TWI597196B - 應用於電動車輛之交換電池組及其控制方法 - Google Patents

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Description

應用於電動車輛之交換電池組及其控制方法
本發明係關於一種應用於電動車輛之交換電池組及其控制方法。
隨著環保節能觀念意識逐漸抬頭，在交通車輛的技術領域當中，減少能源消耗並降低污染廢棄的排放，一直是各家車廠努力的目標之一，因此，具有節能減碳效能的混合式動力車(Hybrid Electric Vehicle,HEV)及純電動車輛(Electric Vehicle,EV)的相關研究，也未曾停歇。根據日本Japan Automobile Research Institute,JARI,FC.EV Center的調查，一般汽油引擎車輛行駛能量消耗是電動車輛的3倍，另外在二氧化碳的排放，汽油引擎車輛(每公里汽車行駛)之排放量為電動車輛(電能轉換)的4倍。因此，各家汽車廠商諸如日產(Nissan)、BMW、比亞迪及特斯拉(Tesla)等，皆陸續有生產純電動車輛並於市場販賣，雖尚未普及化，但亦逐漸受到市場的重視。
然而電動車輛面臨最棘手的問題是電力維持。每輛電動車輛至少都配置一個主電池組以驅動電動車輛運作，當主電池組電力耗盡時則需對其充電以恢復電力需求，然而，要將電力耗盡的主電池組充電至足夠的電力，所需要的時間大約為30分鐘，其費時的充電模式實不符合一般民眾的用車習慣。
近來有交換電池的概念被提出，其是在所謂的電池交換站將已充電的主電池組與電動車輛上電力耗盡的主電池組做替換。這個模式有幾個缺點：其一，主電池組由於容量大，體積重量也大，不容易更換；其二，每個車廠所生產的主電池組外觀、容量皆不盡相同，電池交換站必須替不同品牌、不同車款囤積準備為數不少的主電池組以供給 不同品牌的電動車輛使用，將造成電池交換站的巨大負擔。
為了有效解決上述問題，電動車輛在主電池組之外再另外使用交換電池組來對主電池組充電，或協同主電池組以維持電動車輛的電力來源的概念也被提出討論。利用統一規格、體積較小、費用較便宜的交換電池組來對各種主電池組進行充電(或協同供電)將能夠有效的提高電池交換站的經濟效益。
然而，交換電池組雖然相較於主電池組便宜，但仍是動輒數萬元的元件，對於使用者來說若是以買斷的方式來擁有交換電池組則顯得較不符合經濟效益。而較佳的模式可透過向電力供應站租賃的方式來取得交換電池組，以針對有長途行駛需求的電動車輛加大其電池容量。然而，電池的壽命與其使用方式息息相關，例如充電電流、放電速度、充放電次數等因素皆會大大的影響電池的壽命。
對於擁有交換電池組的電力供應站來說，假如交換電池組在出租後被無限制的充電(例如大電流充電)或放電將導致交換電池組的壽命縮短，因此，如何對交換電池組的充放電有所限制，以延長交換電池組的壽命，實為當前重要課題之一。
有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種能夠限制應用於電動車輛的交換電池組的充電功能，藉以使交換電池組能夠在適當的充電環境中被使用的交換電池組的控制方法。
為達上述目的，本發明提供一種應用於電動車輛之交換電池組之控制方法，其特徵在於包括，在對一交換電池組充電之前，進行一充電解鎖程序，以及在交換電池組充電之後，對交換電池組進行一充電上鎖程序。藉由充電上鎖程序，使得交換電池組能夠在擁有者可控制的範圍內被使用。在本實施例中，電動車輛係可同時裝載有一主電池組及至少一交換電池組。
依據本發明之一實施例，交換電池組之控制方法更包括在對交換電池組充電之前，由一電動車輛卸載交換電池組，以及在充電上鎖程序之後，將交換電池組裝載於一電動車輛。
依據本發明之一實施例，交換電池組之控制方法是以軟 體驗證方式或機械結構進行充電解鎖程序或充電上鎖程序。
依據本發明之一實施例，交換電池組之控制方法是在進行充電上鎖程序之前，對交換電池組設定一使用限制條件。
依據本發明之一實施例，其中，使用限制條件是包含一充電時間限制條件或一充電電能量限制條件。
依據本發明之一實施例，其中，使用限制條件係為一充電關閉指令，換言之，交換電池組在充電上鎖程序後即無法對其進行充電。
