变压器抽头变换电路及其制作方法
【专利摘要】本发明的一种变压器抽头变换电路包括一种设备，该设备包括：变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到一次绕组的二次绕组；第一整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第一AC电压整流为第一DC电压；以及第二整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第二AC电压整流为第二DC电压。该设备还包括DC母线，该DC母线耦合到第一和第二整流器，并且配置成从其中接收第一和第二DC电压，其中第一AC电压比第二AC电压高，并且第一DC电压比第二DC电压高。
【专利说明】变压器抽头变换电路及其制作方法
【技术领域】
[0001]一般来说，本发明的实施例涉及变压器，以及更具体来说，涉及设计成改变变压器阻数比以变更其输出能量的抽头变换电路(tap-changing circuit)。
【背景技术】
[0002]能够接受极高充电电流并且因而能够以较快时间来充电的新电池技术正在兴起。这些电池可用于例如电动和混合车辆牵引应用(例如客车、公共汽车、公交运输车辆、道路车辆和越野车辆、高尔夫球车、社区电动车辆、叉车、公用载重汽车以及其它更高功率存储应用)中。混合电动车辆可组合内燃机以及由诸如牵引用电池(traction battery)之类的能量存储装置所供电的电动机，以便推动车辆。通过使内燃机和电动机能够分别工作在增加效率的相应范围，这种组合可提高总燃料效率。例如，电动机在从静止启动进行加速时会是高效的，而内燃机在恒定发动机运转的持续期间、例如在公路行驶期间会是高效的。使电动机提升初始加速度允许混合车辆中的内燃机更小并且更加节省燃料。
[0003]纯电动车辆使用存储电能向电动机供电，电动机推进车辆，并且还可操作辅助驱动装置。纯电动车辆可使用存储电能的一个或多个电源。例如，存储电能的第一电源可用于提供更持久能量，而存储电能的第二电源例如可用于提供用于加速的较高功率能量。
[0004]无论是混合电动类型还是纯电动类型的插电式电动车辆配置成使用来自外部电源的电能对牵引用电池进行再充电。这些车辆可使用非车载固定电池充电器或者车载电池充电器来将电能从公用电网或者可再生能量源传递到车辆的车载牵引用电池。
[0005]常规抽头变换电路涉及耦合到开关阵列的变压器的一次绕组，其中开关阵列包括用于将一次变压器绕组抽头连接到AC电源的背靠背晶闸管或开关对。这具有在电池充电期间根据需要来改变变压器匝数比以变更输出电压和电流的效果。电流通过变压器阻抗(即，漏电感)来限制。变压器能够设计成具有15?20%的阻抗。当电流随电池电压增加而逐渐减小时，能够变换变压器抽头以将电流重新增加到较高电平。但是，这类常规抽头变换电路的组件常常是昂贵的，并且采用复杂的控制技术。
[0006]因此，期望提供一种向DC负载提供高电流的节省成本并且可靠的设备。
【发明内容】
[0007]按照本发明的一个方面，一种设备包括:变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时应感耦合到一次绕组的二次绕组；第一整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；以及第二整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第二 AC电压整流为第二 DC电压。该设备还包括DC母线，该DC母线耦合到第一和第二整流器，并且配置成从其中接收第一和第二 DC电压，其中第一 AC电压比第二 AC电压高，并且第一 DC电压比第二 DC电压高。
[0008]按照本发明的另一方面，一种制作变压器抽头变换电路的方法包括将变压器的二次绕组耦合到第一整流器以及第二整流器，并且将第一和第二整流器耦合到DC母线。二次绕组配置成当来自能量源的电流经过一次绕组时感应耦合到变压器的一次绕组，以及第一变流器配置成把来自二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压。第二整流器配置成把来自二次绕组的比第一 AC电压低的第二 AC电压整流为比第一 DC电压低的第二 DC电压，以及DC母线配置成接收来自一次和二次变流器的第一和第二 DC电压。
[0009]按照本发明的又一方面，一种系统包括:DC母线；可变DC负载，耦合到DC母线；以及变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到一次绕组的一组二次绕组。该系统还包括:第一整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；第二整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的比第
