專利名稱：具有快速儲(chǔ)能的插入式混合動(dòng)力車的制作方法
具有快速儲(chǔ)能的插入式混合動(dòng)力車技術(shù)領(lǐng)域太安日日；擊刃ifi主 "^主^Q力vjt、:與主沾j擊入《';盡.厶j佳沐茲^電，其中該混合傳動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件可利用外部供給的電力以及來(lái)自發(fā)動(dòng) 機(jī)或再生制動(dòng)裝置的能量進(jìn)行充電。特別地，本發(fā)明涉及當(dāng)車輛被連接到公用電網(wǎng)時(shí)能夠向電氣設(shè)施 提供服務(wù)的插入式混合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通常在市場(chǎng)上找到的現(xiàn)有產(chǎn)品包括傳統(tǒng)的混合動(dòng)力車，諸如豐田普銳斯、本田因塞特(Insight )和福特翼虎混合動(dòng)力車(Escape Hybrid)。與本發(fā)明更加相關(guān)的是原型的戴姆勒克萊斯勒凌特 (Sprinter)插入式混合貨車?，F(xiàn)有傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于，傳統(tǒng)混合推進(jìn)系統(tǒng)的全電勢(shì) 由于全電氣化行程受限而不能被實(shí)現(xiàn)。通過(guò)增加車輛的儲(chǔ)能容量來(lái)考 慮更大的全電氣化范圍可解決這個(gè)問(wèn)題?？梢詮耐獠侩娫磥?lái)給儲(chǔ)能系 統(tǒng)充電，從而補(bǔ)償和減小燃料消耗。這種類型的推進(jìn)系統(tǒng)被稱為插入 式混合系統(tǒng)?，F(xiàn)有的插入式混合動(dòng)力車的主要問(wèn)題在于電池的成本和有限的電 池壽命。針對(duì)汽車確定尺寸的傳統(tǒng)混合推進(jìn)系統(tǒng)使用容量大約為lkWh 的儲(chǔ)能，而插入式混合式車要求超過(guò)5kWh的儲(chǔ)能。必須使插入式混合 電池系統(tǒng)深循環(huán)，以便獲得處于合理的物理重量和體積內(nèi)的有用的全 電氣化范圍。深循環(huán)縮減電池壽命。插入式混合電池比傳統(tǒng)的混合動(dòng) 力車中的電池更大并且相應(yīng)地更昂貴。因此，與插入式混合系統(tǒng)相關(guān) 聯(lián)的成本負(fù)擔(dān)比傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的成本負(fù)擔(dān)更沉重。用于混合動(dòng)力車的電池的另 一個(gè)問(wèn)題在于，使可利用的儲(chǔ)能最大 化要求抑制電池隨溫度變化的環(huán)境條件。要求調(diào)節(jié)電池的環(huán)境以獲得 可容忍的耐用性。美國(guó)的一些電力網(wǎng)不是由公用設(shè)施運(yùn)營(yíng)，而是由被稱為獨(dú)立系統(tǒng) 運(yùn)營(yíng)商的單獨(dú)的地方實(shí)體來(lái)運(yùn)營(yíng)。例如，加利福尼亞獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(CAIS0)控制加利福尼亞全州的電網(wǎng)。ISO購(gòu)買多個(gè)輔助設(shè)施，這些 輔助設(shè)施被用來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)上的功率通量、電壓穩(wěn)定性和頻率。這些量 包括 峰值功率 基底負(fù)載功率 運(yùn)轉(zhuǎn)備用 調(diào)節(jié)月良務(wù)(regulation service) 后備電源 可再生能量時(shí)間位移必需進(jìn)行調(diào)節(jié)服務(wù)，因?yàn)殡娋W(wǎng)上的電負(fù)載經(jīng)常隨著人們接通或關(guān) 斷電器、電機(jī)和機(jī)器而變化。這種經(jīng)常變化的負(fù)載導(dǎo)致電網(wǎng)上不同位 置的小的電壓失衡。變化的負(fù)載還會(huì)引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的小變化，從而 導(dǎo)致超過(guò)和低于60Hz的頻率變化。由于電機(jī)、時(shí)鐘、計(jì)算機(jī)和大多數(shù) 其它設(shè)備要求恒定的電頻率以正確地工作，所以公用設(shè)施維持所規(guī)定 的容限之內(nèi)的60Hz頻率。與60Hz頻率的偏差被稱為區(qū)域控制誤差 (ACE)。如今，調(diào)節(jié)服務(wù)是通過(guò)小的頻率調(diào)整而被提供給每個(gè)發(fā)電站的輸 出。計(jì)算機(jī)模型在整個(gè)電網(wǎng)上使用頻率測(cè)量來(lái)確定哪些發(fā)電站應(yīng)該發(fā) 電較多，而哪些發(fā)電站應(yīng)該發(fā)電較少，以侵 使電網(wǎng)上的所有點(diǎn)的ACE 最小化。常常是一個(gè)發(fā)電站提供向上調(diào)節(jié)(Regulation Up)服務(wù)，同 時(shí)另一發(fā)電站提供向下調(diào)節(jié)(Regulation Down)服務(wù)。在加利福尼亞，調(diào)節(jié)服務(wù)部分地由電氣設(shè)施提供(自身提供的調(diào) 節(jié))，并且部分地由商業(yè)性發(fā)電站提供，ISO要向這些商業(yè)性發(fā)電站負(fù) 擔(dān)其服務(wù)的費(fèi)用。如果發(fā)電站被委托來(lái)提供向上調(diào)節(jié)服務(wù)，則其不會(huì) 以其最大的輸出水平工作。