專利名稱：基于負載隔離的風力電控充電系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及基于風カ充電單元和負載隔離的電控供電系統。本發明可用于任何一種用風能為能量存儲裝置充電的電カ操作系統。本發明與風輪機以及電動車輛的應用有夫。本發明尤其與主要原動カ是直流或交流發動機的車輛有關。所述車輛可以是陸路、水路或水陸兩用車輛，本發明也可用于混合動カ型的車輛。
為簡便起見，在以下說明中主要參考電動車輛，尤其參考主要原動カ是直流或交流發動機兩輪車輛，這一點對于本發明領域來說沒有任何限制。
背景技術：
在一般電動車輛中，牽引力來自能量儲存裝置，該裝置非常普遍的是ー組電池。電動車輛具有速度和行程范圍受限制的特性，為了提高其速度和行程范圍，則要采用大電池包，這樣做的缺點是電池成本高，并且需要很大的空間堆疊電池，同時也增加車輛的重量。為提高電動車輛的速度和行程范圍，采用了各種方法，其中包括利用車輛的再生能源給電池包充電、利用太陽能和大風カ來驅動在風道上具有一個或多個渦輪機的發電機組給電池充電、或綜合使用上述方法為電池充電。通過利用再生能源獲得的再充電電カ不足以彌補電池驅動載荷的損耗。同樣，利用太陽能和利用在風道上大風的發電機系統總是被證明是不可行的，因為該充電電源需要龐大的電池包，并需要很大的空間安裝上述系統。本發明人的具有再充電單元的電動車輛的現有技術說明569/CHE/2006，903/CHE/2008在這里作為參考。在現有技術說明中，采用了各種解決方案在車輛移動中給電池充電，以補充電池在驅動載荷時的能量消耗。當車輛在移動過程中對電池進行再充電時，驅動載荷對像風カ發電機這樣的充電單元的輸出造成沖擊，從而影響電池的在線充電。由于車輛速度的變化，電池放電的頻率是不可預知的。基于加速，電池能量被消耗到極限，從而開始給電池充電的極限被保持在電池的閾值電壓。每當為負載供電的電池消耗到閾值電壓時，充電單元接管電池為其充電。同時，負載被連接到已經充過電的電池，以便不中斷車輛的運行。但是，由于負載變化不可預知，電池在充放電之間總有失配。充電單元在給電池充電上花費更多的時間，而在通過負載使電池放電上花費的時間很少，因為負載直接影響充電單元，在電池給負載放電的同時對其進行充電是非常困難的，這導致用電池包在線充電來達到期望的行程范圍時產生了問題。
發明內容
已經嘗試通過盡可能最小化提取電池電流、防止或減少電池充電電流的間斷、以及將風控電池充電系統與車輛的驅動負載完全隔離確保風控電池充電系統工作一致性等方法，來盡力提高電池續航里程并具有相對簡單的結構。假設ー輛電動車輛的風カ發電機在車輛移動期間出現逆風的情況下工作，假設車輛運動在交通擁擠的地區，駕駛員可以選擇是否使用風カ發電機來運行車輛。
為簡便起見，考慮兩輪電動車輛的供電單元，并且在以下說明中將電池作為儲能裝置。類似燃料電池組這樣的儲能部件的其他類型的電池組等也是可行的。所述電動車輛包括常規部件，如驅動發動機、發動機轉速控制器、傳動和制動機構、加速度裝置。驅動負載所需要的電カ來源于兩個或更多的供電單元。像速度和距離范圍這樣的負載需求由客戶指定，系統根據的客戶指定進行設計。在兩輪車輛的情況下，使用兩個供電単元，稱為PSl和PS2。根據車輛的距離范圍需求，各供電單元有ー個電池，或多個串聯/并聯或串并混合連接的電池。電池即能量存儲裝置最好是相同的型號和規格。供電單元包括給交流負載供電的逆變器，對于直流負載，所述逆變輸出被整流后通過電壓控制器提供給單ー輸出的負載。