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TWI890076B - 移動式充電站 - Google Patents

移動式充電站

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Publication number
TWI890076B
TWI890076B TW112122387A TW112122387A TWI890076B TW I890076 B TWI890076 B TW I890076B TW 112122387 A TW112122387 A TW 112122387A TW 112122387 A TW112122387 A TW 112122387A TW I890076 B TWI890076 B TW I890076B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
module
power
bus
charging station
vehicle body
Prior art date
Application number
TW112122387A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202428468A (zh
Inventor
李聖華
葉柏毅
黃文隆
沈威廷
Original Assignee
台達電子工業股份有限公司
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 台達電子工業股份有限公司 filed Critical 台達電子工業股份有限公司
Publication of TW202428468A publication Critical patent/TW202428468A/zh
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Abstract

一種移動式充電站，係應用於聯結車上，且聯結車包括曳引車及板型車體。移動式充電站包括配置於板型車體上的固態變壓器供電模組及複數個充電樁，且固態變壓器供電模組包括複數個交流/直流轉換模組。固態變壓器供電模組接收輸入電源，且交流/直流轉換模組轉換輸入電源為複數個直流電源，使充電樁係基於電動載具的搭接而提供相應於電動載具搭接數量的充電電源對電動載具充電。

Description

移動式充電站
本申請係涉及一種移動式充電站，尤指一種具有固態變壓器架構的移動式充電站。
在習知的電動車充電技術中，電動車雖然逐漸普及，但各國充電樁覆蓋速度卻遠不及電動車成長的速度，特別是在偏遠地帶或是特別節日時碰上的車潮，電動車車主往往無電可充或是得付出大把時間等待電動車使用傳統的慢速充電。除此之外，電動非消費性交通工具或機具也在逐漸普及，但這些非消費性電動交通工具或機具也同樣面對充電不便的問題(尤其是off-road的機具)，使得電動機具的推廣窒礙難行。
配合參閱圖1為習知的電動車充電裝置的電路方塊圖。在習知的電動車充電技術缺點中，中壓等級的交流電源(MV-AC，即三相輸入電源Pac_3)需要通過傳統繞線式低頻變壓器(圖1以移相式變壓器T為例)變壓為低壓交流輸入電源後，才提供給交流/直流轉換模組10轉換，並通過充電樁3對電動載具500充電。然而，傳統移相式變壓器T具有體積大重量重的缺點，勢必無法縮小整個供電系統的體積，因此較難實現具中壓等級的交流電源的移動式充電站。導致現今電動車的充電仍然必須要尋找定點的充電站，使得電動車車主針對行駛於偏遠地帶或是遇上車潮有所忌憚，不利於電動車的普及。
所以，如何設計出一種移動式充電站，通過電動車充電裝置配置於移動車輛上，以提供高機動性、高輕便性以及高靈活性的急速快充解決方案，乃為本案創作人所欲行研究的一大課題。
為了解決上述問題，本發明係提供一種移動式充電站，以克服習知技術的問題。因此，本發明的移動式充電站係應用於聯結車上，且聯結車包括曳引車及板型車體。移動式充電站包括固態變壓器供電模組及複數個充電樁，且固態變壓器供電模組包括複數個交流/直流轉換模組。固態變壓器供電模組配置於板型車體，以接收輸入電源，且交流/直流轉換模組轉換輸入電源為複數個直流電源。充電樁配置於板型車體，且通過耦接複數個直流電源，使充電樁係基於電動載具的搭接而提供相應於電動載具搭接數量的充電電源對電動載具充電。
為了解決上述問題，本發明係提供一種移動式充電站，以克服習知技術的問題。因此，本發明移動式充電站係應用於聯結車上，且聯結車包括曳引車及板型車體。移動式充電站包括固態變壓器供電模組、直流總線、調配模組及複數個充電樁，且固態變壓器供電模組包括三組固態變壓器供電單元。固態變壓器供電模組配置於板型車體，且接收輸入電源。每組固態變壓器供電單元分別接收輸入電源的單相輸入電源，以分別轉換單相輸入電源為直流電源。直流總線耦接固態變壓器供電單元，且接收直流電源。調配模組，耦接直流總線，且轉換直流總線上的電源為輸出電源。充電樁配置於板型車體，且通過耦接調配模組而接收輸出電源，使充電樁係基於電動載具的搭接而提供相應於電動載具搭接數量的充電電源對電動載具充電。
