TWI707789B

TWI707789B - 電動車輛的供電系統及方法

Info

Publication number: TWI707789B
Application number: TW108121990A
Authority: TW
Inventors: 紀順得; 鄧信良
Original assignee: 光陽工業股份有限公司
Priority date: 2019-06-24
Filing date: 2019-06-24
Publication date: 2020-10-21
Also published as: TW202100381A

Abstract

本發明為一種電動車輛的供電系統及方法，該供電系統包含一第一電池模組、一第二電池模組、一第一直流轉換器、一馬達控制器及一車輛控制器，其中該第一電池模組為抽取式電池且電壓小於該第二電池模組的電壓，當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對第二電池模組充電，使第二電池模組具有足夠電力供電予電動車輛之馬達，提高電動車輛之續航力。

Description

電動車輛的供電系統及方法

本發明關於一種電動車輛的供電系統及方法，特別是指一種可提升電動車輛續航力的供電系統及方法。

在全世界追求節能減碳的趨勢下，許多綠色能源逐漸受到大眾重視，希望有效降低對石油能源的依賴，其中，電動運輸工具也在這股潮流下漸漸興盛，國家政府對此綠能產業也積極推動並給予相對較高的補助優惠，以期藉此吸引大眾採用新興技術。

對使用者而言，電動車輛之續航力是其中一種重要的考慮因素，續航力直接取決於電池容量大小。對於使用高功率馬達系統(例如大於4kW以上)的電動車輛，因為需要較多的電池數量才能滿足高功率需求，因此導致整體電池的重量增加。如此高重量的電池不便於使用者抽換移動，因而電池主要是固定設置在電動車輛內部，無法由使用者輕易取出，當使用者欲對電池進行充電時，必須將一充電線與車體連接方能對內部的電池進行充電，在充電操作方面具有較多的限制。

另一方面，若電動車輛採用抽取式電池作為動力來源，抽取式電池允許使用者自行抽換而在外部進行充電，雖然可克服了體積重量及充電不便的問題，但這類型電池因容量不夠，最大輸出功率的表現不佳，故往往無法滿足高功率的馬達系統，導致電動車輛續航力不足。

因此，考量到現有電動車輛之供電系統存在上述種種問題，實有必要提供一種電動車輛之供電系統，以期解決該等問題。

[發明所欲解決之問題]

為克服現有電動車輛之供電系統無法兼顧續航力及便利使用電池之問題，本發明提供一種電動車輛之供電系統，以期提高電動車輛之續航力且仍保有使用抽取式電池之輕便優勢。

[解決問題之技術手段]

依據本發明申請專利範圍第1項之較佳技術手段，本發明提供一種電動車輛的供電系統，其包含：

一第一電池模組，包含至少一個第一電池，該第一電池為抽取式電池，用以供應該馬達所需之電力；

一第二電池模組，包含至少一個第二電池，用以供應該馬達所需之電力，該第二電池的電壓大於該第一電池的電壓；

一第一直流轉換器，係連接該第一電池模組及該第二電池模組，該第一電池模組之電力經由該第一直流轉換器轉換後對該第二電池模組充電；

一馬達控制器，係連接該第二電池模組及該馬達，用以控制該電動車輛的該馬達；

一車輛控制器，係接收該第一電池模組及該第二電池模組所分別提供之電池狀態資訊，當該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對第二電池模組充電。

依據本發明申請專利範圍第2項之較佳技術手段，本發明提供一種電動車輛的供電系統，其包含：

一第一電池模組，包含至少一個第一電池，該第一電池為抽取式電池，用以供應馬達所需之電力；

一第一直流轉換器，係連接該第一電池模組及該第二電池模組，該第一電池模組之電力經由該第一直流轉換器轉換後對該第二電池模組進行充電；

一馬達控制器，係連接該第二電池模組，用以控制該電動車輛的該馬達；

一車輛控制器，係接收該第一電池模組及該第二電池模組分別提供之電池狀態資訊，當車輛控制器判斷電動車輛的電源關閉且該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電。