供電單元中的電池被設計成用蓄電池部件與適當的電容器組集成。與蓄電池部件集成的電容器是這樣工作的，電容器吸收由風カ發電機單元完成對電池的充電后的有效浮動電壓，這樣防止電池更快地耗盡。存在于供電單元中的逆變器或電壓控制器根據負載的需求，分別保證均衡和穩定的交流或直流輸出。負載通過中間連接單元和輸出混合器與供電單元的輸出連接，這樣設計的系統使 負載的需求由PSl和PS2分擔。這種負載分擔能夠使電池的部分放電與負載連接，因此電池沒有完全加載，這將延長電池壽命。中間連接単元是根據在一根軸或多根軸上接觸件的數量進行特別設計的部件，發動機帶動軸旋轉，以轉換使風カ發電機部件在PSl和PS2之間的輸出，以給在PS I或PS2中的電池充電。同樣，中間連接單元也在PSl和PS2之間轉換負載的供電。在半個周期過程中，中間連接單元執行的操作是互相獨立的，由此風カ發電機的性能不受負載變化的影響。因為這種工作方式，供電單元中的電池不會被耗盡到閾值電壓，中間連接単元在每半個周期的間隙使另ー個電池進入再充電模式。輸出混合器是把中間連接単元的輸出進行混合的単元，以給驅動負載提供需要的電流。每當中間連接単元把PSl連接到風カ發電機時，將PS2的輸出提供給混合器。同樣，當把PS2與風カ發電機連接時，將PSl的輸出提供給混合器。這種轉換按照一定頻率發生。這樣，使來自PSl和PS2的輸出在混合器總是有效的。混合器這樣工作以致在任何時刻都適宜于滿負荷的需求，負載和再充電單元處于沒有相互干擾的獨立工作狀態。這樣，車輛的行程范圍有很大程度的改進。風カ發電機部件、供電單元(PS1，PS2,....)、中間連接単元和輸出混合器組成車輛的供電系統。在本說明書中，再充電單元用作風カ發電機和充電單元的同義詞。這個系統在車輛駛入擁堵區域的情況下是非常有用的，這時由于在車輛運動的任何點上電池不是滿負荷，所以沒有連接風カ發電機。這也使得能夠操控車輛在大行程范圍行駛。即使在供電單元中的電池電量完全耗盡后，如本專利發明人的早期說明書中公布的那樣，像模塊化抽屜排列的堆疊在車輛中的電池，由于是插頭和插座裝配，使電池的更換非常簡單和容易，這一點也有助于防止事故。在供電系統的第二個實施例中，利用風カ發電機組給能量儲存裝置再充電。風カ發電機組中ー個風カ發電機，在另ー個風カ發電機自由旋轉的任何時刻，給供電単元(PS1或PS2)充電。這樣避免了單個風力發電機的連續負載。中間連接單元按如下方式來連接風カ發電機單元即使得在任何瞬間都可對并聯混合模式的能量存儲裝置進行再充電。與此同時，中間連接単元與串聯混合模式的能量存儲裝置連接，以通過電壓控制器驅動發動機(即負載)。中間連接単元每半個周期完成一次能量存儲裝置的并聯和串聯混合。同樣，在每半個周期期間完成風カ發電機之間的再充電的轉換，負載通過混合器得到無干擾供電電壓。車輛行駛在交通擁堵路段時速度受限，由于缺乏足夠的逆風，風カ發電機不能發揮作用。因此，車輛使用供電系統，不使用風カ發電機單元，或者不連接風カ發電機(組)。在第一實施例的情況中，當不使用在充電單元時，操作旁路開關將PSl和PS2并聯，中間連接單元被保持切斷。由于在車輛運行的任何點上，電池沒有被完全加載并且PSl和PS2分擔負載，所以這個系統在上述情況中也是非常有用的。在第二實施例中，當不使用再充電電路時，旁路開關用于并聯的PSl和PS2。在本實施例中，通過中間連接單元實現PSl和PS2中的電池的串聯或并聯排列。