專利名稱：具有交叉鏈接的超級(jí)電容器網(wǎng)絡(luò)的雙端逆變器系統(tǒng)的制作方法
具W^X鏈接的超級(jí)電容器網(wǎng)絡(luò)的雙端逆變器系統(tǒng)
對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)要求在2007年7月30日申請(qǐng)的、序列號(hào)為60/952,784的美國(guó)臨時(shí) 專禾伸請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)(該臨時(shí)專利申請(qǐng)的鄉(xiāng)內(nèi)被此弓間以供參考)。
駄領(lǐng)域
這里描述的主M常涉及電力牽引系統(tǒng)。更特別地，該主題涉^ffi于混合 動(dòng)力或電動(dòng)車輛的雙端逆變器系統(tǒng)，iM端逆變器系統(tǒng)包括阻抗源逆變器和至
少一悄級(jí)電容器，該超級(jí)電^il供緲卜的肯斷于驅(qū)動(dòng)糊。
背景財(cái)
如今，駄上的發(fā)展以及在樣式上的不斷發(fā)展的條，已經(jīng)在汽車的設(shè)計(jì) 上引起了重大變化。其中一個(gè)變化包括汽車中的功率使用和各種電氣系統(tǒng)的復(fù) 雜性，尤其是代用燃料車輛，例如混合動(dòng)力、電動(dòng)和燃料電池車輛。
包括用在電動(dòng)和混合電動(dòng)車輛中的電動(dòng)機(jī)的許多電氣部件從交流(AC)電 源接收電功率。然而，在這些應(yīng)用中《頓的功率源(例如，電池(batteiy))只 鄉(xiāng)直流(DC)功率。因此，稱為功率逆變器的設(shè)備細(xì)來(lái)將DC功率轉(zhuǎn)換為 AC功率。另外，雙端逆變翻撲結(jié)構(gòu)可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)帶有兩個(gè)DC功率源的單 AC電動(dòng)機(jī)。
在雙端逆變器系統(tǒng)中可能希望^ffi燃料電池作為DC功率源。燃料電池 (fUelcell)肯灘以許多低壓電池的串i^接實(shí)現(xiàn)。這種鄉(xiāng)的實(shí)驗(yàn)式有利于低 電壓、大電流疊加(stack)技術(shù)。這些燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)要求升壓轉(zhuǎn)換器和另 外的會(huì)譴存儲(chǔ)器以高效艇行高壓電力牽引部件。然而，在車輛應(yīng)用中4頓單 獨(dú)的、不同的升壓轉(zhuǎn)換器和與燃料電池相關(guān)的逆變器部件是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@ 些附力啲部##增加車輛的成本、重量和制造復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
提供了一種用于ffi的AC牽引電動(dòng)機(jī)的雙端逆變器系統(tǒng)。該雙端逆變器
系統(tǒng)包括ifiS為ilf共DC ^E的燃料電池，和耦合至,料電池的阻抗源逆變器 子系統(tǒng)。該阻抗源逆變器子系統(tǒng)包括纖電織并且隨為驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng) 機(jī)。^^端逆變器系統(tǒng)還包括DC電壓源和船到DC電壓源的逆變器子系統(tǒng)。 1M變器子系統(tǒng)l2fi為驅(qū)動(dòng)AC電力牽引電動(dòng)機(jī)。
，供了用于具有AC牽引電動(dòng)機(jī)的車輛的電力牽引系統(tǒng)的實(shí)施例。該電 力牽弓l系統(tǒng)包括燃料電池、超級(jí)電容器和雙端逆變器系統(tǒng)，其中燃料電池配置 為提供驅(qū)動(dòng)AC牽弓I電動(dòng)機(jī)的DC電壓，超級(jí)電容器配置為衝共驅(qū)動(dòng)AC牽引電 動(dòng)機(jī)的DC電壓并E^X端逆變器系統(tǒng)耦合到AC牽引電動(dòng)機(jī)。iM端逆變器系 統(tǒng)隨為J柳MM料電池獲得的肖趲和細(xì)級(jí)電容器獲得的倉(cāng)遣驅(qū)動(dòng)AC牽引 電動(dòng)機(jī)。頗端逆變器系統(tǒng)包括耦合到AC牽引電動(dòng)機(jī)的第一逆變器部分，耦 合^m—逆變器部分和燃料電、 fc間的交叉LCX形,(X-link)和l^在超 級(jí)電織和AC牽弓I電動(dòng)t/lt間的第I^變器部分，其中交叉LC X形^i^括 電池。
^!f共了用于糊的AC牽引電動(dòng)機(jī)的電力牽弓l系統(tǒng)的另一個(gè)實(shí)施例。該系 統(tǒng)的此實(shí)施例包括燃料電池、可再充電電池和雙端逆變器系統(tǒng)，其中燃料電池 配置為提供驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)的DC電壓，可再充電電池配置為提供驅(qū)動(dòng)AC 牽引電動(dòng)機(jī)的DC ,并Ml端逆變器系統(tǒng)耦合到AC牽引電動(dòng)機(jī)。該雙端逆 變器系統(tǒng)配置為^fflMM料電池獲得的能量和從可再充電電池獲得的能量驅(qū)動(dòng) AC牽引電動(dòng)機(jī)。該雙端逆變器系統(tǒng)包括,到AC牽引電動(dòng)機(jī)的第一逆變器 部分；耦合^一逆變器部分和燃料電t&t間的^XLCX形,，^XLCX 形M^括配置為皿驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)的DC電壓的超級(jí)電容器；和耦合 在可再充電電池和AC牽弓I電動(dòng)lfl^間的第二逆變器部分。
