具有能量存儲系統的車輛推進系統和控制其操作的優化方法
【技術領域】
[0001]本發明的實施例大體上涉及對于混合和電動車輛的電動驅動系統，并且更特定地涉及對于具有一個或多個能量存儲設備和一個或多個機電設備的混合和電動車輛的車輛推進系統以及控制車輛推進系統的操作的優化方法。
【背景技術】
[0002]純電動車輛使用存儲的電能來向電動馬達供電，其推進車輛并且還可運行輔助驅動器。純電動車輛可使用一個或多個存儲電能源。例如，第一存儲電能源可用于提供更持久的能量而第二存儲電能源可用于提供更高功率的能量用于例如加速，其中一個或兩個第一和第二源能夠通過再生制動而充電。
[0003]混合電動車輛可組合內燃機和由例如牽引蓄電池等能量存儲設備供電來推進車輛的電動馬達。這樣的組合可通過使燃燒發動機和電動馬達每個能夠在相應增長的效率范圍內運行來增加總燃料效率。例如電動馬達從起步加速可以是高效的，而燃燒發動機在例如公路駕駛等恒定的發動機運行的持續時期期間可以是高效的。具有電動馬達來提升初始加速度允許混合動力車輛中的燃燒發動機更小且更省油。
[0004]盡管已經開發對于純電動車輛和混合電動車輛的推進系統配置以包括用于增加能量或功率密度的多個電能源，和用于實現期望推進輸出的多個電力源，使這些能量存儲和電力源并入推進系統使系統的總尺寸、重量和成本增加。例如，為了確保將在期望的車輛壽命期間維持最低性能水平，蓄電池通常尺寸過大而減少功率和循環應力。還實現過于激進的熱管理控制來幫助減少蓄電池上的熱應力。這兩個方法都增加整體車輛尺寸、增加制造成本并且增加能量存儲系統的操作成本。
[0005]通過對系統內的能量存儲單元或蓄電池的退化速率有極少的控制來設計和實現對于混合和電動車輛的傳統能量存儲單元。已知的蓄電池壽命預知使用基于物理的模型離線進行來預測各種個體退化機制的速率。這些實驗模型可考慮固體電解質界面(SEI)電阻增長和容量衰減、SEI增長的化學反應路徑、由于高速率充電/放電引起的顆粒開裂的開始或對于蓄電池的單占空比的電化學狀態。然而，迄今，已知模型未預測使實際容量衰減與實驗數據相關所需要的起始后裂紋擴展并且缺乏對于任意蓄電池占空比的預測能力。
[0006]此外，蓄電池技術的離線壽命測試典型地采用使許多周期濃縮成比蓄電池在正常操作期間將經歷的短得多的時段這一加速方式進行。如此，使用加速老化測試而開發的經驗模型可未準確解釋在實時現實世界應用中蓄電池的日歷相關和循環相關響應之間的相互作用。
[0007]除操作能量存儲單元外，混合和電動力系統的系統效率也受到驅動系統的DC鏈路電壓的影響。用于確定DC鏈路電壓的一個已知技術使用綜合模型來計算DC總線電壓，其使對于特定車輛推進系統配置的馬達和逆變器損耗最小化。這樣的綜合模型的使用是時間密集型的并且導致昂貴的硬件部署。此外，這樣的方法依靠模型的準確性并且不可避免地對于變化的系統部件和操作模式不是魯棒的。用于確定DC鏈路電壓的另一個技術使用馬達系統效率圖來搜索具有最小損耗的電壓電平。因為該技術依靠直接查找表，所有輸入上的噪聲在輸出電壓命令上出現。此外，查找表是靜態的并且未考慮系統動力學。從而，突然負載改變可由于電壓命令的延遲而在馬達轉矩上引起不令人滿意的響應性能。綜合模型同樣未能令人滿意地對突然負載改變作出響應，典型地向電壓命令添加預定裕度來適應任何動態不確定性。然而，這樣的預定裕度通常產生不令人滿意的響應；因為太大的裕度犧牲系統效率而太小的裕度將不滿足請求的動態響應。
