专利名称：用于对电动车辆充电的设备和方法
技术领域：
本发明实施例大体上涉及包括混合动力和电动车辆的电力驱动系统并且更具体地涉及使用多端口能量管理系统对电动车辆充电。
背景技术：
混合电动车辆可组合内燃机和由例如牵引用蓄电池等能量存储装置供电的电动马达以推进车辆。这样的组合可通过使燃烧发动机和电动马达能够各自在相应增加的效率范围中操作而增加整体燃料效率。例如电动马达可在从原地启动加速时是高效的，而燃烧发动机(ICE)可在例如公路驾驶等恒定发动机操作的持续时期期间是高效的。具有电动马达以促进初始加速允许混合动力车辆中的燃烧发动机更小并且更节省燃料。纯电动车辆使用存储的电能来向电动马达供电，电动马达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的电能的一个或多个来源。例如，存储的电能的第一来源可用于提供更持久的能量(例如低电压蓄电池)而存储的电能的第二来源可用于提供更高功率的能量用于例如加速(例如高电压蓄电池或超电容器)。无论是混合电动类型或纯电动类型的插入式电动车辆配置成使用来自外部来源的电能对能量存储装置再充电。这样的车辆可包括道路用和非道路用车辆、高尔夫车、短距离电动车辆、叉车和公用载重汽车作为示例。这些车辆可使用车外固定蓄电池充电器或车载蓄电池充电器或车外固定蓄电池充电器和车载蓄电池充电器的组合以从公用电网或可再生能源向车辆的车载牵引用蓄电池转移电能。插入式车辆可包括电路和连接以便于牵引用蓄电池从例如公用电网或其他外部来源再充电。。蓄电池充电器是电动车辆(EV)的发展中的重要部件。历史上已知对于EV应用的两种类型的充电器。一种是独立型的，其中功能性和风格可以比作加油站以进行快速充电。 另一种是车外型的，其将用于从常规家用插座的较慢的C率充电。EV典型地包括例如低压蓄电池(例如用于航程和巡航)、高压蓄电池(例如用于推动和加速)和超电容器(例如用于推动和加速)等能量存储装置。因为这些能量存储装置在不同的电压下运行并且互不相同地充电，典型地，每个存储装置包括它自身独有的充电系统。这可以导致多个部件和充电系统，因为存储装置典型地不能够使用用于其他存储装置的充电系统来充电。也就是说，用于对低压蓄电池充电的充电系统典型地不能够用于对超电容器或高压蓄电池充电。当考虑在一些应用中使用“加油站”型的充电系统对存储装置快速充电是可取的， 而在其他应用中使用常规家用插座对存储装置慢充电是可取的时，效果(即，许多装置)大体上被混合。从而，为了提供对于多个能量存储装置类型的充电能力和使用快充或慢充系统，若干充电类型可能是必须的以便提供期望的功能性的全部。因为每个充电类型相应地包括电部件的系统，整个系统的可靠性可能被折损，因为可能使用大量的部件以便提供该功能性。并且，尽管电气和电子部件可以尺寸化使得电应力水平是低的，相对高的占空比也可以显著影响可靠性。因此提供设备以减小电部件的总数量同时提供灵活性以对EV充电，这将是可取的。
发明内容
根据本发明的一个方面，能量存储管理系统(ESMQ包括一个或多个耦合于动力传动系统(drivetrain)并且配置成存储DC能量的能量存储装置、具有多个能量端口的功率电子转换系统，该功率电子转换系统包括多个DC电转换器，每个DC电转换器配置成提升和降低DC电压，其中多个能量端口的每个能耦合于一个或多个能量存储装置的每个并且多个能量端口的每个能耦合于充电系统。EV包括控制器，其配置成确定每个能量端口(其具有与其耦合的能量存储装置或DC充电系统)的电压并且电连接第一能量端口与能量端口中的至少两个中的第二能量端口使得DC电转换器中的至少一个基于每个能量端口的确定的电压提升或降低输入DC电压。根据本发明的另一个方面，制造能量存储和管理系统(ESMQ的方法包括将一个或多个能量存储装置耦合于车辆动力系统；制造具有多个降压-升压转换器(buck-boost converter)的充电装置；将该充电装置附连到车辆，该充电装置包括多个能量端口，这些多个能量端口的每个能耦合于一个或多个能量存储装置的每个；感测多个能量端口的每个两端的电压；基于感测的电压确定能量存储装置和充电系统是否耦合于多个能量端口中的任一个；和通过选择性地引导电流流过多个降压-升压转换器中的一个或多个来电连接该充电系统与多个具有能量存储装置的能量端口中的任一个。根据本发明的再另一个方面，非暂时性计算机可读存储介质安置在能量存储和管理系统(ESMQ上并且具有存储在其上的计算机程序，其包括由计算机执行的指令，当由计算机执行该指令时使计算机确定多端口功率转换系统(其安置在ESMS上)的每个能量端口的电压并且电连接能量端口中的至少两个使得电能从该至少两个能量端口中的第一个传递到该至少两个能量端口中的第二个并且通过至少两个降压-升压转换器，该至少两个降压-升压转换器中的第一降压-升压转换器配置成采用升压模式运行，并且该至少两个降压-升压转换器中的第二降压-升压转换器配置成采用降压模式运行。各种其他特征和优势将从下列详细说明和附图变得明显.
