陽毅平臺灣大學：機械工程學研究所徐普恩Shu, Pu-EnPu-EnShu2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61192電動機車在馬達加速換檔瞬間，需要供應較大的電流輸出，而傳統鉛酸電池大電流放電下時使用壽命會降低，本論文研究超高電容在電動機車能源管理系統中，扮演加速瞬間大電流輸出的角色，取代傳統電瓶提供電能，而傳統電池則負責巡航時小功率穩定電流的輸出。 新的能量管理系統結合了超高電容功率密度大與電池能量密度 大之優點，利用馬達既有的橋式驅動器搭配超高電容串並聯切換架 構，建立供電與煞車回充系統；同時利用安培小時與暫態開路電壓之量測與計算，可顯示較純開路電壓量測所得更準確的電池殘存電力。超高電容與傳統電池的串並聯電路模型使用IsSpice 模擬軟體建立，模擬馬達在不同轉速下煞車時所產生的感應回充電流，最後以實驗決定最佳煞車檔位以吸收回充電能。新型能量管理系統在ECE40B 之行車型態測試下，顯示在加入超高電容後的整車續航力約可增加18%。This research integrates ultracapacitor cells with traditional lead-acid batteries in the energy management system of electric vehicle. The application of ultracapacitor is motivated by the demand of instantly high current for acceleration, which diminishes the life cycle of lead-acid battery. The innovated energy management system consists of control center, a field programmable gate array, to organize series and parallel connections of ultracapacitors and batteries; ultrcapacitor cell is responsible for high current output during accelerating, while battery set is for lower current output during cruising. This proposed scenario takes the advantages of the high power density of ultracapacitor and the high energy density of lead-acid battery. The novel enery management system has additional features–regenerative braking and display of residual capacity for batteries. The original full-bridge circuit of drive takes the task of regenative braking, fueling generated induced current back to ultracapacitor or battery set according to the driving status. During the vehicle motion, the residual capacity of bettery is estimated by the measurement of ampere-hours and transient open-circuit voltage, which is more accurate than pure voltage measurement on most of commercial electric vehicles. The regenerative braking circuit model is simulated with Is Spice, and the best gearshift is scheduled in the light of experiments. The driving standard ECE40B is finally used for the driving range test. Experiments show that the proposed energy management system with ultracapacitor provides 18% more driving range than the system without ultracapacitor.致謝 I 中文摘要 II 英文摘要 I 目錄 II 圖表目錄 VII 符號表 XVII 第一章 緒論 1 1-1 研究動機與目的 1 1-2 文獻回顧 2 1-3 章節摘要 5 第2 章 直驅式電動機車系統介紹 7 2-1 電動機車介紹 7 2-2 永磁無刷直流軸向磁通馬達與繞組結構 9 2-2-1 馬達結構 9 2-2-1 繞組結構 11 2-3 馬達電流型驅動器 14 2-4 電流波形對馬達輸出力矩影響 17 2-5 電子換檔控制 19 2-5-1 效率決定檔次切換 19 2-5-2 電池串並聯檔次切換 20 2-5-3 最佳檔次切換 23 第三章 電動機車儲能系統 27 3-1 電動機車儲能系統簡介 27 3-2 鉛酸二次電池介紹 29 3-2-1 鉛酸二次電池工作原理 30 3-2-2 電池充放電特性 31 3-3 超高電容介紹 33 3-3-1 工作原理 34 3-3-2 超高電容特性分析 37 3-3-3 超高電容應用於能量管理系統 43 3-4 煞車回充系統 45 第四章 行車動力切換與能量管理系統 50 4-1 行車動力切換控制 50 4-2 超高電容模型 51 4-2-1 超高電容等效電路模型 51 4-2-2 參數推導 54 4-2-3 超高電容模型充放電模擬結果 59 4-3 超高電容加入電子換檔系統 65 4-3-1 超高電容應用於換檔加速 65 4-3-2 硬體電路模擬(Is Spice) 69 4-4 煞車回充 76 4-4-1 煞車回充模擬(Is Spice) 76 4-4-2 回充能量評估(Matlab) 81 4-5 電池殘電顯示估測方法 85 4-5-1 開路電壓法 85 4-5-2 安培小時法 86 4-5-3 暫態開路電壓估測法 87 4-5-4 實現方法 89 第五章 數位控制器與驅動器硬體實現 90 5-1 數位控制器 90 5-1-1 類比數位訊號之轉換 91 5-1-2 數位濾波器 95 5-1-3 最佳波型電流控制 98 5-1-4 速度估測 99 5-1-5 電瓶殘餘電量估測 100 5-2 馬達驅動電路 102 5-2-1 Snubber 突波保護電路 102 5-2-2 MOSFET 驅動電路 103 5-2-3 驅動器隔離電路 106 5-2-4 過電流保護電路 107 5-3 馬達繞組、電池繞組與超高電容串並聯切換實現 109 5-3-1 馬達繞組 109 5-3-2 電池串並聯切換 110 5-3-3 超高電容串並聯 111 第六章 實驗結果與討論 114 6-1 實驗設備 114 6-2 實驗項目與規劃 120 6-2-1 超高電容定電流充放電測試 120 6-2-2 加速換檔加入超高電容 121 6-2-3 煞車回充電流測試與煞車回充實驗 122 6-2-4 有無超高電容系統CNS 續航力測試比較 123 6-3 實驗結果與討論 124 6-3-1 超高電容定電流充放電測試 124 6-3-2 加速換檔加入超高電容 140 6-3-3 煞車回充電流測試與煞車檔位實驗 144 6-3-4 有無超高電容CNS 續航力測試比較 149 第七章 結論與未來展望 153 7-1 結論 153 7-2 未來展望 154 參考文獻 156 附錄A 三代馬達反電動勢常數實驗 159 附錄B 超高電容2.7V 電路參數識別 160 附錄C 長時間超高電容模擬與實驗值比較 17514855726 bytesapplication/pdfen-US超高電容煞車回充串並聯ultracapacitorregenerative brakeserial and parallel connectionthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61192/1/ntu-94-R92522829-1.pdf