TWI535141B

TWI535141B - 用於回收再利用的電動車電池交換系統

Info

Publication number: TWI535141B
Application number: TW103124930A
Authority: TW
Inventors: 林鴻嵐; 賴立人
Original assignee: 高達能源科技股份有限公司
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2016-05-21
Also published as: TW201605145A

Description

用於回收再利用的電動車電池交換系統

本發明關於一種用於可充電電池組的交換系統，特別是關於一種用於電動車可充電電池組的電動車電池交換系統。藉由該系統，一低電量可充電電池組能與一充滿可充電電池組交換；報廢的可充電電池組能被挑揀出以進行回收利用。

可充電電池組廣泛地使用於許多領域中。對電動車，一個興起的工業領域而言，可充電電池組扮演非常重要的角色，其用來提供電力給電動車並驅動它們。電動車的一個常見的商業模式是電動車連同可充電電池組一起銷售，車主們能在自家對電池進行充電。或跟加油站一樣，許多充電站建立遍及大都會區以提供電動車充電服務。對車主而言，利用他們的空檔時間對愛車充電是很方便的。舉例來說，電動車能在停好後，車主去上班時進行充電；在他們下班前，電動車完成充電，車主就能開車回家。此外，電動車不製造溫室效應氣體。以上述商業模式運作的電動車在許多國家中相當受歡迎。

然而，仍然有一個問題困擾著電動車的車主。因為可充電電池組是固定於電動車上或者不容易自電動車上取下以進行檢查或交換，當可充電電池組漸漸減少儲電容量時，人們會想這些電動車壞了或受到損傷。整台電動車連同其內的可充電電池組一起丟棄。這樣的做法會衝擊環境，因為可充電電池組幾乎都由鋰電池芯所組成，如果可充電電池組無法有效回收，這些廢棄的車輛會造成地球的汙染。

有一個解決方式由Guimarin等人所提出，揭露於美國專利第5,612,606號中。該專利提出一種用於管理電動車中既重且大體積的電池組的交換工作的整合電動車服務站系統。該電池交換系統包含一電池平台、一車輛平台支撐架構，及一機械化車輛服務站設施。該電池平台屬於一種簡單模組化的形狀，可被用在未來大量的各種尺寸和形狀的電動車上。該服務站設施包括二個一般性服務分站：一交換分站，消耗的電池平台在此由車輛中移出並以一個充滿的電池平台取代，與一分段運輸分站電池平台於此儲存、再充電、服務，及分段運輸，以便裝入在交換分站等待的車輛中。交換分站可讓放在交換分站的電動車的電池交換，藉由最少的操作員的協助，自動迅速地進行，以便讓車主不方便之處降到最低。

前述專利在20年前即具有新穎的觀念與設計。首先，它使用了模組化的電池平台來取代許多種具有類似用於供電的電池平台的電動車。車輛發生的問題可以分為兩類：關於機械或關於電池的。該專利協助回收使用過的電池平台，並維持電動車的其餘部分不變。第二，電池平台能在非尖峰時段，於其它地方進行充電。第三，藉由自動運作變電站的幫助，電池平台的交換時間能減省。只要有充滿的電池平台，任何電動車都能快速進行電池平台交換，無需等待。

然而，其他問題接踵而來。顯著的一個問題是因為電池平台會老化但只差別在其程度，車輛駕駛並不知道多少電量經由該電池平台充入。另一個問題是對於這樣的交易，合理的費用很難計算。人們無法依照電池平台的外表，來評斷他們購買的服務。

為了解決上述的問題，中華民國專利公開案第201044289號揭露一種電動車電池充電與交換方法。詳細的解說請見第1圖。本發明提供的配置系統包含電池1、1A及1B(電池1B是一電池交換站4中的備用電池)。所有的電池都包括一射頻身份辨識號碼晶片11與一記憶體12。電池1A裝置於一車輛2中使用直到電量變低。接著，車輛2的使用者能以電池1A交換電池交換站4中的電池1。經過該射頻身份辨識號碼晶片11與記憶體12，能獲得電池狀態資訊以判斷及計算電池1A與電池1間的差價。藉此，使用者支付對應的費用給電池交換站4。

