專利名稱：具有集成充電裝置的開放式三角電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開總體上涉及用于電動(dòng)車輛的集成的逆變電路/充電電路。
背景技術(shù)：
圖1是三相橋逆變器和三相電機(jī)的基本組合形成的用于電動(dòng)車輛的驅(qū)動(dòng)電路10的電路示意圖。圖1中的電路10包括三相橋逆變器12(包括一個(gè)DC總線輸入電容器Ci)、電池14和三相電機(jī)16。逆變器由6個(gè)晶體管(構(gòu)成3對(duì)開關(guān))形成Q1與Q2，Q3和Q4，以及Q5和Q6，每對(duì)開關(guān)與位于其中心的相應(yīng)的相位節(jié)點(diǎn)(18a，18b，18c)形成一個(gè)開關(guān)極(switching pole)。每個(gè)相(相A、相B、相C)將功率由逆變器12提供給電機(jī)16并且耦合至對(duì)應(yīng)的相位節(jié)點(diǎn)。圖2、3、4顯示了三個(gè)本領(lǐng)域已知的現(xiàn)有的無變壓器的集成驅(qū)動(dòng)-充電方案在的。對(duì)于這些方案中的每一個(gè)，起點(diǎn)為三相電壓型逆變器和如圖1所示的三相電機(jī)的耦合組合。在每個(gè)方案中，電機(jī)的類型可能為感應(yīng)電機(jī)、無刷永磁電機(jī)或者同步磁阻電機(jī)。在每個(gè)方案中，充電期間使用具有升壓模式(boost-mode)作用的開關(guān)模式功率轉(zhuǎn)換。電機(jī)繞組作為感應(yīng)電路兀件使用。因此，對(duì)于這些方案中的每一個(gè)，輸入充電電壓的峰值肯定小于電池電壓。圖2是使用二極管電橋的集成充電電路20的電路示意圖。在圖2的方案中，二極管電橋24和常規(guī)的EMI (電磁干擾)濾波器/充電端口 26被添加至圖1中逆變器-電機(jī)10以提供充電功能。二極管電橋24和濾波器26通過電線28和30 (接地線G)耦合至逆變器-電機(jī)10。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)模式下操作時(shí)，二極管電橋24內(nèi)的每個(gè)二極管在任何時(shí)候保持反偏壓(back-biased)，從而有效地將濾波器26從逆變器-電機(jī)的組合斷開，進(jìn)而防止在驅(qū)動(dòng)模式操作期間濾波器26內(nèi)產(chǎn)生不想要的電流。當(dāng)在充電模式下操作時(shí)，輸入功率(單相或三相)通過二極管電橋24進(jìn)行整流以提供脈動(dòng)DC (直流)電壓源。接著，該電壓源隨后被升壓以將功率輸送至電池14。升壓操作通過半導(dǎo)體開關(guān)Q3至Q6的常規(guī)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制并結(jié)合電機(jī)繞組產(chǎn)生的電感而進(jìn)行。開關(guān)Ql和Q2在充電模式期間保持關(guān)閉。Q3至Q6的控制可以使得DC總線內(nèi)的奇數(shù)電流諧波被取消，從而使得電容器Ci內(nèi)的損耗最小化。通過使用電流ix和電壓Vx保持成比例的控制功能，充電的功率因素得到優(yōu)化。使用單相功率時(shí)，可以維持幾乎整功率因數(shù)；使用三相功率時(shí)，功率因數(shù)僅僅降低至約96%。最大充電功率通常由電機(jī)的額定值確定。使用這個(gè)方案，對(duì)于單相操作，最大持續(xù)充電功率是持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的約一半。對(duì)于三相操作，持續(xù)的額定值躍增至持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的大約70%。圖2所示方案的優(yōu)越性在于它取消了接觸器，確保了單向性(功率不能回到電站)以及能夠從峰值電壓低于電池電壓的任何AC (交流電流)電源(例如電站)運(yùn)行。這個(gè)方案的一些缺點(diǎn)包括因?yàn)槎O管電橋而增加了成本和功率損耗，無法控制無功功率，無法提供雙向操作(將功率返回至電站)，使用三相功率輸入操作時(shí)功率因數(shù)下降，在電線30 (返回)和電線X、Y、Z的時(shí)間平均值之間存在高共模電壓。因?yàn)楣材V波器的尺寸與共模電壓成比例，這意味著必須使用適度大的共模濾波器來防止產(chǎn)生不想要的共模線電流。圖3是使用接觸器Κ2打開一個(gè)橋臂的集成充電方案32的電路示意圖。使用這個(gè)方案，兩個(gè)接觸器(Kl，Κ2)和一個(gè)常規(guī)的EMI濾波器/充電端口 26被添加至圖1中逆變器-電機(jī)10以提供充電功能。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)模式下操作時(shí)，接觸器Kl打開，接觸器Κ2關(guān)閉，從而重新建立起圖1的配置。