CN104659895B - 用于使用车载电力电子装置快速充电的设备及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于使用车载电力电子装置快速充电的设备，所述设备包括DC总线、耦合至DC总线并且被配置成输出DC电压的第一能量存储装置、耦合至DC总线的第一双向电压修正组件和可耦合至DC总线的高阻抗电压源。所述设备进一步包括充电系统，充电系统具有耦合至DC总线的第一插座和耦合至第一双向电压修正组件的第二插座。第一插座被构造成与耦合至高阻抗电压源的第一连接器配合，并且第二插座被构造成与耦合至高阻抗电压源的第二连接器配合。控制器被编程为控制充电能量通过充电系统的第一插座和第二插座向DC总线进行的同时转移。

Description

用于使用车载电力电子装置快速充电的设备及其制造方法

技术领域

本发明的实施例大体涉及包括混合车辆和电动车辆的电驱动系统并且涉及经受短暂或脉冲负载的固定驱动器，并且更具体地说，涉及在车辆或驱动器的能量存储装置与车辆或驱动器外部的电源之间转移能量，以便对能量存储装置快速充电。

背景技术

混合电动车辆可将内燃机和由能量存储装置(如牵引电池)供电的电动机结合起来以便推进所述车辆。这种结合可通过使内燃机和电动机能够在提高效率的相应范围中各自操作来提高整体燃料效率。例如，电动机在从静止启动进行加速时可为高效的，而内燃机在恒定发动机操作的持续时期(如在高速公路上驾驶)内可为高效的。具有用于提升初始加速度的电动机允许混合车辆中的内燃机更小并且燃料效率更高。

纯电动车辆使用存储电能来给电动机供电，所述电动机推进所述车辆并且还可操作辅助驱动器。纯电动车辆可使用存储电能的一个或多个电源。例如，存储电能的第一电源可用于提供持续时间较长的能量，而存储电能的第二电源例如可用于提供用于加速的较高功率能量。

插入式电动车辆，无论是混合电动类型还是纯电动类型，均被配置成使用来自外部电源的电能来对牵引电池再充电。例如，所述车辆可包括公路车辆或非公路车辆、高尔夫车、小区电动车辆、叉车和公用卡车。这些车辆可使用非车载固定电池充电器或车载电池充电器，以便将电能从公用电网或可再生能源转移至所述车辆的车载牵引电池。例如，插入式车辆可包括电路和连接以便于对来自公用电网或其他外部电源的牵引电池再充电。然而，电池充电电路系统可包括专用部件，如升压转换器、高频滤波器、斩波器、电感器和专用于仅在车载电存储装置与外部电源之间转移能量的其他电部件。这些另外的专用部件给所述车辆添加了额外的成本和重量。

此外，车载整流器或非车载整流器可用于提供高充电电流，用于对能量存储装置快速充电。然而由于公用基本波形的相移，所述整流具有高公用谐波和低功率因数的不良影响。AC电力系统的功率因数定义为实际功率与表观功率的比，并且可表示为在0与1之间的数字或在0与100之间的百分比。实际功率代表用于在特定时间内电路执行工作的能力。表观功率为所述电路的电流和电压的乘积。由于存储在负载中并且返回至电源的能量，或由于使从电源提取的电流的波形失真的非线性负载，表观功率可大于实际功率。具有较低功率因数的电路比具有较高功率因数的电路执行更少的工作。因此，为执行相同的工作量，使较高的电压或电流输入至具有较低功率因数的电路中。

尽管功率因数校正电容器可用于提高使用整流器导致的低功率因数，但这种校正电容器因公用设施的低频率(例如，50或60Hz)而尺寸较大。另外，功率因数校正电容器对低频谐波电流具有最小的影响，所述低频谐波电流还促成低功率因数并且可引起意外的系统共振。还可提供专用有源滤波器，然而实施所述滤波器给处于全功率额定电力电子转换器形式的系统添加了其他成本，所述电力电子转换器使用昂贵的开关装置和关联控件来处理完整的充电功率。

因此，需要提供一种设备以便于将电能从外部电源快速转移至插入式车辆的车载能量存储装置，这使得专用于仅在车载电存储装置与外部电源之间转移能量的部件的数目减少并且使得充电系统成本降低，同时维持高功率因数和低谐波电流。

