TW202414990A - 馬達控制的控制器系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本揭露關於一能量管理系統用於一馬達控制器系統，用以針對電換向馬達的不同的運作電壓而最佳化電力訊號。能量管理系統包含一雙向能量轉換器其包含一第一輸入／輸出端以及一第二輸入／輸出端、一第一波形控制器、以及一第二波形控制器。雙向能量轉換器係耦接至第一波形控制器以及至第二波形控制器。第一波形控制器係耦接至第二輸入／輸出端並且第二波形控制器係耦接至第一輸入／輸出端。雙向能量轉換器係配置以接收一第一輸入電壓在第一輸入／輸出端並且產生一第一輸出電壓在一第一運作方向中，以及接收一第二輸入電壓在第二輸入／輸出端並且產生一第二輸出電壓在一第二運作方向中。

Description

馬達控制的控制器系統及方法
本發明關於馬達電力控制訊號以及系統。尤其是，但不限於，本發明關於一種用於一馬達控制器系統的能量管理系統，針對電換向馬達的不同的運作電壓最佳化電力訊號。
已經有讓電動馬達更精簡且更有效率的顯著驅動。一電動馬達包含一定子以及一轉子並且能分為二類：有刷馬達以及無刷馬達。在有刷馬達中定子可包含永久磁鐵並且轉子可包含線圈總成。當一電流通過轉子的線圈時，一磁場係產生致使一力矩在轉子中其係切線於在線圈中的電流流動。為了讓轉子旋轉在一固定的方向中，磁場產生的極性需要改變。這藉由電刷（換向器）達到，其接觸轉子以操縱提供至線圈的電流的方向，其輪流操縱所產生的磁場的極性。
在無刷馬達中定子包含線圈繞組並且轉子包含永久磁鐵。在一典型的無刷馬達中，轉子可納入一四極永久磁鐵。另一方面，定子可由三相線圈繞組組成。一感測器磁鐵可使用來指出轉子軸的位置並且一控制器能夠切換電流至各繞組在最佳時間點。這樣半導體開關會將適當的定子繞組相位在適當的時間「開啟（on）」以及「關閉（off）」。當一相位「on」時，電流流動的方向能是任一個方向。這過程稱為電子換向，借用了使用於直流馬達中的機制的術語，稱為換向器，其切換從繞組至繞組的電流，迫使轉子轉動。
典型的馬達能操作在二模式－電動以及制動。它進一步包含一馬達驅動配置以控制馬達在兩個旋轉方向上。在電動模式中，機器將從一來源的電能轉換至機械能，支撐它的移動即轉子旋轉。在制動模式中，機器作為一發電機並且轉換機械能至電能。馬達能工作在二個模式中在順向方向以及反向方向二者。
一馬達驅動控制器能操作在馬達運作的四象限中：順向制動1054、順向電動1051、反向電動1053以及反向制動1052，這些象限顯示在圖1中。將被理解的是順向制動1054以及反向制動1052象限也被稱為是順向再生制動1054以及反向再生制動1052。一馬達驅動能夠運作在全部四象限中，產生電動以及再生二者，被稱為四象限馬達驅動。
在用於一電動馬達的一能量管理系統中從一電壓來源的電壓，舉例來說一電池，可能需要降壓以提供一較低的起始力矩以防止由於反電動勢的一過電流在馬達的線圈中。馬達驅動的一共通類型係「截波器電路」或「截波器驅動」，其將從電池的電壓降壓至馬達要求的運作電壓。此電路操作在圖1中的順向電動1053象限中。一旦馬達的轉子開始旋轉，從電池的電壓可然後被使用來提供一較高的預想的運作速度。在這點一些截波器驅動係設計成使得它們繼續將電池電壓降壓以補償由於電池放電導致的電池電壓位準下降，即如果充滿電的電池組與轉速為3,000 rpm且沒有截波器驅動的馬達相匹配，當電池放電時例如從48至40伏特，最大可達到的速度可能會下降至2500 rpm。所以，大多數截波器驅動係設計成使得最大馬達速度要求的電壓剛好低於最大電池電壓。在另一個示例中，從電池的電壓然後可被使用來提供較高的預想運作速度，而沒有藉由截波器驅動降壓。
在某些情況下然而，電壓可被升壓以便提供所需的一高電壓來驅動馬達的線圈繞組的各相位在一較高的運作速度。這可能是供應電壓低於馬達的運作電壓的情況。
眾所周知，當一電壓位準從一第一位準改變至一第二位準時總有功率損失，不管電壓是升高還是降低。這限制了馬達可實現的效率，因為馬達必須與電池運作電壓相匹配，這會導致電流超過運作範圍。
低效率和功率損失的另一個重要因素是，因為需要增加或減少電池電壓以滿足馬達運作要求的切換功能，可能會出現大電流尖峰。這些會導致電池上出現過大的電流尖峰，從而增加電池溫度並降低電池的充電容量。這在馬達啟動期間可能更為重要，因為線圈繞組需要大電流。感應的反電動勢在供應給各相的電流的前緣處引起顯著的電流漣波。
本發明旨在解決上述問題。
本發明的多方面如獨立項中所述，選擇性的特徵在附屬項中列出。本發明的多方面可以相互結合提供，並且一個方面的特徵可以應用於其他方面。
