TWI737467B - 高磁阻電機能量回收管理系統及方法 - Google Patents

Abstract

本發明公開一種高磁阻電機能量回收管理系統及方法。偵測元件偵測馬達與電力供應元件的馬達的轉速、馬達與電力供應元件的電流和電壓等參數。控制元件控制開關元件以驅動馬達以高速運轉在驅動模式下時，依據馬達與電力供應元件的參數，調降馬達的超前角，使馬達的反電動勢高於電力供應元件的電壓，以在馬達在驅動模式下高速運轉的同時，馬達的一部分電流回充電力供應元件。

Description

高磁阻電機能量回收管理系統及方法

本發明涉及高磁阻電機，特別是涉及一種高磁阻電機能量回收管理系統及方法。

隨著人們生活水平的不斷提高，電動自行車、電動摩托車等電動車逐漸成為人們首選的代步工具。與自行車不同，電動車不需要用人力來驅動，比自行車省力、快捷，人們可以行駛更長的距離。電動車通常採用馬達作為動力元件。目前在電動載具的應用下，其車輛為了減重、高功率密度需求，電機大多以高速化為設計準則，但又為了高功率密度的需求，所以使得電機裝置大多以內藏型磁石馬達來設計並輔以弱磁控制來實現。

弱磁控制顧名思義就是，在電機高速時透過控制器來削弱電機的反電動勢使得電池電壓仍可高於電機反電動勢，進而電流仍可流進電機保持驅動程序。然而，這也伴隨著風險：若電機弱磁深度很深，比如說2倍基底轉速的弱磁操作，此時若控制器失效、弱磁消失，會造成反電動勢為2倍電池電壓，而這個2倍電池電壓，可能會誘發開關元件的耐壓不足而過壓燒毀，開關元件耐流不足而過流燒毀，瞬間流往電池的電流很大會導致電池受損。

本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種高磁阻電機能量回收管理系統，適用於電機裝置。電機裝置具有馬達、電力供應元件以及開關元件。馬達連接電力供應元件以及開關元件。電力供應元件供應馬達運轉所需的電力。高磁阻電機能量回收管理系統包含偵測元件以及控制元件。偵測元件連接馬達，配置以偵測電機裝置的參數，此參數包含馬達的轉速以及開關元件、馬達與電力供應元件的電流和電壓。控制元件連接偵測元件以及開關元件。控制元件配置以控制開關元件的運作狀態，以驅動馬達以高速運轉在一驅動模式下時，依據參數以調降馬達的超前角，使馬達的反電動勢高於電力供應元件的電壓，以在馬達在驅動模式下運轉過程中，馬達的一部分的電流回充電力供應元件。

在一實施態樣中，馬達以中速運轉時，電機裝置開路的反電動勢大於電力供應元件的電壓但小於開關元件的耐壓，進入回升模式。在回升模式下，控制元件依據參數、電力供應元件的回收能力以及電機裝置的油門狀態，控制開關元件的運作狀態，調整馬達的超前角，以將參數抑制在一安全值範圍內。

在一實施態樣中，馬達以低速運轉時，電機裝置開路的反電動勢小於電力供應元件的電壓，保持在回升模式下，控制元件控制一升壓電路將馬達的反電動勢升壓至超過電力供應元件的電壓。

在一實施態樣中，電機裝置為電動車。

另外，本發明提供一種高磁阻電機能量回收管理方法，適用於電機裝置。電機裝置具有馬達、電力供應元件以及開關元件。電力供應元件供應馬達運轉所需的電力。高磁阻電機能量回收管理方法包含以下步驟：偵測電機裝置的一參數，參數包含馬達的轉速以及開關元件、馬達與電力供應元件的電流和電壓；控制開關元件的運作狀態，以驅動馬達以高速運轉在一驅動模式下；在驅動模式下，依據參數以調降馬達的超前角，使馬達的反電動勢高於電力供應元件的電壓；以及在驅動模式下，利用馬達的一部分的電流回充電力供應元件。

