TWI695575B - 儲能系統之動力匹配控制裝置 - Google Patents

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TWI695575B
TWI695575B TW108122691A TW108122691A TWI695575B TW I695575 B TWI695575 B TW I695575B TW 108122691 A TW108122691 A TW 108122691A TW 108122691 A TW108122691 A TW 108122691A TW I695575 B TWI695575 B TW I695575B
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蔡明祺
鄭彰毅
謝旻甫
胡家勝
張晉暘
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國立成功大學
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Abstract

一種儲能系統之動力匹配控制裝置包含：運動控制模組、能量管理模組與馬達驅動模組。運動控制模組用以根據速度命令與馬達之速度回授資訊來算出直軸電流命令與交軸電流命令，且用以根據直軸電流命令與交軸電流命令來分別算出直軸電壓命令與交軸電壓命令。能量管理模組用以根據直軸電流命令、交軸電流命令與馬達之速度回授資訊來算出系統相電壓，且用以根據系統相電壓來決定切換訊號。馬達驅動模組用以根據切換訊號來選擇性地將馬達驅動模組之電池模組切換為串聯模式或並聯模式。

Description

儲能系統之動力匹配控制裝置
本揭露實施例是有關於一種控制裝置，且特別是有關於一種儲能系統之動力匹配控制裝置。
全世界各大車廠都相繼投入至電動載具領域的開發，無論輕型載具、重型載具、搬運器械都漸漸走向電動化，由此可預見電動車之相關技術於將會越來越受到重視。電動車設計之三大核心技術為馬達設計、變頻器與驅動控制、以及電池模組系統，但由於電池的使用壽命與可用容量都有其限制，使得電池技術的發展受到侷限。
其中一種已知的電池控制策略是利用超電容進行電池功率輔助藉此降低電池的大電流之抽載行為，從而降低放電深度，提升可用容量，並延長電池的壽命，然而，這種方式的缺點在於使用的元件多、成本高且體積大。
由此可見，上述現有的方式，顯然仍存在不便與缺陷，而有待改進。為了解決上述問題，相關領域莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來仍未發展出適當的解決方案。
本揭露之目的在於提出一種儲能系統之動力匹配控制裝置包含：運動控制模組、能量管理模組與馬達驅動模組。運動控制模組用以根據速度命令與馬達之速度回授資訊來算出直軸電流命令與交軸電流命令，且用以根據直軸電流命令與交軸電流命令來分別算出直軸電壓命令與交軸電壓命令。能量管理模組用以根據直軸電流命令、交軸電流命令與馬達之速度回授資訊來算出系統相電壓，且用以根據系統相電壓來決定切換訊號。馬達驅動模組用以根據切換訊號來選擇性地將馬達驅動模組之電池模組切換為串聯模式或並聯模式。運動控制模組更用以根據切換訊號、直軸電壓命令與交軸電壓命令來調變馬達驅動模組之變頻器(inverter)。馬達驅動模組更用以藉由變頻器來驅動馬達。
在一些實施例中，上述能量管理模組乃是藉由比較系統相電壓與電池模組之最高電壓來取得切換訊號。
在一些實施例中，其中當系統相電壓大於或等於最高電壓之一半時，切換訊號等於1；其中當系統相電壓小於最高電壓之一半時，切換訊號等於0。
在一些實施例中，其中當切換訊號等於1時，馬達驅動模組將電池模組切換為串聯模式；其中當切換訊號等於0時，馬達驅動模組將電池模組切換為並聯模式。
在一些實施例中，上述運動控制模組包含：速度控制器、單位電流最大轉矩(maximum torque per ampere，MTPA)單元、電流控制器與電壓解耦單元。速度 控制器用以根據速度命令與速度回授資訊來算出總電流命令。單位電流最大轉矩單元用以根據總電流命令來算出直軸電流命令與交軸電流命令。電流控制器用以根據直軸電流命令與交軸電流命令來分別算出直軸電流控制器輸出電壓訊號與交軸電流控制器輸出電壓訊號。電壓解耦單元用以根據直軸電流控制器輸出電壓訊號與交軸電流控制器輸出電壓訊號來分別算出直軸電壓命令與交軸電壓命令。
在一些實施例中，上述運動控制模組還包含：空間向量脈衝寬度調變(space vector pulse width modulation，SVPWM)單元，其用以根據直軸電壓命令與交軸電壓命令來算出靜止座標系alpha軸電壓命令與靜止座標系beta軸電壓命令，且用以根據切換訊號、靜止座標系alpha軸電壓命令與靜止座標系beta軸電壓命令來決定變頻器的多個調變參數，從而據以調變變頻器。
在一些實施例中，上述能量管理模組包含：永磁同步電機(permanent-magnet synchronous motor，PMSM)反函數單元與能量管理決策單元。永磁同步電機反函數單元用以根據直軸電流命令、交軸電流命令與馬達之速度回授資訊來算出直軸命令電池儲能變速策略參數與交軸命令電池儲能變速策略參數。能量管理決策單元用以根據直軸命令電池儲能變速策略參數與交軸命令電池儲能變速策略參數來算出系統相電壓，且用以根據系統相電壓來取得切換訊號。
在一些實施例中，上述馬達為永磁同步電機 (Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)。
在一些實施例中，上述儲能系統之動力匹配控制裝置的變速機制為電子式變速且為無段變速。
