TWI484747B - 以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統及其方法 - Google Patents

Description

以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統及其方法

本發明涉及一種驅動系統及其方法，特別是指以電池殘電量調整輸出功率之驅動系統及其方法。

近年來，隨著電動車的普及與蓬勃發展，如何提高電動車的續航力已成為各家廠商亟欲解決的問題之一。

一般而言，傳統的燃油車與電動車兩者最大的差異在於傳統的燃油車在剩餘80%的燃油與剩餘10%的燃油均具有相同的燃油燃燒轉換率，並不會因為油量下降而使能量轉換率縮減，反觀以鋰電池為能量的電動車，由於鋰電池為時變系統，亦即鋰電池的能量輸出性能會隨其殘電量的多寡而產生變化，如：80%的殘電量與10%的殘電量具有不同的能量轉換效率，因此，當使用者在電池殘電量不足的情況下，倘若仍以大馬力輸出，為了維持同樣的輸出功率，馬達必須對電池抽取大電流造成可能發生斷電的現象，不但無法充分利用電池的剩餘能源，甚至還會因為過放電導致電池永久性損毀。

有鑑於此，便有廠商提出一種以電池管理系統，藉由對電池進行監控與管理，提供充放電管理、預警與保護等功能，進而提高電池充放電效率與延長電池使用壽命。然而，由於傳統的估算方式無法精確判斷電池殘電量，為了避免過放電，所以電池管理系統估算出的電池殘電量通常會遠低於電池實際的殘電量，導致實際上有一部分的能源完全無法被利用，因此，上述方式仍然無法有效解決電池的能源利用率不佳之問題。另外，上述方式在電池殘電量不足的情況 下，同樣也無法避免馬達對電池抽取大電流造成可能發生斷電的現象。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在電池的能源利用率之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

本發明揭露一種以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統及其方法。

首先，本發明揭露一種以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統，此系統包含：初始模組、計算模組、調整模組及驅動模組。其中，初始模組用以預先根據電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應放電倍率上限及持續時間上限；計算模組用以持續計算電池殘電量，並根據電池殘電量選擇相應的放電區間，以及載入選擇的放電區間所對應的放電倍率上限及持續時間上限；調整模組用以在電池的放電倍率大於載入的放電倍率上限且持續時間大於持續時間上限時，將電池的放電倍率以線性方式遞減直到低於放電倍率上限為止，以使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整；驅動模組用以持續根據調整後的電池輸出電流、開路電壓及電池內阻產生相應的輸出功率以驅動馬達。

另外，本發明揭露一種以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其步驟包括：預先根據電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應放電倍率上限及持續時間上限；持續計算電池殘電量，並根據此電池殘電量選擇相應的放電區間，以及載入選擇的放電區間所對應的放電倍率上限及持續時間上限；在電池的放電倍率大於載入的放電倍率上限且持續時間大於持續時間上限時，將電池的放電倍率以線性方式遞減直到低於放電倍率上限為止，以使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整； 持續根據調整後的電池輸出電流、開路電壓及電池內阻產生相應的輸出功率以驅動馬達。

本發明所揭露之系統與方法如上，與先前技術的差異在於本發明是透過電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，並且根據電池殘電量選擇相應的放電區間，使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應調整，以便根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及馬達的反饋信號產生相應的輸出功率以驅動馬達。

透過上述的技術手段，本發明可以達成提高電池的能源利用率之技術功效。

101‧‧‧電池

102‧‧‧馬達

110‧‧‧初始模組

120‧‧‧計算模組

130‧‧‧調整模組

140‧‧‧驅動模組

310‧‧‧1C放電曲線

步驟210‧‧‧預先根據電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應一放電倍率上限及一持續時間上限

步驟220‧‧‧持續計算一電池殘電量，並根據該電池殘電量選擇相應的放電區間，以及載入選擇的該放電區間所對應的該放電倍率上限及該持續時間上限

步驟230‧‧‧在電池的放電倍率大於載入的該放電倍率上限且持續時間大於該持續時間上限時，將電池的放電倍率以線性方式遞減直到低於該放電倍率上限為止，以使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整

步驟240‧‧‧持續偵測一馬達的扭力及轉速至少其中之一以作為一反饋信號，並且根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及該反饋信號產生相應的輸出功率以驅動該馬達

