CN101750584B - 电动车用电池组信息即时计算方法及用该方法的电动车辆 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电动车用电池组信息即时计算方法及用该方法的电动车辆,其中电池组具有预定饱和状态及预定低限状态,且累积量测计算该电池组自预定饱和状态起,由充电装置输入电能、向耗电装置所输出电能及其时间状态,直到再度饱和状态时刻及/或达到低限状态时刻,并依此计算得出各时间点中,整体充电效率、放电效率、电能损耗率、及该电池组的剩余电量,并藉由一组车行状况检测装置,量测电动车行驶速度及/或距离,再由该侦测处理装置综合上述量测结果,估算该电动车辆续航行程,并可输出显示而供使用者参考。
Description
【技术领域】
本发明是一种关于电动车辆的信息计算方法,特别是一种电池组电量相关信息计算方法及用该方法的电动车辆。
【背景技术】
对于电动脚踏车、电动机车、电动汽车及其他结合电源动力而驱动车体的电动车辆而言,动力来源主要由电池所提供,依照现今技术,单次充电后可行驶的里程相较于一般燃油、燃气驱动车辆短,亦缺乏那样密集分布的加油(气)站,然而在油气存量日减、价格暴增、环保意识日益提升的环境氛围下,油气驱动车辆市场日益低靡,电动车辆则日渐受人瞩目。
由于电动车辆具有上述行程有限的困扰,行驶至半途没电受困的问题时有所闻。因此,已有业者提出记录电动车辆充电时的电流大小、电压及时间,以得到充电的总电能及放电的总电能,以此方法估算该组电池剩余电量值,并于电量过低时提出警示。常见的检测方法有安培一小时法及瓦特一小时法。一般安培一小时法中,只记录充电的电流大小及时间,累积其充电量(库伦值),在放电时,记录其电流大小及时间,累积其放电量(库伦值),则电池的残余能量为充电能量减去放电能量的值。在该安培一小时法中,因为电池电压的变异,而使得电池的真正电能容量与估算电量不相同,以致准确性较差。
随后演进出瓦特一小时法,由量测充放电的电池电压、充放电电流及时间,得到充电的总电能及放电的总电能(瓦特-小时),以此方法得到电池的剩余电量。此方法固然较以往的安培-小时法估算更准确。但电动车辆上电池的充电效率并非100%,此值不仅随着不同电池而有所差异、也可能随充电电池老化而逐渐劣化、更可能受环境因素影响而改变,故在估算充入充电电池的电能时,若效率以100%计,总电能将偏离实际状况。一般而言,是依照经验选择充电效率介于80~90%之间,但此数值并无客观且定量的科学推算,更无法充分显示充电电池的老化问题。
此外,放电过程中,由电池储存的化学能转换为电能输出的放电效率,亦会受到诸如温度等环境及电池本身条件等多种因素、甚至电池老化的影响而有所变化,使得放电效率亦非100%,目前一般亦是依照经验选择一个假设数值,并无客观与定量推算流程,同样无法因电池的老化而即时反应实际状况。
再者,电池即使不使用,仍会因内部化学反应而自我放电、减少剩余电能,其自我放电率也随不同电池而异,可能介于每个月10~20%的范围。对一个每天充电至饱和的电池而言,此误差只占总电能1%以内,影响不大。但如某一个使用者每天只将电池充电到80~90%即停止,则此自我放电的误差无法被重置补偿,而会随使用时间累积,使误差逐渐扩大,估算所得的剩余电量日益失真;而对此电能损耗,目前也没有客观且定量的方法计算。
图1及图2所示,是一种利用常见电动车辆电量估算***20的电动车辆10(于此图示为一电动汽车),该估算***20是透过一组侦测记录器,对设置在该常见电动车辆10上的电池组的物理与电性变化进行即时侦测监控并将记录资料透过通讯单元传送至远端监控中心,并由监控中心依照该资料记录判定电池组残余电量是否不足或有异常状态,并透过电信设备以无线传输方式发送信号,例如将电力不足的提示以手机简讯传送至事先登录者的预定手机,提醒驾驶者电量状态,以此维护驾车者行驶的安全。
