CN110266216B - 电荷输送系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了电荷输送系统，包括：电连接在第一逆变器的第一多个开关臂的至少一个与第二逆变器的第二多个开关臂的至少一个之间的插入式电源，插入式电源包括充电端口；可操作地耦合到第一逆变器和第二逆变器的控制器，控制器选择性地调制第一逆变器的第一多个开关臂的至少一个或第二逆变器的第二多个开关臂的至少一个，由此电流从车载电源流经第一电机的第一多个定子绕组的至少一个或第二电机的第二多个定子绕组的至少一个以用于插入式电源在充电端口的输出，控制器选择性地调制第一逆变器的没有直接连接到插入式电源的多个开关臂和第二逆变器的没有直接连接到插入式电源的多个开关臂以降低插入式电源与车载电源之间的共模噪声。

Description

电荷输送系统
本申请是申请日为2015年02月13日、申请号为201580008506.X、发明名称为“电荷输送系统”的中国专利申请的分案申请的分案申请。
技术领域
本发明一般涉及用于再充电蓄电装置的系统，并且更具体地用于从安装在例如车辆上的蓄电装置放电或供电的系统。
背景技术
许多插入式混合动力电动车辆(PHEV)有两个电机。一个电机可以典型地用于牵引而另一个用于发电。这些车辆中还有其他辅助电机(即，空调压缩机和电动转向泵)。这些电机通常是三相永磁电机，其在操作期间通过车载电源(例如电池)供电。当车辆被操作时，车载电源放电，在某些时候需要再充电。
该PHEV汽车有使用基于燃料的发电机来根据需要部分地再充电车载电源的车载发电能力。然而，可以优选地当可能时使用外部电源再充电车载电源。
对于使用外部电源的适机再充电，对车辆有利的是有从任何标准电插座和电动汽车支持设备(EVSE)和可能的DC源接受电力的能力。与这样的适机再充电相关联的电子设备可能不希望地给车辆增加成本和/或重量。因为同时插入充电和驱动车辆可能是不实际的，因此可以使用驱动磁性和电力电子器件和/或辅助电机系统作为电池充电器的部分的双目的。
例如，电池充电器可以被集成到双三相电机传动系，具有通过将插入式电源连接到每个三相电机的中性节点的星形连接电机绕组。
使用中性节点连接的配置，能够使得相等的电流流过电机绕组，以避免产生电动机转矩。但是，当引起相等的电流流过电机的三相绕组时，能够被利用的仅是绕组的漏电感。因此，可能有问题的是商用电源不能充分升压到电池电压，或者到输入侧的波纹的影响增加。
此外，当单相或两相电机绕组被选择且使电流流过以利用较高的磁电感时，电机生成转矩，其可能使得车辆在充电期间运动或振动，尤其当定子绕组电流在每个AC半线周期改变方向时。
另外，这些中性节点连接的集成电荷输送系统倾向于导致高共模噪声、电磁干扰(EMI)和不希望的接地电流。
发明内容
公开了集成双向电荷输送系统。集成双向电荷输送系统包括车辆电机系统和插入式电源。该车辆电机系统包括第一电机，其包括多个定子绕组；第二电机，其包括多个定子绕组；第一逆变器，包括多个开关臂；第二逆变器，包括多个开关臂；控制器以及车载电源。所述插入式电源连接在所述第一逆变器的一个选择的开关臂与所述第二逆变器的一个选择的开关臂之间。所述控制器被配置成控制所述第一和第二逆变器的多个开关臂，由此电流从插入式电源流过第一电机或第二电机以给车载电源充电。电流的相位能够在第一和第二电机之间交替，因为插入式电源具有交变极性以降低共模噪声和在电荷输送期间防止电机转动。
附图说明
可以从通过示例方式给出并结合附图的以下描述中可以得到更详细的理解，在附图中：
图1是根据实施方式的车辆电荷输送系统的示例顶层图；
图2是图1的车辆电荷输送系统的更详细的图；
图3A示出了根据实施方式的当插入式电源是正极时车载电源充电操作的示例第一开关状态；
图3B示出了根据实施方式的当插入式电源是正极时车载电源充电操作的示例第二开关状态；
图3C示出了根据实施方式的当插入式电源是负极时车载电源充电操作的示例第一开关状态；
图3D示出了根据实施方式的当插入式电源是负极时车载电源充电操作的示例第二开关状态；
图4A示出了根据一种替换性实施方式的当插入式电源是正极时车载电源放电操作的示例第一开关状态；
