CN105452036A - 混合动力车辆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车辆中的混合能量***，所述混合能量***包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施，且所述车辆被布置成在自主供电模式和/或外部供电模式中运行。所述***包括：第一高压电路(204；304)，其包括由第一电力转换器连接到能量存储***(202；302)以推进所述车辆的第一牵引电动机(206；306)；第二高压电路(205；305)，其包括能够由第二电力转换器(212；312)连接到外部供电装置(203；303)以推进所述车辆的第二牵引电动机(210；310)；并且其中，所述第一高压电路(204；304)和所述第二高压电路(205；305)能够由在所述第一电力转换器和所述第二电力转换器(207、212；307、312)之间的第三电力转换器(214；314)连接。本发明还涉及一种运行所述混合能量***的方法。

Description

混合动力车辆
技术领域
本发明涉及车辆的混合能量***和运行该***的方法，该混合能量***包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施。
背景技术
近年来，已追求电动车辆和混合动力车辆的开发和商业化，所述电动车辆和混合动力车辆有效减少燃料消耗和诸如CO2的尾气。商用的电动车辆具有有限的范围，因为车辆中安装的电池的尺寸和容量受到限制。
对于与电动机结合地设有内燃机或ICE的混合动力车辆来说，电能的供应还取决于车辆中安装的电池。因此，由于车辆中安装的电池的尺寸和容量的限制，这种车辆在电动模式中的巡航范围是有限的。因此，混合动力车辆必须将发动机和电动机结合使用，以确保长的巡航范围。
另一方面，使用电能的轨道车辆的巡航范围不受限制，因为它们利用从架空电线或邻近于轨道的电轨接收的电力来运行。对于这种车辆，必须铺设轨道并管理它们，这需要高的建设成本和高的维护成本。因此，它们不适合在任意位置之间运输货物。而且，当轨道上存在障碍物时，或如果发生停电，车辆将延迟，直到问题被排除。
上述问题的解决方案是利用从架空电线接收的电力来运行的车辆，例如，过去在许多城市中常用的“无轨电车”。在下文中，这种车辆将被称为集电式电动车辆(power-collectingelectricvehicles)。虽然这种车辆不需要轨道，但它们需要架空电线，并且，由于有限的电池容量，它们无法在未配备有架空电线的道路上运行。因此，它们不具有一般商用车辆的灵活性。
迄今已开发了使这种集电式电动车辆能够在未配备有架空电线的道路上运行的技术。这种车辆配备有内燃机和用于推进的电动机，电动机由从架空电线接收的电力驱动，内燃机用于产生电力以运行该驱动电动机、用于将机械动力直接供应到车辆的驱动单元、或用于对车载电池充电。已通过将混合动力技术应用于集电式电动车辆来开发这种车辆。这种混合动力车辆例如已由SiemensAG公司在EU第七框架计划的框架内针对“电子高速公路(e-Highway)”概念而开发。
混合动力集电式电动车辆的一个问题是这种车辆包括具有多个在不同电压下运行的部件的电路。该电路包括能够连接到架空电线的高压集电***、以及混合电力***，该混合电力***包括电力电子部件以及可选的高压电池。这种布置结构需要使用电力转换器，该电力转换器允许车辆使用来自架空线路的高压。该电力转换器通常是能够处置架空电线中的相对高压(例如，500-700V)的直流/直流转换器。
根据一个实例，混合动力车辆可包括高压集电***和电力转换器，该电力转换器连接到混合动力推进***中的一个或多个电动机，该混合动力推进***包括能够连接到电动机的ICE。对于未设有蓄电池的混合动力车辆，电力转换器的尺寸必须设定为使得其连续额定值等于该推进***的峰值功率要求，即，至少200-300kW。这种布置结构将用于主要使用ICE来运行的车辆。
根据另一实例，混合动力车辆可包括高压集电***和电力转换器，该电力转换器连接到蓄电池以及混合动力推进***中的一个或多个电动机，该混合动力推进***包括能够连接到电动机的ICE。对于设有蓄电池的混合动力车辆，电力转换器的尺寸可设定为使得其连续额定值等于该推进***的平均功率要求，即，至少100-150kW。这种布置结构将用于主要使用集电***来运行的车辆，其中，该ICE可用于对蓄电池充电。
如以上实例所指示的，直接连接到高压集电***的电力转换器要求所有电力都经过电力转换器。这招致了转换损耗且产生了需要冷却的热量，这会降低总***效率并增加对车辆冷却***的需求。此类电力转换器还将是相对大且昂贵的。
本发明旨在解决上述问题，并提供一种具有可降低车辆制造成本的运行***和集电器的混合动力车辆。本发明还旨在提供一种具有提高的总***效率并引起减少的转换损耗及发热的混合动力车辆。
发明内容
通过所附权利要求中要求保护的混合能量***来解决上述问题。
在下文中，对于设有将电力供应给车辆的装置的道路网，将使用术语“电气道路***”或ERS。下文的实例将针对供电装置包括架空电线的情形来描述。然而，本发明不限于传导式供电装置，也可使用感应式供电装置，所述传导式供电装置使用路面中或邻近于路面(例如VolvoTrucks提出的“电气化道路概念”中的)的架空电气化电线或轨道/轨线。将针对与公路卡车或牵引车相对的商用车辆来描述本发明，但本发明同样适用于非公路卡车/牵引车、大客车、建筑车辆或其它类型的作业车辆。
下文还将参考电气部件的许多不同技术术语和实例，下面将简要地定义这些技术术语和实例。
电压变动率是部件(例如，输电线路或配电线路)的发送端与接收端之间的电压大小变化的度量值。电压变动率描述了***在大范围的负荷条件下提供几乎恒定的电压的能力。该术语可表示在各种负荷条件下导致或多或少的压降的被动属性，或表示出于调节电压的特定目的而对装置的主动干预。
电力转换是将电能从一种形式转换为另一形式，在交流与直流之间转换，或仅改变电压或频率，或以上这些情形的某些组合。在此上下文中，通用的术语“电力转换器”被定义为用于转换电能的电气装置或机电装置。这可以是用于改变交流电电压的变压器，但该术语也表示用于将交流的一个频率转换为另一频率的一类电气机械。电力转换***通常包括冗余和电压调节。一种将电力转换***分类的方式是根据输入和输出是交流(AC)还是直流(DC)来进行。
一种类型的电力转换器是直流-直流转换器或直流/直流转换器，它是将直流源从一个电压电平转换为另一电压电平的电子电路。直流/直流转换器使用现有的技术设计，其中，主要的拓扑类别是固定频率脉宽调制(PWM)和可变频率准谐振零电流开关(ZCS)。
PWM在设计上可能稍微简单点，但PWM固有地在效率与运行频率之间进行权衡，效率与运行频率二者都是电动车辆(EV)或混合动力车辆(HEV)的重要参数。长期以来，都认为高频运行是在开关模式转换器中实现高功率密度的主要关键点(例如，较小的磁性特征、滤波器和电容器)之一。然而，对于固定频率开关模式转换器，开关损耗随着运行频率直接增加，从而导致限制可实现的功率密度的合适位置。通过使开关的每一次接通和关断在零电流下发生，可变频率转换器克服了频率障碍。
固定频率与可变频率直流/直流转换器之间的另一个差异是噪声。再一次，EV/HEV的一个重要参数是开关所产生的噪声。PWM的硬开关比ZCS的软开关产生更多噪声。
先前，主要的EV/HEV直流/直流转换器应用是将高压电池转换到12伏的典型汽车电压，尽管也可能需要更高的电压，例如用于动力转向的42伏电压。此应用中使用的直流/直流转换器通常具有250伏到450伏的输入、12.5伏到15.5伏的可调节输出、以及250W到3.5kW的输出功率。当然，可用的直流/直流转换器的尺寸和重量实质上根据运行频率而变化，且在某程度上根据电压和功率的输入和输出而变化。对于传统的拓扑结构，效率通常在80％到90％之间，但低压线路的效率可能低四或五个百分点。因此，直流-交流产品和某些大范围直流/直流产品需要在低压线路处减载。
车辆中的高压/高功率转换是EV和HEV应用的优选解决方案。这种转换器的技术挑战(它们中的许多是相互关联的)包括尺寸、重量、效率、电磁兼容性/电磁干扰(EMC/EMI)、可靠性、高压隔离、散热/热管理、以及成本。此外，在道路车辆的热、冷、冲击和振动的环境下，需要可靠的性能。
用于商用EV和HEV的直流/直流转换器需要高功率密度、效率和可扩展性，这些无法由低频、大型转换器设计以成本有效的方式支持。尽管2kW直流/直流转换器可能是常见的设计目标，但高端车辆需要更多功率，而具有较低功率额定值的较小直流/直流转换器将为入门级EV和HEV提供较低成本。为了应付此范围的功率需求，使用能够进行有效的总线转换、隔离和电压调节的高功率密度的模块化转换器的、灵活可扩展的电力***方法将能够实现更高的性能、成本效率和更快的上市时间。
