TW201443793A - 大型電動車電源架構及其電池箱輪休排序控制方法 - Google Patents
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Abstract
本案係一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，電源架構包含具有一排序控制單元之一行車電腦、複數個可變組態串聯式電池箱以及一馬達裝置，各可變組態串聯式電池箱更包含複數個電池模組，電池箱輪休排序控制方法包含步驟：行車電腦計算電池模組以及可變組態串聯式電池箱之需求數量；排序控制單元計算模組積分並產生一電池模組排序；排序控制單元依照需求數量及電池模組排序啟用電池模組；排序控制單元計算一電池箱積分並產生一電池箱排序；以及排序控制單元指示至少一個位於電池箱排序末位之可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
Description
本發明係有關於一種利用電池箱輪休排序的大型電動車電源架構及其控制方法，尤指一種利用電腦程序進行即時計算電池模組排序和電池箱排序，並利用輪休作業模式進行動態式蓄電狀態平衡作業之大型電動車電源架構及其控制方法。
近年來石油能源短缺，油價節節攀升，全球暖化現象未舒解，節能減碳是世界各國政府的政策，然而現今大部分的大型車輛還是使用石油作為動力來源，所排放的廢氣造成空氣污染，僅少部份的大型車輛採用電池為動力來源，然而以電力作為動力來源仍有著許多須克服的困境，例如如何保持車輛內部複數個電池蓄電量平均以避免部分電池過度放電造成壽命減短即為須克服之問題之一。
大型電動車輛因為動力和續航力之需求，一般需要將大量電池模組做串並聯以達到其高電壓及高電流之需求；但是當電池模組以串聯方式銜接時，其放電電流一致，所以在電池箱內串接的電池模組一般都需匹配其電氣特性，讓各個電池模組的放電狀態接近，以確保長期使用中不會有部分電池因提早耗盡電力而導致過放損壞；電池箱內串接的電池模組的匹配作業過程耗時且成本昂貴，導致電池模組的生產時程大幅拉長且售價無法降低，影響產品競爭力。
部分電動車輛使用多組電池並聯的電源架構，而並聯架構在單一組電池故障時可持續電源系統的運轉作業，但是由於每組電池模組的電氣特性之差異，仍然時常會導致部分電池模組提早耗盡而進入低壓保護狀態，導致電源系統的電流輸出能力降低和電動車續航力明顯下降的缺點。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之大型電動車電源架構及其控制方法，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決之問題。
大型電動車輛因為動力和續航力之需求，一般需要將大量電池模組做串並聯以達到其高電壓及高電流之需求；但是當電池模組以串聯方式銜接時，其放電電流一致，所以在電池箱內串接的電池模組一般都需匹配其電氣特性，讓各個電池模組的放電狀態接近，以確保長期使用中不會有部分電池因提早耗盡電力而導致過放損壞；電池箱內串接的電池模組的匹配作業過程耗時且成本昂貴，導致電池模組的生產時程大幅拉長且售價無法降低，影響產品競爭力。
部分電動車輛使用多組電池並聯的電源架構，而並聯架構在單一組電池故障時可持續電源系統的運轉作業，但是由於每組電池模組的電氣特性之差異，仍然時常會導致部分電池模組提早耗盡而進入低壓保護狀態，導致電源系統的電流輸出能力降低和電動車續航力明顯下降的缺點。
因此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之大型電動車電源架構及其控制方法，實為相關技術領域者目前所迫切需要解決之問題。
本案之目的為提供一種大型電動車電源架構及其電池箱輪休排序控制方法，可利用電池箱輪休排序使所有電池模組之蓄電狀態保持於一相近之範圍，且以最大之限度提高電池模組利用率和大型電動車之續航力。
本案之另一目的為提供一種大型電動車電源架構及其電池箱輪休排序控制方法，可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，個別調整每一個電池模組的放電作業比例，使得各電池模組即使在老化情況不同造成電容量大幅差異的狀態下，仍然能夠利用電池模組使用優先排序的即時動態資訊來調整各電池模組之間的充放電比例，使得在電動車行駛途中，電源架構內的各個電池箱內的總剩餘電量能盡可能地接近，且電池箱內的各個電池模組的剩餘電量亦能盡可能地接近；而在理想狀態下，當電動車回廠充電之時，所有的電池模組均有等量的剩餘電量。
本案之另一目的為提供一種大型電動車電源架構及其電池箱輪休排序控制方法，可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，盡可能地避免任何一電池箱因為內部單一電池模組的放電狀態過低而達到過放保護。
為達上述目的，本案之一實施態樣為提供一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，該大型電動車電源架構包含具有一排序控制單元之一行車電腦、複數個以並聯方式連接之可變組態串聯式電池箱以及一馬達裝置，各該可變組態串聯式電池箱更包含複數個以串聯方式連接之電池模組，該電池箱輪休排序控制方法包含步驟：該行車電腦根據該馬達裝置之行車需求計算該電池模組以及該可變組態串聯式電池箱之需求數量；該排序控制單元計算各該電池模組之模組積分，以在各該可變組態串聯式電池箱中產生一電池模組排序；該排序控制單元依照該電池模組需求數量及各該可變組態串聯式電池箱之該電池模組排序，在各該可變組態串聯式電池箱中啟用該電池模組需求數量之該電池模組；該排序控制單元使用各該可變組態串聯式電池箱中被啟用的該電池模組之該模組積分，計算出各該可變組態串聯式電池箱之電池箱積分，並依照該電池箱積分產生一電池箱排序；以及該排序控制單元指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
為達上述目的，本案另一實施態樣為提供一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，該大型電動車電源架構包含複數個以並聯方式連接之可變組態串聯式電池箱，該可變組態串聯式電池箱更包含複數個以串聯方式連接之電池模組，其特徵在於：一電池模組排序之手段，用以將各該可變組態串聯式電池箱中之該電池模組進行排序，並使至少一個位於該電池模組排序末位之該電池模組進入休眠模式；以及一電池箱排序手段，用以將各該可變組態串聯式電池箱進行排序，並使至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
為達上述目的，本案又一實施態樣為提供一種大型電動車電源架構，包含：複數個可變組態串聯式電池箱，該複數個可變組態串聯式電池箱係以並聯之方式相互連接，且分別包含複數個電池模組，該電池模組係以串聯之方式相互連接；一馬達裝置，係與該複數個可變組態串聯式電池箱連接，且包含一用以驅動該大型電動車之馬達，以及一用以驅動該馬達之馬達驅動器；以及一行車電腦，係與該複數個可變組態串連式電池箱連接，用以偵測該馬達裝置之行車需求，並計算該電池模組以及該可變組態串聯式電池箱之需求數量，且該行車電腦更包含一排序控制單元，用以執行一電池箱輪休排序程序，其係將各該可變組態串聯式電池箱之該電池模組進行排序，並根據排序啟用該電池模組需求數量之該電池模組，以及將各該可變組態串聯式電池箱進行排序，並指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
