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CN110611360A - 高效能多阶电能充电方法及装置 - Google Patents

高效能多阶电能充电方法及装置 Download PDF

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CN110611360A
CN110611360A CN201810612938.7A CN201810612938A CN110611360A CN 110611360 A CN110611360 A CN 110611360A CN 201810612938 A CN201810612938 A CN 201810612938A CN 110611360 A CN110611360 A CN 110611360A
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CN
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direct current
power
voltage
electric energy
power converter
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CN201810612938.7A
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沈家民
李家闳
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YINGZHENG YUSHUN ELECTRONICS CO Ltd
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YINGZHENG YUSHUN ELECTRONICS CO Ltd
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/02—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from ac mains by converters
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Abstract

本发明公开了一种高效能多阶电能充电方法及装置，装置包括一直流‑直流电能转换器、一选择开关组及一全桥式电能转换器。该选择开关组连接于该直流‑直流电能转换器及全桥式电能转换器之间，且将该直流‑直流电能转换器产生的一直流电压经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧，且将一电池组电压亦经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧。仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流‑直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不需经由该直流‑直流电能转换器进行转换。

Description

高效能多阶电能充电方法及装置
技术领域
本发明涉及一种高效能(high-performed)多阶(multi-level)电能充电装置及其方法，特别是关于一种可减少体积及简化整体构造的高效能多阶电能充电装置及其方法。
背景技术
一般而言，蓄电池的电力为直流电力，而目前配电系统仍以交流系统为主，因此蓄电池进行充电时，在蓄电池与配电系统之间均必须依赖电力转换器进行交流-直流的电能转换，方能进行蓄电池充电作业。
习用电力转换器主要包括功率半导体元件、被动元件及散热元件。近年来随着半导体技术的进步，使得电力电子元件及微控器晶片的性能大幅提升，且其价格持续不断下降，因此电力转换器的电路设计趋向，由在传统上采用简单的电力电子架构及控制方式与配置庞大数量的被动元件及散热元件，逐渐转向采用增加配置电力电子元件数量及相对比较复杂的控制方式达成减少被动元件的使用，以提高电力转换器效率，以便进一步减少散热需求。
在传统上，习用电力转换器可选择藉由提高切换频率方式将其切换谐波往更高频移动，以降低被动元件容量。然而，采用提高切换频率具有造成增加电力电子元件的切换损失的缺点，并降低电力转换器效率，因而导致增加其散热需求。
此外，另一种习用电路设计采用习用多阶电力转换器，因而可降低电力电子开关每一次切换的电压，可同时具有降低其切波换谐波电压、减少其切换损失及降低其被动元件容量。
习用多阶电力转换器需要使用较多数量的电力电子开关及采用相对较复杂的控制方式，因此早期只使用在较高压的应用，以减小电力电子开关的电压应力。然而，随着电力电子元件及微控器晶片的性能大幅提升，且其价格持续不断下降，习用多阶电力转换器已渐渐应用在低压小容量的电能转换上。
一般而言，在传统上，习用多阶电力转换器依其电路架构的不同可以区分为二极管筘位式(diode clamped)架构、飞轮电容式(flying capacitor)架构及迭接桥式(cascade bridge)架构。近年来出现许多具有单向电力潮流的习用多阶电力转换器，但是其电路架构或控制方式仍具有相对较复杂的缺点。
举例而言，图1(A)揭示了习用二极管筘位式五阶电力转换器的电路架构示意图。请参照图1(A)所示，习用二极管筘位式五阶电力转换器1A主要包括一电容臂及一电力电子开关臂。数个筘位二极管连接于该电容臂及电力电子开关臂之间，而该电容臂包括四个电容器，且该四个电容器为等值电容器。在操作上每个该电容器的电压必须相等，以建立四个等值直流电压，藉由该电力电子开关臂的切换选择该四个电容器的四个等值直流电压的一个电位输出，并配合该电容臂产生一五阶交流电压。
请再参照图1(A)所示，该筘位二极管则用以提供当该电力电子开关臂的电力电子开关截止时的电压筘位。然而，每个该筘位二极管的电压应力均不相同，且必须控制该四个电容器形成均压，因而习用二极管筘位式五阶电力转换器1A具有其控制电路复杂的缺点。
图1(B)揭示了习用飞轮电容式五阶电力转换器的电路架构示意图。请参照图1(B)所示，习用飞轮电容式五阶电力转换器1B主要包括一电容臂及一电力电子开关臂。另外，再利用数个电容器连接于该电力电子开关臂。在操作上由于每个电容器可建立不同电压，藉由该电力电子开关臂的切换，在输出端产生该电容器的电容电压的组合，配合该电容臂产生一五阶交流电压。