现代的直流/直流电力转换器能够支持车辆内的有效高压配电，并将向电力***设计师提供多个关键优点，包括小尺寸、轻重量、高功率密度、高效率、设计灵活性以及对变化的电气需求的快速响应。具体来说，尤其适用于EV/HEV车辆的直流/直流电力转换器包含在1kW/每立方英寸的功率密度下具有95％效率的零电压开关(DC/ZVS)直流/直流转换器；在1kW/每立方英寸下具有>97％效率的ZVS降压-升压调节器；以及在1kW/每立方英寸下具有97％效率的正弦振幅转换器(SineAmplitudeConverter)TM高压(SACHV)总线转换器。
双箝位零电压开关(DC/ZVS)转换器具有从极宽的输入范围提高经调节的输出的能力。自适应单元电力***涉及多个转换器，这些转换器被配置成阵列，以提供广范围、高压、高频电力处理。转换器块通常利用选择性地串联或并联配置的两个磁性耦接的转换器单元。在任一种配置中，共模噪声都基本上被去除，从而消除了EV和HEV的主要滤波挑战。
在DC/ZVS直流/直流转换器中体现EV和HEV直流/直流转换器性能的自适应单元拓扑(adaptivecelltopologies)可包含正弦振幅转换器(SAC)单元。SAC发动机利用零电压/零电流开关以消除开关损耗。通过消除开关损耗，SAC可在相对高的频率(通常在MHz的范围中)下有效地运行，从而导致较小的产品尺寸。高运行频率允许许多部件的微型化，从而提高总的转换器功率密度。在高频下运行的软开关转换器还将在低频下运行的硬开关转换器所需的电磁干扰(EMI)和滤波部件最小化。
SAC发动机通常用于提供带有HV隔离的固定电压比率总线转换。DC-ZVS发动机提供带有调节和隔离的直流/直流转换。
ZVS降压-升压调节器从未调节的输入源提供经过调节的输出。ZVS降压-升压调节器可单独使用，用作未隔离的电压调节器，或者与SAC电流倍增器结合使用，以产生被隔离的直流/直流转换器。该调节器可远离SAC电流倍增器“分解”，以在支持有效配电和减少导体重量和成本的同时在负荷点处提供增加的密度。这些发动机组合起来实现了比传统转换器具有显著更高的密度、灵活性和效率的直流/直流转换器***。ZVS降压-升压调节器的能力包括高达至少650Vdc的输入和输出电压以及最高达98％的转换效率。
独特的软开关拓扑和ZVS控制架构允许1MHz下的有效HV运行。调节器可彼此并联以实现提高的输出功率。该调节器控制架构的特征在于其开关序列在降压或升压模式中并不改变。仅控制每一个运行循环内的相位的相对持续时间来实现电压的逐级升高或逐级降低。
包括SACHV总线转换器的固定比率转换器能够进行有效的HV总线转换。SACHV总线转换器的能力包括高达至少650Vdc的输入和输出电压以及最高达98％的转换效率。
具有低Q动力传动系的ZVS-ZCS正弦振幅转换器拓扑为有效高频电力处理提供具有高频谱纯度和共模对称性的固定频率振荡器，从而导致基本上无噪声的运行。该控制架构将运行频率锁定到动力传动系谐振频率，从而优化效率并使输出阻抗最小化。通过有效去除电抗部件，输出阻抗Zout可以较低。为了进一步减小Zout，或为了获得更大的功率能力，这些总线转换器可通过精确的电流共享而并联。安静且强力的SAC总线转换器以最高约1MHz的平坦输出阻抗提供基本上线性的电压/电流转换。
这些解决方案组合起来是适用于商用EV和HEV的电力转换器的实例，其包括小尺寸、轻重量、极高效率、低EMI、高压隔离、热量管理、模块化、设计灵活性、可扩展性和成本。它们容易并联以构建多个容错的高功率阵列。
另一种类型的电力转换器是直流-交流转换器或直流/交流电力转换器，它通常被称为逆变器。这是将直流变成交流的电力转换器。通过使用适当的变压器、开关和控制电路，所转换的交流可处在任何所需的电压和频率下。固态逆变器不具有移动部分，且用在大范围的应用中，从计算机中的小开关供电装置，到传送大量电力的大型电力设施高压直流应用。逆变器通常用于从直流源(例如，架空电线或电池)供应交流电。
可变频率驱动器(VFD)通过控制被供应到电动机的电力的频率和电压来控制交流电动机的运行速度。逆变器提供受控的电力。在多数情况下，可变频率驱动器包含整流器，使得用于逆变器的直流电能够由主交流电提供。从作为发电机运行的电机供应的交流电也可被整流以对电池充电。因为逆变器是关键部件，可变频率驱动器有时被称为逆变器驱动器或仅称为逆变器。直接利用AC源来运行而不需要先将AC源转换为直流的VFD被称为循环换流器。它们现在常用于驱动牵引电动机。
速度可调电动机控制逆变器当前用于对一些电动和柴油电动轨道车辆以及一些电池电动车辆和混合动力电动公路车辆中的牵引电动机供电。正专门针对电动车辆应用而开发逆变器技术的各种改进。在具有再生制动的车辆中，逆变器还从用作发电机的电机获得电力，并将该电力储存在电池或类似的适当的能量存储***中。
根据优选实施例，本发明涉及车辆中的混合能量***。该混合能量***包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施或电网。该车辆被布置成：在自主供电模式中，使用车载能量存储***来运行；在外部供电模式中，使用来自架空电线或路旁轨道的电力来运行；或者在组合式自主和外部供电模式中，使用来自这两个电力源的电力来运行。
根据本发明，该混合能量***包括在车辆内被划分为两个部分或两个高压电路的高压推进***。该混合能量***包括第一高压电路，该第一高压电路包括由第一电力转换器连接到能量存储***以推进车辆的第一牵引电动机。该混合能量***还包括第二高压电路，该第二高压电路包括可由第二电力转换器连接到外部电力源以推进车辆的第二牵引电动机。该第一牵引电动机和第二牵引电动机可作为电动机运行，用于推进车辆，或者可作为发电机运行，用于能量的再生。
第一牵引电动机和第二牵引电动机均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮的从动车轴。该机械连接可以是直接连接，例如，驱动轴和差速器或一对车轮电动机，或者是间接连接，例如，包含变速箱或齿轮箱的传动系。在卡车的情形中，第一牵引电动机和第二牵引电动机可驱动各自的第一从动车轴和第二从动车轴或驱动一个共用的从动车轴。第一牵引电动机和第二牵引电动机也可作为发电机运行。
第一高压电路和第二高压电路在相同电压或类似电压下运行，且能够由第三电路转换器连接，该第三电力转换器作为桥接器而位于第一和第二高压电路与第一和第二电力转换器之间。在此上下文中，术语“高压”表示在500V到800V的优选范围内的电压。举例来说，第一高压电路可在500V到700V下运行，第二高压电路可在550V到800V下运行。
第一电力转换器和第二电力转换器优选是直流/交流电力转换器或者是逆变器，该直流/交流电力转换器或逆变器被布置成将高压直流电转换为用于驱动第一牵引电动机和第二牵引电动机的交流电。第一牵引电动机和第二牵引电动机优选为三相交流电动机，它们可以是同步和/或异步的，其中，同步电动机通常使用永磁体(PMSM)。为了本发明的目的，也可使用直流电动机，该直流电动机可使用电刷或者是无刷的(BLDC)。
第三电力转换器是直流/直流电力转换器。该直流/直流电力转换器的这种特定布置是有利的，因为相对于这种电力转换器的传统定位，这种布置允许显著减小直流/直流电力转换器的尺寸。在下文中将给出直流/直流电力转换器的相对尺寸的实例。直流/直流电力转换器的定位还允许及其灵活的使用和多个可选的运行模式，每个运行模式都允许更能量有效的运行和减少的能量损耗。在下文中将给出这种运行模式的实例。
其一个优点在于，来自外部供电装置的所有电力并非都需要经过所述桥接器。而是，该电力的主要部分可由车辆直接用在第二高压电路中。另一个优点是：通过划分该高压***，第三转换器或桥式转换器不需要处于混合动力车辆的推进***的全功率范围下。这减小第三转换器的尺寸和成本。这种混合动力车辆的电能存储***可采用任何适当的技术，包括电池、超级电容器、燃料电池和飞轮。通过使用混合动力***中的能量存储***，将可能进一步减小用于混合动力***的馈送转换器的所需尺寸。
所述自主供电装置优选(但并非必须)包括连接到第一牵引电动机的内燃机。通过将第一牵引电动机作为发电机运行、使用第一电力转换器作为整流器，该发动机能够用于对能量存储***(例如，电池)充电。
第二高压电路可连接到外部供电装置，该外部供电装置为架空电线或轨道的形式。可通过安装在车辆上的适当位置处的常规受电弓等而接触该架空电线。所述轨道可以是邻近于车辆所沿的路线的路旁轨道或路面中的凹陷式轨道。这种解决方案的实例可在Volvo提出的“电气化道路概念(Electricroadsconcept)”中或诸如WO2012/069495和CN102275510等现有技术文献中找到，所述文献以引用的方式并入本文。
如上文所指示的，第一牵引电动机和第二牵引电动机可连接到各自的从动车轴，或可连接到共用的从动车轴。取决于所选择的用于电动机的机械连接，可采用不同的运行模式。
可控开关可与第三电力转换器并联连接。该开关被布置成：当该开关闭合时，该开关旁通所述第三电力转换器。该可控开关的运行由所选择的运行模式决定，下文将描述这一点。
本发明还涉及用于运行车辆中的混合能量***的方法，该混合能量***设有自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施。
