CN110091815B - 用于自主车辆的电力系统 - Google Patents

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Abstract

电力系统包括可操作以将动能转换成第一电压的电能的能量回收系统。主要能量存储设备以第一电压被电连接到能量回收系统。第一电压自主驾驶系统负载与能量回收系统和主要能量存储设备设置在并联电路中。双向DC‑DC转换器被电连接到能量回收系统和主要能量存储设备用于在第一电压和第二电压之间转换电能。辅助能量存储设备以第二电压电连接到双向DC‑DC转换器。第二电压自主驾驶系统负载与辅助能量存储设备设置在并联电路中。

Description

用于自主车辆的电力系统
引言
本发明总体上涉及一种用于自主车辆的电力系统。
一些车辆可以被配备以半自主地或完全自主地操作。为了自主地操作，车辆被配备成具有许多电能消耗设备，包括但不限于传感器、致动器、处理器等。这些电子设备将消耗由电力系统供应的大量的电能。除了提供自主地操作车辆所必须的大量的电能，用于自主车辆的电力系统还必须是备用系统以在电气故障的一段时间内提供持续操作。
发明内容
提供了一种电力系统。电力系统包括能量回收系统，其可操作以将动能转换成第一电压的电能。主要能量存储设备被电连接到能量回收系统用于以第一电压接收和供应电能。双向DC-DC转换器被电连接到能量回收系统和主要能量存储设备。双向DC-DC转换器可操作以在第一电压和第二电压之间转换电能。辅助能量存储设备被电连接到双向DC-DC转换器用于以第二电压接收和供应电能。第一电压负载与能量回收系统和主要能量存储设备设置在并联电路中。第二电压负载与辅助能量存储设备设置在并联电路中。
在电力系统的一个实施例中，第一电压额定是48伏，第二电压额定是12伏。
在电力系统的一个方面中，双向DC-DC转换器包括隔离器开关，其可操作以将主要能量存储设备、能量回收系统以及第一电压负载与辅助能量存储设备和第二电压负载隔离。
在电力系统的另一方面中，起动器被电连接到并联电路中的主要能量存储设备。起动器可操作以第一电压旋转发动机用于起动发动机。
在电力系统的另一方面中，能量回收系统包括高效率发电机，其以第一电压(例如，额定48伏)生成电能。
在电力系统的一个方面中，第一电压负载包括第一电压自主系统负载和第一电压非自主系统负载。在电力系统的另一方面中，第二电压负载包括第二电压自主系统负载和第二电压非自主系统负载。
在电力系统的一个方面中，主要能量存储设备包括主要设备隔离器开关。主要设备隔离器开关可操作以在电气故障的情况下隔离主要能量存储设备。在一个实施例中，主要设备隔离器开关通常是关闭的，并且响应于电气故障而打开。在电力系统的另一方面中，辅助能量存储设备包括辅助设备隔离器开关，其可操作以在电气故障的情况下隔离辅助能量存储设备。在一个实施例中，辅助设备隔离器开关通常是关闭的，并且响应于电气故障而打开。在电力系统的另一方面中，能量回收系统包括隔离器开关，其可操作以在电气故障的情况下隔离能量回收系统。在一个实施例中，回收隔离器开关通常是关闭的，并且响应于电气故障而打开。
在电力系统的一个方面中，控制器连接到并且可操作的以控制能量回收系统、回收隔离器开关、主要能量存储设备、主要设备隔离器开关、双向DC-DC转换器、转换器隔离器开关、辅助能量存储设备和辅助设备隔离器开关中的每一个。附加地，控制器可以连接到并且可操作以控制起动器。
在电力系统的一个方面中，隔离公共线将能量回收系统、主要能量存储设备、第一电压负载、双向DC-DC转换器、辅助能量存储设备以及第二电压负载互连。
