TW201305012A

TW201305012A - 電動自行車的控制系統及方法

Info

Publication number: TW201305012A
Application number: TW101118227A
Authority: TW
Inventors: wen-bo Zhang; wen-hua Cui; Wei Zhang
Original assignee: O2Micro Inc
Priority date: 2011-07-18
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2013-02-01
Also published as: CN102887200B; TWI495600B; CN102887200A; US20130020970A1

Abstract

本發明公開了一種電動自行車控制系統及方法。電動自行車控制系統，包含：一電池包，具有多個電池單元，一馬達；以及一電池管理系統，根據該多個電池單元之每一電池單元的一狀態調節該馬達的一輸出功率。

Description

電動自行車的控制系統及方法

本發明係有關一種自行車控制系統及方法，特別關於一種電動自行車控制系統及方法。

如今隨著新能源技術的逐步發展，電動車已成為汽車行業的熱門發展趨勢。眾所周知，電動車是以電力取代傳統的燃油以驅動前進。

電池作為電動車的能量來源一般包含多個電池單元，每個電池單元提供例如2V的電池單元電壓，多個電池單元串聯和/或並聯以電池包的封裝形式裝設於電動車中，進而提供例如36V、72V、144V等較高的電池包電壓以驅動電動車。其中，電池可包含但不限於鋰電池、鉛酸電池、鎳氫電池等類型的可充電電池。

電池管理系統(BATTERY MANAGEMENT SYSTEM，簡稱BMS)作為電池保護和管理的核心部件，不僅要保證電池安全可靠的使用，而且要充分發揮電池的能力和延長電池使用壽命，作為電池與駕駛者之間的橋樑，BMS對於電動車的性能起著越來越關鍵的作用。現有技術的BMS透過即時監測電池單元的工作狀況(例如，電池單元電壓、工作電流、電池溫度等)進而實現對電池包的智慧管理，避免電池單元在異常條件下 (例如，過放、過充、過溫等)發生不可恢復的損壞，甚至引發整個電池包爆炸等可能危害駕駛者人身安全的事故。此外，BMS能夠在充/放電過程中實現對於電池包內多個電池單元一致性的平衡管理，進而延長電池包壽命。BMS已成為電動車領域的一項關鍵技術，目前業內尚無成熟一致的BMS技術，而國內外的電動汽車廠商、晶片廠商都將BMS作為主力研發項目。

此外，除了電動汽車之外，電動自行車作為一種綠色環保又相對低廉的交通工具也越來越多的出現在人們的生活中。一般而言，由於電動自行車的電池包包含的電池單元相對較少，因此為了控制電動自行車的低廉成本，電動自行車中一般不包含BMS，而且由於電動汽車中的BMS與電動自行車中的BMS有著如下明顯的區別，因此不能直接把現有技術的電動汽車的BMS移用至電動自行車中：1、由於電動汽車的BMS涉及到電動汽車的控制系統、驅動系統、能量動力系統等每一個方面，且電動汽車的電池包包含較多的電池單元。再者，因為電動汽車的BMS不可能獨立於整車單獨設計，必須在設計之初便作為整車不可分割的一部分進行研發。而電動自行車的結構相對簡單，電動自行車的BMS通常只是一個部件，在設計時完全可以獨立進行，只需要結合電動自行車原有的馬達控制器，就能夠實現根據電池單元的使用狀態控制電動自行車的目的；2、結構原理方面，由於電動汽車的BMS作為電動汽車不可分割的一部分則不能隨意拆卸，而電動自行車的BMS是以部件的形式設計，因此可以獨立安裝拆卸，不會影響整車正常行駛。

馬達作為電動自行車的動力裝備，將電能轉換為機械能，進而驅動電動自行車。馬達控制器主要控制馬達的正常運作，同時也提供例如報警、儀錶顯示等其他電動自行車系統相關的功能。

現有技術中，當電動自行車沒有採用BMS時，馬達控制器對馬達的控制都是根據整個電動自行車的電池包的工作狀況來實現，例如，根據電池包的電壓提醒駕駛者當前電動自行車的電瓶是否即將能量耗盡以及需要及時充電等。然而當電池包多次充放電之後，由於電池包內多個電池單元之間的不平衡而導致出現異常工作的電池單元時，由於馬達控制器只能檢測到整個電池包的狀況，而無法精確地偵測單個電池單元的異常，因此很可能給整個電動自行車系統造成無法挽回的損害。

