CN1976828A - 混合驱动的能量存储系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种混合驱动系统，该系统包括一个或多个具有用于产生驱动用机械功率的电动机的混合驱动牵引传动装置。混合驱动牵引传动装置可操作用于接收来自车载发电系统的电力。电动机用于接收来自能量存储单元的电力，并且为能量存储单元供电。该能量存储单元可以通过开关与电动机耦合。

Description

混合驱动的能量存储系统及方法

技术领域

通常本发明涉及混合驱动系统(hybrid propulsion system)，特别是重型混合驱动应用中的分布式能量存储的系统和方法。

背景技术

部分车辆用牵引电动机推动车辆。典型地，牵引电动机与能为其提供电力的链路连接在一起，如总线。也可以用一个或多个车载交流发电机为链路链路提供动力。在特定工作条件下，如当车辆减速或者在下坡中保持速度时，电动机产生的反电势大于由发动机驱动的交流发电机所提供的电压。在这种情况下，牵引电动机就不再做为电动机而是用做交流发电机。这个称为动态制动的过程是电力制动的一种形式，利用电力制动能够减少车辆机械制动系统组件的磨损。当车辆是机车时，动态制动减少了机车上以及该火车所有单节车厢的制动磨损。典型地，在动态制动过程中电动机产生的电能通过使用电阻作为热量来消耗。

混合驱动系统经过发展已经能够恢复部分因在动态制动过程中的发热而浪费的能量。对这种浪费的能量的恢复被称作再生制动。具有重型混合驱动系统的车辆(如巴士、大型卡车、矿业车辆和机车)需要大型能量存储单元，通常包括电池、超级电容(ultracapacitor)、飞轮或者一种或多种这些技术的组合。重型牵引混合机车驱动系统就是其中一个例子。在该应用中，动力通常由原动机(如柴油发动机)提供，该原动机直接与交流发电机和相关的大功率整流器耦合，该大功率整流器将交流发电机的输出从交流电(AC)转换成直流电(DC)。然后将整流器的输出耦合到可以为多个电动机供电的的主DC链路链路。典型地，能量存储单元通过电子DC/CD变换器电连接到主DC链路链路，该变换器由能量管理系统及相关的车辆系统控制器控制。DC/CD变换器为能量存储单元提供双向DC-DC接口，以致能量存储单元能用于为牵引电动机供电及在再生制动期间接受来自牵引电动机的电力。来自牵引电动机的电力用于为能量存储单元部分再充电。因此，通常在动态制动期间作为热量由栅极电阻消耗掉的能量能够被恢复并且用于为能量存储单元部分再充电。此后，能量存储单元可放电，以便为牵引电动机供电。通过适当的系统控制，混合驱动系统可用于通过减少的来自柴油发动机的输出功率来提供车辆加速，从而相比于传统的非混合动力机车，在给定排放时所需的燃料量减少了。

但是，现存的混合驱动系统中存在多个问题。对于重型车辆，由于能量存储单元的额定功率小于原动机的额定功能，所以通常都需要双向DC-DC能量存储接口。但是，双向DC/DC变换器所需要的电子设备使功率电子硬件的成本显著增加。例如，在重型车辆的正常操作中，主DC链路的电压通常大约是从250V变化到1500V。为了减少DC/DC变换器的成本，在混合模式操作期间，能量存储单元的输出电压通常选择为在DC链路以上或以下。但是，当需要使混合驱动系统中的能量存储单元既在DC链路电压之上又在之下工作时，通常在DC/DC变换器中使用一个“H”桥结构。但是，“H”桥结构需要至少两倍的功率电子开关，这就明显增加了DC/DC变换器的成本。高额定功率的DC/DC变换器也存在潜在的可靠性问题。而且，由于具有较高的功率要求，所以传统混合驱动系统的能量存储单元需要多个较小的能量存储单元并联工作。但是，当在较大范围的环境温度极值内操作时，并联能量存储单元之间的功率共享也是一个问题。如果未适当控制功率共享，能量存储单元的寿命可能会减少。