还提供了一种自主车辆。自主车辆包括动力系和电力系统。电力系统包括被联接到动力系的能量回收系统。能量回收系统可操作以将来自动力系的动能转换成额定48伏的电能。在并联电路中主要能量存储设备被电连接到能量回收系统。主要能量存储设备可操作以额定地接收和供应额定48伏的电能。起动器被联接到动力系，并且被电连接到并联电路中的主要能量存储设备。起动器响应于额定48伏的电能可操作以旋转动力系。48伏自主系统负载与能量回收系统和主要能量存储设备设置在并联电路中。48伏自主系统负载额定供应48伏的电能到车辆的自主驾驶系统的某些48伏部件。双向DC-DC转换器电连接到能量回收系统和主要能量存储设备。双向DC-DC转换器可操作以在额定48伏和额定12伏之间转换电能。辅助能量存储设备电连接到双向DC-DC转换器，并且可操作以接收并且供应额定12伏的电能。12伏自主系统负载与辅助能量存储设备设置在并联电路中。12伏自主系统负载额定供应12伏的电能到车辆的自主驾驶系统的某些12伏部件。隔离公共线将能量回收系统、主要能量存储设备、48伏自主系统负载、双向DC-DC转换器、辅助能量存储设备以及12伏自主系统负载互连。
在自主车辆的一个方面中，双向DC-DC转换器包括隔离器开关，该隔离开关可操作以将主要能量存储设备、能量回收系统、以及48伏自主系统负载与辅助能量存储设备和12伏特自主系统负载隔离。在自主车辆的另一方面中，主要能量存储设备包括可操作的以隔离主要能量存储设备的主要设备隔离器开关。附加地，辅助能量存储设备包括可操作的以隔离辅助能量存储设备的辅助设备隔离器开关，能量回收系统包括可操作的以隔离能量回收系统的回收隔离器开关。
相应地，能量回收系统、起动器、主要能量存储设备和一些自主系统负载以第一电压(例如，额定48伏)操作。在本文描述的供电系统使用动能(诸如来自车辆的动力系)以生成第一电压(例如，额定48伏)的电能。来自能量回收系统的电能可以被用于向自主系统负载供能。双向DC-DC转换器将48伏的电能转换到12伏用于辅助能量存储设备。辅助能量存储设备可以被用于以12伏向其他自主车辆系统供能。在主要能量存储设备故障的情况下，主要能量存储设备可以被隔离，并且辅助能量存储设备可以被用于直接地或通过双向DC-DC控制器来向所有的自主车辆系统部件供能。在主要能量存储设备故障的情况下，辅助能量存储设备可以被隔离，并且主要能量存储设备可以被用于直接地或通过双向DC-DC控制器来向所有的自主车辆系统部件供能。相应地，在本文描述的电力系统将提供有效且备用的电能源用于为车辆的自主驾驶系统供能。
当结合附图时，本教导的上述特征和优点以及其它特征和优点从下面用于实行本教导的最佳模式的详细描述中变得显而易见。
附图说明
图1是用于自主车辆的电力系统的示意图。
具体实施方式
本领域普通技术人员将认识到，术语诸如“以上”、“以下”、“向上”、“向下”、“顶部”、“底部”等被描述性地用于附图，并且不表示对由所附权利要求限定的本公开范围的限制。另外，本文可以根据功能和/或逻辑块组件和/或各种处理步骤来描述教导。应当理解的是，这样的模块部件可以包括被配置成执行特定的功能的任何数量的硬件、软件和/或固件部件。
参照图1，其中相同的标号指示相同的部件，电力系统总体以20表示。电力系统20可以被结合到车辆中，诸如但不限于汽车、卡车、厢式货车、SUV、ATV、火车、飞机或一些其它可移动平台。例如，电力系统20可以被结合到至少部分地自主车辆中，即，能够至少部分自主操作的车辆中。
电力系统20可以被联接到动力系22，诸如车辆的动力系22。动力系22可以包括例如发动机24和变速器26。发动机24可以包括但不限于内燃发动机24，其被旋转以便开始点火。发动机24将产生通过变速器26被传递到至少一个驱动轮的扭矩。动力系22(包括发动机24和变速器26)的特定类型、配置、构造和操作与本公开的教导无关，并且因此在本文中不再详细描述。
