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文档序号:9692310
。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。
[0033 ]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VH)被称为循环换流器。它们现在常用于驱动牵引电动机。
[0034]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系统中。
[0035]根据优选实施例,本发明涉及车辆中的混合能量系统。该混合能量系统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,使用车载能量存储系统来运行;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。
[0036]根据本发明,该混合能量系统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系统。该混合能量系统包括第一高压电路,该第一高压电路包括由第一电力转换器连接到能量存储系统以推进车辆的第一牵引电动机。该混合能量系统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。
[0037]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。
[0038]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。
[0039]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)。
[0040]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。
[0041]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:通过划分该高压系统,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系统的全功率范围下。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系统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。通过使用混合动力系统中的能量存储系统,将可能进一步减小用于混合动力系统的馈送转换器的所需尺寸。
[0042]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系统(例如,电池)充电。
[0043]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(Electric roads concept)”中或诸如W02012/069495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。
[0044]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。
[0045]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。
[0046]本发明还涉及用于运行车辆中的混合能量系统的方法,该混合能量系统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。
[0047]如上文所指示的,该混合能量系统包括:第一高压电路,包括由第一电力转换器连接到能量存储系统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。
[0048]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系统,所述运行模式至少包括:
[0049].自主供电模式,其涉及使用能量存储系统来运行第一牵引电动机和第二牵引电动机;
[0050]?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
[0051]?组合式自主和外部供电模式,其涉及使用能量存储系统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。
[0052]在自主供电模式中,当外部供电装置被断开时,能量存储系统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系统,该能量存储系统可用于仅运行第一牵引电动机。
[0053]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系统充电。
[0054]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系统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。
[0055]如上文所指示的,本发明的方法允许灵活的混合能量系统,该混合能量系统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。
[0056]根据另一实例,该混合能量系统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系统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,能量存储系统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。能量存储系统还可用于经由第二电力转换器直接使用能量存储系统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系统直接驱动,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。
[0057]根据另一实例,通过旁通该第三电力转换器,该混合能量系统能够在可选的外部供电模式中运行。此实例涉及:使用将能量存储系统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系统;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。
[0058]通过允许电力从车载能量存储系统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系统的灵活性。
[0059]本发明的混合能量系统还可在多个可选的再生运行模式中运行,从而增加该系统的灵活性。
[0060]根据另一实例,该混合能量系统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系统充电。为此目的,第一电力转换器可用作整流器。
[0061]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系统充电。
[0062]根据另一实例,该混合能量系统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。
[0063]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。
[0064]根据另一实例,该混合能量系统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系统。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系统。在此运行期间,外部供电装置必须被断开。
[0065]第三可选的再生模式允许所再生的电力返回到能量存储系统而不使用第三(直流/直流)电力转换器。
[0066]根据另一实例,该混合能量系统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系统充电。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,以对能量存储系统充电。
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