TWM497115U - 電動車的控制系統 - Google Patents

Description

電動車的控制系統

本新型是有關於一種控制系統，特別是指一種電動車的控制系統。

目前電動車控制系統的主要趨勢之一是使用交流電機來提供動能，其優點是藉由高頻操作，而能使用較小額定規格的電機來達到較高的運作性能。

圖1所示為習知一種電動車控制系統的示意圖，其包含一電池11、一脈衝寬度調變之變頻驅動電路12、一驅動該電動車之車輪19的電機13、一控制裝置14、一整流器15、一變壓器16，及一用以偵測該整流器15之電流並回饋至該控制裝置14的電流感測器17。

為說明方便，定義該電池11規格為300V，該電機13為交流電機，並使用10HP/22V/60Hz/1800PRM規格運作至100HP/220V/600Hz/18000PRM，如此，可使用較輕、較小、較低成本的電機13即達到較高的使用性能。

參閱圖1及圖2，曲線191表示該電機13輸出的扭矩，當該電機13輸出的扭矩到達100%額度時，其電機輸出的電流同樣到達100%額度，曲線192表示該電機13 輸出的功(速度x推力)，當該電機13輸出的功到達100%額度時，其電機功率同樣到達100%額度，由圖2中可見，該電動車的車速與該電機13的轉速成正比，且該電機13輸出的功與該電機13的轉速成正比，該電機13輸出的扭矩(電流)則維持不變。

然而，習知的電動車控制系統具有以下的缺點：

一、低轉速時，峰值電流量大，造成該電池11損傷：參閱圖1、圖3及圖4，舉例說明，當該電動車為高速行車時，假設該電機13(此時作為馬達)維持在100HP/220V/600Hz/18000PRM的運作情況，此時該變頻驅動電路12輸出的脈衝示意圖如圖3中曲線193所示，曲線194則表示輸出的脈衝平均後所呈現之波形。

當該電動車為低速行車時，該電機13轉速降到1/10(1800PRM)時，馬力(HP)降到1/10(10HP)，電源頻率降到60Hz，此時該變頻驅動電路12輸出的脈衝示意圖如圖4曲線193所示，曲線194則表示輸出的脈衝平均後所呈現之波形。

如此，除了造成低速時馬力小外，更大問題在於該電機13的輸入電壓亦降為交流22V，然而該電池11供電電壓卻仍然為300V，故為了消除此一電壓差距，該變頻驅動電路12必須輸出極低之脈寬均值(即極窄之脈衝)，而由於電流平均值不變，因此導致峰值電流量大增而對該電池11造成傷害，再加上實際應用時，為了能使電動車極 快加速，會設計數倍(例如：3倍)的短時間超負載電流以在低轉速時提高扭矩，如此更提高了峰值電流量而對該電池11造成更大的傷害，故使該電池11的使用壽命大幅減短，而由於電動車的電池11為高價元件，其佔該電動車的總成本約40%，故該電池11壽命減短直接地導致成本大幅增加。

二、減速回充時，峰值電流量大，造成該電池11損傷：當電動車減速，需要經由該電機13(此時作為發電機)將機械動能轉換成電能回充入該電池11時，由於在低速的情況下，該電機13的轉速低、頻率低、輸出電壓低，例如當該電機13的轉速為1800PRM時，輸出的電壓為交流22V，無法直接回充至該電池11(直流300V)，所以必須將交流22V的電能先經該變壓器16升壓十多倍後才交由該整流器15整流為直流，但當車速改變而增加時，該電機13的輸出電壓隨之升高，由於該變壓器16的變壓範圍固定，導致此時又需經該變頻驅動電路12輸出極低之脈寬均值來降低回充電壓以避免充電電流過大，如此，同樣產生了較大的峰值電流量，使該電池11在回充時也受到傷害。

三、能源損失較大：由於電能回充時須經該變壓器16、該整流器15等多級轉換，且在車速變動控制時易有能源損耗，導致回充效率低。

此是由於行駛時車速會不斷地變化，而該變壓器16的變壓範圍卻是固定的，因此當行駛車速所對應之電壓低於該變壓器16的變壓範圍時，該變壓器16即無法將 該電機13的電壓升壓到可對該電池11充電的電壓(例如在上述的舉例說明中，車速降到1/10以下時，該電機13的輸出電壓將不足以回充)，因此在實際應用上，會設計在某個車速以下即不進行回充，但電動車的低速階段為踩踏煞車最頻繁的時段，最適合進行剎車能源回充，因此低速不回充的限制會使回收能源的效率大幅降低。

