TWI449634B - Electric power control system of electric vehicle and its discharge and charging control method - Google Patents

Description

電動車輛之電力控制系統及其放電與充電控制方法

本發明係有關於一種電力控制系統，特別是有關於一種由電子控制單元掌控電力傳導的電動車輛元件，以完成電池充電或放電行為的電力控制系統。

請參閱圖1繪示先前技術電動車輛之電力控制系統方塊示意圖。先前技術中，電池模組(Battery Module)10直接連接開關模組(Key switch module)20，開關模組20再電性連接電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)30、用以接收大電流的繼電器(Relay)40與進行電壓調變的電力轉換器(如DC/DC Power Converter)50。一二次側模組(Second Side Module)60則電性連接至電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)30、繼電器40與一馬達(Motor)70，電力轉換器50則電性連接各裝載元件(Load Unit)80，如車燈(Lamp)、車輛儀錶(Meter)…等。

當開關模組20為通路(Key on)時，電池模組10會與電子控制單元30、繼電器40與電力轉換器50形成電性通路，以供電予此等元件。電子控制單元30會先令二次側模組60進行預充電(Pre-Charging)，以在二次側模組60的內建電容具足夠的電壓後，才令二次側模組60供電與馬達，以令其轉動。電力轉換器50則是轉換電池模組10的供電，以形成各裝載元件80可使用的電力，再供電予各裝載元件80。

如此架構於放電作業時，電子控制單元30、繼電器40、電力轉換器50…等各車輛元件皆需於開關模組20為通路(Key on)時才能受電並開始初始化作業，從初始化作業至各車輛元件處於預備工作狀態(Stand By)，甚至於可正常運作的狀態，整體需求時間相當的長。若於設計上刻意性的降低各元件的預備工作的需求時間，很可能會使各元件之間的協調性大幅下降，元件運作異常(如電子控制單元無法判斷車輛元件是否正常運作，造成當機或啟用錯誤的元件驅動方式)、壽命縮減，甚至於系統損毀的情形產生。

如此架構於充電作業時，整個系統必須處於開關模組20為通路(Key on)狀態，因此車輛的電子元件多會處於受電狀態，並消耗系統補充的電力，使得電池模組10的充電效能大為降低。而且，系統一邊充電又一邊耗電，將使得系統的電力平衡相當不穩定，進而耗損車輛零件的壽命。

故，如何提供一種具高穩定性來進行充電與放電作業的電力控制系統，為廠商應思慮的問題。

本發明欲解決的問題係提供一種電子控制單元依據電力提供來源，以掌控車輛之電子元件的運作模式，以執行充電或放電行為的電力控制系統及電力控制方法。

為解決上述系統問題，本發明係揭示一種電動車輛之電力控制系統，其包括一馬達，一電池模組，一電力轉換器，一繼電器，一二次側模組連接繼電器與馬達，一電子控制單元用以控制電力轉換器、繼電器與二次側模組，二次側模組與一預充電單元透過電子控制單元與電池模組電性連接，且二次側模組與預充電單元電性連接，及一連接於電池模組與電子控制單元之間的開關模組。

其中，電力轉換器與繼電器之取電端連接於開關模組與電池模組之間的線路。當開關模組為通路時，電子控制單元取得電池模組提供的電力而啟動，以驅動電力轉換器，並利用預充電單元對二次側模組之電容單元進行預充電，並於電容單元具一特定電壓時，驅動二次側模組與繼電器以令電池模組與馬達之間形成電性連接，馬達即取得電池模組提供之一運作電力而開始運轉。

本發明揭露的電動車輛之電力控制系統，更包括一電性連接電子控制單元與繼電器之充電模組。當開關模組為斷路且充電模組提供電力時，充電模組供電予電子控制單元與繼電器，電子控制單元受電以驅動繼電器，繼電器轉換充電模組之供電以對電池模組進行充電。