本案之另一目的為提供一種大型電動車電源架構及其電池箱輪休排序控制方法，可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，個別調整每一個電池模組的放電作業比例，使得各電池模組即使在老化情況不同造成電容量大幅差異的狀態下，仍然能夠利用電池模組使用優先排序的即時動態資訊來調整各電池模組之間的充放電比例，使得在電動車行駛途中，電源架構內的各個電池箱內的總剩餘電量能盡可能地接近，且電池箱內的各個電池模組的剩餘電量亦能盡可能地接近；而在理想狀態下，當電動車回廠充電之時，所有的電池模組均有等量的剩餘電量。
本案之另一目的為提供一種大型電動車電源架構及其電池箱輪休排序控制方法，可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，盡可能地避免任何一電池箱因為內部單一電池模組的放電狀態過低而達到過放保護。
為達上述目的，本案之一實施態樣為提供一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，該大型電動車電源架構包含具有一排序控制單元之一行車電腦、複數個以並聯方式連接之可變組態串聯式電池箱以及一馬達裝置，各該可變組態串聯式電池箱更包含複數個以串聯方式連接之電池模組，該電池箱輪休排序控制方法包含步驟：該行車電腦根據該馬達裝置之行車需求計算該電池模組以及該可變組態串聯式電池箱之需求數量；該排序控制單元計算各該電池模組之模組積分，以在各該可變組態串聯式電池箱中產生一電池模組排序；該排序控制單元依照該電池模組需求數量及各該可變組態串聯式電池箱之該電池模組排序，在各該可變組態串聯式電池箱中啟用該電池模組需求數量之該電池模組；該排序控制單元使用各該可變組態串聯式電池箱中被啟用的該電池模組之該模組積分，計算出各該可變組態串聯式電池箱之電池箱積分，並依照該電池箱積分產生一電池箱排序；以及該排序控制單元指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
為達上述目的，本案另一實施態樣為提供一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，該大型電動車電源架構包含複數個以並聯方式連接之可變組態串聯式電池箱，該可變組態串聯式電池箱更包含複數個以串聯方式連接之電池模組，其特徵在於：一電池模組排序之手段，用以將各該可變組態串聯式電池箱中之該電池模組進行排序，並使至少一個位於該電池模組排序末位之該電池模組進入休眠模式；以及一電池箱排序手段，用以將各該可變組態串聯式電池箱進行排序，並使至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
為達上述目的，本案又一實施態樣為提供一種大型電動車電源架構，包含：複數個可變組態串聯式電池箱，該複數個可變組態串聯式電池箱係以並聯之方式相互連接，且分別包含複數個電池模組，該電池模組係以串聯之方式相互連接；一馬達裝置，係與該複數個可變組態串聯式電池箱連接，且包含一用以驅動該大型電動車之馬達，以及一用以驅動該馬達之馬達驅動器；以及一行車電腦，係與該複數個可變組態串連式電池箱連接，用以偵測該馬達裝置之行車需求，並計算該電池模組以及該可變組態串聯式電池箱之需求數量，且該行車電腦更包含一排序控制單元，用以執行一電池箱輪休排序程序，其係將各該可變組態串聯式電池箱之該電池模組進行排序，並根據排序啟用該電池模組需求數量之該電池模組，以及將各該可變組態串聯式電池箱進行排序，並指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
1．．．電源系統
10．．．行車電腦
101．．．行車控制單元
11．．．第一可變組態串聯式電池箱
110．．．第一電池箱監控板
111．．．第一電池箱第一電池模組
1111．．．第一電池箱第一電芯串
1112．．．第一電池箱第一電池模組監控板
1113．．．第一電池箱第一正極繼電器
1114．．．第一電池箱第一負極繼電器
112．．．第一電池箱第二電池模組
1121．．．第一電池箱第二電芯串
1122．．．第一電池箱第二電池模組監控板
1123．．．第一電池箱第二正極繼電器
1124．．．第一電池箱第二負極繼電器
113．．．第一電池箱第三電池模組
1131．．．第一電池箱第三電芯串
1132．．．第一電池箱第三電池模組監控板
1133．．．第一電池箱第三正極繼電器
1134．．．第一電池箱第三負極繼電器
114．．．第一電池箱第四電池模組
1141．．．第一電池箱第四電芯串
1142．．．第一電池箱第四電池模組監控板
1143．．．第一電池箱第四正極繼電器
1144．．．第一電池箱第四負極繼電器
12．．．第二可變組態串聯式電池箱
120．．．第二電池箱監控板
121．．．第二電池箱第一電池模組
122．．．第二電池箱第二電池模組
123．．．第二電池箱第三電池模組
124．．．第二電池箱第四電池模組
13．．．第三可變組態串聯式電池箱
130．．．第三電池箱監控板
131．．．第三電池箱第一電池模組
132．．．第三雹池箱第二電池模組
133．．．第三電池箱第三電池模組
134．．．第三電池箱第四電池模組
14．．．第四可變組態串聯式電池箱
140．．．第四電池箱監控板
141．．．第四電池箱第一電池模組
142．．．第四電池箱第二電池模組
143．．．第四電池箱第三電池模組
144．．．第四電池箱第四電池模組
15．．．第一電池箱功率電晶體
16．．．第二電池箱功率電晶體
17．．．第三電池箱功率電晶體
18．．．第四電池箱功率電晶體
19．．．馬達裝置
191．．．馬達驅動器
192．．．馬達
S1．．．步驟S1
S2．．．步驟S2
S3．．．步驟S3
S4．．．步驟S4
S5．．．步驟S5
第1圖係本發明較佳實施例之大型電動車電源架構之結構示意圖。
第2圖係本發明較佳實施例之第一可變組態串連式電池箱之細部結構示意圖。
第3圖係本發明較佳實施例之電池箱輪休控制程序之方法流程圖。
第2圖係本發明較佳實施例之第一可變組態串連式電池箱之細部結構示意圖。
第3圖係本發明較佳實施例之電池箱輪休控制程序之方法流程圖。
體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖式在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。
請參閱第1圖，其係為本發明較佳實施例之大型電動車電源架構，其中，大型電動車可為電動巴士或電動貨車，但不以此為限。如第1圖所示，本實施例之電源架構1包含行車電腦10、複數個可變組態串聯式電池箱11-14、複數個功率電晶體15-18以及馬達裝置19，其中，行車電腦10更包含一排序控制單元101，可變組態串聯式電池箱之數量係以四組為本案之實施態樣示範例，但其數量並不限於四組，而功率電晶體之數量係對應相同於可變組態串聯式電池箱之數量。本實施例之四組可變組態串聯式電池箱分別為第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14，其中，各可變組態串聯式電池箱皆包含一電池箱監控板以及複數個電池模組，於本實施例中，係以各可變組態串聯式電池箱包含四個電池模組為本案之實施態樣示範例，但其數量並不限於四個。以第一可變組態串聯式電池箱11為例，第一可變組態串聯式電池箱11包含一第一電池箱監控板110以及四個電池模組111-114，分別為第一電池箱第一電池模組111、第一電池箱第二電池模組112、第一電池箱第三電池模組113以及第一電池箱第四電池模組114。
