TWI828484B - 具有雙向充/放電之usb c供電(pd)轉換器的自行車變速器電池充電盒 - Google Patents

具有雙向充/放電之usb c供電(pd)轉換器的自行車變速器電池充電盒 Download PDF

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Abstract

一種具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，包括：一充電盒體；一防水防塵蓋可旋轉地樞接該充電盒體；一電路板，設置於該充電盒體內部的容置空間中，透過USB C接口雙向充/放電；一可充電電池組設置於該充電盒體內部的容置空間中，並電性連接該電路板；以及一單向充電介面，電性連接該電路板。

Description

具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速 器電池充電盒
本發明涉及變速器電池充電的相關技術，特別是一種具有雙向充/放電之USB C供電(power delivery,PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒。
現有的自行車中，有使用變速裝置、懸架或顯示裝置等電氣控制的安裝件。例如，用於自行車的電子變速器需要具備電池以供應其作動所需的電力。
在這樣使用電氣安裝件的自行車上，必須有向顯示裝置、控制裝置或變速裝置提供電力的電源。通常，作為這種傳統的自行車用電源主要是使用電池，利用來自電池的電力使上述電氣控制的安裝件動作。
通常上述電池為單一電池模組，體積龐大而且電力耗盡時需要更換電池、電池更換麻煩而且電氣控制安裝件無法動作。
為此，提出一種用於自行車的電子變速器的可拆卸式電池盒，獨立上述電池模組，便於電子變速器的電池電力耗盡時能利用上述電電池盒對其充電，可以極大地改善上述使用單一電池組的缺失。
本發明的目的在提供一種具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，包括：一充電盒體；一防水防塵蓋可旋轉地樞接該充電盒體；一電路板，設置於該充電盒體內部的容置空間中，透過USB C接口雙向充/放電；一可充電電池組設置於該充電盒體內部的容置空間中，並電性連接該電路板；以及一單向充電介面，電性連接該電路板。
以一實施例而言，上述具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，更包含一把手固定束環，耦接該充電盒體，用於將該充電盒體固定於一自行車的把手上。
以一實施例而言，上述之單向充電介面係設置於該充電盒體外部的一凹槽之底部，其中該凹槽作為充電座以容置變速器電池。
以一實施例而言，上述之單向充電介面為複數個接腳。
以一實施例而言，上述之電路板被配置於該變速器電池與該可充電電池組之間提供單向電力傳輸路徑，並透過電性耦合於該單向充電介面的一供電控制器與該變速器電池溝通，由該可充電電池組提供單向供電功能。
以一實施例而言，上述之電路板係透過一雙向充放電接口用於耦接一外部設備。
以一實施例而言，上述之雙向充放電接口為USB C接口。
以一實施例而言，上述之電路板被配置於該外部設備與該可充電電池組之間提供雙向電力傳輸路徑，並透過電性耦合於該USB C接口的一供電控制器與該外部設備溝通，(i)當該外部設備為供電設備時，該外部設備的電力由該供電控制器控制，將該電力經由一充電路徑對該可充電電池組充電；(ii)當該外部設備要求給電時，該可充電電池組的電力由該供電控制器控制，將該電力經由一放電路徑對該外部設備供電。
以一實施例而言，上述之充電路徑包括由該供電控制器所控制的複數個開關以及一第一降壓/升壓轉換器將電力由該外部設備傳輸至該可充電電池組；該放電路徑包括由該供電控制器所控制的複數個開關以及該第一降壓/升壓轉換器將電力由該可充電電池組傳輸至該外部設備。
以一實施例而言，上述具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，更包含一照明LED燈設置於該充電盒體前端，電性連接該電路板，由該充電電池提供該照明LED所需電力。
10:變速器電池充電盒
101:充電盒體
103:防水防塵蓋
105:把手固定束環
107:鋰電池組
109:印刷電路板
110:LED燈
110a:LED透鏡
111:凹槽
113:變速器電池
115:Pogo pin接腳
117:卡扣
119:USB C輸入/出端口
120:自行車把手
121:USB C適配器
20:變速器電池充電盒
203:防水防塵蓋
201:充電盒體
210:LED燈
210a:LED透鏡
211:凹槽
213:變速器電池
215:Pogo pin接腳
217:卡扣
231:電池充電指示燈
241:LED燈模式開關
235:電源觸發開關
205:把手固定束環
205a:凸塊
30:變速器電池充電盒的內部電路方塊圖
301:變速器電池充電盒的轉換器
307:可充電電池組
315:充電座端子(自行車變速器電池組接口)