參閱圖1及圖5，圖5中曲線81即為各車速下的回充功率變化，由圖5中可見，由於多級轉換損耗能源，以及限制低速不回充，導致平均的回充效率僅有不到25%。

若是使用直流電機來實施該電機13，仍然會具有低車速回充電壓不足，只能取某一段減速過程回充、回充效率受限於較高車速的缺點，說明如下。

由於應用直流電機時，電壓與車速具有對應關係，例如時速100公里對應電壓200V、時速10公里對應電壓20V。

如此，在低速階段減速，要將機械動能轉換成電能回充入該電池11時，例如在時速10公里，由於對應之20V電壓無法直接回充入比它電壓還高的電池(直流300V)，所以必須切開該電機13與該電池11的連結，然後將該電機13的直流20V轉變成交流電後，再以該變壓器16升壓、經該整流器15整流為直流後才能對電池充電，因此在低速階段仍須多級轉換，且同樣會具有低速不回充的限制，而造成回收能源的效率低。

因此，本新型之目的，即在提供一種可解決上述問題的電動車的控制系統。

於是本新型電動車的控制系統，適用於一電動車，該電動車的控制系統包含一直流電機模組、一無段自動變速器，及一控制裝置。

該直流電機模組受控制以於一運作模式運作時維持在一固定轉速。

該無段自動變速器受該直流電機模組帶動以驅動該電動車移動。

該控制裝置電連接該無段自動變速器，於該直流電機模組以該運作模式運作時，透過改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。

本新型之功效在於：藉由使該直流電機模組於該運作模式運作時維持在該固定轉速，搭配調整該無段自動變速器的變速比以改變車速，可使該直流電機模組的電源供應為直流電，因此可以避免習知技術中的峰值電流問題，故能增加供電之電池模組的使用壽命及降低成本。

2‧‧‧電池模組

21‧‧‧電池

3‧‧‧保護裝置

31‧‧‧啟動保護模組

4‧‧‧直流電機模組

5‧‧‧無段自動變速器

6‧‧‧控制裝置

7‧‧‧車速調控裝置

71‧‧‧油門

72‧‧‧剎車

81~85‧‧‧曲線

9‧‧‧電動車

91‧‧‧車輪

本新型之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是習知一種電動車控制系統的一方塊示意圖；圖2是習知該電動車控制系統的一功效示意圖；圖3是習知該電動車控制系統的一波形示意圖； 圖4是習知該電動車控制系統的一波形示意圖；圖5是習知該電動車控制系統與本新型電動車的控制系統的一實施例的一效果示意圖；圖6是該實施例的一方塊示意圖；圖7是該實施例的一功效示意圖；及圖8是該實施例的一波形示意圖。

參閱圖6，本新型電動車的控制系統之實施例適用於一包括複數車輪91的電動車9(於圖6中以一個車輪91作為說明)，該電動車的控制系統包含一電池模組2、一保護裝置3、一直流電機模組4、一無段自動變速器5、一控制裝置6，及一車速調控裝置7。

值得一提的是，本新型亦可與其他的動力源作搭配，例如亦可應用於油電混合車中，並不限於此。

該電池模組2用以經由該保護裝置3提供電能至該直流電機模組4，且於該直流電機模組4於一運作模式時提供一固定電壓至該直流電機模組4，該電池模組2包括複數並聯的電池21，圖6中以一個電池21作為表示，其中，該電池模組2可使用一般的電池，亦可使用太陽能電池，並不限於此。

該保護裝置3包括一啟動保護模組31。

該啟動保護模組31電連接該電池模組2，用以於該直流電機模組4啟動時提供符合安全規範的電流來對該直流電機模組4增速，該啟動保護模組31可使用電磁開 關(圖未示)及串聯電阻(圖未示)來提供啟動控制，或是採用電晶體(圖未示)搭配脈衝寬度調變控制，方法極多，並不限於此。

該直流電機模組4電連接該保護裝置3，受控制以分別於該運作模式及一低速模式下運作，該直流電機模組4以該運作模式運作時維持在一固定轉速，以該低速模式運作時轉速低於該固定轉速，該直流電機模組4可使用有刷直流電機實施，並為馬達兼發電機，於該直流電機模組4運作為馬達時，該直流電機模組4之轉速與該固定電壓呈正比；於該直流電機模組4運作為發電機時，該直流電機模組4之轉速與其輸出之電壓呈正比。

