CN117730477A - 利用电机绕组的动态可重构电力转换器 - Google Patents

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Abstract

一种包括控制器电路和开关电路的动态可重构电力转换器。开关电路包括可电连接到储能装置的端子的第一节点集、可电连接到旋转电机的至少一个绕组的第二节点集、以及可电连接到外部电源的第三节点集。电气测量电路监测第一节点集和第三节点集处的电气状态。开关电路在第一模式下操作以调节从第一节点集到第二节点集的电力传输，并且在第二模式下操作以通过第二节点集调节第三节点集和第一节点集之间的电力传输。

Description

利用电机绕组的动态可重构电力转换器
在先申请
本申请要求2021年7月8日提交的标题为“VARIABLE COIL CONFIGURATIONSYSTEM,APPARATUS AND METHOD,EMPLOYABLE AS A GRID TIE CONVERTER”的美国临时申请序列号63/219,730的权益，其公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及电力系统，更具体地说，涉及利用电机的电感绕组作为开关稳压器指示器的电力转换器及相关方法。
背景技术
近年来，随着电池和半导体制造技术的进步，以及政府政策的颁布来鼓励投资替代能源的产生和利用，导致诸如电动车辆(EV)和可再生能源发电(包括用于捕获太阳能的光伏(PV)阵列、风力涡轮发电机等)之类技术的广泛采用。
这些技术可以以各种方式与电网相互作用。对于电动车辆(其包括插电式混合动力车以及全电动车辆和卡车)来说，电动车辆的牵引电池通常由电网充电。不同电动车辆的牵引电池相应地具有不同电压，这些电压通常在350-800V范围内。因此，牵引电池的充电涉及使用电力转换器电路将电网电压从交流(AC)电压转换为合适的直流(DC)电压，以便对牵引电池充电。
除了消耗来自电网的电力进行充电外，牵引电池还可用于向电网供电。例如，当电动车辆闲置一段时间时，其储存的能量可以被转售并传输回电网，例如在电力需求高峰期，转售价格会超过电动车辆电池的原始充电成本。在可再生能源发电的情况下，产生的电力可以施加到本地耦合到发电机的负载上，任何多余的电力都可以出售并传输到电网。
为了将电力从一个系统传输到另一个系统，将不同的电力系统耦合起来并非易事。电力可以在不同的电压下产生，具体取决于其产生的条件。有些电源是直流(DC)源，而其他电源可能是交流(AC)源。电网使用一定的标准交流电压，并且电网上的发电机与交流波形同步。因此，与电网交互的电源应具有相对于电网的合适电压，以实现期望量的电力传输，并且电源所产生或所提供的电力应具有交流波形，其相位与电网波形相匹配。按照惯例，电力转换器可以用于以受控方式增加或减少电源提供的电压，该受控方式考虑了电源的变化性以产生稳定的电压。对于直流电源，逆变器电路可以用于生成与电网的频率和相位角相匹配的交流波形。
电力转换器和逆变器电路通常使用一个或更多个电感器来储存能量，进行滤波以平滑开关模式的电力转换，并根据需要提高输出电压，例如，在升压转换器配置中。对于大功率应用，这种电感器是大型、重型和昂贵的组件，这些组件通常具有线圈、由磁性材料(如含铁材料)制成的磁芯和同样由含铁材料制成的磁屏蔽层。诸如马达和发电机之类的电机具有感应绕组。已经建议将这种绕组用作电力转换器的电感器。例如，参见Knoedgen的美国专利第8,198,845号，其公开内容通过引用并入本文。
虽然在电力转换器电路中马达绕组作为电感器的二次利用具有一定的优势，但也并非没有挑战。例如，其中一个挑战是马达定子绕组中来自电力转换电路的电流会导致与转子相互作用的磁场，进而导致转子轴的扭转振动。
需要解决方案来应对这一挑战和其他挑战，以实现马达绕组作为电感器的二次利用的实际且高效的实现。
发明内容
本申请涉及电力转换器，例如并网电力转换器，其能够用来自电网的交流电直接为直流储电装置(例如，辅助电池单元、超级电容器电池)充电和/或从直流储电装置向电网输送交流电。电力转换器包括电气测量电路、开关电路、控制器电路和至少一个旋转电机。该旋转电机能够，例如采用发电机或马达的形式。
根据本申请各方面的电力转换器有利地使用旋转电机的绕组作为电力转换器的电感器，例如，用于逆变或整流和/或调节电压。控制器电路操作以实时或几乎实时地切换绕组的电气配置以修改电路拓扑结构，例如，在将系统部署到使用地点和/或带有负载。例如，电气测量电路能够包括被耦合以感测输入或输出节点上的交流或直流电压的电压探头、被耦合以感测在流向或流出输入和输出的电流的电流传感器，或此类探头的组合。例如，这些系统和方法能够有利地采用场定向控制(FOC)来控制电机的操作。
本文所述实施例的一个方面是动态可重构电力转换器，其包括：控制器电路；开关电路，所述开关电路包括多个开关，这些开关可操作地耦合到控制器电路。开关电路还包括可电连接到储能装置的端子的第一节点集，以及可电连接到旋转电机的至少一个绕组的第二节点集。此外，第三节点集可电连接到外部电源。
电气测量电路(例如，电压或电流探头)可操作地耦合到控制器电路，并被设置为监测第一节点集和第三节点集处的时变电气条件。包括第一开关子集的所述多个开关在控制器电路的控制下在第一模式下操作，以调节从第一节点集到第二节点集的电力输送，使得在操作中，来自储电装置的电力被输送到旋转电机的至少一个绕组以使旋转电机运行。此外，基于第一节点集和第三节点集处的电气条件，包括第一开关子集的所述多个开关在控制器电路的控制下在第二模式下操作，以通过第二节点集调节第三节点集和第一节点集之间的电力传输，使得在操作中，通过用作电感器的至少一个绕组在外部电源和储能装置之间转换和传输电力。
在相关方面中，是一种在多种模式下对电动车辆(EV)进行电气配置的方法，其包括通过电动车辆的控制器对电动车辆的开关电路进行配置以在马达驱动模式下操作，以将电力从电动车辆的牵引电池传输到电动车辆的牵引马达。开关电路在马达驱动模式下的操作包括激活第一开关子集以实现逆变器，该逆变器用交流电(AC)为牵引马达的绕组供电，从而使牵引马达的转子旋转。
此外，该方法包括通过控制器对开关电路进行重新配置以在充电模式下操作，以将电力从外部电源传输到电动车辆的牵引电池。开关电路在充电模式下的操作包括激活第一开关子集以实现开关电力转换器，该开关电力转换器利用牵引马达的绕组作为电感器，并将外部电源的电压转换为幅值受控的直流电压，以调节传输到牵引电池的电力。与牵引马达的每一相相关的绕组对以相反的极性同时通电，以消除这些绕组的这种通电对牵引马达的转子运动的净影响。
所描述的技术适用于例如，在电动车辆的再生制动或充电等应用中与作为马达或发电机之一或两者操作的电机，其中电机的绕组能够用作各种电力转换器架构或拓扑的电感器。
另一个优点是能够在各种可配置的电气设置中将电机的绕组用作电力转换器中的电感器，例如，能够从各种电源(例如，交流电网电源、来自光伏阵列的直流电源)为直流储电装置(例如，辅助电池单元、超级电容器电池)充电和/或将电力从直流储电装置输送到各种负载(例如，将储存的电力输出到交流电网)。所描述的技术响应于速度和/或扭矩的变化，或者替代地响应于测量的电压，通过改变电机的电磁场来改变基本范式，以作为电力转换器的一部分操作，以将电力储存到一个或更多个直流储电装置(例如，牵引马达辅助电池、超级电容器、甚至是消耗氢气的燃料电池)或者从一个或更多个直流储电装置释放电力。
例如，基于电力是储存到一个或更多个直流储电装置(例如，在交流电网上的需求相对较低的时候)还是从一个或更多个直流储电装置输送(例如，在交流电网上的需求相对较高的时候)，动态配置的电机能够像绕组被用在多种不同的电力转换器架构(例如，降压转换器、升压转换器、逆变器、整流器)中一样运行。能够例如在交流电网需求相对较高的时候或作为备用电源向交流电网或其他负载供电。
本文中描述的设备和方法可以以多种形式使用，为发电、马达驱动应用以及用于诸如电动车辆之类的应用的全四象限操作提供益处。在一些实现中，一个或更多个电动车辆(即全电动车辆、混合动力电动车辆)的牵引马达辅助电池(即为电动车辆的牵引马达供电的辅助电池)。例如，当电力需求通常较低时，来自交流电网的电力能够储存到电动车辆的电池中。储存的电力可用于推动车辆，也可以被返回电网，或者在电力需求较高时甚至在高峰时段直接供应给其他负载。电动车辆车队在不用作运输设备时可以根据需要用作输入和输出电力的并网储电蓄电装置。
