TWI607925B - Hybrid system and its operation method - Google Patents

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TWI607925B TW102128146A TW102128146A TWI607925B TW I607925 B TWI607925 B TW I607925B TW 102128146 A TW102128146 A TW 102128146A TW 102128146 A TW102128146 A TW 102128146A TW I607925 B TWI607925 B TW I607925B
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Chien Chin Huang
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  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)
  • Control Of Vehicle Engines Or Engines For Specific Uses (AREA)
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Description

混合動力系統及其運作方法
本發明係與油電混合動力有關；特別是指一種混合動力系統及其運作方法。
傳統上，引擎工作轉速會遠大於電動/發電機轉速。因此，一般混合動力系統中，電動/發電機常被作為被驅動件啟動與低速時之動力源，而當被驅動件之轉速提升至中高速時，則會改交由引擎作為驅動被驅動件轉動之動力源(如遇輸出需大扭力時也有可能是引擎+馬達同時出力)，並同時帶動電動/發電機轉動。
如此一來，電動/發電機在外力帶動情形下便產生反電動勢，且其反電動勢與轉速的數學關係如下： 其中，V EM 為馬達反電動勢、K e 為反電動勢常數、ω為馬達角速度(rad/s)。換言之，反電動勢常數K e 固定的狀態下，反電動勢V EM 隨轉速ω增加而呈正比遞增。
藉此，當電動/發電機被引擎帶動而轉動產生反電動勢時，電動/發電機便可反向對原供應電動/發電機電力之電池充電，進而補償電池失去的電力，而達到充放電之循環。另外，當電動/發電機被引擎帶動所產生之反電動勢大於一定伏特數時，則會切斷電池與電動/發電機機的電性連接，以避免電池損毀。
然而，為於低速時能輸出大扭力，電動/發電機受電轉動時之繞組接線通常為Y型接線，且當電動/發電機 被引擎帶動而轉動時，其繞組接線通常保持在反電動勢常數K e 較高的Y型接線方式，而由前述數學式可知，當馬達反電動勢V EM 固定時，反電動勢常數K e 越高，則馬達角速度ω越低。換言之，電動/發電機於發電機狀態下，若仍保持在反電動勢常數K e 較高的Y型接線時，將會使得引擎的運轉轉速仍未至極高轉速時，電動/發電機所產生之反電動勢已超過電池所能負荷的最大伏特數，而使回充線路被截斷。是以，電動/發電機於發電機狀態下若仍保持Y型接線，將使得動力系統的有效發電轉速被挶限於引擎較小的轉速範圍之中，而無法達到較佳的充放電循環。
另外，除上述缺點外，若電動/發電機於發電機狀態下仍維持於反電動勢常數K e 較高的接線方式時，其馬達角速度ω很容易有過高之疑慮，而容易形成過大電壓致使電池過充而導致壽命減短，且同時亦會影響到電池充電時的安全性。
有鑑於此，本發明之目的用於提供一種混合動力系統及其運作方法，可有效地延展電動/發電機發電時的轉速範圍，進而可達到較佳的充放電循環。
除此之外，本發明的另一目的在於電動/發電機工作於高轉速區時，可有效避免過大電壓導致電池過充而壽命減短之情事，並同時可確保電池充電時的安全性。