然而,上述估算***20,不仅需在车辆上设置通讯介面,并仰赖密集分布的基地台作为沟通桥梁以发送及接受信号,还必须备有一远端监控中心处理大量资料,整套***不仅价格昂贵,转嫁于电动车辆10的购买者后,必然降低市场接受度。且远端监控中心承接大量的资料有待处理,并需设法确保所发送的警示信号不致遗漏;尤其,此等处理极难收取费用,并涉及个人隐私,无疑平添实际使用的困难。
换言之,当下电动车辆产业急需一种能大致正确估算充电电池的充电效率、放电效率、电能损耗率及剩余电量的方法与应用该方法的电动车辆,并且无须花费不必要的通信及其他硬体架构成本;再利用所获得电池的充电效率、放电效率、电池***及车辆的耗电率等因子,算出电池的正确剩余电量值,以估算出符合电动车辆行车状态及个人驾驶习惯的续航行程而提供使用者参考。
【发明内容】
本发明目的之一,在于提供一种结构简单、耗用资源有限的电池组电量相关信息计算方法。
本发明另一目的,在于提供一种可以精确且客观地定量计算电池组电量相关信息的计算方法,以随时获得电池组的正确状态因子。
本发明再一目的,在于提供一种可以定量估算电池组的充电效率变异、放电效率、以及电池***与车辆漏电问题,而在发现异常时予以示警的电池组电量相关信息计算方法。
本发明又一目的,在于提供一种依照电动车辆电量状况及车行状况估计其可供行驶的距离的电动车辆。
本发明揭示一种电池组电量相关信息计算方法,其中所述的电池组具有一个预定饱和状态值Ef,且电池组分别电气联接至一组充电装置及一组耗电装置,充电装置输入电池组的电能、及电池组输出至耗电装置的电能均可被一组侦测处理装置所量测,所述方法包括下列步骤:a)在电池组达到预定饱和状态值时,纪录该时点作为一个时间计算基准点tf1;b)由侦测处理装置自该时间计算基准点tf1起,量测输入及输出电池组的电能;c)侦测电池组是否再度达到预定饱和状态值Ef,若达到时,计算由时间计算基准点tf1至再度达到预定饱和状态值Ef另一时间计算基准点tf2的时间间隔Tet,及其中用以充电的时间间隔tD;及d)依照时间间隔内的总输入及输出电能,以及时间间隔长度,计算时间间隔内,非输出至耗电装置的电能损耗率Pe。
本发明又揭示一种电动车用电池组信息即时计算方法,其中电池组具有一个预定饱和状态值Ef及一个预定低限状态Eb,且电池组分别电气连结至一组充电装置及一组耗电装置,充电装置输入电池组的电能、及电池组输出至耗电装置的电能均可被一组侦测处理装置所量测,该方法包括下列步骤:h)在电池组达到预定饱和状态值或预定低限状态时,纪录该时点作为一个时间计算基准点tstart;i)由侦测处理装置自该时间计算基准点tstart起,量测输入/输出电池组的电能、及各输入/输出的时间间隔;j)侦测电池组是否再度达到预定饱和/低限状态,以及是否达到预定低限/饱和状态值,度量并记录上述两者的较先发生者的时间计算基准点tmiddle,及较后发生者的时间计算基准点tend;其中时间计算基准点的电池组状态中,至少有一个位于预定饱和状态值及一个位于预定低限状态;及k)依照时间间隔内的总输入及输出电能,以及时间间隔长度,计算时间间隔内,充电效率εC及/或放电效率εD。
上述方法可以应用如下所述的电动车辆,且该车辆可电气连接至一组充电装置而接受充电装置输入的电能,该电动车辆包括:一组量测所述电动车辆行驶速度及/或距离的车行状况检测装置;一组供应该电动车辆消耗电能、并可接受该充电装置输入电能、且具有一个预定饱和状态值Ef的电池组;一组记录该电池组达到预定饱和状态值时刻作为一个时间计算基准点;自该基准点起,量测该充电装置输入该电池组、及由该电池组输出的电能;侦测该电池组再度达到预定饱和状态值的再度饱和时刻、及该再度饱和时刻与基准点的时间间隔;依照该时间间隔内的总输入/输出电能以及该时间间隔长度,计算该时间间隔内非供应至所述电动车辆的电能损耗率;依照电能损耗率计算电池组的剩余电量;及依照电池组剩余电量、及该车行状况检测装置输出资料,估算电动车辆续航行程的侦测处理装置;及一组显示该侦测处理装置估算的续航行程的显示装置。
