專利名稱：使用共享電力電子器件進行快速充電的設備和方法
技術領域：
一般說來，本發(fā)明的實施例涉及包括混合和電動車輛的電驅動系統(tǒng)，更具體來說， 涉及使用一個或多個附加電驅動系統(tǒng)的共享電力電子器件(power electronics)對一個電 驅動系統(tǒng)快速充電。
背景技術：
混合電動車輛可組合內燃機以及由能量存儲裝置、如牽引用蓄電池供電的電動 機，以便推動車輛。通過使內燃機和電動機能夠各自工作在增加效率的相應范圍，這種組合 可提高總燃料效率。例如，電動機在從靜止啟動進行加速時會有效率，而內燃機在恒定發(fā)動 機運轉的持續(xù)期中、例如在高速公路行駛中會有效率。使電動機提升初始加速度允許混合 車輛中的內燃機更小并且具有更大燃料效率。完全電動車輛使用存儲的電能向電動機供電，電動機推進車輛并且還可操作輔助 驅動裝置(drive)。完全電動車輛可使用一個或多個存儲電能源。例如，第一存儲電能源可 用于提供更持久能量，而第二存儲電能源可用于提供例如用于加速的較高功率能量。無論是混合電動類型還是完全電動類型的插入式(plug-in)電動車輛配置成使 用來自外部源的電能對牽引用蓄電池再充電。例如，這類車輛可包括道路和越野車輛、高爾 夫球車、社區(qū)電動車輛、鏟車和公用卡車等。這些車輛可使用非車載固定電池充電器、車載 電池充電器或者非車載固定電池充電器和車載電池充電器的組合來將電能從公用電網(wǎng)或 可再生能源傳遞到車輛的車載牽引用蓄電池。例如，插入式車輛可包括便于牽引用蓄電池 從公用電網(wǎng)或其它外部源再充電的電路和連接。但是，電池充電電路可包括專用組件，例如 升壓轉換器、高頻濾波器、斷路器、電感器以及僅專用于在車載電存儲裝置與外部源之間 傳遞能量的其它電氣組件。這些附加專用組件給車輛增加額外成本和重量。另外，可用于僅使用車輛的車載電池充電電路對車載電存儲裝置再充電的總電流 被限制到車載電池充電電路可供應的總電流。但是，車載電存儲裝置可設計成接受比車載 電池充電電路所供應的總電流大許多的充電電流。增加車載電池充電電路所供應的總電流 通常包括增加電路組件的大小和容量，這又給車輛增加附加成本和重量。因此，希望提供便于將電能從多個外部源傳遞到插入式車輛的車載電存儲裝置的 設備，該設備減少僅專用于在車載電存儲裝置與外部源之間傳遞能量的組件的數(shù)量，并且 增加可用于車載電存儲裝置充電的總電流。
發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種設備包括電力電子能量轉換系統(tǒng)，所述電力電子能 量轉換系統(tǒng)包括第一能量存儲裝置，配置成存儲DC能量；以及第一電壓轉換器，配置成把 來自第一能量存儲裝置的所存儲電壓轉換成配置成驅動機電裝置的第一電壓。第一電壓轉 換器還配置成把來自遠程電源的第二電壓轉換成配置成對第一能量存儲裝置充電的第一 充電電壓。該設備還包括第一控制器，配置成控制第一電壓轉換器將第二電壓轉換成第一充電電壓，以及在充電操作模式期間將第一充電電壓提供給第一能量存儲裝置，并且與定 位于遠離電力電子能量轉換系統(tǒng)的第二控制器通信，以便在充電操作模式期間使第二充電 電壓被提供給第一能量存儲裝置，從而對第一能量存儲裝置快速充電。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種方法包括將第一能量存儲裝置耦合到第一電壓轉換 器，其中第一能量存儲裝置配置成存儲電能，以及其中第一電壓轉換器配置成把來自第一 能量存儲裝置的所存儲電壓轉換成配置成驅動電動機的第一電壓，并且把來自第一遠程 電源的第二電壓轉換成配置成對第一能量存儲裝置充電的第一充電電壓。該方法還包括將 第一控制器耦合到第一電壓轉換器，并且將第一控制器配置成使第一電壓轉換器將第二電 壓轉換成第一充電電壓以及在快速充電操作模式期間將第一充電電壓提供給第一能量存 儲裝置。該方法還包括將第一控制器配置成在快速充電操作模式期間使來自第二遠程電源 的第二充電電壓被提供給第一能量存儲裝置，以便對第一能量存儲裝置快速充電。根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種系統(tǒng)包括第一電力母線(bus)、第二電力母線和第一 車輛。第一車輛包括第一能量存儲裝置，配置成存儲DC能量；第一電動機；以及第一電壓 轉換器，配置成把來自第一能量存儲裝置的所存儲電壓轉換成配置成驅動第一電動機的電 動回轉(motoring)電壓，并且把來自第一電力母線的第一電壓轉換成配置成對第一能量 存儲裝置充電的第一充電電壓。第一車輛還包括第一控制器，配置成控制第一電壓轉換器 將第一電壓轉換成第一充電電壓，并且將第一充電電壓提供給第一能量存儲裝置。該系統(tǒng) 還包括定位于遠離第一車輛并且包括第二電壓轉換器的第一能量轉換系統(tǒng)，所述第二電壓 轉換器把來自第一電力母線的第一電壓轉換成配置成對第一車輛的第一能量存儲裝置充 電的第二充電電壓。第一能量轉換系統(tǒng)還包括第二控制器，配置成控制第二電壓轉換器將 第一電壓轉換成第二充電電壓，以及將第二充電電壓提供給第二電力母線，并且與第一控 制器通信以使第二充電電壓從第二電力母線被提供給第一能量存儲裝置，從而對第一能量 存儲裝置快速充電。通過以下詳細描述和附圖，其它各種特征和優(yōu)點將顯而易見。