依據本發明申請專利範圍第3項之較佳技術手段，本發明提供一種電動車輛的供電系統，其包含：

一第一電池模組，包含至少一個第一電池，用以供應該馬達所需之電力；

一電力並聯器，係連接該第一電池模組及該馬達控制器；

一車輛控制器，係接收該第一電池模組及該第二電池模組分別提供之電池狀態資訊；

當第二電池模組之電力達於一臨界值以下時，該車輛控制器斷開該第二電池模組及該第一直流轉換器，該電力並聯器偵測電流狀態並自動啟動，令該第一電池模組之電力透過該電力並聯器供應至該馬達控制器。

依據本發明申請專利範圍第9項之較佳技術手段，本發明提供一種電動車輛的供電方法，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電方法包含：

(a) 以一車輛控制器分別接收該電動車輛中一第一電池模組及一第二電池模組之電池狀態資訊，其中，該第二電池模組可輸出的電壓大於該第一電池模組可輸出的電壓，該第一電池模組包含至少一抽取式電池；

(b) 當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動一第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電。

依據本發明申請專利範圍第10項之較佳技術手段，本發明提供一種電動車輛的供電方法，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電方法包含：

(b) 當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力低於一預設值且該電動車輛的電源關閉，該車輛控制器係啟動一第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電。

依據本發明申請專利範圍第11項之較佳技術手段，本發明提供一種電動車輛的供電方法，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電方法包含：

(a) 以一車輛控制器分別接收該電動車輛中一第一電池模組及一第二電池模組之電池狀態資訊，其中，該第二電池模組可輸出的電壓大於該第一電池模組可輸出的電壓；

(b) 當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力達於一臨界值以下時，該車輛控制器斷開該第二電池模組及該第一直流轉換器，且一電力並聯器偵測電流狀態並自動啟動，令該第一電池模組之電力透過該電力並聯器供應至該馬達控制器。

[發明之功效]

本發明藉由申請專利範圍第1項之功效在於：根據該第一電池模組及該第二電池模組之電池狀態資訊，適時啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電，使該第二電池模組能長時間獲得充足電力以提高該電動車輛之續航力。

本發明藉由申請專利範圍第2項之功效在於：即使在該電動車輛電源關閉(key off)的情況下，仍可根據該第一電池模組及該第二電池模組之電池狀態資訊，適時啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電，使第二電池模組能在電源關閉的狀態下持續充電，以提高電動車輛之續航力。

本發明藉由申請專利範圍第3項之功效在於：在該第二電池模組電力達於該臨界值以下時，能直接以該第一電池模組提供電力予該電動車輛的馬達，維持該電動車輛之續航力，令使用者在該第一電池模組供電的時間內進行電池更換或即時充電。

本發明藉由申請專利範圍第9項之功效在於：根據該第一電池模組及該第二電池模組之電池狀態資訊，當判斷第二電模組之電力低於該預設值時，適時啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電，使該第二電池模組能長時間獲得充足電力以提高該電動車輛之續航力。

本發明藉由申請專利範圍第10項之功效在於：即使該電動車輛的電源在關閉(key off)的情況下，仍可適時啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電，使第二電池模組能在電源關閉的狀態下持續充電，以提高電動車輛之續航力。

本發明藉由申請專利範圍第11項之功效在於：在該第二電池模組電力達於該臨界值以下時，能直接以該第一電池模組提供電力予該電動車輛的馬達，維持該電動車輛之續航力，使用者得以在該第一電池模組供電的時間內進行電池更換或即時充電。

請參考圖1所示，本發明的電動車輛供電系統100設置於電動車輛內，用於提供電力予馬達200，並控制該馬達200運轉以驅動電動車輛的車輪。該電動車輛供電系統100主要包含有一第一電池模組10、一第二電池模組20、一第一直流轉換器30、一馬達控制器40、一車輛控制器50。

該第一電池模組10是由至少一個第一電池11構成，該第一電池11的額定電壓為第一電壓V1；在本實施例中，該第一電池模組10包含兩個並聯的第一電池11，各第一電池11為抽取式電池，可允許使用者從電動車輛中取出並攜至外部充電座或充電站進行充電，俟電力充足後再置回電動車輛內。