本发明能精确估量电池组的电能相关信息,并依照电池组剩余电量及所检测的车行状况,计算电动车辆续航行程,且以一方便车辆驾驶者察觉的显示方式表示行车信息;不仅如此,本发明更能由此方法求得的电能损耗率及充放电效率,客观且定量地计算获得上述电池组相关因子,藉此清楚得知此电动车辆是否需要检修或与其配合的充电装置发生问题,大幅提升使用者的信息正确性。
【附图说明】
图1为常见电动车辆电量估算***的***介面示意图;
图2为常见电动车辆电量估算***的***运作方块示意图;
图3为本发明第一实施例的电动车辆外观的立体示意图;
图4为本发明第一实施例的电动车所应用电池组电量相关信息计算方法的相关方块示意图;
图5为本发明第一实施例的电池组电量相关信息计算方法的流程图;
图6为本发明第一实施例的电池组电量相关信息计算方法所估算的电量状态图;
图7为本发明第一实施例的电动车辆的部份方块示意图;
图8为本发明第一实施例的电动车辆处于待机状态,显示装置的俯视示意图;
图9为本发明第一实施例的电动车辆行驶中,显示装置的俯视示意图。
图10为本发明第二实施例的电池组电量相关信息计算方法所估算电量第一态样的电量状态图;
图11为本发明第二实施例的电池组电量相关信息计算方法所估算电量第二态样的电量状态图;及
图12为本发明第二实施例的电池组电量相关信息计算方法的流程图。
【主要元件符号说明】
10、10’...电动车辆 20...常见电动车辆电量估算***
40...充电装置 31...电池组
32...耗电装置 33...侦测处理装置
34...车行状况检测装置 35...显示装置
331...控制器 332...电压/电流侦测器
335...时脉讯号控制模组
61~66、71~75...流程步骤
【具体实施方式】
有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效,在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中,将可清楚的呈现。为方便说明,本发明的电池组电量相关信息计算方法中的电动车辆均以如图3所示的电动机车为例,当然,其他电池组或其它型式电动车辆亦均可应用本案揭示的电量估算方法获得相同数据资料。
一般电动车辆10’所用的锂电池组为保护电池组均设置有保护电路板,并以电池组的电压作为指标,例如一颗电池单体的饱和电压可达4.2伏特,故当串联五颗电池单体作为一组电池组时,总饱和电压将达21伏特,且经大电流充能时,各个电池极易分别达到饱和电压状态而影响充能效率;再者,即使未经使用,电池组在任何时间,均存在有少量漏电电流,以致充电时,充电器将给予电池组不正确的电量,如此长期下来将对电池组造成持续性的伤害。本发明为说明起见,请参照图4所示的本发明第一实施例,明了电动车辆10’应用本发明的电量相关信息计算方法的相关配置,该方法令一组充电装置40电气联接电动车辆10’的电池组31,以进行储能,并利用一组侦测处理装置33对电池组31所获电能、及向耗电装置32所输出电能进行监控,其中耗电装置32代表电动车辆10’内部所有消耗电能的元件及管线。
如图5及图6、图7所示的本例电量相关信息计算方法,依步骤61,当侦测处理装置33测得电池组31电量达到一预定饱和状态值时,记录为时间计算基准点tf1,能量标记及时间标记则分别为Ef及t=0,并视此为电池组31的起始状态,按步骤62,自tf1起,量测输入及输出电池组的电能;随后于步骤63侦测电池组再达到预定饱和状态值时刻tf2,计算由tf1至tf2的时间间隔Tet,依步骤64透过一时脉讯号控制模组335开始计算电动车辆10’与电池组31的自我放电与漏电损耗,并以电压/电流侦测器332自该时间计算基准点tf1起,量测输入及输出电池组31的输入、输出电流Ic、Iu及输入、输出电压Vc、Vu,由于电功率P=V·I,故由侦测处理装置33中的控制器331计算至时间t时,
总输出电能 及
总输入电能
