CN110741526A - 用于机载快速充电器的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于通过使用以下各项来提供驱动功能和充电功能两者的系统：多个牵引逆变器和多个能量存储装置，所述多个牵引逆变器和所述多个能量存储装置跨电动马达彼此耦接；AC/DC转换器前端电路，所述AC/DC转换器前端电路将第一/第二牵引逆变器和电源通过接口连接；控制器电路，所述控制器电路被配置成控制所述AC/DC转换器前端电路的操作特性，其中所述第一/第二牵引逆变器被提供门控信号至所述第一/第二牵引逆变器的一个或多个开关门，以对从所述电源递送到第一/第二能量存储装置的功率的功率特性进行整形。

Description

用于机载快速充电器的系统和方法
交叉引用
本申请是2017年6月13日提交的标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR AN ON-BOARDFAST CHARGER”的美国申请号62518949的非临时申请并且要求其所有权益(包括优先权)，所述申请以引用的方式并入本文。
技术领域
本公开总体涉及电力电子领域，并且更具体地，涉及针对考虑便携性和重量的应用的改进的充电机制。
引言
递送功率和充电能力的挑战在于，从结构的角度来看，部件可能很重、笨重并且昂贵。例如，对于电动交通工具，可使用充电站将功率从电源传递到电动交通工具的机载电池。
可存在不同等级的功率递送，其中提供不同的功率层(例如，伏特和安培)来进行充电。例如，低的充电等级可通过将插头直接插入壁式插座中来提供，但充电很慢(例如，通宵充电)。充电器等级越高，充电越快(例如，45分钟充满电)，但通常需要基础设施方面的大量投资。
这些快速充电站通常包括大型且昂贵的电气/磁性部件，这些部件是帮助确保功率递送特性匹配电源或机载电池的要求所需要的。
这些要求导致需要位于充电站处的专用装备，这潜在地阻碍了充电的采用和可用性。增加“快速充电”选项的可用性有助于改进充电的可获得性，因为如果基础设施要求降低，就可实现更高的周转率并且快速充电器的更广泛推广成为可能。
发明内容
提供一种用于各种应用(诸如用于电动交通工具)的创新性电力电子控制系统。在一些实施方案中，所述系统被配置用于当对象不在使用中(例如，交通工具静止)时用于机载AC快速充电(例如，单相或多相)并且当在运动中时用作驱动器(例如，对于交通工具，用作EV动力传动系统)。
在一些实施方案中，当交通工具连接到电网时，电路允许双向功率传递。交通工具可将功率发送回电网而不需要另外的电子器件和磁性部件来促进功率递送。已经开发并验证了用于实现单相或多相机载EV快速充电的拓扑和相关控件。
在一个实施方案中，当在运动中时，根据所述拓扑的电路作为驱动器操作，但当静止时，所述电路作为单相AC充电器操作。与竞争技术不同的是，当对象(例如，交通工具)静止时，所述系统重新使用马达进行AC快速充电。马达的这种动态重新部署减小了零件数，因此减小了实现机载AC快速充电所需的磁性部件的重量。
所述驱动器用作马达驱动器和充电器两者。根据一些实施方案，当充当充电器时，所述电路被控制来减少低频谐波，从而将基础设施要求降低为单独的电缆或带变压器的电缆(如果需要隔离)。当充当充电器时，一些实施方案的驱动转换器通过专用调制方案减少开关频率频率谐波，所述方案充分利用驱动硬件。所述拓扑将两个能量存储源(例如，电池、超级电容器、燃料电池、或其组合)集成在一起并且在两个存储源之间积极地交换能量。
因此，在一些实施方案中，可将能量从一个存储源传递到另一存储源，以减轻纹波能量含量或在各源之间平衡能量。
一些示例的拓扑使得能够使用更高电压的马达，并且适应更高电压的AC电网电压，而无需利用相当高电压的能量源。具体地，所述拓扑可被配置成在充电时适应常见商业输入AC电压，包括208V商业、277V/480V商业(美国)、240/400V(美国)和347V/600V商业(加拿大)。
因此，各种实施方案实现所有常见商业AC电压下的机载单相AC快速充电并且对电网的谐波影响最小。可存在各种可能的益处，包括例如：(1)通过利用EV马达减少了部件数和重量/使其最小化；(2)减小了对电网的谐波影响；(3)减小了对电网和马达的开关谐波；(4)将能量存储系统细分成两个单独的可控单元并在两个能量存储系统之间共享能量；以及(5)实现了更高电压马达和更高电压充电，从而适应各种常见商业输入电压。
根据一个方面，提供一种适于提供驱动功能和充电功能两者的装置，所述装置包括：第一牵引逆变器和第一能量存储装置，所述第一牵引逆变器和所述第一能量存储装置耦接到电动马达和电源；第二牵引逆变器和第二能量存储装置，所述第二牵引逆变器和所述第二能量存储装置耦接到所述电动马达和所述电源，所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器跨所述电动马达彼此耦接；AC/DC转换器前端电路，所述AC/DC转换器前端电路将所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器以及所述电源通过通过接口连接；以及控制器电路，所述控制器电路被配置成通过提供门控信号来控制所述AC/DC转换器前端电路、所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的操作特性，所述门控信号在施加到所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的一个或多个开关门时，对从所述电源递送到所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的功率的功率特性进行整形。