這是因?yàn)?，如果被?qǐng)求，這該發(fā)電站必須 被準(zhǔn)備來(lái)進(jìn)一步向上調(diào)整發(fā)電以升高電壓。在加利福尼亞，調(diào)節(jié)服務(wù) 提供商必須能夠在被請(qǐng)求這樣做的IO分鐘內(nèi)改變其輸出，以及必須能 在所要求的輸出水平保持在線至少兩個(gè)小時(shí)。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是一種混合電動(dòng)車輛的動(dòng)力系，其包括內(nèi)燃機(jī)；與發(fā)動(dòng) 機(jī)連接并且用來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或者給第二電機(jī)-發(fā)電機(jī)供電的第 一電機(jī)-發(fā)電機(jī)；第二電機(jī)發(fā)電機(jī)，該第二電動(dòng)發(fā)電機(jī)給車輪供給牽引力； 第一電能存儲(chǔ)設(shè)備；第二電能存儲(chǔ)設(shè)備；電力電子系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和 充電系統(tǒng)。第一電能存儲(chǔ)設(shè)備是電池，當(dāng)車輛作為混合動(dòng)力車工作時(shí)或者當(dāng) 車輛僅使用所存儲(chǔ)的電能工作時(shí)，該電池輸送或吸收電能。第二電能存儲(chǔ)設(shè)備是飛輪、電容器或超電容或超級(jí)電容器，或者 是電池，這些設(shè)備僅在必需時(shí)吸收或輸送電流，以保護(hù)第一電能存儲(chǔ) 設(shè)備免受超過(guò)第 一 電能存儲(chǔ)設(shè)備的損傷閾值的電流的影響。響應(yīng)于控制系統(tǒng)，電力電子系統(tǒng)將電能從每個(gè)電能存儲(chǔ)設(shè)備或電 機(jī)-發(fā)電機(jī)傳遞到每個(gè)其它電能存儲(chǔ)設(shè)備或電機(jī)-發(fā)電機(jī)?？刂葡到y(tǒng)具有確定和控制通過(guò)電力電子系統(tǒng)的能流路徑的裝置。 充電系統(tǒng)使用外部供給的電力來(lái)對(duì)第一電能存儲(chǔ)設(shè)備和第二電能存儲(chǔ) 設(shè)備中的任一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)行再充電。該系統(tǒng)包括(至少包含)燃料供以動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)或燃料電池、電 池、快速儲(chǔ)能系統(tǒng)、功率變換器、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配電系統(tǒng)和傳 動(dòng)系統(tǒng)。可以使用以下三個(gè)設(shè)備中的一個(gè)來(lái)進(jìn)行快速儲(chǔ)能。(1)飛輪設(shè)備 包括轉(zhuǎn)子、電機(jī)-發(fā)電機(jī)、軸承、殼體、功率變換器和控制器以及輔 助子系統(tǒng)。(2)為高循環(huán)壽命而優(yōu)化的小電池。(3)超級(jí)電容器組 包括多個(gè)靜電儲(chǔ)能部件。從廣義來(lái)說(shuō)，該設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例包括電池組、快速儲(chǔ)能設(shè)備、 發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置、電力電子裝置和控制裝置。該方法的優(yōu)選實(shí)施例 包括使用快速儲(chǔ)能設(shè)備來(lái)執(zhí)行短暫的、頻繁的、高強(qiáng)度充電和放電功 能，從而保持電池為僅在電氣模式下的驅(qū)動(dòng)提供平均功率。電力電子封裝(package)包括多個(gè)功率變換設(shè)備，用于管理各個(gè) 子系統(tǒng)之間的功率流動(dòng)。 一個(gè)變換設(shè)備被用于電網(wǎng)接口?？刂破髋c電 網(wǎng)接口的電力電子裝置相關(guān)聯(lián)，用于管理車輛和電網(wǎng)之間的雙向功率 流動(dòng)，該電網(wǎng)包括用于和公用設(shè)施、獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、套裝服務(wù)提供 商(aggregator of services)或其它相關(guān)實(shí)體進(jìn)行通信的設(shè)備。電網(wǎng)接口系統(tǒng)包括以下元件中的某些或者全部 基于GPS的車輛位置傳感器 雙向數(shù)據(jù)通 充電/放電控制單元 能夠進(jìn)行雙向功率流動(dòng)的"插入"或連結(jié)(hookup)設(shè)備 -用于雙向功率流動(dòng)的外部(安裝在車庫(kù)的)充電器 .位于工作場(chǎng)所停車場(chǎng)和車庫(kù)的充電器(多個(gè)充電器)本發(fā)明的目的是提供一種插入式混合傳動(dòng)系統(tǒng)，該插入式混合傳 動(dòng)系統(tǒng)在通常使用時(shí)可為客車產(chǎn)生至少150000英里的耐用性。本發(fā)明的第二目的是組合插入式混合系統(tǒng)的電池和單獨(dú)的快速儲(chǔ) 能元件，以在車輛與電網(wǎng)連接時(shí)向配電電網(wǎng)提供服務(wù)，其中車輛至電 網(wǎng)(V2G， Vehicle to Grid)系統(tǒng)允許電力網(wǎng)得益于多個(gè)與其隨才幾連 接并分散在各地的小電源。