根據本發明的一第一方面，提供了一種能量管理系統用於一電動馬達，管理系統包含： 一雙向能量轉換器包含一第一輸入／輸出端以及一第二輸入／輸出端； 一第一波形控制器；一第二波形控制器； 其中雙向能量轉換器係耦接至第一波形控制器以及至該第二波形控制器，其中該第一波形控制器係耦接至該第二輸入／輸出端以及其中該第二波形控制器係耦接至該第一輸入／輸出端； 其中該雙向能量轉換器係配置： 以在該第一輸入／輸出端接收一第一輸入電壓並且產生一第一輸出電壓在一第一運作方向中，以及在該第二輸入／輸出端接收一第二輸入電壓並且產生一第二輸出電壓在一第二運作方向中； 以操作在一次側模式以及二次側模式中，其中在該一次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓，其中該等輸出電壓係大於該等輸入電壓，以及其中在該二次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓其中該等輸出電壓係小於該等輸入電壓； 其中在該第一運作方向中以及在一次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供一第一預想的輸出電壓波形在該第二輸入／輸出端； 其中在該第二運作方向中以及在該一次側模式中該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供一第二預想的輸出電壓波形在該第一輸入／輸出端。
當前請求的該能量管理系統有利地雙向地操作並且能夠增加或減少從一輸入電壓來源的一電壓並且在該輸出將該電壓整形。該等第一及第二波形控制器過濾從該雙向能量轉換器的該輸出電流至該第二輸入／輸出端，舉例來說一換向電路，反之亦然即至該第一輸入／輸出端取決於運作的方向，以匹配該馬達的該反電動勢輪廓。舉例來說，在該第一運作方向中該第一波形控制器過濾從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓以在該第二輸入／輸出端匹配一馬達的該反電動勢輪廓。這允許該尖峰電流在該系統中降低並且所以降低在該電源中該內部的I 2R損失以便最大化在該輸入所供應的電力的效率。此外，這樣在電壓來源中電流尖波的降低能降低電壓來源的運作的溫度因此延長它的壽命。舉例來說，一雙向能量轉換器增加從一電壓來源，例如一電池，的一輸入電壓在該第一輸入／輸出端，至該電動馬達的該要求的運作電壓在該第二輸入／輸出端。該第一或第二波形控制器將該輸出電壓波形塑形以匹配該馬達的該反電動勢輪廓使得藉由該多相換向電路提供至各相位的電流具有一降低的電流漣波，因此降低電池的內部的溫度並且也降低該I 2R損失。這最大化藉由該電池所供應的電力的效率。所以該能量管理系統允許一電池在一組運作電壓被有效率地與要求不同運作電壓的範圍的電動馬達使用。
在一些示例中，在該第一運作方向中以及在該二次側模式中，該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供該第一預想的輸出電壓波形在該第一輸入／輸出端，以及在該第二運作方向中以及在該二次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供該第二預想的輸出電壓波形在該第二輸入／輸出端。
在一些示例中，該能量管理系統進一步包含一電池耦接至該第一輸入／輸出端以及該第二波形控制器，其中在該第一運作方向中該電池係配置以提供該第一輸入電壓至該雙向能量轉換器，以及其中在該第二運作方向中該電池係配置以接收該第二預想的輸出波形。
在一些示例中，該能量管理系統進一步包含一多相換向電路耦接至該第二輸入／輸出端配置以包含複數個輸出埠其等於一多相位馬達的相位的數量，在該第二運作方向中該多相位電路係配置以提供該第二輸入電壓至該雙向能量轉換器，以及其中在該第一運作方向中該多相換向電路係配置以接收該第一預想的輸出波形。
在一些示例中，該雙向能量轉換器係配置以至少部分地基於在該雙向轉換器的該第一輸入／輸出端所提供的一電壓位準而操作在該一次側模式或該二次側模式任一者中。舉例來說，一電池在該第一輸入／輸出端可供應110V，然而該電動馬達的該運作電壓在該第二輸入／輸出端可以是60V，所以從電池的電壓係減少至該電動馬達的該運作電壓。
在一些示例中，該雙向能量轉換器係配置以至少部分地基於該電動馬達所提供的一電壓而操作在該一次側模式或二次側模式任一者中。舉例來說，該馬達可運作在該順向再生制動象限1054中並且可產生一電壓其大於該電池電壓位準，所以從電池的電壓可被升壓至該產生的電壓位準，其允許該電池更有效率的充電。
在一些示例中，該第一波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形。在一些示例中，該第一波形控制器係配置以基於在該第一輸入／輸出端的該電壓位準與在該第二輸入／輸出端的該電壓位準相較而修改該第一輸出電壓。在一些示例中，該第二波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或該第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形。在一些示例中，該第二波形控制器係配置以基於該第一輸入／輸出端的該電壓位準與該第二輸入／輸出端的該電壓位準相較而修改該第二輸出電壓。