提供發(fā)明內(nèi)容以簡(jiǎn)單的形式介紹一些精選的概念，這些 將在下面進(jìn)行 詳細(xì)的描述。此發(fā)明內(nèi)容并不是用來(lái)確定所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或者實(shí) 質(zhì)特征，也不打算用來(lái)幫助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。


結(jié)合以下附亂M:參考具體實(shí)駄舒n權(quán)利要求書(shū)可以對(duì)本主題有更全
面的了解，其中在所有附圖中相同的附圖標(biāo)iB^相似的元件。
圖1是合并了雙端逆變器系統(tǒng)的實(shí)施例的示例性 §的示意圖。
圖2 ^于與電動(dòng)^#混合電動(dòng) 1使用的雙端逆變器系統(tǒng)的第一實(shí) 施例的示意性電路圖。
圖3 Ji3g于與電動(dòng)^混合電動(dòng)^的雙端逆變器系統(tǒng)的第二實(shí)施例的示 意性電路圖。
圖4 ^用于電動(dòng)或者混合電動(dòng) 的雙端逆變器系統(tǒng)的第三實(shí)施例的示 意性電路圖。
具體實(shí)施例方式
下面的詳細(xì)描述其本質(zhì)僅僅歸例性的,并且不打算限制本主題的實(shí)施例或 #^些實(shí)施例的應(yīng)用和使用。如在這里使用的，詞語(yǔ)"示例性的"意贈(zèng)'作為例 子，實(shí)例或例證"。在腿作為示例性描述的任何實(shí)肪式不必解釋淑目比其他 實(shí) 式^ 的或有禾啲。另外，并不打算受在前面的技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、 發(fā)明內(nèi)容^#下面的詳細(xì)描述中給出的明示的或暗含的理論的限制。
^M將根據(jù)功能和/，,部件，并且參考可以由各種計(jì)算部件或設(shè) 行的操作、處理任務(wù)和功能的符號(hào)^^來(lái)描述各種,卩工藝。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)， 與逆變器、AC電動(dòng)TO制、電動(dòng)和混合電動(dòng)車輛操作相關(guān)的傳統(tǒng)技術(shù)，以及系 統(tǒng)(和系統(tǒng)的種操作部件)的其它功能方面將不再這里詳細(xì)描述。另外，這 里包括的於附圖中顯示的連接線意在標(biāo)各種元件之間的示例性功能關(guān)系和/ 或物理耦合。值得注意的是，在本主題的實(shí)施例中可以存在許多可選或者附加 的功能關(guān)系棘物理連接。
如在這里4鯛的，"結(jié)點(diǎn)"意,任何內(nèi)部或外部的參考點(diǎn)、連接點(diǎn)、接頭、 信號(hào)線、導(dǎo)電元件等，在該點(diǎn)存在給定的信號(hào)、邏輯電平、電壓、織模式、 電流或者量值。另外，兩個(gè)或者多個(gè)結(jié)點(diǎn)可以艦一偉理元件實(shí)現(xiàn)(并且兩 個(gè)或者多個(gè)信號(hào)可以被多路復(fù)用、調(diào)制或者被區(qū)分，即使它們以共用模式被接 收皿出)。
下面的描述涉及"連接"或"耦合"在一起的元件或節(jié)點(diǎn)或割牛(fcature)。 如這里所艦的，除非另有明確規(guī)定，"連接"標(biāo)一個(gè)元件/^^/##直離 合到另一個(gè)元件/1t^/零件(或者直接與其通信)，并且不一定是ffi3i繊方式。 同樣地，除非另有明確規(guī)定，"耦合"表^~個(gè)元件/節(jié)^/零件直接或間接地接 合到另一個(gè)元件/節(jié)點(diǎn)/零件(或者直接或間接與其通信)，并且不一定是iiil機(jī)
式。因此，雖縱圖24中示出的示意圖描繪了元件的示例性布置，但是在 本主題的實(shí)施例中可以雜附啲插入元件、設(shè)備、劐?；蛘卟考?。
這里將描述用于糊的電力牽引系統(tǒng)的雙端逆變器系統(tǒng)。該雙端逆變器系 統(tǒng)利用耦合到燃料電池的阻抗源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和耦合到諸如可再充電電池的 另一個(gè)DC能源的傳統(tǒng)的逆變娜撲結(jié)構(gòu)。在某些實(shí)施例中，阻抗源逆變娜 撲結(jié)構(gòu)包括在它的其中一個(gè)(或兩個(gè))^X鏈接支路中的超級(jí)電容器。^X鏈 接的網(wǎng)絡(luò)將燃料電池的M升高到適^M電容器的DC 電壓。該雙端逆 變器向電動(dòng)mjl供更高的電壓并且在電池和超級(jí)電容器之間,雙向DC功率 流(power flow)。在可靜代的實(shí)施例中，超級(jí)電容器和電^S換以形成其中阻 抗源逆變驗(yàn)它的其中一個(gè)交叉鏈接魏中包括電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。實(shí)際上，交 叉鏈接電容器(cross link capacitor)中的一個(gè)或兩個(gè)可以由，電^f戈替。