图4B示出了根据一种替换性实施方式的当插入式电源是正极时车载电源放电操作的示例第二开关状态；
图4C示出了根据一种替换性实施方式的当插入式电源是负极时车载电源放电操作的示例第一开关状态；以及
图4D示出了根据一种替换性实施方式的当插入式电源是负极时车载电源放电操作的示例第二开关状态。
具体实施方式
应该理解的是，电荷输送系统的实施方式的附图和描述已被简化以解释相关的元件以为了清楚理解，同时为了简明没有描述在典型车辆系统中有的许多其他元件。本领域技术人员可认识到其他元件和/或步骤是实施本发明所期望的和/或必需的。然而，由于这样的元件和步骤是本领域众所周知的，并且因为它们不利于更好地理解本发明，因此在此不提供这样的元件和步骤的讨论。
这里描述的非限制性实施方式是关于电荷输送系统。电荷输送系统可被修改用于各种应用和使用而在权利要求书的实质和范围内。本文所描述的和/或在附图中所示的实施方式和变化仅通过示例的方式给出，并且不限制范围和实质。此处的描述可以适用于该电荷输送系统的所有实施方式，包括例如但不限于集成双向电荷输送系统，尽管它可以关于特定的实施方式被描述。
现在参照附图描述电荷输送系统，其中几个视图中的类似的参考数字涉及类似的元素。此处描述的实施方式通过整合车载驱动磁性元件和电力电子元件为电动或混合动力车辆提供了车载充电方案。
一般地并且如本文下面将进一步描述的，本发明的实施方式将插入式电源连接到两个逆变器中的至少一个开关臂。这样的结构能够用于在双逆变器/电机驱动系统内执行几种类型的无桥功率因数校正(PFC)升压/降压转换以给车辆电源充电和放电。这些无桥PFC升压/降压转换之一产生两种截然不同且互补的升压/降压转换器电路。每个PFC升压/降压转换器电路利用单个电机绕组为其电感元件。全波整流通过每个AC半功率线周期在这两个升压/降压电路正交交替来实现。与PFC调制的这种结构得益于升压电感、每个电机内的稳定零转矩角以及降低的噪声水平。
图1是根据实施方式的车辆电荷输送系统100的顶层图。车辆电荷输送系统100包括车载车辆电机系统101和插入式电源102。
车载车辆电机系统101包括车载电源110、第一逆变器120和第二逆变器121、第一永磁电机130和第二永磁电机131。第一逆变器120包括多个的开关臂A、B、C。多个开关臂A、B、C的每一个分别包括一对开关元件Q1/Q2、Q3/Q4和Q5/Q6。各开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6分别包括相关联的并联二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，用于钳位在开关电感负载时经历的电压瞬变。类似地，第二逆变器121包括多个开关臂A’、B’和C’。多个开关臂A’、B’、C’的每一个分别包括一对开关元件Q7/Q8，Q9/Q10和Q11/Q12。各开关元件Q7、Q8、Q9、Q10、Q11和Q12分别包括相关联的并联二极管D7、D8、D9、D10、D11和D12，用于钳位在开关电感负载时经历的电压瞬变。第一电机130包括多个定子绕组L1、L2、L3，连接到第一逆变器120的多个开关臂A、B、C。第二电机131包括多个定子绕组L4、L5、L6，连接到第二逆变器121的多个开关臂A’、B’和C’。该插入式电源102连接在逆变器120的开关臂A与逆变器121的开关臂A’之间。可替代地，该插入式电源102可被连接在逆变器120的开关臂A、B和C的一个或多个与逆变器121的开关臂A’、B’和C’的一个或多个之间。
在本文所述的实施方式中，仅通过非限制示例的方式，多个开关元件Q1-Q12可以表示绝缘栅双极晶体管(IGBT)或金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件。在一个实施方式中，使用MOSFET器件的双向方面，可以针对每个开关让任何相应的开关元件“ON”，其中并联二极管导通，以进一步降低导通损耗的。