如上文所指示的，该混合能量***包括：第一高压电路，包括由第一电力转换器连接到能量存储***的用于推进车辆的第一牵引电动机；以及第二高压电路，包括可由第二电力转换器连接到外部电力源的用于推进车辆的第二牵引电动机。第一高压电路和第二高压电路可由在第一电力转换器与第二电力转换器之间的第三电力转换器以及并联的可控开关连接。
该方法涉及在多个可选的模式中的任一个模式下运行该混合能量***，所述运行模式至少包括：
·自主供电模式，其涉及使用能量存储***来运行第一牵引电动机和第二牵引电动机；
·外部供电模式，其涉及连接第三电力转换器并使用外部电力源来运行第一牵引电动机和第二牵引电动机中的一者或二者；以及
·组合式自主和外部供电模式，其涉及使用能量存储***来运行第一牵引电动机以及使用外部电力源来运行第二牵引电动机。
在自主供电模式中，当外部供电装置被断开时，能量存储***用于车辆的电动运行。通过经由第一电力转换器直接使用能量存储***，该能量存储***可用于仅运行第一牵引电动机。
在外部供电模式中，第二牵引电动机可经由第二电力转换器直接连接到外部供电装置，而不会在第三电力转换器中招致损耗。此外，该外部供电装置还可经由第三电力转换器和第一电力转换器连接到第一牵引电动机，以便运行第一牵引电动机和第二牵引电动机两者。可在后一种运行模式期间从外部供电装置对该能量存储***充电。
在组合式自主和外部供电模式中，可经由第一电力转换器使用能量存储***来运行第一牵引电动机，并且，可经由第一电力转换器使用外部电力源来运行第二牵引电动机。在此情况下，第二牵引电动机可由外部供电装置直接驱动，而不会在第三电力转换器中招致损耗。
如上文所指示的，本发明的方法允许灵活的混合能量***，该混合能量***能够在使第三电力转换器的使用最小化的同时在多个可选的模式中运行。第三电力转换器(它是直流/直流转换器)的定位使得这种灵活性成为可能。对该直流/直流转换器的减小的功率要求允许该直流/直流转换器针对相对小的功率额定值被设定尺寸。这又实现了具有极高效率和减少的发热量的、较小尺寸和较轻重量的直流/直流转换器。
根据另一实例，该混合能量***可在可选的自主供电模式中运行，该可选的自主供电模式涉及将第三电力转换器旁通并使用能量存储***来运行第一牵引电动机和第二牵引电动机两者。在此实例中，能量存储***可用于通过对开关进行控制来运行第一牵引电动机与第二牵引电动机两者，该开关被并联连接以旁通第三电力转换器。能量存储***还可用于经由第二电力转换器直接使用能量存储***来运行第二牵引电动机。在后一种情况下，第二牵引电动机可由能量存储***直接驱动，而不会在第三电力转换器中招致损耗。取决于车辆传动系的设计，第一牵引电动机和第二牵引电动机可用于分别驱动独立的第一从动车轴和第二从动车轴，或用于驱动共用的从动车轴。
根据另一实例，通过旁通该第三电力转换器，该混合能量***能够在可选的外部供电模式中运行。此实例涉及：使用将能量存储***连接到第一高压电路的现有接触器或断路器来断开能量存储***；以及经由第一牵引电动机和第二牵引电动机各自的电力转换器使用外部电力源来运行第一牵引电动机与第二牵引电动机两者。与先前的实例中一样，第一牵引电动机和第二牵引电动机可用于分别驱动独立的第一从动车轴和第二从动车轴，或用于驱动共用的从动车轴。
通过允许电力从车载能量存储***或外部电力源直接供应到第一牵引电动机和第二牵引电动机而不招致第三电力转换器(它是直流/直流转换器)中的损耗，这些可选的运行模式都有助于提高混合能量***的灵活性。
本发明的混合能量***还可在多个可选的再生运行模式中运行，从而增加该***的灵活性。
根据另一实例，该混合能量***可在第一可选的再生运行模式中运行。在第一可选的再生模式中，使用外部电力源驱动第二牵引电动机以驱动地面接合元件。如上所述，第一牵引电动机和第二牵引电动机均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮的从动车轴。因此，当第一牵引电动机和第二牵引电动机机械连接到各自的地面接合元件时，第二牵引电动机可经由该地面接合元件间接驱动第一牵引电动机。第二牵引电动机驱动一个地面接合元件，由此，另一个地面接合元件驱动第一牵引电动机以对能量存储***充电。为此目的，第一电力转换器可用作整流器。
为此目的，第一可选的再生模式可用于在第三(直流/直流)电力转换器无法供应充足电力时对能量存储***充电。
根据另一实例，该混合能量***可在第二可选的再生运行模式中运行。在第二可选的再生模式中，通过使用并联安装以旁通第三电力转换器的可控开关并使用地面接合元件将第一牵引电动机和第二牵引电动机中的一者或二者作为发电机运行，电力被供应到外部电力源。如上所述，第一牵引电动机和第二牵引电动机均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮的从动车轴。第二可选的再生模式可用于在不使用行车制动器的情况下或在下坡行驶时对车辆制动。动能由一个或两个牵引电动机转换为电能，且经由相应的第一电力转换器和/或第二电力转换器直接供应到外部电力源。
第二可选的再生模式允许所再生的电力返回到电网而不使用第三(直流/直流)电力转换器。
根据另一实例，该混合能量***可在第三可选的再生运行模式中运行。在第三可选的再生模式中，通过使用并联安装以旁通第三(直流/直流)电力转换器的可控开关并使用地面接合元件将第一牵引电动机和第二牵引电动机中的一者或二者作为发电机运行，电力被供应到能量存储***。如上所述，第一牵引电动机和第二牵引电动机均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮的从动车轴。第二可选的再生模式可用于在不使用行车制动器的情况下或在下坡行驶时对车辆制动，而不是使用压缩制动。动能由一个或两个牵引电动机转换为电能，且经由相应的第一电力转换器和/或第二电力转换器直接供应到能量存储***。在此运行期间，外部供电装置必须被断开。
第三可选的再生模式允许所再生的电力返回到能量存储***而不使用第三(直流/直流)电力转换器。
根据另一实例，该混合能量***可在第四可选的再生运行模式中运行。在第四可选的再生运行模式中，使用外部电力源来驱动第二牵引电动机。当第一牵引电动机和第二牵引电动机机械连接到共用的地面接合元件时，第二牵引电动机可经由变速箱中的机械连接而直接驱动第一牵引电动机以对能量存储***充电。这涉及将两个牵引电动机与车辆变速箱的将牵引电动机连接到地面接合元件的部分断开。然后使用第二牵引电动机来驱动第一牵引电动机，以对能量存储***充电。
第四可选的再生模式可用于在车辆静止时对能量存储***充电而不使用第三(直流/直流)电力转换器。
本发明还涉及一种车辆，优选(但并非必须)是商用车辆，其包括如上文所描述的并根据上述内容运行的混合能量***。
本发明还涉及一种计算机程序、计算机程序产品和用于计算机的存储介质，它们都将与计算机一起使用，用于执行上文的任一个实例中描述的方法。
如上所述的混合能量***包括两个高压电路，所述两个高压电路由直流/直流转换器连接并能够在不同的容许电平下运行。举例来说，在示例性***中，这两个电路中的标称电压可例如为650V，而所述电路中的第一电路中的实际电压可在500V与900V之间变动。如果第二电路中的容许的变动被限制于550V到800V，则可在这两个电路之间连接直流/直流转换器，以允许进行电力输送而不冒对***产生干扰或造成损坏的风险。
这种布置的其它优点在于：较少的部件需要与车辆底盘电流隔离。根据本发明，对直流/直流转换器、第二电动机及其逆变器(第二电力转换器)提供电流隔离就足够了。例如图4中描述的传统***将需要对包括第一电动机和能量存储***在内的整个***提供电流隔离。通过提供将这两个高压电路连接的直流/直流转换器形式的电力转换器，该***可在多个不同的模式中运行，而不需要所有电力都经过该直流/直流转换器。这导致了减少的转换损耗和需要冷却的发热，这进而提高了总***效率并减少了对车辆冷却***的需求。该直流/直流转换器的功率额定值也可减小，这允许减小该转换器的尺寸并有助于更紧凑的安装。
附图说明
在下文中，将参照附图来详细描述本发明。这些示意图仅用于说明的目的，且不以任何方式限制本发明的范围。在附图中：
图1A示出根据本发明的一个实施例的具有集电器的混合动力车辆的侧视图；
图1B示出根据本发明的替代实施例的混合动力车辆的侧视图；
图2A示出根据第一实例的能量***的示意图；
图2B示出根据第二实例的能量***的示意图；
图3A示出根据第三实例的能量***的示意图；
图3B示出根据第四实例的能量***的示意图；
图3C示出根据第五实例的能量***的示意图；
图4示出常规混合能量***的示意图；并且
图5示出应用在计算机设备上的本发明。
具体实施方式
图1A是示出根据本发明的具有集电器的混合动力车辆的侧视图，且图1B是示出替代性混合动力车辆的侧视图。如图1A到图1B所示，该具有集电器的混合动力车辆适用于重型卡车(在下文中称为“车辆”)。