在一些實施例中，上述能量管理模組係用以調整電池模組的放電深度。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100‧‧‧儲能系統之動力匹配控制裝置
120‧‧‧運動控制模組
121‧‧‧速度控制器
122‧‧‧單位電流最大轉矩(MTPA)單元
123d‧‧‧直軸電流控制器
123q‧‧‧交軸電流控制器
124‧‧‧電壓解耦單元
125‧‧‧空間向量脈衝寬度調變(SVPWM)單元
140‧‧‧能量管理模組
142‧‧‧永磁同步電機(PMSM)反函數單元
144‧‧‧能量管理決策單元
160‧‧‧馬達驅動模組
162‧‧‧電池模組
164‧‧‧變頻器
180‧‧‧馬達
B1、B2‧‧‧電池
S1、S2、S3‧‧‧開關
Figure 108122691-A0101-12-0012-65
‧‧‧速度命令
ω m ‧‧‧速度回授資訊
Figure 108122691-A0101-12-0012-66
‧‧‧總電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0013-67
‧‧‧直軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0013-69
‧‧‧交軸電流命令
V d ‧‧‧直軸電流控制器輸出電壓訊號
V q ‧‧‧交軸電流控制器輸出電壓訊號
Figure 108122691-A0101-12-0013-70
‧‧‧直軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-12-0013-72
‧‧‧交軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-12-0013-73
‧‧‧直軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-12-0013-74
‧‧‧交軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-12-0013-75
‧‧‧系統相電壓
S EM ‧‧‧切換訊號
從以下結合所附圖式所做的詳細描述，可對本揭露之態樣有更佳的了解。需注意的是，根據業界的標準實務，各特徵並未依比例繪示。事實上，為了使討論更為清楚，各特徵的尺寸都可任意地增加或減少。
[圖1]係根據本揭露的實施例之儲能系統之動力匹配控制裝置的系統方塊圖。
以下仔細討論本發明的實施例。然而，可以理解的是，實施例提供許多可應用的概念，其可實施於各式各樣的特定內容中。所討論、揭示之實施例僅供說明，並非用以限定本發明之範圍。
圖1係根據本揭露的實施例之儲能系統之動力匹配控制裝置100的系統方塊圖。儲能系統之動力匹配控制裝置100包含運動控制模組120、能量管理模組140與馬達 驅動模組160。馬達驅動模組160包含電池模組162與變頻器(inverter)164，馬達驅動模組160用以驅動馬達180。在本揭露的實施例中，馬達180為永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)，例如內置式永磁同步電機(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor，IPMSM)，但本揭露不限於此。
在本揭露的實施例中，運動控制模組120包含速度控制器121、單位電流最大轉矩(maximum torque per ampere，MTPA)單元122、電流控制器123d與123q、電壓解耦單元124與空間向量脈衝寬度調變(space vector pulse width modulation，SVPWM)單元125。
在本揭露的實施例中，速度控制器121用以根據相應於速度需求的速度命令
Figure 108122691-A0101-12-0005-28
以及由馬達180所回傳之速度回授資訊ω m 來算出總電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0005-29
，其運算式如下式(1)所示：
Figure 108122691-A0101-12-0005-1
 其中，k P,speed 為速度比例控制器，
Figure 108122691-A0101-12-0005-2
為速度積分控制器。 在本揭露的實施例中，速度回授資訊ω m 乃是由馬達180的編碼器(encoder)(圖未示)所送出之馬達180的位置資訊經微分器(圖未示)微分後所產生。
在本揭露的實施例中，速度控制器121電性連接MTPA單元122，MTPA單元122用以根據總電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0005-30
來算出相應於同步旋轉軸之直軸(d軸)電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0005-31
與交軸(q 軸)電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0006-32
，其運算式如下式(2)所示：
Figure 108122691-A0101-12-0006-3
 其中，λ f 為永磁同步電機(即馬達180)之磁鐵磁交鏈(flux linkage)，L q 為交軸電感，L d 為直軸電感。
在本揭露的實施例中，電流控制器包含直軸電流控制器123d與交軸電流控制器123q，MTPA單元122電性連接直軸電流控制器123d與交軸電流控制器123q。直軸電流控制器123d用以根據直軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0006-33