同樣地，如第1圖所示，第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14皆有與第一可變組態串聯式電池箱11相同之結構，其中，第二可變組態串聯式電池箱12包含一第二電池箱監控板120以及四個電池模組121-124，分別為第二電池箱第一電池模組121、第二電池箱第二電池模組122、第二電池箱第三電池模組123以及第二電池箱第四電池模組124；第三可變組態串聯式電池箱13包含一第三電池箱監控板130以及四個電池模組131-134，分別為第三電池箱第一電池模組131、第三電池箱第二電池模組132、第三電池箱第三電池模組133以及第三電池箱第四電池模組134；第四可變組態串聯式電池箱14包含一第四電池箱監控板140以及四個電池模組141-144，分別為第四電池箱第一電池模組141、第四電池箱第二電池模組142、第四電池箱第三電池模組143以及第四電池箱第四電池模組144。
而本實施例中對應於可變組態串聯式電池箱之數量之複數個功率電晶體分別係為第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18，並分別與第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14連接。馬達裝置19則包含馬達驅動器191以及馬達192，其中，馬達驅動器191係與第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18連接，以利用第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14所提供之電力驅動馬達192之運轉。
請參閱第2圖，其係為第一可變組態串聯式電池箱之細部結構示意圖。由於各可變組態串聯式電池箱之各電池模組之架構皆相同，故於此以第一可變組態串聯式電池箱11之電池模組為例做說明。如第2圖所示，第一電池箱第一電池模組111包含第一電池箱第一電芯串1111、第一電池箱第一電池模組監控板1112、第一電池箱第一正極繼電器1113以及第一電池箱第一負極繼電器1114；第一電池箱第二電池模組112包含第一電池箱第二電芯串1121、第一電池箱第二電池模組監控板1122、第一電池箱第二正極繼電器1123以及第一電池箱第二負極繼電器1124；第一電池箱第三電池模組113包含第一電池箱第三電芯串1131、第一電池箱第三電池模組監控板1132、第一電池箱第三正極繼電器1133以及第一電池箱第三負極繼電器1134；第一電池箱第四電池模組114包含第一電池箱第四電芯串1141、第一電池箱第四電池模組監控板1142、第一電池箱第四正極繼電器1143以及第一電池箱第四負極繼電器1144。以此類推，第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14均以同樣方式架構。各電池模組監控板係將所屬的電池模組的蓄電狀態資訊(State of Charge, SOC) 、電池健康狀態資訊(State of Health, SOH)和電芯溫度資訊等透過各電池箱監控板傳送至行車電腦10，以供排序控制單元101利用一電池模組排序手段以及一電池箱排序手段進行一電池模組排序以及一電池箱排序。
請再參閱第1圖，於本實施例中，各可變組態串聯式電池箱的供電迴路係經由各自所對應之功率電晶體以形成一個四組可變組態串聯式電池箱並聯的電源架構以供應至馬達驅動器192，其中，第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18分別與第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14串聯連接，而串聯連接之第一電池箱功率電晶體15與第一可變組態串聯式電池箱11、第二電池箱功率電晶體16與第二可變組態串聯式電池箱12、第三電池箱功率電晶體17與第三可變組態串聯式電池箱13以及第四電池箱功率電晶體18與第四可變組態串聯式電池箱14則係並聯連接於行車電腦10與馬達裝置19之間。各可變組態串聯式電池箱內之電池模組皆係透過自身之繼電器串聯連接，且各可變組態串聯式電池箱內之電池箱監控板之一端係與所含之電池模組之各電池模組監控板連接，另一端則係與行車電腦10連接。此外，行車電腦10亦與第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18連接。
請再參閱第2圖，以第一可變組態串聯式電池箱11為例，電池模組111-114更於各自之繼電器之間包含一旁通迴路（未標號），而電池模組111-114之各繼電器皆係由所屬電池模組之電池模組監控板所控制，以選擇連接至所屬電池模組之電芯串或所屬電池模組之旁通迴路(未標號)，各電池模組之電池模組監控板則係由排序控制單元101根據一電池箱輪休排序所控制，透過該旁通迴路選擇性連接之功能，本電源架構1之各可變組態串聯式電池箱均能利用其內部串聯重組功能且根據排序控制單元101之指令，透過各電池模組之繼電器選擇性地串聯內部之四個電池模組，將各電池模組切換至供電模式或休眠模式，使其電池模組加入或摒除於所屬可變組態串聯式電池箱之供電迴路。此外，排序控制單元101更可獨立控制各功率電晶體之作動，由於各功率電晶體均能獨立切斷各自所搭配的可變組態串聯式電池箱的供電迴路，故可控制可變組態串聯式電池箱導通與否，以配合行車電腦10的指令來設定優先供電的可變組態串聯式電池箱。
請參閱第3圖，其係為本案大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法之流程圖，如步驟S1所示，行車電腦10會先偵測或預測電動車之馬達目標轉速，且因馬達轉速與馬達192的驅動電壓係為一比例關係，故行車電腦10可經由車速記錄以及行駛中之油門踏板反應預測接下來的馬達轉速範圍，再以此設定一目標馬達轉速範圍，並使電源架構1調整馬達驅動器191內之一直流母線電壓至對應該目標馬達轉速範圍的最佳設定，於此設定下，各個電池箱功率電晶體於供電至馬達驅動器191時便能避免其責任週期過短或過長並接近理想責任週期。而馬達驅動器191的直流母線電壓係對應至四個可變組態串聯式電池箱11-14中被設定為供電模式之電池模組之串聯數量，因此步驟S1係透過馬達轉速與電壓需求之比例關係，計算出所需要的直流母線電壓範圍，再根據直流母線電壓範圍計算出所需要的電池模組需求數量N。
另一方面，行車電腦10也會偵測或預測電動車的馬達目標扭力，由於電動車之馬達加速能力取決於電流量，而馬達驅動器191用於驅動馬達192之電流係由可變組態串聯式電池箱之並聯數量所限制，因此行車電腦10計算出當下可能所需要之的加速能力即為馬達目標扭力範圍，並計算出馬達驅動器191的驅動電流範圍，並設定後續加速作業或減速作業所需要的可變組態串聯式電池箱需求數量C。
在計算出可變組態串聯式電池箱需求數量C後，行車電腦10即可判斷是否需要啟用全部之可變組態串聯式電池箱，若是，則使用全部之可變組態串聯式電池箱進行供電；若否，則進行下述之電池箱輪休排序控制。
如步驟S2所示，排序控制單元101將利用前述行車電腦10所測得之各電池模組的蓄電狀態、電池健康狀態和電芯溫度，對各電池模組計算一對應的模組積分，再根據模組積分之高低，對每一可變組態串聯式電池箱內之電池模組進行排序，以產生一電池模組排序，其中，模組積分係由一個含有電池模組之蓄電狀態資訊、電池健康狀態資訊、電芯溫度資訊或其組合的公式所定義，範例如以下公式所示但並不限於此：
公式一：模組分數 = SOC – (電芯溫度×補償係數)
公式二：模組分數 = (SOC×電池壽命折減系數) – (電芯溫度×補償係數)
公式三：模組分數 = (SOC×SOH) – (電芯溫度×溫升補償係數)
公式四：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 氣溫) ×溫升補償係數)
公式五：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 電池箱內部溫度) ×溫升)