附示目前预想用于实行本发明的实施例。在附图中图1是结合本发明的实施例的电动车辆(EV)的示意框图。
图2是根据本发明的实施例能配置的多端口充电器结构的示意图。图3是图示如在图2中图示的多端口充电器的配置的表。图4是根据一个配置的图2的多端口充电器的图示。图5是根据一个配置的图2的多端口充电器的图示。图6A和6B是根据备选配置的图5的多端口充电器的图示。图7是根据一个配置的图2的多端口充电器的图示。图8是根据一个配置的图2的多端口充电器的图示。图9是根据一个配置的图2的多端口充电器的图示。
图10图示典型的脉宽调制(PWM)开关和波形。图11图示根据本发明的实施例的多端口充电器的框图。图12图示选择性地接合和脱离图2的多端口充电器的充电设置。图13图示具有1相AC源的多端口充电器。图14图示具有3相AC源的多端口充电器。图15图示根据运行配置在多端口充电器中的能量流动。图16图示根据运行配置在多端口充电器中的能量流动。图17图示根据本发明的实施例具有来自内燃机(ICE)的能量输入的多端口充电
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具体实施例方式图1图示例如汽车、卡车、公共汽车或非道路用车车辆等混合电动车辆(HEV)或电动车辆(EV)IO的一个实施例，其结合本发明的实施例。车辆10包括能量存储和管理系统(ESMQ11、内燃机或热机12、耦合于发动机12的传动装置(transmission) 14、差动装置 (differential) 16和耦合在传动装置14和差动装置16之间的驱动轴组件18。并且，尽管 ESMS 11在插入式混合电动车辆(PHEV)中图示，根据本发明的实施例，要理解ESMS 11能够适用于例如HEV或EV等任何电动车辆或其他功率电子驱动装置用于运行脉冲负载。根据各种实施例，作为示例，发动机12可以是内燃汽油发动机、内燃柴油发动机、外燃机或燃气涡轮发动机。ESMS 11包括提供以控制发动机12的运行的发动机控制器20。根据一个实施例，发动机控制器20包括一个或多个配置成感测发动机12的运行状况的传感器22。传感器22可包括rpm传感器、扭矩传感器、氧传感器和温度传感器作为示例。如此，发动机控制器20配置成从发动机12传送或接收数据。车辆10还包括测量发动机12的曲轴速度的发动机速度传感器(未示出)。根据一个实施例，速度传感器可采用每秒脉冲数从转速表 (未示出)测量发动机曲轴速度，其可转换成每分钟转数(rpm)信号。车辆10还包括耦合于差动装置16的相应端的至少两个轮对。在一个实施例中， 车辆10配置为后轮驱动车辆使得差动装置16接近车辆10的尾部安置并且配置成驱动这些轮M中的至少一个。可选地，车辆10可配置为前轮驱动车辆。在一个实施例中，传动装置14是人工操作的传动装置，其包括多个齿轮使得从发动机12接收的输入扭矩经由多个齿轮比而倍增并且通过驱动轴组件18传送到差动装置 16。根据这样的实施例，车辆10包括选择性地连接和断开发动机12与传动装置14的离合器(未示出)。车辆10还包括例如电动马达或电动马达/发电机单元沈等机电装置，其沿着驱动轴组件18耦合在传动装置14和差动装置16之间使得由发动机12产生的扭矩被传送通过传动装置14并且通过电动马达或电动马达/发电机单元沈到差动装置16。可包括速度传感器(未示出)以监测电动马达沈的运行速度。根据一个实施例，电动马达沈直接耦合于传动装置14，并且驱动轴组件18包括耦合于差动装置16的一个轴或驱动轴。提供混合动力驱动控制系统或扭矩控制器28以控制电动马达沈的运行并且该混合动力驱动控制系统或扭矩控制器观耦合于马达/发电机单元26。能量存储系统30耦合于扭矩控制器观并且包括低压能量存储或能量蓄电池32、高压能量存储或动力蓄电池(power battery) 34和超电容器36作为示例。然而，尽管图示低压能量存储32、高压能量存储34和超电容器36，要理解能量存储系统30可包括如在本领域内了解的多个能量存储单元，例如钠金属卤化物蓄电池、钠镍氯化物蓄电池、钠硫蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子蓄电池、锂聚合物蓄电池、镍镉蓄电池、多个超电容器电池、超电容器和蓄电池的组合或燃料电池等作为示例。加速器踏板38和制动器踏板40也包括在车辆10中。加速器踏板38配置成发送油门命令信号或加速器踏板信号到发动机控制器20和扭矩控制观。根据本发明的实施例，系统10包括耦合于能量存储系统30的能量存储单元32-36 的充电器42。