TWI543892B - 增程式電動車系統 - Google Patents

Description

增程式電動車系統

本發明係有關於一種增程式電動車系統，尤其是指一種將模糊控制法則之電池充電策略應用於以燃料電池為主的電動車發電機之增程器上，有效解決電動車於市區行駛模式之電池殘餘電量快速消耗的問題，同時達到增進行駛里程之目標，與消除駕駛員之里程焦慮者。

按，為了減少人類對石化資源的過度依賴，以及減緩地球環境的持續惡化，聯合國在1997年通過歸納於氣候變化綱要公約的京都議定書(Kyoto Protocol)中，明確限制每個工業化國家的二氧化碳排放量，而此京都議定書也對各國的汽車工業造成重大的影響，因此，各國的汽車大廠無不把設計與製造革命性的新汽車當成未來的一個重大挑戰，於是，新穎且低汙染，甚至是零污染的新世代汽車陸續被設計出來，其馬達的動力來源係有混合動力(hybrid)、乙醇(ethanol)、氫氣燃料電池(hydrogen fuel cell)或純電力(electric-power)等，其中又以純電力馬達驅動的汽車最符合零汙染之環保需求，與傳統的汽油引擎相較，純電力驅動可有效達到安靜且無二氧化碳汙染的操作目的，雖然純電力驅動之汽車是經由電力馬達與電池(battery)驅動，然而卻存在下列缺點：

A.以一般家庭使用的純電力驅動之汽車而言，常常需要用上幾個小時的時間，才能使用市電完成電池的充電程序，且公共充電站的設置數量亦不足以肩負電力驅動汽車之所需。

B.目前的純電力驅動之汽車所行駛的最大里程數常少於傳統以汽油或柴油引擎驅動之汽車行駛的里程數，因此會讓純電力驅動之汽車駕駛員產生里程之焦慮感。

為了解決上述之缺點，一種燃料電池增程式電動車(fuel-cell range-extended electricvehicle，簡稱FC-REEV)即被研發出來，不像混合動力電動車，此電動車的燃料電池僅扮演提供能量給與之串並聯的電池使用的功能，由於FC-REEV係在車輛行駛中，使用一個較小的燃料電池對電池進行充電，可有效確保電池有較高的殘餘電量(state of charge，簡稱SOC)，有效達到增程(range extension)的目的，以提供都市生活的居民使用之電動車；該FC-REEV的充電策略係當電池的SOC小於20%，該燃料電池發電機即開始對電池進行充電，而當SOC大於80%時則停止充電，然而，此FC-REEV仍舊存在一些缺點：

A.如果SOC處於低準位，則電動車將會陷入走走停停的周期(stop-and-go period)內，否則電動車必須停止一段長時間，駕駛必須等待SOC回復，才能繼續行駛。

B.FC-REEV之電池無法同時進行充電與放電之程序，當在高速公路上高速行駛時，由於連續的踏板命令需求，發電機將無法對電池進行充電，則SOC勢必會快速消耗。

因此，為了有效改善電動車電池的SOC快速損耗的缺點，有效達到改善駕駛者對於電動車行駛里程的焦慮，使駕駛員沒有後顧之憂在城市中駕駛電動車，並且可以提升電池的使用壽命，以達到節約燃料的目的，仍是現今燃料電池驅動之電動車開發業者或研究人員需持續努力克服與解決之重要課題。

今，發明人即是鑑於上述之燃料電池驅動之電動車因存在電池之殘餘電量快速消耗與無法行駛長里程等諸多缺失，於是乃一本孜孜不倦之精神，並藉由其豐富之專業知識及多年之實務經驗所輔佐，而加以改善，並據此研創出本發明。

