TWI853338B - 用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統 - Google Patents

用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統 Download PDF

Info

Publication number
TWI853338B
TWI853338B TW111142493A TW111142493A TWI853338B TW I853338 B TWI853338 B TW I853338B TW 111142493 A TW111142493 A TW 111142493A TW 111142493 A TW111142493 A TW 111142493A TW I853338 B TWI853338 B TW I853338B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
voltage
resistor
coupled
controller
preset potential
Prior art date
Application number
TW111142493A
Other languages
English (en)
Other versions
TW202420688A (zh
Inventor
陳思維
郭文皓
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
Priority to TW111142493A priority Critical patent/TWI853338B/zh
Publication of TW202420688A publication Critical patent/TW202420688A/zh
Application granted granted Critical
Publication of TWI853338B publication Critical patent/TWI853338B/zh

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

一種充電電路，用以對超級電容充電或放電，且包含電力電子轉換器、電流感測器、電壓升降控制器及充電模式控制器。電力電子轉換器用以依據控制命令對超級電容充電或放電。電流感測器耦接該超級電容，且用以感測第一感測電壓和第二感測電壓。電壓升降控制器用以依據第一感測電壓、第二感測電壓及總回授產生控制命令和電流命令。充電模式控制器用以依據驅動電壓、電流命令和超級電容之第三感測電壓，產生電流回授和電壓回授至電壓升降控制器。第三感測電壓、電流回授和電壓回授被加總後輸入至電壓升降控制器的同一輸入端，以作為總回授。

Description

用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統
本揭露是有關於充電電路、充電方法與電力系統，且特別是關於用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統。
目前有關於超級電容的充電方式主要有恒流充電、恒壓充電、恒流轉恒壓充電、脈衝電流充電以及恒功率充電等。恒流充電的效率高，但到了充電的後期會造成電容兩端的電壓過大而影響超級電容的儲能容量；恒壓充電的效率過低且充電時間較慢；而恒功率充電控制電路較為複雜。此外，習知定電壓充電模式是以數位至類比轉換（digital-to-analog converter；DAC）控制晶片輸出動態電壓命令並使電壓升降控制器追隨電壓命令，但此功能需增加額外線路成本。另一方面，由於電池完全放電會嚴重影響其使用壽命，故一般電池不會從零電壓開始進行充電，但超級電容則無此限制，其充電週期均為從零電壓開始充電至額定電壓。
本揭露的一方面是指一種充電電路，用以對一超級電容充電或放電，且包含一電力電子轉換器、一電流感測器、一電壓升降控制器和一充電模式控制器。電力電子轉換器用以依據一控制命令，對該超級電容充電或放電。電流感測器耦接該超級電容，且用以感測一第一感測電壓和一第二感測電壓。電壓升降控制器耦接該超級電容、該電力電子轉換器及該電流感測器，且用以依據該第一感測電壓、該第二感測電壓及一總回授來產生該控制命令和一電流命令。充電模式控制器耦接該超級電容和該電壓升降控制器，且用以依據一驅動電壓、該電流命令和該超級電容的一第三感測電壓，產生一電流回授和一電壓回授至該電壓升降控制器。其中該第三感測電壓、該電流回授和該電壓回授被加總後輸入至該電壓升降控制器的同一輸入端，以作為該總回授。
本揭露的另一方面是指一種電力系統，包含前述充電電路、一超級電容和一電源供應器。電源供應器耦接該充電電路，且用以於充電時，提供一充電電源及一驅動電壓至該充電電路，使該充電電路根據該充電電源及該驅動電壓對該超級電容充電；以及於放電時，儲存來自該超級電容的電源。
本揭露的又一方面是指一種充電方法，用於前述充電電路，且包含：依據一第一感測電壓、一第二感測電壓及一總回授產生一電流命令；提供一驅動電壓、該電流命令和一第三感測電壓至一充電模式控制器；轉換該驅動電壓為一第一預設電位、一第二預設電位，並轉換該第三感測電壓為一第四感測電壓；當該第四感測電壓小於該第二預設電位時，對一超級電容進行一第一定功率充電模式；當該第四感測電壓大於或等於該第二預設電位時，對該超級電容進行一第二定功率充電模式；以及當該電流命令小於該第一預設電位時，對該超級電容進行一定電壓充電模式；其中該第三感測電壓、該電流回授和該電壓回授被加總後輸入至一電壓升降控制器的同一輸入端，以作為該總回授。
以下仔細討論本揭露的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。
