[发明专利]可即时切换能量储存装置的马达组件、切换方法及运输工具

说明书

技术领域

本发明是关于一种可与电动机同步运转操作的同步能源切换控制系统，尤其是一种改善纯电动、混和动力以及燃料电池之中的超级电容器/电池，或电池/电池的使用效率，并应用在电动车的驱动系统。 

背景技术

随着石油日渐减少，以及长期以来备受关注的碳排放议题，社会大众对于电动交通工具的需求日益提高，而目前最受青睐的电动车驱动系统种类包括，纯电动车、油电混合以及燃料电池等形式，但上述各种形式的驱动能源仍只能提供有限的能量驱动电动车。 

本发明的叙述与记载主要描述混合动力电动车，但熟悉本技术领域者能轻易理解，本发明同样可应用于例如：纯电动车或是燃料电池电动车。 

先前技术中，能源转换是由车辆控制器所控制，且经由接触器或开关电晶体等开关元件，导通连接至电动机或电动机控制器。当一个能源被切换到电动机或电动机控制器时，连接到能源的负载可能会产生一强度超过开关元件的电流限制的突波电流，造成该元件的损毁。 

为了进一步改善上述的情形，预充电路(pre-charge circuit)被使用，以确保开关元件两端的电压差以及突波电流小于该元件的限制。然而，当能源被接到运转中的电动机控制器时，产生的充电或放电的电流很大，使预充电路无法发挥其原有功能，开关元件两端的电压差仍居高不下，使得能源切换被迫停止，同样的，这样的情形也发生在由运转中的电动机控制器关闭已连接的能源。当开关被打开时，开关内部阻抗会上升，稳定的电流需求会迫使与之接触的元件温度迅速升高，在开关被打开的同时，断开的接点会产生一电弧，造成开关结构的损坏。由于以上原因，使得目前技术设计只允许在车辆静止时进行能源切换，而不是车辆正在运作的时候。 

因此，最理想的情形是，能源的切换能与电动机控制器同步运转，并 容许能源可连接至电动机的动力系统，或连接后断开，而不用受限于车辆必须静止的限制。 

超级电容器或电池最常被当作电动车的动力能源，对于要设计出纯电动驱动的电动车，其能源储存必须达到至少数千瓦小时，以满足纯电动车在实际道路驾驶的需求，同时，必须提供足够的功率，让车辆具备一定的加速、爬坡及最高速度等能力，以因应驾驶电动车可能会面对的任何情况。 

这些能力需求明显取决于车辆驱动系统的设计而有所不同，一旦车辆性能指标均确定后，也一并确认驱动系统的设计方向。然而，实际道路往往比设计时所预想的情形更加严苛，也因此影响车辆性能的表现。 

藉由超级电容器提供的高功率，即使是最严苛的驾驶环境，电动车也能轻易驾驭。因此，在电动车的应用上，超级电容器是一个备受关注的能源储存装置，但其造价昂贵，且能量储存密度低，无法维持车辆长距离的驾驶。 

在一辆车长12米的电动大巴士上放满超级电容器，其电量只能供应其行驶10公里。在巴士完整的行经路线上，需设置多个充电站，供巴士进行充电，但巴士营运业者意识到，只要其中一个充电站故障，整个巴士营运路线将随之停摆，因此，这样的方式是行不通的，超级电容器更适合与其他动力能源混合应用，以避免能源被快速消耗。 

在遇到一个很长的上坡路段时，超级电容器很容易就耗尽能量，利用超级电容器与电池组合成一个双能源系统是最常见的解决方式，但由于超级电容器的功率较大，双能源系统往往先使用超级电容器而使得其能源消耗速度过快，同时，电池能源无法提供足够的功率，无法达到上述的驱动系统设计条件的要求。 

为了更佳的安全性、灵活性及可靠性，多能源系统应运而生，在车辆行驶时，只有一个能源单独提供能量，其他闲置的能源则可以藉由系统上的燃料电池、内燃机或天然气等装置进行充电，以延长使用时间，且当有一个能源或耗尽或损坏时，可切换成其他能源以维持车辆的行驶。 

更可通过设计，实现多能源系统中，各能源快速切换的目的，进一步提高系统操作的灵活性。在多能源系统中，每一单独能源都必须满足功率 要求，且集体使用、或者通过快速切换各能源供应时，皆能满足车辆可行驶距离的需求。 

并非所有能源都必须以相同的元素或化学成分组成，例如：一个超级电容器可搭配电池组合成一个能源，或者由一个功率型电池与能量型电池相搭配。 

先前技术的多能源系统通常是被车辆控制器所管理，并根据各能源的充电水平与充电容量(SOC)情况，而决定能源的切换。当能源的SOC到达使用下限，即关闭该能源并转换成另一有较高SOC的能源。