混合能量非公路车辆推进电路的制作方法

混合能量非公路车辆推进电路的制作方法
【专利摘要】用于改型现有非公路车辆的推进电路的系统和方法使推进电路能够用作混合能量非公路车辆推进电路。混合推进电路包括：主要电源（102）；以及牵引电动机（108），用于响应于主要电功率推进非公路车辆。牵引电动机（108）具有电动机驱动操作模式和功率耗散操作模式。牵引电动机（108）在功率耗散操作模式中产生动力制动电功率。电能存储系统（1502）包括斩波电路（1506），该电路连接到储能装置（1508）。存储装置（1508）响应于斩波电路（1506）有选择地存储在功率耗散模式中产生的电能。存储系统（1502）在电动机驱动模式期间有选择地从存储装置（1508）向牵引电动机（108）提供辅助电功率，以帮助推进非公路车辆（100）。
【专利说明】混合能量非公路车辆推进电路
[0001]相关申请交叉引用
[0002]本申请的发明是部分继续申请，它要求2003年3月3日提交的并且题为“混合能量非公路车辆电力存储系统和方法(HYBRID ENERGY OFF HIGHWAY VEHICLE ELECTRICPOWER STORAGE SYSTEM AND METHOD)” 的美国专利申请 N0.10/378，335 的利益，该申请要求2001年3月27日提交的美国临时申请N0.60/278,975的优先权，其全部公开通过引用
结合于本文中。
[0003]以下共同拥有的美国专利涉及本申请并通过引用结合于本文中:
[0004]2001年12月26日提交的美国专利申请N0.10/033, 347，现在的美国专利N0.6，591，758，题为“混合能量机车电力存储系统(HYBRID ENERGY LOCOMOTIVEELECTRICAL POWER STORAGE SYSTEM)”。
【技术领域】
[0005]本发明一般涉及供比如采矿翻斗车、施工卡车或挖掘机等大的非公路车辆使用的能量管理系统和方法。具体地说，本发明涉及一个改型系统，用于管理电能的存储和传递，比如由电力牵引电动机驱动的非公路车辆产生的动力制动能量或多余的原动机功率。
【背景技术】
[0006]图1A是例示性现有技术非公路车辆的框图。具体地说，图1A 一般地反映了典型的现有技术柴油机发电的非公路车辆。非公路车辆包括机车和采矿卡车以及挖掘机，其中采矿卡车和挖掘机从100吨容量到400吨容量的范围，但是可以较小或较大。非公路车辆通常具有小于每吨10马力(h.p.)的功率重量比，常见的比率为每吨5h.p.。非公路车辆一般也利用动力制动或电力制动。这与诸如具有每吨15h.p.或更大比率并利用机械或阻力制动的大客车的车辆相反。
[0007]如图1A所示，非公路车辆100包括柴油机主要电源102，它驱动交流发电机/整流器104。如本技术中一般理解的，交流发电机/整流器104向变换器106提供DC电功率，变换器106将AC电功率转换为适合牵引电动机108使用的形式。一种普通的非公路车辆结构的每个轮子109包括一个变换器/牵引电动机，其中两个轮子109包括车轴等效部件(未显示)。这种结构使得每台非公路车辆有一个或二个变换器。图1A为了方便起见，图解了单个变换器106和单个牵引电动机108。借助于实例，大的挖掘翻斗车可以采用电马达轮，比如GEB23?AC电马达轮，它采用GE150AC?驱动系统(其中两者都可从本系统的受让人得到)。
[0008]严格来说，变换器将DC功率转换为AC功率。整流器将AC功率转换为DC功率。术语“转换器”有时也用于指变换器和整流器。照这样提供的电功率可以称为原动机(primemover)功率(或主要电功率)，并且交流发电机/整流器104可以称为原动机功率的源。在典型的AC柴油机发电的非公路车辆应用中，首先对来自交流发电机的AC电功率进行整流(转换为DC)。整流的AC然后被变换(例如利用功率电子器件，比如用作脉宽调制器的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)或者硅控整流器)，以为相应的牵引电动机108提供适当形式的AC功率。
[0009]如本技术中所理解的，牵引电动机108提供牵引功率以移动非公路车辆100以及附着于非公路车辆100的任何其它车辆，比如载重(load)车辆。这种牵引电动机108可以是AC或DC电动机。在利用DC牵引电动机时，交流发电机的输出一般被整流，以提供适当的DC功率。在利用AC牵引电动机时，交流发电机输出一般被整流为DC，其后在被提供给牵引电动机108之前被变换为三相AC。
[0010]牵引电动机108也提供制动力，用于控制速度或者用于使非公路车辆100减速。这通常称为动力制动，并且一般在本技术中被理解。简单地说，当牵引电动机108不需要提供驱动力时，它能够被重新配置(经由功率切换装置)，以便电动机用作电力发电机。经过这样配置，牵引电动机108产生具有使非公路车辆减速的作用的电能。在诸如图1A所示的现有技术非公路车辆中，在动力制动模式中产生的能量一般被传送到安装在车辆外壳上的电阻栅(grid) 110。因此，动力制动能量被转换为热，并且从系统耗散。在动力制动模式中产生的这种电能一般被浪费了。
[0011]应注意，在典型的现有技术DC混合汽车中，动力制动栅110连接到牵引电动机108。但是，在典型的现有技术AC混合车辆中，动力制动栅连接到DC牵引母线122，因为各个牵引电动机108—般经相关的变换器106连接到母线(参见图1B)。图1A—般图解了具有多个牵引电动机的AC混合汽车；为方便起见，描述单个变换器。
[0012]图1B是典型的现有技术非公路车辆100的电气图。本领域众所周知采用单个电能源102，但是可采用两个或更多个电能源。在单个电能源的情况下，连接到交流发电机104的柴油机102提供主要电源104。在提供两个或更多个电能源102的情况下，第一系统包括原动机功率系统，它提供功率给牵引电动机108。第二系统(未显示)提供功率给所谓的辅助电系统(或简称为辅件)。这种辅助系统可以从DC输出或者从由主要电源驱动的单独的交流发电机得到，作为交流发电机的输出。例如，在图1B中，柴油机102驱动原动机电源104 (例如交流发电机和整流器)，以及任何辅助交流发电机(未图解)，用于向诸如例如照明、空调/暖气、鼓风机驱动装置、散热片驱动装置、控制电池充电器、场激励器、动力转向、泵等的各种辅助电气子系统提供功率。辅助动力系统还可从单独的车轴驱动发电机接收功率。辅助功率还可以得自于原动机电源104的牵引交流发电机。
[0013]原动机电源104的输出连接到提供DC功率给牵引电动机108的DC母线122。DC母线122也可称为牵引母线122，因为它承载牵引电动机子系统使用的功率。如上所述，典型的现有技术柴油机发电的非公路车辆包括两个牵引电动机108，每个轮子109 —个，其中两个轮子109用作车轴部件或者车轴等效部件。但是，系统也可以配置成每个车轴包括单个牵引电动机，或者配置成包括四个牵引电动机，两个车轴等效四轮汽车的每个轮子109一个。在图1B中，每个牵引电动机子系统124A和124B包括一个变换器(例如变换器106A和106B)以及相应的牵引电动机(例如分别为牵引电动机108A和108B)。
[0014]在制动期间，由牵引电动机108产生的功率通过动力制动栅子系统110耗散。如图1B所示，典型的现有技术动力制动栅子系统110包括多个接触器(例如DB1-DB5)，用于在DC母线122的正负电轨之间切换多个功率电阻元件。电阻的每个垂直分组可以称为一个串。一个或多个电力栅冷却鼓风机(例如BLl和BL2)—般用于去除由于动力制动而在一个串中产生的热量。还应该理解，这些接触器(DB1-DB5)能够用如GTO/IGBT的固态开关替代，并且能够被调制(像斩波器)以控制有效动力制动阻力。
[0015]如上所指出的，现有技术非公路车辆一般浪费了从动力制动产生的能量。尝试有价值地利用这种能量并不令人满意。例如，一个系统尝试利用牵引电动机108连同电解池产生的能量，以产生氢气作为补充的燃料源。这种系统的缺点之一是，氢气的安全存储以及需要用于电解过程的水。然而，其它现有技术系统根本未能重获动力制动能量，而是有选择地采用在相关车辆下坡时操作的专门发电机。这种系统不令人满意的一个原因是，因为它未能重获现有制动能量，并且未能使获得的能量可重新用在非公路车辆上。
[0016]主要用于重的拖运应用的非公路车辆提供动力制动，以使车辆减速，并限制下坡的速度。这个能量目前通过车载电阻器(动力制动栅)耗散。在针对此专利申请(美国专利N0.6，591，758)的专利中公开的类型的混合OHV中，这个能量的至少一部分被捕获用于牵引和辅件，以改进整个系统的燃料效率和/或改进性能。如在美国专利N0.6，591，758中公开的，存在在非公路车辆电路中利用如电池、飞轮等储能装置的储存技术的各种方法，以获得混合非公路车辆的好处。至于新近构造的车辆，该车辆可以设计成包括储能装置以及必要的电路和开关，以便连接储能装置，作为车辆电气系统不可分割的部分。但是，增加的这些与现有车辆结构和电气系统类似方式的储能装置将需要对车辆进行大范围的修改。
[0017]因此，需要一种改型系统和方法，用于转换现有非公路车辆，以承载(并且电力上可用)电能存储设备，以便使现有车辆能够用作混合非公路车辆，而不需要大范围的修改。
[0018]本发明的好处之一在于，对现有非公路车辆从利用动力制动栅到利用储能装置的转变，和/或通过将现有车辆上功率管理电路中不用的可用空间用于附加的储能装置的开关，仅对车辆进行较小的修改。好处还包括，利用现有冷却系统来维持储能装置在它们的工作温度的切换，而无需修改车辆的冷却系统。

【发明内容】

[0019]在本发明的一个方面，本发明提供一种改型系统，用于与现有非公路车辆的推进电路结合，以使推进电路能够用作混合能量非公路车辆推进电路。现有推进电路包括由提供主要电功率的引擎驱动的功率转换器。现有推进电路还包括:牵引母线，它连接到功率转换器，用于承载主要电功率；以及至少一个牵弓I电动机，接收主要电功率。牵弓I电动机具有电动机驱动操作模式和功率耗散操作模式。牵引电动机旋转车辆的至少一个轮子，用于响应于在电动机驱动模式期间在牵引电动机接收的电功率来推进非公路车辆，并且牵引电动机产生动力制动电功率，该动力制动电功率回到牵引母线并在牵引电动机在其功率耗散模式下工作时耗散。现有推进电路包括电阻系统，用于耗散在功率耗散模式期间在牵引电动机中产生的电功率。电阻系统包括至少两个电阻栅电路。改型系统包括:
[0020]电能存储系统，它电连接到牵引母线并且替代两个电阻栅电路之一。电能存储系统包括储能装置，用于捕获牵引电动机在功率耗散模式期间产生的电能。