根据本发明的实施例，充电器42如图示的可耦合于多个能量存储系统32-36 并且充电器42可耦合于一个或多个功率输入线44，图示其中的两个。即，根据图示本发明的使用的实施例，充电器42图示本发明的实施例并且充电器42可耦合于一个或多个能量存储系统，并且充电器42可耦合于一个或多个功率输入系统44。充电器42包括配置成如将论述的那样选择性地接合和脱离充电器42的DC电力装置或降压-升压模块的控制器 46。并且，尽管充电器42图示为正耦合于能量存储系统32-36，并且充电器42图示为耦合于一个或多个功率输入线44，要理解本发明的实施例并没有受到这样的限制。相反，要理解充电器42可耦合于多个和不同类型的能量存储系统和功率输入，其中的一些在下列图中图示。此外，要理解每个车辆可存在多个并行的充电器42，或可存在施加于车辆10的每个轮M的功率系统，每个具有与其耦合的充电器42。在运行中，要理解在本领域内能量可经由传动装置14从内燃机或热机12提供给驱动轴组件18，并且能量可经由驱动控制系统观提供给驱动轴组件18，驱动控制系统观使能量从能量存储系统30 (其可包括能量系统32-36)抽取。从而，如在本领域内了解的， 能量可从例如高压存储装置34(其可包括蓄电池作为示例)或从超电容器36抽取用于车辆10推动或加速。在巡航(即，大体上非加速运行)期间，能量可经由例如低压能量存储 32等低压存储装置抽取用于车辆10。并且，如在本领域内了解的，在运行期间，能量可从内燃机或热机12抽取以便能量存储30提供功率给驱动轴组件18。此外，一些系统包括再生运行，其中能量可从制动运行恢复并且用于对能量存储30再充电。另外，一些系统可不提供从制动的再生能量恢复， 并且一些系统可不提供例如内燃机或热机12等热机。然而并且尽管一些系统能够对能量存储30再充电，作为示例，能量存储30定期要求从例如115V家用电源或230V 3相电源等外部来源再充电。要求对能量存储30再充电在不具有热机以提供动力和具有扩展范围的驱动运行的插入式混合电动车辆(PHEV)中尤其强烈。从而，本发明的实施例是灵活的和能配置的(其具有多个能量端口)并且可耦合于多个电源(power source)和源类型以便对一个或多个能量存储类型充电。此外，如将说明的，本发明的实施例允许对能量存储单元(其被完全耗尽并且具有低于电源电压的起动电压)充电，并且本发明的实施例允许对能量存储单元充电到超出电源的电压的电压。为了满足现代的PHEV和EV的需求，基础结构应该典型地提供7kW以在2或3小时(家庭充电)的充电时间内实现80%的充电状态(SOC)增益(假定是25kWh的蓄电池)。 对于更积极的短暂停顿快速充电情形(例如，“加油站”)，可需要明显更高的功率水平以在 10分钟内实现期望的80% S0C。车辆接口需要根据现有的标准来设计。导频信号通过它的占空比确定能允许的最大功率。除了高的集成度之外，提出的系统还提供设备的单或三相 AC输入、高效能、低谐波、接近统一输入功率因数、低成本、低重量和安全联锁。如在本领域内已知的，功率因数校正(PFC)要求可由IEC/IS0/IEEE线路谐波电流规则操纵。在下列图中图示的是具有由三个双向降压-升压级和充电器前端组成的集成充电器单元的能量管理系统。该系统还包括对于高压DC和标准AC插座充电的充电器模块。本发明能适用于常规的电动车辆(EV)以及电网充电的混合电动车辆(PHEV)。电网充电的HEV提供选择以驱动车辆某些英里数(即，PHEV20、PHEV40、PHEV60)。传统上， PHEV的目标是提供高的全电动范围(AER)能力以降低运行成本并且能够优化运行策略。就降压-升压级来说，充电器前端和接口，如果它设计用于EV或PHEV应用则它大体上没有区别。DC/DC转换器的作用是在两个或多个能源之间的高效能量转移，这对于持续和峰值功率需求是可靠的。充电器单元的集成是朝更高的功率密度设计(其中部件更少并且因此可靠性更高)的下一步骤。如此，本发明的实施例能适用于多个电动车辆，其包括全电动和混合电动车辆作为示例，大体上并且广泛地指定为“EV”。这样的EV可包括但不限于道路用车、 高尔夫球车、火车等，其能够具有包括电部件用于使车辆运动的动力系统(power system)。在常规的实现中，许多独立的单元共存以大体上包括互相连接的独立充电器、蓄电池管理和控制单元。在具有先进的蓄电池的自动环境中，来自不同的厂商的无缝集成的充电器和蓄电池或其他车辆系统之间的通信是重要的考虑。具有集成充电器的能量管理系统在需要有更少的集成工作和更少的部件来提高可靠性方面是有利的。