CN113212200A - 一体式车辆车载充电器和发电机 - Google Patents

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energy
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葛宝明
宋延涛
陈礼华
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Abstract

本公开提供了“一体式车辆车载充电器和发电机”。公开了一种用于电动车辆的一体式车载充电器和发电机(OBCG)的***和方法。所述OBCG包括充电电路，所述充电电路具有连接到AC电源的二极管桥式整流器、功率因数校正转换器和双向DC/DC转换器。所述OBCG还包括发电电路，所述发电电路具有三相逆变电路、连接到所述三相逆变电路的每个桥臂的三个感应线圈和连接到所述三个感应线圈的输出端的多个输出电容器。所述OBCG还包括桥式电容器和控制开关元件，所述桥式电容器和所述控制开关元件连接在所述充电电路与所述发电电路之间以用于在充电状态与发电状态之间变化。

Description

一体式车辆车载充电器和发电机
技术领域
本公开涉及一种用于在电动车辆、插电式混合动力电动车辆或混合动力电动车辆内使用的一体式车载充电器和车载发电机的***和方法。
背景技术
车辆(诸如电池电动车辆(EV)、插电式混合动力电动车辆(PHEV)和强混合动力电动车辆(FHEV))包含高压牵引电池组件以充当用于一个或多个电机的能量源。牵引电池包括有助于管理车辆性能和操作的部件和***。牵引电池可通过车载充电器(OBC)充电，所述车载充电器例如从电动车辆服务装备(EVSE)连接接收能量。然后，牵引电池可操作以通过车载发电机(OBG)向外部负载(例如，计算机、电动工具、野营装备)提供能量。通常，OBC和OBG通常需要单独的电路，这增加了封装空间和成本。
发明内容
公开了一种用于在电动车辆内使用的一体式车载充电器和发电机(OBCG)的***和方法。所述OBCG可包括充电电路和发电电路。所述充电电路可包括二极管桥式整流器、功率因数校正转换器和连接在滤波电容器与牵引电池之间的双向DC/DC转换器。所述功率因数校正转换器可包括充电电感器线圈、充电固态开关元件、充电二极管和并联连接到所述充电二极管的模式开关元件。
所述发电电路可包括三相逆变电路，所述三相逆变电路包括多个开关元件(例如，MOSFET或IGBT晶体管)。所述三相逆变电路可包括连接到第一感应线圈的第一输出桥臂、连接到第二感应线圈的第二输出桥臂和连接到第三感应线圈的第三输出桥臂。多个输出滤波电容器也可连接到所述第一感应线圈、所述第二感应线圈和所述第三感应线圈中的每一者。所述三相逆变电路还可连接到所述滤波电容器和所述双向DC/DC转换器。可设想，所述双向DC/DC转换器可在充电电路与发电电路之间共享。所述OBCG还可包括连接在所述充电电路与所述发电电路之间的桥式电容器和所述控制开关元件。
控制器可操作以在充电模式或发电模式之间可控地选择操作。例如，控制器可通过以下方式在充电模式下操作：(a)使所述模式开关元件和所述控制开关元件脱离；(b)使所述充电固态开关元件以预定频率循环；(c)使所述多个开关元件中的一个或多个脱离；以及(d)控制所述双向DC/DC转换器将由所述AC电源接收的AC能量转换成由所述牵引电池存储的DC能量。
所述控制器可通过以下方式在发电模式下操作以为单相负载或分相负载供电：(a)接合所述控制开关元件；以及(b)使所述充电固态开关元件、所述模式开关元件和所述多个开关元件中的一个或多个循环以在所述桥式电容器两端提供预定充电电压。响应于所述控制器确定所述预定充电电压已经被供应给所述桥式电容器，所述控制器还可：(a)使所述充电固态开关元件和所述模式开关元件脱离；(b)使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及(c)控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的单相AC能量或分相AC能量。
所述控制器可通过以下方式在发电模式下操作以为三线负载供电：使所述模式开关元件、充电固态开关元件和所述控制开关元件脱离；(b)使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及(d)控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的三相AC能量。
可设想，可使用IGBT晶体管或MOSFET晶体管来设计所述多个开关元件和所述充电固态开关元件。还可设想，所述AC电源可使用电动车辆供电装备来设计，并且所述AC电源可使用有线连接或无线连接提供给所述电动车辆。
附图说明
图1示出电动车辆的示例性拓扑。
图2A和图2B示出用于电动车辆的充电***的示例性拓扑。
图3示出用于单独的车载充电器(OBC)和车载发电机(OBG)的电路设计。
图4示出用于一体式车载充电器和发电机(OBCG)的电路设计。
图5示出一系列曲线图，所述曲线图示出当一体式OBCG操作时的电压和电流。
图6示出另一系列曲线图，所述曲线图示出当一体式OBCG操作时的电压和电流。
具体实施方式
