CN105324677A - 大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法 - Google Patents

大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法 Download PDF

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张新源
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杨安陶
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Abstract

本发明涉及一种大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法，电源架构包含具有排序控制单元的行车电脑、多个可变组态串联式电池箱以及马达装置，各可变组态串联式电池箱还包含多个电池模块，电池箱轮休排序控制方法包含：行车电脑计算电池模块以及可变组态串联式电池箱的需求数量(S21)；行车电脑执行温度保护程序(S22)；排序控制单元计算模块积分并产生电池模块排序(S23)；排序控制单元依需求数量及电池模块排序启用电池模块(S24)；排序控制单元计算电池箱积分并产生电池箱排序(S25)；以及排序控制单元指示于电池箱排序末位的可变组态串联式电池箱进入休眠模式(S26)。

Description

大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法
技术领域
本发明涉及一种利用电池箱轮休排序的大型电动车电源架构及其控制方法， 尤其涉 及一种利用电脑程序进行实时计算电池模块排序和电池箱排序， 并利用轮休作业模式进 行动态式蓄电状态平衡作业的大型电动车电源架构及其控制方法。 背景技术
近年来石油能源短缺， 油价节节攀升， 全球变暖现象未舒解， 节能减碳是世界各国 政府的政策， 然而现今大部分的大型车辆还是使用石油作为动力来源， 所排放的废气造 成空气污染， 仅少部分的大型车辆采用电池为动力来源， 然而以电力作为动力来源仍有 着许多须克服的困难， 例如如何保持车辆内部多个电池蓄电量均衡以避免部分电池过度 放电造成寿命减短即为须克服的问题之一。
大型电动车辆因为动力和续航能力的需求， 一般需要将大量电池模块串并联以达到 其高电压及高电流的需求； 但是当电池模块以串联方式衔接时， 其放电电流一致， 所以 在电池箱内串接的电池模块一般都需匹配其电气特性，让各个电池模块的放电状态接近， 以确保长期使用中不会有部分电池因提前耗尽电力而导致过放损坏； 电池箱内串接的电 池模块的匹配作业过程耗时且成本昂贵， 导致电池模块的生产时程大幅拉长且售价无法 降低， 影响产品竞争力。
部分电动车辆使用多组电池并联的电源架构， 而并联架构在单一组电池故障时可持 续电源系统的运转作业， 但是由于每组电池模块的电气特性的差异， 仍然时常会导致部 分电池模块提前耗尽而进入低压保护状态， 导致电源系统的电流输出能力降低和电动车 续航能力明显下降的缺点。
更进一步的， 现有架构的另一问题是其马达驱动器的直流母线电压无法随着车速调 整。 当马达驱动器的直流母线电压大幅高出输出电压时， 驱动马达用的功率晶体管会处 在极低的责任周期， 导致输出的弦波失真， 产生扭力涟波并影响电机效率。
因此，如何提供一种可改善上述现有技术缺陷的大型电动车电源架构及其控制方法， 实为相关技术领域者目前所迫切需要解决的问题。 发明内容
本发明的目的是提供一种大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法， 可利 用电池箱轮休排序使所有电池模块的蓄电状态保持于一相近的范围， 且以最大的限度提 高电池模块利用率和大型电动车的续航能力。 本发明的另一目的是提供一种大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法， 可利用电池箱轮休排序搭配可变组态串联式电池箱的内部串联重组的功能， 分别调整每 一个电池模块的放电作业比例， 使得各电池模块即使在老化情况不同造成电容量大幅差 异的状态下， 仍然能够利用电池模块使用优先排序的实时动态信息来调整各电池模块之 间的充放电比例， 使得在电动车行驶途中， 电源架构内的各个电池箱内的总剩余电量能 尽可能地接近， 且电池箱内的各个电池模块的剩余电量亦能尽可能地接近； 而在理想状 态下， 当电动车回厂充电之时， 所有的电池模块均有等量的剩余电量。
本发明的另一目的是提供一种大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法， 可利用电池箱轮休排序搭配可变组态串联式电池箱的内部串联重组的功能， 尽可能地避 免任何一电池箱因为内部单一电池模块的放电状态过低而达到过放保护。
