专利名称：混合车充电系统的单相锁相环和混合车的单相电源充电法的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及电动车辆以及混合动力车辆，尤其涉及用于电动车辆以及混合动 力车辆的充电系统，更具体地，涉及适于使用在电动车辆或者混合动力车辆的充电系统中 的单相锁相环。
背景技术：
当前可作为商品获得的混合动力车辆通常为双模式类型，其具有驱动发电机以给 电池阵列充电的由液体燃料(汽油)供以动力的发动机。所述电池阵列为一个或多个电动 机供以动力，该电动机使用直流(DC)电能单独或连同汽油发动机一起推进车辆。用于混合动力车的电池阵列的潜在替代或辅助充电源将车辆“插接”在公共或私 人的公用事业公司电网上。这可在车道、车库或在公共停车场中进行。但是，为了恰当地给 电池阵列充电，充电电力波形必须锁相至引入的电网电压。对商用3相(或多相)电力信 号这是能够实现的，但是，大多数家用电力布置并不具有可用的3相电力系统，并且大多数 房主也不会仅仅为了给混合动力车充电而承担安装3相电力系统的花费。因此，期望提供一种用于混合动力车的单相充电布置，使得混合动力车可从家用 线路电流充电。另外，结合附图及前面的技术领域和背景技术，从随后的详细描述和所附权 利要求可清楚本发明的其它期望特征和特性。
发明内容
在一个实施例中，用于混合动力车的充电系统包括耦接到标准(在美国为110伏、 60Hz)电网电压的单相锁相环(PLL)。引入的相位电压被延迟四分之一周期，以产生假想相 位，该延迟后的相位电压与电网电压正交并被认为是用于PLL的第二相位信号。通过应用 变换矩阵(下面描述)，本发明能够锁相至单相电网电压，从而有效且安全地给混合动力车 充电。
下文中将结合附图描述本发明，其中相同的附图标记指代相同的元件，以及图IA示出了具有根据本发明一个示例性实施例的单相电网充电系统的混合动力 车；图IB示出了图IA中混合动力车的底盘，包括其主要传动系部件；图2示出了根据本发明一个示例性实施例的单相锁相环(PLL)系统的框图；图3A和图3B示出了图2的优选变换矩阵；图4示出了适于用在混合动力车中且使用图2的PLL的充电系统；图5为美国电网频率变化标准的说明；图6A和图6B示出了图2中根据本发明一个示例性实施例的PLL的相位追踪能力； 以及
图7示出了根据本发明的示例性实施方式，在宽范围的频率变化上的相位追踪的线性度。
具体实施例方式如本文所使用的，词语“示例性”意味着“用作例子、举例或示例”。下面的详细描 述实质上仅仅是示例性的，并不意图限制本发明或本发明的应用和使用。本文作为“示例” 所描述的任何实施例都不必被解释为是超过其它实施例的优选或有利的实施例。该详细说 明中描述的所有实施例都是提供以使本领域的技术人员能够实现或使用本发明的示例性 实施例，而不是限制由权利要求所限定的本发明的范围。另外，也不意图通过前面的技术 领域、背景技术和发明内容中或下面的详细说明中所出现的明确的或暗示的理论来加以约 束ο现在参考图1A，示出了采用本发明的单相锁相环(PLL)充电系统的混合动力车2。 根据本发明，混合动力车2可具有内部电池阵列，该内部电池阵列经由电缆4电耦接至公共 或私人的公用电网(未示出)来充电。这样，本发明提供了无需运行车辆或消耗燃料(汽 油)就可给混合动力车的电池阵列充电的优点。在这点上，这里公开的所有概念通常都可应用于“车辆”，如本文所使用的，术语 “车辆”广泛地指代无生命的运输机构。这种车辆的例子包括汽车(例如公共汽车、轿车、 卡车、运动型多功能车、有蓬货车)、不在陆地上行驶的交通工具(例如，机械式水上交通工 具，包括艇、气垫船、小船和轮船)和机械式轨道交通工具(例如火车、有轨电车和手推车 等)。另外，术语“汽油发动机”不限于任何具体的推进技术，例如汽油或柴油燃料。相反， 汽油发动机还包括氢燃料车辆、乙醇燃料车辆和使用各种其它替代燃料来运行的车辆。现在参考图1B，示出了混合动力车2的底盘6连同主要的传动系部件。通常，当 前的混合动力车具有电池阵列8 (对于标准尺寸的汽车通常为300伏电池阵列)和汽油发 动机10。可替代地，本发明可与全直流(DC)推进系统(即，没有汽油发动机的车辆)一起 使用。就电(DC)源而言，电动机9 (可使用不只一个)给混合动力车2提供前轮驱动推进。 在一个实施例中，如本领域内所公知的，通过开关电路所产生的交流电(AC)来给电动机9 供能。可替代地，电动机9可为由电池阵列8直接供能的DC电动机。在一个实施例中，汽油发动机10驱动发电机12，当车辆运行时，该发电机12可在 需要时给电池阵列8再充电。