CN110770069A - 用于在插入式电动车辆中集成电池充电和推进的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

用于对车辆进行集成充电的系统及方法包括混合励磁电机，混合励磁电机作为牵引电动机操作并且混合励磁电机包括通过气隙与具有AC绕组的定子间隔开的转子。AC公用线电力供应连接至AC绕组以向车辆提供电流并感应出跨气隙并且在转子中的磁通量。可以向定子中的DC绕组施加短路、开路或DC电压，以减小进入转子中的磁通量。在牵引模式下可以使用转子上的次级线圈利用DC电压来激励转子中的磁场线圈。在“自激励电机”实施方式中，使用磁场定向控制通过定子绕组使次级线圈被激励，并且在“外激励电机”实施方式中，次级线圈通过单独的初级线圈直接被激励。

Description

用于在插入式电动车辆中集成电池充电和推进的系统及方法
相关申请的交叉引用
本PCT专利申请要求于2017年6月2日提交的美国临时专利申请序列号62/514,298、于2018年4月3日提交的美国临时专利申请序列号62/651,959以及于2018年4月3日提交的美国临时专利申请序列号62/652,003的权益。本申请的全部公开内容被认为是本申请公开内容的一部分，并且由此通过引用并入。
背景技术
存在使用通常通过与电网的连接提供的固定电力源来为插入式电动车辆(EV)的电池组充电的不同类型和布置。插入式EV充电器大致可以分为1级、2级或3级。1级充电器使用标准的单相插座(在北美为120VAC)并且在三个级别的充电器中花费最长的时间来为电池组进行充电。2级充电器使用较高的供应电压(在北美为240VAC)并且通常由汽车制造商或其他电气供应装备制造商以在500美元与2000美元之间的附加成本出售。2级充电通常花费2至4小时来为典型的插入式EV的电池组进行充电。现有的3级充电器(也称为DC快速充电器)使用高电压DC(400VDC至500VDC)和超过100A的电流来为EV电池组充电。取决于功率水平，3级充电通常花费15至60分钟来为典型的插入式EV的电池组进行充电。3级充电器或电动汽车供应装备(EVSE)具有高成本，通常在30,000美元至160,000美元之间，并且目前仅在永久性公共充电站出售。
集成充电(IC)系统将电池充电功能与车辆的车载电驱动系统和电力电子设备集成。当使用IC进行充电时，EV可以是固定的，并且固定电动机的端子可以连接至公用电网以实现快速充电。流过电动机/发电机各相的基波电流的频率为电网的频率。通过电流和固定状态转子产生的气隙中的旋转磁场可能引起问题，特别是在现有技术中通常使用的永磁(PM)电机中。这些问题包括：a)取决于电动机的类型和相电感的相电压波形的不对称性；b)转矩振荡以及因此引起的机械振动；c)由于电流、磁场以及谐波引起的取决于PM电动机类型的铜损耗、磁芯损耗、磁损耗以及不同级别的温度上升；以及d)如果电动机没有以最佳的方式设计以用于集成充电和牵引应用二者，则引起的磁体不可逆的去磁。
常规的鼠笼式感应电机拓扑由于其圆柱形转子配置和异步操作可以解决上述问题中的一些。然而，当电池组在EV的固定状态期间正在进行充电时，感应电机转子可能旋转或振动。针对PMSM的各个方面的用于减小损耗并且消除转矩振荡/机械振动的传统的设计工作可能降低当设计以用于牵引操作时的电动机的转矩和电力密度。已经针对IC研究出其他类型的电动机驱动系统。
插入式电动车辆具有巨大且不断增长的市场，插入式电动车辆可以进行快速充电而无需昂贵的级3充电器，特别是通过利用在EV中已经使用的部件。
另外地，当前的电动车辆(EV)以及插入式混合动力电动车辆(PHEV)(插入式电动车辆)通常在车辆中使用独立的辅助DC/DC转换器，以将来自高电压(HV)电池组或DC母线的高电压DC电力转换为低电压(LV)DC电力，该低电压(LV)DC电力被存储在LV DC电池中或者用于为车辆中的电气配件例如无线电、灯等供电。
在实践中，仅在推进期间或当车辆点火开启时使用DC/DC转换器。仅在当车辆停车且点火关闭时使用车载电池充电器。目前，在当前可购得的车辆中，充电器和DC/DC转换器是两个独立的设备。这两种设备可能包含笨重的变压器、开关以及无源部件，这可能增加设备的成本。在图10至图11的框图中示出了这种传统充电器和DC/DC转换器的示例。
发明内容
公开了一种用于对电动车辆进行集成充电的系统，该系统包括：混合励磁电机，该混合励磁电机22能够在牵引模式下作为牵引电动机或在集成充电(IC)模式下操作。混合励磁电机包括通过气隙与具有一组AC定子绕组的定子间隔开以传导AC电流的转子。转子可以包括一个或更多个永磁体。AC定子绕组被配置成在IC模式下传导来自AC公用线电压供应的AC电流并且用于过滤和/或提升来自AC公用线电压供应的AC电压。定子绕组中的AC电流在AC电流流过定子绕组的情况下感应出跨气隙并且在转子中的磁通量。磁通量在牵引模式下与转子相互作用，以产生驱动转矩。混合励磁电机被配置成在IC模式下减小磁通量与转子之间的相互作用。
根据本公开内容的一个方面，混合励磁电机的定子包括DC绕组，该DC绕组被配置成承载DC电流，以减小跨气隙并进入转子中的磁通量。DC绕组可以包括两个或更多个DC绕组。根据另一方面，该系统还可以包括DC电力供应，该DC电力供应被配置成在DC绕组两端施加DC电压，以减小跨气隙的磁通量并减小进入转子中的磁通量。根据又一方面，该系统还可以包括用于使DC绕组处于开路配置或短路配置中之一的电路，以减小跨气隙的磁通量并减小通过转子的磁通量。
根据本公开内容的另一方面，混合励磁电机还可以包括磁场绕组，该励磁绕组被配置成在牵引模式下利用DC电压被激励，以与来自AC定子绕组的磁通量相互作用并且以产生驱动转矩。转子的磁场绕组被配置成在IC模式下被去激励，防止转子产生驱动转矩。
在一个实施方式中，转子包括被配置成通过耦合磁场激励以生成感应出的AC电压的次级线圈。整流器与次级线圈电连通，以将感应出的AC电压改变为在DC正节点与DC负节点之间的DC电压。转子具有圆柱形构造，所述转子包括连接在DC节点之间并设置在定子内的磁场绕组。转子的磁场绕组被配置成在其中混合励磁电机作为牵引电动机操作的牵引模式下利用DC电压被激励，其中磁场绕组与来自定子绕组的磁通量相互作用，以产生驱动转矩。转子的磁场绕组被配置成在用于集成充电(IC)的IC模式下被去激励，从而防止转子产生驱动转矩。