更进一步，在传统的重型混合车辆中，各种电器(如电灯、风扇、空气压缩机)都是由发动机供电的。这就意味着，即使在车辆制动或者在下坡上行驶时，发动机都要需要操作以便为电器供电。这就使燃油经济性显著降低。

因此，需要一种减少成本和/或提高混合驱动系统能量效率的技术。更具体地，需要一种增加再生制动功率量的技术，该再生制动功率可以恢复，由重型车辆的混合驱动系统产生。

发明内容

在本技术的一个方面，提供一种具有一个或多个混合驱动牵引传动装置(traction drive)的驱动系统。混合驱动牵引传动装置包括电动机，其可操作用于产生用于驱动的机械功率和可操作用于在电动机动态制动期间用于产生电力。混合驱动牵引传动装置包括能量存储单元，其可操作用于为电动机供电，以便产生驱动所用的机械功率并且在电动机动态制动期间接收来自电动机的电力。设置有开关，其可操作用于基于驱动系统的操作参数选择性地将能量存储单元耦合到电动机。

附图说明

下面当参考附图进行详细描述时，可以更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1是根据本技术的一个示例性实施例的混合驱动系统的示意图，描述该系统在低功率操作时的电力流；

图2是图1的混合驱动系统的示意图，描述该系统在高功率操作时的电力流；

图3是根据本技术的一个示例性实施例的混合驱动系统的可替换实施例的示意图；

图4是图3的系统的可替换实施例的示意图，描述在高功率制动操作期间为辅助设备供电；

图5是混合驱动系统的第二个可替换实施例的示意图，描述在高功率制动操作期间用牵引电动机为能量存储单元充电；和

图6是混合驱动系统的第三可替换实施例的示意图。

具体实施方式

本技术提供一种用于混合驱动系统的分布式能量存储系统和方法。在重型车辆(如跨境巴士、卡车、机车、越野车等)上本技术具有显著的优点。

图1和图2描述了根据本发明的混合驱动系统10。系统10包括可操作用于为至少一个混合驱动牵引传动装置14供电的车载发电系统12。混合驱动牵引传动装置14通过主直流电(DC)链路16与车载发电系统12电耦合。这里所用的术语DC链路是指正负DC总线，由于系统10的不同的组件，其各部分具有不同的电压等级。所述的车载发电系统12使用一个热力发动机(heatengine)18，如汽油机、柴油机、燃气涡轮机等。热力发动机18可驱动地耦合到交流发电机20，该交流发电机将热力发动机18的机械输出转变为三相AC电力。交流发电机20的三相AC输出耦合到AC总线或者链路21。整流器22用于将交流发电机20的AC输出转换为DC输出。整流器22的输出与主DC链路16耦合。在该实施例中，交流发电机20可操作用于通过AC/AC变换器26为辅助设备24供电。辅助设备24可以包括车载电灯、风扇、空气压缩机等。但是，本领域技术人员可以明白，辅助设备24能够由主DC链路16提供的直流电操作。

所述混合驱动牵引传动装置14中的每一个均包括局部DC链路28，该局部DC链路将电力耦合到牵引电动机30。在所述实施例中，牵引电动机30为AC电动机。但是，也可以使用DC电动机。逆变器34设置为将局部DC链路28上的DC变换为AC。混合驱动牵引传动装置14还包括与局部DC链路28耦合的能量存储单元(ESU)36。各实施例中的能量存储单元36可以是电池、超级电容、飞轮或者其它类型的能量存储装置。另外，开关38位于能量存储单元36和局部DC链路28之间。开关38可以是继电器或其它任何类型电流控制装置的触点。在该实施例中，当热力发动机18在低功率状态下操作时开关38将自动闭合，当热力发动机18在高功率状态下操作时将自动断开。但是，也可以用其它标准来控制开关38的操作，如交流发电机20产生的电压。在另一个实施例中，一个或多个混合驱动牵引传动装置14可以包括多个电动机30和相关的逆变器34。还是在另一个实施例中，一个或多个混合驱动牵引传动装置可以包括多个能量存储单元36。

