CN103534129B - 用于管理车辆的电制动的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于管理电制动功率（1）的设备，该设备包括连续总线（10），所述连续总线包括：连接到车辆的电力牵引机器（21）的连接极（12），所述机器与逆变器（20）相关联，该逆变器在制动模式中在连续总线上输送电制动功率；用于连接到电功率储存电池（30）的连接极（13）；在连接点（11）处连接到连续总线的耗散支路（1D），所述支路包括串联连接到耗散电阻器（1D2）的电子耗散开关（1D1）；在连续总线上的被放置在连续总线的连接点（11）和用于连接到电池的连接极（13）之间的电流传感器（15）；以及控制器（18）。该设备还包括在耗散支路（1D）到连续总线（10）的连接点和用于连接到连续总线的电池的连接极之间的电子充电开关（1C1），所述开关控制在连续总线上的电流从连接到电力机器的连接极到连接到电池的连接极的流动。控制器计算：电池（30）的充电可吸收的功率、耗散电阻器（1D2）可耗散的功率以及在连续总线（10）上发送的功率，且当在连续总线（10）上发送的功率大于电池（30）的充电和耗散电阻器（1D2）中的耗散可吸收的功率的总和时，所述控制器（18）断开电子充电开关（1C1）。

Description

用于管理车辆的电制动的设备和方法
技术领域
本发明涉及道路车辆。本发明特别是涉及具有电力牵引的道路车辆的制动系统。更特别地，本发明涉及电制动功率的管理。
背景技术
电动车辆包括其中移动它们所必需的电能被存储在电池中的车辆和其中电能至少部分地例如由驱动发电机的热机或由燃料电池在车上产生的车辆。在电动车辆中，即使车辆的制动由常规摩擦机制的制动系统提供，也已知电动车辆的价值之一来自其以电力的形式再生并存储在制动期间产生的一部分能量的能力。
具体地，因为电机是可逆的，它可用作发动机并且在车辆的制动阶段期间也用作发电机，且在这种情况下它将机械制动能转换成车辆必定吸收的电能，优选地通过存储该电能来吸收以便节省车辆的使用所必需的能量，且在不可能或不再可能存储它时不可避免地通过耗散它来吸收。这种操作模式常常被称为“电制动”或“再生制动”，即使事实上通过使电机工作而得到的电能最后至少部分地被热耗散。
作为现有技术的例证，可以引用专利申请US2003/0088343，其描述用于安装有内燃机和电机的混合发动机车辆的电力牵引链，该电机作为对车辆的驱动的辅助来干预。电力机器本身由电池供电。更具体地，对于电制动方面，可以引用专利申请WO2008/000636，其描述电制动模式，尤其描绘出在电子再生模块中编程的电能管理策略，电子再生模块分配制动能量以便给一组超级电容器充电和/或以便在电耗散电阻器中耗散该能量。该文档又说，用于存储电能的装置(在本实例中是超级电容器)的功率可被限制，以及在制动水平之外该功率允许电力牵引机器所产生的电功率必须然后被引导到耗散装置。集中于冗余性的组织以便达到纯粹电制动的高度可靠性的该文档没有给出关于对用于存储电能的装置的再充电的管理的细节。
本发明的目的是提出用于通过耗散在发电机模式中工作的电力机器所产生的电能来提供强有力的电制动的装置，同时也优选地提供用于提供对存储电能的装置的最佳再充电的装置，该发电机模式是最佳的且独立于存储电能的装置的充电的状态。
发明内容
本发明提出了用于管理电制动功率的设备，其包括连续总线，所述连续总线包括：
●用于连接到车辆的电力牵引机器的极，所述机器与逆变器相关联，该逆变器在制动模式中经由连续总线输送电制动功率，
●用于连接到用于存储电能的电池的极，
该设备包括：
●在连接点处连接到连续总线的耗散支路，所述支路包括耗散电阻器，
●在耗散支路到连续总线的连接点和连续总线中的用于连接到电池的极之间的电子充电开关，
●在连续总线上的电流传感器，其被放置在连续总线的连接点和用于连接到电池的极之间，
●控制器，其接收：
对连续总线上的电压“U”的测量结果，
关于“电池再充电电流限制”的信息项，
由连续总线上的电流传感器输送的在连续总线上的电流的测量结果，
