CN102458913A - 可由电气干线系统再充电的电动机组件和专用连接外壳 - Google Patents

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Abstract

一种电动机组件(1)，特别用于电动汽车，包含：多相电动机(5)、储能器的电池(2)、适用于将电池的直流电转换成适合对电动机(5)供电的多相交流电的逆变器(6)、连接外壳(20)。连接外壳包含插头(50、51、52、53、54、55、56、57、58、59)，其允许电动机相、电池端子和到逆变器的至少5个连接的连接。外壳(20)还包含一组触点(40、41)，其允许所述外壳连接到单相干线系统(34)，并且，外壳(20)包含一组触点(29、30、31)，其允许所述外壳连接到多相干线系统(32)。外壳(20)包含开关(R1、R2、R3、R4)，根据所述开关的位置，包含外壳(20)、电池(2)、逆变器(6)、仅通过它的相来连接的电动机(5)的系统作为选择地允许电动机(5)从电池(2)被供电、电池(2)直接从单相干线系统(34)再充电、该电池从多相干线系统(32)再充电。

Description

可由电气干线系统再充电的电动机组件和专用连接外壳
技术领域
本发明涉及对电动汽车储能器(accumulator)的电池的充电，特别涉及这样的充电装置：其集成在车辆中，允许电池直接从单相或三相干线供电系统再充电。这里将用通用术语“电池”指代电力供给电池，而不管其是否包含一个或多个电储能器。
背景技术
电气车辆的主要缺点之一与其可用性有关。事实上，当其电池被放电时，电气车辆对于可能持续几小时的整个再充电周期保持为不可用。
为了缩短电池再充电周期，已知的是通过增大从干线系统中汲取的电流来增大充电功率。因此，已提出从三相干线系统而不是单相干线系统汲取该电流，当电流汲取自三相干线供电系统时，充电功率较大。相反，对于在用户家中的再充电，使得从单相干线系统(例如从32A家用插座)再充电成为可能的装置提供了实用的替代选择。因而，允许用户或者从单相干线系统或者从三相干线系统对其车辆的电池进行再充电的装置将使车辆的可用性得到改进。
再充电系统与所使用的电干线电源的电磁兼容性的限制以及电池再充电条件中固有的限制需要干线电源和电池之间的滤波系统的中间连接。取决于所用干线电源类型的这些滤波系统特别包含电感线圈，在具有相等电感值的情况下，其体积(volume)与有待滤波的电流的平方成比例。
专利申请FR 2738411提出了一种机载电池再充电系统，其允许电池从单相电流再充电，并使用电动机的线圈对滤波功能产生贡献。所提出的系统要求将电动机的中性点引出并使之变得可接入，例如通过连接器接入。因此，其不适用于这样的电动机：其中，没有为此目的而设计中性点接入能力。此外，该系统不允许使用三相电流进行再充电。
专利申请EP 0553824提出了一种机载系统，其允许车辆的电池或者从单相系统或者从三相系统进行再充电。为了限制系统的体积，电动机的线圈用于对三相电流的滤波作出贡献。在充电期间流经线圈的电流容易引起电动机旋转。即使电动机由特定的制动器保持，它仍然是显著的振动和噪音源。
发明内容
本发明的目的是提出一种集成充电装置，其允许汽车电池从单相干线系统或从三相干线系统进行充电，特别是直接从任意单相干线系统再充电。通过添加具有减小的尺寸的连接外壳，该装置必须可适用于已装有专用于车辆牵引功能的逆变器、电池和电动机的任何车辆。
因此，本发明的主题为特别用于电动汽车的电动机组件，其包括多相电动机、储能器的电池、适合于将直流电转换成适用于对电动机供电的多相交流电的逆变器、连接外壳。连接外壳包含插头，其允许电动机的相(phase)、电池端子以及到逆变器的至少5个连接的连接。外壳还包括：一组触点，允许其被连接到单相干线系统；一组触点，允许其被连接到多相干线系统。外壳包括开关，根据开关的位置，包含外壳、电池、逆变器和单独通过其相连接的电动机的系统作为选择地允许电动机从电池供电、电池直接从单相干线系统进行再充电、电池从多相干线系统进行再充电。