[0021]在本发明的另一方面，本发明提供一种改型系统，用于与现有非公路车辆的推进电路结合，以使推进电路能够用作混合能量非公路车辆推进电路。现有推进电路包括由提供主要电功率的引擎驱动的功率转换器。现有推进电路还包括:牵引母线，它连接到交流发电机，用于承载主要电功率；以及至少一个牵弓I电动机，接收主要电功率。牵弓I电动机具有电动机驱动操作模式和功率耗散操作模式。牵引电动机旋转车辆的至少一个轮子，用于响应于在电动机驱动模式期间在牵引电动机接收的电功率来推进非公路车辆，并且牵引电动机产生动力制动电功率，该动力制动电功率回到牵引母线并在牵引电动机在其功率耗散模式下工作时耗散。现有推进电路包括电阻系统，用于耗散在功率耗散模式期间在牵引电动机中产生的电功率。电阻系统包括至少两个电阻栅电路。改型系统包括:
[0022]电能存储系统，除两个电阻栅电路之外，还连接到牵引母线。能量存储系统包括电能存储装置，用于存储由牵引电动机在功率耗散模式中产生的动力制动电功率作为辅助电功率，并用于将存储的辅助电功率从存储装置传送到牵引电动机，以增大主要电功率而在电动机驱动模式中推进非公路车辆。
[0023]在本发明的另一方面，本发明提供一种方法，用于改型现有能量非公路车辆推进电路，使得改型的推进电路用作混合能量非公路车辆推进电路。现有车辆推进电路包括:牵引电动机，它控制至少一个轮子的转速，以便推进非公路车辆。牵引电动机具有耗散操作模式和电动机驱动操作模式，并且由提供主要电功率的引擎驱动。在工作在电动机驱动模式时，第一牵引电动机响应于主要电功率而推进非公路车辆，并产生动力制动电功率，该动力制动电功率在电阻系统中耗散以降低至少一个轮子的转速，并由此在工作在耗散模式时降低非公路车辆的速度。电阻系统包括第一电阻栅电路和第二电阻栅电路。第一和第二栅电路中的每一个都包括一个或多个电阻和辅助开关装置。用于改型的方法包括从第一电阻栅电路断开辅助开关。该方法还包括在第一电阻栅电路中安装两位开关。该方法还包括从第二电阻栅电路断开一个或多个电阻。该方法还包括在第二电阻栅电路中安装第一储能装置。第二电阻栅电路中的辅助开关装置响应于在功率耗散模式期间在牵引电动机中产生的动力制动电功率，以将一部分动力制动电功率传递到第一储能装置。该方法还包括在第一储能装置中存储传递的部分制动电功率作为辅助功率。
[0024]本发明的其它方面和特征在某种程度上显而易见，并在某种程度上在下文中指出。
【专利附图】

【附图说明】
[0025]图1A是现有技术非公路车辆的框图。
[0026]图1B是现有技术AC柴油机发电的非公路车辆的电气图。
[0027]图2是混合能量非公路车辆的一个实施例的框图。
[0028]图3是配置了燃料电池和载重车辆的混合能量非公路车辆的一个实施例的框图。
[0029]图4是适用于结合混合能量非公路车辆系统的能量存储和生成系统的一个实施例的框图。
[0030]图5是图解适用于混合能量非公路车辆系统的能量存储和生成系统的框图，包括用于控制能量储存和再生的能量管理系统。
[0031]图6A-6D是图解用于控制能量储存和再生的能量管理系统的一个实施例的定时图，包括动力制动能量。
[0032]图7A-7D是图解用于控制能量储存和再生的能量管理系统的另一个实施例的定时图，包括动力制动能量。
[0033]图8A-8E是图解用于控制能量储存和再生的能量管理系统的另一个实施例的定时图，包括动力制动能量。
[0034]图9A-9G是图解适用于结合混合能量车辆的电气系统的几个实施例的电气图。
[0035]图10A-10C是图解适用于结合混合能量车辆的电气系统的附加实施例的电气图。
[0036]图11是图解连接电存储单元的一个实施例的电气图。
[0037]图12是没有能量存储的目前的(S卩，非混合)AC非公路车辆的电气图。
[0038]图13A和13B是图解如图12所示的目前AC非公路车辆的功率电路及其主要部件的切换详述的电气图。
[0039]图14是图解如图13A和15A所示的现有非公路车辆中功率电路中的功率组件配置的封装图。
[0040]图15A和15B是改型电路的例示性电气图，用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆，而不需要附加的封装空间。
[0041]图15C是图解如图15B和16所示的现有非公路车辆中功率电路中的电力组件配置的封装图。
[0042]图16和17是改型电路的另外例示性电气图，用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆。
[0043]图18是图解如图17所示的现有非公路车辆中功率电路中的电力组件配置的封装图。
[0044]图19是图解一种方法的流程图，用于改型现有非公路车辆推进电路，以用作混合能量非公路车辆推进电路。
[0045]对应的附图标记在整个附图中一般表示对应的部分。
【具体实施方式】
[0046]图2是混合能量非公路车辆系统200的一个实施例的框图。在这个实施例中，混合能量非公路车辆系统最好获得并再生至少一部分在车辆牵引电动机操作在动力制动模式时产生的动力制动电能。
[0047]非公路车辆系统包括:非公路车辆200，它具有主要能源104。在一些实施例中，功率转换器由主要能源102驱动，并提供主要电功率。牵引母线122连接到功率转换器，并承载主要电功率。牵引驱动器108连接到牵引母线122。牵引驱动器108具有电动机驱动模式，其中牵引驱动器响应于主要电功率推进非公路车辆200。牵引驱动器108具有动力制动操作模式，其中牵引驱动器产生动力制动电能。能量管理系统206包括能量管理处理器(未显示)。能量管理系统206确定功率存储参数和功率传递参数。能量捕获和存储系统204响应于能量管理系统206。能量捕获和存储系统204有选择地存储电能，作为功率存储参数的函数。能量捕获和存储系统204有选择地从在其中作为功率传递参数的函数存储的电能提供辅助电功率。
[0048]在一个实施例中，能量捕获和存储系统204有选择地接收在动力制动操作模式期间产生的电功率，并将其存储用于随后的再生和利用。在备选或者作为补充的接收和存储动力制动功率中，能量捕获和存储系统204还可以构造和配置为从其它源接收和存储功率。例如，可以传递和存储来自主要能源104的多余的原动机功率。类似地，当两个或更多个非公路车辆200串联工作并且电连接时，来自非公路车辆之一的剩余功率能够被传递，并存储在能量捕获和存储系统204中。此外，单独的主要能源102 (例如柴油发电机、燃料电池、架空线等)可用于提供充电电压(例如恒定的充电电压)到能量捕获和存储系统204。此外，另一个充电源是可选的车辆外充电源220。例如，能量捕获和存储系统204能够用诸如电池充电器的外部充电源220充电。
[0049]能量捕获和存储系统204最好包括以下用于存储在动力制动模式期间产生的电能的存储子系统中的至少一个:电池子系统、飞轮子系统、超电容器子系统以及燃料电池燃料发电机(未显示)。其它存储子系统是可能的。超电容器可从Maxwell Technologies得到。这些存储子系统可独立地或者结合地使用。在结合地使用时，这些存储子系统能够提供借助于单个能量存储子系统没实现的协同优势。例如，飞轮子系统一般相对快速地储存能量，但是可能在其总能量存储容量方面相对有限。另一方面，电池子系统常常相对慢地储存能量，但是可构造为提供相当大的总存储容量。因此，飞轮子系统可与电池子系统相结合，其中飞轮子系统捕获电池子系统无法及时捕获的动力制动能量。由此存储在飞轮子系统中的能量在其后可用于对电池充电。因此，总体的捕获和储存能力可取地扩展到飞轮子系统或电池子系统单独操作的极限以外。这种协同作用可扩展到其它存储子系统的结合，比如电池和超电容器的结合，其中超电容器提供最高要求需要。在主要能源102是燃料电池的情况下，能量捕获和存储系统204可包括从燃料电池废水中产生氢的电解系统。所存储的氢提供给燃料电池，作为用于提供主要或辅助功率的能源。
[0050]在这点应当注意，在使用飞轮子系统时，多个飞轮最好布置为限制或者消除每个飞轮可能在非公路车辆和载重车辆上具有的陀螺效应。例如，多个飞轮可以在六轴基础上布置，以大大降低或者消除陀螺效应。但是，应该理解，本文提及的飞轮包含单个飞轮或多个飞轮。
[0051]仍参考图2，能量捕获和存储系统204不仅捕获和存储在非公路车辆的动力制动模式中产生的电能，它还提供储存的能量，以帮助非公路车辆工作(即，补充和/或替代主要能源功率)。
[0052]应该理解，各个非公路车辆200与其它非公路车辆单独操作是常见的。但是，两个或更多个非公路车辆可以串联操作，其中它们机械地和/或电力地连接在一起操作。此外，另一个可选配置包括机械地连接到载重车辆的非公路车辆。尽管图2图解了单个非公路车辆，但图3图解了与可选载重车辆300串联布置工作的非公路车辆200。载重车辆300可以是被动车辆，它靠非公路车辆200牵引或推动，或者选择性地可包括多个载重车辆牵引电动机308，它们向载重车辆轮子318提供牵引力。可以有选择地将存储在能量捕获和存储器204中的电功率(例如经由串联牵引母线314)经载重车辆牵引母线312提供到载重车辆牵引电动机308。这样，在增加需求的时段，载重车辆牵引电动机308增大非公路车辆牵引电动机108提供的牵引功率。作为另一个实例，在不可能从动力制动存储更多能量的时段(例如能量存储系统204充电到满负荷)，则效率考虑因素可建议载重车辆牵引电动机308也增大非公路车辆牵引电动机108。
[0053]应该理解，当能量捕获和存储系统204驱动载重车辆牵引电动机308时，将可能需要附加电路。例如，如果能量捕获和存储系统204包括存储和提供DC电压的电池，则一个或多个变换器驱动器106可用来将DC电压转换为载重车辆牵引电动机308适合用的形式。这种驱动器最好在操作上类似于与非公路车辆有关的那些。[0054]替代地或者附加地，利用存储在能量捕获和存储器204中的电功率来为载重车辆牵引电动机308供电，这种储存的能量还可用来补充提供给非公路车辆牵引电动机108的电功率(例如经由线212)。
[0055]其它配置也是可能的。例如，非公路车辆本身可以在制造期间或者作为改型计划的一部分，配置为捕获、存储和再生多余的电能，比如动力制动能量、多余的主要能源功率或者多余的架空线功率。在另一个实施例中，能量捕获和存储子系统306可位于附着于非公路车辆的一些或全部载重车辆上。图3图解了载重车辆300，它配备了载重车辆能量捕获和存储系统306，它在动力制动期间，从载重车辆牵引电动机308经母线312接收载重车辆动力制动功率。这种载重车辆300可选地包括单独的牵引电动机308。在之前的各个实施例中，载重车辆能量捕获和存储子系统306可包括先前描述的一个或多个子系统。
[0056]当使用单独的载重车辆300时，载重车辆300和非公路车辆200最好经由机械联动316机械连接，以及经由串联的牵引母线314电连接，使得来自非公路车辆牵引电动机108和/或来自可选载重车辆牵引电动机308的动力制动能量存储在非公路车辆的车载能量捕获和存储系统206中，和/或存储在载重车辆300上的载重车辆捕获和存储系统306中。在电动机驱动操作期间，在非公路车辆200和载重车辆300之一或者两者中的能量捕获和存储系统中存储的能量有选择地用于推进非公路车辆牵引电动机108和/或可选的载重车辆牵引电动机308。类似地，当非公路车辆主要电源102产生比用于电动机驱动所需的更多的功率时，多余的原动机功率可存储在能量捕获和存储器204中和/或载重车辆能量捕获和存储器306中随后使用。
