CN117716597A - 充电系统及其使用方法 - Google Patents

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A·贝格尔
H·亨斯滕贝格尔
J·阿米尼
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Abstract

提供了一种充电系统和操作该系统的方法。充电系统包括电机，电机可以是绕线或非绕线转子型或双馈感应电动机(DFIM)。控制系统与电机和电池系统耦合。在绕线转子的实例中，控制系统与定子绕组和转子绕组耦合，以控制定子绕组和转子绕组的励磁。充电系统兼容交流电和直流电。在交流电源的实例中，如果电源的供电电压大于或小于电池系统的电压，控制系统向转子绕组注入励磁，以在定子中感应所需的电压。本文还描述了允许电池系统安全充电和放电的其他操作模式。

Description

充电系统及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年5月26日提交的美国临时申请63/193,361的优先权，该临时申请的内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本说明书总体上涉及电动机。本说明书还涉及一种充电系统及其使用方法。
背景技术
电动汽车的出现加速了新的能源消费方式的应用。随着电动和混合动力车辆的日益普及，对灵活的能源管理解决方案的需求日益明显。
随着电动车辆的使用不断增加，以及住宅区电池组充电能力的提高，能源消耗和存储的结构发生了变化。然而，增加电力公共事业供应商的产能是昂贵的努力，可能会被证明是不经济的，无法满足未来增加电动车辆的使用和其他电力消费方式的需求。
缓解这个问题的现有方法包括在住宅和其他地点利用太阳能电池板向智能电网馈电。其它方法包括使用其它可再生能源，例如风能、地热能、水能和海洋能、固态生质能、沼气和液体生物燃料，以向电网提供辅助电力。
然而，仍然期望对其他潜在能量(例如存储在车辆电池系统中的能量)来源进行改善管理。例如，电动车辆电池组可能正在存储对于车主来说可能不会立即使用的能量，该能量可能在别处被更好地利用。
因此，本公开的目的是提供减轻前面提到的一些问题的系统和方法。
发明内容
根据本公开的一部分，提供了一种充电系统，包括：电机，具有至少三个定子绕组和至少一个转子绕组；以及，控制系统，与该至少三个定子绕组和该至少一个转子绕组耦合，以控制该至少三个定子绕组和该至少一个转子绕组中的每一个的励磁；其中，在充电模式或放电模式中的至少一种模式下，该控制系统确定电源的电源电压是否在电池系统处于充电或放电过程中的电压工作范围之外；当电源电压在电池系统的电压工作范围之外时，该控制系统在至少一个转子绕组上施加励磁电压；并且，当电源电压在电池系统的电压工作范围内时，该控制系统终止至少一个转子绕组中的每一个转子绕组的励磁。
根据本公开的另一部分，提供了一种充电系统，包括：电机，具有至少三个定子绕组和至少一个转子绕组；以及，控制系统，与该至少三个定子绕组和该至少一个转子绕组耦合，以控制该至少三个定子绕组和该至少一个转子绕组中的每一个的励磁；其中，在充电模式或放电模式中的至少一种模式下，该控制系统确定电源的类型。当确定电源的类型是直流电(DC)时：当发现电源的电源电压Vs在电池系统的电压工作范围内时，该控制系统绕过电机以通过电源向电池系统充电；否则，当发现Vs大于电压工作范围的上限时，对电池系统进行保护。否则，当确定电源的类型是交流电(AC)时：该控制系统将快速充电器连接到电池系统；当发现电源的电源电压Vs大于电池系统的电压时，向至少一个转子绕组注入励磁，以在定子绕组中感应与电源电压具有180度相移的电压；否则，当发现电源的电源电压Vs不明显低于电池系统的电压时，终止对至少一个转子绕组中的一个转子绕组的励磁；否则，向至少一个转子绕组中的一个转子绕组注入励磁，以感应同相电压。
