СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ ЗАРЯДА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
SYSTEM AND METHOD FOR CHARGING ELECTRIC VEHICLES

Перекрестные ссылки на родственные заявки
[0001] Настоящая заявка заявляет преимущество по отношению к предварительной патентной заявке США 62/986,232, зарегистрированной 6 марта 2020 года, которая включена в данный документ по ссылке в своей полноте.
Уровень техники
1. Область техники, к которой относится изобретение
[0002] Настоящее учение, в общем, относится к электрическим устройствам. Более конкретно, настоящее учение относится к способам и системам для заряда аккумуляторов, применяемых в электрических устройствах.
2. Уровень техники
[0003] Электрические транспортные средства становятся все более распространенными, с учетом растущей доли рынка транспортных средств на дороге. Однако, повсеместное использование электрических транспортных средств все еще сталкивается с некоторыми проблемами. В частности, электрическое транспортное средство полагается на аккумуляторы в качестве своего единственного источника электроэнергии, так что аккумуляторы должны перезаряжаться. Заряд аккумуляторов для электрических транспортных средств традиционно требует специального внешнего оборудования, которое известно как оборудование для питания электрических транспортных средств (EVSE, иногда называемое токопроводящими зарядными системами или зарядными станциями для электрических транспортных средств).
[0004] Существуют два главных типа EVSE. Один тип предоставляет электричество переменного тока (AC) транспортному средству, при этом бортовое зарядное устройство транспортного средства преобразует AC-электроэнергию в электроэнергию постоянного тока (DC), необходимую для заряда аккумуляторов. EVSE на основе AC работает как посредник между электрическим транспортным средством и AC-розеткой, как правило, использующей AC-электроэнергию домовладения в качестве входной электроэнергии. Фактическое зарядное устройство предусматривается внутри транспортного средства и обычно имеет ограниченную нагрузочную способность по мощности. По существу, электрические транспортные средства, как правило, оборудуются только бортовыми зарядными устройствами с нагрузочной способностью не более 10 кВт (например, 6 или 7 кВт). Если пользователь желает использовать более высокий уровень электроэнергии, пользователю необходимо заряжать транспортные средства через другой тип EVSE, т.е. EVSE с выходной электроэнергией постоянного тока или EVSE на основе DC.
[0005] EVSE на основе DC также известны как "быстрые зарядные устройства". DC EVSE может преобразовывать электроэнергию переменного тока в электроэнергию постоянного тока и, таким образом, может обходить бортовое зарядное устройство на электрическом транспортном средстве, чтобы заряжать DC-электроэнергию непосредственно в аккумулятор. По существу, операция заряда не ограничивается ограничением нагрузочной способности бортового зарядного устройства, аккумуляторы могут заряжаться со значительно более быстрой скоростью. Вследствие того факта, что DC EVSE являются технологически более сложными и дорогостоящими по сравнению с AC EVSE и требуют точек электропитания высокой мощности, следовательно, находится гораздо меньше применений по сравнению с AC EVSE. Такие проблемы, связанные со скоростью заряда в сочетании с ограниченными доступными зарядными станциями для транспортных средств являются до сих пор препятствием для более распространенного применения электрических транспортных средств.
[0006] Таким образом, существует необходимость разрабатывать более эффективные средства и способы для заряда аккумуляторов электрических транспортных средств, которые устраняют такие недостатки.
Сущность изобретения
[0007] Учение, раскрытое в данном документе, относится к способам и системам для заряда аккумуляторов, применяемых в электрических устройствах. Более конкретно, настоящее учение относится к способам и системам для переконфигурируемой работы в одном из рабочих режимов тяги и заряда.
[0008] В примере раскрывается переконфигурируемая тягово-зарядная система, находящаяся в электронном устройстве, имеющем перезаряжаемый аккумулятор. Система содержит электродвигатель, инвертор, выходной выпрямитель, конфигуратор и контроллер. Электродвигатель содержит статор, который имеет множество зубцов статора и множество обмоток статора, намотанных на множество зубцов статора. Инвертор содержит множество силовых переключающих устройств. Конфигуратор содержит множество контакторов, соединенных с множеством обмоток статора и множеством силовых переключающих устройств. Контроллер управляет множеством силовых переключающих устройств и множеством контакторов с тем, чтобы конфигурировать систему для работы в одном из режима тяги и режима заряда.
[0009] В другом примере раскрывается способ реализации реконфигурируемой тягово-зарядной системы, находящейся в электрическом устройстве, имеющем перезаряжаемый аккумулятор. Система конфигурируется, через конфигуратор, под управлением контроллера, чтобы работать в режиме тяги. При приеме запроса заряда перезаряжаемого аккумулятора система конфигурируется через конфигуратор, чтобы работать в режиме заряда. Когда определяется, что критерий, ассоциированный с перезаряжаемым аккумулятором, удовлетворяется, система конфигурируется через конфигуратор, чтобы работать в режиме тяги. Помимо конфигуратора и контроллера система содержит электродвигатель, инвертор и выходной выпрямитель. Электродвигатель содержит статор, который имеет множество зубцов статора и множество обмоток статора, намотанных на множество зубцов статора. Инвертор содержит множество силовых переключающих устройств. Конфигуратор содержит множество контакторов, соединенных с множеством обмоток статора и множеством силовых переключающих устройств.
[0010] Дополнительные новые признаки будут изложены частично в описании, которое следует, а частично станут понятны специалистам в области техники после изучения последующего и прилагаемых чертежей или могут быть узнаны посредством производства или работы примеров. Новые признаки настоящих учений могут быть реализованы и получены на практике или с помощью различных аспектов методологий, инструментариев и сочетаний, изложенных в подробных примерах, обсуждаемых ниже.
Краткое описание чертежей
[0011] Системы и способы, раскрываемые в данном документе, далее описываются на основе примерных вариантов осуществления. Эти примерные варианты осуществления описываются подробно со ссылкой на чертежи. Варианты осуществления являются неограничивающими примерными вариантами осуществления, в которых аналогичные номера ссылок представляют аналогичные конструкции повсюду на нескольких видах чертежей, и при этом:
[0012] Фиг. 1 показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к концептуальному пути зарядной электроэнергии, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0013] Фиг. 2A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0014] Фиг. 2B показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0015] Фиг. 3 показывает примерную конструкцию обмоток, намотанных на зубцы статора электродвигателя, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0016] Фиг. 4A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0017] Фиг. 4B показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к пути зарядной электроэнергии бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0018] Фиг. 4C показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к пути тяговой электроэнергии бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0019] Фиг. 4D показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0020] Фиг. 4E показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к пути зарядной электроэнергии бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0021] Фиг. 4F показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к пути тяговой электроэнергии бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0022] Фиг. 5A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0023] Фиг. 5B показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0024] Фиг. 6A показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0025] Фиг. 6B показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0026] Фиг. 6C показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0027] Фиг. 7A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0028] Фиг. 7B показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0029] Фиг. 8A показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0030] Фиг. 8B показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0031] Фиг. 8C показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0032] Фиг. 9A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0033] Фиг. 9B показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0034] Фиг. 10A показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0035] Фиг. 10B показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0036] Фиг. 10C показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0037] Фиг. 11A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0038] Фиг. 11B показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0039] Фиг. 12A показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0040] Фиг. 12B показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0041] Фиг. 12C показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0042] Фиг. 13 показывает примерную блок-схему последовательности операций, относящуюся к работе бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0043] Фиг. 14 показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к предварительному заряду конденсатора C1, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0044] Фиг. 15A показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к компонентам аппаратных средств бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0045] Фиг. 15B показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к компонентам аппаратных средств бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0046] Фиг. 16 показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к соединению между контроллером заряда/тяги и силовыми переключающими устройствами, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0047] Фиг. 17 показывает примерную схему управления, выполняемого в режиме заряда бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0048] Фиг. 18A-18G показывают примерные схематичные чертежи, относящиеся к различным соединениям более чем одного электродвигателя и/или более чем одного аккумулятора бортовой зарядно-тяговой системы, в соответствии с примерными вариантами осуществления настоящего учения;
[0049] Фиг. 19 показывает примерный схематичный чертеж, относящийся к соединениям двух или более зарядных устройств-инверторов и аккумулятора, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения;
[0050] Фиг. 20A показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения; и
[0051] Фиг. 20B показывает примерную упрощенную принципиальную схему, относящуюся к бортовой зарядно-тяговой системе, в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего учения.
Подробное описание изобретения
[0052] В последующем подробном описании многочисленные конкретные детали излагаются в качестве примеров для того, чтобы обеспечивать полное понимание релевантных учений. Тем не менее специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящие учения могут быть использованы на практике без таких деталей. В других случаях, хорошо известные способы, процедуры, компоненты, схемы, топологические структуры и/или стратегии управления были описаны на относительно высоком уровне, без значительной детализации, для того, чтобы избегать ненужного запутывания аспектов настоящих учений.
[0053] Настоящее учение нацелено на улучшение текущего уровня техники в заряде перезаряжаемых аккумуляторов. В частности, настоящее учение раскрывает объединенное, переконфигурируемое, бортовое решение для тяги и заряда, которое может находить применение в электрических устройствах (включающих в себя, например, электрические транспортные средства, специализированные электрические транспортные средства, и т.д.).
[0054] Бортовая тягово-зарядная система, раскрываемая в настоящем учении, включает в себя сочетание переконфигурируемых фазных обмоток электродвигателя и инверторов. Когда работает в режиме тяги, система работает в качестве тягового механизма, который приспособлен для предоставления механической мощности нагрузке, а в режиме заряда она работает как бортовое зарядное устройство, которое приспособлено для заряда аккумулятора или аккумуляторов, включенных в транспортное средство, с высокой мощностью. С одной стороны, возможно выполнять перезаряд быстро с помощью импульсного источника питания высокой мощности; с другой стороны, затраты на установку множества EVSE (или зарядных станций), которые подают электрическую AC-электроэнергию бортовой тягово-зарядной системе, могут быть значительно уменьшены.
