CN105377616A - 能量存储系统以及驱动和能量回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于车辆的电力的超级电容性存储系统(10)、驱动和能量回收系统(20)以及控制方法，该超级电容性存储系统(10)的特征在于，其包括：控制设备(12)，该控制设备(12)被设置成当电容性存储元件(11)的电压低于或等于驱动和能量回收系统(20)的操作范围的最大电压值时允许对存储系统(10)的电容性存储元件(11)的充电，并且当电力分布网络(2)的电压高于电容性存储元件(11)的最大操作电压值时禁止对电容性存储元件(11)的充电。

Description

能量存储系统以及驱动和能量回收系统

本发明涉及电动车辆的领域并且更具体地本发明的对象是车辆的电能储存系统、所述车辆的驱动和能量回收系统、此类车辆以及用于控制车辆的电能的方法。

目前大多数所使用的电动车辆，无论道路车辆或海军车辆(navals)或公共交通网络中的车辆，包括电力分配网络(也称为DC总线)和存储系统，在电力分配网络上连接配置成以给定操作电压范围进行操作的驱动和能量回收系统。

本发明集中于其存储系统包括电容性存储元件的车辆，该电容性存储元件可能由电力分配网络传递的充电电压进行充电，该充电电压包括在驱动和能量回收系统的操作范围内。

驱动和能量回收系统通常包括可逆电机，该可逆电机根据称为“发动机(moteur)”的模式实现操作从而确保利用所提供的电能对车辆的驱动或牵引/推进，并且根据称为“发电机”的模式替代地实现操作从而确保将由于制动或由于车辆的减速产生的机械能转换成电能。

在发动机模式下，发动机消耗由存储系统的电容性存储元件向其提供的电能。

在发电机模式下，发动机产生电能并对存储系统的电容性存储元件进行充电。

热/电混合动力车辆进一步包括热能发动机(moteurthermique)，热能发动机可通过自身确保车辆的驱动，但还可驱动可逆电机以使其以发电机模式进行操作。

由处于发电机模式的发动机所提供的电能接着被传输至车辆的电力分配网络并且通过存储系统的电容性元件以与车辆的制动或减速期间相同的方式被回收。

在已知的方式中，电容性存储元件具体包括双层电容组件，也称为超级电容、超级电容器或EDLC(电解双层电容器)，电能被存储在该双层电容组件中。

存储在电容性存储元件中的该电能可随后被用作用于供应电动车辆的电动机的主要或辅助能量。

此外，已知具有存储系统以及驱动和能量回收系统，该存储系统包括连接至车辆的电力网络的DC-DC转换器，该驱动和能量回收系统包括用于转换电流的装置，该装置也连接至车辆的电力网络。

DC-DC转换器使存储系统的电容性存储元件的可变电压能够适配车辆的驱动和能量回收系统的操作DC电压。

此外，DC-DC转换器一方面必须能够在发动机模式下将牵引/推进总功率从存储系统的电容性存储元件经由车辆的电力网络传送至可逆电机，并且另一方面，必须能够在发电机模式下将总制动功率从可逆电机经由车辆的电力网络传送至存储系统的电容性存储元件。

至于电流转换装置，它允许使提供给处于发动机模式下的可逆电机的功率根据由用户例如通过车辆的加速器踏板或任何其他控制装置产生的控制而改变。

电流转换装置必须还能够在可逆电机在发电机模式下进行操作时将来自可逆电机的电能经由DC-DC转换器传送至存储系统的电容性存储元件。

在本身已知的方式中，电流转换装置可以是变速器或逆变器。

经由车辆的电力分配网络连接至这种驱动和能量回收系统的存储系统是令人满意的，因为该存储系统可容易地适应于现有的牵引/推进链并实现牵引/推进功能和存储功能的解耦。

这两个功能通常由同一公司的两个不同的部门处理，并且将存储系统以及驱动和能量回收系统集成在车辆的相同电力分配网络上不需要已执行车辆的牵引/推进功能的本领域技术人员的介入。