现在参照图2，示出图1的车辆电荷输送系统100的实施方式的更详细图。车载车辆电机系统101包括车载电源110、第一逆变器120和第二逆变器121、控制器122、第一电机130和第二电机131。车载电源110可包括电池111和电容器C1。本领域普通技术人员可以理解，电容器C1可以用于在脉冲切换期间吸收和提供高频电流。插入式电源102包括用于完成该插入式电源102与车载车辆电机系统101之间的电路的滤波器124和开关K1。
如上所述，第一逆变器120包括多个开关臂A、B、C。多个开关臂A、B、C的每一个分别包括一对开关元件Q1/Q2、Q3/Q4和Q5/Q6。每个开关元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q6分别包括相关联的并联二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6，用于钳位在切换感性负载时经历的电压瞬变。类似地，第二逆变器121包括多个开关臂A’、B’、C’。多个开关臂A’、B’、C’的每一个分别包括一对开关元件Q7/Q8、Q9/Q10和Q11/Q12。每个开关元件Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、和Q12分别包括相关联的并联二极管D7、D8、D9、D10、D11和D12，用于钳位在切换感性负载时经历的电压瞬变。第一电机130包括多个定子绕组LI、L2、L3，连接到第一逆变器120的多个开关臂A、B、C。第二电机131包括多个定子绕组L4、L5、L6，连接到第二逆变器121的多个开关臂A’、B’、C’。
控制器122包括电流输入I1、I2、I3、I4和对应于相关联的感应电流和车载车辆电机系统101中的各自电压Vdc的电压输入Vdc。控制器122还包括第二电压输入Vac，其对应于从插入式电源102输出的Vac。控制器122还包括多个输出O1-O6，和O7-O12，分别针对开关Q1-Q6和Q7-Q12，和针对K1的输出125，用于控制这些各自开关的闭合和打开。因此，控制器122可包括软件、固件或类似执行分配给它的操作。
插入式电源102分别被连接到逆变器120的开关臂A和逆变器121的开关臂A’，以及滤波器124，其可以是电磁干扰(EMI)滤波器，而其可以连接到外部充电端口(例如，标准电插座或标准EVSE、DC电源或负载)。可替代地，插入式电源102可被连接在逆变器120的开关臂A、B和C的一个或多个与逆变器121的开关臂A’、B’、和C’的一个或多个之间。
现在参照图3A-3D，示出了根据本发明的车载电源充电操作的示例。图3A-3D中所示的操作是在电机130和131之间交替的升压调制以彼此维持足够稳定的定子通量矢量角。电机130和131之间的交替取决于插入式电源102的AC线路电压的极性。升压调制可以被执行由此瞬时插入式供电电流与插入式供电电压成比例以实现单位功率因数(即，PF＝1)。单位功率因数可以通过使用功率因数校正(PFC)来实现。
图3A-3B示出了当插入式电源102的AC线路电压极性为正时(即，在正半线周期)的高频率(例如，10-20千赫(kHz)调制第一和第二开关状态。图3C-3D示出了当插入式电源102的AC线电压极性为负(即在负半线周期)时的高频率(例如，10-20千赫(kHz))调制的第一和第二开关状态。各自的第一和第二开关状态之间的占空比是使得实现单位功率因数。
根据该插入式电源102的AC线电压的极性，第一逆变器120或第二逆变器121在非开关状态，(在本文中被称为“非开关状态逆变器”)，而第一逆变器120或第二逆变器121的剩余的一个调制不直接连接到插入式电源的开关臂(这是用于仅解释的目的，示出为图2中的开关臂B、C、B’和C’)，以保持线电流与线电压同相以保持单位功率因数负载条件(PF＝1)。非开关状态逆变器在每个AC半线周期(即正或负半线周期)(其中AC线周期可以是60Hz，这是非限制示例)期间通过插入式连接开关臂(开关臂A或开关臂A’)的低侧并联二极管在车载电源110和插入式电源102之间提供低频基准(这有助于降低噪音水平)。AC线周期的频率可以是用于任意应用领域的任意适用值。
