CN101746247A - 辅助驱动设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为辅助驱动设备及其制造方法。辅助驱动电路包括：第一能量存储装置，耦合到第一DC总线，并且配置成向第一DC总线输出电力；以及第一DC-DC电压转换器，耦合到第一DC总线和第二DC总线，第一DC-DC电压转换器配置成将电力转换成第一电压并且向第二DC总线输出第一电压。辅助驱动电路还包括耦合到第二DC总线并且耦合到辅助总线的第二DC-DC电压转换器，第二DC-DC电压转换器配置成将第一电压转换成第二电压并且向辅助总线提供第二电压，辅助总线配置成向辅助负载提供辅助电压，其中第二电压不同于第一电压。

Description

辅助驱动设备及其制造方法
技术领域
一般来说，本发明涉及混合和电动车辆，并且更具体来说，涉及用于操作混合和电动车辆的车载辅助系统的系统。
背景技术
完全电动车辆通常使用存储的电能向推进车辆的电动机供电。混合电动车辆结合内燃机和通常由一个或多个电能存储装置供电的电动机。通过使内燃机和电动机能够分别工作在增加效率的相应范围，这种结合可提高总燃料效率。例如，电动机在从静止启动进行加速时(at accelerating from a standing start)会是有效的，而内燃机在恒定引擎运转的持续周期期间、例如在公路行驶中会是有效的。使电动机提升初始加速度允许混合车辆中的内燃机更小并且更加燃料有效。
在常规车辆中，辅助系统包括空调、动力转向泵、油泵、冷却风扇和空气压缩机等，并且通常由通过车辆的内燃机供电的皮带和齿轮驱动器来驱动。但是，电动和混合车辆一般使用存储或回收的(recaptured)电能向辅助系统供电。在一些情况下，例如(诸如)在市区运行的公共汽车，操作辅助系统负载所需的能量可能超过推进车辆所需的能量。辅助系统的操作中的效率改进可增加电动车辆的驱动范围，并且可减小混合车辆中的燃料使用和尾管排出物。
混合和电动车辆中的辅助系统可直接从蓄电池、燃料电池或者其它能量存储装置供电，或者可通过牵引驱动DC链路供电。一种辅助系统可在不同于另一个辅助系统的有效操作所需的电压最有效地运行。但是，一种通用系统设计可使辅助系统以对其供应电力的燃料电池或蓄电池所提供的电压运行，即使所提供的电压对于特定辅助系统不是理想的。此外，这种蓄电池或燃料电池所提供的电压可随置于其上的负载极大地改变。因此，一些辅助系统可能通过以极大变化或者未达最佳标准的电压低效操作而浪费电力。因此，希望具有一种系统，它能够以各系统最有效地操作的电压向多个辅助系统供应稳定电力。
发明内容
根据本发明的一个方面，辅助驱动电路包括：第一能量存储装置，耦合到第一DC总线，并且配置成向第一DC总线输出电力；以及第一DC-DC电压转换器，耦合到第一DC总线和第二DC总线，第一DC-DC电压转换器配置成将电力转换成第一电压并且向第二DC总线输出第一电压。辅助驱动电路还包括耦合到第二DC总线并且耦合到辅助总线的第二DC-DC电压转换器，第二DC-DC电压转换器配置成将第一电压转换成第二电压并且向辅助总线提供第二电压，辅助总线配置成向辅助负载提供辅助电压，其中第二电压不同于第一电压。
根据本发明的另一个方面，一种制造方法包括：将第一能量存储装置耦合到第一DC链路，第一能量装置配置成向第一DC链路输出电力；将第一开关模式电源耦合到第一DC链路和第二DC链路；以及将第一开关模式电源配置成将第一能量存储装置输出到第一DC链路的电力转换成第一电压，并且向第二DC链路输出第一电压。该方法还包括：将第二开关模式电源耦合到第二DC链路和辅助总线；以及将第二开关模式电源配置成将第一电压转换成第二电压并且向辅助总线供应第二电压，其中第二电压不同于第一电压。
根据本发明的又一个方面，辅助驱动系统包括：耦合到第一DC总线的第一能量存储装置，第一能量存储装置配置成向第一DC总线输出电力；耦合到第二DC总线和第一DC总线的第一双向降压/升压转换器，第一双向降压/升压转换器配置成向第二DC总线输出第一电压，耦合在辅助总线与第二DC总线之间的电压转换器，电压转换器配置成将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，第二电压输出到辅助总线。辅助驱动系统还包括：辅助系统，耦合到辅助总线，并且配置成从辅助总线接收输入电压；以及控制器，配置成调节从第一双向降压/升压转换器所输出的第一电压，并且还配置成调节从电压转换器所输出的第二电压。
通过以下详细描述和附图，将使其它各种特征和优点非常明显。
附图说明
附图示出当前考虑用于实现本发明的一个优选实施例。
