CN104221277B

CN104221277B - 组合充电器及动力装置

Info

Publication number: CN104221277B
Application number: CN201180076282.8A
Authority: CN
Inventors: F·弗莱特
Original assignee: Quantum Fuel System Co Ltd
Current assignee: Douglas acquiring Co.; Quantum Fuel Systems LLC
Priority date: 2011-11-22
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2031-12-28
Also published as: CN104221277A; US20140340004A1; US20130293163A1; US8836289B2; WO2013077888A1; US9270217B2

Abstract

一种组合式电池充电器及电机驱动器电路组件包括：正极第一端子和负极第二端子，它们被配置为连接到电路组件外部的可再充电电池[12]；驱动电路，其被配置为将具有至少两个相位输出的脉冲宽度调制(PWM)驱动电流模式输出到电路组件外部的牵引电机[16]；以及具有多个开关元件的驱动矩阵[14]，其被配置为在电机驱动期间将来自外部的可再充电电池[12]的电力脉冲施加到外部的牵引电机[16]。该电路组件进一步包括：从电路组件外部的主电源[36]供电的充电源[34]，该源[34]具有至少一个输出[54]，该输出[54]被配置为在电池充电期间将一序列电流脉冲施加到外部的电池[12]；以及控制单元[18]，其被配置为在电机驱动期间将控制脉冲模式输出到驱动矩阵[14]的相应的开关元件的输入连接，并且进一步被配置为在电池充电期间将瞬态抵消脉冲施加到驱动矩阵[14]的开关元件的至少一个输入连接。

Description

组合充电器及动力装置

本申请要求申请日为2011年11月22日的美国专利申请No.61/562,849的全部的巴黎公约的利益并要求其优先权，该美国专利申请犹如本文全部叙述地以其整体合并于此。

技术领域

本发明公开一种用于充电及操作电池供电的电力牵引电动机的组合式电力切换系统。

背景技术

大多用电的运输交通工具(具体地，电力驱动的地面车辆，诸如汽车、摩托车、轮式和履带式休闲交通工具、公共汽车、卡车以及火车；水运的交通工具，诸如商业的和娱乐性的小艇和轮船、浮标、有人驾驶和无人驾驶的潜水器等；以及飞行器，诸如飞机、飞艇和气球)同时需要储存潜在的能量以及将那些能量转化成易于使用的形式。可以从小尺寸和低重量获得的这个优势限制了存储和转换装置。在几个世纪里，已经在空气中燃烧木材，随后是煤，接着是柴油，以释放热量产生蒸汽，蒸汽直接推动铁轨上的火车头。用于铁轨运输工具的一部分电力(现在基本上是所有电力)以来自远程或者车载发电机的电力的形式被供应，或者以来自柴油动力输出轴发动机的转矩的形式被供应。大约一个世纪，大部分的全球运输网络已经使用汽油、柴油、和/或酒精的燃烧来产生轴转矩，以直接驱动路上的交通工具，也给轮船、飞机等供电。

最近的几十年里(即20-30年，加上从大约1900年来的有限的实验)，为了追求诸如栖息地破坏趋势的逆转的益处以及推进良好生态(有时候称为“绿色”)技术的发展，可燃气体(甲烷、氢等)以及储存的电能已经替换掉复杂的碳氢化合物被应用到电力车辆。具体的“绿色”车辆应用包括用于地面车辆和其混合动力版的可充电电力源。后者一般使用车内燃烧技术和存储的电能，以便最终为轮式驱动或者螺旋桨驱动的推进力提供轴转矩。

当液体燃料的燃烧发动机的相对高的容积和质量效率与电池的低能量密度比较时，用于电池供电和混合型的车辆的部件遭受到性能处罚，并且进一步的处罚混合来自于携带着这两种技术以及交替或者同时使用这两种技术。已知可对额外的质量和体积产生贡献的加速和风阻力惩罚在可变程度上抵消了“环境友好”的益处。液体燃料的燃烧发动机一般从空气中接收氧气进行燃烧，并且把燃烧产物免罚地排放至空气中，与使用这种发动机的车辆的设计者相比，电动车辆的设计者通常更大程度重视使废热最小化，废热开始作为存储在电池系统中的化学能并且被消耗掉而不是延伸车辆行程。

开发者可以确定目标，例如增加储存系统(即，电池)能量密度、减小除了储存系统外的部件的质量、处理热尖峰、改善启用必需动作(例如，电池充电)的部件的冷却以及提高由储存转化成用于动力的电力的效率。

发明内容

根据一些示范性实施方式，示出了一种组合式电池充电器和电机驱动器电路组件。该电路组件包括：具有多个开关元件的驱动矩阵[14]，这些开关元件被配置为在电机驱动期间将电力脉冲施加到电路组件外部的牵引电机[16]；具有至少一个输出[54]的充电源[34]，该输出被配置为在电池充电期间将一序列电流脉冲施加到电路组件外部的可再充电电池[12]；以及控制单元[18]，该控制单元被配置为在电机驱动期间将控制脉冲模式输出到驱动矩阵[14]的相应的开关元件的输入连接，并且进一步被配置为在电池充电期间将瞬态抵消脉冲施加到驱动矩阵[14]的开关元件的至少一个输入连接。包括该电路组件的系统进一步包括：具有正极端子和负极端子的可再充电电池[12]，可再充电电池[12]进一步包括以串联和并联中的至少一种方式连接的多个可再充电电池单元；以及至少一个传感器，其被配置为监视和报告电池的物理性能，其中被监视的性能为温度、电压或者电流。包括该电路组件的系统进一步包括牵引电机[16]，该牵引电机被配置为接受包括至少两相输入的模式的脉冲宽度调制(PWM)驱动，牵引电机[16]进一步包括永磁转子和线绕定子，线绕定子在电流到定子线圈的施加下与转子推进式地互相作用。

根据一些示范性实施方式，示出了组合式电池充电器和电机驱动器电路组件。电路组件包括：具有正极端子和负极端子的可再充电电池[12]；被配置为接收包括具有至少两相输入的模式的脉冲宽度调制(PWM)驱动；以及包括具有第一晶体管[IGBT1]的第一对的晶体管矩阵，第一晶体管的集电极连接到电池[12]的正极端子，发射极连接到与第二晶体管[IGB4]的集电极连接的接合点，第二晶体管[IGBT4]的发射极连接到电池[12]的负极端子，该矩阵进一步包括数量与牵引电机[16]被配置为接收的相位输入的数量相同的晶体管对，并且每个晶体管[IGBT1,IGBT2,…,IGBT6]具有续流二极管[58]，其中相应的二极管的阳极连接到晶体管的相应的发射极，相应的二极管的阴极连接到晶体管的相应的集电极。组合式电池充电器和电机驱动器电路组件进一步包括：具有正极输出端子[54]和负极输出端子[56]的斩波整流DC的充电源[34]，该正极输出端子[54]连接到晶体管矩阵中的至少一对的接合点，负极端子[56]连接到电池[12]的负极端子，并且该充电源被配置为响应于电平控制信号的改变而改变斩波功能；以及控制电路[98]，其被配置为当电池[12]正在驱动电机[16]期间将具有第一模式的相位分开的PWM驱动信号到晶体管阵列的每个晶体管[IGBT1,IGBT2,..IGBT6]的栅极，该控制电路[98]进一步被配置为当充电源[34]正在给电池[12]充电期间将具有第二模式的驱动信号施加到晶体管[IGBT1,IGBT2,..IGBT6]中的至少一个的栅极。

根据一些示范性实施方式，示出了组合电机驱动器电路中的电池充电器和逆变器的方法。该方法包括：建立具有正极端子和负极端子的便携式可再充电源[12]；建立用于主电源[36]的转换器[34]，该转换器以与对可再充电源[12]进行再充电相兼容的电平对可调制的DC电源进行斩波和整流；以及定义具有牵引电机的电气负载特性的负载[16]，该负载[16]接受具有多个相位的脉冲宽度调制(PWM)AC信号。