為解決上述放電問題，本發明係揭示一種電動車輛之放電控制方法，係由一電子控制單元於電動車輛之開關模組為通路時，控制一電池模組之放電行為。方法包括由電子控制單元受電池模組之供電以驅動電力轉換器，並利用一預充電單元對一二次側模組之電容單元進行預充電；以及當電容單元具一特定電壓時，由電子控制單元驅動配置於電池模組與馬達之間的二次側模組與一繼電器，以令電池模組與馬達之間形成電性連接，使馬達取得電池模組提供之一運作電力。

為解決上述充電問題，本發明揭露一種電動車輛之充電控制方法，係由一電子控制單元於電動車輛之開關模組為斷路時，控制一充電模組對一電池模組之充電行為。方法包括：由充電模組接收一電力以供電予電子控制單元與一連接電池模組之繼電器；由電子控制單元受電以驅動繼電器；以及，由繼電器轉換充電模組之供電以對電池模組進行充電。

本發明之特點係在於本發明所揭示的系統，其繼電器與電力轉換器皆是受到電子控制單元的掌控，因此在未取得電子控制單元的操控時，繼電器與電力轉換器即使取得電池的電力，亦不會動作，因此不會有車輛無故發動的情形。其次，電子控制單元藉由不同的電力供給來源以掌控整個系統進行充電或放電行為，以整合、簡易系統的電力控制模式，同時降低系統設計的複雜性與元件、配線的空間佔用性。其三，不論充電或是放電，電流皆是藉由繼電器而提供予馬達，或是充電予電池，繼電器的掌控又皆是受到電子控制單元的掌控，不但簡化電路設計模式，而且一但充放電異常時，電子控制單元可直接停止繼電器的動作而切斷電力，進而提升系統的安全性。其四，當開關模組為通路(Key on)狀態時，電子控制單元一但進入運作狀態，即能確實性的掌控繼電器與電力轉換器的運作，而不會有元件因初始化需求時間不一，而使電子控制單元取得錯誤的元件狀態情形，同時提升各元件之間的運作協調性。其五，當充電時，不需要將開關模組轉換為通路(Key on)狀態，因此除必要的電子零件外，其它電子零件即處於不受電，即不會有無謂的消耗電力產生，同時能提升充電效率。

茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。

首先請參照圖2繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例之第一種系統架構示意圖。請同時參閱圖3繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例的放電行為示意圖。

此系統包括一電池模組(Battery Module)10、一開關模組(Key Switch Module)20、一電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)30、一二次側模組(Second Side Module)60、一預充電單元(Pre-Charging Unit)31、一繼電器(Relay)40與一電力轉換器(Power Converter)50。

電池模組10電性連接至開關模組20、繼電器40與電力轉換器50，其中，繼電器40與電力轉換器50的取電端則電性連接於開關模組20與電池模組10之間的線路。電力轉換器50的電力輸出端則電性連接車輛的各裝載部件(Load Unit)，如車燈(Lamp)81、儀錶(Meter)82、K線連接器(K-Line Connector)83…等。

開關模組20再電性連接至電子控制單元的第一取電端F1，二次側模組60與預充電單元31透過電子控制單元30與電池模組10電性連接，且二次側模組60與預充電單元31電性連接。

然而，電子控制單元30與預充電單元31及二次側模組60可被模組化設計，以整合為一電子控制器3。

其中，圖3繪示的虛線為放電電流走向。當開關模組20為通路時，電子控制單元30會與電池模組10形成電性連接，並從第一取電端F1取得電池模組10的供電以動作。電子控制單元30會驅動電力轉換器50，電力轉換器50會轉換電池模組10提供的供電，並產生且提供前述各裝載部件(車燈81、儀錶82、K線連接器83…等)可使用的電力。

電子控制單元30會控制預充電單元31開始對二次側模組60內的電容單元進行預充電(Pre-Charging)行為，並感知電容單元的充電狀態。當電容單元上具一特定電壓(一般需近似於電池模組提供的運作電力的電壓)時，電子控制單元30令繼電器40開放與二次側模組60之間的電力通路，並令二次側模組60開放與馬達之間的電力通路，使得電池模組10與馬達70之間形成電性連接，馬達70即能取得電池模組10提供的運作電力而開始運轉。而預充電行為是為了避免繼電器40取得的運作電力與二次側模組60的初始電壓差異過大，以免因為電壓差過大而產生電火花，從而引發電性災害。