在充電模式中，Kl關(guān)閉，Κ2打開，同時(shí)Ql至Q4提供同步整流；使用電機(jī)內(nèi)固有的電機(jī)漏電感提供所需的相位端口電感?？梢圆捎貌煌腜WM控制方案。在一個(gè)方案中，控制使得線電流保持為與線電壓實(shí)時(shí)成比例，從而提供整功率因數(shù)運(yùn)行。和前面的一樣，最大充電功率通常由電機(jī)的額定值確定。通常情況下，使用這個(gè)方案，最大持續(xù)充電功率是持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的約一半。圖3方案的優(yōu)點(diǎn)包括取消了添加的半導(dǎo)體組件(例如圖2方案的二極管電橋24)，能夠從峰值電壓低于電池電壓的任何電站運(yùn)行，能夠雙向操作(將電能返回至電站)，能夠提供獨(dú)立的AC功率輸出，以及能夠控制無功功率。這個(gè)方案的缺點(diǎn)包括因?yàn)槿鄙倥c電機(jī)16的相A相關(guān)的電感而需要相當(dāng)大的共模濾波器，在驅(qū)動(dòng)模式操作期間需要相當(dāng)大的接觸器(Κ2)處理電機(jī)全電流，以及無法適應(yīng)充電端口的三相功率輸入。共模濾波器的物理尺寸與共模電壓和RMS端口電流的乘積成比例。共模電感器的實(shí)際尺寸將取決于一些細(xì)節(jié)，例如芯材、熱傳遞、以及纏繞包裝因素。通常的比例常數(shù)是在25 g/kVA至100 g/kVA的范圍內(nèi)。圖4是使用二極接觸器K2打開電機(jī)中性“接頭(splice)”的集成充電方案40的電路示意圖。使用這個(gè)方案，電機(jī)內(nèi)不設(shè)有中性接頭；三個(gè)電機(jī)繞組中每個(gè)繞組的兩個(gè)橋臂均被帶出。兩個(gè)接觸器(Kl，K2)和一個(gè)常規(guī)的EMI濾波器/充電端口 26被添加至圖1中逆變器-電機(jī)10以提供充電功能。當(dāng)在驅(qū)動(dòng)模式下操作時(shí)，接觸器Kl打開，二極接觸器K2關(guān)閉，從而重新建立起圖1的配置。在充電模式中，接觸器Kl關(guān)閉，接觸器K2打開，同時(shí)Ql至Q6提供同步整流；使用電機(jī)漏電感提供所需的相位端口電感。可以采用不同的PWM控制方案。在一個(gè)這樣的方案中，控制使得線電流保持為與線電壓實(shí)時(shí)成比例，從而提供整功率因數(shù)運(yùn)行。和前面的一樣，最大充電功率通常由電機(jī)的額定值確定。通常情況下，使用這個(gè)方案，對(duì)于單相充電，最大持續(xù)充電功率是持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的約50%。對(duì)于三相充電，持續(xù)的額定值躍增持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的大約80%。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)包括取消了半導(dǎo)體組件(例如圖2的二極管電橋24)，取消了電機(jī)中性接頭，能夠從峰值電壓低于電池電壓的任何電站運(yùn)行，能夠適應(yīng)單相和三相電站功率，能夠雙向操作，能夠提供獨(dú)立的單相和三相AC功率輸出，能夠控制無功功率，以及減小因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱引起的充電共模電流，從而能夠使用較小的共模濾波器。這個(gè)方案的缺點(diǎn)包括在驅(qū)動(dòng)模式操作期間需要相當(dāng)大的接觸器(K2)處理電機(jī)全電流，以及需要六條大型電機(jī)線取代三條大型電機(jī)線。

發(fā)明內(nèi)容
集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電池充電裝置，包括電池；具有N個(gè)獨(dú)立電機(jī)繞組的電動(dòng)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)繞組具有第一和第二橋臂；具有多個(gè)(M個(gè))極的接觸器，每個(gè)極具有第一側(cè)和第二側(cè)；具有2N個(gè)開關(guān)極和一個(gè)電容器的逆變器，每個(gè)開關(guān)極和電容器與電池并聯(lián)；以及用于控制每個(gè)開關(guān)極狀態(tài)的PWM控制電路。每個(gè)電機(jī)繞組的每個(gè)橋臂耦合至相應(yīng)逆變器開關(guān)極的相位節(jié)點(diǎn)，至少兩個(gè)電機(jī)繞組橋臂(或其分接頭(tap ))耦合至接觸器極的相應(yīng)第一側(cè)，電源/功率耗散器被耦合至接觸器極的相應(yīng)第二側(cè)，以及在一個(gè)方面，電容器耦合在每對(duì)接觸器極之間。


附圖(包括在本說明書內(nèi)并構(gòu)成本說明書的一部分)示出了一個(gè)或更多的實(shí)施例，和實(shí)施例的描述一起，用于解釋實(shí)施例的原理和實(shí)施。在附圖中