该方法进一步包括：建立晶体管对[IGBT1/IGBT4,IGBT2/IGBT5,IGBT3/IGBT6]的阵列，其中每一对结合于在其第一个的发射极和其第二个的集电极之间的接合点，其中各对的第一晶体管[IGBT1,IGBT2,IGBT13]的集电极连接在一起并且进一步连接到便携式源的正极端子，各对的第二晶体管[IGBT4,IGBT5,IGBT16]的发射极连接在一起并且进一步连接到便携式源[12]的负极端子，并且其中这些接合点连接到负载[16]的相应相位；向每个栅极提供独立的PWM控制信号，PWM控制信号在共同向负载施加具有多个相位和定义负载所针对的功率水平的驱动信号的时间处开启和关闭每个晶体管；以及提供来自主电源[36]的充电功能[34]，主电源从至少一个接合点给便携式源[12]再充电，并且将至少一种模式的瞬态脉冲施加到一对中的第二晶体管[IGBT4,IGBT5,IGBT6]的栅极，瞬态脉冲的时序与主电源转换器器[34]的斩波时序相同。

由此相当广泛地概述了本公开的某些示范性实施方式，这是为了可以更好地理解本发明的细节描述，并且可以更好地领会对现有技术的当前贡献。当然，本公开的其他实施方式将在下文描述，并且这将形成附于其后的权利要求书的主旨。

在这方面，在对本公开的至少一种实施方式做详细解释之前，应当理解的是，本公开在其应用中不限于在下文描述中所述的或者附图中所示的结构细节和部件布置。本公开能够实现除了那些描述之外的实施方式，并且能够以多种方式实施和执行。也应当理解的是，本发明使用的措辞和术语以及摘要是为了描述的目的，不应该视为限制的。

因此，本领域技术人员将理解，本公开所基于的概念可以容易地用作执行本公开的若干目的的其他结构、方法和系统的设计的基础。所以，重要的是，在等同结构不偏离本公开的精神和范围的情况下，权利要求被认为包括了这类结构。

附图说明

通过结合附图参考下列描述，本公开的上述特征将变得更加明显，其中相同的参考数字表示相同的元件。附图中所提出的所有零件编号和文本通过引用合并于此，如同在此陈述一样。

图1是根据示范性实施例的一些方面的集成了电动车辆和用于它的支持子系统的系统的框图。

图2是图1的系统的替换框图。

图3是与图2的框图中的驱动器电路的第一拓扑结构对应的原理图的总览。

图4是驱动器电路的第一拓扑结构。

图5是驱动器电路的第二拓扑结构。

图6是驱动器电路的第三拓扑结构。

图7是根据示范性实施例的一些方面的组合式电池充电和电机驱动子系统的第一透视图。

图8是图7的子系统的第二分解透视图。

图9是驱动器电路的第四拓扑结构。

图10是根据示范性实施例的一些方面的脉冲发生器的时序图。

图11是根据示范性实施例的一些方面的脉冲宽度调制器的输出时序图。

具体实施方式

图1以第一框图的形式示出了纯电力装置的布置，该纯电力装置包括但不限于电机车辆，该纯电力装置具有可再充电的存储电池12，其通过主电源充电并且通过一个或者更多的牵引电机16(其为用于提供推进力的电机)可逆地放电，从而增加和减少车辆的动能(即，加速车辆和再生地制动车辆)。该框图包括电池12，例如以某一串并联布置的方式电气耦合在一起的电池单元阵列，该布置被选择为有效地满足输出电压和电流的水平和持续时间的组合要求。传统上，并联配置的二次(可再充电的)电池单元或串联电池单元堆叠的连接往往引起电池单元或电池单元堆叠的电压以一速率均衡，对于没有完全放电的任何电池单元，该速率潜在地是破坏性高。简单的连接形式通常不能充分利用大部分胜任的独立电池单元的容量。

应当理解的是，在此提出的针对纯电力车辆的一般概念同样可适用于非车辆应用以及混合型车辆应用，根据需要调整本公开以适应实施方式的变化。例如，混合型车辆可以允许同时充电和驱动电机，其中电机协助燃烧发动机，或者燃烧发动机驱动给电池充电的单独发电机同时电机从电池汲取能量来驱动车辆。类似地，便携式医疗设备可以包括从主电源充电的电池以及泵和通常仅在没有插接或者响应于失去主电源的另一形式时从电池供电的其他装置。对于这些和其他设备，操作模式以各种方式影响散热和其他因素。在此公开的至少一些新颖的方面与这些应用保持相关性。

应当理解的是，本发明所用的术语“混合(型)”具有两种不同的意思，联系上下文二者之间的区别是清楚的。在描述车辆的地方，术语“混合(型)”指的是车辆类型，其包含电池或可比较的储存电能电力系统以及燃烧或者可比较的储存化学能电力系统两者，其中这两种系统可以在某种程度上集成并且能够一起操作以提供推进力。混合型车辆的电池可以从主电源、从基于燃烧式系统的操作或者这两者再次充电，这取决于实现方式。在描述电子设备的地方，术语“混合(型)”指的是外壳，多个独立的电子部件被安装在里面。各个部件可以各自是分立半导体、集成电路、无源部件等。这些部件可以具有在外壳内电气连接的端子(例如通过焊接跳线、焊接到印刷线路板等)，可以具有引到外部接触件的所有端子，或者这些的某种组合。混合形式在热平衡或低部件数可以是有利的应用中是优选的。一些混合型封装风格是密封的、耐压的等，并且可以允许液体与电子设备分离，正如本公开中那样。

电池12驱动逆变器14，逆变器14在图1中由驱动矩阵来表示，该驱动矩阵包括多个功率开关元件，在图1中所示的实施方式中，这些功率开关元件是由二极管58分流的绝缘栅双级晶体管的阵列。逆变器14的输出是n相开关波形，其被引导到与逆变器14的输出兼容的电机16。本发明公开的由逆变器14驱动的电机16可以是无刷三相电机，其具有永磁转子磁极以及具有线圈缠绕在磁芯上的定子磁极。其他实施方式可以使用永磁定子和绕线转子磁极，可以具有转子和定子元件绕线等，以及针对操作可以需要刷子(例如，滑环)。图1中的三相示例同样不应该视为限制。控制单元18通过时常打开和关闭逆变器14的每个开关元件20、22来确定多个输出波形的时序和相对相位，这些输出波形实现了通过操作员命令输入24(类似于油门踏板或油门位置)命令的并且与感测到的电机电流(类似于转矩反馈、歧管真空、凸轮轴和曲轴位置传感器输出以及其他内燃(IC)机性能)成比较的瞬时功率。通过使用数字控制功能，例如，每个开关元件20、22被驱动至接通状态或断开状态，并且通过脉冲宽度调制改变功率输出，由此能够将功率损耗保持低水平。

可以通过控制单元18从用户制动输入28、防撞检测装置31等接收制动控制信号来实现制动。可用的车辆动能回收使用逆变器14来将可回收的能量从电机16引导到电池12。回收率是受整个系统的净能量回收能力限制的。除了回收之外，制动可以是再生的，其中不可回收的系统动能作为电机16中的热被耗散，并且其中同样是热耗散的常规的(机械摩擦)制动30在通过超驰(override)等的计算机控制下施加，不管是否有防抱死制动系统(ABC)32调制。在上述的加速和制动模式下的控制单元18的功能基本上与由其他电池供电的牵引电机推进的车辆使用的类似系统所执行的功能相似。

为了给电池12从主电源36或者其他等效源充电，不包含本公开的实施方式的车辆充电电路一般要求使用如下充电电路34，其伴随着被配置为将主电源36、电池充电路径48以及电池12与电机驱动路径50隔离的机械连锁件。应当理解的是，电力的光伏汲取(sourcing)、燃料电池汲取或燃烧动力汲取(即，混合型)以及其他离网技术在操作上可以等同于用于在此公开的实施方式的充电方面的主电源36的整流和调节。一些离网技术也可以回避从主电源36充电的某些方面，例如功率因子校正。更极端的形式，即对完全充电的电池的放电的物理交换(其被用作将能量传递给车辆的唯一方法)可以减少所公开的概念的一些方面的需求。

图2从另外的视角说明了图1的一些方面。如图2所示，可以将前端滤波器38包括在充电电路中，以提供双向的噪声抑制，后面跟着第一桥式整流器39和功率因子校正电路(PFC)40。PFC40可以是一般常规设计，它可以根据需要用来满足区域功率因子的监管要求。典型的AC-DC转换器，例如焊机、电池充电器等中使用的那些转换器，对主电源36表现出显著感应，并且使用PFC40的补偿通过再同步电压和电流能够有利地减少视在负载。典型的PFC40电路可以使用中频斩波电路(近似低超音频范围内的多个电源频率)，该中频斩波电路操作来自高感应的充电器负载的电压至电流相位，直至功率因子接近一。

