TWI623173B - 車輛馬達開關裝置 - Google Patents

Abstract

一種車輛馬達開關裝置，包括功率開關、限流電路、預充開關、偵測電路以及控制器電路。功率開關的第一端與第二端分別耦接至電池模組與馬達。預充開關與限流電路相互串聯於功率開關的第一端與第二端之間。偵測電路偵測功率開關的第二端的負載電壓值。控制器電路依據負載電壓值來決定預充期間是否結束。於預充期間，控制器電路關斷功率開關且開通預充開關。於預充期間結束後的正常期間，控制器電路開通功率開關。

Description

車輛馬達開關裝置

本發明是有關於一種車輛控制電路，且特別是有關於一種車輛馬達開關裝置。

純電動車輛（pure electronic vehicle）和混合動力車輛（hybrid vehicle）使用馬達來提供行進的動力。馬達需要使用高電壓。在馬達的啟動過程中，傳統高電壓系統主要仰賴繼電器進行電壓開通（turn on）與關斷（turn off）之行為。在繼電器的開通與關斷的過程中，繼電器所產生的電弧會造成元件的碳化現象。

本發明提供一種車輛馬達開關裝置，其可以在功率開關開通（turn on）前先對馬達進行適應性緩啟動（預充電）。

本發明的實施例提供一種車輛馬達開關裝置。車輛馬達開關裝置電性耦接於電池模組與馬達之間。車輛馬達開關裝置用以決定是否將電池模組的電能傳輸至馬達。車輛馬達開關裝置包括第一功率開關、限流電路、預充開關、第一偵測電路以及控制器電路。第一功率開關具有第一端與第二端。第一功率開關的第一端用以電性耦接至電池模組。第一功率開關的第二端用以電性耦接至馬達。限流電路與預充開關相互串聯於第一功率開關的第一端與第一功率開關的第二端之間。第一偵測電路具有輸入端，電性耦接至第一功率開關的第二端。第一偵測電路用以偵測負載電壓值。控制器電路電性耦接至第一偵測電路，以獲得該負載電壓值。控制器電路依據負載電壓值來決定預充期間是否結束。於預充期間，控制器電路關斷（turn off）第一功率開關且開通預充開關。於預充期間結束後的正常期間，控制器電路開通第一功率開關。

在本發明的一實施例中，上述的控制器電路於正常期間關斷預充開關。

在本發明的一實施例中，上述的控制器電路於關機期間關斷第一功率開關與預充開關。

在本發明的一實施例中，上述的控制器電路比較負載電壓值與固定門檻值。當負載電壓值大於固定門檻值時，控制器電路決定預充期間為結束，以便開通第一功率開關。

在本發明的一實施例中，上述的車輛馬達開關裝置，更包括第二偵測電路。第二偵測電路具有輸入端，電性耦接至第一功率開關的第一端。第二偵測電路用以偵測電池電壓值。控制器電路依據電池電壓值來決定動態門檻值。控制器電路比較負載電壓值與動態門檻值。當負載電壓值大於動態門檻值時，控制器電路決定預充期間為結束，以便開通第一功率開關。

在本發明的一實施例中，上述的動態門檻值為負載電壓值乘以係數，而該係數為小於等於1的正實數。

在本發明的一實施例中，上述的第一功率開關與預充開關分別包括一功率電晶體。

在本發明的一實施例中，上述的功率電晶體為絕緣閘極雙載子電晶體（insulated gate bipolar transistor, IGBT）或金氧半場效電晶體（metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET）。

在本發明的一實施例中，上述的車輛馬達開關裝置更包括第二功率開關。第二功率開關具有第一端與第二端。第二功率開關的第一端用以電性耦接至電池模組的負端。第二功率開關的第二端用以電性耦接至馬達的負端。控制器電路於預充期間與正常期間開通第二功率開關。控制器電路於關機期間關斷第二功率開關。

