TWI543895B - The Control Method of Energy Operation of Extended Electric Vehicles - Google Patents

Description

增程式電動車之能量運作的控制方法

本發明是有關於一種增程式電動車之能量運作的控制方法，特別是有關於一種對應於增程式電動車驅動馬達的驅動效能與引擎發電機模組的運轉效率的相互關係的能量運作的控制方法。

目前的電動車主要以混合型電動車架構為主流，如美國專利案US 7004273號，該專利公開一動藉由交流感應馬達帶動車輛運動，並藉由整車控制器與行車模式、馬達驅動器、交流發電機進行雙向溝通與控制。此架構的引擎為隨時運作而無法降低油耗。

傳統增程電動車系統也是大多採引擎發電機連續運作以分擔動力電池功率的不足，相對無法達到環保、省油之功效。另外，傳統增程電動車系統於能源應用策略中無針對燃油、引擎發電機與動力電池容量的相互關係定出策略，因此無法提高行駛里程。另外，傳統增程電動車系統針對剎車回充系統也無提供運作策略，因而無法有效回收剎車能量，進而無法降低其能耗。

本發明目的係提供一種增程式電動車之能量運作的控制方法，在電力電池能有充分充電的原則下，使引擎發電機模組運轉在較佳的範圍作定速運轉。

為達成上述的目的，本發明提供之增程式電動車之能量運作的控制方法的步驟包含：初始定義步驟、高效能量運作步驟與常態能量運 作步驟。初始定義步驟將該動力電池的電力殘量由高至低劃分為包含一高效區段與一非高效區段，並將燃料箱的燃料殘量由高至低劃分為包含充足區域及節制區域。高效能量運作步驟是當電力殘量位於高效區段時，動力電池提供驅動馬達電力，此時引擎發電機模組不運轉。常態能量運作步驟是當電力殘量位於非高效區段時，動力電池提供驅動馬達電力，並運轉引擎發電機模組以供電給動力電池，並根據燃料殘量對應地將電力殘量依序維持在非高效區段內的數個不同的維持區間之一，當該燃料殘量掉到原來的維持區間的值以下之後，再下修要維持的電力殘量至下個維持區間。

在一實施例中，前述增程式電動車之能量運作的控制方法更包含一保護能量運作步驟：當電力殘量低於非高效區段，且該燃料殘量為零時，停止引擎發電機模組的運轉。其中，在低於該非高效區段的範圍內更可包含一保護值，當電力殘量低於保護值時，也停止馬達運作。

在一實施例中，該非高效區段係包含一中效區段，該常態能量運作步驟具有一中效能量運作步驟，該步驟包含：當該電力殘量位於該中效區段且該燃料殘量位於該充足區域時，運轉該引擎發電機模組於該最佳效率模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該中效區段的上位區域；當該電力殘量位於該中效區段，且該燃料殘量位於該節制區域時，運轉該引擎發電機模組於該經濟模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該中效區段的下位區域。另外，該非高效區段係包含一低效區段，該常態能量運作步驟包含一低效能量運作步驟，該步驟包含：當該電力殘量位於該低效區段，且該燃料殘量位於該節制區域時，運轉該引擎發電機模組於該經濟模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該低效區段的下位區域。

前述實施例中，該增程式電動車的駕駛模態包含有動力模 式、正常模式及節能模式，在高效區步驟時，使用者可切換的駕駛模態包含動力模式、正常模式和節能模式。在中效區步驟，且燃料殘量位於充足區域時，使用者可切換的駕駛模態包含動力模式、正常模式和節能模式。在中效區步驟，且該燃料殘量位於該節制區域時，該使用者可切換的駕駛模態包含該正常模式和該節能模式、在該低效區步驟，該使用者僅能使用該節能模式的駕駛模態。

在一實施例中，於該方法中，更包一由該動力電池供電的車用附件系統(Auxiliary system)，該車用附件系統在該電力殘量為零之前係全時提供運作。

在一實施例中，該增程式電動車更包含利用煞車產生的動能回充給該動力電池的剎車回充機制。當該電力殘量位於該高效區時，該剎車回充啟動，同時斷開該發電機與該動力電池的電性連接並使該引擎發電機模組與該發電機的輸出功率下降。當該剎車回充時間大於一限制時間時，使該引擎發電機模組停止運作。