根据本公开内容的一个方面，转子可以包括永磁体和通过跳接导体短路的转子条，其中每个转子条中的电流沿交替的轴向方向流动并且由每个转子条产生的磁通量被抵消。因此，在集成充电期间，由于转子条引起的所得转矩将为零。如果混合励磁电机在稳态牵引操作期间具有正弦波EMF，并且不存在谐波，则转子条就会发挥作用。
根据本公开内容的一个方面，转子可以是自激励的，其中磁场绕组与次级线圈正交，并且次级线圈和磁场绕组中的每一个被配置成与来自定子绕组的磁通量相互作用。系统包括IC控制器，IC控制器被配置成使用磁场定向控制来操作在AC-DC转换器中的多个电力电子开关，以根据系统的模式来改变耦合磁场。在牵引模式下，IC控制器被配置成操作在AC-DC转换器中的电力电子开关，以使来自定子绕组的磁通量产生与转子中的次级线圈对准的耦合磁场，以在次级线圈中感应出AC电压并且从而使转子的磁场绕组被激励。在IC模式下，IC控制器被配置成使用磁场定向控制来操作在AC-DC转换器中的电力电子开关，以使来自定子绕组的磁通量产生与转子中的次级线圈异相的磁场，以防止在次级线圈中感应出所述感应出的AC电压，并且从而使转子的磁场绕组被去激励。
根据另一方面，转子可以包括被配置成通过耦合磁场激励以生成AC电压的次级线圈以及与次级线圈电连通、用于将AC电压改变为DC正节点与DC负节点之间的DC电压的整流器。在牵引模式下，AC供应提供在与转子中的次级线圈磁耦合的初级线圈中的AC电流，以在次级线圈中感应出所述感应出的AC电压，并且从而使转子的磁场绕组被激励。因此，转子被外激励，其中磁场绕组通过在定子的外部被轴向地间隔开而与来自定子绕组的磁通量隔离。在IC模式下，禁止AC供应提供在初级线圈中的AC电流，以防止在次级线圈中感应出所述感应出的AC电压，并且从而使转子的磁场绕组被去励磁。
根据本公开内容的另一方面，该系统包括AC-DC转换器，AC-DC转换器被配置成将来自AC公用线电压供应的AC电流整流为中间DC导体上的中间DC电压。DC-DC转换器生成与输入DC电压不同的输出DC电压。电池母线利用第一DC电压通电。第二DC母线利用与第一DC电压不同的第二DC电压通电。该系统被配置成其中DC-DC转换器将电力从AC-DC转换器传输至电池母线的第一模式下操作。该系统还被配置成在其中DC-DC转换器将电力从电池母线传输至第二DC母线的第二模式下操作。
根据一方面，AC-DC转换器包括无桥图腾柱PFC。
根据另一方面，DC-DC转换器包括LLC或LCLC类型的单相或多相交错的全桥或半桥谐振转换器。
根据另一方面，DC-DC转换器包括受开关控制的电容器。
根据本公开内容的又一方面，一种用于对电动车辆进行集成充电的系统包括：混合励磁电机，该混合励磁电机在牵引模式下作为牵引电动机或在集成充电(IC)模式下操作，并且该混合励磁电机包括通过气隙与具有一组AC定子绕组的定子间隔开以传导AC电流的转子。AC定子绕组被配置成在IC模式下传导来自AC公用线电压供应的AC电流并且用于过滤和/或提升来自AC公用线电压供应的AC电压。AC-DC转换器被配置成将来自AC公用线电压供应的AC电流整流为中间DC导体上的中间DC电压。DC-DC转换器生成与输入DC电压不同的输出DC电压。电池母线利用第一DC电压通电。第二DC母线利用与第一DC电压不同的第二DC电压通电。该系统被配置成在其中DC-DC转换器将电力从AC-DC转换器传输至电池母线的第一模式下操作。该系统还被配置成在其中DC-DC转换器将电力从电池母线传输至第二DC母线的第二模式下操作。
附图说明
根据以下参照相关附图对实施方式示例的描述得出本发明的设计的其他细节、特征以及优点。
图1是根据本公开内容的实施方式的包括混合励磁电机的系统的示意图；
图2是图1的实施方式的混合励磁电机的绕组的示意图；
图3是根据本公开内容的另一实施方式的包括具有外激励转子的混合励磁电机的系统的示意图；
图4是图3的实施方式中的自激励转子的示意图；
图5是根据本公开内容的另一实施方式的包括具有外激励转子的混合励磁电机的系统的示意图；
图6是图5的实施方式中的外激励转子的示意图；
图7是根据图3和图5的实施方式的定子绕组的示意图；
图8是根据本公开内容的三相双向AC-DC转换器的示意图；
图9A是根据本公开内容的另一实施方式的混合励磁电机的转子的侧视图；
图9B是根据本公开内容的另一实施方式的混合励磁电机的转子的侧视图；
图10是现有技术的常规车载充电器的框图；
图11是现有技术的DC/DC转换器的框图；以及
图12A是处于充电器模式下的包括组合的DC/DC转换器和充电器的系统的框图；
图12B是处于转换器模式下的包括组合的DC/DC转换器和充电器的系统的框图；
图13是根据本公开内容的第一方法的流程图；
图14A是根据本公开内容的第二方法的流程图；
图14B是图14A的流程图的继续；
图15A是根据本公开内容的第三方法的流程图；
图15B是图15A的第三方法中的步骤的子步骤的流程图；以及
图15C是图15A的第三方法中的另一步骤的子步骤的流程图。
具体实施方式
在附图中，使用相同的附图标记标记重复特征，其中公开了用于对电动车辆集成充电的系统20的示例实施方式。
在本文中使用的术语仅是出于描述特定示例实施方式的目的，而不是旨在限制性的。如本文中所使用的，单数形式的“一个(a)”、“一种(an)”以及“该(the)”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确地指出。术语“包括”、“包含”、“含有”、以及“具有”是包括性的，并且因此指定存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组合。本文所描述的方法步骤、过程以及操作不应被解释为必须要求它们以所讨论的或所示出的特定顺序来执行，除非特别地被确定为执行的顺序。还应当理解，可以采用附加的或替选的步骤。