双模式变速器14允许汽油发动机通过传动轴16和差速器18 提供后轮推进。正如结合图IA所详述得那样，电池阵列8的充电电路20通过电缆4耦接 到电网电压。因此，本发明给混合动力车2提供了从通常于住宅和商业场所便可获得的标 准电网电压(在美国为单相、110伏、60Hz)来充电的机会。现在参考图2，以框图形式示出了根据本发明一个实施例的单相锁相环(PLL) 22。 将单相电网电压24(Va)延迟26优选四分之一周期，相位延迟的信号28 (Vb)被应用至转换 矩阵30。相位延迟的信号28与电网电压24正交，并可用作用于锁相目的的假想的第二相 位信号，如下所述。变换矩阵30产生Vd 32和Vq 34，并且Vq被乘以增益因子(1/Vm)，其中<formula>formula see original document page 5</formula>( 1 )以及
<formula>formula see original document page 5</formula> ( 2 )
现在参考图3A和图3B，示出了根据本发明的一个实施例的变换矩阵30如何修改VjPVb以产生Vd和Vq的示意图。如图所示，vd(fd) WVa(fa)移相了(θ 31)，V^ftl)从 Vb(fb)进行的移相，如下所示
<formula>formula see original document page 6</formula>因此，如果<formula>formula see original document page 6</formula>(4)<formula>formula see original document page 6</formula>等式5表明，通过使用变换矩阵30连同锁相元件32、环路滤波器34和积分器(1/ S) 36，可将相位差减小为零，使得输出信号38可被锁相至电网电压24。现在参考图4，以框图形式示出了充电控制系统40。充电控制系统40包括图2的 单相PLL 22，并且可操作以给本发明提供用于混合动力车2的电池阵列8的替代或辅助的 充电能力。如图4中所示，DC电源42 (在一个实施例中，其可为图IB中的电池阵列8)通 过H桥电路44耦接到公共或私人的公用事业公司电网46，该电网给PLL 22提供了单相电 网电压24。如联合图2所示，PLL 22给充电控制器48提供锁相输出信号38，所述充电控 制器48监测电池阵列8并给其充电。现在参考图5，示出了在美国可用的公用电网的标称频率的说明。如图所示，所述 标称频率在59. 95Hz到60. 05Hz的范围内，且正常频率偏移50在59. 99Hz到60. OlHz之 间。引入的电网电压中的相位误差会损坏设备或引起设备故障。因此，电网中的相位误差 被严格地调控。所以，正常频率偏移50给混合动力车的任何充电系统设置了最小运行性能 规定，旨在由标准家用(单相)电网电压实现电池阵列充电。现在参考图6A和图6B，可看到本发明的相位追踪操作。图6A示出了引入电网电 压24与输出的锁相信号38之间的相位差51为零度的理想情形。在四分之一周期时间延 迟52之后，锁相环追踪波形38表明，PLL 22已经实现了与引入电网电压的锁相，正如在所 有过零点56之处可以看到的那样。作为另一实例，图6B示出了达到三十度异相58的电网 电压，但是，在相同的四分之一周期延迟52之后，本发明的PLL 22已经实现了与引入电网 电压的锁相，正如在所有过零点56之处可以看到的那样。但是，本领域的技术人员应当理 解，在引入波形的四分之一周期内对引入的电网电压信号的任意相移，本发明的PLL 22均 可以获得锁相。尽管通过本发明提供了快速的锁相性能，但是本发明的PLL 22必须能够在宽范 围的引入电网电压相位误差上(如上面参考图5所描述的)保持锁相。现在参考图7，可看 到本发明在宽范围的引入电网相位误差上的锁相性能。本发明提供了从58Hz到62Hz的可 靠的锁相性能；大大超过了结合图5所描述的标称频率偏移。更特别地，可以看到在正常偏 移附近60，本发明在正常的引入电网电压相位误差情况下，仅四分之一周期之后就可靠地 实现了锁相，从而能够从标准的单相电网电压给电动车或混合动力车充电。因此，本发明提 供了无需运行车辆或消耗燃料就可从标准单相电网电压给电动车或混合动力车的电池阵 列再充电的机会。
