TWI437492B - Battery simulator - Google Patents

Description

電池模擬裝置

本發明係關於一種電池模擬裝置，尤指一種架構簡單的電池模擬裝置。

許多以充電電池作為主要電源或備用電源的大瓦數電源供應器(如不斷電系統、內建備用電池之電源供應器)，於出貨之前必須實際配合電池進行長時間試機，確實電源供應器能否對充電電池順利進行充電及放電控制。

如圖4A及4B所示係為一般見的電池充放電特性測試，當電池放電時，電池電壓會逐漸下降，直到達到截止電壓，並停止放電；當池進行充電時，電池電壓會逐漸上升直到達到浮充電壓，並穩定維持於此電位直到電池充飽；因此，電池的充放電時間取決於浮充電壓和截止電壓的高低，過高的浮充電壓易造成電池過熱及過充，減短電池壽命；反之，過低的截止電壓會造成下次充電時間大量延長，甚至於截止電壓低於0V時，而因逆充現象減縮電池壽命；是以，以實際電池進行充放電測試，仍必須避免產生高浮充電壓及低截止電壓，以免電池於測試中損壞。

以上採用實體電池進行充放電特性測試，會有以下幾項缺點：

1.　充放電時間過長。

2.　過充電或過放電易損及電池。

3.　電池體積大，若因試測損壞則不易更換。

基於以上諸多問題，目前已有業者研發一款電池充放電模擬器50，請參閱圖5所示，其包含有一直流電源單元51、一電子模擬負載52及一主控裝置53；其中該直流電源單元51係進一步包含有一小容量電池511，以提供直流電源單元51的工作電源，而電子模擬負載52則與直流電源單元51輸出端共同連接至電源供應器30的電源輸入端，而該主控制裝置53則分別與直流電源單元51及電子模擬負載52電連接，依據目前連接之電源供應器搭配所需特定充電電池狀態，設定該直流電源單元51及電子模擬負載52，模擬該電源供應器30所需的充電電池511的放電及充電狀態。

雖然上述電池充放電模擬器可模擬電源供應器用的充電電池的充放電特性，取代實體充電電池進行試測，但由於使用者必須透過主控裝置執行特殊軟體才能完成設定及模擬，對一般使用者而言，其使用彈性差及建置成本昂貴，無法廣為使用，有必要進一步改良之。

有鑑於上述缺點，本發明主要目的係提供不必內建電池且架構簡單的電池模擬裝置。

欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該電池模擬裝置包含有：一交直流轉換單元，係連接至一交流電源，將交流電轉為直流電；一可調式直流轉換單元，係連接至該交直流轉換單元，並包含有一直流轉換器、一輸出電容及一控制器；其中該直流轉換器係連接至該交直流轉換單元的輸出端，經由該控制器的控制，改變該交直流轉換單元輸出直流電電壓後儲存於輸出電容；一可程式化負載，係與該可調式直流轉換單元的輸出電容共同連接至一直流電源匯流排，該直流電源匯流排係供外部電源供應器的直流電源端連接；一控制暨通訊單元，係電連接至該可調式直流轉換單元的控制器之脈寬調變輸入端，並透過一開關連接至該可程式化負載，再連接該直流電匯流排，以取得目前的電壓值及電流值；又，該控制暨通訊單元係包含有一供電源供應器連接的狀態介面，以及一供外部電腦連線的電腦通訊介面；上述本發明係主要由控制暨通訊單元直接與外部電腦連線，故使用者可直接依據待試機的電源供應器所需充電電池，選擇對應的電池充放電模擬，選定後透過外部電腦將充放電模擬命令傳送至該控制暨通訊單元，由該控制暨通訊單元控制可調式直流轉換單元及可程式化負載模式電池充電及放電狀態，讓外部電源供應器進行試機程序；再者，由於本案的直流轉換單元的電源係由交直流轉換單元提供，故不必另設電池加以供電，而能有效減化整體架構；是以，使用者不必因不同的電源供應器購置昂貴的軟體，只要配合外部電腦與本發明連線後，選擇適當的電池充放電模擬程序即可自動完成試機程序。

本發明次一目的係提供一種電能反饋而達到節能功效的電池模擬裝置，係主要令上述可程式化負載為一直流對交流轉換器，並進一步連接至該交直流轉換單元的輸入端；如此一來，當可程式化負載於充電模擬期間被啟動時，可將自直流電源匯流排抽取的直流電之電流轉換為交流電之電流後，再反饋回交直流轉換單元的輸入端，作為交流電，而有效達到節能功效。

