用于移動車輛的兩層能量儲存的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于移動車輛的兩層能量儲存。該方法可以包括：接收關于車輛行程概況的信息。當行程概況指示充電機會時，可以將配置成推進車輛的牽引電機的電氣模式從牽引電機接收電力的電動機模式改變為牽引電機產生電力的發電機模式。該方法還可以包括：把由處于發電機模式的牽引電機產生的能量引導到具有第一能量吸收速率性能的一個或多個能量儲存裝置的第一層。具有比第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能的一個或多個能量儲存裝置的第二層隨后可以利用第一層能量儲存裝置的能量充電。當牽引電機不再產生電力時，第二層能量儲存裝置的充電可以繼續。
【專利說明】
用于移動車輛的兩層能量儲存

【技術領域】
[0001]本公開一般涉及能量儲存，并且更特別地涉及用于移動車輛的兩層能量儲存。

【背景技術】
[0002]現代車輛(例如機車和重型卡車)正越來越多地配備有可再生能源、能量儲存裝置以及耗電設備。可再生能源(例如處于動態制動模式的牽引電機)具有提高這些車輛的燃料經濟性和/或其他性能特性的潛能。與可再生能源關聯的一個問題是所產生的電力的量和速率會超出已知電池系統的充電容量。因此，常規能量管理控制器往往通過在電阻柵中將能量以熱的形式耗散，來浪費掉很多所產生的能量。
[0003]改善混合動力車輛的效率的一種嘗試在1980年4月22日授予White的美國專利號4，199，037 (’ 037專利)中被公開。’ 037專利提供了一種電驅動車輛，其具有渦輪發動機、由渦輪發動機驅動的發電機、用于儲存電能的電池、以及用于驅動車輛的車輪的牽引電機。牽引電機通過可以直接從發電機或電池獲得的電能供電。只要儲存在電池中的可用能量的量下降到低于第一預定水平，控制器就開啟渦輪發動機。’ 037專利也公開了將渦輪的速度保持在恒定水平以使其效率最大化。
[0004]雖然’ 037專利的混合動力系統可以改善所公開的車輛的效率，但是它仍不太理想。特別地，’037專利的所公開的混合動力系統并未提供除電池以外的用于儲存能量的任何裝置。當電池中的儲存能量上升到高于預定水平時，渦輪發動機被切斷，并且唯一的能量源變成電池，直到渦輪發動機再次被開啟以驅動DC發電機并對電池再充電。結果，’037專利的系統無法允許渦輪發動機在其最大效率點操作，并且在某些情況下不能夠如所期望的那么快地儲存由渦輪和/或牽引電機所產生的所有過量能量。
[0005]本公開的系統和方法能夠解決上述的一個或多個問題和/或現有技術中的其他問題。


【發明內容】

[0006]在一個方面中，本公開涉及一種儲存由移動車輛產生的能量的方法。該方法可以包括:接收關于車輛行程概況(trip profile)的信息，以及改變配置成推進車輛的牽引電機的電氣模式。當行程概況指示充電機會時，該模式可以從牽引電機接收電力的電動機模式改變為牽引電機產生電力的發電機模式。該方法還可以包括:把由處于發電機模式的牽引電機產生的能量引導到具有第一能量吸收速率性能的第一層一個或多個能量儲存裝置。第二層一個或多個能量儲存裝置可以設置有比第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能。第二層一個或多個能量儲存裝置可以利用第一層一個或多個能量儲存裝置的能量充電。
[0007]在另一方面中，本公開涉及移動車輛上的能量管理系統。能量管理系統可以包括:具有第一能量吸收速率性能的第一層能量儲存裝置，以及具有比第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能的第二層能量儲存裝置。控制器還可以被提供和配置成接收關于車輛行程概況的信息，并在行程概況指示充電機會時，把配置成推進車輛的牽引電機的電氣模式從牽引電機接收電力的電動機模式改變為牽引電機產生電力的發電機模式。控制器可以配置成把由處于發電機模式的牽引電機產生的能量引導到第一層能量儲存裝置。控制器還可以配置成啟動利用第一層能量儲存裝置的能量對第二層能量儲存裝置的充電。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是具有所公開的示例性能量管理控制器的移動車輛的示意圖；