在本發明的一實施例中，上述的限流電路包括電阻。電阻具有第一端與第二端，分別電性耦接至第一功率開關的第一端與預充開關的第一端。

在本發明的一實施例中，上述的限流電路包括壓控電流源。壓控電流源具有電流輸入端、電流輸出端與控制端。電流輸入端電性耦接至第一功率開關的第一端。電流輸出端電性耦接至預充開關的第一端。控制端用以接收電壓源所提供的控制電壓。

在本發明的一實施例中，上述的壓控電流源包括運算放大器、第一電阻以及第二電阻。運算放大器具有輸出端，作為壓控電流源的電流輸出端。運算放大器的非反相輸入端作為壓控電流源的控制端。第一電阻具有第一端，作為壓控電流源的電流輸入端。第一電阻的第二端電性耦接至運算放大器的反相輸入端。第二電阻具有第一端與第二端，分別電性耦接至運算放大器的反相輸入端與運算放大器的輸出端。

基於上述，本發明的諸實施例揭示了一種車輛馬達開關裝置。於預充期間，關斷第一功率開關且開通預充開關，使得限流電路可以提供有限度的預充電（緩啟動）電流給馬達的高壓匯流排。依據高壓匯流排的電壓準位，所述預充期間可以適應性地被結束。於所述預充期間結束後的正常期間，第一功率開關可以被開通。因此，所述車輛馬達開關裝置可以在功率開關開通前先對馬達進行適應性緩啟動（預充電）。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在本案說明書全文(包括申請專利範圍)中所使用的「耦接（或連接）」一詞可指任何直接或間接的連接手段。舉例而言，若文中描述第一裝置耦接（或連接）於第二裝置，則應該被解釋成該第一裝置可以直接連接於該第二裝置，或者該第一裝置可以透過其他裝置或某種連接手段而間接地連接至該第二裝置。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。不同實施例中使用相同標號或使用相同用語的元件/構件/步驟可以相互參照相關說明。

圖1是依照本發明一實施例所繪示一種車輛馬達開關裝置100的電路方塊（circuit block）示意圖。車輛馬達開關裝置100電性耦接於電池模組10與馬達（以及/或是其他負載元件）20之間。車輛馬達開關裝置100可以決定是否將電池模組10的電能傳輸至馬達20。使用了電池模組10的電能的馬達20，其可以提供純電動車輛（pure electronic vehicle）、混合動力車輛（hybrid vehicle）或是其他車輛行進的動力。

車輛馬達開關裝置100包括第一功率開關110、限流電路120、預充開關130、第一偵測電路140以及控制器電路150。第一功率開關110具有第一端與第二端。第一功率開關110的第一端用以電性耦接至電池模組10。第一功率開關110的第二端用以電性耦接至馬達20的高壓匯流排。於關機期間，控制器電路150可以關斷（turn off）第一功率開關110，使得電池模組10無法供電至馬達20。於正常期間，控制器電路150可以開通（turn on）第一功率開關110，使得電池模組10可以供電至馬達20。依照設計需求，第一功率開關110可以包括功率電晶體，例如絕緣閘極雙載子電晶體（insulated gate bipolar transistor；IGBT）、金氧半場效電晶體（metal-oxide-semiconductor field effect transistor, MOSFET）或其他電晶體。作為開關110的功率電晶體，其可以受控於控制器電路150來決定是否將電池模組10的電能供電至馬達20。

限流電路120與預充開關130相互串聯於第一功率開關110的第一端與第一功率開關110的該第二端之間。舉例來說，在其他實施例中，預充開關130的第一端可以電性耦接至第一功率開關110的第一端，限流電路120的第一端可以電性耦接至預充開關130的第二端，限流電路120的第二端可以電性耦接至第一功率開關110的第二端。在圖1所示實施例中，限流電路120的第一端電性耦接至第一功率開關110的第一端。限流電路120的第二端電性耦接至預充開關130的第一端。預充開關130的第二端電性耦接至第一功率開關110的第二端。利用了電池模組10的電能，限流電路120可以提供有限度的預充電（緩啟動）電流Ipre給預充開關130。依照設計需求，限流電路120可以包括電阻、壓控電流源或是其他限流電路/元件。若限流電路120為電阻，則此電阻的第一端與第二端分別電性耦接至第一功率開關110的第一端與預充開關130的第一端。若限流電路120為壓控電流源，則此壓控電流源的電流輸入端電性耦接至第一功率開關110的第一端，此壓控電流源的電流輸出端電性耦接至預充開關130的第一端，此壓控電流源的控制端接收電壓源（未繪示）所提供的控制電壓。

