1352671 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種電動機車電能回充控制器，其兼具可充 份將馬達之機械能轉換為電能、具有雙工充電模式提高充電效 率，以及兼具定電壓與限電流之充電保護電路可對電池穩定充 電等優點及功效。 【先前技術】 參閱第九及第十圖，習用之電動機車充電裝置(例如中華 民國新型專利第M282859號之電動機車之充電裝置，且元件名 稱與編號概以本說明書為準），主要係利用電動機車6〇上設置 之電池組61啟動馬達輸出動力以傳動輪軸叼；使電動機車6〇 行進；其特徵係在於： 該電動機車60上設有與電池組61電性連接之發電機72; 該發電機72係以傳動組71受輪軸62傳動；而輪轴62與發電 機72間設控制器73 ;其可設定輪轴62於到達預定轉速時即 啟動發電機72運轉而發電，並藉充電迴路74變壓整流後輸出 至電池組61以充電。 但習用裝置之設計，係在輪軸62轉動達到預定轉速時， 才啟動發電機發電72，若未達預定轉速，但電池組61已需充 電，則無法進行充電。 另外，若該電池組61處於飽和狀態，而轉轴62仍因達到 預定轉速(例如在下坡）而啟動發電機72發電，則可能造成電 5 1352671 池組61充電過度而損毁’最重要的，是並未參考駕歇者操作 狀態及電動機車之㈣行駛祕，無法在最鱗機以最佳之充 電模式對電池組61進行充電，這些缺失皆造成電能浪費。 因此，有必要開發出新技術以解決上述缺點。 【發明内容】 本發明之主要目的，在於提供—種電動機車電能回充控制 器，其可充份將馬達之機械能轉換為電能。 本發明之次要目的，在於提供一種電動機車電能回充控制 器，其具有雙工充電模式提高充電效率。 本發明之再一目的’在於提供一種電動機車電能回充控制 器，其兼具定電壓與限電流之充電保護電路可對電池穩定充 電。 本發明係提供一種電動機車電能回充控制器，其包括： 一充電控制單元，係設一微處理器，其用以接受並判讀一 外部仏號’根據該外部信號控制馬達對電池充電；該外部信號 至少包括由馬達產生的一回充電壓（Ea)及一馬達轉速、由電 池產生的一電池電壓(Eb)、由電動機車產生的一煞車命令以及 一油門命令； 一電池回充驅動單元，當該油門命令小於設定值，且馬達 轉速大於設定值並產生回充電壓(Ea)，使該電池回充驅動單元 上之預疋下臂迴路導通’執行一驅動單元下臂迴路充電模式對 該電池充電； 6 -電能极裝置，係當該油門命令小於設定值及該馬達轉 速大於設定值’且該電池充電紗，_充電_單元執行一 電磁煞車核式’並根據煞車命令之有與無，分騎應快速與緩 慢之速度’將馬達產生之回充電壓(Ea)触至該電能沒放裝 置；其特徵係在於： 該充電控制單元又包括一升壓控制器；當該回充電壓(Ea) 小於該電池電壓(Eb)，該充電控制單元透過該升壓控制器進行 一升壓充電模式以對該電池充電； 藉此’使該充電控制單元根據該外部信號之變化，自動選 擇執打該驅動單元下臂迴路充電模式、該升壓充電模式、該電 磁煞車模式其中之一充電模式。 本發明之上述目的與優點，不難從下述所選用實施例之詳 細說明與附圖中，獲得深入瞭解。 兹以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後： 【實施方式】 本發明係為一種電動機車電能回充控制器，參閱第一及第 二圖，其包括： 一充電控制單元10，係設一微處理器11，其用以接受並 判讀一外部信號l〇A，根據該外部信號1〇a將一馬達91之機 械能充份轉換整流為直流電並回充至一電池92 ;該外部信號 10A至少包括由該馬達91產生的一回充電壓(Ea)1〇1及一馬達 轉速（簡稱speed)105、由該電池92產生的一電池電壓 (Eb)102、由電動機車產生的一煞車命令（簡稱break)1〇3以及 一油門命令（簡稱speed crl)104 ; 一電池回充驅動單元2〇，當該油門命令1〇4小於設定值， 該馬達91之馬達轉速1〇5大於設定值並產生回充電壓 (Ea)101，使該電池回充驅動單元2〇上之預定下臂迴路（參閱 第三A、第三B、第三（：、第三D、第三E、第三F及第四圖） 導通’執行一下臂迴路充電模式12對該電池92充電； 一電能洩放裝置41 ’係當該油門命令1〇4小於設定值及 該馬達轉速105大於設定值，且該電池92充電飽和，則該充 電控制單元10根據該煞車命令103之有與無，分別對應快速 與緩慢之速度，將該馬達91產生的三相感應電動勢轉換為直 流之回充電壓(Ea)i〇1洩放至該電能洩放裝置41，以執行一電 磁煞車模式14 ;其特徵係在於·· 該充電控制單元1〇又包括一升壓控制器31 ;當該回充電 壓（Ea)101小於該電池電壓i〇2(Eb)，該充電控制單元1〇透過 該升壓控制器31進行一升壓充電模式13以對該電池92充電； 藉此’使該充電控制單元10根據該外部信號1〇A之變化， 自動選擇執行該驅動單元下臂迴路充電模式12、該升壓充電 模式13、該電磁煞車模式14其中之一充電模式。 實務上，該外部信號10A又包括：一充電電流ι〇6(簡稱 current)及一電池溫度 107(τ)。 1352671 該微處理器li產生之脈波寬度調變（Pulse width Modulation，簡稱PWM)信號，一則可控制該電池回充驅動單 元20之驅動晶體下臂迴路與該電池92構成迴路(參閱第三A、 第二B、第二C、第二D、第三E、第三f及第四圖），使該馬 達91成為發電機，且該馬達91所產生之三相感應電動勢，係 經由該電、細充驅動單元20整流及濾波而形成直流之回充電 壓（Ea)lOl，並回充至該電池92 ;此為驅動單元下臂迴路充電 模式12。 二則可用以控制方波訊號之責任週期；並可接收霍爾 (HALLMs號（可配合設置馬達速度偵測電路）以偵測該馬達w 之轉子位置訊號而推算定子線圈最佳輸出位置；並使用x〇R邏 輯閘轉換成該馬達轉速105 ;另外，該充電控制單元1〇並設 置電壓隨耦器將該馬達91之回充電壓（Ea)i〇i與電池電壓 (Eb)l02的電壓準位值輸入該微處理器u，以判斷執行驅動單 元下臂迴路充電模式12或執行升壓充電模式a。 該電池回充驅動單元20基本上包括驅動晶體（該下臂迴 路係位於該驅動晶體上）、電流感測器、定電壓控制器電流 保護電路；且該驅動晶體驅動時間、順序及電流保護位準係受 該充電控制單元10之微處理器U控制。於本實例中，該電池 回充驅動單元20係為金屬氧化層半導體場效電晶體 (Meta卜Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，簡 9 稱MOSFET)驅動器。 配合該馬達91又設置一電磁開關911及一電動機車控制 器912 ;該電磁開關911係用以啟動或關閉馬達91產生電能 以供應該電池回充驅動單元20 ;該電動機車控制器912至少 用以將該電池92之直流電轉換為三相交流電而提供該馬達91 運轉所需動力。 本發明之電動機車電能回充控制器又包括： 一整流部21，係具有以下的電子元件組合型態： [1]第一種電子元件組合型態包括：一個三相整流器、一 電容器及一繼電器’前述元件係位於該電池回充驅動單元2〇 内，並用以在該充電控制單元1〇控制下，將該馬達91產生之 三相感應電動勢轉換為直流的回充電壓(Ea)i〇i而回充至該電 池92。 [2]第二種電子元件組合型態包括：一個二極體、一電容 器及一作為切換開關之驅動晶體，前述元件係位於該電池回充 驅動單元20内’該驅動晶體受控於該微處理器^，並用以將 該馬達91產生之三相感應電動勢轉換為直流的回充電壓 (Ea)101而回充至該電池g2。 一升壓控制單元30，係包括該升壓控制器31(b〇〇ster inverter)及一磁滯電路32(公知技術，恕不贅述）；該升壓控 制器31係為升壓ic(參閱第八圖）。 