根据需要，本文中公开了本发明的详细实施例；然而，应理解，所公开的实施例仅仅是可以各种形式和替代形式体现的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些特征可能会被放大或最小化以示出特定部件的细节。因此，本文中所公开的具体结构和功能细节不应被解释为是限制性的，而仅是作为教导本领域技术人员以不同方式采用本发明的代表性基础。
参考图1，示出根据本公开的实施例的电动车辆10的示意图。图1示出部件之间的代表性关系。部件在车辆内的物理布局和取向可以变化。电动车辆10包括动力传动***12。动力传动***12包括驱动变速器16(或齿轮箱)的电机(诸如M/G 14(即，电动马达/发电机))。更具体地，M/G 14可以可旋转地连接到变速器16的输入轴18。变速器16可经由变速器挡位选择器(未示出)而置于PRNDSL(驻车挡、倒挡、空挡、驱动挡、运动挡、低挡)中。变速器16可具有固定的齿轮传动关系，所述齿轮传动关系在变速器16的输入轴18与输出轴20之间提供单个齿轮比。变矩器(未示出)或起步离合器(未示出)可设置在M/G 14与变速器16之间。替代地，变速器16可以是多阶梯传动比自动变速器。相关联的电池22(即，高压电池)被配置为向M/G14递送电力或从其接收电力。取决于电动车辆10的类型，电池22的大小可变化。例如，电动车辆10可被配置成使得电池22的大小可被设定成提供400伏或800伏。
M/G 14是用于电动车辆10的被配置为推进电动车辆10的驱动源。M/G 14可由多种类型的电机中的任一种来实施。例如，M/G 14可以是永磁同步马达。电力电子装置24按照M/G 14的要求来调节由电池22提供的直流电(DC)电力，如下面将要描述的。例如，电力电子装置24可向M/G 14提供三相交流电(AC)。
如果变速器16是多阶梯传动比自动变速器，则变速器16可包括齿轮组(未示出)，所述齿轮组通过选择性地接合诸如离合器和制动器(未示出)的摩擦元件而选择性地置于不同的齿轮比中，以建立期望的多个离散或阶梯传动比。摩擦元件可通过换挡计划来控制，所述换挡计划连接和断开齿轮组的某些元件以控制输出轴20与输入轴18之间的传动比。变速器16由相关联的控制器(诸如动力传动***控制单元(PCU))基于各种车辆和环境工况而自动从一个传动比换挡到另一个传动比。来自M/G 14的动力和扭矩可被递送到变速器16并由其接收。然后，变速器16向输出轴20提供动力传动***输出动力和扭矩。
应理解，可与变矩器(未示出)联接的液压控制变速器16仅仅是齿轮箱或变速器布置的一个示例；接受来自动力源(例如，M/G 14)的一个或多个输入扭矩并且然后以不同传动比向输出轴(例如，输出轴20)提供扭矩的任何多传动比齿轮箱与本公开的实施例一起使用是可接受的。例如，变速器16可通过自动机械(或手动)变速器(AMT)来实施，所述自动机械(或手动)变速器(AMT)包括一个或多个伺服马达以沿着换挡导轨平移/旋转换挡拨叉以选择所期望的齿轮比。如本领域普通技术人员通常所理解，AMT可用于例如具有较高扭矩需求的应用中。
如图1的代表性实施例所示，输出轴20连接到差速器26。差速器26经由连接到差速器26的相应车轴30驱动一对车轮28。差速器26向每个车轮28传输大致相等的扭矩，而诸如当车辆转弯时允许轻微的速度差异。可使用不同类型的差速器或类似装置来将扭矩从动力传动***分配到一个或多个车轮。在一些应用中，扭矩分配可取决于操作模式或条件而变化。
动力传动***12还包括相关联的控制器32(诸如动力传动***控制单元(PCU))。虽然示出为一个控制器，但控制器32可以是较大的控制***的一部分并且可由遍及车辆10的各种其他控制器(诸如车辆***控制器(VSC))控制。因此，应理解，控制器32和一个或多个其他控制器可统称为“控制器”，所述控制器响应于来自各种传感器的信号而控制各种致动器，以控制诸如操作M/G 14以提供车轮扭矩或给电池22充电、选择或安排变速器换挡等功能。控制器32可包括与各种类型的计算机可读存储装置或介质通信的微处理器或中央处理单元(CPU)。计算机可读存储装置或介质可包括例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和保活存储器(KAM)中的易失性和非易失性存储装置。KAM为可用于在CPU断电时存储各种操作变量的持久性或非易失性存储器。计算机可读存储装置或介质可使用许多已知存储器装置中的任一种来实施，所述存储器装置诸如PROM(可编程只读存储器)、EPROM(电PROM)、EEPROM(电可擦除PROM)、快闪存储器或能够存储数据的任何其他电、磁性、光学或组合存储器装置，所述数据中的一些表示由控制器用于控制发动机或车辆的可执行指令。