根据另一方面，所述门控信号导致所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的所述一个或多个开关门的交错开关，所述交错开关适于实现所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的连续传导，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置在一个周期内通过至少一个传导相传导电流。
根据另一方面，所述交错开关致使最显著谐波移位到3fsw。
根据另一方面，所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器中的每一个包括并入所述一个或多个开关门的开关网络，所述开关网络控制流向所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置中的相应者的各个电流。
根据另一方面，所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的所述开关网络中的每一个包括具有一组内部开关和一组外部开关的至少六个开关。
根据另一方面，所述门控信号控制所述开关网络以在所述第一能量存储装置与所述第二能量存储装置之间平衡功率，使得跨所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的电压匹配所述电源的输入电压。
根据另一方面，所述一组内部开关和所述一组外部开关在开关周期内具有相同的接通时间百分比。
根据另一方面，所述第一牵引逆变器的所述开关网络与所述第二牵引逆变器的所述开关网络之间的所述门控信号相移180度。
根据另一方面，所述开关网络的开关对之间的所述门控信号相移120度。
根据另一方面，所述AC/DC转换器前端电路的开关与所述电源的电网电压同步。
根据另一方面，所述控制器电路还被配置用于双向操作，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置中的至少一个向所述电源递送功率。
根据另一方面，所述门控信号调节所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置中的至少一个与所述电源之间的功率方向。
根据另一方面，所述电动马达安装在交通工具中并且所述电动马达被配置用于双模式操作，所述双模式操作包括：第一模式，其中所述电动马达提供所述驱动功能以赋予移动所述交通工具的力；以及第二模式，其中所述电动马达在电耦接到所述电源时提供所述充电功能。
根据另一方面，具有单向电流传导能力的开关实现与所述电源的单向功率交换。
根据另一方面，具有双向电流传导能力的开关实现双向功率交换。
根据另一方面，所述控制器电路被配置成生成控制信号，所述控制信号适于调节电网侧的功率因数并且减小从所述电网对所述交通工具充电时生成的低频谐波的量值。
根据另一方面，所述控制器电路被配置成改进所述功率因数并且降低在所述转换器的AC端子处生成的谐波电流分量，从而降低对AC侧滤波器的要求或消除AC侧滤波器。
根据另一方面，所述电源供应器提供单相AC功率。
根据另一方面，所述电源供应器提供三相AC功率。
根据另一方面，跨所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的净电压由所述控制器电路维持为总是大于从所述电源供应器接收的峰值电压。
根据另一方面，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置为相同类型的能量存储装置。
根据另一方面，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置为不同类型的能量存储装置。
根据另一方面，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置都是电池。
根据另一方面，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置都是电容器。
根据另一方面，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置包括至少一个电容器和至少一个电池。
根据另一方面，从所述电源递送到所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的所述功率的功率特性的所述整形适于减少施加在所述电源上的功率的波形失真。
根据另一方面，所述交通工具为汽车、飞机和船中的至少一者。
已设想对应的方法、交通工具、系统和控制器电路。
在另一方面，用于门控控制的方法是以存储机器可解译指令的对应计算机可读介质的形式提供，所述机器可解译指令在被执行时致使处理器或脉宽调制器执行本文所述的门控控制方法以控制一个或多个开关网络。在各种另外的方面，用于实现此类系统、装置和方法的对应系统和装置以及逻辑结构(诸如机器可执行编码指令集)。
就此而言，在详细解释至少一个实施方案之前，应理解，实施方案的应用并不限于在以下描述中阐述或在附图中示出的部件的构造细节和布置。此外，应理解，本文所使用的措辞和术语是出于描述的目的并且不应视为具有限制性。在阅读本公开之后，关于本文所述实施方案的许多另外的特征及其组合对本领域技术人员将显而易见。
附图说明
在附图中，以举例的方式示出实施方案。将清楚地理解，本说明书和附图仅出于说明的目的并且是为了帮助理解。
现将参考附图，仅以举例的方式描述实施方案，其中在附图中：
图1A示出基于9相牵引系统的集成式充电器的示例。
在图1A中，机器的中性点可直接连接到三相AC输入端，而在AC电网与牵引系统之间不需要另外的硬件。
图1B示出用于经由单相AC系统进行集成式充电的拓扑。
图1C是用于从单相AC源充电的一组并联的牵引逆变器和两个马达的图解。
图1D是示出用于对两个电池充电的单个充电器的电路拓扑。
图2A是示出根据一些实施方案的单相充电配置的电路拓扑。
图2B是示出根据一些实施方案的三相充电配置的电路拓扑。