此發明提供了一種系統，任何電動車擁有者皆能受惠。電池能簡單地進行交換，該服務的價格也十分合理。然而，人們仍然懷疑在這種系統下，電池操作員如何區分報廢的電池與好的電池。這也造成了其它的問題。

因此，一種用於達成以下目的的系統，是非常需要的：1.方便地將低電量電池與充滿的電池進行交換；2.簡易地整理出報廢的電池；3.簡便充電服務費用；4.最好能即時監測電池情況；及5.在一商業模式下穩定地運作。

由前所述，目前市場上的電動車電池充電或交換系統，無法同時達成以下的目的：方便地將低電量電池與充滿的電池進行交換；簡易地整理出報廢的電池；簡便充電服務費用；最好能即時監測電池情況；及在一商業模式下穩定地運作。

為達成上述目的，依照本發明的一種態樣，提供一種用於回收再利用的電動車電池交換系統。該系統包含：數個可充電電池組，每一可充電電池組包含：數個可充電電池芯，以串聯或並聯方式連接；及一電池芯偵測單元，電連接至每一可充電電池芯，用以偵測每一可充電電池芯的電池情況及向外部傳遞該些電池情況；一電池情況偵測模組，用以接收由該電池芯偵測單元傳遞的該些電池情況，並基於來自每一可充電電池組的電池情況，向每一可充電電池發送一判斷命令組，以決定是否該可充電電池組被允許充電；一使用者身份辨識號碼檢查模組，用以與包含一使用者身份辨識號碼的一使用者身份辨識號碼設備進行通信、檢查是否該使用者身份辨識號碼在一商業條件下註冊於該使用者身份辨識號碼檢查模組，及當該使用者身份辨識號碼在該商業條件下，註冊於該使用者身份辨識號碼檢查模組時，發送一確認資訊；一電源，連接到一外部電網，用以提供電力；一充電控制模組，電連接至該可充電電池組、該電池情況偵測模組、該使用者身份辨識號碼檢查模組與該電源，用以由該判斷命令決定，對該可充電電池組進行充電、進行充電直到一預設電池狀態滿足，及記錄充電量；及一電池管理模組，電連接至該使用者身份辨識號碼檢查模組與該充電控制模組，如果該預設電池狀態滿足且該確認資訊被接收，用以允許一可充電電池組釋放以供使用，或如果該預設電池狀態滿足但該確認資訊未接收到，暫時儲存該可充電電池組。

依照本案構想，該電池情況包含輸出電壓、健康狀態、充電狀態、輸出電流、充電週期及壽命項目。

依照本案構想，每一項目具有一可調整設定的門檻值，只要任何項目的值不達到該對應的門檻值，該判斷命令不會發出以允許該可充電電池組進行充電。

依照本案構想，該電池情況偵測模組進一步用以決定那一個可充電電池組要進行維修以回收可充電電池芯；該進行維修的可充電電池組的電池情況沒達到門檻值。

依照本案構想，該使用者身份辨識號碼檢查模組進一步包含一無線通訊單元，用以與該使用者身份辨識號碼設備進行通訊。

依照本案構想，前述無線通訊單元為無線通訊單元為近場通信設備、射頻身份辨識號碼閱讀器、Wi-Fi無線通訊設備、EnOcean無線通訊設備、RF4CE無線通訊設備、Zigbee無線通訊設備、Z-Wave無線通訊設備、藍芽設備、NFC讀取器或其它低耗電無線通訊設備。

依照本案構想，該使用者身份辨識號碼設備為一智慧卡、一行動電話或一鑰匙鏈，其中包含一無線通訊單元，用以與該使用者身份辨識號碼檢查模組進行通訊，及記錄該使用者身份辨識號碼。

依照本案構想，使用者身份辨識號碼設備中的無線通訊單元為近場通信設備、射頻身份辨識號碼標籤、Wi-Fi無線通訊設備、EnOcean無線通訊設備、RF4CE無線通訊設備、 Zigbee無線通訊設備、Z-Wave無線通訊設備、藍芽設備、NFC貼標或其它低耗電無線通訊設備。