发明内容

本发明的一方面提供一种设备，所述设备包括：DC总线；耦合至所述DC总线的第一能量存储装置，所述第一能量存储装置被配置成输出DC电压；耦合至所述DC总线的第一双向电压修正组件；可耦合至所述DC总线的高阻抗电压源；充电系统，所述充电系统包括：耦合至所述DC总线的第一插座，所述第一插座被构造成与耦合至所述高阻抗电压源的第一连接器配合；以及耦合至所述第一双向电压修正组件的第二插座，所述第二插座被构造成与耦合至所述高阻抗电压源的第二连接器配合；以及控制器，所述控制器被编程为控制充电能量通过所述充电系统的所述第一插座和所述第二插座向所述DC总线进行的同时转移。

所述第一插座和所述第二插座容纳在双输入充电接口内。

所述第一插座被构造成接收DC输入。

所述第二插座被构造成接收AC输入。

所述设备进一步包括耦合至所述高阻抗电压源的第一多个二次变压器绕组的整流器。

所述设备进一步包括具有打开位置和闭合位置的多个变压器接触器；并且其中所述多个变压器接触器当被放置在所述闭合位置时，被构造成将所述高阻抗电压源的第二多个二次变压器绕组连接至所述第一双向电压修正组件。

所述设备进一步包括耦合至所述DC总线的双向DC至DC电压转换器；并且其中所述第一双向电压修正组件包括双向DC-AC电压逆变器。

所述第一双向电压修正组件包括至少一个双向电压DC-DC电压转换器。

所述控制器进一步被编程为促使所述第一双向电压修正组件将校正电流注入至所述DC总线上。

所述控制器进一步被编程为：监视所述高阻抗电压源的线电流；监视所述高阻抗电压源的线电压；从所述监视线电压产生参考电流；将所述参考电流与所述监视线电流进行比较；以及基于所述参考电流与所述监视线电流的所述比较来计算所述校正电流。

所述设备进一步包括耦合至所述第一双向电压修正组件的机电装置。

所述设备进一步包括：耦合至所述DC总线的第二能量存储装置，所述第二能量存储装置被配置成输出DC电压；第一接触器，所述第一接触器与所述第一能量存储装置串联放置并且被配置成将所述第一能量存储装置直接耦合至所述DC总线；以及第二接触器，所述第二接触器与所述第二能量存储装置串联放置并且被配置成将所述第二能量存储装置直接耦合至所述DC总线。

所述第一能量存储装置包括大功率能量存储装置；并且其中所述第二能量存储装置包括低功率能量存储装置。

本发明的另一方面提供一种用于在车载能量存储装置与外部电压源之间转移能量的方法，所述方法包括：将所述车载能量存储装置耦合至DC充电总线，所述车载能量存储装置被配置成输出DC电压；将耦合至所述外部电压源的第一连接器插入到耦合至所述DC充电总线的第一插座中；将耦合至所述外部电压源的第二连接器通过双向电压修正组件插入耦合至所述DC充电总线的第二插座中；以及对控制器进行编程以闭合多个接触器，以使通过所述第一连接器和所述第二连接器从所述外部电压源向所述车载能量存储装置进行的同时转移成为可能。

所述方法进一步包括对所述控制器进行编程以控制所述双向电压修正组件的开关，以便将校正电流注入至所述DC充电总线上，使得所述外部电压源的谐波电流减少。

所述方法进一步包括对所述控制器进行编程以便：监视在所述外部电压源的电压与所述外部电压源的电流之间的相差；以及基于所述相差来计算所述校正电流以便在预确定单位阈值内操作。

将所述双向电压修正组件耦合至所述DC充电总线包括将双向DC-AC电压逆变器耦合至所述DC充电总线。

所述方法进一步包括将双向DC-DC电压转换器耦合至所述DC充电总线。

所述方法进一步包括将第二车载能量存储装置耦合至所述DC充电总线。

将所述第一连接器插入至所述第一插座中包括将所述外部电压源的第一多个二次绕组的整流输出耦合至所述DC充电总线；并且其中将所述第二连接器插入至所述第二插座中包括将所述外部电压源的第二多个二次绕组耦合至所述双向电压修正组件。

所述方法进一步包括：将所述第一多个二次绕组通过DC连接耦合至所DC充电总线；以及将所述第二多个二次绕组通过AC连接耦合至所述双向电压修正组件。

本发明的再一方面提供一种系统，所述系统包括：包括变压器的远程电源；充电系统，所述充电系统包括：耦合至所述远程电源的DC连接器；以及耦合至所述远程电源的AC连接器；车辆，所述车辆包括：DC总线；耦合至所述DC总线的能量存储装置；耦合至所述DC总线的DC插座；以及通过双向电压修正组件耦合至所述DC总线的AC插座；以及控制器，所述控制器被编程为控制充电能量从所述远程电源至所述DC总线的充电能量转移，所述充电能量具有通过所述DC插座转移的高电流分量，以及通过所述AC插座转移的电流校正分量。

