TWI424655B - 行動載具之充電系統及其操作方法 - Google Patents

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TWI424655B
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Ko Yu Hsiao
Chang Jyi Sheu
Tse Hua Chi
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Delta Electronics Inc
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Description

行動載具之充電系統及其操作方法
本創作係有關一種行動載具之充電系統及其操作方法，尤指一種透過在該行動載具中裝設一直流電源轉換裝置之行動載具之充電系統及其操作方法。
現今，行動載具發展已朝向無污染、高效能之電動驅動時代。然而作為電動驅動之能源必須藉由電池以作為能源儲存之容器，使得能源能被儲存到電池中。透過將能源，例如火力、水力、風力、熱能、太陽能以及核能…等轉換成電能後，才能夠將電能做適當地轉換後儲存在電池中。然而，在電能轉換的過程，必須考慮到安全性、高效能以及便利性等問題。
請參見第一圖係為習知行動載具充電系統之方塊示意圖。如圖所示，該行動載具(未圖示)之充電系統係主要包含一充電裝置10A與一充電電池20A。該行動載具係可為一電動車，並且，該充電電池20A係為該電動車之車用充電電池。
該充電裝置10A係包含一電磁干擾濾波器102A、一功率因數校正器104A以及一非隔離型DC/DC轉換器106A。
該充電裝置10A之該電磁干擾濾波器102A係電性連接一外部交流電源Vs，以消除該交流電源Vs之雜訊，並防止傳導性電磁雜訊之干擾。該功率因數校正器104A係電性連接該電磁干擾濾波器102A，以改善轉換後之直流電源之功率因數。該非隔離型DC/DC轉換器106A係電性連接該功率因數校正器104A，以提供不同直流電壓準位之轉換。其中，該非隔離型DC/DC轉換器106A係可為一降壓式轉換器(buck converter)或一直流變壓器(DC transformer)。
在實際應用上，該充電裝置10A係可為一電動車之車用充電站。該充電裝置10A係可提供一固定功率之高壓直流電壓Vo，常見之典型輸出為50千瓦或30千瓦之500伏特直流電壓。當該電動車之車用充電電池電力不足時，係主要將該充電裝置10A直接地電性連接該充電電池20A，以進行充電。然而，在此行動載具之充電系統下，將無法依該充電電池20A之操作狀態，例如該充電電池20A之容量狀態、電壓狀態或是溫度狀態，正確地提供該充電電池20A所需之充電電流，如此，將導致該充電電池20A之使用壽用降低。並且，因為無法提供具適應性之充電方式，將導致該充電電池20A之充電可靠度降低。另外，該習知行動載具之充電系統係主要利用機械式繼電器(relay)做為充電過程中之保護裝置。也就是說，當充電電池20A在充電過程中，若該行動載具之充電系統發生異常供電時，該機械式繼電器將自動跳脫以保護該充電電池20A。惟，該繼電器係屬機械式，通常反應速度較慢，亦即，當異常狀況發生時，該機械式繼電器接收到外部傳送之跳脫信號，直到完成跳脫保護，所經過之時間，仍可能導致該充電電池 20A受到程度不等之傷害。
因此，如何設計出一種行動載具之充電系統及其操作方法，能以透過該行動載具裝設一直流電源轉換裝置，以改善該直流電源轉換裝置對該充電電池之充電保護，並根據該充電電池之操作狀態提供具適應性之充電方式，以提高充電可靠度與增加充電速度，乃為本案創作人所欲行克服並加以解決的一大課題。
為了解決上述問題，本發明係提供一種行動載具之充電系統，係接收並轉換外部交流電源為直流電源輸出，以對行動載具之一充電電池進行充電。所述充電系統係包含充電裝置。
充電裝置係包含電磁干擾濾波器與功率因數校正器。電磁干擾濾波器係接收外部交流電源。功率因數校正器係電性連接電磁干擾濾波器，以輸出高壓直流電壓。
行動載具係包含直流電源轉換裝置與行車電腦控制器。直流電源轉換裝置係位於該行動載具中且電性連接充電裝置，以接收高壓直流電壓，並轉換該高壓直流電壓之電壓準位為該充電電池所需之電壓準位。行車電腦控制器係位於該行動載具中且電連接直流電源轉換裝置與充電電池，以對充電電器進行充電之控制。
藉此，透過行動載具之直流電源轉換裝置所提供電源轉換，以改善直流電源轉換裝置對充電電池之充電保護，並根據充電電池之操作狀態提供具適應性之充電方式，以提高充電可靠度、安全性與增加充電速度。
為了解決上述問題，本發明係提供一種行動載具充電系統之充電方法，係透過轉換外部交流電源為直流電源輸出，以對行動載具進行充電。所述充電方法之步驟係包含：首先，透過充電裝置提供高壓直流電壓；接著，透過直流電源轉換裝置接收充電裝置之高壓直流電壓；最後，透過行車電腦控制器控制直流電源轉換裝置，以提供充電電池所需之充電電流。