在零线电源交叉点(即，当AC线电压的极性从正到负的极性，且反之亦然)，非开关状态逆变器从非开关状态模式翻转到PFC升压调制或反之亦然，然后再次与AC线电压极性交替。在一些示例中，交错或分配没有与插入式电源102连接的脉冲切换的开关臂(如，开关臂B和C或者B’和C’)也可以用于减少线路纹波和限制调整第一和第二电机130和131的零转矩转子角位置。另外，该开关臂调制频率(例如，10-20kHz)可以基于电机130和131的端子电感被调整，以最小化插入式电源102中的线路失真，包括但不限于线路纹波。
图3A和3B描绘了当插入式电源102的AC线电压极性是正的时的高频(例如，10-20千赫(kHz))调制的第一和第二开关状态。即，图3A和3B描绘了正插入极性升压调制。图3A描绘了第一正开关状态。在第一正开关状态期间，控制器122产生并通过输出O4和O6向第一逆变器120的开关Q4和Q6传送控制信号，使得开关Q4和Q6闭合且电流I流入电机130，由此给电机130的定子绕组L1、L2和L3的电感充电，如图所示。二极管D8工作以允许电流I相应流动。
图3B描绘了第二正开关状态。在第二正开关状态期间，控制器122产生并通过输出O4和O6向第一逆变器120的开关Q4和Q6传送控制信号，使开关Q4和Q6以打开，从而使定子绕组LI、L2和L3的充电电感放电，并使电流I从插入式电源102流到车载电源110，由此针对正插入极性升压调制导致车载电源110充电。二极管D3、D5和D8工作以允许电流I相应流动。
图3C和3D描绘了高频调制的第一和第二负开关状态。即，图3C和3D描绘了负插入极性升压调制。图3C描绘了第一负开关状态。在第一负开关状态期间，控制器122产生并通过输出O10和O12传送控制信号给第二逆变器121的开关Q10和Q12，使得开关Q10和Q12闭合且电流I流入电机131从而为电机131的定子绕组L4、L5和L6的电感充电，如图所示。二极管D2工作以允许电流I相应流动。
图3D示出了第二负开关状态。在第二负开关状态期间，控制器122产生并通过输出O10和O12传送控制信号给第二逆变器121的开关Q10和Q12，使得开关Q10和Q12打开，从而使定子绕组L4、L5和L6的充电电感放电，并使得电流I从插入式电源102流到车载电源110，由此针对负插入极性升压调制导致车载电源110充电。二极管D2、D9和D11工作以使电流I相应流动。
相应地，在正插入极性升压调制期间，车载电源110充电通过电机130发生，而在负插入极性升压调制期间，充电通过电机131发生。然后，充电在电机130和131之间交替。磁化电流I分别在每个电机130和电机131内是单向的，这可能导致固定零转矩转子角。
现在参照图4A-4D，示出了根据本发明的车载电源放电操作的示例。即，在图4A-4D中所示的操作是在电机130与电机131之间交替的PFC降压调制。图4A和4B描绘了正插入极性降压调制和图4C和4D描绘了负插入极性降压调制。
图4A描绘了正插入极性降压调制的第一正开关状态。在第一正开关状态期间，控制器122产生并通过输出O1、O10和O12分别传送控制信号给第一逆变器120的开关Q1和第二逆变器121的开关Q10和Q12，使第一逆变器121的开关Q1和第二逆变器121的开关Q10和Q12闭合，并且电流I从车载电源110流出经过插入式电源102流入电机131，从而为电机131的定子绕组L4、L5和L6的电感充电，如图所示。
图4B示出了正插入极性降压调制的第二正开关状态。在第二正开关状态期间，控制器122产生并通过输出O1、O10和O12分别传送控制信号给第一逆变器120的开关Q1和第二逆变器121的开关Q10和Q12，使第一逆变器120的开关Q1保持闭合以及第二逆变器121的开关Q10和Q12打开，从而使定子绕组L4、L5和L6的充电电感放电从而使电流I继续流到插入式电源102到充电端口(其中，例如在图2中示出)，导致针对正插入极性降压调制功率通过插入式电源102供应出。二极管D9和D11工作以使得电流I相应流动。
图4C描绘了用于负插入极性降压调制的第一负开关状态。在第一负开关状态期间，控制器122产生并通过输出O4和O6和O7分别传送控制信号给逆变器120的开关Q4和Q6和逆变器121的开关Q7，使得逆变器120的开关Q4和Q6和逆变器111的开关Q7闭合，由此使电流I从车载电源110流出通过插入式电源102，并进入电机130，从而充电电机130的定子绕组L1、L2和L3的电感，如图所示。
