專利名稱：使用變換器用于能量轉(zhuǎn)移的設(shè)備和制造其的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及混合動(dòng)力和電動(dòng)車(hybrid and electricvehicle)，并且更加 具體地涉及用于對能量存儲裝置充電的系統(tǒng)，該能量存儲裝置用于為混合動(dòng)力和電動(dòng)車供 電。
背景技術(shù)：
混合動(dòng)力電動(dòng)車結(jié)合了內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)(motor)，該電機(jī)典型地由例如牽引用 蓄電池等的能量存儲裝置供電。這樣的結(jié)合通過使燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)和電機(jī)能夠在各自增加的效 率的范圍中各自運(yùn)轉(zhuǎn)可增加總體燃料效率。例如，電機(jī)可在從起步加速時(shí)是高效的，而燃燒 發(fā)動(dòng)機(jī)可在恒定發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的持續(xù)階段期間(例如在高速公路駕駛時(shí))是高效的。具有電 機(jī)以增加初始加速度使在混合動(dòng)力車中的燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)變得更小并且燃料效率更高。
純電動(dòng)車典型地使用存儲的電能以為電機(jī)供電，該電機(jī)推進(jìn)車輛。純電動(dòng)車可使 用一個(gè)或多個(gè)存儲的電能來源。例如，存儲的電能的第一來源可用于提供持續(xù)更久的能量 而存儲的電能的第二來源可用于提供更高功率的能量用于例如加速。 插入式混合動(dòng)力電動(dòng)車被配置以使用來自外部來源的電能以對牽引用蓄電池 再充電。這通過減少內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)必須運(yùn)轉(zhuǎn)以對牽引用蓄電池再充電的時(shí)間量而節(jié)省燃 料。這樣的車(可包括道路上和越野車、高爾夫車、叉車和公用載重車)可使用非車載 (off-board)固定蓄電池充電器或車載(on-board)蓄電池充電器以從外部能量來源(例如 公用電網(wǎng)等)向車輛的車載牽引用蓄電池轉(zhuǎn)移電能。插入式混合動(dòng)力客車典型地包括電路 和連接以便于從外部能量來源(例如公用電網(wǎng)等)對牽引用蓄電池再充電。典型地，蓄電 池充電電路包括升壓變換器、高頻濾波器、斬波器(cho卯er)、電感器和其他電力部件。這些 在車運(yùn)轉(zhuǎn)期間一般不使用的附加部件增加車的成本和重量。 因此希望的是提供一種設(shè)備便于電能從外部來源轉(zhuǎn)移到插入式車輛的車載電存 儲裝置，其減少僅用于在車載電存儲裝置和外部來源之間轉(zhuǎn)移能量的部件的數(shù)目。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的方面，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括配置以供應(yīng)電能的第一能量存儲裝置、耦 合到第一能量存儲裝置的雙向DC-DC電壓變換器、耦合到雙向DC-DC電壓變換器的電壓逆 變器逆變器，和配置以從外部能量來源接收電能的輸入裝置。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路還包括耦合 到輸入裝置、第一能量存儲裝置、雙向DC-DC電壓變換器的耦合系統(tǒng)(coupling system)。 該耦合系統(tǒng)具有配置以經(jīng)由雙向DC-DC電壓變換器向第一能量存儲裝置轉(zhuǎn)移電能的第一 配置，并且具有配置以經(jīng)由雙向DC-DC電壓變換器從第一能量存儲裝置向電壓逆變器轉(zhuǎn)移 電能的第二配置。 根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，制造其的方法包括提供第一能量存儲裝置、將第一雙 向降壓/升壓變換器耦合到第一能量存儲裝置，以及將輸入裝置耦合到第一雙向降壓/升 壓變換器。該輸入裝置配置以從外部能量來源接收電能。該方法還包括將一個(gè)或多個(gè)耦合裝置耦合到第一雙向降壓/升壓變換器、第一能量存儲裝置和輸入裝置，該一個(gè)或多個(gè)耦 合裝置配置以使電能經(jīng)由第一雙向降壓/升壓變換器對第一能量存儲裝置充電，并且配置 以使電能經(jīng)由第一雙向降壓/升壓變換器從第一能量存儲裝置向電壓逆變器轉(zhuǎn)移。
根據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)方面，牽引系統(tǒng)包括配置以推進(jìn)車的電機(jī)和配置以向電機(jī) 供應(yīng)AC電力信號的電壓逆變器。該系統(tǒng)還包括配置以向電壓逆變器供應(yīng)DC電力信號的電 機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具有第一蓄電池和耦合到第一蓄電池的第一雙向降壓/升壓 變換器，該第一雙向降壓/升壓變換器具有第一電感器和第一晶體管。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路還具 有配置以從外部能量來源接收電能的輸入裝置并且具有耦合系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)具有其中外 部能量來源經(jīng)由輸入裝置和第一雙向降壓/升壓變換器耦合到第一蓄電池的第一配置。該 耦合系統(tǒng)還具有其中第一蓄電池經(jīng)由第一雙向降壓/升壓變換器耦合到電壓逆變器的第 二配置。 各種其他特征和優(yōu)勢將從下列詳細(xì)的說明和附圖變得明顯。