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。
〔習知技術］
Vs‧‧‧交流電源
10A‧‧‧充電裝置
102A‧‧‧電磁干擾濾波器
104A‧‧‧功率因數校正器
106A‧‧‧非隔離型DC/DC轉換器
20A‧‧‧充電電池
〔本發明］
Vs‧‧‧交流電源
10‧‧‧充電裝置
102‧‧‧電磁干擾濾波器
104‧‧‧功率因數校正器
106‧‧‧隔離型DC/DC轉換器
108‧‧‧非隔離型DC/DC轉換器
Vo‧‧‧高壓直流電壓
20‧‧‧行動載具
202‧‧‧直流電源轉換裝置
2022‧‧‧隔離型DC/DC轉換器
2024‧‧‧非隔離型DC/DC轉換器
204‧‧‧充電電池
206‧‧‧行車電腦控制器
S100‧‧‧步驟
S200‧‧‧步驟
S300‧‧‧步驟
第一圖係為習知行動載具充電系統之方塊示意圖；第二圖係為本發明之行動載具充電系統第一實施例之方塊示意圖；第三圖係為本發明之行動載具充電系統第二實施例之方塊示意圖；第四圖係為本發明之行動載具充電系統第三實施例之方塊示意圖；第五圖係為本發明之行動載具充電系統第四實施例之方塊示意圖；第六圖係為本發明之行動載具充電系統第五實施例之方塊示意圖；及第七圖係為本發明一行動載具充電系統之充電方法之流程圖。
茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：請參見第二圖係為本發明之行動載具充電系統第一實施例之方塊示意圖。如圖所示，該行動載具10之充電系統，係透過轉換一外部交流電源為一直流電源輸出，以對該行動載具之一充電電池進行充電。該行動載具之充電系統係包含一充電裝置10。其中，該行動載具20係可為一電動車。
該充電裝置10係主要包含一電磁干擾濾波器102及一功率因數校正器104。該電磁干擾濾波器102係接收該外部交流電源Vs，以消除該交流電源Vs之雜訊，並防止傳導性電磁雜訊之干擾。該功率因數校正器104係電性連接該電磁干擾濾波器102，以輸出一高壓直流電壓Vo。
該行動載具20係主要包含一直流電源轉換裝置202、一充電電池204以及一行車電腦控制器206。在此實施例中，該直流電源轉換裝置202係為一非隔離型DC/DC轉換器202，並且，該非隔離型DC/DC轉換器202係可為一降壓式轉換器(buck converter)或一直流變壓器(DC transformer)。該直流電源轉換裝置202係電性連接該充電裝置10，以接收該高壓直流電壓Vo，並轉換該高壓直流電壓Vo之電壓準位為該充電電池204所需之電壓準位。該充電電池204係電性連接該直流電源轉換裝置202。其中，該充電電池204為該電動車之車用充電電池。該行車電腦控制器206係連接該直流電源轉換裝置202與該充電電池204，以控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供所需之充電電流。有別與習知技術在於，該非隔離型DC/DC轉換器202係由充電裝置10中移至裝設 在該行動載具20中。
在實際應用上，該充電裝置10係可為一電動車之車用充電站。該充電裝置10係可提供該固定功率之高壓直流電壓Vo，常見之典型輸出為50千瓦或30千瓦之500伏特直流電壓。當該電動車之車用充電電池電力不足時，係主要將該充電裝置10透過電性連接該直流電源轉換裝置202，進而再電性連接該充電電池204，以進行充電。因此，該行車電腦控制器206係根據該充電電池204之容量狀態，以控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供所需之充電電流，並可計算出充電時間。例如，若該充電電池204係為高容量充電電池，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供較大之輸出充電電流；反之，若該充電電池204係為低容量充電電池，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供較小之輸出充電電流。此外，該行車電腦控制器206係根據該充電電池204之電壓狀態，以控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供所需之充電電流，並可計算出充電時間。並且，當該充電電池204達到理想的電壓時，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，以降低對該充電電池204輸出充電電流。例如，若該充電電池204係為高容量充電電池，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供較大之輸出充電電流；反之，若該充電電池204係為低容量充電電池，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供較小之輸出充電電流。另外，該行車電腦控制器206係根據該充電電池204之溫度狀態，以控制該直流電源轉換裝置202， 對該充電電池204提供所需之充電電流，並可計算出充電時間。例如，若該充電電池204係處於高溫度操作狀態，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，對該充電電池204提供較小之輸出充電電流；反之，若該充電電池204係處於低溫度操作狀態，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，可對該充電電池204提供較大之輸出充電電流。