本发明的另一目的是提供一种大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法， 利用该串联重组的功能调整直流母线电压以维持驱动马达的功率晶体管的责任周期于最 佳作业范围， 进而避免扭力涟波， 使得电动车的马达在低功率输出动力之时能更稳定， 避免电动车的乘客感到不适。
本发明的另一目的是提供一种大型电动车电源架构及其电池箱轮休排序控制方法， 可通过温度保护程序避免温度过高的电池模块继续放电而影响行车安全与电池模块的寿 命。
为达上述目的， 本发明的一示例实施方式提供了一种大型电动车电源架构的电池箱 轮休排序控制方法， 该大型电动车电源架构包含具有一排序控制单元的一行车电脑、 多 个以并联方式连接的可变组态串联式电池箱以及一马达装置， 各该可变组态串联式电池 箱还包含多个以串联方式连接的电池模块， 该电池箱轮休排序控制方法包含步骤： 该行 车电脑根据该马达装置的行车需求计算该电池模块以及该可变组态串联式电池箱的需求 数量； 该行车电脑执行一温度保护程序， 将温度过高的该电池模块标记为不可用； 该排 序控制单元计算各该电池模块的模块积分， 以在各该可变组态串联式电池箱中产生一电 池模块排序； 该排序控制单元依照该电池模块需求数量及各该可变组态串联式电池箱的 该电池模块排序， 在各该可变组态串联式电池箱中启用该电池模块需求数量的该电池模 块； 该排序控制单元使用各该可变组态串联式电池箱中被启用的该电池模块的该模块积 分， 计算出各该可变组态串联式电池箱的电池箱积分， 并依照该电池箱积分产生一电池 箱排序； 以及该排序控制单元指示至少一个位于该电池箱排序末位的该可变组态串联式 电池箱进入休眠模式。
为达上述目的， 本发明另一示例实施方式提供了一种大型电动车电源架构的电池箱 轮休排序控制方法， 该大型电动车电源架构包含多个以并联方式连接的可变组态串联式 电池箱， 该可变组态串联式电池箱还包含多个以串联方式连接的电池模块， 其特征在于: 一电池模块排序的手段， 用以将各该可变组态串联式电池箱中的该电池模块进行排序， 并使至少一个位于该电池模块排序末位的该电池模块进入休眠模式； 一电池箱排序手段， 用以将各该可变组态串联式电池箱进行排序， 并使至少一个位于该电池箱排序末位的该 可变组态串联式电池箱进入休眠模式； 以及一温度保护手段， 用以将温度过高的该电池 模块排除于该电池模块排序手段与该电池箱排序手段中。
为达上述目的， 本发明又一示例实施方式提供了一种大型电动车电源架构， 包含： 多个可变组态串联式电池箱， 该多个可变组态串联式电池箱是以并联的方式相互连接， 且分别包含多个电池模块， 该电池模块是以串联的方式相互连接； 一马达装置， 是与该 多个可变组态串联式电池箱连接， 且包含一用以驱动该大型电动车的马达， 以及一用以 驱动该马达的马达驱动器； 以及一行车电脑， 是与该多个可变组态串连式电池箱连接， 用以侦测该马达装置的行车需求， 并计算该电池模块以及该可变组态串联式电池箱的需 求数量， 再执行一温度保护程序， 将温度过高的该电池模块标记为不可用， 且该行车电 脑还包含一排序控制单元， 用以执行一电池箱轮休排序程序， 其是将各该可变组态串联 式电池箱的该电池模块进行排序， 并根据排序启用该电池模块需求数量的该电池模块， 以及将各该可变组态串联式电池箱进行排序， 并指示至少一个位于该电池箱排序末位的 该可变组态串联式电池箱进入休眠模式。 附图说明
图 1是本发明较佳实施例的大型电动车电源架构的结构示意图。
图 2是本发明较佳实施例的第一可变组态串连式电池箱的细节结构示意图。
图 3是本发明较佳实施例的电池箱轮休控制程序的方法流程图。
图 4是本发明另一较佳实施例的电池箱轮休控制程序的方法流程图。 电源系统： 1
行车电脑： 10
行车控制单元： 101
第一可变组态串联式电池箱： 11
第一电池箱监控板： 110
第一电池箱第一电池模块： 111
第一电池箱第- -电芯串：
第一电池箱第- -电池模块监控板： 1112
第一电池箱第- -正极继电器： 1113
第一电池箱第- -负极继电器： 1114
第一电池箱第：：电池模块： 112
第一电池箱第：：电芯串： 1121
第一电池箱第：：电池模块监控板： 1122
第一电池箱第：：正极继电器： 1123 第一电池箱第二负极继电器： 1124 第一电池箱第三电池模块： 113 第一电池箱第三电芯串： 1131 第一电池箱第三电池模块监控板： 1132 第一电池箱第三正极继电器： 1133 第一电池箱第三负极继电器： 1134 第一电池箱第四电池模块： 114 第一电池箱第四电芯串： 1141 第一电池箱第四电池模块监控板： 1142 第一电池箱第四正极继电器： 1143 第一电池箱第四负极继电器： 1144 第二可变组态串联式电池箱： 12 第二电池箱监控板： 120
第二电池箱第一电池模块： 121 第二电池箱第二电池模块： 122 第二电池箱第三电池模块： 123 第二电池箱第四电池模块： 124 第三可变组态串联式电池箱： 13 第三电池箱监控板： 130
第三电池箱第一电池模块： 131 第三电池箱第二电池模块： 132 第三电池箱第三电池模块： 133 第三电池箱第四电池模块： 134 第四可变组态串联式电池箱： 14 第四电池箱监控板： 140