來計算出直軸電流控制器輸出電壓訊號V d ，交軸電流控制器123q用以根據交軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0006-34
來計算出交軸電流控制器輸出電壓訊號V q ，其運算式如下式(3)所示：
Figure 108122691-A0101-12-0006-5
 其中，I d 為直軸電流回授資訊，I q 為交軸電流回授資訊，k P,d-curent 為直軸電流比例控制器，k P,q-curent 為交軸電流比例控制 器，
Figure 108122691-A0101-12-0006-6
為直軸電流積分控制器，
Figure 108122691-A0101-12-0006-7
為交軸電流積 分控制器。
在本揭露的實施例中，電壓解耦單元124電性連接電流控制器123d與123q，電壓解耦單元124用以根據 直軸電流控制器輸出電壓訊號V d 與交軸電流控制器輸出電壓訊號V q 來分別算出直軸電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-4
與交軸電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-5
，其運算式如下式(4)與式(5)所示：
Figure 108122691-A0305-02-0010-1
Figure 108122691-A0305-02-0010-2
 其中，ω e 為電氣頻率資訊，P為永磁同步電機(即馬達180)之轉子極數。
在本揭露的實施例中，SVPWM單元125電性連接電壓解耦單元124，SVPWM單元125用以根據直軸電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-6
與交軸電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-7
算出靜止座標系alpha軸(α軸)電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-8
與靜止座標系beta軸(β軸)電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-9
，其運算式如下式(6)所示：
Figure 108122691-A0305-02-0010-3
 其中，θ e 為電氣角資訊。
綜上，運動控制模組120所包含之速度控制器121、MTPA單元122、電流控制器123d與123q以及電壓解耦單元124用以根據速度命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-10
與馬達180之速度回授資訊ω m 來算出直軸電流命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-11
與交軸電流命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-12
，且用以根據直軸電流命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-13
與交軸電流命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-14
來分別算出直軸電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-15
與交軸電壓命令
Figure 108122691-A0305-02-0010-16
。
在本揭露的實施例中，能量管理模組140電性連接運動控制模組120，能量管理模組140包含永磁同步電 機(permanent-magnet synchronous motor，PMSM)反函數單元142與能量管理決策單元144。能量管理模組140用以自運動控制模組120接收直軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0008-48
與交軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0008-49
，能量管理模組140的PMSM反函數單元142用以根據直軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0008-50
、交軸電流命令
Figure 108122691-A0101-12-0008-51
以及由馬達180所回傳之速度回授資訊ω m 來進行永磁同步電機(PMSM)反函數模型計算，從而算出直軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-12-0008-52
與交軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-12-0008-53
，能量管理模組140的能量管理決策單元144用以根據直軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-12-0008-54
與交軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-12-0008-55
來算出系統相電壓
Figure 108122691-A0101-12-0008-56
，其運算式如下式(7)與式(8)所示：
Figure 108122691-A0101-12-0008-13
Figure 108122691-A0101-12-0008-14
