一种供电装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种供电装置，包括公共的直流母线(5)、与所述公共的直流母线(5)连接的第一三相逆变器(2)、分别与所述第一三相逆变器(2)的每一相对应连接的发电单元(3)以及第一储能单元(4a)和第二储能单元(4b)。实施本实用新型的有益效果是：1.第一三相逆变器的每一相均可实现单向升压或双向升降压型直流-直流转换器的功能，在整个供电装置中只需要使用一台逆变器作为功率电子器件即可，无需安装独立的直流-直流转换器，节约了成本；2.基于前述多个直流-直流转换器，可以大幅度扩展工作范围，不仅是极大地降低了对供电电压的要求，而且可任意选择各种能量型和功率型的储能单元进行组合应用，有利于系统优化。
【专利说明】一种供电装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于提供电能的装置，该装置是新能源汽车的动力系统的关键部件。
【背景技术】
[0002]对于新能源汽车来说，以混合动力电动汽车为例，这种新的电驱动技术将取代传统的内燃发动机，这样就减少了燃料的消耗和污染物的排放。通常情况下混合动力驱动是一个牵引系统，其发动机由电动机、发电机、变速箱和储能装置(如电池)组成。依靠这些组件可构成不同架构的混合动力系统，如混联式、串联式、并联式以及增程式、插电式。
[0003]这种混合动力系统的一个主要优点就是，其通常由内燃机带动发电机进行发电。这样，在设计内燃机时可以有更小的尺寸。因为不需要再按照实际应用中的短时峰值功率来设计，而是仅考虑较长一段时间内的平均功率即可。原因在于峰值功率可以从储能装置中获得。因此，机动车辆的燃料消耗和污染排放就可以被显著降低。
[0004]尤其在实际应用中，峰值功率和平均功率的差异是非常大的。因此，混合动力系统的优势就更加明显。可以设定发动机在连续工作时的转速基本接近于恒定的速度，即为接近最佳的工作点，因此可以得到一个最优的工作效率。如今，基于混合动力系统的机动车的峰值功率可以设计成高达五倍于平均功率。
[0005]对于混合动力电动汽车来说，当制动时所产生的能量不会被热损耗，而是可以回馈到储能单元，这就是“能量回收”。
[0006]尤其有利的是，这种混合动力系统可用于商用车辆或公共汽车。通常，混合动力系统不仅限于机动车行业，而且也可以使用在诸如船舶、制冷设备和混凝土搅拌机等移动式装置中。
[0007]众所周知，混合动力系统以内燃机作为发电单元，其原理是:由内燃机所产生的机械能经过发电机和逆变器转换为电能。发电机的三相输出电压由逆变器转换为直流电压，该直流电压被作为电机逆变器的直流母线电压，用于给汽车驱动轴上的各个电动机进行供电。而储能单元如电池等存储的能量则需通过一个独立的直流-直流转换器连接到直流母线。另外，汽车的各电气系统也需要通过专门的直流-直流转换器连接到直流母线。这些直流-直流转换器一般是用作升压或降压转换器，将来自于储能单元的低压转换到更高的直流母线上，或者是将来自于直流母线的电压转换到较低的电气系统中。
[0008]因此，现有混合动力系统的供电装置需要安装专门独立的直流-直流转换器，这意味着需要额外的功率电子器件，不仅需要更大的安装空间，而且还增加了混合动力系统的成本。
实用新型内容
[0009]本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种供电装置。
[0010]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:提供一种供电装置，包括公共的直流母线、与所述公共的直流母线连接的第一三相逆变器、分别与所述第一三相逆变器的每一相对应连接的发电单元以及第一储能单元和第二储能单元，其中:所述第一三相逆变器的每一相分别作为单向或双向直流-直流转换器；所述第一三相逆变器的其中一相用于将所述发电单元产生的直流电压进行升压后输出至所述公共的直流母线；所述第一三相逆变器的另外两相分别用于将所述第一储能单元、第二储能单元的直流电压进行升压后输出至所述公共的直流母线，以及将所述公共的直流母线的电压进行降压后将电能存储到所述第一储能单元和第二储能单元中。
