CN103085676A - 增程式电动汽车发电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种增程式电动汽车发电系统，包括：增程发电单元，适于产生对电动汽车的电池充电的电能；和功率变换装置，适于对增程发电单元产生的电能进行AC-DC变换或DC-DC变换；其特征在于，所述发电系统还包括：光伏发电单元，适于产生对所述电池充电的电能；和控制单元，适于控制所述发电系统在光伏发电模式和增程模式间切换，在所述增程模式下，由所述增程发电单元对所述电池充电，在所述光伏发电模式下，由所述光伏发电单元对所述电池充电；所述功率变换装置还适于对光伏发电单元产生的电能进行DC-DC变换。当增程器不工作时，其功率变换装置可以被光伏发电单元使用，使增程器在非增程模式下不再只是额外负载；同时光伏发电单元还可以对车载电池充电。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及一种增程式电动汽车发电系统。
背景技术
近年来，电动汽车技术不断涌现。由于电动汽车可以降低二氧化碳排放，减少温室效应；还减少其他有害气体的排放，利于环境保护，所以称为汽车行业新的发展方向之一。但是目前，电动汽车还难以完全取代传统汽车，原因之一就是普通电动汽车的电池储能不够多，行驶距离较短。
针对上述问题，出现了增程式电动汽车。如图1所示，普通的电动汽车中，电池通过车载充电器充电；电池驱动电机旋转从而使汽车行驶。增程式电动汽车相较于普通的电动汽车还包括与电池连接的增程器100，增程器100用于在电池耗尽前对其充电，以增加电动汽车行驶的里程。如图所示，增程器100包括增程发电单元102(或102′)和功率变换装置101，现有增程发电单元的实现方式一般包括两种(图1中，增程器100以虚线区分为两个具有相似功能的不同部分，二者可以择一使用)：
第一、通过内燃机引擎1021燃烧汽油或柴油使发电机1022发电，发电机1022产生的交流电经过功率变换装置101变换成为所需的直流电，对电池进行充电；
第二、通过燃料电池102′产生直流电，该直流电经功率变换装置变换成为所需的直流电，对电池进行充电。
但是，由于增程器一般在电池充电状态(state of charge)低于预定阈值时才开始对电池充电，所以大多数时间处于不工作状态，只相当于汽车的额外负载。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种增程式电动汽车发电系统，其中引入光伏发电装置，该光伏发电装置复用增程器的部分或全部电路。
为实现上述目的，本发明的一个实施例中提供一种增程式电动汽车发电系统，包括：增程发电单元102、102′，适于产生对电动汽车的电池充电的电能；和功率变换装置101，适于对增程发电单元102、102′产生的电能进行AC-DC变换或DC-DC变换；其特征在于，所述发电系统还包括：光伏发电单元900、900′，适于产生对所述电池充电的电能；和控制单元304，适于控制所述发电系统在光伏发电模式和增程模式间切换，在所述增程模式下，由所述增程发电单元102、102′对所述电池充电，在所述光伏发电模式下，由所述光伏发电单元900、900′对所述电池充电；所述功率变换装置101还适于对光伏发电单元900、900′产生的电能进行DC-DC变换。
可选的，所述控制单元还与所述电池耦接，适于检测电池充电状态；当所述电池充电状态低于预定的阈值时，所述控制单元适于控制所述发电系统处于增程模式；当所述电池充电状态高于预定的阈值时，所述控制单元适于控制所述发电系统处于光伏发电模式。
可选的，所述增程发电单元包括内燃机引擎和发电机，用于在所述增程模式下，由所述内燃机引擎启动所述发电机对所述电池充电。
可选的，所述发电机提供中性点，所述功率变换装置是三相电压型逆变器，所述光伏发电单元包括接触器和光伏板；其中，所述三相电压型逆变器具有正母线、负母线以及三个交流端；电池的正负端子分别连接三相电压型逆变器的正负母线；三相电压型逆变器的三个交流端分别连接发电机的三相定子电感；光伏板与接触器串联，串联形成的电路的一端与三相电压型逆变器的负母线连接，另一端与所述中性点连接，由此使得所述发电机的三相定子电感作为三个并联的滤波电感。
