电动车辆的车载双向AC快速充电器的制作方法

相关申请的交叉参考本申请是2017年10月13日提交的第62/572120号美国申请的非临时申请，并要求该申请的所有权益，包括优先权，该申请题为“on-boardbidirectionalacfastchargerforelectricvehicles”，其全部内容以引用的方式并入本文中。本公开的一些实施例总体上涉及电力电子器件领域，更具体地，涉及用于电动车辆或其他便携式电子器件的充电器技术。
背景技术：
：为电力电子器件提供充电可能具有挑战性，尤其是对于电动便携式物体，如电动车辆(ev)或便携式发电机。电动车辆在一段持续的时间内需要大量的功率用于推进、控制系统、娱乐系统。电动车辆通常具有电动车辆电池/牵引电池，并且可以被配置为高功率重量比和能量重量比，具有优化的功率重量比。在某些情况下，例如，使用多个电池来驱动多个马达。重型操作，例如某些卡车和其他车辆，可能需要双逆变器，因为较高电压可能与较高电压的马达一起使用，这可能有助于提高效率。在可能有更高电压的情况下，可能会有潜在的效率提高，从而减少对额外马达的需求。电动车辆尤其适合于推广更清洁、更环保的能源为车辆提供动力。然而，由于电动车辆技术的相关限制因素，特别是在能量存储和充电方面的限制因素，电动车辆的采用相对较慢。充电更快，就能够实现更长的里程，并影响电动车作为日常交通方式的有效性。电动车辆充电器通常非常昂贵，因为充电站采用笨重的设计实现，需要专用电子器件。因此，需要提供改进的充电器技术。技术实现要素：描述了一种ev快速充电器，其提供了从外部电源插座(例如，根据不同的实施例，为ac电源插座或dc电源)给ev充电的成本有效且方便的手段。在一些实施例中，快速充电器被优化用于车载充电，例如，快速充电器位于便携式电子装置(例如电动车辆)的壳体上或者耦合到便携式电子装置的壳体。ev快速充电器可以从单相ac或dc电源充电。在一些实施例中，也可以考虑非车载充电(例如，充电器在壳体外部)。电动车辆快速充电器适于在电动车辆静止时再利用电动车辆的一个或多个马达的不在使用的磁性部件，该电动车辆具有一个或多个牵引转换器，该牵引转换器具有一个或多个牵引转换器开关。尤其是，电动车辆快速充电器包括一对差分端子，其被配置为耦合到电网，该电网提供具有波形和频率的电网电压。电网和电动车辆快速充电器之间建立电网电流。互操作性的挑战与电网电流的波形和/或频率有关，并且技术目标是使用技术机制来施加(例如，调节)电网电流，使其具有与电网电压相同(或显著相似)的波形和/或频率。提供一组或多组开关，这些开关提供第一开关级。这些开关通过差分端子耦合到电网，并耦合到一个或多个能量存储装置中的对应一个能量存储装置。在各种实施例中，每组开关可以包括以下开关中的至少一个：电流单向开关或电流双向两象限开关。快速充电器包括一个或多个能量存储装置，每个能量存储装置耦合到一组或多组开关中的对应一组开关，并且耦合到一个或多个牵引转换器中的对应一个牵引转换器。提供了一种开关控制器，该开关控制器被配置为生成选通信号，该选通信号控制开关级的开关，以(i)提供电网电压的逆变，或者(ii)提供电流整形以将与电网电压相同的波形或频率施加到电网电流上，并且互补地，控制一个或多个牵引转换器开关，以(i)提供与电网电压同步的逆变，或者(ii)提供电流整形以将与电网电压相同的波形或频率施加到电网电流上。因此，控制器操控开关的操作，使得开关级提供逆变，牵引转换器开关提供电流整形，或者反过来。电流整形和逆变一起有效地迫使电网电流具有与电网电压相同或相似的形状或频率。所描述的一些实施例针对技术，该技术的商业化将有助于解决或减轻环境影响或保护自然环境和资源。这些技术与绿色技术有关，包括通过使用污染小、影响小的能源推进节能来减少温室气体，包括在可再生能源方面提高采用率和效率。所描述的一些实施例降低了总体物理部件要求(例如，通过改进的控制技术和电路拓扑来再利用现有的磁性元件)。此外，灵活的功率因数和无功功率方面的考虑有助于建立到电网的连接，例如，在某些情况下需要时，往回向电网提供功率。改进的控制特性允许更灵活的操作范围。快速充电器以改进的转换器拓扑的形式提供(在一些实施例中，以电路、硬件装置或存储其电子部件的电路板的形式提供)，由此提供适于双向功率流和/或不同功率因数下的灵活操作的转换器。一些实施例中考虑了它们的操作和提供方法，此外，在一些实施例中，考虑了存储机器可读指令集的机器可读介质(例如，计算机可读介质)。当在包括波形控制器的硬件电路上执行时，这些指令集实现这里描述的方法的一些部分。在一些实施例中，独立于不同功率因数下的灵活操作来提供双向功率流，并且在其他实施例中，提供不同功率因数下的灵活操作而没有双向功率流。在一些实施例中，提供了双向功率流的组合，并且提供了不同功率因数下的灵活操作。双向充电器能够对能量存储装置(例如，电池、电容器)进行充电和放电，因此可以向另一个元件(例如，电网)提供有功和/或无功功率，使得车辆的电池可以用作备用电源以及其他用途。例如，双向在紧急情况下是有用的(例如电力短缺)，并且车辆电池是驱动另一个装置(例如发电机)的最后手段(例如，在飓风时维持医院的运营)。在一些实施例中，描述了单牵引转换器版本。在其他实施例中，提供了两个彼此互操作的牵引转换器。两个牵引转换器增加了电压范围，另外还有其他优点。快速充电器可被建模为具有“开关级”和“牵引转换器”部件，结合起来，“开关级”和“牵引转换器”部件与能量存储装置可被视为“充电级”，其中“车载快速充电器”由一个或多个“充电级”和马达组成。