图2C和图2D是根据一些实施方案的机载集成式充电和驱动系统的电路图。
图2E是示出根据一些实施方案的单相充电配置的电路拓扑。
图2F是马达的电气模型的电路表示。
图3A是根据一些实施方案的上部模块的电路模型。
图3B是根据一些实施方案的平均模型。
图4示出根据一些实施方案的用于内部开关的示例性门控信号Vsa、isa、i1a和i2a。
图5是示出根据一些实施方案的电感器电流纹波的曲线图解。
图6是根据一些实施方案的在d＝0.53下操作的内部开关的互补且交错的开关序列的曲线图。
图7是根据一些实施方案的相电流的曲线图。
图8是根据一些实施方案的控制图。
图9包括根据一些实施方案的经整流电流波形和傅立叶分解的曲线图。
图10是根据一些实施方案的仿真模型的高层次图。
图11A和图11B包括根据一些实施方案的使用集成式充电和驱动系统的单相AC充电的仿真结果。
图12A和图12B是使用交流电控制器的示例性情况的波形图，这不会减少电网谐波。
图13是根据一些实施方案的使用有源前端的仿真模型的高层次图。
图14是根据一些实施方案的单相AC充电的波形，其示出有源前端系统的操作。
图15A和图15B分别呈现当功率从电网递送到交通工具和从交通工具递送到电网时具有有源前端的集成式充电和驱动系统的仿真结果。
具体实施方式
通过参考附图来描述方法、系统和设备的实施方案。以下论述提供发明主题的许多示例性实施方案。虽然每个实施方案表示发明元素的单个组合，但发明主题被认为包括所公开元素的所有可能组合。因此，如果一个实施方案包括元素A、B和C，并且第二实施方案包括元素B和D，则即使未明确公开，本发明主题也被认为包括A、B、C或D的其他剩余组合。本文所述装置、系统和方法的实施方案可以电子部件、计算机硬件、固件和/或软件两者的组合来实现。这些实施方案可在可编程计算机或电子装置上实现。
电动交通工具包括例如小汽车、卡车、飞机、船、无人驾驶飞行装置等等。所有这些交通工具都可包括不仅提供驱动特性而且对机载电子部件供电的电动马达。这些电动马达通常受限于机载能量存储器(例如，电池)的范围，并且需要例行充电。充电速度可受可用的基础设施影响，并且可需要基础设施改进来获得快速充电，因为例如电网可能装备不良而无法递送高水平的功率流。
电网在递送高水平的功率流时常常在功率中引入失真，在提供到机载能量存储器之前需要解决这种失真。因此，来自电源的功率需要去除失真(例如，经由功率整形)，并且去除失真是富有挑战的任务，它需要大量磁性部件。充电基础设施可设置在充电站处，或者在一些情况下，以机载充电器的形式设置在交通工具上。
典型机载充电器由连接到AC电网的DC/DC级和DC/AC级组成，通常还带有电流隔离。DC/DC级能够适应电池电压的变化。
这种机载充电器是小汽车的附加部件，这增加了成本并对小汽车增加了当交通工具在运动中时不用的重量。特别地，机载充电器可包括既昂贵又笨重的非常重的磁性部件。交通工具重量阻碍了交通工具的高效操作，尤其是在交通工具的使用寿命内，并且增加的体积减少了交通工具中可用的总体存储空间。
AC级充电的概述在表I中示出。对于AC 1级充电，通常将整流器和DC/DC转换器安装在交通工具上以提供简单的“插入充电”功能。这种功率等级的充电器向电池递送最多1.4kW，并且可插入到任何可用的120V单相住宅电源插座中。AC 2级充电器从240V单相或三相私人或公用插座提供介于4kW至19.2kW之间的EV充电。AC 3级充电可在商业快速充电站处获得，但需要专用的机外硬件来供应超过50kW的功率等级。
为了解决充电器复杂性，已经研究出组合式牵引和充电系统。在各种实施方案中，提出的方法是将机载牵引部件配置用于充电，从而消除或大幅降低电池充电器的复杂性。
Subotic等人提出基于9相牵引系统的集成式充电器[2]。如图1A所示，机器的中性点可直接连接到三相AC输入端，而在AC电网与牵引系统之间不需要另外的硬件。这种拓扑也不会在充电过程中对交通工具推进产生净转矩。
用于集成式充电的其他多相机器在[3]中进行概述。在经由单向AC系统进行的集成式充电方面，图1B示出Pellegrino等人提出的拓扑。这种拓扑将牵引系统用作PFC升压转换器，其经由整流器通过接口连接到单向AC源[4]。在图1C中，Tang等人使用了一组并联的牵引逆变器和两个马达来从单向AC源充电，并由此消除了对整流器的需要[5]。
在任一种拓扑中，充电器都不需要另外的DC/DC转换器，从而解决了电动交通工具供电装备(EVSE)的重量、体积和成本考虑因素。然而，在两种情况下，最小可允许的电池电压必须总是超过AC电源的峰值电压。
表I
标准充电等级[1]
Figure BDA0002316024600000111
对于驱动应用，双逆变器系统使用两个牵引逆变器来增加速度范围和电池集成而不使用DC/DC功率转换器或另外的磁性材料，从而提供对电动交通工具有吸引力的效率高且重量轻的解决方案[6]-[11]。
与双逆变器驱动相关联的挑战是需要对两个独立的电池充电。Hong等人展示，可利用单个充电器对两个电池充电[12]。图1D中示出，使用独立充电器对主电池充电，而经由牵引系统从第一电池对副电池充电。
组合式驱动器和快速充电器
在一些实施方案中，提供一种提出的转换器拓扑，其引入一种从任何AC电源插座提供成本有效且便捷的EV充电的新的集成式充电器。
在所述提出的拓扑中，通过使用创新性控制机构、结合重新使用电动马达中可用的现有磁性部件进行充电，可消除常规机载充电器设计的许多或所有另外的磁性部件。还提供了对应的系统、电路、机制、方法和计算机可读介质。
在一些实施方案中，提供一种与专门配置的转换器拓扑一起使用的控制器，所述控制器提供控制命令，所述控制命令在施加到专门配置的转换器拓扑时控制所述配置的转换器以便跨电路部件上进行功率传递。在一些实施方案中，所述控制器可与所述提出的转换器拓扑分开提供。
