TWI829114B

TWI829114B - 電動車的電力系統

Info

Publication number: TWI829114B
Application number: TW111110155A
Authority: TW
Inventors: 湯瑪斯薩迪萊克; 汝錫王; 薩蒂亞基穆克吉; 林輝信; 魏宗華; 彼得包
Original assignee: 台達電子工業股份有限公司
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2024-01-11
Also published as: TW202337726A

Abstract

本案提供一種可減少電動車之電力系統中的元件數量的馬達驅動集成式車載充電器。元件數量的減少可通過在充電模式下利用馬達及馬達驅動逆變器作為車載充電器的一部分來實現。通過控制繼電器，系統中的電連接關係可依據其工作狀態而被重構。一方面來說，馬達及馬達驅動逆變器起到升壓PFC及/或電流調節器的作用。

Description

電動車的電力系統

本案係關於一種利用馬達驅動電路之元件減少電動車中之電力系統的成本及體積的車載充電器。

電動車係由電動馬達驅動，而非由內燃機驅動。相比之下，電動馬達不會排放溫室氣體，而內燃機則會，此將造成空氣污染並引發全球暖化。隨著環境保護日益重要，人們對於電動車的興趣亦急劇增加。

第1A圖為電動車之電力系統10的概念示意圖。電力系統10包含馬達11、馬達驅動器12、電池13、車載充電器14和AC輸入15。電動馬達11可連接於電動車的機械系統。電動馬達11將電力系統10中的電能轉換為機械能，以使電動車的車輪轉動。馬達驅動器12將電能自電池13傳輸至馬達11。車載充電器14將電能自外部AC輸入15傳輸至電池13。由此可看出電力系統10需包含馬達驅動器12和車載充電器14的元件。

第1B及1C圖分別示出了在驅動模式及電池充電模式下電力系統10中的電能流動方向。在驅動模式下，如第1B圖所示，電能自電池13傳輸至馬達11，電池13被放電，車載充電器14不運作。在電池充電模式下，如第1C圖所示，電能自AC輸入15傳輸至電池13，電池13被充電，馬達驅動器12不運作。可注意到在電力系統10中，馬達驅動器12和車載充電器14不同時運作，意即，在驅動模式下僅有馬達驅動器12運作，而在電池充電模式下僅有車載充電器14運作。由於馬達驅動器12和車載充電器14不同時運作，故可利用馬達11及/或馬達驅動器12作為車載充電器14的一部分，以減少電力系統10中的元件數量。

第2A圖為具三相馬達之電動車的傳統電力系統20的電路結構示意圖。電力系統20包含三相馬達21、馬達驅動逆變器22、電池23、車載充電器24和AC輸入25。三相馬達21和馬達驅動逆變器22經由繼電器R₂連接於電池23的右側。基於安全考量，繼電器R₁和R₂是必要的，藉此，在電力系統20不運作時，電池23可與電力系統20在物理上斷開連接。

三相馬達21具有嵌設於定子組件中的三個繞組。每一定子繞組在電性上可以一電感表示。馬達驅動逆變器22包含相同的三個半橋橋臂，此三個半橋橋臂包含開關S₁、S₂、...、S₆。每個半橋橋臂的開關節點連接於馬達21之定子繞組的一端。定子繞組的另一端共同連接於單一節點(即中性點)。馬達驅動逆變器22通過調整半橋橋臂的占空比來控制馬達的相電流及轉矩。車載充電器24為兩級架構，分別為AC/DC PFC(power factor correcting，功率因數校正)級241和隔離式DC/DC轉換級242。AC/DC PFC級241調節輸入電流的波形形狀，使得充電器實現高功率因數和輸入電流的低總諧波失真。

由於升壓轉換器易於控制且其輸入電流連續，故在AC/DC PFC級241中通常使用升壓轉換器。在此示例中，AC/DC PFC級241 包含整流二極體D₁、D₂、D₃和D₄、升壓電感L_PFC、升壓開關S_B1及升壓二極體D₅。在鏈電容C_O,PFC上的AC/DC PFC級241的輸出電壓為具有低頻漣波的準直流，其中低頻漣波是由單相系統中典型的大功率漣波所造成的。當輸入電壓V_AC為零時，輸入功率為零，反之，當輸入電壓V_AC最大時，功率也最大。因此，AC/DC PFC級241的功率流在線週期期間波動。由於交流電壓中具有兩個過零點，故AC/DC PFC級241的功率以電網頻率的兩倍波動。

DC/DC轉換級242連接於AC/DC PFC級241後，並為電池23提供隔離阻障及固定的DC充電電流。就隔離式DC/DC轉換器而言，由於LLC諧振轉換器拓撲可以少量組件達到高效率，故如今LLC諧振轉換器拓撲被廣泛使用。第2A圖示出了隔離式半橋LLC諧振轉換器，其包含主開關S_INV1和S_INV2、諧振電感L_R、諧振電容C_R1和C_R2、變壓器TR、整流二極體D_R1和D_R2及輸出電容C_IN2。可以看出，車載充電器的三種主要功能為功率因數校正、隔離和直流充電電流調節。

第2B和2C圖分別示出了第2A圖中傳統電力系統的驅動模式和電池充電模式。第2B圖示出了驅動模式下的運作狀態，其中繼電器R₂導通且繼電器R₁關斷，使得電池23僅連接於馬達21和馬達驅動逆變器22，車載充電器24關閉且不運作。儲存在電池23中的能量在利用電力系統20驅動電動車的過程中逐漸消耗。第2C圖示出了電池充電模式下的運作狀態，其中繼電器R₂關斷且繼電器R₁導通，使得電池23僅連接於車載充電器24，馬達驅動逆變器22關閉且馬達21不運作。