根据各种实施例，开关级是一组开关，其可用于(1)提供逆变或(2)电流整形，或其组合，由此牵引转换器的开关用于其他功能。电流整形用于减少谐波，使得波形跟踪(例如，试图匹配)输入电源(例如，具有特定波形和频率的ac电源)的波形。需要注意的一个重要考虑是，可以选择开关级的开关来优化开关效率，而牵引级的开关的选择灵活性较小，因为牵引级的开关通常已经存在于电动车辆上，或者已经被选择来针对不同的功能进行优化，例如提供运动(用于电动车辆)或者总体上提供扭矩(用于发电机)。因此，根据牵引级中使用的特定开关，相对于开关级的开关，牵引级的开关可能更好地提供逆变功能或电流整形功能。在本说明书中，开关级可以被称为逆变级，但是在各种实施例中，逆变级和牵引级的功能可以颠倒，使得逆变级提供电流整形，牵引转换器提供电流逆变。在进一步的实施例中，开关级和牵引级中选择哪一个提供哪一种功能是由控制器电路预先确定或动态确定的。在一些实施例中，控制器电路监控装置的操作特性(例如，通过传感器)或开关操作参数，以选择和分配功能给开关级和牵引级。该功能通过修改应用于开关的控制机制来实现，使得特定级的开关被控制为根据确定哪些开关导通以及在什么时间(例如，在什么频率)导通的选通信号来操作。所监控的操作特性包括开关损耗的确定，并且操作参数可以包括开关额定值、开关操作机制(例如晶体管类型)等等。在一些实施例中，快速充电器包括用于监控电网电压及其特性的传感器，例如，用于跟踪电网电流波形与在电网电压下观察到的波形的匹配程度(例如，通过反馈提供控制)。逆变级可以用电流双向两象限开关而不是单象限开关装置来实现，并且当使用这些开关时，逆变级可以在基波电网频率的任何相位上逆变ac快速充电器的电压，前提是转换器的差分端子处的最大预期输入电压小于两个能量存储元件电压的总和。其他实施例也是可能的，例如，可以使用二极管而不是电流双向两象限开关，但是在使用二极管的情况下，充电器不能提供双向充电并且以单位功率因数操作。具有电流双向两象限开关能力的开关装置示例包括绝缘栅双极晶体管(igbt)、功率金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)等。具有电流单向开关能力的开关装置示例包括二极管等。在单逆变器实施例的情况下，在所有条件下，电池电压必须大于峰值电压。在双逆变器实施例的情况下，在所有充电状态条件下，电池电压的总和必须大于峰值电压。相对于典型的转换器，双向功率流允许更大范围的使用，例如，具有充电级的车辆的马达(例如，其中电网的能量源来自车辆的电池)可以用作电网支持应用例如电压支持、频率调节和调峰的能量源(例如，代替用于运输)。充电器的结构也固有地对电网侧故障容错，从而潜在地防止对车载部件的损坏。类似地，不同功率因数下的操作使得ev快速充电器的潜在电网连接的灵活性能够得到改进(例如，单位功率因数，0.7的功率因数)。与需要在单位功率因数下操作的替代方法相比，一些实施例的充电器被配置为相对于有功功率和无功功率操作。产生或吸收无功功率的操作能力提供了功率灵活性。逆变级适于为充电器提供在不同功率因数下操作的灵活性。操作的灵活性是有用的，例如，因为每家电力公司可以以不同的特性操作，从而允许充电器灵活地修改功率因数以适应特定的电力公司。与无功功率相关的操作能力有助于提供电网支持能力。注入无功功率能够有助于确保电网的电压分布符合监管或安全要求，还有其他益处。无功功率变得越来越受欢迎，一些公司能够要求无功功率馈入电网，以例如根据功率需求增加电压等。无功功率可用于稳定电网电压。快速充电器的配置提供了相对于替代方法的改进的控制特性，由此功率因数校正机制包括前端整流器，要求控制带宽高达基波分量的6次谐波(例如，对于60hz系统，控制带宽高达720hz)。相比之下，本文描述的快速充电器的一些实施例仅需要跟踪单个频率(例如，60hz系统的60hz频率，或50hz，取决于电网频率)。在一些方面，转换器能够既作为驱动器又作为ac快速充电器操作。车载快速充电器的实施例可以包括四个主要部分，包括马达、牵引转换器、能量存储装置(例如电池、电容器)和逆变级。所提出的转换器是车载ac快速充电器，其有利地利用电动车辆马达的漏电感，使得充电器能够结合开关级(在下面的一些方面中称为逆变器级)再利用马达的磁性元件来充电，这些磁性元件在车辆静止时通常不会使用。根据一些实施例，所提出的车载ac快速充电器被配置为用于双重目的，既作为(i)车辆静止时的单相ac快速充电器，又作为(ii)车辆运动时的牵引转换器。作为快速充电器，该拓扑能够适应各种商用输入ac电压。车载ac快速充电器重新部署牵引转换器和马达，以便在静止时用于电池的ac快速充电。在某些情况下可能不需要隔离变压器，如果需要，变压器本身可以安装在充电站。因此，充电站需要极少的充电基础设施，仅限于电缆或带隔离变压器的电缆。一些实施例的所提出的ac快速充电器能够在不使用专用电池充电器的情况下对ac电动车辆充电，从而实现了潜在的成本、重量、效率节约以及对客户(例如电动车辆驾驶员)的便利性的提高。对于使用单个牵引转换器的一些实施例，ev动态地重新部署牵引转换器和马达，以便在静止时用于电池的ac快速充电。如上所述，在一些实施例中，当电动车辆静止时，使用马达的漏电感对部件进行再利用。充电时，控制逆变级和牵引转换器给电池充电。在一些实施例中，除了电池充电之外，该系统还允许双向操作，并且可以在各种功率因数下操作。另一方面，转换器系统使用两个逆变器系统。当有两个逆变器系统时，双逆变器驱动器可以配备两个牵引转换器，以便在车辆行驶时驱动车辆。