一、 摘要 本計畫目標是為電動機車使用的鉛酸 電池設計高功因、高充電效率的快速充電 器。經過相關子計畫實驗比較過數種充電 策略之後，證實脈衝電流是效率最高，最 可行的充電策略。本計畫提出兩個高功因 充電器之電路架構，除了可以執行傳統的 定電壓及定電流充電外，亦可提供可變電 流、可變頻率、可變工作週期的脈衝充電 電流。經實驗證實，兩個充電器電路之效 率分別為 85%和 91%，功率因數均可達 0.96 以上，總諧波失真率則都在 15%以下。 關鍵詞：蓄電池充電器，總諧波失真率， 效率，功率因數。
Abstr act The objective of this project is to
design a high-power-factor, high-efficiency charger circuit for the lead-acid battery of electrical motorcycles. From the experiment results on various charging strategies carried out by the related sub-project, charging with the appropriate pulse current appears to be the most efficient. This project have developed two feasible charger circuits, which are capable of pulse charging with variable current, variable frequency and variable duty-ratio in addition to constant– voltage charging and constant-current charging for conventional use. The experiment results show that the efficiencies of the two charger circuits are 85% and 91%, respectively, and the power factor is higher than 0.96 and the THD is less than 15% for both charger circuits.
Keywor ds：battery charger, total harmonic
distortion, efficiency, power factor.
二、 計畫緣由與目的 由於石油能源的逐漸枯竭與廢氣排放 等環保要求日漸提高的緣故，電動車輛的 研發及推廣計劃受到政府以及民間業者愈 來愈高的重視。過去電動車輛與一般使用 內燃機的車輛相比較下，最不能為消費者 所接受的除了車輛馬力的問題外，就是蓄 電池的問題。在使用者的角度上看，這些 問題包括電池容量、電池壽命、充電時間， 以及電量檢測等；而在設計者的立場，則 除了以上問題外，還有充電策略選定、功 因考慮、EMC 防制、充電器耦合方式、電 池組的平衡充電，甚至包括保護電路等問 題。凡此種種問題均有待研究者更進一步 的探討。 本計畫是電動機車群體計畫的一子計 畫，目標為研製高效能的充電器。雖然重 點是在於電力轉換器的電路結構以及控制 電路的設計，然而因為負載是蓄電池，所 以必須配合其他子計畫所研究之電池的充 放電特性[1,2]和殘量檢測方法[3]。在本研 究中以電動機車使用的鉛酸電池為對象提 出兩種充電電路。以下章節將分別探討其 電路架構，分析工作原理，並設計雛形電 路，由實驗結果驗證電路之各種性能。 三、 電路架構與工作原理 為了提高充電電路的效率，本計畫採 用半橋式共振轉換器作為主電路，且將功 因修正電路與換流器整合成單級電路結 構。為了要能縮小儲能元件和變壓器的體 積及提高功因，我們將電路操作於 20kHz 以上的高頻。
行政院國家科學委員會專題研究計畫進度報告
總計畫：電動機車電能及驅動系統之研究(I)
子計畫：
電動機車高功因高效能蓄電池充電器
High-Capability High-Efficiency and High-Power-Factor Battery Charger for Electric Motorcycles
子計畫編號：NSC89-2213-E110-038
執行期限：88 年 8 月 1 日至 89 年 7 月 31 日
子計畫主持人：莫清賢 國立中山大學 電機工程學系
功因修正電路與換流器的整合，一般 採 用 共 用 開 關 (Common Switch) 技 術 [4,5]，亦即功因修正電路與換流器共同使 用功率開關元件。由於電池所須之充電電 壓遠低於交流電源電壓，降昇壓式功因修 正電路是較佳的選擇。圖一是一具有降昇 壓功能之高功因充電電路。輸入市電先經 高功因整流電路，再經高頻諧振電路成為 高頻的弦波電流，用高頻變壓器降低至適 當電壓準位後，再經整流及濾波成直流輸 出。由於換流器的輸出電壓含有直流成 分，因此負載諧振電路必須有直流阻隔電 容。為了減少切換損失並使諧振電路為高 品質因數，諧振電路被設計為電感性，且 諧振電路的電流可以簡化為與換流器輸出 電壓同頻率的弦波電流，流入高頻變壓器 T1的一次側。 輸出電壓與電流的調整是取輸出端回 授信號以控制換流器的切換頻率或開關導 通率。高頻變壓器的二次側採中間抽頭的 繞法，目的在減少輸出整流二極體的導通 損失，且達到全波整流的效果。為了減少 輸出的電壓漣波，輸出整流濾波電路由二 組 LC 濾波電路組成，其中 C1為高頻濾波 電容，C2 為低頻大容值的電解電容。 此外，我們提出一種電路架構更簡單 而且效率更高之整合共振儲能槽 (Unified Resonant Energy Tank) 功 因 修 正 技 術 [6,7]。圖二是含整合共振儲能槽功因修正 電路之充電器電路架構。此電路利用負載 共振電路內的電感與電容作為功因修正電 路之能量暫存元件，於換流器切換的每一 高頻週期，自電源汲取能量，一部份供負 載消耗，剩餘的能量回存至直流交鏈電容 中，再提供給給負載。