公式六：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 理想電芯溫度) ×溫升補償係數)
公式七：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 所有模組之平均電芯溫度) ×溫升補償係數)
公式八：模組分數 = (SOC×SOH) – 溫升補償係數 × (電芯溫度– ∫((電池放電量×熱損比例系數) – (散熱系數 × (電池溫度 – 電池箱內部溫度))))
公式九：模組分數 = (SOC×SOH) – (溫升補償係數 × (電芯溫度 – 推估電池溫度))2
其中，上述公式中的(SOC×SOH)係為一計算實際電池模組內部電容量的方法，即蓄電狀態（State of Charge, SOC）與電池健康狀態(State of Health, SOH)之乘積，公式七和公式八均為利用排序控制單元101計算電池模組的升溫是否正常，於一般狀態下，當電芯溫度異常發熱時，此電池模組在電池模組排序的模組積分較正常發熱的電池模組低，而在各電池模組的電芯溫度接近之時，電容量較高的電池模組應該優先使用所以在電池模組排序的模組積分較高，故由上述公式可知，電池模組之模組積分不僅係與電池模組之蓄電狀態呈正相關，且與該電池模組之升溫曲線相關，更與該電池模組之電芯溫度呈負相關。
延續步驟S2之程序，如步驟S3所示，待排序控制單元101決定各可變組態串聯式電池箱內部之電池模組排序後，排序控制單元101便於各可變組態串聯式電池箱內，依照電池模組排序以及步驟S1所計算之電池模組之需求數量N，選出模組積分最高的N個電池模組，並透過該電池模組之電池模組監控板控制該電池模組之繼電器，使其連接至該電池模組之電芯串，將被選出之電池模組併入其電池箱的串聯連接的供電迴路來調整其供電電壓，此外，排序控制單元101亦會對未選上之電池模組之電池模組監控板發出指令，使其繼電器連接至旁通迴路，以將未選上之電池模組排除於所屬電池箱之供電迴路，使其進入休眠模式。
延續步驟S3之程序，如步驟S4所示，待各可變組態串聯式電池箱之電池模組皆依照電池模組排序及需求數量N啟用後，排序控制單元101再將各可變組態串聯式電池箱啟用之電池模組之模組積分累加，將該累加之結果定義為該可變組態串聯式電池箱之電池箱積分，並依照積分高低得出一電池箱排序。
延續步驟S4之程序，如步驟S5所示，待排序控制單元101決定各可變組態串聯式電池箱之電池箱排序後，排序控制單元101將依照電池箱排序以及步驟S1所計算之電池箱之需求數量C，選出電池箱積分最高的C個電池箱，並透過排序控制單元101控制該電池箱所對應之功率電晶體，使該積分較高之可變組態串聯式電池箱與馬達裝置19連接以組成一符合行車需求之電源架構，此外，排序控制單元101亦會控制位於電池箱排序末位而未啟用之可變組態串聯式電池箱所對應之功率電晶體，使其截止該未啟用之可變組態串聯式電池箱與馬達裝置19之連接，指示該未啟用之可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。因此，本案所提出之電池箱輪休排序控制係利用停止優先排序較末位之可變組態串聯式電池箱之電力輸出，以平衡各可變組態串聯式電池箱之間的電池模組蓄電量之總和，且避免電池箱積分較低之可變組態串聯式電池箱繼續供電導致過熱或過放之問題。
此外，在步驟S5執行完畢後，本案之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法更包含執行一即時動態更新之步驟，用以重新觸發電動箱之輪休切換。換言之，在完成每次電池箱輪休排序後，行車電腦10仍持續地以即時動態之方式統計其電池模組排序以及電池箱排序，以適時切換進入休眠模式之可變組態串聯式電池箱。當本案之技術實際應用於電動車時，電池箱之輪休切換之觸發機制可有多種實施態樣，例如於一實施例中，觸發機制為一預設時間間隔，亦即設定一時間間隔以重新執行電池箱輪休排序，例如設定每30秒鐘即再次利用電池箱輪休排序選擇進入休眠模式的可變組態串聯式電池箱。
於另一實施例中，電池箱之輪休切換之觸發機制為電池箱積分的變化量，例如在電池箱積分變化導致電池箱排序改變時，即切換進入休眠模式之可變組態串聯式電池箱；或是可設定一排序評分差異臨界值，當電源架構1每完成一次電池箱輪休排序，電源架構1會保持其選用之電路結構，直到處於休眠模式之可變組態串聯式電池箱之電池箱積分(亦即前次電池箱輪休排序最末位之電池箱之積分)與此次即時動態所計算出排序最末位之電池箱積分之間的積分差異大於該排序評分差異臨界值後，便將即時動態所計算出電池箱積分排序最末位之可變組態串聯式電池箱切換為休眠模式，且啟用原處於休眠模式之可變組態串聯式電池箱為供電模式。舉例來說，該設定排序評分差異臨界值之更新步驟表示方式如下：(前次排序最末位電池箱分數 – 此次排序最末位電池箱分數) ≥ 排序評分差異臨界值，當此條件成立時，電池箱輪休排序便進行此次排序最末位之可變組態串聯式電池箱的休眠模式切換作業，以達到以即時動態更新可變組態串聯式電池箱排序之目的。
又，在另一實施例中，電池箱之輪休切換之觸發機制亦可為電池模組積分的變化量。換言之，本案之電源架構1除了可即時動態更新電池箱排序外，亦可依照即時動態所計算之模組積分決定電池模組的電池模組排序，且電池箱的電池箱排序也會依照電池模組的模組積分而即時改變。另一方面，在另一實施例中，電池箱之輪休切換之觸發機制亦可為車輛行車需求之變化量，當行車需求改變而導致電池模組之需求數量N與可變組態串聯式電池箱之需求數量C改變時，則再次利用電池箱輪休排序選擇進入休眠模式的可變組態串聯式電池箱。
因此，本案之電源架構即是利用此電池箱輪休排序讓每一個可變組態串聯式電池箱的總和剩餘電力最大限度的接近，而每一個可變組態串聯式電池箱內的電池模組的蓄電狀態亦會非常接近，從而避免單一電池模組的蓄電狀態過低而進入過放保護模式導致該可變組態串聯式電池箱無法提供足夠的供電電壓，並且盡可能地使電池模組以及可變組態串聯式電池箱之使用壽命最大化。
以下將以表1做為本案電池箱輪休排序控制方法示範例之說明，其中，第一可變組態串聯式電池箱、第二可變組態串聯式電池箱、第三可變組態串聯式電池箱以及第四可變組態串聯式電池箱分別由電池箱1、電池箱2、電池箱3以及電池箱4簡稱之，而各可變組態串聯式電池箱之第一電池模組、第二電池模組、第三電池模組以及第四電池模組則分別由模組1、模組2、模組3以及模組4簡稱之。於此一示範例中，假定步驟S1所計算出電池模組之需求數量N以及可變組態串聯式電池箱之需求數量C皆為3，接著，根據步驟S2進行電池模組積分計算及排序，電池箱1之模組1、模組2、模組3以及模組4之模組積分依序為40、38、30、32，故電池箱1之模組1、模組2、模組3以及模組4之電池模組排序依序為1、2、4、3，依此類推，電池箱2-4亦可根據各自模組之模組積分產生一如表1所示之電池模組排序，待完成各自之電池模組排序後，即如步驟S3所述，排序控制單元將依照電池模組之需求數量N以及電池模組排序啟用對應於需求數量之電池模組，故於表1之示範例中，電池箱1中的模組1、模組2以及模組4透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組3則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式；同樣地，電池箱2中的模組2、模組3以及模組1透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組4則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式；電池箱3中的模組4、模組1以及模組3透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組2則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式；電池箱4中的模組1、模組3以及模組2透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組4則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式。
