TWI290896B - A system and method of electric gear-shift - Google Patents

Description

1290896 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種電動車輛與其電子換檔系統與方 法，尤指可控制電池組、電容器組以及馬達中定子繞組之 串並連組合，並採用可最佳化能量使用與系統運作效能之 換檔策略者。 【先前技術】 > 目前台灣的交通工具以機車為主，根據統計，台灣的 機車數量已超過一千萬輛以上，使用密度高達每平方公里 274輛，居全世界之冠。目前市面上的機車，其動力來源是 以内燃機引擎為主，而内燃機引擎的使用已經造成大量的 空氣污染，以台北市空氣污染排放量為例，機車排放之一 氧化碳占總量的31 %，碳氫化合物占33%。由石油提煉的過 程及輸送至加油站供給引擎燃燒及傳動系統到達推動載具 > 行走的效率約10. 5°/◦，且使用引擎為動力來源的機車其廢氣 的排放是隨著機車而移動，這造成了廢氣無法集中處理的 問題，然而以上的問題在電動機車上可大幅的改善。電動 機車從電力產生、電池充放電及傳動到達推動載具行走的 效率約為19. 7%，且電能的產生是在固定的地點，廢氣的處 理可以有效的解決。因此，在未來電動機車取代内燃機引 擎機車是必然的趨勢。也將成為日後不可或缺的交通工具。 上述的電動機車為電動車輛的一種。目前所見之電動 車輛依其傳動方式大致可分成兩大類，一為直接驅動之電 5 .1290896 二 動車輛，另一為間接驅動之電動車輛。前者是將驅動車輛 行走的馬達設計於輪轂之内，以直接驅動的方式驅動車輛 前進，此設計方式省去了複雜的機械傳動部分，其優點為 製造加工容易，整體效率提升。其缺點為馬達性能即為車 輛行駛性能，無法有效的在任何車速下皆使馬達運轉在最 佳效率範圍，且車速也受馬達轉速所限制。後者則是在馬 達與驅動輪間加裝了一組機械變速驅動機構。此間接驅動 $ 之設計優點為可藉由變速機構使得馬達運轉在性能較佳的 區域，有效的提升車輛行駛性能。缺點為構造複雜，加工 製作不易，且增加了傳動機構將使傳動效率有一定程度的 ~ 損失。 【發明内容】 有鑑於上述問題，本發明致力於提供使電動車輛具有 最佳行駛性能與最高續航力之設計，藉由經歷無數心血所 Φ 研究出來的設計技術，在種種的先天限制下設計出電動車 輛的一種電子換檔系統。 本發明之一種電子換檀系統包括：一能量供應單元， 含一電池組與一電容器組，以儲存或供應驅動該馬達之電 能；一核心控制器，控制該電池組之串並連組合、該電容 器組之串並連組合與該馬達中至少二定子繞組之串並連組 合；其中，該核心控制器可根據一控制訊號、馬達的轉速、 ^ 與預設之一換檔策略進行控制複數個檔位，以最佳化能量 使用與系統運作效能。 6 1290896 “ 於本發明之一種電子換檔系統的設計中，考慮馬達繞 組串聯與並聯的連接方式之力矩輸出響應、蓄電池的模型 與其效益以及超高電容器充放電特性，據此分析電池放電 效益、電容充放電情形與馬達繞組串並聯對馬達性能之影 響，更根據實驗數據估算最佳的電子換檔時機，以獲得最 大的力矩輸出、最佳行駛效率與續航力。 藉由此設計，在低速行駛時不但有較大的扭力輸出亦 I 有效提升低速行駛時的效率；在高速行駛時，有效提升電 動車輛的極速；煞車減速時，利用超高電容器回收煞車時 所產生的能量。故本發明有效提升電動車輛的行駛性能與 ， 續航能力，使電動車輛更加符合車輛的使用條件，達到實 ^ 用與節能之目的。 本發明亦包含一種設有電子換檔系統的電動車輛，該 電子換檔系統可驅動該電動車輛之馬達並最佳化電動車輛 的能量使用，該電子換檔系統包括：一能量供應單元，含 Φ 一電池組與一電容器組，以儲存或供應驅動該馬達之電 能；一核心控制器，控制該電池組之串並連組合、該電容 器組之串並連組合與該馬達中至少二定子繞組之串並連組 合；其中，該核心控制器可根據一控制訊號、馬達的轉速、 與預設之一換檔策略進行控制複數個檔位，以最佳化能量 使用與系統運作效能。 