CN104340078A - 用于移动车辆的两层能量储存 - Google Patents

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CN104340078A
CN104340078A CN201410366739.4A CN201410366739A CN104340078A CN 104340078 A CN104340078 A CN 104340078A CN 201410366739 A CN201410366739 A CN 201410366739A CN 104340078 A CN104340078 A CN 104340078A
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H·S·拉姆巴
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Abstract

本发明公开了一种用于移动车辆的两层能量储存。该方法可以包括：接收关于车辆行程概况的信息。当行程概况指示充电机会时，可以将配置成推进车辆的牵引电机的电气模式从牵引电机接收电力的电动机模式改变为牵引电机产生电力的发电机模式。该方法还可以包括：把由处于发电机模式的牵引电机产生的能量引导到具有第一能量吸收速率性能的一个或多个能量储存装置的第一层。具有比第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能的一个或多个能量储存装置的第二层随后可以利用第一层能量储存装置的能量充电。当牵引电机不再产生电力时，第二层能量储存装置的充电可以继续。

Description

用于移动车辆的两层能量储存
技术领域
本公开一般涉及能量储存，并且更特别地涉及用于移动车辆的两层能量储存。
背景技术
现代车辆(例如机车和重型卡车)正越来越多地配备有可再生能源、能量储存装置以及耗电设备。可再生能源(例如处于动态制动模式的牵引电机)具有提高这些车辆的燃料经济性和/或其他性能特性的潜能。与可再生能源关联的一个问题是所产生的电力的量和速率会超出已知电池系统的充电容量。因此，常规能量管理控制器往往通过在电阻栅中将能量以热的形式耗散，来浪费掉很多所产生的能量。
改善混合动力车辆的效率的一种尝试在1980年4月22日授予White的美国专利号4,199,037(’037专利)中被公开。’037专利提供了一种电驱动车辆，其具有涡轮发动机、由涡轮发动机驱动的发电机、用于储存电能的电池、以及用于驱动车辆的车轮的牵引电机。牵引电机通过可以直接从发电机或电池获得的电能供电。只要储存在电池中的可用能量的量下降到低于第一预定水平，控制器就开启涡轮发动机。’037专利也公开了将涡轮的速度保持在恒定水平以使其效率最大化。
虽然’037专利的混合动力系统可以改善所公开的车辆的效率，但是它仍不太理想。特别地，’037专利的所公开的混合动力系统并未提供除电池以外的用于储存能量的任何装置。当电池中的储存能量上升到高于预定水平时，涡轮发动机被切断，并且唯一的能量源变成电池，直到涡轮发动机再次被开启以驱动DC发电机并对电池再充电。结果，’037专利的系统无法允许涡轮发动机在其最大效率点操作，并且在某些情况下不能够如所期望的那么快地储存由涡轮和/或牵引电机所产生的所有过量能量。
本公开的系统和方法能够解决上述的一个或多个问题和/或现有技术中的其他问题。
发明内容
在一个方面中，本公开涉及一种储存由移动车辆产生的能量的方法。该方法可以包括：接收关于车辆行程概况(trip profile)的信息，以及改变配置成推进车辆的牵引电机的电气模式。当行程概况指示充电机会时，该模式可以从牵引电机接收电力的电动机模式改变为牵引电机产生电力的发电机模式。该方法还可以包括：把由处于发电机模式的牵引电机产生的能量引导到具有第一能量吸收速率性能的第一层一个或多个能量储存装置。第二层一个或多个能量储存装置可以设置有比第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能。第二层一个或多个能量储存装置可以利用第一层一个或多个能量储存装置的能量充电。