圖1為依據本揭露實施例的電力系統10的方塊示意圖。如圖1所示，電力系統10包含電源供應器11、超級電容12及充電電路10A。充電電路10A用以對超級電容12充電，並包含電力電子轉換器13、電流感測器14、電壓升降控制器15和充電模式控制器16。充電模式控制器16包含定電流控制器16A和定電壓控制器16B。
電源供應器11用以提供充電電源、驅動電壓CV，也用以儲存來自超級電容12的電源。電源供應器11可以是直流電源供應器。超級電容12可以是電雙層電容（electrical double-layer capacitor，EDLC）或是其他合適的高容量電化學電容器。
電力電子轉換器13耦接電源供應器11、電流感測器14和電壓升降控制器15，且用以依據電壓升降控制器15的控制命令CTRL，將輸入電源轉換為輸出電源。於超級電容12充電時，電力電子轉換器13將電源供應器11提供的輸入電源轉換為輸出電源給超級電容12；於超級電容12放電時，電力電子轉換器13將超級電容12提供的輸入電源轉換為輸出電源給電源供應器11。電力電子轉換器13可以是雙向直流-直流轉換器（bi-directional DC-to-DC converter）、雙向降壓-升壓型轉換器（bi-directional buck-boost converter）或其他適合的雙向電力電子轉換器。
電流感測器14耦接超級電容12、電力電子轉換器13和電壓升降控制器15，且用以感測第一感測電壓ISENSE+和第二感測電壓ISENSE-。電流感測器14可等效為電阻RS，其中電阻RS的第一端耦接電力電子轉換器13來感測第一感測電壓ISENSE+，且電阻RS的第二端耦接超級電容12來感測第二感測電壓ISENSE-。值得注意的是，電流感測器14設置在電力電子轉換器13的儲能元件（例如電感，未繪於圖1）或輸出端之後，可避免感測到來自電源供應器11的輸入端的雜訊。電流感測器14可以是直流電阻（direct current resistor，DRC）、分流電阻（shunt resistor）、表面安裝元件型（surface mount device，SMD）晶片電阻或其他適合的電流感測元件或電路。
電壓升降控制器15耦接電源供應器11、超級電容12、電力電子轉換器13、電流感測器14和充電模式控制器16，且用以依據第一感測電壓ISENSE+、第二感測電壓ISENSE-及總回授FB_OUT來產生控制命令CTRL和電流命令IMON_OUT。詳細來說，電壓升降控制器15依據第一感測電壓ISENSE+、第二感測電壓ISENSE-的壓差及電阻RS的等效電阻值，計算超級電容12的充電電流。接著，電壓升降控制器15依據超級電容12的充電電流、總回授FB_OUT，提供控制命令CTRL至電力電子轉換器13來調整輸出電壓和輸出電流，並提供電流命令IMON_OUT至充電模式控制器16來調整總回授FB_OUT。
充電模式控制器16耦接電源供應器11、超級電容12和電壓升降控制器15，且用以依據驅動電壓CV、電流命令IMON_OUT和第三感測電壓VSENSE，提供電流回授FB1和電壓回授FB2。值得注意的是，來自超級電容12的第三感測電壓VSENSE和來自充電模式控制器16的電流回授FB1和電壓回授FB2被加總後輸入至電壓升降控制器15的同一輸入端，以作為總回授FB_OUT，即FB_OUT=VSENSE+FB1+FB2。於一實施例中，用於傳遞第三感測電壓VSENSE、電流回授FB1和電壓回授FB2的線路電性連接或短路至電壓升降控制器15的同一輸入端。
定電流控制器16A耦接電源供應器11和電壓升降控制器15，用以依據驅動電壓CV和電流命令IMON_OUT，產生電流回授FB1。定電壓控制器16B耦接電源供應器11和超級電容12，用以依據驅動電壓CV和第三感測電壓VSENSE，產生電壓回授FB2。
在操作上，在充電初期第三感測電壓VSENSE為零伏特，當充電模式控制器16上電並啟動時，定電壓控制器16B依據驅動電壓CV來產生電壓回授FB2至電壓升降控制器15，使得電壓升降控制器15產生控制命令CTRL至電力電子轉換器13，以開始對超級電容12充電。接著，電壓升降控制器15依據第一感測電壓ISENSE+、第二感測電壓ISENSE-及總回授FB_OUT來產生電流命令IMON_OUT至定電流控制器16A，使得定電流控制器16A依據驅動電壓CV、電流命令IMON_OUT，產生電流回授FB1。同時，定電壓控制器16B持續依據驅動電壓CV和第三感測電壓VSENSE，產生電壓回授FB2。
值得注意的是，由於第三感測電壓VSENSE、電流回授FB1和電壓回授FB2被加總後輸入至電壓升降控制器15，所以電壓升降控制器15觀察到的超級電容12儲電量會比實際的儲電量高。假設在充電初期，超級電容12的儲電量為零伏特（即第三感測電壓VSENSE為零伏特），那麼電壓升降控制器15會認為超級電容12的儲電量為電壓回授FB2（或電流回授FB1和電壓回授FB2的總和），故電壓升降控制器15控制電力電子轉換器13以較低的充電電流和電壓來對超級電容12進行充電。如此一來，本揭露可避免超級電容12在充電初期（儲電量為零伏特）產生突波或浪湧電流，以保護電力系統10的內部元件。
另一方面，當超級電容12被充電到預設電位或是放電時，充電模式控制器16關閉，那麼電壓升降控制器15僅依據第三感測電壓VSENSE（即實際的儲能量）來控制電力電子轉換器13進行電源轉換。
簡單來說，本揭露的充電模式控制器16在充電初期（超級電容12儲電量為零伏特）產生電壓回授FB2至電壓升降控制器15，以使用較低的電流來對超級電容12充電；並且，在超級電容12被充電到預設電位或是放電時，關閉充電模式控制器16，以不影響電壓升降控制器15的運作。如此一來，本揭露的充電模式控制器16可在不影響電力系統10運作的前提下，避免在充電初期產生突波或浪湧電流，以保護電力系統10的內部元件。
請參照圖2，其為依據本揭露第一實施例的充電模式控制器16的示意圖。充電模式控制器16包含一定電流控制器16A及一定電壓控制器16B。