313:變速器電池
303:USB C端口(port)
331:供電控制器(PD Controller)
333:功率觸發切換控制單元(Power Trigger SW Control)
335:功率觸發開關(PWR_Spark Switch)
337:第一降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 1)
339:第二降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 2)
343:控制模組(control module)
341:照明模式開關(Lighting Mode Switch)
[圖1A]顯示根據本發明的一個實施例所提出，自行車可攜式變速器電池充電盒之結構的前剖面視圖。
[圖1B]顯示根據本發明的一個實施例所提出，自行車可攜式變速器電池充電盒之結構的側剖面視圖。
[圖1C]顯示根據本發明的一個實施例所提出，自行車可攜式變速器電池充電盒之結構的後視圖。
[圖2A]顯示根據本發明的一個實施例所提出，自行車可攜式變速器電池充電盒於防水防塵蓋開啟時的立體圖。
[圖2B]顯示根據本發明的一個實施例所提出，自行車可攜式變速器電池充電盒於防水防塵蓋闔上時的立體圖。
[圖3]顯示根據本發明的一個實施例所提出，自行車可攜式變速器電池充電盒的內部電路方塊圖。
此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可藉由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之功效性與其優點。且本發明亦可藉由其他具體實施例加以運用及實施，本說明書所闡述之各項細節亦可基於不同需求而應用，且在不悖離本發明之精神下進行各種不同的修飾或變更。
本發明涉及一個具有USB C連接埠(端口)的自行車(Bike)變速器電池充電盒，該電池充電盒含有內建電池組模組以及內建的雙向充/放電USB C PD(power delivery)轉換器，可以透過USB C PD轉換器將外部的交流電源適配器所輸送的電力耦合至電池組，或是將電池組的電力透過USB C PD轉換器反向提供給外部的設備使用。一般而言，上述自行車變速器電池充電盒為可攜式，便於對自行車變速器電池充電。
自行車可攜式變速器電池充電盒之內建USB C PD轉換器既是工具又是充電器，旨在利用USB C PD 3.0的新供電規範。上述新供電規範具有包括能夠提供高達60W的雙向功率之功能。因為內建之PD轉換器是雙向的，它具有充電器的屬性。例如，作為一個充電轉換器時可接受來自USB Type C端口高達 60W的功率電源設備，結合傳統充電器接口、標準和最佳實踐。例如，作為一種可攜式轉換器，可以對內建的可充電電池組充電或進行放電，並通過其Type C端口為各種設備供電，所供電力最高可達60W，可提供功率的大小視內建電池組的功率(單位：Whr)而定。
自行車可攜式變速器電池充電盒內建的轉換器利用供電(Power Delivery，PD)或USB PD標準。USB C PD標準允許電子設備透過其USB C型端口(支援雙向功率流)以不同的電壓和電流配置發送或接收高達60W的功率。這些產品允許5、9、12、15和20V的離散電壓和高達3A的電流。PD標準使用PD合約(contract)來建立PD設備(在這種情況下為轉換器)和相連接設備之間的關係。這合約是透過Type C電纜連接的兩個PD設備之間的協議(agreement)。有很多細微差別，但對每個設備的基本限制是：(1).源/供電(source)須建立和維持商定的電壓在+/-4%範圍內，同時供電一直到商定的最大電流和(2).接收器(sink)可以將任何數量的電流從0A一直拉到商定的最大電流。電流不能超過最大值持續大於幾毫秒。
PD充電器/提供者/供電是PD合約(PD contract)中同意向其合作夥伴設備供電的設備。PD客戶/負載/接收器是PD合約中的設備同意接受來自其合作夥伴設備的電力的設備。一個PD雙角色端口(dual role port,DRP)設備是一種既能夠是源(source)也是接收器(sink)的設備，具體取決於所連接的對象及其內部狀態。其中，轉換器是雙角色端口(dual role port,DRP)設備。
自行車可攜式變速器電池充電盒含USB C雙向充/放電轉換器可提供USB C源流的交付，僅受可用電池盒的限制，可以選擇更長的運行時間或更短的運行時間之電池組自定義用戶需求，亦可以選擇更大的或基於人體工程學偏好的更小的電池組尺寸。