依據本發明之一實施例，其中，當交換電池組於充電解鎖程序之前進行充電時，控制方法更包含由一回授單元傳送一回授訊號至一控制單元；由控制單元比對回授訊號與該使用限制條件；以及當回授訊號滿足使用限制條件時，由控制單元產生一中斷訊號，並將其傳送至一電能轉換單元。
依據本發明之一實施例，其中，當交換電池組於充電解鎖程序之前進行充電時，該控制方法更包含由一時鐘單元(clock unit)傳送一時鐘訊號至一控制單元；由控制單元比對時鐘訊號與使用限制條件；以及當時鐘訊號滿足使用限制條件時，由控制單元產生並傳送一中斷訊號，並將其傳送至電能轉換單元。
依據本發明之一實施例，其中，電能轉換單元係依據一第一電能而產生一第二電能，而回授單元係擷取第一電能或第二電能之一特性參數。
依據本發明之一實施例，其中，當交換電池組裝載於該電動車輛後，控制方法更包含將使用限制條件傳送於電動車輛；以及由交換電池組依據使用限制條件提供一電能至電動車輛。
承上所述，依據本發明之交換電池組的控制方法，其係可將交換電池組充電上鎖，意即交換電池組在充電上鎖程序後，要對其充電是有限制的。交換電池的擁有者可使交換電池組完全不可充電，或對其設定限制條件，以令使用者在限制條件內使用交換電池組。由於限制條件以及充電解鎖或充電上鎖的權限在於交換電池組的擁有者，因此能由擁有者掌控交換電池組的使用方式。
10、20、30、40‧‧‧交換電池組
11、21、31、41‧‧‧電能傳輸端子
12、22、32、42‧‧‧電能轉換單元
121、221、321、421‧‧‧切換模組
122、222、322、422‧‧‧變壓模組
13、23、33、43‧‧‧電池單元
14、24、34、44‧‧‧控制單元
141、241、341、441‧‧‧處理模組
142、242、323、442‧‧‧切換控制模組
143、243、343、443‧‧‧條件限制模組
445‧‧‧認證模組
25、35、45‧‧‧回授單元
S11、S21、S31、S41‧‧‧切換控制訊號
S12、S22、S32、S42‧‧‧控制訊號
P1‧‧‧第一電能
P2‧‧‧第二電能
P3‧‧‧第三電能
P4‧‧‧第四電能
圖1為依據本發明第一實施例之一種電動車輛用之交換電池組的架構示意圖。
圖2為圖1之交換電池組的進一步架構示意圖。
圖3為依據本發明第二實施例之一種電動車輛用之交換電池組的架構示意圖。
圖4為依據本發明第三實施例之一種電動車輛用之交換電池組的架構示意圖。
圖5為依據本發明第四實施例之一種電動車輛用之交換電池組的架構示意圖。
圖6為依據本發明第五實施例之一種電動車輛用的交換電池組的使用方法流程圖。
圖7為依據本發明第六實施例之一種電動車輛用的交換電池組的控制方法流程圖。
圖8為依據本發明第七實施例之一種電動車輛用的交換電池組的控制方法流程圖。
以下將透過實施例來解釋本發明內容，本發明的實施例並非用以限制本發明須在如實施例所述之任何特定的環境、應用或特殊方式方能實施。因此，關於實施例之說明僅為闡釋本發明之目的，而非用以限制本發明。須說明者，以下實施例及圖式中，與本發明非直接相關之元件已省略而未繪示；且圖式中各元件間之尺寸關係僅為求容易瞭解，非用以限制實際比例。
為了令電動車輛所使用的交換電池組能夠由擁有者主控其使用方式，且具有更長的使用壽命以及經濟效益，本發明係提供一種應用於電動車輛的交換電池組的控制方法。其中，電動車輛包括電動汽車以及電動機車，其例如係為插電式電動車(plug-in battery vehicle,PBEV)。
請參照圖1所示，其係依據本發明第一實施例之應用 於電動車輛之一交換電池組(swapable battery pack set)10的一架構示意圖，交換電池組10至少包括一電能傳輸端子(power transmitting terminal)11、一電能轉換單元12、一電池單元13以及一控制單元14。其中，電能轉換單元12分別電性連接電能傳輸端子11、電池單元13以及控制單元14。要特別說明的是，應用於本實施例之電動車輛是可同時裝載有一主電池組及至少一交換電池組10，其中，交換電池組的體積係小於主電池組的體積。
電能傳輸端子11為一連接端子(connector)，用以與外部連接端子電性連接。電能傳輸端子11可由外部連接端子接收一第一電能P1，亦可將一第四電能P4傳輸至外部連接端子。
