CN113795400B - 带有太阳能电池板的电动或混动运输工具 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电动或混动运输工具，包括：高电压母线(114)和低电压母线(128)，高电压母线用于将能量输送到至少一个推进电机(118)，低电压母线用于将能量输送到在低电压(130，132)下运行的部件，电动或混动运输工具配备有太阳能电池板，电池板包括一个或多个串，每个串包括多组(102)太阳能电池单元，组串联连接，每一组包括多个太阳能电池单元，太阳能电池单元串联连接，每一组连接到相关联的分布式最大功率点跟踪器(104)的初级母线，分布式最大功率点跟踪器具有与其他分布式最大功率点跟踪器交换能量的次级母线(108)，分布式最大功率点跟踪器因此能够通过与该分布式最大功率点跟踪器相关联的组来改变电流，结果，通过每一组的电流与通过属于同一串的其他组的电流不同，其特征在于：分布式最大功率点跟踪器中的至少一个分布式最大功率点跟踪器的次级母线(108)连接到低电压母线(128)，从而消除了对高电压母线(114)和低电压母线(128)之间的DC/DC转换器的需要。

Description

带有太阳能电池板的电动或混动运输工具
技术领域
本发明涉及一种电动或混动运输工具，包括：高电压母线和低电压母线，高电压母线用于将能量输送到至少一个推进电机，低电压母线用于将能量输送到在低电压下运行的部件，电动或混动运输工具配备有太阳能电池板，太阳能电池板包括一个或多个串，每个串包括多组太阳能电池单元，组串联连接，每一组包括多个太阳能电池单元，太阳能电池单元串联连接，每一组连接到相关联的分布式最大功率点跟踪器的初级母线，分布式最大功率点跟踪器具有与其他分布式最大功率点跟踪器交换能量的次级母线，分布式最大功率点跟踪器因此能够通过与分布式最大功率点跟踪器相关联的组来改变电流，结果，通过每一组的电流可以与通过属于同一串的其他组的电流不同。
鸣谢
根据第848620号赠款协议，导致本申请的项目已获得欧盟地平线2020研究与创新计划的资助。
背景技术
电动或混动运输工具(诸如电池电动交通工具-BEV-、混动交通工具、电动船或混动船)是众所周知的。通常，这种运输工具具有例如锂离子电池单元的电池组(该电池组连接到高电压母线)以及由高电压母线供电的一个或多个功率推进(牵引)电机。此处，高电压用于表示母线电压超过安全电压限制，通常定义为60Vdc或48Vac。这种运输工具也具有低电压母线，在是交通工具(轿车和卡车)的情况下，该低电压母线连接到例如内部照明、轿车音响系统、安全气囊、座椅加热装置、诸如刹车灯的强制性外部灯以及电池(通常是铅酸型电池)，并且在是船的情况下，该低电压母线连接到例如船用无线电、声纳、内部照明和外部照明等。该低电压母线在通常为12伏或24伏的安全电压下运行，尽管使用其他电压也是已知的。高电压电池组通常使用将交通工具高电压母线与电网连接的充电器进行充电。需要注意的是，已知混动交通工具使用内燃机为高电压电池充电和/或用作辅助牵引发动机。(双向)DC/DC转换器用于从高电压母线为低电压母线充电(供电)，反之亦然。这种转换器通常应该能够输送12V/100A或更高的功率(用于电池电动轿车的12V/250A是已知的)。
最新的太阳能交通工具(轿车、卡车和船)至少部分使用安装在交通工具上的太阳能电池单元(光伏电池单元)来为交通工具充电，例如，来自荷兰赫尔蒙德的AtlasTechnologies BV的太阳能轿车“Lightyear One”。
当受光照时，取决于光照、电池单元的大小等，太阳能电池单元通常会在大约0.6伏的电压下输送几安培的电流。产生的功率取决于负载：显然，当电池单元短路时功率为零，并且当没有电流从电池单元流出时功率为零。因此，功率是负载阻抗的函数。在最大功率下的电压也不是常数，而是取决于光照。因此，最佳功率的负载阻抗会发生变化。电池单元以通常称为串的方式连接，因为对于大多数用途而言，需要远比一个电池单元的电压高的电压。
众所周知，使用所谓的最大功率点跟踪器(MPPT)来加载具有最佳阻抗的串，以从串中收集尽可能多的能量。
由于许多电池单元(通常70个或更多个)串联连接，因此串中的电流由产生最小电流(例如，由于阴影、鸟粪或电池单元相对于太阳的不同定向导致的低局部照明度)的电池单元控制。这不仅会大大降低受影响串的效率，还会降低整个太阳能电池板的效率。