圖1A-1C顯示本發明所提之自行車可攜式變速器電池充電盒10的結構，其包含一充電盒體101、一防水防塵蓋103可旋轉地樞接該充電盒體101以及一把手固定束環105用於將充電盒體101固定於自行車把手120上。上述充電盒體101之內部具有容置空間用於放置鋰電池組107以及包含USB C雙向充/放電轉換器電路的印刷電路板109，鋰電池組107電性連接該印刷電路板109；充電盒體101的前端設置有LED燈110以及LED透鏡110a，LED燈110透過印刷電路板109與上述鋰電池組107電性連接，且LED燈110設置於LED透鏡110a內用於聚焦光線；充電盒體101的上表面具有一凹槽111作為容置變速器電池113的空間，其中凹槽底部具有充電用的複數個Pogo pin接腳115作為變速器電池113的充電連接介面，凹槽前端設置一卡扣117用於卡接上述變速器電池113，其中Pogo pin接腳115一端電性連接至上述印刷電路板109，另一端穿過該充電盒體101與該變速器電池113電性連接；充電盒體101的後端具有一USB C輸入/出端口119電性連接上述印刷電路板109，USB C輸入/出端口119可以透過一外部連接的USB C適配器121對充電盒體101內部的鋰電池組107充電或是將鋰電池組107的電力提供給外部的電子設備使用。
圖2A-2B為自行車可攜式變速器電池充電盒20的立體圖，其中圖2A為防水防塵蓋203掀開的示意圖，圖式中顯示充電盒體201的上表面以及前端的設計細節。充電盒體201的前端設置LED燈210以及LED透鏡210a，且LED燈210設置於LED透鏡110a內用於聚焦光線；充電盒體201的上表面具有一凹槽211作為容置變速器電池213的空間，其中凹槽211底部具有充電用的複數個Pogo pin接腳215作為變速器電池213的充電連接介面，凹槽211前端設置一卡扣217用於卡接上述變速器電池213；另外在充電盒體201的上表面的外緣處還設置有電池充電指示燈231，用於顯示變速器電池213的充電狀態；在充電盒體201的上表面靠近與防水防塵蓋203的樞接處設置有LED燈模式開關241以及電源觸發開關235；把手固定束環205設置有一具有卡槽的凸塊205a以及束帶，用於與設置於充電盒體201底座的卡鉤(未顯示)榫接；圖2B為自行車可攜式變速器電池充電盒20闔上防水防塵蓋的示意圖，其中圖2B左側圖式顯示充電盒體201長軸平行於自行車把手之位置，顯示出位於其後端的USB C輸入/出端口219，圖2B右側圖式顯示充電盒體201長軸垂直於自行車把手之位置，顯示出位於其前端的LED燈210。圖2B亦顯示把手固定束環205與充電盒體201之間可以相對地轉動。
根據本發明的實施例，外部充電器，例如適配器，對充電座盒內之電池組充電或者是內部電池組對外部供電，均可透過USB C PD 3.0 & QC4.0雙向的轉換器電路將其電力做進出轉換傳送。以下段落將對自行車可攜式變速器電池充電盒內部的電路做詳細說明。
圖3顯示自行車可攜式變速器電池充電盒的內部電路方塊圖30，自行車可攜式變速器電池充電盒的轉換器301與內建可充電電池組307相互結合，做蓄電及對外設備提供電力傳送，充電盒本身就具有行動電源(Power Bank)功能，它連結自行車電子變速器之變速器電池313的充電座端子(自行車變速器電池組接口)315，同時可提供對變速器電池313充電使用。
自行車可攜式變速器電池充電盒的USB C端口(port)303是雙向端口，除了可提供外部電力給內部電池組充電最大60W外；若單獨使用USB C Port 303供電時亦可提供外部設備最大可達60W電力，而自行車可攜式變速器電池充電盒的充電端子(自行車變速器電池組接口)315可提供變速器電池313的充電使用；該變速器電池充電盒及端子能提供相關電子變速器電池313約2W左右的電力。
請參考圖3之電路方塊圖，以下述說自行車可攜式變速器電池充電盒之轉換器301與及AC USB C適配器(未顯示)或被供電設備間的工作原理，為了防止電子變速器電池313長時間放置在充電座上未移除而造成靜電損傷，或者當USB C端口303的CC1/CC2接腳於一段時間沒偵測到USB C端口303外部設備的使用訊息，此時供電控制器(PD Controller)331將自行進入休眠模式(Sleep mode)，它會從Auto_on/off接腳發出一觸發訊號給功率觸發切換控制單元(Power Trigger SW Control)333，讓它發出VBUS_CTL控制訊號使PMOS SW2開關開路，使得所有供電迴路關閉(off)。由於供電控制器(PD Controller)331的IC本身即使進入Sleep mode還會有幾十mA的電力耗損，此電流會損及可充電電池組307的壽 命，故設計能自動斷電功能，只要電源電路一段時間不使用就會自動切斷PMOS SW2供電迴路，讓所有電路斷開讓電流降至1uA以下。若要重新開啟電源，只要將功率觸發開關(PWR_Spark Switch)335按壓一下即可觸發功率觸發切換控制單元(Power Trigger SW control)333控制開關(PMOS SW2)成閉路，使可充電電池組307的電流流過VCC供給供電控制器(PD Controller)331恢復正常作動狀態。
