管理特别是机动车辆的具有可变电压的供电系统的方法.pdf

本发明涉及一种包括下列步骤的方法：根据旋转电机(3)的瞬时旋转速度，将具有可变电压的供电系统输出电压设置成第一和第二服务电压值之间的最优输出电压，以此使得最大化由该电机递送给能量存储系统(5)的电功率；当所述瞬时旋转速度低于所述额定旋转速度时，将所述输出电压设置为基本上等于所述第一服务电压的第一值，以便使从所述电机到所述负载(6)的能量转移输出最大化；以及当所述瞬时旋转速度高于所述额定旋转速度时，将所述输出电压(U)设置为基本上等于所述第二服务电压的第二值，以便使从所述电机到所述负载的能量转移输出最大化。

1、  一种管理特别是机动车辆的具有可变电压(U)的供电系统(1)的方法，所述系统(1)包括并联连接的：
-至少一个调节器(4)，与运行在发电机模式的、以快于或慢于预定额定旋转速度的瞬时旋转速度(N)旋转的旋转电机(3)相关联，所述调节器(4)产生处于第一调节电压和高于所述第一调节电压的第二调节电压之间的输出电压(U)；
-至少一个电能存储元件(5)，其负载电压处于第一服务电压和高于所述第一服务电压的第二服务电压之间；
-至少一个负载(6)，消耗电能；
根据所述系统(1)的所希望的功能模式，所述方法选择性地包括：
-根据所述电机(3)的所述瞬时旋转速度(N)，将所述输出电压(U)设置为处于所述第一服务电压和第二服务电压之间的最优输出电压(Uo，Uo’)，并且从所述最优输出电压(Uo，Uo’)向所述存储单元(5)充电，以便使所述电机传送给存储元件(5)的电功率(P)最大化；
-当所述瞬时旋转速度(N)低于所述额定旋转速度时，将所述输出电压(U)设置为基本上等于所述第一服务电压的第一值，并且从所述输出电压(U)向所述存储元件(5)充电，以便使从所述电机(3)到所述负载(6)的能量转移效率最大化；
-当所述瞬时旋转速度(N)高于所述额定旋转速度时，将所述输出电压(U)设置为基本上等于所述第二服务电压的第二值，并且从所述输出电压(U)向所述存储元件(5)充电，以便使从所述电机(3)到所述负载(6)的能量转移效率最大化。

2、  根据权利要求1的方法，其特征在于：它还包括步骤：
-通过所述电机(3)周期地向所述存储元件(5)充电，其瞬时电功率(P)只有在预定时间间隔(T1+T2)的一小段(T1)期间等于第一额定功率(P1)，选择所述第一额定功率(P1)以便所述瞬时功率(P)的时间平均等于所述负载(6)所需要的第二额定功率(P2)，这样使得从所述电机(3)到所述负载(6)的能量转移效率最大化。

3、  如权利要求1或2的方法，其特征在于：对于瞬时旋转速度(N)处于1800rpm和3000rpm之间的情况，最优输出电压(Uo)处于近似20V和近似26V之间的范围。

