專利名稱：具有快速儲能的插入式混合動力車的制作方法
具有快速儲能的插入式混合動力車技術(shù)領(lǐng)域太安日日；擊刃ifi主 "^主^Q力vjt、:與主沾j擊入《';盡.厶j佳沐茲^電，其中該混合傳動系統(tǒng)的儲能元件可利用外部供給的電力以及來自發(fā)動 機或再生制動裝置的能量進行充電。特別地，本發(fā)明涉及當車輛被連接到公用電網(wǎng)時能夠向電氣設(shè)施 提供服務(wù)的插入式混合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常在市場上找到的現(xiàn)有產(chǎn)品包括傳統(tǒng)的混合動力車，諸如豐田普銳斯、本田因塞特(Insight )和福特翼虎混合動力車(Escape Hybrid)。與本發(fā)明更加相關(guān)的是原型的戴姆勒克萊斯勒凌特 (Sprinter)插入式混合貨車。現(xiàn)有傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的主要問題在于，傳統(tǒng)混合推進系統(tǒng)的全電勢 由于全電氣化行程受限而不能被實現(xiàn)。通過增加車輛的儲能容量來考 慮更大的全電氣化范圍可解決這個問題?？梢詮耐獠侩娫磥斫o儲能系 統(tǒng)充電，從而補償和減小燃料消耗。這種類型的推進系統(tǒng)被稱為插入 式混合系統(tǒng)。現(xiàn)有的插入式混合動力車的主要問題在于電池的成本和有限的電 池壽命。針對汽車確定尺寸的傳統(tǒng)混合推進系統(tǒng)使用容量大約為lkWh 的儲能，而插入式混合式車要求超過5kWh的儲能。必須使插入式混合 電池系統(tǒng)深循環(huán)，以便獲得處于合理的物理重量和體積內(nèi)的有用的全 電氣化范圍。深循環(huán)縮減電池壽命。插入式混合電池比傳統(tǒng)的混合動 力車中的電池更大并且相應(yīng)地更昂貴。因此，與插入式混合系統(tǒng)相關(guān) 聯(lián)的成本負擔比傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的成本負擔更沉重。用于混合動力車的電池的另 一個問題在于，使可利用的儲能最大 化要求抑制電池隨溫度變化的環(huán)境條件。要求調(diào)節(jié)電池的環(huán)境以獲得 可容忍的耐用性。美國的一些電力網(wǎng)不是由公用設(shè)施運營，而是由被稱為獨立系統(tǒng) 運營商的單獨的地方實體來運營。例如，加利福尼亞獨立系統(tǒng)運營商(CAIS0)控制加利福尼亞全州的電網(wǎng)。ISO購買多個輔助設(shè)施，這些 輔助設(shè)施被用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)上的功率通量、電壓穩(wěn)定性和頻率。這些量 包括 峰值功率 基底負載功率 運轉(zhuǎn)備用 調(diào)節(jié)月良務(wù)(regulation service) 后備電源 可再生能量時間位移必需進行調(diào)節(jié)服務(wù)，因為電網(wǎng)上的電負載經(jīng)常隨著人們接通或關(guān) 斷電器、電機和機器而變化。這種經(jīng)常變化的負載導(dǎo)致電網(wǎng)上不同位 置的小的電壓失衡。變化的負載還會引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速的小變化，從而 導(dǎo)致超過和低于60Hz的頻率變化。由于電機、時鐘、計算機和大多數(shù) 其它設(shè)備要求恒定的電頻率以正確地工作，所以公用設(shè)施維持所規(guī)定 的容限之內(nèi)的60Hz頻率。與60Hz頻率的偏差被稱為區(qū)域控制誤差 (ACE)。如今，調(diào)節(jié)服務(wù)是通過小的頻率調(diào)整而被提供給每個發(fā)電站的輸 出。計算機模型在整個電網(wǎng)上使用頻率測量來確定哪些發(fā)電站應(yīng)該發(fā) 電較多，而哪些發(fā)電站應(yīng)該發(fā)電較少，以侵 使電網(wǎng)上的所有點的ACE 最小化。