[0009]圖2是繪出可以由圖1的能量管理控制器執行的示例性能量管理方法的流程圖。

【具體實施方式】
[0010]圖1是包括根據本公開的能量管理系統的移動車輛系統的不意圖。在圖1的不例性實施例中，移動車輛系統被描繪為配置成在軌道104上運行的機車100。機車可以是運行位于主發動機殼體102內的柴油發動機106的柴油電動車輛。然而，在機車100的替代實施中，可以采用替代發動機配置，例如汽油內燃發動機、燃氣渦輪發動機、生物柴油發動機以及天然氣發動機。可預期到的是，車輛可以可替換地是道路上的卡車，公共汽車，有篷貨車，客車，諸如大型挖掘機、挖掘傾卸卡車等之類的越野車(OHV)。
[0011 ] 機車100的能量管理系統可以包括能量管理控制器116，第一層能量儲存裝置(例如包含在能量儲存器組(energy storage bank) 115內的超級電容器和慣性能量儲存裝置)，以及第二層能量儲存裝置(例如電池114)。機車操作人員和參與機車系統控制和管理的電子組件(例如能量管理控制器116)可以被容納在機車駕駛室103內。能量管理控制器116可以包括多個控制器，該控制器可以包括微處理器和/或計算機。能量管理控制器116可以與車輛控制系統128通信。車輛控制系統128可以是也位于機車駕駛室103中的車載控制系統。可替換地，車輛控制系統128可以位于遠程。
[0012]車輛控制系統128和/或能量管理控制器116還可以包括位置識別系統。位置識別系統例如全球定位系統(GPS)、基于慣性的定位系統、基于路旁的定位系統等可以配置成使能量管理控制器116能夠把能量管理決定至少部分地基于即將到來的行程概況。作為一個示例，能量管理控制器116可以配置成根據列車相對于即將到來的地形的目前位置而確定:將來的充電機會是可獲得的。充電機會指的是用于推進列車的牽引電機120可以以再生動態制動模式操作的情況，在所述再生動態制動模式中牽引電機120產生電能而不是消耗電能。
[0013]確定長下坡位于列車的前方可以使能量管理控制器116指示對儲存能量的增加使用，以便釋放能量儲存器組115中的額外能量儲存容量。當列車開始下坡時，能量管理控制器116可以配置成在接收到制動信號時啟動動態制動模式。在替代實施中，動態制動模式可以在預期到將來的制動信號的情況下被啟動，或者在某些情況下，只在已經接收到制動信號后被啟動。制動信號可以由列車上的駕駛員、遠程中心控制站或沿列車軌道的路旁站生成。在沿著列車上的電力總線110的一個或多個位置處的DC觸點或開關可以斷開從柴油發動機106和交流發電機108向驅動列車的牽引電機120饋電的系統的一部分。能量管理控制器116可以配置成將牽引電機120的操作模式從電動機模式切換到發電機模式，其中在電動機模式期間牽引電機從電力總線110接收電力，在發電機模式期間牽引電機產生電力并將該電力提供回給電力總線110。處于發電機模式的牽引電機120執行動態制動，如下面更詳細討論的。與使用碟或鼓制動器的機械或氣力制動所提供的減速相比，動態制動可以為下坡列車提供更加平滑的減速。
[0014]柴油發動機106生成沿驅動軸(未示出)傳送到交流發電機108的轉矩。所生成的轉矩被交流發電機108用于生成隨后沿機車100的電力總線100傳播的電力。發動機106可以以恒定速度或可變速度運行，基于操作需求生成馬力輸出。以這種方式生成的電力可以被稱為原動機電力。也可以提供產生用于輔助組件(例如空調、加熱和空氣壓縮機)的較少量的電力(輔助電力)的輔助柴油發動機-交流發電機或其他替代能源117。電力可以沿電力總線110傳送到各種下游電氣組件。基于所生成的電力輸出的性質，電力總線可以是直流(DC)總線或交流(AC)總線。
