CN101648527A - 具有充电功能的马达驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种具有充电功能的马达驱动器，以单体的形态应用于电动车辆的驱动与充电控制，包括一高频变压器一次侧回路、一高频变压器二次侧回路、一中央运算单元、一马达驱动开关组、一马达及一电池组。其中高频变压器一次侧回路设有一充电开关，在马达不作动时接收一持续或定时发送的低导通比脉冲宽度控制信号，中央运算单元则通过检测高频变压器二次侧回路有无感应电压产生，判断有无外接的电源接入本装置。当有外接电源接入时，对电池组进行脉冲宽度调制控制的充电。通过此共构装置，可以单体的形态让电动车辆直接利用一般市电的插座进行充电，自动判断是否进入充电状态并进行电池组能量管理，而无需外接的传统专用充电器。

Description

具有充电功能的马达驱动器

技术领域

本发明有关一种可直接利用一般市电对电动车辆进行充电与马达驱动控制的单体装置，尤指充电时使用者不需考虑、判断或动手切换任何充电开关，而由装置本身自行判断充电插头是否已经插上外接电源并由马达驱动状态自动转为进行充电状态的具有充电功能的马达驱动器。

背景技术

凡是电动车辆都存在对蓄电池组充电的问题。在现有技术中，大多数的电动脚踏车因安置电池的空间有限，都不把充电装置安装在车架上，以减轻车体的重量，精简车体构造、增加电池的续航力。为此，其充电器通常以独立的设备形态存在，使用必须辟设特定的放置地点或随车携带。

对于重型电动车辆而言，车上除了电池组以外，尚需再加装一颗专用的充电器，如此，无形中增加了车上的赘重、浪费电能和空间。因此，重型的电动车辆的研发，需要发明新的充电装置来解决赘重、浪费电能和空间的问题。

为克服上述问题，中国发明专利申请(申请号01107473.6，公开号CN1298818A)公开一种电动车辆调速和充电的一体化的装置，使电动车辆充电时省去笨重的专用充电器，在任何有市电的地方，只需插上市电的插座即可实现对电动车辆的直接充电。

然而，此一现有技术所采用的是传统类比电路，无法自动判断其充电插头是否已经插上外接电源的插座而进行适当的充电的调控，因此必须由使用者手动拨切三个连动转换开关，才能使车辆从可驾驶调速的状态改变为可充电的状态，或从可充电的状态改回可驾驶调速的受驱动状态。

发明内容

为解决现有技术留下的问题，本发明提供一种应用于电动车辆的具有充电功能的马达驱动器，包括一高频变压器一次侧回路、一高频变压器二次侧回路、一中央运算单元、一马达驱动开关组、一马达及一电池组。其中高频变压器一次侧回路设有一充电开关，在马达不作动时接收一持续或定时发送的低导通比脉冲宽度控制信号，使高频变压器一次侧回路于外接电源接上时可在高频变压器二次侧回路先产生一微量电压。中央运算单元则通过检测高频变压器二次侧回路有无感应电压产生，判断有无外接的电源接入本装置。

一旦马达停止，而且充电插头已经插接了外接电源，本装置增加脉冲宽度控制信号的导通比给充电开关，进行高频开关动作对电池组进行脉冲宽度调制控制的充电。反之，在驱动马达时，中央运算单元令充电开关关闭，改通过马达驱动开关进行输出功率控制。

藉此共构装置，本发明的实施可以单体的形态让电动车辆直接利用一般市电的插座进行充电，并自动判断是否应进入充电状态并进行电池组能量管理，而毋需外接的传统专用充电器。

马达驱动开关包括一驱动开关组，在驱动模式下，用以接收中央运算单元的脉冲宽度脉冲宽度调制信号或换相而改变马达的输出功率；在充电模式下，可让中央运算单元周期性主动关闭充电开关，瞬间导通而马达消耗功率，以让电池组做极短暂放电，此动作可消除被充电池组因持续充电造成的化学极化及温升现象，提升充电效能。

当电源拔除，中央运算单元检测不到高频变压器二次侧回路的感应电压。若此时若马达的驱动信号已经产生，中央运算单元将自动进入其驱动马达的控制状态，从而根据驾驶人的前进、倒退、煞车或加减速指令控制马达，并参考电池组的电压、电流、温度状态送出适当的脉冲宽度脉冲宽度调制信号或换相至马达驱动开关组以改变车速。由于中央运算单元由电池组供电，因此当电池组被拔除时，中央运算单元将无法再对高频变压器一次侧回路上的驱动开关送出充电的脉冲信号，万一市电插头被接上，也不会如传统外接专用充电器或整流器、变压器等送电至电池组的接头，这时使用者若不慎碰触到电池组的接头也不会有触电的危险。

