TWI842258B - 用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法 - Google Patents

用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法 Download PDF

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吳祈陞
曾世昌
鍾智賢
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Abstract

本發明係提供一種用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制的方法，係用於一電動載具，該電動載具以一電腦系統利用設定好的混合電池電能輸出分配控制方法以控制一電動馬達運轉，其步驟包括：(A)提供一高能量密度電池、一高功率密度電池之電池資料；(B)設定一邊界條件，該邊界條件係包含(a)該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值，(b)該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值，(c)該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、最低邊界值；(C)設定一能量消耗目標函數；(D)利用一全域搜尋(global research)演算法，進行巢狀迴圈搜尋，透過該能量消耗目標函數計算得出各種行車條件下的最小等效能耗值，以建立一最小等效能耗多維表格。藉此，將該最小等效能耗多維表格建置於該電腦系統內，該電腦系統利用該最小等效能耗多維表格以達到不同行車狀況下最小能耗的輸出。

Description

用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法
本發明係有關於一種電池電能輸出的方法，特別是關於一種用於具有不同種類電池的電能輸出分配控制方法。
早期電動車曾採用鉛蓄電池，因電池性能存有續航力不足等問題故未普及，其後燃油引擎車快速崛起，於是電動車就此消聲匿跡於市場，但近年來為因應暖化危機及日益嚴重的環境汙染，目前車輛的技術發展朝向低排放、節能等技術，使得車輛電動動力技術從早期的鉛蓄電池的使用，逐漸轉為使用高能量密度之鋰電池等。
電動車產業發展至今，目前主要電力來源都以單一高能量密度之鋰電池進行開發，雖然鋰電池具有諸多優點而被廣泛的利用，但其本身也擁有了耐高電流低、功率密度較低、充電速度慢和電池循環次數低等不可忽視的缺點，因此上述諸多的缺點也成為目前電動載具產業上的重大問題，例如當電動車進行煞車時時常發生電能回授因電流過大而加速了鋰電池老化的速度，甚至進而導致電池因內阻上升過快引發電池失效，又例如因為功率密度低的緣故，電池往往無法滿足 所需的能量需求，也會導致電池的耗能增加，加速電池電量耗盡的速度，因此業界利用配備一整套的電池管理系統(BMS：battery management system)，以便能回饋和控制電池電池組的即時狀態確保動力電池組的安全性、可靠性，其中電池容量狀態(SOC：state of charge)是BMS中最為重要的參數，也是電池狀態檢測功能中最為重要的一部分，但由於化學電池內部複雜、不可控，內部可測參數量十分有限，且特性之間相互耦合、即用即衰，具有強時變且高度非線性特性等難以估算的因子存在，故只能依據模型結合相應的演算法估計得到；而電池健康狀態(SOH：state of health)也是BMS中至關重要的參數，因為動力電池快速充放電能力和儲存能力都會隨著電池的不斷老化而下降，因此即時估計出SOH值，可測出在長時間充放電情況下，電池的老化情況。
如上述所述，目前現有之電動車電池常見為單一類型電池，即使透過電池管理系統(BMS)掌握了電池狀況，但行駛之路況多變，如遇爬坡等需瞬間輸出大電流之狀況時，電池模組容易發生發熱現象，還是會發生電池壽命縮短等無法迴避的損傷，所以目前業界亟需發展出一種採用兩種不同特性之鋰電池，建構出一套混合電池系統，可以利用良好的混合電池電能輸出分配控制的方法，以提高整體電池系統效率，又可降低電池老化速度，如此一來，方能同時兼具成本與效能，以最小等效能耗來獲得混合電池系統最佳的電能輸出分配， 可使電動車行駛達成電池使用最佳成本。
為改善先前技術之缺點，本發明係提供一種用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制的方法，整合一高能量密度電池、一高功率密度電池、一邊界條件、一全域搜尋(global research)演算法等，以達到不同行車狀況下最小能耗的輸出。