请再参照图1(B)所示，在操作上由于每个该电容器的耐电均不相同，且必须准确控制该电容器的电压，因而习用飞轮电容式五阶电力转换器1B具有其控制电路复杂的缺点。
图1(C)揭示了习用迭接桥式五阶电力转换器的电路架构示意图。请参照图1(C)所示，习用迭接桥式五阶电力转换器1C包括两个全桥式电力转换器，且将该两个全桥式电力转换器串联。每个该全桥式电力转换器连接至一电容器，因此每个该全桥式电力转换器的输出电压均包含三个电压准位。习用迭接桥式五阶电力转换器1C的输出电压为该两个全桥式电力转换器的输出电压总和。
请再参照图1(C)所示，在结构上由于该两个全桥式电力转换器的直流汇流排没有相互连接，因此需要两个独立的直流电压源供应至该两个全桥式电力转换器的直流汇流排，因而习用迭接桥式五阶电力转换器1C具有电源供应电路复杂的缺点。
请再参照图1(A)、1(B)及1(C)所示，习用二极管筘位式五阶电力转换器1A、习用飞轮电容式五阶电力转换器1B及习用迭接桥式五阶电力转换器1C均需使用八个电力电子开关，因此其具有整体构造复杂、体积增加及制造成本增加的缺点。
请再参照图1(A)所示，由于单相电池储能系统其容量不大，且其蓄电池组的电压不高，因此必须在蓄电池组与习用二极管筘位式五阶电力转换器1A之间需要增设一双向直流-直流电力转换器，因而其具有架构复杂的缺点。请再参照图1(B)所示，同样的，亦必须在蓄电池组与习用飞轮电容式五阶电力转换器1B之间需要增设一双向直流-直流电力转换器，因而其亦具有架构复杂的缺点。
请再参照图1(C)所示，同样的，由于单相电池储能系统其容量不大，且其蓄电池组的电压不高，因此必须在蓄电池组与习用迭接桥式五阶电力转换器1C之间需要增设一隔离式双向直流-直流电力转换器，因而其亦具有架构复杂的缺点。
请再参照图1(A)、1(B)及1(C)所示，习用二极管筘位式五阶电力转换器1A、习用飞轮电容式五阶电力转换器1B及习用迭接桥式五阶电力转换器1C均其双向实功潮流，均必须经由两级电力转换器处理，因而其亦具有电力转换处理复杂及降低电力转换器效率的缺点。
举例而言，另一习用多阶交流-直流电能转换器，如中国台湾发明专利公告第TW-I524647号的″多阶交流/直流电力转换方法及其装置″，其对应美国专利号为US 9,438,132号的发明专利，揭示了一种单向隔离式多阶直流-直流电能转换装置及其方法。
如上所述，中国台湾专利公告第TW-I524647号及美国专利号为US 9,438,132的习用多阶交流/直流电力转换装置包括一高频电力转换器及一低频电力转换器。该高频电力转换器包括一交流埠，而该低频电力转换器包括一交流埠及一直流埠。
如上所述，中国台湾专利公告第TW-I524647号及美国专利号为US 9,438,132的习用多阶交流/直流电力转换方法包括：将该高频电力转换器的交流埠与该低频电力转换器的交流埠连接形成串联连接，将该低频电力转换器的操作频率与一交流电源的频率操作同步；将该高频电力转换器以高频脉宽调变进行操作控制，以使该多阶交流/直流电力转换装置产生一多阶交流电压；藉由控制该多阶交流电压，以获得一交流输入埠的电流趋于一弦波且与该交流电源的电压同相位，以达成趋于单位输入功效，且控制该低频电力转换器输出一直流电压经一直流输出埠供给一负载。
显然，习用多阶交流/直流电能转换器在架构上仍需要改善其结构或元件特性的技术缺点。因此，习用交流/直流电能转换器或隔离式多阶交流/直流电能转换器必然存在进一步提供或发展简化隔离式多阶交流/直流电能转换器的需求。
发明内容
本发明较佳实施例的目的在于提供一种高效能多阶电能充电方法及装置，其将一直流-直流电能转换器、一选择开关组及一全桥式电能转换器配置于一市电及一电池组之间，且该选择开关组连接于该直流-直流电能转换器及全桥式电能转换器之间，并仅在一市电电压大于一电池组电压时，对该直流-直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不需经由该直流-直流电能转换器进行转换，以达成简化整体电路架构、降低制造成本及减少整体体积的目的。
为了达成上述目的，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法包括：
将一直流-直流电能转换器、一选择开关组及一全桥式电能转换器配置于一市电及一电池组之间；
将该选择开关组连接于该直流-直流电能转换器及全桥式电能转换器之间；
将该直流-直流电能转换器产生的一直流电压经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的一直流汇流排或一直流侧；
将一电池组电压也经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流汇流排或直流侧；及
仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流-直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不需经由该直流-直流电能转换器进行转换。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器的直流负输出端连接该全桥式电能转换器的直流侧。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器的输入端并联一电容器。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器为一单向直流-直流电能转换器。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器包括一第一功率开关、一二极管、一电感器及一电容器。
本发明较佳实施例的该选择开关组包括一第一电力电子开关及一二极管。
本发明较佳实施例的该选择开关组的一第一侧连接于该直流-直流电能转换器的一输入端及一电池组。
本发明较佳实施例的该选择开关组的一第二侧则连接该全桥式电能转换器的直流侧。
本发明较佳实施例在该市电电压小于该电池组电压时，该电池组的充电只需经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换。
本发明较佳实施例的该选择开关组的动作由该市电电压与电池组电压的比较结果决定。
