TWI572504B - Power System of Extended Electric Vehicle and Its Energy Control Method - Google Patents

Description

增程式電動車的動力系統及其能量控制方法

本發明是有關於一種增程式電動車(Range Extended Electric Vehicle,REEV)的動力系統及其能量控制方法，特別是有關於一種應用引擎及電池結合機電雙驅動介面的車輛附件系統的動力系統及控制方法。

如圖1所示為美國專利號US 7954580揭示一種具有附件驅動系統11的電動混合動力系統10當引擎12關閉時，以一個皮帶發電起動(Belt-Alternator-Starter，BAS)系統13透過從動皮帶輪14及許多飛輪(15,15’)與皮帶16將扭力與能量傳至各附件系統(17,17’)，以確保其有辦法適當的運作；當引擎關閉不用時，可透過控制器18控制引擎進氣與出氣閥門19的開關，降低皮帶發電起動系統13帶動附件系統(17,17’)運轉時的阻力，以提升附件系統(17,17’)運轉的效率的技術方案。

目前有關動力混合系統的控制方式多以電池的電量為主要控制參考，當電池電量充足時，其發電系統並不開啟，引擎為關閉狀態，而車上之附件系統皆由電動馬達加以驅動；待電池電量不足時才開啟引擎對電池系統充電，並將空調等部分的附件系統改由引擎驅動。此種作法會使得引擎在長途行駛時經歷數次的開啟與關閉，造成許多能源的浪費；另外，電池系統在電量足夠的情況下，必須同時提供車輛行進的動力與附件系統的耗能 需求，頻繁且大電流的充放電也對電池系統的壽命造成相當大的影響。另外，引擎運轉時通常可以順便提供輔助剎車所需的真空，但是當引擎停止時，必須另外使用真空幫浦提供剎車之輔助。真空幫浦必須持續運轉，準備隨時剎車所需的真空度，因此相當耗電。車上若有水冷系統，同樣的也須以幫浦維持水流所需的壓力。當引擎停止時，幫浦亦無法正常運轉。總而言之，引擎所提供的眾多額外功能，在增程式電動車上均需由馬達提供而無法切換動力提供源，如此將增加相當多的馬達數量與電力的快速消耗。

本發明目的係提供一種在增程式電動車之附件系統的雙動力切換系統，及其依照供電單元之電池殘電量與運轉單元扭力輸出狀態而切換提供附件系統的動力種類的動力系統與其動力控制方法。

為達成上述目的，本發明提供一種增程式電動車的動力系統，包含有運轉單元、供電單元、驅動單元、發電單元以及電子控制單元。運轉單元用以輸出扭力。供電單元係提供電動車電力。驅動單元包含至少一驅動系統，每個驅動系統分別包含機械驅動介面及電力驅動介面，且應用每一個機械驅動介面對應一個驅動單元離合器的方式，使該驅動系統透過該驅動單元離合器與該運轉單元作動力連接或分離，該電力驅動介面透過一繼電器與該供電單元電性連接或分離。發電單元係與供電單元電性連接，並透過一啟動/發電離合器與運轉單元作動力連接或分離，於同一時間，該驅動系統係擇一驅動介面運作。電子控制單元係包含車輛狀態之監控，且電性連接並控制該些驅動單元離合器、啟 動/發電離合器及繼電器之運作。

在上述一實施例中，前述驅動單元包含空調系統、幫浦系統及其他的附件系統。該空調系統之該機械驅動介面透過第一驅動單元離合器與該運轉單元連接作動力連接或分離，該幫浦系統及該其他附件系統之該些機械驅動介面透過一第二驅動單元離合器與該運轉單元連接作動力連接或分離。

在上述一實施例中，該運轉單元可為一引擎、該供電單元可為至少一電池系統、該發電單元可為一啟動馬達發電機(ISG)、該行車動力單元可為一驅動馬達。

為達成上述目的，本發明提供之程式電動車的能量控制方法，其步驟包含：預先提供前述之增程式電動車的動力系統。再來，判斷電動車一啟動開關電門為通路狀態時，接合該啟動/發電離合器。再發動該發電單元以使該運轉單元作動。以及，判斷當運轉單元無法提供輸出扭力時，接通該繼電器，並分離該些驅動單元離合器和該啟動/發電離合器；當運轉單元可提供輸出扭力時，斷開該繼電器，並接合該些驅動單元離合器和該啟動/發電離合器。