於本實施例中，該直流電機模組4為分激式(並激式)電機或為永磁式直流電機，但亦可為其他具有轉速與電壓呈正比關係的直流電機，並不限於此。

該無段自動變速器5受該直流電機模組4帶動以驅動該電動車9移動，於該電動車9減速時，該無段自動變速器5將該電動車9之動能經該直流電機模組4回充至該電池模組2。

該控制裝置6電連接該電池模組2、該保護裝置3、該直流電機模組4及該無段自動變速器5，於該直流電機模組4以該運作模式運作時，透過改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速，於該電動車9之車速為0時，控制該電池模組2停止提供電能至該直流電機模組4以使該直流電機模組4停止轉動，於該電動車9 之車速大於0且低於一預定速度時，控制該直流電機模組4於該低速模式運作，此時該控制裝置6透過改變該直流電機模組4之轉速以調整該電動車9之車速。

於該電動車9要進行減速回充電時，該無段自動變速器5受該電動車9之動能反帶動，並經該控制裝置6調控變速比而帶動該直流電機模組4運作在一充電轉速，以將該電動車9之動能經該直流電機模組4回充至該電池模組2，其中，由於充電時較佳是提供略高的電壓以利該電池模組2充電，且由於該直流電機模組4之轉速與電壓具有正比關係，因此較佳是將該充電轉速設計為略高於該固定轉速。

該車速調控裝置7包括一油門71，及一剎車72，該油門71及該剎車72分別受操作以輸出一加速信號與一減速信號至該控制裝置6，該控制裝置6分別根據該加速信號與該減速信號改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速，該控制裝置6於接收該加速信號時，降低該無段自動變速器5的變速比以加速該電動車9；該控制裝置6於接收該減速信號時，提高該無段自動變速器5的變速比以減速該電動車9，且該油門71與該剎車72間可設有互相否定之連結機構或電子控制，以防止兩者同時輸入時產生矛盾。

值得一提的是，本實施例亦可設計為只藉由操作該油門71來達到加速及減速，當使用者向下踩壓該油門71時，該油門71輸出該加速信號，而當使用者向上放鬆該 油門71時，該油門71輸出該減速信號，此時該剎車72則可設計為類似手剎車之作用，用以於該電動車停止時固定車輛不移動。

一般使用時，該電池模組2經由該保護裝置3提供該固定電壓至該直流電機模組4(此時作為馬達)，使該直流電機模組4運作在該固定轉速，並帶動該無段自動變速器5以驅動該車輪91轉動，當使用者要進行加速或減速時，只需操作該油門71或該剎車72，即可分別輸出該加速信號或該減速信號至該控制裝置6，使該控制裝置6改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速，要加速該電動車9時，該控制裝置6降低該無段自動變速器5的變速比，使該車輪91的轉速增加；要減速該電動車9時，該控制裝置6提高該無段自動變速器5的變速比，使該車輪91的轉速隨之降低。

藉此，只需透過該直流電機模組4、該無段自動變速器5及該控制裝置6的搭配，即可驅動該電動車9並調整車速。

參閱圖6及圖7，曲線83表示該直流電機模組4輸出的功(速度x推力)及扭矩，曲線84表示在各車速下經該無段自動變速器5調整後的輸出扭矩，當該直流電機模組4輸出的功(機械能)到達100%額度時，其電機功率同樣到達100%，當該直流電機模組4輸出的扭矩到達100%額度時，其電機輸出的電流同樣到達100%，由圖7中可見，該直流電機模組4輸出的功及扭矩(電流)於各車速下皆可 維持不變(此處未考慮極慢速時的情況)，且由於該直流電機模組4的轉速會維持運作在該固定轉速，因此未於圖上標示。

參閱圖6及圖8，曲線85為該直流電機模組4的輸入電壓，由圖8中可見，由於該電池模組2到該直流電機模組4的電源供應幾乎為固定的直流電，因此可以完全避免習知技術中的峰值電流問題，故能減少該電池模組2的損傷，大幅增加該電池模組2的使用壽命及降低成本。

