CN110573372A

CN110573372A - 使用一个ac/dc转换器实现用于电动车辆的快速电池充电和马达驱动的装置

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Publication number: CN110573372A
Application number: CN201880020324.8A
Authority: CN
Inventors: A.W.布朗; H.白
Original assignee: Heila GmbH and Co KG
Current assignee: Heila GmbH and Co KG
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2019-12-13
Anticipated expiration: 2038-03-23
Also published as: WO2018172988A1; DE112018001480T5; CN110573372B; US10686385B2; US20180278168A1

Abstract

一种装置包括控制器、开关块和三相双向AC/DC转换器。开关块具有连接到电力网的第一接口、连接到电动马达的第二接口以及连接到三相双向AC/DC转换器的第三接口，所述三相双向AC/DC转换器包括第一、第二和第三单相AC/DC转换模块，并且所述三相双向AC/DC转换器具有在输出节点处接合的输入和输出以及被配置成提供电隔离的相应变压器。在第一操作模式中，开关块使电力网连接到AC/DC转换器以用于对连接到输出节点的电池充电，并且断开电动马达。在第二操作模式中，开关块断开电力网，并且将电动马达连接到AC/DC转换器，所述AC/DC转换器被控制以转换从电池汲取的DC功率来激励电动马达。

Description

使用一个AC/DC转换器实现用于电动车辆的快速电池充电和马达驱动的装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月23日提交的美国临时申请no.62/475,566（'566申请）的权益，该'566申请通过引用特此并入，如同在本文中完全阐述一样。

技术领域

本公开一般涉及电力电子系统，并且更具体地涉及使用一个AC/DC转换器实现例如用于电动车辆的快速电池充电和马达驱动的系统和方法。

背景技术

以下仅出于提供上下文的目的来阐述此背景技术描述。因此，在不另外看作现有技术这方面来说，此背景技术描述的任何方面既不明示地也不暗示地被认为是与本公开相对的现有技术。

隔离的交流（AC）/直流（DC）电功率转换器可以用于许多不同的应用中。仅作为示例，这种电功率转换器可从电网或电力线汲取功率（即，AC功率）并被用作电池充电器以对与电动马达供电的机动车辆相关联的DC可再充电电池进行充电。在电动马达供电的车辆中，电力电子转换器是除了电池组（例如，DC可再充电电池）之外在经济上最昂贵的部分。作为两个主要的电力电子转换器，电池充电器（即，AC/DC转换器）和电动马达驱动系统（即，DC/AC逆变器）通常是分离的单元，即便它们共享相同的电池组。对于充电器设计，电网与电池之间的电隔离需要变压器和电感器的存在，这导致电池充电器是电动马达供电的车辆中或上的最大块（即，占用体积）的电力电子部件的情况。对于DC/AC逆变器，与电池并联的DC总线电容器典型地也是大块以及笨重的，从而占据可能整个逆变器空间的～1/3。

将期望提供一种用于执行电池组充电以及马达驱动的上述至少两个功能的系统和方法，其使上述缺点和/或问题中的至少一个或多个最小化和/或消除上述缺点和/或问题中的至少一个或多个。

前述讨论仅旨在说明本领域，而不应被认为是权利要求范围的否认。

发明内容

在实施例中，提供了一种电功率转换装置，其包括包括处理器和存储器的电子控制器、开关块和三相双向AC/DC转换器。开关块由控制器控制，并且具有第一接口，该第一接口被配置成连接到电力网源以用于接收具有第一、第二和第三相（电相）的第一AC信号。开关块具有被配置成连接到电动马达的第二接口。三相双向AC/DC转换器被配置成连接到开关块的第三接口，并且包括第一、第二和第三单相AC/DC转换模块。每个AC/DC转换模块连接至控制器并由控制器控制。在实施例中，每个单相AC/DC转换模块具有被配置成连接到具有第一、第二和第三相的第一AC信号的相应相的相应输入。AC/DC转换模块还具有在输出节点处接合以及具有被配置成提供电隔离的相应变压器的相应输出。

在第一操作模式中，控制器控制开关块以呈现第一状态，该第一状态（i）连接第一和第三接口使得电力网连接到三相双向AC/DC转换器，该三相双向AC/DC转换器可操作以将第一三相AC信号转换成在输出节点处具有DC分量的输出信号，以用于对电池充电。在第一模式中，开关块断开第二和第三接口以由此断开电动马达。

在第二操作模式中，控制器控制开关块以呈现第二状态，该第二状态（i）断开第一和第三接口以便断开电力网，以及（ii）连接第二和第三接口以由此将电动马达连接到三相双向AC/DC转换器，该三相双向AC/DC转换器可操作以将从电池汲取的DC功率转换成用于激励电动马达的第二AC信号。在实施例中，该装置可以用作电池充电器以对（例如，与电动马达供电的机动车辆相关联的）DC可再充电电池充电，以及能够用作逆变器以驱动机动车辆的电动马达。

通过前述内容，按照本公开的实施例提供了一种改进的电功率转换装置，其使用单个双向AC/DC转换器实现快速电池充电和电动马达驱动两者，这降低了成本、减小了庞大（其增加了功率密度）、提高了效率并且促进了快速充电。