[0057]如果载重车辆300没有电连接到非公路车辆(除了标准控制信号)，则载重车辆300上的可选牵引电动机308还能以自主方式用于提供要存储在能量捕获和存储器306中的动力制动能量供随后使用。这种配置的一个优点是载重车辆202可连接到各种非公路车辆。
[0058]应该理解，当载重车辆牵引电动机308在动力制动模式下操作时，种种原因可以建议反对将动力制动能量存储在能量捕获和存储器204和/或306中(例如，存储器可能是满的)。因此，可取的是，载重车辆牵引电动机308产生的动力制动能量的一些或全部通过与载重车辆300有关的栅310耗散，或传递到非公路车辆200以由栅110耗散(例如经由串联的牵引母线316)。
[0059]还应该理解，在可获得外部充电源326时，载重车辆能量捕获和存储系统306可从这种充电源充电。
[0060]图3的实施例将根据一个可能的操作实例进一步描述。应理解，此操作实例不限制本发明。非公路车辆系统200串联配置，包括非公路车辆200和载重车辆300。非公路车辆200的牵引功率由多个非公路车辆牵引电动机108提供。在一个实施例中，非公路车辆200具有四个轮子109，各对轮子对应于一个车轴对，如图3的可选实施例中109A和109B所示。各个轮子109A和109B包括单独的非公路车辆牵引电动机108A和108B，并且各个牵引电动机108A和108B是AC牵引电动机。在一个实施例中，两个后轮109A中的每一个具有单独的非公路车辆牵引电动机108A，并用作公共车轴或者车轴等效部件上的轮子对109A (图3中图解为单个轮子109A)。但是，轮子109A可以或者可以不实际上由公共车轴或者车轴等效部件连接。事实上，在一个实施例中，各个轮子109由单独的半轴安装。非公路车辆200包括驱动电力系统的主要能源102。在一个实施例中，主要能源是驱动交流发电机/整流器104 (例如功率转换器)的柴油机，它包括原动机电功率(有时称为牵引功率或主要功率)的源。在此特定实施例中，原动机电功率是DC功率，它被转换为AC功率供牵引电动机使用。更具体地说，一个或多个变换器(例如变换器106)接收原动机电功率，并有选择地将AC功率提供到多个非公路车辆牵引电动机108以推进非公路车辆。在另一个实施例中，主要能源102是燃料电池。燃料电池产生DC原动机功率，并有选择地提供DC原动机功率到DC到DC转换器302，如图3所示。在又一个实施例中，非公路车辆200可利用架空线(未显示)作为主要能源，或者在非公路车辆行进在倾斜车行道例如电车辅助时作为补充主要能源的辅助能源。因此，非公路车辆牵引电动机108响应于原动机电功率而推进非公路车辆。
[0061]多个非公路车辆牵引电动机108中的每一个最好在至少两个操作模式下操作:电动机驱动模式和动力制动模式。在电动机驱动模式中，非公路车辆牵引电动机108接收电功率(例如经变换器的原动机电功率)以推进非公路车辆200。如在本文其它地方所述，当操作在动力制动模式时，牵引电动机108产生电力。在图3的实施例中，载重车辆300构造和配置为有选择地捕获和存储由牵引电动机308和/或108在动力制动操作期间产生的一部分电力。这是通过能量捕获和存储系统204和/或306完成的。捕获和存储的电力有选择地用于提供电功率的辅助源。这个电功率的辅助源可用来有选择地补充或替代原动机电功率(例如，帮助驱动一个或多个非公路车辆牵引电动机108)，和/或驱动一个或多个载重车辆牵引电动机308。在后一种情况下，载重车辆牵引电动机308和非公路车辆牵引电动机108配合以推进串联的非公路车辆200和载重车辆300。
[0062]有利地，载重车辆能量捕获和存储器306能够存储动力制动能量，而没有与主要非公路车辆的任何电功率传递连接。换句话说，能量捕获和存储器306能够被充电，而不需要诸如串联的牵引母线314的电气连接。这是通过如下方式完成的:当在动力制动模式下操作载重车辆300时，操作非公路车辆主要电源320，以提供电动机驱动功率给非公路车辆牵引电动机308。例如，非公路车辆主要电源102可以在比较高的功率设置下操作，同时载重车辆牵引电动机308配置为用于动力制动。来自动力制动过程的能量可用于对能量捕获和存储器306充电。其后，储存的能量可用于向载重车辆牵引电动机308供电，以提供附加的电动机驱动功率给串联的非公路车辆200和载重车辆300。
[0063]再参考图3，其图示了混合能量非公路车辆系统300的另一个可选实施例，它配置了燃料电池和单独的载重车辆。这个实施例包括燃料电池作为主要电源102，它驱动DC到DC转换器302。转换器302将DC功率提供给提供主要牵引功率的变换器。在另一个实施例中，其中牵引电动机108是DC牵引电动机，转换器可经由牵引母线112向DC牵引电动机108直接提供牵引DC功率。
[0064]再参考图3，另一个可选实施例包括配置了载重车辆电源320的载重车辆。载重车辆电源可以是用于非公路车辆200的如上所述的任何类型的电源。在一个实施例中，载重车辆电源320是产生恒定DC电能源的燃料电池。燃料电池产生的DC电能由DC到DC转换器322转换，并提供给变换器324以便供应载重车辆主要功率。在这个实施例中，载重车辆主要功率可由载重车辆母线312提供给载重车辆牵引电动机308、提供给非公路车辆牵引电动机108、提供给载重车辆能量捕获和存储系统306、或者提供给非公路车辆能量捕获和存储系统204。在这个实施例中，载重车辆电源320、功率转换器322、转换器324和/或载重车辆能量捕获和存储系统306可响应于载重车辆能量管理系统(未显示)或者响应于经能量管理通信链路328连接的非公路车辆的能量管理系统206操作。这种能量管理通信链路328可以是有线通信链路或者无线通信链路。
[0065]图4是图解能量存储和生成系统的一个实施例的各个方面的系统级框图。具体地说，图4图解了适用于混合能量非公路车辆系统比如混合能量非公路车辆系统200或载重车辆系统300 (图3)的能量存储和生成系统400。这种能量存储和生成系统400可以例如作为单独的载重车辆的一部分实现(例如图2和3)，和/或合并到非公路车辆中。
[0066]如图4所示，主要能源102驱动原动机电源104 (例如交流发电机/整流器转换器)。原动机电源104最好提供DC功率给变换器106，变换器106提供三相AC功率给非公路车辆牵引电动机108。但是，应该理解，图4所示的系统400也可修改为用DC牵引电动机操作。可取的是，存在多个牵引电动机108，例如，每个牵引轮109—个。换句话说，每个非公路车辆牵引电动机最好包括连接到关联轮子109的可旋转轴，用于向关联轮子109提供牵引功率。由此，各个非公路车辆牵引电动机108向关联轮子109提供必要的电动机驱动力，以使非公路车辆200移动。一个配置包括，非公路车辆上的单个轮子109要配备单个牵引电动机108。另一个实施例是，在车辆的相对侧上的两个轮子109充当车轴等效部件，每个都配备一个单独的牵引电动机108。
[0067]当牵引电动机108在动力制动模式下操作时，至少一部分产生的电功率被传递到能量存储介质，比如能量存储器204。在能量存储器204不能接收和/或存储所有动力制动能量时，多余的能量传递到制动栅110，以便作为热能耗散。此外，在主要电源102工作以使它提供比驱动牵引电动机108所需的更多的能量期间，多余的量(也称为多余的原动机电功率)可以选择性地存储在能量存储器204中。相应地，能量存储器204可以在除了牵引电动机108在动力制动模式下操作的时间被充电。系统的这个方面在图4中用虚线402进行了图解。
[0068]图4的能量存储器204最好构造和配置为有选择地增大提供给牵引电动机108的功率，或者选择性地为与载重车辆300相关的单独的牵引电动机308提供功率。这种功率可以称为辅助电功率，并且源自于存储在能量存储器204中的电能。这样，图4中图解的系统400适合于用在具有车载能量捕获和存储器204的非公路车辆和/或配备了载重车辆能量捕获和存储器306的单独的载重车辆300中。
[0069]图5是图解适用于混合能量非公路车辆系统的能量存储和生成系统500的一个实施例的各方面的框图。系统500包括能量管理系统206，用于控制能量的储存和再生。因此，尽管图5—般地描述了非公路车辆系统，但其中图解的能量管理系统500不被认为是局限于非公路车辆应用。
[0070]仍参考图5中图解的例示性实施例，系统500最好工作在与图4的系统400相同的一般方式下；能量管理系统206提供附加的智能控制功能。图5也图解了可选能源504，它最好由能量管理系统206控制。可选能源504可以是第二能源(例如与主要非公路车辆串联操作的另一个非公路车辆)或者完全独立的电源(例如架空线、或者诸如电池充电器的路旁边的电源)，用于对能量存储器204充电。在一个实施例中，这种独立的充电电源包括用于在不动时对与独立的载重车辆(例如图2的车辆202)有关的能量存储介质充电的发电站，或者用于在载重车辆运行时为能量存储介质充电的系统。在一个实施例中，可选能源504连接到牵引母线(图5中未示出)，它也承载来自原动机电源104的主要电功率。
[0071]如图所示，能量管理系统206最好包括能量管理处理器506、数据库508以及位置识别系统510，诸如例如全球定位卫星系统接收机(GPS) 510。能量管理处理器506经位置识别系统510确定当前以及预期的非公路车辆位置信息。在一个实施例中，能量管理处理器506利用此位置信息定位数据库508中与当前和/或预期的车行道地形和分布情况有关的数据，有时称为车行道状况信息。这种车行道状况信息可包括例如车行道级别、车行道海拔(例如平均海平面之上的高度)、车行道曲线数据、速度限制信息等等。在机车非公路车辆的情况下，车行道以及特征是铁路轨道的信息。应该理解，这种数据库信息可以由各种源提供，包括:与处理器510有关的车载数据库、从中心源提供信息的通信系统(例如无线通信系统)、人工接线员经一个或多个车行道信号传送设备的输入、这样源的组合等。最后，诸如车辆的大小和重量、与原动机有关的功率容量、效率评价、当前和预期的速度、当前和预期的电负荷等等的其它车辆信息也可被归入数据库中(或者实时或接近实时地提供)，并由能量管理处理器506使用。
[0072]应该理解，在备选实施例中，能量管理系统206可配置为确定与能量存储器204有关的静态方式下的功率存储和传递要求。例如，能量管理处理器506可以用任何上述信息进行预编程，或者可以根据过去的运行经验(例如当车辆达到某一点时，几乎总是需要存储附加的能量以符合即将来临的需求)来使用查找表。