如本公开所述的动态可重构多模态电力转换器系统能够有利地作为“通用”电力转换器操作，例如从各种直流或交流电源为一个或更多个直流储电装置(例如，辅助电池单元、牵引马达辅助电池单元、超级电容器电池)充电。
此外，该系统能够用作并网转换器，以直接从交流电网为一个或更多个直流储电装置充电和/或从一个或更多个直流储电装置向交流电网输送交流电。替代地或另外地，该系统能够接受直流输入(例如来自光伏(PV)阵列或面板)和/或向直流电气系统输送直流电。
该系统能够包括电气测量电路，其被耦合以测量三(3)种交流节点(例如，耦合到交流电网的节点)处的交流电压。控制器(例如，微控制器、微处理器、现场可编程门阵列、专用集成电路)能够执行逻辑以实现并网方面。例如，该控制器能够实现锁相环(PLL)以检测电网频率，并将对应的角度输送给马达控制器中已经实现的场定向控制(FOC)，以实现并网电流控制和/或输出电压控制，例如在独立交流电源的情况下。
对于诸如太阳能或光伏电池板或阵列之类的直流电源，控制器能够实现最大功率点跟踪(MPPT)算法，以使太阳能或光伏电池板或阵列的发电最大化。
使用电机(例如马达)绕组作为电力转换器的储能组件来促进牵引马达电池充电可能会带来问题，这些问题与电机的转子对异步50/60Hz交流定子电流的反应有关。任何电动车辆在充电过程中通常都是静止的(再生模式下的充电除外)，因此电机在充电时通常不旋转。然而，至少在永磁电机的情况下，磁铁仍然通电，这导致电机的轴(例如马达轴)在响应于定子中旋转的50/60Hz的场时产生扭转振动。本文所述的系统和方法能够有利地解决这种影响，减少甚至消除轴扭转振动。
本文所述的系统和方法有利地提供开关电路及其操作，以作为马达驱动操作，以在电动车辆移动(运输中)时提供全四象限牵引马达控制，并且当电动车辆静止时，相同的电力电子器件封装能够有利地用于从各种交流电源和/或直流电源为直流储电装置(例如，牵引马达电池)充电，此外，由于转换器的双向性，它还能够用于向交流电网或直流电力系统输送电力。
附图说明
在附图中，相同的附图标记标识相似的元素或行为。图中元素的大小和相对位置不一定是按比例绘制的。此外，所绘制的元素的特定形状并非旨在传达有关该特定元素的实际形状的任何信息，并且只是为了便于在附图中识别而选择的。在附图中，各种实施例以示例的方式、而非以限制性的方式进行说明。
图1是用于说明根据一些实施例的动态可重构多模态电力转换器系统的示意图。
图2是用于说明根据一些实施例的、机电系统的各种操作模式的框图，这些操作模式由动态可重构电力转换器系统(如图1中的系统)实现。
图3是用于说明根据一类实施例的并网设置的示意图，其中一个或一组电储存装置可以从交流电网充电，并分开地用于向交流电网供电。
图4A是用于说明根据一些实施例的开关电路的电路图，该开关电路是图1或图3中的系统的一部分开关电路的示例。
图4B是用于说明根据一些实施例的图4A的开关电路的特定配置的电路图，该开关电路可以与诸如单相、分相和三相交流电网电压或负载之类交流配置一起使用。
图4C是用于说明根据另一示例的图4A的开关电路的电路图，该开关电路处于实现升压转换器的配置中。
图4D是用于说明根据另一示例的图4A的开关电路的电路图，该开关电路处于实现降压转换器的配置中。
图4E是用于说明根据另一示例的图4A的开关电路的电路图，该开关电路处于实现同相降压-升压转换器的配置中。
图5是用于说明根据一些实施例的与AC/DC端子面板相关的多个开关电路(例如图4A的开关电路)实例的多相布置的框图。
图6是用于说明根据一些实施例的可由系统控制器执行的控制器程序的流程图。
具体实施方式
在下面的描述中，列出了某些具体细节，以便提供对各种公开实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在不利用这些具体细节中的一个或更多个的情况下，或者在利用其它方法、部件、材料等的情况下实践实施例。在其他实例中，没有对与电机(例如，发电机、马达)、控制系统和/或电力转换系统(例如，转换器、逆变器、整流器)相关的众所周知的结构进行详细示出或描述，以避免不必要地模糊实施例的说明。
除非上下文另有要求，否则在随后的说明书和权利要求书中应以开放、包容的意义解释“包括”一词及其变体，例如“包含”和“含有”，即“包括但不限于”。
本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用是指与该实施例相关描述的特定特征、结构或特性被包含在至少一个实施例中。因此，出现在整个说明书中不同位置的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”并不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以在一个或更多个实施例中以任何合适的方式组合。
除非上下文另有明确规定，否则如本说明书和所附权利要求书所用的单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。还应注意的是，除非上下文另有明确规定，否则“或”一词通常在使用时的意义包括“和/或”。
本文所提供的本公开的标题和摘要仅为方便起见，并不解释实施例的范围或含义。
图1是用于说明根据一些实施例的动态可重构多模态电力转换器系统100的示意图。基于系统100的配置，系统100以各种方式利用电机M102。在一种类型的配置中，系统100作为电机102的驱动操作。在其它配置中，系统100利用电机102的绕组作为电力转换器电路中的电感器。
电机102可以是多相电机，例如非换向(交流)电机，例如感应马达、同步马达(例如，永磁体或励磁转子)或无刷直流马达，或发电机，其具有充分构造的绕组，以承受电力转换器电路操作可能需要的工作电压和电流。
系统100包括控制器104、开关电路106和电探头108。在各种应用中，如下文更详细地描述，系统100可以电耦合到直流储电装置110。该一个或更多个直流储电装置110能够采用多种形式，例如电动车辆的牵引马达辅助电池单元、其它辅助电池单元、超级电容器(super-capacitor)或超级电容器(ultra-capacitor)单元、甚至是能够产生和储存氢气的再生燃料电池。当电机102在包括再生制动在内的4象限操作中用作马达时，直流储电装置110可以用于向电机102供电或者从电机102恢复电力。
在控制器104的控制下操作的开关电路106可以向电机102产生变频驱动电力，并且可以将电机102产生的电力整流并转换为直流电压，以对直流储电装置110进行充电。开关电路106包括多个受控开关(例如半导体)，这些开关可以被控制器104以电子方式设置，以提供马达驱动功能、整流功能、逆变功能、升压功能和降压功能。值得注意的是，某些单独的开关可以被配置为在不同的时刻执行这些功能中的不同功能。开关电路106还可以包括支持电路，例如栅极驱动电路、缓冲电路、滤波器、保护组件、控制器接口电路等。
此外，系统100可以可操作地耦合到一个或更多个另外的电源，例如交流电网120、直流电源122(例如，光伏阵列、燃料电池或其它直流电源)。在控制器104的控制下操作的开关电路106可以另外地转换来自交流电网120或直流电源122之一的电力，以对直流储电装置110进行充电。此外，在控制器104的控制下操作的开关电路106还可以转换来自直流储存装置110的电力，以提供给交流电网120或直流电源122之一。这种电力转换可能涉及整流、逆变、升压或降压。
电机102能够，例如，采用电动车辆(例如，插电式全电动车辆或插电式混合动力电动车辆)的电机的形式，其在电动车辆操作期间充当电动车辆的牵引马达和/或为电动车辆的牵引马达电池充电的再生制动发电机。
交流电网120能够采用任何常规形式的交流电网，并且可以通过一个或更多个变压器126以合适的电压(例如，单相120V、220V、240V或277V，或三相208V、380V、400V或480V)向电力节点或家用插座124、充电站或商业设施供电。
控制器104可以根据各种实施例采用多种形式。例如，控制器104可以采用微控制器、微处理器、专用集成电路或可编程门阵列的形式。控制器104可操作来协调和调整系统100的操作，以提供存储器功能、指令处理器功能、模数(A/D)转换功能、数字输入和输出(I/O)功能、定时功能以及数据通信。可由控制器104执行的指令可以作为固件存储在非易失性数据存储中，例如闪存电可擦除只读存储器(EEPROM)或其它至少一种合适的非暂时性存储介质。