通过阅读以下描述和权利要求，以及通过回顾附图，本公开的前述和其它方面、特征、细节、效用和优点将是显而易见的。

附图说明

图1是使用根据实施例的单个双向AC/DC转换器的电功率转换装置的示意和框图。

图2示出了用于从电网功率对可再充电电池充电的图1的装置的第一操作模式中的第一功率流。

图3示出了用于从自电池汲取的DC功率驱动电动马达的图1的装置的第二操作模式中的第二功率流（AC功率）。

图4是更详细地示出图1-3的并且具有用于AC电网功率信号的第一、第二和第三相中的每个的相应AC/DC转换模块的双向AC/DC转换器的简化的示意和框图。

图5是在实施例中更详细地示出了图4中以框形式示出的AC/DC功率转换模块中的一个的图解的示意和框图。

图6示出了与图5的全桥AC/DC整流器相关联的第一组开关控制信号的简化时序图。

图7示出了控制图5的双有源桥的操作的第二和第三组开关控制信号的简化时序图。

图8是用于确定图7的开关定时的参数的时序图。

图9示出了在第一（充电）操作模式中从图5的实施例输出的负载侧（电池）电流和电压。

图10是在用于电动马达驱动的第二操作模式中的进一步的实施例中的图1的装置的简化的示意和框图。

具体实施方式

本文中对各种装置、系统和/或方法描述了各种实施例。阐述了许多特定细节，以提供对如说明书中描述的和附图中图示的实施例的整体结构、功能、制造和使用的透彻理解。然而，将被本领域技术人员理解的是，可以在没有这样的特定细节的情况下实践实施例。在其它情况下，尚未详细描述熟知的操作、部件和元件，以免使说明书中描述的实施例模糊。本领域普通技术人员将理解的是，本文中描述和图示的实施例是非限制性示例，因此可以领会的是，本文中公开的特定结构的和功能的细节可以是代表性的，并且不一定限制实施例的范围，所述实施例的范围仅由所附权利要求限定。

贯穿说明书对“各种实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”等的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在贯穿说明书的位置中的短语“在各种实施例中”、“在一些实施例中”、“在一个实施例中”或“在实施例中”等的出现不一定都指代相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何适合的方式组合在一个或多个实施例中。因此，结合一个实施例图示或描述的特定特征、结构或特性可以在没有限制的情况下全部或部分地与一个或多个其它实施例的特征、结构或特性组合，只要这种组合不是不合逻辑的或无功能的。

现在参考附图，其中相同的参考标号用于标识各种视图中的相同或相似的部件，图1是根据本公开的电功率转换装置10的实施例的简化的示意和框图，其使用一个双向AC/DC转换器18来实现电池充电（例如，高功率快速电池充电）和电动马达驱动功能两者。图1代表实施例的等效电路，并且示出了交流（AC）输入电源12、电动马达14、开关块16、双向AC/DC转换器18和可再充电DC电池20。

AC源12可以是在整个较大AC电力网（在后文中有时称为电网电力、电网电压、电网侧等）内提供的用于建筑物等的主AC电源或电气系统。如所示出的那样，AC源12可以是多相（例如，三相：相A、相B、相C）。取决于位置，AC源12可以以60 Hz输出208/480 V的AC3相或者以50 Hz输出380-480 V的AC3相。电池20的电压V_b可以标称地在大约200-500 V的DC（例如，400 V的DC）之间。然而，应当理解的是，根据本教导可以采用现在已知的或此后开发的较低或较高的DC电池电压电平。

电动马达14可以是任何常规的电动马达，仅作为示例，适合用于电动马达供电的电动机动车辆中的电动马达。在实施例中，马达14可包括如下面结合图10更详细描述的、如由电子控制器（例如，控制器46——图5）控制的永磁同步马达（PMSM）。

开关块16也由控制器（例如，控制器46——图5）控制，并且可以在功能上表示为第一电气继电器群16₁和第二电气继电器群16₂。开关块16包括第一接口22，其被配置成电连接到AC电源12以用于接收具有第一、第二和第三电相（例如，每个相被偏移120度）的第一（电网）AC功率信号。如所示出的第一接口22可包括三个分离的电连接，所述电连接对应于来自电网源12的AC输入信号的三个相。开关块16还包括第二接口24，其被配置成电连接到电动马达14。第二接口24还包括与驱动（激励）电动马达14的AC驱动信号的三个相对应的三个电连接。开关块16还包括第三接口26，其被配置成电连接到双向AC/DC转换器18。如所示出的那样，第三接口26包括来自继电器群16₁和16₂的六个电连接，尽管在所图示的实施例中，来自继电器群16₁和16₂中的每个的相应连接被电连接（接合），从而产生到双向AC/DC转换器18的三个连接。

在实施例中，相应的继电器群16₁和16₂作为两个三相开关操作，群16₁用于AC电网连接，而群16₂用于电动马达连接。附加地，群16₁和16₂被控制来以互补的方式操作。因此，当对车辆充电时，群16₁的连接闭合，而群16₂的连接断开。同样，当驱动马达时，群16₁的连接断开，而群16₂的连接闭合。开关块16可以包括电开关、继电器、固态开关和被配置成断开和闭合电连接的其它常规设备。在实施例中，可以选择硬件实施方式来实施互补操作，诸如通过使用双极双掷（DPDT）开关或其等同物（即，在任何时间仅可以闭合AC电网连接和电动马达连接中的一个而不是两者）。

