CN102104280B - 使用共享电力电子器件进行快速充电的设备和方法 - Google Patents

使用共享电力电子器件进行快速充电的设备和方法 Download PDF

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Abstract

一种设备包括电力电子能量转换系统，该系统包括：第一能量存储装置，配置成存储DC能量；以及第一电压转换器，配置成把来自远程电源的第二电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。该设备还包括：第一控制器，配置成控制第一电压转换器将第二电压转换成第一充电电压，以及在充电操作模式期间将第一充电电压提供给第一能量存储装置，并且与定位于远离电力电子能量转换系统的第二控制器通信，以便在充电操作模式期间使第二充电电压被提供给第一能量存储装置，从而对第一能量存储装置快速充电。

Description

使用共享电力电子器件进行快速充电的设备和方法
技术领域
一般说来，本发明的实施例涉及包括混合和电动车辆的电驱动系统，更具体来说，涉及使用一个或多个附加电驱动系统的共享电力电子器件(powerelectronics)对一个电驱动系统快速充电。
背景技术
混合电动车辆可组合内燃机以及由能量存储装置、如牵引用蓄电池供电的电动机，以便推动车辆。通过使内燃机和电动机能够各自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有效率，而内燃机在恒定发动机运转的持续期中、例如在高速公路行驶中会有效率。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具有更大燃料效率。
完全电动车辆使用存储的电能向电动机供电，电动机推进车辆并且还可操作辅助驱动装置(drive)。完全电动车辆可使用一个或多个存储电能源。例如，第一存储电能源可用于提供更持久能量，而第二存储电能源可用于提供例如用于加速的较高功率能量。
无论是混合电动类型还是完全电动类型的插入式(plug-in)电动车辆配置成使用来自外部源的电能对牵引用蓄电池再充电。例如，这类车辆可包括道路和越野车辆、高尔夫球车、社区电动车辆、铲车和公用卡车等。这些车辆可使用非车载固定电池充电器、车载电池充电器或者非车载固定电池充电器和车载电池充电器的组合来将电能从公用电网或可再生能源传递到车辆的车载牵引用蓄电池。例如，插入式车辆可包括便于牵引用蓄电池从公用电网或其它外部源再充电的电路和连接。但是，电池充电电路可包括专用组件，例如升压转换器、高频滤波器、断路器、电感器以及仅专用于在车载电存储装置与外部源之间传递能量的其它电气组件。这些附加专用组件给车辆增加额外成本和重量。
另外，可用于仅使用车辆的车载电池充电电路对车载电存储装置再充电的总电流被限制到车载电池充电电路可供应的总电流。但是，车载电存储装置可设计成接受比车载电池充电电路所供应的总电流大许多的充电电流。增加车载电池充电电路所供应的总电流通常包括增加电路组件的大小和容量，这又给车辆增加附加成本和重量。
因此，希望提供便于将电能从多个外部源传递到插入式车辆的车载电存储装置的设备，该设备减少仅专用于在车载电存储装置与外部源之间传递能量的组件的数量，并且增加可用于车载电存储装置充电的总电流。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种设备包括电力电子能量转换系统，所述电力电子能量转换系统包括：第一能量存储装置，配置成存储DC能量；以及第一电压转换器，配置成把来自第一能量存储装置的所存储电压转换成配置成驱动机电装置的第一电压。第一电压转换器还配置成把来自远程电源的第二电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。该设备还包括：第一控制器，配置成控制第一电压转换器将第二电压转换成第一充电电压，以及在充电操作模式期间将第一充电电压提供给第一能量存储装置，并且与定位于远离电力电子能量转换系统的第二控制器通信，以便在充电操作模式期间使第二充电电压被提供给第一能量存储装置，从而对第一能量存储装置快速充电。
根据本发明的另一方面，一种方法包括将第一能量存储装置耦合到第一电压转换器，其中第一能量存储装置配置成存储电能，以及其中第一电压转换器配置成把来自第一能量存储装置的所存储电压转换成配置成驱动电动机的第一电压，并且把来自第一远程电源的第二电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。该方法还包括将第一控制器耦合到第一电压转换器，并且将第一控制器配置成使第一电压转换器将第二电压转换成第一充电电压以及在快速充电操作模式期间将第一充电电压提供给第一能量存储装置。该方法还包括将第一控制器配置成在快速充电操作模式期间使来自第二远程电源的第二充电电压被提供给第一能量存储装置，以便对第一能量存储装置快速充电。