附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图2是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的示范双向降压/升压转换器的示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的示范降压转换器的示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图6是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图7是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图8是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图9是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图10是根据本发明的一个实施例的辅助驱动电路的示意图。
图11是根据本发明的一个实施例、具有多个辅助负载的辅助驱动电路的示意图。
 原始配件清单
  102  辅助系统或负载
  103  辅助链路或辅助总线正总线
  104  蓄电池
  105  第一DC链路或总线
  106  第一双向降压/升压转换器
  108  降压转换器
 原始配件清单
  109  控制装置
  110  第二DC链路或总线
  111  正DC链路
  112  接触器
  113  负DC链路
  114  接触器
  115  正DC链路
  116  基于微处理器的能量管理系统(EMS)或者控制器
  117  负DC链路
  119  预充电电阻器
  120  第二双向降压/升压转换器
  121  单极单掷(SPST)接触器
  122   耦合装置
  124   第三双向降压/升压转换器
  126   第二耦合装置
  128   第二能量存储装置
  130   第三能量存储装置
  132   多个燃料电池
  134   多个耦合装置
  150   能量供应装置
  151   双向降压/升压转换器
  152   AC电机
  122   耦合装置
  154   AC电机
  156   AC电机
  158   驱动风扇
  160   驱动风扇
  162   空调压缩机
  164   DC-AC变换器
  166   DC-AC变换器
  170   DC电机
  172   DC电机
  174   风扇
  176   泵
  178   控制装置
  180   控制装置
  202   晶体管或开关
  204   晶体管或开关
  208   晶体管
  210   低电压侧
具体实施方式
本发明包括涉及混合和电动车辆的实施例。本发明包括涉及辅助驱动设备以及用于制造辅助驱动系统的方法的实施例。
图1和图2所示的本发明的一个实施例示出辅助驱动电路10，它包括耦合到辅助链路或辅助总线正总线103的辅助系统或负载102。辅助负载102由耦合到具有正DC链路111和负DC链路113的第一DC链路或总线105的蓄电池104供电。蓄电池104耦合到第一DC总线105。在一个备选实施例中，蓄电池104可用燃料电池替代。第一双向降压/升压转换器106耦合在作为转换器106的低电压侧的第一DC总线105与作为转换器106的高电压侧、具有正DC链路115和负DC链路117的第二DC链路或总线110之间。第一双向降压/升压转换器106把在低电压侧从蓄电池104耦合到第一DC总线105的电力转换成第一电压，并且向第二DC总线110输出第一电压。降压转换器108具有耦合到第二DC总线110的高电压侧和耦合到辅助总线103的低电压侧。降压转换器108将耦合到第二DC总线110的高电压侧的第一电压转换成低电压侧的第二电压，并且将第二电压输出给向辅助负载102供应第二电压的辅助总线103。
