CN108370166A - 一种车辆用发电系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子领域并且提供一种车辆用的发电系统和方法。本发明提供了一种给能量存储装置充电的替代系统，其用于驱动车辆并减少车辆对该能量存储装置的依赖。它包含一个功率处理单元与该至少一个第一发电动机协作接收AC电力。该功率处理单元由该AC电力产生一持续的DC电力，从连接到该功率处理单元的至少一个能量存储装置接收DC电力，并且基于该AC电力和该DC电力中的至少一个而产生一持续的AC电力。此外，该功率处理单元同时向至少一个能量存储装置提供持续的DC电力，并且向连接到该功率处理单元的车辆的电动机提供持续的AC电力。

Description

一种车辆用发电系统和方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域。

定义

正如本发明中所使用的，除了在使用术语的上下文中另有说明的，以下术语通常表示如下所述的含义。

以下在本说明书中使用的表述“能量储存装置”，是指但不限于例如电池单元和电容器的电荷储存部件。

以下在本说明书中使用的表述“超电容器”，是指但不限于电容值大于1000法拉的高容量电化学电容器。

以下在本说明书中使用的表述“SOC”(充电状态)是指但不限于存在于能量存储装置内的最大可能电荷/能量的百分比。

以下在本说明书中使用的表述“电动车辆”或“混合动力车辆”或“车辆”，是指乘用车、电池驱动汽车、道路运输工具、重型货车(HGV)、公共汽车、两轮车、电动自行车、电动小摩托车(scooter)、电动摩托车、三轮车、电动轮椅、军用车辆、火车、电车以及采矿车辆等。

以下在本说明书中使用的表述“DC-DC转换器”，是指将一DC电压和/或电流电平转换成另一DC电压和/或电流电平的电力转换器。

以下在本说明书中使用的表述“AC-AC转换器”，是指将一AC电压和/或电流电平转换成另一AC电压和/或电流电平的电力转换器。

以下在本说明书中使用的表述“DC-AC转换器”是指将DC信号转换为AC信号的电力转换器。

以下在本说明书中使用的表述“AC-DC转换器”是指将AC信号转换成DC信号的电力转换器。

以下在本说明书中使用的表述“增强器”是指放大AC信号或DC信号的电子设备。

这些定义是对本领域中表达的那些定义的补充。

背景技术

传统上，在电动/混合动力车辆系统中，采用能量存储装置向驱动车辆的电动机传输电力。从能量存储装置也能获取电力来运行车辆的电子部件。由于没有替代电源向电动车辆供电，能量存储装置不断地放电，因此需要不断地给能量存储装置充电。进而，能量存储装置的连续充放电导致能量存储装置的寿命缩短。由于给能量存储装置充电的充电站并不是随时可用的，这对能量存储装置连续充电也是一项挑战。

因此，需要开发一种给能量存储装置充电的替代系统，其用于驱动车辆并减少车辆对该能量存储装置的依赖。

目的

本发明的至少一个实施例满足的一些目的如下：

本发明的目的是改善现有技术的一个或多个问题或者至少提供一种有益的替代方案。

本发明的目的是提供一种车辆用的发电系统，其可延长车辆的能量存储装置的寿命。

本发明的又一目的是提供一种车辆用的发电系统，其可避免对车辆的能量存储装置深度放电。

本发明的另一目的是提供一种车辆用的发电系统，其需要较少的维护且具有成本效益。

本发明的再一目的是提供一种安全可靠的车辆用的发电系统。

通过以下描述，本发明的其它目的和优点将更加显而易见，以下描述不是用来限制本发明的范围的。

发明内容

本发明涉及一种车辆用发电系统。该系统包括至少一个第一发电动机，功率处理单元和至少一个能量存储装置。根据本发明的实施例，所述至少一个第一发电动机产生AC电力。该功率处理单元与该至少一个第一发电动机协作接收AC电力。该功率处理单元由该AC电力产生一持续的DC电力，从连接到该功率处理单元的至少一个能量存储装置接收DC电力，并且基于该AC电力和该DC电力中的至少一个而产生一持续的AC电力。此外，该功率处理单元同时向至少一个能量存储装置提供持续的DC电力，并且向连接到该功率处理单元的车辆的电动机提供持续的AC电力。

