CN104340044A - 混合动力***及其运作方法 - Google Patents

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Abstract

一种混合动力***包含一电动/发电机模块、一供电模块、一引擎模块、一供油模块及一控制模块。该电动/发电机模块可于一第一、第二接线模式间切换，且第一接线模式的反电动势常数大于第二接线模式的反电动势常数；该供电模块电连接该电动/发电机模块，以供应所需的电力；该引擎模块连接并带动该电动/发电机模块转动；该供油模块连接该引擎模块，以供应所需的汽油；该控制模块电连接该电动/发电机模块、该供电模块及该供油模块，用以控制所述模块的动作。除此之外，本发明更揭露有该混合动力***对应的运作方法。

Description

混合动力***及其运作方法
技术领域
本发明是与油电混合动力有关；特别是指一种混合动力***及其运作方法。
背景技术
传统上，引擎工作转速会远大于电动/发电机转速。因此，一般混合动力***中，电动/发电机常被作为被驱动件启动与低速时的动力源，而当被驱动件的转速提升至中高速时，则会改交由引擎作为驱动被驱动件转动的动力源(如遇输出需大扭力时也有可能是引擎+马达同时出力)，并同时带动电动/发电机转动。
如此一来，电动/发电机在外力带动情形下便产生反电动势，且其反电动势与转速的数学关系如下：
VEMF＝Ke×ω
其中，VEMF为马达反电动势、Ke为反电动势常数、ω为马达角速度(rad/s)。换言之，反电动势常数Ke固定的状态下，反电动势VEMF随转速ω增加而呈正比递增。
由此，当电动/发电机被引擎带动而转动产生反电动势时，电动/发电机便可反向对原供应电动/发电机电力的电池充电，进而补偿电池失去的电力，而达到充放电的循环。另外，当电动/发电机被引擎带动所产生的反电动势大于一定伏特数时，则会切断电池与电动/发电机机的电性连接，以避免电池损毁。
然而，为于低速时能输出大扭力，电动/发电机受电转动时的绕阻接线通常为Y型接线，且当电动/发电机被引擎带动而转动时，其绕阻接线通常保持在反电动势常数Ke较高的Y型接线方式，而由前述数学式可知，当马达反电动势VEMF固定时，反电动势常数Ke越高，则马达角速度ω越低。换言之，电动/发电机于发电机状态下，若仍保持在反电动势常数Ke较高的Y型接线时，将会使得引擎的运转转速仍未至极高转速时，电动/发电机所产生的反电动势已超过电池所能负荷的最大伏特数，而使回充线路被截断。是以，电动/发电机于发电机状态下若仍保持Y型接线，将使得动力***的有效发电转速被挶限于引擎较小的转速范围之中，而无法达到较佳的充放电循环。
另外，除上述缺点外，若电动/发电机于发电机状态下仍维持于反电动势常数Ke较高的接线方式时，其马达角速度ω很容易有过高的疑虑，而容易形成过大电压致使电池过充而导致寿命减短，且同时亦会影响到电池充电时的安全性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的用于提供一种混合动力***及其运作方法，可有效地延展电动/发电机发电时的转速范围，进而可达到较佳的充放电循环。
除此之外，本发明的另一目的在于电动/发电机工作于高转速区时，可有效避免过大电压导致电池过充而寿命减短的情事，并同时可确保电池充电时的安全性。
缘以达成上述目的，本发明所提供混合动力***用以带动一被驱动件转动，且包括一电动/发电机模块、一供电模块、一引擎模块、一供油模块以及一控制模块。其中，该电动/发电机模块与该被驱转件连接，并可于一第一接线模式及一第二接线模式之间切换其绕组的接线方式，且该电动/发电机模块于第一接线模式时的反电动势常数大于于该第二接线模式时的反电动势常数。该供电模块电性连接该电动/发电机模块，用以供应运转所需的电力予该电动/发电机模块。该引擎模块通过一连动装置连接该电动/发电机模块，且该引擎模块运转时，将通过该连动装置带动该电动/发电机转动。该供油模块连接该引擎模块，用以供应运转所需的汽油予该引擎模块；该控制模块电性连接该电动/发电机模块、该供电模块以及该供油模块，用以控制该电动/发电机模块的接线模式，并控制该供电模块是否供电予该电动/发电机模块、以及控制该供油模块是否供油予该引擎模块。
