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原文传递用于基于模块的级联的能量系统的系统、装置和方法

专利名称：	用于基于模块的级联的能量系统的系统、装置和方法
摘要：	提供了用于能量系统的系统、装置和方法的示例性实施例，所述能量系统具有以级联方式布置的用于产生且存储功率的多个模块。每个模块可包含能量源和开关电路系统，所述开关电路系统将所述能量源选择性地耦合到所述系统中的其它模块以用于产生功率或用于从电荷源接收功率且存储功率。所述能量系统可以具有多个串联或互连阵列的单相或多相拓扑来布置。还描述了热管理系统、切换组合件、模块的物理布局和基于通用平台的EV模型。
专利类型：	发明专利
申请人：	阿尔法能源技术公司
发明人：	M·斯列普琴科夫;M·巴克塔;M·穆萨维;R·纳德里;J·韦比克;L·G·韦伯
专利状态：	有效
申请日期：	2022-01-12T00:00:00+0800
发布日期：	2023-11-10T00:00:00+0800
申请号：	CN202280021002.1
公开号：	CN117042999A
代理机构：	中国专利代理(香港)有限公司
代理人：	张雨;后云钟
分类号：	B60L50/64;B;B60;B60L;B60L50;B60L50/64
申请人地址：	美国加利福尼亚州
主权项：	1.一种用于电动车辆(EV)的基于模块的能量系统，其包括：多个转换器模块，其以级联方式耦合在一起，所述多个转换器模块中的每一个包括与能量源电耦合的转换器电子器件和用于容纳所述转换器电子器件和所述能量源的外壳，其中所述多个转换器模块被配置成向所述EV的一个或多个电动机供应多相功率；第一多个通道，其被配置成传导冷却剂；及第二多个通道，其被配置成传导冷却剂，其中所述第一多个通道横跨所述多个转换器模块的乘客侧顶部布置，且所述第二多个通道横跨所述多个转换器模块的路侧底部布置。 2.根据权利要求1所述的系统，其中所述转换器电子器件定位于每个模块的上部部分中，且所述能量源定位于每个模块的下部部分中。 3.根据权利要求2所述的系统，其中每个模块的所述转换器电子器件包括多个功率晶体管，且其中每个模块包括与所述多个功率晶体管具有电气连接的衬底，其中所述转换器电子器件被倒置，使得所述衬底定位于所述多个功率晶体管上方。 4.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其进一步包括：顶部壳体部分，其被配置成放置在所述第一多个通道上方；底部壳体部分，其被配置成放置在所述第二多个通道下方；及侧面壳体部分，其被配置成放置在所述顶部壳体部分与所述底部壳体部分之间。 5.根据权利要求4所述的系统，其进一步包括：上部散热器，其被配置成放置在所述第一多个通道与所述多个转换器模块的上部表面之间；及下部散热器，其被配置成放置在所述第二多个通道与所述多个转换器模块的下部表面之间。 6.根据权利要求5所述的系统，其中所述顶部壳体部分和所述上部散热器各自包括被配置成容纳所述第一多个通道的凹部，且其中所述底部壳体部分和所述下部散热器各自包括被配置成容纳所述第二多个通道的凹部。 7.根据权利要求5或6所述的系统，其中所述下部散热器被配置为盆槽，所述盆槽被配置成容纳所述多个模块，且所述上部散热器被配置为盖，所述盖被配置成与所述盆槽联接。 8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一多个通道从所述第二多个通道竖直地偏移。 9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其进一步包括框架，所述框架具有多个支柱，所述多个支柱被配置成在所述多个转换器模块之间延伸。 