TWI694015B

TWI694015B - 可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統

Info

Publication number: TWI694015B
Application number: TW108123985A
Authority: TW
Inventors: 林俊良; 張宇辰; 陳道弘
Original assignee: 國立中興大學
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-08
Publication date: 2020-05-21
Also published as: TW202102382A

Abstract

本發明係包括一個三相動力部、六個(半導體)開關及一電能供應部。六個開關兩兩串聯成三組，三組與電能供應部互呈並聯，且三組各連結三相動力部。每一開關至少包括複數個串聯之第一電晶體及一並聯之電容。當電能供應部對三相動力部供電，其形成電動機用以驅動電動載具，當停止供電，且電動載具煞車，三相動力部成為發電機並產生湧浪電壓及電流，其係依序反向流入六個開關，並分別被消耗抑制者。故，本案兼具可有效抑制電動馬達再生煞車產生之湧浪電壓及電流，及可使用現有低成本零件不需開發高規格零件等優點。

Description

可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統

本發明係有關一種可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統，尤指一種兼具可有效抑制電動馬達再生煞車產生之湧浪電壓及電流，及可使用現有低成本零件不需開發高規格零件之可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統。

傳統電動載具之電磁煞車制動裝置(中華民國發明專利第I626190號之電動載具用之可調電阻式電磁煞車制動裝置)。係包括一個三相動力部、一電子控制部、一電能供應部、一可調式負載部及一動力/煞車切換部。三相動力部可於驅動電動載具行進與輔助電動載具煞車兩動作間變換。電子控制部反覆產生三相動力部轉動之電磁阻力達到電磁煞車。電能供應部推動三相動力部驅動電動載具；可調式負載部用以調整電磁煞車之強弱；動力/煞車切換部並聯於電子控制部、電能供應部與可調式負載部之間，並可於一動力模式位置與一煞車模式位置間變換；分別用以驅動電動載具與輔助電磁煞車。

其缺點在於，當煞車時，電動馬達由電動機切換為發電機並產生反電動勢，同時產生之湧浪電壓及電流，易造成電動馬達之相關開關元件因湧浪電壓及電流超過其規格而損壞。

當然，亦可改設置能耐湧浪電壓及電流之電路組件，但將產生成本過高的問題。

另外，公知較為普遍之永磁同步電動馬達技術，大多侷限於控制驅動技術，較少同時結合驅動與電子剎車系統的功能，將其兩系統控制器整合為一體。煞車設計多使用三相短路剎車消耗其反電動勢產生的電能或將電能回充至電池(亦稱再生剎車)，易造成開關元件的損壞或回充剎車力道明顯不足，影響制軔效果，或是為了提供其消耗能量路徑，外掛剎車電阻，但亦有剎車使用頻率過高時致電阻高溫、散熱不均之問題。

有鑑於此，必須研發出可解決上述習用缺點之技術。

本發明之目的，在於提供一種可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統，其兼具可有效抑制電動馬達再生煞車產生之湧浪電壓及電流，及可使用現有低成本零件不需開發高規格零件等優點。特別是，本發明所欲解決之問題係在於公知裝置煞車時，電動馬達由電動機切換為發電機並產生反電動勢時產生之湧浪電壓及電流，易造成電動馬達之相關開關元件因湧浪電壓及電流超過其規格而損壞等問題。

解決上述問題之技術手段係提供一種可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統，其包括：一個三相動力部，係具有一第一相位接點、一第二相位接點及一第三相位接點，該三相動力部係可於電動馬達與發電機間變換；當作電動機時，係用以驅動一電動載具；一電子控制部，係具有一第一控制裝置、一第二控制裝置、一第三控制裝置及一中央控制裝置；該第一控制裝置係包括一第一開關、一第二開關及一第一接點，該第一接點係介於該第一、該第二開關之間；該第二控制裝置係包括一第三開關、一第四開關及一第二接點，該第二接點係介於該第三、該第四開關之間；該第三控制裝置係包括一第五開關、一第六開關及一第三接點，該第三接點係介於該第五、該第六開關之間；該第一、該第二及該第三控制裝置互呈並聯；且該第一、該第二及該第三接點係分別電性連結該第一、該第二及該第三相位接點，構成導通迴路；其中，該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關及該第六開關，皆係具有一第一接點及一第二接點，且具有一第一線路、一第二線路及一第三線路，該第一線路、該第二線路及該第三線路係介於該第一及該第二接點之間，互呈並聯；該第一線路係設置複數第一電晶體，互呈串聯，該第二線路係設置至少一電容結構，該第三線路係設至少一電阻結構及至少一第二電晶體，互呈串聯；該中央控制裝置係電性連結該第一、該第二及該第三控制裝置，並依序控制其中至少二個控制裝置上的其中一開關導通；一電能供應部，係電性連結該電子控制部，用以依序對該第一、該第二及該三相位接點其中二點供電；藉此，當該中央控制裝置控制該電能供應部依序對該第一、該第二及該第三相位接點其中至少兩點供電而導通迴路時；該三相動力部成為電動馬達而驅動該電動載具，並當該中央控制裝置控制該電能供應部停止供電，且電動馬達呈現慣性旋轉狀態，產生之反電動勢使該電動載具煞車，當該三相動力部成為發電機並產生湧浪電壓及電流，其係依序反向流入該第一開關、該第二開關、該第三開關、該第四開關、該第五開關及該第六開關，並分別被消耗抑制者。