在一些实施例中，控制器104可以与用户界面(UI)(未示出)交互。该用户界面可以通过专用的本地操作界面(LOI)设备来实现，该LOI设备可以包括显示器或电子指示器以及至少一个输入设备，例如一个或更多个按钮、旋钮、滚轮、触摸屏等。在其它实施例中，控制器104的用户界面可以使用电动车辆的用户界面来实现。在该示例中，电动车辆的用户界面可以通过电动车辆的通信总线(例如内部集成电路(I2C)总线、控制器局域网(CAN)总线等)通信耦合到控制器104的串行通信接口。在其它示例中，该用户界面可以通过通信耦合的计算设备实现，例如智能手机、平板电脑、个人计算机(PC)等，其可以通过诸如IEEE 802.15.1网络(通常称为蓝牙或低功耗蓝牙BLE)之类的专用个人局域网(personal-area network，PAN)直接与控制器104通信，或者通过诸如基于Web的服务器或基于云的物联网(Internet-of-things，IOT)服务经由互联网间接地与控制器104通信。
电探头108设置在电力节点124处或直流电源122的输入处。电探头108可以使用电压探头电路(例如跨每个节点的高稳定性分压器电路)来实现，或者使用电流探头电路(例如与待测电流路径串联的高稳定性分流电阻器)来实现。探头电路耦合到A/D转换器以进行采样和量化，并最终与控制器104交互，控制器104可以被编程为在采样的基础上周期性地读取每个电压探头电路的电压输出或电流探头电路。控制器104可以计算每个相应测量节点的电压，并且在交流电压的情况下，控制器104可以基于过零或PLL等计算确定交流波的频率和相位信息。
控制器104可以使用所测量的电气信息以及在一些实施例中的用户输入来配置和控制开关电路106，以实现所需要的电力传输功能。图2是用于说明根据一些实施例的机电系统200的各种操作模式的框图，这些操作模式由动态可重构电力转换器系统(如系统100)实现。机电系统200包括具有电机绕组的电机202，以及一个或更多个电池210。机电系统200还包括多模态电力转换器系统250，其是系统100的一个示例，并且包括控制器(例如控制器104)、电气测量电路(例如探头108)和开关电路(例如开关电路106)——为清楚起见，未将它们单独示出。
机电系统200可以是电动车辆的一部分，或者它可以是使用马达/发电机和能量储存的不同类型的系统。后者的示例包括电池供电的电动系统，例如商业或工业供暖通风和空调(HVAC)系统、电梯或自动扶梯系统、泵站(例如污水泵)、水系统的提升站、抽水蓄能水电站等。
如图所示，系统250实现控制器程序，所述控制器程序可以通过在控制器(例如控制器104)的硬件上执行的固件指令来实现。控制器程序包括马达驱动模式252、电池充电模式254和供电模式256。马达驱动模式252可操作以通过电池210来使电机202运行。在固定系统实施例(例如，泵站)中，电机202可以主要由交流电网120或直流电源122供电，其次，由作为备用电源的电池210供电。马达驱动模式252可以实现逆变器，例如H桥电路、变频驱动、场定向控制(FOC)或其它合适的马达驱动技术。在实现再生制动的实施例中，马达驱动模式252可操作以将来自电机202的电力反馈回电池210，这可以包括将旋转电机202产生的电力转换为合适的直流电压，用于为电池210充电。
电池充电模式254将开关电路作为电力转换器操作，以产生用于为电池210充电的直流电。开关电路可以从交流电网120(或独立于电网的交流电源)或直流电源122接收输入电力。因此，输入电压可能有很大变化，并且需要不同的电压调节技术(例如升压、降压等)，对此可以动态配置系统250的开关电路。值得注意的是，在电池充电模式下，系统250利用电机202的绕组作为一个或更多个电感器，如264处所示。
供电模式256可操作来将电力从电池210传输到交流电网120或直流电源122(例如，其中直流电源122包括可以为其它设备供电的直流总线)。在供电模式256中，系统250的开关电路可以执行产生交流波的逆变和电压转换(升压或降低)，并利用电机202的绕组作为一个或更多个电感器，如266处所示。为了向交流电网120供电，系统250的控制器使用电网电压的电压测量来使逆变器输出所产生的波形与交流电网120的相位同步。举例来说，控制器可以实现基于锁相环(PLL)的控制方案来跟踪交流波形的相位，电压或电流测量值可用于控制电力传输量。
值得注意的是，在一些实施例中，这些操作模式中的每一种是在不同的时刻执行的，但是使用同一开关电路106使得某些开关可以在不同的时刻在对应的不同电路拓扑中实现不同的操作模式。例如，在马达驱动模式252中，开关电路106的给定开关可以是H桥马达驱动拓扑的支路；而在电池充电模式254中，同一开关可以作为升压转换器的开关稳压器操作。
图3是用于说明根据一类实施例的并网设置的示意图，其中一个或一组储电装置可以从交流电网充电，并分开地用于向交流电网供电。如图所示，系统300包括具有三对绕组304a、304b、304c、304d、304e、304f和转子305的三相电机302。电机302可以是电动车辆的牵引马达，或其它类型的马达或发电机。
系统300还包括类似于开关电路106(图1)的开关电路306和类似于控制器104(图1)的控制器310，控制器310至少根据电池充电模式254和供电模式256(图2)执行开关逻辑。系统300还包括多个电探头，例如第一组交流电压探头PAC1、PAC2、PAC3和第一组直流电压探头PDC1、PDC2(仅示出两个)，它们可通信地耦合到控制器310以提供代表所测量电压的信号。虽然图3中没有示出，但系统300能够采用其它传感器，例如将被定位或被耦合以感测电机302或其组件的操作方面(例如，转速、转子的旋转位置、温度)的传感器。
系统300电耦合到交流电网320，该交流电网可以通过单相电源抽头或三相电源获得，如图所示。系统300还可以电耦合到一个或更多个直流储电装置，例如，一个或更多个电动车辆316a、316n(仅显示两个)的多个牵引马达辅助电池314a、314n(仅显示两个)，这些电动车辆可以是电动车辆316a、316n车队中的一部分。在其它应用中，直流储电装置可以是电池控制系统(BCS)，例如，在题为“Battery Control Systems and Methods”的美国专利申请第13/842,213号中所描述的，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。
值得注意的是，系统300可以被并入电动车辆316之一中。因此，在一个实施例中系统300可以设置为使得只有给定电动车辆的车载辅助电池314可以使用系统300进行充电。在其他实施例中，使用被并入到电动车辆组之一中的系统300，系统300可以对包括其它电动车辆的电池的多个辅助电池314进行充电。在其他实施例中，系统300未并入电动车辆316之一中；而是，系统300是与电机302相关联的独立系统，该电机302不是任何电动车辆316的马达。
系统300的控制器310可操作以控制开关306，使开关306至少在第一周期内根据电池充电模式254作为电力转换器操作，以接收来自交流电网320的交流电，并为直流储电装置(例如，牵引马达辅助电池314a、314n)或电池控制系统输出电压适当的直流电。系统300的控制器310可根据供电模式256操作以控制开关306，使开关306至少在第二周期内作为电力转换器操作，以接收来自直流储电装置(例如，牵引马达辅助电池314a、314n或电池控制系统)的直流电，并以适当的电压和与交流电网同相地向交流电网320输出交流电(单相或三相)。特别地，控制器310能够使各种开关导通和断开(ON和OFF)，以耦合电机302的选定绕组304a-304f来作为一个或更多个电力转换器架构的电感器。
对于大多数电机类型，可以采用多种控制方法，并且大多数适用于所公开的开关控制系统，包括频率/电压-f/V比控制系统、6步逆变器、脉宽调制(PWM)逆变器、空间矢量、场定向控制(FOC)等。这些设计中的许多具有可以在考虑特定情况和预期结果时确定集成技术的最佳方式方面发挥作用的选择。例如，FOC系统可以是无传感器的，也可以使用编码器、霍尔效应传感器或其他带有反馈环路的组件，以协助系统的控制。虽然该技术可以应用于许多电机设计，但在至少一个实现该技术的永磁同步电机(PMSM)中，其基于一组交流电压探头的输入使用带锁相环的场定向控制拓扑结构。
图4A是用于说明根据示例实施例的开关电路400A的电路图，其是开关电路104或306中的一部分的示例。如图所示，开关电路400A对应于多相电机中的一相。开关电路400A包括开关S1-S9和滤波电容器C1，所述开关电路400A可以复制用于电机的每一相。