如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项目中一个或更多个的任何和所有组合。尽管本文可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受到这些术语的限制。这些术语可以仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分。诸如“第一”、“第二”以及其他数字术语的术语在本文中使用时并不意味着次序或顺序，除非上下文明确指出。因此，下面讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一部分在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二部分。
如图1所示，系统20包括混合励磁电机22，混合励磁电机22可以作为牵引电动机和/或发电机操作，该牵引电动机和/或发电机可以用于例如在当电动车辆(EV)正在被驱动时再生制动。混合励磁电机22包括通过气隙26与一个或更多个定子28间隔开的一个或更多个转子24。混合励磁电机22可以是在一个或更多个定子28中或一个或更多个转子24中包括一个或更多个永磁体的永磁同步电动机(PMSM)。混合励磁电机22可以包括由诸如例如电工钢的磁性材料制成的一个或更多个定子芯和转子芯。混合励磁电机22可以包括围绕定子28被均匀地间隔开的第一组绕组U、V、W。混合励磁电机22可以包括六个或更多个相，其中第二组绕组A、B、C围绕定子28以与第一组绕组U、V、W交替布置的方式被均匀地间隔开。绕组A、B、C、U、V、W中的每一个可以由例如铜或铝或石墨烯或碳纳米管或这些的混合物制成。
如图2的示意图中所示，混合励磁电机22可以具有多个相，例如3相、6相或9相，在牵引期间AC电流将通过所述多个相。例如，在六相电机中，绕组A、B、C、U、V、W中的每一个可以具有第一端A1、B1、C1、U1、V1、W1以及相对应的第二端A2、B2、C2、U2、V2、W2。因此在集成充电(IC)期间由于公用电网侧上的相限制只有三相可以连接至公用电网。AC公用线电力供应30例如可以是具有如在北美常见的208VAC的线至线电压以及60Hz的频率的三相供应，AC公用线电力供应30可以连接至第一组绕组U、V、W的第一端U1、V1、W1以通过第一组绕组U、V、W向车辆提供电流。以这样方式，第一组绕组U、V、W可以用作线路感应器。第一组绕组U、V、W还可以与多相AC-DC转换器34一起作用以增加来自公用线电力供应30的电压。在IC期间，来自公用线电力供应30的AC电流在转子24处于静止状态的情况下可以感应出跨气隙26并且在混合励磁电机22的转子24中的磁通量。磁通量在牵引模式下与转子24相互作用，以在输出轴25上产生驱动转矩。本公开内容的混合励磁电机22被配置成在IC模式下减小磁通量与转子24之间的相互作用。
系统20可以包括接触器和/或隔离变压器32，用于在IC期间将第一组绕组U、V、W的第一端U1、V1、W1选择性地连接至公用线电力供应30，以不受车辆电力系统上的或公用线电力供应30上的故障状态的影响。第一组绕组U、V、W的第二端U2、V2、W2可以连接至多相AC-DC转换器34(也称为“机器侧”PWM转换器34)，多相AC-DC转换器34可以包括电力电子开关35，以提供在高电压DC母线36上的高电压DC电流。图8中示出了示例AC-DC转换器34的示意图。AC-DC转换器34可以向高电压DC母线36提供增加的恒定DC链路电压，该增加的恒定DC链路电压可以大于三相AC公用线电力供应30的峰值电压。系统20还可以包括DC-DC转换器38(也可以称为“电池侧”DC/DC升压转换器38)，DC-DC转换器38连接在高电压DC母线36与电池母线40之间，以用于将来自高电压DC母线36的高电压DC电流转换为电池母线40上的不同DC电压用于对连接至电池母线40的电池组42充电。DC-DC转换器38可以是双向DC-DC转换器38，其能够例如根据车辆的操作模式在两个不同DC电压之间沿两个不同方向中的任意一个方向转换，例如以使得电池被充电或放电。滤波电容器44可以是电容器组，滤波电容器44连接在高电压DC母线36两端，以调节其上的电压并吸收任何高电压尖峰，例如由于AC-DC转换器34和/或DC-DC转换器38的操作引起的谐波频率处的任何高电压尖峰。
集成充电控制器46(其可以被称为IC控制器46)与接触器和/或隔离变压器32以及AC-DC转换器34通信，以在其中混合励磁电机22被配置成牵引电动机的牵引模式下操作系统20或在其中混合励磁电机22被配置成用于集成充电的IC模式下操作系统20。IC控制器46可以包括可以彼此通信或者可以独立地操作的两个或更多个独立的设备。IC控制器46可以与车辆中的一个或更多个其他控制器组合，并且可以例如作为另一控制器内的模块例如车身控制模块(BCM)或发动机控制模块(ECM)存在。
根据一个方面，在多相电机中，第二组绕组A、B、C可以与第一组绕组U、V、W并联连接，以增加充电期间的额定功率。通过使电流沿与通过第一组绕组U、V、W的电流的相反方向通过第二组绕组A、B、C，由电流在第二组绕组A、B、C中产生的磁通量可以抵消由电流在第一组绕组U、V、W中产生的磁通量，反之亦然，通过使电流沿与通过第二组绕组A、B、C的电流的相反方向通过第一组绕组U、V、W，由电流在第一组绕组U、V、W中产生的磁通量可以抵消由电流在第二组绕组A、B、C中产生的磁通量。此外，并且如在图1至图2的实施方式中所示，在混合励磁电机22中的在IC期间空闲或未以其他方式使用的任何绕组可以被用作DC绕组50，以在IC期间承载DC电流。根据另一方面，可以在混合励磁电机22中设置有一个或更多个独立的DC绕组50，并且该DC绕组50在任何时间都不用于承载AC电流。这种专用DC绕组50可以在牵引模式和IC模式两者期间使用。
混合励磁电机22中的DC绕组50可以被配置成抵消由第一组绕组U、V、W产生的磁通量，并且从而减小跨气隙26并进入混合励磁电机22的转子24中的磁通量，并且降低永磁体的工作点，并且从而减少磁通量的有害影响例如转矩振荡、机械振动、能量损失、电压/电流不对称、温度升高、不可逆的去磁或永磁体的弱化等。在另一种变型中，可以结合地使用额外一组AC绕组(例如，多相电机中的A、B、C)和一个或更多个DC绕组50来完成上述操作。DC绕组50可以包括一个或两个或更多个独立的DC绕组50。