 其中，R s 為電機相電阻，k stiffness 為永磁同步電機(即馬達180)之近似微分控制器的參數。
在本揭露的實施例中，能量管理模組140的能量管理決策單元144更用以根據系統相電壓
Figure 108122691-A0101-12-0008-57
來取得切換訊號S EM 。其中，能量管理模組140的能量管理決策單元144乃是藉由比較系統相電壓
Figure 108122691-A0101-12-0008-58
與馬達驅動模組160之電池模組162之最高電壓V max來取得切換訊號S EM ：當系統相電壓
Figure 108122691-A0101-12-0008-59
大於或等於最高電壓V max之一半時，切換訊號S EM 等於1；當系統相電壓
Figure 108122691-A0101-12-0008-60
小於最高電壓V max之一半時，切換訊號S EM 等於 0，其表示式如下式(9)所示：
Figure 108122691-A0101-12-0009-15
在本揭露的實施例中，馬達驅動模組160電性連接至能量管理模組140，馬達驅動模組160用以自能量管理模組140接收切換訊號S EM 。馬達驅動模組160用以根據切換訊號S EM 來選擇性地將馬達驅動模組160之電池模組162切換為串聯模式或並聯模式：當切換訊號S EM 等於1時，馬達驅動模組160將電池模組162切換為串聯模式；當切換訊號S EM 等於0時，馬達驅動模組160將電池模組162切換為並聯模式。如圖1所示，電池模組162包含電池B1、電池B2、開關S1、開關S2、開關S3，當切換訊號S EM 等於1時，開關S1接通，開關S2與開關S3打開，因此電池B1與電池B2串聯連接而成串聯模式；當切換訊號S EM 等於0時，開關S2與開關S3接通，開關S1打開，電池B1與電池B2並聯連接而成並聯模式。
對本揭露而言，當電池模組162處於並聯模式時，其端電壓為電池模組162處於串聯模式時的1/2，且其可用容量(capacity，單位為安培‧小時(Ah))為電池模組162處於串聯模式時的兩倍，此外，串聯模式所對應的特性為高負載範圍、高速操作，對於應用本揭露的電動載具而言，串聯模式適用於行駛於高速公路時的高速模式(highway mode)，並聯模式所對應的特性為低系統阻抗，適用於高加減速的行駛於市區(urban mode)時或爬坡之狀 態模式。具體而言，本揭露藉由適當地將電池模組162切換至不同的操作模式(即並聯模式或串聯模式)，來調節系統之線電壓，從而使得馬達180有不同的機械操作特性，且藉此調整(降低)電池模組162的放電深度，從而提升電池模組162的續航能力，增加可用能量，且提升系統操作範圍，換言之，本揭露的儲能系統之動力匹配控制裝置100能夠延長電池模組162的壽命與單次充電之續航里程，並減少電池發熱量。
值得一提的是，傳統上的車輛變速策略為機械式變速，即藉由機械式變速箱來透過機芯嚙合以達成變速的需求。而本揭露可透過切換訊號S EM 來將電池模組162適當地切換至並聯模式或串聯模式，從而實現電子式變速，本揭露可實現無段變速，降低放電深度，提升電池模組之可用容量，從而避免因為放電深度過高而導致可用能量少且危險性高的相關問題。換言之，本揭露的儲能系統之動力匹配控制裝置100的變速機制為電子式變速且為無段變速。另外，本裝置可直接擴增於現有電動載具上來直接取代機械式變速箱之功能，因此於實作上亦具有簡單、便利的優勢。
在本揭露的實施例中，SVPWM單元125用以根據切換訊號S EM 、靜止座標系alpha軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-12-0010-61
與靜止座標系beta軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-12-0010-62
來決定變頻器的調變參數T 1、T 2，其運算式如下式(10)所示：
Figure 108122691-A0101-12-0011-16
 其中，T s 為變頻器運作週期。
在本揭露的實施例中，運動控制模組120用以根據切換訊號S EM 、直軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-12-0011-63
與交軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-12-0011-64
來調變馬達驅動模組160之變頻器164，從而使得馬達驅動模組160能夠藉由被調變後的變頻器164來驅動馬達180。
綜合上述，本揭露提出一種儲能系統之動力匹配控制裝置100，藉由比較系統相電壓與電池模組之最高電壓來決定切換訊號，並根據切換訊號來選擇性地將電池模組切換為串聯模式或並聯模式，從而使得馬達具有不同的機械操作特性，藉此降低放電深度，延長電池模組的壽命並提升電池模組的續航能力。本揭露不須利用超電容進行電池功率輔助而同樣能達成降低放電深度的目的，因此相較於利用超電容進行電池功率輔助的習知技術，本揭露更具有使用元件較少、成本較低、體積較小的優點。
以上概述了數個實施例的特徵，因此熟習此技藝者可以更了解本揭露的態樣。熟習此技藝者應了解到，其可輕易地把本揭露當作基礎來設計或修改其他的製程與結構，藉此實現和在此所介紹的這些實施例相同的目標及/或達到相同的優點。熟習此技藝者也應可明白，這些等效的建構並未脫離本揭露的精神與範圍，並且他們可以在不脫離本 揭露精神與範圍的前提下做各種的改變、替換與變動。
100‧‧‧儲能系統之動力匹配控制裝置
120‧‧‧運動控制模組
121‧‧‧速度控制器
122‧‧‧單位電流最大轉矩(MTPA)單元
123d‧‧‧直軸電流控制器
123q‧‧‧交軸電流控制器
