TW201618981A - 交流電機的電動車電能回收系統 - Google Patents

Abstract

一種交流電機的電動車電能回收系統，包含一交流電機模組、一無段自動變速器，及一控制裝置。該交流電機模組受控制以於一恆速模式運作時維持在一固定轉速。該無段自動變速器受該交流電機模組帶動以驅動該電動車移動。於該交流電機模組以該恆速模式運作時，該控制裝置透過改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。藉此，可使該交流電機模組的頻率與電壓不需被激烈的改變，故能使最高脈波峰值電流大幅下降而解決峰值電流問題，可增加用以供電之電池模組的使用壽命及降低該電池模組的維修及替換成本。

Description

交流電機的電動車電能回收系統

本發明是有關於一種電能回收系統，特別是指一種交流電機的電動車電能回收系統。

目前電動車電能控制系統的主要趨勢之一是使用交流電機來提供動能，其優點是藉由高頻操作，而能使用較小額定規格的電機來達到較高的運作性能。

圖1所示為習知一種電動車電能控制系統的示意圖，其包含一電池11、一脈衝寬度調變之變頻驅動電路12、一驅動該電動車之車輪191的電機13、一控制裝置14、一整流器15、一變壓器16、一用以偵測該整流器15之電流並回饋至該控制裝置14的電流感測器17、一脈寬調製電壓控制電路18，及一控制器192，該控制器192包括一剎車踏板193及一油門踏板194。

為說明方便，定義該電池11規格為300V，該電機13為交流電機，並使用10HP/22V/60Hz/1800RPM規格運作至100HP/220V/600Hz/18000RPM，如此，可使用較輕、較小、較低成本的電機13即達到較高的使用性能。

參閱圖1及圖2，曲線191表示該電機13可輸 出的扭矩，當該電機13輸出的扭矩到達100%額度時，其電機輸出的電流同樣到達100%額度，曲線192表示該電機13輸出的功(速度x推力)，當該電機13輸出的功到達100%額度時，其電機功率同樣到達100%額度，由圖2中可見，該電動車的車速與該電機13的轉速成正比，且該電機13輸出的功與該電機13的轉速成正比，該電機13輸出的扭矩(電流)則維持不變。

然而，習知的電動車電能控制系統具有以下的缺點：

一、低轉速時，峰值電流量大，造成該電池11損傷：參閱圖1、圖3及圖4，舉例說明，當該電動車為高速行車時，假設該電機13(此時作為馬達)維持在100HP/220V/600Hz/18000RPM的運作情況，此時該變頻驅動電路12輸出的脈衝示意圖如圖3中曲線193所示，曲線194則表示輸出的脈衝平均後所呈現之波形。

當該電動車為低速行車時，該電機13轉速降到1/10(1800RPM)時，馬力(HP)降到1/10(10HP)，電源頻率降到60Hz，此時該變頻驅動電路12輸出的脈衝示意圖如圖4曲線193所示，曲線194則表示輸出的脈衝平均後所呈現之波形。

如此，除了造成低速時馬力小外，更大問題在於該電機13的輸入電壓亦降為交流22V，然而該電池11供電電壓卻仍然為300V，故為了消除此一電壓差距，該變頻驅動電路12必須輸出極低之脈寬均值(即極窄之脈衝)， 而由於電流平均值不變，因此導致峰值電流量大增而對該電池11造成傷害，再加上實際應用時，為了能使電動車極快加速，會設計數倍(例如：3倍)的短時間超負載電流以在低轉速時提高扭矩，如此更提高了峰值電流量而對該電池11造成更大的傷害，故使該電池11的使用壽命大幅減短，而由於電動車的電池11為高價元件，其佔該電動車的總成本約40%，故該電池11壽命減短直接地導致成本大幅增加。