[0015]交流發電機108可以串聯連接到一個或多個整流器，該一個或多個整流器在交流發電機的電力輸出沿電力總線110傳送之前,將交流發電機的電力輸出轉換為直流電力。基于從電力總線110接收電力的下游電氣組件的配置，逆變器112可以用于將直流電力轉換為交流電力。在機車100的一個實施例中，單個逆變器112可以從電力總線110向多個組件提供交流電力。在替代實施中，多個不同逆變器中的每個逆變器可以向不同組件提供電力。應理解的是，在另外的實施中，機車可以包括連接到開關的一個或多個逆變器，所述開關可以被控制從而向連接到該開關的不同組件選擇性地提供電力。
[0016]如圖1所示，安裝在主發動機殼體102下方的轉向架上的牽引電機120可以經由電力總線I1接收交流發電機108的電力，以提供牽引動力來推進機車。牽引電機120可以是交流電動機。因此，與牽引電機配對的逆變器可以將電力總線110的直流輸入轉換為適當的交流輸入，例如三相交流輸入，供牽引電機隨后使用。在替代實施中，一個或多個牽引電機120可以是在整流和沿電力總線110傳送后，直接采用交流發電機108的輸出的直流電動機。在一個示例性實施中，機車配置可以每個輪軸124包括一個逆變器-牽引電機對。如圖1所示，六個逆變器-牽引電機對可以設置成用于機車100的六個軸-輪對中的每個軸-輪對。在替代實施中，機車100可以配置有例如四個逆變器-牽引電機對。應理解的是，可替換地，單個逆變器112可以與多個牽引電機120配對。
[0017]如上所述，每個牽引電機120還可以配置成充當提供動態制動以使機車100減速的發電機。特別地，在動態制動期間，每個牽引電機120可以提供與在滾動方向上推進車輛所需的轉矩相反的方向的轉矩。該阻性轉矩可以是由處于發電機模式中的每個牽引電機再生的電力的量的函數。在動態制動期間由牽引電機再生電力的速率可能超出能量儲存裝置例如電池的優選充電速率，或者甚至可能是損壞電池的充電速率。作為一個非限制性的示例，在動態制動期間機車上的六個牽引電機生成總共約3000千瓦電力的情況下，該電力量可以在相對短的時間段(例如一小時的十分之一)內產生。由牽引電機在一小時的十分之一時間內產生的電能會是300千瓦時(kWh)。為了吸收所有這些能量，電池要求至少300kWh的能量吸收速率。該能量吸收速率會超出在能量儲存裝置的第二層中提供的一個或多個電池的容量。因此，為了避免損壞電池，所生成電力的至少一部分可以經由線路傳送到電阻器柵格126并以熱的形式耗散。在一個示例中，該柵格包括直接串聯連接到電力總線的電阻元件的堆棧。電阻元件的堆棧可以位于靠近主發動機殼體102的頂板的位置，以便在風扇118的幫助下促進空氣冷卻以及熱量從柵格的耗散。此外，在發動機106被操作使得其提供比驅動牽引電機120所需的電力更多的電力的時段期間，過量的容量(也被稱為過量的原動機電力)可以可選地儲存在能量儲存裝置的組合中。通過電阻元件對過量能量的耗散會導致在動態制動期間由牽引電機產生的能量的相當大部分的浪費。
[0018]根據在該公開中闡述的能量管理控制器116的各種實施，通過熱耗散對能量的浪費或對第二層能量儲存裝置例如電池114的潛在損壞可得以避免。能量管理控制器116可以配置成接收關于車輛行程概況的信息、并生成指示把配置成推進車輛的牽引電機的電氣模式從電動機模式改變為發電機模式的命令的信號。將牽引電機的電氣模式改變為發電機模式的命令可以從車載駕駛員、中央指揮中心、調度中心、路旁站等中的一個或多個接收。該命令可以與制動命令相符，或者可以在實際制動命令已被接收之前或之后接收。能量管理控制器116可以配置成基于將要到來的地形變化、對交叉或開關場的接近、或其他操作、地理或天氣相關特性，預期使列車減速的需要。