輸出電壓與電流的 調整方式與圖一電路相同。 為了執行脈衝充電方式，可在輸出部 份加上一個切換開關，如圖三，用以產生 脈衝電流輸出，而脈衝頻率及導通率則可 以視需要而分別調整。 四、 電路分析 由於圖一的充電電路電源側只有在開 關 Q2導通時，才會輸入功率，故在每一切 換週期的平均輸入電流 Iin(avg)(t)為: ) t sin( V L T D ) t ( Iin(avg) = m ω 2 2 (1) 其中，D 為切換開關之工作週期；T 為切 換週期。 由上式得知，平均電流受電感值、工 作週期、切換頻率、輸入電壓所影響。當 工作週期及切換頻率均為固定時，平均輸 入電流為與輸入電壓同相位且成正比，只 要再利用一組小的濾波電路，濾除輸入電 流的高頻成分，就可得到高功率因數。 由 (1) 式 可 導 出 平 均 輸 入 功 率 Pin(avg) 為： T D Pin(avg ) VmL 2 4 2 = (2) 經由輸出端的電壓、電流訊號回授， 來控制電路操作於定電壓充電模式或定電 流充電模式。而脈衝充電模式則經由圖五 的控制電路來驅動切換開關，產生一可調 整頻率及工作週期的脈衝電流。 至於圖二，我們將負載共振的部分可 簡化成一個電流源： t f sin I ) t ( ir = 2 r 2π s (3) 其中，Ir 是電流均方根值，fs 共振頻率 一個週期內電源所輸入的功率為：
( )
2 2 i x s i dc x s r i fC V v f C v I t p + − π = (4) 若設計電路之參數使 0 = − π x dc s r C V f I 2 (5) 則在每一個高頻的切換週期，電源的平均 輸入電流可表示成： i x s in fC V I = (6) 由上式可得知，電源之平均輸入電流 正比於電源電壓，所以只要將高頻諧波電 流濾除，亦可以達到高功率因數的效果。 五、 實驗結果 本計畫已完成上述兩種充電器之雛形 電路，量測對蓄電池充電之特性。圖四是定電壓充電之電壓對時間關係圖，由圖中 可以發現，定電壓充電法在充電初期電流 較大，到後期會逐漸減小，因此充電時間 最長；但由於充電電流之大小取決於電源 與電池的壓差，故如在充電初期，適當的 降低充電電壓，可避免初期的過大充電電 流，對於電池的傷害將會較小。 圖五是定電流充電法之電壓對時間關 係圖，在充電初期電壓緩慢上升，但在接 近排氣電壓時，電池電壓會迅速上升，而 在到達排氣電壓之後，電壓開始緩慢下 降，而漸趨於一定值[8]。但由於輸入的電 流大小維持固定，故在電池充飽之後，較 容易造成過度充電的現象。若為避免過充 而採用較低電流，將延長充電時間。 至於脈衝充電法，由於在每一充電週 期中有一段時間的休息，可使電池電解液 利用這段時間進行擴散，並作電荷交換， 如此則可防止電池內的容抗快速升高，因 此脈衝充電法的充電時間最短，效率最高 [9]；然而如果充電頻率過高，將會有充電 效 率 變 差 的 情 形 。 圖 六 是 脈 衝 頻 率 為 31.4kHz，工作週期 43.7%，平均電流為 6.6A 的充電結果，電壓從充電初期一直維持緩 慢上升的趨勢，與 6A 的定電流充電法來比 較，脈衝充電的充電效率反而不及定電流 充電。由此可得知充電脈衝的頻率並不宜 過高，至於最適合於電池充電的操作頻率 則需要進一步研究探討。 六、 計畫成果自評 本計畫分三年執行，第一年配合其他 子計畫對於蓄電池充電特性之研究結果， 探討各種適用於蓄電池充電之交流/直流轉 換器。目前已完成兩種充電電路，可進行 定電壓、定電流，及脈衝充電模式。原擬 定於第一年完成之均衡充電已對各種電路 探討其可能性，但尚未制作電路及實驗量 測，第一年計畫達成率約為 80%；然而， 原擬於第二年執行之功因修正電路則已提 前完成，經實驗測試效率與功因都比預期 效果要好。因此，綜合計畫達成率已超過 100%。 七、 參考文獻
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ir 3 D 4 D n2 2 n 1 n Tn CS C1 L1 C2 L2 Cs Q1 Q2 Cdc + _ Vdc iQ1 iQ2 iD1 iD2 _ D1 D2 VS1 + VS2 + _ L Cb S 電壓訊號 電流訊號 驅動電路 iin Vi 定電壓 定電流 蓄 電 池 A G 圖一 單級降升壓式高功因充電器電路 Q1 Q2 Cdc + _ ir Vdc i Q1 iQ2 iD1 iD2 _ D1 D2 VS1 + VS2 + _ 3 D 4 D n2 2 n 1 n Tn L Cb S CS C1 L1 C2 L2 Vi Dx Cx Cs 電壓訊號 電流訊號 驅動電路 iin 定電壓 定電流 蓄 電 池 A G 圖二 整合共振儲能槽式高功因充電器電路 TL494 2 14 15 13 4 R VR 8 1112 +12v 1 7 16 5 6 VR 9 10 R C 1 1 2 2 +12v 蓄 電 池 切換開關 R R R R C C 4 5 6 3 2 3 1 A G VR1 ：Duty control VR2 ：Frequency control 圖三 脈衝控制電路 11 11.3 11.6 11.9 12.2 12.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 2 4 6 8 10 12 14 ¹qÀ£ ¹q¬y (V) (A) 圖四 定電壓充電電壓電流變化圖 10 11 12 13 14 15 0 2 4 6 8 10 12 14 (V) (hr) 圖五 定電流(6A)充電電壓變化圖 10 11 12 13 0 2 4 6 8 10 12 (hr) (V) 圖六 脈衝電流充電電壓變化圖 i in Vi
電壓:50V/div 電流:1A/div 時間:5ms/div 圖七 單級降升壓式電路輸入電壓電流波形
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in電壓:100V/div 電流: 0.1A/div 時間:5ms/div 圖八 整合共振儲能槽式高功因充電電路
