TWI900411B - 直流電源供應裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種直流電源供應裝置。直流電源供應裝置包括直流電源匯流排、第一偵測電路、第二偵測電路、多個電池模組以及管理電路。第一偵測電路偵測進入直流電源匯流排的外接電源。第二偵測電路偵測位於直流電源匯流排的負載狀態。所述多個電池模組分別以可拆卸式地組裝至直流電源匯流排。當直流電源匯流排並沒有接收到外接電源時，管理電路依據負載狀態調整被組裝至直流電源匯流排的多個被組裝電池模組的供電數量。

Description

直流電源供應裝置

本發明是有關於一種電源供應技術，且特別是有關於一種直流電源供應裝置。

一般來說，現行的供應裝置可利用外接電源以及單一電池模組的其中之一來對一負載進行供電。然而，基於負載的負載功率的變動，單一電池模組並無法滿足負載的高功率需求。此外，在單一電池模組進行長時間的使用下，電池模組中的電池的壽命縮短。電池模組中的電池的性能也會明顯降低。

本發明提供一種具有電池模組的直流電源供應裝置。

在本發明的一實施例中，直流電源供應裝置包括直流電源匯流排、第一偵測電路、第二偵測電路、多個電池模組以及管理電路。第一偵測電路耦接於直流電源匯流排。第一偵測電路偵測進入直流電源匯流排的一外接電源。第二偵測電路耦接於直流電源匯流排。第二偵測電路偵測位於直流電源匯流排的負載狀態。所述多個電池模組分別以可拆卸式地組裝至直流電源匯流排。管理電路與第一偵測電路、第二偵測電路以及組裝於直流電源匯流排的多個被組裝電池模組進行通訊。當直流電源匯流排並沒有接收到外接電源時，管理電路依據負載狀態調整所述多個被組裝電池模組的供電數量。

基於上述，直流電源供應裝置包括組裝於直流電源匯流排的多個被組裝電池模組。當直流電源匯流排並沒有接收到外接電源時，管理電路能夠依據負載狀態動態調整所述多個被組裝電池模組的供電數量。如此一來，所述多個被組裝電池模組的電池單元的壽命能夠被延長。電池模組中的電池單元的性能並不會明顯降低。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的範例。

請參考圖1，圖1是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置的示意圖。在本實施例中，直流電源供應裝置100包括直流電源匯流排（DC power bus）DB、第一偵測電路110、第二偵測電路120、電池模組130(1)~130(n)以及管理電路140。第一偵測電路110耦接於直流電源匯流排DB。第一偵測電路110偵測進入直流電源匯流排的外接電源PE。第二偵測電路120耦接於直流電源匯流排DB。第二偵測電路120偵測位於直流電源匯流排DB的負載狀態。電池模組130(1)~130(n)分別以可拆卸式地組裝至直流電源匯流排DB。在本實施例中，電池模組130(1)~130(n)可依據實際的使用需求被組裝至直流電源匯流排DB。以本實施例為例，電池模組130(1)~130(n-1)（或稱為，被組裝電池模組130(1)~130(n-1)）被組裝至直流電源匯流排DB。電池模組130(n)則沒有被組裝至直流電源匯流排DB。

基於實際的使用需求，被組裝電池模組的數量可以被調整。

在本實施例中，管理電路140與第一偵測電路110、第二偵測電路120以及組裝於直流電源匯流排的電池模組130(1)~130(n-1)通訊。管理電路140能夠依據第一偵測電路110的偵測結果來判斷被輸入至直流電源匯流排DB的外接電源PE。管理電路140能夠依據第二偵測電路120的偵測結果來判斷負載狀態。當直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE時，管理電路140依據負載狀態調整電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量。

