用于电动车的模块化的辅助功率单元组件 【技术领域】
本发明大致涉及电动车，更具体地说，涉及利用模块化的内燃机作为辅助功率单元(APU)用于混合电动车(HEVs)。
背景技术
纯电动车通常使用存储的电能来供给功率给电动马达，由此来驱动车辆。电动车具有能源存储的内在问题，因此具有有限的驱动范围。因此，需要APUs来产生额外的电力给电动车的功率系统。这些APUs根据需要供应次级能源给车辆和给车辆的主能源充电。因为这些APUs的目的是持续地给电动车的主能源充电，它们必须根据车辆的平均功率需求来定额(rated)。
传统上，常规的内燃机或涡轮机用于产生必要的辅助功率或次级功率。然而，这两个方案都有与车辆功率产生方面相关的缺点，从而降低了APU的有效性。也就是说，要作为有效的辅助功率源，这需要APU具有高效率，高可靠性，低复杂性，和小体积。常规的内燃机作为APUs来使用过于复杂，因为对于电功率的生成来说，启动器和曲轴都是不需要的。另一方面，涡轮机的效率非常低，因为它们所产生的功率在电动车的使用中往往会缩小。
因此，需要具有能够有效地供应辅助功率给电动马达的APU。还需要以优化其效率的方式来操作APU组件。
【发明内容】
本发明提供了用于电动车辆的模块化的辅助功率组件的系统和方法。模块化的辅助功率组件包括多个APU，各个APU包括自由活塞发动机和线性发电机。各个APU可被独立地控制处于激励的或非激励的状态。当被激励的时候，各个APU可被控制以其总操作能力的可选百分比来操作。控制器确定电动马达和/或能量存储单元所需的辅助功率的量，以及选择性地激励多个APU来产生所需的辅助功率。
因此，根据本发明的一个方面，推进系统包括电动马达和构造成提供主功率给电动马达的能量存储单元。推进系统还包括多个构造成提供次级功率给电动马达和能量存储单元中的至少一个的APU。多个APU中的各个包括构造为产生机械输出的自由活塞发动机，构造成将机械输出转换成电功率的线性发电机，以及控制器。该控制器接收来自电动马达和/或能量存储单元的功率要求，确定满足功率要求所需的次级功率的量，以及选择性地激励多个APU中的一些来产生所需量的次级功率。
根据本发明的另一方面，提供辅助功率给车辆的方法包括提供车辆推进系统，该车辆推进系统包括电动马达，能量存储装置和直流链路。该方法还包括电连接电动马达和能量存储装置，将多个无曲轴发动机和线性发电机的组合中的各个电连接到直流链路，以及确定车辆推进系统的功率需求。该方法还包括基于车辆推进系统的功率需求来选择性地激励多个无曲轴发动机和线性发电机组合中的一些以提供功率给直流链路。
根据本发明的又一方面，辅助功率组件包括构造成产生次级功率的多个辅助功率单元，多个APU中的各个包括自由活塞燃烧发动机(FPE)和线性发电机。辅助功率组件还包括控制器，该控制器构造成检测电动马达和能量存储装置中的至少一个的功率需求，基于所检测的功率需求确定多个APU的最佳操作策略，以及根据最佳的操作策略来操作多个APU以提供次级功率给电动马达和能量存储装置中的至少一个。
从下面的详细描述和附图中，各种其它的特征和优点将变得清楚。
【附图说明】
附图示出构思用于实现本发明的一个优选的实施例。
附图中：
图1是根据本发明的实施例的自由活塞内燃机的横截面图。
图2是根据本发明的另一个实施例的工作单元的横截面图。
图3是根据本发明的实施例的车辆功率系统的示意图。
图4是根据本发明的实施例来控制车辆功率系统的技术。
【具体实施方式】
参考图1和2，示出了用于本发明的APU10，12的实施例。APU10，12的各个实施例是针对无曲轴或自由活塞内燃机(FPE)和发电机单元组合。根据本发明的实施例，多个图1或图2的APU10，12包括在辅助功率模块中，该辅助功率模块在混合电动车(HEV)中提供次级功率。基于HEV的带限瞬时功率需求，辅助功率模块中的多个APU被选择性地激励以产生满足瞬时功率需求所需量的次级功率。