根据本公开的另一部分，提供了一种操作充电系统的方法。该充电系统包括：电机，具有至少三个定子绕组和至少一个转子绕组；以及，控制系统，与该至少三个定子绕组和该至少一个转子绕组耦合，以控制该至少三个定子绕组和该至少一个转子绕组中的每一个的励磁。该方法包括：在充电模式或放电模式中的至少一种模式下，确定电源的类型；当确定电源的类型是DC时：当发现电源的电源电压Vs在电池系统的电压工作范围内时，绕过电机以通过电源向电池系统充电；否则，当发现Vs大于电压工作范围的上限时，对电池系统进行保护。否则，当确定电源的类型是AC时：将快速充电器连接到电池系统；当发现电源的电源电压Vs大于电池系统的电压时，向至少一个转子绕组注入励磁，以在定子绕组中感应与电源电压具有180度相移的电压；否则，当发现电源的电源电压Vs不明显低于电池系统的电压时，终止对至少一个转子绕组中的一个转子绕组的励磁；否则，向至少一个转子绕组中的一个转子绕组注入励磁，以感应同相电压。
本发明内容不一定描述本公开的所有方面的全部范围。在研究以下附图和描述之后，其他技术优点对于本领域的普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解本文所描述的(一个或多个)实施例以及更清楚地示出(一个或多个)实施例是如何实施的，下面通过仅作为示例的方式参考附图，其中：
图1是根据实施例的充电系统及其操作环境的示意图；
图2示出了图1中的充电系统的转换器的示意图；
图3A和图3B共同示出了使用图1中的充电系统进行充电的方法的流程图；
图3C示出了图1中的充电系统所使用的磁耦合确定的流程图；
图4A示出了在驱动模式下的图1中的充电系统；
图4B示出了图1中的充电系统在由DC电源提供可接受电压的充电/放电模式下的配置；
图4C为具有绕线转子电机的图1中的充电系统，其示出了在充电/放电模式下当充电系统连接到具有低电压的DC电源时的配置；
图4D为具有非接入转子电机的图1中的充电系统，其示出了在充电/放电模式下当充电系统连接到具有低电压的DC电源时的配置；
图4E为图1的充电系统，其示出了在充电/放电模式下充电系统处于保护状态的配置；
图4F为图1的充电系统，其示出了在充电/放电模式下的当充电系统连接到AC电源时的配置，其中电机被绕开；
图5示出了当施加励磁以降低转换器端子处的电压时充电系统的波形；
图6示出了当没有施加励磁时充电系统的波形；
图7示出了当施加励磁以增加转换器端子处的电压时充电系统的波形。
除非另有特别说明，否则在附图中描绘的物件不一定按比例绘制。
具体实施方式
为了简单和清楚地说明，在认为适当的情况下，附图标记可以在附图中重复以指示对应或类似的元件。此外，为了提供对本文描述的一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，本领域普通技术人员应当理解，本文描述的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其它情况下，没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免混淆本文描述的实施例。首先应当理解的是，尽管在附图中示出并在下面描述了示例性实施例，但是本公开的原理可以使用任意数量的技术实现，无论这些技术目前是否已知。本公开不应以任何方式限制于附图中所示和下面描述的示例性实施方式和技术。
除非上下文另外指明，否则本说明书全文使用的各种术语可以进行如下解读和理解：全文中使用的“或”是开放性的，如同书面的“和/或”；全文中使用的单数冠词和代词包括它们的复数形式，反之亦然；类似地，性别代词包括其对应代词，因此代词不应被理解为将本文中描述的任何内容限制为单一性别的用途、实现、性能等；“示例性”应被理解为“说明性的”或“举例说明”，而不必作为相对于其他实施例的“优选”。术语的进一步定义可在本文中阐述，这些进一步定义可应用于那些术语之前的和后续的实例，通过阅读本说明书应当理解。还应注意的是，除非另外明确说明，或者除非将其解释为“一个”是显然的理解，否则术语“一”或“一个”的使用在所有实例中都将被理解为表示“至少一个”。
在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的系统、设备和方法进行修改、添加或省略。例如，系统和设备的组件可以是集成的或分离的。此外，本文公开的系统和设备的操作可以由更多、更少或其他组件执行，并且所描述的方法可以包括更多、更少或其他步骤。此外，步骤可以以任何合适的顺序来执行。正如在本文中使用的，“每个”可以指套件的每个部件或套件的子套件的每个部件。
本公开涉及一种适用于对电池组进行充电和放电的充电系统。通过利用现有的电机和诸如逆变器的电机控制器，可以促进放电和充电的动作。众所周知，对电动或混合动力车辆的需求是巨大的，因此其电池功率容量很大。在一些情况下，可能期望利用电池存储的电荷为其他外部设备供电，例如，在断电期间向关键电子设备提供应急电源。
