CN104553838B - 推进*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种推进***。该推进***包括：牵引装置；升压变换器，包括高压侧和低压侧，所述牵引装置连接于所述升压变换器的高压侧；能量型电源，连接于所述升压变换器的低压侧；功率型电源，连接于所述升压变换器的低压侧；及能量管理***，连接于所述升压变换器，用来通过所述升压变换器控制所述能量型电源和所述功率型电源在驱动模式下工作在至少两种情况下：当所述牵引装置的需求功率低于门限功率时，所述能量管理***控制所述能量型电源提供功率给所述牵引装置；及当所述牵引装置的需求功率高于所述门限功率时，所述能量管理***控制所述能量型电源和所述功率型电源提供功率给所述牵引装置。

Description

推进***
技术领域
本发明有关一种推进***，尤其涉及一种包括能量型电源和功率型电源来给车辆提供功率的推进***。
背景技术
能量型电源，例如电池，一般用于电动汽车或混合动力汽车中来提供功率给牵引装置并可捕获再生能量。然而，在车辆的驱动模式和再生制动模式中，能量型电源不能提供快速的行驶变化动力。因此，功率型电源，例如超级电容，作为补充的电源被使用。功率型电源可在瞬间提供大的功率且能够快速吸收能量。能量型电源和功率型电源连接于一个或多个直流-直流（DC-DC）变换器来提供能量给牵引装置或接收再生能量。牵引装置的需求功率在能量型电源和功率型电源之间分配。目前，仅根据能量型电源和功率型电源的充电状态在两者之间分配能量。此能量管理方法下的能量型电源和功率型电源的利用率较低，车辆驱动***的效率较低。
因此，有必要提供一种推进***来解决上面提及的至少一个技术问题。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种推进***。该推进***包括：牵引装置；升压变换器，包括高压侧和低压侧，所述牵引装置连接于所述升压变换器的高压侧；能量型电源，连接于所述升压变换器的低压侧；功率型电源，连接于所述升压变换器的低压侧；及能量管理***，连接于所述升压变换器，用来通过所述升压变换器控制所述能量型电源和所述功率型电源在驱动模式下工作在至少两种情况下：当所述牵引装置的需求功率低于门限功率时，所述能量管理***控制所述能量型电源提供功率给所述牵引装置；及当所述牵引装置的需求功率高于所述门限功率时，所述能量管理***控制所述能量型电源和所述功率型电源提供功率给所述牵引装置。
本发明的推进***通过能量管理***在不同情况下合理地在能量型电源和功率型电源之间进行功率分配，优化能量的供给，提高***的驱动效率。
附图说明
通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1所示为本发明推进***的一个实施例的示意图；
图2所示为图1所示的推进***的能量管理***的一个实施例的示意图；
图3所示为本发明能量管理***进行功率分配的一个实施例的曲线图；
图4至图7所示为本发明能量管理***进行功率分配的另一个实施例的流程图；
图8所示为图2的能量管理***的功率分配装置的一个实施例的示意图。
具体实施方式
除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
图1所示为一个实施例的推进***100的示意图。推进***100可用于车辆中，例如电动汽车或混合动力汽车。混合动力汽车利用电动机和热机提供推进力来驱动车辆。电动汽车包括电动机和电池，电池提供至少一部分的推进力来驱动车辆。推进***100包括牵引装置11、升压变换器13、能量型电源15、功率型电源17及能量管理***19。牵引装置11包括逆变器21和连接于逆变器21的电机23。在一个实施例中，牵引装置11为交流的牵引装置。其中逆变器21为直流-交流（DC-AC）逆变器，且电机23为交流电机。DC-AC逆变器通过一对直流母线25和27连接于升压变换器13来将直流电转换为交流电提供给交流电机。其中一根直流母线25或27为正极直流母线，另一根为负极直流母线。在另一个实施例中，逆变器21为直流斩波器或脉宽调制电路，其输出直流电给电机23，且电机23为直流电机。