在此值得一提的是，負載狀態可以是連接於直流電源匯流排DB的負載元件LD的負載狀態。當直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE時，管理電路140能夠依據負載狀態動態調整被組裝至直流電源匯流排DB的電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量。如此一來，電池模組130(1)~130(n-1)的電池單元的壽命能夠被延長。電池模組130(1)~130(n-1)中的電池單元的性能並不會明顯降低。此外，電池模組130(n)可以被作為備援電池模組。

在本實施例中，直流電源供應裝置100可適用於電子裝置、設備或電動載具。電子裝置可以是攜帶型電子裝置或非攜帶型電子裝置。電動載具可以是至少以電力為動力來源的電動交通工具。

在本實施例中，管理電路140與第一偵測電路110、第二偵測電路120以及組裝於直流電源匯流排的電池模組130(1)~130(n-1)進行有線通訊或無線通訊。管理電路140例如是中央處理單元（Central Processing Unit，CPU），或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器（Microprocessor）、數位訊號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、可程式化控制器、特殊應用積體電路（Application Specific Integrated Circuits，ASIC）、可程式化邏輯裝置（Programmable Logic Device，PLD）或其他類似裝置或這些裝置的組合，其可載入並執行電腦程式。

此外，當電池模組130(1)~130(n)的其中之一發生異常時，異常的電池模組能夠從直流電源匯流排DB上拆卸下來以進行維修。如此一來，維修的成本能夠被降低。維修的便利性能夠被提高。

在本實施例中，管理電路140接收來自於第一偵測電路110的偵測訊號SD1以及來自於第二偵測電路120的偵測訊號SD2。管理電路140可依據偵測訊號SD1來判斷被輸入至直流電源匯流排DB的外接電源PE。管理電路140可依據偵測訊號SD2來判斷負載狀態。

請參考圖2，圖2是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置未接收到外接電源的操作示意圖。在本實施例中，當直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE並且負載狀態表示出重載時，管理電路140控制所有電池模組130(1)~130(n-1)對直流電源匯流排DB進行供電。

請參考圖3，圖3是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置未接收到外接電源的操作示意圖。在本實施例中，當直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE並且負載狀態表示出輕載時，管理電路140控制電池模組130(1)~130(n-1)的其中之一對直流電源匯流排DB進行供電。

在圖2以及圖3中，當負載狀態表示出直流電源匯流排DB的負載增加並且直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE時，管理電路140提高電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量。舉例來說，在輕載狀態，電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量等於1。當直流電源匯流排DB的負載增加一設定功率差值時，電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量等於2。當直流電源匯流排DB的負載再增加設定功率差值時，電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量等於3，依此類推。

當負載狀態表示出直流電源匯流排DB的負載降低並且直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE時，管理電路140降低電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量。舉例來說，在重載狀態，電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量等於(n-1)。當直流電源匯流排DB的負載降低設定功率差值時，電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量等於(n-2)。當直流電源匯流排DB的負載再降低設定功率差值時，電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量等於(n-3)，依此類推。

應注意的是，本實施例可依據直流電源匯流排DB的負載變化來即時動態調整電池模組130(1)~130(n-1)的供電數量。

此外，管理電路140依據電池模組130(1)~130(n-1)的殘餘電量來決定電池模組130(1)~130(n-1)的放電順序。舉例來說，在輕載狀態下，管理電路140與電池模組130(1)~130(n-1)進行通訊以獲知電池模組130(1)具有最多的殘餘電量，並且電池模組130(2)具有第二多的殘餘電量。因此，管理電路140控制電池模組130(1)優先對直流電源匯流排DB進行供電。當負載增加時，管理電路140控制電池模組130(1)、130(2)優先對直流電源匯流排DB進行供電。

在一些實施例中，當直流電源匯流排DB並沒有接收到外接電源PE並且負載狀態表示出輕載時，管理電路140控制所有電池模組130(1)~130(n-1)以較低放電功率對直流電源匯流排DB進行供電。如此一來，電池模組130(1)~130(n-1)的放電負擔能夠被平衡，從而確保了在輕載情況下電池能量被高效且均勻地釋放，進一步延長電池模組130(1)~130(n-1)的電池單元的壽命。