該第二電池模組20中包含至少一個第二電池21，該第二電池21的額定電壓為第二電壓V2；相較於該第一電池11，該第二電池21的第二電壓V2高於第一電壓V1，例如第二電壓V2為第一電壓V1的2倍(V2=2V1)，且第二電池21可儲存的能量也是大於各第一電池11的容量，在本實施例中，第二電池21的容量為各第一電池11容量的兩倍。該第二電池21可以是一固定電池，例如固定裝置在電動車輛內部；第二電池21也可以是一抽取式電池，惟使用者不需經常性地將其自電動車輛中移出進行充電，但在必要時亦允許使用者將其取出，轉而在適配的一外部充電座進行充電。

該第一直流轉換器30連接在第一電池模組10與第二電池模組20之間，可將第一電池模組10的電量進行轉換並傳送至第二電池模組20或是將外部的電力轉換給第二電池模組20，其中，該第一直流轉換器30為一直流升壓轉換器(Boost DC/DC)。

該馬達控制器(motor inverter)40連接該第二電池模組20，用於控制該馬達200的動作，馬達控制器40的功能亦包含將第二電池模組20的電力轉換為用於驅動馬達200的所需電壓。

該車輛控制器(VCU)50作為電動車輛之整車控制中樞，連接及控制前述第一電池模組10、第二電池模組20、第一直流轉換器30及馬達控制器40之動作。該車輛控制器50接受第一電池模組10與第二電池模組20的電池狀態資訊，例如電量、電池溫度、輸出電流等，可根據電池狀態資訊自動執行合宜的工作模式及對馬達200的供電順序，令第一電池模組10與第二電池模組20的電力能夠有效率地分配，提升電動車輛之續航力，原則上是以第二電池模組20為優先充電、優先放電，以提供較高的輸出功率給馬達200。

本發明電動車輛供電系統可再包含一第二直流轉換器60，係連接該第二電池模組20與車輛控制器50，用於將第二電池模組20的第二電壓V2轉換成一工作電壓，該直流工作電壓提供給電動車輛整車之電子元件使用。舉例而言，該第二直流轉換器60為一直流降壓轉換器(Buck DC/DC)，可將較高準位的第二電壓V2轉換成較低準位的工作電壓(如12V)，此工作電壓即可廣泛供應給整車之車載元件使用，例如車輛上的大燈、煞車燈、儀表板等車載元件。

本發明電動車輛供電系統可再包含一電力並聯器(power combiner)70，係連接該第一電池模組10、該馬達控制器40及該第二直流轉換器60，並根據該車輛控制器50的控制而啟動作業。

前述車輛控制器50係讀取第一電池模組10、第二電池模組20之電池狀態資訊，根據電池狀態資訊決定工作模式，相關工作模式逐一說明如下：

一、正常模式

請參考圖2所示，正常模式可發生在電動車輛的電源已開啟(key on)且使用者騎乘電動車輛時。當第一電池模組10及第二電池模組20均有電力，該車輛控制器50控制由第二電池模組20供電該馬達控制器40及第二直流轉換器60，驅動馬達200運轉而帶動車輛；第二電池模組20的電力會隨著電動車輛的騎乘而漸漸降低，當降低至一預設值時，該車輛控制器50將啟動該第一直流轉換器30，令第一直流轉換器30將第一電池模組10的電力轉換成充電電力而對第二電池模組20加以充電。該預設值係為該第二電池模組其額定電力的一預設比例值，例如額定電力的95%，在此模式下，第二電池模組20同時供應電力給馬達，亦同時接受充電。

二、延續模式

請參考圖3所示，在電動車輛開啟電源(key on)的狀態下，若是第二電池模組20的電力達於一臨界值以下，但第一電池模組10仍存有電力，該車輛控制器50將中斷第二電池模組20以及第一直流轉換器30的連線(off line)，使第二電池模組20和第一直流轉換器30與整體供電系統斷開，該電力並聯器70會自動偵測電流狀態並自動啟動，將第一電池模組10中的各個第一電池11的電力透過該電力並聯器70傳輸至馬達控制器40。舉例而言，若第二電池模組20的額定電壓為100V，該臨界值可以設定為68V，在此模式下，即使第二電池模組20的電力等於該臨界值68V或低於該臨界值68V以下，因為已改由第一電池模組10供電給馬達，使用者仍可持續騎乘該電動車輛，而不會立即整車失去動力，給予使用者充足的時間進行充電作業。

