CN102398530B - 车辆推进系统和管理车辆推进系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种车辆推进系统和管理车辆推进系统的方法。监测联接到车辆车载推进致动器的能量供应源中的剩余能量。从能量供应源提供给车载辅助非推进负载装置的能量基于能量供应源中的剩余能量自动地限制。

Description

车辆推进系统和管理车辆推进系统的方法

技术领域

本发明总体上涉及车辆电气系统。更具体地，本发明涉及配置成给外部负载提供功率的车辆电气系统。

背景技术

近年来，技术的发展以及样式的不断尝试使得机动车的设计产生了实质性改变。其中一种改变涉及机动车内电气系统的复杂性，特别是使用电压供应源的替代燃料（或推进）车辆，例如混合动力以及蓄电池电动车辆。这种替代燃料车辆通常使用一个或多个电动马达，通常由蓄电池供电且可能与另一个致动器结合以驱动车轮。这些车辆还包括无数的非推进装置，例如空气调节、照明和娱乐系统，其消耗来自于车载能量供应源的功率。

通常，机动车上的控制系统将简单地允许推进致动器（例如，牵引马达）和非推进负载（例如，空气调节器）两者同时消耗功率，而不关心使用非推进负载对车辆驾驶里程具有的影响。甚至在车载能量存储装置（例如，蓄电池或燃料箱）中剩余的能量下降到非常低的水平时，也通常如此。因而，由于车辆没有到达期望目的地所需的里程，因此车辆乘员可能被困。

因此，期望提供通过控制由辅助装置消耗的功率来增加车辆驾驶里程的车辆推进系统和用于管理车辆推进系统的方法。此外，本发明的其它期望特征和特性将从随后的详细说明和所附权利要求结合附图以及前述技术领域和背景技术显而易见。

发明内容

在一个实施例中，提供一种车辆推进系统。所述车辆推进系统包括：能量供应源；联接到所述能量供应源的推进致动器；联接到所述能量供应源的至少一个非推进辅助负载装置；以及联接到所述能量供应源、所述推进致动器和所述至少一个非推进辅助负载装置的控制器。所述控制器配置成监测能量供应源中的剩余能量且基于能量供应源中的剩余能量限制从能量供应源提供给所述至少一个辅助非推进负载装置的能量。

在另一个实施例中，提供一种机动车推进系统。所述机动车推进系统包括：电能存储装置；联接到所述电能存储装置的电推进马达；联接到所述电能存储装置的多个非推进辅助负载装置；以及联接到所述电能存储装置、所述电推进马达和所述多个非推进辅助负载装置的控制器。所述控制器配置成监测电能存储装置中的剩余电能且基于电能存储装置中的剩余电能限制从电能存储装置提供给所述多个辅助非推进负载装置的能量。

在进一步的实施例中，提供一种管理车辆推进系统的方法。监测联接到车辆车载推进致动器的能量供应源中的剩余能量。从能量供应源提供给车载辅助非推进负载装置的能量基于能量供应源中的剩余能量自动地限制。