为了解决这个问题，串被分成串联的电池单元组，每一组(也称为子串)连接到相关联的分布式最大功率点跟踪器(DMPPT，也称为subMIC)。这些组和相关联的分布式最大功率点跟踪器串联连接以形成串。分布式最大功率点跟踪器不仅可以为该组加载该组的最佳阻抗，而且可以使用能量交换母线将来自一组的能量传输到另一组。因此，可以独立于通过串中的其他组的电流(并且因此也可以独立于串电流)来选择每一组中的电流。换句话说：分布式最大功率点跟踪器可以用于提取多余电流(将能量从组传送到能量交换母线)，或者可以用于在相关联的组中注入电流(将能量从能量交换母线传送到组)。
需要注意的是，串的数量可以大于一个，并且来自一个串的分布式最大功率点跟踪器可以将能量传输到另一串的分布式最大功率点跟踪器。
对于分布式最大功率点跟踪器的原理和工作的更详细讨论，请参见“用于光伏应用的子模块集成DC-DC转换器的架构和控制”("Architectures and Control ofSubmodule Integrated DC–DC Converters for Photovoltaic Applications",C.Olallaet al.,IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,Vol.28,No.6,June 2013)(下文称其为Olalla[-1-])以及“用于太阳能电动交通工具的分布式最大功率点跟踪系统”("Adistributed maximum power point tracking system for solar electricvehicles",A.J.van der Ham et al.,19th European Conference on Power Electronicsand Applications(EPE'17ECCE Europe),Warsaw,2017,pp.P.1-P.10)(下文称其为Vander Ham[-2-])。Van der Ham[-2-]专门针对分布式最大功率点跟踪器在太阳能轿车中的使用。
现有技术的电动或混动运输工具的缺点是在高电压母线和低电压母线之间需要笨重且昂贵的双向DC/DC转换器。
发明内容
本发明旨在提供一种采用太阳能电池单元和分布式最大功率点跟踪器的更轻且更便宜的运输工具。
为此，根据本发明的运输工具的特征在于，分布式最大功率点跟踪器中的至少一个分布式最大功率点跟踪器的次级母线连接到低电压母线，从而消除了对高电压母线和低电压母线之间的双向DC/DC转换器的需要。
如前所述，电池供电的交通工具通常在高电压和低电压母线之间具有双向DC/DC转换器，该双向DC/DC转换器主要用于将能量从高电压母线传输到低电压母线，但有时会反过来。本发明基于分布式最大功率点跟踪器可以充当双向转换器的见解。需要注意的是，这并不意味着每个分布式最大功率点跟踪器应该能够输送现有技术双向DC/DC转换器所需的全功率，因为存在多个分布式最大功率点跟踪器。
事后看来，这似乎是一个显而易见的解决方案，但当设计商用太阳能轿车时，它通常源自现有BEV的设计，并对常见的电子设备和机械部件进行尽可能少的改动。此外，当设计分布式最大功率点跟踪器时，设计次级母线电压等于低电压母线的电压的分布式最大功率点跟踪器是非显而易见的。
在根据本发明的电动或混动运输工具的实施例中，在低电压下运行的部件包括来自低电压电池、空调、内部和外部照明、强制性外部灯、轿车媒体系统、安全气囊和座椅加热器的组的部件。
所有这些部件都是众所周知的，并且经常用于轿车和卡车中。通常，它们在12V下运行，对于现代的轿车而言，12V是标准的低电压母线电压，并且低电压电池通常是铅酸电池。然而，其他电压正在或已经被使用。
在根据本发明的电动或混动运输工具的另一实施例中，高电压母线连接到高电压电池。
通常，在太阳能运输工具中，高电压母线经由电池管理系统连接到高电压电池(例如，多个互连(串联和并联)的锂离子电池)。串的最大电压通常选择为低于高电压母线的标称电压，并且使用DC/DC转换器(绝缘或非绝缘)达到该水平。
在根据本发明的电动或混动运输工具的又一实施例中，高电压母线与低电压母线电绝缘。
出于安全原因，轿车和卡车必须对高电压母线与底盘进行电绝缘。因此，分布式最大功率点跟踪器必须在初级侧(连接到太阳能电池单元和高电压母线)和次级侧(其电连接到底盘)之间保持电绝缘。
在根据本发明的电动或混动运输工具的又一实施例中，包括分布式最大功率点跟踪器的电路进一步包括安全电路，该安全电路在错误状态下断开一个或多个组和/或串。