[0055] Бортовая тягово-зарядная система согласно настоящему учению получает полное преимущество двух ранее существовавших компонентов в электрических транспортных средствах: электрического двигателя с обмотками статора, и многофазного инвертора с устройствами переключения электроэнергии. Переключающий механизм, называемый конфигуратором в данном документе, изменяет соединения обмоток статора и силовых переключающих устройств, включенных в инвертор, чтобы предоставлять возможность переключения между двумя режимами работы. Когда бортовая тягово-зарядная система работает в режиме тяги, силовые переключающие устройства составляют инвертор, который преобразует DC-электроэнергию, выводимую от аккумулятора, в соответствующее AC-напряжение с тем, чтобы приводить в действие электродвигатель, чтобы предоставлять крутящий момент (положительный или отрицательный) для привода транспортного средства. Этот крутящий момент может либо передавать энергию от аккумулятора, либо восстанавливать энергию в режиме динамического торможения. Когда бортовая тягово-зарядная система работает в режиме заряда, конфигуратор переконфигурирует соединение инвертора и обмоток электродвигателя, чтобы формировать один или более входных каскадов (с или без функции выпрямления, функции усиления и/или функции компенсации коэффициента мощности (PFC)), и один или более полностью изолированных выходных каскадов DC/DC-преобразователя, с тем, чтобы осуществлять полностью изолированное бортовое зарядное устройство.
[0056] Фиг. 1 показывает, в упрощенной форме, концептуальный путь зарядной электроэнергии в соответствии с примером настоящего учения. Чтобы облегчать понимание, детали, принадлежащие совместно используемым компонентам, ассоциированным с режимами заряда и тяги, не показаны в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 1.
[0057] Как показано на фиг. 1, путь зарядной электроэнергии содержит входной мостовой выпрямитель или входной каскад D1 пассивного выпрямителя, который электрически соединяется со входом однофазной AC-электроэнергии или входом многофазной AC-электроэнергии. Повышающий преобразователь служит для повышения DC-напряжения, выводимого из входного мостового выпрямителя или входного каскада D1 пассивного выпрямителя, до отрегулированного напряжения вставки постоянного тока. Повышающий преобразователь содержит повышающий дроссель L1, силовое переключающее устройство Q1 и силовое переключающее устройство Q2. Отрегулированное напряжение DC_LINK вставки постоянного тока, выводимое из повышающего преобразователя, прикладывается к мостовому преобразователю, содержащему два полумоста (Q3 и Q4; Q5 и Q6). Выходной сигнал мостового преобразователя возбуждает трансформатор T1 и, в свою очередь, выходной мостовой выпрямитель D2, чтобы создавать изолированную электроэнергию постоянного тока для заряда аккумулятора. Дроссель L2 и конденсатор C2 используются для фильтрации и сглаживания DC-электроэнергии, выводимой из выходного мостового выпрямителя D2.
[0058] Как обсуждалось выше, хотя не показано на фиг. 1, путь зарядной электроэнергии может совместно использовать множество компонентов с путем тяговой электроэнергии. Идея совместного использования компонентов будет описана подробно ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. Степень совместного использования компонентов между режимами заряда и тяги может изменяться в зависимости от деталей конструкции. Сопровождающие чертежи иллюстрируют различные способы реализации идей изобретения и концепций, раскрываемых в настоящем учении.
Первый вариант осуществления
[0059] Фиг. 2A показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с первым вариантом осуществления. На фиг. 2A некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются параллельно, когда система работает в режиме тяги. Фиг. 2B показывает другой схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с первым вариантом осуществления. На фиг. 2B некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются последовательно, когда система работает в режиме тяги.
[0060] За исключением различия в соединении катушек (параллельно или последовательно в режиме тяги), бортовые зарядно-тяговые системы, показанные на фиг. 2A и 2B, обе содержат многофазный электродвигатель, перезаряжаемый аккумулятор, инвертор, входной выпрямитель, выходной выпрямитель, конфигуратор и множество контакторов. Многофазный электродвигатель может содержать три или более фаз обмоток статора. В некоторых применениях, альтернативно, электродвигатель может быть двухфазным электродвигателем, приводимым в действие двумя комплектами полумостов. Инвертор содержит множество силовых переключающих устройств SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 и SW6 и служит для приведения в действие многофазного электродвигателя. Силовые переключающие устройства могут иметь различные допустимые нагрузки по току. Например, в зависимости от уровня выходной электроэнергии и/или состояния входного напряжения, силовые переключающие устройства SW3 и SW4, которые используются для формирования повышающего преобразователя в режиме заряда, могут иметь более высокую допустимую нагрузку по току по сравнению с допустимой нагрузкой по току для SW1, SW2, SW5 и SW6. В зависимости от того, подается входная электроэнергия от однофазного или многофазного источника электроэнергии, входной выпрямитель может быть однофазным или многофазным мостовым выпрямителем. Когда источник DC-электроэнергии используется для подачи заряжающей электроэнергии, входной выпрямитель может быть опущен. Конфигуратор содержит множество контакторов K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9 и K10. При правильном управлении конфигуратор служит для переконфигурирования соединений различных компонентов, в частности, соединений между обмотками и/или силовыми переключающими устройствами SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 и SW6, с тем, чтобы переключать систему между различными рабочими режимами. Комплект контакторов K1 и K2 может быть использован для соединения и разъединения положительной и отрицательной клемм перезаряжаемого аккумулятора. Более конкретно, контакторы K1 и K2 являются разомкнутыми в режиме заряда и замкнутыми в режиме тяги. Комплект контакторов K3 и K4 может быть использован для соединения и отсоединения выпрямленной DC-электроэнергии от входной AC-электроэнергии. Контакторы K3 и K4 являются замкнутыми в режиме заряда и разомкнутыми в режиме тяги.
[0061] Кроме того, системы, показанные на фиг. 2A и 2B, могут дополнительно содержать входной фильтр и/или выходной фильтр, которые могут быть использованы для уменьшения шума и пульсации напряжения или тока. Эти входные и выходные фильтры могут включать в себя, но не только, дроссели и/или конденсаторы. Конденсатор C1 может быть связан с входной стороной инвертора. Хотя конденсатор C1 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. В качестве примера выходного фильтра, дроссель L1 и конденсатор C2 показаны на фиг. 2A и 2B. Хотя выходной конденсатор C2 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Хотя выходной конденсатор C2 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Альтернативно, если аккумулятор приспособлен допускать пульсирующий ток на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, конденсатор C2 может быть пропущен.
[0062] Хотя и не показаны на фиг. 2A и 2B. другие компоненты защиты схемы могут быть включены в систему, включающие в себя, но не только, схемы предварительного заряда, схемы разряда, схемы защиты от броска пускового тока и т.д.
[0063] Как обсуждалось выше, обе бортовые зарядно-тяговые системы, иллюстрированные на фиг. 2A и 2B, могут быть сконфигурированы, чтобы работать в одном из двух рабочих режимов, т.е., режиме заряда и режиме тяги. Подробности, относящиеся к конфигурации, будут описаны ниже со ссылкой на фиг. 4A-F.
[0064] Теперь обратимся к фиг. 3, которая показывает примерную структуру обмоток, намотанных на зубцы статора электродвигателя в соответствии с примером настоящего учения. Например, электродвигатель может быть имеющим 18 зубцов, 6 полюсных пар, 3-фазным синхронным электродвигателем с постоянным магнитом (PMSM), в котором обмотка на по меньшей мере одном зубце статора электродвигателя разделяется на две или более катушек. Как иллюстрировано для примера на фиг. 3, два комплекта обмоток находятся на каждом из зубцов фазы A и фазы C, в то время как один комплект обмоток находится на зубце фазы B. Разделенные обмотки имеют отдельные клеммы, которые должны переконфигурироваться в различные соединения. По существу, магнитные компоненты на концептуальном пути заряда, иллюстрированном на фиг. 1, и зарядные системы, иллюстрированные ассоциированными с фиг. 2A и 2B, могут быть реализованы с обмотками, намотанными на зубцы статора электродвигателя. Например, как показано на фиг. 3, обмотка на зубце фазы A, разделяется на катушку A и катушку D, а обмотка на зубце фазы C разделяется на катушку C и катушку E. Катушки A, C, D и E формируют трансформатор, когда бортовая зарядно-тяговая система работает в режиме заряда. Отдельная обмотка, катушка B, может быть использована для повышающего дросселя в режиме заряда с разомкнутым контактором K5 и в качестве фазной обмотки в режиме тяги с замкнутым контактором K5. Альтернативно, функция повышения может быть реализована посредством отдельного дросселя вместо катушки B, с помощью модификации в соединениях схемы (например, контактор K5 больше не нужен в этой ситуации).
[0065] Фиг. 4A показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, как иллюстрировано на фиг. 2A, при этом разомкнутое/замкнутое состояние контакторов управляется, так что система работает в режиме заряда. На фиг. 4A контакторы K3, K4, K9 и K10 замкнуты, а K1, K2, K5, K6, K7 и K8 разомкнуты. Соответственно, путь зарядной электроэнергии строится, как показано на фиг. 4B. Для того, чтобы избегать ненужных запутывающих аспектов настоящего учения, контакторы не показаны в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 4B.
[0066] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 2A, в режим тяги, контакторы K1, K2, K5, K6, K7 и K8 замыкаются, а K3, K4, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 4C. В рабочем режиме, показанном на фиг. 4C, все обмотки, которые усажены на один и тот же зубец, соединяются параллельно. По существу, катушка A и катушка D вместе формируют фазу A, катушка C и катушка E вместе формируют фазу C, а катушка B формирует фазу B самостоятельно. Для того, чтобы избегать ненужных запутывающих аспектов настоящего учения, контакторы не показаны в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 4C.
[0067] Фиг. 4D показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе, которая иллюстрирована на фиг. 2B, при этом разомкнутое/замкнутое состояние контакторов управляется, так что система работает в режиме заряда. На фиг. 4D контакторы K3, K4, K7, K9 и K10 замкнуты, а K1, K2, K5, K6 и K8 разомкнуты. Соответственно, путь зарядной электроэнергии строится, как показано на фиг. 4E. Для того, чтобы избегать ненужных запутывающих аспектов настоящего учения, контакторы не показаны в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 4E.
[0068] Аналогично, чтобы конфигурировать систему, которая показана на фиг. 2B, в режим тяги, контакторы K1, K2, K5, K6 и K8 замыкаются, а K3, K4, K7, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 4F. Все обмотки, которые усажены на один и тот же зубец, соединяются последовательно. В этом случае, катушка A и катушка D вместе формируют фазу A, катушка C и катушка E вместе формируют фазу C, а катушка B формирует фазу B самостоятельно. Для того чтобы избегать ненужных запутывающих аспектов настоящего учения, контакторы не показаны в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 4F.