然而，这种存储系统以及这种驱动和能量回收系统之间的耦合具有累积两个转换器的效率(DC-DC转换器的效率和还包括静态转换器的电流转换装置的效率)的缺点。

由于累积转换损失，这种效率的累积显著降低在存储系统以及驱动和能量回收系统之间的耦合的能量效率。

此外，这种存储系统还具有必须使用显著外形尺寸及质量的DC-DC转换器的缺点。

本发明的目的在于通过提供对存储系统中DC-DC转换器的使用的替代方案，特别是通过控制存储系统，来克服全部或部分上述缺点。

为此，本发明的目的在于一种车辆的电能存储系统，用于连接至电力分配网络，该车辆包括连接至电力分配网络的驱动和能量回收系统，

所述驱动和能量回收系统被配置成在操作电压范围内进行操作，

存储系统包括：

电容性存储元件，该电容性存储元件包括最大操作电压并且能够通过由电力分配网络传递的充电电压进行充电，该充电电压包括在驱动和能量回收系统的操作范围内，

所述存储系统的特征在于，它包括控制设备，该控制设备被设置成：

-在存储元件的电压低于或等于驱动和能量回收系统的操作范围的最大电压值时，授权对存储元件的充电，

-当车辆的电力分配网络的电压大于存储元件的最大操作电压值时，禁止对电容性存储元件的充电。

车辆的这种电能存储系统增加了与驱动和能量回收系统的耦合效率，并确保了在存储元件与驱动和能量回收系统之间的电压适配。

实际上，存储系统不再需要DC-DC转换器。因此，仅考虑电流转换装置的效率，这限制了由转换累积导致的损失。

此外，减小了这种存储系统的质量以及总体尺寸。

根据本发明的一个方面，控制设备包括用于测量由存储元件或车辆的电力分配网络传递的电压的构件，其适合于将旨在使驱动和能量回收系统的能量回收停止的信息传输至驱动和能量回收系统(distributiondepuissanceélectriqueduvéhiculeapteàtransmettreausystèmed'entrainementetderécupérationd'énergieuneinformation)。

此配置实现监测存储元件的电压以生成设定点，包括在必要时通过直接停止能量回收来中断对存储元件的充电。

通过作用于驱动和能量回收系统的设定点的处理，或通过作用于与存储系统相关联的电绝缘装置(例如通过关闭(encoupant)其与电力分配网络的电连接)产生充电的中断。

根据本发明的一个方面，控制设备包括电绝缘装置，其被安排成优选通过中断驱动和能量回收系统的电能供应来中断在制动期间的能量回收。

该配置使存储元件与驱动和能量回收系统之间的电连接能够中断以保护存储元件不受到可能的过电压。

根据本发明的一个方面，存储系统包括称为预充电设备的第一充电设备，该第一充电设备连接在存储元件与驱动和能量回收系统之间的电力分配网络上。

该配置允许在车辆发动时，存储元件达到最小操作电压，同时限制浪涌电流。

根据本发明的一个方面，存储元件包括超级电容的组件，被设置成提供其超过75％的能量流在驱动和能量回收系统的操作范围中可用。

可用能量通过以下公式定义：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CV}}^2$

其中E是可用能量E的值并且以焦耳表示，C是存储元件的串联和/或并联组合的等效电容的值并以法拉表示，V是由存储元件的组件传递的总电压值并且以伏特表示。

根据本发明的一个方面，超级电容被串联和/或并联安装。

本发明的目的还在于一种车辆的驱动和能量回收系统，该车辆包括：

-电力分配网络，以及

-车辆的电能存储系统(诸如上文所描述的电能存储系统)，其连接至电力分配网络，

驱动和能量回收系统的特征在于，驱动和能量回收系统的操作电压范围对应于电流转换装置的操作电压范围。

根据本发明的一个方面，驱动和能量回收系统包括设置成在操作电压范围上进行操作的发电机，发电机的所述操作电压范围包括与电流转换装置的操作电压范围的最小值对应的最小电压值。

