專利名稱:使用具有高頻變壓器隔離的車載功率電子設備轉移能量的設備及其制造方法
技術領域:
本發(fā)明大體上涉及包括混合動力和電動車輛的電力驅動系統并且涉及承擔瞬態(tài)或脈沖負載的靜止傳動裝置,并且更加具體地涉及在車輛或驅動裝置的電存儲裝置和車輛的外部電源之間轉移能量。
背景技術:
混合電動車輛可組合內燃機和由例如牽引用蓄電池等能量存儲裝置供電的電動馬達以推進車輛。這樣的組合可通過使燃燒發(fā)動機和電動馬達能夠各自在相應增加的效率范圍中操作而增加整體燃料效率。例如電動馬達可在從原地啟動加速時是高效的,而燃燒發(fā)動機可在例如公路駕駛等恒定發(fā)動機操作的持續(xù)時期期間是高效的。具有電動馬達以促進初始加速允許混合動力車輛中的燃燒發(fā)動機更小并且更節(jié)省燃料。純電動車輛使用存儲的電能來向電動馬達供電,電動馬達推進車輛并且還可操作輔助驅動裝置。純電動車輛可使用存儲的電能的一個或多個來源。例如,存儲的電能的第一來源可用于提供更持久的能量而存儲的電能的第二來源可用于提供更高功率的能量用于例如加速。無論是混合電動類型或純電動類型的插入式電動車輛配置成使用來自外部來源的電能對牽引用蓄電池再充電。這樣的車輛可包括道路用和非道路用車輛、高爾夫車、短距離電動車輛、叉車和公用載重汽車作為示例。這些車輛可使用車外固定蓄電池充電器或車載蓄電池充電器以從公用電網或可再生能源向車輛的車載牽引用蓄電池轉移電能。插入式車輛可包括電路和連接以便于牽引用蓄電池從例如公用電網或其他外部來源再充電。然而,蓄電池充電電路可包括例如升壓轉換器(boost converter)、高頻濾波器、斬波器(chopper)、電感器和僅專用于在車載電存儲裝置和外部來源之間轉移能量的其他電力部件(其包括電連接器和接觸器)等專用部件。這些附加的專用部件增加車輛的額外成本和重量。因此提供一種設備便于電能從外部來源轉移到插入式車輛的車載電存儲裝置,這將是可取的,該車載電存儲裝置減少僅專用于在車載電存儲裝置和外部來源之間轉移能量的部件的數目。提供插入式車輛的車載電存儲裝置和其他部件與外部來源的隔離,這也將是可取的。
發(fā)明內容
根據本發(fā)明的一個方面,功率電子驅動電路包括dc總線和耦合于該dc總線的第一能量存儲裝置,該第一能量存儲裝置配置成輸出dc電壓。第一雙向dc-ac電壓逆變器耦合于該第一能量存儲裝置和該dc總線,并且第一機電裝置耦合于該第一雙向dc-ac電壓逆變器。經由充電總線耦合于該dc總線的充電系統包括插座,其配置成與耦合于該功率電子驅動電路的外部的電壓源的連接器相配合;和隔離變壓器,其配置成使該充電總線與該插座電隔離。該功率電子驅動電路還包括配置成使該充電系統基于從該功率電子驅動電路的外部的電壓源接收的電壓向該dc總線供應充電電壓的控制器。根據本發(fā)明的另一個方面,制造功率電子驅動電路的方法包括將第一 dc能量存儲裝置耦合于dc總線;將第一雙向dc-ac電壓逆變器耦合于該dc總線;和將第一機電裝置耦合于該第一雙向dc-ac電壓逆變器,該第一機電裝置配置成將機械能轉換成電能并且配置成將電能轉換成機械能。該方法還包括將充電電路經由充電總線耦合于該dc總線,該充電系統包括配置成與外部電壓源連接器相配合的插座和配置成使該充電總線與該插座電隔離的變壓器。該方法還包括配置控制器以使該充電系統基于從外部電壓源接收的電壓向該dc總線供應充電電壓。根據本發(fā)明的再另一個方面,一種系統包括機器和耦合于該機器的電壓逆變器。 該機器配置成將機械能轉換成電能并且配置成將電能轉換成機械能。該電壓逆變器配置成將ac電能轉換成dc電能并且將dc電能轉換成ac電能。該系統還包括耦合于該電壓逆變器的dc總線、耦合于該dc總線的第一能量存儲裝置和充電系統。該充電系統包括插座、耦合于該插座的全波整流器、耦合于該全波整流器的dc-dc轉換器和耦合于該dc-dc轉換器和該dc總線的充電總線。該插座配置成與耦合于功率電子驅動電路的外部的電壓源的插頭相配合。該全波整流器配置成整流從電壓源接收的電壓。該dc-dc轉換器包括配置成使該充電總線與該全波整流器電隔離的隔離變壓器。該系統還包括配置成使該dc-dc轉換器將從該全波整流器接收的第一 dc電壓轉換成第二 dc電壓并且將該第二 dc電壓供應給該充電總線的控制器。各種其他特征和優(yōu)勢將從下列詳細說明和附圖變得明顯。
附示目前預想用于實施本發(fā)明的一個或多個實施例的實施例。在附圖中圖1是根據本發(fā)明的實施例的牽引系統的示意圖。圖2是根據本發(fā)明的實施例的另一個牽引系統的示意圖。圖3是根據本發(fā)明的實施例的另一個牽引系統的示意圖。圖4是根據本發(fā)明的實施例的另一個牽引系統的示意圖。圖5是根據本發(fā)明的實施例的另一個牽引系統的示意圖。圖6是根據本發(fā)明的實施例的另一個牽引系統的示意圖。