拓扑结构允许两个低电压电池通过两个牵引转换器间接串联。这意味着电压范围扩大，从而允许在充电过程中容纳更高的输入ac电压，而不需要例如升压型转换器。作为马达驱动器，双逆变器驱动器具有增加马达驱动器的额定电压的优点，因此提高了驱动系统效率。该实施例还具有两个独立的能量存储单元，其中这些能量存储单元中的一个或两个可以是化学性质相似或不同的电池。在各种其他方面，本公开提供了对应的系统和装置，以及用于实现这些系统、装置和方法的逻辑结构，例如机器可执行编码指令集。在一个方面，提供了一种电动车辆快速充电器，其适于在电动车辆静止时再利用电动车辆的马达和牵引转换器的不在使用的磁性部件，该电动车辆快速充电器被配置为耦合到马达并可移除地耦合到电网：电动车辆快速充电器包括逆变级，该逆变级包括被配置为逆变电压以维持单位功率因数操作的电流单向开关，或者被配置为在基波电网频率的任何相位逆变牵引转换器的电压的电流双向两象限开关，前提是快速充电器的差分端子处的最大预期输入电压是ac电源的峰值电压。在另一方面，电动车辆快速充电器定位在电动车辆的壳体内，并且耦合到(i)电动车辆的一个或多个电动马达和(ii)电动车辆的一个或多个能量存储装置。在另一方面，一个或多个电动马达的一个或多个磁性部件用于在电动车辆的驾驶模式期间提供推进，并且在充电模式期间控制去往或来自电动车辆的一个或多个能量存储装置到电网的功率流。在另一方面，电动车辆快速充电器被配置为在多个功率因数下操作。在另一方面，电动车辆快速充电器被配置用于双向功率流操作。在另一方面，电动车辆快速充电器被配置为向电网提供功率流。在另一方面，电动车辆快速充电器被配置为控制无功功率向电网的流动。在另一方面，两个或更多牵引转换器被配置为彼此互操作。在另一方面，由上述任一方面的逆变级组成的电动车辆快速充电器变型连接到能量存储装置、牵引逆变器和马达，其中电网连接到逆变级和马达，其中逆变级被配置为使得快速充电器的差分端子处的最大预期ac电源输入电压低于能量存储装置的电压。在另一方面，提供了一种变型充电器，其包括两个逆变级、两个能量存储装置、两个牵引逆变器和马达，其中电网连接到两个逆变级，其中逆变级以使得快速充电器的差分端子处的最大预期ac电源输入电压低于两个能量存储装置的总电压之和的方式连接。另一方面，充电器由控制硬件控制，该控制硬件只需要跟踪电网频率的信号。在另一方面，提供了一种电动车辆，其包括任何实施例的电动车辆快速充电器。在这方面，在详细解释至少一个实施例之前，应该理解的是，这些实施例在应用上不限于在以下描述中阐述的或在附图中示出的结构细节和部件的布置。此外，应当理解，这里使用的措辞和术语是为了描述的目的，不应被视为限制。在阅读了本公开之后，本领域技术人员将会明白与本文描述的实施例相关的许多进一步的特征及其组合。附图说明在附图中，实施例以示例的方式示出。应当清楚地理解，描述和附图仅仅是为了说明和帮助理解。现在将参考附图仅以示例的方式描述实施例，其中在附图中：图1a至图1d是替代车载充电器方法的示意图。图2a是示出根据一些实施例的使用具有可接近中性点的马达的所提出的集成电池充电器的拓扑图。图2b是根据一些实施例的利用两个牵引转换器的替代实施例的拓扑图。图3a和图3b是根据一些实施例的使用单逆变器(图3a)和双逆变器系统(图3b)的所提出的集成电池充电器的一些实施例的拓扑图。图3a包括来自马达的单个返回连接(即，可接近的中性点)，而图3b包括来自马达的三相返回连接(开式定子)。图4是根据一些实施例的一组波形图，示出了例如在单位功率因数下操作时的系统(双逆变器版本)波形。图5是双逆变器实施例的平均模型，示出了根据一些实施例，充电级可以被视为三个双极电压源(牵引转换器的每个相位一个)，由此三个双极电压源通过功率平衡连接到从属电流源。图6是说明根据一些实施例的控制方法的控制图，其中充电控制器确保电网电流具有最小谐波，确保获得期望的功率因数，并确保从电网提取正确的功率。根据一些实施例，控制方法利用能量平衡控制器来控制上充电级和下充电级之间的功率循环，并且调制块被配置为确定传输到上充电级和下充电级的选通信号。图7是根据一些实施例的替代方法的波形图，示出了整流电流波形及其傅立叶分解，描绘了所需的控制带宽，该带宽由高达并包括基波分量的6次谐波的频率分量组成。说明书中描述的一些实施例相对于图7的替代方法提供了更容易的控制。图8包括根据一些实施例的以单位功率因数操作的车载快速充电器的波形模拟结果。图9包括根据一些实施例的在前导功率因数0.7下操作的车载快速充电器的波形模拟结果。图10包括根据一些实施例的向电网供电的车载快速充电器的波形模拟结果，其中系统是双向的(能够对能量存储装置充电和放电)。图11包括根据一些实施例的车载快速充电器的波形模拟结果，该充电器使用牵引转换器之间的电压差在电池组之间传输功率，由此可以通过改变充电级之间的相对电压来实现能量平衡。上充电级产生60％的电网电压，而不是先前使用图4论述的50％。在图11的情况下，每个牵引转换器相位携带相同的电流，只有牵引转换器输出的电压改变。上图中绘制的平均功率表明上充电级的平均功率大于下充电级的平均功率。图12a、图12b和图12c包括根据一些实施例的使用循环电流在电池组之间传输功率的车载快速充电器的波形模拟结果，其中可以通过机器内的循环电流来实现能量平衡。然而，电压也必须改变。在这种情况下，每个相位的电流不同，每个相位输出的电压也不同。图13是示出了根据一些实施例，对于单逆变器驱动变型，系统何时接口连接到dc电网的拓扑图。图14a、图14b、图14c是示出所有三相输出(u、v和w)在正常操作中相等的波形图(即，当不需要在充电级1和2之间传输能量时)。