CN101472758B - 机动车辆的微混合设备 - Google Patents

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Abstract

机动车辆的微混合方法和设备。所述设备包括，以电级联连接的旋转电机(4)、AC-DC变换器(2)、DC供电总线(3)，所述DC供电总线连接到所述AC-DC变换器并且适合于连接到为所述车辆的配电系统供电的能量存储电池(5)的端子。根据本发明，该设备还包括大容量能量存储装置(1)，其与所述级联连接相并联而安装。

Description

机动车辆的微混合设备
技术领域
本发明可以有益地应用于车辆部分领域。其目的是机动车辆中的微混合(micro-hybrid)设备。该微混合设备的目的是，首先，在制动阶段期间回收(recuperate)电能，第二，根据包含在机动车辆中的各项电气设备和电子设备的消耗来恢复(restore)该能量。
背景技术
当机动车辆制动时，动能以热量的形式被耗散到制动圆盘中。本领域已知几种回收该动能的回收制动设备。这样的设备能够回收由机动车辆的制动产生的动能，以便将其转换为电能。
在机动车辆中，回收制动设备连接到车辆的配电系统，其包括用于存储该转换的电能的电池。该电池通常为传统铅电池。
配电系统将电池中积累的能量恢复到装配在机动车辆中的各项电气和电子设备。属于配电系统的部件组的结构或者该车辆的车载(on board)网络是级联连接的，在本说明书的剩余描述中也被称为是串联连接的。
该种结构所面临的一个问题是配电系统中具有单个电池，当所有的电气和电子设备项同时消耗时，该电池被快速放电。由于这些项消耗大量的电能，因此该缺点更加不利。
对该问题的一个经典解决方案在于增加电池的存储容量。这样的电池的物理尺寸就变得非常可观。该解决方案存在多种缺点，特别是价格方面，由于该种电池相对较贵，并且当装配时其占用车辆的引擎间内更多的空间。因而将这种类型的电池安装在很难进入的环境中会面临处理能力、重量、鲁棒性和成本的问题。
更甚者，目前所用的电池是传统电池。这些电池不能被长时间地以高电流充电，以确保制动设备产生的能量的回收。利用该种类型的设备，暂态能量的管理在确保车辆的配电系统中流动的电压的调节方面不是非常有效。
另一种解决方案在于为车辆的供电系统装配有第二配电系统，该第二配电系统具有二次能量存储设备，该二次能量存储设备的存储容量不同于主电池或主存储设备的存储容量。该第二配电系统与具有主存储设备的第一系统一起工作。该具有二次存储设备的第二系统传送浮动(floating)DC电源电压，该具有主存储设备的第一系统传送通常低于所述浮动电压的低DC电源电压。因而获得全局双电压配电系统。
这两个存储设备通过可逆DC-DC电压变换器彼此耦接。该变换器的功能是启动这两个存储设备和配电系统之间的能量传送。电流发生器，由耦接到车辆的热引擎的交流发电机或交流发电机起动器构成，直接向该二次存储设备提供电能，并且通过该变换器向主存储设备提供电能。
本领域公知，使用非常高电容的电容器组作为二次存储设备。这些非常高电容的电容器通常被本领域技术人员称为“超级电容器”或“超电容器”。该二次存储设备，在本说明书的剩余部分中被称为“超级电容器”，具有当电流发生器工作在回收制动模式下时回收最大电能的任务。
与经典铅电池相比，充电/放电循环数及其深度对超级电容器来说是不重要的，其对于可以显著变化的充电电压的电平也几乎没有约束。
这种双电压供电系统也可以采取串联结构的形式。在这样的系统中所用的两个存储设备可以对向车辆提供能量的问题提供较好的应对。
然而，双电压串联类型的结构很难适合车辆，因为相对复杂的连接系统和一些巨大的部件不得不被安装在车辆的机盖之下。
因此，注意到，现有技术针对向所有项电气和电子设备存储能量并且提供能量的问题而提出的解决方案不能够应付。具体来说这样的一些约束：空间的约束、重量的约束，最重要的是成本的约束，以及应用的特定领域的具体关注点，例如机动车辆。
本领域公知，还存在一种不同于上面评论的串联类型结构的结构，其中，超级电容器通过可逆DC-DC变换器连接到车辆的DC供电系统。这种结构被称为并行结构，并且具有较为简单的连接的优点，其有利于将微混合设备安装在车辆的机盖之下。