作为替代，包括分布式最大功率点跟踪器的电路进一步包括安全电路，该安全电路在错误状态下使一个或多个组和/或串短路。
在紧急情况期间，例如，在碰撞之后，应急小组可能需要(至少部分地)拆除轿车或卡车的车顶以解救乘客。通常，这涉及切断支柱，在太阳能轿车中，高电压母线或组之间的连接可能位于该支柱处。为避免触电风险，组和/或串应彼此断开，或组和/或串应短路。这可以通过集成到分布式最大功率点跟踪器的电子板中的电子设备来很好地完成。对于这种安全电路的进一步描述，请参见国际专利申请公开第WO2010/078303A2号和荷兰专利申请第2021633号。集成此功能的电路几乎不会增加价格，同时提高了安全性。
附图说明
现在使用各图来阐明本发明，其中，相同的附图标记表示对应的特征。为此：
图1示意性地示出来自Van der Ham[2]的太阳能轿车的电动模型，
图2示意性地示出根据本发明的实施例的太阳能轿车的电动模型。
图3示意性地示出根据本发明的另一实施例的太阳能轿车的电动模型。
具体实施方式
需要注意的是，使用针对采用太阳能电池板的电动轿车(太阳能轿车)的图来阐明本发明，但是这些图同样适用于太阳能卡车或太阳能船只，或者更一般地，太阳能运输工具。
图1示意性地示出来自Van der Ham[-2-]的太阳能轿车的电动模型。
图1示出几组太阳能电池单元102，这些组中的每一组都与相关联的分布式最大功率点跟踪器104连接。组102串联连接，从而形成串，串的输出连接到串电压母线106。需要注意的是，串电压在很多情况下也是高电压，也就是说：超过60Vdc的安全电压限制的电压。
每一个分布式最大功率点跟踪器104的一侧(初级侧)连接到与该分布式最大功率点跟踪器相关联的组。另一侧(次级侧)连接到能量交换母线108。分布式最大功率点跟踪器示出了通信总线110，用于诊断和诸如电流的监控的其他可能的用途。
串电压母线106经由DC/DC转换器112和电池管理系统120连接到通常是锂离子电池组的高电压电池122。
还示出了与高电压母线连接的电机控制器116，电机控制器116产生用于(电动)牵引电机118(例如，永磁电机)的电压。需要注意的是，可以使用不止一个电机(通常每一台电机具有其自己的电机控制器)。还需要注意的是，电机可以是用于推进交通工具(或船)的任何类型的电机(有刷或无刷等)，只要它是电动电机即可。
DC/DC转换器126将高电压母线114与低电压母线128连接，低电压母线128再连接到低电压电池130(通常是铅酸电池)和大量低电压使用者132(空调、音频系统、照明等)。由于在该DC/DC转换器126的低电压侧处的电压被固定为例如13.6V，所以如果低电压电池的负载条件需要加载，则转换器可以对低电压电池130进行充电。
分布式最大功率点跟踪器控制器134经由通信总线110控制分布式最大功率点跟踪器104，例如，在服务或错误条件期间(例如，由激活的安全气囊指示)禁用组102等。对于这种安全电路的工作的进一步描述，请参见国际专利申请公开第WO2010/078303A2号和荷兰专利申请第2021633号。
DC/DC转换器112加载串母线106。可能的情况是高电压母线114不能吸收太多功率(例如，因为高电压电池已满载)，并且低电压母线128空闲。如果是这种情况，则没有电流或很少有电流被从串中吸收。如果高电压电池需要充电，则分布式最大功率点跟踪器将确保太阳能组处于最佳负载状态，并产生尽可能多的功率。
DC/DC转换器126从高电压母线114馈入低电压母线128。
需要注意的是，分布式最大功率点跟踪器控制器134还可以控制例如DC/DC转换器112和DC/DC转换器126。
图2示意性地示出根据本发明的实施例的太阳能交通工具的电动模型。
图2可以被认为是从图1衍生出来的。然而，与图1截然不同，图2中所示的能量交换母线108连接到低电压母线128，并且删除了图1中所示的DC/DC转换器126。
根据本发明，如果低电压母线需要功率，则该功率可以从能量交换母线108获得。可以指出的是，这种功率流不能使用图1中所示的电路实现。因而，如本发明中所应用的能量交换母线108具有双重目的。
具体而言，如本发明中所应用的能量交换母线108可以用于将能量从一组传输到另一组。在这样的操作模式中，可以因此独立于通过串中的其他组的电流(并且因此还可以独立于串电流)来选择每一组中的电流。换句话说：与特定串的组相关联的分布式最大功率点跟踪器可以用于提取多余电流(将能量从组传输到能量交换母线)，或者可以用于在相关联的组中注入电流(将能量从能量交换母线传输到组)。