根据本发明的又一方面，一种系统包括第一电力母线(bus)、第二电力母线和第一车辆。第一车辆包括：第一能量存储装置，配置成存储DC能量；第一电动机；以及第一电压转换器，配置成把来自第一能量存储装置的所存储电压转换成配置成驱动第一电动机的电动回转(motoring)电压，并且把来自第一电力母线的第一电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。第一车辆还包括：第一控制器，配置成控制第一电压转换器将第一电压转换成第一充电电压，并且将第一充电电压提供给第一能量存储装置。该系统还包括定位于远离第一车辆并且包括第二电压转换器的第一能量转换系统，所述第二电压转换器把来自第一电力母线的第一电压转换成配置成对第一车辆的第一能量存储装置充电的第二充电电压。第一能量转换系统还包括：第二控制器，配置成控制第二电压转换器将第一电压转换成第二充电电压，以及将第二充电电压提供给第二电力母线，并且与第一控制器通信以使第二充电电压从第二电力母线被提供给第一能量存储装置，从而对第一能量存储装置快速充电。
通过以下详细描述和附图，其它各种特征和优点将显而易见。
附图说明
附图示出当前预期用于实现本发明的实施例。附图中：
图1是根据本发明实施例的充电系统的示意框图。
图2是根据本发明实施例的图1中充电系统的一部分的示意图。
图3是根据本发明另一实施例的图2所示充电系统的示意图。
图4是根据本发明实施例的图1中充电系统的另一部分的示意图。
图5是根据本发明实施例的图1中充电系统的另一部分的示意图。
图6是根据本发明实施例的图1中充电系统的另一部分的示意图。
图7是根据本发明实施例的图1中充电系统的另一部分的示意图。
图8是根据本发明实施例的图7中充电单元的示意图。
图9是根据本发明实施例的图7中充电单元的示意图。
图10是根据本发明实施例的图1中充电系统的另一部分的示意图。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的充电系统2的基础设施示意框图。充电系统2示出耦合到充电站16的相应充电槽(chargingbay)或插座10、12、14的多个车辆4、6、8。在一个实施例中，充电系统2可包括如以下针对图7-9所述的非车辆充电单元18。根据本发明的实施例，车辆4-8和充电站16配置成共同协作以在车辆4-8和可选非车载充电单元18之间共享电力电子器件，以便将充电电流提供给车辆中之一、如车辆6，从而增大和增加由车辆单独生成的充电电流。
各车辆4-8包括耦合到至少一个能量存储装置22的多个电力电子器件20。在车辆4-8的操作期间，控制器24使来自能量存储装置22的DC电压被修改并且在电动回转操作模式期间被传送给机械耦合到一个或多个驱动轮或车轴(axle)28的机电装置或电动机26。在另一实施例中，来自能量存储装置22的DC电压可被修改并且被传送给另一负载(未示出)，例如空调压缩机、风扇、泵或其它辅助驱动装置。
车辆4-8可包括AC电动机26，并且控制器24配置成使来自能量存储装置22的DC电压经由电力电子器件20转化成AC电压供传送给电动机26。在这个实施例中，例如，车辆4-8可以是道路和越野车辆或者公用卡车。在另一实施例中，车辆4-8可包括DC电动机26，并且控制器24配置成在电动回转操作模式期间使来自能量存储装置22的DC电压经由电力电子器件20转换成可变DC电压供传送给电动机26。在这个实施例中，例如，车辆4-8可以是叉车、高尔夫球车或者社区电动车辆。
当车辆4-8停放或者未使用时，可能希望将车辆插入例如公用电网或者插入可再生能源，以便对能量存储装置22进行补充或再充电。相应地，车辆4-8可经由包括配套(mating)触点32、34的连接系统30耦合到充电站16。充电站16包括配置成向车辆4-8的电力电子器件20供应或提供电力的电力母线36。在一个实施例中，电力母线36是例如公用电网的3相AC电力母线。但是，预期电力母线36可包括任何数量的相位，并且可供应或接收AC或DC电力。
根据本发明的实施例，充电站16包括配置成增大和增加由耦合到充电站16的车辆中之一生成的充电电流的共享DC电压母线38。充电站16还包括控制器40，控制器40耦合到在充电站16可用的各充电槽10、12、14的多个接触器组42、44、46。在一个实施例中，各接触器组42-46具有耦合到共享DC电压母线38的接触器对48、50以及耦合到电力母线36的多个接触器52、54、56。控制器40配置成控制接触器48-56并且与各车辆控制器24进行通信，以便指导和控制对耦合到充电站16的车辆的充电。在一个实施例中，控制器40配置成在电力母线36上经由电力线路通信与各车辆控制器24通信。但是，本文中还预期其它通信模式，例如无线通信或者经由专用通信线路的通信。
如图1所示，车辆4-8耦合到充电站16。根据所示实施例，车辆4和8正使用其电力电子器件20把来自电力母线36的电力提供到共享DC电压母线38，使得可增大提供给车辆6中能量存储装置22的充电电力。也就是说，当车辆6从电力母线36取出电力供转换成提供给其能量存储装置22的充电电力时，由车辆4和8所提供和控制的附加充电电力也经由共享DC电压母线38提供给能量存储装置22，并且可相应地对车辆6的能量存储装置22快速充电。
在一个实施例中，车辆主人用于插入充电站16并且从其取出充电电力的费用可根据预期充电模式等级按单位充电改变。例如，充电站16可配置成允许选择快速/共享充电模式、非快速/非共享充电模式和非快速/共享充电模式。
在快速/共享充电模式中，车辆连接到充电站16，并且等待其给其能量存储装置22快速充电的时机。在这种模式中，相应接触器48、50闭合，使得车辆的充电母线可耦合到共享DC电压母线38。当车辆正等待其快速充电的时机时并且其时机已完成后，其电力电子器件20与其它车辆共享，其它车辆经由相应接触器48、50耦合到充电站16以对当前被允许给其能量存储装置22快速充电的另一车辆充电。
