TWI827379B - 電動車輛之馬達控制器及馬達控制方法 - Google Patents

電動車輛之馬達控制器及馬達控制方法 Download PDF

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Abstract

電動車輛之馬達控制方法應用於馬達控制器，該馬達控制器用以控制馬達，該馬達控制器由電池所供電。該馬達控制方法包括：當該馬達控制器的主繼電器突然跳脫時，於第一階段內，該馬達控制器的第一組保護電路的二極體及第一限流電阻將突波電流回注至該電池，以抑制該突波電流；以及，於第二階段內，該馬達控制器的控制單元導通該馬達控制器的第二組保護電路的放電開關，該第二組保護電路的該放電開關及第二限流電阻將該突波電流釋放至一參考電壓範圍。

Description

電動車輛之馬達控制器及馬達控制方法
本發明是有關於一種電動車輛之馬達控制器及馬達控制方法。
由於環保意識抬頭，電動車輛受到愈來愈多的重視。在電動車輛內部的主繼電器(main relay)正常狀況下，當電動車在高速行駛時，駕駛若突然剎車，此時電機的反電動勢能量可經由內部電流路徑而回充到高壓電池端，此稱為剎車回充。
但在主繼電器已跳脫而且不可控的情況下，或者是駕駛者將電動車的電源關閉(Key-off)，此時由反電動勢所造成的瞬間突波電流將使得電動車輛內的直流匯流排(DC bus)(直流匯流排亦可稱為母線)上的功率元件(如功率開關)及其他裝置被損壞。
故而，需要有一種電動車輛的馬達控制器及馬達控制方法，可以解決電動車輛的馬達反電動勢造成的瞬間突波電流損壞功率開關及其他裝置之問題。
根據本案一方面，提出一種電動車輛之馬達控制器，用以控制一馬達，該馬達控制器由一電池所供電。該馬達控制器包括：一功率分配單元，耦接至該電池，以及一控制單元，耦接至該功率分配單元，該控制單元具有功率保持功能。該功率分配單元包括：一主繼電器、一第一組保護電路與一第二組保護電路。該主繼電器之一第一端耦接至該電池的一正電極端，該主繼電器之一第二端耦接至一直流匯流排之一正極。該第一組保護電路並聯於該主繼電器，該第一組保護電路耦接至該電池，該第一組保護電路包括：一二極體及一第一限流電阻，其中，該二極體串聯於該第一限流電阻。該第二組保護電路包括：一放電開關及一第二限流電阻，該放電開關串聯於該第二限流電阻，該第二組保護電路並聯於該直流匯流排之該正極與該直流匯流排之一負極之間，該第二組保護電路置於該主繼電器之該第二端與該直流匯流排之該正極之間。當該主繼電器突然跳脫時，於一第一階段內，該第一組保護電路的該二極體及該第一限流電阻將一突波電流回注至該電池，以抑制該突波電流。於一第二階段內，該控制單元導通該放電開關，該第二組保護電路的該放電開關及該第二限流電阻將該突波電流釋放至一參考電壓範圍。
根據本案另一方面，提出一種電動車輛之馬達控制方法，應用於一馬達控制器，該馬達控制器用以控制一馬達，該馬達控制器由一電池所供電。該馬達控制方法包括：當該馬達控制器的一主繼電器突然跳脫時，於一第一階段內，該馬達控制器 的一第一組保護電路的一二極體及一第一限流電阻將一突波電流回注至該電池，以抑制該突波電流；以及，於一第二階段內，該馬達控制器的一控制單元導通該馬達控制器的一第二組保護電路的一放電開關，該第二組保護電路的該放電開關及一第二限流電阻將該突波電流釋放至一參考電壓範圍。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100:馬達控制器
110:功率級
120:功率分配單元
130:控制單元
140:電壓轉換器
50:馬達
150、160:電池
145:直流匯流排
121:主繼電器
123、125:保護電路
D:飛輪二極體