本發明主要目的係為提供一種增程式電動車系統，尤其是指一種將模糊控制法則之電池充電等能量管理策略應用於以燃料電池為主的電動車發電機之增程器上，在不需要停止電動車即可進行電池充電之前提下，有效解決電動車於市區行駛模式之電池殘餘電量快速消耗之問題，同時達到增加增程式電動車行駛里程之目標，以進一步消除駕駛員對於行駛里程之焦慮。

為了達到上述實施目的，本發明人提出一種增程式電動車系統，係將模糊控制法則之電池充電策略應用於以燃料電池為主的電動車發電機之增程器，達到增進續駛里程的目標，該增程式電動車系統係至少包括有一電源供應器、一燃料電池模組、一傳遞開關模組、一動力控制單元，以及一動力驅動模組；電源供應器係提供驅動一電動車所需之能量；燃料電池模組係提供能量予電源供應器，燃料電池模組包括一燃料電池、一空氣供應系統，以及一氫氣供應系統，其中空氣供應系統與氫氣供應系統係提供燃料電池產生電能所需之原料；傳遞開 關模組係分別電性連接燃料電池與電源供應器，傳遞開關模組係包括一繼電器，以及一直流/直流轉換器，其中燃料電池係藉由繼電器之開關運作，經由直流/直流轉換模組將能量傳遞至電源供應器；動力控制單元(Power Control Unit，簡稱PCU)係分別電性連接繼電器與電源供應器，其中動力控制單元係藉由參考電源供應器顯示之殘餘電量，依照一電池充電策略控制繼電器之開與關，以將燃料電池之能量傳遞至電源供應器；動力驅動模組係電性連接電源供應器，動力驅動模組係包括一驅動器(driver)與一軸設於電動車車輪之驅動馬達，其中電源供應器係提供能量至驅動器，驅動器再驅動馬達以帶動電動車之車輪運轉。

如上所述的增程式電動車系統，其中電源供應器係為一鋰離子電池(Lithium-ion battery)。

如上所述的增程式電動車系統，其中燃料電池係為一質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrance Fuel Cell，簡稱PEMFC)。

如上所述的增程式電動車系統，其中電池充電策略係以模糊法則(fuzzy rule)達成，藉由參考電源供應器顯示之殘餘電量(state of charge，簡稱SOC)，以控制繼電器之開與關，而將能量傳遞至電源供應器。

如上所述的增程式電動車系統，其中驅動馬達係可進一步於煞車模式下將能量再生傳遞至驅動器，使動能再次循環以達到較高的能量效率。

藉此，本發明之增程式電動車系統係一種將模糊控制法則之電池充電等能量管理策略應用於以燃料電池為主的電動車發電機之增程器 上，使駕駛員駕駛本發明之增程式電動車系統於都市駕駛之經驗與駕駛內燃機引擎之汽車相同，可有效解決電動車於市區行駛模式之電池殘餘電量快速耗盡等燃料消耗問題，同時達到增進電動車之行駛里程目標，消除駕駛員對於行駛里程之焦慮等提升駕駛之性能；再者，本發明之增程式電動車系統係藉由模糊法則改善電池之使用壽命與燃料之經濟效益，使本發明之利用燃料電池驅動之增程式電動車系統有效達到安全、持續且平穩的駕駛目標，讓駕駛員感受有如駕馭傳統式內燃機引擎汽車之相同駕駛經驗；最後，本發明之燃料電池增程式電動車系統(FC-REEV)係藉由純電力之質子交換膜燃料電池(PEMFC)並結合模糊法則驅動，與傳統的增程式電動車(REEV)比較，本發明之增程式電動車系統有較好的節約燃料的經濟效益，有效成為無二氧化碳污染的電動車系統。