●控制器基于连续总线上的电压“U”和关于“电池再充电电流限制”的信息项来计算电池的充电能够吸收的功率，控制器基于所述耗散电阻器的值和在连续总线上的电压“U”的值来计算耗散电阻器能够耗散的功率，控制器基于由电流传感器输送的在连续总线上的电流的测量结果的值和在连续总线上的电压“U”的值来计算经由连续总线发送的功率，当经由连续总线发送的功率大于电池的充电能够吸收和耗散电阻器能够耗散的功率的总和时，控制器断开电子充电开关。
本发明还扩展到用于管理车辆的电制动功率的方法，车辆包括所述车辆的电力牵引机器，其包括将所述电力牵引机器连接到用于存储电能的电池和用于耗散电能的电阻器的电路，其中，当电制动功率大于电池再充电功率和所述用于耗散电能的电阻器中的耗散功率的总和时，断开电池，以便允许将所述电力牵引机器连接到所述用于耗散电能的电阻器的电路的电压的升高。
附图说明
本说明书的其余部分使凭借示出根据本发明的设备的图1来清楚地理解本发明的所有方面变得可能。
图1示出用于管理电制动功率的设备。
具体实施方式
图1示出用于管理电制动功率1的设备，其一方面连接到给车辆的电力牵引机器21供电的逆变器20而另一方面连接到用于存储电能的电池30。如将在下面解释的，车辆4的总中央管理单元提供车辆的总体监管并与用于管理电制动功率1的该设备通信。电池30包括电池管理系统31。用于管理电制动功率1的设备包括连续总线10，连续总线10的正线10+和负线10-可被看到。用于管理电制动功率1的设备包括用于连接到逆变器20的第一极12和用于连接到电池30的第二极13。用于管理电制动功率1的设备包括耗散支路1D，耗散支路1D在耗散支路1D的连接点11处连接到连续总线10，与给电力牵引机器21供电的逆变器20并联。这个耗散支路1D包括由IGBT(绝缘栅双极晶体管)型的晶体管组成的电子耗散开关1D1，电子耗散开关1D1串联地连接到耗散电阻器1D2。还看到通过IGBT型的晶体管的结构相关联的二极管1D3和当电子耗散开关1D1断开时允许在耗散电阻器1D1中流动的电流被抵消的二极管1D4。这是特别有用的，因为电路是电感性的。注意，电子耗散开关1D1可以是另一类型的半导体，例如MOS(金属氧化物半导体)型的晶体管，本领域中的技术人员做出的选择取决于结构的实际细节。
用于管理电制动功率1的设备包括放置在耗散支路1D到连续总线10的连接点11和用于连接到连续总线的电池的第二极13之间的电子充电开关1C1。所述电子充电开关有利地是晶体管，如上面针对电子耗散开关1D1指示的晶体管。电子充电开关1C1控制经由连续总线10的电流从第一连接极12到用于连接到电池的第二极13的流动。“控制电流的流动”意味着如下面将解释的那样调节电流。
用于管理电制动功率1的设备包括放置在电子充电开关1C1和第二连接极13之间的连续总线10上的电流传感器15。实际上，优选地，电流传感器15必须尽可能接近电池30，因为在电子充电开关1C1的上游有(或可能有)连接到连续总线10的其它消耗元件，且电流传感器15监测当充电时和当放电时的电池电流。
用于管理电制动功率1的设备还包括与电子充电开关1C1并联地安装的二极管1C2，允许电流经由连续总线10从第二连接极13流到第一连接极12。电容器16和17在电子充电开关1C1的任一侧上连接到连续总线10，以便当电子充电开关1C1和相应的电子耗散开关1D1闭合或断开时使连续总线10上的电压平滑。
控制器18驱动用于管理电制动功率1的设备。可看到，它经由总线180从电池管理系统31接收对制动功率的管理有用的各种信息项，其中有“电池再充电电流限制”的设定点Ic_recharge_max、经由线路150由电流传感器15输送的在连续总线10上的电流的测量结果、经由线路160在电子充电开关1C1和第二连接极13之间的连续总线10上的电压“U”的测量结果、经由线路170在电子充电开关1C1和第一连接极12之间的连续总线10上的电压的测量结果以及经由总线181来自车辆4的总中央测量单元的各种信息项。制动扭矩由车辆4的总中央管理单元管理，该总中央管理单元根据车辆的驾驶员的期望经由总线180将扭矩设定点发送到逆变器20。逆变器20根据连续总线10上的最大可允许电流(该最大可允许电流由控制器18确定)的限制来控制电力机器21，以便获得这个扭矩。最后，控制器18通过分别在耗散控制线110上和在充电控制线120上发送适当的电信号来驱动电子耗散开关1D1和电子充电开关1C1。以这种方式，控制器18管理沿着驱动链流动的功率流并将它引导到正确的位置。