图15包括示出了根据一些实施例的在前导功率因数0.7下的较高功率充电操作的波形模拟结果。图16是根据一些实施例的用作实验装置一部分的液冷110kw机器的图像。图17是根据一些实施例的以两个充电级为特征的液冷双逆变器驱动转换器的图像。图18是根据一些实施例的一组实验获得的波形结果，展示了单位功率因数下的充电操作。具体实施方式典型的车载充电器由连接到ac电网的dc/ac级和隔离的dc/dc级组成。替代地，可以通过非车载变压器提供隔离。隔离的dc/dc级能够适应电池电压的变化。这种车载充电器是车辆的附加部件，这增加了车辆在行驶时用不到的成本和重量。如本文的一些实施例中所述，一种利用(例如，车辆不在行驶时的)现有磁性元件来提供快速充电能力的改进的方法。一些实施例的所提出的转换器是车载ac快速充电器，其有利地利用电动车辆的马达的漏电感，使得充电器能够再利用马达的磁性元件来充电，这些磁性元件在车辆静止时通常不会使用。提供了附加的开关级(具有一组或多组开关)。附加开关级的开关组与牵引部件的开关一起被互补地控制，使得可以执行电网和快速充电器之间流动的电流的波形控制。开关级或牵引部件执行逆变，另一个通过开关控制器协调控制它们的部件开关来执行电流整形。开关控制器试图对电流施加控制，以跟踪(例如匹配)来自电网的电压波形，这提高了互操作性，如本文所述。在各种实施例中描述的解决方案相对于一些替代方法有助于减少开关损耗和提高可控性。一些实施例可以提供与dc电网电源的改进的互操作，而其他实施例可以提供与ac电网电源的改进的互操作。在一些实施例中，该电路可以与ac和dc电网电源互换使用。ac和dc电源描述如下，并且是作为非限制性的示例。在一些实施例中，技术特点在于，可以实现正弦电网电压，同时保持马达绕组内的正弦电流。相对于需要整流正弦马达电流流动的二极管转换器，一些实施例的拓扑能够与正弦马达电流一起操作，这一点能消除显著的谐波损耗(例如，非50/60hz分量，这取决于管辖区等)并减少ac电网电流中的失真。只需要50/60hz的电流在马达中流动，这大大降低了任何相关控制系统所需的带宽，并且还可以使用更低的开关频率，从而进一步降低损耗。ac水平充电总结见表1。对于ac一级充电，整流器和dc/dc转换器通常安装在车辆上，以提供简单的“插入式充电”功能。此功率水平的充电器向电池提供高达1.4kw的电能，并可插入任何可用的120v单相住宅电源插座。ac二级充电器从240v单相或三相私人或公共插座提供4kw至19.2kw的ev充电。商用快速充电站提供ac三级充电，但需要专用的非车载硬件来提供50kw以上的功率水平。为了解决充电器的复杂性，申请人广泛研究了组合牵引和充电系统。目的是配置车载牵引部件进行充电，从而消除或大大降低电池充电器的复杂性。替代方法提出了一种基于九相牵引系统的集成充电器。根据一些实施例，车载牵引部件通过提供能够容纳多个商用输入ac电压的拓扑来适应快速充电。如图1a的电路图100a所示，机器的中性点可以直接连接到三相ac输入102，因此在ac电网和牵引系统之间不需要额外的硬件。这种拓扑在充电过程中也不会产生车辆推进用的净扭矩。已经考虑了用于集成充电的其他多相机器。就通过单相ac系统的集成充电而言，图1b示出了第二种方法提出的拓扑。它采用牵引系统作为pfc升压转换器，pfc升压转换器通过整流器104接口连接到单相ac电源。在图1c中，又一种替代方法使用一组并联的牵引转换器和两个马达从单相ac电源充电，从而消除了对整流器的需要。在任一拓扑中，充电器都不需要额外的dc/dc转换器，因此解决了电动车辆供电设备(evse)的重量、体积和成本问题。然而，在这两种情况下，最小允许电池电压必须始终超过ac干线电源的峰值电压。例如，在图2b的双逆变器实施例中，对于给定水平的电池电压，可以支持两倍的ac电压，这相对于以上图1a至图1c所示的拓扑是一种改进。在一些实施例中，这是一个重要的考虑因素，因为它允许适应标准电池/能量存储装置，而不需要专门的电池/能量存储装置。例如，可以利用标准的600v级半导体而不是更高电压级的半导体来实现所示的拓扑。例如，在上面图1a至图1c所示的拓扑中，将需要更高级的半导体和能量存储装置，这样增加了成本和复杂性，并且可能降低安全性。对于驱动应用，双逆变器牵引系统使用两个牵引转换器来增加速度范围和电池集成，而无需使用dc/dc功率转换器或额外的磁性材料，因此提供了一种高效且重量轻的解决方案，这对电动车辆具有吸引力。与双逆变器驱动相关的挑战是需要给两个独立的电池充电。另一种方法表明，单个充电器可用于给两个电池充电。如图1d所示，一次电池106使用独立充电器108充电，而二次电池通过牵引系统110从一次电池充电。表1：图2a和图2b是示出车载ev快速充电器的两个实施例的示意图200a和200b。图2a针对车载ac快速充电器200，其具有连接到能量存储装置(电池)204的单个逆变器电路202。图2b针对具有双逆变器电路202的逆变级，每个逆变器电路连接到对应的电池204和牵引转换器。如图2b所示，逆变级可用于对从电源(例如，电网)提供的电流执行高频开关和整形。相对于整流器方法(例如，图1b)提供了改进，因为整流器不能整形电流，从而迫使牵引逆变器整形电流。由于牵引转换器开关的额定功率更高，上面一点可能很重要，采用牵引转换器进行电流整形会导致开关损耗更高、系统效率更低。如果使用高频逆变级，这也使得该方法能够与电网双向功率交换一起操作，而这在二极管整流器方法中是不可能的。