步驟241‧‧‧在產生輸出功率時，偵測當前扭力且當該當前扭力大於預 設扭力時，調降輸出功率直到當前扭力小於該預設扭力為止

步驟251‧‧‧檢查電池殘量區間(65%<放電深度<95%)

步驟252‧‧‧檢測放電C數是否超過2C

步驟253‧‧‧是否超過10秒

步驟254‧‧‧啟動限流機制使放電C數在1秒內降回2C以下

步驟261‧‧‧檢查電池殘量區間(35%<放電深度<65%)

步驟262‧‧‧檢測放電C數是否超過2C

步驟263‧‧‧是否超過10秒

步驟264‧‧‧啟動限流機制使放電C數以線性方式降回2C以下

步驟271‧‧‧檢查電池殘量區間(15%<放電深度<35%)

步驟272‧‧‧計算輸出功率

步驟273‧‧‧檢查輸出功率是否超過限制

步驟274‧‧‧調降轉速

第1圖為本發明以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統之系統方塊圖。

第2圖為本發明以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法之方法流程圖。

第2A圖及第2B圖為本發明的能量控制演算實施例之流程圖。

第3圖為本發明的放電區間之示意圖。

第3A圖及第3B圖為定義及計算電池殘電量的百分比之示意圖。

第4A圖至第4C圖為應用本發明在第一個放電區間的限流機制之示意圖。

第5A圖及第5B圖為應用本發明在第二個放電區間的限流機制之示意圖。

第6圖為應用本發明在第三個放電區間調整輸出功率之示 意圖。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

在說明本發明所揭露之以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統及其方法之前，先對本發明所自行定義的名詞作說明，本發明所述的放電區間是指對應放電深度(Depth of Discharge,DOD)及原始電量的多個區間，舉例來說，假設放電深度為80%、原始電量為100%，那麼可在15%至95%的範圍設置多個放電區間，如：第一個放電區間可在95%至66%的範圍、第二個放電區間可在65%至36%的範圍及第三個放電區間可在35%至15%的範圍。特別要說明的是，本發明並未限定放電區間的數量及範圍，稍後將配合圖式對放電區間做詳細說明。

以下配合圖式對本發明以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統及其方法做進一步說明，請參閱「第1圖」，「第1圖」為本發明以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統之系統方塊圖，此系統包含：初始模組110、計算模組120、調整模組130及驅動模組140。其中，初始模組110用以預先根據電池101的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應放電倍率上限及持續時間上限，所述放電倍率(亦可稱為放電C數)上限係根據電池芯的電氣特性進行相應設定，例如可設為“2C”，至於持續時間上限可包含常數或變數，例如設為數值“10”代表十秒，或設為變數，此變數是透過預設的線性遞減公式及電池殘電量所計算生成。

計算模組120用以持續計算電池殘電量，並根據此電池殘電量選擇相應的放電區間，以及載入選擇的放電區 間所對應的放電倍率上限及持續時間上限。在實際實施上，電池殘電量可透過習知的計算方式來計算，或是可透過查表方式生成電池動態內阻電量的分量以及透過庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量後，將這兩個相互垂直的分量相加合成以計算出電池殘電量，稍後將配合圖式詳細說明其計算方式。

調整模組130用以在電池101的放電倍率大於載入的放電倍率上限且持續時間大於持續時間上限時，將電池101的放電倍率以線性方式遞減直到低於放電倍率上限為止，以使電池101輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整。舉例來說，假設載入的放電倍率上限為“2C”，當偵測到放電倍率超過“2C”時，計時器開始計時，當放電倍率持續超過“2C”的時間超過持續時間上限(例如：10秒)，調整模組130會在短時間內(例如：1秒內)將放電倍率以線性方式遞減至“2C”下，避免電池101持續過放電。

驅動模組140用以持續偵測馬達102的扭力及轉速至少其中之一以作為反饋信號，並且根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及反饋信號產生相應的輸出功率以驅動馬達102。在實際實施上，驅動模組140可僅偵測車輛的當前扭力，並且在此當前扭力大於預設扭力(即定功率條件下，車速所對應的扭力)時，調降輸出功率直到當前扭力小於預設扭力為止。特別要說明的是，之所以要偵測馬達102的扭力及轉速至少其中之一作為反饋信號，是因為電動車可能會遭遇平地、爬坡或下坡等情況，因此需要將此反饋信號納入計算輸出功率的考量。

