行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告
計畫編號：NSC 89-2213-E110-028
執行期限：88 年 8 月 1 日至 91 年 7 月 31 日
主持人：陳遵立 執行機構及單位名稱：國立中山大學電機系
一、中文摘要 本計畫預定完成一組高性能電動機車 無刷直流馬達驅動器及其電池殘電量估測 。其中在無刷馬達驅動器部份利用非對稱 型脈寬調變理論來降低系統的諧波，並採 用高頻交換式電源供應器以減少電路體積 及重量；在電池殘電量估測器部分，則可 以因為加成效應電流的計算，和電池老化 因素的考慮，能準確的估測電池的殘餘容 量。 關鍵詞：無刷直流馬達驅動器、殘電器 Abstr actIn this plan, we expect to achieve a high performance brushless DC motor driver for electric vehicle and estimate the battery’s power residue. We use asymmetrical pulse-width-modulation theory in brushless DC motor driver to decrease the harmonic on the system, in which adopts the high frequency switching power supply to reduce the volume and weight of the circuit ; the residual capacity estimator can accurate estimate the residual capacity of batteries due to calculating the increment current and considering the aging factor.
Keywor ds: brushless DC motor drive,
residual capacity estimator
二、緣由與目的 電動機車係由一種藉由隨車搭載之電 池提供電力，以驅動控制馬達輸出，復經 傳動機構驅動之行駛交通工具。其最大的 優點在於減少空氣污染，故行政院、經濟 部、環保署積極推廣電動機車，亦規定機 器腳踏車製造商當年機器腳踏車內銷總生 產量或進口量 2%。預計電動機車年銷售將 達百億元，而年銷售數量將達數十萬台， 故馬達驅動技術是一個很重要的研究課 題。 而無刷直 流馬達的控制系 統、 穩 定 性，起動轉矩大，功率密度大，不需要維 修與更換等優點，對於電動機車的各種性 能要求而言當是最佳選擇。 本計畫將設計及製作一套高性能的無 刷直流馬達驅動器，而其輸入電源為 4 顆 12V，26Ah 串接之鉛酸電池，亦就是 48V。 而輸出瞬間電流可達 100A。而設計此馬達 驅動器時亦將考慮下列性能： (1)極速。 (2)起動轉矩。 (3)續航力。 (4)騎乘操作性及舒適性。 (5)考慮電池放電對驅動器影響。 (6)此無刷馬達無 encoder，故需測量轉速。 (7)電池迴路的補償。 (8)估測電池的殘餘量。 (9)過電流\速度\溫度保護。 本計畫使用一顆 Analog Device 公司生 產的一顆 DSP(ADMC331)微處理器，此顆 DSP 在大量使用時，價格在 10 塊美金以 下，而性能卻非常優異，26MIPs Fixed Point DSP code ， three Phase 12 bit PWM generator，7 個 A/D channel，24 個 I/O port，Two Auxiliary PWM Timer，2 個 serial port， 2 K program memory RAM， 2 K program memory ROM，1 K DATA memory RAM 等功能。本計畫以此 DSP 為控制單 元，結合大功率元件、驅動電路、電池、 電流/電壓/溫度感測電路等，構成一個電動 機車高性能無刷馬達驅動器。
三、結果與討論 (1) 電源及驅動電路部分 (a).電源供應電路 由於電動機車無刷直流馬達之驅動電 路所需之小電源是由隨車搭載之鉛酸電池 所供應，是故須將電源供應電路之體積及 重量縮小，以減低電動機車整體的重量。 傳統的電源供應電路中，最大而笨重的 就屬變壓器了，故本系統決定採用高頻交 換式電源供應器(Switching Power Supply) 來取代傳統的低頻變壓器電路。而交換式 電源供應器具有體積小、重量輕、效率高 及有較大的輸入電壓範圍等優點，符合本 系統的要求，高頻交換式電源供應器之整 體架構如圖一所示。 