100牽引系統(tǒng) 172第二晶體管102第一能量存儲裝置 174第一二極管104電感器 176第二二極管106雙向DC-DC電壓變換器178第三三晶體管108第一晶體管 180第四晶體管110第二晶體管182第三二極管112第一二極管184第四二極管114第二二極管186第五晶體管116耦合系統(tǒng)188第六晶體管118半導(dǎo)體開關(guān)190第五二極管120第一位置192第六二極管122第二位置194第一接觸器124輸入裝置196第二接觸器126極管整流器198第三接觸器
128插孔200牽引系統(tǒng)130插頭202第一接觸器132外部能量來源204第二接觸器134電壓逆變器206第三接觸器136電機(jī)208第四接觸器138第二能量存儲裝置210變壓器140電容器212牽引系統(tǒng)142牽引系統(tǒng)214第一接觸器144第一位置216第二接觸器146第二位置218第三接觸器148牽引系統(tǒng)220第四接觸器150第一接觸器222隔離變壓器152第二接觸器224第一電感線圈154第三接觸器226第二電感線圈156牽引系統(tǒng)228節(jié)點(diǎn)158第一雙向DC-DC電壓變換器230節(jié)點(diǎn)160第二雙向DC-DC變換器232牽引系統(tǒng)162第三雙向DC-DC變換器234接觸器164第一電感器236電源總線166第二電感器238牽引系統(tǒng)168第三電感器240第一接觸器
170第一晶體管242第二接觸器
具體實(shí)施例方式
在圖1中示出的本發(fā)明的實(shí)施例中，示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車 等的車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)IOO。牽引系統(tǒng)100包括第一能量存儲 裝置102，其可以是蓄電池(battery)、燃料電池、超級電容器或其類似物，其耦合到雙向 DC-DC電壓變換器106的電感器104。電感器104耦合到串聯(lián)連接的第一晶體管108和第 二晶體管110。晶體管108U10中的每個(gè)分別與第一和第二二極管112U14反并聯(lián)耦合。 耦合系統(tǒng)116包括開關(guān)118，其可以例如是接觸器、繼電器、半導(dǎo)體開關(guān)或其類似物。開關(guān) 118具有第一位置120和耦合到第一晶體管108的第二位置122。當(dāng)開關(guān)118處于第一位 置120時(shí)，雙向DC-DC電壓變換器106耦合到輸入裝置124，該輸入裝置124包括二極管整 流器126和配置以連接到外部能量來源132的電插頭130、 131的插孔128、129用于DC或 AC電能的轉(zhuǎn)移。在本發(fā)明的實(shí)施例中，包含插頭130、 131的電線133可耦合到插座(沒有 示出)(耦合到外部能量來源132)以電連接外部能量來源132到輸入裝置124用于DC或 AC電能的轉(zhuǎn)移。外部能量來源132可以例如是公用電網(wǎng)。當(dāng)開關(guān)118處于第二位置122 時(shí)，雙向DC-DC電壓變換器106耦合到三相DC-AC電壓逆變器134，其轉(zhuǎn)換DC電力為AC電 力用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136。本發(fā)明的實(shí)施例不限于三相電壓逆變器并且可包括具有更大或更少 相數(shù)的電壓逆變器。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，第二能量存儲裝置138 (虛擬示出)耦合到電壓逆變器134， 該能量存儲裝置138可以是蓄電池、燃料電池、超電容器或其類似物。雙向DC-DC電壓變換 器106可以是雙向降壓/升壓變換器。如此，雙向DC-DC電壓變換器106可包括跨接兩個(gè) 晶體管108、110耦合的電容器140(虛擬示出)。當(dāng)使用來自外部能量來源132的電壓對能 量存儲裝置102U38充電時(shí)，雙向DC-DC電壓變換器106允許電壓的調(diào)制或降壓變換以控 制外部能量來源132和能量存儲裝置102、138之間的能量轉(zhuǎn)移。與常規(guī)的蓄電池充電器相 比的功率因子的增加引起能量向存儲裝置102U38的更高效率的轉(zhuǎn)移。
AC電力系統(tǒng)的功率因子定義為有效功率與表觀功率(a卯a(chǎn)rentpower)的比率并 且可表示為0和1之間的數(shù)字或0和100之間的百分比。有效功率是電路在特定時(shí)間做功 的能力。表觀功率是電路的電流和電壓的乘積。由于存儲在負(fù)載中和返回到來源的能量， 或由于使從來源汲取的電流的波形變形的非線性負(fù)載，表觀功率可能大于有效功率。具有 較低功率因子的電路做的功比具有較高功率因子的電路少。因此，為了做相同量的功，輸入 更高的電壓或電流進(jìn)入具有較低功率因子的電路。 在具有正弦電流和電壓的電路中，功率因子可由于電流和電壓之間的相位差而 減小。開關(guān)式電源可配置以控制由負(fù)載汲取的功率量以增加能量轉(zhuǎn)移功率因子(energy transfer power factor)。在一些應(yīng)用中，開關(guān)式電源(例如包括降壓/升壓變換器的那 個(gè))控制從其輸出的電流使得電流波形與從其輸出的電壓波形成比例。例如，降壓/升壓 變換器可使電流波形整形為與電壓波形的正弦波同相位的正弦波?？梢钥刂粕龎鹤儞Q器以 保持恒定的DC總線輸出線電壓且同時(shí)汲取與輸出線電壓同相位并且相同頻率的電流。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，開關(guān)118在正常車輛運(yùn)轉(zhuǎn)(即，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn))期間處于第二位置122。第 一能量存儲裝置102向雙向DC-DC電壓變換器106供應(yīng)DC電壓，雙向DC-DC電壓變換器 106階升或升壓DC電壓。升壓的DC電壓通過電壓逆變器134變換為AC電壓以驅(qū)動(dòng)電機(jī) 136。同樣地，在正常車輛運(yùn)轉(zhuǎn)(即，減速或當(dāng)制動(dòng)時(shí)，經(jīng)?？闯墒窃偕苿?dòng))期間，驅(qū)動(dòng)電 機(jī)(electric drive motor) 136起發(fā)電機(jī)的作用并且AC電壓在電壓逆變器134中變換為 DC電壓并且向雙向DC-DC電壓變換器106供應(yīng)DC電壓，雙向DC-DC電壓變換器106降階或 降壓DC電壓并且供應(yīng)DC電壓以對第一能量存儲裝置102部分地再充電。
