CN105846479A - 应用于电动车辆的交换电池组及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于电动车辆的交换电池组包括一控制单元、一电能传输端子、若干电池及一电能转换单元。控制单元依据一条件指令而输出一中断信号。电能传输端子接收并传送一第一电能。电能转换单元分别与控制单元及电能传输端子电性连接，并依据控制单元的控制而将第一电能转换为一第二电能。若干电池与电能转换单元电性连接，且接收并储存第二电能。其中，电能转换单元依据控制单元输出的中断信号而停止作动并停止产生第二电能。

Description

应用于电动车辆的交换电池组及其控制方法

技术领域

本发明关于一种电池组及其控制方法，特别关于一种应用于电动车辆的交换电池组及其控制方法。

背景技术

随着环保节能观念意识逐渐抬头，在交通车辆的技术领域当中，减少能源消耗并降低污染废气的排放，一直是各家车厂努力的目标之一，因此，具有节能减碳效能的混合式动力车（Hybrid Electric Vehicle, HEV）及纯电动车辆（Electric Vehicle, EV）的相关研究，也未曾停歇。根据日本Japan Automobile Research Institute, JARI,FC.EV Center的调查，一般汽油引擎车辆行驶能量消耗是电动车辆的3倍，另外在二氧化碳的排放，汽油引擎车辆（每公里汽车行驶）的排放量为电动车辆（电能转换）的4倍。因此，各家汽车厂商诸如日产（Nissan）、BMW、比亚迪及特斯拉（Tesla）等，皆陆续有生产纯电动车辆并于市场贩卖，虽尚未普及化，但也逐渐受到市场的重视。

然而电动车辆面临最棘手的问题是电力维持。每辆电动车辆至少都配置一个主电池组以驱动电动车辆运作，当主电池组电力耗尽时则需对其充电以恢复电力需求，然而，要将电力耗尽的主电池组充电至足够的电力，所需要的时间大约为30分钟，其费时的充电模式实不符合一般民众的用车习惯。

近来有交换电池的概念被提出，其是在所谓的电池交换站将已充电的主电池组与电动车辆上电力耗尽的主电池组做替换。这个模式有几个缺点：其一，主电池组由于容量大，体积重量也大，不容易更换；其二，每个车厂所生产的主电池组外观、容量皆不尽相同，电池交换站必须替不同品牌、不同车款囤积准备为数不少的主电池组以供给不同品牌的电动车辆使用，将造成电池交换站的巨大负担。

为了有效解决上述问题，电动车辆在主电池组的外再另外使用交换电池组来对主电池组充电，或协同主电池组以维持电动车辆的电力来源的概念也被提出讨论。利用统一规格、体积较小、费用较便宜的交换电池组来对各种主电池组进行充电（或协同供电）将能够有效的提高电池交换站的经济效益。

然而，交换电池组虽然相较于主电池组便宜，但仍是动辄数万元的组件，对于使用者来说若是以买断的方式来拥有交换电池组则显得较不符合经济效益。而较佳的模式可通过向电力供应站租赁的方式来取得交换电池组，以针对有长途行驶需求的电动车辆加大其电池容量。然而，电池的寿命与其使用方式息息相关，例如充电电流、放电速度、充放电次数等因素皆会大大的影响电池的寿命。

对于拥有交换电池组的电力供应站来说，假如交换电池组在出租后被无限制的充电（例如大电流充电）或放电将导致交换电池组的寿命缩短，因此，如何对交换电池组的充放电有所限制，以延长交换电池组的寿命，实为当前重要课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明的一目的在于提供一种能够限制应用于电动车辆的交换电池组的充电功能，借以使交换电池组能够在适当的充电环境中被使用的交换电池组的控制方法。

为达上述目的，本发明提供一种应用于电动车辆的交换电池组的控制方法，其特征在于包括，在对一交换电池组充电之前，进行一充电解锁程序，以及在交换电池组充电之后，对交换电池组进行一充电上锁程序。借由充电上锁程序，使得交换电池组能够在拥有者可控制的范围内被使用。在本实施例中，电动车辆可同时装载有一主电池组及至少一交换电池组。

