CN101611273A - 用于运输制冷单元的整体式多功率转换系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种给车辆制冷系统提供电力的电气子系统。该电气子系统包括电联接至高压DC总线的AC驱动器。该AC驱动器响应于冷却需求提供“制冷压缩机AC电力”。该电气子系统还包括“低压DC总线”。低压DC总线给包括制冷风扇在内的多个低压制冷部件提供电力。微控制器设定压缩机AC电压和压缩机AC频率。一种防止车辆制冷系统压缩机停转的方法，包括步骤：限制给压缩机的AC电力，使得AC电压不下降使得压缩机停转。另外，一种给车辆制冷系统中的压缩机提供电力的电气子系统包括压缩机的“V/f”操作信息，微控制器指令给压缩机AC电压和AC频率。

Description

用于运输制冷单元的整体式多功率转换系统
技术领域
[0001]本发明总体上涉及车辆电气子系统，更具体地涉及用于给车辆制冷系统提供电力的车辆电气子系统。
背景技术
[0002]大多数机动车辆，包括卡车和公共汽车，从内燃机获取动力。在车辆上运行各种电气系统的电力通常由发电机产生，该发电机由发动机机械地驱动。通常，这些发电机具有转子，该转子在机械上联接至由发动机驱动的传动带。AC发电机是用于这种应用中的最常用类型电力产生装置。
[0003]各种各样的发电机的出现允许车辆空气调节系统基于电力操作，其与使用发动机驱动的机械式制冷压缩机相对。在授给Hille等并转让给Carrier公司的美国专利No.6925,826中公开了这样的一种早期系统，题为“Modular Bus Air Conditioning System”。相比而言，用于车辆制冷系统的车辆发电机的应用存在更多的问题。
[0004]用在基于车辆的制冷系统中的电气部件通常由电气系统操作，该电气系统由车辆主发动机提供动力，通常是内燃机。由低压DC电源提供电力的制冷系统的部件，例如风扇、控制装置和控制器，能够通过车辆DC电源系统直接操作。车辆DC电源系统通常是基于一个或更多电池，并配置成12或24 VDC电源以给车辆电池总线提供电力。当车辆在运输中时，车辆的低压DC总线非常适合于给车辆制冷系统的低压部件提供电力。然而，当车辆马达停止时，车辆电池充电系统不再对DC电池充电，其使得车辆DC电池总线不太适合操作制冷部件。
[0005]一个问题在于，车辆发动机关闭时通常不能允许车辆制冷系统停止工作。另一问题在于，车辆制冷系统通常比空气调节系统需要更多电力，且通常需要一些不同电压的AC和DC电源，不同的制冷子系统的每一个通常需要独特的电气子系统来给它们提供电力。
[0006]所需要的是一种提供多个AC和DC电源的电气子系统，以给安装在车辆上的制冷系统提供电力，并且在车辆发动机关闭时该电气子系统能够通过AC电网操作。也需要一种更通用的车辆制冷电气子系统，其能够与一种以上的车辆制冷系统一起使用。
发明内容
[0007]一方面，本发明涉及一种给车辆制冷系统提供电力的电气子系统，该电气子系统包括AC电源，以提供AC电力给该电气子系统，在道路模式中，该AC电源包括车辆AC电源，在待命模式中，该AC电源包括商业AC电源。电气子系统还包括：道路模式整流器，该道路模式整流器电联接至车辆AC电源；和待命模式整流器，在待命模式中时，该待命模式整流器电联接至商业AC电源。道路模式整流器或待命模式整流器将AC电源转换至“高压DC总线”。电气子系统还包括电联接至高压DC总线的AC驱动器。AC驱动器响应于冷却需求提供“制冷压缩机AC电力”。制冷压缩机AC电力具有压缩机AC电压和压缩机AC频率，压缩机AC电压和压缩机AC频率都响应于压缩机控制输入。电气子系统还包括电联接至高压DC总线的DC电源。DC电源提供“低压DC总线”。低压DC总线给包括制冷风扇在内的多个低压制冷部件提供电力。电气子系统还包括微控制器，微控制器被编程以接收与AC电源、车辆制冷系统状态和控制需求相关的信息。微控制器也通信地联接至至少AC驱动器，其中，微控制器基于所接收的信息来设定压缩机AC电压和压缩机AC频率。