现在参照图2，能配置的多端口集成充电器结构，能量存储和管理系统(ESMS，除此以外还称为能量管理系统(EMS))ESMS 100(例如充电器42)图示具有四个能量端口 102 和相应地作为模块1、2和3的三个DC电转换装置或降压-升压转换器104、106、108。如在本领域内已知的，降压-升压转换器104-108可配置成采用降压模式通过使电能在第一方向110上流过其(关于降压-升压转换器104而图示，但同样适用于转换器106和108)或采用升压模式通过使电能在第二方向112上流过其(再次关于降压-升压转换器104而图示，但同样适用于转换器106和108)而运行。如图示的，能量端口 102包括第一能量端口 114，其能配置成具有附连或电耦合于其的第一单元116。相似地，能量端口 102、能量端口 118、120、122能配置成具有附连或电耦合于其的相应的第二单元124、第三单元1 和第四单元U8。根据本发明，充电器完全是车辆设计的一部分并且安置在车上。集成的车载充电器能够持续调整输入电流作为例如连接于该车载充电器用于充电的装置的充电状态(SOC) 的结果。集成的充电器能量管理系统配备有最小数量的标准部件并且从而能够高效地对多个能量存储系统和系统类型充电同时具有最小成本。在一个实施例中，示出的基本模块的每个此外仅配备有一个另外的接触器以执行下文描述的不同的功能并且允许端口隔离。在图2中的三个个体模块Ml至M3的配置连同适合的充电算法允许能量从整流的AC或直接从DC源转移到连接于ESMS的端口的不同的能量存储单元。如将图示的，图2的ESMS 100可配置成对高达三个能源(包括低压能量蓄电池、 高压能量蓄电池、超电容器作为示例)在相同时间或同时充电。ESMS 100可具有在其中配置成交错以便降低纹波电流的模块。ESMS 100还能够对于不同的蓄电池技术和存储装置类型具有作为SOC和温度等(作为示例)的函数的多个充电曲线。ESMS 100包括由例如图1的控制器46等控制器集中控制的集中式能量流动控制，并且ESMS 100能够管理广泛的输入和输出电压。图1和2的ESMS 100能采用如在图3中图示为表200的多个配置而配置。如在本领域中了解的，ESMS 100的每个配置可能由接触器(未示出)选择，并且能量流动由ESMS 控制算法控制，ESMS控制算法在混合动力车辆10的控制器46中实现，控制器46可以感测连接于端口 102的充电装置和能量存储装置的存在并且因此调整能量的流动方向。例如，控制算法可确定耦合于能量存储装置或充电系统(DC或整流的AC，作为示例)的每个端口的电压，并且因此且基于确定的电压、基于测量的频率或基于这两者(作为示例)运行 ESMS100。并且，对于包括整流器的益处是即使DC连接成具有错误的极性，即使使用单相整流器或即使DC输入用于对于3相整流器的3相输入中的两相，该整流器提供保护。具有集成的宽输入范围充电器的单蓄电池根据第一配置202(在图4中图示)，EMS或ESMS包括图示为连接于端口 1的低压蓄电池204和连接于端口 2的超电容器组206。在该配置中，单个低压蓄电池(其代表对于 EV的主能量存储单元)连接到端口 1。高压端口 2连接到超电容器组或只连接到供应马达逆变器的DC链路电容器。根据本发明的实施例，充电单元208连接到端口 3，其可包括DC 源或整流的AC源。对于该情况，如果端口 3处的充电输入电压高于端口 1上的能量蓄电池 204，模块2采用降压模式运行。可考虑两种情况。第一，如果端口 1上的能量蓄电池的标称电压低于最低充电器输入电压，那么充电算法如刚才描述的运行。第二，如果蓄电池204的标称电压高于充电器 208输入电压，模块2210永久地导通，模块1 212采用升压模式运行并且模块3 214采用降压模式运行以对蓄电池204充电。在对于该段(未示出)的第二配置中，能量/动力蓄电池反而可连接到端口 2。 ESMS的剩余的端口处于浮接状态。在该情形中，根据瞬时电压水平(SOC)考虑两种情况。 对于正常SOC水平，其中V2 (端口 2上的电压)高于V3(端口 3上的电压，充电器输入)，模块2永久地导通并且模块1采用升压模式运行。对于其中蓄电池是低的SOC(V2 < V3)的情况，模块2采用降压模式并且模块1采用升压模式运行。具有集成的宽输入范围充电器的双蓄电池现在参照图5，在该配置中，端口 1上的能量蓄电池250代表对于EV的主能量存储单元，并且高压或动力蓄电池252连接到端口 2。集成的宽输入电压范围充电器允许对蓄电池250、252两者独立或同时充电。端口 1上的该能量蓄电池250具有典型地比动力(升压)蓄电池252低的标称电压。然而，在该配置中，即使端口 1或端口 2电压非常低，充电也是可能的。如果两个蓄电池(能量侧250或动力侧25 中的任一个完全放电则将是这种情况。