消除滑觸操作過程中電驅(qū)動機器的燃料使用的方法和設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供一種用于具有發(fā)動機、發(fā)電機、滑觸驅(qū)動布置、馬達、輪和輔助裝置的機器的驅(qū)動系統(tǒng)。驅(qū)動系統(tǒng)包括都可操作地連接到滑觸驅(qū)動布置的逆變器回路和輔助驅(qū)動器。逆變器回路可聯(lián)接到發(fā)電機和馬達中的每個。輔助驅(qū)動器可聯(lián)接到發(fā)電機和輔助裝置中的每個。逆變器回路和輔助驅(qū)動器可被構(gòu)造成在滑觸推進模式中將來自滑觸驅(qū)動布置的功率和來自輔助裝置的任何功率自動連通到馬達，并且在動態(tài)制動模式中在附接到滑觸線的同時將來自馬達的功率自動連通到發(fā)動機、滑觸驅(qū)動布置以及任選的混合系統(tǒng)(如果采用的話)，以便在附接到滑觸線的同時消除燃料消耗。
【專利說明】消除滑觸操作過程中電驅(qū)動機器的燃料使用的方法和設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明總體涉及電驅(qū)動機器的操作，更具體地涉及消除滑觸操作和動態(tài)制動過程中燃料消耗的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002]用于機器的電驅(qū)動系統(tǒng)通常包括以希望轉(zhuǎn)矩選擇性地致動至少一個馬達的功率回路。馬達通常連接到輪或操作以推進機器的其他牽引裝置。電驅(qū)動系統(tǒng)包括原動機，例如驅(qū)動發(fā)電機的內(nèi)燃發(fā)動機。發(fā)電機產(chǎn)生用來驅(qū)動馬達的電功率。在機器被推進時，通過發(fā)動機產(chǎn)生的機械功率在發(fā)電機處被轉(zhuǎn)換成電功率。此電功率通常在供應(yīng)到馬達之前被處理和/或調(diào)節(jié)。馬達將電功率轉(zhuǎn)換回機械功率以驅(qū)動輪并推進車輛。具有電驅(qū)動系統(tǒng)的一些機器在一些操作模式過程中采用外部功率源。這種機器例如可以是電驅(qū)動礦用卡車。在這種機器在滿載推進并連接到滑觸系統(tǒng)時，功率饋送到推進馬達并轉(zhuǎn)換成機械功率以驅(qū)動機器。
[0003]機器在一種操作模式中減緩，在此模式過程中，操作者希望使得機器減速。為了在此模式中使機器減緩，來自發(fā)動機的功率被減小。典型機器還可包括維護制動器和用于使得機器減速和/或停止的其他減緩機構(gòu)。隨著機器減速，機器的動能經(jīng)由輪的轉(zhuǎn)動被傳輸?shù)今R達。馬達用作發(fā)電機以便將機器的動能轉(zhuǎn)換成供應(yīng)到驅(qū)動系統(tǒng)的電能。此電能通常在電網(wǎng)上消散(浪費)、存儲在例如電池或電容器的可充電電池內(nèi)以隨后使用或者部分用來為例如冷卻減緩柵極的吹風(fēng)機的輔助部件供能。
[0004]一些機器(例如一些混合機器)被構(gòu)造成在操作的減緩模式過程中將馬達提供的電能存儲在能量存儲裝置或電池中以隨后使用。存儲的能量用來在操作的空閑模式或推進模式過程中為輔助裝置和/或驅(qū)動馬達供能，以使發(fā)動機涉及最小化并減小燃料消耗。雖然這種存儲構(gòu)型可在減緩模式過程中減小燃料消耗，添加到車輛的額外重量實際上會在推進模式過程中增加燃料消耗。應(yīng)用存儲構(gòu)型還尤其引入了顯著成本和技術(shù)局限性。
[0005]存儲構(gòu)型的有利替代用來簡單地經(jīng)由電阻和絕緣體的動態(tài)制動減緩柵極以熱量形式浪費掉能量。為了使過熱最小化，具有電驅(qū)動吹風(fēng)機的柵極冷卻系統(tǒng)通常用來幫助消散來自減緩柵極的熱量。吹風(fēng)機馬達通過廢棄能量供能，使得發(fā)動機不需要冷卻減緩柵極。但是，減緩柵極構(gòu)型引入多種控制局限。尤其是，這些構(gòu)型在不提供顯著制動力的情況下妨礙柵極冷卻系統(tǒng)操作。更具體地，由于柵極冷卻系統(tǒng)在減緩模式過程中只通過由馬達供應(yīng)的廢棄能量供能，在不從發(fā)動機吸收大量功率并消耗柴油燃料的情況下，一旦機器離開減緩模式，柵極冷卻系統(tǒng)不能操作。這些系統(tǒng)容易受到溫度過量條件或一旦吹風(fēng)機關(guān)閉則減緩柵極的電阻元件和絕緣體溫度急劇增加的條件的影響。另外，在低功率減緩模式中，或在減緩布置以小于標(biāo)稱功率操作時，驅(qū)動系統(tǒng)的公用DC總線會由于相對大的減緩需求而崩潰。另外，這些系統(tǒng)也需要發(fā)動機以較低RPM操作，并可以減小燃料消耗，但是發(fā)動機還需要操作其他輔助裝置(即寄生負(fù)載)。