[0073]能量管理处理器506最好利用当前和/或即将来临的车行道状况信息，连同非公路车辆状态信息一起，来确定功率存储和功率传递要求。能量管理处理器506还根据当前和将来的车行道状况信息来确定可能的能量存储机会。例如，根据车行道分布信息，能量管理处理器506可以确定，完全地利用所有储存的能量更有效，即使当前需要是低的，因为动力制动区域将出现(或者因为非公路车辆落后于时间安排并且尝试补偿时间)。这样，能量管理系统206通过在遇到下一个充电区域之前考虑储存能量而提高效率。在另一个实例中，能量管理处理器506可以确定不管当前需要如何，但如果在车行道中不久将遇到一个较巨大的需要，则不使用储存的能量。
[0074]有利地，能量管理系统206还可配置为与主要能源控制对接。此外，如图5所示，能量存储器204可配置为提供与能量管理系统206对接的智能控制。
[0075]在操作中，能量管理处理器506确定功率存储要求以及功率传递要求。能量存储器204响应于功率存储要求而存储能量。能量存储器204响应于功率传递要求而提供辅助电功率(例如提供给连接到变换器106的牵引母线，以帮助电动机驱动)。辅助电功率源自于存储在能量存储器204中的电能。
[0076]如上所述，能量管理处理器506最好部分基于表示当前和/或预期车行道地形特征的状况参数来确定功率存储要求。能量管理处理器506还可根据可从原动机电源104得到的主要电功率量来确定功率存储要求。类似地，能量管理处理器506可根据推进非公路车辆所需的主要电功率的当前或预期的量来确定功率存储要求。
[0077]此外，在确定能量存储要求时，能量管理处理器506最好考虑与能量存储器204有关的各种参数。例如，能量存储器204将具有表示能存储在其中的功率量和/或能在任何给定时间传递到能量存储器204的功率量的存储容量。另一个相似参数涉及能量存储器204在特定时间可传递的辅助电功率量。[0078]如上所述，系统500最好包括用于对能量存储器204充电的多个源。这些源包括动力制动功率、多余的原动机电功率以及外部充电电功率。最好，能量管理处理器506确定这些源中的哪一些会对能量存储器204充电。在一个实施例中，如果这样的动力制动能量是可用的，则当前或预期的动力制动能量用来对能量存储器204充电。如果动力制动能量不可用，则多余的原动机电功率或者外部充电电功率用来对能量存储器204充电。
[0079]在图5的实施例中，能量管理处理器506最好根据功率需求确定功率传递要求。换句话说，能量存储器204最好不提供辅助电功率，除非牵弓I电动机108在功耗模式下操作(即，与动力制动模式相反的电动机驱动模式)。在一种形式中，能量管理处理器506允许能量存储器204提供辅助电功率给变换器106，直到(a)对功率的需求终止或者(b)能量存储器204完全耗尽。但是，在另一种形式中，能量管理处理器506考虑预期的功率需量，并控制从能量存储器204的辅助电功率的供应，以使充分的备用功率保存在能量存储器204中，以在最高要求期间增大原动机功率源。这可以称为“超前”能量管理方案。
[0080]在超前能量管理方案中，能量管理处理器506最好考虑各种当前和/或预期的车行道状况参数，比如上文讨论的那些。此外，能量管理处理器还可考虑能量存储器204中存储的功率量、预期的充电机会以及将辅助电功率从能量存储器204传递到变换器106的能力上的任何限制。
[0081]图6A-D、7A_D以及8A_E以曲线图形式图解了适用于混合能量车辆的能量管理系统的三个不同实施例，它可在诸如图5的系统500的系统中实现。应该理解，提供这些图用于例示性目的，并且对于当前公开的好处，其它变化是可能的。还应该理解，包括这些图中所示的值是为了便于详细说明，并且不应该视为限制意义。还应该理解，这些图中所示的实例涉及各种大的非公路车辆，包括机车、挖掘机和采矿卡车，并且它们一般能够存储在这种车辆的工作期间产生的电能。这些车辆中的一些在工作期间行驶已知的、重复的或可预测的路线。例如，机车行驶已知的车行道，例如铁路轨道。这种非公路车辆包括利用DC和AC牵引电动机驱动并具有动力制动/减速能力的车辆。
[0082]在各组图(图6A-D、图7A-D以及图8A-D)中存在四个类似的图。各个组中的第一个图(S卩，图6A、7A和8A)图解用于电动机驱动和制动所需的功率。因此，第一个图用图形形式表示了车辆所需的功率量。垂直轴上的正值表示电动机驱动功率(马力)；负值表示动力制动功率。应该理解，电动机驱动功率可始自于原动机(例如柴油机、燃料电池或者其它主要能源)、或者来自储存的能量(例如独立车辆中的能量存储介质中)、或者来自原动机和储存的能量的组合。动力制动功率可被耗散，或者存储在能量存储介质中。
[0083]所有图中的横轴反映以分钟为单位的时间。给定图组中各个图的时基定为是相同的。但是，应该理解，其它参考时基是可能的。
[0084]各组图中的第二个图(B卩，图6B、7B和8B)反映理论功率储存和消耗。正值反映这样的功率量:如果能量存储介质中的功率可用，则该功率可提取用于帮助电动机驱动。负值反映这样的功率量:如果能量存储介质中仍有存储空间，则该功率可存储在介质中。能存储或提取的功率量部分地取决于转换器和给定车辆配置的储存能力。例如，能量存储介质将具有某最大量/有限容量。此外，存储介质能够接受或提供能量的速度也受到限制(例如电池一般充电比飞轮装置慢)。其它变量也影响能量存储。这些变量包括例如:环境温度、任何互连电缆的大小和长度、用于电池充电的DC到DC转换器的电流和电压限制、用于飞轮驱动的变换器的额定功率、电池的充电和放电速率或者对飞轮驱动的电动机/轴限制。第二个图假定在给定时间能传递到能量存储介质或者从能量存储介质传递的最大功率量为500h.P.ο此外，应该理解，包括这个500h.p.限制用于例示性目的。由此，任何给定系统中的正负限制可随着环境条件、能量存储介质的状态和类型、所用的能量转换设备的类型和限制
等变化。
[0085]各组图中的第三个图(即，图6C、7C和8C)描述与能量存储介质有关的功率传递。具体地说，第三个图给出了传递到能量存储介质和从能量存储介质传递的实际功率相对于时间的图解。第三个图反映了由于可用于储存的功率引起的限制，以及由于能量存储介质的充电/储存的当前状态(例如飞轮的速度、超电容器中的电压、电池中的电荷等等)引起的限制。
[0086]各组图中的第四个图(S卩，图6D、7D和8D)描述实际存储的能量。具体地说，第四个图图解了在任何特定的时间瞬间存储在能量存储介质中的能量。
[0087]首先参考图6A-D，这些图反映能量管理系统，它在动力制动期间以可能的最大速率储存能量，直到能量存储介质完全满了为止。在此实施例中，所有的能量在动力制动期间传递到存储介质。换句话说，在图6A-D中反映的实施例中，没有能量从在电动机驱动期间可得到的多余原动机功率源、或者从其它能源传递到能量存储介质。类似地，每当存在电动机需求(限于或不超过实际需求)时，能量就释放，高达最大速率，直到能量存储介质完全释放/变空。图6A-D假定，能量存储介质在时间O完全释放/变空。
[0088]现在具体参考图6A，如上所述，其中标识的例示性曲线图解了电动机驱动和动力制动所需的(利用的)功率。正的功率单位反映了在电动机驱动功率施加到车辆的轮子109时(例如一个或多个牵引电动机正在驱动非公路轮子时)的情况。负的功率单位反映了通过动力制动所产生的功率。
[0089]图6B是反映功率传递限制的例示性曲线。正值反映了在有储存能量的情况下将用于帮助电动机驱动力的这种储存能量的量。负单位反映了在介质能够接受可得到的满负荷的情况下可存储在能量存储介质中的动力制动能量的量。在图6B的实例中，在任何给定时间可用于储存的能量图解为限于500个单位(例如马力)。如上所述，各种因素限制能够捕获和传递的功率量。因此，从约O到30分钟，非公路车辆需要小于500h.p.。如果储存的能量可用，则它可用于提供所有的电动机驱动功率。从约30分钟到约65或者70分钟，非公路车辆需要超过500h.p.。因此，如果储存的能量可用，则它能提供一些(例如500h.p.)但不是全部的电动机驱动功率。从约70分钟到约75分钟左右，非公路车辆处于动力制动模式，并产生小于500h.p.的动力制动能量。因此，如果介质维持了充分的容量来存储能量，则直至500h.p.的能量可传递到能量存储介质。在大约75分钟时，动力制动过程产生超过500h.p.。由于功率传递限制，仅直至500h.p.能传递到能量存储介质(仍假定保持有存储容量);剩余功率将在制动栅中耗散。应该理解，图6B不反映传递到能量存储介质或者从能量存储介质传递的实际能量值。该信息在图6C中示出。
[0090]图6C反映了在任何给定瞬间传递到能量存储介质/从能量存储介质传递的功率。其中显示的实例假定在时间O能量存储介质完全变空。因此，系统不能在这时候从存储器传递任何功率。在第一时段A (从大约0-70分钟)期间，车辆的电动机工作着(参见图6A)，并且没有功率传递到能量存储器或者从能量存储器传递。在第一时段A的末端，并且对于其后差不多30分钟，车辆进入动力制动阶段(参见图6A)。在这个时段，来自动力制动过程的功率可用于存储(参见图6B)。
[0091]在第二时段B期间(从大约70-80分钟)，动力制动能量以最大速率(例如500单位)传递到能量存储介质，直到存储器满了为止。在这个时候，没有电动机驱动要求来耗尽储存的能量。此后，在第三时段C期间(从大约80-105分钟)，存储器是满的。因此，即使车辆保持在动力制动模式，或者在滑行(参见图6A)，但在时段C期间也没有能量传递到能量存储介质或从能量存储介质传递能量。
[0092]在第四时段D期间(从大约105-120分钟)，车辆假定电动机在工作。因为在能量存储介质中能量可用，所以从存储器提取能量并用于帮助电动机驱动过程。因此，曲线图示出在第四时段D期间从能量存储介质提取能量。
[0093]在大约120分钟时，电动机驱动阶段停止，并且其后不久，另一个动力制动阶段开始。这个动力制动阶段反映第五时段E的开始,该时段从大约125-145分钟持续。通过观看第五时段E期间的曲线应该理解，当动力制动阶段结束时，能量存储介质没有完全充电。
[0094]在150分钟点之前不久，第六时段F开始，该时段从大约150-170分钟持续。在这个时段以及其后期间(参见图6A)，车辆的电动机正在工作。从大约150-170分钟，从能量存储介质传递能量，以帮助电动机驱动过程。但是，在大约170分钟时，能量存储器完全耗尽。因此，从大约170-200分钟(采样窗口的末端)，没有能量传递到能量存储介质或者从能量存储介质传递。
[0095]图6D图解图6A-D中反映的例示性实施例的存储在能量存储介质中的能量。回想在本实例中，能量存储介质假定为在时间O完全变空/释放。还回想本实例假定能量管理系统仅存储来自动力制动的能量。从大约0-70分钟，车辆的电动机工作着，并且没有能量传递到能量存储介质，或者从能量存储介质传递。从大约70-80分钟左右，来自动力制动的能量传递到能量存储介质，直到它全满为止。在大约105分钟，车辆开始另一个电动机驱动阶段，并且从能量存储介质提取能量，直到大约120分钟为止。在大约125分钟，来自动力制动的能量在另一个动力制动阶段期间，再次传递到能量存储介质。在大约145分钟左右，动力制动阶段结束，并且储存停止。在大约150分钟，从能量存储介质提取能量，以帮助电动机驱动，直到所有能量在大约170分钟时已经耗尽为止。