本發明更包含一種換檔方法，包括：提供一電子換檔 系統；根據馬達的扭力與轉速之關係決定一換檔策略；該 電子換檔系統根據該換檔策略進行換檔。較佳者為，於該 7 ⑧ 1290896 . 換檔策略中，以回充至該電子換檔系統之一能量供應單元 的電流極大化決定複數個煞車檔位間的變換時機。 【實施方式】 第一圖係本發明之一種電子換檔系統的一個具體實施 例之系統方塊圖。如第一圖所示，本發明之一種電子換檔 系統1包括：能量供應單元1 E，含電池組1 3與電容器 _ 組1 4，以儲存或供應驅動馬達1 6之電能；核心控制器， 其控制電池組1 3之串並連組合、該電容器組1 4之串並 連組合與馬達1 6中兩個定子繞組之串並連組合。上述本 ， 發明之一種電子換檔系統中，馬達1 6之較佳者為扁平式 _ 軸向磁通直流無刷馬達，電池組1 3可由錯酸電池組成， 電容器組1 4可由超高電容器組成，馬達1 6可經由一馬 達驅動裝置1 5驅動’核心控制為FPGA ( Field Programmable Gate Array )可含有能量管理控制器1 1 2 • 與控制馬達1 6之電子控制器1 1 3 ;其中，能量管理控 制器1 1 2根據預設的換檔策略控制換檔，較佳者為經由 作為電子/電力介面的排檔控制器1 2控制換檔，能量管 理控制器1 1 2更經電子控制器1 1 3控制馬達驅動裝置 1 5，以配合排檔控制器1 2與來自加速與煞車裝置1 7 的加速/煞車訊號控制能量供應與儲存。 以下針對電池組與電容器組的特性、馬達繞組串並聯 " 的特性等等逐一說明，並分析電子換檔系統之換檔時機與 規劃，以及具體實施的方式。 8 1290896 電池模型與效益 理想電池的輸出電壓 、， 但在實際的應用中，可以發現二亚不受任何因素影響， 池本身的構造、材料、操电池能量的輸出會受到電 濃度的影響。電池將化二：f:放電電流大小及電解液 中會有少許的能量損耗匕置轉換為電能，在轉換的過程 異，可以以電池内電::電 電路等效模型是考慮 _來表示。電池内電阻 阻存在，所以電流由♦、冰认内°卩桎板、電解液之間有内電 解質、焊接點、隔離板及椿 ;^池的电極板电 内電阻的存在，放帝在流通各個點時必定有 壓的改變也較接近直每中内阻就會將電能消耗，輸出電 電阻會隨著電解液、：二:况。就真貫狀況而言，電池内部 因素而改變=:變、電池老化、以及外部溫度等 時間内電阻是無法以定值表示，應以 —函數表示之，”14中’内電阻可用定值表示或用 袓略表示電池的特性便計算分析’將内電阻視為定值，可 電池串並聯的改變對電池效益之影響 带六旦你:也以k大的放電率放電時，會使得電池實際總 :二二理想總電容量，因此電池低放電率放電可以使 較近似於理想值，效益亦相對提高，且低放 =電下電池之溫度變化也比較緩和；在馬達輸出力矩 馬達輪出力矩大小決定於輸入繞組的電流大小與電 1290896 二 壓高低無關，而繞組端電壓決定了馬達的最高轉速。因此， 在單線最大電流的限制下，鉛酸電池組並聯放電的放電率 顯然會比串聯放電率低。所以，在低轉速時將鉛酸電池並 聯，供應馬達電源，隨轉速增高，再改變錯酸電池的串並 聯組合，以升高電池端電壓，延伸馬達轉速範圍。另外， 在馬達低轉速運轉時，使用低電壓驅動馬達的馬達效率比 高電壓驅動馬達的效率高。因此，無論針對電池效益或馬 _ 達效率為考良，低速時，使用低電壓大電容量的電池串並 聯組合來驅動馬達，整體性能表現都是較佳的。根據電池 效益，將電池組操作在低總電壓高的總電容量的情形為 • 佳，當輸入馬達的電流相同時，可使電池的放電率較低， . 即可有效的使得每一個電池大電流放電的情形減少，增加 電池壽命與提升電池性能。