让我们现在继续前进到电制动功率管理设备1的操作。
让我们以下面的假设开始：在连续总线10上发送的功率大于当1C1闭合时电池30的充电和耗散电阻器1D2中的耗散能够吸收的功率的总和。在这种情况下或当电池30的充电是完全的时，电制动功率管理设备1在“最大耗散模式”中工作——电子充电开关1C1永久断开而电子耗散开关1D1永久闭合(100％的占空比)的工作。没有通过电池30的充电的电能再生。连续总线10的电压“U”将增加并被稳定化，以便平衡耗散电阻器1D2中的耗散功率与由在连续总线10上发送电能的一个或多个电力牵引机器21产生的功率。如果由一个或多个电力牵引机器21产生的功率增加，则总线的电压增加，反之亦然。
让我们现在考虑另一假设，其中由一个或多个电力牵引机器21产生的功率充分减小到低于电池30和耗散电阻器1D2能够吸收的功率的点。在这种情况下，电制动功率管理设备1在最大充电模式中工作。电子充电开关1C1闭合，且由控制器18操作的从设备(slaving)调节电子耗散开关1D1的占空比，以便使充电电流从属于电池管理系统31所允许的充电电流的最大值。
电化学电池的最佳再充电根据电化学电池的技术可由在值Ic_recharge_max的限制内的恒定电流执行。例如，锂聚合物电池或锂离子电池接受相当大的但仍然小于放电电流的充电电流。Ic_recharge_max的设定点值(即，电池再充电电流限制的设定点)的确定取决于所使用的蓄电池技术，可能取决于其它参数，例如温度、充电状态、车辆状况、在本发明的上下文之外的所有东西。所述电池再充电电流限制是本发明独创性地利用的参数。
优选地，控制器18包括评估电池再充电电流限制与连续总线上的电流之间的差异的比较器，控制器包括驱动电子耗散开关的单元，以便只要连续总线上的电流小于电池再充电电流限制就保持所述电子充电开关闭合，并且以便当连续总线上的电流不小于电池再充电电流限制时根据保持电池充电电流等于电池再充电电流限制的循环来驱动所述电子耗散开关。
因此，耗散功率(即，由电力机器21产生的功率中不能用于给电池30充电的部分)的驱动通过电子耗散开关1D1的断开和闭合的适当占空比来执行；电子耗散开关1D1断开时的时间根据最大电池充电电流设定点和通过电流传感器15对电流的测量结果之间的差异而变化。按照惯例，“最大充电模式”是电制动功率管理设备1的一操作的名称，在该操作期间，电子充电开关1C1永久闭合。
在最大充电模式中，在连续总线10上发送(通过驱动机器21的逆变器20)的功率必须低于当1D1闭合时电池30和耗散电阻器1D2可吸收的功率。在这个操作模式中，施加到耗散电阻器1D2的端子的电压等于电池的电压(忽略半导体中和电力线中的电压降)。从设备控制电子耗散开关1D1的占空比，使得电池充电电流30处于所述电池允许的电池充电电流的最大值处。驱动机器21所产生的功率增大得越多，或电池30的充电功率减小得越多，则电子耗散开关1D1的占空比就增大得越多，以便减小被引导到电池的功率。
当最大充电的预定义电压值特性被达到时，通过保持电池30的电压恒定，存在到充电的最后阶段的转变。在这个阶段中，充电电流被监测，该充电电流逐渐减小。当该电流落在给定值(例如，Ic_recharge_max/20)之下时，电池被认为被完全充电。
在电池30本身处，其充电的管理由电池管理系统31控制。这个电池管理系统31根据电池的电压、其温度等来确定所述最大再充电电流Ic_recharge_max。这个最大再充电电流Ic_recharge_max是在总线180上发送的设定点。制动功率管理设备1进行操作，以便不超过这个电流。具体地，在电池的预定义电压未被达到的第一阶段中，电池管理系统31在总线180上给出由电池制造商给出的限制作为Ic_recharge_max。在当电池的预定义电压被达到时的第二阶段中，电池管理系统31计算并在总线180上发送使达到这个预定义的电压变得可能的再充电电流Ic_recharge。当电池30被逐渐充电时，这个电流Ic_recharge减小。