在一實施態樣中，所述高磁阻電機能量回收管理方法更包含以下步驟：馬達以中速運轉時，電機裝置開路的反電動勢大於電力供應元件的電壓但小於開關元件的耐壓，進入一回升模式；以及在回升模式下，依據參數、電力供應元件的回收能力以及電機裝置的油門狀態，控制開關元件的運作狀態，調整馬達的超前角，以將參數抑制在一安全值範圍內。

在一實施態樣中，所述高磁阻電機能量回收管理方法更包含以下步驟：馬達以低速運轉時，電機裝置開路的反電動勢小於電力供應元件的電壓，保持在回升模式下；以及將馬達的反電動勢升壓至超過電力供應元件的電壓。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包含相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

請參閱圖1至圖3以及圖7，其中圖1為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統應用於電機裝置的方塊圖；圖2為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統的偵測元件用於偵測電機裝置的方塊圖；圖3為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統控制電機裝置運作在驅動模式或回升模式下的方塊圖；圖7為本發明實施例的馬達、開關元件與電池的電路布局圖。

如圖1所示，本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統可包含偵測元件20以及控制元件30，適用於電機裝置10例如但不限於電動車。偵測元件20可連接電機裝置10，以偵測電機裝置10的狀態數據。控制元件30可依據偵測到的電機裝置10的狀態數據，控制電機裝置10運作。

如圖2所示，電機裝置10可具有馬達11以及電力供應元件12。電力供應元件12例如但不限為一或多個電池，或由多個電池組成的電池組。電力供應元件12可連接馬達11，以供應馬達11運轉所需的電力。

偵測元件20可偵測電機裝置10的馬達11以及電力供應元件12，以取得電機裝置10的馬達11與電力供應元件12的參數21，此參數21可包含馬達11的轉速211、馬達11以及電力供應元件12的電流212和電壓213。

馬達11的每一相連接一組上橋開關111和下橋開關112。若有需要，偵測元件20可連接開關元件110，以偵測開關元件110的電壓和電流，可包含在如圖3所示的參數21。

如圖3所示，偵測元件20可連接控制元件30，以將偵測的參數21傳輸至控制元件30。控制元件30可連接開關元件110，並可依據參數21以控制開關元件110運作，以驅動馬達11運轉在驅動模式301或回升模式302下。

舉例而言，在本實施例中，馬達11可採用三相馬達。如圖3所示的開關元件110可包含如圖6所示的上橋開關1H、2H、3H以及下橋開關1L、2L、3L，皆可例如為金氧半場效電晶體(MOSFET)。

如圖6和圖7所示，上橋開關1H以及下橋開關1L連接馬達的U相線圈Cou的一端。上橋開關2H以及下橋開關2L連接馬達的V相線圈Cov的一端。上橋開關3H以及下橋開關3L連接馬達的W相線圈Cow的一端。如圖7所示，馬達的U相線圈Cou、V相線圈Cov、W相線圈Cow三者的另一端連接至一共接點。具有電壓Vbatt的電池連接上橋開關1H、2H、3H以及下橋開關1L、2L、3L。如圖7所示，馬達轉動時，馬達的U相線圈Cou、V相線圈Cov、W相線圈Cow分別會產生反電動勢Eu、Ev、Ew，如圖8所示在U相和V相產生反電動勢Euv。

如圖3所示的偵測元件20可偵測如圖8和圖9所示的電池的電壓Vbatt以及馬達的三相U、V、W的電壓，可偵測流經電池的電流Ibatt以及流經三相馬達的電流、上橋開關1H、2H、3H以及下橋開關1L、2L、3L的電流，例如流經馬達U相和V相的電流Iuv、Ion、Ioff，可包含在如圖3所示偵測元件20所產生的參數21中。

如圖2和圖3所示，控制元件30可控制開關元件110運作，例如開啟並控制任一相的上橋開關1H、2H、3H運作，以驅動馬達11以高速運轉在驅動模式301下，並可依據從偵測元件20取得偵測到的參數21的轉速211，判斷馬達11目前以高速、中速或低速運轉。