調(diào)節(jié)服務(wù)具有最好的潛力，以利用基于車 輛的儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量來(lái)增加電網(wǎng)的值，而其它輔助服務(wù)可以同等受益。 由分散車隊(duì)所提供的輔助服務(wù)比如今由發(fā)電站所提供的調(diào)節(jié)服務(wù)更便 宜和更有效。通過(guò)提供或吸收(sourcing or sinking)能量脈沖，大 多數(shù)V2G車輛能夠執(zhí)行頻率穩(wěn)定，由此減輕頻繁調(diào)整發(fā)電站輸出的需 要。對(duì)于V2G應(yīng)用，現(xiàn)有的傳統(tǒng)混合系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于，向配電系 統(tǒng)提供輔助服務(wù)可能必需足夠數(shù)量和深度的放電-充電循環(huán)，從而使電 池的性能降級(jí)并且縮減了電池壽命。當(dāng)循環(huán)在電荷低狀態(tài)下包括高電 流操作時(shí)，該問(wèn)題會(huì)加劇。本發(fā)明的第三目的是為諸如風(fēng)的不穩(wěn)定的電力源提供分布式存 儲(chǔ)。世界某些地區(qū)(例如美國(guó)中西部和西部德克薩斯州)的風(fēng)向分布 是夜晚的風(fēng)比白天大。大多數(shù)V2G車輛能夠在能量便宜的非峰荷時(shí)間 吸收不可發(fā)送的、非峰荷的風(fēng)力發(fā)電，從而給其電池進(jìn)行充電。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是減小了電池的充放電循環(huán)次數(shù)，相應(yīng)地增加 了電池壽命。這通過(guò)使用快速儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，該快速儲(chǔ)能系統(tǒng)的循 環(huán)壽命超過(guò)電池循環(huán)壽命至少IO倍，并確定快速儲(chǔ)能系統(tǒng)的大小，以 提供或吸收簡(jiǎn)短的、頻繁的脈沖并提供大多數(shù)或者所有的V2G輔助服 務(wù)。本發(fā)明的第二優(yōu)點(diǎn)是快速儲(chǔ)能減小了電池的生命周期成本。在沒 有快速儲(chǔ)能的情況下，當(dāng)電池處于低荷電狀態(tài)時(shí)，電池將經(jīng)歷大量的 淺循環(huán)和偶爾的高電流脈沖。本發(fā)明減小了淺充電循環(huán)的次數(shù)，這是 電池將要經(jīng)歷的90%-100%，并保護(hù)電池免受高電流脈沖的影響。特別 地，快速儲(chǔ)能系統(tǒng)保護(hù)電池在低荷電狀態(tài)下免受高放電率的不利效應(yīng)的影響。這樣，本發(fā)明延長(zhǎng)了電池的壽命，使得在車輛的使用期限不 要求替換。本發(fā)明的第三優(yōu)點(diǎn)是減小了儲(chǔ)能系統(tǒng)的總重量。電池和快速儲(chǔ)能 設(shè)備的組合重量小于被確定大小來(lái)處理頻繁的循環(huán)和高電流脈沖的電 池重量。本發(fā)明的第四優(yōu)點(diǎn)是提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的耐用性。本發(fā)明的第五優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)傳統(tǒng)車輛改善了燃料經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)提高2倍的燃料效率和燃料經(jīng)濟(jì)性，根據(jù)驅(qū)動(dòng)循環(huán)，這是通常的驅(qū) 動(dòng)器的5倍。目前的混合系統(tǒng)提供提高30% - 50%的燃料經(jīng)濟(jì)性。本發(fā)明要求綜合電化學(xué)技術(shù)、靜電技術(shù)和電動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)。該設(shè)備 及其功能具有如分布式能量系統(tǒng)那樣的應(yīng)用?？紤]到附圖和隨后對(duì)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的說(shuō)明，本發(fā)明的其它方 面將變得明顯。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明的其它實(shí)施例是可 能的，并且可以在多個(gè)方面修改本發(fā)明的細(xì)節(jié)，所有這些都不脫離本 發(fā)明的構(gòu)想。因而，下面的附圖和說(shuō)明實(shí)質(zhì)上應(yīng)該被認(rèn)為是說(shuō)明性的 和非限制性的。


參考示出了本發(fā)明的目前優(yōu)選的實(shí)施例的附圖，將更好地理解本 發(fā)明的特征。在圖中圖1是插入式混合系統(tǒng)的圖。圖2是具有離合器的插入式混合系統(tǒng)的圖。圖3是插入式并聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖4是插入式串聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖5是具有四輪驅(qū)動(dòng)的插入式串聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖6是具有燃料電池的插入式串聯(lián)混合系統(tǒng)的圖。圖7是電子開關(guān)組件的圖。