CN102092301B - 充电/启动系统与应用的电动车辆 - Google Patents

Abstract

一种充电/启动系统，应用于一电动车辆，包括：一充电/启动装置，耦合于一外部电力源；一车载电力源，耦合于该充电/启动装置；以及一电池组，用以储存与提供电力，该电池组耦合于该充电/启动装置。于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该外部电力源与该车载电力源的任一经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组。于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源。

Description

充电/启动系统与应用的电动车辆

技术领域

本发明是有关于一种充电/启动系统与应用其的电动车辆。

背景技术

因环保意识的抬头，电动车辆已得到愈来愈多车厂与消费者的注意。有一种电动车辆为纯电动车，由外部电力源(如市电)经由车上充电器(On-BoardCharger)来充电。虽电动车辆有零排放污染等优点，但受限于电池容量，导致其可行驶距离过短。

电动车辆的已知技术之一揭露于美国专利US6326765，其专利名称为“具有车载充电系统的电动速可达(Electric scooter with on-board chargingsystem)”。此已知技术揭露插电式电动车，其通过车上充电器及车载电力源(如燃料电池等)对电池组进行充电，而且可以利用煞车能量来回充电池组。以此已知车载充电系统架构而言，外部电力源可输入电力至车上充电器而充电至电池组；而且车载电力源亦可将电力输出至直流-直流转换器后再输出以充电电池组，通过电池组提供马达所需的操作电力。

在此已知技术中，外部电力源及车载电力源需要各自的相对应独立线路及转换器，以分别连接至电池组。亦即，此已知技术需要二组独立线路及二组转换器。这是因为，于此已知技术中，外部电力源与电池组之间需要车上充电器；而车载电力源与电池组之间需要直流-直流转换器。更甚者，如果此已知技术的车载电力源包括启动马达与引擎发电机时，更需另外一组独立线路，以启动车载电力源的启动马达。

此外，目前市面也已研发出多种复合动力车辆。复合动力车辆的动力运作一般包括串联式与并联式。于串联式复合动力车辆中，马达提供车辆的动力驱动源，而马达的电力来源则由电池或引擎提供。于并联式复合动力车辆中，马达及引擎皆会传输动力至驱动轮。

另一已知技术US6889126揭露一种复合电动车辆的驱动力控制(DriveForce Control for Hybrid Electric Vehicle)。引擎输出旋转扭矩，第一马达连接至引擎(此第一马达可配合引擎扭矩发电)，第二马达提供驱动扭矩以驱动车辆。电力储存装置连接第一马达及第二马达。在控制器的控制下，电力储存装置提供电力给第二马达，并将多余的电力提供至第一马达以加速引擎运转。此第一马达为引擎发电机/马达(Generator/Motor)。然而，此已知技术没有利用外部电力源对电力储存装置进行充电。

另外目前更研发出插电式复合动力车辆(PHEV，Plug-in HybridElectric Vehicle)。插电式复合动力电动车有车上充电器及启动马达/发电机(Start/Generator)。但是，其车上充电器与启动马达/发电机的控制需要各自的相对应独立控制电路。此已知技术未能将车上充电器与启动马达/发电机的控制器集成为集成式充电/启动系统，亦即此已知技术无法集成车上充电器与启动马达/发电机控制器的功能于同一装置上。

发明内容

本发明是有关于一种充电/启动系统与应用其的电动车辆。充电/启动系统中的集成型充电/启动装置可接收外部电力源及车载电力源的任一者的输入，并输出至电池组，以对电池组充电。此外，此集成型充电/启动装置还可启动车载电力源的启动马达，使启动马达带动引擎，而引擎更带动引擎发电机来发电，以充电电池组。

本发明的一示范例提出一种充电/启动系统，应用于一电动车辆，包括：一充电/启动装置，耦合于一外部电力源；一车载电力源，耦合于该充电/启动装置；以及一电池组，用以储存与提供电力，该电池组耦合于该充电/启动装置。于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该外部电力源与该车载电力源的任一经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组。于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源。

本发明的另一示范例提出一种电动车辆，包括：一充电/启动系统；以及一马达，该充电/启动系统供应电力给该马达。该充电/启动系统包括：一充电/启动装置，耦合于一外部电力源；一车载电力源，耦合于该充电/启动装置；以及一电池组，用以储存与提供电力，该电池组耦合于该充电/启动装置。于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该外部电力源与该车载电力源的任一经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组。于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1显示根据本发明实施例的电动车辆的系统示意图。