常常是一個發(fā)電站提供向上調(diào)節(jié)(Regulation Up)服務(wù)，同 時另一發(fā)電站提供向下調(diào)節(jié)(Regulation Down)服務(wù)。在加利福尼亞，調(diào)節(jié)服務(wù)部分地由電氣設(shè)施提供(自身提供的調(diào) 節(jié))，并且部分地由商業(yè)性發(fā)電站提供，ISO要向這些商業(yè)性發(fā)電站負 擔其服務(wù)的費用。如果發(fā)電站被委托來提供向上調(diào)節(jié)服務(wù)，則其不會 以其最大的輸出水平工作。這是因為，如果被請求，這該發(fā)電站必須 被準備來進一步向上調(diào)整發(fā)電以升高電壓。在加利福尼亞，調(diào)節(jié)服務(wù) 提供商必須能夠在被請求這樣做的IO分鐘內(nèi)改變其輸出，以及必須能 在所要求的輸出水平保持在線至少兩個小時。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種混合電動車輛的動力系，其包括內(nèi)燃機；與發(fā)動 機連接并且用來起動發(fā)動機或者給第二電機-發(fā)電機供電的第 一電機-發(fā)電機；第二電機發(fā)電機，該第二電動發(fā)電機給車輪供給牽引力； 第一電能存儲設(shè)備；第二電能存儲設(shè)備；電力電子系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和 充電系統(tǒng)。第一電能存儲設(shè)備是電池，當車輛作為混合動力車工作時或者當 車輛僅使用所存儲的電能工作時，該電池輸送或吸收電能。第二電能存儲設(shè)備是飛輪、電容器或超電容或超級電容器，或者 是電池，這些設(shè)備僅在必需時吸收或輸送電流，以保護第一電能存儲 設(shè)備免受超過第 一 電能存儲設(shè)備的損傷閾值的電流的影響。響應(yīng)于控制系統(tǒng)，電力電子系統(tǒng)將電能從每個電能存儲設(shè)備或電 機-發(fā)電機傳遞到每個其它電能存儲設(shè)備或電機-發(fā)電機?？刂葡到y(tǒng)具有確定和控制通過電力電子系統(tǒng)的能流路徑的裝置。 充電系統(tǒng)使用外部供給的電力來對第一電能存儲設(shè)備和第二電能存儲 設(shè)備中的任一個或兩個進行再充電。該系統(tǒng)包括(至少包含)燃料供以動力的發(fā)動機或燃料電池、電 池、快速儲能系統(tǒng)、功率變換器、控制器、驅(qū)動電機、配電系統(tǒng)和傳 動系統(tǒng)?？梢允褂靡韵氯齻€設(shè)備中的一個來進行快速儲能。(1)飛輪設(shè)備 包括轉(zhuǎn)子、電機-發(fā)電機、軸承、殼體、功率變換器和控制器以及輔 助子系統(tǒng)。(2)為高循環(huán)壽命而優(yōu)化的小電池。(3)超級電容器組 包括多個靜電儲能部件。從廣義來說，該設(shè)備的優(yōu)選實施例包括電池組、快速儲能設(shè)備、 發(fā)動機、傳動裝置、電力電子裝置和控制裝置。該方法的優(yōu)選實施例 包括使用快速儲能設(shè)備來執(zhí)行短暫的、頻繁的、高強度充電和放電功 能，從而保持電池為僅在電氣模式下的驅(qū)動提供平均功率。電力電子封裝(package)包括多個功率變換設(shè)備，用于管理各個 子系統(tǒng)之間的功率流動。 一個變換設(shè)備被用于電網(wǎng)接口。控制器與電 網(wǎng)接口的電力電子裝置相關(guān)聯(lián)，用于管理車輛和電網(wǎng)之間的雙向功率 流動，該電網(wǎng)包括用于和公用設(shè)施、獨立系統(tǒng)運營商、套裝服務(wù)提供 商(aggregator of services)或其它相關(guān)實體進行通信的設(shè)備。電網(wǎng)接口系統(tǒng)包括以下元件中的某些或者全部 基于GPS的車輛位置傳感器 雙向數(shù)據(jù)通 充電/放電控制單元 能夠進行雙向功率流動的"插入"或連結(jié)(hookup)設(shè)備 -用于雙向功率流動的外部(安裝在車庫的)充電器 .