利用多相电机进行双向电动车辆充电的制作方法

1.本公开总体上涉及多相电机，并且更具体地涉及使用多相电机对电动车辆进行双向充电的技术。


背景技术：

2.多相电机被用于包括电动车辆在内的各种应用。例如，电动车辆的驱动系统通常包括由直流(dc)电源(例如，主电池)驱动的交流(ac)电动马达。ac电动马达经由逆变器联接到dc电源，该逆变器执行开关功能以将dc电力转换成ac电力。dc电源是一种需要定期补充的可再充电储能设备。通常，dc电源通过使用附加的硬件(例如，整流器、变频器、保护电路等)连接到电网来充电，这通常导致电动车辆的成本和重量增加。因此，仍然需要开发其他技术来为电动车辆充电，例如通过利用多相电机。


技术实现要素：

3.根据一些实施方式，本公开提供了一种用于电动车辆中的双向充电的系统。所述系统包括多相电机以及联接到所述多相电机的控制器。所述控制器被配置为接收对从电网到电动车辆的能量流的第一请求。所述控制器还被配置为通过第一逆变器来操作所述多相电机中的第一相集合。响应于所述多相电机中的所述第一相集合被以所述电网的所述电网频率操作，所述控制器被配置为将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网。响应于将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网，所述控制器被配置为通过第二逆变器来操作所述多相电机中的第二相集合，其中所述多相电机中的所述第二相集合经由到所述多相电机中的所述第一相集合的电联接来产生能量。所述控制器还被配置为提供由所述多相电机中的所述第二相集合产生的能量，以对所述电动车辆的能量源充电。
4.根据某些实施方式，本公开提供了一种用于电动车辆中的双向充电的控制器。所述控制器包括处理器以及存储器。所述存储器包括指令，所述指令在由所述处理器执行时使所述控制器接收对从电网到电动车辆的能量流的第一请求。所述电动车辆包括多相电机。所述处理器还使所述控制器通过第一逆变器来操作所述多相电机中的第一相集合。响应于所述多相电机中的所述第一相集合被以所述电网的电网频率操作，所述处理器使所述控制器将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网。响应于将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网，所述处理器使所述控制器通过第二逆变器来操作所述多相电机中的第二相集合，其中所述多相电机中的所述第二相集合经由到所述多相电机中的所述第一相集合的电联接来产生能量。所述处理器还使所述控制器提供由所述多相电机中的所述第二相集合产生的能量，以对所述电动车辆的能量源充电。
5.根据一些实施方式，本公开提供了一种在电动车辆中进行双向充电的方法。所述方法包括：确定电动车辆与电网之间的能量流方向。所述电动车辆包括多相电机。响应于确定所述能量流方向是从所述电网到所述电动车辆，所述方法包括：通过第一逆变器来操作所述多相电机中的第一相集合。响应于所述多相电机中的所述第一相集合被以所述电网的
电网频率操作，所述方法包括：将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网。响应于将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网，所述方法包括：通过第二逆变器来操作所述多相电机中的第二相集合，其中所述多相电机中的所述第二相集合经由到所述多相电机中的所述第一相集合的电联接来产生能量。所述方法还包括：提供由所述多相电机中的所述第二相集合产生的能量，以对所述电动车辆的能量源充电。
6.在一些实施方式中，响应于确定所述能量流方向是从所述电动车辆到所述电网，所述控制器通过所述第二逆变器来操作所述多相电机中的所述第二相集合。在某些实施方式中，响应于所述多相电机中的所述第二相集合被以所述电网的所述电网频率操作，所述控制器将所述多相电机中的所述第一相集合切换到所述电网，其中所述多相电机中的所述第一相集合经由到所述多相电机中的所述第二相集合的电联接来产生能量，并且由所述多相电机中的所述第一相集合产生的能量被提供给所述电网。
7.在某些实施方式中，通过第一逆变器来操作所述多相电机中的第一相集合的步骤包括：闭合第一开关集合，以将所述多相电机中的所述第一相集合连接到所述第一逆变器。在一些实施方式中，响应于所述多相电机中的所述第一相集合被以所述电网的所述电网频率操作，通过以下方式将所述多相电机中的所述第一相集合与所述第一逆变器隔离：断开所述第一开关集合，以将所述多相电机中的所述第一相集合与所述第一逆变器断开连接。在某些实施方式中，将所述多相电机中的所述第一相集合连接到所述电网的步骤包括：闭合第二开关集合，以将所述多相电机中的所述第一相集合连接到所述电网。在一些示例中，所述多相电机是六相电机，所述第一相集合和所述第二相集合中的每一者皆为三相系统。
附图说明
8.图1是例示用于电动车辆的双向充电的系统的框图；
9.图2和图3是例示从电网向图1的电动车辆提供能量的操作的框图；
10.图4和图5是例示从图1的电动车辆向电网提供能量的操作的框图；以及
11.图6是例示操作图1的电动车辆以进行双向充电的方法的流程图。
具体实施方式