接著，請參閱「第2圖」，「第2圖」為本發明以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其步驟包括：預先根據電池101的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應放電倍率上限及持續時間上限(步驟210)；持續計算電池殘電量，並根據此電池殘電量選擇相應 的放電區間，以及載入選擇的放電區間所對應的放電倍率上限及持續時間上限(步驟220)；在電池101的放電倍率大於載入的放電倍率上限且持續時間大於持續時間上限時，將電池101的放電倍率以線性方式遞減直到低於放電倍率上限為止，以使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整(步驟230)；持續偵測馬達102的扭力及轉速至少其中之一以作為反饋信號，並且根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及所述反饋信號產生相應的輸出功率以驅動馬達102(步驟240)。透過上述步驟，即可透過電池101的原始電量及放電深度設定多個放電區間，並且根據電池殘電量選擇相應的放電區間，使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應調整，以便根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及馬達102的反饋信號產生相應的輸出功率以驅動馬達102。

特別要說明的是，倘若放電區間更對應有預設扭力，在步驟240產生輸出功率時，更可偵測當前扭力且在當前扭力大於預設扭力時，調降輸出功率直到當前扭力小於預設扭力為止(步驟241)。由於偵測當前扭力的方式為習知技術，故在此不再多作贅述。

以下配合「第2A圖」至「第6圖」以實施例的方式進行如下說明，請先參閱「第2A圖」及「第2B圖」，「第2A圖」及「第2B圖」為本發明的能量控制演算實施例之流程圖。在實際實施上，計算模組120計算出電池殘電量後，會判斷此電池殘電量落入哪一個放電區間，假設電池殘電量落入“65%<放電深度<95%”所對應的放電區間(步驟251)，將持續檢測放電倍率(也稱為放電C數)是否超過放電倍率上限(步驟252)，如：“2C”，倘若超過則判斷是否超過10秒(步驟253)，反之若不超過10秒則返回步驟251；當步驟253的判斷成立時，將啟動限流機制使放電倍率在1秒內降回“2C”以下(步驟254)，反之當步驟253不成立時則返回步 驟251。同樣地，假設電池殘電量落入“35%<放電深度<65%”所對應的放電區間(步驟261)，將持續檢測放電倍率是否超過放電倍率上限(步驟262)，如：“2C”，倘若超過則判斷是否超過10秒(步驟263)，反之若不超過10秒則返回步驟261；當步驟263的判斷成立時，將啟動限流機制使放電倍率以線性方式降回“2C”以下(步驟264)，反之當步驟263不成立時則返回步驟261。特別要說明的是，倘若電池殘電量落入“15%<放電深度<35%”所對應的放電區間(步驟271)，將計算輸出功率(步驟272)，並且判斷是否超過輸出功率的限制(步驟273)，假設超過會調降轉速(步驟274)，反之則返回步驟272；最後，當電池殘電量為零時結束。

請先參閱「第3圖」，「第3圖」為本發明的放電區間之示意圖。前面提到，放電區間是指對應放電深度及原始電量的多個區間，在「第3圖」中，橫軸代表電池的電容量(原始電量為100%)、縱軸代表電池電壓、放電深度(DOD)則佔橫軸的80%，而在這80%的範圍中可分割成三個放電區間，分別以“(I)”、“(II)”及“(III)”來表示。從「第3圖」中的1C放電曲線310可清楚看到，電池的電壓隨著電容量的減少而降低。在傳統的電池殘電量估算方式中，由於無法精確估算電池殘電量，所以當進入第三個放電區間(即“(III)”範圍)時，會判斷為電池殘電量不足，此時將有可能導致斷電的情況發生，並且無法充分利用35%以下的電量。然而，由於本發明可透過查表方式生成電池動態內阻電量的分量以及透過庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量後，將這兩個相互垂直的分量相加合成產生精準的電池殘電量，所以可持續放電直到離開第三個放電區間時才判斷為電池殘電量不足，相當於可多利用20%的電量，有效提高電池的能源利用率。