由此，该混合动力***运作时，该控制模块切换该电动/发电机模块的绕组为第一接线模式，并控制该供电模块供电予该电动/发电机模块，以启动该电动/发电机模块运转，以带动该被驱动件转动；当该电动/发电机模块的转速大于一启动转速时，启动该引擎模块运转，且控制该供油模块供油予该引擎模块，而后，当该电动/发电机模块的转矩比例小于一预定比例时，控制该供电模块以停止供电予该电动/发电机模块，使该引擎模块带动该电动/发电机模块与该被驱动件转动，并切换该电动/发电机模块的绕组为第二接线模式，而该转矩比例是指该电动/发电机模块所提供的转矩占驱动该被驱动件转动的总转矩的比例。
依据上述构思，本发明更提供有一种混合动力***的运作方法，包含有下列步骤：
A.控制一电动/发电机模块的绕组为一第一接线模式，并提供一供电模块供电予该电动/发电机模块，使该电动/发电机模块带动一被驱动件转动；
B.当该电动/发电机模块的转速大于一启动转速时，启动一引擎模块运转；
C.当该电动/发电机模块的转矩比例小于一预定比例时，停止供电予该电动/发电机模块，并切换该电动/发电机模块的绕组为一第二接线模式，而该转矩比例是指该电动/发电机模块所提供的转矩占驱动该被驱动件转动的总转矩的比例；另外，该电动/发电机模块于第二接线模式时的反电动势常数小于于该第一接线模式时的反电动势常数；
D.使该引擎模块带动该电动/发电机模块与该被驱动件转动，并将该电动/发电机模块被带动而产生的反电动势回充至该供电模块。
依据上述构思，该第一接线模式为Y型接线，而该第二接线模式为△型接线。
依据上述构思，该第一接线模式为长Y型接线，而该第二接线模式为短Y型接线。
依据上述构思，该第一接线模式为串联式Y型接线，而该第二接线模式为并联式Y型接线。
如此一来，通过上述设计，本发明的混合动力***便可有效地延展电动/发电机有效发电时的工作范围(转速范围)，进而达到较佳的充放电循环。
附图说明
为能更清楚地说明本发明，以下结合较佳实施例并配合附图详细说明如后，其中：
图1为本发明第一较佳实施例的方块图；
图2为本发明第一实施例的电动/发电机的绕组电路图；
图3A为图2绕组于第一接线模式时的电路图；
图3B为图2绕组于第二接线模式时的电路图；
图4为本发明第二较佳实施例的方块图；
图5A-C为本发明其它可行的接线模式电路图。
具体实施方式
请参图1所示，本发明一较佳实施例的混合动力***用以带动一车辆的车轮100转动，且包含有一电动/发电机模块10、一供电模块20、一引擎模块30、一连动装置40、一起动马达50、一供油模块60以及一控制模块70。其中：
该电动/发电机模块10于本实施例中为一三相直流无刷轮毂式马达，且该车轮100是环绕该电动/发电机模块10设置，而可被该电动/发电机模块10带动而转动。当然，在其他实施态样中，只要能带动该车轮100转动，本发明的电动/发电机模块亦可为中间轴式直流无刷马达、有刷马达、或是其他型态的电动发电机。另外，请参阅图2，该电动/发电机模块10于其绕组12上设有三个第一电子开关S1以及三个第二电子开关S2，且可受控制地切换所述三个第一电子开关S1以及所述第二电子开关S2的启闭，而使其绕组12的接线方式可于一第一接线模式(如图3A所示的Y型接线)及一第二接线模式(如图3B所示的△型接线)之间切换。再者，该电动/发电机模块10于第一接线模式时的反电动势常数大于于该第二接线模式时的反电动势常数，更详而言之，于本实施例中，该电动/发电机模块10于第一接线模式时的反电动势常数，为于该第二接线模式时的反电动势常数的1.7倍。
该供电模块20包含有一电池22以及一供电电路24，该电池22是通过该供电电路24电性连接该电动/发电机模块10，用以供应运转所需的电力予该电动/发电机模块10，而该供电电路20则用以受控制地切换该供电模块20可流通的电流流向、以及连通或阻断该电池22与该电动/发电机模块机10的电性连接。