[0096]图7A-D对应于能量管理系统，它包括“超前”或者预期的需要能力。此实施例特别应用在非公路车辆的车行道已知或者在计划之内时。这种系统不同于图6A-D中反映的系统，在图6A-D的系统中，在它能存储能量时，简单地存储动力制动能量，并利用储存的能量来帮助电动机驱动，无论何时这种储存的能量可用。图7A-D的例示性曲线反映的能量管理系统预期何时原动机无法产生全部所需的需求，或者何时原动机产生全部所需的需求效率可能较低。如在本文其它地方所述，能量管理系统能够根据例如已知的当前位置、当前能量需要、预期的未来车行道地形、预期的未来能量需要、当前能量存储容量、预期的能量存储机会等考虑因素作出这样的判断。图7A-D所示的能量管理系统因此最好防止能量存储介质变成消耗到满足未来需求所需的确定的最小水平之下。
[0097]通过另外的实例，在图7A-D反映的系统假定非公路车辆具有主要能源，它具有4000h.p.的“原动机限制”，这样的限制可因为各种因素而存在。例如，最高额定输出可以是4000h.p.，或者工作效率因素可建议反对主要电源在4000h.p.以上操作。但是，应该理解，系统和附图仅仅用于反映例示性实施例，并且在本文中提供以便于适用于诸如例如图2中图解的非公路车辆系统的非公路混合能量车辆的能量管理系统的各方面的详细说明。
[0098]现在参考图7A，其中图解的例示性曲线描述了电动机驱动(正)和制动(负)所需的功率。在大约180分钟，电动机驱动需求超过4000h.p.。因此，在那时的总需求超过了主要能源的4000h.p.的工作限制。但是，图7A-D所示的“超前”能量管理系统预期了这个即将来临的需要，并且保证充分的辅助功率可以从能量存储介质得到，以满足能量需求。
[0099]能量管理系统实现此要求的一种方式为，预见(周期地或连续地)在给定时段即将来临的车行道/路线分布(如斜坡/下坡、斜坡/下坡的长度等)(也称为超前窗)。在图7A-D所示的实例中，能量管理系统预见200分钟，然后向后计算能源需求/要求。系统确定，对于在180分钟开始的短暂时期，主要能源将需要比限制更多的能量。
[0100]图7B类似于图6B，但是图7B还图解了能量存储介质在时间O变空的事实，并且因此就不会有从能量存储介质的功率传递，除非和直到对它充电。图7B也反映了一种超前能力。
[0101]比较图6A-D和图7A-D，显而易见其中分别描述的系统如何不同。尽管在两个实例中所需的功率相同(参见图6A和7A)，但图7A-D中反映的系统防止能量存储介质在180分钟时预期需要之前完全释放。由此，从图7C和7D可以看出，在180分钟点之前，即使附加的储存能量仍可用，但系统仍暂停传递储存的能量来帮助电动机驱动。此后在大约180分钟开始传递另外的能量，以在能量需求超过4000h.p.时帮助原动机。因此，系统有效地储备了一些储存的能量，以满足超过原动机的期望限制的即将来临的需求。
[0102]应该理解并预期，能量存储介质中可用的能量可用于补充驱动与原动机有关的牵引电动机，或者还可用来驱动独立的牵引电动机(例如在载重车辆上)。对于本公开的好处，容纳各种配置的能量管理系统是可能的。
[0103]图8A-E反映适用于非公路车辆能量车辆的能量管理系统的另一个实施例的相关方面。图8A-E中给出的系统包括存储来自动力制动和来自原动机或另一个充电电源的能量的能力。例如，给定电源可最有效地在给定功率设置下(例如4000h.p.)工作。因此，可能更有效的是，即使当实际的电动机驱动需求低于那个水平，也使电源在某些时间工作在4000h.p.。在这样的情况下,多余的能量可传递到能量存储介质。
[0104]因此，对图8A-D与图6A-D以及7A-D进行比较，显而易见其中分别描述的系统之间的差异。具体参考图8A和8D，从大约0-70分钟，电动机驱动要求(图8A)小于例示的最佳4000h.p.设置。如果需要，电源可以在这个时间运行在4000h.p.，并且可对能量存储介质充电。但是，如图所示，能量管理系统判断，根据即将来临的车行道分布和预期的动力制动期间，即将来临的动力制动过程将能完全地对能量存储介质充电。换句话说，没必要使主要能源工作在4000h.p.，并在这个时候将多余能量存储到能量存储介质中，因为即将来临的动力制动阶段将提供足够能量以完全地对存储介质充电。应该理解，系统还可以其他方式设计。例如，在另一个配置中，每当可以得到多余的能量，系统总是设法对存储介质充电。
[0105]在大约180分钟时，功率需量将超过4000h.p.。因此，在那个时间之前不久(尽管电动机驱动需求小于4000h.p.)，主要能源可以在4000h.p.下工作，其中多余能量用于对能量存储介质充电，以保证足够的能量可用来满足180分钟时的需求。因此，与图6D和7D中反映的系统不同，图8D反映的系统规定，对于180分钟之前的短时期内，即使车辆在发动(未制动)，也从原动机传递能量到能量存储介质。
[0106]图SE图解能量管理系统能实现超前能力以控制能量存储和传递以预期未来需求的一种方式。图8E假定系统具有200分钟的超前窗。这种超前窗的选择是为了便于系统的说明，并不应该视为限制意义。从窗的末端(200分钟)开始，系统确定在任何给定时间点的功率/能量需求。如果确定的需求超过原动机的容量或限制，则系统继续向后并确定能在所确定超额需求期间之前存储能量的机会，并且保证在这样的机会期间存储足够的能量。
[0107]尽管图6A-D、7A_D和8A_E都已经单独进行了描述，但应理解，其中给出的系统能包含在单个能量管理系统中。此外，上述超前能量存储和传递能力可以动态地或者预先完成。例如，在一种形式下，能量管理处理器(参见图5)被编程以对车辆的现在位置与即将来临的车行道/路线特征进行实时或接近实时地比较。根据这样的动态判断，处理器然后确定如何以与上面参考图7A-D和8A-E描述的类似方式，最好地管理与车辆有关的能量捕获和存储能力。在另一个形式中，预先进行这样的判断。例如，车辆外计划计算机可用来计划一种路径,并根据已知路线信息和诸如例如车速、天气情况等计划条件的数据库来确定能量存储和传递机会。这种预先计划的数据此后将由能量管理系统用于管理能量捕获和存储过程。超前计划还可以根据路线段或者整个路线来进行。在某些非公路车辆应用中，比如采矿卡车或者挖掘机，车行道可基本上一天一天的相同，但是可以一周一周地或者一个月一个月地变化，因为在对矿场工作，并且车行道改为适合于矿场地形。在此情况下，超前计划可以随着车行道发生的改变而改变。
[0108]此外，还应该理解，本文描述的能量管理系统和方法可以在各种车辆配置下实行。本文描述的能量管理系统和方法可以用作非公路车辆的一部分，其中能量存储介质作为车辆本身的一部分包括在其中。在其它实施例中，这样的系统和方法可以用具有独立的载重车辆的非公路车辆实践，其中载重车辆配置为装了外部能量捕获和存储介质。在另一个实例中，本文描述的能量管理系统和方法可以用在具有独立载重车辆的非公路车辆中，其中载重车辆采用它自己的牵引电动机。应该从当前公开理解其它可能的实施例和组合，而不必在本文的补充细节中阐述。
[0109]图9A-9G是图解适用于混合能量非公路车辆的电气系统的几个实施例的电气图。具体地说，这些图中图示的例示性实施例涉及混合能量非公路车辆系统。应该理解，图9A-9G中图示的实施例可以合并到多个配置中，包括已在本文中论述的那些(例如具有独立的载重车辆的非公路车辆、具有整套的混合能量系统的非公路车辆、自治的载重车辆等)。如用于采矿的非公路翻斗车的其它车辆使用相同类型的配置，利用一个、两个或者四个牵引电动机，每个驱动轮109 —个。
[0110]图9A图解非公路车辆电气系统的电气图，它具有适用于本文公开的系统和方法的各个方面的能量捕获和存储介质。图9A所示的特定能量存储单元包括电池存储器902。电池存储器902最好直接连接到牵引母线(DC母线122)。在此例示性实施例中，辅助功率驱动器904也直接连接到DC母线122。用于辅件的功率源自于DC母线122，而不是单独的母线。
[0111]应该理解，除了电池存储器902之外，还可采用不止一种类型的能量存储单元。例如，可选的飞轮存储单元906也可并联到电池存储器902。图9A所示的飞轮存储器906最好由经变换器或转换器连接到DC母线122的AC电动机或发电机供电。诸如例如电容存储装置(包括超电容器)和另外的电池存储器(未显示)的其它存储单元也可以连接到DC母线，并利用斩波器和/或转换器等控制。应该理解，尽管电池存储器902示意地图解为单个电池，但同样可采用多个电池或者电池组。
[0112]操作中，能量存储单元(例如电池存储器902和/或诸如飞轮906的任何可选能量存储单元)在动力制动操作期间直接充电。回想在动力制动期间，一个或多个牵引电动机子系统(例如124A-124B)用作发电机，并提供在DC母线122上承载的动力制动电功率。因此，DC母线122上承载的所有或部分动力制动电功率可存储在能量存储单元中，因为在母线上可用的功率超过需求。当电源在电动机驱动时，电池(以及任何其它可选存储单元)允许放电，并提供能量给DC母线122，提供的能量可用于帮助驱动牵引电动机。存储单元提供的此能量可称为辅助电功率。有利的是，因为在此配置中辅件也由相同的母线驱动，因此提供了直接从DC母线122获得功率(或将功率放回母线122)的能力。这帮助最小化功率转换阶段的数量以及由转换损耗引起的相关低效率。它也降低了成本和复杂性。
[0113]在备选实施例中，燃料电池提供所有或者部分主要功率。在此实施例中，储能装置可包括电解或者类似的燃料电池能源生成。作为一个实例，在动力制动期间产生的能量对电解供电，以从水中产生氢，一个水源是由燃料电池在初始能源生成期间所产生的废水。产生的氢被存储，并用作主要电源、燃料电池的燃料。
[0114]应该理解，制动栅仍可用来耗散在动力制动操作期间产生的所有或部分动力制动电功率。例如，能量管理系统最好用于图9A中图解的系统。这种能量管理系统配置为控制一个或多个以下功能:初始能量生成、能量存储；储存能量使用；以及利用制动栅的能量耗散。还应该理解，电池存储器(和/或任何其它可选存储单元)可以选择性地配置为，存储牵引母线上可用的多余原动机电功率。
[0115]本领域技术人员应该理解，某些环境阻碍了在非公路车辆需要运行时，柴油机或燃料电池用作主要能源的操作。例如，柴油机或燃料电池可能不可操作。作为另一个实例，各种规则以及关系可阻止柴油机在建筑、工地、维修设备、矿山或隧道内工作。在这样的状况下，非公路车辆可以利用燃料电池或存储的辅助功率运行。有利的是，本文公开的各种混合能量非公路车辆配置允许将存储的功率直接用于电池微动(jog)操作。例如，图9A的电池存储器902可用于电池微动操作。此外，电池微动操作的在先概念建议短距离上相对短的时段。本文公开的各种配置允许长得多的时段以及长得多的距离上的微动操作。