图2显示根据本发明实施例的充电/启动装置的功能方块图。

图3显示外部电力源(其为单相交流市电)对电池组充电的示意图。

图4显示车载电力源(其为能输出直流电的燃料电池)对电池组充电的示意图。

图5显示车载电力源(其包括能输出三相交流电的引擎发电机)对电池组充电的示意图。

图6A～图6F显示本实施例在启动车载电力源的启动马达时的依序的电力流示意图。

[主要元件标号说明]

10：外部电力源         100：电动车辆

110：充电/启动系统     112：车载电力源

114A与114B：电磁接触器

116：充电/启动装置     118：电池组

120：马达驱动器        130：马达

140：驱动轮

210：IGBT(绝缘栅双极性晶体管)模块

220：滤波器            230：双向直流-直流转换器

240：充电/启动控制器

250A与250B：电流感知器

Q1～Q8：绝缘栅双极性晶体管

G1～G8：栅极信号      L：电感

SW：开关

具体实施方式

在本发明实施例中，充电/启动装置可分别接收外部电力源及车载电力源的任一者的输入，并输出至电池组，以对电池组充电。此外，充电/启动装置还可启动车载电力源的启动马达，使启动马达带动引擎，而引擎更带动引擎发电机来发电，以充电电池组。

图1显示根据本发明实施例的电动车辆的系统示意图。如图1所示，电动车辆100至少包括：充电/启动系统110、马达驱动器120、马达130与驱动轮140。马达驱动器120、马达130与驱动轮140的功能与其操作可不特别限定之，故其详细描述在此省略。

充电/启动系统110包括：车载电力源112、电磁接触器114A与114B、充电/启动装置116与电池组118。通过充电/启动系统110，电池组118可被充电，而其电力来源则可为外部电力源10(比如单相交流市电)、或是具备燃料电池的车载电力源112、或是可输出三相交流电的车载电力源112。

现请参考图2，其显示根据本发明实施例的充电/启动装置116的功能方块图。如图2所示，充电/启动装置116包括：绝缘栅双极性晶体管(IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor)模块210、滤波器220、双向直流-直流转换器230、充电/启动控制器240、电流感知器250A与250B。电流感知器250A与250B感知流经IGBT模块210与电磁接触器114A之间的电流。

IGBT模块210接收外部电力源10或车载电力源112的输出电力。IGBT模块210包括多个绝缘栅双极性晶体管Q1～Q6。各绝缘栅双极性晶体管包括一个晶体管与一个飞轮二极管(free-wheeling diode)。绝缘栅双极性晶体管Q1～Q6受控于充电/启动控制器240所输出的栅极信号G1～G6。

滤波器220比如为电容，其可滤波IGBT模块210的输出电压。双向直流-直流转换器230接收IGBT模块210的输出，转换成适用于电池组118的充电电压并输出至电池组118。双向直流-直流转换器230包括：绝缘栅双极性晶体管Q7～Q8，其受控于充电/启动控制器240所输出的栅极信号G7～G8；电感L与开关SW。开关SW受控于充电/启动控制器240。

充电/启动控制器240检测IGBT模块210的输出电压及感测双向直流-直流转换器230的输出电流及输出电压，并输出栅极信号给IGBT模块210内部的晶体管。如图2所示，充电/启动控制器240所输出的栅极信号G1～G6会控制IGBT模块210内的各IGBT的导通/关闭情况。相似地，充电/启动控制器240所输出的栅极信号G7～G8会控制双向直流-直流转换器230内的各IGBT的导通/关闭情况。利用适当地控制绝缘栅双极性晶体管Q7与Q8的导通/关闭情况，可以达到双向直流-直流转换器230的降压的作用。

充电/启动控制器240的控制电源可来自外部电力源10或电动车辆100的12V电池。当充电/启动控制器240检测到电池组118的输出电压不足时，充电/启动控制器240会启动充电功能。比如，充电/启动控制器240检测节点N1与N2的电压，以决定电池组118的输出电压是否足够。如果电池组118并未配置电池管理系统，则充电/启动控制器240会直接进行充电控制。若如果电池组118配置电池管理系统，则电池管理系统与充电/启动控制器240利用通讯接口来进行充电控制。底下，将描述本实施例如何进行充电/启动。

