專利名稱：混合車充電系統的單相鎖相環和混合車的單相電源充電法的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及電動車輛以及混合動力車輛，尤其涉及用于電動車輛以及混合動 力車輛的充電系統，更具體地，涉及適于使用在電動車輛或者混合動力車輛的充電系統中 的單相鎖相環。
背景技術：
當前可作為商品獲得的混合動力車輛通常為雙模式類型，其具有驅動發電機以給 電池陣列充電的由液體燃料(汽油)供以動力的發動機。所述電池陣列為一個或多個電動 機供以動力，該電動機使用直流(DC)電能單獨或連同汽油發動機一起推進車輛。用于混合動力車的電池陣列的潛在替代或輔助充電源將車輛“插接”在公共或私 人的公用事業公司電網上。這可在車道、車庫或在公共停車場中進行。但是，為了恰當地給 電池陣列充電，充電電力波形必須鎖相至引入的電網電壓。對商用3相(或多相)電力信 號這是能夠實現的，但是，大多數家用電力布置并不具有可用的3相電力系統，并且大多數 房主也不會僅僅為了給混合動力車充電而承擔安裝3相電力系統的花費。因此，期望提供一種用于混合動力車的單相充電布置，使得混合動力車可從家用 線路電流充電。另外，結合附圖及前面的技術領域和背景技術，從隨后的詳細描述和所附權 利要求可清楚本發明的其它期望特征和特性。
發明內容
在一個實施例中，用于混合動力車的充電系統包括耦接到標準(在美國為110伏、 60Hz)電網電壓的單相鎖相環(PLL)。引入的相位電壓被延遲四分之一周期，以產生假想相 位，該延遲后的相位電壓與電網電壓正交并被認為是用于PLL的第二相位信號。通過應用 變換矩陣(下面描述)，本發明能夠鎖相至單相電網電壓，從而有效且安全地給混合動力車 充電。
下文中將結合附圖描述本發明，其中相同的附圖標記指代相同的元件，以及圖IA示出了具有根據本發明一個示例性實施例的單相電網充電系統的混合動力 車；圖IB示出了圖IA中混合動力車的底盤，包括其主要傳動系部件；圖2示出了根據本發明一個示例性實施例的單相鎖相環(PLL)系統的框圖；圖3A和圖3B示出了圖2的優選變換矩陣；圖4示出了適于用在混合動力車中且使用圖2的PLL的充電系統；圖5為美國電網頻率變化標準的說明；圖6A和圖6B示出了圖2中根據本發明一個示例性實施例的PLL的相位追蹤能力； 以及
圖7示出了根據本發明的示例性實施方式，在寬范圍的頻率變化上的相位追蹤的線性度。
具體實施例方式如本文所使用的，詞語“示例性”意味著“用作例子、舉例或示例”。下面的詳細描 述實質上僅僅是示例性的，并不意圖限制本發明或本發明的應用和使用。本文作為“示例” 所描述的任何實施例都不必被解釋為是超過其它實施例的優選或有利的實施例。該詳細說 明中描述的所有實施例都是提供以使本領域的技術人員能夠實現或使用本發明的示例性 實施例，而不是限制由權利要求所限定的本發明的范圍。另外，也不意圖通過前面的技術 領域、背景技術和發明內容中或下面的詳細說明中所出現的明確的或暗示的理論來加以約 束ο現在參考圖1A，示出了采用本發明的單相鎖相環(PLL)充電系統的混合動力車2。 根據本發明，混合動力車2可具有內部電池陣列，該內部電池陣列經由電纜4電耦接至公共 或私人的公用電網(未示出)來充電。這樣，本發明提供了無需運行車輛或消耗燃料(汽 油)就可給混合動力車的電池陣列充電的優點。在這點上，這里公開的所有概念通常都可應用于“車輛”，如本文所使用的，術語 “車輛”廣泛地指代無生命的運輸機構。這種車輛的例子包括汽車(例如公共汽車、轎車、 卡車、運動型多功能車、有蓬貨車)、不在陸地上行駛的交通工具(例如，機械式水上交通工 具，包括艇、氣墊船、小船和輪船)和機械式軌道交通工具(例如火車、有軌電車和手推車 等)。另外，術語“汽油發動機”不限于任何具體的推進技術，例如汽油或柴油燃料。相反， 汽油發動機還包括氫燃料車輛、乙醇燃料車輛和使用各種其它替代燃料來運行的車輛。現在參考圖1B，示出了混合動力車2的底盤6連同主要的傳動系部件。通常，當 前的混合動力車具有電池陣列8 (對于標準尺寸的汽車通常為300伏電池陣列)和汽油發 動機10。可替代地，本發明可與全直流(DC)推進系統(即，沒有汽油發動機的車輛)一起 使用。就電(DC)源而言，電動機9 (可使用不只一個)給混合動力車2提供前輪驅動推進。 在一個實施例中，如本領域內所公知的，通過開關電路所產生的交流電(AC)來給電動機9 供能。可替代地，電動機9可為由電池陣列8直接供能的DC電動機。在一個實施例中，汽油發動機10驅動發電機12，當車輛運行時，該發電機12可在 需要時給電池陣列8再充電。