在另一方面中，本公开涉及移动车辆上的能量管理系统。能量管理系统可以包括：具有第一能量吸收速率性能的第一层能量储存装置，以及具有比第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能的第二层能量储存装置。控制器还可以被提供和配置成接收关于车辆行程概况的信息，并在行程概况指示充电机会时，把配置成推进车辆的牵引电机的电气模式从牵引电机接收电力的电动机模式改变为牵引电机产生电力的发电机模式。控制器可以配置成把由处于发电机模式的牵引电机产生的能量引导到第一层能量储存装置。控制器还可以配置成启动利用第一层能量储存装置的能量对第二层能量储存装置的充电。
附图说明
图1是具有所公开的示例性能量管理控制器的移动车辆的示意图；
图2是绘出可以由图1的能量管理控制器执行的示例性能量管理方法的流程图。
具体实施方式
图1是包括根据本公开的能量管理系统的移动车辆系统的示意图。在图1的示例性实施例中，移动车辆系统被描绘为配置成在轨道104上运行的机车100。机车可以是运行位于主发动机壳体102内的柴油发动机106的柴油电动车辆。然而，在机车100的替代实施中，可以采用替代发动机配置，例如汽油内燃发动机、燃气涡轮发动机、生物柴油发动机以及天然气发动机。可预期到的是，车辆可以可替换地是道路上的卡车，公共汽车，有篷货车，客车，诸如大型挖掘机、挖掘倾卸卡车等之类的越野车(OHV)。
机车100的能量管理系统可以包括能量管理控制器116，第一层能量储存装置(例如包含在能量储存器组(energy storage bank)115内的超级电容器和惯性能量储存装置)，以及第二层能量储存装置(例如电池114)。机车操作人员和参与机车系统控制和管理的电子组件(例如能量管理控制器116)可以被容纳在机车驾驶室103内。能量管理控制器116可以包括多个控制器，该控制器可以包括微处理器和/或计算机。能量管理控制器116可以与车辆控制系统128通信。车辆控制系统128可以是也位于机车驾驶室103中的车载控制系统。可替换地，车辆控制系统128可以位于远程。
车辆控制系统128和/或能量管理控制器116还可以包括位置识别系统。位置识别系统例如全球定位系统(GPS)、基于惯性的定位系统、基于路旁的定位系统等可以配置成使能量管理控制器116能够把能量管理决定至少部分地基于即将到来的行程概况。作为一个示例，能量管理控制器116可以配置成根据列车相对于即将到来的地形的目前位置而确定：将来的充电机会是可获得的。充电机会指的是用于推进列车的牵引电机120可以以再生动态制动模式操作的情况，在所述再生动态制动模式中牵引电机120产生电能而不是消耗电能。
确定长下坡位于列车的前方可以使能量管理控制器116指示对储存能量的增加使用，以便释放能量储存器组115中的额外能量储存容量。当列车开始下坡时，能量管理控制器116可以配置成在接收到制动信号时启动动态制动模式。在替代实施中，动态制动模式可以在预期到将来的制动信号的情况下被启动，或者在某些情况下，只在已经接收到制动信号后被启动。制动信号可以由列车上的驾驶员、远程中心控制站或沿列车轨道的路旁站生成。在沿着列车上的电力总线110的一个或多个位置处的DC触点或开关可以断开从柴油发动机106和交流发电机108向驱动列车的牵引电机120馈电的系统的一部分。能量管理控制器116可以配置成将牵引电机120的操作模式从电动机模式切换到发电机模式，其中在电动机模式期间牵引电机从电力总线110接收电力，在发电机模式期间牵引电机产生电力并将该电力提供回给电力总线110。处于发电机模式的牵引电机120执行动态制动，如下面更详细讨论的。与使用碟或鼓制动器的机械或气力制动所提供的减速相比，动态制动可以为下坡列车提供更加平滑的减速。