緣以達成上述目的，本發明所提供混合動力系統用以帶動一被驅動件轉動，且包括一電動/發電機模組、一供電模組、一引擎模組、一供油模組以及一控制模組。其中，該電動/發電機模組與該被驅轉件連接，並可於一第一接線模式及一第二接線模式之間切換其繞組的接線方式，且 該電動/發電機模組於第一接線模式時的反電動勢常數大於於該第二接線模式時的反電動勢常數。該供電模組電性連接該電動/發電機模組，用以供應運轉所需之電力予該電動/發電機模組。該引擎模組透過一連動裝置連接該電動/發電機模組，且該引擎模組運轉時，將透過該連動裝置帶動該電動/發電機轉動。該供油模組連接該引擎模組，用以供應運轉所需之汽油予該引擎模組；該控制模組電性連接該電動/發電機模組、該供電模組以及該供油模組，用以控制該電動/發電機模組之接線模式，並控制該供電模組是否供電予該電動/發電機模組、以及控制該供油模組是否供油予該引擎模組。
藉此，該混合動力系統運作時，該控制模組切換該電動/發電機模組之繞組為第一接線模式，並控制該供電模組供電予該電動/發電機模組，以啟動該電動/發電機模組運轉，以帶動該被驅動件轉動；當該電動/發電機模組之轉速大於一啟動轉速時，啟動該引擎模組運轉，且控制該供油模組供油予該引擎模組，而後，當該電動/發電機模組之轉矩比例小於一預定比例時，控制該供電模組以停止供電予該電動/發電機模組，使該引擎模組帶動該電動/發電機模組與該被驅動件轉動，並切換該電動/發電機模組之繞組為第二接線模式，而該轉矩比例係指該電動/發電機模組所提供之轉矩占驅動該被驅動件轉動之總轉矩的比例。
依據上述構思，本發明更提供有一種混合動力系統之運作方法，包含有下列步驟：A.控制一電動/發電機模組之繞組為一第一接線模式，並提供一供電模組供電予該電動/發電機模組，使該電動/發電機模組帶動一被驅動件轉動； B.當該電動/發電機模組之轉速大於一啟動轉速時，啟動一引擎模組運轉；C.當該電動/發電機模組之轉矩比例小於一預定比例時，停止供電予該電動/發電機模組，並切換該電動/發電機模組之繞組為一第二接線模式，而該轉矩比例係指該電動/發電機模組所提供之轉矩占驅動該被驅動件轉動之總轉矩的比例；另外，該電動/發電機模組於第二接線模式時的反電動勢常數小於於該第一接線模式時的反電動勢常數；D.使該引擎模組帶動該電動/發電機模組與該被驅動件轉動，並將該電動/發電機模組被帶動而產生之反電動勢回充至該供電模組。
依據上述構思，該第一接線模式為Y型接線，而該第二接線模式為△型接線。
依據上述構思，該第一接線模式為長Y型接線，而該第二接線模式為短Y型接線。
依據上述構思，該第一接線模式為串聯式Y型接線，而該第二接線模式為並聯式Y型接線。
如此一來，透過上述設計，本發明之混合動力系統便可有效地延展電動/發電機有效發電時的工作範圍(轉速範圍)，進而達到較佳的充放電循環。
10‧‧‧電動/發電機模組
12‧‧‧繞組
S1‧‧‧第一電子開關
S2‧‧‧第二電子開關
20‧‧‧供電模組
22‧‧‧電池
24‧‧‧供電電路
30‧‧‧引擎模組
40‧‧‧連動裝置
50‧‧‧啟動馬達
60‧‧‧供油模組
70‧‧‧控制模組
80‧‧‧連動裝置
100‧‧‧車輪
圖1為本發明第一較佳實施例之方塊圖； 圖2為本發明第一實施例之電動/發電機的繞組電路圖；圖3A為圖2繞組於第一接線模式時的電路圖；圖3B為圖2繞組於第二接線模式時的電路圖；圖4為本發明第二較佳實施例之方塊圖；圖5A~C為本發明其它可行的接線模式電路圖。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。請參圖1所示，本發明一較佳實施例之混合動力系統用以帶動一車輛的車輪100轉動，且包含有一電動/發電機模組10、一供電模組20、一引擎模組30、一連動裝置40、一起動馬達50、一供油模組60以及一控制模組70。其中：
