TW201417481A - 應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器 - Google Patents
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Abstract
本發明係為一種應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器，其中該電源轉換器包含有一充電電路電性連接一放電電路，且該電源轉換器為一直流-直流電源轉換器，且該電源轉換器包含有一二次電池，有一再生能源電池電性連接一升壓型直流-直流電源轉換器，而該升壓型直流-直流電源轉換器電性連接一負載，其中該直流-直流電源轉換器一端係電性連接該再生能源電池與該升壓型直流-直流電源轉換器之間，而該直流-直流電源轉換器另一端則電性連接該升壓型直流-直流電源轉換器與該負載之間，其主要目的係在二次電池充電或放電時，僅經過一個直流-直流電源轉換器，因此在充電或放電時皆可達到較高電能之轉換效率。
Description
本發明係有關於一種應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器，特別係指一種二次電池在充電或放電時不須經兩個電源轉換器之混合供電系統之電源轉換器。
由於石化燃料的使用造成環境汙染，且二氧化碳的排放造成全球暖化問題，因此節能減碳日益受到重視，而再生能源的開發應用已成為各國研究發展重點，而再生能源所產生之電能需要電源轉換器轉換成可使用的直流電源或交流電源。
又，太陽能電池及燃料電池產生的電能輸出電壓大多為低電壓，因此需要升壓型直流-直流電源轉換器將電壓轉換至直流匯流排所需電壓供應直流負載，或經變流器轉換成交流電源供應交流負載。
習知如第十三圖所示，包含有一再生能源電池（A）、一升壓型直流-直流電源轉換器（B）、一負載（C）及一雙向直流-直流電源轉換器（D），其中該再生能源電池（A）電性連接該升壓型直流-直流電源轉換器（B），而該升壓型直流-直流電源轉換器（B）電性連接該負載（C），且該雙向直流-直流電源轉換器（D）包含有一二次電池（D1），該雙向直流-直流電源轉換器（D）並電性連接於再生能源電池（A）與升壓型直流-直流電源轉換器（B）之間，此再生能源與二次電池（D1）混合之供電系統所具之缺點為：前述二次電池（D1）之充電路徑係由再生能源電池（A）經雙向直流-直流電源轉換器（D）對二次電池（D1）充電，而放電路徑則由二次電池（D1）經雙向直流-直流轉換器（D）及升壓型直流-直流電源轉換器（B）至直流匯流排再至負載（C），因此二次電池（D1）在放電時需經過兩個電源轉換器，以導致放電時效率變差。
另一習知如第十四圖所示，包含有一再生能源電池（A）、一升壓型直流-直流電源轉換器（B）、一負載（C）及一雙向直流-直流電源轉換器（D），其中該再生能源電池（A）電性連接該升壓型直流-直流電源轉換器（B），而該升壓型直流-直流電源轉換器（B）電性連接該負載（C），且該雙向直流-直流電源轉換器（D）包含有一二次電池（D1），該雙向直流-直流電源轉換器（D）並電性連接於升壓型直流-直流電源轉換器（B）與負載（C）之間，此再生能源與二次電池（D1）混合之供電系統所具之缺點為：前述二次電池（D1）之充電路徑係由再生能源電池（A）經升壓型直流-直流電源轉換器（B）及雙向直流-直流電源轉換器（D）對二次電池（D1）充電，而放電路徑則由二次電池（D1）經過雙向直流-直流電源轉換器（D）至直流匯流排再至負載（C），因此二次電池（D1）在充電時需經過兩個轉換器，以導致充電時效率變差。
爰此，為了改善習知再生能源電池與二次電池混合供電系統中之二次電池在充電或放電時必須經過二個電源轉換器，而導致二次電池在充電或放電時之電能轉換效率變差之缺點，因此本發明提供一種應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器，係包括有：
一充電電路，包含有一電源輸入端、一第一開關、一第二開關、一第一電感、一充電電容及一二次電池，其中該電源輸入端一端電性連接該第一開關，該第一開關另一端電性連接該第一電感及該第二開關，而該第一電感另一端電性連接該充電電容及該二次電池，而該電源輸入端另一端電性連接該第二開關另一端、充電電容另一端及該二次電池另一端，以形成一電性迴路；