可以在DC绕组50两端施加DC电压，以主动地抵消由第一组绕组U、V、W产生的磁通量。系统20例如可以包括被配置成在DC绕组50两端施加DC电压的DC电力供应52。在另一变型中，DC绕组50可以由来自现有转换器34、38之一的调节的DC供应通过额外的支路来供电，该额外的支路可以包括一个或更多个开关。系统20可以包括被配置成使DC绕组50中一个或更多个短路的电路，所述DC绕组50可以为来自第一组绕组U、V、W的磁通量提供可替选的路径，从而减小可用于跨气隙26并影响转子24和/或混合励磁电机22的永磁体的磁通量。
不同版本的组合可以与被配置成选择性地使DC绕组50中一个或更多个短路、开路和/或向DC绕组50中一个或更多个施加DC电压的系统20一起使用。系统20可以被配置成快速地切换DC绕组50中的任何一个的配置，以抵消由第一组绕组U、V、W产生的磁通量。系统20可以使用脉冲宽度调制(PWM)或另一控制策略以一起或单独地控制向任何或所有DC绕组50施加的DC电压、使任何或所有DC绕组50短路和/或开路。IC控制器46可以被配置成控制向每个或所有DC绕组50施加的DC电压、使每个或所有DC绕组50短路和/或开路。
在图3至图6所示的其他实施方式中，混合励磁电机22的转子24包括被配置成通过耦合磁场激励以生成AC电压的次级线圈60。转子24还包括与次级线圈60电连通、用于将AC电压改变为在DC正节点64与DC负节点66之间的DC电压的整流器62。整流器62可以如图所示包括具有四个二极管的桥式整流器，然而，可以使用包括单个二极管或一个或更多个开关晶体管的其他设计。平滑电容器68可以连接在DC节点64、66之间，用于减小DC电压中的波纹。
在图3至图6的实施方式中，混合励磁电机22的转子24包括在DC节点64、66之间与平滑电容器56并联地连接的磁场绕组70。磁场绕组70被设置在定子28内并且被配置成在牵引模式下利用DC电压被激励，其中磁场绕组70与来自定子绕组U、V、W的磁通量相互作用，以在输出轴25上产生驱动转矩。转子24的磁场绕组70还被配置成在IC模式下被去激励，从而防止转子24在输出轴25上产生驱动转矩。转子24优选地具有圆柱形构造，其中磁场绕组70沿平行于输出轴25的轴向方向定向。
如图3和图4所示，用于集成充电的系统20的“自激励电机”实施方式包括被自激励的转子24，其中磁场绕组70与次级线圈60正交，其中次级线圈60和磁场绕组70中的每一个被配置成与来自定子绕组U、V、W的磁通量相互作用。换句话说，磁场绕组70被设置成与次级线圈60异相90度。
在“自激励电机”实施方式中，IC控制器46被配置成在牵引模式下使用磁场定向控制(也称为矢量控制)来操作在三相AC-DC转换器34中的电力电子开关35，以使来自定子绕组U、V、W的磁通量产生与转子24中的次级线圈60对准的耦合磁场，以在次级线圈60中感应出AC电压，并且从而使转子24的磁场绕组70被激励。换句话说，可以控制三相AC-DC转换器32中的电力电子开关35，以在转子中产生零序电流，以选择性地激励或去激励转子24的磁场绕组70。IC控制器46在IC模式下使用磁场定向控制来操作三相AC-DC转换器34中的电力电子开关35，以使来自定子绕组U、V、W的磁通量产生与转子24中的次级线圈60异相的磁场，以防止在次级线圈60中感应出AC电压，并且从而使转子24的磁场绕组70被去激励。
如图5和图6所示，用于集成充电的系统20的“外激励电机”实施方式包括次级线圈60，次级线圈60与初级线圈74磁耦合，初级线圈74由来自AC供应72的AC电流供电，以使转子24的磁场绕组70在牵引模式下被激励。换句话说，并且如图6中所示，初级线圈60和次级线圈60一起用作旋转变压器，其中初级线圈60是固定的并且次级线圈60与转子24一起旋转，以将来自AC供应62的电力感应地传递至转子24。如图3所示，次级线圈60例如通过在定子外部被轴向地间隔开而与来自定子绕组U、V、W的磁通量隔离。
如图5所示，IC控制器46与AC供应72通信，并且使AC供应72在牵引模式下被启用以激励转子24的磁场绕组70。同样地，IC控制器46在IC模式下禁用AC供应72，以去激励转子24的磁场绕组70。
在图9A和图9B所示的实施方式中，转子24通常是圆柱形的并且包括永磁体(未示出)以及在转子24内轴向延伸的转子条76。转子条76中的每一个通过在每个转子条轴向端部处的跳接导体78与转子条76中的下一个相邻转子条电短路，其中所有转子条76以串联的构造连接在一起并形成闭合环路。在转子条76中的每一个中感应出的电流沿可替选的轴向方向流动，并且消除了由每个转子条76产生的磁通量。换句话说，转子条76中的每一个的电流沿与转子条76中的下一个相邻的转子条中的电流相反的方向流动。因此，在集成充电期间，由于转子条76所产生的转矩将为零。转子条76在混合励磁电机22的稳态牵引操作期间发挥作用，特别是响应于正弦反电动势(反EMF)，并且几乎不存在甚至根本不存在谐波。图9A和图9B中所示的实施方式包括十(10)个转子条76和在转子24的每个轴向端部处的五(5)个跳接导体78。然而，可以使用不同数目的转子条76和跳接导体78，并且转子条76的数目可以取决于在混合励磁电机22内的磁极的数目。
根据本公开内容的另一方面并且如图12A至图12B所示，系统20还包括在两种不同模式中的任一种下使用DC-DC转换器38作为组合的DC/DC转换器和充电器。
如图12A至图12B所示，DC-DC转换器38包括用于从输入DC电压生成第一AC电压的输入级82、以及用于将第一AC电压转换为第二AC电压的变压器级84、以及用于将第二AC电压转换为与输入DC电压不同的输出DC电压的输出级86。输出DC电压可以与输入DC电压相同或与输入DC电压不同。DC-DC转换器38可以是单相或多相交错的LLC谐振转换器，或者具有或不具有开关控制电容器的LCLC类型谐振转换器。DC-DC转换器38也可以是半桥或全桥。DC-DC转换器38中的开关可以是IGBT、Mosfet、GaN或SiC。二极管可以是硅或碳化硅(SiC)类型。变压器级84可以是缠绕型或平面类型。DC-DC转换器38还可以提供在输入DC电压与输出DC电压之间的电隔离。混合励磁电机22中的两个或更多个绕组可以用作DC-DC转换器38的变压器级84和/或用于提供电隔离。