[0069] Когда бортовая зарядно-тяговая система конфигурируется в режим тяги, перезаряжаемый аккумулятор может подавать DC-электроэнергию многофазному инвертору. Затем, инвертор может преобразовывать DC-электроэнергию в AC-электроэнергию и приводить многофазный электродвигатель в действие. Здесь, может быть использован традиционный трехфазный электродвигательный привод. В типичном применении электрического транспортного средства, когда применяется электродвигатель с постоянным магнитом, датчик может быть предусмотрен для измерения позиции ротора с тем, чтобы управлять электродвигателем, чтобы добиваться желаемой производительности, особенно когда скорость вала низкая. Обычно, силовые переключающие устройства, используемые в инверторе бортовой зарядно-тяговой системы, могут быть IGBT или FET-устройствами, приводимыми в действие посредством способов векторного управления под управлением процессора (такого как DSP, FPGA и т.д.). Чтобы осуществлять векторное управление, датчики тока могут также быть размещены относительно по меньшей мере двух фаз, чтобы обнаруживать фазный ток, который должен быть отрегулирован посредством процессора.
[0070] Когда система конфигурируется в режим заряда, предусматривается полностью изолированное двухкаскадное зарядное устройство, которое содержит входной каскад (с или без функции повышения и/или PFC) и DC/DC выходной каскад. Входной каскад может быть построен с помощью входного мостового выпрямителя. Дополнительно, катушка B статора электродвигателя может действовать в качестве повышающего дросселя, с силовым переключающим устройством SW4 в качестве повышающего переключателя, паразитным диодом силового переключающего устройства SW3 в качестве диода обратной цепи и конденсатором C1 в качестве выходного конденсатора. Альтернативно, если система работает со всегда выключенным силовым переключающим устройством SW4, входной каскад формируется как простой выпрямитель. Индуктивность катушки B может помогать сглаживать ток в некоторой степени; типично, она довольно небольшая, чтобы добиваться высокого коэффициента мощности.
[0071] Если входное AC-напряжение сети подается от однофазного или имеющего расщепленную фазу источника питания, повышающий каскад может выполнять также функцию компенсаций коэффициента мощности (PFC). В этой ситуации измеряется входное напряжение, и входной ток формируется, чтобы следовать форме синусоидального входного напряжения. С таким подходом высокий коэффициент мощности (например, более 0,99) может быть достигнут. По меньшей мере один датчик входного тока может быть предусмотрен, чтобы осуществлять эту функцию. Кроме того, в подходе с PFC, промежуточное напряжение (напряжение вставки постоянного тока) на конденсаторе C1 может быть должно быть выше пикового входного напряжения, чтобы предоставлять возможность регулирования тока. Например, для линии со среднеквадратическим значением 240 В, напряжение вставки постоянного тока может быть должно быть выше примерно 400 В.
[0072] Как обсуждалось выше, катушка фазы B работает электрически как отдельный входной дроссель. Для трехфазных входов этот единственный входной индуктор плюс топология переключателей может не иметь возможности заставлять входные токи соблюдать форму синусоидальных входных напряжений. Однако регулирование тока в катушке B, чтобы он был постоянным, помогает получать коэффициент мощности лучше по сравнению с подходами пассивного выпрямления с небольшой индуктивностью. Типично, улучшенный коэффициент мощности около 0,955 все еще может быть достигнут.
[0073] Как может быть видно на втором DC/DC-каскаде, иллюстрированном на фиг. 4B и 4E, силовые переключатели SW1, SW2, SW5 и SW6 создают мостовую схему управления. Отметим, что мостовая схема управления является понижающим преобразователем. Катушка A и катушка C действуют как первичная обмотка трансформатора, а катушка D и катушка E действуют как вторичная обмотка трансформатора. Затем, мостовой выпрямитель преобразует AC-электроэнергию, выводимую со вторичной стороны трансформатора, в DC-электроэнергию, пульсирующую с соответствующей PWM-частотой, и дроссель L1 устраняет высокочастотные PWM-компоненты из зарядного тока, выводимого к перезаряжаемому аккумулятору. Выходной выпрямитель может быть реализован с помощью множества параллельных диодов или единственного мостового выпрямителя.
Второй вариант осуществления
[0074] В этом втором варианте осуществления зарядная электроэнергия подается с однофазного или имеющего одну расщепленную фазу входа AC-электроэнергии, и входной каскад с входным мостовым выпрямителем, включенный в путь зарядной электроэнергии, имеет повышающий PFC-преобразователь.
[0075] Фиг. 5A показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии со вторым вариантом осуществления. На фиг. 5A некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются параллельно, когда система работает в режиме тяги. Фиг. 5B показывает другой схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии со вторым вариантом осуществления. На фиг. 5B некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются последовательно, когда система работает в режиме тяги.
[0076] За исключением различия в соединении катушек (параллельно или последовательно в режиме тяги), бортовые зарядно-тяговые системы, показанные на фиг. 5A и 5B, обе содержат многофазный электродвигатель, перезаряжаемый аккумулятор, инвертор, входной выпрямитель, выходной выпрямитель, конфигуратор и множество контакторов. Многофазный электродвигатель может содержать три или более фаз обмоток статора. В некоторых применениях, альтернативно, электродвигатель может быть двухфазным электродвигателем, приводимым в действие двумя комплектами полумостов. Инвертор содержит множество силовых переключающих устройств SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 и SW6 и служит для приведения в действие многофазного электродвигателя. Силовые переключающие устройства могут иметь различные допустимые нагрузки по току. Входной выпрямитель может быть однофазным мостовым выпрямителем. Конфигуратор содержит множество контакторов K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9 и K10. При правильном управлении конфигуратор служит для переконфигурирования соединений различных компонентов, в частности, соединений между катушками A-E обмоток и/или силовыми переключающими устройствами SW1-6, с тем, чтобы переключать систему между различными режимами работы. Комплект контакторов K1 и K2 может быть использован для соединения и разъединения положительной и отрицательной клемм перезаряжаемого аккумулятора. Более конкретно, контакторы K1 и K2 являются разомкнутыми в режиме заряда и замкнутыми в режиме тяги. Комплект контакторов K3 и K4 может быть использован для соединения и отсоединения выпрямленной DC-электроэнергии от входной AC-электроэнергии. Контакторы K3 и K4 являются замкнутыми в режиме заряда и разомкнутыми в режиме тяги.
[0077] Кроме того, системы, показанные на фиг. 5A и 5B, могут дополнительно содержать входной фильтр и/или выходной фильтр, которые могут быть использованы для уменьшения шума и пульсации напряжения или тока. Эти входные и выходные фильтры могут включать в себя, но не только, дроссели и/или конденсаторы. Конденсатор C1 может быть связан с входной стороной инвертора. Хотя здесь конденсатор C1 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. В качестве примера выходных фильтрующих компонентов, дроссель L1 и конденсатор C2 показаны на фиг. 5A и 5B. Хотя выходной конденсатор C2 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Альтернативно, если аккумулятор приспособлен допускать пульсирующий ток на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, конденсатор C2 может быть пропущен.
[0078] Хотя и не показаны на фиг. 5A и 5B. другие компоненты защиты схемы могут быть включены в систему, включающие в себя, но не только, схемы предварительного заряда, схемы разряда, схемы защиты от броска пускового тока и т.д.
[0079] Обращаясь обратно к фиг. 3, по меньшей мере одна из обмоток, намотанных на зубцы статора двигателя может делиться на две катушки. Разделенные обмотки имеют отдельные клеммы, которые могут быть переконфигурированы в различные соединения, чтобы применяться к различным режимам работы, т.е. режиму заряда и режиму тяги. Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 5A, в режим тяги, контакторы K1, K2, K5, K6, K7 и K8 замыкаются, а K3, K4, K9 и K10 размыкаются. В результате, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 6A. В рабочем режиме, показанном на фиг. 6A, все обмотки, которые усажены на один и тот же зубец, соединяются параллельно. По существу, катушка A и катушка D вместе формируют фазу A, катушка C и катушка E вместе формируют фазу C, а катушка B формирует фазу B самостоятельно. Аналогично, чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 5B, в режим тяги, контакторы K1, K2, K5, K6 и K8 замыкаются, а K3, K4, K7, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 6B. В рабочем режиме, показанном на фиг. 6B, все катушки, которые усажены на один и тот же зубец, соединяются последовательно. По существу, катушка A и катушка D вместе формируют фазу A, катушка C и катушка E вместе формируют фазу C, а катушка B формирует фазу B самостоятельно.
[0080] Когда бортовая зарядно-тяговая система работает в режиме тяги, перезаряжаемый аккумулятор может подавать DC-электроэнергию многофазному инвертору. Затем, инвертор может преобразовывать DC-электроэнергию в AC-электроэнергию и, таким образом, приводить многофазный электродвигатель в действие.
[0081] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 5A, в режим заряда, контакторы K3, K4, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K5, K6, K7 и K8 размыкаются. Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 5B, в режим заряда, контакторы K3, K4, K7, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K5, K6 и K8 размыкаются. Фиг. 6C показывает путь зарядной электроэнергии как построенный, который применяется к обеим бортовым зарядно-тяговым системам, показанным на фиг. 5A и 5B.
[0082] Когда бортовая зарядно-тяговая система конфигурируется в режим заряда, предусматривается полностью изолированное двухкаскадное зарядное устройство, которое содержит PFC повышающий входной каскад и полностью изолированный DC/DC выходной каскад. Входной каскад содержит входной мостовой выпрямитель. Дополнительно, катушка B электродвигателя может действовать в качестве PFC повышающего дросселя, с силовым переключающим устройством SW4 в качестве повышающего переключателя, паразитным диодом силового переключающего устройства SW3 в качестве диода обратной цепи и конденсатором C1 в качестве выходного конденсатора. В DC/DC выходном каскаде силовые переключающие устройства SW1, SW2, SW5 и SW6 создают мостовую схему управления. Кроме того, катушка A и катушка C действуют как первичная обмотка трансформатора, а катушка D и катушка E действуют как вторичная обмотка трансформатора. Выходной мостовой выпрямитель преобразует AC-электроэнергию, выводимую со вторичной стороны трансформатора, в DC-электроэнергию. Дроссель L1 и выходной конденсатор C2 соединяются на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, чтобы удалять пульсирующие компоненты в DC-электроэнергии.