再者，請參見第三圖係為本發明之行動載具充電系統第二實施例之方塊示意圖。在此實施例中，該充電裝置10與該行動載具20之操作方式與第一實施例相似，惟相異之處在於該充電裝置10更包含一隔離型DC/DC轉換器106。其中，該隔離型DC/DC轉換器106係電性連接該功率因數校正器104，以輸出該高壓直流電壓Vo。
再者，請參見第四圖係為本發明之行動載具充電系統第三實施例之方塊示意圖。在此實施例中，該充電裝置10與該行動載具20之操作方式與第一實施例相似，惟相異之處在於該行動載具20之該直流電源轉換裝置202該更包含一隔離型DC/DC轉換器2022，其中，該隔離型DC/DC轉換器2022係電性連接該非隔離型DC/DC轉換器2024，以接收該充電裝置10輸出之該高壓直流電壓Vo。
再者，請參見第五圖係為本發明之行動載具充電系統第四實施例之方塊示意圖。在此實施例中，該充電裝置10與該行動載具20之操作方式與第一實施例相似，惟相異之處在於該充電裝置10更包含一隔離型DC/DC轉換器106與一非隔離型DC/DC轉換器108。其中，該隔離型DC/DC轉換器106係電性連接該功率因數校正器104；該非隔離型DC/DC轉換器108係電性連接該隔離型DC/DC轉換器106，以輸出該高壓直流電壓Vo。並且，該非隔離型DC/DC轉換器108 係可為一降壓式轉換器(buck converter)或一直流變壓器(DC transformer)。
再者，請參見第六圖係為本發明之行動載具充電系統第五實施例之方塊示意圖。在此實施例中，該充電裝置10與該行動載具20之操作方式與第一實施例相似，惟相異之處在於該充電裝置10更包含一非隔離型DC/DC轉換器108。其中，該非隔離型DC/DC轉換器108係電性連接該功率因數校正器104，以輸出該高壓直流電壓Vo。
請參見第七圖係為本發明一行動載具充電系統之充電方法之流程圖。雖然該充電裝置與該直流電源轉換裝置具有不同之實施態樣，但該行動載具充電系統之充電方法係屬相同之方式。該充電方法係透過轉換一外部交流電源為一直流電源輸出，以對該行動載具進行充電。該充電方法之步驟係包含：首先，透過一充電裝置提供一高壓直流電壓(S100)。其中，該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器與一功率因數校正器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，以輸出該高壓直流電壓。又或，該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器、一功率因數校正器與一隔離型DC/DC轉換器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，並且該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，以輸出該高壓直流電壓。又或，該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器、一功率因數校正器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，並且該非隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，以輸出該高壓直流電壓。再或，該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器、一功率因數 校正器、一隔離型DC/DC轉換器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，並且該非隔離型DC/DC轉換器係電性連接該隔離型DC/DC轉換器，以輸出該高壓直流電壓。
然後，透過一直流電源轉換裝置接收該充電裝置之該高壓直流電壓(S200)。其中，該直流電源轉換裝置係為一非隔離型DC/DC轉換器，以接收該充電裝置輸出之該高壓直流電壓。又或，該直流電源轉換裝置係包含一隔離型DC/DC轉換器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該非隔離型DC/DC轉換器，以接收該充電裝置輸出之該高壓直流電壓。