参照图1，电力系统20包括能量回收系统28。能量回收系统28被联接到动力系22，并且可操作以将来自动力系22的动能转换成第一电压V1的电能。能量回收系统28可以以使得能量回收系统28能够从动力系22接收动能的方式被联接到动力系22。能量回收系统28被联接到动力系22的特定方式与本公开的教导无关，本领域中技术人员理解其并且因此在本文中不再详细描述。能量回收系统28可以包括，但不限于，高效率、发电机30，其操作以生成第一电压V1的电能。如本文使用的那样，术语“高效率”可以被定义为能够将超过80％的动能转换成电能的设备。在一个示例性实施例中，能量回收系统包括能够以约为90％的效率以48伏生成10kW的电能的发电机30。在一个示例性实施例中，第一电压V1额定是48伏。然而，在其他实施例中，第一电压V1可以因本文示例性实施例中描述的额定的48伏而异。
能量回收系统28包括回收隔离器开关32。响应于能量回收系统28中的电气故障，回收隔离器开关32可操作的以将能量回收系统28与电力系统20隔离。回收隔离器开关32通常是关闭的，使得能量回收系统连接到电力系统20。然而，当被控制器34致动时，回收隔离器开关可以移动到打开状态，以将能量回收系统28与电力系统20断连并隔离。回收隔离器开关32可以包括能够将能量回收系统28与电力系统20的其他部件分离的机械开关设备或固态开关设备。如以上提到的那样，回收隔离器开关32被控制器34致动。
起动器36被联接到动力系22。起动器36响应于第一电压V1的电能可操作以旋转动力系22。如本领域技术人员理解的那样，起动器36可以包括但不限于电动机和Bendix驱动器(用于接合在发动机24的飞轮上的环齿轮以旋转发动机24)。如以上提到的那样，起动器36将以第一电压V1操作。相应地，在本文描述的示例性实施例中，起动器36将以48伏额定操作。起动器36被电连接到并联电路中的主要能量存储设备38。附加地，起动器36被电连接到并联电路中的能量回收系统28。
主要能量存储设备38被电连接到能量回收系统28，用于以第一电压V1接收和供应电能。在本文描述的示例性实施例中，主要能量存储设备38以48伏特额定操作。主要能量存储设备38可以包括可充电的并且能够存储电能的设备，诸如但不限于超级电容器、电池、电池组、电池单元或其任何组合。
主要能量存储设备38包括主要设备隔离器开关40。响应于主要能量存储装置38中的电气故障，主要设备隔离器开关40可操作以将主要能量存储设备38与电力系统20的其他部件隔离。主要设备隔离器开关40通常是关闭的，使得主要能量存储设备38连接到电力系统20。然而，当被控制器34致动时，主要设备隔离器开关40可以移动到打开状态，以将主要能量存储设备38与电力系统20断连并且隔离。主要设备隔离器开关40可以包括能够将主要能量存储设备38与电力系统20的其他部件分离的机械开关设备或固态开关设备。如上所示，主要设备隔离器开关40被控制器34致动。
第一电压负载42与能量回收系统28放置在并联电路中。第一电压负载42也与主要能量存储设备38放置在并联电路中。在本文描述的示例性实施例中，第一电压负载42可以包括但不限于第一电压自主系统负载44和第一电压非自主系统负载46。第一电压自主系统负载44包括与操作车辆的自主驾驶系统相关联的负载，其以第一电压V1(例如，在本文描述的示例性48伏)操作。第一电压自主系统负载44可以包括但不限于来自电力转向致动器和电制动致动器、自主驾驶处理器等的负载。第一电压非自主系统负载46包括不与自主驾驶系统的操作相关联的负载，其将以第一电压V1(例如，在本文描述的示例性48伏)操作。第一电压非自主系统负载46可以包括但不限于来自电加热器、电涡轮增压器、灯等的负载。
电力系统20进一步包括双向DC-DC转换器48。双向DC-DC转换器48电连接到能量回收系统28、起动器36、主要能量存储设备38、第一电压负载42、辅助能量存储设备50以及第二电压负载52。双向DC-DC转换器48可操作以在第一电压V1和第二电压V2之间转换电能。在本文描述的示例性实施例中，第二电压V2额定是12伏。然而，应当理解的是，第二电压V2可以与示例性额定的12伏不同。在本文描述的示例性实施例中，第二电压V2基本上不同于第一电压V1。然而，在其它实施例中，第二电压V2和第一电压V1可以基本上是相似的。