一AC电压低的第二 AC电压整流为比第一 DC电压低的第二 DC电压；以及控制器，配置成使第一 DC电压被提供给DC母线。
[0010]按照本公开的第一实施例，提供一种设备，包括:
变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到所述一次绕组的二次绕组；
第一整流器，耦合到所述二次绕组，并且配置成把来自所述二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；
第二整流器，耦合到所述二次绕组，并且配置成把来自所述二次绕组的第二 AC电压整流为第二 DC电压；
DC母线，耦合到所述第一和第二整流器，并且配置成从其中接收所述第一和第二 DC电
压；
其中所述第一 AC电压比所述第二 AC电压高；以及 其中所述第一 DC电压比所述第二 DC电压高。
[0011]按照第一实施例的设备，其中，所述第一整流器包括第一多个可控开关；以及 还包括控制器，配置成控制所述第一多个可控开关以将所述第一 AC电压整流为所述
第一 DC电压。
[0012]按照第一实施例的设备，其中，所述第一多个可控开关的所述可控开关包括可控硅整流器。
[0013]按照第一实施例的设备，其中，所述第二整流器包括第二多个可控开关；以及 其中所述控制器还配置成控制所述第二多个可控开关以将所述第二 AC电压整流为所
述第二 DC电压。
[0014]按照第一实施例的设备，其中，所述第一和第二多个可控开关的所述可控开关包括可控硅整流器。
[0015]按照第一实施例的设备，其中，所述第二整流器包括配置成将所述第二 AC电压整流为所述第二 DC电压的多个二极管。
[0016]按照第一实施例的设备，还包括:
可变DC负载；以及
耦合装置，耦合到所述DC母线以及所述可变DC负载，所述耦合装置配置成有选择地将所述可变DC负载耦合到所述DC母线，并且包括接触器和电子开关其中之一。
[0017]按照第一实施例的设备，其中，所述第一和第二整流器包括配置成分别将所述第一和第二 AC电压整流为所述第一和第二 DC电压的多个二极管；以及 还包括:
可控开关，耦合到所述DC母线，并且配置成将所述第一整流器耦合到所述第二整流器以及所述DC母线；以及
控制器，配置成控制所述可控开关有选择地将所述第一整流器耦合到所述DC母线，以使所述第一 DC电压被传递到所述DC母线。
[0018]按照第一实施例的设备，其中，所述可控开关包括可控硅整流器和门极关断晶闸
管其中之一。
[0019]按照第一实施例的设备，还包括电感器阵列，所述电感器阵列耦合到配置成增加所述变压器的阻抗的所述二次绕组。
[0020]按照第一实施例的设备，还包括:
能量存储装置，配置成输出DC电压，并且耦合到所述DC母线；
双向DC-AC电压变流器，耦合到所述能量存储装置以及所述DC母线，其中所述双向DC-AC电压变流器包括所述第二整流器；
机电装置，耦合到所述双向DC-AC电压变流器；以及
其中所述控制器还配置成控制所述双向DC-AC电压变流器把来自所述能量存储装置的所述DC电压变流为适合于对所述机电装置通电的第三AC电压。
[0021]按照本公开的第二实施例，提供一种制作变压器抽头变换电路的方法，包括: 将变压器的二次绕组耦合到第一整流器以及第二整流器；
将所述第一和第二整流器耦合到DC母线；
其中所述二次绕组配置成当来自能量存储装置的电流经过一次绕组时感应耦合到所述变压器的所述一次绕组；
其中所述第一变流器配置成把来自所述二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；其中所述第二整流器配置成把来自所述二次绕组的比所述第一 AC电压低的第二 AC电压整流为比所述第一 DC电压低的第二 DC电压；以及
其中所述DC母线配置成接收来自所述一次和二次变流器的所述第一和第二 DC电压。
[0022]按照第二实施例的方法，还包括从第一多个可控开关来形成所述第一整流器；以及
还包括将控制器配置成控制所述第一多个可控开关以将所述第一 AC电压整流为所述第一 DC电压。
[0023]按照第二实施例的方法，还包括从第二多个可控开关来形成所述第二整流器；以及
还包括将所述控制器配置成控制所述第二多个可控开关以将所述第二 AC电压整流为所述第二 DC电压。
[0024]按照第二实施例的方法，还包括从多个二极管来形成所述第一和第二整流器，其中所述二极管配置成分别将所述第一和第二 AC电压变流为所述第一和第二 DC电压。
[0025]按照第二实施例的方法，其中，将所述第一整流器耦合到所述DC母线包括: 将可控开关耦合在所述第一整流器与所述DC母线之间；以及
将控制器配置成控制所述可控开关有选择地将所述第一整流器耦合到所述DC母线，以使所述第一 DC电压被传递到所述DC母线。[0026]按照本公开的第三实施例，提供一种系统，包括:
DC母线；