10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述第一多个通道和所述第二多个通道被配置成与热管理系统耦合，所述热管理系统被配置成选择性地将冷却剂引导通过以下各者中的至少两个：仅通过所述第一多个通道、仅通过所述第二多个通道，以及同时通过所述第一多个通道及所述第二多个通道两者。 11.一种用于电动车辆(EV)的多个转换器模块的热管理系统，其中所述多个转换器模块各自包括与能量源电耦合的转换器电子器件和用于容纳所述转换器电子器件和所述能量源的外壳，其中所述多个转换器模块被配置成向所述EV的一个或多个电动机供应多相功率，所述热管理系统包括：多个泵，其与流体网络耦合；及多个热交换器，其与所述流体网络耦合，其中所述热管理系统为可控制的，以在所述多个转换器模块的所述能量源附近独立地循环冷却剂且在所述多个转换器模块的所述转换器电子器件附近独立地循环冷却剂。 12.根据权利要求11所述的热管理系统，其中所述系统被配置成与所述多个泵中的第一泵、所述多个热交换器中的第一热交换器和加热器单元形成第一热管理回路，其中所述第一热管理回路被配置成在所述多个转换器模块的所述能量源附近循环冷却剂以加热或冷却所述能量源。 13.根据权利要求12所述的热管理系统，其中所述系统被配置成通过使冷却剂移动通过所述第一热管理回路来加热所述多个转换器模块的所述能量源，其中所述加热器单元被激活且所述第一热交换器被停用或旁路。 14.根据权利要求12或13所述的热管理系统，其中所述系统被配置成通过使冷却剂移动通过包含所述第一热交换器的所述第一热管理回路来冷却所述多个转换器模块的所述能量源，其中所述加热器单元被停用或旁路。 15.根据权利要求12至14中任一项所述的热管理系统，其中所述系统被配置成与所述多个泵中的第二泵和所述多个热交换器中的第二热交换器形成第二热管理回路，其中所述第二热管理回路被配置成在所述多个转换器模块的所述转换器电子器件附近循环冷却剂，以冷却所述转换器电子器件。 16.根据权利要求11至15中任一项所述的热管理系统，其中所述系统被配置成与所述第一泵和所述第二泵形成第三热管理回路，其中所述第三热管理回路被配置成在所述多个转换器模块的所述转换器电子器件和所述多个转换器模块的所述能量源附近循环冷却剂。 17.根据权利要求16所述的热管理系统，其中所述第三热管理回路为可配置的，以使冷却剂循环通过所述第一热交换器和所述第二热交换器中的一个或两个。 18.根据权利要求11所述的热管理系统，其进一步包括多个阀门，所述多个阀门能选择性地控制以在所述多个转换器模块的所述能量源附近独立地循环冷却剂且在所述多个转换器模块的所述转换器电子器件附近独立地循环冷却剂。 19.根据权利要求12至17中任一项所述的热管理系统，其进一步包括一个或多个第一阀门，所述第一阀门能够控制到形成所述第一热管理回路和所述第二热管理回路的第一状态，且能够控制到形成所述第三热管理回路的第二状态。 20.根据权利要求19所述的热管理系统，其进一步包括第二阀门，所述第二阀门能够控制以将冷却剂引导通过所述第一热交换器或绕过所述第一热交换器。 21.根据权利要求20所述的热管理系统，其进一步包括第三阀门，所述第三阀门能够控制以将冷却剂引导通过所述第二热交换器或绕过所述第二热交换器。 22.根据权利要求12至21中任一项所述的热管理系统，其中所述第一热交换器为与所述EV的空调冷却系统耦合的冷却器。 23.根据权利要求22所述的热管理系统，其中所述空调冷却系统包括第一阀门，所述第一阀门被配置成选择性地准许冷却剂流经所述冷却器。 24.根据权利要求23所述的热管理系统，其中所述空调冷却系统包括第二阀门，所述第二阀门被配置成选择性地准许冷却剂流经所述EV的电荷网络分配器或配电单元。 25.根据权利要求11至24中任一项所述的热管理系统，其进一步被配置成冷却所述EV的所述一个或多个电动机。 26.根据权利要求25所述的热管理系统，其进一步包括第四热管理回路，所述第四热管理回路被配置成冷却所述一个或多个电动机。 27.