CN102887200B - 电动自行车控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电动自行车控制系统及方法。该电动自行车控制系统包括具有多个电池单元的电池包、电池管理系统、电机控制器以及电机，所述电池管理系统根据单个电池单元的状态调节所述电机的输出功率。其利用电池管理系统实时和智能地监测电动自行车电池包，并根据电池包中单个电池单元的状态对电机控制器进行控制，从而有效保护了电池，延长了电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种电动车的控制系统及方法，特别是涉及一种电动自行车控制系统及方法。
背景技术
如今随着新能源技术的逐步发展，电动车已成为汽车行业的热门发展趋势。众所周知，电动车是以电力取代传统的燃油以驱动前进。
电池作为电动车的能量来源一般包括多个电池单元，每个电池单元提供例如2V的电池单元电压，所述多个电池单元串联和/或并联以电池包的封装形式装设于电动车中，从而提供例如36V、72V、144V等较高的电池包电压以驱动电动车。其中，所述电池可包括但不限于锂电池、铅酸电池、镍氢电池等类型的可充电电池。
电池管理系统（BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，简称BMS）作为电池保护和管理的核心部件，不仅要保证电池安全可靠的使用，而且要充分发挥电池的能力和延长电池使用寿命，作为电池与驾驶者之间的桥梁，BMS对于电动车的性能起着越来越关键的作用。现有技术的BMS通过实时监测电池单元的工作状况(例如，电池单元电压、工作电流、电池温度等)从而实现对电池包的智能管理，避免电池单元在异常条件下（例如，过放、过充、过温等）发生不可恢复的损坏，甚至引发整个电池包爆炸等可能危害驾驶者人身安全的事故。此外，BMS能够在充/放电过程中实现对于电池包内多个电池单元一致性的均衡管理，从而延长电池包寿命。BMS已成为电动车领域的一项关键技术，目前业内尚无成熟一致的BMS技术，而国内外的电动汽车厂商、芯片厂商都将BMS作为主力研发项目。
此外，除了电动汽车之外，电动自行车作为一种绿色环保又相对低廉的交通工具也越来越多的出现在人们的生活中。一般而言，由于电动自行车的电池包包括的电池单元相对较少，因此为了控制电动自行车的低廉成本，电动自行车中一般不包括BMS，而且由于电动汽车中的BMS与电动自行车中的BMS有着如下明显的区别也不能直接把现有技术的电动汽车的BMS移用至电动自行车中：
1、由于电动汽车的BMS涉及到电动汽车的控制系统、驱动系统、能量动力系统等各个方面，且电动汽车的电池包包括较多的电池单元，因为电动汽车的BMS不可能独立于整车单独设计，必须在设计之初便作为整车不可分割的一部分进行研发。而电动自行车的结构相对简单，电动自行车的BMS通常只是一个部件，在设计时完全可以独立进行，只需要结合电动自行车原有的电机控制器，就能够实现基于电池单元的使用状态控制电动自行车的目的；
2、结构原理方面，由于电动汽车的BMS作为电动汽车不可分割的一部分则不能随意拆卸，而电动自行车的BMS是以部件的形式设计，因此可以独立安装拆卸，不会影响整车正常行驶。
电机作为电动自行车的动力装备，用于将电能转换为机械能，从而驱动电动自行车。电机控制器主要用于控制电机的正常运作，同时也提供例如报警、仪表显示等其他电动自行车系统相关的功能。
现有技术中，当电动自行车没有采用BMS时，电机控制器对电机的控制都是基于整个电动自行车的电池包的工作状况来实现，例如，根据电池包的电压提醒驾驶者当前电动自行车的电瓶是否即将能量耗尽以及需要及时充电等。然而当电池包多次充放电之后，由于电池包内多个电池单元之间的不均衡而导致出现异常工作的电池单元时，由于电机控制器只能检测到整个电池包的状况，而无法精确地侦测所述单个电池单元的异常，因此很可能给整个电动自行车系统造成无法挽回的损害。
图1所示为现有技术的一种电动自行车控制系统100的结构示意图。电池管理系统104和电机控制器108分别对电池包106和电机110进行监测和控制，电池包106负责向电机110提供电能，电动自行车的驾驶者102通过控制电机控制器108的输出功率进而控制电机110。电池管理系统104和电机控制器108之间没有直接的联系，对电机控制器108的控制完全由驾驶者102自己进行判断和操作。这样对驾驶者102的经验和驾驶时所花费的精力提出了太高的要求，如果驾驶者102进行了不恰当的操作，很容易对电池包造成损害，明显降低电池包的使用寿命。而如今，电池的使用寿命是制约电动车进一步发展的瓶颈问题。综上所述，现有技术中尚无一种能够结合BMS以实现安全可靠的电动自行车电机控制的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种控制电动自行车的方法以及使用该电动自行车控制方法的电动自行车，其利用电池管理系统实时和智能地监测电动自行车电池包，并根据电池包中单个电池单元的状态对电机控制器进行控制，从而有效保护了电池，延长了电池使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种电动自行车控制系统，其包括具有多个电池单元的电池包、电池管理系统、电机控制器以及电机，所述电池管理系统根据单个电池单元的状态调节所述电机的输出功率。