升压变换器13包括高压侧131和低压侧133。牵引装置11连接于升压变换器13的高压侧131，能量型电源15和功率型电源17连接于升压变换器13的低压侧133。升压变换器13用来升高来自低压侧133的电压且从高压侧131输出。在此实施例中，升压变换器13为多通道双向升压变换器。能量型电源15和功率型电源17分别连接于升压变换器13的单独的通道且分别被控制。在另一实施例中，升降压变换器可用来作为升压变换器13来升高电压。
能量型电源15能够提供和接收能量。能量型电源15可指高比能量源或高能量密度能量源，单位重量能量密度可达到大约100W-hr/kg或更高。能量型电源15具有很大的容量可提供高能量。在一实施例中，能量型电源15包括电池或电池组，例如燃料电池、铅酸电池等。功率型电源17也能够提供和接收能量。功率型电源17能够快速提供高电流且能够高速率地接收能量，如此能够应付快速地运行变化。在一实施例中，功率型电源17包括超级电容。在一实施例中，超级电容具有串联的63个单元，其中每个单元的额定电压大约为2.7伏，每个单元的电容值大于1000法拉。
能量管理***19连接于升压变换器13，用来通过升压变换器13控制能量型电源15和功率型电源17工作在若干情况下。能量管理***19连接于直流母线25和27，接收直流母线25和27的信号，例如直流母线电压和电流。
图2所示为一个实施例的能量管理***19的示意图。结合参考图1，能量管理***19用来根据直流母线25、27的指令电压和测量电压确定牵引装置11的需求功率。需求功率指牵引装置11工作所需的功率。在不同运行情况下，需求功率可为正值或负值。在一实施例中，直流母线25、27的指令电压根据电机23和逆变器21的损耗参数等计算获得。在另一实施例中，指令电压可以通过实验测试获得。设定直流母线25、27的指令电压使得牵引装置11的效率最大化。直流母线25、27的测量电压可通过与其连接的一个或多个传感器（未图示）来测量获得。在一实施例中，能量管理***19包括直流母线电压调节器30，用来根据直流母线25、27的指令电压和测量电压确定牵引装置11的需求功率。直流母线电压调节器30包括控制环路（未图示），用来获得需求功率使得测量电压等于指令电压。例如，PID（ProportionIntegration Differentiation，比例-积分-微分）控制器等。
在本实施例中，能量管理***19进一步用来估算牵引装置11的负载功率且根据估算的负载功率确定牵引装置11的需求功率。图示实施例中，能量管理***19进一步包括估算装置32，用来根据电机23的指令转矩和转速估算负载功率。在一个实施例中，指令转矩通过输入装置，例如油门踏板和刹车，输入。在一实施例中，电机转速通过测量获得。通过相加估算装置32估算的负载功率和直流母线电压调节器30产生的功率获得需求功率，从而可较快地获得需求功率，提高***的响应速度。
能量管理***19包括功率分配装置34，用来根据不同的运行情况在能量型电源15和功率型电源17之间分配需求功率，且产生能量型电源15的指令功率和功率型电源17的指令功率。能量管理***19包括功率转电流变换器36，用来将功率分配装置34产生的指令功率转换为指令电流。指令电流提供给升压变换器13来控制升压变换器13相应的通道，从而控制能量型电源15和功率型电源17分别提供相应的指令功率给牵引装置11。
图3所示为能量管理***19的功率分配装置34进行功率分配的一个实施例的曲线图。横坐标指示牵引装置11的需求功率，纵坐标指示能量型电源15或功率型电源17的指令功率。波形38说明了功率型电源17的指令功率和牵引装置11的需求功率之间的关系。波形39说明了能量型电源15的指令功率和牵引装置11的需求功率之间的关系。
结合参考图1，推进***100可运行在驱动模式和再生制动模式下。在驱动模式下，例如航行和加速时，能量型电源15和/或功率型电源17提供功率给牵引装置11来驱动车辆。在再生制动模式下，例如刹车时，能量型电源15和/或功率型电源17接收来自牵引装置11的功率。在本实施例中，当牵引装置11的需求功率为正值时，推进***100运行在驱动模式下，否则，运行在再生制动模式下。在本实施例中，能量型电源15和功率型电源17的指令功率之和等于牵引装置11的需求功率。在另一个实施例中，其他的能量源，例如内燃机，也可以用来提供能量给牵引装置11。
在驱动模式下，能量管理***19通过升压变换器13控制能量型电源15和功率型电源17工作在至少两种情况下。其中，在牵引装置11的需求功率低于门限功率的情况下，能量管理***19控制能量型电源15提供功率给牵引装置11。在本实施例中，能量型电源15提供需求功率。