从单相干线系统的直接再充电被理解为意指在干线系统和电动机组件之间不需要特定滤波接口的中间连接。相反，从多相干线系统的再充电可能需要适合的电气滤波接口。
有利地，外壳至少包括第一开关，其允许电池的第一端子作为选择地连接到逆变器或连接到电动机的第一线圈的相。
根据一优选实施例，外壳还包括一个或多于一个的第二开关，其允许至少两个连接的同时中断和重新建立，所述至少两个连接是每次在包括第一线圈和第二线圈的电动机的线圈的相和逆变器之间的。
有利地，外壳包括第三开关，其允许中断或重新建立逆变器和不同于前两个线圈的电动机的第三线圈的相之间的连接。
因此，通过使用例如第一、第二和第三开关，通过闭合第三线圈和逆变器之间的连接，外壳同时允许第二线圈和逆变器之间的连接的中断、该第一线圈和逆变器之间的连接的中断以及电池的第一端子到电动机的第一线圈的连接。
根据优选实施例，与单相干线系统的触点中的每一个连接到不同的插头以允许外壳连接到逆变器，另外，经由一个或多于一个的第二开关连接到连接插头，一个插头允许外壳连接到电动机的第二线圈的相，另一个插头允许外壳连接到电动机的第一线圈的相。
根据一个变化的实施例，外壳包括开关，其允许电动机的第二线圈的相或者连接到电动机的第一线圈的相，或者连接到电动机的第三线圈的相。
外壳可以包括至少一个电感器，其连接在与单相干线系统的触点中的一个及其用于将外壳连接到逆变器的相关联的插头之间。
例如，电感器可以为定子线圈型。
外壳还可以包括两个耦接的电感器，其各自连接在与单相干线系统的触点和它的用于将外壳连接到逆变器的关联插头之间。
根据优选的实施例，逆变器被编程为作为选择地用作电动机电源的逆变器运行、用作来自电动机或来自外部多相干线系统的多相电流的整流器运行、以及用作后面跟有降压斩波器的单相电流整流器运行。例如，可以通过对控制逆变器的电子控制单元的电子卡或程序线路的改编来获得对逆变器的这种编程。
根据本发明的不同的实施形态，连接外壳包括插头，插头允许多相电电动机——特别是汽车电动机——的相、储能器电池的端子和到逆变器的至少5个连接的连接，逆变器适用于将电池的直流电转换成适合对电动机供电的多相交流电。外壳还包含：一组触点，允许其被连接到单相干线系统；一组触点，允许其被连接到多相干线系统。外壳包括开关，根据开关的位置，包括外壳、电池、逆变器和单独通过其相连接的电动机的系统可作为选择地允许电动机从电池供电、电池直接从单相干线系统进行再充电、电池从多相干线系统进行再充电。
附图说明
根据阅读以非限制性的方式提供的对本发明的实施例的详细描述以及附图，将会明了本发明的其他目的、特性和优点，在附图中：
-图1示意性示出了根据本发明的包括连接外壳的车辆电动机组件；
-图2示意性示出了以用于从三相干线系统进行充电的构造的、图1中示出的车辆电动机组件；
-图3示意性示出了以用于从单相干线系统进行充电的构造的、图1中示出的车辆电动机组件；
-图4示意性示出了以用于从单相干线系统进行充电的构造的、根据本发明的电动机组件的变型实施例；
-图5示意性示出了以用于从单相干线系统进行充电的构造的、根据本发明的电动机组件的不同的变型实施例。
具体实施方式
图1示意性示出具有电气牵引系统的汽车的电动机装置1。此电动机装置1是集成的装置，即安装在车辆上。
电动机组件1包含具有“正”极3和“负”极4的电池、包含三个定子线圈L1、L2和L3的三相交流电动机5、逆变器6和连接外壳20。连接外壳20包含10个插头(公插头、母插头或其他类型的电气连接)50、51、52、53、54、55、56、57、58、59，它们分别允许电池的端子3和4、逆变器6的两个第一连接、电动机5的线圈L1、L2、L3的相以及到逆变器6的3个其他连接的连接。外壳20包括4个开关装置R1、R2、R3和R4和两个电感线圈L4和L5。可以设想具有单个电感线圈的变体实施例。外壳20还包括两个外部触点40和41，其适用于连接到单相干线系统，例如连接到32安培插座。外壳20还包括3个外部触点29、30、31，其适用于例如以专用于特定再充电端子的插头的形式连接到外部三相干线系统。