所述系统进一步包括耦合至所述变压器的第一多个二次绕组的整流器；并且其中所述AC连接器耦合至所述变压器的第二多个二次绕组。

所述DC插座和所述AC插座容纳在公共充电接口内。

可以从以下具体实施方式和附图中显而易见地了解到许多其他特征和优点。

附图说明

附图示出目前构想用于实施本发明的实施例。

在附图中：

图1为根据本发明实施例的牵引系统的示意图。

图2为根据本发明实施例的结合可用于图1的牵引系统的双输入充电接口的车辆的一部分的示意图。

图3为示出根据本发明实施例的整合至图1的牵引系统中的控制系统的示意图。

图4为根据本发明实施例的在第一充电模式下操作的图1的牵引系统的示意图。

图5为根据本发明实施例的在第二充电模式下操作的图1的牵引系统的示意图。

图6为根据本发明实施例的在第三充电模式下操作的图1的牵引系统的示意图。

图7a和图7b为根据本发明实施例的另一牵引系统的示意图。

具体实施方式

图1为根据本发明实施例的牵引系统10的示意图。牵引系统10包括第一能量存储装置12。例如，在一项实施例中，第一能量存储装置12为高电压或大功率能量存储装置并且可为电池、飞轮系统、燃料电池、超级电容器或超级电容器和电池的结合。第一能量存储装置12通过DC总线或DC充电总线16耦合至双向电压转换器组件14。在一项实施例中，双向电压修正组件14为双向DC至AC电压逆变器。双向DC至AC电压逆变器14包括六个半相模块18、20、22、24、26和28，所述六个半相模块18、20、22、24、26和28组对以形成三相30、32和34。每相30、32、34耦合至DC总线16的一对导体，包括第一导体36和第二导体38。耦合至DC总线16的DC链路电容器40为DC总线16提供平滑功能并且对DC总线16上的高频电流进行滤波。

机电装置或电动机42耦合至双向DC至AC电压逆变器14。在一项实施例中，机电装置42为牵引电动机，所述牵引电动机机械连接至车辆(如车辆122(图2))的一个或多个驱动轮或轴44或其他电气设备(如起重机、升降机或电梯，作为非限制性实例)。机电装置42包括多个绕组46、48和50，所述多个绕组46、48和50具有耦合至双向DC至AC电压逆变器14的相应相30、32、34的多个导体52。绕组46、48和50还具有耦合在一起以形成节点56的多个导体54。这个3相连接配置通常被称为“wye”连接。在替代配置(未示出)中，机电装置42可以“Δ”配置连接，并且因此将不包括公共节点56。

牵引系统10包括任选的第二能量存储装置58(以虚线示出)，所述任选的第二能量存储装置58耦合至DC总线16，以便向驱动轮44提供功率。在一项实施例中，第二能量存储装置58为低电压或小功率能量存储装置并且可为电池、燃料电池、超级电容器或类似物。第一能量存储装置12可被配置成提供比第二能量存储装置58更高的功率，以便例如在车辆的加速周期内提供功率。第二能量存储装置58可被配置成提供比第一能量存储装置12更高的能量，以便向车辆提供持续时间较长的功率来增加它们的行进距离。尽管第二能量存储装置58描述为是任选的，但在替代实施例中，牵引系统10可包括第二能量存储装置58并且省略第一能量存储装置12。在一个实施例中，第一能量存储装置12和第二能量存储装置58中的一个或两个具有比高阻抗电压源84的瞬时输送能力要大的瞬时接受能力。

多个双向DC至DC电压转换器60、62、64耦合至第二能量存储装置58并且耦合至DC总线16，并且被配置成将一个DC电压转换成另一DC电压。在所示实施例中，牵引系统10包括三个双向DC至DC电压转换器，然而在替代实施例中，牵引系统10可包括多于或少于三个的电压转换器。每个双向DC至DC电压转换器60、62、64包括耦合至一对开关68、70并且耦合至一对二极管72、74的电感器66。每个开关68、70耦合至相应的二极管72、74，并且每个开关/二极管对形成相应的半相模块76、78。为说明目的，开关68、70作为绝缘栅双极晶体管(IGBT)示出。然而，本发明的实施例不限于IGBT。例如，可使用任何适当的电子开关，如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET、氮化镓(GaN)装置、双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体可控晶闸管(MCT)。