根据本发明的实施例，该至少一个第一发电动机产生一发电的DC电力。该功率处理单元与至少一个第一发电动机协作。该功率处理单元接收该发电的DC电力，由该发电的DC电力产生一持续的DC电力，从连接到该功率处理单元的至少一个能量存储装置接收一DC电力，并基于该发电的DC电力和该DC电力中的至少一个来产生一持续的AC电力。进一步地，该功率处理单元同时向至少一个能量存储装置提供该持续的DC电力，并且向连接到该功率处理单元的车辆的电动机提供该持续的AC电力。

根据另一个实施例，该至少一个第一发电动机选自由太阳能电池板子系统、再生制动子系统、稀薄空气离子捕获子系统、玻璃窗格子系统、风力涡轮机驱动子系统、热量和声音子系统、DC发电动机和AC发电动机组成的群组。

根据又一实施例，该功率处理单元包括至少一个DC-AC转换器、至少一个AC-DC转换器、至少一个增强器、至少一个DC-DC转换器、至少一个AC-AC转换器、至少一个调节器和一处理器。

根据本发明的一个实施例，该电动机选自由AC和无刷电动机、感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机组成的群组。

根据一个实施例，该至少一个能量存储装置选自由电容器组、液流电池、钒氧化还原电池、溴化锌电池、燃料电池、铅酸电池、VRLA电池、锂离子电池、AGM电池、凝胶电池、锂离子聚合物电池、熔融盐电池、镍镉电池、钠离子电池、超级铁电池、银锌电池、氯化锌电池、石墨烯电池、钠金属卤化物电池、硅电池、混合电池和锌碳电池组成的群组。

根据另一个实施例，AC发电动机安装到车辆的一前轮、车辆的悬架和车辆的驱动轮中的至少一个上。

根据又一实施例，太阳能电池板子系统、再生制动子系统、稀薄空气离子捕获子系统、玻璃窗格子系统、风力涡轮机驱动子系统、热量和声音子系统、DC发电动机和AC发电动机同时向功率处理单元提供第一电力，从而分别向该至少一个能量存储装置和该电动机提供持续的第一电力和持续的第二电力。

根据一个实施例，热量和声音子系统包括压电材料，其将振动和声压的外部机械能转换成所述第一电力。

本发明还涉及一种车辆用发电方法。

附图说明

现在参照附图描述本发明的一种车辆用发电系统和方法，其中：

图1示出了根据本发明的一实施例描绘的车辆用发电系统的框图；

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于图1的发电系统的功率处理单元的框图；

图3示出了一种车辆用发电方法。

说明书及附图中使用的标记明细列表

附图标记	表示
		100	发电系统
102	至少一个第一发电动机
		102a	太阳能电池板子系统
102b	再生制动子系统
		102c	稀薄空气离子捕获子系统
102d	玻璃窗格子系统
		102e	风力涡轮机驱动的子系统
102f	热量和声音子系统
		102g	DC发电动机
102h	AC发电动机
		104	功率处理单元
106	至少一个能量存储装置
		108	电动机
202	至少一个DC-AC转换器
		204	至少一个AC-DC转换器
206	增强器
		208	至少一个DC-DC转换器
210	至少一个AC-AC转换器
		212	至少有一个调节器
214	处理器
		300	发电方法

具体实施方式

传统上，在电动/混合动力车辆系统中，能量存储装置被用于向驱动车辆的电动机传输电力。从能量存储装置也能获取电力来运行车辆的电子部件。由于没有替代电源向电动车辆供电，能量存储装置不断地放电，因此需要不断地给能量存储装置充电。进而，该能量存储装置的连续充放电导致该能量存储装置的寿命缩短。本发明提供了一种车辆用的发电系统和方法。本发明提供了一种用于对能量存储装置进行充电的替代系统，其用于驱动车辆并还减少车辆对该能量存储装置的依赖。