第四电池箱第一电池模块： 141 第四电池箱第二电池模块： 142 第四电池箱第三电池模块： 143 第四电池箱第四电池模块： 144 第一电池箱功率晶体管： 15
第二电池箱功率晶体管： 16
第三电池箱功率晶体管： 17
第四电池箱功率晶体管： 18
马达装置： 19
马达驱动器： 191 马达:： 192
步骤 S11 : S11
步骤 S12: S12
步骤 S13 : S13
步骤 S14: S14
步骤 S15 : S15
步骤 S21 : S21
步骤 S22: S22
步骤 S23 : S23
步骤 S24: S24
步骤 S25 : S25
步骤 S26: S26 具体实施方式
体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。 应理解的是 本发明能够在不同的实施方式中具有各种的变化， 其皆不脱离本发明的范围， 且其中的 说明及图式在本质上是当作说明之用， 而非用于限制本发明。
请参阅图 1， 其为本发明较佳实施例的大型电动车电源架构， 其中， 大型电动车可 为电动巴士或电动货车， 但不以此为限。 如图 1所示， 本实施例的电源架构 1包含行车 电脑 10、 多个可变组态串联式电池箱 11-14、 多个功率晶体管 15-18以及马达装置 19， 其中， 行车电脑 10还包含一排序控制单元 101， 可变组态串联式电池箱的数量是以四组 为本发明的示例实施方式， 但其数量并不限于四组， 而功率晶体管的数量是对应相同于 可变组态串联式电池箱的数量。 本实施例的四组可变组态串联式电池箱分别为第一可变 组态串联式电池箱 11、 第二可变组态串联式电池箱 12、 第三可变组态串联式电池箱 13 以及第四可变组态串联式电池箱 14， 其中， 各可变组态串联式电池箱皆包含一电池箱监 控板以及多个电池模块， 于本实施例中， 是以各可变组态串联式电池箱包含四个电池模 块为本发明的示例实施方式， 但其数量并不限于四个。 以第一可变组态串联式电池箱 11 为例， 第一可变组态串联式电池箱 11 包含一第一电池箱监控板 110 以及四个电池模块 111-114， 分别为第一电池箱第一电池模块 111、 第一电池箱第二电池模块 112、 第一电池 箱第三电池模块 113以及第一电池箱第四电池模块 114。
同样地， 如图 1所示， 第二可变组态串联式电池箱 12、 第三可变组态串联式电池箱 13以及第四可变组态串联式电池箱 14皆有与第一可变组态串联式电池箱 11相同的结构， 其中， 第二可变组态串联式电池箱 12包含一第二电池箱监控板 120 以及四个电池模块 121-124, 分别为第二电池箱第一电池模块 121、 第二电池箱第二电池模块 122、 第二电 池箱第三电池模块 123 以及第二电池箱第四电池模块 124; 第三可变组态串联式电池箱 13包含一第三电池箱监控板 130以及四个电池模块 131-134， 分别为第三电池箱第一电 池模块 131、第三电池箱第二电池模块 132、 第三电池箱第三电池模块 133以及第三电池 箱第四电池模块 134; 第四可变组态串联式电池箱 14包含一第四电池箱监控板 140以及 四个电池模块 141-144， 分别为第四电池箱第一电池模块 141、 第四电池箱第二电池模块 142、 第四电池箱第三电池模块 143以及第四电池箱第四电池模块 144。
而本实施例中对应于可变组态串联式电池箱的数量的多个功率晶体管分别为第一电 池箱功率晶体管 15、 第二电池箱功率晶体管 16、 第三电池箱功率晶体管 17以及第四电 池箱功率晶体管 18， 并分别与第一可变组态串联式电池箱 11、 第二可变组态串联式电池 箱 12、 第三可变组态串联式电池箱 13以及第四可变组态串联式电池箱 14连接。 马达装 置 19则包含马达驱动器 191以及马达 192， 其中， 马达驱动器 191是与第一电池箱功率 晶体管 15、 第二电池箱功率晶体管 16、 第三电池箱功率晶体管 17以及第四电池箱功率 晶体管 18连接， 以利用第一可变组态串联式电池箱 11、 第二可变组态串联式电池箱 12、 第三可变组态串联式电池箱 13 以及第四可变组态串联式电池箱 14所提供的电力驱动马 达 192的运转。
请参阅图 2， 其为第一可变组态串联式电池箱的细节结构示意图。 由于各可变组态 串联式电池箱的各电池模块的架构皆相同， 故于此以第一可变组态串联式电池箱 11的电 池模块为例做说明。 如图 2所示， 第一电池箱第一电池模块 111包含第一电池箱第一电 芯串 1111、第一电池箱第一电池模块监控板 1112、第一电池箱第一正极继电器 1113以及 第一电池箱第一负极继电器 1114; 第一电池箱第二电池模块 112包含第一电池箱第二电 芯串 1121、 第一电池箱第二电池模块监控板 1122、 第一电池箱第二正极继电器 1123 以 及第一电池箱第二负极继电器 1124; 第一电池箱第三电池模块 113包含第一电池箱第三 电芯串 1131、 第一电池箱第三电池模块监控板 1132、 第一电池箱第三正极继电器 1133 以及第一电池箱第三负极继电器 1134; 第一电池箱第四电池模块 114包含第一电池箱第 四电芯串 1141、第一电池箱第四电池模块监控板 1142、第一电池箱第四正极继电器 1143 以及第一电池箱第四负极继电器 1144。 