開關(guān)118在第一能量存儲裝置102從外部來源132再充電期間處于第一位置120。 插頭130、 131從外部能量來源132(例如公用電網(wǎng)等)通過插孔128、 129轉(zhuǎn)移電力到二極 管整流器126。在本發(fā)明的實(shí)施例中，二極管整流器126變換AC電壓為DC電壓，其產(chǎn)生通 過第一晶體管108、第二二極管114和電感器104對第一能量存儲裝置102充電的電流。通 過撥動(dòng)開關(guān)118到第二位置122，第一能量存儲裝置102向雙向DC-DC電壓變換器106供應(yīng) DC電壓，雙向DC-DC電壓變換器106升壓DC電壓并且供應(yīng)升壓的DC電壓以通過開關(guān)118 對第二能量存儲裝置138充電。 在圖2中示出的本發(fā)明的實(shí)施例示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)142。牽引系統(tǒng)100和142公用的元件和部 件將視情況關(guān)于相同的標(biāo)號論述。圖3-8將也關(guān)于相同的標(biāo)號論述公用部件。開關(guān)118直 接耦合到雙向DC-DC電壓變換器106的電感器104而不是如在圖1中示出的直接耦合到第 一晶體管108。在第一位置144，開關(guān)118將雙向DC-DC電壓變換器106耦合到第一能量存 儲裝置102。在第二位置146，開關(guān)118將雙向變換器106耦合到輸入裝置124。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，開關(guān)118在正常車輛運(yùn)轉(zhuǎn)(即，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或再生制動(dòng))期間處于第一 位置144。如在關(guān)于圖1說明的實(shí)施例中，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，第一能量存儲裝置102向雙向 DC-DC電壓變換器106供應(yīng)DC電壓，雙向DC-DC電壓變換器106階升或升壓該DC電壓，其 然后輸出到第二能量存儲裝置136并且由電壓逆變器134變換為AC電壓以驅(qū)動(dòng)電機(jī)136。 與圖1類似，在再生制動(dòng)期間，電機(jī)136起發(fā)電機(jī)的作用并且電能和電力通過逆變器134轉(zhuǎn) 移以對第二能量存儲裝置138(如果存在)部分地再充電，以及電能和電力通過雙向DC-DC 變換器106 (以降壓模式起作用)轉(zhuǎn)移以對第一能量存儲裝置102部分地再充電。
將開關(guān)118處于第二位置146將電感器104耦合到輸入裝置124。 二極管整流器 126向雙向DC-DC電壓變換器106提供DC充電信號，雙向DC-DC電壓變換器106輸出升壓 的充電DC信號以對第二能量存儲裝置138充電。通過撥動(dòng)開關(guān)118到第一位置144，電能 可以從第二能量存儲裝置138通過第一晶體管108、二極管114和電感器104轉(zhuǎn)移以對第一 能量存儲裝置102充電。 在圖3中示出的本發(fā)明的實(shí)施例包括在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或其他固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)148。在這個(gè)實(shí)施例中，耦合系統(tǒng)116分 別包括第一、第二和第三接觸器150、 152和154。第一能量存儲裝置102通過第一接觸器 150直接可耦合到電感器104并且通過第二接觸器152直接可耦合到第一晶體管108。第 一晶體管108通過第三接觸器154直接可耦合到第二能量存儲裝置138。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)?shù)诙佑|器152閉合并且其他兩個(gè)接觸器150U54斷開時(shí)第一 能量存儲裝置102被充電。來自外部能量來源132的電能流過電感器104、第一接觸器 152和雙向變換器106，該雙向變換器106起升壓變換器的作用以對第一能量存儲裝置 102充電。當(dāng)處于這個(gè)升壓模式時(shí)，晶體管110在高頻開關(guān)并且反向二極管112起"續(xù)流 (freewheeling) "二極管的作用。當(dāng)?shù)谌佑|器154是閉合的并且其他兩個(gè)接觸器150、 152是斷開時(shí)第二能量存儲裝置138(如果存在)被充電。在一個(gè)示例中，來自公用電網(wǎng)的 電能由二極管整流器126變換為DC信號，流過電感器104、第三接觸器154并且雙向DC-DC 電壓變換器106起升壓變換器的作用以對第二能量存儲裝置138充電。預(yù)期有第一和第二 能量存儲裝置102、 138可通過閉合第二和第三接觸器152、 154以及斷開第二接觸器150而 被同時(shí)充電。 當(dāng)車輛處于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)模式時(shí)，接觸器150和154是閉合的并且另一個(gè)接觸器152 是斷開的。在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，第一能量存儲裝置102通過接觸器150向雙向DC-DC電壓變 換器106 (其升壓DC信號)供應(yīng)DC電壓。