双向AC/DC转换器18通常被配置成以两种模式操作。在第一模式中，出于对电池20充电或再充电的目的，转换器18可操作以将来自AC电力源12的输入三相AC信号转换成在输出节点80上具有主要DC分量的输出信号。在第二操作模式中，转换器18可操作以将从电池20汲取的DC功率转换成用于驱动（激励）电动马达14的输出三相电信号。如将在下面更详细地描述的，转换器18包括多个变压器（例如，每相一个），所述变压器被配置成在电网与电池之间以及在电池与电动马达之间提供电隔离。

图2-3分别示出了处于第一充电操作模式和第二马达驱动操作模式的装置10。

在第一操作模式（图2）中，控制器（例如，控制器46——图5）控制开关块16以呈现第一状态，其中开关块16电连接第一接口22和第三接口26，使得来自源（电网）12的第一三相AC电网功率信号电连接到双向AC/DC转换器18。转换器18转而通过控制器的控制而可操作以将三相AC输入信号转换成输出信号（主要是DC分量）来用于对电池20充电。同时，在第一模式中，处于第一状态的开关块16将第二接口24从第三接口26电断开，以由此将电动马达14电断开。如图2中所示出的那样，如由参考标号28所指示，电功率从AC电网电源12流向电池20。在代表性方式中，群16₁的连接是电闭合的，而群16₂的连接是电断开的。

在第二操作模式（图3）中，控制器（例如，控制器46——图5）控制开关块16以呈现第二状态，其中开关块16将第一接口22和第三接口26电断开，以便将AC电网电源12电断开。同时在第二模式中，处于第二状态的开关块16将第二接口24电连接到第三接口26，以由此将电动马达14电连接到双向AC/DC转换器18。转换器18转而由控制器控制，以将从电池20汲取的DC功率转换成适于驱动或电激励电动马达14的第二三相AC信号。如图3中所示出的那样，功率从电池20流向电动马达14，如由参考标号30所指示。在代表性方式中，群16₁的连接是电断开的，而群16₂的连接是电闭合的。

按照本公开的实施例具有包括以下的许多优点。

低成本。与包括用于充电和驱动功能的分离的AC/DC和DC/AC转换器的常规实现方式相比，使用一个AC/DC转换器来实现快速充电和马达驱动两者导致电动车辆车上的整个电力电子系统的显著成本降低。

高功率密度。在实施例中，双向AC/DC转换器在开关模块中采用GaN HEMT固态开关（在以下有更多），其可以在＞100 kHz的相对高的开关频率下操作，该相对高的开关频率可以是与常规Si开关相关联的开关频率的几乎十倍一样快。这样的高开关频率导致更容易被滤波的高阶谐波。因此，这种情况允许使用与电池并联的小得多的输出电容器。

高效率。常规的DC/AC逆变器工作在硬开关模式下，这导致高的开关损耗，由此导致低的开关频率。在实施例中，双向AC/DC转换器被配置成工作在软开关模式下，从而导致较高的效率。相反，常规的基于Si开关的逆变器可具有10 kHz的开关频率和96%的效率，而基于GaN HEMT开关的逆变器实施例具有＞100 kHz的开关频率和98%的效率，即便具有隔离变压器。

促进快速充电。在常规的电池充电器中，其功率容量不仅受到电网功率的限制，而且还受其成本以及可用空间量的限制。在许多单相充电器具有为约1 kW/L的功率密度以及三相充电器具有为约2 kW/L的功率密度的情况下，难以设计具有＞20 kW的功率容量的充电器，这将需要车辆中的显著的空间（体积）以便实现它。然而，通过针对电池充电和马达驱动目的两者使用相同的转换器，充电器和逆变器将具有相同的功率电平，这使得系统特别适用于所谓的快速（高功率）电池充电方法中，所述方法例如，具有50 kW范围内的功率容量。

图4是示出了图1的双向AC/DC转换器18的实施例的拓扑结构的简化的示意和框图。在实施例中，转换器18包括在图4中由参考标号32A、32B和32C指明的第一、第二和第三单相AC/DC转换模块。转换模块32A、32B和32C中的每个具有电连接到来自电网源12的AC电网功率信号的相相A、相B和相C中的一个的相应的输入。如进一步示出的，转换模块32A、32B和32C具有电接合在输出节点80和公共接地节点82之间的输出。转换模块32A、32B和32C中的每个还连接控制器（例如，控制器46——图5），其控制模块的操作。

每个转换模块32A、32B和32C还包括当对电池20充电时提供电网和电池20之间的电隔离的相应的变压器。然而，附加地，当驱动的的马达14时，转换器18——作为逆变器操作——也继承其在电池20与马达14之间提供的电隔离和变压器。然而，由于变压器以高得多的开关频率（以下）操作，所以其尺寸将比常规的小得多。因此，当在第二、电驱动操作模式下操作时，变压器将不会是缺点。

图5是更详细地示出图4的AC/DC转换模块中的一个连同控制其操作的控制器46的简化的示意和框图。如所示出的那样，一个AC/DC转换模块（指明为32_i，其中i可以是相A、B或C中的一个）耦合到AC电网电源12的相中的对应的一个。在此上下文中，如所示出的那样，在输入节点36上提供单相AC信号。转换模块32_i可包括输入电感器34，其与AC源串联电耦合、被配置成使电网侧电流平滑。电感器34的尺寸将取决于平滑的程度和开关频率。在实施例中，电感器34可以是大约10微亨（μH）。转换模块32_i还被配置成在输出节点80上输出DC电压信号。