二、減速回充時，峰值電流量大，造成該電池11損傷：當電動車減速，需要經由該電機13(此時作為發電機)將機械動能轉換成電能回充入該電池11時，由於在低速的情況下，該電機13的轉速低、頻率低、輸出電壓低，例如當該電機13的轉速為1800RPM時，輸出的電壓為交流22V，無法直接回充至該電池11(直流300V)，所以必須將交流22V的電能先經該變壓器16升壓十多倍後才交由該整流器15整流為直流，但當車速改變而增加時，該電機13的輸出電壓隨之升高，由於該變壓器16的變壓範圍固定，導致此時又需經該脈寬調製電壓控制電路18輸出極低之脈寬均值來降低回充電壓以避免充電電流過大，如此，同樣產生了較大的峰值電流量，使該電池11在回充時也受到傷害。

三、能源損失較大：由於電能回充時須經該變壓器16、該整流器15等多級轉換而產生轉換損耗，導致能源損失較大。

參閱圖5，為使用交流感應式電機作為該電機13的另一種回充示意圖，但此種方式亦適用於永磁或勵磁之轉子，或是直流無刷馬達。

雖然此架構可以解決上述因多級轉換而產生轉換損耗的問題，但在此架構中，當該電機13受負載(例如該車輪191)反拖而帶動時，會產生進相交流電回充現象，但前提是磁動勢必須足夠，才能有足夠的電動勢(亦即電壓)來回充入該電池11，因此，習知之電動車電能控制系統必須設定一個基準轉速，當該電機13的轉速大於該基準轉速時，才能進行回充電能，例如：若該電池11所需的最小充電平均電壓為220V(此時的交流電壓波鋒約為308V，可在波鋒處產生回充電流)，若其對應之該電機13的轉速為2000RPM，則設定該基準轉速為2000RPM，當該電機13的轉速大於2000RPM時，才可能由降頻來進行回充電能運作，由上述可知，將該基準轉速設計在較低轉速可以達到較高的回收效率。

然而，此架構具有以下缺點：

一、當該電機13的轉速在該基準轉速以下時，該電機13所輸出的電壓仍不足以回充至該電池11，亦即當習知之電動車降速到某個車速以下後，即無法進行回充電能，但電動車的低速階段為踩踏煞車最頻繁的時段，最適合進行剎車能源回充，因此低速不能回充的缺陷會使回收能源的效率大幅降低。

二、當該基準轉速設計在較低轉速時，由於在 該電機13作為馬達且轉速大於該基準轉速時，該電機13內部的電壓會高到使該變頻驅動電路12所提供的交流電流無法全波全相地輸入至該電機13(亦即不易供電進入該電機13內)，而導致該電機13在轉速大於該基準轉速後扭矩大降、馬力銳減。

三、由於上述原因，當該基準轉速設計在較低轉速時，會使得該電機13之有效輸出動力大減，導致當所需馬力相同時，該電機13所需之成本會大於習知第一種架構之成本(例如於上述說明中即為相差9倍電機容量)，使得成本大增。

參閱圖1及圖6，圖6中曲線81即為各車速下的回充功率變化，由圖6中可見，由於低速回充受限，導致平均的回充效率僅有不到25%。

因此，本發明之目的，即在提供一種可解決上述問題的交流電機的電動車電能回收系統。。

於是，本發明交流電機的電動車電能回收系統，適用於一電動車，該電動車電能回收系統包含一交流電機模組、一無段自動變速器，及一控制裝置。

該交流電機模組受控制以於一恆速模式運作時維持在一固定轉速。

該無段自動變速器受該交流電機模組帶動以驅動該電動車移動。

該控制裝置電連接該無段自動變速器，於該交 流電機模組以該恆速模式運作時，透過改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。

本發明之功效在於：藉由使該交流電機維持在該固定轉速，並藉由調整該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速，可使該交流電機模組的頻率與電壓不需被激烈的改變，故能使最高脈波峰值電流大幅下降而解決峰值電流問題，可增加用以供電之電池模組的使用壽命及降低該電池模組的維修及替換成本。