在上述一實施例中，該發動該發電單元以使該運轉單元作動之步驟前或後，更包含一接合該些驅動單元離合器步驟。

在上述一實施例中，該發動該發電單元以使該運轉單元作動之步驟前，更包含一將該繼電器斷開的步驟。

在上述一實施例中，該電子控制單元係可控制該些驅動單元離合器中任一個獨立進行分離或接合作動。

在上述一實施例中，引擎的制動比油耗是保持在300 以下運作的。

在上述一實施例中，更包含一判斷該電動車一啟動開關為斷路狀態時，斷開該繼電器並停止該運轉單元作動步驟。

本發明之特點在於，本創作的動力系統，運轉單元(如引擎)維持在適當且高效率範圍內持續運轉，除了發電之外且提供所有的附件系統，包括空調系統、輔助剎車系統與水冷系統等之動力需求，可大幅減少所需(較高功率)馬達之數量，亦可維持現有汽車附屬設備(附件系統)的架構與動力的供應，不論在安全方面或節能方面均有相當大之助益。前述之控制方式採用引擎恆時運作之控制策略，將引擎操作在較高的使用效率，直接驅動空調、幫浦與其他附件系統，無需透過發電機將能量轉為電能存入電池系統，再透過電力驅動附件系統，少了多次能量轉換的過程，更再次提升了能量的使用效率；此外，本發明同時解決了目前增程式電動車在引擎停止運作時，造成電池系統額外負擔的問題，可有效提升電池系統的使用壽命。

[先前技術部分]

10‧‧‧電動混合動力系統

11‧‧‧附件驅動系統

12‧‧‧引擎

13‧‧‧皮帶發電起動系統

14,14‧‧‧從動皮帶輪

15,15’‧‧‧飛輪

16‧‧‧皮帶

17,17’‧‧‧附件系統

18‧‧‧控制器

19‧‧‧引擎進氣與出氣閥門

[本發明技術部分]

20‧‧‧運轉單元

20a‧‧‧引擎

30‧‧‧供電單元

30a‧‧‧電池系統

40‧‧‧驅動單元

40a,40b,40c‧‧‧驅動系統

401a,401b,401c‧‧‧機械驅動介面

4011a,4011b‧‧‧驅動單元離合器

402a,402b,402c‧‧‧電力驅動介面

403‧‧‧繼電器

41‧‧‧空調系統

411‧‧‧第一驅動單元離合器

42‧‧‧幫浦系統

421‧‧‧第二驅動單元離合器

43‧‧‧液壓動力轉向系統

50‧‧‧發電單元

50a‧‧‧啟動馬達發電機

51‧‧‧啟動/發電離合器

60‧‧‧行車動力單元

60a‧‧‧驅動馬達

61‧‧‧動力離合器

62‧‧‧動力輸出軸

70‧‧‧電子控制單元

P1,P2,P3‧‧‧運作點

步驟S10至步驟S40‧‧‧方法流程

圖1繪示先前技術之電力混合系統之附件驅動系統方塊圖。

圖2繪示本發明之增程式電動車的動力系統實施例的系統方塊圖。

圖3繪示本發明之增程式電動車的動力系統包含驅動系統另一實施例的系統方塊圖。

圖4繪示本發明之增程式電動車的能量控制方法實施例的流程圖。

圖5繪示本發明之增程式電動車的能量控制方法實施例的判斷電動車一啟動開關為斷路狀態時的步驟流程圖。

圖6繪示本發明之引擎式運轉單元的運作效率圖。

茲配合圖式說明本發明之實施例如下。

首先請參照圖2繪示的本發明之增程式電動車的動力系統實施例的系統方塊圖及圖3繪示的本發明之增程式電動車的動力系統包含驅動系統另一實施例的系統方塊圖。本實施例之增程式電動車的動力系統，包含了有運轉單元20、供電單元30、驅動單元40、發電單元50、行車動力單元60、電子控制單元70。