在这个实施方式中，图2示出的PFC40后面跟着升压调节器，该升压调节器可以包括另一桥式整流器、振荡器以及隔离电路42，后者例如是变压器的形式。如果有利，PFC40可以被配置为将电压从近似120VAC或240VAC的电源水平提高至几百伏特。这可以简化下一级40的设计。示范性实施例示出的隔离功能42的后面跟着两个整流器和滤波器组43，其供给升压电感44。如所示的，PFC40的输出是DC，其激励电路42，在电路42中脉宽调制功率振荡器通过隔离的次级绕组(isolated secondaries)驱动变压器的初级绕组(均在图2中的方框42中)。这有利地隔离充电系统与主电源36，这是例如为获得监管机构的批准所要求的性能。

变压器(图3所示且下面讨论的方框42的部件)具有一个初级绕组和两个次级绕组，其被配置为驱动并联充电电路。电路42的实施方式中的时序建立了单个工作频率，其可以针对所要求的电压和负载电流的范围进行优化。振荡器/隔离器电路42可以在任何选定的频率下操作，而与PFC40操作的频率无关。在电源频率(例如，50Hz或60Hz，或其低倍数)下的操作导致磁性(具体地，变压器)相对于功率处理能力相对较大。通过操作在高于约40KHz并且低于约80KHz(在提交申请时，对于在几安培下操作功率场效应晶体管电路(FET)，65KHz接近实际上限)，振荡器/隔离器电路42的磁性会是明显地更小、更弱、更低，在开关设备中没有过多的功率消耗。控制部件(在图2中也未独立示出)提供脉宽调制(PWM)控制信号。PWM信号实现了与给电池12充电的瞬时要求兼容的电压和电流的组合，如也反馈到升压控制功能18的传感器所确定的。每时每刻调节的AC波形再次被整流和滤波43，从而提供与从电池12的瞬时充电状态对其进行充电相兼容的DC电平。升压电感器44连同鱼尾(fishtail)52中的分流电容器(统称为C1)用作电流飞轮(current flywheel)。所示的示范性实施方式具有两个充电器输出，每一个具有正节点54和负节点56的形成。在一些示范性实施例中，用于驱动电池12的单独的电压器的次级绕组、在该组标记的升压电感44内的部件等的数目根据用户选择可以是一个、三个或者另一数目，而不是所示的两个。在一些实施方式中，来自相应输出54的电流脉冲的基于控制器的时序可以相互偏移(即，不同步)。

应当理解的是，通常用于开关模式电源(SMPS)的术语“升压调节器”指的是特定的一类电路，其输出高于输入。然而，在一些示范性实施方式中，对于以下应用可能需要“降压”调节器或者组合的“降压-升压”调节器，例如从高电源电压操作并且对低电压电池12充电(降压)的系统，或者源电压可以高于或低于电池电压的系统，这取决于操作条件(降压-升压)。为了本说明书的目的，术语“升压”调节器包括这两种其他配置。

充电器输出节点的集合的至少一个(正极54或负极56)不直接与电池12连接，除非机械断开以切换到电机操作功能能够被采用。相反地，充电器输出节点54优选地连接到图1中所示的串联堆叠IGBT20、22之间的接合(tie)点，其对应于下部IGBT20的集电极68和上部IGBT22的发射极66。每个IGBT包括鲁棒的续流二极管58。

在本领域的当前发展下，续流二极管58可以使用硅、氮化镓、硅锗合金或者其他另外的材料制造。材料优选地应该针对施加负载的应用(例如本公开的一些示范性实施方式中的那些)进行良好地表征，即阻断几百伏特，以及在电机运行期间传导大约几百安培的瞬态电流而在充电期间传导低得多的电流(虽然是连续的)。可以预见，仍然有更鲁棒的整流技术可能很快到来，这些技术使用以上或另外的材料(例如，碳化硅(SiC))。SiC具有优异的能量密度和等效的零反向恢复时间，一旦它对消费者应用实现了令人满意的功率水平和价格点，有望将其放置在能够被配置为肖特基二极管的最有用的材料中。伴随充分成熟的半导体技术，选择肖特基或另外的低正向压降二极管类型降低了在混合14外壳内的废热形式的充电能量的耗散。图1的上部IGBT20的续流二极管58在充电期间将滤波后的DC传送到电池12。同一二极管58在电机驱动期间可以被调用以用作缓冲器。

用作电池充电功能的一部分的带有二极管的IGBT器件20、22也服务于电机驱动功能。在后一种功能中，所有6个IGBT器件20、22是有效的，一般来说，三个同时作用而其他三个禁用。当从控制器18到每个IGBT的连续脉冲建立电机16的三相脉冲宽度调制励磁时，三个电机绕组中的每一个暂时切换到电池正极端子或负极端子，或者暂时被允许悬浮(float)。应当理解的是，一对中的两个IGBT器件(即，上部20以及下部22)从不同时被致动，同时被致动会在电池正极和负极端子之间建立直接的、浪费的且潜在破坏性的短路。电机绕组的数量以及因此用于将相应的电机绕组交替驱动至正极或者负极电池轨的IGBT对20、22的数量可以是用户选项，其被以下考虑因素所影响，例如具有特定绕组数量的多千瓦(多马力)电机的可用性，具有足够的热耦合以支持IGBT特定数量的现有混合14封装的可用性等。

图11示出脉冲宽度调制(PWM)250驱动IGBT1和IGBT4的栅极的代表性时序波形，IGBT1和IGBT4交替地驱动电机16的一个相位绕组。所示的脉冲序列被施加到IGBT1的栅极驱动，从而使IGBT1传导来自电池12正极端子的具有近似正弦波形的电流，其具有足够的功率以在电机16输入的第一半周期支持已知的节流阀设置。此后，第二脉冲序列驱动IGBT4的栅极，这将电流从同一电机16相位绕组传导到地。实际上，栅极驱动脉冲速率将可能比示出的高很多，其中最短脉冲252持续约70微妙。对于在电机和机轮之间以100公里/时(62英里/时)且无齿轮减速的车辆操作，完整的周期可能具有约四倍之多的所示转换，其中在更低速度下转换成比例地更多，并且“导通”时间与瞬时功率需求成比例。这里所描述的时序是指在基本固定的电池电压下提供约15KHz的恒定的电动机驱动脉冲“机会”速率的当前IGBT能力。也就是说，大约每个70微秒，栅极驱动将上升，然后下降，或者将上升和保持，下降和保持，继续保持在前一状态等，使得PWM波形的时间片将正确地对电机16要求的时间积分的能量模式产生贡献。应当理解的是，IGBT设计(物理结构以及特定的晶体管类型的掺杂的组合)平衡了开关转换时间(其影响一种类型的损耗)，抵抗导通状态的传导损耗。对于一个应用的IGBT类型可以基于以下因素来选择：期望的转换速率，电机、变压器和升压电感器的饱和度和涡流损耗，要容纳的电池的类型的若干属性，系统运行时间范围，以及许多其他考虑因素。

在本公开的一些示范性实施方式中向6个IGBT器件20、22提供时间脉冲宽度调制的同一控制功能(以及可选地同一控制器18)(如图1所示的)也可以被应用于为再生制动提供脉冲宽度调制反向驱动，即在车辆系统中的动能以电压的形式被呈现在电机绕组上，并且PWM脉冲在呈现相同极性的时间以大于电池12的电压提供经过每个IGBT的暂时连接。这种充电脉冲用来给电池12再充电以及施加扭矩以减慢电机16。再生制动可以响应于以下条件而执行：“制动”踏板的压力或者位移，“油门”或者“气体”踏板压力的减小到低于代表维持恒定速度的阈值，借助前瞻性传感器检测到即将到来的道路危险，巡航控制超速补偿等。在再生制动的限制下，控制器可以组合动态制动(即，使用隔离的电池来短路电机，使得反EMF将旋转速度转换成反向扭矩)和来自电池12的反向功率的应用以及机械制动30的致动，所有这些方法进一步被防抱死制动控制系统32和其他汽车安全功能调制。

上述操作有点常规，但是以强调包含了本公开的示范性实施方式的方式进行了描述。在一些示范性实施方式中，充电器功能的一个特定方面是存在6个(或者另一个2的倍数)IGBT器件20、22，所有这些器件用来驱动电机16。每个IGBT包括从发射极连接到集电极的分流二极管58。所示的实施方式提供了这些续流二极管58中的一些，以在从主电源36充电期间传导电池充电电流。