2‧‧‧電池模組

21‧‧‧電池

3‧‧‧交流電機模組

31‧‧‧變頻驅動電路

32‧‧‧交流電機

4‧‧‧電流感測器

5‧‧‧無段自動變速器

6‧‧‧控制裝置

7‧‧‧車速調控裝置

71‧‧‧油門

72‧‧‧剎車

81~84‧‧‧曲線

9‧‧‧電動車

91‧‧‧車輪

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種電動車電能控制系統的一方塊示意圖；圖2是習知該電動車電能控制系統的一功效示意圖；圖3是習知該電動車電能控制系統與本發明交流電機的電動車電能回收系統的一實施例的一波形示意圖；圖4是習知該電動車電能控制系統的一波形示意圖；圖5是習知另一種電動車電能控制系統的一方塊示意圖；圖6是習知該電動車電能控制系統與本發明該實施例的一效果示意圖；圖7是該實施例的一方塊示意圖；及圖8是該實施例的一功效示意圖。

參閱圖7，本發明交流電機的電動車電能回收系統之實施例適用於一包括複數車輪91的電動車9(於圖7中以一個車輪91作為說明)，該電動車電能回收系統包含一電池模組2、一交流電機模組3、一電流感測器4、一無段自動變速器5、一控制裝置6，及一車速調控裝置7。

值得一提的是，本發明亦可與其他的動力源作搭配，例如亦可應用於油電混合車中，並不限於此。

該電池模組2用以提供一驅動電源，於該交流電機模組3於一恆速模式時，該驅動電源之電壓與頻率實質上維持固定，該電池模組2包括複數並聯的電池21，圖7中以一個電池21作為表示，其中，該電池模組2可使用一般的電池21，亦可結合太陽能電池使用，並不限於此。

該交流電機模組3受控制以可分別作業於一低速模式及該恆速模式，該交流電機模組3包括一接收該驅動電源並進行變頻的變頻驅動電路31，及一接收變頻之該驅動電源且用以帶動該無段自動變速器5的交流電機32，於該交流電機模組3於該恆速模式時，該交流電機32維持在一固定轉速。

該交流電機32為馬達兼發電機，於該交流電機32運作為馬達時，該交流電機32之轉速與該驅動電源之電壓呈正比；於該交流電機32運作為發電機時，該交流電機32之轉速與其輸出之電壓亦呈正比。

該交流電機32可採用永磁式轉子實施，或在轉子設分激勵磁線圈，或採感應式轉子，其轉速與其所輸出 及輸入的交流電壓均成正比(雖然頻率不同)。

該電流感測器4分別量測該變頻驅動電路31與該交流電機32間雙向的電流，並回饋至該控制裝置6。

該無段自動變速器5受該交流電機32帶動以驅動該電動車9移動，於該電動車9要進行減速回充電時，經該控制裝置6調控該無段自動變速器5之變速比，使該電動車9之動能反帶動該交流電機32運作在一充電轉速，以使該電動車9之動能經該無段自動變速器5、該交流電機32、該變頻驅動電路31轉變為電能回充至該電池模組2，其中，由於充電時較佳是提供略高的電壓(約高1%~3%)以利該電池模組2充電，且由於該交流電機32之轉速與電壓具有正比關係，因此較佳是將該充電轉速設計為略高於該固定轉速，而於減速回充時，該控制裝置6會偵測該變頻驅動電路31與該交流電機32間的電流而調控該無段自動變速器5之變速比，避免電流過大而產生安全上的問題。

該控制裝置6分別電連接該電池模組2、該交流電機模組3、該電流感測器4、該無段自動變速器5、該車速調控裝置7，並偵測該電動車9之車速，於該交流電機模組3以該恆速模式運作時，透過改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速；於該電動車9之車速為0時，控制該變頻驅動電路31停止提供變頻後之該驅動電源至該交流電機32以使該交流電機32停止轉動；於該電動車9之車速大於0且低於一預定低速(該預定低速可設定為約3~8公里/小時)時，控制該交流電機模組3於該低速 模式運作；於該電動車9之車速大於該預定低速時，控制該交流電機模組3於該恆速模式運作。