所以與未將電池做串並聯切換 之電動車輛相比，此法不但可已使電池壽命延長，更可提 升電動車輛的續航能力。而為了確保電池的端電壓足夠， _ 必須依據不同的轉速切換電池串並聯結構’使電流能順利 灌入馬達繞組内，延伸馬達轉速範圍。 超高電容器 超高電容器是一種介於二次電池與傳統電池的儲能元 件，一般通稱雙電荷層電容器（Electric Double Layer Capacitor ， EDLC)，也可稱為 Ultracapacitor 或 Super-Capacitor。此電容器具有高能量、高功率密度，能 快速充放電，和應用溫度廣泛等優異特性，可以廣泛應用 1290896 -. * 在各領域。超高電容功率密度高達1000(W/kg)以上，遠比 其他電源來的大，但是其能量密度約只有1 (Wh/kg)，比起 現有的鉛酸電池、鋰電池仍來的低。超高電容可以提供瞬 間高脈衝能的能量輸出，可以保護鉛酸電池，延長其壽命。 所以超高電容在本發明中所扮演的角色，並不是取代二次 電池，而是與其相輔相成，在大輸出功率的時候交由超高 電容負責放電，而行駛在一般正常模式需要低功率平穩電 I 流輸出時，則交由電池供應，如此一來可以延長每單一次 充電的電池使用時間，並提升電動車輛行駛性能。 此外，因為超高電容器的充放電機制為物理反應，有 別於一般二次電池的化學反應機制。超高電容器不但具備 .可大電流輸出特性，在充電的過程亦允許大電流直接充入 電容器中。可利用超高電容器的此項特性，配合扁平式轴 向磁通直流無刷馬達，在電動車輛減速煞車期間，使超高 電容器回收由馬達之慣性轉動所產生的能量，進而產生反 φ 向扭力使車輛產生減速的行為，此即為所謂的能量回充煞 車（regenerative braking) 〇 如第二、第三、第四圖所示，本發明的一個實例中使 用十一個2.7V-1700F的超高電容器單體，經由每一超高電 容器單體之串聯與並聯的連接方式不同，即控制繼電器S W1 1、SW1 2、SW1 3、SW1 4、SW1 5之開 關狀態，可形成三種模式的不同檔位。如第二圖所示，模 式一是使用十個超高電容器，每五個電容器串聯成電容器 C 1、C 2後再予以並聯，形成13.5V-680F的超高電容器 1290896 - ^ - 組；此檔位的功能是在電動車輛靜止起步時，提供大量的 瞬間電流，輔助電池組驅動進靜止車輛起動前進。如第三 圖所示，組合二是將十一個超高電容器全部串聯連接，形 成29. 7V-154F的超高電容器組；此檔位有兩項功能，第一 項是在馬達有加速行為時，輔助電池組驅動馬達，提供大 電流輸入馬達，以利馬達順利加速。而另一項功能則是煞 車能量回收功能，主要是在馬達高速運轉欲產生減速行為 _ 時，應用此模式的超高電容器組合來回收高速時的煞車能 量回收。如第四圖所示，組合三是將超高電容器每五個串 聯成電容器C 1、C 2後再並聯成13.5V-680F，最後再與 • 2. 7V-1700F的超高電容C 3串聯成構成16. 2V-485F之超高 /電容器組；此檔位主要負責馬達低速運轉煞車時的能量回 收。 如上所述，本發明之電子換檔系統導入超高電容器於 本設計中形成了數個檔位，如此的架構，不僅有效的提供 φ 起步加速大功率的輸出以保護與延長的電池的壽命，而且 可在煞車時提供一個能量回收的儲存媒介，將動能轉為電 能儲存’有效的提升電動車輛的績航力’ 馬達的繞組串並聯 本發明之一較佳實施例中，可使用扁平式軸向磁通直 流無刷馬達，其含左右兩邊各一個定子與中間一個轉子， 形成三明治結構。由於’此馬達左右兩邊各有一個定子繞 組，因此，若改變左右邊繞組的連接方式，即可改變馬達 12 1290896 之運轉性能。以下將針對馬達繞組串並聯的結構，探討繞 組串聯連接與繞組並聯連接，對馬達性能的影響與差異。 由力矩方程式討論串並聯對馬達輸出力矩之影響 馬達的力矩可經由輔能（coenergy)對位置的變化求 得，如下式所示：