位于工作場所停車場和車庫的充電器(多個充電器)本發(fā)明的目的是提供一種插入式混合傳動系統(tǒng)，該插入式混合傳 動系統(tǒng)在通常使用時可為客車產(chǎn)生至少150000英里的耐用性。本發(fā)明的第二目的是組合插入式混合系統(tǒng)的電池和單獨的快速儲 能元件，以在車輛與電網(wǎng)連接時向配電電網(wǎng)提供服務(wù)，其中車輛至電 網(wǎng)(V2G， Vehicle to Grid)系統(tǒng)允許電力網(wǎng)得益于多個與其隨才幾連 接并分散在各地的小電源。調(diào)節(jié)服務(wù)具有最好的潛力，以利用基于車 輛的儲能系統(tǒng)的容量來增加電網(wǎng)的值，而其它輔助服務(wù)可以同等受益。 由分散車隊所提供的輔助服務(wù)比如今由發(fā)電站所提供的調(diào)節(jié)服務(wù)更便 宜和更有效。通過提供或吸收(sourcing or sinking)能量脈沖，大 多數(shù)V2G車輛能夠執(zhí)行頻率穩(wěn)定，由此減輕頻繁調(diào)整發(fā)電站輸出的需 要。對于V2G應(yīng)用，現(xiàn)有的傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的主要問題在于，向配電系 統(tǒng)提供輔助服務(wù)可能必需足夠數(shù)量和深度的放電-充電循環(huán)，從而使電 池的性能降級并且縮減了電池壽命。當循環(huán)在電荷低狀態(tài)下包括高電 流操作時，該問題會加劇。本發(fā)明的第三目的是為諸如風(fēng)的不穩(wěn)定的電力源提供分布式存 儲。世界某些地區(qū)(例如美國中西部和西部德克薩斯州)的風(fēng)向分布 是夜晚的風(fēng)比白天大。大多數(shù)V2G車輛能夠在能量便宜的非峰荷時間 吸收不可發(fā)送的、非峰荷的風(fēng)力發(fā)電，從而給其電池進行充電。本發(fā)明的一個優(yōu)點是減小了電池的充放電循環(huán)次數(shù)，相應(yīng)地增加 了電池壽命。這通過使用快速儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)，該快速儲能系統(tǒng)的循 環(huán)壽命超過電池循環(huán)壽命至少IO倍，并確定快速儲能系統(tǒng)的大小，以 提供或吸收簡短的、頻繁的脈沖并提供大多數(shù)或者所有的V2G輔助服 務(wù)。本發(fā)明的第二優(yōu)點是快速儲能減小了電池的生命周期成本。在沒 有快速儲能的情況下，當電池處于低荷電狀態(tài)時，電池將經(jīng)歷大量的 淺循環(huán)和偶爾的高電流脈沖。本發(fā)明減小了淺充電循環(huán)的次數(shù)，這是 電池將要經(jīng)歷的90%-100%，并保護電池免受高電流脈沖的影響。特別 地，快速儲能系統(tǒng)保護電池在低荷電狀態(tài)下免受高放電率的不利效應(yīng)的影響。這樣，本發(fā)明延長了電池的壽命，使得在車輛的使用期限不 要求替換。本發(fā)明的第三優(yōu)點是減小了儲能系統(tǒng)的總重量。電池和快速儲能 設(shè)備的組合重量小于被確定大小來處理頻繁的循環(huán)和高電流脈沖的電 池重量。本發(fā)明的第四優(yōu)點是提高了儲能系統(tǒng)的耐用性。本發(fā)明的第五優(yōu)點是相對傳統(tǒng)車輛改善了燃料經(jīng)濟性。本發(fā)明實現(xiàn)提高2倍的燃料效率和燃料經(jīng)濟性，根據(jù)驅(qū)動循環(huán)，這是通常的驅(qū) 動器的5倍。目前的混合系統(tǒng)提供提高30% - 50%的燃料經(jīng)濟性。本發(fā)明要求綜合電化學(xué)技術(shù)、靜電技術(shù)和電動存儲技術(shù)。該設(shè)備 及其功能具有如分布式能量系統(tǒng)那樣的應(yīng)用?？紤]到附圖和隨后對本發(fā)明優(yōu)選實施例的說明，本發(fā)明的其它方 面將變得明顯。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到，本發(fā)明的其它實施例是可 能的，并且可以在多個方面修改本發(fā)明的細節(jié)，所有這些都不脫離本 發(fā)明的構(gòu)想。因而，下面的附圖和說明實質(zhì)上應(yīng)該被認為是說明性的 和非限制性的。