所述提出的转换器能够既作为驱动器又作为AC快速充电器操作。在一些实施方案中，在没有任何另外的磁性材料的情况下添加AC快速充电器功能，因为在两种情形下都使用马达，从而呈现利用交通工具的已安装部件的成本有效的解决方案(即，现有部件可与进行电路控制的创新性方法一起重新使用)。这些已安装部件(即，已有部件)例如包括可用于快速充电的大量电气部件和磁性部件。重量和体积节省因此成为可能。
因此，出现的重大技术性挑战是控制这些部件的操作的特性(利用电动马达的机电部件)以提供驱动功能和快速充电功能两者。描述了各种实施方案，其中结合具体控制技术和方法(例如，模拟/数字信号控制、互补开关、闸控)使用一个或多个拓扑来在各部件之间传递能量。除其他特征之外，这些拓扑可被设计成提供改进的功率/电流/电压整形、功率处理和失真减少。其他方法包括应用交错开关、电感器电流控制、能量平衡等等。
作为驱动器，所述拓扑被配置成使得能够使用高电压马达，而作为充电器，所述拓扑被配置成通过类似于双级功率因数校正转换器操作而使低频率谐波最少。
一些实施方案的拓扑可能在充电时能够适应常见商业输入AC电压，包括208V商业、277V/480V商业(美国)、240/400V(美国)和347V/600V商业(加拿大)。例如，这种示例性实现方式可在改装或确保与现有基础设施的兼容性方面提供优点。
图2A和图2B中示出示例性提出的机载集成式充电和驱动系统，其中整流器跨接在两个牵引逆变器的差动连接两端，以在没有独立充电器的情况下实现双存储介质的快速充电。
虽然附图中的两个能量存储源是电池，但可使用任何能量存储源(即，电池、超级电容器、燃料电池、或其组合)。拥有各种能量存储源可能会有改进。例如，利用特性差异(例如，电容器以及电池)来控制穿过电路的功率流。出于展示的目的，使用电池，但如所描述，使用电池的示例是非限制性的，并且其他类型的能量存储源或能量存储源的其他组合也是可能的。
示例性拓扑的结构提供将通过两个牵引逆变器间接串联的两个较低电压电池。这种示例性配置意味着电压范围得以扩展，从而允许在整流器的输入端处适应更高输入AC电压，而无需升压型转换器。
A.单相AC充电
图2A中示出单相充电配置。这个示例的AC电源插座直接连接到提出的机载集成式充电和驱动系统。取决于要求，隔离变压器可能不是必需的，而在一些实施方案中可包括隔离变压器。如果需要，变压器本身可安装在充电站处。
实施方案的牵引部件作为具有改进的电压范围的DC/DC转换器操作，并且实施创新性调制和控制方法来使充电过程期间传播到AC电网中的所得谐波最少。
在一些实施方案中，要求双牵引逆变器的差动端子处的最大预期输入电压Vin是AC源的峰值电压，因此能量存储装置(例如，电池)电压的和在所有荷电状态条件下必须大于峰值电压。这种设计在不使用专用电池充电器的情况下实现AC电动交通工具充电，从而有相对大的潜力节省成本、重量、空间、效率，并且方便客户/用户。
B.三相AC充电
图2B中示出示例性三相充电配置。充电接口与单相配置几乎相同。单相配置相比三相配置的益处在于，牵引逆变器可被操作来跟踪经整流单相AC波形并且使对电网的谐波影响最小化，这对于三相AC整流器是不可能的。
然而，三相连接也是可能的，但可能需要另外的充电基础设施来对感应谐波进行滤波。
C.替代配置
图2C和图2D中示出提出的机载集成式充电和驱动系统的详细电路图。由于这种系统中的固有对称性，对于AC/DC级(例如，AC/DC转换器前端电路)的输出端，存在两个可能的连接点。在两种配置中，一个电池组连接到每个上部逆变器和下部逆变器。
输入端可连接到牵引系统的外部差动轨或内部差动轨。虽然图2D中呈现的配置的输入被反转，但两者提供相同的充电功能，其控制方法中存在微小的差异。图2C呈现的配置的各种实施方案是可能的。
一些实施方案的操作原理
提供了一种作为机载充电器和驱动器操作的示例性拓扑，如图2E所描绘。作为驱动器，所述拓扑当EV在运动中时将通常作为双逆变驱动器操作。创新性步骤是将机载充电器与驱动系统集成，并且驱动系统在充电模式下作为DC/DC转换器操作。提出了各种功能和结构特征来提供这种集成。
具体地，经由图3B所描绘的平均模型来分析可能的操作原理。根据一些实施方案，还提供了改进开关谐波性能并利用已安装部件的调制方案。图3A中示出上部模块的电路模型。
嵌入图3B的平均模型中的是作为电感的马达的表示。在一些实施方案中，使用永磁同步马达(PMSM)。参考马达的电气模型，图2F中示出一个示例(Fitzgerald,A.E.,Kingsley,C.和Kusko,A.(1971).Electric machinery：The processes,devices,andsystems of electromechanical energy conversion.New York:McGraw-Hill)，其中由Efa表示的反EMF取决于马达的转速。如果马达没有转动，则Efa等于0，并且马达模型减少为一个电感。注意，这种系统并不限于仅使用PMSM，并且实施方案包括使用其他马达类型。
A.平均模型
双逆变器的平均模型是针对相同的能量存储集成而开发的，如同拆分式电池组的情况一样。本说明书中将进一步解决电池组平衡。[13]中开发了用于多级转换器的半桥网络的动态模型，但模型还可用于表示平均开关模型。
六个半桥转换器中的每一个可被建模为理想的受控电压源。电压取决于存储单元被插入的持续时间。根据功率平衡导出电池电流i1和i2。虽然功率流可以是双向的，但在这个示例中提供Vin作为输入而提供V1和V2作为输出。
在图3B中，每个半桥被建模为：
V1i＝d1iV1 (1)
V2i＝d2iV2 (2)
其中对于3个交错的DC/DC级，i＝{a,b,c}。
仅示出上部模块中的开关网络，因为这个示例的两个逆变器是相同的，只不过V2i是跨底部一组开关而不是顶部一组开关测量的平均电压。如(1)和(2)中所示，占空比调节每个能量存储器(例如，电池)电压V1和V2被插入的持续时间。因此，跨每组开关的平均电压是相关联的能量存储器(例如，电池)电压的一部分。[14]中还论述了单个半桥的开关平均化。
注意，以下关系：
d1＝d1i (3)
d2＝d2i (4)