R1、R2:限流電阻
SW:放電開關
P1、P2:電流路徑
310-360:步驟
第1圖繪示依據本案一實施例的電動車輛之馬達控制器之電路圖。
第2圖繪示依據本案一實施例的電動車輛之馬達控制器之操作示意圖。
第3圖顯示根據本案一實施例的電動車輛的馬達控制方法。
本說明書的技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。本揭露之各個實施例分別具有一或多個技術特徵。在可能實施的前提下，本技術領域具有通常知識者可選擇性地實施任一實施例中部分或全部的技術特徵，或者選擇性地將這些實施例中部分或全部的技術特徵加以組合。
第1圖繪示依據本案一實施例的電動車輛之馬達控 制器之電路圖。第2圖繪示依據本案一實施例的電動車輛之馬達控制器之操作示意圖。如第1圖所示，依據本案一實施例的電動車輛之馬達控制器100包括：功率級(power stage)110、功率分配單元(power distribution unit，PDU)120、控制單元130與電壓轉換器140。馬達控制器100可以控制馬達50。馬達控制器100更耦接至第一電池150與第二電池160，以由第一電池150與第二電池160所供電。
功率級110耦合至馬達50，用以提供馬達50功率。在本案一實施例中，功率級110例如但不受限於是，三相六臂功率級。功率級110包括：開關S1~S6與電容CAP。開關S1與S4為串聯於直流匯流排145之正負極之間。開關S2與S5為串聯於直流匯流排145之正負極之間。開關S3與S6為串聯於直流匯流排145之正負極之間。開關S1~S6受控於控制單元130。電容CAP橫跨於直流匯流排145之正負極之間。
功率分配單元120包括：主繼電器121、第一組保護電路123與第二組保護電路125。
主繼電器121之一第一端(負端)耦接至第一電池150的一正電極端，主繼電器121之第二端(正端)耦接至直流匯流排145之正極。
第一組保護電路123並聯於主繼電器121。第一組保護電路123包括：飛輪二極體D及第一限流電阻R1，其中，飛輪二極體D串聯於第一限流電阻R1。該第一組保護電路123 用於抑制突波電流，以避免突波電流損壞其他元件。該第一組保護電路123可將突波電流注入第一電池150，以達抑制突波電流。
第二組保護電路125包括：放電開關SW及第二限流電阻R2，放電開關SW串聯於第二限流電阻R2。第二組保護電路125並聯於直流匯流排145之正負極之間。第二組保護電路125置於主繼電器正極與直流匯流排145正極之間，可迅速抑制突波電流並將突波電壓釋放到低電壓範圍。
在本案一實施例中，當主繼電器121突然跳脫時，於第一階段內，由第一組保護電路123的飛輪二極體D及第一限流電阻R1將突波電流回注至第一電池150，以達成突波電流抑制，達到立即電流抑制的效果。第一階段內的突波電流路徑如第2圖的電流路徑P1所示。接著，於第二階段內，由第二組保護電路125的放電開關SW及第二限流電阻R2將突波電流釋放至接地端，以迅速釋放突波電流到可允許的低電壓範圍。第二階段內的突波電流路徑如第2圖的電流路徑P2所示。
控制單元130耦接至功率級110與功率分配單元120。控制單元130具有功率保持(power hold)功能。亦即，當電動車輛的電源突然被切斷時，控制單元130的電源不會立即被切斷，仍可以暫時保持功率以進行控制操作。
在本案一實施例中，控制單元130例如但不受限於，可以是車輛控制單元(vehicle control unit，VCU)。控制單元130包括：電子控制單元(未示出)及控制線路(未示出)，電子控制單元 可接收電動車輛狀態資訊。電動車輛狀態資訊包括，例如但不受限於，馬達轉速、主繼電器的電壓值、直流匯流排的電壓值。電子控制單元可控制放電開關SW之開啟或閉合。控制單元130可由硬體、軟體或韌體所實施，其皆在本案精神範圍內。