圖1是按照現(xiàn)有技術(shù)的三相逆變器和三相電機(jī)的基本組合的電路示意圖。圖2是按照現(xiàn)有技術(shù)的使用二極管電橋的集成充電方案的電路示意圖。圖3是按照現(xiàn)有技術(shù)的使用接觸器打開一個(gè)橋臂的集成充電方案的電路示意圖。圖4是按照現(xiàn)有技術(shù)的使用二極接觸器打開電機(jī)中性“接頭”的集成充電方案的電路不意圖。圖5A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的開放式三角驅(qū)動(dòng)器(opendelta drive)的電路示意圖。圖5B是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的開放式三角驅(qū)動(dòng)器的電路示意圖。圖5C是按照本發(fā)明實(shí)施例的用于圖5A、6A、7A的電路的EMI濾波器/充電端口的電路不意圖。圖是按照本發(fā)明實(shí)施例的用于圖5B、6B、7B的電路的EMI濾波器/充電端口的電路不意圖。圖6A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的開放式三角驅(qū)動(dòng)器的電路示意圖。圖6B是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的開放式三角驅(qū)動(dòng)的器電路示意圖。圖7A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的開放式三角驅(qū)動(dòng)器的電路示意圖。圖7B是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的開放式三角驅(qū)動(dòng)器的電路示意圖。圖8是按照本發(fā)明實(shí)施例的用于圖5A、5B、6A、6B、7A和7B中開放式三角電路在驅(qū)動(dòng)模式下操作時(shí)PWM開關(guān)命令的時(shí)序圖。圖9是按照本發(fā)明實(shí)施例的用于圖5A、5B、6A、6B、7A和7B中開放式三角電路在充電模式下操作時(shí)的PWM開關(guān)命令的時(shí)序圖。圖10是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電裝置的變化的開放式三角驅(qū)動(dòng)器的電路不意圖。圖11是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的用于圖10中變化的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路在充電模式下操作時(shí)的PWM開關(guān)命令的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例在關(guān)于方法和裝置的本文中進(jìn)行描述，該方法和裝置提供一種電動(dòng)車輛內(nèi)具有集成充電的開放式三角電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到下面的描述僅僅是說明性的，并不以任何方式進(jìn)行限制。這些從本公開中獲利的技術(shù)人員很容易通過提示獲得其他實(shí)施例。現(xiàn)將參考附圖詳細(xì)地描述實(shí)施例的實(shí)施。在整個(gè)附圖和下面的描述中盡可能地使用同樣的附圖標(biāo)記來指代同樣或類似的項(xiàng)目。為了清楚起見，所述實(shí)施并沒有對(duì)所有的常規(guī)特征進(jìn)行圖示和描述。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，在任何這種實(shí)際實(shí)施的開發(fā)過程中，為實(shí)現(xiàn)開發(fā)人員的特定目標(biāo)，必須做出多種特定的實(shí)施決定，比如符合應(yīng)用和商業(yè)相關(guān)的要求。還應(yīng)當(dāng)理解的是，這些特定目標(biāo)從一個(gè)實(shí)施到另一個(gè)實(shí)施以及從一個(gè)開發(fā)人員到另一個(gè)開發(fā)人員將會(huì)有所不同。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜且耗時(shí)的，但盡管如此，對(duì)于從本公開中獲利的那些本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說是設(shè)計(jì)的常規(guī)任務(wù)。本領(lǐng)域當(dāng)前狀態(tài)的電動(dòng)和混合動(dòng)力車輛通常將三相橋式電壓型逆變器和Y型纏繞永磁電機(jī)或者Y型纏繞感應(yīng)電機(jī)結(jié)合以獲得所需的驅(qū)動(dòng)功能。另一種方法是使用六相單元替代三相逆變器，每個(gè)三相電機(jī)繞組由兩個(gè)逆變器相位驅(qū)動(dòng)。