对于此分析是有效的，前提是顶部和底部处的半桥开关网络相同。
将KVL施加到任何任意相(忽略损耗)，电压转换率为：
Vin＝V1d1i+V2d2i (5)
假设对于理想化对称系统d1i＝d2i＝d，得出：
Vin＝(V1+V2)d (6a)
Figure BDA0002316024600000161
注意，转换率类似于升压转换器的转换率，这表明V1+V2≥Vin，以实现升压操作。这对于EV充电并不是限制因素，因为充电站的DC输出电压是60V至500V[15]，并且每串EV电池单元范围为300V至500V[16]。
通过向每个模块分配一个电池串，最小输出电压总是超过输入电压。此外，电池管理系统将不允许电池放电到低于由制造商指定的最小电压。
图3B示出，DC输入电流是电感器电流的和：
idc＝isa+isb+isc (7)
输出电流i1和i2可根据功率平衡导出：
V1i1＝V1d1(isa+isb+isc) (8a)
i1＝idcd1 (8b)
i2＝idcd2 (8c)
其中i1和i2是每个模块中由占空比设定的DC输入电流的部分。
表II是关于开关的开关状态，以及基于开关的互补操作的上部模块和下部模块的状态的表。
表II
开关状态
Figure BDA0002316024600000171
使用(8)，供应到每个电池组的平均功率为：
P1＝V1idcd1 (9a)
P2＝V2idcd2 (9b)
因此，进入电池的平均电流是组合式定子电流和占空比的函数。通过半桥开关网络的适当开关动作(和对应的控制)，一些实施方案的充电器可有效地控制各个电池组电流。
开关序列
在例示性示例中，d1i和d2i分别映射到内部开关S1i'和S2i。例如，
Figure BDA0002316024600000172
互补开关：将互补策略应用于上部模块与下部模块之间的开关。因此，以下分析检查互补开关对相位“a”的影响。图4中示出内部开关的门控信号Vsa、isa、i1a和i2a。
在平衡负载条件下，每对“内部”开关和“外部”开关在一个开关周期中具有相同的接通时间百分比。然而，两个模块之间的门控脉冲可相移180°，如[17]中所展示。门控脉冲的这种策略性重叠可潜在地减少电感器的能量变化，从而导致例如两倍开关频率下的一半纹波电流。
对于V1＝V2＝Vo(理想化对称系统)，峰间电感器电流纹波为
Figure BDA0002316024600000181
Figure BDA0002316024600000182
其中第二表达式通过组合(6b)和(11a)导出。
图5中绘制了(11b)，取决于电压差Vin-Vo，这个表达式突出显示一个或多个优选实施方案的电路拓扑的特征中的一个：电感器能量变化或电流纹波。注意电池组是平衡的并且V1＝V2＝Vin，这得出为零的电感器电流纹波。理想操作范围以
Figure BDA0002316024600000183
为中心，以使供应线路中的失真最小化。
来自任何任意相的分支电流i1和i2(由i1i表示)由于开关网络的不连续传导而脉动：
i1i＝isiS1i I (12)
i2i＝isiS2i (13)
注意，电感纹波也传播到电池中。由于电感纹波相对于对分支电流求和生成的脉动电流可忽略不计，因此互补开关对电池电流具有最小的影响。因此，为了使电池中的电流谐波最少，可使用平行相位之间的交错开关。提出的开关方法也减少DC输入端处的开关纹波。
2)交错开关：这种开关策略先前尚未在基于双逆变器的集成式充电器中进行研究。如图6所示，相位a 602、b 604和c 606之间的门控脉冲可相移120°。这进一步减少了idc中观察到的峰值纹波。电流608和610中示出i1和i2。
由于定子电流的相移，峰间idc是使用同相开关所生成的纹波的大约
Figure BDA0002316024600000191
并且最显著开关分量移位到第6个谐波。
图7示出相位交错对输出电流i1和i2的影响。如先前所论述，无论开关模式如何，所有开关中的电流都被“截波”。顶部曲线图702中的相电流在不应用交错时重叠。交错开关(电流704、706、708被示出且彼此交错)增大了纹波频率并且减少了峰间纹波。
未经滤波的能量存储装置(例如，电池)电流是内部开关中的脉动电流的和：
i1＝i1a+i1b+i1c (14)
i2＝i2a+i2b+i2c (15)
为了减少由于不连续传导造成的开关纹波/使其最少，交错开关实现在
Figure BDA0002316024600000192
情况下i1和i2的连续传导。能量存储装置(例如，电池)电流(例如，在一个周期中)传导通过3个相中的至少一个。图7中的第三曲线图示出，在d＝0.53处，交错产生了纹波分量的大约
Figure BDA0002316024600000193
并且最显著谐波移位到3fsw。电感器电流纹波对i1和i2中的总谐波失真的贡献在此操作点处是可忽略的。
总之，提出的开关序列产生在2fsw、6fsw、3fsw处分别为Δis,abc、Δidc和Δi1,2。这有效地导致THD和半导体损耗减少。峰间输出电流纹波的减少还有助于防止能量存储装置(例如，电池)的容量衰减和阻抗劣化[18]。
控制策略
在应用适当控制来减少低频谐波分量并且在两个能量存储装置(例如，电池)之间传递能量时，利用所述拓扑。
回想一下，在先前章节研究了具有平衡能量源的理想对称系统。这允许控制器对上部模块和下部模块两者设定相等的占空比。为了解决隔离的能量存储装置(例如，电池)组在充电过程期间具有不同的荷电状态的情形，将占空比分解成和项和差项，其定义为：
Figure BDA0002316024600000201
DC充电器的目的是：1)使用和分量来调节DC电感器电流；2)使用差分量来均衡拆分式能量源中的存储能量。注意，可存在两个项之间的耦合。
A.电感器电流控制
在图8中，呈现了对三个平行相的电流控制的示例性实现方式。在这种电流控制中，电感器电流将跟踪输入电流基准的三分之一。此外，为了实现功率因数校正，每个定子绕组中的电流基准isref,abc是归一化的经整流AC电压的缩放版本。