該電動車電池交換系統進一步包含一遠端伺服器，有線或無線地連接該電池情況偵測模組、使用者身份辨識號碼檢查模組、充電控制模組，及電池管理模組，用以記錄該些裝置的運作資料、註冊該使用者身份辨識號碼與一擁有者的資料，及如果該擁有者宣稱該使用者身份辨識號碼設備遺失而該使用者身份辨識號碼設備被使用來請求電池交換時，提出警告。

依照本案構想，該商業條件為該些可充電電池組其中之一無合約短期租借、附合約長期租賃，或售予擁有來自該電動車電池交換系統的使用者身份辨識號碼設備者。

依照本案構想，該預設電池狀態是該可充電電池組中已充電量百分比。

依照本案構想，該充電控制模組進一步包含一充電表訂單元，用以決定對每一可充電電池組進行充電的一時刻表。

依照本案構想，該可充電電池組用於具有高電量的電動車。

依照本案構想，該可充電電池組的電量最少為48V16Ah。

1‧‧‧電池

1A‧‧‧電池

1B‧‧‧電池

2‧‧‧車輛

4‧‧‧電池交換站

11‧‧‧射頻身份辨識號碼晶片

12‧‧‧記憶體

100‧‧‧電動車電池交換系統

101‧‧‧電池情況偵測模組

102‧‧‧使用者身份辨識號碼檢查模組

1021‧‧‧無線通訊單元

103‧‧‧電源

104‧‧‧充電控制模組

1041‧‧‧充電表訂單元

105‧‧‧電池管理模組

111‧‧‧電連接器

112‧‧‧電連接器

114‧‧‧電連接器

200‧‧‧使用者身份辨識號碼設備

202‧‧‧無線通訊單元

300‧‧‧外部電網

401‧‧‧可充電電池組

4011‧‧‧可充電電池芯

4012‧‧‧電池芯偵測單元

402‧‧‧可充電電池組

4021‧‧‧可充電電池芯

4022‧‧‧電池芯偵測單元

403‧‧‧可充電電池組

4031‧‧‧可充電電池芯

4032‧‧‧電池芯偵測單元

404‧‧‧可充電電池組

4041‧‧‧可充電電池芯

4042‧‧‧電池芯偵測單元

405‧‧‧可充電電池組

4051‧‧‧可充電電池芯

4052‧‧‧電池芯偵測單元

500‧‧‧遠端伺服器

第1圖顯示一電動車電池充電與交換方法的習知技術。

第2圖說明本發明的一實施例的示意圖。

第3圖說明第一實施例中的一使用者身份辨識號碼檢查模組與一使用者身份辨識號碼設備。

第4圖顯示一典型的電力負載曲線。

第5圖為本發明一實施例的示意圖。

第6圖說明第二實施例中的一使用者身份辨識號碼檢查模組與一使用者身份辨識號碼設備。

本發明將藉由參照下列的實施例而更具體地描述。

第一實施例

請參閱第2圖到第4圖。第2圖說明本發明的一實施例的示意圖。第3圖說明第一實施例中的一使用者身份辨識號碼檢查模組與一使用者身份辨識號碼設備。第4圖顯示一典型的電力負載曲線。

用於回收再利用一電動車電池交換系統100描述於第2圖中。該電動車電池交換系統100具有可充電電池組401、402、403、404及405、一電池情況偵測模組101、一使用者身份辨識號碼檢查模組102、一電源103、一充電控制模組104，及一電池管理模組105。

在此實施例中，可充電電池組401、402、403、404與405都具有同樣的規格，48V16Ah。為了說明的目的，可充電電池組401與402是充滿的，而可充電電池組403與404是在電動車電池交換系統中100進行充電的。可充電電池組405處於低電量狀態，需要由電動車電池交換系統100充電。每一可充電電池組401、402、403、404與405具有數個以串聯或並聯方式連接的可充電電池芯。可充電電池組401具有6個可充電電池芯4011。3個可充電電池芯串聯為一電池串，2個電池串並聯連接。相似地，可充電電池組402、403與404個具有6個可充電電池芯4021、4031與4041。可充電電池芯4021、4031與4041的排列相同於可充電電池芯4011的安排。可充電電池組405不具有像其它可充電電池組401、402、403與404的規格，但有8個可充電電池芯4051。4個可充電電池芯串聯為一電池串，2個電池串並聯連接。