具體實施例方式圖1是根據本發(fā)明的實施例能在例如插入式電動或插入式混合動力車輛或靜止電力驅動系統等車輛中使用的牽引系統10的示意圖。牽引系統10包括第一能量存儲裝置 12。在一個實施例中,第一能量存儲裝置12是低電壓能量存儲裝置并且可以是蓄電池、燃料電池、超電容器或類似物。牽引系統10包括配置成將一個dc電壓轉換成另一個dc電壓的第一、第二和第三雙向dc-dc電壓轉換器14、16、18。第一能量存儲裝置12耦合于雙向 dc-dc電壓轉換器14-18。每個雙向dc-dc電壓轉換器14-18包括耦合于一對開關22、24 和耦合于一對二極管26J8的電感器20。每個開關22J4耦合于相應的二極管沈、觀并且每個開關/ 二極管對形成相應的半相模塊30、32。開關22J4為了說明性目的示為絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。然而,本發(fā)明的實施例不限于IGBT。可以使用任何適當的電子開關, 例如,金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)、雙極結晶體管(BJT)和金屬氧化物半導體控制晶閘管(MCT)。半導體電子開關制作可包括硅、碳化硅或其他半導體材料技術。牽引系統10包括經由相應的成對線路36耦合于開關22J4的控制器34。多個接觸器38、40、42形成在牽引系統10的操作和/或內充電模式期間以及在外充電模式期間由控制器34控制的耦合組件。在該操作模式期間,控制器34配置成使接觸器38-42切換到或保持閉合位置。在該操作模式期間通過對開關22和M的適當的控制,控制器34配置成控制雙向dc-dc電壓轉換器14-18以使第一能量存儲裝置12的電壓升高到更高的電壓并且向耦合于雙向dc-dc電壓轉換器14-18的dc總線52的多個導體44、46、48、50供應更高的電壓。在該內充電模式期間,控制器34還配置成使接觸器38-42切換到或保持閉合位置并且控制雙向dc-dc電壓轉換器14-18的開關22和M以降低來自dc總線52的電壓用于供應該降低的電壓給第一能量存儲裝置12用于對第一能量存儲裝置12充電。牽引系統10包括耦合于dc總線52的雙向dc-ac電壓逆變器M。雙向dc-ac電壓逆變器討包括配對以形成三相68、70和72的六個半相模塊56、58、60、62、64和66。每相68、70、72耦合于dc總線52的導體48和50。機電裝置或機器74耦合于雙向dc-ac電壓逆變器54。在一個實施例中,機電裝置74示為機械耦合于車輛(未示出)的一個或多個驅動輪或軸76的三相牽引馬達。備選的機電裝置配置(未示出)包括除了三個以外的多個相。機電裝置74包括多個繞組78、80和82,其具有耦合于雙向dc-ac電壓逆變器M的相應的相68、70、72的多個導體84。繞組78-82還具有多個耦合在一起以形成公共節(jié)點88 的導體86。備選的機電裝置74配置(未示出)包括采用“三角”配置耦合而沒有公共節(jié)點的多個繞組??刂破?4經由相應的線路36耦合于半相模塊56-66??刂破?4通過半相模塊 56-66的適當控制配置成控制雙向dc-ac電壓逆變器M將dc總線52上的dc電壓或電流轉換成用于通過導體84供應給繞組78-82的ac電壓或電流。因此,來自第一能量存儲裝置 12的dc電壓或電流可通過雙向dc-dc電壓轉換器14-18升高到更高的dc電壓或電流,其然后被轉換成ac電壓或電流并且傳遞給馬達74到驅動輪76。在其他非車輛推進系統中, 驅動輪76可是脈沖負載(未示出),其包括泵、風扇、卷揚機、起重機或其他馬達驅動負載。 在再生制動模式中,機電裝置74可作為發(fā)電機操作以制動輪76并且供應ac電壓或電流給雙向dc-ac電壓逆變器M用于逆變成dc電壓或電流到dc總線52上。之后,該dc電壓或電流可通過雙向dc-dc電壓轉換器14-18降低或轉換成適合于對第一能量存儲裝置12再充電的另一個dc電壓或電流。牽引系統10還包括耦合于dc總線52以提供另外的功率以驅動輪76的第二能量存儲裝置90。第二能量存儲裝置90可配置成提供比第一能量存儲裝置12更高的功率以在例如車輛的加速期間提供功率。第一能量存儲裝置12可配置成提供比第二能量存儲裝置 90更高的能量以向車輛提供持續(xù)更久的功率以增加其的行進距離。經由第二能量存儲裝置90供應給dc總線52的能量還可經由雙向dc-ac電壓逆變器M逆變并且供應給馬達機電裝置74。相似地,在再生制動模式期間產生的能量還可用于經由雙向dc-ac電壓逆變器 54對第二能量存儲裝置90再充電。