管理特别是机动车辆的具有可变电压的供电系统的方法
技术领域
本发明涉及管理特别是机动车辆的具有可变电压的供电系统的方法。
背景技术
近些年来，为了适应安装于机动车辆上的设备的数量和耗电量上的增加，人们已经研发了双电压供电系统的概念。
专利申请FR 2836604描述了这种类型的双电压供电系统。
所述系统的一部分由低压直流储能元件来供电，通常包括12V电池。
所述系统的另一部分由高压电储能元件来供电，通常包括超级电容器，它由被车辆热引擎所驱动的交流发电机经由调节器充电到可变的电压。
低电压系统主要用于向例如仪表板或舱室灯、收音机、门锁执行器、指示灯等低的电负载供电。
高电压系统用于向需要高功率的，例如热引擎启动器、车前灯、或者空调系统的车载设备供电。
系统两部分之间的电能转换通过可逆DC-DC转换器来实现，并且根据所需要的资源来调控并且可用于任何一系统，特别如上述专利申请所示。
低电压系统的电压基本上保持恒定，对于给定的电功率，每个并联设备在端子处只有一个链接有电压和电流的工作点。
具有设定电压的典型车载电系统由与被调节到这个固定电压的交流发电机相关联的电能存储元件来供电，这种情况下，优化系统效率的唯一可能方法似乎是根据能量需求管理交流发电机、或者电池、或者两者组合的使用，正如专利申请US 200220171392所提出的。
另一方面，由于高电压系统的电压是可变的，在该系统上并联连接的设备，它们或者是电能的消耗者或者是产生者，对于吸收或者产生的相等功率、存在几个可能的工作点。
这种由可变电压供电系统体系所提供的供给自由度，直到现在似乎也没有被本领域技术人员所考虑来提供对机动车辆上可用能量的最佳管理。
发明内容
因此，本发明的目的是管理特别是机动车辆的可变电压供电系统的方法，所述系统包括并联连接的：
-至少一个调节器，与以高于或低于预定额定旋转速度的瞬时旋转速度作为发电机工作的旋转电机相关联，所述调节器产生处于第一调节电压和高于第一调节电压的第二调节电压之间的输出电压；
-至少一个电能存储元件，具有处于第一服务电压和高于第一服务电压的第二服务电压之间的负载电压；
根据所希望的系统工作模式，使用这个额外的灵活性，并且选择性地包括：
-根据电机的瞬时旋转速度，将输出电压设置为处于第一服务电压和第二服务电压之间的最优输出电压，以最优输出电压向存储元件充电，这样使得由电机传递给存储元件的电功率最大；
-当瞬时旋转速度低于额定旋转速度时，将输出电压设置为基本上等于第一服务电压的第一值，并且从输出电压向存储元件充电，以便最大化从电机到负载的能量转移效率；
-当瞬时旋转速度高于额定旋转速度时，将输出电压设置为基本上等于第二服务电压的第二值，并且从输出电压对存储元件充电，以便最大化从电机到负载的能量转移效率。
根据本发明的另一个特点，所述方法还包括如下步骤：
-利用在预定时间间隔的仅仅一小部分期间瞬时电功率等于第一额定功率的电机周期地向存储元件充电，选择第一额定功率以便该瞬时功率的时间平均等于负载所需要的第二额定功率，使得从电机到负载的能量转移效率最大化。
还是根据本发明方法的另一个特点，对于瞬时旋转速度处于1800rpm到3000rpm之间的情况，最优输出电压处于近似20V到近似26V之间。
根据这几个基本规则，相对于现有技术来说，由根据本发明的方法所带来的优点对于本领域技术人员将变得显而易见。
在下文结合附图的描述中给出了本发明的详细说明。应当注意，这些附图仅仅用于图解描述的文本，并不构成对发明范围的限制。
附图说明
图1显示现有技术中已知的双电压供电系统的电路图，其中，高电压系统适合根据本发明方法的实现，特别包括与运行在发电机模式的旋转电机相关联的调节器。
图2显示针对不同的瞬时旋转速度，依赖于调节器的输出电压，由图1中所示的运行在发电机模式的旋转电机所传递的电功率的曲线的一些实例。
图3显示在图1中所示的运行在发电机模式的旋转电机的调节电压/瞬时旋转速度的空间中的等功率曲线的一些实例。
图4显示针对第一调节电压的，在图1中所示的运行在发电机模式的旋转电机的输出电流/瞬时旋转速度的空间中的等效率曲线的一些实例。
图5显示针对大于第一调节电压的第二调节电压，在图1所示的运行在发电机模式的旋转电机的输出电流/瞬时旋转速度的空间中的等效率曲线的一些实例。
图6说明根据本发明方法的在图1中所示的可变电压供电系统的循环工作模式。
具体实施方式
图1以电路图形式显示共同安装在机动车辆上的双电压供电系统1、2的实例。
双电压系统1、2具有高电压系统1，高电压系统1包括：
-多相旋转电机3，运行在发电机模式；
-调节器4，从电机3的相电流提供直流输出电压；
-电能存储元件5，更适宜用大电容器或超级电容器来构成；
-负载6，消耗电能。
通过可逆DC-DC转换器7将高电压系统1连接到包含另一个电能存储元件8(一般由12V电池构成)的低电压系统2，以及其它低功率电流负载9。
由于DC-DC转换器7是可逆的，在双电压系统1、2的某些工作模式中，电池8将能量传递给高电压系统1。