控制器32经由输入/输出(I/O)接口(包括输入和输出信道)而与各种车辆传感器和致动器通信，所述接口可实施为提供各种原始数据或信号调节、处理和/或转换、短路保护等的单个集成接口。替代地，可在将信号供应给CPU之前使用一个或多个专用硬件或固件芯片来调节和处理所述信号。如图1的代表性实施例中总体上所示，控制器32可将信号传送到M/G 14、电池22、变速器16、电力电子装置24以及动力传动***12中的可包括但未在图1中示出的任何另一个部件(即，可设置在M/G 14与变速器16之间的起步离合器)和/或从其接收信号。尽管未明确示出，但本领域普通技术人员将认识到在上文标识的子***中的每一者内可由控制器32控制的各种功能或部件。可使用由控制器32执行的控制逻辑和/或算法直接或间接致动的参数、***和/或部件的代表性示例包括诸如交流发电机的前端附件驱动(FEAD)部件、空调压缩机、电池充电或放电、再生制动、M/G 14操作、变速器16的离合器压力或作为动力传动***12的一部分的任何其他离合器等。通过I/O接口传送输入的传感器可用于指示例如轮速(WS1、WS2)、车速(VSS)、冷却剂温度(ECT)、加速踏板位置(PPS)、点火开关位置(IGN)、环境空气温度(例如，环境空气温度传感器33)、变速器挡位、传动比或模式、变速箱油温(TOT)、变速器输入和输出速度、减速或换挡模式(MDE)、电池温度、电压、电流或荷电状态(SOC)。
由控制器32执行的控制逻辑或功能可通过流程图或类似图示在一个或多个附图中表示。这些附图提供了可使用一个或多个处理策略(诸如，事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等)来实施的代表性控制策略和/或逻辑。因而，示出的各种步骤或功能可按示出的顺序执行、并行地执行或者在一些情况下被省略。尽管未总是明确示出，但本领域普通技术人员将认识到，可根据所使用的特定策略来重复执行示出的步骤或功能中的一者或多者。类似地，处理次序不一定是实现本说明书中所述的特征和优点所必需的，而是为了易于说明和描述而提供的。控制逻辑可主要以由基于微处理器的车辆和/或动力传动***控制器(诸如控制器32)执行的软件实施。当然，控制逻辑可根据应用在一个或多个控制器中以软件、硬件或软件与硬件的组合实施。当以软件实施时，控制逻辑可提供在一个或多个计算机可读存储装置或介质中，所述计算机可读存储装置或介质存储有表示由计算机执行以控制车辆或车辆子***的代码或指令的数据。计算机可读存储装置或介质可包括使用电存储、磁性存储和/或光学存储来保存可执行指令和相关联的校准信息、操作变量等的一种或多种已知物理装置。
车辆的驾驶员使用加速踏板34来向动力传动***12(或更具体地，M/G 14)提供用于推进车辆的需求扭矩、功率或驱动命令。通常，踩下和释放加速踏板34生成加速踏板位置信号，所述加速踏板位置信号可由控制器32相应地解译为对增大的功率或减小的功率的需求。制动踏板36也由车辆的驾驶员用于提供需求的制动扭矩以使车辆减速。通常，踩下和释放制动踏板36生成制动踏板位置信号，所述制动踏板位置信号可由控制器32解译为降低车速的需求。基于来自加速踏板34和制动踏板36的输入，控制器32命令到达M/G 14和摩擦制动器38的扭矩和/或功率。控制器32还控制变速器16内的换挡正时。
M/G 14可充当马达并且为动力传动***12提供驱动力。为了用M/G 14驱动车辆，电池22通过布线40将存储的电能传输到电力电子装置24，所述电力电子装置可包括例如逆变器。电力电子装置24将来自电池22的DC电压转换成将由M/G 14使用的AC电压。控制器32命令电力电子装置24将来自电池22的电压转换成提供给M/G14的AC电压以向输入轴18提供正或负扭矩。
M/G 14还可以用作发电机并将来自动力传动***12的动能转换成电能以存储在电池22中。更具体地，M/G 14可在再生制动时间期间用作发电机，在再生制动中，来自转动的车轮28的扭矩和旋转(或动能)能量通过变速器16传回并且被转换成电能以便存储在电池22中。
车辆10还包括连接到布线60的OBG 42(即，车载发电机)，所述布线60可以是高压DC总线60。OBG 42可被配置成将由牵引电池22提供的DC能量转换成可为外部负载供电的兼容的AC能量。例如，OBG 42可提供AC能量以向计算机、电动工具(即，电锯)或野营装备供电。还可设想，OBG 42可被配置为提供与辅助电力***兼容的AC能量，诸如120VAC和/或240VAC的常见壁电压。OBC(即，车载充电器)58通过导线60连接到电池22。
可设想，图1所示的示意图仅是代表性的，而不意图是限制性的。在不脱离本公开的范围的情况下可设想其他配置。还可设想，所描述的车辆配置仅是示例性的并且并不意图进行限制。其他电动或混合动力电动车辆配置应如本文所公开的进行解释。其他电动或混合动力车辆配置可包括但不限于串联混合动力车辆、并联混合动力车辆、串并联混合动力车辆、插电式混合动力电动车辆(PHEV)、燃料电池混合动力车辆、电池电动车辆(BEV)或本领域普通技术人员已知的任何其他车辆配置。
在包括内燃发动机(诸如汽油、柴油或天然气动力发动机)或燃料电池的混合动力配置中，控制器32可被配置为控制这种内燃发动机的各种参数。可使用由控制器32执行的控制逻辑和/或算法直接或间接致动的内燃发动机参数、***和/或部件的代表性示例包括燃料喷射正时、速率和持续时间、节气门位置、火花塞点火正时(用于火花点火发动机)、进气门/排气门正时和持续时间等。通过I/O接口将输入从这种内燃发动机传送到控制器32的传感器可用于指示涡轮增压器增压压力、曲轴位置(PIP)、发动机转速(RPM)、进气歧管压力(MAP)、节气门位置(TP)、排气氧(EGO)或其他排气成分浓度或存在、进气流量(MAF)等。