外部触点29、30、31分别连接到插头57、58和59，用于将外壳连接到逆变器。
分别经由线圈L4和L5，外部触点40和41分别连接到插头58和57。
插头51和53经由外壳20中的连接21而连接。插头50经由外壳20中的连接22连接到插头52，插头52连接到逆变器6。连接22通过两位置开关装置R4来中断，两位置开关装置R4或者将连接22保持为闭合，以允许电流在插头50和52之间流动，或者断开此连接，以使插头50与插头52隔离开，并接着将插头50连接到外壳20中的连接23，并且，两位置开关装置R4连接到插头54，插头54连接到电动机的线圈L1的相。在图1中，开关装置R4处于其闭合连接22并断开连接23的位置。
连接到电动机的线圈L1的相的插头54经由外壳20中的连接67连接到连接逆变器6的插头57。开关装置R1设置在连接67的路径上，以便能够中断或重新建立两个插头54和57之间的这种连接。
连接到电动机的线圈L2的相的插头55经由外壳20中的连接68连接到连接逆变器6的插头58。开关装置R2设置在连接67的路径上以便能够中断或重新建立两个插头55和58之间的这种连接。
连接到电动机的线圈L3的相的插头56经由外壳20中的连接69连接到连接逆变器6的插头59。开关装置R3设置在连接69的路径上以便能够中断或重新建立两个插头56和59之间的这种连接。
在图1中，开关装置R1、R2、R3处于闭合的位置，连接电动机的线圈和插头57、58、59。
逆变器6包含电容器7，电容器7的第一端子经由开关装置R4的插头52、50以及连接22连接到电池2的端子3。电容器7的另一个端子经由插头53、51以及连接22连接到电池2的端子4。逆变器6还包括二极管桥式电路，其包括并联耦接的三个支路8、9、10，它们连接到电容器7的端子。每个支路8、9、10包含两个组件(分别是用于支路8的11和12、用于支路9的13和14和用于支路10的15和16)的串联布置，每个组件包含并联连接的二极管25和晶体管26。同一支路的两个二极管以相同的前向方向连接，其为从电池的“负”端子4去往电池的“正”端子3的方向。晶体管26受到电子控制单元27控制。
逆变器的每个支路9、10、8分别经由连接17、18、19连接到外壳20的插头57、58、59，因而分别经由连接67、68、69连接到电动机的相L1、L2和L3。
更精确地，每个连接17、18、19分别从分别位于支路9、10、8的两个串联连接之间的三接头42、43、44出发，并分别到达外壳20的两插头中的一个57、58、59。
在图1中，开关装置R1、R2和R3处于闭合位置，即电动机的定子线圈L1、L2和L3实际连接到逆变器电路6的对应的支路9或10或8。开关装置R4处于其这样的配置：连接22将电池2的“正”端子连接到电容器7的端子中的一个。在如图1所示的这种构造中，电子电动机组件1能够或者以车辆的驱动模式运行、或者以车辆的动能回收模式运行。
当电子控制单元27例如从包括例如加速踏板的人机接口(未示出)接收到与车辆的车轮耦合的明确指令(电动机耦合指令)时，电子控制单元27将适应后的指令发送到逆变器6的不同晶体管26，以使该逆变器6将由电池2传递的直流变换成到达电动机5的合适三相电流，以便获取所要求的驱动耦合。
当电子控制单元27例如从人机接口和加速踏板接收到再生制动指令时，它将适应后的指令发送到逆变器6的不同晶体管26，以使该逆变器不允许来自电池2的电到达电动机5，并将源自电动机的线圈L1、L2和L3的三相电流整流成以对电池2进行再充电的方式传导的直流，即经由电池的端子3进入的电流。
图2以不同的构造示出图1中示出的电动机组件，其允许电池从三相干线系统进行再充电。再度示出了与图1共同的元件，相同的元件通过同样的标记来表示。三相干线系统32——例如车辆外的125安培三相干线系统——通过电气滤波装置33连接到连接外壳20的三个触点29、30、31。三个开关装置R1、R2和R3断开，将电动机5从逆变器6隔离。开关装置R4处于与图1所示相同的位置，因此，电池2总是连接到逆变器6的电容器7的端子。