(1)‧‧‧電源供應器

(2)‧‧‧燃料電池模組

(21)‧‧‧燃料電池

(22)‧‧‧空氣供應系統

(23)‧‧‧氫氣供應系統

(3)‧‧‧傳遞開關模組

(31)‧‧‧繼電器

(32)‧‧‧直流/直流轉換器

(4)‧‧‧動力控制單元

(5)‧‧‧動力驅動模組

(51)‧‧‧驅動器

(52)‧‧‧驅動馬達

(6)‧‧‧車輪

第一圖：本發明增程式電動車系統其一較佳實施例之系統架構示意圖

第二圖：本發明增程式電動車系統其一較佳實施例之模糊法則運作示意圖

本發明之目的及其結構設計功能上的優點，將依據以下圖面所示之較佳實施例予以說明並清楚呈現，俾使審查委員能對本發明有更深入且具體之瞭解。

首先，為了更瞭解本發明，將簡要地說明模糊法則(fuzzy rule)之基本概念，模糊法則係以模糊集合(fuzzy set)為基礎，其基本精神是接受模糊性現象存在的事實，而以處理概 念模糊不確定的事物為其研究目標，並積極地將其嚴密量化成電腦可以處理的訊息，模糊法則的應用較偏重於人類經驗及對問題特性的掌握程度，不主張用繁雜的數學分析及模型來解決問題，若與集合論比較，傳統的集合論是立場鮮明的，而調和包容則是模糊法則的基本精神；模糊法則綜合前人在多值邏輯(multivalue logic)論與概率論的研究成果，提出一種能夠將自然和社會現象中，沒有絕對明確外延的模糊概念表現出來的方法；由於傳統的集合論和邏輯理論完全承襲笛卡兒的精神，限定集合理論只能表現「非此即彼」的現象，對於某些客觀事物在中間過渡時所呈現「亦此亦彼」的差異性無法有效處理，模糊集合即是把傳統數學從二值邏輯的基礎擴展至連續多值，其精神是接受模糊性的存在，研究目標是處理概念模糊的事物，並積極地將其數值化進行嚴密的處理；接著，請參閱第一圖所示，為本發明增程式電動車系統其一較佳實施例之系統架構示意圖，其中本發明係將模糊控制法則之電池充電策略應用於以燃料電池(21)為主的電動車發電機之增程器，達到增進續駛里程的目標，該增程式電動車系統係至少包括有：一電源供應器(1)，係提供驅動一電動車所需之能量；在本發明之較佳實施例中，電源供應器(1)主要係為一鋰離子電池，其中鋰離子電池之容量係為105安培小時(Ah)以上；一燃料電池模組(2)，係提供能量予電源供應器(1)，燃料電池模組(2)係包括一燃料電池(21)、一空氣供應系統(22)，以及一氫氣供應系統(23)，其中空氣供應系統(22)與氫氣供應系統(23)係提供燃料電池(21)產生電能所需之原料；在本發明之較佳實施例中，燃料電池(21)係為一可容納4千瓦(kW) 能量之質子交換膜燃料電池(PEMFC)，其中質子交換膜燃料電池又稱為固體高分子電解質燃料電池(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)，是一種由氫氣供應系統(23)提供之含氫燃料與空氣供應系統(22)提供之空氣作用產生電力與熱力的燃料電池，其運作溫度約在50℃~100℃之間，作用時無需加壓或減壓，主要以高分子質子交換膜為傳導媒介，不需借重任何化學液體，發電後除提供系統所需之電壓與電流，亦可產生純水和熱能；由於電動車在加速行駛狀態下，燃料電池(21)之發電機係消耗多數的系統能量，因此，選擇在能量轉換效率方面比傳統的汽油或柴油發電機有更高能量效能的質子交換膜燃料電池可以促進較好的燃油經濟性(fuel economy)的優點；一傳遞開關模組(3)，係分別電性連接燃料電池(21)與電源供應器(1)，傳遞開關模組(3)係包括一繼電器(31)，以及一直流/直流轉換器(32)，其中燃料電池(21)係藉由繼電器(31)之開關運作，經由直流/直流轉換器(32)將能量傳遞至電源供應器(1)；一動力控制單元(4)，係分別電性連接繼電器(31)與電源供應器(1)，其中動力控制單元(4)係藉由參考電源供應器(1)顯示之殘餘電量(SOC)，依照一電池充電策略控制繼電器(31)之開與關，以將燃料電池(21)之能量傳遞至電源供應器(1)；動力控制單元(4)亦可稱之為電力控制單元(Electronic Control Unit，簡稱ECU)，在本發明之較佳實施例中，電池充電策略係以模糊法則(fuzzy rule)達成， 係藉由參考電源供應器(1)顯示之殘餘電量(SOC)，以控制繼電器(31)之開與關，而將燃料電池(21)之能量傳遞至電源供應器(1)，請參閱第二圖所示，為本發明增程式電動車系統其一較佳實施例之模糊法則運作示意圖，其中橫軸係為距離總和百分比(Percentage of Total Distance)，縱軸係為電源供應器(1)顯示之殘餘電量(SOC)，其運作之策略係可包括下列狀態：A.