具高效率及低電流諧波之高速永磁同步馬達六步波電壓轉矩控制

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1 台北科大電力電子技術中心 電動動力系統研究現況 黃明熙台北科技大學電機系副教授畢業於 71 年台北工專電機科 ( 五甲 )

2 大綱 電力電子技術中心簡介 電動動力系統 研究成果 2

3 由賴炎生教授 (IEEE fellow, 講座教授 ) 於 2005 建立 研究團隊 老師 : 賴炎生 楊勝明 歐勝源 黃明熙 陳文學 60~70 位碩 博士生 研究領域 Converter: 賴炎生 歐勝源 黃明熙 陳文學 Motor drives: 賴炎生 楊勝明 黃明熙 Motor : 楊勝明 黃明熙 協助產業發展 電力電子技術中心簡介 人才培育 : 電力電子產業碩士班 (12 屆, 已畢業 111 位 ) 企業 : 技術顧問 產學合作 3

4 電力電子技術中心簡介 企業合作 ( Taiwan, Japan, Singapore and USA ) Industrial-based Sponsor Semiconductor-based Sponsor Government-Based Sponsor 4

5 電力電子技術中心簡介 研究環境 - 理論 模擬 分析與實作 5

6 電動動力系統 - 關鍵技術 驅動器設計 (Motor drives) 高效率功率模組 熱傳設計 過調變 高效率控制及參數變異抑制 充電技術 (Charging Tech.) 高效率 低輸出電壓及電流漣波 電池管理系統 SOC, SOH 50Ah/3.7V 電機設計 (Motor design) 電磁 結構及熱流之同步設計 6

7 電動動力系統 - 技術發展及挑戰 Size, Weight and Cost 7

8 電動動力系統 - 技術發展及挑戰 Domain Knowledge Simulation assisted design Modular software design Hardware in the loop Hardware-in-the-loop *Plant nonlinearity *Controller design *Integration and consistency (MISRA-C) *Portability for dedicated microprocessor *MISRA:Motor Industry Software Reliability Association Source: Automatic code generation for safety-critical system, dspace 8

9 電動動力系統 - 核心技術 馬達及驅動器 電 磁 力 熱流 結構 Reliability Design Electro-Magnetic Design Motor Design Mechanical Design EMC Key Technologies Drive Design Vibration Analysis Advance Motor Control Algorithms High Efficiency Firmware Design Thermal Analysis 9

10 電動動力系統 - 核心技術 Simulation Assisted Motor and Drive Design Multi-Physics+Coupled Field Analysis Impedance characteristics Control methodologies IGBT temp. distribution Flux saturation effect *sensorless control *field-weakening *constant power control *MTPA EMI/EMC 10

11 研究成果 EV 用高速感應馬達驅動技術 輸入馬達電壓最大化, 延伸馬達定功率區 > 高功率密度 Y. S. Lai and P. Y. Lin, Patents, Taiwan, Japan and USA/ 已技轉多家上市公司 CPSR e I ds _ rated k pfw k ifw s Tz r r sl _ MAX k p1 ki 1 s Iqs(max) Calculation i e qs _ MAX e i ds e i qs e i qs e i ds Field Weakening Controller k k p3 p2 ki3 s ki2 s Voltage Decoupling e v ds e v qs LPF TA SVM TB 2<-3 i as i bs i cs Slip Calculation sl ò ò sl r e IM E 11

12 研究成果 新型高功率密度馬達設計及控制 磁通切換馬達 (Flux Switching Machine) Dual structure to reduce shaft magnetic force 尺寸名稱 代號 數值 尺寸名稱 代號 數值 轉子型式 外轉子 氣隙長度 0.5 mm 定子槽數 12 槽 定子外徑 R mm 轉子極數 7 極 定子內徑 R2 34 mm 轉子外徑 R5 75 mm 定子齒寬 W1 10 degree 轉子內徑 R4 60 mm 定子齒距 W2 13 degree 轉子背鐵 R6 7.5 mm 疊積 55 mm 轉子外極寬 W4 19 degree 軸徑 R mm 轉子內極寬 W3 19 degree 12

13 研究成果 - 電動機車 Torque Control for Electric Scooter iu iv i w * T e Rotor angle generator e Clark-park transformation 1 K t Mode Switching Hu Hv H w i qs i ds * I p Three-axis current controller i* u + Current controller - Current * i v i u Command + Current controller generator - * i w i v + Current - controller e iw v u v v v w i * qs + Current controller - Inverse i Clark-park qs Current transformation * + i ds controller - i ds e D-q axis current controller DSP-Based motor controller v u v v w PWM mechanism Gating signals + V DC - Power stage Gating signals iu iv iw PMSM Hu Hv H w Linear hall sensors SYM E-Woo is under massproduction since Feb.,

14 研究成果 Idling Stop 燃油機車 2017 年出廠 20% 型式之燃油機車需具怠速熄火功能 啟動 發電 Cranking 0rpm r 2400 rpm I battery I dc Generating + 12V Battery - * V dc Cranking mode * T Σ + - V dc * V dc Σ + - Boost mode V dc Base Load On Scooter (Light.etc.) Six-step generator mode Idc I load Gf Regulator 1 kt Voltage controller reg + + * v Σ f + basic -1 V dc e Σ HRVAI SW1 * i u, v, w 0 Σ i u, v, w Current controller e i u SW2 0 1 i v iw H u * v u, v, w Velocity estimation ISG H H v w Hall effect sensors Hu Hv Hw F Gate signals PWM mechanism 0A 12.3V 0A i u V dc I dc 200ms 50A 5V 50A 14

15 研究成果 鉛酸電池與能量電容複合供電 延長具怠速熄火燃油機車之鉛酸電池壽命 >> 降低使用成本及廢棄鉛酸電池數量 Panasonic VP: Mr. Yoshio Ito 參訪研究成果 ( ) 啟動馬達電流 i L i C 能量電容電流 0A i B 鉛酸電池電流 15

16 研究成果 助動腳踏車 Electric Power Assisted Bike TRANZ-X 16

17 研究成果 輕混油電複合動力 皮帶驅動馬達發電機 (BSG) 系統設計 17

18 新型弦波充電技術 研究成果 充電技術 兩只磷酸鋰鐵電池充電量分別提高 5.1% 與 4.3%, 而溫升分別降低 31.3% 與 28.4% DC PWM1 PWM2 Voltage Sensor Current Sensor Battery + PWM3 C.C Discharging Resistance PWM4 C.V Discharging Resistance Gate Driver Circuit DSP Microcontroller Sampling Circuit 18

19 研究成果 充電技術 低壓大電流 INPUT : 200V/DC ~450V/DC (Nominal = 324V/DC) OUTPUT : 9V/DC ~14.7V/DC (Nominal = 13.8V/DC) OUTPUT CURRENT: MAX. 100A EFFIENCY>90% 100A output & 324V/DCinput ) INPUT RIPPLE: < OUTPUT RIPPLE: < 19

20 研究成果 無線充電技術 符合 SAE J2954 WPT2(7.5kW) 之設計標準 20

21 感謝您的聆聽 21

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