专利名称：带有取决于电池充电状态的可变效率的回收制动的电动车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使混合型电动车辆的运行及特性更加简单而有效的装置和方法。
混合型电动车辆被看作是实现低排放的最切实有效的方法之一。一部混合型电动车辆包括向牵引电机提供电能的牵引电池组，牵引电机用来驱动车辆的车轮。混合型电动车辆的“混合”之处在于它使用称作次级或附加的电源，在车辆行驶中向牵引电池充电。这个次级电源可以是太阳能板、燃料电池、由内燃机驱动的发电机或其它任何形式的电源。当用内燃机来作为次级电源时，一般选用相对较小的发动机，油耗和污染都相对较小。随之而来的优点是，这样一个小的发动机能够工作在一个相对较小的转速范围内，因此发动机的排放能够控制在最优。这里的“初级”和“次级”都是用来描述仅仅与工作中能量分布的方式有关的电源，与其对于本项发明的重要性无关。仅由电池提供能源的电动车辆具有这样的缺点，即当车辆远离充电站时，电池就有可能将电能放尽；或者即便车辆经过一天的使用顺利回到车库后，电池仍然需要充电。混合型电动车辆较纯电动车辆具有一个显著优点，即在其行驶的过程中能够向电池充电，因此一般不需要外部充电。这样，混合型电动车辆可以象普通内燃机车辆一样行驶，只需要补充燃油。混合型电动车辆的另一个主要优点是它单位里程的燃油经济性好。燃油经济性得益于它回收动力制动能量，将车辆的动能转化(至少部分地转化)为电能，并存入电池中。据研究，在城市道路行驶的车辆其制动能量的损失占所有摩擦损耗的一半。将这50％的能量回收并存入电池中以备后用，使得由消耗燃油的内燃机驱动的发电机可以选择较不带制动能量回收时更小的次级发电机。结果，小的次级电源使单位时间或单位里程的耗油量更小。同时，混合型电动车辆的另一个优点是，在上述条件下，车辆加速时所能使用的功率是电池所能提供的最大功率与次级发电机所能提供的最大功率之和。当发电机由柴油机拖动时，电池功率和柴油机功率相结合，向车辆提供强劲的驱动力而不会降低车辆的燃油经济性。
在混合型电动车辆具有经济上和环保方面优势的同时，它还必须使用起来方便，具有与常规内燃机车辆相似的操纵及其响应，以便被广为接受。
发明中的一个方面，提供了操纵电动车辆的一种方法，其中电动车辆包括一个与该车辆至少一个驱动轮相连以驱动它并且将车辆制动时的动能转化为电能的牵引电机，该方法包括以牵引电机作为发电机使用时的最大效率，在电池处于未充满的第一充电状态时，将车辆制动时牵引电机产生的能量几乎全部充入电池的步骤。其它步骤包括当电池的充电状态处于第一充电状态与全充满状态之间的某一状态时，调整牵引电机的效率到最大和零之间的某一值，将制动时部分可利用的能量通过牵引电机充入电池；当电池达到充满电的状态时，将牵引电机的效率尽可能地调整到接近于零的值，以使通过牵引电机充到电池的电量降低到最小。在本发明该方面的一具体形式中，调整用作发电机使用的牵引电机的效率的步骤包括改变牵引电机的转差频率的步骤。在本发明该方面的另一具体形式中，调整用作发电机使用的牵引电机的效率的步骤包括改变牵引电机中励磁线圈或励磁线圈状线圈中的电流。在本发明该方面的再一具体形式中，调整用作发电机使用的牵引电机的效率的步骤包括让直流电通过牵引电机的一个线圈。
图1是描述发明的一电动车辆的简化模块图，包括一个根据发明中控制策略工作的指令控制器和一个功率控制器；图2是描述图1中功率控制器所执行的一些功能的简化模块图；图3a和图3b分别为充入牵引电池的回收能量随牵引电池充电状态的变化与由于回收产生的牵引力随电池充电状态变化的示意图；图4描述图1和图2中指令控制器按照图3a及图3b所示工作的流程图；图5为按照图1所示，动力牵引系统随着电池充电状态的变化，向车辆的牵引电机所能提供牵引功率的示意图；图6描述图1和图2中指令控制器按照图5所示工作的流程图；图7a为电动机或发电机以扭矩作为参数时，功率随转速的变化；图7b描述了电动机或发电机的功率是如何控制的；图8是描述根据牵引电池的充电状态控制辅助电源发电量的控制环路或配置图。