[0008]另一方面，本发明涉及一种防止车辆制冷系统压缩机停转的方法，包括步骤：提供车辆电气子系统，以给车辆制冷系统中的压缩机提供AC电力；提供使用AC电力的制冷压缩机；提供AC电源以给车辆电气子系统提供电力；监控AC电源的可用AC电量；以及通过限制供电给压缩机的AC电力频率来限制供应给压缩机的AC电力，从而使得供电给压缩机的AC电力总是比AC电源的可用AC电量少一定的余量，从而使给压缩机供AC电力的AC电压不会下降导致压缩机停转。
[0009]又一方面，本发明涉及一种给车辆制冷系统中的压缩机提供电力的电气子系统，包括：由AC电源提供电力的AC驱动单元，AC驱动单元向压缩机提供具有AC频率的AC电压。电气子系统还包括微控制器，微控制器运行一种程序，该程序包括压缩机的特征电压/频率(V/f)的操作信息，该特征电压/频率V/f操作信息将V/f操作点与压缩机功率联系起来，微控制器指令AC驱动单元来设定给压缩机的AC电压和AC频率，以满足车辆制冷系统中的被制冷空间的冷却功率需求。
附图说明
[0010]为了进一步理解本发明的这些目的，将结合附图参考本发明的以下详细说明，在附图中：
图1示出了根据本发明的电气子系统的示意图；
图2示出了图1的示例性电气子系统的框图；和
图3示出了与各种类型的制冷子系统相容的电气子系统的框图。
[0011]附图不必按比例绘制，相反，重点通常在于图示本发明的原理。在附图中，相同的附图标记在不同附图中指代相同的部件。
具体实施方式
[0012]定义：“道路模式”定义为制冷车辆发动机正在运行的工况。“待命模式”定义为制冷车辆发动机没有运行并在商业AC电网与制冷单元之间形成AC连接的工况。
[0013]在图1中示出了使用AC发电机110的电气子系统100的一个实施例。当动力源是车辆发动机时，来自于AC发电机110的AC电力(通常在从150到400VAC的范围内)，能够在“道路模式”期间给AC/AC变换器101(电子功率模块)供电。AC发电机110可以是具有转子绕组和定子绕组的AC发电机，这些绕组之一由DC电流供电，或者可以是常规永久磁体AC发电机。AC发电机110也可以包括可选的AC电压调整器(图1未示出)，通过调节转子或定子DC电流或通过增加附加DC调整绕组，以在车辆发动机速度范围内保持相对恒定的AC电压。这种AC发电机电压调整器是根据本发明的电气子系统的可选特征。
[0014]在“待命”模式时，AC/AC变换器101也可以由AC电压源(例如，AC电网102)提供动力，在“待命”模式中，与来自车辆发动机的电力相比，主要电力源来自于AC电网102。“电网电力”在此定义为任何固定AC电源，例如通常建筑物中或建筑物附近可用的AC电力，该AC电力通常由电网、其它化石燃料发电机和其它局部产生的AC电源(包括可再生源，例如基于由太阳能电池板或风力发电机产生的电力的局部AC电源)提供。例如，图1所示的示例性400VAC AC电网作为单相或三相AC电源通常能够在200至500 VAC范围内可用。
[0015]来自于AC/AC变换器101的AC电力能够在约50至450VAC的范围内可用，且频率范围约10Hz至120Hz，用于例如给一个或多个制冷压缩机103提供电力。
[0016]使用高压DC总线215(图2)，AC/AC变换器101也能够提供200V至600V范围内的一种或多种DC电压，其能够给一个或多个加热器104提供电力，例如用于给制冷设备和空气调节空间中的制冷部件的部件除雾的加热器。与由三相AC总线系统给加热器提供电力相比，直接通过单个高压DC总线给加热器104提供电力能够降低加热器系统的复杂性。另外，在一些实施例中，加热器能够通过控制高压DC总线和/或通过开关212(例如，固态DC切换开关)控制，因此不需要常规继电器。通过高压DC总线给加热器104提供电力的另一益处在于，这种加热器可以是相对简单的电阻加热器，通常仅需要保护性恒温器(图1或图2中未示出)。一个或多个保护性恒温器通常可以布置在加热器104上的一个或多个位置处。这样的保护性恒温器能够提供过温安全互锁，通常通过使得开关控制件212断开。相比而言，一些现有技术的用AC电力的加热器需要更昂贵和复杂的正温度系数(PTC)加热元件。