方案1. 一种车辆推进系统，包括：

能量供应源；

联接到所述能量供应源的推进致动器；

联接到所述能量供应源的至少一个非推进辅助负载装置；以及

联接到所述能量供应源、所述推进致动器和所述至少一个非推进辅助负载装置的控制器，所述控制器配置成：

监测能量供应源中的剩余能量；以及

基于能量供应源中的剩余能量限制从能量供应源提供给所述至少一个辅助非推进负载装置的能量。

方案2. 根据方案1所述的车辆推进系统，其中，所述能量供应源包括蓄电池、燃料电池或其组合。

方案3. 根据方案1所述的车辆推进系统，其中，所述推进致动器包括电动马达。

方案4. 根据方案1所述的车辆推进系统，其中，所述至少一个非推进辅助负载装置包括加热器、压缩机、直流-直流（DC/DC）变换器或其组合。

方案5. 根据方案1所述的车辆推进系统，其中，所述能量供应源包括高电压蓄电池。

方案6. 根据方案5所述的车辆推进系统，其中，所述能量供应源还包括低电压蓄电池。

方案7. 根据方案6所述的车辆推进系统，其中，所述至少一个非推进辅助负载装置包括联接到低电压蓄电池的多个低电压非推进辅助负载。

方案8. 根据方案6所述的车辆推进系统，其中，所述多个低电压非推进辅助负载装置包括座椅加热器、客舱灯、娱乐中心、窗户刮擦器、风扇或其组合。

方案9. 根据方案1所述的车辆推进系统，其中，所述能量供应源包括燃烧燃料箱，推进致动器包括内燃机。

方案10. 根据方案9所述的车辆推进系统，还包括联接到所述至少一个非推进辅助负载装置的低电压蓄电池和联接到内燃机和低电压蓄电池的交流发电机。

方案11. 一种机动车推进系统，包括：

电能存储装置；

联接到所述电能存储装置的电推进马达；

联接到所述电能存储装置的多个非推进辅助负载装置；以及

联接到所述电能存储装置、所述电推进马达和所述多个非推进辅助负载装置的控制器，所述控制器配置成：

监测电能存储装置中的剩余电能；以及

基于电能存储装置中的剩余电能限制从电能存储装置提供给所述多个辅助非推进负载装置的能量。

方案12. 根据方案11所述的机动车推进系统，其中，所述电能存储装置包括高电压蓄电池、燃料电池或其组合。

方案13. 根据方案12所述的机动车推进系统，还包括联接到所述高电压蓄电池的低电压蓄电池和联接到高电压蓄电池和低电压蓄电池的直流-直流（DC/DC）变换器。

方案14. 根据方案11所述的机动车推进系统，其中，所述多个辅助非推进负载装置包括多个高电压负载装置和多个低电压负载装置。

方案15. 根据方案14所述的机动车推进系统，其中，所述多个低电压负载装置通过低电压蓄电池和DC/DC变换器联接到所述电能存储装置。

方案16. 一种管理车辆推进系统的方法，包括：

监测联接到车辆车载推进致动器的能量供应源中的剩余能量；以及

基于能量供应源中的剩余能量自动地限制从能量供应源提供给车载辅助非推进负载装置的能量。

方案17. 根据方案16所述的方法，其中，所述能量供应源包括蓄电池、燃料电池或其组合，所述推进致动器包括电动马达。

方案18. 根据方案17所述的方法，其中，所述至少一个非推进辅助负载装置包括加热器、压缩机、直流-直流（DC/DC）变换器或其组合。

方案19. 根据方案18所述的方法，其中，自动地限制提供给车载辅助非推进负载装置的能量还基于车辆外部的空气温度、环境光线水平或其组合。

方案20. 根据方案16所述的方法，其中，自动地限制提供给车载辅助非推进负载装置的能量在能量供应源中的剩余能量减少低于预定阈值时发生。

附图说明

本发明在下文结合以下附图描述，其中，相同的附图标记表示相同的元件，且

图1是根据实施例的示例性机动车的示意图；

图2是根据实施例的图1的机动车内的直流-直流（DC/DC）功率变换器的示意图；和

图3是根据实施例的图1的机动车内的功率变换器和电动马达的示意图。

具体实施方式

以下详细说明性质上仅为示例性的，且并不打算限定本发明或本发明的应用及用途。另外，并非打算受限于前述技术领域、背景技术、发明内容或以下具体实施方式中提出的任何明确的或隐含的理论。此外，尽管本文示出的示意图示出了元件的示例性布置，但是在实际的实施例中也可以出现附加的中间元件、装置、特征或部件。还应当理解，图1-3仅仅是描述性的，并且可能不是按照比例绘制的。

下面的描述涉及被“连接”或“联接”在一起的元件或特征。如本文所使用的，“连接”可指代一个元件/特征被机械地结合到（或者直接地连通）另一个元件/特征，并且不必是直接地。类似地，“联接”可指代一个元件/特征直接地或间接地结合（或者直接地或间接地连通）另一个元件/特征，并且不必是机械地。然而，应当理解，尽管两个元件可在下文在一个实施例中被描述为“连接”，但是在替代实施例中，类似的元件可以被“联接”，并且反之亦然。因此，尽管本文示出的示意图示出了元件的示例性布置，但是在实际的实施例中也可以出现附加的中间元件、装置、特征或部件。