本發明之主要目的及功效在於，本發明使用固態變壓器供電模組取代傳統移相式變壓器來構成電動車充電裝置，且將電動車充電裝置配置於移動車輛上，以縮小電動車充電裝置所佔的體積，並提供高機動性、高輕便性以及高靈活性的急速快充解決方案。
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。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：
請參閱圖2為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第一實施例之結構示意圖。移動式充電站主要是應用於聯結車100上，且聯結車100包括曳引車200、板型車體300及電動車充電裝置400。電動車充電裝置400配置於板型車體300上，且電動車充電裝置400包括固態變壓器供電模組1(Solid State Transformer；SST，此後簡稱SST供電模組)、調配模組2及複數充電樁3(Dispenser)。SST供電模組1主要係為中壓等級的交流電源(MV-AC)轉直流超級快速充電轉換模組，且SST供電模組1、調配模組2及充電樁3較佳的可通過鎖固、鑲崁等方式固定於板型車體300上。其中，SST的主要應用在於，利用可接收中壓等級的交流電源(MV-AC)的高頻電源轉換器來取代傳統具有大體積的電力變壓器(如圖1的傳統移相式變壓器)，以達到縮小系統體積、提高功率密度、提高功率因數等功效，並能提供百萬瓦(megawatt)等級的電源轉換(例如但不限於1MW以上)。
請參閱圖3A為本揭露電動車充電裝置第一實施例的電路方塊圖，復配合參閱圖2。SST供電模組1接收MV-AC(即三相輸入電源Pac_3，通常介於1kV至35kV)，且將輸入電源Pac_3轉換為複數個直流電源Pdc。調配模組2耦接SST供電模組1與充電樁3之間，且基於直流電源Pdc提供複數個輸出電源Po至充電樁3。充電樁3通過耦接調配模組2而分別接收輸出電源Po，且基於輸出電源Po提供充電電源Pc，使充電樁3可以基於電動載具500的搭接而提供相應於電動載具500搭接數量的充電電源Pc對電動載具500充電。因此，充電樁3可根據電動載具500的需求，相應地提供合適的電壓、電流(即電源)對電動載具500充電。當移動式充電站抵達地點後，只需接上MV-AC(即三相輸入電源Pac_3)便可隨時隨地對需要充電的電動載具500進行充電。
SST供電模組1包括複數個交流/直流轉換模組10，且交流/直流轉換模組10的輸入端分別接收MV-AC(即三相輸入電源Pac_3)，以分別轉換輸入電源Pac_3為直流電源Pdc。交流/直流轉換模組10的輸出端分別耦接調配模組2，以分別提供直流電源Pdc至調配模組2。另外一方面，每個交流/直流轉換模組10的輸入端還可以包括MV-AC的開關SW，以為各個交流/直流轉換模組10的前級進行保護。其中，MV-AC的開關SW可為任何型式的繼電器、接觸器、斷路器、半導體等零件，做為單個交流/直流轉換模組10的斷電機制，以保障於在單個交流/直流轉換模組10失效的情況下，可進行斷電，不影響其餘交流/直流轉換模組10的運作。
調配模組2可以為矩陣式開關組，且矩陣式開關組包括第一開關組20與第二開關組22。第一開關組20包括複數個第一開關Q1，且第一開關Q1分別耦接多個交流/直流轉換模組10中的其中一個交流/直流轉換模組10(以10A示意)輸出端的負極10-與多個交流/直流轉換模組10中的另一個交流/直流轉換模組10(以10B示意)輸出端的正極10+之間，以形成多個交流/直流轉換模組10串聯耦接的結構。因此，第一開關組20可以基於電動載具500的電壓需求進行多個交流/直流轉換模組10輸出端的串聯，且第一開關Q1的數量為交流/直流轉換模組10的數量減1。
第二開關組22包括複數個開關列222，且開關列222分別包括複數個第二開關Q2與複數個第三開關Q3。第二開關Q2分別使交流/直流轉換模組10輸出端的正極10+並聯，且第三開關Q3分別使交流/直流轉換模組10輸出端的負極10-並聯，以使每個開關列222形成並接節點Pn。其中，每個第二開關Q2的一端分別耦接每個交流/直流轉換模組10輸出端的正極10+，且每個第二開關Q2的另一端共接於並接節點Pn，以形成多個交流/直流轉換模組10輸出端的正極10+並聯耦接的結構。第三開關Q3亦是如此，形成多個交流/直流轉換模組10輸出端的負極10-並聯耦接的結構。因此，第二開關組22可以基於電動載具500的電流需求進行多個交流/直流轉換模組10的並聯。其中，充電樁3的數量相應於開關列222的數量，且每個充電樁3相應地耦接每個開關列222的並接節點Pn。
舉例而言，假設單個交流/直流轉換模組10的輸出電壓為200-500V，通過第一開關組20的操作，串聯2個交流/直流轉換模組10後可達400-1000V的電壓輸出，依此類推。例如但不限於，當電動載具500的需求為500V時，第一開關組20操作第一開關Q1皆不導通，以提供單組交流/直流轉換模組10的輸出電壓(即500V電壓)至搭接電動載具500的充電樁3。反之，當電動載具500的需求為1000V時，第一開關組20操作其中之一的第一開關Q1導通，以提供二組交流/直流轉換模組10串連後的輸出電壓(即500V電壓相加為1000V)至搭接電動載具500的充電樁3。