目前，期望提出涉及该并行结构的解决方案以便扩大微混合设备的设计可能性。
发明内容
本发明的目的是提供并行类型的微混合设备，与现有技术的解决方案相比，其将允许电池性能的较好利用。
根据本发明的设备包括，以电级联连接的旋转电机、AC-DC变换器、DC供电总线，所述旋转电机机械地耦接到车辆的热引擎，所述DC供电总线连接到所述AC-DC变换器并且能够连接到提供车辆的配电系统的能量存储电池的端子，该设备还包括大容量能量存储装置，其通过连接到DC供电总线的可逆DC-DC变换器与所述级联连接相并联而安装。
根据本发明，该设备也包含电子控制装置，其被编程以保证在回收能量存储装置中的能量期间或者在由能量存储装置恢复能量期间将DC供电总线自动调节到恒定电压。
根据本发明，上述设备也可以包括下述特征中的至少一个：
-该可逆DC-DC变换器是开关类型的。
-该大容量能量存储装置包括超级电容器。
-该大容量能量存储装置是通过工作在12V到60V的电压范围而被充电的类型的。
-该大容量能量存储装置是通过工作在0V到几百伏的电压范围而被充电的类型的。
-该旋转电机是交流发电机。
-该旋转电机是交流发电机起动器。
-该电子控制装置根据下列模式中的至少一个来控制该设备的操作：
-自发工作模式，其中设备的控制是由该电子控制装置自发定义的，以及
-驱动工作模式，其中设备的控制是由该电子控制装置根据由车辆的系统提供给该设备的至少一条信息定义的。
-该大容量能量存储装置是通过工作在0V到几百伏的电压范围而充电的类型的。
-在每次切断电源或者需要加载时，该电子控制装置调节电压以便减少由交流发电机模式下的旋转电机的有限的动态范围引起的车辆的配电系统上的过电压或者欠电压。
-该电子控制装置以这样的方式来控制该设备的操作：在加速阶段或启动阶段期间，自动触发对电池的辅助电流供给，并且此供给降低电池的端子处的压降。
-该电子控制装置以这样的方式来控制该设备的操作：当热引擎在运行或者停止时，恢复存储在该能量存储装置中的能量，以为DC供电总线供电，作为旋转电机的替代。
-该电子控制装置以这样的方式来控制该设备的操作：当电池被完全充电但是能量存储装置未被完全充电并且热引擎未停止时，在交流发电机模式下由该旋转电机向能量存储装置供电。
-该电子控制装置以这样的方式来控制该设备的操作：当驾驶者起动制动器时，该车辆的部分动能被回收，并且被馈入到能量存储装置中以便对它们再充电。
-该电子控制装置以这样的方式来控制该设备的操作：当既没有起动加速器也没有起动制动器时，如果热引擎未停止，则在交流发电机模式下该旋转电机为该配电系统和电池供电。
-该电子控制装置以这样的方式来控制该设备的操作：当既没有起动加速器也没有起动制动器时，如果热引擎停止，则该能量存储装置为该配电系统和电池供电。
附图说明
通过阅读下面结合附图而会容易理解的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1是实施本发明的一个实施例的装置的图形表示；以及
图2是示出构成本发明的此实施例的三种工作模式的状态图。
具体实施方式
图1示出了安装在机动车辆中的用于回收和恢复电能的设备1的示意性表示。图1示出了连接到DC总线3的电压发生器/电马达7。电压发生器/电马达7包括多相旋转电机4和AC-DC电压变换器2，该多相旋转电机4机械耦接到车辆的热引擎，更准确地说是耦接到热引擎的机轴。AC-DC变换器2是使得DC电压被转换成几个交流电压(每相一个交流电压)的电气设备。AC-DC变换器2包括几个桥臂(未示出)。每个桥臂包括几个电子控制的开关。在一个优选示例中，AC-DC变换器2是在电马达模式下控制旋转电机4的三相逆变器-整流器。
DC总线3包括DC电压源5。在一个优选示例中，该电压源5是电池或整流系统。在本发明中电池的概念应当被认为覆盖形成可充电的电能存储装置的任何设备，至少在设备的非零充电状态下在其端子处可获得非零DC电压。
电压源5由电机4经由AC-DC变换器2来提供。DC总线3包括多项电气或电子设备6。这些设备项6具体地为串联连接到电压源5的连接线路或者为并联连接到电压源5的电气消费品。机动车辆中的电气消费品可以是前灯、无线电广播设备、空调系统、风档刮水器以及其它。