图1和图2示出了根据一个实施例的充电系统20。充电系统20集成到电动车辆22的底盘中，并包括电机24。电动车辆22实际上形成充电系统20的壳体。该实施例中的电机24是具有两组绕组的他励同步电机(separately excited synchronous motor，SESM)。一组定子绕组24位于定子上，另一组绕组32位于转子上。在其他实施例中，电机24可以是绕线转子型电机，例如他励同步电机或双馈感应电机(doubly fed induction motor，DFIM)。在另一些实施例中，电机24可以是非绕线转子型电机，例如永磁电机、鼠笼式感应电机、开关磁阻电机等，并且可以包括两组以上的绕组。
使用电刷、滑环或任何其他合适的方式使电流通过转子绕组32以产生和控制磁场，这种做法通常称为励磁。定子绕组28以开放式配置示出，但可以通过开关组57、58设置为其他配置。在特定实施例中，有三个定子绕组28和一个转子绕组32。
电力由电池系统36提供给电机24。电池系统36包括一个或多个可再充电电池组的集合。电池组40包括串联或并联连接的电池以提供DC电压。电池组40由电池管理系统(battery management system，BMS)44管理。BMS 44监控充电系统20的操作模式，保护电池组40不在其安全操作范围之外操作，监控和报告电池组40的健康状况，以及管理诸如允许的电流量和充电策略(如CCCV等)的其它参数。电池系统36的电池组40和BMS 44可以是本领域已知的并且适用于充电系统20的任何组件。
充电系统20能够在多个操作模式之间转换，特别地，包括驱动模式、充电模式和放电模式。在驱动模式下，电池系统36向电机24提供电力，根据期望的方案向定子绕组28和转子绕组32二者馈电，以使转子旋转，从而将动力传递给附接于转子的传动装置。在充电模式下，从外部电源(例如电网)接收电力，以对电池系统36的电池组40进行充电。外部电源是双向的，这意味着它既可以提供电力也可以接收电力。电源68可以包括，例如，电网、快速充电器和无线电源收发器。从电源68接收或传输至电源68的电力可以是由公用电网、快速充电器、无线充电器等提供的交流电(AC)或直流电(DC)。在放电模式中，电池组40向电力负载传输电力。根据电力负载的需要，所传输的电力可以是AC或DC。
为了控制充电系统20的操作以在多个操作模式之间转换，和适应在充电期间接收或在放电期间所提供的电力电压的变化，控制系统48与电池系统36通信以同步操作模式；并且其控制电机24、输入/输出(I/O)选择器52和开关盒56的操作。I/O选择器52介于电机24和控制系统48之间，并选择在充电/放电过程中是否引入发动机。这通过l/O选择器52经由两组开关，在电池系统36与电机24、或电源、或负载(如电网50)之间建立连接来实现。电池-发动机开关组53经由转换器72将电池系统36与电机24连接或断开连接；电池-电源开关组54将电池系统36与电源68(包括电网50)连接或断开连接。I/O选择器52允许绕开电机，并使用附加电感器执行充电或放电功能。这在电机不是绕线转子型电机(例如，永磁电机、鼠笼式感应电机、开关磁阻电机等)的情况下是必需的。应当注意的是，充电系统可以根据具体设计配置I/O选择器52或开关盒56。电网50是公用电网，或是提供能量和/或接收返回的能量的任何其它类型的电网。电网类型可以是AC或DC，具有至少2相，或1相与电网中性线，或DC。开关盒56介于电机24和电网50之间，并且经由一组定子绕组连接器开关57控制电机绕组28彼此之间的耦合，或经由一组发动机-电源开关58控制电机绕组28与电网50的耦合。在电源68和电池组36之间有一组开关59，当电源68是DC且幅度适于充电时，该组开关能够绕过电机24和转换器72。开关53、54、57、58和59可以是电源开关、继电器、接触器或任何其它合适类型的开关。在电机的转子绕组的数量小于三个的情况下，发动机-电源开关58可以具有独立极的控制能力。
虽然示出的充电系统20具有作为电机24的他励同步电机(SESM)，但在其他实施例中，充电系统20可以可选地包括双馈感应电机(DFIM)。此外，电动机也可以是具有非绕线转子的发动机，然而在这些情况下，充电/放电过程中不引入发动机。
