CN115107541A - 用于机动车辆的双向充电系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于机动车辆的双向充电系统，包括配置成存储第一电压的可充电能量存储系统(RESS)。RESS适于与配置成存储第二电压的非车载电源一起使用。该系统还包括具有多个电机绕组的电动机。该系统还包括设置在RESS和非车载电源之间的功率逆变器。该系统可在正向降压模式、反向降压模式、正向升压模式和反向升压模式之间移动，用于响应于功率逆变器在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态中的至少两个之间循环而选择性地将电力从RESS和非车载电源中的一个传送到RESS和非车载电源中的另一个。

Description

用于机动车辆的双向充电系统
技术领域
本公开涉及车辆电气系统，更具体地，涉及一种用于机动车辆的双向车辆对车辆充电系统，用于通过升高电压或降低电压对车载可充电直流(DC)电池组或非车载电源进行选择性地充电。
背景技术
纯电池电动车辆(BEV)的推进系统通常包括一个或多个电动发电机单元或牵引电动机形式的高压多相电机。这些电机通过功率逆变器向可充电能量存储系统(RESS)提供电力或从其获取电力。功率逆变器包括半导体开关，这些开关通过脉宽调制或其他开关控制信号进行控制，以将电池输出电压转换为交流(AC)输出电压。功率逆变器模块的交流输出电压最终传输到电机的各个相绕组。将电机通电以向车辆的动力传动系统提供电力。通电电机可调节变速器各个齿轮组的扭矩，以实现最佳系统效率。
BEV还包括一个单独的DC/DC降压转换器，用于降低电池组的电压以支持电压较低的辅助负载。此外，由于现代BEV的电池组的额定电压可能高于传统直流充电站的可用电压，因此车辆还可以包括一个单独的DC/DC升压转换器，用于升高对电池组进行充电的非车载电源的电压。降压转换器和升压转换器增加了车辆的成本、质量和体积。
因此，虽然现有的车辆电气系统包括DC/DC升压转换器和DC/DC降压转换器以实现其预期目的，但仍需要一种新的且改进的车辆充电系统来解决这些问题。
发明内容
根据本公开的几个方面，一种用于机动车辆的双向充电系统包括配置成存储第一电压的可充电能量存储系统(RESS)，并且RESS适于与配置成存储第二电压的非车载电源一起使用。该系统还包括具有多个电机绕组的电动机。该系统还包括设置在RESS和非车载电源之间的功率逆变器。功率逆变器可移动至接通(ON)状态，在该状态下，功率逆变器将RESS和非车载电源连接到电机绕组中的至少一个。功率逆变器还可移动至RESS断开(OFF)状态，在该状态下，功率逆变器断开RESS与每个电机绕组之间的连接并且将非车载电源连接至电机绕组中的至少一个。功率逆变器还可移动至外部断开状态，在该状态下，功率逆变器将RESS连接至电机绕组中的至少一个，并断开非车载电源与每个电机绕组之间的连接。该系统可在正向降压模式、反向降压模式、正向升压模式和反向升压模式之间移动，用于响应于功率逆变器在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态中的至少两个状态之间循环而选择性地将电力从RESS和非车载电源中的一个传送到RESS和非车载电源中的另一个。
在一个方面，功率逆变器包括多个相桥臂，其中每个相桥臂均连接到电动机的相应一个电机绕组。相桥臂中的每一个均包括可在打开位置和闭合位置之间移动的第一半导体开关和第二半导体开关。功率逆变器还包括与第一半导体开关和第二半导体开关分开并设置在两个相桥臂之间的桥臂间开关。当桥臂间开关被移动至打开位置时，桥臂间开关可在打开位置和闭合位置之间移动以将相桥臂彼此隔离。
在另一方面，相桥臂包括第一相桥臂和第二相桥臂。第一相桥臂包括连接到RESS的正极端子的正极端子，而第二相桥臂包括连接到非车载电源的正极端子的正极端子。
在另一方面，系统处于正向降压模式，在该模式中，功率逆变器在接通状态和RESS断开状态之间循环以将RESS的第一电压降低到用于对非车载电源进行充电的第二电压。系统响应于以下情况而处于正向降压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；第二相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；以及第二相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，系统处于反向降压模式，在该模式中，功率逆变器在接通状态和外部断开状态之间循环以将非车载电源的第二电压降低到用于对RESS进行充电的第一电压。系统响应于以下情况而处于反向降压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；第一相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；以及第一相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，系统处于正向升压模式，在该模式中，功率逆变器在RESS断开状态和接通状态之间循环以将非车载电源的第二电压升高到用于对RESS进行充电的第一电压。系统响应于以下情况而处于正向升压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第二相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；以及第二相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，系统处于反向升压模式，在该模式中，功率逆变器在外部断开状态和接通状态之间循环以将RESS的第一电压升高到用于对非车载电源进行充电的第二电压。系统响应于以下情况而处于反向升压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第一相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；以及第一相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，该系统还包括设置在功率逆变器和非车载电源之间的外部开关。外部开关可在闭合位置和打开位置之间移动，其中，在闭合位置时非车载电源与功率逆变器连接，在打开位置时非车载电源与功率逆变器断开连接。该系统还包括串联在多个电机绕组和非车载电源之间的电感，其配置成减轻电流脉动或转矩脉动中的至少一种。