图1-3示出了车辆推进系统。所述车辆推进系统包括：能量供应源（例如，高电压蓄电池、低电压蓄电池、燃料箱等）；联接到所述能量供应源的推进致动器；联接到所述能量供应源的至少一个非推进辅助负载装置；以及联接到所述能量供应源、所述推进致动器和所述至少一个非推进辅助负载装置的控制器。所述控制器配置成监测能量供应源中的剩余能量且基于能量供应源中的剩余能量限制从能量供应源提供给所述至少一个辅助非推进负载装置的能量。

图1示出了根据实施例的车辆（或“机动车”或车辆推进系统）10的示意图。机动车10包括底盘12、车身14、四个车轮16、和电子控制系统（或控制器）18。车身14设置在底盘12上并且基本上包围机动车10的其它部件。车身14和底盘12可共同地形成车架。车轮16每一个都旋转地联接到位于车身14的相应角部附近的底盘12上。

机动车10可以是多种不同类型的机动车中的任一种，例如，轿车、货车、卡车、或运动型车辆（SUV），并且可以是两轮驱动（2WD）（即，后轮驱动或前轮驱动）、四轮驱动（4WD）或全轮驱动（AWD）。机动车10还可结合有多种不同类型的推进致动器中的任一种或组合，例如，电动马达、汽油或柴油燃料内燃机、“灵活燃料车辆”（FFV）发动机（即，使用汽油和酒精的混合物）、气体化合物（例如，氢气和/或天然气）燃料发动机、和燃烧/电动马达混合动力发动机（即，例如在混合动力电动车辆（HEV）中）。

在图1所示出的示例性实施例中，机动车10是电动车辆（EV），并且还包括电动马达/发电机20、高电压蓄电池22（即，能量供应源或电能存储装置）、低电压蓄电池24、DC/DC变换器系统（或DC/DC变换器）26、直流-交流（DC/AC）功率逆变器28、高电压辅助负载系统30和低电压辅助负载系统32。

仍参考图1，电动马达20通过一个或多个驱动轴33被机械地联接到至少一些车轮16。高电压蓄电池22适合用于电动车辆，如通常理解的那样，例如额定300-400伏（V）的锂离子蓄电池。低电压蓄电池24是例如铅酸SLI（起动器、照明、点火）12 V蓄电池。

图2更详细地示意性地示出了根据本发明示例性实施例的DC/DC变换器系统26。在所示实施例中，DC/DC变换器系统26包括联接到高电压蓄电池22和低电压蓄电池24的双向DC/DC变换器（BDC）34。在所示实施例中，BDC变换器34包括具有两个双绝缘栅双极晶体管（IGBT）管脚36和38的功率开关部段，每个具有两个绝缘栅双极晶体管（IGBT）（分别是40和42、以及44和46）。两个管脚36和38在中点由开关电感器（或多个开关电感器）48互连。BDC变换器34还包括连接到第一IGBT管脚36的正轨迹的第一滤波器50和连接到第二IGBT管脚38的正轨迹的第二滤波器52。如图所示，滤波器50和52分别包括第一电感器54、第一电容器56、第二电感器58和第二电容器60。第一IGBT管脚36通过第一滤波器50连接到高电压蓄电池22，第二IGBT管脚38通过第二滤波器52连接到高电压蓄电池22。如图所示，高电压蓄电池22和低电压蓄电池24并不电隔离，因为负（-）端子被电连接。

虽然未示出，但是DC/DC变换器系统26还可以包括与BDC变换器34操作性通信的BDC控制器。BDC控制器可以在电子控制系统18（图1）内实施，如本领域通常理解的那样。

图3更详细地示意性地示出了逆变器28和马达20。在所示实施例中，逆变器28包括联接到马达20的三相电路。更具体地，逆变器28包括开关网络，具有联接到电压源62（例如，DC/DC变换器系统26）的第一输入和联接到马达20的输出。虽然示出了单个电压源，但是可以使用具有两个或更多串联源的分布式DC链路。

开关网络包括三对串联功率开关装置（或开关或部件），其带有与马达20的每个相位对应的反并联二极管（antiparallel diode）（即与每个开关反并联）。每对串联开关包括第一开关或晶体管（即“高”开关）64、66和68和第二开关（即“低”开关）70、72和74，第一开关64、66和68具有联接到电压源62的正极的第一端子，第二开关70、72和74具有联接到电压源62的负极的第二端子以及联接到相应第一开关64、66和68的第二端子的第一端子。