[0116]图9B图解图9A的系统的变型。图9A和9B之间的主要差异在于，图9B中显示的系统包括与制动栅串联的斩波电路DBCl和DBC2。斩波电路DBCl和DBC2允许通过栅对功率耗散的精密控制，因此提供对诸如例如电池存储器902的存储单元的更大控制。在一个实施例中，斩波电路DBCl和DBC2由能量管理系统控制(参见图5)。还应理解，添加到电路中的斩波电路DBCl和DBC2以及任何可选的存储设备(例如飞轮存储器906 )，还可用来控制瞬态功率。在某些实施例中，可以利用动力制动接触器和斩波电路的组合。
[0117]在图9A的结构中，动力制动接触器(例如DB1、DB2)—般仅控制离散增量的动力制动栅。因此，流入栅中的功率也是离散增量的(假定固定的DC电压)。例如，如果每个离散增量是lOOOh.p.，则电池存储容量是2000h.p.，并且返回的制动能量是2500h.p.，电池不能接受全部的制动能量。因而，一串栅用来耗散lOOOh.p.，留下1500h.p.用于存储在电池中。通过添加斩波器DBC1、DBC2，在各个栅串中耗散的功率可被更精密地控制，由此在电池中存储更多的能量，并且改进效率。在上述实例中，斩波器DBCl和DBC2可以在互补的50%占空比下工作，以便只有500h.p.的制动能量在栅中耗散，并且2000h.p.存储在电池中。
[0118]图9C是非公路车辆电气系统的电气图，图示了用于实现能量存储介质的另一个结构。与图9A和9B所示的系统对照，图9C的存储器902经由DC到DC转换器910连接到DC母线122。这样的结构在DC母线122电压和电池存储器902的额定电压之间提供了更大的差异度。多个电池和/或DC存储单元(例如电容器)可以类似方式连接。同样，比如图9B所示的斩波器控制可以实现为图9C结构的一部分。还应该理解，DC到DC转换器910可经由能量管理处理器(参见图5)进行控制，作为控制能量存储介质中能量的存储和再生的能量管理系统和过程的一部分。
[0119]操作中，DC母线122上承载的电功率以第一功率电平(例如第一电压电平)提供。DC到DC转换器910电连接到DC母线122。DC到DC转换器910接收第一功率电平的电功率，并将它转换为第二功率电平(例如第二电压电平)。用这种方式，以第二功率电平提供存储在电池存储器902中的电功率。应该理解，DC母线122上的电压电平以及经由DC到DC转换器910提供给电池存储器902的电压也可处于同一功率电平。但是，DC到DC转换器910的供应接纳了这些相应功率电平之间的差异。
[0120]图9D是类似于图9C所示系统的非公路车辆电气系统的电气图。这些系统之间的差异在于，图9D所示的辅助动力子系统904经一对DC到DC转换器912和914连接到DC母线122。这样的结构提供了允许使用现有较低电压的辅助驱动和/或具有低绝缘的电动机驱动的优点。另一方面，在此结构中，辅助功率经历两个功率转换阶段。应该理解，尽管图9D图解了辅件在所有时间消耗功率，而没有再生，但双向DC到DC转换器还可用于期望具有辅件再生功率的结构(例如参见图9G)。这些DC到DC转换器912和914最好经能量管理系统控制，能量管理系统控制能量存储介质中能量的存储和再生。
[0121]图9E以电气图形式图解了能量存储介质的另一个结构。但是，不同于图9A-9D所示的实例，图9E的结构包括单独的DC电池母线922。单独的电池母线922与主DC母线122(牵引母线)通过DC到DC转换器920 (也称为两级转换器)电隔离。因此，牵引母线(DC母线122)、能量存储单元以及辅件之间的功率流最好经过双向DC到DC转换器920。在图9E的结构中，任何附加存储单元(例如飞轮、电容器等)最好跨接在DC电池母线922两端，而不是主DC母线122两端。DC到DC转换器920可经由能量管理系统进行控制，能量管理系统控制能量存储介质中能量的存储和再生。
[0122]图9F给出图9E结构的一种变型。在图9F的结构中，除了电池906之外使用的任何可变电压存储单元(例如电容器、飞轮等)直接跨接在主DC母线122 (牵引母线)上。但是，电池906仍然跨接在隔离的DC电池母线922两端。有利地，在此结构中，DC到DC转换器920匹配电池存储器902的电压电平，而避免了用于可变电压存储单元的大功率量的两次转换。和其它结构一样，图9F的结构可以结合监督和控制能量存储介质中能量的存储和再生的能量管理系统而实现。
[0123]图9G给出图9F结构的一种变型，其中只有辅件通过两级转换器920连接到独立的辅助母线930。因此，DC母线122上承载的电功率以第一功率电平提供，并且辅助母线930上承载的功率以第二功率电平提供。第一和第二功率电平可以相同，或者可以不相同。
[0124]图10A-10C是图解另外的实施例的电气图，包括特别适合于修改现有AC非公路车辆的实施例。但是，应该理解，图示的并且参考图10A-10C描述的结构不局限于改型现有非公路车辆。
[0125]图1OA图解图9C所示的实施例的变型。图1OA的实施例仅利用电池存储装置，并且不包括非电池存储器，比如可选飞轮存储器906。具体地说，图1OA图示了具有跨接在DC母线122两端的转换器1006 (例如DC到DC转换器)的实施例。电池存储单元1002连接到转换器1006。附加转换器和电池存储单元可以并联地添加到此结构中。例如，另一转换器1008可以跨接在DC母线122两端，以对另一个电池存储单元1004充电。图1OA结构的优点之一是，它便于利用具有不同电压和/或充电率的多个电池(或电池组)。
[0126]在某些实施例中，便于储能装置之间的功率传递。例如，图1OA的结构允许在电池1002和1004之间经DC母线122进行能量传递。例如，如果在电动机驱动操作期间，主要电源将2000h.p.的功率提供到DC牵引母线，则牵引电动机消耗2000h.p.，并且电池1002提供100h.p.到牵引母线(经由转换器1006)，多余的100h.p.有效地从电池1002传递到电池1004 (减去任何正常损耗)。
[0127]图1OB所示的结构类似于图1OA的结构，除了它利用连接到DC母线122的多个转换器(例如转换器1006、1008)，来供给公用电池1020 (或公用电池组)。图1OB结构的优点之一是，它允许利用相对较小的转换器。这一点在改型已经具有一个转换器的现有非公路车辆时特别有利。此结构的类似优点是，它允许利用较高容量的电池。图1OB结构的另一优点是，它允许某些相移操作，由此降低电池中的脉动电流，并允许利用较小的电感器(未显示)。例如，如果转换器1006和1008工作在IOOOHz、50%的占空比，并且占空比选择为使得转换器1006接通时转换器1008关闭，则转换器作用就像单个转换器工作在2000Hz，这允许利用较小的电感器。
[0128]图1OC是图解特别适用于改型现有非公路车辆以用作混合能量非公路车辆的另一个实施例的电气图。图1OC的结构利用双组转换器1006、1030以及一个或多个电池1020(相同或不同的电压电平)。图1OC所述系统的优点在于，电池1020能处于比DC母线122高的电压电平。例如，如果图1OA和IOB所示的转换器1006、1008是典型的两象限转换器，则它们也将具有与此关联的续流二极管(未图解)。如果电池1002、1004 (图10A)或1020 (图10B)的电压超过DC母线电压，则电池将通过续流二极管放电。诸如图1OC所示的双转换器避免了这种状况。此能力的一个优点在于，DC母线上的电压电平能调制为独立地控制到动力制动栅的功率。
[0129]图11是图解连接电存储单元的一种方式的电气图。具体地说，图11图解了可用于改型现有技术非公路车辆以用作混合能量非公路车辆或用于在制造过程期间安装混合能量系统作为原始设备一部分的系统的电气图。图解的实施例假定，AC柴油机发电的非公路车辆具有四个轮子，一对轮子位于两个车轴等效部件上。单个车轴等效部件的两个轮子109由单独的牵引电动机子系统驱动。但是，在其它实施例中，两个车轴等效部件的所有四个轮子109A和109B可由四个牵引电动机子系统或任何数量的牵引电动机驱动，这一点可根据本发明想象。例如，对于非公路车辆在单个车轴上的两个轮子109A具有用于单轴两个轮子布置的单个牵引电动机子系统并不常见。
[0130]一般地，主要能源具有在大多数工作条件下可用的额外能力(例如功率容量)。这样的额外能力可能由于与设计准则相比较低的实际环境条件所致。例如，某些非公路车辆设计成在高达60摄氏度的环境温度下工作，这一点远高于典型的工作条件。除了热条件以外的考虑也可导致在重要的运行期间的附加容量。例如在典型的非公路车辆中，利用所有牵引电动机仅仅可能是低速以及当非公路车辆工作在固有限制的状况下(不良的牵引条件)所需的。在这种情况下，从动轮109上的重量确定拉力/牵引力。因此，所有可用的轮子/电动机需要被驱动以获得最大牵引力。这一点在非公路车辆在不良牵引条件下(雪、泥或湿)沉重载重的情况下尤其如此。这种条件可能一般仅在一部分操作时间出现。在大多数操作时间，所有牵引电动机/变换器没被完全地利用来提供牵引力。因此，例如，当改型现有技术非公路车辆时，或者制造新的非公路车辆时，有可能利用这种未充分利用的牵引电动机/变换器。
[0131]通过特定实例，图11的实施例配置为，使得两个牵引电动机子系统之一通过转接开关1104和多个电感器1110连接到能量存储单元1102。更具体地说，牵引电动机子系统124B包括变换器106B和牵引电动机1108B。这种结构适合于改型现有技术非公路车辆的单个轮子109。应该理解，改型典型的现有技术非公路车辆需要增加功率转换设备和相关冷却装置。但是，用于安装改型设备的可用空间一般受到限制。因此，图11的“单轮”结构的优点之一是，它倾向于最小化影响，并使得改型更多的可行选择。但是，类似的优点在混合能量系统在制造期间作为初始设备安装时也可得到。
[0132]转接开关1104最好包括接触器的三相集合或一组机动化触点(例如母线)，其在需要所有轮子109A和109B时将变换器106B连接到牵引电动机1108B，并在期望电池充电或放电时将变换器106B连接到电感器1110和电池1102。因此，转接开关1104具有第一连接状态和第二连接状态。在第一连接状态下，转接开关1104将变换器106B连接到牵引电动机1108B。在第二连接状态下，转接开关将变换器106B连接到电池1102。
[0133]转接开关1104最好由开关控制器1120控制。在一种形式下，开关控制器1120是人工接线员控制的开关，它将转接开关1104置于第一或第二连接状态。在另一形式下，开关控制器根据一个工作方案反映控制转接开关1104连接状态的控制逻辑。表I (以下)表现出一个这样的工作方案。其它方案是可能的。