图2A示出用于从外部电源(例如，AC插座、电池组、发电机)给电池22充电的布置。外部电源可以是如由电力公用事业公司提供的配电网络或电网。如图所示，外部电源可电耦合到充电器或EVSE50(即，电动车辆供电装备)。虽然EVSE 50被示出为在电动车辆10外部，但也可设想EVSE 50可位于电动车辆10内。
EVSE 50可通过电线52和连接器54接收电力和传输所接收的电力，所述电线52和连接器54***电动车辆10上的入口56的配合件中。作为一个示例，外部电力可以是在插座处接收的AC电力，所述AC电力由位于电动车辆10内的OBC 58(即，车载充电器)转换成DC电力。然后，OBC 58可操作以给电池22充电。替代地，车载充电器58可位于EVSE 50中、在电动车辆10外部。
可设想，EVSE 50可以不同的机械配置实现，所述机械配置包括车辆充电器、充电站或充电器。还可设想，EVSE 50可作为壁挂式单元安装在车库中或车辆通常停放的建筑物旁边。EVSE 50可以是有时称为旅行充电器、便携式充电器或手持式充电器的电线组件。
连接器54和入口56可利用其中一个连接器中的电导体与另一连接器中的电导体进行物理接触的传导连接。然而，还可设想，可采用无线电力传输(WPT)***，其中发射器可以在不使用物理电导体的情况下向接收器提供电力(例如，电力可通过自由空间传输)。可设想，输出到无线场中的电力(例如，磁感应、电感应等)可由“接收线圈”接收、捕获或耦合以实现电力传输。
图2B示出根据一个或多个实施例的WPT***300(即，无线电力率传输***)。WPT***300还可包括OBC 58，所述OBC 58可操作以给电动车辆10内的电池22充电。外部充电子***302可包括电源304和接地线圈组件306。根据一个或多个实施例，外部电源304可表示如由电力公用事业公司提供的常规交流(AC)配电网络或电网。外部电路308可将电源304连接到接地线圈组件306，并且包括用于调节提供给接地线圈组件306的电力信号(例如，对其进行整流、逆变、转换和存储)的部件。接地线圈组件306可包括板310，所述板310安装到下方表面(例如，车库地板)并且通常由铝形成。接地线圈组件306还可包括具有芯312和初级线圈314(即，发射器线圈)的电感器。
车辆线圈组件316可安装到电动车辆10，并且车OBC 58可操作以调节提供给电池22的电力(例如，对其进行整流和转换)。车辆线圈组件316还可包括板318，所述板318安装到电动车辆10的下侧，并且通常由铝形成。车辆线圈组件316还可包括具有芯320和线圈322(即，次级或接收器线圈)的电感器。
车辆线圈组件316可与接地线圈组件306对准以用于接收电力。电源304可向初级线圈314供应在初级线圈314周围建立磁场(未示出)的电流。通过将车辆线圈组件316与接地线圈组件306对准并且将次级线圈322置于磁场内，次级线圈322可电磁耦合到初级线圈314。此磁场在次级线圈322中感应出电流以无线地传输电力以用于对电池22进行感应充电。感应充电不需要初级线圈314与次级线圈322之间的物理接触。然而，初级线圈314和次级线圈322通常应彼此靠近以高效地进行感应充电。
图3示出OBG 42和OBC 58的示意图。同样，可通过EVSE 50连接向OBC 58供应外部电力。OBC 58可包括用于将AC能量转换成DC能量的二极管桥式整流器100和第一滤波电容器108。还可设想，OBC 58可包括功率因数校正(PFC)转换器，所述PFC转换器通常可包括感应线圈102、固态开关元件104和正向二极管106。
PFC转换器可以通过固态开关元件104进行控制。例如，元件104可由控制电路(例如，控制器32)以给定频率在接通状态与关断状态之间驱动。当被驱动到接通状态(即，开关闭合)时，通过感应线圈102的电流可增加。当被驱动到关断状态(即，开关断开)时，通过感应线圈102的电流可减小并通过二极管106释放全部或部分积聚的能量。通过调整占空比，可实现单位功率因数(PF)以控制汲取的电流量。OBC 58还可包括用于将DC电压调整到期望电平的第一DC/DC转换器110(即，隔离式DC/DC转换器)。例如，牵引电池22可被设计成在400VDC至800VDC之间操作。第一DC/DC转换器110可被设计成将DC电压升压到期望电平(例如，400VDC)以供牵引电池22使用。
OBG 42同样可包括用于转换存储在牵引电池22内的能量(例如，400VDC)以输出可用于为外部负载122(例如，电动工具)供电的AC电压的单独电路。OBG 42可包括第二隔离式DC/DC转换器112和第二滤波电容器114。OBG 42还可包括三相逆变器电路116，所述三相逆变器电路116具可使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或MOSFET晶体管来设计的多个开关元件。一个或多个感应线圈118和电容器120可作为滤波电路操作，以生成带有输出负载122期望的输出频率(例如，60Hz)的期望电压。可设想，第二隔离式DC/DC转换器112可操作以将牵引电池22的电压调整到适合于由三相逆变器电路116进行转换的电平。还可设想，OBG 42可操作以根据外部负载的需要将牵引电池22的DC电压转换成三相、单相或分相电压。