与电网50的连接可以通过无线或有线接口。位于电动车辆22内的充电系统20的无线电源收发器60与位于电动车辆22外连接到电网50的无线电源收发器64无线耦合。有线连接也可以通过线路滤波器66实现。
控制系统48包括在图2中更详细地示出的转换器72。该转换器72用于将直流电转换成交流电，反之亦然。所示转换器72是一个2电平、3相转换器。在其他实施例中，转换器可以是任何合适类型的多电平多相转换器。转换器72控制从电池系统36到电机24或到电网50的电流，或从电网50到电池系统36的电流。转换器72包括分路DC链路。可接入的DC链路中点73给予转换器72独立极的控制能力，这使得转换器72适用于单相和3相系统。为了提供独立极的控制，DC链路的中点73可以与电源中性线连接。
控制系统48的场控制模块76控制从电池系统36到(一个或多个)转子绕组32的电流。场控制采用H桥或类似方案实现。
控制系统48的充电/放电控制模块80与开关盒56通信，该开关盒56控制电机的定子绕组28彼此之间的耦合或电机的定子绕组28与电源侧的耦合，该电源侧可以是电网50或快速充电器45。
控制系统48的监控和通信模块84与电源68通信，从而根据监控和通信模块84从能源管理系统88和电池管理系统44获得的信息，决定模式并管理充电或放电的速率。此外，监控和通信模块84与能源管理系统88通信以进行管理、供应和计费。在监控和通信模块84中，为专有管理系统或外部管理系统、云或其它类型提供支持。充电或放电模式下的能量交换量以及经由BMS 44通信协议共享的电池系统36的健康状况都会得到反馈。
图3A和3B示出了确定充电系统20的配置和操作的一般方法100。该方法100首先基于公用设施和电池组的信息确定充电系统20是否应在充电模式或放电模式下操作(步骤105)。控制模块48的监控和通信模块84确定充电系统20是否处于充电、放电或监控状态。为了做出该决定，监控和通信模块84与BMS 44通信以确定电池系统36是否能够充电、放电、两者都能或都不能。然后，监控和通信模块84与能源管理系统88通信，以确定用户选择的操作模式。监控和通信模块84可以维护用户账户、由能源管理系统88管理或可访问能源管理系统88的用户账户的标识符，或与能源管理系统88管理或可访问能源管理系统88的用户账户相关联的标识符。用户账户包括用户指定的关于充电系统20在各种情况下如何操作的配置。例如，用户账户可以指示在某个时间范围内允许放电，以及要保持的电池系统容量的最低水平。如果能源管理系统88不可用或未指定用户账户，则根据用户配置启用默认状态(充电或放电)。
如果充电系统20在充电模式或放电模式中未被配置和操作，则将充电系统20配置为驱动模式(步骤106)。
图4A示出了配置在驱动模式下的充电系统20。I/O选择器52的电池-发动机开关53闭合，电池-电源开关54断开，以经由转换器72将电池系统36连接到电机24。此外，定子绕组连接器开关57闭合，发动机-电源开关58和快速充电器开关59断开，从而将电机24与电源68隔离，并将定子绕组28以适当的配置(例如，星形接法等)彼此连接。因此，电机24与电池系统36耦合，并与电网50解耦。在该模式下，电机24可以作为发动机以驱动电动车辆22。控制系统48执行电机控制策略，例如磁场定向控制(FOC)。如果电机是绕线转子型，则在驱动模式下，场控制模块76可以影响恒定电流的(一个或多个)转子绕组32中的磁场激励、单位磁通控制、单位功率因数或任何其它控制类型，以允许发动机运行。
再次参考图1、图3A和图3B，控制模块48确定与检测到的电源68、电源68的特性(即，电源68的最大电压幅度和类型)以及电池组40的状态相匹配的配置和操作模式。如果充电系统20正在充电或放电，则确定电源的功率特性(步骤110)。为了正确控制充电系统20，控制系统48需要知道电源68的电压特性。特别地，监控和保护模块70测量电源68的电压，并与控制系统48通信。控制系统48使用诸如锁相环(PLL)的识别方法算法，寻找电源的角度和频率。根据检测到的频率，检测电源类型(AC或DC)，并且使用由监控和保护模块70测量到的瞬时值和检测到的电压角，寻找电压幅度。