[0017]AC/AC变换器101还可以包括一个或多个低压DC整流器单元和/或受调制的DC电源，用于供应处于12至24 VDC范围内的一种或多种DC压力，以便给一个或多个用DC操作的风扇105提供电力。可以想到，48VDC也可用，以匹配一些较新的48VDC车辆电气系统。风扇105可以由控制器(例如显示为微控制器106)中的固态开关或继电器控制。一个或多个附加用DC操作的风扇105能够直接通过AC/AC变换器101提供电力。例如，直接通过AC/AC变换器101提供电力的一个或更多DC操作的风扇105可以用于冷却AC/AC变换器101外壳和/或一个或多个AC/AC变换器101散热器组件。
[0018]微控制器106可以由车辆电池107提供电力。借助于电池提供的电力，微控制器106在多个AC电源(例如AC发电机110)AC电网102)切换期间能够保持有电。微控制器106也能够通信地连接至AC/AC变换器101，以完成各种控制和电压选择功能，如示例性控制器局域网(CAN)总线连接线108所示的。微控制器106也能够控制风扇105的循环，以及例如经由总线108为子系统100的任何部件提供控制、监控和管理功能。微控制器106可以由车辆电池107提供电力。显示器211可以位于车辆制冷系统中或上，和/或位于车辆驾驶室中。显示器211能够由CAN总线108连接性地联接至微控制器106。其它微计算机210，例如由本发明的电气子系统供电的制冷子系统中的微计算机，也能够由CAN总线108通信地联接至微控制器106。
[0019]图2示出了图1所示的发电子系统的电气框图。AC发电机110能够提供电力给AC/AC变换器101。例如发电机的电气、机械和温度值一样的信息也能够经由信息线或数据总线(图1未示出)发送。AC/AC变换器101内示出了整流器203，在道路模式中，整流器203能够使用由AC发电机110提供的电力来提供200V至600V范围内的一种或多个DC电压。AC/AC变换器101内也示出了整流器214，在待命模式中，整流器214能够使用由商业AC电网提供的电力来提供200V至600V范围内的一种或多种DC电压。整流器203和214两者都能够给一个或多个加热器104和AC驱动单元204提供电力。
[0020]在图2的示例性实施例中，AC驱动单元204也能够提供通常在50至450VAC和10Hz-120Hz范围内的AC电力，以用于例如给一个或多个制冷压缩机203提供电力。AC驱动单元204也能够被定制成操作一种或多种类型的压缩机103。借助于AC驱动单元204操作的电子控制，通常不需要附加压缩机马达接触器，因此进一步简化设计并改进总体系统可靠性。在一些实施例中，AC驱动器204能够使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)桥电路结构。
[0021]整流器203也能够用于给一个或多个DC功率单元205提供电力，DC功率单元205能够提供12和/或24VDC的DC电力。DC功率单元205也可以称为辅助(AUX)的DC12和/或24V的电源。DC功率单元205通常能够包括DC-DC变换器，例如受调制的切换模式DC电源，以将来自于整流器203的高压DC转换成典型的车辆相容的DC电压，通常是12 VDC或24 VDC。因而，给制冷风扇提供电力的DC电压的供应可以与电气子系统的其它部件(例如AC驱动器204)相对隔离。
[0022]制冷子系统中的一些或全部风扇的这种DC操作与现有技术的制冷子系统中的形成对比，在现有技术中风扇的操作可能会遭受牢固地联接至公共AC总线(与大AC负载例如压缩机103共用)的多个用AC操作的风扇之间的不希望的相互作用。这种不希望的电气相互作用可以由并联无功负载引起，其能够导致成问题的或破坏性的系统共振。通过使用DC操作的风扇，电气子系统100完全解决了风扇马达相互作用的问题，在这里DC风扇通过DC民源(例如示出为DC电源205)完全从AC功率总线解耦，DC电源源205由整流器203直接提供电力。DC电源205可以是切换模式DC电源-DC变换器。