待各電池箱之模組皆依照電池模組排序啟用後，即如步驟S4所述，排序控制單元依照被啟用之電池模組積分計算各電池箱的電池箱積分，並產生一電池箱排序，於此一示範例中，電池箱1之積分係為模組1、模組2以及模組4的積分總和，即110分；電池箱2之積分係為模組2、模組3以及模組1的積分總和，即112分；電池箱3之積分係為模組4、模組1以及模組3的積分總和，即109分；電池箱4之積分係為模組1、模組3以及模組2的積分總和，即111分。根據上述電池箱積分可知，此示範例中之電池箱排序依序為電池箱2、電池箱4、電池箱1以及電池箱3，因此電池箱3係為此示範例中排序最末位的電池箱。接著，如步驟S5所述，指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式，故依照本示範例之電池箱排序，排序控制單元將設定電池箱3進入休眠模式，而其餘電池箱則設定為正常的供電狀態，以達到平衡電量以及延長電池壽命之目的。
綜上所述，本案之電源架構透過電池箱輪休排序控制能夠有效地解決電池箱內各個電池模組因為老化程度不同，使得各個電池模組內電力的耗電量不同，造成一個電池箱內部份電池模組電力過剩、部分電池模組進入過放保護模式，以及電池模組與電池箱之使用壽命短縮問題，更甚者，此電池箱輪休排序之積分計算方式更可以加入溫升補償係數，讓溫度過高的電池模組的排序積分降低，以避免溫度過高之電池模組被列為優先供電之電池模組，以達到避免溫度因素影響整體電源架構效能之問題。另一方面，本案之電源架構可使所有電池模組之蓄電狀態保持於一相近之範圍，且以最大之限度提高電池模組利用率和大型電動車之續航力，更可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，個別調整每一個電池模組的放電作業比例，使得各電池模組即使在老化情況不同造成電容量大幅差異的狀態下，仍然能夠利用電池模組使用優先排序的即時動態資訊來調整各電池模組之間的充放電比例，使得在電動車行駛途中，電源架構內的各個電池箱內的總剩餘電量能盡可能地接近，且電池箱內的各個電池模組的剩餘電量亦能盡可能地接近；而在理想狀態下，當電動車回廠充電之時，所有的電池模組均有等量的剩餘電量，又可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，盡可能地避免任何一電池箱因為內部單一電池模組的放電狀態過低而達到過放保護。
請參閱第1圖，其係為本發明較佳實施例之大型電動車電源架構，其中，大型電動車可為電動巴士或電動貨車，但不以此為限。如第1圖所示，本實施例之電源架構1包含行車電腦10、複數個可變組態串聯式電池箱11-14、複數個功率電晶體15-18以及馬達裝置19，其中，行車電腦10更包含一排序控制單元101，可變組態串聯式電池箱之數量係以四組為本案之實施態樣示範例，但其數量並不限於四組，而功率電晶體之數量係對應相同於可變組態串聯式電池箱之數量。本實施例之四組可變組態串聯式電池箱分別為第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14，其中，各可變組態串聯式電池箱皆包含一電池箱監控板以及複數個電池模組，於本實施例中，係以各可變組態串聯式電池箱包含四個電池模組為本案之實施態樣示範例，但其數量並不限於四個。以第一可變組態串聯式電池箱11為例，第一可變組態串聯式電池箱11包含一第一電池箱監控板110以及四個電池模組111-114，分別為第一電池箱第一電池模組111、第一電池箱第二電池模組112、第一電池箱第三電池模組113以及第一電池箱第四電池模組114。
同樣地，如第1圖所示，第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14皆有與第一可變組態串聯式電池箱11相同之結構，其中，第二可變組態串聯式電池箱12包含一第二電池箱監控板120以及四個電池模組121-124，分別為第二電池箱第一電池模組121、第二電池箱第二電池模組122、第二電池箱第三電池模組123以及第二電池箱第四電池模組124；第三可變組態串聯式電池箱13包含一第三電池箱監控板130以及四個電池模組131-134，分別為第三電池箱第一電池模組131、第三電池箱第二電池模組132、第三電池箱第三電池模組133以及第三電池箱第四電池模組134；第四可變組態串聯式電池箱14包含一第四電池箱監控板140以及四個電池模組141-144，分別為第四電池箱第一電池模組141、第四電池箱第二電池模組142、第四電池箱第三電池模組143以及第四電池箱第四電池模組144。
而本實施例中對應於可變組態串聯式電池箱之數量之複數個功率電晶體分別係為第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18，並分別與第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14連接。馬達裝置19則包含馬達驅動器191以及馬達192，其中，馬達驅動器191係與第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18連接，以利用第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14所提供之電力驅動馬達192之運轉。
請參閱第2圖，其係為第一可變組態串聯式電池箱之細部結構示意圖。由於各可變組態串聯式電池箱之各電池模組之架構皆相同，故於此以第一可變組態串聯式電池箱11之電池模組為例做說明。如第2圖所示，第一電池箱第一電池模組111包含第一電池箱第一電芯串1111、第一電池箱第一電池模組監控板1112、第一電池箱第一正極繼電器1113以及第一電池箱第一負極繼電器1114；第一電池箱第二電池模組112包含第一電池箱第二電芯串1121、第一電池箱第二電池模組監控板1122、第一電池箱第二正極繼電器1123以及第一電池箱第二負極繼電器1124；第一電池箱第三電池模組113包含第一電池箱第三電芯串1131、第一電池箱第三電池模組監控板1132、第一電池箱第三正極繼電器1133以及第一電池箱第三負極繼電器1134；第一電池箱第四電池模組114包含第一電池箱第四電芯串1141、第一電池箱第四電池模組監控板1142、第一電池箱第四正極繼電器1143以及第一電池箱第四負極繼電器1144。以此類推，第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14均以同樣方式架構。各電池模組監控板係將所屬的電池模組的蓄電狀態資訊(State of Charge, SOC) 、電池健康狀態資訊(State of Health, SOH)和電芯溫度資訊等透過各電池箱監控板傳送至行車電腦10，以供排序控制單元101利用一電池模組排序手段以及一電池箱排序手段進行一電池模組排序以及一電池箱排序。
