专利名称：混合动力电动推进系统和方法
技术领域：
本发明总地涉及混合动力推进系统，具体地，涉及用于操作具有辅助动力单元的串联混合动力电动推进系统的系统和方法。
背景技术：
一些车辆使用电力牵引电动机以推进车辆。通常，电力牵引电动机连接到向电动机提供功率的传输线，例如总线。可使用一个或多个车载交流电机以向传输线提供功率。在某些工作条件中，例如，当车辆减速或在下坡路上保持速度时，电动机产生的反电动势大于由发动机驱动交流电动机提供的电压。在这种情况下，电力牵引电动机停止作为电动机，变成发电机。这种称为动力制动的过程为用来减少车辆机械制动系统磨损的电动制动的一种形式。在车辆为火车头的情形中，动力制动减少了在火车头以及所有火车车箱上的制动器磨损。通常，使用电阻器来耗散在动力制动期间由电动机产生的以热形式存在的电功率。
因此，研制出混合动力推进系统以回收一些在动力制动期间通常以热形式损失掉的能量。这种损失能量的回收称为再生制动。本领域中已知多种车辆混合动力推进系统的构造。通常，这种推进系统利用两种不同的能量源热力发动机和牵引用蓄电池或其它能量存储单元。热力发动机可包括任何燃烧燃料以产生机械功的发动机，例如内燃机、涡轮发动机、柴油机等等。能量存储单元可包括可充电电池、超级电容或具有高功率密度的飞轮。混合动力系统由于其性能，有利于提高推进系统的燃料经济性，并减少空气污染。
重型车辆，例如公共汽车、卡车、火车头和越野车通常利用串联混合动力推进系统，其中到车轴的主减速器包括电动驱动系统。通常，串联混合动力推进系统包括连接到交流发电机的车载能量源，例如热力发动机，交流发电机将从热力发动机的机械输出转换为交流电(AC)。通常使用整流器将交流发电机的AC输出转换为直流电(DC)。整流器的DC输出的一部分用于给能量存储单元如牵引用蓄电池充电，其余部分用于驱动一个或多个电动机，例如DC电动机或AC电动机。(多个)电动机的动力输出通过电动驱动系统传递到一个或多个车轴。
在车辆加速期间，或当车辆爬陡坡时，能量存储单元或牵引用蓄电池工作在放电状态，以增加热力发动机-交流发电机的电功率输出，从而依靠能量存储单元的额定功率提供一段时间的高功率水平。在制动期间，能量存储单元或牵引用蓄电池工作于充电状态以再生地捕获在制动期间通常损失的一部分能量。因此，牵引用蓄电池中的充电需要最优地维持以恰当地提供两个模式加速期间的放电和再生制动期间的再充电。如上所述，牵引用蓄电池内的充电在这种系统中通过车载能量源维持。
在已知的串联混合动力系统中，车载能量源和相关的控制通常工作在控制能量存储单元或牵引用蓄电池荷电状态的模式中。车载能量源控制的一个方法为操作车载能量源以维持牵引用蓄电池的荷电状态在给定范围内。通过这种方式，当计算的荷电状态低于给定的设定点时，车载能量源起动并持续充电，直到荷电状态达到上控制限。这里，车载能量系统控制减少车载能量源的输出功率，直到能量存储单元的再充电停止为止。上述方式的一个缺点是，当计算的荷电状态错误时，车载能量源不能适当地给能量存储单元充电，导致电池的充电不足或过充电。这些情形都会过早地缩短能量存储系统(牵引用蓄电池)的寿命，也可能引起燃料性的降低。
因此，有必要提供一种车载动力源的改进的控制，其为经济生存能力而获得能量存储单元的高循环寿命是重要的。
发明内容
在本发明的一方面，提供了一种混合动力推进系统。该系统包括第一能量存储单元，其可用来供应功率，以操作牵引驱动电动机。第二能量存储单元，其与第一能量存储单元连接，可用来向牵引驱动电动机供应额外的功率，以在需求增加期间补充第一能量存储单元。该系统还包括辅助动力单元，可用来维持第一能量存储单元上的期望电压。
当结合附图阅读下面的详细描述时，能够更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中相同的标记表示相同的部分，其中图1为根据本发明具体实施方式
的混合动力推进系统的电气示意图；图2为根据本发明具体实施方式
的混合动力推进系统的可选择实施例的电气示意图；以及图3为根据本发明具体实施方式
的混合动力推进系统的第二可选择实施例的电气示意图。
具体实施例方式
因而，本发明提供了一种改进的控制，其用来给重型车辆(如前述提及的那些)混合动力推进系统中使用的可再充电能量存储单元充电。如在下文中一些详细说明中所述的，本发明可实现为通过电池-电池串联混合动力推进系统中的辅助动力单元，以及通过在传统串联混合动力推进系统中的车载能量源，来控制电能存储单元(或蓄电池)的充电。