[0011]在上述供电装置中，所述供电装置还包括第二三相逆变器、与所述第二三相逆变器连接的电动机、与所述公共的直流母线连接的第三逆变器以及分别与所述第一三相逆变器和第二三相逆变器连接的控制器；其中，所述第二三相逆变器用于将所述公共的直流母线上的电压逆变成交流电后给电动机进行供电，以及在所述电动机制动过程中将交流电转换成直流电回馈到所述公共的直流母线上；所述电能包括所述发电单元输出到所述公共的直流母线上的电能和所述电动机回馈到所述公共的直流母线上的电能。
[0012]在上述供电装置中，所述第一三相逆变器的每一相均包括一电感器，其中:所述第一三相逆变器的其中一相桥臂经第一电感器连接到所述发电单元，所述第一三相逆变器的另外两相桥臂分别经第二电感器和第三电感器连接到第一储能单元和第二储能单元。
[0013]在上述供电装置中，所述发电单元包括发电机和与所述发电机连接的整流器，所述整流器的直流输出正端连接至所述第一电感器，所述整流器的直流输出负端连接至所述公共的直流母线的负极，该供电装置还包括连接在所述整流器的直流输出正端和直流输出负端之间的滤波电容器。
[0014]在上述供电装置中，所述发电单元还包括连接在交流电网和所述整流器之间的第一交流开关以及连接在所述发电机和所述整流器之间的第二交流开关。
[0015]在上述供电装置中，所述第一储能单元包括动力电池及连接在所述动力电池的正极和所述第二电感器之间的第一预充电路，所述动力电池的负极和所述公共的直流母线的负极连接。
[0016]在上述供电装置中，所述第一预充单元包括第一电阻器和与所述第一电阻器并联连接的第一开关，其中:所述第一电阻器的一端与所述动力电池的正极连接，所述第一电阻器的另一端与所述第二电感器连接。
[0017]在上述供电装置中，所述第二储能单元包括储能电容器以及连接在所述储能电容器的一端和所述第三电感器之间的第二预充电路，所述储能电容器的另一端与所述公共的直流母线的负极连接。
[0018]在上述供电装置中，所述第二预充单元包括第二电阻器和与所述第二电阻器并联连接的第二开关，其中:所述第二电阻器的一端与所述储能电容器的一端连接，所述第二电阻器的另一端与所述第三电感器连接。
[0019]还提供一种供电装置，包括公共的直流母线、与所述公共的直流母线连接的第一三相逆变器和第二三相逆变器、与所述第二三相逆变器连接的电动机、与所述公共的直流母线连接的第三逆变器、分别与所述第一三相逆变器和第二三相逆变器连接的控制器以及分别与所述第一三相逆变器的每一相对应连接的发电单元以及第一储能单元和第二储能单元，其中:所述第一三相逆变器的每一相分别作为单向或双向直流-直流转换器；所述第一三相逆变器的其中一相用于将所述发电单元产生的直流电压进行升压后输出至所述公共的直流母线；所述第一三相逆变器的另外两相分别用于将所述第一储能单元、第二储能单元的直流电压经升压后输出至所述公共的直流母线，以及从所述公共的直流母线的电压经降压后将电能存储到所述第一储能单元和第二储能单元中；
[0020]所述第二三相逆变器用于将所述公共的直流母线的电压逆变成交流电后给电动机进行供电以及在所述电动机制动过程中将交流电转换成直流电回馈到所述公共的直流母线上，所述电能包括所述发电单元输出到所述公共的直流母线上的电能和所述电动机回馈到所述公共的直流母线上的电能。
[0021]实施本实用新型的供电装置，具有以下有益效果:
[0022]1.第一三相逆变器的每一相分别作为直流-直流转换器，第一三相逆变器的其中一相用于将发电单元产生的直流电压进行升压后输出至公共的直流母线；第一三相逆变器的其余两相分别用于将第一储能单元、第二储能单元产生的直流电压升压后输出至公共的直流母线，以及从公共的直流母线上将电能存储到第一储能单元和第二储能单元中。因此在本实用新型的供电装置中，只需要使用一台逆变器作为功率电子器件即可，不再需要安装独立的直流-直流转换器，节约了成本。
[0023]2.对于第一三相逆变器来说，其具有可独立性的电气功能，并且极大地扩展了工作范围。即其无需关心所连接发电单元和储能单元的直流电压等级，只要稍低于直流母线电压即可(只有极小的电压损失)。因此，无需对逆变器进行硬件修改便可以在此装置上集成新系统功能的开发。尤其对于使用电池和其他形式储能单元的系统来说，这会在未来一段时间内都是一种极大的创新。该第一三相逆变器的第二相和第三相上的直流-直流转换器，可以独立输出不同的电压，这些独立输出的直流电压的上值是略低于直流母线的电压，而下限几乎无限制。