图1A示出卡车形式的车辆101，其具有前车轴102以及两个从动的第一后车轴103和第二后车轴104。车辆101设有自主供电装置，该自主供电装置包括内燃机(ICE)105，内燃机(ICE)105连接到第一电动机-发电机(EM1)106和变速箱107，变速箱107例如是手自一体变速箱(AMT))，用于经由第一驱动轴108将扭矩传递到第一后车轴103。第一电动机-发电机(EM)106(下文称为第一电动机)可被提供有来自车载能量存储***(例如，电池)或外部供电装置(例如，架空电线)的电力。稍后将更详细描述这一点。发动机105、第一电动机106、变速箱107和第一驱动轴108构成第一驱动力传递***，该第一驱动力传递***将发动机105和/或第一电动机106的旋转驱动力传递到第一后车轴103。
虽然附图描述了使用架空电线的实例，但本发明的构思也适用于替代性的传导式布置结构(例如，路旁的轨道或轨线)或位于路面中的感应式布置结构。
第二电动机-发电机(EM2)110邻近第二后车轴104设置在下方，且经由第二驱动轴111连接到该车轴。第二电动机106和第二驱动轴111构成将第二电动机106的旋转驱动力传递到第二后车轴104的第二驱动力传递***。第二电动机-发电机110(下文称为第二电动机)可被提供有来自外部供电装置(例如，架空电线)和/或车载能量存储***(例如，电池(未示出))的电力。
为了将电力供应到第一电动机106和/或第二电动机110，受电弓112(示出了一个)作为集电器113的电力回收单元被设置在车辆101的上部中。受电弓112可在驾驶室109后方安装到车辆101的上部，如图1A所示，或安装到驾驶室自身上，如图1B所示。电力从设在道路上方的架空电线114经由受电弓112供应到第一电动机106和/或第二电动机110。架空电线114包括一对架空电线(示出了一条)，且受电弓112也包括一对受电弓。受电弓112分别连接到这两条架空电线114。此处，假定直流(DC)被供应到架空电线114，且这两条架空线中的一条是被供应有直流的供电线，而另一条充当电力返回线。集电器113包括受电弓112和致动器115，该致动器115用于升高和降低受电弓112，如箭头A所指示。受电弓112适于在运行位置与缩回位置之间被驱动，在运行位置处，受电弓112从架空电线114接收电力，如图1A中的实线所示，而在缩回位置处，受电弓112不接收电力，如图1A中的虚线所示。
发动机电子控制单元(未示出)被设置为用于控制发动机105和变速箱107的内燃机控制装置。电动机电子控制单元(未示出)被设置为用于控制第一电动机106和第二电动机110的电动机控制装置，并且，集电器电子控制单元(未示出)被设置为用于控制集电器113的集电器控制装置。为了进行整体控制，电子控制单元(ECU；未示出)被设置为集成控制装置，用于执行对发动机电子控制单元、发动机电子控制单元和集电器电子控制单元的集成控制。该电子控制单元是车辆中的供电***120的一部分，该***控制并将电力供应到第一和第二电动机106、110和能量存储***(例如，电池)，以及从第一和第二电动机106、110和能量存储***(例如，电池)供应电力。供电***120是车辆的混合能量***的一体部分，且包括用于连接集电器113、第一和第二电动机106、110以及能量存储***的必需的电力电子器件。在下文中将更详细地描述该供电***120。发动机105优选是柴油机，并且发动机电子控制单元响应于输出请求来电子地控制发动机的燃料喷射量。变速箱107适于是手自一体变速箱，该手自一体变速箱由换挡致动器(未示出)激活以选择要使用的换挡档位。离合器(未示出)适于由离合器致动器(未示出)接合和脱离。这些致动器由发动机电子控制单元响应于换挡请求来电子地控制，以使离合器接合和脱离以及改变换挡档位。混合动力车辆中的这种变速箱的布置和操作是众所周知的，因此将不再进一步详细描述。
第一电动机106和第二电动机110优选是三相交流(AC)电动机，且其旋转状态由电动机电子控制单元响应于输出请求来电子地控制。应当注意，第一电动机106和第二电动机110能够进行再生运行(作为发电机)和正常动力运行(作为牵引电动机)。电动机电子控制单元具有用于执行电动机106、110的再生控制的功能(再生控制装置)，使得例如在制动期间或在下坡行驶期间将再生能量作为电能储存在电池(或其它电力存储装置)中。例如，当集电器113未运行以收集电力时，电池等中储存的电力可至少用于第一电动机106的运行。下面将详细描述不同的运行模式。
作为集成控制装置，ECU可设定车辆驾驶模式，并基于经由传输和接收单元接收到的来自道路的信息、GPS信息等、来自加速器踏板和制动踏板(未示出)的输出请求(包括制动请求)、以及来自允许选择驾驶模式的选择开关(驾驶模式选择装置；未示出)的选择信息来执行对发动机电子控制单元、电动机电子控制单元和集电器电子控制单元的集成控制。主要的车辆驾驶模式是外部供电模式和自主供电模式，在外部供电模式中，车辆仅由来自至少一个电动机的旋转驱动力驱动，在自主供电模式中，车辆由来自发动机和/或使用电力存储装置的至少一个电动机的旋转驱动力驱动。所述选择开关允许驾驶员选择这些驾驶模式中的任一个，并且还允许选择其中由ECU自动地选择驾驶模式的自动选择模式。
当使用所述选择开关来选择自动选择模式时，ECU可充当驾驶模式选择装置。在道路配备有架空电线114且车辆101正在配备有架空电线114的行车道中行使且能够从架空电线114收集电力的情形下，首要选择外部供电模式。在能够从架空电线114收集电力的情形下尤其需要电力时，自动地选择组合式驾驶模式。在无法从架空电线114收集电力的情形下，首要选择自主供电模式。ECU还可选择如下的组合式驾驶模式：其中，车辆由来自至少一个电动机的旋转驱动力和来自发动机的旋转驱动力的组合来驱动。
可使用传感器(例如，相机)来确定是否能够从架空电线114收集电力，该传感器设置在受电弓112附近并检测是否存在架空电线114。当从该传感器获得了检测信息时，确定能够从架空电线114收集电力，而当未从传感器获得检测信息时，确定不能从架空电线114收集电力。ECU可设有车辆位置确定装置，用于确定受电弓112是否处于它们能够从架空电线114接收电力的位置。ECU还具有架空电线确定装置，用于基于输入到ECU的来自道路的信息和GPS信息来确定在车辆101正行驶的车道上是否设有架空电线114。在使用至少一个电动机的外部供电模式(外部供电模式或组合式驾驶模式)中，当架空电线确定装置确定架空电线114在车辆101当前正行驶的车道中中断时，无论在车辆101进入未设有架空电线114的区域之前所述选择开关选择了哪种驾驶模式，ECU都自动切换到自主供电模式。当车辆位置确定装置确定受电弓112处于它们能够从架空电线114接收电力的位置时，以相反的顺序执行上述过程。在选择了不使用电动机的内燃机驾驶模式的情形中，如果发动机停机，则起动发动机，且致动器115受到控制以将受电弓112设定在缩回位置以便阻止它们收集电力。
图1B示出卡车形式的车辆131，该卡车具有前车轴132和一个后车轴133。与图1A中一样，车辆131设有自主供电装置，该自主供电装置包括内燃机(ICE)135，内燃机(ICE)135连接到第一电动机-发电机(EM1)136和变速箱137，该变速箱137例如是手自一体变速箱(AMT)，用于将扭矩经由驱动轴138传递到后车轴133。第一电动机-发电机(EM)136(下文称为电动机)可被提供有来自车载能量存储***(例如，电池)或外部供电装置(例如，架空电线)的电力。下文中将更详细地描述这一点。发动机135、电动机136、变速箱137和驱动轴138构成第一驱动力传递***，该第一驱动力传递***将发动机135和/或第一电动机136的旋转驱动力传递到后车轴133。第二电动机-发电机(EM2)140被设置用于驱动该变速箱137后方的驱动轴138。
替代地，类似于图1A所示的方案，该第二电动机可邻近后车轴133布置在下方，并经由第二驱动轴连接到该车轴。
第二电动机-发电机136构成将第二电动机-发电机136的旋转驱动力传递到后车轴133的第二驱动力传递***。第二电动机-发电机140(下文称为第二电动机)可被提供有来自外部供电装置(例如，架空电线)和/或车载能量存储***(例如，电池(未示出))的电力。
为了将电力供应到第一电动机136和/或第二电动机140，受电弓142(示出了一个)作为集电器143的电力回收单元而设置在车辆131的上部中。受电弓142可在驾驶室139后方安装到车辆131的上部，如图1A所示，或安装到驾驶室自身上，如图1B所示。电力从设在道路上方的架空电线144经由受电弓142供应到第一电动机136和/或第二电动机140。架空电线144包括一对架空电线(示出了一个)，且受电弓142也包括一对受电弓。受电弓142分别连接到这两条架空电线144。假定直流(DC)被供应到架空电线144，且这两条架空线中的一条是被供应有直流的供电线，而另一条充当电力返回线。集电器143包括受电弓142和致动器145，该致动器145用于升高和降低受电弓142。受电弓142适于在运行位置与缩回位置之间被驱动，在运行位置处，受电弓142从架空电线144接收电力，如图1B中的实线所示，而在缩回位置处，受电弓142不接收电力，如图1B中的虚线所示。
