TWI797921B - 電動車混合電力供電系統控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明係提供一種電動車混合電力供電系統控制方法，係用於具有兩組動力電源之一電動車，本發明之電動車混合電力供電系統控制方法可使兩組動力電源的綜合輸出功率平滑化，減少劇烈的充放電狀況，進而提高電池與電力元件的使用壽命。

Description

電動車混合電力供電系統控制方法

本發明係與電池控制技術有關，特別係指一種用於具有雙動力電力系統的電動車混合電力供電系統控制方法。

近年來混合電力系統成為能源發展的主要趨勢，常見如燃料電池與鋰電池混合系統、鋰電池與超級電容混合系統或高功率電池與高能量電池混合系統等等，由於能源特性間存在差異，透過適當的比例控制可以使能量的使用更有效率。以鋰電池混合超級電容之系統為例，超級電容本身具有快充快放之特性，混合電力系統可藉由超級電容來提供瞬間大功率。由此可知，若能適當的進行能量分配控制，混合電力系統比起獨立的電源系統將更具性能與節能上之優勢。

以鋰電池與超級電容混合電力系統如圖1所示，其中Driving Cycle為駕駛循環模式，Controller為控制器、Battery為電池、Supercapacitor為超級電容、Load為負載、Signal Flow為控制訊號流動路徑、Power Flow為電力流動路徑，在傳統混合電力模糊能量管理控制方法中，控制參數為混合電力分配比α，其定義如下：

其中P _bat 為鋰電池輸出功率，P _d 為需求功率。在傳統單階層模糊控制方法中，一般輸入變數為需求功率P _d 、超級電容殘電量SOC。根據能源管理控制系統和超級電容充放電的考量，可設計單階層模糊控制架構如圖2所示，Fuzzy Power-Split Controller為模糊功率分配控制器。

上述的傳統鋰電池與超級電容混合電力系統電力分配模糊邏輯規則如下表1所示，當超級電容的SOC過低時，電力分配比α將會輸出較高的係數使鋰電池對超級電容進行充電，同時滿足需求功率所需的能源。此外超級電容的SOC足以提供能源時，會以混合電力的方式來為負載提供能源。在此模糊邏輯規則中，需求功率和SOC可各別分為四種類型：“非常低”(VL)、“低”(L)、“中”(H)、“高”(VH)如表1所示，其歸屬函數可設計如圖3所示，縱座標為歸屬度(Membership Grades)。

在上述的現有技術方法中，雖然能對電力分配比α進行控制，但其功能主要在於將鋰電池輸出功率與超級電容之輸出功率最佳分配。相較於模式切換式方法，其電流變化將變為連續變化，而非參照模式變化進行電流值之常值切換。雖然能量分配將更有效率，但電流變化可能會因在高頻計算下快速變化之電力分配比α而有劇烈變化，在實務上會造成動力輸出的功率開關急遽變化而產生能量損失。另一方面，過快變化(急速充放電)之電流亦容易降低電池與電子元件壽命，同時電力分配比α有7種模式：VH(非常高)、H(高)、SH(稍高)、M(中)、SL(稍低)、L(低)、VL(非常低)，導致全車電力分配控制模式較繁雜，增加控制系統的複雜度。

因此，有必要開發一種對電動車混合電力供電系統的功率輸出平滑化的控制方法，在有限度、合理減少輸出功率的狀況下，平滑輸出可以減少電池的劇烈充放電狀況，有助於延長電池與電力元件的壽命。

為改善先前技術之缺點，本發明係提供一種電動車混合電力供電系統控制方法，係用於具有兩組動力電源之一電動車，本發明之電動車混合電力供電系統控制方法可使兩組動力電源的綜合輸出功率平滑化，減少劇烈的充放電狀況，進而提高電池與電力元件的使用壽命。

本發明係為一種電動車混合電力供電系統控制方法，係用於具有兩組動力電源之一電動車，該電動車混合電力供電系統控制方法之步驟係包括：取得該電動車的一坡度參數、一油門深度參數和一全車當前輸出功率參數，輸入一控制電腦內，該控制電腦根據該坡度參數、該油門深度參數和該全車當前輸出功率參數，運算後得到該電動車的一即時預估需求輸出功率參數；取得該電動車的兩組動力電源的當前SOC值，輸入該控制電腦內，該控制電腦根據該兩組動力電源的當前SOC值及該即時預估需求輸出功率參數，得到該電動車的一功率分配值；取得該兩組動力電源各自的一即時輸出功率變化值，輸入該控制電腦內，該控制電腦根據該兩組動力電源之即時輸出功率變化值與該功率分配值，運用雙階層模糊能量控制運算，得到該電動車的一平滑能量分配值；該控制電腦根據該平滑能量分配值，得到該兩組動力電源個別的所需輸出功率值，並根據該兩組所需輸出功率值對該電動車的一直流/直流轉換器進行控制，使該兩組動力電源的綜合輸出功率平 滑化。