电池母线40利用第一DC电压通电，第一DC电压可以是48VDC。电池母线40还可以例如连接至一个或更多个高电压(HV)DC设备例如高容量电池组和/或用于一个或更多个牵引电动机的速度控制器。第二DC母线88利用与电池母线40的第一DC电压不同的第二DC电压通电。第二DC母线88也可以称为低电压(LV)DC母线88。第二DC母线88例如可以提供低电压，以向诸如车辆配件的低电压设备供电，所述低电压设备例如可以以12VDC至14VDC操作，以匹配在具有铅酸电池的车辆中通常使用的电压。第二DC母线88可以供应相对大量的功率，例如可以是100W或更大。
转换器-充电器控制器46'控制组合的DC/DC转换器和充电器10的操作。转换器-充电器控制器46'可以专用于组合的DC/DC转换器和充电器，或者转换器-充电器控制器46'可以与车辆中的一个或更多个系统共享。例如，转换器-充电器控制器46'可以与IC控制器46和/或车辆中的另一控制器集成。转换器-充电器控制器46'可被操作成经由第一控制信道92命令第一开关90A选择性地连接中间DC导体80，以在第一模式(也被称为“充电器模式”)下允许AC-DC转换器34向DC-DC转换器38的输入级82传输电力，如图12A所示，或者在第二模式(也被称为“转换器模式”)下禁止AC-DC转换器34向DC-DC转换器38的输入级82传输电力或从DC-DC转换器38的输入级82向AC-DC转换器34传输电力，如图12B所示。控制器46'可以被编程为在需要时在第一模式下作为充电器或者在第二模式下作为DC/DC转换器操作所述组合的DC/DC转换器和充电器10。例如，转换器-充电器控制器46'可以在高容量HV电池被完全充电之后自动地切换至第二模式。这可以允许对低电压电池进行充电，并且在需要时还可以向车辆内的其他设备提供低电压电力。
转换器-充电器控制器46'还可被操作成命令第二开关90B将DC-DC转换器38的输出级86选择性地连接至第二DC母线88，以在第一模式下禁止DC-DC转换器86的输出级86向第二DC母线88传送电力或从第二DC母线88向DC-DC转换器86的输出级86传送电力，或者在第二模式下允许DC-DC转换器38的输出级86向第二DC母线88传输电力。如图所示，第一开关90A和第二开关90B优选地联接，防止在中间DC导体80连接至DC-DC转换器38的同时第二DC母线88连接至DC-DC转换器38。尽管该配置允许第一开关38A和第二开关38B共享共用的第一控制信道39，但是那些开关38A、38B可以被独立地控制。
控制器46'还可被操作成经由第二控制信道96命令第三开关94A将电池母线40选择性地连接至DC-DC转换器38的输入级82，从而在第一模式下禁止电池母线40向DC-DC转换器38的输入级82传输电力或从DC-DC转换器38的输入级82向电池母线40传输电力，或者在第二模式下允许电池母线40向DC-DC转换器38的输入级82传输电力。
控制器46'还可被操作成命令第四开关94B将DC-DC转换器38的输出级86选择性地连接至电池母线40，以在第一模式下允许DC-DC转换器38的输出级86向电池母线40传送电力，或者在第二模式下禁止DC-DC转换器38的输出级86向电池母线40传送电力或从电池母线40向DC-DC转换器38的输出级86传送电力。如图所示，第三开关94A和第四开关94B优选地联接，防止电池母线40同时被连接至DC-DC转换器38的输入级82和输出级86两者。尽管该配置允许第一开关94A和第二开关94B共享共用的第二控制信道96，但是那些开关94A、94B可以被独立地控制。
开关90A、90B和94A可以同时闭合以同时对HV和LV电池充电和/或向连接至第二DC母线88的LV设备来供电。
控制器46'还可被操作成经由第三控制信道98命令DC-DC转换器38在输出级86处输出指定的DC电压。这可以包括使用在变压器84内的一个或更多个不同的绕组，和/或改变变压器84或输出级86内的电压调节电路的输出。
如图13所示，提供了用于对电动车辆进行集成充电的第一方法200。第一方法200包括在步骤202处将三相AC公用线电力供应30施加至设置在混合励磁电机22的定子28上的第一组绕组U、V、W的第一端U1、V1、W1。
第一方法200还包括在步骤204处通过接触器和/或隔离变压器32将三相AC公用线电力供应30连接至第一组绕组U、V、W的第一端U2、V2、W2。
第一方法200还包括在步骤206处通过第一组绕组U、V、W滤波/提升从第一组绕组U、V、W中通过的电流。
第一方法200还包括在步骤208处通过AC-DC转换器34将AC线路电压整流为高电压DC母线36上的高电压DC电流。
第一方法200还包括在步骤210处通过连接在高电压DC母线36两端的滤波电容器44来调节高电压DC母线36两端的电压。
第一方法200还包括在步骤212处通过DC-DC转换器38将来自高电压DC母线36的高电压DC电流转换为电池母线40上的较低的电压DC电流。
第一方法200还包括在步骤214处利用来自电池母线40的较低的电压DC电流对电池组42进行充电。
第一方法200还包括在步骤216处使用设置在定子上的DC绕组50来减小气隙中并且通过混合励磁电机22的转子24的磁通量。该步骤还可以包括如果混合励磁电机22被如此配备则降低了混合励磁电机22内的一个或更多个永磁体的工作点。公开了步骤216的不同版本，并且所述不同版本可以独立地和/或与彼此结合地使用。这些版本包括：216A，其利用DC电力供应52向DC绕组50提供DC电压；216B，通过将DC绕组50的各个端彼此连接，即DC+连接至DC-来使DC绕组50短路；以及216C，使DC绕组50的电路开路以防止电流流过DC绕组50。
如图14A至图14B所示，提供了用于对电动车辆进行集成充电的第二方法300。第二方法300包括在步骤302处将三相AC公用线电力供应28施加至混合励磁电机22的一组定子绕组U、V、W的第一端U1、V1、W1。