圖8是使用三個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)和電容器快速儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)的功率 變換器和控制器以及附屬設(shè)備的示意圖。圖9是使用三個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)和飛輪快速儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)的功率變 換器和控制器以及附屬設(shè)備的示意圖。下面的參考編號(hào)被用來(lái)表示附圖中本發(fā)明的部件和環(huán)境1發(fā)動(dòng)機(jī)2第一電機(jī)/發(fā)電機(jī) 3第二電機(jī)/發(fā)電機(jī) 4傳動(dòng)裝置 5離合器6功率變換器和控制器 7電池8快速儲(chǔ)能裝置(飛輪、高頻電池(high cycle battery)或電 容器)9差動(dòng)裝置10輪軸11車輪12插上/斷開13固定的V2G接口14電網(wǎng)15驅(qū)動(dòng)軸16燃料電池17開關(guān)組件18直流總線19公用的直流總線20直流總線電容器21感應(yīng)器22變壓器23交流鏈路24充電器輸入/輸出25直流電源26飛輪快速儲(chǔ)能裝置27柵極驅(qū)動(dòng)器28控制器29二極管30絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)31后部電4幾/發(fā)電才幾(MGR)具體實(shí)施方式
參考圖1,公開了設(shè)備的優(yōu)選實(shí)施例。本發(fā)明包括與傳動(dòng)裝置4連 接的發(fā)動(dòng)機(jī)1。該發(fā)動(dòng)機(jī)1可以通過(guò)離合器連接或者通過(guò)固定齒輪或軸 系連接。第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2被連接到發(fā)動(dòng)機(jī)1上的軸或者發(fā)動(dòng)機(jī)/傳 動(dòng)裝置接口的傳動(dòng)裝置4側(cè)上的軸。該傳動(dòng)裝置4將功率從發(fā)動(dòng)機(jī)1 和第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2通過(guò)傳動(dòng)裝置4傳遞給驅(qū)動(dòng)軸15、差動(dòng)裝置9， 接著傳遞給輪軸10和車輪11。第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3在傳動(dòng)裝置4上靠 近輸出的點(diǎn)處被連接到傳動(dòng)裝置4。傳動(dòng)系統(tǒng)可以不使用或使用一個(gè)、 兩個(gè)或三個(gè)離合器來(lái)選擇性地脫離發(fā)動(dòng)機(jī)1或單個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)2、 3。傳動(dòng)系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)軸15和差動(dòng)裝置9，這些裝置都可以是傳動(dòng)裝 置4的部分或者與傳動(dòng)裝置4分離，并且還包括輪軸IO或分軸。電機(jī)/發(fā)電機(jī)2、 3可以與傳動(dòng)系統(tǒng)成一直線地安裝，或者可以通 過(guò)齒輪、皮帶或鏈條或者液壓技術(shù)被連接到傳動(dòng)系統(tǒng)。電池7優(yōu)選地-使用鋰化學(xué)性質(zhì)，或者也可以使用NiMH、 NiCAD或 鉛酸。快速儲(chǔ)能設(shè)備8包括飛輪、電容器或高功率電池。優(yōu)選地，飛 輪使用被容納在真空室和整體電子裝置(integral electronics)中 的高速轉(zhuǎn)子來(lái)驅(qū)動(dòng)飛輪。可替換地，飛輪可以是任何類型的飛輪，其 并入轉(zhuǎn)子并且內(nèi)置在電機(jī)/發(fā)電機(jī)中，使得可以電氣地存儲(chǔ)和重新得到 能量。電容器可以是任何類型的電容器，其包括超級(jí)電容器、超電容 器和電解電容器?？焖賰?chǔ)能設(shè)備8具有比電池7的容量小得多的儲(chǔ)能谷里。在優(yōu)選實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)1是燃燒汽油的小活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)1?？商?換地，發(fā)動(dòng)機(jī)l可以是內(nèi)燃機(jī)l，該內(nèi)燃機(jī)l可以燃燒汽油、酒精、柔 性燃料、柴油、生物柴油、天然氣、丙烷或氫?？焖賰?chǔ)能設(shè)備8和電池7被連接到功率變換器和控制器6。該功率 變換器和控制器6引導(dǎo)能量在飛輪或電容器8、電池7、第一電機(jī)/發(fā) 電機(jī)2和第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3之間流動(dòng)。所有存儲(chǔ)或使用電力的元件(2、 3、 7和8)可以提供或吸收電力。功率變換器和控制器6包括單個(gè)組 件或分組件。這些分組件可被配置在單個(gè)模塊之內(nèi)，或者它們可以作 為單獨(dú)模塊被遮蓋。這些分組件可以被定位在一起或者分散在整個(gè)車 輛中。車輛與電網(wǎng)之間的接口包括插頭和插座12，其中車輛的交流電源 可被變換成車載直流電源。交流電源可以是110V、 220V、 480V的單相 或三相或其它商業(yè)供給的交流電力?？商鎿Q地，具有雙向功率處理能 力的固定的V2G接口 13可以提供V2G服務(wù)。