图1示出了根据本发明的一实施例描绘的车辆用发电系统的框图。发电系统100包括至少一个第一发电动机102、一功率处理单元104和至少一个能量存储装置106。该至少一个第一发电动机102产生第一电力。该第一电力可以是AC电力或DC电力。该第一电力通常是由至少一个第一发电动机102产生的替代电力。该至少一个第一发电动机102包括一发电子系统或多发电子系统或一多发电子系统的组合。该发电子系统包括太阳能电池板子系统102a、再生制动子系统102b、稀薄空气离子捕获子系统102c、玻璃窗格子系统102d、风力涡轮机驱动的子系统102e、热量和声音子系统102f、DC发电动机102g和AC发电动机102h。

该至少一个能量存储装置106连接到该功率处理单元104。该至少一个能量存储装置106选自由电容器组、液流电池、钒氧化还原电池、溴化锌电池、燃料电池、铅酸电池、VRLA电池、锂离子电池、AGM电池、凝胶电池、锂离子聚合物电池、熔融盐电池、镍镉电池、钠离子电池、超级铁电池、银锌电池、氯化锌电池、石墨烯电池、钠金属卤化物电池、硅电池、混合电池和锌碳电池组成的群组。该电容器组可包括超电容器或超级电容器。

在一个实施例中，车辆的电动机108是AC电动机。该电动机108选自由AC和无刷电动机、感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机组成的群组。

图2示出了根据本发明的一个实施例的用于图1的发电系统的功率处理单元104的框图。该功率处理单元104通常是混合信号处理专用集成电路。在一个实施例中，该功率处理单元104是功率电子转换器。该功率处理单元104包括至少一个DC-AC转换器202、至少一个AC-DC转换器204、至少一个增强器206、至少一个DC-DC转换器208、至少一个AC-AC转换器210、至少一个调节器212和一处理器214。该功率处理单元104从该至少一个第一发电动机102接收该第一电力。该处理器214是混合信号(模拟和数字)处理器。该处理器214分析该第一电力。

在一个实施例中，该至少一个增强器206是AC增强器和DC增强器。

在另一个实施例中，该第一电力是AC电力。该处理器214检测AC电力的AC电流分量和AC电压分量。该处理器214还计算AC电流分量和AC电压分量(正常AC分量)的幅值。如果AC电压分量的幅值小于存储在处理器214的存储器(图中未示出)中的预定AC电压阈值，则该处理器214将AC电压分量传输给增强器206。该增强器206增强AC电压分量并产生增强的AC电压分量。该处理器214接收该增强的AC电压分量。该处理器214使用存储在该处理器214的存储器(图中未示出)中的预定AC电流阈值对AC电流分量执行类似操作，并且该增强器206生成一增强的AC电流分量。该增强的AC电压分量和增强的AC电流分量被称为增强的AC分量。该处理器214读取至少一个能量存储装置106的充电状态(SOC)。如果该至少一个能量存储装置106的SOC小于存储在处理器214的存储器中的预定SOC值(图中未示出)，则该处理器214使用该增强的AC分量或正常AC分量或它们的组合来产生一持续的第二电力(持续的AC电力)。该处理器214将该持续的第二电力传输给电动机108。通过向电动机108提供该持续的第二电力(持续的AC电力)，可消除该至少一个能量存储装置106的连续放电，这增加了该至少一个能量存储装置106的使用寿命，并且还减少了车辆对该至少一个能量存储装置106的依赖。同时，该处理器214还借助AC-DC转换器204并通过使用增强的AC分量或正常AC分量或它们的组合，产生一持续的第一电力(持续DC电力)，并将该持续的第一电力传输给该至少一个能量存储装置106。如果该至少一个能量存储装置106的SOC大于或等于预定的SOC值，则该处理器214借助DC-AC转换器202并通过使用由该至少一个能量存储装置106产生的第二电力产生一持续的第二电力。