圖1是合并了雙端逆變器系統(tǒng)的實(shí)施例的示例性 100的示意圖。， 100 ^tk合并了如下面詳細(xì)描述的雙端逆變器系統(tǒng)。糊100通常包括底盤(pán) 102、車體104，四個(gè)$$& 106和電子控制系統(tǒng)108。車體104位于底盤(pán)102上 并且基本封閉，100的其它部件。車體104和底盤(pán)102可以共同形成車架。
106的每一個(gè)在靠近車體104的各個(gè)拐角與底盤(pán)102可轉(zhuǎn)動(dòng)地耦合。
100可以是許多不同種類汽車中的任何一種，例如私家轎車，貨車， 卡車^i動(dòng)型多功能車(SUV)，并且可以是兩輪驅(qū)動(dòng)(2WD)(即后輪驅(qū)動(dòng) 或者tt^驅(qū)動(dòng))，四輪驅(qū)動(dòng)(4WD)，棘，驅(qū)動(dòng)(AWD)。糊100還可以 合并許多不同鄉(xiāng)的發(fā)動(dòng)機(jī)和/辦弓係統(tǒng)中的任何一種鄉(xiāng)組合，例如汽油或 柴油燃料燃燒機(jī)，"靈活燃料型輔，(FW)發(fā)動(dòng)機(jī)(即j頓汽油和酒精的混合 物)，氣體化^tl (例如，氫氣和^S氣)燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，燃傲電動(dòng)機(jī)混合發(fā)動(dòng)機(jī) 和電動(dòng)機(jī)。
在圖l中所示的示例性實(shí)施例中，糊100是帶有電力牽弓l系統(tǒng)的全電動(dòng) 或者混合電動(dòng)糊，并且糊100還包括電動(dòng)機(jī)(或者牽引電動(dòng)機(jī))110,衛(wèi)共 DC 4E的鵬電池112，鵬另一個(gè)DC電壓的第二DC育g源114，雙端逆變 器系統(tǒng)116和散熱器118。如圖所示，燃料電池112和第二DC肯巨源114與電子 控庫(kù)係統(tǒng)108和雙端逆變器系統(tǒng)116可操作通信和/或電連接到電子控制系統(tǒng) 108和雙端逆變器系統(tǒng)116。需要注意的是在描述的實(shí)施例中車輛100不包括直 流至值流(DC/DC)功率轉(zhuǎn)換器作為其電力牽引微系統(tǒng)的組成部分。
在一個(gè)實(shí)施例中，燃料電池112包括陽(yáng)極、陰極、電解質(zhì)(electrolyte)和 催化劑。正如通常所理解的，陽(yáng)極(或負(fù)電極)傳導(dǎo)從例如氫分子中釋放出的 電子，使得它們可以用在外部電路中。陰極(棘正電極)將電子從外部電路 傳導(dǎo)回催化劑，在催化劑中電子可以與氫離子和氧重新結(jié)合形成水。電解質(zhì)或 者質(zhì)子^M僅傳導(dǎo)帶正電的離子而阻擋電子，而催化劑鵬氧和氫的反應(yīng)。 根據(jù)該實(shí)施例，可以〗頓電解質(zhì)、燃料和氧化齊啲不同組合，并且在本領(lǐng)域中 可以理碎的^里討論的主St用于樹(shù)可一種燃料電池。
^^例性實(shí)施例中，燃料電池112可以實(shí)現(xiàn)為艦串聯(lián)(例如為了超哽 高的電壓電平)和/鄉(xiāng)聯(lián)(例如為了達(dá)到更高的電流)組合單個(gè)燃料電池形成 的 電池堆(stack)鄉(xiāng)莫塊。 ^例性實(shí)施例中，燃料電池112 Mil當(dāng)?shù)嘏?置和控制以,可變的DC ^E。可以控制由燃料電池112產(chǎn)生的特定DC 以符合雙端逆變器系統(tǒng)116的需要。在實(shí)際的實(shí)施例中，適當(dāng)?shù)豬Sg^料電池 112以皿在大約128到280伏范圍內(nèi)的DC電壓。
糊100 j頓的第二 DC能源114可以實(shí)現(xiàn)為電池、電池組、超級(jí)電容器 (ultracapacitor)、超電容器(supercapacitor)等。對(duì)于在這里描述的一個(gè)實(shí)施例， 第二 DC能源114是可再充電電池(或電池組)，其可以ll^在大約200到350 伏范圍內(nèi)的DC腿。在可割戈的實(shí)施例中，第二DC倉(cāng)繊114是纖電容器, 其可以被實(shí)施為相對(duì)于普通和一般的電容器具有非常髙的能量密度的電化學(xué)雙 層電鄉(xiāng)(EDLC)。例如，超級(jí)電容器可以具有比傳統(tǒng)的電解電織高數(shù)千倍 的會(huì)遣密度。當(dāng)?shù)诙?DC能源114被實(shí)施為超級(jí)電鄉(xiāng)時(shí)，其提供在大約100 到400伏范圍內(nèi)的DC電壓。這種超級(jí)電容器可以具有范圍在大約2到15法拉 之間的電容。
電動(dòng)機(jī)110^tkJiH相交流(AC)電力牽引電動(dòng)機(jī)，不過(guò)也可以翻具 有不同相數(shù)的其它類型的電動(dòng)機(jī)。如圖1所示，電動(dòng)機(jī)110還可以包括 器 或與其協(xié)作，使得電動(dòng)機(jī)110和^t器可以M31—個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)軸120機(jī)械耦 合到輔106的至少一些上。散繊118雜至l雁架的外部，并且雖然沒(méi)有詳 細(xì)示出，其包括含有例如7jC和/或乙二醇(即抗凍劑)的7賴卩流體(即7辨口劑) 的多辦卩fflit。散熱器118耦合到雙端逆變器系統(tǒng)116和電動(dòng)機(jī)110,以便將冷 卻齊帷送到這些部件。在一個(gè)實(shí)施例中，雙端逆變器系統(tǒng)116接收并與電動(dòng)機(jī) 110共用;ti卩齊U。在可選實(shí)施例中，雙端逆變器系統(tǒng)116可以釆用空氣辨卩。