雙模式變速器14允許汽油發動機通過傳動軸16和差速器18 提供后輪推進。正如結合圖IA所詳述得那樣，電池陣列8的充電電路20通過電纜4耦接 到電網電壓。因此，本發明給混合動力車2提供了從通常于住宅和商業場所便可獲得的標 準電網電壓(在美國為單相、110伏、60Hz)來充電的機會。現在參考圖2，以框圖形式示出了根據本發明一個實施例的單相鎖相環(PLL) 22。 將單相電網電壓24(Va)延遲26優選四分之一周期，相位延遲的信號28 (Vb)被應用至轉換 矩陣30。相位延遲的信號28與電網電壓24正交，并可用作用于鎖相目的的假想的第二相 位信號，如下所述。變換矩陣30產生Vd 32和Vq 34，并且Vq被乘以增益因子(1/Vm)，其中<formula>formula see original document page 5</formula>( 1 )以及
<formula>formula see original document page 5</formula> ( 2 )
現在參考圖3A和圖3B，示出了根據本發明的一個實施例的變換矩陣30如何修改VjPVb以產生Vd和Vq的示意圖。如圖所示，vd(fd) WVa(fa)移相了(θ 31)，V^ftl)從 Vb(fb)進行的移相，如下所示
<formula>formula see original document page 6</formula>因此，如果<formula>formula see original document page 6</formula>(4)<formula>formula see original document page 6</formula>等式5表明，通過使用變換矩陣30連同鎖相元件32、環路濾波器34和積分器(1/ S) 36，可將相位差減小為零，使得輸出信號38可被鎖相至電網電壓24。現在參考圖4，以框圖形式示出了充電控制系統40。充電控制系統40包括圖2的 單相PLL 22，并且可操作以給本發明提供用于混合動力車2的電池陣列8的替代或輔助的 充電能力。如圖4中所示，DC電源42 (在一個實施例中，其可為圖IB中的電池陣列8)通 過H橋電路44耦接到公共或私人的公用事業公司電網46，該電網給PLL 22提供了單相電 網電壓24。如聯合圖2所示，PLL 22給充電控制器48提供鎖相輸出信號38，所述充電控 制器48監測電池陣列8并給其充電。現在參考圖5，示出了在美國可用的公用電網的標稱頻率的說明。如圖所示，所述 標稱頻率在59. 95Hz到60. 05Hz的范圍內，且正常頻率偏移50在59. 99Hz到60. OlHz之 間。引入的電網電壓中的相位誤差會損壞設備或引起設備故障。因此，電網中的相位誤差 被嚴格地調控。所以，正常頻率偏移50給混合動力車的任何充電系統設置了最小運行性能 規定，旨在由標準家用(單相)電網電壓實現電池陣列充電。現在參考圖6A和圖6B，可看到本發明的相位追蹤操作。圖6A示出了引入電網電 壓24與輸出的鎖相信號38之間的相位差51為零度的理想情形。在四分之一周期時間延 遲52之后，鎖相環追蹤波形38表明，PLL 22已經實現了與引入電網電壓的鎖相，正如在所 有過零點56之處可以看到的那樣。作為另一實例，圖6B示出了達到三十度異相58的電網 電壓，但是，在相同的四分之一周期延遲52之后，本發明的PLL 22已經實現了與引入電網 電壓的鎖相，正如在所有過零點56之處可以看到的那樣。但是，本領域的技術人員應當理 解，在引入波形的四分之一周期內對引入的電網電壓信號的任意相移，本發明的PLL 22均 可以獲得鎖相。盡管通過本發明提供了快速的鎖相性能，但是本發明的PLL 22必須能夠在寬范 圍的引入電網電壓相位誤差上(如上面參考圖5所描述的)保持鎖相。現在參考圖7，可看 到本發明在寬范圍的引入電網相位誤差上的鎖相性能。本發明提供了從58Hz到62Hz的可 靠的鎖相性能；大大超過了結合圖5所描述的標稱頻率偏移。更特別地，可以看到在正常偏 移附近60，本發明在正常的引入電網電壓相位誤差情況下，僅四分之一周期之后就可靠地 實現了鎖相，從而能夠從標準的單相電網電壓給電動車或混合動力車充電。因此，本發明提 供了無需運行車輛或消耗燃料就可從標準單相電網電壓給電動車或混合動力車的電池陣 列再充電的機會。