第二方法300还包括在步骤304处通过接触器和/或隔离变压器32将三相AC公用线电力供应30连接至定子绕组U、V、W的第一端U2、V2、W2。
第二方法300还包括在步骤306处通过定子绕组U、V、W滤波/提升从定子绕组U、V、W中通过的电流。
第二方法300还包括在步骤308处通过双向AC-DC转换器34将AC线路电压整流为高电压DC母线36上的高电压DC电流。
第二方法300还包括在步骤310处通过连接在高电压DC母线36两端的滤波电容器44来调节高电压DC母线36两端的电压。
第二方法300还包括在步骤312处通过DC-DC转换器38将来自高电压DC母线36的高电压DC电流转换为电池母线40上的较低的电压DC电流。
第二方法300还包括在步骤314处利用来自电池母线40的较低的电压DC电流对电池组42进行充电。
第二方法300还包括在步骤316处在牵引模式下选择性地激励混合励磁电机22的转子24中的磁场绕组70。
第二方法300还包括在步骤318处在IC模式下去激励混合励磁电机22的转子24中的磁场绕组70。当同时向定子绕组U、V、W的第一端U1、V1、W1施加三相AC公用线电力供应30时，同时执行步骤318，同时向定子绕组U、V、W的第一端U1、V1、W1施加三相AC公用线电力供应30在混合励磁电机22的转子24中感应出磁通量。步骤316和318是对应于两个不同操作模式并且在不同的时间下执行的可替选方案。
如图14B所示，步骤316包括几个子步骤，所述几个子步骤包括：在子步骤316A处，利用AC电压向转子24中的次级线圈60通电；在子步骤316B处，通过整流器62将AC电压整流为DC节点64、66之间的DC电压；在子步骤316C处，通过连接在DC节点64、66之间的平滑电容器56减小DC电压中的波纹；以及在子步骤316D处，利用DC电压激励转子24的磁场绕组70，以与来自定子绕组U、V、W的磁通量相互作用以在输出轴25上产生驱动转矩。
在图3和图4所示的系统20的“自激励电机”实施方式中，并且在牵引模式下，步骤316还包括在子步骤316E处使用磁场定向控制来切换双向DC-AC转换器34中的多个电力电子开关35，以使来自定子绕组U、V、W的磁通量产生与转子24中的次级线圈60对准的耦合磁场，以在次级线圈60中感应出AC电压。
在IC模式下在系统20的“自激励电机”实施方式中，步骤318还包括在子步骤318A处使用磁场定向控制来切换双向DC-AC转换器34中的多个电力电子开关35，以使来自定子绕组U、V、W的磁通量产生与转子24中的次级线圈60异相的耦合磁场，以防止在次级线圈60中感应出AC电压，并且从而使转子24的磁场绕组70被去激励。
在图5和图6所示的系统20的“外激励电机”实施方式中，并且在牵引模式下，步骤316还包括在子步骤316F处使用AC供应72向初级线圈74通电，其中初级线圈74与次级线圈60磁耦合。
在IC模式下在系统20的“外激励电机”实施方式中，步骤318还包括在子步骤318B处使对初级线圈74的AC供应72断电。可以通过命令AC供应72停止、通过移除对AC供应72的电源或通过断开AC供应72与初级线圈74之间的电连接来执行该子步骤318B。
如图15A至图15C所示，提供了用于对电动车辆进行集成充电的第三方法400。第三方法400包括在步骤402处从AC供应30向混合励磁电机22提供AC电流。
第三方法400包括在步骤404处通过混合励磁电机22的第一组绕组U、V、W滤波和/或提升AC电流。
第三方法400包括在步骤406处将经滤波的AC电流从混合励磁电机22传送至AC-DC转换器34。
第三方法400包括在步骤408处通过AC-DC转换器34来整流经滤波的AC电流，以在中间DC导体80上生成中间DC电压。
第三方法400包括在步骤410处通过DC-DC转换器38的输入级82生成第一AC电压。该步骤410包括获取输入DC电压以例如通过PWM切换生成第一AC电压。
第三方法400包括在步骤412处通过DC-DC转换器38的变压器级84将第一AC电压转换为第二AC电压。可以使用独立变压器或通过使用牵引电动机中的一个或更多个绕组，例如混合励磁电机22中的一个或更多个绕组A、B、C、U、V、W来执行步骤412。
第三方法400包括在步骤414处通过DC-DC转换器38的输出级86将第二AC电压转换为与输入DC电压不同的输出DC电压。输出DC电压可以比输入DC电压高、比输入DC电压低、或与输入DC电压相同。输出DC电压可以与输入DC电压电隔离。
第三方法400包括在步骤416处通过转换器-充电器控制器46'使用一个或更多个开关90A、94A在第一模式下将DC-DC转换器38的输入电压切换为来自AC-DC转换器34的中间DC电压或在第二模式下切换为来自电池母线40的高电压DC。
如图15B所示，步骤416可以包括：子步骤416A，通过转换器-充电器控制器46'命令第一开关90A在第一模式下将中间DC导体80连接至DC-DC转换器38的输入级82或命令第一开关90A在第二模式下将中间DC导体80与DC-DC转换器38的输入级82隔离；以及416B，通过第一开关90A在第一模式下将中间DC导体80连接至DC-DC转换器38的输入级82；以及416C，通过第一开关90A在第二模式下将中间DC导体80与DC-DC转换器38的输入级26隔离。
如图15B所示，步骤416还可以包括：子步骤416D，通过转换器-充电器控制器46'命令第三开关94A在第一模式下将DC-DC转换器38的输入级82与电池母线40隔离或者命令第一开关94A在第二模式下将DC-DC转换器38的输入级82与电池母线40连接；以及416E，通过第三开关94A在第一模式下将DC-DC转换器38的输入级82与电池母线40进行隔离；以及416F，通过第三开关94A在第二模式下将DC-DC转换器38的输入级82与电池母线40连接。
第三方法400包括在步骤418处通过转换器-充电器控制器46'在第一模式下将来自DC-DC转换器38的输出电压切换至电池母线40或在第二模式下将来自DC-DC转换器38的输出电压切换至第二DC母线88。