可选的，所述功率变换装置是三相电压型逆变器，所述光伏发电单元包括光伏板、第一接触器和第二接触器；其中，所述三相电压型逆变器具有正母线、负母线以及三个交流端；电池的正负端子分别连接三相电压型逆变器的正负母线；光伏板与第二接触器串联，串联形成的电路与第一接触器并联，并联形成的电路的一端与发电机的三相定子电感之一连接，另一端与三相电压型逆变器的三个交流端之一连接，其余的两相定子电感分别与其余的两个交流端连接；由此使得所述发电机的三相定子电感作为三个并联的滤波电感。
可选的，在光伏发电模式下，所述定子电感还适于对光伏发电单元产生的电流滤波。
可选的，所述接触器是机械开关或半导体开关。
可选的，所述增程发电单元包括燃料电池。
可选的，所述功率变换装置是升压变换器，升压变换器包括电感、第一开关器件和第二开关器件，光伏发电单元包括光伏板、第一接触器和第二接触器；燃料电池与第一接触器串联，光伏板与第二接触器串联，两个串联电路并联，形成第一电路；电池与第二开关器件串联，串联形成的电路与第一开关器件并联，形成第二电路；第一电路的一端通过升压变换器的电感与第二电路的一端连接，第一电路的另一端与第二电路的另一端连接。
可选的，所述开关器件为半导体开关，包括IGBT、MOSFET或SiC；所述接触器是机械开关，或由开关器件代替。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)当增程器不工作时，其功率变换装置可以被光伏发电单元使用，使增程器在非增程模式下不再只是额外负载；同时光伏发电单元对车载电池充电，让电动车可以行驶更远距离；
(2)由于车顶设置光伏板，可以吸收太阳能，减少使用车内空调，所以可以进一步减少汽车能耗，让电动车可以行驶更远距离。
附图说明
图1是现有增程式电动汽车结构示意图；
图2是本发明提供的增程式电动汽车结构示意图；
图3是本发明一个实施例中提供的增程式电动汽车发电系统电路图；
图4是本发明另一个实施例中提供的增程式电动汽车发电系统电路图；
图5是本发明又一个实施例中提供的增程式电动汽车发电系统电路图。
具体实施方式
定义：
(1)增程器：在增程式电动汽车中，用于在增程模式下给电池充电的装置，包括增程发电单元和功率变换装置。
(2)功率变换装置(power converter)：为升压变换器(boost converter)或整流装置(例如VSI)等。
(3)增程模式：在增程式电动汽车中，当车载电池的充电状态低于预定阈值时，增程发电单元开始对车载电池充电，则增程式电动汽车的发电系统处于增程模式。
(4)光伏发电模式：在增程式电动汽车中，当车载电池的充电状态不低于预定阈值时，车载光伏发电单元对车载电池充电，则增程式电动汽车的发电系统处于光伏发电模式。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了解决上述技术问题，本发明提出在增程式电动汽车中增加光伏发电单元；当增程器没有工作时，光伏发电单元复用增程器的电路对车载电池进行充电，使增程器在非增程模式下不再只是额外负载。如图2所示，该增程式电动汽车结构与图1的结构相比，区别在于：还包括光伏板900或900′，与功率变换装置连接。与图1类似，图2中的增程器100以虚线区分为两个具有相似功能的不同部分，二者可以择一使用。
基于图2所示的增程式电动汽车结构，根据本发明的一个实施例，提供一种增程式电动汽车发电系统。如图3所示，该系统包括：
(1)功率变换装置，适于对发电单元产生的电能进行AC-DC变换或DC-DC变换。功率变换装置是三相电压型逆变器(3-phase Voltage SourceInverter)，在图中表示为VSI 301，其中的S1、S2、S3、S4、S5、S6都是开关器件。在本发明其他实施例中，上述功率变换装置也可以是多相或者多电平等逆变器类型。