最後，透過一行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，以提供一充電電池所需之充電電流(S300)。當該電動車之車用充電電池電力不足時，係主要將該充電裝置透過電性連接該直流電源轉換裝置，進而再電性連接該充電電池，以進行充電。因此，該行車電腦控制器係根據該充電電池之容量狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流，並可計算出充電時間。例如，若該充電電池係為高容量充電電池，則該行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供較大之輸出充電電流；反之，若該充電電池係為低容量充電電池，則該行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供較小之輸出充電電流。此外，該行車電腦控制器係根據該充電電池之電壓狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流，並可計算出充電時間。例如，若該充電電池係為高容量 充電電池，則該行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供較大之輸出充電電流；反之，若該充電電池係為低容量充電電池，則該行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供較小之輸出充電電流。另外，該行車電腦控制器係根據該充電電池之溫度狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流，並可計算出充電時間。並且，當該充電電池204達到理想的電壓時，則該行車電腦控制器206控制該直流電源轉換裝置202，以降低對該充電電池204輸出充電電流。例如，若該充電電池係處於高溫度操作狀態，則該行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供較小之輸出充電電流；反之，若該充電電池係處於低溫度操作狀態，則該行車電腦控制器控制該直流電源轉換裝置，可對該充電電池提供較大之輸出充電電流。
綜上所述，本發明係具有以下之優點：1、可透過在該行動載具中裝設該直流電源轉換裝置，以改善該直流電源轉換裝置對該充電電池之充電保護；及2、可根據該充電電池之操作狀態提供具適應性之充電方式，以提高充電可靠度與增加充電速度。
惟，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，皆應包含於本發明之範疇中，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。
Vs‧‧‧交流電源
10‧‧‧充電裝置
102‧‧‧電磁干擾濾波器
104‧‧‧功率因數校正器
Vo‧‧‧高壓直流電壓
20‧‧‧行動載具
202‧‧‧直流電源轉換裝置
204‧‧‧充電電池
206‧‧‧行車電腦控制器

Claims (19)

  1. 一種行動載具之充電系統，係接收並轉換一外部交流電源為一直流電源輸出，以對一行動載具之一充電電池進行充電；該充電系統係包含：一充電裝置，係包含：一電磁干擾濾波器，係接收該外部交流電源；及一功率因數校正器，係電性連接該電磁干擾濾波器，以輸出一高壓直流電壓至該行動載具；及一直流電源轉換裝置，係位於該行動載具中，且電性連接該充電裝置，以接收該高壓直流電壓，並轉換該高壓直流電壓之電壓準位為該充電電池所需之電壓準位；及一行車電腦控制器，係位於該行動載具中，且電連接該直流電源轉換裝置與該充電電池，並根據該充電電池之操作狀態以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流，其中該充電電池之操作狀態為該充電電池的容量狀態、電壓狀態或溫度狀態；藉此，透過位於該行動載具中該行車電腦控制器所直接控制之該直流電源轉換裝置所提供電壓轉換，以改善該直流電源轉換裝置對該充電電池之充電保護，並根據該充電電池之操作狀態提供具適應性之充電方式，以提高充電可靠度、安全性與增加充電速度。
  2. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該充電裝置更包含一隔 離型DC/DC轉換器，該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，以輸出該高壓直流電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該充電裝置更包含一非隔離型DC/DC轉換器，該非隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，以輸出該高壓直流電壓。
  4. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該充電裝置更包含：一隔離型DC/DC轉換器，係電性連接該功率因數校正器；及一非隔離型DC/DC轉換器，係電性連接該隔離型DC/DC轉換器，以輸出該高壓直流電壓。
  5. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該直流電源轉換裝置係為一非隔離型DC/DC轉換器，以接收該充電裝置輸出之該高壓直流電壓。