例如，图5是用于说明开关电路400A的多个实例的多相设置的框图，这些相表示为A相、B相和C相，与AC/DC端子面板有关。如图所示，A、B、C各相的输出节点连接到AC/DC端子面板上，其实现多个连接以方便电力转换器的如下多种配置。例如：
-在三相交流电网或负载的情况下，线路L1、L2和L3相应地连接到3相A、B、C的输出节点。
-在交流分相的情况下，线路L1、L2和零线(N)以相同的方式连接到3相A、B、C的输出节点。
-直流源或负载连接到DC+和DC-或B-，而另一个输入(交流或直流)连接到L1和DC-。
再次参考图4A，开关S1-S9中的每一个都是合适的半导体类型开关(其可以包括一个或更多个半导体器件)，例如用于交流电的三极管(triac)、绝缘栅型双极晶体管(IGBT)、场效应晶体管(FET)、固态继电器(SSR)或其他合适的技术，其足够坚固以支持应用的电压和电流，并可承受瞬态峰值。较大的基于功率晶体管的开关可以包括支持电子器件，例如栅极驱动电路、缓冲电路等，为了清楚起见，未将其示出。
端子B+和B-分别对应于储能装置(例如电动车辆的牵引电池)的正极和负极。电感器Lc1和Lc2是电机的某一相的绕组对。
开关S5A-S5B可操作以使输出节点与由S1-S4和S6-S9构建的H桥电路连接和断开连接。如图所示，输出节点通过使开关S10和AC/DC端子断开连接来将开关电路400A连接到交流电网120或直流电源122之一。AC/DC端子可以设置为AC/DC端子面板的一部分。
在相关实施例中，开关S5A和S5B促进每个绕组Lc1和Lc2相对于交流或直流端子的极性反转，如虚线所示。
在马达驱动模式252(图2)下，在没有将外部连接器插入车辆的情况下，开关S5A和S5B以串联或并联模式操作。在相关实施例中，开关S10(可作为继电器或接触器实现)用于使端子连接线缆与开关S5A/B中心断开连接，以使电磁干扰(EMI)辐射最小化。
开关组S1-S4和S6-S9分别作为H桥电路操作，以改变流经各自的马达绕组Lc1和Lc2的电流。该操作与其他相位的对应电路配合，以控制作为马达的电机的速度和方向。同样，当电机充当发电机并且绕组提供交流电流时，在再生制动期间开关组可以被操作以将电力传输到储能装置。
在电池充电模式254和供电模式256中，电机通常是静止的，并且绕组Lc1和Lc2在电路中用作电感器。根据需要，可以使用各种电路拓扑或开关序列来实现期望的电压转换或逆变功能。例如，它们能够分为2组输入电压：交流电源或负载和直流电源或负载。通过改变开关状态来实现不同的配置。
在诸如单相、分相和三相交流电网电压或负载之类交流配置的情况下，开关电路400B(其是开关电路400A的配置)可以实现为如图4B，开关S5A和S5B断开。在该示例中，通过控制开关S1、S2、S8和S9，在经过绕组Lc1和Lc2的并联支路之间共享电流。通过改变电力流动方向获得不同的操作模式，例如，在充电模式254中，电力被控制为从交流电网到储能装置，而相反的电力流动方向则用于供电模式256。
再次参考图5，当使用诸如太阳能光伏之类的直流电源122时，正极直流电源端子能够连接到L1、L2或L3，而负极端子连接到B-。它可能导致具有降压、升压或降压-升压配置的3个独立DC/DC转换器。
在另一种配置中，直流电源能够连接在三条输入线路L1、L2、L3中的两条之间。在这种情况下(参见图4A)，一个输入的开关S4、S7和S5断开，所有其他开关都导通。例如，如果线路L2(图5)的开关以这种方式配置，则它将输入L2连接到B-，提供两个DC/DC转换通道。在这种情况下，线路L2用作公共负极端子，而线路L1和L3成为两个正极端子。
图4C是用于说明根据另一示例的开关电路400C的电路图，其是电路设置400A的实现升压转换器的配置。此处，开关S5A和S5B导通，开关S1和S8断开，仅使用功率晶体管体二极管(例如，功率MOSFET固有的二极管)，同时利用调节的占空比控制开关S2和S9来实现与储能电压电平(B+/B-)的期望的电压转换比。
图4D是用于说明电路设置400D的电路图，电路设置400D作为电路设置400A的实现降压转换器的配置。因此，开关S3和S6导通，并且未示出。开关S1和S8导通，而S2和S9断开(例如，在MOSFET实现中，使用其反体二极管实现电流续流)。利用调节的占空比控制开关S5A和S5B以获得期望的电压转换比。
图4E是用于说明作为另一示例的电路设置400E的电路图，电路设置400E作为电路结构400A的实现同相降压-升压转换器的配置。在该操作示例中，开关S3和S6导通且未示出，而开关S1、S4、S7和S8断开(在MOSFET实现中使用其反体二极管)。开关S5A和S2同时导通，将能量储存在电感Lc1上，该能量在开关S5A和S2断开期间被释放到储能装置(在B+/B-上)。升压模式是在开关S5A和S2的占空比高于50％时操作的，而降压模式则相反。使用开关S5B和S9执行类似的操作。
在相关实施例中，在适当的情况下，可以交错方式控制经过Lc1和Lc2的并联电流路径，以减少直流输出电流上的电流纹波。
另外地或替代地，直流电源输入的负极端子可以连接到另一相的输出节点，即DC-，如图4A所示。在这种情况下，在直流或交流配置之一中的并联相位的开关模式可以被相关地控制。
在相关的实施例中，在用于电池充电模式254或供电模式256的这些电路配置中，电机同一相的电感器对Lc1、Lc2以相反的极性连接和通电。有利的是，这种设置允许每个绕组Lc1、Lc2中的电流在机器转子上的磁效应被另一绕组Lc2、Lc1中的电流消除，从而减轻电机转子轴的任何不期望的扭转振动。
图6是用于说明根据一些实施例的控制器程序600的流程图，该控制器程序600可由系统控制器执行，例如由控制器104(图1)或控制器310(图3)执行，并且其包括用于选择动态可重构多模态电力转换器系统(例如系统100(图1)、系统250(图2)或系统300(图3))的操作模式的过程示例。
在602处，控制器读取电气测量值，例如电压或电流探头或GPIO，以检查系统是否连接到外部电源(例如交流或直流电源)，或是否连接到外部负载。在决策604处，如果控制器确定这种连接不存在，则系统默认为606处的马达驱动模式。如上所述，马达驱动模式，例如模式252，使用开关电路从车载储电装置传输电力以使电机运行。开关电路可以实现为直流马达供电的可变直流电压驱动，或为交流马达供电的变频驱动，例如感应马达、同步马达或无刷直流马达。在更基本的应用中，开关电路可以实现固定电压、固定频率的电源。
如果决策604未识别到与外部电源或负载的连接，则该过程前进到操作608，操作608根据使用的连接器和感测到的电压配置开关电路拓扑。例如，如果使用三相交流连接器，则开关电路可以被配置为三相逆变器；或者，如果使用直流连接器，则根据输入直流电压与电池电压相比的电平将开关电路配置为降压或升压配置。对单相或分相交流输入电压采用类似的配置操作。如果交流连接器已插入但未感测到电压，则这可能意味着连接了交流负载，而不是交流电源。可以使用其他通信和感测方法来确定开关电路配置。
估计电池充电状态以确定是否明确需要在610处对系统的电池进行充电，并且决策612将测得的电池充电状态水平与参考阈值进行比较，例如该参考阈值对应于10％或15％的低充电值。如果测得的电池充电低于定义的阈值，则过程600可以推断出用户连接到外部电源的意图是使用该电源为系统的电池充电。因此，决策612可将该过程前进到充电模式614。
充电模式614包括在616处测量电源电压和波形，以确定电源是交流电源还是直流电源，如果是交流电源，则测量线路频率，如果开关电路执行有源整流，则测量交流电源的相位。开关转换器在618处操作。其他操作包括交流电源的整流和反馈控制，以确保直流充电电流处于为电池充电的适当电压下。在相关实施例中，在充电过程中，充电电流可以通过开关电路的操作周期性地反转片刻，以通过抑制电极的不希望的结晶来保护电池的电极。
在决策612处，如果测得的电池充电状态不低于定义的阈值，则该过程分支到操作620，在操作620处控制器确定用户的目的。利用连接的电源或负载，用户可能打算使用外部提供的电源为电池充电，或者使用电池中储存的能量为连接的负载供电或为电网或电力总线供电。因此，操作620可以提示用户，或者简单地等待用户提供的输入，以通过用户界面指示希望的操作模式。如上所述，该用户界面可以以多种方式实现，包括通过专用的本地硬件设备，或者通过本地网络上的无线网络或通过基于云的服务与用户的计算设备进行通信。