盡管這種方法(這里稱為“開放式三角驅(qū)動(dòng)”)增加了一些復(fù)雜性，它產(chǎn)生的好處包括減小了 DC總線電容器內(nèi)的紋波電流，減小了電機(jī)內(nèi)的PWM損耗，以及取消了電機(jī)中性接頭。本發(fā)明提供擴(kuò)展開放式三角方案的新的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而逆變器和電機(jī)除了具有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能外，還具有高速率、整功率因數(shù)電池充電的功能。圖5A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電功能的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路50的電路示意圖。電路50配置用于充電端口 52的三相(X，Y，Z)充電。圖5B是按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電功能的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路56的電路示意圖。電路56配置用于EMI濾波器/充電端口 58的DC (+，一)充電。圖5C是按照本發(fā)明實(shí)施例的電路50的EMI濾波器/充電端口 52 (還有電路60的端口 62以及電路70的端口 72 )的電路示意圖。圖5D是按照本發(fā)明實(shí)施例的電路56的EMI濾波器/充電端口 58 (還有電路64的端口 66以及電路74的端口 76)的電路示意圖。在圖5C中，電容器Clx，Cly和Clz和電感Llx，Lly和Llz —起形成一個(gè)差模濾波器，用于衰減差模電壓和電流紋波。電容器C2x，C2y和C2z和電感L2x，L2y和L2z—起形成一個(gè)共模濾波器，用于衰減共模電壓紋波。Llx，Lly和Llz是獨(dú)立的組件，而L2x，L2y和L2z共享一個(gè)磁芯。在圖中，電容器Cl和電感Llx，Lly和Llz —起形成一個(gè)差模濾波器，用于衰減差模電壓和電流紋波。電容器C2x，C2y和C2z和電感L2x，L2y和L2z —起形成一個(gè)共模濾波器，用于衰減共模電壓紋波。Llx，Lly和Llz是獨(dú)立的組件，而L2x，L2y和L2z共享一個(gè)磁芯。圖6A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電功能的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路60的電路示意圖。電路60配置用于EMI濾波器/充電端口 62的三相(X，Y，Z)充電。圖6B是按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路64的電路示意圖。電路64配置用于EMI濾波器/充電端口 66的DC (+，一)充電。圖5C是按照本發(fā)明實(shí)施例的電路60的EMI濾波器/充電端口 62的電路示意圖。圖是按照本發(fā)明實(shí)施例的電路64的EMI濾波器/充電端口 66的電路示意圖。圖7A是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路70的電路示意圖。電路70配置用于EMI濾波器/充電端口 72的三相(X，Y，Z)充電。圖7B是按照本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電功能的開放式三角驅(qū)動(dòng)電路74的電路示意圖。電路74配置用于EMI濾波器/充電端口 76的DC (+，一)充電。圖5C是按照本發(fā)明實(shí)施例的電路70的EMI濾波器/充電端口 72的電路示意圖。圖是按照本發(fā)明實(shí)施例的電路74的EMI濾波器/充電端口 76的電路示意圖。在圖5A，5B, 6A，6B, 7A，7B和10的電路中，六相逆變器54耦合至三相電機(jī)16，并由電池(或其他DC電壓源)14供電。DC總線輸入電容器Ci (逆變器54的一部分)與電池14跨接。六相逆變器54由構(gòu)成開關(guān)的12個(gè)晶體管(Q1-Q12，)形成。每個(gè)將功率由逆變器54提供給電機(jī)16的相(相Al，相BI，相Cl，相A2，相B2，相C2)耦合至與相位對(duì)應(yīng)的一對(duì)開關(guān)(開關(guān)極)的中心(相位)節(jié)點(diǎn)，即，Ql和Q2 (A1)，Q3和Q4 (BI)，依此類推。圖5A，5B，6A，6B，7A和7B中所示每個(gè)實(shí)施例的逆變器的操作是相同的，并在下面進(jìn)行描述。在圖5A和5B的電路中，線A，B和C按如下所示耦合至逆變器線A經(jīng)過電機(jī)16的繞組Wl耦合至相Al的中心節(jié)點(diǎn)并直接耦合至相A2的中心節(jié)點(diǎn)；線B經(jīng)過電機(jī)16的繞組W2耦合至相BI的中心節(jié)點(diǎn)并直接耦合至相B2的中心節(jié)點(diǎn)；以及線C經(jīng)過電機(jī)16的繞組W3耦合至相Cl的中心節(jié)點(diǎn)并直接耦合至相C2的中心節(jié)點(diǎn)。