从主电源通过较高速率(如65kHz)的整流和斩波产生的然后经由IGBT续流二极管58施加到电池12的代表性的电池充电波形在典型的充电器电路滤波后可以被预期为具有残余开关伪影(residual switching artifacts)。充电波形的这个分量可以包括在斩波速率下的电流的显著阶跃变化，在至少一些实施方式中，高电流水平和低电流水平之间大约在40％。已知这种充电电流变化缩短了电池寿命，尽管更小的变化(例如大约15％)已经显示是相对无害的。因此，优选的是减小充电电流的变化。然而，用于滤除功率电路中的低阶谐波(这些谐波可能包含相当的能量并且与高阶谐波相比难以滤除)的无源装置会是体积大、昂贵且浪费能量，这将在讨论拓扑结构#1时说明。

图3是本公开的示范性实施方式的端到端的原理图。图3包括与图2相同的方框，它们的内部电路附于方框内。根据原理图的操作使用IGBT1-IGBT6来实现组合式电机驱动器和电池充电器电路，这与常见的实施进行了比较。在充电期间，IGBT1和IGBT2两端的续流二极管58传导充电电流至电池12的正极端子。充电电流来源于主电源36，经由滤波器38、整流桥39以及PFC40对振荡和隔离变压器电路42供电，然后经由整流器-过滤器43至升压电感器44。传导二极管58可以提供基本相等的电流脉冲，它们可以是同相的，如变压器Tr3的次级绕组的相对极性所确定的(图3示出了此布置)，或者可以是交替的，由用户选择。从主电源38转化的且施加到电池12的脉冲能量被功率振荡器42的PWM控制2功能调节，该功率振荡器42接收来自PFC40的前馈信号、来自变压器Tr3的一个次级绕组的反馈信号(视为探针次级电压)以及命令信号V_Cmd。PWM控制件2调整驱动变压器Tr3的FET H桥M1、M2、M3和M4的开启时序。最后施加到电池12的充电脉冲序列被选择为电池在其瞬态充电状态下的兼容且允许的充电速率，如通过测量电池电流(Am1)、电压(Vm1)、温度(未示出的嵌入式换能器)等所确定的。升压控制时序使用该测得的数据以调整控制单元98内的充电模式控制例程。该电路优选具有足够的串联电感和并列电容以在低电平下保持充电波形中的纹波和开关噪声。如上所提到的，充电电流的变化是不同拓扑结构的一个考虑点，并且调节能够延长电池12的使用寿命。

在本公开的一些示范性实施方式中，在电池12的充电期间，升压控制功能98向IGBT4和IGBT5的栅极提供信号。借助IGBT4和IGBT5的集电极分别连接到IGBT1和IGBT2的发射极，开启IGBT4和IGBT5的栅极信号产生至地的瞬时导电性，其可以被定时以部分抵消来自升压电路43的充电脉冲的充电电流的变化。

来自升压电路43的充电脉冲被定向到电机16的两个绕组La和Lb。如果充电脉冲在相位和幅值上相等，如图3的电路布置所提供的，则没有净扭矩被施加到电机16。这是根据本公开的大部分实施方式的优选特性，从而允许使用电机分流电感而没有明显的实际功耗。

图4、5、6和9示出了充电模式IGBT驱动功能的一系列替换时序模式和电路配置(这里也称为拓扑结构)。(注意：在原理级，独特标志的器件在此被指代使用标准部件命名法而不是参考数字，例如“IGBT2续流二极管阴极”)。替换布置实现了不同的益处并且说明了本公开所教导的灵活性。在四幅图中的任一图中(图3的相关部分也近似图4，并且与其他拓扑结构有关)，从主电源36馈入的两个充电电路组45按照上述被处理，其中振荡器已经包括了相对高速率的斩波波形。相对高的斩波频率可以减小充电器电路中的磁性的大小。

图1和图2的示范性实施方式在图3中做了详细描述，该示范性实施方式示出一个斩波器，PWM控制件2，其驱动四个功率FETM1-M4，继而驱动一个具有两个次级绕组118的变压器Tr3。每个次级绕组的输出被整流和滤波。电路总体上形成两个输出V_dc1和V_dc2，二者被分配参考数字45并且在图4、5、6和9中示出；此后，充电信号连接到混合外壳14内的节点，以及连接到电机16内的绕组La、Lb、Lc中的至少两个。连接在IGBT1和IGBT2两端的续流二极管将充电脉冲能量引导到电池12，同时脉冲电路98驱动IGBT4和IGBT5以引入补偿瞬变。

如在2011年10月12日提交的申请PCT/US2011/055972中所指出的(受让人与本申请相同)，相对于晶体管饱和或者切断所花的时间，高开关频率增加斩波器电路晶体管的转换时间。由于转换时间期间通过晶体管的电流路径既不饱和也不切断，所以消耗更多的能量，这往往降低效率。这在充电期间可以被认为是可接受的，因为充电是连接主电源的，因而例如不是车辆范围的因素。由于斩波器电路为承载全部充电电流的变压器Tr3提供激励，因此来自PFC的斩波器输入电流波形不是不变的DC信号，相反，以大约两倍的主电源AC速率变化以调节功率因子。此外，通过设计，由斩波器提供以对电池12充电的电流可以被选择为电机16可以汲取电池12的放电电流的峰值速率的约1/10，所以电路外壳内的热耗散在充电期间可以比电机驱动期间明显较低，尽管使用比电机驱动PWM开关速率高的斩波开关速率导致了较低的效率。可以预见，半导体技术的未来发展将增加半导体开关速度和转换率，从而降低损耗并且最终使该折中消失。

如在此所讨论的图4、5、6和9的原理图仅分别代表针对称作拓扑结构#1、#2、#3和#4的示范性实施方式的充电模式。图5代表称作拓扑结构#2的第二个这种示范性实施方式。对于拓扑结构#2，充电器功能45输出(图5的表示中的V_dc1、V_dc2以及它们关联的仿真部件)被施加到IGBT对之间的全部3个接合点。作为一种结果，分别并联在IGBT1、IGBT2和IGBT3两端的所有三个续流二极管可以运载电流到电池12(图5中的V_bat以及关联的仿真部件)，这可以更广泛地在混合外壳14上分发热，这取决于所涉及的部件的精确电气特性。也就是说，可以注意到，当运载几十安培的电流时，即使电阻增加几毫欧，也会可测量地增加每个导电段、螺纹连接或焊接缺陷上的电压降。同样地，每个二极管管芯可能具有稍微不同的正向导通特性曲线。较高弯曲片块(higher-curve dice)可以变得更热并且使电压更高，从而进一步降低它们的电流直到达到均衡。因此，即使在部件已经匹配选定的标准并且在部件放置同样精确的情况下，热分布也是内在地不均匀的。增加使用的电流路径的数量(如图5与图4比较)可以减小峰值热点温度并且由此降低总耗散，但是需要注意设计和工艺以实现尽可能多的益处。

图4、5、6和9也公开了电路操作的一些示范性实施方式的方面和通过以下实现的优势：具有一个或更多补偿信号(图1中未示出)，这些补偿信号相对于来自升压电感器44的充电信号被定时，并且施加到充电期间原本不开启的晶体管IGBT1-IGBT6中的一个或更多个。降压信号(图4和图5中由单脉冲发生器功能98表示)已经被示出明显地减小了来自代表性的充电电路45的电流变化的幅值，从而增加电池12的寿命。封闭在图4的混合外壳14内的部件晶体管IGBT1-6保持在相应的接合点IGBT1-发射极/IGBT4-集电极、IGBT2-发射极/IGBT5-集电极和IGBT3-发射极/IGBT6-集电极处连接到电机16的绕组La、Lb和Lc。分别由V_dc1、集总电阻模型RL1eq和电感器L1以及由V_dc2、RL2eq和L2表示的充电器电路也被示为连接到IGBT2-发射极/IGBT5-集电极和IGBT1-发射极/IGBT4-集电极之间的相应的接合点。来自两个充电器电路45的充电电流流过IGBT1和IGBT2的续流二极管到电池V_bat。这允许脉冲发生器98施加朝着地汲取电池充电节点的瞬态脉冲，其中脉冲相加并且由此抵消充电波形的电流变化。电机绕组La、Lb的电感往往进一步减少瞬变。在电机16的两个绕组上的相同的、同相的脉冲的存在允许电机16被用作一组电感器，而不会在电机16中感应净扭矩。