柴油发动机106生成沿驱动轴(未示出)传送到交流发电机108的转矩。所生成的转矩被交流发电机108用于生成随后沿机车100的电力总线100传播的电力。发动机106可以以恒定速度或可变速度运行，基于操作需求生成马力输出。以这种方式生成的电力可以被称为原动机电力。也可以提供产生用于辅助组件(例如空调、加热和空气压缩机)的较少量的电力(辅助电力)的辅助柴油发动机-交流发电机或其他替代能源117。电力可以沿电力总线110传送到各种下游电气组件。基于所生成的电力输出的性质，电力总线可以是直流(DC)总线或交流(AC)总线。
交流发电机108可以串联连接到一个或多个整流器，该一个或多个整流器在交流发电机的电力输出沿电力总线110传送之前，将交流发电机的电力输出转换为直流电力。基于从电力总线110接收电力的下游电气组件的配置，逆变器112可以用于将直流电力转换为交流电力。在机车100的一个实施例中，单个逆变器112可以从电力总线110向多个组件提供交流电力。在替代实施中，多个不同逆变器中的每个逆变器可以向不同组件提供电力。应理解的是，在另外的实施中，机车可以包括连接到开关的一个或多个逆变器，所述开关可以被控制从而向连接到该开关的不同组件选择性地提供电力。
如图1所示，安装在主发动机壳体102下方的转向架上的牵引电机120可以经由电力总线110接收交流发电机108的电力，以提供牵引动力来推进机车。牵引电机120可以是交流电动机。因此，与牵引电机配对的逆变器可以将电力总线110的直流输入转换为适当的交流输入，例如三相交流输入，供牵引电机随后使用。在替代实施中，一个或多个牵引电机120可以是在整流和沿电力总线110传送后，直接采用交流发电机108的输出的直流电动机。在一个示例性实施中，机车配置可以每个轮轴124包括一个逆变器-牵引电机对。如图1所示，六个逆变器-牵引电机对可以设置成用于机车100的六个轴-轮对中的每个轴-轮对。在替代实施中，机车100可以配置有例如四个逆变器-牵引电机对。应理解的是，可替换地，单个逆变器112可以与多个牵引电机120配对。
如上所述，每个牵引电机120还可以配置成充当提供动态制动以使机车100减速的发电机。特别地，在动态制动期间，每个牵引电机120可以提供与在滚动方向上推进车辆所需的转矩相反的方向的转矩。该阻性转矩可以是由处于发电机模式中的每个牵引电机再生的电力的量的函数。在动态制动期间由牵引电机再生电力的速率可能超出能量储存装置例如电池的优选充电速率，或者甚至可能是损坏电池的充电速率。作为一个非限制性的示例，在动态制动期间机车上的六个牵引电机生成总共约3000千瓦电力的情况下，该电力量可以在相对短的时间段(例如一小时的十分之一)内产生。由牵引电机在一小时的十分之一时间内产生的电能会是300千瓦时(kWh)。为了吸收所有这些能量，电池要求至少300kWh的能量吸收速率。该能量吸收速率会超出在能量储存装置的第二层中提供的一个或多个电池的容量。因此，为了避免损坏电池，所生成电力的至少一部分可以经由线路传送到电阻器栅格126并以热的形式耗散。在一个示例中，该栅格包括直接串联连接到电力总线的电阻元件的堆栈。电阻元件的堆栈可以位于靠近主发动机壳体102的顶板的位置，以便在风扇118的帮助下促进空气冷却以及热量从栅格的耗散。此外，在发动机106被操作使得其提供比驱动牵引电机120所需的电力更多的电力的时段期间，过量的容量(也被称为过量的原动机电力)可以可选地储存在能量储存装置的组合中。通过电阻元件对过量能量的耗散会导致在动态制动期间由牵引电机产生的能量的相当大部分的浪费。
根据在该公开中阐述的能量管理控制器116的各种实施，通过热耗散对能量的浪费或对第二层能量储存装置例如电池114的潜在损坏可得以避免。能量管理控制器116可以配置成接收关于车辆行程概况的信息、并生成指示把配置成推进车辆的牵引电机的电气模式从电动机模式改变为发电机模式的命令的信号。将牵引电机的电气模式改变为发电机模式的命令可以从车载驾驶员、中央指挥中心、调度中心、路旁站等中的一个或多个接收。该命令可以与制动命令相符，或者可以在实际制动命令已被接收之前或之后接收。能量管理控制器116可以配置成基于将要到来的地形变化、对交叉或开关场的接近、或其他操作、地理或天气相关特性，预期使列车减速的需要。
