CN103386893A - 可即时切换能量储存装置的马达组件、切换方法及运输工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可即时切换能量储存装置的马达组件，是供在多组能量储存装置间，即时切换致能来源，马达组件包括一个多相马达；一组包括一组稳压模组的电动机控制装置；复数连线/离线切换模组；每一组连线/离线切换模组包括一组充电前置开关、一组致能开关；一个量测模组；一组相位控制模组；一个系统控制装置。

Description

可即时切换能量储存装置的马达组件、切换方法及运输工具

技术领域

本发明是关于一种可与电动机同步运转操作的同步能源切换控制系统，尤其是一种改善纯电动、混和动力以及燃料电池之中的超级电容器/电池，或电池/电池的使用效率，并应用在电动车的驱动系统。 

背景技术

随着石油日渐减少，以及长期以来备受关注的碳排放议题，社会大众对于电动交通工具的需求日益提高，而目前最受青睐的电动车驱动系统种类包括，纯电动车、油电混合以及燃料电池等形式，但上述各种形式的驱动能源仍只能提供有限的能量驱动电动车。 

本发明的叙述与记载主要描述混合动力电动车，但熟悉本技术领域者能轻易理解，本发明同样可应用于例如：纯电动车或是燃料电池电动车。 

先前技术中，能源转换是由车辆控制器所控制，且经由接触器或开关电晶体等开关元件，导通连接至电动机或电动机控制器。当一个能源被切换到电动机或电动机控制器时，连接到能源的负载可能会产生一强度超过开关元件的电流限制的突波电流，造成该元件的损毁。 

为了进一步改善上述的情形，预充电路(pre-charge circuit)被使用，以确保开关元件两端的电压差以及突波电流小于该元件的限制。然而，当能源被接到运转中的电动机控制器时，产生的充电或放电的电流很大，使预充电路无法发挥其原有功能，开关元件两端的电压差仍居高不下，使得能源切换被迫停止，同样的，这样的情形也发生在由运转中的电动机控制器关闭已连接的能源。当开关被打开时，开关内部阻抗会上升，稳定的电流需求会迫使与之接触的元件温度迅速升高，在开关被打开的同时，断开的接点会产生一电弧，造成开关结构的损坏。由于以上原因，使得目前技术设计只允许在车辆静止时进行能源切换，而不是车辆正在运作的时候。 

因此，最理想的情形是，能源的切换能与电动机控制器同步运转，并 容许能源可连接至电动机的动力系统，或连接后断开，而不用受限于车辆必须静止的限制。 

超级电容器或电池最常被当作电动车的动力能源，对于要设计出纯电动驱动的电动车，其能源储存必须达到至少数千瓦小时，以满足纯电动车在实际道路驾驶的需求，同时，必须提供足够的功率，让车辆具备一定的加速、爬坡及最高速度等能力，以因应驾驶电动车可能会面对的任何情况。 

这些能力需求明显取决于车辆驱动系统的设计而有所不同，一旦车辆性能指标均确定后，也一并确认驱动系统的设计方向。然而，实际道路往往比设计时所预想的情形更加严苛，也因此影响车辆性能的表现。 

藉由超级电容器提供的高功率，即使是最严苛的驾驶环境，电动车也能轻易驾驭。因此，在电动车的应用上，超级电容器是一个备受关注的能源储存装置，但其造价昂贵，且能量储存密度低，无法维持车辆长距离的驾驶。 

在一辆车长12米的电动大巴士上放满超级电容器，其电量只能供应其行驶10公里。在巴士完整的行经路线上，需设置多个充电站，供巴士进行充电，但巴士营运业者意识到，只要其中一个充电站故障，整个巴士营运路线将随之停摆，因此，这样的方式是行不通的，超级电容器更适合与其他动力能源混合应用，以避免能源被快速消耗。 

在遇到一个很长的上坡路段时，超级电容器很容易就耗尽能量，利用超级电容器与电池组合成一个双能源系统是最常见的解决方式，但由于超级电容器的功率较大，双能源系统往往先使用超级电容器而使得其能源消耗速度过快，同时，电池能源无法提供足够的功率，无法达到上述的驱动系统设计条件的要求。 