附圖示出當前預期用于實現(xiàn)本發(fā)明的實施例。附圖中圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的充電系統(tǒng)的示意框圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)的一部分的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的圖2所示充電系統(tǒng)的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)的另一部分的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)的另一部分的示意圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)的另一部分的示意圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)的另一部分的示意圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖7中充電單元的示意圖。圖9是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖7中充電單元的示意圖。圖10是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)的另一部分的示意圖。
具體實施例方式圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例的充電系統(tǒng)2的基礎設施示意框圖。充電系統(tǒng)2示出耦 合到充電站16的相應充電槽(charging bay)或插座10、12、14的多個車輛4、6、8。在一個 實施例中，充電系統(tǒng)2可包括如以下針對圖7-9所述的非車輛充電單元18。根據(jù)本發(fā)明的 實施例，車輛4-8和充電站16配置成共同協(xié)作以在車輛4-8和可選非車載充電單元18之 間共享電力電子器件，以便將充電電流提供給車輛中之一、如車輛6，從而增大和增加由車 輛單獨生成的充電電流。各車輛4-8包括耦合到至少一個能量存儲裝置22的多個電力電子器件20。在車 輛4-8的操作期間，控制器M使來自能量存儲裝置22的DC電壓被修改并且在電動回轉操 作模式期間被傳送給機械耦合到一個或多個驅動輪或車軸(axleUS的機電裝置或電動機 26。在另一實施例中，來自能量存儲裝置22的DC電壓可被修改并且被傳送給另一負載 (未示出)，例如空調壓縮機、風扇、泵或其它輔助驅動裝置。車輛4-8可包括AC電動機26，并且控制器M配置成使來自能量存儲裝置22的 DC電壓經(jīng)由電力電子器件20轉化成AC電壓供傳送給電動機沈。在這個實施例中，例如， 車輛4-8可以是道路和越野車輛或者公用卡車。在另一實施例中，車輛4-8可包括DC電動 機沈，并且控制器M配置成在電動回轉操作模式期間使來自能量存儲裝置22的DC電壓經(jīng) 由電力電子器件20轉換成可變DC電壓供傳送給電動機26。在這個實施例中，例如，車輛 4-8可以是叉車、高爾夫球車或者社區(qū)電動車輛。當車輛4-8停放或者未使用時，可能希望將車輛插入例如公用電網(wǎng)或者插入可再 生能源，以便對能量存儲裝置22進行補充或再充電。相應地，車輛4-8可經(jīng)由包括配套 (mating)觸點32、34的連接系統(tǒng)30耦合到充電站16。充電站16包括配置成向車輛4_8 的電力電子器件20供應或提供電力的電力母線36。在一個實施例中，電力母線36是例如 公用電網(wǎng)的3相AC電力母線。但是，預期電力母線36可包括任何數(shù)量的相位，并且可供應 或接收AC或DC電力。根據(jù)本發(fā)明的實施例，充電站16包括配置成增大和增加由耦合到充電站16的車 輛中之一生成的充電電流的共享DC電壓母線38。充電站16還包括控制器40，控制器40 耦合到在充電站16可用的各充電槽10、12、14的多個接觸器組42、44、46。在一個實施例 中，各接觸器組42-46具有耦合到共享DC電壓母線38的接觸器對48、50以及耦合到電力 母線36的多個接觸器52、54、56?？刂破?0配置成控制接觸器48-56并且與各車輛控制器 24進行通信，以便指導和控制對耦合到充電站16的車輛的充電。在一個實施例中，控制器 40配置成在電力母線36上經(jīng)由電力線路通信與各車輛控制器M通信。但是，本文中還預 期其它通信模式，例如無線通信或者經(jīng)由專用通信線路的通信。如圖1所示，車輛4-8耦合到充電站16。根據(jù)所示實施例，車輛4和8正使用其電 力電子器件20把來自電力母線36的電力提供到共享DC電壓母線38，使得可增大提供給車 輛6中能量存儲裝置22的充電電力。也就是說，當車輛6從電力母線36取出電力供轉換 成提供給其能量存儲裝置22的充電電力時，由車輛4和8所提供和控制的附加充電電力也 經(jīng)由共享DC電壓母線38提供給能量存儲裝置22，并且可相應地對車輛6的能量存儲裝置 22快速充電。在一個實施例中，車輛主人用于插入充電站16并且從其取出充電電力的費用可根據(jù)預期充電模式等級按單位充電改變。例如，充電站16可配置成允許選擇快速/共享充 電模式、非快速/非共享充電模式和非快速/共享充電模式。在快速/共享充電模式中，車輛連接到充電站16，并且等待其給其能量存儲裝置 22快速充電的時機。在這種模式中，相應接觸器48、50閉合，使得車輛的充電母線可耦合到 共享DC電壓母線38。當車輛正等待其快速充電的時機時并且其時機已完成后，其電力電子 器件20與其它車輛共享，其它車輛經(jīng)由相應接觸器48、50耦合到充電站16以對當前被允 許給其能量存儲裝置22快速充電的另一車輛充電。在非快速/非共享充電模式中，車輛連接到充電站16，并且開始僅從車輛的車載 電力電子器件20對其能量存儲裝置22充電，而沒有將其能量存儲裝置連接到共享DC電壓 母線38。也就是說，在這種充電模式中，相應接觸器48、50保持斷開，并且車輛的能量存儲 裝置22僅經(jīng)由車輛的車載電力電子器件20進行充電。在非快速/共享充電模式中，車輛連接到充電站16，并且相應接觸器48、50閉合， 使得車輛的充電母線可耦合到共享DC電壓母線38。在這種充電模式中，車輛在另一車輛正 對其能量存儲裝置22快速充電的同時參與電力電子器件共享。但是，如果沒有其它車輛處 于快速充電模式，則車輛從共享DC電壓母線38斷開，并且車輛的電力電子器件20用于僅 經(jīng)由車輛的車載電力電子器件20對車輛的能量存儲裝置22充電。