尤其是这样的情况：如果当旋转电机3正以电动机模式运行时，利用将电机3连接到系统的、在交流发电机模式中充当调节器4的电功率模块4向超级电容器5充电，接着它作为逆变器4工作，以根据系统1的高直流电压产生相电流。
例如超级电容器5的存储元件的充电电压U具有可允许的范围，例如通常处于16V的第一服务电压和28V的第二服务电压之间。
图2、3、4和5阐明超级电容器5的充电电压U，即高电压系统1的电压的可变性如何通过实现根据本发明的方法允许最大化可获得的电功率和/或效率。
在图2中给出了对于瞬时旋转速度N的不同值，取决于调节器输出电压U的传递功率P，应当注意，对于给定的瞬时旋转速度N，存在使传递电功率P最大化的调节器4的最优输出电压Uo，Uo’。
例如，当瞬时旋转速度N为1800rpm时，调节器4的最优输出电压Uo近似为20V，并且所传递的电功率P保持2kW的最大值。
当瞬时旋转速度N为3000rpm时，最优输出电压Uo’为26V，而所传递的电功率为3kW。
对于高于3000rpm额定旋转速度的瞬时旋转速度N，所传递电功率随着调节器4输出电压U的增加而增加，因此，仅仅受限于超级电容器5的28V第二服务电压。
从图3也可以清楚地看出最大化所传送电功率的相同的策略，图3显示在输出电压U/瞬时旋转速度N的空间中的等功率曲线(以千瓦表示)。
例如，与3.0kW的传送电功率P相对应的曲线10在纵坐标点Uo’＝26V处与N＝3000的横坐标11相切。
从在图4和5中所示的电流输出I/瞬时旋转速度N空间中的等效率曲线(以％表示效率)中，针对它的一部分，能够推导出管理系统1的效率优先策略。
图4显示当调节器的输出电压U为16V时的一组等效率曲线。
图5显示当调节器的输出电压U为26V时的一组等效率曲线。
实例1
假定车辆的电力需求量为640W，并且车辆的热引擎以2500rpm的瞬时旋转速度N驱动电机3。
如果将调节器4的输出电压U设置为26V，则传送电流I为25A。图5显示在横坐标点A 2500rpm和纵坐标点25A的效率近似为62％。
如果将调节器4的输出电压U设置为16V，则传送电流I为40A。图4显示在横坐标点B 2500rpm和纵坐标点40A处的效率近似为70％。
实例2
在14000rpm处，如果车辆的电力需求为2kW，并且将调节器4的输出电压U设置为16V，则电流I为125A。图4显示在横坐标点C 14000rpm和纵坐标点125A处的效率近似为48％。
如果将调节器4的输出电压U设置为26V，则76A的电流I与55％的效率相关联(在图5中的横坐标点D 14000rpm和纵坐标点76A)。
当发电机3的瞬时旋转速度N低于近似3000或4000rpm的额定旋转速度时，以上实例显示应当将调节器4的输出电压U设置为与存储元件5的特性相协调的调节范围的最低电压，即设置为存储元件5的第一服务电压，以便使得从高电压系统1的电机3到负载6的能量转移效率最大化。
相反，当发电机3的瞬时旋转速度N高于额定旋转速度时，使效率最优的策略包括，将调节器4的输出电压U设置为与存储元件5的特性相协调的最高电压，即设置为第二服务电压。
图4和5显示在全局上效率随着电流I的增加而增加。因此对于任意给定的电力需求，更适宜通过循环地工作传递更多的功率。
实例3
假定车辆的电力需求是500W。瞬时旋转速度N是10000rpm。
将调节器4的输出电压U设置为近似16V。在图4中给出相应的等效率曲线。
当所传送电流为30A时，效率为在横坐标点E 10000rpm和纵坐标点30A处的近似43％。
如果以相同的瞬时旋转速度N，对于1250W的传递功率，电流为80A，则效率会接近60％(F点)。根据本发明的方法通过仅仅在时间间隔T1+T2的片断T1期间传递等于1250W的第一额定功率P1的瞬时功率，在该时间间隔的其余T2期间使电流为零，以便瞬时功率P的时间平均等于与车辆需求相对应的500W的第二额定功率P2来提高供电系统1的效率。
图6显示在时间T的过程中所传递的瞬时功率P的变化。
更适宜地，传递的时间长度T1+T2处于5秒的范围中。如果这个时间间隔的T1片断是2秒，则瞬时功率的平均值实际上为1250*2/3＝500W。
仍然如图6所示，当储能元件5是超级电容器时，在传递过程中，电容器端子的电压在初始调节点U1之上略微增加。
如果传递I的时段T1短，则对于大电容C，U2-U1的差值低。
在以上的实例3中，由等于所传递电流I＝80A减去被负载6所拉走的电流30A的电流Ic＝50A，向电容器充电T1＝2s的时间。
对于C＝170F的电容量，电压差值为U2-U1＝Ic*T1/C，因此近似为0.6V。
在实例3中，电机3确实保持在所选择的调节点附近，并且效率近似为50％，即，与如果没有实现根据本发明的方法所获得的效率相比，改善10％以上。
自然地，本发明并不仅仅限于上述的优选实施例。旋转速度、电压、电流、功率以及效率的特定值仅仅作为实例被给出。
相反，根据本发明的方法包括所有可能的、在由以下权利要求所定义范围内的各种实现。