TWI681889B - 車輛串聯式混合動力裝置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一種車輛串聯式混合動力裝置及其控制方法，該車輛串聯式混合動力裝置包含一引擎動力單元、一馬達動力單元、一電池單元及一整車控制單元；該引擎動力單元包含一引擎及一電源轉換器，該馬達動力單元包含一馬達及一逆變器。該電池單元包含一第一控制迴路、一第二控制迴路及一第三控制迴路。當該電源轉換器故障時，控制該第二控制迴路呈開路，並控制該第一控制迴路呈閉路，使該電池單元能持續對該馬達動力單元供電。

Description

車輛串聯式混合動力裝置及其控制方法

本發明係關於一種混合動力裝置及其控制方法，特別是關於一種車輛串聯式混合動力裝置及其控制方法。

目前，由於節能減排的壓力，車輛節能減排標準日益嚴格。為了降低車輛的能耗，開發了包括混合動力汽車在內的眾多新型車輛系統。混合動力車結合傳統內燃機車輛的長里程行駛距離以及電動汽車節能及環保的優點，因而開始被廣泛應用。

混合動力電動車目前可以分為串聯式、並聯式、混聯式及復合式四種，其中串聯式混合動力電動車是一個由多能量源向驅動裝置(電動機)供電，以驅動車輛行駛的系統。串聯式混合動力電動車採用電動機驅動方式，與傳統機械傳動方式相比，具有更為理想的轉矩/轉速控制特性。因此，通常串聯式混合動力電動車的驅動系不需要採用多檔的傳動裝置。能夠很大程度上簡化傳統車輛的傳動系統而能夠降低成本。

一般的串聯式混合動力系統的繼電器(Relay)均配置在電池箱(Battery Pack)的內部，該繼電器的開啟(開路)和關閉(閉路)的時機由整車控制單元(Vehicle Control Unit,VCU)和電池管理系統(Battery Management System,BMS)共同決定。

然而，控制馬達的逆變器(Inverter)及控制引擎運作的電源轉換器同時共用同一個繼電器，假如該電源轉換器於行駛過程中發生故障，會使該繼電器被打開，因而造成該逆變器失去電力來源，進而使該馬達無法被驅動，導致整車瞬間失去動力而產生後車追撞風險。

因此，有必要提供一種改良之車輛串聯式混合動力裝置，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種車輛串聯式混合動力裝置，當電源轉換器故障時，可利用控制電池單元之第二繼電器呈開路並控制其第一繼電器仍呈閉路的狀態，藉此驅動該馬達運作而維持車輛的運行。

本發明之另一要目的在於提供一種車輛串聯式混合動力裝置的控制方法，利用偵錯步驟中，當電源轉換器故障時，控制電池單元之第二控制迴路呈開路，並控制其第一控制迴路呈閉路，使電池源持續對馬達動力單元供電，藉此提升車輛行駛的可靠度。

具體而言，本發明之申請專利範圍第1項之發明，係一種車輛串聯式混合動力裝置，該車輛串聯式混合動力裝置包含一引擎動力單元、一馬達動力單元、一電池單元及一整車控制單元；該引擎動力單元包含一引擎、一啟動發電機、一電源轉換器及一引擎管理系統，該啟動發電機與該引擎相連接，用以啟動該引擎運轉並進行發電，該電源轉換器電性連接該啟動發電機，該引擎管理系統電性連接該引擎，用以控制該引擎的噴油及點火；該馬達動力單元包含一馬達及一逆變器，其中該逆變器用以 驅動該馬達運轉；該電池單元包含一電池源、一第一控制迴路、一第二控制迴路、第三控制迴路及一電池管理系統，該第一控制迴路分別電性連接該電池源及逆變器，並受該逆變器控制，該第二控制迴路分別電性連接該電池源及電源轉換器，該第三控制迴路分別電性連接該第二控制迴路的二端，該電池管理系統用以控制該第二控制迴路及該第三控制迴路；該整車控制單元分別電性連接該電池管理系統及該引擎管理系統。

根據本發明之上述構成，藉由當該電源轉換器在行駛過程中發生故障時，該電池單元之第二控制迴路會被控制呈開路，但由於該逆變器控制的第一控制迴路仍呈閉路並未跳脫，所以依然可以驅動該馬達運作，藉此維持車輛的運行，而避免發生車輛爆衝或追撞事故。