上面按照功能和/或邏輯方塊部件和各種處理步驟描述了一些實施例和實施方 式。但是，應當認識到，這樣的方塊部件可通過構造成執行具體功能的任意數量的硬件、軟 件和/或固件部件來實現。例如，系統或部件的實施例可使用在一個或多個微處理器或其 它控制裝置的控制下實施各種功能的各種集成電路部件，例如存儲器元件、數字信號處理 元件、邏輯元件、查尋表等。另外，本領域的技術人員會認識到，這里描述的實施例僅僅是示 例性的實施方式。在該文獻中，相關的術語(例如，第一和第二，以及類似術語)僅用于將一個實體 或動作與另一個實體或動作區分開，而不是在這樣的實體或動作之間要求或暗示任何實際 的這種關系或順序。另外，根據上下文，在描述不同元件之間關系中使用的詞語如“連接”或 “耦接到”并不暗示必須在這些元件之間實現直接的物理連接。例如，兩個元件可彼此通過 一個或多個另外的元件來物理地、電地、邏輯地或以其它方式連接。
盡管在前面的詳細描述中已經示出了至少一個示例性實施例，但是應當認識到， 還存在大量的變形。還應當認識到的是，所述示例性實施例(或者多個示例性實施例)僅 僅是例子，并不試圖以任何方式限制本發明的范圍、適用性或配置。相反，前面的詳細描述 會給本領域的技術人員提供用于實施示例性實施例(或多個示例性實施例)的方便路線 圖。應當理解，在不脫離由所附權利要求及其等效物所限定的本發明范圍的情況下，可對元 件的功能和布置進行各種變化。
權利要求
一種混合動力車，包括汽油發動機；電池陣列，其在第一模式中給電動機供能以推進所述混合動力車；發電機，其由所述汽油發動機驅動，以給所述電池陣列再充電；以及充電控制電路，其耦接到單相電網電壓，以從鎖相至所述單相電網電壓的充電信號給所述電池陣列再充電，所述充電控制電路包括用于接收所述單相電網電壓并且由此產生延遲信號的鎖相環，電網控制電壓和所述延遲信號中的每一個都通過所述鎖相環來處理，以提供用于給所述電池陣列再充電的充電信號。
2.如權利要求1所述的混合動力車，其中，所述延遲信號從所述單相電網電壓延遲了 四分之一周期。
3.如權利要求1所述的混合動力車，其中，所述延遲信號與所述單相電網電壓正交。
4.如權利要求1所述的混合動力車，其中，所述電動機為交流電動機。
5.如權利要求1所述的混合動力車，其中，所述電動機為直流電動機。
6.一種給電力推進的車輛中的電池陣列充電的方法，包括下列步驟 接收單相電網電壓；延遲所述單相電網電壓以提供延遲信號；在鎖相環中處理所述單相電網電壓和所述延遲信號，以提供鎖相至所述單相電網電壓 的充電信號；以及利用所述充電信號給所述電動車的電池陣列再充電。
7.如權利要求6所述的方法，其中，所述延遲信號被延遲了四分之一周期。
8.如權利要求6所述的方法，包括如下步驟當所述電力推進的車輛在運行時，從由汽 油發動機供能的發電機產生第二充電信號，以給所述電池陣列充電。
9.一種適于在至少部分地由電池陣列推進的車輛中使用的鎖相環，包括延遲電路，其給鎖相環電路的變換矩陣提供延遲信號，該延遲信號表示延遲形式的單 相電網電壓；以及所述變換矩陣接收所述延遲信號和所述單相電網控制電壓，并處理各信號以提供鎖相 至所述單相電網電壓的充電信號；其中，所述充電信號可用于在所述車輛未運行時給所述電池陣列再充電。
10.如權利要求9所述的鎖相環，其中，所述延遲電路將所述單相電網電壓延遲四分之一周期。
11.一種由至少電動機提供動力的車輛，包括充電控制電路，其耦接到單相電網電壓，用于從鎖相信號給電池陣列再充電，所述充電 控制電路包括用于接收所述單相電網電壓并且由此產生延遲信號的鎖相環，所述單相電網 電壓和所述延遲信號中的每個都通過所述鎖相環來處理，以提供用于給所述電池陣列再充 電的鎖相信號。
12.如權利要求11所述的車輛，包括用于在車輛運行時給所述電池陣列充電的汽油發動機和發電機。
13.如權利要求11所述的車輛，其中，所述電動機為交流電動機。
14.如權利要求11所述的車輛，其中，所述電動機為直流電動機。
15.如權利要求11所述的車輛，其中，所述延遲信號從所述單相電網電壓延遲了四分之一周期。
全文摘要
本發明涉及適于用在混合動力車充電系統中的單相鎖相環和用于從單相電源給混合動力車充電的方法。具體地，提供了用于給電動車或混合動力車充電的設備。特別地，提供了用于從單相標準(在美國為110伏、單相、60Hz)給混合動力車充電的設備。在一個實施例中，單相鎖相環(PLL)接收單相電網電壓，并將其延遲四分之一周期，以產生正交的、假想第二電力信號。然后這些信號被應用至PLL內的變換矩陣，以將輸出信號鎖相至引入的電網電壓。
文檔編號B60K6/20GK101823421SQ20091016110
公開日2010年9月8日 申請日期2009年7月31日 優先權日2008年7月31日
發明者G·埃斯梅利, M·佩里西克 申請人:通用汽車環球科技運作公司