为了更佳的安全性、灵活性及可靠性，多能源系统应运而生，在车辆行驶时，只有一个能源单独提供能量，其他闲置的能源则可以藉由系统上的燃料电池、内燃机或天然气等装置进行充电，以延长使用时间，且当有一个能源或耗尽或损坏时，可切换成其他能源以维持车辆的行驶。 

更可通过设计，实现多能源系统中，各能源快速切换的目的，进一步提高系统操作的灵活性。在多能源系统中，每一单独能源都必须满足功率 要求，且集体使用、或者通过快速切换各能源供应时，皆能满足车辆可行驶距离的需求。 

并非所有能源都必须以相同的元素或化学成分组成，例如：一个超级电容器可搭配电池组合成一个能源，或者由一个功率型电池与能量型电池相搭配。 

先前技术的多能源系统通常是被车辆控制器所管理，并根据各能源的充电水平与充电容量(SOC)情况，而决定能源的切换。当能源的SOC到达使用下限，即关闭该能源并转换成另一有较高SOC的能源。 

能源经由接触器或开关电晶体等开关元件，导通连接至电动机或电动机控制器。当一个能源被切换到电动机或电动机控制器时，连接到能源的负载可能会产生一强度超过开关元件的电流限制的突波电流，造成该元件的损毁。 

为了进一步改善上述的情形，预充电路(pre-charge circuit)被用来确保开关元件两端的电压差以及突波电流小于该元件的限制。然而，如同前述，电动机或电动机控制器运转时预充电路无法正常运作，在车辆驾驶中切换能源失败，代表车辆传动系统将失去动力，且在车辆驾驶过程中，突然失去动力往往会导致意外的发生。这即是为何先前技术的车辆控制器被设计成，只能在车辆静止时切换能源，而不能在车辆行进中的主要原因。 

先前技术的超级电容/电池多能源系统，是通过两颗二极管耦合，而不是利用开关，这将会严重限制超级电容的工作电压范围，以及降低能量储存的容量，并且以电池或超级电容为主的能源，占一辆电动车所有成本中，最主要的支出项目。 

因此，如何提供一种通过多个能源的共同运作来满足车辆运行功率的需求，而不是要求每一个能源都要满足最低功率的需求，可以降低部分能源的总能量或倍率充放电的能力，成本的支出也因此而减少。更重要的是，在不中断车辆运转的情况下，可直接切换或开关能源。 

发明内容

本发明将揭示一种具可即时切换能量储存装置的马达组件，包括 

一个多相马达； 

复数彼此并联而供致能上述多相马达的能量储存装置，分别具有一对彼此对应的正负电极； 

一组电动机控制装置，包括 

一组同时串接上述各能量储存装置的正负电极间的稳压模组； 

复数与上述能量储存装置数目对应、且分别位于上述各能量储存装置及上述稳压模组间的连线/离线切换模组；其中，每一组连线/离线切换模组包括彼此并联的一组抑制电流的充电前置开关、和一组电阻值低于充电前置开关的致能开关； 

一个当欲导入上述能量储存装置之一而致能该多相马达时，量测该能量储存装置正负电极间输出电位差、及上述稳压模组两端电位差的量测模组；及 

一组选择致能上述多相马达的相位控制模组；及 

一个接收上述量测模组输出，并依照该能量储存装置输出电位差及该稳压模组两端电位差的差异，指令上述充电前置开关和致能开关导通/断路，及控制上述相位控制模组的系统控制装置。 