[0083] В этом режиме заряда PFC повышающий входной каскад может преобразовывать однофазную AC-электроэнергию сети в DC-электроэнергию, в то же время выполняя компенсацию коэффициента мощности относительно сети. С помощью входного напряжения в качестве эталона для тока в дросселе катушки B входной ток может получать форму синусоидальной волны. Например, контур обратной связи по току может регулировать ток, чтобы следовать эталону, который является пропорциональным входному напряжению, и контур обратной связи может регулировать напряжение вставки постоянного тока на конденсаторе C1. Управление может реализовываться посредством отдельной ИС управления компенсацией коэффициента мощности или управляющего процессора, который будет описан ниже со ссылкой на фиг. 16. Затем мостовая управляющая схема второго каскада может получать DC-электроэнергию от первого каскада в качестве входной, инвертировать ее в AC-электроэнергию и пропускать инвертированную AC-электроэнергию через трансформатор, сформированный посредством обмоток электродвигателя, так что полная изоляция достигается. AC-электроэнергия, выводимая трансформатором, прикладывается к выходному мостовому выпрямителю и затем к выходному фильтру, чтобы формировать DC-электроэнергию для заряда аккумулятора.
Третий вариант осуществления
[0084] В этом третьем варианте осуществления зарядная электроэнергия подается с многофазного входа AC-электроэнергии, и путь зарядной электроэнергии содержит полный трехфазный PFC входной каскад.
[0085] Фиг. 7A показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего учения. На фиг. 7A некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются параллельно, когда система работает в режиме тяги. Фиг. 7B показывает другой схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с третьим вариантом осуществления настоящего учения. На фиг. 7B некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются последовательно, когда система работает в режиме тяги.
[0086] За исключением различия в соединении катушек (параллельно или последовательно) в режиме тяги, системы, показанные на фиг. 7A и 7B, обе содержат многофазный электродвигатель, перезаряжаемый аккумулятор, инвертор, выходной выпрямитель, конфигуратор и комплекты контакторов. Многофазный электродвигатель может содержать три или более фаз обмоток статора. В некоторых применениях, альтернативно, электродвигатель может быть двухфазным электродвигателем, приводимым в действие двумя комплектами полумостов. В ситуации, когда трехфазная PFC-функция выполняется в режиме заряда, инвертор содержит множество силовых переключающих устройств SW1, SW2, SW3a, SW3b, SW3c, SW4a, SW4b, SW4c, SW5 и SW6 и служит для приведения в действие многофазного электродвигателя. Силовые переключающие устройства могут иметь различные допустимые нагрузки по току. Конфигуратор содержит множество контакторов K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9, K10, K11, K12 и K13. При правильном управлении конфигуратор служит для переконфигурирования соединений различных компонентов, в частности, соединений между катушками A-E обмоток и/или силовыми переключающими устройствами SW1-6, с тем, чтобы переключаться между различными режимами работы. Комплект контакторов K1 и K2 может быть использован для соединения и разъединения положительной и отрицательной клемм перезаряжаемого аккумулятора. Контакторы K1 и K2 являются разомкнутыми в режиме заряда и замкнутыми в режиме тяги. Комплект контакторов K3, K4 и K5 может быть использован для соединения и отсоединения от входной AC-электроэнергии. Контакторы K3, K4 и K5 являются замкнутыми в режиме заряда и разомкнутыми в режиме тяги.
[0087] Кроме того, системы, показанные на фиг. 7A и 7B, могут дополнительно содержать входной фильтр и/или выходной фильтр, которые могут быть использованы для уменьшения шума и пульсации напряжения или тока. Конденсатор C1 может быть связан с входной стороной инвертора. Хотя здесь конденсатор C1 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Выходной фильтр может включать в себя, но не только, дроссели и/или конденсаторы. В качестве примера, конденсатор C2 и дроссель L1 показаны на фиг. 7A и 7B, которые служат для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя, чтобы заряжать аккумулятор. Хотя выходной конденсатор C2 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Альтернативно, если аккумулятор приспособлен допускать пульсирующий ток на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, конденсатор C2 может быть пропущен.
[0088] Хотя и не показаны на фиг. 7A и 7B. другие компоненты защиты схемы могут быть включены в систему, включающие в себя, но не только, схемы предварительного заряда, схемы разряда, схемы защиты от броска пускового тока и т.д.
[0089] Аналогично первому и второму вариантам осуществления, по меньшей мере одна из обмоток, намотанных на зубцы статора электродвигателя, может разделяться на две или более катушек. Другими словами, на по меньшей мере одном зубце статора электродвигателя, обмотка формируется посредством двух или более катушек. Каждая катушка имеет отдельные клеммы, которые могут быть переконфигурированы в различные соединения, чтобы применяться к режиму заряда и режиму тяги. Здесь, обмотка для фазы A разделяется на катушку A и катушку D, обмотка для фазы C разделяется на катушку C и катушку E. Обмотка для фазы B разделяется на катушку B1, катушку B2 и катушку B3, которые находятся на отдельных зубцах электродвигателя. В примере, катушка B1 намотана относительно двух зубцов, катушка B2 относительно других двух зубцов, катушка B3 относительно дополнительных других двух зубцов.
[0090] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 7A, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6, K7, K8, K11, K12 и K13 замыкаются, а K3, K4, K5, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 8A. В рабочем режиме, показанном на фиг. 8A, катушка A и катушка D соединяются параллельно, чтобы формировать фазу A; катушка C и катушка E соединяются параллельно, чтобы формировать фазу C; и катушка B1, катушка B2 и катушка B3 формируют фазу B (или каждая из них может быть отдельной фазой, в ситуации, когда электродвигатель является пятифазным электродвигателем вместо трехфазного электродвигателя).
[0091] Аналогично, чтобы конфигурировать систему, которая показана на фиг. 7B, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6, K8, K11, K12 и K13 замыкаются, а K3, K4, K5, K7, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 8B. В рабочем режиме, показанном на фиг. 8B, катушка A и катушка D соединяются последовательно, чтобы формировать фазу A; катушка C и катушка E соединяются последовательно, чтобы формировать фазу C. Кроме того, катушка B1, катушка B2 и катушка B3 формируют фазу B (или каждая из них может быть отдельной фазой). Поскольку катушки B1-B3 намотаны на зубцы одной и той же фазы (фазы B) электродвигателя, токи в них не создают вращающееся поле, которое заставляет электродвигатель вращаться.
[0092] Когда бортовая зарядно-тяговая система работает в режиме тяги, перезаряжаемый аккумулятор может подавать DC-электроэнергию многофазному инвертору. Затем, инвертор может преобразовывать DC-электроэнергию в AC-электроэнергию и, таким образом, приводит многофазный электродвигатель в действие. Множество центральных силовых переключающих устройств, показанных на фиг. 8A и 8B, переключаются вместе, чтобы действовать как единый полумост. Т.е. силовые переключающие устройства SW3a, SW3b и SW3c включаются и выключаются вместе; силовые переключающие устройства SW4a, SW4b и SW4c включаются и выключаются вместе.
[0093] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 7A, в режим заряда, контакторы K3, K4, K5, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K6, K7, K8, K11, K12 и K13 размыкаются. Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 7B, в режим заряда, контакторы K3, K4, K5, K7, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K6, K11, K12 и K13 размыкаются. Фиг. 8C показывает путь зарядной электроэнергии как построенный, который применяется к обеим бортовым зарядно-тяговым системам, показанным на фиг. 7A и 7B.
[0094] Когда бортовая зарядно-тяговая система конфигурируется в режим заряда, предусматривается полностью изолированное двухкаскадное зарядное устройство, которое содержит полный трехфазный повышающий PFC входной каскад и полностью изолированный DC/DC выходной каскад. Во входном каскаде катушка B1, катушка B2, катушка B3 работают как повышающие дроссели, а силовые переключающие устройства SW3a, SW3b, SW3c, SW4a и SW4с как повышающие PFC переключатели. В DC/DC выходном каскаде силовые переключающие устройства SW1, SW2, SW5 и SW6 создают мостовую схему управления. Кроме того, катушка A и катушка C действуют как первичная обмотка трансформатора, а катушка D и катушка E как вторичная обмотка трансформатора. Выходной мостовой выпрямитель преобразует AC-электроэнергию, выводимую со вторичной стороны трансформатора, в DC-электроэнергию. Дроссель L1 и выходной конденсатор C2 соединяются на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, чтобы удалять пульсирующие компоненты в DC-электроэнергии.
[0095] В этом режиме заряда PFC повышающий входной каскад может преобразовывать многофазную электроэнергию сети в DC-электроэнергию, в то же время выполняя компенсацию коэффициента мощности, чтобы добиваться синусоидального входного тока. Затем, мостовая управляющая схема второго каскада может получать DC-электроэнергию первого каскада в качестве входной, инвертировать ее в AC-электроэнергию и пропускать инвертированную AC-электроэнергию через трансформатор, сформированный посредством обмоток электродвигателя, так что полная изоляция достигается. AC-электроэнергия, выводимая трансформатором, прикладывается к выходному мостовому выпрямителю и затем к выходному конденсатору, чтобы формировать DC-электроэнергию, которая заряжает перезаряжаемый аккумулятор.
[0096] Чтобы формировать полный трехфазный PFC входной каскад, показанный на фиг. 8C, датчик напряжения размещается на входе, чтобы определять угловое положение AC на входе. Контур фазовой автоподстройки частоты может быть использован для выполнения этой функции. Когда информация об угле, представляющая фазовое напряжение одной фазы (такой как фаза A), получается, управление переключателем может быть реализовано через преобразование dq в ABC и модуляцию вектора состояния с тем, чтобы определять требуемое возбуждение для силовых переключающих устройств. В этой схеме одна преобразованная ось (например, ось d) управляет коэффициентом мощности, а другая ось (например, ось q) управляет потоком электроэнергии и используется для регулирования промежуточного напряжения шины вставки постоянного тока. Кроме того, внутренний токовый контур используется относительно каждой оси для выполнения компенсации коэффициента мощности. По меньшей мере два датчика тока требуются для измерения входного тока. Однако, поскольку суммарный ток требуется в режиме тяги, три датчика тока являются предпочтительными.
Четвертый вариант осуществления
[0097] В этом четвертом варианте осуществления зарядная электроэнергия подается от однофазного источника электроэнергии или имеющего одну расщепленную фазу источника электроэнергии, и путь заряда содержит однофазный или имеющий расщепленную фазу двухтактный PFC входной каскад.