[0023]AC/AC变换器101也能够经由任选AC电网滤波器206由AC电网102提供电力。适合于给AC/AC变换器101提供电力的典型AC电网包括200 VDC至230 VDC的单(单一)相源，以及200 VDC至460VDC三相(三个相)电网连接。可以有与不同电网电压相容的一个以上的AC/AC变换器101的型号，或者单个AC/AC变换器101可以制作成通过使用手动开关或通过自动输入AC电压选择与不同电网电压相容，该自动输入AC电压选择是通过使用继电器、固态开关进行的，和/或可以使用能够在输入电压的宽范围内操作的电路结构。AC电网滤波器206能够帮助使AC/AC变换器101与AC电网102隔离。这种电滤波对外部扰动方面的噪音和瞬态抑制特别有利，且还有助于防止来自于AC/AC变换器101的噪音信号进入AC电网102。
[0024]如图1和2所示的电气子系统100能够构造成适合于如图3所示的各种类型的车辆制冷子系统300。使电气子系统100匹配具体类型的车辆制冷子系统300的一个方面是建立需要的AC和DC电压的列表。例如，风扇是需要12 VDC还是24 VDC。这种信息能够经过通信总线(例如CAN总线)从制冷子系统中的微计算机传输给电气子系统100中的微控制器106。还可以想到，在制冷子系统至微控制器106之间可以有各种类型的连接器联接电力，微控制器106可以使用电子或电动机械开关设置不同的插脚处的电压。可选地，可以将适用不同类型制冷子系统300的标准连接器“插脚引线”和缆线类型建立在具体产品线内或者有可能的话作为工业宽标准。
[0025]另外，单个电气子系统100能够给多个制冷子系统300或者具有多个制冷车厢的一个制冷子系统300提供电力。在这样的情况下，可以存在这样一些操作状况：电气子系统100能够提供AC电力给压缩机103以冷却一个被制冷的车厢或空间，同时该电气子系统100给另一被制冷的车厢或空间中的加热器104提供电力。在这样的情况下，给压缩机103和/或加热器104的电力可以限制，从而组合的电负载不超过电气子系统100的可用电力。
[0026]提供通用电气子系统100的另一方面涉及AC驱动器204。压缩机103通常具有电压幅值和AC频率规格，其需要操作AC电压和AC频率范围。通常，可以给压缩机103供应相对恒定的AC电压。于是，压缩机的速度(与压缩机功率和冷却速率有关)能够通过改变AC电压的频率来改变。每种压缩机103具有规定的电压频率(V/f)操作特征，通常由一个或多个V/f曲线表示。例如，压缩机103可以规定约400VAC90Hz的额定操作，或者另一压缩机103额定操作点是约300VAC80Hz。另外，一旦限定AC电压，每个压缩机103都具有有用操作频率范围，例如，从35Hz(例如，用于启动和最小的冷却需求)到100Hz(用于传输最高的压缩机轴速度和因此产生的最高冷却速率)。电气子系统100和各种车辆制冷子系统300之间的通用相容性的另一方面包括车辆制冷子系统将压缩机103AC电压和频率操作特征信息传输给微控制器106(例如经过CAN数据总线)的能力。例如，这种操作特征信息能够作为V/f曲线上的数据点逐字地传输，或者通过传输标识符，所述标识符使得微控制器106选择适合于具体制冷子系统300中的压缩机103类型的预编程V/f操作特征。相容性的另一方面是电气子系统100的AC驱动器204响应于各种压缩机103操作模式。例如，微控制器106能够被编程，使得在每次压缩机103马达启动时，AC频率从35Hz逐渐增加到需要的操作频率(与压缩机103轴旋转速度有关)，以便软启动。这种软启动惯例能够极大地限制潜在危险的机械应力，否则可能会损害压缩机103。
[0027]另外，在每次需要冷却时，制冷子系统中的微计算机或者微控制器106例如经由CAN总线可以设定合适的操作AC频率。在其它因素中，期望操作频率取决于制冷空间中的温度距温度设定点多远。压缩机103的合适操作频率的确定能够在制冷子系统中的微计算机中(其中，制冷子系统中的微计算机然后需要一定的操作频率)作出，或者可选地，使用足够的输入信息(例如制冷空间中的实际温度距当前温度设定点多远)作出，被编程带有压缩机103的V/f曲线或V/f数据点的微控制器106能够确定和设定由AC驱动器204传输的AC电的合适频率。