參考文獻：

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本案提供可減少電動車之電力系統中的元件數量的馬達驅動集成式車載充電器。在電動車中，電力系統包含馬達、馬達驅動器及車載充電器。在充電模式下，車載充電器執行三種主要功能：功率因數校正(power factor correcting，PFC)、隔離及電流調節。在傳統系統中，電力系統的每一部分僅執行個別功能。因此，在充電模式下無法使用馬達及馬達驅動逆變器，而從另一角度來看，驅動模式下則無法使用車載充電器。本案的轉換器拓撲可於充電模式下利用馬達及馬達驅動逆變器作為車載充電器的一部分，藉此減少電力系統中的元件數量。在本案實施例中，通過以繼電器重構拓撲，馬達及馬達驅動逆變器可在充電模式下提供功率因數校正及電流調節之功能。因此，本案之馬達驅動集成式車載充電器可減少車載充電器中的元件數量，從而提升電力系統的成本效益。

根據本案一方面的構想，本案提供一種電動車的電力系統，包含AC/DC轉換器、馬達驅動器、PFC電感、鏈電容、第一繼電器及第二繼電器。馬達驅動器包含馬達及逆變器。PFC電感電連接於AC/DC轉換器與馬達驅動器之間。鏈電容並聯連接於馬達驅動器。第一繼電器連接於PFC電感與馬達驅動器之間。電池經由第二繼電器連接於鏈電容。

於一實施例中，馬達包含複數個相位，逆變器包含複數個相位橋臂，每一相位的第一端連接於對應的相位橋臂。

於一實施例中，所有相位的第二端相連接於中性點。

於一實施例中，PFC電感經由第一繼電器連接於其中一個相位橋臂。

於一實施例中，每一相位橋臂包含兩個開關，PFC電感經由第一繼電器連接於其中一個相位橋臂的兩個開關之間的節點。

於一實施例中，在驅動模式下，第一繼電器關斷，第二繼電器導通，電池釋放電能至馬達。

於一實施例中，在充電模式下，第一繼電器及第二繼電器皆導通，電池被AC電源充電。

於一實施例中，AC/DC轉換器包含LLC串接諧振轉換器，LLC串接諧振轉換器分別在其輸入端及輸出端接收AC電源及產生直流電能。

於一實施例中，AC/DC轉換器包含具有半橋逆變器及全橋整流器的隔離式AC/DC整流器、具有全橋逆變器及全橋整流器的隔離式AC/DC整流器、具有半橋逆變器及倍壓整流器的隔離式AC/DC整流器或具有全橋逆變器及倍壓整流器的隔離式AC/DC整流器。

根據本案另一方面的構想，本案提供一種電動車的電力系統，包含AC/DC轉換器、馬達驅動器、PFC電感、鏈電容、第一繼電器及第二繼電器。馬達驅動器包含馬達及逆變器，其中馬達包含複數個相位，逆變器包含複數個相位橋臂，每一相位連接於對應的相位橋臂。PFC電感電連接於AC/DC轉換器與馬達驅動器之間。鏈電容並聯連接於馬達驅動器。第一繼電器架構於可切換地將複數個相位橋臂中的第一相位橋臂連接於複數個相位中的第一相位或PFC電感。第二繼電器架構於可切換地將電池連接於逆變器的正端或第一相位。

於一實施例中，逆變器的每一相位橋臂包含兩個開關，第一相位橋臂的兩個開關之間具有一節點，第一繼電器連接於PFC電感與第一相位橋臂的節點之間。

於一實施例中，逆變器的所有相位橋臂的一端相連接於一中性點。

於一實施例中，第一及第二繼電器包含單刀雙擲繼電器。

於一實施例中，在驅動模式下，第一繼電器將第一相位橋臂連接於馬達的第一相位，第二繼電器將電池連接於逆變器的正端，電池釋放電能至馬達。

於一實施例中，在充電模式下，第一繼電器將第一相位橋臂連接於PFC電感，第二繼電器將電池連接於馬達的第一相位，電池被AC電源充電。

於一實施例中，AC/DC轉換器包含LLC串接諧振轉換器，LLC串接諧振轉換器適於分別在其輸入端及輸出端接收AC電源及產生直流電能。

根據本案又一方面的構想，本案提供一種電動車的電力系統，包含AC/DC轉換器、馬達驅動器、PFC電感、鏈電容、第一繼電器、第二繼電器及第三繼電器。馬達驅動器包含馬達及逆變器，其中馬達包含複數個相位，逆變器包含複數個相位橋臂，每一相位連接於對應的相位橋臂。PFC電感電連接於AC/DC轉換器與馬達驅動器之間。鏈電容並聯連接於馬達驅動器。第一繼電器連接於複數個相位橋臂中的第一相位橋臂與複數個相位中的第一相位之間。第一相位橋臂與PFC電感通過第二繼電器相互連接或斷開連接，第一相位與緩衝電容通過第二繼電器相互連接或斷開連接。電池經由第三繼電器連接於鏈電容。

於一實施例中，第二繼電器包含雙刀雙擲開關。

於一實施例中，在驅動模式下，第一及第三繼電器導通，第二繼電器導通，電池釋放電能至馬達。

於一實施例中，在充電模式下，第二及第三繼電器關斷，第一繼電器導通，電池被AC電源充電。

根據本案再一方面的構想，本案提供一種電動車的電力系統，包含AC/DC轉換器、第一繼電器、馬達、馬達驅動逆變器、鏈電容及第二繼電器。AC/DC轉換器適於分別在其輸入端及輸出端接收AC電源及產生直流電能。第一繼電器電連接於AC/DC轉換器的輸出端。馬達經由第一繼電器連接於AC/DC轉換器。馬達驅動逆變器連接於馬達。鏈電容並聯連接於馬達驅動逆變器。鏈電容經由第二繼電器連接於電池。