在图1中，电动车辆10包括至少一个与交流牵引电机40相连的驱动车轮12，该交流牵引电机40在本发明的一实施例中为一三相交流电机。电机40更宜选择一部可交替使用的电动机-发电机，这样车辆的动能在制动过程中可以转化为电能。功率控制器40通过功率控制路径与牵引电机14、牵引电池20以及图中所示的辅助电源16相连。如模块16所示，辅助电源可以由柴油机18驱动发电机22组成，也可以用燃料电池24。模块50代表的指令控制器通过信息路径与功率控制器14、辅助电源16以及牵引电机40相连，并通过控制策略指挥它们工作。
一种最常用并且最经济的电池是通常的铅/H2SO4，它可贮存相对较高的能量。如果能采用某些措施有效地防止电池在充满电的情况下继续充电以便防止电极上析气和不必要的发热、避免硫化现象的产生，则这种电池较为适合电动车辆使用。
图1中，车辆10的显示与操作控制如模块30所示。模块30通过双向数据线31与指令控制模块50相连，将驾驶指令传到指令控制器50，由指令控制器50转化为适当的指令传输到各种功率器件，如功率控制器14、辅助电源16和牵引电机40。模块30还通过路径32与制动器36a和36b相连，以通过与制动踏板相连的常规液力制动系统直接控制所述的摩擦制动器。
图2表示图1中功率控制器14的某些器件与图1中其它器件的相互连接。尤其是，功率控制器14包括一个与辅助电源16相连的整流器26，(必要时)将辅助电源输出的交流电整流为直流电。
功率控制器14还包括一个双向驱动控制系统，包括一个与电池组20、整流器26以及牵引电机26交换能量的直流-交流逆变器28。逆变器28、辅助电源16以及牵引电机40如上所述由指令控制器50控制。需要注意，除了直流-交流逆变器28，驱动控制系统还包括电压和电流传感器，用来测量电动机/发电机、电池组及辅助电源的工作参数。
按照图1、图2的示意图工作时，指令控制器50通过脉宽调制命令控制逆变器28的各个开关(图中未注)，结果在逆变器上与牵引电机40相连的28m端口产生具有所选频率和幅值的近似交流电压。在本发明的一优选实施例中，逆变器采用场效应指令型(FOC)，同样地，牵引电机是一个FOC的感应式电机。提供来驱动牵引电机40的交流电频率和幅值根据电机的转速来选定。一般地，随着牵引电机40转速的提高，电机的反电动势(EMF)增加，逆变器就要随着交流电频率的增加而产生(通过指令控制器50的控制)幅值有所增加的大交流电压，以维持同样的牵引电机驱动电流。电机以与逆变器输出频率相同的指令频率运转。同样是在图1、图2所示的电动车辆的基本操作中，动力制动和摩擦制动同时进行。在车辆减速时，优选动力制动，因为车辆运动所固有的动能能够被作为发电机工作的牵引电机重新回收。在动力制动进行的过程中，图2所示的按照第二或回收方向工作的直流-交流逆变器28将牵引电机40产生的交流电转化为直流电，并充入牵引电池中。更进一步地，当电动车辆为混合型电动车辆时，还包括有辅助电源16。辅助电源能够根据指令控制器50的指令，在车辆行驶过程中向电池充电，以提供驱动所需的部分能量。
已经注意到，当在使用动力制动的正常模式下操作电动车辆，并且此时电池处于充满状态时，动力制动可能会向已经充满的电池充电。铅酸电池具有这样的特点，如果此时向充满电的电池充电，电池的电压会急剧上升。例如，充满电时，标称12V的电池开路电压为13V，而充电时的电压可能升高到16V。因此，通知指令控制器电池出现了过充的现象。为了保护电池，指令控制器使动力制动时产生的能量与电池断开，电池电压会很快降低到全充满电时的开路电压值。这又使动力制动控制器再次开始向电池提供能量直到过压控制起作用。指令控制器的这种环路特生使得动力制动间歇性地以脉冲的方式工作，产生可以察觉得到的制动嚓嚓声，同时在脉冲间隔中电池趋于过充电。过充电和嚓嚓声都是我们所不希望的。