固定的V2G接口 13可以 和公用設(shè)施進(jìn)行通信，以便發(fā)送V2G資源或者允許通過(guò)公用設(shè)施隔離。 固定的V2G接口 13通過(guò)直流或交流鏈路和插頭/插座12連接到車輛。本發(fā)明的操作包括以多種不同操作模式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。在第一驅(qū)動(dòng)模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)1向車輪11提供動(dòng)力，而第一電機(jī)/ 發(fā)電機(jī)2和第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3可自由旋轉(zhuǎn)但不會(huì)被激勵(lì)。在第二驅(qū)動(dòng)操作模式下，關(guān)斷發(fā)動(dòng)機(jī)1，并使用第一電機(jī)/發(fā)電機(jī) 2或第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3或者上述兩個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)提供所有動(dòng)力。這種 模式可被稱為EV模式。在該模式下，電能由快速儲(chǔ)能設(shè)備8和電池7 以由功率變換器和控制器6所確定的組合來(lái)供給。在第三驅(qū)動(dòng)操作模式下，既由發(fā)動(dòng)機(jī)1又由第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2、 第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3或者這兩個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)來(lái)提供動(dòng)力。在該模式下， 電能由快速儲(chǔ)能設(shè)備8和/或電池7以由功率變換器和控制器6所確定 的組合來(lái)供給。在第四驅(qū)動(dòng)操作模式下，車輛在減速到一程度，并可再生地恢復(fù) 能量。在該操作模式下，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2、第二電機(jī)/ 發(fā)電機(jī)3或者這兩個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)被施加到傳動(dòng)裝置4。在該操作模式 下，電機(jī)/發(fā)電機(jī)中的一個(gè)或兩個(gè)用作發(fā)電機(jī)，并將所恢復(fù)的車輛的動(dòng) 能轉(zhuǎn)換成電力。該電力被輸送到快速儲(chǔ)能設(shè)備8或電池7。通過(guò)功率變 換器和控制器6引導(dǎo)電力流動(dòng)到儲(chǔ)能設(shè)備。在該操作模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)l 可以旋轉(zhuǎn)或者不旋轉(zhuǎn)。在第五驅(qū)動(dòng)操作模式下，發(fā)動(dòng)機(jī)1驅(qū)動(dòng)第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2,使得 該第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2產(chǎn)生電力，以便以由功率變換器和控制器6所確 定的組合給電池7或快速儲(chǔ)能設(shè)備8或這兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電。在該模 式下，車輛可以停止或者移動(dòng)。執(zhí)行V2G服務(wù)包括多種不同的V2G操作模式。在第一V2G操作模式下，電網(wǎng)通過(guò)固定的V2G接口 13給插頭/插 座12提供能量，并且隨后給功率變換器和控制器6提供能量?？刂破?6利用該能量給快速儲(chǔ)能設(shè)備8或電池7或這兩個(gè)設(shè)備進(jìn)行充電。在第二V2G操作模式下，來(lái)自快速儲(chǔ)能設(shè)備8的能量由功率變換 器和控制器6提取并經(jīng)由插頭/插座12和固定的V2G接口 13供給電網(wǎng) 14。在第三V2G操作模式下，來(lái)自電池7的能量由功率變換器和控制 器6提取并經(jīng)由插頭/插座12和固定的V2G接口 13供給電網(wǎng)14。在第四V2G操作模式下，來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)1的能量由電機(jī)發(fā)電機(jī)2和3 中的任一個(gè)或兩個(gè)轉(zhuǎn)換成電力，然后由功率變換器和控制器6提取并 經(jīng)由插頭/插座12和固定的V2G接口 13供給電網(wǎng)14。任何一種V2G操 作模式可以通過(guò)存在于車輛中的軟件來(lái)自動(dòng)地支配，或者可以通過(guò)諸 如公用設(shè)施、獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、套裝服務(wù)提供商或任何其它終端用戶的外部實(shí)體來(lái)支配?？焖賰?chǔ)能設(shè)備8容忍頻繁地循環(huán)和高功率操作，但電池7不行。 在所有操作模式下，功率變換器和控制器6通常引導(dǎo)能量流動(dòng)，以致 電池7經(jīng)歷的充放電事件的數(shù)目被最小化。附加地，快速儲(chǔ)能設(shè)備8 被操作來(lái)使電池7的高功率操作的幅度和程度最小化。通過(guò)保護(hù)電池7 免受過(guò)多的循環(huán)和過(guò)多的高功率操作，可產(chǎn)生數(shù)個(gè)優(yōu)點(diǎn)。