本發明之特點在於，本發明將針對增程式電動車能量運作模式進行新型態的最佳化控制策略設計，並透過動力電池電量、燃油量、引擎發電機模組最佳操作區域與馬達最佳操作區域等相互影響的關係來達到低油耗、高駕馭性能並且提高電池壽命。另外，本發明的技術與煞車回充之特性不相衝突，因此運用層面較為廣泛。另外，本發明規劃動力模式、正常模式與節能模式的三種模態的能量運行模式，藉由該模式配合動力電池的電力殘量與引擎發電機模組燃料的燃料殘量的靈活運用可大幅提升增程式電動車的運行里程。

10‧‧‧增程式電動車

11‧‧‧引擎發電機

111‧‧‧燃料箱

12‧‧‧動力電池

13‧‧‧發電機

14‧‧‧變頻模組

15‧‧‧驅動馬達

151‧‧‧控制器

16‧‧‧減速機構

17‧‧‧驅動車輪

30‧‧‧車用附件系統

步驟S10~S40‧‧‧增程式電動車之能量運作的控制方法流程

步驟S10’‧‧‧步驟S10的另一實施步驟

圖1繪示本發明一實施例之增程式電動車系統示意圖；圖2繪示本發明一實施例之增程式電動車之能量運作的控制方法的流程圖；圖3繪示圖2實施例之進一步限定該常態能量運作步驟的流程圖；圖3A繪示圖2A之納入剎車回充機制方法前段之流程圖；圖3B繪示圖2A之納入剎車回充機制方法後段之流程圖；圖4A繪示本發明一實施例之高效能量運作步驟的系統方塊圖；圖4B繪示本發明一實施例之高效能量運作步驟的系統方塊圖；圖4C繪示本發明一實施例之剎車回充且其動作時間小於限制時間的系統方塊圖；圖4D繪示本發明一實施例之剎車回充且其動作時間大於限制時間的系統方塊圖；圖5繪示本發明一實施例之純電模式下的電力殘量與行駛距離的系統座標圖；圖6繪示本發明一實施例之保護能量運作步驟時的電力殘量、可用的駕駛模態、燃料殘量與行駛距離的系統座標圖；圖7繪示本發明一實施例之電力殘量位於中效區、燃料殘量位於充足區域模式下的電力殘量、燃料殘量與行駛距離的系統座標圖；圖8繪示本發明一實施例之電力殘量位於中效區、燃料殘量位於節制區域模式下的電力殘量、可用的駕駛模態、燃料殘量與行駛距離的系統座標圖；以及圖9繪示本發明一實施例之低效能量運作步驟時的電力殘量、可用的駕駛模態、燃料殘量與行駛距離的系統座標圖。

茲配合圖式說明本發明之實施例如下。

首先請參照圖1繪示的本發明實施例應用之增程式電動車系統示意圖。在本實施例中的增程式電動車10包含一驅動馬達15、一動力電池12、一同時與該驅動馬達15及該動力電池12電性耦接的變頻模組14(inverter)，(實務上該驅動馬達15係由一控制器151直接驅動的，但此細節屬於本領域的公知技術，故在此省略)、一將引擎動力(機械能)轉變為電力(電能)並對該動力電池12供電的引擎發電機模組11及一提供燃料給該引擎發電機模組11的燃料箱111。該引擎發電機模組11依其引擎規格配合其發電機規格而具有一最佳效率模式和一經濟模式。該驅動馬達15產生的機械能經由與其扭力軸(未圖示)相連接的一減速機構16傳遞給該驅動車輪17。