与图2a的单逆变级相反，图2b的双逆变级允许逆变级中的较低额定电压部件(例如，更具成本效益的半导体)，从而允许利用交错开关技术来提高有效开关频率(这可以降低开关损耗)。相对于二极管方法，连接到较高电压的ac网络可以在不显著增加电池电压水平的情况下实现。例如，在一些实施例的方法中，出于安全原因，将车辆中的电池保持在低电压水平(例如450v)是重要的，该方法可以利用两个450v的电池以逆变级操作，这一点与图1b的二极管整流器方法相反，这种方法将需要900v的电池(这样会增加由系统内潜在短路电流引起的危险水平)。介绍了一种车载ev快速充电器，从ac电源插座为ev充电，既有成本效益又方便。该转换器既能作为驱动器(例如，当电动车辆从一个位置行驶到另一个位置时，通过扭矩提供运动)也能作为dc或ac快速充电器操作。车载快速充电器的实施例由四个主要部分组成，即马达、牵引转换器、电池和开关级(可互换地称为“逆变级”，但是注意，它不一定限于逆变，也可以用于整形)。在图2a和图2b所示的两个实施例中，ac电源插座直接连接到所提出的车载集成充电和驱动系统。根据特定使用场景的要求，隔离变压器可能不是必需的。如果需要，变压器本身可以安装在充电站。这意味着充电站需要的充电基础设施极少。这将限于电缆或带隔离变压器的电缆。一些实施例的所提出的车载ac快速充电器具有双重用途，既在车辆静止时用作单相ac快速充电器，又在车辆行驶时用作牵引转换器。作为快速充电器，该拓扑能够在充电时适应所有常见的商用输入ac电压，包括商用208v、商用277v/480v(美国)、商用240/400v(欧盟)和商用347v/600v(加拿大)。这使得ac电动车辆充电无需使用专用电池充电器，从而在成本、重量、效率节约和方便客户方面具有相当大的潜力。对于使用如图2a所示的单个牵引转换器的一些实施例，ev动态地重新部署牵引转换器和马达，以便在静止时用于电池的ac快速充电。使用马达漏电感允许充电器在车辆静止时再利用不在使用的部件。充电时，逆变级和牵引转换器被控制为电池充电。除了电池充电之外，该系统还允许双向操作，并且可以在多个功率因数下操作。转换器系统的另一个实施例使用两个逆变器系统202，如图2b所示。该实施例使用具有两个牵引转换器的双逆变器驱动器，以在车辆行驶时驱动车辆。拓扑结构允许两个更低电压电池204通过两个牵引转换器间接串联。该结构提供了电压范围的扩展，从而允许在充电期间适应更高的输入ac电压，而不需要例如升压型转换器。作为马达驱动器，双逆变器驱动器具有增加马达驱动器的额定电压的潜在益处，并因此提高驱动系统效率。这种实施例还具有两个独立的能量存储单元，其中这些能量存储单元中的一个或两个可以是相似或不同化学成分的电池(或其他能量存储装置)。虽然图中的两个能量存储源是电池，但是可以使用任何能量存储源(即电池、超级电容器、燃料电池或其任何组合)。出于说明的目的，本文件中提到了电池类型的能量存储源。在一个实施例中，两个逆变级将与两个牵引转换器结合使用来给能量存储单元充电。与使用单个逆变器的实施例相比，双逆变器实施例将需要如图2b所示的开放式机器，尽管一些实施例可以使用多相机器。单逆变器和双逆变器实施例都使用相同的原理从ac电网(或者在一些实施例中为dc电网)实现单相快速充电。下面描述例如在图2a和图2b中示出的充电器的一些实施例的操作。转换器拓扑作为车载充电器操作。作为驱动器，当ev行驶时，拓扑通常作为逆变器驱动器操作。图3a和图3b示出了所提出的ac快速充电器的两个示例性实施例，该图是示出图3a中的单逆变器实施例和图3b中的双逆变器实施例的示意图。在这些示例实施例中，逆变级(例如，逆变器电路)用igbt有源开关302和304来实现，但是可以使用替代的开关装置。参考图3b，电流的整形可以通过逆变级的调制(该图中为半桥1或2)，或者通过牵引转换器(例如，牵引转换器1或2)，或者它们的组合来实现。电流的整形是通过控制逆变级和/或牵引转换器的开关的操作来进行的，使得电流被整形以跟踪期望的信号形状(例如，ac电源环境中的正弦波，或者dc电源环境中的dc信号)。重要的是要注意，逆变级不一定限于逆变，相反，在一些实施例中，它也可以被认为是整形级(例如，开关用于电流整形)。在这种情况下，牵引逆变器起到逆变级的作用。在逆变级用于整形的情况下，本文各种实施例中描述的实施例(及其组合和置换)将因此用逆变级这个术语代替整形级。逆变级和牵引级用于(1)逆变和(2)整形。在一个实施例中，一个级用于逆变，另一个用于整形，并且控制器可以用于有效地分配哪个级用于逆变，哪个级用于整形(例如，通过改变开关模式，其中一个在50/60hz下开关(执行逆变的级)，另一个在更高频率下开关(执行整形的级))。在一个实施例中，具有较高开关损耗的级将在较低频率下操作，这可以由一些实施例的控制器电路来选择。在一个具体实施例中，牵引转换器用于逆变，逆变级用于整形，因为一般牵引转换器由于其用于提供驱动功能(例如，用于机动车辆)的双重用途，所以开关损耗更高。在替代实施例中，逆变级用于提供逆变功能(例如，根据开关控制来逆变电网电压)，牵引转换器用于整形功能(例如，如果损耗分析表明这种方法将更有效，则将发生这种情况，例如，可以通过控制器电路预先确定或动态确定来选择这种方法)。在逆变级由二极管组成的情况下，整形必须由牵引转换器完成。通常，牵引转换器比逆变级大，这意味着牵引转换器级的开关具有更高的损耗。在这种情况下，开关将优先在逆变级进行，提供优化损耗的机制(例如，首先优化驱动和牵引转换器的效率，然后设计和优化逆变级以提高充电效率(例如，最大充电效率))。