在牵引装置11的需求功率高于门限功率的情况下，能量管理***19控制能量型电源15和功率型电源17提供功率给牵引装置11。本实施例中，在此情况下，当功率型电源17提供的功率低于功率型电源17能够提供的最大额定功率时，能量管理***19用来控制能量型电源15提供门限功率给牵引装置11。功率型电源17提供需求功率的剩余的功率给牵引装置11。此处最大额定功率指功率型电源17能够提供的最大功率，由功率型电源17的容量决定。在另一个实施例中，此情况下，能量型电源15提供的功率随着需求功率的增加逐渐少量的增加。功率型电源17提供需求功率的剩余的部分。
在需求功率高于门限功率的情况下，当需求功率高于功率型电源17能够提供的最大额定功率和门限功率之和时，能量管理***19用来控制功率型电源17提供最大额定功率。能量型电源15提供需求功率的剩余部分。
综合考虑能量型电源15的寿命和功率型电源17的充放电能力等因素来设定门限功率，为了保护能量型电源15，延伸其寿命，且能够充分利用功率型电源17的充放电能力。在一实施例中，门限功率大致为牵引装置11的需求功率的平均值的一半。能量型电源15提供平稳的功率，功率型电源17，例如在加速时，能够应付快速地负载功率变化，且功率型电源17可提供较大的功率。
在再生制动模式中，本实施例中，功率型电源17接收来自牵引装置11的再生能量进行充电。电机23作为发电机工作。在另一个实施例中，能量型电源15也接收再生能量。功率型电源17接收大部分的再生能量，能量型电源15接收剩余的再生能量。功率型电源17能快速地接收能量。
图4至图7所示为能量管理***19的功率分配装置34进行功率分配的另一个实施例的流程图。参考图4，在模块40中，能量管理***19判断牵引装置11的需求功率是否大于零。如果需求功率大于零，也就是说需求功率为正值时，牵引装置11运行在驱动模式下，能量管理***19在驱动模式下进行功率分配，如模块42所示。否则，牵引装置11运行在再生制动模式下，能量管理***19在再生制动模式下进行功率分配，如模块44所示。
图5所示为图4的模块42中驱动模式下功率分配的一个实施例的子流程图。在模块420中，能量管理***19判断需求功率是否高于门限功率。在模块422中，当需求功率高于门限功率时，能量管理***19进一步判断功率型电源17是否能够提供需求功率和门限功率的差值。也就是说，能量管理***19判断功率型电源17的最大额定功率是否大于需求功率和门限功率的差值。
在模块424中，如果功率型电源17能够提供该差值，能量管理***19控制能量型电源15提供门限功率给牵引装置11，且控制功率型电源17提供需求功率的剩余部分给牵引装置11。需求功率的剩余部分为需求功率和门限功率的差值，其小于功率型电源17的最大额定功率。否则，在模块426中，能量管理***19控制功率型电源17提供其最大额定功率给牵引装置11，且控制能量型电源15提供需求功率的剩余部分，其高于门限。在此情况下，需求功率高于最大额定功率和门限功率之和。
在模块428中，在需求功率低于门限功率的情况下，能量管理***19控制能量型电源15提供功率给牵引装置11，且根据功率型电源17的充电状态（State-of-Charge，SoC）控制功率型电源17提供功率或接收功率充电。充电状态指功率型电源17的电荷量（即功率型电源17内剩余的能量）与其可存储的最大电荷量的比例，一般表示为百分比。功率型电源17的充电状态为功率型电源17的电压的平方与其最大额定电压的平方的百分比。
当功率型电源17的电压低于需求电压时，也就是说，当功率型电源17的充电状态低于需求充电状态时，能量型电源15用来提供能量给功率型电源17。当功率型电源17的电压高于需求电压时，也就是说，当功率型电源17的充电状态高于需求充电状态时，能量管理***19控制功率型电源17提供功率给牵引装置11。且此时，能量型电源15也提供功率给牵引装置11。如此使得功率型电源17的电压保持在需求电压附近，且功率型电源17的充电状态保持在需求充电状态附近。
在一实施例中，功率型电源17的电压可通过电压传感器（未图示）测得。需求电压和需求充电状态根据车辆的速度来设定，与车辆的速度成反比。需求电压和需求充电状态随着车辆速度的变化而改变。当车辆高速运行时，设置较低的需求电压和需求充电状态，然而，当车辆低速运行时，设置较高的需求电压和需求充电状态。如此，在车辆高速运行时，车辆下一时刻很可能刹车和减速，保持功率型电源17的充电状态较低，从而保证功率型电源17有能力接收较多的再生能量。在车辆低速运行时，车辆下一时刻很可能加速，保持功率型电源17的充电状态较高，从而保证功率型电源17有足够的能量可以及时提供大的功率来加速车辆。