本发明所述的电动自行车控制系统，所述电池管理系统进一步包括：前端模块，用以监测所述电池包中各个电池单元的状态；以及第一微控制器单元，用于根据所述各个电池单元的状态产生控制信号。
本发明所述的电动自行车控制系统，所述电池管理系统还包括通讯模块，用于将所述控制信号发送给所述电机控制器。
本发明所述的电动自行车控制系统，所述电机控制器进一步包括：第二微控制器单元，用于根据所述控制信号进一步产生输出功率调节信号；以及输出功率调节模块，用于根据所述输出功率调节信号产生功率调节指令，以调节所述电机的输出功率。
本发明所述的电动自行车控制系统，所述电机控制器还包括通讯模块，用于接收所述控制信号。
本发明所述的电动自行车控制系统，所述控制信号是PWM信号。
本发明所述的电动自行车控制系统，根据所述PWM信号的占空比，调节电机控制器输出电流的上限值，进而调节所述电机的输出功率。
本发明所述的电动自行车控制系统，所述控制信号是电平信号。
本发明所述的电动自行车控制系统，当所述电平信号为第一状态时，表示所述电池包中各个电池单元处于正常状态；当所述电平信号为第二状态时，表示所述电池包满足放电保护条件。
本发明所述的电动自行车控制系统，当所述电机控制器接收到表示电池包满足放电保护条件的电平信号时，降低所述电机的最大输出功率。
本发明所述的电动自行车控制系统，降低所述电机的最大输出功率采用分档位的形式。
本发明还提供了一种电动自行车的控制方法，所述电动自行车包括具有多个电池单元的电池包、电池管理系统、电机控制器以及电机，其特征在于，所述电动自行车的控制方法包括下列步骤：通过所述电池管理系统监测所述电池包中各个电池单元的状态；以及根据所述单个电池单元的状态调节所述电机的输出功率。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：根据所述各个电池单元的状态产生控制信号，并将所述控制信号发送给所述电机控制器。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：根据所述控制信号进一步产生输出功率调节信号；以及根据所述输出功率调节信号产生功率调节指令，以调节所述电机的输出功率。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：所述控制信号是PWM信号。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：根据所述PWM信号的占空比，调节电机控制器输出电流的上限值，进而调节所述电机的输出功率。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：所述控制信号是电平信号。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：当所述电平信号为第一状态时，表示所述电池包中各个电池单元处于正常状态；当所述电平信号为第二状态时，表示所述电池包满足放电保护条件。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：当所述电机控制器接收到表示电池包满足放电保护条件的电平信号时，降低所述电机的最大输出功率。
本发明所述的电动自行车的控制方法还包括：降低所述电机的最大输出功率采用分档位的形式。
与现有技术相比，本发明中电源管理系统能够根据单个电池单元的状态生成相应控制信号并直接发送给电机控制器，所述电机控制器根据接收到的控制信号智能地控制电机的输出功率，减少了电动车驾驶人员驾驶过程中所需要考虑的因素，并有效地保护了电池。
附图说明
图1所示为传统的电动自行车控制系统100的结构示意图；
图2所示为根据本发明的一个实施例的电动车控制系统200的结构示意图；
图3所示为根据本发明的另一个实施例的电动车控制系统300的结构示意图；
图4所示为根据本发明的图3所示的实施例的电动车控制方法400的流程图；
图5所示为根据本发明的图2所示的实施例的电动车控制方法500的流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖所附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
