渦輪發(fā)動機(jī)混合電源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)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(jī)混合電源。
【背景技術(shù)】
[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(biāo)，特別是符合移動電源。
[0003]與常規(guī)電源相關(guān)聯(lián)的一個問題是:當(dāng)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(yīng)用期間并不需要電源的全額定功率，并且因此電源在導(dǎo)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(jī)、渦輪發(fā)動機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)、用于儲存電能的電池和用于驅(qū)動車輛輪子的馬達(dá)。馬達(dá)由可從發(fā)電機(jī)或從電池直接獲得的電能供電。每當(dāng)儲存在電池中的可用能量的量下降到低于第一預(yù)定水平時，控制器開啟渦輪發(fā)動機(jī)?！?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(dāng)電池中儲存的能量上升到高于預(yù)定水平時，關(guān)閉渦輪發(fā)動機(jī)并且唯一能量源變成電池，直到渦輪發(fā)動機(jī)重新開啟以驅(qū)動直流發(fā)電機(jī)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(jī)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(shù)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(jī)混合電源?；旌想娫纯梢园u輪發(fā)動機(jī)、通過驅(qū)動軸與渦輪發(fā)動機(jī)串聯(lián)連接的發(fā)電機(jī)、經(jīng)連接以接收由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能的電能儲存裝置以及連接到渦輪發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)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(jī)和發(fā)電機(jī)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(jī)供電以達(dá)到全功率，選擇性地關(guān)閉至渦輪發(fā)動機(jī)的全部燃料，選擇性地將來自發(fā)電機(jī)的過剩電能引導(dǎo)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(jī)器的方法，該混合動力機(jī)器配備有渦輪發(fā)動機(jī)、與渦輪發(fā)動機(jī)串聯(lián)連接的發(fā)電機(jī)、電能儲存裝置以及驅(qū)動地連接到用于混合動力機(jī)器的功率輸出部件的馬達(dá)。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(jī)和發(fā)電機(jī)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(jī)供電以使其達(dá)到全功率，選擇性地切斷對渦輪發(fā)動機(jī)的全部燃料供應(yīng)，通過將來自發(fā)電機(jī)的過剩電能引導(dǎo)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)混合電源的示例性實施方式可以包括渦輪發(fā)電機(jī)128，渦輪發(fā)電機(jī)128包括通過驅(qū)動軸110機(jī)械地耦合到發(fā)電機(jī)120的渦輪發(fā)動機(jī)102。發(fā)電機(jī)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(jī)120可以是例如由渦輪發(fā)動機(jī)102機(jī)械驅(qū)動以產(chǎn)生電力的交流感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永久磁鐵發(fā)電機(jī)、交流同步發(fā)電機(jī)或開關(guān)磁阻發(fā)電機(jī)。在一個實施方式中，發(fā)電機(jī)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(jī)120產(chǎn)生的電力可電耦合到至少一個電動馬達(dá)140，電動馬達(dá)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(yīng)用提供功率。此類應(yīng)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(jī)車、運土設(shè)備、農(nóng)業(yè)設(shè)備、采礦設(shè)備或重型施工設(shè)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(dá)140的機(jī)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(jī)102和發(fā)電機(jī)120的轉(zhuǎn)動部件諸如旋轉(zhuǎn)渦輪葉片和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可以達(dá)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(jī)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(yīng)相當(dāng)長的時間周期后，由于渦輪和發(fā)電機(jī)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(jī)可以保持高速旋轉(zhuǎn)。如圖1所示，由發(fā)電機(jī)120產(chǎn)生的電力可直接提供給一個或多個電動馬達(dá)140，或當(dāng)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(jī)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(dāng)渦輪發(fā)動機(jī)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(yīng)給發(fā)電機(jī)120，以便使發(fā)電機(jī)120充當(dāng)渦輪發(fā)動機(jī)102的起動馬達(dá)。
[0015]根據(jù)本發(fā)明的各種實施方式的渦輪發(fā)動機(jī)混合電源儲存可用于啟動渦輪發(fā)動機(jī)102并且向至少一個電動馬達(dá)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(jī)120的高速旋轉(zhuǎn)部件中的慣性能量可以充當(dāng)主能量儲存機(jī)構(gòu)，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(jī)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(jī)構(gòu)。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(jī)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(yīng)的能力。
[0016]如圖2所示，渦輪發(fā)電機(jī)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(dá)240。當(dāng)一個或多個馬達(dá)240所需的功率小于由渦輪發(fā)電機(jī)228產(chǎn)生的總功率時，或當(dāng)諸如在動態(tài)制動模式期間從一個或多個馬達(dá)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(dǎo)到電能儲存裝置230中。在各種實施方式中，當(dāng)向一個或多個馬達(dá)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(shè)備，所述功率電子設(shè)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(shè)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(dǎo)體場效應(yīng)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(guān)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(shè)置，如本領(lǐng)域中所公知的那樣。當(dāng)以其中交流功率從渦輪發(fā)電機(jī)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(jī)228的交流功率并且將直流功率供應(yīng)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(dá)240。當(dāng)以動態(tài)制動模式或