[0006]將在操作的減緩模式或制動模式過程中從馬達產(chǎn)生的電能或再生能量重新引導(dǎo)返回發(fā)動機的控制系統(tǒng)對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知為減少燃料消耗和改進效率的措施。一些現(xiàn)有的控制系統(tǒng)包括在動態(tài)制動過程中將牽引馬達產(chǎn)生的功率饋送返回到主要交流發(fā)電機以轉(zhuǎn)動發(fā)動機的驅(qū)動系統(tǒng)。但是，這種系統(tǒng)的減緩柵極和柵極冷卻機構(gòu)鏈接到相同總線，并且因此不能獨立控制。另外，所有這些系統(tǒng)特別需要轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換以便在動態(tài)制動模式過程中重新引導(dǎo)功率到發(fā)動機。
[0007]因此，需要一種消除操作的某些推進模式過程中和動態(tài)制動模式過程中燃料消耗的驅(qū)動系統(tǒng)和方法。具體地，需要一種在動態(tài)制動模式過程中自動和更有效地將牽引馬達產(chǎn)生的功率重新引導(dǎo)到發(fā)動機的電驅(qū)動系統(tǒng)和方法。還需要一種提供獨立于相關(guān)減緩柵極的控制的柵極冷卻系統(tǒng)的控制的電驅(qū)動系統(tǒng)和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在本發(fā)明的一個方面，公開一種用于機器的驅(qū)動系統(tǒng)，機器具有聯(lián)接到發(fā)電機的發(fā)動機、操作地聯(lián)接到驅(qū)動輪的馬達和輔助裝置。驅(qū)動系統(tǒng)包括聯(lián)接到發(fā)電機和馬達中的每個的逆變器回路和聯(lián)接到發(fā)電機和輔助裝置中的每個的輔助驅(qū)動器。滑觸驅(qū)動布置聯(lián)接到逆變器回路并被構(gòu)造成在滑觸推進模式中將外部功率自動連通到馬達和發(fā)動機，并且在動態(tài)制動模式中將來自馬達的功率自動連通到發(fā)動機和滑觸驅(qū)動布置，以便消除滑觸推進和動態(tài)制動模式過程中的燃料消耗。
[0009]在本發(fā)明的另一方面，公開一種電驅(qū)動機器。電驅(qū)動機器包括發(fā)動機、操作地聯(lián)接到發(fā)動機的發(fā)電機、操作地聯(lián)接到一個或多個驅(qū)動輪的馬達、聯(lián)接到發(fā)電機和馬達中的每個的逆變器回路、滑觸驅(qū)動布置和聯(lián)接到發(fā)電機和輔助裝置中的每個的輔助驅(qū)動器?；|驅(qū)動布置聯(lián)接到逆變器回路。逆變器回路和輔助驅(qū)動器被構(gòu)造成在推進模式中將來自滑觸驅(qū)動布置的功率自動連通到馬達，并且在動態(tài)制動模式中將來自馬達的功率自動連通到發(fā)電機。輔助驅(qū)動器被構(gòu)造成在滑觸推進模式和動態(tài)制動模式過程中將功率傳輸?shù)紻C總線。電驅(qū)動機器另外包括聯(lián)接到逆變器回路的減緩柵極和聯(lián)接到DC總線并被構(gòu)造成選擇性地冷卻減緩柵極的柵極冷卻系統(tǒng)。柵極冷卻系統(tǒng)的控制獨立于減緩柵極的控制。