參考示出了本發(fā)明的目前優(yōu)選的實施例的附圖，將更好地理解本 發(fā)明的特征。在圖中圖1是插入式混合系統(tǒng)的圖。圖2是具有離合器的插入式混合系統(tǒng)的圖。圖3是插入式并聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖4是插入式串聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖5是具有四輪驅(qū)動的插入式串聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖6是具有燃料電池的插入式串聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖7是電子開關(guān)組件的圖。圖8是使用三個電機/發(fā)電機和電容器快速儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)的功率 變換器和控制器以及附屬設(shè)備的示意圖。圖9是使用三個電機/發(fā)電機和飛輪快速儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)的功率變 換器和控制器以及附屬設(shè)備的示意圖。下面的參考編號被用來表示附圖中本發(fā)明的部件和環(huán)境1發(fā)動機2第一電機/發(fā)電機 3第二電機/發(fā)電機 4傳動裝置 5離合器6功率變換器和控制器 7電池8快速儲能裝置(飛輪、高頻電池(high cycle battery)或電 容器)9差動裝置10輪軸11車輪12插上/斷開13固定的V2G接口14電網(wǎng)15驅(qū)動軸16燃料電池17開關(guān)組件18直流總線19公用的直流總線20直流總線電容器21感應(yīng)器22變壓器23交流鏈路24充電器輸入/輸出25直流電源26飛輪快速儲能裝置27柵極驅(qū)動器28控制器29二極管30絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)31后部電4幾/發(fā)電才幾(MGR)具體實施方式
參考圖1,公開了設(shè)備的優(yōu)選實施例。本發(fā)明包括與傳動裝置4連 接的發(fā)動機1。該發(fā)動機1可以通過離合器連接或者通過固定齒輪或軸 系連接。第一電機/發(fā)電機2被連接到發(fā)動機1上的軸或者發(fā)動機/傳 動裝置接口的傳動裝置4側(cè)上的軸。該傳動裝置4將功率從發(fā)動機1 和第一電機/發(fā)電機2通過傳動裝置4傳遞給驅(qū)動軸15、差動裝置9， 接著傳遞給輪軸10和車輪11。第二電機/發(fā)電機3在傳動裝置4上靠 近輸出的點處被連接到傳動裝置4。傳動系統(tǒng)可以不使用或使用一個、 兩個或三個離合器來選擇性地脫離發(fā)動機1或單個電機/發(fā)電機2、 3。傳動系統(tǒng)包括驅(qū)動軸15和差動裝置9，這些裝置都可以是傳動裝 置4的部分或者與傳動裝置4分離，并且還包括輪軸IO或分軸。電機/發(fā)電機2、 3可以與傳動系統(tǒng)成一直線地安裝，或者可以通 過齒輪、皮帶或鏈條或者液壓技術(shù)被連接到傳動系統(tǒng)。電池7優(yōu)選地-使用鋰化學(xué)性質(zhì)，或者也可以使用NiMH、 NiCAD或 鉛酸?？焖賰δ茉O(shè)備8包括飛輪、電容器或高功率電池。優(yōu)選地，飛 輪使用被容納在真空室和整體電子裝置(integral electronics)中 的高速轉(zhuǎn)子來驅(qū)動飛輪?？商鎿Q地，飛輪可以是任何類型的飛輪，其 并入轉(zhuǎn)子并且內(nèi)置在電機/發(fā)電機中，使得可以電氣地存儲和重新得到 能量。電容器可以是任何類型的電容器，其包括超級電容器、超電容 器和電解電容器?？焖賰δ茉O(shè)備8具有比電池7的容量小得多的儲能谷里。在優(yōu)選實施例中，發(fā)動機1是燃燒汽油的小活塞式發(fā)動機1?？