为说明起见,图6中绘示由时间计算基准点tf1起的充电与耗电状况,例释如时段tu11中,因电能损耗率Pe0为一出厂前已知量测值,电动车辆10’在一般道路行驶,电池组31于此时段的总耗电能=输出电能Eu11+自我放电与电路整体微小漏电的损耗电能Pe×tu11;随后电动车辆10’进入山区,因此时段tu12的输出电能Eu12增加,总耗电能斜率更陡峭;至时段tu13则回复平坦路面行驶,因此总耗电能斜率回复与tu11相同。
行驶上述时间后,使用者在时段tc1将电动车辆10’的电池组31连接充电装置充电,此时,tu21表示电动车辆10’既未充电也没有行驶的时段,影响电池组31的因素将仅剩自我放电与漏电总和的电能损耗Pe0×tu21;至时段tu22,电动车辆10’再度行驶于平坦路面。同理,经过tc2与tc3的充电时段以及tu31与tu32的时段后,电压/电流侦测器332测得该电池组31再度达到预定饱和状态值,并定义此时刻为tf2。
藉由时脉讯号控制模组335的时脉讯号资料,控制器331累积计算该时间间隔Tet内的总输入电能Ect=Ec1+Ec2+Ec3即总充电能量,亦可表为实际储存至电池组31的能量,则需考虑出厂前已量得的充电效率εC0,而应为并计算时间间隔Tet内总输出电能Eut=Eu11+Eu12+Eu13+Eu22+Eu32,即总耗电能量并靠率出厂前已经量得的放电效率εD0;再依照代入该时间间隔内的总输入及输出电能,以及该时间间隔长度,计算该时间间隔内,非输出至耗电装置的电能损耗率Pe。由此,依步骤65将电能损耗率Pe代入下列电量计算式,即可正确求得由电池组31达饱和状态值的任一时间计算基准点tf1起在某时间t的剩余电量:
如前文所述,本发明不仅精准地计算出电池组31的正确剩余电量,更可辅以一车行状况检测装置34,检得例如车速、马达转速等一般行车信息,并假定当其它行车条件如当时的风力、晴雨状况、地形路况起伏、轮胎气压、载重量等条件不剧烈变化下,估计依照前述量测所得的马达及电池组31的使用效率,正确评估目前残余电量所能提供的行驶距离,并显示于显示装置35以避免驾驶者自行预估剩余电量出错的可能。
图8及图9分别为电动车辆处于待机中、及车速估算完毕二种状态的显示装置示意图。图8中,电动车辆尚未启动,其行车速率及可行驶距离皆未显示。而如图9所示,电动车辆以该车行状况检测装置侦知足够参考数据以供侦测处理装置判断当时车辆状况对电池组输出电能的影响;因此,显示装置35仪表板上显示有电动车辆的精确残电量。
利用本发明以上所提电池残量处理器,可以得到目前电池的残余能量ER,如果再由车辆控制器中的电压侦测器与电流侦测器,得到由电池组供应至车辆的即时输出电压值Vi与电流值Ii,则其输入功率Pi=Vi·Ii,再由车辆控制器中得到目前的行驶速度V。如果假设以目前的行车条件下,则电池的残余能量ER尚可行驶(ER/Pi)时间,因此可行驶的距离为:
SR=ER/Pi·V
此信息亦可呈现于显示装置上,令驾驶者清楚得知以目前车况行驶尚可行驶多少距离及多久时间,而不需由驾驶者自行由电量粗估续航行程。又者,上述充电效率εC、放电效率εD及电能损耗率Pe的数值,除供计算电动车辆的残余电量外,尚可作为电池性能好坏及车辆电路状况的判别标准,当充电效率或放电效率降低至超过一个预定标准时,亦可由侦测控制装置提供一个警示讯号,提醒驾驶人电池性能已经劣化,需视情况进行深度放电与充电的「再活化」,或甚至直接更换新电池组,当电能损耗率过高时,也需视情况维修保养相关电路或元件,以避免无谓漏电。
更进一步按步骤66,当电池组31经过长期使用后,其充电效率εC、放电效率εD或电能损耗率Pe将可能有不同的改变幅度,故以电池组31充电效率εC或放电效率εD作为未知数;电动车辆经过一段预定使用时间后,由其前段时间间隔Tet内的输入电能、输出电能、时间间隔长度,利用下式:
或
