專利名稱：電氣車輛的電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shí)，將諸如單獨(dú)由電池供電的電氣車輛簡稱為“電氣車輛”)，本發(fā)明還涉及一種電源系統(tǒng)，用于由直流電源和內(nèi)燃機(jī)之組合供電的混合式電氣車輛。
圖5是示出公知的串聯(lián)型混合式電氣車輛的動(dòng)力系的示圖。在圖中，標(biāo)號(hào)1指發(fā)動(dòng)機(jī)；2指發(fā)電機(jī)(發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)可以統(tǒng)稱為“發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)”)；3指整流器；4指主電池；5指逆變器；6指車輛驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)；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指用于對(duì)輔助電池10再充電的DC-DC轉(zhuǎn)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(diào)機(jī)。
在功率產(chǎn)生效率和減少發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣方面，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)通常以最佳發(fā)動(dòng)機(jī)速度在最佳的負(fù)載下工作。具體而言，發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)不參照車輛的速度，在規(guī)定的驅(qū)動(dòng)條件下工作，由此通過整流器3對(duì)主電池4再充電。
已經(jīng)通過在主電池4被再充電至規(guī)定值或者更高時(shí)使發(fā)電機(jī)2不工作，而為更進(jìn)一步提高效率和減少污染進(jìn)行了努力。
在這種系統(tǒng)中，發(fā)動(dòng)機(jī)1的功率被減小到小于加速車輛一般所需的最大功率的功率值，并從主電池4提供加速車輛所需的功率。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)1的功率大于車輛恒定驅(qū)動(dòng)時(shí)的的驅(qū)動(dòng)力時(shí)，主電池4以發(fā)動(dòng)機(jī)過剩的功率由發(fā)電機(jī)2和整流器3再充電。
當(dāng)車輛在制動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，車輛的部分動(dòng)能通過再生，由電動(dòng)機(jī)6和逆變器5存儲(chǔ)在主電池4中。同時(shí)，整流器3以逆變器模式工作，發(fā)電機(jī)2以電動(dòng)機(jī)模式工作。結(jié)果，如在發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的車輛的情況那樣，發(fā)動(dòng)機(jī)的制動(dòng)被提供給車輛。如果缺乏電制動(dòng)力，則如在未說明發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)車輛的情況那樣，車輛被機(jī)械地制動(dòng)。
另外，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)1關(guān)閉時(shí)，發(fā)電機(jī)2不產(chǎn)生任何功率。在這種狀態(tài)下，車輛的驅(qū)動(dòng)力和用于輔助裝置的功率由主電池4提供。
電氣車輛的動(dòng)力系和圖5中所示的動(dòng)力系相同，但車輛沒有設(shè)置發(fā)動(dòng)機(jī)1、發(fā)電機(jī)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(chǎn)生任何廢氣，不然，它可能作為發(fā)動(dòng)機(jī)工作的結(jié)果而產(chǎn)生，因此這種電氣車輛相應(yīng)于一種零排放車輛。
如上所述，這種公知的串聯(lián)型混合式電氣車輛在恒定的驅(qū)動(dòng)中由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)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(yīng)補(bǔ)償。在當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于不工作狀態(tài)，或輔助裝置所需的功率大于由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的功率時(shí)需要運(yùn)行功率，或者即使在恒定驅(qū)動(dòng)中所需的運(yùn)行功率大于由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)產(chǎn)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(bǔ)償。為了這些原因，主電池4必需由產(chǎn)生高功率的電池，即，高功率(或者高功率密度)電池構(gòu)成。
和公知的電氣車輛一起使用的目前較占優(yōu)勢的主電池是利用化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)電池，諸如鉛蓄電池、鎳-氫蓄電池，或者鋰-離子蓄電池。當(dāng)然，這種主電池在原理上和用于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(chǎn)生更大功率的電池。