该引擎模块30通过该连动装置40连接该至电动/发电机模块10，且于本实施例中，该连动装置40为单向驱动变速器，换言之，当该引擎模块30运转时，将可通过该连动装置40带动该电动/发电机模块10转动，而当该电动/发电机模块10运转时，则无法带动该引擎模块30转动。
该启动马达50连接该引擎模块30，用以带动该引擎模块30转动，而使该引擎模块30可顺利启动。该供油模块60连接该引擎模块30，用以供应运转所需的汽油予该引擎模块30。另外，该启动马达50与该供油模块60的电路与机械结构为现有技术，于此容不再赘述。
该控制模块70电性连接该电动/发电机模块10、该供电模块20的供电电路24、该启动马达50以及该供油模块60，用以控制该电动/发电机模块10的所述第一开关S1与第二开关S2以切换该电动/发电机模块10的接线模式，并控制该供电模块20与该电动/发电机模块10间的电流走向、该电池22是否供电予该电动/发电机模块10、以及控制该启动马达50的启闭、与控制该供油模块60是否供油予该引擎模块30。
由此，通过上述的设计，当该混合动力***启动而欲带动该车轮100转动时，该控制模块70便切换该电动/发电机模块10的绕组12为该第一接线模式(如图3A)，并控制该供电电路24使电流走向为由该供电模块20流向该电动/发电机模块10，意即使该电池22供电予该电动/发电机模块10，以驱动该电动/发电机模块10带动该车轮100转动。当该电动/发电机模块10的转速逐渐提升而大于一启动转速，即此时的车速已达到该引擎模块30高燃烧效率的转速区间时，该控制模块70则启动该启动马达50驱动该引擎模块30转动，并控制该供油模块60开始供油予该引擎模块30，以启动该引擎模块30运转，使得该引擎模块30无须耗费油料于车辆启动阶段时低转速的低燃烧效率的转速区间，而可于中、高速的高燃烧效率转速区间发挥其燃效。
而后，当该引擎模块30所提供驱动该车轮100转动的转矩逐渐升高，而该电动/发电机模块10所提供驱动该车轮100转动的转矩逐渐下降，直至该电动/发电机模块10的转矩比例(即其所提供的转矩占驱动该车轮100转动的总转矩的比例)小于一预定比例(约为10％)时，此时大部分的转矩是由该引擎模块30所提供，该控制模块70则控制该供电电路24使电流走向为由该电动/发电机模块10流向该供电模块20，意即停止供电予该电动/发电机模块10，并切换该电动/发电机模块10的绕组为第二接线模式(如图3B)。由此，利用该引擎模块30带动该电动/发电机模块10与该车轮100转动，便可将该电动/发电机模块10产生的反电动势回充至该供电模块20的电池22，达到充放电循环的效果。当然，在实际实施上，该预定比例可依车种的不同而改为20％、15％、5％或其它比例，而预定比例不大于20％的原因在于当车辆进行动力源切换时，车辆行进间不易有顿挫感产生。
另外，通过先前提及的反电动势与转速的数学关系可得知，当马达反电动势VEMF固定时，反电动势常数Ke越低，则马达角速度ω越高。换言之，通过将改变接线方式的设计，便可当该电动/发电机模块10受电而处于电动机状态时，以高反电动势常数的第一接线模式运转以提供大扭力输出来驱动该车轮100转动，而在该电动/发电机模块10被带动而处于发电机状态时，便切换至反电动势常数较低的第二接线模式运转，使其被带动而导致转速逐渐上升时，该电动/发电机模块10产生的反电动势能以较为缓慢的上升速率提升至该电池22可承受的饱电电压(饱电电压高于该电池22的额定电压，本实施例中额定电压为48伏特，饱电电压为56伏特，然其仅为例示，实务上饱电电压依电池材料不同而改变)，而该饱电电压则相对应有一远大于该启动转速的阻断转速。