一种冷却电动车辆(EV)的多个转换器模块的方法，其中所述多个转换器模块各自包括与能量源电耦合的转换器电子器件和用于容纳所述转换器电子器件和所述能量源的外壳，其中所述多个转换器模块被配置成向所述EV的一个或多个电动机供应多相功率，所述方法包括：在所述多个转换器模块的所述能量源附近将冷却剂循环通过第一组通道，以加热或冷却所述能量源；及在所述多个转换器模块的所述转换器电子器件附近将冷却剂循环通过第二组通道，以冷却所述多个模块的所述转换器电子器件。 28.根据权利要求30所述的方法，其进一步包括对所述热管理系统的阀门状态进行配置以形成：第一热管理回路，其用于在所述能量源附近将冷却剂循环通过所述第一组通道；及第二热管理回路，其用于在所述转换器电子器件附近将冷却剂循环通过所述第二组通道。 29.根据权利要求31所述的方法，其进一步包括激活所述第一管理回路中的加热器单元，以运用循环的冷却剂来加热所述能量源。 30.根据权利要求32所述的方法，其进一步包括使冷却剂在所述第一热管理回路中循环，而不使冷却剂在所述第二热管理回路中循环。 31.根据权利要求32或33中任一项所述的方法，其进一步包括使冷却剂在所述第二热管理回路中循环，而不使冷却剂在所述第一热管理回路中循环。 32.根据权利要求32至34中任一项所述的方法，其进一步包括使冷却剂同时在所述第一热管理回路和所述第二热管理回路中循环。 33.根据权利要求32所述的方法，其进一步包括使所述第一热管理回路中的冷却剂循环通过第一热交换器，其中所述加热器单元被停用或旁路。 34.根据权利要求31至36中任一项所述的方法，其进一步包括对所述热管理系统的阀门状态进行配置，以形成第三热管理回路，所述第三热管理回路用于在所述能量源附近将冷却剂循环通过所述第一组通道且用于在所述转换器电子器件附近将冷却剂循环通过所述第二组通道。 35.根据权利要求37所述的方法，其进一步包括将冷却剂循环通过包含第一热交换器和第二热交换器的所述第三热管理回路。 36.根据权利要求37所述的方法，其进一步包括使冷却剂循环通过包含第一热交换器的所述第三热管理回路，同时绕过所述第三热管理回路的第二热交换器。 37.根据权利要求37所述的方法，其进一步包括使冷却剂循环通过包含第二热交换器的所述第三热管理回路，同时绕过所述第三热管理回路的第一热交换器。 38.一种能量系统，其包括：以级联方式和一个或多个阵列连接的多个转换器模块，其中每一转换器模块包括：上部盖和被配置成定位在所述上部盖下方的底座；具有上部表面和下部表面的上部衬底，其中所述上部表面邻近于所述上部盖；下部衬底，其电连接到所述上部衬底；多个功率晶体管，其物理地连接到所述上部衬底的所述下部表面；控制装置，其物理地连接到所述下部衬底；及能量源，其与所述多个功率晶体管和所述控制装置电耦合。 39.一种用于具有至少一个电动机和多个转换器模块的电动车辆(EV)的功率和控制分配组合件(PCDA)，所述多个转换器模块被配置成产生三个或多于三个AC信号以用于供给所述至少一个电动机，所述三个或多于三个AC信号各自具有不同相位角，其中所述多个转换器模块中的每一个包括能量源、电连接到所述能量源的功率转换器，和被配置成产生用于所述转换器的切换信号的本地控制装置，其中所述PCDA包括：主控制装置，其被配置成将控制信息传达到所述多个转换器模块的每一本地控制装置且被配置成与所述EV的车辆控制装置通信；用于所述EV的第一子系统的驱动单元；辅助控制装置，其以通信方式与所述主控制装置和所述驱动单元耦合，其中所述辅助控制装置被配置成控制所述驱动单元且被配置成与所述车辆控制装置通信；及外壳，其被配置成容纳所述主控制装置、驱动单元和辅助控制装置。 40.根据权利要求42所述的PCDA，其进一步包括辅助电源接口，所述辅助电源接口用于将辅助功率从所述多个转换器模块中的至少一个输出到所述EV的第二子系统。 41.