基於前述結構，該能量運作的控制方法的步驟包括(請同時參見圖2所繪示的本發明一實施例之增程式電動車之能量運作的控制方法的流程圖、圖3繪示的圖2實施例之進一步限定該常態能量運作步驟的流程圖、圖3A所繪示的圖2A之納入剎車回充機制方法前段之流程圖、圖3B繪示的圖2A之納入剎車回充機制方法後段之流程圖、圖4A之本發明一實施例之高效能量運作步驟的系統方塊圖以及圖4B(此版本沒有附上圖4B)的本發明一實施例之高效能量運作步驟的系統方塊圖)：首先進行一初始定義步驟S10，將該動力電池12的電力殘量(State of Charge,SOC)由高至低依序劃分為包含「高效區段」和「非高效區段」等區間，並且也將該燃料箱111的燃料殘量由高至低依序劃分為包含了「充足區域」及「節制區域」等區段。上述的分區主要係根據該驅動馬達15的規格、單獨作用時的驅動效能，與該引擎發電機11與該燃料箱111的規格、單獨運行時的運轉效率，並結合該驅動馬達15與該引擎發電機11同時運行時產生的相互影響狀況。

接續再判斷並進行一高效能量運作步驟S20，當該電力殘量位於該高效區(例如：電力殘量>45%)的範圍時，該增程式電動車10的變頻模組14由該動力電池12抽取提供該驅動馬達15所需要的電力以驅動該增程式電動車10，而此時該引擎發電機11尚不需要運轉(即不必進行該動力電池12的充電動作)，此時該增程式電動車10處於純電模式(請一併參照圖5所示)。

再接著進行或判斷一常態能量運作步驟S30，當該電力殘量位於該非高效區段(例如：電力殘量<45%)時，該動力電池12提供該驅動馬達15電力，並運轉該引擎發電機模組11以供電給該動力電池12，並根據該燃料殘量的值，對應地將該電力殘量維持在該非高效區段內的數個不同的維持區間之一，當實際的該燃料殘量掉到原來的維持區間的值以下時，再下修要維持的該電力殘量至下一個較低的維持區間。

上述的實施例中，可更包含一保護能量運作步驟S40，該步驟包含：當該電力殘量低於該非高效區段，且該燃料殘量為零時，停止該引擎發電機模組11的運轉。當然，若進行了此一動作時，可進一步警示使用者該引擎發電機模組11已停止運轉的訊息。而進一步地，前述在低於該非高效區段的範圍內更包含一保護值，當該電力殘量低於該保護值時，除了停止該引擎發電機模組11的運轉之外，也停止馬達運作，如圖6所示。

如圖3所示，並請參見圖3A、圖3B。具體而言，在前述之該初始定義步驟中，該非高效區段係更包含有一低於該高效區段的中效區段，且該常態能量運作步驟更包含有一中效能量運作步驟S31，該步驟包含：當該電力殘量位於該中效區段(例如：45%<電力殘量<30%)，且該燃料殘量位於該充足區域時，運轉該引擎發電機模組11於該最佳效率模式之下，以供電給該動力電池12，並將該電力殘量維持在該中效區段的上位區 域(例如：40%至35%之間)，如圖7所示；當該電力殘量位於該中效區段，且該燃料殘量位於該節制區域時，運轉該引擎發電機模組於該經濟模式之下，以供電給該動力電池12，並將該電力殘量維持在該中效區段的下位區域(例如：30%至35%之間)，如圖8所示。

進一步地，前述的該初始定義步驟中的該非高效區段係更包含一低於該中效區段的低效區段(例如：30%<電力殘量<20%)，且在該常態能量運作步驟中，更包含一低效能量運作步驟S32，該步驟包含：當該電力殘量位於該低效區段，且該燃料殘量位於該節制區域時，運轉該引擎發電機模組11於該經濟模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該低效區段的下位區域(例如：20%至25%之間)，如圖9所示。

值得一提的是，本發明中的引擎發電機模組11產生的電力必需足夠供給該驅動馬達15(透過動力電池11及變頻模組14)在後述的任何駕駛模態(不同的駕駛模態下，驅動馬達有不同的耗電量)下所需要的電量，在此前提下，因該引擎發電機模組11發電時提供的電量可完全供電予該驅動馬達15的使用，而且當該引擎發電機模組11供電大於該驅動馬達15的需求時(例如，該引擎發電機模組11運轉於該最佳效率模式時或短暫停等紅燈時)，則將超出的電充入該動力電池12內，當該引擎發電機模組11供電小於該驅動馬達15的需求時，該驅動馬達15則使用該動力電池12的電力。