能量管理控制器116可以配置成把由处于发电机模式中的牵引电机生成的所有能量引导到一个或多个能量储存装置的第一层。第一层能量储存装置可以包括超电容器(super-capacitor)、超级电容器(ultra-capacitor)和惯性能量储存装置(例如飞轮系统)中的一个或多个。与一个或多个能量储存装置的第二层(例如电池)相比，第一层能量储存装置可以具有相对较快的充电性能。能量储存装置的充电性能也可以被称为能量储存装置的“能量吸收速率”性能。能量管理控制器116还可以配置成在仍然把由牵引电机生成的能量引导到第一层能量储存装置的同时，启动利用第一层能量储存装置的能量对第二层能量储存装置的缓慢充电。利用第一层能量储存装置的能量对第二层能量储存装置继续充电可以在牵引电机不再处于发电机模式之后继续。如下面进一步解释的，第二层能量储存装置的“缓慢充电”可以指比处于动态制动模式中的牵引电机产生电能的速率更慢的任何充电速率。能量管理控制器116可以配置成至少部分地基于会增加第二层能量储存装置的寿命并使得能够捕获能量的增加量的充电速率，确定对第二层能量储存装置充电的速率。能量储存器组115可以包括第一层能量储存装置。第二层能量储存装置可以是被连接从而接收电力总线110的电力的一个或多个电池114或电池组。
第一层能量储存装置的特性可以是其快速吸收以快速率产生的能量(例如由处于动态制动模式中的牵引电机产生的电能)的能力。第一层能量储存装置的另一个特性可以是其不能够把能量储存与第二层能量储存装置一样长的时间。作为示例，超级电容器可以配置成快速吸收牵引电机120以高速率产生的所有能量。在上述的示例中，高速率可以是吸收以约300kWh的速率产生的电能的能力。本领域普通技术人员应认识到的是，取决于牵引电机的数量及其额定容量，捕获由处于动态制动模式中的牵引电机产生的所有能量或大多数能量所必需的“高”能量吸收速率可以变化。然而，超级电容器无法配置成长时间储存能量而没有一些泄漏。类似地，惯性能量储存装置能够被从处于动态制动模式中的牵引电机接收电力的关联电动机快速驱动到高旋转速率。非常低摩擦的轴承可以允许惯性能量储存装置相对长时间地储存能量作为机械惯性。然而，机械摩擦会最终导致储存能量的一部分以比第二层能量储存装置的电池的情况更快的速率损失。
如上所述，第二层能量储存装置(例如一个或多个电池114)可以连接到电力总线110。变换器(未示出)可以配置在电力总线110与一个或多个电池114之间，以允许由交流发电机108提供到电力总线的高电压适当地逐步降低以供电池使用。通过这类变换器的存在，第二层能量储存装置例如电池114可以利用由运行的发动机106产生的电力总线110中的电力被充电到一定程度。可替换地，电池114可以通过从第一层能量储存装置接收的电能而被部分或完全地充电。通过首先向第一层能量储存装置提供由处于动态制动模式中的牵引电机120以高速率产生的电力，能量管理控制器116可以配置成促进所产生的能量的全部或近乎全部的捕获。该特征可以避免不能被电池捕获的再生能量的浪费。能量管理控制器116还可以配置成利用第一层能量储存装置的电力，以受控的速率对能量储存装置的第二层中的电池114缓慢充电。电池的缓慢充电可以被校准，以增大可以由电池储存的能量的量。该两层的系统可以使能量管理控制器116能够避免对电池的过充电以及避免导致电池的潜在损坏或降低电池的寿命。
储存在第二层能量储存装置中的电能可以在发动机操作的待机模式期间被使用，以操作各种电子组件，例如灯、车载监测系统、微处理器、处理器显示器、气候控制装置等。在混合动力机车或其他混合动力电推进系统中，储存在一个或多个电池或备用能量储存装置中的电能也可以用于推进车辆。在各种实施中，必要时，第一层和第二层能量储存装置中的一个或两者的储存能量可以被转换并提供到电力总线110上以用于各种用途。该储存的电力可以用于提供能量以便从停车状况启动发动机106。该储存的电力还可以使得能够配置具有较小的原动机动力源(例如柴油发动机106)的机车。在各种配置中，能量管理控制器116可以使得能够使用柴油发动机或其他动力源，其中所述柴油发动机或其他动力源的大小被设置成对于大部分行程概况而言能够在其最高效的操作区域内操作。储存在第一和第二层能量储存装置中的能量可用于弥补在高能量消耗时段(例如长上坡)期间遇到的任何能量不足。