通过将KVL应用于平均模型得到系统的动力学表达式：
Figure BDA0002316024600000202
其中d1i和d2i已经按照(16)由∑d和Δd替换。理想地，如果能量存储装置(例如，电池)电压是平衡的，则唯有和项驱动输入电流。然而，差项耦合到电流控制器。为了避免稳定性问题，电压平衡控制器将被设计成对电压动力学具有显著更慢的响应。因此，(V1-V2)Δdi可被视为电流控制器的时间标度上的DC偏移。
B.功率整形
在单相系统中，取决于所用电源开关的类型，前端可以是无源整流器或有源整流器。无源整流器由实现单向功率流的二极管全桥组成，并且在本说明书中，它用于从AC电网对交通工具充电。有源整流可使用诸如IGBT的双向开关来实现从交通工具到电网的功率传递。
在任一配置中，可控制电感器电流以消除AC电网处的低频谐波。这通过以下来实现：对电感器电流基准进行整形，使得它在从电网对交通工具充电时与经整流电网电压同相，并且被反转成使得在将功率发送回电网时平均电流为负。控制实现方式需要电压传感器来测量电网电压。
在有源配置中，前端开关与电网电压同步。为了在双逆变器的输入端处获得经整流正弦曲线，控制所述前端，使得一半开关在一半周期期间接通，然后另一组开关在另一半周期中接通，如图14所示。还实现了开关接通与断开之间的空载时间以防止ac侧上的短路。无源配置并不要求任何控制输入，然而，它仅可用于电网到交通工具充电。
B.1带宽要求
在电流控制回路中，控制器被配置成使得定子电流遵循经整流电流基准。因此，每个相位的测量电流主要包括120Hz基本分量的倍数下的低频谐波，如图9所示。2fsw下的开关纹波也叠加到经整流定子电流上。如此，控制器的带宽被确定(选择)成使得它包括主要谐波频率并且在两倍开关频率下过滤掉开关纹波。
经整流电流的傅里叶分析在表III中进行概述。确定的是，第6个谐波分量减小为基本分量的大约2％。因此，这被选择为截止频率(720Hz)，其足以再生经整流波形。为了确保开关纹波在控制器带宽之外，在这个示例中，最小开关频率被设定为7.2kHz。在双逆变器驱动中，由于改进的开关方法，实际最小开关频率为3.6kHz。
C.能量平衡
在图8中，电压平衡控制器采用电压差并输出Δd，然后将Δd从d1i减去并添加到d2i。因此，如果上部模块中的DC源相对于下部模块过度充电，则下部模块机将被更频繁地插入。两个源同时充电，但具有偏移以使功率分布移位。为了确保此偏移不会超过转换器的操作极限，可在电压平衡控制器的输出端处实现限制器。
上部模块与下部模块之间的能量控制并不限于DC分量，因为可在模块之间传递其他频率下的能量。在上部模块包含电池而下部模块包含电容器的示例性情况下，可将谐波能量从电池递送到电容器。谐波能量的递送用于减轻电池不期望地暴露于纹波能量含量。因此，在一些实施方案中，上部模块可包含电池，而下部模块可包含电容器，或反之亦然。
表III
经整流电流基准的傅里叶级数
Figure BDA0002316024600000221
注意，平衡控制器使用电压来外推DC源中的总存储能量。其他参数可用于能量管理，诸如比较拆分式能量存储装置(例如，电池)组的荷电状态(库仑数)。
结果
使用PLECS工具箱在MATLAB中对集成式充电拓扑的详细模型进行仿真。根据一些实施方案，图10中示出系统的高层次图。在这个示例中，两个相同的电池组经由机载单相AC快速充电和驱动系统从120V单相AC源充电。在这种仿真中，电池组由一组1kWh超级电容器组替换，以减少仿真运行时间。按照AC 1级充电，由电网供应的平均功率为1.4kW。表IV中列出系统参数。
图11A和图11B示出当使用马达的漏电感作为接口电感器并且使用提出的调制和电流控制器时，充电器的电压和电流量：
表IV
仿真参数
Figure BDA0002316024600000231
1102处示出Vg/5，1104处示出ig，1106处示出Vin/5，并且1108处示出iin。
在电网侧，电压和电流是同相的，差动输入端处的经整流波形也是如此。这些结果验证了提出额电流控制器调节功率因数并跟踪期望电流基准的功能。
在DC/DC转换器侧，1110处示出Vin，而1112处示出V1、V2。1114处示出Iin，1118处示出isa、isb、isc，并且1116处示出iout1、iout2。
相比之下，使用了交流电控制器的示例性情况，这不会减少电网谐波。这在图12A和图12B中呈现，其中传递到两个能量源的平均功率是相同的，但输入电流是dc而不是经整流正弦曲线。1202处示出Vin，并且1204处示出V1、V2。
当在电网侧受到反射时，这会引入不期望的低频谐波，从而需要滤波。因此，将需要另外的固定(交通工具外)部件(例如，增大体积、成本和材料投资)。在图12A上，1206处示出iin，1208处示出isa、isb、isc，并且1210处示出ibatt1、ibatt2。在图12B上，1212处示出Vg/5，并且1214处示出ig。1216处示出Vin/5，并且1218处示出iin。
还对使用有源前端的集成式充电进行了仿真。仿真模型与图13的仿真模型一致，并且图14中示出前端开关的同步控制。
图15A的仿真结果示出，使用有源前端从AC电网进行交通工具充电，因此平均功率为正。类似于图10的无源配置，输入电流被整形以匹配电网电压，因此在电网侧生成最少的低频谐波。在图15B中,电流基准被设定成使得它跨x轴反转。电网电流恰好与电网电压异相180°。这允许系统将功率发送回电网，如负平均功率所指示。
每个相位的电感器电流跟踪输入电流的大约三分之一。如此，仅将零序电流插入马达绕组中，以确保在静止充电期间生成的净转矩最少。通过将互补且交错的相移应用于PWM调制方案，有显著更少的谐波失真注入电网中。此外，由于输入端处的经整流电压，输出(电池)电流以120Hz分量为主。
关于低频谐波对能量存储装置(例如，电池)健康的影响，并没有充分的研究，但一般来说，这种系统是利用机载驱动部件来对储存装置(例如，电池)直接充电的成本有效的方法。