在又一个实施例中，该第一电力是DC电力。该处理器214检测该DC电力的DC电流分量和DC电压分量。该处理器214还计算DC电流分量和DC电压分量(正常DC分量)的幅值。如果该DC电压分量的幅值小于存储在该处理器214的存储器(图中未示出)中的预定DC电压阈值，则该处理器214将该DC电压分量传输给增强器206。该增强器206增强DC电压分量并产生增强的DC电压分量。该处理器214接收该增强的DC电压分量。该处理器214使用存储在该处理器214的存储器(图中未示出)中的预定DC电流阈值对该DC电流分量执行类似的操作，并且该增强器206产生一增强的DC电流分量。该增强的DC电压分量和增强的DC电流分量被称为增强的DC分量。该处理器214读取该至少一个能量存储装置106的充电状态(SOC)。如果该至少一个能量存储装置106的SOC小于存储在该处理器214的存储器(图中未示出)中的预定SOC值，则该处理器214借助该调节器212并使用该增强的DC分量或正常的DC分量或它们的组合产生一持续的第一电力。该处理器214将该持续的第一电力传输给该至少一个能量存储装置106。同时，该处理器214还借助DC-AC转换器204并使用该增强的DC分量或正常DC分量或它们的组合来产生一持续的第二电力，并将该持续的第二电力传输到该电动机108。通过向该电动机108提供该持续的第二电力，可消除该至少一个能量存储装置106的连续放电，这增加了该至少一个能量存储装置106的使用寿命，并且还减少了车辆的驱动对该至少一个能量存储装置106的依赖。如果该至少一个能量存储装置106的SOC大于或等于该预定的SOC值，则该处理器214借助DC-AC转换器202以及通过使用该至少一个能量存储装置106产生第二电力产生一持续的第二电力。在另一个实施例中，如果该至少一个能量存储装置106的SOC大于或等于该预定的SOC值，则该处理器214借助DC-AC转换器202并通过使用该增强的DC分量或该正常的DC分量和由该至少一个能量存储装置106产生的第二电力的组合产生一持续的第二电力。

根据本发明的一实施例，太阳能电池板子系统102a、再生制动子系统102b、稀薄空气离子捕获子系统102c、玻璃窗格子系统102d、风力涡轮机驱动子系统102e、热量和声音子系统102f、直流发电动机102g和交流发电动机102h同时向该功率处理单元104提供第一电力，由此将一持续的第一电力和一持续的第二电力分别提供给该至少一个能量存储装置106和该电动机108。所有上述的子系统都设置在车辆中。上述子系统的任何排列或组合都可以用于产生该第一电力。

根据本发明的另一实施例，该太阳能面板子系统102a包括至少一个太阳能面板(图中未示出)。该太阳能从安装在该车辆的任何部分上的至少一个太阳能电池板获取。该至少一个太阳能面板产生一DC电力。产生的该DC电力是该第一电力或该第一电力的一部分。该功率处理单元104接收该产生的DC电力，分别向该至少一个能量存储装置106和该电动机108提供一持续的第一电力和一持续的第二电力，由此向车辆提供驱动力。

根据本发明的又一个实施例，该风力涡轮机驱动子系统102e包括至少两个风力涡轮机(图中未示出)。该至少两个风力涡轮机设置在车辆的侧面或顶部。该至少两个风力涡轮机被配置为由在车辆运动期间产生的风驱动，由此产生AC电力。该产生的AC电力是该第一电力或该第一电力的一部分。该功率处理单元104接收该产生的AC电力，分别向该至少一个能量存储装置106和该电动机108提供一持续的第一电力和一持续的第二电力，由此向车辆提供驱动力。

根据本发明的一实施例，该再生制动子系统102b采用一控制单元(图中未示出)。该再生制动子系统102b安装在车辆上。该控制单元允许车辆的电动机108在制动期间作为发电动机工作以吸收该车辆的动能。该动能被转换成一DC电力。该转换后的DC电力是该第一电力或该第一电力的一部分。该功率处理单元104接收该转换的DC电力，分别向该至少一个能量存储装置106和该电动机108提供一持续的第一电力和一持续的第二电力，由此向车辆提供驱动力。