值得注意的是，當馬達11以高速運轉在驅動模式301下時，控制元件30可依據偵測到的參數21，以調降馬達11的超前角，使馬達11的反電動勢高於電力供應元件12例如電池的電壓。如此，在馬達11在驅動模式301下高速運轉的同時，馬達11的一部分的電流212回流至電力供應元件12，以回充電力供應元件12，藉以達到能量回收之目的。舉例而言，驅動馬達11運轉的電流從馬達11的U相流至馬達11的V相，而電力供應元件12回收的電流從馬達的V相回流至馬達11的U相，在此僅舉例說明，本發明不以此為限。

在電力供應元件12回收能量的同時，馬達11可保持運轉在驅動模式301下，避免使用者因為油門命令的改變，使控制元件30反覆地在驅動模式301以及回升模式302之間切換馬達11的運作狀態，造成反電動勢超過控制元件30的極限，而損壞控制元件30或其他電路元件。

控制元件30可控制開關元件110運作，例如開啟並控制任一相的下橋開關112運作，以驅動馬達11以中速運轉。此時，電機裝置10開路的反電動勢大於電力供應元件12例如電池的電壓但小於開關元件110的電壓，進入回升模式302。在回升模式302下，控制元件30依據偵測元件20偵測到的參數21，調整例如調升馬達11的超前角，以調整從馬達11流回電力供應元件12的回升電壓和回升電流，以抑制馬達11、電力供應元件12、開關元件110、控制元件30等等電路元件的電壓、電流等其他參數21在一安全值範圍內。

控制元件30可控制開關元件110運作，例如開啟並控制任一相的下橋開關112運作，以驅動馬達11以低速運轉。此時，電機裝置10開路的反電動勢小於電力供應元件12例如電池的電壓。控制元件30可依據偵測元件20偵測到的參數21以控制開關元件110運作，以驅動馬達11保持在回升模式下，並可調整回升電流量。若有需要，控制元件30可控制一升壓電路(未圖示)調升馬達11的電壓至反電動勢超過電力供應元件12的電壓。

若使用者瞬間加大油門時，控制元件30可快速提升馬達11的超前角，以提高流至馬達11的電流212，使得電力供應元件12的能量進入馬達11，整車加速，但需抑制電路元件的參數21在安全值範圍內，以避免電路元件損壞。

請參閱圖4，其為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理方法的第一步驟流程圖。

如圖4所示，本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理方法可包含以下步驟S101~S115，其可適用於上述的高磁阻電機能量回收管理系統。

在步驟S101，利用控制元件30控制開關元件110運作，以驅動馬達11運轉。

在步驟S103，利用控制元件30取得電力供應元件12例如電池的能量回收能力資訊，例如電池的耐壓、可回收的電流量，並可取得控制元件30、開關元件110、馬達11等電路元件可承受的電壓即耐壓、電流等相關資訊。

在步驟S105，利用偵測元件20偵測電機裝置10例如電動車的油門狀態資訊，如偵測使用者是否踩踏油門、踩踏油門的時間點和時間長度等。另外，偵測元件20可偵測馬達11的轉速211，並可偵測馬達11、電力供應元件12例如電池以及開關元件110的電流、電壓等參數21，並將取得的油門資訊和偵測到的參數21傳輸至控制元件30。

在步驟S107，利用控制元件30判斷馬達11目前的轉速211是否大於一倍基底轉速例如但不限於4000轉。若否，即控制元件30判斷馬達11的轉速211等於或小於一倍基底轉速時，執行步驟S109。若是，即控制元件30判斷馬達11的轉速211大於一倍基底轉速時，執行步驟S113。

在步驟S109，利用控制元件30判定馬達11以低轉速211運轉，開關元件110等其他電路元件在安全狀態下，即電路元件的實際運作電壓不會超過本身的耐壓，不會造成電路元件損壞。