另外一方面，假設單個交流/直流轉換模組10的輸出電流為250A，通過第二開關組22的操作，並聯3個交流/直流轉換模組10後可達750A的電流輸出，其原理同上，在此不再加以贅述。具體而言，第一組的開關列222A主要是對應於第一組的充電樁3A。基於搭接第一組充電樁3A的電動載具500的電流需求，可以使用1~6組(以本實施例為例)的交流/直流轉換模組10對其進行充電。其餘的開關列222依此類推，在此不再加以贅述。因此，開關列222的組數係基於充電樁3的數量而定(例如但不限於充電樁的數量有6組時，則會具有6組的開關列222)。
進一步而言，調配模組2為矩陣式開關組可以使電動車充電裝置400具有較佳的能源調度能力。充電樁3的數量與交流/直流轉換模組10的數量無關(即充電樁3的數量可以大於或小於交流/直流轉換模組10)，主要是控制矩陣式開關組內的開關導通/關斷來決定電動載具500的充電機制。因此，通過矩陣式開關組內的開關導通/關斷，可以決定哪個電動載具500可以獲得較大的電流，哪個電動載具500可以優先充電，哪個電動載具500優先斷電等控制機制。另外一方面，於電動車充電裝置400可包括控制模組5。控制模組5可以為系統控制器(例如但不限於微處理器等)，且可由至少一個控制器所組成。控制模組5可用以控制電動車充電裝置400內裝置的一切運作，例如但不限於矩陣式開關組內的開關導通/關斷、交流/直流轉換模組10的啟/閉等，還包括後文所闡述的裝置，皆可由控制模組5來控制。
值得一提，於一實施例中，調配模組2除了可以為矩陣式開關組外，還可以為電源分配器(Power Distribution Unit；PDU)等同樣具有電源分配功能的裝置來將直流電源Pdc分配為輸出電源Po，並不以矩陣式開關組為限。而且，當單個交流/直流轉換模組10的電源轉換能力足以應付單個充電樁3的額定充電能力，調配模組2可以省略，亦即交流/直流轉換模組10直接提供直流電源Pdc至充電樁3。此外，圖3A的SST供電模組1的電路架構較適合應用於單向供電的電路架構，並具有無功補償及輕載條件下諧波電流表現良好的特點。其中，由於MV-AC(即輸入電源Pac_3)需要與充電樁3進行電氣隔離，因此除了額外附加隔離變壓器等隔離方式外，交流/直流轉換模組10使用隔離型交流/直流轉換器為較佳的實施方式。此外，由於各個交流/直流轉換模組10的輸出端分別耦接調配模組2，產生了充電樁3之間彼此之間電氣隔離的效果。
除此之外，SST供電模組1還可選擇性地包括突波保護裝置SPD(Surge Protection Device）與保險絲FU(Fuse)。突波保護裝置SPD耦接三相輸入電源Pac_3，且保險絲FU耦接突波保護裝置SPD與開關SW之間。突波保護裝置SPD用以在三相輸入電源Pac_3發生突波時(例如但不限於發生雷擊等狀況)，將突波洩放至大地或將其消耗之用，避免後端電路受到突波的衝擊而失效。保險絲FU可以如同圖3A所示，2個交流/直流轉換模組10共用一個保險絲FU，以節省保險絲FU的用量。但是在實際應用中，由於每個交流/直流轉換模組10是獨立的，所以也可以在每個交流/直流轉換模組10的輸入端都配置一個保險絲FU。因此，保險絲FU可以依照SST供電模組1的實際需求來配置，並不以圖3A為限。
請參閱圖3B為本揭露交流/直流轉換模組的電路方塊圖，復配合參閱圖2~3A。SST供電模組1中的交流/直流轉換模組10由於需要有MV-AC的轉換能力，因此交流/直流轉換模組10較佳實施方式可包括2n個半橋模組102(其可以依照實際需求擴充為6組、8組等偶數組，依此類推)，且交流/直流轉換模組10輸入端使用串聯耦接的m個二極體D，以耐受三相交流的高輸入電源Pac_3。隔離變壓器TR除了用以進行電源轉換外，還用以將MV-AC(即輸入電源Pac_3)與充電樁3進行電氣隔離。值得一提，於一實施例中，圖3B僅出示了交流/直流轉換模組10較佳實施方式，其電路並不以此為限。舉凡具有MV-AC的轉換能力的交流/直流轉換模組，皆應包含在本實施例之範疇當中。
請參閱圖3C為本揭露電動車充電裝置第一實施例附加直流總線的電路方塊圖，復配合參閱圖2。在圖3C中，SST供電模組1更包括直流總線DC_BUS與複數個直流/直流轉換模組12。直流總線DC_BUS耦接交流/直流轉換模組10，以接收直流電源Pdc。直流/直流轉換模組12耦接直流總線DC_BUS，且轉換直流總線DC_BUS上的電源為複數個第一直流電源Pdc1，以將第一直流電源Pdc1如同圖3A的電路關係，來提供至調配模組2。因此，第一直流電源Pdc1與直流電源Pdc相關聯，使調配模組2可基於直流電源Pdc提供複數個輸出電源Po。其中，直流/直流轉換模組12的數量可以與交流/直流轉換模組10的數量不相同。