模块2 2M采用降压模式运行并且模块1 256采用升压模式运行。如果充电输入 258(DC或整流的AC)电压低于端口 1电压，则模块2 210 —直接通，模块1 256提升到端口 2的电压水平并且模块3260对端口 1上的能量蓄电池250充电。并且，尽管图5图示来自整流的AC源的充电配置，仅相对低的电压可以用于充电， 这可能是误导的。事实上，就电压水平来说，使用的端口(用于充电，端口 3)具有极少限制。 例如，端口 4允许电压达到整个充电器系统沈2的最大值，这还可取决于装置。如此，图示的图5的配置能够进行相对高的电压充电(例如，IEC模式4 :400VDC)。
本发明的实施例允许能量存储装置从超过一个充电源同时充电。在一个示例中， 第二充电系统可与ESMS接口，如在图6A中图示的。从而，图6A图示ESMS的切出的下部。 在上文图示的实施例中，EV应用包括两个能量存储单元(其中端口 4没有使用)和DC源或整流的AC源沈4。然而，根据本发明的实施例，整流的AC源266可耦合于端口 4 (如图示的)，其允许从第二插座更快速的充电。从而，根据本发明的实施例，端口 3和4可配置成具有与其耦合的相应的电源以便对耦合于例如作为示例的图4和5的端口 1和2的存储装置充电。然而，图6B图示备选实施例，其中具有与其耦合的整流AC源266和耦合于端口 3的 DC 源 268。用例如AC和DC源等多个源同时充电的一个优势是可以进行高功率快速充电而不需要潜在地增加超过已经是标准(或希望可成为标准)的充电连接器。例如，如果AC源和关联的配合连接器设计为适用水平2 (例如22kW)，并且DC源和关联的配合连接器设计为适用水平3或可能的水平4(在例如大约50kWDC快速充电)，那么使用本发明的实施例同时从AC和DC源两者充电可以通过使用标准的连接器单元在72kW进行(假定充电站能够支持这些功率水平)。没有该特征，最大充电可以是通过水平2AC充电连接器的大约22kW 或通过水平3或水平4DC充电连接器的大约50kW。此外，如果车辆仅配备有水平2的3相充电连接器，ESMS内的控制可以实现以允许DC输入连接到三个输入端子中的两个并且可以控制在高达22kW充电水平的水平2运行，这取决于对于连接器的比电流能力(specific current capacity)。对于其中车辆仅配备有AC充电连接器(例如在22kW的3相水平2AC 输入和在大约7. 4kff的单相水平2AC)的另一种情况，使用二者AC连接器的同时充电可以在大约四.4kW水平提供。具有集成的宽输入范围充电器的三个蓄电池参照图7，根据本发明的实施例图示三个能量存储配置，其允许从宽的电压范围输入充电。根据图示的配置，EMS或ESMS 300包括耦合于端口 1的第一低压蓄电池302、耦合于端口 4的第二低压蓄电池304、耦合于端口 2的高压或升压蓄电池306和耦合于端口 3的 DC源或整流的AC源308。在一个示例中，源308是整流的DC源，其可以保护避免跨接端口 3的非故意连接(其具有不正确的极性)。在一个示例中，该第二低压蓄电池304可以是后备能量蓄电池，其允许用于安全关键的应用的更高水平的冗余。具有低压充电器的升压蓄电池参照图8，两个升压蓄电池310、312可连接到相应的端口 2和3，其可使用耦合于端口 4的DC源或整流的AC源314充电。从而，两个高功率/高压能量存储单元可以并联以便实现最大升压性能同时仍维持一定程度的能量管理。然而，代替简单地并联这两个单元，当功率传递能力与并联配置相似时，ESMS 316起到平衡级的作用。具有集成的宽输入范围充电器并且交错的双蓄电池参照图9，EMS或ESMS 350采用上文与关于图5图示的几乎相同的方式耦合于能量装置。如此，低压蓄电池352耦合于端口 1，高压蓄电池邪4耦合于端口 2，并且整流的AC 源或DC源356耦合于端口 3。然而，在该模式中，模块3358用于在ESMS 350的运行期间交错以便最小化输出电流纹波。S卩，在交错模式中，功率被转移通过两个或三个模块(模块1360，模块2 362和模块3 358)并且产生与图5的相比更小的输出电流纹波，而同时减小磁性和其他部件的尺寸。对于具有两个模块的交错模式，模块1 360和模块3 358如在图9中示出的连接。此夕卜，图10示出典型的脉宽调制(PWM)开关364和电流波形366。在交错模式中，对模块2 362 的PWM相对于模块1 360的PWM信号大体上在频率上相似，只是在时间上移动Ts/2。并且， 三个模块采用交错运行，对模块2 362和模块3 358的PWM信号分别移动Ts/3和2Ts/3。