TWM505748U - 電壓平衡及充放電控制系統 - Google Patents

Description

電壓平衡及充放電控制系統

本創作係有關於一種電壓平衡及充放電控制系統，特別是結合串聯超電容及儲能電池的電壓平衡及充放電控制系統。

儲能電池主要指使用在例如交通工具、電子電路、發電裝置等領域上儲蓄能源用的蓄電池，而常見的儲能電池為鉛酸電池，其具有廣闊的應用範圍。鉛酸電池具有價格低廉生產簡易等優點，但同時亦具有能量小、放電大、重量大、壽命短等缺點。再者鉛和硫酸都有污染環境的危險。

近年來運用廣泛的超級電容(超電容)具有使用壽命長、溫度特性好、充電時間短、節約能源以及綠色環保等特點，但是超電容在使用上並不能等同於一般儲能電池使用，特別是在將超電容串聯使用時產生的電壓平衡問題。

進一步而言，由於每個超電容具有一額定電壓值，但使用串聯的超電容時，並無法在電路中控制每一個串聯超電容上的電壓於充電時可以平均地分配電量。因此，一旦在充電的過程中超過其中一個超電容的額定電壓值時，將造成超電容的毀損。

此外，根據一般電容的特性，其係於初始充電的狀態視 為短路，而超電容亦為相同的原理。因此，在包括超電容的電子電路中，若其電路佈局包含例如保險絲或者其它的電子元件將容易因為充電瞬間短路狀態而產生的大電流燒毀。然而，若為了保護電子電路中的超電容及其它電子元件而增加限流元件，在使用超電容放電時亦將因為限制住其放電的電流量反而造成充電速率降低的問題。

再者，將超電容運用到具有蓄電池的交通工具時，例如汽車等交通工具，蓄電池則為汽車的電瓶，而電瓶可透過超電容提供的電力充電。此外，點菸器是汽車裡面的一個電氣裝置，原先設計為用來點燃捲菸，但現在用來供應12伏特直流電(實際上約13.5伏特)的連接介面，用以在車內提供攜帶式設備電源。雖然點菸器目前廣泛地使用於各式汽車內，然而，當使用者係於具有智慧感應啟閉裝置的車款時，在已經關閉汽車電源的情況下，汽車發電機的電壓與電瓶仍為導通的狀態，亦即使用於點菸器上之裝置仍然具有殘留電壓時，汽車將視為車上仍有運作中的裝置而無法進行汽車上鎖的動作。因此，使用者必須將點菸器上之裝置直接拔除以移除殘留電壓，才能完成關閉車門的動作；或者，使用者必須等待一段時間，經由汽車的內阻抗消耗掉點菸器上之裝置的殘留電壓時才能完成關閉車門的動作，因而造成使用者的不便。

據此，如何提供一種可結合儲能電池及超電容的電子電路已成為目前極需克服的問題。

鑑於上述，本創作揭露一種電壓平衡及充放電控制系統，包括電壓平衡電路及充放電控制電路。電壓平衡電路包含複數個串聯之超電容、複數個串聯第一電壓偵測電路及複數個串聯之放電迴路。第一電壓偵測電路電性連接超電容，以偵測超電容的電壓。放電迴路連接超電容及第一電壓偵測電路，並於超電容之電壓超過第一電壓預定值開啟。充放電控制電路電性連接電源及超電容，包含第二電壓偵測電路、限流開關及第一切換開關。第二電壓偵測電路電性連接超電容，用於偵測超電容的電壓。限流開關電性連接電源及超電容。第一切換開關並聯連接於限流開關，並於第二電壓偵測電路偵測複數個串聯之超電容的電壓達到第二電壓預定值開啟。

承上所述，本創作藉由電壓平衡及充放電控制系統，可在複數個串聯超電容各自的電壓超過一電壓預定值時，分別以複數個放電迴路下拉(pull-down)超電容上的電壓，以進一步平衡每一個串聯超電容上的電壓而達到保護超電容及平衡串聯超電容電壓的目的，並可減少電子電路中電流的功率損失。