当结合牵引系统10的车辆或设备停放或不使用时，可期望将所述车辆插入远程电源(如公用电网80)中或插入至可再生能源，以便对第一能量存储装置12和/或第二能量存储装置58更新或再充电。相应地，图1示出本发明的包括充电系统82的实施例，所述充电系统82可耦合至牵引系统10的DC总线16，用于对能量存储装置12、58再充电，以使得牵引系统10的部件可用于对能量存储装置12、58再充电并且将来自能量存储装置12、58的能量转换成可用于驱动所述负载或推进所述车辆的能量的双重目的。

充电系统82包括外部高阻抗电压源84。在图1所示出的实施例中，外部电压源84为非车载多相公用系统，所述非车载多相公用系统包括可例如提供120Vac、240Vac或480Vac的公用电网80的三相AC源或变压器。在这种实施例中，高阻抗电压源84的一相、二相或三相可用于提供充电功率。在替代实施例中，可以想到的是，外部高阻抗多相电压源84反而可具有一个、两个、六个或任何其他数目的相。根据本发明的另一实施例，可以想到的是，高阻抗电压源84为DC电压源。

高阻抗电压源84包括耦合至第一组二次绕组88和第二组二次绕组90的多个一次绕组86。在所示实施例中，第一组二次绕组88以Δ配置连接，而第二组二次绕组90以wye配置连接。然而，根据替代实施例，第一组二次绕组88和第二组二次绕组90可以替代配置来配置。

如图1所示，牵引系统10包括三相整流器92，所述三相整流器92耦合至第一组二次绕组88并且耦合至具有触点96、98的插座或插头94。插头94被配置成与牵引系统10的具有触点102、104的插头或插座100配合。在操作中，整流器92对从第一组二次绕组88接收的高充电电流进行整流，并且将整流充电电流递送至正充电的能量存储装置。在整流器92包括无源开关部件的实施例中，充电电流受到变压器的阻抗限制。可替代地，整流器92可包括硅可控整流器(SCR)，以便提供对充电电流的主动控制。在任何一项实施例中，使用耦合至第一组二次绕组88的整流器92使得高充电电流能以与具有昂贵开关装置和辅助部件的全功率额定电力转换器相比不昂贵的方式供应至牵引系统10。尽管整流器92在图1中示出为安装在牵引系统10之外，但在替代实施例中，与全额定功率转换器相比，整流器92的简单和相对小的尺寸使得整流器92能安装在牵引系统10上。

尽管三相整流器92使得高充电电流能供应至DC总线16用于以不昂贵方式对能量存储装置充电，但所述整流导致相对高的公用谐波电流和低的功率因数。为校正这个，高阻抗电压源84的第二组绕组90通过具有触点108、110、112的插座或插头106耦合至牵引系统10的预先存在的双向DC至AC电压逆变器14。插头106被配置成与牵引系统10的具有触点116、118、120的插座或插头114配合。在操作期间，双向电压逆变器14控制用于充当有源滤波器，以便校正公用功率因数并且减少由高电流充电整流器92导致的公用谐波电流，如在以下另外详细描述。因为车载双向DC至AC电压逆变器14仅必须处理完整充电电流的一部分，所述系统以高效操作。

尽管配合插头和插座94、100在上文描述成DC连接，并且配合插头和插座106、114描述成三相AC连接，但插头和插座94、100、106、114可被构造成根据各种实施例来接收替代输入。作为一个非限制性实施例，插头/插座94、100和插头/插座106、114两者均可构造成AC或DC连接。在插头/插座94、100构造成AC连接的实施例中，整流器92将放置在所述车辆上并且被配置成对用来供应至DC总线的AC连接的输出进行整流。作为另一非限制性实施例，插头/插座94、100可构造成整流单相输入，而插头/插座106、114可构造成单相AC输入。

图2示出车辆122的结合图1的牵引系统10的一部分。车辆122包括车辆主体124，所述车辆主体124被配置成容纳乘客并且在路面如公路或高速公路上行进。尽管车辆122在图2中示出为载客车辆，但车辆122可为任何类型的车辆，包括但不限于，汽车、公共汽车、卡车、拖拉机、采矿设备、海上船舶，以及非公路车辆，包括能够在路面上以及在地下(如在采矿操作中)操作的材料运输车辆或个人运载车辆。