在步驟S111，在馬達11的電壓過低時，可利用控制元件30控制一升壓模組，將馬達11的反電動勢升壓至超過電力供應元件12例如電池的電壓。

在步驟S113，利用控制元件30判定馬達11目前的轉速211過高，導致開關元件110等其他電路元件在非安全狀態下。

在步驟S115，利用控制元件30依據在步驟S103以及步驟S105中取得的資訊和偵測到的參數21，以調整馬達11的超前角。

請參閱圖5，其為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理方法的第二步驟流程圖。本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理方法可更包含以下步驟S203~S211，其可執行如圖4和圖5所示的步驟S113之後並在步驟S115之前，適用於上述的高磁阻電機能量回收管理系統。

在步驟S203，利用控制元件30判斷馬達11目前的轉速211是否大於N倍基底轉速，其中N大於1，例如但不限於2倍基底轉速(N=2)，以一倍基底轉速為4000為例時，2倍基底轉速為8000轉。

若是，即控制元件30判斷馬達11目前的轉速211大於N倍基底轉速(例如但不限於N=2)，執行步驟S205。若否，即控制元件30判斷馬達11目前的轉速211大於1倍基底轉速但小於N倍基底轉速時，執行步驟S209。

在步驟S205，判定馬達11以高速運轉。

在步驟S207，保持驅動馬達11以高速運轉在驅動模式301下。在驅動模式301下，執行步驟S115以調降馬達11的超前角，使得馬達11的反電動勢高於電力供應元件12例如電池的電壓。如此，在馬達11運轉的同時，馬達11的一部分電流回充電力供應元件12。

在步驟S209，判定馬達11以中速運轉。

在步驟S211，使馬達11進入回升模式302。在進入回升模式302下，執行步驟S115以調整馬達11的超前角，以使馬達11的電流回流至電力供應元件12例如電池，以回充電力供應元件12。

請參閱圖10~圖13，其中圖10為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統偵測的馬達的轉速對時間的曲線圖；圖11為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統偵測的馬達的扭力對時間的曲線圖；圖12和圖13為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統的實測數據圖。

如圖10~圖12所示，當前述馬達以8000rpm的轉速運轉在驅動模式下(正常驅動)時，調降馬達的扭力，將馬達的超前角Beta調降10度，使得流經馬達的上橋開關的電流Iph從100A降至30A，使得電動車減速。電動車的加減速越快，電流Iph與超前角Beta的反應將會更劇烈。

當馬達以6000rpm的轉速運轉在驅動模式下(正常驅動)時，將馬達的超前角Beta調降10度，進入回升模式，50A的電流從馬達回流至電池，使得電池的電壓Vd上升，以達到回收能量的目的。

如圖13所示，當馬達以4000rpm的轉速運轉時，隨著扭力和超前角Beta的調整，將改變經馬達的上橋開關的電流Iph、流至電池的電流Idc以及電池的電壓Vd，以控制馬達運轉在驅動模式或回升模式下。

[實施例的有益效果]

本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的高磁阻電機能量回收管理系統及其方法，其在不增加電路元件成本條件下，抑制電路元件的電壓、電流等參數在安全值範圍內，增強電機裝置的穩定性，避免電路元件損壞，同時兼具電機高、中、低速的能量回收管理。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

10:電機裝置

11:馬達

12:電力供應元件

20:偵測元件

21:參數

211:轉速

212、Iuv、Ion、Ioff、IL、Ibatt、Iph、Idc:電流

213、Vbatt、VL、Vd:電壓

30:控制元件

110:開關元件

111、1H、2H、3H:上橋開關

112、1L、2L、3L:下橋開關

301:驅動模式

302:回升模式

S101~S115、S203~S211:步驟

C:電容

D1H、D2H、D3H、D1L、D2L、D3L:內接二極體

U、V、W:相

Cou:U相線圈

Cov:V相線圈

Cow:W相線圈

Eu、Ev、Ew、Euv:反電動勢

Beta:超前角

圖1為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統應用於電機裝置的方塊圖。

圖2為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統的偵測元件用於偵測電機裝置的方塊圖。

圖3為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統控制電機裝置運作在驅動模式或回升模式下的方塊圖。

