专利名称：电池电力系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电池电力系统，尤其涉及一种利用超级电容搭配锂离子电池的电力装置，设计可切换串联与并联的电路架构，检测电池与超级电容电压进行电流调控，因应动力装置在驱动时的放电需求与煞车回充等多种情境的充放电进行控制，达成电流的高效率分配，以降低电池放电深度、延长电池寿命。
背景技术：
近年来由于环保意识抬头，各种电力驱动的动力装置因应而生，例如电动车产业的发展，电力驱动的动力装置的动力来源为电池组，以电动车而言，电动车所使用的电池组成本约为美金750 1000元/kWh(10千瓦每小时)，但是单元电池循环寿命仅达800 1000次，以续航力80公里使用12kWh电池组的电动邮政车为例，假定车辆成本相同计算电池组摊提成本，加上充电电费至少需新台币5元/公里以上，每单位里程行驶成本约为汽油车二倍以上价格，摊提成本过高，以及每8万公里即须更换电池组是阻碍电动车整体市场无法大幅提升的原因。以业界所称的长寿命单元电池而言，目前仅有东芝(SCiB)与三菱电机(复合蓄电装置)推出超过2000次循环寿命单元电池，其中复合蓄电装置为锂电池与超级电容并联一体型(14Wh)，但两者于成本及量产时程上无法满足市场需求。针对已知专利而言，例如美国发明专利7，489，048「Energy storage system for electric or hybrid vehicle」，该专利所公开的电力存储系统设置有二套电池组，以及一可调整该二个电池组串联或并联的电路，以及外接一接口串联被动型储能装置，该专利的控制方式为，当马达低速运转(50%rated以下)时，则控制该二个电池组并联，当马达高速运转(50% rated以上)时，则控制该二个电池组串联，由于该专利必须设置二组电池，不仅架构庞大复杂且成本高，再由于其仅能根据马达转速进行二段式电力控制，并无法因应不同状况调整适用的模式。面对上述有关电池组电力控制的瓶颈，以材料端进行长寿命电池开发，不仅旷日费时且投资庞大，因此，如何能够有一种不同于开发新材料方式，以电能管理与控制手法提升电池循环寿命及充放电效率，以期降低电池摊提成本(至少不高于一般汽油车水准)，是业者急需解决的重要课题。
发明内容
有鉴于已知技术的缺失，本发明提出一种电池电力系统，利用超级电容搭配锂离子电池的电力装置，设计可切换串联与并联的电路架构，检测电池与超级电容电压进行电流调控，因应动力装置在驱动时的放电需求与煞车回充等多种情境的充放电进行控制，达成电流的高效率分配，以降低电池放电深度、延长电池寿命。为达到上述目的，本发明提出一种电池电力系统，用以驱动一动力装置的动力马达系统，该动力马达系统产生至少一动力模式信号以及至少一马达控制电流信号，该电池电力系统包含一主要电池，为一可充电电池，该主要电池具有一电池正极端以及一电池负极端， 该电池正极端连接一直流端正极，该电池负极端连接一直流端负极，该直流端正极及直流端负极电性连接于该动力马达系统；一电解电容，电性连接该电池正极端及该电池负极端；一电力升压装置，电性连接该电池正极端及该电池负极端，该电力升压装置用以使电力升压；一第一接触器，电性连接该电池负极端以及该电力升压装置，该第一接触器具有一导通与非导通状态；一第一切换器，电性连接该电池负极端以及该直流端负极，该第一切换器具有一导通与非导通状态；一超级电容，其具有一超级电容正极端以及一超级电容负极端，该超级电容正极端电性连接该电力升压装置与该第一接触器，该超级电容负极端电性连接该电池负极端；一第一二极管，电性连接该超级电容正极端与该电池正极端；一第二接触器，电性连接该第一二极管与该超级电容正极端，该第二接触器具有一导通与非导通状态；一第二切换器，电性连接该超级电容正极端与该第一二极管，该第二切换器具有一导通与非导通状态；一限流元件，电性连接该第二切换器与该第一二极管；多个测量元件，用以测量至少一电压直或至少一电流值，并产生至少一电压信号及至少一电流信号；以及一电能控制器，用以接收该动力模式信号、该马达控制电流信号、该电压信号及电流信号，并据以分析该超级电容的电能水位，以控制该电力升压装置、该第一接触器、该第二接触器、该第一切换器及该第二切换器的导通状态，以及控制电流方向，以形成多种控制模式。为使本领域技术人员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，现在配合图示详细说明如后。
图1是本发明的系统架构图。图2是本发明的超级电容的电能水位示意图。图3是本发明调整控制模式的流程图。图4是本发明的第一模式的架构及电流方向示意图。图5是本发明的第一模式的控制信号示意图。图6是本发明的第二模式的架构及电流方向示意图。图7是本发明的第二模式的控制信号示意图。图8是本发明的第三模式的架构及电流方向示意图。图9是本发明的第三模式的控制信号示意图。图10是本发明的第四模式的架构及电流方向示意图。