电机4可以是感应电动机或同步电机。组合电机4和AC-DC变换器2的设备7可以是交流发电机或交流发电机起动器。可逆交流发电机起动器的设计是传统交流发电机，其提供在变换器模式下起动热引擎和在整流器模式下起动高效电流发生的选择。在交流发电机模式下，交流发电机起动器产生大于通过传统交流发电机获得的电功率15％的电功率。在可逆模式下，其使得由电子装置全部管理的引擎能够快速且安静的起动。该交流发电机起动器易于安装。其与当前车辆的结构和电力系统是兼容的。
用于回收和恢复电能的设备1在电池5的端子处并联连接到DC总线3。其可以以简单的方式连接到绝对任何类型的机动车辆的设备7。因为其以并联连接，所以当设备1连接到机动车辆的传统车载系统时，设备1不需要适配系统。
同样地，设备1可以被安装在机动车辆内不同的位置处，而不必要安装在机盖下。因而，设备1到机动车辆内的集成是灵活的。该集成的灵活性使得车辆内的安装的约束降低了。在一个示例中，设备1可以被集成到机动车辆的保护罩内。因而根据本发明的设备1解决了目前技术中将能量存储装置9安装在靠近AC-DC变换器2之处的问题。
在目前技术中，AC-DC变换器2和电机4彼此靠近，并且电池传统上在机盖之下。这首先引起了热量对电池和变换器之间的线缆的长度产生临时影响的问题，第二引起了集成具有一定体积的设备1的问题。根据本发明的设备1通过其在机动车辆内的集成灵活性解决了目前技术中的这些问题。因而其独立于机动车辆的各个元件。
本发明的设备1使得机动车辆的热引擎的效率能够优化。因而当存在不需要的剩余能量时，例如在制动阶段，该设备1使得能够将能量存储在能量存储装置9中，以及当可能时，使得能够恢复该能量，具体地在加速和起动阶段，当热引擎停止时，向DC总线3供电，或者在交流发电机阶段期间，同时该热引擎也在运行时，减轻交流发电机的负担并且因而降低燃料的消耗。
根据本发明的微混合设备在所描述的情况下包括DC-DC变换器8。变换器8将由交流发电机传送的处于恒定电压的电力转换成例如处于0到60V的可变电压的相等电力。讨论中的该DC-DC变换器可以具有并联斩波器的拓扑。在这种情况下，其提供大于输入电压的输出电压。当然应当理解，DC-DC变换器可以与其它拓扑对应，例如串联斩波器或感应存储器。作为串联斩波器，变换器提供低于输入电压的输出电压。根据本发明的变换器根据要被回收的制动功率而设计尺寸。
变换器8是能够在交流发电机模式下吸收电压纹波的开关变换器，因为其开关频率和其带宽远大于DC总线3的端子处的电压纹波。
因而设备1包含连接到变换器8的能量存储装置9。能量存储装置9优选地为超级电容器。该能量存储装置9可以是能够实现本发明的任何其它类型的能量存储装置。其被选择为具有大于12V的电压。其对于低电压系统可以有益地接受高达60V的电压，并且在混合车辆的系统中可以接受几百伏的电压。
在一个优选示例中，该能量存储装置9是大容量电容器，更通常地被称为EDLC。该能量存储装置9在制动期间被充电。其可以被充电到12V以上的电压。这种大容量能量存储装置可以在短时间内以很高的电流密度充电。例如，在5秒内，这种能量存储装置9可以使得能量的存储具有提供几千瓦的电势，这是传统电池所不能提供的。传统电池不允许接受这么大的瞬时功率流动。
在交流发电机起动器模式下，与串联结构中使用的超级电容器的传统尺寸相比，能量存储装置9的物理尺寸可以被减小20％到30％。
上述微混合设备使得能够回收由设备7产生的电能，而变换器8实现设备7和能量存储装置9之间的电压的适配。该电能然后被存储在能量存储装置9中。
当设备1与交流发电机起动器一起工作时，存储在能量存储装置9中的能量可以被恢复，以便首先起动热引擎，第二向电气和电子设备6供电并且在热引擎的转矩辅助模式(车辆的加速)期间辅助能量源5。当设备1与交流发电机一起工作时，能量存储装置9恢复其能量以为设备6供电。因而，根据本发明的设备1可以与交流发电机或交流发电机起动器类型的多项设备中的一个或其它集成在一起。
设备1可以被安装在任何类型的车辆中，甚至安装在那些没有为它们提供12V的电源的车辆中。
微混合设备的操作是由控制单元10来控制的。该控制单元10根据在DC总线3上测量的电压来控制、调节和恢复由能量存储装置9存储的能量。
控制单元10根据图2的状态图中示出的三种工作模式来驱动微混合设备。
