Гибридная силовая установка (варианты) и способ управления мощностью гибридной силовой установки (варианты) - RU2389618C2

Чертежи

Описание

Область техники

Настоящее изобретение относится в основном к гибридным силовым установкам и, в частности, к системам и способам для работы последовательной гибридной электрической силовой установки со вспомогательной силовой установкой.

Предшествующий уровень техники

Некоторые транспортные средства используют электрические тяговые двигатели на электрической тяге, чтобы приводить в движение транспортные средства. Как правило, электрические тяговые двигатели подсоединены к линии, например шине, чтобы обеспечить двигатели энергией. Один или несколько встроенных генераторов могут быть использованы, чтобы обеспечить энергией линию. В основных состояниях работы, например, когда транспортное средство снижает скорость или поддерживает скорость на спуске, обратная ЭДС, обеспечиваемая электрическими двигателями, является большей, чем напряжение, обеспечиваемое генератором с приводом от двигателя. В таких условиях электрические тяговые двигатели прекращают работать как двигатели и начинают работать как генераторы. Этот процесс, известный как динамическое торможение, представляет собой электрическое торможение, которое используют для уменьшения износа компонентов системы механического торможения транспортного средства. В этом случае, когда транспортное средство представляет собой локомотив, динамическое торможение уменьшает износ тормозного устройства локомотива и также всех железнодорожных вагонов состава. Как правило, сопротивление используют для рассеивания электрической энергии как тепловой, вырабатываемой электрическим двигателем во время динамического торможения.

Как результат гибридные силовые установки разработаны для возвращения части энергии, которая, как правило, тратится на нагрев во время динамического торможения. Возврат этой потраченной энергии известен как рекуперативное торможение. В уровне техники известны многочисленные конструкции для гибридных силовых установок. В основном, такие силовые установки используют два различных источника энергии: тепловой двигатель и тяговый аккумулятор или другой накопитель энергии. Тепловой двигатель может включать любой двигатель, который сжигает топливо для создания механического действия, например, двигатель внутреннего сгорания, газотурбинный двигатель, дизельный двигатель и так далее. Накопитель энергии может включать в себя электрически перезаряжаемый аккумулятор, суперконденсатор или маховик, имеющий высокую плотность энергии. Гибридные установки являются предпочтительными из-за их способности увеличивать топливную экономичность силовой установки и уменьшать загрязнение воздуха.

Транспортные средства большой грузоподъемности, такие как междугородные автобусы, грузовики, локомотивы и транспортные средства повышенной проходимости, в основном используют последовательную гибридную силовую установку, где последнее звено привода вала транспортного средства содержит систему электропривода. Традиционно последовательная гибридная силовая установка обычно включает в себя встроенный источник энергии, например тепловой двигатель, соединенный с генератором, который преобразует механическую мощность теплового двигателя в переменный ток (ПРТ) (АС). Выпрямитель обычно используют для преобразования переменного тока генератора в постоянный ток (ПТ) (DC). Часть выходной мощности DC выпрямителя используют для зарядки накопителя энергии, такого как тяговый аккумулятор, а оставшуюся часть используют для управления одним или несколькими электрическими двигателями, например двигателем постоянного тока или двигателем переменного тока. Мощность на выходе электрического(их) двигателя (ей) передают на одну или несколько осей транспортного средства через систему электропривода.

В течение разгона транспортного средства или когда транспортное средство поднимается на крутой уклон, накопитель энергии или тяговый аккумулятор работает в состоянии разряда для увеличения электрической энергии на выходе теплового двигателя-генератора и, таким образом, обеспечивают высокое значение мощности на промежуток времени, который зависит от номинальной мощности накопителя энергии. В течение торможения накопитель энергии или тяговый аккумулятор работает в состоянии перезарядки для рекуперативного захвата части энергии, которая обычно тратится впустую во время торможения. Заряд тягового аккумулятора поэтому необходимо поддерживать оптимальным, для достаточного обеспечения обеих моделей: энергетический заряд в течение разгона и перезаряд в течение рекуперативного торможения. Как описано выше, заряд тягового аккумулятора в таких системах поддерживают встроенным источником энергии.

