混合动力车辆的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及车辆的混合能量系统和运行该系统的方法，该混合能量系统包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施。
【背景技术】
[0002]近年来，已追求电动车辆和混合动力车辆的开发和商业化，所述电动车辆和混合动力车辆有效减少燃料消耗和诸如C02的尾气。商用的电动车辆具有有限的范围，因为车辆中安装的电池的尺寸和容量受到限制。
[0003]对于与电动机结合地设有内燃机或ICE的混合动力车辆来说，电能的供应还取决于车辆中安装的电池。因此，由于车辆中安装的电池的尺寸和容量的限制，这种车辆在电动模式中的巡航范围是有限的。因此，混合动力车辆必须将发动机和电动机结合使用，以确保长的巡航范围。
[0004]另一方面，使用电能的轨道车辆的巡航范围不受限制，因为它们利用从架空电线或邻近于轨道的电轨接收的电力来运行。对于这种车辆，必须铺设轨道并管理它们，这需要高的建设成本和高的维护成本。因此，它们不适合在任意位置之间运输货物。而且，当轨道上存在障碍物时，或如果发生停电，车辆将延迟，直到问题被排除。
[0005]上述问题的解决方案是利用从架空电线接收的电力来运行的车辆，例如，过去在许多城市中常用的“无轨电车”。在下文中，这种车辆将被称为集电式电动车辆(power-collecting electric vehicles)。虽然这种车辆不需要轨道，但它们需要架空电线，并且，由于有限的电池容量，它们无法在未配备有架空电线的道路上运行。因此，它们不具有一般商用车辆的灵活性。
[0006]迄今已开发了使这种集电式电动车辆能够在未配备有架空电线的道路上运行的技术。这种车辆配备有内燃机和用于推进的电动机，电动机由从架空电线接收的电力驱动，内燃机用于产生电力以运行该驱动电动机、用于将机械动力直接供应到车辆的驱动单元、或用于对车载电池充电。已通过将混合动力技术应用于集电式电动车辆来开发这种车辆。这种混合动力车辆例如已由Siemens AG公司在EU第七框架计划的框架内针对“电子高速公路(e-Highway)”概念而开发。
[0007]混合动力集电式电动车辆的一个问题是这种车辆包括具有多个在不同电压下运行的部件的电路。该电路包括能够连接到架空电线的高压集电系统、以及混合电力系统，该混合电力系统包括电力电子部件以及可选的高压电池。这种布置结构需要使用电力转换器，该电力转换器允许车辆使用来自架空线路的高压。该电力转换器通常是能够处置架空电线中的相对高压(例如，500-700V)的直流/直流转换器。
[0008]根据一个实例，混合动力车辆可包括高压集电系统和电力转换器，该电力转换器连接到混合动力推进系统中的一个或多个电动机，该混合动力推进系统包括能够连接到电动机的ICE。对于未设有蓄电池的混合动力车辆，电力转换器的尺寸必须设定为使得其连续额定值等于该推进系统的峰值功率要求，即，至少200-300kW。这种布置结构将用于主要使用ICE来运行的车辆。
[0009]根据另一实例，混合动力车辆可包括高压集电系统和电力转换器，该电力转换器连接到蓄电池以及混合动力推进系统中的一个或多个电动机，该混合动力推进系统包括能够连接到电动机的ICE。对于设有蓄电池的混合动力车辆，电力转换器的尺寸可设定为使得其连续额定值等于该推进系统的平均功率要求，即，至少100_150kW。这种布置结构将用于主要使用集电系统来运行的车辆，其中，该ICE可用于对蓄电池充电。
[0010]如以上实例所指示的，直接连接到高压集电系统的电力转换器要求所有电力都经过电力转换器。这招致了转换损耗且产生了需要冷却的热量，这会降低总系统效率并增加对车辆冷却系统的需求。此类电力转换器还将是相对大且昂贵的。
[0011]本发明旨在解决上述问题，并提供一种具有可降低车辆制造成本的运行系统和集电器的混合动力车辆。本发明还旨在提供一种具有提高的总系统效率并引起减少的转换损耗及发热的混合动力车辆。
【发明内容】