图11图示根据本发明的实施例的多端口 ESMS的框图。从而，在前面提到的实施例中，在图11中图示的接触器可根据在图12中图示的表来控制。首先参照图11，为了简化省略了控制电子部件。从而，ESMS 400图示第一降压-升压模块402、第二降压-升压模块404和第三降压-升压模块406。ESMS 400还图示具有与其耦合的低压蓄电池的端口 1408、具有与其耦合的高压单元的端口 2410、具有与其耦合的整流的AC或DC电压的端口 3412和具有与其耦合的低压超电容器的端口 4414。从而， 在图示的示例中，能量存储装置和能量充电器耦合于ESMS400以便图示根据一个配置的运行。然而，如论述的，ESMS 400可采用许多设置来配置以便容纳多个充电器/能量存储设置。如此，根据上文的说明，ESMS 400包括可选择性地接合或脱离以便实现用于充电的配置的接触器 KU 416、KV 418、KW 420、UPOS 422 和 M 424。三个降压-升压模块402、404、406中的每个包括IGBT分支(上和下开关)和电感器。高压DC总线由许多电力电容器缓冲。每个降压-升压转换器级输出配备有电流传感器，其测量电感器电流。在端口 3示出的电压极限源自于美国和欧洲的典型的单相AC插座电压。ESMS 400使用接触器作为主总线和个体模块开关。预充电电路使用两个电力电阻(例如，120欧姆、100W、RH-50)和接触器或FET实现。另外的接触器(图11中的UPOS 422)在两种情况下起作用。一种是在端口 1的蓄电池的某一 SOC状况下，并且如果模块1 和模块3能够交错则是第二种。图11图示具有集成充电器的ESMS 400的电压和电流感测
点ο从而，现在参照图12，本领域内技术人员将认识到可通过选择接触器416-4 的接合和脱离而控制特定充电操作。将认识到在本文图示的配置中，多端口能量管理是完全起作用的。即使由于一些原因期望用独立的充电器来配备系统，多端口 ESMS仍执行它的功能，其是在端口 1、2和4 之间的最小能量管理。在完成DC链路电容器预充电后，ESMS将各个相态机器设置成人工模式并且设置电流命令并且在完整检查接触器状态后起动调节。现在参照图13，图示的ESMS 450的端口 3可从1相AC源452充电，从而可以根据本发明的实施例实现简单的高功率因数升压预调节器。如果ESMS 450连接到例如端口 3妨4上的单相整流器，如在图13中示出的，通过采用高功率因素调节器模式运行来使用模块1456和模块2 458。从而，图13图示具有功率因数校正(PFC)预调节器的整流的AC 源的简单方法，Cin是小的高频旁路电容器，并且C。ut是降压存储电容器或DC总线电容器。从而，存在采用AC模式进行控制的两个基本功能。第一是限制从公用电网抽取的最大充电电流为由线路或电路断路器限制的指定最大值。第二，PFC升压级将电流整形以最小化输入电流和输入电压之间的相角。图示的电路大致上是具有能够精确地控制输入电流(电流整形)的宽输入范围的升压转换器。瞬间控制与输入电压同波形形状和相位的电流。在升压级的输出处的相对大的电容器供应短暂的峰值能量需求，而输入电容器被减小至几微法。在先前的图中未示出任何期望的EMI滤波器。EMI滤波器部件是标准部件并且将连接在对应的前端和与HVSE的机械接口之间，如在本领域中了解的。现在参照图14，ESMS 450可以包括对于采用与在图13中图示的相似的方式设计的3相充电器输入462的整流器前端460。在另外的实施例中，图13和14ESMS端口 3的集成充电器配置可以用作充电器输入。充电的类型控制取决于如在图12中指示的电压水平，该充电的类型控制具有对应的接触器状态KU =闭合，KV =断开，UPOS =断开，并且M =闭合。参照图15和16，图示对于两种充电配置的能量流动。首先参照图15，能量从安置在端口 3464上的充电器(未图示)流到采用升压模式运行的模块2 466和模块1 468。如此，通过确保KV和KW断开，DC源可在端口 M70上提升为高压输出。在图16中图示的另一个示例中，端口 1472和端口 4474可同时从耦合于端口 3476 的DC源(未示出)充电。作为示例，关于图16可考虑两种情况。情况1 端口 3476处的输入电压高于端口 1472处的蓄电池电压。在该情况下，模块M78采用降压模式运行而LU中的电流IL4480被调节。接触器KU 482和KV 484闭合， 而 M 486、KW 488 和 UPOS 490 断开。情况2 端口 3 476处的输入电压低于端口 1 472处的蓄电池电压。在该情况下， 接触器KU 482,M 486和UPOS 490闭合，而KV 484和KW 488断开。