局部DC链路28上的电压可以有很大的变化。阻塞二极管40位于主DC链路16和各局部DC链路28之间，以便当局部DC链路28的电压大于主DC链路16的电压时防止电流从各局部DC链路28流向主DC链路16。根据本技术，多个混合驱动牵引传动装置14可以并联耦合到主DC链路16。

系统10也可以包括一个或多个不使用混合驱动的传统牵引传动装置42。混合驱动牵引传动装置14的数量可以从驱动系统中使用的至少一个牵引传动装置变化到所有牵引传动装置。与混合驱动牵引传动装置14类似，传统的牵引传动装置42可以通过阻塞二极管43耦合到主DC链路。

在正常操作中，车载发电系统12通过主DC链路16为每个混合驱动牵引传动装置14供电。但是，在发动机18处于低功率操作期间，如当车辆从起动位置加速时，主DC链路16的电压小于能量存储单元36的电压。例如，在低功率下操作的机车中，主DC链路16两端的电压大概是200V，而能量存储单元36的工作电压可能大概为600V。在这样的操作中，如图1所示开关38闭合，能量存储单元36耦合到局部DC链路28，以使能量存储单元36能够为电动机30供电。由箭头I₁表示的电流从能量存储单元36流向电动机30。

在低功率制动操作期间，电动机30作为交流发电机工作。各逆变器34将电动机30的AC输出变换为由箭头I₂表示的DC输出，该DC输出提供给局部DC链路28以便为能量存储单元36部分充电。当能量存储单元36完全充满或者当牵引电动机30产生的电力超过能量存储单元36的接受能力时，来自电动机30的电流被引导穿过另外的阻塞二极管44和45通过动态制动DC链路48到达动态制动电阻系统46。动态制动电阻系统46包括通常具有高额定功率的电阻，用来消耗牵引电动机30所产生的再生制动能量作为热量。

通常参考图2，当发动机18的速度增加时，交流发电机20的输出也增加。在发动机18的这种高速和高功率操作期间，主DC链路的电压可以大于能量存储单元36的电压。例如，当在高功率下操作时，主DC链路16两端的电压大约为1400-1500V，而能量存储单元36的操作电压大约为600V。在高功率操作中从主DC链路16到能量存储单元36的电力流可以导致能量存储单元36的过电压状态。因此，开关38断开，从而能量存储单元36与局部DC链路28的连接断开。结果，在高功率制动操作中，来自牵引电动机30的再生电力没有流向能量存储单元36。相反，再生电力通过动态制动链路48由第二阻塞二极管44传递到动态制动电阻系统46。从电动机30到电阻系统46的电流通常用箭头I₃表示。

系统10可以在局部DC链路28的不同电压下进行操作。当存在一个或多个传统牵引传动装置42时，提供阻塞二极管41或阻塞二极管45以便阻止电流通过一个混合牵引传动装置的阻塞二极管44和另一个混合牵引传动装置14的阻塞二极管40在不同的能量存储单元36之间不受控制的循环。

优选地，阻塞二极管43用来传导由非混合牵引传动系统42吸引的最大拉电流量。在发动机18的低功率操作期间，也可以闭合一个或多个开关38，以使电力能够从一个或多个相应的能量存储单元36通过阻塞二极管44流出，为非混合牵引系统42供电。但是在动态制动期间，非混合牵引传动系统42产生的动态制动电力将不能用于为任何能量存储单元36充电，因为其将被非混合DC链路的阻塞二极管43阻塞。