图6所示为图5的模块428中根据功率型电源17的充电状态进行功率分配的一个实施例的子流程图。模块430中，能量管理***19判断功率型电源19的电压是否低于需求电压。在本实施例中，设置一较窄的电压范围，包含需求电压。电压范围的上限略高于需求电压，下限略低于需求电压。例如，电压范围的上限等于需求电压加上一个余裕值。在一实施例中，余裕值为5伏，但不限制于该值。电压范围的下限等于需求电压减去该余裕值或其他小的数值。在本实施例中，能量管理***19判断功率型电源17的电压是否低于电压范围的下限。
模块432中，当功率型电源17的电压低于电压范围的下限时，能量型电源15提供额外的功率给功率型电源17充电。此时，仅能量型电源15提供需求功率给牵引装置11。模块434中，当功率型电源17的电压不低于电压范围的下限时，能量管理***19进一步判断功率型电源17的电压是否高于电压范围的上限。模块436中，当功率型电源17的电压高于电压范围的上限时，能量管理***19控制能量型电源15和功率型电源17都提供功率给牵引装置11。模块438中，当功率型电源17的电压在电压范围内时，仅能量型电源15提供功率给牵引装置11。如此使得功率型电源17的电压保持在电压范围内。由于电压范围的设定，推进***100的稳定性提高，避免功率型电源17的电压微小的变化导致推进***100的工作状态频繁变化。
在另一个实施例中，能量管理***19先判断功率型电源17的电压是否高于电压范围的上限。当功率型电源17的电压不高于电压范围的上限时，再判断功率型电源17的电压是否低于电压范围的下限。推进***100在不同情况下的运行状态类似于前面所描述的实施例的运行状态。
图7所示为图4的模块44中再生制动模式下功率分配的一个实施例的子流程图。模块440中，能量管理***19判断功率型电源17的电压是否低于门限电压。门限电压低于功率型电源17的最大额定电压，如此对应于门限电压的充电状态的门限值低于100%。例如，充电状态的门限值为90%。此实施例仅用来说明，并不限于此。模块442中，功率型电源17的电压不低于门限电压时，能量管理***19用来控制能量型电源15和功率型电源17接收来自牵引装置11的再生能量。功率型电源17以高的速率接收再生能量，能量型电源15以低的速率接收再生能量。在此情况下，能量型电源15接收部分再生能量充电，如此减慢功率型电源17的电压的上升速度，如此保证功率型电源17有空间继续接收能量。
在再生制动模式中，当功率型电源17的电压低于门限电压时，能量管理***19用来控制功率型电源17接收来自牵引装置11的再生能量。在此情况下，仅功率型电源17接收再生能量。本实施例中，模块444中，当功率型电源17的电压低于门限电压时，能量管理***19进一步判断功率型电源17的电压是否低于需求电压。门限电压大于需求电压。模块446中，当功率型电源17的电压低于需求电压时，能量型电源15用来提供能量给功率型电源17。此处的运作类似于驱动模式下相应的运作。此时，功率型电源17的电压较低，功率型电源17具有很大的空间可以接收能量，功率型电源17接收全部的再生能量和来自能量型电源15的能量，从而保证功率型电源17储存有足够的能量，需要时能够及时提供能量驱动车辆。模块448中，当功率型电源17的电压处于需求电压和门限电压之间时，仅再生能量提供给功率型电源17充电。此时功率型电源17接收全部的再生能量。
在上述若干实施例中，若干门限值用来划分不同的运行情况，例如，需求功率、门限功率、需求电压、电压范围的上限和下限、门限电压等。当处于门限值时，推进***100可运行在不同运行情况的任意一种情况下。例如，在图5所示的实施例中，当需求功率等于门限功率时，能量管理***19可执行模块428中的操作。在另一个实施例中，当需求功率等于门限功率时，能量管理***19可执行模块422中的操作。前面实施例中所描述的能量管理根据特定的规则进行能量的分配，且充分考虑各个电源的特性和状态，来提高驱动效率。