充电-由外部电力源10

图3显示外部电力源10(可为单相交流110伏特或单相交流220伏特)对电池组充电的示意图。

如图3所示，当充电/启动控制器240检测到电动车辆100已接上外部电力源10时，充电/启动控制器240可进行充电控制。当外部电力源10对电池组118充电时，充电/启动控制器240会控制电磁接触器114B为导通。在此时，IGBT模块210作为桥式整流器，以将单相交流电整流为直流电。当外部电力源10的电压高于电池组118的电压时，双向直流-直流转换器可进行降压操作。

于图3中，电力流方向为：外部电力源10→电磁接触器114B→IGBT模块210→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7中的晶体管)→电感L→开关SW→电池组118→IGBT模块210→电磁接触器114B→外部电力源10。在此例中，IGBT模块210当成桥式整流器。在底下，为方便说明，亦可将外部电力源10与电池组118间的电力流称为第一电力流。

充电-由燃料电池

图4显示车载电力源112(其包括能输出直流电的燃料电池(fuel cell))对电池组充电的示意图。如图4所示，如果车载电力源112为能输出直流电的燃料电池，此燃料电池可利用充电/启动装置116而充电电池组118。此时，电磁接触器114A为导通的。

于图4中，电力流方向为：车载电力源112(燃料电池)→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q2(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q2的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7的晶体管)→电感L→开关SW→电池组118→绝缘栅双极性晶体管Q6(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q6的飞轮二极管)→电磁接触器114A→车载电力源112。

充电-由车载电力源112(其包括能输出三相交流电的引擎发电机)

在此例中，车载电力源112包括启动马达与能输出三相交流电的引擎发电机。当充电/启动控制器240启动车载电力源112的启动马达后，启动马达会带动内燃机引擎(未显示于图中)运转，此内燃机引擎更会带动车载电力源112的引擎发电机进行发电，以充电电池组118。此外，引擎发电机可为旋转式引擎发电机或线性引擎发电机。

图5显示车载电力源112(其包括能输出三相交流电的引擎发电机)对电池组充电的示意图。如图5所示，当车载电力源112的启动马达被充电/启动装置116启动后，启动马达带动车载电力源112的内燃机引擎运转，此内燃机引擎更会带动车载电力源112的引擎发电机来发电，并通过充电/启动装置116而充电电池组118。在此情况下，电磁接触器114A为导通的；且IGBT模块210作为三相桥式整流器，以将三相交流电整流为直流电。

于图5中，电力流方向为：车载电力源112→电磁接触器114A→IGBT模块210→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的晶体管)→电感L→开关SW→电池组118→IGBT模块210→电磁接触器114A→车载电力源112。

启动

在此例中，车载电力源112包括启动马达与能输出三相交流电的引擎发电机。在此例中，启动的目的为，充电/启动装置116启动车载电力源112的启动马达后，由启动马达带动内燃机引擎运转，此内燃机引擎更会带动车载电力源112的引擎发电机进行发电，以充电电池组118。

于充电/启动装置116启动车载电力源112的启动马达时，电流组118的输出电压会经过双向直流-直流转换器230的转换(降/升压)与滤波器220的滤波，而输入至IGBT模块210。IGBT模块210的输出电压则经过电磁接触器114A。于充电/启动装置116启动车载电力源112的启动马达时，充电/启动控制器240会控制电磁接触器114A为导通。

更甚者，利用充电/启动装置116可将电池组118的电力提供至车载电力源112内的启动马达，以启动此启动马达。当启动马达启动后，由启动马达带动内燃机引擎运转，此内燃机引擎更会带动车载电力源112的引擎发电机进行发电，以充电电池组118。

充电/启动控制器240可启动车载电力源112的启动马达。此启动马达可为无刷直流马达或交流同步马达。启动时，充电/启动控制器240以六步方波控制方式来启动车载电力源112的启动马达。

现请参考图6A～图6F，其显示本实施例在启动车载电力源112的启动马达时依序的电力流示意图。于启动车载电力源112的启动马达时，所需的电力来源由电池组118提供。