電子控制系統(tǒng)108與電動(dòng)機(jī)110，燃料電池112，第二DC能源114和雙端 逆變器系統(tǒng)116可操作通信。雖然沒(méi)有詳細(xì)示出，電子控制系統(tǒng)108包括各種 傳^^和例如逆變旨帝贖塊，燃料電池控制器和 控制器的自動(dòng)控偉訴莫塊 棘電子控制單元(ECU),和至少一個(gè)處理器稱蹄儲(chǔ)器，所述存儲(chǔ)器包括存 儲(chǔ)在其上(或者在另一種計(jì)鋭幾可讀介質(zhì)上)的用于執(zhí)行如下面艘描述的過(guò) 程和方法的指令。
圖2 Jiii于與電動(dòng)或混合電動(dòng)，一起使用的雙端逆變器系統(tǒng)200的實(shí)施 例的示意性電路圖。在某些實(shí)施例中，雙端逆變器系統(tǒng)U6 (圖l中示出)可以 以這種方式實(shí)現(xiàn)。如圖2所描述的，雙端逆變器系統(tǒng)200耦合到AC牽引電動(dòng) 機(jī)202，燃料電池204和電池206并且與它們協(xié)作。雙端逆變器系統(tǒng)200通常包 括但不P艮于耦合到燃料電池204的阻抗源逆變器子系統(tǒng)208;耦合到電池206 的逆變器子系統(tǒng)210,和耦合到阻抗源逆變器子系統(tǒng)208和逆變器子系統(tǒng)210 的控制器212。為了保護(hù)W4電池204，雙端逆變器系統(tǒng)200可以使用耦合 料電池204和阻抗源逆變器子系統(tǒng)208之間的二極管214。雙端逆變器系統(tǒng)200 允許AC牽弓I電動(dòng)機(jī)202由燃料電池204、電池206和阻抗源逆變器子系統(tǒng)208 艦的第三能源(下面進(jìn)行描述)供電。如下面將詳細(xì)解釋的，此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還 可以,燃料電池204和電池206之間的電壓匹配。
在一個(gè)實(shí)施例中，AC牽引電動(dòng)機(jī)202是包括一組三個(gè)繞組216 (戯圈) 的三相電動(dòng)機(jī)，旨繞,應(yīng)于AC牽引電動(dòng)機(jī)202的一相，如通常所理解的。 在一個(gè)實(shí)施例中，AC牽引電動(dòng)機(jī)202的中性點(diǎn)(neutral point)展開(kāi)使其形成6 端子的三相電動(dòng)機(jī)。雖然未示出，AC牽引電動(dòng)機(jī)202包括定子總成(包括線圈)
和^f總成(包括鐵磁心)，如本領(lǐng)域^人員所理解的。
阻抗源逆變器子系統(tǒng)208包,變器部分218,逆變器子系統(tǒng)210包, 變器部分220。對(duì)于該實(shí)施例，逆變器部分218和逆變器部分220旨都包括6 銷關(guān)(例如，諸如晶體管的半導(dǎo)#^件)，該開(kāi)關(guān)具有反并聯(lián)二極管(即艦 晶體管開(kāi)關(guān)的電流的方向與通過(guò)相應(yīng)二極管的所允許的電流方向相反)。如圖所 示，阻抗源逆變器子系統(tǒng)208的逆變器部分218中的開(kāi)關(guān)被布置為3對(duì)(敘 路)對(duì)222 ， 224和226。類似地，逆變器子系統(tǒng)210的逆變器部分220的開(kāi)關(guān) 被布置為3對(duì)(或支路)對(duì)228， 230和232。該組繞組216中的第一繞組在其 相對(duì)端電l^在對(duì)222 (逆變器部分218中)的開(kāi)關(guān)和對(duì)228 (逆變器部分220中)的開(kāi)關(guān)之間。該組繞組216中的第二 耦合 224 (逆變器部分218 中)的開(kāi)關(guān)和對(duì)230 (逆變器部分220中)的開(kāi)關(guān)之間。該組繞組216中的第三 繞組齢頓226 (逆變器部分218中)的開(kāi)關(guān)和對(duì)232 (逆變器部分220中) 的開(kāi)關(guān)之間。因此，每一個(gè)繞組的一端耦合到阻抗源逆變器子系統(tǒng)208,并且每 一個(gè)繞組的相對(duì)端均耦合到逆變^^系統(tǒng)210。
阻抗源逆變器子系統(tǒng)208和逆變ii子系統(tǒng)210 ssa為(根,定的運(yùn)行條
件)賴她麟同地驅(qū)動(dòng)AC牽弓I電動(dòng)機(jī)202。在這方面，控制器212適當(dāng)?shù)嘏?置為影響阻抗源逆變器子系統(tǒng)208和逆變器子系統(tǒng)210的操作以管理^料電池 204、電池206和AC牽引電動(dòng)機(jī)202之間的功率傳遞。例如，控制器212, 配置為響應(yīng)于從車輛駕駛員(例如，M31加iim板)接收到的命令并且向阻抗 源逆變器子系統(tǒng)208的逆變器部分218禾喊變器子系統(tǒng)210的逆變器部分220 il^制信號(hào)或命令以控制逆變器部分218和220的輸出。實(shí)際中，可以釆用 高,寬調(diào)律U(PWM)g控律腿變器部分218和220并且管S^變器部分218 和220產(chǎn)生的電壓。