在結構上，定電流控制器16A包含一電阻R1、一運算放大器OP1、一二極體D1、電阻R7、R8、R9、R10及一電容C2。運算放大器OP1包含一正輸入端用以接收電流命令IMON_OUT；一負輸入端用以接收第一預設電位CC1；以及一輸出端耦接電阻R1的一第一端。二極體D1包含一陽極耦接電阻R1的一第二端；以及一陰極耦接電壓升降控制器15及定電壓控制器16B，其中二極體D1用以輸出電流回授FB1並阻斷外部電壓電流。電阻R7包含一第一端耦接一驅動電壓CC，及一第二端耦接運算放大器OP1的負輸入端。電阻R8包含一第一端耦接運算放大器OP1的負輸入端，及一第二端耦接一接地電壓，其中一第一預設電位CC1經由電阻R7與電阻R8分壓驅動電壓CC而產生。電阻R9包含一第一端耦接電流命令IMON_OUT，及一第二端耦接電阻R10的一第一端。電阻R10包含一第一端耦接電阻R9的第二端，及一第二端耦接運算放大器OP1的正輸入端。電容C2與電阻R10並聯，用以阻斷電流命令IMON_OUT的一直流電流。
在操作上，在充電初期，當電流命令IMON_OUT大於第一預設電位CC1時，定電流控制器16A輸出電流回授FB1，使得電壓升降控制器15以較低的電流對超級電容12充電；且直到超級電容12被充電到預設電位，當電流命令IMON_OUT小於或等於第一預設電位CC1時，定電流控制器16A關閉，以不影響電壓升降控制器15的運作。
於一實施例中，定電流控制器16A還包含一遲滯（Hysteresis）電路HY1，其可在運算放大器OP1的輸入電壓受到雜訊干擾時，保持穩定的輸出電壓（即，降低輸出電壓波紋）。遲滯電路HY1包含一電容C1及一電阻R2。電容C1耦接於運算放大器OP1的負輸入端與電阻R2之間。電阻R2的一第一端耦接電容C1，且電阻R2的一第二端耦接電阻R1的第二端及二極體D1的陽極。
於一實施例中，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇電阻R7、R8的大小，以調整驅動電壓CC和第一預設電位CC1之間的比例。於一實施例中，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇電阻R9、R10，以調整電流命令IMON_OUT輸入到運算放大器OP1的電壓分量。於一實施例中，一濾波電容Cf可並聯於運算放大器OP1的負輸入端與接地電壓之間，以濾除第一預設電位CC1的高頻雜訊。
在結構上，定電壓控制器16B包含一比較器CP、一電晶體M、電阻R11、R12、R13、R14、R15、R16及一電容C3。電阻R11包含一第一端耦接第三感測電壓VSENSE。電阻R12包含一第一端耦接電阻R11的一第二端，及一第二端耦接一接地電壓，其中一第四感測電壓VSEN1經由電阻R11與電阻R12分壓第三感測電壓VSENSE而產生。電阻R13包含一第一端耦接驅動電壓CV。電阻R14包含一第一端耦接電阻R13的一第二端，及一第二端耦接接地電壓，其中一第二預設電位CV2經由電阻R13與電阻R14分壓驅動電壓CV而產生。電容C3包含一第一端耦接第四感測電壓VSEN1，及一第二端耦接第二預設電位CV2。比較器CP包含一正輸入端用以接收第四感測電壓VSEN1；一負輸入端用以接收第二預設電位CV2；以及一輸出端耦接一第三預設電位VS3、接地電壓及電晶體M的一閘極。電晶體M包含閘極用以接收第三預設電位VS3或接地電壓；一源極耦接接地電壓；以及一汲極耦接一第四預設電位VS4及一電阻R3的一第一端。電阻R15包含一第一端耦接一驅動電壓VS。電阻R16包含一第一端耦接電阻R15的一第二端及電晶體M的閘極，及一第二端耦接接地電壓及電晶體M的源極，其中第三預設電位VS3經由電阻R15與電阻R16分壓驅動電壓VS而產生。
在操作上，在充電初期，當第四感測電壓VSEN1小於第二預設電位CV2時，電晶體M的閘極接收接地電壓以關閉電晶體M，使充電電路10A進行一第一定功率充電模式。直到超級電容12被充電到預設電位，當第四感測電壓VSEN1大於或等於第二預設電位CV2時，電晶體M的閘極接收第三預設電位VS3以導通電晶體M，使充電電路10A進行一第二定功率充電模式。
定電壓控制器16B還包含一運算放大器OP2、一二極體D2及電阻R3、R4、R5、R17、R18。電阻R17包含一第一端耦接驅動電壓VS。電阻R18包含一第一端耦接電阻R17的一第二端及電晶體M的汲極，及一第二端耦接接地電壓，其中第四預設電位VS4經由電阻R17與電阻R18分壓驅動電壓VS而產生。運算放大器OP2包含一正輸入端耦接電阻R3的一第二端；一負輸入端耦接電阻R4的一第二端；以及一輸出端耦接電阻R4的一第一端。電阻R4包含一第一端耦接運算放大器OP2的輸出端，及一第二端耦接運算放大器OP2的負輸入端及一電阻R5的一第一端。二極體D2包含一陽極耦接電阻R5的一第二端；以及一陰極耦接電壓升降控制器15及定電壓控制器16B，用以輸出電壓回授FB2並阻斷外部電壓電流。
在操作上，在第一定功率充電模式期間，驅動電壓VS經由電阻R17、R18分壓並經由電阻R3限流後產生第五預設電位CV5，並輸入至運算放大器OP2的正輸入端。運算放大器OP2可作為一電壓隨耦器，用以將輸出端和負輸入端的電位逐漸拉升至正輸入端的電位。也就是說，在第一定功率充電模式期間，當電晶體M關閉時，運算放 大器OP2的正輸入端接收第五預設電位CV5，以逐漸拉升電壓回授FB2，使得電壓升降控制器15以第一定功率對超級電容12充電。在第二定功率充電模式期間，電晶體M導通以將運算放大器OP2的正輸入端從第五預設電位CV5逐漸拉低至接地電壓，使得電壓升降控制器15以第二定功率對超級電容12充電。當運算放大器OP2的負輸入端被拉低至接地電壓時，定電壓控制器16B關閉，以不影響電壓升降控制器15的運作。也就是說，當電晶體M導通時，運算放大器OP2的正輸入端接收接地電壓，以逐漸降低電壓回授FB2直到充電電路10A關閉。