運轉單元20(可為一引擎20a，但不以此為限)，用以輸出扭力。供電單元30(可為一電池系統30a，但不以此為限)用以提供電動車所需要的電力。驅動單元40係包含多個驅動系統(40a,40b,40c)(即附件系統)中的至少一驅動系統(40a、40b或40c)，每一個驅動系統(40a、40b或40c)分別對應包含有一機械驅動介面(401a、401b或401c)及一電力驅動介面(402a、402b或402c)，以在同一時間擇一來驅使驅動系統(40a、40b或40c)運作其各自功能，其以每一個機械驅動介面(401a、401b或401c)包含一個驅動單元離合器(4011a,4011b)及/或多數個機械驅動介面(401a,401b,401c)對應一個驅動單元離合器(4011a或4011b)的方式，使該些驅動系統(40a,40b,40c)透過該些驅動單元離合器(4011a,4011b)與該運轉單元20作動力上的連接或分離，該電力驅動介面402乃透過一繼電器403而與該供電單元30電性連接或分離。發電單元50(可為啟動馬達發電機(Integrated Starter Generator,ISG)50a，但不以此為限)，其係與該供電單元30電性連接，並透過一啟動/發電離合器51與該運轉單元20作動力連接或分離。行車動力單元60(可為一驅動馬達 60a)，係透過一動力離合器61與該電動車的一動力輸出軸62作動力連接或分離。電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)70，係用以對車輛狀態之監控，且電性連接該些驅動單元離合器(4011a,4011b)、啟動/發電離合器51、動力離合器61及繼電器403，以進行控制。

詳細言之，在一實施例中，該驅動單元40係可包含複數附件系統，如空調系統41、幫浦系統42及液壓動力轉向系統43等附件系統。而該空調系統41之該機械驅動介面401a係透過一第一驅動單元離合器(第一附件離合器)411與該運轉單元20連接作動力連接或分離，該幫浦系統42及該液壓動力轉向系統43之該些機械驅動介面(401b,401c)係透過一第二驅動單元離合器(第二附件離合器)421與該運轉單元20連接作動力連接或分離。

在此系統架構之一實施例中，引擎20a係為車輛發動後持續運轉的單元，其可透過第一驅動單元離合器411、第二驅動單元離合器421與啟動/發電離合器51和皮帶輪(未繪示)等構件，提供空調系統41、幫浦系統42及液壓動力轉向系統43等附件系統所需的動力，同時提供部分電力給電池系統30a與驅動馬達60a。當引擎20a正常運作時，第一驅動單元離合器411可依使用者對空調系統41的需求決定是否接合，第二驅動單元離合器421則為恆接合狀態，持續以引擎20a帶動幫浦系統42及其他附件系統43運作，啟動/發電離合器51的接合或分離，取決於電池系統30a狀態為需求充電或是電量充足，動力離合器61在驅動馬達60a輸出端與動力輸出單元62之間，預留給使用者有空檔需求時使用，若引擎20a意外故障時，則電子控制單元70會控制第一驅動 單元離合器411、第二驅動單元離合器421使其分離、啟動/發電離合器51使其分離，並將繼電器403接合，透過電力方式驅動空調系統41、幫浦系統42及其他附件系統43；而電子控制單元70更包含本發明所提出的控制邏輯，對各個離合器、繼電器等加以控制，以達成本發明的功能。

請再參照圖4所繪示的本發明之增程式電動車的能量控制方法實施例的系統流程圖。本增程式電動車的能量控制方法實施例中，其步驟包含：步驟S10，首先，提供前述實施例之增程式電動車的動力系統。

步驟S20a，判斷該電動車一啟動開關為通路狀態(KEY ON)時，接合該啟動/發電離合器51，使該發電單元50(啟動馬達發電機50a)與該運轉單元20(引擎20a)動力連接，令該發電單元50(啟動馬達發電機50a)得以發動該運轉單元20(引擎20a)。