如圖2與圖3，電子控制單元30、儀表82與電池模組10之間會由控制器區域網路(Controller Area Network,CAN)306而形成通信連接。電池模組10會將其供電與相關狀態藉由控制器區域網路306傳輸予電子控制單元30，電子控制單元30則是將各裝載元件的運作資訊傳輸至儀錶82，以呈現車輛的運作狀態。其中，當電子控制單元30驅動繼電器40時，會藉由控制器區域網路306控制電池模組10，令其開始提供前述的運作電力。同時，電子控制單元30會停止預充電單元31對二次側模組60的預充電行為。

此外，電子控制單元30電性連接車輛各裝載元件的輸入單元300，如側支架開關、煞車開關、壓電開關(P-ECO開關)、倒車開關與啟動開關。同時，電子控制單元30亦電性連接至K線連接器83。此K線連接器83得以外接一診斷器(Diagnostic Equipment)90。電子控制單元30將各裝載元件的運作情形，或是自身的運作狀態傳輸至診斷器90，或是診斷器90直接電性連接至各輸入單元300(側支架開關、煞車開關、壓電開關、倒車開關與啟動開關)，以呈現各開關的運作狀態，供維修人員參閱。而且，馬達70可為霍爾馬達(Hall Motor)，或是其它相關類型的馬達，並不設限。

續請參閱圖4繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例的充電行為示意圖，請同時參閱圖2以利於了解。當開關模組20為斷路(Key Off)時，電子控制單元30即無法取得電池模組10的供電而運作，因此無法驅動電力轉換器50與繼電器40，電力轉換器50與繼電器40會不受電子控制單元30驅動而停止動作。其中，圖4繪示的虛線為充電電流走向。

一充電模組11電性連接至電子控制單元30的第二取電端F2，同時連接至繼電器40的電力輸出端。此時的開關模組20為斷路(Key Off)狀態。當充電模組11供電予電子控制單元30時，電子控制單元30會受電運作，並驅動繼電器40。繼電器40會從充電模組11取得其提供的電力，以轉換為電池模組10可取得之電力，以對電池模組10進行充電行為。

其中，充電模組11、電子控制單元30與電池模組10透過控制器區域網路306形成通信連接。透過控制器區域網路306，充電模組11得以取得電池模組10提供的電力回應資訊，判斷電池模組10目前的蓄電量，進而決定停止供電的時機。充電模組11與電池模組10會將各自的運作狀態，傳輸於控制器區域網路306。電子控制單元30即能藉由控制器區域網路306得知充電模組11與電池模組10的充電作業狀態。一但充電模組11與電池模組10至少其一者產生異常狀態時，如電池模組10開始有過度充電的情形、充電模組11提供電力不穩定。電子控制單元30即停止繼電器40的動作，以中斷充電作業。

請參閱圖5繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例之第二種系統架構示意圖。與圖1實施例不同處在於，預充電單元31係內建於電子控制單元30。

圖6繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例之第三種系統架構示意圖。與圖1實施例不同處在於，預充電單元31內建於電子控制單元30，二次側模組60結合於電子控制單元30。

請參閱圖7繪示本發明實施例之電動車輛之放電控制方法流程示意圖，請同時參閱圖2與圖3以利於了解。如前述，電池模組10電性連接至開關模組20、繼電器40與電力轉換器50。繼電器40與電力轉換器50的取電端則電性連接於開關模組20與電池模組10之間的線路。電力轉換器50的電力輸出端則電性連接車輛的各裝載部件(Load Unit)，如車燈(Lamp)81、儀錶(Meter)82、K線連接器(K-Line Connector)83…等。開關模組20再電性連接至電子控制單元30的第一取電端，二次側模組60電性連接預充電單元31、繼電器40與馬達70，電子控制單元30則電性連接預充電單元31。此方法為電子控制單元30於電動車輛之開關模組20為通路時，控制電池模組10的放電行為，此方法流程如下：由電子控制單元30受電池模組10之供電以驅動電力轉換器50，並利用預充電單元31對二次側模組60之電容單元進行預充電(步驟S110)。