在非快速/非共享充电模式中，车辆连接到充电站16，并且开始仅从车辆的车载电力电子器件20对其能量存储装置22充电，而没有将其能量存储装置连接到共享DC电压母线38。也就是说，在这种充电模式中，相应接触器48、50保持断开，并且车辆的能量存储装置22仅经由车辆的车载电力电子器件20进行充电。
在非快速/共享充电模式中，车辆连接到充电站16，并且相应接触器48、50闭合，使得车辆的充电母线可耦合到共享DC电压母线38。在这种充电模式中，车辆在另一车辆正对其能量存储装置22快速充电的同时参与电力电子器件共享。但是，如果没有其它车辆处于快速充电模式，则车辆从共享DC电压母线38断开，并且车辆的电力电子器件20用于仅经由车辆的车载电力电子器件20对车辆的能量存储装置22充电。当另一车辆在后来进入快速充电模式时，车辆在这个时期再次参与电力电子器件共享。
根据一个实施例，快速/共享充电模式可对车辆主人/操作人员产生每充电单位最高费用，而非快速/共享充电模式可对车辆主人/操作人员产生每充电单位最低费用。因此，例如对于以快速/共享充电模式对车辆能量存储装置22快速充电的能力，可按保险费率(premiumrate)对车辆主人/操作人员计费，而例如对于以非快速/共享充电模式对共享车辆电力电子器件20，可按降低费率对车辆主人/操作人员计费。对于非快速/非共享充电模式，可按例如保险费率与降低费率之间的某个费率对车辆主人/操作人员计费。关于选择哪种充电模式的决定可由车辆主人/操作人员根据能量存储装置22接收快速充电的需要以及充电模式之间的比较费用来进行。
图2是根据本发明实施例的图1中充电系统2的一部分的示意图。图2示出各车辆4、6的示范示意图。各车辆4、6包括牵引系统58，牵引系统58包括能量存储装置22和电力电子器件20。电力电子器件20包括经由DC母线62耦合到能量存储装置22的双向DC-AC电压逆变器60。在一个实施例中，能量存储装置22是高电压能量存储装置，并且可以是蓄电池、飞轮系统、燃料电池、超级电容器等。DC链路滤波电容器64耦合在DC母线62两端，以便对DC母线62上的高频电流进行滤波。耦合到DC母线62的接触器66允许能量存储装置22从DC母线62去耦合(decouple)。双向DC-AC电压逆变器60是电压转换器，并且包括六个半相(halfphase)模块68、70、72、74、76和78，它们组对以形成三相80、82和84。各相80、82、84耦合到DC母线62的导体对86、88。
电动机26耦合到双向DC-AC电压逆变器60。在一个实施例中，电动机26是牵引电动机，它机械耦合到一个或多个驱动轮或车轴28(图1所示)或者包括起重机、升降机或提升机的其它电气设备。机电装置26包括耦合到双向DC-AC电压逆变器60的相应相80、82、84的多个绕组90、92和94。绕组90-94还耦合在一起以形成结点(node)96。在能量存储装置22经由充电站16的充电期间并且在接收到来自控制器40的充电模式的传递和确认之后，控制器24使多个接触器98、100、102分别将绕组90-94从双向DC-AC电压逆变器60去耦合，使得电动机26保持未加电。
控制器24经由多条线路104耦合到半相模块68-78。在车辆4、6处于非充电模式的使用期间，控制器24应用半相模块68-78的适当控制，并且控制双向DC-AC电压逆变器60将DC总线62上的DC电压或电流转换成AC电压或电流以供应给绕组90-94。相应地，来自能量存储装置22的DC电压或电流可转换成AC电压或电流，并且传送给电动机26以驱动轮28。在其它非车辆推动系统中，驱动轮28可以是其它类型的负载(未示出)，包括泵、风扇、绞车、起重机、升降机或其它电动机驱动负载。在再生制动模式中，机电装置26可作为发电机(generator)进行操作以使轮28制动或者对于非车辆推动系统使其它类型的负载制动，并且向双向DC-AC电压逆变器60提供AC电压或电流供转化成到DC母线62上的适合对能量存储装置22再充电的DC电压或电流。
接触器48、50在将车辆4、6耦合到充电站16之前处于断开状态。取决于控制器40与车辆4、6的控制器24之间的通信介质，接触器52-56可处于断开或闭合状态。例如，如果控制器40和车辆4、6的控制器24配置成通过电力线路通信，则接触器52-56可处于闭合状态，以便当车辆4、6耦合到充电站16时允许这类通信。但是，如果控制器40和车辆4、6的控制器24配置成经由不同通信模式通信，则接触器52-56可处于断开状态。可在闭合接触器52-56之前将接触器98-102置于断开状态，使得电动机26在如上所述连接到充电站16期间保持未加电。
当车辆、如车辆6插入或耦合到充电站16时，控制器40建立与车辆6中控制器24的通信，以便确定预期充电模式和其它参数。其它参数可包括例如能量存储装置22的DC标称电压是否在给定阈值之内以及在充电站16的最小和最大电压极限之内。如果预期充电模式包括共享电力电子器件并且另一车辆处于快速充电模式，则控制器40闭合接触器48、50，并且与车辆6的控制器24通信，车辆6的电力电子器件20应当转换来自电力母线36的电力以便将电力提供给共享DC电压母线38。如果预期充电模式包括对车辆6的能量存储装置22快速充电，则控制器40在车辆6可能闭合接触器66以开始对车辆6中能量存储装置22的快速充电时与车辆6的控制器24通信。
其它参数还可包括当前被充电的能量存储装置22的状态。例如，车辆6的控制器24可配置成使用已知算法监测能量存储装置22，以便防止过度充电等。在另一实施例中，车辆6的控制器24可配置成通过控制器40将命令传递给其它车辆的控制器24。这些命令可以是例如供其它车辆开始使共享DC电压母线38上的电流斜升(ramp)、将共享DC电压母线38上的电流保持在当前值或者将共享DC电压总线38上的电流降低某个δ量(deltaamount)的命令。