每一可充電電池組401、402、403、404與405各自具有一電池芯偵測單元4012、4022、4032、4042與4052，其電連接至對應的可充電電池組中的每一可充電電池芯。電池芯偵測單元4012、4022、4032、4042與4052各自排列於可充電電池組401、402、403、404與405中。4012、4022、4032、 4042與4052的功能是偵測連接的每一可充電電池芯的電池情況，並向外部傳遞該些電池情況。

電池情況偵測模組101能接收由電池芯偵測單元4012、4022、4032與4042傳遞的電池情況。依照本發明，並未限制傳遞電池情況的方法，這可以是有線或無線的方法。在這實施例中使用無線方法，訊號經由Wi-Fi頻寬傳輸。

上述電池情況指的是可充電電池芯4011、4021、4031與4041的實際情況，可以是每一可充電電池芯的輸出電壓，也可以是每一可充電電池芯的輸出電流。最好還考慮下列項目作為電池情況：健康狀態、充電狀態、充電週期與壽命。藉由獲得該些電池情況，就可能了解目前可充電電池芯的狀態。它也能決定是否一可充電電池芯過於老化而需要被一可用的可充電電池芯取代，取下來的可充電電池芯可進行回其內收有用材料。這可防止可充電電池組401、402、403、404與405發生不平衡狀態。

電池情況偵測模組101會基於每一可充電電池組401、402、403或404的電池情況，向每一可充電電池組401、402、403或404發送一判斷命令。該判斷命令被用來決定是否可充電電池組401、402、403或404被允許充電。如上所述，如果一可充電電池組內的可充電電池芯過於老化，或一可充電電池組因為不良使用而有爆炸的潛在危機，該判斷命令將不會被發出以允許該可充電電池組進行充電。電池情況的每一項目都具有一可調整設定的門檻值。只要任何項目的值沒達到對應的門檻值，判斷命令將不會發出以允許該可充電電池組進行充電。舉例來說，如果一可充電電池芯的充電週期的門檻值設定為2000次，任何具有超過2000次，比如說2001次，充電週期的可充電電池芯之可充電電池組要進行充電，將不會被允許。

使用者身份辨識號碼檢查模組102能經由一無線通訊單元1021能與一使用者身份辨識號碼設備200進行通訊。使用於本發明的無線通訊單元1021是一射頻身份辨識號碼閱讀器。使用者身份辨識號碼設備200能與使用者身份辨識號碼檢查模組102進行通訊及記錄使用者身份辨識號碼。身份辨識號碼設備200具有儲存的使用者身份辨識號碼，可以是任何資料的形式與儲存在任何型態的儲存設備中。此處，身份辨識號碼設備200是一張智慧卡。它具有一無線通訊單元202並負責與無線通訊單元1021進行通訊，無線通訊單元202儲存了使用者身份辨識號碼。對應於射頻身份辨識號碼閱讀器，無線通訊單元202是一射頻身份辨識號碼標籤。使用者身份辨識號碼檢查模組102也檢查是否該使用者身份辨識號碼於一商業條件下，註冊於使用者身份辨識號碼檢查模組102。該商業條件為該些可充電電池組401、402、403與404，由電動車電池交換系統100無合約短期租借給擁有使用者身份辨識號碼設備200的人，這並不特定哪一個可充電電池組是無合約短期租借給身份辨識號碼設備200的擁有者。如果該擁有者向電動車電池交換系統100租借可充電電池組，他可以拿走可充電電池組401或402來使用，並歸還他所擁有的可充電電池組(未繪示)以進行交換。當該使用者身份辨識號碼在該商業條件下註冊於使用者身份辨識號碼檢查模組102時，使用者身份辨識號碼檢查模組102能發出確認資訊。

電源103連接到一外部電網300。該外部電網300提供高壓電力，但可能電壓過高而不適合於充電。因此，電源103能進一步將來自部電網300的電力降壓，並提供該降壓後的電力給需要的部件。