另外，为了更好的理解本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、步骤、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明提供了一种电动自行车控制系统及方法，其由电池管理系统根据电池状态直接向电机控制器发送相应的控制信号来控制电机的输出功率。有利的是，电动车驾驶者不需要根据电池管理系统提供的电池状态的信息去人为地控制电机的功率，减少了驾驶者在驾驶过程中所考虑的因素，使电机的最大功率能够准确对应电池状态，有效保护电池。
图2所示为根据本发明的一个实施例的电动自行车控制系统200的结构示意图。电池管理系统204和电机控制器208分别对具有多个电池单元的电池包206和电机210进行监测和控制，电池包206负责向电机210提供电能，电机控制器208可由驾驶者202进行控制。电池管理系统204进一步包括有第一微控制器单元214以及n个前端模块212_1,212_2……212_n（其中，n为电池单元数）。电机控制器208进一步包括有第二微控制器单元216以及输出功率调节模块218。在一个实施例中，电池管理系统204中的n个前端模块212_1,212_2……212_n用以分别对电池包206中的单个电池单元的状态(例如，电池单元的电压、流过电池单元的电流以及电池单元的温度等)进行检测并生成相应的状态信号传输给第一微控制器单元214。第一微控制器单元214根据所接收到的各个电池单元的状态生成相应的控制信号，并进一步将所述控制信号发送给向电机控制器208。电机控制器208中的第二微控制器单元216根据接收到的控制信号进一步产生输出功率调节信号。输出功率调节模块218用于根据所述输出功率调节信号产生功率调节指令，以调节所述电机的输出功率。综上所述，本发明的电动自行车控制系统能够根据电池包中各个电池单元状态控制电机的输出功率，从而避免了由于单个电池异常可能诱发整个电动自行车的电池包的故障，实现智能化保护电池的作用。
图3所示为根据本发明的另一个实施例的电动自行车控制系统300的结构示意图。图3中与图2有着同样附图标记的元件有着类似的功能。图3将结合图2进行描述。电池管理系统204中还包括耦接于第一微控制器单元214的通信模块220，用以接收第一微控制器单元214发出的控制信号，并将所述控制信号传输至电机控制器208。电机控制器208中还包括通信模块222，用以接收所述电池管理系统204的通讯模块220传送的控制信号，并将所述控制信号进一步传送给第二微控制器单元216。
图4所示为根据本发明图3所示的实施例的电动自行车的控制方法400的流程图。图4将结合图3进行说明。在步骤402中，前端模块212_1,212_2……212_n监测电池包206中多个电池单元的单格状态，例如电池单元的电压、流过电池单元的电流以及电池单元的温度等，并生成相应的状态信号传送给电池管理系统204中的第一微控制器单元214。在步骤404中，电池管理系统204中的第一微控制器单元214根据接收到的状态信号生成相应的PWM信号。在步骤406中，BMS中的通信模块将生成的PWM信号传送给电机控制器中的通信模块。在步骤408中，电机控制器中的通信模块将接收到的PWM信号传送给电机控制器中的第二微控制单元。在步骤410中，电机控制器中的第二微控制器单元根据接收到的PWM信号调节电机控制器输出电流的上限值。
在一个实施例中，PWM信号的占空比越大，电机控制器的输出电流的上限值越小。
例如：1档：占空比为50%，最大电流输出
2档：占空比为75%，电流降低输出
3档：占空比为90%，电流继续降低
4档：占空比为100%，即恒压稳态，最低电流输出
然而本发明不限于上述示例，在另一个实施例中，PWM信号的占空比越大，电机控制器的输出电流的上限值也越大。
图5所示为根据本发明的图2所示的实施例的电动自行车的控制方法500的流程图。图5将结合图2进行说明。电动自行车的运行过程中，在步骤502中，前端模块212_1,212_2……212_n监测电池包206中的多个电池单元的单格状态，并生成相应的状态信号传送给电池管理系统204中的第一微控制器单元214。在步骤504中，电池管理系统204中的第一微控制器单元214根据所述状态信号生成相应的电平信号。具体而言，在一个实施例中，当电池包206中的所有电池单元处于正常状态时，所述电平信号为高电平；当电池包206中存在满足放电保护条件的电池单元时，所述电平信号为低电平。
在步骤508中，电机控制器208中的第二微控制器单元216识别来自电池管理系统204的电平信号是高电平还是低电平。如果是低电平，执行步骤510。在步骤510中，电机控制器208降低电机的最大输出功率，然后转到步骤502。在一个实施例中，更进一步，采用分档位的形式降低电机的最大输出功率。如果第二微控制器单元216识别来自电池管理系统204的电平信号是高电平，那么直接转到步骤502，电池管理系统204继续监测电池包206中各个电池单元的单格状态，并生成相应的电平信号。
在本发明的另一个实施例中，当电池包206中的所有电池单元处于正常状态时，所述电平信号为低电平，当电池包206中存在满足放电保护条件的电池单元时，所述电平信号为高电平。在步骤506中，第一微控制器单元214将所述电平信号传送给第二微控制器单元216。