在决策622处，如果用户打算使用系统的电池作为所连接的电网、电力总线或负载的电源，则该过程前进到实现供电模式624。供电模式624包括对用户配置与感测信号的验证626。如果匹配，则该过程将继续前进，否则，将发出警告通知。在操作628处，如果适用的话，测量负载(其可以是电力将被传输到的交流电网或直流电源总线)处的电压和波形。
在628处，使用开关电路和马达的电感绕组实现并操作所配置的电力转换器。开关操作可以基于在电力被供应到的交流电网处测得的电力波形，使得产生的交流波形与电网的交流波同相重合。为此，控制器可以执行PLL子例程以保持同步。在向直流总线供电的情况下，则省略逆变操作。例如通过PWM技术或升压技术(视情况而定)之类对电压进行调节，以提供所期望的电能。因此，可以通过控制器执行电气测量(输出处的电压或电流)和反馈控制以保持适当的电压或电流供应。
这种马达和电感绕组开关组合所导致的附加功能提供了许多可能的益处。例如，在电动车辆实施例中无需车载Lc1或Lc2充电器，这些充电器在大多数电动车辆中是很典型的。它们通常是120/240V单相输入充电器，提供1.7-5kw的充电功率。通过使用已有的开关电路作为马达驱动电路的一部分来控制电动车辆电池的充电，用户能够将车辆插入任何标准的交流插座中来为电动车辆充电。例如，这能够淘汰大多数电动车辆通常采用的昂贵的直流充电设施。配备有本文所述马达驱动电路的充电车辆可能只需要标准的交流连接，例如，典型的工业208V、200A、三相服务即可提供约70kW的充电功率。这大大简化了用于商业应用的车队充电，这是因为只需要标准交流电源，无需昂贵的直流快速充电器。
另外地或替代地，根据特定应用，电动车辆能够成为备用电源或站点储电装置，特别是当与燃料电池等主要能源一起使用时。当电动车辆不在运输途中或不作为车辆运行时，用户能够使用车队作为电网储能，以通过提供峰值电力来提供额外的收入来源。
另外地或替代地，电机(例如，马达)和绕组开关(即马达驱动)的组合能够有利地提供功率因数校正或线路滤波功能，这是因为在单相模式和三相模式两者下的电流消耗角度和形状都能被完全控制。在充电或放电过程中，能够将功率因数控制为任何非零值，通常期望的功率因数为PF＝1。
虽然所描述的技术可以应用于许多电机设计，但在至少一个实现该技术的永磁同步电机(PMSM)中，其基于一组交流电压测量值的输入使用带锁相环的场定向控制拓扑结构。
另外地或替代地，电机(例如，马达)和开关(即，马达驱动)的组合也能够接收直流电，例如，来自光伏系统的直流电。在此类实现中，能够另外地或替代地改变光伏系统的电力消耗，以实现最大功率点跟踪(MPPT)功能，来实现光伏系统的最大运行效率。
另外的说明和示例
示例1为动态可重构电力转换器，其包括：控制器电路；开关电路，所述开关电路包括可操作地耦合到控制器电路的多个开关，所述开关电路还包括：可电连接到储能装置的端子的第一节点集、可电连接到旋转电机的至少一个绕组的第二节点集、和可电连接到外部电源的第三节点集；电气测量电路，其可操作地耦合到控制器电路，并被设置为监测第一节点集和第三节点集处的电气状态；其中，包括第一开关子集的所述多个开关在控制器电路的控制下在第一模式下操作，以调节从第一节点集到第二节点集的电力输送，使得在操作中，来自储电装置的电力被输送到旋转电机的至少一个绕组以使旋转电机运行；并且其中，基于第一节点集和第三节点集处的电气状态，包括第一开关子集的所述多个开关在控制器电路的控制下在第二模式下操作，以通过第二节点集调节第三节点集和第一节点集之间的电力输送，使得在操作中，通过用作电感器的至少一个绕组在外部电源和储能装置之间转换和输送电力。
在示例2中，示例1的主题包括，其中，储电装置包括电池。
在示例3中，示例1-2的主题包括，其中，旋转电机包括交流马达，并且其中，在控制器电路控制下第一开关子集在第一模式中作为开关电路中建立的逆变器电路的一部分操作，其中，在第一模式的操作中，逆变器电路将来自储电装置的直流电转换为施加到交流马达的至少一个绕组的交流电。
在示例4中，示例1-3的主题包括，其中，旋转电机是多相电机，其包括用于每一相的绕组对，并且其中第二节点集可电连接到每一相的每个绕组对的绕组；并且其中，在第二模式的操作中，每个绕组对以相反的极性通电，使得对旋转电机的机械运动的净影响被消除。
在示例5中，示例1-4的主题包括，其中，在第二模式的操作中，电力从第三节点集传输到第一节点集，使得外部电源供电以对储能装置充电。
在示例6中，示例5的主题包括，其中，外部电源是交流电网，并且其中，第一开关子集在控制器电路的控制下操作，以对来自交流电网的交流电整流以产生直流电。
在示例7中，示例1-6的主题包括，其中，在第二模式的操作中，电力从第一节点集传输到第三节点集，使得储能装置向外部电源供电。
在示例8中，示例7的主题包括，其中，外部电源是交流电网，并且其中，第一开关子集在控制器电路的控制下操作，以将来自储能装置的直流电逆变为待传输到交流电网的交流电。
在示例9中，示例1-8的主题包括，其中，在第二模式的操作中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行配置，以实现利用旋转电机的至少一个绕组作为升压电感器的升压转换器。
在示例10中，示例1-9的主题包括，其中，在第二模式的操作中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行配置，以实现利用旋转电机的至少一个绕组作为滤波电感器的降压转换器。
在示例11中，示例1-10的主题包括，其中，在第一模式的操作中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行配置，以实现变频马达驱动，以为旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转。
在示例12中，示例1-11的主题包括，其中：在第一实例中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行配置，以实现马达驱动，以在第一模式的操作中为旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转；在第二实例中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行重新配置，以实现利用旋转电机的至少一个绕组作为升压电感器的升压转换器，以在第二模式的操作中转换电压并在外部电源和储能装置之间传输电力。
在示例13中，示例1-12的主题包括，其中：在第一实例中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行配置，以实现马达驱动，以在第一模式的操作中为旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转；在第二实例中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行重新配置，以实现利用旋转电机的至少一个绕组作为滤波电感器的降压转换器，以在第二模式的操作中转换电压并在外部电源和储能装置之间传输电力。
在示例14中，示例1-13的主题包括，其中：在第一实例中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行配置，以实现马达驱动，以在第一模式的操作中为旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转；在第二实例中，控制器电路对包括第一开关子集的开关电路进行重新配置，以实现逆变器和利用旋转电机的至少一个绕组作为升压电感器或滤波电感器的电压转换器，以在第二模式的操作中转换电压并在外部电源和储能装置之间传输电力。
在示例15中，示例1-14的主题包括，其中，旋转电机是电动车辆的牵引马达，并且其中储能装置是电动车辆的牵引电池。
在示例16中，示例15的主题包括，其中，外部电源是交流电网。
在示例17中，示例1-16的主题包括，其中，开关电路是与第一组至少一个绕组电耦合的开关电路的第一实例，该第一组至少一个绕组对应于旋转电机的第一相；其中，动态可重构电力转换器还包括：与第二组至少一个绕组电耦合的开关电路的第二实例，该第二组至少一个绕组对应于旋转电机的第二相；以及与第三组至少一个绕组电耦合的开关电路的第三实例，该第三组至少一个绕组对应于旋转电机的第三相；其中，开关电路的第一实例电耦合到第一电端子，开关电路的第二实例电耦合到第二电端子，并且开关电路的第三实例电耦合到第三电端子。