商?換地，發(fā)動機l可以是內(nèi)燃機l，該內(nèi)燃機l可以燃燒汽油、酒精、柔 性燃料、柴油、生物柴油、天然氣、丙烷或氫?？焖賰δ茉O(shè)備8和電池7被連接到功率變換器和控制器6。該功率 變換器和控制器6引導(dǎo)能量在飛輪或電容器8、電池7、第一電機/發(fā) 電機2和第二電機/發(fā)電機3之間流動。所有存儲或使用電力的元件(2、 3、 7和8)可以提供或吸收電力。功率變換器和控制器6包括單個組 件或分組件。這些分組件可被配置在單個模塊之內(nèi)，或者它們可以作 為單獨模塊被遮蓋。這些分組件可以被定位在一起或者分散在整個車 輛中。車輛與電網(wǎng)之間的接口包括插頭和插座12，其中車輛的交流電源 可被變換成車載直流電源。交流電源可以是110V、 220V、 480V的單相 或三相或其它商業(yè)供給的交流電力。可替換地，具有雙向功率處理能 力的固定的V2G接口 13可以提供V2G服務(wù)。固定的V2G接口 13可以 和公用設(shè)施進行通信，以便發(fā)送V2G資源或者允許通過公用設(shè)施隔離。 固定的V2G接口 13通過直流或交流鏈路和插頭/插座12連接到車輛。本發(fā)明的操作包括以多種不同操作模式進行驅(qū)動。在第一驅(qū)動模式下，發(fā)動機1向車輪11提供動力，而第一電機/ 發(fā)電機2和第二電機/發(fā)電機3可自由旋轉(zhuǎn)但不會被激勵。在第二驅(qū)動操作模式下，關(guān)斷發(fā)動機1，并使用第一電機/發(fā)電機 2或第二電機/發(fā)電機3或者上述兩個電機/發(fā)電機提供所有動力。這種 模式可被稱為EV模式。在該模式下，電能由快速儲能設(shè)備8和電池7 以由功率變換器和控制器6所確定的組合來供給。在第三驅(qū)動操作模式下，既由發(fā)動機1又由第一電機/發(fā)電機2、 第二電機/發(fā)電機3或者這兩個電機/發(fā)電機來提供動力。在該模式下， 電能由快速儲能設(shè)備8和/或電池7以由功率變換器和控制器6所確定 的組合來供給。在第四驅(qū)動操作模式下，車輛在減速到一程度，并可再生地恢復(fù) 能量。在該操作模式下，制動轉(zhuǎn)矩由第一電機/發(fā)電機2、第二電機/ 發(fā)電機3或者這兩個電機/發(fā)電機被施加到傳動裝置4。在該操作模式 下，電機/發(fā)電機中的一個或兩個用作發(fā)電機，并將所恢復(fù)的車輛的動 能轉(zhuǎn)換成電力。該電力被輸送到快速儲能設(shè)備8或電池7。通過功率變 換器和控制器6引導(dǎo)電力流動到儲能設(shè)備。在該操作模式下，發(fā)動機l 可以旋轉(zhuǎn)或者不旋轉(zhuǎn)。在第五驅(qū)動操作模式下，發(fā)動機1驅(qū)動第一電機/發(fā)電機2,使得 該第一電機/發(fā)電機2產(chǎn)生電力，以便以由功率變換器和控制器6所確 定的組合給電池7或快速儲能設(shè)備8或這兩個設(shè)備進行充電。在該模 式下，車輛可以停止或者移動。執(zhí)行V2G服務(wù)包括多種不同的V2G操作模式。在第一V2G操作模式下，電網(wǎng)通過固定的V2G接口 13給插頭/插 座12提供能量，并且隨后給功率變換器和控制器6提供能量?？刂破?6利用該能量給快速儲能設(shè)備8或電池7或這兩個設(shè)備進行充電。在第二V2G操作模式下，來自快速儲能設(shè)備8的能量由功率變換 器和控制器6提取并經(jīng)由插頭/插座12和固定的V2G接口 13供給電網(wǎng) 14。在第三V2G操作模式下，來自電池7的能量由功率變換器和控制 器6提取并經(jīng)由插頭/插座12和固定的V2G接口 13供給電網(wǎng)14。在第四V2G操作模式下，來自發(fā)動機1的能量由電機發(fā)電機2和3 中的任一個或兩個轉(zhuǎn)換成電力，然后由功率變換器和控制器6提取并 經(jīng)由插頭/插座12和固定的V2G接口 13供給電網(wǎng)14。任何一種V2G操 作模式可以通過存在于車輛中的軟件來自動地支配，或者可以通過諸 如公用設(shè)施、獨立系統(tǒng)運營商、套裝服務(wù)提供商或任何其它終端用戶的外部實體來支配?？