[0019]能量管理控制器116可以配置成把由處于發電機模式中的牽引電機生成的所有能量引導到一個或多個能量儲存裝置的第一層。第一層能量儲存裝置可以包括超電容器(super-capacitor)、超級電容器(ultra-capacitor)和慣性能量儲存裝置(例如飛輪系統)中的一個或多個。與一個或多個能量儲存裝置的第二層(例如電池)相比，第一層能量儲存裝置可以具有相對較快的充電性能。能量儲存裝置的充電性能也可以被稱為能量儲存裝置的“能量吸收速率”性能。能量管理控制器116還可以配置成在仍然把由牽引電機生成的能量引導到第一層能量儲存裝置的同時，啟動利用第一層能量儲存裝置的能量對第二層能量儲存裝置的緩慢充電。利用第一層能量儲存裝置的能量對第二層能量儲存裝置繼續充電可以在牽引電機不再處于發電機模式之后繼續。如下面進一步解釋的，第二層能量儲存裝置的“緩慢充電”可以指比處于動態制動模式中的牽引電機產生電能的速率更慢的任何充電速率。能量管理控制器116可以配置成至少部分地基于會增加第二層能量儲存裝置的壽命并使得能夠捕獲能量的增加量的充電速率，確定對第二層能量儲存裝置充電的速率。能量儲存器組115可以包括第一層能量儲存裝置。第二層能量儲存裝置可以是被連接從而接收電力總線110的電力的一個或多個電池114或電池組。
[0020]第一層能量儲存裝置的特性可以是其快速吸收以快速率產生的能量(例如由處于動態制動模式中的牽引電機產生的電能)的能力。第一層能量儲存裝置的另一個特性可以是其不能夠把能量儲存與第二層能量儲存裝置一樣長的時間。作為示例，超級電容器可以配置成快速吸收牽引電機120以高速率產生的所有能量。在上述的示例中，高速率可以是吸收以約300kWh的速率產生的電能的能力。本領域普通技術人員應認識到的是，取決于牽引電機的數量及其額定容量，捕獲由處于動態制動模式中的牽引電機產生的所有能量或大多數能量所必需的“高”能量吸收速率可以變化。然而，超級電容器無法配置成長時間儲存能量而沒有一些泄漏。類似地，慣性能量儲存裝置能夠被從處于動態制動模式中的牽引電機接收電力的關聯電動機快速驅動到高旋轉速率。非常低摩擦的軸承可以允許慣性能量儲存裝置相對長時間地儲存能量作為機械慣性。然而，機械摩擦會最終導致儲存能量的一部分以比第二層能量儲存裝置的電池的情況更快的速率損失。
[0021]如上所述，第二層能量儲存裝置(例如一個或多個電池114)可以連接到電力總線110。變換器(未示出)可以配置在電力總線110與一個或多個電池114之間，以允許由交流發電機108提供到電力總線的高電壓適當地逐步降低以供電池使用。通過這類變換器的存在，第二層能量儲存裝置例如電池114可以利用由運行的發動機106產生的電力總線110中的電力被充電到一定程度。可替換地，電池114可以通過從第一層能量儲存裝置接收的電能而被部分或完全地充電。通過首先向第一層能量儲存裝置提供由處于動態制動模式中的牽引電機120以高速率產生的電力，能量管理控制器116可以配置成促進所產生的能量的全部或近乎全部的捕獲。該特征可以避免不能被電池捕獲的再生能量的浪費。能量管理控制器116還可以配置成利用第一層能量儲存裝置的電力，以受控的速率對能量儲存裝置的第二層中的電池114緩慢充電。電池的緩慢充電可以被校準，以增大可以由電池儲存的能量的量。該兩層的系統可以使能量管理控制器116能夠避免對電池的過充電以及避免導致電池的潛在損壞或降低電池的壽命。
[0022]儲存在第二層能量儲存裝置中的電能可以在發動機操作的待機模式期間被使用，以操作各種電子組件，例如燈、車載監測系統、微處理器、處理器顯示器、氣候控制裝置等。在混合動力機車或其他混合動力電推進系統中，儲存在一個或多個電池或備用能量儲存裝置中的電能也可以用于推進車輛。在各種實施中，必要時，第一層和第二層能量儲存裝置中的一個或兩者的儲存能量可以被轉換并提供到電力總線110上以用于各種用途。該儲存的電力可以用于提供能量以便從停車狀況啟動發動機106。該儲存的電力還可以使得能夠配置具有較小的原動機動力源(例如柴油發動機106)的機車。在各種配置中，能量管理控制器116可以使得能夠使用柴油發動機或其他動力源，其中所述柴油發動機或其他動力源的大小被設置成對于大部分行程概況而言能夠在其最高效的操作區域內操作。儲存在第一和第二層能量儲存裝置中的能量可用于彌補在高能量消耗時段(例如長上坡)期間遇到的任何能量不足。