來自變換器106的DC電力信號流過第三接觸器 154。來自變換器106和第二能量存儲裝置138的DC電力由電壓逆變器134變換為AC信 號以驅(qū)動(dòng)電機(jī)136。在再生制動(dòng)期間的運(yùn)轉(zhuǎn)與上文說明的類似，其中雙向DC-DC電壓變換 器106將來自DC-AC電壓逆變器134的DC側(cè)的較高的電壓降壓到較低的電壓以對第一能 量存儲裝置102部分地充電。 在圖4中示出的本發(fā)明的實(shí)施例示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)156。牽引系統(tǒng)156包括并行耦合的第一、第 二和第三雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162。變換器158-162分別包括牽引系統(tǒng)156的 第一、第二和第三電感器164、 166、 168。變換器158包括牽引系統(tǒng)156的第一和第二晶體管 170U72以及第一和第二二極管174、176。變換器160包括牽引系統(tǒng)156的第三和第四晶體管178U80以及第三和第四二極管182、184。變換器162包括牽引系統(tǒng)156的第五和第六 晶體管186、 188以及第五和第六二極管190、 192。每個(gè)晶體管170、 172、 178、 180、 186、 188 與各自的二極管174、 176、 182、 184、 190、 192反并聯(lián)耦合。雙向DC-DC電壓變換器158-162 的每個(gè)可以是雙向降壓/升壓變換器。 耦合系統(tǒng)116分別包括第一、第二和第三接觸器194U96和198。第一能量存儲 裝置102通過第一接觸器194直接可耦合到第二電感器166、第三電感器168和第一電感 器164。第二接觸器196耦合在第一晶體管170和第一能量存儲裝置102之間。第三接觸 器198耦合在第一晶體管170和三相電壓逆變器134之間，三相電壓逆變器134耦合于電 機(jī)136。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)?shù)诙佑|器196閉合并且其他兩個(gè)接觸器194U98斷開時(shí)第一能量 存儲裝置102被充電。外部能量來源132提供DC電力信號或AC電力信號(例如來自公用 電網(wǎng))，該AC電力信號由二極管整流器126變換為DC信號。DC信號流過電感器164、第一 接觸器196和雙向DC-DC電壓變換器158到第一能量存儲裝置102。 當(dāng)?shù)谌佑|器198是閉合的并且其他兩個(gè)接觸器194、 196是斷開時(shí)第二能量存儲 裝置138(如果存在)被充電。在這個(gè)情況下，AC電力信號(如可由公用電網(wǎng)提供)由二極 管整流器126變換為DC信號。DC信號流過雙向DC-DC電壓變換器158(第一電感器164、 第二晶體管172、第一二極管174)并且通過第三接觸器198流到第二能量存儲裝置138。 當(dāng)車輛處于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第二接觸器196是斷開的并且其他兩個(gè)接觸器194、 198是閉合的。 在這個(gè)模式下，第一能量存儲裝置102向各個(gè)雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162的電感 器166、 168、 164中的每個(gè)供應(yīng)DC信號。三個(gè)電壓變換器158、 160、 162中的每個(gè)升壓來自 第一能量存儲裝置102的DC信號并且輸出升壓的電壓到電壓逆變器134，這里得到的DC信 號被變換為適用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136的AC信號?？筛鶕?jù)所需要的功率而使用升壓變換器中的 一個(gè)或全部。如果需要低功率，可以僅使用變換器中的一個(gè)以增加總體部分負(fù)載效率。當(dāng) 使用超過一個(gè)變換器時(shí)，它們的開關(guān)可是交替的以增加有效開關(guān)頻率并且從而減少在第一 能量存儲裝置102和任何其他DC總線濾波器(沒有示出)上的波紋電流和電壓。在再生 制動(dòng)期間的運(yùn)轉(zhuǎn)與上文說明的類似，其中雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162在降壓模式 中運(yùn)轉(zhuǎn)以在經(jīng)過電壓逆變器134之后減小由電機(jī)136產(chǎn)生的電壓。 在圖5中示出的本發(fā)明的實(shí)施例示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或其他固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)200的實(shí)施例。耦合系統(tǒng)116包括第一、 第二、第三和第四接觸器202、204、206、208。第一能量存儲裝置102通過第一接觸器202直 接可耦合到第一電感器164并且通過第二接觸器204直接可耦合到第二電感器166。第一 能量存儲裝置102直接耦合到第三電感器168。三個(gè)雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162 的輸出耦合到電壓逆變器134，而電壓逆變器134進(jìn)而耦合到電機(jī)136。具有對于插頭130、 131的插孔128U29的輸入裝置124配置以從外部能量來源132接收電力，外部能量來源 132可以是例如公用電網(wǎng)等的外部AC電源。輸入裝置124的一個(gè)端子通過第四接觸器208 直接可耦合到第二電感器166，并且輸入裝置124的第二端子通過第三接觸器206直接可耦 合到第一電感器164。 在本發(fā)明的備選實(shí)施例中，輸入裝置124還包括變壓器210(虛擬示出)以隔離系 統(tǒng)200與外部能量來源132。典型地，電插座提供120伏特AC或240伏特AC。