根据一项实施例，牵引系统10(图1)的插座100和114容纳在安装在车辆主体124上的双输入充电接口或公共充电接口126内。如所示，双输入充电接口126放置在车辆主体124一侧的后方部分。然而，应理解，双输入充电接口126可布置在车辆主体124之上或之内的任何地方。双输入充电接口126可包括盖(未示出)以便当充电系统82(图1)不使用时，隐藏插座110、114。在替代实施例中，插座100和114可设置在单独的外壳内。

现参考图3，示出结合在牵引系统10内的控制器128与关联控制线路130。为清楚起见，已从图3的牵引系统10的图示中省略掉各种零件编号。这样，相对于控制器128的以下讨论一起参考图1和3。如所示，控制器128通过线路130耦合至双向DC至DC电压转换器60、62、64和双向DC至AC电压逆变器14。

如图1和图3所示，牵引系统10包括耦合至电动机42的绕组46、48、50的第一多个开关或接触器132。当充电系统82耦合至牵引系统10时，在再充电操作期间，开关132使双向电压转换器组件14从绕组46、48、50去耦，以使得充电能量不电激励或将能量供应至电动机42，并且因此电动机42不导致所述车辆在充电期间移动。第二多个开关或接触器134放置在高阻抗电压源84的二次绕组90与双向电压转换器组件14之间。开关或接触器136、138分别与第一能量存储装置12和第二能量存储装置58串联设置。在第一能量存储装置12或第二能量存储装置58被省略的实施例中，对应的接触器136、138可同样地被省略。开关或接触器140提供用于使二次绕组88从牵引系统10选择性地去耦。根据各种实施例，开关元件132、134、136、138和140可构造成机电开关装置或固态类型的开关装置。

在操作期间，如以下相对于图4至图6所详细描述，控制器128根据多个充电模式选择性地控制牵引系统10的开关132、134、136、138和140的操作。在充电操作期间，控制器128还从设置在牵引系统10内的多个传感器接收反馈。耦合至控制器128的第一电压传感器142允许控制器128监视第一能量存储装置12的充电。第二电压传感器144用于监视供应至第二能量存储装置58的充电电压。此外，传感器142或传感器144可在不包括对应的第一能量存储装置12或第二能量存储装置58的实施例中被省略。控制器128被配置成通过一个或多个电流传感器146来监视充电能量的电流。传感器系统147包括线电压传感器148和线电流传感器150，以便允许控制器128监视高阻抗电压源84的电压和电流。由线路149大体示出的传感器系统147的输出由控制器128接收。在一个实施例中，如图3所示，传感器148、150设置在一次绕组86上。可替代地，传感器148、150可设置在二次绕组88、90中的一个或两个上。另外，尽管电压传感器148作为线间电压传感器示出，但替代实施例可包括一个或多个线至中性点间电压传感器，以便向控制器128提供反馈。尽管传感器系统147示出为包括对应于高阻抗电压源84的每个相的线路和电压传感器148、150，但传感器系统147可包括小于相总数的电压和/或电流传感器。在所述实施例中，控制器128可通过另外的处理进行编程，以便计算其他电压值和/或电流值。

在电动驱动模式(motoring mode)中，控制器128将开关132和开关136和/或138控制到闭合状态并且将开关134、140控制到打开状态，以使得来自第一能量存储装置12和/或第二能量存储装置58的能量转移至DC总线16。通过半相模块18-28的适当控制，控制器128被配置成控制双向DC至AC电压逆变器14，以便将DC总线16上的DC电压或电流转换成AC电压或电流，用于通过导体52供应至绕组46-50。相应地，可使来自第一能量存储装置12和/或第二能量存储装置58的DC电压或电流转换成AC电压或电流，并且输送至电动机42以便驱动轮44。在其他非车辆推进系统中，驱动轮44可为另一类型的负载(未示出)，包括泵、风扇、绞车、起重机或其他电动机驱动负载。

在再生制动模式中，机电装置42可作为发电机操作以使轮44制动并且将AC电压或电流供应至双向DC至AC电压逆变器14，以供逆变为DC总线16上的适合对第一能量存储装置12或第二能量存储装置58单独或同时再充电的DC电压或电流。

在再充电模式中，充电能量(如电流)从高阻抗电压源84通过整流器92并且通过双向电压转换器组件14的二极管152、154、156、158、160、162流动至DC总线16。二极管152-162提供整流，以便将通过高阻抗电压源84的二次绕组90供应的AC功率转换成用于DC总线16的DC功率。