一放電電路，放電電路係電性連接該充電電路，包含有一第一二極體、一第二二極體、一第二電感、一第一電容、一匯流排電容、前述第二開關、前述第一電感、前述充電電容及前述二次電池，其中該第一二極體陽極端電性連接該第一開關、第二開關及第一電感，該第一二極體陰極端電性連接該第一電容一端及第二電感一端，該第二電感另一端電性連接該第二二極體陽極端，該第二二極體陰極端電性連接該匯流排電容一端，而該第一電容另一端電性連接該第一電感、充電電容及二次電池，該匯流排電容另一端電性連接該第二開關、充電電容及二次電池另一端；
藉由該充電電路對該二次電池充電，再藉由該放電電路將二次電池放電至該匯流排電容上，進而達到電源轉換。
進一步，該電源輸入端電性連接有一第三二極體，且該第三二極體陰極端電性連接該第一開關。
進一步，該第一電感與第二電感互為耦合電感。
本發明之優點在於：
1.本發明在二次電池充電或放電時，因僅經過一個電源轉換器，因此在二次電池充電或放電時皆可達到較高電能之轉換效率。
2.本發明之直流-直流電源轉換器中之第一電感與第二電感互為耦合電感，且該耦合電感之漏電感能量具有回收功能。
3.本發明之直流-直流電源轉換器中可利用調整耦合電感之匝數比，以達到高電壓增益比之功用。
下列圖式之較佳實施例即可清楚呈現，請先參閱第一圖之架構圖所示，係為一種應用於再生能源與二次電池混合供電系統，其係包含有一再生能源電池（1）、一直流-直流電源轉換器（2）、一負載（3）及一升壓型直流-直流電源轉換器（4），該再生能源電池（1）係電性連接該升壓型直流-直流電源轉換器（4），該升壓型直流-直流電源轉換器（4）電性連接該負載（3），且該直流-直流電源轉換器（2）包含有一二次電池（207），進一步，該直流-直流電源轉換器（2）一端係電性連接該再生能源電池（1），而該直流-直流電源轉換器（2）另一端則電性連接該直流匯流排並至該負載（3），其中該升壓型直流-直流電源轉換器（4）係藉以將再生能源電池（1）所產生之低電壓升壓，並可提供該負載（3）所需之電壓，而該負載（3）可為一直流負載或者為一交流負載，而主要操作原理為：在二次電池（207）充電或放電時，僅經過一個直流-直流電源轉換器（2），因此在充電或放電時皆可達到較高電能之轉換效率。
再者，請先參閱第二圖所示，係為本發明之直流-直流電源轉換器（2）之電路圖，其中包含有一充電電路（2A）及一放電電路（2B），而該充電電路（2A）係電性連接該放電電路（2B），其中該充電電路（2A）包含有一電源輸入端（201）、第三二極體（202）、一第一開關（203）、一第一電感（204）、一第二開關（205）、一充電電容（206）及一二次電池（207），其中該電源輸入端（201）一端電性連接該第一開關（203），該第一開關（203）另一端電性連接該第一電感（204）及該第二開關（205），而該第一電感（204）另一端電性連接該充電電容（206）及該二次電池（207），而該電源輸入端（201）另一端電性連接該第二開關（205）另一端、充電電容（206）另一端及該二次電池（207）另一端，以形成一電性迴路；而該放電電路（2B）包含有一第一二極體（208）、一第一電容（209）、一第二電感（210）、一第二二極體（211）、一匯流排電容（212）、前述第一電感（204）、前述第二開關（205）、前述充電電容（206）及前述二次電池（207），其中該第一二極體（208）陽極端電性連接該第一開關（203）、第一電感（204）及第二開關（205），該第一二極體（208）陰極端電性連接該第一電容（209）一端及第二電感（210）一端，該第二電感（210）另一端電性連接該第二二極體（211）陽極端，該第二二極體（211）陰極端電性連接該匯流排電容（212）一端，而該第一電容（209）另一端電性連接該第一電感（204）、充電電容（206）及二次電池（207），該匯流排電容（212）另一端電性連接該第二開關（205）、充電電容（206）及二次電池（207）另一端。
再者，二次電池（207）充電時，請參閱第三圖至第六圖所示，其中第三圖係為充電電路（2A）之充電狀態之電路圖，且配合第四圖之單一切換週期之波形圖，以至於有兩種模式，其操作原理如下：