於該低速模式時，該交流電機32之轉速低於該固定轉速，且該控制裝置6透過該變頻驅動電路31改變該交流電機32之轉速以調整該電動車9之車速。

其中，該交流電機模組3的模式切換可以是透過該控制裝置6自動控制切換，或是由使用者手動切換，並不限於此。

該車速調控裝置7包括一油門71，及一剎車72，該油門71及該剎車72分別受操作以輸出一加速信號與一減速信號至該控制裝置6，於該交流電機模組3以該恆速模式運作時，該控制裝置6分別根據該加速信號與該減速信號改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速，該控制裝置6於接收該加速信號時，降低該無段自動變速器5的變速比以加速該電動車9；該控制裝置6於接收該減速信號時，提高該無段自動變速器5的變速比以減速該電動車9；於該交流電機模組3以該低速模式運作時，該控制裝置6則根據該加速信號與該減速信號改變該交流電機32之轉速以調整該電動車9之車速。

其中，該油門71與該剎車72間可設有互相否定之連結機構或電子控制，以防止兩者同時輸入時產生矛盾。

值得一提的是，本實施例亦可設計為只藉由操作該油門71來達到加速及減速，當使用者向下踩壓該油門 71時，該油門71輸出該加速信號，而當使用者向上放鬆該油門71時，該油門71輸出該減速信號，此時該剎車72則可設計為類似手剎車之作用，用以於該電動車9停止時固定車輛不移動。

一般使用時，該交流電機模組3運作於該恆速模式，該電池模組2經由該變頻驅動電路3提供固定電壓及頻率之該驅動電源至該交流電機32(此時作為馬達)，使該交流電機32運作在該固定轉速，並帶動該無段自動變速器5以驅動該車輪91轉動，當使用者要進行加速或減速時，只需操作該油門71或該剎車72，即可分別輸出該加速信號或該減速信號至該控制裝置6，使該控制裝置6改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速。

藉此，只需透過該交流電機32、該無段自動變速器5及該控制裝置6的搭配，便可以在維持該交流電機32轉速不變的情況下，即可驅動該電動車9並調整車速。

參閱圖7及圖8，曲線83表示該交流電機32輸出的功(速度x推力)及扭矩，曲線84表示在各車速下經該無段自動變速器5調整後的輸出扭矩，當該交流電機32輸出的功(機械能)到達100%額度時，其電機功率同樣到達100%(此實施例以該交流電機32之基準轉速相同於最高轉速18000RPM作為說明)，當該交流電機32輸出的扭矩到達100%額度時，其電機輸出的電流同樣到達100%，由圖8中可見，該交流電機32輸出的功及扭矩(電流)於各車速下皆可維持不變(此處未包含極慢速時的情況)，且由於該交流 電機32的轉速可維持運作在其額定最大轉速，因此未於圖上標示。

參閱圖3及圖7，由於該交流電機32於該恆速模式時維持在其額定最大轉速，因此該變頻驅動電路3輸出的脈衝示意圖會類似於圖3中曲線193所示，曲線194則表示輸出的脈衝平均後所呈現之波形，藉由設計該固定轉速使曲線193可以維持在最寬的寬度，並搭配該電池模組2提供固定電壓及頻率的該驅動電源，因此可以維持電流輸出較平緩，而避免習知技術中的峰值電流問題，故能減少該電池模組2的損傷，大幅增加該電池模組2的使用壽命及降低成本。

當該電動車9要進行減速回充時，該車輪91會反帶動該無段自動變速器5，並藉由該控制裝置6調整該無段自動變速器5的變速比，使該交流電機32可以維持運作在該充電轉速，如此，該交流電機32(此時作為發電機)所產生的電壓即可經該交流電機32、該變頻驅動電路31回充至該電池模組2。

參閱圖6及圖7，曲線81為習知技術於各車速下的回充功率變化示意曲線，曲線82則為本實施例於各車速下的回充功率變化示意曲線，由圖6中可見，本實施例的回充功率幾乎都維持在接近100%，且其回充功率0%時所對應的車速值是由該無段自動變速器5本身的變速比能力來決定的，依目前的技術水平已經可以作到接近時速0公里(例如：時速3公里)，因此，可以使平均的能源回收率 達到約95%以上。

