TWI839404B - 用於供電及控制電動車的裝置 - Google Patents

Abstract

一種用於供電及控制電動車輛的該裝置包含電動牽引馬達及車輛和電動牽引馬達的控制系統，該裝置包含用於供電電動馬達及控制系統的第一主電池、適於在車輛之點火階段期間供電控制系統的第二服務電池、車輛之第一啟動構件以及車輛之第二緊急啟動構件。控制系統包含車輛及電動牽引馬達之第一控制單元及第一主電池之第二控制單元，第一啟動構件經操作以連接至第二服務電池及連接至車輛及電動牽引馬達之第一控制單元以在正常條件下藉由第二服務電池之構件為第一控制單元供電，第二緊急啟動構件經操作以連接至第二控制單元以緊急條件下藉由第一主電池之構件為第一控制單元供電。

Description

用於供電及控制電動車的裝置

本發明係有關於用於供電及控制電動車輛的裝置，特別是具有改進的可靠性特徵的電動機車。

下面敘述將主要涉及電動機車或輕便型機車，而不希望限制其應用領域。此外，在以下敘述中，用語機車和輕便型機車應視為等同。 在混合類型的機車中，電動馬達的使用是已知的，其中一或多個內燃機引擎由一或多個電動馬達輔助，而在全電動機車中，則僅由電動馬達驅動。 在已知類型的一些典型實施例中，電動機車有利地包括提供用於驅動電動馬達的能量的高壓主電池與向機車的許多電動和電子設備提供能量的低壓服務電池。在這種類型的解決方案中，通常還提供DC-DC轉換器，以將由主電池產生的高電壓電流轉換成低電壓電流，以為低電壓服務電池供電。 由服務電池執行的功能之一係在機車的啟動階段為系統提供能量。實際上，在啟動階段中，使用者藉由開關的構件(通常由車輛點火鑰匙或按鈕來操作)將服務電池連接至VCU(車輛控制單元)。後者又透過BMS(電池管理系統)啟用主電池，使其能夠驅動牽引馬達並維持透過DC-DC轉換器充電的服務電池。 儘管此解決方案執行了最佳方式管理電動牽引馬達以及機車的各種電子和電動裝置之供電的任務，但是仍然具有一些缺點。其中，對於使用者來說，當服務電池電量耗盡或有故障時出現的缺點特別嚴重。在這種情況下，實際上，在沒有來自服務電池提供的VCU的初始能量的情況下，即使高電壓主電池已充足電，機車也無法啟動。 為了解決這個問題，已經提出了不同的解決方案。然而，由於用於確保車輛啟動的電路的複雜性和/或所提出的系統不完全可靠，這些具有各種缺點。 因此，期望有一種具有改進的特性的電動車輛，特別是電動機車，能夠克服已知類型的車輛的問題，所述已知類型的車輛的問題源於在為此目的未對服務電池充分充電的條件下無法啟動車輛。