如图15C所示，步骤418可以包括：子步骤418A，通过转换器-充电器控制器46'命令第二开关80B在第一模式下将DC-DC转换器38的输出级86与第二DC母线88隔离或命令第二开关80B在第二模式下将DC-DC转换器38的输出级86与第二DC母线88连接；以及418B，通过第二开关90B在第一模式下将DC-DC转换器38的输出级86与第二DC母线88隔离；以及418C，通过第二开关90B在第二模式下将DC-DC转换器38的输出级86与第二DC母线88连接。
如图15C所示，步骤418还可以包括：子步骤418D，通过转换器-充电器控制器46'命令第四开关94B在第一模式下将DC-DC转换器38的输出级86与电池母线40连接或者命令第四开关94B在第二模式下将DC-DC转换器24的输出级30与电池母线40隔离；以及418E，通过第四开关94B在第一模式下将DC-DC转换器38的输出级86与电池母线40连接；以及418F，通过第四开关94B在第二模式下将DC-DC转换器38的输出级86与电池母线40隔离。
如图15A所示，方法400还包括在步骤420处通过转换器-充电器控制器46'经由第三控制信道98命令DC-DC转换器38在输出级86处输出指定的DC电压。
上述系统、方法和/或过程及其步骤可以以硬件、软件或适于特定应用的硬件和软件的任何组合来实现。硬件可以包括通用计算机和/或专用计算设备或特定计算设备或特定计算设备的特定方面或部件。所述过程可以以一个或更多个微处理器、微控制器、嵌入式微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程设备连同内部和/或外部存储器一起实现。所述过程还可以或者可替选地以专用集成电路、可编程门阵列、可编程阵列逻辑或可以被配置成处理电子信号的任何其他设备或设备组合来实施。还要理解的是，一个或更多个过程可以被实现为在机器能够在可读介质上执行的计算机可执行代码。
可以使用可以被存储、编译或解释以在以上设备之一以及处理器处理器架构的异构组合或不同硬件和软件的组合或能够执行程序指令的任何其他机器上运行的结构化编程语言例如C、面向对象的编程语言例如C++或任何其他高级或低级编程语言(包括汇编语言、硬件描述语言和数据库编程语言以及技术)来创建计算机可执行代码。
因此，在一方面，上述每种方法及其组合可以以计算机可执行代码来实施，当在一个或更多个计算设备上执行所述计算机可执行代码时执行步骤。在另一方面，方法可以在执行上述步骤的系统中被实施，并且可以以多种方式分布在设备上，或者所有功能可以集成至专用的独立设备或其他硬件中。在另一方面，用于执行与上述过程相关联的步骤的装置可以包括上述硬件和/或软件中的任何一个。所有这样的排列和组合旨在落入本公开内容的范围内。
出于说明和描述的目的，已经提供了对实施方式的前述描述。这些描述并非旨在穷举的或限制本公开内容。特定实施方式的各个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是在适用的情况下是可互换的，并且即使没有特别地示出或描述，各个元件或特征也可以用于所选择的实施方式中。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被认为是背离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。

Claims (16)

1.一种用于对电动车辆进行集成充电的系统20，包括：
混合励磁电机22，所述混合励磁电机22能够在牵引模式下作为牵引电动机或在集成充电(IC)模式下操作，并且所述混合励磁电机22包括通过气隙26与具有一组AC定子绕组U、V、W的定子28间隔开以传导AC电流的转子24；
所述AC定子绕组U、V、W，其被配置成在所述IC模式下传导来自AC公用线电压供应30的AC电流并且用于过滤和/或提升来自所述AC公用线电压供应30的AC电压；
所述定子绕组U、V、W中的AC电流，其在所述AC电流流过所述定子绕组U、V、W的情况下感应出跨所述气隙26并且在所述转子24中的磁通量；
其中，所述磁通量在所述牵引模式下与所述转子24相互作用，以产生驱动转矩；并且
其中，所述混合励磁电机22被配置成在所述IC模式下减小所述磁通量与所述转子24之间的相互作用。
2.根据权利要求1所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述混合励磁电机22的所述定子28还包括DC绕组50，所述DC绕组50被配置成承载DC电流，以减小跨所述气隙26并进入所述转子24中的磁通量。
3.根据权利要求2所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述DC绕组50包括两个或更多个DC绕组50。
4.根据权利要求2所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，还包括DC电力供应52，所述DC电力供应52被配置成在所述DC绕组50两端施加DC电压，以减小跨所述气隙26的磁通量并减小进入所述转子24中的磁通量。
5.根据权利要求2所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，还包括用于使所述DC绕组50处于开路配置或短路配置中之一的电路，以减小跨所述气隙26的磁通量并减小通过所述转子24的磁通量。
6.根据权利要求2所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述转子24包括永磁体。
7.根据权利要求1所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述混合励磁电机22的所述转子24还包括磁场绕组70，所述磁场绕组70被配置成在所述牵引模式下利用DC电压被激励，以与来自所述AC定子绕组U、V、W的磁通量相互作用并且以产生驱动转矩；并且
其中，所述转子24的所述磁场绕组70被配置成在所述IC模式下被去激励，防止所述转子24产生驱动转矩。
8.根据权利要求7所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，还包括：