12.为了促进对本公开的原理的理解，现在参照附图中所示的实施方式，如下所述。本文公开的实施方式并非旨在穷举或将本公开限制为在以下详细描述中公开的精确形式。相反，选择和描述这些实施方式以便本领域的其他技术人员可以利用他们的教导。
13.术语“联接(couples)”、“联接(coupled)”及其变体用于包括其中两个或更多个组件直接物理接触的布置和其中两个或更多个组件彼此不直接接触(例如，这些组件至少经由第三组件“联接”)但仍然彼此协作或交互的布置。
14.在整个本公开和权利要求中，序数词(例如第一和第二)用于指代各种组件或特征。此类使用并非旨在表示组件或特征的排序。相反，序数词用于帮助读者识别所引用的组件或特征，而不应狭义地解释为提供组件或特征的特定顺序。
15.本领域的普通技术人员将认识到所提供的实施方式可以以硬件、软件、固件和/或其组合来实现。根据实施方式的编程代码可以用任何可行的编程语言来实现，例如c、c++、html、xtml、java或任何其他可行的高级编程语言，或者高级编程语言和低级编程语言的组
合。
16.电动车辆需要外部电源为其储能系统再充电(例如，车辆到电网(v2g)充电)。根据各种实施方式，提供了一种六相马达系统以通过将六相马达与三相电网同步来实现这一点。六相马达配置为两个三相级。三相级之一与系统隔离并连接到电网。三相级中的另一个置于再生模式以从马达汲取功率。这种接口方案消除了在为电动车辆充电时使用附加硬件与电网连接的需要。六相马达系统在一系列电网频率和电压下操作，这增加了电动车辆的通用性。
17.此外，六相马达系统在电动车辆的dc系统与ac电网之间提供隔离，从而减少电气放射并提高安全性。六相马达系统是双向的，允许电动车辆临时连接到电网并为其供能。在一些实施方式中，在电动车辆寿命结束时，可以将电动车辆以最小的修改转换为用于固定式储能和功率调节应用。六相马达系统通过消除附加的硬件来提供优势，从而在电动车辆中节省成本和减轻重量，同时提高电动车辆的性能和安全性。
18.现在参照图1，示出了用于双向充电的系统100的框图，包括电动车辆102和电网104(例如，3相配电网、微电网等)。电动车辆102尤其包括多相ac电机106、逆变器108、110、控制器112、dc母线114和电池组116。为了便于说明，未示出电动车辆102的其他组件(例如，变速器、制动器、车轮等)，他们的操作是本领域技术人员已知的。如本文所用，术语“电动车辆”是指部分或完全基于存储的电力来操作的任何车辆，例如纯电动车辆、混合动力电动车辆等。这样的车辆可以包括公路车辆(例如，小汽车、卡车、公共汽车等)、铁路车辆、水下船只、飞行器和其他合适的车辆。
19.根据各种实施方式，多相ac电机106是用于在电动车辆102中提供扭矩的马达。例如，电机106是六相非对称永磁同步ac马达。如本文所用，术语“ac电机”是指将电能转换为机械能或反之亦然的ac供电设备。
20.如图1所示，马达106具有六个绕组107a至107f，各个绕组与马达106的相应相位相关联。马达106被设置成两个彼此电联接的三相系统。例如，第一相集合包括绕组107a至107c，而第二相集合包括绕组107d至107f。两个相集合或绕组集合彼此偏移一相位值(例如，30度、60度等)。例如，如果该相位值为30度，则第一相集合和第二相集合本质上是不对称的。在某些实施方式中，两个单独的三相马达可用作马达106。
21.绕组107a至107f代表马达106的定子。为了便于说明，未示出马达106的定子和其他组件(例如，转子、轴等)。通常，转子安装到轴，并且转子与定子之间由气隙隔开。当用作马达时，定子利用电能使转子旋转，从而使轴旋转以提供机械能。另一方面，当用作发电机时，通过使转子旋转的外部机械力使轴旋转，从而使定子产生电能。
22.控制器112经由相应的逆变器108、110来操作马达106。例如，控制器112从马达106接收操作信号并产生控制信号来分别控制逆变器108、110的开关操作，从而控制提供给绕组107a至107f的输出(例如，电流)。
23.逆变器108、110尤其包括开关器件(例如，晶体管、二极管等)以适当地开关dc电压并向绕组107a至107f提供激励，如本领域技术人员所知。作为示例，逆变器108、110可以是脉宽调制逆变器。尽管图1将逆变器108、110示出为各自控制相应的绕组组的单独三相逆变器，但在一些实施方式中，绕组107a至107f可以通过使用单个六相逆变器来控制。在某些实施方式中，控制器112可以是逆变器108和/或逆变器110的一部分。
24.逆变器108、110经由dc母线114连接到电池组116(例如，锂离子电池组)，dc母线114包括一个或更多个dc母线电容器118。电池组116充当需要定期补充的电动车辆102的能量源。为此，将电动车辆102插入电网104的插座120，以允许能量(例如，电力)在电动车辆102与电网104之间流动。通过使用第一开关集合122和第二开关集合124，能量可以从电网104经由马达106流向电动车辆102，以及从电动车辆102经由马达106流向电网104。
25.根据一些实施方式，控制器112包括具有指令的非暂时性存储器，所述指令响应于被处理器执行而使处理器执行如本文所述的控制器112的功能。处理器、非暂时性存储器和控制器112不受具体限制并且例如可以是物理上分离的。
