專利名稱：車輛推進系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及車輛驅(qū)動(drive)系統(tǒng)，并且更具體地涉及如用在 電池供電的電力車輛或混合動力車輛中的電池供電的驅(qū)動系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
圖]圖示了用在電池電力車輛以及混合動力車輛中的已知交流(AC) 電力驅(qū)動系統(tǒng)。如所示，可能是電池的能量存儲單元，電連接到DC-AC牽 SI換流器(inverter)的直流(DC)鏈路。
圖2圖示了已知的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，其包括第一電池，耦合于升壓變 換器的低電壓端；以及第二電池，耦合于升壓變換器的高電壓端。在操作期 間，該配置可以允許高比能量(high specific-energy )電池被用作能量存儲 單元，在此低端能量存儲單元的電壓等級(rating) —般低于DC-AC牽引換 流器的DC鏈路。
圖3圖示了已知的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)，其包括高比能量電池、超電容器 和二極管，當(dāng)超電容器電壓低于在如圖3所示的配置中排列時的電池的電壓 時，該二極管的電極被設(shè)置為(poled)允許電流流動。圖3的配置允許增加 的電力級別從電池通過雙通道升壓變換器傳輸?shù)紻C鏈路，其中每個通道或 相位具有相同的最大功率等級。
盡管上述系統(tǒng)在各種驅(qū)動條件期間是有效的，但是當(dāng)車輛如在典型的城 區(qū)驅(qū)動期間看到的以相對低速操作時，它們可能較低效。結(jié)果，車輛的性能 或燃料效率可能被降低,，
發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，提供了一種車輛推進系統(tǒng)。該推進系統(tǒng)包括交流(AC) 牽引驅(qū)動；第一能量存儲系統(tǒng)，通過直流(DC)鏈路電連接到所述牽引驅(qū)動； 第二能量存儲系統(tǒng)，電耦合到所述牽引驅(qū)動，使得從所述第二能量存儲系統(tǒng) 輸出的電壓使用雙向升壓變換器從所述DC鏈路去耦合；以及單向電流設(shè)備，
其電極被設(shè)置為將電流從升壓變換器的低電壓端傳導(dǎo)到所述升壓變換器的 高電壓端。
在另一個方面，提供了一種車輛。該車輛包括推進系統(tǒng)，該推進系統(tǒng)包
括交流(AC)牽引驅(qū)動；第一能量存儲系統(tǒng)，通過直流(DC)鏈路電連接 到所述牽引驅(qū)動；第二能量存儲系統(tǒng)，其電耦合到所述牽引驅(qū)動，使得從所 述第二能量存儲系統(tǒng)輸出的電壓使用雙向升壓變換器從所述DC鏈路去耦 合；以及單向電流設(shè)備，其電極被設(shè)置為將電流從升壓變換器的低電壓端傳 導(dǎo)到所述升壓變換器的高電壓端。
圖1圖示了已知的交流(AC)電力驅(qū)動系統(tǒng)；
圖2圖示了已知的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)；
圖3圖示了已知的混合動力驅(qū)動系統(tǒng)；
圖4圖示了示范性的車輛推進系統(tǒng)；
圖5圖示了示范性的車輛推進系統(tǒng)；
圖6是如圖4所示在運行期間的系統(tǒng)的圖示；以及
圖7圖示了示范性的車輛推進系統(tǒng)。
具體實施例方式
在此描述可以被電力或混合動力車輛利用的控制和電力存儲系統(tǒng)。在此 使用的混合動力車輛表示這樣的車輛，其使用電力馬達和熱引擎的組合以提 供推進力給該車輛。此外，如這里使用的，電力車輛表示包括馬達和多個電 池的車輛，其中電池提供推進力以操作車輛。