圖2是依照本發明一實施例說明圖1所示限流電路120的電路方塊示意圖。圖2所示限流電路120為壓控電流源，而此壓控電流源包括運算放大器121、第一電阻122以及第二電阻123。運算放大器121的輸出端可以作為壓控電流源的電流輸出端。運算放大器121的輸出端電性耦接至預充開關130的第一端，以提供有限度的預充電（緩啟動）電流Ipre。第一電阻122的第一端作為壓控電流源的電流輸入端。第一電阻122的第一端電性耦接至第一功率開關110的第一端。第一電阻122的第二端電性耦接至運算放大器121的反相輸入端。第二電阻123的第一端電性耦接至運算放大器121的反相輸入端。第二電阻123的第二端電性耦接至運算放大器121的輸出端。

運算放大器121的非反相輸入端作為壓控電流源的控制端。運算放大器121的非反相輸入端接收電壓源30所提供的控制電壓Vref。電壓源30受控於車輛的控制系統（未繪示）。車輛的控制系統可以經由車內網路通訊協定，例如控制器區域網路（Controller Area Network, CAN）、區域互聯網路（Local Interconnect Network, LIN）、媒體導向系統傳輸（Media-Oriented Systems Transport, MOST）、FlexRay等通訊協定，來控制電壓源30去調整控制電壓Vref。因此，基於車輛的控制系統的控制（調整控制電壓Vref），限流電路120可以調整並提供有限度的預充電（緩啟動）電流Ipre給預充開關130的第一端，以使馬達20的高壓匯流排的電壓上升速度被控制在可容忍的範圍內。

請參照圖1，依照設計需求，第二功率開關160可以選擇性地配置於車輛馬達開關裝置100。第二功率開關160可以包括功率電晶體，例如絕緣閘極雙載子電晶體、金氧半場效電晶體或其他電晶體。作為開關160的功率電晶體，其可以受控於控制器電路150來決定是否導通。第一功率開關110的第一端用以電性耦接至電池模組10的正端，而第二功率開關160的第一端用以電性耦接至該電池模組10的負端。第一功率開關110的第二端用以電性耦接至馬達20的電源連接器的正端，而第二功率開關160的第二端用以電性耦接至馬達20的電源連接器的負端。依據設計需求，在一些實施例中，第二功率開關160可能被省略。當第二功率開關160被省略時，電池模組10的負端可以電性耦接至馬達20的電源連接器的負端。

預充開關130的第一端電性耦接至限流電路120的第二端。預充開關130的第二端電性耦接至第一功率開關110的第二端。預充開關130可以包括功率電晶體，例如絕緣閘極雙載子電晶體、金氧半場效電晶體或其他電晶體。作為開關130的功率電晶體，其可以受控於控制器電路150來決定是否將限流電路120的電流Ipre供電至馬達20。於關機期間，控制器電路150關斷預充開關130、第一功率開關110與第二功率開關160，使得電池模組10無法供電給馬達20，而且限流電路120亦無法供應預充電（緩啟動）電流Ipre至馬達20。

於關機期間結束後的預充期間，控制器電路150開通預充開關130與第二功率開關160，並且關斷第一功率開關110。第一偵測電路140的輸入端電性耦接至第一功率開關110的第二端，以便偵測馬達20的負載電壓值。控制器電路150電性耦接至第一偵測電路140，以獲得該負載電壓值。控制器電路150可以依據負載電壓值來決定預充期間是否結束。於預充期間結束後的正常期間，控制器電路150開通第一功率開關與第二功率開關160，使得電池模組10可以供電至馬達20。依照設計需求，在一些實施例中，控制器電路150於正常期間可以關斷預充開關130。在另一些實施例中，控制器電路150於正常期間可以開通預充開關130。