除了逆變器部分218，阻抗源逆變器子系統(tǒng)208包括耦合在逆變器部分218 和燃料電池204之間的交叉的LC X形鏈路234。該 的LC X形鏈路234的 特定實(shí)施例包括第一電感元件236，第二電感元件238，電容元件240和超級(jí)電 織242。電感元件236的一端齢到結(jié)點(diǎn)244，電感元件236的另一端耦合到 結(jié)點(diǎn)246。電感元件238的一端f^到結(jié)點(diǎn)248，電感元件238的另一端耦合到 結(jié)點(diǎn)250。如圖2所示，逆變器部分218可以連接在結(jié)點(diǎn)246和250之間。在這 方面，可以認(rèn)為結(jié)點(diǎn)246和250題變器部分218的輸ASl/纖出結(jié)點(diǎn)。電容 元件240的一端齢到結(jié)點(diǎn)244，電容元件240的另一端耦合至U結(jié)點(diǎn)250。超級(jí) 電容器元件242的一端g到結(jié)點(diǎn)246, M電容器元件242的另一端耦合到結(jié) 點(diǎn)248。換言之，電容元件240 IP^在電感元件236的第一端和電感元件238 的第二端之間,而超級(jí)電容器242 |^>在電感元件236的第二端和電感元件238 的第一端之間。交叉的LC X形鏈路234中的部件的電感和電容基于例如逆變器 部分218的開(kāi)關(guān)頻率，輸出頻率，可承受的波紋電tt等因素選擇。如下面將 詳細(xì)描述的,奴的LC X形 234被配置和控制為艦阻抗源逆變器子系統(tǒng) 208在升壓或降壓模式中的操作。
阻抗源逆變器子系統(tǒng)208通常以下面的方式操作。交叉的LC X形鏈路234 理想地以逆變器部分218的開(kāi)關(guān)頻率的2倍(或6倍，基于控制方法)進(jìn)fi^ 制，因?yàn)樵趲躁P(guān)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)閉狀態(tài)期間，效的LCX形鏈路234是有效的。在開(kāi) 關(guān)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)閉(off)狀態(tài)期間(即所有上、下開(kāi)關(guān)接通(on))，可以ffiil接通 (加mon)相腳中的一個(gè)、兩個(gè)^H個(gè)中的兩個(gè)開(kāi)關(guān)^ii受控的持續(xù)時(shí)間而升高 阻抗網(wǎng)絡(luò)的有效電壓。該導(dǎo)通狀況(shoot -lhrough condition)對(duì)電,充電， 艦變器部分218的下一個(gè)有效狀態(tài)期間，該電感器增加可用的有效DC 電壓。在這方面，阻抗源J^變器子系統(tǒng)208和交叉的LC X形 234將根據(jù)已 知的原理和技術(shù)工作。例如，已知的阻抗源功率逆變器的操作在美國(guó)專利號(hào) 7,130^205中有所描述，其內(nèi)雜此引入作為參考。
皿電容器242 ^Sifera為在某些^^牛下ilf共DC電壓用于驅(qū)動(dòng)AC牽 弓l電動(dòng)機(jī)202。換言之，超級(jí)電容器242代表第三能源(除了燃料電池204和電 池206之外)。在雌的 12置中，纖電繊242可以用來(lái)存儲(chǔ)再生制動(dòng)能 量。因此，為了容納再生育遣，可以控制雙端逆變器系統(tǒng)200使得細(xì)級(jí)電容 器242中保[定的最小容量。因此，控制器212還可以隨為影響阻抗源逆 變器子系統(tǒng)208和逆變器子系統(tǒng)210的操作，以管理到超級(jí)電容器242和來(lái)自 超級(jí)電容器242的功率傳輸。
對(duì)于示出的實(shí)施例，結(jié)點(diǎn)248孝給至,料電池204的低電勢(shì)端子(即地或 其它參考)，并且結(jié)點(diǎn)244齢到二極管214的陰極。另外，二極管214的陽(yáng)極 耦合到燃料電池204的高電勢(shì)端子。對(duì)于該特定的實(shí) 式，二極管214連接 |斗電池204的正端子和結(jié)點(diǎn)244之間。在雙端逆變器系統(tǒng)200操作期間， 二極管214限制^A燃料電池204的電流。
燃料電池204可以由適當(dāng)配置的燃料電池控偉幡252監(jiān)控，管理和/鵬制。 燃料電池控制器252 3tekK制和調(diào)節(jié)燃料電池204產(chǎn)生的電壓。在這方面， 燃料電池控制器252可以與控制器212通信，使得控制器212可以考慮燃料電 池204產(chǎn)生的能量值進(jìn)而根據(jù)需要控庫(kù)l風(fēng)端逆變器系統(tǒng)200。換言之，燃料電池 控帝幡252 方案中起'弓l導(dǎo)者"的作用。
根據(jù)雙端逆變器系統(tǒng)200的實(shí)駄式和Sfig方式，控帶滕212可以合艦 , 據(jù)許多不同的操^^式控制阻抗源逆變器子系統(tǒng)208和/，變器子系 統(tǒng)210。這樣的操俏莫式可以包括但不限于升壓操俏莫式，傳統(tǒng)的逆變賺作 模式，再充電操j條式等。在升壓操作模式中，阻抗源逆變器子系統(tǒng)208升高
由燃料電池204產(chǎn)生的DC電壓，以便與超級(jí)電容器242和/或電池206相兼容 和匹配。為了維斷鵬俏莫式，交叉的LC X形M 234運(yùn)行以將結(jié)點(diǎn)246 和250兩端的電勢(shì)增加到^M^料電池204的電壓的電壓。更具體地說(shuō)，升高 結(jié)點(diǎn)246和250兩端的電壓使得其^^##于電池206的額定DC電壓。結(jié)