[0012]通过所附权利要求中要求保护的混合能量系统来解决上述问题。
[0013]在下文中，对于设有将电力供应给车辆的装置的道路网，将使用术语“电气道路系统”或ERS。下文的实例将针对供电装置包括架空电线的情形来描述。然而，本发明不限于传导式供电装置，也可使用感应式供电装置，所述传导式供电装置使用路面中或邻近于路面(例如Volvo Trucks提出的“电气化道路概念”中的)的架空电气化电线或轨道/轨线。将针对与公路卡车或牵引车相对的商用车辆来描述本发明，但本发明同样适用于非公路卡车/牵引车、大客车、建筑车辆或其它类型的作业车辆。
[0014]下文还将参考电气部件的许多不同技术术语和实例，下面将简要地定义这些技术术语和实例。
[0015]电压变动率是部件(例如，输电线路或配电线路)的发送端与接收端之间的电压大小变化的度量值。电压变动率描述了系统在大范围的负荷条件下提供几乎恒定的电压的能力。该术语可表示在各种负荷条件下导致或多或少的压降的被动属性，或表示出于调节电压的特定目的而对装置的主动干预。
[0016]电力转换是将电能从一种形式转换为另一形式，在交流与直流之间转换，或仅改变电压或频率，或以上这些情形的某些组合。在此上下文中，通用的术语“电力转换器”被定义为用于转换电能的电气装置或机电装置。这可以是用于改变交流电电压的变压器，但该术语也表示用于将交流的一个频率转换为另一频率的一类电气机械。电力转换系统通常包括冗余和电压调节。一种将电力转换系统分类的方式是根据输入和输出是交流(AC)还是直流(DC)来进行。
[0017]一种类型的电力转换器是直流-直流转换器或直流/直流转换器，它是将直流源从一个电压电平转换为另一电压电平的电子电路。直流/直流转换器使用现有的技术设计，其中，主要的拓扑类别是固定频率脉宽调制(PWM)和可变频率准谐振零电流开关(ZCS)。
[0018]pmi在设计上可能稍微简单点，但pmi固有地在效率与运行频率之间进行权衡，效率与运行频率二者都是电动车辆(EV)或混合动力车辆(HEV)的重要参数。长期以来，都认为高频运行是在开关模式转换器中实现高功率密度的主要关键点(例如，较小的磁性特征、滤波器和电容器)之一。然而，对于固定频率开关模式转换器，开关损耗随着运行频率直接增加，从而导致限制可实现的功率密度的合适位置。通过使开关的每一次接通和关断在零电流下发生，可变频率转换器克服了频率障碍。
[0019]固定频率与可变频率直流/直流转换器之间的另一个差异是噪声。再一次，EV/HEV的一个重要参数是开关所产生的噪声。PWM的硬开关比ZCS的软开关产生更多噪声。
[0020 ]先前，主要的EV/HEV直流/直流转换器应用是将高压电池转换到12伏的典型汽车电压，尽管也可能需要更高的电压，例如用于动力转向的42伏电压。此应用中使用的直流/直流转换器通常具有250伏到450伏的输入、12.5伏到15.5伏的可调节输出、以及250W到
3.5kW的输出功率。当然，可用的直流/直流转换器的尺寸和重量实质上根据运行频率而变化，且在某程度上根据电压和功率的输入和输出而变化。对于传统的拓扑结构，效率通常在80%到90%之间，但低压线路的效率可能低四或五个百分点。因此，直流-交流产品和某些大范围直流/直流产品需要在低压线路处减载。
[0021 ]车辆中的高压/高功率转换是EV和HEV应用的优选解决方案。这种转换器的技术挑战(它们中的许多是相互关联的)包括尺寸、重量、效率、电磁兼容性/电磁干扰(EMC/EMI)、可靠性、尚压隔尚、散热/热管理、以及成本。此外，在道路车辆的热、冷、冲击和振动的环境下，需要可靠的性能。
[0022]用于商用EV和HEV的直流/直流转换器需要高功率密度、效率和可扩展性，这些无法由低频、大型转换器设计以成本有效的方式支持。尽管2kW直流/直流转换器可能是常见的设计目标，但高端车辆需要更多功率，而具有较低功率额定值的较小直流/直流转换器将为入门级EV和HEV提供较低成本。为了应付此范围的功率需求，使用能够进行有效的总线转换、隔离和电压调节的高功率密度的模块化转换器的、灵活可扩展的电力系统方法将能够实现更高的性能、成本效率和更快的上市时间。