當包含牽引系統10的車輛停放或不在使用中時,將車輛的插頭插入例如公用電網或可再生能源以使能量存儲裝置12、90恢復或再充電可以是可取的。因此,圖1示出包括耦合于牽引系統10的充電電路或系統92的本發(fā)明的實施例,該充電電路或系統92用于對能量存儲裝置12、90再充電使得牽引系統10的部件可用于再充電能量存儲裝置12、90 和將來自能量存儲裝置12、90的能量轉換成能用于推進車輛的能量的雙重目的。充電系統92包括具有一對導體96、98的充電總線94。如在圖1中示出的,導體96 耦合于dc總線52的導體50,并且導體98耦合于dc總線52的導體44。充電系統92具有耦合于充電總線94的隔離dc-dc轉換器100,該充電系統92包括全波整流器102和在該實施例中作為串聯諧振逆變器操作的逆變器104。逆變器104配置成將dc電壓轉換成ac電壓并且傳遞該ac電壓到整流器102用于整流成要供應給充電總線94用于對第一和/或第二能量存儲裝置12、90充電的另一個dc電壓。逆變器104包括一對耦合于諧振電容器110和變壓器112的開關或晶體管106、 108。根據本發(fā)明的實施例,晶體管106、108是場效應晶體管,并且變壓器112是小的高頻變壓器。經由相應的線路116耦合于晶體管106、108的控制器114配置成采用串聯諧振模式獨立控制晶體管106、108使得諧振電容器110和變壓器112的變壓器漏感(Lk)大致上處于開環(huán)中的諧振或略高于該諧振而操作。起到諧振電感器的作用的該變壓器漏感在圖中未示出。盡管牽引系統10在圖1中示為具有兩個控制器34、114,預想多于或少于兩個控制器可配置成進行控制器操作。因為諧振電感(Lk)由變壓器12提供,避免了另外的部件。同樣,因為不需要低值的漏感,變壓器112的一次和二次繞組之間的間隔可以相對大,這導致低的繞組間電容(其進而導致良好的EMI性能)。該大的間隔還實現dc-dc轉換器100的輸入側和輸出側之間優(yōu)秀的高壓隔離。另外,變壓器112的匝數比可以設計或選擇使得由此基于輸進dc-dc轉換器100的電壓特性而產生最佳電壓。在一個實施例中,變壓器112的磁化電感設計成在任何負載提供軟開關。如此控制晶體管106、108允許低的開關損耗和簡單的恒定頻率控制。晶體管106、 108可都基于諧振電容器110和變壓器112的特性的適當匹配例如以IOOKHz的頻率操作。 通過在諧振或恰好高于諧振運行,由高頻開關或晶體管106、108承載的高頻電流是正弦的,并且開關發(fā)生在零電流附近。如此,開關損耗接近零。另外,變壓器112的磁化電感可以設計成產生恰好足夠的磁化電流來允許晶體管106、108的零電壓開關(ZVS),其將獨立于負載電流。因此,實現允許高頻操作(例如,典型地100至300kHz)的有效開關。充電系統92包括耦合于dc-dc轉換器100和耦合于插座120的全波整流器118, 該插座120具有配置成與具有外部電源132的觸點128、130的插頭或連接器1 相配合的觸點122、124。在一個實施例中,預想外部電源132是ac源并且可使用一、兩或三相外部電源132并且外部電源132可提供例如120Vac或MOVac電力。在設計為從三相ac外部電源132操作的配置中,整流器118可修改成包括對于三相整流器的第三相的兩個另外的二極管(未示出)。根據本發(fā)明的另一個實施例,預想外部電源132是dc源。將dc源132 通過整流器118耦合于充電總線94有助于確保如果dc源132以反極性耦合于整流器118, 則轉移到充電總線94的充電電壓具有正確的極性。插座120可與外部ac電壓源或外部dc 電壓源一起使用。具有配置成與任一類型的外部電壓源緊密匹配的單個插座120有助于減少對于系統的成本。ac電力系統的功率因數定義為實際功率與視在功率的比率并且可表達為在0和 1之間的數或在0和100之間的百分比。實際功率是電路用于在特定時間做功的能力。視在功率是電路的均方根電流和均方根電壓的產物。由于存儲在負載中并且返回到源的能量或由于使從源抽取的電流的波形變形的非線性負載,該視在功率可以大于該實際功率。具有較小的功率因數的電路對于相同的均方根電壓和電流做的功比具有較高的功率因數的電路少。因此,為了做相同量的功,更高的電壓或電流輸進具有較低功率因數的電路。開關式電源可配置成控制由負載抽取的功率的量以增加能量轉移功率因數。在一些應用中,開關式電源,例如包括降壓/升壓轉換器的開關式電源,控制輸入到其的電流使得電流波形與輸入到其的電壓波形成比例。