[0010]在本發(fā)明的又一方面，公開一種用于消除電驅(qū)動機器的滑觸推進和動態(tài)制動過程中燃料消耗的方法。機器至少包括聯(lián)接到發(fā)電機的發(fā)動機、操作地聯(lián)接到驅(qū)動輪的馬達和輔助裝置。該方法提供在發(fā)電機和馬達之間的電連通的逆變器回路以及發(fā)電機和輔助裝置之間機電連通的輔助驅(qū)動器。該方法還確定電驅(qū)動機器的當(dāng)前操作模式，如果當(dāng)前操作模式是滑觸推進模式，經(jīng)過逆變器回路和輔助驅(qū)動器中的至少一種，在滑觸推進模式中將來自滑觸驅(qū)動布置的電功率自動引導(dǎo)到馬達，并且如果當(dāng)前操作模式是動態(tài)制動模式，經(jīng)過逆變器回路和輔助驅(qū)動器中的至少一種，在動態(tài)制動模式中將來自馬達的機電功率自動引導(dǎo)到發(fā)動機和滑觸驅(qū)動布置之一。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是應(yīng)用于電驅(qū)動機器的示例性驅(qū)動系統(tǒng)的總體示意圖；
[0012]圖2是另一示例性驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖；
[0013]圖3是另一示例性驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖；
[0014]圖4是另一示例性驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖；[0015]圖5是另一示例性驅(qū)動系統(tǒng)的詳細(xì)示意圖；
[0016]圖6是用于電驅(qū)動系統(tǒng)的示例性控制器的示意圖；
[0017]圖7是用于消除滑觸應(yīng)用過程中電驅(qū)動機器中的燃料消耗的示例性方法的流程圖；
[0018]圖8是在滑觸操作過程中處于推進模式的電驅(qū)動機器的簡圖；
[0019]圖9是在滑觸操作過程中處于動態(tài)制動模式的電驅(qū)動機器的簡圖；以及
[0020]圖10是在操作的空閑模式的電驅(qū)動機器的簡圖。
【具體實施方式】
[0021]參考圖1，示意表示應(yīng)用于例如電驅(qū)動越野卡車的機器102的示例性驅(qū)動系統(tǒng)100。機器102通常包括例如內(nèi)燃發(fā)動機104的原動機103、發(fā)電機106、功率電子器件107、一個或多個馬達108、一個或多個輪110、減緩柵極112、柵極冷卻系統(tǒng)114和一個或多個輔助裝置116。在此例子中，驅(qū)動系統(tǒng)100還涉及例如滑觸線111的滑觸驅(qū)動布置109，滑觸線111包括本產(chǎn)業(yè)已知的兩個架空線，但未示出。這里應(yīng)該理解到滑觸線111可設(shè)置成根據(jù)負(fù)載和傾卸位置所定位的地點在上山方向或下山方向上推進機器?；|驅(qū)動布置109還包括定位在機器上的受電弓113以便連接到滑觸線111，并且滑觸倉115通過功率電子器件107與受電弓113交接。如所示，功率電子器件107至少設(shè)置逆變器回路118和輔助驅(qū)動器120。逆變器回路118可包括一個或多個整流器122、逆變器124或其任何組合，并可布置在發(fā)電機106和馬達108之間。輔助驅(qū)動器120可布置在發(fā)電機106和輔助裝置116之間，并包括輔助發(fā)電機、繞組組件、DC馬達或用于允許其之間雙向電連通的任何其他裝置。
[0022]在操作的標(biāo)準(zhǔn)推進模式過程中，或者在機器102被加速時，功率可從發(fā)動機104朝著輪110傳輸，如實箭頭所示，以造成運動。具體地，發(fā)動機104可產(chǎn)生到發(fā)電機106的輸出轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機繼而將機械轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成電功率。電功率可以交流(AC)功率形式產(chǎn)生。AC功率可接著轉(zhuǎn)換成直流(DC)并且通過逆變器回路118再次轉(zhuǎn)換成適當(dāng)量的AC功率。得到的AC功率可接著用來驅(qū)動一個或多個馬達108和輪110，如本領(lǐng)域已知。同樣，在推進模式過程中，輔助驅(qū)動器120可將發(fā)電機106供應(yīng)的任何功率連通到一個或多個輔助裝置116，和/或?qū)⒁粋€或多個輔助裝置116供應(yīng)的任何功率連通到發(fā)電機106，以便如上所述至少部分驅(qū)動發(fā)動機104和馬達108。