В известных последовательных гибридных системах встроенные источник энергии и соответствующее управление обычно работает в режиме управления состоянием заряда накопителя энергии или тягового аккумулятора. Один способ управления встроенным источником энергии заключается в работе встроенного источника энергии для поддержания состояния заряда тягового аккумулятора в заданном диапазоне. В этом подходе, когда вычисленное состояние заряда падает ниже заданного значения, встроенный источник энергии включают и продолжают заряд пока состояние заряда не достигнет верхнего предела. На этой стадии встроенная энергосистема управляет уменьшением выходной энергии из встроенного источника энергии, пока не завершится перезарядка накопителя энергии. Единственное неудобство описанного выше способа заключается в том, что в случае, когда вычисленное состояние зарядки является ошибочным, то встроенный источник энергии не может как следует зарядить накопитель энергии, приводя к либо уменьшенному заряду, либо к избыточному заряду аккумулятора. Эти обе ситуации будут преждевременно сокращать срок службы системы накопления энергии (тяговому аккумулятору) и могут также вызывать уменьшение в экономии топлива.

Существует, таким образом, необходимость в обеспечении улучшенного управления для встроенного источника энергии, который является важным для обеспечения долгого срока службы накопителя энергии для рентабельности.

Краткое изложение существа изобретения

В одном аспекте настоящего изобретения обеспечивают гибридную силовую установку. Установка содержит первый накопитель энергии, который может быть использован для подачи мощности для работы тягового приводного двигателя. Второй накопитель энергии, соединенный с первым накопителем энергии, может быть использован для подачи дополнительной мощности к тяговому приводному двигателю для дополнения первого накопителя энергии в течение повышения потребности. Установка дополнительно содержит вспомогательную силовую установку, которая может быть использована для поддержания желаемого напряжения на первом накопителе энергии.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1 представляет собой электрическую схему гибридной силовой установки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения;

Фиг.2 представляет собой электрическую схему альтернативного варианта осуществления гибридной силовой установки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения;

Фиг.3 представляет собой электрическую схему второго альтернативного варианта осуществления гибридной силовой установки в соответствии с примерным вариантом воплощения настоящего изобретения.

Описание предпочтительных вариантов воплощения

Настоящее изобретение соответственно обеспечивает улучшенное управление для заряда электрических перезаряжаемых накопителей энергии, используемых в гибридных силовых установках для транспортных средств большой грузоподъемности. Как далее подробно описано, настоящее изобретение может быть осуществлено для управления зарядкой электрического накопителя энергии (или аккумулятора) вспомогательной силовой установкой в последовательной гибридной силовой установке аккумулятор-аккумулятор, а также встроенным источником энергии в обыкновенной последовательной гибридной силовой установке.

На Фиг.1 показана гибридная силовая установка и представлена в основном ссылочной позицией 10. Показанная схема силовой установки 10 имеет последовательную гибридную схему аккумулятор-аккумулятор. Гибридная силовая установка 10 содержит систему 12 генерации мощности, которая осуществляет подачу мощности в систему 14 тягового привода. Дополнительно, система 12 генерации мощности содержит первый накопитель 16 энергии, который соединен с системой 14 тягового привода линией 18 постоянного тока (ПТ) (DC). Первый накопитель энергии перезаряжают вспомогательной силовой установкой (ВСУ) (APU) 20. В течение периодов рекуперативного торможения первый накопитель энергии может быть также частично перезаряжен с помощью рекуперативной энергии от тягового привода. Показанная система 12 генерации мощности также содержит второй накопитель 22 энергии, который соединен с линией 19 ПТ. В проиллюстрированном варианте воплощения накопители 16 и 22 энергии представляют собой электрически перезаряжаемые аккумуляторы, где первый аккумулятор 16 имеет большую плотность энергии, чем второй аккумулятор 22 и представляет собой источник энергии для системы 14 тягового привода. Второй аккумулятор 22 может быть тяговым аккумулятором, который имеет большую плотность энергии, чем первый аккумулятор 16, поскольку он может обеспечить выброс мощности для системы 14 тягового привода для состояний ускорения или усиления. Первый аккумулятор 16 может быть любым из различных перезаряжаемых аккумуляторов, например, среди прочего, ионно-литиевым аккумулятором, никель-металгидридным аккумулятором, натрий-серным аккумулятором. Тяговый аккумулятор 22 может содержать, среди прочего, никель-кадмиевый, никель-металгидридный или свинцово-кислотный аккумулятор большой удельной мощности. В другом варианте воплощения один или несколько накопителей 16 и 22 энергии могут содержать суперконденсатор. В еще одном варианте воплощения второй накопитель 22 энергии может содержать маховик.