控制器24配置成控制半相模块68-78，以便升高从电力母线36向其供应的电力的电压，使得充电电力可提供给能量存储装置22或者提供给共享DC电压母线38，充电电力是比可通过来自电力母线36的电力在未进行升压情况下的简单全波整流而容许的电压更高的电压。相应半相模块对68-70、72-74、76-78与多个相应电感器106、108、110共同形成各个升压转换器，升压转换器进行操作以升高从电力母线36向其供应的电力的电流和/或电压。在一个实施例中，电感器106-110是位于充电站16的高频电感器组件，并且对于车辆4、6是非车载的。在另一个实施例中，电感器106-110表示电力母线36的线路变压器的漏电感。
当一个或多个车辆、如车辆6和/或车辆8用于与车辆6的电力电子器件20共享其电力电子器件20以对车辆6的能量存储装置22快速充电时，双向DC-AC电压逆变器60本质上并行操作。
在充电完成之后或者当车辆操作人员希望从充电站16拔出车辆时，控制器40与车辆、如车辆6的控制器24建立握手通信，以便确认该车辆处于非充电模式并且该车辆与充电站16断开。在一个实施例中，例如，仅在相应充电槽10-14的接触器48-56已经断开之后并且在触点32、34已经解锁之后，才可使连接系统30的触点32、34脱离。车辆、连接系统30或充电站16上的指示器(未示出)可指示连接系统30的锁定/解锁状态。
图3是根据本发明另一实施例的图2所示充电系统的示意图。除了针对图2所示的之外，充电站16还包括用于在充电站16可用的各充电槽10、12的多相变压器112、114。多相变压器112、114提供电力电子器件20与电力母线36的电隔离。另外，双向DC-AC电压逆变器60经由接触器48、50的输出并行工作，而从并行操作去除经由接触器52-56至双向DC-AC电压逆变器60的输入。虽然示出Y-Δ(wye-delta)三相变压器，但是预期其它布置(例如Z字形绕组布置)可用于实现备选的波形相移，以便减小公用电网上的谐波电流。多相变压器112、114还允许选择最需要的AC电压来给电力电子器件20馈电。
车辆4、6还包括充电电阻器116和充电接触器118。在本发明的实施例中，充电接触器118可闭合，以便当能量存储装置22的电压在能量存储装置22的初始充电期间低于预定阈值时限制流入能量存储装置22的电流。
图4示出根据本发明另一实施例的车辆6的牵引系统120的示意图。适当时将相对于相同参考标号论述牵引系统58和120共同的要素和组件。除了与牵引系统58共同的组件之外，牵引系统120还包括第二能量存储装置122，第二能量存储装置122耦合到DC母线62以将电力提供给双向DC-AC电压逆变器60，从而驱动电动机26和轮28(图1所示)。在一个实施例中，第二能量存储装置122是低电压能量存储装置，并且可以是蓄电池、燃料电池、超级电容器等。第一能量存储装置22可配置成提供比第二能量存储装置122更高的电力，以便在例如车辆的加速期期间提供电力。第二能量存储装置122可配置成提供比第一能量存储装置22更高的能量，以便向车辆提供更持久电力从而增加其行驶距离。如图4所示，在一个实施例中，第一能量存储装置22是超级电容器。
多个双向DC-DC电压转换器124、126、128配置成将一个DC电压转换成另一个DC电压。双向DC-DC电压转换器124-128可经由与接触器132耦合的结点130耦合到第二能量存储装置122，并且耦合到DC母线62。每个双向DC-DC电压转换器124-128包括耦合到半相模块对136、138的电感器134。为了便于说明，半相模块136、138示为包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。但是，本发明的实施例并不局限于IGBT。可使用任何适当的电子开关，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET、双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体可控闸流管(MCT)。
控制器24经由线路104耦合到双向DC-DC电压转换器124-128，并且经由第二能量存储装置122提供的能量通过控制双向DC-DC电压转换器124-128来升高，以便向DC母线62提供更高电压。经由第二能量存储装置122提供到DC母线62的能量经由双向DC-AC电压逆变器60进行转化，并且被提供给电动机机电装置26。类似地，在再生制动模式期间所生成的能量也可用于经由双向DC-AC电压逆变器60并且经由双向DC-DC电压转换器124-128的抵偿(bucking)控制来对第二能量存储装置122再充电。
如图4所示，车辆6的双向DC-AC电压逆变器60没有直接并联地耦合到第二能量存储装置122。而是如上所述，提供到DC母线62以对第二能量存储装置122充电的电力经由双向DC-DC电压转换器124-128的抵偿控制来控制。在本发明的实施例中，第二能量存储装置122的电压容量低于电力母线36上电压的整流电压。相应地，双向DC-AC电压逆变器60无需升高电力母线36上的电压，而是可用于简单地对电力母线电压整流。也就是说，半相模块68-78中的开关在使用充电站16对第二能量存储装置122的充电操作中无需经由控制器24来切换或控制。虽然双向DC-AC电压逆变器60无需升高电力母线36上的电压，但仍然可控制它来进行这种操作。另外，例如图3中所示多相变压器112的隔离或多相变压器可按如上所述与图4所示的充电站16配合使用。如果没有使用半相模块68-78的切换控制而使得来自电力母线36的电流没有经由切换控制来整形，则可通过采用隔离变压器的各种相移布置来减小谐波以取消谐波电流。