利用在步骤110确定的电源68的特性，确定电源68是AC还是DC(步骤120)。如果确定电源68是DC，则确定电源68的电压Vs是否在电池系统36的可接受限度内(步骤130)。BMS44维护用于电池系统36安全操作的规范，包括可以接收的电压范围。特别地，控制系统48与监控和保护模块70通信，以比较电池系统36和电源68的电压。如果电源68的电压Vs在可接受限度内，则绕过转换器72和电机24(步骤140)。控制系统48指示I/O选择器52断开电池-发动机开关53和电池-电源开关54，并且控制模块80指示开关盒56断开发动机-电源开关58以将电机24与电源68解耦，以及闭合快速充电器开关59，从而将电机24和转换器72与电池系统36解耦，并且将DC电源68直接连接到电池系统36。
图4B示出了快速充电器开关59处于闭合状态，使得电池系统36的充电和放电直接经由电源68的快速充电器45进行。在该配置中转换器72和电机24都不被使用。任何合适的充电算法都可以被采用，例如恒流恒压法(CCCV)。
再次参考图1、图3A和图3B，相反，如果在步骤130确定电源36的电压Vs不在可接受限度内，则确定电压Vs是否大于电池系统36的上限(步骤150)。如果电压Vs小于下限，则确定电机24是否包括绕线转子(步骤160)。如果电机包括绕线转子，则终止(一个或多个)转子绕组32的励磁，并将电机的(一个或多个)定子绕组用作升压电感器(步骤170)。控制系统48将电机24的定子绕组28中的两个置于电源68和转换器72之间，以使用转换器72将电压提升到可接受的水平。为此，控制系统48指示I/O选择器52断开电池-电源开关54和闭合电池-发动机开关53，并且控制系统48指示充电/放电控制模块80断开定子绕组连接器开关57、快速充电器开关59，以及闭合发动机-电源开关58。
图4C示出了在这种情况下充电系统20的配置。每个定子绕组28分别与电源68连接，并且在定子绕组28之间没有连接。电机24介于电源68和转换器72之间。控制系统48经由转换器72执行控制策略。在充电模式中，定子绕组28用作电感器，并且转换器72充当DC/DC转换器。控制系统48验证出充电系统20是静止的，因为在充电或放电期间不可能将电机24用作发动机。在放电模式下，电力回流至电源68。电机绕组28用作电感器，并且转换器72在降压模式中充当DC/DC转换器。
再次回到图1、图3A和图3B，如果电机24不是绕线转子型，则控制系统48在转换器72和电源68之间接入电感器(步骤180)。控制系统48闭合电池-电源开关54，并且断开电池-发动机开关53、发动机-电源开关58和快速充电器开关59。
图4D示出了在这种情况下的系统配置，其中控制系统48指示I/O选择器52断开电池-发动机开关53和闭合电池-电源开关54，从而使电机24与电池系统36解耦。充电/放电控制模块80指示开关盒56断开发动机-电源开关58，以使电机24与电网50解耦。
回到图1、图3A和图3B，相反，如果在步骤150确定电压Vs大于上限，则控制系统48保护电池系统36的转换器72免受过电压的影响(步骤190)。为此，控制系统48指示断开电池-电源开关54、发动机-电源开关58和快速充电器开关59。
图4E示出了在这种情况下的系统配置。
再次返回到图1、图3A和图3B，如果在步骤120确定电源68是AC，则控制系统48指示充电/放电控制模块80断开快速充电器开关59(步骤220)。然后，确定电机类型是否包括转子绕组(步骤230)。如果电机不包括可接入的转子绕组，则确定电源的电压Vs是否大于电池系统36的允许工作电压Vb(步骤240)。如果在步骤240确定电源的电压Vs不大于电池系统36的允许工作电压Vb，则绕过电机(步骤250)。控制系统48指示I/O选择器52闭合电池-电源开关54和断开电池-电动机开关53。充电/放电控制模块80指示开关盒56断开开关58以使电机24与电源68解耦。
图4F示出了在这些情况下充电系统20的配置。在这种情况下，转换器72与所提供的电感器一起充当升压转换器，以对电池系统36充电/放电。
再次回到图1、图3A和图3B，在电机不包括可接入的转子绕组的实例中，如果在步骤240确定AC电源的电压Vs大于电池系统36的电压Vb，则控制系统48保护电池系统36和转换器72免受过电压的影响(步骤260)。控制系统48指示I/O选择器52断开开关54。为此，控制系统48指示断开电池-电源开关54、发动机-电源开关58，从而使电机24和转换器72与电源解耦。
图4E示出了在这种情况下充电系统20的配置。