此外，根据本发明的一个实施例，该稀薄空气离子捕获子系统102c采用一接收无线信号和RF信号的控制装置(图中未示出)，并且根据该接收到的无线信号和RF信号生成一AC电力。该稀薄空气离子捕获子系统102c安装在车辆的任意部分上。该产生的AC电力是该第一电力或该第一电力的一部分。该功率处理单元104接收该产生的AC电力，分别向该至少一个能量存储装置106和该电动机108提供一持续的第一电力和一持续的第二电力，由此向车辆提供驱动力。

此外，根据本发明的一个实施例，该玻璃窗格子系统102d包括至少一个感应装置(图中未示出)，其被配置为车辆的运动期间感应在至少一个玻璃窗格中的至少一块玻璃的振荡，并因此产生一振荡电力。该功率处理单元104接收该产生的振荡电力，分别向该至少一个能量存储装置106和该电动机108提供一持续的第一电力和一持续的第二电力，由此向车辆提供驱动力。

根据本发明的另一实施例，热量和声音子系统102f包括一热感应装置和一声音感应装置。该声音感应装置包括一压电材料，该压电材料将振动和声压的外部机械能转换成一第一电力或该第一电力的一部分。在另一个实施例中，该声音感应装置包括能量转换纤维体。该热感应装置包括一将热或光转变为一第一电力或该第一电力的一部分的热离子发电动机。

根据本发明的一实施例，该AC发电动机102h安装在车辆的一个前轮、车辆的悬架和车辆的驱动轮中的至少一个上。该AC发电动机102h被配置为由以下中的至少一个产生AC电力：

·车辆前轮(或任何其他车轮)的运动；

·车辆悬架的运动(车身的垂直加速运动)；以及

·车辆驱动轮的运动。

根据本发明的进一步实施例，该DC发电动机102g被安装到车辆的前轮上。该DC发电动机102g被配置为产生DC电力。

本发明还涉及一种车辆用的发电方法。该方法300可在计算机可执行指令的一般上下文中描述。该方法300可以以任何合适的硬件、软件、固件或它们的任何组合来执行。附图3示出了一种车辆用的发电方法。

在框302处，该方法300包括通过使用至少一个第一发电动机来产生一第一电力。

在框304处，该方法300包括以一功率处理单元接收该第一电力。

在框306处，该方法300包括从该第一电力产生一持续的第一电力。

在框308处，该方法300包括从连接到该功率处理单元的至少一个能量存储装置接收一第二电力。

在框310处，该方法300包括基于该第一电力和第二电力中的至少一个产生一持续的第二电力。

在框312处，该方法300包括同时将该持续的第一电力提供给该至少一个能量存储装置，以及将该持续的第二电力提供给连接到该功率处理单元的车辆的一电动机。

技术进步

根据本发明的车辆用发电系统具有多项技术进步，包括但不限于实现以下系统：

·增加车辆的至少一个能量存储装置的使用寿命；

·避免车辆的至少一个能量存储装置的深度放电；

·需要更少的维护并具有成本效益；和

·安全可靠。

已参考不限定本发明的范围和界限的所附实施例来描述了前述内容。所提供的描述仅作为例子和说明。

在下面的描述中，参照非限制性实施例进行解释文中的实施例及其各种特征和其有利细节内容。为免不必要地模糊文中的实施例，省略了公知组件和处理技术的描述。文中使用的示例仅旨在便于理解文中的实施例的可实施方式，并且进一步使得本领域技术人员能够实践文中的实施例。因此，这些实例不应被解释为限定文中实施例的范围。

以上对特定实施例的描述充分地揭示了文中实施例的一般性质，足以使得其他人能通过应用当前知识在不脱离一般概念的情况下容易地修改这样的具体实施例和/或使其适应各种应用，并且因此这样的适应和修改应该并且旨在被理解为在所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应该理解，文中使用的措辞或术语是为了描述的目的而不是限制的目的。因此，虽然文中的实施例已经根据优选实施例进行了描述，但是本领域的技术人员将意识到可以在文中描述的实施例的精神和范围内对其进行修改而实施。

在整个说明书中，词语“包括”或其诸如“包含”或“具有”的变形将被理解为暗示包括所陈述的元素、整体或步骤，或者元素、整体或步骤的群组，但不排除任何其他元素、整体或步骤，或者元素、整体或步骤的群组。