为了对第二能量存储装置122快速充电，控制器24和40可共同协作以闭合接触器48、50以及牵引系统120中耦合到第二能量存储装置122的接触器132，使得例如从其它车辆或者从非车辆充电单元18所提供的来自共享DC电压母线38的电流可与双向DC-DC电压转换器124-128所提供的充电电流相结合。控制器24和40还可共同协作以闭合接触器48、50而断开接触器132，使得车辆6可共享其电力电子器件20以便对耦合到充电站16的另一车辆的能量存储装置快速充电。
图5示出根据本发明另一实施例的车辆6的牵引系统120的示意图。如图5所示，第一能量存储装置22是例如以上所述的蓄电池、燃料电池等的高电压能量存储装置，并且具有比电力母线36上电压的整流电压更高的电压容量。在实施例中，第二能量存储装置122可配置成具有功率极限，该功率极限不允许如以上针对图4所述的高功率快速充电。在这个实施例中，通过共享DC电压母线38供应给车辆6的充电电流经由双向DC-DC电压转换器124-128的升压控制，连同经由双向DC-AC电压逆变器60的相位80-84的升压控制提供给DC母线62的充电电流一起，被引导到车辆6的DC母线62。DC母线62上的充电电流通过接触器66被引导到能量存储装置22，以便对能量存储装置22快速充电。这样，牵引系统120的六个通道可用于对能量存储装置22快速充电。在一个实施例中，第二能量存储装置122的充电可通过下列步骤来实现：断开接触器48、50，闭合接触器132，以及抵偿通过能量存储装置22向其供应或者通过对来自电力母线36的电力的整流向其供应的DC母线62上充电电流。
图6示出根据本发明另一个实施例的图5中牵引系统120的示意图。接触器140耦合到结点142，结点142耦合在第二能量存储装置122与接触器132之间。如图所示，双向DC-DC电压转换器128耦合到结点142，而双向DC-DC电压转换器124、126保持与结点130耦合。
在这个实施例中，能够经由牵引系统120的六个通道对能量存储装置22充电，如以上针对图5所述。也就是说，通过断开接触器140并且通过闭合接触器132，双向DC-DC电压转换器124-128和双向DC-AC电压逆变器60的相位80-84可在升压模式中进行控制，以便经由DC母线62和接触器66向能量存储装置22提供充电电流。
备选地，能够经由牵引系统120的五个通道向能量存储装置22充电，同时经由牵引系统120的一个通道对第二能量存储装置122充电。也就是说，控制器24可断开接触器132，并且使双向DC-DC电压转换器124-126和双向DC-AC电压逆变器60的相位80-84处于升压模式以向DC母线62提供充电电流。控制器24则可闭合接触器66，以便控制能量存储装置22的快速充电。另外，控制器24还可闭合接触器140，并且在抵偿模式中控制双向DC-DC电压转换器128，以便对第二能量存储装置122充电。
图7是根据本发明实施例的图1中充电系统2的另一部分的示意图。图7示出车辆6和非车辆充电单元18的示范示意图。充电单元18包括AC-DC电压逆变器144，AC-DC电压逆变器144可经由DC母线146并经由接触器48、50耦合到共享DC电压母线。DC链路滤波电容器148耦合在DC总线146两端。AC-DC电压逆变器144包括六个半相模块150、152、154、156、158和160，它们组对以形成三相162、164和166。各相162、164、166耦合到DC母线146的导体对168、170。控制器172经由多条线路174耦合到半相模块150-160，并且连同多个相应电感器176、178、180一起控制相应半相模块对150-152、154-156、158-160，以便升高从电力母线36向其供应的电力的电流和/或电压。在一个实施例中，电感器176-180是位于充电系统16中的高频电感器组件。在另一个实施例中，电感器176-180表示电力母线36的线路变压器的漏电感。
充电单元18可包含在充电系统2中，以便进一步增加对单个车辆快速充电可用的电力。另外，充电单元18允许以比从车辆6的车载电力电子器件20可用的更高功率等级对能量存储装置22快速充电，即使在没有其它车辆耦合到充电站16或者没有其它车辆配置成共享其电力电子器件时。与通过使用独占非车载电力电子器件进行快速充电相比，将车辆6的车载电力电子器件20与充电单元18的电力电子器件进行组合允许从较低费用、较低额定功率的非车载充电器对车辆6的能量存储装置22快速充电。例如，如果车辆6的车载功率电子器件20额定为99kW并且充电单元18的非车载电力电子器件额定为100kW，则可给车辆6的能量存储装置22提供199kW的快速充电电力。如果两个其它车辆、如车辆4和8也耦合到充电站16并且配置成共享其各自额定为99kW的电力电子器件20，则可给车辆6的能量存储装置22提供397kW的快速充电电力。这个示例中指定的额定功率只是示范性的，并且预期其它额定功率。例如，可设计充电单元18使得其电力电子器件额定为高于100kW。充电单元18的额定功率设计可部分基于构造充电系统2的复杂度和成本。