續參考圖3之電路方塊圖，自行車可攜式變速器電池充電盒的USB C Port 303是雙向Port可充電/放電，當連接之外部設備是充電設備，例如USB C適配器，插入USB C Port 303時，透過供電控制器(PD Controller)331的CC1/CC2 Pin與外部設備通訊溝通，當通訊協定宣告需要充電，外部設備變成Source端確定後，適配器的電力則經由VBus1進入PMOS SW1開關，此時PMOS SW1開關被控制成閉路狀態，同時PD PWR Switch開關是被控制成開路狀態，電流無法流出，電力則由PMOS SW1進入ISP_C & ISN_C電流偵測的節點，同時由供電控制器(PD Controller)331檢知後進入第一降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 1)337，供電控制器(PD Controller)331也透過Auto_on/off Pin同時控制讓PMOS SW2開關成閉路，供電控制器(PD Controller)331的VBatt_SNS Pin監測到VBatt的電位，如此供電控制器(PD Controller)331藉由I2C去控制第一降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 1)337該用何種模式，例如涓流/CC/CV，去做充電，經過第一降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 1)337轉換後的電力則進入內建的可充電電池組307開始進行充電作動，充電電力視內建可充電電池組307的大小而定，最大電力可充到60W。在此同時自行車變速器電池組接口(Bike Transmission Battery Port)315可同時提供自行車變速器電池313約2W的充電，充電電力可視變速器電池的大小而定。
續參考圖3之電路方塊圖，自行車可攜式變速器電池充電盒的USB C Port 303是雙向Port，當外界設備插入USB C Port 303是要求給電時，它變成接收器(Sink)端，透過供電控制器(PD Controller)331的CC1 & CC2 Pin與外部受電設備通訊溝通，當通訊宣告是要求給電時，此時可充電電池組307的電力會流入被控制成閉路的PMOS SW2開關，該電池的電力將由閉路的PMOS SW2進入第一降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 1)337，如何作動皆由供電控制器(PD Controller)331收到CC1/CC2 Pin的要電訊息判定後，透過I2C去控制第一降壓/升壓轉換器(Buck/Boost converter 1)337該使用何種模式作動，例如涓流/CC/CV供電，然後Sink電力進入ISN_C & ISP_C電流偵測節點，並且由供電控制器(PD Controller)331進行監控，然後電流再流入PMOS SW1開關與PD PWR Switch開關的節點，此時的供電控制器(PD Controller)331判定是Sink，所以會控制PMOS SW1成開路而且PD PWR Switch成閉路，使得電力能流過PD PWR Switch傳輸到USB C Port 303的VBus1+去提供電力給外部的設備，需求匯出多少電流/電壓均由供電控制器(PD Controller)331與外部設備通訊協議宣告確定後控制。充電電力視內建可充電電池組307的容量大小及外部設備而定，最大電力能提供到60W。在此同時，自行車變速器電池充電接口315可同時提供變速器電池313約2W的電力，該充電電力的瓦數可視變速器電池組的大小需求而定。
續參考圖3之電路方塊圖，自行車可攜式變速器電池充電盒的變速器電池充電接口315僅單向提供變速器電池313的充電，當變速器電池313插入該接口後，供電控制器(PD Controller)331透過CHG_Sens接腳偵測該電池組的電位，然後內建的可充電電池組307的電力經由PMOS 2流過第二降壓/升壓轉換器(Buck/Boost Converter 2)339後再進入ISP_A & ISN_A電流偵測的節點，由供電控制器(PD Controller)331進行充電電流的監控，同時控制模組(control module)343透過UART監測到供電控制器(PD Controller)331的VBatt_SNS所提供的VBatt電位，並透過EN接腳去控制第二降壓/升壓轉換器(Buck/Boost Converter 2)339作動開始充電，充電的電流流入已被控成閉路的NMOS SW3開關再流入VBus2+接腳到變速器電池313進行充電。
續參考圖3之電路方塊圖，USB C Port 303如果是插入要求充電的設備時，其本身是不供電的，假若此時的供電控制器(PD Controller)331已進入Sleep mode狀態，只要按壓一下功率觸發開關(PWR_Spark Switch)335去觸發功率觸發切換控制單元(Power Trigger SW control)333讓PMOS SW2開關成閉路狀態恢復供電控制器(PD Controller)331到正常供電的作動狀態，若要單獨使用自行車可攜式變速器電池充電盒來充電時動作亦同。