下面，將描述以再生制動(dòng)為特色的混合式電氣車輛或普通電氣車輛。如上所述，當(dāng)車輛在制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，車輛的動(dòng)能通過再生由電動(dòng)機(jī)6和逆變器5存儲(chǔ)在主電池4中。這種類型的電氣車輛主要的特征是在加速操作時(shí)積聚的部分能量可以在制動(dòng)車輛時(shí)再生。
制動(dòng)通常比加速在更短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生相同數(shù)量的功率。這意味著制動(dòng)功率大于加速功率。另外，化學(xué)電池通常在再充電時(shí)比在放電時(shí)受到更大的損耗。
為了這些原因，對(duì)混合式電氣車輛或者一般電氣車輛來說再生所有由制動(dòng)產(chǎn)生的功率是不可能的。按照目前情況，由制動(dòng)產(chǎn)生的大部分能量通過機(jī)械制動(dòng)而轉(zhuǎn)換為熱量。
這意味著產(chǎn)生的功率的部分以熱量的形式排出。通過在制動(dòng)操作時(shí)盡可能多地再生功率來提高能量的利用效率提出了一個(gè)重要的問題。
作出本發(fā)明以采用相關(guān)的技術(shù)解決上述問題，因此本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電氣車輛的電源系統(tǒng)，它能夠通過在制動(dòng)操作時(shí)盡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，并通過減少用于車輛中的可再充電高能電池的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)一種輕量、小型和更便宜的電池。
考慮到電容器(它不是化學(xué)電池而是某種類型的物理電池)能夠經(jīng)得起快速充電或者放電或者產(chǎn)生大功率，和在從基本上為零電壓到最大值電壓的范圍中工作而進(jìn)行本發(fā)明的設(shè)計(jì)。
原理上，本發(fā)明提供了一種電源系統(tǒng)，其中電流穩(wěn)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(lián)連接，由此構(gòu)成產(chǎn)生大體上恒定輸出電壓的高功率直流電源。由可再充電高能電池構(gòu)成的主電池和直流電源并聯(lián)地連接，由此構(gòu)成用于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(fā)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(wěn)定二象限斬波器的串聯(lián)電路構(gòu)成，并和作為主電池的可再充電高能電池并聯(lián)連接的直流電源電路，由此構(gòu)成直流電源，其中當(dāng)可再充電高能電池的電流增加到大于規(guī)定值的數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)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(guī)定值或更小。
本發(fā)明還提供了一種混合式電氣車輛，其車輪由內(nèi)燃機(jī)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(wěn)定二象限斬波器的串聯(lián)電路構(gòu)成，并和作為主電池的可再充電高能電池并聯(lián)連接的直流電源電路，由此構(gòu)成直流電源，其中當(dāng)可再充電高能電池的電流增加到大于規(guī)定值的數(shù)值時(shí)，啟動(dòng)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(guī)定值或者更小。
在本發(fā)明中，使可再充電高能電池和可再充電高功率電池由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)再充電將更好。
在本發(fā)明中，電雙層電容器可以用于高輸出電池。
在本發(fā)明中，希望將化學(xué)電池用于可再充電高能電池。在這種情況下，燃料電池可用作化學(xué)電池。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電源系統(tǒng)的主要部件的示意圖；圖2是示出當(dāng)車輛加速時(shí)在根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)中的電壓和電流的曲線圖；圖3是示出當(dāng)車輛加速時(shí)在根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)的主要特點(diǎn)中的電壓和電流曲線圖；圖4是示出根據(jù)當(dāng)前實(shí)施例的斬波器的結(jié)構(gòu)及其控制電路的示意圖；圖5是示出公知的串聯(lián)型混合式電氣車輛的動(dòng)力系示意圖。
現(xiàn)在將對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例參考附圖進(jìn)行更詳細(xì)地描述。
下面將參考附圖，描述本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例。圖1是一個(gè)示意圖，示出根據(jù)實(shí)施例的電源系統(tǒng)的主要部件。把相同的標(biāo)號(hào)分派給和圖5中所示的相同的元件。