於一實施例中，定電壓控制器16B還包含一遲滯電路HY2，其可在比較器CP的輸入電壓受到雜訊干擾時，保持穩定的輸出電壓(即，降低輸出電壓波紋)。遲滯電路HY2包含一電阻R6及一二極體D3。電阻R6的一第一端耦接比較器CP的負輸入端，且電阻R6的一第二端耦接一二極體D3的一陰極。二極體D3的一陽極耦接比較器CP的輸出端。
於一實施例中，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇電阻R13、R14的大小，以調整驅動電壓CV和第二預設電位CV2之間的比例。於一實施例中，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇電阻R15、R16的大小，以調整驅動電壓VS和第三預設電位VS3之間的比例。於一實施例中，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇電阻R17、R18的大小，以調整驅動電壓VS和第四預設電位VS4之間的比例。於一實施例中，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇電阻R11、R12，以調整第三感測電壓VSENSE和第四感測電壓VSEN1之間的比例。於一實施例中，驅動電壓CC、VS和CV可以是實質上相同的，通過選擇分壓電阻之間的比例，可將單一驅動電壓轉換為符合應用需求的多個預設電位；於另一實施例中，驅動電壓CC、VS和CV可以是實質上不相同的，本領域具通常知識者可依據應用需求來選擇驅動電壓CC、VS和CV的大小。驅動電壓CC對應於定電流（Constant Current）特性，驅動電壓CV對應於定電壓（Constant Voltage）特性，且驅動電壓VS對應於電壓回授FB2的電壓訊號（Voltage Signal）特性。
於一實施例中，另一濾波電容Cf可並聯於比較器CP與接地電壓之間，以濾除第四感測電壓VSEN1的高頻雜訊。於一實施例中，多個濾波電容Cf可並聯於運算放大器OP2的正輸入端與接地電壓之間，以分別濾除第二預設電位CV2、第四預設電位VS4和第五預設電位CV5的高頻雜訊。
於一實施例中，電晶體M可以是絕緣閘極雙極性電晶體（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、金屬氧化物半導體場效電晶體（metal-oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）或其他適合的功率電晶體。
請參照圖3，其為依據本揭露第二實施例的充電模式控制器36的示意圖。充電模式控制器36可取代圖1和圖2的充電模式控制器16，並包含一定電流控制器36A、一定電壓控制器36B及一電壓轉換單元36C。
在結構上，電壓轉換單元36C耦接電源供應器11及超級電容12，用以依據驅動電壓CC來產生第一預設電位CC1，以依據第三感測電壓VSENSE來產生第四感測電壓VSEN1，依據驅動電壓CV來產生第二預設電位CV2，且依據驅動電壓VS來產生第三預設電位VS3和第四預設電位VS4。定電流控制器36A耦接電壓轉換單元36C及電壓升降控制器15，用以依據第一預設電位CC1及電流命令IMON_OUT，產生電流回授FB1至電壓升降控制器15。定電壓控制器36B耦接電壓轉換單元36C、電壓升降控制器15及超級電容12，用以依據第一預設電位CC1及第四感測電壓VSEN1，產生電壓回授FB2至電壓升降控制器15。
值得注意的是，圖2的電阻R7~R18、電容C2和多個濾波電容Cf及其他等效元件可整合在電壓轉換單元36C內，使得圖3的定電流控制器36A和定電壓控制器36B的電路設計比圖2的電路設計來得精簡。於一實施例中，電壓轉換單元36C可整合在電源供應器11內部。
定電流控制器36A包含一電阻R1、一運算放大器OP1及一二極體D1。運算放大器OP1包含一正輸入端用以接收電流命令IMON_OUT；一負輸入端用以接收第一預設電位CC1；以及一輸出端耦接電阻R1的一第一端。二極體D1包含一陽極耦接電阻R1的一第二端；以及一陰極耦接電壓升降控制器15及定電壓控制器36B，其用以輸出電流回授FB1並阻斷外部電壓電流。
在操作上，當電流命令IMON_OUT大於第一預設電位CC1時，定電流控制器36A輸出電流回授FB1；且當電流命令IMON_OUT小於或等於第一預設電位CC1時，定電流控制器36A關閉。
於一實施例中，定電流控制器36A還包含一遲滯電路HY1，遲滯電路HY1包含一電容C1及一電阻R2。電容C1耦接於運算放大器OP1的負輸入端與電阻R2之間；電阻R2的一第一端耦接電容C1，且電阻R2的一第二端耦接電阻R1的第二端及二極體D1的陽極。
在結構上，定電壓控制器36B包含一比較器CP及一電晶體M。比較器CP包含一正輸入端用以接收第四感測電壓VSEN1；一負輸入端用以接收第二預設電位CV2；以及一輸出端耦接第二預設電位CV2、一接地電壓及電晶體M的一閘極。電晶體M包含閘極用以接收一第三預設電位VS3或接地電壓；一源極耦接接地電壓；以及一汲極耦接第四預設電位VS4及一電阻R3的一第一端。當第四感測電壓VSEN1小於第二預設電位CV2時，電晶體M的閘極接收接地電壓以關閉電晶體M，使充電電路10A進行一第一定功率充電模式。當第四感測電壓VSEN1大於或等於第二預設電位CV2時，電晶體M的閘極接收第三預設電位VS3以導通電晶體M，使充電電路10A進行一第二定功率充電模式。
定電壓控制器36B包含一運算放大器OP2、一二極體D2及電阻R3、R4、R5。運算放大器OP2包含正輸入端耦接電阻R3的一第二端；一負輸入端用以接收第五預設電位CV5，其中第四預設電位VS4經由電阻R3限流後產生第五預設電位CV5；以及一輸出端耦接電阻R4的一第一端。電阻R4包含一第一端耦接運算放大器OP2的輸出端，及一第二端耦接運算放大器OP2的負輸入端及一電阻R5的一第一端。二極體D2包含一陽極耦接電阻R5的一第二端；以及一陰極耦接電壓升降控制器15及定電壓控制器36B，用以輸出電壓回授FB2並阻斷外部電壓電流。