本發明係為一種用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，係用於一電動載具，該電動載具以一電腦系統利用設定好的混合電池電能輸出分配控制方法以控制一電動馬達運轉，其步驟包括：(A)提供一高能量密度電池、一高功率密度電池之電池料資料；(B)設定一邊界條件，該邊界條件係包含(a)該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值，(b)該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值，(c)該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、最低邊界值；(C)設定一能量消耗目標函數，該能量消耗目標函數係為：
J=F (高能量SOH)×F (高能量SOC)×F (高能量c_rate)×(P 高能量/η 高能量)+F (高功率SOH)x F (高功率SOC)x(P 高功率/η 高功率)
其中，J是能量消耗目標函數、F是權重因子函數、P是電池輸出功率、η是電池放電效率；(D)利用一全域搜尋(global research)演算法，進行巢狀迴圈搜尋，透過該能量消耗目標函 數計算得出各種行車條件下的最小等效能耗值，以建立一最小等效能耗多維表格；(E)將該最小等效能耗多維表格建置於該電腦系統內，該電腦系統利用該最小等效能耗多維表格以控制該電動馬達運轉，其中，該電腦系統係以直接搜尋方式或內插搜尋方式搜尋該最小等效能耗多維表格以獲得最佳的電能輸出分配。
步驟(B)中該邊界條件係為：
SOH 高能量，min
Figure 111146996-A0101-12-0004-5
SOH 高能量
Figure 111146996-A0101-12-0004-6
SOH 高能量，max
SOH 高功率，min
Figure 111146996-A0101-12-0004-7
SOH 高功率
Figure 111146996-A0101-12-0004-8
SOH 高功率，max
SOC 高能量，min
Figure 111146996-A0101-12-0004-9
SOC 高能量
Figure 111146996-A0101-12-0004-10
SOC 高能量，max
SOC 高功率，min
Figure 111146996-A0101-12-0004-11
SOC 高功率
Figure 111146996-A0101-12-0004-14
SOC 高功率，max
C_rate 高能量，min
Figure 111146996-A0101-12-0004-15
C_rate 高能量
Figure 111146996-A0101-12-0004-16
C_rate 高能量，max
其中，SOH 高能量，min ：高能量密度電池健康狀態的最低邊界值、SOH 高能量：高能量密度電池的即時健康狀態、SOH 高能量，max ：高能量密度電池健康狀態的最高邊界值、SOH 高功率，min ：高功率密度電池健康狀態的最低邊界值、SOH 高功率：高功率密度電池的即時健康狀態、SOH 高功率，max ：高功率密度電池健康狀態的最高邊界值、SOC 高能量，min ：高能量密度電池容量狀態的最低邊界值、SOC 高能量：高能量密度電池的即時容量狀態、SOC 高能量，max ：高能量密度電池容量狀態的最高邊界值、SOC 高功率，min ：高功率密度電池容量狀態的最低邊界值、SOC 高功率：高功率密度電池的即時容量狀態、SOC 高功率，max ：高功率 密度電池容量狀態的最高邊界值、C_rate 高能量，min ：高能量密度電池充放電率的最低邊界值、C_rate 高能量：高能量密度電池的即時充放電率、C_rate 高能量，max ：高能量密度電池充放電率的最高邊界值。
本發明之一實施例中，該高能量密度電池係為一鋰三元電池(但不以此為限)、該高功率密度電池係為一鈦酸鋰電池(但不以此為限)，鋰三元電池和鈦酸鋰電池皆電性相連同一顆電動馬達；本實施例的邊界條件為(1)該高能量密度電池(鋰三元電池)及高功率密度電池(鈦酸鋰電池)，在工作狀態時的健康狀態(SOH)值須在該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值之間，(2)該高能量密度電池(鋰三元電池)及高功率密度電池(鈦酸鋰電池)，在工作狀態時的容量狀態(SOC)值須在該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值之間，(3)該高能量密度電池(鋰三元電池)，在工作狀態時的充放電率(C-rate)值須在該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、最低邊界值之間；本實施例中若該高能量密度電池(鋰三元電池)或高功率密度電池(鈦酸鋰電池)的工作狀態不在邊界條件內，則不使用該電池作電能輸出。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖 示中加以闡述。