替代二极管方法的缺点是，较小充电器与大驱动器集成可能效率很低，因为小充电电流的整形必须由牵引转换器使用开关损耗相对较高的大半导体来执行(例如，无论消耗多少电流，开关损耗都可能是固定的，因此对于较小的充电电流，该问题会加剧)。所提出的系统的一个实施例可以使用二极管代替igbt，但是功能性降低。本文的剩余部分中，讨论将集中在ac快速充电器的双逆变器实施例，因为单逆变器实施例在适当的微小调整后操作是相同的。基于图3b在图4中提供了示例性波形。图3b所示的双逆变器实施例分为上充电级306和下充电级308，其中每个充电级包括牵引转换器、电池和逆变级。在本例中，牵引转换器提供整形功能。实际上，逆变级电压vinv1提供逆变级的通断状态，牵引逆变器电压与逆变级的调制指数成比例。当作为车载快速充电器的一部分操作时，表示为u、v和w的每个牵引转换器相将产生相等的电压，以驱动相同的电流通过马达的每相。因此，图4示出了isu、isv和isw是iac的三分之一。这些相等的电流称为零序电流，当只有零序电流通过马达时，马达不会产生任何平均扭矩。因此，这种布置适合于电池的固定充电。在某些实施例中，当从ac充电时，零序电流可以是50/60hz正弦状态/波形，或者当从dc电源充电时，零序电流将是dc电流。在任一种情况下，机器的转子都不暴露于旋转通量，从而不会产生旋转扭矩。在一些实施例中，除了跟踪相同的电流之外，还可以在顶部和底部充电级(例如，逆变级或牵引转换器，无论哪一个正在执行整形)之间施加互补调制，以减少机器上的开关谐波。例如，参考图3b，如果半桥1和半桥2正在执行整形，则半桥1的开关将与半桥2的开关互补地操作，反之亦然。例如，装置在高频下开关，并且可以在不同的调制载波相移下操作以减少谐波(例如，相移可以被调整以减少谐波的影响，例如，减少180度)。在牵引转换器正在执行整形的实施例中，每个转换器支路中的调制载波的每一相从相邻支路偏移(例如，对于三相牵引转换器为120度)，以进一步最小化输入充电电流(例如，根据各种实施例，为ac或dc)中的谐波。图4中的波形示出了当车载快速充电器连接到电网电压vac和电流iac时由上充电级产生的电压。如上所述，上充电级产生的电压vchg；u1、vchg；v1和vchg；w1，定义为：vchg，u1＝vinv1-vu1(1)vchg，v1＝vinv1-vv1(2)vchg，w1＝vinv1-vw1(3)是相等的，大约为ac电网电压的一半。在该非限制性示例中(注意，逆变功能和整形功能可以通过图3b的半桥和牵引转换器的不同组合来实现)，逆变级(例如，任何执行逆变功能的级)电压vinv1示出了逆变级仅每半个周期操作，以允许充电级产生双极电压。由于电压逆变仅每半个线路周期发生一次，所以逆变级必须以至少60hz(或50hz)的频率开关，但如果需要，也可以以更高的频率开关，同时产生类似的结果。这将冷却降至最低，因为逆变级只能针对传导损耗优化，从而降低了冷却要求和系统重量。电网电压和电流显示电网的预期输入。因为下充电级相同，所以仅绘制上充电级波形(用下标1表示)。预计上下充电级产生相等的电压。这就是为什么上充电级电压等于电网电压的一半。逆变级和牵引转换器电压显示了每个半桥端子产生的电压。这两个电压的组合等于总充电级电压。牵引转换器电压、上充电级电压和马达电流显示三种波形，因为牵引转换器有三相。在本例中，所有三相操作相同。因此，三相电流相等，等于电网电流的三分之一。在该图中，系统以60hz(电网频率，或50hz)操作，以允许充电级作为整体产生双极电压。然而，该操作作为示例示出，并且充电器不限于以60hz(或50hz)操作逆变级。充电级(逆变级和牵引转换器一起)可视为双极电压源。只要充电级产生一半的ac电压，就能满足操作要求。最后，牵引转换器本身只能产生单极性的电压。如果牵引转换器产生vu1、vv1和vw1，它们是相同的，如图4中结合逆变级输出所示，则产生需要的vchg；u1、vchg；v1和vchg；w1。牵引转换器必须以足以跟踪基波电网频率并满足电网要求的频率操作。除了ac操作之外，所提出的系统也适用于如图13所示的dc系统，如图1300a所示。这类似于替代方法的操作，但是由于逆变级，现在增加了双向故障阻断能力。例如，在一些实施例中，可以灵活地部署图2b的拓扑，以适应dc或ac电源。如果电源是dc，即使不需要逆变，并且dc电流流过马达绕组，电路仍然可以调节电流。车载快速充电器的标称操作可以进一步增强，以实现上充电级和下充电级之间的能量平衡。这可以通过使用图5所示的平均模型500最清楚地描述的几种方式来实现。在该模型中，充电级的每一相由双极可变电压源表示。如前所述，在正常操作中，上充电级和下充电级输出相等的电压。如果上充电级和下充电级能量存储装置(例如电池)之间的充电状态(soc)需要均衡(例如，由非理想或不匹配的能量存储装置引起，例如，其中仅一个能量存储装置达到存储容量，而另一个没有达到存储容量)，可以使用几种不同的方法来平衡它们之间的能量。在一些实施例中，能量存储装置监控机构(例如，电路)与开关控制器互连，使得开关控制器可以修改操作特性以校正不平衡。在正常操作中，充电级的组合电压必须为vchg，因此系统的电压和电流由等式(5)至(7)给出。v1u＝v1v＝v1w＝0.5vchg(5)v2u＝v2v＝v2w＝0.5vchg(6)上充电级和下充电级的功率相等，如等式(8)和(9)所示。p1＝re{0.5vchgichg}(8)p2＝re{0.5vchgichg}(9)所提出的车载快速充电器的一些实施例可以通过修改马达相内的相对电压或循环电流来平衡上充电级和下充电级的能量存储装置之间的能量。