本發明之一實施例中，其中該兩組動力電源分別為一組高功率電源與一組高能量電源。

本發明之一實施例中，其中該高功率電源係為超級電容、LTO(鈦酸鋰電池)、鋰鐵電池或其他種類的高功率密度電池。

本發明之一實施例中，其中該高能量電源係為鋰三元電池、燃料電池或其他種類的高能量密度電池。

本發明之一實施例中，其中該坡度參數係透過一陀螺儀偵測該電動車的車身俯仰角而得。

本發明之一實施例中，其中該陀螺儀係為機械式陀螺儀、雷射陀螺儀、光纖陀螺儀或其他種類之陀螺儀裝置。

本發明之一實施例中，其中該油門深度參數係透過一裝設於駕駛艙油門處之油門開度感知器取得。

本發明之一實施例中，其中該控制電腦內係具有一雙階層模糊能量控制電路，其具有一模糊電力分配控制器與一模糊電流濾波器。

以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。

S01~S04:流程步驟

11A:高功率電源

11B:高能量電源

12:直流/直流轉換器

13:驅動器

14:驅動馬達

15:控制電腦

21:模糊電力分配控制器

22:模糊電流濾波器

圖1係為現有技術之電動車雙動力系統之鋰電池與超級電容混合系統架構圖。

圖2係為傳統混合電力單階層模糊能量控制架構圖。

圖3係為傳統混合電力單階層模糊能量控制歸屬函數示意圖。

圖4係為本發明之電動車混合電力供電系統控制方法步驟實施例流程圖。

圖5係為本發明實施例之電動車混合電力供電系統硬體架構圖。

圖6係為本發明實施例之雙階層模糊能量控制電路架構圖。

圖7係為本發明實施例之雙階層模糊能量歸屬函數示意圖。

以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。

本發明之電動車混合電力供電系統控制方法步驟實施例流程圖如圖4所示，該實施例係用於具有兩組動力電源之一電動車，其步驟係包括：取得該電動車的一坡度參數、一油門深度參數和一全車當前輸出功率參數，輸入一控制電腦內，該控制電腦根據該坡度參數、該油門深度參數和該全車當前輸出功率參數，運算後得到該電動車的一即時預估需求輸出功率參數；S01

取得該電動車的兩組動力電源的當前SOC值，輸入該控制電腦內，該控制電腦根據該兩組動力電源的當前SOC值及該即時預估需求輸出功率參數，得到該電動車的一功率分配值；S02

取得該兩組動力電源各自的一即時輸出功率變化值，輸入該控制電腦內，該控制電腦根據該兩組動力電源之即時輸出功率變化值與該功率分配值，運用雙階層模糊能量控制運算，得到該電動車的一平滑能量分配值；S03

該控制電腦根據該平滑能量分配值，得到該兩組動力電源個別的所需輸出功率值，並根據該兩組所需輸出功率值對該電動車的一直流/直流轉換器與該兩組動力電源進行控制，使該兩組動力電源的綜合輸出功率平滑化。S04

本發明之一實施例中，該坡度參數係指電動車當前的俯仰角狀態，反映的是車輛在處於爬坡、下坡或平地的行駛狀態，爬坡需要額外的輸出功率以增強車輛的爬坡性能，下坡時車輛所需的輸出功率相對可減少(還包括煞車回充的電力回饋等影響)，鑒於上述種種狀況，因此需要用陀螺儀或其他種類的車身角度感測裝置，來獲取電動車輛目前的俯仰狀態。關於陀螺儀用於車身角度量測係屬一般習知技術，故本發明不再贅述其實際計算方式。

本發明之一實施例中，該油門深度參數係指駕駛者所做的加、減速變化參數，除了一般平地行駛的加速超車、 定速巡航等動作，爬坡時會加大油門以求增強動力輸出，遇到下坡時會減少油門以防止車速過快，油門深度參數的取得方式要視電動車的駕駛裝置而定，加減速裝置有可能是類似傳統燃油汽車的腳踏式油門、機車的把手旋轉油門、甚至是軌道車輛與航空器的油門手桿等，只要是偵測駕駛者所做的加減速動作而得到的加減速狀態命令參數，都屬於本發明所稱油門深度參數的範圍。