如前述，當開關模組20為通路時，電子控制單元30會從第一取電端F1取得電池模組10的供電。電子控制單元30會驅動電力轉換器50，電力轉換器50會轉換電池模組10提供的供電，並產生供前述各裝載部件使用的電力。

而且，電子控制單元30會控制預充電單元31開始對二次側模組60內的電容單元進行預充電(Pre-Charging)行為，並感知電容單元的充電狀態。

當電容單元具一特定電壓時，由電子控制單元30驅動配置於電池模組10與馬達70之間的二次側模組60與繼電器40，以令電池模組10與馬達70之間形成電性連接，使馬達70取得電池模組10提供的運作電力(步驟S120)。電子控制單元30令繼電器40開放與二次側模組60之間的電力通路，並令二次側模組60開放與馬達70之間的電力通路，使得電池模組10與馬達70之間形成電性連接，馬達70即能取得電池模組10提供的運作電力而開始運轉。特定電壓一般需近似於電池模組10提供的運作電力的電壓。

而更進一步者，電子控制單元30是經由控制器區域網路306而通信連接電池模組10。當電子控制單元30驅動繼電器40時，電子控制單元30透過控制器區域網路306以控制電池模組10提供運作電力(步驟S130)。同時，電子控制單元30會停止預充電單元31對二次側模組60的預充電行為。

請參閱圖8繪示本發明實施例之電動車輛之放電控制方法流程示意圖。請同時參閱圖2與圖4以利於了解。此方法為電子控制單元30於電動車輛之開關模組20為斷路時，控制充電模組11對電池模組10的充電行為，此方法流程如下：由充電模組11供電予電子控制單元30與一連接電池模組10之繼電器40(步驟S210)。接著，由電子控制單元30受電以驅動繼電器40(步驟S220)。

之後，由繼電器40轉換充電模組11之供電以對電池模組10進行充電(步驟S230)。即是說，電力會透過充電模組11與繼電器40進行多次電力轉換，以形成電池模組10能接收的電力並開始充電。

更進一步者，充電模組11、電子控制單元30與電池模組10是透過控制器區域網路306形成通信連接。因此，步驟S230期間，係由充電模組11依據電池模組10的電力回應資訊以決定停止供電時機。充電模組11會透過控制器區域網路306取得電池模組10的電力回應資訊，判斷電池模組10目前的蓄電量，並決定停止供電的時機。

然而，電子控制單元30會透過控制器區域網路306得知充電模組11與電池模組10之至少其一產生充電異常狀態時，停止繼電器40的動作。相似的，電子控制單元30亦能藉由控制器區域網路306得知充電模組11與電池模組10的充電作業狀態，一但充電模組11與電池模組10至少其一者產生異常狀態時，電子控制單元30即停止繼電器40的動作。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

先前技術：

10．．．電池模組

20．．．開關模組

30．．．電子控制單元

40．．．繼電器

50．．．電力轉換器

60．．．二次側模組

70．．．馬達

80．．．裝載元件

本發明：

3．．．電子控制器

10．．．電池模組

11．．．充電模組

20．．．開關模組

30．．．電子控制單元預充電單元

40．．．繼電器

50．．．電力轉換器

60．．．二次側模組

70．．．馬達

80．．．裝載元件

81．．．車燈

82．．．儀錶

83．．．K線連接器

90．．．診斷器

300．．．輸入單元

306．．．控制器區域網路

F1．．．電子控制單元的第一取電端

F2．．．電子控制單元的第二取電端

圖1繪示先前技術電動車輛之電力控制系統方塊示意圖；

圖2繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例之第一種系統架構示意圖；

圖3繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例的放電行為示意圖；

圖4繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例的充電行為示意圖；

圖5繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例之第二種系統架構示意圖；

圖6繪示本發明電動車輛之電力控制系統實施例之第三種系統架構示意圖；

圖7繪示本發明實施例之電動車輛之放電控制方法流程示意圖；以及

圖8繪示本發明實施例之電動車輛之放電控制方法流程示意圖。

3‧‧‧電子控制器

10‧‧‧電池模組

11‧‧‧充電模組

20‧‧‧開關模組

30‧‧‧電子控制單元

31‧‧‧預充電單元

40‧‧‧繼電器

50‧‧‧電力轉換器

60‧‧‧二次側模組

70‧‧‧馬達

81‧‧‧車燈

82‧‧‧儀錶

83‧‧‧K線連接器

90‧‧‧診斷器

300‧‧‧輸入單元

306‧‧‧控制器區域網路

F1‧‧‧電子控制單元的第一取電端

F2‧‧‧電子控制單元的第二取電端

Claims (7)