進一步而言，SST供電模組1附加直流總線DC_BUS的功用在於，電動車充電裝置400可以額外附加電池模組4。具體而言，電池模組4(例如但不限於電池櫃等儲能設備)可通過耦接直流總線DC_BUS來提供儲能電源Pb至直流總線DC_BUS。因此，當SST供電模組1加裝電池模組4時，電池模組4可與交流/直流轉換模組10共接於直流總線DC_BUS上，以向直流總線DC_BUS提供儲能電源Pb來備援供電。因此，直流/直流轉換模組12可轉換該直流總線DC_BUS上的電源(直流電源Pdc及/或儲能電源Pb)為第一直流電源Pdc1。
值得一提，於一實施例中，由於各個充電樁3需要彼此電氣隔離，因此除了額外附加隔離變壓器等隔離方式外，直流/直流轉換模組12使用隔離型直流/直流轉換器為較佳的實施方式。此外，由於MV-AC(即輸入電源Pac_3)需要與直流總線DC_BUS進行電氣隔離，因此除了額外附加隔離變壓器等隔離方式外，交流/直流轉換模組10使用隔離型交流/直流轉換器為較佳的實施方式。
因此，綜上圖3A~3C所述，基於交/直流轉換模組10的電路架構所構成的SST供電模組1，可以相容應用至電動車充電裝置400。藉由交/直流轉換模組10搭配矩陣式開關組，可以配置多種充電規格來符合應用端的需求。多個交/直流轉換模組10輸出經由矩陣式開關組達到可輸出不同電壓/電流的規格，以因應不同規格的電動載具500的充電需求。
請參閱圖4為本揭露電動車充電裝置第二實施例的電路方塊圖，復配合參閱圖2~3C。圖4與圖3A的差異在於，SST供電模組1包括三組固態變壓器供電單元1A，且電動車充電裝置400更包括直流總線DC_BUS。固態變壓器供電單元1A分別接收三相輸入電源Pac_3的其中之一單相輸入電源Pac_1，使得每組固態變壓器供電單元1A分別轉換單相輸入電源Pac_1為複數個直流電源Pdc。直流總線DC_BUS耦接固態變壓器供電單元1A與調配模組2之間，以接收直流電源Pdc，且調配模組2轉換直流總線DC_BUS上的電源為複數個輸出電源Po。
具體而言，三組固態變壓器供電單元1A分別包括複數個交流/直流轉換模組10。每個交流/直流轉換模組10的輸入端串聯耦接而分攤單相輸入電源Pac_1(以輸入源P表示，代表輸入源P的加總為單相輸入電源Pac_1，輸入電壓亦同)。每組交流/直流轉換模組10的輸出端並聯，且三組固態變壓器供電單元1A的輸出端係共接於直流總線DC_BUS上。其中，每組交流/直流轉換模組10分別包括交流/直流轉換器104與直流/直流轉換器106。交流/直流轉換器104耦接輸入端，且轉換輸入端所分攤到的電源(即輸入源P)為第二直流電源Pdc2。直流/直流轉換器106，耦接交流/直流轉換器104及直流總線DC_BUS，且轉換第二直流電源Pdc2為直流電源Pdc，以將直流電源Pdc提供至直流總線DC_BUS。
調配模組2包括複數個直流充電模組24，且直流充電模組24的一端共同耦接直流總線DC_BUS。直流充電模組24的另一端分別耦接充電樁3，且直流充電模組24的數量相應於充電樁3的數量。直流充電模組24接收直流總線DC_BUS上的電源，且將其轉換為輸出電源Po。由於電動車充電裝置400更包括直流總線DC_BUS，因此電池模組4(例如但不限於電池櫃等儲能設備)可通過耦接直流總線DC_BUS來提供儲能電源Pb至直流總線DC_BUS。當SST供電模組1加裝電池模組4時，電池模組4可與直流/直流轉換器106共接於直流總線DC_BUS上，以向直流總線DC_BUS提供儲能電源Pb來備援供電。因此，直流充電模組24可轉換該直流總線DC_BUS上的電源(直流電源Pdc及/或儲能電源Pb)為輸出電源Po。值得一提，圖4未敘明之電路結構及操作方式同於圖3A~3C，且圖3A~4的特點可以相互應用，在此不再加以贅述。
於一實施例中，圖4的SST供電模組1的電路架構較適合應用於雙向供電的電路架構，並具有無功補償及輕載條件下諧波電流表現良好的特點。另外一方面，由於MV-AC(即輸入電源Pac_1)需要與直流總線DC_BUS進行電氣隔離，因此除了額外附加隔離變壓器等隔離方式外，直流/直流轉換器106使用隔離型交流/直流轉換電路為較佳的實施方式。此外，由於各個充電樁3需要彼此電氣隔離，因此除了額外附加隔離變壓器等隔離方式外，直流充電模組24使用隔離型直流充電器為較佳的實施方式。
復配合參閱圖2~4，由於SST供電模組1重量及體積都遠小於圖1的傳統移相式變壓器，因此即便將固態變壓器供電模組1、調配模組2及複數充電樁3(例如但不限於20根~30根)皆配置於板型車體300，板型車體300的規格仍可以縮小至小於等於10呎櫃，而構成本案的移動式充電站(即聯結車100的規格可以為最低規格，使用較小動力規格的曳引車200搭配較小規格的板型車體300)。因此，整個移動式充電站的建構成本可以降低，聯結車100的體型也可以縮小，其配置可以更為靈活且彈性，特別適用於穿越道路狹窄的山路或是因坍方而致使道路縮減的道路上。
請參閱圖5A為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第二實施例之結構示意圖，復配合參閱圖2~4。圖5A與圖2差異在於，電動車充電裝置400更包括如圖3C、4所述的電池模組4，且電池模組4配置於板型車體300。具體而言，由於SST供電模組1重量及體積都小於超高容量電池櫃(即電池模組4)或傳統快充方案(即移相式變壓器)，因此若板型車體300上若有多餘的乘載空間與容量時(如圖5A所示)，可以選擇性地加裝中小型容量的電池櫃(即電池模組4)，以減輕對當地電網的衝擊性。除此之外，若曳引車200也為電動載具時，曳引車200的動力來源也可以由電池模組4補充，以增加移動式充電站的續航力，使其更能深入偏遠山區。