根据本公开的几个方面，一种用于机动车辆的双向充电系统包括配置成存储第一电压的可再充电能量存储系统(RESS)，并且RESS适于与配置成存储第二电压的非车载电源一起使用。该系统还包括具有多个电机绕组的电动机。该系统还包括设置在RESS和非车载电源之间的功率逆变器。功率逆变器可移动至接通状态，其中功率逆变器将RESS和非车载电源连接至电机绕组中的至少一个。功率逆变器还可移动至RESS断开状态，在RESS断开状态下，功率逆变器将RESS与电机绕组中的每一个断开连接并且将非车载电源连接至电机绕组中的至少一个。功率逆变器还可移动至外部断开状态，在外部断开状态下，功率逆变器将RESS连接至电机绕组中的至少一个，并断开非车载电源与每个电机绕组之间的连接。该系统还包括连接至功率逆变器并配置成产生多个控制信号的控制器。响应于功率逆变器从控制器接收控制信号，功率逆变器在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态中的至少两个状态之间循环。该系统可在正向降压模式、反向降压模式、正向升压模式和反向升压模式之间移动，用于响应于功率逆变器在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态中的至少两个之间循环而选择性地将电力从RESS和非车载电源中的一个传送到RESS和非车载电源中的另一个。
在一个方面，功率逆变器包括逆变器控制器，用于响应于逆变器控制器从控制器接收控制信号而产生多个开关信号。功率逆变器还包括第一相桥臂和第二相桥臂，其中第一相桥臂和第二相桥臂中的每一个均连接到电动机的相应一个电机绕组。第一相桥臂和第二相桥臂中的每一个均包括响应于第一半导体开关和第二半导体开关从逆变器控制器接收开关信号而在打开位置和闭合位置之间可移动的第一半导体开关和第二半导体开关。功率逆变器还包括与第一半导体开关和第二半导体开关分开并设置在第一相桥臂和第二相桥臂之间的桥臂间开关。桥臂间开关可在打开位置和闭合位置之间移动，以在桥臂间开关被移动至打开位置时将第一相桥臂和第二相桥臂彼此隔离。第一相桥臂包括连接到RESS的正极端子的正极端子，而第二相桥臂包括连接到非车载电源的正极端子的正极端子。
在另一方面，系统处于正向降压模式，在该模式中，功率逆变器在接通状态和RESS断开状态之间循环以将RESS的第一电压降低到用于对非车载电源进行充电的第二电压。系统响应于以下情况而处于正向降压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；第二相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；以及第二相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，系统处于反向降压模式，在该模式中，功率逆变器在接通状态和外部断开状态之间循环以将非车载电源的第二电压降低到用于对RESS进行充电的第一电压。系统响应于以下情况而处于反向降压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；第一相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；以及第一相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，系统设置在正向升压模式，在该模式中，功率逆变器在RESS断开状态和接通状态之间循环以将非车载电源的第二电压升高到用于对RESS进行充电的第一电压。系统响应于以下情况而处于反向降压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第二相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；以及第二相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，系统处于反向升压模式，在该模式中，功率逆变器在外部断开状态和接通状态之间循环以将RESS的第一电压升高到用于对非车载电源进行充电的第二电压。系统响应于以下情况而处于反向降压模式：桥臂间开关被移动至打开位置；第一相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；以及第一相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