當電源供應器(1)顯示之殘餘電量≦20%，而距離總和百分比為0%時，則燃料電池(21)產生的能量將100%提供給電源供應器(1)之充電(charge)使用，而電動車之踏板(pedal)將獲得0%之能量供給電動車加速使用；B.當電源供應器(1)顯示之SOC≦40%，而距離總和百分比為0%時，則燃料電池(21)產生的能量將有67%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得33%之能量供給電動車加速使用；C.當電源供應器(1)顯示之SOC≦60%，而距離總和百分比為0%時，則燃料電池(21)產生的能量將有33%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得67%之能量供給電動車加速使用；D.當電源供應器(1)顯示之SOC≦20%，而距離總和百分比≦33%時，則燃料電池(21)產生的能量將有67%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得33%之能量供給電動車加速使用； E.當電源供應器(1)顯示之SOC≦40%，而距離總和百分比≦33%時，則燃料電池(21)產生的能量將有44%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得56%之能量供給電動車加速使用；F.當電源供應器(1)顯示之SOC≦60%，而距離總和百分比≦33%時，則燃料電池(21)產生的能量將有22%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得78%之能量供給電動車加速使用；G.當電源供應器(1)顯示之SOC≦20%，而距離總和百分比≦66%時，則燃料電池(21)產生的能量將有33%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得67%之能量供給電動車加速使用；H.當電源供應器(1)顯示之SOC≦40%，而距離總和百分比≦66%時，則燃料電池(21)產生的能量將有22%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得78%之能量供給電動車加速使用；以及I.當電源供應器(1)顯示之SOC≦60%，而距離總和百分比≦66%時，則燃料電池(21)產生的能量將有11%提供給電源供應器(1)之充電使用，而電動車之踏板將獲得89%之能量供給電動車加速使用；上述電源供應器(1)之充電與電動車之踏板分擔的比例係可依具體的指標做調整，模糊控制器係由反饋傳感器接收行駛里程與SOC狀態，以制定電源供應器(1)之SOC與電動車之踏板的工作週期比(duty ratio)，以此模糊法則做為電源供應器(1) 充電之策略可保持電源供應器(1)之SOC在相對高點，不需要將電動車停下來充電即可完成長里程的都市駕駛經驗，較少的停止點意謂著電動車可隨著駕駛循環順暢地運動，而動能亦可有效保持，而有較高的能量效能，此外，以駕駛員駕駛本發明之增程式電動車系統並不會有明顯的差異，其駕駛經驗幾乎與駕駛傳統汽柴油引擎的車輛一致；以及一動力驅動模組(5)，係電性連接電源供應器(1)，動力驅動模組(5)係包括一驅動器(51)與一軸設於電動車車輪(6)之驅動馬達(52)，其中電源供應器(1)係提供能量至驅動器(51)，驅動器(51)再驅動驅動馬達(52)以帶動電動車之車輪(6)運轉；由於車輛在煞車模式下的能量消耗主要來自於輪胎，輪胎將會消耗多數的動能以將該車輛停止，因此本發明較佳實施例之驅動馬達(52)係可進一步於煞車模式下將能量再生傳遞至驅動器(51)，使動能再次循環以達到較高的能量效率。