圖4為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理方法的第一步驟流程圖。

圖5為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理方法的第二步驟流程圖。

圖6為本發明實施例的馬達、開關元件與電池的電路布局圖。

圖7為本發明實施例的馬達的電路圖。

圖8為本發明實施例的開關元件的電流流動的示意圖。

圖9為本發明實施例的馬達、開關元件與電池的電流的波形圖。

圖10為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統偵測的馬達的轉速對時間的曲線圖。

圖11為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統偵測的馬達的扭力對時間的曲線圖。

圖12為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統的第一實測數據圖。

圖13為本發明實施例的高磁阻電機能量回收管理系統的第二實測數據圖。

S101~S115:步驟

Claims (5)

1. 一種高磁阻電機能量回收管理系統，適用於一電機裝置，該電機裝置具有一馬達、一電力供應元件以及一開關元件，該馬達連接該電力供應元件以及該開關元件，該電力供應元件供應該馬達運轉所需的電力，該高磁阻電機能量回收管理系統包含：一偵測元件，連接該馬達，配置以偵測該電機裝置的一參數，該參數包含該馬達的轉速以及該開關元件、該馬達與該電力供應元件的電流和電壓；以及一控制元件，連接該偵測元件以及該開關元件，配置以控制該開關元件的運作狀態，以驅動該馬達以高速運轉在一驅動模式下時，依據該參數以調降該馬達的超前角，使該馬達的反電動勢高於該電力供應元件的電壓，以在該馬達在該驅動模式下運轉過程中，該馬達的一部分的電流回充該電力供應元件；其中該馬達以中速運轉時，該電機裝置開路的反電動勢大於該電力供應元件的電壓但小於該開關元件的耐壓，進入一回升模式，在該回升模式下，該控制元件依據該參數、該電力供應元件的回收能力以及該電機裝置的油門狀態，控制該開關元件的運作狀態，調整該馬達的超前角，以將該參數抑制在一安全值範圍內。
2. 如請求項1所述的高磁阻電機能量回收管理系統，其中該馬達以低速運轉時，該電機裝置開路的反電動勢小於該電力供應元件的電壓，保持在該回升模式下，該控制元件控制一升壓電路將該馬達的反電動勢升壓至超過該電力供應元件的電壓。
3. 如請求項1所述的高磁阻電機能量回收管理系統，其中該電機裝置為電動車。
4. 一種高磁阻電機能量回收管理方法，適用於一電機裝置，該電 機裝置具有一馬達、一電力供應元件以及一開關元件，該電力供應元件供應該馬達運轉所需的電力，該高磁阻電機能量回收管理方法包含以下步驟：偵測該電機裝置的一參數，該參數包含該馬達的轉速以及該開關元件、該馬達與該電力供應元件的電流和電壓；控制該開關元件的運作狀態，以驅動該馬達以高速運轉在一驅動模式下；在該驅動模式下，依據該參數以調降該馬達的超前角，使該馬達的反電動勢高於該電力供應元件的電壓；在該驅動模式下，利用該馬達的一部分的電流回充該電力供應元件；該馬達以中速運轉時，該電機裝置開路的反電動勢大於該電力供應元件的電壓但小於該開關元件的耐壓，進入一回升模式；以及在該回升模式下，依據該參數、該電力供應元件的回收能力以及該電機裝置的油門狀態，控制該開關元件的運作狀態，調整該馬達的超前角，以將該參數抑制在一安全值範圍內。
5. 如請求項4所述的高磁阻電機能量回收管理方法，更包含以下步驟：該馬達以低速運轉時，該電機裝置開路的反電動勢小於該電力供應元件的電壓，保持在該回升模式下；以及將該馬達的反電動勢升壓至超過該電力供應元件的電壓。

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