該系統(tǒng)包括交流(AC)牽引驅(qū)動；第一能量存儲系統(tǒng)，其通過直流(DC) 鏈路電連接到牽引驅(qū)動；第二能量存儲系統(tǒng)，其電連接到牽引驅(qū)動，使得從 能量存儲系統(tǒng)輸出的電壓利用雙向升壓變換器從DC鏈路去耦合；以及單向 電流設(shè)備，其電極被設(shè)置為將電流從升壓變換器的低電壓端傳導(dǎo)到升壓變換 器的高電壓端。
具體地講，圖4圖示了車輛推進系統(tǒng)100,其包括第一存儲單元110, 具有耦合到也被稱作為負DC鏈路的第一總線114的輸入或負端子，和被電 連接到也被稱作為正DC鏈路的第二總線124的輸出或正端子。在示范性實
施例中，第一存儲單元110是高比能量電池，其分別電連接在正和負DC鏈
路124和114之間。因此，高能量電池110的負端子和超電容器130每個電 連接到在升壓變換器144的高電壓端上的換流器144的負DC鏈路114。
系統(tǒng)IOO還包括用于提升從第一存儲單元IIO可得的電壓的升壓變換器 電路120,。升壓變換器電路120可包括將第一總線112耦合到半導(dǎo)體開關(guān) 設(shè)備的電感器(未示出)。第二半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備耦合到稱作為DC鏈路的升壓 變換器120的高端124。術(shù)語DC鏈路或有時換流器DC鏈路在此被用來指 相對于114的正和負DC總線112。DC鏈路的負部分電連接到高比能量電池 IIO的負端子和超電容器140的負端子、以及DC-AC換流器].44的負端子。 更具體地講，升壓變換器120具有輸入端122，其看到電壓近似與第一存儲 單元l]O的電壓相等的電壓，并且變換該電壓為在升壓變換器輸出端124看 到的第二更高的電壓。因此，升壓變換器輸出端124被稱作為該電路的高電 壓端。
系統(tǒng)100還包括第一無源存儲設(shè)備130,如例如通過電感器(未示出)連 接到升壓變換器的低端的第二通道128的超電容器。如例如二極管的單向?qū)?通裝置132的電極被設(shè)置為以從升壓變換器的高能量電池輸入通道傳導(dǎo)電流 到超電容器130。如所示，無源存儲設(shè)備130、單向?qū)ㄑb置和接觸器134 串聯(lián)接線在升壓變換器低電壓端122上的正DC總線112和負DC鏈路114 之間。如這里使用的超^容器表示包括串聯(lián)排列連接的多個電容器單元的電 容器，其中電容器單元每個具有大于500法拉的電容。超電容器通常被稱作 為"雙層"電容器或超級電容器。在示范性實施例中，超電容器]30具有63 個串聯(lián)連接的單元，其中每個單元具有2.7伏特的電壓等級和每個單元大于 1000法拉的電容值。
系統(tǒng)IOO還包括第二無源存儲設(shè)備140,其與升壓變換器120并聯(lián)地耦 合在正DC鏈路124和負DC鏈路114之間。具體地講，無源存儲設(shè)備140 與升壓變換器的高電壓端124并聯(lián)耦合。在示范性實施例中，第二存儲設(shè)備 140是超電容器。
系統(tǒng)IOO還包括動態(tài)減速器系統(tǒng)142,其與第二無源存儲設(shè)備140并聯(lián) 地耦合在正DC鏈路124和負DC鏈路114之間；以及換流器144,其與負 載146耦合。在示范性實施例中，動態(tài)減速器系統(tǒng)142可以包括高功耗格型 電阻器，串聯(lián)連接的開關(guān)設(shè)備，和回掃二極管，該回掃二極管與開關(guān)設(shè)備反
向并聯(lián)連接以可控制地改變施加在DC鏈路124上的有效電阻，并且由此限 制在馬達146以再生模式操作時在鏈路124上出現(xiàn)的DC電壓，該再生才莫式 通過換流器144返回電力到該鏈路。