图1B中的车辆131设有发动机电子控制单元(未示出)，作为用于控制发动机135和变速箱137的内燃机控制装置。电动机电子控制单元(未示出)设置为用于控制第一电动机136和第二电动机140的电动机控制装置，并且，集电器电子控制单元(未示出)被设置为用于控制集电器143的集电器控制装置。为了进行整体控制，电子控制单元(ECU；未示出)被设置为集成控制装置，用于执行发动机电子控制单元、发动机电子控制单元和集电器电子控制单元的集成控制。该电子控制单元是车辆中的供电***150的一部分，该***控制并将电力供应到第一和第二电动机136、140和能量存储***(例如，电池)，以及从第一和第二电动机136、140和能量存储***(例如，电池)供应电力。供电***150是车辆的混合能量***的一体部分，且包括用于连接集电器143、第一和第二电动机136、140以及能量存储***的必需的电力电子器件。该混合能量***的运行以与上文针对图1描述的***相同的方式进行，其不同之处在于布置了两个电动机来驱动同一个后车轴133。
图2A示出根据第一实例的具有混合能量***的车辆201的示意图。在此实例中，该混合能量***包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施或电网。车辆201被布置成：在自主供电模式中，使用车载能量存储***202来运行；在外部供电模式中，使用来自架空电线203的电力来运行；或者，在组合式自主和外部供电模式中，使用来自这两个电力源的电力来运行。该混合动力车辆中的电能存储***包括电池，但也可使用任何适当的技术，例如超级电容器、燃料电池和飞轮。
图2A中的混合能量***包括高压推进***，该高压推进***在车辆201内被划分为两个部分或两个高压电路204、205。第一高压电路204包括第一牵引电动机206，该第一牵引电动机206由第一电力转换器207连接到能量存储***以推进车辆。在此情况下，该能量存储***是电池202，该电池202由常规继电器和接触器208连接到第一高压***，从而允许电池202与该***连接和断开。第二高压电路205包括第二牵引电动机210，该第二牵引电动机210能够由直接连接到第二电力转换器212的集电器211连接到外部电力源203以推进车辆。集电器211由常规继电器和接触器213连接到第二高压电路205，从而允许集电器211与该***连接和断开。第一电力转换器207和第二电力转换器212是直流/交流转换器，用于将各自的高压电路204、205中的直流高压转换为交流电压，以驱动第一交流电动机和第二交流电动机。该第一牵引电动机和第二牵引电动机是三相交流电动机。第一牵引电动机206和第二牵引电动机210可作为电动机运行，用于推进车辆，或者可作为发电机运行，用于能量的再生。当这些电动机在发电机模式中运行时，相应的第一电力转换器和第二电力转换器作为整流器运行。
第一牵引电动机206和第二牵引电动机210分别机械连接到第一从动车轴215和第二从动车轴216，第一从动车轴215和第二从动车轴216各自设有一对车轮217、218。第一牵引电动机206经由传动系间接连接到第一从动车轴215，该传动系包括手自一体变速箱219、第一驱动轴220和差速器221。第二牵引电动机210经由第二驱动轴222和差速器223直接连接到第二从动车轴216。此传动系的布局在图1A中被示意性地示出。或者，第二车轴可设有一对车轮电动机。
第一高压电路204和第二高压电路205在相同电压或类似电压下运行，且能够由第三电力转换器214连接，该第三电力转换器214作为桥接器而位于第一和第二高压电路204、205与第一和第二直流/交流转换器207、212之间。第三电力转换器214是直流/直流电力转换器。在此上下文中，术语“高压”表示在500V到800V的优选范围内的电压。举例来说，第一高压电路可在500V到700V下运行，第二高压电路可在550V到800V下运行。
其一个优点在于，来自外部供电装置的所有电力并非都需要经过该桥接器。实际上，该电力的主要部分可由车辆直接用在第二高压电路中。通过使用混合动力***中的能量存储***，将能够减小直流/直流转换器的所需尺寸。另一个优点是：通过划分该高压***，该第三转换器或直流/直流转换器不需要处于混合动力车辆的推进***的全功率范围下。这进一步减小了第三转换器的尺寸和成本。举例来说，与传统***相比，在根据本发明的***中，直流/直流转换器的连续额定值可为50kW到100kW。在直流/直流转换器处理来自外部供电装置的所有电力的传统***中，根据***的布局，连续额定值可为150kW到300kW。直流/直流电力转换器的定位还允许极其灵活的使用和多个可选的运行模式，每个运行模式都允许更能量有效的运行和减少的能量损耗。将在下文中给出这种运行模式的实例。
该自主供电装置还包括内燃机224，该内燃机224经由离合器(未示出)连接到第一牵引电动机206。发动机224可用于经由传动系来驱动第一从动车轴，或用于通过将第一牵引电动机206作为发电机运行、使用第一电力转换器207作为整流器来对能量存储***202充电。
第二高压电路205可连接到外部供电装置203(在此情形中，为架空电线225、226的形式)。可通过安装在车辆上的适当位置处的常规受电弓来接触该架空电线225、226(参见图1A和图1B)。直流被供应到架空电线225、226，且这两条架空线中的一条是被供应有直流的供电线，而另一条充当电力返回线。替代地，可使用邻近于车辆所沿的路线的路旁轨道或路面中的凹陷式轨道。
图2B示出根据第二实例的具有混合能量***的车辆的示意图。图2B所示的***基本上与图2A的***相同，其中，相同的附图标记用于表示相同的部件。图2B中的***的不同之处在于：可控开关230与第三电力转换器214并联连接。开关230布置成：当开关230闭合时，开关230旁通第三电力转换器214，从而允许使用另外的运行模式。这种“旁通”在第一高压电路204与第二高压电路205之间产生直接连接，由此，能够避免直流/直流转换器中的损耗。可控开关230的运行由所选择的运行模式决定，在下文中将描述这些模式。
图3A示出根据第三实例的具有混合能量***的车辆301的示意图。在此实例中，该混合能量***包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施或电网。车辆301被布置成：在自主供电模式中，使用车载能量存储***302来运行；在外部供电模式中，使用来自架空电线303的电力来运行；或者，在组合式自主和外部供电模式中，使用来自这两个电力源的电力来运行。该混合动力车辆中的电能存储***包括电池，但也可使用任何适当的技术，例如超级电容器、燃料电池和飞轮。
图3A中的混合能量***包括高压推进***，该高压推进***在车辆301内被划分为两个部分或两个高压电路304、305。第一高压电路304包括第一牵引电动机306，该第一牵引电动机306由第一电力转换器307连接到能量存储***以推进车辆。在此情况下，该能量存储***是电池302，该电池302由常规继电器和接触器308连接到第一高压***，从而允许电池302与该***连接和断开。第二高压电路305包括第二牵引电动机310，该第二牵引电动机310能够由直接连接到第二电力转换器312的集电器311连接到外部电力源303以推进车辆。集电器311由常规继电器和接触器313连接到第二高压电路305，从而允许集电器311与该***连接和断开。第一电力转换器307和第二电力转换器312是直流/交流转换器，用于将各自的高压电路304、305中的直流高压转换为交流电压，以驱动第一交流电动机和第二交流电动机。该第一牵引电动机和第二牵引电动机是三相交流电动机。第一牵引电动机306和第二牵引电动机310可作为电动机运行，用于推进车辆，或者可作为发电机运行，用于能量的再生。当这些电动机在发电机模式中运行时，相应的第一电力转换器和第二电力转换器作为整流器运行。
第一牵引电动机306和第二牵引电动机310均机械连接到共用的第一从动车轴315，该第一从动车轴315设有一对车轮317。第一牵引电动机306经由传动系间接连接到第一从动车轴315，该传动系包括手自一体变速箱319、第一驱动轴320和差速器321。第二牵引电动机310经由第二驱动轴328和共用的差速器321直接连接到第一从动车轴315。此传动系的布局在图1B中被示意性地示出。
第一高压电路304和第二高压电路305在相同电压或类似电压下运行，且可由第三电力转换器314连接，该第三电力转换器314作为桥接器而位于第一和第二高压电路304、305与第一和第二直流/交流转换器307、312之间。第三电力转换器314是直流/直流电力转换器。在此上下文中，术语“高压”表示在500V到800V的优选范围内的电压。举例来说，第一高压电路可在500V到700V下运行，第二高压电路可在550V到800V下运行。
如上文所指示的，其一个优点在于，来自外部供电装置的所有电力并非都需要经过该桥接器。而是，该电力的主要部分可由车辆直接用在第二高压电路中。通过使用混合动力***中的能量存储***，将能够减小直流/直流转换器的所需尺寸。另一个优点是：通过划分该高压***，该第三转换器或直流/直流转换器不需要处于混合动力车辆的推进***的全功率范围下。这进一步减小了第三转换器的尺寸和成本。举例来说，与传统的***相比，在根据本发明的***中，直流/直流转换器的连续额定值可为50kW到100kW。在直流/直流转换器处理来自外部供电装置的全部电力的传统***中，根据***的布局，连续额定值可为100kW到300kW。直流/直流电力转换器的定位还允许极其灵活的使用和多个可选的运行模式，每个运行模式都允许更能量有效的运行和减少的能量损耗。将在下文给出这种运行模式的实例。