根據本發明的一第二方面，提供一種充電系統用於將耦接至一電動馬達的一電池充電，該系統包含： 一雙向能量轉換器配置以操作在一第一運作方向以及一第二運作方向中，其中該雙向能量轉換器係耦接至一第一波形控制器以及至一第二波形控制器；以及 其中在該第一運作方向中該雙向能量轉換器係配置以接收從該電池的一第一輸入電壓並且產生一第一輸出電壓； 其中在一第二運作方向中該雙向能量轉換器係配置以接收從該電動馬達的一第二輸入電壓並且產生一第二輸出電壓； 其中該雙向能量轉換器係配置以將該等第一以及第二輸出電壓相對於該等第一以及第二輸入電壓增加或減少任一者；以及 其中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供一第一預想的輸出電壓波形，以及其中該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供一第二預想的輸出電壓波形。
在一些示例中，該第一波形控制器係配置以基於該電池的該電壓位準對該電動馬達的該電壓位準的一比較而修改該第一輸出電壓。在一些示例中，該第二波形控制器係配置以基於該電池的該電壓位準對該電動馬達的該電壓位準的一比較而修改該第二輸出電壓。在一些示例中，該等第一及第二波形控制器係配置以藉由過濾該雙向能量轉換器的該輸出電流以匹配該馬達的該反電動勢輪廓而修改從該雙向能量轉換器的該等輸出電壓。
根據本發明的一第三方面，提供一種四象限馬達驅動控制器用於一電動馬達，包含： 一雙向能量轉換器耦合至：一電源以及一電動馬達； 一第一波形控制器；一第二波形控制器； 其中該雙向能量轉換器係耦接至該第一波形控制器以及至該第二波形控制器，其中該第一波形控制器係耦合至一電動馬達以及其中該第二波形控制器係耦合至一電源； 其中該雙向能量轉換器係配置： 以接收一第一輸入電壓並且產生一第一輸出電壓在一第一運作方向中，以及接收一第二輸入電壓並且產生一第二輸出電壓在一第二運作方向中； 以操作在一次側模式以及二次側模式中，其中在該一次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓，其中該等輸出電壓係大於該等輸入電壓，以及其中在該二次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓，其中該等輸出電壓係小於該等輸入電壓； 其中在該第一運作方向中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供一第一預想的輸出電壓波形； 其中在該第二運作方向中該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供一第二預想的輸出電壓波形。
在一些示例中，在該第一運作方向中以及在該二次側模式中，該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供該第一預想的輸出電壓波形在該第一輸入／輸出端，以及其中在該第二運作方向中以及在該二次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供該第二預想的輸出電壓波形在該第二輸入／輸出端。
在一些示例中，該馬達驅動控制器係進一步配置以判斷該馬達的一力矩需求以及該雙向能量轉換器係配置以操作在該一次側模式或該二次側模式任一者中以響應該電動馬達的該力矩需求。該馬達驅動控制器可配置以判斷該系統要求的一力矩需求並且管理該電動馬達的運作的象限以傳遞能量至及從該馬達以響應該判斷的力矩需求到達一選取的力矩需求閾值。舉例來說，該馬達運作在固定的速度會承受一負載其初始地由於馬達增加的力矩需求而降低速度。然後該馬達驅動控制器可從電源，例如一電池，提供更多電力至馬達即增加供應的電壓，以便有該負載下維持該馬達的該固定的速度。
馬達傳遞的功率（P）與轉速（w），力矩（T）於此轉速傳遞，之間的關係由以下式1給出。 （1）
在一些示例中，該馬達控制器係配置以基於耦接至該馬達驅動控制器的一感測器而判斷一力矩需求。在一些示例中該馬達控制器係配置以基於耦接至該馬達驅動控制器以供電予該電動馬達的該電源的充電狀態的判斷而判斷是否要操作在該一次側模式或二次側模式中。舉例來說，如果一全充滿電的電池組匹配至一馬達運轉在3,000 rpm，當該電池放電例如從48至40伏特時，該馬達驅動控制器可將從電池的電壓「升壓」以便維持該3000 rpm速度。
在一些示例中，該雙向能量轉換器係配置以基於該電流馬達運作象限而操作在該第一運作方向或該第二運作方向任一者中。在一些示例中，該雙向能量轉換器係配置以基於該預想的馬達運作象限而操作在該第一運作方向或該第二運作方向任一者中。
在一些示例中，該第一波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形。在一些示例中，該第二波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形。在一些示例中，該等第一及第二波形控制器係配置以藉由過濾該雙向能量轉換器的該輸出電流以匹配該馬達的該反電動勢輪廓而修改從該雙向能量轉換器的該等輸出電壓。
根據本發明的一第四方面，提供一種耦接至一能量管理系統的一馬達的運作方法，其中該馬達的一轉子係（i）靜止的（ii）加速或旋轉在固定速度或（iii）減速任一者，該方法包含： 以響應判斷該轉子是靜止的： 降低一供應電壓並且修改至該馬達的該供應電壓波形以達到一起始力矩或該馬達的該轉子的旋轉的一要求的起始速度； 判斷從該馬達的一反電動勢在一特定閾值並且增加以及修改至該馬達的該供應電壓的該電壓波形以達到該轉子的旋轉的一預想的運作力矩或運作速度； 以響應一增加的力矩需求或要求的轉子速度： 增加並且修改至該馬達的該供應電壓的該電壓波形以達到該馬達的該轉子的旋轉的一預想的力矩或一要求的速度； 以響應判斷該轉子是減速的： 比較從該馬達產生的一電壓與該供應電壓； 基於該比較判斷是否要增加或減少該供應電壓。