如所描述的，OBG 42和OBC 58两者都需要：(a)第一隔离式DC/DC转换器110和第二隔离式DC/DC转换器112；以及(b)第一滤波电容器108和第二滤波电容器114。可能需要这些电气部件来缓冲双线频率功率并将电压纹波限制在期望的操作电压和电流范围内。然而，可设想，在单个车辆内和在整个生产线中增加了总部件数量、体积和成本。此外，电容器108和电容器114可能是较大的，即使它们是使用通常具有潜在有限的寿命耐久性的电解电容器来设计的。
图4示出根据一个实施例的集成OBCG 400。可设想，OBCG 400可提供单独的OBC 58和OBG 42的相同功能，但是允许部件成本(每辆车和跨车辆生产线)降低，包装大小(例如，由于所需部件的减少)减小和成本降低。
如图所示，OBCG 400可包括用于将AC能量转换成DC能量的二极管桥式整流器402和滤波电容器414。还可设想，OBC 58可包括功率因数校正(PFC)转换器，所述PFC转换器通常可包括感应线圈404、固态开关元件406和正向二极管408以及固态开关元件410。OBC 58还可包括双向DC/DC转换器412，所述双向DC/DC转换器412用于将DC电压调整到期望电平(例如，400VDC)以供牵引电池22使用。
OBCG 400还包括用于转换存储在牵引电池22内的能量(例如，400VDC)以输出可用于为外部负载122(例如，电动工具)供电的AC电压的附加电路。OBCG 400可操作双向DC/DC转换器412以将电池22的DC电压调整到期望电平。滤波电容器414可操作以对DC电压进行滤波，然后将其提供到三相逆变器电路416，所述三相逆变器电路416包括可使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或MOSFET晶体管来设计的多个开关元件。一个或多个感应线圈418和电容器420可作为滤波电路操作，以生成带有输出负载122期望的输出频率(例如，60Hz)的期望电压。可设想，双向DC/DC转换器412可操作以将牵引电池22的电压调整到适合于由三相逆变器电路416进行转换的电平。还可设想，OBCG 400可操作以根据外部负载的需要将牵引电池22的DC电压转换成三相、单相或分相电压。
如图所示，OBCG 400可能仅需要单个隔离式双向DC/DC转换器412和较小的DC总线滤波电容器414。为了减小电容器414的大小，可包括第二电容器426以缓冲双线频率功率。还可设想，OBCG400可使用薄膜电容器操作以增加寿命可操作性。
还可设想，开关422和开关410可允许OBCG 400提供各种操作模式的能力。例如，OBCG 400可在第一操作模式(即，模式I)下操作，其中电池22使用由EVSE 50供应的AC电力充电。可使用功率因数校正(PFC)转换器(即，电感器404、开关406和二极管408)和双向DC/DC转换器412将AC电力转换成DC电力以用于对电池22进行充电。为了在模式I下操作，OBCG400将开关422控制到断开或脱离状态。可设想，开关422可手动地或通过从控制器32发送的控制信号来控制。
可进一步设想，在模式I期间，可通过在开关410被控制到关断或脱离状态的同时控制开关406的占空比(即，断开和闭合)来实现对电池22的充电。OBEG 400还可通过控制开关434、436、438和440(即，开关S3、S4、S5、S6)来缓冲通过滤波电容器428的双线频率功率。同时，OBCG 400还可将开关442、444(即，S7和S8)控制在关断或脱离状态。可设想，DC总线电容器电压可不具有双线频率纹波，从而允许减小电容器414的大小。
OBCG 400还可在第二操作模式(即，模式II)下操作，其中电池22用于将AC电力递送到输出负载122。可设想，OBCG 400可将AC电力递送到单相和/或分相输出负载122。在模式II下，电池22可使用双向DC/DC转换器412和DC/AC逆变器(即，滤波电容器414和三相逆变器电路416)向附件负载提供能量。在模式II下，OBCG 400(或控制器32)可将开关422控制到闭合或接合位置，使得电容器426通过控制开关410、406、442和444(即，S1、S2、S7、S8)来缓冲双线频率功率。OBCG 400(或控制器32)可通过控制开关434、436、438、440、442和444(即，S3、S4、S5、S6、S7和S8)来提供单相和/或分相输出电力。可设想，当在模式II下操作时，可通过电容器426缓冲双线频率功率，使得电容器414的电压没有低频纹波，从而允许减小电容器414的大小。
OBCG 400还可在第三操作模式(即，模式III)下操作，其中电池22用于将三相电力递送到输出负载122。可设想，在提供三相电力时，电容器414的高压DC总线上可能没有双线频率功率。当OBCG 400在模式III下操作时，可将开关422控制到脱离或断开位置。开关410、406(即，S1和S2)也可被控制到脱离或关断状态。OBCG 400可进一步控制开关434、436、438、440、442和444(即，S3、S4、S5、S6、S7和S8)以提供三相电能。电容器414的电压没有低频纹波，从而允许减小电容器414的大小。
图5示出一系列模拟曲线图502至508，其示出OBCG 400在模式I下操作时的电压或电流。可设想，电容器414的大小可被设定为400μF，并且电容器426的大小可被设定为165μF。