因此，主要使用的能量是来自存储系统的能量，当存储系统在放电达到发电机的操作电压之后，主要使用发电机的能量。

类似地，在能量回收阶段期间，发电机的空载电压对应于存储系统的充电启动电压。

本发明的目的还在于一种电动车辆，该电动车辆包括电力分配网络，在该电压上连接有上文所描述的存储系统和上文所描述的驱动和能量回收系统。

本发明的目的还在于一种用于控制车辆的电能存储系统的方法，该车辆包括：

-电力分配网络，以及

-驱动和能量回收系统，其连接至电力分配网络，

存储系统包括：

-电容性存储元件，其包括最大操作电压并且可能通过由电力分配网络传递的充电电压进行充电，该充电电压包括在驱动和能量回收系统的操作范围内，

所述驱动和能量回收系统被配置成在操作电压范围内进行操作，

所述控制方法的特征在于，该方法包括：包括控制存储元件的充电电压或车辆的电力分配网络的电压的步骤以便于：

-在存储元件的电压低于或等于驱动和能量回收系统的操作范围的最大电压值时，授权对存储元件的充电，或

-当车辆的电力分配网络的电压大于电容性存储元件的最大操作电压值时，禁止对电容性存储元件的充电。

根据本方法的一个实施模式，用于控制电容性存储元件的充电电压或车辆的电力分配网络的电压的步骤包括多个子步骤，所述多个子步骤包括：

(i)测量由电容性存储元件或由车辆的电力分配网络传递的电压，以及

(ii)将旨在使驱动和能量回收系统的能量回收停止的信息传输至驱动和能量回收系统。

无论如何，利用参照所附示意图的以下描述将更好地理解本发明，示意图通过非限定性示例的方式显示了实现根据本发明方法的多个步骤的存储系统、驱动和能量回收系统或车辆。

图1表示车辆的电力分配网络的示意图，该电力分配网络上连接有作为主要或辅助能量的现有技术的存储系统和现有技术的驱动和能量回收系统。

图2表示示出了现有技术的驱动和能量回收系统的电机的调节原理的功能框图，电机连接至具有根据现有技术的存储系统的车辆的电力分配网络。

图3显示示出了取决于其充电状态的电容器的可用能量流比的曲线图。

图4显示了与图3类似的曲线图，在该曲线图上增加了发电机的操作范围。

图5表示车辆的电力分配网络的示意图，该电力分配网络上连接有作为主要或辅助能量的根据本发明的存储系统和根据本发明的驱动和能量回收系统。

图6显示示出了根据本发明的驱动和能量回收系统的可逆电机的调节原理的功能框图，该可逆电机连接至具有根据本发明的存储系统的车辆的电力分配网络。

图7是根据本发明的车辆的框图。

如图1和7所示，电动车辆1包括电力分配网络2，电力分配网络2上连接有驱动和能量回收系统20和存储系统10。

根据现有技术，驱动和能量回收系统20包括可逆电机21和电流转换装置。

在所示的示例中，电流转换装置22是变速器。

至于存储系统10，其包括电容性存储元件11和DC-DC转换器23。

在被称为驱动和能量回收系统20的发动机模式的一个操作模式中，存储系统10的电容性存储元件11传递存储在电力分配网络2中的电能。

该电能将电压施加于DC-DC转换器23，DC-DC转换器23适配该电压，使得该电压能被注入到电力分配网络2中，然后根据用户的控制(尤其经由车辆的加速度器踏板或任何其他控制装置)，由变速器22使用来控制发动机21的旋转速度和转矩。