此外，如本发明中所应用的能量交换母线108可用于为低电压母线128供电。通过在能量交换母线108和低电压电池130所连接到的低电压母线128之间提供连接，可以使用由太阳能功率电池单元产生的功率经由DMPPT(具体是经由连接DMPPT的能量交换母线108)对低电压电池130进行供电。这种操作可以通过对DMPPT的适当的控制(例如，通过分布式最大功率点跟踪器控制器134)来实现。具体而言，分布式最大功率点跟踪器控制器134可以被配置为控制DMPPT，以便使功率流向低电压电池130或者流向连接到低电压母线128的其他部件或组件。
此外，在低电压母线128的能量需求大于由太阳能电池单元产生的功率的情况下，可以通过分布式最大功率点跟踪器104经由DC/DC转换器112和(高电压)串母线106将功率从高电压电池122汲取到能量交换母线108。通过在能量交换母线108和低电压母线128之间提供连接，功率可以从高电压电池122传输到低电压母线122，而不使用双向DC/DC转换器(诸如图1中所示的DC/DC转换器126；即，将高电压母线114直接连接到低电压母线128的双向DC/DC转换器)。因而，能量交换母线108和低电压母线128之间的连接的应用消除了对将高电压母线连接到低电压母线的双向DC/DC转换器的需要。根据本发明，可以因此通过对DC/DC转换器112和DMPPT的适当的控制将功率从高电压母线114传输到低电压母线128。DC/DC转换器112和DMPPT的这种控制可以经由通信总线110通过分布式最大功率点跟踪器控制器134提供。如图2中所指示，分布式最大功率点跟踪器控制器134可以经由通信总线110将适当的控制信号提供到DC/DC转换器112和DMPPT。
在图2中所示的实施例中，能量交换母线108直接连接到低电压母线128。因此，这意味着分布式最大功率点跟踪器被设计为使得它们的连接到能量交换母线108的次级母线电压基本等于低电压母线128的标称电压。注意，通常DMPPT将被设计为使得它的次级电压(即，施加到能量交换母线108的次级母线电压)将与串电压在同一范围。具体而言，次级母线电压可以例如被选择为略低或略高，使得可以应用高效的降压或升压转换器拓扑。在本发明中，需要选择次级母线电压以与低电压母线128的电压基本匹配。低电压母线128的电压可以例如是12V或48V，即，典型的电池电压。
作为将能量交换母线108直接连接到低电压母线128的可替代方案，可以考虑应用DC/DC转换器以将能量交换母线108连接到低电压母线128。
这样的实施例在图3中被示意性地示出。
图3示意性地示出根据本发明的太阳能交通工具的电动模型。图3可以被认为是从图2衍生出来的。然而，与图2截然不同，图3中所示的能量交换母线108经由DC/DC转换器136连接到低电压母线128。
如图3中所示的DC/DC转换器136的应用为DMPPT(特别是能量交换母线108上施加的电压)和低电压母线128两者提供增加的设计自由度。通过DC/DC转换器136的实施，能量交换母线108的标称电压和低电压母线128的标称电压可以彼此独立地选择或设计。然后，DC/DC转换器136可以预期在所选的或所设计的标称电压之间的任何差异。如图3中进一步所图示，DC/DC转换器136还可以由分布式最大功率点跟踪器控制器134通过经由通信总线110将适当的控制信号提供到DC/DC转换器136来控制。可以进一步指出的是，DC/DC转换器136的设计可能与如图1中所示的DC/DC转换器126的设计基本不同。对本领域技术人员将显而易见的是，DC/DC转换器126需要提供相对高的电压(即，高电压母线114的标称电压)和相对低的电压(即，低电压母线128的标称电压)之间的转换。另一方面，DC/DC转换器136需要提供能量交换母线108的标称电压和低电压母线128的标称电压之间的转换。这将通常是比在高电压母线114和低电压母线128之间的电压差小得多的电压差。因而，与DC/DC转换器126相比，DC/DC转换器136可以被设计得更小和更轻。这种更小和更轻的设计可以被认为是有利的，具体是当应用于交通工具或运输工具中时。显然，如对技术人员将显而易见的是，如图2中示意性地示出的设计，由于没有DC/DC转换器126和DC/DC转换器136，因此除了改进的效率之外，不需要能量交换母线108和低电压母线128之间的DC/DC转换器可以提供相对于重量和所需体积的进一步优势。