图3a和图3b一同描述了按照发明一方面的控制策略，其允许从动力制动的间歇工作中输出的能量全部回收或返回牵引电池中，而此时电池的充电状态要小于全充满时的充电状态，并且在牵引电池的充电状态介于所述充电状态和全充满状态之间时，以这样的方式逐渐减小从动力制动获取回收能量的比例，其中该方式是已有的充电状态相对于预定充电状态与全充满电状态之间的差值的响应或函数。在本发明的一实施例中，上述关系是单调的，并且可能是线性的。图3a中曲线310表示依照本发明一方面的一控制策略作为牵引电池的充电状态的函数的回收量。尤其，图中的310定义了我一恒值的部分312，该恒值表示100％的回收，或者尽可能接近100％的回收。在电池全充满时，从动力制动回收的能量降低到近于零或尽可能接近于零。
曲线310代表的控制策略还包括一第二部分314，它从电池处于某一预定的称为“第一”充电状态时的100％回收单调地降低到电池处于全充满状态时的零回收。对车辆的回收牵引或制动作为牵引电池充电状态函数的影响见图3b中的320。在图3b中，320包括第一部分322，该部分以一恒定值延伸，其中所述恒定值表示从低充电状态到牵引电池的“第一”充电状态的最大回收牵引。图3b中曲线320的第二部分324代表回收的牵引，其从“第一”充电状态时的100％单调地下降到全充满时的0％。虽然曲线310和320中的314、324部分分别表示为线性地减小，但只要314、324部分是单调的即足以实现控制目的。这种动力制动的单调递减不会为驾驶员所察觉，这是因为电池充电状态的变化是缓慢的，因此回收制动量的改变也是缓慢的。随着回收制动能量的缓慢变化，逐渐采用摩擦制动以填补动力制动力与实际所需制动力之间的差值。这也会降低在采用仅仅为了防止电池过充而只在电池全充满时才停止回收的那种控制策略时所明显产生的嚓嚓声。
图4是一个简化的流程图，它描述了控制策略400如何控制图1中的处理器50，使系统按照图3a和图3b所示的性能进行工作。在图4中，逻辑从起始模块410开始，进入模块412，该模块代表对牵引电池组(图1中的20)的温度、电压、电流以及测试时间等参数进行监测。这些参数可以以一定的时间间隔采集，如每经历一次图4的逻辑循环就对参数进行一次记录。逻辑流程从模块412进入414，模块414代表通过计算进入电池和流出电池的电量，来估计牵引电池的充电状态。充电量以安培计。一旦对牵引电池的充电状态进行了估计，逻辑流程便进入一个选择模块416，这里将当前估计的牵引电池充电状态与图3a、图3b中“第一”充电状态所代表的预定充电值相比较；如上所述，这个充电状态小于全充满状态。如果选择模块416发现牵引电池充电状态的估计值小于“第一”充电值，则选择“是”路径，进入代表利用全部回收制动能量或功率的418模块。418模块的反应可能是，例如在车辆制动时，调整牵引电机的励磁电流(工作在发电机模式)以便使电机的电力输出最大。需要注意的是，某些种类的电机/发电机没有特殊的线圈，但是具有若干替代线圈，其中一个线圈中具有所需的由另一线圈中的控制电流所引发的感应电流；产生励磁电流的方式与本发明无关，只要足以产生所需的电流量即可。从模块418，逻辑路径又回到模块412，开始新一轮循环。当混合型电动车辆工作在这种状态时，由于向能量贮存系统连续地注入能量(通过辅助内燃机/发电机的工作)，使牵引电池总是处于更充满的状态，其中所述能量贮存系统包括牵引电池与车辆的运动。