AC輸出電:更高。M31包括阻抗源逆變器子系統(tǒng)208而提:的該更高;電壓可 以用于在更有效的工作點(diǎn)操作雙端逆變器系統(tǒng)200。對(duì)于這種，的操作，;l^斗 電池204或者向AC牽弓I電動(dòng)機(jī)202提M功功率或者提供零有功功率，使得 逆變器部分218僅僅向AC牽弓I電動(dòng)機(jī)202提供無(wú)功功率，用來(lái)改善雙端逆變 器系統(tǒng)200的功率系數(shù)。
控帝i藤212還可以維持以傳統(tǒng)的逆變鵬作模軀行。在傳統(tǒng)的逆變繊 條式中，控制器212維持由燃料電池204跑共的DC腿。換言之，不升高 4電池204的電壓。雖然限制了AC輸出電壓，但希望的電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)并不 要求更高的電壓，因此，劍氐的可用MII^夠了，這樣提供更有效的整體工 作點(diǎn)。控偉幡212還可以維持以再充電模式運(yùn)行，以艦電池206和/鵬級(jí)電 容器242進(jìn)行再充電。
再次參考圖1 ，通M^由AC牽弓I電動(dòng)機(jī)202向車輪106提供功率，作車 輛IOO， AC牽引電動(dòng)機(jī)202從燃料電池204、電池206和/，級(jí)電容器242獲 得運(yùn)行的育遣。為了給電動(dòng)機(jī)供電，Mm電池204禾口纖電鄉(xiāng)242向逆變 器部分218鄉(xiāng)DC功率，和/纖電池206向逆變器部分220衝共DC功率。 如本領(lǐng)鄉(xiāng)常所賺的，逆變器部分218和220將DC功報(bào)化為AC功率。 在某些實(shí)施例中，如果電動(dòng)機(jī)不要求燃料電池204的最大功率輸出，來(lái)自燃料 電池204的嫩卜功率可以用艦電池206充電。對(duì)鵬，如果電動(dòng)機(jī)不要求電 池206的最大功，出，來(lái)自電池206的客砂卜功率可以用5l^^超級(jí)電容器242 充電。當(dāng)然，在某雖作^f牛下，控審幡212可以用來(lái)4頓來(lái)自可用能源的任 意組合驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。
在運(yùn)行中,控制器212接OT于AC牽引電動(dòng)機(jī)202的lf^命令，并且確 定如何最好地管S^料電池204和阻抗源逆變器子系統(tǒng)208之間，以及電池206 和逆變器子系統(tǒng)210之間的功率流。通M^種方式，控制器212還調(diào)節(jié)逆變器 部分218和逆變器部分220驅(qū)動(dòng)AC牽弓I電動(dòng)機(jī)202的方式。雙端逆變器系統(tǒng)
200可以使用任何合適的控制方法、協(xié)議、方^者銜^例如，在美國(guó)專利號(hào) 為7,154,237和7,199,535 (均轉(zhuǎn)讓給General Motors Corporation)中描述的^ 和工藝的某些方面可以被雙端逆變器系統(tǒng)200使用。這些專利的相關(guān)內(nèi)^ltk 引入以供參考。
實(shí)際中，$^以包括電池(battery)控制器，該電池控制器可以與控偉幡 212 ^F^"與其集成(通常是分開(kāi)的)。電池控帝勝適當(dāng)?shù)嘏渲脼楸O(jiān)控電池206 荷電狀雄息(以及諸如電池均衡之類的其它信息)。電池控制器可以分析和/ 或處理這樣的信息并且向，控制IIJI供功率能力。 5控制器處理從電池控 帝螺得到的信息以及駕駛者的命令，以確定如何最好地滿足駕駛者的要求和滿 足任意子系統(tǒng)的要求，例如兩個(gè)能源之間的功糊衡。
雖然示出的實(shí)施例^m電池側(cè)H頓阻抗源逆變器子系統(tǒng)，但是在可選的
實(shí)施例中可以在電池側(cè)使用阻抗源逆變器子系統(tǒng)以代替(或者除了)在燃料電 池側(cè)鵬阻抗源逆變器子系統(tǒng)。
圖3 ，于與電動(dòng)或混合電動(dòng)車輛一起使用的雙端逆變器系統(tǒng)300的第二 實(shí)施例的示意性電路圖。雙端逆變器系統(tǒng)300與雙端逆變器系統(tǒng)200在很多方 面相似，并且共同的特征，操作特性和元件在這里將不再贅述。雙端逆變器系 統(tǒng)300使用另一^M電容器302,以取代電容元件240。雖然不要求，但, 的實(shí)施例可以使用)^爾的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中超級(jí)電容器242和302相互匹配。換 言之，超級(jí)電容器242和302的電容、額定值和其它電氣特性在，實(shí)施例中 是相同的。
控審藤304適當(dāng)?shù)豐Bg鵬作雙端逆變器系統(tǒng)300，使得兩^h^電容器可 以,DC ^EE,關(guān)于驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)202，并且使得可以根據(jù)需要對(duì)兩 愧級(jí)電^^充電。另外，控制器304影響逆變器部分218和逆變器部分220 的操作以根據(jù)需要 ^ 行期間管 料電池204、超級(jí)電容器302、超級(jí) 電織242、電池206和AC牽引電動(dòng)機(jī)202之間的功率傳遞。艦方面，雙端 逆變器系統(tǒng)300可以{鯛燃料電池204、超級(jí)電容器302、纖電容器242、和/ *人制動(dòng)得到的再生能翻電池206再充電。