可变DC负载，耦合到所述DC母线；
变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到所述一次绕组的一组二次绕组；
第一整流器，耦合到所述二次绕组，并且配置成把来自所述二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；
第二整流器，耦合到所述二次绕组，并且配置成把来自所述二次绕组的比所述第一 AC电压低的第二 AC电压整流为比所述第一 DC电压低的第二 DC电压；以及控制器，配置成使所述第一 DC电压被提供到所述DC母线。
[0027]按照第三实施例的系统，其中，所述第一和第二整流器包括多个可控开关；以及 其中所述控制器配置成控制所述多个可控开关以便分别将所述第一和第二 AC电压整
流为所述第一和第二 DC电压。
[0028]按照第三实施例的系统，其中，所述第一整流器包括多个可控开关；
其中所述第二整流器包括多个二极管；以及
其中所述控制器配置成控制所述多个可控开关以将所述第一 AC电压整流为所述第一DC电压。
[0029]按照第三实施例的系统，还包括将所述第一整流器耦合到所述第二整流器的一对可控开关；
其中所述第一和第二整流器包括配置成分别将所述第一和第二 AC电压整流为所述第一和第二 DC电压的多个二极管；以及
其中所述控制器配置成控制所述可控开关以使所述第一 DC电压被提供到所述DC母线。
[0030]通过以下详细描述和附图，使各种其它特征和优点将会显而易见。
【专利附图】
【附图说明】
[0031 ] 附图示出当前考虑用于执行本发明的实施例。
[0032]附图包括:
图1是按照本发明的一个实施例、具有电子抽头变换器电路的变压器的示意图；
图2是按照本发明的一个实施例、具有电子抽头变换器电路的另一个变压器的示意
图；
图3是按照本发明的一个实施例、具有电子抽头变换器电路的另一个变压器的示意
图；
图4是按照本发明的一个实施例、具有电子抽头变换器电路的另一个变压器的示意
图；
图5是按照本发明的一个实施例、结合具有电子抽头变换器电路的变压器的牵引电路的示意图。
【具体实施方式】[0033]图1是按照本发明的一个实施例的变压器抽头变换电路10的示意图。变压器12包括一次变压器绕组14和二次变压器绕组16。一次变压器绕组14可耦合到AC电源，以及作为一个示例，示为连接到公用电网18的三相。二次变压器绕组16包括可耦合到AC负载的三个绕组20、22、24。在一个实施例中，变压器12是高阻抗变压器。一次和二次变压器绕组14、16设想为通过常规叠片钢芯来感应地耦合或者通过按照一个实施例的叠片钢芯加气隙的组合来f禹合。
[0034]如图所示，AC负载包括一对电压变流器或整流器26、28。在这个实施例中，整流器26、28分别采用晶闸管或可控硅整流器(SCR) 30、32作为电压整流装置。整流器26和/或28可以是单个AC-DC转换器部件的一部分。
[0035]针对整流器26，第一对34 SCR 30耦合到绕组20的一端36，第二对38 SCR 30耦合到绕组22的一端40，以及第三对42 SCR 30耦合到绕组24的一端44。
[0036]针对整流器28，第一对46 SCR 32耦合到绕组20的抽头48，第二对50 SCR 32耦合到绕组22的抽头52，以及第三对54 SCR 32耦合到绕组24的抽头56。抽头48、52、56在提供比其相应端部36、40、44要小的电压和电流的位置耦合到绕组20-24。通过按照这种方式将整流器26、28耦合到二次变压器绕组16，整流器26配置成从二次变压器绕组16接收比整流器28更大量的电压和电流以供整流。另外，整流器28允许在单个装置中执行抽头变换和整流。
[0037]电路10还包括控制器58，控制器58在期望把来自AC电源18的AC电压转换成DC电压以用于提供给DC链或母线60时的电压整流操作模式期间来控制SCR 30、32。在一个实施例中，可期望把来自公用电网18的AC电压转换成适合于对诸如电池62之类的DC负载进行充电的DC电压。经转换的DC电压能够根据所使用的整流器而具有提供给电池62的更高或更低的电流。
[0038]在电压整流模式期间，控制器58可按照相控方式和非相控方式来控制整流器26、28。在非相控方式中，控制器58可首先开始于将整流器28的SCR 32控制到其通态(onstate)，同时将整流器26的SCR 30留在其断态(off state)，以便对二次变压器绕组16所提供的抽头电压进行整流以用于采用初始受限电流来对电池62进行再充电。但是，不要求使用基于抽头48、52、56的电压和电流的对电池62的这个初始再充电，本发明的实施例考虑开始于整流器26的主动控制。在一段时间之后或者在已经达到某个预定阈值之后，控制器58可停止控制SCR 32，并且可开始将整流器26的SCR 30控制到其通态，因而以更高电流对更高电压进行整流以用于提供给电池62。在对电池62进行再充电以后，控制器58可停止控制SCR 30，以便停止电流流入电池62。在一个实施例中，当电池62接近其最大充电状态(SOC)时，可期望控制器58又切换到对整流器28的SCR 32的主动控制，以便再次限制流入电池62的电流。