修改相对电压的一个示例是，如果如等式(10)至(12)中给出的那样产生电压和电流。v1u＝v1v＝v1w＝0.6vchg(10)v2u＝v2v＝v2w＝0.4vchg(11)如等式(13)和(14)所示，上充电级和下充电级的功率不相等。p1＝re{0.6vchgichg}(13)p2＝re{0.4vchgichg}(14)可以使用上充电级和下充电级之间的其他电压比，只要它们之和为1.0。循环电流的一个示例是如果电压和电流如等式(15)至(20)中给出的那样产生。v1u＝0.6vchg(15)v1v＝v1w＝0.5vchg(16)v2u＝0.4vchg(17)v2v＝v2w＝0.5vchg(18)上充电级和下充电级的功率像方程式(21)和(22)中所示的一样不相等。在本例中，所有电流都处于基频，但是电流不需要限于基频电流。这些示例显示了车载快速充电器的结构支持的两种可能的方法，用于在上充电级和下充电级之间传输能量。双向功率流和电网支持操作现在描述如下。在一些实施例中，与单象限开关装置相反，逆变级可以用电流双向两象限开关来实现。当使用这些开关时，只要转换器的差分端子处的最大预期输入电压小于能量存储元件电压的总和，逆变级可以在基波电网频率的任何相位上逆变ac快速充电器的电压。在单逆变器实施例的情况下，在所有条件下，能量存储装置电压必须大于峰值电压。在双逆变器实施例的情况下，在所有充电状态条件下，能量存储装置电压的总和必须大于峰值电压。这对于双逆变器实施例来说是一个潜在的优点，因为电压要求不太苛刻，所以更大范围的能量存储装置(例如，更安全的存储装置)可以用于双逆变器实施例。这意味着充电器能够实现任何功率因数下的双向功率流，使其适合电网支持应用。ev充电器现在可以为负载均衡、调峰、频率控制、作为备用电源操作等服务提供电网。此外，该系统能够为电网电压支持提供无功功率。作为额外的益处，该系统能够在电网故障的情况下阻断故障。下面描述根据一些实施例的控制策略。充电器的操作受到控制，使得例如充电器被配置为能够在满足电网要求的同时对ev电池充电。虽然滤波器部件可以满足要求，但更轻量级的解决方案是控制车载快速充电器以产生低失真的电压和电流。在电动车辆的开发和设计中，重量减轻是一个重要的考虑因素，因为重量减轻可以增加行驶里程或延长操作时间。对于车载快速充电器，每个充电级可被视为双极电压源，其可用于以低失真控制ac电网电流。适用于此目的的高级控制方案在图6的图表600中示出。该图示出了连接到调制块606的充电控制器602和能量平衡控制器604，调制块606将用于控制车载快速充电器。充电控制器602确保基频电流被调节以满足电网准则，同时也在马达的相位之间平均分配电流。由于逆变级的作用，控制器能够跟踪双极电流，因此仅跟踪电网频率的电流。能量平衡控制器604在不影响电网电压或电流的情况下在上充电级和下充电级之间在内部传输功率。最后，调制块606使用来自控制器的输入来创建必要的选通信号，以产生如图4所示的期望波形。替代控制方法也是可能的。带宽要求描述如下。与没有逆变级的实施例相比，这些实施例仅能够产生单极电压，并且改为例如必须连接到二极管整流器。牵引转换器的操作方式类似于功率因数校正(pfc)转换器，它跟踪整流后的正弦基准电压，以将失真降至最低。这迫使转换器跟踪基波电网频率的频率倍数，以满足电网要求。图7和表2显示了整流后的正弦波的低频击穿。确定6次谐波分量减少到基波分量的大约2％。因此，控制器需要跟踪高达基波6次谐波的频率(即，60hz电网为720hz)，以充分再现整流后的波形。因此，所提出的车载快速充电器的实施例具有较低的带宽要求，这不仅简化了控制设计，而且降低了最小开关频率要求。表2：谐波级次频率(hz)幅度(×ipk/π)基波的百分比002-11201.3310022400.2662033600.1148.5744800.06354.7656000.04043.0367200.02792.178400.02051.5489600.01561.18模拟结果利用plecs工具箱在matlab中模拟了集成充电拓扑的详细模型。系统的高层图如图3b所示。两个相同的电池组由120v单相ac电源通过车载单相ac快速充电器和驱动系统充电。在这个模拟中，电池组被理想的电压源代替。系统参数列于表3。表3：模拟参数图8示出了在单位功率因数下操作时充电器的电压和电流量。在该图中，牵引转换器电压和上充电状态电压被过滤，以显示电压的低频开关分量。这些数字与图4所示的理想波形相匹配。对于常规操作，牵引转换器的所有三相都是相等的。因此，图8仅示出u相电压和电流。作为参考，提供了图14a、图14b、图14c中的其他相电压和电流来显示所有相电压和电流相等。同样，正如预期的那样，每相电感电流跟踪大约三分之一的输入电流。因此，只有零序电流注入马达绕组，以确保静止充电期间产生的净扭矩极小。图9示出了当以前导0.7功率因数操作时充电器的电压和电流量。这些模拟结果证明了充电器在各种功率因数下操作的能力。由于转换器不在上充电站和下充电站之间传输能量，所以所有相电压和电流都相等，并且未示出。此外，车载快速充电器还可以为电网提供功率用于电网支持应用，如图10所示。根据一些实施例，这些模拟结果验证了所提出的系统的双向功能。由于转换器不在上充电站和下充电站之间传输能量，所以所有相电压和电流都相等，并且未示出。对于单逆变器和双逆变器驱动器实施例，电池总电压必须大于ac峰值电压。因此，对于使用与单逆变器驱动器相同电池组的双逆变器驱动器实施例，电压范围可以是单逆变器的两倍。