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CN117015484A - 用于电动交通工具的单相双向功率因数校正 - Google Patents

用于电动交通工具的单相双向功率因数校正 Download PDF

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CN117015484A CN202180095495.9A CN202180095495A CN117015484A CN 117015484 A CN117015484 A CN 117015484A CN 202180095495 A CN202180095495 A CN 202180095495A CN 117015484 A CN117015484 A CN 117015484A
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Abstract

一种在电网与电气推动的交通工具之间双向传递单相交流电(AC)的功率因数校正模块，并且包括电气地连接到第一初级开关和第二初级开关的第一电感器；电气地连接到第三初级开关和第四初级开关的第二电感器；电气地连接到第一初级开关和第三初级开关的第一整流开关；以及电气地连接到第二初级开关和第四初级开关的第二整流开关，其中在单相电流从电网通过第一电感器和第二电感器传递到电气推动的交通工具期间或在单相电流从交通工具通过第一电感器和第二电感器传递到电网期间，微处理器同时地开启两个初级开关和一个整流开关，而关闭两个其它初级开关和另一整流开关。

Description

用于电动交通工具的单相双向功率因数校正
技术领域
本申请涉及电路，并且更特别地涉及与电动交通工具一起使用的电路。
背景技术
现代交通工具越来越多地由一个或多个由较高压电池驱动的电机(至少部分地)推动。这些交通工具通常被称为电动交通工具(EV)或混合电动交通工具(HEV)，并且包括用于对驱动电机的电池进行充电的板上(on-board)交通工具电池充电器。这些电池可具有比与未由电机驱动的交通工具一起使用的那些电池高得多的电压。不同于与单独由内燃机(ICE)驱动的交通工具一起使用的电池，板上交通工具电池充电器能够调节由EV从固定到住宅或特定地理位置的EV供应设备(诸如充电站)接收的传入交流电(AC)电功率。板上交通工具电池充电器能够包括执行功率因数校正(PFC)的模块。单相PFC能够接收来自电网的AC电功率，并将它转换成由交通工具使用的直流电(DC)电功率。单相PFC电路可包括有源电气组件和无源电气组件以在EV供应设备与交通工具之间双向传递电功率。交通工具越来越能够向住宅或其它负载供应存储在交通工具电池中的电功率，并且现有的单相PFC电路能够配置成在交通工具与电网之间更有效地双向传递电功率。
发明内容
在一个实现方式中，功率因数校正(PFC)模块配置成与电气推动的交通工具电气地连接并且在电网与电气推动的交通工具之间双向传递单相交流电(AC)，包括电气地连接到第一初级开关和第二初级开关的第一电感器；电气地连接到第三初级开关和第四初级开关的第二电感器；电气地连接到第一初级开关和第三初级开关的第一整流开关；以及电气地连接到第二初级开关和第四初级开关的第二整流开关，其中在单相电流从电网通过第一电感器和第二电感器传递到电气推动的交通工具期间或在单相电流从电气推动的交通工具通过第一电感器和第二电感器传递到电网期间，微处理器同时地开启两个初级开关和一个整流开关，而关闭两个其它初级开关和另一整流开关。
附图说明
图1是描绘包括开关电路的实现方式的电气系统的框图；
图2是描绘从电网向交通工具电池供应电功率的功率因数转换(PFC)模块的实现方式的电路图；
图3是描绘从电网向交通工具电池供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图；
图4是描绘从电网向交通工具电池供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图；
图5是描绘从电网向交通工具电池供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图；
图6是描绘从交通工具电池向电网供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图；
图7是描绘从交通工具电池向电网供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图；
图8是描绘从交通工具电池向电网供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图；以及
图9是描绘从交通工具电池向电网供应电功率的PFC模块的实现方式的电路图。
具体实施方式