電壓轉換器140耦接至第二電池160，用以將第二電池160的電池電壓轉換並提供至直流匯流排145。在本案一實施例中，電壓轉換器140例如但不受限於，為直流直流電壓轉換器。
第一電池150例如但不受限於，為高壓電池。第一電池150耦接至主繼電器121。
第二電池160例如但不受限於，為12V電池。第二電池160耦接至電壓轉換器140。
本案一實施例的電動車輛之馬達控制方法，或可稱為電機反電動勢能量回收控制方法，可用以控制馬達控制器100。該電動車輛之馬達控制方法係以軟體、韌體或電路方式儲存或安裝於控制單元130中，並由控制單元130讀取或啟動後執行以下步驟：(1)控制單元130依據馬達轉速與直流匯流排145上的電壓值，判斷反電動勢是否達到造成突波電流之觸發條件；(2)若主繼電器121已開啟，且反電動勢已達到造成突波電流之觸發條件，控制單元130將放電開關SW導通，以達到抑制電流之功效。
第3圖顯示根據本案一實施例的電動車輛的馬達控制方法。於步驟310中，控制單元130檢查主繼電器121是否正 常。當主繼電器121正常時，流程接續至步驟320。當主繼電器121不正常時，流程重複步驟310。
步驟320中，控制單元130檢查電動車輛的轉速是否高於一參考轉速(例如但不受限於，5000rpm)，且控制單元130檢查電動車輛的電源是否關閉(Key-off)，且，控制單元130檢查主繼電器121是否跳脫。當步驟320的三項檢查皆為是時，流程接續至步驟330。當步驟320的三項檢查至少有一項為否時，流程重複步驟320。
步驟330中，於第一階段內，由第一組保護電路123的飛輪二極體D及第一限流電阻R1將突波電流抑制(將突波電流注入至第一電池150)，達到立即電流抑制的效果。
步驟340中，控制單元130導通第二組保護電路125的放電開關SW。亦即，步驟340中，於第二階段內，由第二組保護電路125的放電開關SW及第二限流電阻R2將突波電流釋放至接地端，以迅速釋放突波電流到可允許的低電壓範圍。
步驟350中，控制單元130判斷直流匯流排上的電壓是否小於安全值(例如但不受限於，80V+10%)。
當步驟350為是時，流程接續至步驟360。當步驟350為否時，流程重複步驟350。
步驟360中，控制單元130關閉第二組保護電路125的放電開關SW。
由上述可知，在本案一實施例中，從整車系統觀點 實施保護，利用兩組保護電路(123與125)達成將反電動勢能量回注到第一電池150及抑制突波電流的效果。當主繼電器121突然跳脫的第一階段內，由第一組保護電路123的飛輪二極體D及第一限流電阻R1將突波電流抑制，達到立即電流抑制的效果。接著，於第二階段內，由第二組保護電路125的放電開關SW及第二限流電阻R2將突波電流迅速釋放到可允許的低電壓範圍(例如但不受限於，80V+10%)。
由實驗模擬可知，在習知技術中，當發生突波時，在主繼電器跳脫的情況下，直流匯流排上的電壓可能高達120V，且要經過一段長時間才能排除此突波。相反地，在本案一實施例中，當發生突波時，即便是主繼電器跳脫的情況下，直流匯流排上的電壓將被限制在82V左右，且此突波可以回注到高壓電池，故而，本案實施例不但可以抑制突波電壓，也可有效將能量回注到高壓電池，達成高能量再使用率。
故而，在本案一實施例中，由整車系統方面作為保護策略，運用兩組保護電路搭配控制技術，達成反電動勢能量回收到第一電池150及抑制突波電流(Surge Current)之功效，以解決反電動勢的突波電流造成功率開關及其他控制器損壞之問題。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
310-360:步驟