在操作上，在第一定功率充電模式期間，電晶體M關閉，定電壓控制器36B依據第五預設電位CV5逐漸拉升電壓回授FB2，使得電壓升降控制器15以第一定功率對超級電容12充電。在第二定功率充電模式期間，電晶體M導通以將運算放大器OP2的正輸入端從第五預設電位CV5逐漸拉低至接地電壓，使得電壓升降控制器15以第二定功率對超級電容12充電。當運算放大器OP2的負輸入端被拉低至接地電壓時，定電壓控制器36B關閉，以不影響電壓升降控制器15的運作。也就是說，當電晶體M導通時，運算放大器OP2的正輸入端接收接地電壓，以逐漸降低電壓回授FB2直到充電電路10A關閉。
於一實施例中，定電壓控制器36B還包含一遲滯電路HY2，遲滯電路HY2包含一電阻R6及一二極體D3。電阻R6的一第一端耦接比較器CP的負輸入端，且電阻R6的一第二端耦接一二極體D3的一陰極；二極體D3的一陽極耦接比較器CP的輸出端。
圖4為依據本揭露實施例的用於超級電容的充電方法40的流程圖。充電方法40可由充電電路10A來執行，並包含以下步驟。
步驟S40：提供驅動電壓CV、電流命令IMON_OUT和第三感測電壓VSENSE至充電模式控制器16（或充電模式控制器36）。
步驟S41：轉換驅動電壓CV為第一預設電位CC1、第二預設電位CV2，並轉換第三感測電壓VSENSE為第四感測電壓VSEN1。
步驟S42：判別第四感測電壓VSEN1是否小於第二預設電位CV2。若是，進行步驟S43；若否，進行步驟S44。
步驟S43：進行第一定功率充電模式。回到步驟S42。
步驟S44：進行第二定功率充電模式。
步驟S45：判別電流命令IMON_OUT是否小於第一預設電位CC1。若是，進行步驟S46；若否，回到步驟S44。
步驟S46：進行定電壓充電模式。
於步驟S43，充電模式控制器16（或充電模式控制器36）同時提供電流回授FB1和電壓回授FB2，且來自超級電容12的第三感測電壓VSENSE和來自充電模式控制器16（或充電模式控制器36）的電流回授FB1和電壓回授FB2被加總後輸入至電壓升降控制器15的同一輸入端，以進行第一定功率充電模式。於步驟S44，充電模式控制器16（或充電模式控制器36）僅提供電壓回授FB2，且來自超級電容12的第三感測電壓VSENSE和來自充電模式控制器16（或充電模式控制器36）的電壓回授FB2被加總後輸入至電壓升降控制器15的同一輸入端，以進行第二定功率充電模式。關於充電方法40的細節可參考圖2和圖3的相關說明，於此不贅述。
圖5為圖1的電力系統10在超級電容12充電期間的訊號波形圖，其中曲線51為電力電子轉換器13的輸出電壓，曲線52為第三感測電壓VSENSE（即超級電容12的儲電量），且曲線53為電力電子轉換器13的輸出電流。如圖5所示，在時間點T1到T2之間，充電電路10A進行第一定功率充電模式，其中超級電容12的充電電流和電壓大致為固定，第三感測電壓VSENSE大致以一第一速率上升。在時間點T2到T3之間，充電電路10A進行第二定功率充電模式，其中第三感測電壓VSENSE大致以一第二速率上升（第一速率大於第二速率）。在時間點T3之後，充電模式控制器16（或充電模式控制器36）關閉，充電電路10A進入定電壓充電模式，直到超級電容12充電完畢。
綜上所述，本揭露的充電模式控制器在充電初期（超級電容儲電量為零伏特）產生總回授至電壓升降控制器，以使用較低的電流來對超級電容充電；並且，在超級電容被充電到預設電位或是放電時，關閉充電模式控制器，以不影響電壓升降控制器的運作。本揭露實施例至少具有下列優點：（1）本揭露的充電模式控制器可避免在充電初期產生突波或浪湧電流，以保護電力系統的內部元件；（2）有別於現有的電壓升降控制器僅依據超級電容的儲電量來控制充電，本揭露的總回授包含電流回授和電壓回授的訊號分量，可提高控制精度；及（3）電流感測器設置在電力電子轉換器的儲能電感之後，可避免感測到電源供應器輸入端的雜訊。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
10:電力系統 10A:充電電路 11:電源供應器 12:超級電容 13:電力電子轉換器 14:電流感測器 15:電壓升降控制器 16,36:充電模式控制器 16A,36A:定電流控制器 16B,36B:定電壓控制器 36C:電壓轉換單元 40:充電方法 51,52,53:曲線 C1~C3:電容 CC,CV,VS:驅動電壓 CC1:第一預設電位 Cf:濾波電容 CP:比較器 CTRL:控制命令 CV2:第二預設電位 CV5:第五預設電位 D1,D2,D3:二極體 FB_OUT:總回授 FB1:電流回授 FB2:電壓回授 HY1,HY2:遲滯電路 IMON_OUT:電流命令 ISENSE+:第一感測電壓 ISENSE-:第二感測電壓 M:電晶體 OP1,OP2:運算放大器 R1~R18,RS:電阻 S40~S46:步驟 VS3:第三預設電位 VS4:第四預設電位 VSEN1:第四感測電壓 VSENSE:第三感測電壓
為了更完整了解實施例及其優點，現參照結合所附圖式所做的下列描述。 圖1為依據本揭露實施例的電力系統的方塊示意圖。 圖2為依據本揭露第一實施例的充電模式控制器的示意圖。 圖3為依據本揭露第二實施例的充電模式控制器的示意圖。 圖4為依據本揭露實施例的超級電容充電方法的流程圖。 圖5為依據本揭露實施例的超級電容進行充電期間的訊號波形圖。
10:電力系統
10A:充電電路
11:電源供應器
12:超級電容
13:電力電子轉換器
14:電流感測器
15:電壓升降控制器
16:充電模式控制器
16A:定電流控制器
16B:定電壓控制器
CTRL:控制命令
CV:驅動電壓
FB_OUT:總回授
FB1:電流回授
FB2:電壓回授
IMON_OUT:電流命令
ISENSE+:第一感測電壓