每个单相转换模块32_i包括各自的整流器级66和各自的双有源桥（DAB）级。DAB级包括（i）第一全桥68、（ii）变压器40和（iii）第二全桥70。

整流器级66（AC/DC转换器）构成用于整流节点36处的第一AC输入信号并在节点38处产生相对于接地节点39的第一整流输出信号的用具。第一整流信号包括第一直流（DC）分量。整流器级66可包括四个半导体开关（指明为M1、M2、M3、M4），所述四个半导体开关当在第一（充电）操作模式中操作时在电网频率（例如，50/60 Hz）下操作并且布置成全桥配置。当在第二（马达驱动）操作模式中操作时，整流器级66可以以电动马达频率（例如，基频）操作。

开关M1、M2、M3、M4可以包括本领域中已知的常规半导体开关，诸如MOSFET或IGBT设备。在实施例中，开关M1、M2、M3、M4可以包括来自美国德克萨斯州Coppell市的STMicroelectronics公司的在商标名称和/或部件号STY139N65M5之下提供的Si N沟道功率MOSFET。

转换模块32_i还可以包括电容器C_in，其跨整流器级66的输出连接在节点38和接地节点39之间。电容器C_in在尺寸上被配置成从节点38处的整流信号中滤波高频谐波（例如，其相对小：～μF级）。应当理解的是，C_in不用于能量存储，而是用于滤波目的，并且因此不是大的、大块的DC总线电容器，其中DC总线电容器可以是毫法（～mF）的数量级。C_in的这种减小的尺寸也可以增加功率密度并延长使用寿命。

第一全桥68（即，DC/AC转换器68）电连接到整流器级66的输出（即，跨节点38、39连接），并且被配置成将节点38上的第一DC（整流）信号转换成相对高频的AC信号。如所图示的那样，桥68可以包括四个半导体开关（指明为P1、P2、P3、P4），并且被布置成以第二频率（即，开关频率f_s）操作的全桥配置。第二、开关频率f_s通常比第一、电网频率高得多。在实施例中，第二、开关频率可以在大约135 kHz到500 kHz之间的范围内，而第一、电网频率可以是60Hz（或50 Hz）。半导体开关P1、P2、P3、P4可以包括本领域中已知的市场上买得到的部件。在实施例中，开关P1、P2、P3、P4可以包括市场上买得到的宽带隙部件，例如，诸如650V GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）设备、诸如来自美国密歇根州Ann Arbo市的GaN Systems公司的在商标名称和/或部件号GS66516T之下提供的增强型GaN晶体管。

双有源桥（DAB）的第一和第二全桥68、70被电隔离，但是通过具有初级绕组42和次级绕组44的变压器40（磁性地）耦合。第一全桥68通过串联电感器L_p电连接到初级绕组42。可以领会的是，串联电感器L_p可以是变压器中的内建的漏电感或者与变压器串联放置的外部电感。电感L_p可以用于存储能量以在高频开关过程期间于初级和次级全桥半导体上达到零电压开关（ZVS）。附加地，如已知的那样，变压器40的特征在于次级绕组和初级绕组之间的匝数比率。

第二全桥70（即，AC/DC转换器70）电连接到变压器40的第二绕组44，并且被配置成将在次级绕组44上感应的AC信号转换或整流成输出节点80上的第二整流输出信号。来自单相转换设备32_i的产生在输出节点80上的输出信号具有DC分量和至少一个AC分量，其中至少一个AC分量包括电网频率的二阶谐波（例如，对于60 Hz电网频率的120 Hz分量）。而每个单相模块32_i将生成相应的120 Hz纹波信号，这些单独纹波信号的组合借助于在它们之间的相差将倾向于彼此抵消，由此当在三相模式（充电模式）中使用时变得中和。这在图9中示出，其中以迹线84示出了减小的纹波输出电流，并且以迹线86示出了减小的纹波输出电压（参考标称400伏的电池的输出电压）。

在所图示的实施例中，第二全桥70（AC/DC转换器70）可以包括四个半导体开关（指明为开关S₁、S₂、S₃、S₄），其被布置成有源H桥（全桥）开关布置。在实施例中，开关布置70被控制来以上述开关频率f_s操作（即，开关S₁～S₈被控制来以相同的开关频率f_s操作）。半导体开关S₁、S₂、S₃、S₄可以包括市场上买得到的部件，例如650V GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）设备，诸如来自美国密歇根州Ann Arbo市的GaN Systems公司的在商标名称和/或部件号GS66516T之下提供的增强型GaN晶体管。

图5还示出了跨输出节点80和接地节点82连接的以及在尺寸上被配置成对来自节点80处的输出信号的高频谐波滤波的指明为C₀的输出电容器（例如，相对小：～uF级）。在实施例中，电容器C₀可以是大约100μF。

图5中还示出了电子控制单元46（后文中称为控制器46），其被配置成实现用于装置10的操作的期望控制策略，包括AC/DC转换模块32_i中的每个。应当理解的是，虽然控制器46被示出为具有与一个AC/DC转换模块相关联的输入/输出，但是控制器46可以被配置成控制所有AC/DC转换模块，或者可替换地，可以提供附加的控制器46。

