電氣車輛的電源系統的製作方法
2023-10-31 04:40:32
專利名稱：電氣車輛的電源系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種其車輪由包括可再充電高能電池和可再充電高功率電池之組合的直流電源供電的電氣車輛(需要時，將諸如單獨由電池供電的電氣車輛簡稱為「電氣車輛」)，本發明還涉及一種電源系統，用於由直流電源和內燃機之組合供電的混合式電氣車輛。
圖5是示出公知的串聯型混合式電氣車輛的動力系的示圖。在圖中，標號1指發動機；2指發電機(發動機和發電機可以統稱為「發動機驅動型發電機」)；3指整流器；4指主電池；5指逆變器；6指車輛驅動電動機；7指減速齒輪；8指差速齒輪；91指右車輪；92指左車輪；10指輔助電池；11指用於對輔助電池10再充電的DC-DC轉換器；12指和輔助裝置一起使用的電池；13指被共同組合的輔助裝置，如空調機。
在功率產生效率和減少發動機廢氣方面，發動機驅動型發電機通常以最佳發動機速度在最佳的負載下工作。具體而言，發動機驅動型發電機不參照車輛的速度，在規定的驅動條件下工作，由此通過整流器3對主電池4再充電。
已經通過在主電池4被再充電至規定值或者更高時使發電機2不工作，而為更進一步提高效率和減少汙染進行了努力。
在這種系統中，發動機1的功率被減小到小於加速車輛一般所需的最大功率的功率值，並從主電池4提供加速車輛所需的功率。當發動機1的功率大於車輛恆定驅動時的的驅動力時，主電池4以發動機過剩的功率由發電機2和整流器3再充電。
當車輛在制動狀態下時，車輛的部分動能通過再生，由電動機6和逆變器5存儲在主電池4中。同時，整流器3以逆變器模式工作，發電機2以電動機模式工作。結果，如在發動機驅動的車輛的情況那樣，發動機的制動被提供給車輛。如果缺乏電制動力，則如在未說明發動機驅動車輛的情況那樣，車輛被機械地制動。
另外，當發動機1關閉時，發電機2不產生任何功率。在這種狀態下，車輛的驅動力和用於輔助裝置的功率由主電池4提供。
電氣車輛的動力系和圖5中所示的動力系相同，但車輛沒有設置發動機1、發電機2和整流器3。車輛所需的所有功率都由主電池4提供。主電池4由未說明的外部電源再充電。
此電氣車輛不產生任何廢氣，不然，它可能作為發動機工作的結果而產生，因此這種電氣車輛相應於一種零排放車輛。
如上所述，這種公知的串聯型混合式電氣車輛在恆定的驅動中由發動機驅動型發電機供電，而加速車輛所需功率的不足部分由來自主電池4的供應補償。在當發動機處於不工作狀態，或輔助裝置所需的功率大於由發動機驅動型發電機產生的功率時需要運行功率，或者即使在恆定驅動中所需的運行功率大於由發動機驅動型發電機產生的功率的情況下，功率的不足部分需由來自主電池4提供的功率補償。為了這些原因，主電池4必需由產生高功率的電池，即，高功率(或者高功率密度)電池構成。
和公知的電氣車輛一起使用的目前較佔優勢的主電池是利用化學反應的化學電池，諸如鉛蓄電池、鎳-氫蓄電池，或者鋰-離子蓄電池。當然，這種主電池在原理上和用於混合型電氣車輛的主電池相同，因此，是高功率型的。需要一種產生更大功率的電池。
下面，將描述以再生制動為特色的混合式電氣車輛或普通電氣車輛。如上所述，當車輛在制動狀態時，車輛的動能通過再生由電動機6和逆變器5存儲在主電池4中。這種類型的電氣車輛主要的特徵是在加速操作時積聚的部分能量可以在制動車輛時再生。
制動通常比加速在更短的時間內產生相同數量的功率。這意味著制動功率大於加速功率。另外，化學電池通常在再充電時比在放電時受到更大的損耗。
為了這些原因，對混合式電氣車輛或者一般電氣車輛來說再生所有由制動產生的功率是不可能的。按照目前情況，由制動產生的大部分能量通過機械制動而轉換為熱量。