现在参考图1，示出了混合动力推进系统，其一般由附图标记10表示。推进系统10的示出结构具有电池-电池混合串联结构。混合动力推进系统10包括功率产生系统12，其可操作以向牵引驱动系统14供应功率。另外，功率产生系统12包括第一能量存储单元16，其通过直流(DC)传输线18连接到牵引驱动系统14。第一能量存储单元是可通过辅助动力单元(APU)20再充电的。在再生制动期间，第一能量存储单元还可使用牵引驱动的再生能量部分地再充电。示出的功率产生系统12还包括第二能量存储单元22，其连接到DC传输线19。在示出的实施例中，能量存储单元16和22为可再充电电池，其中第一电池16具有高于第二电池22的能量密度，为牵引驱动系统14的能量源。第二电池22可为牵引用蓄电池，其具有高于第一电池16的功率密度，使得为了加速或重负载情形能向牵引驱动系统14提供突增的功率。其中，第一电池16可为多种可再充电电池中的任一种，例如锂离子电池、镍氢电池、钠硫蓄电池等等。其中，牵引用蓄电池22可包括高比功率镍镉电池、镍氢电池或铅酸电池等等。在不同实施例中，能量存储单元16和22中的一个或多个可包括超级电容。在另一个实施例中，第二能量存储单元22可包括飞轮。
牵引驱动系统14包括至少一个牵引电动机24，其通过机械传动驱动器(未示出)可旋转地连接到飞轮26。在该实施例中，电动机24为交流(AC)电动机。为了电动机24的使用，设置有逆变器28，以将DC传输线18上的直流电转换为交流电。但是，本领域的技术人员应当理解，也可使用DC电动机。
在图1示出的实施例中，APU 20包括热力发动机30。热力发动机30可包括任意一种燃烧燃料以产生机械功的发动机，例如汽油机、柴油机、燃气轮机等。热力发动机30可旋转地连接到交流发电机32，交流发电机32将热力发动机30的机械输出转换为AC功率34。交流发电机32的输出通过整流器36连接到DC传输线18。整流器36将交流发电机的AC输出转换为DC功率。
另外，示出的功率产生系统12包括升压转换电路38，用来增大高能量电池16提供的电压。升压转换电路38可以如下的方式控制调节从电池16提取对电动机24供电和给牵引用蓄电池22充电的功率量。设置有包括相关控制器的动态延迟器40，以将牵引用蓄电池22两端DC传输线19上的电压控制为在牵引用蓄电池22的正常工作电压之上的可接受水平范围内。另外，高能量电池16可用来向电池16端子两端的一个或多个辅助负载42提供功率。
在正常操作期间，牵引驱动系统14通常由高能量电池16供电，其中功率沿着DC传输线18和19在图1中箭头44所示的方向流动。当需要加速或者牵引驱动系统14在重负载条件下时，额外的功率沿着箭头46所示的方向从牵引用蓄电池22引出。在制动期间，在牵引驱动系统14中产生的再生制动能量的一部分从牵引电动机24传送到牵引用蓄电池22。结果，功率沿着箭头48所示的方向从牵引电动机24流到牵引用蓄电池22。再生制动能量的其余部分沿着箭头49的方向流动。来自牵引电动机24的功率用于部分地给牵引用蓄电池22再充电。如前所述，APU 20提供了向电池16充电的功率流，如箭头50所示。APU 20还提供箭头51所示的功率流，以通过升压转换器38向牵引驱动系统14提供功率。
推进系统10的控制通过车辆系统控制器52和APU控制系统54完成，其中APU控制系统54将APU的最大功率限定为热力发动机30和交流发动机32的额定功率。设置有传感器58以检测高能量电池16上的电压。APU控制系统54适于基于高能量电池16上的电压控制APU 14向电池16充电的操作。例如，APU控制系统54可操作以调节APU 20的操作，使得APU 20的输出DC电压(VA)的最大值位于高能量电池16的最大充电电压范围内。另外，APU控制系统54可基于电池16的温度提供APU 20的输出电压(VA)的补偿。APU控制系统54还可包括车载可编程逻辑控制器(PLC)。
在加速期间或在巡航模式中工作时，牵引用蓄电池22及牵引驱动系统14相关的DC传输线19的控制通过车载能量源55供应的功率完成，上述车载能量源55包括APU 20、高能量电池16和升压转换器38。例如，来自车载能量源55的功率适于将DC传输线19的电压调节为不超过最大值。最大值还可由电池22的温度补偿。在剧烈加速期间，可能达到车载能量源55的最大功率限，随着从电池引出额外功率以达到牵引驱动系统14的功率需求，DC传输线19的值降低。在再生制动期间，电动减速器40的控制防止了DC传输线19上的过高电压。