dL ~άθ

dR ——+ NI άθ

άθ ，其中符號表示 Τ:力矩 Wc:輔能 11 電流 L:電感 R:磁阻 I:磁通 角位置 N:繞組匝數 上述方程式右侧第一項為繞組自感所產生的磁阻力 矩，一般又稱為磁阻力矩（Reluctance torque)。由於馬達 轉子的設計在磁鐵與磁鐵間之導磁材料一般使用鋁合金製 成，而鋁合金與永久磁鐵的導磁係數皆近似於非導磁材 料，使得繞組電感隨著位置變化幾乎沒有任何改變，因此 第一項可忽略。第二項為轉子自感所產生的磁阻力矩，一 13 1290896 般=為齒卡力矩（cogglng T〇rque)。由於該馬達在設計 二已經將幾何形狀與設計尺寸針對消除齒卡力矩加 二…再經由磁場分析軟體卿τ的模擬驗證，所以此 ，亦可忽略。第三項為轉子衫子互感所產生的力矩，一 =稱為對正力矩㈤卿ent 一_，此項為馬達力矩 要來源。如上所述，該馬達的磁阻力矩與齒卡力矩皆 =經由幾何形狀和材料選用等方式㈣消除，因此 輸出力矩可簡化為： T = NI^l άθ 由上式可得知’當通予相同的相電流時，因串聯繞組阻數 為並聯ε數（Νρ)的兩倍，.2Νρ，所以馬達在左邊與右 邊定子繞組串聯時的輸出力矩為並聯時的輸出力矩的兩 倍。 由電壓方程式討論馬達繞組串並聯之影響 馬達電壓方程式可經由磁通對時間的微分所求得，如 下所示： 其中符號表 示 e:電壓 L:電感 I:電流 14 1290896 角速度 θ :角位置 ι:磁通 Ν:繞組匝數 第一項為電感内的電流隨時間改變而產生的，一般稱為轉 換電壓（Transformer Voltage)。第二項與第三項一般稱為 反電動勢電壓（Back electromagnetic force voltage)。 > 當輸入電流為零時，考慮馬達反電動勢電壓如下所示： e 二 άθ 由上式可得知，馬達電感兩端之端電壓將直接影響馬達可 運轉的速度範圍。而繞組在改變串並聯的連接方式同時亦 使得電感兩端之端電壓受到改變。因此，當相電壓相同的 情形下，加於並聯繞阻電感的電壓為串聯繞阻電感的兩 倍，意即並聯結構的馬達運轉極速為串聯結構的兩倍。 | 決定換檔策略 本發明之一實施例中，經由改變鉛酸電池與超高電容 器的串並聯結構，進而改變鉛酸電池與超高電容器的端電 壓，並配合馬達繞組的變結構聯接方式，可形成四個加速 檔位與五個煞車能量回收檔位。 加速檔位 由先前電池串並聯的討論可得知，電池以較大的放電 率放電時，會使得電池實際總電容量低於理想總電容量， 因此電池低放電率放電可以使得電池電容量較近似於理想 15 1290896 值，效益亦相對提高，且低放電率放電下電池之溫度變化 也比較緩和◦因此考慮馬達繞組單線電流限制下，在低速 行駛時將電池並聯連接，使得總電容量上升，在相同電流 限制條件下，每顆電池放電率會是串聯連接的四分之一 倍。就繞組串並聯的討論可得知5繞組串聯連接時的扭力 值會為並聯時的二倍，而並聯連接的速度範圍是串聯的兩 倍。此外，馬達繞組電感端電壓亦直接影響馬達的運轉速 _ 度。因此檔位結構可依如下原則決定：低速起步時需要有 大的扭力以驅動車輛，故低速時繞組串聯連接，電池並聯 連接，因反電動勢的影響，所以隨著轉速的升高需要將電 胃 池切換至更高電壓，最後為了延伸馬達運轉速度範圍，則 、 將馬達繞組結構切換至並聯連接。在加速期間可形成了四 個檔位。而超高電容器在加速檔位所扮演的角色則是在第 一檔位與第二檔位與電池組並聯，在起步與加速初期提供 大電流的輸入至馬達，完成起步時期所需的大扭力，保護 Φ 電池組，使電池使用壽命延長。 加速檔位換標時機 本發明技術的換檔時機是以馬達效率為基礎所發展出 來的。首先，將各檔位的馬達效率速度的數據經由動力計 量得出，如第五圖所示，從能量效率與速度關係圖中各檔 位的曲線交點可估計最佳效率的檔位切換點，各交點對應 之轉速決定換檔時機，如表一所示： ⑧ 1290896 表一加速檔位切換