[0028]确定和设定压缩机103的操作频率的相关考虑因素包括考虑电气子系统100的可用输入电量(数量)。例如，在“道路模式”期间，当车辆发动机减慢时，例如在暂时停止或较慢车辆速度时，从AC发电机110获得的电力较少。如果可从AC发电机110获得的电量小于设定具有相应AC压缩机功率负载的具体压缩机103AC频率所需的量时，微控制器106可以设定响应于功率限制的频率上限，以防止超过该上限，直到车辆发电机速度返回到较高的额定值。如果电气子系统100不这样施加压缩机AC频率极限，那么来自于AC驱动器204的AC电压可能下降，其很可能导致压缩机103停转。这种压缩机103停转可能引起压缩机和/或压缩机马达的毁灭性故障。
[0029]示例：车辆制冷子系统记录制冷空间中的温度和当前温度设定点之间的20℃差。车辆制冷子系统发送最大压缩机速度请求给车辆电气子系统。在该示例的车辆制冷系统中，最大压缩机速度请求提出在压缩机AC频率为60Hz时给电气子系统的4千瓦负载。然而，电气子系统中的微控制器注意到此时仅有可用的3千瓦提供给电气子系统，因此限制压缩机频率为40Hz，从而防止压缩机停转。
[0030]术语“微控制器”，如参考微控制器106使用的，在此定义为与“微控制器”、“控制器模块”和“微计算机”同义且可与“微控制器”、“控制器模块”和“微计算机”互换。应当理解的是，微控制器通常包括“微处理器”和/或任何其它集成装置(例如，“数字信号处理器”(DSP)芯片和能够被编程执行微计算机功能的“现场可编程逻辑阵列”(FPGA))。
[0031]应当注意的是，虽然本发明系统已经总体上描述为使用从车辆发动机获得的机械能给发电机提供动力，但是在本文所述的任何实施例中，其它机械能源能够取代内燃机使用。
[0032]虽然本发明已经具体显示并参考附图中所示的优选模式描述，但是本领域技术人员应当理解的是，可以进行细节的各种变化而不偏离由权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种给被制冷的车厢或空间提供电力的电气子系统，包括：
AC电源，其向所述电气子系统提供AC电力，在道路模式中，该AC电源包括车辆AC电源，在待命模式中，该AC电源包括商业AC电源；
道路模式整流器，其电联接至所述车辆AC电源；和待命模式整流器，当处于待命模式时该待命模式整流器电联接至所述商业AC电源，所述道路模式整流器或所述待命模式整流器将所述AC电源转换至“高压DC总线”；
AC驱动器，其电联接至所述高压DC总线，所述AC驱动器响应于冷却需求提供“制冷压缩机AC电力”，该制冷压缩机AC电力具有压缩机AC电压和压缩机AC频率，该压缩机AC电压和压缩机AC频率响应于压缩机控制输入；
DC电源，其电联接至所述高压DC总线，所述DC电源提供“低压DC总线”，所述低压DC总线向包括制冷风扇的多个低压制冷部件提供电力；和
微控制器，其被编程以接收与AC电源、车辆制冷系统状态和冷却需求相关的信息，所述微控制器还通信地联接至至少所述AC驱动器，所述微控制器基于所接收的信息来设定所述压缩机AC电压和压缩机AC频率。
2.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述车辆AC电源是由车辆发动机提供动力的AC发电机。
3.根据权利要求2所述的子系统，其特征在于：所述AC发电机的AC电源还包括AC发电机电压调整器。
4.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述AC驱动器包括绝缘栅双极晶体管。
5.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述高压DC总线也向车辆制冷系统中的一个或多个电阻加热器提供电力。
6.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述道路模式整流器、待命模式整流器、AC驱动器和DC电源共同定位在公共外壳中，所述子系统还包括DC操作的风扇，该风扇由DC电源或车辆电池提供电力以冷却所述外壳。