中間連接単元在ー根軸上提供有“鎖銷”裝置，對其進行操作將切換軸中的接觸件以使與其連接的電池串聯。現在通過使用旁路開關中的選擇，使PSl和PS2并聯并且中間連接單元處于閑置狀態。所述的電池組合與電壓控制器連接(用于直流驅動發動機的情況)，通過使用電池充電站的電池存儲模塊的插頭和插座的裝配，能很容易替換掉耗盡的電池単元，這使得車輛可以在交通擁堵區域范圍內行駛。具有風カ再充電單元和負載完全隔離的供電系統的操作方法包括用這樣的方法 操作中間連接単元在工作周期的上半周期間，PSI的輸出連接到驅動發動機的輸入，同吋，PS2的輸入與風カ發電機的輸出連接，進行再充電，而在工作周期的下半周期間，PSl的輸入與風カ發電機的輸出連接，進行再充電，而同時PS2的輸出與驅動發動機連接,從而保持再充電系統和驅動發動機完全隔離，并且在組合器上將SPl和SP2進行組合，從而避免由于中間連接單元的切換產生的間斷。當在海面上有巨大風能可以利用吋，這個系統被證明用于驅動船只是非常有用的。本供電系統的另ー個實施例是用電容器組完全替代電池模塊，這樣可使風カ發電機產生的電壓通過中間連接單元直接提供給輸電網絡。中間連接單元將負載和風カ發電機完全隔離，因此，風カ發電機的性能不受負載變化的影響。這樣能夠很容易地適用于風輪機，由于避免了巨大的風輪機葉片以及巨大的安裝結構，也簡化了風輪機的結構。這個具有風カ充電單元的供電系統也可以被非常容易地為驅動民用家用電器的供電系統所采用。附圖
簡述圖I表示安裝在兩輪車輛中的單風カ發電機供電系統。圖2表示安裝在四輪車輛中的雙風カ發電機供電系統。附圖詳細說明在圖I中，風カ發電機(I)可拆卸地安裝于兩輪車輛中，并被恰當地定位在車輛迎風的位置，以使在車輛移動期間的逆風操控風カ發電機達到其額定速度。在圖示例子中，如圖所示，安裝有扇葉的風カ發電機被置于車輛的前部。同樣，中型或重型車輛也是如此，風力發電機被置于適合面臨最大逆風的位置。根據車輛的設計，變換風カ發電機的位置也是可行的。供電單元中有串聯和/或并聯組合的電池組(2)，以模塊化抽屜(drawer)的模式放置，用插頭和插座進行連接。逆變器(3)與電池組連接，用于為交流負載供電，或者與整流器(4)組合，通過中間連接單元(5)給直流負載供電。抑制電容器(9)被用于抑制中間連接単元上的碎片產生的火花。中間連接単元的工作周期是這樣的，在上半周期間，它將PS I的輸出連接到混和器為負載供電，并且與風カ發電機單元的輸入連接，對PS2的電池充電。在下半周期間，情況反之，即，將PS2的輸出與負載連接，而將風力發電機単元的輸入與PSl的電池連接，進行再充電。在兩個半周期間，負載和風カ發電機單元沒有鏈接，并且互相之間完全隔離。可以看到，所述中間連接單元的觸點件(5a)和(5b)分別將PSl與所述負載連接，將PS2與所述風カ發電機連接；轉換上述接觸件的位置，這樣(5a)將PSl與風カ發電機連接，而(5b)將PS2與負載連接。當所述中間連接單元在低轉速時，輸出電壓產生脈動，然而通過提高所述中間連接單元傳動軸的轉速可以使電壓脈動消失。使脈動電壓消失的轉速被固定為所述中間連接単元的額定轉速。所述中間連接單元可以被設計成機電單元或電子単元。組合器(6)是ー組電容器，它吸收中間連接単元在工作期間由PSl和SP2提供的功率，以確保給負載無間斷地供電。發動機速度控制器(7)用于控制驅動發動機(8)的運行。風カ發電機的電壓調節器(10)的運行是這樣的，每當PSl或PS2中的電池充滿電時，它切斷風カ發電機對PSl或PS2的供電，這樣防止所述發電機的連續負荷。為了在交通擁堵區域使用車輛，風カ發電機可以不被用作再充電裝置，因此，它可以與車輛脫離。通過操作旁路開關(11)，使供電單元并聯，并使其與負載連接。在任何一個電池充電站，通過車輛中的電池存儲模塊的插頭和插座結構，很容易對PSl和SP2中耗盡電量的電池進行更換。