每個(gè)繞組W1，W2和W3基本上具有相同的電感Ls。電容器Cl耦合在線A和C之間；電容器C2耦合在線B和C之間；以及電容器C3耦合在線A和B之間。電容器Cl，C2和C3具有大致相同的值。接觸器Kl設(shè)為打開狀態(tài)用于正常的驅(qū)動(dòng)模式操作，設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)用于充電操作。圖5A的電路具有三相EMI濾波器/充電端口 52，詳見圖5C，圖5B的電路具有直流EMI濾波器/充電端口 58，詳見圖(如上面所述)。對(duì)于每個(gè)相，Ls和其相關(guān)的電容器結(jié)合形成低通濾波器，從而有效衰減由Ql至Q6的開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的電壓和電流諧波。在圖6A和6B的電路中，線A，B和C按圖5A和5B電路那樣耦合至逆變器。電容器Cl耦合在線A和C之間；電容器C2耦合在線B和C之間；以及電容器C3耦合在線A和B之間。電容器Cl，C2和C3具有大致相同的值。接觸器Kl設(shè)為打開狀態(tài)用于正常的驅(qū)動(dòng)模式操作，設(shè)為關(guān)閉狀態(tài)用于充電操作。如圖所示，電感器LI耦合在電容器C1/C2節(jié)點(diǎn)和線C的接觸器節(jié)點(diǎn)之間；電感器L2耦合在電容器C2/C3節(jié)點(diǎn)和線B的接觸器節(jié)點(diǎn)之間；以及電感器L3耦合在電容器C1/C3節(jié)點(diǎn)和線A的接觸器節(jié)點(diǎn)之間。圖6A的電路具有三相EMI濾波器/充電端口 62，詳見圖5C，圖6B的電路具有直流EMI濾波器/充電端口 66，詳見圖(如上面所述)。在圖7A和7B的電路中，線A，B和C按圖5A和5B電路耦合至逆變器。線D直接耦合至相Al的中心節(jié)點(diǎn)，線E直接耦合至相BI的中心節(jié)點(diǎn)，以及線F直接耦合至相Cl的中心節(jié)點(diǎn)。線A，B，C，D，E和F分別耦合至接觸器Kl，經(jīng)過接觸器Kl (當(dāng)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí))至電感器LI，L2，L3，L4，L5和L6。電感器LI和L4，L2和L5，以及L3和L6的非接觸器側(cè)耦合在一起，并耦合至EMI濾波器/充電端口的各自節(jié)點(diǎn)。電容器Cl耦合在L1/L4節(jié)點(diǎn)和L2/L5節(jié)點(diǎn)之間；電容器C2耦合在L2/L5節(jié)點(diǎn)和L3/L6節(jié)點(diǎn)之間；電容器L3耦合在電感器的非接觸器側(cè)上的LI和L3節(jié)點(diǎn)之間。圖7A的電路具有三相EMI濾波器/充電端口 72，詳見圖5C，圖7B的電路具有直流EMI濾波器/充電端口 76，詳見圖(如上面所述)。圖5A，5B，6A，6B，7A和7B由此示出了按照本發(fā)明不同實(shí)施例的用于具有集成充電功能的開放式三角電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路。圖8是按照一個(gè)實(shí)施例的用于這些開放式三角電路驅(qū)動(dòng)模式下操作(接觸器Kl為打開狀態(tài))的PWM開關(guān)命令的對(duì)應(yīng)時(shí)序圖。圖9是按照一個(gè)實(shí)施例的用于這些開放式三角電路充電模式下操作(接觸器Kl為關(guān)閉狀態(tài))的PWM開關(guān)命令的對(duì)應(yīng)時(shí)序圖。這個(gè)新的集成驅(qū)動(dòng)-充電方案使用開放式三角逆變器-電機(jī)配置作為它的起點(diǎn)。與常規(guī)的Y型配置相比，在這個(gè)開放式三角配置中，每個(gè)三相電機(jī)繞組具有V 3倍的圈數(shù)。每個(gè)繞組由一對(duì)逆變器極(inverter pole)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)極有一個(gè)電流額定值,該電流額定值等于常規(guī)三相系統(tǒng)的電流額定值的I/ V 3倍。調(diào)制方案為每對(duì)相關(guān)的極被中心線調(diào)制(centerline modulated),其中三對(duì)極的中心線相互偏離120° (例如見圖8)。開放式三角驅(qū)動(dòng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是提升了消除電流諧波的水平。這意味著DC總線電容器Ci可以更小，同時(shí)降低損耗。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于一個(gè)給定的開關(guān)頻率，相位紋波電流更低。