专利名称：集成式发动机驱动与电池充电系统的制作方法
技术领域：
本发明关于一种集成式发动机驱动与电池充电系统。
背景技术：
用于车辆的电动机及充电系统必须轻质、致密且方便。通常将感应发动机用于车辆。分离换流器充电系统用于自公用电源线(诸如220VAC壁式插座)对电池充电。第I示现有技术感应发动机及电池充电系统100的简图。定子120具有与中性节点125相连接的Y型连接的三组绕线120a、120b及120c。换流器150经连接于电 池105与绕线120a、120b及120c之间。通常，通过控制器(第I图中未图示)来控制换流器150以将来自电池105的直流(direct current ；DC)功率转化至用于绕线120a、120b及120c的交流(alternating current ；AC)功率，以在转子140上施加扭矩。在所述系统100中，通过连接至公用电源115的分离的AC至DC充电器110来对电池105充电。充电器110经连接横跨电池105。使用此类系统，若经集成至车辆或由车辆单独地携带，则充电器110向车辆添加额外荷重。若与车辆分离，则在方便性或及时性的充电情形下或在紧急状况下需要充电器110时，充电器110可能不存在。需要用于电动车辆的轻质且方便的充电系统。
发明内容
在一可能实施例中，提供了一种用于与电池相连接的发动机充电系统，所述发动机充电系统具有转子及定子。所述定子具有共同连接于中性节点的Y型连接的绕线。换流器经连接于电池总线与所述定子绕线之间。开关经连接于所述绕线中以便能够使所述绕线中的两组绕线自所述中性节点断开，且使所述两组绕线连接至单相交流电源连接器。在一替代实施例中，提供了一种用于与电池相连接的发动机充电系统，所述发动机充电系统具有转子及定子。所述定子具有delta H-桥连接绕线。所述delta H-桥包括位于一侧的换流器及位于另一侧的一切换构件，与此同时各组绕线经连接于换流器极开关与切换构件极开关之间。交流电源端口经连接至所述绕线，以使得当所述切换构件断开时所述交流电源端口通过所述绕线及所述换流器连接至所述电池总线。各种实施例可包括相间变压器。
参阅以上说明、随附的权利要求书及附图将更好地了解本发明的特征及优点，在图式中第I不现有技术感应发动机及电池充电系统的简图；第2示用于单相Y型连接的定子绕线的感应发动机及电池充电系统的简图；第3示用于三相delta H-桥配置的绕线的感应发动机及电池充电系统的简图；第4示用于具有相间变压器的三相delta H-桥配置的绕线的感应发动机及电池充电系统的简图；以及第5示用于三相delta H-桥配置的绕线的感应发动机及电池充电系统的简图。
具体实施例方式在各种实施例中，提供了使用集成式再充电的电池/发动机驱动。发动机可为包括感应任意三相机器且为DC无刷的。再充电源可为单相、三相或DC，使用任意电压电平，优选使用使得峰值电压小于电池电压Vbat的电压电平。在各种实施例中，可提供任何功率因子，包括I及-I (反向功率流的单位功率因子)。各种实施例的某些优点包括减小的DC总线波电流、减小的相位涟波电流、去除了相位接触器及去除了机器内部的绕线中性接合。
断开的Y型配置(第2图)第2示用于单相Y型连接的定子绕线220的感应发动机及电池充电系统200的简图。在所述实施例中，使用单相公用电源215通过绕线220来对电池205充电。双极开关210经置放于Y型连接绕线220电路以使绕线220a及220b自中性节点断开，且使绕线220a及220b通过任选的EMI滤波器212连接至公用电源215。在断开的Y型配置中，绕线220a及220b用作充电电路中的感应器。通过控制器270来控制换流器250以转换通过绕线220a及220b的AC公用电源215。在第2图中，换流器250通过二极管连接的绝缘栅双极型晶体管(Insulate GateBipolar Transistors ；IGBTs)组成,所述绝缘栅双极型晶体管通过控制器270中的栅驱动器275控制。可能存在其它换流器电路。电流传感器222a及222b可连接至绕线220，以在充电期间感测绕线220a及220b中的电流ia及ib，且在发动机操作期间判定绕线220a、220b及220c中的电流ia、ib及ic。