根据本公开的几个方面，提供了一种操作用于机动车辆的双向充电系统的方法。该系统包括用于存储第一电压并适于与用于存储第二电压的非车载电源一起使用的可充电能量存储系统(RESS)。该系统还包括具有多个电机绕组的电动机。该系统还包括具有第一相桥臂和第二相桥臂的功率逆变器，其中第一相桥臂和第二相桥臂中的每一个均具有第一半导体开关和第二半导体开关。该系统还包括控制器和设置在第一相桥臂和第二相桥臂之间的桥臂间开关。该方法包括：通过控制器来确定已经接收到选择正向降压模式、反向升压模式、正向升压模式或反向降压模式中的一者。控制器响应于正向降压模式、反向升压模式、正向升压模式或反向降压模式的选择而产生多个控制信号。逆变器控制器响应于逆变器控制器从控制器接收控制信号而产生多个开关信号。响应于第一半导体开关和第二半导体开关从逆变器控制器接收开关信号，第一半导体开关和第二半导体开关使得功率逆变器在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态中的至少两个状态之间循环。在接通状态下，功率逆变器将RESS和非车载电源连接至电机绕组中的至少一个。在RESS断开状态下，功率逆变器断开RESS与每个电机绕组之间的连接并且将非车载电源连接至电机绕组中的至少一个。在外部断开状态下，功率逆变器将RESS连接至电机绕组中的至少一个，并断开非车载电源与每个电机绕组之间的连接。桥臂间开关响应于桥臂间开关从逆变器控制器接收到开关信号之一而移动至打开位置。该系统可在正向降压模式、反向降压模式、正向升压模式和反向升压模式之间移动，用于响应于功率逆变器在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态中的至少两个状态之间循环而将升高的电压和降低的电压中的一者从RESS和非车载电源中的一个选择性地传送到RESS和非车载电源中的另一个。
在一个方面，控制器确定选择正向降压模式，其中RESS的第一电压高于非车载电源的第二电压。功率逆变器在接通状态和RESS断开状态之间循环，使得电流流过电机绕组中的至少一个，以将RESS的第一电压降低到用于对非车载电源进行充电的第二电压。使功率逆变器在接通状态和RESS断开状态之间循环包括：桥臂间开关被移动至打开位置；使第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关接受脉宽调制，其中第一相桥臂包括连接到RESS的正极端子的正极端子，而第二相桥臂包括连接到非车载电源的正极端子的正极端子；第二相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；以及第二相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，控制器确定选择反向降压模式，其中非车载电源的第二电压高于RESS的第一电压。功率逆变器在接通状态和外部断开状态之间循环，使得电流流过电机绕组中的至少一个，以将非车载电源的第二电压降低到用于对RESS进行充电的第一电压。使功率逆变器在接通状态和外部断开状态之间循环包括：桥臂间开关被移动至打开位置；使第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；第一相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；以及第一相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，控制器确定选择正向升压模式，其中RESS的第一电压高于非车载电源的第二电压。功率逆变器在RESS断开状态和接通状态之间循环，使得电流流过电机绕组中的至少一个，以将非车载电源的第二电压升高到用于对RESS进行充电的第一电压。使功率逆变器在RESS断开状态和接通状态之间循环包括：桥臂间开关被移动至打开位置；第二相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；使第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；以及第二相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，控制器确定选择反向升压模式，其中非车载电源的第二电压高于RESS的第一电压。功率逆变器在外部断开状态和接通状态之间循环，使得电流流过电机绕组中的至少一个，以将RESS的第一电压降低到用于对非车载电源进行充电的第二电压。使功率逆变器在外部断开状态和接通状态之间循环包括：桥臂间开关被移动至打开位置；第一相桥臂的第一半导体开关被移动至闭合位置；使第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制；以及第一相桥臂的第二半导体开关被移动至打开位置。
在另一方面，控制器通过空中编程接收软件更新，其中软件更新与控制器生成的控制信号相关联。
根据本文提供的描述，进一步的应用领域将变得显而易见。应当理解，这些描述和具体示例仅用于说明的目的，并不用于限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。
图1是具有双向充电系统(以下简称“系统”)的机动车辆的一个示例的透视图，该系统具有适于与非车载电源一起使用的可充电能量存储系统(RESS)。
图2是图1的系统的框图，示出了具有功率逆变器、电动机和用于升高或降低在RESS和非车载电源之间传递的电压的控制器的系统。
图3A是图2的系统的电路示意图，示出了处于正向降压模式的系统，其中功率逆变器设置在接通状态，在该状态下，功率逆变器将RESS和非车载电源电连接至电动机。
图3B是图3A的系统的电路示意图，示出了RESS断开状态下的功率逆变器，其中功率逆变器断开RESS与电动机之间的电连接。
图4A是图2的系统的电路示意图，示出了处于反向降压模式的系统，其中功率逆变器设置在接通状态，在该状态下，功率逆变器将RESS和非车载电源电连接到电动机。
图4B是图4A的系统的电路示意图，示出了外部断开状态下的功率逆变器，在该状态下，功率逆变器断开非车载电源与电动机之间的电连接。
图5A是图2的系统的电路示意图，示出了处于正向升压模式的系统，其中功率逆变器设置在RESS断开状态，在该状态下，功率逆变器断开RESS和电动机之间的电连接并将非车载电源电连接至电动机。