124‧‧‧電壓解耦單元
125‧‧‧空間向量脈衝寬度調變(SVPWM)單元
140‧‧‧能量管理模組
142‧‧‧永磁同步電機(PMSM)反函數單元
144‧‧‧能量管理決策單元
160‧‧‧馬達驅動模組
162‧‧‧電池模組
164‧‧‧變頻器
180‧‧‧馬達
B1、B2‧‧‧電池
S1、S2、S3‧‧‧開關
Figure 108122691-A0101-11-0003-19
‧‧‧速度命令
ω m ‧‧‧速度回授資訊
Figure 108122691-A0101-11-0003-20
‧‧‧總電流命令
Figure 108122691-A0101-11-0003-21
‧‧‧直軸電流命令
Figure 108122691-A0101-11-0003-22
‧‧‧交軸電流命令
V d ‧‧‧直軸電流控制器輸出電壓訊號
V q ‧‧‧交軸電流控制器輸出電壓訊號
Figure 108122691-A0101-11-0003-23
‧‧‧直軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-11-0003-24
‧‧‧交軸電壓命令
Figure 108122691-A0101-11-0003-25
‧‧‧直軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-11-0003-26
‧‧‧交軸命令電池儲能變速策略參數
Figure 108122691-A0101-11-0003-27
‧‧‧系統相電壓
S EM ‧‧‧切換訊號

Claims (10)

  1. 一種儲能系統之動力匹配控制裝置，包含：一運動控制模組，用以根據一速度命令與一馬達之一速度回授資訊來算出一直軸電流命令與一交軸電流命令，且用以根據該直軸電流命令與該交軸電流命令來分別算出一直軸電壓命令與一交軸電壓命令；一能量管理模組，用以根據該直軸電流命令、該交軸電流命令與該馬達之該速度回授資訊來算出一系統相電壓，且用以根據該系統相電壓來決定一切換訊號；以及一馬達驅動模組，用以根據該切換訊號來選擇性地將該馬達驅動模組之一電池模組切換為串聯模式或並聯模式；其中，該運動控制模組更用以根據該切換訊號、該直軸電壓命令與該交軸電壓命令來調變該馬達驅動模組之一變頻器(inverter)；其中，該馬達驅動模組更用以藉由該變頻器來驅動該馬達。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中，該能量管理模組乃是藉由比較該系統相電壓與該電池模組之一最高電壓來取得該切換訊號。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之儲能系統之 動力匹配控制裝置，其中，當該系統相電壓大於或等於該最高電壓之一半時，該切換訊號等於1；其中，當該系統相電壓小於該最高電壓之一半時，該切換訊號等於0。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中，當該切換訊號等於1時，該馬達驅動模組將該電池模組切換為串聯模式；其中，當該切換訊號等於0時，該馬達驅動模組將該電池模組切換為並聯模式。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中該運動控制模組包含：一速度控制器，用以根據該速度命令與該速度回授資訊來算出一總電流命令；一單位電流最大轉矩(maximum torque per ampere，MTPA)單元，用以根據該總電流命令來算出該直軸電流命令與該交軸電流命令；一電流控制器，用以根據該直軸電流命令與該交軸電流命令來分別算出一直軸電流控制器輸出電壓訊號與一交軸電流控制器輸出電壓訊號；以及一電壓解耦單元，用以根據該直軸電流控制器輸出電 壓訊號與該交軸電流控制器輸出電壓訊號來分別算出該直軸電壓命令與該交軸電壓命令。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中該運動控制模組還包含：一空間向量脈衝寬度調變(space vector pulse width modulation，SVPWM)單元，用以根據該直軸電壓命令與該交軸電壓命令來算出一靜止座標系alpha軸電壓命令與一靜止座標系beta軸電壓命令，且用以根據該切換訊號、該靜止座標系alpha軸電壓命令與該靜止座標系beta軸電壓命令來決定該變頻器的複數個調變參數，從而據以調變該變頻器。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中該能量管理模組包含：一永磁同步電機(permanent-magnet synchronous motor，PMSM)反函數單元，用以根據該直軸電流命令、該交軸電流命令與該馬達之該速度回授資訊來算出一直軸命令電池儲能變速策略參數與一交軸命令電池儲能變速策略參數；以及一能量管理決策單元，用以根據該直軸命令電池儲能變速策略參數與該交軸命令電池儲能變速策略參數來算出該系統相電壓，且用以根據該系統相電壓來取得該切換訊號。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中該馬達為永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中該儲能系統之動力匹配控制裝置的變速機制為電子式變速且為無段變速。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之儲能系統之動力匹配控制裝置，其中該能量管理模組係用以調整該電池模組的一放電深度。
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