能量储存装置的第一层的能量储存器组115可以包括：例如，超电容器或超级电容器，飞轮系统，或其组合。储存器组可以单独使用、或者以与第二层能量储存装置(例如电池114)的任何组合的方式使用。当组合使用时，能量储存装置的不同的层可以提供利用任何单个能量储存装置无法实现的协同益处。例如，惯性能量储存系统(例如飞轮系统)能够相对快速地储存电能，但是在其总能量储存容量方面可能会相对受限。类似地，超级电容器系统能够相对快速地储存电能，但是在其总能量储存容量方面可能会相对受限。另一方面，电池系统可以相对慢地储存电能，但是可以配置有较大的总能量储存容量。因此，当组合时，第一和第二层能量储存装置可以捕获不能单独通过电池及时捕获的动态制动能量。能量管理控制器116可以配置成把列车或其他移动车辆的能量储存容量扩展到超出仅采用单个类型的能量储存装置的系统的限制。
多个能量储存器组115和电池114可以位于相同机车上或一个或多个备用机车上。此外，备用能源117(例如一个或多个柴油发动机和关联的交流发电机)可以用于将能量传送到车载能量储存装置例如电池114。备用能源117和/或能量储存器组115也可以由能量管理控制器116管理。
能量管理控制器116可以配置成调整电池114的充电/放电速率、和/或去往/来自电池114的电力传送速率。这些速率可以至少部分地基于属于电池114的操作条件的数据。该数据可以包括电池充电状态(SOC)、电池温度和/或温度梯度，以及使用频率。与电池操作条件相关的其他因素可以包括已经过去的多个充电/放电循环，电力传送电流和电压，在充电模式下的千瓦时的总数，在放电模式下的千瓦时的总数，以及在充电/放电模式下的总操作小时数。附加因素可以包括已完成的车辆任务数，车辆行驶距离，运行中经过的时间，等等。此外，关联的位置识别系统(例如GPS)或关联的车辆控制系统128可以向能量管理控制器提供当前和将来的行程概况130的细节，包括但不限于坡度、速度限值、曲率半径和海拔高度。能量管理控制器116还可以配置成接收属于车辆驱动特性的数据(例如车辆速度、功率和制动发生率)。电池114的充电/放电速率和/或期望充电状态的阀值上限和阀值下限可以相应地响应于电池的温度、使用时间、使用频率、效率以及其它操作参数而得到调整。与任何特定行程概况相关的因素也可以考虑在内。在行程概况和/或电池操作参数改变时，充电/放电概况可以被修正和更新。因此，能量管理控制器116可以配置成增加能量储存装置的能量储存以及寿命和健康。作为一个非限制性的示例，随着电池使用时间和使用频率的增加，能量从第一层能量储存装置(例如超级电容器和飞轮)传送到第二层能量储存装置(例如电池)的速率会减小。
在发动机106可以是涡轮发动机的替代实施中，涡轮发动机和交流发电机108的旋转组件(例如旋转涡轮叶片和交流发电机转子)可以达到每分钟40,000到60,000转(RPM)的速度或更高速度。因此，这些旋转组件可以储存作为旋转惯性的相当大量的能量。除了能量储存器组115的装置之外，这些旋转组件的旋转惯性还可以提供另一种第一层能量储存装置。当被提供燃料时，涡轮交流发电机的旋转组件可以作为一个旋转单元自由旋转。由于旋转组件的高惯性以及旋转组件所经历的相对低的摩擦损耗，在燃料供应切断后该高速旋转可以继续一段相当长的时间。储存在涡轮和交流发电机的组合的高速旋转组件中的惯性能量是可用的，而不必首先把由牵引电机120产生的电能转换为驱动能量储存器组115的飞轮的转矩。在任意一种情况下，惯性能量储存可以允许例如在再生或动态制动期间、或者当超过电力需求的能量由发动机106产生时可以获得的过量能量的快速储存。与利用第二层能量储存装置例如电池114可能实现的情况相比，惯性能量储存还可以允许对能量的更快速或即时的存取。另一方面，与利用超级电容器或惯性能量储存可能实现的情况相比，第二层能量储存装置例如电池114可以允许更大容量的更长期、稳态的能量储存。