图5B是图5A的系统的电路示意图，示出了接通状态下的功率逆变器，在该状态下，功率逆变器将RESS和非车载电源电连接至电动机。
图6A是图2的系统的电路示意图，示出了处于反向升压模式的系统，其中功率逆变器设置在外部断开状态，在该状态下，功率逆变器断开非车载电源和电动机之间的电连接并将RESS电连接至电动机。
图6B是图6A的系统的电路示意图，示出了接通状态下的功率逆变器，在该状态下，功率逆变器将RESS和非车载电源电连接至电动机。
图7是操作图2所示的系统的方法的一个示例的流程图。
具体实施方式
以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。
本公开描述了一种用于机动车辆的双向充电系统，该系统可以通过使用车载可再充电电能存储系统(RESS)、功率逆变器和电动机而从RESS和非车载电源中的一个获得所需的电压，以对RESS和非车载电源中的另一个进行充电，而无需使用专用的DC/DC转换器。如下文详细描述的，电动机包括电机绕组，并且功率逆变器包括逆变器开关，这些逆变器开关由控制器驱动用于升高电压或降低电压，以对RESS或非车载电源进行充电。
参照图1，双向充电系统10(以下简称"系统")的一个示例被集成在第一机动车辆20的推进系统内。系统10是直流(DC)充电电路，并且第一机动车辆20被描绘为经历直流快速充电操作，其中直流充电电路10包括配置成存储第一电压的RESS 115(图2)。直流充电电路10还包括充电端口11，其可通过充电电缆15电连接到非车载电源30。在该示例中，如下文更详细地描述的，非车载电源30是第二机动车辆29的RESS并且配置成存储第二电压。充电电缆15可以使用SAE J1772充电连接器、CHAdeMO或其他合适的区域或国家的标准充电插头或连接器。
本教导与最终在系统10中采用的特定充电标准无关，因此这里的示例仅是说明性的。为了说明的一致性，下文将描述直流充电电路10作为第一机动车辆20中的组成部分并且可连接到第二车辆29的非车载电源30的应用，但本公开不局限于这样的实施方式。可以设想，该电气系统可用作任何合适的固定或移动车辆、发电厂、机器人或平台中的一部分。对于其他车辆应用而言，该直流充电电路也可用作飞机、船舶、轨道车辆或其他合适交通工具中的一部分。在其他示例中，非车载电源可以是驻留在某一位置的直流快速充电站。
第一机动车辆20包括车身12和驱动轮14。车身12可以在用户可接近的位置处限定或包括充电端口11。第一机动车辆20可以以不同方式实施为具有RESS 115(图2)并且如下所述的插入式电动车辆，例如，可由第二车辆29的非车载电源30选择性地充电的多节锂离子电池组、锌空气电池组、镍金属氢化物电池组或铅酸直流电池组。如图2中最佳描绘的，直流充电电路10结合了第一机动车辆20的推进/牵引驱动部件，其一般功能可包括为电动机114(例如牵引电动机)提供动力，以产生电动机扭矩并将其传送到驱动轮14，从而用于推进第一机动车辆20，或用于在第一机动车辆20上执行其他有用的工作。
参照图2，系统100还包括第一开关102，其设置在非车载电源30的正极端子和RESS115的正极端子之间；以及第二开关103，其设置在非车载电源30的负极端子和RESS 115的负极端子之间。当非车载电源30和RESS 115的额定电压为公共电压时，第一开关102和第二开关103可以闭合，从而非车载电源30和RESS 115中的一个可以直接对非车载电源30和RESS 115中的另一个进行充电。第一开关102和第二开关103可以是接触器或固态继电器，其适于在电力负载下闭合，从而确保在非车载电源30和RESS 115之间瞬时或接近瞬时地传送电荷。系统100还包括设置在非车载电源30和功率逆变器162之间并且可在打开位置和闭合位置之间移动的开关S8，从而允许在闭合开关S8并且操作功率逆变器162的情况下，电流流过功率逆变器162和电动机114以升高或降低电压，下文将详细地描述。
RESS 115配置成存储用于推进电动车辆，例如第一机动车辆20(图1)的第一电压。在一个示例中，RESS 115可以是额定电压为约400伏至约800伏直流电(VDC)的深循环、高安培容量电池系统。在其他示例中，RESS的额定电压值可以低于400伏或高于800伏直流电，这取决于例如所需的汽车可行驶里程、车辆总重量和从RESS 115汲取电力的各种负载的额定功率。如图3A-图6B所示，直流连接电容Ci可以连接在正极端子和负极端子之间。
RESS 115可以包括一个或多个高压、可独立充电的电池组，这些电池组可电连接到一个或多个多相电机，例如三相牵引电机114。更具体地，RESS 115可以连接到高压直流母线和功率逆变器162，以用于控制进出电动机114的电能的传输。
如图3A-图6B所示，功率逆变器162设置在RESS 115和非车载电源30之间。功率逆变器162可移动至接通状态(图3A、图4A、图5B和图6B)，其中功率逆变器162将RESS 115和非车载电源30连接到电机绕组166中的至少一个。功率逆变器162还可移动至RESS断开状态(图3B和图5A)，其中功率逆变器162断开RESS 115与每个电机绕组166之间的连接并且将非车载电源30连接到电机绕组166中的至少一个。功率逆变器162还可以移动至外部断开状态(图4B和图6A)，其中功率逆变器162将RESS 115连接到电机绕组166中的至少一个并且断开非车载电源30与每个电机绕组之间的连接。
功率逆变器162可以是直流到交流和交流到直流功率逆变器，其可以是牵引功率逆变器模块(TPIM)中的一部分。功率逆变器162设置在RESS 115和电动机114的多个电机绕组166之间，以在电动机114和RESS 115之间传输电能。电机绕组166被示为电机绕组La、Lb和Lc，并且可以配备有三相电流以产生旋转磁场，从而使电动机114的转子(未示出)旋转。功率逆变器162可结合多个功率逆变器和相应的可操作的电动机控制模块，以从其接收电动机控制命令并控制逆变器状态，以提供电动机驱动或再生功能。