根据权利要求42所述的PCDA，其中所述多个转换器模块布置成三个阵列，每一阵列包括串联连接的两个或多于两个转换器模块，且每一阵列被配置成产生所述三个AC信号中的不同的一个AC信号，所述PCDA进一步包括以通信方式与所述主控制装置耦合的路由电路系统，其中所述路由电路系统能由所述主控制装置控制，以将来自DC或单相AC充电端口的功率选择性地连接到所述三个阵列。 42.根据权利要求44所述的PCDA，其中所述路由电路系统包括多个固态继电器。 43.根据权利要求42所述的PCDA，其进一步包括多个机电继电器，所述多个机电继电器用于中断所述至少一个电动机与所述多个转换器模块之间的电流。 44.根据权利要求42所述的PCDA，其进一步包括DC-DC转换器，所述DC-DC转换器被配置成从来自所述多个模块中的至少一个模块的第二DC电压产生第一DC电压。 45.根据权利要求42所述的PCDA，其进一步包括监测电路系统，所述监测电路系统被配置成监测所述三个AC信号中的每一个的电压、电流或相位中的至少一个。 46.根据权利要求42所述的PCDA，其进一步包括安全断开装置，所述安全断开装置用于中断所述PCDA与所述多个转换器模块之间的电流。 47.根据权利要求42所述的PCDA，其中所述驱动单元为第一驱动单元，所述PCDA进一步包括用于所述EV的第二子系统的第二驱动单元，其中所述辅助控制装置被配置成控制所述第二驱动单元。 48.一种用于具有至少一个电动机和多个转换器模块的电动车辆(EV)的功率和控制分配组合件(PCDA)，所述多个转换器模块被配置成产生三个或多于三个AC信号以用于供给所述至少一个电动机，所述三个或多于三个AC信号各自具有不同相位角，其中所述多个转换器模块中的每一个包括能量源、电连接到所述能量源的功率转换器，和被配置成产生用于所述转换器的切换信号的本地控制装置，其中所述PCDA包括：主控制装置，其被配置成将控制信息传达到所述多个转换器模块的每一本地控制装置且被配置成与所述EV的车辆控制装置通信；用于所述EV的第一子系统的第一驱动单元；用于所述EV的第二子系统的第二驱动单元；辅助控制装置，其以通信方式与所述主控制装置和所述第一驱动单元及所述第二驱动单元耦合，其中所述辅助控制装置被配置成控制所述第一驱动单元和所述第二驱动单元且被配置成与所述车辆控制装置通信；辅助电源接口，其用于将辅助功率从所述多个转换器模块中的至少一个输出到所述EV的第二子系统；多个机电继电器，其用于中断所述至少一个电动机与所述多个转换器模块之间的电流； DC-DC转换器，其被配置成从来自所述多个模块中的至少一个模块的第二DC电压产生第一DC电压；监测电路系统，其被配置成监测所述三个AC信号中的每一个的电压、电流或相位中的至少一个；安全断开装置，其用于中断所述PCDA与所述多个转换器模块之间的电流；及外壳，其被配置成容纳所述主控制装置、所述第一驱动单元、所述第二驱动单元、所述辅助控制装置、所述辅助电源接口、所述多个机电继电器、所述DC-DC转换器、所述监测电路系统，和所述安全断开装置。 49.一种用于电动车辆的通用平台，其包括：框架；能量源壳体；至少一个电动机；及多个转换器模块，其被配置成产生三个或多于三个AC信号以用于供给所述至少一个电动机，所述三个或多于三个AC信号各自具有不同相位角，其中所述多个转换器模块中的每一个包括能量源和电连接到所述能量源的功率转换器，其中所述通用平台适合附接到不同的车身顶部以形成不同的EV模型。 50.根据权利要求52所述的通用平台，其中所述通用平台进一步包括根据权利要求42至51中任一项所述的功率和控制分配组合件。 51.根据权利要求52或53所述的通用平台，其中所述通用平台进一步包括根据权利要求1至26中任一项配置的热管理系统。 52.