當另一車輛在后來進 入快速充電模式時，車輛在這個時期再次參與電力電子器件共享。根據(jù)一個實施例，快速/共享充電模式可對車輛主人/操作人員產(chǎn)生每充電單位 最高費用，而非快速/共享充電模式可對車輛主人/操作人員產(chǎn)生每充電單位最低費用。因 此，例如對于以快速/共享充電模式對車輛能量存儲裝置22快速充電的能力，可按保險費 率(premiumrate)對車輛主人/操作人員計費，而例如對于以非快速/共享充電模式對共 享車輛電力電子器件20，可按降低費率對車輛主人/操作人員計費。對于非快速/非共享 充電模式，可按例如保險費率與降低費率之間的某個費率對車輛主人/操作人員計費。關 于選擇哪種充電模式的決定可由車輛主人/操作人員根據(jù)能量存儲裝置22接收快速充電 的需要以及充電模式之間的比較費用來進行。圖2是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)2的一部分的示意圖。圖2示出各車 輛4、6的示范示意圖。各車輛4、6包括牽引系統(tǒng)58，牽引系統(tǒng)58包括能量存儲裝置22和 電力電子器件20。電力電子器件20包括經(jīng)由DC母線62耦合到能量存儲裝置22的雙向 DC-AC電壓逆變器60。在一個實施例中，能量存儲裝置22是高電壓能量存儲裝置，并且可 以是蓄電池、飛輪系統(tǒng)、燃料電池、超級電容器等。DC鏈路濾波電容器64耦合在DC母線62 兩端，以便對DC母線62上的高頻電流進行濾波。耦合到DC母線62的接觸器66允許能量 存儲裝置22從DC母線62去耦合(decouple)。雙向DC-AC電壓逆變器60是電壓轉換器， 并且包括六個半相(half phase)模塊68、70、72、74、76和78，它們組對以形成三相80、82 和84。各相80、82、84耦合到DC母線62的導體對86、88。電動機沈耦合到雙向DC-AC電壓逆變器60。在一個實施例中，電動機沈是牽引 電動機，它機械耦合到一個或多個驅動輪或車軸觀(圖1所示)或者包括起重機、升降機或 提升機的其它電氣設備。機電裝置26包括耦合到雙向DC-AC電壓逆變器60的相應相80、 82、84的多個繞組90、92和94。繞組90-94還耦合在一起以形成結點(node)96。在能量 存儲裝置22經(jīng)由充電站16的充電期間并且在接收到來自控制器40的充電模式的傳遞和確認之后，控制器M使多個接觸器98、100、102分別將繞組90-94從雙向DC-AC電壓逆變 器60去耦合，使得電動機沈保持未加電。控制器M經(jīng)由多條線路104耦合到半相模塊68-78。在車輛4、6處于非充電模式 的使用期間，控制器M應用半相模塊68-78的適當控制，并且控制雙向DC-AC電壓逆變器 60將DC總線62上的DC電壓或電流轉換成AC電壓或電流以供應給繞組90-94。相應地， 來自能量存儲裝置22的DC電壓或電流可轉換成AC電壓或電流，并且傳送給電動機沈以 驅動輪觀。在其它非車輛推動系統(tǒng)中，驅動輪觀可以是其它類型的負載(未示出)，包括 泵、風扇、絞車、起重機、升降機或其它電動機驅動負載。在再生制動模式中，機電裝置26可 作為發(fā)電機(generator)進行操作以使輪觀制動或者對于非車輛推動系統(tǒng)使其它類型的 負載制動，并且向雙向DC-AC電壓逆變器60提供AC電壓或電流供轉化成到DC母線62上 的適合對能量存儲裝置22再充電的DC電壓或電流。接觸器48、50在將車輛4、6耦合到充電站16之前處于斷開狀態(tài)。取決于控制器 40與車輛4、6的控制器M之間的通信介質，接觸器52-56可處于斷開或閉合狀態(tài)。例如， 如果控制器40和車輛4、6的控制器M配置成通過電力線路通信，則接觸器52-56可處于 閉合狀態(tài)，以便當車輛4、6耦合到充電站16時允許這類通信。但是，如果控制器40和車輛 4、6的控制器M配置成經(jīng)由不同通信模式通信，則接觸器52-56可處于斷開狀態(tài)?？稍陂] 合接觸器52-56之前將接觸器98-102置于斷開狀態(tài)，使得電動機沈在如上所述連接到充 電站16期間保持未加電。當車輛、如車輛6插入或耦合到充電站16時，控制器40建立與車輛6中控制器M 的通信，以便確定預期充電模式和其它參數(shù)。其它參數(shù)可包括例如能量存儲裝置22的DC 標稱電壓是否在給定閾值之內以及在充電站16的最小和最大電壓極限之內。如果預期充 電模式包括共享電力電子器件并且另一車輛處于快速充電模式，則控制器40閉合接觸器 48,50,并且與車輛6的控制器M通信，車輛6的電力電子器件20應當轉換來自電力母線 36的電力以便將電力提供給共享DC電壓母線38。如果預期充電模式包括對車輛6的能量 存儲裝置22快速充電，則控制器40在車輛6可能閉合接觸器66以開始對車輛6中能量存 儲裝置22的快速充電時與車輛6的控制器M通信。其它參數(shù)還可包括當前被充電的能量存儲裝置22的狀態(tài)。例如，車輛6的控制器 M可配置成使用已知算法監(jiān)測能量存儲裝置22，以便防止過度充電等。在另一實施例中， 車輛6的控制器M可配置成通過控制器40將命令傳遞給其它車輛的控制器24。這些命令 可以是例如供其它車輛開始使共享DC電壓母線38上的電流斜升(ramp)、將共享DC電壓母 線38上的電流保持在當前值或者將共享DC電壓總線38上的電流降低某個δ量(delta amount)的命令。控制器M配置成控制半相模塊68-78，以便升高從電力母線36向其供應的電力的 電壓，使得充電電力可提供給能量存儲裝置22或者提供給共享DC電壓母線38，充電電力是 比可通過來自電力母線36的電力在未進行升壓情況下的簡單全波整流而容許的電壓更高 的電壓。相應半相模塊對68-70、72-74、76-78與多個相應電感器106、108、110共同形成各 個升壓轉換器，升壓轉換器進行操作以升高從電力母線36向其供應的電力的電流和/或電 壓。在一個實施例中，電感器106-110是位于充電站16的高頻電感器組件，并且對于車輛 4、6是非車載的。