功率逆变器162可包括半导体开关S1-S6(这里也称为"逆变器开关")组成的开关组164。功率逆变器162包括多个相桥臂，每个相桥臂均具有一个或多个逆变器开关。更具体地，在该示例中，功率逆变器162包括具有逆变器开关S1、S2的第一相桥臂P1、具有逆变器开关S5、S6的第二相桥臂P2以及具有逆变器开关S3、S4的第三相桥臂P3。第一相桥臂P1包括连接到RESS 115的正极端子的正极端子，而第二相桥臂包括连接到非车载电源的正极端子的正极端子。逆变器开关S1-S6可在打开位置和闭合位置之间移动，并且能够将RESS 115的直流电协同转换成交流电，以在电动机运行模式下通过高频开关为电动机114供电。
每个逆变器开关S1-S6均可实施为硅绝缘栅双极晶体管(IGBT)、碳化硅(SiC)金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、硅(Si)超结MOSFET、氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)、SiC栅结场效应晶体管(JFET)、其他宽带隙(WBG)或超宽带隙半导体电源开关器件(UWBG)，或具有施加有栅信号以改变给定开关的开/关状态的相应栅极的其他合适的开关的形式。三相牵引电动机114的每一相通常有一对或多对半导体开关。功率逆变器162的每个相桥臂均连接到相应的电机相端子，例如电机绕组166之一。功率逆变器162还包括与逆变器开关S1-S6分开并且可在打开位置和闭合位置之间移动的桥臂间开关S7。桥臂间开关S7设置在两个相桥臂之间，以在桥臂间开关S7移动至打开位置时将第一相桥臂P1与其他相桥臂P2、P3隔离。在另一个示例中，桥臂间开关可设置在两个相桥臂之间，以在桥臂间开关可移动至打开位置时将两个第一相桥臂P1、P3与其他相桥臂P2隔离。
第二机动车辆29(图1)的非车载电源30可以包括一个或多个高压、可独立充电的电池组，这些电池组可电连接到一个或多个多相电动机，例如三相牵引电动机(未示出)。更具体地，非车载电源30可以连接到高压直流母线(未示出)和功率逆变器(未示出)，以控制进出第二车辆29的电动机的电能的传输。虽然非车载电源可以集成在类似于系统10的双向充电系统内，但可以设想非车载电源也可以集成在EV和HEV的已知电气系统内。
在一个示例中，第一机动车辆20的RESS 115存储的第一电压高于非车载电源30存储的第二电压。更具体地，RESS 115可以适于存储大约800伏直流电，而非车载电源可以适于存储大约400伏直流电。可以设想，RESS的第一电压可以高于或低于800伏直流电，而非车载电源30的第二电压可以高于或低于400伏直流电同时低于第一电压。在另一个示例中，由非车载电源30存储的第二电压高于由第一机动车辆20的RESS 115存储的第一电压。非车载电源30可以适于存储大约800伏直流电，而RESS 115可以适于存储大约400伏直流电。可以设想，非车载电源可以高于或低于800伏直流电，而RESS可以高于或低于400伏直流电，同时低于非车载电源30的第二电压。
系统10还包括设置在功率逆变器162和非车载电源30之间的外部开关S8，并且外部开关S8可在闭合位置和打开位置之间移动，其中，在闭合位置时非车载电源30与功率逆变器162连接，在打开位置时非车载电源30与功率逆变器162断开连接。开关S7、S8可以是适于在电力负载下闭合的接触器，以确保瞬时或接近瞬时地将电力输送到相桥臂之间和输送到非车载电源30。图3A-图6B示出了开关S7、S8，应当理解，在一些实施方式中，开关S7、S8可以用固态继电器代替。
系统10还可以包括串联在多个电机绕组166和非车载电源30之间的电感L1，其中，电感L1配置成减轻电流脉动或转矩脉动中的至少一种。
系统10还包括控制器150，其可以包括处理器和用于存储计算机可读指令并具有足够内存的存储器。存储器包括有形的、非暂时性的存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存的还是其他的。控制器150还包括足够数量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等；以及高速时钟、模数和数模电路，以及输入/输出电路和设备；以及适当的信号调节和缓冲电路。控制器150可以从第一机动车辆20的一个或多个电子控制单元(ECU)中接收充电请求信号。例如，与一个或多个辅助负载(未示出)相关联的ECU可提供指示辅助负载需要电力的信号，并且控制器150可以启动正向降压操作、反向升压操作、正向升压操作和反向降压操作中的任何一种，下文将更详细地讨论。
如图3A-图6B所示，功率逆变器162还包括逆变器控制器180，其响应于逆变器控制器162从控制器150接收控制信号而产生用于控制半导体开关S1-S6的操作的开关信号。类似于控制器150，逆变器控制器180可以包括处理器和用于存储计算机可读指令并具有足够内存的存储器。存储器包括有形的、非暂时性的存储器，例如只读存储器，无论是光学的、磁性的、闪存的还是其他的。逆变器控制器180还包括足够数量的随机存取存储器、电可擦除可编程只读存储器等；以及高速时钟、模数和数模电路，以及输入/输出电路和设备；以及适当的信号调节和缓冲电路。
在示例性实施方式中，逆变器控制器180可以接收来自控制器150和/或来自电动机114内的传感器的控制信号。例如，电动机114可以包括相电流传感器和/或转子位置传感器并且提供分别指示相电流和/或转子位置的信号。逆变器控制器180可以通过向一个或多个栅极提供信号以使得半导体开关S1至S6能够在打开位置和闭合位置之间转换的方式来控制半导体开关S1至S6，下文将更详细地讨论。