希望非混合动态制动DC链路的阻塞二极管45用来传导由非混合牵引传动系统42所产生的最大动态制动电流。在车辆动态制动操作期间以下情况是可能的：一个或多个开关38闭合，使得动态制动电力能够从非混合牵引系统42流出，从而通过阻塞二极管40为一个或多个相应的能量存储单元36充电。但是在发动机18的低功率操作期间，将不可能从任何能量存储单元36向非混合牵引传动系统42发送电力，因为将被非混合动态制动DC链路的阻塞二极管45阻塞。

从而，本技术的上述实施例不再使用昂贵的DC-DC变换器，并且在许多领域使用都具有优势，如调度机车(switching yard locomotive)，其通常以相当低的速度和功率在调车场内操作。

通常参考图3和4，描述了混合驱动系统的可替换实施例，通常用附图标记50表示，其可操作用于在车辆的高功率制动操作期间恢复再生电力。所述系统50包括辅助设备51，其可以通过主DC链路16由车载发电系统12供电或者通过动态制动DC链路48由电动机30提供的再生制动电力供电。

在所述实施例中，辅助设备通过逆变器53从辅助DC链路52接收电力。阻塞二极管54被提供在主DC链路16和辅助DC链路52之间。另一个阻塞二极管56被提供在动态制动DC链路48和辅助DC链路52之间。在系统50的正常操作期间，主DC链路16的电压正向偏置阻塞二极管54。由箭头I₄表示的电流通过阻塞二极管54流向逆变器53并继续流向辅助电子设备51。

现在参考图4，在高功率制动操作期间，混合驱动单元14中的电动机30的动态制动会使局部DC链路28上的电压增加到大于主DC链路16上的电压，这就使通常由箭头I₅表示的电流通过阻塞二极管44流入动态制动链路48。由于混合驱动传动装置14的牵引电动机30产生的反电势大于主DC链路16上的电压，所以将动态制动链路48耦合到辅助DC链路52的阻塞二极管56被正向偏置。这使电力能够从牵引电动机30流向辅助DC链路52。电力从辅助DC链路52流向辅助设备51。这也使阻塞二极管54被反向偏置，阻塞电力从主DC链路16流向辅助设备24。

在可选择实施例中，一个或多个阻塞二极管40、43和54由一个或多个开关代替，这些开关可以是继电器或任何其它类型的电流控制装置的触点。根据前面描述的相应阻塞二极管40、43或54的操作逻辑，当不需要从DC链路16流出的电力时，可以控制这些开关为非导通的。在另一个实施例中，一个或多个阻塞二极管44、45和56由一个或多个开关代替，根据前面描述的相应阻塞二极管44、45或56的操作逻辑，当不需要流向动态制动DC链路48的电力时，可以控制这些开关为非导通的。相比于在同样的位置使用二极管，使用开关可以减少传导损耗。

图5描述了根据本技术的另一可替换实施例的混合驱动系统58。系统58还包括DC/DC变换器60，在高功率和通常的高速情况下进行制动操作期间，DC/DC变换器60用于将来自电动机30的再生制动电力耦合到能量存储单元36。当在较高功率和较高速度下制动电动机30时牵引电动机30所产生的反电势大于在较低功率和速度下产生的反电势。在较低功率水平和通常的低速情况下，来自电动机30的再生制动电力通过开关38耦合到能量存储单元36。但是，在高功率制动操作期间，如前面所述的，开关38断开。因此牵引电动机30所产生的再生电力并不能通过开关38提供，以便为能量存储单元36充电。相反地，再生电力通过阻塞二极管44流到动态制动DC链路48。由箭头I₆表示的由牵引电动机30产生的电流从动态制动DC链路48耦合到DC-DC变换器60。通常使用DC/DC变换器60将动态制动DC链路48的电压逐步降低到能量存储单元36的操作范围内的电压。DC/DC变换器60的输出通过阻塞二极管62流向能量存储单元36。DC/DC变换器60的输出的一部分通过二极管64被引导通过耦合到逆变器53的辅助DC链路52以便操作电子辅助设备51。