Claims (9)

  1. 一種電動車輛之馬達控制器，用以控制一馬達，該馬達控制器由一電池所供電，該馬達控制器包括：一功率分配單元，耦接至該電池；以及一控制單元，耦接至該功率分配單元，該控制單元具有功率保持功能，其中，該功率分配單元包括：一主繼電器、一第一組保護電路與一第二組保護電路；該主繼電器之一第一端耦接至該電池的一正電極端，該主繼電器之一第二端耦接至一直流匯流排之一正極；該第一組保護電路並聯於該主繼電器，該第一組保護電路耦接至該電池，該第一組保護電路包括：一二極體及一第一限流電阻，其中，該二極體串聯於該第一限流電阻；該第二組保護電路包括：一放電開關及一第二限流電阻，該放電開關串聯於該第二限流電阻，該第二組保護電路並聯於該直流匯流排之該正極與該直流匯流排之一負極之間，該第二組保護電路置於該主繼電器之該第二端與該直流匯流排之該正極之間；以及當該主繼電器突然跳脫時，於一第一階段內，該第一組保護電路的該二極體及該第一限流電阻將一突波電流回注至該電池，以抑制該突波電流，以及，於一第二階段內，該控制單 元導通該放電開關，該第二組保護電路的該放電開關及該第二限流電阻將該突波電流釋放至一參考電壓範圍。
  2. 如請求項1所述之馬達控制器，其中，該控制單元接收一電動車輛狀態資訊，該電動車輛狀態資訊包括：一馬達轉速、該主繼電器的一電壓值與該直流匯流排的一電壓值。
  3. 如請求項1所述之馬達控制器，其中，該控制單元依據一馬達轉速與該直流匯流排的一電壓值，判斷一反電動勢是否達到造成該突波電流之一觸發條件；以及若該主繼電器已開啟，且該反電動勢已達到造成該突波電流之該觸發條件，該控制單元導通該放電開關。
  4. 如請求項1所述之馬達控制器，其中，當該控制單元檢查該主繼電器為正常時，該控制單元檢查該電動車輛的一轉速是否高於一參考轉速，且檢查該電動車輛的一電源是否關閉，且，檢查該主繼電器是否跳脫；當該電動車輛的該轉速高於該參考轉速，且該電動車輛的該電源為關閉，且該主繼電器為跳脫時，於該第一階段內，由該第一組保護電路的該二極體及該第一限流電阻將該突波電流抑制並回注至該電池；於該第二階段內，該控制單元導通該放電開關，以由該第二組保護電路的該放電開關及該第二限流電阻將該突波電流釋放； 該控制單元判斷一直流匯流排電壓是否小於一安全值；以及當控制單元判斷該直流匯流排電壓小於該安全值時，該控制單元關閉該第二組保護電路的該放電開關。
  5. 一種電動車輛之馬達控制方法，應用於一馬達控制器，該馬達控制器用以控制一馬達，該馬達控制器由一電池所供電，該馬達控制方法儲存或安裝於該馬達之一控制單元中，並由該控制單元讀取或啟動後執行以下步驟：當該馬達控制器的一主繼電器突然跳脫時，於一第一階段內，該馬達控制器的一第一組保護電路的一二極體及一第一限流電阻將一突波電流回注至該電池，以抑制該突波電流；以及於一第二階段內，該控制單元導通該馬達控制器的一第二組保護電路的一放電開關，該第二組保護電路的該放電開關及一第二限流電阻將該突波電流釋放至一參考電壓範圍。
  6. 如請求項5所述之馬達控制方法，其中，該控制單元具有功率保持功能；該主繼電器之一第一端耦接至該電池的一正電極端，該主繼電器之一第二端耦接至一直流匯流排之一正極；該第一組保護電路並聯於該主繼電器，該第一組保護電路耦接至該電池，該二極體串聯於該第一限流電阻；以及該放電開關串聯於該第二限流電阻，該第二組保護電路並聯於該直流匯流排之該正極與該直流匯流排之一負極之間，該 第二組保護電路置於該主繼電器之該第二端與該直流匯流排之該正極之間。
  7. 如請求項5所述之馬達控制方法，其中，該控制單元接收一電動車輛狀態資訊，該電動車輛狀態資訊包括：一馬達轉速、該主繼電器的一電壓值與該直流匯流排的一電壓值。
  8. 如請求項5所述之馬達控制方法，其中，該控制單元依據一馬達轉速與該直流匯流排的一電壓值，判斷一反電動勢是否達到造成該突波電流之一觸發條件；以及若該主繼電器已開啟，且該反電動勢已達到造成該突波電流之該觸發條件，該控制單元導通該放電開關。
  9. 如請求項5所述之馬達控制方法，其中，當該控制單元檢查該主繼電器為正常時，該控制單元檢查該電動車輛的一轉速是否高於一參考轉速，且檢查該電動車輛的一電源是否關閉，且檢查該主繼電器是否跳脫；當該電動車輛的該轉速高於該參考轉速，且該電動車輛的該電源為關閉，且該主繼電器為跳脫時，於該第一階段內，由該第一組保護電路的該二極體及該第一限流電阻將該突波電流抑制並回注至該電池；於該第二階段內，該控制單元導通該放電開關，以由該第二組保護電路的該放電開關及該第二限流電阻將該突波電流釋放； 該控制單元判斷一直流匯流排電壓是否小於一安全值；以及當控制單元判斷該直流匯流排電壓小於該安全值時，該控制單元關閉該第二組保護電路的該放電開關。
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