與在沒有快 速儲(chǔ)能設(shè)備8的情況下使用電池7相比，提高了組合的儲(chǔ)能系統(tǒng)的耐 用性。電池7可以在比無(wú)需保護(hù)快速儲(chǔ)能設(shè)備8也可能的放電深度更 深的放電深度上操作。因此，能夠以比無(wú)需保護(hù)快速儲(chǔ)能設(shè)備8也可 能的更小的電池7獲得給定的全電氣化行程范圍。許多其它模式是可能的，其中所定義的這五種模式的功能可以組 合使用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到本發(fā)明的多種變型。參考圖2,第一變型是使用一個(gè)或多個(gè)離合器5來(lái)選擇性地脫離發(fā) 動(dòng)機(jī)l、第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2或第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3。參考圖3，第二變型是并聯(lián)配置，其中僅使用了一個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī) (第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2 )。傳動(dòng)裝置4可以是自動(dòng)的或手動(dòng)的傳動(dòng)裝置， 該傳動(dòng)裝置不包括或包括一個(gè)或兩個(gè)離合器5。在第一變型或第二變型中，傳動(dòng)裝置4可支持如所示的兩輪驅(qū)動(dòng)。 可替換地，傳動(dòng)裝置4可以具有全部的或兼用的四輪驅(qū)動(dòng)的能力。參考圖4，第三變型完全取消了傳動(dòng)裝置4。在這種情況下，第一 電機(jī)/發(fā)電機(jī)2直接與發(fā)動(dòng)機(jī)1連接。第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2主要用作發(fā)電機(jī)，但是也可以用作能被用來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)1的電機(jī)。第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3直接或間接地給車輪11供以動(dòng)力。第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3直接與差 動(dòng)裝置9、驅(qū)動(dòng)軸或車輪11連接。該第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)3可通過(guò)固定齒 輪裝置或其它緊湊的且被限制的傳動(dòng)系部件或分組件連接。所有動(dòng)力 都從發(fā)電或存儲(chǔ)的地點(diǎn)(point)電氣地被傳送到驅(qū)動(dòng)電機(jī)。這種配置 是串聯(lián)的插入式混合系統(tǒng)或串聯(lián)混合系統(tǒng)。參考圖5，第四變型使用多個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而不使用單個(gè)第二電機(jī)/ 發(fā)電機(jī)3。參考圖6，第五變型使用了上面的串聯(lián)混合配置，并利用燃料電池 來(lái)產(chǎn)生電力。該燃料電池替換發(fā)動(dòng)機(jī)1和第一電機(jī)/發(fā)電機(jī)2。在這種 變型中，快速儲(chǔ)能設(shè)備8和電池7被連接到功率變換器和控制器6。該 功率變換器和控制器6引導(dǎo)功率在快速儲(chǔ)能設(shè)備8、電池7與第二電機(jī) /發(fā)電機(jī)3之間流動(dòng)。所有存儲(chǔ)或使用電力的元件(3、 7和8)可以提 供或吸收電力。在這種變型中，快速儲(chǔ)能設(shè)備8保護(hù)電池7免受劇烈 或頻繁的充放電事件。附加地，在這種配置中，快速儲(chǔ)能設(shè)備8通過(guò) 為加速提供直接功率來(lái)保護(hù)燃料電池16，其中燃料電池具有差的節(jié)氣 門響應(yīng)并可能由于這樣的事件而被損壞。圖7、 8和9公開了功率變換器和控制器6的細(xì)節(jié)。圖7示出了開 關(guān)17的命名法，開關(guān)17包括二極管29和固態(tài)開關(guān)設(shè)備30。優(yōu)選地， 該固態(tài)開關(guān)設(shè)備30是絕緣柵雙極型晶體管(IGBT),盡管也可以使用 其它開關(guān)設(shè)備。通過(guò)從控制器到柵極驅(qū)動(dòng)27的信號(hào)支配開關(guān)29斷開 或閉合。圖8和9示出了向系統(tǒng)中的每個(gè)開關(guān)29發(fā)布命令的控制器28。為 了清楚起見，僅示出了一些代表性的連接。實(shí)際上，所有開關(guān)29都從 控制器28接收輸入。附加地，控制器28可以從每個(gè)開關(guān)29接收信息， 該信息包括溫度、狀態(tài)(斷開或閉合)以及故障情況(清除、警告、 故障)。每個(gè)開關(guān)29都響應(yīng)于來(lái)自控制器28的命令被切換成斷開或閉合。 切換被實(shí)施來(lái)激勵(lì)或禁止部件或子系統(tǒng)，用于整流、限幅，或者被實(shí) 施來(lái)合成交流波形。附屬設(shè)備的額定功率變化。相關(guān)聯(lián)的開關(guān)15的相 應(yīng)額定功率也會(huì)變化，以便允許最小化功率變換器和控制器6的總體 尺寸、重量以及成本。功率變換器和控制器6具有直流總線，該直流總線具有處于升高 電勢(shì)的一條母線18和處于公共電勢(shì)的第二總線19。 