如图1所示，发动机106和交流发电机108可以向AC-DC转换器或整流器提供三相交流电流(AC)，并且所产生的直流电流(DC)可以通过电力总线110提供给DC-AC逆变器112，该DC-AC逆变器112可以向一个或多个牵引电机120输出具有三个交流电流的三相电力。如果有必要的话，电力总线110中的一部分DC电力也可以经过变换器、并提供给第二层能量储存装置例如电池114。当一个或多个牵引电机120所需的电力小于由发动机106和交流发电机108生成的总电力时，能量管理控制器116可以配置成将电力总线110的直流电流的一部分引导到第二层能量储存装置的一个或多个电池114中。当从一个或多个牵引电机120接收到电力时，能量管理控制器116可以配置成确定能量被接收的速率对于电池114的能量吸收速率性能来说太大。从交流发电机108接收能量的速率也可能超过电池114的能量吸收速率性能。这样的确定可以至少基于上面讨论的因素(例如电池114的电流操作参数)而改变。因此，在本公开的各个实施中，能量管理控制器116可以自动地把在制动期间由牵引电机120产生的部分或全部能量引导到能量储存器组115的第一层能量储存装置中。类似地，如果由发动机-交流发电机的组合向电力总线110提供能量的速率超过电池114的性能，则能量管理控制器116可以将该能量的部分或全部引导到能量储存器组115的第一层能量储存装置中。
能量管理控制器116还可以配置成基于获得的信息(例如系统的位置，系统操作条件的映射图(map)，或者根据传感器提供的各种输入确定预期负载的计算或算法)，提供考虑了该系统的预期或已知的即将到来的负载的超前控制。能量管理控制器116可以配置成包括一个或多个处理器、数据库、查找表、映射图以及与能量管理控制器116执行的能量管理过程相关的其他信息源。能量管理控制器116还可以通过有线或无线链路(未示出)可通信地耦接到例如可从中央控制中心、路旁站、调度中心或从车载源(例如全球定位卫星接收器(GPS)或操作员输入)获得的其他网络或非网络数据源。在各个实施中，能量管理控制器116可以配置成经由位置识别系统(例如GPS)确定目前和预期的车辆位置信息。该位置信息可以用于定位数据库中关于列车或其他移动车辆可能会经历的目前和/或预期的地形或轨道地形和概况条件的数据。这类信息可以包括：例如，轨道或地形坡度，海拔(例如，在平均海平面上方的高度)，列车轨道曲线数据，列车隧道信息，以及速度限值信息。该数据库信息可以由各种源提供，所述各种源包括：与能量管理控制器116关联的车载数据库，通信系统(例如提供来自中心源、手动操作员输入、一个或多个路旁信号发送装置的信息的无线通信系统)，或这些源的组合。其他车辆信息(例如车辆的尺寸和重量、与发动机关联的功率容量、效率等级、目前和预期速度、以及目前和预期电力负载)也可以被包括在数据库中(或者被实时或接近实时地提供)并由能量管理控制器116使用。在各个替代实施中，能量管理控制器116可以配置成以静态方式确定能量储存和与能量储存关联的能量传送要求。例如，系统可以预编程有上述信息中的任意信息，或者可以使用基于过去操作经历的查找表或映射图。
能量管理控制器116可以使用目前和/或即将到来的电力需求信息以及车辆状态信息，确定电力储存和电力传送要求。能量储存机会可以基于目前和将来可能的电力需求信息。例如，基于地形信息(例如针对列车的即将到来的轨道特性信息)，能量管理控制器116可以配置成确定将发动机置于燃料切断模式并用完储存在第一层能量储存装置(例如飞轮系统)中的能量和/或储存在第二层能量储存装置(例如电池)中的电能是否是更高效的。能量管理控制器116可以配置成做出该确定，即使因为动态制动区域即将到来而使目前的能量需求较低。以这种方式，能量管理控制器116可以配置成在遇到潜在的即将到来的充电区域之前通过解决储存的能量来提高效率。对发动机的燃料供应可以保持切断，直到惯性能量储存和电能储存都已下降到低于设定阀值为止。在惯性能量储存的情况下，设定阀值可以是每分钟转数(RPM)的指定水平或范围，例如当通常运行在从40,000RPM到60,000RPM的范围中的涡轮发动机已经下降到低于48,000RPM到45,000RPM的范围时。当惯性能量储存利用一个或多个飞轮系统执行时，设定阀值可以基于至少一个飞轮的RPM。类似地，电能储存装置(例如电池114)的设定阀值可以是较低的充电水平或充电水平范围，其中低于所述充电水平或充电水平范围就应该对电池再充电。