再次回到图1、图3A和图3B，相反，如果电机类型是绕线转子型(即，在转子上具有可接入绕组的任何电机，例如他励同步电机或双馈感应电机)，则确定电源68的电压Vs是否大于电池系统36的电压Vb(步骤310)。如果电源68的电压Vs大于电池系统36的电压Vb，则控制系统48将馈入(一个或多个)转子绕组32的励磁电流与电源68的电压Vs同步，使得其在定子绕组中感应出相对于电源68的电压具有180度相移的电压(步骤340)。这种同步可以通过传统的PLL或任何其它合适的方法完成。在电机24是SESM的实例中(步骤320)，找到与转子具有最高磁耦合的定子绕组(步骤330)，如图3C中的步骤301、302和303所示，并且相应地完成同步和配置。在同步之后，控制系统48配置充电系统20。I/O选择器52的电池-发动机开关53闭合，并且电池-电源开关54断开。此外，定子绕组连接器开关57断开，并且发动机-电源开关58闭合。图4C示出了这种配置。发动机-电源开关58具有独立极的操作。在电机24是SESM的实例中，连接到与转子具有最高磁耦合的定子绕组的极被连接，而其它两个极保持断开。每个定子绕组28分别与电源68连接，并且在定子绕组28之间没有连接。这使得在转换器72的端子处的电压幅度能够降低，并将转换器72保持在具有可控性的升压区。图5示出了在这种工作状态中的电压和电流的波形。
如果在步骤310确定电源68的电压Vs低于或等于电池系统36的电压Vb，则确定电源68的电压Vs是否显著地低于电池系统36的电压Vb(步骤360)，即当控制系统48达到转换器72的升压或降压比限制时，仍没有达到分别对电池系统36进行充电或放电所需的电压。如果电源68的电压Vs没有明显低于电池系统36的电压Vb，则认为电源68的Vs对于转换器72和电池系统36处于适当的电平。因此，(一个或多个)转子绕组的励磁终止，没有电流注入(一个或多个)转子绕组(步骤370)。然后在步骤350重新配置充电系统20，如图4C所示。图6示出了当充电系统20如图4C所示配置时的电压和电流波形。
如果电源68的电压Vs显著低于电池系统36的电压Vb，则确定电机类型(步骤380)。如果电机类型是他励同步电动机，则在图3C中的步骤301、302和303中也示出了与转子具有最高磁耦合的定子绕组被找到(步骤385)，并且相应地进行同步。在同步之后，控制系统48对充电系统20进行配置，如图4C所示。I/O选择器52的电池-发动机开关53闭合，并且电池-电源开关54断开。此外，定子绕组连接器开关57断开，并且发动机-电源开关58闭合。发动机-电源开关58具有独立极的操作。在电机24是SESM的实例中，连接到与转子具有最高磁耦合的定子绕组的极被连接，而其它两个极保持断开。每个定子绕组28分别与电源68连接，并且在定子绕组28之间没有连接。这使得在转换器72的端子处的电压幅度得以增加，并且以适当的升压比将转换器72保持在升压区。控制系统48使馈入到(一个或多个)转子绕组32的励磁电流与电源68的电压Vs同步，使得其在定子绕组中感应出与电源68的电压同相的电压(步骤390)。如此，在转换器72的端子处的电压幅度升高，以将升压比保持在可接受的值。特别地，在所接收的电压电平不足以以适当的方式对电池系统36充电的情况下，该电压电平至少增加到为此目的所需的最小电平，如图7所示。然后，在步骤350重新配置充电系统20。
应当理解的是，充电系统20不需要外部变压器(例如，在充电站实现的变压器)、DC/DC转换器或AC/DC转换器(例如，在移动应用(例如，电动车辆)的情况下车载的转换器)。
因此，通过使用I/O选择器52和开关盒56，电机24可以基于电池系统36和电源68二者的需求选择性地用于调节输入或输出功率。
本文描述的系统被设计成与任何在DC或AC电压和功率下运行的电网系统以及任何电机兼容。
虽然在上述实施例中，充电系统被示出为三相系统，但是应当理解的是，充电系统可以被配置为具有任意数量的相位的系统。
在其它实施例中，本文所述的充电系统可用于其它类型的应用，例如其它类型的车辆或装置。在一个特定示例中，停放在停车库中的电动车辆可以用于在断电期间提供紧急负载，并且用于在紧急情况下稳定电网，或者参与车辆通信系统中的车联网(V2X)的场景。
应当理解的是，转子可以具有多于一个的转子绕组，并且可以控制转子绕组的子件，以提供上述优点。
此外，尽管特别提及了电网，但是其他类型的电源或电力负载也可以与充电系统一起使用。
尽管上面已经列举了具体的优点，但是各种实施例可以包括所列举的优点中的一些、不包括所列举的优点或者包括所列举的优点中的全部。