在一個實施例中，換流器144是用于提供交流電流的DC-AC換流器， 而負載146是AC馬達?？蛇x擇地，換流器144是用于提供直流電流的DC 斬波器(chopper)或脈寬調(diào)制電路，而負載146是DC馬達。系統(tǒng)100還包括 在此稱作為車輛系統(tǒng)控制(VSC)部分的控制系統(tǒng)，其配置來以在隨后討"i侖的 各種模式操作系統(tǒng)100。
在示范性實施例中、系統(tǒng)100還包括單向電流設(shè)備150,其極性被設(shè)置 為允許電流從第 一存儲單元110流動到牽引升壓變換器120的高電壓端124、 預(yù)充電電路152和至少一個DC接觸器154。在示范性實施例中，單向電流 設(shè)備150是二極管。在使用中，單向電流設(shè)備150便利電流從預(yù)充電電路152 經(jīng)通道流到牽引升壓變換器120的高端124,以至少部分從其初始的假設(shè)的 放電狀態(tài)預(yù)充電高端的超電容器140,并且還在升壓變換器系統(tǒng)故障的情況 下，在"跛行回家(limp-home)"模式期間提供電力給馬達146。
在操作期間，高端超電容器140使用預(yù)充電電路152快速預(yù)充電到接近 在升壓變換器120的低端122上耦合的高指定電池110的額定電壓。用于該 初始預(yù)充電功能的能量由高比能量電池IIO提供，并且可以在操作者經(jīng)由例 如點火開關(guān)命令啟動開始的幾秒內(nèi)該車輛靜止的同時完成。在超電容器140 的初始預(yù)充電完成之后，DC接觸器154被供能，并且其相關(guān)聯(lián)的功率接觸 器被電關(guān)閉。此時，牽引驅(qū)動，即馬達146可以被激活，使得車輛可以以相 對低速操作。如果系統(tǒng)00例如經(jīng)由VSC 148從操作者接收希望增加車輛速 度的命令，則提供給馬達146的功率可使用牽引驅(qū)動、使用例如在混合動力 車輛中的熱引擎、或如果車輛是全電力車輛則通過附加的存儲單元來補充。
更具體地講，在正常操作模式期間，低端超電容器130通過單向電流設(shè) 備150使用來自高端124的能量和高比能量電池110的能量預(yù)充電。當(dāng)升壓 變換器的低端輸入的預(yù)充電完成，即超電容器130至少部分充電時，DC接 觸器134被關(guān)閉，而超電容器140的預(yù)充電經(jīng)由升壓變換器120繼續(xù)。在操 作期間，超電容器130的最大電壓近似兩倍于高比能量電池IIO的額定電壓。 而且，在正常操作期間，超電容器130被配置從其最大電壓往下到其最大電 壓的50%操作，使得在超電容器130內(nèi)存儲的或者可使用的能量的大約75200780002160.8
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%被利用。在超電容器130存儲的可用能量被耗盡并且操作者繼續(xù)命令附加
功率操作該車輛的情況下，二極管132導(dǎo)通，使得升壓變換器使用升壓變換 器的兩個通道，將來自電池110的電壓增加到DC鏈路電壓，由此允許相比 于升壓變換器的單通道的額定功率的大致兩倍，以便利增加車輛的操作速度。
圖5圖示了大致類似如圖4所示的系統(tǒng)100的系統(tǒng)200。被用來指示圖 4的組件的該編號將被用來指示圖5的相似組件。在系統(tǒng)200中，動態(tài)減速 器142沒有耦合在升壓變換器120的高電壓端，而是動態(tài)減速器142通過第 三通道耦合在升壓變換器120的低電壓端。在該配置中，動態(tài)減速器142通 過升壓變換器的控制可控地改變在DC鏈路124上的有效功耗，并且由此限 制相對于114跨接在DC鏈路124上出現(xiàn)的DC電壓。