在圖中，標(biāo)號(hào)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(xué)反應(yīng)的化學(xué)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(xué)電池中的一種(并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(jié)點(diǎn)。
標(biāo)號(hào)42表示用作可充電高功率電池的電容器，該電容器相應(yīng)于包括導(dǎo)電高分子的電雙層電容器。電容器和電流穩(wěn)定二象限斬波器43串聯(lián)。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并聯(lián)連接。
標(biāo)號(hào)410表示電流檢測器，用于檢測主電池41的電流，并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(guān)而保持不變，而在斬波器43同樣的輸入和輸出端出現(xiàn)的電流的極性依賴于工作模式而變化。由于這些原因，斬波器被稱為“電流穩(wěn)定二象限斬波器”。
當(dāng)車輛駛出時(shí)，通過斬波器43的工作，把電容器42預(yù)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(chǔ)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(gè)曲線圖，示出當(dāng)車輛被加速時(shí)得到的電源系統(tǒng)的主要特征中的電流和電壓。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(yīng)。
電容器42的電壓隨著加速時(shí)間的流逝逐漸減小一個(gè)小于主電池41的端電壓的值。在這種情況下，啟動(dòng)斬波器43從而它用作和電容器42相關(guān)的升壓斬波器(booster chopper)?？刂茢夭ㄆ?3，從而連接到主電池的斬波器43的端電壓等于主電池41的端電壓。
圖3示出當(dāng)車輛減速時(shí)得到的電源系統(tǒng)的主要特征中的電流和電壓。車輛在減速時(shí)間中的動(dòng)能通過電動(dòng)機(jī)6和逆變器5被轉(zhuǎn)換為電力，且把這樣轉(zhuǎn)換的功率存儲(chǔ)在主電池41中，并通過斬波器43存儲(chǔ)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(dòng)操作時(shí)產(chǎn)生的大部分功率被存儲(chǔ)在電容器42中。
電容器42的電壓隨著減速時(shí)間的流逝而增加。由于電容器42的電壓低于主電池41的端電壓，因此斬波器43作為和主電池41相關(guān)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(dǎo)體開關(guān)(通常晶體管被用于這種類型的開關(guān)器)430、431，反向地和開關(guān)并聯(lián)的二極管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(shè)在斬波器43中的電流檢測器437的輸出以及來自設(shè)在主電池41中的電流檢測器410的輸出的電流調(diào)節(jié)器440；和根據(jù)由電流調(diào)節(jié)器接收到的輸出，將控制極驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給半導(dǎo)體開關(guān)430、431的控制極驅(qū)動(dòng)電路441、442。
首先，將描述當(dāng)車輛加速時(shí)電源系統(tǒng)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。由于斬波器43在緊接在車輛的加速之后的時(shí)刻處于不工作狀態(tài)，故沒有來自電容器42的放電。相應(yīng)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，并當(dāng)輸出電流的大小達(dá)到一規(guī)定值值時(shí)啟動(dòng)斬波器43。結(jié)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于該規(guī)定值。和來自主電池41的放電電流相關(guān)的規(guī)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(guī)定值通常小于加速車輛所需的電流。
當(dāng)逆變器5所需的電流增加到一個(gè)大于和主電池41的電流相關(guān)的值的值時(shí)，所有超過規(guī)定值的電流由電容器42提供。結(jié)果，來自主電池41的放電電流被保持在小于該規(guī)定值的值上。同時(shí)，作為電容器42放電的結(jié)果，電容器42的電壓減小。
下面將描述斬波器43對(duì)斬波器的控制。圖4中所示的電流調(diào)節(jié)器440以主電池41的電流趨近規(guī)定值的方式控制半導(dǎo)體開關(guān)430，431的接通操作的部分?？梢愿鶕?jù)操作模式是加速還是減速模式來決定對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)430、431中的哪一個(gè)進(jìn)行操作。可以通過將一個(gè)未說明的操作模式信號(hào)輸入到電流調(diào)節(jié)器440中而作出決定。
然后，將解釋當(dāng)車輛加速或者減速時(shí)，斬波器的操作。在車輛的加速時(shí)刻，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)431保持在OFF(斷開)狀態(tài)，切換半導(dǎo)體開關(guān)430。由于半導(dǎo)體開關(guān)430的切換操作和一般的升壓斬波器的操作一樣，這里為了簡要起見而省略對(duì)其的詳細(xì)的描述。由于電容器42的電流隨著半導(dǎo)體開關(guān)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(yīng)于電容器42的電壓，而把主電池41的電流保持在小于規(guī)定值的值上。
