電源整合電路20以及電池30。電源整合電路20包括變頻器21與充電器22。變頻器21具有多相(例如三相)橋臂，各相橋臂包括上開關與下開關，且各相橋臂對應耦接馬達的各相繞組。充電器22包括至少開關、電感或二極體組成的充電單元與共用變頻器的至少一相橋臂的上開關與下開關。換言之，電源整合電路20為變頻器21與充電器22的共用元件架構。具體地，所述共用元件的部分為至少一相橋臂的上開關與下開關，容後詳述。電池30耦接電源整合電路20。

圖1所示的電源整合系統係為雙向架構，因此電源整合電路20接收直流電源裝置40提供的直流電源，且電源整合電路20的充電器22轉換直流電源對電池30充電，因此直流電源可對電池30進行充電。在本實施例中，直流電源裝置40係為，但不限制為USB-PD。以輕型電動載具-電動腳踏車為例，馬達10、電源整合電路20以及電池30設置於電動腳踏車的車體內部，並且直流電源裝置40提供的直流電源為外部的USB-PD直流電源。因此，當電動腳踏車插接USB-PD直流電源進行充電時，電源整合電路20的充電器22轉換USB-PD直流電源，然後對設置於車體內部的電池30充電。

此外，電池30透過充電器22提供受電裝置50所需的電力。承前所述，受電裝置50係為，但不限制為可攜式行動裝置(例如手機、平板電腦、筆 記型電腦...等)。當使用者在戶外騎乘電動腳踏車，且同時將手機(即受電裝置50)插接於電源整合電路20的充電器22進行充電時，電池30透過充電器22提供手機所需的電力對其進行充電。

此外，電池30透過變頻器21提供驅動馬達10所需的電力。當使用者在戶外騎乘電動腳踏車，驅動馬達10所需的電力則透過電池30所供電。

此外，受電裝置50透過充電器22對電池30充電。在電動腳踏車非為騎乘的狀態，且無直流電源裝置40提供的直流電源(USB-PD直流電源)對電池30充電時，可透過受電裝置50(手機)提供其電力對電池30進行充電，以提供電動腳踏車短時間的騎乘。舉例來說，當使用者在戶外騎乘電動腳踏車時，發生電池30無法提供電動腳踏車所需的電力時，則可透過受電裝置50提供其電力對電池30進行充電，以提供電動腳踏車短時間的騎乘至就近具有直流電源裝置40的場域進行充分地充電。

綜上說明，圖1所示的電源整合系統提供雙向的電源路徑，包括直流電源裝置40對電池30進行充電或受電裝置50對電池30充電，以及電池30對受電裝置50進行供電或電池30對馬達10進行供電。

請參見圖2所示，其係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統配合直流電源裝置使用之方塊圖。圖2所示的第二實施例與圖1所示的第一實施例最大的差異在於前者不具備受電裝置50。換言之，第二實施例的電源整合系統係為應用(操作)於不具備受電裝置50的狀態下，因此，圖2所示的電源整合系統提供單向的電源路徑，包括直流電源裝置40對電池30進行充電，以及電池30對馬達10進行供電。其他與圖1所示的第一實施例相同的操作內容，可參見前揭說明，在此不再多加贅述。

以下，將針對圖1所示的第一實施例的電源整合電路不同之實施例加以說明。

請參見圖3所示，其係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第一實施例的方塊圖。充電器22的充電單元22A包括儲能電感L₄與次迴路221。儲能電感L₄耦接共用的上開關Q₅與下開關Q₆的共接端。次迴路221耦接儲能電感L₄，且與共用的上開關Q₅與該下開關Q₆形成一H橋臂。

請參見圖4所示，其係為圖3之充電器之第一實施例的電路方塊圖。充電單元22A的次迴路221包括第一開關Q₇與第二開關Q₈。儲能電感L₄的第一端耦接上開關Q₅與下開關Q₆的共接端，儲能電感L₄的第二端耦接第一開關Q₇與第二開關Q₈的共接端。

請參見圖5所示，其係為圖3之充電器之第二實施例的電路方塊圖。充電單元22A的次迴路221包括第一開關Q₇與第一二極體D₁。儲能電感L₄的第一端耦接上開關Q₅與下開關Q₆的共接端，儲能電感L₄的第二端耦接第一開關Q₇與第一二極體D₁的共接端。

如圖4與圖5所示的電路架構(即H橋臂架構)中，電池30的電壓高於參考電壓值時，充電單元22A提供升壓對電池30充電。電池30的電壓低於參考電壓值時，充電單元22A提供降壓對電池30充電。此外，電池30透過充電器22提供受電裝置50所需的電力，或者受電裝置50透過充電器22對電池充電30。此外，根據受電裝置50所需的電力，充電單元22A提供升壓或降壓，使電池30對受電裝置50放電。