依据本发明之一实施例，交换电池组的控制方法更包括在对交换电池组充电之前，由一电动车辆卸载交换电池组，以及在充电上锁程序之后，将交换电池组装载于一电动车辆。

依据本发明之一实施例，交换电池组的控制方法是以软件验证方式或机械结构进行充电解锁程序或充电上锁程序。

依据本发明之一实施例，交换电池组的控制方法是在进行充电上锁程序之前，对交换电池组设定一使用限制条件。

依据本发明之一实施例，其中，使用限制条件是包括一充电时间限制条件或一充电电能量限制条件。

依据本发明之一实施例，其中，使用限制条件为一充电关闭指令，换言之，交换电池组在充电上锁程序后即无法对其进行充电。

依据本发明之一实施例，其中，当交换电池组于充电解锁程序之前进行充电时，控制方法更包括由一反馈单元传送一反馈信号至一控制单元；由控制单元比对反馈信号与该使用限制条件；以及当反馈信号满足使用限制条件时，由控制单元产生一中断信号，并将其传送至一电能转换单元。

依据本发明之一实施例，其中，当交换电池组于充电解锁程序之前进行充电时，该控制方法更包括由一时钟单元（clock unit）传送一时钟信号至一控制单元；由控制单元比对时钟信号与使用限制条件；以及当时钟信号满足使用限制条件时，由控制单元产生并传送一中断信号，并将其传送至电能转换单元。

依据本发明之一实施例，其中，电能转换单元依据一第一电能而产生一第二电能，而反馈单元撷取第一电能或第二电能的特性参数。

依据本发明之一实施例，其中，当交换电池组装载于该电动车辆后，控制方法更包括将使用限制条件传送于电动车辆；以及由交换电池组依据使用限制条件提供一电能至电动车辆。

承上所述，依据本发明的交换电池组的控制方法，其可将交换电池组充电上锁，意即交换电池组在充电上锁程序后，要对其充电是有限制的。交换电池组的拥有者可使交换电池组完全不可充电，或对其设定限制条件，以令使用者在限制条件内使用交换电池组。由于限制条件以及充电解锁或充电上锁的权限在于交换电池组的拥有者，因此能由拥有者掌控交换电池组的使用方式。

附图说明

图1为依据本发明第一实施例之一种电动车辆用的交换电池组的架构示意图。

图2为图1的交换电池组的进一步架构示意图。

图3为依据本发明第二实施例的一种电动车辆用的交换电池组的架构示意图。

图4为依据本发明第三实施例的一种电动车辆用的交换电池组的架构示意图。

图5为依据本发明第四实施例的一种电动车辆用的交换电池组的架构示意图。

图6为依据本发明第五实施例的一种电动车辆用的交换电池组的使用方法流程图。

图7为依据本发明第六实施例的一种电动车辆用的交换电池组的控制方法流程图。

图8为依据本发明第七实施例的一种电动车辆用的交换电池组的控制方法流程图。

【主要组件符号说明】

10、20、30、40 交换电池组

11、21、31、41 电能传输端子

12、22、32、42 电能转换单元

121、221、321、421 切换模块

122、222、322、422 变压模块

13、23、33、43 电池单元

14、24、34、44 控制单元

141、241、341、441 处理模块

142、242、323、442 切换控制模块

143、243、343、443 条件限制模块

25、35、45 反馈单元

445 认证模块

S11、S21、S31、S41 切换控制信号

S12、S22、S32、S42 控制信号

S23 反馈信号

P1 第一电能

P2 第二电能

P3 第三电能

P4 第四电能。

具体实施方式

以下将通过实施例来解释本发明内容，本发明的实施例并非用以限制本发明须在如实施例的任何特定的环境、应用或特殊方式方能实施。因此，关于实施例的说明仅为阐释本发明的目的，而非用以限制本发明。需说明者，以下实施例及图式中，与本发明非直接相关的组件已省略而未绘示，且图式中各组件间的尺寸关仅为求容易了解，非用以限制实际比例。

为了使电动车辆所使用的交换电池组能够由拥有者主控其使用方式，且具有更长的使用寿命以及经济效益，本发明提供一种应用于电动车辆的交换电池组的控制方法。其中，电动车辆包括电动汽车以及电动机车，其例如为插电式电动车（plug-in battery vehicle, PBEV）。

请参照图1所示，其依据本发明第一实施例的应用于电动车辆的一交换电池组（swapable battery pack）10的一架构示意图，交换电池组10至少包括一电能传输端子（power transmission terminal）11、一电能转换单元12、一电池单元13以及一控制单元14。其中，电能转换单元12分别电性连接电能传输端子11、电池单元13以及控制单元14。要特别说明的是，应用于本实施例的电动车辆是可同时装载有一主电池组及至少一交换电池组10，其中，交换电池组的体积小于主电池组的体积。