在示例18中，示例17的主题包括，其中，第一、第二和第三电端子分别耦合到三相交流电源的第一相、第二相和第三相。
在示例19中，示例17-18的主题包括，其中，第一、第二和第三电端子分别耦合到三相交流电源的第一相、第二相和零线。
在示例20中，示例17-19的主题包括，其中，第一、第二和第三电端子分别耦合到交流电源的交流电源线、直流电源的正极直流电源线和连接到交流电源的零线的直流电源的负极直流电源线。
示例21是一种在多种模式下对电动车辆(EV)进行电气配置的方法，该方法包括：通过电动车辆的控制器配置电动车辆的开关电路以在马达驱动模式下操作，以将电力从电动车辆的牵引电池传输到电动车辆的牵引马达，其中，在马达驱动模式下的开关电路操作包括激活第一开关子集以实现逆变器，该逆变器用交流电(AC)为牵引马达的绕组供电，从而使牵引马达的转子旋转；以及通过控制器重新配置开关电路以在充电模式下操作，以将电力从外部电源传输到电动车辆的牵引电池，其中，在充电模式下的开关电路操作包括激活第一开关子集以实现开关电力转换器，该电力转换器利用牵引马达的绕组作为电感器，并且将外部电源的电压转换为幅值受控的直流电压，以调节到牵引电池的电力传输，其中与牵引马达的每一相相关的绕组对以相反的极性同时通电，以消除这些绕组的这种通电对牵引马达转子运动的净影响。
在示例22中，示例21的主题包括，通过控制器重新配置开关电路以在供电模式下操作，以将电力从牵引电池传输到外部电源，其中在供电模式下的开关电路操作包括激活第一开关子集以实现开关电力转换器，该开关电力转换器利用牵引马达的绕组作为电感器，并且将牵引电池的直流电压转换为电压受控的交流波，以调节到外部电源的电力传输，其中与牵引马达的每一相相关的绕组对以相反的极性同时通电，以消除这些绕组的这种通电对牵引马达转子运动的净影响。
在示例23中，示例21-22的主题包括，其中，重新配置开关电路以在供电模式下操作，包括通过控制器实现锁相环以跟踪外部电源的交流波的相位，以及将电压受控的交流波的相位与外部电源的交流波同步。
在示例24中，示例21-23的主题包括，其中，开关电力转换器包括升压转换器，该升压转换器使用牵引马达的绕组对作为开关电感器来增加电压。
在示例25中，示例21-24的主题包括，其中，开关电力转换器包括降压转换器，该降压转换器使用牵引马达的绕组对作为滤波电感器来储存能量和稳定电压。
在示例26中，示例21-25的主题包括，其中，外部电源是交流电网，并且其中，在充电模式下的开关电路操作包括激活第一开关子集以实现开关电力转换器，该开关电力转换器利用牵引马达的绕组作为电感器并将交流电网的电压转换为直流电压。
在示例27中，示例21-26的主题包括，其中，对电动车辆的开关电路进行配置以在马达驱动模式下操作，包括通过控制器实现场定向控制(FOC)方案。
示例28是一种系统，该系统包括：可电耦合到至少一个交流电源和/或交流负载的第一组交流(AC)节点；可电耦合到一个或更多个直流(DC)储存装置的第一组直流(DC)节点；被耦合以通过第一组交流节点来感测交流电压输入的第一组交流电压传感器；开关组件，其包括多个开关和多个节点，这些节点可电耦合到旋转电机的绕组的每个，这些开关中的每一个具有至少两种操作状态，开关组件的开关可操作以在至少两种不同的配置中选择性地与旋转电机的绕组电耦合；以及控制系统，其通信耦合到交流电压传感器并控制开关组件中开关的操作，将一个或更多个绕组配置为交替地在第一组交流节点和至少第一组直流节点之间的两个或更多个电力转换器拓扑中的电感器，并且可操作逆变功率、整流功率和/或调整电压中的至少一个。
在示例29中，示例28的主题包括，其中，开关组件的开关可操作，以选择性地将旋转电机的绕组电耦合在至少绕组的串联组合和绕组的并联组合中。
在示例30中，示例29的主题包括，其中，开关组件的开关可操作，以选择性地将旋转电机的绕组电耦合在第一星形配置和第一三角形配置中，在第一星形配置中，一组三个绕组耦合在单个星形配置中，并且在第一三角形配置中，一组三个绕组耦合在单个三角形配置中。
在示例31中，示例30的主题包括，其中，开关组件的开关可操作，以选择性地将旋转电机的绕组电耦合在第二星形配置和第二三角形配置中，在第二星形配置中，一组三对绕组耦合在单个星形配置中，每个相应绕组对中的绕组与相应绕组对中的另一绕组串联耦合，并且在第二三角形配置中，一组三对绕组耦合为单个三角形配置，每个相应绕组对中的绕组与相应绕组对中的另一绕组串联耦合。
在示例32中，示例30-31的主题包括，其中，开关组件的开关操作，以选择性地将旋转电机的绕组电耦合在第二星形配置和第二三角形配置中，在第二星形配置中，一组三个绕组子集耦合在单个星形配置中，每个相应绕组子集中的绕组与相应对中的另一绕组串联耦合，并且在第二三角形配置中，一组三个绕组子集耦合在单个三角形配置中，每个相应绕组子集中的绕组与相应对中的另一绕组串联耦合，每个子集中的绕组数量等于或大于两个。
在示例33中，示例30-32的主题包括，其中，开关组件的开关可操作，以选择性地将旋转电机的绕组电耦合在并联两星形配置和并联两三角形配置中，在并联两星形配置中，两组三个绕组分别耦合在相应的星形配置中并且这两组星形耦合的绕组相互并联耦合，在并联的两三角形配置中，两组三个绕组分别耦合在相应的三角形配置中并且这两组三角形耦合的绕组相互并联耦合。
在示例34中，示例28-33的主题包括，其中，控制系统控制开关组件的开关，以通过闭路过渡来切换旋转电机的绕组配置。
在示例35中，示例28-34的主题包括，其中，控制系统控制开关组件的开关，以通过开路过渡来切换旋转电机的绕组配置。
在示例36中，示例28-35的主题包括，其中，控制系统包括执行逻辑的至少一个硬件处理器。
在示例37中，示例28-36的主题包括，其中，控制系统至少部分地基于由第一组交流电压传感器感测到的交流电压输入来控制开关组件的开关以切换旋转电机的绕组配置。
在示例38中，示例37的主题包括，其中，控制系统确定直流储电装置的最小电压是否大于选自以下项中的至少一项输入：来自光伏阵列的直流输入电压和来自交流电网的线对线峰值电压，并且所述切换至少部分地基于该确定。
在示例39中，示例37–38的主题包括，其中，控制系统包括锁相环(PLL)，其被耦合用于检测交流电网的频率并基于检测到的交流电网的频率为马达控制器的FOC控制提供角度。
在示例40中，示例28-39的主题包括，多个旋转电机传感器，其定位为感测至少所述旋转电机的多个操作参数，这些旋转电机传感器通信耦合到控制系统以向控制系统提供代表其感测到的操作参数的信号，其中，控制系统至少部分地基于感测到的操作参数实时控制开关组件的开关的操作。
在示例41中，示例40的主题包括，其中，感测到的操作参数包括以下至少一项：输出电压、输出电流、旋转电机的转子的转速、以及旋转电机的转子的相对角度。
在示例42中，示例28-41的主题包括，其中，一个或更多个直流(DC)储存装置是一个或更多个电动车辆的一个或更多个牵引马达辅助电池。
在示例43中，示例28-42的主题包括，可电耦合到一个或更多个光伏阵列的第二组直流(DC)节点，其中控制系统还控制开关组件的开关的操作，以将绕组中的一个或更多个配置为交替地在第一组交流节点和至少第二组直流节点之间的两个或更多个电力转换器拓扑中的电感器。
在示例44中，示例43的主题包括，其中，控制系统还可操作以实现相对于经由光伏阵列产生的电力的最大功率点跟踪算法。
在示例45中，示例28–44的主题包括，其中，开关组件的开关包括机械开关、继电器、固态开关、或机械开关和固态开关的组合中的至少一种。
在示例46中，示例28–45的主题包括，其中，两个或更多个电力转换器拓扑包括升压电力转换器或降压电力转换器中的至少一种。
在示例47中，示例28-46的主题包括，旋转电机，该旋转电机具有多个相和用于每一相的相应的一组多个绕组，这些绕组串联地电缠绕，并且其中，在用于该相的多个绕组的相应组中的绕组的两个子集之间存在切换路径，该切换路径包括至少一个开关，其操作选择性地将串联缠绕的绕组分成串联缠绕的绕组的两个子集，这两个组并联耦合。
在示例48中，示例47的主题包括，其中，绕组的两个子集之间的每个切换路径包括相互并联的两个或更多个开关。
在示例49中，示例47-48的主题包括，其中，存在三个相，并且至少有一个开关可操作，以选择性地在星形配置和三角形配置之间切换这三个相。
在示例50中，示例47-49的主题包括，其中，存在三个相，并且至少有一个开关可操作，以选择性地在除星形配置和三角形配置以外的配置之间切换这三个相。