該電動/發電機模組10於本實施例中為一三相直流無刷輪轂式馬達，且該車輪100係環繞該電動/發電機模組10設置，而可被該電動/發電機模組10帶動而轉動。當然，在其他實施態樣中，只要能帶動該車輪100轉動，本發明之電動/發電機模組亦可為中間軸式直流無刷馬達、有刷馬達、或是其他型態之電動發電機。另外，請參閱圖2，該電動/發電機模組10於其繞組12上設有三個第一電子開關S1以及三個第二電子開關S2，且可受控制地切換該等三個第一電子開關S1以及該等第二電子開關S2之啟閉，而使其繞組12的接線方式可於一第一接線模式(如圖3A所示之Y型接線)及一第二接線模式(如圖3B所示之△型接線)之間切換。再者，該電動/發電機模組10於第一接線模式時的反電動勢常數大於於該第二接線模式時的反電動勢常數，更詳而言之，於本實施例中，該電動/發電機模組10於第一接線模式時的反電動勢常數，為於該第二接線模式時 的反電動勢常數的1.7倍。
該供電模組20包含有一電池22以及一供電電路24，該電池22係透過該供電電路24電性連接該電動/發電機模組10，用以供應運轉所需之電力予該電動/發電機模組10，而該供電電路24則用以受控制地切換該供電模組20可流通之電流流向、以及連通或阻斷該電池22與該電動/發電機模組機10的電性連接。
該引擎模組30透過該連動裝置40連接該至電動/發電機模組10，且於本實施例中，該連動裝置40為單向驅動變速器，換言之，當該引擎模組30運轉時，將可透過該連動裝置40帶動該電動/發電機模組10轉動，而當該電動/發電機模組10運轉時，則無法帶動該引擎模組30轉動。
該啟動馬達50連接該引擎模組30，用以帶動該引擎模組30轉動，而使該引擎模組30可順利啟動。該供油模組60連接該引擎模組30，用以供應運轉所需之汽油予該引擎模組30。另外，該啟動馬達50與該供油模組60的電路與機械結構為習用技藝，於此容不再贅述。
該控制模組70電性連接該電動/發電機模組10、該供電模組20之供電電路24、該啟動馬達50以及該供油模組60，用以控制該電動/發電機模組10之該等第一開關S1與第二開關S2以切換該電動/發電機模組10之接線模式，並控制該供電模組20與該電動/發電機模組10間的電流走向、該電池22是否供電予該電動/發電機模組10、以及控制該啟動馬達50之啟閉、與控制該供油模組60是否供油予該引擎模組30。
藉此，透過上述之設計，當該混合動力系統啟動而欲帶動該車輪100轉動時，該控制模組70便切換該電動/發電機模組10之繞組12為該第一接線模式(如圖3A)， 並控制該供電電路24使電流走向為由該供電模組20流向該電動/發電機模組10，意即使該電池22供電予該電動/發電機模組10，藉以驅動該電動/發電機模組10帶動該車輪100轉動。當該電動/發電機模組10之轉速逐漸提升而大於一啟動轉速，即此時的車速已達到該引擎模組30高燃燒效率的轉速區間時，該控制模組70則啟動該啟動馬達50驅動該引擎模組30轉動，並控制該供油模組60開始供油予該引擎模組30，以啟動該引擎模組30運轉，使得該引擎模組30無須耗費油料於車輛啟動階段時低轉速的低燃燒效率的轉速區間，而可於中、高速的高燃燒效率轉速區間發揮其燃效。
而後，當該引擎模組30所提供驅動該車輪100轉動之轉矩逐漸升高，而該電動/發電機模組10所提供驅動該車輪100轉動之轉矩逐漸下降，直至該電動/發電機模組10之轉矩比例(即其所提供之轉矩占驅動該車輪100轉動之總轉矩的比例)小於一預定比例(約為10%)時，此時大部分之轉矩是由該引擎模組30所提供，該控制模組70則控制該供電電路24使電流走向為由該電動/發電機模組10流向該供電模組20，意即停止供電予該電動/發電機模組10，並切換該電動/發電機模組10之繞組為第二接線模式(如圖3B)。藉此，利用該引擎模組30帶動該電動/發電機模組10與該車輪100轉動，便可將該電動/發電機模組10產生之反電動勢回充至該供電模組20之電池22，達到充放電循環之效果。當然，在實際實施上，該預定比例可依車種的不同而改為20%、15%、5%或其它比例，而預定比例不大於20%之原因在於當車輛進行動力源切換時，車輛行進間不易有頓挫感產生。