[0024]3.根据实际应用情况，允许发电和储能单元的不同组合被连接到第一三相逆变器的各相上。例如，可以组合使用一个发电单元和两个相同或者不同电压的储能单元。同样地，两个相同或不同的发电单元也可以与一个储能单元进行组合使用。本发明仅使用一台设备便组合了这所有的功能，因此可谓是低成本多功能。
[0025]4.第一三相逆变器的每一相都可以作为一个双向升降压直流-直流转换器。该逆变器的每一相都可以连接发电单元和储能单元。仅需要很少的设计工作量就可以完成能量管理，尤其适合于各种混合动力驱动系统的应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0027]图1是本实用新型一种供电装置I的基本结构示意图；
[0028]图2是本实用新型用于混合动力电动公交车牵引驱动系统组件的具体结构示意图；
[0029]图3是图2中逆变器的第一相桥臂结合电感器LI和电容器Cl以作为直流-直流转换器的电路示意图。
【具体实施方式】
[0030]为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的【具体实施方式】。
[0031]图1给出了本实用新型一种用于提供电能的装置I的基本结构示意图。该装置I包括一个用于执行电源管理的功率电子器件一一第一三相逆变器2。第一三相逆变器2的各相都有分支2a。第一三相逆变器2与公共的直流母线5连接，且在第一三相逆变器2的第一相连接至一个发电单元3，该发电单元3用于通过第一三相逆变器2单向提供给公共的直流母线5电能。第一三相逆变器2的第二相和第三相分别连接至可双向操作的第一储能单元4a或第二储能单元4b，即公共的直流母线5上的电能可通过第一三相逆变器2的分支给第一储能单元4a或第二储能单元4b充电，第一储能单元4a或第二储能单元4b中储存的能量也可通过第一三相逆变器2提供到公共的直流母线5上。
[0032]通过相应的控制，第一三相逆变器2的各相都可作为独立的直流-直流转换器。第一储能单元4a或第二储能单元4b可以是相同的或不同的，也可以是能量型电池或功率型电池。例如第一储能单元4a和第二储能单元4b可以包括图2中所示的动力电池9或储能电容器13。
[0033]图2中，作为一种可选择的储能电容器13，其可以使用普通电容器或超级电容器，甚至双电层电解电容器。发电单元3可由内燃机、发电机和整流器7组合进行单向供电。整流器7是由多个二极管(比如六个)组成的桥式整流器。本装置I并不只是受限于图1所示的组合。而且，也能将双路或多路发电单元3连接到第一三相逆变器2的其中一相进行双路或多路供电。第一三相逆变器2的其他相可连接至第一储能单元4a和第二储能单元4bο该用于提供单向电能的发电单元3可以是相同的或不同的。
[0034]第一三相逆变器2的各相均可作为直流-直流转换器，如图2所示，作为一个优选实施例，第一三相逆变器2的第一相结合第一电感器LI便可作为直流-直流转换器，用于将直流电压Ul转换到一个更高的公共的直流母线5的电压；第一三相逆变器2的第二相和第三相分别对应结合第二电感器L2和第三电感器L3也可作为直流-直流转换器，分别将直流电压U2和U3转换为更高的公共的直流母线5的电压UZK，或者将更高的公共的直流母线5的电压UZK转换为较低的直流电压U2和U3。公共的直流母线5的电压UZK由电容器CZK(见图2)进行缓冲。
[0035]因此，直流电压U1、U2和U3总低于直流母线电压UZK。通常，在第一三相逆变器2各相上的直流电压均可被配置为相同或不同的。
[0036]第一三相逆变器2的各相均是独立的并且可并联供电给公共的直流母线5。发电单元3的操作如图1中的箭头I所示，其能量流向是单向的，这意味着仅能单向供电给公共的直流母线5，但不能将电能回馈给发电单元3。相反，第一储能单元4a和第二储能单元4b的工作如图1中的双箭头II和III所示，其能量是双向流动的，这意味着其不仅可以供电给公共的直流母线5，也能把公共的直流母线5中的能量存储到第一储能单元4a和第二储能单元4b中。