在再充电模式中，控制器128控制双向电压逆变器14来与DC链路电容器40和/或正充电的能量存储装置12、58实质交换能量，以便校正公用功率因数和使用整流器92导致的高谐波电流来供应高充电电流用于快速充电。控制器128通过传感器148来感测至双向电压转换器组件14的三相线电压或线电流，并且使用所述线电压来产生线参考电流命令。控制器128还通过传感器150来感测三相线电流并且将这个感测线电流与产生的线参考电流命令相比较。如果线电流遵循线电压，获得低谐波单位功率因数。因此，控制器128将线参考电流与感测线电流相比较用于误差产生和稳定性补偿，并且通过双向电压转换器组件14的适当开关控制来控制双向电压逆变器14的开关以便在DC总线16上注入校正电流，所述校正电流使得在线参考电流与感测线电流之间的误差最小化并且促使公用电流遵循或与公用电压同相。校正电流导致系统在单位功率因数的预确定阈值值内操作。在一个实施例中，预确定阈值大约在单位的5％内。

现参考图4，当牵引系统10以用于对高电压的第一能量存储装置12充电的配置受控时，示出牵引系统10的有效电路。在所示配置中，第一能量存储装置12通过闭合接触器138和接触器140以及打开接触器136来充电。接触器132打开以便在充电操作期间使电动机绕组46、48、50去耦，而接触器134闭合以便将二次绕组90耦合至双向电压逆变器14。如果存在，在这个充电配置中从电路移除第二能量存储装置58。如以上所述，整流器92将高充电电流供应至DC总线16用于对第一能量存储装置12充电，而控制器128控制双向电压逆变器14的开关以便校正公用功率因数并且减少由来自整流器92的高充电电流导致的公用谐波电流。

在第一能量存储装置12的充电操作期间，控制器128通过传感器142来监视第一能量存储装置12的电压，并且调整第一能量存储装置12的充电，以使得它的电压不超过规定电平。接近充电结束时，由于再充电流渐缩至低电平，控制器128还将DC总线16上的再充电电压调整至“浮动电压”，并且将双向电压转换器组件14的操作切换至大功率有源整流器模式，以便使第一能量存储装置12在接近充电结束时维持在合适的“浮动电压”。

图5示出在用于低电压、第二能量存储装置58的快速充电的第一配置中的牵引系统10的有效电路。为获得所示充电配置，控制器128打开接触器136以便从电路(如果存在)移除高电压、第一能量存储装置12，并且闭合接触器138以便绕开双向DC至DC电压转换器60、62、64，并且允许通过整流器92供应至DC总线16的高充电电流直接通过闭合接触器138而施加至第二能量存储装置58。在这个配置中，双向电压转换器组件14控制用于充当有源滤波器，以便获得在公用输入的单元功率因数。

在所示充电配置中，控制器128通过传感器144监视第二能量存储装置58的充电状态并且将感测电压与用于第二能量存储装置58的预确定电压极限相比较。当第二能量存储装置58的监视电压达到或超过电压阈值时，第二能量存储装置58的电压维持在“浮动”电压或期望电压。在一项实施例中，阈值是基于第二能量存储装置58的设计和温度。当控制器128感测到第二能量存储装置58接近完全充电时并且随着电流减少，控制器128打开接触器138并且操作双向DC至DC电压转换器60、62、64，以便以良好控制的方式在较低电流下完成所述充电，从而使第二能量存储装置58提高至以及维持合适的“浮动电压”。在充电控制的这个结束期间，牵引系统10的有效电路以与图6所示电路类似的方式配置。

图6示出在用于对第二能量存储装置58充电的第二配置中的牵引系统10的有效电路。这个第二配置类似在图5中示出的配置，以下情况除外：接触器138打开以使得第二能量存储装置58的充电受到双向DC至DC电压转换器60、62、64控制。取决于在牵引系统10内包括的双向DC至DC电压转换器的数目，双向DC至DC电压转换器60、62、64可提供充足的功率处理以便从DC总线16获得期望的高电流充电。在这个配置中，双向电压转换器组件14仍充当有源滤波器，但和与图5的配置关联的功率相比，它处理的功率减少，因为双向DC至DC电压转换器60、62、64可控制很多的公用电流以便获得好的功率因数。

尽管以上相对于对第一能量存储装置12或第二能量存储装置58充电来讨论所述各种充电配置，但当对第一能量存储装置12和第二能量存储装置58的标称电压进行适当选择并且每个相应的能量存储装置12、58的相应充电状态(SOC)在预确定值内时，开关136和138可操作用于对所述第一能量存储装置12和所述第二能量存储装置58同时充电。