除了H橋臂架構外，本發明亦提供半橋臂架構，對應地，充電單元22A包括儲能電感L₄與次迴路221。儲能電感L₄耦接共用的上開關Q₅與下開關Q₆的共接端。次迴路221透過上開關Q₅或下開關Q₆耦接儲能電感L₄，且與共用的上開關Q₅與下開關Q₆形成半橋臂。

請參見圖6所示，其係為係為圖3之充電器之第三實施例的電路方塊圖。充電單元22A的次迴路221包括第一開關Q₇。第一開關Q₇耦接下開關Q₆，且透過下開關Q₆耦接該儲能電感L₄。

請參見圖7所示，其係為係為圖3之充電器之第四實施例的電路方塊圖。充電單元22A的次迴路221包括第一開關Q₇。第一開關Q₇的第一端耦接上開關Q₅與下開關Q₆的共接端，第一開關Q₇的第二端耦接儲能電感L₄。

請參見圖8所示，其係為係為圖3之充電器之第五實施例的電路方塊圖。充電單元22A的次迴路221包括第一二極體D₁。第一二極體D₁耦接下開關Q₆，且透過下開關Q₆耦接儲能電感L₄。

請參見圖9所示，其係為係為圖3之充電器之第六實施例的電路方塊圖。充電單元22A的次迴路221包括第一二極體D₁。第一二極體D₁的第一端耦接上開關Q₅與下開關Q₆的共接端，第一二極體D₁的第二端耦接儲能電感L₄。

如圖6~圖9所示的電路架構(即半橋臂架構)中，根據電池30的電壓，充電單元22A提供升壓或降壓對電池30充電。此外，根據電池30的電壓，充電單元22A提供升壓或降壓，使該電池30對受電裝置50放電。

請參見圖10所示，其係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第二實施例的方塊圖。充電器22的充電單元22B包括複數儲能電感L₄與次迴路222。複數儲能電感L₄分別對應耦接複數相橋臂的上開關Q₅與下開關Q₆的共接端。次迴路222耦接複數儲能電感L₄。

請參見圖11所示，其係為圖10之充電器之第一實施例的電路方塊圖。充電單元22B的次迴路222包括第一開關Q₇與第二開關Q₈。第一開關Q₇與第二開關Q₈的共接端分別耦接複數儲能電感L₄，且與共用的上開關Q₃,Q₅ 與下開關Q₄,Q₆形成H橋臂。如圖11所示，一組儲能電感L₄耦接上開關Q₃與下開關Q₄，另一組儲能電感L₄耦接上開關Q₅與下開關Q₆。

請參見圖12所示，其係為圖10之充電器之第二實施例的電路方塊圖。充電單元22B的次迴路222包括第一開關Q₇與第二開關Q₈。第一開關Q₇與第二開關Q₈，分別透過對應的儲能電感L₄耦接上開關Q₃,Q₅與下開關Q₄,Q₆，且與共用的上開關Q₃,Q₅與下開關Q₄,Q₆形成一半橋臂。如圖12所示，一組儲能電感L₄耦接上開關Q₃與下開關Q₄的共接端，另一組儲能電感L₄耦接上開關Q₅與下開關Q₆的共接端。

請參見圖13與圖14所示，其係為本發明具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統之第三實施例之充電器之第一實施例與第二實施例的電路方塊圖。充電器22的充電單元22C包括儲能電感L₄與次迴路223。儲能電感L₄耦接共用的下開關Q₄,Q₆。次迴路223耦接儲能電感L₄。如圖13所示，充電單元22C的次迴路223包括第一開關Q₇。第一開關Q₇耦接儲能電感L₄與下開關Q₆，且與共用的上開關Q₅與下開關Q₆形成半橋臂。如圖14所示，充電單元22C的次迴路223包括第一開關Q₇與第二開關Q₈。第一開關Q₇與第二開關Q₈分別耦接儲能電感L₄與對應的下開關Q₄,Q₆，且與共用的上開關Q₃,Q₅與下開關Q₄,Q₆形成橋臂電路。如圖13、圖14所示的電路架構中，電池30的電壓高於參考電壓值時，充電單元22C提供升壓對電池30充電；電池30的電壓低於參考電壓值時，充電單元22C提供降壓對電池30充電。此外，電池30透過充電器22提供受電裝置50所需的電力，或者受電裝置50透過充電器22對電池充電30。此外，根據受電裝置50所需的電力，充電單元22C提供升壓或降壓，使電池30對受電裝置50放電。

綜上所述，本發明係具有實現馬達三相驅動器的功率開關共用於充電器之架構，可減少外加元件數，藉此達到縮小體積以及實現高效率之優點。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

10:馬達

20:電源整合電路

30:電池

40:直流電源裝置

50:受電裝置

21:變頻器

22:充電器

Claims (20)