26.在某些实施方式中，控制器112形成处理子系统的一部分，该处理子系统包括具有存储器、处理和通信硬件的一个或更多个计算设备。例如，控制器112可以是单个设备或分布式设备，并且控制器112的功能可以由硬件执行和/或作为非暂时性计算机可读存储介质(例如非暂时性存储器)上的计算机指令来执行。
27.在一些实施方式中，控制器112包括功能上执行控制器112的操作的一个或更多个解释器、确定器、评估器、调节器和/或处理器。解释器、确定器、评估器、调节器和处理器可以用硬件实现和/或作为非暂时性计算机可读存储介质上的计算机指令来实现，并且可以跨各种硬件或基于计算机的组件来分布。
28.图2和图3是例示从电网104到电动车辆102的能量传输的框图。这表示电动车辆102的充电/再充电方案。为此，控制器112确定能量流的方向是从电网104到电动车辆102。例如，控制器112可以接收来自用户(例如，电动车辆102的操作者)的指示电池组116需要被充电的输入。作为示例，电动车辆102中的监测设备(例如，电池管理系统(bms))可以向控制器112发信号通知电池组116已经耗尽并且因此需要再充电。
29.为了开始将能量从电网104传输到电动车辆102，控制器112通过逆变器108启动马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)的操作。如图2所示，控制器112发送控制信号202以闭合第一开关集合122但断开第二开关集合124。这将马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)连接到逆变器108。控制器112操作马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)达到电网104的电网频率(例如，60hz)。在一些实施方式中，控制器112根据电网104的其他属性(例如，电压、相角等)来操作马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)。
30.当马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)以电网频率操作时，控制器112启用马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)与电网104之间经由插座120的连接。如图3所示，控制器112发送控制信号202以通过断开第一开关集合122来将马达106中的第一相集合(例如107a至107c)与逆变器108断开连接。同时，控制器112使用控制信号202通过闭合第二开关集合124将马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)连接到插座120。
31.一旦连接，电网104就为马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)提供能量，这继而经由与马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)的电联接而在马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)中产生能量。具体而言，控制器112通过逆变器110以再生模式操作马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)，以从马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)汲取功率或能量。控制器112然后将由马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)产生的能量经由dc母线114提供给电池组116以对电池组116再充电。
32.图4和图5是例示从电动车辆102到电网104的能量传输的框图。这表示用于电网
104的电网辅助和/或电网形成方案。为此，控制器112确定能量流的方向是从电动车辆102到电网104。例如，控制器112可以从电动车辆102的用户或操作者接收指示电动车辆102具有共享或贡献能量给电网104的能力的输入。
33.为了开始将能量从电动车辆102传输到电网104，控制器112通过逆变器110启动马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)的操作。如图4所示，控制器112发送控制信号202以断开第一开关集合122和第二开关集合124，与此同时操作马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)达到电网104的电网频率。在一些实施方式中，控制器112根据电网104的其他属性来操作马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)。