請參閱圖5B為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第三實施例之結構示意圖、請參閱圖5C為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第四實施例之結構示意圖，復配合參閱圖2~5A。圖5B與圖2差異在於，移動式充電站更包括擴充板型車體600，以及如圖3C、4所述的電池模組4。擴充板型車體600連結於板型車體300，且電池模組4配置於擴充板型車體600上。圖5C與圖2差異在於，移動式充電站包括多台聯結車100，且其中之一台至少包括固態變壓器供電模組1，其中之二台至少包括電池模組4。具體而言，由於SST供電模組1具有良好的擴充性。因此，當需要有更高的充電容量需求時，可利用多台聯結車100使用線路串連的形式或是直接增加一板型車體(即擴充板型車體600)連接，以乘載更多的充電樁3或是電池櫃(即電池模組4)，更甚直接增加一組SST供電模組1。透過多種組態的選擇來滿足各種市場的需求，將客戶的利益最大化。
另外一方面，由於SST供電模組1需要使用大功率的功率元件進行運作，以將MV-AC(即三相輸入電源Pac_3)進行電源的轉換，因此必須要使用高效的散熱方式來對功率元件進行散熱。所以，本申請係針對SST供電模組1設計出一套高效的散熱方式，其主要係通過水冷搭配風冷進行循環的方式來對功率元件所產生的熱量進行有效的散逸。具體而言，如圖6所示為本揭露具有散熱系統的固態變壓器供電裝置之結構外觀圖，復配合參閱圖2~5C。在圖6中，包括了如圖3A~3C所示的SST供電模組1，或如圖4所示的SST供電單元1A(以下統稱SST供電裝置1B)。
SST供電裝置1B包括殼體1C、複數個交流/直流轉換模組10(以6組示意)及散熱系統14，且殼體1C的內部包括容置區塊1D。交流/直流轉換模組10配置於容置區塊1D，且散熱系統14配置於殼體1C中，容置區塊1D外的其餘位置。散熱系統14主要是用以對交流/直流轉換模組10的功率模組(以圖3B為例，半橋模組102可視為功率模組，其為交流/直流轉換模組10的主要發熱元件)進行散熱，且散熱系統14包括水冷組件142及風冷組件144。水冷組件142用以提供冷卻液流經功率模組，以吸收功率模組所產生的熱源。風冷組件144用以將該冷卻液與流經功率模組的氣流進行熱交換，以偕同水冷組件142來共同對功率模組進行散熱。如此，利用熱交換的原理，可達到冷熱源交替應用，並提高散熱效率。
較佳的，水冷組件142及風冷組件144分別配置於容置區塊1D的垂直側1y與水平側1x。意即，水冷組件142及風冷組件144為垂直配置，當水冷組件142配置於圖6的左側或右側時，則風冷組件144置配置於圖6的上側或下側，反之亦然。如此，水冷組件142及風冷組件144於運作時，彼此之間不易相互影響，因此可以更加地提高散熱效率。
請參閱圖7所示為本揭露之散熱系統與功率模組的電路方塊圖，復配合參閱圖2~5C。散熱系統14包括冰水機162、熱交換器182、第一循環管路164、第二循環管路166、第一節流閥168及控制模組5，冰水機162、第一循環管路164、第二循環管路166及第一節流閥168為水冷組件142，且熱交換器182為風冷組件144。
冰水機162用以提供低溫冷卻液Lc，且熱交換器182耦接冰水機162，以將低溫冷卻液Lc與流經交流/直流轉換模組10的功率模組102A的氣流進行熱交換。第一循環管路164耦接熱交換器182與冰水機162，使冰水機162、熱交換器182及第一循環管路164形成第一循環迴路L1，以循環低溫冷卻液Lc。第二循環管路166配置於功率模組102A的一側而形成第二循環迴路L2，且通過循環高溫冷卻液Lh來吸收功率模組102A所產生的熱源。第一節流閥168耦接第一循環迴路L1與第二循環迴路L2之間，且控制模組5耦接第一節流閥168。控制模組5基於高溫冷卻液Lh的溫度大於溫度閾值，開啟第一節流閥168而將低溫冷卻液Lc引入第二循環迴路L2，以將低溫冷卻液Lc混入高溫冷卻液Lh而控制溫度小於等於溫度閾值。
進一步而言，如圖7所示，第一循環迴路L1為外循環迴路，且第二循環迴路L2為半封閉式的內循環迴路。低溫冷卻液Lc由冰水機162輸出(例如但不限於18度)，且經由熱交換器182與外循環迴路流回冰水機162(例如但不限於19度)。半封閉式的內循環迴路主要是將高溫冷卻液Lh(例如但不限於35度)流經功率模組102A周遭環境，以將功率模組102A周遭環境的熱源吸收而帶出。當高溫冷卻液Lh的溫度小於等於溫度閾值(例如但不限於35度)時，通過第一節流閥168的關閉，使半封閉式的內循環迴路形成封閉迴路，因此高溫冷卻液Lh在封閉迴路持續吸收功率模組102A周遭環境的熱源。其中，冷卻液例如但不限於為冷媒、水等液態傳導介質，但以冷媒為較佳。