值得一提的是，當該電動車9行駛間遇到紅燈而進行減速、停止、重新啟動加速的期間，可藉由該控制裝置6控制該交流電機模組3於該低速模式運作而更加減少能源耗費，詳細說明如下：當該電動車9減速到該預定低速以下時(例如：時速3公里)，此時該無段自動變速器5已接近變速比的上限，因此該控制裝置6控制該交流電機模組3切換於該低速模式運作，此時，該控制裝置6透過降低該交流電機32之轉速以直接調降該電動車9之車速，如此，可以降低消耗的能源。

當該電動車9減速到停止時(即車速為0)，該控制裝置6控制該變頻驅動電路31停止提供電能至該交流電機32以使該交流電機32停止轉動，如此，可以於該電動車9停止時直接節省該交流電機32的運轉能源。

當該電動車9停止後重新啟動加速至該預定低速前，該控制裝置6控制該交流電機模組3於該低速模式運作，並透過提高該交流電機32之轉速以直接增加該電動車9之車速，直到該電動車9到達該預定低速時，此時該交流電機32的轉速亦到達該固定轉速，因此，該控制裝置6控制該交流電機模組3切換於該恆速模式運作，以回復透過改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速。

值得一提的是，本實施例中所指之固定轉速、 充電轉速，非僅指一固定值，而亦包含該固定值的合理轉速滑差區間，此是由於該交流電機32是受頻率及電壓控制轉速，實際應用上，在負荷力大時容易會有轉速滑差，例如以100HP之四極交流馬達無載轉速1800RPM為例，滿載時轉速會降至1775RPM，其中25RPM即為"轉速滑差"，比例為1.39%，由於滑差比甚低，故一般業界通常仍僅以1800RPM作為說明，但此時所指之1800RPM實包含了其合理轉速滑差區間。

經由以上的說明，可將本實施例的優點歸納如下：

一、藉由使該交流電機32維持在該固定轉速，並藉由調整該無段自動變速器5的變速比，即可調整該電動車9之車速，並可達到使用較低的馬達動力即達到高扭矩輸出，且由於該交流電機32的轉速於該恆速模式時維持恆定，可使該變頻驅動電路3的輸出頻率與電壓不需被激烈的改變(即圖3中曲線193可以維持在較寬的寬度)，如此，可使該變頻驅動電路3在運作時，其最高脈波峰值電流相較於習知技術下降了約10倍，不僅解決了習知技術中的峰值電流問題，且由於峰值電流下降，因此該變頻驅動電路3內部電路可以使用原本1/10容量的功率電晶體實施，使成本大減(功率電晶體價格較高)，同時該電池模組2、該交流電機32及整個電流迴路的銅損可以隨之降低約十倍之多，不但大幅節能、降低元件發熱，減少故障，同時可增加該電池模組2(電池模組2亦為高價格元件)的使用壽命而 降低該電池模組2的維修及替換成本。

二、藉由將該交流電機32的轉速於該恆速模式時維持恆定，再搭配調整該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速，可使該交流電機32在不超載的情況下，也能隨時應付最大功率之輸出。

此是因為當該交流電機32轉速已達其規格之滿速時，即可隨時應付最大功率之輸出，但若行車情況並不需要強大加速或高扭矩，則該交流電機32雖達滿速，但卻未必會輸出大功率，例如當恆速行駛於50公里/小時，該交流電機3僅會輸出約3KW左右的功率。

同時，也使該交流電機32能在不超載的情況下，隨時應付最大功率之能源回收，且藉由將該交流電機32輸出的電壓設計為恆定值(透過該控制裝置6調控變速比而帶動該交流電機32維持運作在該充電轉速)，可使該交流電機32的輸出電壓一直維持在可對該電池模組2充電的電壓範圍內，完全不受車速影響(不包含極低速情況)，故不會如習知技術中，當車速上升時需經該脈寬調製電壓控制電路18(見圖1)輸出極低之脈寬均值來降低回充的電壓以避免充電的電流過大，如此，不僅不會產生回充時的峰值電流問題，且動能的回收比率與效率均可以達到約95%以上，使該電池模組2的續航力大增。