在另一個實施例中，電感器106-110表示電力母線36的線路變壓器的漏電感。當一個或多個車輛、如車輛6和/或車輛8用于與車輛6的電力電子器件20共享 其電力電子器件20以對車輛6的能量存儲裝置22快速充電時，雙向DC-AC電壓逆變器60 本質上并行操作。在充電完成之后或者當車輛操作人員希望從充電站16拔出車輛時，控制器40與 車輛、如車輛6的控制器M建立握手通信，以便確認該車輛處于非充電模式并且該車輛與 充電站16斷開。在一個實施例中，例如，僅在相應充電槽10-14的接觸器48-56已經(jīng)斷開 之后并且在觸點32、34已經(jīng)解鎖之后，才可使連接系統(tǒng)30的觸點32、34脫離。車輛、連接 系統(tǒng)30或充電站16上的指示器(未示出)可指示連接系統(tǒng)30的鎖定/解鎖狀態(tài)。圖3是根據(jù)本發(fā)明另一實施例的圖2所示充電系統(tǒng)的示意圖。除了針對圖2所示 的之外，充電站16還包括用于在充電站16可用的各充電槽10、12的多相變壓器112、114。 多相變壓器112、114提供電力電子器件20與電力母線36的電隔離。另外，雙向DC-AC電 壓逆變器60經(jīng)由接觸器48、50的輸出并行工作，而從并行操作去除經(jīng)由接觸器52-56至雙 向DC-AC電壓逆變器60的輸入。雖然示出Y-Δ (wye-delta)三相變壓器，但是預期其它布 置(例如Z字形繞組布置)可用于實現(xiàn)備選的波形相移，以便減小公用電網(wǎng)上的諧波電流。 多相變壓器112、114還允許選擇最需要的AC電壓來給電力電子器件20饋電。車輛4、6還包括充電電阻器116和充電接觸器118。在本發(fā)明的實施例中，充電接 觸器118可閉合，以便當能量存儲裝置22的電壓在能量存儲裝置22的初始充電期間低于 預定閾值時限制流入能量存儲裝置22的電流。圖4示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的車輛6的牽引系統(tǒng)120的示意圖。適當時將相 對于相同參考標號論述牽引系統(tǒng)58和120共同的要素和組件。除了與牽引系統(tǒng)58共同的 組件之外，牽引系統(tǒng)120還包括第二能量存儲裝置122，第二能量存儲裝置122耦合到DC母 線62以將電力提供給雙向DC-AC電壓逆變器60，從而驅動電動機沈和輪觀(圖1所示)。 在一個實施例中，第二能量存儲裝置122是低電壓能量存儲裝置，并且可以是蓄電池、燃料 電池、超級電容器等。第一能量存儲裝置22可配置成提供比第二能量存儲裝置122更高 的電力，以便在例如車輛的加速期期間提供電力。第二能量存儲裝置122可配置成提供比 第一能量存儲裝置22更高的能量，以便向車輛提供更持久電力從而增加其行駛距離。如圖 4所示，在一個實施例中，第一能量存儲裝置22是超級電容器。多個雙向DC-DC電壓轉換器124、126、128配置成將一個DC電壓轉換成另一個DC 電壓。雙向DC-DC電壓轉換器可經(jīng)由與接觸器132耦合的結點130耦合到第二能 量存儲裝置122，并且耦合到DC母線62。每個雙向DC-DC電壓轉換器包括耦合到 半相模塊對136、138的電感器134。為了便于說明，半相模塊136、138示為包括絕緣柵雙極 晶體管(IGBT)。但是，本發(fā)明的實施例并不局限于IGBT?？墒褂萌魏芜m當?shù)碾娮娱_關，例 如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET、雙極結型晶體管(BJT) 和金屬氧化物半導體可控閘流管(MCT)?？刂破鱉經(jīng)由線路104耦合到雙向DC-DC電壓轉換器124-128，并且經(jīng)由第二能 量存儲裝置122提供的能量通過控制雙向DC-DC電壓轉換器來升高，以便向DC母 線62提供更高電壓。經(jīng)由第二能量存儲裝置122提供到DC母線62的能量經(jīng)由雙向DC-AC 電壓逆變器60進行轉化，并且被提供給電動機機電裝置26。類似地，在再生制動模式期間所生成的能量也可用于經(jīng)由雙向DC-AC電壓逆變器60并且經(jīng)由雙向DC-DC電壓轉換器 124-128的抵償(bucking)控制來對第二能量存儲裝置122再充電。如圖4所示，車輛6的雙向DC-AC電壓逆變器60沒有直接并聯(lián)地耦合到第二能量 存儲裝置122。而是如上所述，提供到DC母線62以對第二能量存儲裝置122充電的電力 經(jīng)由雙向DC-DC電壓轉換器124-128的抵償控制來控制。在本發(fā)明的實施例中，第二能量 存儲裝置122的電壓容量低于電力母線36上電壓的整流電壓。相應地，雙向DC-AC電壓逆 變器60無需升高電力母線36上的電壓，而是可用于簡單地對電力母線電壓整流。也就是 說，半相模塊68-78中的開關在使用充電站16對第二能量存儲裝置122的充電操作中無需 經(jīng)由控制器M來切換或控制。雖然雙向DC-AC電壓逆變器60無需升高電力母線36上的 電壓，但仍然可控制它來進行這種操作。另外，例如圖3中所示多相變壓器112的隔離或多 相變壓器可按如上所述與圖4所示的充電站16配合使用。如果沒有使用半相模塊68-78 的切換控制而使得來自電力母線36的電流沒有經(jīng)由切換控制來整形，則可通過采用隔離 變壓器的各種相移布置來減小諧波以取消諧波電流。為了對第二能量存儲裝置122快速充電，控制器M和40可共同協(xié)作以閉合接觸 器48、50以及牽引系統(tǒng)120中耦合到第二能量存儲裝置122的接觸器132，使得例如從其它 車輛或者從非車輛充電單元18所提供的來自共享DC電壓母線38的電流可與雙向DC-DC 電壓轉換器所提供的充電電流相結合?？刂破鱉和40還可共同協(xié)作以閉合接觸 器48、50而斷開接觸器132，使得車輛6可共享其電力電子器件20以便對耦合到充電站16 的另一車輛的能量存儲裝置快速充電。圖5示出根據(jù)本發(fā)明另一實施例的車輛6的牽引系統(tǒng)120的示意圖。