檔 次 馬達轉速 (rpm) 繞組模 式 電池模式 (V) 超南電容模式 (V) 1 0-160 串聯 12 13.5 2 160〜305 串聯 24 29.7 3 305〜610 串聯 48 OFF 4 610〜1100 並聯 48 OFF 煞車能量回充檔位 由於電動車輛的驅動系統是將電能輸入至馬達，經由 馬達將電能轉換成機械能以驅動車輛前進。反之，若施一 ^ 力量轉動馬達，馬達亦可將機械能轉換成電能。因此，電 -動機車在煞車減速的時可以利用馬達將車輛慣性所產生的 機械能轉換成電能回收，在能量回收的同時馬達會產生一 個反向力矩施加於車輪上，產生煞車的行為使車輛達成減 速的目的。本發明技術則使用一組超高電容器做為能量儲 _ 存的媒介，應用被動式的煞車能量回充系統來控制減速時 所產生的反向力矩。而煞車檔位的規劃是以最大回充電流 為限制條件，限制煞車力矩不會產生過大的變化而使駕駛 者產生不適。而各檔位的規劃關係著馬達繞組的串並聯連 接與超高電容器串並聯後的端電壓，共組合出五個煞車能 量回收稽位。如表二所示： 1290896 表二模擬煞車檔位切換 檔 位 馬達轉速 (rpm) 繞組模 式 反電動勢 電壓峰值 (V) 電瓶模 式(V) 超高電容 模式(V) 超高電 容 電容值 (F) 5 940〜1100 並聯 43〜50·65 48 Off X 4 646〜940 並聯 30 〜43 Off 29.7 154 3 420〜646 並聯 20 〜30 Off 16.2 483 2 282〜420 串聯 26 〜37 Off 29.7 154 1 0-282 串聯 0〜26 Off 16.2 483 煞車檔位換檔時機 以最大回充電流限制為基礎，可規劃出各檔位的換檔 時機，應用反電動勢公式，如下所示，可計算出切換點如 上表所示的轉速： Γ _ ν 2π^ν ^bemf _ peak _ & e ① _ 人 e 石〇

Ebemf_peak :反電動勢 Ke:反電動勢係數 α :角速度(rad/s) v:角速度(rpm) 結構的實例 第六圖為上述本發明實施例之部分元件連結示意圖， 1290896 其中利用閂鎖式繼電器（Latching Relay)作電流開關以實 施換檔策略。如第六圖所示，電池組1 4含四個電池 1 ΒΤ2、ΒΤ3、ΒΤ4 ’皆為端電壓為i2V電容量 為28AH的鉛酸電池，並使用九個閂鎖式繼電器sw〇 1 — SW〇 9來完成電池的串並聯連接；電容器組1 3中三個 „器紅Cl、C2、C3分別由2.7”7_的超高；容 益皁體組成，可形成三種電容端電壓的模式，並用五個問 一鎖式繼電器SW11—SW15達成各種模式的切換。模 式-的電容端電壓為13.5V電容量為68〇F，此時 wn、sW13、swl4導通，繼電器㈤二s W15斷路。模式二的電容端電壓& Μ，電 碰，此時繼電器SW12、SW15導通，^工為 、SW1 4斷路。模式三的電容端電壓為16 2V 电谷垔為485F’此時繼電器SW1工、sw 5導通:繼電器8，1?、繼電器SW14斷路。 ^第六圖所示’上述本發明實施例中，馬達驅動裝置 二四相獨立驅動方式驅動馬達；其中，電感… 繞租，分別表示左邊定子的相C相D相 Α相Β: 3、“、以分別表示右邊定子的 “目β相C相D相繞組，當馬達 于 時，繼電器sw17、sw3右疋子的繞組串聯連接