請再參閱第1圖，於本實施例中，各可變組態串聯式電池箱的供電迴路係經由各自所對應之功率電晶體以形成一個四組可變組態串聯式電池箱並聯的電源架構以供應至馬達驅動器192，其中，第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18分別與第一可變組態串聯式電池箱11、第二可變組態串聯式電池箱12、第三可變組態串聯式電池箱13以及第四可變組態串聯式電池箱14串聯連接，而串聯連接之第一電池箱功率電晶體15與第一可變組態串聯式電池箱11、第二電池箱功率電晶體16與第二可變組態串聯式電池箱12、第三電池箱功率電晶體17與第三可變組態串聯式電池箱13以及第四電池箱功率電晶體18與第四可變組態串聯式電池箱14則係並聯連接於行車電腦10與馬達裝置19之間。各可變組態串聯式電池箱內之電池模組皆係透過自身之繼電器串聯連接，且各可變組態串聯式電池箱內之電池箱監控板之一端係與所含之電池模組之各電池模組監控板連接，另一端則係與行車電腦10連接。此外，行車電腦10亦與第一電池箱功率電晶體15、第二電池箱功率電晶體16、第三電池箱功率電晶體17以及第四電池箱功率電晶體18連接。
請再參閱第2圖，以第一可變組態串聯式電池箱11為例，電池模組111-114更於各自之繼電器之間包含一旁通迴路（未標號），而電池模組111-114之各繼電器皆係由所屬電池模組之電池模組監控板所控制，以選擇連接至所屬電池模組之電芯串或所屬電池模組之旁通迴路(未標號)，各電池模組之電池模組監控板則係由排序控制單元101根據一電池箱輪休排序所控制，透過該旁通迴路選擇性連接之功能，本電源架構1之各可變組態串聯式電池箱均能利用其內部串聯重組功能且根據排序控制單元101之指令，透過各電池模組之繼電器選擇性地串聯內部之四個電池模組，將各電池模組切換至供電模式或休眠模式，使其電池模組加入或摒除於所屬可變組態串聯式電池箱之供電迴路。此外，排序控制單元101更可獨立控制各功率電晶體之作動，由於各功率電晶體均能獨立切斷各自所搭配的可變組態串聯式電池箱的供電迴路，故可控制可變組態串聯式電池箱導通與否，以配合行車電腦10的指令來設定優先供電的可變組態串聯式電池箱。
請參閱第3圖，其係為本案大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法之流程圖，如步驟S1所示，行車電腦10會先偵測或預測電動車之馬達目標轉速，且因馬達轉速與馬達192的驅動電壓係為一比例關係，故行車電腦10可經由車速記錄以及行駛中之油門踏板反應預測接下來的馬達轉速範圍，再以此設定一目標馬達轉速範圍，並使電源架構1調整馬達驅動器191內之一直流母線電壓至對應該目標馬達轉速範圍的最佳設定，於此設定下，各個電池箱功率電晶體於供電至馬達驅動器191時便能避免其責任週期過短或過長並接近理想責任週期。而馬達驅動器191的直流母線電壓係對應至四個可變組態串聯式電池箱11-14中被設定為供電模式之電池模組之串聯數量，因此步驟S1係透過馬達轉速與電壓需求之比例關係，計算出所需要的直流母線電壓範圍，再根據直流母線電壓範圍計算出所需要的電池模組需求數量N。
另一方面，行車電腦10也會偵測或預測電動車的馬達目標扭力，由於電動車之馬達加速能力取決於電流量，而馬達驅動器191用於驅動馬達192之電流係由可變組態串聯式電池箱之並聯數量所限制，因此行車電腦10計算出當下可能所需要之的加速能力即為馬達目標扭力範圍，並計算出馬達驅動器191的驅動電流範圍，並設定後續加速作業或減速作業所需要的可變組態串聯式電池箱需求數量C。
在計算出可變組態串聯式電池箱需求數量C後，行車電腦10即可判斷是否需要啟用全部之可變組態串聯式電池箱，若是，則使用全部之可變組態串聯式電池箱進行供電；若否，則進行下述之電池箱輪休排序控制。
如步驟S2所示，排序控制單元101將利用前述行車電腦10所測得之各電池模組的蓄電狀態、電池健康狀態和電芯溫度，對各電池模組計算一對應的模組積分，再根據模組積分之高低，對每一可變組態串聯式電池箱內之電池模組進行排序，以產生一電池模組排序，其中，模組積分係由一個含有電池模組之蓄電狀態資訊、電池健康狀態資訊、電芯溫度資訊或其組合的公式所定義，範例如以下公式所示但並不限於此：
公式一：模組分數 = SOC – (電芯溫度×補償係數)
公式二：模組分數 = (SOC×電池壽命折減系數) – (電芯溫度×補償係數)
公式三：模組分數 = (SOC×SOH) – (電芯溫度×溫升補償係數)
公式四：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 氣溫) ×溫升補償係數)
公式五：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 電池箱內部溫度) ×溫升)
公式六：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 理想電芯溫度) ×溫升補償係數)
公式七：模組分數 = SOC – ((電芯溫度 – 所有模組之平均電芯溫度) ×溫升補償係數)
公式八：模組分數 = (SOC×SOH) – 溫升補償係數 × (電芯溫度– ∫((電池放電量×熱損比例系數) – (散熱系數 × (電池溫度 – 電池箱內部溫度))))
公式九：模組分數 = (SOC×SOH) – (溫升補償係數 × (電芯溫度 – 推估電池溫度))2
其中，上述公式中的(SOC×SOH)係為一計算實際電池模組內部電容量的方法，即蓄電狀態（State of Charge, SOC）與電池健康狀態(State of Health, SOH)之乘積，公式七和公式八均為利用排序控制單元101計算電池模組的升溫是否正常，於一般狀態下，當電芯溫度異常發熱時，此電池模組在電池模組排序的模組積分較正常發熱的電池模組低，而在各電池模組的電芯溫度接近之時，電容量較高的電池模組應該優先使用所以在電池模組排序的模組積分較高，故由上述公式可知，電池模組之模組積分不僅係與電池模組之蓄電狀態呈正相關，且與該電池模組之升溫曲線相關，更與該電池模組之電芯溫度呈負相關。
延續步驟S2之程序，如步驟S3所示，待排序控制單元101決定各可變組態串聯式電池箱內部之電池模組排序後，排序控制單元101便於各可變組態串聯式電池箱內，依照電池模組排序以及步驟S1所計算之電池模組之需求數量N，選出模組積分最高的N個電池模組，並透過該電池模組之電池模組監控板控制該電池模組之繼電器，使其連接至該電池模組之電芯串，將被選出之電池模組併入其電池箱的串聯連接的供電迴路來調整其供電電壓，此外，排序控制單元101亦會對未選上之電池模組之電池模組監控板發出指令，使其繼電器連接至旁通迴路，以將未選上之電池模組排除於所屬電池箱之供電迴路，使其進入休眠模式。
延續步驟S3之程序，如步驟S4所示，待各可變組態串聯式電池箱之電池模組皆依照電池模組排序及需求數量N啟用後，排序控制單元101再將各可變組態串聯式電池箱啟用之電池模組之模組積分累加，將該累加之結果定義為該可變組態串聯式電池箱之電池箱積分，並依照積分高低得出一電池箱排序。
延續步驟S4之程序，如步驟S5所示，待排序控制單元101決定各可變組態串聯式電池箱之電池箱排序後，排序控制單元101將依照電池箱排序以及步驟S1所計算之電池箱之需求數量C，選出電池箱積分最高的C個電池箱，並透過排序控制單元101控制該電池箱所對應之功率電晶體，使該積分較高之可變組態串聯式電池箱與馬達裝置19連接以組成一符合行車需求之電源架構，此外，排序控制單元101亦會控制位於電池箱排序末位而未啟用之可變組態串聯式電池箱所對應之功率電晶體，使其截止該未啟用之可變組態串聯式電池箱與馬達裝置19之連接，指示該未啟用之可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。因此，本案所提出之電池箱輪休排序控制係利用停止優先排序較末位之可變組態串聯式電池箱之電力輸出，以平衡各可變組態串聯式電池箱之間的電池模組蓄電量之總和，且避免電池箱積分較低之可變組態串聯式電池箱繼續供電導致過熱或過放之問題。