這意味著產生的功率的部分以熱量的形式排出。通過在制動操作時儘可能多地再生功率來提高能量的利用效率提出了一個重要的問題。
作出本發明以採用相關的技術解決上述問題，因此本發明的一個目的是提供一種電氣車輛的電源系統，它能夠通過在制動操作時儘可能多地再生功率來提高能量的利用效率以改善混合式電氣車輛的燃料消耗和減少廢氣，並通過減少用於車輛中的可再充電高能電池的數量，實現一種輕量、小型和更便宜的電池。
考慮到電容器(它不是化學電池而是某種類型的物理電池)能夠經得起快速充電或者放電或者產生大功率，和在從基本上為零電壓到最大值電壓的範圍中工作而進行本發明的設計。
原理上，本發明提供了一種電源系統，其中電流穩定二象限斬波器和用作可再充電高功率電池的電容器串聯連接，由此構成產生大體上恆定輸出電壓的高功率直流電源。由可再充電高能電池構成的主電池和直流電源並聯地連接，由此構成用於混合式電氣車輛或者電氣車輛中的直流電源。
更具體地說，本發明提供了一種電氣車輛其車輪由包含高能可再充電式電池和可再充電高功率電池的組合的直流電源供電，這種車輛包括由可充電高功率電池和電流穩定二象限斬波器的串聯電路構成，並和作為主電池的可再充電高能電池並聯連接的直流電源電路，由此構成直流電源，其中當可再充電高能電池的電流增加到大於規定值的數值時，啟動斬波器向可再充電高功率電池如此充電或者放電，使可再充電高能電池的電流減小到規定值或更小。
本發明還提供了一種混合式電氣車輛，其車輪由內燃機和包括高能可再充電式電池和可再充電高功率電池之組合的直流電源供電，這種車輛包含由可充電高功率電池和電流穩定二象限斬波器的串聯電路構成，並和作為主電池的可再充電高能電池並聯連接的直流電源電路，由此構成直流電源，其中當可再充電高能電池的電流增加到大於規定值的數值時，啟動斬波器向高功率如此電池充電或者放電，使可再充電高能電池的電流減小到規定值或者更小。
在本發明中，使可再充電高能電池和可再充電高功率電池由發動機驅動型發電機再充電將更好。
在本發明中，電雙層電容器可以用於高輸出電池。
在本發明中，希望將化學電池用於可再充電高能電池。在這種情況下，燃料電池可用作化學電池。
圖1是示出根據本發明的一個實施例的電源系統的主要部件的示意圖；圖2是示出當車輛加速時在根據本發明的電源系統的主要特點中的電壓和電流的曲線圖；圖3是示出當車輛加速時在根據本發明的電源系統的主要特點中的電壓和電流曲線圖；圖4是示出根據當前實施例的斬波器的結構及其控制電路的示意圖；圖5是示出公知的串聯型混合式電氣車輛的動力系示意圖。
現在將對本發明的較佳實施例參考附圖進行更詳細地描述。
下面將參考附圖，描述本發明的一個實施例。圖1是一個示意圖，示出根據實施例的電源系統的主要部件。把相同的標號分派給和圖5中所示的相同的元件。
在圖中，標號41表示用作可再充電高能電池的主電池，主電池包括利用化學反應的化學電池，諸如鉛蓄電池、鎳-氫電池或鋰-離子電池，或者燃料電池，該電池是化學電池中的一種(並包括可再充電燃料電池)。把主電池41的正極連接到整流器3和逆變器5之間的節點。
標號42表示用作可充電高功率電池的電容器，該電容器相應於包括導電高分子的電雙層電容器。電容器和電流穩定二象限斬波器43串聯。簡而言之，包括電容器42和斬波器43的直流電路和主電池41並聯連接。
標號410表示電流檢測器，用於檢測主電池41的電流，並把來自電流檢測器的輸出施加至斬波器43的控制電路(圖2中所示的斬波器43包括控制電路)。
跨過斬波器43的輸入和輸出端的電壓的極性與工作模式無關而保持不變，而在斬波器43同樣的輸入和輸出端出現的電流的極性依賴於工作模式而變化。由於這些原因，斬波器被稱為「電流穩定二象限斬波器」。