由电动交通工具(EV)搭载的板上交通工具电池充电器(OBC)可包括具有电气电路系统组件的单相功率因数校正(PFC)模块，所述电气电路系统组件调节从电网向EV供应的电功率以及从EV向电网提供的电功率；PFC模块是双向的。PFC模块包括六个开关、大容量电容和负载。开关中的四个开关包括初级开关。剩余开关包括第一整流开关和第二整流开关。第一电感器和第二电感器能够电气地并联连接到初级开关。本PFC模块能够被控制使得初级开关中的两个初级开关连同第一整流开关或第二整流开关中的一个是活动的。以那种方式，在电网向EV传输期间或在EV向电网传输期间，电流能够被分开(divide)并且同时流过第一电感器和第二电感器。相比之下，使用六个开关的过去的PFC模块一次仅可激活六个开关中的两个开关，由此使电流从交通工具到电网只流过一个电感器。通过一个电感器从交通工具到电网的电流的流动使功率减半并且导致比此处描述的PFC模块更低的功率密度。
转到图1，示出电气系统10的实现方式，电气系统10包括电网12和能够从电网12接收电功率或向电网12提供电功率的电动交通工具(EV)14。电网12可包括多个电功率发电机和电输送机构中的任何一个。诸如核能、水力或风力发电厂之类的发电机(未示出)将核裂变的能量、通过大坝的水流或涡轮的风力进行转换，产生然后能够被传送显著远离发电机的距离以用于住宅和商业使用的AC电功率。发电机能够与电网12耦合，所述电网12将来自发电机的AC电功率传输到终端用户(诸如住宅或商业)。由于AC电功率被提供给电网12，电功率能够以相对高的电压存在，使得它能够被相对长距离地传递。一旦电功率到达它打算被使用的位置，电力变压器(未示出)能够用于在最终被提供给住宅或商业之前降低电压电平。在一个实现方式中，由住宅或商业接收的AC电功率的电压电平是240伏(V)。然而，这个电压可以是不同的值。术语电动交通工具能够指完全地或至少部分地由电功率和/或电机推动的交通工具。EV可以指的是电动交通工具、插电式电动交通工具、混合电动交通工具和电池驱动的交通工具。EV能够从电网12接收电能，并且在一些实施方式中，向电网12提供存储在交通工具电池中的电能。EV可以与术语电气推动的交通工具或混合电动交通工具可互换地使用。
EV供应设备16(也称为电动交通工具充电站)能够从电网12接收AC电功率并向EV14提供电功率。此外，EV供应设备16(也称为充电站)能够从交通工具电池22接收已经从DC电功率转换成AC电功率的存储的电功率，并将它传递到电网12。充电站可以是地理上固定的，诸如位于交通工具库(garage)或交通工具停放处(parking lot)中的充电站。充电站16可包括输入端，所述输入端接收来自电网12的AC电功率并且将AC电功率传递到被包括在EV14上的板上交通工具电池充电器18。DC电功率至AC电功率的转换能够在功率被供应到EV供应设备16并且最终被供应到电网12之前在板上交通工具电池充电器18处完成。电缆20能够可分离地与EV 14上的电插座连接，并且将充电站16与EV 14电气地联接(link)，使得能够在充电站16与EV 14之间传递AC电功率。充电站16能够被分类为从电网12接收240VAC并且向EV 14供应240VAC的“2级”EV服务设备。充电站16的一个实现方式是西门子VersiChargeTM住宅EV充电解决方案。可能的是，在其它实现方式中，输入到充电站的AC电功率的电平和/或从充电站输出的AC电功率的电平是不同的。交通工具电池22能够向推动EV的电机供应已经从AC电功率转换的DC电功率。交通工具电池22或电池是可再充电的并且可包括铅酸电池、镍镉(NiCd)、镍金属氢化物、锂离子和锂聚合物电池。交通工具电池电压的典型范围可从200V到800V的DC电功率(VDC)范围变化。
板上交通工具电池充电器18能够电气地连接到EV供应设备16，并且在交通工具电池22与EV供应设备16之间传递电功率。从电网12接收的AC电功率能够通过可位于EV 14上的板上交通工具电池充电器18转换成DC。板上交通工具电池充电器18可包括将单相AC电功率转换为DC电功率的功率因数校正(PFC)模块24，如图2中所示。另外，PFC模块24还能够作为将DC电功率转换为AC电功率的逆变器，所述AC电功率能够在EV 14的外部传送。
图2-图9中示出功率因数转换(PFC)模块24的实现方式，PFC模块24包括第一电感器26、第二电感器28、初级开关30、第一整流开关34、第二整流开关36和大容量电容38。PFC模块24被示出电气地连接到负载(诸如交通工具电池22)。第一电感器26和第二电感器28能够电气地连接到来自电网12的单相交流电(AC)电功率。初级开关30中的两个初级开关能够交替地被开启或被使得(render)具有传导性以使电流流过第一电感器26和第二电感器28连同第一整流开关34或第二整流开关36。也就是说，当初级开关30中的两个初级开关通过施加电压到其栅极而被开启时，两个其它初级开关保持关闭，并且第一整流开关34或第二整流开关36能够在栅极处接收电压并且变得具有传导性。作为结果，PFC模块24一般能够控制开关30、32、34、36，使得在操作期间，三个开关是具有传导性的或开启的，以及三个开关是关闭的。微处理器40能够电气地联接到第一对初级开关30、第二对初级开关32、第一整流开关34和第二整流开关36的栅极，以开启和关闭开关30、32、34、36。