系统10在正向降压模式(图3A-图3B)、反向降压模式(图4A-图4B)、正向升压模式(图5A-图5B)和反向升压模式(图6A-图6B)之间转换。如下文详细描述的，响应于功率逆变器162在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态之间转换，系统10在这些模式之间转换，以将电能从RESS 115和非车载电源30中的一个传送到RESS 115和非车载电源30中的另一个，其中开关S7移动至打开位置，而开关S8移动至闭合位置。
现在参考图3A和图3B，系统10处于正向降压模式，在该模式中，RESS 115配置成存储高于非车载电源30的第二电压的第一电压。在桥臂间开关S7移动至打开位置；第一相桥臂P1的第一半导体开关和第二半导体开关S1、S2受到脉宽调制；第二相桥臂P2的第一半导体开关S5移动至闭合位置；第二相桥臂P2的第二半导体开关S6和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置；以及外部开关S8移动至闭合位置的情况下，功率逆变器162在接通状态(图3A)和RESS断开状态(图3B)之间循环，以将RESS 115的第一电压降低到用于对非车载电源30进行充电的第二电压。电流流过一个或多个电机绕组La、Lc，以将RESS 115的电压从第一电压下降到第二电压。电感La、Lc可以将电压从第一电压降低到第二电压，以电机绕组166执行降压转换。电感L1可以与电机绕组166串联放置以减少(例如减轻)电流脉动和转矩扰动。在该示例中，用于脉宽调制的S1的占空比可以近似为非车载电源30的电压与RESS 115的电压之比。
现在参考图4A和图4B，系统10处于反向降压模式，在该模式中，非车载电源30配置成存储高于RESS 115的第一电压的第二电压。功率逆变器162在桥臂间开关S7移动至打开位置；第二相桥臂P2的第一半导体开关S5和第二半导体开关S6受到脉宽调制；第一相桥臂P1的第一半导体开关S1移动至闭合位置；第一相桥臂P1的第二半导体开关S2和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置；以及外部开关S8移动至闭合位置的情况下，在接通状态(图4A)和外部断开状态(图4B)之间循环，以将非车载电源30的第二电压降低到用于对RESS 115进行充电的第一电压。电流流过一个或多个电机绕组La、Lc，以将非车载电源30的电压从第二电压降低到第一电压。电感La、Lc可以将电压从第一电压降低到第二电压，以电机绕组166执行降压转换。电感L1可以与电机绕组166串联放置以减少(例如减轻)电流脉动和转矩扰动。在该示例中，用于脉宽调制的S5的占空比可以近似为RESS 115的电压与外部电源30的电压之比。
现在参考图5A和图5B，系统10处于正向升压模式，在该模式中，RESS 115配置成存储高于非车载电源30的第二电压的第一电压。功率逆变器162在桥臂间开关S7移动至打开位置；第一相桥臂P1的第一半导体开关和第二半导体开关S1、S2受到脉宽调制；第二相桥臂P2的第一半导体开关S5移动至闭合位置；第二相桥臂P2的第二半导体开关S6和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置；以及外部开关S8移动至闭合位置的情况下，在REFF断开状态(图5A)和接通状态(图5B)之间循环，以将非车载电源30的第二电压降低到用于对RESS 115进行充电的第一电压。电流流过一个或多个电机绕组La、Lc，以将非车载电源30的电压从第二电压升高到第一电压。电感La、Lc可以将电压从第二电压升高到第一电压，以电机绕组166执行升压转换。电感L1可以与电机绕组166串联放置以减少(例如减轻)电流脉动和转矩扰动。
现在参考图6A和图6B，系统10处于反向升压模式，在该模式中，非车载电源30配置成存储高于RESS 115的第一电压的第二电压。功率逆变器162在桥臂间开关S7移动至打开位置；第二相桥臂P2的第一半导体开关S5和第二半导体开关S6受到脉宽调制；第一相桥臂P1的第一半导体开关S2移动至闭合位置；第一相桥臂P1的第二半导体开关S2和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置；以及外部开关S8移动至闭合位置的情况下，在外部断开状态(图6A)和接通状态(图6B)之间循环，以将RESS115的第一电压升高到用于对非车载电源30进行充电的第二电压。电流流过一个或多个电机绕组La、Lc以将RESS 115的电压从第一电压升高到第二电压。电感La、Lc可以将电压从第一电压升高到第二电压，以电机绕组166执行升压转换。电感L1可以与电机绕组166串联放置以减少(例如减轻)电流脉动和转矩扰动。
功率逆变器的另一个示例与图3A-图6B所示的功率逆变器162类似，其包含的相同组件由相同的数字标记。然而，虽然图3A-图6B所示的功率逆变器162包括直接设置在第一相桥臂P1和第三相桥臂P3之间的桥臂间开关S7，用于当桥臂间开关S7移动至打开位置时将第一相桥臂P1与第二相桥臂P2和第三相桥臂P3隔离，但是另一个示例性功率转换器也可以具有直接设置在第三相桥臂P3和第二相桥臂P2之间的桥臂间开关S7，用于在将桥臂间开关S7移动至打开位置时将第二相桥臂P2与第一相桥臂P1和第三相桥臂P3隔离。在又一示例中，功率逆变器还可以包括两个桥臂间开关，其中一个开关直接设置在第一相桥臂P1和第三相桥臂P3之间，而另一个开关直接设置在第三相桥臂P3和第二相桥臂P2之间。根据所选择的连接到非车载电源30的相桥臂，桥臂间开关被选择性地打开以启用期望的操作模式。