[0037]基于第一三相逆变器2的每一相均可作为直流-直流转换器，可将直流电压(如图2所示的U1、U2和U3)转换成一个共同的公共的直流母线5的电压。这个公共的直流母线5的电压还可以用于其它单元，例如，用于各种车辆的牵引系统的电动机14。此外，该电动机也可用作驱动辅助设备如车辆空调系统。
[0038]作为一个特例，装置I可以作为混合动力或电动公交车牵引系统的一个组成部分，如图2所示。
[0039]图2包括了装置I中的第一三相逆变器2，该第一三相逆变器2的三相工作模式可通过相应的控制进行调整并作为直流-直流转换器使用。这些直流-直流转换器在第一三相逆变器2第一相、第二相和第三相电路分支的连接顺序，可分别称为第一、第二和第三直流-直流转换器。如图3所示，即第一三相逆变器2的第一相结合第一电感器LI所构成的第一直流-直流转换器电路。其包括了第一三相逆变器2中第一相的同桥臂的两个开关晶体管Tl和T2，两个二极管Dl和D2 ;此外，还包括图2中的第一电感器LI，优选地，还可包括滤波电容器Cl ;最后，在公共的直流母线5上还有一个电容器CZK。图2同样包含了该电路中的各个独立的元件。
[0040]同样地，由第一三相逆变器2的第二相结合第二电感器L2构成了第二直流-直流转换器；由第一三相逆变器2的第三相结合第三电感器L3构成了第三直流-直流转换器。两者的电路均与图3类似，只是省略掉了滤波电容器Cl (当然可以理解的是，也可以根据实际情况增加滤波电容器)，并将第一电感器LI替换为第二电感器L2或第三电感器L3，且连接到第二电感器L2或第三电感器L3的电压分别对应为图2中的U2和U3。即也是采用同样的电路组成，故未重复给出附图。此外，本实施例中的第一电感器L1、第二电感器L2和第三电感器L3也可由采用电感线圈形式的变压器来实现。
[0041]以第一三相逆变器2的第一相上的第一直流-直流转换器为例，图3中直流电压UCl即相当于图2中滤波电容器Cl两端的电压U1，其经过滤波电容器Cl、第一电感器L1、晶体管Tl和T2以及分别与晶体管并联的二极管Dl和D2连接到公共的直流母线5的电压UZK和电容器CZK。
[0042]第一直流-直流转换器通常作为单向升压型转换，其用于将相对较低的电压Ul升压成公共的直流母线5的电压UZK。其工作原理是:通过控制器16给晶体管T2的栅极施加控制脉冲，其占空比由UCl的当前电压值和UZK的电压期望值来决定。晶体管Tl不作控制，处于空闲状态。在晶体管T2导通时，来自于直流电压UCl的电能经第一电感器LI以及晶体管T2流向公共的直流母线5的负极，第一电感器LI储存能量，二极管Dl反向截止，公共的直流母线5暂由电容器CZK供电；在晶体管T2关断时，第一电感器LI释放电能经二极管Dl给电容器CZK充电，以继续维持公共的直流母线5的电压UZK。整个过程简单来说就是一T2导通，LI蓄能，Dl截止，CZK放电；T2关断，LI释能，Dl导通，CZK充电，Ul被升压至UZK。此时，公共的直流母线5的电压UZK = Ul* [ (TON+TOFF) /TOFF]，算式中TON为晶体管导通时间，TOFF为晶体管关断时间，TON+TOFF = Τ，即构成一个完整的控制周期Τ。由于在一个控制周期T内，晶体管不可能都是导通的，即(T0N+T0FF)/T0FF彡1，因此可见，只要TON # 0，公共的直流母线5的电压UZK —定是高于直流电压Ul的，即UZK电压值可通过控制晶体管Tl和T2的开关导通时间来调整，而Ul的范围可为10VDC至几乎等于UZK的电压。
[0043]以第一三相逆变器2的第二相上的第二直流-直流转换器为例，此时两个晶体管由Tl和T2被分别替换成T3和T4(因和T1、T2相同，此处未给出附图)，二极管由Dl和D2被分别替换成D3和D4，第一电感器LI替换为图2中的第二电感器L2。公共的直流母线5的电压UZK经过两个晶体管Τ3和Τ4、分别与晶体管并联的二极管D3和D4以及第二电感器L2后，再连接至直流电压U2，最后连接到动力电池9。该第二直流-直流转换器可实现双向升降压转换功能。
[0044]当第二直流-直流转换器作为升压转换时，其将图1中第一储能单元4a包括的动力电池9的电压U2转换成更高的公共的直流母线5的电压UZK。其工作原理和第一直流-直流转换器相同，在此不再赘述。