以此类推， 第二可变组态串联式电池箱 12、 第三 可变组态串联式电池箱 13 以及第四可变组态串联式电池箱 14均以同样方式架构。 各电 池模块监控板是将所属的电池模块的蓄电状态信息 (State of Charge, SOC) 、电池健康状态 信息 (State of Health, S0H)和电芯温度信息等通过各电池箱监控板传送至行车电脑 10， 以 供排序控制单元 101利用一电池模块排序手段以及一电池箱排序手段进行一电池模块排 序以及一电池箱排序。
请再参阅图 1， 于本实施例中， 各可变组态串联式电池箱的供电回路是经由各自所 对应的功率晶体管以形成一个四组可变组态串联式电池箱并联的电源架构以供应至马达 驱动器 192， 其中， 第一电池箱功率晶体管 15、 第二电池箱功率晶体管 16、 第三电池箱 功率晶体管 17以及第四电池箱功率晶体管 18分别与第一可变组态串联式电池箱 11、 第 二可变组态串联式电池箱 12、第三可变组态串联式电池箱 13以及第四可变组态串联式电 池箱 14串联连接， 而串联连接的第一电池箱功率晶体管 15与第一可变组态串联式电池 箱 11、 第二电池箱功率晶体管 16与第二可变组态串联式电池箱 12、 第三电池箱功率晶 体管 17与第三可变组态串联式电池箱 13以及第四电池箱功率晶体管 18与第四可变组态 串联式电池箱 14则是并联连接于行车电脑 10与马达装置 19之间。各可变组态串联式电 池箱内的电池模块皆是通过自身的继电器串联连接， 且各可变组态串联式电池箱内的电 池箱监控板的一端是与所含的电池模块的各电池模块监控板连接， 另一端则是与行车电 脑 10连接。 此外， 行车电脑 10亦与第一电池箱功率晶体管 15、 第二电池箱功率晶体管 16、 第三电池箱功率晶体管 17以及第四电池箱功率晶体管 18连接。
请再参阅图 2， 以第一可变组态串联式电池箱 11为例， 电池模块 111-114更于各自 的继电器之间包含一旁通回路 （未标号）， 而电池模块 111-114的各继电器皆是由所属电 池模块的电池模块监控板所控制， 以选择连接至所属电池模块的电芯串或所属电池模块 的旁通回路 (未标号)，各电池模块的电池模块监控板则是由排序控制单元 101根据一电池 箱轮休排序所控制， 通过该旁通回路选择性连接的功能， 本电源架构 1 的各可变组态串 联式电池箱均能利用其内部串联重组功能且根据排序控制单元 101 的指令， 通过各电池 模块的继电器选择性地串联内部的四个电池模块， 将各电池模块切换至供电模式或休眠 模式， 使其电池模块加入或摒除于所属可变组态串联式电池箱的供电回路。 此外， 排序 控制单元 101更可独立控制各功率晶体管的作动， 由于各功率晶体管均能独立切断各自 所搭配的可变组态串联式电池箱的供电回路，故可控制可变组态串联式电池箱导通与否， 以配合行车电脑 10的指令来设定优先供电的可变组态串联式电池箱。
请参阅图 3， 其为本发明大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法的流程图。 如步骤 S11所示， 行车电脑 10会先侦测或预测电动车的马达目标转速， 且因马达转速与 马达 192的驱动电压为一比例关系，故行车电脑 10可经由车速记录以及行驶中的油门踏 板反应预测接下来的马达转速范围， 再以此设定一目标马达转速范围， 并使电源架构 1 调整马达驱动器 191 内的一直流母线电压至对应该目标马达转速范围的最佳设定， 于此 设定下， 各个电池箱功率晶体管于供电至马达驱动器 191 时便能避免其责任周期过短或 过长并接近理想责任周期。 而马达驱动器 191 的直流母线电压是对应至四个可变组态串 联式电池箱 11-14中被设定为供电模式的电池模块的串联数量， 因此步骤 S11是通过马 达转速与电压需求的比例关系， 计算出所需要的直流母线电压范围， 再根据直流母线电 压范围计算出所需要的电池模块需求数量 N。
另一方面， 行车电脑 10也会侦测或预测电动车的马达目标扭力， 由于电动车的马达 加速能力取决于电流量， 而马达驱动器 191用于驱动马达 192的电流是由可变组态串联 式电池箱的并联数量所限制， 因此行车电脑 10计算出当下可能所需要的的加速能力即为 马达目标扭力范围， 并计算出马达驱动器 191 的驱动电流范围， 并设定后续加速作业或 减速作业所需要的可变组态串联式电池箱需求数量 C。 如步骤 S12所示，排序控制单元 101将利用前述行车电脑 10所测得的各电池模块的 蓄电状态、 电池健康状态和电芯温度， 对各电池模块计算一对应的模块积分， 再根据模 块积分的高低， 对每一可变组态串联式电池箱内的电池模块进行排序， 以产生一电池模 块排序， 其中， 模块积分是由一个含有电池模块的蓄电状态信息、 电池健康状态信息、 电芯温度信息或其组合的公式所定义， 范例如以下公式所示但并不限于此：