而要在多个能量储存装置间即时切换，选择其一致能多相马达的切换方法，则是供以一组系统控制装置指令一组电动机控制装置控制前述能量储存装置切换致能前述多相马达，且其中前述多组能量储存装置彼此并联且分别具有一对彼此对应的正负电极；及前述电动机控制装置，包括一组同时串接上述各直流电源模组的正负电极间的稳压模组；复数与上述直流电源模组数目对应、且分别位于上述各能量储存装置及上述稳压模组间的连线/离线切换模组；其中，每一组连线/离线切换模组包括彼此并联的一组抑制电流的充电前置开关、和一组电阻值低于充电前置开关的致能开关；一个当欲导入上述能量储存装置之一致能该多相马达时，量测该能量储存装置正负电极间输出电位差、及上述稳压模组两端电位差的量测模组；一个选择致能上述多相马达的相位控制模组；及一组接收上述量测模组输出，并依照该能量储存装置输出电位差及该稳压模组两端电位差的差异，指令上述充电前置开关和致能开关导通/断路，及控制上述相位控制模组的系统 控制装置；该即时切换方法包括下列步骤： 

a)接收上述系统控制装置指令，决定上述能量储存装置中，何者将致能上述多相马达； 

b)以上述量测模组量测该能量储存装置储能是否超过一个预定驱动门槛； 

c)使得上述各相位控制模组为断路状态； 

d)导接对应该能量储存装置的充电前置开关，使得跨过该稳压模组的电位差趋近于该能量储存装置的输出电位差； 

e)断路该充电前置开关、并导接对应该能量储存装置的致能开关，使得该电源模组开始导接致能该多相马达；及 

f)上述系统控制装置指令该相位控制模组选择致能，使其形成一个驱动任务周期讯号而致能上述多相马达。 

本发明另揭示一种运用上述马达组件的运输工具，包括： 

多组彼此并联的能量储存装置，且每一前述能量储存装置分别具有一对彼此对应的正负电极； 

一组马达组件，包括 

一个多相马达； 

一组电动机控制装置，包括 

一组同时串接上述各能量储存装置的正负电极间的稳压模组； 

复数与上述能量储存装置数目对应、且分别位于上述各能量储存装置及上述稳压模组间的连线/离线切换模组；其中，每一组连线/离线切换模组包括彼此并联的一组抑制电流的充电前置开关、和一组电阻值低于充电前置开关的致能开关； 

一个当欲导入上述能量储存装置之一而致能该多相马达时，量测该能量储存装置正负电极间输出电位差、及上述稳压模组两端电位差的量测模组；及 

一组选择致能上述多相马达的相位控制模组；及 

一个接收上述量测模组输出，并依照该能量储存装置输出电位差及该稳压模组两端电位差的差异，指令上述充电前置开关和致能开关导通/断路， 及控制上述相位控制模组的系统控制装置。 

由于在切换能量储存装置前，已经先将所有相位控制装置的开关断路，不会在切换瞬间形成巨大电流而损及后方的多相马达，并且藉由稳压模组以及连线/离线切换模组的相互配合，确保流入多相马达的电压符合预期，藉此，使得运输工具在行驶间切换能量储存装置变成可行；藉由本发明的揭示，也能妥善选择运用相异的能量储存装置，让不同行车条件下，运输工具都能达到最佳的行驶状态；更可以让输出电流大但无法长期使用的能量储存装置在行驶需要的情况下，短期发挥巨大能量输出，而在不需要的情况时维持静止不耗能，藉以保持更长的待机时间，有效解决目前业界困扰。 

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合说明书附图作详细说明如下。 

附图说明

图1是先前技术双电源模组能源电路示意图。 

图2是实际道路驾驶车辆加速/减速分布示意图 

图3是本发明较佳实施例的方块示意图。 

图4是先前技术放电电流波形示意图。 

图5是本发明较佳实施例放电电流波形示意图。 

图6是本发明另一较佳实施例放电电流波形示意图。 

图7是本发明较佳实施例能源切换流程图。 

图8是本发明第二较佳实施例的方块示意图。 

具体实施方式

有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合说明书附图的较佳实施例的详细说明中，将可清楚呈现；此外，在各实施例中，相同的元件，将以相似的标号表示。 

图1是先前技术，双电源模组能源电路示意图，电源模组A及电源模组B被连接到电动机控制器300，电动机控制器300的主要功能在于选择关闭作为相位控制模组的六个开关的其中一个，在此定义上述的开关为绝 缘闸双载子电晶体(IGBT)301、302、303、304、305、306，并允许电流流经连接点391、392及393，使电流可驱动电动机400正向或反向旋转。 