如圖5所 示，第一能量存儲裝置22是例如以上所述的蓄電池、燃料電池等的高電壓能量存儲裝置， 并且具有比電力母線36上電壓的整流電壓更高的電壓容量。在實施例中，第二能量存儲裝 置122可配置成具有功率極限，該功率極限不允許如以上針對圖4所述的高功率快速充電。 在這個實施例中，通過共享DC電壓母線38供應給車輛6的充電電流經(jīng)由雙向DC-DC電壓 轉換器的升壓控制，連同經(jīng)由雙向DC-AC電壓逆變器60的相位80-84的升壓控制 提供給DC母線62的充電電流一起，被引導到車輛6的DC母線62。DC母線62上的充電電 流通過接觸器66被引導到能量存儲裝置22，以便對能量存儲裝置22快速充電。這樣，牽引 系統(tǒng)120的六個通道可用于對能量存儲裝置22快速充電。在一個實施例中，第二能量存儲 裝置122的充電可通過下列步驟來實現(xiàn)斷開接觸器48、50，閉合接觸器132，以及抵償通 過能量存儲裝置22向其供應或者通過對來自電力母線36的電力的整流向其供應的DC母 線62上充電電流。圖6示出根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的圖5中牽引系統(tǒng)120的示意圖。接觸器140 耦合到結點142，結點142耦合在第二能量存儲裝置122與接觸器132之間。如圖所示，雙 向DC-DC電壓轉換器128耦合到結點142，而雙向DC-DC電壓轉換器124、126保持與結點 130 華禹ο在這個實施例中，能夠經(jīng)由牽引系統(tǒng)120的六個通道對能量存儲裝置22充電，如 以上針對圖5所述。也就是說，通過斷開接觸器140并且通過閉合接觸器132，雙向DC-DC 電壓轉換器和雙向DC-AC電壓逆變器60的相位80-84可在升壓模式中進行控制， 以便經(jīng)由DC母線62和接觸器66向能量存儲裝置22提供充電電流。
備選地，能夠經(jīng)由牽引系統(tǒng)120的五個通道向能量存儲裝置22充電，同時經(jīng)由牽 引系統(tǒng)120的一個通道對第二能量存儲裝置122充電。也就是說，控制器M可斷開接觸器 132，并且使雙向DC-DC電壓轉換器124-1 和雙向DC-AC電壓逆變器60的相位80-84處 于升壓模式以向DC母線62提供充電電流?？刂破鱉則可閉合接觸器66，以便控制能量存 儲裝置22的快速充電。另外，控制器M還可閉合接觸器140，并且在抵償模式中控制雙向 DC-DC電壓轉換器128，以便對第二能量存儲裝置122充電。圖7是根據(jù)本發(fā)明實施例的圖1中充電系統(tǒng)2的另一部分的示意圖。圖7示出車輛 6和非車輛充電單元18的示范示意圖。充電單元18包括AC-DC電壓逆變器144，AC-DC電 壓逆變器144可經(jīng)由DC母線146并經(jīng)由接觸器48、50耦合到共享DC電壓母線。DC鏈路濾 波電容器148耦合在DC總線146兩端。AC-DC電壓逆變器144包括六個半相模塊150、152、 154、156、158和160，它們組對以形成三相162、164和166。各相162、164、166耦合到DC母 線146的導體對168、170。控制器172經(jīng)由多條線路174耦合到半相模塊150-160，并且連 同多個相應電感器176、178、180 —起控制相應半相模塊對150-152、154-156、158-160，以 便升高從電力母線36向其供應的電力的電流和/或電壓。在一個實施例中，電感器176-180 是位于充電系統(tǒng)16中的高頻電感器組件。在另一個實施例中，電感器176-180表示電力母 線36的線路變壓器的漏電感。充電單元18可包含在充電系統(tǒng)2中，以便進一步增加對單個車輛快速充電可用的 電力。另外，充電單元18允許以比從車輛6的車載電力電子器件20可用的更高功率等級 對能量存儲裝置22快速充電，即使在沒有其它車輛耦合到充電站16或者沒有其它車輛配 置成共享其電力電子器件時。與通過使用獨占非車載電力電子器件進行快速充電相比，將 車輛6的車載電力電子器件20與充電單元18的電力電子器件進行組合允許從較低費用、 較低額定功率的非車載充電器對車輛6的能量存儲裝置22快速充電。例如，如果車輛6的 車載功率電子器件20額定為99kW并且充電單元18的非車載電力電子器件額定為IOOkW, 則可給車輛6的能量存儲裝置22提供199kW的快速充電電力。如果兩個其它車輛、如車輛 4和8也耦合到充電站16并且配置成共享其各自額定為99kW的電力電子器件20，則可給 車輛6的能量存儲裝置22提供397kW的快速充電電力。這個示例中指定的額定功率只是 示范性的，并且預期其它額定功率。例如，可設計充電單元18使得其電力電子器件額定為 高于100kW。充電單元18的額定功率設計可部分基于構造充電系統(tǒng)2的復雜度和成本。圖8是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的圖7中充電單元18的示意圖。適當時將相對 于相同參考標號論述圖7和圖8所示充電單元18共同的要素和組件。除了與圖7的充電 單元18共同的組件之外，圖8的充電單元18還包括可經(jīng)由接觸器186耦合到DC母線184 的能量存儲裝置182。能量存儲裝置182配置成向共享DC電壓母線38提供附加電力。在 一個實施例中，能量存儲裝置182是高電壓能量存儲裝置，并且可以是蓄電池、飛輪系統(tǒng)、 燃料電池、超級電容器等。多個雙向DC-DC電壓轉換器188、190、192配置成將一個DC電壓轉換成另一個DC 電壓。雙向DC-DC電壓轉換器188-192耦合到DC母線184，并且可經(jīng)由接觸器186耦合到 能量存儲裝置182。每個雙向DC-DC電壓轉換器188-192包括電感器194，電感器194耦 合到半相模塊對196、198。為了便于說明，半相模塊196、198示為包括絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。但是，本發(fā)明的實施例并不局限于IGBT。