图4D描绘了用于负插入极性降压调制的第二负开关状态。在第二负开关状态期间，控制器122产生并通过输出O4、O6和Q7分别传送控制信号给逆变器120的开关Q4和Q6和逆变器121的开关Q7，使得逆变器120的开关Q4和Q6打开以及逆变器121的开关Q7保持闭合，从而使定子绕组L1、L2和L3的充电电感放电，从而使得电流I继续流过插入式电源102到充电端口(其例如在图2示出)，导致电能通过插入式电源102为负插入极性降压调制提供出去。二极管D3和D5起作用以允许电流I通过。
因此，在正插入极性降压调制期间，输出到插入式电源102通过电机131发生，而在负插入极性降压调制期间，输出通过电机130发生。再次，磁化电流I在每个电机130和131内是单向的，这可能导致稳定的零转矩转子角。车载电源110和插入式电源102之间的低频基准(这有助于降低噪音水平)在该放电操作期间通过插入式电源102连接的开关臂A或A’的高侧开关Q1或Q7来得到。类似于如例如图3A-3D中所示的充电操作，插入式电源电流是与插入式电源电压成正比的，但是不同是插入式电源电流相对于插入式电源电压极性是反向的。
在充电或升压(图3A-3D)和放电或降压(图4A-4D)实施方式中，通过车载电源110的电流在高频被开/关，且通过插入式电源102的电流相对连续，通过定子绕组的电感被平滑。
上述实施方式可以适应标准供电插座领域，包括专用EVSE 2级插入式电源(例如，240V、60A、14.4kW，非限制性示例)。通过在两个逆变器的开关臂之间而不是如常规的做法在两个电机绕组的中性节点之间连接两个线单相电源，可以产生外部电源与车载电池的高电压之间的固有低频路径，这导致当使用上述的交替升压和/或降压调制方案时降低不期望的共模噪声。电源之间的这种低频率基准可降低接地电容耦合电流，并提高插拔安全性。
在这个示例中，除定子漏感之外，显著更高升压电感路径可以由电机的合并磁化互感产生，例如电机130或131。更高的电感可降低在插入式电源输入出现的线路纹波和谐波失真。
此外，在每个电机(例如电机130和131)中产生的得到的通量矢量是单向的，且由于磁通量不改变角度，在充电期间没有转子振荡。然而，如果转矩还没有角度对准，转子可发展转矩，使其与零转矩通量角位置对准。一旦对准，结果是有效地在转子轴上的电制动一样的行为，由此阻止车辆运动。此外，由于电流仅流过每个电机，例如电机130和131，在总时间的一半在它们之间分配相关联的热，这可能导致系统的更高的总功率能力。
在上述的示例中，车载电源110(例如，电池111)电压可能需要比峰值插入式电源电压更高，以避免未经调节的电流流动。因此，可以使用电池111和逆变器总线之间的中间DC到DC转换器，以满足该电压约束，并还在充电期间平滑电池电流。
上述实施方式可以应用于例如AC感应和/或永磁电机和/或开关磁阻电机。电机绕组也可以是多种配置，包括星形连接、三角形连接、分相或开放式的。
插入式电源102也可以连接到DC源或负载，使得双向充电在升压调制或降压调制插入极性开关状态(这取决于插入式电源电压极性)的单个集合内是固有的。插入式电源通用性和双向传送可以适用于各种充电操作，包括用于配备有本发明的放电车辆的路边援助的车辆到车辆充电。
提供的方法可以在通用计算机实施，处理器，或者处理器内核中实施以扩展适用范围。合适的处理器包括例如，通用处理器、专用处理器、常规处理器、数字信号处理器(DSP)、多个微处理器、与DSP核心相关联的一个或多个微处理器、控制器、微控制器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)电路、任何其他类型的集成电路(IC)和/或状态机。这样的处理器可以通过使用处理的硬件描述语言(HDL)指令和其他中间数据(包括网表(这种指令能够被存储在计算机可读介质上))的结果配置制造过程来制造。这种处理的结果可以是掩膜作品，其然后被用在半导体制造过程中以制造实施实施方式的方面的处理器。