因此本發明的一個目的係提供用於供電及控制電動車輛的裝置，特別是電動機車，該裝置使得即使在服務電池未充分充電的情況下也可以啟動車輛。 另一個目的是使得還可以在服務電池沒有被充分充電時啟動車輛，並且一旦車輛已經啟動，就可以對服務電池進行充電。 本發明的另一個目的是提供一種用於供電及控制電動車輛的裝置，該裝置設有緊急啟動構件，以在服務電池沒有被充分充電的情況下允許車輛啟動。 本發明的另一個目的是提供一種用於供電及控制電動車輛的裝置，該裝置可以用相對簡單的電路構件來製造。 本發明的另一個目的是提供一種用於供電及控制電動車輛的裝置，該裝置易於製造且價格具有競爭力。 如將在說明書的以下部分中說明的，本發明的上述及另外的目的和優點是通過一種用於供電及控制電動車輛之裝置的構件來實現，其包含電動牽引馬達及車輛與電動牽引馬達的控制系統。所述裝置包含用於供電電動牽引馬達及所述控制系統的第一主電池、適於在所述車輛之啟動階段期間供電所述控制系統的第二服務電池、車輛的第一啟動構件、以及車輛的第二緊急啟動構件。根據本發明的車輛，其特徵於所述控制系統包含車輛及電動牽引馬達之第一控制單元及所述第一主電池之第二控制單元；所述第一啟動構件經操作以連接至所述第二服務電池及連接至車輛及電動牽引馬達之所述第一控制單元以在正常條件下藉由所述第二服務電池之構件為所述第一控制單元供電；所述第二緊急啟動構件經操作以連接至所述第二控制單元以在緊急啟動條件下藉由所述第一主電池之構件為所述第一控制單元供電。 在進一步態樣中，本發明還涉及一種電動車輛，特別是電動輕便型機車，其包括所描述及所請求保護之類型的裝置。 以此方式，如下文將更好地解釋的那樣，藉由第二緊急啟動構件之構件有可能啟用第二控制單元，實際上由第一主電池的控制單元(BMS)組成，當第二服務電池未充分充電時，允許第一控制單元藉由第一主電池為包含車輛控制單元(VCU)的第一控制單元供電，從而使車輛能夠啟動。 為了本發明的目的，用語「緊急啟動條件」是指其中第二服務電池沒有被提供足夠的電荷以允許車輛啟動的條件。 此外，用語「電池」是指可以被充電並且能夠向與其連接的電路供應電能的任何電能儲存裝置。 用語「電動車輛」想要表示配備有至少一個電動牽引馬達的任何車輛，因此包含具有完全電動牽引的車輛和具有混合牽引的車輛。 最後，出於本發明的目的，用語「電動牽引馬達」想要表示向車輛的驅動輪提供驅動力矩的「電動馬達」。 在根據本發明之用於供電及控制電動車輛的裝置的典型實施例中，第一啟動構件包含第一啟動開關，並且所述第二緊急啟動構件包含第二緊急啟動開關，其位於緊急電路上。 通常，所述第一及第二開關可以由使用者操作，並且通常可以分別由點火鑰匙或點火按鈕及緊急啟動按鈕組成。 在進一步細節中，在根據本發明之實施例中，用於供電及控制電動車輛的裝置可有利地包含由所述第一主電池之所述第二控制單元控制並適於將所述第一主電池連接至車輛及該電動牽引馬達之第一控制單元的第三切換構件；此外，用於供電及控制電動車輛的裝置可有利地包含由車輛及電動牽引馬達之所述第一控制單元控制並經操作以連接至所述第一主電池之所述第二控制單元並適於向所述第二控制單元發送用於所述第三切換構件之啟用/停用之信號的第四切換構件。 實際上，第三切換構件可包括由主電池的控制單元(BMS)控制的開關(主開關)，其允許將車輛與電動牽引馬達之控制系統的電源電性連接到第一主電池的電壓。第四切換構件又可包括由車輛控制單元(VCU)控制的另一開關(點火開關)，開關的閉合由BMS檢測，從而啟用主開關的閉合。 在正常條件下，因此，可以通過點火鑰匙啟用VCU，並判定點火開關是否閉合。BMS檢測到後者的閉合並啟用主開關，從而藉由主電池的構件將車輛與電動牽引馬達之控制系統的供電電路閉合。 在用於供電及控制電動車輛的裝置的一實施例中，根據本發明，第二緊急啟動開關適於向第一主電池的所述第二控制單元發送用於啟用/停用所述第三切換構件的信號。 實際上，在緊急啟動條件下，使用者藉由例如按鈕的構件操作第二緊急啟動開關使其閉合。然後BMS檢測到後者的閉合並啟用主開關，從而藉由主電池的構件閉合為車輛與馬達控制系統供電的電路。 在用於供電及控制電動車輛的裝置的一實施例中，根據本發明，所述第三切換構件可有力地包含所述第一主電池之內部開關，因此簡化了電路配置。 通常，所述第一主電池與所述第二服務電池以不同的電壓位準操作，並且通常，第一主電池以比第二服務電池更高的電壓位準操作。例如，第一主電池的典型操作值可以為48V，第二服務電池的典型操作值可以為12V。 在這種情況下，所述車輛與所述電動牽引馬達的所述第一控制單元有利地包含插置於所述第一主電池與所述第二服務電池之間的電壓轉換器構件。 在用於供電及控制電動車輛的裝置的特別有利實施例中，根據本發明，車輛及電動牽引馬達的第一控制單元較佳地包含包括電動牽引馬達之控制及供電電子之電動馬達(MCU)的第一控制構件、以及包括車輛控制電子之車輛的第二控制構件。 實際上，在此實施例中，電動牽引馬達之第一控制構件係操作以連接至第一主電池及連接至電動牽引馬達，以驅動電動牽引馬達。 此外，第二車輛控制構件(VCU)係操作以連接至第二服務電池以在正常條件下啟動車輛並且操作以連接至第一主電池以在緊急條件下啟動車輛。換句話說，如下面的詳細描述中更好地解釋的那樣，VCU在正常條件下的啟動階段中可以有利地由第二服務電池供電，而在緊急條件下的啟動階段可以由第一主電池供電。 在進一步態樣中，本發明還涉及電動/混合牽引車輛，其包含所述及所請求之供電與控制裝置。 特別是，本發明之車輛可有利地由電動輕型機車。在這種情況下，使用者可以經由按鈕裝置來有利地操作緊急開關，其位於例如輕便型機車之鞍座下的隔間。