参考图1，示出了在本发明的实施例中使用的APU10的横截面。APU10在其中包括无曲轴或FPE14和发电机单元16。如图1所示，FPE14可带有一个活塞18和一个弹簧20。FPE14还包括燃烧室22，在该燃烧室内，活塞18设置为可往复运动，且活塞杆24联接到活塞18。空气阀28，燃料喷射器30和排气口32安装在外壳26上。密封件34在燃烧室22内引导活塞杆24。活塞18在膨胀冲程期间在上止点(TDC)位置和下止点(BDC)位置之间往复地运动，以及在压缩冲程期间在BDC和TDC位置之间运动。
在图1所示的实施例中，APU10的FPE14包括单个的燃烧室22，相应的单个的活塞18和回复弹簧20。APU10还包括发电机/马达16，该发电机/马达16具有至少一个通过杆24刚性地连接到活塞18的无源动子(passive mover)36和定位为与无源动子36相联系的固定的发电机部件38。固定的发电机部件38可能是，例如，围绕着杆24和动子36的连续绕组线圈。在一个实施例中，无源动子36是同步的永久磁铁的形式，然而，无源动子36可以是不需要电连接到固定的发电机部件38的多种动子中的任何一种，诸如，例如，感应电机或开关磁阻电机。当在燃烧室22内发生燃烧并且活塞18从TDC位置移动到BDC位置时，动子36移动通过线圈38，导致线圈38内感应出电流。
现在参考图2，示出了用于本发明的另一个实施例的APU12的横截面。APU12包括FPE40和发电机42。在FPE40中，图1的回复弹簧20被第二活塞44替换。因此，FPE40带有通过活塞杆48相互连接的两个活塞44，46。各活塞44，46设置在燃烧室50，52内可往复运动，其范围由外壳54，56限定。连接到各个外壳54，56的是燃料喷射器58，多个空气阀60和排气口62。燃料喷射器58的点火控制活塞44，46的运动，并导致动子64以线性路径通过线圈66，在线圈66内感应出电流。
现在参考图3，根据本发明的实施例示出诸如用于HEV的车辆推进系统的车辆功率系统68的示意图。车辆功率系统68包括能量存储单元70和电动马达72。能量存储单元70构造成供应主功率来驱动电动马达72，该电动马达以驱动关系与车辆的轮子(未显示)联接。辅助功率组件74(即，辅助功率模块)也包括在车辆功率系统68中用来产生辅助的或次级功率，且该辅助功率组件由多个APU76，78，80，82，84组成，该各个APU都可构造成为图1的单个的活塞/回复弹簧APU10，图2的双活塞APU12，或任何类似的线性活塞配置。在一个实施例中，APU76-84具有基本上相同的功率产生能力，因此各个APU76-84能够提供辅助功率组件74的总额定功率中的相等分数，该额定功率额定为车辆功率系统68的平均功率需求。虽然图3示出的辅助功率组件74具有5个APU76-84，但是APU的数量可基于很多因素来选择，例如，期望的辅助功率，车辆的大小或类型，以及构成车辆功率系统68的能量存储单元70或电动马达72的大小或类型。因此，辅助功率组件74的功率容量可通过增加或减少一个或多个APU来放大或缩小。
如图3所示，车辆功率系统68包括控制器86，该控制器通过第一组控制线88来连接到辅助功率组件74。控制器86还通过第二组控制线90连接到能量存储单元70或电动马达72，并从其接收功率要求。也就是说，控制器86与能量存储单元70连通，因此，当检测的充电状态(SOC)或能量存储单元70的电压低于预定的阀值的时候，控制器86接收来自于能量存储单元70的再充电请求。类似地，控制器86与电动马达72连通，因此，控制器86在其操作期间接收电动马达72的带限瞬时功率需求。基于接收自能量存储单元70和/或电动马达72的功率要求，控制器86能够确定用于辅助功率组件74的最佳的操作策略，以便根据接收到的功率要求有效地提供所需量的次级功率，来对能量存储单元70再充电和/或驱动电动马达72。最佳的操作策略可基于最大限度地提高各个APU76-84和整体辅助功率组件74的效率的控制算法。