模式一請配合參閱第三圖及第五圖所示，[t0,t1]：第一開關（203）導通、第二開關（205）截止，而操作之電流路徑如第五圖所示。此時再生能源電池（1）[如第一圖所示]之能量傳送至由第一電感（204）與第二電感（210）組成之耦合電感器之磁化電感(213)、二次電池（207）及充電電容(206)。因此由第一電感（204）與第二電感（210）組成之耦合電感器之磁化電感(213)作儲能狀態，流經前述耦合電感器之磁化電感(213)電流iLm為遞增。而此操作模式結束於第一開關（203）截止時。
模式二請配合參閱第三圖及第六圖所示，[t1,t2]：第一開關（203）及第二開關（205）截止，而操作之電流路徑如第六圖所示。此時由第一電感（204）與第二電感（210）組成之耦合電感器之磁化電感(213)將所儲存能量釋放至二次電池（207）及充電電容(206)，而流經由第一電感（204）與第二電感（210）組成之耦合電感器之磁化電感(213)電流iLm為遞減。當第一開關（203）於下一切換週期再次導通時，此操作模式結束。
然而，二次電池（207）放電時，請參閱第七圖至第十二圖所示，其中第七圖係為放電電路（2B）之放電狀態之電路圖，且配合第八圖之單一切換週期之波形圖，以至於有四種模式，其操作原理如下：
模式一請配合參閱第七圖及第九圖所示，[t0,t1]：第一開關（203）截止、第二開關（205）導通，而操作電流路徑如第九圖所示。此時二次電池（207）之能量對由第一電感（204）與第二電感（210）組成之耦合電感器之ㄧ磁化電感（213）及一次側漏電感（214）釋能，因此磁化電感(213)電流iLm及一次側漏電感（214）電流iLk1遞增。二次電池(207)、第一電容（209）、及二次側漏電感(215)串聯將能量傳送至負載(3)，因此儲存於二次側漏電感(215)之能量回收至負載(3)，二次側漏電感(215)電流iLk2遞減。匯流排電容(212)輸送能量供應負載(3)。當一次側漏電感（214）電流iLk1等於磁化電感（213）電流iLm時，儲存於二次側漏電感（215）之能量回收完畢，此操作模式結束。
模式二請配合參閱第七圖及第十圖所示，[t1,t2]：第一開關（203）截止、第二開關（205）持續導通，而操作電流路徑如第十圖所示。此時二次電池（207）之能量持續釋放至磁化電感（213）及一次側漏電感（214），因此磁化電感（213）電流iLm及一次側漏電感（214）電流iLk1持續遞增。匯流排電容(212)輸送能量供應負載（3）。此操作模式結束於第二開關（205）截止時。
模式三請配合參閱第七圖及第十一圖所示，[t2,t3]：第一開關（203）及第二開關（205）截止，而操作電流路徑如第十一圖所示。儲存於磁化電感（213）及一次側漏電感（214）之能量釋放至第一電容（209）。同時儲存於磁化電感（213）之部分能量經前述耦合電感器之二次側[第二電感（210）]與二次電池（207）、第一電容（209）之能量串聯釋放至二次側漏電感（215）及負載（3），因此磁化電感（213）電流iLm及一次側漏電感（214）電流iLk1遞減，二次側漏電感（215）電流iLk2遞增。此時儲存於一次側漏電感（214）之能量回收至第一電容（209），匯流排電容(212)輸送能量供應負載（3）。此操作模式結束於儲存於一次側漏電感（214）之能量回收完畢。
模式四請配合參閱第七圖及第十二圖所示，[t3,t4]：第一開關（203）及第二開關（205）持續截止，而操作電流路徑如第十二圖所示。儲存於磁化電感（213）之能量經耦合電感器之二次側[第二電感（210）]與二次電池（207）、第一電容（209）、二次側漏電感（215）之能量串聯釋放至匯流排電容(212)及負載（3）。因此磁化電感（213）電流iLm及二次側漏電感（215）電流iLk2遞減。此時儲存於二次側漏電感（215）之能量回收至匯流排電容(212)及負載（3）。當第二開關（205）於下一切換週期再次導通時，此操作模式結束。
值得一提的是，本發明係為一應用於再生能源電池（1）與二次電池（207）混合供電系統之電源轉換器，該電源轉換器為一直流-直流電源轉換器（2），本發明之電源轉換器係使二次電池（207）在作充電或放電時，僅經過一個直流-直流電源轉換器，因此可達到較高電能之轉換效率。
如上所述，本發明所提供之實施說明及圖式係為本發明之較佳實施例，並非以此侷限於本發明。