操考所附圖式，在其更一般的實施例中，本發明的裝置1係適於為電動車輛供電及控制，該電動車輛包含電動牽引馬達2及車輛和電動牽引馬達2的控制系統3。電動牽引馬達2向車輛之驅動輪提供驅動力矩。 裝置1包含適於向電動牽引馬達2及控制系統3供電的第一主電池4以及適於在車輛之點火階段為控制系統3供電的第二服務電池5。 裝置1進一步包含車輛的第一啟動構件6(由例如第一開關6組成，其可由使用者藉由點火鑰匙或點火按鈕之構件進行操作)及車輛的第二緊急啟動構件7(由例如第二開關7組成，其可由使用者藉由緊急啟動按鈕之構件進行操作並且位於緊急電路71上)。 根據本發明之裝置1的一個獨特特徵係由以下事實給出：所述控制系統3包含車輛及電動牽引馬達2的第一控制單元10以及第一主電池4的第二控制單元20。 在物理用語中，車輛的第一控制單元10及第一主電池4的第二控制單元20可整合在相同控制系統3中(圖1)。替代地，第二控制單元20可有利地物理上整合在第一主電池4的控制系統31中(圖2至圖6)。進而，車輛及電動牽引馬達2的控制系統3以及第一主電池4的控制系統31可以物理性地整合、整體地或部分地(圖2、圖4及圖5)或物理地分開(圖3及圖6)。 根據本發明的裝置1的另一個獨特特徵係由以下事實給出：第一啟動開關6可操作地連接到所述第二服務電池5及車輛的所述第一控制單元10及電動牽引馬達2，以這樣的方式，當其閉合時(點火鑰匙設置為ON)，第一控制單元10藉由第二服務電池5之構件供電，以允許車輛啟動。 如下面更好地解釋的，第二緊急啟動開關7以這樣的方式可操作地連接到第二控制單元20，以允許在緊急條件下(即當第二服務電池5沒有足夠的電荷來允許車輛啟動時)藉由第一主電池4之構件供電第一控制單元10。 參考圖4-6，在較佳實施例中，用於供電及控制電動車輛的裝置1包含第三切換構件21，其由第一主電池4之第二控制單元20控制並且適於將所述第一主電池4連接至車輛之第一控制單元10及電動牽引馬達2。 裝置1進一步包含第四切換構件11，其由車輛之第一控制單元10及電動牽引馬達2控制，並且可操作地連接至第一主電池4的第二控制單元20。如下面更好地解釋的，第四切換構件11適於向第二控制單元20發送用於啟用/停用第三切換構件21的信號。 在本發明之裝置的一實施例中，第三切換構件21包括由主電池4的BMS 20控制的開關21(主開關)，並允許將車輛與電動牽引馬達2之控制系統3的電源電性連接到第一主電池4的電壓。第四切換構件11又包括由車輛控制單元(VCU)控制的另一開關11(點火開關)，使得當BMS 20檢測到其閉合時，後者因此啟用主開關21的閉合，從而在正常條件下啟動車輛。 另一方面，在緊急啟動條件下，第二緊急啟動開關7適於向第一主電池4的第二控制單元20發送用於啟用/停用第三切換構件21的信號。接著使用者藉由例如按鈕的構件作用在第二緊急啟動開關7上使其閉合。接著，BMS 20檢測緊急電路71之閉合並啟用主開關21，從而藉由主電池4的構件閉合車輛與電動牽引馬達2之控制系統3之供電電路。 實際上，主開關21可以有利地由第一主電池4的內部開關組成。 如前所述，在根據本發明之用於供電及控制電動車輛的裝置1中，主牽引電池4與第二服務電池5以不同的電壓位準操作，例如分別以48V和12V的電壓操作。 