圖6是在正常操作期間所示的系統(tǒng)100和系統(tǒng)200兩者的圖示，其中 DC鏈路電壓顯示為馬達速度和扭矩的函數(shù)，并且其中虛線表示相關(guān)聯(lián)的能 量存儲分量電壓的示范性參考值。如所示，對于示范性AC馬達設(shè)計的驅(qū)動 的全部扭矩，通過將參考電壓從某預(yù)定最小值以接近額定速度50%的馬達速 度爬升(i'amp)到預(yù)定的最大參考值來實現(xiàn)。從50%到100%的額定馬達速 度，參考DC鏈路電壓基本上保持恒定。如所示，在能量正從該設(shè)備提取或 提供至該設(shè)備時，超電容器140電壓在該參考線上下波動。當(dāng)超電容器140 的電壓，即充電的狀態(tài)接近極限時，閉環(huán)控制主要從超電容器130提供附加 能量，假定它在其正常操作范圍(SOC)內(nèi)。當(dāng)超電容器130不能夠提供該能 量時，較低效電池IIO被利用來提供附加的能量。例如，在爬越陡峭坡度一 段延長的時間段時的操作期間，高比能量電池IIO提供該能量，因為在超電 容器130和140兩者中存儲的能量基本上被耗盡。而且，在跛行回家模式期 間，提供車輛推進的能量將使用電池110補充。
圖7是其大致類似于如圖4所示的系統(tǒng)100的系統(tǒng)300。被用來指示圖 4中的組件的相同編號被用來指示圖5的相同組件。這樣，系統(tǒng)300還包括 交流發(fā)電機302、整流器304和12伏起始照明和點火(SLI)電池308,其被利 用來通過DC-DC變換器306充電高比能量電池110。在示范性實施例中， 變換器306便利將提供給電池110的電壓與車輛底盤隔離。在示范性實施例 中，交流發(fā)電機302耦合到車輛內(nèi)的已知的引擎310并且由該車輛內(nèi)的已知 的引擎310驅(qū)動。在操作期間，電池110的充電功率級別可能基于交流發(fā)電
機302的額定電流、以及其相關(guān)聯(lián)的電路，還由于交流發(fā)電機的相對低的效 率而受到限制。然而，該特征將提供某些低電平充電，尤其在車輛正空閑或 以低速操作時。
在此描述的系統(tǒng)便利于提供超電容器/電池能量存儲系統(tǒng)的高效率使用。 具體地講，在高馬達速度和扭矩操作的瞬間能量在高效率^f莫式主要使用高電 壓超電容器，并且使得在中等速度和扭矩操作的瞬間能量主要使用高電壓和 中等電壓的組合，而在低馬達速度和馬達扭矩的全部范圍操作的瞬間能量主 要由低電壓電池和中等電壓超電容器的組合提供。這樣，超電容器單元均衡 問題通過使用具有高和中等的電壓要求的多個超電容器能量存儲單元而被 最小化。
因此，在此描述的系統(tǒng)便于從中等和低電壓能量存儲組件將DC鏈路電
壓去耦合，該中等和低電壓能量存儲組件通過利用適合的能量存儲系統(tǒng)和作 為馬達扭矩和速度的函數(shù)的相關(guān)聯(lián)的控制，允許改進的系統(tǒng)性能和效率。該 系統(tǒng)的重量并且因此該車輛的重量，通過使用低電壓的輕質(zhì)電池作為能量存 儲的一個組件而被最小化。在操作全電力模式期間、以及跛行回家模式期間， 該系統(tǒng)與僅僅使用超電容器能量存儲系統(tǒng)的配置相比提供了增加的范圍。而 且，通過縮放能量存儲單元減少了總的系統(tǒng)成本，以同時在電力驅(qū)動系統(tǒng)的 組件尺寸和重量限制內(nèi)實現(xiàn)希望的性能，而且，高端超電容器能量存儲的預(yù) 充電功能比從傳統(tǒng)的高電壓電池進行預(yù)充電功能時用了更少的時間實現(xiàn)。
盡管本發(fā)明已經(jīng)在各種具體實施例方面描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將意 識到，本發(fā)明可以用在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的修改實踐。
權(quán)利要求
1.一種車輛推進系統(tǒng)，包括交流(AC)牽引驅(qū)動；第一能量存儲系統(tǒng)，通過直流(DC)鏈路電耦合到所述牽引驅(qū)動；第二能量存儲系統(tǒng)，電耦合到所述牽引驅(qū)動，使得從所述第二能量存儲系統(tǒng)輸出的電壓使用雙向升壓變換器從所述DC鏈路去耦合；以及單向電流設(shè)備，其電極被設(shè)置為將電流從升壓變換器的低電壓端傳導(dǎo)到所述升壓變換器的高電壓端。