[0039]在相控方式中，控制器58可通过基于在各绕组20-24上感应的电压的相位激活相应SCR 30、32，来优化流入电池62的电压和电流的控制。这样，控制器58可以能够更全面控制和调节流入电池62的电压和电流，以便例如改进其电池使用寿命。控制器58可采用相控和非相控方式的任一种或两种。在一个不例中，控制器58最初可米用非相控方式,之后接着在接近充电结束时采用相控方式，以便准确调节电池电压。
[0040]虽然本文所示的本发明的实施例示出两个整流器26、28沿绕组20-24连接到两个相应电压位置(端部36、40、44和抽头48、52、26)，但是本发明的实施例考虑在绕组20-24上使用更多数量的电压抽头。也就是说，可具有对应整流器的绕组20-24上的附加抽头(未示出)。此外，虽然针对三相AC电压源来论述，但是本发明的实施例可包括具有更少或更多相的变压器和整流器以适应具有更少或更多相数的AC电压源。此外，预计可考虑与公用电网进行接口的备选变压器配置。例如，可使用使用高频功率电子电路来提供变压器组件硬件的隔离以及尺寸、重量和成本的减少的变压器配置。另外，设想使用各种形式的通过常规钢芯和/或组合钢芯加空心(air core)的感应耦合的变压器。
[0041]图2-4示出按照本发明的其它实施例的变压器抽头变换电路的示意图。将适当地相对于相同参考标号来论述共同的元件和组件。
[0042]图2示出将二极管66而不是如图1所示的SCR结合到整流器28中的变压器抽头变换电路64。与抽头变换电路10相比，二极管66的使用引起对向DC母线60提供电压的更少控制。但是，由于门控驱动器和SCR 30—般比二极管66更昂贵，所以电路64允许组件成本的降低。
[0043]图2还示出可变DC负载68，可变DC负载68耦合到DC母线60以用于接收整流器26或整流器28的输出。可变DC负载68可以是例如电池、超级电容器、电机或DC电机、DC电力系统等。
[0044]在可变DC负载68没有电压存储能力或者这种能力小于从抽头48、52、56提供给DC链或母线60的电压的一个实施例中，每当电压存在于二次变压器绕组16的绕组20-24时，电压始终存在于DC母线60上。因此，控制器58控制整流器26，以便在需要时将DC母线60上的电压增加到超过由整流器28所提供的电压。当控制到其通态时，SCR 30向DC母线60提供比二极管66更高的电压，因而使二极管66停止向DC母线60提供电压。另外，抽头变换电路64可结合包括接触器或其它开关装置70在内的一个或多个可控耦合装置，以便当再充电完成时或者由于另一个原因而将可变DC负载68与DC总线60分离。相应地，耦合装置70有选择地将可变DC负载68与DC母线60耦合/分离。
[0045]在一个实施例中，如果可变DC负载68的电压大于整流器28所提供的电压，则当可变DC负载68的电压大于整流器28所提供的电压时以及当SCR 30处于其断态时，电流没有存在于DC母线60上。因此，有可能允许整流器28在可变DC负载68的初始再充电期间向可变DC负载68提供更低电流和电压，以及将SCR 30控制到其通态以供附加再充电。在这个实施例中，当可变DC负载68被完全充电或者处于预期电压电平的阈值之内并且SCR30被允许进入其断态时，可变DC负载68的电压阻止整流器28向DC母线60提供电压。
[0046]按照本发明的一个实施例，变压器12设计成提供限流阻抗，这限制所输送的DC电流。这个阻抗能够使用变压器的漏电感来实现。典型值基于变压器的额定值可从数个百分点至多达20%的阻抗。这个漏电感能够限制或者部分限制所有图1至图5中的电流。如图3所示，在具有未固有地达到预期限流阻抗的变压器74的变压器抽头变换电路72的另一个实施例中，电感器阵列76可耦合到绕组20-24。电感器阵列76可包括三相电感器或者三个单相电感器，以便提供限流阻抗。如果例如当使用基于现有设计的变压器时不期望将这个限流阻抗设计到变压器本身中，则能够使用分立电感器阵列76。
[0047]图4示出按照本发明的一个实施例的变压器抽头变换电路78。与图2和图3所示的电路64相似，将二极管66结合到整流器28中。但是，另外，整流器26还结合二极管80。为了防止整流器26使整流器28保持在断态，因为整流器26结合二极管78而不是可控装置、例如其它实施例中所示的SCR，所以抽头变换电路78包括耦合在整流器26与28之间并且是由控制器58可控制的一对开关82、84。这样，开关82、84有选择地将整流器26与整流器28和DC母线60耦合/分离。