公式一 模块积分 SOC - (电芯温度 X补偿系数）
公式二 模块积分 (SOC X电池寿命折减系数） - (电芯温度 X补偿系数） 公式三 模块积分 (SOC X SOH) - (电芯温度 X温升补偿系数）
公式四 模块积分 SOC - ((电芯温度 - 气温） X温升补偿系数）
公式五 模块积分 SOC ((电芯温度 电池箱内部温度） X温升）
公式六 模块积分 SOC ((电芯温度 理想电芯温度） X温升补偿系数） 公式七 模块积分 SOC ((电芯温度 所有模块的平均电芯温度） X温升补 偿系数）
公式八： 模块积分 = (SOC X SOH) - 温升补偿系数 X (电芯温度
电量 X热损比例系数） (散热系数 X (电池温度 - 电池箱内部温度；
公式九：模块积分 (SOC X SOH) - (温升补偿系数 X (电芯温度
度》 2
其中，上述公式中的 (SOC X SOH)为一计算实际电池模块内部电容量的方法， 即蓄电 状态（State of Charge, SOC)与电池健康状态 (State of Health, SOH)的乘积， 公式七和公式 八均为利用排序控制单元 101计算电池模块的升温是否正常， 于一般状态下， 当电芯温 度异常发热时， 此电池模块在电池模块排序的模块积分较正常发热的电池模块低， 而在 各电池模块的电芯温度接近之时， 电容量较高的电池模块应该优先使用所以在电池模块 排序的模块积分较高， 故由上述公式可知， 电池模块的模块积分不仅是与电池模块的蓄 电状态呈正相关， 且与该电池模块的升温曲线相关， 更与该电池模块的电芯温度呈负相 关。
延续步骤 S12的程序， 如步骤 S13所示， 待排序控制单元 101决定各可变组态串联 式电池箱内部的电池模块排序后， 排序控制单元 101便于各可变组态串联式电池箱内， 依照电池模块排序以及步骤 S11所计算的电池模块的需求数量 N， 选出模块积分最高的 N个电池模块， 并通过该电池模块的电池模块监控板控制该电池模块的继电器， 使其连 接至该电池模块的电芯串， 将被选出的电池模块并入其电池箱的串联连接的供电回路来 调整其供电电压， 此外， 排序控制单元 101亦会对未选上的电池模块的电池模块监控板 发出指令， 使其继电器连接至旁通回路， 以将未选上的电池模块排除于所属电池箱的供 电回路， 使其进入休眠模式。
延续步骤 S13的程序， 如步骤 S14所示， 待各可变组态串联式电池箱的电池模块 t, 依照电池模块排序及需求数 N启用后， 排序控制单元 101再将各可变组态串联式电池 箱启用的电池模块的模块积分累加， 将该累加的结果定义为该可变组态串联式电池箱的 电池箱积分， 并依照积分高低得出一电池箱排序。
延续步骤 S14的程序， 如步骤 S15所示， 待排序控制单元 101决定各可变组态串联 式电池箱的电池箱排序后， 排序控制单元 101将依照电池箱排序以及步骤 S11所计算的 电池箱的需求数量 C， 选出电池箱积分最高的 C个电池箱， 并通过排序控制单元 101控 制该电池箱所对应的功率晶体管， 使该积分较高的可变组态串联式电池箱与马达装置 19 连接以组成一符合行车需求的电源架构， 此外， 排序控制单元 101亦会控制位于电池箱 排序末位而未启用的可变组态串联式电池箱所对应的功率晶体管， 使其截止该未启用的 可变组态串联式电池箱与马达装置 19的连接，指示该未启用的可变组态串联式电池箱进 入休眠模式。 因此， 本发明所提出的电池箱轮休排序控制是利用停止优先排序较末位的 可变组态串联式电池箱的电力输出， 以平衡各可变组态串联式电池箱之间的电池模块蓄 电量的总和， 且避免电池箱积分较低的可变组态串联式电池箱继续供电导致过热或过放 的问题。
因此， 本发明的电源架构即是利用此电池箱轮休排序让每一个可变组态串联式电池 箱的总和剩余电力最大限度的接近， 而每一个可变组态串联式电池箱内的电池模块的蓄 电状态亦会非常接近， 从而避免单一电池模块的蓄电状态过低而进入过放保护模式导致 该可变组态串联式电池箱无法提供足够的供电电压， 并且尽可能地使电池模块以及可变 组态串联式电池箱的使用寿命最大化。
以下将以表 1做为本发明电池箱轮休排序控制方法示例实施方式的说明， 其中， 第 一可变组态串联式电池箱、 第二可变组态串联式电池箱、 第三可变组态串联式电池箱以 及第四可变组态串联式电池箱分别由电池箱 1、电池箱 2、电池箱 3以及电池箱 4简称的， 而各可变组态串联式电池箱的第一电池模块、 第二电池模块、 第三电池模块以及第四电 池模块则分别由模块 1、 模块 2、 模块 3以及模块 4作为简称。 