此外，在步驟S5執行完畢後，本案之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法更包含執行一即時動態更新之步驟，用以重新觸發電動箱之輪休切換。換言之，在完成每次電池箱輪休排序後，行車電腦10仍持續地以即時動態之方式統計其電池模組排序以及電池箱排序，以適時切換進入休眠模式之可變組態串聯式電池箱。當本案之技術實際應用於電動車時，電池箱之輪休切換之觸發機制可有多種實施態樣，例如於一實施例中，觸發機制為一預設時間間隔，亦即設定一時間間隔以重新執行電池箱輪休排序，例如設定每30秒鐘即再次利用電池箱輪休排序選擇進入休眠模式的可變組態串聯式電池箱。
於另一實施例中，電池箱之輪休切換之觸發機制為電池箱積分的變化量，例如在電池箱積分變化導致電池箱排序改變時，即切換進入休眠模式之可變組態串聯式電池箱；或是可設定一排序評分差異臨界值，當電源架構1每完成一次電池箱輪休排序，電源架構1會保持其選用之電路結構，直到處於休眠模式之可變組態串聯式電池箱之電池箱積分(亦即前次電池箱輪休排序最末位之電池箱之積分)與此次即時動態所計算出排序最末位之電池箱積分之間的積分差異大於該排序評分差異臨界值後，便將即時動態所計算出電池箱積分排序最末位之可變組態串聯式電池箱切換為休眠模式，且啟用原處於休眠模式之可變組態串聯式電池箱為供電模式。舉例來說，該設定排序評分差異臨界值之更新步驟表示方式如下：(前次排序最末位電池箱分數 – 此次排序最末位電池箱分數) ≥ 排序評分差異臨界值，當此條件成立時，電池箱輪休排序便進行此次排序最末位之可變組態串聯式電池箱的休眠模式切換作業，以達到以即時動態更新可變組態串聯式電池箱排序之目的。
又，在另一實施例中，電池箱之輪休切換之觸發機制亦可為電池模組積分的變化量。換言之，本案之電源架構1除了可即時動態更新電池箱排序外，亦可依照即時動態所計算之模組積分決定電池模組的電池模組排序，且電池箱的電池箱排序也會依照電池模組的模組積分而即時改變。另一方面，在另一實施例中，電池箱之輪休切換之觸發機制亦可為車輛行車需求之變化量，當行車需求改變而導致電池模組之需求數量N與可變組態串聯式電池箱之需求數量C改變時，則再次利用電池箱輪休排序選擇進入休眠模式的可變組態串聯式電池箱。
因此，本案之電源架構即是利用此電池箱輪休排序讓每一個可變組態串聯式電池箱的總和剩餘電力最大限度的接近，而每一個可變組態串聯式電池箱內的電池模組的蓄電狀態亦會非常接近，從而避免單一電池模組的蓄電狀態過低而進入過放保護模式導致該可變組態串聯式電池箱無法提供足夠的供電電壓，並且盡可能地使電池模組以及可變組態串聯式電池箱之使用壽命最大化。
以下將以表1做為本案電池箱輪休排序控制方法示範例之說明，其中，第一可變組態串聯式電池箱、第二可變組態串聯式電池箱、第三可變組態串聯式電池箱以及第四可變組態串聯式電池箱分別由電池箱1、電池箱2、電池箱3以及電池箱4簡稱之，而各可變組態串聯式電池箱之第一電池模組、第二電池模組、第三電池模組以及第四電池模組則分別由模組1、模組2、模組3以及模組4簡稱之。於此一示範例中，假定步驟S1所計算出電池模組之需求數量N以及可變組態串聯式電池箱之需求數量C皆為3，接著，根據步驟S2進行電池模組積分計算及排序，電池箱1之模組1、模組2、模組3以及模組4之模組積分依序為40、38、30、32，故電池箱1之模組1、模組2、模組3以及模組4之電池模組排序依序為1、2、4、3，依此類推，電池箱2-4亦可根據各自模組之模組積分產生一如表1所示之電池模組排序，待完成各自之電池模組排序後，即如步驟S3所述，排序控制單元將依照電池模組之需求數量N以及電池模組排序啟用對應於需求數量之電池模組，故於表1之示範例中，電池箱1中的模組1、模組2以及模組4透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組3則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式；同樣地，電池箱2中的模組2、模組3以及模組1透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組4則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式；電池箱3中的模組4、模組1以及模組3透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組2則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式；電池箱4中的模組1、模組3以及模組2透過對應的繼電器連接至電芯串以設定為供電模式，而模組4則透過對應的繼電器連接至其旁通迴路以設定為休眠模式。
待各電池箱之模組皆依照電池模組排序啟用後，即如步驟S4所述，排序控制單元依照被啟用之電池模組積分計算各電池箱的電池箱積分，並產生一電池箱排序，於此一示範例中，電池箱1之積分係為模組1、模組2以及模組4的積分總和，即110分；電池箱2之積分係為模組2、模組3以及模組1的積分總和，即112分；電池箱3之積分係為模組4、模組1以及模組3的積分總和，即109分；電池箱4之積分係為模組1、模組3以及模組2的積分總和，即111分。根據上述電池箱積分可知，此示範例中之電池箱排序依序為電池箱2、電池箱4、電池箱1以及電池箱3，因此電池箱3係為此示範例中排序最末位的電池箱。接著，如步驟S5所述，指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式，故依照本示範例之電池箱排序，排序控制單元將設定電池箱3進入休眠模式，而其餘電池箱則設定為正常的供電狀態，以達到平衡電量以及延長電池壽命之目的。
綜上所述，本案之電源架構透過電池箱輪休排序控制能夠有效地解決電池箱內各個電池模組因為老化程度不同，使得各個電池模組內電力的耗電量不同，造成一個電池箱內部份電池模組電力過剩、部分電池模組進入過放保護模式，以及電池模組與電池箱之使用壽命短縮問題，更甚者，此電池箱輪休排序之積分計算方式更可以加入溫升補償係數，讓溫度過高的電池模組的排序積分降低，以避免溫度過高之電池模組被列為優先供電之電池模組，以達到避免溫度因素影響整體電源架構效能之問題。另一方面，本案之電源架構可使所有電池模組之蓄電狀態保持於一相近之範圍，且以最大之限度提高電池模組利用率和大型電動車之續航力，更可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，個別調整每一個電池模組的放電作業比例，使得各電池模組即使在老化情況不同造成電容量大幅差異的狀態下，仍然能夠利用電池模組使用優先排序的即時動態資訊來調整各電池模組之間的充放電比例，使得在電動車行駛途中，電源架構內的各個電池箱內的總剩餘電量能盡可能地接近，且電池箱內的各個電池模組的剩餘電量亦能盡可能地接近；而在理想狀態下，當電動車回廠充電之時，所有的電池模組均有等量的剩餘電量，又可利用電池箱輪休排序搭配可變組態串聯式電池箱的內部串聯重組之功能，盡可能地避免任何一電池箱因為內部單一電池模組的放電狀態過低而達到過放保護。
S1．．．步驟S1
S2．．．步驟S2
S3．．．步驟S3
S4．．．步驟S4
S5．．．步驟S5
Claims (23)
- 【第1項】一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，該大型電動車電源架構包含具有一排序控制單元之一行車電腦、複數個以並聯方式連接之可變組態串聯式電池箱以及一馬達裝置，各該可變組態串聯式電池箱更包含複數個以串聯方式連接之電池模組，該電池箱輪休排序控制方法包含步驟：
(a) 該行車電腦根據該馬達裝置之行車需求計算該電池模組以及該可變組態串聯式電池箱之需求數量；
(b) 該排序控制單元計算各該電池模組之模組積分，以在各該可變組態串聯式電池箱中產生一電池模組排序；