電能轉換單元12為一直流電源轉換器(DC to DC converter)，其是分別與電能傳輸端子11、電池單元13以及控制單元14電性連接。電能轉換單元12主要是接收第一電能P1，並將其轉換為一第二電能P2，再將其傳輸至電池單元13予以儲存。另外，電能轉換單元12亦可接收由電池單元13輸出之一第三電能P3，並將其轉換為第四電能P4，再將其輸出至電能傳輸端子11。換言之，電能轉換單元12係可為單向式或雙向式的電能轉換單元，於此並未加以限制。
電池單元13具有複數電池，其係為二次電池(Secondary battery)，例如為鎳氫電池(Ni-MH battery)或鋰離子電池(Li-ion battery)等，而鋰離子電池又可包括磷酸鋰鐵電池或鈦酸鋰電池。其中，磷酸鋰鐵電池相對於一般的鋰離子電池，具有輸出功率較大、充電速度較快、較佳的穩定性以及較為安全等優點。而鈦酸鋰電池相對於一般的鋰離子電池，則具有輸出功率較大、較為安全、充電速度極快以及壽命長等優點。
控制單元14係輸出一切換控制訊號S11，以控制電能轉換單元12。於本實施例中，切換控制訊號S11係為一脈寬調變控制訊號(pulse width modulation signal,PWM signal)。
請參照圖2所示，電能轉換單元12具有一切換模組(switching module)121以及一變壓模組122。切換模組121主要是 由複數開關元件，例如電晶體，所構成的切換迴路，其係接受切換控制訊號S11的控制而分別執行導通(turn on)及關閉(turn off)的動作。變壓模組122主要是由變壓器(transformer)或磁性元件(magnetic element)所構成的電壓轉換迴路，依據其線圈繞組的設計，可為升壓型或降壓型變壓器。需注意者，電能轉換單元12之構成並非為上述或圖示的限定型態，其僅為舉例性，主要目的為達成直流轉直流的電能轉換。
控制單元14具有一處理模組141、一切換控制模組142以及一條件限制模組143。條件限制模組143係儲存有至少一使用限制條件，其例如包括但不限於充電時間限制、充電容量限制、放電容量限制或是禁止充電(充電關閉指令)等限制條件。其中，使用限制條件係可由使用者透過有線或無線的方式輸入或設定。另外，當充電容量限制被設定為0時，也代表將無法對電池進行充電，因此各種限制條件是可相互搭配或選擇使用。處理模組141例如係為一微處理機(microprocessor)，其係與條件限制模組143電性連接，並依據使用限制條件而輸出控制訊號S12至切換控制模組142。切換控制模組142則係依據控制訊號S12而產生並輸出切換控制訊號S11。
請再參照圖3所示，本發明第二實施例之交換電池組20係包括一電能傳輸端子21、一電能轉換單元22、一電池單元23、一控制單元24以及一回授單元25。其中，電能傳輸端子21、電能轉換單元22、電池單元23以及控制單元24係與第一實施例之電能傳輸端子11、電能轉換單元12、電池單元13以及控制單元14的組成及功能相同，於此不再加以贅述。而與第一實施例不同的是，為了能夠使得上述實施例中的條件限制模組143能夠產生較大的效益，本實施例係增加回授單元25以與控制單元24中的一處理模組241、一切換控制模組242以及一條件限制模組243配合應用。
回授單元25係與電能轉換單元22電性連接，並擷取電能轉換單元22的輸入特性參數或輸出特性參數。其中輸入特性參數包括但不限於輸入電流、輸入電壓及輸入功率，而輸出參數 包括但不限於輸出電流、輸出電壓及輸出功率。舉例說明，假設交換電池組20的額定容量為100Ah，使用者輸入至條件限制模組243的使用限制條件之一為可充電容量為100Ah(1C)，換言之，在使用者沒有修改限制條件之前，其可對交換電池組20進行1C的充電程序。於此，回授單元25可擷取電能轉換單元22的輸出電流值，並將其轉換為處理模組241能夠辨識的回授訊號S23後傳輸至處理模組241。處理模組241則係依據回授訊號S23以及搭配時鐘(clock)及暫存器(圖未顯示)進行運算後得到當前的充電容量。
當充電容量尚未到達1C時，則處理模組241產生的控制訊號S22係令切換控制模組242產生切換控制訊號S21以控制切換模組221持續運作。而當充電容量到達1C時，則處理模組241所產生的控制訊號S22則係令切換模組221不再運作，以使得交換電池組20主動停止對電池單元23的充電動作。於上述中，令切換模組221不再作動的控制訊號S22或切換控制訊號S21即為一中斷訊號。