该自主供电装置还包括内燃机324，该内燃机324经由离合器(未示出)连接到第一牵引电动机306。发动机324可用于经由传动系来驱动第一从动车轴315，或用于通过将第一牵引电动机306作为发电机运行、使用第一电力转换器307作为整流器来对能量存储***302充电。
第二高压电路305可连接到外部供电装置303(在此情形中，为架空电线325、326的形式)。可通过安装在车辆上的适当位置处的常规受电弓来接触该架空电线325、326(参见图1A和图1B)。直流被供应到架空电线325、326，且这两条架空线中的一条是被供应有直流的供电线，而另一条充当电力返回线。或者，替代地，可使用邻近于车辆所沿的路线的路旁轨道或路面中的凹陷式轨道。
图3B示出根据第四实例的具有混合能量***的车辆的示意图。图3B所示的***基本上与图3A的***相同，其中，相同的附图标记用于表示相同的部件。图3B中的***的不同之处在于：可控开关330与第三电力转换器314并联连接。开关330布置成：当开关330闭合时，开关330旁通第三电力转换器314，从而允许使用另外的运行模式。这种“旁通”在第一高压电路304与第二高压电路305之间产生直接连接，由此，能够避免直流/直流转换器中的损耗。可控开关330的运行由所选择的运行模式决定，在下文中将描述这些模式。
图3C示出根据第五实例的具有混合能量***的车辆的示意图。图3C所示的***基本上与图3A的***相同，其中，相同的附图标记用于表示相同的部件。图3C中的***的不同之处在于：第二牵引电动机310由动力输出变速箱329直接连接到第一从动车轴315。以此方式，该第二牵引电动机经由第一驱动轴320和共用的差速器321连接到第一从动车轴315并经由变速箱319连接到第一牵引电动机306。
图3C中的布置可用于通过在车辆静止时将第一牵引电动机306作为发电机运行而用于对能量存储***302充电。第二牵引电动机310则利用外部供电装置303而运行。在此模式中，第二牵引电动机310通过适当齿轮组、经由第一驱动轴320、变速箱319来驱动第一牵引电动机306。如果需要，动力输出变速箱329还允许第二牵引电动机310辅助第一牵引电动机306和/或内燃机324。
上述混合能量***设有自主供电装置且能够连接到沿着车辆201、301的路线的外部供电设施。如图1A-图1B和图2A-图2B所示，该混合能量***包括第一高压电路204、304和第二高压电路212、312，第一高压电路204、304包括由第一直流/交流转换器207、307连接到能量存储***202、302的用于推进车辆的第一牵引电动机206、306，该第二高压电路包括由第二直流/交流转换器212、312连接到外部电力源203、303的用于推进车辆的第二牵引电动机210、310。第一高压电路204、304和第二高压电路205、305可由直流/直流转换器214、314连接。可选地，并联的可控开关230、330设置在第一直流/交流转换器207、307与第二直流/交流转换器212、312之间，从而旁通所述直流/直流转换器214、314。
本发明涉及在多个可选的模式中的任一种模式下运行混合能量***，所述运行模式至少包括：
·自主供电模式，该自主供电模式涉及使用能量存储***202来运行第一牵引电动机207；
·外部供电模式，该外部供电模式涉及连接直流/直流转换器214、314并使用外部电力源203、303来运行第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310中的一者或二者；以及
·组合式自主和外部供电模式，该组合式自主和外部供电模式涉及使用能量存储***202、302来运行第一牵引电动机206、306以及使用外部电力源203、303来运行第二牵引电动机210、310。
在自主供电模式中，当外部供电装置203、303被断开时，能量存储***202、302用于车辆的电动运行。能量存储***202、302可用于通过经由第一直流/交流转换器207、307直接使用能量存储***202、302而仅运行第一牵引电动机206、306。
在外部供电模式中，第二牵引电动机210、310能够经由第二直流/交流转换器212、312直接连接到外部供电装置203、303，而在直流/直流转换器214、314中未招致损耗。此外，外部供电装置203、303还能够经由直流/直流转换器214、314和第一直流/交流转换器207、307连接到第一牵引电动机206、306，以便运行第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310两者。在后一种运行模式期间，能够从外部供电装置203、303对能量存储***202、302充电。
在组合式自主和外部供电模式中，能够经由第一直流/交流转换器207、307使用能量存储***202、302来运行第一牵引电动机206、306，且能够经由第一直流/交流转换器207、307使用外部供电装置203、303来运行第二牵引电动机210、310。在此情况下，第二牵引电动机210、310可由外部供电装置203、303直接驱动，而在直流/直流转换器214、314中未招致损耗。
如上文所指示的，本发明实现了灵活的混合能量***，该混合能量***可在将直流/直流转换器214、314的使用最小化的同时在多个可选的模式中运行。可通过图1A-图1B和图2A-图2B所示的实例中的任一者来执行上述三种基本模式。通过直流/直流转换器214、314的定位，使得这种灵活性成为可能。对直流/直流转换器的减小的功率要求允许直流/直流转换器针对相对小的功率额定值被设定尺寸。这进而允许具有极高效率且减少了发热的、尺寸较小且重量较轻的直流/直流转换器。
根据另外得实例，该混合能量***能够在可选的自主供电模式中运行，该自主供电模式涉及旁通所述直流/直流转换器214、314并使用能量存储***202、302来运行第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310二者。在此实例中，能量存储***202、302可用于通过控制所述开关230、330来运行第一牵引电动机与第二牵引电动机二者，该开关230、330并联连接以旁通直流/直流转换器214、314。能量存储***202、302还可用于通过经由第二直流/交流转换器212、312直接使用能量存储***202、302来运行第二牵引电动机210、310。在后一种情况下，第二牵引电动机210、310可由能量存储***202、302直接驱动，而在直流/直流转换器214、314中未招致损耗。取决于车辆传动系的设计，第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310可用于分别驱动独立的第一从动车轴215、315和第二从动车轴216、316(图2B)，或用于驱动共用的从动车轴315(图3B)。
根据又一个另外的实例，通过旁通直流/直流转换器214、314，该混合能量***能够在可选的外部供电模式中运行。此实例涉及：使用将能量存储***202、302连接到第一高压电路的现有接触器208、308来断开能量存储***202、302；以及经由第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310各自的电力转换器207、307、212、312、使用外部供电装置203、303来运行第一牵引电动机206、306与第二牵引电动机210、310两者。如先前的实例中一样，第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310可用于分别驱动独立的第一从动车轴215、315和第二从动车轴216、316(图2B)，或用于驱动共用的从动车轴315(图3B)。
通过允许电力从车载能量存储***202、302或外部供电装置203、303直接供应到第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310而在直流/直流转换器214、314中未招致损耗，这两个可选的运行模式有助于提高混合能量***的灵活性。可通过图2B和图3B所示的实例中的任一个来执行上述可选的模式，其中，可控开关230、330被设置为用于旁通该直流/直流转换器。
本发明的混合能量***还可在多个可选的再生运行模式中运行，从而增加该***的灵活性。
根据另一个实例，该混合能量***可在第一可选的再生运行模式中运行。在第一可选的再生模式中，使用外部供电装置203、303来驱动第二牵引电动机210、310以驱动地面接合元件。如上所述，第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮217、218的从动车轴215、216。