所述转子24包括被配置成通过耦合磁场激励以生成感应出的AC电压的次级线圈60以及与所述次级线圈60电连通、用于将所述感应出的AC电压改变为在DC正节点64与DC负节点66之间的DC电压的整流器62；
所述转子24具有圆柱形构造，所述转子24包括连接在所述DC节点64、66之间并设置在所述定子26内的磁场绕组70；
其中，所述转子24的所述磁场绕组70被配置成在其中所述混合励磁电机22能够作为牵引电动机操作的所述牵引模式下利用所述DC电压被激励，其中所述磁场绕组70与来自所述定子绕组U、V、W的磁通量相互作用，以产生驱动转矩；并且
其中，所述转子24的所述磁场绕组70被配置成在用于集成充电(IC)的所述IC模式下被去激励，从而防止所述转子24产生驱动转矩。
9.根据权利要求8所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述转子24是自激励的，其中所述磁场绕组70与所述次级线圈60正交，并且所述次级线圈60和所述磁场绕组70中的每一个被配置成与来自所述定子绕组U、V、W的磁通量相互作用，并且所述系统20还包括：
IC控制器46，其被配置成在所述牵引模式下使用磁场定向控制来操作在AC-DC转换器34中的多个电力电子开关35，以使来自所述定子绕组U、V、W的磁通量产生与所述转子24中的所述次级线圈60对准的耦合磁场，以在所述次级线圈60中感应出AC电压并且从而使所述转子24的所述磁场绕组70被激励；并且
其中，所述IC控制器46被配置成在所述IC模式下使用磁场定向控制来操作在所述AC-DC转换器34中的所述电力电子开关35，以使来自所述定子绕组U、V、W的磁通量产生与所述转子24中的所述次级线圈60异相的磁场，以防止在所述次级线圈60中感应出所述感应出的AC电压，并且从而使所述转子24的所述磁场绕组70被去激励。
10.根据权利要求6所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，还包括：
所述转子24包括被配置成通过耦合磁场激励以生成AC电压的次级线圈60以及与所述次级线圈60电连通、用于将所述AC电压改变为在DC正节点64与DC负节点66之间的DC电压的整流器62；
在所述牵引模式下AC供应72提供在与所述转子24中的所述次级线圈60磁耦合的初级线圈74中的AC电流，以在所述次级线圈60中感应出所述感应出的AC电压，并且从而使所述转子24的所述磁场绕组70被激励；
其中，所述转子24被外激励，其中所述磁场绕组70通过在所述定子28的外部被轴向地间隔开而与来自所述定子绕组U、V、W的磁通量隔离；并且
其中，在所述IC模式下禁止所述AC供应72提供在所述初级线圈74中的AC电流，以防止在所述次级线圈60中感应出所述感应出的AC电压，并且从而使所述转子24的所述磁场绕组70被去激励。
11.根据权利要求1所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，还包括：
所述转子24具有圆柱形构造，所述转子24包括轴向延伸穿过所述转子24的多个转子条76；并且
所述转子条76中的每一个通过跳接导体78电连接至所述转子条76中的下一个相邻转子条，并且所述转子条76中的每一个被配置成沿相对轴向方向传导电流；并且
所有的所述转子条76以串联构造电连接，其中所述转子条76中的每一个中的电流沿与所述转子条76中的下一个相邻的转子条中的所述电流相反的方向流动。
12.根据权利要求1所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，还包括：
AC-DC转换器34，其被配置成将来自所述AC公用线电压供应30的AC电流整流为中间DC导体80上的中间DC电压；
DC-DC转换器38，其生成与输入DC电压不同的输出DC电压；
电池母线40，其利用第一DC电压通电；
第二DC母线88，其利用与所述第一DC电压不同的第二DC电压通电；
其中，所述系统20被配置成在其中所述DC-DC转换器38将电力从所述AC-DC转换器34传输至所述电池母线40的第一模式下操作；并且
其中，所述系统20被配置成在其中所述DC-DC转换器38将电力从电池母线40传输至所述第二DC母线88的第二模式下操作。
13.根据权利要求12所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述AC-DC转换器34包括无桥图腾柱PFC。
14.根据权利要求12所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述DC-DC转换器38包括LLC或LCLC类型的单相或多相交错的全桥或半桥谐振转换器。
15.根据权利要求12所述的用于对电动车辆进行集成充电的系统20，其中，所述DC-DC转换器38包括受开关控制的电容器。
16.一种用于对电动车辆进行集成充电的系统20，包括：
混合励磁电机22，所述混合励磁电机22能够在牵引模式下作为牵引电动机或在集成充电(IC)模式下操作，并且所述混合励磁电机22包括通过气隙26与具有一组AC定子绕组U、V、W的定子28间隔开以传导AC电流的转子24；
所述AC定子绕组U、V、W，其被配置成在所述IC模式下传导来自AC公用线电压供应30的AC电流并且用于过滤和/或提升来自所述AC公用线电压供应30的AC电压；
AC-DC转换器34，其被配置成将来自所述AC公用线电压供应30的AC电流整流为中间DC导体80上的中间DC电压；
DC-DC转换器38，其生成与输入DC电压不同的输出DC电压；
电池母线40，其利用第一DC电压通电；
第二DC母线88，其利用与所述第一DC电压不同的第二DC电压通电；
其中，所述系统20被配置成在其中所述DC-DC转换器38将电力从所述AC-DC转换器34传输至所述电池母线40的第一模式下操作；并且
其中，所述系统20被配置成在其中所述DC-DC转换器38将电力从电池母线40传输至所述第二DC母线88的第二模式下操作。
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