圖2中顯示的是ー個系統，在這個系統中，供電單元(PSl和PS2)的再充電由兩個風カ發電機(Ia)和(Ib)分擔。風カ發電機(Ia)和(Ib)被可拆卸地分別恰當定位在車輛迎風的位置，在任何瞬間都有一個風カ發電機保證供電単元的再充電。在本實施例中，供電單元PSl指的是電池組(2a)和電壓控制器(2c)。同樣，供電單元PS2指的是電池組(2b)和電壓控制器(2c)。中間連接単元(5)是這樣設計的，在所述中間連接單元運行的ー個周期的半個周期期間，接觸件(5a)將PSl中的電池組(2a)并聯，并通過接觸件(5c)將其連接到所述風カ發電機(Ia)以對電池組進行再充電。同時，通過接觸件(5b)將PS2中的電池組(2b)串聯、并為驅動發動機供電，而風力發電機(Ib)處于自由旋轉的休息模式。在第二個半周中，通過接觸件(5b)將PSl中的電池組(2a)串聯、并為驅動發動機
(8)供電，同時,通過接觸件(5a)將PS2中的電池組(2b)并聯，并接收所述風カ發電機(Ib)的再充電電壓，而風力發電機(Ia)處于自由旋轉的休息模式。這種運行模式不會給風カ發電機連續加載。中間連接單元中的觸點如圖2所示。通常用一個電機在中間連接單元中驅動多個軸同步轉動，用導電材料制成的各個接觸件(5a)、5(b)和5(c)與各電極連接，并帶有將各個極隔離的絕緣。以串聯方式連接的供電單元(PSl或PS2)通過電壓控制器(2c)給驅動發動機供電。在缺少再充電單元的情況下啟動旁路開關(11)。在多個軸中的ー個軸上提供有“鎖銷”裝置(14)，當手動操作該裝置時，將與其連接的電池設置成串聯結構。現在，能用旁路開關將PSl和PS2并聯，并通過電壓控制器與負載連接。當使用旁路開關吋，中間連接単元也不工作，它僅作為空接點。所有已知的電動車輛的組件，像傳動和制動機構、加速裝置等，在以上描述的車輛中也是可利用的。參照于此公開的結構對本發明進行了說明，本發明并不局限于細節陳述，并且本申請g在涵蓋出現在改進目的之內的或在權利要求范圍之內的許多修改和變更。
權利要求
1.電動車輛，具有驅動發動機、發動機速度控制器、傳動和制動機構置、加速裝置的電動汽車，所述電動車輛包括供電系統，所述供電系統具有使用風カ發電機的風カ充電單元、兩個以上的供電單元、中間連接単元、組合器以及旁路開關，所述供電単元具有以串聯和/或并聯結構連接的能量存儲裝置，并包括逆變器和整流器或電壓控制器，其中， 驅動發動機的供電由所述供電單元分擔，所述中間連接單元將供電單元之一 PSl的輸出連接到所述組合器，以給所述驅動發動機供電，并同時將所述風カ發電機的輸入與另外一個所述供電單元PS2中的電池連接，對其再充電，反之亦然，所述再充電系統和所述車輛的驅動負載完全隔離。
2.根據權利要求I所述的電動車輛，其中所述中間連接單元按照這樣的方式工作在工作周期的上半周期間，供電單元PSl的輸出與所述驅動發動機的輸入連接，并且所述供電單元PS2的輸入與所述風カ發電機的輸出連接進行再充電，在工作周期的下半周期間，所述供電單兀PSl的輸入與所述風カ發電機的輸出連接進行再充電，供電單兀PSl的輸出與驅動發動機連接，從而保持所述再充電系統和驅動發動機完全隔離。