[0048]在一个实施例中，开关82、84是诸如以上所述之类的SCR。在电池62的初始再充电期间，接触器70闭合，SCR开关82、84留在其断态，以及来自二次变压器绕组16的电压在整流器28中来整流并且提供给DC母线60。当期望来自二次变压器绕组16的较高电压和电流时，控制器58控制SCR开关82、84到其通态，以及由整流器26所整流的较高电压使整流器28关断，因而允许来自整流器26的经整流电压被提供给DC母线60。一旦控制到其通态，SCR开关82、84在这个配置中不能关断，直到流经其中的电流下降到低于其保持电流阈值，例如当接触器70断开或者当来自二次变压器绕组16的电流被去除。
[0049]在另Iv实施例中，开关82、84可以是能够通过其丨]控弓I线88来接通和关断的丨]极关断晶闸管(GTO)开关86。按照这种方式并且与以上针对SCR开关82、84所述的相反，一旦控制到其通态(例如通过将正极门控信号施加到门控引线88)，还能够通过将负极门控信号施加到门控引线88，来将GTO开关82、84主动地控制到其断态。作为替代或补充，控制器58可使接触器70断开，或者与以上所述相似通过降低流经其中的保持电流来使来自二次变压器绕组16的电流停止引起GTO开关82、84断开。
[0050]在又一些实施例中，开关82、84可以是其它适当的电力开关，例如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘门控晶闸管(IGCT)等。
[0051]又如图4所示，整流器26的二极管80耦合到抽头90而不是如图1_3所示耦合到端部36、40、44。这样，本发明的实施例设想将较高电压整流器(例如整流器26)耦合到沿绕组20-24的除了端部36、40、44之外的位置中的抽头位置，只要在抽头90处的电压比从抽头48、52、56提供给较低电压整流器(例如整流器28)的电压高。
[0052]图5是按照本发明的一个实施例的牵引系统92的示意图。牵引系统92包括第一能量存储装置94。在一个实施例中，第一能量存储装置94是高电压能量存储装置，并且可以是电池、飞轮系统、燃料电池、超级电容器等。第一能量存储装置94经由接触器或开关98、100、102的阵列可耦合到DC链或母线96。如下面所述，在电动回转模式和再充电模式的牵引系统92的操作期间来控制开关98-102。
[0053]在如104更详细所示的一个实施例中，开关102可包括耦合在第一能量存储装置94与DC母线96之间的开关阵列106。开关阵列106包括与预充电电阻器110串联耦合的第一开关108。第二开关112与第一开关108和预充电电阻器110并联耦合。当开关108闭合而开关112断开时，将流经开关108的电流定向成流经预充电电阻器110。当开关112闭合而开关108断开时，将流经开关112的电流定向成旁路预充电电阻器110。开关98、100还可包括104详细示出的情况。
[0054]牵引系统92包括电阻器组114，电阻器组114具有耦合到开关98-102以及耦合到一个或多个控制电路116的一个或多个电阻器，其中一个或多个控制电路116在再生制动事件期间是可控的，以便耗散DC母线96上没有用于对第一能量存储装置96或者牵引系统92的其它能量存储装置进行再充电的能量。电阻器组114和控制电路116形成再生制动耗散电路。在相应能量存储装置94或者牵引系统92的其它能量存储装置不能够接受施加到DC链的所有再生能量的情况下，电阻器组114和控制电路的操作期间的再生制动功能提供对DC链和关联组件的过电压的保护。耦合到DC母线96的DC链滤波电容器118为DC母线96提供平滑功能，并且对DC母线96上的高频电流进行滤波。
[0055]双向电压变更部件(b1-directionalvoltage modification assembly) 120 1?合到DC母线96，并且可经由开关98-102耦合到第一能量存储装置94。在一个实施例中，双向电压变更部件120是双向DC-AC电压变流器(b1-directional DC-to-AC voltageinverter)。双向DC-AC电压变流器120包括六个半相模块(half phase module)122、124、126、128、130和132，这些半相模块被组对以形成三相134、136和138。每相134、136、138耦合到DC母线96的一对导体140、142。机电装置或电动机144经由多个接触器或开关146、148、150耦合到双向DC-AC电压变流器120。在一个实施例中，机电装置144是牵引电动机，它在机械上稱合到车辆的一个或多个驱动轮或轴152 (未所示)或者包括起重机、升降机或电梯的其它电气设备。机电装置144包括多个绕组154、156和158，这些绕组具有耦合到双向DC-AC电压变流器120的相应相134、136、138的多个导体160。绕组154-158还具有多个导体162，多个导体162耦合在一起以形成公共或中性节点164。