多种控制策略可用于控制APU 20的操作。例如，当系统控制器52从操作员接收到激励推进系统10的输入56时，APU控制系统54可被引导以起动APU 20。在一个实施例中，操作员输入装置56可包括按键开关，使得无论何时操作员将按键开关设定在“on”(接通)的位置，APU 20都起动。一旦处于工作情形，热力发动机30在预定的速度工作，以通过最少的燃料消耗产生在最大输出电压(VA)限范围内的期望输出功率。
在第二控制策略中，APU 20不连续地工作。相反，当APU 20的输出电压(VA)在预定电压范围内并且交流发动机32的输出相电流低于预定电流限达预定时间时，APU控制系统54可停止APU 20，或将发动机速度减小到预定的“快怠速”。因此，系统10可包括用于APU 20的电压和电流传感器，由图1中的标记60共同地表示。在可选的控制策略中，类似的APU控制可基于整流器36的DC电流输出的测量完成。第二APU控制策略为热力发动机30提供了比第一控制策略更好的燃料经济性，并在有限的工作期间，提供了车辆的降低排放或零排放。
在用于APU 20的第三控制策略中，APU 20以类似于第二控制策略的方式工作，但是APU控制系统54在接收到车辆系统控制器52的信号时，命令热力发动机30重新起动，或从预定的“快怠速”速度恢复为发动机30的预定速度。可预先考虑热力发动机30向系统10提供功率的需求来提供所述信号。这种来自车辆系统控制器52的信号可基于特定条件。这种条件的一个实例为当牵引驱动系统14的平均功率高于预定值时。另一个实例为当车辆爬坡，并且其即时坡度超过预定值时。
在用于APU 20的第四控制策略中，APU 20以类似于第二控制策略的方式工作，但是只要电池22的能量存储容量状态或荷电状态低于电池22的能量存储容量状态或荷电状态的特定值，APU控制系统54就在接收到车辆系统控制器52的信号时，命令热力发动机30重新起动，或从预定的“快怠速”速度恢复为发动机30的预定速度。如果能量存储单元22为超级电容，那么能量存储容量状态通常由超级电容的电压确定。如果能量存储单元22为飞轮，那么能量存储容量的状态通常由飞轮的转速确定。当能量存储单元为电池时，荷电状态基于电池22的净额安培小时的积分确定。
另外，APU控制可具有限制热力发动机30产生的最大功率的调节器(未示出)。该调节器允许热力发动机30即使在交流发动机32瞬态负载期间，也能在发动机速度的一定范围内产生额定的功率。该特征防止热力发动机30的失速和热力发动机在最大设计速度范围内的工作。利用永磁发电机调节APU 20中的发动机速度是防止交流发电机32过电压的一个方法。
利用APU的电池-电池串联混合结构由于几个原因优于本领域中已知的传统串联混合结构。第一，在具有热力发动机和牵引用蓄电池的传统串联混合结构中，牵引用蓄电池上的电压通常可在加速期间的额定值的75％与再生制动期间的额定值的110％之间波动。本发明的结构通过高能量电池16的使用减小了牵引用蓄电池22上的波动，其中高能量电池16为热力发动机30提供负载调平。另外，由于APU控制系统54提供热力发动机30的间断操作，所以对于给定的重型应用，可使用比传统串联混合动力系统相对低的额定功率的发动机。如下所述，在电池-电池串联混合结构中可使用APU 20的不同实施方式。
图2示出了一般由标记62表示的电池-电池串联混合动力推进系统的可选实施例。在示出的实施例中，辅助动力单元(APU)63包括燃料电池64，而不是热力发动机30。燃料电池64可包括连接在一起的多个燃料电池单元。燃料电池64可操作以产生DC功率输出，这些DC功率输出可用于通过DC传输线18给能量存储单元16充电。类似于图1中示出的系统10，在加速期间或工作于巡航模式时，能量存储单元22及与牵引驱动系统14相关的DC传输线19的控制由车载能量源65供应的功率完成，车载能量源包括APU 63、高能量电池16和升压转换器38。在示出的实施例中，能量存储单元16为可再充电电池，能量存储单元22为牵引用蓄电池。
系统62还包括燃料电池控制系统66，其功能上类似于图1中的APU控制系统54。特别地，燃料电池控制系统66可操作以调节燃料电池64的工作，使得燃料电池64的输出DC电压(VFC)在电池16的最大充电电压范围内。燃料电池64可以类似于上述热力发动机30的方式控制。