[0045]当第二直流-直流转换器作为降压转换时，其将公共的直流母线5的电压UZK转换成较低的电压U2给动力电池9充电。其工作原理是:通过控制器16给晶体管T3的栅极施加控制脉冲，其占空比由UZK的当前电压值和U2的电压期望值来决定。晶体管T4不作控制，处于空闲状态。在晶体管T3导通时，公共的直流母线5的电压UZK经电容器CZK产生电流经过晶体管T3，流过第二电感器L2进行储能，二极管D4截止，最后得到直流电压U2 ;当晶体管T3关断时，第二电感器L2释放能量，二极管D4导通并构成续流回路，继续提供电能给U2。整个过程简单来说就是一T3导通，L2蓄能，D4截止，UZK经L2供电给U2 ；T3截止，L2释能，D4导通，由L2持续供电给U2。因第二电感器L2蓄能大小直接影响了 U2电压的高低，而L2蓄能大小又对应于晶体管Τ3的导通时间，即U2 = UZK*[TON/(TON+TOFF)]。算式中TON为晶体管导通时间，TOFF为晶体管关断时间，TON+TOFF = T，即构成一个完整的控制周期T。由于在一个控制周期T内，晶体管不可能都是导通的，即T0N/(T0N+T0FF) < 1，由此可见，直流电压U2是低于公共的直流母线5的电压UZK，这样就实现了降压作用。
[0046]基于同理，第一三相逆变器2的第三相上的第三直流-直流转换器，其电路及其工作原理与第二直流-直流变换器相同，在此不再赘述。
[0047]图2实施例中所示的单个电压取决于各个独立单元的组合形式。根据不同的应用，发电单元和储能单元的各种组合均可被连接到第一三相逆变器2。例如，一个发电单元加上两个无论是相同的或是不同的储能单元，都可以组合使用；同样的，两个相同或不同的发电单元也可结合储能单元来使用。第一三相逆变器2的各相均可独立连接至发电单元，并可将能量并联送到公共的直流母线5上。还可选择适合的发电单元和储能单元进行灵活调整。例如，可以由汽油发动机或柴油发动机、三相发电机及整流器组成的发电单元进行供电，也可以由以汽轮机、三相发电机及整流器组成的发电单元进行供电，也可由斯特林发动机、三相发电机及整流器组成的发电单元进行供电。通常在这种情况下，整流器用于将发电机的交流电压转换成直流电压。
[0048]图2中，第一三相逆变器2的第一相通过第一电感器LI连接一台发电机6，该发电机6为同步发电机，其作为单向电源，这里并未画出发动机。来自于三相发电机的电压通过整流器7后变成脉动的直流电压，再由滤波电容器Cl对其进行滤波以消除电压纹波并得到较平稳的直流电压。整流器7—般是由多个二极管(比如六个)所组成的桥式整流器。
[0049]发电机6产生的电压会随转速而变化，引起电压Ul也相应变化。因此，必须确保该发电机的转速低于其最高转速，这样直流电压Ul将不会高于直流母线电压5的电压UZK与最小损耗电压的差值，可以低至10VDC。
[0050]直流电压Ul通过第一电感器LI以及第一三相逆变器2的第一相中的同桥臂的开关管所构成的第一直流-直流转换器升压到公共的直流母线5的电压UZK，其中，能量在公共的直流母线5和电容器CZK中进行流动。
[0051]同样可以使用单向直流电源代替交流电源。尤其是燃料电池，可以连接到第一三相逆变器2的第一相代替发电机6和整流器7。燃料电池的优点是效率很高，但缺点是在启动之前需要较长的预热时间(当前一般设计为I小时)。因此，使用发电机和燃料电池组合代替传统电池是非常有用的，在这里燃料电池能提供较合适的恒定功率。
[0052]特别是由内燃机与发电机组成的发电单元3所产生的电压在经过整流器7后，该电流波形将不再是正弦波，这将降低发电机的效率，并且产生了不必要的谐波。然而，第一三相逆变器2可具备主动式PFC(功率因数校正)功能抵消谐波。在这里，电流得到控制从而使发电机产生的电流近似于正弦波。
[0053]另外，交流电网8可以是三相交流电或单相交流电，这样在夜间同样可用交流电网8替换发电机6供电。此时，与交流电网8连接的第一交流开关处于导通状态，与发电机6连接的第二交流开关处于断开状态。因此交流电网8提供的交流电可经过整流器7进行整流后产生电压Ul，该电压经电容器Cl滤波后，再经过第一三相逆变器2的第一相上的第一直流-直流转换器升压到公共的直流母线5的电压UZK。这样，不仅可以通过第一三相逆变器2的第二相上的第二直流-直流转换器将公共的直流母线5的电压UZK降压转换成直流电压U2给第一储能单元4a中的动力电池9进行充电，还可以通过第一三相逆变器2的第三相上的第三直流-直流转换器将公共的直流母线5的电压UZK降压转换成直流电压U3给第二储能单元4b中的储能电容器13进行充电。在负载较小时，或者是在紧急情况下，甚至可利用单相交流电代替三相交流电进行供电，并可适当地降低充电电流，所以还可以使用普通家庭用电插座进行充电。