本发明中，开关器件包括IGBT、MOSFET或SiC等，属于半导体开关；接触器是机械开关，接触器也可以由开关器件代替。
(2)增程发电单元，适于对电动汽车的电池充电。增程发电单元包括内燃机和发电机3022。本实施例中，提供发电机中性点接口(neutralpoint)供电路连接使用。
(3)光伏发电单元，适于对电动汽车的电池充电。光伏发电单元包括一个接触器K 3031和光伏板(PV panel)3032。
(4)控制单元304，分别与功率变换装置和光伏发电单元的接触器K3031耦接，适于控制所述发电系统在光伏发电模式和增程模式间切换。
控制单元304还与车载电池耦接，检测电池充电状态；当电池充电状态(SOC)低于预定的阈值时，适于控制所述发电系统处于增程模式，并且当所述电池充电状态高于预定的阈值时，适于控制所述发电系统处于光伏发电模式。
两个模式下的电路状态描述如下：
(1)在增程模式下，电池的正端子连接VSI 301的正母线，电池的负端子连接VSI 301的负母线，VSI 301的三个交流端分别与发电机3022的三相绕组(即定子电感)连接；光伏板3032的负端与VSI 301的负母线相连接，光伏板3032的正端与接触器K 3031连接，接触器K 3031断开，光伏板3032不在发电系统中。
此时，增程发电单元的内燃机(图3未示出)驱动发电机3022发电并通过VSI 301对电池充电；VSI 301的控制采用AC/DC变换器的控制方法。S1、S2、S3、S4、S5、S6组成AC/DC整流器。
(2)在光伏发电模式下，电池的正端子连接VSI 301的正母线，电池的负端子连接VSI 301的负母线，VSI 301的三个交流端分别与发电机的三相绕组连接，发电机的中性点通过接触器K 3031与光伏板3032的正端连接，光伏板3032的负端与VSI 301的负母线相连接。
此时，增程发电单元不工作，光伏板3032发电并通过VSI 301对电池充电；VSI 301的控制采用DC/DC变换器的控制方法。S1、S2、S3、S4、S5、S6组成BOOST电路。
另外，发电机3022的三相定子电感作为三个并联BOOST电路的滤波电感。三个电路并联后，可以用多重化的方法降低电流纹波，以降低纹波损耗。这等效于通过提高开关频率来降低电流纹波。需要说明的是，有些发电机的定子电感太小，这时就要考虑额外串联电感以降低电流纹波。
根据本发明的另一个实施例，提供一种增程式电动汽车发电系统。如图4所示，与上述实施例相比，区别在于本实施例中不需要提供发电机中性点接口；并且，光伏发电单元包括两个接触器K14031和K24032以及光伏板(PV panel)4033。
两个模式下的电路状态描述如下：
(1)在增程模式下，电池的正端子连接VSI 301的正母线，电池的负端子连接VSI 301的负母线；接触器K14031连通、K24032断开；光伏板4033一端连接接触器K24032，另一端与所述定子电感之一连接，该定子电感又通过接触器K14031与VSI 301的三个交流端之一连接，其余的两相定子电感分别与其余的两个交流端连接。
此时，增程发电单元的内燃机驱动发电机3022发电并通过VSI 301对电池充电；VSI 301的控制采用AC/DC变换器的控制方法。S1、S2、S3、S4、S5、S6组成整流器。
(2)在光伏发电模式下，电池的正端子连接VSI 301的正母线，电池的负端子连接VSI 301的负母线；接触器K24032连通、K14031断开，光伏板4033一端通过接触器K24032与VSI 301的三个交流端之一连接，另一端与所述定子电感之一连接；其余的两相定子电感分别与其余的两个交流端连接。
此时，控制单元304控制S1和S2门极关断，控制单元304发出PWM信号(脉宽调制信号)调制S3、S4、S5、S6组成H桥电路，作为光伏发电单元的功率变换装置(将光伏板的电压提升至电池电压)。此处对VSI301内部设置的描述仅是一个实施例，在其他实施例中也可以以其他方式完成。同时，与上一个实施例相同，发电机3022定子电感还用作滤波电感。