根據上述之增程式電動車系統於實際實施時，當駕駛員駕駛內設有本發明之增程式電動車系統之電動車時，首先，於駕駛員發動電動車之動力的同時，動力控制單元(4)係促使電性連接的電源供應器(1)之鋰離子電池提供電力至動力驅動模組(5)之驅動器(51)，驅動器(51)再驅動軸設於電動車車輪(6)之驅動馬達(52)，以帶動電動車之車輪(6)運轉，使電動車在道路上行駛；接著，動力控制單元(4)會同時偵測電源供應器(1)之殘餘電量(SOC)，藉由參考SOC的多寡，電性連接以控制繼電器(31)之開與關，依模糊法則將燃料電池(21)產生之能量傳遞至電源供應器(1)，其中燃料電池(21)產生之能量係由氫氣供應系統(23)提供之 含氫燃料與空氣供應系統(22)提供之空氣作用產生電力與熱力；而依模糊法則之限制，係由反饋傳感器接收行駛里程與SOC狀態，係以具體的指標制定電源供應器(1)之SOC與電動車之踏板的工作週期比，亦即依照不同的SOC與電動車行駛之里程狀態，分配燃料電池(21)產生之能量之不同比例給予電源供應器(1)之充電與電動車之踏板，有效達到不需要停止電動車即可進行電源供應器(1)之充電，使電源供應器(1)之SOC位於相對之高點，延長電動車之行駛里程，其中依模糊法則之規則，其運作之策略係可包括下列狀態：A.當電源供應器(1)SOC≦20%，距離為0%時，燃料電池(21)產生的能量將100%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板獲得0%之能量供電動車加速使用；B.當電源供應器(1)SOC≦40%，距離為0%時，燃料電池(21)產生的能量將67%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板獲得33%之能量供電動車加速使用；C.當電源供應器(1)SOC≦60%，距離為0%時，燃料電池(21)產生的能量將33%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得67%之能量供電動車加速使用；D.當電源供應器(1)SOC≦20%，距離≦33%時，燃料電池(21)產生的能量將67%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得33%之能量供電動車加速使用；E.當電源供應器(1)SOC≦40%，距離≦33%時，燃料電池(21)產生的能量將44%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得56%之能量供電動車加速使用； F.當電源供應器(1)SOC≦60%，距離≦33%時，燃料電池(21)產生的能量將22%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得78%之能量供電動車加速使用；G.當電源供應器(1)SOC≦20%，距離≦66%時，燃料電池(21)產生的能量將33%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得67%之能量供電動車加速使用；H.當電源供應器(1)SOC≦40%，距離≦66%時，燃料電池(21)產生的能量將22%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得78%之能量供電動車加速使用；以及I.當電源供應器(1)SOC≦60%，距離≦66%時，燃料電池(21)產生的能量將11%供電源供應器(1)充電使用，電動車之踏板將獲得89%之能量供電動車加速使用。

此模糊法則係使用電動車踏板時間分享之概念以改善SOC快速損耗的缺點，此概念應用責任分擔原則在電動車運作期間獲得電源供應器(1)充電之時間，此方法除了有效解決SOC快速損耗的缺點外，亦可保持電動車在高速駕駛時的平穩駕駛經驗。

由上述之實施說明可知，本發明之增程式電動車系統與現有技術相較之下，本發明具有以下優點：

1.本發明增程式電動車系統係一種將模糊控制法則之電池充電等能量管理策略應用於以燃料電池為主的電動車發電機之增程器上，使駕駛員駕駛本發明之增程式電動車系統於都市駕駛之經驗與駕駛內燃機引擎之汽車相同，可有效解決電動車於市區行駛模式之電池殘餘電量快速耗盡等燃料消耗問題，同時達到增進電動車之行駛里程目標，消除駕駛員對於行駛里程之焦慮等提升駕駛之性能。

