渦輪發(fā)動機混合電源的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明總體涉及一種電源，并且更具體地說，涉及一種渦輪發(fā)動機混合電源。
【背景技術】
[0002]期望的是減少來自目前的電源的碳基排放物，而同時提高電源的燃料效率。除了提供每單位燃料可以做更多功的電源以外，如果電源能夠從多種不同燃料得到能量也將是有利的。電源大小的減小也將符合提高燃料效率和減少排放物的目標，特別是符合移動電源。
[0003]與常規(guī)電源相關聯(lián)的一個問題是:當常規(guī)電源在接近或等于額定工況下運行時，所述常規(guī)電源具有最佳效率。然而，在許多應用期間并不需要電源的全額定功率，并且因此電源在導致燃料被電源低效使用的功率水平下運行，或者電源產(chǎn)生浪費掉的過剩能量。
[0004]1980年4月22日授予White的美國專利第4，199, 037 (? 037專利)號中公開了一種提高混合動力車輛效率的嘗試?！?037專利提供了一種電動車輛，所述電動車輛具有渦輪發(fā)動機、渦輪發(fā)動機驅(qū)動的發(fā)電機、用于儲存電能的電池和用于驅(qū)動車輛輪子的馬達。馬達由可從發(fā)電機或從電池直接獲得的電能供電。每當儲存在電池中的可用能量的量下降到低于第一預定水平時，控制器開啟渦輪發(fā)動機?！?037專利還公開了將渦輪的速度保持在恒定水平以使其效率最大化。
[0005]雖然’ 037專利的混合系統(tǒng)可提高所公開車輛的效率，但其可能并非最佳。具體地，’037專利的所公開的混合系統(tǒng)未提供電池之外用于儲存能量的任何裝置。當電池中儲存的能量上升到高于預定水平時，關閉渦輪發(fā)動機并且唯一能量源變成電池，直到渦輪發(fā)動機重新開啟以驅(qū)動直流發(fā)電機并且給電池再充電。因此，’037專利的系統(tǒng)可不允許渦輪發(fā)動機在其最大效率點處操作，并且在某些情況下可能無法像所期望的那樣快速地提供能量。
[0006]本發(fā)明的系統(tǒng)和方法解決了上述的一個或多個問題和/或現(xiàn)有技術中的其他問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個方面，本發(fā)明涉及一種渦輪發(fā)動機混合電源?；旌想娫纯梢园u輪發(fā)動機、通過驅(qū)動軸與渦輪發(fā)動機串聯(lián)連接的發(fā)電機、經(jīng)連接以接收由發(fā)電機產(chǎn)生的電能的電能儲存裝置以及連接到渦輪發(fā)動機、發(fā)電機和電能儲存裝置的控制器?？刂破骺杀慌渲贸山邮展β市枨笮盘?，確定電能儲存裝置中的功率水平，確定至少儲存在渦輪發(fā)動機和發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)部件中的可用的慣性能量，并且提供一個或多個控制信號以選擇性地控制一種或多種功能的執(zhí)行。所述功能可以包括選擇性地給渦輪發(fā)動機供電以達到全功率，選擇性地關閉至渦輪發(fā)動機的全部燃料，選擇性地將來自發(fā)電機的過剩電能引導到電能儲存裝置以及選擇性儲存過剩能量作為慣性能量。
[0008]在另一個方面，本發(fā)明涉及一種控制混合動力機器的方法，該混合動力機器配備有渦輪發(fā)動機、與渦輪發(fā)動機串聯(lián)連接的發(fā)電機、電能儲存裝置以及驅(qū)動地連接到用于混合動力機器的功率輸出部件的馬達。該方法可包括接收功率需求信號，確定電能儲存裝置中的功率水平，確定至少儲存在渦輪發(fā)動機和發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)部件中的可用的慣性能量，以及提供一個或多個控制信號以選擇性地控制一種或多種功能的執(zhí)行。所述功能可以包括選擇性地給渦輪發(fā)動機供電以使其達到全功率，選擇性地切斷對渦輪發(fā)動機的全部燃料供應，通過將來自發(fā)電機的過剩電能引導到電能儲存裝置來選擇性地儲存過剩能量作為電能，以及選擇性儲存過剩能量作為慣性能量。
【附圖說明】
[0009]圖1是示例性的所公開的渦輪發(fā)動機混合電源的示意圖；
[0010]圖2是另一個示例性的所公開的渦輪發(fā)動機混合電源的示意圖；
[0011]圖3是描繪示例性的所公開的功率儲存和傳輸方法的流程圖，該方法可由圖1和圖2的渦輪發(fā)動機混合電源執(zhí)行；以及
[0012]圖4是描繪示例性的所公開的功率儲存和傳輸方法的另一個流程圖，該方法可由圖1和圖2的渦輪發(fā)動機混合電源執(zhí)行。
【具體實施方式】
[0013]參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的渦輪發(fā)動機混合電源的示例性實施方式可以包括渦輪發(fā)電機128，渦輪發(fā)電機128包括通過驅(qū)動軸110機械地耦合到發(fā)電機120的渦輪發(fā)動機102。發(fā)電機120可以電耦合到電能儲存裝置130，諸如一組鋰離子電池。發(fā)電機120可以是例如由渦輪發(fā)動機102機械驅(qū)動以產(chǎn)生電力的交流感應發(fā)電機、永久磁鐵發(fā)電機、交流同步發(fā)電機或開關磁阻發(fā)電機。在一個實施方式中，發(fā)電機120可以包括多個配對的極(未示出)，每個配對的極具有布置在定子(未示出)的圓周上以產(chǎn)生交流電的三相。由發(fā)電機120產(chǎn)生的電力可電耦合到至少一個電動馬達140，電動馬達140可以給各種功率輸出部件提供驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。這些功率輸出部件可以給各種不同的應用提供功率。此類應用可以包括靜態(tài)發(fā)電系統(tǒng)，諸如在建筑物中的功率需求，或提供給安裝在車輛諸如列車機車、運土設備、農(nóng)業(yè)設備、采礦設備或重型施工設備上的輪子或其它牽引裝置提供的功率。也可提供附加的輸電裝置諸如齒輪箱，連續(xù)可變驅(qū)動器和變矩器，以控制來自至少一個馬達140的機械能傳輸?shù)焦β瘦敵霾考?，以使車輛運動，從而滿足靜態(tài)功率輸出需求或以其他方式執(zhí)行工作。