根据最佳操作策略，控制器86传达(通过控制线88)命令指令给各个APU76-84的燃料喷射器58和空气阀60(图2)来控制在各个APU中的电流的生成。控制器86可利用控制线88个别地传达命令指令到各个APU76-84来基于功率要求激励或抑制那些相应的APU以及调节在被激励的APU中生成的电流。当抑制APU的时候，控制器86可通过滞后电路来调节极限循环和/或短期循环。基于被激励的APU的数量和接收到的功率要求，控制器86可调节流过各个被激励的APU的空气，液体或其它介质来控制其冷却。整流器或双向转换器92，94，96，98，100电连接到各个APU76-84，将相应的APU76-84所产生的交流电转换成直流输出，该直流输出可通过直流链路102分配到例如电池的能量存储装置70，和/或电动马达72。可构思能量存储装置70可以是下面的任何一个：铅酸电池，胶体电池，镍金属氢化物电池，锂离子电池，镍镉电池，超级电容，燃料电池等等。此外，能量存储装置70可由一个或任何数量的单个电池组成。
根据本发明的实施例，辅助功率组件74可由控制器86根据图4示出的技术104来控制。技术104表示用于辅助功率组件的控制策略，该控制策略确定用于车辆的总功率需求，并调度各个APU输送总功率需求的特定分数。根据本发明的示范性的实施例，技术104以这种方式操作APU来优化车辆功率系统的效率。
技术104从步骤106开始，此时车辆启动。当车辆开始移动，在步骤108技术104确定车辆推进系统的实时功率需求。功率需求是基于接收自能量存储单元，电动马达，车辆辅助驱动马达，和/或电力负载的功率要求而确定的。也就是说，功率要求可包括再充电请求，以便在其中检测的SOC/电压低于预定的阀值时对能量存储单元进行再充电，和/或次级功率请求，以便将额外的功率提供给电动马达，来基于实时功率需求产生需要的马达输出。需要的马达输出可由下面因素确定，包括车辆的瞬时速度，使用GPS从预先设定或估计的路线确定的信息，以及车辆的具体参数，诸如车辆的大小或电动马达的大小或结构。基于需要的马达输出，在步骤110技术104确定用于APU的最佳操作策略。最佳操作策略确定在辅助功率组件中的APU的操作/激励规划，以便有效地提供所需量的次级功率来满足带限实时功率需求，其可能包括适当的信号的滤波或平滑，以避免基于电信号的错误的噪声或非常快的瞬态的APU的过度激励。
根据最佳操作策略，在步骤110技术104调度多个APU一起操作且提供组合的辅助(即，次级)功率给车辆。根据最佳操作策略，APU被单独地调度/控制。根据本发明的实施例，各个APU都可被调度在精确的“开”(即，激励)或“关”(即，非激励)的操作条件下操作。备选地，各个APU可被调度按照或高于各自功率产生能力的特定百分比(例如，80％)来操作，以改进辅助功率组件的操作效率。也就是说，各个APU可被调度以高于指定的最小效率阀值的总能力的百分比来操作。例如，如果辅助功率组件包括三个单独的APU，技术104可调度第一APU以80％的能力来操作，第二APU以80％的能力来操作，第三APU关闭。如果APU的指定最小效率阀值被确定为80％，这种操作策略可能比第一APU以100％的能力操作，第二APU以60％的能力操作，同时第三APU关闭要更高效。
根据一个实施例，当调度APU的时候，技术104(通过控制器86)确定过渡策略来允许无曲轴APU的各个汽缸平稳地过渡到更高(或更低)的操作效率。过渡策略包括用于点燃单独APU的一个或多个汽缸的时间序列。根据一个实施例，时间序列使得无曲轴APU的各个汽缸从在单独的功率产生能力的第一百分比(例如，60％)操作平稳地过渡到其功率产生能力的第二百分比，即最佳百分比(例如，80％)。该过渡策略还包括调节第一APU的操作能力从第一操作能力过渡到第二操作能力，而第二APU从例如0％的能力启动，并上升达到期望的最佳能力，例如85％。这样的过渡策略可用于最大限度地提高各个APU的各自的效率和/或整个辅助功率组件的效率。