功率 開關 隔離高頻 變壓器 整流 二極體 輸出 濾波器 誤差 放大器 光隔離器 或 隔離 變壓器 PWM與 驅動電路 DC 輸入 DC 輸出 DC-DC 轉換器 回授控制電路 圖一 高頻交換式電源供應器之架構圖 一般換式電源供應器的使用具有多種 不同形式，其中返馳式(Flyback)電源供應 器具有設計簡單，價格便宜等優點，且在 多組電源輸出下，可有效節省元件成本及 電路體積，又返馳式電源供應器所提供之 功率足以滿足本實驗系統之要求，故經評 估後決定採用此架構。 本實驗中共需要七組小電源，包含一組 +5V，+15V，-15V，四組+15V 及-10V，來 供應 7 組互相隔離之小功率電源。 (b).功率級驅動電路 因為系統供應的電源來源是由 4 顆 12V 24Ah 之電池串聯而成，因此供應電壓約為 48V，且由於輸出馬力需達到 3.6KW，故 最大供應電流可能超過 100A，故在功率開 關的選擇上需考慮到耐電流值的影響，故 本系統採用耐電流較大的 IGBT 來作為功 率切換開關。 (c).諧波改善 本實驗利用數位訊號處理器作為主控 器，並利用軟體功能來實現非對稱性脈波 寬度調變理論，藉以抑制馬達多餘的次諧 波。圖二所示為在相同轉速時(4600rpm)兩 種不同調變理論之相電流比較圖，由圖中 可看出電流突波的改善情形。 0 10 -30 -20 -10 30 20 (A) (a).對稱型 PWM(5mSec/div) 0 10 -30 -20 -10 30 20 (A) (b).非對稱型 PWM(5mSec/div) 圖二 馬達高速(4600rpm)時之相電流圖 圖三所示則為當馬達在相同轉速之時 (4600rpm)，兩種不同調變理論之線電壓頻 譜圖。由以上可知，利用非對稱型脈寬調 變理論可消除諧波的旁頻帶(sideband)，進 而改善整個系統的響應。
(dB) )) 50 40 30 20 10 0 -10 (a).對稱型 PWM 50 40 30 20 10 0 -10 (dB) (b).非對稱型 PWM 圖三 馬達線電壓頻譜圖 (2) 殘電量估測部份 在殘電量估測中，由於庫侖量測法的算 法簡易可行，再加上目前數位訊號處理器 (DSP)具有強大的運算功能，所以本計畫採 用以庫侖量測法為基礎及考慮電流加成效 應，和電池老化因素的改良式殘電量估測 法，以下將分別介紹： (一) 考慮電池放電電流加成效應 根據 HAWKER 公司所提供的電池資 料，放電電流對於電池的容量有加成效 應。因此考慮電流的加成效應而得以下公 式為： 加成效應電流 = 額定容量/放電時間 ( 1 ) 根據電池資料，和公式(1)，可以得到表 一的加成效應電流值，而此加成效應之電 流值，可以代表以額定容量為基準時的電 流值，而以此電流做計算，便可以大略估 測出所放的電對整體容量的比例。 T i m e ( H o u r ) C u r r e n t ( A ) A h 額 定 容 量 （ A H ） 加 成 效 應 電 流 ( A ) 倍 率 0 . 0 3 3 3 2 3 5 . 8 7 . 9 2 6 7 8 0 . 0 0 0 0 3 . 3 0 7 9 0 . 0 8 3 3 1 4 3 . 4 1 2 . 0 2 6 3 1 2 . 0 0 0 0 2 . 1 7 5 7 0 . 1 6 6 7 9 0 . 7 1 5 . 1 2 6 1 5 6 . 0 0 0 0 1 . 7 2 0 0 0 . 2 5 0 0 6 7 . 4 1 6 . 9 2 6 1 0 4 . 0 0 0 0 1 . 5 4 3 0 0 . 3 3 3 3 5 4 . 1 1 8 . 0 2 6 7 8 . 0 0 0 0 1 . 4 4 1 8 0 . 5 0 0 0 3 9 . 0 1 9 . 5 2 6 5 2 . 0 0 0 0 1 . 3 3 3 3 0 . 7 5 0 0 2 7 . 8 2 0 . 9 2 6 3 4 . 6 6 6 7 1 . 2 4 7 0 1 . 0 0 0 0 2 1 . 7 2 1 . 7 2 6 2 6 . 0 0 0 0 1 . 1 9 8 2 2 . 0 0 0 0 1 1 . 7 2 3 . 4 2 6 1 3 . 0 0 0 0 1 . 1 1 1 1 3 . 0 0 0 0 8 . 0 2 4 . 0 2 6 8 . 6 6 6 7 1 . 0 8 3 3 4 . 0 0 0 0 6 . 1 2 4 . 0 2 6 6 . 5 0 0 0 1 . 0 6 5 6 5 . 0 0 0 0 5 . 0 2 5 . 0 2 6 5 . 2 0 0 0 1 . 0 4 0 0 8 . 0 0 0 0 3 . 2 2 5 . 6 2 6 3 . 2 5 0 0 1 . 0 1 5 6 1 0 . 0 0 0 0 2 . 6 2 6 . 0 2 6 2 . 6 0 0 0 1 . 0 0 0 0 2 0 . 0 0 0 0 1 . 4 2 8 . 0 2 6 1 . 3 0 0 0 0 . 