請再參照圖4所示，本發明第三實施例之電動車輛用之一交換電池組30係包括一電能傳輸端子31、一電能轉換單元32、一電池單元33、一控制單元34以及一回授單元35。與上述實施例不同的是，電能轉換單元32具有相互電性連接的一切換模組321、一變壓模組322以及一切換控制模組323。控制單元34具有相互電性連接的一處理模組341以及一條件限制模組343。在本實施例中，切換控制模組323係接收由控制單元34的處理模組341輸出的控制訊號S32而產生切換控制訊號S31。於此所要闡述的是，交換電池組30內部之各模組係可依據實際設計的需求(例如效能或成本需求)而可調動其位置，於此不對其加以限制。
為了避免交換電池組的條件限制模組被輕易的更改其限制條件，其可對交換電池組的變更加以鎖定。例如係以鎖匙結構方式的機械結構將其鎖定而不能變更，或是以軟體驗證的方式加以鎖定。以下，請參照圖5所示，其係以軟體驗證的模式簡易說明本發明第四實施例之電動車輛用的一交換電池組40。
如圖5所示，交換電池組40包括一電能傳輸端子41、一電能轉換單元42、一電池單元43、一控制單元44以及一回授單元45。與上述實施例不同的是，本實施例之控制單元44具有一處理模組441、一條件限制模組443、一切換控制模組442以及一認證模組445。其中，認證模組445係與處理模組441及條件限制模組443電性連接，其主要目的係作為變更條件限制模組443之內容使用。
認證模組445係可由使用者利用帳號密碼、指紋辨識或是觸控手勢等方式予以認證。當認證模組445一經鎖定，則條件限制模組442將無法再被修改，直至使用者輸入對應的認證條件，如此一來，將可以掌握交換電池組的控制權。
接著，以下將配合上述，再舉例說明依據本發明第五至第七實施例之一種電動車輛用之交換電池組的使用方法及控制方法。請參照圖6所示，本發明第五實施例是以使用電動車輛之角度的交換電池組的控制方法，其包括程序P01至程序P05。
程序P01係將一電動車輛移動至一電力供應站。在電動車輛中係具有一主電池組以及一第一交換電池組，其中第一交換電池組的體積係小於主電池組的體積。
程序P02係於電力供應站將第一交換電池組由電動車輛上卸載。其係在電力供應站由操作人員將原來裝載於電動車輛上的第一交換電池組卸載，並將該第一交換電池組移至儲存區，以供後續檢測、解鎖或充電。
程序P03係由電力供應站的操作人員依據使用者的需求，而將一使用限制條件輸入至第二交換電池組的條件限制模組。該使用限制條件包括但不限於充電容量限制、放電容量限制、使用時間限制或禁止充電等。
程序P04係對第二交換電池組進行充電上鎖程序。其係由電力供應站的操作人員對第二交換電池組施以認證措施，例如以帳號密碼進行鎖定、以指紋進行鎖定、以觸控手勢進行鎖定、或以鎖匙進行鎖定，以使得使用者在充電上所程序之後無法變更使用限制條件。
程序P05係由電力供應站的操作人員將第二交換電池組裝載於電動車輛上，而使用者則能依據使用限制條件而使用該第二交換電池組。於本實施例中，在第二交換電池組裝載於電動車輛之後，第二交換電池組亦可將其使用限制條件傳送至電動車輛的控制中樞，接著並依據使用限制條件提供其電能至電動車輛。換言之，使用限制條件除了限制對交換電池組的充電之外，亦可限制交換電池組的放電。
接著，請再參照圖7所示，本發明第六實施例是以使用交換電池組之角度所述的交換電池組的控制方法，其包括程序P11至程序P16。
程序P11係將交換電池組由一第一電動車輛上卸載。其係由電力供應站的操作人員將交換電池組由第一電動車輛卸載。
程序P12係由電力供應站的操作人員對交換電池組進行充電解鎖程序。其係於電力供應站由操作人員輸入認證條件至交換電池組的認證模組，以解除條件限制模組的使用限制條件。
程序P13係對交換電池組進行充電程序。其係於電力供應站對已經解除使用限制條件的交換電池組進行充電程序。
程序P14係對充電完成的交換電池組進行使用限制條件的設定。其係於電力供應站由操作人員依據使用者的需求而輸入適當的使用限制條件至交換電池組的條件限制模組。
程序P15係對交換電池組進行充電上鎖程序。其係由電力供應站的操作人員對交換電池組施以認證措施，例如以帳號密碼進行鎖定、以指紋進行鎖定、以觸控手勢進行鎖定、或以鎖匙或電子鎖匙進行鎖定，以令使用者在充電上所程序之後無法變更使用限制條件。