模块2 478失效(M2U 永久导通)，模块1 492采用升压模式以将低输入电压提升至某更高的水平。模块3 494将该电压降回到端口 1 472处的能量蓄电池的设置电压。LW中的电流ILM96采用闭环方式控制。在现今商业上可得到的EV和PHEV车辆中，能量和电子马达动力传动系统典型地包括来自不同厂商的部件。结果许多单元可复制，这具有系统中的许多单点失效可能性。 从而，根据本发明的实施例，功能集成为一个而不是三个或四个管理单元将导致可靠性提高。从例如蓄电池制造商角度来看，在能够十分了解蓄电池组电池性能的情况下，ESMS和充电器功能的集成是期望的。此外，尽管具体地提到EV，如提到的，本发明的实施例也可用于PHEV或串联式混合动力。在该情况下，左边上的端口可以用于将能量从辅助功率单元 (APU)转移，该辅助功率单元可以采用持续充电模式运行。在另一个实施例中，本发明的实施例还可以在真正的串联式混合动力配置中使用，其中ICEAPU足够大以便驱动车辆(串联式混合动力模式)。从而，现在参照图17，根据实施例，ESMS 500包括从耦合于端口 1的内燃机(ICE) 502的电输出和耦合于端口 4的LV蓄电池506或整流的AC源506。例如，在一个实施例中，从ICE 502的电输出可以是输出DC电力的交流发电机。动力蓄电池508耦合于端口 2并且AC源或DC源510可耦合于端口 3。如此，扩展的车辆范围可经历具有源于 ICE 502的电力，从而ESMS 500提供对于扩展的车辆范围的灵活性同时提供从独立的端口对能量存储系统充电的能力。公开的设备的技术贡献是它对于控制器实现的技术提供用于对电动车辆的能量存储装置充电。根据本发明的一个实施例，能量存储管理系统(ESMS)包括耦合于车辆动力传动系统并且配置成存储DC能量的一个或多个能量存储装置、具有多个能量端口的功率电子转换系统，功率电子转换系统包括多个DC电转换器，每个DC电转换器配置成提升或降低DC 电压，其中多个能量端口的每个能耦合于一个或多个能量存储装置中的每个并且多个能量端口的每个能耦合于充电系统。EV包括控制器，其配置成确定每个能量端口(其具有与其耦合的能量存储装置或DC充电系统)的电压并且电连接第一能量端口与能量端口中的至少两个中的第二能量端口使得DC电连接器中的至少一个基于每个能量端口的确定的电压提升或降低输入DC电压。根据本发明的另一个实施例，制造能量存储和管理系统(ESMQ的方法包括将一个或多个能量存储装置耦合于车辆动力系统；制造具有多个降压-升压转换器的充电装置；将该充电装置附连到车辆，该充电装置包括多个能量端口，这些多个能量端口的每个能耦合于一个或多个能量存储装置的每个；感测多个能量端口的每个两端的电压；基于感测的电压确定能量存储装置和充电系统是否耦合于多个能量端口的任一个；和通过选择性地引导电流流过多个降压-升压转换器中的一个或多个来电连接该充电系统与多个具有能量存储装置的能量端口中的任一个。根据本发明的再另一个实施例，非暂时性计算机可读存储介质安置在能量存储和管理系统(ESMQ上并且具有存储在其上的计算机程序，其包括由计算机执行的指令，当由计算机执行该指令时使计算机确定多端口功率转换系统(其安置在ESMS上)的每个能量端口的电压并且电连接能量端口中的至少两个使得电能从该至少两个能量端口中的第一个通过到该至少两个能量端口中的第二个并且通过至少两个降压-升压转换器，该至少两个降压-升压转换器中的第一降压-升压转换器配置成采用升压模式运行，并且该至少两个降压-升压转换器中的第二降压-升压转换器配置成采用降压模式运行。尽管本发明仅连同有限数量的实施例详细描述，应该容易理解本发明不限于这样公开的实施例。相反，本发明可以修改以包含此前未描述的许多变化、改动、替代或等同设置，但其与本发明的精神和范围相当。另外，尽管描述了本发明的各种实施例，要理解本发明的方面可仅包括描述的实施例中的一些。因此，本发明不视为由前面的描述限制，而仅由附上的权利要求的范围限制。
权利要求
1.一种能量存储和管理系统(ESMQ (11)，其包括耦合于车辆动力传动系统(18，26，14，24)并且配置成存储DC能量的一个或多个能量存储装置(32，34，36)；具有多个能量端口(102)的功率电子转换系统(42)，所述功率电子转换系统包括多个 DC电转换器(104，106，108)，每个DC电转换器(104，106，108)配置成提升和降低DC电压， 其中所述多个能量端口(10 的每个能耦合于所述一个或多个能量存储装置(32，34，36) 的每个；并且所述多个能量端口(102)的每个能耦合于充电系统G4)；以及控制器(46)，其配置成确定每个能量端口(10 的电压，每个能量端口(10 具有与其耦合的能量存储装置 (32，34，36)或DC充电系统(44)；并且电连接第一能量端口与所述多个能量端口(10 中的至少两个中的第二能量端口使得所述DC电转换器(104，106，108)中的至少一个基于每个能量端口(102)的确定的电压提升或降低输入DC电压。