本發明之申請專利範圍第2項之發明，該第一控制迴路具有一第一繼電器，該逆變器用以控制該第一繼電器呈開路或閉路。

根據本發明之上述構成，藉由該逆變器用以控制該第一繼電器呈開路或閉路，可提高該第一控制迴路的電氣效能。

本發明之申請專利範圍第3項之發明，該第二控制迴路具有一第二繼電器，該電池管理系統用以控制該第二繼電器呈開路或閉路。

根據本發明之上述構成，藉由該電池管理系統用以控制該第二繼電器呈開路或閉路，可提高該第二控制迴路的電氣效能。

本發明之申請專利範圍第4項之發明，該第三控制迴路具有一第三繼電器及一電阻，該電池管理系統用以控制該第三繼電器呈開路或閉路。

根據本發明之上述構成，藉由該電池管理系統用以控制該第三繼電器呈開路或閉路，可提高該第二控制迴路的電氣效能。

本發明之申請專利範圍第5項之發明，該電池單元更具有一電池箱，該電池源、第一控制迴路、第二控制迴路、第三控制迴路及電池管理系統皆設置在該電池箱中。

根據本發明之上述構成，藉由將該電池源、第一控制迴路、第二控制迴路、第三控制迴路及電池管理系統皆設置在該電池箱中，可防止碰撞損壞，並可縮減整體元件配置的空間。

本發明之申請專利範圍第6項之發明，該電源轉換器為交流電與直流電轉換器。

根據本發明之上述構成，藉由將該電源轉換器設置為交流電與直流電轉換器，可提供本發明一種較佳的實施態樣。

本發明之申請專利範圍第7項之發明，該逆變器為半橋逆變器、全橋逆變器或三相橋式逆變器。

根據本發明之上述構成，藉由將該逆變器設置為半橋逆變器、全橋逆變器或三相橋式逆變器，可提供本發明三種較佳的實施態樣。

本發明之申請專利範圍第8項之發明，該啟動發電機為永磁同步發電機。

根據本發明之上述構成，藉由將該啟動發電機設置為永磁同步發電機，可提供本發明一種較佳的實施態樣。

本發明之申請專利範圍第9項之發明，係一種車輛串聯式混合動力裝置的控制方法，該車輛串聯式混合動力裝置的控制方法包含步 驟：一預先充電步驟，控制一電池單元的一第三控制迴路呈閉路，使該電池單元的一電池源透過該第三控制迴路呈閉路而對一電源轉換器的一電容充電；一充電步驟，當該電池單元的一第二控制迴路的二端的電壓小於一預設電壓，則控制該第二控制迴路呈閉路，並控制該第三控制迴路呈開路，使該電源轉換器可以從該電池源獲得電力而驅動一啟動發電機，並且帶動一引擎運轉，此時該電源轉換器便從該啟動發電機獲得電力進而回充至該電池源；及一偵錯步驟，當一電源轉換器故障時，則控制該第二控制迴路呈開路，並控制該電池單元的一第一控制迴路呈閉路，使該電池源對一馬達動力單元供電。

根據本發明之上述構成，藉由當該電源轉換器在行駛過程中發生故障時，該電池單元之第二控制迴路會被控制呈開路，但由於該逆變器控制的第一控制迴路仍呈閉路並未跳脫，所以依然可以驅動該馬達運作，維持車輛的運行，並且可以讓使用者以該電動模式騎乘至維修站或是自家車庫進行維修，進而避免發生車輛爆衝或追撞事故，並藉此提升車輛行駛的可靠度。

如上所述，當該電源轉換器在行駛過程中發生故障時，該電池單元之第二繼電器會被控制呈開路，但由於該逆變器控制的第一繼電器仍呈閉路並未跳脫，所以依然可以驅動該馬達運作，維持車輛的運行，並且可以讓使用者以該電動模式騎乘至維修站或是自家車庫進行維修，進而避免發生車輛爆衝或追撞事故，並藉此提升車輛行駛的可靠度。