另外，透過先前提及之反電動勢與轉速的數學關係可得知，當馬達反電動勢V EMF 固定時，反電動勢常數K e 越 低，則馬達角速度ω越高。換言之，透過將改變接線方式之設計，便可當該電動/發電機模組10受電而處於電動機狀態時，以高反電動勢常數之第一接線模式運轉以提供大扭力輸出來驅動該車輪100轉動，而在該電動/發電機模組10被帶動而處於發電機狀態時，便切換至反電動勢常數較低之第二接線模式運轉，使其被帶動而導致轉速逐漸上升時，該電動/發電機模組10產生之反電動勢能以較為緩慢之上升速率提升至該電池22可承受的飽電電壓(飽電電壓高於該電池22之額定電壓，本實施例中額定電壓為48伏特，飽電電壓為56伏特，然其僅為例示，實務上飽電電壓依電池材料不同而改變)，而該飽電電壓則相對應有一遠大於該啟動轉速的阻斷轉速。
如此一來，在相同的飽電電壓下，本發明對應之阻斷轉速將可遠大於習用混合動力系統的阻斷轉速同時可有效避免電壓提升幅度過大導致電池過充而壽命減短之情事，並同時可確保電池充電時的安全性。另外，為保護該電池22，當該電動/發電機模組10轉速再逐漸升高而大於該阻斷轉速時，該控制模組70則控制該供電電路24阻斷該供電模組20與該電動/發電機模組10間之電性連接，使該供電模組20與該電動/發電機模組10間呈斷路，而可避免過大的反電動勢擊毀該電池22內部元件，即避免電池過充。
是以，綜上所述可得知，透過切換接線方式之設計，便可有效地延展該電動/發電機10可充電予該電池22的轉速範圍，而增加該電動/發電機10有效發電時的工作時間，進而達到較佳充放電循環的目的。除此之外，上述設計之另一好處在於不必更改原先已設於舊有油動車輛中的引擎模組30、連動裝置40、起動馬達50與供油模組60，僅須於舊有油動車輛上額外加裝電動/發電機模組10、供電模 組20與控制模組70後，即可將舊有的油動車輛轉換成油電混合動力的車輛，而可使舊有的油動車輛達到節能減碳之目的。
另外，除上述結構外，請參閱圖4，為本發明第二實施例之混合動力系統，與前述第一不同之處在於其連動裝置80為雙向驅動變速器，且同時省略啟動馬達50之設置，意即，該電動/發電機模組10可透過該連動裝置80帶動該引擎模組30轉動，再利用該控制模組70控制該供油模組60供油予該引擎模組30，而達到啟動該引擎模組30運轉之目的，且本實施例之結構設計，同樣可以達到有效地延展該電動/發電機10充電予該電池22時的轉速範圍、以及確保電池22充電安全性的目的。
再者，除上述接線方式外，本發明之混合動力系統的電動/發電機模組10繞組12的第一接線模式亦可改為如圖5A所示具有較高反電動勢常數之串聯式長Y型接線，而第二接線模式則可對應修改為具有較低反電動勢常數之短Y型接線(如圖5B所示)或並聯式Y型接線(如圖5C所示)，同樣可以達到有效地延展該電動/發電機10有效發電的轉速範圍之效果。又，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，除用以帶動車輪轉動外，亦可帶動手工具、轉盤等其他被驅動件轉動，且舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧電動/發電機模組
20‧‧‧供電模組
22‧‧‧電池
24‧‧‧供電電路
30‧‧‧引擎模組
40‧‧‧連動裝置
50‧‧‧啟動馬達
60‧‧‧供油模組
70‧‧‧控制模組
100‧‧‧車輪

Claims (15)

  1. 一種混合動力系統，用以帶動一被驅動件轉動，且包括：一電動/發電機模組，與該被驅轉件連接，並可於一第一接線模式及一第二接線模式之間切換其繞組的接線方式，且該電動/發電機模組於第一接線模式時的反電動勢常數大於該第二接線模式時的反電動勢常數；一供電模組，電性連接該電動/發電機模組，用以供應運轉所需之電力予該電動/發電機模組；一引擎模組，透過一連動裝置連接該電動/發電機模組，且該引擎模組運轉時，將透過該連動裝置帶動該電動/發電機轉動；一供油模組，連接該引擎模組，用以供應運轉所需之汽油予該引擎模組；以及一控制模組，電性連接該電動/發電機模組、該供電模組以及該供油模組，用以控制該電動/發電機模組之接線模式，並控制該供電模組是否供電予該電動/發電機模組、以及控制該供油模組是否供油予該引擎模組；藉此，該混合動力系統運作時，該控制模組切換該電動/發電機模組之繞組為第一接線模式，並控制該供電模組供電予該電動/發電機模組，以啟動該電動/發電機模組運轉，以帶動該被驅動件轉動；當該電動/發電機模組之轉速大於一啟動轉速時，啟動該引擎模組運轉，且控制該供油模組供油予該引擎模組，而後，當該電動/發電機模組之轉矩比例小於一預定比例時，控制該供電模組以停止供電予 該電動/發電機模組，使該引擎模組帶動該電動/發電機模組與該被驅動件轉動，並切換該電動/發電機模組之繞組為第二接線模式，而該轉矩比例係指該電動/發電機模組所提供之轉矩占驅動該被驅動件轉動之總轉矩的比例；其中，該預定比例不大於20%。