本發明之一實施例中，SOC(State of charge)係指電池的荷電狀態(或稱剩餘容量)，通常以百分比表示。

本發明之一實施例中，該全車當前輸出功率參數係指電動車當下包括行駛動力輸出、車輛其他電系消耗功率的總和，反映當前全車的電力消耗狀況，全車當前輸出功率與前述的坡度參數、油門深度參數都是持續變化的參數，本發明控制方法實施例的步驟S01係將全車當前輸出功率、坡度參數、油門深度參數等行駛狀況共同納入運算考量，用以即時、實時(Real-time)推估電動車的接下來所需要的輸出功率，意即該預估需求輸出功率參數，接著於步驟S02再將該兩組動力電源的當前SOC納入運算考量，用以決定如何分配該兩組動力電源的輸出，意即該功率分配值(通常為連續變化的功率輸出曲線)。前述S01~S02為現有電動車之混合電力(動力)系統控制的通常知識，故本發明不再贅述其細部參數量測與運算方式，僅簡要說明其原理與用途。

本發明之一實施例中，該步驟S03中「取得該兩組動力電源各自的一即時輸出功率變化值」意即為電動車的一主要控制電腦主動偵測該兩組動力電源的即時、實時功率輸出，在混合動力(雙電力)電動車的系統配置中，高功率電源係用在需要短時間大功率輸出(如爬坡、加速超車)的場合，輔助主電池(高能量電池)的輸出不足，故在現有的混合動力(雙電力)電動車的控制邏輯中，皆以如何讓兩組動力電源的能量分配、銜接效率達到最高，然而現實狀況如先前技術所述，以效率為優先的能量分配策略，其電流變化可能會因在高頻計算下快速變化之電力分配比α而有劇烈變化，造成動力輸出單元(如後述圖5的驅動器)的功率開關急遽切換變化而產生能量損失。另一方面，過快變化(急速充放電)之電流亦容易降低電池與電子元件壽命，同時電力分配比的控制模式較繁雜，增加控制系統的複雜度。故本發明之實施例在步驟S03在得到由步驟S01~S02所得出的功率分配值後，再加入本發明獨創的雙階層模糊能量控制運算，得到一根據平滑化模糊控制理論所算出的平滑能量分配值(通常為一能量功率分配曲線)，根據該平滑能量分配值的輸出曲線，控制電腦再算出分別控制該兩組動力電源的所需輸出功率值，用於控制該兩組動力電源與該直流/直流轉換器的輸出入狀況，使該兩組動力電源傳至動力輸出端(如後述圖5的驅動器)的綜合輸出功率平滑化(即步驟S04之動作)，達到減少劇烈的充放電狀況，進而提高電池與電 力元件的使用壽命之功效。

本發明之一實施例中，本發明所應用的電動車混合電力供電系統硬體架構如圖5所示，該實施例具有：兩組動力電源，分別為高功率電源11A與高能量電源11B；直流/直流轉換器12，係用於控制該高功率電源11A的輸出功率，同時也能將高能量電源11B的電力轉輸入至該高功率電源11A；一驅動器13，係接收該高功率電源11A與高能量電源11B之電力，將其整合後送至驅動馬達14輸出；一控制電腦15，係監測與控制全車系統各元件的電力運用狀況，並根據車輛用電情況與本發明所制定的平滑化模糊控制理論，控制與分配兩組動力電源的輸出。

上述的硬體架構實施例中，該驅動馬達視電動車實際配置，數量可能會是一或多個，並不限於本發明實施例與圖式所揭露之態樣。

本發明之一實施例中，為了達成本發明的平滑化功率輸出的功效，本發明在傳統技術的原有單階層模糊控制架構中，在模糊電力分配控制器(Fuzzy power-split controller)21後端增加第二個模糊電流濾波器(Fuzzy current filter)22，如圖6所示，該雙階層電流濾波器架構係設置於控制電腦內，以求得濾波參數β，進一步達到平滑化輸出電流之功能，β值為一比例值，區分成S(小)、M(中)、L(大)三類，用以區分對電動車混合動力控制的三種模式，本發明實施例訂定 的模糊邏輯規則如下表2。