請參閱圖1所示，係為本發明電池模擬器的一較佳實施例，其包含有：一交直流轉換單元11，係連接至一交流電源，將交流電轉為直流電；一可調式直流轉換單元12，係連接至該交直流轉換單元11，並包含有一直流轉換器121、一輸出電容122及一控制器123；其中該直流轉換器121係連接至該交直流轉換單元11的輸出端，經由該控制器123的控制，改變該交直流轉換單元11輸出直流電電壓後儲存於輸出電容122；一可程式化負載13，係與該可調式直流轉換單元12的輸出電容122共同連接至一直流電源匯流排DC BUS，該直流電源匯流排DC BUS係供外部電源供應器的直流電源端連接；一控制暨通訊單元14，係電連接至該可調式直流轉換單元12的控制器123之脈寬調變輸入端，並透過一開關131連接至該可程式化負載13，再連接該直流電匯流排DC BUS，以取得目前的電壓值及電流值；又，該控制暨通訊單元14係包含有一供電源供應器連接的狀態介面141，以及一供外部電腦20連線的電腦通訊介面142。

使用者直接依據待試機的電源供應器30所需充電電池，選擇對應的電池充放電模擬，選定後透過外部電腦20將充放電模擬命令傳送至該控制暨通訊單元14，由該控制暨通訊單元14控制可調式直流轉換單元12及可程式化負載13模式電池充電及放電狀態，讓外部電源供應器30進行試機程序；請配合參閱圖2A及2B所示，係為上述電池模擬裝置10模擬充電及放電波形圖，以下謹進一步說明之。

當透過電腦通訊介面142接收外部電源供應器30之充電器31傳來的電池充電命令，以及接收外部電腦20充電模擬控制參數時，輸出脈寬調變訊號至直流轉換單元12的控制器123，並再控制開關131導通以啟動該可程式化負載13，將可程化負載13連接至該直流電源匯流排DC BUS上，並控制該可程式化負載13等效一固定負載，再隨時間控制該直流轉換單元輸出電壓漸漸上升，藉以模擬電源供應器30對充電電池充電；當電壓上升到浮充電壓後，該外部電源供應器之充電器於檢知後即停止輸出電池充電命令；之後，再控制可程式化負載13的負載變小，使得直流電源匯流排DC BUS的充電電流下降，輸出電壓維持穩定。是以，於充電模擬過程中，亦得檢知直流電源匯流排DC BUS的電壓及電流，計算總充電電量。

當透過電腦通訊介面142接收電源供應器30充電器31傳入的電池放電命令，以及該外部電腦20輸入的放電模擬控制參數時，首先控制開關131不導通，使該可程式化負載13自該直流電源匯流排DC BUS斷開，並依時間增長調整輸出至該直流轉換單元12的控制器123的脈寬調變訊號寬度，使該直流轉換單元12輸出電壓漸漸下降，藉以模擬交流電源中斷後，由充電電池對該電源供應器30放電，此時該電源供應器內部控制器32會控制電源供應器的直流電源轉換電路33將充電電池的電壓轉換後輸出作供電用；同時，亦藉由檢知直流電源匯流排DC BUS的電壓及電流，計算總放電電量及目前所設放電電池應剩餘的電量，以判斷是否到達截止電壓，而於到達截止電壓後，即輸出截止訊號予狀態介面141，令試機的電源供應器30取得目前電池模擬裝置10已低於截止電壓；此時，如果再由狀態介面141獲得電源供應器30的充電器31回傳持續放電命令，則會模擬過放現象，直到計算放電電量已達最低電量為止。

請參閱圖3所示，係為本發明電池模擬裝置的另一較佳實施例，其大多結構與第一較佳實施例大致相同，惟本實施例的可程式化負載係為一直流對交流轉換器13a，並進一步連接至該交直流轉換單元11的輸入端；如此一來，當可程式化負載於放電模擬被啟用時，可將自直流電源匯流排DC BUS抽取的直流電之電流轉換為交流電之電流後，再反饋回交直流轉換單元12的輸入端，作為電源供應器進行充電模擬時的交流電源，相較圖1或既有模擬負載於模擬充電時，將直流電源匯流排DC BUS抽取的直流電轉換為熱能消耗掉，具有更佳的節能功效。