本發明的供電系統是設置於電動車輛內部，可進一步配合能夠連接車體之一充電器300而直接對第一電池模組10或第二電池模組20進行充電作業，所支援的充電模式包含有：

一、自充模式

請參考圖4所示，在電動車輛關閉電源(key off)的狀態下，若是第二電池模組20的電力低於一預設值(例如額定電力的95%)，但第一電池模組10仍存有電力，該車輛控制器50會啟動該第一直流轉換器30，將第一電池模組10的電力透過該第一直流轉換器30對第二電池模組20充電。在此模式下，即使電動車輛沒有開啟電源，仍可利用第一電池模組10對第二電池模組20自動充電。

二、第一電池模組充電模式

請參考圖5所示，當使用者從電動車輛中取出該第二電池模組20，且充電器300連接至電動車輛後，該充電器300可將市電轉換為直流電而對第一電池模組10進行充電。當充電器300連接電動車輛後，由充電器300發出一充電通知信號至各第一電池11及該車輛控制器50，該車輛控制器50會控制逐一對第一電池11充電，即先對單一顆第一電池11進行充電，待其電量充飽後，斷開該充電完成的第一電池11後，再轉由對下一個第一電池11繼續進行充電。

三、第二電池模組充電模式

請參考圖6所示，當使用者從電動車輛中取出該第一電池模組10，且充電器300連接至電動車輛後，該充電器300可將市電轉換為直流電而對第二電池模組20進行充電。當充電器300連接電動車輛後，由充電器300發出一充電通知信號至第二電池21及該車輛控制器50，該車輛控制器50啟動該第一直流轉換器30而對該第二電池21進行充電。

四、全充電模式

請參考圖7所示，若第一電池模組10及第二電池模組20均仍然放在電動車輛時，當充電器300連接至電動車輛後，由充電器300發出一充電通知信號至各第一電池11、第二電池21及該車輛控制器50，由該車輛控制器50依據如前述的第一電池模組充電模式、第二電池模組充電模式分別對該第一電池11與第二電池21進行充電。

本發明藉由該第二電池模組20提供的電力可滿足高功率馬達系統(例如大於6kW以上)的電動車輛，而使用者亦可方便地抽取該第一電池11進行外部充電或更換，該第一電池11無論在電動車輛電源開啟或關閉的情形下皆能對第二電池21加以充電，使電動車輛能維持較高的續航力；當該第二電池21電力達預設的臨界值以下時，該第一電池11亦可作為車輛的臨時供電源以維持電動車輛的正常使用，讓使用者有充分的時間進行電池更換或充電。

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。

10:第一電池模組 11:第一電池 20:第二電池模組 21:第二電池 30:第一直流轉換器 40:馬達控制器 50:車輛控制器 60:第二直流轉換器 70:電力並聯器 100:電動車輛供電系統 200:馬達 300:充電器

圖1：本發明電動車輛供電系統的電路方塊圖。圖2：本發明供電系統操作於「一般模式」下的電路動作示意圖。圖3：本發明供電系統操作於「延續模式」下的電路動作示意圖。圖4：本發明供電系統操作於「自充模式」下的電路動作示意圖。圖5：本發明供電系統操作於「第一電池模組充電模式」下的電路動作示意圖。圖6：本發明供電系統操作於「第二電池模組充電模式」下的電路動作示意圖。圖7：本發明供電系統操作於「全充電模式」下的電路動作示意圖。