本领域技术人员应当理解，还存在更多可能的替代实施方式和修改，并且以上示例仅是一种或多种实施方式的说明。因此，范围仅由所附权利要求书及其任何修改来限定。
附图标记列表
20 充电系统
24 电机
28 电机绕组
32(一个或多个)转子绕组
36 电池系统
40 电池组
44电池管理系统(BMS)
45 快速充电器
48 控制系统
50 电网
52I/O选择器
53电池-发动机开关
54电池-电源开关
56 开关盒
57定子绕组连接器开关
58发动机-电源开关
59 快速充电器开关
60 无线电源收发器
64 无线电源收发器
66 线路滤波器
68 电源
70 监控和保护模块
72 转换器
73 DC链路的中点
74 转换器旁路开关
76 磁场控制模块
80充电/放电控制模块
84 监控和通信模块
88 能源管理系统
100 方法
105充电或放电？
106 在驱动模式操作
110 识别电源特性120电源是否是AC？
130Vs是否在可接受限度内？
140绕过转换器和电机150Vs是否大于上限？
160电机是否有绕线转子？
170终止励磁并使用电机作为升压电感器180 绕过电机
190 保护电池组转换器
220 断开快速充电器开关230是否为EM型绕线转子？
240Vs>Vb？
250 旁路电机
260 保护电池系统和转换器310Vs>Vb？
320电机类型？
330寻找与转子高度耦合的定子绕组
340注入同步励磁以感应具有180度相移的电压350重新配置系统360Vs<<Vb？
370终止励磁
380电机类型？
385寻找与转子高度耦合的定子绕组
390注入同步励磁以感应同相电压
301 检测和测量转子角度
302 检测与转子的耦合303返回与转子具有最高耦合的相位

Claims (26)

1.一种操作充电系统的方法，所述充电系统包括：(i)电机，包括至少三个定子绕组和至少一个转子绕组，以及(ii)控制系统，包括转换器，所述转换器与所述至少三个定子绕组和所述至少一个转子绕组耦合，以控制所述至少三个定子绕组和所述至少一个转子绕组中的每一个的励磁；所述方法包括：
(a)以充电模式或放电模式中的至少一种模式操作；以及
(b)确定电源的类型是DC还是AC，以及
(i)当确定所述电源的所述类型是DC时，则执行以下步骤之一：
(A)当发现所述电源的电源电压Vs在电池系统的电压工作范围内时，绕过所述电机，以通过所述电源对所述电池系统充电，
(B)使用所述定子绕组作为电感器，其中所述转换器在所述放电模式或所述充电模式中分别充当降压式DC/DC转换器和升压式DC/DC转换器，
(C)当发现Vs大于所述电压工作范围的上限时，对所述电池系统进行保护，以及
(ii)当确定所述电源的所述类型是AC时，则执行以下步骤之一：
(A)当发现所述电源的电源电压Vs大于所述电池系统的电压时，向所述至少一个转子绕组注入励磁，以在至少一个所述定子绕组中感应出与所述电源的电压具有180度相移的电压，
(B)当发现所述电源的电源电压Vs不显著低于所述电池系统的电压时，终止对所述至少一个转子绕组中的一个所述转子绕组的励磁；
(C)当发现所述电源的电源电压Vs小于所述电池系统的可接受电压时，向所述至少一个转子绕组注入励磁，以在至少一个所述定子绕组中感应出与所述电源的电压同相的电压。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电机是他励同步电机SESM。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括：在向所述至少一个转子绕组中的一个转子绕组注入励磁之前，找到所述定子绕组中与所述转子具有最高磁耦合的一个所述定子绕组。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述将所述快速充电器与所述电池系统连接包括：闭合所述快速充电器开关组。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电机是双馈感应电机DFIM。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述转换器将所述电池系统与所述电机连接。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当对所述电池系统进行保护时，所述快速充电器开关组断开。