在图2所示的构造中，电子控制单元27检测具有预定信号形状的三相电流。通过机械监测装置，电子控制单元可检测连接组29、30、31中支路的存在。电子控制单元27随后将适当的命令发送到逆变器6的晶体管26，以使后者作为受控电流整流器运行，并向电池2传送具有适应于电池充电水平的电压和强度的直流电。
滤波装置33对由电动机组件吸收的电流滤波，以使电流满足由干线系统的操作员施加的对于到干线系统的连接的限制，尤其是在谐波方面。此滤波装置33包括适用于高电流(例如100到200安培的电流)的电感器，以便实现电池2的加速再充电。电感器的容量大约与其用于的电流的强度的平方成比例，滤波装置33可占据多个公升的体积。为此，在描述的实施例中，此滤波装置没有集成到车辆中。
图3以允许电池由单相干线系统34再充电的构造示出了图1所示的电电动机组件。图3中再度示出了与图1共同的元件，相同的元件通过同样的标记表示。单相干线系统34的第一端子连接到连接外壳20的触点40，而单相干线系统34的另一端子连接到连接外壳20的触点41。
第一端子因此经由电感器L4和连接18连接到逆变器6的支路10的三接头43。干线系统的另一端子经由电感器L5和连接17连接到逆变器6的支路9的三接头42。
连接外壳20的端子29、30和31从任意装备和任意干线系统分离。开关装置R4处于这样的位置：其经由连接23将电池的“正”端子连接到电动机5的线圈L1。
开关装置R1断开，将线圈L1与其到逆变器6的连接17隔离。
开关装置R2断开，将电动机5的线圈L2从其到逆变器6的连接18隔离。
开关装置R3闭合，将电动机的线圈L3经由其连接19连接到逆变器6的支路8的三接头44。
在这样的构造中，例如，电子控制单元27检测外壳20的触点40和41之间的具有预定电压、幅度和形状的信号。电子控制单元27还能通过适应性装置来检测这些触点40和41中的连接的物理存在。电子控制单元27随后将适应后的命令发送到不同的晶体管26，以便使逆变器6的支路9和10作为允许对电容器7进行充电的同步电流整流器35运行。电子控制单元27还将适应后的信号发送到逆变器的支路8的晶体管26，以便使该支路8——尤其是上部组件12——作为降压斩波器运行。该降压斩波器允许电容器7经由连接19、随后经由串联连接的电动机的线圈L3以及L1向电池2的“正”端子3放电，以便对后者进行再充电。换言之，来自干线系统34的单相电流通过连接外壳20的电感器L4和L5进行滤波以满足对于连接到干线系统的限制，经由连接17和18流向同步整流器35并对电容器7进行充电。降压斩波器36随后经由电动机的线圈L1和L3使电容器7向供电端子放电，供电端子在这里是电池的“正”端子3。
在图3示出的构造中，适合于连接外壳20的电动机组件1因此允许电池2从任意单相干线系统34进行再充电，而无需使用车辆外部的附加外壳以便对从干线系统所获取的电流进行滤波。
图4示出了根据本发明的电动机组件的变体实施例，其再度处于用于从单相干线系统充电的构造。图4中再次示出了与前面的图共同的元件，相同的元件通过同样的标记来表示。图3中示出的开关装置R2用开关装置R6取代，在其中断连接68的同时，其允许线圈L1和L2的相互相连接。
因而，经由连接19来自降压斩波器36的电流穿过电动机的线圈L3，随后穿过串联连接的电动机的线圈L1和L2，经由连接23到达电池2的“正”端子3。
此变型实施例避免了开关R2和线圈L2中感应出过电压的风险，过电压会损坏R2或需要其部件的过大的尺寸。此外，线圈L1、L2和L3的电感是根据电动机5所停的位置可变的。通过并联连接线圈L1和L2，这些变化的影响得到了平均。
图5示出了根据本发明的电动机组件的不同的变体实施例，再度处于用于从单相干线系统充电的构造。图5中再次示出与前面的图共同的元件，相同的元件通过同样的标记来表示。在图5中示出的连接外壳20中，开关元件R4被移除，连接22以永久的方式将电池2的“正”端子3连接到电容器7的端子中的一个。