2.如权利要求1所述的ESMS(Il)，其中所述控制器06)配置成基于每个能量端口 (102)的电测量确定所述多个能量端口(102)中的哪个具有与其耦合的DC或AC充电系统 (266,268)。
3.如权利要求2所述的ESMS(Il)，其中所述电测量包括电压测量和频率测量中的至少一个。
4.如权利要求1所述的ESMS(11)，其包括耦合于所述多个能量端口(102)的第一端口 (114)的第一能源064)和耦合于所述多个能量端口(10 的第二端口(12 的第二能源 (266)使得从所述第一能源064)和所述第二能源066)同时向所述一个或多个能量存储装置(32，34，36)提供电能。
5.如权利要求4所述的ESMS(Il)，其中所述第一能源(沈4)是整流的AC源。
6.如权利要求5所述的ESMS(ll)，其中所述第二能源(沈6)是整流的AC源、整流的DC 源和DC源中的一个。
7.如权利要求1所述的ESMS(Il)，其中所述控制器06)配置成使电能从所述第一能量端口(476)通过所述DC电转换器(104，106，108)中的至少一个的第一DC电转换器078) 传递到所述第二能量端口 072)，所述第一 DC电转换器(478)配置成降低所述输入DC电压。
8.如权利要求7所述的ESMS(Il)，其中所述控制器06)配置成使电能同时从所述第一能量端口(476)通过所述第一 DC电转换器(478)传递到配置成提升输入电压的第二能量端口(472)并且到第三能量端口。
9.如权利要求1所述的ESMS(ll)，其中所述多个DC电转换器(102)中的至少一个是降压-升压转换器。
10.如权利要求1所述的ESMS(11)，其中所述能量存储装置(32，34，36)中的一个包括能量蓄电池、动力蓄电池和超电容器中的一个。
11.如权利要求1所述的ESMS(Il)，其包括从耦合于所述ESMS(114)的能量端口的内燃机(502)的电输出。
12.如权利要求1所述的ESMS(11)，其包括耦合于传动装置(14)的内燃机(ICE) (12)， 其中所述传动装置(14)耦合于所述车辆动力传动系统的一个或多个驱动轮04)。
13.如权利要求1所述的ESMS(Il)，其中所述控制器(46)配置成确定所述多个能量端口(10 中的哪个具有与其耦合的所述一个或多个能量存储装置(32，34，36)中的一个；并且确定所述多个能量端口(10 中的哪个具有与其耦合的充电系统。
14.如权利要求1所述的ESMS(ll)，其中所述控制器06)配置成通过引导能量同时前往所述多个能量端口(10 中的第一能量端口和第二能量端口来同时对所述一个或多个能量存储装置(32，34，36)中的两个充电。
15.如权利要求1所述的ESMS(Il)，其中所述控制器06)配置成传递能量通过所述多个DC电转换器中的两个使得所述两个DC电转换器中的一个运行以提升施加于其的电压， 并且所述两个DC电转换器中的另一个运行以降低施加于其的电压。
全文摘要
本发明涉及用于对电动车辆充电的设备和方法。能量管理系统(ESMS)(11)包括耦合于车辆动力传动系统(18，26，14，24)并且配置成存储DC能量的一个或多个能量存储装置(32，34，36)；具有能量端口(102)的功率电子转换系统(42)，该功率电子转换系统包括DC电转换器(104，106，108)，每个DC电转换器(104，106，108)配置成提升和降低DC电压，其中能量端口(102)的每个能耦合于能量存储装置(32，34，36)的每个并且能量端口(102)的每个能耦合于充电系统(44)。该ESMS(11)包括控制器(46)，其配置成确定每个能量端口(102)(其具有与其耦合的能量存储装置(32，34，36)或DC充电系统(44))的电压，并且电连接第一能量端口与第二能量端口使得DC电转换器(104，106，108)中的至少一个基于每个能量端口(102)的确定的电压提升或降低输入DC电压。
文档编号B60L11/18GK102452325SQ201110381828
公开日2012年5月16日 申请日期2011年11月7日 优先权日2010年11月5日
发明者R·D·金, R·L·施泰格瓦尔德, R·S·库施 申请人:通用电气公司