[0134]尽管图11图解了电池1102和转接开关1104之间的三相连接，但不必要使用所有的三相。例如，如果功率要求相对低，则可以仅仅使用一相或两相。类似地，三个独立的电池可以独立地连接(每相一个)，或者一个大电池可连接到两相，同时相对较小的电池连接到第三相。此外，具有不同电压电位和/或容量的多个电池之间的功率传递也是可能的。
[0135]图11的结构在改型现有非公路车辆的环境下特别有利，因为转接开关1104被认为比添加另外的变换器和/或DC到DC转换器便宜得多。但是，这种优点不局限于改型情况。此外，应该理解，图11的结构不局限于每个转接开关结构一个变换器。
[0136]图11还图示了一个可选充电源1130，它可以电连接到DC牵引母线122。充电源1130例如可以是另一个充电能源或者外部充电器，比如参考图5论述的那种。
[0137]图11结构的一般操作将参考转接开关1104的连接状态描述。当转接开关1104处于第一开关状态时，第二轮子109B有选择地用于提供另外的电动机驱动或制动功率。在此开关状态下，电池1102有效地断开，并且因此既不充电也不放电。
[0138]当不需要第二个轮子109B时，开关控制器1120最好将转接开关1104置于第二连接状态一电池1102连接到变换器106B。如果在这时，另一牵引电动机(例如牵引电动机108A)工作在动力制动模式下，则产生电能，并承载在DC牵引母线122上，如在本文其它地方更详细描述的那样。变换器106B将一部分此动力制动电能传递到电池1102进行存储。另一方面，如果另一个牵引电动机工作在电动机驱动模式下，则变换器106B最好将存储在电池1102中的所有电能传递到DC牵引母线122上，以补充由原动机电源104提供的主要电功率。从电池1102传递到DC牵引母线122的这种电能可以称为辅助电功率。在一个实施例中，变换器106B包括斩波电路，用以控制从电池1102到DC牵引母线122的辅助电功率的供给。
[0139]但是，应该理解，电池1102还可以在另一个牵引电动机没有工作在动力制动模式时充电。例如，电池能够在转接开关1104处于第二连接状态(电池1102连接到变换器106B)时充电，并且如果由另一个牵引电动机提取的功率量小于DC牵引母线122上承载的主要电功率量，则另一个牵引电动机发动或者空转。
[0140]有利地，电池1102还可利用来自可选能源1130的充电电能充电。如图11所示，可选能源1130最好连接为，使它提供要在DC牵引母线122上承载的充电电功率。当可选能源1130被连接并提供充电电功率时，开关控制器1120最好将转接开关1104置于第二连接状态。在此配置中，变换器106B将DC牵引母线122上承载的一部分电功率传递给电池1102进行存储。这样，电池1102可以从可选能源1130充电。
[0141]总之，在图11的实施例中，当转接开关处于第二连接状态时，电池1102可以从动力制动能量、从多余的非公路车辆能量(即，当另一个牵引电动机提取比DC牵引母线122上承载的主要电功率量较小的功率时)充电，和/或从来自可选充电源1130的充电电功率充电。当转接开关1104处于第二连接状态并且另一个牵引电动机提取比DC牵引母线122上承载的主要电功率量多的功率时，变换器106B从电池1102将辅助电功率传递到DC牵引母线122，以补充主要电功率。当转接开关1104处于第一连接状态时，电池1102断开，并且牵引电动机1108B可用于帮助电动机驱动和/或动力制动。表1概括了图11实施例的一组操作模式。
表1
一个轴两个轴
低速和低牵引力设置电池充满电&动力制动
「01421--
高速电动机驱动无电池充电&电动机驱动

电池放电&电动机驱动

超高速动力制动
[0143]尽管图11图解了电池形式的储能装置，但还可以采用诸如飞轮系统或者超电容器的其它储能装置，代替或者作为电池1102的附加。此外，应该理解，可以调整图11的结构。换句话说，该结构能应用于不止一个车轴。
[0144]尽管以上描述常常称为AC非公路车辆系统，以描述公开的几个相关方面，但是本发明不应该解释为局限于这样的非公路车辆系统。例如，本公开的各个方面可用于柴油机发电、燃料电池、“全电气化”、第三轨、电车或者架空供电的非公路车辆。此外，本文描述的混合能量非公路车辆系统和方法的各个方面可用于利用DC发电机而非AC发电机及其组合的非公路车辆。此外，本文描述的混合能量非公路车辆系统和方法并不局限于用于AC牵引电动机。如在本文其它地方解释的，本文公开的能量管理系统可用于机车、采矿卡车、大挖掘机等。现在应该理解，本文描述的混合能量系统和方法提供了优于现有技术的实质优点。这些优点包括改进的燃料效率、提高的燃油续航力以及降低的诸如暂时烟尘的排放。其它优点包括通过供给马力突发的按需电源而改进速度。重要的是，本文描述的混合能量非公路车辆系统也可适用于现有非公路车辆系统。
[0145]现在参考图12，给出了没有能量存储器的目前(S卩非混合)的AC非公路车辆的电气图。该电气图类似于图1B所示的，并且是典型的现有技术非公路车辆100的电气图。柴油机102驱动主交流发电机104，其是用于驱动牵引电动机108的主要电源和/或用于给如鼓风机驱动器、散热片驱动器、控制电池充电器、场激励器等各种辅件供电的辅助系统。DC母线122为牵引电动机提供功率。典型地，每个车辆有两个牵引电动机(例如108AU08B)。在制动模式或功率耗散模式期间，牵引电动机系统用作由非公路车辆上的一个或多个转轮驱动的发电机，并产生动力制动电功率，该电功率回到牵引母线122，并通过电阻栅耗散。该耗散使轮的旋转减慢了，并由此使非公路车辆减速或者停止。在此实例中，诸如两位开关DB1-DB3的制动接触器连接一组或多组电阻串，以提供固定电阻的动力制动栅1202 (在下文中称为固定电阻栅)，并且动力制动斩波电路DBCl和DBC2控制另一组电阻串中的功率耗散，以将DC母线电压调节(B卩，可变地控制)为期望水平，并且由此提供可变电阻的动力制动栅1204 (在下文中称为可变电阻栅)。在修改现有非公路车辆以用作混合非公路车辆时遇到约束之一包括现有封装中可用于容纳附加功率电子元件的有限的空间量。
[0146]传统AC非公路车辆系统使用可变DC栅控制(斩波电路)，以便在所有工作模式(即空转、电动机驱动、减速)期间进行精确的电压控制。斩波电路DBCl和DBC2的主要运用为在有效电阻以及得到的流入栅中的功率连续地变化时的动力制动(减速)，以将DC链路调节到它的最大设计电压。换句话说，斩波电路用作辅助开关，它允许经可变电阻栅耗散多余的动力制动电功率，以将DC链路电压维持在它的最大设计电压。最大设计电压下的操作是在高的对地速度下提供全扭矩而没有拉出(pull out)电动机所需的。如本领域技术人员所知的，将电压施加到牵引电动机的频率影响电动机内磁场旋转的速度。电动机内磁场旋转的速度被称为同步速度。同步速度和电动机中转子速度之间的差被称为滑差(slip)，并表示为同步速度的百分比。滑差一般随着扭矩的增加而增大。但是，在滑差增加到超过阈值量之后，扭矩开始减少。这个从全扭矩到减少扭矩的转变被称为拉出电动机。
[0147]另外的高电压操作对降低生热有好处，因为在较高电压下运行降低了电动机中的电流和关联发热。可变栅还用在从电动机驱动到减速的模式转变期间，以降低电压并使跨接在一些固定栅电阻两端的DC栅鼓风机电动机(例如BLl)上的浪涌电流最小化。通过用储能系统替代至少一部分可变DC栅并利用固定栅电阻和/或其它可变栅电阻，这样产生的电能可被捕获，并用于操作牵引电动机和/或辅件，以提高整个系统的燃料效率。换句话说，能够通过修改现有非公路车辆电路以用作混合非公路车辆电路而改进现有非公路车辆的性能。但是，当添加了能量存储所需的另外的功率部件时，诸如由于兼顾封装所导致的谐振、附加热量产生以及漏电感等系统副作用则必须考虑。本发明实现了混合车辆的大部分优点，但是没有添加需要专门封装、附加冷却要求或者引起其它系统副作用的任何功率电子元件。[0148]图13A和13B显示诸如图12所示的当前AC非公路车辆的功率电路及其主要部件的切换细节。如图13A所示，本封装包括绝缘栅双极性晶体管(IGBT)和反相器形式的六个开关(SW1-SW6)，这六个开关连接以形成可变电压可变频率(VVVF)变换器1302以驱动电动机。如本领域技术人员所熟知的，VVVF变换器1302 (例如INV1、INV2)向牵引电动机提供可变电压和可变频率，这是改变感应电动机的速度同时维持通量恒定以获得恒定转矩所需的。VVVF变换器经母线122从整流的三相电源(例如104)接收DC链接电压。
[0149]现在参考图13B，类似的开关(S卩，IGBT开关)用来提供动态切换，以耗散可变电阻栅1204中的多余功率。例如，动力制动斩波电路(DBC)1304包括电容器1305和IGBT开关1306、1308，其尺寸为维持DC母线122上的期望电压。在动力制动期间，电容器1305充电，直到获得期望电压，然后IGBT开关导通，以允许电流流过并在相应的电阻串中耗散。
[0150]图14图解了现有非公路车辆系统中功率电路1400中的功率部件的配置。可以看出，如附图标记1402所示的第一动力制动斩波器DBCl连接到电源的一相，并且如附图标记1404所示的第二动力制动斩波器DBC2连接到电源的不同相。此外，可以看出，该封装包括如1406所示的未用区域，可用于容纳附加的功率器件。
[0151]现参考图15A，给出了用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆系统的改型电路的例示性电气图。在此实施例中，电能存储系统1502替代DBCl 1402和DBCl1402以上的电阻串，并且动力制动双位接触器或开关(DB4) 1504替代DBC2 1404 (参见图12)。储能系统1502包括辅助开关装置1506和存储装置1508，比如电池、超电容器，并且连接到DC母线122，用于捕获或存储由牵引电动机系统在动力制动模式期间和/或在变换器/牵引电动机瞬时产生功率时产生的电能。换句话说，代替控制电阻串中的功率耗散以将DC母线电压调节(S卩，可变地控制)为期望水平，诸如混合斩波电路(HCl)的辅助开关装置1506控制存储在存储装置1508中的功率量，以将DC母线电压调节或限制(即，可变地控制)为期望水平。更具体地说，HCl 1506响应于在牵引电动机系统中在动力制动模式期间产生的电功率，用于有选择地传递一部分功率到储能装置1508，以便存储为辅助功率。特别是，动态开关HCl 1506能够与动态开关DBCl 1402相同，其中标记HCl用来表示动态开关便于能量的存储而非能量的耗散。固定电阻单元的数量和受控单元的数量能够根据功率电平而变化。在此特定实施例中，可变单元加上电池斩波电路的数量限于三个(3)，以便利用诸如图12所示的现有结构(例如O个可变栅和1-3个电池斩波器或者I个可变栅和1-2个电池斩波器或者2个可变栅和I个电池斩波器)。此外，储能系统1502最好配置为有选择地增大提供给牵引电动机的功率，比如以上参考图4所述(例如提供辅助功率)。