於一實施例中，馬達包含複數個相位橋臂，所有相位橋臂的一端相連接於中性點，第一繼電器連接於中性點。

於一實施例中，電力系統還包含第三繼電器，其中第三繼電器電連接於第一繼電器、馬達及馬達驅動逆變器。

於一實施例中，馬達包含複數個相位，馬達驅動逆變器包含複數個相位橋臂，馬達的其中一個相位經由第三繼電器連接於對應的馬達驅動逆變器的相位橋臂。在驅動模式下，第一繼電器關斷，第二及第三繼電器導通，電池釋放電能至馬達。在充電模式下，第一及第二繼電器導通，第三繼電器關斷，電池被AC電源充電。

通過以下之詳細說明及圖式，可更易於了解本案技術。

10:電力系統

11:馬達

12:馬達驅動器

13:電池

14:車載充電器

15:AC輸入

20:電力系統

21:三相馬達

22:馬達驅動逆變器

23:電池

24:車載充電器

25:AC輸入

R₁、R₂:繼電器

S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆:開關

241:AC/DC PFC級

242:DC/DC轉換級

D₁、D₂、D₃、D₄:整流二極體

L_PFC:PFC電感

S_B1:升壓開關

D₅:升壓二極體

C_O,PFC:電容

V_AC:輸入電壓

S_INV1、S_INV2:開關

L_R:諧振電感

C_R1、C_R2:諧振電容

T_R:變壓器

D_R1、D_R2:整流二極體

C_IN2:電容

30:電力系統

31:馬達

33:電池

34:馬達驅動集成式車載充電器

35:AC輸入

40:電力系統

41:馬達

42:馬達驅動逆變器

43:電池

44:AC/DC轉換器

45:AC電源輸入

C_IN1:輸入電容

C_O:鏈電容

50:電力系統

51:馬達

52:馬達驅動逆變器

60:電力系統

61:馬達

63:電池

64:AC/DC轉換器

70:電力系統

71:馬達

73:電池

74:AC/DC轉換器

C_B:緩衝電容

R₃:繼電器

D_R3、D_R4:二極體

C_D1、C_D2:電容

S_INV3、S_INV4:開關

第1A圖為電動車之傳統電力系統的示意圖。

第1B及1C圖分別示出第1A圖中之電力系統在驅動模式及電池充電模式下的電能流動方向。

第2A圖為具三相馬達之電動車的傳統電力系統的電路結構示意圖。

第2B及2C圖分別示出在驅動模式及電池充電模式下的第2A圖的電力系統。

第3A圖為本案具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統的架構示意圖。

第3B及3C圖分別示出第3A圖中之電力系統在驅動模式及電池充電模式下的電能流動方向。

第4A圖示出本案第一實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統。

第4B及4C圖分別示出第4A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。

第5A圖示出本案第二實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統。

第5B及5C圖分別示出第5A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。

第6A圖示出本案第三實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統。

第6B及6C圖分別示出第6A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。

第6D圖為第6C圖之簡潔版本。

第7A圖示出本案第四實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統。

第7B及7C圖分別示出第7A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。

第7D圖為第7C圖之簡潔版本。

第7E圖為針對第7C及7D圖中之轉換器的控制架構示意圖。

第8A、8B、8C及8D圖示出具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統中的隔離式AC/DC整流器的各種拓撲變化。

第9A圖示出本案第五實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統。

第9B及9C圖分別示出第9A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案之範圍，且其中的說明及圖示在本質上係當作說明之用，而非架構於限制本案。例如，若是本說明書以下的揭露內容敘述了將一第一特徵形成於一第二特徵之上或上方，即表示其包含了所形成的上述第一特徵與上述第二特徵是直接接觸的實施例，亦包含了可將附加的特徵形成於上述第一特徵與上述第二特徵之間，而使上述第一特徵與上述第二特徵可能未直接接觸的實施例。另外，本發明的說明中不同實施例可能使用重複的參閱符號及/或用字，這些重複符號或用字係為了簡化與清晰的目的，並非用以限定各個實施例及/或所述外觀結構之間的關係。再者，為了方便描述圖式中一元件或特徵元件與另一(複數)元件或(複數)特徵元件的關係，可使用空間相關用語，例如“在...之下(beneath)”、“在...下面(below)”、“下部的(lower)”、“在...上方(above)”、“上部的(upper)”及類似的用語等，可以理解的是，除了圖式所繪示的方位之外，空間相關用語涵蓋使用或操作中的裝置的不同方位。所述裝置也可被另外定位(例如，旋轉90度或者位於其他方位)，並對應地解讀所使用的空間相關用語的描述。當一元件被稱為“連接”或“耦接”至另一元件時，它可以為直接連接或耦接至另一元件，又或是在其中有一額外元件存在。儘管本揭露的廣義範圍的數值範圍及參數為近似值，但盡可能精確地在具體實例中陳述數值。雖然“第一”、“第二”、“第三”等等用語在申請專利範圍中可用於描述各種元件是可以被理解的，但這些元件不應該被這些用語所限制，且在實施例中被相應地描述的這些元件是用以表達不同的參照編號，這些用語僅是用以區別一個元件與另一個元件，例如，第一元件可以被稱為第二元件，且類似地，第二元件可以被稱為第一元件，而不偏離實施例的範圍。在此所使用的用語“及/或”包含一或複數個相關列出的專案的任何或全部組合。此外，數值範圍或參數固有地含有在各別測試量測中存在的誤差。並且，如本文中出現用語”大約”或”實質上”一般意指在一給定值或範圍的10%、5%、1%或0.5%內。另一選擇為，用語“大約”或“實質上”意味所屬領域的技術人員可接受的誤差內。除在操作/工作之實例中以外，或除非明確規定，否則本文中所揭露的所有數值範圍、量、值及百分比(如本文中所揭露之材料的數量、時間、溫度、操作條件、用量的比例及其類似者)，應被理解為在所有實施例中由用語“大約”或“實質上”來修飾。相應地，除非相反地指示，否則本揭露及隨附申請專利範圍中陳述的數值參數為可視需要變化的近似值。例如，每一數值參數應至少根據所述的有效數字的數字且借由應用普通捨入原則來解釋。範圍可在本文中表達為從一個端點到另一端點或在兩個端點之間。本文中所揭露的所有範圍包含端點，除非另有規定。