最终，牵引电池的充电状态会超过图3a和3b所示的“第一”充电状态。此时，代表图4中逻辑循环400的图1中控制器50的循环策略要发生变化，逻辑流程不再走选择模块416中的“是”路径，而是走“否”路径。从模块416的“否”路径，逻辑流程进入模块420，即以与当前充电状态相对于满充电与图3a、3b的“第一”充电状态之差的反比关系来降低从车辆动能转化为电能的回收能量的大小。这样，如果当前充电状态为图3a和图3b中Cc所示的“第一”充电值与充满值之间的70％，则允许向电池回收和充入30％的电能。当电池当前的充电状态达到100％时，允许充入电池的能量为0％。如上所述，对牵引电机作为发电机使用时回收能量的控制可以仅通过调整场效应交流励磁电流电机的命令的驱动扭矩来进行。在本发明的一个实际例子中，为了控制作为发电机使用并向牵引电池充电的电机的功率输出，电机的扭矩随转速成比例地降低。
前面整个描述了图4中按照电池的充电状态对制动能量回收的控制。这就意味着将牵引电机作为发电机使用时，产生的车辆制动力在制动过程中逐渐减小。电动车辆采用制动能量回收的一个优点是，摩擦制动不需要承担全部的制动力，因此其在设计和结构上可以利用制动负荷小的优势，在结构上设计得更轻巧。按照图4的策略，动力制动在电池的某一充电状态下要降低。按照该发明另一方面所述，为了提供回收制动降低后额外的制动力，图4中的逻辑流程从模块420进入422，这表示牵引电机作为发电机使用时的效率将降低。这种降低可以通过调整电机的转差率或/和励磁线圈中的电流来实现(最好调整两者)。从图4中的模块422，逻辑流程又回到模块412，又开始了逻辑流程400新一轮的循环。
如前所述，车辆运行时的嚓嚓声和性能的波动归因于防止电池充满电时的进一步充电。一个相似的情况发生在电池接近耗尽时车辆的加速工况。当图1所示的车辆10加速时，牵引电池20和辅助或次级电源16(内燃机/发电机组)同时向牵引电机40供电。结果，牵引电机40得到了牵引电池20的最大输出能量与辅助电源16的最大输出能量的总和。这在城市道路上行驶的车辆非常合宜，它们常常需要瞬时的大功率来保证大的车辆加速度。不过某些情况下，牵引电池因充电状态达到视为耗尽的状态而处于保护状态，不能再放电时，也会出现嚓嚓声的现象。当车辆长时间处于如通过陆地分叉(Continental Divide)这样的爬坡工况时，这种嚓嚓声就会出现。如果车辆爬坡所需的能量超过了辅助电源16所能提供的能量，电池就要持续地放电，最终达到视为“耗尽”的状态。此时，如果牵引电池的控制器仅仅切断与牵引电机回路的连接，则提供给牵引电机的电流会突然减到辅助电源16所能提供的能量水平，结果，牵引功率突然变化，车辆的车速突然降低。不过，牵引电池停止向电机供电又使电池电压迅速恢复到没有负荷的状态。如果控制器将此电池电压上升的信息解释为牵引电池仍然能够使用，那么它会重新将牵引电池与牵引电机的回路接通，由此再从牵引电池提供额外的牵引力，不过依然会使电池的电压再度下降。专业人员将此称为波动状态，它使车辆爬坡时不断发出“嚓嚓”声而费力地前进。
这里有一点需要指出，为了保证电池的寿命，上文所述全部耗尽的电池仍然保留了一定量的电能，这是因为如果放电程度过大，这些电池的寿命会显著地下降；这样，电动车辆用电池在认为其电能已经全耗尽时，仍然残留有一定的电荷。混合型电动车辆中，辅助电源持续地提供能量，如果驱动车辆所需的功率小于辅助电源提供的能量，就可以用来向牵引电池充电。控制策略允许辅助电源和牵引电池一同向牵引电机供电。当牵引电机需要的功率超过辅助电源所能提供的功率时，牵引电池放电，导致电池的电压降低。当牵引电池接近全耗尽状态时，由于放电而形成的电压降低可能会触发电池保护，使电池停止放电。根据控制策略停止放电，又会使车辆由辅助电源单独供电，牵引电池的电压又会回升。当电池电压回升后，控制策略不再认为电池放电，又允许电池放电。反复接通、切断电池与电机的回路构成了控制系统的波动。这种波动导致牵引力以控制系统的波动率变化，而且会为车辆的驾驶人员所察觉。