100‧‧‧車輛串聯式混合動力裝置

2‧‧‧引擎動力單元

21‧‧‧引擎

22‧‧‧啟動發電機

23‧‧‧電源轉換器

24‧‧‧引擎管理系統

3‧‧‧馬達動力單元

31‧‧‧馬達

32‧‧‧逆變器

4‧‧‧電池單元

41‧‧‧電池源

42‧‧‧第一控制迴路

421‧‧‧第一繼電器

43‧‧‧第二控制迴路

431‧‧‧第二繼電器

44‧‧‧第三控制迴路

441‧‧‧第三繼電器

442‧‧‧電阻

45‧‧‧電池管理系統

46‧‧‧電池箱

5‧‧‧整車控制單元

S201‧‧‧預先充電步驟

S202‧‧‧充電步驟

S203‧‧‧偵錯步驟

第1圖是根據本發明之車輛串聯式混合動力裝置的一較佳實施例之電路配置的一示意圖；第2至4圖是根據本發明之車輛串聯式混合動力裝置的一較佳實施例之三種操作模式的一示意圖；及第5圖是根據本發明之車輛串聯式混合動力裝置的控制方法的一較佳實施例的一流程圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明之車輛串聯式混合動力裝置100的一較佳實施例，該車輛串聯式混合動力裝置包含一引擎動力單元2、一馬達動力單元3、一電池單元4，以及一整車控制單元5(Vehicle Control Unit)。本發明將於下文詳細說明各個元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

續參照第1圖所示，該引擎動力單元2包含一引擎21(Engine)、一啟動發電機22(Integrated Starter and Generator,ISG)、一電源轉換器23及一引擎管理系統24(Engine Management System,EMS)；其中該啟動發電機22與該引擎21相連接，用以啟動該引擎21運轉並進行發電；該電源轉換器23電性連接該啟動發電機22；該引擎管理系統24電性連接該引 擎，用以控制該引擎21的噴油及點火。在本實施例中，該電源轉換器23為交流電與直流電轉換器(AC/DC Converter)。在本實施例中，該啟動發電機22為永磁同步發電機。

續參照第1圖所示，該馬達動力單元3包含一馬達31及一逆變器32(Inverter)，其中該逆變器32用以驅動該馬達31運轉。在本實施例中，該逆變器32可設置為半橋逆變器、全橋逆變器或三相橋式逆變器。

續參照第1圖所示，該電池單元4包含一電池源41、一第一控制迴路42、一第二控制迴路43、一第三控制迴路44、一電池管理系統45(Battery Management System,BMS)及一電池箱46；該第一控制迴路42分別電性連接該電池源41及逆變器32，並受該逆變器32控制；該第二控制迴路43分別電性連接該電池源41及電源轉換器23；該第三控制迴路44分別電性連接該第二控制迴路43的二端；該電池管理系統45用以控制該第二控制迴路43及該第三控制迴路44；另外，該電池源41、第一控制迴路42、第二控制迴路43、第三控制迴路44及電池管理系統45皆設置在該電池箱46中。在本實施例中，該第一控制迴路42具有一第一繼電器421，該逆變器32用以控制該第一繼電器421呈開路或閉路，而且該第二控制迴路43具有一第二繼電器431，該電池管理系統45用以控制該第二繼電器431呈開路或閉路，另外該第三控制迴路44具有一第三繼電器441及一電阻442，該電池管理系統45用以控制該第三繼電器441呈開路或閉路，而該電池源41為多數顆串聯的鋰電池。

續參照第1圖所示，該整車控制單元5分別電性連接該電池管理系統45及該引擎管理系統24。在本實施例中，該整車控制單元5是設置 在車輛中，用以協調該引擎管理系統24、電池管理系統45、電源轉換器23及逆變器32的工作。