第3A圖為本案一實施例之具馬達驅動集成式車載充電器34之電動車的電力系統30的架構示意圖。為減少元件數量，馬達驅動集成式車載充電器34同時提供馬達驅動器和車載充電器之功能。由於馬達驅動器及車載充電器不同時運作，故此集成式結構是可行的。在驅動模式下，電力系統30作為馬達驅動器運作，而在電池充電模式下，電力系統30則作為車載充電器運作。

第3B及3C圖分別示出第3A圖中之電力系統30在驅動模式及電池充電模式下的電能流動方向。在驅動模式下，如第3B圖所示，電能自電池33被傳輸至馬達31，此時，電池33被放電，AC 輸入35斷開連接。在電池充電模式下，如第3C圖所示，電能自外部AC輸入35傳輸至電池33，此時，電池33被充電。此功能是傳統作法與本案之實施例之馬達驅動集成式車載充電器作法之間的主要區別。在此實施例中，對於馬達驅動集成式車載充電器而言，馬達31和馬達驅動集成式車載充電器34中的元件作為車載充電器的一部分運作，藉此可減少車載充電器的元件數量.

第4A圖示出本案第一實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統40。如第4A圖所示，電力系統40包含馬達41、馬達驅動逆變器42、電池43、隔離式AC/DC轉換器44及外部AC電源輸入45。於一實施例中，馬達41包含三個馬達繞組(即三相馬達)，且所有馬達繞組相連接於中性點。

隔離式AC/DC轉換器44包含整流二極體D₁、D₂、D₃和D₄、輸入電容C_IN1及LLC轉換器。LLC轉換器包含兩個開關S_INV1和S_INV2、諧振電感L_R、諧振電容C_R1和C_R2、變壓器TR、整流二極體D_R1和D_R2及電容C_IN2。電容C_IN2經由繼電器R₁連接於馬達41的中性點。馬達驅動逆變器42可包含開關S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆。馬達41的馬達繞組中與中性點相對的每一端皆連接於馬達驅動逆變器42之開關S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的其中兩個。馬達驅動逆變器42並聯連接於鏈電容C_O，電池43經由繼電器R₂連接於鏈電容C_O的兩端。相較於第2A圖中的傳統系統，第4A圖所示實施例中的隔離式AC/DC轉換器44可不包含如第2A圖所示之傳統系統中的升壓電感L_PFC、升壓開關S_B1、二極體D₅和電容C_O,PFC，藉此可降低系統成本。

第4B及4C圖分別示出第4A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。在驅動模式下，如第4B圖所示，繼電器R₁關斷且繼電器R₂導通，電池43可以僅連接於馬達41和馬達驅動逆變器42，且隔離式AC/DC轉換器44關閉。可以注意到，第4B圖中電力系統40中的電連接關係實質上和第2B圖中相同。在電池充電模式下，如第4C圖所示，繼電器R₁和R₂皆導通，使得電能自AC電源輸入45傳輸至電池43。可以注意到，馬達41和馬達驅動逆變器42皆作為充電系統的一部分。與之相反，在第2B圖的電力系統20中，馬達41和馬達驅動逆變器42在電池充電模式下不運作。

於此實施例中，在電池充電模式下，隔離AC/DC轉換器44中的LLC轉換器被用作AC/DC整流器，並為AC電源輸入45提供隔離及縮放。LLC轉換器的開關頻率可在諧振頻率的一半至五倍之間變化，其中諧振頻率由諧振腔元件(包含L_R、C_R1和C_R2)所決定。可以看出，開關頻率遠高於AC輸入線頻率(例如60Hz)。因此，電容C_IN2上的電壓為AC輸入電壓V_AC經縮放後的絕對值。馬達驅動逆變器42和馬達41的三個繞組可被視作三個相互獨立且並聯連接的升壓轉換器，並作為複合升壓功率因數校正電路運作。藉此，第4C圖中的電路可以較少的元件數量提供隔離及功率因數校正之功能。然於此實施例中，受PFC電路的輸出電壓漣波影響，第4C圖之電力系統40中的充電電流可能具有較大漣波。因此，於一些實施例中，第4C圖之電力系統40可被應用於可接受電池電流漣波的系統中。