在示例51中，示例28-50的主题包括多个桥式整流器，每个桥式整流器具有在相应的桥式整流器的交流侧上的一对交流节以及在相应的桥式整流器的直流侧上的一对直流节点；并且开关组件的多个开关包括第一数量的开关，第一数量的开关中的每个开关位于桥式整流器中的相应桥式整流器的交流侧上，其中，当第一数量的开关中的相应开关导通且所述至少两个绕组未出现开路情况、低电压情况或短路情况时，桥式整流器中的每个使至少两个绕组相互并联电耦合，并且当开关断开时，第一数量的开关中的每个开关可操作，以选择性地使所述至少两个绕组相互串联电耦合。
在示例52中，示例51的主题包括，其中，当绕组中的相应绕组出现短路情况、低电压情况或开路情况之一时，桥式整流器自动将电机的绕组中的相应绕组与电机的绕组中的至少一个其他绕组电隔离开。
在示例53中，示例52的主题包括，其中，当绕组中的相应绕组出现短路情况、低电压情况或开路情况之一时，桥式整流器自动将电机的绕组中的相应绕组与电机的至少一个其他绕组串联电耦合。
在示例54中，示例52–53的主题包括，其中，第一数量的开关是基于半导体的开关。
在示例55中，示例54的主题包括，其中第一数量的开关为TRIAC。
在示例56中，示例54–55的主题包括，其中：控制系统的控制器可操作，该控制器被配置为在相应电流的相应过零点处切换三端双向可控硅元件。
在示例57中，示例54–56的主题包括，其中，电机的每个绕组都有一个基于半导体的开关，并且开关组件的多个开关还包括：第二数量的开关，第二数量的开关中的每个可操作，以选择性地使所述至少两个绕组在开关导通时相互并联电耦合并且使其在开关断开时相互串联电耦合，第二数量的开关中的开关在相应桥式整流器的交流侧上并且与第一数量的开关中的相应开关电并联，其中，第一数量的开关中的开关比第二数量的开关中的开关动作更快，并且第二数量的开关中的开关的相关电损耗比第一数量的开关中的开关的相关电损耗更低。
在示例58中，示例57的主题包括，其中，第二数量的开关是机械开关。
在示例59中，示例58的主题包括，其中，电机的每个绕组都有一个机械开关。
在示例60中，示例54-59的主题包括，其中，第一数量的开关是机械开关，并且电机的每个绕组都有一个机械开关。
在示例61中，示例54–60的主题包括，其中，多个桥式整流器中的所有桥式整流器都耦合到公共散热器上。
在示例62中，示例54-61的主题包括，功率因数校正电路，其在可变绕组配置系统的直流输出处施加功率因数校正。
在示例63中，示例54-62的主题包括，其中，多个有源开关选择性地操作以将从直流总线到绕组的电流反转，以使电机作为马达运行。
在示例64中，示例54-63的主题包括：另外的桥式整流器，其耦合到由第一数量的桥式整流器中的桥式整流器形成的串型末端，以使可变绕组配置与第二可变绕组配置系统并联电耦合；至少一个另外的开关，其可操作以选择性地使可变绕组配置与第二可变绕组配置系统串联耦合；以及耦合器，其配置为使第二可变绕组配置系统与可变绕组配置系统可拆卸地电耦合。
在示例65中，示例54–64的主题包括，其中，对于电机的每个绕组对，至少有一个桥式整流器。
示例66是至少一种机器可读介质，其包括指令，当这些指令被处理电路执行时，使处理电路执行操作以实现示例1-65中的任一个。
示例67是一种设备，其包括用于实现示例1-65中的任一个的装置。
示例68是一种用于实现示例1–65中的任一个的方法。
所示实施例的上述描述，包括摘要中描述的内容，其并非旨在详尽无遗地说明实施例或将实施例限制在所公开的精确形式上。正如相关领域的技术人员所认识到的，尽管为了说明的目的，本文对具体实施例和示例进行了描述，但能够在不偏离本公开的精神和范围的情况下对其进行各种等效的修改。本文中提供的各种实施例的教导能够应用于电机的控制系统，而不一定是上述总体描述的示例性系统、方法和设备。
上述各种实施例能够组合起来以提供进一步的实施例。本说明书中提及和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请出版物、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物，包括但不限于2012年5月15日提交的美国专利申请第13/393,749号、美国专利第7,081,696、美国专利申请公开第2008088200号、2008年9月3日提交的美国临时专利申请第60/094,007号、2009年9月3日提交的美国临时专利申请序列第61/239,769号、美国专利公开第2012-0229060号、美国专利公开第2011-0241630号、美国专利8106563、美国专利公开第2010-0090553号、美国专利公开第2014-0252922号、国际专利申请PCT/CA2018/050222(公布为WO 2018/213919)、国际专利申请PCT/CA2019/051238(公布为WO 2020/047663)、以及美国专利申请第13/842,213号，它们通过整体引用并入本文。如有必要，能够对实施例的各个方面进行修改，以采用各种专利、申请和出版物中的系统、电路和概念来提供进一步的实施例。
根据上述详细描述，能够对实施例作出这些改变和其它改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而应解释为包括所有可能的实施例以及此类权利要求所享有的等同的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
通过引用上述文档的任何并入都是受限的，使得没有将与本文明确披露相悖的主题并入。通过引用上述文档的任何并入都受到进一步限制，使得文档中包括的任何权利要求均不通过引用并入本申请的权利要求中。但是，除非特别排除，否则任何文档的权利要求均作为本公开的一部分纳入其中。通过引用并入上述文档的任何并入还受到进一步限制，使得除非本文明确包含，否则文件中提供的任何定义均不通过引用并入本文。
为了解释本发明的权利要求，明确不援引35U.S.C.§114(f)的规定，除非在权利要求中引用了特定术语“手段”或“步骤”。

Claims (27)

1.一种动态可重构电力转换器，其包括：
控制器电路；
开关电路，其包括多个开关，所述多个开关可操作地耦合到所述控制器电路，所述开关电路还包括：
可电连接到储能装置的端子的第一节点集；
可电连接到旋转电机的至少一个绕组的第二节点集；
可电连接到外部电源的第三节点集；和
电气测量电路，其可操作地耦合到所述控制器电路并且被设置为监测所述第一节点集和所述第三节点集处的电气状态；
其中，包括第一开关子集的所述多个开关在所述控制器电路的控制下在第一模式下操作，以调节从所述第一节点集到所述第二节点集的电力输送，使得在操作中，来自所述储电装置的电力被输送到所述旋转电机的至少一个绕组以使所述旋转电机运行；并且
其中，基于所述第一节点集和所述第三节点集处的电气状态，包括所述第一开关子集的所述多个开关在所述控制器电路的控制下在第二模式下操作，以通过所述第二节点集调节所述第三节点集和所述第一节点集之间的电力输送，使得在操作中，通过用作电感器的所述至少一个绕组在所述外部电源和所述储能装置之间转换和输送电力。
2.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，所述储电装置包括电池。
3.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，所述旋转电机包括交流马达，并且其中，在所述控制器电路控制下所述第一开关子集在所述第一模式下作为所述开关电路中建立的逆变器电路的一部分操作，其中，在所述第一模式的操作中，所述逆变器电路将来自所述储电装置的直流电转换为施加到所述交流马达的至少一个绕组的交流电。
4.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，所述旋转电机为多相电机，所述多相电机包括用于每一相的绕组对，并且其中，所述第二节点集可电连接到每一相的每个绕组对的绕组；和
其中，在所述第二模式的操作中，每个绕组对以相反的极性通电，使得对所述旋转电机的机械运动的净效应被消除。
5.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，在所述第二模式的操作中，电力从所述第三节点集传输到所述第一节点集，使得所述外部电源供电以对所述储能装置充电。