步驟S30，發動該發電單元50(啟動馬達發電機50a)以使該運轉單元20(引擎20a)作動。

步驟S40以電子控制單元70確認該運轉單元20(引擎20a)的輸出狀態，當運轉單元20(引擎20a)無法提供扭力輸出時，接通該繼電器403，以轉由該供電單元30(電池系統30a)提供該驅動單元40動力，並分離該些驅動單元離合器(4011a,4011b)和分離該啟動/發電離合器51，以減少該驅動單元40的負載及避免引擎20a造成阻力；當運轉單元20(引擎20a)可提供輸出扭力時，斷開該繼電器403，並接合該些驅動單元離合器(4011a,4011b)和接合該啟動/發電離合器51，轉由運轉單元20(引擎20a)供給該驅動 單元40電力。電子控制單元70係間隔一預設時間確認該運轉單元20的輸出狀態，較佳地，該預設時間為0.001至1秒。

進一步言，請續參見圖4所示，前述實施例中，該發動該發電單元以使該運轉單元作動之步驟S30前，更包含一步驟S21，將該繼電器403斷開的步驟，以減少該供電單元30(電池系統30a)的電力負載。

在一實施例中，同樣請續參見圖4所示，該發動該發電單元以使該運轉單元作動之步驟S30之前或之後，更接著包含一步驟S25(或步驟S35)，接合該些驅動單元離合器(4011a,4011b)的步驟，以使該運轉單元20(引擎20a)一發動即可使用該驅動單元40。值得一提的是，前述實施例中，該電子控制單元70係可獨立進行分離或接合該些驅動單元離合器(4011a,4011b)中的任一個。

請參見圖5所示，在一實施例中，更包含一步驟S20b，判斷該電動車一啟動開關為斷路狀態(KEY OFF)時，斷開該繼電器403並停止該運轉單元20(引擎20a)作動。

續請參照圖6所示之本發明之引擎式運轉單元的運作效率圖。在其水平軸為引擎轉速(rpm)、垂直軸為引擎扭力(N/m)的引擎的制動比油耗(Brake Specific Fuel Consumption,BSFC)圖中，列舉了三個運作點(P1、P2及P3)作為例子，當不需要延距發電並關閉空調系統41時，僅須提供幫浦系統42與其他附件系統43動力時，將引擎20a控制在運作點P1運作；當空調系統41開啟時，引擎20a控制在運作點P2運作；而延距發電啟動時(即以引擎20a帶動啟動馬達發電機50a發電存入電池系統30a時)，同時空調系統41也開啟時，則控制在運作點P3運作，並依引擎20a 運轉的狀態，適時微調啟動馬達發電機50a的發電量，使得整個系統得以在較高的效率下運作，例如，該引擎的制動比油耗係保持在300以下。

綜上所述，本發明增程式電動車之動力系統所採用的引擎，其運轉係可維持在適當且高效率範圍內持續運轉，除了發電之外且提供所有的包括空調系統、輔助剎車系統與水冷系統等附件設備之動力需求，可大幅減少馬達所需之數量或所需之功率，亦可維持現有汽車(引擎動力車)附件系統的架構與動力的供應，不論在安全方面或節能方面均大有助益。前述之控制方式採用引擎恆時運作之控制策略，將引擎操作在較高的使用效率，直接驅動空調、幫浦與其他附件系統，無需透過發電機將能量轉為電能存入電池系統，再透過電力驅動，如此一來，本發明少了多次能量轉換的過程，更提升了能量的使用效率；另外，本發明也同時解決了目前增程式電動車在引擎停止運作時，造成電池系統額外負擔的問題，能有效提升電池系統的使用壽命。

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。

20‧‧‧運轉單元

30‧‧‧供電單元

40‧‧‧驅動單元

40a,40b,40c‧‧‧驅動系統

401a,401b,401c‧‧‧機械驅動介面

4011a,4011b‧‧‧驅動單元離合器

402a,402b,402c‧‧‧電力驅動介面

403‧‧‧繼電器

50‧‧‧發電單元

51‧‧‧啟動/發電離合器

60‧‧‧行車動力單元

61‧‧‧動力離合器

62‧‧‧動力輸出軸

70‧‧‧電子控制單元

Claims (11)