當高溫冷卻液Lh的溫度大於溫度閾值(例如但不限於38度)時，通過第一節流閥168的開啟，可以將低溫冷卻液Lc混入高溫冷卻液Lh而降低高溫冷卻液Lh的溫度值，以維持高溫冷卻液Lh的吸熱效率。因此，當內循環迴路的高溫冷卻液Lh溫度過高時，控制模組5第一節流閥168開啟，以維持內循環迴路的冷卻液保持在特定的溫度範圍(即35~38度)。其中，較佳的，第一循環迴路L1可通過二條支路耦接第二循環迴路L2。二條支的其中一條包括第一節流閥168，另一條支路則為將高溫冷卻液Lh引導至外循環迴路之用。較佳可配置二條支路的原因在於，當第一節流閥168開啟時，為了使冷卻液交換率佳，因此保持冷卻液一進一出，方可使低溫冷卻液Lc通過第一節流閥168進入第二循環迴路L2而混入高溫冷卻液Lh，且通過另一條支路將高溫冷卻液Lh引導至外循環迴路。若未有此設計，則即便第一節流閥168開啟，單條支路會使低溫冷卻液Lc雖然也可與高溫冷卻液Lh混合，但冷卻液於第一循環迴路L1與第二循環迴路L2之間進出不易而無法充分混合。值得一提，於一實施例中，若在配置二條支路的情況下，二條支路皆可安裝第一節流閥168，以使其可控制低溫冷卻液Lc與高溫冷卻液Lh同時進出，使其具有較佳的循環能力。
復參閱圖7，水冷組件142更包括第二節流閥172、液壓泵174及第一溫度計Tp1，且第二節流閥172、液壓泵174及第一溫度計Tp1耦接第二循環管路166與控制模組5。控制模組5可通過第一溫度計Tp1偵測高溫冷卻液Lh的溫度，以基於高溫冷卻液Lh的溫度控制第一節流閥168、第二節流閥172及液壓泵174。具體地，控制模組5可通過控制第二節流閥172開啟的幅度來調整高溫冷卻液Lh的流量，且通過控制液壓泵174的轉速來調整高溫冷卻液Lh的流速。因此，控制模組5通過控制第二節流閥172與液壓泵174可以調整半封閉式的內循環迴路的流量及流速，以調控高溫冷卻液Lh的溫升速度及吸熱效率。
進一步而言，第一節流閥168為可調式節流閥，且控制模組5可通過控制第一節流閥168開啟的幅度來調整低溫冷卻液Lc進入第二循環迴路L2的流量。因此，第一節流閥168與第二節流閥172可以偕同運作。當高溫冷卻液Lh的溫度小於等於溫度閾值(例如但不限於，38度)時，控制模組5調小第一節流閥168與第二節流閥172開啟的幅度，以調小低溫冷卻液Lc進入第二循環迴路L2的流量。反之，當高溫冷卻液Lh的溫度大於溫度閾值時，控制模組5調大第一節流閥168與第二節流閥172開啟的幅度，以調大低溫冷卻液Lc進入第二循環迴路L2的流量。如此，即可有較佳的溫度調控效果。
另外一方面，如圖6~7所示，熱交換器182配置於容置區塊1D的垂直側1y或水平側1x(以配置於垂直側1y的下方示意)，且氣流於熱交換器182的熱交換形成高溫氣流Ah及低溫氣流Ac。高溫氣流Ah由熱交換器182的入風處吸入，並藉由第一循環迴路L1在熱交換器的出風處降溫成低溫氣流Ac。然後基於流體力學的作用，低溫氣流Ac通過SST供電裝置1B的入風處吹至模塊出風處，以將功率模組102A所產生的熱帶走，並形成高溫氣流Ah。最後，高溫氣流Ah再回到熱交換器182的入風處，以此進行循環。因此，通過本申請水冷組件142搭配風冷組件144共同對功率模組102A進行散熱，且使其二者共元件的方式，可以達到提高散熱效率的功效。
復參閱圖7，散熱系統14更包括第二溫度計Tp2與濕度計Mh。第二溫度計Tp2耦接控制模組5，且偵測功率模組102A周遭氣流的氣流溫度。濕度計Mh耦接控制模組5，且偵測功率模組102A周遭氣流的氣流濕度。控制模組5基於氣流溫度與氣流濕度計算露點溫度，且基於露點溫度調整高溫冷卻液Lh的溫度範圍。進一步而言，本揭露的散熱系統14還配備有防止凝露的功能。在不同空氣溫度、相對濕度的情況下空氣會達到的凝露溫度稱為露點溫度，當水冷組件142及風冷組件144之間冷熱不一的狀況，會在水冷組件142的管路表面產生凝露的狀況。這種凝露的狀況會發生在功率模組102A周遭，其因為具有冷卻液與氣流冷熱交換的現象，因此容易在功率模組102A周邊的第二循環管路166的管路表面產生凝露的狀況。為此，本揭露可透過在功率模組102A周邊的環境中加裝第二溫度計Tp2與濕度計Mh，使控制模組5可即時的監控並計算出露點溫度，或是透過寫入系統內的控制邏輯，將高溫冷卻液Lh的溫度範圍調整至露點溫度以上(例如但不限於35~38度調整至36~38度)即可避免空氣接觸到較低溫的第二循環管路166管壁而凝露的情形。
因此，本揭露的散熱系統14是基於熱管理的一種水路/風路設計方式。當水路中有兩種以上熱源且各自需求不同的水溫時，透過本申請的第一節流閥168、第二節流閥172、第一溫度計Tp1、第二溫度計Tp2、濕度計Mh及液壓泵174，可建構一個或多個由節流閥(168、172)控制的可溫控半封閉式的內循環迴路。利用元件自身發熱加熱水溫的原理以及內循環迴路內的溫度計，當高溫冷卻液Lh的溫度還未達到目標溫度時，第一節流閥168可維持關閉或調小開啟的幅度，且內循環迴路的液壓泵174持續作動，並由第二節流閥172控制內循環迴路的冷卻液的流量，待高溫冷卻液Lh的溫度達到目標溫控點(即溫度閾值)，第一節流閥168開啟或調大開啟的幅度來引入溫度較低的低溫冷卻液Lc，達到維持內循環迴路內高溫冷卻液Lh的溫度於特定溫度範圍的目的。第一節流閥168與第二節流閥172可依照控制邏輯及當下工況(元件發熱情況)，調整低溫冷卻液Lc進入內循環迴路的流速及流量。