另一方面，开关装置R5已插入连接21，其连接电池2的“负”端子和电容器7的另一端子。开关装置R5使插头53从连接21和插头51隔离，或重新建立插头51和53之间的连接21。当连接21中断时，开关装置R5经由连接23连接插头51和插头54。在此构造中，如图5所示，电池的“负”端子4连接到电动机的线圈L1的相。开关装置R1、R2和R3与如图3中示出的构造相同。根据与用于图3中示出的电动机组件1相同的原理进行电池2的再充电：经由连接17和18从单相干线系统34吸收的电流通过同步整流器35进行整流以便对电容器7进行充电。电子控制单元27的编程适用于使逆变器6的支路8作为降压斩波器37运行，这次是通过准许来自电池的“负”端子4的电流经由连接19到达降压斩波器37。
本发明的主题不限于描述的示例实施例，并可以是多种变型的主题。例如，本发明通常可应用到具有超过三相的电动机或也具有超过三相的多相干线供电系统。单相干线系统可以是直流干线供电系统而不是交流干线供电系统。与触点40和41串联连接到单相干线系统34的两个滤波线圈L4和L5可以替换为与触点40或与触点41串联连接的单个滤波线圈。于是，有利的是，这个线圈将会是定子线圈，以便以减小的体积具有足够的电感。还可以构想这样的变型实施例，其中，两个线圈L4和L5都是定子线圈，这些定子线圈是分立的，或者，两个线圈L4和L5是耦合的，即围绕同一定子。
有利地，电子控制单元27连接到实现以下电压测量的传感器：跨电池2的端子的电压、跨电容器7的端子的电压、外壳的触点40和41之间的电压，触点29、30和31中的至少两个之间的电压。电子控制单元27还可以连接到用于测量在连接17、18和19中流通的电流和/或在电动机的线圈L1、L2和L3中的每一个中流通的电流的装置。
基于由此测量的电压和电流，电子控制单元27将适应后的命令发送到逆变器6的不同晶体管26，以便使该逆变器或者作为三相电流的逆变器或整流器运行，或者作为单相电流的整流器运行。开关装置R1、R2、R3、R4或根据变型的R5、R6可由电子控制单元27致动，或者，可由用户人工致动，例如，借助使开关装置R1和R2同时断开或闭合的第一开关和另外的两个开关，其中的一个开关使R3致动，另一个开关使R4或R5致动。
根据本发明的充电装置可以或者直接连接到任意单相干线系统，例如家用干线系统，或者连接到装有滤波系统的三相干线系统，例如在车辆租赁车库中或在高速公路餐馆/服务站处的快速再充电终端。该装置可以简单地通过插入连接外壳20而不是已有连接外壳并取代已有连接外壳以及通过在电子控制单元27中修改逆变器6的编程来适应于现有的电气牵引组件。因为该装置利用了电动机的线圈进行单相再充电，所以它仅需要添加有限数量的滤波部件。该装置允许接入大量的潜在再充电点，包括快速再充电点。

Claims (12)

1.一种电动机组件(1)，其特别用于电动汽车，包含：多相电动机(5)，多相电动机(5)的定子线圈(L1、L2、L3)永久地连接到中性点；储能器的电池(2)；逆变器(6)，其适用于将电池的直流电转换成适合对电动机(5)进行供电的多相交流电；连接外壳(20)，连接外壳包含插头(50、51、52、53、54、55、56、57、58、59)，其允许电动机的相到外壳、电池的相以及到逆变器的至少5个连接的连接，外壳(20)还包含一组触点(40、41)，其允许外壳连接到单相干线系统(34)，并且包含一组触点(29、30、31)，其允许外壳连接到多相干线系统(32)，所述电动机组件(1)的特征在于，外壳(20)包含一组开关(R1、R2、R3、R4、R5、R6)，根据所述开关的位置，包含外壳(20)、电池(2)、逆变器(6)和仅通过它的相来连接的电动机(5)的系统作为选择地允许电动机(5)从电池(2)被供电、电池(2)直接从单相干线系统(34)再充电、电池(2)从多相干线系统(32)再充电。
2.如权利要求1所述的电动机组件，外壳(20)至少包含第一开关(R4)，其允许电池(2)的第一端子(3、4)作为选择地连接到逆变器(6)或到电动机(5)的第一线圈(L1)的相。