圖1所示為現有技術的一種電動自行車控制系統100的結構示意圖。電池管理系統104和馬達控制器108分別對電池包106和馬達110進行監測和控制，電池包106負責向馬達110提供電能，電動自行車的駕駛者102透過控制馬達控制器108 的輸出功率進而控制馬達110。電池管理系統104和馬達控制器108之間沒有直接的聯繫，對馬達控制器108的控制完全由駕駛者102自己進行判斷和操作。這樣對駕駛者102的經驗和駕駛時所花費的精力提出了太高的要求，如果駕駛者102進行了不恰當的操作，很容易對電池包造成損害，明顯降低電池包的使用壽命。而今，電池的使用壽命是制約電動車進一步發展的瓶頸問題。綜上所述，現有技術中尚無一種能夠結合BMS以實現安全可靠的電動自行車馬達控制的方法。

本發明所要解決的技術問題是提供一種電動自行車控制系統及方法，其利用電池管理系統即時和智慧地監測電動自行車的電池包，並根據電池包中各電池單元的狀態對馬達控制器進行控制，進而有效保護了電池，延長了電池使用壽命。

為解決上述技術問題，本發明提供了一種電動自行車控制系統，包含：一電池包，具有多個電池單元；一馬達控制器；一馬達；以及一電池管理系統，根據單個各該多個電池單元該多個電池單元之每一電池單元的一狀態調節該馬達的一輸出功率。

本發明更提供了一種電動自行車的控制方法，該電動自行車包含具有多個電池單元的一電池包、一電池管理系統、一馬達控制器以及一馬達，其中，該電動自行車的控制方法包含下列步驟：透過該電池管理系統監測該電池包中各該多個電池單元該多個電池單元之每一電池單元的一狀態；以及根據各該多個電池單元該多個電池單元之該每一電池單元的該狀態調節該馬達的一輸出功率。

與現有技術相比，本發明中電源管理系統能夠根據各電池單元的狀態產生相應控制信號並直接發送給馬達控制器，馬達控制器根據接收到的控制信號智慧地控制馬達的輸出功率，減少了電動車駕駛人員駕駛過程中所需要考慮的因素，並有效地保護了電池。

以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方案進行詳細的說明，以使本發明的特性和優點更為明顯。

以下將對本發明的實施例及其附圖給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解為這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由所附權利要求所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種可選項、可修改項和等同項。此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，闡明了大量的具體細節。然而，本領域技術人員將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。在另外的一些實施例中，對於大家熟知的方案、流程、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明的主旨。

本發明提供了一種電動自行車控制系統及方法，其由電池管理系統根據電池狀態直接向馬達控制器發送相應的控制信號來控制馬達的輸出功率。有利的是，電動車駕駛者不需要根據電池管理系統提供的電池狀態的資訊去人為地控制馬達的功率，減少了駕駛者在駕駛過程中所考慮的因素，使馬達的最大功率能夠準確對應電池狀態，有效保護電池。

圖2所示為根據本發明一實施例的電動自行車控制系統200的結構示意圖。電池管理系統204和馬達控制器208分別對具有多個電池單元的電池包206和馬達210進行監測和控制，電池包206負責向馬達210提供電能，馬達控制器208可由駕駛者202進行控制。電池管理系統204更包含有微控制器單元214以及n個前端模組212_1，212_2，...，212_n(其中，n為電池單元數)。馬達控制器208更包含有微控制器單元216以及輸出功率調節模組218。在一個實施例中，電池管理系統204中的n個前端模組212_1，212_2，...，212_n分別對電池包206中的單個電池單元的狀態(例如，電池單元的電壓、流過電池單元的電流以及電池單元的溫度等)進行檢測並產生相應的狀態信號傳輸給微控制器單元214。微控制器單元214根據所接收到的每一個電池單元的狀態產生相應的控制信號，並進一步將控制信號發送給向馬達控制器208。馬達控制器208中的微控制器單元216根據接收到的控制信號進一步產生輸出功率調節信號。輸出功率調節模組218根據輸出功率調節信號產生功率調節指令，以調節馬達的輸出功率。綜上所述，本發明的電動自行車控制系統能夠根據電池包中每一個電池單元狀態控制馬達的輸出功率，進而避免了由於單個電池異常可能誘發整個電動自行車的電池包的故障，實現智慧化保護電池的作用。

圖3所示為根據本發明另一實施例的電動自行車控制系統300的結構示意圖。圖3中與圖2同樣附圖標記的元件有著類似的功能。圖3將結合圖2進行描述。電池管理系統204中更包含耦接於微控制器單元214的通信模組220，接收微控制器單元214發出的控制信號，並將控制信號傳輸至馬達控制器208。馬達控制器208中更包含通信模組222，接收電池管理系統204的通信模組220傳送的控制信號，並將控制信號進一步傳送給微控制器單元216。