[0008]如上文概述的，用于配置混合或電動推進系統以用多個能量存儲源和一個或多個電力源操作的已知技術依靠實驗確定的模型和靜態數據，其未解釋實時、現實世界的系統動力學和操作條件。因此，除降低總系統效率外，這些已知技術的使用還降低推進系統的個體部件的操作效率和燃料經濟性。
[0009]因此，提供提高總系統效率并且優化能量存儲單元的操作和壽命期同時準許推進系統以減少的成本制造的電動和/或混合電動推進系統將是可取的。

【發明內容】

[0010]根據本發明的一個方面，車輛推進系統包括:耦合于第一 DC總線的第一雙向DC-DC轉換器；能量存儲系統，其包括耦合于該第一雙向DC-DC轉換器的至少一個能量存儲單元；耦合于第一 DC總線的第一 DC到AC逆變器；和耦合于第一 DC到AC逆變器的第一機電設備。對控制器編程來確定第一機電設備的實時操作速度、將第一機電設備的實時操作速度與第一機電設備的調度速度比較以及選擇性地控制第一雙向DC-DC轉換器以基于比較來使第一 DC總線的電壓移位。
[0011]根據本發明的另一個方面，制造車輛推進系統的方法包括:提供DC-DC轉換器、使能量存儲系統耦合于DC-DC轉換器、使DC-DC電壓轉換器耦合于DC總線以及使第一 DC到AC逆變器耦合于DC總線。方法還包括使第一機電設備耦合于DC到AC逆變器并且使控制器耦合于DC-DC轉換器和第一 DC到AC逆變器。此外，方法包括配置控制器來監測第一機電設備的實時速度、確定第一機電設備的調度速度、計算調度速度與實時速度之間的差異以及如果計算的差異超過閾值則控制DC-DC轉換器來使DC總線的電壓從第一電壓電平移位到與第一電壓不同的第二電壓電平。
[0012]根據本發明的再另一個方面，非暫時性計算機可讀存儲介質具有存儲在其上的計算機程序并且代表指令集，其在由計算機執行時促使該計算機監測通過DC到AC逆變器耦合于DC總線的第一機電設備的實時速度并且確定該第一機電設備的調度速度。指令還促使計算機將第一機電設備的實時速度與第一機電設備的調度速度比較、控制雙向DC-DC轉換器來將電力從能量存儲系統傳遞到DC總線以及控制雙向DC-DC轉換器以基于第一機電設備的實時速度與第一機電設備的調度速度的比較來選擇性地調整DC總線的電壓。
[0013]各種其他特征和優勢將從下列詳細說明和附圖變得明顯。
[0014]提供了以下技術方案:
1.一種車輛推進系統，其包括:
第一雙向DC-DC轉換器，其耦合于第一 DC總線；
能量存儲系統，其包括耦合于所述第一雙向DC-DC轉換器的至少一個能量存儲單元； 第一 DC到AC逆變器，其耦合于所述第一 DC總線；
第一機電設備，其耦合于所述第一 DC到AC逆變器；以及控制器，對其編程以:
確定所述第一機電設備的實時操作速度；
將所述第一機電設備的所述實時操作速度與所述第一機電設備的調度速度比較；以及選擇性地控制所述第一雙向DC-DC轉換器以基于比較來使所述第一 DC總線的電壓移位。
[0015]2.如技術方案1所述的車輛推進系統，其中對所述控制器進一步編程以:
確定所述第一機電設備的所述實時速度與所述調度速度之間的差異是否超出閾值；以及
如果所述差異超出所述閾值，則基于所述電壓命令來控制所述第一雙向DC-DC轉換器的開關。
[0016]3.如技術方案1所述的車輛推進系統，其中對所述控制器進一步編程以使所述第一 DC總線的所述電壓移位預先確定的電壓間隔。