通過添加一個(gè)三極(或在圖7A和7B情況下六極)接觸器Kl和EMI濾波器/充電端口電路至常規(guī)的開放式三角驅(qū)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行DC、單相和三相充電，同時(shí)保留了開放式三角驅(qū)動(dòng)配置的所有驅(qū)動(dòng)模式優(yōu)點(diǎn)。在驅(qū)動(dòng)模式下，接觸器Kl為打開狀態(tài)，在充電模式下，接觸器Kl為關(guān)閉狀態(tài)。在驅(qū)動(dòng)模式下，所有12個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)均被使用。在充電模式下，半導(dǎo)體開關(guān)Ql至Q6各自保持關(guān)閉，同時(shí)半導(dǎo)體開關(guān)Q7至Q12受到控制，從而電站功率同步整流，以提供控制的電池充電(例如見圖9)。和前面的一樣，最大充電功率基本上由電機(jī)的額定值確定。通常情況下，對(duì)于單相操作，圖5A，5B，6A，6B，7A和7B方案的最大持續(xù)充電功率是持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的大約40%。對(duì)于三相操作，最大持續(xù)充電功率是持續(xù)驅(qū)動(dòng)模式下額定值的大約70%。這些實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)包括取消了增加的半導(dǎo)體組件(例如圖2的二極管電橋24)，取消了增加的接觸器(例如圖3和圖4中K2 )，能夠從峰值電壓比電池電壓低的任何電站運(yùn)行，能夠適應(yīng)單相和三相電站功率，能夠雙向操作，能夠提供獨(dú)立的單相和三相AC功率輸出，能夠控制無功功率，和常規(guī)的三相方案相比減小了總線電容器的尺寸，和常規(guī)的三相方案相比減小了總線電容器相關(guān)的損耗，減小了因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱引起的充電共模電流，從而能夠使用較小的共模濾波器，能夠在驅(qū)動(dòng)模式使用較低的開關(guān)頻率，進(jìn)而減小了半導(dǎo)體開關(guān)損耗，取消了電機(jī)中性接頭，進(jìn)而線圈端部尺寸減小，和圖3方案相比，由于增加了三角繞組相關(guān)的圈數(shù)，充電期間電機(jī)芯的損耗大大減小。這些實(shí)施例的缺點(diǎn)包括增加了復(fù)雜性(六相替代三相)；門極驅(qū)動(dòng)器(gate drive)的數(shù)量由6增加到12 ;相電流傳感器的數(shù)量由2增加到3 ;控制器增加了一些極小的復(fù)雜性，以及和圖3方案相比，由于增加了和三角配置相關(guān)的電機(jī)繞組電阻，充電功率的額定值可能降低。圖10是按照一個(gè)實(shí)施例的具有集成充電的進(jìn)一步改變的的開放式三角電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電路示意圖。圖11是按照一個(gè)實(shí)施例的用于圖10中改變的開放式三角電機(jī)驅(qū)動(dòng)器電路在充電模式下操作時(shí)的PWM開關(guān)命令的時(shí)序圖。圖8對(duì)應(yīng)為本實(shí)施例驅(qū)動(dòng)模式時(shí)的PWM開關(guān)命令的時(shí)序。圖54，58，64，68，7么，78所示方案(“早期方案”)的改變?nèi)鐖D10所示，其中充電功率用于電機(jī)繞組的中心分接頭。通過這種變化，所有12個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)在充電期間使用，從而充電功率的額定值是早期方案的兩倍；早期方案的所有其他優(yōu)點(diǎn)均保留。用于本實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)模式開關(guān)命令和圖8所示相同，對(duì)應(yīng)的充電模式PWM開關(guān)命令如圖11所示。對(duì)于每個(gè)先前所示的集成充電方案，在充電期間產(chǎn)生一定水平的電機(jī)轉(zhuǎn)矩。一般情況下，由于假定無論何時(shí)充電停車棘爪都是接合的，所以不認(rèn)為這是一個(gè)問題。然而值得注意的是，使用圖10的方案，由于對(duì)稱電流分流進(jìn)入每個(gè)電機(jī)繞組內(nèi)，在充電期間基本上沒有轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生，從而充電期間不需要停車棘爪。使用圖10的方案，可能需要額外的差模電感來限制紋波電流。與任何半導(dǎo)體極相關(guān)的紋波電流的大小與相關(guān)電感成反比。因此，存在與電流分量的平方成比例的損失分量。因此，需要最小的電感使得RMS諧波電流被保持在基本相電流的10%左右。