綜合上述實施例之說明，當可充分瞭解本發明之操作、使用及本發明產生之功效，惟以上所述實施例僅係為本發明之較佳實施例，當不能以此限定本發明實施之範圍，即依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作簡單的等效變化與修飾，皆屬本發明涵蓋之範圍內。
(1)．．．再生能源電池
(2)．．．直流-直流電源轉換器
(2A)．．．充電電路
(2B)．．．放電電路
(201)．．．電源輸入端
(202)．．．第三二極體
(203)．．．第一開關
(204)．．．第一電感
(205)．．．第二開關
(206)．．．充電電容
(207)．．．二次電池
(208)．．．第一二極體
(209)．．．第一電容
(210)．．．第二電感
(211)．．．第二二極體
(212)．．．匯流排電容
(213)．．．磁化電感
(214)．．．一次側漏電感
(215)．．．二次側漏電感
(3)．．．負載
(4)．．．升壓型直流-直流電源轉換器
(A)．．．再生能源電池
(B)．．．升壓型直流-直流電源轉換器
(C)．．．負載
(D)．．．雙向直流-直流電源轉換器
(D1)．．．二次電池
第一圖係為本發明之架構圖。
第二圖係為本發明之直流-直流電源轉換器之電路圖。
第三圖係為本發明直流-直流電源轉換器於充電狀態之電路圖。
第四圖係為本發明直流-直流電源轉換器於充電狀態之波形圖。
第五圖係為本發明直流-直流電源轉換器於充電狀態之操作模式一之電流路徑圖。
第六圖係為本發明直流-直流電源轉換器於充電狀態之操作模式二之電流路徑圖。
第七圖係為本發明直流-直流電源轉換器於放電狀態之電路圖。
第八圖係為本發明直流-直流電源轉換器於放電狀態之波形圖。
第九圖係為本發明直流-直流電源轉換器於放電狀態之操作模式一之電流路徑圖。
第十圖係為本發明直流-直流電源轉換器於放電狀態之操作模式二之電流路徑圖。
第十一圖係為本發明直流-直流電源轉換器於放電狀態之操作模式三之電流路徑圖。
第十二圖係為本發明直流-直流電源轉換器於放電狀態之操作模式四之電流路徑圖。
第十三圖係為習知再生能源電池與二次電池混合供電系統之架構圖。
第十四圖係為另一習知再生能源電池與二次電池混合供電系統之架構圖。
(2)．．．直流-直流電源轉換器
(2A)．．．充電電路
(2B)．．．放電電路
(201)．．．電源輸入端
(202)．．．第三二極體
(203)．．．第一開關
(204)．．．第一電感
(205)．．．第二開關
(206)．．．充電電容
(207)．．．二次電池
(208)．．．第一二極體
(209)．．．第一電容
(210)．．．第二電感
(211)．．．第二二極體
(212)．．．匯流排電容
Claims (3)
- 一種應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器，係包括有：
一充電電路，包含有一電源輸入端、一第一開關、一第二開關、一第一電感、一充電電容及一二次電池，其中該電源輸入端一端電性連接該第一開關，該第一開關另一端電性連接該第一電感及該第二開關，而該第一電感另一端電性連接該充電電容及該二次電池，而該電源輸入端另一端電性連接該第二開關另一端、充電電容另一端及該二次電池另一端，以形成一電性迴路；
一放電電路，該放電電路係電性連接該充電電路，包含有一第一二極體、一第二二極體、一第二電感、一第一電容、一匯流排電容、前述第一電感、前述第二開關、前述充電電容及前述二次電池，其中該第一二極體陽極端電性連接該第一開關、第二開關及第一電感，該第一二極體陰極端電性連接該第一電容一端及第二電感一端，該第二電感另一端電性連接該第二二極體陽極端，該第二二極體陰極端電性連接該匯流排電容一端，而該第一電容另一端電性連接該第一電感、充電電容及二次電池，該匯流排電容另一端電性連接該第二開關、充電電容及二次電池另一端；
藉由該充電電路對該二次電池充電，再藉由該放電電路將二次電池放電至該匯流排電容上，進而達到電源轉換。 - 如申請專利範圍第1項所述之應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器，其中，該電源輸入端電性連接有一第三二極體，且該第三二極體陰極端電性連接該第一開關。
- 如申請專利範圍第1項所述之應用於再生能源與二次電池混合供電系統之電源轉換器，其中，該第一電感與第二電感互為耦合電感。
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