在先前技术的范例中，电动机400是交流感应电动机，不同的驱动电流波形，可用在不同的电动机结构。IGBT301、302、303、304、305、306切换频率的范围为100KHz，因此可以非常精细地控制流入或流出电动机400的电流量。运转中的电动机400，在电容器309两端会有一个巨大的振幅的电压VoutC，当电源模组A开关101被关闭时，VoutA与VoutC之间会存在一个大电压差，此时，一大电流将会流经开关101，其电流值为该电压差除以开关内部电阻，且其电流强度足以破坏该开关101。 

先前技术的电源模组能源切换控制方法为，必需中断电动机400的运转，并且电动机控制器300输出端的IGBT301、302、303、304、305、306必须断开，因此，电容器309两端的电压VoutC为一直流电压，首先关闭开关102，此时，流经开关102的电流值为VoutA与VoutC之间的电压差，除以开关102的内部电阻以及与电阻103相加的电阻值，为了限制流过开关102的电流量，电阻103电阻值较高于开关102内部电阻。 

当VoutA与VoutC之间的电压差小于一定程度，开关101会被关闭，完成电源模组A与电动机控制器300的连接，而电源模组B同样可按照此方法与电动机控制器300连接。但这并不是最理想的方法，当要同时接电源模组A及电源模组B到电动机控制器300时，因为VoutA及VoutB不一定为相同电压，电源模组A及电源模组B之间的电压差可能形成一大电流，造成电源模组A或电源模组B的损坏。 

图2是实际的电动机运转时，车辆的速度与时间的曲线图，在1200秒的时间里，车辆有许多次加速与减速，藉由供给电流到电动机控制器以提供更快的加速度，并且由电动机控制器导通/断开IGBT，进而产生驱动波形以驱动电动机转动使车辆前进；车辆减速时，电动机作为发电机使用，可再生电力并回馈到能源中，为了满足快速的充放电，IGBT的导通与断开必须迅速的进行切换，通常其频率必须在100KHz的范围里，以达到本发明的切换操作要求。 

图3为本发明较佳实施例，改良后的可即时切换能量储存装置的马达 组件电路示意图，以电路元件及构造来看，与先前技术最大的不同在于，电动机控制装置310包含对于能源开关的控制。当发出一个指令让电动机控制装置310连接到电源模组A时，电动机控制装置310可同步执行关闭开关312，及断开所有输出端IGBT301、302、303、304、305、和306，以进行预充电路的操作，并关闭致能开关311与电源模组A110连接。电动机控制装置310的同步切换，允许电源模组能源在车辆行进中进行切换，先决条件是切换前，输出端IGBT301、302、303、304、305、和306必须断开。 

以下将对于在车辆行进途中进行电源模组能源切换的优点做更进一步的解释与说明，请一并对照图7，能源切换的流程图，当步骤500时，系统控制装置600接收到指令要让电源模组A110导接至电动机控制装置310；随后在步骤510，确认电源模组A110的电压足敷驱动马达(充电状态SOC大于10％)；并在步骤520关闭作为相位控制模组的所有输出端IGBT301、302、303、304、305、和306。 

步骤530时，导接对应电源模组A110的充电前置(prechagre)开关312，让跨过作为稳压模组的电容器319的电压VoutC对电源模组A110缓慢的充电或放电，使得跨过电容器319的电位趋近于电源模组A110的输出电位，当量测模组中的感测器331、332、333量得两者电位，并通知系统控制装置600，确认两者接近至一个预定范围。接着在步骤540，由系统控制装置600指令断路该充电前置开关312并导接对应电源模组A110的致能开关311，使得电源模组A110预备导接至多相马达400。 

最后在步骤550，由系统控制装置600指令导入输出端IGBT301、302、303、304、305、和306，让电源模组A110顺利致能多相马达400并形成驱动任务周期讯号。另方面，当步骤510时，电源模组A110储存电能不足，则在步骤610由系统控制装置600指令改由电源模组B210提供多相马达400电能，则接收到模组切换指令的电源模组B210也会重复上述步骤，达成切换能量储存装置的运作。 