于图6A中，电力流方向为：电池组118→开关SW→电感L→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q1(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q1内的晶体管)电磁接触器114A→车载电力源112的启动马达→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q5(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q5内的晶体管)→电池组118。

于图6B中，电力流方向为：电池组118→开关SW→电感L→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q1(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q1内的晶体管)→电磁接触器114A→车载电力源112的启动马达→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q6(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q6内的晶体管)→电池组118。

于图6C中，电力流方向为：电池组118→开关SW→电感L→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q2(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q2内的晶体管)→电磁接触器114A→车载电力源112的启动马达→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q6(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q6内的晶体管)→电池组118。

于图6D中，电力流方向为：电池组118→开关SW→电感L→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q2(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q2内的晶体管)→电磁接触器114A→车载电力源112的启动马达→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q4(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q4内的晶体管)→电池组118。

于图6E中，电力流方向为：电池组118→开关SW→电感L→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q3(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q3内的晶体管)→电磁接触器114A→车载电力源112的启动马达→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q4(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q4内的晶体管)→电池组118。

于图6F中，电力流方向为：电池组118→开关SW→电感L→绝缘栅双极性晶体管Q7(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q7内的飞轮二极管)→绝缘栅双极性晶体管Q3(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q3内的晶体管)→电磁接触器114A→车载电力源112的启动马达→电磁接触器114A→绝缘栅双极性晶体管Q5(特别是，绝缘栅双极性晶体管Q5内的晶体管)→电池组118。

此外，如图4、图5与图6A～图6F所示，车载电力源112与电池组118间的电力流称为第二电力流。

综上所述，车载电力源112的输出电压范围可较宽广，其输出电压通过双向直流-直流转换器230后，可以充电电池组118。

双向直流-直流转换器可匹配电池组，以及匹配启动马达。也就是说，经由双向直流-直流转换器，车载电力源或外部电力源的供电电压可被降/升压成适合于电池组(亦即，双向直流-直流转换器可为升压转换器或降压转换器)。而且，经由双向直流-直流转换器，电池组的输出电压可被降/升压成适合于驱动车载电力源的启动马达。

本实施例的IGBT模块可接收三相交流电、单相交流电或直流电。充电/启动控制器可检测直流电压总线(耦接至IGBT模块)上的节点电压(N1与N2)，以判断适合的操作模式。

综上所述，虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (18)

1.一种充电/启动系统，应用于一电动车辆，包括：

一充电/启动装置，耦合于一外部电力源；

一车载电力源，耦合于该充电/启动装置；

一电池组，用以储存与提供电力，该电池组耦合于该充电/启动装置；

一第一电磁接触器，受控于该充电/启动装置，用以导通或阻断该外部电力源与该电池组间的一第一电力流；以及

一第二电磁接触器，受控于该充电/启动装置，用以导通或阻断该车载电力源与该电池组间的一第二电力流，

其中，该充电/启动装置包括：

一绝缘栅双极性晶体管模块，接收并传导该第一与该第二电力流；

一滤波器，耦接于该绝缘栅双极性晶体管模块，用于滤波该第一与该第二电力流；

一双向直流-直流转换器，用以降/升压该第一与该第二电力流；

一充电/启动控制器，检测该绝缘栅双极性晶体管模块的一输出与该双向直流-直流转换器的一输出以控制该绝缘栅双极性晶体管模块与该双向直流-直流转换器，以控制该第一与该第二电力流的流经路径；以及

一第一与一第二电流感知器，感知流经该第二电磁接触器与该绝缘栅双极性晶体管模块之间的一电流，

其中：

于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该外部电力源与该车载电力源的任一经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组；

于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源。

2.根据权利要求1所述的充电/启动系统，其中，当该充电/启动控制器检测到该电池组的一输出电压不足时，该充电/启动控制器启动充电功能。

3.根据权利要求2所述的充电/启动系统，其中，

当该充电/启动控制器检测到该外部电力源电性连接至该电动车辆时，该充电/启动控制器进行充电控制，以由该外部电力源对该电池组充电；

该绝缘栅双极性晶体管模块将外部电力源的一输出交流电整流为一直流电以充电该电池组；以及

当该外部电力源的电压高于该电池组的一充电所需电压时，该双向直流-直流转换器进行降压操作。

4.根据权利要求2所述的充电/启动系统，其中，该车载电力源包括一燃料电池，

于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该燃料电池经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组。