參照圖5與圖6，在本發明之裝置1的一實施例中，車輛的第一控制單元10及電動牽引馬達2包含電壓轉換器構件12(實際上是DC-DC轉換器)，其插置於第一主電池4與第二服務電池5之間。 以此方式，可以在兩個電池4與5之間產生操作介面，從而尤其允許藉由主電池4之構件對服務電池5進行再充電。 再次參照圖5與圖6，在本發明之裝置1的一實施例中，車輛的第一控制單元10及電動牽引馬達2包含電動馬達的第一控制構件13(通常是馬達控制單元-MCU)以及車輛的第二控制構件14(車輛控制單元-VCU)。 一般而言，電動牽引馬達2的MCU 13係操作地連接至第一主電池4及電動牽引馬達2，以至於允許驅動電動牽引馬達2。 此外，車輛之VCU 14一般而言操作地連接至第二服務電池5以在正常條件下啟動車輛，並且操作地連接至第一主電池4以允許在緊急條件下啟動車輛。 實際上，在正常條件期間，車輛啟動程序如下。 使用者例如藉由將鑰匙開關設置到ON位置來操作第一啟動構件6。VCU 14然後由服務電池5供電，並發出命令以關閉主要用於牽引的主電池4的點火開關11。 BMS 20檢測點火接觸11之閉合並啟用主開關21，從而將車輛的控制系統3和電動牽引馬達2的電源連接到主電池4。一旦供電，車輛及電動牽引馬達2的控制系統3能夠藉由DC-DC轉換器12之構件維持服務電池5的電荷，並且藉由MCU 13之構件驅動電動牽引馬達2。 如果服務電池5耗盡，則無法為VCU 14供電及執行標準點化程序；必須藉由緊急啟用開關7之構件執行緊急啟動程序。緊急啟動程序如下所述。 使用者例如藉由將鑰匙開關設置到ON位置來操作第一啟動構件6。因為服務電池5耗盡，VCU14無法供電並無法給出用於閉合主牽引電池4的點火開關11的命令。 此時，使用者操作緊急啟動開關7(例如通過按鈕的構件)來關閉緊急電路71。BMS 20檢測緊急電路71之閉合並啟用主開關21，從而將車輛的控制系統3和電動牽引馬達2的電源連接到主電池4。 車輛及電動牽引馬達2的控制系統3一旦供電，便能夠藉由DC-DC轉換器12之構件為VCU 14供電並為服務電池5充電。然後VCU 14可以命令主電池4的點火開關11閉合。 此時，使用者可以釋放啟用緊急啟動開關7的按鈕。此時，車輛已經啟動並且再正常操作模式下，車輛與電動牽引馬達2之控制系統3繼續由DC-DC轉換器12之構件為服務電池5充電，並且同時可以藉由MCU 13之構件開始驅動電動牽引馬達2。 在實踐中已經看到根據本發明之用於供電及控制電動車輛(特別是電動機車)的裝置已經實現了預定的目的。 使用本發明之供電及控制裝置，實際上即使在服務電池沒有被充分充電的情況下也可以使車輛起步。 此外，一旦車輛已經啟動，本發明之供電及控制裝置允許對服務電池進行充電。 從前面的描述和附圖中可以看出，本發明之供電及控制裝置可以用相對簡單的電路裝置來生產。 此外，如果車輛由電動牽引機車組成，則本發明之供電及控制裝置可方便地包括按鈕操作系統，其位於靠近主電池並以不受持有者/使用者自由存取的方式容納在受保護的隔間中，例如在所述機車之鞍座下。 基於所提供的敘述，其他特徵、修改或改進是可能的，並且對於所屬技術領域中具有通常知識者而言是顯而易見的。所述特徵、修改或改進應被視為是本發明的一部分。在實踐中，可以根據需要和現有技術使用任何材料，除了可能的尺寸和形狀。