曲线510示出由EVSE 50提供以用于以大约10千瓦的功率对电池22充电的240Vrms的AC单相电网电压。曲线512还示出大约41.7Arms的电网电流(Ig)，其与曲线510所示的电网电压(Vg)同相。可设想，在此模拟期间，可能不存在输出负载122。
曲线514示出通过电容器428(即，C4)的电压具有400伏峰值和60Hz频率的AC电压，以缓冲双线频率功率。因此，即使DC总线电容为400μF，电容器C1 414的高压DC总线电压也可以是恒定的，其中纹波可忽略不计。曲线516示出当PFC操作时通过电感器404的电流(iL)。曲线518示出用于给电池22充电的电容器C1 414的供应的DC电压为大约400伏。
图6示出一系列模拟曲线图602至608，其示出OBCG 400在模式II下操作时的电压或电流。再次可设想，电容器414的大小可被设定为400μF，并且电容器426的大小可被设定为165μF。而且，可附接分相输出负载以用于接收120Vrms的分相电压。OBCG 400还可操作以支持需要5kW功率的分相输出负载。
曲线图602和曲线图606分别将分相电压值V相_1和V相_2示出为曲线610和曲线612。如曲线616所示，电容器426可操作以通过具有200伏峰值的60Hz AC电压来缓冲双线频率功率。因此，可设想，即使DC总线电容可以是大约400μF，电容器414的DC总线上的电压也可以是恒定的，其中纹波可忽略不计。
图5和图6示出OBCG 400可采用单个400μF电容器(即，电容器414)和一个165μF电容器(即，电容器426)来维持恒定DC总线电压，其中纹波可忽略不计，无论单相/分相负载消耗5kW功率，还是单相电网以10kW功率给电池充电都是如此。然而，可设想，如果采用单独的OBC 58和OBG 42，则可能需要8000μF电容器(即，电容器108)和4000μF电容器(即，电容器114)来实现相同的目的。
虽然上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意图描述本发明的所有可能形式。相反，本说明书中所使用的字词为描述性而非限制性的字词，并且应理解，可在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种改变。另外，可将各种实施的实施例的特征进行组合，以形成本发明的另外的实施例。
根据本发明，提供了一种用于电动车辆的一体式车载充电器和发电机，其具有：充电电路，所述充电电路包括：二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器连接到AC电源；功率因数校正转换器，所述功率因数校正转换器连接在所述二极管桥式整流器与滤波电容器之间；和双向DC/DC转换器，所述双向DC/DC转换器连接在所述滤波电容器与牵引电池之间；发电电路，所述发电电路包括：具有第一输出桥臂、第二输出桥臂和第三输出桥臂的三相逆变电路，所述三相逆变电路连接到所述滤波电容器和所述双向DC/DC转换器；连接到所述第一输出桥臂的第一三相感应线圈、连接到所述第二输出桥臂的第二三相感应线圈和连接到所述第三输出桥臂的第三感应线圈；和多个输出电容器，所述多个输出电容器连接到所述第一三相感应线圈、所述第二三相感应线圈和所述第三三相感应线圈；以及桥式电容器和控制开关元件，所述桥式电容器和所述控制开关元件连接在所述充电电路与所述发电电路之间。
根据一个实施例，所述三相逆变电路包括多个开关元件。
根据一个实施例，所述功率因数校正转换器包括充电电感器线圈、充电固态开关元件、充电二极管和并联连接到所述充电二极管的模式开关元件。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：控制器，所述控制器可操作以：使所述模式开关元件和所述控制开关元件脱离；使所述充电固态开关元件以预定频率循环；使所述多个开关元件中的一个或多个脱离；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述AC电源接收的AC能量转换成由所述牵引电池存储的DC能量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：控制器，所述控制器可操作以：接合所述控制开关元件；使所述充电固态开关元件、所述模式开关元件和所述多个开关元件中的一个或多个循环以在所述桥式电容器两端提供预定充电电压；以及响应于所述预定充电电压被供应给所述桥式电容器：使所述充电固态开关元件和所述模式开关元件脱离；使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的单相AC能量或分相AC能量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：控制器，所述控制器可操作以：使所述模式开关元件、充电固态开关元件和所述控制开关元件脱离；使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的三相AC能量。
根据一个实施例，所述多个开关元件是IGBT晶体管。
根据一个实施例，所述多个开关元件是MOSFET晶体管。