圖4所示為根據本發明圖3所示的實施例的電動自行車的控制方法400的流程圖。圖4將結合圖3進行說明。在步驟402中，前端模組212_1，212_2，...，，212_n監測電池包206中多個電池單元之每一電池單元的一狀態，例如電池單元的電壓、流過電池單元的電流以及電池單元的溫度等，並產生相應的狀態信號傳送給電池管理系統204中的微控制器單元214。在步驟404中，電池管理系統204中的微控制器單元214根據接收到的狀態信號產生相應的脈衝寬度調變信號。在步驟406中，BMS中的通信模組將產生的脈衝寬度調變信號傳送給馬達控制器中的通信模組。在步驟408中，馬達控制器中的通信模組將接收到的脈衝寬度調變信號傳送給馬達控制器中的微控制單元。在步驟410中，馬達控制器中的微控制器單元根據接收到的脈衝寬度調變信號調節馬達控制器輸出電流的上限值。

在一個實施例中，脈衝寬度調變信號的責任週期越大，馬達控制器的輸出電流的上限值越小。

例如：1檔：責任週期為50%，最大電流輸出

2檔：責任週期為75%，電流降低輸出

3檔：責任週期為90%，電流繼續降低

4檔：責任週期為100%，即定電壓穩態，最低電流輸出

然而本發明不限於上述示例，在另一個實施例中，脈衝寬度調變信號的責任週期越大，馬達控制器的輸出電流的上限值也越大。

圖5所示為根據本發明的圖2所示的實施例的電動自行車的控制方法500的流程圖。圖5將結合圖2進行說明。電動自行車的運行過程中，在步驟502中，前端模組212_1，212_2，...，，212_n監測電池包206中的多個電池單元之每一電池單元的一狀態，並產生相應的狀態信號傳送給電池管理系統204中的微控制器單元214。在步驟504中，電池管理系統204中的微控制器單元214根據狀態信號產生相應的電位準信號。具體而言，在一個實施例中，當電池包206中的所有電池單元處於正常狀態時，電位準信號為高電位準；當電池包206中存在滿足放電保護條件的電池單元時，電位準信號為低電位準。

在步驟508中，馬達控制器208中的微控制器單元216識別來自電池管理系統204的電位準信號是高電位準還是低電位準。如果是低電位準，執行步驟510。在步驟510中，馬達控制器208降低馬達的最大輸出功率，然後轉到步驟502。在一個實施例中，更進一步，採用分檔位的形式降低馬達的最大輸出功率。如果微控制器單元216識別來自電池管理系統204的電位準信號是高電位準，那麼直接轉到步驟502，電池管理系統204繼續監測電池包206中每一個電池單元的一狀態，並產生相應的電位準信號。

在本發明的另一個實施例中，當電池包206中的所有電池單元處於正常狀態時，電位準信號為低電位準，當電池包206中存在滿足放電保護條件的電池單元時，電位準信號為高電位準。在步驟506中，微控制器單元214將電位準信號傳送給微控制器單元216。

此外，當電池管理系統206監測到當前的電池包的狀態不能滿足繼續運行的條件時，由電池管理系統206發出告警信號，並進一步控制切斷整個電動自行車的電源，以避免電池單元的永久性損壞。此外，在這種條件下，電池管理系統206還可以將馬達控制器的最大輸出功率限定為零或者某一預設的閾值，馬達控制器208進一步控制關閉馬達210，同時通知駕駛者202需要對電池包206充電。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離申請專利範圍所界定的本發明精神和發明範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本領域技術人員應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元件、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法等同物界定，而不限於此前之描述。

100‧‧‧電動自行車控制系統

102‧‧‧駕駛者

104‧‧‧電池管理系統

106‧‧‧電池包

108‧‧‧馬達控制器

110‧‧‧馬達

200‧‧‧電動自行車控制系統

202‧‧‧駕駛者

204‧‧‧電池管理系統

206‧‧‧電池包

208‧‧‧馬達控制器

210‧‧‧馬達

212_1~212_n‧‧‧前端模組

214‧‧‧微控制器單元

216‧‧‧微控制器單元

218‧‧‧輸出功率調節模組

220‧‧‧通信模組

222‧‧‧通信模組

300‧‧‧電動自行車控制系統

400‧‧‧電動自行車的控制方法

402~410‧‧‧步驟

500‧‧‧電動自行車的控制方法

502~510‧‧‧步驟

圖1所示為傳統的電動自行車控制系統的結構示意圖；圖2所示為根據本發明一實施例的電動車控制系統的結構示意圖；圖3所示為根據本發明另一實施例的電動車控制系統的結構示意圖；圖4所示為根據本發明圖3所示實施例的電動車控制方法的流程圖；以及圖5所示為根據本發明圖2所示實施例的電動車控制方法的流程圖。