在圖10方案的情況下，有效電感(電機(jī)漏電感)一般低于規(guī)定的臨界值。在這種情況下，必須增加電感，和繞組分接頭串聯(lián)以克服這個(gè)限制。所增加的電感可以內(nèi)置于EMI濾波器(例如見圖5C，5D)。圖10方案的優(yōu)點(diǎn)包括取消了增加的半導(dǎo)體組件(例如圖2的二極管電橋24)，取消了增加的接觸器(例如圖3和圖4中K2)，能夠從峰值電壓比電池電壓低的任何電站運(yùn)行，能夠適應(yīng)單相和三相電站功率，由于所有12個(gè)逆變器開關(guān)的同時(shí)使用以及電機(jī)中心分接頭的使用使得電流通路增加一倍而能夠獲得非常高的充電速度，能夠雙向操作，能夠提供獨(dú)立的單相和三相AC功率輸出，能夠控制無功功率，和常規(guī)的三相方案相比減小了總線電容器的尺寸，和常規(guī)的三相方案相比減小了總線電容器相關(guān)的損耗，減小了因?yàn)橥負(fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)稱引起的充電共模電流；從而能夠使用較小的共模濾波器，由于電壓和電流開關(guān)元件用于每個(gè)基本頻率為開關(guān)頻率兩倍的濾波器而減小了濾波器的尺寸，能夠在驅(qū)動(dòng)模式使用較低的開關(guān)頻率，進(jìn)而減小了半導(dǎo)體開關(guān)損耗，取消了電機(jī)中性接頭，進(jìn)而線圈端部尺寸減小。圖10方案的缺點(diǎn)包括增加了一些電路復(fù)雜性(六相替代三相)；門極驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量由6增加到12 ;相電流傳感器的數(shù)量由2增加到3 ;和早期方案相比，控制器增加了一些極小的復(fù)雜性，以及中心分接頭添加至電機(jī)繞組。(一般情況下，這些新增線的規(guī)格將會(huì)比其他六條電機(jī)線小。)，以及由于電機(jī)漏電感的有效并聯(lián)而增加了相諧波電流的大小。然而，在所有情況下，需要的話，這個(gè)缺點(diǎn)可以通過在EMI濾波器內(nèi)使用增加的差模電感來緩解。需要注意的是，盡管圖中顯示為三相電機(jī)和相應(yīng)的逆變器，其他相數(shù)能夠使用，例如2、4等。從而權(quán)利要求中使用的術(shù)語“多相”將指代一個(gè)大于或等于2的相數(shù)。盡管已經(jīng)示出和描述了實(shí)施例和應(yīng)用，對(duì)于從本公開中獲利的那些本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，在不脫離本文公開的發(fā)明理念下，可能有比上述提及的更多的修改方案，這是顯而易見的。因此，除非是依據(jù)所附權(quán)利要求的理念，本發(fā)明不受限制。
權(quán)利要求
1.集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電池充電裝置，包括: 電池； 具有N個(gè)獨(dú)立電機(jī)繞組的電動(dòng)電機(jī),每個(gè)電機(jī)繞組具有第一橋臂和第二橋臂； 具有M個(gè)極的接觸器，每個(gè)極具有第一側(cè)和第二側(cè)； 2N極橋式逆變器，所述逆變器具有2N個(gè)開關(guān)極和一個(gè)電容器，每個(gè)開關(guān)極和電容器與電池并聯(lián)； 用于控制每個(gè)開關(guān)極狀態(tài)的PWM控制電路， 其中每個(gè)電機(jī)繞組的每個(gè)橋臂耦合至相應(yīng)逆變器開關(guān)極的相位節(jié)點(diǎn)，至少兩個(gè)電機(jī)繞組橋臂耦合至接觸器極的相應(yīng)第一側(cè)，電源/功率耗散器耦合至接觸器極的相應(yīng)第二側(cè)，以及電容器耦合在每對(duì)接觸器極之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括: 耦合至接觸器極第二側(cè)的EMI濾波器/充電端口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中M= N。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中M< N。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至DC電源/功率耗散器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至AC電源/功率耗散器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中電感器耦合在每個(gè)接觸器極第二側(cè)和電源/功率耗散器之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，進(jìn)一步包括: 耦合至接觸器極第二側(cè)的EMI濾波器/充電端口。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中M= N。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中M< N。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至DC電源/功率耗散器。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至AC電源/功率耗散器。