三、藉由該控制裝置6於該電動車9之車速低於該預定低速時控制該交流電機模組3切換至該低速模式運作，並於該電動車9之車速為0時控制該電池模組2停 止提供電能至該交流電機32以使該交流電機32停止轉動，可以更加地節省低速時的能源消耗。

四、由於本實施例具有強大的電能回收功率及高效率、車速變動適應性，故能在精確的剎車與減速中，同時顧及行車安全與節能回充，實現理想節能車的願景。

綜上所述，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧電池模組

21‧‧‧電池

3‧‧‧交流電機模組

31‧‧‧變頻驅動電路

32‧‧‧交流電機

4‧‧‧電流感測器

5‧‧‧無段自動變速器

6‧‧‧控制裝置

7‧‧‧車速調控裝置

71‧‧‧油門

72‧‧‧剎車

9‧‧‧電動車

91‧‧‧車輪

Claims (9)

1. 一種交流電機的電動車電能回收系統，適用於一電動車，該電動車電能回收系統包含：一交流電機模組，受控制以於一恆速模式運作時維持在一固定轉速；一無段自動變速器，受該交流電機模組帶動以驅動該電動車移動；及一控制裝置，電連接該無段自動變速器，於該交流電機模組以該恆速模式運作時，透過改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。
2. 如請求項1所述的交流電機的電動車電能回收系統，還包含一用以提供一驅動電源的電池模組，該交流電機模組包括一接收該驅動電源並進行變頻的變頻驅動電路，及一接收變頻之該驅動電源且用以帶動該無段自動變速器的交流電機，於該交流電機模組於該恆速模式時，該驅動電源之電壓及頻率實質上維持固定；該交流電機為馬達兼發電機，於該交流電機運作為馬達時，該交流電機之轉速與該驅動電源之電壓呈正比；於該交流電機運作為發電機時，該交流電機之轉速與其輸出之電壓呈正比。
3. 如請求項2所述的交流電機的電動車電能回收系統，其中，於該電動車要進行減速回充電時，該無段自動變速器受該電動車之動能反帶動，並經該控制裝置調控變速 比而帶動該交流電機運作在一充電轉速。
4. 如請求項3所述的交流電機的電動車電能回收系統，其中，於該電動車進行減速回充電時，該電動車之動能經該交流電機、該變頻驅動電路轉變為電能回充至該電池模組。
5. 如請求項3所述的交流電機的電動車電能回收系統，其中，該控制裝置於該電動車之車速為0時，控制該變頻驅動電路停止提供變頻之該驅動電源至該交流電機以使該交流電機停止轉動。
6. 如請求項5所述的交流電機的電動車電能回收系統，其中，該控制裝置於該電動車之車速大於0且低於一預定低速時，控制該交流電機模組於一低速模式運作，於該低速模式時，該交流電機之轉速低於該固定轉速，且該控制裝置透過改變該交流電機之轉速以調整該電動車之車速。
7. 如請求項3所述的交流電機的電動車電能回收系統，還包含一車速調控裝置，該車速調控裝置包括一油門，該油門受操作以輸出一加速信號與一減速信號至該控制裝置，該控制裝置分別根據該加速信號與該減速信號改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。
8. 如請求項3所述的交流電機的電動車電能回收系統，還包含一車速調控裝置，該車速調控裝置包括一油門，及一剎車，該油門及該剎車分別受操作以輸出一加速信號與一減速信號至該控制裝置，該控制裝置分別根據該加 速信號與該減速信號改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。
9. 如請求項7及請求項8中任一項所述的交流電機的電動車電能回收系統，其中，該控制裝置於接收該加速信號時，降低該無段自動變速器的變速比以加速該電動車；該控制裝置於接收該減速信號時，提高該無段自動變速器的變速比以減速該電動車。