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。

茲以下列實施例並配合圖式詳細說明本發明於後：

10:三相動力部

20:電子控制部

20A:火線

20B:地線

20C:第一導線

20D:第二導線

20E:第三導線

21:第一控制裝置

211:第一接點

22:第二控制裝置

221:第二接點

23:第三控制裝置

231:第三接點

24:中央控制裝置

30:電能供應部

40:煞車訊號部

91:電動載具

A:第一相位接點

B:第二相位接點

C:第三相位接點

S1:第一開關

S2:第二開關

S3:第三開關

S4:第四開關

S5:第五開關

S6:第六開關

SA、SB:第一電晶體

SC:電容結構

SD:電阻結構

SE:第二電晶體

P1:第一接點

P2:第二接點

L1:第一線路

L2:第二線路

L3:第三線路

a:第一系統電壓測量點

b:第二系統電壓測量點

c:第一系統電流測量點

d:第二系統電流測量點

e:第一開關電壓測量點

f:第二開關電壓測量點

g:第一開關電流測量點

h:第二開關電流測量點

第1圖係本發明之電動載具之示意圖

第2A圖係本發明之電路結構之第一實施例之示意圖

第2B圖係第2A圖之部分結構之放大示意圖

第3A圖係本發明之電路結構之第二實施例之示意圖

第3B圖係第3A圖之部分結構之放大示意圖

第4圖係公知結構之開關示意圖

第5A圖係公知裝置第一次量得之湧浪電壓與電流最大值之波形圖

第5B圖係公知裝置第二次量得之湧浪電壓與電流最大值之波形圖

第6A圖係本發明之第一實施例第一次量得之湧浪電壓與電流最大值之波形圖

第6B圖係本發明之第一實施例第二次量得之湧浪電壓與電流最大值之波形圖

第7A圖係本發明之第二實施例第一次量得之湧浪電壓與電流最大值之波形圖

第7B圖係本發明之第二實施例第二次量得之湧浪電壓與電流最大值之波形圖

參閱第1、第2A及第2B圖，本發明係為一可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統，其包括：一個三相動力部10，係具有一第一相位接點A、一第二相位接點B及一第三相位接點C，該三相動力部10係可於電動馬達與發電機間變換；當作電動機時，係用以驅動一電動載具91。

一電子控制部20，係具有一第一控制裝置21、一第二控制裝置22、一第三控制裝置23及一中央控制裝置24。

關於該第一控制裝置21，係包括一第一開關S1、一第二開關S2及一第一接點211，該第一接點211係介於該第一、該第二開關S1與S2之間。

關於該第二控制裝置22，係包括一第三開關S3、一第四開關S4及一第二接點221，該第二接點221係介於該第三、該第四開關S3與S4之間。

關於該第三控制裝置23，係包括一第五開關S5、一第六開關S6及一第三接點231，該第三接點231係介於該第五、該第六開關S5與S6之間；該第一、該第二及該第三控制裝置21、22與23互呈並聯；且該第一、該第二及該第三接點211、221與231係分別電性連結該第一、該第二及該第三相位接點A、B與C，構成導通迴路；其中，該第一開關S1、該第二開關S2、該第三開關S3、該第四開關S4、該第五開關S5及該第六開關S6，皆係具有一第一接點P1及一第二接點P2，且具有一第一線路L1、一第二線路L2及一第三線路L3(參閱第3A及第3B圖)，該第一線路L1、該第二線路L2及該第三線路L3係介於該第一及該第二接點P1與P2之間，互呈並聯。該第一線路L1係設置複數第一電晶體(SA、SB)，互呈串聯，該第二線路L2係設置至少一電容結構SC，該第三線路L3係設至少一電阻結構SD及至少一第二電晶體SE，互呈串聯。