在这种操作情形下，输出电压被设定为120V，这小于经整流输入电压的峰值。在另一些研究中，集成式充电器使用单个牵引驱动器，系统可仅作为升压PFC操作[4]。这要求能量存储装置(例如，电池)电压在所有荷电状态条件下超过电网电压。如图11(b)所示，使用提出的双逆变器型实施方案，即使每个电池电压小于电网电压，充电也是可能的。
提供了从任何AC电插座提供成本有效且便捷的EV充电的创新性机载集成式充电和驱动系统。如各种示例中所提供，转换器被配置成既作为驱动器又作为AC快速充电器操作。
在没有任何另外的磁性材料的情况下添加AC快速充电器功能，因为在两种情形下都使用马达，从而呈现利用交通工具的已安装部件的成本有效的解决方案。可提供另外的控制部件，以适应功率传递。
作为驱动器，电路拓扑使得能够使用高电压马达，而作为充电器，电路拓扑被配置成利用已安装电子器件来减少低频谐波和开关频率谐波/使其最少。在一些实施方案中，所述拓扑可能在充电时能够适应各种常见商业输入AC电压，包括例如208V商业、277V/480V商业(美国)、240/400V(美国)和347V/600V商业(加拿大)。
与用于集成式充电的其他方法相比，这种系统可与宽范围的EV储存装置(例如，电池)尺寸相兼容，并且对电网的电力质量具有最小的影响。一些实施方案的提出的拓扑的充电率受马达和牵引电力电子器件的热约束限制，从而突出显示其直接从现有电网基础设施对交通工具充电的能力。
关于控制特征，可将程序代码应用于输入数据，以执行本文所述的功能并生成输出信息，包括输出控制信号波形或消息。
贯穿前文的论述，将多次提到控制器或其他控制器装置。应理解，此类术语的使用被认为是表示一个或多个软件、硬件、固件或计算装置。
这些装置可被配置成执行指示门控定时的指令集、计算器可读指令等等，并且可被配置用于例如通过有线或无线接口等与其他装置交互操作。可传播控制下游部件(诸如高频开关等等)的信号。
虽然已经详细描述实施方案，但应理解，可在本文中作出各种变化、替代和更改。
此外，本申请的范围不意图限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、手段、方法以及步骤的特定实施方案。
应理解，上文描述并示出的示例仅意图为示例性的。
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Claims (30)

1.一种适于提供驱动功能和充电功能两者的装置，所述装置包括：
第一牵引逆变器和第一能量存储装置，所述第一牵引逆变器和所述第一能量存储装置耦接到电动马达和电源；
第二牵引逆变器和第二能量存储装置，所述第二牵引逆变器和所述第二能量存储装置耦接到所述电动马达和所述电源，所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器跨所述电动马达彼此耦接；
AC/DC转换器前端电路，所述AC/DC转换器前端电路将所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器以及所述电源通过接口连接；以及
控制器电路，所述控制器电路被配置成通过提供门控信号来控制所述AC/DC转换器前端电路、所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的操作特性，所述门控信号在施加到所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的一个或多个开关门时，对从所述电源递送到所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的功率的功率特性进行整形。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述门控信号导致所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的所述一个或多个开关门的交错开关，所述交错开关适于实现所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的连续传导，所述第一能量存储装置和所述第二能量存储在一个周期内通过至少一个传导相传导电流。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述交错开关致使最显著谐波移位到3fsw。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器中的每一个包括并入所述一个或多个开关门的开关网络，所述开关网络控制流向所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置中的相应者的各个电流。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的所述开关网络中的每一个包括具有一组内部开关和一组外部开关的至少六个开关。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述门控信号控制所述开关网络以在所述第一能量存储装置与所述第二能量存储装置之间平衡功率，使得跨所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的电压匹配所述电源的输入电压。
7.如权利要求5所述的装置，其中所述一组内部开关和所述一组外部开关在开关周期内具有相同的接通时间百分比。
8.如权利要求6所述的装置，其中所述第一牵引逆变器的所述开关网络与所述第二牵引逆变器的所述开关网络之间的所述门控信号相移180度。
9.如权利要求6所述的装置，其中所述开关网络的开关对之间的所述门控信号相移120度。
10.如权利要求1所述的装置，其中所述AC/DC转换器前端电路的开关与所述电源的电网电压同步。