圖4 ^S于與電動(dòng)或混合電動(dòng)車輛一起iOT的雙端逆變器系統(tǒng)400的第三 實(shí)施例的示意性電路圖。雙端逆變器系統(tǒng)400與雙端逆變^系統(tǒng)200在很多方 面相似，并且共同的特征，操作特性和元件在這里將不再贅述。雙端逆變器系
統(tǒng)400 JOT超級(jí)電容器402作為第二 DC倉(cāng)巨源(而不是圖2和圖3中描繪的電 池206)。另外，雙端逆變器系統(tǒng)400湖電池404取fW級(jí)電容器2420
控銅藤406適當(dāng)?shù)仉S^^f^雙端逆變器系統(tǒng)400，使得超級(jí)電容器402 可以提供DC電壓用于驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)202,并且使得可以根據(jù)需要對(duì)超級(jí) 電容器402再充電。另外，控審滕406影響逆變器部分218和逆變器部分220 的操作以根據(jù)需要^± 5運(yùn)行期間管3^料電池204、超級(jí)電容器402、電池 404和AC牽引電動(dòng)機(jī)202之間的功率傳遞。艦方面，雙端逆變器系統(tǒng)400可 以4頓燃料電池204、超級(jí)電容器402和/歳偉慟得到的再生能翻電池404 再充電。雖然沒(méi)有在圖4中斜標(biāo)出，然而另一個(gè)實(shí)施伊M頓超級(jí)電容離為 電容元件240。在這樣的實(shí)施例中，控制器406可以j頓如上面描述的技斜口方 法管理和調(diào)節(jié)燃料電池204、(超級(jí))電容元件240、皿電容器402和AC牽 引電動(dòng)機(jī)202之間的能量流。
雖然在上面的詳細(xì)描述中給出了至少一個(gè)示例性實(shí)施例，應(yīng)該理解還存在 大量的變形。同樣應(yīng)理解的是，這里描述的示例性實(shí)施例并不打算以任何方式 限制所要求保護(hù)的主題的范圍、適用性或CT。相反，上述詳細(xì)的描述將為本 領(lǐng)域i^人員提供實(shí)現(xiàn)描述的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的方便的指導(dǎo)方針。應(yīng)該理解
的是在不脫離權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍的itm下，可以在元件的功能和布置方
面做出各種變化，所述范圍包括在提交本專利申請(qǐng)時(shí)已知的等同物和可預(yù)知的 等同物。
權(quán)利要求
1.一種用于車輛的AC牽引電動(dòng)機(jī)的雙端逆變器系統(tǒng)，所述雙端逆變器系統(tǒng)包括配置為提供DC電壓的燃料電池；阻抗源逆變器子系統(tǒng)，其耦合到燃料電池并被配置成驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)，所述阻抗源逆變器子系統(tǒng)包括超級(jí)電容器；DC電壓源；和逆變器子系統(tǒng)，其耦合到DC電壓源的并被配置成驅(qū)動(dòng)AC電力牽引電動(dòng)機(jī)。
2、 如權(quán)利要求1所述的雙端逆變器系統(tǒng)，還包括耦合到阻抗源逆變器子系 統(tǒng)和逆變器子系統(tǒng)的控制器，所述控銅藤配置為影響阻抗源逆變器子系統(tǒng)和逆 變器子系統(tǒng)的操作，以管理燃料電池、DC電壓源、超級(jí)電容器和AC牽引電動(dòng) 豐ilt間的功率傳遞。
3、 如權(quán)利要求1戶，的雙端逆變器系統(tǒng)，其中DC電壓源包括可再充電電池。
4、 如權(quán)利要求1所述的雙端逆變器系統(tǒng)，所述P且抗源逆變器子系統(tǒng)包括-逆變器部分；和齢鄉(xiāng)變器部分和燃料電池之間的 的LC X形 ，其中所述交叉 的LC X形^&鵬級(jí)電容器。
5、 如權(quán)利要求4所述的雙端逆變器系統(tǒng)，所述奴的LCX形^&括 具有相應(yīng)的第一端和第二端的第一電感元件； 具有相應(yīng)的第一端和第二端的第二電感元件；和耦合在第一電感元件的第一端和第二電感元件的第二端之間的電容元件；其中超級(jí)電容器耦合在第一電感元件的第二端和第二電感元件的第一端之間。
6、 如權(quán)利要求5所述的雙端逆變器系統(tǒng)，其中自電容元件包括第二M 電織。
7、 如權(quán)利要求1所述的雙端逆變器系統(tǒng)，還包括二極管，該二極管的陽(yáng)極 耦合到燃料電池，其陰極耦合到阻抗^^變器子系統(tǒng)。
8、 如權(quán)利要求1所述的雙端逆變器系統(tǒng)，其中阻抗源逆變器子系統(tǒng)配置為 升高由燃料電池JI^的DC電壓。
9、 一種用于具有AC牽引電動(dòng)機(jī)的車輛的電力牽弓I系統(tǒng)，所縣統(tǒng)包括 lfig成提供用于驅(qū)動(dòng)AC牽弓I電動(dòng)機(jī)的DCTO的燃料電池；iea成提供用于驅(qū)動(dòng)Ac牽引電動(dòng)機(jī)的Dc腿的超級(jí)電容器；禾口雙端逆變器系統(tǒng)，其齢到AC牽引電動(dòng)機(jī)并隨為^^MM料電池得到的 能量和從超級(jí)電容器得到的能量驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)，所述雙端逆變器系統(tǒng)包 括齢到AC牽弓I電動(dòng)機(jī)的第一逆變器部分；耦合，一逆變器部分和燃料電^t間的交叉的LCX形M,所述M的 LCX形麟包括電池；和耦合，級(jí)電容器和AC牽弓I電動(dòng)tlt間的第1變器部分。