为了达成上述目的，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置包括：
一直流-直流电能转换器，其具有一输入端、一直流正输出端及一直流负输出端，而该直流-直流电能转换器的输入端连接一电池组；
一选择开关组，其具有一第一侧及一第二侧，而该选择开关组的第一侧连接于该直流-直流电能转换器的直流正输出端；及
一全桥式电能转换器，其具有一直流侧及一交流侧，而该选择开关组连接于该直流-直流电能转换器及全桥式电能转换器之间，且将该直流-直流电能转换器产生的一直流电压经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧，且将一电池组电压亦经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧；
其中，该选择开关组及全桥式电能转换器组成一五阶电力转换器，仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流-直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不需经由该直流-直流电能转换器进行转换。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器的直流负输出端连接该全桥式电能转换器的直流侧。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器的输入端并联一电容器。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器为一单向直流-直流电能转换器。
本发明较佳实施例的该直流-直流电能转换器包括一第一功率开关、一二极管、一电感器及一电容器。
本发明较佳实施例的该选择开关组包括一第一电力电子开关及一二极管。
本发明较佳实施例的该选择开关组的第一侧连接于该直流-直流电能转换器的输入端及一电池组。
本发明较佳实施例的该选择开关组的第二侧则连接该全桥式电能转换器的直流侧。
本发明较佳实施例在该市电电压小于该电池组电压时，该电池组的充电只需经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换。
本发明较佳实施例的该选择开关组的动作由该市电电压与电池组电压的比较结果决定。
附图说明
图1(A)是习用二极管筘位式五阶电力转换器的电路架构示意图。
图1(B)是习用飞轮电容式五阶电力转换器的电路架构示意图。
图1(C)是习用迭接桥式五阶电力转换器的电路架构示意图。
图2是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置的架构示意图。
图3是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法的流程示意图。
图4(A)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第一操作模式的示意图。
图4(B)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第二操作模式的示意图。
图4(C)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第三操作模式的示意图。
图4(D)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第四操作模式的示意图。
图5(A)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第五操作模式的示意图。
图5(B)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第六操作模式的示意图。
图5(C)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第七操作模式的示意图。
图5(D)是本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第八操作模式的示意图。
具体实施方式
本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法及装置可适用于各种多阶电能充电装置或多阶交流/直流电力转换装置，但其并非用以限制本发明的范围。另外，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法及装置适合使用于各种交流电源，例如：三相三线式交流电源或三相四线式交流电源。
本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法及装置可适用于铅酸电池、锂铁电池或一般具有类似特性电池的电池健康状态(state of health，SOH)、电池容量状态(state of charge，SOC，或电池电量状态)、电池放电残余时间估测(residualdischarging time)或其它电池状态，但其并非用以限定本发明的应用范围。
图2揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置的架构示意图。请参照图2所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置2A包括一直流-直流电能转换器21、一选择开关组22a及一全桥式电能转换器23。
请再参照图2所示，举例而言，该直流-直流电能转换器21具有一输入端(左侧的低压端)、一直流正输出端(右侧的高压端)及一直流负输出端(右侧的高压端)，而该直流-直流电能转换器21的输入端连接一电池组20(例如：蓄电池组或其它电池组)。
请再参照图2所示，举例而言，该直流-直流电能转换器21包括一第一功率开关Sd2、一二极管、一电感器Ld及一电容器Cd，且该第一功率开关Sd2、二极管、电感器Ld及电容器Cd适当连接。
请再参照图2所示，举例而言，该直流-直流电能转换器21为一单向直流-直流电能转换器或具类似功能的直流-直流电能转换器。在充电操作时，将该直流-直流电能转换器21操作为一降压式电力转换器。