ISENSE-:第二感測電壓
RS:電阻
VSENSE:第三感測電壓

Claims (16)

  1. 一種充電電路，用以對一超級電容充電或放電，包含：一電力電子轉換器，用以依據一控制命令，對該超級電容充電或放電；一電流感測器，耦接該超級電容，用以感測一第一感測電壓和一第二感測電壓；一電壓升降控制器，耦接該超級電容、該電力電子轉換器及該電流感測器，用以依據該第一感測電壓、該第二感測電壓及一總回授來產生該控制命令和一電流命令；以及一充電模式控制器，耦接該超級電容和該電壓升降控制器，用以依據一驅動電壓、該電流命令和該超級電容的一第三感測電壓，產生一電流回授和一電壓回授至該電壓升降控制器；其中該第三感測電壓、該電流回授和該電壓回授被加總後輸入至該電壓升降控制器的同一輸入端，以作為該總回授。
  2. 如請求項1所述的充電電路，其中該充電模式控制器包含：一電壓轉換單元，耦接一電源供應器及該超級電容，用以依據該驅動電壓來產生一第一預設電位、一第二預設電位、一第三預設電位及一第四預設電位，且用以依據該第三感測電壓來產生一第四感測電壓； 一定電流控制器，耦接該電壓轉換單元及該電壓升降控制器，用以依據該第一預設電位及該電流命令，產生該電流回授至該電壓升降控制器；以及一定電壓控制器，耦接該電壓轉換單元、該電壓升降控制器及該超級電容，用以依據該第二預設電位、該第三預設電位、該第四預設電位及該第四感測電壓，產生該電壓回授至該電壓升降控制器。
  3. 如請求項2所述的充電電路，其中該定電流控制器包含：一第一電阻；一第一運算放大器，包含：一正輸入端，用以接收該電流命令；一負輸入端，用以接收該第一預設電位；以及一輸出端，耦接該第一電阻的一第一端；一第一二極體，包含：一陽極，耦接該第一電阻的一第二端；以及一陰極，耦接該電壓升降控制器及該定電壓控制器，用以輸出該電流回授；其中，當該電流命令大於該第一預設電位時，該定電流控制器輸出該電流回授；且當該電流命令小於或等於該第一預設電位時，該定電流控制器關閉。
  4. 如請求項3所述的充電電路，其中該定電流 控制器還包含一第一遲滯電路，該第一遲滯電路包含一第一電容及一第二電阻，其中：該第一電容耦接於該第一運算放大器的該負輸入端與該第二電阻之間；該第二電阻的一第一端耦接該第一電容，且該第二電阻的一第二端耦接該第一電阻的該第二端及該第一二極體的該陽極。
  5. 如請求項3所述的充電電路，其中該定電壓控制器包含：一比較器，包含：一正輸入端，用以接收該第四感測電壓；一負輸入端，用以接收該第二預設電位；以及一輸出端，耦接該第一預設電位、一接地電壓及一電晶體的一閘極；該電晶體，包含：該閘極，用以接收該第三預設電位或該接地電壓；一源極，耦接該接地電壓；以及一汲極，耦接該第四預設電位及一第三電阻的一第一端；其中，當該第四感測電壓小於該第二預設電位時，該電晶體的該閘極接收該接地電壓以關閉該電晶體，使該充電電路進行一第一定功率充電模式；當該第四感測電壓大於或等於該第二預設電位時，該電 晶體的該閘極接收該第三預設電位以導通該電晶體，使該充電電路進行一第二定功率充電模式。
  6. 如請求項5所述的充電電路，其中該定電壓控制器包含：該第三電阻；一第二運算放大器，包含：一正輸入端，耦接該第三電阻的一第二端；一負輸入端，用以接收一第五預設電位，其中該第四預設電位經由該第三電阻限流後產生該第五預設電位；以及一輸出端；一第四電阻，包含一第一端耦接該第二運算放大器的該輸出端，及一第二端耦接該第二運算放大器的該負輸入端及一第五電阻的一第一端；該第五電阻；一第二二極體，包含：一陽極，耦接該第五電阻的一第二端；以及一陰極，耦接該電壓升降控制器及該定電壓控制器，用以輸出該電壓回授；其中，當該電晶體關閉時，該第二運算放大器的該正輸入端接收該第五預設電位，以逐漸拉升該電壓回授；當該電晶體導通時，該第二運算放大器的該正輸入端接收該接地電壓，以逐漸降低該電壓回授直到該充電電路關閉。
  7. 如請求項6所述的充電電路，其中該定電壓控制器還包含一第二遲滯電路，該第二遲滯電路包含一第六電阻及一第三二極體，其中：該第六電阻的一第一端耦接該比較器的該負輸入端，且該第六電阻的一第二端耦接該第三二極體的一陰極；該第三二極體的一陽極耦接該比較器的該輸出端。
  8. 如請求項1所述的充電電路，其中該充電模式控制器包含：一定電流控制器，耦接一電源供應器及該電壓升降控制器，用以依據一第一預設電位及該電流命令，產生該電流回授至該電壓升降控制器；以及一定電壓控制器，耦接該電源供應器、該電壓升降控制器及該超級電容，用以依據一第二預設電位、一第三預設電位及一第四預設電位及該第三感測電壓，產生該電壓回授至該電壓升降控制器。
  9. 如請求項8所述的充電電路，其中該定電流控制器包含：一第一電阻；一第一運算放大器，包含：一正輸入端，用以接收該電流命令；一負輸入端，用以接收該第一預設電位；以及 一輸出端，耦接該第一電阻的一第一端；一第一二極體，包含：一陽極，耦接該第一電阻的一第二端；以及一陰極，耦接該電壓升降控制器及該定電壓控制器，用以輸出該電流回授；一第七電阻，包含一第一端耦接該驅動電壓，及一第二端耦接該第一運算放大器的該負輸入端；一第八電阻，包含一第一端耦接該第一運算放大器的該負輸入端，及一第二端耦接一接地電壓，其中該第一預設電位經由該第七電阻和該第八電阻分壓該驅動電壓而產生；一第九電阻，包含一第一端耦接該電流命令，及一第二端耦接一第十電阻的一第一端；該第十電阻，包含一第一端耦接該第九電阻的該第二端，及一第二端耦接該第一運算放大器的該正輸入端；一第二電容，與該第十電阻並聯，用以阻斷該電流命令的一直流電流；其中，當該電流命令大於該第一預設電位時，該定電流控制器輸出該電流回授；且當該電流命令小於或等於該第一預設電位時，該定電流控制器關閉。
  10. 如請求項9所述的充電電路，其中該定電流控制器還包含一第一遲滯電路，該第一遲滯電路包含一第一電容及一第二電阻，其中： 該第一電容耦接於該第一運算放大器的該負輸入端與該第二電阻之間；該第二電阻的一第一端耦接該第一電容，且該第二電阻的一第二端耦接該第一電阻的該第二端及該第一二極體的該陽極。