根据本发明的又一个实施例，提供一种增程式电动汽车发电系统。如图5所示，该系统包括：
(1)功率变换装置，适于对发电单元产生的电能进行DC-DC变换；功率变换装置为升压变换器(boost converter)。升压变换器包括电感5011、S15012和S25013(S1和S2为开关器件)。
(2)增程发电单元，适于对电动汽车的电池充电；增程发电单元为燃料电池502。
(3)光伏发电单元，适于对电动汽车的电池充电；光伏发电单元包括接触器K15031、接触器K25032和光伏板5033(PV panel)。
(4)控制单元，与光伏发电单元、功率变换装置耦接，适于控制所述发电系统在光伏发电模式和增程模式间切换。
控制单元还与车载电池耦接，检测电池充电状态；当电池充电状态低于预定的阈值时，适于控制所述发电系统处于增程模式，并且当所述电池充电状态高于预定的阈值时，适于控制所述发电系统处于光伏发电模式。
两个模式下的电路状态描述如下：
(1)在增程模式下，接触器K15031闭合，接触器K25032断开，燃料电池502连接到发电系统中；燃料电池502的正端子通过第一接触器5031(即K1)与Boost电感5011的一端连接，燃料电池502的负端子连接电池的负端子；Boost电路的第一开关器件(S7)5012与电池的负端子连接，第二开关器件(即S8)5013与电池的正端子连接。
(2)在光伏发电模式下，接触器K25032闭合，接触器K15031断开，光伏板5033连接到系统中；光伏板5033一端通过第二接触器5032与Boost电感5011的一端连接，另一端与电池的负端子连接；Boost电路的第一开关器件5012与电池的负端子连接，第二开关器件5013与电池的正端子连接。
两种模式下，控制单元均通过控制开关器件S75012和开关器件S85013的门极信号来控制Boost变换器实现DC/DC变换功能。因为光伏板5033的电压与燃料电池502的电压并不相同，所以虽然同为升压变换，其升压比并不相同。
性能提高估计：以普通国内商用增程式电动巴士为例，在不启动增程器的前提下，计算或估计引入光伏发电装置后的性能提高量。
(1)车辆的关键参数：
牵引电池容量为50kWh；
纯电动汽车续驶里程为50km；
整车尺寸：2.5米(宽)，12米(长)和3米(高)。
(2)光伏发电的平均功率：
目前光伏功率密度能够达到150W/m2，假如光伏面板为2.5米宽、7米长，附加的光伏发电平均功率约为2.6kW。
(3)电池的平均输出功率：
在60公里/小时恒定行驶速度下，计算得到牵引电池的平均输出功率约为60kW。
(4)性能提高估计：基于上述计算，在60公里/小时恒定行驶速度下，车辆可以得到来自PV输入的平均为4.3％的额外功率。
这是一个非常保守的估计。首先，没有考虑汽车的驱动占空比(drivingduty cycle)。对于一个驱动占空比为50％的简单驾驶模式，本发明的平均功率提高将增加一倍至8.6％。
此外，考虑到光伏面板吸收热量从而减少空调使用，增程发电单元中内燃机和燃料重量减轻从而降低车辆负载，本发明的平均功率提高将更显著，这意味着在非增程模式下电动汽车的行驶距离可以得到很大提高。
本发明通过在增程式电动汽车中引入光伏发电单元、光伏发电单元复用了增程器的部分或全部电路(例如功率变换装置)，一方面，实现了以较低成本解决现有技术中增程器在非增程模式下只相当于额外负载的问题；另一方面，降低了引入光伏发电单元的开销，同时增加了电动车的能量来源。而且，由于光伏发电单元可以对车载电池充电，所以增加了车载电池的行驶里程，原有增程器的体积、重量可以减小。
应该注意到并理解，在不脱离后附的权利要求所要求的本发明的精神和范围的情况下，能够对上述详细描述的本发明做出各种修改和改进。因此，要求保护的技术方案的范围不受所给出的任何特定示范教导的限制。
Claims (10)
1.一种增程式电动汽车发电系统，包括：
增程发电单元(102；102′)，适于产生对电动汽车的电池充电的电能；和
功率变换装置(101)，适于对增程发电单元(102；102′)产生的电能进行AC-DC变换或DC-DC变换；