请再参照图2所示，举例而言，本发明另一较佳实施例的该直流-直流电能转换器21的输入端选择并联至少一个电容器Ch(图2的左侧所示)或至少一电容组。
请再参照图2所示，举例而言，该选择开关组22a包括一第一电力电子开关Ss1及一二极管，且该第一电力电子开关Ss1及二极管适当连接形成该选择开关组22a。该选择开关组22a的动作由一市电电压与一电池组电压的比较结果决定。
请再参照图2所示，举例而言，该选择开关组22a具有一第一侧(左侧)及一第二侧(右侧)。另外，该选择开关组22a的第一侧连接于该直流-直流电能转换器21的直流正输出端，而该直流-直流电能转换器21的直流负输出端连接该全桥式电能转换器23的直流侧。
请再参照图2所示，举例而言，该全桥式电能转换器23具有一直流侧及一交流侧，而该选择开关组22a连接于该直流-直流电能转换器21及全桥式电能转换器23之间，且将该直流-直流电能转换器21产生的一直流电压经由该选择开关组22a连接至该全桥式电能转换器23的直流侧，且将该电池组电压亦经由该选择开关组22a连接至该全桥式电能转换器23的直流侧。
请再参照图2所示，举例而言，该全桥式电能转换器23包括一第一电力电子开关Sh1、一第二电力电子开关Sh2、一第三电力电子开关Sh3、一第四电力电子开关Sh4及一滤波电感器Lh，且该第一电力电子开关Sh1、第二电力电子开关Sh2、第三电力电子开关Sh3、第四电力电子开关Sh4及滤波电感器Lh适当连接。
请再参照图2所示，举例而言，在该市电电压小于该电池组20的电压时，选择该电池组20的充电只需经该选择开关组22a及全桥式电能转换器23进行转换。
请再参照图2所示，举例而言，仅在该市电电压大于该电池组20的电压时，选择允许对该直流-直流电能转换器21开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组22a及全桥式电能转换器23进行转换，而不需经由该直流-直流电能转换器21进行转换。
图3揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法的流程示意图。请参照图2及3所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法包括步骤S1：首先，举例而言，将该直流-直流电能转换器21、选择开关组22a及全桥式电能转换器配置23在一市电3及一电池组20之间。
请参照图2及3所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法包括步骤S2：接着，举例而言，将该选择开关组22a连接于该直流-直流电能转换器21及全桥式电能转换器23之间。
请参照图2及3所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法包括步骤S3：接着，举例而言，将该直流-直流电能转换器21产生的一直流电压经由该选择开关组22a连接至该全桥式电能转换器23的一直流汇流排或一直流侧。
请参照图2及3所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法包括步骤S4：接着，举例而言，将一电池组电压亦经由该选择开关组22a连接至该全桥式电能转换器23的直流汇流排或直流侧。
请参照图2及3所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电方法包括步骤S5：接着，举例而言，仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流-直流电能转换器21开始控制操作，以便于该市电电压小于该电池组电压时，一部分功率只经该选择开关组22a及全桥式电能转换器23进行转换，而不需经由该直流-直流电能转换器21进行转换。
图4(A)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第一操作模式的示意图。请参照图2及4(A)所示，该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1的动作将会决定该全桥式电能转换器23的直流汇流排或直流侧的电压。
请再参照图2及4(A)至4(D)所示，当该市电电压小于该电池组电压时，将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1恒导通，且该全桥式电能转换器23的直流汇流排或直流侧经该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1连接至该电池组20，如此该全桥式电能转换器23的直流汇流排或直流侧的电压为该电池组20的电压。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器包括四种操作模式，其电路操作如图4(A)至4(D)所示。
请再参照图2及4(A)所示，举例而言，当该市电电压小于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第一操作模式，其将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第四电力电子开关Sh4导通，并将该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2及第三电力电子开关Sh3截止，其电路操作如图4(A)的箭头所示。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为Vbat。
请再参照图2及4(A)所示，利用该第一操作模式选择直接由该电池组20经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器进行供电，或选择经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器直接对该电池组20进行充电，如此电能只需经由单一级电力转换器进行处理，以简化整体电路架构、降低制造成本及减少整体体积。