从另一角度看图4，两个充电信号V_dc1和V_dc2通过IGBT1和IGBT2的续流二极管被传导到电池12的正极端子，各自的二极管与每个IGBT上的阳极输入和阴极输出连接。在一些实施方式中，IGBT4和IGBT5的栅极可以连接到不同步于充电器的斩波和整流电路的脉冲源98，所以在电机12中的两个绕组La和Lb上存在的能量是斩波的和整流的V_dc1和V_dc2信号以及以脉冲源98速率施加的补偿信号的加和。因为被施加到两个受影响的电机绕组La和Lb的能量脉冲等效是同步的，所以该能量不会在电机中感应扭矩。然而，相应的电机绕组和周围电路的串联电感、配线电阻以及并联电容产生复(即，实部和虚部)负载电流。该加和的波形可以提供滤波以减小原本被施加到电池的充电电流的变化。

上述布置可以看作用户选项。具有多于一个的斩波器变压器次级绕组并且进一步具有关联的整流功能以低成本提供了部分冗余。双输出配置还允许用户建立输出端之间的相位差，以增加脉冲重叠并且进一步提高滤波。这种变体代表替换的设计策略。应当理解的是，图4、图5、图6和图9示出的电路布置表示充电期间存在的信号路径。当电池正在驱动电机并且充电电路34从主电源36断开时(图3示出了更详细的原理图)，在图4-6中标有六边形112的信号路径被中断。在示范性产品中，可以使用其他部件(未示出)来中断图1的充电电路34和混合外壳14中的IGBT1-IGBT6之间的连接。在脉冲发生器98中可以产生其他脉冲宽度调制时序信号，并且以用选定的力水平驱动电机12所需的时序将其施加到IGBT1-IGBT6的栅极。

图4示出的拓扑结构#1的一个限制是，每个升压电感器44的电感值、电流和电压速率可能是足够大的以要求电感器体积大，因此电感器沉重并且昂贵。下文将示出，连续的拓扑结构减少电感，并且由此减小重量、大小、成本等，这可以构成一些方面的改进。

作为图4示出的拓扑结构#1的演变，图5中推测的等效的单脉冲功能98驱动所有三个“下部”IGBT22(如图1中所识别的)，即IGBT4、IGBT5和IGBT6，从而使同一瞬变被施加到对电池12(在图4、5、6和9示出的仿真模型中的V_bat)充电所经过的所有三个接合点。这个滤波和充电瞬变补偿功能的效果相对于拓扑结构#1可能有些提高，因为在不产生电机扭矩的情况下施加来自脉冲发生器功能98的较宽范围的脉冲时序和周期是可能的。

图5所示的布置和图4、图6和图9的布置的不同之处在于，所有电机绕组同时接收来自电源V_dc1和V_dc2电流脉冲，同时电池12通过所有三个上部续流二极管接收这些脉冲。来自脉冲发生器98的单脉冲波形被施加到IGBT4、IGBT5和IGBT6的栅极，这提供了瞬变补偿信号并且热负载被分布于所有三个上部续流二极管。

图6示出了上述概念的进一步演变，称作拓扑结构#3，其中进入IGBT1和IGBT4之间以及IGBT3和IGBT6之间的接合点的充电脉冲(V_dc1和V_dc2信号)的时序可以彼此相同或不同，并且进入IGBT2和IGBT5(中间一对)之间的接合点的组合充电脉冲116的时序由充电时序IGBT IGBTA1-IGBTA4门控。门控的充电功能允许通过禁用IGBTA1-IGBTA4(即没有充电脉冲到达IGBT2和IGBT5之间的接合点)来复制其他之前所述的拓扑结构的充电波形，或者提供独特的充电模式。如图6中示意描述的以及图10中的时序波形，两个脉冲发生器PGA108和PGB110通过以1000Hz速率重复脉冲时序模式的相似持续时间脉冲的(延迟)XOR来驱动IGBTA1-IGBTA4。相反，IGBT2/IGBT5接合点脉冲可以由任何逻辑和延迟产生的模式驱动。图10示出的驱动波形被理想化为表示近似时序，而忽略转换延迟、过冲以及真实脉冲的其他伪影。当原始的V_dc1和V_dc2充电信号45被施加到电池12以及电机16的相应的绕组La和Lc，并且原始PGA和PGB波形分别确定IGBT4和IGBT6的开启时间时，PGA和PGB波形的延迟异或确定组合的V_dc1和V_dc2充电脉冲施加至电池12和电机16的绕组Lb的时序。注意到，对于这个目的，La、Lb和Lc在功能上是可互换的，所以虽然使用另一信号驱动其中一个线圈(如图6)会产生明显的影响，但是在仅驱动La和Lb(如图4)与仅驱动La和Lc(如图6)之间没有区别。

图6进一步示出本公开的实施方式的其他方面。如上所提到的，PGA和PGB的脉冲时序不同，从而向电机16和电池12提供不同的脉冲信号谐波。独特的脉冲被施加到IGBT4和IGBT6的栅极，同时逻辑组合被施加到IGBT2/IGBT5接合点，并且IGBT5的栅极未被激励。所示的逻辑组合是代表性的，但是应该针对任何特定的用户选择的电池、充电器、混合外壳、电机尺寸以及操作温度的组合进行优化。

图6进一步示出两个RC网络R10、R12、C7、C3和R11、R13、C8、C4，其中相应的网络并联/分流在IGBT1/IGBT4和IGBT3/IGBT6接合点上，并且在由逻辑组合确定的时间处以组合方式出现在IGBT2/IGBT5接合点上。当针对响应进行优化时，这些RC网络向充电网络增加至少一个额外的极点且可以提高充电效率。RC网络至少有益地重新引导来自耗散路径的充电能量并引导到电池12，并且可以降低电机16的绕组La、Lb和Lc中的瞬变微扰。图6所示的拓扑结构#3可能展示另一限制，即在节点116处可能有残余的电流。这在图9的背景中所讨论的拓扑结构#4中进一步解决。

图7示出由本公开的一些示范性实施方式解决的第二个问题的解决方案。充电电力从主电源36经由前端滤波器38、隔离器42以及升压电感器引导，所有这些元件连同相应的IGBT在图1-6中示意性示出。如图7所示，“鱼尾”式母线(bus bar)将参考电流从分立的接合点63(正极)和64(负极)运送到单一的6-IGBT混合外壳70的连接端子66(发射极)和68(集电极)。IGBT混合外壳70可以是经过验证的配置，诸如FS800R07A2E3、有HybridPACK2^TM外壳特征的器件，特定的母线60(图7中部分示出并且图8中更清晰地显示)被设计为与其相配。关联的电容器72连同其适配器托架74及关联的冷板76完成示范性实施方式的结构核心。对于在尺寸上不同的每个等同IGBT阵列，母线60和冷板76配置也可能在较大或较小程度上不同于所示的这些，但是如下文讨论的关键特征适用于具有可比拟性能和大体相似布置的任何6-IGBT阵列，也适用于混合式(分开的片块)或集成电路形式中的单个、两个和三个IGBT的布置，其可以被安装到布置的公共母线60并且共享冷板76。

电容器72具有特殊的样式，其特征是具有环形形状因子并且支持高放电速率，并且具有金属化聚丙烯膜类型。支架74是专门研制以向指定类型的电容器的特殊尺寸的两个单元提供电接触和热接触。电容器72安装在母线60和其支架74之间，并且被选择为展示出实现显著的波纹抑制的电气性能，从而与以前的充电电路滤波器配置相比时，减小了电池12上的压力。

选择一对相同的、较小直径、较小厚度的电容器72替代在电容、等效串联电阻、等效串联电感和电压耐受能力方面可比拟的例如一个较大尺寸的电容器，这使得电容器子组件在尺寸上更相似于相配的子组件，即IBGT混合外壳70。关联的冷板76可以具有能够适应混合外壳70的冷却配置的任何尺寸，所以针对冷板76选择的尺寸相比于其他部分的要求是次要的。该布置进一步用作增加并且分配相应的电容器72电极以及适配器支架74和母线60自身邻近的层之间的电气接触表面面积，并且也缩短从电容器72到母线60的有效路径长度。

图8以分解形式示出图7的示范性实施方式，即母线60、电容器72、冷板76、电容器适配器支架74、IGBT混合外壳70以及用以装配部件的扣件78。

之前用于实现可比拟的电容的策略已经使用了大量的物理上较小且常规的环状引线电容器(例如，参考美国专利7,046,535)。这些布置往往在互连导体中增加电阻和电抗，并且使用具有明显较大的累积ESR和ESL的电容器。可以预期，符合本公开的教导的电池充电电流并联电容器72及其他滤波配置的其他形式和布置可以实现与使用所示的特定的布置所达到的性能相比拟的波纹抑制性能。尽管如此，图7和图8所示的示范性实施方式对于选定的电容器展示出高电感、高耐压以及非常低的ESR和ESL的组合。安装布置和电流转移支架展示出超过以前的概念(包括已经使用了相似电容器的概念)的性能的电阻和电感。