参照图7，示出了用于操作图2所示的系统的方法300的一个示例。如下文详细描述的，控制器150和/或逆变器控制器180将功率逆变器162移动至接通状态、RESS断开状态和外部断开状态。响应于功率逆变器162在接通状态、RESS断开状态和外部断开状态之间转换，系统10在正向降压模式、反向降压模式、正向升压模式和反向升压模式之间转换以将电能从RESS 115和非车载电源30中的一个传送到RESS 115和非车载电源30中的另一个，其中开关S7处于打开位置，而开关S8处于闭合位置。
方法300开始于框302，其中控制器150确定是否已经接收到选择正向降压模式(图3A和图3B)。控制器150确定选择正向降压模式，在该模式中，RESS 115的第一电压高于非车载电源30的第二电压，并且RESS 115可用于对非车载电源30进行充电。如果控制器150确定已经接收选择正向降压模式，则方法300进行到框304。如果控制器150确定尚未接收到选择正向降压模式，则方法300进行到框308。
在框304处，首先，桥臂间开关S7被移动至打开位置。第二相桥臂P2的第一半导体开关S5移动至闭合位置。第二相桥臂P2的第二半导体开关S6和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置。然后，响应于控制器150确定选择正向降压模式，控制器150产生与正向降压模式相关联的多个控制信号。
在框306处，逆变器控制器180响应于逆变器控制器180从控制器150接收控制信号而产生多个开关信号。响应于第一半导体开关和第二半导体开关S1-S6从逆变器控制器180接收开关信号，功率逆变器162在接通状态和RESS断开状态之间循环，使得电流流过电机绕组166中的至少一个，以将RESS 115的第一电压降低到对非车载电源30进行充电的第二电压。更具体地，使功率逆变器162在接通状态和RESS断开状态之间循环包括：使第一相桥臂P1的第一半导体开关和第二半导体开关S1、S2受到脉宽调制，其中第一相桥臂P1包括连接到RESS 115的正极端子的正极端子，而第二相桥臂P2包括连接到非车载电源30的正极端子的正极端子。在正向降压模式下，系统10将降低的电压从RESS 115传送到非车载电源30。
在框308处，控制器150确定是否已经选择了反向降压模式(图4A和图4B)，在该模式中，非车载电源30的第二电压高于RESS 115的第一电压，并且非车载电源30可用于对RESS115进行充电。如果控制器150确定已经接收到选择反向降压模式，则方法300进行到框314。如果控制器150确定尚未接收到选择正向降压模式，则方法300进行到框310。
在框310处，首先，桥臂间开关S7被移动至打开位置。第一相桥臂P1的第一半导体开关S1移动至闭合位置。第一相桥臂P1的第二半导体开关S2和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置。然后，响应于控制器150确定选择正向降压模式，控制器150产生与反向降压模式相关联的多个控制信号。
在框312处，逆变器控制器180响应于逆变器控制器180从控制器150接收控制信号而产生多个开关信号。响应于第一半导体开关和第二半导体开关S1-S6从逆变器控制器180接收开关信号，功率逆变器162在接通状态和外部断开状态之间循环，使得电流流过电机绕组166中的至少一个，以将非车载电源30的第二电压降低到用于对RESS 115进行充电的第一电压。更具体地，使功率逆变器162在接通状态和外部断开状态之间循环包括：使第二相桥臂P1的第一半导体开关S5和第二半导体开关S6受到脉宽调制，其中第二相桥臂P2包括连接到非车载电源30的正极端子的正极端子。在反向降压模式下，系统10将降低的电压从非车载电源30传送到RESS 115。
在框314处，控制器150确定是否已经选择了正向升压模式(图5A和5B)，在该模式中，RESS 115的第一电压高于非车载电源30的第二电压，并且非车载电源30可用于对RESS115进行充电。如果控制器150确定已经接收到选择正向降压模式，则方法300进行到框316。如果控制器150确定尚未接收到选择正向升压模式，则方法300进行到框320。
在框316处，响应于控制器150确定选择正向升压模式，控制器150产生与正向升压模式相关联的多个控制信号。
在框318处，首先，桥臂间开关S7被移动至打开位置。第二相桥臂P2的第一半导体开关S5移动至闭合位置。第二相桥臂P2的第二半导体开关S6和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4移动至打开位置。然后，逆变器控制器180响应于逆变器控制器180从控制器150接收控制信号而产生多个开关信号。响应于第一半导体开关和第二半导体开关S1-S6从逆变器控制器180接收开关信号，功率逆变器162在RESS断开状态和接通状态之间循环，使得电流流过电机绕组166中的至少一个，以将非车载电源30的第二电压升高到用于对RESS 115进行充电的第一电压。更具体地，使功率逆变器162在RESS断开状态和接通状态之间循环包括：使第一相桥臂P1的第一半导体开关和第二半导体开关S1、S2受到脉宽调制。在正向升压模式下，系统10将升高的电压从非车载电源30传送到RESS 115。
在框320处，控制器150确定是否已经选择了反向升压模式(图6A和图6B)，在该模式中，非车载电源30的第二电压高于RESS 115的第一电压，并且RESS 115可用于对非车载电源30进行充电。如果控制器150确定已经接收到选择反向升压模式，则方法300进行到框322。如果控制器150确定尚未接收到选择正向降压模式，则方法300进行到框302。
在框322处，响应于控制器确定了选择反向升压模式，控制器产生与反向升压模式相关联的多个控制信号。