1352671 一煞車控制單元4Q ’其内部具有該電錢放裝置41及― 整流器42 ;該電㈣放裝置41係為神電阻；#該油門命令 104小於設定值及該馬達轉速1〇5大於設定值；且該電池92 充電飽和，職微處理器丨i經—第三_ 53場至該電磁煞 車模式14，並根據該煞車命令1〇3之有與無，分別對應快速 與緩慢之速度，將該馬達91產生的三相感應電動勢經該整流 器42轉換為直流狀態之回充電㈣a)1()1賊至該電能茂放 裝置41 ;舉例來講，當有煞車命令1()3，該微處理器“控制 該第二開關53之導通週期(τ〇η)較寬(如五a圖所示），則該馬 達91產生之回充電壓（Ea)1Q1敝至魏能$放裝置4ι的 能量為大。當無煞車命令1〇3，該微處理器u控制該第三開 關53之導通週期(Ton)較窄（如五B圖所示），該馬達91產生 之電能洩放至該電能洩放裝置41的能量為小。 -第-_ 5卜_以供該充電控制單元1()切換至該驅 動單元下臂迴路充電模式12。 第一開關52，係用以供該充電控制單元1〇切換至該升 壓充電模式13。 為提昇該電池92之充電效率，其充電電路的設計至少可 有以下兩種實施例： [1]定電壓電路92B(如第六圖所示），係至少設有一比較 器921及一電壓調郎IC922 ’當該微處理器Η判斷該電池電 1352671 壓（Eb)102>定電壓參考值（Vc)，則切換到該定電壓電路 92B(亦即切換到定電壓（C.V.)充電模式），經由該比較器921 比較後，驅動該電壓調節IC922(例如為穩壓器，英文為 regulator)進行定電壓充電。 [2]限電流電路92A(如第七圖所示），係至少設有一價剛 電阻923與一放大器924。如該充電電流106大於設定值，則 啟動該微處理器11輸出脈波寬度調變信號；控制該信號導通 週期（Ton)變小’使該電池回充驅動單元20導通之電流下降， 達到在充電初期以限電流穩定充電之目的，以保護電池92。 本發明之實際運作過程係如下所述： 首先’如第二圖所示，該充電控制單元1〇會先偵測並判 讀該外部信號10A，其包括：回充電壓(Ea)101、該電池電壓 (Eb)102、該煞車命令1〇3、該油門命令104、該馬達轉速1〇5、 該充電電流106及該電池溫度(T)107等。 再由該微處理器11配合下表一（充電動作判斷邏輯，代表 電動機車駕駛者的操控狀態）之各狀況判斷是否對該電池92 進行充電。 12 (表一） 項目 ——____ 油 _n X 敔 * X 控制 — 狀況1 ---—___ 機車為行進狀態且速度遞增則進行充 電動作，若速度遞減就不作充電動作。__ 狀況2 ----- V X 不進行充電。 狀況3 ----^ X V 如電動機車為行進狀態則進行充電動作。 狀況4 ----— V V 禁致油門信號，不進行充電。 丄似671 若判斷為不充電，則本發明不進行任何動作。 若判斷為「進行充電」’則其相關充電裝置請配合第一、第二 圖及下表二（充電模式判斷邏輯，代表電動機車之行進狀態）， 而選擇以符合條件之充電模式對該電池92進行充電。 (表二） 項 條件 切換 控制模式 目 m SW2 m 狀 況 1 Ea2Eb+^/2 持續 Atl 以上 V X X 採馬區動單元下臂迴— 路充電模式12 (簡稱一船亦.雷） 狀 況 2 EaS(Eb+r„/2)且 Ea>f；e/1 持續 At2 以 上 --------—_ X V X 切換為升壓充電展〜 式13(簡稱升壓充 電） 狀 況 3 Eb>(Ea)+^ --------—1 X X V 不進行充電並將馬 達產生的電能導入 功率電阻，亦即電 磁煞車模式14(簡 稱洩放電壓） 13 1352671 關於表二中之代號說明如下：
Ea:回充電壓（反電動勢）