充電控制模組104電連接至可充電電池組401、402、403與404，以及電池情況偵測模組101、使用者身份辨識號碼檢查模組102與電源103。它被用來由該判斷命令決定，對可充電電池組進行充電。在實施例中，所有對可充電電池組401、402與404的判斷命令指出可充電電池組401、402與404是堪用於充電的，但該可充電電池組403的2個可充電電池芯4031太老舊而無法使用。充電控制模組104將經由電連接器111、112與114，各自對可充電電池組401、402與404進行充電。進一步，充電控制模組104進行充電直到一預設電池狀態滿足，並記錄其充電量。預設電池狀態是設地為完全充滿。它可以是可充電電池組中已充電量百分比，舉例來說，90%充滿，依照客戶需求或電池情況。

電池管理模組105電連接至使用者身份辨識號碼檢查模組102與充電控制模組104。如果該預設電池狀態滿足且接收到該確認資訊，它能允許可充電電池組釋放以供使用。此處仍使用完全充滿當作預設電池狀態，用於所有可充電電池組401、402、403與404。因為可充電電池組401與402完全充滿電，它們就可以以該確認資訊，由電動車電池交換系統100釋放以供使用。如果一擁有者攜帶一使用者身份辨識號碼設備但其中的使用者身份辨識號碼不是在上述的無合約短期租借情況下(也許是該擁有者只註冊使用者身份辨識號碼但沒租借該可充電電池組，或租借期限已至)，使用者身份辨識號碼檢查模組102不會發出確認資訊給電池管理模組105。除非該擁有者再次付錢租借可充電電池組，電池管理模組105不會允許任何的可充電電池組401與402釋出使用。如果預設電池狀態滿足但未接收到確認資訊，電池管理模組105允許可充電電池組401與402暫時儲存。這機制可確保基於無合約短期租借關係下的商業模式。為了方便起見，如果需要的話，電動車電池交換系統100的營運者可釋出一可充電電池組。舉例而言，該情形是擁有者已付錢租借可充電電池組但使用者身份辨識號碼檢查模組102沒有即時更新。

此外，充電控制模組104進一步包含一充電表訂單元1041。它被用來決定對可充電電池組401、402、403與404進行充電的時刻表。為了對充電表訂單元1041的功能有較佳的理解，請參閱第4圖。第4圖是一個典型的電力負載曲線。X軸是一天的時間(小時)，Y軸是電力負載(mW)。該曲線指出許多重要的時間點。首先，電力負載是隨時變化的。簡單地分類，由0：00 AM到8：00 AM，電力負載下降到最低的量。此時為離峰時段，電力需求是離峰用電量。這是合理的因為大多數人還是在睡覺，或於該時段內休息。由8：00 AM到12：00 PM(尖峰時段)，電力負載提升到一間峰值後，接著逐漸於8：00 PM後下滑。因為人們仍於8：00 PM後工作或四處遊動，電量需求仍高，8：00 PM到12：00PM仍被分類為尖峰時段。因此，充電表訂單元1041能被設定於0：00 AM至8：00 AM對可充電電池組進行充電。通常來說，在離峰時段發電成本比在尖峰時段更便宜。藉由充電表訂單元1041，可以節省電動車電池交換系統100的操作成本；電廠也能減少尖峰時段的負載，進而保護發電機免於跳機。

當然，如果太多可充電電池組要求充電或區域性供電政策有特殊要求時(限電)，充電表訂單元1041能決定在尖峰時間進行充電的充電時刻表。

除了本發明上述的說明外，電動車電池交換系統100還有其他的特點。首先，電池情況偵測模組101能進一步決定那一個可充電電池組要進行維修以回收可充電電池芯，而該進行維修的可充電電池組的電池情況沒達到門檻值。也就是說電動車電池交換系統100能揀選不適任目前工作的可充電電池組。藉由回收這些不適合的可充電電池芯，新的及高效能的可充電電池組能再被生產，回收的材料也能被用在其它的領域。第二，雖然該系統主要用於電動車，只要符合商業條件，在身份辨識號碼與可充電電池組的條件控制下，可充電電池組能被進一步回收再利用。舉例來說，一組充滿的可充電電池組能被用於一電動船的電力來源。