图8是根据本发明另一个实施例的图7中充电单元18的示意图。适当时将相对于相同参考标号论述图7和图8所示充电单元18共同的要素和组件。除了与图7的充电单元18共同的组件之外，图8的充电单元18还包括可经由接触器186耦合到DC母线184的能量存储装置182。能量存储装置182配置成向共享DC电压母线38提供附加电力。在一个实施例中，能量存储装置182是高电压能量存储装置，并且可以是蓄电池、飞轮系统、燃料电池、超级电容器等。
多个双向DC-DC电压转换器188、190、192配置成将一个DC电压转换成另一个DC电压。双向DC-DC电压转换器188-192耦合到DC母线184，并且可经由接触器186耦合到能量存储装置182。每个双向DC-DC电压转换器188-192包括电感器194，电感器194耦合到半相模块对196、198。为了便于说明，半相模块196、198示为包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。但是，本发明的实施例并不局限于IGBT。可使用任何适当的电子开关，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET、双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体可控闸流管(MCT)。双向DC-DC电压转换器188-192可经由接触器200耦合到接触器50，并且DC母线146可经由接触器202耦合到接触器50。接触器204配置成将DC母线146耦合到DC母线184。另外，控制器172经由线路174耦合到双向DC-DC电压转换器188-192。
能量存储装置182允许以比单独从AC-DC电压逆变器144可用的更高功率等级对车辆能量存储装置、如车辆6的能量存储装置22快速充电。在使用AC-DC电压逆变器144和能量存储装置182的车辆充电操作期间，控制器172使接触器204断开，并且使接触器186、200和202闭合。然后，控制器172连同电感器176-180一起控制相应半相模块对150-152、154-156、158-160，以便升高从电力母线36向其供应的电力的电流和/或电压，并且将升高的电流/电压传送到共享DC电压母线38。另外，控制器172控制双向DC-DC电压转换器188-192以抵偿来自能量存储装置182的电压，并且将升高的电流传送到共享DC电压母线38。可独立控制DC母线146和DC母线184，以便向共享DC电压母线38提供能量。
可通过闭合接触器186、204并且通过断开接触器200、202，对能量存储装置182充电。这样，控制器172连同电感器176-180一起控制相应半相模块对150-152、154-156、158-160，以便升高从电力母线36向其供应的电力的电压，并且将升高的电压传送给能量存储装置182。在本发明的实施例中，对能量存储装置182的充电可在例如对电力母线36上电力的低需要和低成本时段期间执行。能量存储装置182可用于增大在高需要或高成本的时段期间、例如在高温期期间经由AC-DC电压逆变器144提供到共享DC电压母线38的电力。
图9是根据本发明另一个实施例的图8中充电单元18的示意图。适当时将相对于相同参考标号论述图7-9所示充电单元18共同的要素和组件。除了与图7和图8的充电单元18共同的组件之外，图9的充电单元18还包括可经由接触器208耦合到双向DC-DC电压转换器192的第二能量存储装置206。在一个实施例中，第二能量存储装置206是低电压能量存储装置，并且可以是蓄电池、燃料电池、超级电容器等。能量存储装置182可配置成提供比第二能量存储装置206更高的电力。第二能量存储装置206可配置成提供比能量存储装置182更高的能量。双向DC-DC电压转换器188、190可经由接触器210耦合到接触器50。
第二能量存储装置206允许以比从AC-DC电压逆变器144和能量存储装置182可用的更高功率等级对车辆能量存储装置、如车辆6的能量存储装置22快速充电。在使用AC-DC电压逆变器144、能量存储装置182和第二能量存储装置206的车辆充电操作期间，控制器172使接触器204断开，并且使接触器186、202、208和210闭合。然后，控制器172连同电感器176-180一起控制相应半相模块对150-152、154-156、158-160，以便升高从电力母线36向其供应的电力的电压，并且将升高的电压传送到共享DC电压母线38。控制器172控制双向DC-DC电压转换器192以升高来自第二能量存储装置206的电压，并且将升高的电压传送到DC母线184。控制器172还控制双向DC-DC电压转换器188-190以抵偿来自能量存储装置182的电压和来自第二能量存储装置206的升高电压，并且将升高的电流/电压传送到共享DC电压母线38。可独立控制DC母线146和DC母线184，以便向共享DC电压母线38提供能量。另外，可独立控制接触器186、208和双向DC-DC电压转换器188-190，以便转换来自能量存储装置182或者第二能量存储装置206的能量，供传送到共享DC电压母线38。
可通过闭合接触器204、208并且通过断开接触器186、202、210，对第二能量存储装置206充电。这样，控制器172连同电感器176-180一起控制相应半相模块对150-152、154-156、158-160，以便升高从电力母线36向其供应的电力的电流和/或电压，并且将升高的电压传送到DC母线184。从DC母线84，经由双向DC-DC电压转换器192的抵偿控制将电流/电压提供给第二能量存储装置206。在本发明的另一个实施例中，对能量存储装置182的充电可在例如对电力母线36上电力的低需求和低成本时段期间执行。能量存储装置182可用于增大在高需求或高成本的时段期间、例如在高温期期间经由AC-DC电压逆变器144提供到共享DC电压母线38的电力。控制器172可断开接触器202、204、210并闭合接触器186、208，并且控制双向DC-DC电压转换器192以抵偿从能量存储装置182提供到DC母线184的能量。