在車輛的減速時(shí)刻，當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)430保持在OFF(斷開)狀態(tài)，切換半導(dǎo)體開關(guān)431。由于半導(dǎo)體開關(guān)431的切換操作和一般的降壓斬波器的斬波操作相同，因此這里為了簡要省略了對(duì)其的詳細(xì)描述。由于電容器42的電流隨著半導(dǎo)體開關(guān)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(yīng)于電容器42的電壓而把主電池41的電流保持在小于規(guī)定值的值上。
如上所述，本發(fā)明針對(duì)于一種電源系統(tǒng)，在這種電源系統(tǒng)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(lián)地和電流穩(wěn)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(xué)電池)并聯(lián)地和上述可再充電高功率電池連接，由此構(gòu)成一個(gè)直流電源，用于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(shí)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(dòng)時(shí)，可再充電高功率電池回收車輛在制動(dòng)操作時(shí)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?yōu)榛旧系扔诹恪?br> 本發(fā)明產(chǎn)生下面的優(yōu)點(diǎn)(1)能夠通過增加制動(dòng)操作時(shí)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)由于作為高能量電池的主電池的數(shù)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(tǒng)的成本；及(5)能夠提供一種高度實(shí)用的電氣車輛或者混合式電氣車輛。
權(quán)利要求
1.一種用于電氣車輛的電源系統(tǒng)，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，其特征在于包括直流電源電路，所述直流電源電路由可再充電高功率電池和電流穩(wěn)定二象限斬波器串聯(lián)電路構(gòu)成，而且和用作主電池的可再充電高能電池并聯(lián)連接，藉此構(gòu)成直流電源，其中當(dāng)可再充電高能電池的電流增加到大于規(guī)定值的值時(shí)，啟動(dòng)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(guī)定值或者更小。
2.一種用于混合式電氣車輛中的電源系統(tǒng)，所述車輛的車輪由內(nèi)燃機(jī)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(dòng)力，其特征在于所述系統(tǒng)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(wěn)定二象限斬波器構(gòu)成的，而且和用作主電池的可再充電高能電池并聯(lián)連接，藉此構(gòu)成直流電源，其中當(dāng)可再充電高能電池的電流增加到大于規(guī)定值的值時(shí)，啟動(dòng)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(guī)定值或者更小。
3.如權(quán)利要求2所述的電源系統(tǒng)，其特征在于所述可再充電高能電池和可再充電高功率電池能由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)再充電。
4.如權(quán)利要求1，2和3中的任一條所述的電源系統(tǒng)，其特征在于高輸出電池和電雙層電容器對(duì)應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1，2和3的任一條所述的電源系統(tǒng)，其特征在于可再充電高能電池和化學(xué)電池對(duì)應(yīng)。
6.如權(quán)利要求5所述的電源系統(tǒng)，其特征在于可再充電高能電池和燃料電池對(duì)應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)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(nèi)燃機(jī)提供動(dòng)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(wěn)定二象限斬波器的直流電路和可再充電高能電池并聯(lián)連接而構(gòu)成。當(dāng)可再充電高能電池的電流增加到大于規(guī)定值的值時(shí),啟動(dòng)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于所述規(guī)定值的值。
文檔編號(hào)H02M3/155GK1195617SQ9810586
公開日1998年10月14日 申請(qǐng)日期1998年3月25日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月25日
發(fā)明者山田淳, 木下繁則 申請(qǐng)人:富士電機(jī)株式會(huì)社, 日產(chǎn)柴油機(jī)工業(yè)株式會(huì)社