請參閱「第3A圖」及「第3B圖」，「第3A圖」及「第3B圖」為定義及計算電池殘電量的百分比之示意圖。 前面提到，在實際實施上，計算模組120可透過查表方式生成電池動態內阻電量的分量以及透過庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量後，將這兩個相互垂直的分量相加合成以計算出電池殘電量。其相加合成的過程可如「第3A圖」所示意，其中，橫軸為電池庫倫計數所對應到的電量百分比、縱軸為電池動態內阻指標所對應到的電量百分比，在「第3A圖」中，根據電池額定最大可放電電流及電容量之間的關係，找出k點座標(γ,100)(由於庫倫計數法會因電池產生熱量而與實際消耗能量間有所誤差，所以實際上平行方向無法達到“100”的位置，而電池動態內阻指標則利用電壓差，所以一定會到達參考電壓減去最低截止電壓的位置，所以垂直方向可達到“100”的位置)，並利用k點座標對軌跡直線L線進行投影，以“”在“”的正射影“”為例，其計算公式如下：

並得到q點座標(λ,μ)。將q點(λ,μ)與原點o(0,0)所形成之“”段劃分成n等分(n為正整數，可依照實際需求及要求之精確度進行切分)，以「第3A圖」為例，n為數值“100”，即“100”等分，也就是殘電量估測表示100%~0%，精度誤差為1%，每一等分所表示的就是電池殘電量所表示之數值。接著，如「第3B圖」所示意，假設在時間t求得電池動態內阻指標所計算出之電量百分比“”(即電池動態內阻電量的分量)及利用庫倫計數法所計算出之電量百分比“”(即電池庫倫計數電量的分量)，根據這兩個分量所定出的向量“”對軌跡直線k線進行投影可得到“”，接著與電池最大可顯示容量“”點進行比對，其電池殘電量的百分比之計算式如下：

透過上述計算式即可求出時間t時之電量殘電量百分比。此方式可有別於以往僅計算其中一軸的方式，同時 對縱軸(垂直方向)及橫軸(水平方向)進行修正而得到實際可用的電池殘電量。

如「第4A圖」至「第4C圖」所示意，「第4A圖」至「第4C圖」為應用本發明在第一個放電區間的限流機制之示意圖。假設計算模組120根據電池殘電量選擇第一個放電區間，此放電區間對應的放電倍率上限為“2C”、持續時間上限為“10秒”，當調整模組130偵測到放電倍率大於“2C”時，開啟限流機制且計時器開始計數，倘若大於“2C”的時間超過10秒，調整模組130會在短時間內(如1秒內)將放電倍率以線性方式遞減至“2C”下。反之，假設如「第4B圖」所示意，放電倍率大於“2C”的時間在10秒內，那麼限流機制不會啟動。另外，在實際實施上，限流機制可允許5%的誤差範圍，以「第4C圖」為例，假設放電倍率在“1.9C”至“2.1C”之間皆可視為“2C”。

如「第5A圖」及「第5B圖」所示意，「第5A圖」及「第5B圖」為應用本發明在第二個放電區間的限流機制之示意圖。在實際實施上，第二個放電區間的限流機制與第一個放電區間的限流機制大同小異，差別僅在於持續時間上限會隨著電容量而改變，舉例來說，當調整模組130偵測到放電倍率超過放電倍率上限“2C”時，開啟限流機制且計時器開始計數，此時，允許超過“2C”的時間是根據計算模組120計算出的電池殘電量以線性遞減的方式來計算出允許超過“2C”的時間，如「第4圖」所示意，假設電池殘電量為“55%”，以線性遞減的方式將計算出相應的時間“6.6秒”，此時間代表在電池殘電量為“55%”時，放電倍率超過“2C”的時間將允許“6.6秒”，當超過“6.6秒”後，會在“1秒”內降低至“2C”以下，也就是使放電電流調整回“2C”之下。同樣地，如「第5B圖」所示意，倘若超過放電倍率“2C”的時間沒有超過持續時間上限(N秒)，那麼限流機制不會開啟。

如「第6圖」所示意，「第6圖」為應用本發明在第三個放電區間調整輸出功率之示意圖。首先，在第三個放電區間可根據下列兩個公式來限制與調整輸出功率：“V =OCV -I ．R ” (1)

其中“”為轉換效率，而將公式(1)帶入公式(2)則可推導出“P =OCV ．I -I ² ．R ．=τ ×ω ”。接著，在「第6圖」中，橫軸代表馬達轉速，縱軸代表扭力。假設當前車速為“ω _{r 1} ”，則其對應的扭力為“τ _{r 1} ”。當“τ _{r 1} ”大於“τ _w ”(“τ _w ”是定功率“P _w ”條件下，車速“ω _w ”所對應的扭力)時，驅動模組140可將扭力“τ _{r 1} ”調降至“τ _{r 2} ”，以便使輸出扭力“τ _{r 2} ”小於“τ _w ”，而調降輸出扭力後，車速會同樣降至“ω _{r 2} ”。特別要說明的是，“P _w ”的估測可透過開路電壓與最終段的最大的電池內阻，以及根據可能的電流強度來推算出參考值，並且將此參考值作為限制輸出功率的依據。