焖賰δ茉O(shè)備8容忍頻繁地循環(huán)和高功率操作，但電池7不行。 在所有操作模式下，功率變換器和控制器6通常引導(dǎo)能量流動，以致 電池7經(jīng)歷的充放電事件的數(shù)目被最小化。附加地，快速儲能設(shè)備8 被操作來使電池7的高功率操作的幅度和程度最小化。通過保護電池7 免受過多的循環(huán)和過多的高功率操作，可產(chǎn)生數(shù)個優(yōu)點。與在沒有快 速儲能設(shè)備8的情況下使用電池7相比，提高了組合的儲能系統(tǒng)的耐 用性。電池7可以在比無需保護快速儲能設(shè)備8也可能的放電深度更 深的放電深度上操作。因此，能夠以比無需保護快速儲能設(shè)備8也可 能的更小的電池7獲得給定的全電氣化行程范圍。許多其它模式是可能的，其中所定義的這五種模式的功能可以組 合使用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到本發(fā)明的多種變型。參考圖2,第一變型是使用一個或多個離合器5來選擇性地脫離發(fā) 動機l、第一電機/發(fā)電機2或第二電機/發(fā)電機3。參考圖3，第二變型是并聯(lián)配置，其中僅使用了一個電機/發(fā)電機 (第一電機/發(fā)電機2 )。傳動裝置4可以是自動的或手動的傳動裝置， 該傳動裝置不包括或包括一個或兩個離合器5。在第一變型或第二變型中，傳動裝置4可支持如所示的兩輪驅(qū)動。 可替換地，傳動裝置4可以具有全部的或兼用的四輪驅(qū)動的能力。參考圖4，第三變型完全取消了傳動裝置4。在這種情況下，第一 電機/發(fā)電機2直接與發(fā)動機1連接。第一電機/發(fā)電機2主要用作發(fā)電機，但是也可以用作能被用來起動發(fā)動機1的電機。第二電機/發(fā)電機3直接或間接地給車輪11供以動力。第二電機/發(fā)電機3直接與差 動裝置9、驅(qū)動軸或車輪11連接。該第二電機/發(fā)電機3可通過固定齒 輪裝置或其它緊湊的且被限制的傳動系部件或分組件連接。所有動力 都從發(fā)電或存儲的地點(point)電氣地被傳送到驅(qū)動電機。這種配置 是串聯(lián)的插入式混合系統(tǒng)或串聯(lián)混合系統(tǒng)。參考圖5，第四變型使用多個驅(qū)動電機，而不使用單個第二電機/ 發(fā)電機3。參考圖6，第五變型使用了上面的串聯(lián)混合配置，并利用燃料電池 來產(chǎn)生電力。該燃料電池替換發(fā)動機1和第一電機/發(fā)電機2。在這種 變型中，快速儲能設(shè)備8和電池7被連接到功率變換器和控制器6。該 功率變換器和控制器6引導(dǎo)功率在快速儲能設(shè)備8、電池7與第二電機 /發(fā)電機3之間流動。所有存儲或使用電力的元件(3、 7和8)可以提 供或吸收電力。在這種變型中，快速儲能設(shè)備8保護電池7免受劇烈 或頻繁的充放電事件。附加地，在這種配置中，快速儲能設(shè)備8通過 為加速提供直接功率來保護燃料電池16，其中燃料電池具有差的節(jié)氣 門響應(yīng)并可能由于這樣的事件而被損壞。圖7、 8和9公開了功率變換器和控制器6的細節(jié)。圖7示出了開 關(guān)17的命名法，開關(guān)17包括二極管29和固態(tài)開關(guān)設(shè)備30。優(yōu)選地， 該固態(tài)開關(guān)設(shè)備30是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),盡管也可以使用 其它開關(guān)設(shè)備。通過從控制器到柵極驅(qū)動27的信號支配開關(guān)29斷開 或閉合。圖8和9示出了向系統(tǒng)中的每個開關(guān)29發(fā)布命令的控制器28。為 了清楚起見，僅示出了一些代表性的連接。實際上，所有開關(guān)29都從 控制器28接收輸入。附加地，控制器28可以從每個開關(guān)29接收信息， 該信息包括溫度、狀態(tài)(斷開或閉合)以及故障情況(清除、警告、 故障)。每個開關(guān)29都響應(yīng)于來自控制器28的命令被切換成斷開或閉合。 切換被實施來激勵或禁止部件或子系統(tǒng)，用于整流、限幅，或者被實 施來合成交流波形。