關於該中央控制裝置24，係電性連結該第一、該第二及該第三控制裝置21、22與23，並依序控制其中至少二個控制裝置上的其中一開關導通。

一電能供應部30，係電性連結該電子控制部20，用以依序對該第一、該第二及該三相位接點A、B與C其中二點供電。

藉此，當該中央控制裝置24控制該電能供應部30依序對該第一、該第二及該第三相位接點A、B與C其中至少兩點供電而導通迴路時；該三相動力部10成為電動馬達而驅動該電動載具91。並當該中央控制裝置24控制該電能供應部30停止供電，且電動馬達呈現慣性旋轉狀態，該電動載具91煞車(關於該電動載具91被驅動與煞車之原理，請參閱中華民國發明專利第I626190號之電動載具用之可調電阻式電磁煞車制動裝置。恕不贅述，合先陳明)，當該三相動力部10成為發電機並產生湧浪電壓及電流，其係依序反向流入該第一開關S1、該第二開關S2、該第三開關S3、該第四開關S4、該第五開關S5及該第六開關S6，並分別被消耗抑制者。

實務上，該三相動力部10至少包括三組線圈及一轉子(公知裝置恕不贅述)，該第一、該第二與該第三相位接點A、B與C係分別位於該三組線圈上。

該電子控制部20係設有一火線20A、一地線20B、一第一導線20C、一第二導線20D、一第三導線20E、該第一控制裝置21、該第二控制裝置22、該第三控制裝置23及該中央控制裝置24；該第一、該第二及該第三導線20C、20D與20E彼此互呈並聯，且分別並聯於該火、該地線20A與20B之間。

該第一開關S1、該第一接點211及該第二開關S2係設於該第一導線20C上，且從該火線20A朝該地線20B的方向依序概呈串聯。

該第三開關S3、該第二接點221及該第四開關S4係設於該第二導線20D上，且從該火線20A朝該地線20B的方向依序概呈串聯。

該第五開關S5、該第三接點231及該第六開關S6係設於該第三導線20E上，且從該火線20A朝該地線20B的方向依序概呈串聯。

該中央控制裝置24係用以依序反覆發出複數個脈波寬度調變信號(Pulse Width Modulation，簡稱PWM)，分別用以：

[a]控制該第一、該第四開關S1與S4反覆的導通與截止。

[b]控制該第一、該第六開關S1與S6反覆的導通與截止。

[c]控制該第三、該第六開關S3與S6反覆的導通與截止。

[d]控制該第二、該第三開關S2與S3反覆的導通與截止。

[e]控制該第二、該第五開關S2與S5反覆的導通與截止。

[f]控制該第四、該第五開關S4與S5反覆的導通與截止。

前述[a]至[f]之控制原理，請參閱中華民國發明專利第I626190號之電動腳踏車用之可調電阻式電磁煞車制動裝置。恕不贅述，合先陳明。

該電能供應部30可為電池(例如可使用50伏特直流電之規格)。

該可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統可再包括一煞車訊號部40，係電性連結該中央控制裝置24。

該煞車訊號部40可為實體煞車結構，並於煞車時傳送訊號至該中央控制裝置24。

該電動載具91可為電動機車、電動腳踏車、電動車其中一者。

本發明之重點，在於該電子控制部20以下列三種型態，用於煞車時之電壓及電流之比較：

[第一種型態]：參閱第4圖，該第一線路L1設置單一該第一電晶體SA且未設置該第二及該第三線路L2及L3(亦即公知結構)。

[第二種型態]：未設置該第三線路L3。此第二種型態仍非本案，僅為參考比較用之第一實施例(參閱第2B圖)。

[第三種型態]：該第一線路L1設置複數該第一電晶體SA且設置該第二及該第三線路L2及L3(如第3B圖所示之第二實施例)。當該電動載具91煞車時，該煞車訊號部40係透過該中央控制裝置24啟動該複數個第二電晶體SE，進而導通該第三線路L3。

首先，可抑制煞車反電動勢產生之湧浪電壓及電流之電動載具驅動系統，係可再設置一第一系統電壓測量點a、一第二系統電壓測量點b、一第一系統電流測量點c、一第二系統電流測量點d、一第一開關電壓測量點e、一第二開關電壓測量點f、一第一開關電流測量點g及一第二開關電流測量點h(如第2A及第3A圖所示，中華民國發明專利第I626190號之電動腳踏車用之可調電阻式電磁煞車制動裝置，可於第3A圖等效設置，本案圖面未予明示，合先陳明)。