电流传感器202感测电池总线电流ibus。控制器270亦具有用于感测横跨电池205的电压Vbat及公用电源215的电压Vab的传感器输入。在各种实施例中，控制器270监测公用电压及绕线220中的控制电流以追踪AC电压以便以单位功率因子而结束。控制器270的另一功能为监测至电池205的电流及电池205电压以调节进入电池205的电流及/或在某些情况下对电池205进行切换以调节进入电池205的电压且减小进入电池205的电流。在充电期间，可锁定转子240或将转子240固定。在发动机操作期间，切换开关210以便绕线220a、220b及220c为Y型连接，从而将公用电源215与绕线220断开。公用电源215及任选地出现于某些实施例中的EMI滤波器212可与电路200物理断开。断开的delta H-桥配置(第3图至第5图)第3示用于三相delta H-桥配置绕线450的感应发动机及电池充电系统400的简图。在所述实施例中，通过三相公用电源415通过绕线420来对电池405充电。在发动机驱动模式中，对称地操作开关450x及450y。在再充电模式中开关450y保持断开。应了解，在各种实施例中可将公用电源415及出现于某些实施例(未图示)的再充电滤波器412插/未插于用于充电/发动机驱动的电路400。因此，应该将再充电开关410置放于与再充电端口 414串联。此举提供了更多的安全性。在再充电期间(或当在端口 414处产生DC功率时)可使用任选的再充电开关410通过任选的再充电滤波器412来连接公用电源415。断开的delta H-桥配置的某些实施例的优点为，相位涟波基频为2f，且位于涟波/峰值调变电压的峰值振幅等于I。此状况与习知的I. 15形成对比。因此，某些绕线实施例中的高频AC损耗减少了 30%。总线电容器407上的基本涟波从2f增加至4f，且涟波幅度以2*sqrt3的因子减小。在某些实施例中，可使用子相位及相间变压器来替换各开关450x以提供进一步的涟波衰减。此举为某些实施例中所需要的，以便减小再充电滤波器412的尺寸。第4示用于具有相间变压器或平均变压器的三相delta H-桥配置的绕线520的感应发动机及电池充电系统500的简图。使用所述实施例，以用于发动机驱动的六步骤来操作开关550y (用于再充电模式的三态断开)。以用于发动机驱动及再充电的脉宽调变来操作开关550x。对于各子相而言，工作循环(duty cycle)长度均相同，但是相对于最近·的相邻子相而言改变了 +/-T/3。在发动机驱动模式中，与电路400(第3图)相比较，发动机绕线520上的谐波电流减小至1/9且频率增加3倍。由于谐波抵消之故，DC电压总线中的涟波电流及损耗极低。因为电压及电流接近正弦，所以发动机损耗降至最低。另外，由于减少了普通模式组件之故，CV2f损耗减少至零。在再充电模式中，通过相间变压器525a_c的谐波抵消使得最低谐波处于6f，并且电压与第3图的电路400相比较减小至1/3。同时，与第3图的电路400相比，针对给定电压涟波，电容滤波器513减小至1/27。另外，可将横跨公用电源线的大约10微法拉及100微法拉的相间电容器513添加以提供改良的谐波抵消。因此，各种实施例具有的一大优点在于，具有相对较低的涟波及相对较小的滤波器电容。在发动机较大且定子电感Ls较小的状况下，尤其如此。通常在各种实施例中，提供了用于连接至公用电源的端口 514(未图示于第5图)。另外在某些实施例中，端口 514可用于向外部装置(未图示)提供AC功率。尽管仅在第4图所图示的电路中，以六步骤来切换550y同时正弦地脉宽调变(pulse width modulation ；PWM)控制550x以生成正弦相位电流,但可能存在其它实施例。举例而言，在其它实施例中550y可“映射”操作中的550x，在施加于各绕线上的电压的基频处而非在切换频率处切换550y。使用根据断开的delta H-桥配置的各种实施例，再充电电源额定值相对于三相Y型连接电路而言可能减小了 l/sqrt3。另一方面，益处在于，在大部分再充电能量将流向的减小的功率处，磁性损耗极大地减少。随着ΛΒ减小了 l/(2*sqrt3)且f增加I倍，磁性损耗将减少至1/3以下。