[0023]现代的直流/直流电力转换器能够支持车辆内的有效高压配电，并将向电力系统设计师提供多个关键优点，包括小尺寸、轻重量、高功率密度、高效率、设计灵活性以及对变化的电气需求的快速响应。具体来说，尤其适用于EV/HEV车辆的直流/直流电力转换器包含在lkW/每立方英寸的功率密度下具有95%效率的零电压开关(DC/ZVS)直流/直流转换器；在lkW/每立方英寸下具有>97%效率的ZVS降压-升压调节器；以及在lkW/每立方英寸下具有97%效率的正弦振幅转换器(Sine Amplitude Converter)?高压(SAC HV)总线转换器。
[0024]双箝位零电压开关(DC/ZVS)转换器具有从极宽的输入范围提高经调节的输出的能力。自适应单元电力系统涉及多个转换器，这些转换器被配置成阵列，以提供广范围、高压、高频电力处理。转换器块通常利用选择性地串联或并联配置的两个磁性耦接的转换器单元。在任一种配置中，共模噪声都基本上被去除，从而消除了EV和HEV的主要滤波挑战。
[0025]在DC/ZVS直流/直流转换器中体现EV和HEV直流/直流转换器性能的自适应单元拓扑(adaptive cell topologies)可包含正弦振幅转换器(SAC)单元。SAC发动机利用零电压/零电流开关以消除开关损耗。通过消除开关损耗，SAC可在相对高的频率(通常在MHz的范围中)下有效地运行，从而导致较小的产品尺寸。高运行频率允许许多部件的微型化，从而提高总的转换器功率密度。在高频下运行的软开关转换器还将在低频下运行的硬开关转换器所需的电磁干扰(EMI)和滤波部件最小化。
[0026]SAC发动机通常用于提供带有HV隔离的固定电压比率总线转换。DC-ZVS发动机提供带有调节和隔离的直流/直流转换。
[0027]ZVS降压-升压调节器从未调节的输入源提供经过调节的输出。ZVS降压-升压调节器可单独使用，用作未隔离的电压调节器，或者与SAC电流倍增器结合使用，以产生被隔离的直流/直流转换器。该调节器可远离SAC电流倍增器“分解”，以在支持有效配电和减少导体重量和成本的同时在负荷点处提供增加的密度。这些发动机组合起来实现了比传统转换器具有显著更高的密度、灵活性和效率的直流/直流转换器系统。ZVS降压-升压调节器的能力包括高达至少650Vdc的输入和输出电压以及最高达98%的转换效率。
[0028]独特的软开关拓扑和ZVS控制架构允许1MHz下的有效HV运行。调节器可彼此并联以实现提高的输出功率。该调节器控制架构的特征在于其开关序列在降压或升压模式中并不改变。仅控制每一个运行循环内的相位的相对持续时间来实现电压的逐级升高或逐级降低。
[0029]包括SACHV总线转换器的固定比率转换器能够进行有效的HV总线转换。SAC HV总线转换器的能力包括高达至少650Vdc的输入和输出电压以及最高达98%的转换效率。
[0030]具有低Q动力传动系的ZVS-ZCS正弦振幅转换器拓扑为有效高频电力处理提供具有高频谱纯度和共模对称性的固定频率振荡器，从而导致基本上无噪声的运行。该控制架构将运行频率锁定到动力传动系谐振频率，从而优化效率并使输出阻抗最小化。通过有效去除电抗部件，输出阻抗Zout可以较低。为了进一步减小Zout，或为了获得更大的功率能力，这些总线转换器可通过精确的电流共享而并联。安静且强力的SAC总线转换器以最高约1MHz的平坦输出阻抗提供基本上线性的电压/电流转换。
[0031]这些解决方案组合起来是适用于商用EV和HEV的电力转换器的实例，其包括小尺寸、轻重量、极高效率、低EM1、高压隔离、热量管理、模块化、设计灵活性、可扩展性和成本。它们容易并联以构建多个容错的高功率阵列。
[0032]另一种类型的电力转换器是直流-交流转换器或直流/交流电力转换器，它通常被称为逆变器。这是将直流变成交流的电力转换器。通过使用适当的变压器、开关和控制电路，所转换的交流可处在任何所需的电压和频率下。固态逆变器不具有移动部分，且用在大范围的应用中，从计算机中的小开关供电装置，到传送大量电力的大型电力设施高压直流应用