34.当马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)以电网频率操作时，控制器112启用马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)与电网104之间经由插座120的连接。如图5所示，控制器112发送控制信号202以通过闭合第二开关集合124将马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)连接到插座120。马达106中的第一相集合(例如107a至107c)经由与马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)的电联接来产生能量。特别地，马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)在再生模式中从马达106中的第二相集合(例如，107d至107f)汲取功率或能量。以这种方式，由马达106中的第一相集合(例如，107a至107c)产生的能量被提供或供应给电网104。
35.现在参照图6，示出了操作电动车辆(例如，102)以进行双向充电的方法600。例如，方法600由控制器(例如，112)执行。在框602，控制器确定电动车辆与电网之间的能量流的方向。电动车辆包括多相电机(例如，106)。在一些示例中，多相电机是六相电机，其具有均为三相系统的第一相集合(例如，107a至107c)和第二相集合(例如，107d至107f)。
36.在框604，响应于控制器确定能量流的方向是从电网到电动车辆(例如，控制器接收到对从电网到电动车辆的能量流的第一请求)，控制器通过第一逆变器(例如，108)操作多相电机中的第一相集合，其中多相电机中的第一相集合被以电网的电网频率操作。在一些实施方式中，通过第一逆变器操作多相电机中的第一相集合的步骤包括闭合第一开关集合(例如，122)以将多相电机中的第一相集合连接到第一逆变器。
37.在框606，响应于多相电机中的第一相集合以电网的电网频率操作，控制器将多相电机中的第一相集合切换到电网。在一些实施方式中，当多相电机中的第一相集合以电网的电网频率操作时，控制器通过断开第一开关集合来将多相电机中的第一相集合与第一逆变器隔离，以将多相电机中的第一相集合与第一逆变器断开连接。在某些实施方式中，将多相电机中的第一相集合连接到电网的步骤包括闭合第二开关集合(例如，124)以将多相电机中的第一相集合连接到电网。
38.在框608，响应于将多相电机中的第一相集合切换到电网，控制器通过第二逆变器(例如，110)来操作多相电机中的第二相集合，其中多相电机中的第二相集合经由到多相电机中的第一相集合的电联接来产生能量。在框610，控制器提供由多相电机中的第二相集合产生的能量以对电动车辆的能量源(例如，116)充电。
39.转向框612，响应于控制器确定能量流的方向是从电动车辆到电网(例如，控制器接收到对从电动车辆到电网的能量流的第二请求)，控制器通过第二逆变器(例如，110)操作多相电机中的第二相集合，其中多相电机中的第二相集合被以电网的电网频率操作。
40.在框614，响应于多相电机中的第二相集合以电网的电网频率操作，控制器将多相
电机中的第一相集合切换到电网，其中多相电机中的第一相集合经由到多相电机中的第二相集合的电联接来产生能量，然后由多相电机中的第一相集合产生的能量被提供给电网。在一些实施方式中，将多相电机中的第一相集合切换到电网的步骤包括断开第一开关集合(例如，122)以将多相电机中的第一相集合与第一逆变器(例如，108)断开连接，以及闭合第二开关集合(例如，124)以将多相电机中的第一相集合连接到电网。
41.本技术旨在涵盖利用其一般原理的本公开的任何变化、用途，以及改变。而且，本技术旨在覆盖与本公开的这些偏离，这些偏离属于本公开所属领域的已知或惯常实践，并且落入所附权利要求书的限制内。
42.此外，本文所包含的各个图中示出的连接线旨在表示各个要素之间的功能关系和/或物理联接。应注意到，在实践系统中可以存在许多另选或附加功能关系或物理连接。然而，可以导致任何益处、优点或问题的解决方案出现或变得更显著的益处、优点、解决方案以及任何要素不被视为关键的、必需的或基本的特征或要素。因此，所述范围除了所附权利要求以外不通过其它任何事物来限制，其中，除非明确地这样规定，否则按单数对要素的引用并非意指“一个且仅一个”，而是意指“一个或更多个”。
43.此外，在权利要求中使用类似于“a、b或c中的至少一个”的短语的情况下，旨在将该短语解释为意指在实施方式中可以存在单独a，在实施方式中可以存在单独b，在实施方式中可以存在单独c，或者在单个实施方式中可以存在要素a、b或c的任何组合；例如，a和b、a和c、b和c、或者a和b和c。
44.本文提供了系统、方法以及装置。在本文的详细描述中，对“一个实施方式”、“一实施方式”、“示例实施方式”等的引用表示所描述的实施方式可以包括特定特征、结构或特性，但每一个实施方式可能不必须包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不必须是指同一实施方式。而且，当一特定特征、结构、或特性结合一实施方式被描述时，所表达的是，其处于本领域技术人员的知识内，以结合无论是否明确描述的其它实施方式来实现具有本公开益处的这种特征、结构或特性。在阅读本描述之后，相关领域技术人员应当明白如何在另选实施方式中实现本公开。
45.此外，无论是否在权利要求中明确地陈述要素、组件或方法步骤，本公开中的要素、组件或方法步骤都不旨在献给公众。如本文所使用的，用语“包括”、“包含”或其任何其它变型旨在覆盖非排它性的包含，使得包括一系列要素的处理、方法、物品或装置不是仅包括那些要素，而是可以包括未明确列出的或者这种处理、方法、物品或装置固有的其它要素。