當車輛駛出時，通過斬波器43的工作，把電容器42預先再充電至一電壓，該電壓大體上和主電池41的電壓相同。車輛由存儲在電容器42中的功率加速。簡而言之，加速能量從電容器42中取出。
圖2是一個曲線圖，示出當車輛被加速時得到的電源系統的主要特徵中的電流和電壓。加速車輛所需的功率通過電容器42和主電池41的放電而提供。在斬波器43的控制下，加速功率的大部分由電容器42供應。
電容器42的電壓隨著加速時間的流逝逐漸減小一個小於主電池41的端電壓的值。在這種情況下，啟動斬波器43從而它用作和電容器42相關的升壓斬波器(booster chopper)。控制斬波器43，從而連接到主電池的斬波器43的端電壓等於主電池41的端電壓。
圖3示出當車輛減速時得到的電源系統的主要特徵中的電流和電壓。車輛在減速時間中的動能通過電動機6和逆變器5被轉換為電力，且把這樣轉換的功率存儲在主電池41中，並通過斬波器43存儲在電容器42中。與在加速的情況中那樣，在斬波器43的控制下，在制動操作時產生的大部分功率被存儲在電容器42中。
電容器42的電壓隨著減速時間的流逝而增加。由於電容器42的電壓低於主電池41的端電壓，因此斬波器43作為和主電池41相關的降壓斬波器(stepdownchopper)工作，從而不斷地保持主電池41的電壓。圖3中所示的電流與圖2中所示的電流相比較，其極性相反。
下面，將參考圖4描述由斬波器43作的斬波器控制。
圖4中，斬波器43包括半導體開關(通常電晶體被用於這種類型的開關器)430、431，反向地和開關並聯的二極體432、433接在連接到主電池41的斬波器43端子和連接到電容器42的斬波器43端子之間的平滑濾波電容器434，435，及電流平滑電抗器436。
斬波器控制電路44包括接收來自設在斬波器43中的電流檢測器437的輸出以及來自設在主電池41中的電流檢測器410的輸出的電流調節器440；和根據由電流調節器接收到的輸出，將控制極驅動信號輸出給半導體開關430、431的控制極驅動電路441、442。
首先，將描述當車輛加速時電源系統的工作。在車輛加速之前，將電容器42再充電至大體上和主電池41相同的電壓。由於斬波器43在緊接在車輛的加速之後的時刻處於不工作狀態，故沒有來自電容器42的放電。相應地，電流從主電池41提供給逆變器5。
電流檢測器410檢測從主電池41輸出的電流，並當輸出電流的大小達到一規定值值時啟動斬波器43。結果，電流從電容器42流出，且電容器42的放電受到控制，從而由主電池4輸出的電流大小減小到小於該規定值。和來自主電池41的放電電流相關的規定值由主電池41的允許的放電電流或充電/放電壽命周期決定。規定值通常小於加速車輛所需的電流。
當逆變器5所需的電流增加到一個大於和主電池41的電流相關的值的值時，所有超過規定值的電流由電容器42提供。結果，來自主電池41的放電電流被保持在小於該規定值的值上。同時，作為電容器42放電的結果，電容器42的電壓減小。
下面將描述斬波器43對斬波器的控制。圖4中所示的電流調節器440以主電池41的電流趨近規定值的方式控制半導體開關430，431的接通操作的部分。可以根據操作模式是加速還是減速模式來決定對半導體開關430、431中的哪一個進行操作。可以通過將一個未說明的操作模式信號輸入到電流調節器440中而作出決定。
然後，將解釋當車輛加速或者減速時，斬波器的操作。在車輛的加速時刻，當半導體開關431保持在OFF(斷開)狀態，切換半導體開關430。由於半導體開關430的切換操作和一般的升壓斬波器的操作一樣，這裡為了簡要起見而省略對其的詳細的描述。由於電容器42的電流隨著半導體開關430的接通操作部分的增加而增加，因此，通過改變接通操作的部分從而相應於電容器42的電壓，而把主電池41的電流保持在小於規定值的值上。