图7a和图7b示出根据本发明的另一实施例的牵引系统164的示意图。牵引系统164可用于较高功率应用中，例如像公共汽车、机车、非公路卡车、采矿车辆和类似物。牵引系统10和164公共的元件和部件将视情况相对于相同参考数字进行讨论。图7a和图7b还将相对于相同的参考数字来讨论牵引系统164的公共部件。

除与牵引系统10公共的部件之外，牵引系统164包括双向电压修正组件165和多个变压器开关或接触器168，所述多个变压器开关或接触器168将高阻抗电压源84的二次绕组90选择性地耦合至双向电压修正组件165。

在图7a所示的实施例中，双向电压修正组件165包括三个双向DC至DC电压转换器166。在本发明的替代实施例中，双向电压修正组件165基于给定牵引系统的设计规范可包括多于或少于三个的DC至DC转换器。可替代地，双向电压修正组件165可为双向DC至AC逆变器。

牵引系统164包括通过控制线路172耦合至双向电压转换器组件14和双向DC至DC电压转换器60、62、64和166的控制器170。控制线172还将控制器170耦合至开关132、136、138、140和168。

当对第一能量存储装置12或第二能量存储装置58充电时，控制器170以如相对于图1至图5所述类似的方式操作，以下情况除外：控制器170将双向DC至DC电压转换器166作为三相逆变器操作以便获得有源滤波器功能，而不是如之前在牵引系统10的充电操作中所述控制双向电压转换器组件14以便获得有源滤波。在双向电压修正组件165包括一个或多个DC至DC电压转换器166的实施例中，双向DC至DC电压转换器166的电感器174作为滤波电感器使用。可替代地，二次绕组90的可具有较高额定电流的漏电感可作为滤波电感器使用，从而可消除电感器174。

在一项实施例中，当充电系统82耦合至牵引系统10时，在再充电操作期间，任选的开关167(以虚线示出)使DC至AC电压逆变器14从绕组46、48、50去耦，以使得充电能量不电激励或将能量供应至电动机42，并且因此电动机42不导致所述车辆在充电期间移动。可替代地，控制器170可被配置成禁用DC至AC电压逆变器14的开关元件，以便在再充电期间阻止充电能量从DC总线16流至绕组46、48、50。

在再充电操作中，控制器128通过电压传感器176来感测第一能量存储装置12的电压，并且调整第一能量存储装置12的充电，以使得它的电压不超过规定电平。接近充电结束时，随着再充电电流渐缩至低电平，控制器128还将DC总线16上的再充电电压调整至“浮动电压”。

因此，本发明的实施例使用部件(如已经在牵引控制系统上的逆变器和转换器)来对牵引控制系统的一个或多个能量存储装置快速再充电。以这种方式，这些部件可用于监视能量存储装置和对能量存储装置再充电的双重目的。使用车辆的车载部件允许非车载充电站具有简单、低成本、大功率的设计。此外，高电流充电可以成本有效的方式来获得。因此，车载能量存储装置的快速充电可通过一对次级变压器使用来自远程电源的同时双输入来完成。来自远程电源的第一输入将高充电电流供应至DC总线用于快速充电，而来自远程电源的第二输入用于将校正电流注入至所述DC总线上，这使得充电电流中的谐波减少并且获得接近单位的大功率因数。

用于公开设备的技术贡献为：它提供用于使用车载电力电子装置来转移能量的控制器实施技术。

根据本发明的一项实施例，设备包括DC总线、耦合至所述DC总线并且被配置成输出DC电压的第一能量存储装置、耦合至所述DC总线的第一双向电压修正组件，和可耦合至所述DC总线的高阻抗电压源。所述设备进一步包括充电系统，所述充电系统具有耦合至所述DC总线的第一插座和耦合至所述第一双向电压修正组件的第二插座。第一插座被构造成与耦合至高阻抗电压源的第一连接器配合，并且第二插座被构造成与耦合至高阻抗电压源的第二连接器配合。对控制器进行编程以便控制充电能量通过充电系统的第一车辆和第二插座至所述DC总线的同时转移。

根据本发明的另一实施例，用于在车载能量存储装置与外部电压源之间转移能量的方法包括将车载能量存储装置耦合至DC充电总线，所述车载能量存储装置被配置成输出DC电压。所述方法还包括将耦合至外部电压源的第一连接器插入至耦合至DC充电总线的第一插座中；将耦合至外部电压源的第二连接器通过双向电压修正组件插入至耦合至DC充电总线的第二插座中，以及对控制器进行编程以闭合多个接触器，以便使得能进行能量从外部电压源通过第一车辆和第二连接器至车载能量存储装置的同时转移。