当电源模组B210有足够的电量时，步骤620断开所有输出端IGBT301、302、303、304、305、和306，步骤630关闭充电前置开关314，使电容器 319两端的电压VoutC对电源模组B210缓慢的充电或放电，以达到相同的电压准位，当系统控制装置600判断量测模组中的感测器331、332、333测得的VoutC值已非常接近VoutB时，在步骤640，由系统控制装置600指令充电前置开关314成为断路，并且导通致能开关313，使电源模组B与电动机控制装置310连接。步骤650由系统控制装置600指令导通输出端IGBT301、302、303、304、305、和306，并驱动多相马达400进行运转，步骤710，当电源模组A及电源模组B的电量状态皆不足时，对车辆控制器及驾驶者显示一个低电量警告。 

图4是先前技术双电源模组能源电流波形示意图，常见的电流示意图中，通常是将放电电流表示在负向(向下)。作为能量储存装置的电源模组A与电源模组B各为一组直流充电电池，拥有稳定且平坦的输出电压，本例中，电流波形与电源模组的放电水平成正比。电源模组A是一个功率型的电池组，可以短时间里释放高功率，但其造价昂贵，且能量储存密度低；电源模组B是一个能量型的电池组，无法短时间内释放高功率，其最大输出功率水平，在图中以虚线表示。 

在这种现有技术中，作为能量储存装置的电源模组A和B之间，无法在车辆驾驶途中进行切换，在某些驾驶情况下，当电源模组A电力消耗殆尽之后，车辆必须停止才能将电源模组A切换到电源模组B，由于电源模组B无法提供如电源模组A的高功率输出，即使能行驶更长的距离，但车辆的性能表现例如：加速度及极速等，将会受到影响。 

图5是本发明改良后双电源模组能源在车辆行驶时的电流波形示意图，本实施例中，由电源模组B提供前3个放电周期，而最后一个放电周期由电源模组A提供，电源模组的切换是利用上述流程图的方法。尤其，这样的控制方法可以应用在路线已知的巴士上，电动机控制装置限制电源模组B完成前3个放电周期，并在第4个放电周期进行电源模组切换，本例中，电源模组B供给较低水平的能量需求，使得高功率的电源模组A可以更长时间的被利用，并且可以在已知的固定行程中，将高功率的电源模组A保留在特定的例如爬坡等需高出力的路段，通过本发明的电源模组切换方法，可以有效改善电动车的性能表现。 

图6是本发明马达组件的供电模式的另一实施例示意图，其中控制方式主要是利用电源模组B的电力，在电源模组B电功率快到极限时，才切换到电源模组A。本例中，高功率的电源模组A之所以能支援行驶更长的行驶距离，是因为在车辆行驶途中，大部分的时间是利用电源模组B的电力驱动。 

当然，熟悉本技术领域人士可以轻易理解，上述能量储存装置也可以选择如图8本发明的第二较佳实施例所示，改采用例如瞬间输出电能超过上述直流电源模组的输出电流的超级电容器作为电源模组A110’，而其余的元件皆与前一实施例一样，如此一来，车辆的性能将会有显著的改善，因为在车辆驾驶途中，电源模组A110’只提供很短时间的行驶范围，而双电源模组能源交换方法最显著的，即是提升车辆的爬坡性能，且无论爬坡的距离或者车辆的变速档位为何。 

由此可知，能源间的交互切换供给电力，能提供车辆比单一个能源连续的放电，更长的行驶距离以及更加的性能表现。因此，在车辆驾驶途中，藉由多能源系统快速的来回切换能源，可以暂时提高车辆性能表现。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以此限定本发明实施的范围，凡是依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。 

Claims (7)

1.一种可即时切换能量储存装置的马达组件，是供在多组能量储存装置间，即时切换致能来源，每一前述能量储存装置彼此并联，且每一前述能量储存装置分别具有一对彼此对应的正负电极，该马达组件包括