分配到电力切换装置自身的从IGBT混合外壳70到电池12的链接的部分(而不是从装置输出到电池12的布线)的电感是阻止或者允许充电电流过冲的一个因素，其中较大的串联电感与不期望的电池应力关联。对于本公开的示范性实施方式，大约10nH-12nH的母线60的部件设计目标是实际的。这个低值串联电感对于以前的概念一般是不可实现的。例如，以前的实践可以实现30nH，其中这个相对高的值归因于因为使用较长的、进一步相互分开的单个导体。本公开的实施方式(例如图7中的那些)具有叠层母线60。在该应用中，术语“母线”指的是使用足够的宽度和厚度及足够的平滑外围形状的平坦导电材料紧密且均匀地间隔开的正极导体80和负极导体82，以便具有低DC电阻和良好的辐射噪声抑制。实施方式进一步具有优选的电介质材料，其在导体80、82之间形成均匀的分离器84，从而贡献期望的分布式并联电容，同时以低重量增加刚度。在一些实施方式中，选定的电介质材料可以允许以平坦形式装配母线60，之后将母线60弯曲成图7和图8所示的形状，而不会有明显降低电气或者机械性能。

在具有与所示相似的配置的叠层母线60中潜在实现的额外特性是，依据共模抑制比(CMRR)测得的共模(CM)噪声的管理。以前的实践将正极端子和负极端子分离，同时在间隔相对宽地分开的点处产生开关模式输出信号。本文所公开的设计通过一组短且平行的路径将共模信号的至少一些潜在源连接到叠层母线60。这些短路径截短了在其他实施方式中原本以显著的开关瞬变运送充电模式和电机驱动模式电流(数百安培，数十千赫兹)的较大环形天线的等效体，同时紧密平行的路径减少了其面积。所示的配置显著降低了CM噪声的发射。

在母线60中，流过混合外壳70内的IGBT器件的有限电阻的电流耗散热量，作为操作的结果。废热优选地使用具有强制水夹套的传导冷却(本文中称为冷板76)来耗散。冷板76具有O型圈86密封冷却阱88，IGBT混合外壳70的一部分插入到其中。混合外壳70的该部分大致与其内的IGBT传输晶体管和续流二极管对齐。冷却阱88是冷板76内容纳冷却翅片(未显示)的内部流体路径的一部分，冷却翅片形成IGBT混合底板90的一部分。流动水(或者任何冷却流体，在许多车辆应用中优选是防冻剂和水的混合物)结合来自混合外壳70的底板90的热，并且例如可以被运送到远端的散热器或其他热交换器(未示出)，以便将热转移到环境空气。大致平坦且基本矩形的母线60在冷板76的与混合外壳70相对的一侧上接触冷板76，并且在母线60的另一边是电容器对72。通过建立足够的刚性和对准精度，在这些部件之间建立相对高效的热耦合是可能的，使得它们的温度相对均匀的，近似相同，并且在很大程度上由运送通过冷板76的冷却剂的温度确定。

上文所示的母线60的宽度在很大程度上由两个电容器72的直径确定。为了给这些器件有效地提供制冷，不是针对IGBT混合外壳70而是针对母线60设计冷板76的尺寸，母线60的尺寸进而是针对电容器72设计的。由此，热耦合被增加超过冷板76与混合外壳70的尺寸基本一致的情况下可能的热耦合。热耦合进一步被电绝缘且导热的垫77(位于冷板76的底面90，并且近似接触母线60上的阴影区域)增强。通过适当扭转的扣件78，垫77可以增加热转移，从而降低电容器72相对于冷板76的温度差。

在鱼尾94的周围有额外的滤波器子组件。滤波器92包括两个半块的选定的“软”铁磁材料合成物，它们被组装并且夹持在一起，以形成平坦的大致矩形环或环路(“铁氧体磁珠”)，并且进一步减弱了通过其内的成对导体中的共模噪声。因为示范性实施方式中的母线60布局由平坦的导体定义，所以被配置为夹持在带状电缆周围的铁氧体磁珠可以如所示地在不必调整的情况下被应用于鱼尾94周围。铁氧体材料合成物的选择仍然是用户基于要被抑制的噪声的频谱内容、供应商的可用性等决定。

位于两个支托62、64以及关联的叠层导体94上方的共同构成母线60的“鱼尾”的是所谓的X/Y电容器组件96。这包括从每个电池电压并且因此从每个母线层到地端子的分流电容器加上靠近支托62、64的母线层之间的分流电容器。

图9表示复杂度降低的拓扑结构(#4)，其特征是具有对称交错的时钟，对于一些应用，拓扑结构(#4)可以呈现出超过拓扑结构#1-#3的优势。之前描述的拓扑结构解决了与操作效率、部件大小(尤其是磁性部件)以及在充电期间被施加到电池12的波纹含量的幅值有关的问题。特别是，这些拓扑结构和替代拓扑结构的目的是在一范围的应力环境上实现系统稳定性。图9公开了实现这些目标同时维持低部件数目的策略。图9省略了IGBTA3和IGBTA4以及两个RC网络R10、R13、C7和C3及R11、R13、C8和C4，所以到IGBT2/IGBT5的接合点的驱动依旧由逻辑操作符120控制，但是由V_dc2单独供电。同时，逻辑操作符1/逻辑操作符3的功能120被改变成“或”(OR)门，所以施加图10中的波形A+B而不是与图6相关的异或版本。脉冲发生器PGA108和PGB110分别被降低到在占空比为0.19下的11KHz以及在占空比为0.20下的9KHz。PGA/PGB脉冲频率的进一步降低允许进一步减小升压电感器44过滤负载，由此进一步减小电感和物理大小。这由图3所示的驱动变压器Tr3的振荡器的频率主导。得到的经“或”后的脉冲发生器信号被引导到IGBT4和IGBT6的栅极，并且其延迟版本经由IGBTA1/IGBTA2对引导到IGBT2/IGBT5的接合点，使得基本上相同的脉冲模式被施加到电机16的三个绕组L4、L5、L6。该实施方式通过减小IGBT2/IGBT5接合点驱动信号路径116中的电流，可以提供进一步的优势。

上面的电气噪声抑制部件用来在最小尺寸(重量、体积)下解决辐射噪声减小目标，同时超过现有技术已建立的性能标准。可以增加额外的电气噪声抑制部件，并且可以进一步提高电气平静(quieting)。

到本专利申请的提交时间为止，使用具有长寿命的用于电池供电的车辆的代表性电池12并且对其再充电，这要求相当关注单个电池单元的温度、电池单元和/或电池单元堆叠上的电压以及电池单元的其他动态物理特性，作为估计电池单元内部化学反应的瞬时状态的一种途经。除了感测电池单元温度和电压同时施加电流之外，电池单元、堆叠或整个电池12也可以周期性地从充电功能断开而短暂地连接到负载并且测量电流和电压，其应力测试的结果可以提供更多的数据以调整随后施加的充电速率。

在从电池12驱动电机16期间，上面的拓扑结构假设将不会从主电源输入36充电。因为包含本公开的某些实施方式的车载装置中的电机16的操作意味着车辆运动，所以对于本公开主要涉及的设备的类别，有线馈送被认为是不切实际的。显然地，对于用作组合式主电源/电池供电的设备的固定操作的示范性实施方式，从电池12到主电源36输入的转换是可行的，并且可能需要转换装置。此外，无线的(“发射的”、电感耦合等)电力分配是可行的，但是从与发明概念相互作用所解决的角度来说，这意味着可以被看作与从主电源36进行操作等同的一种技术。对于车辆的、主电源再充电的应用，提供防止再充电SMPS馈送和电池馈送的同时应用的机械连锁或者基于电子传感器的等同体通常是足够的。

虽然已经就当前被认为是最实用的方面描述了方法和设备，但是应当理解的是，本公开不需限于所公开的实施方式。意图是覆盖包含在权利要求的精神和范围之内的各种修改和相似布置，权利要求的范围应该给予最广泛的解释，以便包含所有此类修改和相似结构。本公开也包括下面的权利要求的任何和所有实施方式。