如通常理解的那样，每个开关64-74可以是独立半导体装置（例如，在半导体（例如，硅）基底（例如，模）上形成的集成电路中的绝缘栅双极晶体管（IGBT））的形式。如图所示，二极管76以反并联的配置（即，“反激式”或“整流”二极管）被连接到每个开关64-74。因而，每个开关64-74和相应二极管76可以理解为形成开关二极管对或组，在所示实施例中包括其中的六个开关二极管对或组。虽然未示出，但是逆变器28还可以包括电流传感器（例如，霍尔效应传感器），以检测通过开关64-74（和/或绕组82、84和86）的电流流量。

如本领域技术人员理解的那样，在一个实施例中，电动马达20是三相永磁电动马达，且包括定子组件78和转子组件80、以及变速器和冷却流体（未示出）。定子组件78包括多个（例如，三个）导电线圈或绕组82、84和86，其每个与电动马达20操作的三个相中的一个相关联，如通常理解的那样。转子组件80包括多个磁体88且被旋转地联接到定子组件78。磁体88可以包括多个（例如，16个）电磁极，如通常理解的那样。应当理解的是，上文提供的说明旨在是可以使用的一种类型的电动马达的示例。

再次参考图1，在所示实施例中，高电压辅助负载系统30包括由高电压蓄电池22（是马达20和DC/DC变换器26）供电的各种辅助非推进负载（例如，系统或装置）。通常，这些负载装置可简单地是例如从高电压蓄电池22接收功率的电气部件、装置或子系统。高电压辅助非推进负载的示例包括空气调节器压缩机90、车舱冷却剂加热器92和高电压蓄电池加热器94。

类似地，低电压辅助负载系统32包括由低电压蓄电池24供电（或经由DC/DC变换器26和低电压蓄电池24由高电压蓄电池22供电）的各种辅助非推进负载。低电压辅助非推进负载的示例包括窗户除雾器、镜子加热器、座椅加热器、各种灯、正温度系数（PTC）加热器、各种风扇和泵、窗户刮擦器和娱乐系统部件（例如，收音机）、以及机动车10的车舱内“中心操控区”的其它部件。

再次参考图1，电子控制系统18与电动马达20、高电压蓄电池22、低电压蓄电池24、DC/DC变换器26、逆变器28、高电压辅助负载系统30和低电压辅助负载系统32操作性通信。虽然未详细示出，但是电子控制系统18包括各种传感器和机动车控制模块、或电子控制单元（ECU）（例如功率电子器件（例如，逆变器和变换器）、控制模块、马达控制器和车辆控制器）、以及包括存储在其上（或在其它计算机可读介质中）的指令的至少一个处理器（或处理系统）和/或存储器，用于执行下文所述的过程和方法。

参考图1，在正常操作（即，驾驶）期间，机动车10通过使用高电压蓄电池22借助于电动马达20提供功率给车轮16而操作。为了给电动马达20提供动力，DC功率从高电压蓄电池22和/或通过DC/DC变换器26从低电压蓄电池24提供给逆变器28，逆变器28在功率送至电动马达20之前将DC功率变换为AC功率。如本领域技术人员将理解的那样，DC功率变换为AC功率大致通过以操作（或开关）频率（例如，12千赫兹（kHz））操作（即，重复地开关）逆变器28内的晶体管而执行。在正常或前进操作期间，电子控制系统18内的逆变器控制器执行多个操作，包括但不限于：接收扭矩指令；基于当前速度和可用电压将扭矩指令变换为电流指令；以及对这种电流指令进行调节。

如本领域技术人员将理解的那样，开关64-74（图3）的操作使得电流流经马达20中的绕组82、84和86。该电流与磁体88产生的磁场相互作用致使产生洛伦兹力，从而使得转子组件80相对于定子组件78旋转。

仍参考图1，高电压蓄电池22还提供功率给高电压辅助负载系统30内的部件和低电压蓄电池24（经由DC/DC变换器26）。低电压蓄电池24提供功率给低电压辅助负载系统32内的部件。