[0054]该第一三相逆变器2的第二相结合第二电感器L2作为可实现能量双向转换的第二直流-直流转换器连接到第一储能单元4a。第一储能单元4a包括动力电池9和第一预充电路10。动力电池9可提供直流电压U2并经第二电感器L2给第一三相逆变器2第二相，储能电容器13可提供直流电压U3并经第三电感器L3给第一三相逆变器2的第三相，同时公共的直流母线5上的电压也可经第一三相逆变器的第二相并经第二电感器L2给动力电池进行充电，或者经第一三相逆变器的第三相并经第三电感器L3给储能电容器13充电。
[0055]动力电池9通过第一预充电路10连接到第一三相逆变器2的第二相上的第二直流-直流转换器。当公共的直流母线5上的电容器CZK为空时，第一预充电路10被用于限制冲击电流。为此，该电路采用了一个用于限流的第一电阻器11，并与开第一关12进行并联。当电路刚开始工作时，第一开关12断开，电流经过第一电阻器11并被限流；当电路进入稳态后，第一开关12闭合，则第一电阻器11被短路，所有电流只流过第一开关12。另外在整个装置I处于闲置状态时，为了消除第一电阻器11长期接入电路而带来额外的损耗，可再加入一个开关与第一电阻器11进行串联(附图中未画出)，将该开关断开即可彻底断开两个储能单元(动力电池9和储能电容器13)和第一三相逆变器2之间的连接，避免不必要的电能消耗。
[0056]在第一三相逆变器2的第二相上的第二直流-直流转换器是可以双向转换的。这意味着，动力电池9可以通过第二直流-直流转换器将储存的电能释放到公共的直流母线5上；或者，当公共的直流母线5上有多余能量时也可以对动力电池9进行充电(例如，在进行制动时)。动力电池9 一般选用能量型电池，其输出功率通常远高于负载，但其在吸收因制动所产生短时较高的能量时是受限制的。不过，也可以使用功率型电池，其容量更小，但功率和电流更高。
[0057]理论上，第一三相逆变器2的第二相的预充电路10也可以用于第一相。
[0058]第一三相逆变器2的第三相上的第三直流-直流转换器被连接到第二储能单元4b?在本实施例中，第二储能单元4b包括储能电容器13和第二预充电路10’，这是一种电解材质的超级电容器。该储能电容器13提供了直流电压U3。同样地，储能电容器13也通过第二预充电路10’连接到第一三相逆变器2的第三相上的第三直流-直流转换器。与上述第一预充电路10的作用一样，该电路也采用了一个用于限流的第二电阻器11’，并与第—开关12’并联。
[0059]相对于动力电池9，储能电容器13可在短时间内(几秒钟)吸收或释放大得多的能量。因此它们可以在短时间内提供用于蓄电和放电的双向峰值功率，为高能量但是低功率的能量型电池提供了理想的性能补充。这样，该高功率型的储能电容器13可配合被连接到第二相的高能量型的动力电池9进行工作。或者，为了冗余还可连接第二个同样的电池。
[0060]关于公共的直流母线5和电动机14可用于城市公交车。图2给出了一个由第二三相逆变器15和控制器16驱动电动机的示例。
[0061]由控制器16控制第二三相逆变器15工作，第二三相逆变器15将公共的直流母线5提供的直流电压UZK，逆变成交流电供给电动机14。若该电动机14是永磁同步电机或者它励同步电机，则该电动机14在制动过程相当于发电机，会回馈能量到公共的直流母线5上。这些能量可被更好地存储于高性能的储能电容器13中。
[0062]通过公共的直流母线5还可给第三逆变器17进行供电，第三逆变器17作为功能扩展，用于将公共的直流母线5的直流电逆变成交流电后给其他设备如车载空调压缩机、空气压缩机、助力转向电机或液压泵等进行供电。