在一實施例中，可將該增程式電動車的駕駛模態包含有最耗電力的一動力模式、次耗電力的一正常模式及最省電力的一節能模式，在該高效區能量運作步驟時，其電量充裕，因此提供給該使用者可切換的駕駛模態包含該動力模式、該正常模式和該節能模式、在該中效區能量運作步驟，且該燃料殘量位於該充足區域時，該使用者可切換的駕駛模態同樣 包含該動力模式、該正常模式和該節能模式、在該中效區能量運作步驟，且該燃料殘量位於該節制區域時，該使用者可切換的駕駛模態包含該正常模式和該節能模式、在該低效區能量運作步驟及該弱效區能量運作步驟時，該使用者僅能使用該節能模式的駕駛模態。

請參見圖1，在一實施例中，該驅動馬達更包含有由該動力電池12供電的車用附件系統(Auxiliary system)，該車用附件系統包含電動輔助轉向系統、電動空調系統、電子輔助煞車倍力器和電子駐車煞車系統等等。另外，前述的該車用附件系統在該電力殘量為零之前係全時提供運作。

請參見圖4C、圖4D所示，在另一實施例中，該增程式電動車10更包含利用煞車產生的動能回充給該動力電池12的剎車回充機制(該剎車回充機制係可採用目前已知的可應用於增程式電動車的剎車回充技術，本發明主要係針對該剎車回充機制的開啟與關閉，故對其詳細運作原理與結構關係不再贅言)，且當該電力殘量低於該高效區段(如小於45%)，且該燃料殘量大於零時，在啟動該剎車回充的同時斷開該引擎發電機模組11與該動力電池12的電性連接，並進一步控制該引擎發電機模組11的輸出功率，使其下降，以節省燃料、當該剎車回充持續啟動的時間大於一限制時間時(可能處於長下坡路段)，使該引擎發電機11停止運作，以節省燃料。

在一實施例中，前述該動力電池12的電力殘量之高效區段可為該電力殘量高於45%的範圍、該中效區段可為該電力殘量低於45%且高於30%的範圍，該低效區段可為該電力殘量低於30%且高於20%的範圍。另外，該燃料殘量的充足區域可為該燃料殘量高於20%的範圍內，該燃料殘量的節制區域為該燃料殘量低於20%的範圍內。

綜上所述，本發明之優點在於，本發明將針對增程式電動車能量運作模式進行新型態的最佳化控制策略設計，並透過動力電池電量、燃油量、引擎發電機最佳操作區域與馬達最佳操作區域等相互影響的關係來達到低油耗、高駕馭性能並且提高電池壽命。本發明的技術與煞車回充之特性不相衝突，因此可配合該煞車回充疊加運用。另外，本發明規劃了動力模式、正常模式與節能模式的三種模態的能量運行模式，藉由該些模式配合動力電池的電力殘量與引擎發電機燃料的燃料殘量的靈活運用可大幅提升增程式電動車的運行里程。由於增程電動車系統之驅動力單純由電動機提供，其引擎產生動力經由發電機轉換成電能給電動機使用，同時可經電源轉換器對電池充電而車輛之驅動主要仰賴電動機來獲得，不是直接由引擎來驅動。因此適合使用小馬力之引擎，並在電力電池能有充分充電的原則下，讓引擎發電機在最佳範圍內做定速運轉。亦即當系統運作時，引擎發電機幾乎都是維持在高效率的範圍內連續運轉。其優點為結構簡單、控制較容易。藉由上述可知增程電動車運行的能量主要分為兩項來源分別為燃油量與電池電量，因此如何藉由最佳化能量匹配模式提供引擎發電機使用的比例與電池使用的比例或同時使用的比例將大幅決定增程式電動車的性能與駕駛里程與駕馭性。

前述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本創作專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

步驟S10~S40‧‧‧方法流程

Claims (13)