第一DC总线105包括接触器112、114，以便准许蓄电池104与电路10的其余部分的电隔离(galvanic isolation)。在一个实施例中，双极单掷(DPST)开关可采用接触器112、114来实现，以便于蓄电池104的隔离。在一个备选实施例中，接触器112和114可用半导体开关或者能够将蓄电池104与电路10耦合和去耦(decouple)的类似装置替代。半导体开关或者类似装置能够采用通常以至少数十兆欧姆所测量的极高阻抗将源与负载去耦。在本发明的另一个实施例中，接触器112、114也可用二极管替代。在操作中，当电力从蓄电池流出时，双向降压/升压转换器106把来自蓄电池104的电压升高或逐步增加(step up)到输出给第二DC总线110的更高电压。降压转换器108获得双向降压/升压转换器106所输出的电压，并且通常将该电压逐步减低到辅助负载102可更有效地操作的电平。辅助系统102电压通过降压转换器108与第二DC总线110去耦，并且可工作在低于第二DC总线110电压的所选电压。另外，如果存在多个辅助负载102，则各负载102可具有配置成进一步将输入电压调整到最适合个别负载的电平的控制装置109(以虚线示出并且在图11中详细描述)、如DC-AC变换器(inverter)或者DC-DC转换器(converter)。
蓄电池104电压(即第一DC总线上的电压)由双向降压/升压转换器106逐步增加到的电平取决于控制转换器106的方式。类似地，双向降压/升压转换器高电压侧(即第二DC总线110上的电压)由降压转换器108逐步减低到的电平取决于控制降压转换器108的方式。图3示出开关模式电源的一个实施例：双向降压/升压转换器106具有用于控制装置的低电压侧与高电压侧之间的电压差的两个晶体管或开关202、204。在本发明的一个实施例中，基于微处理器的能量管理系统(EMS)或控制器116(图1所示)使用脉宽调制(PWM)来断开和闭合开关202、204，以便产生所期望的输出电压。类似地，第二开关模式电源、如图4所示的降压转换器108具有低电压侧210的电压，它可通过由EMS/控制器116(图1所示)使用PWM开关晶体管208来控制。电源、如蓄电池104和双向降压/升压转换器106或者降压转换器108的脉宽调制包括电源工作周期(duty cycle)的调制。所得输出是一系列方波。通过控制方波的定时(timing)，可使电源输出信号模拟大范围的DC电压值。
基于微处理器的EMS/控制器116配置成通过基于一组外部因素动态地设置辅助负载控制装置输入电压来优化辅助负载102的操作效率。EMS 116可与辅助负载控制装置109进行通信，以便在车辆运转期间当辅助负载是DC辅助负载时支配辅助系统102的电压或者在辅助负载是AC辅助负载时支配辅助系统102的电压和频率。EMS 116可与辅助负载控制装置109进行通信，以便使用例如但不限于环境温度、冷却剂温度、牵引驱动功率和扭矩水平(torque level)、车辆速度、车辆加速度/减速度速率、车辆操作模式和路面梯度等测量值来支配驱动辅助系统的特定电机的频率和电压。
图5和图6所示的辅助驱动电路20基于图1和图2的电路10，以及用第二双向降压/升压转换器120替代降压转换器108(图2)，并且包括耦合在第一DC总线105的正DC链路111与辅助总线正总线103之间的耦合装置122。电路20的一个备选实施例包括并联连接的预充电电阻器119和单极单掷(SPST)接触器121(以虚线示出)。预充电电阻器119和SPST接触器121耦合在接触器112与第一双向降压/升压转换器106之间。在一个备选实施例中，预充电配置(未示出)串联耦合例如预充电电阻器119等预充电电阻器和例如SPST接触器121等SPST接触器或者适当的半导体开关，其中这些串联连接的组件119、121均与接触器112并联耦合。耦合装置122可以是二极管、接触器或半导体开关其中之一。第二双向降压/升压转换器120将辅助系统102电压与第二DC总线110去耦，并且配置成把来自第二DC总线110的第一电压转换成输出到辅助总线103的第二电压。转换产生辅助总线103电压，它小于第二DC总线110电压。但是，如果辅助系统102可有效地工作在蓄电池104电压，则系统102可通过耦合装置122直接由蓄电池104供电，因而旁路(bypass)经由第二DC总线110从蓄电池104电压接收电力的第二双向降压/升压转换器120，并且旁路第一双向降压/升压转换器106。可在辅助负载、辅助控制装置和双向降压/升压转换器启动期间采用预充电电路(未示出)。如同上述图1和图2的实施例那样，在本发明的一个备选实施例中，蓄电池104可用燃料电池替代。备选实施例被设想成其中第一和第二双向降压/升压转换器106、120同时向第二DC总线110供应电力，从而有效地使从其中供电的装置可用的电力加倍。