第4C圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的一優點在於控制簡單。由於輸入電容C_IN1相對較小，故其兩端的電壓為整流後的輸入電壓V_AC。輸入電容C_IN1確立了LLC諧振轉換器兩端的電壓。LLC諧振轉換器以50%之占空比及固定的開關頻率運作，且因變壓器TR中次級繞組的匝數小於初級繞組的匝數，故LLC諧振轉換器將輸入電容C_IN1兩端的電壓調降至較低值。LLC諧振轉換器的開關頻率係基於電池電壓、電池電流和輸入電壓V_AC決定，以向電容C_IN2提供適當大小的交流電壓。與輸入電容C_IN1類似，電容C_IN2的值也相對較小。因此，電容C_IN2兩端的電壓同樣為整流及調降後的輸入電壓V_AC。由於在AC/DC轉換器44中並無顯著的能量存儲，故兩個電容電壓皆依循輸入電壓V_AC的波形形狀。相較於使用大電容值將直流鏈維持在準固定值的系統(例如第2A圖之電力系統20)，此電力系統40可被視為具有軟直流鏈。

三相馬達驅動逆變器的相位橋臂受到控制，以使流經每一馬達繞組電流相等。流經馬達繞組之電流的參考值依循電容C_IN2上的電壓波形形狀。如上所述，電容C_IN2上的電壓為經整流後的正弦波。因此，若電容C_IN2上的電壓為零，則不會從中汲取電流。AC/DC轉換器44之輸出側的電壓和電流波形為具有相同頻率且相對齊的經整流後的正弦波。由於AC/DC轉換器44中並無顯著的能量存儲，故輸入功率等於輸出功率，使得AC/DC轉換器44的輸入電流亦為經整流後的正弦波。因此，從電網汲取的輸入電流與輸入電壓V_AC具有相同的波形形狀和角度，故此轉換器產生了功率因數校正之特性。各相位繞組之電流參考值的大小取決於電池充電演算法。當電池耗盡電力時，電流參考值的大小為轉換器之電力處理能力所能支持的最大值。而隨著電池電量逐漸接近最大值，電流參考值的大小將逐漸降低至零。

此外，由於流經所有繞組的電流皆相同，故即便繞組承載隨時間變化的電流，第4C圖所示實施例的電路架構也不會產生脈動轉矩。因外部馬達的中性連接，此做法是可行的。當流經三個繞組的電流皆相等時，馬達可僅承載零序電流，而此零序電流不會產生導致馬達振動的穩態或低頻轉矩。系統中可能產生的轉矩分量僅為由繞組漣波電流引起的小開關頻率漣波轉矩，其中漣波電流與馬達電感及開關頻率成反比。

第5A圖示出本案第二實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統50。第5A圖中的電力系統50與第4A圖中的電力系統40基本上相同，其差別在於電力系統50還包含外加PFC電感L_PFC，且電力系統50利用外加PFC電感L_PFC自電容C_IN2汲取電流，而非利用相互並聯連接的三個馬達繞組。此外，三相馬達51的連接方式與第4A圖中的馬達41不同，三相馬達51被視作馬達驅動逆變器52的一部份，其中馬達驅動逆變器52包含三相馬達51、開關S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆及鏈電容C_O。在此架構中，馬達驅動逆變器52的第一相位橋臂包含開關S₁和S₂，僅由第一相位橋臂通過外加PFC電感L_PFC來調節電流。於此實施例中，PFC電感L_PFC包含升壓電感。由於相位橋臂仍連接於三相馬達51，故其他兩個相位橋臂以相同的占空比運作，以將流經馬達繞組之電流維持在零。相較於第4A圖所示作法，第5A圖所示作法的好處在於無需使用馬達中性端。於一些實施例中，可能需設置額外電感。

第5B及5C圖分別示出第5A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。在驅動模式下，如第5B圖所示，繼電器R₁關斷且繼電器R₂導通，使得電池可僅連接於馬達51和馬達驅動逆變器52，且隔離式AC/DC轉換器關閉。可以注意到，第5B圖中電力系統50中的電連接關係實質上和第2B圖中相同。在電池充電模式下，如第5C圖所示，繼電器R₁和R₂皆導通，使得電能自AC電源輸入傳輸至電池。

在驅動模式下，如第5B圖所示，電力系統50作為馬達驅動器運作(和第3B及4B圖所示相同)。在電池充電模式下，第5C圖所示之馬達驅動集成式車載充電器可提供簡便的控制。由於輸入電容C_IN1相對較小，故其兩端的電壓為整流後的輸入電壓V_AC。輸入電容C_IN1確立了LLC諧振轉換器兩端的電壓。LLC諧振轉換器以50%之占空比及固定的開關頻率運作，且因變壓器TR中次級繞組的匝數小於初級繞組的匝數，故LLC諧振轉換器將輸入電容C_IN1兩端的電壓調降至較低值。LLC諧振轉換器的開關頻率係基於電池電壓、電池電流和輸入電壓V_AC決定，以向電容C_IN2提供適當大小的交流電壓。與輸入電容C_IN1類似，電容C_IN2的值也相對較小。因此，電容C_IN2兩端的電壓同樣為整流及調降後的輸入電壓V_AC。由於在AC/DC轉換器中並無顯著的能量存儲，故兩個電容電壓皆依循輸入電壓V_AC的波形形狀。相較於使用大電容值將直流鏈維持在準固定值的系統(例如第2A圖之電力系統20)，此電力系統50可被視為具有軟直流鏈。

馬達驅動逆變器的第一相位橋臂被控制而使自PFC電感L_PFC汲取的電流依循電容C_IN2上的電壓波形形狀。因此，若電容C_IN2上的電壓為零，則不會從中汲取電流。AC/DC轉換器之輸出側的電壓和電流波形為具有相同頻率且相對齊的經整流後的正弦波。由於AC/DC轉換器中並無顯著的能量存儲，故輸入功率等於輸出功率，使得AC/DC轉換器的輸入電流亦為經整流後的正弦波。因此，從電網汲取的輸入電流與輸入電壓V_AC具有相同的波形形狀和角度，故此轉換器產生了功率因數校正之特性。