依據上述的結構，將該第一繼電器421電性連接該逆變器32及該電池源41，以及將該第二繼電器431電性連接該電源轉換器23及該電池源41，使該逆變器32及該電源轉換器23分別由該第一繼電器421及該第二繼電器431呈閉路而電導通。如第2圖所示，當操作於一電動模式時，即控制該第一繼電器421呈閉路，此時，該電池源41會對該馬達動力單元3供電，進而使該逆變器32驅動該馬達31運轉，若該電池管理系統45偵測到系統錯誤(Error)的訊號，即控制該第一繼電器421呈開路，並進入系統保護的模式；如第3圖所示，當操作於一發電機充電模式時，先控制該第三控制迴路44的第三繼電器441呈閉路，使該電池源41透過該第三控制迴路44呈閉路而對該電源轉換器23進行預先充電，當系統電源滿足設定的預先充電電壓，則控制該第二繼電器431呈閉路，使該啟動發電機22透過該第二繼電器431呈閉路而對該電池源41充電，並使該第三繼電器441呈開路，若該電源轉換器23在行駛過程中故障，則控制該第二繼電器431呈開路；如第4圖所示，當操作於一延距模式時，預先充電同上述發電機充電模式，並控制該第二繼電器431呈閉路，使該啟動發電機22透過該第二繼電器431呈閉路而對該電池源41充電，接著再控制該第一繼電器421呈閉路，使該電池源41對該馬達動力單元3供電，使該引擎21及該馬達31依序運作，其中若該電源轉換器23故障，會控制該第二繼電器431呈開路，若該逆變器32故障，則控制該第一繼電器421呈開路。要說明的是，在該第二繼電器431呈閉路之前，先控制該第三繼電器441呈閉路而進行預先充電，當該第二控制迴路43的一第二繼電 器431的二端的電壓小於一預設電壓時，例如該電池源41之電壓的10%，則控制該第二繼電器431呈閉路，並控制該第三繼電器441呈開路。

藉由上述的設計，當該電源轉換器23在行駛過程中發生故障時，該電池單元4之第二繼電器431會被控制呈開路，但由於該逆變器32控制的第一繼電器421仍呈閉路並未跳脫，所以依然可以驅動該馬達31運作，維持車輛的運行，並且可以讓使用者以該電動模式騎乘至維修站或是自家車庫進行維修，因此可有效的避免發生車輛爆衝或追撞事故，並藉此提升車輛行駛的可靠度。

請參照第5圖並配合第1圖所示，本發明車輛串聯式混合動力裝置的控制方法的較佳實施例，係藉由上述車輛串聯式混合動力裝置100進行控制，該控制方法包含一預先充電步驟S201、一充電步驟S202及一偵錯步驟S203。

續參照第5圖並配合第1圖所示，在該預先充電步驟S201中，控制一電池單元4的一第三控制迴路44呈閉路，使該電池單元4的一電池源41透過該第三控制迴路44呈閉路而對一電源轉換器23的一電容充電。

續參照第5圖並配合第1圖所示，在該充電步驟S202中，當該電池單元4的一第二控制迴路43的二端的電壓小於一預設電壓時，則控制該第二控制迴路43呈閉路，並控制該第三控制迴路44呈開路，使該啟動發電機22透過該第二控制迴路43呈閉路而對該電池源41充電。

續參照第5圖並配合第1圖所示，在該偵錯步驟S203中，當一電源轉換器23故障時，則控制該第二控制迴路43呈開路，並控制該電池單元4的一第一控制迴路42呈閉路，使該電池源41對一馬達動力單元3供電。

要說明的是，本發明車輛串聯式混合動力裝置的控制方法將能夠應用至該車輛串聯式混合動力裝置100的三種運作模式，即一電動模式、一延距模式，及一發電機充電模式，並進行切換，其中該電動模式僅驅動一馬達31運轉，該發電機充電模式係驅動一引擎21運轉，該延距模式則依序驅動該引擎21及該馬達31運轉。

請參照第1圖所示，當該電池源41的電量高於40%時，即操作於該電動模式，該馬達動力單元3的一逆變器32即控制該第一控制迴路42的一第一繼電器421呈閉路，此時，該電池源41會對該馬達動力單元3供電，進而使該逆變器32驅動該馬達31運轉，其中若一電池管理系統45偵測到系統錯誤(Error)的訊號，即控制該第一繼電器421呈開路。

續參照第1圖所示，當該電池源41的電量在30%至40%之間時，即操作於該延距模式而依序驅動該引擎21及該馬達31，首先控制該第三控制迴路44的一第三繼電器441呈閉路，使該電池源41透過該第三控制迴路44呈閉路而對該電源轉換器23進行預先充電；當該第二控制迴路43的一第二繼電器431的二端的電壓小於一預設電壓時，例如該電池源41之電壓的10%，則控制該第二繼電器431呈閉路，並控制該第三繼電器441呈開路，使該啟動發電機22透過該第二繼電器431呈閉路而對該電池源41充電。接著，再控制該第一繼電器421呈閉路，此時，該電池源41會對該馬達動力單元3供電，並且依序偵測該電源轉換器23及逆變器32是否有系統錯誤(Error)。