[0023]替代地，在機器102被加速時的操作的滑觸推進模式過程中，功率可從滑觸線111朝著輪110傳輸?shù)焦β孰娮悠骷?07，如黑實箭頭所示，以造成運動。具體地，來自滑觸線111的直流(DC)形式的電功率通過逆變器124被轉(zhuǎn)換成適當(dāng)量的AC功率。得到的AC功率接著用來如上所述驅(qū)動一個或多個馬達108和輪110。同樣，在推進模式過程中，從滑觸線111供應(yīng)的功率反過來驅(qū)動發(fā)電機106，因此供應(yīng)功率到輔助驅(qū)動器120、一個或多個輔助裝置116和/或?qū)⒁粋€或多個輔助裝置116供應(yīng)的任何功率連通到發(fā)電機106，以便如上所述至少部分驅(qū)動發(fā)動機104和馬達108。來自一個或多個輔助裝置116的功率也可提供回到滑觸線111。
[0024]在操作的動態(tài)制動模式過程中，或者在機器102的運動被減緩時，功率可通過輪110處的機械轉(zhuǎn)動產(chǎn)生并朝著減緩柵極112引導(dǎo)，如虛箭頭所示，和/或返回到滑觸線111。特別是，機器102的動能可轉(zhuǎn)換成輪110處的轉(zhuǎn)動功率。輪110的轉(zhuǎn)動可進一步轉(zhuǎn)動馬達108，以便產(chǎn)生電功率，例如AC功率形式。逆變器回路118可用作橋，以便將馬達108供應(yīng)的功率轉(zhuǎn)換成DC功率。通過馬達108產(chǎn)生的DC功率的消散可產(chǎn)生輪110處的反向轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)矩，以減速機器102。這些消散可通過使逆變器回路118提供的產(chǎn)生電流經(jīng)過例如所示的減緩柵極112的電阻來實現(xiàn)，并也可將功率供應(yīng)回到滑觸線111。過多的電力可通過滑觸線111連通回到分電站(未示出)處的中央充電單元，或轉(zhuǎn)換成減緩柵極112處產(chǎn)生的熱量，并使用柵極冷卻系統(tǒng)114排出。到柵極冷卻系統(tǒng)114的功率可以經(jīng)過輔助驅(qū)動器120經(jīng)由連通路徑通過發(fā)電機106或滑觸線111供應(yīng)。類似地，輔助驅(qū)動器120可將發(fā)電機106或滑觸線111提供的功率提供給機器102上可用的輔助裝置116的任何一個或多個。
[0025]現(xiàn)在參考圖2，提供應(yīng)用于機器102的驅(qū)動系統(tǒng)100的例子的更詳細(xì)的示意圖。如圖1的例子中，圖2的機器102也包括例如發(fā)動機104的原動機103，其用作機器的主要功率源。發(fā)動機104可以被構(gòu)造成經(jīng)由帶、液壓系統(tǒng)等提供直接或間接功率到寄生負(fù)載126。發(fā)動機104可以經(jīng)過聯(lián)接器128機械地聯(lián)接到發(fā)電機106。機器102具有經(jīng)由另一聯(lián)接器128機械聯(lián)接到一個或多個輪110的一個或多個馬達108。機器102也可包括減緩柵極112，也可提供柵極冷卻系統(tǒng)114和輔助裝置116。輔助裝置116可包括例如加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)130、具有能量存儲裝置134和調(diào)節(jié)回路136的混合系統(tǒng)132、電池充電裝置138或任何電驅(qū)動泵或附件140。
[0026]如圖2所示，驅(qū)動系統(tǒng)100可為機器102提供至少逆變器回路118，以便在發(fā)電機106和/或滑觸線111與馬達108之間提供電連通。逆變器回路118可包括圖1所示的一個或多個整流器122和逆變器124的構(gòu)型。在替代例子中，逆變器回路118提供平行構(gòu)型的逆變器124和/或雙向逆變器142來代替例如圖1的逆變器122，以使發(fā)電機106和/或滑觸線111與馬達108之間的電功率雙向連通。逆變器回路118可另外電聯(lián)接到減緩柵極112，以便經(jīng)過其中消散任何過多能量，和/或?qū)㈦姽β实囊徊糠职l(fā)送回到滑觸線111。替代地，任何一個或多個輔助裝置116(例如混合系統(tǒng)132)也可將從中產(chǎn)生的任何能量朝著輔助驅(qū)動器120和/或發(fā)電機106引導(dǎo)。