图10是根据本发明另一个实施例的充电系统2的示意框图。如图10所示，接触器组42、44定位在车辆4、6上。根据一个实施例，车辆4、6的控制器24配置成控制接触器48-56，并且经由电力母线36上的电力线路通信或者经由如上所述的其它通信模式相互通信。这样，充电站16仅提供到电力母线36和共享DC电压母线38的连接供充电、快速充电和共享车辆4、6之间的电力电子器件20。车辆4、6的控制器24配置成针对快速充电及它们之间的电力电子器件共享相互通信。虽然图10中仅示出车辆4和6，但是预期两个以上车辆可按照所示方式进行配置并且耦合在一起。
图10还示出与车辆4、6耦合的连接系统30的实施例。这样，耦合到配套触点34并且将各车辆4、6耦合到充电站16的接电绳或系绳212可从充电站16延伸并且由充电站16供应而不是设置在车辆4、6上，以便减少车辆4、6的成本和/或重量。
因此，本发明的实施例使用已经在牵引控制系统上的例如逆变器和转换器的组件对牵引控制系统的一个或多个能量存储装置充电，并且向共享模式中的其它牵引控制系统提供充电电流。这样，这些组件可用于对能量存储装置进行监测和再充电的双重目的。使用一个或多个车辆的车载组件对另一个车辆的能量存储装置快速充电允许非车载充电站具有简单的低成本设计。另外，充电可按照节省费用的定价计划来组织，使得当选择共享其它车辆的车辆电力电子器件的选项时，充电变得更具成本效益。因此，车载能量存储装置的快速、迅速充电可通过车辆电力电子器件共享来实现，使得与构建成为单独快速充电而提供高级别电流和电力的非车载充电站相比，非车载充电站可按照更具成本效益的方式构成和操作。
所公开设备的技术贡献在于，它提供通过使用一个或多个附加电驱动系统的共享电力电子器件来对一个电驱动系统快速充电的控制器实现技术。
根据本发明的一个实施例，一种设备包括电力电子能量转换系统，该系统包括：第一能量存储装置，配置成存储DC能量；以及第一电压转换器，配置成把来自第一能量存储装置的所存储电压转换成配置成驱动机电装置的第一电压。第一电压转换器还配置成把来自远程电源的第二电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。该设备还包括：第一控制器，配置成控制第一电压转换器将第二电压转换成第一充电电压，以及在充电操作模式期间将第一充电电压提供给第一能量存储装置，并且与定位于远离电力电子能量转换系统的第二控制器通信，以便在充电操作模式期间使第二充电电压被提供给第一能量存储装置，从而对第一能量存储装置快速充电。
根据本发明的另一个实施例，一种方法包括将第一能量存储装置耦合到第一电压转换器，其中第一能量存储装置配置成存储电能，以及其中第一电压转换器配置成把来自第一能量存储装置的所存储电压转换成配置成驱动电动机的第一电压，并且把来自第一远程电源的第二电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。该方法还包括将第一控制器耦合到第一电压转换器，并且将第一控制器配置成使第一电压转换器将第二电压转换成第一充电电压，以及在快速充电操作模式期间将第一充电电压提供给第一能量存储装置。该方法还包括将第一控制器配置成在快速充电操作模式期间使来自第二远程电源的第二充电电压被提供给第一能量存储装置，以便对第一能量存储装置快速充电。
根据本发明的又一个实施例，一种系统包括第一电力母线、第二电力母线和第一车辆。第一车辆包括：第一能量存储装置，配置成存储DC能量；第一电动机；以及第一电压转换器，配置成把来自第一能量存储装置的所存储电压转换成配置成驱动第一电动机的电动回转电压，并且把来自第一电力母线的第一电压转换成配置成对第一能量存储装置充电的第一充电电压。第一车辆还包括：第一控制器，配置成控制第一电压转换器将第一电压转换成第一充电电压，并且将第一充电电压提供给第一能量存储装置。该系统还包括：第一能量转换系统，定位于远离第一车辆并且包括第二电压转换器，第二电压转换器配置成把来自第一电力母线的第一电压转换成配置成对第一车辆的第一能量存储装置充电的第二充电电压。第一能量转换系统还包括：第二控制器，配置成控制第二电压转换器将第一电压转换成第二充电电压，以及将第二充电电压提供给第二电力母线，并且与第一控制器通信以使第二充电电压从第二电力母线被提供给第一能量存储装置，从而对第一能量存储装置快速充电。
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公开的实施例。相反，可修改本发明以结合前面没有描述的任何数量的变化、变更、替换或等效配置，但它们与本发明的精神和范围一致。另外，虽然已经描述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。因此，本发明不能被看作受到以上描述限制，而仅由所附权利要求书的范围来限制。
部件清单
2充电系统
4多个车辆
6多个车辆
8多个车辆
10相应充电槽或插座
12相应充电槽或插座
14相应充电槽或插座
16充电站
18非车辆充电单元
20多个电力电子器件
22至少一个能量存储装置
24控制器
26机电装置或电动机
28机械耦合到一个或多个驱动轮或车轴
30连接系统
32包括配套触点
34包括配套触点
36电力母线