[0063]因此，实施本实用新型的供电系统，通过对第一三相逆变器2的每相桥臂分别对应连接第一电感器L1、第二电感器L2和第三电感器L2，因此第一三相逆变器2的每一相均可实现直流-直流转换器的功能。通过提供脉冲给同相桥臂中的下桥臂晶体管T2，上桥臂晶体管Tl处于空闲状态，则该相桥臂结合对应连接的电感器可作升压直流-直流转换器。以第一三相逆变器2的第一相桥臂为例，发电机6发出的交流电经整流器7整流成直流电压Ul后，再通过第一电感器LI和第一相桥臂构成的第一直流-直流转换器便可将该直流电压Ul进行升压，得到第一三相逆变器2的公共的直流母线5的电压UZK ;对于第一三相逆变器2的第二相桥臂和第三相桥臂，第一储能单元4a和第二储能单元4b提供的直流电压U2和U3也可分别通过第二电感器L2和第二相桥臂构成的第二直流-直流转换器，以及第三电感器L3和第三相桥臂构成的第三直流-直流转换器进行升压，得到公共的直流母线5的电压UZK。
[0064]此外，通过提供脉冲给同相桥臂中的上桥臂晶体管Tl，下桥臂晶体管T2处于空闲状态，则该相桥臂结合对应连接的电感器可作为降压直流-直流转换器。公共的直流母线5的电压UZK可分别通过第二电感器L2和第二相桥臂构成的第二直流-直流转换器，以及第三电感器L2和第三相桥臂构成的第三直流-直流转换器进行降压后，分别给第一储能单元4a和第二储能单元4b进行充电。因此在本实用新型的装置中，只需要使用一台第一三相逆变器作为功率电子器件即可，无需更改该逆变器的硬件结构，通过相应的控制即可实现直流-直流转换器的功能，可将来自发电单元和储能单元较低的直流电压转换成一个较高的公共的直流母线电压，不再需要安装独立的直流-直流转换器，节约了成本。
[0065]根据图2为城市公交车设计的电动机14，其额定功率范围通常为90千瓦至150千瓦。但通常仅在加速或上坡时才会短时需要这样的功率。在行驶过程中其功率需求会显著减小(大约10千瓦至30千瓦)。因此，可设计较小平均功率的同步发电机提供行驶过程中所需的能量。如果需要更多的能量，则可由动力电池或更高峰值功率的储能电容器13提供。若仅需要较少的能量，则多余能量可用于给动力电池9或储能电容器13充电。
[0066]另外一种情况是当功率适配长期处于较小的功率需求时，可以降低发电机的转速。在降低发电机速度的同时，发电机的功率和发电机的电压都会相应降低，这对于直流-直流转换器来说不是问题，因为直流-直流转换器可将该电压进行升压转换成直流母线所对应的直流电压等级。发电机和直流-直流转换器的效率会略微降低一点，但是由于消耗较少的燃料，从整体来看是节约能源的。也可以完全关闭发电机，仅由电池来驱动(例如当电池已经充满电)。
[0067]制动产生的能量可以暂时存储于具有高峰值功率性能的储能电容器13内。然后，这些能量也可以由储能电容器13再经直流-直流转换器传输到动力电池9中。
[0068]相比传统的由发动机驱动的公交车，出现在城市公共交通中的这种混合动力公交车能够节能至少20%。此外，污染物的排放将会得到显著降低。特别是在大城市和繁华市区使用混合动力公交车会有很大的优势。若有足够容量的动力电池便可在市区仅使用纯电动模式，在市郊路况下才启动发电机。
[0069]上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
【权利要求】
1.一种供电装置，其特征在于，包括公共的直流母线(5)、与所述公共的直流母线(5)连接的第一三相逆变器(2)、分别与所述第一三相逆变器(2)的每一相对应连接的发电单元⑶以及第一储能单元(4a)和第二储能单元(4b)，其中:所述第一三相逆变器⑵的每一相分别作为单向或双向直流-直流转换器；所述第一三相逆变器(2)的其中一相用于将所述发电单元(3)产生的直流电压进行升压后输出至所述公共的直流母线(5);所述第一三相逆变器(2)的另外两相分别用于将所述第一储能单元(4a)、第二储能单元(4b)的直流电压进行升压后输出至所述公共的直流母线(5)，以及将所述公共的直流母线(5)的电压进行降压后将电能存储到所述第一储能单元(4a)和第二储能单元(4b)中。
2.根据权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述供电装置还包括第二三相逆变器(15)、与所述第二三相逆变器(15)连接的电动机(14)、与所述公共的直流母线(5)连接的第三逆变器(17)以及分别与所述第一三相逆变器(2)和第二三相逆变器(15)连接的控制器(16);其中，所述第二三相逆变器(15)用于将所述公共的直流母线(5)上的电压逆变成交流电后给电动机(14)进行供电，以及在所述电动机(14)制动过程中将交流电转换成直流电回馈到所述公共的直流母线(5)上；所述电能包括所述发电单元(3)输出到所述公共的直流母线(5)上的电能和所述电动机(14)回馈到所述公共的直流母线(5)上的电能。