在本文描述的示例性实施例中，双向DC-DC转换器48可操作以将来自辅助能量存储设备50的第二电压V2(例如，12伏)的电能转换成第一电压V1(例如，48伏)的电能。另外，双向DC-DC转换器48可操作以将来自能量回收系统28和/或主要能量存储设备38的第一电压V1(例如，48伏)的电能转换成第二电压V2(例如，12伏)的电能。双向DC-DC转换器48可以包括能够在第一方向上将第一电压V1的直流电转换成第二电压V2的直流电，并且在第二方向上将第二电压V2的直流电转换成以第一方向的直流电的设备。
双向DC-DC转换器48包括转换器隔离器开关54。响应于电力系统20中的电气故障，转换器隔离器开关54可操作以将主要能量存储设备38、能量回收系统28、起动器36以及第一电压负载42与辅助能量存储设备50和第二电压负载52隔离。控制器34控制双向DC-DC转换器48的操作，包括控制主要能量存储设备38、能量回收系统28、起动器36以及第一电压负载42(来自辅助能量存储设备50和第二电压负载52)之间的电流流动的转换器隔离器开关54。转换器隔离器开关54可以包括能够将主要能量存储设备38、能量回收系统28、起动器36以及第一电压负载42与辅助能量存储设备50和第二电压负载52分离的机械开关设备或固态开关设备。
辅助能量存储设备50被电连接到双向DC-DC转换器48，并且可操作以第二电压V2接收并供应电能。在本文描述的示例性实施例中，辅助能量存储设备50将以额定12伏操作。然而，应当理解的是，辅助能量存储设备50可以以与本文描述的示例性额定的12伏不同的电压操作。辅助能量存储设备50可以包括可充电并且能够存储电能的设备，诸如但不限于超级电容器、电池、电池组、电池单元或其任何组合。
第二电压负载52与辅助能量存储设备50设置在并联电路中。在本文描述的示例性实施例中，第二电压负载52可以包括但不限于第二电压自主系统负载56和第二电压非自主系统负载58。第二电压自主系统负载56包括与正在操作车辆的自主驾驶系统相关联的负载，其以第二电压V2(例如，在本文描述的示例性12伏)操作。第二电压自主系统负载56可以包括但不限于来自传感器、处理器等的负载。第二电压非自主系统负载58包括不与自主驾驶系统的操作相关联的负载，其以第二电压V2(例如，在本文描述的示例性12伏)操作。第二电压非自主系统负载58可以包括但不限于来自收音机、显示屏、电动车窗、车室灯等的负载。
辅助能量存储设备50包括辅助设备隔离器开关60。辅助设备隔离器开关60可操作的以将辅助能量存储设备50与电力系统20的其他部件隔离。辅助设备隔离器开关60通常是关闭的，使得辅助能量存储设备50连接到电力系统20。然而，当被控制器34致动时，响应于辅助能量存储设备50中的电气故障，辅助设备隔离器开关60可以移动到打开状态并将辅助能量存储设备50与电力系统20断连并隔离。辅助设备隔离器开关60可以包括能够将辅助能量存储设备50与电力系统20的其他部件分离的机械开关设备或固态开关设备。如以上提到的那样，辅助设备隔离器开关60被控制器34致动。
电力系统20包括隔离公共线62。隔离公共线62将能量回收系统28、起动器36、主要能量存储设备38、第一电压负载42、双向DC-DC转换器48、辅助能量存储设备50以及第二电压负载52互连。能量回收系统28、起动器36、主要能量存储设备38、第一电压负载42、双向DC-DC转换器48、辅助能量存储设备50以及第二电压负载52中的每一个可以包括与公共线62隔离的各自的外壳接地。
控制器34连接到并且可操作以控制能量回收系统28，该能量回收系统28包括回收隔离器开关32和发电机30、起动器36、主要设备隔离器开关40、包括转换器隔离器开关54的双向DC-DC转换器48以及辅助设备隔离器开关60。控制器34可以可替换地被称为控制模块、控制单元、计算机等。控制器34可以包括计算机和/或处理器，并且包括用于管理和控制电力系统20的操作的所有软件、硬件、存储器、算法、连接件、传感器等。由此，这种控制电力系统20的方法，可以被实现为可在控制器34上操作的程序或算法。应当理解的是，控制器34可以包括将能够分析来自各种传感器的数据、比较数据、做出控制电力系统20的操作所需的决定、以及执行用于控制电力系统20的操作的所需任务所必须的设备。