1:裝置 2:電動牽引馬達 3:控制系統 4:第一主電池 5:第二服務電池 6:第一車輛啟動構件 7:第二車輛緊急啟動構件 10:第一控制單元 11:第四切換構件 12:電壓轉換器構件 13:第一控制構件 14:第二控制構件 20:第二控制單元 21:第三切換構件 31:控制系統 71:緊急電路

藉由以附圖中的非限制性示例的方式示出的一些實施例的敘述，本發明的其他特徵和優點將變得清楚，其中： - [圖1]係根據 本發明之用於供電及控制電動車輛之裝置之一般實施例的示意圖； - [圖2]係根據本發明之用於供電及控制電動車輛之裝置之第一特定實施例的示意圖； - [圖3]係根據本發明之用於供電及控制電動車輛之裝置之第二特定實施例的示意圖； - [圖4]係根據本發明之用於供電及控制電動車輛之裝置之第三特定實施例的示意圖； - [圖5]係根據本發明之用於供電及控制電動車輛之裝置之第四特定實施例的示意圖； - [圖6]係根據本發明之用於供電及控制電動車輛之裝置之第五特定實施例的示意圖。

1:裝置

2:電動牽引馬達

3:控制系統

4:第一主電池

5:第二服務電池

6:第一車輛啟動構件

7:第二車輛緊急啟動構件

10:第一控制單元

20:第二控制單元

Claims (14)

1. 一種用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，該裝置包含電動牽引馬達(2)及該車輛及該電動牽引馬達(2)之控制系統(3)，該裝置(1)包含用於供應該電動牽引馬達(2)及該控制系統(3)的第一主電池(4)、適於在該車輛之啟動階段期間供應該控制系統(3)的第二服務電池(5)、第一車輛啟動構件(6)以及第二車輛緊急啟動構件(7)，其中該控制系統(3)包含該車輛及該電動牽引馬達(2)之第一控制單元(10)以及該第一主電池(4)之第二控制單元(20)，該第一啟動構件(6)經操作地連接至該第二服務電池(5)及該車輛之該第一控制單元(10)及該電動牽引馬達(2)以在正常條件下透過該第二服務電池(5)供應該第一控制單元(10)，該第二緊急啟動構件(7)經操作以連接至該第二控制單元(20)以在緊急啟動條件下透過該第一主電池(4)供應該第一控制單元(10)，其中該緊急啟動條件為該第二服務電池沒有被提供足夠的電荷以允許車輛啟動的條件，其中該第一啟動構件(6)包含第一啟動開關以及該第二緊急啟動構件(7)包含第二緊急啟動開關。
2. 如請求項1所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該裝置包含由該第一主電池(4)之該第二控制單元(20)控制並適於將該第一主電池(4)連接至該車輛及該電動牽引馬達(2)之第一控制單元(10)的第三切換構件(21)、以及由該車輛及該電動牽引馬達(2)之該第一控制單元(10)控制並經操作以連接至該第一主電池(4)之該第二 控制單元(20)並適於向該第二控制單元(20)發送用於該第三切換構件(21)之啟用/停用之信號的第四切換構件(11)。
3. 如請求項2所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該第二緊急啟動開關(7)係適於將用於啟用/停用該第三切換構件(21)的信號發送給該第一主電池(4)之該第二控制單元(20)。
4. 如請求項2或3所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該第三切換構件(21)包含該第一主電池(4)之內部開關。
5. 如請求項1所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該第一主電池(4)及該第二服務電池(5)操作在不同電壓位準。
6. 如請求項5所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該車輛及該電動牽引馬達(2)之該第一控制單元(10)包含插置在該第一主電池(4)與該第二服務電池(5)之間的電壓轉換器構件(12)。
7. 如請求項1所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該車輛及該電動牽引馬達(2)之該第一控制單元(10)包含該電動牽引馬達(2)之第一控制構件(13)及該車輛之第二控制構件(14)。
8. 如請求項7所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該電動牽引馬達(2)之該第一控制構件(13)係操作以連接至該第一主電池(4)及該電動馬達(2)以驅動該電動牽引馬達(2)。
9. 如請求項7或8所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該車輛之該第二控制構件(14)係操作以連接至該第二服務電池(5)以在正常條件下啟動該車輛並且操作以連接至該第一主電池(4)以在緊急條件下啟動該車輛。
10. 如請求項1所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該第一啟動開關(6)及該第二啟動開關(7)係由使用者操作。
11. 如請求項1所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，其中該第二開關(7)可由按鈕構件致動。
12. 一種電動/混合牽引車輛，其特徵在於其包含請求項1~11之任一項所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)。
13. 一種電動機車，其特徵在於其包含請求項1~11之任一項所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)。
14. 如請求項13所述的電動機車，其中包含如請求項10或11所述的用於供電及控制電動車輛的裝置(1)，該第二緊急啟動開關(7)係位於該電動機車之鞍座下的隔間。

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