3.根据权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述第一三相逆变器(2)的每一相均包括一电感器，其中:所述第一三相逆变器(2)的其中一相桥臂经第一电感器(LI)连接到所述发电单元(3)，所述第一三相逆变器(2)的另外两相桥臂分别经第二电感器(L2)和第三电感器(L3)连接到第一储能单元(4a)和第二储能单元(4b)。
4.根据权利要求3所述的供电装置，其特征在于，所述发电单元(3)包括发电机(6)和与所述发电机(6)连接的整流器(7)，所述整流器(7)的直流输出正端连接至所述第一电感器(LI)，所述整流器(7)的直流输出负端连接至所述公共的直流母线(5)的负极，该供电装置还包括连接在所述整流器(7)的直流输出正端和直流输出负端之间的滤波电容器(Cl)。
5.根据权利要求4所述的供电装置，其特征在于，所述发电单元(3)还包括连接在交流电网(8)和所述整流器(7)之间的第一交流开关以及连接在所述发电机(6)和所述整流器(7)之间的第二交流开关。
6.根据权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述第一储能单元(4a)包括动力电池(9)及连接在所述动力电池(9)的正极和所述第二电感器(L2)之间的第一预充电路(10)，所述动力电池(9)的负极和所述公共的直流母线(5)的负极连接。
7.根据权利要求6所述的供电装置，其特征在于，所述第一预充单元(10)包括第一电阻器(11)和与所述第一电阻器(11)并联连接的第一开关(12)，其中:所述第一电阻器(11)的一端与所述动力电池(9)的正极连接，所述第一电阻器(11)的另一端与所述第二电感器(L2)连接。
8.根据权利要求1所述的供电装置，其特征在于，所述第二储能单元(4b)包括储能电容器(13)以及连接在所述储能电容器(13)的一端和所述第三电感器(L3)之间的第二预充电路(10’)，所述储能电容器(13)的另一端与所述公共的直流母线(5)的负极连接。
9.根据权利要求8所述的供电装置，其特征在于，所述第二预充单元(10’)包括第二电阻器(11’ )和与所述第二电阻器(11’ )并联连接的第二开关(12’)，其中:所述第二电阻器(11’ )的一端与所述储能电容器(13)的一端连接，所述第二电阻器(11’ )的另一端与所述第三电感器(L3)连接。
10.一种供电装置，其特征在于，包括公共的直流母线(5)、与所述公共的直流母线(5)连接的第一三相逆变器(2)和第二三相逆变器(15)、与所述第二三相逆变器(15)连接的电动机(14)、与所述公共的直流母线(5)连接的第三逆变器(17)、分别与所述第一三相逆变器(2)和第二三相逆变器(15)连接的控制器(16)以及分别与所述第一三相逆变器(2)的每一相对应连接的发电单元(3)以及第一储能单元(4a)和第二储能单元(4b)，其中:所述第一三相逆变器(2)的每一相分别作为单向或双向直流-直流转换器；所述第一三相逆变器(2)的其中一相用于将所述发电单元(3)产生的直流电压进行升压后输出至所述公共的直流母线(5);所述第一三相逆变器(2)的另外两相分别用于将所述第一储能单元(4a)、第二储能单元(4b)的直流电压经升压后输出至所述公共的直流母线(5)，以及从所述公共的直流母线(5)的电压经降压后将电能存储到所述第一储能单元(4a)和第二储能单元(4b)中； 所述第二三相逆变器(15)用于将所述公共的直流母线(5)的电压逆变成交流电后给电动机(14)进行供电以及在所述电动机(14)制动过程中将交流电转换成直流电回馈到所述公共的直流母线(5)上，所述电能包括所述发电单元(3)输出到所述公共的直流母线(5)上的电能和所述电动机(14)回馈到所述公共的直流母线(5)上的电能。
【文档编号】H02J7/34GK204179737SQ201420579140
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】刘仪, 张庆, 卢雄 申请人:深圳市欧德思控制技术有限公司