變壓器210可以配置以在輸入裝置124處將公用電網(wǎng)電壓從120Vac或240Vac階升到480Vac或更高。 更高的電壓允許能量存儲裝置102U32更快充電。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)?shù)谌偷谒慕佑|器206、208閉合并且第一和第二接觸器202、204斷 開時(shí)第一能量存儲裝置102和第二能量存儲裝置138都被充電。外部能量來源132在輸 入裝置124處向系統(tǒng)200提供電壓。在沒有整流器的情況下，第一和第二雙向電壓變換器 158、160用于經(jīng)由兩個(gè)全橋相腳(full bridge phase leg)之間耦合的AC來源(在一個(gè) 相腳由晶體管178、180構(gòu)成并且在第二相腳由170和172構(gòu)成)變換AC輸入電壓為DC電 壓。注意，在再生制動(dòng)模式期間，當(dāng)電機(jī)136產(chǎn)生AC電壓并且電壓逆變器134產(chǎn)生DC電壓 時(shí)，兩個(gè)雙向DC-DC變換器158、 160中的兩個(gè)相腳的運(yùn)轉(zhuǎn)與DC-AC電壓逆變器134的三個(gè) 相腳中的兩個(gè)的運(yùn)轉(zhuǎn)類似。 當(dāng)車輛處于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第一和第二接觸器202、204是閉合的，并且第三和第四 接觸器206、208是斷開的。在這個(gè)情況下，閉合第一和第二接觸器202、204引起將第一能 量存儲裝置102耦合到各個(gè)雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162的第一、第二和第三電感 器164、 166、 168。變換器158、 160、 162升壓來自第一能量存儲裝置102的DC電壓并且輸出 升壓的DC電壓到電壓逆變器134并且到第二能量存儲裝置138(如果存在)。電壓逆變器 134變換DC電壓為適用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136的AC電壓。 圖6示出在圖5中示出的牽引系統(tǒng)200的備選實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，外部能量 來源132是DC電源并且利用單個(gè)雙向DC-DC變換器(例如160或158)或?yàn)榱烁吖β实?充電應(yīng)用而使用異步并且交錯(cuò)的開關(guān)利用并行模式中的兩個(gè)雙向DC-DC電壓變換器160、 158以有利地最小化波紋電流以進(jìn)一步增加充電器效率。DC電源132的第一正極端子205 通過插頭130、 131和插孔128、 129直接連接到例如接觸器208等的接觸器，如單個(gè)DC-DC 升壓變換器運(yùn)轉(zhuǎn)所示出的。然而，對于單個(gè)DC-DC升壓變換器運(yùn)轉(zhuǎn)，正極端子205可相反連 接到接觸器206 (如虛擬示出的)。對于更高功率運(yùn)轉(zhuǎn)，正極端子205可通過插頭130、 131 和插孔128、 129連接到接觸器208和206 二者。DC電源132的負(fù)極端子209通過插頭131 和插孔129直接連接到牽引系統(tǒng)200的公用線211。 為了對第一能量存儲裝置102和第二能量存儲裝置138(如果存在)充電，第一正 極端子205通過接觸器208向第二雙向DC-DC電壓變換器160供應(yīng)DC電力。如果接觸器 206還被連接到第一正極端子205， DC電力向第一雙向DC-DC電壓變換器158供應(yīng)。DC電 力直接流向第二能量存儲裝置138，并且通過晶體管186和電感器168流向第一能量存儲裝 置102。 當(dāng)車輛處于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，接觸器204和接觸器202(如果存在)閉合并且接觸器 208和接觸器206(如果存在)斷開。在這個(gè)情況下，閉合接觸器202、204引起將第一能量 存儲裝置102耦合到各個(gè)雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162的第一、第二和第三電感器 164、 166、 168。變換器158、 160、 162升壓來自第一能量存儲裝置102的DC電壓并且輸出升 壓的DC電壓到電壓逆變器134并且到第二能量存儲裝置138 (如果存在)。電壓逆變器134 變換DC電壓為適用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136的AC電壓。 在圖7中示出的本發(fā)明的實(shí)施例示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)212。耦合系統(tǒng)116包括第一、第二、第三和 第四接觸器214、216、218、220。第一能量存儲裝置102通過第一接觸器214直接可耦合到第一電感器164并且通過第二接觸器216直接可耦合到第二電感器166。第一能量存儲裝 置102直接耦合到第三電感器168。三個(gè)雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162的輸出耦合 到電壓逆變器134，該電壓逆變器134進(jìn)而耦合到電機(jī)136。輸入裝置124具有耦合到插孔 128、 129的隔離變壓器222，而不是二極管整流器126。隔離變壓器222包括第一電感線圈 224和第二電感線圈226。第二電感線圈226通過第三接觸器218直接可耦合到第一雙向 DC-DC電壓變換器158的第一和第二晶體管170、172之間的節(jié)點(diǎn)228。第二電感線圈226 通過第四接觸器220還直接可耦合到第二雙向DC-DC電壓變換器160的第三和第四晶體管 178、180之間的節(jié)點(diǎn)230。