可使用任何適當?shù)碾娮娱_關，例如金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、碳化硅(SiC)MOSFET、雙極結型晶體管(BJT)和金屬氧 化物半導體可控閘流管(MCT)。雙向DC-DC電壓轉換器188-192可經(jīng)由接觸器200耦合到 接觸器50，并且DC母線146可經(jīng)由接觸器202耦合到接觸器50。接觸器204配置成將DC 母線146耦合到DC母線184。另外，控制器172經(jīng)由線路174耦合到雙向DC-DC電壓轉換 器 188-192。能量存儲裝置182允許以比單獨從AC-DC電壓逆變器144可用的更高功率等級 對車輛能量存儲裝置、如車輛6的能量存儲裝置22快速充電。在使用AC-DC電壓逆變器 144和能量存儲裝置182的車輛充電操作期間，控制器172使接觸器204斷開，并且使接觸 器186、200和202閉合。然后，控制器172連同電感器176-180 —起控制相應半相模塊對 150-152、154-156、158-160，以便升高從電力母線36向其供應的電力的電流和/或電壓，并 且將升高的電流/電壓傳送到共享DC電壓母線38。另外，控制器172控制雙向DC-DC電 壓轉換器188-192以抵償來自能量存儲裝置182的電壓，并且將升高的電流傳送到共享DC 電壓母線38。可獨立控制DC母線146和DC母線184，以便向共享DC電壓母線38提供能 量?？赏ㄟ^閉合接觸器186、204并且通過斷開接觸器200、202，對能量存儲裝置182 充電。這樣，控制器172連同電感器176-180 —起控制相應半相模塊對150-152、154-156、 158-160，以便升高從電力母線36向其供應的電力的電壓，并且將升高的電壓傳送給能量 存儲裝置182。在本發(fā)明的實施例中，對能量存儲裝置182的充電可在例如對電力母線36 上電力的低需要和低成本時段期間執(zhí)行。能量存儲裝置182可用于增大在高需要或高成本 的時段期間、例如在高溫期期間經(jīng)由AC-DC電壓逆變器144提供到共享DC電壓母線38的 電力。圖9是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的圖8中充電單元18的示意圖。適當時將相對 于相同參考標號論述圖7-9所示充電單元18共同的要素和組件。除了與圖7和圖8的充 電單元18共同的組件之外，圖9的充電單元18還包括可經(jīng)由接觸器208耦合到雙向DC-DC 電壓轉換器192的第二能量存儲裝置206。在一個實施例中，第二能量存儲裝置206是低電 壓能量存儲裝置，并且可以是蓄電池、燃料電池、超級電容器等。能量存儲裝置182可配置 成提供比第二能量存儲裝置206更高的電力。第二能量存儲裝置206可配置成提供比能量 存儲裝置182更高的能量。雙向DC-DC電壓轉換器188、190可經(jīng)由接觸器210耦合到接觸 器50。第二能量存儲裝置206允許以比從AC-DC電壓逆變器144和能量存儲裝置182可 用的更高功率等級對車輛能量存儲裝置、如車輛6的能量存儲裝置22快速充電。在使用 AC-DC電壓逆變器144、能量存儲裝置182和第二能量存儲裝置206的車輛充電操作期間， 控制器172使接觸器204斷開，并且使接觸器186、202、208和210閉合。然后，控制器172 連同電感器176-180 —起控制相應半相模塊對150-152、154-156、158-160，以便升高從電 力母線36向其供應的電力的電壓，并且將升高的電壓傳送到共享DC電壓母線38?？刂破?172控制雙向DC-DC電壓轉換器192以升高來自第二能量存儲裝置206的電壓，并且將升 高的電壓傳送到DC母線184。控制器172還控制雙向DC-DC電壓轉換器188-190以抵償 來自能量存儲裝置182的電壓和來自第二能量存儲裝置206的升高電壓，并且將升高的電 流/電壓傳送到共享DC電壓母線38?？瑟毩⒖刂艱C母線146和DC母線184，以便向共享DC電壓母線38提供能量。另外，可獨立控制接觸器186、208和雙向DC-DC電壓轉換器 188-190，以便轉換來自能量存儲裝置182或者第二能量存儲裝置206的能量，供傳送到共 享DC電壓母線38?？赏ㄟ^閉合接觸器204、208并且通過斷開接觸器186、202、210，對第二能量存儲 裝置206充電。這樣，控制器172連同電感器176-180 —起控制相應半相模塊對150-152、 154-156、158-160，以便升高從電力母線36向其供應的電力的電流和/或電壓，并且將升高 的電壓傳送到DC母線184。從DC母線84，經(jīng)由雙向DC-DC電壓轉換器192的抵償控制將 電流/電壓提供給第二能量存儲裝置206。在本發(fā)明的另一個實施例中，對能量存儲裝置 182的充電可在例如對電力母線36上電力的低需求和低成本時段期間執(zhí)行。能量存儲裝置 182可用于增大在高需求或高成本的時段期間、例如在高溫期期間經(jīng)由AC-DC電壓逆變器 144提供到共享DC電壓母線38的電力?？刂破?72可斷開接觸器202、204、210并閉合接 觸器186、208，并且控制雙向DC-DC電壓轉換器192以抵償從能量存儲裝置182提供到DC 母線184的能量。圖10是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的充電系統(tǒng)2的示意框圖。如圖10所示，接觸 器組42、44定位在車輛4、6上。根據(jù)一個實施例，車輛4、6的控制器M配置成控制接觸器 48-56，并且經(jīng)由電力母線36上的電力線路通信或者經(jīng)由如上所述的其它通信模式相互通 信。這樣，充電站16僅提供到電力母線36和共享DC電壓母線38的連接供充電、快速充電 和共享車輛4、6之間的電力電子器件20。車輛4、6的控制器M配置成針對快速充電及它 們之間的電力電子器件共享相互通信。雖然圖10中僅示出車輛4和6，但是預期兩個以上 車輛可按照所示方式進行配置并且耦合在一起。圖10還示出與車輛4、6耦合的連接系統(tǒng)30的實施例。