在框324处，桥臂间开关S7被移动至打开位置。第一相桥臂P1的第一半导体开关S1移动至闭合位置。第一相桥臂P2的第二半导体开关S2和第三相桥臂P3的第一半导体开关S3和第二半导体开关S4被移动至打开位置。然后，逆变器控制器180响应于逆变器控制器180从控制器150接收控制信号而产生多个开关信号。响应于第一半导体开关和第二半导体开关S1-S6从逆变器控制器180接收开关信号，功率逆变器162在外部断开状态和接通状态之间循环，使得电流流过电机绕组166中的至少一个，以将RESS 115的第一电压升高到用于对非车载电源30进行充电的第二电压。更具体地，使功率逆变器162在外部断开状态和接通状态之间循环包括：使第二相桥臂P2的第一半导体开关S5和第二半导体开关S6受到脉宽调制。在反向升压模式下，系统10将升高的电压从RESS 115传送到非车载电源30。
在一些实施方式中，控制器150的软件可以基于空中编程进行更新。例如，软件更新可以通过一个或多个合适的通信网络从数据源(例如原始设备制造商(OEM))传输到控制器150。空中更新可以经由逆变器控制器180根据充电功率水平通过调整转换器控制信号(例如，电流命令、频率、占空比、相移等)为一个或多个开关S1至S6提供所需的参数以调整充电功率。
本公开的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化均落入本公开的范围。这种变化不应被视为背离本公开的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于机动车的双向充电系统，包括：
可充电能量存储系统RESS，其配置成存储第一电压，并且所述RESS适于与配置成存储第二电压的非车载电源一起使用；
电动机，具有多个电机绕组；以及
功率逆变器，布置在所述RESS和所述非车载电源之间，其中，所述功率逆变器：可移动至接通状态，在所述接通状态下，所述功率逆变器将所述RESS和所述非车载电源连接到所述电机绕组中的至少一个；可移动至RESS断开状态，在所述RESS断开状态下，所述功率逆变器断开所述RESS与每个所述电机绕组之间的连接并将所述非车载电源连接到所述电机绕组中的至少一个；并且可移动至外部断开状态，在所述外部断开状态下，所述功率逆变器将所述RESS连接到所述电机绕组中的至少一个并且断开所述非车载电源与每个所述电机绕组之间的连接；
其中，所述系统可移动至正向降压模式、反向降压模式、正向升压模式和反向升压模式，以响应于所述功率逆变器在所述接通状态、所述RESS断开状态和所述外部断开状态中的至少两个之间的循环而选择性地将电力从所述RESS和所述非车载电源中的一个传送到所述RESS和所述非车载电源中的另一个。
2.如权利要求1所述的双向充电系统，其中，所述功率逆变器包括：
多个相桥臂，其中所述相桥臂中的每一个均连接到所述电动机的相应一个所述电机绕组，并且所述相桥臂中的每一个包括可在打开位置和闭合位置之间移动的第一半导体开关和第二半导体开关；以及
桥臂间开关，与所述第一半导体开关和所述第二半导体开关分开并可在打开位置和闭合位置之间移动，其中，所述桥臂间开关设置在两个所述相桥臂之间，用于在所述桥臂间开关被移动至所述打开位置时将所述相桥臂彼此隔离。
3.如权利要求2所述的双向充电系统，其中，所述多个相桥臂包括第一相桥臂和第二相桥臂；
其中，所述第一相桥臂包括连接到所述RESS的正极端子的正极端子，所述第二相桥臂包括连接到所述非车载电源的正极端子的正极端子。
4.如权利要求3所述的双向充电系统，其中，响应于所述桥臂间开关被移动至所述打开位置、所述第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制、所述第二相桥臂的第一半导体开关被移动至所述闭合位置、以及所述第二相桥臂的第二半导体开关被移动至所述打开位置，所述系统处于所述正向降压模式并且所述功率逆变器在所述接通状态和所述RESS断开状态之间循环，以将所述RESS的第一电压降低到用于对所述非车载电源充电的第二电压。
5.如权利要求4所述的双向充电系统，其中，响应于所述桥臂间开关被移动至所述打开位置、所述第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制、所述第一相桥臂的第一半导体开关被移动至所述闭合位置、以及所述第一相桥臂的第二半导体开关被移动至所述打开位置，所述系统处于所述反向降压模式并且所述功率逆变器在所述接通状态和所述外部断开状态之间循环，以将所述非车载电源的第二电压降低到用于对所述RESS进行充电的第一电压。
6.如权利要求5所述的双向充电系统，其中，响应于所述桥臂间开关被移动至所述打开位置、所述第二相桥臂的第一半导体开关被移动至所述闭合位置、所述第一相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制、以及所述第二相桥臂的第二半导体开关被移动至所述打开位置，所述系统处于所述正向升压模式并且所述功率逆变器在所述RESS断开状态和所述接通状态之间循环，以将所述非车载电源的第二电压升高到用于对所述RESS进行充电的第一电压。
7.如权利要求6所述的双向充电系统，其中，响应于所述桥臂间开关被移动至所述打开位置、所述第一相桥臂的第一半导体开关被移动至所述闭合位置、所述第二相桥臂的第一半导体开关和第二半导体开关受到脉宽调制、以及所述第一相桥臂的第二半导体开关被移动至所述打开位置，所述系统处于所述反向升压模式并且所述功率逆变器在所述外部断开状态和所述接通状态之间循环，以将所述RESS的第一电压升高到用于对所述非车载电源充电的第二电压。
8.如权利要求7所述的双向充电系统，还包括：
外部开关，设置在所述功率逆变器和所述非车载电源之间，并且所述外部开关可在闭合位置和打开位置之间移动，其中，在所述闭合位置时所述非车载电源与所述功率逆变器连接，在所述打开位置时所述非车载电源与每一所述电机绕组断开连接；以及
电感，串联连接在所述多个电机绕组和所述非车载电源之间，其中，所述电感配置成减轻电流脉动或转矩脉动中的至少一种。
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