电能传输端子11为一连接端子（connector），用以与外部连接端子电性连接。电能传输端子11可由外部连接端子接收一第一电能P1，亦可将一第四电能P4传输至外部连接端子。

电能转换单元12为一直流电源转换器（DC to DC converter），其是分别与电能传输端子11、电池单元13以及控制单元14电性连接。电能转换单元12主要是接收第一电能P1，并将其转换为一第二电能P2，再将其传输至电池单元13予以储存。另外，电能转换单元12亦可接收由电池单元13输出之一第三电能P3，并将其转换为第四电能P4，再将其输出至电能传输端子11。换言之，电能转换单元12可为单向式或双向式的电能转换单元，于此并未加以限制。

电池单元13具有若干电池，其为二次电池（Secondary battery），例如为镍氢电池（Ni-MH battery）或锂离子电池（Li-ion battery）等，而锂离子电池又可包括磷酸锂铁电池或钛酸锂电池。其中，磷酸锂铁电池相对于一般的锂离子电池，具有输出功率较大、充电速度较快、较佳的稳定性以及较为安全等优点。而钛酸锂电池相对于一般的锂离子电池，则具有输出功率较大、较为安全、充电速度极快以及寿命长等优点。

控制单元14输出一切换控制信号S11，以控制电能转换单元12。在本实施例中，切换控制信号S11为一脉宽调变控制信号（pulse width modulation signal, PWM signal）。

请参照图2所示，电能转换单元12具有一切换模块（switching module）121以及一变压模块122。切换模块121主要是由若干开关组件，例如晶体管，所构成的切换回路，其接受切换控制信号S11的控制而分别执行导通（on）及关闭（off）的动作。变压模块122主要是由变压器（transformer）或磁性组件（magnetic element）所构成的电压转换回路，依据其线圈绕组的设计，可为升压型或降压型变压器。需注意的是，电能转换单元12的构成并非为上述或图标的限定型态，其仅为举例性，主要目的为达成直流转直流的电能转换。

控制单元14具有一处理模块141、一切换控制模块142以及一条件限制模块143。条件限制模块143储存有至少一使用限制条件，其例如包括但不限于充电时间限制、充电容量限制、放电容量限制或是禁止充电（充电关闭指令）等限制条件。其中，使用限制条件可由使用者通过有线或无线的方式输入或设定。另外，当充电容量限制被设定为0时，也代表将无法对电池进行充电，因此各种限制条件是可相互搭配或选择使用。处理模块141例如为一微处理机（microprocessor），其与条件限制模块143电性连接，并依据使用限制条件而输出控制信号S12至切换控制模块142。切换控制模块142则依据控制信号S12而产生并输出切换控制信号S11。

请再参照图3所示，本发明第二实施例的交换电池组20包括一电能传输端子21、一电能转换单元22、一电池单元23、一控制单元24以及一反馈单元25。其中，电能传输端子21、电能转换单元22、电池单元23以及控制单元24与第一实施例的电能传输端子11、电能转换单元12、电池单元13以及控制单元14的组成及功能相同，于此不再加以赘述。而与第一实施例不同的是，为了能够使得上述实施例中的条件限制模块143能够产生较大的效益，本实施例增加反馈单元25以与控制单元24中之一处理模块241、一切换控制模块242以及一条件限制模块243配合应用。

反馈单元25与电能转换单元22电性连接，并撷取电能转换单元22的输入特性参数或输出特性参数。其中输入特性参数包括但不限于输入电流、输入电压及输入功率，而输出参数包括但不限于输出电流、输出电压及输出功率。举例说明，假设交换电池组20的额定容量为100Ah，使用者输入至条件限制模块243的使用限制条件之一为可充电容量为100Ah（1C），换言之，在使用者没有修改限制条件之前，其可对交换电池组20进行1C的充电程序。于此，反馈单元25可撷取电能转换单元22的输出电流值，并将其转换为处理模块241能够辨识的反馈信号S23后传输至处理模块241。处理模块241则依据反馈信号S23以及搭配时钟（clock）及缓存器（图未显示）进行运算后得到当前的充电容量。

当充电容量尚未到达1C时，则处理模块241产生的控制信号S22令切换控制模块242产生切换控制信号S21以控制切换模块221持续运作。而当充电容量到达1C时，则处理模块241所产生的控制信号S22则令切换模块221不再运作，以使得交换电池组20主动停止对电池单元23的充电动作。于上述中，令切换模块221不再作动的控制信号S22或切换控制信号S21即为一中断信号。