10、 如權(quán)利要求9戶艦的電力牽引系統(tǒng)，還包括齢至條一逆變器部分和 第二逆變器部分的控制器，所述控制器配置為影響第一逆變器部分和第二逆變 器部分的操作，以管Sit料電池、超級(jí)電容器、電池和AC牽引電動(dòng)機(jī)t間的功 率傳遞。
11、 如權(quán)利要求9所述的電力牽弓l系統(tǒng)，所述奴的LCX形TO^括 具有相應(yīng)的第一端和第I1^的第一電感元件；具有相應(yīng)的第一端和第Z^的第二電感元件；和耦合，一電感元件的第一端和第二電感元件的第二端之間的電容元件；其中該電池耦合在第一電感元件的第二端和第二電感元件的第一端之間。
12、 如權(quán)利要求ll所述的電力牽弓l系統(tǒng)，其中 第一電感元件的第1耦合到第一逆變器部分的第一輸入結(jié)點(diǎn)； 第二電感元件的第二端耦合到第一逆變器部分的第二輸入結(jié)點(diǎn)； 第二電感元件的第一端g到燃料電池的低電勢(shì)端子；禾口 雙端逆變器系統(tǒng)還包括M在第一電感元件的第一端和燃料電池的高電勢(shì)端子之間的二極管元件。
13、 如權(quán)利要求11所述的電力牽弓係統(tǒng)，其中電容元件包括第二超級(jí)電容器。
14、 如權(quán)利要求9所述的電力牽弓l系統(tǒng)，其中電池是可再充電的。
15、 一種用于糊的AC牽引電動(dòng)機(jī)的電力牽弓I系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 隨為提供用于驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)的DC電壓的燃料電池； 隨為提供用于驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)的DC電壓的可再充電電池；和雙端逆變器系統(tǒng),其齢到Ac牽引電動(dòng)機(jī)并isa為棚Mm電池得到的育瞳和從可再充電電池得到的育讀驅(qū)^JAC牽弓I電動(dòng)機(jī)，^Jl端逆變器系統(tǒng)包括耦合到AC牽弓I電動(dòng)機(jī)的第一逆變器部分；^S—逆變器部分和燃料電 fct間的交叉的LCX形l1^，所述 的LC X形W&^g^電容器,所鵬級(jí)電容器ses為提供用于驅(qū)動(dòng)Ac牽弓I電動(dòng)機(jī)的DC電壓；和在可再充電電池和AC牽弓I電動(dòng)lflt間的第二逆變器部分。
16、 如權(quán)利要求15所述的電力牽弓l系統(tǒng)，還包括船到第一逆變器部分和 第二逆變器部分的控偉幡，所述控制器配置為影響第一逆變器部分和第二逆變 器部分的操作，以管S^料電池、可再充電電池、,電容器和AC牽引電動(dòng)機(jī) 之間的功率傳遞。
17、 如權(quán)利要求15所述的電力牽弓l系統(tǒng)，所述^X的LCX形^j^括 具有相應(yīng)的第一端和第二端的第一電感元件； 具有相應(yīng)的第一端和第二端的第二電感元件；以及 耦合在第一電感元件的第一端和第二電感元件的第二端之間的電容元件；其中纖電^^鄉(xiāng)一電感元4鵬1和第二鵬元件的第一端之間。
18、 如權(quán)利要求17臓的電力牽弓l系統(tǒng)，其中 第一電感元件的第1耦合到第"^變器部分的第一輸入結(jié)點(diǎn)； 第二電感元件的第耦合到第一逆變器部分的第二輸入結(jié)點(diǎn)； 第二電感元件的第一端船到M電池的低電勢(shì)端子；和戶;M^端逆變器系，包括,在第一電感元件的第一端和燃料電池的高電勢(shì)端子之間的二極管元件。
19、 如權(quán)利要求17所述的電力牽弓l系統(tǒng)，其中所述電容元件包括第二超級(jí)
20、 如權(quán)利要求15所述的電力牽弓l系統(tǒng)，其中所3 E^端逆變器系統(tǒng)隨為 升高由燃料電池提供的DC電壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有交叉鏈接的超級(jí)電容器網(wǎng)絡(luò)的雙端逆變器系統(tǒng)。一種用于車輛的AC牽引電動(dòng)機(jī)的雙端逆變器系統(tǒng)，其包括配置為提供DC電壓的燃料電池，與燃料電池耦合的阻抗源逆變器子系統(tǒng)，DC電壓源和耦合到DC電壓源的逆變器子系統(tǒng)。阻抗源逆變器子系統(tǒng)包括超級(jí)電容器，其配置為驅(qū)動(dòng)AC牽引電動(dòng)機(jī)。逆變器子系統(tǒng)配置為驅(qū)動(dòng)AC電力牽引電動(dòng)機(jī)。超級(jí)電容器在耦合到燃料電池的交叉的LC網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H02J7/00GK101372208SQ200810215409
公開(kāi)日2009年2月25日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月30日
發(fā)明者B·A·維爾奇科, G·S·史密斯, G·約翰, J·M·納加施馬, M·佩里西克, S·查克拉巴蒂 申請(qǐng)人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司