2. 如權(quán)利要求1所述的車輛推進系統(tǒng)，其中所述第一能量存儲系統(tǒng)包括 第一超電容器，其耦合到在所述升壓變換器高電壓端上。
3. 如權(quán)利要求2所述的車輛推進系統(tǒng)，其中所述第一超電容器包括以串 聯(lián)配置耦合的多個單元，該多個單元具有大于500法拉的單元電容。
4. 如權(quán)利要求2所述的車輛推進系統(tǒng)，其中所述第二能量存儲系統(tǒng)包括 每個耦合在所述升壓變換器低電壓端的高比能量電池和第二超電容器。
5. 如權(quán)利要求4所述的車輛推進系統(tǒng)，其中所述第二超電容器具有在比 所述高比能量電池的額定電壓等級大大約2倍和大約3倍之間的電壓等級。
6. 如權(quán)利要求4所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括第二單向電流設(shè)備，其 電極被設(shè)置為將電流從所述高比能量電池傳導(dǎo)到所述第二能量存儲系統(tǒng)，所 述第二能量存儲系統(tǒng)包括在所述升壓變換器低電壓端耦合的第二超電容器。
7. 如權(quán)利要求4所述的車輛推進系統(tǒng)，其中所述第一超電容器具有在比 所述第二超電容器的最大電壓等級大大約2倍和大約3倍之間的電壓等級。
8. 如權(quán)利要求2所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括預(yù)充電電路，其被配置 為至少部分充電所述第一超電容器。
9. 如權(quán)利要求8所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括二極管，其電極被設(shè)置為 在所述預(yù)充電電路和所述第一超電容器之間。
10. 如權(quán)利要求8所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括耦合在所述升壓變換器低 電壓端上的高指定電池、所述預(yù)充電電路被配置來利用所述高比能量電池部 分充電所述第一超電容器。
11. 如權(quán)利要求1所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括耦合在所述升壓變換器低 電壓端上的動態(tài)減速器,，
12. 如權(quán)利要求1所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括DC-DC變換器，其電 耦合到車輛交流發(fā)電機整流器輸出；以及車輛啟動、照明和點火電池，用于 對耦合在牽引升壓變換器的所述低電壓端上的高比能量電池提供低電平充 電。
13. 如權(quán)利要求1所述的車輛推進系統(tǒng)，還包括與所述第一能量存儲系 統(tǒng)并聯(lián)耦合的動態(tài)減速器。
14. 一種車輛，包括 推進系統(tǒng)，該推進系統(tǒng)包括 交流(AC)牽引驅(qū)動；第 一 能量存儲系統(tǒng)，通過直流(DC)鏈路電耦合到所述牽引驅(qū)動； 第二能量存儲系統(tǒng)、電耦合到所述牽引驅(qū)動，使得從所述第二能量存儲系統(tǒng)輸出的電壓使用雙向升壓變換器從所述DC鏈路去耦合；以及單向電流設(shè)備，其3極被設(shè)置為將電流從升壓變換器的低電壓端傳導(dǎo)到所述升壓變換器的高電壓端。
15. 如權(quán)利要求14所述的車輛，其中所述第一能量存儲系統(tǒng)包括耦合到 在所述升壓變換器高電壓端上的第一超電容器。
16. 如權(quán)利要求15所述的車輛，其中所述第一超電容器包括以串聯(lián)配置 耦合的多個單元，每個所述單元具有大于500法拉的電容。