在車輛的減速時刻，當半導體開關430保持在OFF(斷開)狀態，切換半導體開關431。由於半導體開關431的切換操作和一般的降壓斬波器的斬波操作相同，因此這裡為了簡要省略了對其的詳細描述。由於電容器42的電流隨著半導體開關431的接通操作部分的增加而增加，因此，通過改變接通操作的部分從而相應於電容器42的電壓而把主電池41的電流保持在小於規定值的值上。
如上所述，本發明針對於一種電源系統，在這種電源系統中，把物理電池(它被用作具有快速充電/放電功能的或大功率密度的可再充電高功率電池，如電容器)串聯地和電流穩定二象限斬波器連接。另外，把主電池，即，可再充電高功率電池(它不具有快速的充電/放電功能，但具有大能量密度，諸如化學電池)並聯地和上述可再充電高功率電池連接，由此構成一個直流電源，用於混合式電氣車輛或一般電氣車輛。
在車輛加速或者減速，需要更大的功率的時刻，功率主要從可再充電高功率電池中提供。相反，在車輛制動時，可再充電高功率電池回收車輛在制動操作時的大部分能量。另外，通過斬波器的控制操作，可再充電高功率電池的端電壓從最大值變為基本上等於零。
本發明產生下面的優點(1)能夠通過增加制動操作時再生的功率，明顯地提高電氣車輛或者混合式電氣車輛的能量利用效率；(2)通過顯著地改善混合式電氣車輛的燃料消耗，能夠大大地減少廢氣；
(3)由於作為高能量電池的主電池的數量可以顯著減少，故能夠減少電池或車輛的重量、尺寸和成本；(4)能夠顯著地降低電源系統的成本；及(5)能夠提供一種高度實用的電氣車輛或者混合式電氣車輛。
權利要求
1.一種用於電氣車輛的電源系統，所述車輛的車輪由包括高能可再充電式電池和可再充電高功率電池之組合的直流電源供電，其特徵在於包括直流電源電路，所述直流電源電路由可再充電高功率電池和電流穩定二象限斬波器串聯電路構成，而且和用作主電池的可再充電高能電池並聯連接，藉此構成直流電源，其中當可再充電高能電池的電流增加到大於規定值的值時，啟動斬波器使可再充電高功率電池如此充電或者放電，從而將可再充電高能電池的電流減小到規定值或者更小。
2.一種用於混合式電氣車輛中的電源系統，所述車輛的車輪由內燃機和包括高能可再充電式電池與可再充電高功率電池之組合的直流電源提供動力，其特徵在於所述系統包括直流電源電路，所述直流電源電路由可再充電高功率電池和電流穩定二象限斬波器構成的，而且和用作主電池的可再充電高能電池並聯連接，藉此構成直流電源，其中當可再充電高能電池的電流增加到大於規定值的值時，啟動斬波器使可再充電高功率電池如此充電或者放電，從而將可再充電高功率電池的電流減小到規定值或者更小。
3.如權利要求2所述的電源系統，其特徵在於所述可再充電高能電池和可再充電高功率電池能由發動機驅動型發電機再充電。
4.如權利要求1，2和3中的任一條所述的電源系統，其特徵在於高輸出電池和電雙層電容器對應。
5.如權利要求1，2和3的任一條所述的電源系統，其特徵在於可再充電高能電池和化學電池對應。
6.如權利要求5所述的電源系統，其特徵在於可再充電高能電池和燃料電池對應。
全文摘要
本發明提供了其車輪由包括可再充電式高能電池和可再充電高功率電池之組合的直流電源供電的電氣車輛,或其車輪由直流電源和內燃機提供動力的混合式電氣車輛。直流電源通過把包括可再充電高功率電池和電流穩定二象限斬波器的直流電路和可再充電高能電池並聯連接而構成。當可再充電高能電池的電流增加到大於規定值的值時,啟動斬波器使可再充電高功率電池放電或者充電,藉此將可再充電高能電池的電流減小到小於所述規定值的值。
文檔編號H02M3/155GK1195617SQ9810586
公開日1998年10月14日 申請日期1998年3月25日 優先權日1997年3月25日
發明者山田淳, 木下繁則 申請人:富士電機株式會社, 日產柴油機工業株式會社