11.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器电路还被配置用于双向操作，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量装置中的至少一个向所述电源递送功率。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述门控信号调节所述第一能量存储装置和所述第二能量装置中的至少一个与所述电源之间的功率方向。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述电动马达安装在交通工具中并且所述电动马达被配置用于双模式操作，所述双模式操作包括：第一模式，其中所述电动马达提供所述驱动功能以赋予移动所述交通工具的力；以及第二模式，其中所述电动马达在电耦接到所述电源时提供所述充电功能。
14.如权利要求1所述的装置，其中具有单向电流传导能力的开关实现与所述电源的单向功率交换。
15.如权利要求1所述的装置，其中具有双向电流传导能力的开关实现双向功率交换。
16.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器电路被配置成生成控制信号，所述控制信号适于调节电网侧的功率因数并且减小从所述电网对所述交通工具充电时生成的低频谐波的量值。
17.如权利要求16所述的装置，其中所述控制器电路被配置成改进所述功率因数并且降低在所述转换器的AC端子处生成的谐波电流分量，从而降低对AC侧滤波器的要求或消除所述AC侧滤波器。
18.如权利要求1所述的装置，其中所述电源供应器提供单相AC功率。
19.如权利要求1所述的装置，其中所述电源供应器提供三相AC功率。
20.如权利要求1所述的装置，其中跨所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的净电压由所述控制器电路维持为总是大于从所述电源供应器接收的峰值电压。
21.如权利要求1所述的装置，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置为相同类型的能量存储装置。
22.如权利要求1所述的装置，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置为不同类型的能量存储装置。
23.如权利要求1所述的装置，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置都是电池。
24.如权利要求1所述的装置，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置都是电容器。
25.如权利要求1所述的装置，其中所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置包括至少一个电容器和至少一个电池。
26.如权利要求1所述的装置，其中从所述电源递送到所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的所述功率的所述功率特性的所述整形适于减小施加在所述电源上的功率的波形失真。
27.如权利要求1所述的装置，其中所述交通工具为汽车、飞机和船中的至少一者。
28.一种交通工具，其耦接到如权利要求1-27中任一项所述的装置。
29.一种适于提供驱动功能和充电功能两者的系统，所述装置包括：
电动马达；
电源；
第一牵引逆变器和第一能量存储装置，所述第一牵引逆变器和所述第一能量存储装置耦接到所述电动马达和所述电源；
第二牵引逆变器和第二能量存储装置，所述第二牵引逆变器和所述第二能量存储装置耦接到所述电动马达和所述电源，所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器跨所述电动马达彼此耦接；以及
AC/DC转换器前端，所述AC/DC转换器前端将所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器中的至少一个以及所述电源通过接口连接；以及
AC/DC转换器前端电路，所述AC/DC转换器前端电路将所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器以及所述电源通过接口连接；以及
控制器电路，所述控制器电路被配置成通过提供门控信号来控制所述AC/DC转换器前端电路、所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的操作特性，所述门控信号在施加到所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的一个或多个开关门时，对从所述电源递送到所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的功率的功率特性进行整形。
30.一种用于控制第一牵引逆变器、第二牵引逆变器和AC/DC转换器前端电路的操作特性的控制器电路，所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器跨电动马达彼此耦接，所述第一牵引逆变器耦接到第一能量存储装置并且所述第二牵引逆变器耦接到第二能量存储装置，所述控制器电路包括：
一个或多个信号生成器，所述一个或多个信号生成器被配置用于提供门控信号，所述门控信号在施加到所述第一牵引逆变器和所述第二牵引逆变器的一个或多个开关门时，对从电源递送到所述第一能量存储装置和所述第二能量存储装置的功率的功率特性进行整形，并且所述门控信号在施加到所述AC/DC转换器前端电路时，控制功率流方向和功率因数。
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