请再参照图4所示，本发明第三实施例的电动车辆用之一交换电池组30包括一电能传输端子31、一电能转换单元32、一电池单元33、一控制单元34以及一反馈单元35。与上述实施例不同的是，电能转换单元32具有相互电性连接之一切换模块321、一变压模块322以及一切换控制模块323。控制单元34具有相互电性连接之一处理模块341以及一条件限制模块343。在本实施例中，切换控制模块323接收由控制单元34的处理模块341输出的控制信号S32而产生切换控制信号S31。于此所要阐述的是，交换电池组30内部的各模块可依据实际设计的需求（例如效能或成本需求）而可调动其位置，于此不对其加以限制。

为了避免交换电池组的条件限制模块被轻易的更改其限制条件，其可对交换电池组的变更加以锁定。例如以锁匙结构方式的机械结构将其锁定而不能变更，或是以软件验证的方式加以锁定。以下，请参照图5所示，其以软件验证的模式简易说明本发明第四实施例的电动车辆用之一交换电池组40。

如图5所示，交换电池组40包括一电能传输端子41、一电能转换单元42、一电池单元43、一控制单元44以及一反馈单元45。与上述实施例不同的是，本实施例的控制单元44具有一处理模块441、一切换控制模块442、一条件限制模块443以及一认证模块445。其中，认证模块445与处理模块441及条件限制模块443电性连接，其主要目的作为变更条件限制模块443的内容使用。

认证模块445可由使用者利用账号密码、指纹辨识或是触控手势等方式予以认证。当认证模块445一经锁定，则条件限制模块443将无法再被修改，直至使用者输入对应的认证条件，如此一来，将可以掌握交换电池组的控制权。

接着，以下将配合上述，再举例说明依据本发明第五至第七实施例的一种电动车辆用的交换电池组的使用方法及控制方法。请参照图6所示，本发明第五实施例是以使用电动车辆的角度的交换电池组的控制方法，其包括程序P01至程序P05。

程序P01将一电动车辆移动至一电力供应站。在电动车辆中具有一主电池组以及一第一交换电池组，其中第一交换电池组的体积小于主电池组的体积。

程序P02于电力供应站将第一交换电池组由电动车辆上卸载。其在电力供应站由操作人员将原来装载于电动车辆上的第一交换电池组卸载，并将该第一交换电池组移至储存区，以供后续检测、解锁或充电。

程序P03由电力供应站的操作人员依据使用者的需求，而将一使用限制条件输入至第二交换电池组的条件限制模块。该使用限制条件包括但不限于充电容量限制、放电容量限制、使用时间限制或禁止充电等。

程序P04对第二交换电池组进行充电上锁程序。其由电力供应站的操作人员对第二交换电池组施以认证措施，例如以账号密码进行锁定、以指纹进行锁定、以触控手势进行锁定、或以锁匙进行锁定，以使得使用者在充电上所程序之后无法变更使用限制条件。

程序P05由电力供应站的操作人员将第二交换电池组装载于电动车辆上，而使用者则能依据使用限制条件而使用该第二交换电池组。于本实施例中，在第二交换电池组装载于电动车辆之后，第二交换电池组亦可将其使用限制条件传送至电动车辆的控制中枢，接着并依据使用限制条件提供其电能至电动车辆。换言之，使用限制条件除了限制对交换电池组的充电的外，亦可限制交换电池组的放电。

接着，请再参照图7所示，本发明第六实施例是以使用交换电池组的角度所述的交换电池组的控制方法，其包括程序P11至程序P16。

程序P11将交换电池组由一第一电动车辆上卸载。其由电力供应站的操作人员将交换电池组由第一电动车辆卸载。

程序P12由电力供应站的操作人员对交换电池组进行充电解锁程序。其于电力供应站由操作人员输入认证条件至交换电池组的认证模块，以解除条件限制模块的使用限制条件。

程序P13对交换电池组进行充电程序。其于电力供应站对已经解除使用限制条件的交换电池组进行充电程序。

程序P14对充电完成的交换电池组进行使用限制条件的设定。其于电力供应站由操作人员依据使用者的需求而输入适当的使用限制条件至交换电池组的条件限制模块。

程序P15对交换电池组进行充电上锁程序。其由电力供应站的操作人员对交换电池组施以认证措施，例如以账号密码进行锁定、以指纹进行锁定、以触控手势进行锁定、或以锁匙或电子锁匙进行锁定，以令使用者在充电上所程序之后无法变更使用限制条件。