对于使用双逆变器驱动器的实施例，如各种实施例中所述，可以在电池组之间传输功率。图11引入了上充电级和下充电级之间的电压偏移，以对一个能量存储装置而不是另一个进行充电。由于pbatt1的平均值高于pbatt2，因此瞬时电池功率证明了这一点。替代地，可以引入循环电流，如图12a至图12c所示(例如，作为平衡能量存储装置电压的方式)。与零序电流相反，循环电流将在机器中产生定子磁通，定子磁通可能与转子相互作用产生扭矩。图12a是关于一个相位提供的，图12b是关于另外两个相位提供的。电流的不同幅度是循环电流的结果。图12c示出了不同的平均功率进入每个存储装置。定子磁通将具有由相电流定义的固定方向。定子磁通的方向必须与转子磁轴对齐设置，以确保循环电流不会产生扭矩。循环电流的引入可能是有用的，例如，在另一种方法不起作用或容量有限的情况下，例如，在能量存储装置的电压之间极度不平衡同时与相对高电压的ac网络接口连接的情况下。例如，不同类型或介质的装置被用于能量存储的情况下，例如电容器和电池的混合方法(一个可能达到完全充电状态，或者不能接收更多的电荷，并且可能需要将电荷转移到另一个)可能会出现上述情况。循环电流产生的净磁场将以与转子轴线对齐的角度操作，在该角度下不会产生净平均扭矩。图15示出了较高功率水平和电网电压下的模拟结果。可以看出操作类似于已经描述的。该附加模拟结果的系统参数如表4所示。表4：模拟参数电网参数符号值电网电压vg240v电网电流ig80a平均功率pavg19.2kw车载快速充电器参数符号值峰值输入电压vin,pk340v输出电压v1，v2400v电感电阻rs0.3ω电感ls0.5mh电池电压vbatt1，vbatt2400v开关频率fsw9khz实验结果构建了一个实验装置来演示一些实施例的单位功率因数操作。图16和图17是显示该实验装置中的充电级以及电动马达的照片。表5总结了该实验装置的主要电路参数。表5：实验电路参数图18示出了从系统捕获的实验波形。单位功率因数操作可以直接观察到，因为电网电流与输入电网电压同相。正如可以看到和推断的那样，相电流正好跟踪电网电流的三分之一，并且相等，在机器中不产生净扭矩。与模拟结果相反，重要的是要注意交错操作没有在这些实验结果中得到证明。因此，可以观察到开关频率谐波的幅度大于对应模拟结果中的幅度。1806是代表性相电流，1804是电网电流，1802是电网电压——显示了马达电流是正弦曲线(不是整流后的正弦曲线)，并且它显示电网电流1802的相位被制成正弦曲线并且与电网电压同相，显示了1806的正弦充电是用正弦马达电流实现的。结论描述了一种新的车载集成充电器和驱动系统，该系统从ac电源插座提供有成本效益且方便的ev充电。开发并验证了支持单相车载ev快速充电的拓扑和相关控制。当行驶时，拓扑作为驱动器操作，但当静止时，系统可以动态地重新部署马达和牵引转换器，以作为单相ac充电器或dc充电器的一部分操作，从而提供了一种利用汽车的已安装部件的有成本效益的解决方案。在一些实施例中，所提出的系统可以以任何功率因数操作，甚至能够支持双向功率流。这允许车辆用于电网支持应用，如电压支持、频率调节和调峰。此外，所提出的转换器具有故障阻断能力。当用作充电器时，它受到控制以减少低频谐波，从而减少对单独电缆或带变压器电缆(如果需要隔离)的基础设施要求。然而，与ac电网充电的其他方法相比，所提出的系统不依赖于二极管整流器。这意味着只需要跟踪基频电流，而不是整流后的正弦波，从而简化了控制要求。相比之下，控制器必须至少跟踪720hz的信号，而不是所提出的系统的60hz信号。描述了所提出的系统的变型，其中一个变型是基于单逆变器驱动系统，另一个变型是基于双逆变器驱动系统。双逆变器驱动系统的一个优点是集成了两个独立的能量存储源(即电池、超级电容器、燃料电池或它们的组合)，其中一个能量存储源可能更适合功率输送，另一个能量存储源可能更适合能量存储。两个存储元件的使用使得能够使用更高电压的马达来提高传动系统效率，不需要使用单个更高电压的存储元件，并且能够比其他方法实现更高电压的快速充电。对于双逆变器驱动变型，在不影响电网的情况下，通过各种实施例中描述的方法有助于独立能量存储单元之间的能量传递。至于应用，所提出的拓扑的实施例能够在充电时适应所有常见的商用输入ac电压，包括商用208v、商用277v/480v(美国)、商用240/400v(欧盟)和商用347v/600v(加拿大)。一些实施例的充电速率的所提出的拓扑受到马达和牵引电力电子器件的热约束的限制，从而突出了直接从现有电网基础设施给车辆充电的能力，并利用传动系统扩展充电能力。通过参考附图来描述方法、系统和设备的实施例。以下讨论提供了本发明主题的许多示例实施例。尽管每个实施例代表发明元素的单一组合，但是发明主题被认为包括所公开元素的所有可能组合。因此，如果一个实施例包括元素a、b和c，而第二实施例包括元素b和d，则本发明主题也被认为包括a、b、c或d的其他剩余组合，即使没有明确公开。这里描述的装置、系统和方法的实施例可以在电子硬件和软件的组合中实现。这些实施例可以在可编程计算机或其他电子控制系统上实现，例如用于定时或以其他方式控制开关、晶体管等操作的控制机构。当软件被用来产生控制信号时，程序代码被应用于输入数据。尽管已经详细描述了实施例，但是应当理解，在此可以进行各种改变、替换和变更。此外，本申请的范围不限于说明书中描述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。可以理解，上面描述和图示的示例仅是示例性的。当前第1页1 2 3