9 2 8 6 表一 真實電流與加成效應電流比較表 可由以下幾個步驟找出真實電流和加 成效應電流之間的關係： ( i ) 首先，先繪出真實電流和加成效應電 流之間的關係圖，如圖四所示。 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 真 實 電 流 ( A ) 加成效應電流 (A) 圖四 真實電流與加成效應電流之關係圖 ( ii ) 接著從真實電流與加成效應電流之間 的倍率關係開始著手，可以從表二得知相 互間的倍率關係，將倍率與真實電流繪成 關係圖，如圖五所示，可以看出，在 5A 和 140A 中間兩者關係大致成一線性的關 係，而加成效應電流IINCREMENT與真實電流 REAL I 的關係即為
I
INCREMENT=
N
×
I
REAL ( 2 ) 其中 N 為倍率。 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 真 實 電 流 ( A ) 倍率 圖五 真實電流與兩者電流間之倍率關係 所以根據圖五，倍率 N 可表示為： N =a+b×IREAL ( 3 ) ( iii ) 利用矩陣最小平方法“Least square fit of data”可以得出倍率 N 為：N =1.02+0.0078×IREAL ( 4 ) 而由此公式可以得出結果如圖六所示。 0 0 .5 1 1 .5 2 2 .5 3 3 .5 0 5 0 1 0 0 真 實 電 流 1 5 0 2 0 0 2 5 0 倍率 倍 率 計 算 出 之 倍 率 圖六 倍率與計算出倍率之比較圖 可是在實際電動車輛的使用中，電流大致 不會超過 140A，所以基本上這個曲線為可 行。因此，欲得到加成效應電流IINCREMENT， 由式（2）和（4）可得：
(
REAL)
REAL INCREMENT1.02
0.0078
I
I
I
=
+
×
×
( 5 ) ( iv ) 在實際估測殘電量的使用上，就可以 以額定容量 26Ah，IINCREMENT為放電電流， 此時做成的殘電量估測就可以達到一定的 準確性了。 (二) 考慮電池老化因素及其容量的調整 在實驗中，考慮老化因素是比較各顆電 池在放電時電壓對時間的斜率來決定。由 實驗中可看出，在放電剛開始時，各顆電 池的電壓值是呈現差不多的狀態，而到了 放電放超過七成以上的電量時，其中一顆 性能較差老化較嚴重的電池，它的電壓開 始下降的很快，因此在此時需將電池電量 作適度的調整，例如，雖然放電電流相同， 但是可能放出更大的容量等。同時，也要 考慮放電終止電壓(EODV)的因素，因為電 池放電時的最小電壓不可低於所規定的放 電終止電壓(EODV)，否則會造成電池的損 壞。 (三) 殘電量估測實驗結果 使用具有較精確殘電量估測之改良式 庫侖量測法，可以對電池殘電量的估測有 一定的準確度。在此實驗中，是以 720W 的能量來進行放電。 圖七是未對電池老化因素作電量調整 的情形，圖八是對電池老化因素作電量調 整且放電到 EODV 的圖形，將電池 A 作因 老化因素的電量調整且將其容量當成整組 電池的容量，此時大致可以估測到電池的 殘電量，而若以真實的電流做計算，則會 造成很大的誤差。 由圖形可知，若不經加成效應電流補 償，在大電流放電下，將無法估測電池容 量已用盡，而如果再經對電池老化因素作 電量調整，就可以大略顯示出目前電池的 電量，如圖八所示。 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時間(小時)VoltageA(V) VoltageB(V) VoltageC(V) VoltageD(V) 真 實電 流 /2(A) 加 成效 應 電流 /2(A) AH/2 AH(a dd)/2
圖七 殘電量估測圖(未對電池老化因素作 修正)。 0 2 4 6 8 10 12 14 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 時 間 (小 時 )
V oltageA(V ) V oltageB(V) V oltageC (V ) V oltageD (V) 真 實電 流/2(A) 加 成效 應 電流 /2(A) A H /2 A H (a dd+ old)/2
圖八 殘電量估測圖(對電池老化因素作修 正)。 四、計畫成果自評 在本計畫中由於採用高頻電源供應 器，可有效減少電路體積及重量，便於電 動機車的搭載，且利用非對稱脈寬調變理 論來抑制多餘之諧波。而在殘電量估測部 份，因使用具有較精確殘電量估測之改良 式庫侖量測法可以對不同等級的放電電 流，對電池容量造成的加成影響估算在 內，同時也考慮因電池的老化因素對殘電 量造成的影響，因此能夠更準確地估測出
電池的殘電量。
五、參考文獻
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