根据本发明的又一实施例，系统包括远程电源，所述远程电源包括变压器，以及充电系统，所述充电系统具有耦合至所述远程电源的DC连接器和耦合至所述远程电源的AC连接器。所述系统还包括车辆，所述车辆具有DC总线、耦合至所述DC总线的能量存储装置、耦合至所述DC总线的DC插座以及通过双向电压修正组件耦合至所述DC总线的AC插座。对控制器进行编程以便控制充电能源从远程电源至DC总线的转移，所述充电能量具有通过DC插座转移的高电流分量和通过AC插座转移的电流校正分量。

尽管本发明仅结合有限数量的实施例来进行详细描述，但应易于理解，本发明不限于此类所公开的实施例。相反，本发明可被修改以涵盖之前并未描述、但与本发明的精神和范围相符合的任意数量的变化、更改、替换或等效布置。此外，尽管已描述本发明的各种实施例，但应理解，本发明的各方面可仅包括前述实施例中的一些实施例。因此，本发明不应被视为受到前述描述限制，而仅受到所附权利要求书的范围限制。

Claims (9)

1.一种充电设备，所述设备包括：

DC总线；

耦合至所述DC总线的第一能量存储装置，所述第一能量存储装置被配置成输出DC电压；

耦合至所述DC总线的第一双向电压修正组件；

能够耦合至所述DC总线的高阻抗电压源，其包括第一多个二次变压器绕组；

充电系统，所述充电系统包括：

耦合至所述DC总线的第一插座，所述第一插座被构造成与耦合至所述高阻抗电压源的第一连接器配合；

耦合至所述第一双向电压修正组件的第二插座，所述第二插座被构造成与耦合至所述高阻抗电压源的第二连接器配合；以及

耦合至所述第一多个二次变压器绕组的整流器；以及

控制器，所述控制器被编程为控制充电能量通过所述充电系统的所述第一插座和所述第二插座向所述DC总线进行的同时转移，所述控制器进一步控制所述第一双向电压修正组件与所述第一能量存储装置进行能量交换以校正功率因数 。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一插座和所述第二插座容纳在双输入充电接口内。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一插座被构造成接收DC输入。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第二插座被构造成接收AC输入。

5.根据权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括具有打开位置和闭合位置的多个变压器接触器；并且

其中所述多个变压器接触器当被放置在所述闭合位置时，被构造成将所述高阻抗电压源的第二多个二次变压器绕组连接至所述第一双向电压修正组件。

6.根据权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括耦合至所述DC总线的双向DC至DC电压转换器；并且

其中所述第一双向电压修正组件包括双向DC-AC电压逆变器。

7.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一双向电压修正组件包括至少一个双向电压DC-DC电压转换器。

8.一种用于在车载能量存储装置与外部电压源之间转移能量的方法，所述方法包括：

将所述车载能量存储装置耦合至DC充电总线，所述车载能量存储装置被配置成输出DC电压；

将耦合至所述外部电压源的第一连接器通过整流器插入到耦合至所述DC充电总线的第一插座中；

将耦合至所述外部电压源的第二连接器通过双向电压修正组件插入耦合至所述DC充电总线的第二插座中；以及

对控制器进行编程以闭合多个接触器，以允许能量同时通过所述第一连接器和所述第二连接器从所述外部电压源向所述车载能量存储装置进行转移，所述控制器进一步控制所述双向电压修正组件与所述车载能量存储装置进行能量交换以校正功率因数 。

9.一种充电系统，所述系统包括：

包括变压器的远程电源；

充电系统，所述充电系统包括：

耦合至所述远程电源的DC连接器；以及

耦合至所述远程电源的AC连接器；

车辆，所述车辆包括：

DC总线；

耦合至所述DC总线的能量存储装置；

耦合至所述DC总线的整流器；

耦合至所述DC总线的DC插座；以及

通过双向电压修正组件耦合至所述DC总线的AC插座；以及

控制器，所述控制器被编程为控制充电能量从所述远程电源至所述DC总线的充电能量转移，所述充电能量具有通过所述DC插座转移的高电流分量，以及通过所述AC插座转移的电流校正分量，所述控制器进一步控制所述双向电压修正组件与所述能量存储装置进行能量交换以校正功率因数 。