[0023]能量儲存裝置的第一層的能量儲存器組115可以包括:例如，超電容器或超級電容器，飛輪系統，或其組合。儲存器組可以單獨使用、或者以與第二層能量儲存裝置(例如電池114)的任何組合的方式使用。當組合使用時，能量儲存裝置的不同的層可以提供利用任何單個能量儲存裝置無法實現的協同益處。例如，慣性能量儲存系統(例如飛輪系統)能夠相對快速地儲存電能，但是在其總能量儲存容量方面可能會相對受限。類似地，超級電容器系統能夠相對快速地儲存電能，但是在其總能量儲存容量方面可能會相對受限。另一方面，電池系統可以相對慢地儲存電能，但是可以配置有較大的總能量儲存容量。因此，當組合時，第一和第二層能量儲存裝置可以捕獲不能單獨通過電池及時捕獲的動態制動能量。能量管理控制器116可以配置成把列車或其他移動車輛的能量儲存容量擴展到超出僅采用單個類型的能量儲存裝置的系統的限制。
[0024]多個能量儲存器組115和電池114可以位于相同機車上或一個或多個備用機車上。此外，備用能源117 (例如一個或多個柴油發動機和關聯的交流發電機)可以用于將能量傳送到車載能量儲存裝置例如電池114。備用能源117和/或能量儲存器組115也可以由能量管理控制器116管理。
[0025]能量管理控制器116可以配置成調整電池114的充電/放電速率、和/或去往/來自電池114的電力傳送速率。這些速率可以至少部分地基于屬于電池114的操作條件的數據。該數據可以包括電池充電狀態(SOC)、電池溫度和/或溫度梯度，以及使用頻率。與電池操作條件相關的其他因素可以包括已經過去的多個充電/放電循環，電力傳送電流和電壓，在充電模式下的千瓦時的總數，在放電模式下的千瓦時的總數，以及在充電/放電模式下的總操作小時數。附加因素可以包括已完成的車輛任務數，車輛行駛距離，運行中經過的時間，等等。此外，關聯的位置識別系統(例如GPS)或關聯的車輛控制系統128可以向能量管理控制器提供當前和將來的行程概況130的細節，包括但不限于坡度、速度限值、曲率半徑和海拔高度。能量管理控制器116還可以配置成接收屬于車輛驅動特性的數據(例如車輛速度、功率和制動發生率)。電池114的充電/放電速率和/或期望充電狀態的閥值上限和閥值下限可以相應地響應于電池的溫度、使用時間、使用頻率、效率以及其它操作參數而得到調整。與任何特定行程概況相關的因素也可以考慮在內。在行程概況和/或電池操作參數改變時，充電/放電概況可以被修正和更新。因此，能量管理控制器116可以配置成增加能量儲存裝置的能量儲存以及壽命和健康。作為一個非限制性的示例，隨著電池使用時間和使用頻率的增加，能量從第一層能量儲存裝置(例如超級電容器和飛輪)傳送到第二層能量儲存裝置(例如電池)的速率會減小。
[0026]在發動機106可以是渦輪發動機的替代實施中，渦輪發動機和交流發電機108的旋轉組件(例如旋轉渦輪葉片和交流發電機轉子)可以達到每分鐘40，000到60，000轉(RPM)的速度或更高速度。因此，這些旋轉組件可以儲存作為旋轉慣性的相當大量的能量。除了能量儲存器組115的裝置之外，這些旋轉組件的旋轉慣性還可以提供另一種第一層能量儲存裝置。當被提供燃料時，渦輪交流發電機的旋轉組件可以作為一個旋轉單元自由旋轉。由于旋轉組件的高慣性以及旋轉組件所經歷的相對低的摩擦損耗，在燃料供應切斷后該高速旋轉可以繼續一段相當長的時間。儲存在渦輪和交流發電機的組合的高速旋轉組件中的慣性能量是可用的，而不必首先把由牽引電機120產生的電能轉換為驅動能量儲存器組115的飛輪的轉矩。在任意一種情況下，慣性能量儲存可以允許例如在再生或動態制動期間、或者當超過電力需求的能量由發動機106產生時可以獲得的過量能量的快速儲存。與利用第二層能量儲存裝置例如電池114可能實現的情況相比，慣性能量儲存還可以允許對能量的更快速或即時的存取。另一方面，與利用超級電容器或慣性能量儲存可能實現的情況相比，第二層能量儲存裝置例如電池114可以允許更大容量的更長期、穩態的能量儲存。