PFC模块24包括将模块24电气地连接到电网12的电网连接器42和将模块电气地连接到交通工具电池22的电池连接器44。第一电感器26和第二电感器28能够电气地连接到电网连接器42，使得在PFC模块24与电网12之间流动的电流在第一电感器26与第二电感器28之间被分开。第一电感器26电气地连接到开关一30a的源极和开关二30b的漏极，而第二电感器28电气地连接到开关三30c的源极和开关四30d的漏极。开关一30a、开关三30c和第一整流开关34的漏极以及开关三30c、开关四30d和第二整流开关36的源极能够电气地并联连接到大容量电容38和交通工具电池22。第一整流开关34的源极和第二整流开关36的漏极能够电气地连接到中性点。被包括在PFC模块24中的开关30、34、36能够使用场效应晶体管(FET)(诸如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))来实现。电气地联接到每个开关30、34、36的栅极的微处理器40能够控制AC电功率的整流以及DC电功率的逆变。微处理器40可以是能够处理电子指令的任何类型的装置，包括微控制器、主机处理器、控制器、交通工具通信处理器、以及专用集成电路(ASIC)。它可以是仅用于执行所描述的动作的专用处理器，或者可与其它交通工具系统共享。微处理器40执行各种类型的数字地存储的指令，诸如存储于存储器中的软件或固件程序。然而，应当意识到，其它实现方式是可能的。
转到图2-图5，PFC模块24被描绘操作以将电功率从电网12传递到交通工具电池22。图2-图3描绘PFC模块24处接收的单相AC电流的正部分，而图4-图5描绘单相AC电流的负部分。电网输入42处能够接收单相电流。当电流利用初级开关30被传递时，电流能够在第一电感器26与第二电感器28之间被分开。在单相AC电流的正部分期间，微处理器40能够开启开关二30b、开关四30d和第二整流开关36，而关闭开关一30a、开关三30c和第一整流开关34。电流能够流过开关二30b、开关四30d和第二整流开关36，如图2中利用箭头所示出的。
然后，微处理器40能够开启开关一30a、开关三30c和第一整流开关34，而关闭开关二30b、开关四30d和第二整流开关36。电流能够流过开关一30a、开关三30c和第一整流开关34，如图3中利用箭头所示出的。
在单相AC电流的负部分期间，微处理器40能够开启开关一30a、开关三30c和第一整流开关34，而关闭开关二30b、开关四30d和第二整流开关36。电流能够流过开关一30a、开关三30c和第一整流开关34，如图4中利用箭头所示出的。
然后，微处理器40能够开启开关二30b、开关四30d和第一整流开关34，而关闭开关一30a、开关三30c和第二整流开关36。电流能够流过开关二30b、开关四30d和第一整流开关34，如图5中利用箭头所示出的。当单相AC电流从电网12被供应到EV 14时，如上文参照图2-图5所描述的开关30、34、36的按顺序的开启和关闭能够重复进行。应当意识到，同时开启和关闭开关30a和30c以及开关30b和30d不是必要的，相反地，能够以交错的方式控制开关30a和30c以及开关30b和30d，使得能够独立控制由开关30a和30b组成的桥以及由开关30c和开关30d组成的另一桥，并且每个桥的栅极信号能够相对于彼此相移半个周期。
转到图6-图9，PFC模块24被描绘操作以将电功率从交通工具电池22传递到电网12。图6-图7描绘从PFC模块24提供给电网12的单相AC电流的正部分，而图8-图9描绘单相AC电流的负部分。电网连接器42处能够接收单相电流。当电流从初级开关30被传递时，电流能够在第一电感器26与第二电感器28之间被分开。在单相AC电流的正部分期间，微处理器40能够开启开关一30a、开关三30c和第二整流开关36，而关闭开关二30b、开关四30d和第一整流开关34。电流能够流过开关一30a、开关三30c和第二整流开关36，如图6中利用箭头所示出的。
然后，微处理器40能够开启开关二30b和开关四30d，而关闭开关一30a和开关三30c；第二整流开关36能够保持开启。电流能够流过开关一30a、开关三30c和第二整流开关36，如图7中利用箭头所示出的。
在单相AC电流的负部分期间，微处理器40能够开启开关二30b、开关四30d和第一整流开关34，而关闭开关一30a、开关三30c和第二整流开关36。电流能够流过开关二30b、开关四30d和第一整流开关34，如图8中利用箭头所示出的。
然后，微处理器40能够开启开关一30a和开关三30c，而关闭开关二30b和开关四30d；第一整流开关34能够保持开启。电流能够流过开关一30a、开关三30c和第一整流开关34，如图8中利用箭头所示出的。当单相AC电流从EV 14被供应到电网12时，如上文参照图6-图9所描述的开关30、34、36的按顺序的开启和关闭能够重复进行。
要理解到，前文是对本发明的一个或多个实施例的描述。本发明不限于本文中所公开的(一个或多个)特定实施例，而是仅由下文权利要求定义。此外，除了上文明确地定义术语或短语的情况之外，被包含在前文描述中的陈述涉及特定实施例，并且不要被解释为对本发明的范围或对权利要求中所使用的术语的定义的限制。各种其它实施例和对所公开的(一个或多个)实施例的各种改变和修改将变得对本领域技术人员而言是明白的。所有这样的其它实施例、改变以及修改都旨在进入所附权利要求的范围内。
如在本说明书和权利要求中所使用的，在与一个或多个组件或其它项目的列表联合使用时，术语“例如”、“举例而言”、“比如”、“诸如”和“类似”以及动词“包含”、“具有”、“包括”及它们的其它动词形式各自要被解释为开放式的，这意味着不要将列表视为排除其它附加组件或项目。其它术语要使用它们最广泛的合理含义来解释，除非在要求不同解释的上下文中使用它们。