請參考圖4，圖4是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置接收到外接電源的操作示意圖。在本實施例中，當負載狀態表示出直流電源匯流排DB的負載功率低於外接電源PE的外接功率時，管理電路140利用外接電源PE對連接於直流電源匯流排DB的負載元件LD以及電池模組130(1)~130(n-1)進行供電。

在本實施例中，當負載狀態表示出直流電源匯流排DB的負載功率低於外接電源PE的外接功率時，管理電路140依據電池模組130(1)~130(n-1)的殘餘電量對連接於直流電源匯流排DB的負載元件LD進行供電。換言之，當直流電源匯流排DB的負載功率低於外接電源PE的外接功率時，外接電源PE以及電池模組130(1)~130(n-1)的殘餘電量對連接於直流電源匯流排DB的負載元件LD進行供電。在本實施例中，當電池模組130(1)~130(n-1)的其中之一的殘餘電量低於臨界電量時，電池模組130(1)~130(n-1)的所述其中之一停止供電。

請參考圖1以及圖5，圖5是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的示意圖。在本實施例中，電池模組130包括電池單元131、電池狀態偵測電路132、雙向電能轉換器133以及控制器134。電池狀態偵測電路132耦接於電池單元131。電池狀態偵測電路132偵測電池單元131的狀態。雙向電能轉換器133耦接於電池單元131。控制器134耦接於雙向電能轉換器133以及電池狀態偵測電路132。當雙向電能轉換器133被連接至直流電源匯流排DB時，控制器134控制雙向電能轉換器133對電池單元131進行充電以及放電的其中之一。

在本實施例中，直流電源匯流排DB包括多個連接埠PT。當雙向電能轉換器133被連接至直流電源匯流排DB的其中一連接埠PT時，雙向電能轉換器133的正連接端T(+)經由連接埠PT被連接至直流電源匯流排DB的正電源線L(+)。雙向電能轉換器133的負連接端T(-)經由連接埠PT被連接至直流電源匯流排DB的負電源線L(-)。

在本實施例中，電池狀態偵測電路132可偵測電池單元131的殘餘電量、溫度、電壓值以及電流值以產生偵測訊號SD3。當雙向電能轉換器133被連接至直流電源匯流排DB的其中一連接埠PT時，控制器134與管理電路140進行通訊以進行電池模組130的充電以及放電的其中之一。

在本實施例中，控制器134可將偵測訊號SD3提供至管理電路140。管理電路140可利用控制訊號SC來控制器134，從而使控制器134依據控制訊號SC來進行放電、充電或停用等操作。

在電池模組130進行放電的期間，控制器134可依據偵測訊號SD3來判斷電池單元131的殘餘電量、溫度、電壓值以及電流值。舉例來說，當電池單元131的殘餘電量、電壓值以及電流值的其中之一過低時，控制器134停止電池模組130進行放電。舉例來說，當電池單元131的溫度以及電流值的其中之一過高時，控制器134控制雙向電能轉換器133以降低電池模組130的放電功率或停止電池模組130進行放電。

此外，控制器134可依據偵測訊號SD3判斷電池單元131是否發生異常或老化時，當電池單元131異常或老化時，電池模組130能夠從直流電源匯流排DB上拆卸下來以進行維修。如此一來，維修的成本能夠被降低。維修的便利性能夠被提高。

在本實施例中，控制器134例如是中央處理單元，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器、數位訊號處理器、可程式化控制器、特殊應用積體電路、可程式化邏輯裝置或其他類似裝置或這些裝置的組合，其可載入並執行電腦程式。

在本實施例中，電池單元131可以是鋁離子電池（Aluminum-ion battery）、鋰離子電池（Lithium-ion battery）等本領域技術人員所熟知的電能儲存元件。