[0027]如圖1所示，發動機106和交流發電機108可以向AC-DC轉換器或整流器提供三相交流電流(AC)，并且所產生的直流電流(DC)可以通過電力總線110提供給DC-AC逆變器112，該DC-AC逆變器112可以向一個或多個牽引電機120輸出具有三個交流電流的三相電力。如果有必要的話，電力總線110中的一部分DC電力也可以經過變換器、并提供給第二層能量儲存裝置例如電池114。當一個或多個牽引電機120所需的電力小于由發動機106和交流發電機108生成的總電力時，能量管理控制器116可以配置成將電力總線110的直流電流的一部分引導到第二層能量儲存裝置的一個或多個電池114中。當從一個或多個牽引電機120接收到電力時，能量管理控制器116可以配置成確定能量被接收的速率對于電池114的能量吸收速率性能來說太大。從交流發電機108接收能量的速率也可能超過電池114的能量吸收速率性能。這樣的確定可以至少基于上面討論的因素(例如電池114的電流操作參數)而改變。因此，在本公開的各個實施中，能量管理控制器116可以自動地把在制動期間由牽引電機120產生的部分或全部能量引導到能量儲存器組115的第一層能量儲存裝置中。類似地，如果由發動機-交流發電機的組合向電力總線110提供能量的速率超過電池114的性能，則能量管理控制器116可以將該能量的部分或全部引導到能量儲存器組115的第一層能量儲存裝置中。
[0028]能量管理控制器116還可以配置成基于獲得的信息(例如系統的位置，系統操作條件的映射圖(map)，或者根據傳感器提供的各種輸入確定預期負載的計算或算法)，提供考慮了該系統的預期或已知的即將到來的負載的超前控制。能量管理控制器116可以配置成包括一個或多個處理器、數據庫、查找表、映射圖以及與能量管理控制器116執行的能量管理過程相關的其他信息源。能量管理控制器116還可以通過有線或無線鏈路(未示出)可通信地耦接到例如可從中央控制中心、路旁站、調度中心或從車載源(例如全球定位衛星接收器(GPS)或操作員輸入)獲得的其他網絡或非網絡數據源。在各個實施中，能量管理控制器116可以配置成經由位置識別系統(例如GPS)確定目前和預期的車輛位置信息。該位置信息可以用于定位數據庫中關于列車或其他移動車輛可能會經歷的目前和/或預期的地形或軌道地形和概況條件的數據。這類信息可以包括:例如，軌道或地形坡度，海拔(例如，在平均海平面上方的高度)，列車軌道曲線數據，列車隧道信息，以及速度限值信息。該數據庫信息可以由各種源提供，所述各種源包括:與能量管理控制器116關聯的車載數據庫，通信系統(例如提供來自中心源、手動操作員輸入、一個或多個路旁信號發送裝置的信息的無線通信系統)，或這些源的組合。其他車輛信息(例如車輛的尺寸和重量、與發動機關聯的功率容量、效率等級、目前和預期速度、以及目前和預期電力負載)也可以被包括在數據庫中(或者被實時或接近實時地提供)并由能量管理控制器116使用。在各個替代實施中，能量管理控制器116可以配置成以靜態方式確定能量儲存和與能量儲存關聯的能量傳送要求。例如，系統可以預編程有上述信息中的任意信息，或者可以使用基于過去操作經歷的查找表或映射圖。
[0029]能量管理控制器116可以使用目前和/或即將到來的電力需求信息以及車輛狀態信息，確定電力儲存和電力傳送要求。能量儲存機會可以基于目前和將來可能的電力需求信息。例如，基于地形信息(例如針對列車的即將到來的軌道特性信息)，能量管理控制器116可以配置成確定將發動機置于燃料切斷模式并用完儲存在第一層能量儲存裝置(例如飛輪系統)中的能量和/或儲存在第二層能量儲存裝置(例如電池)中的電能是否是更高效的。能量管理控制器116可以配置成做出該確定，即使因為動態制動區域即將到來而使目前的能量需求較低。以這種方式，能量管理控制器116可以配置成在遇到潛在的即將到來的充電區域之前通過解決儲存的能量來提高效率。對發動機的燃料供應可以保持切斷，直到慣性能量儲存和電能儲存都已下降到低于設定閥值為止。在慣性能量儲存的情況下，設定閥值可以是每分鐘轉數(RPM)的指定水平或范圍，例如當通常運行在從40，000RPM到60，000RPM的范圍中的渦輪發動機已經下降到低于48，000RPM到45，000RPM的范圍時。當慣性能量儲存利用一個或多個飛輪系統執行時，設定閥值可以基于至少一個飛輪的RPM。類似地，電能儲存裝置(例如電池114)的設定閥值可以是較低的充電水平或充電水平范圍，其中低于所述充電水平或充電水平范圍就應該對電池再充電。