Система 14 тягового привода содержит, по меньшей мере, один тяговый приводной двигатель 24, вращательно связанный с маховиком через узел механической трансмиссии (не показан). В этом варианте воплощения двигатель 24 представляет собой двигатель переменного тока (ПРТ) (АС). Инвертор 28 предназначен для преобразования постоянного тока линии 18 DC в переменный ток для использования двигателя 24. Однако специалистам будет понятно, что может быть также использован двигатель DC.

В варианте осуществления, показанном на Фиг.1, APU 20 включает в себя тепловой двигатель 30. Тепловой двигатель 30 может содержать любой двигатель, который сжигает топливо для производства механической работы, такой как бензиновый двигатель, дизельный двигатель, газотурбинный двигатель и другие. Тепловой двигатель вращательно соединен с генератором 32, который преобразует механическую мощность теплового двигателя 30 в мощность 34 АС. Выход генератора 32 соединен с линией 18 DC через выпрямитель 36. Выпрямитель 3 6 преобразует выходную мощность АС генератора в мощность DC.

Дополнительно, показанная система 12 генерации мощности содержит схему 38 повышающего преобразователя, которая увеличивает напряжение, обеспеченное аккумулятором 16 большой энергии. Схема 38 повышающего преобразователя управляет в некоторой степени установлением значения мощности, принятой из аккумулятора 16 для обеспечения двигателя 24 и для зарядки тягового аккумулятора 22. Динамический замедлитель 40, включающий в себя соответствующий контроллер, предназначен для управления напряжением в линии 19 DC параллельно тяговому аккумулятору 22 с точностью до допустимых уровней выше нормального рабочего напряжения тягового аккумулятора 22. Более того, аккумулятор 16 высокой энергии может быть использован для подачи мощности на одну или несколько вспомогательных нагрузок 42 параллельно контактам аккумулятора 16.

В течение обычной работы система 14 тягового привода обычно приводится в движение аккумулятором 16 высокой энергии, где мощность протекает по линиям 18 и 19 DC в направлении, показанном стрелкой 44 на Фиг.1. Когда требуется ускорение или система 14 тягового привода находится в состояниях тяжелых нагрузок, дополнительная мощность берется из тягового аккумулятора 22 в направлении, показанном стрелкой 46. Во время торможения часть энергии рекуперативного торможения, полученной в системе 14 тягового привода, передают от тягового мотора 24 в тяговый аккумулятор 22. Как результат, мощность протекает от тягового мотора 24 в тяговый аккумулятор 22 в направлении, показанном стрелкой 48. Оставшаяся часть энергии рекуперативного торможения протекает в направлении, показанном стрелкой 49. Мощность от тягового мотора 24 используют для частичного перезарядки тягового аккумулятора 22. Как отмечено ранее, APU 20 обеспечивает протекание мощности для заряда аккумулятора 16, как показано стрелкой 50. APU 20 также обеспечивает протекание энергии, показанной стрелкой 51, для подачи мощности в систему 14 тягового привода через повышающий преобразователь 38.

Управление силовой установкой 10 выполняют системным контроллером 52 транспортного средства и системой 54 управления APU, которая ограничивает максимальную мощность APU для оцененной мощности теплового двигателя 30 и генератора 32. Датчик 58 предназначен для обнаружения напряжения на аккумуляторе 16 высокой энергии. Система 54 управления APU выполнена с возможностью управления работой APU 14 для заряда аккумулятора 16 на основе напряжения, на аккумуляторе 16 высокой энергии. Например, система 54 управления APU может осуществлять регулирование работы APU 20 так, чтобы максимальное значение выходного напряжения DC (V_A) APU 20 находилось в максимальном напряжении зарядки аккумулятора 16 высокой энергии. Более того, система 54 управления APU может быть предназначена для компенсации выходного напряжения (V_A) APU 20 на основе температуры аккумулятора 16. Система 54 управления APU может также содержать встроенный программируемый логический контроллер (ПЛК) (PLC).