按照发明中的另一方面，控制器50根据牵引电池的充电状态控制从电池排出的能量。这避免了上述“嚓嚓”声情况的发生，使得车辆在爬坡时随着电池充电状态的降低而逐渐地降低车速。图5描述了曲线500，它代表按照发明的这一方面实现控制的结果。图5中，提供给车辆的牵引功率是根据电池的充电状态而定的。曲线500中的510部分，表示辅助电源持续地输出相对较低的电能。曲线部分510从某—低于名义耗尽的状态延伸到名义耗尽状态的“低充电状态”点，该点是牵引电池的名义耗尽状态。在曲线512所代表的工作区，提供给车辆的牵引功率相对较高，代表了电池与辅助电源的功率总和。512代表的最大功率值从被称为“第一”的充电状态延伸到全充满状态。在电池处于“低充电状态”与“第一”充电状态之间的514部分时，牵引功率的大小依赖于牵引电池的充电状态。这种控制策略的效果是，允许系统以全部牵引功率工作一定的时间，直到电池部分地放电到“第一”的充电状态。当电池的充电状态降到略低于“第一”充电状态时，电池向电机提供的功率以一种不为所察觉的程度稍微降低。在略低于图5的“第一”充电状态的一点处的该稍微降低使牵引电池的放电率降低。如果坡道很长，牵引电池的电荷有可能进一步放电。随着电池进一步放电到图5所示的“低”与“第一”之间的充电状态，电池向牵引电机提供的电能相对更少，结果使车辆的速度进一步降低。对于一个非常长的坡道来说，牵引电池的充电状态将最终达到名义上全耗尽的“低”充电状态。当电池达到这种状态时，牵引电池再也不能释放电能，除非电池以其它方式放电，如车辆或它的使用者遇到特殊的危险情况而放弃电池的紧急过放电保护。一般地，电池的充电状态不会延伸到低于“低”的充电状态而进入曲线部分510。在图5所示的控制策略中，牵引功率曲线上没有任何一点出现突然的跳跃。当电池的充电状态略高于“低”充电状态点，并且使车辆从辅助电源过渡到全功率操作时，牵引电池提供的功率已经非常小，车辆的驾驶员是不会察觉出其变化的。
图6是一简化的流程图，描述了图1的控制器50的逻辑部分600，该部分提供了根据图5的曲线500所进行的控制。图6中，逻辑从起始模块610开始，进入612模块，象图4中模块412那样读取电池的特性参数。从图5中的512模块开始，逻辑流程进入614模块，如同图4中描述的那样估计电池的充电状态。图6中的选择模块616判断当前充电状态是否在图5的“第一”充电点以上，如果当前电池的充电状态大于“第一”充电值时，逻辑流程走“是”路线。从选择模块616中的“是”进入到618模块，代表向牵引电机提供全部所需的驱动功率。这通过图7a和图7b所示逆变器的控制软件中取消功率限制来实现，要注意，此时的辅助电源被看作是一个功率源，而电池和电机/发电机依靠逆变器的工作可能是功率源，也可能是功率接受器。从模块618，逻辑流程又流回模块612，开始新—轮的循环。一般地，当车辆在电池近于充满电的情况下开始运行时，只要牵引电池的充电状态超过图5所示的“第一”值，逻辑流程则按照图6中612、614、616和618的环路循环。
当车辆爬长坡时，牵引电池的充电状态会最终降低到等于或小于图5所示的“第一”充电状态点。此时，图6中的下一个逻辑循环将从模块616中的“否”流出，进入模块620。模块620代表从牵引电池向牵引电机供给的功率量的降低，这一降低量取决于牵引电池当前的充电状态相对于图5中的“第一”与“低”充电状态之差的大小。例如，如果牵引电池当前的充电状态降到图5所示“第一”值以下的“当前充电状态”，即介于“低”和“第一”值之间9/10的位置，则控制器50控制电池所能提供的功率，使电池向电机提供所能提供全部功率的90％，该全部功率由曲线部分512表示。换言之，既然如图5所示，按照“当前充电”状态，只占供给电池的全部牵引功率的90％，那么电池向牵引电机提供的电池功率就降低到90％。虽然没有要求图5中的514部分必须线性地下降，但是514部分单调变化时的控制系统会来得简单些。从图6中620模块，逻辑流程进入选择模块622，即将牵引电机所需的功率与来自于辅助电源的功率进行比较。如果牵引电机所需的功率超过辅助电源所能提供的电能，则电池放电，选择模块622从“是”路线输出。