Claims (7)

1.一种功率因数校正(PFC)模块，其配置成与电气推动的交通工具电气地连接并且在电网与所述电气推动的交通工具之间双向传递单相交流电(AC)，包括：
第一电感器，其电气地连接到第一初级开关和第二初级开关；
第二电感器，其电气地连接到第三初级开关和第四初级开关；
第一整流开关，其电气地连接到所述第一初级开关和所述第三初级开关；以及
第二整流开关，其电气地连接到所述第二初级开关和所述第四初级开关，其中在单相电流从所述电网通过所述第一电感器和所述第二电感器传递到所述电气推动的交通工具期间或在单相电流从所述电气推动的交通工具通过所述第一电感器和所述第二电感器传递到所述电网期间，微处理器同时地开启两个初级开关和一个整流开关，而关闭两个其它初级开关和另一整流开关。
2.根据权利要求1所述的PFC模块，其中，所述微处理器作为将单相电流从所述电网传递到所述电气推动的交通工具的部件，在交流电(AC)电功率为正时的第一持续时间期间开启所述第二初级开关、所述第四初级开关和所述第二整流开关，并且所述微处理器在AC电功率为正时的第二持续时间期间开启所述第一初级开关、所述第三初级开关和所述第二整流开关。
3.根据权利要求1所述的PFC模块，其中，所述微处理器作为将单相电流从所述电网传递到所述电气推动的交通工具的部件，在交流电(AC)电功率为负时的第一持续时间期间开启所述第一初级开关、所述第三初级开关和所述第一整流开关，并且所述微处理器在AC电功率为正时的第二持续时间期间开启所述第二初级开关、所述第四初级开关和所述第一整流开关。
4.根据权利要求1所述的PFC模块，其中，所述微处理器作为将单相电流从所述电气推动的交通工具传递到所述电网的部件，在交流电(AC)电功率为正时的第一持续时间期间开启所述第一初级开关、所述第三初级开关和所述第二整流开关，并且所述微处理器在AC电功率为正时的第二持续时间期间开启所述第二初级开关、所述第四初级开关和所述第二整流开关。
5.根据权利要求1所述的PFC模块，其中，所述微处理器作为将单相电流从所述电气推动的交通工具传递到所述电网的部件，在交流电(AC)电功率为负时的第一持续时间期间开启所述第二初级开关、所述第四初级开关和所述第一整流开关，并且所述微处理器在AC电功率为负时的第二持续时间期间开启所述第一初级开关、所述第三初级开关和所述第一整流开关。
6.根据权利要求1所述的PFC模块，进一步包括与交通工具电池并联布线的大容量电容。
7.根据权利要求1所述的PFC模块，进一步包括微处理器。
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