13.集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電池充電裝置,包括: 電池； 具有N個(gè)獨(dú)立電機(jī)繞組的電動(dòng)電機(jī),每個(gè)電機(jī)繞組具有第一橋臂和第二橋臂； 具有M個(gè)極的接觸器，每個(gè)極具有第一側(cè)和第二側(cè)； 2N極橋式逆變器，所述逆變器具有2N個(gè)開關(guān)極和一個(gè)電容器，每個(gè)開關(guān)極和電容器與電池并聯(lián)； 用于控制每個(gè)開關(guān)極狀態(tài)的PWM控制電路， 其中每個(gè)電機(jī)繞組的每個(gè)橋臂耦合至相應(yīng)逆變器開關(guān)極的相位節(jié)點(diǎn)，至少兩個(gè)電機(jī)繞組橋臂耦合至接觸器極的相應(yīng)第一側(cè)，并且電源/功率耗散器耦合至接觸器極的相應(yīng)第二側(cè)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，進(jìn)一步包括:耦合在每對(duì)接觸器極之間的電容器。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，進(jìn)一步包括: 耦合至接觸器極第二側(cè)的EMI濾波器/充電端口。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中M= N。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中M< N。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至DC電源/功率耗散器。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至AC電源/功率耗散器。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的裝置，其中電感器耦合在每個(gè)接觸器極第二側(cè)和電源/功率耗散器之間。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，進(jìn)一步包括: 耦合至接觸器極第二側(cè)的EMI濾波器/充電端口。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中M= N。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的裝置，其中M< N。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至DC電源/功率耗散器。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的裝置，其中EMI濾波器/充電端口配置為耦合至AC電源/功率耗散器。
26.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中分接頭為中心分接頭。
全文摘要
集成電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電池充電裝置，包括電池；具有N個(gè)獨(dú)立電機(jī)繞組的電動(dòng)電機(jī)，每個(gè)電機(jī)繞組具有第一橋臂和第二橋臂；具有多個(gè)(M個(gè))極的接觸器，每個(gè)極具有第一側(cè)和第二側(cè)；具有2N個(gè)開關(guān)極和一個(gè)電容器的逆變器，每個(gè)開關(guān)極和電容器與電池并聯(lián)；以及用于控制每個(gè)開關(guān)極狀態(tài)的PWM控制電路。每個(gè)電機(jī)繞組的每個(gè)橋臂耦合至相應(yīng)逆變器開關(guān)極的相位節(jié)點(diǎn)，至少兩個(gè)電機(jī)繞組橋臂(或它的分接頭)耦合至接觸器極的相應(yīng)第一側(cè)，電源/功率耗散器耦合至接觸器極的相應(yīng)第二側(cè)，以及在一個(gè)方面，電容器耦合在每對(duì)接觸器極之間。
文檔編號(hào)H02P27/00GK103081347SQ201180029173
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2011年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月29日
發(fā)明者沃利·E·利佩爾 申請(qǐng)人:Ac動(dòng)力公司