5.根据权利要求2所述的充电/启动系统，其中，该车载电力源包括一启动马达与一内燃机引擎发电机，

于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该内燃机引擎发电机所发的电力经由该充电/启动装置而输出至该电池组，以充电该电池组，且该绝缘栅双极性晶体管模块将该内燃机引擎发电机所输出的一交流电整流为一直流电。

6.根据权利要求5所述的充电/启动系统，其中，

于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源的该启动马达。

7.根据权利要求6所述的充电/启动系统，其中，该内燃机引擎发电机为一旋转式引擎发电机或一线性引擎发电机。

8.根据权利要求1所述的充电/启动系统，其中，该电池组还配置一电池管理系统，其连结于该充电/启动装置，以进行充电控制。

9.根据权利要求1所述的充电/启动系统，其中，该双向直流-直流转换器为一降压转换器或一升压转换器。

10.一种电动车辆，包括：

一充电/启动系统；以及

一马达，该充电/启动系统供应电力给该马达；

其中，该充电/启动系统包括：

一充电/启动装置，耦合于一外部电力源；

一车载电力源，耦合于该充电/启动装置；

一电池组，用以储存与提供电力，该电池组耦合于该充电/启动装置；

一第一电磁接触器，受控于该充电/启动装置，用以导通或阻断该外部电力源与该电池组间的一第一电力流；以及

一第二电磁接触器，受控于该充电/启动装置，用以导通或阻断该车载电力源与该电池组间的一第二电力流，

其中，该充电/启动装置包括：

一绝缘栅双极性晶体管模块，接收并传导该第一与该第二电力流；

一滤波器，耦接于该绝缘栅双极性晶体管模块，用于滤波该第一与该第二电力流；

一双向直流-直流转换器，用以降/升压该第一与该第二电力流；

一充电/启动控制器，检测该绝缘栅双极性晶体管模块的一输出与该双向直流-直流转换器的一输出以控制该绝缘栅双极性晶体管模块与该双向直流-直流转换器，以控制该第一与该第二电力流的流经路径；以及

一第一与一第二电流感知器，感知流经该第二电磁接触器与该绝缘栅双极性晶体管模块之间的一电流，

其中：

于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该外部电力源与该车载电力源的任一经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组；

于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源。

11.根据权利要求10所述的电动车辆，其中，当该充电/启动控制器检测到该电池组的一输出电压不足时，该充电/启动控制器启动充电功能。

12.根据权利要求11所述的电动车辆，其中，

当该充电/启动控制器检测到该外部电力源电性连接至该电动车辆时，该充电/启动控制器进行充电控制，以由该外部电力源对该电池组充电；

该绝缘栅双极性晶体管模块将外部电力源的一输出交流电整流为一直流电以充电该电池组；以及

当该外部电力源的电压高于该电池组的一充电所需电压时，该双向直流-直流转换器进行降压操作。

13.根据权利要求11所述的电动车辆，其中，该车载电力源包括一燃料电池，

于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该燃料电池经由该充电/启动装置而输出电力至该电池组，以充电该电池组。

14.根据权利要求11所述的电动车辆，其中，该车载电力源包括一启动马达与一内燃机引擎发电机，

于充电时，在该充电/启动装置的控制下，该内燃机引擎发电机所发的电力经由该充电/启动装置而输出至该电池组，以充电该电池组，且该绝缘栅双极性晶体管模块将该内燃机引擎发电机所输出的一交流电整流为一直流电。

15.根据权利要求14所述的电动车辆，其中，

于启动时，在该充电/启动装置的控制下，该电池组经由该充电/启动装置而输出电力至该车载电力源，以启动该车载电力源的该启动马达。

16.根据权利要求15所述的电动车辆，其中，该内燃机引擎发电机为一旋转式引擎发电机或一线性引擎发电机。

17.根据权利要求10所述的电动车辆，其中，该电池组还配置一电池管理系统，其连结于该充电/启动装置，以进行充电控制。

18.根据权利要求10所述的电动车辆，其中，该双向直流-直流转换器为一降压转换器或一升压转换器。

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