控制器46包括电子处理器48和存储器50。处理器48可以包括处理能力以及输入/输出（I/O）接口，处理器48可以通过该接口接收多个输入信号并生成多个输出信号（例如，用于开关M₁～M₄、P₁～P₄、S₁～S₄的栅极驱动信号）。存储器50被提供用于存储用于处理器48的数据和指令或代码（即软件）。存储器50可以包括各种形式的非易失性（即，非暂时性）存储器，包括闪速存储器或只读存储器（ROM）和/或易失性存储器，所述只读存储器（ROM）包括各种形式的可编程只读存储器（例如，PROM、EPROM、EEPROM），所述易失性存储器包括包含静态随机存取存储器（SRAM）、动态随机存取存储器（DRAM）和同步动态随机存取存储器（SDRAM）的随机存取存储器（RAM）。尽管在图5中未示出，但转换模块32_i还可以包括驱动器电路，以对接到控制器46的输出和半导体开关的栅极端子之间。在实施例中，这种栅极驱动设备可以包括市场上买得到的部件，诸如本领域中已知的市场上买得到的芯片，例如，可以从美国加利福尼亚州Milpitas市的IXYS公司在部件号IXD_614之下获得的栅极驱动芯片。

存储器50还存储具有主控制逻辑51形式的可执行代码，其被配置成根据期望的控制策略控制装置10的整体操作。当由处理器48执行时，主控制逻辑51被配置成响应于一个或多个输入信号，生成用于开关M₁～M₄、P₁～P₄和S₁～S₄的各种栅极驱动信号。主控制逻辑51可以包括用于实现特定功能的编程逻辑块，包括但不限于电网整流器逻辑58、功率因数校正（PFC）逻辑60、零电压开关（ZVS）逻辑62和操作模式控制逻辑64。

电网整流器逻辑58被配置成生成用于整流器级66的开关M₁～M₄的栅极驱动信号。为了实现这一点，装置10可包括相应的电网电压传感器52（以框形式示出——针对每个转换模块一个框），其被配置成输出指示电网电压的相应信号，包括极性（即，正或负）。电压传感器52可设置在电网侧上（即，电连接到AC源12的相应相）以监测电网电压。在实施例中，传感器52可以包括本领域中已知的常规部件。

图6示出了由控制器46的栅极整流器逻辑58产生的栅极驱动信号（即，开关控制信号）的时序图。在第一（充电）操作模式中，基于M₁～M₄的整流器级66将把电网AC电压整流为DC电压。在实施例中，M₁～M₄的开关频率与电网电压（例如，50～60 Hz）相同。注意，M₁～M₄通过检测电网电压的极性来控制。因此，当电网电压为正时，M₁和M₄被接通（即，M₁和M₄的V_GS为高）。当电网电压为负时，M₂和M₃接通。开关M₁和M₄的栅极驱动信号一致地操作，而开关M₂和M₃一致地操作。附加地，M₁M₄的组合与M₂M₃的组合互补。总之，开关M₁～M₄都是按照电网电压传感器52的零转变以电网频率（例如，60 Hz）工作的有源开关。

再次参考图5，功率因数校正（PFC）控制逻辑60通常以第一（充电）操作模式配置，来以这样的方式管理开关P₁～P₄和S₁～S₄的操作（即，传导或非传导），以便控制从AC源12汲取的瞬时电流，以便与AC源12的瞬时电压同相。为了实现单位或接近单位功率因数（即，其中电网侧电压和电流同相的情况），转换装置10包括电网电流传感器54。在实施例中，电流传感器54被配置成确定通过电感器34的电流，并向控制器46提供指示被从AC源12汲取的电流的电平的信号。因此，该信号是电网电流指示信号。在实施例中，控制器46通过执行PFC逻辑60，通过控制上述栅极驱动信号来实现功率因数校正。电网电流传感器54可以包括本领域中已知的常规部件。

零电压开关（ZVS）逻辑62通常被配置成以这样的方式管理开关P₁～P₄和S₁～S₄，使得它们优选地以零或接近零电压被接通和关断。通常，为了维持用于开关接通的零电压开关，在接通动作之前，电流应该从源极向漏极反向流动，这使得开关电压降为零。因此，在开关接通期间，开关仅承担电流改变，其中那时占优势的跨开关的漏极到源极的电压总是接近于零，这转而消除了接通损耗，以由此达到ZVS接通。为了更多的信息，可以对2015年6月19日提交的美国申请no.14/744,998（后文中称为'998申请，标题为“GATE DRIVECIRCUIT”）作出参考，该'998申请通过引用特此并入，如同在本文中完全阐述一样。

图7示出了在第一（充电）操作模式中在单个开关频率实施例中控制开关P₁～P₄和S₁～S₄的操作的上述栅极驱动信号的时序图。在所图示的实施例中，开关P₁～P₄和S₁～S₄将以相同的开关频率f_s（其中频宽比为50%）操作。为了实现高的系统功率密度，开关频率f_s应该尽可能高。P₁和P₄的栅极驱动信号与P₂和P₃互补。另外，栅极驱动信号S₁和S₂是互补的，信号S₃和S₄也是。信号迹线V_p和V_s对应于双有源桥（DAB）初级侧和次级侧的输出电压，而信号迹线I_L对应于初级电感器的电流，其以与开关P₁～P₄和S₁～S₄的状态的定时关系示出。

主控制逻辑51被配置成在S₁和S₃的栅极驱动信号之间引入相移（即，参见τ₀和τ₁之间的时间段）。包括开关频率f_s和所确定的S₁和S₃之间的相移的多个因素确定从初级侧传送到次级侧的功率。换言之，上述因素提供了两个自由度来控制传送的功率。同时，为了实现ZVS，相移必须落入某一范围，这也将开关频率f_s限制为某一值。