1. 一種電動車輛之電力控制系統，其包括一馬達，一電池模組，一電力轉換器，一繼電器，一連接該繼電器與該馬達的二次側模組，一用以控制該電力轉換器、該繼電器與該二次側模組的該電子控制單元，一連接該電池模組、該二次側模組與該電子控制單元的預充電單元，及一連接於該電池模組與該電子控制單元之間的開關模組，其特徵在於：該電力轉換器與該繼電器之取電端連接於該開關模組與該電池模組之間的線路；當該開關模組為通路時，該電子控制單元取得該電池模組提供的電力而啟動，以驅動該電力轉換器並利用該預充電單元對該二次側模組之電容單元進行預充電，並於該電容單元具一特定電壓時，驅動該二次側模組與該繼電器以令該電池模組與該馬達之間形成電性連接，該馬達係取得該電池模組提供之一運作電力，其中該電子控制單元經由一控制器區域網路連接該電池模組，並於驅動該繼電器時，透過該控制器區域網路以控制該電池模組提供該運作電力。
2. 如申請專利範圍第1項所述電動車輛之電力控制系統，，其中該預充電單元內建於該電子控制單元，及該二次側模組結合於該電子控制單元。
3. 如申請專利範圍第1項所述電動車輛之電力控制系統，其中當該開關模組為斷路時，該電力轉換器與該繼電器 未受該電子控制單元驅動而停止動作。
4. 如申請專利範圍第1項所述電動車輛之電力控制系統，其中更包括一電性連接該電子控制單元與該繼電器之充電模組，當該開關模組為斷路且該充電模組提供電力時，該充電模組供電予該電子控制單元與該繼電器，該電子控制單元受電以驅動該繼電器，該繼電器轉換該充電模組之供電以對該電池模組進行充電。
5. 如申請專利範圍第4項所述電動車輛之電力控制系統，其中該充電模組、該電子控制單元與該電池模組透過一控制器區域網路形成通信連接，該充電模組依據該電池模組的電力回應資訊以決定停止供電時機，該電子控制單元透過該控制器區域網路得知該充電模組與該電池模組之至少其一產生異常狀態時，停止該繼電器的動作。
6. 一種電動車輛之放電控制方法，係由一電子控制單元於電動車輛之開關模組為通路時，控制一電池模組之放電行為，其特徵在於，該方法包括：由該電子控制單元受該電池模組之供電以驅動一電力轉換器，並利用一預充電單元對一二次側模組之電容單元進行預充電，其中該電子控制單元經由一控制器區域網路以通信連接該電池模組，；以及當該電容單元具一特定電壓時，由該電子控制單元驅動配置於該電池模組與該馬達之間的該二次側模組與一繼電器，以令該電池模組與該馬達之間形成電性連 接，使該馬達取得該電池模組提供之一運作電力，其中當該電子控制單元驅動該繼電器時，該電子控制單元透過控制器區域網路以控制該電池模組提供該運作電力。
7. 一種電動車輛之充電控制方法，係由一電子控制單元於電動車輛之開關模組為斷路時，控制一充電模組對一電池模組之充電行為，其特徵在於，該方法包括：由該充電模組供電予該電子控制單元與一連接該電池模組之繼電器；由該電子控制單元受電以驅動該繼電器；以及由該繼電器轉換該充電模組之供電以對該電池模組進行充電，其中該充電模組、該電子控制單元與該電池模組透過一控制器區域網路形成通信連接，且該充電模組依據該電池模組的電力回應資訊以決定停止供電時機，及該電子控制單元透過該控制器區域網路得知該充電模組與該電池模組之至少其一產生充電異常狀態時，停止該繼電器的動作。