11:高能量密度電池
12:高功率密度電池
13:電動馬達
14:傳動機構
S201-S205:步驟
圖1係為本發明一種電動載具的動力系統架構示意圖；
圖2係為本發明一種用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法流程示意圖；
圖3係為本發明鋰三元電池的SOC值在90%時的能量分配圖；
圖4係為本發明鋰三元電池的SOC值在30%時的能量分配圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請參考圖1，為本發明一種電動載具的動力系統架構示意圖。如圖所示，該電動載具的動力系統架構包含由一高能量密度電池11及一高功率密度電池12所組成的能源單元、一電動馬達13的動力單元，以及一傳動機構14，其中該電動載具可以是一電動巴士(不以此為限)；本實施例中，在該動力系統架構中，該高能量密度電池11及高功率密度電池12將所產生的電池輸出電能供應至該電動馬達13，該電動馬達13將能量輸出給該傳動機構14使該電動載具產生動能。
請參考圖2，為本發明一種用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法流程示意圖。如圖所示，一種用於 電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，係用於一電動載具，該電動載具以一電腦系統利用設定好的一混合電池電能輸出分配方法以控制一電動馬達運轉，其步驟包括：首先步驟(A)提供一高能量密度電池、一高功率密度電池之電池資料S201，其中，該電池資料包含電池輸出功率、電池健康狀態(SOH)、電池容量狀態(SOC)、電池充放電率(C-rate)等資料，該些電池資料係儲存於一儲存單元中，該儲存單元可設計在該電腦系統內，但不以此為限；本實施例中，該高能量密度電池11係為一鋰三元電池，該鋰三元電池係電性相連該電動馬達13，而該高功率密度電池係為一鈦酸鋰電池，該鈦酸鋰電池係電性相連該電動馬達13。
接著如步驟(B)設定一邊界條件S202，該邊界條件係包含(a)該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值，(b)該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值，(c)該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、最低邊界值；在本實施例中，步驟(B)中該邊界條件係為：
SOH 高能量，min
Figure 111146996-A0101-12-0007-18
SOH 高能量
Figure 111146996-A0101-12-0007-19
SOH 高能量，max
SOH 高功率，min
Figure 111146996-A0101-12-0007-20
SOH 高功率
Figure 111146996-A0101-12-0007-21
SOH 高功率，max
SOC 高能量，min
Figure 111146996-A0101-12-0007-22
SOC 高能量
Figure 111146996-A0101-12-0007-23
SOC 高能量，max
SOC 高功率，min
Figure 111146996-A0101-12-0007-25
SOC 高功率
Figure 111146996-A0101-12-0007-27
SOC 高功率，max
C_rate 高能量，min
Figure 111146996-A0101-12-0007-28
C_rate 高能量
Figure 111146996-A0101-12-0007-29
C_rate 高能量，max
其中，SOH 高能量，min ：高能量密度電池健康狀態的最低邊界值、SOH 高能量：高能量密度電池的即時健康狀態、SOH 高能量，max ：高能量密度電池健康狀態的最高邊界值、SOH 高功率，min ：高功率密度電池健康狀態的最低邊界值、SOH 高功率：高功率密度電池的即時健康狀態、SOH 高功率，max ：高功率密度電池健康狀態的最高邊界值、SOC 高能量，min ：高能量密度電池容量狀態的最低邊界值、SOC 高能量：高能量密度電池的即時容量狀態、SOC 高能量，max ：高能量密度電池容量狀態的最高邊界值、SOC 高功率，min ：高功率密度電池容量狀態的最低邊界值、SOC 高功率：高功率密度電池的即時容量狀態、SOC 高功率，max ：高功率密度電池容量狀態的最高邊界值、C_rate 高能量，min ：高能量密度電池充放電率的最低邊界值、C_rate 高能量：高能量密度電池的即時充放電率、C_rate 高能量，max ：高能量密度電池充放電率的最高邊界值，其中，該電腦系統必須判斷(1)該高能量密度電池(鋰三元電池)及高功率密度電池(鈦酸鋰電池)，在工作狀態時的健康狀態(SOH)值須在該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值之間，(2)該高能量密度電池(鋰三元電池)及高功率密度電池(鈦酸鋰電池)，在工作狀態時的容量狀態(SOC)值須在該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值之間，(3)該高能量密度電池(鋰三元電池)，在工作狀態時的充放電率(C-rate)值須在該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、 最低邊界值之間，若該高能量密度電池(鋰三元電池)或高功率密度電池(鈦酸鋰電池)的工作狀態不在邊界條件內，則不使用該電池作電能輸出。
然後，如步驟(C)，設定一能量消耗目標函數，該能量消耗目標函數係為：
J=F (高能量SOH)x F (高能量SOC)x F (高能量c_rate)x(P 高能量/η 高能量)+F (高功率SOH)x F (高功率SOC)x(P 高功率/η 高功率).......S203
其中，J是能量消耗目標函數、F是權重因子函數、P是電池輸出功率、η是電池放電效率、F (高能量SOH)：高能量密度電池健康狀態的權重因子函數、F (高能量SOC)：高能量密度電池容量狀態的權重因子函數、F (高能量c_rate)：高能量密度電池充放電率的權重因子函數、P 高能量：高能量密度電池的電池輸出功率、η 高能量：高能量密度電池的電池放電效率、F (高功率SOH)：高功率密度電池健康狀態的權重因子函數、F (高功率SOH)：高功率密度電池容量狀態的權重因子函數、P 高功率：高功率密度電池的電池輸出功率、η 高功率：高功率密度電池的電池放電效率；上述中，建立該能量消耗目標函數，是為了在於使用混合電池的系統中，求得電動車行駛狀態下之最小能耗。
步驟(D)利用一全域搜尋(global research)演算法，進行巢狀迴圈搜尋，透過該能量消耗目標函數計算得出各種行車條件下的最小等效能耗值，以建立一最小等效能耗多維表格S204，其中，本實施例中，運用全域搜尋(global research)演算法進行運算，利用巢狀迴圈搜尋，將離散參數、各種行車狀態的輸出需求功率、鋰三元電池的SOH值、鈦酸鋰電池的SOH值、鋰三元電池的SOC值、鈦酸鋰電池的SOC值與鋰三元電池輸出功率，於離線運算下透過目標函數計算求得各種行車條件下的最小等效能耗值，因而可提供電動載具的電池能量輸出最佳分配比例。
最後如步驟(E)將該最小等效能耗多維表格建置於該電腦系統內，該電腦系統利用該最小等效能耗多維表格以控制該電動馬達運轉S205，其中，該電腦系統係以直接搜尋方式或內插搜尋方式搜尋該最小等效能耗多維表格以獲得最佳的電能輸出分配；本實施例中，所建立的最小等效能耗多維表格能作為具有混合電池的電動載具的最佳化能源管理之依據，因此在實際使用時，該電腦系統僅需根據該電動載具的電池當前狀態及所欲需求功率或能量，即時地直接搜尋或內插搜尋該最小等效能耗多維表格，便可迅速獲得具有最小總能耗的最佳動力分配比，再將所產生的電池輸出電能供應至該電動馬達13，該電動馬達13將能量輸出給該傳動機構14使該電動載具產生動能，以藉此達到連續性的智慧配能目的。
請參考圖3，為本發明鋰三元電池的SOC值在90%時的能量分配圖、請參考圖4，為本發明鋰三元電池的SOC值在30%時的能量分配圖。如圖所示，電動載具或電動車輛在正常情況下，鈦酸鋰電池與鋰三元電池的SOC值處於正常工作 區間，兩種電池依據電池效率分配能量輸出，達到最佳化的能量消耗；本實施例中，當鈦酸鋰電池的SOC值處於較高狀態(90%)時，為保留煞車回充能量裕度，鈦酸鋰電池能量分配的比例將會提高，反之鋰三元電池的輸出比例下降，而當鈦酸鋰電池的SOC值不足時，鋰三元電池的能量分配的比例將提升；當鋰三元電池的SOC值下降至30%時，如圖4所示，由於鋰三元電池的SOC值不足，整體功率提供的趨勢下降，鈦酸鋰電池的放電比例提升，在鈦酸鋰電池的SOC值充足且需求功率低時，鋰三元電池幾乎不參與電力提供，以減少鋰三元電池的電力消耗，維持SOC值水平，避免過放電情形；由圖3、4得知，整體能量趨勢會因為兩種電池狀態而調整，保護電池工作於正常區間維持最佳能耗，並且避免因為電池過放電、C-rate超出負荷範圍等不當使用電池造成老化加劇。
各國政策積極推動車輛電動化，各類電動車輛的研發及應用已經成為未來趨勢，但由於電池特性的限制，無法運用單一種類電池來有效因應行駛間的各種路況，且還要達到電池使用的壽命長、成本低的需求，因此採用混合電力配置，運用控制技術，可使電動車行駛達成電池使用的最佳成本。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上 述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S201-S205:步驟