再者，第一馬達繞組仍維持連接於馬達驅動逆變器的第一相位橋臂。為了維持流經馬達繞組的電流為零，可使馬達驅動逆變器的第二及第三相位橋臂以和第一相位橋臂相同的占空比運作，抑或是關斷第二及第三相位橋臂中的開關。由於流經馬達繞組的電流為零，故第5C圖所示的電路架構不會產生轉矩。

第6A圖示出本案第三實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統60。於此實施例中，電力系統60使用單刀雙擲繼電器R₁將馬達驅動逆變器的第一相位橋臂(包含開關S₁和S₂)的AC端(點A)連接於馬達61之第一馬達繞組或PFC電感L_PFC。第二個單刀雙擲繼電器R₂用於將電池63的正極端連接於馬達驅動逆變器之直流鏈的正極端(點B)或馬達61的第一馬達繞組。

第6B及6C圖分別示出第6A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。在驅動模式下，如第6B圖所示，繼電器R₁將馬達驅動逆變器的第一相位橋臂的AC端(點A)連接於第一馬達繞組，繼電器R₂將電池63的正極端連接於馬達驅動逆變器之直流鏈的正極端(點B)，隔離式AC/DC轉換器64被關閉。此時之電路配置在電性及功能上等效於第3B、4B及5B圖所示之電路配置。

在電池充電模式下，如第6C圖所示，繼電器R₁將馬達驅動逆變器的第一相位橋臂(包含開關S₁和S₂)的AC端(點A)連接於PFC電感L_PFC，繼電器R₂將電池63的正極端連接於馬達61的第一馬達繞組。為清楚示出此時之電路配置，係將此電路配置於第6D圖中重繪。此電路配置與第4C及5C圖所示電路配置的主要區別在於，第6C及6D圖所示電路配置在直流鏈中吸收源自輸入電壓V_AC(電壓源)的脈動輸入功率。

LLC轉換器的開關頻率係基於電池電壓、電池電流和輸入電壓V_AC決定，以向電容C_IN2提供適當大小的交流電壓。如第6C及6D圖所示，馬達驅動逆變器的第一相位橋臂作為升壓PFC運作。於此電路配置中，馬達驅動逆變器的第一相位橋臂包含開關S₁和S₂，僅利用第一相位橋臂負責調節流經PFC電感L_PFC的電流。PFC電感L_PFC之電流參考值依循電容C_IN2上的電壓波形形狀。如上所述，電容C_IN2上的電壓為經整流後的正弦波。因此，若電容C_IN2兩端的電壓為零，則自電容汲取之電流為零。AC/DC轉換器之輸出側的電壓和電流波形為具有相同頻率且相對齊的經整流後的正弦波。由於AC/DC轉換器中並無顯著的能量存儲，故隔離式AC/DC轉換器的輸入功率等於其輸出功率，使得AC/DC轉換器的輸入電流亦為經整流後的正弦波。因此，從電網汲取的輸入電流與輸入電壓V_AC具有相同的波形形狀和角度，故此轉換器產生了功率因數校正之特性。

此外，馬達驅動逆變器的第二及第三相位橋臂連接於馬達61的第二及第三馬達繞組，而第一馬達繞組連接於電池63的正極端。三個馬達繞組仍連接於其中性點。藉此，馬達驅動逆變器的第二及第三相位橋臂和馬達61形成交錯降壓轉換器。由於電感性元件皆連接於輸出側，故降壓轉換器具有連續的輸出電流，因而易於將電池充電電流調節至具有最小漣波的一固定電流值。藉此，第6C及6D圖所示電路配置可在輸入側提供PFC功能，並在輸出側提供直流電流調節功能。波動的輸入功率和固定的輸出功率之間的差異係來自鏈電容C_O。

在第6C及6D圖所示電路配置中，對連接於馬達驅動逆變器之第二及第三相位橋臂的馬達繞組而言，所流經的電流具有相同的大小和極性，而流經剩餘馬達繞組的電流具有兩倍的大小和相反的極性。即便如此，由於流經馬達繞組的直流電流具有極小且高頻之漣波，故所使用之馬達繞組亦不產生低頻脈動轉矩。漣波電流與馬達電感和開關頻率成反比。

第7A圖示出本案第四實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統70。於此實施例中，馬達驅動逆變器的第一相位橋臂(包含開關S₁和S₂)的AC端(點A)與馬達71之第一馬達繞組通過單刀單擲繼電器R₁相互連接或斷開連接。再者，第一相位橋臂的AC端(點A)與PFC電感L_PFC通過雙刀雙擲繼電器R₂相互連接或斷開連接。第一馬達繞組與緩衝電容C_B通過雙刀雙擲繼電器R₂相互連接或斷開連接。

第7B及7C圖分別示出第7A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。在驅動模式下，如第7B圖所示，繼電器R₁及R₃皆導通，而繼電器R₂關斷。馬達驅動逆變器的第一相位橋臂的AC端(點A)連接於馬達71之第一馬達繞組，隔離式AC/DC轉換器被關閉。此時之電路配置在電性及功能上等效於第3B、4B、5B及6B圖所示之電路配置。