  2. 如請求項1所述混合動力系統，其中，當該電動/發電機模組之轉速大於一阻斷轉速時，該控制模組則阻斷該供電模組與該電動/發電機模組間之電性連接，使該供電模組與該電動/發電機模組間呈斷路；另外，該阻斷轉速大於該啟動轉速。
  3. 如請求項1所述混合動力系統，其中，該第一接線模式為Y型接線，而該第二接線模式為△型接線。
  4. 如請求項1所述混合動力系統，其中，該第一接線模式為長Y型接線，而該第二接線模式為短Y型接線。
  5. 如請求項1所述混合動力系統，其中，該第一接線模式為串聯式Y型接線，而該第二接線模式為並聯式Y型接線。
  6. 如請求項1所述混合動力系統，其中，該供電模組包含有一電池以及一供電電路，該電池係透過該供電電路電性連接至該電動/發電機模組，以供應運轉所需之電力予該電動/發電機模組者；該供電電路係用以切換該供電模組與該電動/發電機模組間之電流流向、以及連通或阻斷該電池與該電動/發電機模組機的電性連接者。
  7. 如請求項1所述混合動力系統，其中，該連動裝置為單向驅動變速器；另外，該混合動力系統更包含有一起動馬達 與該引擎模組連接，用以帶動該引擎模組轉動，以當該控制模組控制該供油模組供油予該引擎模組時，使該引擎模組啟動運轉者。
  8. 如請求項1所述混合動力系統，其中，該連動裝置為雙向驅動變速器，且該電動/發電機模組透過該連動裝置帶動該引擎模組轉動，以當該控制模組控制該供油模組供油予該引擎模組時，使該引擎模組啟動運轉。
  9. 一種混合動力系統之運作方法，包含有下列步驟：A.控制一電動/發電機模組之繞組為一第一接線模式，並提供一供電模組供電予該電動/發電機模組，使該電動/發電機模組帶動一被驅動件轉動；B.當該電動/發電機模組之轉速大於一啟動轉速時，啟動一引擎模組運轉；C.當該電動/發電機模組之轉矩比例小於一預定比例時，停止供電予該電動/發電機模組，並切換該電動/發電機模組之繞組為一第二接線模式，而該轉矩比例係指該電動/發電機模組所提供之轉矩占驅動該被驅動件轉動之總轉矩的比例；另外，該電動/發電機模組於第二接線模式時的反電動勢常數小於於該第一接線模式時的反電動勢常數；D.使該引擎模組帶動該電動/發電機模組與該被驅動件轉動，並將該電動/發電機模組被帶動而產生之反電動勢回充至該供電模組；其中，該預定比例不大於20%。
  10. 如請求項9所述混合動力系統之運作方法，其中，於該步驟D之後，更包含有一步驟E，係當該電動/發電機模組之轉速大於一阻斷轉速時，則阻斷該供電模組與該電動/發電機模組間之電性連接，使該供電模組與該電動/發電機模組間呈斷路；另外，該阻斷轉速大於該啟動轉速。
  11. 如請求項9所述混合動力系統之運作方法，其中，該第一接線模式為Y型接線，而該第二接線模式為△型接線。
  12. 如請求項9所述混合動力系統之運作方法，其中，該第一接線模式為長Y型接線，而該第二接線模式為短Y型接線。
  13. 如請求項9所述混合動力系統之運作方法，其中，該第一接線模式為串聯式Y型接線，而該第二接線模式為並聯式Y型接線。
  14. 如請求項9所述混合動力系統之運作方法，其中，於步驟B中，係透過一起動馬達帶動該引擎模組轉動，以啟動該引擎模組運轉。
  15. 如請求項9所述混合動力系統之運作方法，其中，於步驟B中，係透過該電動/發電機模組帶動該引擎模組轉動，以啟動該引擎模組運轉。
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