如果低电压电池和高电压电池两者都满载并且太阳能电池单元被照射(因此它们可以产生功率)，则DC/DC转换器112和分布式最大功率点跟踪器可以停止传输功率，有效地在其开路电压点处加载太阳能电池单元。这可以由分布式最大功率点跟踪器控制器134控制。
分布式最大功率点跟踪器控制器134还可用于在低电压母线和高电压母线之间分配太阳能电池单元产生的功率。
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Claims (13)

1.一种电动或混动运输工具，包括：高电压母线(114)和低电压母线(128)，所述高电压母线用于将能量输送到至少一个推进电机(118)，所述低电压母线用于将能量输送到在低电压(130，132)下运行的部件，所述电动或混动运输工具配备有太阳能电池板，所述太阳能电池板包括一个或多个串，每个串包括多组(102)太阳能电池单元，所述组串联连接，每一组包括多个太阳能电池单元，每一组连接到相关联的分布式最大功率点跟踪器(104)的初级母线，所述分布式最大功率点跟踪器具有与其他分布式最大功率点跟踪器交换能量的次级母线(108)，所述分布式最大功率点跟踪器因此能够通过与该分布式最大功率点跟踪器相关联的所述组来改变电流，结果，通过每一组的所述电流与通过属于同一串的其他组的所述电流不同，其特征在于：所述分布式最大功率点跟踪器中的至少一个分布式最大功率点跟踪器的所述次级母线(108)连接到所述低电压母线(128)，从而使功率能够经由所述次级母线(108)从所述高电压母线(114)传输到所述低电压母线(128)。
2.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，所述一个或多个串的输出由此连接到串电压母线(106)。
3.根据权利要求2所述的电动或混动运输工具，进一步包括：将所述串电压母线(106)连接到所述高电压母线(114)的DC/DC转换器(112)。
4.根据权利要求3所述的电动或混动运输工具，进一步包括：被配置为控制所述分布式最大功率点跟踪器的分布式最大功率点跟踪器控制器(134)。
5.根据权利要求4所述的电动或混动运输工具，所述分布式最大功率点跟踪器控制器(134)由此被配置为控制所述DC/DC转换器(112)。
6.根据权利要求4所述的电动或混动运输工具，所述分布式最大功率点跟踪器控制器(134)由此被配置为控制功率从所述高电压母线(114)传输到所述低电压母线(128)。
7.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，进一步包括：将所述次级母线(108)连接到所述低电压母线(128)的另一DC/DC转换器(136)。
8.根据权利要求7所述的电动或混动运输工具，所述分布式最大功率点跟踪器控制器(134)由此进一步被配置为控制所述另一DC/DC转换器(136)。
9.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，其中，在低电压(130，132)下运行的所述部件包括：来自低电压电池、空调、内部和外部照明、强制性外部灯、轿车媒体系统、安全气囊和座椅加热器的所述组的部件。
10.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，其中，所述高电压母线(114)经由电池管理系统(120)连接到高电压电池(122)。
11.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，其中，所述高电压母线(114)与所述低电压母线(128)电绝缘。
12.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，其中，包括所述分布式最大功率点跟踪器(104)的电路进一步包括安全电路，所述安全电路在错误状态下断开一个或多个组(102)和/或串。
13.根据权利要求1所述的电动或混动运输工具，其中，包括所述分布式最大功率点跟踪器(104)的电路进一步包括安全电路，所述安全电路在错误状态下使一个或多个组(102)和/或串短路。
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