图11是本发明的第四模式的控制信号示意图。图12是本发明的第五模式的架构及电流方向示意图。图13是本发明的第五模式的控制信号示意图。图14是本发明的第六模式的架构及电流方向示意图。图15是本发明的第六模式的控制信号示意图。主要元件符号说明100-电池电力系统101-电能控制器102-电力升压装置200-动力马达系统201-变频器202_动力马达203-电子控制单元300-直流端301-直流端正极302-直流端负极Al-第一电流测量元件A2-第二电流测量元件B-主要电池Bl-电池正极端B2-电池负极端C-电解电容Dl-第一二极管D2-第二二极管L-电感元件R-限流元件Sl-第一接触器S2-第二接触器Tl-第一切换器T2-第二切换器T3-第三切换器UC-超级电容Vl-第一电压测量元件V2-第二电压测量元件V3-第三电压测量元件Cu-超级电容的电容值Eu。-超级电容的残留电能Emax-超级电容的电能极限值Ef-超级电容的电能偏高值
Eh-超级电容的电能较高值El-超级电容的电能较低值Ez-超级电容的电能偏低值Iu-超级电容的电流测量值I-直流端的电流测量值Ih-直流端的电流上界值Il-直流端的电流下界值Vb-主要电池的电压值Vu-超级电容的电压值V-直流端的电压值
具体实施例方式以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利本领域技术人员了解，但本申请的技术手段并不限于所列举附图。请参阅图1所示本发明所提供的电池电力系统架构，该电池电力系统100通过一直流端300连接并驱动一动力装置的动力马达系统200，该动力装置是电力驱动的装置，例如电动车，该直流端300具有直流端正极301以及一直流端负极302，该直流端正极301及直流端负极302电性连接于该动力马达系统200所具有的一变频器201，该变频器201连接一动力马达202以及一电子控制单元203，该电子控制单元203可根据该变频器201与动力马达202的状态产生至少一动力模式信号以及至少一马达控制电流信号，该电子控制单元203负责动力装置的控制与通信，该电池电力系统100包含一主要电池B、一电解电容C、 一第一接触器Si、一第二接触器S2、一第一切换器Tl、一第二切换器T2、一第三切换器T3、 一超级电容UC、一第一二极管D1、一第二二极管D2、一限流元件R、一电感元件L、一电能控制器101，其中，该第三切换器T3、第二二极管D2及电感元件L构成一电力升压装置102， 该电能控制器101连接该电子控制单元203，用以接收该电子控制单元203所产生的动力模式信号及马达控制电流信号，该第一切换器Tl、第二切换器T2以及第三切换器T3可采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MO SFET,Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)或绝缘栅双极晶体管(IGBT，INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)或氮化镓功率晶体管(GaN)，该第一接触器Sl及第二接触器S2可采用继电器开关，该限流元件R 可采用限流电阻或限流电路或限流器。该主要电池B为一可充电电池，该主要电池B具有一电池正极端Bl以及一电池负极端B2，该电池正极端Bl连接该直流端正极301，该电池负极端B2连接一直流端负极302， 该主要电池B为本系统的主要储能元件；该电解电容C电性连接该电池正极端Bl及该电池负极端B2，该电解电容C用以稳定该直流端300的电压；该第一接触器Sl电性连接该电池负极端B2以及该电力升压装置102，该第一接触器Sl可切换形成一导通与一非导通状态； 该第二接触器S2电性连接该第一二极管Dl与该超级电容正极端，该第二接触器S2可切换形成一导通与一非导通状态；该第一切换器Tl电性连接该电池负极端B2以及该直流端负极302，该第一切换器Tl可切换形成一导通与一非导通状态；该第二切换器T2电性连接该超级电容正极端与该第一二极管Dl，该第二切换器T2可切换形成一导通与一非导通状态； 该超级电容UC具有一超级电容正极端以及一超级电容负极端，该超级电容正极端电性连接该电力升压装置102与该第一接触器Si，该超级电容负极端电性连接该电池负极端B2 ； 该超级电容UC作为本系统的辅助储能元件；该第一二极管Dl电性连接该超级电容正极端与该电池正极端Bl ；该限流元件R电性连接该第二切换器T2与该第一二极管Dl ；该电力升压装置102的该第三切换器T3与该第二二极管D2串联，该第三切换器T3电性连接该电池负极端B2，该第三切换器T3可切换形成一导通与一非导通状态，该第二二极管D2电性连接该电池正极端Bi，该电感元件L的一端电性连接于该第三切换器T3与该第二二极管D2之间，该电感元件L另一端电性连接于该第一接触器Si,通过该电力升压装置102提升该超级电容UC的电压，所提升的电压可与该主要电池B的电压相当，因此本系统所使用的该超级电容UC的最大电压，可以远小于该主要电池B的电压，可降低该超级电容UC的成本。