[0027]仍參考圖2，驅(qū)動系統(tǒng)100可進一步為機器102提供輔助驅(qū)動器120，以便在發(fā)電機106和輔助裝置116之間提供電連通。更具體地，輔助驅(qū)動器120可包括繞組組件144或電聯(lián)接到發(fā)電機106的一系列抽頭繞組，以便將發(fā)電機106供應(yīng)的AC功率轉(zhuǎn)換成輔助裝置116所需的適當(dāng)量的AC功率。輔助驅(qū)動器120也可提供平行構(gòu)型的逆變器124或雙向逆變器142，以便將來自發(fā)電機106的AC功率轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動輔助裝置116所需的適當(dāng)DC功率。另外，在滑觸推進模式時，來自滑觸線111的DC功率通過雙向逆變器142轉(zhuǎn)換成AC功率，以便作為馬達操作發(fā)電機106和繞組組件144，從而將通過滑觸線111供應(yīng)的AC功率轉(zhuǎn)換成輔助裝置116所需的適當(dāng)量的AC功率。如上所述，輔助驅(qū)動器120可使用來自滑觸線111的轉(zhuǎn)換成驅(qū)動輔助裝置116所需的適當(dāng)DC功率的AC功率。通過雙向逆變器142提供的DC功率可以經(jīng)由DC總線146、鏈接等平行于每個輔助裝置116供應(yīng)。類似地，通過輔助裝置116提供的DC功率可經(jīng)由DC總線146傳輸?shù)捷o助驅(qū)動器120，經(jīng)由雙向逆變器142轉(zhuǎn)換成AC功率，并經(jīng)由繞組組件144供應(yīng)到發(fā)電機106。此AC功率也可通過雙向逆變器142轉(zhuǎn)換，并供應(yīng)回到滑觸線111，以便在分電站(未示出)的中央充電單元處存儲。輔助驅(qū)動器120也可被構(gòu)造成以獨立于減緩柵極112的控制的方式選擇性地控制到逆變器124和/或經(jīng)由DC總線146到柵極冷卻系統(tǒng)114的吹風(fēng)機馬達148的功率。由于經(jīng)由DC總線146到柵極冷卻系統(tǒng)114的功率獨立于到減緩柵極112的功率供應(yīng)，柵極冷卻系統(tǒng)114可以在超過減緩柵極112的預(yù)定溫度閾值時啟用，而不考慮機器102的操作模式。
[0028]參考圖3，提供應(yīng)用于機器102的另一驅(qū)動系統(tǒng)100的示例性示意圖。如同前面的例子，圖3的機器102可包括被構(gòu)造成經(jīng)由帶、液壓系統(tǒng)等提供功率到寄生負(fù)載126的發(fā)動機104。發(fā)動機104也可經(jīng)由聯(lián)接器128等機械聯(lián)接到發(fā)電機106。機器102的運動可通過經(jīng)由聯(lián)接器128機械聯(lián)接到一個或多個輪110的一個或多個馬達108提供。機器102可另外提供減緩柵極112和具有逆變器124和吹風(fēng)機馬達148以主動冷卻減緩柵極112的柵極冷卻系統(tǒng)114。除了柵極冷卻系統(tǒng)114之外，輔助裝置116可包括加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)130、具有能量存儲裝置134和調(diào)節(jié)回路136的混合系統(tǒng)132、電池充電裝置138或任何其他電驅(qū)動泵或附件140。
[0029]如圖2的例子，圖3的驅(qū)動系統(tǒng)100可為機器102至少提供逆變器回路118以便在發(fā)電機106和/或滑觸線111與馬達108之間提供電連通。逆變器回路118可提供平行構(gòu)型的逆變器124和/或雙向逆變器142來代替例如圖1的整流器122，以使發(fā)電機106和/或滑觸線111與馬達108之間的電功率雙向連通。逆變器回路118可另外電聯(lián)接到減緩柵極112，并構(gòu)造成經(jīng)過其中消散任何過多能量，和/或?qū)㈦姽β实囊徊糠职l(fā)送回到滑觸線111。替代地，任何一個或多個輔助裝置116 (例如混合系統(tǒng)132)也可將從中產(chǎn)生的任何能量朝著輔助發(fā)電機150引導(dǎo)。