因此，当第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310机械连接到各自的地面接合元件时，第二牵引电动机210、310可经由该地面接合元件来间接驱动第一牵引电动机206、306。第二牵引电动机210、310驱动一个地面接合元件，由此，另一个地面接合元件驱动第一牵引电动机206、306以对能量存储***202、302充电。为此目的，第一直流/交流转换器207、307可用作整流器。
为此目的，该第一可选的再生模式可用于在直流/直流转换器214、314无法供应充足电力时对能量存储***202、302充电。可通过图2A和图2B所示的实例中的任一个来执行上文所述的这种第一再生模式，其中提供了两个单独的车轴215、216。
根据另一实例，该混合能量***可在第二可选的再生运行模式中运行。在第二可选的再生模式中，通过使用并联安装以旁通该直流/直流转换器214、314的可控开关230、330并使用地面接合元件将第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310中的一者或二者作为发电机运行，电力被供应到外部供电装置203、303。如上所述，第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮217、218；317的从动车轴215、216；315。第二可选的再生模式可用于在不使用行车制动器的情况下或在下坡行驶时对车辆制动，而不是使用压缩制动。动能由一个或两个牵引电动机206、210；306、310转换为电能，且经由相应的第一电力转换器和/或第二电力转换器直接供应到外部供电装置203、303。
第二可选的再生模式允许所再生的电力返回到电网而不使用直流/直流转换器214、314。可通过图2B和图3B所示的实例中的任一个来执行这种第二可选的再生模式，其中，可控开关230、330被设置为用于旁通该直流/直流转换器214、314。
根据又一实例，该混合能量***可在第三可选的再生运行模式中运行。在第三可选的再生模式中，通过使用并联安装以旁通直流/直流转换器214、314的可控开关230、330并使用地面接合元件将第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310中的一者或二者作为发电机运行，电力被供应到能量存储***202、302。如上所述，第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310均能够机械连接到各自的或共用的地面接合元件，例如，设有一对车轮217、218；317的从动车轴215、216；315。第二可选的再生模式可用于在不使用行车制动器的情况下或在下坡行驶时对车辆制动，而不是使用压缩制动。动能由一个或两个牵引电动机206、210；306、310转换为电能，并经由相应的第一电力转换器和/或第二电力转换器直接供应到能量存储***202、302。在此运行期间，外部供电装置203、303必须被断开。
第三可选的再生模式允许所再生的电力返回到能量存储***202、302而不使用直流/直流转换器214、314。可通过图2B和图3B所示的实例中的任一个来执行这种第二可选的再生模式，其中，可控开关230、330被设置为用于旁通该直流/直流转换器214、314。
根据又一实例，该混合能量***可在第四可选的再生运行模式中运行。在第四可选的再生运行模式中，使用外部供电装置203、303来驱动第二牵引电动机210、310。当第一牵引电动机206、306和第二牵引电动机210、310机械连接到共用的地面接合元件时，第二牵引电动机210、310可经由变速箱中的机械连接而直接驱动第一牵引电动机206、306，以对能量存储***202、302充电。这涉及将两个牵引电动机与车辆变速箱的将牵引电动机连接到地面接合元件的部分断开。然后使用第二牵引电动机来驱动第一牵引电动机206、306，以对能量存储***202、302充电。
第四可选的再生模式可用于在车辆静止时对能量存储***202、302充电而不使用直流/直流转换器214、314。可通过图3A和图3B所示的实例中的任一个来执行上文所述的这种第四再生模式，其中，提供了共用的车轴315。
第五可选的再生模式也用于在车辆静止时对能量存储***202、302充电而不使用直流/直流转换器214、314。可通过图3C所示的实例来执行上文所述的该第五再生模式，其中，两个牵引电动机306、310都连接到第一驱动轴。这种布置在市区运行条件下是有利的，在市区运行条件下，车辆在公交站、交通信号灯处或排队等候过程中频繁停车。
图4示出包括传统混合能量***的车辆401的示意图。车辆401具有混合动力传动系，该混合动力传动系具有包括内燃机402的自主供电装置、第一牵引电动机403、变速箱404以及用于驱动第一从动车轴406的驱动轴405。外部供电装置407提供来自架空电线408、409的电力，该架空电线408、409可连接到集电器411，该集电器411由常规继电器和接触器413以及直流/直流转换器414连接到高压电路412。可通过电池415或外部供电装置407由高压电路412驱动第一牵引电动机403，该电池415或外部供电装置407经由第一直流/交流转换器416连接到电动机403。可通过电池415或外部供电装置407由高压电路412驱动第二牵引电动机417，该电池415或外部供电装置407经由第二直流/交流转换器418连接到电动机417。
对于设有蓄电池的这种混合动力车辆来说，电力转换器的尺寸必须设定为使得其连续额定值等于该推进***的平均功率要求。对于类似于图1A到图1B所示的车辆的商用车辆(例如，卡车)，该连续额定值将是至少100-150kW。这种布置将用于主要使用集电***而运行的车辆，其中该发动机可用于对蓄电池充电。对于未设有蓄电池的类似布置来说，直流/直流转换器的尺寸必须设定为使得其连续额定值等于该推进***的峰值功率要求，即，至少200-300kW。在直接连接到高压集电***407的高压电路412中，如图4所示，来自外部供电装置407的所有电力都必须经过直流/直流转换器414。这招致了转换损耗且产生了需要冷却的热量，这会降低总***效率并增加对车辆冷却***的需求。此类电力转换器还将是相对大且昂贵的。
本发明还涉及一种计算机程序、计算机程序产品和用于计算机的存储介质，它们都将与计算机一起使用，用于执行上文的任一个实例中描述的方法。
图5示出根据本发明的一个实施例的设备500，该设备500包括非易失性存储器520、处理器510和读写存储器560。存储器520具有第一存储器部分530，其中，用于控制该设备500的计算机程序存储在第一存储器部分530中。存储器部分530中的用于控制该设备500的计算机程序可以是操作***。
设备500可例如封装在控制单元(例如，控制单元45)中。数据处理单元510例如可包括微型计算机。
存储器520还具有第二存储器部分540，用于控制根据本发明的目标档位选择功能的程序存储在该第二存储器部分540中。在替代性实施例中，用于控制变速箱的程序存储在单独的、用于数据的非易失性存储介质550中，例如，CD或可交换半导体存储器。该程序还能够以可执行程序的形式存储或存储在压缩状态下。
当下文阐述数据处理单元510运行特定功能时，应当清楚，数据处理单元510正在运行该存储器540中存储的程序的特定部分或正在运行非易失性存储介质550中存储的程序的特定部分。
数据处理单元510被适配为通过数据总线514而与存储器550通信。数据处理单元510还被适配为通过数据总线512而与存储器520通信。此外，数据处理单元510被适配为通过数据总线511而与存储器560通信。数据处理单元510还被适配为通过使用数据总线515而与数据端口590通信。
根据本发明的方法可由数据处理单元510通过以下方式执行：该数据处理单元510运行存储器540中存储的程序或运行非易失性存储介质550中存储的程序。
本文描述的本发明解决了上述问题，且相比于传统的混合动力电动车辆***具有若干个优点，例如：
i.通过直接连接到外部供电装置的一个或多个机械，能够从外部供电装置获取并直接施加驱动车辆所需的平均功率，而无直流/直流转换器的损耗。
ii.通过连接到车辆电路的一个或多个机械，所回收的制动能量可直接存储在能量层或直接从能量层获取，而无直流/直流转换器的效率损失。
iii.在针对任务的功率与能量要求来设定能量层的尺寸时，需要从外部供电装置输送到车辆电路的电力是在制动能量加辅助负荷的循环中引起的最少损耗。这种水平的电力可由远小于传统***中的直流/直流转换器从外部供电装置输送到车辆电路、或在极端情况下通过提高与外部供电装置直接连接的机械的功率额定值和通过由其它电气机械回收电力而从外部供电装置输送到车辆电路。以此方式，虽然有较小的效率降低，但经由所述道路从外部供电装置到车辆电路能够发生电流隔离的电力输送。