控制第一和第二双向降压/升压转换器106、120(和图2中的降压转换器108)的电压输出的能力使系统20能够直接从再生制动(regenerative braking)期间所捕捉的能量向辅助负载102供电。在再生制动期间，蓄电池104可以不必向辅助系统102供应任何电力，从而进一步改进系统效率。另外，有可能的是，再生制动期间所产生的电压可超过蓄电池104电压，并且可用于向部分充电蓄电池104提供电力并且操作辅助系统102。在剧烈制动期间或者在下坡道保持速度时，来自再生制动的通常增加的电压可将第二DC总线110电压增加到大于蓄电池104的最大容许电压的电平。因此，辅助总线103上的电压可大于第一DC总线105上的电压，从而允许冷却风扇以比经由第一DC总线105从蓄电池104 DC进行操作时更高的速度运转。因此，风扇使用再生制动能量来提供附加冷却，而无需加重蓄电池104的负担。另外，在剧烈再生制动事件期间，当辅助DC总线103工作在比蓄电池104所输出的电压更高的电压时，利用附加再生能量，因此较少再生制动能量在动态制动格栅(dynamic brake grids)(未示出)中浪费，或者在机械制动或其它功率耗散装置(未示出)中耗散。
图7和图8所示的辅助驱动电路30基于图5和图6所示的电路20，并且添加了第三双向降压/升压转换器124、第二耦合装置126和第二能量存储装置128。配置成由EMS 116控制的第三双向降压/升压转换器124耦合在第二DC总线110与第二能量存储装置128之间。第二能量存储装置128可通过耦合装置122、126直接从蓄电池104充电，或者通过第三双向降压/升压转换器124从第二DC总线110充电。第二DC总线110电压(高电压侧)通过来自第一双向降压/升压转换器106、并且取决于耦合装置122的状态可能来自第二双向降压/升压转换器120或关联牵引驱动器(未示出)或者可附连(attach)到第二DC链路110的高电压侧的其它负载/源(未示出)的电压来确定。可以是蓄电池和超电容器(ultracapacitor)其中之一的第二能量存储装置128也可通过第三双向降压/升压转换器124向第二DC总线110或者通过第二和第三双向降压/升压转换器120、124向辅助负载102供应电力。
仍然参照图7和图8，第三能量存储装置130(以虚线示出)可耦合在第二DC总线110两端。可以是蓄电池和超电容器其中之一的第三能量存储装置130可直接向第二DC总线110供应电力、通过第一双向降压/升压转换器106向蓄电池104供应电力、通过第二双向降压/升压转换器120向辅助负载102供应电力，或者通过第三双向降压/升压转换器124向能量存储装置128供应电力。
图9和图10示出基于图7和图8所示的电路30的辅助驱动电路40，并且包括多个燃料电池132和多个耦合装置134，其中的每个可以是二极管、接触器和半导体开关其中之一。各自耦合到独立耦合装置134的多个燃料电池132配置成直接向辅助系统102供应电力、通过第二双向降压/升压转换器120向第二DC总线110供应电力、通过第一双向降压/升压转换器106向蓄电池104供应电力或者可能通过耦合装置126或通过第三双向降压/升压转换器124向第二能量存储装置128供应电力。
图11示出具有多个辅助负载的辅助驱动系统50的一个示例，多个辅助负载通过双向降压/升压转换器151从一个或多个能量供应装置150接收电力。多个辅助负载包括三个AC电机152、154和156。AC电机152和154分别驱动风扇158和160。AC电机156驱动空调压缩机162。AC电力经由两个DC-AC变换器164、166提供给电机152、154和156。系统50还包括两个DC电机170、172。DC电机170驱动风扇174，而DC电机172驱动泵176。DC电力经由控制装置178、180提供给电机170、172，控制装置178、180可包括DC-DC转换器、热开关、流量传感器和压力开关其中之一。如上所述，送往多个辅助系统的DC电压可由双向降压/升压转换器151来控制。另外，控制装置178、180和DC-AC变换器164、166可配置成单独控制输入到其相应辅助负载的电压。例如，如果车辆或系统工作在低功率电平，则运行风扇174和泵176的DC电机170、172同样地以极低的速度运转。把从转换器151所输入的较低电压施加到控制装置178、180将允许控制装置178、180和电机170、172以比控制装置178、180和电机170、172直接从处于较高电压的蓄电池104进行操作时更高的效率水平进行操作。
根据本发明的一个实施例，辅助驱动电路包括：第一能量存储装置，耦合到第一DC总线，并且配置成向第一DC总线输出电力；以及第一DC-DC电压转换器，耦合到第一DC总线和第二DC总线，第一DC-DC电压转换器配置成将电力转换成第一电压并且向第二DC总线输出第一电压。辅助驱动电路还包括耦合到第二DC总线并且耦合到辅助总线的第二DC-DC电压转换器，第二DC-DC电压转换器配置成将第一电压转换成第二电压并且向辅助总线提供第二电压，辅助总线配置成向辅助负载提供辅助电压，其中第二电压不同于第一电压。