再者，藉由本創作的電壓平衡及充放電控制系統，可針對超電容預先充電，以避免在無法確知超電容電量的狀態下，對其充電而產生毀損。再者，在超電容達到充電量的一預定設定值時可切換放電路徑，以產生最大的放電電流。據此，串聯的超電容與一般儲能電池相互結合應用時，可將超電容的功率特性和儲能 電池的高能量存儲特點相互結合，以在電子電路上達到更優良的效果。

此外，本創作電壓平衡及充放電控制系統應用於汽車等交通工具上時，藉由平衡及控制電流以改善電路供電的狀態，進一步達到節省汽車油耗的功效。

1‧‧‧電壓平衡及充放電控制系統

11‧‧‧電壓平衡電路

111‧‧‧第一電壓偵測電路

112‧‧‧放電迴路

112A‧‧‧電晶體

R _L ‧‧‧負載電阻

R _G ‧‧‧偏壓電阻

12‧‧‧充放電控制電路

121‧‧‧第二電壓偵測電路

122‧‧‧限流開關

123‧‧‧第一切換開關

124‧‧‧第二切換開關

124A‧‧‧第三電壓偵測電路

124B‧‧‧雙極性接面電晶體

R1‧‧‧第一電阻

R2‧‧‧第二電阻

D‧‧‧齊納二極體

C1~C6‧‧‧超電容

P‧‧‧電源

第1圖係為本創作電壓平衡及充放電控制系統的示意圖；第2圖係為本創作電壓平衡及充放電控制系統的電路圖；第3圖係為本創作電壓平衡及充放電控制系統的另一電路圖。

請一併參閱第1圖及第2圖，係為本創作電壓平衡及充放電控制系統的示意圖及電路圖。本創作之電壓平衡及充放電控制系統1包括電壓平衡電路11及充放電控制電路12。電壓平衡電路11包含複數個串聯的超電容C1~C6、複數個串聯的第一電壓偵測電路111及複數個串聯的放電迴路112。充放電控制電路12包含第二電壓偵測電路121、限流開關122以及第一切換開關123。

複數個串聯的第一電壓偵測電路111分別並聯連接複數個串聯的超電容C1~C6，以分別偵測複數個串聯超電容C1~C6的一電壓。複數個串聯的放電迴路112分別電性連接複數個串聯的 超電容C1~C6及複數個串聯的第一電壓偵測電路111，並於超電容C1~C6的電壓超過第一電壓預定值開啟。

放電迴路包括電晶體112A、負載電阻R _L 及偏壓電阻R _G 。於本創作之一實施例中，電晶體112A包括金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。負載電阻R _L 電性連接於電晶體112A的汲極。偏壓電阻R _G 及第一電壓偵測電路111電性連接於電晶體112A的閘極。

如先前技術所述，超電容C1~C6若以串聯方式連接，對於串聯的超電容C1~C6在充電時並無法確保或控制充電的電流可以平均輸入至每一個串聯的超電容C1~C6上，甚至於若充電的電量超過某一個超電容C1~C6的額定電壓時則會產生損壞的問題。

因此，本創作之電壓平衡及充放電控制系統1係於每一個串聯的超電容C1~C6上個別並聯連接第一電壓偵測電路111以及放電迴路112，並於當第一電壓偵測電路111偵測到超電容C1~C6上的電壓超過第一電壓預定值時，例如，超過0.1伏特時，放電迴路112的電晶體112A將因此導通，進一步形成放電路徑，以下拉超電容C1~C6上的電壓，達到保護每一個超電容C1~C6及平衡每一個超電容C1~C6電壓的功效。第一電壓預定值可根據實際的電路設計調整，習知技藝者應可了解其作動原理，於此不再贅述。此外，於本創作之一實施例中，串聯超電容C1~C6的個數包括至少六個，但實際的串聯個數可依據應用的電路負載而改變，於本創作中並不以此為限。