3.電動車輛，具有驅動發動機、發動機速度控制器、傳動和制動機構置、加速裝置，所述電動車輛包括供電系統，該供電系統具有多個使用風カ發電機組的風カ充電單元、多個供電單元，中間連接単元、組合器和旁路開關，所述供電単元中具有多個能量存儲裝置并包括電壓控制器，其中， 所述驅動發動機的供電由所述多個供電單元分擔，并且，所述中間連接單元在工作周期的上半周期間，將供電單元PSi的所述多個能量存儲裝置設置成并聯結構，并連接到所述風カ發電機的輸出進行再充電，同時將另外一個供電単元PS2中的所述多個能量存儲裝置設置成串聯結構并連接到所述驅動發動機供電，此時所述另ー個風カ發電機處于自由旋轉狀態，在工作周期的下半周期間，所產生的操作與上半周期的操作相反，所述再充電系統和所述車輛的驅動負載完全隔離。
4.根據權利要求3所述的電動車輛，其中所述中間連接單元包括兩根軸，在一根軸上排列的多個接觸件與一個供電単元的所述能量存儲裝置連接，在另ー根軸上排列的所述接觸件與另外ー個供電単元的所述能量存儲裝置連接，一根軸具有鎖銷機構，該鎖銷機構在操作時將與該軸相連的所述能量存儲裝置設為串聯結構。
5.根據權利要求I所述的電動車輛，其中來自所述風カ充電系統的輸入在逆向風カ很小期間被忽略，所述電動車輛包括再充電單元完全脫離的供電系統和空轉的中間連接單元，具有逆變器和整流器或電壓控制器的多個供電単元直接與所述驅動發電機的輸入連接，供電單元中的能量存儲裝置通過旁路開關并聯。
6.根據權利要求3所述的電動車輛，其中來自風カ充電系統的輸入在逆向風カ很小期間被忽略，所述電動車輛包括再充電單元完全脫離的供電系統和空轉的中間連接単元，具有逆變器和整流器或電壓控制器的多個供電単元直接與所述驅動發電機的輸入連接，所述供電單元中的能量存儲裝置組通過旁路開關并聯，在操控車輛前手動設置鎖銷機構，將與所述ー根軸連接的所述多個能量存儲裝置設置成串聯結構。
7.根據前述權利要求所述的電動車輛，其中所述中間連接單元被設計成機電單元或電子単元。
8.根據前述權利要求所述的電動車輛，其中所述中間連接單元具有與所述多個供電單元的輸出以及所述風カ發電機的輸入連接的兩個以上的接觸元件。
9.根據前述權利要求所述的電動車輛，其特征在于所述接觸元件由導電材料制成，各電極之間用絕緣材料隔離，被排列在由發動機驅動的同一或不同的軸上。
10.根據前述權利要求所述的電動車輛，其特征在于所述風カ充電單元可拆裝地置于車輛內適合面臨最大逆風的位置。
11.根據前述權利要求所述的電動車輛，其特征在于所述的可拆裝是指所述風カ充電単元脫離所述供電系統，或者是從所述車輛上全部移除或拆下。
12.供電系統，包括使用風カ發電機的風カ充電單元、兩個以上的供電單元、中間連接単元、組合器和旁路開關，所述供電単元具有多個以串聯和/或并聯結構連接的能量存儲裝置并包括逆變器和整流器或電壓控制器，其中，所述驅動發動機的供電由所述多個供電単元分擔，并且，所述中間連接單元將所述供電單元之一 PSl的輸出連接到組合器，以給所述驅動發動機供電，并同時將所述風カ發電機的輸入與所述另外一個供電単元PS2中的電池連接以再充電，反之亦然，此時所述再充電系統和所述負載完全隔離。