1. 一種增程式電動車之能量運作的控制方法，該增程式電動車包含一驅動馬達、一動力電池、一同時與該驅動馬達及該動力電池電性耦接的變頻模組、一將引擎動力轉變為電力並對該動力電池供電的引擎發電機模組，該引擎發電機模組具有一最佳效率模式和一經濟模式，及一供給燃料給該引擎發電機模組的燃料箱，該能量運作的控制方法的步驟包括：一初始定義步驟，將該動力電池的電力殘量由高至低劃分為包含一高效區段與一非高效區段，該燃料箱的燃料殘量由高至低劃分為包含充足區域及節制區域；一高效能量運作步驟，當該電力殘量位於該高效區段時，該動力電池提供該驅動馬達電力，此時該引擎發電機模組不運轉；一常態能量運作步驟，當該電力殘量位於該非高效區段時，該動力電池提供該驅動馬達電力，並運轉該引擎發電機模組以供電給該動力電池，並根據該燃料殘量對應地將該電力殘量依序維持在該非高效區段內的數個不同的維持區間之一，當該燃料殘量掉到原來的維持區間的值以下之後，再下修要維持的該電力殘量至下個維持區間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，於該常態能量運作步驟之後，更包含一保護能量運作步驟，該步驟包含：當該電力殘量低於該非高效區段，且該燃料殘量為零時，停止該引擎發電機模組的運轉。
3. 如申請專利範圍第2項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，在低於該非高效區段的範圍內更包含一保護值，當該電力殘量低於該保護值時，停止馬達運作。
4. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，該初始定義步驟之該非高效區段係包含一低於該高效區段的中效區段，該常態能量運作步驟包含一中效能量運作步驟，該步驟包含：當該電力殘量位於該中效區段，且該燃料殘量位於該充足區域時，運轉該引擎發電機模組於該最佳效率模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該中效區段的上位區域；當該電力殘量位於該中效區段，且該燃料殘量位於該節制區域時，運轉該引擎發電機模組於該經濟模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該中效區段的下位區域。
5. 如申請專利範圍第4項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，該初始定義步驟之該非高效區段係包含一低於該中效區段的低效區段，該常態能量運作步驟包含一低效能量運作步驟，該步驟包含：當該電力殘量位於該低效區段，且該燃料殘量位於該節制區域時，運轉該引擎發電機模組於該經濟模式之下，以供電給該動力電池，並將該電力殘量維持在該低效區段的下位區域。
6. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，該增程式電動車的駕駛模態包含有最耗電力的一動力模式、次耗電力的一正常模式及最省電力的一節能模式，在該高效能量運作步驟時，該使用者可切換的駕駛模態包含該動力模式、該正常模式和該節能模式、在該中效能量運作步驟，且該燃料殘量位於該充足區域時，該使用者可切換的駕駛模態包含該動力模式、該正常模式和該節能模式、在該中效能量運作步驟，且該燃料殘量位於該節制區域時，該使用者可切換的駕駛模態包含該正常模式和該節能模式、在該低效能量運作步驟時，該使用者僅能使用該節能模式的駕駛模態。
7. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，更包含一由該動力電池供電的車用附件系統，該車用附件系統在該電力殘量為零之前係全時提供運作。
8. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，該增程式電動車更包含利用煞車產生的動能回充給該動力電池的剎車回充的機制。
9. 如申請專利範圍第8項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，當該電力殘量低於該高效區段，且該燃料殘量大於零時，在啟動該剎車回充的同時，即刻斷開該引擎發電機模組與該動力電池的電性連接，並使該引擎發電機模組的輸出功率下降。
10. 如申請專利範圍第9項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，當啟動該剎車回充的持續時間大於一限制時間時，使該引擎發電機模組停止運作。
11. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，該動力電池的電力殘量之高效區段為該電力殘量高於45%的範圍，該中效區段為該電力殘量低於45%且高於30%的範圍，該低效區段為該電力殘量低於30%且高於20%的範圍。
12. 如申請專利範圍第5或第11項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，該燃料殘量的充足區域為該燃料殘量高於20%的範圍內，該燃料殘量的節制區域為該燃料殘量低於20%的範圍內。
13. 如申請專利範圍第11項所述之增程式電動車之能量運作的控制方法，其中，於該中效能量運作步驟中，該中效區段的上位區域係為該電力殘量低於45%且高於35%的範圍，該中效區段的下位區域係為該電力殘量低於35%且高於30%的範圍，於該低效能量運作步驟中，該低效區的下位區域係為該電力殘量低於25%且高於20%的範圍。