例如,該降壓/升壓轉換器可將電流波形整形成與電壓波形的正弦波同相的正弦波。該升壓轉換器可以控制成維持恒定的dc總線輸出線路電壓同時抽取與該輸出線路電壓同相并且與其頻率相同的電流。當包含牽引系統10的車輛或設備停放或不在使用中時,將車輛的插頭插入例如公用電網或可再生能源以使能量存儲裝置12、90恢復或再充電可是可取的。因此,牽引系統10在外部充電模式期間操作將現在描述。當外部電源132通過觸點122、124、128、130連接到充電系統92時,控制器114如上文描述的配置成控制dc-dc轉換器100以提供充電電壓給充電總線94,其將該充電電壓轉移到dc總線52。在僅降壓充電模式中,控制器34配置成控制接觸器38-42切換到或保持斷開位置以將雙向dc-dc電壓轉換器16從dc總線52的導體46去耦合并且將雙向dc-dc電壓轉換器16、18從直接耦合于第一能量存儲裝置12去耦合。另外,第二能量存儲裝置90從充電電壓去耦合??刂破?4還配置成采用降壓模式控制雙向dc-dc電壓轉換器16以將由充電總線94供應的dc充電電壓轉換成更低的第二充電電壓。為了降低充電電壓,控制器34控制開關22使得,連同轉換器16的電感器20和二極管觀,第二充電電壓供應給雙向dc-dc 電壓轉換器18。轉換器18的二極管沈供應該第二充電電壓給雙向dc-dc電壓轉換器14, 其通過轉換器14的電感器20和開關22 (其被控制成導通態(tài))供應該第二充電電壓給第一能量存儲裝置12。在升壓/降壓充電模式中,控制器34配置成控制接觸器38-40切換到或保持斷開位置??刂破?4還配置成控制開關22成導通態(tài)使得轉換器16將充電電壓轉移到轉換器 18而沒有主動降壓控制??刂破?4配置成采用升壓模式控制轉換器18以將由充電總線 94供應的dc充電電壓轉換成更高的第二充電電壓。為了升高充電電壓,控制器34控制開關22使得,連同轉換器18的二極管觀,該第二充電電壓供應給雙向dc-dc電壓轉換器14。 在一個實施例中,控制器34可控制接觸器42成閉合態(tài)使得該第二充電電壓還供應給第二能量存儲裝置90用于對其充電。控制器34配置成采用降壓模式控制雙向dc-dc電壓轉換器14以將由轉換器18供應的升高的dc充電電壓轉換成更低的第三充電電壓。為了降低充電電壓,控制器34控制開關22使得,連同轉換器14的電感器20和二極管觀,該第三充電電壓供應給第一能量存儲裝置12。利用接觸器38斷開并且接觸器42閉合,雙向電力轉換器16和18可以結合使用以產生降壓或升壓以對能量存儲裝置90充電。當電壓總線94低于電壓總線52時,通過導通雙向轉換器16的晶體管22并且采用開關模式操作雙向轉換器18的晶體管M和二極管 26以將電壓升高到總線52的水平來對能量存儲裝置90充電而實現電壓升高。如果電壓總線94超過電壓總線52,相同的轉換器可以采用降壓模式通過采用降壓模式操作雙向轉換器16的晶體管22和二極管觀并且持續(xù)傳導電流通過雙向轉換器18的二極管沈到總線 52從而對能量存儲裝置90充電來操作。如此,無論電壓總線94高于或低于電壓總線52,能量存儲裝置90可以被充電。注意降壓和升壓模式在輸入ac電壓波(典型地,50或60Hz) 的半周期期間可以快速交替。具有以恒定頻率操作的dc-dc轉換器100,它的輸出電壓總線94將以雙線頻(典型地,100或120Hz)脈沖化。當總線94電壓是低的(在輸入ac電壓 132的過零點附近)時,轉換器采用升壓模式并且在ac電壓132的ac輸入波的最大值附近起作用,如果該電壓超過總線52的電壓,轉換器可以采用降壓模式起作用。利用由控制器34適當的控制,輸入電流值可以成為與輸入電壓波成比例從而獲得高的功率因數。利用該類型的雙向轉換器16和18的控制,dc-dc轉換器100的輸出處的平均負載看起來與電阻相似并且這也反映為作為等效電阻的ac輸入源。從而,實現具有低諧波電流的高功率因數。可以用下面的實施例(除了將在下文論述的圖3中的實施例外)實現該類型的行為。本發(fā)明的另一個實施例包括大體上在圖2中圖示的牽引系統134,其中連同在圖1 中示出的實施例論述的相似的部件已經用相似的標號指定。如在圖2中示出的,充電總線94的導體98直接耦合于雙向dc-dc電壓轉換器18 的電感器20而不是dc總線52的導體44。另外,接觸器38被去除并且接觸器40耦合在轉換器14、16和轉換器18之間。在僅降壓充電模式中,控制器34配置成控制接觸器40-42切換到或保持斷開位置以將雙向dc-dc電壓轉換器18從直接耦合于第一能量存儲裝置12和轉換器14、16去耦合。另外,第二能量存儲裝置90從充電電壓去耦合。經由轉換器18的二極管沈,由充電總線94供應的充電電壓供應給dc總線52??