在操作中，能量管理控制器116可以配置成确定电力储存要求和电力传送要求。能量管理控制器116可以配置成接收来自传感器的信号，所述传感器例如是加速传感器、节流阀位置传感器、进气传感器、制动传感器以及燃料空气比传感器。数据还可以从包括查找表和映射图的各种数据源接收。能量管理控制器116可以配置成至少基于该获得的数据，确定电力需求所要求的是对能量的更短期更快速的存取、还是对能量的更长期更稳态的存取。能量的快速储存和传送的示例性应用可以包括车辆上的突然制动和加速条件。更长期更稳态的应用可以包括在恒定速率行驶条件或其他稳态条件下向车辆的牵引组件提供动力。
能量管理控制器116还可以配置成建立关于能量储存和传送的优先级或规则。在各个实施中，电力传送要求可以至少部分地作为电力需求的函数而被确定。在某些实施中，能量管理控制器116可以配置成仅当第一层能量储存装置(例如超级电容器和飞轮系统)已经衰竭到低于阀值水平、并且第二层能量储存装置(例如电池)也已经衰竭到低于阀值水平时，向燃料发动机106提供信号。在其他情况下，取决于诸如预期电力需求之类的因素，能量管理控制器116可以配置成以全功率运行发动机106，即使能量储存装置还没有衰竭。能量管理控制器116还可以配置成预期即将到来的充电机会，例如当牵引电机120可能会在动态制动模式下运行时。基于该信息，能量管理控制器116可以配置成耗尽储存在第一和第二层能量储存装置中的一个或两者中的能量，以便释放更多的储存容量。根据本公开的两层能量储存系统可以促进在动态制动模式期间由牵引电机120再生的能量的更多捕获，由此产生提高的整体燃料效率和降低的排放。
图2示出可以由能量管理控制器116执行的所公开的示例性能量储存和传送方法的步骤。图2将在下面的部分中讨论以便进一步举例说明所公开的概念。
工业适用性
所公开的示例性两层能量管理系统可以提供改善的燃料效率和降低的排放。该系统还可以避免浪费由处于动态制动模式中的牵引电机再生的能量。两层能量管理系统的附加优点可以包括：增加的电池寿命，以及储存可用于更短期和更快速的电力需求及更长期更稳态的电力需求的能量的能力。特别地，通过控制由处于动态制动模式中的牵引电机产生的再生电力的电力传送和储存，可以实现显著的燃料节省。因此，与特定行程概况通常所需的相比，根据本公开的能量管理控制器可以允许使用更小的原动机动力源。第一层能量储存装置可以具有较高的能量吸收速率性能，其允许捕获处于动态制动模式中的牵引电机所产生的全部或近乎全部电能。这些第一层能量储存装置还可以提供要求立即供应能量的电力需求的能量。能量储存装置的第二层可以按照适合于较低能量吸收速率性能的速率利用第一层能量储存装置的能量进行充电，所述较低能量吸收速率性能可能不足以捕获来自牵引电机的再生能量。与可从第一层能量储存装置获得的相比，第二层能量储存装置(例如电池)还可以提供用于更长期更稳态的能量储存的更大容量、以及在更长时间内更多储存能量的可用性。
如图2的流程图200所示，根据本公开的能量管理控制器可以在步骤210接收关于车辆行程概况的信息。该信息可以来自各种源，这些源可以包括：位置识别系统(例如GPS)，以及实时接收的或从各种数据库取得的操作信息。
至少部分地基于在步骤210接收的车辆行程概况信息，能量管理控制器可以在步骤220将用于驱动车辆的一个或多个牵引电机的电气模式从电动机模式改变为发电机模式。能量管理系统可以基于车辆的位置、映射图、根据传感器输入对预期负载的计算、以及系统操作条件的评估，来提供超前控制。能量管理控制器还可以将一个或多个牵引电机的电气模式改变为发电机模式，以启动与制动命令的接收相符的动态制动。可替换地，由牵引电机执行的动态制动可以在接收到制动命令之前或之后被启动。