1. 一種增程式電動車的動力系統，包含：一運轉單元，該運轉單元為一引擎，用以輸出扭力；一供電單元；一驅動單元，包含至少一驅動系統，該驅動系統包含一機械驅動介面和一電力驅動介面，該機械驅動介面對應一驅動單元離合器，該驅動系統透過該驅動單元離合器與該運轉單元作動力連接或分離，該電力驅動介面對應一繼電器，該驅動系統透過該繼電器與該供電單元電性連接或分離，於同一時間，該驅動系統係擇一驅動介面運作；一發電單元，係與該供電單元電性連接，並透過一啟動/發電離合器與該運轉單元作動力連接或分離；一電子控制單元，係包含車輛狀態之監控，且電性連接並控制該些驅動單元離合器、啟動/發電離合器、動力離合器及繼電器；以及一行車動力單元，該行車動力單元為一驅動馬達，其係透過該動力離合器與該電動車的一動力輸出軸作行車動力連接或分離。
2. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車的動力系統，其中，該驅動單元包含空調系統、幫浦系統及液壓動力轉向系統。
3. 如申請專利範圍第2項所述之增程式電動車的動力系統，其中，該空調系統之該機械驅動介面透過一第一驅動單元離合器與該運轉單元連接作動力連接或分離，該幫浦系統與該液壓動力轉向系統之該些機械驅動介面透過一第二驅動單元離合器與 該運轉單元連接作動力連接或分離。
4. 如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車的動力系統，其中該供電單元為一電池系統，該發電單元為一啟動馬達發電機(ISG)。
5. 一種增程式電動車的能量控制方法，其步驟包含：提供如申請專利範圍第1項所述之增程式電動車的動力系統；判斷該電動車一啟動開關為通路狀態時，接合該啟動/發電離合器；發動該發電單元以使該運轉單元作動；以及以電子控制單元確認該運轉單元的輸出狀態，當運轉單元無法提供扭力輸出時，接通該繼電器，並分離該些驅動單元離合器和分離該啟動/發電離合器；當運轉單元可提供輸出扭力時，斷開該繼電器，並接合該些驅動單元離合器和接合該啟動/發電離合器。
6. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車的能量控制方法，其中該發動該發電單元以使該運轉單元作動之步驟前，更包含一將該繼電器斷開的步驟。
7. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車的能量控制方法，其中該發動該發電單元以使該運轉單元作動之步驟前或後，更包含一接合該驅動單元離合器步驟。
8. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車的能量控制方法，更包含一判斷該電動車一啟動開關為斷路狀態時，斷開該繼電器並停止該運轉單元作動步驟。
9. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車的能量控制方法，其中該引擎的制動比油耗係保持在300以下。
10. 如申請專利範圍第5項所述之增程式電動車的能量控制方法，其中以電子控制單元確認該運轉單元的輸出狀態之步驟前或後，更包含以電子控制單元確認該供電單元的電池殘電量，當該供電單元的電池殘電量高於一低電量值時，分離該啟動/發電離合器，當該供電單元的電池殘電量等於或低於一低電量值時，接合該啟動/發電離合器。
11. 一種增程式電動車的動力系統，包含：一引擎；一電池系統；複數附件系統，每一附件系統分別包含一機械驅動介面和一電力驅動介面，該機械驅動介面對應一附件離合器及/或複數機械驅動介面對應一附件離合器，該些附件系統透過該些附件離合器與該引擎作動力連接或分離，該電力驅動介面對應一繼電器，該些附件系統透過該繼電器與該電池系統電性連接或分離，於同一時間，該些附件系統係擇一驅動介面運作；一發電單元，係與該電池系統電性連接，並透過一啟動/發電離合器與該引擎作動力連接或分離；一電子控制單元，係包含車輛狀態之監控，且電性連接並控制該些附件離合器、啟動/發電離合器、動力離合器及繼電器；以及一驅動馬達，係透過該動力離合器與該電動車的一動力輸出軸作行車動力連接或分離。