請參考圖6，圖6是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的示意圖。在本實施例中，電池模組130包括電池單元131、電池狀態偵測電路132、雙向電能轉換器133以及控制器134。雙向電能轉換器133包括電容器C1、電感器L1、第一功率開關Q1以及第二功率開關Q2。電容器C1耦接於電池單元131的正電源端B(+)與電池單元131的負電源端B(-)之間。電感器L1的第一端耦接於電池單元131的正電源端B(+)。第一功率開關Q1的第一端耦接於電感器L1的第二端。第一功率開關Q1的第二端耦接於雙向電能轉換器133的正連接端T(+)。第一功率開關Q1的控制端耦接於控制器134以接收第一開關訊號SSW1。第二功率開關Q2的第一端耦接於電感器L1的第二端。第二功率開關Q2的第二端耦接於雙向電能轉換器133的負連接端T(-)以及電池單元131的負電源端B(-)。第二功率開關Q2的控制端耦接於控制器134以接收第二開關訊號SSW2。

在本實施例中，第一功率開關Q1包括二極體D1以及功率電晶體T1。二極體D1的陽極耦接於第一功率開關Q1的第一端。二極體D1的陰極耦接於第一功率開關Q1的第二端。功率電晶體T1的第一端耦接於第一功率開關Q1的第一端。功率電晶體T1的第二端耦接於第一功率開關Q1的第二端。功率電晶體T1的控制端耦接於第一功率開關Q1的控制端。

第二功率開關Q2包括二極體D2以及功率電晶體T2。二極體D2的陽極耦接於第二功率開關Q2的第二端。二極體D1的陰極耦接於第二功率開關Q2的第一端。功率電晶體T2的第一端耦接於第二功率開關Q2的第一端。功率電晶體T2的第二端耦接於第二功率開關Q2的第二端。功率電晶體T2的控制端耦接於第二功率開關Q2的控制端。

在本實施例中，功率電晶體T1、T2分別例如是由N型電晶體來實施（本發明並不以功率電晶體T1、T2的類型為限）。

請參考圖6以及圖7，圖7是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的操作示意圖。在本實施例中，當雙向電能轉換器133被組裝至直流電源匯流排DB並且電池單元131進行放電時，功率電晶體T1依據第一開關訊號SSW1被斷開。第二功率開關Q2則依據第二開關訊號SSW2的責任週期（duty cycle）來執行開關操作。責任週期大於0。在本實施例中，雙向電能轉換器133所提供的電能由第二開關訊號SSW2的責任週期來決定。

當雙向電能轉換器133被組裝至直流電源匯流排DB並且電池單元131進行放電時，功率電晶體T1依據第一開關訊號SSW1的低電壓值被斷開。功率電晶體T2依據第二開關訊號SSW2的責任週期來執行開關操作。功率電晶體T2依據第二開關訊號SSW2的高電壓值被導通以對電感器L1進行儲能。功率電晶體T2依據第二開關訊號SSW2的高電壓值被斷開以對儲存於電感器L1的電能進行釋能。因此，當雙向電能轉換器133被組裝至直流電源匯流排DB並且電池單元131進行放電時，儲存於電感器L1的電能經由二極體D1被提供至直流電源匯流排DB。因此，在本實施例中，第二開關訊號SSW2的責任週期與雙向電能轉換器133所提供的電能呈正相關或呈正比。

請參考圖6以及圖8，圖8是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的操作示意圖。在本實施例中，當雙向電能轉換器133被組裝至直流電源匯流排DB並且電池單元131進行充電時，第二功率開關Q2依據第二開關訊號SSW2被斷開。功率電晶體T1依據第一開關訊號SSW1的責任週期來執行開關操作。第一開關訊號SSW1的責任週期大於0。