本實施例並不限制「控制器電路150結束預充期間」的判斷機制。舉例來說（但不限於此），控制器電路150可以將第一偵測電路140所提供的負載電壓值比較於一個固定門檻值。此固定門檻值可以依照設計需求來決定，例如此固定門檻值可以是馬達20的額定電壓的60%或其他值，或是此固定門檻值可以是電池模組10的額定電壓的80%或其他值。當所述負載電壓值大於此固定門檻值時，控制器電路150可以決定所述預充期間為結束，以便開通第一功率開關110。

圖1所示車輛馬達開關裝置100配置了限流電路120與預充開關130。在開通第一功率開關110之前（預充期間），限流電路120可以經由預充開關130提供有限度的預充電（緩啟動）電流Ipre給馬達20的高壓匯流排，使得馬達20的高壓匯流排的電壓上升速度被控制在可容忍的範圍內。依據馬達20的高壓匯流排的電壓準位（第一偵測電路140所提供的負載電壓值），控制器電路150可以適應性地結束所述預充期間，而即時地開通第一功率開關110（正常期間）。因此，所述車輛馬達開關裝置100可以在功率開關110開通前先對馬達20進行適應性緩啟動（預充電），以避免馬達20的高壓匯流排的電壓上升速度超出可容忍的範圍。

圖3是依照本發明另一實施例所繪示一種車輛馬達開關裝置300的電路方塊示意圖。車輛馬達開關裝置300電性耦接於電池模組10與馬達（以及/或是其他負載元件）20之間。車輛馬達開關裝置300可以決定是否將電池模組10的電能傳輸至馬達20。車輛馬達開關裝置300包括第一功率開關110、限流電路120、預充開關130、第一偵測電路140、控制器電路150、第二功率開關160以及第二偵測電路370。圖3所示電池模組10、馬達20、第一功率開關110、限流電路120、預充開關130、第一偵測電路140、控制器電路150與第二功率開關160可以參照圖1與圖2的相關說明，故不再贅述。

第二偵測電路370的輸入端電性耦接至第一功率開關110的第一端，以便偵測電池模組10的電池電壓值。控制器電路150電性耦接至第二偵測電路370，以獲得該電池電壓值。控制器電路150依據電池電壓值來決定動態門檻值。舉例來說（但不限於此），所述動態門檻值可以是第二偵測電路370所提供的負載電壓值去乘以一個係數，其中該係數為小於等於1的正實數（例如0.8或其他實數）。該係數可以依照設計需求來決定。控制器電路150可以比較該負載電壓值與該動態門檻值。當該負載電壓值大於該動態門檻值時，控制器電路150可以決定所述預充期間為結束，以便適應且即時地開通第一功率開關110。

值得注意的是，在不同的應用情境中，限流電路120、第一偵測電路140、控制器電路150及/或第二偵測電路370的相關功能可以利用一般的編程語言（programming languages，例如C或C++）、硬體描述語言（hardware description languages，例如Verilog HDL或VHDL）或其他合適的編程語言來實現為軟體、韌體或硬體。可執行所述相關功能的編程語言可以被佈置於任何已知的計算機可存取媒體（computer-accessible medias），例如磁帶（magnetic tapes）、半導體（semiconductors）記憶體、磁盤（magnetic disks）或光盤（compact disks，例如CD-ROM或DVD-ROM），或者可通過互聯網（Internet）、有線通信（wired communication）、無線通信（wireless communication）或其它通信介質傳送所述編程語言。所述編程語言可以被存放在計算機的可存取媒體中，以便於由計算機的處理器來存取/執行所述編程語言的編程碼（programming codes）。另外，本發明的裝置和方法可以通過硬體和軟體的組合來實現。

綜上所述，本發明諸實施例所述車輛馬達開關裝置配置了限流電路120與預充開關130。在開通第一功率開關110之前（亦即在預充期間中），限流電路120可以經由預充開關130提供有限度的預充電（緩啟動）電流Ipre給馬達20的高壓匯流排，使得馬達20的高壓匯流排的電壓上升速度被控制在可容忍的範圍內。依據馬達20的高壓匯流排的電壓準位（亦即依據第一偵測電路140所提供的負載電壓值），控制器電路150可以適應性地結束所述預充期間，以便即時地開通第一功率開關110（亦即進入正常期間）。因此，本發明諸實施例所述車輛馬達開關裝置可以在功率開關110開通前先對馬達20進行適應性緩啟動（預充電），以避免馬達20的高壓匯流排的電壓上升速度超出可容忍的範圍。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧電池模組