[0030]在操作中，能量管理控制器116可以配置成確定電力儲存要求和電力傳送要求。能量管理控制器116可以配置成接收來自傳感器的信號，所述傳感器例如是加速傳感器、節流閥位置傳感器、進氣傳感器、制動傳感器以及燃料空氣比傳感器。數據還可以從包括查找表和映射圖的各種數據源接收。能量管理控制器116可以配置成至少基于該獲得的數據，確定電力需求所要求的是對能量的更短期更快速的存取、還是對能量的更長期更穩態的存取。能量的快速儲存和傳送的示例性應用可以包括車輛上的突然制動和加速條件。更長期更穩態的應用可以包括在恒定速率行駛條件或其他穩態條件下向車輛的牽引組件提供動力。
[0031]能量管理控制器116還可以配置成建立關于能量儲存和傳送的優先級或規則。在各個實施中，電力傳送要求可以至少部分地作為電力需求的函數而被確定。在某些實施中，能量管理控制器116可以配置成僅當第一層能量儲存裝置(例如超級電容器和飛輪系統)已經衰竭到低于閥值水平、并且第二層能量儲存裝置(例如電池)也已經衰竭到低于閥值水平時，向燃料發動機106提供信號。在其他情況下，取決于諸如預期電力需求之類的因素，能量管理控制器116可以配置成以全功率運行發動機106，即使能量儲存裝置還沒有衰竭。能量管理控制器116還可以配置成預期即將到來的充電機會，例如當牽引電機120可能會在動態制動模式下運行時。基于該信息，能量管理控制器116可以配置成耗盡儲存在第一和第二層能量儲存裝置中的一個或兩者中的能量，以便釋放更多的儲存容量。根據本公開的兩層能量儲存系統可以促進在動態制動模式期間由牽引電機120再生的能量的更多捕獲，由此產生提高的整體燃料效率和降低的排放。
[0032]圖2示出可以由能量管理控制器116執行的所公開的示例性能量儲存和傳送方法的步驟。圖2將在下面的部分中討論以便進一步舉例說明所公開的概念。
[0033]工業話用件
[0034]所公開的示例性兩層能量管理系統可以提供改善的燃料效率和降低的排放。該系統還可以避免浪費由處于動態制動模式中的牽引電機再生的能量。兩層能量管理系統的附加優點可以包括:增加的電池壽命，以及儲存可用于更短期和更快速的電力需求及更長期更穩態的電力需求的能量的能力。特別地，通過控制由處于動態制動模式中的牽引電機產生的再生電力的電力傳送和儲存，可以實現顯著的燃料節省。因此，與特定行程概況通常所需的相比，根據本公開的能量管理控制器可以允許使用更小的原動機動力源。第一層能量儲存裝置可以具有較高的能量吸收速率性能，其允許捕獲處于動態制動模式中的牽引電機所產生的全部或近乎全部電能。這些第一層能量儲存裝置還可以提供要求立即供應能量的電力需求的能量。能量儲存裝置的第二層可以按照適合于較低能量吸收速率性能的速率利用第一層能量儲存裝置的能量進行充電，所述較低能量吸收速率性能可能不足以捕獲來自牽引電機的再生能量。與可從第一層能量儲存裝置獲得的相比，第二層能量儲存裝置(例如電池)還可以提供用于更長期更穩態的能量儲存的更大容量、以及在更長時間內更多儲存能量的可用性。
[0035]如圖2的流程圖200所示，根據本公開的能量管理控制器可以在步驟210接收關于車輛行程概況的信息。該信息可以來自各種源，這些源可以包括:位置識別系統(例如GPS)，以及實時接收的或從各種數據庫取得的操作信息。
[0036]至少部分地基于在步驟210接收的車輛行程概況信息，能量管理控制器可以在步驟220將用于驅動車輛的一個或多個牽引電機的電氣模式從電動機模式改變為發電機模式。能量管理系統可以基于車輛的位置、映射圖、根據傳感器輸入對預期負載的計算、以及系統操作條件的評估，來提供超前控制。能量管理控制器還可以將一個或多個牽引電機的電氣模式改變為發電機模式，以啟動與制動命令的接收相符的動態制動。可替換地，由牽引電機執行的動態制動可以在接收到制動命令之前或之后被啟動。
[0037]在步驟230，以動態制動模式操作的一個或多個牽引電機生成的能量可以被引導到能量儲存裝置的第一層。這些第一層能量儲存裝置可以被選擇具有足以吸收處于動態制動模式中的牽引電機所產生的全部或近乎全部電能的能量吸收速率性能。