图4(B)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第二操作模式的示意图。请参照图2及4(B)所示，举例而言，当该市电电压小于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第二操作模式，其将该全桥式电能转换器23的第三电力电子开关Sh3及第四电力电子开关Sh4导通，并将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第二电力电子开关Sh2截止，其电路操作如图4(B)的箭头所示。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为0。
图4(C)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第三操作模式的示意图。请参照图2及4(C)所示，举例而言，当该市电电压小于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第三操作模式，其将该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2及第三电力电子开关Sh3导通，并将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第四电力电子开关Sh4截止，其电路操作如图4(C)的箭头所示。
请再参照图2及4(C)所示，此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为-Vbat。利用该第三操作模式选择直接经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器直接对该电池组20进行充电，如此电能只需经由单一级电力转换器进行处理，以简化整体电路架构、降低制造成本及减少整体体积。
图4(D)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压小于蓄电池组电压下采用第四操作模式的示意图。请参照图2及4(D)所示，举例而言，当该市电电压小于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第四操作模式，其将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第二电力电子开关Sh2导通，并将该全桥式电能转换器23的第三电力电子开关Sh3及第四电力电子开关Sh4截止，其电路操作如图4(D)的箭头所示。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为0。
图5(A)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第五操作模式的示意图。请参照图2及5(A)所示，举例而言，当该市电电压大于该电池组电压时，将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1进行切换，并将该全桥式电能转换器23的直流汇流排或直流侧经该选择开关组22a的第一电力电子开关S1连接至该电池组20，或将该全桥式电能转换器23的直流汇流排或直流侧经该选择开关组22a的二极管连接至该直流-直流电力转换器21的高压端。
请参照图2及5(A)至5(D)所示，此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器亦包括另四种操作模式，其电路操作如图5(A)至5(D)所示。
请再参照图2及5(A)所示，举例而言，当该市电电压大于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第五操作模式，其将该选择开关组22a的二极管与该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第四电力电子开关Sh4导通，并将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1与该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2及第三电力电子开关Sh3截止，其电路操作如图5(A)的箭头所示。
请再参照图2及5(A)所示，举例而言，利用该第五操作模式选择由该电池组20经由该直流-直流电能转换器21与该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器进行供电，或选择由该电池组20经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器及该直流-直流电能转换器21对该电池组20充电，如此电能经两级电力转换器进行处理。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为VCa。
图5(B)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第六操作模式的示意图。请参照图2及5(B)所示，举例而言，当该市电电压大于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第六操作模式，其将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1与该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第四电力电子开关Sh4导通，并将该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2及第三电力电子开关Sh3截止，其电路操作如图5(B)的箭头所示。
请再参照图2及5(B)所示，举例而言，利用该第六操作模式选择直接经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器对该电池组20充电。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为Vbat。
图5(C)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第七操作模式的示意图。请参照图2及5(C)所示，举例而言，当该市电电压大于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第七操作模式，其将该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2及第三电力电子开关Sh3导通，并将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1与该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第四电力电子开关Sh4截止，其电路操作如图5(C)的箭头所示。