此外，当电池管理系统204监测到当前的电池包的状态不能满足继续运行的条件时，由电池管理系统204发出告警信号，并进一步控制切断整个电动自行车的电源，以避免电池单元的永久性损坏，此外，在这种条件下，电池管理系统204还可以将电机控制器的最大输出功率限定为零或者某一预设的阈值，电机控制器208进一步控制关闭电机210，同时通知驾驶者202需要对电池包206充电。
虽然之前的说明和附图描述了本发明的实施例，应当理解在不脱离后附权利要求书所界定的本发明原理的精神和发明范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可以根据具体的环境和工作要求在不脱离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其他方面有所变化。因此，披露的实施例仅用于说明而非限制，本发明之范围由后附权利要求及其合法等同物界定，而不限于此前之描述。
Claims (17)
1.一种电动自行车控制系统，其包括具有多个电池单元的电池包、电池管理系统、电机控制器以及电机，其特征在于：所述电池管理系统根据单个电池单元的状态调节所述电机的输出功率，
所述电池管理系统还包括：
前端模块，用以监测所述电池包中各个电池单元的状态；以及
第一微控制器单元，用于根据所述各个电池单元的状态产生控制信号，
所述电机控制器还包括：
第二微控制器单元，用于根据所述控制信号进一步产生输出功率调节信号；以及
输出功率调节模块，用于根据所述输出功率调节信号产生功率调节指令，以调节所述电机的输出功率。
2.根据权利要求1所述的电动自行车控制系统，其特征在于，所述电池管理系统还包括通讯模块，用于将所述控制信号发送给所述电机控制器。
3.根据权利要求1所述的电动自行车控制系统，其特征在于，所述电机控制器还包括通讯模块，用于接收所述控制信号。
4.根据权利要求1所述的电动自行车控制系统，其特征在于，所述控制信号是PWM信号。
5.根据权利要求4所述的电动自行车控制系统，其特征在于，根据所述PWM信号的占空比，调节电机控制器输出电流的上限值，进而调节所述电机的输出功率。
6.根据权利要求1所述的电动自行车控制系统，其特征在于，所述控制信号是电平信号。
7.根据权利要求6所述的电动自行车控制系统，其特征在于，当所述电平信号为第一状态时，表示所述电池包中各个电池单元处于正常状态；当所述电平信号为第二状态时，表示所述电池包满足放电保护条件。
8.根据权利要求7所述的电动自行车控制系统，其特征在于，当所述电机控制器接收到表示电池包满足放电保护条件的电平信号时，降低所述电机的最大输出功率。
9.根据权利要求8所述的电动自行车控制系统，其特征在于，降低所述电机的最大输出功率采用分档位的形式。
10.一种电动自行车的控制方法，所述电动自行车包括具有多个电池单元的电池包、电池管理系统、电机控制器以及电机，其特征在于，所述电动自行车的控制方法包括下列步骤：
通过所述电池管理系统监测所述电池包中各个电池单元的状态；以及
根据所述各个电池单元的状态产生控制信号，并将所述控制信号发送给所述电机控制器，所述电机控制器根据接收到的所述控制信号调节所述电机的输出功率。
11.根据权利要求10所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，所述电动自行车的控制方法还包括：
根据所述控制信号进一步产生输出功率调节信号；以及
根据所述输出功率调节信号产生功率调节指令，以调节所述电机的输出功率。
12.根据权利要求10所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，所述控制信号是PWM信号。
13.根据权利要求12所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，根据所述PWM信号的占空比，调节电机控制器输出电流的上限值，进而调节所述电机的输出功率。
14.根据权利要求10所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，所述控制信号是电平信号。
15.根据权利要求14所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，当所述电平信号为第一状态时，表示所述电池包中各个电池单元处于正常状态；当所述电平信号为第二状态时，表示所述电池包满足放电保护条件。
16.根据权利要求15所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，当所述电机控制器接收到表示电池包满足放电保护条件的电平信号时，降低所述电机的最大输出功率。
17.根据权利要求16所述的电动自行车的控制方法，其特征在于，降低所述电机的最大输出功率采用分档位的形式。
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