根据一个实施例，所述充电固态开关元件是MOSFET晶体管。
根据一个实施例，所述充电固态开关元件是IGBT晶体管。
根据一个实施例，所述AC电源包括电动车辆供电装备。
根据一个实施例，所述AC电源通过有线连接或无线连接提供。
根据本发明，提供了一种用于电动车辆的一体式车载充电器和发电机，其具有：充电电路，所述充电电路包括：二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器连接到AC电源；功率因数校正转换器，所述功率因数校正转换器连接在所述二极管桥式整流器与滤波电容器之间；和双向DC/DC转换器，所述双向DC/DC转换器连接在所述滤波电容器与牵引电池之间；发电电路，所述发电电路包括：逆变电路，所述逆变电路连接到所述滤波电容器和所述双向DC/DC转换器；一个或多个感应线圈，所述一个或多个感应线圈连接在所述逆变电路与一个或多个输出电容器之间；以及桥式电容器和控制开关元件，所述桥式电容器和控制开关元件在第一端部处连接在所述逆变电路与滤波电容器之间并且在第二端部处连接在所述二极管桥式整流器与所述功率因数校正转换器之间。
根据一个实施例，所述功率因数校正转换器包括充电电感器线圈、充电固态开关元件、充电二极管和并联连接到所述充电二极管的模式开关元件。
根据一个实施例，所述逆变电路包括第一相输出桥臂、第二相输出桥臂和第三相输出桥臂。
根据一个实施例，所述一个或多个感应线圈包括连接到所述第一相输出桥臂的第一三相感应线圈、连接到所述第二相输出桥臂的第二三相感应线圈和连接到所述第三相输出桥臂的第三三相感应线圈。
根据一个实施例，所述逆变电路包括多个开关元件。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：控制器，所述控制器可操作以：使所述模式开关元件和所述控制开关元件脱离；使所述充电固态开关元件以预定频率循环；使所述多个开关元件中的一个或多个脱离；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述AC电源接收的AC能量转换成由所述牵引电池存储的DC能量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：控制器，所述控制器可操作以：接合所述控制开关元件；使所述充电固态开关元件、所述模式开关元件和所述多个开关元件中的一个或多个循环以在所述桥式电容器两端提供预定充电电压；以及响应于所述预定充电电压被供应给所述桥式电容器：使所述充电固态开关元件和所述模式开关元件脱离；使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的单相AC能量或分相AC能量。
根据一个实施例，本发明的特征还在于：控制器，所述控制器可操作以：使所述模式开关元件、充电固态开关元件和所述控制开关元件脱离；使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的三相AC能量。
根据本发明，提供了一种给用于电动车辆的牵引电池充电以及给连接到所述电动车辆的输出负载供电的方法，所述方法具有：响应于检测到AC电源将AC能量供应给二极管桥式整流器：使连接在所述一个或多个逆变电路开关元件与所述二极管桥式整流器之间的模式开关元件脱离；使功率因数校正转换器以预定频率循环；使控制开关元件脱离，其中所述模式开关元件并联连接到包括在所述功率因数校正转换器内的充电二极管；使一个或多个逆变电路开关元件脱离；以及控制双向DC/DC转换器将由所述AC电源接收的所述AC能量转换成由所述牵引电池存储的DC能量；响应于检测到所述AC电源未将所述AC能量供应给二极管桥式整流器并且单相负载或分相负载连接到所述电动车辆：接合所述控制开关元件；使所述模式开关元件、所述功率因数校正转换器内的充电固态开关元件和所述一个或多个逆变电路开关元件循环以在桥式电容器两端提供预定充电电压，其中所述桥式电容器连接在所述一个或多个逆变电路开关元件与所述二极管桥式整流器之间；以及使所述充电固态开关元件和所述模式开关元件脱离；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的所述DC能量转换成单相AC能量或分相AC能量；以及响应于检测到所述AC电源未将所述AC能量供应给所述二极管桥式整流器并且三相负载连接到所述电动车辆：使所述模式开关元件、充电固态开关元件和所述控制开关元件脱离；使所述一个或多个逆变电路开关元件循环；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的所述DC能量转换成三相AC能量。

Claims (15)

1.一种用于电动车辆的一体式车载充电器和发电机，其包括：
充电电路，所述充电电路包括：
二极管桥式整流器，所述二极管桥式整流器连接到AC电源；
功率因数校正转换器，所述功率因数校正转换器连接在所述二极管桥式整流器与滤波电容器之间；和
双向DC/DC转换器，所述双向DC/DC转换器连接在所述滤波电容器与牵引电池之间；
发电电路，所述发电电路包括：
具有第一输出桥臂、第二输出桥臂和第三输出桥臂的三相逆变电路，所述三相逆变电路连接到所述滤波电容器和所述双向DC/DC转换器；