优选地，能量的最大值然后需要存储在电池30中，当这被完成时，有利地，电制动能量的最大值在耗散电阻器1D2中耗散，以便使对通过摩擦的机械制动的依赖性最小化(或移除磨损条件)，因而减小制动片和制动盘的磨损。
实际上，控制器18包含用于为了最佳控制的目的而实时地计算最大可能的耗散功率和真实耗散功率以及最大可能的充电功率和真实充电功率的装置。当电子耗散开关1D1永久闭合时，存在从最大再充电模式到最大耗散模式的转变。控制器18调节耗散，以便给电池再充电到在此时存在的情况中在技术上可能的最大值。
总之，在上文看到，根据本发明，提出了一种方法，其中当电制动功率大于电池再充电功率和电能耗散电阻器中的耗散功率的总和时，电池被断开，以便允许将所述电力机器连接到耗散电阻器的电路的电压的升高。而且，优选地，根据本发明所提出的方法，使穿过耗散电阻器的耗散电流从属于在电池充电电流和所述电池可容许的最大充电电流之间的差异。

Claims (7)

1.一种包括连续总线(10)的用于管理电制动功率(1)的设备，所述连续总线包括：
●用于连接到车辆的电力牵引机器(21)的极(12)，所述机器与逆变器(20)相关联，所述逆变器在制动模式中在所述连续总线上输送电制动功率，
●用于连接到用于存储电能的电池(30)的极(13)，
所述设备包括：
●在连接点(11)处连接到所述连续总线的耗散支路(1D)，所述支路包括耗散电阻器(1D2)，
●在所述耗散支路(1D)到所述连续总线(10)的所述连接点(11)与所述连续总线中的用于连接到电池的所述极(13)之间的电子充电开关(1C1)，
●在所述连续总线上的电流传感器(15)，所述电流传感器(15)被放置在所述连续总线的所述连接点(11)与用于连接到电池的所述极(13)之间，
●控制器(18)，其接收：
所述连续总线(10)上的电压“U”的测量结果，
关于“电池再充电电流限制”的信息项，
由在所述连续总线上的所述电流传感器(15)输送的在所述连续总线上的电流的测量结果，
●所述控制器(18)基于所述连续总线(10)上的所述电压“U”和所述关于“电池再充电电流限制”的信息项来计算所述电池(30)的充电能够吸收的功率，所述控制器基于所述耗散电阻器(1D2)的值和在所述连续总线(10)上的所述电压“U”的值来计算所述耗散电阻器(1D2)能够耗散的功率，所述控制器基于由所述电流传感器(15)输送的在所述连续总线上的所述电流的测量结果的值和在所述连续总线(10)上的所述电压“U”的值来计算在所述连续总线(10)上发送的功率，并且当在所述连续总线(10)上发送的所述功率大于所述电池(30)的所述充电能够吸收和所述耗散电阻器(1D2)能够耗散的功率的总和时，则所述控制器(18)断开所述电子充电开关(1C1)。
2.根据权利要求1所述的用于管理电制动功率的设备，其中，所述耗散支路(1D)包括串联连接到所述耗散电阻器(1D2)的电子耗散开关(1D1)。
3.根据权利要求2所述的用于管理电制动功率的设备，其中，所述电子耗散开关是晶体管。
4.根据权利要求1所述的用于管理电制动功率的设备，包括与所述电子充电开关并联地安装的二极管，所述二极管允许在所述连续总线上的电流从用于连接到电池的所述极到用于连接到电力牵引机器的所述极的流动。
5.根据权利要求1所述的用于管理电制动功率的设备，其中，所述电子充电开关是晶体管。
6.一种用于管理车辆的电制动功率的方法，所述车辆包括所述车辆的电力牵引机器，所述电力牵引机器包括将所述电力牵引机器连接到用于存储电能的电池和用于耗散电能的电阻器的电路，其中，当所述电制动功率大于电池再充电功率和所述用于耗散电能的电阻器中的耗散功率的总和时，断开所述电池，以便允许将所述电力牵引机器连接到所述用于耗散电能的电阻器的所述电路的电压的升高。
7.根据权利要求6所述的用于管理车辆电制动功率的方法，其中，使穿过所述用于耗散电能的电阻器的耗散电流从属于在电池充电电流和所述电池所允许的最大充电电流之间的差异。
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