H橋引線包括兩個(gè) 串聯(lián)連接的開關(guān)29，其中一對(duì)開關(guān)29連接直流總線的兩條母線18、 19,而這些開關(guān)之間的點(diǎn)與所連接的交流設(shè)備的一條相位引線連接。直流總線電容器20單獨(dú)地或同時(shí)地用于數(shù)個(gè)目的。總線電容器20 主要提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)和變換器引線所實(shí)施的降壓-升壓(buck-boost ) 功能所需的動(dòng)能存儲(chǔ)。單個(gè)直流總線電容器20服務(wù)于功率變換器和控 制器6中的所有相位引線。功率變換器和控制器6以交流形式從電機(jī)/發(fā)電機(jī)2、 3、 31、飛輪 快速儲(chǔ)能裝置26以及充電端口 24提供或者吸收功率。功率變換器和 控制器的H橋引線可操作成整流器、有源整流器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)或交流逆 變器，以便與這些設(shè)備連接。H-橋引線還可以用作斷路器(chopper)，或執(zhí)行通過(guò)開關(guān)實(shí)現(xiàn)的 任何其它功率處理，諸如直流-直流轉(zhuǎn)換所使用的那些功率處理。這些 配置被用于電池7和快速儲(chǔ)能電容器8的接口 。對(duì)于降壓-升壓功能要求電感，并將其作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的部分。 電機(jī)具有不可忽略的電感，其對(duì)于該目的是足夠的。對(duì)于諸如電池7 或儲(chǔ)能電容器8那樣的、具有低固有電感的設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以將感應(yīng)器 21并入該電路中。對(duì)于電機(jī)MG1 2、 MG2 3、 MGR 31和飛輪26中的電機(jī)/發(fā)電機(jī)，功 率變換器和控制器6的部分用作雙向電機(jī)驅(qū)動(dòng)。三相驅(qū)動(dòng)是典型的， 但是也可以使用其它數(shù)目的相位。圖3和4示出了三相驅(qū)動(dòng)配置。為 了產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，可以實(shí)現(xiàn)多種控制策略，這些策略包括脈寬調(diào)制(PWM)、 空間矢量控制和單一整流(simple commutation)。降壓/升壓變換器通過(guò)使用高頻切換而在電感中引起動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái) 執(zhí)行直流到直流的電壓變換。電容器20消除與變換器的開關(guān)頻率相關(guān) 聯(lián)的瞬變現(xiàn)象。感應(yīng)器21或固有電感、電容器20以及開關(guān)15被要求 來(lái)執(zhí)行降壓或升壓功能。圖8和9示出了電池7的降壓/升壓電路。圖 8示出了快速能量電容器8的降壓/升壓電路。在這些實(shí)例中，對(duì)于每 個(gè)降壓/升壓階段使用兩個(gè)開關(guān)17允許感應(yīng)器21和電容器20被用于 降壓或者升壓操作，而不用重新配置。降壓/升壓變換器被用于更高功率的附屬設(shè)備的直流-直流變換。交流鏈路23和變壓器22被用于充電器端口 24的交流電壓變換。內(nèi)部 交流鏈路23被用來(lái)允許變壓到更低的電壓，使得單獨(dú)的逆變器分組件 能夠在直流電源端口 25提供更低的電壓輸出(12V， 42V)。充電器端口 24被示為單相系統(tǒng)，但是也可以使用三相系統(tǒng)。當(dāng)車 輛靜止并與公用電網(wǎng)連接時(shí)，充電器電路可以將能量輸送給直流總線 18、 19,再?gòu)拇溯斔徒o任何附屬設(shè)備。在V2G操作期間，來(lái)自電池7、 快速儲(chǔ)能系統(tǒng)8、 26或發(fā)動(dòng)機(jī)1經(jīng)由MG1 2的能量可被輸送給電網(wǎng)。直流輸出端口 25由小的有源整流器來(lái)激勵(lì)，該有源整流器以一不 同于主要的直流總線18、 19的電壓的電壓操作。該有源整流器使用在 整個(gè)功率變換器和控制器6中所用類型的開關(guān)17，并與控制器28進(jìn)行 通信。圖8和9中所示的配置能夠提供兩個(gè)電壓的低功率直流，這兩 個(gè)電壓優(yōu)選為12V和42V。所有這些變型都意圖在本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種混合電動(dòng)車輛的動(dòng)力系，其包括內(nèi)燃機(jī)；第一電機(jī)-發(fā)電機(jī)，該第一電機(jī)-發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接并且僅被用來(lái)起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或者給第二電機(jī)-發(fā)電機(jī)供給電力，其中第二電機(jī)發(fā)電機(jī)向車輪供給牽引力；第一電能存儲(chǔ)設(shè)備；第二電能存儲(chǔ)設(shè)備；電力電子系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和充電系統(tǒng)；第一電能存儲(chǔ)設(shè)備是電池，當(dāng)車輛作為混合動(dòng)力車工作時(shí)或者當(dāng)車輛僅使用所存儲(chǔ)的電能工作時(shí)，該電池輸送或吸收電能；第二電能存儲(chǔ)設(shè)備是飛輪、電容器或超電容器或超級(jí)電容器，或者是