程序P16係由操作人員將交換電池組裝載於一第二電動車輛上，而使用者則能依據使用限制條件而使用交換電池組。
接著，請再參照圖8所示，其係以使用者使用裝載於電動車輛上的交換電池組的角度所述的交換電池組的控制方法， 其包括程序P21至程序P25。
程序P21係由使用者將電能提供至交換電池組的電能傳輸端子。電能可由電動車輛預設的連接端子而輸入至交換電池組的電能傳輸端子，於此並不加以限制其連接態樣。
程序P22係由交換電池組的回授模組擷取電能轉換單元的輸入特性參數或輸出特性參數，並將其轉換成一回授訊號而傳輸至控制單元的處理模組。
程序P23係由處理模組依據回授訊號及使用限制條件進行比對，以判斷二者是否相符合，當二者不符時則進行程序P24，而當二者相符時則進行程序P25。
程序P24係繼續充電程序，其持續由外部提供電能至交換電池組的電池單元。程序P25係停止充電程序，其係停止電能轉換單元的運作而使得電能無法再傳輸至電池單元。
綜上所述，依據本發明之應用於電動車輛的交換電池組的控制方法，其係可將交換電池組進行充電上鎖程序，意即交換電池組在充電上鎖程序後，要對其充電是被條件限制模組中的使用限制條件所限制的。交換電池的擁有者可使交換電池組禁止充電，或對其設定限制條件，以令使用者在限制條件內使用交換電池組。由於限制條件以及充電解鎖程序或充電上鎖程序的權限掌握在交換電池組的擁有者(例如電力供應站)，因此能由擁有者掌控交換電池組的使用方式。如此一來，對於交換電池組的擁有者電力供應站來說，將可有效的避免使用者無限制且任意地使用交換電池組。
本發明符合發明專利之要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士，爰依本案發明精神所作之等效修飾或變化，皆應包括於以下之申請專利範圍內。
10‧‧‧交換電池組
11‧‧‧電能傳輸端子
12‧‧‧電能轉換單元
13‧‧‧電池單元
14‧‧‧控制單元
S11‧‧‧切換控制訊號
P1‧‧‧第一電能
P2‧‧‧第二電能
P3‧‧‧第三電能
P4‧‧‧第四電能

Claims (12)

  1. 一種應用於一電動車輛之交換電池組之控制方法，其中該電動車輛係可同時裝載有一主電池組及至少一交換電池組，包含：於對一交換電池組充電之前，進行一充電解鎖程序；以及於該交換電池組充電之後，對該交換電池組進行一充電上鎖程序。
  2. 如請求項1之交換電池組之控制方法，其中，該控制方法更包含：於對該交換電池組充電之前，由一電動車輛卸載該交換電池組；以及於該充電上鎖程序之後，將該交換電池組裝載於一電動車輛。
  3. 如請求項1之交換電池組之控制方法，其中，係以軟體驗證方式進行該充電解鎖程序或該充電上鎖程序。
  4. 如請求項1之交換電池組之控制方法，其中，係以機械結構進行該充電解鎖程序或該充電上鎖程序。
  5. 如請求項1之交換電池組之控制方法，其中，在進行該充電上鎖程序之前，對該交換電池組設定一使用限制條件。
  6. 如請求項5之交換電池組之控制方法，其中，該使用限制條件包含一充電時間限制條件或一充電電能量限制條件。
  7. 如請求項5之交換電池組之控制方法，其中，該使用限制條件係為一充電關閉指令。
  8. 如請求項5之交換電池組之控制方法，其中，當該交換電池組於該充電解鎖程序之前進行充電時，該控制方法更包含：由一回授單元傳送一回授訊號至一控制單元；由該控制單元比對該使用限制條件與該回授訊號；以及當該回授訊號滿足該使用限制條件，由該控制單元產生一中斷訊號。
  9. 如請求項8之交換電池組之控制方法，其中，當該交換電池組於該充電解鎖程序之前進行充電時，該控制方法更包含：由該控制單元依據一時鐘訊號與該使用限制條件進行比對；以及當該時鐘訊號滿足該使用限制條件，由該控制單元產生一中斷訊號。
  10. 如請求項8或9之交換電池組之控制方法，其中，該中斷訊號係傳送至一電能轉換單元。
  11. 如請求項10之交換電池組之控制方法，其中，該電能轉換單元係依 據一第一電能而產生一第二電能，該回授單元係擷取該第一電能或該第二電能之一特性參數。
  12. 如請求項5之交換電池組之控制方法，當該交換電池組裝載於該電動車輛後，更包含：將該使用限制條件傳送於該電動車輛；以及該交換電池組依據該使用限制條件提供一電能至該電動車輛。
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