从622模块的“是”路径，逻辑流程进入模块624，即增加辅助电源的输出功率到最大值。从624模块，逻辑流程进入626选择模块。选择模块626将电池当前的充电状态与图5所示的“低”充电状态相比较。如果充电状态在“低”充电状态之下，说明电池不能继续放电以防止电池损坏，逻辑流程从“是”路径离开模块626进入路径模块628。628模块代表通过场效应(FOC)控制来限制牵引电机的功率到辅助电源所能提供的值，这个值可用电压乘以电流来得到。从628模块，逻辑流程通过630路径又回到612模块，开始如图6所示新一轮的循环。如果选择模块626检查牵引电池的充电状态时，发现当前充电状态大于图5所示的“低”充电状态，逻辑流程从“否”路径离开选择模块626，不经过628模块而经由路径630直接回到612模块。这样，当牵引电池中有相当多的未用电荷时，图6中的控制策略允许使用电池中的电能。如果在图6中的控制策略中，选择模块622发现牵引车辆所用的功率不大于辅助电源16所产生的功率时，逻辑流程从“否”路径离开622模块，经630路径回到612模块，开始新一轮的循环；这条路径绕过了增加辅助电源的输出到最大值的过程。
图7a表示电机(或发电机)不同的功率710a、710b、710c…710N随转速的变化曲线。图7a中，曲线710a、710b、710c…710N具有一段共同的斜坡段712。电机或发电机的功率是扭矩与转速的乘积。在零转速时，不管扭矩多大，功率为零。当扭矩恒定转速增加，例如如图7a的曲线所示而增加到一速度ωbase时，功率也增加。在ωbase以上的频率时，电机/发电机由于发热或其它原因，其功率功率被设计成不再增加。结果，在最大扭矩时，逆变器的控制策略限制电机/发电机的功率在图7a中的710a上。如果扭矩小于最大扭矩，则电机以比ωbase略低的转速达到最大功率，如图7a中的曲线710b所示。图中的曲线710c代表更低的扭矩，而最低的曲线710N代表维持数字控制系统的最低扭矩。控制系统根据转速将电机产生的扭矩限制在一定的范围内，以防止电机在最大限值以上的范围工作。扭矩的限值可以简单地用最大功率除以当前电机的转速来获得扭矩限值=最大功率(Pmax)/转速所计算得到的扭矩的限值使得功率曲线限制在图7a中710a和712以内。如果功率被限制在较最大功率(Pmax)小的数值上，电机的功率曲线相应地处于图7a中710a、710b、710c…710N之一的位置。图7b简要描述了扭矩指令与功率限制器之间的关系。在图7b中，向限制器模块714施加扭矩指令，以调整到达场效应控制(FOC)逆变器28的扭矩指令(限制的扭矩指令)的大小，从而将功率限定到曲线716以下。曲线716描述了选择的或设定的功率P除以转速得到的扭矩与速度的关系。这样，场效应控制逆变器通过控制考虑到转速的扭矩来控制电机的功率。所述扭矩可以是牵引或驱动力矩，或者也可以是制动力矩。当要求电机作为发电机向电池提供的功率流受到控制时，适当的场效应控制指令会用来实现上述要求。
图8中，要求的扭矩或称扭矩指令来自于一个电子加速器(图中未示)并通过路径810进入乘法器812中的第一个输入端口，乘法器812还同时从连接第二输入端口814的传感器(图中未示)获取检测到的车速信号(如果车辆安装多档位变速箱时，则获取牵引电机的转速信号)。乘法器812将电机转速与命令的扭矩相乘，产生代表施加给牵引电机的命令的功率的信号。模块816将命令的功率放大常数k倍，必要时，将信号转换为代表命令的功率的瓦特值信号Pc。以瓦特表示的代表指令功率的信号Pc从模块816进入到模块818，将命令的功率被电池的电压除，得到代表牵引电机命令的电流值(IC=P/E)的一信号。牵引电池的电压可以用来指示牵引电机的电压，这是由于整个系统的电压与电池的电压是一致的。表示命令的电流的信号IC通过信号路径819流向图1所示的指令控制器50的一部分，以通过产生所需的电流来实现对场效应控制逆变器28和牵引电机40的控制。