刂破?4配置成采用降壓模式控制轉換器14、 16中的任一個或兩個以將dc總線52上的dc充電電壓轉換成更低的第二充電電壓。為了降低充電電壓,控制器34控制開關22使得,連同轉換器14、16中的任一個或兩個的電感器 20和二極管觀,該第二充電電壓供應給第一能量存儲裝置12。在升壓-降壓充電模式中,控制器34配置成控制接觸器40切換到或保持斷開位置??刂破?4還配置成采用升壓模式控制轉換器18將由充電總線94供應的dc充電電壓轉換成更高的第二充電電壓。為了升高充電電壓,控制器34控制開關M使得,連同轉換器18的二極管沈,該第二充電電壓供應給雙向dc-dc電壓轉換器14、16。在一個實施例中,控制器34可控制接觸器42成閉合態(tài)使得該第二充電電壓還供應給第二能量存儲裝置 90用于對其充電??刂破?4配置成采用降壓模式控制雙向dc-dc電壓轉換器14、16中的任一個或兩個將由轉換器18供應的升高的dc充電電壓轉換成更低的第三充電電壓。為了降低充電電壓,控制器34控制開關22使得,連同轉換器14、16中的任一個或兩個的電感器 20和二極管觀,該第三充電電壓供應給第一能量存儲裝置12。本發(fā)明的另一個實施例包括大體上在圖3中圖示的牽引系統136,其中連同在圖1 和2中示出的實施例論述的相似的部件已經用相似的標號指定。在一個實施例中,逆變器104采用并聯諧振模式或采用串并聯諧振模式操作以抽取正弦公用電網電流(utility current)。如此的操作逆變器104包括使用接收的電流反饋并且將控制晶體管106、108的頻率在附近移動來控制輸入電流波形形狀的逆變器104的主動控制。然而,預想如上文描述的采用串聯諧振模式控制逆變器104也是可用的。如在圖3中示出的,充電總線94的導體98直接耦合于雙向dc-dc電壓轉換器16 的二極管26、28,并且充電總線94的導體96直接耦合于雙向dc-dc電壓轉換器18的二極管沈、觀而不是dc總線52的導體44。如此,不需要在圖1和2中圖示的整流器102,并且從充電系統92輸出的ac電壓的整流經由轉換器16、18的二極管沈、觀而整流。在經由充電電路或系統92的升壓-降壓充電模式中,控制器114配置成閉合一對耦合于充電總線94的導體96、98的接觸器138、140并且斷開接觸器40使得不能控制的 dc電流不從雙向dc-dc電壓轉換器16和18的電感器20直接流到能量存儲裝置12。控制器114還配置成控制逆變器104以逆變并且升高來自整流器118的電壓并且供應該升高的電壓給轉換器16、18的二極管沈、觀用于整流成升高的dc電壓用于向dc總線52供電。 第二能量存儲裝置90經由該升高的dc電壓再充電。控制器34配置成采用降壓模式的雙向dc-dc電壓轉換器14以將供應給dc總線52的升高的dc充電電壓轉換成更低的充電電壓。為了降低該充電電壓,控制器34控制開關22使得,連同轉換器14的電感器20和二極管觀,該充電電壓供應給第一能量存儲裝置12。當例如在再生制動模式期間采用非外部充電模式操作時,如果轉換器16、18不同地操作,則控制器114配置成斷開接觸器138、140中的一個或兩個。當系統采用非外部充電模式操作時,斷開接觸器138、140中的一個或兩個有助于防止變壓器112中的潛在電流流動。本領域內技術人員還將認識到當采用非外部充電或監(jiān)測模式操作(例如,當監(jiān)測或推進車輛時)時如果轉換器16和18 —起切換,則將不需要接觸器138、140,因為變壓器112 的二次繞組兩端將沒有電壓。本發(fā)明的另一個實施例包括大體上在圖4中圖示的牽引系統142,其中連同在圖 1-3中示出的實施例論述的相似的部件已經用相似的標號指定。牽引系統142包括耦合于第二機電裝置146(其包括多個繞組148、150和152) 的第二雙向dc-ac電壓逆變器144。第二雙向dc-ac電壓逆變器144包括配對以形成三相 116、168 和 170 的六個半相模塊 154、156、158、160、162 和 164。每相 166、168 和 170 耦合于dc總線52的導體44和50。在本發(fā)明的實施例中,機電裝置74是耦合于輪76的牽引馬達,并且機電裝置146 是機械耦合于內燃機172的交流發(fā)電機(alternator)??刂破?4通過相應的線路36耦合于半相模塊154-164。控制器34經由半相模塊154-164的適當控制配置成控制起動逆變器144以將dc總線52上的dc電壓或電流轉換成ac電壓或電流用于供應給交流發(fā)電機 146的繞組148-152以產生轉矩來起動內燃機172。