于此一示例实施方式中， 假定步骤 S11所计算出电池模块的需求数量 N以及可变组态串联式电池箱的需求数量 C 分别为 2以及 3，接着，根据步骤 S12进行电池模块积分计算及排序， 电池箱 1的模块 1、 模块 2、 模块 3以及模块 4的模块积分依序为 40、 38、 30、 32, 故电池箱 1的模块 1、 模 块 2、 模块 3以及模块 4的电池模块排序依序为 1、 2、 4、 3， 依此类推， 电池箱 2-4亦 可根据各自模块的模块积分产生一如表 1所示的电池模块排序， 待完成各自的电池模块 排序后， 即如步骤 S13所述， 排序控制单元将依照电池模块的需求数量 N以及电池模块 排序启用对应于需求数量的电池模块，故于表 1的示例实施方式中， 电池箱 1中的模块 1 以及模块 2通过对应的继电器连接至电芯串以设定为供电模式， 而模块 3以及模块 4则 通过对应的继电器连接至其旁通回路以设定为休眠模式； 同样地， 电池箱 2 中的模块 2 以及模块 3通过对应的继电器连接至电芯串以设定为供电模式， 而模块 1 以及模块 4则 通过对应的继电器连接至其旁通回路以设定为休眠模式；电池箱 3中的模块 4以及模块 1 通过对应的继电器连接至电芯串以设定为供电模式， 而模块 2以及模块 3则通过对应的 继电器连接至其旁通回路以设定为休眠模式； 电池箱 4中的模块 1 以及模块 3通过对应 的继电器连接至电芯串以设定为供电模式， 而模块 2以及模块 4则通过对应的继电器连 接至其旁通回路以设定为休眠模式。
待各电池箱的模块皆依照电池模块排序启用后， 即如步骤 S14所述， 排序控制单元 依照被启用的电池模块积分计算各电池箱的电池箱积分， 并产生一电池箱排序， 于此一 示例实施方式中， 电池箱 1的积分为模块 1以及模块 2的积分总和， 即 78分； 电池箱 2 的积分为模块 2以及模块 3的积分总和， 即 76分； 电池箱 3的积分为模块 4以及模块 1 的积分总和， 即 77分； 电池箱 4的积分为模块 1以及模块 3的积分总和， 即 75分。 根 据上述电池箱积分可知， 此示例实施方式中的电池箱排序依序为电池箱 1、 电池箱 3、 电 池箱 2以及电池箱 4， 因此电池箱 4为此示例实施方式中排序最末位的电池箱。接着， 如 步骤 S15所述， 指示至少一个位于该电池箱排序末位的该可变组态串联式电池箱进入休 眠模式， 故依照本示例实施方式的电池箱排序， 排序控制单元将设定电池箱 4进入休眠 模式， 而其余电池箱则设定为正常的供电状态， 以达到平衡电量以及延长电池寿命的目 的。
在电动车运转时， 所需的电池模块的需求数量 N亦会跟着马达转速而变化， 而电池 箱排序也会随的变化， 使得被列为优先使用的电池箱也会随的改变， 例如当电动车速较 高使得马达转速较高时， 所计算出电池模块的需求数量 N也会增加， 故即使在各电池模 块积分及排序都不变的情况下， 也会影响电池箱的排序结果。 以下将以表 2做为另一示 例实施方式的说明， 其中， 表 2的各电池模块积分及排序皆与表 1相同， 惟表 1的 N=2， 而表 2的 N=3。故于表 2的示例实施方式中， 电池箱 1将启用模块 1、模块 2以及模块 4， 且模块积分总合为 110分； 电池箱 2将启用模块 2、 模块 3以及模块 1， 且模块积分总合 为 112分； 电池箱 3将启用模块 4、 模块 1以及模块 3， 且模块积分总合为 109分； 电池 箱 4将启用模块 1、 模块 3以及模块 2， 且模块积分总合为 111分。
根据上述电池箱积分可知， 此示例实施方式中的电池箱排序依序为电池箱 2、 电池 箱 4、 电池箱 1以及电池箱 3， 因此电池箱 3为此示例实施方式中排序最末位的电池箱， 故进入休眠模式的电池箱将从表 1的电池箱 4切换为表 2的电池箱 3。
由上述对照结果可见， 电池箱排序会依照行车需求以及电池模块积分而实时改变， 而利用此电池箱轮休排序来控制各个电池模块的充放电比例， 能够让每一个电池箱的总 和剩余电力最大限度的接近， 而每一个电池箱内的电池模块的蓄电状态亦会非常接近， 从而避免单一电池模块的蓄电状态过低而进入过放保护模式导致该电池箱无法提供足够 的供电电压。
请参阅图 4， 其为本发明大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法另一较佳 实施例的流程图，如步骤 S21所示，行车电脑 10会先侦测或预测电动车的马达目标转速， 且因马达转速与马达 192的驱动电压为一比例关系，故行车电脑 10可经由车速记录以及 行驶中的油门踏板反应预测接下来的马达转速范围， 再以此设定一目标马达转速范围， 并使电源架构 1调整马达驱动器 191 内的一直流母线电压至对应该目标马达转速范围的 最佳设定， 于此设定下， 各个电池箱功率晶体管于供电至马达驱动器 191 时便能避免其 责任周期过短或过长并接近理想责任周期。 而马达驱动器 191 的直流母线电压是对应至 四个可变组态串联式电池箱 11-14 中被设定为供电模式的电池模块的串联数量， 因此步 骤 S21是通过马达转速与电压需求的比例关系， 计算出所需要的直流母线电压范围， 再 根据直流母线电压范围计算出所需要的电池模块需求数量？^。
另一方面， 行车电脑 10也会侦测或预测电动车的马达目标扭力， 由于电动车的马达 加速能力取决于电流量， 而马达驱动器 191用于驱动马达 192的电流是由可变组态串联 式电池箱的并联数量所限制， 因此行车电脑 10计算出当下可能所需要的的加速能力即为 马达目标扭力范围， 并计算出马达驱动器 191 的驱动电流范围， 并设定后续加速作业或 减速作业所需要的可变组态串联式电池箱需求数量 C。