附图说明

图1为本发明的马达驱动与充电共构装置的实施例的示意图。

图2为本发明的判断流程图。

图3为本发明的马达驱动与充电共构装置实施例于充电高频开关动作进行，充电开关导通时的充电电流流向。

图4为本发明的马达驱动与充电共构装置实施例于充电高频开关动作进行，充电开关关闭时的充电电流流向。

图5为本发明对电池组充电所采取的脉冲充放电法示意图。

图6为本发明的马达驱动与充电共构装置实施例马达驱动开关导通时，电池组对马达放电时的电流流向。

图7为本发明应用于一三相无刷马达的实施例。

图8为图7的应用三相无刷马达实施例，于马达驱动开关导通时电池对马达放电的电流方向示意图。

图9为图7的应用三相无刷马达实施例，于充电高频开关动作进行，充电开关关闭时的充电电流方向示意图。

图10为本发明应用于可控制正、反转的有刷马达的实施例。

图11为图10的应用可控制正、反转的有刷马达实施例，于控制正反转的电流方向示意图。

图12为图10的应用可控制正、反转的有刷马达实施例，于充电高频开关动作进行，充电开关关闭时的充电电流方向示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下：

本发明的驱动与充电的共构装置实施例如图1所示，包括一高频变压器一次侧回路1、一高频变压器二次侧回路2、一中央运算单元3、一马达驱动开关组4、一马达M1或M2及一电池组5。

其中高频变压器一次侧回路1包括一市电插头11、一滤波器12、一全波整流二极管13、一充电开关14及一高频变压器15及一隔离元件16。市电(交流电源)经市电插头11、一滤波器12、一全波整流二极管13，构成一交流转直流电路将市电整为直流电输至高频电压器15的一次侧，当充电开关14进行高频开关动作，在高频变压器15的二次侧产生感应电压，用以对电池组5进行充电。

本发明的具有充电功能的马达驱动器可自动检测是否有市电输入，其判断步骤如图2所示，利用中央运算单元3于步骤61检测当马达是否处于不作动的状态，亦即判断马达驱动命令33是否为零；若不为零，执行步骤66进入驱动控制状态；若马达驱动命令33为零，执行步骤62，持续定时送出低导通比的脉冲宽度控制信号，经隔离元件16(譬如高速光偶合器或驱动变压器等)送至充电开关14。

当市电插头11接上市电之后，交流电便经由滤波器12、全波整流二极管13后，在高频变压器15的一次侧获得高压直流输入电源(若为110V交流市电，整流后的直流电压约156V，若为220V的交流市电，经整流后约311V)，当充电开关14进行高频开关动作时，中央运算单元3便可执行步骤63，通过类比数码转换器检测到二极管D2连接高频变压器15二次侧线圈产生感应电压15，即可判断市电插头11已经接上市电，接着执行步骤65，进入充电控制状态，令充电开关14进行一高频开关动作对电池组进行脉冲宽度调制控制，对电池进行充电。

进入正常充电状态后，中央运算单元3通过另一类比数码转换器读取电池组的电压、电流和温度检测值32，依据充电的控制电压、电流目标，送出脉冲信号，经由隔离元件16(光偶合器或驱动变压器)，对高频变压器15一次侧线圈的充电开关14触发相对导通比的高频开关动作，通过改变充电开关14的导通比，达成控制充电电流、电压等各种所需的充电性能。

本实施例以“返驰”原理的交换电源架构为例说明。当充电高频开关动作进行，充电开关14一开始导通时，电流回路如图3所示，因感应电位极性关系，高频变压器15二次侧的二极管D2形成断路，一次侧的电能储存于高频变压器15铁芯内，电容C1则放电至电池组5。当充电高频开关动作进行，充电开关14关闭(断路状态)，电流回路如图4所示，其中因感应电位的极性，造成高频变压器15二次侧的二极管D2形成通路，充电开关14导通时储存于高频变压器15铁芯内的电能开始释放至电容C1及电池组5。经由持续上述的高频开关动作(一般开关频率设计大于30KHz)，即可实现“返驰式”交换电源的交变运作，并进入正常充电状态。

本实施例具有如图5所示的原理实施脉冲式充放电的功能：在充电开关14执行高频开关动作充电一段时间后，设计一周期性的关闭时机，接着由中央运算单元3的通道主动送出短促而不至使马达转动的脉冲信号至马达驱动开关组4，图6所示即为此状态马达驱动开关组4导通时的电流流向。通过马达M1对电池组5进行短促放电动作，消除被充电池组5因持续充电造成的化学极化及温升现象，提升充电效能。