连接到所述第一输出桥臂的第一三相感应线圈、连接到所述第二输出桥臂的第二三相感应线圈和连接到所述第三输出桥臂的第三三相感应线圈；和
多个输出电容器，所述多个输出电容器连接到所述第一三相感应线圈、所述第二三相感应线圈和所述第三三相感应线圈；以及
桥式电容器和控制开关元件，所述桥式电容器和所述控制开关元件连接在所述充电电路与所述发电电路之间。
2.如权利要求1所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述三相逆变电路包括多个开关元件。
3.如权利要求2所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述功率因数校正转换器包括充电电感器线圈、充电固态开关元件、充电二极管和并联连接到所述充电二极管的模式开关元件。
4.如权利要求3所述的一体式车载充电器和发电机，其还包括：
控制器，所述控制器可操作以：
使所述模式开关元件和所述控制开关元件脱离；
使所述充电固态开关元件以预定频率循环；
使所述多个开关元件中的一个或多个脱离；以及
控制所述双向DC/DC转换器将由所述AC电源接收的AC能量转换成由所述牵引电池存储的DC能量。
5.如权利要求3所述的一体式车载充电器和发电机，其还包括：
控制器，所述控制器可操作以：
接合所述控制开关元件；
使所述充电固态开关元件、所述模式开关元件和所述多个开关元件中的一个或多个循环以在所述桥式电容器两端提供预定充电电压；并且
响应于所述预定充电电压被供应给所述桥式电容器：使所述充电固态开关元件和所述模式开关元件脱离；使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的单相AC能量或分相AC能量。
6.如权利要求3所述的一体式车载充电器和发电机，其还包括：
控制器，所述控制器可操作以：
使所述模式开关元件、充电固态开关元件和所述控制开关元件脱离；
使所述多个开关元件中的一个或多个循环；以及
控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的DC能量转换成供应给一个或多个输出负载的三相AC能量。
7.如权利要求2所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述多个开关元件是IGBT晶体管。
8.如权利要求2所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述多个开关元件是MOSFET晶体管。
9.如权利要求3所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述充电固态开关元件是MOSFET晶体管。
10.如权利要求3所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述充电固态开关元件是IGBT晶体管。
11.如权利要求1所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述AC电源包括电动车辆供电装备。
12.如权利要求1所述的一体式车载充电器和发电机，其中所述AC电源通过有线连接或无线连接提供。
13.一种给用于电动车辆的牵引电池充电以及给连接到所述电动车辆的输出负载供电的方法，其包括：
响应于检测到AC电源将AC能量供应给二极管桥式整流器：
使连接在一个或多个逆变电路开关元件与所述二极管桥式整流器之间的模式开关元件脱离；
使功率因数校正转换器以预定频率循环；
使控制开关元件脱离，其中所述模式开关元件并联连接到包括在所述功率因数校正转换器内的充电二极管；
使一个或多个逆变电路开关元件脱离；以及
控制双向DC/DC转换器将由所述AC电源接收的所述AC能量转换成由所述牵引电池存储的DC能量；
响应于检测到所述AC电源未将所述AC能量供应给所述二极管桥式整流器并且单相负载或分相负载连接到所述电动车辆：
接合所述控制开关元件；
使所述模式开关元件、所述功率因数校正转换器内的充电固态开关元件和所述一个或多个逆变电路开关元件循环以在桥式电容器两端提供预定充电电压，其中所述桥式电容器连接在所述一个或多个逆变电路开关元件与所述二极管桥式整流器之间；以及
使所述充电固态开关元件和所述模式开关元件脱离；以及
控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的所述DC能量转换成单相AC能量或分相AC能量；以及
响应于检测到所述AC电源未将所述AC能量供应给所述二极管桥式整流器并且三相负载连接到所述电动车辆：
使所述模式开关元件、所述充电固态开关元件和所述控制开关元件脱离；
使所述一个或多个逆变电路开关元件循环；以及
控制所述双向DC/DC转换器将由所述牵引电池存储的所述DC能量转换成三相AC能量。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述AC电源通过有线连接或无线连接提供。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述充电固态开关元件是IGBT晶体管或MOSFET晶体管。
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