例如，在第一控制策略中，燃料电池64可连续地工作，同时车辆操作以维持给高能量电池16充电。燃料电池64的尺寸选择为使燃料电池64能够在最小燃料消耗率(SFC)持续地工作。
在第二控制策略中，当燃料电池64的输出DC电压(VFC)在预定的电压范围限中并且燃料电池64的输出相电流低于预定电流限达预定时间时，燃料电池64停止给高能量电池16充电。当高能量电池16两端的电压降低到期望电压之下达一段规定的时间时，燃料电池64可再恢复给高能量电池16充电。
另外，燃料电池控制系统66可限制燃料电池64产生的最大功率。该燃料电池控制功能允许燃料电池即使在来自高能量电池16的瞬态负载期间，也能在燃料电池工作范围内产生额定的功率。该特征防止了过载，并确保燃料电池的工作在最大设计输出电压和功率范围内。
系统62如图1中所示的系统10一样具有优于传统串联混合动力推进系统的基本类似的优点。但是，应当注意，本发明不限于电池-电池串联混合结构。它们可在传统的串联混合结构中实现，如下所述。
图3示出了包括功率产生系统72和牵引驱动系统14的混合动力推进系统70，其中动力产生72包括车载能量源74和能量存储单元22，通常能量存储单元22为具有高功率密度的牵引用蓄电池。在运转时，牵引驱动系统74由车载能量源74供能。车载能量源74可包括热力发动机76，其通过相关的整流器80连接到交流发电机78，其可以类似于图1中示出的推进系统10的方式操作。
在加速或重负载条件期间，从牵引用蓄电池22引出功率以补充来自车载能量源74的功率。在制动操作期间，再生能量从牵引驱动系统14传送到牵引用蓄电池22，其中牵引驱动系统14包括DC-AC逆变器28和电动机24。车载能量源74可操作以给电池22充电。从车载能量源74流出的功率一般由标记82标识的箭头表示。
系统70具有控制系统84，该控制系统84可以类似于图1的APU控制系统54的方式操作，其区别为控制系统84调节车载能量源74的操作以维持牵引用蓄电池22两端的期望电压。特别地，控制系统84可操作以调节车载能量源的操作，使得车载能量源74的输出DC电压(V0)的最大值在牵引用蓄电池22的最大充电电压范围内。控制系统84可利用上述各种控制策略以维持牵引用蓄电池两端的期望电压。
上述技术有利地允许燃料操作的APU或车载能量源有简单的局部或自调节，这又提供了高度的可靠性和最小燃料消耗率(SFC)。如前所述，燃料操作的APU的间断操作还导致降低的噪声水平和最小的排放。
尽管本文仅仅示出和描述了本发明一定的特征，但是本领域的技术人员会做出很多修改和变化。因此，应当理解，所附权利要求覆盖了落入本发明实质范围内的所有这种修改和变化。
权利要求
1.一种混合动力推进系统，包括第一能量存储单元，其可操作以供应功率来操作至少一个牵引驱动电动机；第二能量存储单元，其与所述第一能量存储单元和所述牵引驱动电动机电连接，其中所述第二能量存储单元可操作以向所述至少一个牵引驱动电动机供应功率，来补充从所述第一能量存储单元供应的功率；以及辅助动力单元，其可操作以给所述第一能量存储单元充电。
2.如权利要求1所述的系统，包括控制系统，此控制系统可操作以控制所述辅助动力单元而维持所述第一能量存储单元上的期望电压。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述第一能量单元与第二能量存储单元相比，具有更高的能量密度和更低的功率密度。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述第一能量存储单元包括蓄电池。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述第二能量存储单元包括牵引用蓄电池。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述第一能量存储单元包括超级电容。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述第二能量存储单元包括超级电容。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述第二能量存储单元包括飞轮。
9.如权利要求2所述的系统，其中所述辅助动力单元包括热力发动机。
10.如权利要求2所述的系统，其中所述辅助动力单元包括燃料电池。
11.如权利要求2所述的系统，其中当操作所述APU以维持所述第一能量存储单元上的期望电压时，所述控制系统补偿所述第一能量存储单元的温度。