如此一来，在相同的饱电电压下，本发明对应的阻断转速将可远大于习用混合动力***的阻断转速同时可有效避免电压提升幅度过大导致电池过充而寿命减短的情事，并同时可确保电池充电时的安全性。另外，为保护该电池22，当该电动/发电机模块10转速再逐渐升高而大于该阻断转速时，该控制模块70则控制该供电电路24阻断该供电模块20与该电动/发电机模块10间的电性连接，使该供电模块20与该电动/发电机模块10间呈断路，而可避免过大的反电动势击毁该电池22内部元件，即避免电池过充。
是以，综上所述可得知，通过切换接线方式的设计，便可有效地延展该电动/发电机10可充电予该电池22的转速范围，而增加该电动/发电机10有效发电时的工作时间，进而达到较佳充放电循环的目的。除此之外，上述设计的另一好处在于不必更改原先已设于旧有油动车辆中的引擎模块30、连动装置40、起动马达50与供油模块60，仅须于旧有油动车辆上额外加装电动/发电机模块10、供电模块20与控制模块70后，即可将旧有的油动车辆转换成油电混合动力的车辆，而可使旧有的油动车辆达到节能减碳的目的。
另外，除上述结构外，请参阅图4，为本发明第二实施例的混合动力***，与前述第一不同的处在于其连动装置80为双向驱动变速器，且同时省略启动马达50的设置，意即，该电动/发电机模块10可通过该连动装置80带动该引擎模块30转动，再利用该控制模块70控制该供油模块60供油予该引擎模块30，而达到启动该引擎模块30运转的目的，且本实施例的结构设计，同样可以达到有效地延展该电动/发电机10充电予该电池22时的转速范围、以及确保电池22充电安全性的目的。
再者，除上述接线方式外，本发明的混合动力***的电动/发电机模块10绕组12的第一接线模式亦可改为如图5A所示具有较高反电动势常数的串联式长Y型接线，而第二接线模式则可对应修改为具有较低反电动势常数的短Y型接线(如图5B所示)或并联式Y型接线(如图5C所示)，同样可以达到有效地延展该电动/发电机10有效发电的转速范围的效果。又，以上所述仅为本发明较佳可行实施例而已，除用以带动车轮转动外，亦可带动手工具、转盘等其他被驱动件转动，且凡是应用本发明说明书及申请专利范围所为的等效变化，理应包含在本发明的权利要求范围内。

Claims (17)

1.一种混合动力***，用以带动一被驱动件转动，且包括：
一电动/发电机模块，与该被驱转件连接，并可于一第一接线模式及一第二接线模式之间切换其绕组的接线方式，且该电动/发电机模块于第一接线模式时的反电动势常数大于该第二接线模式时的反电动势常数；
一供电模块，电性连接该电动/发电机模块，用以供应运转所需的电力予该电动/发电机模块；
一引擎模块，通过一连动装置连接该电动/发电机模块，且该引擎模块运转时，将通过该连动装置带动该电动/发电机转动；
一供油模块，连接该引擎模块，用以供应运转所需的汽油予该引擎模块；以及
一控制模块，电性连接该电动/发电机模块、该供电模块以及该供油模块，用以控制该电动/发电机模块的接线模式，并控制该供电模块是否供电予该电动/发电机模块、以及控制该供油模块是否供油予该引擎模块；
由此，该混合动力***运作时，该控制模块切换该电动/发电机模块的绕组为第一接线模式，并控制该供电模块供电予该电动/发电机模块，以启动该电动/发电机模块运转，以带动该被驱动件转动；当该电动/发电机模块的转速大于一启动转速时，启动该引擎模块运转，且控制该供油模块供油予该引擎模块，而后，当该电动/发电机模块的转矩比例小于一预定比例时，控制该供电模块以停止供电予该电动/发电机模块，使该引擎模块带动该电动/发电机模块与该被驱动件转动，并切换该电动/发电机模块的绕组为第二接线模式，而该转矩比例是指该电动/发电机模块所提供的转矩占驱动该被驱动件转动的总转矩的比例。
2.如权利要求1所述的混合动力***，其中，当该电动/发电机模块的转速大于一阻断转速时，该控制模块则阻断该供电模块与该电动/发电机模块间的电性连接，使该供电模块与该电动/发电机模块间呈断路；另外，该阻断转速大于该启动转速。
3.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该第一接线模式为Y型接线，而该第二接线模式为△型接线。