[0056]牵引系统92包括经由控制线路168耦合到半相模块122-132的车辆系统控制器166。在电动回转模式中，控制器166经由控制线路170将开关98、102控制到闭合状态以及将开关100控制到断开状态，使得把来自第一能量存储装置94的能量传递到DC母线96。通过适当控制半相模块122-132，控制器166配置成控制双向DC-AC电压变流器120以将DC母线96上的DC电压或电流转换成AC电压或电流以供经由导体160提供给绕组154-158。相应地，来自第一能量存储装置94的DC电压或电流可传递到DC母线96并且转换为AC电压或电流，以及输送给电动机144以驱动轮子152。在其它非车辆推动系统中，驱动轮152可以是另一种类型的负载(未示出)，包括泵、风扇、绞车、起重机或其它电动机驱动负载。在再生制动模式中，机电装置144可作为发电机来操作以使轮子152制动，并且向双向DC-AC电压变流器120提供AC电压或电流供变流为DC母线96上的适合对第一能量存储装置94进行再充电的DC电压或电流。
[0057]当结合牵引系统92的车辆或设备92停放或者未使用时，可期望将车辆插入例如公用电网或者可再生能量源，以便对能量存储装置94进行补充或者再充电。相应地，图5示出包括耦合到牵引系统92以对能量存储装置94的再充电的外部电子抽头变换器电路172的本发明的一个实施例。
[0058]电路172包括具有多个一次和二次绕组176、178的高阻抗变压器174 (或者具有外部限流电感的常规变压器)。虽然高阻抗变压器174示为具有三相的多相公用事业系统，但是考虑高阻抗变压器多相电源而是可具有一相、二相、六相或者任何其它相数。一次绕组176耦合到电动车辆服务设备(EVSE)接口 180，EVSE接口 180耦合到诸如公用电网18之类的AC电源。EVSE接口 180包括多个断路器182、熔丝184和接触器186。电容器阵列188与一次绕组176并联耦合，并且添加功率因数校正。
[0059]在一个实施例中，二次绕组178耦合到具有多个SCR 192的整流器190。整流器190耦合到具有触点196、198的插座或插头194。插头194配置成与具有触点202、204的牵引系统92的插头200紧密配合。插头200经由一对接触器或开关206、208可耦合到DC母线96，该对接触器或开关206、208在没有充电系统172与其附连时允许来自牵弓I系统92的能量与插头200断开连接。
[0060]二次绕组178还具有与其耦合的多个抽头210，多个抽头210还耦合到具有触点214、216、218的插座或插头212。插头194配置成与具有触点222、224、226的牵引系统92的插头220紧密配合。插头220经由多个接触器或开关228、230、232可耦合到双向电压变更部件120，其中多个接触器或开关228、230、232在没有充电系统172与其附连时允许来自牵引系统92的能量与插头220断开连接。
[0061]在充电或再充电操作模式中，来自电子抽头变换器电路172的充电能量、例如电流或电压用于对第一能量存储装置94进行再充电。在闭合开关206、208以允许来自公用电网18的能量进入牵引系统92之前，控制器166执行与EVSE接口 180的标准握手，以便确保没有故障存在或者由EVSE接口 180来指示，以及经由接触器186的闭合来将公用电网18耦合到变压器174。控制器166还可使开关100、102闭合，以使来自第一能量存储装置94的电压对滤波电容器118进行预充电。在一个实施例中，滤波电容器118的预充电还可包括闭合开关102的第一开关108，使得来自第一能量存储装置94的电压经过开关102的预充电电阻器以及经过电阻器组114的一个或多个电阻器。
[0062]在对滤波电容器118进行了预充电并且握手指示没有故障存在之后，控制器166经由控制线路234来闭合开关228-232而断开开关146-150，以便在再充电操作的第一阶段期间允许来自二次绕组178的抽头能量进入牵引系统92。相应半相模块122-132的二极管236-246对来自抽头二次绕组178的AC能量进行整流，与上述整流器28的二极管66相似。将经整流的充电电压传递到DC母线96。注意，因开关146-150处于其断开状态而不存在电动机轴运动。
[0063]在再充电操作的第一阶段期间，来自DC母线96的充电能量通过电阻器组114提供给具有初始低充电状态(SOC)的第一能量存储装置94。开关100、102在尚未闭合以如上所述在滤波电容器118中进行预充电时闭合。如果存在，则开关102的第二开关112可闭合，以及第一开关108可断开，以便防止充电能量流经预充电电阻器110。来自DC母线96的充电能量流经电阻器组114的一个或多个电阻器并且流入第一能量存储装置94。充电能量至少通过高阻抗电压源174的阻抗、通过抽头210处的抽头电压以及通过电阻器组114的一个或多个电阻器来限制。