多个电动车辆，其包括：第一电动车辆，其包括第一车身顶部和第一电动动力系统平台，其中所述第一电动动力系统平台包括：至少一个第一电动机；第一多个转换器模块，其被配置成产生三个或多于三个AC信号以用于供给所述至少一个第一电动机，所述三个或多于三个AC信号各自具有不同相位角，其中所述多个转换器模块中的每一个包括能量源和电连接到所述能量源的功率转换器；及第一能量系统壳体，其用于容纳所述第一多个转换器模块；及第二电动车辆，其包括第二车身顶部和第二电动动力系统平台，其中所述第二电动动力系统平台包括：至少一个第二电动机；第二多个转换器模块，其被配置成产生三个或多于三个AC信号以用于供给所述至少一个第二电动机，所述三个或多于三个AC信号各自具有不同相位角，其中所述第二多个转换器模块中的每一个包括能量源和电连接到所述能量源的功率转换器；及第二能量系统壳体，其用于容纳所述第二多个转换器模块；且其中所述第一车身顶部不同于所述第二车身顶部，其中所述第一多个转换器模块和所述第二多个转换器模块各自被配置成产生不同的最大输出功率，且其中所述第一能量系统壳体和所述第二能量系统壳体各自具有相同的形状因数。 53.根据权利要求55所述的多个电动车辆，其中所述第一电动车辆不具有用于所述至少一个第一电动机的独立驱动逆变器，且其中所述第二电动车辆不具有用于所述至少一个第二电动机的独立驱动逆变器。 54.根据权利要求55所述的多个电动车辆，其中所述第一多个转换器模块中的转换器模块的数量不同于所述第二多个转换器模块中的转换器模块的数量。 55.根据权利要求55所述的多个电动车辆，其中第一车身类型和第二车身类型为选自包括以下各者的群组的不同的车身类型：轿跑车、轿车、跑车、卡车、货车、公共汽车，和运动型多用途车辆。 56.一种电动车辆(EV)的模块化能量系统，其包括：三个阵列，每一阵列包括至少两个层级的模块，所述至少两个层级的模块电连接在一起以输出AC电压信号，所述AC电压信号包括来自至少两个模块中的每一个的输出电压的叠加，其中所述模块中的每一个包括第一能量源、第二能量源和转换器，其中所述第一能量源和所述第二能量源为不同的类别或类型，其中所述EV的底盘具有各自横跨所述EV的平面横向地延伸的长度轴线和垂直的宽度轴线，其中所述底盘沿着所述长度轴线的第一尺寸相对长于所述底盘沿着所述宽度轴线的第二尺寸，其中所述三个阵列被布置在封装中，所述封装被配置成装配在所述底盘内，其中所述第一能量源和所述第二能量源安放在每个模块的不同的横向侧上，其中所述三个阵列按平行于所述长度轴线的列排列，且其中每一阵列的所述模块的所述第一能量源按平行于所述长度轴线的列排列，且每一阵列的所述模块的所述第二能量源按平行于所述长度轴线的列排列。 57.根据权利要求59所述的系统，其中第一能量源列与第二能量源列交替。 58.根据权利要求59所述的系统，其进一步包括连接到所述三个阵列中的至少一个阵列的至少一个互连模块。 59.一种能够控制以将功率供应到负载的模块化能量系统，其包括：三个阵列，每一阵列包括至少两个模块，所述至少两个模块电连接在一起以输出AC电压信号，所述AC电压信号包括来自至少两个模块中的每一个的输出电压的叠加，其中所述模块中的每一个包括能量源和转换器；充电端口，其被配置成传导DC或单相AC充电信号；及路由电路系统，其连接于所述充电端口与所述三个阵列之间，其中所述路由电路系统为可控制的以将所述DC或单相AC充电信号选择性地路由到所述三个阵列中的每一个，且其中所述路由电路系统包括多个固态继电器(SSR)电路，所述SSR电路各自包括至少一个晶体管。 60.根据权利要求62所述的系统，其进一步包括以通信方式与所述路由电路系统耦合的控制系统，其中所述控制系统被配置成控制所述路由电路系统以将所述DC或单相AC充电信号选择性地路由到所述三个阵列中的每一个。 61.根据权利要求63所述的系统，其中所述控制系统以通信方式与所述三个阵列的每个模块耦合，且被配置成控制每个模块的所述转换器以为每个模块充电。 62.根据权利要求64所述的系统，其中所述控制系统被配置成根据脉冲宽度调制或磁滞技术来控制每个模块的所述转换器。 63.