变速器22和发动机21的固有特征限定了驱动和能量回收系统20的操作电压范围，尤其是限定了实现发动机21的运动的最小电压和变速器22所支持的最大电压。

在车辆的移动或加速阶段期间，使用驱动和能量回收系统20的发动机操作模式。

在被称为驱动和能量回收系统20的发电机模式的一个操作模式中，发动机21产生电能并将电压施加于变速器22。

驱动和能量回收系统20然后开始能量回收阶段。

该电压被注入到电力分配网络2并然后被传输至DC-DC转换器23，DC-DC转换器23将该电压适配成用于存储系统10的存储元件11的充电电压。

在车辆的制动或减速阶段期间使用驱动和能量回收系统20的发电机操作模式。

此外，存储系统10可被用作车辆1中的主要或辅助能量。

在使用存储系统10作为辅助能量的情况下，车辆1包括图1中虚线所示的附加能量源5。

该能量源5可以例如是热能发动机，其驱动连接至车辆1的电力分配网络2的交流发电机。

尤其在所谓混合动力车辆1的车辆中发现该类型的配置。

在使用存储系统10作为主要能量的情况下，车辆1仅包括作为能源的存储系统10，其能够提供电力发动机21。

尤其在用于运输乘客的车辆1中发现该类型的配置，其中存储元件11的快速再充电是可能的。

如图2所示，可根据两个直接正向路径(chainedirected'action)CD1、CD2和两个反馈路径或信息路径CR1、CR2执行现有技术的驱动和能量回收系统20的电动机21的调节。

第一直接正向路径CD1包括第一比较器CP1(通常是减法器)、第一调节块(例如比例积分PI1)、第二比较器CP2、第二直接正向路径CD2和发动机21。

第二直接正向路径CD2包括第二调节块(例如，比例积分PI2)、和用于将转矩/流动转换成电流/电压TR1的块。

第一反馈路径CR1将发动机21连接至第一比较器CP1。

第二反馈路径CR2包括用于将电流转换成流动转矩(coupledeflux)TR2的块，并将电动机21的入口连接至第二比较器CP2。

设定点速度VC(例如由用户通过车辆1的加速器踏板传输)以及从第一反馈路径产生的测量速度VM被施加至第一比较器CP1以由此推断将被施加至电动机21的设定点转矩C。

然后通过第一调节块PI1来校正该设定点转矩C，由此推断施加至第二比较器CP2的经校正的设定点转矩值C_COR。

用于将电流转换成第二反馈路径CR2的流动转矩TR2的块执行传送功能，从而能够从在电动机的若干相位上循环的电流I1、I2的测量推断计算出的转矩值C_CAL。

然后通过第二比较器CP2将该计算出的转矩值C_CAL与经校正的转矩设定点值C_COR相比较。

从该比较产生将被施加至电动机的计算出的设定点流动F_CAL。

然后通过第二调节块PI2校正该计算出的设定点流动F_CAL，由此推断经校正的设定点流动值F_COR。

该经校正的设定点流动值F_COR然后被施加至用于将转矩/流动转换成电流/电压TR1的块的入口。

用于将转矩/流动转换成电流/电压TR1的块然后旨在采用经校正的设定点流动值F_COR来调整可来自存储系统10的流动F以便施加至电动机21，流动F允许电动机21快速达到设定点速度VC。

本发明基于如下观点：电容器或超级电容器的75％的能量流可用于Vn和Vn/2之间，而90％的能量流可用于Vn和Vn/3之间。

可从图3中的曲线图推断出这种观点。

因此，通过将变速器22的操作电压范围与用于限定电容性存储元件11的充电状态(例如，在Vn和Vn/2之间)的可允许的电压范围进行匹配来执行存储系统10的尺寸设定，其中Vn是存储元件11的最大操作电压。

可通过使用混合超级电容器或超级电容技术来优化该尺寸设定，混合超级电容器或超级电容技术被设置成提供超过其75％的能量流可用于驱动和能量回收系统的操作范围中。如上所述，该可用能量(也被称为有用能量)通过以下公式定义：

$E=\frac{1}{2}{\mathrm{CV}}^2$

称为“混合”超级电容器的这些超级电容器(诸如，例如锂离子电容器)具有显著超过常规超级电容的能量密度并且允许使用其75％的能量流在例如Vn和2Vn/3之间可用。该能力提供有用能量的电压范围对驱动和能量回收系统20的操作范围的更好的适配。