[0098] Фиг. 9A показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего учения. На фиг. 9A некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются параллельно, когда система работает в режиме тяги. Фиг. 9B показывает другой схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с четвертым вариантом осуществления настоящего учения. На фиг. 9B некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются последовательно, когда система работает в режиме тяги.
[0099] За исключением различия в соединении катушек (параллельно или последовательно) в режиме тяги, бортовые зарядно-тяговые системы, показанные на фиг. 9A и 9B, обе содержат многофазный электродвигатель, перезаряжаемый аккумулятор, инвертор, выходной выпрямитель, конфигуратор и комплекты контакторов. Многофазный электродвигатель может содержать три или более фаз обмоток статора. В некоторых применениях, альтернативно, электродвигатель может быть двухфазным электродвигателем, приводимым в действие двумя комплектами полумостов. В ситуации, когда однофазная или имеющая расщепленную фазу двухтактная PFC выполняется в режиме заряда, инвертор содержит множество силовых переключающих устройств SW1, SW2, SW3a, SW3b, SW4a, SW4b, SW5 и SW6 и служит для привода многофазного электродвигателя. Силовые переключающие устройства могут иметь различные допустимые нагрузки по току. Конфигуратор содержит множество контакторов K1, K2, K3, K4, K6, K7, K8, K9, K10, K11 и K12. При правильном управлении конфигуратор служит для переконфигурирования соединений различных компонентов, в частности, соединений между катушками A-E обмоток и/или силовыми переключающими устройствами SW1-6, с тем, чтобы переключаться между различными режимами работы. Комплект контакторов K1 и K2 может быть использован для соединения и разъединения положительной и отрицательной клемм перезаряжаемого аккумулятора. Контакторы K1 и K2 являются разомкнутыми в режиме заряда и замкнутыми в режиме тяги. Комплект контакторов K3 и K4 может быть использован для соединения и отсоединения от входной AC-электроэнергии. Контакторы K3 и K4 являются замкнутыми в режиме заряда и разомкнутыми в режиме тяги.
[00100] Кроме того, системы, показанные на фиг. 9A и 9B, могут дополнительно содержать входной фильтр и/или выходной фильтр, которые могут быть использованы для уменьшения шума и пульсации напряжения или тока. Конденсатор C1 может быть связан с входной стороной инвертора. Хотя здесь конденсатор C1 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Выходной фильтр может включать в себя, но не только, дроссели и/или конденсаторы. В качестве примера, конденсатор C2 и дроссель L1 показаны на фиг. 9A и 9B, которые служат для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя, чтобы питать аккумулятор. Хотя выходной конденсатор C2 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Альтернативно, если аккумулятор приспособлен допускать пульсирующий ток на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, конденсатор C2 может быть пропущен.
[00101] Хотя и не показаны на фиг. 9A и 9B. другие компоненты защиты схемы могут быть включены в систему, включающие в себя, но не только, схемы предварительного заряда, схемы разряда, схемы защиты от броска пускового тока и т.д.
[00102] Аналогично первому-третьему вариантам осуществления, по меньшей мере одна из обмоток, намотанных на зубцы статора электродвигателя, может разделяться на две или более катушек. Другими словами, на по меньшей мере одном зубце статора электродвигателя, обмотка формируется посредством двух или более катушек. Разделенные обмотки имеют отдельные клеммы, которые могут быть переконфигурированы в различные соединения для применения к режиму заряда и режиму тяги. Например, обмотка для фазы A разделяется на катушку A и катушку D, обмотка для фазы C разделяется на катушку C и катушку E, а обмотка для фазы B разделяется на катушку B1 и катушку B2.
[00103] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 9A, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6, K7, K8, K11 и K12 замыкаются, а K3, K4, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 10A. В рабочем режиме, показанном на фиг. 10A, катушка A и катушка D соединяются параллельно, чтобы формировать фазу A; катушка C и катушка E соединяются параллельно, чтобы формировать фазу C; и катушка B1 и катушка B2 формируют фазу B (или каждая из них может быть отдельной фазой).
[00104] Аналогично, чтобы конфигурировать систему, которая показана на фиг. 9B, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6, K8, K11 и K12 замыкаются, а K3, K4, K7, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 10B. В рабочем режиме, показанном на фиг. 10B, катушка A и катушка D соединяются последовательно, чтобы формировать фазу A; катушка C и катушка E соединяются последовательно, чтобы формировать фазу C; и катушка B1 и катушка B2 формируют фазу B (или каждая из них может быть отдельной фазой).
[00105] Когда бортовая зарядно-тяговая система работает в режиме тяги, перезаряжаемый аккумулятор может подавать DC-электроэнергию многофазному инвертору. Затем, инвертор может преобразовывать DC-электроэнергию в AC-электроэнергию и, таким образом, приводить многофазный электродвигатель в действие.
[00106] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 9A, в режим заряда, контакторы K3, K4, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K6, K7, K8, K11 и K12 размыкаются. Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 9B, в режим заряда, контакторы K3, K4, K7, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K6, K8, K11 и K12 размыкаются. Фиг. 10C показывает путь зарядной электроэнергии как построенный, который применяется к обеим бортовым зарядно-тяговым системам, показанным на фиг. 9A и 9B.
[00107] Когда бортовая зарядно-тяговая система конфигурируется в режим заряда, предусматривается полностью изолированное двухкаскадное зарядное устройство, которое содержит однофазный или имеющий расщепленную фазу двухтактный PFC входной каскад и полностью изолированный DC/DC выходной каскад. Во входном каскаде катушка B1 и катушка B2 работают в качестве повышающих PFC-дросселей, а силовые переключающие устройства SW3a, SW3b, SW4a и SW4b в качестве полномостовых переключателей, управляющих потоком электроэнергии и приданием входному току синусоидальной формы волны. В выходном каскаде силовые переключающие устройства SW1, SW2, SW5 и SW6 создают мостовую схему управления. Кроме того, катушка A и катушка C действуют как первичная обмотка трансформатора, а катушка D и катушка E как вторичная обмотка трансформатора. Выходной мостовой выпрямитель преобразует AC-сигнал на вторичной стороне трансформатора в DC-электроэнергию. Дроссель L1 и выходной конденсатор C2 соединяются на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, чтобы удалять пульсирующие компоненты.
[00108] В этом режиме PFC повышающий входной каскад может преобразовывать однофазную AC-электроэнергию сети в DC-электроэнергию, в то же время выполняя компенсацию коэффициента мощности, чтобы добиваться синусоидального входного тока. Затем, мостовая управляющая схема второго каскада может получать DC-электроэнергию от первого каскада в качестве входной, инвертировать ее в AC-электроэнергию и пропускать инвертированную AC-электроэнергию через трансформатор, сформированный посредством обмоток электродвигателя, так что полная изоляция достигается. AC-электроэнергия, выводимая трансформатором, прикладывается к выходному мостовому выпрямителю и затем к выходному фильтру, чтобы формировать DC-электроэнергию, которая заряжает перезаряжаемый аккумулятор.
Пятый вариант осуществления
[00109] В этом пятом варианте осуществления зарядная электроэнергия подается от однофазного источника электроэнергии или имеющего одну расщепленную фазу источника электроэнергии, и путь зарядной электроэнергии содержит однофазный или имеющий расщепленную фазу двухтактный PFC входной каскад с дополнительными диодами.
[00110] Фиг. 11A показывает схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего учения. На фиг. 11A некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются параллельно, когда система работает в режиме тяги. Фиг. 11B показывает другой схематичный чертеж, относящийся к бортовой зарядно-тяговой системе в соответствии с пятым вариантом осуществления настоящего учения. На фиг. 11B некоторые катушки, используемые для построения трансформатора в режиме заряда, соединяются последовательно, когда система работает в режиме тяги.
[00111] За исключением различия в соединении катушек (параллельно или последовательно) в режиме тяги, бортовые зарядно-тяговые системы, показанные на фиг. 11A и 11B, обе содержат многофазный электродвигатель, перезаряжаемый аккумулятор, инвертор, диоды D1 и D2, выходной выпрямитель, конфигуратор и комплекты контакторов. Многофазный электродвигатель может содержать три или более фаз обмоток статора. В некоторых применениях, альтернативно, электродвигатель может быть двухфазным электродвигателем, приводимым в действие двумя комплектами полумостов. В ситуации, когда функция однофазной или имеющей расщепленную фазу двухтактной PFC выполняется в режиме заряда, инвертор может содержать 6 силовых переключающих устройств SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 и SW6. Силовые переключающие устройства могут иметь различные допустимые нагрузки по току. Дополнительные диоды D1 и D2 размещаются между положительным и отрицательным полюсами источник входной электроэнергии. Конфигуратор содержит множество контакторов K1, K2, K3, K4, K5, K6, K7, K8, K9 и K10. При правильном управлении конфигуратор служит для переконфигурирования соединений различных компонентов, в частности, соединений между катушками A-E обмоток и/или силовыми переключающими устройствами SW1-6, с тем, чтобы переключать систему между различными режимами работы. Комплект контакторов K1 и K2 может быть использован для соединения и разъединения положительной и отрицательной клемм перезаряжаемого аккумулятора. Контакторы K1 и K2 являются разомкнутыми в режиме заряда и замкнутыми в режиме тяги. Комплект контакторов K3 и K4 может быть использован для соединения и отсоединения от входной AC-электроэнергии. Контакторы K3 и K4 являются замкнутыми в режиме заряда и разомкнутыми в режиме тяги.
[00112] Кроме того, системы, показанные на фиг. 11A и 11B, могут дополнительно содержать входной фильтр и/или выходной фильтр, которые могут быть использованы для уменьшения шума и пульсации напряжения или тока. Конденсатор C1 может быть связан с входной стороной инвертора. Хотя здесь конденсатор C1 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Выходной фильтр может включать в себя, но не только, дроссели и/или конденсаторы. В качестве примера, конденсатор C2 и дроссель L1 показаны на фиг. 11A и 11B, которые служат для сглаживания пульсирующего напряжения на выходе выпрямителя, чтобы питать аккумулятор. Хотя выходной конденсатор C2 показан как единственный, также может быть множество конденсаторов или модуль с множеством конденсаторов, собранных вместе. Альтернативно, если аккумулятор приспособлен допускать пульсирующий ток на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, конденсатор C2 может быть пропущен.
[00113] Хотя и не показаны на фиг. 11A и 11B, другие компоненты защиты схемы могут быть включены в систему, включающие в себя, но не только, схемы предварительного заряда, схемы разряда, схемы защиты от броска пускового тока и т.д.