程序P16由操作人员将交换电池组装载于一第二电动车辆上，而使用者则能依据使用限制条件而使用交换电池组。

接着，请再参照图8所示，其以使用者使用装载于电动车辆上的交换电池组的角度所述的交换电池组的控制方法，其包括程序P21至程序P25。

程序P21由使用者将电能提供至交换电池组的电能传输端子。电能可由电动车辆预设的连接端子而输入至交换电池组的电能传输端子，在此并不加以限制其连接形态。

程序P22由交换电池组的反馈模块撷取电能转换单元的输入特性参数或输出特性参数，并将其转换成一反馈信号而传输至控制单元的处理模块。

程序P23由处理模块依据使用限制条件及反馈信号进行比对，以判断二者是否相符合，当二者不符时则进行程序P24，而当二者相符时则进行程序P25。

程序P24继续充电程序，其持续由外部提供电能至交换电池组的电池单元。程序P25停止充电程序，其停止电能转换单元的运作而使得电能无法再传输至电池单元。

综上所述，依据本发明的应用于电动车辆的交换电池组的控制方法，其可将交换电池组进行充电上锁程序，意即交换电池组在充电上锁程序后，要对其充电是被条件限制模块中的使用限制条件所限制的。交换电池组的拥有者可使交换电池组禁止充电，或对其设定限制条件，以令使用者在限制条件内使用交换电池组。由于限制条件以及充电解锁程序或充电上锁程序的权限掌握在交换电池组的拥有者（例如电力供应站），因此能由拥有者掌控交换电池组的使用方式。如此一来，对于交换电池组的拥有者电力供应站来说，将可有效的避免使用者无限制且任意地使用交换电池组。

本发明符合发明专利的要件，爰依法提出专利申请。但是，以上仅为本发明的较佳实施例，自不能以此限制本案的申请专利范围。举凡熟悉本案技艺的人士，爰依本案发明精神所作的等效修饰或变化，皆应包括于以下的申请专利范围内。

Claims (12)

1.一种应用于一电动车辆的交换电池组的控制方法，其中该电动车辆可同时装载有一主电池组及至少一交换电池组，其特征在于，包括有以下步骤：

在对一交换电池组充电之前，进行一充电解锁程序；以及

在该交换电池组充电之后，对该交换电池组进行一充电上锁程序。

2.如权利要求1所述的交换电池组的控制方法，其特征在于该控制方法还包括：

在对该交换电池组充电之前，由一电动车辆卸载该交换电池组；以及

在该充电上锁程序之后，将该交换电池组装载于一电动车辆。

3.如权利要求1所述的交换电池组的控制方法，其特征在于，以软件验证方式进行该充电解锁程序或该充电上锁程序。

4.如权利要求1的交换电池组的控制方法，其特征在于，以机械结构进行该充电解锁程序或该充电上锁程序。

5.如权利要求1的交换电池组的控制方法，其特征在于，在进行该充电上锁程序之前，对该交换电池组设定一使用限制条件。

6.如权利要求5的交换电池组的控制方法，其特征在于，该使用限制条件包括一充电时间限制条件或一充电电能量限制条件。

7.如权利要求5的交换电池组的控制方法，其特征在于，该使用限制条件为一充电关闭指令。

8.如权利要求5的交换电池组的控制方法，其特征在于，当该交换电池组于该充电解锁程序之前进行充电时，该控制方法还包括：

由一反馈单元传送一反馈信号至一控制单元；

由该控制单元比对该使用限制条件与该反馈信号；以及

当该反馈信号满足该使用限制条件，由该控制单元产生一中断信号。

9.如权利要求7的交换电池组的控制方法，其特征在于，当该交换电池组于该充电解锁程序之前进行充电时，该控制方法还包括：

由该控制单元依据一时钟信号与该使用限制条件进行比对；以及

当该时钟信号满足该使用限制条件，由该控制单元产生一中断信号。

10.如权利要求8或9的交换电池组的控制方法，其特征在于，该中断信号传送至一电能转换单元。

11.如权利要求10的交换电池组的控制方法，其特征在于，该电能转换单元依据一第一电能而产生一第二电能，该反馈单元撷取该第一电能或该第二电能之一特性参数。

12.如权利要求5的交换电池组的控制方法，当该交换电池组装载于该电动车辆后，其特征在于还包括：

将该使用限制条件传送于该电动车辆；以及

该交换电池组依据该使用限制条件提供一电能至该电动车辆。