主控制逻辑51（依照PFC逻辑60和ZVS逻辑62）确定至少两个参数，所述参数在图7-8中指明为g（t）和w（t）。g（t）参数对应于τ₀和τ₁之间的时间——而w（t）参数对应于τ₂和τ₃之间的时间。

图8是示出上述g（t）和w（t）参数的波形的时序图，所述g（t）和w（t）参数是由控制器46用来确定相移的两个参数。参数fs（t）对应于开关频率f_s。

在实施例中，主控制逻辑51由控制器46执行，其中整流器逻辑58、PFC逻辑60和ZVS逻辑62的功能同时实现。在这点上，w（t）参数可以由控制器46根据等式（1）确定：

等式（1）

其中Vin（t）是在电网侧（即，输入节点36——图5）上测量的电压，V_out是在输出节点80处的转换器的测量的输出电压，并且n是变压器40的匝数比率（即，N_s/N_p，其中N_s是次级匝的数量，而N_p是初级匝的数量）。

等式（2）

每个相电流可以由g（t）、w（t）和fs（t）控制。

如本领域中已知的，等式（1）中的参数g（t）可以由系统设计者确定以实现ZVS开关，例如，如参考标题为“ELECTRIC POWER CONVERSION APPARATUS HAVING SINGLE-PHASEAND MULTI-PHASE OPERATION MODES”的美国专利no.9,729,066（申请号15/198,887）所看到的那样，所述专利通过引用特此并入，如同在本文中完全阐述一样。在操作中，控制器46在操作期间可以使开关频率f_s实时变化。换言之，执行主控制逻辑51的控制器46（以及本文中描述的下级逻辑模块）可以在实时操作期间变化P₁～P₄和S₁～S₄的操作开关频率，并且另外，应当理解的是，如通过美国专利no.9,729,066还看到的那样，ZVS实施方式可限制开关频率。

继续参考图5，主控制逻辑51仍还包括操作模式控制逻辑64，其存储在存储器50中，并且当由控制器46执行时，其被配置成控制开关块16以（i）当满足预定电池充电标准时，呈现上述用于第一（充电）操作模式的第一状态，以及（ii）当满足预定马达驱动标准时，呈现上述用于第二（马达驱动）操作模式的第二状态。

仅作为示例，预定电池充电标准可以包括装置10确定电动车辆何时处于静止（不动）状态并准备好充电（例如，处于“停放”状态）。仅作为示例，预定的马达驱动标准可以包括装置10确定电动车辆何时处于准备好驱动的状态（例如，处于“驱动”状态）。在这点上，用于确定驱动模式的标准可以包括：（i）通过将钥匙插入点火开关中、检测钥匙在车辆座舱内的存在或者确定手机钥匙是正确的，来将车辆置于驱动模式；（ii）检测AC充电插头从车辆的移除；以及（iii）确定电池充电状态足以用于驱动。

图10是适用于第二马达驱动操作模式的装置10的实施例的简化的示意和框图。当操作模式控制逻辑64确定装置应当处于第二操作模式时，控制器46命令开关块16（并且特别是继电器群16₂）以呈现第二状态，其中双向AC/DC转换器18经由群16₂电连接到电动马达14，如其中电连接被电闭合所示出的那样。在第二操作模式中，转换器18被配置成在实施例中在功能上作为电流源逆变器（CSI）操作。如上所述，充电/驱动功率由相移和开关频率确定。

在图10的实施例中，假定电动马达14是永磁同步马达（PMSM）并且如所示出的配置实现了用于在第二马达驱动操作模式中操作的控制算法。图10示出了用于检测被施加到电动马达14的相a、相b和相c的相应（实际）相电流ia、ib和ic的多个电流传感器88a、88b和88c，如所示出的那样，其中传感器生成相应的相电流指示信号。图10还示出了多个比较设备90a、90b和90c以及多个PI（比例积分）控制块92a、92b和92c。图10还示出了反向DQ变换块94以及输入驱动命令块96。

所图示的实施例实现了用于n相马达控制的所谓dq模型，其中马达速度由d轴电流（id*）确定，且马达转矩由q轴电流（iq*）确定。命令块96代表如由预定的车辆控制方法所规定的命令的马达速度和转矩，例如，如本领域中的常规，其被供应以用户输入以及各种车辆操作参数。因此，id*和iq*是与马达14的期望或寻求的马达操作状态对应的命令。反向DQ变换块94被配置成将所寻求的马达速度和转矩状态转换成对应的相电流，其指明为ia*、ib*和ic*（即，这些是用于相a、b和c的参考电流）。将实际（感测的）马达相电流ia、ib和ic与参考相电流进行比较，并产生相应的差或误差信号，该信号被馈送到对应的PI控制块92a、92b和92c。PI控制块92a、92b和92c转而被配置成生成用于每个相的适当的转换器控制参数，其中用于相A的g（t）是ga、用于相A的w（t）是wa，并且用于相A的fs（t）是fsa（例如，用于相A的ga、wa、fsa，用于相B的gb、wb、fsb，以及用于相C的gc、wc和fsc）。这些控制参数控制将从电池20汲取的DC功率转换成要施加到电动马达的相应的相电流。

按照本公开的实施例具有许多优点。一个优点是低成本。与包括用于每个目的的分离的AC/DC和DC/AC转换器的常规实现方式相比，使用一个AC/DC转换器来实现快速充电和马达驱动两者导致车辆车上的整个电力电子系统的显著成本降低。