在本實施例中，當雙向電能轉換器133被組裝至直流電源匯流排DB並且電池單元131進行充電時，功率電晶體T2依據第二開關訊號SSW2的低電壓值被斷開。因此，第二功率開關Q2被斷開。功率電晶體T1依據第一開關訊號SSW1的責任週期來執行開關操作。因此，來自於直流電源匯流排DB的電能可以在功率電晶體T1被導通的期間對電池單元131進行充電。在本實施例中，第一開關訊號SSW1的責任週期與電池單元131進行充電的功率呈正相關或呈正比。

綜上所述，直流電源供應裝置包括組裝於直流電源匯流排的多個被組裝電池模組。當直流電源匯流排並沒有接收到外接電源時，管理電路能夠依據負載狀態動態調整所述多個被組裝電池模組的供電數量。如此一來，所述多個被組裝電池模組的電池單元的壽命能夠被延長。電池模組中的電池單元的性能並不會明顯降低。此外，當所述多個電池模組的其中之一發生異常時，異常的電池模組能夠從直流電源匯流排上拆卸下來以進行維修。如此一來，維修的成本能夠被降低。維修的便利性能夠被提高。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100:直流電源供應裝置 110:第一偵測電路 120:第二偵測電路 130、130(1)~130(n):電池模組 131:電池單元 132:電池狀態偵測電路 133:雙向電能轉換器 134:控制器 140:管理電路 B(+):正電源端 B(-):負電源端 C1:電容器 D1、D2:二極體 DB:直流電源匯流排 L1:電感器 LD:負載元件 L(+):正電源線 L(-):負電源線 PE:外接電源 PT:連接埠 Q1:第一功率開關 Q2:第二功率開關 SD1、SD2、SD3:偵測訊號 SSW1:第一開關訊號 SSW2:第二開關訊號 t:時間 T(+):正連接端 T(-):負連接端 T1、T2:功率電晶體 V:電壓值

圖1是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置的示意圖。 圖2是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置未接收到外接電源的操作示意圖。 圖3是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置未接收到外接電源的操作示意圖。 圖4是依據本發明一實施例所繪示的直流電源供應裝置接收到外接電源的操作示意圖。 圖5是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的示意圖。 圖6是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的示意圖。 圖7是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的操作示意圖。 圖8是依據本發明一實施例所繪示的電池模組的操作示意圖。

100:直流電源供應裝置

110:第一偵測電路

120:第二偵測電路

130(1)~130(n):電池模組

140:管理電路

DB:直流電源匯流排

LD:負載元件

PE:外接電源

SD1、SD2:偵測訊號

Claims (15)