该配置使得能够在驱动和能量回收系统的操作电压范围的更显著部分上增加存储元件的能量密度，并因此促进控制设备12对存储元件11的充电控制。

如图5所示，根据本发明的电动车辆1还包括电力分配网络2，在电力分配网络2上连接有驱动和能量回收系统20以及存储系统10。

然而，与现有技术的存储系统10不同，根据本发明的存储系统10不再包括DC-DC转换器23。

实际上，存储系统10仅包括电容性存储元件11和电容性存储元件11的充电的控制设备12。

如图6所示，根据本发明的驱动和能量回收系统20的电动机21的调节与根据现有技术的驱动和能量回收系统20的电动机21的调节的不同之处在于，根据本发明的调节尤其进一步实现了对电容性存储元件11的电压测量T_MES以找出后者的充电状态，或实现了对电力分配网络2的电压测量T_MES以找出电容性存储元件11的可能的充电电压的值。

用于将电压转换成能量回收停止设定点TR3的块然后解释该电压测量T_MES，并且如果该电压测量T_MES大于存储元件11的最大电压值Vn，则可任选地传递能量回收停止设定点INFO_STOP。

通过转矩设定点限制块LIM接收该能量回收停止设定点INFO_STOP，转矩设定点限制块LIM将经校正的设定点转矩值C_COR限制到受限设定点转矩值C_LIM，通过第二比较器CP2将受限设定点转矩值C_LIM与计算出的转矩值C_CAL相比较。

在所示示例中，存储系统10的该信息“充电结束”INFO_STOP被发送至变速器22。后者然后停止将能量发送至电力分配网络2。

这或者可通过控制发动机21使得变速器22不返回任何能量来实现，或者通过将该能量传递至称为制动电阻的电阻来实现。

电压测量构件13实现电压测量T_MES，用于将电压转换成能量回收停止设定点的块TR3以及用于限制转矩设定点的块LIM更普遍地包括在存储系统10的控制设备12中。

该控制设备12被设置成：

-在电容性存储元件11的电压低于或等于驱动和能量回收系统20的操作范围的最大电压值时，授权对电容性存储元件11的充电，以及

-当车辆的电力分配网络2的存储元件的电压大于电容性存储元件11的最大电压值Vn时，禁止对电容性存储元件11的充电。

这两个条件也包括在根据本发明的控制方法的步骤中，该控制方法包括控制电容性存储元件11的充电电压。

在所示示例中，存储系统10必须整合变速器22的固有特征，尤其是其电压操作范围，以根据变速器22的操作范围限定电容性存储元件11的操作范围。

该整合可在将存储系统10安装到车辆1的过程中，通过设定存储系统10的尺寸来执行。

根据由图4的曲线图所示的变体，当存储系统10包括图4的曲线图上的电压曲线A所示的车辆的辅助能量时并且当图4的曲线图上的发电机B的操作电压范围所示的发电机5(热能或生物量发电机或燃料电池)提供主能量时，则计算存储系统10的电容性存储元件11的充电电压，使得用于限定存储系统10的存储元件11的充电状态的可允许的电压范围位于发电机5的操作电压范围之上。

在这种情况下，发电机5的操作电压范围包括与电流转换装置22的操作电压范围最小值对应的最小电压值。

以这种方式，主要使用的能量是来自存储系统10的能量，当存储系统10在放电达到发电机5的操作电压之后，主要使用发电机5的能量。

类似地，在能量回收阶段期间，发电机5的空载电压将与存储系统10的充电启动电压对应。

根据本发明的一个变体，控制设备12可包括存储元件10的电绝缘装置(未示出)，该电绝缘装置切断在电容性存储元件11和电力分配网络之间的连接，以允许隔离电容性存储元件11，同时允许驱动和能量回收系统20继续操作。

最后，存储系统10可包括称为预充电设备的第一充电设备(未示出)，该第一充电设备旨在连接在电容性存储元件11与驱动和能量回收系统20之间的电力分布网络2上，这允许在车辆发动时存储系统20达到其最小操作电压，同时使浪涌电流最小。

然后通过并行插入的电流路径取消该电阻设备。静态继电器或机电接触器可以被用于此目的。

虽然已关于特定实施例描述了本发明，很明显，本发明不以任何方式受限，并且它包括所描述的装置的所有等同技术以及它们的组合。

Claims (10)