請求項的一些實施例關於一能量管理系統用於一馬達控制器系統，用以針對電動馬達的不同的運作電壓最佳化電力訊號。尤其，請求項的多個實施例關於一能量管理系統用於一多相位電換向馬達，其操縱一電壓來源的電壓波形以便提供「升壓」或「降壓」任一個可變的輸出電壓。所以，能量系統能提供用於不同範圍的電動馬達所要求的運作電壓同時增加電壓來源的電力效率。
圖2顯示一示範的（示例的）能量管理系統200包含一雙向能量轉換器，舉例來說一降壓／升壓轉換器耦接至一第一波形控制器211以及一第二波形控制器212。能量管理系統200可包含一電池204連接至一第一輸入／輸出端201以及雙向能量轉換器的接地、一多相換向電路205連接至一第二輸入／輸出端202以及雙向能量轉換器的接地、一電感器203、第一及一第二切換MOS場效電晶體對221a、221b、222a、222b耦接至第一輸入／輸出端201在電感器203的一第一側上、以及第三及第四切換MOS場效電晶體對223a、223b、224a、224b耦接至第二輸入／輸出端202在電感器203的一第二側上。
在一些實施例中，能量管理系統200的雙向能量轉換器可進一步包含肖特基二極體230耦接至MOS場效電晶體對以允許一些內部的MOS場效電晶體電流流動通過肖特基二極體而非通過MOS場效電晶體的內部的本體二極體。在一些實施例中，MOS場效電晶體對可包含一內部的本體二極體。肖特基二極體的使用可增加MOS場效電晶體的效率並且改善MOS場效電晶體的本體二極體的反向回復特性。在一些實施例中雙向能量轉換器進一步包含TVS二極體231。TVS二極體可保護MOS場效電晶體免於在電路中的短暫的電壓所造成的任何附加的電應力。在一些實施例中，能量管理系統200包含電阻器232，其功用是汲取儲存在第一波形控制器211或第二波形控制器212的電容器中的電流。在一些實施例中，能量管理系統200的雙向能量轉換器包含電阻器233協助汲取儲存在MOS場效電晶體對221a－224b中的電荷。
雖然圖2顯示雙向能量轉換器電路用於能量管理系統200為包含TVS二極體231以及肖特基二極體230，可以理解的是通過其他合適的電子組件提供此功能的其他方式是可能的。在一些示例中，適當的選擇MOS場效電晶體可處理以上所述的問題，舉例來說，通過MOS場效電晶體帶有附加的內部的本體二極體的使用，一高電壓調節的MOS場效電晶體，即一碳化矽場效電晶體、或二者的結合。
第一以及第二切換MOS場效電晶體對221a－222b係耦接至電池204以及第二波形控制器212。第三及第四切換電晶體對223a－224b係耦接至多相換向電路205以及第一波形控制器211。
第一、第二、第三及第四電晶體切換對221a－224b係MOS場效電晶體包含一洩放電阻器233在閘極端，其中MOS場效電晶體電晶體係配置以使用一控制訊號間歇地切換開和關，舉例來說一脈衝寬度調變控制訊號在它的閘極（未顯示）。第一波形控制器211係一組電容器耦接至電池204以及第一及第二電晶體切換對221a－222b。第二波形控制器212係一組電容器耦接至第三及第四切換電晶體對223a－224b以及換向電路。所以第一及第二波形控制器211、212能操作為輸入濾波器或輸出濾波器取決於運作的方向。這有利地平滑了輸入電流，因而降低在任一個方向中雙向轉換器的輸出的前緣的電流漣波。電容器的低等效串聯電阻有利地不會顯著地影響電路的運作。雖然第一及第二波形控制器211、212已經敘述包含一組電容器，可以理解的是一單一電容器帶有一等效電容也將在本組態中起作用。此外，其他主動或被動電子組件可提供類似的功能，比如一切換PFC電路或一部分切換PFC電路。
圖3顯示一示範的（示例的）能量管理系統300，於其中雙向能量轉換器係配置以具有：一第一運作方向，於其中能量係從連接至電池304的第一輸入／輸出端301轉移至連接在第二輸入／輸出端302的多相換向電路305；以及一第二運作方向，於其中能量係從多相換向電路305轉移至電池304。因此能量管理系統300能夠在第一輸入／輸出端301或第二輸入／輸出端302之任一者接收一輸入電壓，取決於預想的運作及／或運作方向。舉例來說，在第一運作方向中，能量管理系統300的雙向能量轉換器係配置以從電池304接收一輸入電壓並且產生一輸出電壓其提供至多相換向電路305。
能量管理系統300的雙向能量轉換器係進一步配置以操作在一次側模式或一二次側模式之任一者，在一次側模式中雙向能量轉換器係配置以取決於運作方向將在第一或第二輸入／輸出端301、302之任一者的一輸入電壓轉換至一輸出電壓，其中輸出電壓係大於輸入電壓即作用為一「升壓」轉換器。在二次側模式中雙向能量轉換器300係配置以取決於運作方向將在第一或第二輸入／輸出端301、302之任一者的一輸入電壓轉換至一輸出電壓，其中輸出電壓係小於輸入電壓。