在另一个实施例中，当调度APU的时候，技术104(通过控制器86)确定用于点燃单独的APU的一个或多个汽缸的时间序列。时间序列控制与“开”的操作条件下的各个APU相关联的燃料喷射器的点火时间，以便降低辅助功率组件内的可听到的噪声和振动。根据另一个实施例，由各个“开”的APU的操作导致的噪声和振动还可通过调节/控制各个单独的燃料喷射器的点火频率使其操作在不同于相应APU的临界频率或自然频率的频率而得到控制。此外，时间序列可用于通过控制点火时间使得APU的最大线性速度小于预定的最大值来优化各个单独的“开”的APU的效率。例如，时间序列可控制燃料喷射器以限定的顺序来点燃APU的多个汽缸，而不是同时点燃。
被调度的APU在步骤112被激励来产生所需量的次级功率以满足带限实时功率需求。在调度的APU的激励之后，技术在步骤114中继续，其中，评估/确定调度的APU是否产生满足所要求的马达输出所需的量的次级功率。如果车辆116不需要额外的次级功率，在步骤118中技术104开始监测次级功率需求的变化。次级功率需求的变化可由诸如可用的电池功率供应的减少，车辆速度的变化或道路条件或道路等级的变化引起。在步骤120，确定功率需求是否有变化。如果辅助功率需求122没有变化，技术104返回到步骤118且继续监测变化。然而，如果在步骤120检测到次级功率需求124有变化，技术104返回到步骤108来确定新的需要的次级功率。
返回到步骤114，如果被调度的APU没有产生所需量的辅助功率126，在步骤128技术104计算需要的额外的次级功率的量，并根据需要调度和激励多个额外的功率单元来产生需要的额外的次级功率。接着，技术104返回到步骤114来确定额外的APU是否产生所需的次级功率。从而技术104提供了用于辅助功率组件的控制策略，其以这种方式选择性地和独立地操作APU来优化车辆功率系统的效率。
因此，根据本发明的一个实施例，推进系统包括电动马达和构造成提供主功率给电动马达的能量存储单元。推进系统还包括多个构造成提供次级功率给电动马达和能量存储单元中的至少一个的APU。多个APU中的各个包括构造成产生机械输出的自由活塞发动机，构造成将机械输出转换成电功率的线性发电机，以及控制器。该控制器接收来自电动马达和/或能量存储单元的功率要求，确定满足功率要求所需要的次级功率的量，以及选择性地激励多个APU中的一些来产生所需量的次级功率。
根据本发明的另一个实施例，提供辅助功率给车辆的方法包括提供车辆推进系统，该车辆推进系统包括电动马达，能量存储装置和直流链路。该方法还包括电连接电动马达和能量存储装置，将多个无曲轴发动机和线性发电机的组合中的各个电连接到直流链路，以及确定车辆推进系统的功率需求。该方法还包括基于车辆推进系统的功率需求来选择性地激励多个无曲轴发动机和线性发电机组合中的一些以提供功率给直流链路。
根据本发明的又一个实施例，辅助功率组件包括构造成产生次级功率的多个辅助功率单元，多个APU中的各个包括FPE和线性发电机。辅助功率组件还包括控制器，该控制器构造成检测电动马达和能量存储装置中的至少一个的功率需求，基于所检测的功率需求确定多个APU的最佳操作策略，以及根据最佳的操作策略来操作多个APU以提供次级功率给电动马达和能量存储装置中的至少一个。
该书面说明使用例子来公开本发明，包括最佳模式，也使任何本领域的技术人员可实现本发明，包括制造和使用任何装置或系统和执行任何所包含的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求限定，并可包括本领域技术人员可想到的其它例子。如果这些例子具有和权利要求的文字语言一样的结构性元件，或这些例子包括与权利要求的文字语言没有本质区别的等效的结构性元件，则它们也在权利要求的范围内。