附屬設(shè)備的額定功率變化。相關(guān)聯(lián)的開關(guān)15的相 應(yīng)額定功率也會變化，以便允許最小化功率變換器和控制器6的總體 尺寸、重量以及成本。功率變換器和控制器6具有直流總線，該直流總線具有處于升高 電勢的一條母線18和處于公共電勢的第二總線19。 H橋引線包括兩個 串聯(lián)連接的開關(guān)29，其中一對開關(guān)29連接直流總線的兩條母線18、 19,而這些開關(guān)之間的點與所連接的交流設(shè)備的一條相位引線連接。直流總線電容器20單獨地或同時地用于數(shù)個目的?？偩€電容器20 主要提供電機驅(qū)動和變換器引線所實施的降壓-升壓(buck-boost ) 功能所需的動能存儲。單個直流總線電容器20服務(wù)于功率變換器和控 制器6中的所有相位引線。功率變換器和控制器6以交流形式從電機/發(fā)電機2、 3、 31、飛輪 快速儲能裝置26以及充電端口 24提供或者吸收功率。功率變換器和 控制器的H橋引線可操作成整流器、有源整流器、電機驅(qū)動或交流逆 變器，以便與這些設(shè)備連接。H-橋引線還可以用作斷路器(chopper)，或執(zhí)行通過開關(guān)實現(xiàn)的 任何其它功率處理，諸如直流-直流轉(zhuǎn)換所使用的那些功率處理。這些 配置被用于電池7和快速儲能電容器8的接口 。對于降壓-升壓功能要求電感，并將其作為電機驅(qū)動電路的部分。 電機具有不可忽略的電感，其對于該目的是足夠的。對于諸如電池7 或儲能電容器8那樣的、具有低固有電感的設(shè)備來說，可以將感應(yīng)器 21并入該電路中。對于電機MG1 2、 MG2 3、 MGR 31和飛輪26中的電機/發(fā)電機，功 率變換器和控制器6的部分用作雙向電機驅(qū)動。三相驅(qū)動是典型的， 但是也可以使用其它數(shù)目的相位。圖3和4示出了三相驅(qū)動配置。為 了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，可以實現(xiàn)多種控制策略，這些策略包括脈寬調(diào)制(PWM)、 空間矢量控制和單一整流(simple commutation)。降壓/升壓變換器通過使用高頻切換而在電感中引起動態(tài)響應(yīng)來 執(zhí)行直流到直流的電壓變換。電容器20消除與變換器的開關(guān)頻率相關(guān) 聯(lián)的瞬變現(xiàn)象。感應(yīng)器21或固有電感、電容器20以及開關(guān)15被要求 來執(zhí)行降壓或升壓功能。圖8和9示出了電池7的降壓/升壓電路。圖 8示出了快速能量電容器8的降壓/升壓電路。在這些實例中，對于每 個降壓/升壓階段使用兩個開關(guān)17允許感應(yīng)器21和電容器20被用于 降壓或者升壓操作，而不用重新配置。降壓/升壓變換器被用于更高功率的附屬設(shè)備的直流-直流變換。交流鏈路23和變壓器22被用于充電器端口 24的交流電壓變換。內(nèi)部 交流鏈路23被用來允許變壓到更低的電壓，使得單獨的逆變器分組件 能夠在直流電源端口 25提供更低的電壓輸出(12V， 42V)。充電器端口 24被示為單相系統(tǒng)，但是也可以使用三相系統(tǒng)。當車 輛靜止并與公用電網(wǎng)連接時，充電器電路可以將能量輸送給直流總線 18、 19,再從此輸送給任何附屬設(shè)備。在V2G操作期間，來自電池7、 快速儲能系統(tǒng)8、 26或發(fā)動機1經(jīng)由MG1 2的能量可被輸送給電網(wǎng)。直流輸出端口 25由小的有源整流器來激勵，該有源整流器以一不 同于主要的直流總線18、 19的電壓的電壓操作。該有源整流器使用在 整個功率變換器和控制器6中所用類型的開關(guān)17，并與控制器28進行 通信。圖8和9中所示的配置能夠提供兩個電壓的低功率直流，這兩 個電壓優(yōu)選為12V和42V。