10:第一電池模組

11:第一電池

20:第二電池模組

21:第二電池

30:第一直流轉換器

40:馬達控制器

50:車輛控制器

60:第二直流轉換器

70:電力並聯器

100:電動車輛供電系統

200:馬達

Claims

一種電動車輛的供電系統，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電系統包含：一第一電池模組，包含至少一個第一電池，該第一電池為抽取式電池，用以供應該馬達所需之電力；一第二電池模組，包含至少一個第二電池，用以供應該馬達所需之電力，該第二電池的電壓大於該第一電池的電壓；一第一直流轉換器，係連接該第一電池模組及該第二電池模組，該第一電池模組之電力經由該第一直流轉換器轉換後對該第二電池模組充電；一馬達控制器，係連接該第二電池模組及該馬達，用以控制該電動車輛的該馬達；一車輛控制器，係接收該第一電池模組及該第二電池模組所分別提供之電池狀態資訊，當該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對第二電池模組充電。
一種電動車輛的供電系統，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電系統包含：一第一電池模組，包含至少一個第一電池，該第一電池為抽取式電池，用以供應該馬達所需之電力；一第二電池模組，包含至少一個第二電池，用以供應該馬達所需之電力，該第二電池的電壓大於該第一電池的電壓；一第一直流轉換器，係連接該第一電池模組及該第二電池模組，該第一電池模組之電力經由該第一直流轉換器轉換後對該第二電池模組進行充電；一馬達控制器，係連接該第二電池模組，用以控制該電動車輛的該馬達；一車輛控制器，係接收該第一電池模組及該第二電池模組分別提供之電池狀態資訊，當該車輛控制器判斷該電動車輛的電源關閉且該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動該第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電。
一種電動車輛的供電系統，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電系統包含：一第一電池模組，包含至少一個第一電池，用以供應該馬達所需之電力；一第二電池模組，包含至少一個第二電池，用以供應該馬達所需之電力，該第二電池的電壓大於該第一電池的電壓；一第一直流轉換器，係連接該第一電池模組及該第二電池模組，該第一電池模組之電力經由該第一直流轉換器轉換後對該第二電池模組充電；一馬達控制器，係連接該第二電池模組，用以控制該電動車輛的該馬達；一電力並聯器，係連接該第一電池模組及該馬達控制器；一車輛控制器，係接收該第一電池模組及該第二電池模組分別提供之電池狀態資訊；當該第二電池模組之電力達一臨界值以下時，該車輛控制器斷開該第二電池模組及該第一直流轉換器，該電力並聯器偵測電流狀態並自動啟動，令該第一電池模組之電力透過該電力並聯器供應至該馬達控制器。
如請求項1、2或3所述電動車輛的供電系統，其中，該第一電池模組包含有複數個並聯的第一電池；該第二電池為固定電池。
如請求項1、2或3所述電動車輛的供電系統，其中，該第一電池模組包含有複數個並聯的第一電池；該第二電池為抽取式電池。
如請求項1、2或3所述電動車輛的供電系統，其中，該第二電池的電壓為各該第一電池的電壓的兩倍。
如請求項1、2或3所述電動車輛的供電系統，進一步包含：一第二直流轉換器，連接該第二電池模組，用以將該第二電池的電壓轉換為一工作電壓，該工作電壓提供給該電動車輛中之車載元件使用。
如請求項7所述電動車輛的供電系統，其中，該第一直流轉換器為一直流升壓轉換器；該第二直流轉換器為一直流降壓轉換器。
一種電動車輛的供電方法，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電方法包含： (a) 以一車輛控制器分別接收該電動車輛中一第一電池模組及一第二電池模組之電池狀態資訊，其中，該第二電池模組可輸出的電壓大於該第一電池模組可輸出的電壓，該第一電池模組包含至少一抽取式電池； (b) 當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力低於一預設值，該車輛控制器係啟動一第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電。
一種電動車輛的供電方法，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電方法包含： (a) 以一車輛控制器分別接收該電動車輛中一第一電池模組及一第二電池模組之電池狀態資訊，其中，該第二電池模組可輸出的電壓大於該第一電池模組可輸出的電壓，該第一電池模組包含至少一抽取式電池； (b) 當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力低於一預設值且該電動車輛的電源關閉，該車輛控制器係啟動一第一直流轉換器，令該第一電池模組透過該第一直流轉換器對該第二電池模組充電。
一種電動車輛的供電方法，該電動車輛包含一馬達，該電動車輛的供電方法包含： (a) 以一車輛控制器分別接收該電動車輛中一第一電池模組及一第二電池模組之電池狀態資訊，其中，該第二電池模組可輸出的電壓大於該第一電池模組可輸出的電壓； (b) 當該車輛控制器判斷該第二電池模組之電力達一臨界值以下時，該車輛控制器斷開該第二電池模組及該第一直流轉換器，且一電力並聯器偵測電流狀態並自動啟動，令該第一電池模組之電力透過該電力並聯器供應至該馬達控制器。
如請求項9、10或11所述電動車輛的供電方法，在該步驟(b)中，該車輛控制器進一步判斷該第一電池模組是否仍有電力，若是，則允許啟動該第一直流轉換器。
如請求項9、10或11所述電動車輛的供電方法，該預設值係為該第二電池模組其額定電力的一預設比例值。