另一个优点是高功率密度。在实施例中，双向AC/DC转换器在开关模块中采用GaNHEMT固态开关，该开关可以在＞100 kHz的相对高的开关频率下操作，所述频率可以是与常规Si开关相关联的开关频率的几乎十倍一样快。这种高开关频率导致较容易被滤波的高阶谐波。因此，这种情况允许使用与电池并联的小得多的输出电容器，由此减少了占用的空间并增加了功率密度。

更进一步的优点是高效率。常规的DC/AC逆变器工作在硬开关模式下，这导致高开关损耗，由此倾向于低开关频率。在实施例中，双向AC/DC转换器被配置成工作在软开关模式下，从而导致较高的效率。相反，常规的基于Si开关的逆变器可具有10 kHz的开关频率和96%的效率，而基于GaN HEMT开关的逆变器实施例具有＞100 kHz的开关频率和98%的效率，即使具有隔离的变压器。

更进一步的优点涉及促进快速充电。在常规的充电器中，其功率容量不仅受电网功率的限制，而且还受所涉及的成本和可用空间的限制。在许多单相充电器具有为约1 kW/L的功率密度以及三相充电器具有为约2 kW/L的功率密度的情况下，难以设计任何＞20 kW的充电器，这将需要车辆中的显著的空间（体积），这通常是不可得的。通过针对电池充电和马达驱动目的二者使用相同的转换器，充电器和逆变器将具有相同的功率电平能力，这使得系统特别适用于所谓的快速电池充电方法中，例如，涉及约～50 kW的功率充电级的方法。

应当理解的是，如本文中描述的电子控制单元可以包括本领域中已知的常规处理用具，其能够执行存储在相关联存储器中的预编程指令，其全都根据本文中描述的功能性来执行。至本文中所描述的方法以软件体现的程度，所产生的软件可以存储在相关联的存储器中，并且还可以构成用于执行这样的方法的用具。鉴于前述使能描述，在以软件这样做的情况下，某些实施例的实施方式将需要不多于本领域普通技术人员的编程技术的常规应用。这种电子控制单元还可以是具有ROM、RAM二者、非易失性和易失性（可修改）存储器的组合的类型，使得可以存储任何软件并且仍然允许存储和处理动态产生的数据和/或信号。

尽管以上以某程度的特定性仅描述了某些实施例，但是本领域技术人员可以在不背离本公开的范围的情况下对所公开的实施例进行许多更改。意在以上说明书中包含的或附图中示出的所有事物都应被解释为仅是说明性的而非限制性的。在不背离如所附权利要求中所限定的本发明的情况下，可以对细节或结构做出改变。

据称通过引用全部或部分并入本文中的任何专利、出版物或其它公开材料仅在并入的材料不与本公开中阐述的现存定义、陈述或其它公开材料冲突的程度上并入本文中。因此，以及在必要的程度上，如本文中所明确阐述的公开取代通过引用并入本文中的任何冲突材料。据称通过引用并入本文中但与现存定义、陈述或本文中阐述的其它公开材料冲突的任何材料或其部分将仅在所并入的材料与现存公开材料之间不产生冲突的程度上被并入。

虽然已经示出和描述了一个或多个特定实施例，但是本领域技术人员将理解的是在不背离本教导的精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改。

Claims

1.一种电功率转换装置，包括：

电子控制器，其包括处理器和存储器；

开关块，其由所述控制器控制，并且具有第一接口，所述第一接口被配置成连接到电力网源以用于接收具有第一、第二和第三相的第一AC信号，所述开关块具有第二接口，所述第二接口被配置成连接到电动马达；

三相双向AC/DC转换器，其被配置成连接到所述开关块的第三接口，并且包括第一、第二和第三单相AC/DC转换模块，其各自连接到所述控制器并且由所述控制器控制，所述AC/DC转换模块具有相应的输入、在输出节点处接合的相应的输出以及被配置成提供电隔离的相应的变压器；

其中在第一操作模式中，所述控制器控制所述开关块以呈现第一状态，所述第一状态（i）连接所述第一接口和所述第三接口，使得所述电力网连接到所述三相AC/DC转换器，所述三相AC/DC转换器被控制以将所述第一AC信号转换成在所述输出节点处具有DC分量的输出信号以用于对电池充电，以及（ii）断开所述第二接口和所述第三接口以由此断开所述电动马达；并且

其中在第二操作模式中，所述控制器控制所述开关块以呈现第二状态，所述第二状态（i）断开所述第一接口和所述第三接口以便断开所述电力网，以及（ii）连接所述第二接口和所述第三接口以将所述电动马达连接到所述三相双向AC/DC转换器，所述三相双向AC/DC转换器被控制以将从所述电池汲取的DC功率转换成用于激励所述电动马达的第二AC信号。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括存储在所述存储器中的操作模式控制逻辑，其当由所述控制器执行时被配置成控制所述开关块，以（i）当满足预定电池充电标准时，呈现所述第一状态，以及（ii）当满足预定马达驱动标准时，呈现所述第二状态。

3.根据权利要求1所述的装置，还包括存储在所述存储器中的主控制逻辑，其当由所述控制器执行时被配置成：当在所述第一操作模式中时，控制所述三相双向AC/DC转换器的操作，以便在对所述电池充电的同时实现功率因数校正（PFC）和零电压开关（ZVS）。