在一些實施例中，雙向能量轉換器係配置為基於提供的輸入電壓，在第一輸入／輸出端301或第二輸入／輸出端302任一者取決於運作方向，至在輸出端的電壓要求，即第一輸入／輸出端301或第二輸入／輸出端302任一者，之間的一比較而操作在一次側模式或二次側模式任一者中。舉例來說，在能量管理系統300的雙向能量轉換器係運作在第一方向並且一電池304係連接至第一輸入／輸出端301的情況下，電池304可供應110V然而一電動馬達耦接至多相換向電路305連接至第二輸入／輸出端302的要求的運作電壓可僅是60V，所以從電池304的電壓在第一輸入／輸出端301係在第二輸入／輸出端302減少至電動馬達的運作電壓。能量管理系統300的雙向能量轉換器運作在對向的方向也是如此。舉例來說，在雙向能量轉換器係運作在第二方向的情況下，多相換向電路305在第二輸入／輸出端302提供輸入電壓並且連接在第一輸入／輸出端301的電池304係配置以接收從雙向能量轉換器所產生的輸出電壓。在這個示例中，雙向能量轉換器從連接至多相換向電路305的一多相位電動馬達（未顯示）接收一輸入電壓，多相換向電路305可提供一充電電壓至電池304取決於電池304的電流電壓位準。
儘管顯示在圖2及圖3中的工作示例已經敘述為一電池304連接在能量管理系統300的第一輸入／輸出端301並且一多相換向電路305連接在第二輸入／輸出端302，可以理解的是其他組態是可能的。舉例來說，其他電壓來源可使用在第一輸入／輸出端301，比如連接至市電。在另一個示例中，第二輸入／輸出端302係耦接至一DC馬達。
如關於圖4a至圖4d所敘述，能量轉移的方向以及雙向能量轉換器是否運作在降壓或升壓模式中係藉由切換對電晶體421a－424b的狀態所控制。
圖4a至圖4d顯示一能量管理系統400的一雙向能量轉換器運作在一次側模式或二次側模式中，於其中成對的切換電晶體421a－424b控制能量轉移的方向以及一輸入電壓是否增加，即雙向能量轉換器係運作在一次側模式中、或減少，即雙向能量轉換器係運作在二次側模式中。
圖4a顯示一實施例於其中從電池的電壓係增加即從電池404的電壓係小於多相換向電路405所要求的電壓。第一切換電晶體對421a、421b係在「ON」狀態中，即展示為一導通線或一開關在閉路狀態中，而第二切換電晶體對422a、422b係在「OFF」狀態中，即展示為一開路或一開關在開路狀態中，所以第二波形控制器412不會影響雙向能量轉換器的功能。第三切換電晶體對423a、423b係在整流狀態中即展示為一二極體以進行整流運作。第四切換電晶體對424a、424b係在一切換狀態中，即展示為一切換電路，從一「ON」狀態切換至一「OFF」狀態。第四電晶體對424a、424b被切換的比率係藉由在第四電晶體424a、424b的閘極的一訊號所控制，舉例來說，一PWM訊號。此切換控制了電壓被升壓至的總額以及雙向能量轉換器是否運作為一升壓轉換器或一降壓轉換器。在這個示例中，雙向能量轉換器會將從電池404的電壓增加即「升壓」至多相換向電路405的電壓位準。
第一波形控制器411修改從雙向能量轉換器經升壓的輸出電壓波形先於輸入至多相換向電路405中。在這個示例中，第二波形控制器412不會影響在耦接至第三及第四切換電晶體對423a－424b的電感器403的右手側所產生的輸出電壓。因此在這個組態中第一波形控制器411係配置以修改從雙向能量轉換器400的輸出電壓而沒有從第二波形控制器412的干涉。
圖4b顯示一實施例於其中從電池的電壓係減少即從電池404的電壓係大於多相換向電路405所要求的電壓。在一些實施例中這是要提供一起始力矩予馬達，其不會導致一過電流在馬達的線圈中。第一切換電晶體對421a、421b係在切換狀態中，即展示為一切換電路，從一「ON」狀態切換至一「OFF」狀態，而第二切換電晶體對422a、422b係在整流狀態中即展示為一二極體以進行整流運作。第三切換電晶體對423a、423b係在「ON」狀態中即展示為一導通線或一開關在閉路狀態中。第四切換電晶體對424a、424b係在「OFF」狀態中，即展示為一開路或一開關在開路狀態中，所以第一波形控制器411不會影響雙向能量轉換器的功能。第一電晶體對421a、421b被切換的比率係藉由在第一電晶體421a、421b的閘極的一訊號所控制，舉例來說，一PWM訊號。此切換控制了電壓被降壓的電壓的總額以及雙向能量轉換器400是否運作為一升壓轉換器或一降壓轉換器。在這個示例中雙向能量轉換器400會將從電池404的電壓減少即「降壓」至多相換向電路405的電壓位準。
第二波形控制器412修改從雙向能量轉換器400經降壓的輸出電壓波形先於輸入至多相換向電路405中。在這個示例中，第一波形控制器411不會影響在耦接至第三及第四切換電晶體對423a－424b的電感器403的左手側所產生的輸出電壓。因此在這個組態中第二波形控制器412係配置以修改從雙向能量轉換器400的輸出電壓而沒有從第一波形控制器411的干涉。