输入相关数据,即可得到新的当下充电效率εC或放电效率εD。并随时将最新的充电效率与放电效率代入,又可再度即时计算出最新的电能损耗率Pe。当然,亦可取三个相异的时间计算基准点,以其中两者作为积分的起迄点,获得一道计算式;并替换起迄点其中的一个而获得另一道计算式,将两道算式联立,即可同时得知充电效率εC与放电效率εD。
以下藉由图10及图11实施例所示,对照图12说明上述计算。其中,电池组具有一个预定饱和状态值Ef及一个预定低限状态Eb,且如同前例,由充电装置输入电池组的电能、及电池组输出至耗电装置的电能均可被一组侦测处理装置所量测,电池组的电量状态也因而变化。
本例中,按步骤71,以电池组任一次达到预定饱和状态值Ef时,纪录该时点作为时间计算基准点tstart’,并接续步骤72,于侦测电池组随后达到预定低限状态Eb时,记录此时间计算基准点tmiddle’,并度量该两点所距时间段Tet1’,并依步骤73在其后再度达到预定饱和状态值Ef的时间订为计算基准点tend’及度量时间段Tet2’。
由于新出厂的电能损耗率Pe0、充入电能Ect’、充能耗时tC及所耗电能Eut=Eu11’+Eu12’+Eu13’为已知,故可以步骤74,轮流选择上述三个时间计算基准点tstart’、tmiddle’、tend’中的任两者,分别作为t1与t2者代入下式,并变更其中一个时间计算基准点再度代入下式:
由于三个不同时间计算基准点可以获得两道独立方程式,因此可以同时解算出充电效率与放电效率两个未知数。
当然,如熟悉本技术领域者所能轻易理解,图10中的电池组充电状态虽是以充饱-用至低限-再度充饱为例,但本发明的计算方式并不局限于该种模式,如图11所示,即使电池组在某次达到预定饱和状态值Ef并被当作时间计算基准点tstart”后,电能并未一直消耗至低限状态,而是经过两次不同耗电速率的行驶Eu11”及Eu12”后,再经过Ec1”的充电历程而在时间计算基准点tmiddle”重新被充至饱和状态值,再经历两次不同耗电速率的行驶Eu13”及Eu14”后,才达到预定低限状态Eb,并被记录为时间计算基准点tend”,同样可代入下列算式:
例如以tstart”至tmiddle”代入 式中,则分子部分主要计算Eu11”及Eu12”的电能损耗,分母则计算Ec1”的电能充入及Tet1”时间内的电能损耗。另以tmiddle”及tend”同样代入同一式中,则分子部分主要计算Eu13”及Eu14”的电能损耗,分母则是Tet2”时间内的电能损耗。两式共同消去同εD,即可求出唯一未知数εC;重新将εC代回方程式中,又可同步解出放电效率εD。因此,得以即时解算出与电池性能及计算残余电量相关的所有资料。
甚至再增加一个电能达饱和状态值或低限状态的时间点,藉以增加第三道算式,同步解算包括充电效率、放电效率及电能损耗率三个未知数。尤其实际放电时,放电效率更可能为电流量I的函数,虽然因变化量有限,可粗略以常数看待,但若欲即时精密获得上述诸多电量相关信息时,仍可藉助取样更多电池组充电状态位于Ef或Eb时的参考点,增加联立方程式的算式数目,即可以步骤75即时解算出更复杂的因子(Pe)。
如此,藉由本发明所揭示的电池组电量相关信息计算方法,利用已知的充电效率、放电效率及电能损耗率,相互配合量测电池充放电过程的能量及时态变化,精确估算出电池组正确剩余电量;不仅结构简单,占用资源有限,更能检得行车状况对于耗电量的影响,增加探测电量的精确度,并方便驾驶者清楚确认可继续航程。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,不能以此限定本发明实施的范围,即凡依本发明申请专利范围及发明说明书内容所作简单的等效变化与修饰,皆仍属本发明专利涵盖的范围内。
Claims (12)
1.一种电动车用电池组信息即时计算方法,其中所述电池组具有一个预定饱和状态值Ef,且该电池组分别电气连结至充电装置及耗电装置,该充电装置输入该电池组的电能、及该电池组输出至该耗电装置的电能均可被侦测处理装置所量测,该方法包括下列步骤:
a)在该电池组达到该预定饱和状态值时,纪录该时点作为一个时间计算基准点tf1;
b)由该侦测处理装置自该时间计算基准点tf1起,量测输入及输出该电池组的电能;
c)侦测该电池组是否再度达到该预定饱和状态值Ef,若达到时,计算由该时间计算基准点tf1至该再度达到该预定饱和状态值Ef另一时间计算基准点tf2的时间间隔Tet;及
2.如权利要求1所述的计算方法,其特征在于,更包括在步骤d)后,依照电能损耗率Pe,计算该电池组的剩余电量的步骤e)。
3.如权利要求2所述的计算方法,其特征在于,其中剩余电量
4.如权利要求1所述的计算方法,其特征在于,更包括依照电能损耗率Pe,计算充电效率εC的步骤f),其中充电效率
6.一种电动车用电池组信息即时计算方法,其中该电池组具有一个预定饱和状态值Ef及一个预定低限状态Eb,且该电池组分别电气连结至充电装置及耗电装置,该充电装置输入该电池组的电能、及该电池组输出至该耗电装置的电能均可被侦测处理装置所量测,该方法包括下列步骤:
h)在该电池组达到该预定饱和状态值或预定低限状态时,纪录该时点作为一个时间计算基准点tstart;
i)由该侦测处理装置自该时间计算基准点tstart起,量测输入/输出该电池组的电能、及各该输入/输出的时间间隔;
j)侦测该电池组是否再度达到该预定饱和/低限状态,以及是否达到该预定低限/饱和状态值,度量并记录上述两者的较先发生者的时间计算基准点tmiddle,及较后发生者的时间计算基准点tend;其中该等时间计算基准点的该电池组状态中,至少有一个位于该预定饱和状态值及一个位于该预定低限状态;
k)依照该时间间隔内的总输入及输出电能,以及该等时间间隔长度,计算该等时间间隔内,充电效率εC及放电效率εD,其中,该充电效率εC与放电效率εD分别为:
其中,Pe0为出厂前量得的电能损耗率,Ect为该时间间隔内的总充电能量Eut为该时间间隔内的总耗电能量Tet是由上述时间计算基准点tstart、tmiddle、tend中的较先者至上述时间计算基准点tstart、tmiddle、tend中的较后者的时间间隔。
8.如权利要求6所述的计算方法,更包括于上述步骤的后的下列步骤:
m)由上述充电效率εC及放电效率εD计算该电池组残余电量 及
n)将上述电池组残余电量除以输出电功率及利用当时速度,获得续航行程SR和/或续航时间。
9.如权利要求8所述的计算方法,其特征在于,其中该步骤n)更包括下列次步骤:
n1)获得该电池组输出电功率Pi及该电动车行驶速度V;
n2)将该电池组残余电量除以该电池组输出电功率并乘以该电动车行驶速度,求出该续航行程,即SR=ER/Pi·V。
10.一种电动车辆,是可电气连接至充电装置而接受该充电装置输入的电能,该电动车辆包括:
量测该电动车辆行驶速度及/或距离的车行状况检测装置;
供应该电动车辆消耗电能、并可接受该充电装置输入电能、且具有一个预定饱和状态值Ef的电池组;
记录该电池组达到该预定饱和状态值时刻作为一个时间计算基准点;自该基准点起,量测该充电装置输入该电池组、及由该电池组输出的电能;侦测该电池组再度达到该预定饱和状态值的再度饱和时刻、及该再度饱和时刻与该基准点的时间间隔;依照该时间间隔内的总输入/输出电能以及该时间间隔长度,计算该时间间隔内非供应至该电动车辆的电能损耗率;依照该电能损耗率计算该电池组的剩余电量;及依照该电池组剩余电量、及该车行状况检测装置输出资料,估算该电动车辆续航行程的侦测处理装置;及
显示该侦测处理装置估算的续航行程的显示装置。
11.如权利要求10所述的电动车辆,其特征在于,其中该侦测处理装置包括:
电气连接该电池组的电流/电压侦测器;及
电气连接该电流/电压侦测器及该车行状况检测装置的控制器。
12.如权利要求11所述的电动车辆,其特征在于,其中该控制器更包括一个提供时脉讯号,供该控制器获得参考时间资料的时脉讯号控制模组。
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