  11. 如請求項9所述的充電電路，其中該定電壓控制器包含：一第十一電阻，包含一第一端耦接該第三感測電壓；一第十二電阻，包含一第一端耦接該第十一電阻的一第二端，及一第二端耦接一接地電壓，其中一第四感測電壓經由該第十一電阻與該第十二電阻分壓而產生；一第十三電阻，包含一第一端耦接該驅動電壓；一第十四電阻，包含一第一端耦接該第十三電阻的一第二端，及一第二端耦接該接地電壓，其中該第二預設電位經由該第十三電阻與該第十四電阻分壓而產生；一第三電容，包含一第一端耦接該第四感測電壓，及一第二端耦接該第一預設電位；一比較器，包含：一正輸入端，用以接收該第四感測電壓；一負輸入端，用以接收該第二預設電位；以及一輸出端，耦接該第三預設電位、一接地電壓及一電晶體的一閘極；該電晶體，包含： 該閘極，用以接收該第三預設電位或該接地電壓；一源極，耦接該接地電壓；以及一汲極，耦接該第一預設電位及一第三電阻的一第一端；一第十五電阻，包含一第一端耦接該驅動電壓；一第十六電阻，包含一第一端耦接該第十五電阻的一第二端及該電晶體的該閘極，及一第二端耦接該接地電壓及該電晶體的該源極；其中，當該第四感測電壓小於該第二預設電位時，該電晶體的該閘極接收該接地電壓以關閉該電晶體，使該充電電路進行一第一定功率充電模式；當該第四感測電壓大於或等於該第二預設電位時，該電晶體的該閘極接收該第三預設電位以導通該電晶體，使該充電電路進行一第二定功率充電模式。
  12. 如請求項11所述的充電電路，其中該定電壓控制器還包含：一第十七電阻，包含一第一端耦接該驅動電壓；一第十八電阻，包含一第一端耦接該第十七電阻的一第二端及該電晶體的該汲極，及一第二端耦接該接地電壓；該第三電阻；一第二運算放大器，包含：一正輸入端，耦接該第三電阻的一第二端；一負輸入端，用以接收一第五預設電位，其中該驅動 電壓經由該第十七電阻及該第十八電阻分壓並經由該第三電阻限流後產生該第五預設電位；以及一輸出端，耦接該第一電阻的一第一端；一第四電阻，包含一第一端耦接該第二運算放大器的該輸出端，及一第二端耦接該第二運算放大器的該負輸入端及一第五電阻的一第一端；該第五電阻；一第二二極體，包含：一陽極，耦接該第五電阻的一第二端；以及一陰極，耦接該電壓升降控制器及該定電壓控制器，用以輸出該電壓回授；其中，當該電晶體關閉時，該第二運算放大器的該正輸入端接收該第五預設電位，以逐漸拉升該電壓回授；當該電晶體導通時，該第二運算放大器的該正輸入端接收該接地電壓，以逐漸降低該電壓回授直到該充電電路關閉。
  13. 如請求項12所述的充電電路，其中該定電壓控制器還包含一第二遲滯電路，該第二遲滯電路包含一第六電阻及一第三二極體，其中：該第六電阻的一第一端耦接該比較器的該負輸入端，且該第六電阻的一第二端耦接該第三二極體的一陰極；該第三二極體的一陽極耦接該比較器的該輸出端。
  14. 如請求項1所述的充電電路，其中： 該電流感測器的一第一端耦接該電力電子轉換器來感測該第一感測電壓，且該電流感測器的一第二端耦接該超級電容來感測該第二感測電壓；該電壓升降控制器還用以依據該第一感測電壓、該第二感測電壓及該電流感測器的一等效電阻值來計算該超級電容的一充電電流。
  15. 一種電力系統，包含：如請求項1所述的充電電路；一超級電容；以及一電源供應器，耦接該充電電路，用以：於充電時，提供一充電電源及一驅動電壓至該充電電路，使該充電電路根據該充電電源及該驅動電壓對該超級電容充電；以及於放電時，儲存來自該超級電容的電源。
  16. 一種充電方法，用於如請求項1所述的充電電路，包含：依據一第一感測電壓、一第二感測電壓及一總回授產生一電流命令；提供一驅動電壓、該電流命令和一第三感測電壓至一充電模式控制器；轉換該驅動電壓為一第一預設電位、一第二預設電位，並轉換該第三感測電壓為一第四感測電壓； 當該第四感測電壓小於該第二預設電位時，對一超級電容進行一第一定功率充電模式；當該第四感測電壓大於或等於該第二預設電位時，對該超級電容進行一第二定功率充電模式；以及當該電流命令小於該第一預設電位時，對該超級電容進行一定電壓充電模式；其中該超級電容的該第三感測電壓、該充電模式控制器產生的一電流回授和一電壓回授被加總後輸入至一電壓升降控制器的同一輸入端，以作為該總回授。
TW111142493A 2022-11-08 2022-11-08 用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統 TWI853338B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW111142493A TWI853338B (zh) 2022-11-08 2022-11-08 用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW111142493A TWI853338B (zh) 2022-11-08 2022-11-08 用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TW202420688A TW202420688A (zh) 2024-05-16
TWI853338B true TWI853338B (zh) 2024-08-21

Family

ID=92074152

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW111142493A TWI853338B (zh) 2022-11-08 2022-11-08 用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統

Country Status (1)

Country Link