[0014]在操作期間，渦輪發(fā)動機102和發(fā)電機120的轉(zhuǎn)動部件諸如旋轉(zhuǎn)渦輪葉片和發(fā)電機轉(zhuǎn)子可以達到每分鐘40，000到60，000轉(zhuǎn)(RPM)或更高的速度，并且因此可以儲存顯著量的能量作為轉(zhuǎn)動慣量。渦輪發(fā)電機在供以燃料時作為一個旋轉(zhuǎn)單元自由轉(zhuǎn)動，并且然后在切斷燃料供應相當長的時間周期后，由于渦輪和發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)部件的高慣性以及旋轉(zhuǎn)部件所經(jīng)歷的相對低的摩擦損耗，渦輪發(fā)電機可以保持高速旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，由發(fā)電機120產(chǎn)生的電力可直接提供給一個或多個電動馬達140，或當電能儲存裝置130中的可用的儲存能量已經(jīng)下降到低于第一水平時，由發(fā)電機120產(chǎn)生的電力的至少一部分可以儲存在電能儲存裝置130中。當渦輪發(fā)動機102的轉(zhuǎn)速已經(jīng)下降到低于一定閾值時，儲存在儲存裝置130中的電能可以反過來供應給發(fā)電機120，以便使發(fā)電機120充當渦輪發(fā)動機102的起動馬達。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的渦輪發(fā)動機混合電源儲存可用于啟動渦輪發(fā)動機102并且向至少一個電動馬達140供電以使車輛運動或者執(zhí)行其他期望工作的能量。儲存在渦輪102和發(fā)電機120的高速旋轉(zhuǎn)部件中的慣性能量可以充當主能量儲存機構，其中該慣性能量在需要時可用于提供即時功率。也可通過添加一個或多個飛輪提高渦輪發(fā)電機128的旋轉(zhuǎn)部件的慣性能量儲存能力。電能儲存裝置130可作為次能量儲存裝置，并且可包括電池、電容性裝置或其他形式的電能儲存，所述其他形式的電能儲存與旋轉(zhuǎn)部件的慣性能量儲存相此，可提供更長期的能量儲存機構。慣性能量儲存其可以允許快速儲存諸如可在再生或動態(tài)制動期間或渦輪發(fā)動機102產(chǎn)生超過功率需求的能量時獲得的過剩能量。慣性能量儲存與電能儲存裝置130相此還可允許更快速或瞬時地獲取能量。另一方面，電能儲存裝置130與慣性能量儲存相此可以允許更長期、穩(wěn)態(tài)的能量儲存的更大容量，以及允許提供更長期、穩(wěn)態(tài)的能量供應的能力。
[0016]如圖2所示，渦輪發(fā)電機228可以向交流-直流變換器或整流器210提供三相202、204,206交流電(AC)，并且可以將所得的直流電(AC)經(jīng)直流功率總線212提供給直流-交流逆變器220，直流-交流逆變器220可以將具有三股交流電222、224、226的三相電力輸出到一個或多個馬達240。當一個或多個馬達240所需的功率小于由渦輪發(fā)電機228產(chǎn)生的總功率時，或當諸如在動態(tài)制動模式期間從一個或多個馬達240接收功率時，直流控制器214可以被配置成將來自直流功率總線212的一部分直流電引導到電能儲存裝置230中。在各種實施方式中，當向一個或多個馬達240提供功率時，直流-交流逆變器220也可以包含一組功率電子設備，所述功率電子設備能夠操作以在動態(tài)制動模式中將交流功率轉(zhuǎn)化成直流功率(能夠作為變換器或整流器操作)并且能夠操作以將直流功率轉(zhuǎn)化成交流功率(能夠作為逆變器操作)。更具體地，逆變器220可被連接以從直流功率總線212接收功率并且將功率輸送到直流功率總線212，并且可以包含能夠作為逆變器和整流器兩者操作的任何功率電子設備。例如，逆變器220可以包括被配置成根據(jù)本發(fā)明操作的任何數(shù)目的晶體閘流管、絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、雙極性結(jié)型晶體管(BJT)、控制器、電阻器、電容器、電感器和二極管。所提供的電路可以包括但不限于開關式電源、二極管電橋全波整流器和H橋逆變器。在一個示例性實施方式中，變換器210可以包含具有可控制頻率和/或電壓參數(shù)的三相變換器，使得由變換器210接收的交流功率的頻率和/或電壓可以可控制地設置，如本領域中所公知的那樣。當以其中交流功率從渦輪發(fā)電機208流入變換器210的模式操作時，變換器210可以接收來自渦輪發(fā)電機228的交流功率并且將直流功率供應給直流功率總線212。逆變器220可以將直流功率轉(zhuǎn)換成交流功率，并且將交流功率輸送到一個或多個馬達240。當以動態(tài)制動模式或