在這個(gè)實(shí)施例中，在第一能量存儲裝置102和第二能量存儲裝置 138(如果存在)的充電操作期間，使用變壓器線圈電感代替如在圖5中示出的雙向DC-DC 變換器電感器164、 166與外部AC電源132連接。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，當(dāng)?shù)谌偷谒慕佑|器218、220閉合并且第一和第二接觸器214、216斷 開時(shí)，第一能量存儲裝置102和第二能量存儲裝置138(如果存在)都被充電。根據(jù)隔離變 壓器222和電感器線圈224、226的配置，來自外部能量來源132通過輸入裝置124的電壓可 以是120Vac、240Vac、480Vac或一些更高的電壓。來自雙向DC-DC電壓變換器160、158的兩 個(gè)全相腳使用變壓器線圈電感來變換施加到全相晶體管橋接電路的中點(diǎn)的AC電壓的運(yùn)轉(zhuǎn) 與在再生制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)期間當(dāng)來自電機(jī)136的AC電壓在逆變器134處變換為DC電壓時(shí)DC-AC 電壓逆變器134的運(yùn)轉(zhuǎn)類似。也向第三雙向DC-DC電壓變換器162的第五晶體管186和第 三電感器168供應(yīng)相同的DC電壓以使用處于降壓運(yùn)轉(zhuǎn)模式的雙向DC-DC電壓變換器162 對第一能量存儲裝置102充電。 當(dāng)車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)處于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第一和第二接觸器214、216閉合并 且第三和第四接觸器218、220斷開。第一能量存儲裝置102通過第一接觸器220向第一電 感器164供應(yīng)DC電壓，并且通過第二接觸器216向第二電感器166，并且直接向第三電感器 168供應(yīng)DC電壓。三個(gè)雙向DC-DC電壓變換器158、160、162升壓DC電壓并且向電壓逆變 器134供應(yīng)升壓的電壓，電壓逆變器134變換DC電壓為適用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136的AC電壓。
在圖8中示出的本發(fā)明的實(shí)施例示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)232。耦合系統(tǒng)116包括接觸器234。第一 能量存儲裝置102通過接觸器234直接可耦合到第一電感器164并且直接耦合到第二和第 三電感器166、 168。輸入裝置124包括將插孔128、 129耦合到第一雙向DC-DC電壓變換器 158的電源總線236。在本發(fā)明的實(shí)施例中，輸入裝置124包括二極管整流器126和可選的 耦合到插孔128、 129的變壓器222(虛擬示出)。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，第一能量存儲裝置102通過斷開接觸器234以去除第一能量存儲裝置 102和輸入裝置124之間的直接并行連接而被充電。第二能量存儲裝置138由在升壓模式運(yùn) 轉(zhuǎn)的雙向DC-DC電壓變換器158充電。存儲裝置102可以由在降壓模式運(yùn)轉(zhuǎn)的雙向DC-DC 電壓變換器160和162中的任一個(gè)或二者同時(shí)充電。在一個(gè)實(shí)施例中，外部電源132向輸 入裝置124提供AC電壓，在這里信號被二極管整流器126變換為DC電壓。在本發(fā)明的備 選實(shí)施例中，外部能量來源132是DC電源并且向輸入裝置124供應(yīng)DC電壓。來自二極管 整流器126的DC信號流過第一電感器164、第一晶體管170和第一二極管174到第二能量 存儲裝置138。第一能量存儲裝置102可以通過第二電感器166和第三晶體管178或通過 第三電感器168和第五晶體管186而被充電。
當(dāng)車輛處于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或固定電力驅(qū)動(dòng)沒有連接到外部來源132時(shí)，接觸器234閉 合，并且插孔128、 129從插頭130、 131脫離。第一能量存儲裝置102向第一、第二和第三雙 向DC-DC電壓變換器158、 160、 162的第一、第二和第三電感器164、 166、 168供應(yīng)DC電壓以 升壓DC電壓。升壓的DC電壓輸出到電壓逆變器134，該電壓逆變器134變換DC電壓為適 用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136的AC電壓。 系統(tǒng)232的備選實(shí)施例包括隔離變壓器222 (虛擬示出)，其耦合到輸入裝置124 的二極管整流器126。根據(jù)它的配置，變壓器222可以階升由外部能量來源132供應(yīng)的電 壓。增加進(jìn)入系統(tǒng)232的輸入電壓可減少對能量存儲裝置102U38充電所需要的時(shí)間。
在圖9中示出的本發(fā)明的實(shí)施例示出在例如插入式電動(dòng)或插入式混合動(dòng)力車等 的車輛或固定電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中可用的牽引系統(tǒng)238。第一和第五晶體管170、186直接耦合 到第二能量存儲裝置138。耦合系統(tǒng)116包括第一和第二接觸器240、242。第三晶體管178 通過第一接觸器240直接可耦合到第二能量存儲裝置138。第一存儲裝置102通過第二接 觸器242直接可耦合到第一和第二電感器164U66并且直接耦合到第三電感器168。輸入 裝置124包括二極管整流器126和對于電插頭130、 131的插孔128、 129并且配置以從外部 能量來源132接收電能。 在運(yùn)轉(zhuǎn)中，第二能量存儲裝置138(如果存在)通過斷開第一和第二接觸器240、 242而被充電。