代表命令的电流的信号IC通过如图中模块820所示的放大回路从818模块进入一个故障信号发生器822中。放大回路820的作用在下面作以解释，但是它实际上导致电机的命令的电流IC被转化为发电机的命令的电流IG。故障信号发生器822通过从发电机的命令的电流IG中减去从信号路径824回收的代表测得内燃机/发电机组输出电流的一反馈信号，获得一个故障信号。故障信号发生器产生的故障信号被施加给一环路补偿滤波器(该滤皮器可以是一简单的积分器)，来产生代表辅助电源16，更具体地说是柴油发动机18的命令的一信号。柴油发动机18驱动发电机22，产生通过导线832流向图1所示的逆变器28的交流输出电压。由圆834表示的一电流传感器连接到输出导线832上，以检测发电机的电流。图8中的模块822、826、18、22和824共同组成了一闭环回路，使发电机22产生的输出电流等于由控制信号IG经故障发生器调整后确定的值。选用环路补偿器826来预防柴油发动机的转速变化过快，这可能产生过多的污染排放。
如前所述，图8所示的布局设计产生信号IC，其控制牵引电机的电流以进一步控制车辆的运动，同时产生信号IG来控制辅助电源中发电机22的电流。图8中，代表电池所需充电状态(SOC)的信号可在求和回路850中的反相输入口获得。代表当前电池充电状态的信号自显示电池充电状态SOC的模块852进入求和回路850的反相输入端口。SOC模块852接收表示电池的电压、温度以及电流的信号。一般地，电池的充电状态简单地用输入、输出电流之差对时间的积分获得。SOC模块852将电流的净安培数积分得到充电的安培小时数。求和回路850向信号路径854发出一代表电池要求或命令的充电状态与实际的充电状态之差的故障信号，来表示电荷的过多或不足。故障信号被加到环路补偿滤波器856上，通过将故障信号进行积分运算，产生总的故障信号。总的故障信号随时间缓慢地变化。故障信号通过限定器858作用于模块820。特别是，当总的故障信号作用于放大模块820时，选择适当的放大系数使电机的命令的电流IC放大到发电机的命令的电流值。限定器858仅仅从模块856限制总的故障信号，使得放大模块820的放大系数的范围被限制在0和1之间。这样，发电机的命令的电流IG就不会大于牵引电机的命令的电流IC，但是可能根据限定器858限制的总的信号使电流下降，并且发电机的命令的电流IG的值有可能降低到零。
牵引电池的充电状态应小于全充满状态，这样在不因过充而损坏电池的前提下可以回收制动产生的能量。因此，所设定的SOC点就应小于全充满状态。图8所示设计的操作可以用以下例子解释，假设环路补偿滤波器856正常的积分器中输出值为0.5V，介于限定器858允许的最大值1.0V和最小值0.0V中间。总的故障信号值(限定器858所限定)可以看作是放大回路820放大牵引电机命令的电流的放大系数。这样，值为1.0的总故障信号使得牵引电机命令的电流IC由信号发生器822以全系数传输，0.5的值使发电机的命令的电流IG以牵引电机的命令的电流IC一半的系数传输。在图8所示设计布局下，当牵引电池的充电状态超过所需的值时，故障信号发生器850从设定点的值减去代表高充电状态的一大信号，形成一个为负值的差值或故障信号。环路补偿滤波器856中的积分器将负值信号进行积分，将环路补偿积分器中输出的净积分信号从0.5V的“正常”值降低或使其变为负值，例如可能降低到0.3V。既然0.3V的总故障信号值在限定器858允许的范围内，总的故障信号就仅流过限定器858，调整放大环路820，以便使牵引电机的命令的电流IC乘以系数0.3而非“正常的”0.5来产生发电机的命令的电流IG。这样，电池的充电状态大于所希望的设定点时，会减小发电机的平均输出功率。同样地，当充电状态低于所希望的设定点时，图8中自模块852到故障信号发生器850反相输入口的信息较所需SOC的信号为小幅值，结果在故障信号发生器850的输出端发出正的故障信号。