2.本發明增程式電動車系統係藉由模糊法則改善電池之使用壽命與燃料之經濟效益，使本發明之利用燃料電池驅動之增程式電動車系統有效達到安全、持續且平穩的駕駛目標，讓駕駛員感受有如駕馭傳統式內燃機引擎汽車之相同駕駛經驗。

3.本發明增程式電動車系統之燃料電池增程式電動車系統(FC-REEV)係藉由純電力之質子交換膜燃料電池(PEMFC)並結合模糊法則驅動，與傳統的增程式電動車(REEV)比較，本發明之增程式電動車有較好的節約燃料的經濟效益，有效成為無二氧化碳污染的電動車系統。

綜上所述，本發明之增程式電動車系統，的確能藉由上述所揭露之實施例，達到所預期之使用功效，且本發明亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求。爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

惟，上述所揭之圖示及說明，僅為本發明之較佳實施例，非為限定本發明之保護範圍；大凡熟悉該項技藝之人士，其所依本發明之特徵範疇，所作之其它等效變化或修飾，皆應視為不脫離本發明之設計範疇。

(1)‧‧‧電源供應器

(2)‧‧‧燃料電池模組

(21)‧‧‧燃料電池

(22)‧‧‧空氣供應系統

(23)‧‧‧氫氣供應系統

(3)‧‧‧傳遞開關模組

(31)‧‧‧繼電器

(32)‧‧‧直流/直流轉換器

(4)‧‧‧動力控制單元

(5)‧‧‧動力驅動模組

(51)‧‧‧驅動器

(52)‧‧‧驅動馬達

(6)‧‧‧車輪

Claims (5)

1. 一種增程式電動車系統，係將模糊控制法則之電池充電策略應用於以燃料電池為主的電動車發電機之增程器，達到增進續駛里程的目標，該增程式電動車系統係至少包括有：一電源供應器，係提供驅動一電動車所需之能量；一燃料電池模組，係提供能量予該電源供應器，該燃料電池模組包括一燃料電池、一空氣供應系統，以及一氫氣供應系統，其中該空氣供應系統與該氫氣供應系統係提供該燃料電池產生電能所需之原料；一傳遞開關模組，係分別電性連接該燃料電池與該電源供應器，該傳遞開關模組係包括一繼電器，以及一直流/直流轉換器，其中該燃料電池係藉由該繼電器之開關運作，經由該直流/直流轉換模組將能量傳遞至該電源供應器；一動力控制單元，係分別電性連接該繼電器與該電源供應器，其中該動力控制單元係藉由參考該電源供應器顯示之殘餘電量，依照一電池充電策略控制該繼電器之開與關，該電池充電策略係依照不同的電源供應器之殘餘電量與電動車行駛之里程狀態，分配燃料電池產生之能量之不同比例給予電源供應器之充電與電動車之踏板，以將該燃料電池之能量傳遞至該電源供應器與電動車之踏板；以及一動力驅動模組，係電性連接該電源供應器，該動力驅動模組係包括一驅動器與一軸設於該電動車車輪之驅動馬達，其中該電源供應器係提供能量至該驅動器，該驅動器再驅動該驅動馬達以帶動該電動車之車輪運轉。
2. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車系統，其中該電源供應器係為一鋰離子電池。
3. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車系統，其中該燃料電池係為一質子交換膜燃料電池。
4. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車系統，其中該電池充電策略係以模糊法則達成，藉由參考該電源供應器顯示之殘餘電量，以控制該繼電器之開與關，而將能量傳遞至該電源供應器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車系統，其中該驅動馬達係可進一步於煞車模式下將能量再生傳遞至該驅動器，使動能再次循環以達到較高的能量效率。