根据本发明的另一个实施例，一种制造方法包括：将第一能量存储装置耦合到第一DC链路，第一能量装置配置成向第一DC链路输出电力；将第一开关模式电源耦合到第一DC链路和第二DC链路；以及将第一开关模式电源配置成将第一能量存储装置输出到第一DC链路的电力转换成第一电压，并且向第二DC链路输出第一电压。该方法还包括：将第二开关模式电源耦合到第二DC链路和辅助总线；以及将第二开关模式电源配置成将第一电压转换成第二电压并且向辅助总线供应第二电压，其中第二电压不同于第一电压。
根据本发明的又一个实施例，辅助驱动系统包括：耦合到第一DC总线的第一能量存储装置，第一能量存储装置配置成向第一DC总线输出电力；耦合到第二DC总线和第一DC总线的第一双向降压/升压转换器，第一双向降压/升压转换器配置成向第二DC总线输出第一电压，电压转换器耦合在辅助总线与第二DC总线之间，电压转换器配置成将第一电压转换成不同于第一电压的第二电压，第二电压输出到辅助总线。辅助驱动系统还包括：辅助系统，耦合到辅助总线，并且配置成从辅助总线接收输入电压；以及控制器，配置成调节从第一双向降压/升压转换器所输出的第一电压，并且还配置成调节从电压转换器所输出的第二电压。
虽然仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当易于理解，本发明并不局限于这类公开的实施例。相反，本发明可修改为结合前面没有描述的任何数量的变化、变更、替换或等效配置，但它们与本发明的精神和范围一致。另外，虽然已经描述本发明的各个实施例，但是要理解，本发明的方面可以仅包含所述实施例的其中一些。因此，本发明不能被视作受到以上描述的限制，而仅由所附权利要求书的范围来限制。

Claims (10)

1.一种辅助驱动电路，包括：
第一能量存储装置(104)，耦合到第一DC总线(105)，并且配置成向所述第一DC总线(105)输出电力；
第一DC-DC电压转换器(106)，耦合到所述第一DC总线(105)和第二DC总线(110)，所述第一DC-DC电压转换器(106)配置成将所述电力转换成第一电压，并且向所述第二DC总线(110)输出所述第一电压；以及
第二DC-DC电压转换器(108，120)，耦合到所述第二DC总线(110)并且耦合到辅助总线(130)，所述第二DC-DC电压转换器(108，120)配置成将所述第一电压转换成第二电压并且向所述辅助总线(103)提供所述第二电压，所述辅助总线(103)配置成向辅助负载(102)提供辅助电压，其中所述第二电压不同于所述第一电压。
2.如权利要求1所述的辅助驱动电路，其中，所述第一能量存储装置(104)具有输出电压，并且其中所述第二电压大于所述输出电压。
3.如权利要求1所述的辅助驱动电路，其中，所述第二电压大于所述第一电压。
4.如权利要求1所述的辅助驱动电路，还包括：第二能量存储装置(128)，耦合到所述辅助总线(103)和所述第二DC-DC电压转换器(108，120)，所述第二能量存储装置(128)配置成向所述辅助总线(103)供应电力；
其中，所述第二DC-DC电压转换器(108，120)还配置成将所述第二能量存储装置(128)所供应的所述电力转换成第三电压，并且向所述第二DC总线(110)提供所述第三电压。
5.如权利要求4所述的辅助驱动电路，还包括：耦合在所述第二能量存储装置(128)与所述第二DC-DC电压转换器(108，120)之间的耦合装置(126)。
6.如权利要求1所述的辅助驱动电路，还包括：耦合在所述第一能量存储装置(104)与所述第一DC-DC电压转换器(106)之间的耦合装置(122)，其中所述耦合装置(122)包括接触器、半导体开关和二极管其中之一。
7.如权利要求6所述的辅助驱动电路，其中，所述耦合装置(122)包括配置成将所述第一能量存储装置(104)的正和负端子与所述辅助驱动电路的其余部分去耦的一组接触器。
8.如权利要求1所述的辅助驱动电路，其中，所述第一DC-DC电压转换器(106)包括第一双向降压/升压转换器。
9.如权利要求8所述的辅助驱动电路，其中，所述第二DC-DC电压转换器(120)包括第二双向降压/升压转换器；以及
还包括耦合在所述辅助总线(103)与所述第一DC总线(105)之间的耦合装置(122)。
10.如权利要求1所述的辅助驱动电路，其中，所述辅助负载(102)包括热开关、DC电机、控制装置、DC-DC转换器、泵、DC-AC变换器、AC电机和空调电机其中之一。
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