根据本发明的一个方面，由电子控制系统18监测高电压蓄电池22（或其它能量供应源）内的剩余能量。当高电压蓄电池22内的剩余能量（和/或机动车10的驾驶里程）下降低于特定水平时，自动地限制提供给高电压辅助负载系统30和/或低电压辅助负载系统32内的部件的能量以优化机动车10的里程。

里程优化算法通过促使具体高电压和低电压非推进装置仅仅消耗在具体车辆条件下支持合适子系统功能和子系统需求所需的最小功率量或将它们完全关闭而调节分配给它们的功率。于是，这些装置未使用的能量可用于供马达20（或其它推进致动器）使用，从而增加机动车里程。例如，通过在最后5分钟驾驶循环期间节省2千瓦（kW）功率，机动车10可能能够将其里程延长大约1英里。

所述算法首先确定机动车10何时处于“低里程”状态，由限制为剩余驾驶循环的具体能量限定。所述算法通过监测例如高电压蓄电池22内的可用能量和/或高电压蓄电池22的电荷状态（SOC）来确定多少能量可用于机动车10。在其它实施例中，例如在具有内燃机的机动车中，所述算法可类似地监测燃烧燃料箱中可用的能量和/或燃料箱中剩余的燃料，或者内燃机用作发电机以便给高电压蓄电池（例如，在串联HEV中）充电的可用性。

所述算法可包括“分层”优化方案，以随着可用能量减少而进一步限制提供给辅助负载的功率（例如，在0.5 kW Hrs剩余时层1，在0.2 kW Hrs剩余时层2等等）。

所述算法包括输入参数和标定值以控制在各种低里程水平下哪些辅助装置和子系统被允许处于功率约束下。具体参数被监测以最佳地优化功率使用，同时确保重要装置和子系统被分配功率。即，在高电压蓄电池22内的剩余能量下降或减少低于特定阈值且算法确定应当减少至辅助部件中的至少一些的功率时，各种因素确定所述部件中的哪些要经历减少功率且功率何时减少。这些因素可包括高电压蓄电池22的操作温度、机动车10外部的空气温度、空气调节器压缩机90的“高侧”上的流体压力（如通常理解的那样）、高电压蓄电池22的SOC、和各种加热器的冷却剂温度。

作为示例，提供给空气调节器压缩机90的功率是否（和/或何时）要减少可能根据外部空气温度而变化。即，机动车10外部的温度越高，算法可能减少空气调节器压缩机90（是高电压辅助负载系统30中的一个部件）的功率的可能性越小。

类似地，低电压辅助负载系统32中的部件的功率减少可能受多个因素影响。作为另一个示例，环境光线条件或一天中的时间可能影响是否减少机动车10上的各种灯或照明系统的功率。即，环境光线水平越低，算法可能减少前灯或内舱灯的功率的可能性越小。

功率减少或限制可包括以减少功率消耗的方式操作具体负载或者简单地关闭负载。需要AC功率的负载可通过相应逆变器（例如，逆变器28）使用的开关方案限制其功率消耗，逆变器给每个负载提供功率。低电压辅助负载系统32中的部件可由DC/DC变换器26部分地减少其功率消耗，因为DC/DC变换器26通常用高电压蓄电池22提供的功率给低电压蓄电池24充电。

在一些实施例中，可提供通知给使用者（例如，驾驶员）减少一些辅助系统的功率。例如，文本消息可显示在数字仪表盘（DIC）上，例如“低里程功率优化有效”。

类似地，配备有语音通知和指令的车辆可通过语音指令通知驾驶员车辆处于低里程状态且允许驾驶员致动（和/或停用）低里程功率优化器特征。

上文所述的系统和方法的一个益处在于延长机动车的驾驶里程。因而，减少驾驶员和其它乘员被困的概率。另一个益处在于，由于各个辅助系统的功率减少的顺序和定时是动态的，因而优化乘员的驾驶体验，同时仍增加车辆里程。

上文所述的系统和方法可以在其它类型的机动车中实施，例如使用内燃机作为推进致动器、燃料箱作为能量供应源以及交流发电机给低电压蓄电池充电的机动车。此外，系统和方法可在机动车之外的车辆中使用，例如轮船和飞机。电动马达和功率逆变器可具有不同数量的相位，例如2或4。可使用其它形式的功率源，例如电流源和负载（包括二极管整流器、可控硅变换器、燃料电池、电感器、电容器和/或其任何组合）。应当注意的是，上文提供的数字范围旨在仅仅用作示例，而不旨在限制上述系统的使用。