1. 一種直流電源供應裝置，包括： 一直流電源匯流排； 一第一偵測電路，耦接於該直流電源匯流排，經配置以偵測進入該直流電源匯流排的一外接電源； 一第二偵測電路，耦接於該直流電源匯流排，經配置以偵測位於該直流電源匯流排的一負載狀態； 多個電池模組，分別以可拆卸式地組裝至該直流電源匯流排；以及 一管理電路，與該第一偵測電路、該第二偵測電路以及組裝於該直流電源匯流排的多個被組裝電池模組進行通訊，經配置以當該直流電源匯流排並沒有接收到該外接電源時，依據該負載狀態調整該些被組裝電池模組的供電數量， 其中該管理電路依據該些被組裝電池模組的殘餘電量來決定該些被組裝電池模組的放電順序。
2. 如請求項1所述的直流電源供應裝置，其中當該直流電源匯流排並沒有接收到該外接電源並且該負載狀態表示出重載時，該管理電路控制該些被組裝電池模組對該直流電源匯流排進行供電。
3. 如請求項1所述的直流電源供應裝置，其中當該直流電源匯流排並沒有接收到該外接電源並且該負載狀態表示出輕載時，該管理電路控制該些被組裝電池模組的其中之一對該直流電源匯流排進行供電。
4. 如請求項1所述的直流電源供應裝置，其中當該負載狀態表示出該直流電源匯流排的負載增加並且該直流電源匯流排並沒有接收到該外接電源時，該管理電路提高該些被組裝電池模組的供電數量。
5. 如請求項1所述的直流電源供應裝置，其中當該負載狀態表示出該直流電源匯流排的負載降低並且該直流電源匯流排並沒有接收到該外接電源時，該管理電路減少該些被組裝電池模組的供電數量。
6. 如請求項1所述的直流電源供應裝置，其中當該負載狀態表示出該直流電源匯流排的一負載功率低於該外接電源的一外接功率時，該管理電路利用該外接電源對連接於該直流電源匯流排的一負載元件以及該些被組裝電池模組進行供電。
7. 如請求項6所述的直流電源供應裝置，其中當該負載狀態表示出該直流電源匯流排的該負載功率低於該外接電源的該外接功率時，該管理電路依據該些被組裝電池模組的殘餘電量對該負載元件進行供電。
8. 如請求項1所述的直流電源供應裝置，其中該些電池模組的其中之一包括： 一電池單元； 一電池狀態偵測電路，耦接於該電池單元，經配置以偵測該電池單元的狀態； 一雙向電能轉換器，耦接於該電池單元；以及 一控制器，耦接於該雙向電能轉換器以及該電池狀態偵測電路，經配置以當該雙向電能轉換器連接至該直流電源匯流排時，控制該雙向電能轉換器對該電池單元進行充電以及放電的其中之一。
9. 如請求項8所述的直流電源供應裝置，其中該雙向電能轉換器包括： 一電容器，耦接於該電池單元的正電源端與該電池單元的負電源端之間； 一電感器，該電感器的第一端耦接於該電池單元的正電源端； 一第一功率開關，該第一功率開關的第一端耦接於該電感器的第二端，該第一功率開關的第二端耦接於該雙向電能轉換器的正連接端，該第一功率開關的控制端耦接於該控制器以接收一第一開關訊號；以及 一第二功率開關，該第二功率開關的第一端耦接於該電感器的第二端，該第二功率開關的第二端耦接於該雙向電能轉換器的負連接端，該第二功率開關的控制端耦接於該控制器以接收一第二開關訊號。
10. 如請求項9所述的直流電源供應裝置，其中當該雙向電能轉換器被組裝至該直流電源匯流排時，該雙向電能轉換器的正連接端連接至該直流電源匯流排的正電源線，該雙向電能轉換器的負連接端連接至該直流電源匯流排的負電源線。
11. 如請求項9所述的直流電源供應裝置，其中該第一功率開關包括： 一二極體，該二極體的陽極耦接於該第一功率開關的第一端，該二極體的陰極耦接於該第一功率開關的第二端；以及 一功率電晶體，該功率電晶體的第一端耦接於該第一功率開關的第一端，該功率電晶體的第二端耦接於該第一功率開關的第二端，該功率電晶體的控制端耦接於該第一功率開關的控制端。
12. 如請求項11所述的直流電源供應裝置，其中： 當該雙向電能轉換器被組裝至該直流電源匯流排並且該電池單元進行放電時，該功率電晶體依據該第一開關訊號被斷開，該第二功率開關依據該第二開關訊號的一責任週期來執行開關操作，並且 該責任週期大於0。
13. 如請求項12所述的直流電源供應裝置，其中該雙向電能轉換器所提供的電能由該責任週期來決定。
14. 如請求項12所述的直流電源供應裝置，其中當該雙向電能轉換器被組裝至該直流電源匯流排並且該電池單元進行放電時，儲存於該電感器的電能經由該二極體被提供至該直流電源匯流排。
15. 如請求項11所述的直流電源供應裝置，其中： 當該雙向電能轉換器被組裝至該直流電源匯流排並且該電池單元進行充電時，該第二功率開關依據該第二開關訊號被斷開，該功率電晶體依據該第一開關訊號的一責任週期來執行開關操作，並且 該責任週期大於0。