備選地,內燃機172可施加轉矩于交流發(fā)電機146以供應ac電壓或電流給起動逆變器144用于逆變成dc電壓或電流到dc總線 52上。之后,該dc電壓或電流對第二能量存儲裝置90再充電并且/或通過雙向dc-dc電壓轉換器14降低或轉換成適合于對第一能量存儲裝置12再充電的另一個dc電壓。如在圖4中示出的,充電系統92耦合于交流發(fā)電機146。因此,在升壓/降壓充電模式中,控制器34配置成控制例如相166的半相模塊154、156來升高流進交流發(fā)電機 146的繞組148的充電電壓或電流。該升高的充電電壓供應給dc總線52并且用于直接對第二能量存儲裝置90(如果存在)再充電以及經由由控制器34對雙向dc-dc電壓轉換器14降壓控制來對第一能量存儲裝置12再充電。如果第二能量存儲裝置90不存在,包含在逆變器144內的dc鏈路濾波電容器(未示出)提供對dc總線52的平滑功能,并且第一能量存儲裝置12的再充電可以經由由控制器34對雙向dc-dc電壓轉換器14降壓控制來充電。因此,對于其中dc總線52上的dc電壓水平高于整流器118輸出的峰值電壓的配置可實現高的功率因數??刂破?4還可配置成另外控制相168的半相模塊158、160和/或相 170的半相模塊162、164以在充電期間采用交錯模式操作作為兩或三相升壓電路的起動逆變器144以減少紋波。此外,在充電期間一、兩或三相操作可最大化部分負載充電效率。此外,當雙向dc-dc電壓轉換器16、18不在圖4中圖示時,要理解牽引系統142可包括轉換器16、18并且除轉換器14之外轉換器16和/或18可操作以采用交錯模式提供兩或三相降壓電路。圖5示出根據本發(fā)明的另一個實施例的牽引系統174的示意圖,其中連同在圖1-4 中示出的實施例論述的相似的部件已經用相似的標號指定。牽引系統174包括第一和第二雙向dc-ac電壓逆變器55、144和與圖4的牽引系統142相似的機電裝置74、146。然而,在圖5中示出的雙向dc-ac電壓逆變器144橫跨第二 dc總線52并聯耦合于第一能量存儲裝置12而不是橫跨如在圖4中示出的dc總線52并聯耦合于雙向dc-ac電壓逆變器M。 因此,來自外部電源132的充電電壓通過雙向dc-ac電壓逆變器144經由控制器34的適當的控制而升高。該升高的充電電壓經由雙向dc-dc電壓轉換器14的升壓控制直接對第一能量存儲裝置12再充電和對第二能量存儲裝置90 (如果存在)再充電??刂破?4還可配置成另外控制相168的半相模塊158、160和/或相170的半相模塊162、164以在充電期間采用交錯模式操作作為兩或三相升壓電路的起動逆變器144以減少紋波。此外,在充電期間一、兩或三相操作可最大化部分負載充電效率??刂破?4還可配置成另外控制相166的半相模塊154、156、相168的半相模塊158、160和相170的半相模塊162、164以操作作為 ac-dc轉換器的起動逆變器144以提供控制的充電電壓給能量存儲裝置12并且使用來自驅動交流發(fā)電機146的內燃機172的功率來提供功率以操作由dc-ac逆變器M和電機74組成的牽引驅動系統。本發(fā)明的另一個實施例包括大體上在圖6中圖示的牽引系統178,其中連同在圖 1-5中示出的實施例論述的相似的部件已經用相似的標號指定。與圖4的牽引系統142相似,牽引系統178具有耦合于機電裝置的充電總線94的導體98。然而,在圖6中示出的牽引系統178的導體98直接耦合于牽引馬達74的節(jié)點88 而不是交流發(fā)電機146。在升壓-降壓充電模式中,控制器34配置成控制例如相68的半相模塊56、58來升高充電電壓并且從而升高流進馬達74的繞組78的電流。該升高的充電電壓供應給dc總線52并且用于直接對第二能量存儲裝置12再充電和經由控制器34對雙向 dc-dc電壓轉換器14的降壓控制對第一能量存儲裝置90 (如果存在)再充電。本發(fā)明的實施例從而使用車載轉換器、dc-dc轉換器和關聯的電感器、逆變器、牽引控制系統的機器電感或其的組合以對該牽引控制系統的一個或多個能量存儲裝置再充電。如此,轉換器、逆變器、dc-dc轉換器關聯的電感器和機器電感可用于監(jiān)測能量存儲裝置和對能量存儲裝載再充電的雙重目的。使用逆變器、dc-dc轉換器關聯的電感器和機器電感允許能量存儲裝置的高的功率因數、低諧波充電。另外,在具有隔離變壓器的充電系統中使用dc-dc轉換器允許車載轉換器、逆變器和機器電感與干線隔離。因此,提高接地故障防護等。同樣,饋送給轉換器、逆變器、dc-dc轉換器關聯的電感器和機器電感的充電電壓可設計成在最佳水平。根據本發(fā)明的一個實施例,功率電子驅動電路包括dc總線和耦合于該dc總線的第一能量存儲裝置,該第一能量存儲裝置配置成輸出dc電壓。