此外，该电池电力系统100具有第一电流测量元件Al、第二电流测量元件A2、第一电压测量元件Vl、第二电压测量元件V2以及一第三电压测量元件V3，该第一电流测量元件 Al系设置于该超级电容UC的超级电容正极端，该第一电流测量元件Al用以测量该超级电容UC的电流值并可产生一超级电容电流信号；该第二电流测量元件A2电性连接该直流端正极301，用以测量该直流端正极301的电流值并产生一直流端电流信号；该第一电压测量元件Vl电性连接该电池正极端及该电池负极端，用以测量该主要电池B的电压值并产生一主要电池电压信号；该第二电压测量元件V2电性连接该超级电容正极端及该超级电容负极端，用以测量该超级电容UC的电压值并产生一超级电容电压信号；该第三电压测量元件 V3电性连接该直流端正极301及该直流端负极302间，用以测量该直流端300的电压值并产生一直流端电压信号。上述该电子控制单元203产生的动力模式信号、马达控制电流信号，以及上述该超级电容电流信号、该主要电池电压信号、该超级电容电压信号、该直流端电压信号以及该直流端电流信号传送至该电能控制器101，该电能控制器101根据所接收的信号分析该超级电容UC的电能水位，再由该电能控制器101控制该电力升压装置102、第一接触器Si、第二接触器S2、第一切换器Tl、第二切换器T2及第三切换器T3的导通状态，并且控制电流方向，以提供该电池电力系统100具有多种控制模式。请参阅图2及图3所示，并配合以下决策矩阵一及决策矩阵二，说明本发明该电能控制器101调整控制模式的方式。决策矩阵一
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权利要求
1.一种电池电力系统，用以驱动一动力装置的动力马达系统，该动力马达系统产生至少一动力模式信号以及至少一马达控制电流信号，该电池电力系统包含一主要电池，为一可充电电池，该主要电池具有一电池正极端以及一电池负极端，该电池正极端连接一直流端正极，该电池负极端连接一直流端负极，该直流端正极及直流端负极电性连接于该动力马达系统；一电解电容，电性连接该电池正极端及该电池负极端；一电力升压装置，电性连接该电池正极端及该电池负极端，该电力升压装置用以使电力升压；一第一接触器，电性连接该电池负极端以及该电力升压装置，该第一接触器具有一导通与非导通状态；一第一切换器，电性连接该电池负极端以及该直流端负极，该第一切换器具有一导通与非导通状态；一超级电容，其具有一超级电容正极端以及一超级电容负极端，该超级电容正极端电性连接该电力升压装置与该第一接触器，该超级电容负极端电性连接该电池负极端；一第一二极管，电性连接该超级电容正极端与该电池正极端；一第二接触器，电性连接该第一二极管与该超级电容正极端，该第二接触器具有一导通与非导通状态；一第二切换器，电性连接该超级电容正极端与该第一二极管，该第二切换器具有一导通与非导通状态；一限流元件，电性连接该第二切换器与该第一二极管；多个测量元件，用以测量至少一电压直或至少一电流值，并产生至少一电压信号及至少一电流信号；以及一电能控制器，用以接收该动力模式信号、该马达控制电流信号、该电压信号及电流信号，并据以分析该超级电容的电能水位，以控制该电力升压装置、该第一接触器、该第二接触器、该第一切换器及该第二切换器的导通状态，以及控制电流方向，以形成多种控制模式。
2.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该电力升压装置包括一第三切换器、一第二二极管以及一电感元件构成，该第三切换器与该第二二极管串联，该第三切换器电性连接该电池负极端，该第二二极管电性连接该电池正极端，该电感元件的一端电性连接于该第三切换器与该第二二极管之间，该电感元件另一端电性连接于该第一接触器，该第三切换器具有一导通与非导通状态。
3.如权利要求2所述的电池电力系统，其中该第一切换器、该第二切换器以及该第三切换器为金属氧化物半导体场效应晶体管或绝缘栅双极晶体管或氮化镓功率晶体管。
4.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该第一接触器及第二接触器为继电器开关。
5.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该限流元件为限流电阻或限流电路或限流ο