iv.添加单独的电动推进***来代替传统混合动力传动系中利用较大电动机的额外益处在于：车辆制造商能够将原始混合动力***的此部分的相同平台用于针对外部供电装置或并非针对外部供电装置而设计的应用。对于诸如电气化道路***(ERS)的外部供电装置来说，需要高压部件及其周围环境的电隔离，在传统上，还将阻抗监视器添加到该外部供电电压***，以便验证外部供电部件是否与车辆底盘适当地隔离。相比于增加混合动力***(这将是第一高压电路的基础)的隔离成本，将这种隔离添加到外部供电应用所需的少量额外部件(并进行监视)较不复杂，且成本较低。由于外部供电应用最初将具有较小体积，所以，相比于将成本添加到传统上在许多其它产品中使用的平台设计，将额外的隔离成本添加到外部供电部件是更佳的，且更有效。
本发明不应视为仅限于上文所述的实施例，而是，在后附的权利要求书的范围内，可构思出许多进一步的修改和变型。

Claims (20)

1.车辆中的混合能量***，所述混合能量***包括自主供电装置且能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施，且所述车辆被布置成在自主供电模式和/或外部供电模式中运行，其特征在于，所述***包括：第一高压电路(204、304)，所述第一高压电路(204、304)包括第一牵引电动机(206、306)，所述第一牵引电动机(206、306)由第一电力转换器连接到能量存储***(202、302)，用于推进所述车辆；第二高压电路(205、305)，所述第二高压电路(205、305)包括第二牵引电动机(210、310)，所述第二牵引电动机(210、310)能够由第二电力转换器(212、312)连接到外部供电装置(203、303)，用于推进所述车辆；并且其中，所述第一高压电路(204、304)和所述第二高压电路(205、305)能够由在所述第一电力转换器(207、307)和所述第二电力转换器(212、312)之间的第三电力转换器(214、314)连接。
2.根据权利要求1所述的混合能量***，其特征在于，所述第一电力转换器(207、307)和所述第二电力转换器(212、312)是直流/交流电力转换器。
3.根据权利要求1或2所述的混合能量***，其特征在于，所述第三电力转换器(214、314)是直流/直流电力转换器。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的混合能量***，其特征在于，所述能量存储***(202、302)是高压电池。
5.根据权利要求1到4中的任一项所述的混合能量***，其特征在于，所述自主供电装置包括连接到所述第一牵引电动机(206、306)的内燃机。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的混合能量***，其特征在于，所述第二高压电路(205、305)能够连接到呈架空电线或轨道形式的外部供电装置(203、303)。
7.根据权利要求1到6中的任一项所述的混合能量***，其特征在于，所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)连接到各自的从动车轴。
8.根据权利要求1到6中的任一项所述的混合能量***，其特征在于，所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)连接到同一个从动车轴。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的混合能量***，其特征在于，可控开关(230、330)与所述第三电力转换器(214、314)并联连接，且所述开关被布置成：当所述开关闭合时，所述开关旁通所述第三电力转换器(214、314)。
10.一种用于运行车辆中的混合能量***的方法，所述混合能量***包括：
-自主供电装置，且所述混合能量***能够连接到沿着所述车辆的路线的外部供电设施；
-第一高压电路(204、304)，所述第一高压电路(204、304)包括用于推进所述车辆的第一牵引电动机(206、306)，所述第一牵引电动机(206、306)由第一电力转换器(207、307)连接到能量存储***(202、302)；
-第二高压电路(205、305)，所述第二高压电路(205、305)包括用于推进所述车辆的第二牵引电动机(210、310)，所述第二牵引电动机(210、310)能够由第二电力转换器(212、312)连接到外部供电装置(203、303)；
-并且其中，所述第一高压电路(204、304)和所述第二高压电路(205、305)能够由第三电力转换器(214、314)和与第三电力转换器并联的可控开关连接，所述第三电力转换器(214、314)和所述可控开关在所述第一电力转换器(207、307)和所述第二电力转换器(212、312)之间，
其特征在于，所述方法涉及在多个可选的模式中运行所述混合能量***，所述可选的模式至少包括：
-自主供电模式，所述自主供电模式涉及：使用所述能量存储***(202、302)来运行所述第一牵引电动机(206、306)；
-外部供电模式，所述外部供电模式涉及：连接所述第三电路转换器(214、314)并使用所述外部供电装置(203、303)来运行所述第一牵引电动机(206、306)和第二牵引电动机(210、310)中的一者或二者；以及
-组合式自主和外部供电模式，所述组合式自主和外部供电模式涉及：使用所述能量存储***(202、302)来运行所述第一牵引电动机(206、306)并使用所述外部供电装置(203、303)来运行所述第二牵引电动机(210、310)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在另一个可选的自主供电模式中运行所述混合能量***，涉及：旁通所述第三电力转换器(214、314)并使用所述能量存储***(202、302)来运行所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)二者。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过以下方式在另一个可选的外部供电模式中运行所述混合能量***：旁通所述第三电力转换器(214、314)，断开所述能量存储***(202、302)并使用所述外部供电装置(203、303)来运行所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)二者。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在再生模式中运行所述混合能量***，在所述再生模式中，使用所述外部供电装置(203、303)来驱动所述第二牵引电动机(210、310)以驱动地面接合元件，并且使用另一地面接合元件来驱动所述第一牵引电动机(206、306)以对所述能量存储***(202、302)充电。
14.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在再生模式中运行所述混合能量***，在所述再生模式中，通过旁通所述第三电力转换器(214、314)并使用地面接合元件运行所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)中的一者或二者而将电力供应到所述外部供电装置(203、303)。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在再生模式中运行所述混合能量***，在所述再生模式中，通过断开所述外部供电装置(203、303)且旁通所述第三电力转换器(214、314)并使用地面接合元件运行所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)中的一个或二者而将电力供应到所述能量存储***(202、302)。
16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，通过以下方式在外部供电模式中运行所述混合能量***：连接所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)并将所述第一牵引电动机(206、306)和所述第二牵引电动机(210、310)从车辆传动系断开，并且使用所述第二牵引电动机来驱动所述第一牵引电动机(206、306)以对所述能量存储***(202、302)充电。
17.一种车辆，其特征在于，所述车辆是包括根据权利要求1到9中的任一项所述的混合能量***的商用车辆。
18.一种计算机程序，所述计算机程序包括用于当所述程序在计算机上运行时执行权利要求10到16中的任一项所述的所有步骤的程序代码。
19.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在计算机可读介质上的程序代码，当所述程序产品在计算机上运行时，所述程序代码执行权利要求10到16中的任一项所述的所有步骤。
20.一种在计算环境中使用的存储介质，例如计算机存储器(520)或非易失性数据存储介质(550)，所述存储器包括计算机可读程序代码以执行权利要求10到16所述的方法。
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