根据权利要求65所述的系统，其中每个模块包括监测电路系统，所述监测电路系统被配置成监测所述模块的状态信息，其中每个模块被配置成将所述状态信息输出到所述控制系统，且其中所述控制系统被配置成基于所述状态信息来控制每个模块的所述转换器。 64.根据权利要求66所述的系统，其中所述状态信息涉及所述模块的温度和充电状态，且其中所述控制系统被配置成控制每个模块的所述转换器，以平衡所述阵列的所有模块的温度和充电状态。 65.根据权利要求63所述的系统，其中所述路由电路系统为双向的。 66.根据权利要求63所述的系统，其中所述晶体管为第一晶体管，且至少一个SSR电路包括与所述第一晶体管串联耦合的第二晶体管，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管各自具有与控制输入耦合的栅极节点。 67.根据权利要求69所述的系统，其中所述第一晶体管和所述第二晶体管各自具有在相反的载流方向上定向的体二极管。 68.根据权利要求63所述的系统，其中至少一个SSR电路包括与至少四个二极管耦合的所述晶体管，其中所述晶体管具有与所述至少一个SSR电路的控制输入耦合的栅极节点。 69.根据权利要求71所述的系统，其中所述至少一个SSR电路包括输入和输出，且被配置成使得所述晶体管的激活允许电流从所述输入传送通过所述晶体管和所述二极管中的至少两个，并且到达所述输出，且被配置成使得所述晶体管不激活会阻止电流从所述输入传送到所述输出。 70.根据权利要求63所述的系统，其中所述路由电路系统包括被配置成与DC+充电信号或单相AC线充电信号耦合的第一端口、被配置成与DC-充电信号或单相AC中性信号耦合的第二端口、与第一阵列耦合的第三端口、与第二阵列耦合的第四端口，和与第三阵列耦合的第五端口，且包括：第一SSR电路，其耦合于所述第一端口与所述第三端口之间；第二SSR电路，其耦合于所述第一端口与所述第四端口之间；第三SSR电路，其耦合于所述第四端口与所述第二端口之间；及第四SSR电路，其耦合于所述第五端口与所述第二端口之间。 71.一种被配置成将电力供应到电动车辆的电动机的能量存储系统，所述系统包括：三个阵列，每一阵列包括至少两个模块，所述至少两个模块电连接在一起以将包括来自所述至少两个模块中的每一个的输出电压的叠加的AC电压信号输出到所述电动机，其中所述模块中的每一个包括能量源和DC-AC转换器；充电端口，其被配置成传导DC或AC信号；双向路由电路系统，其连接于所述充电端口与所述三个阵列之间，其中所述路由电路系统为可控制的以将所述DC或AC信号选择性地路由到所述三个阵列中的每一个；及控制系统，其被配置成控制每个模块的所述转换器以接收DC或AC功率且产生DC或AC功率，所述控制系统进一步被配置成与功率消耗实体的外部控制器通信以执行从所述能量存储系统到所述功率消耗实体的功率传递。 72.根据权利要求74所述的系统，其中所述控制系统被配置成与所述外部控制器通信以执行作为车辆到电网(V2G)、车辆到家庭(V2H)、车辆到建筑物(V2B)、车辆到社区(V2C)或车辆到车辆(V2V)应用的一部分的功率传递。 73.根据权利要求74所述的系统，其中所述控制系统被配置成与所述外部控制器通信以执行作为车辆到一切(V2A)或车辆到万物(V2X)应用的一部分的功率传递。 74.根据权利要求74所述的系统，其中所述控制系统被配置成检测所述能量存储系统与所述外部控制器的连接。 75.根据权利要求74所述的系统，其中所述控制系统被配置成控制从所述阵列通过所述路由电路系统且通过所述充电端口到达所述功率消耗实体的功率输出，其中从所述阵列的所述功率输出采用所述外部控制器请求的格式。 76.根据权利要求78所述的系统，其中所述控制系统被配置成在维持所述模块的所述能量源之间的充电状态和/或温度的平衡的同时控制所述功率输出。 77.根据权利要求74所述的系统，其中所述控制系统被配置成与所述外部控制器通信，以识别何时执行与所述功率消耗实体的功率传递。
所属类别：	发明专利