Управление тяговым аккумулятором 22 и соответствующей линией 19 DC тягового привода 14, во время ускорения или пока выполняется работа в режиме быстрого перемещения, выполняют мощностью, подаваемой встроенным источником 55 энергии, содержащим APU 20, аккумулятор 16 высокой энергии и повышающий преобразователь 38. Например, мощность из встроенного источника 55 энергии адаптируют для регулирования напряжения линии 19 DC так, чтобы она не превышала максимальное значение. Максимальное значение может быть также компенсировано температурой аккумулятора 22. В течение сильных ускорений может быть достигнут предел максимальной мощности встроенного источника 55 энергии, а значение линии 19 DC будет уменьшаться, поскольку дополнительную мощность получают из аккумулятора для обеспечения требуемой мощности, зависимой от тягового привода. В течение рекуперативного торможения управление динамическим замедлителем 40 предотвращает чрезмерное напряжение на линии 19 DC.

Могут быть использованы различные схемы управления для управления работой APU 20. Например, система 54 управления APU может управлять началом работы APU 20, когда системный контроллер 52 принимает входной сигнал 56 от оператора для подачи питания к силовой установке 10. В одном варианте осуществления операторское средство 56 ввода может содержать переключатель так, что APU 20 начинает работать всякий раз, когда оператор устанавливает переключатель в положение «включено». При работе тепловой двигатель 30 работает на заранее заданной скорости для производства желаемой выходной энергии в пределе максимального выходного напряжения и с минимальным расходом топлива.

Во второй схеме управления APU 20 не работает постоянно. Вместо этого система 54 управления APU может остановить APU 20 или уменьшить обороты двигателя до заранее определенных «высоких оборотов холостого хода», когда выходное напряжение (V_A) APU 20 находится в заранее определенном диапазоне напряжения, а выходной ток фазы генератора 32 является ниже, чем заранее определенный предел тока в заданное время. Соответственно, установка 10 может содержать датчики напряжения и тока для APU 20, совместно представленные ссылочной позицией 60 на Фиг.1. В альтернативной схеме управления управление подобным APU может быть выполнено на основе измерения выходного тока DC выпрямителя 36. Вторая схема управления APU обеспечивает большую экономию топлива для теплового двигателя 30, чем первая схема управления, и предназначена для уменьшения выбросов или для безотходного транспортного средства в течение ограниченного периода работы.

В третьей схеме управления для APU 20 APU 20 работает способом, подобным способу во второй схеме управления, но система 54 управления APU управляет тепловым двигателем 30 для рестарта или возобновляет работу с заранее определенной скоростью теплового двигателя 30 из заранее определенной скорости «высоких оборотов холостого хода» по получении сигнала от системного контроллера 52 транспортного средства. Сигнал может быть обеспечен в ожидании потребности теплового двигателя 30 при обеспечении мощностью установки 10. Такой сигнал от системного контроллера 52 может быть основан на специфических условиях. Один пример такого состояния заключается в том, что средняя мощность системы 14 тягового привода является выше заранее определенного значения. Другой пример заключается в том, что транспортное средство поднимается на гору, а наклон превышает заранее заданное значение.

В четвертой схеме управления для APU 20, APU 20 работает способом, подобным способу во второй схеме управления, но система 54 управления APU управляет тепловым двигателем 30 для рестарта или возобновляет работу с заранее определенной скоростью теплового двигателя 30 из заранее определенной скорости «высоких оборотов холостого хода» по получении сигнала от системного контроллера 52 транспортного средства, всякий раз когда состояние накопительного конденсатора или состояние заряда аккумулятора 22 падает ниже частного значения состояния накопительного конденсатора или состояния заряда аккумулятора 22. Если накопитель энергии 22 представляет собой суперконденсатор, то состояние накопительного конденсатора обычно определено напряжением суперконденсатора. Если накопитель энергии 22 представляет собой маховик, то состояние накопительного конденсатора обычно определено скоростью вращения маховика. В этом случае накопитель энергии представляет собой аккумулятор, и состояние заряда основано на объединении ампер-часов сети от аккумулятора 22.