第一雙向dc-ac電壓逆變器耦合于該第一能量存儲裝置和該dc總線,并且第一機電裝置耦合于該第一雙向dc-ac電壓逆變器。經由充電總線耦合于該dc總線的充電系統包括插座,其配置成與耦合于該功率電子驅動電路的外部的電壓源的連接器相配合;和隔離變壓器,其配置成使該充電總線與該插座電隔離。該功率電子驅動電路還包括配置成使該充電系統基于從該功率電子驅動電路的外部的電壓源接收的電壓向該dc總線供應充電電壓的控制器。根據本發(fā)明的另一個實施例,制造功率電子驅動電路的方法包括將第一 dc能量存儲裝置耦合于dc總線;將第一雙向dc-ac電壓逆變器耦合于該dc總線;和將第一機電裝置耦合于該第一雙向dc-ac電壓逆變器,該第一機電裝置配置成將機械能轉換成電能并且配置成將電能轉換成機械能。該方法還包括將充電電路經由充電總線耦合于該dc總線,該充電系統包括配置成與外部電壓源連接器相配合的插座和配置成使該充電總線與該插座電隔離的變壓器。該方法還包括配置控制器以使該充電系統基于從外部電壓源接收的電壓向該dc總線供應充電電壓。根據本發(fā)明的再另一個實施例,一種系統包括機器和耦合于該機器的電壓逆變器。該機器配置成將機械能轉換成電能并且配置成將電能轉換成機械能。該電壓逆變器配置成將ac電能轉換成dc電能并且將dc電能轉換成ac電能。該系統還包括耦合于該電壓逆變器的dc總線、耦合于該dc總線的第一能量存儲裝置和充電系統。該充電系統包括插座、耦合于該插座的全波整流器、耦合于該全波整流器的dc-dc轉換器和耦合于該dc-dc 轉換器和該dc總線的充電總線。該插座配置成與耦合于功率電子驅動電路的外部的電壓源的插頭相配合。該全波整流器配置成整流從電壓源接收的電壓。該dc-dc轉換器包括配置成使該充電總線與該全波整流器電隔離的隔離變壓器。該系統還包括配置成使該dc-dc 轉換器將從該全波整流器接收的第一 dc電壓轉換成第二 dc電壓并且將該第二 dc電壓供應給該充電總線的控制器。盡管本發(fā)明僅連同有限數量的實施例詳細描述,應該容易理解本發(fā)明不限于這樣公開的實施例。相反,本發(fā)明可以修改以包含此前未描述的許多變化、改動、替代或等同設置,但其與本發(fā)明的精神和范圍相當。另外,盡管描述了本發(fā)明的各種實施例,要理解本發(fā)明的方面可僅包括描述的實施例中的一些。因此,本發(fā)明不視為由前面的描述限制,而僅由附上的權利要求的范圍限制。
權利要求
1.一種功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其包括 dc 總線(52,176);耦合于所述dc總線(52,176)的第一能量存儲裝置(12),所述第一能量存儲裝置(12) 配置成輸出dc電壓;耦合于所述第一能量存儲裝置(12)和所述dc總線(52,176)的第一雙向dc-ac電壓逆變器(54,144);耦合于所述第一雙向dc-ac電壓逆變器(54,144)的第一機電裝置(74,144); 經由充電總線(94)耦合于所述dc總線(52,176)的充電系統(92),所述充電系統(92) 包括配置成與耦合于所述功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178)的外部的電壓源 (132)的連接器(126)相配合的插座(120);以及配置成使所述充電總線(94)與所述插座(120)電隔離的隔離變壓器(112);和控制器(34,114),其配置成使所述充電系統(92)基于從所述功率電子驅動電路(10, 134,136,142,174,178)的外部的電壓源(132)接收的電壓向所述dc總線(52,176)供應充電電壓。
2.如權利要求1所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其中所述充電系統(92)進一步包括一對晶體管(106,108);和諧振電容器(110);并且其中所述隔離變壓器(11 、所述一對晶體管(106,108)和所述諧振電容器(110)形成隔離ac-dc逆變器(104)。
3.如權利要求2所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其中所述控制器(34,114)進一步配置成使所述隔離ac-dc逆變器(104)采用串聯諧振模式操作。
4.如權利要求2所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其中所述控制器(34,114)進一步配置成使所述隔離ac-dc逆變器(104)采用并聯諧振模式和串并聯諧振模式中的一個操作。