1.一种车辆(1)的电能存储系统(10)，旨在连接至电力分配网络(2)，该车辆(1)包括连接至电力分配网络(2)的驱动和能量回收系统(20)，

所述驱动和能量回收系统(20)被配置成在操作电压范围内进行操作，

存储系统(10)包括：

-电容性存储元件(11)，其包括最大操作电压(Vn)并且能够通过由电力分配网络(2)传递的充电电压进行充电，所述充电电压包括在驱动和能量回收系统(20)的操作范围内，

所述存储系统(10)的特征在于，其包括控制设备(12)，所述控制设备(12)被设置成：

-在电容性存储元件(11)的电压低于或等于驱动和能量回收系统(20)的操作范围的最大电压值时，授权对电容性存储元件(11)的充电，

-当车辆(1)的电力分配网络(2)的电压大于存储元件(11)的最大操作电压值(Vn)时，禁止对电容性存储元件(11)的充电。

2.根据权利要求1所述的存储系统(10)，其中所述控制设备(12)包括测量由电容性存储元件(11)或车辆(1)的电力分配网络(2)传递的电压的构件(13)，其能够向驱动和能量回收系统(20)传输信息(INFO_STOP)，所述信息(INFO_STOP)旨在使驱动和能量回收系统(20)进行的能量回收停止。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的存储系统(10)，其中所述控制设备(12)包括电容性存储元件(11)的电绝缘装置。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的存储系统(10)，包括称为预充电设备的第一充电设备，所述第一充电设备旨在连接在电容性存储元件(11)与驱动和能量回收系统(20)之间的电力分配网络(2)上。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的存储系统(10)，其中所述电容性存储元件(11)包括超级电容器组件，尤其是混合超级电容器，所述超级电容器组件被设置成提供超过其75％的能量流在驱动和能量回收系统的操作范围中可用。

6.一种车辆(1)的驱动和能量回收系统(20)，该车辆(1)包括：

-电力分配网络(2)，以及

-根据权利要求1至5中任一项的车辆(1)的电能存储系统(10)，其连接至电力分配网络(2)，

驱动和能量回收系统(20)的特征在于，所述驱动和能量回收系统(20)的操作电压范围与电流转换装置(22)的操作电压范围对应。

7.根据权利要求6所述的驱动和能量回收系统(20)，包括设置成在操作电压范围上进行操作的发电机(5)，发电机(5)的所述操作电压范围包括与电流转换装置(22)的操作电压范围的最小值对应的最小电压值。

8.一种电动车辆(1)，包括电力分配网络(2)，在所述电力分配网络(2)上连接有根据权利要求1至5中任一项所述的存储系统(10)和根据权利要求6或7中任一项所述的驱动和能量回收系统(20)。

9.一种用于车辆(1)的电能存储系统(10)的控制方法，该车辆(1)包括：

-电力分配网络(2)，以及

-驱动和能量回收系统(20)，其连接至电力分配网络(2)，

存储系统(10)包括：

-电容性存储元件(11)，其包括最大操作电压(Vn)并且能够通过由电力分配网络(2)传递的充电电压进行充电，所述充电电压包括在驱动和能量回收系统(20)的操作范围内，

所述驱动和能量回收系统(20)被配置成在操作电压范围内进行操作，

所述控制方法的特征在于，所述方法包括由控制电容性存储元件(11)的充电电压或车辆(1)的电力分配网络(2)的电压组成的步骤以便于：

-在电容性存储元件(11)的电压低于或等于驱动和能量回收系统(20)的操作范围的最大电压值时，授权对电容性存储元件(11)的充电，或

-当车辆(1)的电力分配网络(2)的电压大于电容性存储元件(11)的最大操作电压值(Vn)时，禁止对电容性存储元件(11)的充电。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其中控制电容性存储元件(11)的充电电压或车辆(1)的电力分配网络(2)的电压的步骤包括多个子步骤，所述子步骤由以下组成：

(i)测量由电容性存储元件(11)或由车辆(1)的电力分配网络(2)传递的电压，以及

(ii)向驱动和能量回收系统(20)传输旨在使驱动和能量回收系统(20)进行的能量回收停止的信息(INFO_STOP)。