本文所提供的方法或流程图在使用的程度可以以计算机程序、软件或固件来实施，其被整合在计算机可读存储介质中，用于由通用计算机或处理器执行。计算机可读存储介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、寄存器、缓冲存储器、半导体存储设备、磁介质(诸如内部硬盘和可移动磁盘)、磁光介质和光学介质，如CD-ROM盘和数字多功能盘(DVD)。
应当理解，本发明并不限定于上述实施方式，而是包括在权利要求书的范围内的任何和所有实施方式。此外，尽管本申请的特征和元素在以特定的组合的的示例实施方式中被描述，但每个特征或元素可以单独使用(没有示例实施方式的其他特征和元素)，或在与或不与本申请的其它特征和元素进行各种组合。

Claims (12)

1.一种电荷输送系统，包括：
电连接在第一逆变器的第一多个开关臂的至少一个与第二逆变器的第二多个开关臂的至少一个之间的插入式电源，所述插入式电源包括充电端口；以及
可操作地耦合到所述第一逆变器和所述第二逆变器的控制器，
其中所述控制器选择性地调制所述第一逆变器的所述第一多个开关臂的至少一个或所述第二逆变器的所述第二多个开关臂的至少一个，由此电流从车载电源流经第一电机的第一多个定子绕组的至少一个或第二电机的第二多个定子绕组的至少一个以用于所述插入式电源在所述充电端口的输出，并且
其中所述控制器进一步地选择性地调制所述第一逆变器的没有直接连接到所述插入式电源的多个开关臂和所述第二逆变器的没有直接连接到所述插入式电源的多个开关臂以降低所述插入式电源与所述车载电源之间的共模噪声。
2.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述控制器选择性地调制开关臂，由此电流在以下两者之间交替：第一插入式供电电压极性状态期间给所述车载电源充电的所述第一电机的所述第一多个定子绕组的至少一个与在第二插入式供电电压极性状态期间给所述车载电源充电的所述第二电机的所述第二多个定子绕组的至少一个。
3.根据权利要求2所述的电荷输送系统，其中所述选择性调制在所述第一电机和所述第二电机内产生单向磁电流以产生固定零转矩转子角。
4.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述控制器交错所述开关臂调制以降低所述插入式电源上的电流纹波。
5.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中选择性调制所述第一逆变器的所述第一多个开关臂的所述至少一个和/或所述第二逆变器的所述第二多个开关臂的至少一个产生单位功率因子。
6.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中选择性调制所述第一逆变器的所述第一多个开关臂的所述至少一个和/或所述第二逆变器的所述第二多个开关臂的至少一个发生在10至20千赫兹之间的频率范围内。
7.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述插入式电源还包括电磁干扰滤波器。
8.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述第一电机和所述第二电机是永磁电机。
9.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述第一电机和第二电机是交流感应电机。
10.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述第一电机和第二电机是开关磁阻电机。
11.根据权利要求1所述电荷输送系统，其中所述第一电机的所述第一多个定子绕组和所述第二电机的所述第二多个定子绕组被配置为星形连接。
12.根据权利要求1所述的电荷输送系统，其中所述控制器选择性调制所述第一逆变器的所述第一多个开关臂的至少一个和所述第二逆变器的所述第二多个开关臂的至少一个。
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