又如图6所示，当本实施例进入马达驱动控制状态66，中央运算单元3会根据驾驶者的操作动作，例如转弯、踩油门或所需的助行信息产生一马达驱动命令33，并即时通过类比数码转换器监测电池组的电压、电流、温度状态32判断是否需要进行过电流、过低电压、过温保护后，通过连接马达驱动开关4的通道送出所需的脉冲宽度调制信号至马达，改变马达M1的输出功率，从而可依据驾驶人的意志改变驾驶车速。图中所示者即马达驱动开关组4导通时的电流流向。

本领域技术人员应知，以上说明虽以有刷马达M1进行说明，但实施者不必以有刷马达M1为限；如图7至图9所示，一应用三相无刷马达M2替代前述有刷马达M1的变化实施例；同样是以中央运算单元3控制马达驱动开关(上臂开关A1与下臂开关A2)进行换相及脉冲宽度调制以驱动无刷马达M2。如图8所示点线箭头所示意，当上臂开关A1与下臂开关A2在中央运算单元3控制下导通时，电池对马达放电的换相电流方向至少将包括：电流路径a1→b2、b3，a2→b1、b3，及a3→b1、b2者等。如图9所示意，当充电高频开关动作进行，充电开关14关闭(off)时，充电电流沿如图中点线箭头所示意的路径流动。

又如图10至图12所示，应用可控制正、反转的有刷马达M1的另一变化实施例，其中同样以中央运算单元3控制马达驱动开关(上臂开关A3与下臂开关A4)进行换相及脉冲宽度调制以驱动有刷马达M1。如图11所示，当中央运算单元3控制有刷马达M1正转时，其电流方向如点线箭头所示意的路径a4→b5；控制有刷马达M1反转时，电流方向如点线箭头所示意的路径a5→b4。如图12所示，当充电高频开关动作进行，充电开关14关闭(off)时，充电电流沿如图中点线箭头所示意的路径流动。

本发明与各现有技术相较之下，显示其除了不再需要外接一般传统的专用充电器即可直接利用一般市电的插座进行充电。此外，本发明的马达驱动与充电共构装置能自行判断是否已插接市电，并且又能自动切换充电或驱动马达的模式，而且于充电过程中还能利用马达进行短促放电的脉冲式充放电方法，消除电池组因持续充电造成的化学极化及温升现象，提升充电效能。

以上实施例的揭示是用以说明本发明，并非用以限制本发明，故凡等效元件、同等功能配置的置换或将马达驱动电路由本实施例延伸为使用四组充电开关可控制有刷马达前进、后退的“全桥式”电路或使用六组充电开关的“无刷马达”驱动电路延伸架构仍属于本发明的范畴。

Claims (10)

1、一种具有充电功能的马达驱动器，包括一高频变压器一次侧回路、一高频变压器二次侧回路、一中央运算单元、一马达驱动开关组、一马达及一电池组；其特征在于，该中央运算单元在该马达驱动开关组不作动时，自动检测该高频变压器一次侧回路有无外接市电进入，据以判断是否进入一充电控制状态。

2、如权利要求1所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该高频变压器一次侧回路设有一充电开关，当马达处于不作动的状态，用以接收该中央运算单元持续定时送出的脉冲宽度控制信号，使中央运算单元得以检测高频变压二次侧回路有无一感应电压产生，藉以判断有无外接的市电可进行该充电控制状态。

3、如权利要求1所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该高频变压器一次侧回路包括一市电插头、一交流转直流电路、一充电开关及一高频变压器及一隔离元件；当市电插头与市电连接，利用该交流转直流电路将交流市电转为直流电至高频电压器的一次侧，当该充电开关接收该中央运算单元持续定时送出的脉冲宽度控制信号时，使该高频电压器的二次侧产生该感应电压，藉以判断有无外接的市电可进行该充电控制状态。

4、如权利要求3所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该中央运算单元经由该隔离元件对该充电开关触发高频开关动作，通过改变该充电开关的导通比，达成控制充电电流、电压等充电控制。

5、如权利要求1项所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该中央运算单元于接收到一马达的驱动信号时进入一驱动马达的控制状态，并根据该驱动信号送出一对应的调制信号至该马达驱动开关组以控制该马达。

6、如权利要求3或4所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该隔离元件为一光偶合器。

7、如权利要求3或4所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该隔离元件为一驱动变压器。

8、如权利要求3或4所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该充电开关可作一周期性的关闭，并由该中央运算单元主动送出短促而不至使该马达转动的脉冲信号至该马达驱动开关，通过该马达对该电池组进行一短促放电动作，以消除该电池组因持续充电可能发生的化学极化及温升现象。

9、如权利要求1至5中任何一项所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该马达为一有刷马达。

10、如权利要求1至5中任何一项所述的具有充电功能的马达驱动器，其特征在于，该马达为一无刷马达。

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