續參考圖3之電路方塊圖，自行車可攜式變速器電池充電盒除了是充電器外亦是行動電源(Power Bank)，它也可提供夜間LED照明用電力。LED照明是透過按壓下照明模式開關(Lighting Mode Switch)341使得控制模組(Control Module)343由Lighting_CTL接腳去控制MOS SW 5開關成工作狀態，讓 LED驅動電流流過照明LED燈(Lighting LED)，使其呈現高亮度或低亮度照明或是警示用閃爍亮燈，端視程式設計而定，若要關閉Lighting LED時，可長壓照明模式開關(Lighting Mode Switch)341約2~3秒，即可關閉該LED燈。
在不脫離本實施例的範圍情況下，可對上述方法和系統進行改變。因此，應當注意者為在上述描述中或者在附圖中所顯示的內容應當被解釋為僅具說明性，而非用以限制本發明。於本文中除另有說明外，“在實施例中”等同於“在某些實施例中”，而非指所有實施例。所附的權利要求旨在涵蓋本文描述的所有一般和特定的特徵，以及就語言而言可以說落在它們之間的本方法和系統的範圍的所有陳述。
20:變速器電池充電盒
203:防水防塵蓋
201:充電盒體
210:LED燈
210a:LED透鏡
211:凹槽
213:變速器電池
215:Pogo pin接腳
217:卡扣
231:電池充電指示燈
241:LED燈模式開關
235:電源觸發開關
205:把手固定束環
205a:凸塊

Claims (10)

  1. 一種具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，包括：一充電盒體；一防水防塵蓋，可旋轉地樞接該充電盒體；一電路板，設置於該充電盒體內部的容置空間中，透過USB C接口雙向充/放電；一可充電電池組，設置於該充電盒體內，並電性連接該電路板，可對一電性耦接該電路板的變速器電池供電；以及一單向充電介面，電性連接該電路板，被配置為提供該可充電電池組對該變速器電池溝通充電之介面；其中，該電路板包含至少一供電控制器對該USB C接口溝通，該供電控制器具有自動斷電功能，當該USB C接口的CC1/CC2接腳於一預設時間段未偵測到該USB C接口有耦接外部設備的埠接訊息，該供電控制器自行進入休眠模式，並透過一電性耦接該供電控制器的功率觸發切換控制單元發出控制訊號，使得所有供電路徑關閉，讓所有電路斷開，藉以保護該變速器電池。
  2. 如請求項1所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，更包含一把手固定束環，耦接該充電盒體，用於將該充電盒體固定於一自行車的把手上。
  3. 如請求項1所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之單向充電介面係設置於該充電盒體外部的一凹槽之底部，其中該凹槽作為充電座以容置變速器電池。
  4. 如請求項3所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之單向充電介面為複數個接腳。
  5. 如請求項4所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之電路板被配置於該變速器電池與該可充電電池組之間提供單向電力傳輸路徑，並透過電性耦合於該單向充電介面的一供電控制器與該變速器電池溝通，由該可充電電池組提供單向供電功能。
  6. 如請求項1所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之電路板係透過該USB C接口用於耦接一外部設備。
  7. 如請求項6所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之電路板被配置於該外部設備與該可充電電池組之間提供雙向電力傳輸路徑，並透過電性耦合於該USB C接口的一供電控制器與該外部設備溝通，當該外部設備為供電設備時，該外部設備的電力由該供電控制器控制，將該電力經由一充電路徑對該可充電電池組充電。
  8. 如請求項7所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之充電路徑包括由該供電控制器所控制的複數個開關以及一降壓/升壓轉換器將電力由該外部設備傳輸至該可充電電池組。
  9. 如請求項6所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，其中上述之電路板被配置於該外部設備與該可充電電池組之間提供雙向電力傳輸路徑，並透過電性耦合於該USB C接口的一供電控制器與該外部設備溝通，當該外部設備要求給電時，該可充電電池組的電力由該供電控制器控制，將該電力經由一放電路徑對該外部設備供電。
  10. 如請求項1所述之具有雙向充/放電之USB C供電(PD)轉換器的自行車變速器電池充電盒，更包含一照明LED燈設置於該充電盒體前端，電性連接該電路板，由該可充電電池組提供該照明LED燈所需電力。
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