5.如權利要求2所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其中所述充電系統(9 進一步包括全波整流器(102),其中所述隔離ac-dc逆變器(104)和所述全波整流器(102)形成隔離dc-dc轉換器(100)。
6.如權利要求1所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其進一步包括耦合于所述dc總線(52,176)的第一雙向dc-dc電壓轉換器(14);并且其中所述控制器(34,114)進一步配置成使所述第一雙向dc-dc電壓轉換器(14) 升高來自所述第一能量存儲裝置(1 的存儲電壓;和供應所述升高的存儲電壓給所述dc總線(52,176)。
7.如權利要求6所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其中所述控制器(34,114)進一步配置成使所述第一雙向dc-dc電壓轉換器(14)將所述dc總線(52,176)上的第一 dc電壓降低成適合于對所述第一能量存儲裝置 (12)充電的第二 dc電壓;和供應所述第二 dc電壓給所述第一能量存儲裝置(12)。
8.如權利要求7所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其中所述第一機電裝置(74,144)配置成供應ac再生電壓給所述第一雙向dc-ac電壓逆變器(54,144); 并且其中所述第一雙向dc-ac電壓逆變器(54,144)配置成將所述ac再生電壓逆變成所述第一 dc電壓并且供應所述第一 dc電壓給所述dc總線(52,176)。
9.如權利要求7所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其進一步包括耦合于所述dc總線(52,176)的第二雙向dc-ac電壓逆變器(54,144);和耦合于所述第二雙向dc-ac電壓逆變器(54,144)的第二機電裝置(74,146);其中所述充電總線(94)包括耦合于所述充電總線(94)的第一導體(96);和耦合于所述第二機電裝置(74,146)的第二導體(98);并且其中處于配置成使所述充電系統(92)供應所述充電電壓給所述dc總線(52,176)中的所述控制器(34,114)配置成使所述第二雙向dc-ac電壓逆變器(54,144)將來自所述充電總線(94)的整流的電壓升高成所述第一 dc電壓。
10.如權利要求7所述的功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其進一步包括耦合于所述dc總線(52,176)的第二雙向dc-dc電壓轉換器(18);并且其中所述控制器(34,114)進一步配置成使所述第二雙向dc-dc電壓轉換器(18) 升高來自所述第一能量存儲裝置(1 的存儲電壓; 供應所述升高的存儲電壓給所述dc總線(52,176); 升高來自所述充電系統(92)的充電電壓; 供應所述升高的充電電壓給所述dc總線(52,176)。
全文摘要
使用具有高頻變壓器隔離的車載功率電子設備轉移能量的設備包括功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178),其包括dc總線(52,176)和耦合于該dc總線(52,176)的第一能量存儲裝置(12)。第一雙向dc-ac電壓逆變器(54,144)耦合于該第一能量存儲裝置(12)和該dc總線(52,176),并且第一機電裝置(74,144)耦合于該第一雙向dc-ac電壓逆變器(54,144)。經由充電總線(94)耦合于該dc總線(52,176)的充電系統(92)包括配置成與耦合于該功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178)的外部的電壓源(132)的連接器(126)相配合的插座(120)和配置成使該充電總線(94)與該插座(120)電隔離的隔離變壓器(112)??刂破?34,114)配置成使該充電系統(92)基于從該功率電子驅動電路(10,134,136,142,174,178)的外部的電壓源(132)接收的電壓向該dc總線(52,176)供應充電電壓。
文檔編號H02J7/00GK102457089SQ20111037959
公開日2012年5月16日 申請日期2011年11月7日 優(yōu)先權日2010年11月5日
發(fā)明者R·D·金, R·L·施泰格瓦爾德, R·S·庫施 申請人:通用電氣公司