當該電動車9要進行減速回充時，該車輪91會反帶動該無段自動變速器5，並藉由該控制裝置6調整該無段自動變速器5的變速比，使該直流電機模組4可以維持運作在該充電轉速，如此，該直流電機模組4(此時作為發電機)所產生的電壓即可直接經該保護裝置3充入該電池模組2(若所應用之系統的電壓較低，不需考量高壓會造成的問題時，亦可直接將該直流電機模組4與該電池模組2電連接並回充電而不需再經由該保護裝置3)，而不需如習知技術再經由變壓器、整流器造成能源損耗，亦不會有輸出電壓與該電池模組2的電壓規格不符合的問題。

例如，假設該電池模組2的規格為300V、該直流電機模組4在轉速1800RPM時對應該電動車9之車速為時速100公里，則當該電動車9行駛在下坡路段時，若車速提升到時速110公里，則對應之該直流電機模組4的轉速為1980RPM(充電轉速)，輸出電壓為330V電壓(實際應用時，僅約303V)，大於電池模組2規格的300V，故能直 接回充該電池模組2，而不需再經變壓整流處理，即使在車速未到達時速110公里的時候，亦可以經由調整該無段自動變速器5的變速比而使該直流電機模組4維持在該充電轉速而得到同樣的輸出電壓，故同樣可以直接回充該電池模組2而不需再經變壓整流處理。

因此，本實施例不會如習知技術中受到變壓器的變壓範圍限制，即使在低車速(例如：時速5公里)的情況下，也能經由調整該無段自動變速器5的變速比而使該直流電機模組4維持在該充電轉速所對應的輸出電壓，故可以充分回收利用低車速時的剎車能源，大幅提升能源回收率。

參閱圖5及圖6，曲線81為習知技術於各車速下的回充功率變化示意曲線，曲線82則為本實施例於各車速下的回充功率變化示意曲線，由圖5中可見，本實施例的回充功率幾乎都維持在接近100%，且其回充功率0%時所對應的車速值是由該無段自動變速器5本身的變速比能力來決定的，依目前的技術水平已經可以作到接近時速0公里(例如：時速3公里)，因此，可以使平均的能源回收率達到95%以上。

值得一提的是，當該電動車9行駛間遇到紅燈而進行減速、停止、重新啟動加速的期間，可藉由該控制裝置6控制該直流電機模組4於該低速模式運作而更加減少能源耗費，詳細說明如下：當該電動車9減速到該預定速度以下時(例如： 時速3公里)，此時該無段自動變速器5已接近變速比的上限，因此該控制裝置6控制該直流電機模組4切換於該低速模式運作，此時，該控制裝置6透過降低該直流電機模組4之轉速以直接調降該電動車9之車速，如此，可以降低消耗的能源。

當該電動車9減速到停止時(即車速為0)，該控制裝置6控制該電池模組2停止提供電能至該直流電機模組4以使該直流電機模組4停止轉動，如此，可以於該電動車9停止時直接節省該直流電機模組4的運轉能源。

當該電動車9停止後重新啟動加速至該預定速度前，該控制裝置6控制該直流電機模組4於該低速模式運作，並透過提高該直流電機模組4之轉速以直接增加該電動車9之車速，直到該電動車9到達該預定速度時，此時該直流電機模組4的轉速亦到達該固定轉速，因此，該控制裝置6控制該直流電機模組4切換於該運作模式運作，以回復透過改變該無段自動變速器5的變速比以調整該電動車9之車速。

經由以上的說明，可將本實施例的優點歸納如下：

一、藉由使該直流電機模組4維持在該固定轉速，並藉由調整該無段自動變速器5的變速比，即可調整該電動車9之車速，並可達到使用較低的馬達動力即達到高扭矩輸出，且由於該電池模組2到該直流電機模組4的電源供應完全為直流電，因此可以完全避免習知技術中的 峰值電流問題，故能減少該電池模組2的損傷，大幅增加該電池模組2的使用壽命及降低成本。

二、於該電動車9要進行減速回充電時，藉由調整該無段自動變速器5的變速比使該直流電機模組4運作在該充電轉速，可使該直流電機模組4能直接使用直流電對該電池模組2進行回充，因此同樣可以完全避免習知的峰值電流問題，尤其在急速煞車時，藉由大幅調整該無段自動變速器5的變速比，仍然可以使該直流電機模組4運作在該充電轉速，因此可以在維持回充電流不超過該電池模組2與該直流電機模組4的安全規格之下，達成極大的動力能源回收，因此，可以大幅減少該電池模組2的損傷，進一步增加該電池模組2的使用壽命及降低成本。