4.根据权利要求1所述的装置，其中每个AC/DC转换模块分别包括（i）整流器级，其用于将所述第一AC信号的相应相转换成DC信号，以及（ii）双有源桥（DAB）级，其被配置成将所述DC信号转换成具有所述DC分量的所述输出信号。

5.根据权利要求4所述的装置，其中所述第一、第二和第三AC/DC转换模块的操作在所述第一操作模式中产生倾向于彼此抵消的其相应的AC分量。

6.根据权利要求4所述的装置，其中每个整流器级耦合到所述第一AC信号的所述第一、第二和第三相中相应的一个，并且被配置成产生相应的DC信号，每个整流器级包括以全桥布置布置的相应的多个整流器开关。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述控制器包括存储在所述存储器中的整流器逻辑，所述整流器逻辑当由所述控制器执行时被配置成生成对应于所述多个整流器开关的栅极驱动信号的第一组开关控制信号。

8.根据权利要求7所述的装置，还包括与来自所述电力网源的所述第一AC信号感测相关的电网电压传感器，所述电网电压传感器被配置成生成指示所述第一AC信号电压的电网电压信号。

9.根据权利要求8所述的装置，其中在所述第一操作模式中，所述整流器逻辑在生成所述第一组开关控制信号时响应于所述电网电压信号，以便提供所述第一AC信号的同步整流。

10.根据权利要求7所述的装置，其中在所述第二操作模式中，所述整流器逻辑被配置成控制所述整流器级，以便根据马达基频生成用于所述电动马达的所述第二AC信号。

11.根据权利要求4所述的装置，其中每个双有源桥（DAB）级包括：

（i）耦合到所述整流器级的第一全桥，其包括多个DC到AC开关，

（ii）所述变压器具有耦合到所述第一全桥的相应初级绕组，所述变压器具有电隔离的且磁性地耦合的次级绕组，以及

（iii）第二全桥，其在所述次级绕组与所述输出节点之间，并且包括多个AC到DC开关。

12.根据权利要求11所述的装置，还包括串联地在所述第一全桥和所述变压器的所述初级绕组之间的耦合电感器。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述第一AC信号具有第一频率，所述第一全桥被配置成：在所述第一操作模式中，将所述第一DC信号转换成第三AC信号，所述第三AC信号具有大于所述第一频率的第二频率，所述主控制逻辑当由所述控制器在所述第一操作模式中执行时被配置成生成（i）对应于用于所述多个DC到AC开关的栅极驱动信号的第二组开关控制信号和（ii）对应于用于所述AC到DC开关的栅极驱动信号的第三组开关控制信号。

14.根据权利要求13所述的装置，其中所述主控制逻辑包括功率因数校正（PFC）逻辑，其当由所述控制器在所述第一模式中执行时被配置成生成所述第二组和所述第三组开关控制信号，以便将与从所述电力网源汲取的功率相关联的功率因数朝向一增加。

15.根据权利要求14所述的装置，其中所述PFC逻辑被配置成变化与相应DAB级相关联的栅极驱动信号中的相差。

16.根据权利要求4所述的装置，其中所述主控制逻辑包括存储在所述存储器中的马达控制逻辑，所述马达控制逻辑当由所述控制器在所述第二操作模式中执行时被配置成基于马达控制命令信号控制所述第一、第二和第三AC/DC转换模块的操作，以产生所述第二AC信号来驱动所述电动马达。

17.根据权利要求1所述的装置，其中所述开关块包括电致动的继电器。

18.根据权利要求1所述的装置，还包括存储在所述存储器中的主控制逻辑，其当由所述控制器执行时被配置成：当在所述第二操作模式中时，控制所述三相双向AC/DC转换器的操作，以便在驱动所述马达的同时实现零电压开关（ZVS）。

19.一种用于对电池充电以及驱动电动马达的电功率转换装置，包括：

电子控制器，其包括处理器和存储器；

开关块，其由所述电子控制器控制，并且具有第一接口，所述第一接口被配置成电连接至电力网以用于接收具有第一、第二和第三相的第一AC电信号，所述开关块具有第二接口，所述第二接口被配置成连接至电动马达；

三相双向AC/DC转换器，其被配置成电连接至所述开关块的第三接口，并且包括第一、第二和第三单相AC/DC转换模块，其各自连接至所述电子控制器并由所述电子控制器控制，所述AC/DC转换模块具有相应的输入、在输出节点处接合的相应的输出以及被配置成提供电隔离的相应的变压器；

其中在第一操作模式中，所述控制器控制所述开关块以呈现第一状态，所述第一状态（i）电连接所述第一接口和所述第三接口，以便将所述电力网连接到所述三相双向AC/DC转换器，所述三相双向AC/DC转换器被控制以将所述第一、AC电输入信号转换成在所述输出节点处具有DC分量的输出信号以用于对连接到所述输出节点的可再充电电池充电，以及（ii）电断开所述第二接口和所述第三接口以由此电断开所述电动马达；而且

其中在第二操作模式中，所述控制器控制所述开关块以呈现第二状态，所述第二状态（i）电断开所述第一接口和所述第三接口以便断开所述电力网，以及（ii）电连接所述第二接口和所述第三接口以由此将所述电动马达电连接到所述三相双向AC/DC转换器，所述三相双向AC/DC转换器被控制以将从所述电池汲取的DC功率转换成用于激励所述电动马达的第二AC电信号。