在電池充電模式下，如第7C圖所示，繼電器R₁關斷，而繼電器R₂和R₃導通。繼電器R₂將馬達驅動逆變器的第一相位橋臂的AC端(點A)連接於PFC電感L_PFC，且繼電器R₂還將馬達71的第一馬達繞組連接於緩衝電容C_B。為清楚示出此時之電路配置，係將此電路配置於第7D圖中重繪。此電路配置與第4C、5C及6C圖所示電路配置的主要區別在於，第7C及7D圖所示電路配置利用緩衝電容C_B吸收源自輸入電壓V_AC(電壓源)的脈動輸入功率。

LLC轉換器的開關頻率係基於電池電壓、電池電流和輸入電壓V_AC決定，以向電容C_IN2提供適當大小的交流電壓。如第7C及7D圖所示，馬達驅動逆變器的第一相位橋臂作為升壓PFC運作。於此電路配置中，馬達驅動逆變器的第一相位橋臂包含開關S₁和S₂，藉由第一相位橋臂負責調節流經PFC電感L_PFC的電流。PFC電感L_PFC之電流參考值依循電容C_IN2上的電壓波形形狀。如上所述，電容C_IN2上的電壓為經整流後的正弦波。因此，若電容C_IN2兩端的電壓為零，則自電容汲取之電流為零。AC/DC轉換器之輸出側的電壓和電流波形為具有相同頻率且相對齊的經整流後的正弦波。由於AC/DC轉換器中並無顯著的能量存儲，故隔離式AC/DC轉換器的輸入功率等於其輸出功率，使得AC/DC轉換器的輸入電流亦為經整流後的正弦波。因此，從電網汲取的輸入電流與輸入電壓V_AC具有相同的波形形狀和角度，故此轉換器產生了功率因數校正之特性。

此外，馬達驅動逆變器的第二及第三相位橋臂連接於馬達71的第二及第三馬達繞組，而第一馬達繞組連接於緩衝電容C_B。三個馬達繞組仍連接於其中性點。藉此，馬達驅動逆變器的第二及第三相位橋臂和馬達71形成交錯降壓轉換器。由於電感性元件皆連接於輸出側，故降壓轉換器具有連續的輸出電流。此降壓轉換器與緩衝電容C_B形成主動功率濾波器(active power filter，APF)。

在定義上來說，主動功率濾波器僅能提供交流電能。因此，主動功率濾波器可提供和PFC電路提供之交流電能具有相同大小及相反極性的交流電，其中PFC電路同時提供直流電和交流電。藉此，PFC電路所提供之交流電可在電池側被抵消，從而減少或消除電池電流漣波。當升壓PFC所提供的能量過多時，能量可自鏈電容C_O汲取並儲存於緩衝電容C_B中。另一方面，當升壓PFC所提供的能量不足時，能量可自緩衝電容C_B汲取並傳輸至鏈電容C_O。藉此，第7C及7D圖所示電路配置可同時提供輸入側之PFC功能及低電池電流漣波。

須注意的是，第7C及7D圖所示電路配置並無斷開直流鏈路與電池73之間的連接，故電容和開關無須乘載例如第6C及6D圖中略為升高的電壓準位。再者，在第6C及6D圖所示電路配置中，流經相位A及B之繞組的電流具有相同的大小和極性，而流經相位C之繞組的電流具有兩倍的大小和相反極性。即便如此，由於流經馬達繞組的直流電流具有極小且高頻之漣波，故所使用之馬達繞組亦不產生低頻脈動轉矩。漣波電流與馬達電感和開關頻率成反比。

第7E圖為針對第7C及7D圖中之轉換器的控制架構示意圖。如第7E圖所示，對於第7C及7D圖中之電路的控制係基於兩電流迴路和一電壓迴路。第一電流迴路調節流經PFC電感L_PFC的電流，使其依循電容C_IN2上之電壓的波形形狀，從而使電路具有PFC功能。第二電流迴路調節APF之電流，以有效消除PFC電路所產生的交流漣波。電壓迴路將APF之電容電壓平衡於標稱點，以使APF電路提供或吸收必要之電能。電壓迴路被設計為具有較低的交越頻率(例如10Hz)，使得電壓迴路不會與具有較高頻率之APF電流迴路相互影響。

第8A、8B、8C及8D圖示出具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統中的隔離式AC/DC整流器的各種拓撲變化。在本案中，為簡潔起見，僅示出串接諧振轉換器拓撲。然須注意的是，任何諧振拓撲皆可被用作隔離式AC/DC整流級，而相應之馬達及馬達驅動逆變器可為第4至7D圖中的任一種態樣。

在第8A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器中，隔離式AC/DC整流器包含半橋逆變器和全橋整流器。在第8B圖所示之馬達驅動集成式車載充電器中，隔離式AC/DC整流器包含全橋逆變器和全橋整流器。在第8C圖所示之馬達驅動集成式車載充電器中，隔離式AC/DC整流器包含半橋逆變器和倍壓整流器。在第8D圖所示之馬達驅動集成式車載充電器中，隔離式AC/DC整流器包含全橋逆變器和倍壓整流器。

第9A圖示出本案第五實施例中具馬達驅動集成式車載充電器之電動車的電力系統。如第9A圖所示，電力系統包含馬達、馬達驅動逆變器、電池、隔離式AC/DC轉換器及外部AC電源輸入。於一實施例中，馬達為包含三個馬達繞組的三相馬達，且所有馬達繞組相連接於中性點。