  6. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該直流電源轉換裝置係包含一隔離型DC/DC轉換器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該非隔離型DC/DC轉換器，以接收該充電裝置輸出之該高壓直流電壓。
  7. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該行車電腦控制器係根據該充電電池之容量狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流。
  8. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該行車電腦控制器係根據該充電電池之電壓狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流。
  9. 如申請專利範圍第1項之充電系統，其中該行車電腦控制器係根據該充電電池之溫度狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充 電電池提供所需之充電電流。
  10. 一種行動載具充電系統之充電方法，係透過轉換一外部交流電源為一直流電源輸出，以對一行動載具之一充電電池進行充電；該充電方法之步驟係包含：(a)透過一充電裝置提供一高壓直流電壓至該行動載具；(b)透過位於該行動載具中的一直流電源轉換裝置接收該充電裝置之該高壓直流電壓；及(c)透過位於該行動載具中的一行車電腦控制器根據該充電電池之操作狀態，控制該直流電源轉換裝置，以提供該充電電池所需之充電電流，其中該充電電池之操作狀態為該充電電池的容量狀態、電壓狀態或溫度狀態。
  11. 如申請專利範圍第10項之充電方法，其中該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器與一功率因數校正器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，以輸出該高壓直流電壓。
  12. 如申請專利範圍第10項之充電方法，其中該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器、一功率因數校正器與一隔離型DC/DC轉換器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，並且該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，以輸出該高壓直流電壓。
  13. 如申請專利範圍第10項之充電方法，其中該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器、一功率因數校正器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，並且該非隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，以輸出該高壓直流電壓。
  14. 如申請專利範圍第10項之充電方法，其中該充電裝置係包含一電磁干擾濾波器、一功率因數校正器、一隔離型DC/DC轉換器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該功率因數校正器係電性連接該電磁干擾濾波器，該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該功率因數校正器，並且該非隔離型DC/DC轉換器係電性連接該隔離型DC/DC轉換器，以輸出該高壓直流電壓。
  15. 如申請專利範圍第10項之充電方法，其中該直流電源轉換裝置係為一非隔離型DC/DC轉換器，以接收該充電裝置輸出之該高壓直流電壓。
  16. 如申請專利範圍第10項之充電方法，其中該直流電源轉換裝置係包含一隔離型DC/DC轉換器與一非隔離型DC/DC轉換器，其中該隔離型DC/DC轉換器係電性連接該非隔離型DC/DC轉換器，以接收該充電裝置輸出之該高壓直流電壓。
  17. 如申請專利範圍第10項之充電方法，在步驟(c)中，該行車電腦控制器係根據該充電電池之容量狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流。
  18. 如申請專利範圍第10項之充電方法，在步驟(c)中，該行車電腦控制器係根據該充電電池之電壓狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流。
  19. 如申請專利範圍第10項之充電方法，在步驟(c)中，該行車電腦控制器係根據該充電電池之溫度狀態，以控制該直流電源轉換裝置，對該充電電池提供所需之充電電流。
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