[0064]在一个实施例中，控制器166编程为将再充电的第一阶段保持一段时间。该段时间可预先达到，并且可例如基于第一能量存储装置94被充电到基于最小SOC的第一阈值所需要的时间量。备选地，该时间期间可动态地基于当再充电操作模式开始时的第一能量存储装置94的当前S0C。例如，控制器166可经由与其耦合的电压传感器248来确定第一能量存储装置94的S0C，以便确定它将使第一能量存储装置94达到能够允许再充电的第二阶段开始的SOC的时间。备选地，能量存储装置的SOC可通过可包含在能量存储装置94中的专用电池管理接口(BMI)单元(未示出)来传递给控制器166。另外，基于在初始再充电时的第一能量存储装置94的所确定S0C，控制器166可确定第一能量存储装置94的SOC已经高于第一阈值，并且因而可完全消除再充电的第一阶段。
[0065]当经过了第一阶段的时间期间时，控制器166闭合开关98( S卩，若存在时的开关98的第二开关112)而断开开关100，以便允许充电能量从DC母线96直接流入第一能量存储装置94，以及消除在再充电操作模式的第二阶段期间通过电阻器114的功率损耗。在第二阶段期间的任何时间，控制器166闭合开关206、208，以及主动控制SCR开关192对二次绕组178所提供的全电压进行整流。由于二次绕组178所提供的全电压的经整流电压大于抽头210所提供的抽头电压的经整流电压，所以二极管236-246截止，以及抽头电压的整流停止。控制器166可通过停止SCR开关192的主动控制，来允许DC母线96上的电压返回到经整流的抽头电压的值。作为替代或补充，控制器166可断开开关206、208。
[0066]来自DC母线96的充电能量流入第一能量存储装置94，第一能量存储装置94在一个实施例中具有比电子抽头变换器电路172的瞬间输送能力要大的瞬间接受能力。充电能量至少通过电子抽头变换器电路172的阻抗来限制。
[0067]控制器166经由电压传感器248来感测第一能量存储装置94的电压，并且调节对第一能量存储装置94的充电，使得其电压不超过所指定电平。接近充电结束时，控制器166还在再充电电流逐渐减少到低电平时将DC母线96上的再充电电压调节到“浮动电压”。例如，控制器166可主动控制电压变流器120以充当准确完成充电的主动整流器。备选地，整流器190的相控方式还可用于准确完成充电。
[0068]在电动回转操作模式中，来自能量存储装置94的能量用于对电动机144加电，以使连接到电动机144的轮子152或另一个装置转动。在经由双向电压变更部件120把来自DC母线96的能量传递给电动机144之前，控制器166可在必要时使开关98或开关102的第一开关108 (若存在的话)对滤波电容器118进行预充电。为了把来自DC母线96的能量传递给电动机144，控制器166确保开关100断开而开关98、102 (或者其第二开关112)闭合，开关146-150闭合，以及开关206-206和228-232断开。控制器166则操作DC-AC电压变流器120，以便把来自DC母线96上的第一能量存储装置94的DC电压变流为AC电压供操作电动机144。
[0069]在再生制动操作模式中，控制器166可配置成操作再生模式的电动机144，其中电力或电能在再生制动事件期间通过DC-AC变流器120返回到DC链60。在再生制动模式中，控制器166可使再生电力或能量部分或完全补充直接耦合在DC链60上的第一能量存储装置94。如果第一能量存储装置94接受高充电等级的能力存在，则闭合状态的开关98和102在需要时允许所有再生能量被提供给第一能量存储装置94。当第一能量存储装置94接受高充电等级的能力变小时，控制器166可控制耦合到电阻器组114的控制电路116，使得再生制动事件期间的DC母线96上的剩余能量的一部分可通过电阻器组114的电阻器来耗散。这样，部分但并非全部能量仍然提供给第一能量存储装置94。控制器166可在第一能量存储装置94被完全充电时至少断开开关98。
[0070]在另一个实施例中，整流器190可配置成具有如针对图4的整流器26所示的二极管。在这个实施例中，由于整流器190将响应来自二次绕组178的电压而向插头194提供DC电压，所以由控制器166对开关206、208的适当控制能够确保把来自整流器190或二极管236-246的预期DC电压输送到DC母线96。
[0071]在图5所示的实施例中，示出直接耦合到DC链的单个能量存储装置(94)。本发明的实施例还考虑具有一个或多个能量存储装置的配置，包括其中第二能量存储装置的电压经由双向升压转换器(未示出)与DC链电压分离的第二能量存储装置。
[0072]因此，按照本发明的一个实施例，一种设备包括:变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到一次绕组的二次绕组；第一整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；以及第二整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第二 AC电压整流为第二 DC电压。该设备还包括DC母线，该DC母线耦合到第一和第二整流器，并且配置成从其中接收第一和第二 DC电压，其中第一 AC电压比第二 AC电压高，并且第一 DC电压比第二 DC电压高。