17. 如權(quán)利要求15所述的車輛，其中所述第二能量存儲系統(tǒng)包括第二 超電容器和高比能量電池，其每個耦合在所述升壓變換器的低電壓端。
18. 如權(quán)利要求17所述的車輛，還包括第二單向電流設(shè)備，其電極被 設(shè)置為將電流從所述高比能量電池傳導(dǎo)到所述第二能量存儲系統(tǒng)，所述第二 能量存儲系統(tǒng)包括在所述升壓變換器低電壓端耦合的第二超電容器。
19. 如權(quán)利要求17所述的車輛，其中所述第二超電容器具有在比所述高 比能量電池的額定電壓等級大大約2倍和大約3倍之間的電壓等級。
20. 如權(quán)利要求15所述的車輛，其中所述第一超電容器具有在比所述第 二超電容器的最大電壓等級大大約2倍和大約3倍之間的電壓等級。
21. 如權(quán)利要求15所述的車輛，還包括預(yù)充電電路，其被配置為至少 部分重充電所述第一超電容器。
22. 如權(quán)利要求14所述的車輛，其中所述車輛包括并行混合動力車輛。
23. 如權(quán)利要求14所述的車輛，其中所述車輛包括電力車輛。
24. 如^f又利要求14所述的車輛，還包括DC-DC變換器，電耦合到車輛 交流發(fā)電機整流器輸出；以及車輛啟動、照明和點火電池，用于對耦合在牽 引升壓變換器的所述低電壓端上的高比能量電池提供低電平充電。
25. —種用于組裝車輛控制系統(tǒng)的方法，包括通過直流(DC)鏈路將第一能量存儲系統(tǒng)電耦合到交流(AC)牽引驅(qū)動； 將第二能量存儲系統(tǒng)電耦合到所述牽引驅(qū)動，使得從所述第二能量存儲系統(tǒng)輸出的電壓使用雙向升壓變換器從所述DC鏈路去耦合；以及將單向電流設(shè)備耦合到所述雙向升壓變換器，使得將電流從升壓變換器的低電壓端傳導(dǎo)到所述升壓變換器的高電壓端。
26. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中耦合所述第一能量存儲系統(tǒng)還包括 將第一超電容器耦合到在所述升壓變換器高電壓端上，該第一超電容器包括 以串聯(lián)配置耦合的多個單元，該多個單元具有大于500法拉的單元電容。
27. 如權(quán)利要求25所述的方法，其中耦合第二能量存儲系統(tǒng)還包括在 所述升壓變換器低電壓端耦合第二超電容器和高比能量電池。
28. 如權(quán)利要求27所述的方法，還包括在所述高比能量電池和所述第 二能量存儲系統(tǒng)之間耦合第二單向電流設(shè)備，其使得電流從所述高比能量電 池流到所述第二能量存儲系統(tǒng)。
29. 如權(quán)利要求27所述的方法，還包括耦合預(yù)充電電路到第一超電容器， 使得該預(yù)充電電路至少部分重充電所述第一超電容器。
30. 如權(quán)利要求29所述的方法，還包括在所述預(yù)充電電路和所述第一超 電容器之間耦合二極管。
31. 如權(quán)利要求25所述的方法，還包括將動態(tài)減速器耦合在所述升壓變 換器的低電壓端上。
32. 如權(quán)利要求25所述的方法，還包括將動態(tài)減速器與所述第一能量存 儲系統(tǒng)并聯(lián)耦合。
全文摘要
一種車輛推進系統(tǒng)包括交流(AC)牽引驅(qū)動；第一能量存儲系統(tǒng)，通過直流(DC)鏈路電耦合到所述牽引驅(qū)動；第二能量存儲系統(tǒng)，電耦合到所述牽引驅(qū)動，使得從所述第二能量存儲系統(tǒng)輸出的電壓使用雙向升壓變換器從所述DC鏈路去耦合；以及單向電流設(shè)備，其電極被設(shè)置為將電流從升壓變換器的低電壓端傳導(dǎo)到所述升壓變換器的高電壓端。
文檔編號H02M3/335GK101370685SQ200780002160
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月9日
發(fā)明者羅伯特·D·金 申請人:通用電氣公司