這樣，耦合到配套觸點34 并且將各車輛4、6耦合到充電站16的接電繩或系繩212可從充電站16延伸并且由充電 站16供應而不是設置在車輛4、6上，以便減少車輛4、6的成本和/或重量。因此，本發(fā)明的實施例使用已經(jīng)在牽引控制系統(tǒng)上的例如逆變器和轉換器的組件 對牽引控制系統(tǒng)的一個或多個能量存儲裝置充電，并且向共享模式中的其它牽引控制系統(tǒng) 提供充電電流。這樣，這些組件可用于對能量存儲裝置進行監(jiān)測和再充電的雙重目的。使 用一個或多個車輛的車載組件對另一個車輛的能量存儲裝置快速充電允許非車載充電站 具有簡單的低成本設計。另外，充電可按照節(jié)省費用的定價計劃來組織，使得當選擇共享其 它車輛的車輛電力電子器件的選項時，充電變得更具成本效益。因此，車載能量存儲裝置的 快速、迅速充電可通過車輛電力電子器件共享來實現(xiàn)，使得與構建成為單獨快速充電而提 供高級別電流和電力的非車載充電站相比，非車載充電站可按照更具成本效益的方式構成 和操作。所公開設備的技術貢獻在于，它提供通過使用一個或多個附加電驅動系統(tǒng)的共享 電力電子器件來對一個電驅動系統(tǒng)快速充電的控制器實現(xiàn)技術。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一種設備包括電力電子能量轉換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第 一能量存儲裝置，配置成存儲DC能量；以及第一電壓轉換器，配置成把來自第一能量存儲 裝置的所存儲電壓轉換成配置成驅動機電裝置的第一電壓。第一電壓轉換器還配置成把來 自遠程電源的第二電壓轉換成配置成對第一能量存儲裝置充電的第一充電電壓。該設備還 包括第一控制器，配置成控制第一電壓轉換器將第二電壓轉換成第一充電電壓，以及在充電操作模式期間將第一充電電壓提供給第一能量存儲裝置，并且與定位于遠離電力電子能 量轉換系統(tǒng)的第二控制器通信，以便在充電操作模式期間使第二充電電壓被提供給第一能 量存儲裝置，從而對第一能量存儲裝置快速充電。根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種方法包括將第一能量存儲裝置耦合到第一電壓 轉換器，其中第一能量存儲裝置配置成存儲電能，以及其中第一電壓轉換器配置成把來自 第一能量存儲裝置的所存儲電壓轉換成配置成驅動電動機的第一電壓，并且把來自第一遠 程電源的第二電壓轉換成配置成對第一能量存儲裝置充電的第一充電電壓。該方法還包括 將第一控制器耦合到第一電壓轉換器，并且將第一控制器配置成使第一電壓轉換器將第二 電壓轉換成第一充電電壓，以及在快速充電操作模式期間將第一充電電壓提供給第一能量 存儲裝置。該方法還包括將第一控制器配置成在快速充電操作模式期間使來自第二遠程電 源的第二充電電壓被提供給第一能量存儲裝置，以便對第一能量存儲裝置快速充電。根據(jù)本發(fā)明的又一個實施例，一種系統(tǒng)包括第一電力母線、第二電力母線和第一 車輛。第一車輛包括第一能量存儲裝置，配置成存儲DC能量；第一電動機；以及第一電壓 轉換器，配置成把來自第一能量存儲裝置的所存儲電壓轉換成配置成驅動第一電動機的電 動回轉電壓，并且把來自第一電力母線的第一電壓轉換成配置成對第一能量存儲裝置充電 的第一充電電壓。第一車輛還包括第一控制器，配置成控制第一電壓轉換器將第一電壓轉 換成第一充電電壓，并且將第一充電電壓提供給第一能量存儲裝置。該系統(tǒng)還包括第一能 量轉換系統(tǒng)，定位于遠離第一車輛并且包括第二電壓轉換器，第二電壓轉換器配置成把來 自第一電力母線的第一電壓轉換成配置成對第一車輛的第一能量存儲裝置充電的第二充 電電壓。第一能量轉換系統(tǒng)還包括第二控制器，配置成控制第二電壓轉換器將第一電壓轉 換成第二充電電壓，以及將第二充電電壓提供給第二電力母線，并且與第一控制器通信以 使第二充電電壓從第二電力母線被提供給第一能量存儲裝置，從而對第一能量存儲裝置快 速充電。雖然僅結合有限數(shù)量的實施例詳細描述了本發(fā)明，但是應當易于理解，本發(fā)明并 不局限于這類公開的實施例。相反，可修改本發(fā)明以結合前面沒有描述的任何數(shù)量的變化、 變更、替換或等效配置，但它們與本發(fā)明的精神和范圍一致。另外，雖然已經(jīng)描述本發(fā)明的 各個實施例，但是要理解，本發(fā)明的方面可以僅包含所述實施例的一部分。因此，本發(fā)明不 能被看作受到以上描述限制，而僅由所附權利要求書的范圍來限制。部件清單
2充電系統(tǒng)
4多個車輛
6多個車輛
8多個車輛
10相應充電__或插座
12相應充電__或插座
14相應充電__或插座
16充電站
18非車輛充電單元
20多個電力電子器件
22至少一個能量存儲裝置24控制器26機電裝置或電動機28機械耦合到一個或多個驅動輪或車軸30連接系統(tǒng)32包括配套觸點34包括配套觸點36電力母線38共享DC電池母線40控制器42多個接觸器組44多個接觸器組46多個接觸器組48接觸器對50接觸器對52多個接觸器54多個接觸器56多個接觸器58牽引系統(tǒng)60雙向DC-AC電壓逆變器62DC 母線64DC鏈路濾波電容器66接觸器68包括六個半相模塊70包括六個半相模塊72包括六個半相模塊74包括六個半相模塊76包括六個半相模塊78包括六個半相模塊80組對以形成三相82組對以形成三相84組對以形成三相86導體對88導體對90多個繞組92多個繞組94多個繞組96 結點98 多個接觸器
100多個接觸器102多個接觸器104多條線路106多個相應電感器108多個相應電感器110多個相應電感器112多相變壓器114多相變壓器116充電電阻器118充電接觸器120牽引系統(tǒng)122第二能量存儲裝置124多個雙向DC-DC電壓轉換器126多個雙向DC-DC電壓轉換器128多個雙向DC-DC電壓轉換器130132接觸器134電感器136半相模塊對138半相模塊對140接觸器142