其特征在于，所述发电系统还包括：
光伏发电单元(900；900′)，适于产生对所述电池充电的电能；和
控制单元(304)，适于控制所述发电系统在光伏发电模式和增程模式间切换，在所述增程模式下，由所述增程发电单元(102；102′)对所述电池充电，在所述光伏发电模式下，由所述光伏发电单元(900；900′)对所述电池充电；
所述功率变换装置(101)还适于对光伏发电单元(900；900′)产生的电能进行DC-DC变换。
2.根据权利要求1所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于，所述控制单元还与所述电池耦接，适于检测电池充电状态；
当所述电池充电状态低于预定的阈值时，所述控制单元适于控制所述发电系统处于增程模式；
当所述电池充电状态高于预定的阈值时，所述控制单元适于控制所述发电系统处于光伏发电模式。
3.根据权利要求2所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：
所述增程发电单元包括内燃机引擎和发电机，用于在所述增程模式下，由所述内燃机引擎启动所述发电机对所述电池充电。
4.根据权利要求3所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于，
所述发电机提供中性点，所述功率变换装置是三相电压型逆变器，所述光伏发电单元包括接触器和光伏板；其中，所述三相电压型逆变器具有正母线、负母线以及三个交流端；
电池的正负端子分别连接三相电压型逆变器的正负母线；三相电压型逆变器的三个交流端分别连接发电机的三相定子电感；光伏板与接触器串联，串联形成的电路的一端与三相电压型逆变器的负母线连接，另一端与所述中性点连接，由此使得所述发电机的三相定子电感作为三个并联的滤波电感。
5.根据权利要求3所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：
所述功率变换装置是三相电压型逆变器，所述光伏发电单元包括光伏板、第一接触器和第二接触器；其中，所述三相电压型逆变器具有正母线、负母线以及三个交流端；
电池的正负端子分别连接三相电压型逆变器的正负母线；光伏板与第二接触器串联，串联形成的电路与第一接触器并联，并联形成的电路的一端与发电机的三相定子电感之一连接，另一端与三相电压型逆变器的三个交流端之一连接，其余的两相定子电感分别与其余的两个交流端连接；由此使得所述发电机的三相定子电感作为三个并联的滤波电感。
6.根据权利要求4或5所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：在光伏发电模式下，所述定子电感还适于对光伏发电单元产生的电流滤波。
7.根据权利要求6所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：所述接触器是机械开关或半导体开关。
8.根据权利要求2所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：所述增程发电单元包括燃料电池。
9.根据权利要求8所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：
所述功率变换装置是升压变换器，升压变换器包括电感、第一开关器件和第二开关器件，光伏发电单元包括光伏板、第一接触器和第二接触器；
燃料电池与第一接触器串联，光伏板与第二接触器串联，两个串联电路并联，形成第一电路；电池与第二开关器件串联，串联形成的电路与第一开关器件并联，形成第二电路；第一电路的一端通过升压变换器的电感与第二电路的一端连接，第一电路的另一端与第二电路的另一端连接。
10.根据权利要求9所述的增程式电动汽车发电系统，其特征在于：
所述开关器件为半导体开关，包括IGBT、MOSFET或SiC；
所述接触器是机械开关，或由开关器件代替。
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