接着如步骤 S22所示，行车电脑 10执行一温度保护程序， 亦即侦测每一电池模块的 温度， 若电池模块的温度高于一预设的温度保护门槛， 则将该电池模块标记为不可用， 使其不列入后续步骤的积分计算过程。
再如步骤 S23所示，排序控制单元 101将利用前述行车电脑 10所测得的各电池模块 的蓄电状态、 电池健康状态和电芯温度， 对通过温度保护程序的各电池模块计算一对应 的模块积分， 再根据模块积分的高低， 对每一可变组态串联式电池箱内通过温度保护程 序的电池模块进行排序， 以产生一电池模块排序， 其中， 模块积分是由一个含有电池模 块的蓄电状态信息、 电池健康状态信息、 电芯温度信息或其组合的公式所定义， 范例则 如前述的公式一至公式九所示， 但并不限于此。
延续步骤 S23的程序， 如步骤 S24所示， 待排序控制单元 101决定各可变组态串联 式电池箱内部的电池模块排序后， 排序控制单元 101便于各可变组态串联式电池箱内， 依照电池模块排序以及步骤 S21所计算的电池模块的需求数量 N， 由通过温度保护程序 的电池模块中选出模块积分最高的 N个电池模块， 并通过该电池模块的电池模块监控板 控制该电池模块的继电器， 使其连接至该电池模块的电芯串， 将被选出的电池模块并入 其电池箱的串联连接的供电回路来调整其供电电压， 此外， 排序控制单元 101亦会对未 选上或未通过温度保护程序的电池模块的电池模块监控板发出指令， 使其继电器连接至 旁通回路， 以将未选上或未通过温度保护程序的电池模块排除于所属电池箱的供电回路， 使其进入休眠模式。
延续步骤 S24的程序， 如步骤 S25所示， 待各可变组态串联式电池箱的电池模块皆 依照电池模块排序及需求数量 N启用后， 排序控制单元 101再将各可变组态串联式电池 箱启用的电池模块的模块积分累加， 将该累加的结果定义为该可变组态串联式电池箱的 电池箱积分， 并依照积分高低得出一电池箱排序。
延续步骤 S25的程序， 如步骤 S26所示， 待排序控制单元 101决定各可变组态串联 式电池箱的电池箱排序后， 排序控制单元 101将依照电池箱排序以及步骤 S21所计算的 电池箱的需求数量 C， 选出电池箱积分最高的 C个电池箱， 并通过排序控制单元 101控 制该电池箱所对应的功率晶体管， 使该积分较高的可变组态串联式电池箱与马达装置 19 连接以组成一符合行车需求的电源架构， 此外， 排序控制单元 101亦会控制位于电池箱 排序末位而未启用的可变组态串联式电池箱所对应的功率晶体管， 使其截止该未启用的 可变组态串联式电池箱与马达装置 19的连接，指示该未启用的可变组态串联式电池箱进 入休眠模式。 因此， 本发明所提出的电池箱轮休排序控制是利用停止优先排序较末位的 可变组态串联式电池箱的电力输出， 以平衡各可变组态串联式电池箱之间的电池模块蓄 电量的总和， 且避免电池箱积分较低的可变组态串联式电池箱继续供电导致过热或过放 的问题。
相较于图 3所示实施例，本实施例的电池箱轮休排序控制方法是增加温度保护程序， 以将温度过高的电池模块排除于供电回路外， 以避免该电池模块影响行车安全或降低整 体效率。
综上所述， 本发明的电源架构通过电池箱轮休排序控制能够有效地解决电池箱内各 个电池模块因为老化程度不同， 使得各个电池模块内电力的耗电量不同， 造成一个电池 箱内部份电池模块电力过剩、 部分电池模块进入过放保护模式， 以及电池模块与电池箱 的使用寿命短缩问题， 而且， 此电池箱轮休排序的积分计算方式更可以加入温升补偿系 数， 让温度过高的电池模块的排序积分降低， 以避免温度过高的电池模块被列为优先供 电的电池模块， 以达到避免温度因素影响整体电源架构效能的问题， 除此之外， 还可预 先将温度过高的电池模块标记为不可用使其排除于电池模块排序， 以免影响行车安全或 降低整体效率。 另一方面， 本发明的电源架构可使所有电池模块的蓄电状态保持于一相 近的范围， 且以最大的限度提高电池模块利用率和大型电动车的续航能力， 更可利用电 池箱轮休排序搭配可变组态串联式电池箱的内部串联重组的功能， 分别调整每一个电池 模块的放电作业比例， 使得各电池模块即使在老化情况不同造成电容量大幅差异的状态 下， 仍然能够利用电池模块使用优先排序的实时动态信息来调整各电池模块之间的充放 电比例， 使得在电动车行驶途中， 电源架构内的各个电池箱内的总剩余电量能尽可能地 接近， 且电池箱内的各个电池模块的剩余电量亦能尽可能地接近； 而在理想状态下， 当 电动车回厂充电之时， 所有的电池模块均有等量的剩余电量， 又可利用电池箱轮休排序 搭配可变组态串联式电池箱的内部串联重组的功能， 尽可能地避免任何一电池箱因为内 部单一电池模块的放电状态过低而达到过放保护。

Claims (13)

  1. 权利要求
    1.一种大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在于， 该大型电动 车电源架构包含具有一排序控制单元的一行车电脑、 多个以并联方式连接的可变组态串 联式电池箱以及一马达装置， 各该可变组态串联式电池箱还包含多个以串联方式连接的 电池模块， 该电池箱轮休排序控制方法包含步骤：