特別要說明的是，雖然上述使用三個放電區間且各放電區間分別以不同的方式來舉例說明輸出功率的調整與限制，然而本發明並未以此為限，換句話說，在實際實施上可再細分更多的放電區間，且各放電區間可使用本發明揭示的相同或不同的方式來限制與調整輸出功率，以避免產生斷電及損害電池壽命的情況。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，並且根據電池殘電量選擇相應的放電區間，使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應調整，以便根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及馬達的反饋信號產生相應的輸出功率以驅動馬達，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成提高電池的能源利用率之技術功效。

雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

101‧‧‧電池

102‧‧‧馬達

110‧‧‧初始模組

120‧‧‧計算模組

130‧‧‧調整模組

140‧‧‧驅動模組

Claims (10)

1. 一種以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統，該系統包含：一初始模組，用以預先根據一電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應一放電倍率上限及一持續時間上限；一計算模組，用以持續計算一電池殘電量，並根據該電池殘電量選擇相應的放電區間，以及載入選擇的該放電區間所對應的該放電倍率上限及該持續時間上限；一調整模組，用以在電池的放電倍率大於載入的該放電倍率上限且持續時間大於該持續時間上限時，將電池的放電倍率以線性方式遞減直到低於該放電倍率上限為止，以使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整；以及一驅動模組，用以持續偵測一馬達的扭力及轉速至少其中之一以作為一反饋信號，並且根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及該反饋信號產生相應的輸出功率以驅動該馬達。
2. 根據申請專利範圍第1項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統，其中該電池殘電量為透過查表方式生成一電池動態內阻電量的分量以及透過庫倫計數法生成一電池庫倫計數電量的分量後，將該電池動態內阻電量的分量及該電池庫倫計數電量的分量相加合成所產生。
3. 根據申請專利範圍第1項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統，其中該持續時間上限包含常數或變數，其中常數為正整數，變數為透過預設的線性遞減公式及該電池殘電量計算生成。
4. 根據申請專利範圍第1項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統，其中該放電倍率上限係根據電池芯的電氣特性進行相應設定。
5. 根據申請專利範圍第1項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動系統，其中所述放電區間更對應一預設扭力，該驅動模組用以偵測當前扭力且當該當前扭力大於該預設扭力時，調降輸出功率直到當前扭力小於該預設扭力為止。
6. 一種以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其步驟包括：預先根據電池的原始電量及放電深度設定多個放電區間，其中每一放電區間分別對應一放電倍率上限及一持續時間上限；持續計算一電池殘電量，並根據該電池殘電量選擇相應的放電區間，以及載入選擇的該放電區間所對應的該放電倍率上限及該持續時間上限；在電池的放電倍率大於載入的該放電倍率上限且持續時間大於該持續時間上限時，將電池的放電倍率以線性方式遞減直到低於該放電倍率上限為止，以使電池輸出電流隨選擇的放電區間進行相應的調整；以及 持續偵測一馬達的扭力及轉速至少其中之一以作為一反饋信號，並且根據調整後的電池輸出電流、開路電壓、電池內阻、轉換效率及該反饋信號產生相應的輸出功率以驅動該馬達。
7. 根據申請專利範圍第6項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其中該電池殘電量為透過查表方式生成一電池動態內阻電量的分量以及透過庫倫計數法生成一電池庫倫計數電量的分量後，將該電池動態內阻電量的分量及該電池庫倫計數電量的分量相加合成所產生。
8. 根據申請專利範圍第6項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其中該持續時間上限包含常數或變數，其中常數為正整數，變數為透過預設的線性遞減公式及該電池殘電量計算生成。
9. 根據申請專利範圍第6項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其中該放電倍率上限係根據電池芯的電氣特性進行相應設定。
10. 根據申請專利範圍第6項之以電池殘電量調整輸出功率的驅動方法，其中所述放電區間更對應一預設扭力，並且在產生輸出功率時，偵測當前扭力且當該當前扭力大於該預設扭力時，調降輸出功率直到當前扭力小於該預設扭力為止。