圖4c顯示s一實施例於其中從多相換向電路的電壓係增加至電池的電壓位準即多相換向電路405電壓係小於電池404的電壓。第三切換電晶體對423a、423b係在「ON」狀態中，即展示為一導通線或一開關在閉路狀態中，而第四切換電晶體對424a、424b係在「OFF」狀態中，即展示為一開路或一開關在開路狀態中，所以第一波形控制器411不會影響雙向能量轉換器的功能。第一切換電晶體對421a、421b係在整流狀態中即展示為一二極體以進行整流運作。第二切換電晶體對422a、422b係在一切換狀態中，即展示為一切換電路。第二切換電晶體對被切換「ON」以及「OFF」的比率係藉由在第二切換電晶體對422a、422b的閘極端的一訊號所控制，舉例來說，一PWM訊號。此切換控制了轉換器是否運作為一升壓轉換器或一降壓轉換器。在這個示例中雙向能量轉換器會將從多相換向電路405的電壓增加即升壓至電池的電壓位準。第二波形控制器412修改從雙向能量轉換器400經升壓的輸出電壓波形先於輸入至電池以對電池充電。在這個示例中，第一波形控制器411不會影響在第一及第二切換電晶體對421a－422b從雙向能量轉換器的電感器403產生的輸出電壓。因此在這個組態中第二波形控制器412係配置以修改從雙向能量轉換器的輸出電壓而沒有從第一波形控制器411的干涉。有利地，從能量管理系統400的雙向轉換器的輸出電壓係增加或減少任一者並且修改以過濾任何可能會降低電池的充電能力的高頻率訊號。
圖4d顯示一實施例於其中從多相換向電路的電壓係減少至電池的電壓即從多相換向電路405的電壓係大於電池404所要求的電壓。第一切換電晶體對421a、421b係在「ON」狀態中，即展示為一導通線或一開關在閉路狀態中，而第二切換電晶體對422a、422b係在「OFF」狀態中，即展示為一開路或一開關在開路狀態中，所以第二波形控制器412不會影響雙向能量轉換器的功能。第三切換電晶體對423a、423b係在一切換狀態中，即展示為一切換電路，從一「ON」狀態切換至一「OFF」狀態。第四切換電晶體對424a、424b係在整流狀態中即展示為一二極體以進行整流運作。第三電晶體對424a、424b被切換的比率係藉由在第三電晶體424a、424b的閘極的一訊號所控制，舉例來說，一PWM訊號。此切換控制了電壓被升壓至的總額以及雙向能量轉換器是否運作為一升壓轉換器或一降壓轉換器。在這個示例中雙向能量轉換器400會將從電池404的電壓減少V即「降壓」至從多相換向電路405的電壓位準。
第一波形控制器411修改從雙向能量轉換器400經降壓的輸出電壓波形先於輸入至多相換向電路405中。在這個示例中，第二波形控制器412不會影響在耦接至第三及第四切換電晶體對423a－424b的電感器403的右手側所產生的輸出電壓。因此在這個組態中第一波形控制器411係配置以修改從雙向能量轉換器400的輸出電壓而沒有從第二波形控制器412的干涉。
有利地，從雙向轉換器的輸出電壓係增加或減少任一者並且修改以過濾任何否則會引起馬達耗損的高頻率訊號。這在能量從多相換向電路405轉移至電池404時達到並且反之亦然。從雙向能量轉換器400修改的電壓提供至換向電子學405係一半正弦波其進一步降低使用在將如在圖5中所示的各換向級通電的尖峰電流。
圖5顯示多相通訊電路505的換向電子學電路500耦合至雙向能量轉換器的第二端202。各電晶體508n耦接至一馬達相位506a、506b、506c。在電晶體508n的閘極端507n的訊號控制電晶體是否在一「ON」或「OFF」狀態中。各電晶體的狀態控制何時各相位506a、506b、506c被通電。所顯示的電晶體係MOS場效電晶體，然而其他切換元件也可以使用，舉例來說，雙極性電晶體。
在這個示例中，從雙向能量轉換器修改的輸出電壓波形經由第一波形控制器211係換向至馬達的各相位。舉例來說，第一電晶體508a是「ON」，第二電晶體508b是「OFF」並且第三電晶體508c是「ON」。電壓係提供至馬達的一第一相位506a並且通過馬達的第二相位506b經由第三電晶體508c返回至接地。通常供應至各馬達相位的電壓是一直流電壓，但以這種方式多相換向電路505進一步降低存在於能量管理系統200中的尖峰電流，能量管理系統200包含雙向能量轉換器藉由產生一半正弦波並且功能類似於半波整流。儘管工作示例已經敘述在MOS場效電晶體情況下，技術人員將理解其他切換元件也可使用以一適當的組態使用以達到預想的運作。在本揭露的上下文中，本文描述的系統的其他示例和變化對於本領域技術人員而言是明白易懂的。從上面的討論中可以理解，附圖中所示的實施例僅僅是示例性的，並且包括可以如本文所述和如請求項中所陳述的一般化、移除或替換的特徵。
1051:順向電動 1052:反向制動 1053:反向電動 1054:順向制動 200:能量管理系統 201:輸入／輸出端 202:第二輸入／輸出端 203:電感器 204:電池 205:多相換向電路 211:第一波形控制器 212:第二波形控制器 221a至224b:MOSFET對 230:肖特基二極體 231:TVS二極體 232、233:電阻器 300:能量管理系統 301:第一輸入／輸出端 302:第二輸入／輸出端 304:電池 305:多相換向電路 400:能量管理系統 403:電感器 404:電池 405:多相換向電路 411:第一波形控制器 412:第二波形控制器 421a至424b:切換對電晶體 500:換向電子學電路 505:多相換向電路 506a、506b、506c:馬達相位 507n:閘極端 508a:第一電晶體 508b:第二電晶體 508c:第三電晶體 508n:電晶體