应当理解的是，在不背离本公开的本质的情况下，可以进行各种改变。这些改变也是隐含地包括在说明书中。它们仍然落在本公开的范围之内。应当理解的是，本公开旨在独立地并且作为整体系统并且在方法和设备模式中产生一个覆盖本公开的多个方面的专利。

进一步地，也可以以各种方式实现本公开和权利要求的各个元件中的每一个。本公开应当被理解为包含每个此类变化，不管是任何装置实施方式的实现的变换，方法或过程实施方式的实现的变化，或者甚至仅仅是这些中的任何元素的变化。

特别地，应当理解的是，因为本公开涉及底层概念的元素，所以可以使用等效的装置术语或方法术语(即使仅功能或者结果是相同的)来表达每个元素的措辞。

这些等效的、更宽的或甚至更一般的术语应当被视为包含在每个元素或动作的描述中。在希望明显地或隐含地加宽本公开所给予的覆盖范围的地方，这些术语能够被替代。

应当理解的是，所有动作可以被表述为用于采取该行动的装置或者引起该动作的元件。

相似地，所公开的每个物理元件应当被理解为包含公开了该物理元件有助于的动作。

在本专利申请中提到的任何专利、出版物或其他参考文献通过引用合并于此。此外，对于所使用的每个术语，应当理解的是，除非其在该申请中的使用与这种解释不一致，否则对于每个术语，常用字典定义应当被理解为被包含，并且诸如被包含在本领域技术人员认识的标准技术词典和兰登书屋韦伯斯特词典(最新版)中的至少一种中的所有定义、替换术语以及同义词通过引用合并于此。

最后，在信息披露声明或与本申请一起提交的其他信息声明中列出的所有参考文献通过引用被附加于此并且合并于此；然而，对于上面的每一项，如果通过引用合并的这些信息或声明可能被认为与这个/这些公开的专利申请不一致，则这些声明不能被明显地认为由申请人做出。

在这方面，应当理解的是，出于实际原因，并且为了避免潜在地增加数百条权利要求，申请人仅提出了具有最初依赖关系的权利要求。

支持应当被理解为存在于新法律下(包括但不限于美国专利法35USC132或其他此类法律)所要求的程度，从而允许添加各种依赖关系中的任何一个，或者在一个独立权利要求或概念下提出的作为在其他独立权利要求或概念下的依赖关系或元素的其他元素。

如果进行非实质性替代，如果申请人事实上没有撰写任何权利要求以便字面包含任何特定的示范性实施方式，并且如果以其他方式可适用，则申请人不应该被理解为以任何方式意图或实际放弃这种覆盖，因为申请人仅仅可能没有能力预期所有可能性；不应该合理地期望本领域技术人员撰写一份字面包含这些替代的示范性实施方式的权利要求书。

进一步，根据传统权利要求解释，过渡词语“包括”的使用用来维持其中的“开放式”权利要求。因此，除非上下文另行要求，否则应当理解的是，术语“包括”或诸如“包含”或“含有”的变体旨在暗示包含一个所声明的元素或步骤或一组元素或步骤，但不排斥任何其他元素或步骤或一组元素或步骤。

这些术语应该以其最宽的方式被解释，以便给予申请人法律允许的最广泛的覆盖。

Claims

1.一种组合电池充电器及电机驱动器的电路组件，其包括：

具有正极输出端子和负极输出端子的可再充电电池(12)；

被配置为接收脉冲宽度调制即PWM驱动的牵引电机(16)，所述PWM驱动包括具有至少两个相位输入的模式；

具有多个开关元件的驱动矩阵(14)，所述开关元件被配置为在电机驱动期间将电力脉冲施加到所述电路组件外部的牵引电机(16)，其中所述驱动矩阵(14)进一步包括多个双极晶体管对(20、22)，每两个晶体管中的第一个晶体管的发射极(66)在接合点处电气连接到第二个晶体管的集电极(68)；

具有至少一个输出(54)的充电源(34)，所述输出被配置为在电池充电期间将一序列电流脉冲施加到所述电路组件外部的所述可再充电电池(12)；以及

控制单元(18)，其被配置为在电机驱动期间将控制脉冲模式输出到所述驱动矩阵(14)的各个所述开关元件的输入栅极，并且进一步被配置为在电池充电期间将瞬态抵消脉冲施加到所述驱动矩阵(14)的开关元件的至少一个输入栅极；

其中所述充电源被配置为连接到所述电路组件外部的主电源并且其中所述充电源不包括被配置为电隔离所述主电源和所述牵引电机的机械断开。

2.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述可再充电电池(12)进一步包括：

以串联和并联中的至少一种方式连接的多个可再充电电池单元；以及

至少一个传感器，其被配置为监控和报告所述电池的物理性能，其中被监控的性能是温度、电压或电流。

3.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述牵引电机(16)进一步包括：

永磁转子；以及

线绕定子，其在到定子线圈的电流的施加下与所述转子推进地相互作用。

4.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述驱动矩阵(14)进一步包括封闭外壳(70)，所述封闭外壳包括与所述晶体管电气隔离的导热基板(90)。

5.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述驱动矩阵(14)进一步包括单独的电气触点(66,68)的阵列，这些电气触点(66,68)分别提供从晶体管的发射极(66)、集电极(68)和接合点到驱动矩阵外壳(70)的外部的点(50)的多个电气附连。

6.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述双极晶体管(20,22)进一步包括以下中的一种：多个分立器件、单个混合外壳中的多个分立器件、多个混合外壳中的多个分立器件或者在至少一个外壳中的至少一个集成电路器件。

7.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述驱动矩阵(14)的每个相应的开关元件进一步包括：

绝缘栅双极晶体管，即IGBT(66,68)；以及

续流二极管(58)，其阳极连接到所述IGBT的发射极，而阴极连接到所述IGBT的集电极。

8.根据权利要求1所述的电路组件，其中所述控制单元(18)进一步包括：

处理器(98)；

驱动电路，其被配置为向多个晶体管的栅极输入端提供同步驱动信号；以及

控制单元例程，其包括电池充电模式和电机驱动模式。

9.根据权利要求8所述的电路组件，其中所述控制单元(18)进一步包括：

控制单元充电例程，其使用公共波形驱动两个晶体管的栅极输入，每个被驱动的晶体管是不同对的成员。

10.根据权利要求8所述的电路组件，其中所述控制单元(18)进一步包括：

控制单元充电例程，其使用公共波形驱动三个晶体管的栅极输入，每个被驱动的晶体管是不同对的成员。

11.根据权利要求8所述的电路组件，其中充电例程进一步包括：

第一控制单元充电例程，其使用基于第一脉冲速率和第一占空比的第一波形驱动第一晶体管的栅极输入，该晶体管是第一对的成员；

第二控制单元充电例程，其使用基于第二脉冲速率和第二占空比的第二波形驱动第二晶体管的栅极输入，该晶体管是第二对的成员；

第三控制单元充电例程，其产生至少部分地合并所述第一和第二波形的逻辑上组合且延迟的信号，该信号被施加到属于第三对的成员的两个晶体管之间的接合点。

12.根据权利要求8所述的电路组件，其中充电例程进一步包括：

第一控制单元充电例程，其基于第一脉冲速率和第一占空比产生第一脉冲流；

第二控制单元充电例程，其基于第二脉冲速率和第二占空比产生第二脉冲流；

第一逻辑组合器，其接收分别由所述第一控制单元充电例程和所述第二控制单元充电例程产生的所述第一脉冲流和所述第二脉冲流，形成所述第一脉冲流和所述第二脉冲流的逻辑组合，产生第一栅极输入的第一驱动波形，并且将所述第一驱动波形施加到并联的第一栅极和第二栅极；以及

第二逻辑组合器，其接收分别由所述第一控制单元充电例程和所述第二控制单元充电例程产生的所述第一脉冲流和所述第二脉冲流，形成所述第一脉冲流和所述第二脉冲流的逻辑组合，产生第二栅极输入的第二驱动波形，并且将所述第二驱动波形并行施加到一对辅助的IGBT的栅极，该对IGBT中的第一个晶体管的发射极和第二个晶体管的集电极连接到充电电流源，并且所述第一个晶体管的集电极和所述第二个晶体管的发射极连接到没有被所述第一栅极输入的所述第一驱动波形驱动的一对中的两个晶体管之间的接合点。

13.根据权利要求12所述的电路组件，其中所述第二逻辑组合器生成的所述第二驱动波形具有充电源信号被施加到其他接合点的功率水平。

14.根据权利要求12所述的电路组件，其中所述第二逻辑组合器生成的所述第二驱动波形的输出相对于所述第一逻辑组合器的驱动波形的输出被延迟一程度，该程度相称于第一IGBT和第二IGBT的关断尾部特性。