TW (1) TWI853338B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW564587B (en) * 2001-09-27 2003-12-01 Tai-He Yang Charging circuit of charge/discharge apparatus for plural voltage difference power source
TW201534023A (zh) * 2013-02-27 2015-09-01 崇貿科技股份有限公司 充電電路
US20180123383A1 (en) * 2016-02-05 2018-05-03 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Charging system and charging method for terminal and power adapter
CN113708451A (zh) * 2021-08-27 2021-11-26 浪潮商用机器有限公司 一种超级电容充电电路
TWI773522B (zh) * 2021-09-09 2022-08-01 立錡科技股份有限公司 充電電路及充電控制方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW564587B (en) * 2001-09-27 2003-12-01 Tai-He Yang Charging circuit of charge/discharge apparatus for plural voltage difference power source
TW201534023A (zh) * 2013-02-27 2015-09-01 崇貿科技股份有限公司 充電電路
US20180123383A1 (en) * 2016-02-05 2018-05-03 Guangdong Oppo Mobile Telecommunications Corp., Ltd. Charging system and charging method for terminal and power adapter
CN113708451A (zh) * 2021-08-27 2021-11-26 浪潮商用机器有限公司 一种超级电容充电电路
TWI773522B (zh) * 2021-09-09 2022-08-01 立錡科技股份有限公司 充電電路及充電控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
TW202420688A (zh) 2024-05-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103580000B (zh) 开关电源输出过压保护方法及电路及带该电路的开关电源
CN102761249B (zh) 电流模式直流转换器
TWI491153B (zh) 電容放電電路及變換器
US20130241511A1 (en) Switching power supply with fixed off time mode and control method thereof
TWI608505B (zh) 用於電器的基於超級電容器的能量儲存之設備、方法及電路
TW201218594A (en) Control circuit and method for a current mode controlled power converter
US10432097B2 (en) Selection control for transformer winding input in a power converter
JP2007526731A (ja) エネルギー蓄積システム
Chang et al. Design of a highly accuracy PSR CC/CV AC–DC converter based on a cable compensation scheme without an external capacitor
CN104167768B (zh) 一种充电装置及充电方法
CN103856086A (zh) 一种电流互感器取电控制方法及系统
CN116404873B (zh) 单电感双极性输出直流-直流转换器控制方法及电路
JP2017229140A (ja) 電源制御装置、半導体集積回路、および共振型コンバータ
CN101378228B (zh) 一种电源转换控制装置及电源电路
CN114172391B (zh) 恒功率基准调制电路、控制装置及芯片、电源装置及方法
US11594954B2 (en) Soft start method for a single inductor multiple output power supply
JP2017201877A (ja) 再生可能エネルギー発電システム用バッテリ制御回路
TWI853338B (zh) 用於超級電容的充電電路、充電方法與電力系統
EP4369565A1 (en) Charging circuitry, charging method and power system for supercapacitor
Singh et al. A digital optimal battery charger with the inbuilt fault detection property
WO2023124117A1 (zh) 功率转换电路和方法
CN111313672B (zh) 供电电路、电路故障检测方法、线路板及车载空调器
CN101674002B (zh) 应用于功率因数校正电源转换器的控制装置及其控制方法
CN101409503B (zh) 反馈比较装置及直流到直流电压转换器
JP5638929B2 (ja) 電源装置