虽然已经在上述详细描述中阐述了至少一个示例性实施例，但应当理解存在大量的变型。还应当理解的是，示例性实施例或多个示例性实施例仅仅是示例，并不意在以任何方式限制本发明的范围、应用或配置。相反，上述详细描述将为本领域的技术人员提供实施示例性实施例或多个示例性实施例的便捷路径。应当理解的是，可对元件的功能及设置进行各种改变而不脱离由所附权利要求及其合法等价物界定的本发明的范围。

Claims (12)

1.一种车辆推进系统，包括：

能量供应源，其包括低电压蓄电池和高电压蓄电池；

联接到所述能量供应源的推进致动器；

联接到所述能量供应源的直流-直流（DC/DC）变换器；联接到所述能量供应源的至少一个非推进辅助负载装置，所述至少一个非推进辅助负载装置包括联接到所述低电压蓄电池的多个低电压非推进辅助负载装置；以及

联接到所述能量供应源、所述推进致动器和所述至少一个非推进辅助负载装置的控制器，所述控制器配置成：

监测所述能量供应源中的剩余能量；以及

基于所述能量供应源中的剩余能量限制从所述能量供应源提供给所述至少一个辅助非推进负载装置的能量

其中，所述多个低电压非推进辅助负载装置通过所述低电压蓄电池和所述DC/DC变换器联接到所述能量供应源。

2.根据权利要求1所述的车辆推进系统，其中，所述推进致动器包括电动马达。

3.根据权利要求1所述的车辆推进系统，其中，所述至少一个非推进辅助负载装置进一步包括加热器、压缩机、或其组合。

4.根据权利要求1所述的车辆推进系统，其中，所述多个低电压非推进辅助负载装置包括座椅加热器、客舱灯、娱乐中心、窗户刮擦器、风扇或其组合。

5.根据权利要求1所述的车辆推进系统，其中，所述能量供应源进一步包括燃烧燃料箱，以及所述推进致动器包括内燃机。

6.根据权利要求5所述的车辆推进系统，其中，所述车辆推进系统进一步包括联接到所述内燃机和低电压蓄电池的交流发电机。

7.一种机动车推进系统，包括：

电能存储装置，其包括联接到高电压蓄电池的低电压蓄电池；

联接到所述高电压蓄电池和低电压蓄电池的直流-直流（DC/DC）变换器；

联接到所述电能存储装置的电推进马达；

联接到所述电能存储装置的多个非推进辅助负载装置；以及

联接到所述电能存储装置、所述电推进马达和所述多个非推进辅助负载装置的控制器，所述控制器配置成：

监测所述电能存储装置中的剩余电能；以及

基于所述电能存储装置中的剩余电能限制从所述电能存储装置提供给所述多个辅助非推进负载装置的能量，

其中，所述多个非推进辅助负载装置包括多个高电压负载装置和多个低电压负载装置，并且所述多个低电压负载装置通过所述低电压蓄电池和所述DC/DC变换器联接到所述电能存储装置。

8.一种管理车辆推进系统的方法，包括：

监测联接到车辆车载推进致动器的能量供应源中的剩余能量，所述能量供应源包括低电压蓄电池和高电压蓄电池；以及

基于所述能量供应源中的剩余能量自动地限制从所述能量供应源提供给多个车载辅助非推进负载装置中的一个或多个的能量，所述多个车载辅助非推进负载装置包括多个低电压负载装置，所述多个低电压非推进辅助负载装置通过所述低电压蓄电池和直流-直流（DC/DC）变换器联接到所述能量供应源。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述推进致动器包括电动马达。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个非推进辅助负载装置包括加热器、压缩机、或其组合。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，自动地限制提供给所述多个车载辅助非推进负载装置的能量还基于车辆外部的空气温度、环境光线水平或其组合。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，自动地限制提供给所述多个车载辅助非推进负载装置的能量在所述能量供应源中的剩余能量减少低于预定阈值时发生。