[00114] Аналогично первому-четвертому вариантам осуществления, по меньшей мере одна из обмоток, намотанных на зубцы статора электродвигателя, может иметь разделенную структуру. Разделенные обмотки имеют отдельные клеммы, которые могут быть переконфигурированы в различные соединения для применения к режиму заряда и режиму тяги. Например, обмотка для фазы A разделяется на катушку A и катушку D, обмотка для фазы C разделяется на катушку C и катушку E.
[00115] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая иллюстрирована на фиг. 11A, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6, K7 и K8 замыкаются, а K3, K4, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 12A. В рабочем режиме, показанном на фиг. 12A, все обмотки, которые усажены на один и тот же зубец, соединяются параллельно: катушка A и катушка D вместе формируют фазу A, катушка C и катушка E вместе формируют фазу C; и катушка B формирует фазу B самостоятельно.
[00116] Аналогично, чтобы конфигурировать систему, которая показана на фиг. 11B, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6 и K8 замыкаются, а K3, K4, K7, K9 и K10 размыкаются. Соответственно, путь тяговой электроэнергии строится, как показано на фиг. 12B. В рабочем режиме, показанном на фиг. 12B, все катушки, которые усажены на один и тот же зубец, соединяются последовательно: катушка A и катушка D вместе формируют фазу A; катушка C и катушка E вместе формируют фазу C; и катушка B формирует фазу B самостоятельно.
[00117] Когда бортовая зарядно-тяговая система работает в режиме тяги, перезаряжаемый аккумулятор может подавать DC-электроэнергию многофазному инвертору. Затем, инвертор может преобразовывать DC-электроэнергию в AC-электроэнергию и, таким образом, приводит многофазный электродвигатель в действие.
[00118] Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 11A, в режим заряда, контакторы K3, K4, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K6, K7 и K8 размыкаются. Чтобы конфигурировать бортовую зарядно-тяговую систему, которая показана на фиг. 11B, в режим заряда, контакторы K3, K4, K7, K9 и K10 замыкаются, а K1, K2, K6 и K8 размыкаются. Фиг. 12C показывает путь зарядной электроэнергии как построенный, который применяется к обеим бортовым зарядно-тяговым системам, показанным на фиг. 11A и 11B.
[00119] Когда бортовая зарядно-тяговая система конфигурируется в режим заряда, предусматривается полностью изолированное двухкаскадное зарядное устройство, которое содержит однофазный или имеющий расщепленную фазу двухтактный PFC входной каскад с дополнительными диодами и полностью изолированный DC/DC выходной каскад. В двухтактном PFC входном каскаде катушка B может работать в качестве повышающего дросселя, а силовые переключающие устройства SW3 и SW4 в качестве повышающих PFC-переключателей. Диод D1 проводит во время положительных полуциклов входного напряжения, и силовое переключающее устройство SW3 является PWM-управляемым, с тем, чтобы придавать входному току синусоидальную форму сигнала. Во время отрицательного полуцикла входного напряжения диод D2 проводит, и силовое переключающее устройство SW4 является PWM-управляемым, с тем, чтобы придавать входному току синусоидальную форму сигнала. В DC/DC выходном каскаде силовые переключающие устройства SW1, SW2, SW5 и SW6 создают мостовую схему управления. Кроме того, катушка A и катушка C действуют как первичная обмотка трансформатора, а катушка D и катушка E как вторичная обмотка трансформатора. Выходной мостовой выпрямитель преобразует AC-электроэнергию, выводимую со вторичной стороны трансформатора, в DC-электроэнергию. Дроссель L1 и выходной конденсатор C2 соединяются на выходной стороне выходного мостового выпрямителя, чтобы удалять пульсирующие компоненты в DC-электроэнергии.
[00120] В этом режиме заряда PFC повышающий входной каскад может преобразовывать однофазную AC-электроэнергию сети в DC-электроэнергию, в то же время выполняя компенсацию коэффициента мощности, чтобы добиваться синусоидального входного тока. Затем, мостовая управляющая схема второго каскада может получать DC-электроэнергию первого каскада в качестве входной, инвертировать ее в AC-электроэнергию и пропускать инвертированную AC-электроэнергию через трансформатор, сформированный посредством обмоток электродвигателя, так что полная изоляция достигается. AC-электроэнергия, выводимая трансформатором, прикладывается к выходному мостовому выпрямителю и затем к выходному фильтру, с тем, чтобы формировать DC-электроэнергию, которая заряжает перезаряжаемый аккумулятор.
[00121] Фиг. 13 показывает блок-схему последовательности операций, относящуюся к работе бортовой зарядно-тяговой системы в соответствии с примером настоящего учения. Обычно, система работает в режиме тяги. В этом режиме контакторы K1 и K2 являются замкнутыми, K3 и K4 являются разомкнутыми, и конфигуратор находится в состоянии тяги, так что аккумулятор выводит электроэнергию на электродвигатель по пути тяговой электроэнергии. Когда определяется, что запрос заряда аккумулятора электрического транспортного средства принят, что транспортное средство находится в состоянии парковки, и что зарядный кабель, приспособленный для присоединения системы к внешнему источнику питания, вставлен, система должна быть переключена в режим заряда. Чтобы осуществлять переключение из режима тяги в режим заряда, контакторы K1 и K2 размыкаются, и электрическая энергия, сохраненная в конденсаторах C1 и C2, разряжается. Затем, конфигуратор переключается из состояния тяги в состояние заряда. В то время как контакторы K1 и K2 поддерживаются разомкнутыми, конденсатор C1 предварительно заряжается, а затем, контакторы K3 и K4 замыкаются. На основе запроса от системы управления аккумулятора транспортного средства аккумулятор начинает заряжаться. Режим заряда продолжается до тех пор, пока не будет определено, что аккумулятор полностью заряжен, или что электрическое соединение с внешним источником питания разъединено, или что какой-либо отказ обнаружен во время процесса заряда. Если какое-либо из этих условий удовлетворяется, заряд аккумулятора прекращается, и система переключается из режима заряда обратно в режим тяги посредством размыкания контакторов K3 и K4 и разряда электрической энергии, сохраненной в обоих конденсаторах C1 и C2. Затем, конфигуратор переключается из состояния заряда в состояние тяги. В то время как контакторы K3 и K4 поддерживаются разомкнутыми, конденсаторы C1 и C2 предварительно заряжаются, а затем контакторы K1 и K2 замыкаются. Система возвращается в обычный режим тяги до тех пор, пока следующий запрос заряда не будет принят.
[00122] Фиг. 14 показывает схематичный чертеж, относящийся к предварительному заряду конденсатора C1 в соответствии с примером настоящего учения. Как обсуждалось выше, входной конденсатор C1 должен быть заряжен, прежде чем контакторы K3 и K4 замыкаются. Например, в бортовой зарядно-тяговой системе, показанной на фиг. 2B, предварительный заряд может быть выполнен по ветви, включающей в себя дополнительный контактор K9 и резистор R1. Резистор R1 соединяется с контактором K9 последовательно, служа для ограничения тока предварительного заряда.
[00123] В режиме заряда зарядная электроэнергия может быть приложена, следуя указанной ниже последовательности. Сначала, контакторы K1, K2, K5, K6, K7, K8, K9 и K10 переключаются в позиции заряда. С разомкнутыми контакторами K3, K4 и K9 прикладывается входная AC-электроэнергия. Это обычно подразумевает процесс рукопожатия с интерфейсом внешнего источника питания. Затем, контакторы K4 и K9 замыкаются, чтобы предоставлять возможность конденсатору C1 предварительно заряжаться. Время заряда может быть по меньшей мере примерно в 5 раз больше временных констант для R1 и C1, так что конденсатор C1 полностью заряжается. После того как предварительный заряд конденсатора C1 завершается, контактор K3 может быть замкнут, а K9 может быть разомкнут, с тем, чтобы экономить рассеяние электроэнергии катушки.
[00124] В примере, показанном на фиг. 14, путь заряда существует от входного источника питания, через верхние диоды во входном мостовом выпрямителе, контактор K9, резистор R1, катушку B, встречно-параллельный диод силового переключающего устройства SW3, к стороне анода конденсатора C1. Возвратный путь существует от стороны катода конденсатора C1, через контактор K4 и нижние диоды входного мостового выпрямителя, обратно к входному источнику питания.
[00125] Конденсатор C2 выходного фильтра может также быть предварительно заряжен, прежде чем перезаряжаемый аккумулятор подключается. Поскольку конденсатор C2 подключается между концами перезаряжаемого аккумулятора, предварительный заряд конденсатора C2 может выполняться через систему управления перезаряжаемого аккумулятора, которая не показана на фиг. 14.
[00126] Возьмем первый вариант осуществления в качестве примера, фиг. 15A показывает высокоуровневый схематичный чертеж, относящийся к компонентам аппаратных средств бортовой зарядно-тяговой системы в соответствии с настоящим учением. Помимо компонентов, ранее описанных со ссылкой на фиг. 2A, различные дополнительные компоненты содержатся в системе, включающие в себя, но не только, датчики тока, датчики напряжения, датчики температуры (не иллюстрированы на фиг. 15A), резольвер или любой другой датчик (не иллюстрирован на фиг. 15A), приспособленный для предоставления необходимой степени идентификации углового положения ротора электродвигателя, и центральное устройство управления зарядом/тягой, и т.д.
[00127] Как показано на фиг. 15A, изолированное обнаружение напряжения предусматривается для измерения напряжения на шине вставки постоянного тока и напряжения аккумулятора, соответственно. Обнаруженные сигналы напряжения передаются в устройство управления зарядом/тягой. В режиме тяги напряжение на шине вставки постоянного тока и напряжение аккумулятора становятся одним и тем же сигналом. Они являются отдельными сигналами в режиме заряда. Функция обнаружения напряжения может выполняться посредством изолированных датчиков, доступных на рынке, таких как датчики на основе интегральных схем. Этот тип изолированных датчиков требует изолированных силовых и делительных резисторов на высоковольтной стороне. В ситуации, когда полная гальваническая изоляция не нужна, подходы обнаружения на основе дифференциальных усилителей с высоким импедансом также являются возможными.