请再参照图2及5(C)所示，举例而言，利用选择由该电池组20经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器及该直流-直流电能转换器21对该电池组20进行充电，如此电能经两级电力转换器进行处理。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为-VCa。
图5(D)揭示了本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置在市电电压大于蓄电池组电压下采用第八操作模式的示意图。请参照图2及5(D)所示，举例而言，当该市电电压大于该电池组电压时，该全桥式电能转换器23具有一第八操作模式，其将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1与该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2及第三电力电子开关Sh3导通，并将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第四电力电子开关Sh4截止，其电路操作如图5(D)的箭头所示。
请再参照图2及5(D)所示，举例而言，利用该第八操作模式选择直接经由该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器对该电池组20充电。此时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的交流端电压为-Vbat。
请参照图2、4(A)至4(D)及5(A)至5(D)所示，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器可产生五阶变化的交流电压VCa、Vbat、0、-Vbat、-VCa。该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器为了要控制该全桥式电能转换器23的滤波电感Lh的电流，其必须在交流端产生的交流电压VCa、-VCa高于该市电电压的峰值电压，而交流电压Vbat、-Vbat低于该市电电压。
请再参照图4(A)至4(D)及5(A)至4(D)所示，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器在正半周及负半周分别可分成两个工作区间。当该市电电压的绝对值小于该电池组电压时，为第一工作区间，而当该市电电压的绝对值大于该电池组电压时为第二工作区间。在每个工作区间均包含两个操作模式，分别产生出高于及低于该市电电压的电压，进而控制该全桥式电能转换器23的滤波电感Lh的电流上升或下降。
请再参照图2、4(A)及4(B)所示，当该市电电压在正半周且电压值小于该电池组电压时，操作在第一工作区间，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器将在该第一操作模式及第二操作模式之间进行脉宽调变(PWM)切换，以产生两个电压准位0与Vbat的脉波电压，此时将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1进行全导通状态，且将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1与第三电力电子开关Sh3进行脉波宽度调变切换。
请再参照图2、5(A)及5(B)所示，当该市电电压在正半周且电压值大于该电池组电压时，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器将在该第五操作模式及第六操作模式之间进行脉宽调变切换，以产生两个电压准位VCa与Vbat的脉波电压，此时将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1进行脉波宽度调变切换，且将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1与第四电力电子开关Sh4进行全导通。
请再参照图2、4(C)及4(D)所示，当该市电电压在负半周且电压的绝对值小于该电池组电压时，操作在第一工作区间，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器将在该第三操作模式及第四操作模式之间进行脉波宽度调变切换，以产生两个电压准位0与-Vbat的脉波电压，此时将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1进行全导通状态，且将该全桥式电能转换器23的第一电力电子开关Sh1及第三电力电子开关Sh3进行脉波宽度调变切换。
请再参照图2、5(C)及5(D)所示，当该市电电压在负半周且电压的绝对值大于该电池组电压时，操作在第二工作区间，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器将在该第七操作模式及第八操作模式之间进行脉波宽度调变切换，以产生两个电压准位-VCa与-Vbat的脉波电压，此时将该选择开关组22a的第一电力电子开关Ss1进行脉波宽度调变切换，且将该全桥式电能转换器23的第二电力电子开关Sh2与第三电力电子开关Sh3进行全导通。
请再参照图2所示，该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器的第一电力电子开关Ss1、第一电力电子开关Sh1、第二电力电子开关Sh2、第三电力电子开关Sh3、第四电力电子开关Sh4的切换方式如表1所示。
表1：五阶电能转换器电力电子开关状态表
请再参照图2所示，当该电池组20进行充电时，将该直流-直流电能转换器21操作为一降压式电力转换器，并将该电容器Cd的能量降压，以便对该电池组20进行充电。当该直流-直流电能转换器21的第一功率开关Sd2导通时，该电感器Ld会进行储能，并对该电池组20进行充电。当该直流-直流电能转换器21的第一功率开关Sd2截止时，该电感器Ld会释能，以便继续对该电池组20进行充电。当该电感器Ld操作于连续电流模式时，两个电压准位VCa与Vbat关系式为：