[0017]4.如技術方案1所述的車輛推進系統，其中進一步對所述控制器編程以使所述第一 DC總線的所述電壓移位到從對于所述第一機電設備的電壓調度查找表確定的新的電壓。
[0018]5.如技術方案4所述的車輛推進系統，其中進一步對所述控制器編程以:
確定所述第一機電設備的實時轉矩；
確定所述第一 DC總線的實時電壓；
基于所述第一 DC總線的所述實時轉矩和所述實時電壓來從所述電壓調度查找表確定所述調度速度；
基于所述實時轉矩和所述實時操作速度從所述電壓調度查找表確定所述新的電壓；以及
控制所述第一雙向DC-DC轉換器來使所述第一 DC總線的所述電壓移位到所述新的電壓。
[0019]6.如技術方案1所述的車輛推進系統，其中進一步對所述控制器編程以使用由測量的轉矩和DC電壓編索引的電壓調度查找表來確定所述第一機電設備的所述調度速度。
[0020]7.如技術方案1所述的車輛推進系統，其進一步包括:
第二 DC到AC逆變器，其耦合于所述第一 DC總線；以及
第二機電設備，其耦合于所述第二 DC到AC逆變器。
[0021]8.如技術方案7所述的車輛推進系統，其中進一步對所述控制器編程以:
從對于所述第一機電設備的預定義電壓調度圖產生第一電壓命令；
從對于所述第二機電設備的預定義電壓調度圖產生第二電壓命令；
使所述第一電壓命令與所述第二電壓命令組合；
從所述組合產生融合的電壓命令；以及
選擇性地控制所述第一雙向DC-DC轉換器的開關以基于所述融合電壓命令使所述第一DC總線的所述電壓移位。
[0022]9.如技術方案8所述的車輛推進系統，其中進一步對所述控制器編程以使用表決邏輯和加權邏輯中的一個來使所述第一電壓命令和所述第二電壓命令組合。
[0023]10.如技術方案9所述的車輛推進系統，其進一步包括:
第二雙向DC-DC轉換器，其耦合于第二 DC總線；
第二 DC到AC逆變器，其耦合于所述第二 DC總線；
第二機電設備，其耦合于所述第二 DC到AC逆變器；以及其中進一步對所述控制器編程以:
從對于所述第一機電設備的預定義電壓調度圖產生第一電壓命令；
從對于所述第二機電設備的預定義電壓調度圖產生第二電壓命令；
選擇性地控制所述第一雙向DC-DC轉換器的開關以基于所述第一電壓命令來使所述第一 DC總線的電壓移位；以及
選擇性地控制所述第二雙向DC-DC轉換器的開關以基于所述第二電壓命令來使所述第二 DC總線的電壓移位。
[0024]11.如技術方案1所述的車輛推進系統，其中所述第一機電設備包括電動馬達。
[0025]12.一種制造車輛推進系統的方法，所述方法包括:
提供DC-DC轉換器；
使能量存儲系統耦合于所述DC-DC轉換器；
使所述DC-DC電壓轉換器耦合于DC總線；
使第一 DC到AC逆變器耦合于所述DC總線；
使第一機電設備耦合于所述DC到AC逆變器；
使控制器耦合于所述DC-DC轉換器和所述第一 DC到AC逆變器；以及配置所述控制器以:
監測所述第一機電設備的實時速度；
確定所述第一機電設備的調度速度；
計算所述調度速度與所述實時速度之間的差異；以及
如果計算的差異超過閾值則控制所述DC-DC轉換器來使所述DC總線的電壓從第一電壓電平移位到與所述第一電壓不同的第二電壓電平。
[0026]13.如技術方案12所述的方法，其進一步包括配置所述控制器來控制所述DC-DC電壓轉換器以使所述DC總線的所述電壓移位預定義電壓間隔。
[0027]14.如技術方案13所述的方法，其包括配置所述控制器來控制所述DC-DC控