6.根据权利要求5所述的动态可重构电力转换器，其中，所述外部电源为交流电网，并且其中，所述第一开关子集在所述控制器电路的控制下操作，以对来自所述交流电网的交流电进行整流以产生直流电。
7.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，在所述第二模式的操作中，电力从所述第一节点集传传输到所述第三节点集，使得所述储能装置向所述外部电源供电。
8.根据权利要求7所述的动态可重构电力转换器，其中，所述外部电源为交流电网，并且其中，所述第一开关子集在所述控制器电路的控制下操作，以将来自所述储能装置的直流电逆变为待传输到所述交流电网的交流电。
9.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，在所述第二模式的操作中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行配置，以实现利用所述旋转电机的至少一个绕组作为升压电感器的升压转换器。
10.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，在所述第二模式的操作中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行配置，以实现利用所述旋转电机的至少一个绕组作为滤波电感器的降压转换器。
11.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，在所述第一模式的操作中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行配置，以实现变频马达驱动，以对所述旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转。
12.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中：
在第一实例中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行配置，以实现马达驱动，以在所述第一模式的操作中为所述旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转；
在第二实例中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行重新配置，以实现利用所述旋转电机的至少一个绕组作为升压电感器的升压转换器，以在所述第二模式的操作中转换电压并在所述外部电源和所述储能装置之间传输电力。
13.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中：
在第一实例中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行配置，以实现马达驱动，以在所述第一模式的操作中为所述旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转；
在第二实例中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行重新配置，以实现利用所述旋转电机的至少一个绕组作为滤波电感器的降压转换器，以在所述第二模式的操作中转换电压并在所述外部电源和所述储能装置之间传输电力。
14.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中：
在第一实例中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行配置，以实现马达驱动，以在所述第一模式的操作中为所述旋转电机的至少一个绕组通电并使机器旋转；
在第二实例中，所述控制器电路对包括所述第一开关子集的所述开关电路进行重新配置，以实现逆变器和利用所述旋转电机的至少一个绕组作为升压电感器或滤波电感器之一的电压转换器，以在所述第二模式的操作中转换电压并在所述外部电源和所述储能装置之间传输电力。
15.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，所述旋转电机是电动车辆的牵引马达，并且其中，所述储能装置是电动车辆的牵引电池。
16.根据权利要求15所述的动态可重构电力转换器，其中，所述外部电源是交流电网。
17.根据权利要求1所述的动态可重构电力转换器，其中，所述开关电路是与第一组至少一个绕组电耦合的开关电路的第一实例，所述第一组至少一个绕组对应于所述旋转电机的第一相；并且其中，所述动态可重构电力转换器还包括：
与第二组至少一个绕组电耦合的开关电路的第二实例，所述第二组至少一个绕组对应于所述旋转电机的第二相；以及
与第三组至少一个绕组电耦合的开关电路的第三实例，所述第三组至少一个绕组对应于所述旋转电机的第三相；
其中，所述开关电路的第一实例电耦合到第一电端子，所述开关电路的第二实例电耦合到第二电端子，并且所述开关电路的第三实例电耦合到第三电端子。
18.根据权利要求17所述的动态可重构电力转换器，其中，所述第一电端子、第二电端子和第三电端子分别耦合到三相交流电源的第一相、第二相和第三相。
19.根据权利要求17所述的动态可重构电力转换器，其中，所述第一电端子、第二电端子和第三电端子分别耦合到三相交流电源的第一相、第二相和零线。
20.根据权利要求17所述的动态可重构电力转换器，其中，所述第一电端子、第二电端子和第三电端子分别耦合到交流电源的交流电源线、直流电源的正直流电源线和连接到所述交流电源的零线的所述直流电源的负直流电源线。
21.一种在多种模式下对电动车辆(EV)进行电气配置的方法，所述方法包括：
通过所述EV的控制器配置所述EV的开关电路以在马达驱动模式下操作，以将电力从所述EV的牵引电池传输到所述EV的牵引马达，其中，开关电路在所述马达驱动模式下的操作包括激活第一开关子集以实现逆变器，所述逆变器用交流(AC)电为所述牵引马达的绕组供电，从而使所述牵引马达的转子旋转；以及
通过所述控制器重新配置所述开关电路以在充电模式下操作，以将电力从外部电源传输到所述EV的牵引电池，其中，开关电路在所述充电模式下的操作包括激活所述第一开关子集以实现开关电力转换器，所述开关电力转换器利用所述牵引马达的绕组作为电感器，并且将所述外部电源的电压转换为幅值受控的直流电压，以调节到所述牵引电池的电力传输，其中与所述牵引马达的每一相相关的绕组对以相反的极性同时通电，以消除这些绕组的这种通电对所述牵引马达的转子运动的净影响。
22.根据权利要求21所述的方法，还包括：
通过所述控制器重新配置所述开关电路以在供电模式下操作，以将电力从所述牵引电池传输到所述外部电源，其中，开关电路在所述供电模式下的操作包括激活所述第一开关子集以实现开关电力转换器，所述开关电力转换器利用所述牵引马达的绕组作为电感器，并且将所述牵引电池的直流电压转换为电压受控的交流波，以调节到所述外部电源的电力传输，其中与所述牵引马达的每一相相关的绕组对以相反的极性同时通电，以消除这些绕组的这种通电对所述牵引马达的转子运动的净影响。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，重新配置所述开关电路以在所述供电模式下操作包括通过所述控制器实现锁相环以跟踪所述外部电源的交流波的相位，以及将所述电压受控的交流波的相位与所述外部电源的交流波同步。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述开关电力转换器包括升压转换器，所述升压转换器使用所述牵引马达的绕组对作为开关电感器来增加电压。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，所述开关电力转换器包括降压转换器，所述降压转换器使用所述牵引马达的绕组对作为滤波电感器来储存能量和稳定电压。
26.根据权利要求21所述的方法，其中，所述外部电源是交流电网，并且其中，开关电路在所述充电模式下的操作包括激活所述第一开关子集以实现开关电力转换器，所述开关电力转换器利用所述牵引马达的绕组作为电感器并将所述交流电网的电压转换为直流电压。
27.根据权利要求21所述的方法，其中，配置所述EV的开关电路以在所述马达驱动模式下操作包括通过所述控制器实现场定向控制(FOC)方案。
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