12.如权利要求9所述的系统，其中无论何时所述系统被激励，所述控制系统都可操作以起动所述辅助动力单元。
13.如权利要求1所述的系统，其中当所述辅助动力单元的输出电压在预定电压范围限内并且所述辅助动力单元的输出电流低于预定电流限达预定时间时，所述控制系统可操作以停止所述辅助动力单元的操作。
14.如权利要求13所述的系统，其中在从系统控制器接收到信号时，所述控制系统可操作以重新起动所述辅助动力单元的操作。
15.如权利要求14所述的系统，其中当所述第二能量存储单元的能量存储容量状态低于能量存储容量状态的特定值时，所述控制系统可操作以重新起动所述辅助动力单元的操作。
16.如权利要求15所述的系统，其中所述能量存储单元包括超级电容，并且所述能量存储容量状态基于所述超级电容上的电压。
17.如权利要求15所述的系统，其中所述能量存储单元包括电池，并且所述能量存储容量状态基于所述电池的净额安培小时的积分。
18.如权利要求15所述的系统，其中所述能量存储单元包括飞轮，并且所述能量存储容量状态基于所述飞轮的转速。
19.一种混合动力推进系统，包括能量存储单元，其连接到至少一个推进电动机；车载能量源，其可操作以供应功率来给所述能量存储单元充电，并操作所述至少一个推进电动机；控制系统，其可操作以控制所述车载能量源的操作来维持所述能量存储单元上的期望电压；其中所述能量存储单元可操作以向所述至少一个推进电动机供应额外的功率来补充所述车载能量源。
20.如权利要求19所述的系统，其中当所述车载能量源的输出电压在预定电压范围限内并且所述车载能量源的输出电流低于预定电流限达预定时间时，所述控制系统可操作以减小从所述车载能量源供应到所述能量存储单元的功率。
21.如权利要求20所述的系统，其中在从系统控制器接收到信号时，所述控制系统还可操作以提高从所述车载能量源供应到所述能量存储单元的功率。
22.如权利要求19所述的系统，其中所述车载能量源包括连接到交流发电机的热力发动机。
23.如权利要求19所述的系统，其中所述车载能量源包括燃料电池。
24.如权利要求19所述的系统，其中所述能量存储单元从由下列部件组成的组中选择蓄电池、超级电容、飞轮或其任意的组合。
25.一种操作重型混合动力推进系统的方法，包括操作第一能量存储单元以供应功率来操作至少一个驱动电动机；操作第二能量存储单元以按照需求向所述至少一个驱动电动机供应额外的功率，来补充所述第一能量存储单元；以及操作辅助动力单元以给所述第一能量存储单元充电。
26.如权利要求25所述的方法，其中操作所述辅助动力单元包括操作所述辅助动力单元以维持所述第一能量存储单元上的期望电压。
27.如权利要求26所述的方法，其中操作所述辅助动力单元以维持期望电压包括补偿所述第一能量存储单元的温度。
28.如权利要求26所述的方法，其中操作所述辅助动力单元包括操作连接到交流发电机的热力发动机。
29.如权利要求26所述的方法，其中操作所述辅助动力单元包括操作燃料电池。
30.如权利要求25所述的方法，包括无论何时所述推进系统由操作员启用时，都操作所述辅助动力单元。
31.一种操作重型混合动力推进系统的方法，包括操作车载功率产生系统以供应功率来给能量存储单元充电，并且操作至少一个推进驱动电动机；操作所述能量存储单元以按照需求向所述至少一个推进驱动电动机供应额外的功率，来补充所述车载功率产生系统；以及控制所述车载功率产生系统的操作以维持所述能量存储单元上的期望电压。
32.如权利要求31所述的方法，其中操作所述车载功率产生系统包括操作连接到交流发电机的热力发动机。
33.如权利要求32所述的方法，其中操作所述车载功率产生系统包括连续地操作所述热力发动机。
34.如权利要求33所述的方法，其中操作所述车载功率产生系统包括当所述能量存储单元上的电压在预定的电压范围内并且所述车载能量源的输出相电流低于预定电流限达预定时间时，确保所述热力发动机。
全文摘要
一种混合动力推进系统，包括第一能量存储单元，其可操作以向牵引驱动电动机供应功率。第二能量存储单元与第一能量存储单元连接，以基于需求向牵引驱动电动机提供额外的功率。辅助动力单元(APU)用来给第一蓄电池充电，以维持第一能量存储单元上的期望电压。
文档编号B60L11/12GK1976827SQ200580021809
公开日2007年6月6日 申请日期2005年6月21日 优先权日2004年6月28日
发明者R·D·金, D·宋, L·萨拉索, A·K·库马 申请人:通用电气公司