Более того, управление APU может иметь регулятор (не показан), который ограничивает максимальную мощность, которую произведет тепловой двигатель. Регулятор позволят тепловому двигателю 30 производить номинальную мощность выше диапазона оборотов двигателя даже во время мгновенных нагрузок от генератора 32. Это свойство предотвращает потерю скорости теплового двигателяь 30, и тепловой двигатель работает в диапазоне максимальной расчетной мощности. Регулирование скорости двигателя в APU 20 генератором с постоянным магнитом является одним из способов для предотвращения перенапряжения генератора 32.

Последовательная гибридная схема аккумулятор-аккумулятор, использующая APU, имеет преимущество перед обыкновенными последовательными гибридными схемами, известными в уровне техники по нескольким причинам. Во-первых, в обыкновенных последовательных гибридных схемах, имеющих тепловой двигатель и тяговый аккумулятор, напряжение на тяговом аккумуляторе может колебаться обычно между 75% от номинального значения в течение ускорения до примерно 110% от номинального значения в течение рекуперативного торможения. Настоящая схема уменьшает колебания на тяговом аккумуляторе, используя аккумулятор 16 высокой энергии, который обеспечивает выравнивание нагрузки для теплового двигателя 30. Далее, поскольку система 54 управления APU предназначена для периодической работы теплового двигателя 30, для тяжелого режима работы может быть использован двигатель относительно небольшой номинальной мощности, чем в обыкновенной последовательной гибридной системе. Как описано ниже, могут быть использованы различные варианты воплощения APU 20 в последовательной гибридной схеме аккумулятор-аккумулятор.

Фиг.2 показывает альтернативный вариант воплощения последовательной гибридной силовой установки аккумулятор-аккумулятор, обозначенный ссылочной позицией 62. В показанном варианте осуществления вспомогательная силовая установка (ВСУ) (APU) 63 содержит топливный элемент 64 вместо теплового двигателя 30. Топливный элемент 64 может содержать множество блоков топливных элементов, соединенных вместе. Топливный элемент 64 работает для производства выходной мощности DC, которая может быть использована для заряда накопителя энергии 16 через линию 18 DC. Подобно системе 10, показанной на Фиг.1, управление накопителем энергии 22 и соответствующей линией 19 DC тягового привода 14 в течение ускорения или пока выполняется работа в режиме быстрого перемещения выполняют мощностью, подаваемой встроенным источником 65 энергии, содержащим APU 63, аккумулятор 16 высокой энергии и повышающий преобразователь 38. В показанном варианте воплощения накопитель энергии 16 представляет собой электрически перезаряжаемый аккумулятор, а накопитель энергии 22 представляет собой тяговый аккумулятор.

Установка 62 дополнительно содержит систему 66 управления топливным элементом, который функционально подобен системе 54 управления APU на Фиг.1. В частности, система 66 управления топливным элементом может работать для управления работой топливного элемента 64 так, что выходное напряжение (V_FC) DC топливного элемента 64 находится в напряжении максимального заряда аккумулятора 16. Топливный элемент 64 может управляться способом, подобным тепловому двигателю 30, описанному выше.

Например, в первой схеме управления топливный элемент может работать непрерывно, пока транспортное средство работает для поддержания заряда аккумулятора 16 большой энергии. Размер топливного элемента 64 выбирают так, чтобы разрешить топливному элементу 64 работать непрерывно с минимальным удельным расходом топлива (УРТ) (SFC).

Во второй схеме управления топливный элемент 64 прекращает заряд аккумулятора 16 большой энергии, когда выходное напряжение (V_FC) топливного элемента 64 находится в заранее определенном диапазоне напряжения, а выходной ток фазы топливного элемента 64 меньше, чем заранее определенный предел для заданного времени. Топливный элемент 64 может возобновить заряд аккумулятора 16 высокой емкости, когда напряжение на концах аккумулятора 16 высокой энергии падает ниже желаемого напряжения для определенного периода времени.

Дополнительно система управления 66 топливным элементом может ограничивать максимальную мощность, которую производит топливный элемент 64. Эта функция управления топливным элементом позволяет топливному элементу производить номинальную мощность в диапазоне работы топливного элемента даже в течение мгновенных нагрузок от аккумулятора 16 высокой энергии. Это свойство предотвращает перегрузку и обеспечивает работу топливного элемента с максимальным расчетным выходным напряжением и диапазоном мощности.