[00128] Изолированное обнаружение тока также показано на фиг. 15A. Более конкретно, изолированный датчик тока предоставляется для обнаружения тока в полумосте, содержащем силовые переключающие устройства SW1 и SW2 (соответствующие фазе A). Аналогично, существуют датчики тока для других двух полумостов, один используется для полумоста, состоящего из силовых переключающих устройств SW3 и SW4, другой для полумоста, состоящего из силовых переключающих устройств SW5 и SW6. Датчики тока могут быть реализованы посредством токовых датчиков Холла. Альтернативно, могут быть использованы шунты с развязывающими усилителями. Ради экономии затрат два датчика тока могут удовлетворять требованиям управления для электродвигателя и системы заряда. Однако, для того, чтобы получать улучшенную защиту, три или более датчиков тока могут быть использованы. Например, если меньшая точность является приемлемой, зарядный ток может быть оценен из первичного тока, обнаруженного посредством датчиков фазы A и фазы C. В качестве другого примера, для того, чтобы получать высокоточное регулирование зарядного тока, помимо трех датчиков тока для фаз A-C четвертый датчик тока предусматривается для измерения зарядного тока. Аналогично датчикам тока трех фаз, четвертый датчик тока может быть токовым датчиком Холла, шунтом и т.д.
[00129] Устройство управления зарядом/тягой получает сигналы от различных датчиков в качестве входных и формирует команды для управления силовыми переключающими устройствами и контакторами. Контроллер может быть DSP, FPGA, MCU или любым другим надлежащим программируемым контроллером. Формирователи с изолирующим затвором подключаются между устройством управления зарядом/тягой и силовыми переключающими устройствами, чтобы соединять возбуждающие сигналы между границами изоляции и предоставлять высокие пульсирующие токи, чтобы предоставлять возможность силовым переключающим устройствам включаться/выключаться быстро ради более низких потерь. Различные формирователи с изолированным затвором, доступные на рынке, могут быть использованы, включающие в себя, но не только, оптические связанные формирователи, емкостные связанные формирователи и т.д.
[00130] Возьмем третий вариант осуществления в качестве примера, фиг. 15B показывает высокоуровневый схематичный чертеж, относящийся к компонентам аппаратных средств бортовой зарядно-тяговой системы в соответствии с другим примером. Помимо компонентов, ранее описанных со ссылкой на фиг. 7A, различные дополнительные компоненты содержатся в системе, включающие в себя, но не только, датчики Ia, Ib1, Ib2, Ib3, Ic и Iout тока, датчики VI1, VI2, VI3, Vdc и Vout напряжения, температурные датчики (не иллюстрированы на фиг. 15B), центральный контроллер заряда/тяги и резольвер или любой датчик положения ротора (не иллюстрирован на фиг. 15B) для считывания положения ротора, и т.д.
[00131] Фиг. 16 показывает больше подробностей соединения от устройства управления зарядом/тягой до устройства управления возбуждением с изолированным затвором, которое имеет улучшенные PWM-выходные сигналы (EPWM), чтобы приводить в действие силовые переключающие устройства SW1-SW6, включенные в бортовую зарядно-тяговую систему в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего учения. Приводимые в действие сигналами EPWM1A и EPWM1B, силовые переключающие устройства SW1 и SW2 формируют возбуждение фазы A в режиме тяги и работают как часть PWM-возбуждения трансформатора в режиме заряда. Приводимые в действие сигналами EPWM3A и EPWM3B, силовые переключающие устройства SW5 и SW6 формируют возбуждение фазы C в режиме тяги и работают как часть PWM-возбуждения трансформатора в режиме заряда. Приводимые в действие сигналами EPWM2A и EPWM2B, силовые переключающие устройства SW3 и SW4 формируют возбуждение фазы B в режиме тяги и работают как повышающий преобразователь в режиме заряда. Отдельные включающие выходные сигналы предоставляются для фаз A и C и для фазы B. Причина состоит в том, что они играют различные роли в режиме заряда. Назначения штырьковых контактов процессора могут изменяться в зависимости от типа используемого процессора, но не ограничиваются назначениями, иллюстрированными на фиг. 16.
[00132] В примере, показанном на фиг. 16, силовые переключающие устройства SW1-SW6 включаются посредством соответствующих PWM-выходных сигналов на низком уровне, выключаются посредством соответствующих PWM-выходных сигналов на высоком уровне. По существу, инверторы размещаются на выходах, и нагрузочные повышающие логический уровень резисторы предусматриваются, чтобы гарантировать, что силовые переключающие устройства выключаются, в то время как процессор сбрасывается. Если логика управления спроектирована так, что PWM-выходной сигнал высокого уровня включает соответствующее силовое переключающее устройство, тогда инверторы не нужны, и понижающие логический уровень резисторы предусматриваются вместо повышающих логический уровень резисторов, показанных на фиг. 16.
[00133] В качестве примера функций защиты от отказа, применяемых в бортовой зарядно-тяговой системе настоящего учения, фиг. 16 показывает модуль обнаружения отказа и фиксации состояния, который является отдельным от процессора. Этот подход экономит больше аппаратных ресурсов, но предоставляет более надежную защиту, особенно когда процессор блокируется, когда существуют проблемы кода (которые обычно возникают во время периода разработки) и т.д.
[00134] Фиг. 17 показывает примерную схему управления, выполняемую в режиме заряда бортовой зарядно-тяговой системы в соответствии с настоящим учением. Схема управления зарядом, как показано, может быть реализована с помощью встроенного DSP-процессора или дискретной управляющей электронной аппаратуры. Заряд аккумулятора может выполняться либо в режиме постоянного тока, либо в режиме постоянного напряжения. Типично, для того, чтобы обеспечивать выравнивание элементов в перезаряжаемом аккумуляторе, заряд выполняется в режиме постоянного тока в начале процесса заряда, а затем переходит в режим постоянного напряжения. По сравнению с ситуацией с режимом постоянного тока более низкая зарядная электроэнергия используется в режиме постоянного напряжения.
[00135] Как может быть видно на фиг. 17, контур управления по напряжению, включенный в устройство управления зарядом/тягой, имеет множество входов ограничения напряжения. Типично, система управления перезаряжаемого аккумулятора может снабжать контур управления по напряжению информацией, ассоциированной с максимальным напряжением, которое перезаряжаемый аккумулятор может размещать в данный момент. Такое ограничение напряжения аккумулятора может быть отправлено из системы управления аккумулятором устройству управления зарядом/тягой через любую подходящую линию передачи данных, такую как информационная CAN-шина. Также в контур управления по напряжению вводится аппаратное ограничение напряжения, которое представляет то, насколько высоко напряжение, которое путь зарядной электроэнергии может безопасно создавать. Аппаратное ограничение напряжения не является максимальным напряжением, которое путь зарядной электроэнергии приспособлен создавать, но ограничением максимального напряжения, определенным на основе пределов нагрузки компонентов. Необязательно, через линию передачи отладочных данных, например, отладочный предел напряжения также сообщается контуру управления по напряжению. Отладочный предел напряжения является полезным в отладке и разработке бортовой зарядно-тяговой системы.
[00136] На основе предела напряжения аккумулятора, аппаратного предела напряжения и необязательно отладочного предела напряжения, когда вводится, блок MIN 1 формирует и выводит команду напряжения в суммирующий узел 1. Сформированная команда напряжения представляет минимум из введенных различных пределов напряжения. В суммирующем узле 1 команда напряжения сравнивается с обнаруженным фактическим напряжением с тем, чтобы получать погрешность напряжения. Эта погрешность напряжения вводится в ПИ-регулятор 1, чтобы формировать команду тока. Альтернативно, различные контроллеры, включающие в себя, но не только, интегральные контроллеры, могут быть использованы вместо ПИ-регулятора 1. Сформированная команда тока отправляется, в качестве входного сигнала, в блок MIN 2 контура управления по току устройства управления зарядом/тягой.
[00137] Как может быть видно на фиг. 17, помимо команды тока, выводимой из ПИ-регулятора 1 контура управления по напряжению, блок MIN 2 контура управления по току, включенного в устройство управления зарядом/тягой, принимает множество ограничений тока в качестве входных данных. Аналогично, система управления перезаряжаемого аккумулятора может снабжать контур управления по току информацией, ассоциированной с максимальным током, который перезаряжаемый аккумулятор может размещать в данный момент. Такой предел тока аккумулятора может быть отправлен из системы управления аккумулятором устройству управления зарядом/тягой через информационную CAN-шину, например. Также в контур управления по току вводится аппаратный предел тока. В одном аспекте, аппаратный предел тока отражает допустимую нагрузку по току пути зарядной электроэнергии. Например, путь зарядной электроэнергии может иметь ограниченную допустимую нагрузку по току около 200 А. В другом аспекте, аппаратное ограничение тока отражает ограниченную входную электроэнергию вследствие максимального входного тока, который может быть потреблен из входной линии. Этот максимальный входной ток может быть рассчитан на основе напряжения аккумулятора. Альтернативно, датчик входного тока может быть использован для предоставления более точной информации о входном токе. Более точная информация о токе доступна, ближе к ограничению входного тока бортовой зарядно-тяговой системе предоставляется возможность работать. Опять же, через линию передачи отладочных данных необязательный отладочный предел тока сообщается контуру управления по току.
[00138] На основе команды тока от ПИ-регулятора 1 контура управления по току аппаратного ограничения тока, ограничения тока аккумулятора и необязательного отладочного ограничения тока, когда вводится, блок MIN 2 формирует и выводит команду тока суммирующему узлу 2. Сформированная команда тока представляет минимум из различных входных данных. Поскольку команда тока из контура управления по напряжению используется в качестве входной команды контура управления по току, устройство управления зарядом/тягой способно ограничивать напряжение на перезаряжаемом аккумуляторе. Если команда тока из контура управления по напряжению ниже других ограничений тока, введенных в блок MIN 2, это именно то, что является управляющим, и, таким образом, зарядное устройство работает в режиме управления по напряжению. Если какой-либо из пределов тока, введенных в блок MIN 2, ниже команды тока из контура управления по напряжению, тогда зарядное устройство работает в режиме управления по току с наименьшим пределом тока, являющимся заданной командой тока. В суммирующем узле 2 командное заданное значение тока сравнивается с обнаруженным фактическим током с тем, чтобы получать погрешность тока. Эта погрешность тока вводится в ПИ-регулятор 2, чтобы формировать команду сдвига фазы. Альтернативно, различные контроллеры, включающие в себя, но не только, интегральные контроллеры, могут быть использованы вместо ПИ-регулятора 2. Выходной сигнал ПИ-регулятора 2 является командой сдвига фазы, которая используется для изменения сдвига фазы между PWM-сигналами EPWM3 и EPWM1. Команда сдвига фазы должна быть ограничена, чтобы поддерживаться в требуемом диапазоне, чтобы предотвращать реверс коэффициента усиления. Например, диапазон равен от 1 до 180 градусов.