所有這些變型都意圖在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種混合電動車輛的動力系，其包括內(nèi)燃機；第一電機-發(fā)電機，該第一電機-發(fā)電機與發(fā)動機連接并且僅被用來起動發(fā)動機或者給第二電機-發(fā)電機供給電力，其中第二電機發(fā)電機向車輪供給牽引力；第一電能存儲設(shè)備；第二電能存儲設(shè)備；電力電子系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和充電系統(tǒng)；第一電能存儲設(shè)備是電池，當車輛作為混合動力車工作時或者當車輛僅使用所存儲的電能工作時，該電池輸送或吸收電能；第二電能存儲設(shè)備是飛輪、電容器或超電容器或超級電容器，或者是電池，其中第二電能存儲設(shè)備僅在必要時吸收或輸送電流，以保護第一電能存儲設(shè)備免受超過第一電能存儲設(shè)備的損傷閾值的電流的影響；其中，電力電子系統(tǒng)響應(yīng)于控制系統(tǒng)并將電能從第一和第二電能存儲設(shè)備以及第一和第二電機-發(fā)電機中的每一個傳遞到第一和第二電能存儲設(shè)備以及第一和第二電機-發(fā)電機中的每個其他設(shè)備；控制系統(tǒng)包括確定和控制通過電力電子系統(tǒng)的能流路徑的裝置；以及其中，充電系統(tǒng)使用外部供給的電力來對第一電能存儲設(shè)備和第二電能存儲設(shè)備中的任一個或兩個進行再充電。
2. 如權(quán)利要求1所述的動力系，包括用于當車輛與電網(wǎng)連接時向 配電電網(wǎng)提供服務(wù)的裝置。
3. 如權(quán)利要求1所述的動力系，其被配置為并聯(lián)混合系統(tǒng)，其中 使用了單個電機/發(fā)電機，并且該電機/發(fā)電機與發(fā)動機和傳動裝置之 間的傳動系連接。
4. 如權(quán)利要求1所迷的動力系，其被配置為并聯(lián)混合系統(tǒng)，其中 使用了單個電機/發(fā)電機，并且該電機/發(fā)電機與傳動裝置和從動輪之 間的傳動系統(tǒng)連接。
5. 如權(quán)利要求1所述的動力系，其被配置為串聯(lián)混合系統(tǒng)，其中 單個電機/發(fā)電機與發(fā)動機連接，并且一個或多個第二電機/發(fā)電機能 被驅(qū)動地與車輪連接。
6. 如權(quán)利要求1所述的動力系，其中，發(fā)動機使用汽油、酒精、 柔性燃料、柴油、生物柴油、天然氣、丙烷或氫。
7. 如權(quán)利要求1所述的動力系，其中，該動力系被配置為串聯(lián)混 合系統(tǒng)，并使用燃料電池來產(chǎn)生電力，而不是使用發(fā)動機和發(fā)電機來 產(chǎn)生電力。
8. 如權(quán)利要求1所述的動力系，其中，使用附加的電機-發(fā)電機 來驅(qū)動主動輪，以致前輪和后輪由不同的電才幾驅(qū)動。
9. 如權(quán)利要求1所述的動力系，其中，車輪由車輪電機來驅(qū)動。
10. 如權(quán)利要求2所述的動力系，其中，被提供給電網(wǎng)的服務(wù)包 括頻率調(diào)節(jié)、能量仲裁、分布式存儲、機會變化、后備電源以及電壓 穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及插入式混合推進系統(tǒng)，其中混合傳動系統(tǒng)的儲能元件可用外部供給的電力以及來自發(fā)動機或再生制動裝置的能量進行充電。本發(fā)明是具有快速儲能和輸送系統(tǒng)的插入式混合系統(tǒng)。在優(yōu)選實施例中，本發(fā)明包括燃料供以動力的發(fā)動機、電池、快速儲能系統(tǒng)、功率變換器、控制器、驅(qū)動電機、配電系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)。附加地，本發(fā)明涉及當車輛與公用電網(wǎng)連接時向電氣設(shè)施提供服務(wù)的插入式混合系統(tǒng)。
文檔編號B60K6/10GK101218119SQ200680024572
公開日2008年7月9日 申請日期2006年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月5日
發(fā)明者A·E·米恩斯, A·德什曼, D·A·本德 申請人:Afs三一電力公司