3.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，外壳(20)包含一个或多于一个的第二开关(R1、R2)，其允许至少两个连接(67，68)的同时中断或重新建立，所述至少两个连接是每次在包括第一线圈(L1)和第二线圈(L2)的电动机(5)的线圈(L1，L2)的相和逆变器(6)之间的。
4.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，外壳(20)包含第三开关(R3)，其允许中断或重新建立逆变器(6)和电动机(5)的第三线圈(L3)的相之间的连接(69)，第三线圈(L3)不同于前两个线圈(L1、L2)。
5.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，通过相反地闭合第三线圈(L3)和逆变器(6)之间的连接(69)，外壳(20)允许第一线圈(L1)和逆变器(6)之间的连接(67)的中断、第二线圈(L2)和逆变器(6)之间的连接(68)的中断、电池(2)的第一端子(3)到电动机(5)的第一线圈(L1)的同时连接。
6.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，其中，与单相干线系统(34)的触点(40、41)中的每一个连接到允许外壳(20)连接到逆变器(6)的不同的插头(58、57)，并进一步经由一个或多于一个的第二开关(R2、R1)连接到连接插头(55、54)，一个插头允许外壳(20)连接到电动机的第二线圈(L2)的相，另一个插头允许外壳(20)连接到电动机的第一线圈(L1)的相。
7.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，外壳(20)包含开关(R6)，其允许电动机的第二线圈(L2)的相连接到电动机的第一线圈(L1)的相，或到电动机的第三线圈(L3)的相。
8.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，外壳(20)包含连接在与单相干线系统(34)的触点(40、41)中的一个和用于将外壳(20)连接到逆变器(6)的其所关联的插头(58、57)之间的至少一个电感器(L4、L5)。
9.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，其中，电感器(L4、L5)为定子线圈型。
10.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，外壳(20)包含两个耦合的电感器(L4、L5)，每一个电感器连接在与单相干线系统的触点(40、41)和用于将所述外壳(20)连接到逆变器(6)的其所关联的插头(58、57)之间。
11.如前述权利要求中任一个所述的电动机组件，其中，逆变器(6)被编程为作为选择地运行为电动机电源的逆变器、运行为来自电动机(5)或来自外部多相干线系统(32)的多相电流的整流器以及运行为后面跟有降压斩波器(36、37)的单相电流的整流器(35)。
12.一种连接外壳(20)，包含插头(50、51、52、53、54、55、56、57、58、59)，其允许多相电动机(5)——特别是汽车电动机——的相、储能器的电池(2)的端子(3、4)、到适用于将电池(2)的直流电转换成适合对电动机(5)供电的多相交流电的逆变器(6)的至少5个连接的连接，外壳(20)还包含一组触点(40、41)，其允许外壳(20)连接到单相干线系统(34)，并且，外壳(20)还包含一组触点(29、30、31)，其允许外壳(20)连接到多相干线系统(32)，所述连接外壳(20)的特征在于，外壳(20)包含开关(R1、R2、R3、R4、R5、R6)，根据所述开关的位置，包含外壳(20)、电池(2)、逆变器(6)、仅通过它的相来连接的电动机(5)的系统作为选择地允许电动机(5)从电池(2)被供电、电池(2)直接从单相干线系统(34)再充电、电池从多相干线系统(32)再充电。
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