6.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该动力装置包括一变频器、一动力马达以及一电子控制单元，该变频器连接该动力马达及该电子控制单元，该直流端正极及直流端负极电性连接于该变频器，该电子控制单元根据该变频器与动力马达的状态产生至少一动力模式信号以及至少一马达控制电流信号，并将所产生的动力模式信号及马达控制电流信号传送至该电能控制器。
7.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多个测量元件还包括一第一电流测量元件，电性连接该超级电容正极端，用以测量该超级电容的电流值并产生一超级电容电流信号；一第二电流测量元件，电性连接该直流端正极，用以测量该直流端正极的电流值并产生一直流端电流信号；一第一电压测量元件，电性连接该电池正极端及该电池负极端，用以测量该主要电池的电压值并产生一主要电池电压信号；一第二电压测量元件，电性连接该超级电容正极端及该超级电容负极端，用以测量该超级电容的电压值并产生一超级电容电压信号；以及一第三电压测量元件，电性连接该直流端正极及该直流端负极间，用以测量该直流端正极及该直流端负极的电压值并产生一直流端电压信号；上述该主要电池电压信号、该超级电容电压信号、该直流端电压信号以及该直流端电流信号被传送至该电能控制器，由该电能控制器据以控制该电力升压装置、该第一接触器、 该第二接触器、该第一切换器以及该第二切换器的导通状态，以及控制电流方向，以提供该电池电力系统具有多种控制模式。
8.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多种控制模式包括一第一模式，在该第一模式时，该第一接触器为导通状态，该电力升压装置、该第二接触器、该第一切换器及该第二切换器均为非导通状态，其电流方向由直流端负极流向超级电容再流向该主要电池， 再由该直流端正极流向该动力马达系统。
9.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多种控制模式包括一第二模式，在该第二模式时，该第一切换器为导通状态，该电力升压装置、第一接触器、该第二接触器及该第二切换器均为非导通状态，其电流方向由直流端负极流向该主要电池，再由该直流端正极流向该动力马达系统。
10.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多种控制模式包括一第三模式，在该第三模式时，该第一切换器、该第二切换器均为导通状态，该电力升压装置、第一接触器及该第二接触器均为非导通状态，其电流方向由直流端负极流向该主要电池，该电流于流过该主要电池后，其中一部分电流由该直流端正极流向该动力马达系统，另部分电流通过该第二切换器流向该超级电容。
11.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多种控制模式包括一第四模式，在该第四模式时，该第一切换器、该电力升压装置均为导通状态，该第二切换器、第一接触器及该第二接触器均为非导通状态，其电流方向由直流端负极流向该主要电池，再由该直流端正极流向该动力马达系统，在该电流进入该主要电池前，其中一部分电流流向该超级电容再进入该电力升压装置，在该电力升压装置流出的电流再分别与该由直流端负极流入的电流，以及与该由该直流端正极流向该动力马达系统的电流汇流。
12.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多种控制模式包括一第五模式，在该第五模式时，该第二接触器为导通状态，该电力升压装置、该第一切换器、该第二切换器及该第一接触器均为非导通状态，其电流方向由直流端正极流向该超级电容，再由该直流端负极流向该动力马达系统。
13.如权利要求1所述的电池电力系统，其中该多种控制模式包括一第六模式，在该第六模式时，该第一切换器为导通状态，该电力升压装置、第一接触器、该第二接触器及该第二切换器均为非导通状态，其电流方向由直流端正极流向该主要电池，再由该直流端负极流向该动力马达系统。
全文摘要
一种电池电力系统，用以驱动一动力装置的动力马达系统，动力马达系统产生至少一动力模式信号及至少一马达控制电流信号，电池电力系统包含一主要电池、一电解电容、一电力升压装置、一第一接触器、一第一切换器、一超级电容、一第一二极管、一第二接触器、一第二切换器、一限流元件、多个测量元件及一电能控制器，由电能控制器根据动力模式信号、马达控制电流信号及测量元件产生的电压及电流信号分析超级电容电能水位，以控制电力升压装置、第一接触器、第二接触器、第一切换器及第二切换器导通状态及电流方向，以形成多种控制模式。
文档编号H02P27/06GK102480148SQ20101058031
公开日2012年5月30日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年11月25日
发明者施武阳, 江益贤 申请人:财团法人工业技术研究院