Vbat＝(1-D)VCa (2)
其中，D为功率开关Sd2的责任周期。
请再参照图2所示，本发明较佳实施例的高效能多阶电能充电装置可用以控制单向实功及虚功潮流。对该直流-直流电能转换器21可进行单向直流电能转换，以产生一稳定且高于市电电压峰值的直流电压，而该选择开关组22a及全桥式电能转换器23所组成的五阶电力转换器可产生一五阶交流电压，并控制并网的单向实功与虚功潮流。
以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (20)

1.一种高效能多阶电能充电方法，其特征在于，它包括步骤：
将一直流-直流电能转换器、一选择开关组及一全桥式电能转换器配置于一市电及一电池组之间；
将该选择开关组连接于该直流-直流电能转换器及全桥式电能转换器之间；
将该直流-直流电能转换器产生的一直流电压经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的一直流侧；
将一电池组电压也经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧；及
仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流-直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不经由该直流-直流电能转换器进行转换。
2.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述直流-直流电能转换器的直流负输出端连接所述全桥式电能转换器的直流侧。
3.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述直流-直流电能转换器的输入端并联一电容器。
4.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述直流-直流电能转换器为一单向直流-直流电能转换器。
5.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述直流-直流电能转换器包括一第一功率开关、一二极管、一电感器及一电容器。
6.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述选择开关组的一第一侧连接于所述直流-直流电能转换器的一输入端及一电池组。
7.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述选择开关组的一第二侧连接所述全桥式电能转换器的直流侧。
8.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述选择开关组包括一电力电子开关及一二极管。
9.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：在所述市电电压小于所述电池组电压时，所述电池组的充电只经所述选择开关组及所述全桥式电能转换器进行转换。
10.如权利要求1所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述选择开关组的动作由所述市电电压与所述电池组电压的比较结果决定。
11.一种高效能多阶电能充电装置，其特征在于：它包括：
一直流-直流电能转换器，其具有一输入端、一直流正输出端及一直流负输出端，而该直流-直流电能转换器的输入端连接一电池组；
一选择开关组，其具有一第一侧及一第二侧，而该选择开关组的第一侧连接于该直流-直流电能转换器的直流正输出端；及
一全桥式电能转换器，其具有一直流侧及一交流侧，而该选择开关组连接于该直流-直流电能转换器及全桥式电能转换器之间，且将该直流-直流电能转换器产生的一直流电压经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧，且将一电池组电压也经由该选择开关组连接至该全桥式电能转换器的直流侧；
其中，仅在一市电电压大于该电池组电压时，对该直流-直流电能转换器开始控制操作，以便一部分功率只经该选择开关组及全桥式电能转换器进行转换，而不经由该直流-直流电能转换器进行转换。
12.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述直流-直流电能转换器的直流负输出端连接所述全桥式电能转换器的直流侧。
13.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述直流-直流电能转换器的输入端并联一电容器。
14.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述直流-直流电能转换器为一单向直流-直流电能转换器。
15.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述直流-直流电能转换器包括一第一功率开关、一二极管、一电感器及一电容器。
16.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述选择开关组的第一侧连接于所述直流-直流电能转换器的输入端及一电池组。
17.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电方法，其特征在于：所述选择开关组的第二侧连接所述全桥式电能转换器的直流侧。
18.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述选择开关组包括一电力电子开关及一二极管。
19.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：在所述市电电压小于所述电池组电压时，所述电池组的充电只经所述选择开关组及所述全桥式电能转换器进行转换。
20.如权利要求11所述的高效能多阶电能充电装置，其特征在于：所述选择开关组的动作由所述市电电压与所述电池组电压的比较结果决定。
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