使用表述“至少”或“至少一个”意指使用一个或多个元件或成分或量，且在本发明的实施例中使用以实现一个或多个期望的目标或结果。

本说明书中包含的对文件、动作、元件、装置、部件等的任何讨论仅仅是为了提供本发明的上下文。不能被视为承认任何或所有这些事物构成现有技术基础的一部分，或者是在与本申请的优先权日之前任何地方已存在的与本申请相关的领域中的公知常识。

除说明书中有相反的说明外，所提及的各种物理参数、尺寸或数量的数值仅为近似值，并且可认为高于/低于分配给参数、尺寸或数量的数值的值落入本发明的范围内。

尽管文中尽力将重点放在优选实施例的组件和组成部分上，但是应该理解，可做出许多实施例，并且在优选实施例中可以做出许多不脱离本发明原理的改变。对于本领域技术人员而言，从文中的公开内容来看本发明的优选实施例以及其他实施例中的这些和其他变化是显而易见的，由此应清楚地理解，前述描述性内容仅被解释为本发明的说明并非限制。

Claims (10)

1.一种车辆用发电系统，其包括：

·至少一个第一发电动机，其被配置为产生一第一电力；以及

·一功率处理单元，其适于与所述至少一个第一发电动机协作，所述功率处理单元被配置为：

o接收所述第一电力；

o由所述第一电力产生一持续的第一电力；

o从连接到所述功率处理单元的至少一个能量存储装置接收一第二电力；

o基于所述第一电力和所述第二电力中的至少一个产生一持续的第二电力，以及

o同时将所述持续的第一电力提供给所述至少一个能量存储装置，并将所述持续的第二电力提供给连接到所述功率处理单元的所述车辆的一电动机。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述持续的第一电力是一持续的DC电力，并且所述持续的第二电力是一持续的AC电力。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述至少一个第一发电动机选自由太阳能电池板子系统、再生制动子系统、稀薄空气离子捕获子系统、玻璃窗格子系统、风力涡轮机驱动子系统、热量和声音子系统、DC发电动机和AC发电动机组成的群组。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述功率处理单元包括至少一个DC-AC转换器、至少一个AC-DC转换器、至少一个增强器、至少一个DC-DC转换器、至少一个AC-AC转换器、至少一个调节器和一处理器。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述电动机选自由AC和无刷电动机、感应电动机、永磁电动机和开关磁阻电动机组成的群组。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：

所述至少一个能量存储装置选自由电容器组、液流电池、钒氧化还原电池、溴化锌电池、燃料电池、铅酸电池、VRLA电池、锂离子电池、AGM电池、凝胶电池、锂离子聚合物电池、熔融盐电池、镍镉电池、钠离子电池、超级铁电池、银锌电池、氯化锌电池、石墨烯电池、钠金属卤化物电池、硅电池、混合电池和锌碳电池组成的群组。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述AC发电动机安装在所述车辆的一前轮、所述车辆的悬架和所述车辆的一驱动轮中的至少一个上。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述太阳能电池板子系统、所述再生制动子系统、所述稀薄空气离子捕获子系统、所述玻璃窗格子系统、所述风力涡轮机驱动子系统、所述热量和声音子系统、所述DC发电动机和所述AC发电动机同时向所述功率处理单元提供所述第一电力，从而分别向所述至少一个能量存储装置和所述电动机提供所述持续的第一电力和所述持续的第二电力。

9.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：

所述热量和声音子系统包括一压电材料，所述压电材料将振动和声压的外部机械能转换成所述第一电力。

10.一种车辆用发电方法，包括以下步骤：

·通过使用至少一个第一发电动机产生第一电力；以及

·以一功率处理单元接收所述第一电力，所述功率处理单元执行以下操作：

o由所述第一电力产生一持续的第一电力；

o从连接到所述功率处理单元的至少一个能量存储装置接收一第二电力；

o基于所述第一电力和所述第二电力中的至少一个产生一持续的第二电力，以及

o同时将所述持续的第一电力提供给所述至少一个能量存储装置，并将所述持续的第二电力提供给连接到所述功率处理单元的所述车辆的一电动机。