因為使用於本實施例的可充電電池組主要用於電動車，且具有高電量。舉例來說，可充電電池組的電量最少為48V16Ah。依照使用電動車電池交換系統100服務的電動車之設計與需求，電池容量可以是48V80Ah或更高。本發明不限定於應用在一定規格的可充電電池組，2個或更多電池容量的可充電電池組可用於同一電動車電池交換系統100中。舉例來說，等待充電的可充電電池組405具有較高的電量，48V80Ah。

需要強調的是，依照本發明，可充電電池組的數量不限於5個，電連接器的數量可以超過4個，這可取決於電動車電池交換系統的需求。商業條件不限於無合約短期租借的商業模式。可充電電池組能被附合約長期租賃或售予擁有來自該電動車電池交換系統的使用者身份辨識號碼設備者。或者，部分使用者身份辨識號碼允許無合約短期租借可充電電池組，而部分允許出售可充電電池組。

很明顯地，如上所述的電動車電池交換系統100是一個獨立工作站。事實上，依照本發明的精神，數個這樣的系統彼此連接並由一遠端伺服器所控制，也可以是另一種變化形式。這將會描述於一第二實施例中。

第二實施例

請參閱第5圖與第6圖，該些圖式說明一第二實施例。為了解省時間，所有使用於第二實施例的元件是使用第一實施例中對應的元件，且具有相同的功能。以下說明二實施例間相異的元件。

第一個相異的元件是無線通訊單元1021。請見第6圖。它是一個Wi-Fi無線通訊設備，它能與使用者身份辨識號碼設備200進行通訊。此處，使用者身份辨識號碼設備200為行動電話。行動電話也具有Wi-Fi無線通訊設備(未繪示)。藉由使用者身份辨識號碼設備200(行動電話)內的應用軟體，使用者身份辨識號碼設備200能與使用者身份辨識號碼檢查模組102進行通訊。在使用者身份辨識號碼被辨識後，充電開始進行。依照本發明，無線通訊單元1021也能是近場通信設備、射頻身份辨識號碼標籤、EnOcean無線通訊設備、RF4CE無線通訊設備、Zigbee無線通訊設備、Z-Wave無線通訊設備、藍芽設備、NFC讀取器或其它低耗電無線通訊設備。從而，另一無線通訊單元，如射頻身份辨識號碼標籤、Wi-Fi無線通訊設備、EnOcean無線通訊設備、RF4CE無線通訊設備、Zigbee 無線通訊設備、Z-Wave無線通訊設備、藍芽設備、NFC貼標或其它低耗電無線通訊設備，能使用於無線通訊單元202中。因此，使用者身份辨識號碼設備200可以是鑰匙鏈的形式，或其它可攜式電子設備。

電動車電池交換系統100也具有一遠端伺服器500。該遠端伺服器500與電池情況偵測模組101、使用者身份辨識號碼檢查模組102、充電控制模組104，及電池管理模組105無線連接。上述元件間的連接也可以是有線的，或者是部分有線部分無線，主要是考量建置成本與可行性。遠端伺服器500紀錄電池情況偵測模組101、使用者身份辨識號碼檢查模組102、充電控制模組104，與電池管理模組105的運作資料。它能將擁有者的資料與使用者身份辨識號碼進行註冊。此外，如果該擁有者宣稱該使用者身份辨識號碼設備遺失而該使用者身份辨識號碼設備被使用來請求電池交換時，遠端伺服器500提出警告。舉例來說，如果使用者身份辨識號碼設備200被盜但某人使用它來對請求電池進行充電(將低電量可充電電池組與充滿電的可充電電池組交換)，遠端伺服器500會提出警告且協助警方調查這件案子。本發明的遠端伺服器500不限於使用在電動車電池交換系統100。二個或更多的電動車電池交換系統能連接到一遠端伺服器，並由該遠端伺服器控制。在這種案例中，數個電動車電池交換系統與遠端伺服器運作為一個網路系統。這也在本發明揭櫫的精神中。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，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，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。