從表2中可以看到P _{bat_new} 與P _{bat_diff} 為輸入變數，其中P _{bat_new} 為第一階段功率分配後所得到的高能量電源(例如鋰電池)功率，P _{bat_diff} 為高能量電源(例如鋰電池)功率的變化量，P _bat 為高能量電源當前的輸出功率，計算如(2式，而為濾波器之濾波參數β。P _{bat_diff} 的控制模式區分為N、Z、PS、PM、PL，N：負值、Z：0、PS：正小值、PM：正中值、PL：正大值。因為N、Z、PS都屬於數值小的狀態，所以都歸類在β值小的狀態。藉由模糊電流濾波器所得到的濾波參數代入(3)，即可得到濾波後的高能量電源(例如鋰電池)輸出功率P _{bat_HFC} (如(3)式所示)，及高功率電源(例如超級電容)輸出功率P _{sc_HFC} (如(4)式所示)，P _d 為原定的高功率電源需求功率，模糊電流濾波器所需之歸屬函數可設計如圖7所示，縱座標為歸屬度(Membership Grades)。即可計算出基於本發明平滑化模糊控制理論所訂出的該兩組動力電源：高能量電源與高功率電源經 平滑化處理的所需輸出功率值P _{bat_HFC} 與P _{sc_HFC} ，進而使綜合輸出功率平滑化。本發明所制定的混合電力雙階層模糊能量控制規則模式較單純，僅有S、M、L三種電力分配模式，可簡化全車電力分配的複雜度，降低控制電腦的運算負擔，同時減少電池與電力元件損耗。

P _{bat_diff} =P _{bat_new} -P _bat (2)

P _{bat_HFC} =β×P _bat +(1-β)×P _{bat_new} (3)

P _{sc_HFC} =P _d -P _{bat_new} (4)

藉此，本發明係提供一種電動車混合電力供電系統控制方法，本發明係用於具有兩組動力電源之電動車，該兩組動力電源分別為高功率電源與高能量電源，例如現有技術最常見的搭配是主動力鋰電池與超級電容的組合；本發明利用平滑化模糊控制理論，在統管全車電力分配的控制電腦內加入雙階層模糊能量控制架構(模糊電力分配控制器Fuzzy power-split controller與模糊電流濾波器Fuzzy current filter)，讓雙動力電源的綜合輸出功率平滑化，本發明所制定的混合電力雙階層模糊能量控制規則模式較單純，降低控制電腦的運算負擔，同時減少電池與電力元件損耗。

上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應 如後述之申請專利範圍所列。

S01~S04:流程步驟

Claims (8)

1. 一種電動車混合電力供電系統控制方法，係用於具有兩組動力電源之一電動車，該電動車混合電力供電系統控制方法之步驟係包括：取得該電動車的一坡度參數、一油門深度參數和一全車當前輸出功率參數，輸入一控制電腦內，該控制電腦根據該坡度參數、該油門深度參數和該全車當前輸出功率參數，運算後得到該電動車的一即時預估需求輸出功率參數；取得該電動車的兩組動力電源的當前SOC值，輸入該控制電腦內，該控制電腦根據該兩組動力電源的當前SOC值及該即時預估需求輸出功率參數，得到該電動車的一功率分配值；取得該兩組動力電源各自的一即時輸出功率變化值，輸入該控制電腦內，該控制電腦根據該兩組動力電源之即時輸出功率變化值與該功率分配值，運用雙階層模糊能量控制運算，得到該電動車的一平滑能量分配值；該控制電腦根據該平滑能量分配值，得到該兩組動力電源個別的所需輸出功率值，並根據該兩組所需輸出功率值對該電動車的一直流/直流轉換器進行控制，使該兩組動力電源的綜合輸出功率平滑化。
2. 如請求項1所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該兩組動力電源分別為一組高功率電源與一組高能量電源。
3. 如請求項2所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該高功率電源係為超級電容、LTO(鈦酸鋰電池)、鋰鐵電池或其他種類的高功率密度電池。
4. 如請求項2所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該高能量電源係為鋰三元電池、燃料電池或其他種類的高能量密度電池。
5. 如請求項1所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該坡度參數係透過一陀螺儀偵測該電動車的車身俯仰角而得。
6. 如請求項5所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該陀螺儀係為機械式陀螺儀、雷射陀螺儀、光纖陀螺儀或其他種類之陀螺儀裝置。
7. 如請求項1所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該油門深度參數係透過一裝設於駕駛艙油門處之油門開度感知器取得。
8. 如請求項1所述之電動車混合電力供電系統控制方法，其中該控制電腦內係具有一雙階層模糊能量控制電路，其具有一模糊電力分配控制器與一模糊電流濾波器。

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