图2中的状态图示出了下面三种模式：备用模式21、能量回收和存储模式22以及能量恢复模式23。
备用模式21是被动的、非活动模式。
当下列条件(a)在自发模式下为真时，能量回收和存储模式22被触发：
(a)Ubus>Uref
其中Ubus是当前DC总线3上的电压，Uref是参考电压。
在驱动模式下，回收模式可以由图1中的外部指令11来禁止。
能量回收和存储模式22优选地在车辆的制动阶段期间被触发，以便回收否则可能已被浪费到车辆的制动圆盘中的任何能量。
当下列条件(c)在自发模式下为真时，能量恢复模式23被触发：
(c)Ubus<Uref
在驱动模式下，即使条件(c)为真，该模式也可以由外部指令11来禁止。该模式优选地尽可能频繁地被触发，以便利用在制动期间已被无成本地回收的能量。该能量的利用减轻了车辆的电压发生器/电马达7的负担，因而减小了燃料消耗。该模式在车辆的寿命周期中的下面情况期间被触发：
-车辆加速阶段，
-热引擎起动阶段，
-车辆停止阶段，
-车辆前进阶段。
图2中所示的其它条件(b)和(d)如下：
(b)Ubus≤Uref或能量存储装置9被完全充电，
(d)Ubus≥Uref或能量存储装置9被完全放电。
制动阶段
在车辆的制动阶段期间，在交流发电机的轴上施加的机械能被转换成电能。为了实现有效制动，人们必须能够尽快回收存储在电马达的轴上的机械能。
当控制单元10检测到车辆的DC总线3的电压的升高时，其激活回收模式。存储装置9充电直到控制单元检测到存储装置9被完全充电或者制动阶段已结束。
在该模式的最后，控制单元10将设备1设置为备用模式。
车辆加速阶段
当车辆处于加速模式时，根据本发明的设备1也使得能够提供存储在能量存储装置9中的电能，以便将转矩助推力提供给热引擎来驱动车辆。
当电池5被充电时，交流发电机起动器4、7变成可用的电马达。如果车辆的驾驶者起动加速器，则微混合设备借助于控制单元和其具体选择标准，能够判决其是否能够起动交流发电机起动器处于马达模式，以便通过耦接到机轴的传送带来提供由汲取来自于设备的能量存储装置9和来自于电池5的能量需要的额外转矩。
当能量存储装置被完全放电时或者当加速阶段结束时，该设备判定能量回收模式结束。
起动阶段
这里，操作与加速阶段中的操作类似。
在该起动阶段期间，该设备也在辅助电池5中起到重要作用，以便提高起动性能，但是也限制了在该操作阶段期间车载系统(DC总线3)的压降。这种操作与经典起动器以及与交流发电机起动器同等有效。当能量存储装置9被完全放电或者当起动阶段结束时，可以判定该模式结束。
停止阶段
停止阶段与热引擎的停止相对应，其可以是由于车辆的“停止和前进”操作而引起。热引擎的这些停止与车辆的使用阶段对应，例如在红色交通灯前停止、在停止标志前停止或者在交通堵塞中停止。
在该阶段期间，电压发生器/电马达7不可用，但是不用说必须为车辆的电气设备供电。但是，传统铅电池5不能够忍受大量放电。因此优选地使用能量回收模式中的设备，以便为车载系统供电，作为电压发生器7和电池5的替代。
当能量存储装置9被完全放电或者当停止阶段达到结尾时，触发该模式的结束。
车辆前进阶段
在交流发电机模式，车辆的热引擎在传送带上产生机械能，以驱动交流发电机(其是同步电机)的轴。该交流发电机提供电能。该电能用来为经典电池和耗电设备供电。
在该阶段期间，该设备可以用在以下工作模式下：对能量存储装置9重新充电或回收能量。
对于燃料消耗的全局优化，优选地使用处于能量恢复模式下的设备1来补充电压发生器7，以便为电负载消费品6供电。这使得限制了由电机4从机轴汲取的转矩，因而减小了电流消耗。
在DC总线的端子处，设备1也担当有源电压滤波器，以减小由交流发电机产生的电流纹波。由本发明构成的微混合设备可以在每次关断电源或者需要加载时被激活在一个模式或者其它模式下，以减少所述DC总线上的过电压和/或欠电压，由于交流发电机的很小的带宽，因此其不能够响应该过电压和/或欠电压。

Claims (13)

1.一种机动车辆中的用于回收和恢复电能的微混合设备(1)，
所述设备(1)与旋转电机(4)、AC-DC变换器(2)、DC供电总线(3)的电级联连接相关地并联安装，所述旋转电机(4)机械地耦接到所述车辆的热引擎，所述DC供电总线(3)连接到所述AC-DC变换器(2)并且能够连接到为所述车辆的配电系统供电的能量存储电池(5)的端子；