与环路滤波器856相连的积分器将此正的输入信号进行积分，产生总的输出信号，将系数增加到“正常”值0.5V之上的某一值，如0.8V。既然这个值在限定器858允许的范围内，这个0.8V的总故障信号就被不加修改地传递到放大回路820。0.8V的总故障电压使放大回路820中表示牵引电机的命令的电流IC被0.8乘，因此发电机的命令的电流IG值就比以前大。将牵引电池的充电状态减小到预设值之下的结果是增加发电机22的平均功率输出，也就增加了向电池充电的程度。专业人员明白上述总的故障信号的“正常值”在实际中并不存在，但是对于理解控制系统的工作会很有帮助。
这样，按照发明中的一个方面，图3a、3b和图4给出了一种操作电动车辆(10)的方法，在这部车辆中，一部牵引电机(40)与车辆(10)的至少一个驱动轮(12)相连，并且该方法在制动时将车辆(10)的动能转化为电能。方法包括步骤(312,418)，当电池(20)在低于全充满状态的第一充电状态(介于图3b所示低充电状态和第一充电状态之间)时，如果车辆制动，系统以牵引电机(40)作为发电机使用时的最大效率将电机产生的全部电能充入电池。方法还包括步骤(324,422)，当电池的充电状态介于第一状态和全充满状态之间的充电程度(Cc)时，调整电机(40)的效率η到介于最大效率和显著降低的效率之间的某一中间值，在车辆制动时，将电机发出电能的一部分充入电池中；在电池(20)的充电状态接近于全充满时，将电机(40)的效率调整到尽可能地接近于零(尽可能低于80％的效率)，将尽可能少的电能充入电池(20)。更具体地讲，调整将牵引电机作为发电机使用时的效率的步骤(422)，包括改变牵引电机的转差频率。发明中的具体方式是，通过改变牵引电机(40)励磁线圈(40f)的电流来调整牵引电机(40)的效率。再一具体方式是，通过在牵引电机(40)的线圈(40a,40b,40c；40f)中通以直流电来调整牵引电机(40)作为发电机使用时的效率。
权利要求
1．一种操纵电动车辆并将其在制动过程中的动能转化为电能的方法，其中该车辆包括一台与车辆至少一个驱动车轮相连以驱动它的牵引电机，所述方法包括以下步骤当电池处于比充满电状态低的第一充电状态时，以所述牵引电机作为发电机使用时的最大效率将车辆制动过程中几乎所有的能量从该牵引电机返回到所述电池；当所述电池处于所述第一充电状态与充满电状态之间的一充电状态时，调整所述牵引电机的效率至所述最大效率与零效率之间的一值，以在车辆制动过程中从所述牵引电机向所述电池返回比所述所有能量小的能量；当电池达到充满电状态时，调整牵引电机的效率至某一选定的低效率，以从所述牵引电机向所述电池返回最少的所述能量。
2．根据权利要求1所述的方法，其特征是调整牵引电机作为发电机使用时电机效率的步骤包括调整牵引电机的转差频率的步骤。
3．根据权利要求1所述的方法，其特征是调整牵引电机作为发电机使用时电机效率的步骤包括改变牵引电机的励磁电流的步骤。
4．根据权利要求1所述的方法，其特征是调整牵引电机作为发电机使用时电机效率的步骤包括让直流电流流过牵引电机的线圈的步骤。
全文摘要
一种电动车辆,当电池处于部分充电与满充电间时,由辅助电源和动力制动对电池的充电量随充电状态倾斜变化。依充电状态,电池提供相应电量弥补电机所需与辅助源所提供能量间的差值,使电池近满充电时,差值全部弥补;在近耗尽时,电池不输出能量。近满充电与全放电间时,电池提供与充电状态单调相关的能量。在动力制动中,近满充电时,从辅助源向电池的充电将减小。对动力制动中返送能量的控制可通过控制电机能量转换效率完成。
文档编号B60W10/18GK1225872SQ98125829
公开日1999年8月18日 申请日期1998年11月21日 优先权日1997年11月21日
发明者A·P·莱安斯, T·M·格雷维 申请人:洛克希德马丁公司