[0152]现参考图15B，给出了用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆系统的改型电路的另一个例示性电气图。电气图大致类似于图15A所示，但是其中存储系统1502包括附加的辅助开关装置1510，比如第二混合斩波器(HC2)和附加的存储装置1512。在这种情况下，如图15C所示，功率电路1400中的功率部件布置为使得如1516所示的第一混合斩波器HCl连接到DBCl先前连接的电源的同一相，并且如1518所示的第二混合斩波器HC2连接到DBC2先前连接的电源的同一相。此外，可以看出，封装仍包括未用区域1406，可用于容纳附加的功率器件。
[0153]现参考图16，给出了用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆系统的改型电路的另一个例示性电气图。在此实施例中，电能存储系统1502替代DBCl 1402、与DBCU DBC2 1404串联的电阻串以及具有DBC2的电路中的电阻串。电能存储系统1502包括:第一混合斩波电路HCl 1602，它连接到第一存储装置1604 ；以及第二混合斩波电路HC21606，它连接到第二存储装置1608，用于捕获由牵引电动机系统在动力制动模式下产生的电能。在此实施例中，HCl 1602和第一存储装置1604替代DBCl 1402以及具有DBCl 1402的电路中的电阻串，并且HC2 1606和第二存储装置1608替代DBC2 1404以及具有DBC21404的电路中的电阻串。在动力制动期间，HCl响应于在牵引电动机系统中产生的电功率，用于有选择地将第一部分产生的功率传递到储能装置，用于作为辅助功率存储，并且第二辅助开关装置响应于在牵引电动机系统中在耗散模式期间产生的电功率，用于有选择地将第二部分功率传递到第二存储装置。功率电路1400中的功率部件布置为图15C所示的那样。
[0154]现参考图16，给出了用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆系统的改型电路的另一个例示性电气图。在此实施例中，电能存储系统1502替代DBCl 1402、与DBCU DBC2 1404串联的电阻串以及具有DBC2的电路中的电阻串。电能存储系统1502包括:第一混合斩波电路HCl 1602，它连接到第一存储装置1604 ；以及第二混合斩波电路HC21606，它连接到第二存储装置1608，用于捕获由牵引电动机系统在动力制动模式下产生的电能。在此实施例中，HCl 1602和第一存储装置1604替代DBCl 1402以及具有DBCl 1402的电路中的电阻串，并且HC2 1606和第二存储装置1608替代DBC2 1404以及具有DBC21404的电路中的电阻串。在动力制动期间，HCl响应于在牵引电动机系统中产生的电功率，以便有选择地将第一部分产生的功率传递到储能装置，用于作为辅助功率存储，并且第二辅助开关装置响应于在牵引电动机系统中在耗散模式期间产生的电功率，以便有选择地将第二部分功率传递到第二存储装置。功率电路1400中的功率部件布置为图15C所示的那样。
[0155]现在参考图17，给出了用于修改非公路车辆系统以用作混合能量非公路车辆系统的改型电路的另一个例示性电气图。附加的动力制动接触器(DB4)替代第二动力制动斩波电路DBC2 (参见图12)，但是第一动力制动斩波器DBCl和具有斩波器DBCl的电路中的电阻串仍连接到DC母线122。在此实施例中，电能存储系统1502被添加到现有电路。储能系统1502包括连接到第一存储装置1704的第一混合斩波器HCl 1702以及连接到第二存储装置1708的第二混合斩波器HC2 1706。HCl 1702和HC2 1706有选择地控制分别存储在储能装置1704和1708中的功率量，并连同DBCl —起将DC母线电压调节在期望水平。在此情况下，如图18所示，HC2利用开放和可用的空间1406并连接到电源的第三相。此外，因为DB4替代DBC2，如1802所示的HCl利用之前由DBC2占有的空间并连接到电源的第三相。换句话说，尽管添加了附加的功率部件，但将诸如图12所示的现有非公路车辆电路修改为混合非公路车辆系统是在没有专门封装的情况下完成的。
[0156]现在参考图19，另一个例示性流程图图解了用于诸如图12所示的改型现有非公路车辆推进电路以用作混合能量非公路车辆推进电路的方法。在1902，第一动力制动斩波器DBCl从电路中的第一电阻串断开。在1904，安装接触器(例如两位开关)以替代DBC1。在1906，第二电阻串从第二动力制动斩波器DCB2断开。在1908，安装第一储能装置以替代第二电阻串。在1910，DBC2响应于在牵引电动机系统中在耗散模式期间产生的动力制动电功率，以将一部分产生的电功率传递到储能装置，用于作为辅助功率存储。在1912，存储系统响应于操作者的输入和/或操作条件，有选择地从存储装置将辅助功率传递到牵引电动机系统，以增大主要电功率来在电动机驱动模式下推进非公路车辆。
[0157]尽管以上描述常常指的是AC非公路车辆系统，以描述图12-19的公开的几个相关方面，但本发明可以用于利用DC发电机而非AC发电机及其组合的非公路车辆。此外，本文描述的混合能量非公路车辆系统和方法并不局限于用于AC牵引电动机。如在本文其它地方所解释的，本文公开的能量管理系统可用于采矿卡车、大挖掘机等。
[0158]现在应该理解，本文描述的混合能量系统和方法相对于现有技术提供了实质的优点。这些优点包括改进的燃料效率、提高的燃油续航力以及降低的诸如暂时烟尘的排放。其它优点包括通过为马力突发提供按需电源而提高速度。重要的是，本文描述的混合能量非公路车辆系统可适用于现有非公路车辆系统。
[0159]当介绍本发明或者它的实施例的元件时，冠词“一个”、“该”以及“所述”用来表示存在一个或多个元件。术语“包括”、“包含”和“具有”用于表示包括在内的以及表示可能存在除所列元件之外的附加元件。
[0160]鉴于以上所述，可以看出，实现了本发明的几个方面，并且获得了其它有利结果。
[0161]由于在不背离本发明的范围的前提下可在以上例示性构造中进行各种变化，因此，在以上描述中包含的或者在附图中显示的所有内容应该解释为说明性的而非限制意义。进一步理解的是，本文描述的步骤不应视作必需要求它们以所述或所示的特定顺序执行。还应理解，可采用附加或备选步骤。
【权利要求】
1.一种改型系统，用于与现有非公路车辆的推进电路结合以使所述推进电路能够作为混合能量非公路车辆推进电路工作，所述现有推进电路具有:功率转换器，由提供主要电功率的引擎驱动；耦合到所述功率转换器的牵引母线，用于承载所述主要电功率；接收所述主要电功率的至少一个牵引电动机，所述牵引电动机具有电动机驱动操作模式和功率耗散操作模式，其中所述牵引电动机响应于在所述电动机驱动模式期间在所述牵引电动机接收的电功率旋转所述车辆的至少一个轮子以推进非公路车辆，并且其中所述牵引电动机产生动力制动电功率，所述动力制动电功率被返回到所述牵引母线，并在所述牵引电动机正工作在其功率耗散模式时耗散；电阻系统，用于耗散在所述功率耗散模式期间在所述牵引电动机中产生的电功率，所述电阻系统包含至少两个电阻器栅电路，所述系统包括: 电能存储系统，除了所述两个电阻器栅电路以外还耦合到所述牵引母线，所述能量存储系统包含电功率存储装置，所述电功率存储装置用于将在所述功率耗散模式中由所述牵引电动机产生的动力制动电功率作为辅助电功率存储，并且用于在所述电动机驱动模式中将存储的辅助电功率从所述存储装置传送到所述牵引电动机以便增大推进所述非公路车辆的所述主要电功率。
2.如权利要求1所述的改型系统， 其中，所述电阻系统包括电阻栅，所述电阻栅用于在所述牵引电动机正工作在所述功率耗散模式时耗散所述动力制动电功率的一部分，并且 其中，所述电能存储系统包括: 耦合到所述牵引母线的第一存储装置，用于存储电功率；和 响应于在所 述功率耗散模式期间在所述牵引电动机中产生的动力制动电功率的第一辅助开关装置，用于调节功率耗散并且通过将过量动力制动电功率作为辅助功率存储在所述第一存储装置中来维持直流母线电压在预期电压量。
3.如权利要求2所述的改型系统， 其中，在所述牵引电动机正工作在电动机驱动模式时辅助功率被有选择地从所述第一存储装置传送到所述牵引电动机，以增大所述主要电功率并帮助推进所述非公路车辆。
4.如权利要求3所述的改型系统， 其中，所述电能存储系统还包括: 耦合到所述牵引母线的第二存储装置，用于存储电功率；和 响应于在所述耗散模式期间在所述牵引电动机中产生的动力制动电功率的第二辅助开关装置，用于有选择地将所产生电功率的第二部分作为第二辅助功率传递到所述第二存储装置。
5.如权利要求4所述的改型系统， 其中，在所述牵引电动机正工作在电动机驱动模式时辅助功率被有选择地从所述第二存储装置传送到所述牵引电动机，以增大所述主要电功率并帮助推进所述非公路车辆。
6.如权利要求2所述的改型系统， 其中，所述电能存储系统还包括: 耦合到所述牵引母线的第二存储装置，用于存储电功率；和 响应于在所述耗散模式期间在所述牵引电动机中产生的动力制动电功率的第二辅助开关装置，用于有选择地将所产生电功率的第二部分作为第二辅助功率传递到所述第二存储装置。
7.如权利要求6所述的改型系统， 其中，在所述牵引电动机正工作在电动机驱动模式时辅助功率被有选择地从所述第二存储装置传送到所述牵引电动机，以增大所述主要电功率并帮助推进所述非公路车辆。
8.如权利要求1所述的改型系统， 其中，所述非公路车辆沿倾斜载重运输道路行驶，并且 其中，所述能量存储系统被携带在所述车辆上，并将捕获的电能传递到所述牵引电动机，以在电动机驱动模式期间帮助推进所述非公路车辆，并捕获电能在所述电能存储系统中，所述电能是在所述牵引电动机工作在电动机驱动模式时由于碰撞以及在所述运输道路上遇到的其它崎岖地面而瞬间产生功率时产生的。
9.如权利要求8所述的改型系统， 其中，所述非公路车辆在所述倾斜载重运输道路上往上并且往下行驶，并且 其中，所述能量存储系统在所述车辆的往上行驶期间将捕获的电功率传递给所述牵引电动机，并且在所述车辆的往下行驶期间捕获在所述功率耗散模式中产生的动力制动电功率在所述能量存储系统中。
10.如权利要求8所述的改型系统， 其中，基本上所有捕获的电能可用于所述非公路车辆在所述道路上的推进使用。
11.如权利要求1所述的改型系统， 其中，所述能量存储系统包括电池系统。
12.如权利要求1所述的改型系统， 其中，所述能量存储系统包括飞轮系统。
13.如权利要求1所述的改型系统， 其中，所述能量存储系统包括超电容器。
【文档编号】B60K6/44GK103770659SQ201410042153
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2005年8月4日 优先权日:2004年8月9日
【发明者】A.K.库马, H.T.杨 申请人:通用电气公司