Установка 62 имеет в основном подобные преимущества по отношению к обыкновенным последовательным гибридным силовым установкам, как установка 10, показанная на Фиг.1. Однако отметим, что настоящее оборудование не ограничено последовательной гибридной схемой аккумулятор-аккумулятор. Оно может быть выполнено в обыкновенной последовательной гибридной схеме, как показано далее.

Фиг.3 показывает гибридную силовую установку 70, содержащую систему 72 генерации мощности и систему 14 тягового привода, где система генерации мощности содержит встроенный источник 74 энергии и накопитель 22 энергии, в основном тяговый аккумулятор, имеющий высокую плотность энергии. При работе систему 14 тягового привода запитывают встроенным источником 74 энергии. Встроенный источник 74 энергии может содержать тепловой двигатель 76, соединенный с генератором 78 с соответствующим выпрямителем 80, который работает подобно силовой установке 10, показанной на Фиг.1.

В течения ускорения или условий усиленных нагрузок мощность получают из тягового аккумулятора 22 для добавления к мощности от встроенного источника 74 энергии. В течение торможения рекуперативную энергию передают тяговому аккумулятору 22 от тягового привода 14, содержащего преобразователь 28 DC-AC и двигатель 24. Встроенный источник 74 энергии работает для заряда аккумулятора 22. Энергия, протекающая от встроенного источника 74 энергии, показана стрелками, обозначенными позицией 82.

Установка 70 имеет систему 84 управления, которая работает подобно системе 54 управления APU с Фиг.1, отличаясь в том, что система 84 управления регулирует работу встроенного источника 74 энергии для поддержания желаемого напряжения на тяговом аккумуляторе 22. В частности, система управления 84 может работать для регулирования работы встроенного источника энергии так, что максимальное значение выходного напряжения (V_o) DC встроенного источника 74 энергии находится в максимальном напряжении заряда тягового аккумулятора 22. Система 84 управления может использовать различные схемы управления, описанные выше, для поддержания желаемого напряжения на тяговом аккумуляторе.

Оборудование, описанное выше, успешно позволяет упрощать местный APU, работающий на топливе, или саморегулирование APU, работающего на топливе, или встроенный источник энергии, который, в свою очередь, обеспечивает высокую степень надежности и минимальным удельным расходом топлива (УРТ) (SFC). Как говорилось ранее, периодическая работа APU, работающего на топливе, также приводит к уменьшению уровня шума и минимизации выбросов.

Несмотря на то, что здесь показаны и описаны только основные признаки изобретения, множество модификаций и изменений будут понятны специалисту. Поэтому понятно, что приложенная формула изобретения предназначена для охвата всех таких модификаций и изменений, которые попадают в истинный дух изобретения.

Реферат

Изобретение относится к гибридным силовым установкам. Установка по первому варианту содержит первый накопитель энергии, тяговый приводной двигатель, второй накопитель энергии, систему управления, вспомогательную силовую установку, включающую в себя двигатель и генератор. Система управления предназначена для управления работой вспомогательной силовой установки на основании оценки двигателя и генератора. Система по второму варианту содержит накопитель энергии, силовой двигатель, встроенный источник энергии, систему управления, которая управляет работой встроенного источника энергии на основании оценки двигателя и генератора. Накопитель энергии осуществляет подачу дополнительной мощности на силовой двигатель дополнительно к встроенному источнику энергии. Способ по первому варианту содержит этапы, на которых осуществляют подачу мощности к тяговому приводному двигателю от первого накопителя энергии, подачу дополнительной мощности от второго накопителя энергии, осуществляют заряд первого накопителя энергии посредством вспомогательной силовой установки, включающей в себя двигатель и генератор. Вспомогательной силовой установкой управляют на основании оценки двигателя и генератора. Способ по второму варианту содержит этапы, на которых запускают встроенную систему генерации мощности для заряда накопителя энергии и для работы тягового приводного двигателя, осуществляют подачу дополнительной мощности по требованию на тяговый приводной двигатель от накопителя энергии дополнительно к встроенной системе генерации мощности. Технический результат заключается в повышении срока службы накопителе

Формула