請參閱圖8為本揭露交流/直流轉換模組與第二循環管路電路配置位置之示意圖，復配合參閱圖2~7。配合參閱圖3B，交流/直流轉換模組10包括輸入端元件IN、功率模組102A及變壓器TR。輸入端元件IN可包括濾波器、二極體D等元件，主要是用以接收輸入電源(Pac_3、Pac_1)，且功率模組102A可包括2n個半橋模組102。輸入端元件IN配置於功率模組102A的第一側，且其為接收MV-AC的高壓側。變壓器TR配置於功率模組102A的第二側(例如但不限於，相反於第一側)，且其為低壓側。半封閉式的內循環迴路(即第二循環管路166的至少部分或全部的管路)配置於低壓側，以遠離高壓側的MV-AC。在半封閉式的內循環迴路表面還配置有隔離板Bi，且隔離板Bi用以隔離第二循環管路166的至少部分或全部的管路與流經交流/直流轉換模組10的氣流，避免高溫冷卻液Lh與氣流的冷熱交替而導致高溫氣流Ah接觸到溫度較低的管壁或隔離板Bi而凝露的情形。其中，由於隔離板Bi配置於低壓側，針對絕緣的需求較低，因此隔離板Bi可以選用成本較為低廉的鍍鋅鋼板。
請參閱圖9為氣流於殼體內循環路徑示意圖，復配合參閱圖2~8。於一實施例中，殼體1C為具有機櫃門的可封閉殼體為較佳的實施方式，其可以使氣流具有較佳的循環能力。配合參閱圖6、8，在機櫃門關閉後，風冷組件144可通過殼體1C內部上下(或左右)循環的方式，使氣流環繞於殼體1C內部的垂直側(或水平側)，以進行氣流循環而達到較佳的散熱效果。亦即，風冷組件144主要是將低溫氣流Ac(例如但不限40度)導至功率元件，使低溫氣流Ac吹過功率模組102A而將熱給帶走(即高溫氣流Ah，例如但不限於50度)。然後高溫氣流Ah再通過熱交換器182與低溫冷卻液Lc進行熱交換後(50度降溫至40度)，再將低溫氣流Ac導至功率模組102A(如箭頭方向)。因此以圖8配合圖9為例，氣流係往第一方向D1吹動。
值得一提，於一實施例中，由於SST供電裝置1B包括複數組交流/直流轉換模組10，因此圖7的散熱系統14應用於圖6時，每個交流/直流轉換模組10可以分別使用獨立的水冷組件142及風冷組件144進行散熱(即包含多組的水冷組件142及風冷組件144)，或者單獨一組第一循環迴路L1搭配多個第二循環迴路L2，其可以依實際需求而選擇性的搭配，在此不再加以贅述。
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，皆應包括於本發明之範疇中，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。
100:聯結車 200:曳引車 300:板型車體 400:電動車充電裝置 1:固態變壓器供電模組 1A:固態變壓器供電單元 SW:開關 10、10A、10B:交流/直流轉換模組 10+:正極 10-:負極 D:二極體 102:半橋模組 TR:變壓器 DC_BUS:直流總線 12:直流/直流轉換模組 104:交流/直流轉換器 106:直流/直流轉換器 2:調配模組 20:第一開關組 Q1:第一開關 22:第二開關組 222、222A:開關列 Q2:第二開關 Q3:第三開關 Pn:並接節點 24:直流充電模組 3、3A:充電樁 4:電池模組 5:控制模組 500:電動載具 600:擴充板型車體 Pac_3、Pac_1:輸入電源 P:輸入源 Pdc:直流電源 Po:輸出電源 Pc:充電電源 Pdc1:第一直流電源 Pdc2:第二直流電源 Pb:儲能電源 1B:固態變壓器供電裝置 1C:殼體 1D:容置區塊 IN:輸入端元件 102A:功率模組 Bi:隔離板 14:散熱系統 142:水冷組件 162:冰水機 164:第一循環管路 166:第二循環管路 168:第一節流閥 172:第二節流閥 174:液壓泵 Tp1:第一溫度計 Tp2:第二溫度計 Mh:濕度計 144:風冷組件 182:熱交換器 1y:垂直側 1x:水平側 Lc:低溫冷卻液 Lh:高溫冷卻液 L1:第一循環迴路 L2:第二循環迴路 Ah:高溫氣流 Ac:低溫氣流 D1:第一方向
圖1為習知的電動車充電裝置的電路方塊圖；
圖2為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第一實施例之結構示意圖；
圖3A為本揭露電動車充電裝置第一實施例的電路方塊圖；
圖3B為本揭露交流/直流轉換模組的電路方塊圖；
圖3C為本揭露電動車充電裝置第一實施例附加直流總線的電路方塊圖；
圖4為本揭露電動車充電裝置第二實施例的電路方塊圖；
圖5A為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第二實施例之結構示意圖；
圖5B為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第三實施例之結構示意圖；