續參照第1圖所示，在該發電機充電模式中，先控制第三繼電器441呈閉路，使該電池源41透過該第三控制迴路44呈閉路而對該電源轉換器23進行預先充電；當該第二繼電器431的二端的電壓小於一預設電壓 時，例如該電池源41之電壓的10%，則控制該第二繼電器431呈閉路，並控制該第三繼電器441呈開路，使該啟動發電機22透過該第二繼電器431呈閉路而對該電池源41充電，接著若該電源轉換器23有系統錯誤，則控制該第二繼電器431呈開路。

藉由上述的設計，當該電源轉換器23在行駛過程中發生故障時，該電池單元4之第二繼電器431會被控制呈開路，但由於該逆變器32控制的第一繼電器421仍呈閉路並未跳脫，所以依然可以驅動該馬達31運作，維持車輛的運行，並且可以讓使用者以該電動模式騎乘至維修站或是自家車庫進行維修，因此可有效的避免發生車輛爆衝或追撞事故，並藉此提升車輛行駛的可靠度。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧車輛串聯式混合動力裝置

2‧‧‧引擎動力單元

21‧‧‧引擎

22‧‧‧啟動發電機

23‧‧‧電源轉換器

24‧‧‧引擎管理系統

3‧‧‧馬達動力單元

31‧‧‧馬達

32‧‧‧逆變器

4‧‧‧電池單元

41‧‧‧電池源

42‧‧‧第一控制迴路

421‧‧‧第一繼電器

43‧‧‧第二控制迴路

431‧‧‧第二繼電器

44‧‧‧第三控制迴路

441‧‧‧第三繼電器

442‧‧‧電阻

45‧‧‧電池管理系統

46‧‧‧電池箱

5‧‧‧整車控制單元

Claims (9)

1. 一種車輛串聯式混合動力裝置，包括：一引擎動力單元，包含：一引擎；一與該引擎相連接的啟動發電機，用以啟動該引擎運轉並進行發電；一電源轉換器，電性連接該啟動發電機；及一引擎管理系統，電性連接該引擎，用以控制該引擎的噴油及點火；一馬達動力單元，包含一馬達及一逆變器，其中該逆變器用以驅動該馬達運轉；一電池單元，包含：一電池源；一第一控制迴路，分別電性連接該電池源及逆變器，並受該逆變器控制；一第二控制迴路，分別電性連接該電池源及電源轉換器；一第三控制迴路，分別電性連接該第二控制迴路的二端；及一電池管理系統，用以控制該第二控制迴路及該第三控制迴路；及一整車控制單元，分別電性連接該電池管理系統及該引擎管理系統。
2. 根據申請專利範圍第1項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該第一控制迴路具有一第一繼電器，該逆變器用以控制該第一繼電器呈開路或閉路。
3. 根據申請專利範圍第1項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該第二控制迴路具有一第二繼電器，該電池管理系統用以控制該第二繼電器呈開路或閉路。
4. 根據申請專利範圍第2項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該第三控制迴路具有一第三繼電器及一電阻，該電池管理系統用以控制該第三繼電器呈開路或閉路。
5. 根據申請專利範圍第1項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該電池單元更具有一電池箱，該電池源、第一控制迴路、第二控制迴路、第三控制迴路及電池管理系統皆設置在該電池箱中。
6. 根據申請專利範圍第1項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該電源轉換器為交流電與直流電轉換器。
7. 根據申請專利範圍第1項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該逆變器為半橋逆變器、全橋逆變器或三相橋式逆變器。
8. 根據申請專利範圍第1項之車輛串聯式混合動力裝置，其中該啟動發電機為永磁同步發電機。
9. 一種車輛串聯式混合動力裝置的控制方法，包含步驟：一預先充電步驟，控制一電池單元的一第三控制迴路呈閉路，使該電池單元的一電池源透過該第三控制迴路呈閉路而對一電源轉換器供電；一充電步驟，當該電池單元的一第二控制迴路的二端的電壓小於一預設電壓時，則控制該第二控制迴路呈閉路，並控制該第三控制迴路呈開路，使該啟動發電機透過該第二控制迴路呈閉路而對該電池源充電；及 一偵錯步驟，當一電源轉換器故障時，則控制該第二控制迴路呈開路，並控制該電池單元的一第一控制迴路呈閉路，使該電池源對一馬達動力單元供電。

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