38共享DC电池母线
40控制器
42多个接触器组
44多个接触器组
46多个接触器组
48接触器对
50接触器对
52多个接触器
54多个接触器
56多个接触器
58牵引系统
60双向DC-AC电压逆变器
62DC母线
64DC链路滤波电容器
66接触器
68包括六个半相模块
70包括六个半相模块
72包括六个半相模块
74包括六个半相模块
76包括六个半相模块
78包括六个半相模块
80组对以形成三相
82组对以形成三相
84组对以形成三相
86导体对
88导体对
90多个绕组
92多个绕组
94多个绕组
96结点
98多个接触器
100多个接触器
102多个接触器
104多条线路
106多个相应电感器
108多个相应电感器
110多个相应电感器
112多相变压器
114多相变压器
116充电电阻器
118充电接触器
120牵引系统
122第二能量存储装置
124多个双向DC-DC电压转换器
126多个双向DC-DC电压转换器
128多个双向DC-DC电压转换器
130结点
132接触器
134电感器
136半相模块对
138半相模块对
140接触器
142结点
144AC-DC电压逆变器
146DC母线
148DC链路滤波电容器
150包括六个半相模块
152包括六个半相模块
154包括六个半相模块
156包括六个半相模块
158包括六个半相模块
160包括六个半相模块
162组对以形成三相
164组对以形成三相
166组对以形成三相
168导体对
170导体对
172控制器
174多条线路
176多个相应电感器
178多个相应电感器
180多个相应电感器
182能量存储装置
184DC母线
186接触器
188多个双向DC-DC电压转换器
190多个双向DC-DC电压转换器
192多个双向DC-DC电压转换器
194电感器
196半相模块对
198半相模块对
200接触器
202接触器
204接触器
206第二能量存储装置
208接触器
210接触器
212系绳

Claims (10)

1.一种充电设备，包括：
电力电子能量转换系统，所述电力电子能量转换系统位于第一电动汽车内，所述电力电子能量转换系统包括：
第一能量存储装置，配置成存储DC能量；
第一电压转换器，配置成：
把来自所述第一能量存储装置的所存储电压转换成驱动机电装置的第一电压；并且
把来自远程电源的第二电压转换成配置成对所述第一能量存储装置充电的第一充电电压；以及
第一控制器，配置成：
控制所述第一电压转换器将所述第二电压转换成所述第一充电电压，并且在充电操作模式期间将所述第一充电电压提供给所述第一能量存储装置；并且
与定位于远离所述电力电子能量转换系统的至少一个第二控制器通信，所述的第二控制器配置成控制电压逆变器把来自所述远程电源的第二电压转换成对所述第一能量存储装置充电的第二充电电压，所述的第二充电电压经由共享母线和与所述的共享母线可连接地耦合的所述电力电子能量转换系统传输至所述第一能量存储装置；所述的第二控制器位于第二电动汽车内，所述的第二电动汽车还包括至少一个能量存储装置，所述的电压逆变器和所述的能量存储装置电耦合；
其中，所述的第一充电电压和第二充电电压以高于所述第一电压转换器额定功率的充电功率对所述第一能量存储装置快速充电。
2.如权利要求1所述的充电设备，其中，所述第一控制器还配置成：
控制所述第一电压转换器在共享操作模式期间将所述第二电压转换成共享充电电压，并且将所述共享充电电压提供给第二能量存储装置，所述第二能量存储装置定位于远离所述电力电子能量转换系统并且经由共享电压母线耦合到所述电力电子能量转换系统。
3.如权利要求1所述的充电设备，其中，所述电力电子能量转换系统还包括：
第二能量存储装置，配置成存储DC能量；
第二电压转换器，配置成把来自所述第二能量存储装置的所存储电压转换成第三电压；以及
其中，所述第一控制器还配置成将所述第三电压转换成所述第一电压。
4.如权利要求3所述的充电设备，其中，所述第一控制器还配置成：
控制所述第二电压转换器将所述第一充电电压转换成第二充电电压，并且在所述充电操作模式期间将所述第二充电电压提供给所述第二能量存储装置；以及
控制所述第二电压转换器在共享操作模式期间将所述第一充电电压转换成共享充电电压，并且将所述共享充电电压提供给第三能量存储装置，所述第三能量存储装置定位于远离所述电力电子能量转换系统并且经由共享电压母线耦合到所述电力电子能量转换系统。
5.如权利要求1所述的充电设备，其中，所述电力电子能量转换系统还包括：
充电电阻器；
充电接触器，耦合到所述充电电阻器；以及
其中，所述第一控制器还配置成控制所述充电接触器使得引导电流在流入所述第一能量存储装置之前流经所述充电电阻器。
6.如权利要求1所述的充电设备，其中，所述电力电子能量转换系统位于第一车辆上，并且所述第二控制器位于与所述第一车辆不同的第二车辆上。
7.如权利要求6所述的充电设备，其中，所述第一车辆包括道路车辆、越野车辆、公用卡车、叉车、高尔夫球车和社区电动车辆中之一。
8.如权利要求1所述的充电设备，还包括：
所述机电装置；
耦合到所述机电装置的轮；以及
其中，所述第一控制器还配置成控制所述第一电压转换器将所述所存储电压转换成所述第一电压，并且使所述第一电压被提供给所述机电装置以驱动所述轮。
9.如权利要求1所述的充电设备，其中，所述远程电源是公用电网。
10.如权利要求1所述的充电设备，其中，所述第一能量存储装置包括蓄电池、飞轮系统、燃料电池和超级电容器中之一。
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