一个多相马达；

一组电动机控制装置，包括

一组同时串接上述各能量储存装置的正负电极间的稳压模组；

复数与上述能量储存装置数目对应、且分别位于上述各能量储存装置及上述稳压模组间的连线/离线切换模组；其中，每一组连线/离线切换模组包括彼此并联的一组抑制电流的充电前置开关、和一组电阻值低于充电前置开关的致能开关；

一个当欲导入上述能量储存装置之一而致能该多相马达时，量测该能量储存装置正负电极间输出电位差、及上述稳压模组两端电位差的量测模组；及

一组选择致能上述多相马达的相位控制模组；及

一个接收上述量测模组输出，并依照该能量储存装置输出电位差及该稳压模组两端电位差的差异，指令上述充电前置开关和致能开关导通/断路，及控制上述相位控制模组的系统控制装置。

2.如权利要求1所述的可即时切换能量储存装置的马达组件，其中该稳压模组是一组电容器。

3.如权利要求1所述的可即时切换能量储存装置的马达组件，其中该相位控制输出装置包括复数绝缘闸双载子电晶体。

4.一种即时切换多组能量储存装置致能多相马达的方法，是供以一组系统控制装置指令一组电动机控制装置控制前述能量储存装置切换致能前述多相马达，且其中前述多组能量储存装置彼此并联且分别具有一对彼此对应的正负电极；及前述电动机控制装置，包括一组同时串接上述各直流电源模组的正负电极间的稳压模组；复数与上述直流电源模组数目对应、且分别位于上述各能量储存装置及上述稳压模组间的连线/离线切换模组；其中，每一组连线/离线切换模组包括彼此并联的一组抑制电流的充电前置开关、和一组电阻值低于充电前置开关的致能开关；一个当欲导入上述能量储存装置之一致能该多相马达时，量测该能量储存装置正负电极间输出电位差、及上述稳压模组两端电位差的量测模组；一个选择致能上述多相马达的相位控制模组；及一组接收上述量测模组输出，并依照该能量储存装置输出电位差及该稳压模组两端电位差的差异，指令上述充电前置开关和致能开关导通/断路，及控制上述相位控制模组的系统控制装置；该即时切换方法包括下列步骤：

a)接收上述系统控制装置指令，决定上述能量储存装置中，何者将致能上述多相马达；

b)以上述量测模组量测该能量储存装置储能是否超过一个预定驱动门槛；

c)使得上述各相位控制模组为断路状态；

d)导接对应该能量储存装置的充电前置开关，使得跨过该稳压模组的电位差趋近于该能量储存装置的输出电位差；

e)断路该充电前置开关、并导接对应该能量储存装置的致能开关，使得该能量储存装置开始导接致能该多相马达；及

f)上述系统控制装置指令该相位控制模组选择致能，使其形成一个驱动任务周期讯号而致能上述多相马达。

5.一种运输工具，包括：

多组彼此并联的能量储存装置，且每一前述能量储存装置分别具有一对彼此对应的正负电极；

一组马达组件，包括

一个多相马达；

一组电动机控制装置，包括

一组同时串接上述各能量储存装置的正负电极间的稳压模组；

复数与上述能量储存装置数目对应、且分别位于上述各能量储存装置及上述稳压模组间的连线/离线切换模组；其中，每一组连线/离线切换模组包括彼此并联的一组抑制电流的充电前置开关、和一组电阻值低于充电前置开关的致能开关；

一个当欲导入上述能量储存装置之一而致能该多相马达时，量测该能量储存装置正负电极间输出电位差、及上述稳压模组两端电位差的量测模组；及

一组选择致能上述多相马达的相位控制模组；及

一个接收上述量测模组输出，并依照该能量储存装置输出电位差及该稳压模组两端电位差的差异，指令上述充电前置开关和致能开关导通/断路，及控制上述相位控制模组的系统控制装置。

6.如权利要求5所述的运输工具，其中上述能量储存装置包括至少一直流电源模组。

7.如权利要求6所述的运输工具，其中上述能量储存装置更包括至少一组瞬间输出电能远超过上述直流电源模组的输出电流的超级电容器。

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