1. 一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，包括：一馬達；一電源整合電路，包括：一變頻器，具有多相橋臂，各相橋臂包括一上開關與一下開關，且各相橋臂耦接該馬達的各相繞組；及一充電器，包括至少一開關、一電感或一二極體組成的一充電單元與共用該變頻器的至少一相橋臂的該上開關與該下開關；及一電池，耦接該電源整合電路；其中，該電源整合電路接收一直流電源裝置提供的一直流電源，且該充電器轉換該直流電源對該電池充電；其中，該電池透過該變頻器提供驅動該馬達所需的電力；其中，該電池透過該充電器提供一受電裝置所需的電力，且根據該受電裝置所需的電力，該充電單元提供升壓或降壓，使該電池對該受電裝置放電。
2. 如請求項1所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，更包括該受電裝置透過該充電器對該電池充電。
3. 如請求項1所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該充電單元包括：一儲能電感，耦接共用的該上開關與該下開關的共接端；及一次迴路，耦接該儲能電感，且與共用的該上開關與該下開關形成一H橋臂。
4. 如請求項3所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括： 一第一開關與一第二開關；其中，該儲能電感的一第一端耦接該上開關與該下開關的共接端，該儲能電感的一第二端耦接該第一開關與該第二開關的共接端。
5. 如請求項3所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括：一第一開關與一第一二極體；其中，該儲能電感的一第一端耦接該上開關與該下開關的共接端，該儲能電感的一第二端耦接該第一開關與該第一二極體的共接端。
6. 如請求項3所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中，該電池的電壓高於一參考電壓值時，該充電單元提供升壓對該電池充電；該電池的電壓低於該參考電壓值時，該充電單元提供降壓對該電池充電。
7. 如請求項1所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該充電單元包括：一儲能電感，耦接共用的該上開關與該下開關的共接端；及一次迴路，透過該上開關或該下開關耦接該儲能電感，且與共用的該上開關與該下開關形成一半橋臂。
8. 如請求項7所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括：一第一開關，耦接該下開關，且透過該下開關耦接該儲能電感。
9. 如請求項7所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括： 一第一開關，該第一開關的一第一端耦接該上開關與該下開關的共接端，該第一開關的一第二端耦接該儲能電感。
10. 如請求項7所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括：一第一二極體，耦接該下開關，且透過該下開關耦接該儲能電感。
11. 如請求項7所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括：一第一二極體，該第一二極體的一第一端耦接該上開關與該下開關的共接端，該第一二極體的一第二端耦接該儲能電感。
12. 如請求項7所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中，根據該電池的電壓，該充電單元提供升壓或降壓對該電池充電。
13. 如請求項1所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該充電單元包括：複數儲能電感，分別對應耦接複數相橋臂的該上開關與該下開關的共接端；及一次迴路，耦接該複數儲能電感。
14. 如請求項13所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括：一第一開關與一第二開關，該第一開關與該第二開關的共接端分別耦接該複數儲能電感，且與共用的該上開關與該下開關形成一H橋臂。
15. 如請求項13所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括： 一第一開關與一第二開關，分別透過對應的該儲能電感耦接該上開關與該下開關，且與共用的該上開關與該下開關形成一半橋臂。
16. 一種具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，包括：一馬達；一電源整合電路，包括：一變頻器，具有多相橋臂，各相橋臂包括一上開關與一下開關，且各相橋臂耦接該馬達的各相繞組；及一充電器，包括至少一開關、一電感或一二極體組成的一充電單元與共用該變頻器的至少一相橋臂的該上開關與該下開關；及一電池，耦接該電源整合電路；其中該充電單元包括：一儲能電感，耦接共用的該下開關；及一次迴路，耦接該儲能電感；其中，該電源整合電路接收一直流電源裝置提供的一直流電源，且該充電器轉換該直流電源對該電池充電；及該電池透過該變頻器提供驅動該馬達所需的電力。
17. 如請求項16所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括：一第一開關，耦接該儲能電感與該下開關，且與共用的該上開關與該下開關形成一半橋臂。
18. 如請求項16所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中該次迴路包括： 一第一開關與一第二開關，分別耦接該儲能電感與對應的該下開關，且與共用的該上開關與該下開關形成一橋臂電路。
19. 如請求項16所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中，該電池的電壓高於一參考電壓值時，該充電單元提供升壓對該電池充電；該電池的電壓低於該參考電壓值時，該充電單元提供降壓對該電池充電。
20. 如請求項16所述之具馬達驅動與電池充放電之電源整合系統，其中，該電池透過該充電器提供一受電裝置所需的電力，或者該受電裝置透過該充電器對該電池充電；及根據該受電裝置所需的電力，該充電單元提供升壓或降壓，使該電池對該受電裝置放電。

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