所述设备包括大容量能量存储装置(9)和可逆DC-DC变换器(8)，并且所述大容量能量存储装置(9)通过所述可逆DC-DC变换器(8)连接到所述DC供电总线(3)，其特征在于，
所述设备还包括电子控制装置(10)，所述电子控制装置(10)根据下列模式中的至少之一来控制所述设备的操作：
-自发工作模式，其中所述设备的控制是由所述电子控制装置(10)自发定义的，以及
-驱动工作模式，其中所述设备的控制是由所述电子控制装置(10)根据由所述车辆的系统提供给该设备的至少一条信息(11)定义的，并且其特征在于，
在所述自发工作模式中，所述电子控制装置(10)被编程以保证在回收所述大容量能量存储装置(9)中的能量期间或者在由所述大容量能量存储装置(9)恢复能量期间根据DC供电总线(3)上测量的电压Ubus将DC供电总线(3)自动调节到恒定电压Uref，其中当条件Ubus＞Uref为真时，触发所述大容量能量存储装置(9)中的能量回收，当条件Ubus＜Uref为真时，触发所述大容量能量存储装置(9)中的能量恢复。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述可逆DC-DC变换器(8)是开关类型的。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述大容量能量存储装置包括超级电容器(9)。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该大容量能量存储装置(9)是在工作在12V到60V的电压范围时充电的类型的。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述旋转电机是交流发电机(4)。
6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述旋转电机是交流发电机起动器(4)。
7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：在每次电源切断或者需要加载时，所述电子控制装置(10)调节电压以便减少由交流发电机模式下的旋转电机(4)的有限的动态范围引起的车辆的配电系统上的过电压或者欠电压。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：在加速阶段或启动阶段期间，自动触发对能量存储电池(5)的辅助电流供给，并且此供给降低能量存储电池(5)的端子处的压降。
9.根据权利要求7或8所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：当热引擎在运行或者停止时，恢复存储在该大容量能量存储装置(9)中的能量，以为DC供电总线供电，作为旋转电机(4)的替代。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：当能量存储电池(5)被完全充电但是大容量能量存储装置(9)未被完全充电并且热引擎未停止时，在交流发电机模式下由该旋转电机(4)向大容量能量存储装置(9)供电。
11.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：当驾驶者起动制动时，该车辆的部分动能被回收，并且被馈入到大容量能量存储装置(9)中以便对它们完全再充电。
12.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：当既没有起动加速器也没有起动制动时，如果热引擎未停止，则在交流发电机模式下该旋转电机(4)为该配电系统和能量存储电池(5)供电。
13.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述电子控制装置(10)以这样的方式来控制该设备的操作：当既没有起动加速器也没有起动制动时，如果热引擎停止，则该大容量能量存储装置(9)为该配电系统和能量存储电池(5)供电。
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