如果第二能量存儲裝置138不存在，與DC-AC電壓逆變器134關(guān)聯(lián)的大DC 接線濾波電容器(沒有示出)(其執(zhí)行DC接線濾波或平滑功能)允許DC輸入電壓在逆變 器134處被濾波，并且電壓的值由用于通過雙向DC-DC電壓變換器162對第一能量存儲裝 置102充電的功率部分地調(diào)節(jié)。外部能量來源132通過輸入裝置124向系統(tǒng)238供應(yīng)輸入 電壓。如果必要的話(即，如果外部能量來源132是AC能量來源)，二極管整流器126變 換AC輸入電壓為DC信號。在降壓模式(即，瞬時(shí)輸入電壓高于第二能量存儲裝置138的 電壓)，來自輸入裝置124的電能通過第三開關(guān)晶體管178、第一和第二電感器164、166、第 一和第四二極管174、184(續(xù)流二極管)向第二能量存儲裝置138供應(yīng)。在升壓模式(即， 瞬時(shí)輸入電壓低于第二能量存儲裝置138的電壓)，晶體管178連續(xù)地傳導(dǎo)并且第二晶體管 172被開關(guān)以調(diào)節(jié)第一雙向DC-DC電壓變換器158的輸出。來自輸入裝置124的電能通過 第三晶體管178、第一和第二電感器164、166、第一二極管174向第二能量存儲裝置138供 應(yīng)。 一般，來自第一和第二雙向DC-DC電壓變換器158U60的輸出電壓被控制并且設(shè)置在 使外部能量來源132和第二能量存儲裝置138之間的能量轉(zhuǎn)移功率因子最大化的水平。能 量從第二能量存儲裝置138轉(zhuǎn)移以通過第三雙向DC-DC電壓變換器162對第一能量存儲裝 置102充電。電能流過開關(guān)第五晶體管186、續(xù)流第六二極管192和第三電感器168以對第 一能量存儲裝置102充電。注意這個(gè)設(shè)置允許輸入來源的降壓和升壓并且因此允許從輸入 AC線路(從而獲得高功率因子)獨(dú)立于AC輸入電壓水平而汲取近正弦曲線電流。另外，可 以適應(yīng)任何實(shí)際DC源電壓，因?yàn)樽儞Q器158U60可以降壓或升壓而產(chǎn)生極為靈活的充電系 統(tǒng)。 在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間，第一和第二接觸器240、242閉合。第一能量存儲裝置102通過 第二接觸器242向第一和第二雙向DC-DC電壓變換器158、 160供應(yīng)DC電壓，并且直接向第 三雙向DC-DC電壓變換器162供應(yīng)DC電壓。雙向DC-DC電壓變換器158、 160、 162中的每 個(gè)升壓來自第一能量存儲裝置102的DC電壓并且輸出升壓的電壓到電壓逆變器134，其變換DC電壓為適用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)136的AC電壓?？筛鶕?jù)所需要的功率而使用升壓變換器中的 一個(gè)或全部。如果需要低功率，可以僅使用變換器中的一個(gè)以增加總體部分負(fù)載效率。當(dāng) 使用超過一個(gè)變換器時(shí)，它們的開關(guān)可是交替的以增加有效開關(guān)頻率并且從而減少在第一 能量存儲裝置102和任何其他DC總線濾波器(沒有示出)上的波紋電流和電壓。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括配置以供應(yīng)電能的第一能量存儲裝 置、耦合到第一能量存儲裝置的雙向DC-DC電壓變換器、耦合到雙向DC-DC電壓變換器的電 壓逆變器和配置以從外部能量來源接收電能的輸入裝置。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路還包括耦合到輸 入裝置、第一能量存儲裝置、雙向DC-DC電壓變換器的耦合系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)具有配置以經(jīng) 由雙向DC-DC電壓變換器向第一能量存儲裝置轉(zhuǎn)移電能的第一配置，并且具有配置以經(jīng)由 雙向DC-DC電壓變換器從第一能量存儲裝置向電壓逆變器轉(zhuǎn)移電能的第二配置。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，制造其的方法包括提供第一能量存儲裝置、將第一 雙向降壓/升壓變換器耦合到第一能量存儲裝置并且將輸入裝置耦合到第一雙向降壓/升 壓變換器。該輸入裝置配置以從外部能量來源接收電能。該方法還包括將一個(gè)或多個(gè)耦合 裝置耦合到第一雙向降壓/升壓變換器、第一能量存儲裝置和輸入裝置，該一個(gè)或多個(gè)耦 合裝置配置以使電能經(jīng)由第一雙向降壓/升壓變換器對第一能量存儲裝置充電，并且配置 以使電能經(jīng)由第一雙向降壓/升壓變換器從第一能量存儲裝置向電壓逆變器轉(zhuǎn)移。
根據(jù)本發(fā)明的再另一個(gè)實(shí)施例，牽引系統(tǒng)包括配置以推進(jìn)車輛的電機(jī)和配置以向 電機(jī)供應(yīng)AC電力信號的電壓逆變器。該系統(tǒng)還包括配置以向電壓逆變器供應(yīng)DC電力信號 的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路具有第一蓄電池和耦合到第一蓄電池的第一雙向降壓/ 升壓變換器，該第一雙向降壓/升壓變換器具有第一電感器和第一晶體管。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 還具有配置以從外部能量來源接收電能的輸入裝置并且具有耦合系統(tǒng)，該耦合系統(tǒng)具有其 中外部能量來源經(jīng)由輸入裝置和第一雙向降壓/升壓變換器耦合到第一蓄電池的第一配 置。該耦合系統(tǒng)還具有其中第一蓄電池經(jīng)由第一雙向降壓/升壓變換器耦合到電壓逆變器 的第二配置。 盡管本發(fā)明已經(jīng)連同僅有限數(shù)量的實(shí)施例詳細(xì)說明，應(yīng)該容易認(rèn)識到本發(fā)明不限 于這樣公開的實(shí)施例。相反，本發(fā)明可以被改動(dòng)以包含任何數(shù)量在此之前沒有說明的變化、 修改、代替或等效設(shè)置，但其與本發(fā)明的精神和范圍相當(dāng)。另外，盡管本發(fā)明的各種實(shí)施例 已經(jīng)被說明，要認(rèn)識到本發(fā)明的方面可僅包括說明的實(shí)施例中的一些。因此，本發(fā)明不被視 為被先前的說明所限制的，而僅被附上的權(quán)利要求的范圍所限制。