充放電控制電路12電性連接一電源P及上述複數個串聯的超電容C1~C6。第二電壓偵測電路121電性連接複數個串聯的超電容C1~C6，用於偵測複數個串聯之超電容C1~C6的電壓。限流開關122電性連接電源P及複數個串聯的超電容C1~C6。第一切換開關123並聯連接於限流開關123，並於第二電壓偵測電路121偵測複數個串聯之超電容C1~C6的電壓達到第二電壓預定值開啟。

進一步而言，針對超電容C1~C6進行充電時，由於無法預先確定其電壓的初始充電狀態，因此，充放電控制電路12係以限流開關122限制其對超電容C1~C6充電的電量，避免過大的充電電流而燒毀超電容C1~C6。再者，充放電控制電路12在初始充電狀態時，係經由限流開關122針對超電容C1~C6進行預先充電(precharge)的動作。當第二電壓偵測電路121偵測複數個串聯超電容C1~C6的電壓達到第二電壓預定值時，則開啟第一切換開關123，使得電源P對超電容C1~C6的充電路徑可經由限流開關122轉換為第一切換開關123，以更快速地針對超電容C1~C6充電。換句話說，當複數個串聯超電容C1~C6的電壓低於第二電壓預定值時，電源P係經由限流開關122充電複數個串聯超電容C1~C6；當複數個串聯超電容C1~C6的電壓達到第二電壓預定值時，電源P係經由第一切換開關123充電複數個串聯超電容C1~C6。

於本創作之一實施例中，限流開關122包括電阻，第一切換開關123包括金氧半場效電晶體，而在金氧半場效電晶體導通時的阻抗係小於電阻，因此可使得超電容C1~C6的電壓達到第二 電壓預定值時切換充電路徑。相對地，當超電容C1~C6上的電壓已經預先充電而達到第二電壓預定值時，金氧半場效電晶體導通，若充放電控制電路連接的電源電壓低於超電容C1~C6上的電壓，則超電容C1~C6可經由金氧半場效電晶體的充電路徑針對電源P產生大電流的充電。據此，藉由充放電控制電路12可達到預先充電、保護電路及產生大電流放電(針對電源快速充電)的功效。

再者，將本創作之電壓平衡及充放電控制系統1應用於例如汽車的交通工具時，充放電控制電路12連接的電源P則相當於汽車的電瓶。據此，藉由充放電控制電路12可針對超電容C1~C6預先充電以達到保護電路的目的，並在超電容C1~C6充電量達到第二電壓預定值時，藉由導通的第一切換開關123達到大電流放電(對電瓶快速充電)的功效。

請參閱第3圖，係為本創作電壓平衡及充放電控制系統的另一電路圖。承上所述，將本創作之電壓平衡及充放電控制系統1應用於例如汽車的交通工具時，更包括第二切換開關124，其係電性連接於電源P、限流開關122及第一切換開關123，其中電源P係為汽車電瓶。

第二切換開關124包括第三電壓偵測電路124A、第一電阻R1、第二電阻R2、齊納二極體D、一雙極性接面電晶體(BJT)124B，其中第三電壓偵測電路124A包括金氧半場效電晶體。雙極性接面電晶體124B的集極端電性連接金氧半場效電晶體的閘極端，並於雙極性接面電晶體124B的基極端與金氧半場效電晶體的 源極端或汲極端之間連接第二電阻R2及齊納二極體D。

據此，習知技藝者可了解唯有當雙極性接面電晶體124B導通時，金氧半場效電晶體才能導通。換句話說，當第二切換開關124在電壓平衡及充放電控制系統1處於操作狀態下係為開啟狀態；當電壓平衡及充放電控制系統1處於關閉狀態下時，由於串聯超電容C1~C6端的電壓會下降(例如由14.6V降為12.8V)，造成不足以克服齊納二極體D以及雙極性接面電晶體124B上的壓降，因此使得雙極性接面電晶體124B及金氧半場效電晶體處於關閉狀態，第二切換開關124因此無法導通，據此，使用者可關閉汽車的車門。