在步骤230，以动态制动模式操作的一个或多个牵引电机生成的能量可以被引导到能量储存装置的第一层。这些第一层能量储存装置可以被选择具有足以吸收处于动态制动模式中的牵引电机所产生的全部或近乎全部电能的能量吸收速率性能。
在步骤240，根据本公开的能量管理控制器可以在一个或多个牵引电机仍然在产生电力的同时，指示利用第一层能量储存装置的能量对第二层能量储存装置充电。第二层能量储存装置被充电的速率可以被控制，以避免损坏第二层能量储存装置、并增加可以储存的电力的量。能量从第一层能量储存装置到第二层能量储存装置的传送还会释放第一层能量储存装置中的更多能量储存容量。
在步骤250，能量管理控制器可以在牵引电机已经从发电机模式切换回到电动机模式之后，指示利用第一层能量储存装置的能量对第二层能量储存装置继续充电。这可以使得能够在第一层能量储存装置开始丢失任何显著量的能量之前将能量传送到具有更好的长期储存性能的储存装置。
对于本领域技术人员明显的是，在不脱离本公开的范围的情况下，可以对所公开的两层能量管理系统做出各种修改和变更。根据对本文所公开的方法的规格和实践的考虑，两层能量管理系统的其它实施例对于本领域技术人员将是明显的。说明和实例旨在仅被视为是示例性的，并且本公开的实际范围由所附权利要求及其等价物指示。

Claims (10)

1.一种储存由移动车辆产生的能量的方法，所述方法包括：
接收关于车辆行程概况的信息；
当所述行程概况指示充电机会时，将配置成推进车辆的牵引电机的电气模式从所述牵引电机接收电力的电动机模式改变为所述牵引电机产生电力的发电机模式；
将所述牵引电机在所述发电机模式下产生的能量引导到具有第一能量吸收速率性能的第一层一个或多个能量储存装置；以及
利用所述第一层一个或多个能量储存装置的能量对具有第二能量吸收速率性能的第二层一个或多个能量储存装置充电，所述第二能量吸收速率性能比所述第一能量吸收速率性能更慢。
2.如权利要求1所述的方法，还包括：当所述牵引电机不再产生电力时，继续对所述第二层一个或多个能量储存装置充电。
3.如权利要求1所述的方法，其中接收关于车辆行程概况的信息包括接收来自下述中一个或多个的信息：操作员输入，中央命令输入，映射图或其他数据库，GPS，基于惯性的定位系统，以及基于路旁的定位系统。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述行程概况至少部分地基于指示操作、地理和天气相关特性中的一个或多个的信息，指示充电机会。
5.如权利要求1所述的方法，其中当所述行程概况指示充电机会与制动命令的接收相符时，改变牵引电机的电气模式。
6.如权利要求1所述的方法，其中当所述行程概况指示充电机会发生在制动命令的接收之前或之后时，改变牵引电机的电气模式。
7.如权利要求1所述的方法，其中将所述牵引电机在发电机模式下产生的能量引导到第一层一个或多个能量储存装置包括：在一个或多个超级电容器中储存所述能量。
8.如权利要求1所述的方法，其中以校准的受控速率执行对所述第二层一个或多个能量储存装置的充电，以增大储存在一个或多个第二层能量储存装置中的能量的量。
9.如权利要求1所述的方法，其中对所述第二层一个或多个能量储存装置充电包括：对一个或多个电池充电。
10.一种移动车辆上的能量管理系统，所述能量管理系统包括：
具有第一能量吸收速率性能的第一层能量储存装置；
具有比所述第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能的第二层能量储存装置；以及
控制器，其配置成：
接收关于车辆行程概况的信息；
当所述行程概况指示充电机会时，将配置成推进车辆的牵引电机的电气模式从所述牵引电机接收电力的电动机模式改变为所述牵引电机产生电力的发电机模式；
将所述牵引电机在所述发电机模式下产生的能量引导到所述第一层能量储存装置；以及
启动利用所述第一层能量储存装置的能量对所述第二层能量储存装置的充电。
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