    (a)该行车电脑根据该马达装置的行车需求计算该电池模块以及该可变组态串联式 电池箱的需求数量；
    (b)该行车电脑执行一温度保护程序， 将温度过高的该电池模块标记为不可用；
    (c)该排序控制单元计算各该电池模块的模块积分， 以在各该可变组态串联式电池箱 中产生一电池模块排序；
    (d)该排序控制单元依照该电池模块需求数量及各该可变组态串联式电池箱的该电 池模块排序， 在各该可变组态串联式电池箱中启用该电池模块需求数量的该电池模块；
    (e)该排序控制单元使用各该可变组态串联式电池箱中被启用的该电池模块的该模 块积分， 计算出各该可变组态串联式电池箱的电池箱积分， 并依照该电池箱积分产生一 电池箱排序； 以及
    (f)该排序控制单元指示至少一个位于该电池箱排序末位的该可变组态串联式电池 箱进入休眠模式。
  2. 2.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 于步骤 (a)中， 该行车电脑是侦测或预测行驶中的电动车的马达转速， 再根据该转速 计算一直流母线电压， 以决定该电池模块的该需求数量。
  3. 3.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 于步骤 (a)中， 该行车电脑是侦测或预测行驶中的电动车的马达扭力， 再根据该扭力 决定该可变组态串联式电池箱的该需求数量。
  4. 4.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 步骤 (b)的该温度保护程序是通过该行车电脑侦测该多个电池模块的温度， 再将该多 个电池模块中温度过高的该电池模块标记为不可用。
  5. 5.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 步骤 (c)的该模块积分是由该电池模块的蓄电状态信息、 健康状态信息、 温度信息或 其组合所定义。
  6. 6.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 步骤 (d)还包含将未被启用的该电池模块与一旁通回路连接的步骤。
  7. 7.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 步骤 (e)的该电池箱积分是选出步骤 (c)所启用的该电池模块的该模块积分并将其加总 为该电池箱积分。
  8. 8.如权利要求 1所述的大型电动车电源架构的电池箱轮休排序控制方法， 其特征在 于， 步骤 (f)是通过控制对应于至少一个位于该电池箱排序末位的该可变组态串联式电池 箱的至少一个功率晶体管， 使该功率晶体管截止该可变组态串联式电池箱与该马达装置 的连接， 进而使该可变组态串联式电池箱进入休眠模式。
  9. 9.一种大型电动车电源架构， 其特征在于， 包含：
    多个可变组态串联式电池箱， 该多个可变组态串联式电池箱是以并联的方式相互连 接， 且分别包含多个电池模块， 该电池模块是以串联的方式相互连接；
    一马达装置， 是与该多个可变组态串联式电池箱连接， 且包含一用以驱动该大型电 动车的马达， 以及一用以驱动该马达的马达驱动器； 以及
    一行车电脑， 是与该多个可变组态串连式电池箱连接， 用以侦测该马达装置的行车 需求， 并计算该电池模块以及该可变组态串联式电池箱的需求数量， 再执行一温度保护 程序， 将温度过高的该电池模块标记为不可用， 且该行车电脑还包含一排序控制单元， 用以执行一电池箱轮休排序程序， 其是将各该可变组态串联式电池箱的该电池模块进行 排序， 并根据排序启用该电池模块需求数量的该电池模块， 以及将各该可变组态串联式 电池箱进行排序， 并指示至少一个位于该电池箱排序末位的该可变组态串联式电池箱进 入休眠模式。
  10. 10.如权利要求 9所述的大型电动车电源架构， 其特征在于， 该可变组态串联式电池 箱还包含一电池箱监控板， 连接于该行车电脑与该电池模块之间， 用以接收该行车电脑 的指令以控制该电池模块。
  11. 11.如权利要求 9所述的大型电动车电源架构， 其特征在于， 该温度保护程序是通过 该行车电脑侦测该多个电池模块的温度， 再将温度过高的该电池模块标记为不可用， 使 其排除于该电池箱轮休排序程序。
  12. 12.如权利要求 9所述的大型电动车电源架构， 其特征在于， 该电池模块还包含一电 池模块监控板、 一电芯串、 一继电器以及一旁通回路， 其中该电池模块监控板是控制该 继电器选择性地与该电芯串或该旁通回路连接， 以使该电池模块进入供电模式或休眠模 式。
  13. 13.如权利要求 9所述的大型电动车电源架构， 还包含多个功率晶体管， 其是对应设 置于该多个可变组态串联式电池箱与该马达装置之间， 并与该行车电脑连接， 使其可接 收该行车电脑的指令以控制该可变组态串联式电池箱进入休眠模式。
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