權(quán)利要求
一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100，142，148，156，200，212，232，238)，其包括配置以供應(yīng)電能的第一能量存儲裝置(102)；耦合到所述第一能量存儲裝置(102)的雙向DC-DC電壓變換器(106，158，160，162)；耦合到所述雙向DC-DC電壓變換器(106，158，160，162)的電壓逆變器(134)；配置以從外部能量來源(132)接收電能的輸入裝置(124)；以及耦合系統(tǒng)(116)，其耦合到所述輸入裝置(124)、所述第一能量存儲裝置(102)和所述雙向DC-DC電壓變換器(106，158，160，162)，所述耦合系統(tǒng)(116)具有配置以經(jīng)由所述雙向DC-DC電壓變換器(106，158，160，162)向所述第一能量存儲裝置(102)轉(zhuǎn)移電能的第一配置，并且具有配置以經(jīng)由所述雙向DC-DC電壓變換器(106，158，160，162)從所述第一能量存儲裝置(102)向所述電壓逆變器(134)轉(zhuǎn)移電能的第二配置。
2. 如權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其還包 括配置以向所述電壓逆變器(134)供應(yīng)電能的第二能量存儲裝置(138)。
3. 如權(quán)利要求2所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其中所 述第一能量存儲裝置(102)包括蓄電池和燃料電池中之一，并且其中所述第二能量存儲裝 置(138)包括蓄電池和超級電容器中之一。
4. 如權(quán)利要求2所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其中 所述第一能量存儲裝置(102)配置以最大化能量輸出，并且其中所述第二能量存儲裝置 (138)配置以最大化功率輸出。
5. 如權(quán)利要求2所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其中所 述耦合系統(tǒng)(116)具有配置以經(jīng)由所述雙向DC-DC電壓變換器(106， 158， 160， 162)向所述 第二能量存儲裝置(138)轉(zhuǎn)移電能的第三配置。
6. 如權(quán)利要求2所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其中所 述雙向DC-DC電壓變換器(106， 158， 160， 162)包括第一雙向降壓/升壓變換器。
7. 如權(quán)利要求6所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其還包 括耦合到所述第一雙向降壓/升壓變換器(106， 158， 160， 162)的第二雙向降壓/升壓變換 器(106， 158， 160， 162)，其中所述第一和第二雙向降壓/升壓變換器(106， 158， 160， 162)配 置以調(diào)制用于對所述第二能量存儲裝置(138)充電的電壓。
8. 如權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100，142，148，156，200，212，232，238)，其中所 述耦合系統(tǒng)(116)包括一個(gè)或多個(gè)從接觸器(150， 152， 154， 194， 196， 198， 202， 204， 206， 208， 214， 216， 218， 220， 234， 240， 242)和半導(dǎo)體開關(guān)(118)構(gòu)成的組中選擇的耦合裝置。
9. 如權(quán)利要求1所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100，142，148，156，200，212，232，238)，其中所 述輸入裝置(124)包括配置以收容電插頭(130)的插孔(128);以及 耦合到所述插孔(128)的電壓整流器(126)。
10. 如權(quán)利要求9所述的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路(100， 142， 148， 156， 200， 212， 232， 238)，其中 所述輸入裝置(124)還包括耦合在所述電壓整流器(126)和所述插孔(128)之間的變壓器 (222)。
全文摘要
本發(fā)明提供了使用變換器用于能量轉(zhuǎn)移的設(shè)備和制造其的方法。其中，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括配置以供應(yīng)電能的第一能量存儲裝置，耦合到第一能量存儲裝置的雙向DC-DC電壓變換器，耦合到雙向DC-DC電壓變換器的電壓逆變器，和配置以從外部能量來源接收電能的輸入裝置。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路還包括耦合到輸入裝置、第一能量存儲裝置、雙向DC-DC電壓變換器的耦合系統(tǒng)。該耦合系統(tǒng)具有配置以經(jīng)由雙向DC-DC電壓變換器向第一能量存儲裝置轉(zhuǎn)移電能的第一配置，并且具有配置以經(jīng)由雙向DC-DC電壓變換器從第一能量存儲裝置向電壓逆變器轉(zhuǎn)移電能的第二配置。
文檔編號H02P27/06GK101729020SQ200910209818
公開日2010年6月9日 申請日期2009年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月22日
發(fā)明者R·D·金, R·L·施泰格瓦爾德 申請人:通用電氣公司