隔離式AC/DC轉換器包含整流二極體D₁、D₂、D₃和D₄、輸入電容C_IN1及LLC轉換器。LLC轉換器包含兩個開關S_INV1和S_INV2、諧振電感L_R、諧振電容C_R1和C_R2、變壓器TR、整流二極體D_R1和D_R2及電容C_IN2。電容C_IN2經由繼電器R₁連接於馬達的第一馬達繞組。第一馬達繞組經由繼電器R₂連接於馬達驅動逆變器的第一相位橋臂。馬達驅動逆變器可包含開關S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆。馬達的馬達繞組中與中性點相對的每一端皆連接於馬達驅動逆變器之開關S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆的其中兩個。馬達驅動逆變器並聯連接於鏈電容C_O，電池經由繼電器R₂連接於鏈電容C_O的兩端。相較於第2A圖中的傳統系統，第9A圖所示實施例中的隔離式AC/DC轉換器不包含PFC電感L_PFC、升壓開關S_B1、二極體D₅和電容C_O,PFC，藉此可降低系統成本。

第9B及9C圖分別示出第9A圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的驅動模式及電池充電模式。在驅動模式下，如第9B圖所示，繼電器R₁關斷且繼電器R₂和R₃導通，使得電池僅連接於馬達和馬達驅動逆變器，且隔離式AC/DC轉換器關閉。可以注意到，第9B圖中電力系統中的電連接關係實質上和第2B圖中相同。在電池充電模式下，如第9C圖所示，繼電器R₁和R₂皆導通，繼電器R₃關斷，使得電能自AC電源輸入傳輸至電池。可以注意到，馬達和馬達驅動逆變器皆為充電系統的一部分。與之相反，在第2B圖的電力系統中，馬達和馬達驅動逆變器在電池充電模式下不運作。

於此實施例中，在電池充電模式下，隔離AC/DC轉換器中的LLC轉換器被用作AC/DC整流器，並為AC電源輸入提供隔離及縮放。LLC轉換器的開關頻率可在諧振頻率的一半至五倍之間變化，其中諧振頻率由諧振腔元件(包含L_R、C_R1和C_R2)所決定。可以看出，開關頻率遠高於AC輸入線頻率(例如60Hz)。因此，電容C_IN2上的電壓為AC輸入電壓V_AC經縮放後的絕對值。馬達驅動逆變器和馬達的三個繞組可被視作兩個相互並聯連接的的獨立升壓轉換器，並作為複合升壓功率因數校正電路運作，其中第一馬達繞組分別串聯連接於第二馬達繞組和第三馬達繞組。由於繼電器R₃關斷，故第一相位橋臂不運作。藉此，第9C圖中的電路可以較少的元件數量提供隔離及功率因數校正之功能。然於此實施例中，受PFC電路的輸出電壓漣波影響，第9C圖之電力系統中的充電電流可能具有較大漣波。因此，第9C圖之電力系統可應用於接受電池電流漣波的系統中。相較於第4A至4C圖所示之電力系統，此實施例還使用了繼電器R₃，其中繼電器R₃無需直接連接馬達繞組的中性點。

第9C圖所示之馬達驅動集成式車載充電器的一優點在於控制簡單。由於輸入電容C_IN1相對較小，故其兩端的電壓為整流後的輸入電壓V_AC。輸入電容C_IN1確立了LLC諧振轉換器兩端的電壓。諧振轉換器以50%之占空比及固定的開關頻率運作，且因變壓器TR中次級繞組的匝數小於初級繞組的匝數，故諧振轉換器將輸入電容C_IN1兩端的電壓調降至較低值。LLC轉換器的開關頻率係基於電池電壓、電池電流和輸入電壓V_AC決定，以向電容C_IN2提供適當大小的交流電壓。與輸入電容C_IN1類似，電容C_IN2的值也相對較小。因此，電容C_IN2兩端的電壓同樣為整流及調降後的輸入電壓V_AC。由於在AC/DC轉換器中並無顯著的能量存儲，故兩個電容電壓皆依循輸入電壓V_AC的波形形狀。相較於使用大電容值將直流鏈維持在準固定值的系統(例如第2A圖之電力系統20)，此電力系統可被看作具有軟直流鏈。

馬達驅動逆變器的第二及第三相位橋臂受到控制，以使流經第二及第三馬達繞組的電流相等，其中流經第二及第三馬達繞組的電流之和等於流經第一馬達繞組的電流。流經馬達繞組之電流的參考值依循電容C_IN2上的電壓波形形狀。如上所述，電容C_IN2上的電壓為經整流後的正弦波。因此，若電容C_IN2上的電壓為零，則不會從中汲取電流。AC/DC轉換器之輸出側的電壓和電流波形為具有相同頻率且相對齊的經整流後的正弦波。由於AC/DC轉換器中並無顯著的能量存儲，故輸入功率等於輸出功率，使得AC/DC轉換器的輸入電流亦為經整流後的正弦波。因此，從電網汲取的輸入電流與輸入電壓V_AC具有相同的波形形狀和角度，故此轉換器產生了功率因數校正之特性。各相位繞組之電流參考值的大小取決於電池充電演算法。當電池耗盡電力時，電流參考值的大小為轉換器之電力處理能力所能支持的最大值。而隨著電池電量逐漸接近最大值，電流參考值的大小將逐漸降低至零。

為便於說明及定義本案技術內容，使用了例如“實質上”、“大約”、“略為”、“相對”等等用語來表示固有程度的不確定性，此不確定性可能由量化的比較、數值、感測等等因素造成。該些用語一般意指與一給定值或範圍的偏差在10%、5%、1%或0.5%內，且該偏差並不會影響對應技術特徵的基本功能。除非有另行特別說明，否則本案中所陳述的數值參數為可視為特定數值或其誤差範圍內之數值。

須注意，上述僅是為說明本案而提出之較佳實施例，本案不限於所述之實施例，本案之範圍由如附申請專利範圍決定。且本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。