現在將參考附圖僅通過示例的方式描述本揭露的實施例，其中：
圖1顯示一馬達的四象限的一曲線圖。
圖2顯示一示範的（示例的）能量管理系統包含一雙向能量轉換器電路。
圖3顯示一示範的（示例的）能量管理系統包含一雙向能量轉換器電路。
圖4a顯示雙向能量轉換器的一工作示例。
圖4b顯示雙向能量轉換器的一工作示例。
圖4c顯示雙向能量轉換器的一工作示例。
圖4d顯示雙向能量轉換器的一工作示例。
圖5顯示一示範的（示例的）多相換向電路。
200:能量管理系統
201:輸入/輸出端
202:第二輸入/輸出端
203:電感器
204:電池
205:多相換向電路
211:第一波形控制器
212:第二波形控制器
221a至224b:MOSFET對
230:肖特基二極體
231:TVS二極體
232、233:電阻器

Claims (23)

  1. 一能量管理系統用於一電動馬達，該能量管理系統包含： 一雙向能量轉換器包含一第一輸入／輸出端以及一第二輸入／輸出端； 一第一波形控制器；一第二波形控制器； 其中該雙向能量轉換器係耦接至該第一波形控制器以及至該第二波形控制器，其中該第一波形控制器係耦接至該第二輸入／輸出端以及其中該第二波形控制器係耦接至該第一輸入／輸出端； 其中該雙向能量轉換器係配置： 以在該第一輸入／輸出端接收一第一輸入電壓並且產生一第一輸出電壓在一第一運作方向中，以及在該第二輸入／輸出端接收一第二輸入電壓並且產生一第二輸出電壓在一第二運作方向中； 以操作在一次側模式以及二次側模式中，其中在該一次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓，其中該等輸出電壓係大於該等輸入電壓，以及其中在該二次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓其中該等輸出電壓係小於該等輸入電壓； 其中在該第一運作方向中以及在該一次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供一第一預想的輸出電壓波形在該第二輸入／輸出端； 其中在該第二運作方向中以及在一次側模式中該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供一第二預想的輸出電壓波形在該第一輸入／輸出端。
  2. 如請求項1的能量管理系統，其中在該第一運作方向中以及在該二次側模式中，該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供該第一預想的輸出電壓波形在該第一輸入／輸出端，以及 其中在該第二運作方向中以及在該二次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供該第二預想的輸出電壓波形在該第二輸入／輸出端。
  3. 如請求項1或2的能量管理系統，其中該等第一及第二波形控制器係配置以藉由過濾該雙向能量轉換器的該輸出電流以匹配該馬達的該反電動勢輪廓而修改從該雙向能量轉換器的該等輸出電壓。
  4. 如前述任一項的能量管理系統，進一步包含一電池耦接至該第一輸入／輸出端以及該第二波形控制器，其中在該第一運作方向中該電池係配置以提供該第一輸入電壓至該雙向能量轉換器，以及其中在該第二運作方向中該電池係配置以接收該第二預想的輸出波形。
  5. 如前述任一項的能量管理系統，進一步包含一多相換向電路耦接至該第二輸入／輸出端，該第二輸入／輸出端配置以包含複數個輸出埠其等於一多相位馬達的相位的數量，其中在該第二運作方向中該多相位電路係配置以提供該第二輸入電壓至該雙向能量轉換器，以及其中在該第一運作方向中該多相換向電路係配置以接收該第一預想的輸出波形。
  6. 如前述任一項的能量管理系統，其中該雙向能量轉換器係配置以至少部分地基於在該雙向能量轉換器的該第一輸入／輸出端所提供的一電壓位準而操作在該一次側模式或該二次側模式中。
  7. 如前述任一項的能量管理系統，其中該雙向能量轉換器係配置以至少部分地基於在該第二輸入／輸出端所提供的一電壓位準而操作在該一次側模式或二次側模式任一者中。
  8. 如前述任一項的能量管理系統，其中該第一波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形。
  9. 如前述任一項的能量管理系統，其中該第二波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形。
  10. 如前述任一項的能量管理系統，其中該第一波形控制器係配置以基於該電壓位準在該第一輸入／輸出端對在該第二輸入／輸出端所提供的該電壓位準的一比較而修改該第一輸出電壓。
  11. 如前述任一項的能量管理系統，其中該第二波形控制器係配置以基於該電壓位準在該第一輸入／輸出端對在該第二輸入／輸出端所提供的該電壓位準的一比較而修改該第二輸出電壓。