系统58具有优点，因为DC/DC变换器60的额定功率小于传统混合驱动系统中的DC/DC变换器的额定功率。另外，DC/DC变换器60不必是双向的，也就是说，电流只是通过DC/DC变换器60单向流通，而不是双向的。而且，当电动机30在低功率和通常的低速下操作时DC/DC变换器60将被旁通，因此就增加了能量存储单元36的充电效率。

参考图6，描述了驱动系统的一个替换实施例，通常用附图标记66表示。在该实施例中，混合驱动牵引传动装置68通过整流器70直接耦合到AC链路21。整流器72也用来为传统的驱动牵引传动装置74供电。但是，整流器72比图1的整流器22小，因为使用不止一个整流器来传导从AC链路21到局部DC链路28的电流。另外，在再生期间，整流器72阻塞电流从一个能量存储单元36到另一个能量存储单元的再循环，而没有使用阻塞二极管43和45。

因此，本技术提供了在大范围的车辆功率和速度下恢复再生制动能量。另外，简化了使用的硬件，而且相对比较便宜。尽管在这里只是描述和叙述了本发明的某些特征，但是本领域技术人员可以做出多种改进和变化。因此，可以理解，附加权利要求书覆盖了在本发明真实思想内的所有这样的改进和变化。

Claims (31)

1、一种驱动系统，包括：

电动机，可操作用于产生用于驱动的机械功率并且在该电动机的动态制动期间可操作用于产生电能；

能量存储单元，可操作用于为电动机供电以产生用于驱动的机械功率，并且在电动机的动态制动期间接收来自电动机的电能；和

开关，可操作用于基于驱动系统的操作参数有选择地将能量存储单元耦合到电动机。

2、如权利要求1所述的系统，包括热力发动机，其中所述操作参数是热力发动机的输出功率，当输出功率处于功率的第一范围内时开关闭合，当输出功率处于功率的第二范围内时，开关断开。

3、如权利要求1所述的系统，包括第一二极管，可操作用于使电力能够从DC链路流向电动机和能量存储单元，并能够阻塞电力从电动机和能量存储单元流向DC链路。

4、如权利要求1所述的系统，包括整流器，可操作用于使AC电力能够从AC链路流向DC链路，以便为电动机供电。

5、如权利要求3所述的系统，包括第二二极管，配置为在电动机的动态制动期间允许电流从电动机流向动态制动电阻系统。

6、如权利要求3所述的系统，包括辅助电子设备和二极管电路，其中该二极管电路可操作用于在驱动系统的第一操作模式中使辅助电子设备能够从DC链路接收电力，以及在电动机的动态制动期间使辅助电子设备能够从电动机接收电力。

7、如权利要求6所述的系统，其中，当电动机为辅助电子设备提供电力时，二极管电路阻止来自电动机的电力流向DC链路。

8、如权利要求2所述的系统，包括电耦合到能量存储单元的直流到直流(DC/DC)变换器，其中，当开关处于断开位置时，在电动机的动态制动期间，该DC/DC变换器可操作用于为能量存储单元供电。

9、如权利要求1所述的系统，包括电耦合到电动机的直流到交流(DC/AC)逆变器，其中，该DC/AC逆变器可操作用于将来自能量存储单元的直流电变换成交流电，在动态制动期间可操作用于将来自电动机的交流电变成直流电。