三、由於該電池模組2無論在輸出電力或是被回充時，皆是使用直流電進行，所以該直流電機模組4的發電電壓能與電池模組2無縫接軌，不需如習知技術需要整流器、變壓器的多級轉換，因此可以使電能回充效率提高到至少95%以上，大幅提高電能利用率，不但可節省能源，亦進一步使電池模組2的續航力大幅增加。

四、由於本實施例無論在該電池模組2輸出電力或是被回充時皆能無縫接軌，且藉由該無段自動變速器5進行轉速轉換控制，不但幾無時間差，且即使在該電動車9激烈地減速時，該直流電機模組4的轉速也只會短暫些微增加(例如每分鐘轉速由2000轉增加至2020轉)，其增加量同樣是小到可被忽略，因此，該電動車9的車速可以經由 該無段自動變速器5而被穩定精準地操控，不會因為急速減速而造成該直流電機模組4轉速躍升，導致減速效果難以被精確控制，且目前習知技術並無法達成急減速時的控制，而只能利用傳統來令片剎車，不僅浪費能源亦造成來令片的大量消耗，相對地，本實施例可達成精準減速的控制及急減速時的穩定控制，故可以大幅提升行車安全。

五、藉由該控制裝置6於該電動車9之車速低於該預定速度時控制該直流電機模組4切換至該低速模式運作，並於該電動車9之車速為0時控制該電池模組2停止提供電能至該直流電機模組4以使該直流電機模組4停止轉動，可以更加地節省低速時的能源消耗。

綜上所述，故確實能達成本新型之目的。

惟以上所述者，僅為本新型之實施例而已，當不能以此限定本新型實施之範圍，即大凡依本新型申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本新型專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧電池模組

21‧‧‧電池

3‧‧‧保護裝置

31‧‧‧啟動保護模組

4‧‧‧直流電機模組

5‧‧‧無段自動變速器

6‧‧‧控制裝置

7‧‧‧車速調控裝置

71‧‧‧油門

72‧‧‧剎車

9‧‧‧電動車

91‧‧‧車輪

Claims (8)

1. 一種電動車的控制系統，適用於一電動車，該電動車的控制系統包含：一直流電機模組，受控制以於一運作模式運作時維持在一固定轉速；一無段自動變速器，受該直流電機模組帶動以驅動該電動車移動；及一控制裝置，電連接該無段自動變速器，於該直流電機模組以該運作模式運作時，透過改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。
2. 如請求項1所述的電動車的控制系統，還包含一電池模組，該電池模組用以提供電能至該直流電機模組，且於該直流電機模組於該運作模式時提供一固定電壓至該直流電機模組；該直流電機模組為馬達兼發電機，於該直流電機模組運作為馬達時，該直流電機模組之轉速與該固定電壓呈正比；於該直流電機模組運作為發電機時，該直流電機模組之轉速與其輸出之電壓呈正比。
3. 如請求項2所述的電動車的控制系統，其中，於該電動車要進行減速回充電時，該無段自動變速器受該電動車之動能反帶動，並經該控制裝置調控變速比而帶動該直流電機模組運作在一充電轉速，以將該電動車之動能經該直流電機模組回充至該電池模組。
4. 如請求項3所述的電動車的控制系統，其中，該控制裝 置於該電動車之車速為0時，控制該電池模組停止提供電能至該直流電機模組以使該直流電機模組停止轉動。
5. 如請求項4所述的電動車的控制系統，其中，該控制裝置於該電動車之車速大於0且低於一預定速度時，控制該直流電機模組於一低速模式運作，於該低速模式時，該直流電機模組之轉速低於該固定轉速，且該控制裝置透過改變該直流電機模組之轉速以調整該電動車之車速。
6. 如請求項3所述的電動車的控制系統，還包含一車速調控裝置，該車速調控裝置包括一油門，該油門受操作以輸出一加速信號與一減速信號至該控制裝置，該控制裝置分別根據該加速信號與該減速信號改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。
7. 如請求項3所述的電動車的控制系統，還包含一車速調控裝置，該車速調控裝置包括一油門，及一剎車，該油門及該剎車分別受操作以輸出一加速信號與一減速信號至該控制裝置，該控制裝置分別根據該加速信號與該減速信號改變該無段自動變速器的變速比以調整該電動車之車速。
8. 如請求項6及請求項7中任一項所述的電動車的控制系統，其中，該控制裝置於接收該加速信號時，降低該無段自動變速器的變速比以加速該電動車；該控制裝置於接收該減速信號時，提高該無段自動變速器的變速比以減速該電動車。