15.根据权利要求1所述的电路组件，进一步包括被插入在输入主电源(36)和升压调节器(34)之间的功率因子控制器(PFC)(40)。

16.根据权利要求1所述的电路组件，进一步包括提供高于10KHz且低于20KHz的驱动脉冲速率的IGBT。

17.根据权利要求1所述的电路组件，进一步包括提供高于13KHz且低于17KHz的驱动脉冲速率的IGBT。

18.一种组合电池充电器及电机驱动器的电路组件，其包括：

具有正极输出端子和负极输出端子的可再充电电池(12)；

牵引电机(16)，其被配置为接收包括具有至少两个相位输入的模式的脉冲宽度调制(PWM)驱动；

包括具有第一晶体管(IGBT1)的第一对的晶体管阵列，所述第一晶体管的集电极连接到所述电池(12)的正极端子，发射极连接到第二晶体管(IGBT4)的集电极与其连接的接合点，所述第二晶体管(IGBT4)的发射极连接到所述电池(12)的负极端子，所述阵列进一步包括数量与所述牵引电机(16)被配置以接收的相位输入的数量相同的晶体管对，并且晶体管(IGBT1,IGBT2,...IGBT6)各自具有续流二极管(58)，其中相应的二极管的阳极连接到相应的晶体管的发射极，相应的二极管的阴极连接到相应的晶体管的集电极；

具有正极输出端子(54)和负极输出端子(56)的斩波整流DC的充电源(34)，所述正极输出端子(54)连接到晶体管阵列中的至少一对的接合点，所述负极端子(56)连接到所述电池(12)的负极端子，并且所述充电源(34)被配置为响应于电平控制信号的改变而改变斩波功能；

控制电路(98)，其被配置为当所述电池(12)正在驱动所述电机(16)时将具有第一模式的相位分开的PWM驱动信号施加到所述晶体管阵列中的每个晶体管(IGBT1,IGBT2,…IGBT6)的栅极，所述控制电路(98)进一步被配置为当所述充电源(34)正在对所述电池(12)充电时将具有第二模式的驱动信号施加到所述晶体管(IGBT1,IGBT2,…IGBT6)中的至少一个的栅极；

19.一种组合电池充电器及电机驱动器的电路组件，其包括：

驱动电路，其被配置为将具有至少两个相位输出的脉冲宽度调制(PWM)驱动电流模式输出到所述电路组件外部的牵引电机(16)；

具有多个开关元件的驱动矩阵(14)，所述开关元件被配置为在电机驱动期间将来自所述电路组件外部的可再充电电池(12)的电力脉冲施加到外部的所述牵引电机(16)；

从所述电路组件外部的主电源(36)供给的充电源(34)，所述充电源(34)具有至少一个输出(54)，所述输出被配置为在电池充电期间将一序列电流脉冲施加到外部的所述电池(12)；以及

控制单元(18)，其被配置为在电机驱动期间将一模式的控制脉冲输出到所述驱动矩阵(14)的相应的开关元件的输入栅极，并且进一步被配置为在电池充电期间将瞬态抵消脉冲施加到所述驱动矩阵(14)的开关元件的至少一个输入栅极；

其中所述充电源不包括被配置为电隔离所述主电源和所述牵引电机的机械断开。

20.一种组合电池充电器及电机驱动器的电路组件，其包括：

具有正极输出端子和负极输出端子的可再充电电池(12)；

具有多个开关元件的驱动矩阵(14)，所述开关元件被配置为在电机驱动期间将电力脉冲施加到所述牵引电机(16)；

具有至少一个输出(54)的充电源(34)，所述输出被配置为在电池充电期间将一序列电流脉冲施加到所述电池(12)；以及

21.一种组合电机驱动器电路中的充电器和逆变器的方法，其包括：

建立具有正极端子和负极端子的便携式可再充电电力源(12)；

建立用于主电源(36)的转换器(34)，所述转换器以与对所述便携式可再充电电力源(12)再充电相兼容的电平对可调制的DC电源进行斩波和整流；

定义具有牵引电机的电气负载特性的负载(16)，所述负载(16)接收具有多个相位的脉冲宽度调制(PWM)AC信号；

建立晶体管对(IGBT1/IGBT4,IGBT2/IGBT5,IGBT3/IGBT6)的阵列，其中每一对结合于其第一个晶体管的发射极与其第二个晶体管的集电极之间的接合点处，其中各对的第一晶体管(IGBT1,IGBT2,IGBT3)的集电极连接在一起并且进一步连接到所述便携式可再充电电力源(12)的正极端子，其中各对的第二晶体管(IGBT4,IGBT5,IGBT6)的发射极连接在一起并且进一步连接到所述便携式可再充电电力源(12)的负极端子，以及其中所述接合点连接到所述负载(16)的相应的相位；

向每个栅极提供独立的PWM控制信号，在共同向所述负载施加具有所述多个相位和定义所述负载所针对的功率水平的驱动信号的时间处，所述PWM控制信号开启和关闭每个晶体管；以及

提供来自主电源(36)的充电功能(34)，所述主电源从至少一个接合点对所述便携式可再充电电力源(12)再充电，并且将至少一种模式的瞬态脉冲施加到一对中的第二晶体管(IGBT4,IGBT5,IGBT6)的栅极，所述瞬态脉冲的时序被同步于所述主电源转换器(34)的斩波时序；

其中所述电机驱动器电路不包括被配置为电隔离所述主电源和所述负载的机械断开。

22.一种组合电机驱动器电路中的充电器和逆变器的方法，其包括：

建立晶体管对(IGBT1/IGBT4,IGBT2/IGBT5,IGBT3/IGBT6)的阵列，其中每一对结合于在其第一个晶体管的发射极与其第二个晶体管的集电极之间的接合点处，其中各对的第一晶体管(IGBT1,IGBT2,IGBT3)的集电极连接在一起并且进一步连接到电路外部的便携式源(12)的正极端子，其中各对的第二晶体管(IGBT4,IGBT5,IGBT6)的发射极连接在一起并且进一步连接到电路外部的所述便携式源(12)的负极端子，以及其中所述接合点连接到电路外部的负载(16)的相应的相位；

向每个栅极提供独立的PWM控制信号，在共同向所述负载(16)施加具有多个相位和相位模式的驱动信号的时间处，所述PWM控制信号开启和关闭每个晶体管，所述相位和相位模式被配置为实现瞬时功率水平，所述瞬时功率水平落入定义所述负载(16)所针对的功率水平范围内；以及

提供来自电路外部的主电源(36)的充电功能(34)，所述主电源被配置为通过所述电路的至少一个接合点对外部的便携式源(12)再充电，所述充电功能(34)被配置为将至少一种模式的瞬态脉冲施加到一对中的第二晶体管(IGBT4,IGBT5,IGBT6)的栅极，所述瞬态脉冲的时序被同步于与所述电路一体的、具有相对于其选定的相位和持续时间的主电源转换器(34)的斩波时序模式；

23.一种用于电机驱动器电路的组合充电器和逆变器的电路组件，其包括：

具有正极端子和负极端子的用于供给便携式可再充电电力的装置；

用于将主电源转换到与对可再充电源再充电相兼容的电平的装置，所述装置包括斩波和整流DC电源，所述装置是可调制的；

用于加载输出的装置，所述装置具有牵引电机的电气负载特性，所述装置接收具有多个相位的脉冲宽度调制(PWM)AC信号；以及

用于将所述可再充电源切换到加载的所述输出以及将充电装置切换到所述可再充电源的装置，将充电装置切换到所述可再充电源包括以同步于斩波间隔的间隔将充电装置切换到地；

其中所述用于切换的装置不包括被配置为电隔离所述主电源和加载的所述输出的机械断开；

其中所述用于切换的装置进一步包括多个双极晶体管对(20、22)，每两个晶体管中的第一个晶体管的发射极(66)在接合点处电气连接到第二个晶体管的集电极(68)；

其中所述用于切换的装置进一步包括封闭外壳(70)，所述封闭外壳包括与所述晶体管电气隔离的导热基板(90)；

其中所述用于切换的装置进一步包括单独的电气触点(66,68)的阵列，这些电气触点(66,68)分别提供从发射极(66)、集电极(68)和晶体管的接合点到封闭外壳(70)的外部的点(50)的多个电气附连。