綜上所述，本發明係主要由控制暨通訊單元直接與外部電腦連線，故使用者可直接依據待試機的電源供應器所需充電電池，選擇對應的電池充放電模擬程序及參數(浮充電壓、截止電壓、電壓上升斜率、電壓下降斜率等等)，選定後透過外部電腦將充放電模擬命令傳送至該控制暨通訊單元，自動進行電池模擬，供該電電設備進行試機程序；是以，對使用者而言不必因不同的電源供應器購置昂貴的軟體，只要配合外部電腦與本發明連線後，選擇適當的電池充放電模擬程序即可自動完成試機程序；再者，由於本案的直流轉換單元的電源係由交直流轉換單元提供，故不必另設電池加以供電，而能有效減化整體架構，並且相當合適電源供應器進行過充及過放測試，完全不會有損及實體電池之疑慮。

10．．．電池模擬器

11．．．交直流轉換單元

12．．．可調式直流轉換單元

12a．．．直流對交流轉換器

121．．．直流轉換器

122．．．輸出電容

123．．．控制器

13．．．可程式化負載

131．．．開關

14．．．控制暨通訊單元

141．．．狀態介面

142．．．電腦通訊介面

20．．．電腦

30．．．電源供應器

31．．．充電器

32．．．控制器

33．．．直流電源轉換電路

50．．．電池充放電模擬器

51．．．直流電源單元

511．．．電池

52．．．電子模擬負載

53．．．主控裝置

圖1：係本發明電池模擬裝置一較佳實施例的功能方塊圖。

圖2A及2B：係本發明電池模擬裝置模擬充電及放電波形圖。

圖3：係本發明電池模擬裝置另一較佳實施例的功能方塊圖。

圖4A及4B：係一般見的電池充放電特性波形圖。

圖5：既有電池模擬裝置一較佳實施例的功能方塊圖。

10．．．電池模擬器

11．．．交直流轉換單元

12．．．可調式直流轉換單元

121．．．直流轉換器

122．．．輸出電容

123．．．控制器

13．．．可程式化負載

131．．．開關

14．．．控制暨通訊單元

141．．．狀態介面

142．．．電腦通訊介面

20．．．電腦

30．．．電源供應器

31．．．充電器

32．．．控制器

33．．．直流電源轉換電路

Claims (4)

1. 一種電池模擬裝置，係包含有：一交直流轉換單元，係連接至一交流電源，將交流電轉為直流電；一可調式直流轉換單元，係連接至該交直流轉換單元，並包含有一直流轉換器、一輸出電容及一控制器；其中該直流轉換器係連接至該交直流轉換單元的輸出端，經由該控制器的控制，改變該交直流轉換單元輸出直流電電壓後儲存於輸出電容；一可程式化負載，係與該可調式直流轉換單元的輸出電容共同連接至一直流電源匯流排，該直流電源匯流排係供外部電源供應器的直流電源端連接；一控制暨通訊單元，係電連接至該可調式直流轉換單元的控制器之脈寬調變輸入端，並透過一開關連接至該可程式化負載，再連接該直流電匯流排，以取得目前的電壓值及電流值；又，該控制暨通訊單元係包含有一供電源供應器連接的狀態介面，以及該控制暨通訊單元係包含有一供外部電腦連線的電腦通訊介面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模擬裝置，該可程式化負載係為一直流對交流轉換器，並進一步連接至該交直流轉換單元的輸入端。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之電池模擬裝置，該控制暨通訊單元係內建充電及放電模擬程序，其中：於接收外部電腦傳入的電池充電模擬命令時，輸出脈寬調變訊號至直流轉換單元的控制器，並再控制開關導通以啟動該可程式化負載，將負載連接至該直流電源匯流排上，並控制該可程式化負載等效一固定負載，再隨時間控制該直流轉換單元輸出電壓漸漸上升，直到電壓上升到浮充電壓；之後，再控制可程式化負載的負載變小，使得直流電源匯流排的充電電流下降，輸出電壓維持穩定；又在此期間，亦得檢知直流電源匯流排的電壓及電流，計算總充電電量；於接收外部電腦傳入的電池放電模擬命令時，控制開關不導通，使該可程式化負載自該直流電源匯流排斷開，並依時間增長調整輸出至該直流轉換單元的控制器的脈寬調變訊號寬度，使該直流轉換單元輸出電壓漸漸下降；同時，亦藉由檢知直流電源匯流排的電壓及電流，計算總放電電量及目前所設放電電池應剩餘的電量，以判斷是否到達截止電壓，而於到達截止電壓後，即輸出截止訊號予狀態介面，令試機的電源供應器取得目前電池模擬裝置已低於截止電壓。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電池模擬裝置，該控制暨通訊單元於執行放電模擬程序中，會同時接收該狀態介面回傳命令，並於判斷到達截止電壓後，仍接收持續放電命令，則會模擬過放現象，直到計算放電電量已達最低電量為止，結束放電模擬程序。