图8所示为图2的能量管理***19的功率分配装置34的一个实施例的示意图。在本实施例中，功率分配装置34包括功率确定单元341和功率优化单元343。功率确定单元341用来根据图3至图7中的能量管理方法在能量型电源15和功率型电源17之间分配需求功率，产生能量型电源15的初步指令功率和功率型电源17的初步指令功率。功率优化单元343包括斜率限制器345，用来限制能量型电源15的功率的变化速率。本实施例中，斜率限制器345限制能量型电源15的初步指令功率的斜率，产生能量型电源15的指令功率。能量型电源15的初步指令功率的上升和下降速率不大于斜率限制器345中设定的特定值。斜率限制器345中设定的该特定值根据能量型电源15的性能确定。对应不同的能量型电源15，该特定值可相应地调整。
能量型电源15的指令功率和初步指令功率之间的差值加至功率型电源17的初步指令功率，产生功率型电源17的指令功率。如此，能量型电源15的指令功率和功率型电源17的指令功率之和等于能量型电源15的初步指令功率和功率型电源17的初步指令功率之和，且等于牵引装置11的需求功率。能量型电源15很难应付较快的功率变化，功率型电源17能够应付快速的功率变化，如此在牵引装置11的需求功率快速变化时，功率型电源17可提供快速变化的功率，能量型电源15可提供平稳的功率，从而***能达到预期的运行效果，且保护能量型电源15，延长其寿命。
参考图5至图8，图5的模块424和426中、图6的模块432、436和438中，和图7的模块442、446和448中，能量型电源15的功率的变化速率通过斜率限制器345进行限制，能量型电源15的指令功率和功率型电源17的指令功率根据图8的实施例来确定。能量型电源15和功率型电源17根据相应的指令功率提供或接收功率。
虽然结合特定的实施方式对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于涵盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (9)

1.一种推进***，其特征在于，其包括：
牵引装置；
升压变换器，包括高压侧和低压侧，所述牵引装置连接于所述升压变换器的高压侧；
能量型电源，连接于所述升压变换器的低压侧；
功率型电源，连接于所述升压变换器的低压侧；及
能量管理***，连接于所述升压变换器，用来通过所述升压变换器控制所述能量型电源和所述功率型电源在驱动模式下工作在至少两种情况下：
当所述牵引装置的需求功率低于门限功率时，所述能量管理***控制所述能量型电源提供功率给所述牵引装置；及
当所述牵引装置的需求功率高于所述门限功率时，所述能量管理***控制所述能量型电源和所述功率型电源提供功率给所述牵引装置；
其中，在所述需求功率高于所述门限功率的情况下，当所述功率型电源提供的功率低于所述功率型电源能够提供的最大额定功率时，所述能量管理***用来控制所述能量型电源提供门限功率给所述牵引装置。
2.如权利要求1所述的推进***，其特征在于：在所述需求功率低于所述门限功率的情况下，当所述功率型电源的电压高于需求电压时，所述能量管理***用来控制所述功率型电源提供功率给所述牵引装置。
3.如权利要求1或2所述的推进***，其特征在于：当所述功率型电源的电压低于需求电压时，所述能量型电源用来提供能量给所述功率型电源。
4.如权利要求1所述的推进***，其特征在于：在所述需求功率高于所述门限功率的情况下，当所述需求功率高于所述功率型电源能够提供的最大额定功率和所述门限功率之和时，所述能量管理***用来控制所述功率型电源提供所述最大额定功率。
5.如权利要求1所述的推进***，其特征在于：在再生制动模式中，当所述功率型电源的电压低于门限电压时，所述能量管理***用来控制所述功率型电源接收来自所述牵引装置的再生能量。
6.如权利要求1或5所述的推进***，其特征在于：在再生制动模式中，当所述功率型电源的电压不低于门限电压时，所述能量管理***用来控制所述能量型电源和所述功率型电源接收来自所述牵引装置的再生能量。
7.如权利要求1所述的推进***，其特征在于：所述升压变换器包括连接于所述牵引装置的一对直流母线，所述能量管理***用来根据直流母线的指令电压和测量电压确定所述牵引装置的所述需求功率。
8.如权利要求7所述的推进***，其特征在于：所述能量管理***用来估算所述牵引装置的负载功率且根据估算的所述负载功率确定所述牵引装置的所述需求功率。
9.如权利要求1所述的推进***，其特征在于：所述能量管理***包括斜率限制器，用来限制所述能量型电源的功率的变化速率。
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