控制器34可以包括能够监测和诊断电力系统20的算法或程序。控制器34可以控制电力系统20以隔离一个或多个故障部件，同时维持电力系统20的操作，从而提供可以被用于例如维持车辆的自主驾驶系统的操作的备用系统。例如，在主要能量存储设备38被识别为有故障的情况下，控制器34可以使用主要设备隔离器开关40来隔离主要能量存储设备38，并且将控制双向DC-DC转换器48将来自辅助能量存储设备50的额定的12伏的电能转换成额定48伏的电能，以便给第一电压负载42和/或起动器36供能。在辅助能量存储设备50被识别为故障的情况下，控制器34可以使用辅助设备隔离器开关60来隔离辅助能量存储设备50，并且将控制双向DC-DC转换器48将来自主要能量存储设备38的额定的48伏的电能转换成额定的12伏的电能，以便给第二电压负载52供能。
详细描述和附图或附图是是对本公开的支持和描述，但是本公开的范围仅由权利要求限定。虽然已经详细描述了用于实行所要求保护的教导的一些最佳模式和其他实施例，但是存在用于实践所附权利要求中限定的本公开的各种替代设计和实施例。

Claims (6)

1.一种电力系统，包括：
能量回收系统，可操作以将动能转换成第一电压的电能，所述能量回收系统包括可操作以隔离所述能量回收系统的回收隔离器开关；
主要能量存储设备，被电连接到所述能量回收系统用于以所述第一电压接收和供应电能，所述主要能量存储设备包括可操作以隔离所述主要能量存储设备的主要设备隔离器开关；
双向DC-DC转换器，被电连接到所述能量回收系统和所述主要能量存储设备，并且可操作以在所述第一电压和第二电压之间转换所述电能；
辅助能量存储设备，被电连接到所述双向DC-DC转换器，用于以所述第二电压接收和供应所述电能，所述辅助能量存储设备包括可操作以隔离所述辅助能量存储设备的辅助设备隔离器开关；
第一电压负载，与所述能量回收系统和所述主要能量存储设备设置在并联电路中；
第二电压负载，与所述辅助能量存储设备设置在并联电路中；以及
控制器，配置为：
监控所述能量回收系统、所述主要能量存储设备、所述辅助能量存储设备、所述第一电压负载和所述第二电压负载的运行；
分析来自所述能量回收系统、所述主要能量存储设备、所述辅助能量存储设备、所述第一电压负载和所述第二电压负载运行的数据；以及
基于分析的数据控制所述双向DC-DC转换器、所述回收隔离器开关、所述主要设备隔离器开关和所述辅助设备隔离器开关的操作，以单独隔离所述能量回收系统、所述主要能量存储设备和所述辅助能量存储设备。
2.如权利要求1所述的电力系统，其中所述双向DC-DC转换器包括隔离器开关，所述隔离器开关可操作以将所述主要能量存储设备、所述能量回收系统以及所述第一电压负载与所述辅助能量存储设备和所述第二电压负载隔离。
3.如权利要求1所述的电力系统，进一步包括电连接到所述并联电路中的所述主要能量存储设备的并且以所述第一电压可操作的起动器。
4.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第一电压负载包括第一电压自主系统负载和第一电压非自主系统负载。
5.如权利要求1所述的电力系统，其中所述第二电压负载包括第二电压自主系统负载和第二电压非自主系统负载。
6.如权利要求1所述的电力系统，进一步包括将所述能量回收系统、所述主要能量存储设备、所述第一电压负载、所述双向DC-DC转换器、所述辅助能量存储设备以及所述第二电压负载互连的隔离公共线。
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