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电源包括以下一项或多项：快速充电器、无线电源收发器和电网。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电池包括多个电池组和电池管理系统。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述充电系统还包括监控和保护模块，所述监控和保护模块与发动机-电源开关组通信，所述发动机-电源开关组介于所述电机与所述监控和保护模块之间。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述充电系统还包括电池-发动机开关组，所述方法还包括使用所述电池-发动机开关组将所述电池系统与所述电机断开连接。
12.一种充电系统，包括：(a)电机，具有至少三个定子绕组和至少一个转子绕组，以及(b)控制系统，与所述至少三个定子绕组和所述至少一个转子绕组耦合，以控制所述至少三个定子绕组和所述至少一个转子绕组中的每一个的励磁；其中，
(a)所述充电系统配置为以充电模式或放电模式中的至少一种模式操作；
(b)所述控制系统配置为确定电源的类型是AC还是DC；以及
(c)所述充电系统配置为执行以下步骤中的任一步骤：
(i)如果所述电源是DC，则(A)当发现所述电源的电源电压Vs在电池系统的电压工作范围内时，通过所述电源对所述电池系统充电，或者(B)使用所述电机的绕组作为电感器，并且所述转换器在放电或充电模式中分别充当降压式DC/DC转换器或升压式DC/DC转换器；(C)当发现Vs大于所述电压工作范围的上限时，对所述电池系统进行保护；以及
(ii)如果所述电源是AC，则：(A)当发现所述电源的电源电压Vs大于所述电池系统的电压时，向所述至少一个转子绕组注入励磁，以在至少一个所述定子绕组中感应出与所述电源的电压具有180度相移的电压；(B)当发现所述电源的电源电压Vs没有明显低于所述电池系统的电压时，终止对所述至少一个转子绕组中的一个转子绕组的励磁；或者(C)当发现所述电源的电源电压Vs小于所述电池系统的可接受电压时，向所述至少一个转子绕组注入励磁，以在至少一个所述定子绕组中感应出与所述电源的电压同相的电压。
13.根据权利要求12所述的充电系统，其中，所述电机是他励同步电机SESM。
14.根据权利要求13所述的充电系统，在向所述至少一个转子绕组中的一个转子绕组注入励磁之前，所述控制系统找到所述定子绕组中与所述转子具有最高磁耦合的一个定子绕组。
15.根据权利要求12所述的充电系统，还包括介于所述电源和所述电池系统之间的快速充电器开关组，其中，所述将所述快速充电器与所述电池系统连接包括：闭合所述快速充电器开关组。
16.根据权利要求12所述的充电系统，其中，所述电机是双馈感应电机DFIM。
17.根据权利要求12所述的充电系统，其中，所述控制系统包括转换器，用于将所述电池系统与所述电机连接。
18.根据权利要求17所述的充电系统，其中，所述转换器包括分路DC链路。
19.根据权利要求18所述的充电系统，其中，所述电源类型是AC，并且所述分路DC链路的中点与所述电源的中性线连接。
20.根据权利要求19所述的充电系统，还包括发动机-电源开关，能够在需要时进行独立极的操作。
21.根据权利要求15所述的充电系统，还包括电池-发动机开关组和电池-电源开关组，其中对所述电池系统进行保护时，所述快速充电器开关组、所述电池-发动机开关组和所述电池-电源开关组断开。
22.根据权利要求12所述的充电系统，其中，所述电源包括以下一项或多项：快速充电器、无线电源收发器和电网。
23.根据权利要求12所述的充电系统，其中，所述电池包括多个电池组和电池管理系统。
24.根据权利要求12所述的充电系统，还包括监控和保护模块，所述监控和保护模块与发动机-电源开关组通信，所述发动机-电源开关组介于所述电机与所述监控和保护模块之间。
25.根据权利要求12所述的充电系统，还包括电池-电机开关组，所述电池-电机开关组将所述电池系统与所述电机连接或断开连接。
26.一种充电系统，包括：(a)非绕线转子型电机；以及(b)控制系统，与所述电机耦合；其中，当确定电源的电压时，通过绕开所述非绕线转子型电机实现对所述电池系统的充电或放电。
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