[00139] Транспортное средство обычно функционирует в режиме тяги. Когда устройство управления зарядом/тягой переключается из состояния заряда в состояние тяги, конфигурация выходных EPWM-сигналов от процессора устройства управления зарядом/тягой переключается соответственно. В состоянии тяги процессор конфигурируется, чтобы создавать трехфазный выходной PWM-сигнал, с нерабочим временем между верхними силовыми переключающими устройствами и нижними силовыми переключающими устройствами в каждом плече моста инвертора, чтобы избегать пробоя. Поскольку настоящее учение не изменяет способ, которым электродвигатель приводится в режиме тяги, традиционные технологии являются применимыми для управления тягой. Например, управление тягой может быть реализовано посредством стандартного профильного устройства управления (FOC), с датчиком, предоставляющим сигнал обратной связи, ассоциированный с положением вала для выходного вала ротора электродвигателя. Типично, резольвер присоединяется на электродвигатель, чтобы измерять положение вала.
[00140] Хотя только один электродвигатель, один перезаряжаемый аккумулятор, один инвертор, один входной мостовой выпрямитель и один выходной мостовой выпрямитель иллюстрируются на чертежах, сопровождающих описание первого-пятого вариантов осуществления, специалист в области техники может ожидать, что множество электродвигателей, перезаряжаемых аккумуляторов, инверторов, входных мостовых выпрямителей и/или выходных мостовых выпрямителей может быть предоставлено в бортовой зарядно-тяговой системе. Например, два электродвигателя могут приводить передние и задние колеса в электрическом транспортном средстве отдельно, или, аналогично, четыре электродвигателя могут приводить каждое колесо отдельно. В последующем, два подхода для применения на практике настоящего учения с множеством электродвигателей будут обсуждены со ссылкой на фиг. 18A-20B.
[00141] Фиг. 18A-18G показывают схематичные чертежи, относящиеся к различным соединениям более чем одного электродвигателя и/или более чем одного аккумулятора бортовой зарядно-тяговой системы в соответствии с примерами настоящего учения. Один электродвигатель и сопровождающая его система зарядного устройства-инвертора или множество электродвигателей и сопровождающие их системы зарядных устройств-инверторов могут быть соединены с одним и тем же аккумулятором или с различными аккумуляторами. Каждый из сочетания системы зарядного устройства-инвертора и электродвигателя работает независимо, чтобы заряжать аккумулятор или аккумуляторы. Аккумулятор может быть отдельным без электрического соединения между ними. Альтернативно, по меньшей мере некоторые из аккумуляторов могут быть соединены последовательно или параллельно.
[00142] Фиг. 19 показывает схематичный чертеж, относящийся к соединениям двух или более зарядных устройств-инверторов и аккумулятора в соответствии с другим примерным примером. В этом сценарии, два или более зарядных устройств-инверторов могут быть использованы в качестве различных каскадов пути зарядной электроэнергии в режиме заряда. Более конкретно, один или более зарядных устройств-инверторов из множества зарядных устройств-инверторов в системе могут работать в качестве первого каскада, в то время как другие один или более зарядных устройств-инверторов из множества зарядных устройств-инверторов могут работать в качестве второго DC/DC-каскада. Первый каскад может быть повышением PFC или передним каскадом с повышающим преобразователем для одной или множества фаз. Второй каскад может быть соединен параллельно или последовательно. В режиме тяги два или более зарядных устройств-инверторов могут работать независимо или вместе.
[00143] Чтобы конфигурировать систему, показанную на фиг. 19, в режим тяги, контакторы K1, K2, K6, K7, K8, K13, K17 и K20 замыкаются, в то время как K3, K4, K5, K9, K10, K14, K15, K16, K18, K19 и K21 размыкаются. В результате, формируется путь тяговой электроэнергии, как показано в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 20A. На фиг. 20A один и тот же перезаряжаемый аккумулятор подключается, чтобы приводить в действие оба электродвигателя.
[00144] Чтобы конфигурировать систему, показанную на фиг. 19, в режим заряда, контакторы K1, K2, K6, K7, K8, K13, K17 и K20 размыкаются, в то время как K3, K4, K5, K9, K10, K14, K15, K16, K18, K19 и K21 замыкаются. В результате, формируется путь зарядной электроэнергии, как показано в упрощенной принципиальной схеме на фиг. 20B. Когда система конфигурируется в режим заряда, предусматривается полностью изолированное двухкаскадное зарядное устройство, которое содержит полный трехфазный повышающий PFC входной каскад и полностью изолированный DC/DC выходной каскад. Во входном каскаде обмотки катушки A, катушки B и катушки C действуют в качестве повышающих дросселей, а силовые переключающие устройства SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 и SW6 в инверторе 1 в качестве повышающих PFC переключателей. В выходном DC/DC-каскаде силовые переключающие устройства SW1, SW2, SW3, SW4, SW5 и SW6 в инверторе 2 составляют трехфазную мостовую схему управления приводом, обмотки катушки A1, катушки B1 и катушки C1 действуют в качестве первичной обмотки трансформатора, а катушка A2, катушка B2 и катушка C2 в качестве вторичной обмотки трансформатора.
[00145] В режиме заряда PFC повышающий входной каскад может преобразовывать многофазное напряжение сети в DC-напряжение, в то же время выполняя компенсацию коэффициента мощности относительно сети. Затем, мостовая управляющая схема в выходном каскаде может получать DC-электроэнергию от первого каскада в качестве входной, инвертировать ее в AC-электроэнергию и пропускать инвертированную AC-электроэнергию через трансформатор, сформированный посредством обмоток электродвигателя, так что полная изоляция достигается. AC-электроэнергия, выводимая из трансформатора, прикладывается к выходному мостовому выпрямителю и затем выходному фильтру, с тем, чтобы формировать DC-электроэнергию для заряда перезаряжаемого аккумулятора.
[00146] В то время как настоящее учение, прежде всего, описывается в контексте электрических транспортных средств, концепции и идеи изобретения, раскрытые в данном документе, являются применимыми к любому электронному устройству, которое содержит один или более электрических двигателей и одно или более устройств сохранения электрической энергии (таких как перезаряжаемые аккумуляторы). Примеры такого электрического устройства включают в себя, но не только, электрические гибридные транспортные средства со штепсельным соединением, электрические суда, электрические самолеты, электрические поезда, электрические мотоциклы, электрические велосипеды, электрические скейтборды, электрические инструменты, электрические дроны, электрические подлодки и электрические машины, такие как: электрические бульдозеры, электрические тракторы, электрические вилочные погрузчики, электрические экскаваторы и т.д. Концепции и идеи изобретения могут также находить применение в электрическом оборудовании для специальных целей, таком как взрывоустойчивое электрическое транспортное средство, взрывоустойчивые электрические инструменты, взрывоустойчивое гусеничное транспортное средство и т.д.
[00147] Специалистам в области техники будет очевидно, что конфигуратор, который используется для переконфигурации соединений между режимом тяги и режимом заряда, может состоять из механических переключателей, электромагнитных контакторов, твердотельных переключателей или любого типа переключающего механизма, который может разъединять или соединять электрические соединения.
[00148] Специалистам в области техники будет очевидно, что инвертор может быть любым многофазным инвертором. Силовые переключающие устройства в инверторе могут быть кремниевыми IGBT силовыми модулями, МОП-транзисторами или любыми другими силовыми переключающими устройствами, подходящими для переключения подразумеваемых уровней мощности. Силовые переключающие устройства могут быть основаны на кремнии, GaN, SiC или любой другой технологии.
[00149] Специалистам в области техники будет очевидно, что электродвигатель, применяемый для реализации настоящего учения, может быть любым типом электродвигателя, который состоит из по меньшей мере двух фаз обмоток, включающим в себя, но не только, асинхронный индукционный электродвигатель, PMSM-электродвигатель, BLDC-электродвигатель, BLAC-электродвигатель, реактивный синхронный электродвигатель.
[00150] Поскольку настоящее учение получает преимущество компонентов, которые предварительно существуют в инверторе(ах) и электродвигателе(ах) электрического транспортного средства, максимальная зарядная электроэнергия ограничивается. Специалистам в области техники следует понимать, что электродвигатель(и) и инвертор(ы), имеющие более высокие допустимые мощности, могут быть использованы для повышения верхнего предела зарядной электроэнергии. Кроме того, по запросу от транспортного средства, зарядная система способна заряжать аккумулятор с более низкой мощностью по сравнению с максимальным уровнем заряда.
[00151] С конструктивным исполнением, раскрытым в данном документе, обмотки в электродвигателе(ах) и силовые переключающие устройства в инверторе(ах) могут быть использованы, чтобы формировать двухкаскадный повышающий и понижающий полностью изолированный импульсный источник питания.
[00152] С конструктивным исполнением, раскрытым в данном документе, два или более комплекта обмоток могут быть предусмотрены на по меньшей мере одном зубце статора. По меньшей мере один зубец статора может работать как сердечник трансформатора, чтобы переносить электроэнергию с первичной обмотки на вторичную обмотку без вращения ротора электродвигателя.
[00153] С конструктивным исполнением, раскрытым в данном документе, одна или более обмоток статора электродвигателя, один конец которой первоначально соединяется с нейтральной точкой звезды электродвигателя, способна отсоединяться от нейтральной точки звезды электродвигателя через комплект контакторов и формировать компоненты двухкаскадного полностью изолированного импульсного источника питания.
[00154] С конструктивным исполнением, раскрытым в данном документе, посредством комплекта контакторов, первоначально электрически соединенная обмотка в режиме тяги может быть использована для формирования двух комплектов полностью изолированных обмоток в режиме заряда.
[00155] В то время как вышеприведенное описало то, что считается составляющим настоящие учения и/или другие примеры, понятно, что различные модификации могут быть выполнены в нем, и что предмет изучения, раскрытый в данном документе, может быть реализован в различных формах и примерах, и что учения могут быть применены в многочисленных прикладных задачах, только некоторые из которых были описаны в данном документе. Предполагается посредством последующей формулы изобретения заявить любые и все применения, модификации и варианты, которые попадают в истинные рамки настоящего учения.