  12. 一種充電系統用於將耦接至一電動馬達的一電池充電，該系統包含： 一雙向能量轉換器配置以操作在一第一運作方向以及一第二運作方向中，其中該雙向能量轉換器係耦接至一第一波形控制器以及至一第二波形控制器；以及 其中在該第一運作方向中該雙向能量轉換器係配置以接收從該電池的一第一輸入電壓並且產生一第一輸出電壓； 其中在一第二運作方向中該雙向能量轉換器係配置以接收從該電動馬達的一第二輸入電壓並且產生一第二輸出電壓； 其中該雙向能量轉換器係配置以將該等第一以及第二輸出電壓相對於該等第一以及第二輸入電壓增加或減少任一者；以及 其中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供一第一預想的輸出電壓波形，以及其中該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供一第二預想的輸出電壓波形。
  13. 如請求項12的充電系統，其中該等第一及第二波形控制器係配置以藉由過濾該雙向能量轉換器的該輸出電流以匹配該馬達的該反電動勢輪廓而修改該等輸出電壓。
  14. 如請求項12或13的充電系統，其中該第一波形控制器係配置以基於該電池的該電壓位準對該電動馬達的該電壓位準的一比較而修改該第一輸出電壓。
  15. 如請求項10至14任一項的充電系統，其中該第二波形控制器係配置以基於該電池的該電壓位準對該電動馬達的該電壓位準的一比較而修改該第二輸出電壓。
  16. 一種四象限馬達驅動控制器用於一電動馬達，包含： 一雙向能量轉換器耦合至：一電源以及一電動馬達； 一第一波形控制器；一第二波形控制器； 其中該雙向能量轉換器係耦接至該第一波形控制器以及至該第二波形控制器，其中該第一波形控制器係耦合至一電動馬達以及其中該第二波形控制器係耦合至一電源； 其中該雙向能量轉換器係配置： 以接收一第一輸入電壓並且產生一第一輸出電壓在一第一運作方向中，以及接收一第二輸入電壓並且產生一第二輸出電壓在一第二運作方向中； 以操作在一次側模式以及二次側模式中，其中在該一次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓，其中該等輸出電壓係大於該等輸入電壓，以及其中在該二次側模式中該雙向能量轉換器係配置以從該等輸入電壓產生該等輸出電壓，其中該等輸出電壓係小於該等輸入電壓； 其中在該第一運作方向中以及在一次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供一第一預想的輸出電壓波形； 其中在該第二運作方向中以及在一次側模式中該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供一第二預想的輸出電壓波形。
  17. 如請求項16的四象限馬達驅動控制器，其中在該第一運作方向中以及在該二次側模式中，該第二波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形以提供該第一預想的輸出電壓波形在該第一輸入／輸出端，以及 其中在該第二運作方向中以及在該二次側模式中該第一波形控制器係配置以修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形以提供該第二預想的輸出電壓波形在該第二輸入／輸出端。
  18. 如請求項16或17的四象限馬達驅動控制器，其中該等第一及第二波形控制器係配置以藉由過濾該雙向能量轉換器的該輸出電流以匹配該馬達的該反電動勢輪廓而修改該等輸出電壓。
  19. 如請求項16至18任一項的四象限馬達驅動控制器，其中該馬達驅動控制器係進一步配置以判斷該馬達的一力矩需求以及其中該雙向能量轉換器係配置以操作在該一次側模式或該二次側模式任一者中以響應該電動馬達的該力矩需求。
  20. 如請求項16至19任一項的四象限馬達驅動控制器，其中該雙向能量轉換器係配置以基於該預想的馬達運作象限而操作在該第一運作方向或該第二運作方向任一者中。
  21. 如請求項16至20任一項的四象限馬達驅動控制器，其中該第一波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第一輸出電壓波形。
  22. 如請求項16至21任一項的四象限馬達驅動控制器，其中該第二波形控制器係配置以至少部分地基於該雙向能量轉換器是否運作在該第一方向或第二方向任一者中而修改從該雙向能量轉換器的該第二輸出電壓波形。
  23. 一種耦接至一能量管理系統的一馬達的運作方法，其中該馬達的一轉子係（i）靜止的（ii）加速或旋轉在固定速度或（iii）減速任一者，該方法包含： 以響應判斷該轉子是靜止的： 降低一供應電壓並且修改至該馬達的該供應電壓波形以達到一起始力矩或該馬達的該轉子的旋轉的一要求的起始速度； 判斷從該馬達的一反電動勢在一特定閾值並且增加以及修改至該馬達的該供應電壓的該電壓波形以達到該轉子的旋轉的一預想的運作力矩或運作速度； 以響應一增加的力矩需求或要求的轉子速度： 增加並且修改至該馬達的該供應電壓的該電壓波形以達到該馬達的該轉子的旋轉的一預想的力矩或一要求的速度； 以響應判斷該轉子是減速的： 比較從該馬達產生的一電壓與該供應電壓； 基於該比較判斷是否要增加或減少該供應電壓。
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