[0038]在步驟240，根據本公開的能量管理控制器可以在一個或多個牽引電機仍然在產生電力的同時，指示利用第一層能量儲存裝置的能量對第二層能量儲存裝置充電。第二層能量儲存裝置被充電的速率可以被控制，以避免損壞第二層能量儲存裝置、并增加可以儲存的電力的量。能量從第一層能量儲存裝置到第二層能量儲存裝置的傳送還會釋放第一層能量儲存裝置中的更多能量儲存容量。
[0039]在步驟250，能量管理控制器可以在牽引電機已經從發電機模式切換回到電動機模式之后，指示利用第一層能量儲存裝置的能量對第二層能量儲存裝置繼續充電。這可以使得能夠在第一層能量儲存裝置開始丟失任何顯著量的能量之前將能量傳送到具有更好的長期儲存性能的儲存裝置。
[0040]對于本領域技術人員明顯的是，在不脫離本公開的范圍的情況下，可以對所公開的兩層能量管理系統做出各種修改和變更。根據對本文所公開的方法的規格和實踐的考慮，兩層能量管理系統的其它實施例對于本領域技術人員將是明顯的。說明和實例旨在僅被視為是示例性的，并且本公開的實際范圍由所附權利要求及其等價物指示。
【權利要求】
1.一種儲存由移動車輛產生的能量的方法，所述方法包括: 接收關于車輛行程概況的信息； 當所述行程概況指示充電機會時，將配置成推進車輛的牽引電機的電氣模式從所述牽引電機接收電力的電動機模式改變為所述牽引電機產生電力的發電機模式； 將所述牽引電機在所述發電機模式下產生的能量引導到具有第一能量吸收速率性能的第一層一個或多個能量儲存裝置；以及 利用所述第一層一個或多個能量儲存裝置的能量對具有第二能量吸收速率性能的第二層一個或多個能量儲存裝置充電，所述第二能量吸收速率性能比所述第一能量吸收速率性能更慢。
2.如權利要求1所述的方法，還包括:當所述牽引電機不再產生電力時，繼續對所述第二層一個或多個能量儲存裝置充電。
3.如權利要求1所述的方法，其中接收關于車輛行程概況的信息包括接收來自下述中一個或多個的信息:操作員輸入，中央命令輸入，映射圖或其他數據庫，⑶3，基于慣性的定位系統，以及基于路芳的定位系統。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述行程概況至少部分地基于指示操作、地理和天氣相關特性中的一個或多個的信息，指示充電機會。
5.如權利要求1所述的方法，其中當所述行程概況指示充電機會與制動命令的接收相符時，改變牽引電機的電氣模式。
6.如權利要求1所述的方法，其中當所述行程概況指示充電機會發生在制動命令的接收之前或之后時，改變牽引電機的電氣模式。
7.如權利要求1所述的方法，其中將所述牽引電機在發電機模式下產生的能量引導到第一層一個或多個能量儲存裝置包括:在一個或多個超級電容器中儲存所述能量。
8.如權利要求1所述的方法，其中以校準的受控速率執行對所述第二層一個或多個能量儲存裝置的充電，以增大儲存在一個或多個第二層能量儲存裝置中的能量的量。
9.如權利要求1所述的方法，其中對所述第二層一個或多個能量儲存裝置充電包括:對一個或多個電池充電。
10.一種移動車輛上的能量管理系統，所述能量管理系統包括: 具有第一能量吸收速率性能的第一層能量儲存裝置； 具有比所述第一能量吸收速率性能更慢的第二能量吸收速率性能的第二層能量儲存裝置；以及 控制器，其配置成: 接收關于車輛行程概況的信息； 當所述行程概況指示充電機會時，將配置成推進車輛的牽引電機的電氣模式從所述牽引電機接收電力的電動機模式改變為所述牽引電機產生電力的發電機模式； 將所述牽引電機在所述發電機模式下產生的能量引導到所述第一層能量儲存裝置；以及 啟動利用所述第一層能量儲存裝置的能量對所述第二層能量儲存裝置的充電。
【文檔編號】B60L11/12GK104340078SQ201410366739
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2013年7月29日
【發明者】H·S·拉姆巴 申請人:易安迪機車公司