Claims (9)

  1. 一種用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，係用於一電動載具，該電動載具以一電腦系統利用設定好的一混合電池電能輸出分配方法以控制一電動馬達運轉，其步驟包括：
    (A)提供一高能量密度電池、一高功率密度電池之電池資料；
    (B)設定一邊界條件，該邊界條件係包含(a)該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值，(b)該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值，(c)該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、最低邊界值；
    (C)設定一能量消耗目標函數，該能量消耗目標函數係為：
    J=F (高能量SOH)×F (高能量SOC)×F (高能量c_rate)×(P 高能量/η 高能量)+F (高功率SOH)×F (高功率SOC)×(P 高功率/η 高功率)
    其中，J是能量消耗目標函數、F是權重因子函數、P是電池輸出功率、η是電池放電效率；
    (D)利用一全域搜尋(global research)演算法，進行巢狀迴圈搜尋，透過該能量消耗目標函數計算得出各種行車條件下的最小等效能耗值，以建立一最小等效能耗多維表格；
    (E)將該最小等效能耗多維表格建置於該電腦系統內，該電腦系統利用該最小等效能耗多維表格以控制該電動馬達運轉。
  2. 如請求項1所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該高能量密度電池係為一鋰三元電池。
  3. 如請求項2所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該鋰三元電池係電性相連該電動馬達。
  4. 如請求項1所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該高功率密度電池係為一鈦酸鋰電池。
  5. 如請求項4所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該鈦酸鋰電池係電性相連該電動馬達。
  6. 如請求項1所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該高能量密度電池及高功率密度電池，在工作狀態時的健康狀態(SOH)值須在該高能量密度電池及高功率密度電池健康狀態(SOH)的最高、最低邊界值之間。
  7. 如請求項1所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該高能量密度電池及高功率密度電池，在工作狀態時的容量狀態(SOC)值須在該高能量密度電池及高功率密度電池容量狀態(SOC)的最高、最低邊界值之間。
  8. 如請求項1所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配 控制方法，其中，該高能量密度電池，在工作狀態時的充放電率(C-rate)值須在該高能量密度電池充放電率(C-rate)的最高、最低邊界值之間。
  9. 如請求項1所述之用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法，其中，該電腦系統係以直接搜尋方式或內插搜尋方式搜尋該最小等效能耗多維表格以獲得最佳的電能輸出分配。
TW111146996A 2022-12-07 用於電動載具之混合電池電能輸出分配控制方法 TWI842258B (zh)

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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112180280A (zh) 2020-09-27 2021-01-05 吉林大学 一种考虑电池健康状态的混合动力汽车电池寿命优化方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112180280A (zh) 2020-09-27 2021-01-05 吉林大学 一种考虑电池健康状态的混合动力汽车电池寿命优化方法

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