接著，於前述三種型態分別進下列量測：

第一：於該第一系統電壓測量點a及該第二系統電壓測量點b量測電壓(可分別得到如下表一、下表二及下表三之輸入逆變器前端之湧浪電壓最大值)。

第二：於該第一系統電流測量點c及該第二系統電流測量點d量測電流(實際上，是在該第一系統電流測量點c及該第二系統電流測量點d間，串聯電流表進行量測，並可分別得到如下表一、下表二及下表三之輸入逆變器前端之湧浪電流最大值)。

第三：於該第一開關電壓測量點e及該第二開關電壓測量點f量測電壓(可分別得到如下表一、下表二及下表三之晶體開關端之湧浪電壓最大值)。

第四：於該第一開關電流測量點g及該第二開關電流測量點g量測電流(實際上，是在該第一開關電流測量點g及該第二開關電流測量點g兩點間串聯電流表進行量測，並可分別得到如下表一、下表二及下表三之晶體開關端之湧浪電流最大值)。

由前述表一可看出，該系統電壓與電流測量點位測得之湧浪電壓與電流最大值，分別高達249.6伏特與44.72安培(參閱第5A及第5B圖，分別為表一之實驗編號1-1與1-2之實際波形圖，僅以其中兩圖代表)，即使是該開關電壓與電流測量點位測得之湧浪電壓與電流最大值，亦分別高達261.6伏特與42.24安培，極易造成各開關結構與零組件燒毀。

此外，請參閱第5B圖，其最下框內之右上方的兩個數據，分別為「最大值10.4A」及「最小值-10.4A」，請注意此正、負號係代表電流之流向，所以要取其最大值時，應指不論流向之最大數值(類似選取絕對值較大者)。亦即，其輸入逆變器前端之湧浪電流(A)之最大值=-10.4A，而非10.4A，特此陳明。同理，請參閱第5B圖之最下框內之右下方的兩個數據，分別為「最大值11.2A」及「最小值-20.0A」，當選取不論流向之最大數值時，晶體開關端之湧浪電流(A)之最大值=-20.0A，而非11.2A。

接著，由表二比較，該系統電壓與電流測量點位測得之湧浪電壓與電流最大值，即使降低了，但仍分別高達186.4伏特與22.88安培(參閱第6A及第6B圖，分別為表二之實驗編號2-1與2-4之實際波形圖，僅以其中兩圖代表)，至於該開關電壓與電流測量點位測得之湧浪電壓與電流最大值，亦分別高達168伏特與34.4安培，仍易造成各開關結構與零組件燒毀。

再以表三論究，可發現該系統電壓與電流測量點位測得之湧浪電壓與電流最大值，已大幅降至111.6伏特與16.4安培(參閱第7A及第7B圖，分別為表三之實驗編號3-1與3-7之實際波形圖，僅以其中兩圖代表)，至於該開關電壓與電流測量點位測得之湧浪電壓與電流最大值，則分別降至101.6伏特與21.84安培，大幅提高各開關結構與零組件之使用良率。

若單就開關之湧浪電壓最大值來分析，由於表一代表傳統方式(即第一種形態)，開關之湧浪電壓最大值高達261.6伏特，為原有電池50V之5.23倍。當修改為第二種型態(即開關數量增加為兩個且再並聯一電容)，由表二之數據可知，開關之湧浪電壓最大值，亦高達168伏特，為原有電池50V之3.36倍。然而，若改成本案(即開關數量增加為兩個、先並聯一電容、再並聯一電阻)，即第三種型態，由由表三之數據可知，開關之湧浪電壓最大值，則大幅降至101.6伏特，為原有電池50V之2.032倍，由於並聯之電容本身就能吸收突波，再加上並聯之電阻也消耗一些突波之能量，使得本案由表三之數據可證明確實可大幅抑制煞車產生之湧浪電壓及電流，不用一味的提高元件規格，就能達到所要之效果。

此外，前述之複數個開關在圖中只顯示2個，實務上可以彈性增加數量，由更多開關個別分攤湧浪電壓及電流。

本發明之優點及功效係如下所述：

[1]可有效抑制電動馬達再生煞車產生之湧浪電壓及電流。本發明於每一開關設置互呈並聯之第一、第二及第三線路，第一線路串聯複數第一電晶體，第二線路設置至少一電容結構，第三線路串聯至少一電阻結構及至少一第二電晶體。藉此，使電子控制部能抵消抑制煞車時產生之反電動勢之湧浪電壓及電流。故，可有效抑制電動馬達再生煞車產生之湧浪電壓及電流。

[2]可使用現有低成本零件不需開發高規格零件。本發明之第一與第二電晶體可使用公知驅動電晶體，電容結構可使用公知電容結構，至於電阻結構可使用公知電阻結構。全為市面存在已久的電子零件，良率及成本均可控制。故，可使用現有低成本零件不需開發高規格零件。

以上僅是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。