4.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该第一接线模式为长Y型接线，而该第二接线模式为短Y型接线。
5.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该第一接线模式为串联式Y型接线，而该第二接线模式为并联式Y型接线。
6.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该供电模块包含有一电池以及一供电电路，该电池通过该供电电路电性连接至该电动/发电机模块，以供应运转所需的电力予该电动/发电机模块；该供电电路用以切换该供电模块与该电动/发电机模块间的电流流向、以及连通或阻断该电池与该电动/发电机模块机的电性连接。
7.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该连动装置为单向驱动变速器；另外，该混合动力***还包含有一起动马达与该引擎模块连接，用以带动该引擎模块转动，以当该控制模块控制该供油模块供油予该引擎模块时，使该引擎模块启动运转。
8.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该连动装置为双向驱动变速器，且该电动/发电机模块通过该连动装置带动该引擎模块转动，以当该控制模块控制该供油模块供油予该引擎模块时，使该引擎模块启动运转。
9.如权利要求1所述的混合动力***，其中，该预定比例不大于20％。
10.一种混合动力***的运作方法，包含有下列步骤：
A.控制一电动/发电机模块的绕组为一第一接线模式，并提供一供电模块供电予该电动/发电机模块，使该电动/发电机模块带动一被驱动件转动；
B.当该电动/发电机模块的转速大于一启动转速时，启动一引擎模块运转；
C.当该电动/发电机模块的转矩比例小于一预定比例时，停止供电予该电动/发电机模块，并切换该电动/发电机模块的绕组为一第二接线模式，而该转矩比例是指该电动/发电机模块所提供的转矩占驱动该被驱动件转动的总转矩的比例；另外，该电动/发电机模块于第二接线模式时的反电动势常数小于该第一接线模式时的反电动势常数；
D.使该引擎模块带动该电动/发电机模块与该被驱动件转动，并将该电动/发电机模块被带动而产生的反电动势回充至该供电模块。
11.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，于该步骤D之后，还包含有一步骤E，是当该电动/发电机模块的转速大于一阻断转速时，则阻断该供电模块与该电动/发电机模块间的电性连接，使该供电模块与该电动/发电机模块间呈断路；另外，该阻断转速大于该启动转速。
12.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，该第一接线模式为Y型接线，而该第二接线模式为△型接线。
13.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，该第一接线模式为长Y型接线，而该第二接线模式为短Y型接线。
14.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，该第一接线模式为串联式Y型接线，而该第二接线模式为并联式Y型接线。
15.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，于步骤B中，是通过一起动马达带动该引擎模块转动，以启动该引擎模块运转。
16.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，于步骤B中，通过该电动/发电机模块带动该引擎模块转动，以启动该引擎模块运转。
17.如权利要求10所述的混合动力***的运作方法，其中，该预定比例不大于20％。
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