在各种实施例中，通过绕线的充电可能会呈现问题，所述问题包括介于绕线与发动机壳之间的电容。在所述耦接中可产生普通模式电流。一种解决方案在于，使发动机与车辆隔离以预防在车辆框架上的可引起电击危险电流。此解决方案亦可包括不导电固定件及不导电电动机轴，或与不导电固定件及不导电电动机轴相连接的耦接。在一个可能实施例中，利用不导电发动机壳来减少电容性充电的堆积。在某些实施例中，在充电期间，优选为锁定转子以维持车辆不会无意地移动。因为在电动车辆中并非总存在有离合器，可使用转子锁定机构(未图示)来锁定转子。在其它实施例中，转子可自定子退回，或在其它实施例中转子可自鼠笼的断开连接退回，例如断路的短路环。在另一实施例中，可插入屏蔽以阻塞自绕线至转子的耦接，例如充电时插于转子与定子之间的导体套管。使用通过单相发动机的绕线的充电，通常在转子上不存在净扭力而转子将来回振荡。对于三相发动机而言并非如此，因为通过绕线的充电电流将在转子上产生不定向扭力。第5示用于三相delta H-桥配置的绕线650的感应发动机及电池充电系统600的简图。在各种实施例中，除在端口 614a-c处提供AC功率之外，也可在端口 614(DC端口 614d)处提供DC功率。DC功率可用于提高再充电电源。尽管第5图中未图示，但所述实施例可包括相间变压器525 (第4图)。尽管各个实施例中并未图示各个特征，但各种实施例的特征可用于其它实施例，所述特征为例如控制器、电容滤波器、驱动器、传感器等。另外，所图示的各个特征并非为各个实施例所必需，应明确识别各个特征是否为任选的。
应注意对“一个实施例”或“一实施例”的任何提及意谓若希望则可将与实施例相结合的所述特别特征、结构或特点包括于实施例。在说明中各处所出现的用语“在一实施例中”并非一定都涉及相同的实施例。本文所提供的图解及实例用于说明目的而非意欲限制随附权利要求书的范畴。本揭示案将视为本发明的原理的例证而非意欲限制所图示实施例的本发明及/或权利要求书的精神及范畴。熟习此项技术者将对本发明进行修改用于本发明的特别应用。本专利所包括的论述意欲用作基本说明。读者应该了解特定的论述可能并不能明确描述所有可能的实施例，且读者应该了解隐含的替代实施例。同时，本论述可能并不能完全地阐释本发明的一般性质且可能并不能明确地显示各特征或各元件如何事实上可为代表性的元件或等效的元件。此外，所述状况隐含地包括于本揭示案。当以针对装置的术语说明本发明时，所述装置的各元件隐含地执行功能。同时应了解在不脱离本发明的本质的情况下可进行各种变化。此类变化亦隐含地包括于所述描述中。所述变化仍属于本发明的范畴。另外，本发明及权利要求书的各种元件中的各元件也可以各种方式达成。应理解本揭示案涵盖此类各变化，此类变化可为任何设备实施例的变体、方法实施例的变体或甚至仅仅为所述实施例的任何元件的变体。特定言之，应了解，因为本揭示案关于本发明的元件，所以甚至只要功能或结果相同，则可通过等效设备术语来表述各元件的用词。应该将此类等效、广泛或甚至更一般的术语视为涵盖于各元件或各动作的描述中。当希望将本专利所保护的隐含覆盖范围表述明确时，可替换此类术语。应了解，所有动作皆可作为用于采取所述动作的构件或作为导致所述动作的元件来表述。类似地，应该了解所揭示的各实体元件涵盖所述实体元件所促进的动作的揭示内容。应了解此类变化及替代术语明确地包括于所述描述中。已结合若干实施例说明了本发明，熟习此项技术者无疑对修改将有所了解。本文的示例性实施例并非意欲限制，而且可能存在各种配置及特征的组合。因而，除非随附的权利要求书有所要求，否则本发明并不限于所揭示的实施例。
权利要求
1.一种用于车辆的集成式电源转换系统，所述集成式发动机电源转换系统包含 a)转子； b)定子，包含共同连接于中性节点的绕线； c)换流器，连接于电池总线与所述绕线之间； d)单相交流(A/C)电源连接器；以及 e)开关，连接于所述绕线中以便能够使所述绕线中的两组绕线自所述中性节点断开，且使所述两组绕线连接至所述单相交流(A/C)电源连接器。
2.如权利要求I所述的系统，进一步包含用以抑制转子在再充电期间移动的构件。