[0073]按照本发明的另一个实施例，一种制作变压器抽头变换电路的方法包括将变压器的二次绕组耦合到第一整流器以及第二整流器，并且将第一和第二整流器耦合到DC母线。二次绕组配置成当来自能量源的电流经过一次绕组时感应耦合到变压器的一次绕组，以及第一变流器配置成把来自二次绕组的第一 AC电压整流为第一在C电压。第二整流器配置成把来自二次绕组的比第一 AC电压低的第二 AC电压整流为比第一 DC电压低的第二 DC电压，以及DC母线配置成接收来自一次和二次变流器的第一和第二 DC电压。
[0074]按照本发明的又一个实施例，一种系统包括:DC母线；可变DC负载，耦合到DC母线；以及变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到一次绕组的一组二次绕组。该系统还包括:第一整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压；第二整流器，耦合到二次绕组，并且配置成把来自二次绕组的比第一 AC电压低的第二 AC电压整流为比第一 DC电压低的第二 DC电压；以及控制器，配置成使第一 DC电压被提供给DC母线。
[0075]虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当易于理解，本发明并不局限于这类所公开实施例。本发明而是能够修改为结合前面没有描述的任何数量的变化、变更、替换或等效布置，但是它们与本发明的精神和范围一致。另外，虽然描述了本发明的各个实施例，但是要理解，本发明的方面可以仅包含所述实施例的一部分。相应地，本发明不能被看作受到前面描述限制，而仅由所附权利要求的范围来限制。
【权利要求】
1.一种设备，包括: 变压器，包括配置成当电流从能量源经过一次绕组时感应耦合到所述一次绕组的二次绕组； 第一整流器，耦合到所述二次绕组，并且配置成把来自所述二次绕组的第一 AC电压整流为第一 DC电压； 第二整流器，耦合到所述二次绕组，并且配置成把来自所述二次绕组的第二 AC电压整流为第二 DC电压； DC母线，耦合到所述第一和第二整流器，并且配置成从其中接收所述第一和第二 DC电压； 其中所述第一 AC电压比所述第二 AC电压高；以及 其中所述第一 DC电压比所述第二 DC电压高。
2.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一整流器包括第一多个可控开关；以及 还包括控制器，配置成控制所述第一多个可控开关以将所述第一 AC电压整流为所述第一 DC电压。
3.如权利要求2所述的设备，其中，所述第一多个可控开关的所述可控开关包括可控硅整流器。
4.如权利要求2所述的设备，其中，所述第二整流器包括第二多个可控开关；以及 其中所述控制器还配置成控制所述第二多个可控开关以将所述第二 AC电压整流为所述第二 DC电压。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述第一和第二多个可控开关的所述可控开关包括可控硅整流器。
6.如权利要求2所述的设备，其中，所述第二整流器包括配置成将所述第二AC电压整流为所述第二 DC电压的多个二极管。
7.如权利要求6所述的设备，还包括: 可变DC负载；以及 耦合装置，耦合到所述DC母线以及所述可变DC负载，所述耦合装置配置成有选择地将所述可变DC负载耦合到所述DC母线，并且包括接触器和电子开关其中之一。
8.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二整流器包括配置成分别将所述第一和第二 AC电压整流为所述第一和第二 DC电压的多个二极管；以及 还包括: 可控开关，耦合到所述DC母线，并且配置成将所述第一整流器耦合到所述第二整流器以及所述DC母线；以及 控制器，配置成控制所述可控开关有选择地将所述第一整流器耦合到所述DC母线，以使所述第一 DC电压被传递到所述DC母线。
9.如权利要求8所述的设备，其中，所述可控开关包括可控硅整流器和门极关断晶闸管其中之一。
10.如权利要求1所述的设备，还包括电感器阵列，所述电感器阵列耦合到配置成增加所述变压器的阻抗的所述二次绕组。
【文档编号】H02M5/12GK103427680SQ201310182840
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年5月17日 优先权日:2012年5月18日
【发明者】R.L.施泰格瓦尔德, R.D.金, M.R.沙 申请人:通用电气公司