7.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述DC电源包括受调制的DC至DC转换模式的电源，该电源具有至少12VDC或24VDC的低压DC电输出。
8.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述高压DC总线具有处于约200V至600V范围内的DC电压。
9.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：压缩机AC电压的范围是约50VAC至450VAC，压缩机AC频率的范围是约10Hz至120Hz。
10.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述电气子系统具有“道路模式”和“待命模式”，在道路模式中，电气子系统从AC发电机接收电力，所述AC发电机由车辆发动机提供动力，在待命模式中，电气子系统从车辆外部的AC电网接收电力。
11.根据权利要求10所述的子系统，其特征在于：低压DC负载由低压DC总线提供电力，在道路模式中时该低压DC总线由车辆电池提供电力，在待命模式时该低压DC总线则由DC电源提供电力。
12.根据权利要求1所述的子系统，其特征在于：所述电气子系统向包括多个被制冷空间的制冷子系统提供电力，所述多个空间中的至少一个由一个或多个加热器加热，而所述多个制冷空间中的另一个由压缩机冷却，如此使得在下列情况的至少所选择的一种情况下不超过电气子系统可用的电力：
限制至所述一个或多个加热器中的至少一个的高压DC总线电力；和
限制至压缩机的制冷压缩机AC电力。
13.一种防止车辆制冷系统压缩机停转的方法，包括步骤：
提供车辆电气子系统，以给车辆制冷系统中的压缩机提供AC电力；
提供使用AC电力的制冷压缩机；
提供AC电源以给车辆电气子系统提供电力；
监控AC电源的可用AC电量；和
通过限制供给压缩机的AC电频率来限制供给压缩机的AC电力，使得供给压缩机的AC电力的功率总是比AC电源可用的AC电量少一定余量，从而使得供给压缩机的AC电力的AC电压不会降低导致压缩机停转。
14.一种给车辆制冷系统中的压缩机提供电力的电气子系统，包括：
由AC电源提供电力的AC驱动单元，所述AC驱动单元向压缩机提具有AC频率的AC电压；和
微控制器，其运行包含压缩机的特征电压频率(V/f)操作信息的程序，所述特征电压频率V/f操作信息将V/f操作点与压缩机功率联系起来，所述微控制器指令AC驱动单元来设定给压缩机的AC电压和AC频率，以满足车辆制冷系统中的被制冷空间的冷却功率需求。
15.根据权利要求14所述的电气子系统，其特征在于：车辆制冷系统中的被制冷空间的冷却功率需求基于在所述被制冷空间中测得的温度与被制冷空间温度设定点之间的差来确定。
16.根据权利要求14所述的电气子系统，其特征在于：每次压缩机被指令“运行”时，AC频率以“软启动”的方式从0Hz增加至至少最小操作频率，该最小操作频率在约30Hz至40Hz的范围内。
17.根据权利要求16所述的电气子系统，其特征在于：AC频率还从所述最小操作频率增加至基于期望冷却速率的期望操作频率，其中，该期望操作频率限制在最大频率，该最大频率在约70Hz至120Hz的范围内。
18.根据权利要求14所述的电气子系统，其特征在于：压缩机的特征电压频率V/f操作信息包含压缩机的预编程V/f操作信息，微控制器基于标识符来选择压缩机的合适的V/f操作信息，所述标识符识别制冷系统的具体类型，该制冷系统包含压缩机的具体类型。
19.根据权利要求14所述的电气子系统，其特征在于：压缩机的特征电压频率V/f操作信息包括经过数据总线从制冷系统接收的V/f数据。
20.根据权利要求14所述的电气子系统，其特征在于：用于给制冷系统提供电力的多个电气子系统AC和DC电压是基于经过数据总线从制冷系统接收的数据来设定。
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