3.如权利要求2所述的系统，其中用以抑制转子移动的所述构件包含转子阻塞机构。
4.如权利要求2所述的系统，其中用以抑制转子移动的所述构件包含用以使所述转子自所述定子内退回的构件。
5.如权利要求2所述的系统，其中用以抑制转子移动的所述构件包含用以使所述转子断路的构件。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述转子为包含短路环的鼠笼转子，且其中用以抑制转子移动的所述构件包含用以使所述短路环断路的构件。
7.如权利要求2所述的系统，其中用以抑制转子移动的所述构件包含用以抑制所述定子与所述转子之间耦接的构件。
8.如权利要求7所述的系统，其中用以抑制所述定子与所述转子之间耦接的所述构件包含介于所述定子与所述转子之间的屏蔽。
9.如权利要求7所述的系统，其中用以抑制所述定子与所述转子之间耦接的所述构件包含导电套管。
10.一种用于车辆的集成式电源转换系统，所述集成式电源转换系统包含 a)转子； b)定子，包含共同连接于中性节点的绕线； c)换流器，介于电池总线与所述定子之间； d)交流(A/C)电源连接器； e)开关，连接于所述绕线中以便能够使所述绕线自所述中性节点断开，且使所述绕线连接至用于通过所述绕线的电池充电的所述交流(A/C)电源连接器；以及f)发动机壳构件，用于在电池充电期间通过所述发动机抑制所述车辆的电容性充电。
11.如权利要求10所述的系统，其中用于抑制所述车辆的电容性充电的所述发动机壳构件包含发动机壳，所述发动机壳包含不导电材料。
12.如权利要求10所述的系统，其中用于抑制所述车辆的电容性充电的所述发动机壳构件包含不导电的发动机固定件。
13.如权利要求10所述的系统，进一步包含不导电的转子轴。
14.如权利要求10所述的系统，进一步包含不导电的转子轴耦接。
15.一种用于车辆的集成式电源转换系统，所述集成式电源转换系统包含 a)转子； b)定子,包含deltaH-桥连接的绕线,所述delta H-桥连接的绕线包含 i)换流器，包含第一套多个开关对，所述第一套多个开关对横跨电池总线连接，各绕线的第一末端经连接于各别开关对之间；以及 ii)第二套多个开关对，所述第二套多个开关对横跨与所述第一套开关并联的所述电池总线连接，各绕线的第二末端经连接于各别开关对之间；以及 C)交流(A/C)电源端口，连接至各绕线的所述第二末端。
16.如权利要求15所述的系统，进一步包含连接于所述绕线与所述换流器之间的相间变压器。
17.如权利要求15所述的系统，进一步包含连接至所述电池总线的直流电源端口。
18.一种集成式发动机及电池充电系统,所述集成式发动机及电池充电系统包含 a)转子； b)定子,包含deltaH-桥连接的绕线,所述delta H-桥连接的绕线包含 i)换流器； )切换构件，横跨与所述换流器并联的所述电池总线连接；以及 iii)所述绕线，经连接于所述换流器与所述切换构件之间；以及 c)交流(A/C)电源端口，连接至所述绕线，以使得当所述切换构件为断路时，所述交流(A/C)电源端口通过所述绕线及所述换流器连接至所述电池总线。
19.如权利要求18所述的系统，进一步包含连接于所述绕线与所述换流器之间的相间变压器。
20.如权利要求18所述的系统，进一步包含连接至所述电池总线的直流电源端口。
21.如权利要求18所述的系统，其中各绕线经连接于所述换流器的极开关与所述切换构件的极开关之间。
全文摘要
本发明在一可能实施例中提供了一种用于与电池相连接的发动机充电系统，所述发动机充电系统具有转子及定子。所述定子具有delta H-桥连接的绕线。所述delta H-桥包括位于一侧的换流器及位于另一侧的切换构件，与此同时各组绕线经连接于换流器极开关(pole switch)与切换构件极开关之间。交流电源端口经连接至所述绕线，以使得当切换构件断开时所述交流电源端口通过所述绕线及所述换流器连接至所述电池。
文档编号H02J7/02GK102844961SQ201080053715
公开日2012年12月26日 申请日期2010年11月17日 优先权日2009年11月17日
发明者沃利·埃瓦尔德·里佩尔, 斯科特·加勒特·伯曼 申请人:航空环境公司