上面按照功能和/或逻辑方块部件和各种处理步骤描述了一些实施例和实施方 式。但是，应当认识到，这样的方块部件可通过构造成执行具体功能的任意数量的硬件、软 件和/或固件部件来实现。例如，系统或部件的实施例可使用在一个或多个微处理器或其 它控制装置的控制下实施各种功能的各种集成电路部件，例如存储器元件、数字信号处理 元件、逻辑元件、查寻表等。另外，本领域的技术人员会认识到，这里描述的实施例仅仅是示 例性的实施方式。在该文献中，相关的术语(例如，第一和第二，以及类似术语)仅用于将一个实体 或动作与另一个实体或动作区分开，而不是在这样的实体或动作之间要求或暗示任何实际 的这种关系或顺序。另外，根据上下文，在描述不同元件之间关系中使用的词语如“连接”或 “耦接到”并不暗示必须在这些元件之间实现直接的物理连接。例如，两个元件可彼此通过 一个或多个另外的元件来物理地、电地、逻辑地或以其它方式连接。
尽管在前面的详细描述中已经示出了至少一个示例性实施例，但是应当认识到， 还存在大量的变形。还应当认识到的是，所述示例性实施例(或者多个示例性实施例)仅 仅是例子，并不试图以任何方式限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面的详细描述 会给本领域的技术人员提供用于实施示例性实施例(或多个示例性实施例)的方便路线 图。应当理解，在不脱离由所附权利要求及其等效物所限定的本发明范围的情况下，可对元 件的功能和布置进行各种变化。
权利要求
一种混合动力车，包括汽油发动机；电池阵列，其在第一模式中给电动机供能以推进所述混合动力车；发电机，其由所述汽油发动机驱动，以给所述电池阵列再充电；以及充电控制电路，其耦接到单相电网电压，以从锁相至所述单相电网电压的充电信号给所述电池阵列再充电，所述充电控制电路包括用于接收所述单相电网电压并且由此产生延迟信号的锁相环，电网控制电压和所述延迟信号中的每一个都通过所述锁相环来处理，以提供用于给所述电池阵列再充电的充电信号。
2.如权利要求1所述的混合动力车，其中，所述延迟信号从所述单相电网电压延迟了 四分之一周期。
3.如权利要求1所述的混合动力车，其中，所述延迟信号与所述单相电网电压正交。
4.如权利要求1所述的混合动力车，其中，所述电动机为交流电动机。
5.如权利要求1所述的混合动力车，其中，所述电动机为直流电动机。
6.一种给电力推进的车辆中的电池阵列充电的方法，包括下列步骤 接收单相电网电压；延迟所述单相电网电压以提供延迟信号；在锁相环中处理所述单相电网电压和所述延迟信号，以提供锁相至所述单相电网电压 的充电信号；以及利用所述充电信号给所述电动车的电池阵列再充电。
7.如权利要求6所述的方法，其中，所述延迟信号被延迟了四分之一周期。
8.如权利要求6所述的方法，包括如下步骤当所述电力推进的车辆在运行时，从由汽 油发动机供能的发电机产生第二充电信号，以给所述电池阵列充电。
9.一种适于在至少部分地由电池阵列推进的车辆中使用的锁相环，包括延迟电路，其给锁相环电路的变换矩阵提供延迟信号，该延迟信号表示延迟形式的单 相电网电压；以及所述变换矩阵接收所述延迟信号和所述单相电网控制电压，并处理各信号以提供锁相 至所述单相电网电压的充电信号；其中，所述充电信号可用于在所述车辆未运行时给所述电池阵列再充电。
10.如权利要求9所述的锁相环，其中，所述延迟电路将所述单相电网电压延迟四分之一周期。
11.一种由至少电动机提供动力的车辆，包括充电控制电路，其耦接到单相电网电压，用于从锁相信号给电池阵列再充电，所述充电 控制电路包括用于接收所述单相电网电压并且由此产生延迟信号的锁相环，所述单相电网 电压和所述延迟信号中的每个都通过所述锁相环来处理，以提供用于给所述电池阵列再充 电的锁相信号。
12.如权利要求11所述的车辆，包括用于在车辆运行时给所述电池阵列充电的汽油发动机和发电机。
13.如权利要求11所述的车辆，其中，所述电动机为交流电动机。
14.如权利要求11所述的车辆，其中，所述电动机为直流电动机。
15.如权利要求11所述的车辆，其中，所述延迟信号从所述单相电网电压延迟了四分之一周期。
全文摘要
本发明涉及适于用在混合动力车充电系统中的单相锁相环和用于从单相电源给混合动力车充电的方法。具体地，提供了用于给电动车或混合动力车充电的设备。特别地，提供了用于从单相标准(在美国为110伏、单相、60Hz)给混合动力车充电的设备。在一个实施例中，单相锁相环(PLL)接收单相电网电压，并将其延迟四分之一周期，以产生正交的、假想第二电力信号。然后这些信号被应用至PLL内的变换矩阵，以将输出信号锁相至引入的电网电压。
文档编号B60K6/20GK101823421SQ20091016110
公开日2010年9月8日 申请日期2009年7月31日 优先权日2008年7月31日
发明者G·埃斯梅利, M·佩里西克 申请人:通用汽车环球科技运作公司