144AC-DC電壓逆變器146DC母線148DC鏈路濾波電容器150包括六個半相模塊152包括六個半相模塊154包括六個半相模塊156包括六個半相模塊158包括六個半相模塊160包括六個半相模塊162組對以形成三相164組對以形成三相166組對以形成三相168導體對170導體對172控制器174多條線路176多個相應電感器
178多個相應電感器
180多個相應電感器
182能量存儲裝置
184DC母線
186接觸器
188多個雙向DC-DC電壓轉換器
190多個雙向DC-DC電壓轉換器
192多個雙向DC-DC電壓轉換器
194電感器
196半相模塊對
198半相模塊對
200接觸器
202接觸器
204接觸器
206第二能量存儲裝置
208接觸器
210接觸器
212系繩。
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1權利要求
1.一種設備，包括電力電子能量轉換系統(tǒng)，包括第一能量存儲裝置02，182)，配置成存儲DC能量；第一電壓轉換器(20，144)，配置成把來自所述第一能量存儲裝置02,18 的所存儲電壓轉換成配置成驅動機電裝置 (26)的第一電壓；并且把來自遠程電源(36)的第二電壓轉換成配置成對所述第一能量存儲裝置02，182)充 電的第一充電電壓；以及第一控制器(24,40，172)，配置成控制所述第一電壓轉換器00，144)將所述第二電壓轉換成所述第一充電電壓，并且 在充電操作模式期間將所述第一充電電壓提供給所述第一能量存儲裝置02,18 ；并且與定位于遠離所述電力電子能量轉換系統(tǒng)的第二控制器(M，40，172)通信，以便在所 述充電操作模式期間使第二充電電壓被提供給所述第一能量存儲裝置02，182)，從而對所 述第一能量存儲裝置02,18 快速充電。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一控制器(M，40，17 還配置成控制所述第一電壓轉換器00，144)在共享操作模式期間將所述第二電壓轉換成共享 充電電壓，并且將所述共享充電電壓提供給第二能量存儲裝置(22，182)，所述第二能量存儲裝置 (22,182)定位于遠離所述電力電子能量轉換系統(tǒng)并且經(jīng)由共享電壓母線(38)耦合到所述 電力電子能量轉換系統(tǒng)。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述電力電子能量轉換系統(tǒng)還包括 第二能量存儲裝置(122，206)，配置成存儲DC能量；第二電壓轉換器(1^-1 ，188-192)，配置成把來自所述第二能量存儲裝置(122， 206)的所存儲電壓轉換成第三電壓；以及其中，所述第一控制器( ，40，17 還配置成將所述第三電壓轉換成所述第一電壓。
4.如權利要求3所述的設備，其中，所述第一控制器(M，40，17 還配置成控制所述第二電壓轉換器(124-128,188-19 將所述第一充電電壓轉換成第二充電 電壓，并且在所述充電操作模式期間將所述第二充電電壓提供給所述第二能量存儲裝置 (122，206)；以及控制所述第二電壓轉換器(124-128,188-19 在共享操作模式期間將所述第一充電 電壓轉換成共享充電電壓，并且將所述共享充電電壓提供給第三能量存儲裝置02，182)， 所述第三能量存儲裝置02，182)定位于遠離所述電力電子能量轉換系統(tǒng)并且經(jīng)由共享電 壓母線(38)耦合到所述電力電子能量轉換系統(tǒng)。
5.如權利要求1所述的設備，其中，所述電力電子能量轉換系統(tǒng)還包括 充電電阻器(116)；充電接觸器(118)，耦合到所述充電電阻器(116)；以及其中，所述第一控制器( ，40，17 還配置成控制所述充電接觸器(118)使得引導電 流在流入所述第一能量存儲裝置02,18 之前流經(jīng)所述充電電阻器(116)。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述電力電子能量轉換系統(tǒng)位于第一車輛(4，6，8)上，并且所述第二控制器(M，40,17 位于與所述第一車輛(4，6，8)不同的第二車輛(4，6， 8)上。
7.如權利要求6所述的設備，其中，所述第一車輛(4，6，8)包括道路車輛、越野車輛、公 用卡車、叉車、高爾夫球車和社區(qū)電動車輛中之一。
8.如權利要求1所述的設備，還包括 所述機電裝置06)；耦合到所述機電裝置06)的輪08)；以及其中，所述第一控制器( ，40，17 還配置成控制所述第一電壓轉換器00，144)將所 述所存儲電壓轉換成所述第一電壓，并且使所述第一電壓被提供給所述機電裝置06)以 驅動所述輪08)。
9.如權利要求1所述的設備，其中，所述遠程電源(36)是公用電網(wǎng)。
10.如權利要求1所述的設備，其中，所述第一能量存儲裝置02,18 包括蓄電池、飛 輪系統(tǒng)、燃料電池和超級電容器中之一。
全文摘要
一種設備包括電力電子能量轉換系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括第一能量存儲裝置，配置成存儲DC能量；以及第一電壓轉換器，配置成把來自遠程電源的第二電壓轉換成配置成對第一能量存儲裝置充電的第一充電電壓。該設備還包括第一控制器，配置成控制第一電壓轉換器將第二電壓轉換成第一充電電壓，以及在充電操作模式期間將第一充電電壓提供給第一能量存儲裝置，并且與定位于遠離電力電子能量轉換系統(tǒng)的第二控制器通信，以便在充電操作模式期間使第二充電電壓被提供給第一能量存儲裝置，從而對第一能量存儲裝置快速充電。
文檔編號H02J15/00GK102104280SQ20101061609
公開日2011年6月22日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權日2009年12月18日
發(fā)明者R.D.金, R.L.斯泰格瓦德 申請人:通用電氣公司