Eb :電池電壓 ：切入升壓電路的基準電壓 :由升壓電路切換下臂迴路直接充電的基準電壓 ~:切換電能洩放的基準電壓 如第二圖所示’係有關本發明如何選擇符合條件之充電模 式： [a] 驅動單元下臂迴路充電模式i2(或簡稱一般充電模 式）：當電動機車駕駛者未加油門（油門命令1〇4小於設定值) 電動機車呈滑行狀態，係符合回充電壓（Ea)i〇ig電池電壓 1〇2(假設為12伏特）(Eb)+~2(假設為3伏特)持續一第一時間 (△ti)的條件；則執行驅動單元下臂迴路充電模式12。 此時該馬達91輸出之電能（交流電）經整流與濾波電路後 成為回充電壓(Ea)l〇l (直流電）；當該微處理器丨丨偵測該電 池電壓(Eb)102低於參考電壓時，則控制脈波寬度調變信號之 輸出方波變寬(如第五A圖所示），如此可補償輸出之電壓，達 到穩疋充電之目的；同理，如果負載變輕，則控制脈波寬度調 良k號之輸出方波變短(如第五8圖所示），使直流電壓降低至 標準額定值上。 [b] 升壓充電模式13(或簡稱升壓充電）：當符合回充電 14 丄352671 壓(Ea)1〇l$電池電壓(Eb)102(假設為12伏特)+C/2(假設為3 伏特），且回充電壓(Ea)i〇i>%(假設為5伏特)持續一第二 .時間（At2)之條件，代表此時回充電壓(Ea)101雖然低，但是 穩定維持在大約5伏特的電壓值，故，可予以利用進行升壓充 電模式13。 [c]電磁煞車模式14(或簡稱洩放電壓）：當符合電池電 • 壓(Eb)102(假設為12伏特）>回充電壓l〇l(Ea)+心；且馬達 轉速105大於設定值，則進行電磁煞車模式14。 本發明之優點及功效可歸納如下： [1 ]可充份將馬達之機械能轉換為電能本發明設有充電 控制單元，其用以接受並綜合判讀外部信號，達到在電動機車 運行間，根據馬達運轉狀況及駕駛者的操作狀態決定對電池的 充電模式，使馬達轉動的機械能可充分轉換為電能，回充到電 • 動機車之電池上，以增加電動機車的續航力。 [2]具有雙工充電模式提高充電效率。電動機車在滑行 時，本發明之電细充驅動單元_驅動晶體下f迴路會依據 馬達轉子位置而與電池間構成迴路，使馬達成為發電機而進行 驅動單元下臂迴路充電模式；當充電控制單元由外部信號測得 發電量不足，即雌升壓控财搞進行载充賴式。再當 電池充飽時則將發電量導至煞車控制單元進行電磁煞車模 式，除可避免馬達損壞，當駕驶者煞車時亦強化煞車效率。 15 1352671 埜與限電流之充電保護電路可對電池穩定充 . €。因回充電壓會隨馬達之轉速變_有所增減，故充電初期 ' 冑電池電壓#電壓參考值時，係崎電流電路進行定電流充 • € ;而當充電至電池電壓縣考值，就切換到定電墨電 路，如此不論電池電璧高低，都可保持在穩定的充電狀態，可 提升電池壽命。 • 卩上谨疋藉由較佳實施例詳細說明本發明，對於該實施例 所做的任何簡單修改與變化，皆不脫離本發明之精神與範圍。 由以上詳細說明，可使熟知本項技藝者明瞭本發明的確可 達成前述目的，實已符合專利法之規定，爰提出發明專利之申 請。 1352671 【圖式簡單說明】 第一圖係本發明之系統架構圖 第二圖係本發明之充電過程之流程圖 第三A、第三B、第三C、第三D、第三E及第三F圖係本發明 之各個不同時序之驅動單元下臂迴路充電電路之參考 不意圖 第四圖係本發明之回充電壓時序之示意圖 第五A及第五B圖係本發明之脈波寬度調變信號控制長、短導 通週期之波形圖 第六圖係本發明之定電壓電路之參考示意圖 第七圖係本發明之限電流電路之參考示意圖 第八圖係本發明之升壓控制單元之參考電路圖 第九圖係習用裝置之系統方塊圖 第十圖係習用裝置之實施例平面示意圖 17 1352671
【主要元件符號說明】 10充電控制單元 10A外部信號 101回充電壓 102電池電壓 103煞車命令 104油門命令 105馬達轉速 106充電電流 107電池溫度 11微處理器 12驅動單元下臂迴路充電模式 13升壓充電模式 14電磁煞車模式 20電池回充驅動單元 21整流部 30升壓控制單元 31升壓控制器 32磁滯電路 40煞車控制單元 41電能洩放裝置 42整流器 51第一開關 52第二開關 53第三開關 60電動機車 61電池組 62輪軸 71傳動組 72發電機 73控制器 74充電迴路 91馬達 911電磁開關 912電動機車控制器 92電池 92A限電流電路 92B定電壓電路 921比較器 922電壓調節1C 923偵測電阻 924放大器