綜上所述，本創作藉由電壓平衡及充放電控制系統，可在複數個串聯超電容各自的電壓超過一電壓預定值時，分別以複數個放電迴路下拉(pull-down)超電容上的電壓，以進一步平衡每一個串聯超電容上的電壓而達到保護超電容及平衡串聯超電容電壓的目的，並可減少電子電路中電流的功率損失。

再者，藉由本創作的電壓平衡及充放電控制系統，可針對超電容預先充電，以避免在無法確知超電容電量的狀態下，對其充電而產生毀損。此外，在超電容達到充電量的一預定設定值時可切換放電路徑，以產生最大的放電電流。據此，串聯的超電容與一般儲能電池相互結合應用時，可將超電容的功率特性和儲能電池的高能量存儲特點相互結合，以在電子電路上達到更優良的效果。

此外，本創作應用於汽車等交通工具上時，可將電壓 平衡及充放電控制系統整合至省油器的裝置上，並將其設置於點菸座上以取代點菸器，藉以解決使用者關閉車門時無法卸載點菸器上的殘留電壓而造成無法順利關閉車門的問題。再者，藉由平衡及控制電流以改善電路供電的狀態，進一步達到節省汽車油耗的功效。

1‧‧‧電壓平衡及充放電控制系統

11‧‧‧電壓平衡電路

111‧‧‧第一電壓偵測電路

112‧‧‧放電迴路

12‧‧‧充放電控制電路

121‧‧‧第二電壓偵測電路

122‧‧‧限流開關

123‧‧‧第一切換開關

C1~C6‧‧‧超電容

P‧‧‧電源

Claims (12)

1. 一種電壓平衡及充放電控制系統，包括：一電壓平衡電路，包含：複數個串聯之超電容；複數個串聯之第一電壓偵測電路，係分別電性連接該複數個串聯之超電容，以分別偵測該複數個串聯之超電容的一電壓；及複數個串聯之放電迴路，係分別電性連接該複數個串聯之超電容及該複數個串聯之第一電壓偵測電路，並於該超電容之該電壓超過一第一電壓預定值開啟；以及一充放電控制電路，電性連接一電源及該複數個串聯之超電容，包含：一第二電壓偵測電路，電性連接該複數個串聯之超電容，用於偵測該複數個串聯之超電容的該電壓；一限流開關，電性連接該電源及該複數個串聯之超電容；及一第一切換開關，並聯連接於該限流開關，並於該第二電壓偵測電路偵測該複數個串聯之超電容的該電壓達到一第二電壓預定值開啟。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該複數個串聯之超電容包括至少六個。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該複數個第一電壓偵測電路係分別並聯該複數個串聯超電容。
4. 如申請專利範圍第1項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中 該電源係為一汽車電瓶。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中當該複數個串聯超電容之該電壓達到該第二電壓預定值時，該複數個串聯超電容係經由該第一切換開關充電該汽車電瓶。
6. 如申請專利範圍第1項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中當該複數個串聯超電容之該電壓低於該第二電壓預定值時，該電源係經由該限流開關充電該複數個串聯超電容。
7. 如申請專利範圍第1項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該充放電控制電路更包括一第二切換開關，電性連接於該電源、該限流開關及該第一切換開關。
8. 如申請專利範圍第7項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該第二切換開關於該電壓平衡及充放電控制系統處於關閉狀態時關閉。
9. 如申請專利範圍第7項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該電壓平衡及充放電控制系統係應用於一交通工具。
10. 如申請專利範圍第1項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該放電迴路包括：一電晶體；一負載電阻，電性連接於該電晶體之汲極；以及一偏壓電阻，電性連接於該電晶體之閘極。
11. 如申請專利範圍第10項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其中該電晶體係為金氧半場效電晶體(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)。
12. 如申請專利範圍第11項所述之電壓平衡及充放電控制系統，其 中該第一電壓偵測電路電性連接該金氧半場效電晶體之閘極。