(c) 該排序控制單元依照該電池模組需求數量及各該可變組態串聯式電池箱之該電池模組排序，在各該可變組態串聯式電池箱中啟用該電池模組需求數量之該電池模組；
(d) 該排序控制單元使用各該可變組態串聯式電池箱中被啟用的該電池模組之該模組積分，計算出各該可變組態串聯式電池箱之電池箱積分，並依照該電池箱積分產生一電池箱排序；以及
(e) 該排序控制單元指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。 - 【第2項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中於步驟(a)中，該行車電腦係偵測或預測行駛中之電動車之馬達轉速，再根據該轉速計算一直流母線電壓，以決定該電池模組之該需求數量。
- 【第3項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中於步驟(a)中，該行車電腦係偵測或預測行駛中之電動車之馬達扭力，再根據該扭力決定該可變組態串聯式電池箱之該需求數量。
- 【第4項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(b)之該模組積分係由該電池模組之蓄電狀態資訊、健康狀態資訊、溫度資訊或其組合所定義。
- 【第5項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(c)更包含將未被啟用之該電池模組與一旁通迴路連接之步驟。
- 【第6項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(d)之該電池箱積分係選出步驟(c)所啟用之該電池模組之該模組積分並將其加總為該電池箱積分。
- 【第7項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(e)係透過控制對應於至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱之至少一個功率電晶體，使該功率電晶體截止該可變組態串聯式電池箱與該馬達裝置之連接，進而使該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
- 【第8項】如申請專利範圍第1項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，更包含步驟：
(f)執行一即時動態更新，用以重新觸發電動箱之輪休切換。
- 【第9項】如申請專利範圍第8項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(f)之該電池箱之輪休切換之觸發機制為一預設時間間隔。
- 【第10項】如申請專利範圍第8項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(f)之該電池箱之輪休切換之觸發機制為該電池箱積分之變化量。
- 【第11項】如申請專利範圍第8項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(f)之該電池箱之輪休切換之觸發機制為該電池模組積分之變化量。
- 【第12項】如申請專利範圍第8項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中步驟(f)之該電池箱之輪休切換之觸發機制為該行車需求之變化量。
- 【第13項】一種大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，該大型電動車電源架構包含複數個以並聯方式連接之可變組態串聯式電池箱，該可變組態串聯式電池箱更包含複數個以串聯方式連接之電池模組，其特徵在於：
一電池模組排序手段，用以將各該可變組態串聯式電池箱中之該電池模組進行排序，並使至少一個位於該電池模組排序末位之該電池模組進入休眠模式；以及
一電池箱排序手段，用以將各該可變組態串聯式電池箱進行排序，並使至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。 - 【第14項】如申請專利範圍第13項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中該電池模組排序手段係透過計算各電池模組之模組積分，再依據該模組積分於各該可變組態串聯式電池箱中產生一電池模組排序。
- 【第15項】如申請專利範圍第14項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中該模組積分係由該電池模組之蓄電狀態資訊、健康狀態資訊、溫度資訊或其組合所定義。
- 【第16項】如申請專利範圍第13項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中使至少一個位於該電池模組排序末位之該電池模組進入休眠模式係透過將該電池模組與一旁通迴路連接來達成。
- 【第17項】如申請專利範圍第14項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中該電池箱排序手段係透過計算各該可變組態串聯式電池箱之電池箱積分，再依據該電池箱積分產生一電池箱排序。
- 【第18項】如申請專利範圍第17項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中該電池箱分數係由該可變組態串聯式電池箱中啟用之該電池模組之模組積分總和所定義。
- 【第19項】如申請專利範圍第13項所述之大型電動車電源架構之電池箱輪休排序控制方法，其中使至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式係透過對應該可變組態串聯式電池箱之一功率電晶體截止該可變組態串聯式電池箱之電連接來達成。
- 【第20項】一種大型電動車電源架構，包含：
複數個可變組態串聯式電池箱，該複數個可變組態串聯式電池箱係以並聯之方式相互連接，且分別包含複數個電池模組，該電池模組係以串聯之方式相互連接；
一馬達裝置，係與該複數個可變組態串聯式電池箱連接，且包含一用以驅動該大型電動車之馬達，以及一用以驅動該馬達之馬達驅動器；以及
一行車電腦，係與該複數個可變組態串連式電池箱連接，用以偵測該馬達裝置之行車需求，並計算該電池模組以及該可變組態串聯式電池箱之需求數量，且該行車電腦更包含一排序控制單元，用以執行一電池箱輪休排序程序，其係將各該可變組態串聯式電池箱之該電池模組進行排序，並根據排序啟用該電池模組需求數量之該電池模組，以及將各該可變組態串聯式電池箱進行排序，並指示至少一個位於該電池箱排序末位之該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。 - 【第21項】如申請專利範圍第20項所述之大型電動車電源架構，其中該可變組態串聯式電池箱更包含一電池箱監控板，連接於該行車電腦與該電池模組之間，用以接收該行車電腦之指令以控制該電池模組。
- 【第22項】如申請專利範圍第20項所述之大型電動車電源架構，其中該電池模組更包含一電池模組監控板、一電芯串、一繼電器以及一旁通迴路，其中該電池模組監控板係控制該繼電器選擇性地與該電芯串或該旁通迴路連接，以使該電池模組進入供電模式或休眠模式。
- 【第23項】如申請專利範圍第20項所述之大型電動車電源架構，更包含複數個功率電晶體，其係對應設置於該複數個可變組態串聯式電池箱與該馬達裝置之間，並與該行車電腦連接，使其可接收該行車電腦之指令以控制該可變組態串聯式電池箱進入休眠模式。
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