13.供電系統，包括配有多個風カ發電機的多個風カ充電單元、供電單元、中間連接單元、組合器和旁路開關，所述供電単元具有能量存儲裝置并包括電壓控制器，其中，所述驅動發動機的供電由所述多個供電單元分擔，并且，所述中間連接單元在工作周期的上半周期間，將ー個供電単元PSl中的所述多個能量存儲裝置并行連接到所述ー個風カ發電機組的輸出，對能量存儲裝置進行再充電，并同時將另外一個供電単元PS2中的所述多個能量存儲裝置串行連接到所述驅動發動機供電，此時另ー個風カ發電機組處于自由旋轉狀態，在工作周期的下半周期間，所產生的操作與所述上半周期的操作相反，此時所述再充電系統和所述負載完全隔離。
14.根據前述權利要求所述的供電系統，其中，所述組合器包括多個電容器或多個過超電容器，它們被適當排列以將在每半周期接收的所述中間連接單元的輸出進行組合，給所述驅動發動機提供所需電流。
15.根據前述權利要求所述的供電系統，其中，所述中間連接單元被設計成機電單元或電子單兀。
16.根據前述權利要求所述的供電系統，其中，所述中間連接單元具有兩個或多個接觸件，這些接觸件與所述多個供電單元的輸出和所述風カ發電機的輸入連接。
17.根據前述權利要求所述的供電系統，其中，所述接觸件由導電材料制成，在各電極之間用絕緣材料隔離這些接觸件，它們被排列在由發動機驅動的同一或不同的軸上。
18.根據前述權利要求所述的供電系統，其中，所述能量存儲裝置是與電容器集成的電池，所述多個電容器吸收由所述風カ發電機對所述多個電池完全充電后的浮動電壓。
19.一種エ業或民用風輪機，包括根據權利要求12或13中所述的供電系統。
20.供電系統的操作方法，所述供電系統具有風カ再充電單元，與負載完全隔離，所述方法包括按照如下方式操作所述中間連接單元在工作周期的上半周期間，將所述PSI的輸出與所述負載的輸入連接，同時，所述PS2的輸入與所述風カ發電機的輸出連接進行再充電；在工作周期的下半周期間，所述PSl的輸入與所述風カ發電機的輸出連接進行再充電，同吋，PS2的輸出與負載連接，從而保持所述再充電系統和驅動發動機完全隔離，并在組合器上將PSl和PS2的供電進行組合，以避免由于中間連接單元的切換造成的間斷。
21.供電系統的操作方法，所述供電系統具有風カ再充電單元，與負載完全隔離，所述方法包括操作所述中間連接單元，使得在工作周期的上半周期間，供電單元PSl中的所述多個能量存儲裝置被設置成并聯結構并與所述風カ發電機的所述輸出連接，進行再充電，同吋，另ー個供電單元PS2中的所述多個能量存儲裝置被設置成串聯結構并為負載供電，同時所述另外ー個風カ發電機保持空轉；在工作周期的下半周期間，所產生的操作與上半周期的操作相反，此時所述再充電系統和所述負載完全隔離，并在組合器上將PSl和PS2的供電進行組合，從而避免由于所述中間連接単元的切換造成的間斷。
22.由附圖所充分描述和說明的根據前述的權利要求所述的電動車輛。
23.由附圖所充分描述和說明的根據前述的權利要求所述的供電系統。
全文摘要
本發明涉及具有供電系統的電力運行車輛。供電單元包含與負載隔離的風力充電單元(1a，1b)。該供電單元有一個或多個能量儲存裝置，并帶有逆變器以便為交流負載供電。在電動車輛中使用兩個供電單元(PS1,PS2)為驅動負載供電。在通過中間連接單元(5)和輸出組合器運行時，所述供電單元給負載供電，并與系統的再充電單元完全隔離。由此，所述能量存儲裝置可用于遠距離路程。
文檔編號B60L8/00GK102869533SQ201080054901
公開日2013年1月9日 申請日期2010年12月2日 優先權日2009年12月2日
發明者拉金德拉·巴布·阿諾馬根 申請人:拉金德拉·巴布·阿諾馬根, 切蒂爾·凱奈朋