電池，其中第二電能存儲(chǔ)設(shè)備僅在必要時(shí)吸收或輸送電流，以保護(hù)第一電能存儲(chǔ)設(shè)備免受超過(guò)第一電能存儲(chǔ)設(shè)備的損傷閾值的電流的影響；其中，電力電子系統(tǒng)響應(yīng)于控制系統(tǒng)并將電能從第一和第二電能存儲(chǔ)設(shè)備以及第一和第二電機(jī)-發(fā)電機(jī)中的每一個(gè)傳遞到第一和第二電能存儲(chǔ)設(shè)備以及第一和第二電機(jī)-發(fā)電機(jī)中的每個(gè)其他設(shè)備；控制系統(tǒng)包括確定和控制通過(guò)電力電子系統(tǒng)的能流路徑的裝置；以及其中，充電系統(tǒng)使用外部供給的電力來(lái)對(duì)第一電能存儲(chǔ)設(shè)備和第二電能存儲(chǔ)設(shè)備中的任一個(gè)或兩個(gè)進(jìn)行再充電。
2. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，包括用于當(dāng)車輛與電網(wǎng)連接時(shí)向 配電電網(wǎng)提供服務(wù)的裝置。
3. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，其被配置為并聯(lián)混合系統(tǒng)，其中 使用了單個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)，并且該電機(jī)/發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置之 間的傳動(dòng)系連接。
4. 如權(quán)利要求1所迷的動(dòng)力系，其被配置為并聯(lián)混合系統(tǒng)，其中 使用了單個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)，并且該電機(jī)/發(fā)電機(jī)與傳動(dòng)裝置和從動(dòng)輪之 間的傳動(dòng)系統(tǒng)連接。
5. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，其被配置為串聯(lián)混合系統(tǒng)，其中 單個(gè)電機(jī)/發(fā)電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)連接，并且一個(gè)或多個(gè)第二電機(jī)/發(fā)電機(jī)能 被驅(qū)動(dòng)地與車輪連接。
6. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)使用汽油、酒精、 柔性燃料、柴油、生物柴油、天然氣、丙烷或氫。
7. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，其中，該動(dòng)力系被配置為串聯(lián)混 合系統(tǒng)，并使用燃料電池來(lái)產(chǎn)生電力，而不是使用發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)來(lái) 產(chǎn)生電力。
8. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，其中，使用附加的電機(jī)-發(fā)電機(jī) 來(lái)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪，以致前輪和后輪由不同的電才幾驅(qū)動(dòng)。
9. 如權(quán)利要求1所述的動(dòng)力系，其中，車輪由車輪電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
10. 如權(quán)利要求2所述的動(dòng)力系，其中，被提供給電網(wǎng)的服務(wù)包 括頻率調(diào)節(jié)、能量仲裁、分布式存儲(chǔ)、機(jī)會(huì)變化、后備電源以及電壓 穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明涉及插入式混合推進(jìn)系統(tǒng)，其中混合傳動(dòng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能元件可用外部供給的電力以及來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)或再生制動(dòng)裝置的能量進(jìn)行充電。本發(fā)明是具有快速儲(chǔ)能和輸送系統(tǒng)的插入式混合系統(tǒng)。在優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明包括燃料供以動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)、電池、快速儲(chǔ)能系統(tǒng)、功率變換器、控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、配電系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)。附加地，本發(fā)明涉及當(dāng)車輛與公用電網(wǎng)連接時(shí)向電氣設(shè)施提供服務(wù)的插入式混合系統(tǒng)。
文檔編號(hào)B60K6/10GK101218119SQ200680024572
公開日2008年7月9日 申請(qǐng)日期2006年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月5日
發(fā)明者A·E·米恩斯, A·德什曼, D·A·本德 申請(qǐng)人:Afs三一電力公司