20‧‧‧馬達

30‧‧‧電壓源

100、300‧‧‧車輛馬達開關裝置

110‧‧‧第一功率開關

120‧‧‧限流電路

121‧‧‧運算放大器

122‧‧‧第一電阻

123‧‧‧第二電阻

130‧‧‧預充開關

140‧‧‧第一偵測電路

150‧‧‧控制器電路

160‧‧‧第二功率開關

370‧‧‧第二偵測電路

Ipre‧‧‧預充電(緩啟動)電流

Vref‧‧‧控制電壓

圖1是依照本發明一實施例所繪示一種車輛馬達開關裝置100的電路方塊（circuit block）示意圖。 圖2是依照本發明一實施例說明圖1所示限流電路的電路方塊示意圖。 圖3是依照本發明另一實施例所繪示一種車輛馬達開關裝置的電路方塊示意圖。

Claims (9)

1. 一種車輛馬達開關裝置，電性耦接於一電池模組與一馬達之間，用以決定是否將該電池模組的電能傳輸至該馬達，該車輛馬達開關裝置包括：一第一功率開關，具有第一端與第二端，該第一功率開關的該第一端用以電性耦接至該電池模組，而該第一功率開關的該第二端用以電性耦接至該馬達；一限流電路；一預充開關，其中該預充開關與該限流電路相互串聯於該第一功率開關的該第一端與該第一功率開關的該第二端之間；一第一偵測電路，具有輸入端電性耦接至該第一功率開關的該第二端，用以偵測一負載電壓值；以及一控制器電路，電性耦接至該第一偵測電路以獲得該負載電壓值，其中該控制器電路依據該負載電壓值來決定一預充期間是否結束，該控制器電路於該預充期間關斷該第一功率開關且開通該預充開關，以及該控制器電路於該預充期間結束後的一正常期間開通該第一功率開關，其中該控制器電路比較該負載電壓值與一固定門檻值，當該負載電壓值大於該固定門檻值時，該控制器電路決定該預充期間為結束以便開通該第一功率開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，其中該控制器電路於該正常期間關斷該預充開關。
3. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，其中該控制器電路於一關機期間關斷該第一功率開關與該預充開關。
4. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，更包括：一第二偵測電路，具有輸入端電性耦接至該第一功率開關的該第一端，用以偵測一電池電壓值；其中該控制器電路依據該電池電壓值來決定一動態門檻值，該控制器電路比較該負載電壓值與該動態門檻值，當該負載電壓值大於該動態門檻值時，該控制器電路決定該預充期間為結束以便開通該第一功率開關。
5. 如申請專利範圍第4項所述的車輛馬達開關裝置，其中該動態門檻值為該負載電壓值乘以一係數，而該係數為小於等於1的一正實數。
6. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，其中該第一功率開關與該預充開關分別包括一功率電晶體。
7. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，更包括：一第二功率開關，具有第一端與第二端，該第二功率開關的該第一端用以電性耦接至該電池模組的負端，而該第二功率開關的該第二端用以電性耦接至該馬達的負端，其中該控制器電路於該預充期間與該正常期間開通該第二功率開關，以及該控制器電路於一關機期間關斷該第二功率開關。
8. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，其中該限流電路包括：一電阻，具有第一端與第二端分別電性耦接至該第一功率開關的該第一端與該預充開關的該第一端。
9. 如申請專利範圍第1項所述的車輛馬達開關裝置，其中該限流電路包括：一壓控電流源，具有電流輸入端、電流輸出端與控制端，其中該電流輸入端電性耦接至該第一功率開關的該第一端，該電流輸出端電性耦接至該預充開關的該第一端，該控制端用以接收一電壓源所提供的一控制電壓。