10、如权利要求1所述的系统，包括可操作用于为DC链路供电的热力发动机。

11、如权利要求1所述的系统，其中，能量存储单元包括电池。

12、如权利要求1所述的系统，其中，能量存储单元包括超级电容。

13、如权利要求1所述的系统，其中，能量存储单元包括飞轮。

14、如权利要求1所述的系统，包括：

车载发电系统，可操作用于提供三相AC电力；

多个DC链路，每个DC链路均可操作用于将能量存储单元耦合到电动机上；和

多个整流器，每个整流器均可操作用于将来自车载发电系统的三相AC电力耦合到DC链路。

15、一种车辆，包括：

混合驱动牵引传动装置，可操作用于接收来自车载发电系统的电力，该混合驱动牵引传动装置包括：

电动机，可操作用于在电动机动态制动期间产生电力；

电子设备；和

电子电路，用于使电子设备能够接收来自车载发电系统的电力，并且在电动机的动态制动期间接收来自电动机的电力。

16、如权利要求15所述的系统，包括能量存储单元和可操作用于将能量存储单元电耦合到电动机的开关。

17、如权利要求16所述的系统，其中，在车辆功率的第一范围内，电开关闭合，以便将能量存储系统耦合到电动机，在车辆功率的第二范围内，电开关断开，其中车辆功率的第二范围大于车辆功率的第一范围。

18、如权利要求16所述的系统，包括车载发电系统，其中该发电系统为DC链路提供电力。

19、如权利要求18所述的系统，其中，所述混合驱动牵引传动装置包括二极管，所述二极管配置为允许电力从DC链路流向电动机，并阻止电力从电动机流向DC链路。

20、如权利要求18所述的系统，所述混合驱动牵引传动装置包括整流器，所述整流器配置为使电力能够从AC链路流向电动机，并且阻止电力从电动机流向AC链路。

21、如权利要求19所述的系统，其中，当电力从车载发电系统提供给电动机时开关断开。

22、如权利要求18所述的系统，其中，所述电子电路包括：

二极管，可操作用于在车辆的正常操作期间使电子设备能够接收到来自DC链路的电力，在电动机的动态制动期间阻止来自电动机的电力流向DC链路。

23、如权利要求17所述的系统，包括电耦合到能量存储单元的直流到直流(DC/DC)变换器，其中该DC/DC变换器耦合到能量存储单元，以便当开关处于断开位置时使电动机能够为能量存储单元供电。

24、一种车辆的驱动系统，包括：

混合驱动牵引传动装置，可操作用于接收来自车载发电系统的电力，其中该混合驱动牵引传动装置包括：

电动机，可操作用于在动态制动期间产生电力；

能量存储单元；和

开关，可操作用于将能量存储单元电耦合到电动机，以便在从第一电动机速度开始的电动机动态制动期间，使能量存储单元能够接收来自电动机的电力；和

直流到直流(DC/DC)变换器，可操作用于在从第二电动机速度开始的电动机动态制动期间将来自电动机的电力提供给能量存储单元，其中第二电动机速度大于第一电动机速度。

25、如权利要求24所述的系统，其中，在车速的第一范围期间，开关闭合，在车速的第二范围期间，开关断开，其中车速的第二范围大于车速的第一范围。

26、如权利要求24所述的系统，包括车载发电系统，其中该车载发电系统可操作用于为主DC链路供电，该主DC链路耦合到多个混合驱动牵引传动装置。

27、如权利要求26所述的系统，其中，每个混合驱动牵引传动装置包括：

局部DC链路，电耦合到电动机，和；

第一二极管，其中该二极管使电力能够从主DC链路流向局部DC链路，在电动机的动态制动期间，所述二极管阻止电力从局部DC链路流向主DC链路。

28、如权利要求27所述的系统，包括第二二极管，配置为在动态制动期间使电力能够从DC链路流向动态制动电阻系统。

29、如权利要求28所述的系统，其中，所述DC/DC变换器通过第二二极管接收来自电动机的电力。

30、一种为车辆混合驱动系统中的能量存储单元供电的方法，包括：

当电动机在第一速度下操作期间，通过电开关将能量存储单元电耦合到电动机，从而在处于第一速度的电动机的动态制动期间，使来自电动机的电力能够流向能量存储单元；和

当电动机在第二速度下操作期间，通过电压变换器将电动机电耦合到能量存储单元，从而在处于第二速度的电动机的动态制动期间，使来自电动机的电力能够流向能量存储单元，其中第二速度大于第一速度。

31、如权利要求30所述的方法，还包括当电动机在第二速度下操作期间，断开开关。

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