圖5C為本揭露具有固態變壓器架構的移動式充電站第四實施例之結構示意圖；
圖6為本揭露具有散熱系統的固態變壓器供電裝置之結構外觀圖；
圖7為本揭露之散熱系統與功率模組的電路方塊圖；
圖8為本揭露交流/直流轉換模組與第二循環管路電路配置位置之示意圖；及
圖9為本揭露氣流於殼體內循環路徑示意圖。
100:聯結車
200:曳引車
300:板型車體
400:電動車充電裝置
1:固態變壓器供電模組
2:調配模組
Pac_3:輸入電源
3:充電樁
500:電動載具

Claims (17)

  1. 一種移動式充電站，係應用於一聯結車上，且該聯結車包括一曳引車及一板型車體，該移動式充電站包括： 一固態變壓器供電模組，配置於該板型車體，且接收一輸入電源，該固態變壓器供電模組包括： 複數個交流/直流轉換模組，轉換該輸入電源為複數個直流電源； 一調配模組，耦接該等交流/直流轉換模組，且該調配模組為一矩陣式開關組；其中該矩陣式開關組包括一第一開關組與一第二開關組，且該第二開關組包括複數個開關列；及 複數個充電樁，配置於該板型車體，且通過耦接該等直流電源，使該等充電樁係基於電動載具的搭接而提供相應於電動載具搭接數量的充電電源對電動載具充電； 其中，每個開關列包括複數個第二開關與複數個第三開關，每個第二開關分別使該等交流/直流轉換模組的正極並聯，且每個第三開關分別使該等交流/直流轉換模組的負極並聯，該等充電樁的數量相應於該等開關列的數量。
  2. 如請求項1所述之移動式充電站，其中該調配模組基於該等直流電源提供複數個輸出電源給該等充電樁。
  3. 如請求項2所述之移動式充電站，其中該第一開關組包括複數個第一開關，每個第一開關分別耦接其中一個交流/直流轉換模組輸出端的一負極與另一個交流/直流轉換模組輸出端的一正極之間；每個開關列形成一並接節點，且每個充電樁相應地耦接每個開關列的並接節點。
  4. 如請求項1所述之移動式充電站，其中該固態變壓器供電模組更包括： 一直流總線，耦接該等交流/直流轉換模組，且接收該等直流電源；及 複數個直流/直流轉換模組，耦接該直流總線，且轉換該直流總線上的電源為複數個第一直流電源，以提供該等第一直流電源至該等充電樁。
  5. 如請求項4所述之移動式充電站，更包括： 一電池模組，配置於該板型車體，且耦接該直流總線，以提供一儲能電源至該直流總線。
  6. 如請求項4所述之移動式充電站，更包括： 一擴充板型車體，連結於該板型車體；及 一電池模組，配置於該擴充板型車體，且耦接該直流總線，以提供一儲能電源至該直流總線。
  7. 如請求項4所述之移動式充電站，其中該等交流/直流轉換模組為隔離型交流/直流轉換器，且該等直流/直流轉換模組為隔離型直流/直流轉換器。
  8. 如請求項1所述之移動式充電站，其中該板型車體的規格小於等於10呎櫃。
  9. 如請求項1所述之移動式充電站，其中該輸入電源為一中壓等級的交流電源，且各該交流/直流轉換模組分別轉換該中壓等級的交流電源為該等直流電源。
  10. 一種移動式充電站，係應用於一聯結車上，且該聯結車包括一曳引車及一板型車體，該移動式充電站包括： 一固態變壓器供電模組，配置於該板型車體，且接收一輸入電源，該固態變壓器供電模組包括： 三組固態變壓器供電單元，每組固態變壓器供電單元分別接收該輸入電源的一單相輸入電源，以分別轉換該單相輸入電源為複數個直流電源； 一直流總線，耦接該等固態變壓器供電單元，且接收該等直流電源； 一調配模組，耦接該直流總線，且轉換該直流總線上的電源為複數個輸出電源；及 複數個充電樁，配置於該板型車體，且通過耦接該調配模組而接收該等輸出電源，使該等充電樁係基於電動載具的搭接而提供相應於電動載具搭接數量的充電電源對電動載具充電。
  11. 如請求項10所述之移動式充電站，其中該調配模組包括： 複數個直流充電模組，一端耦接該直流總線，另一端分別耦接該等充電樁； 其中，該等直流充電模組的數量相應於該等充電樁的數量。
  12. 如請求項11所述之移動式充電站，其中該等直流充電模組為隔離型直流充電器。
  13. 如請求項10所述之移動式充電站，其中該等固態變壓器供電單元分別包括： 複數個交流/直流轉換模組，每個交流/直流轉換模組的一輸入端串聯耦接而分攤該單相輸入電源，且該等交流/直流轉換模組分別包括： 一交流/直流轉換器，耦接該輸入端，且轉換該輸入端所分攤到的電源為一第二直流電源；及 一直流/直流轉換器，耦接該交流/直流轉換器及該直流總線，且轉換該第二直流電源為該直流電源。
  14. 如請求項10所述之移動式充電站，其中該等直流/直流轉換器為隔離型直流/直流轉換器。
  15. 如請求項10所述之移動式充電站，更包括： 一電池模組，配置於該板型車體，且耦接該直流總線，以提供一儲能電源至該直流總線。
  16. 如請求項10所述之移動式充電站，更包括： 一擴充板型車體，連結於該板型車體；及 一電池模組，配置於該擴充板型車體，且耦接該直流總線，以提供一儲能電源至該直流總線。
  17. 如請求項10所述之移動式充電站，其中該板型車體的規格小於等於10呎櫃。
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