通，繼電器SW16、SWi q 2 6 V SW22、SW :、：、:W19,21、 左右定子的繞組觸。當馬達 迓接才繼電器sW1 6、S W1 8、 19 1290896 :· SW19、SW21、SW22、SW24、SW25、 SW27導通，繼電器SW17、SW20、SW23、 SW2 6斷路。 如上所述，本發明完全符合專利三要件··新穎性、進 步性和產業上的利用性。本發明在上文中已以較佳實施例 揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描 繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是， 舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發 明之範疇内。因此，本發明之保護範圍當以下文之申請專 利範圍所界定者為準。 β 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之一種電子換檔系統的一個具體實施例之 系統方塊圖； 第二、第三、第四圖為本發明之三種電容器組的串並聯連 接模式之不意圖， 第五圖為本發明之加速檔位各檔位的效率轉速關係圖； 第六圖為本發明之一實例中部份元件連接示意圖。 【主要元件符號說明】 1 電子換檔系統 1 E 能量供應單元 • 112 能量管理控制器 113 電子控制器 20 (§) 1 2 1 3 1 4 15 梆檔控制器 電池組 電容器組 馬達驅動裝置 馬達 加速與煞車裝置

B Τ 1、B 丁 2c 1、C 2、C L 1、L 3、L D相繞組電感 B 丁 3、b 丁 4 電容器組 L7馬達左邊定子的a相β相C才e 電池 相 L3 L6、L8馬達右邊定子的Α相β相 D相繞組電感 SW〇i — SW27繼電器

Claims (1)

1290896 ； 十、申請專利範圍： 1、 一種電子換檔系統，可驅動一馬達並最佳化能量使用 與系統運作效能，包括： 一能量供應單元，含一電池組與一電容器組，以 儲存或供應驅動該馬達之電能； 一核心控制器，控制該電池組之串並連組合、該 電容器組之串並連組合與該馬達中至少二定子繞組之 串並連組合；其中， • 該核心控制器可根據一控制訊號、馬達的轉速、 與預設之一換檐策略進行控制複數個標位，以最佳化 能量使用與系統運作效能。 2、 如申請專利範圍第1項所述之電子換檔系統，該電池 組之複數個電池為二次電池。 3、 如申請專利範圍第1項所述之電子換標系統，該電容 器組之複數個電容器為超高電容器。 $ 4、如申請專利範圍第1項所述之電子換檔系統，該馬達 為爲平式轴向磁通直流無刷馬達。 5、 如申請專利範圍第1項所述之電子換檔系統，該控制 訊號指示該電子換檀系統為加速狀態或煞車狀態，該 複數個檔位包含複數個加速檔位與複數個煞車檔位， 其中，於加速狀態下該能量供應單元之電能轉換成該 ^ 馬達的轉動動能，於煞車狀態下該馬達的轉動動能轉 • 換成電能儲存至該能量供應單元。 6、 如申請專利範圍第1項所述之電子換檔系統，該核心 22 1290896 ： 該電容器組之串並連組合與該馬達中至少二定子繞 組之串並連組合；其中， 該核心控制器可根據一控制訊號、馬達的轉 速、與預設之一換檔策略進行控制複數個檔位，以 最佳化能量使用與系統運作效能。 1 3、一種換檔方法，包括： 提供一電子換檔系統； 根據馬達的扭力與轉速或效率與轉速之關係決定一 * 換檔策略； 該電子換檔系統根據該換檔策略進行換檔。 . 1 4、如申請專利範圍第1 3項所述之換檔方法，於該換 檔策略中，以回充至該電子換檔系統之一能量供應 單元的電流極大化決定複數個煞車檐位間的變換時 機。

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