[0030]驅(qū)動系統(tǒng)100還可提供輔助驅(qū)動器120以便在發(fā)電機106或滑觸線111和輔助裝置116之間提供電連通。與圖2的繞組組件144相比較，輔助驅(qū)動器120可包括輔助發(fā)電機150，其如所示地機械聯(lián)接到主要發(fā)電機106。類似于繞組組件144，輔助發(fā)電機150可用來將通過發(fā)電機106供應(yīng)的任何AC功率轉(zhuǎn)換成例如輔助裝置116所需的適當(dāng)量的AC功率。類似地，來自滑觸線111的DC功率可通過雙向逆變器142轉(zhuǎn)換成AC功率，從而根據(jù)輔助裝置116所需的適當(dāng)量的AC功率，驅(qū)動作為馬達作用的發(fā)電機106，以驅(qū)動輔助發(fā)電機150。也可提供平行構(gòu)型的逆變器124或雙向逆變器142，以便將來自輔助發(fā)電機150的任何AC功率轉(zhuǎn)換成用于驅(qū)動輔助裝置116所需的適當(dāng)DC功率。通過雙向逆變器提供的DC功率可經(jīng)由DC總線146、鏈接等平行地供應(yīng)到每個輔助裝置116。類似地，通過輔助裝置116提供的任何DC功率可經(jīng)由DC總線146傳輸?shù)捷o助驅(qū)動器120，經(jīng)由雙向逆變器142轉(zhuǎn)換成AC功率，并經(jīng)由輔助發(fā)電機150供應(yīng)到發(fā)電機106。此AC功率還可通過雙向逆變器142轉(zhuǎn)換，并供應(yīng)回到滑觸線111，以便在分電站(未示出)處的中央充電單元處存儲。輔助驅(qū)動器120還可被構(gòu)造成以獨立于減緩柵極112的控制的方式選擇性地控制經(jīng)由DC總線146到柵極冷卻系統(tǒng)114的功率。
[0031]在替代例子中，驅(qū)動系統(tǒng)100可被調(diào)整和配合到具有預(yù)先存在的電驅(qū)動構(gòu)型的機器102上，如例如圖4所示。如同之前的例子，圖4的機器102包括被構(gòu)造成經(jīng)由帶、液壓系統(tǒng)等供應(yīng)功率到寄生負(fù)載126并經(jīng)由機械聯(lián)接器128等供應(yīng)到發(fā)電機106的發(fā)動機104。機器102還可包括用于經(jīng)由機械聯(lián)接器128驅(qū)動一個或多個輪110的一個或多個馬達108。另外，機器102可支承減緩柵極112和具有逆變器124和用于主動冷卻減緩柵極112的吹風(fēng)機馬達148的柵極冷卻系統(tǒng)114。除了柵極冷卻系統(tǒng)114，輔助裝置116可包括加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)130、具有能量存儲裝置134和調(diào)節(jié)回路136的混合系統(tǒng)132、電池充電裝置138和任何其他電驅(qū)動泵或附件140。[0032]與圖2和3的例子比較，圖4的驅(qū)動系統(tǒng)100可對應(yīng)于預(yù)先存在逆變器構(gòu)型或所示的逆變器回路118。此外，逆變器回路118可包括至少一個整流器122和逆變器124，兩者都被構(gòu)造成單向地從發(fā)電機106和/或滑觸線111朝著馬達108傳輸功率。逆變器回路118可另外電聯(lián)接到減緩柵極112，并被構(gòu)造成經(jīng)過其中消散任何過多能量。
[0033]由于圖4的逆變器回路118在動態(tài)制動或減緩模式過程中禁止馬達108產(chǎn)生的任何電能返回，輔助驅(qū)動器120可被構(gòu)造成如所示地重新引導(dǎo)任何這樣的能量回到發(fā)電機104。具體地，除了機械聯(lián)接到發(fā)動機104和/或發(fā)電機106的輔助發(fā)電機150之外，輔助驅(qū)動器120還可包括馬達發(fā)電機152，其機械聯(lián)接到馬達108、輪110和/或用于造成運動的任何其他裝置。馬達發(fā)電機152可被構(gòu)造成在操作的動態(tài)制動和/或滑觸模式過程中使馬達108和/或輪110供應(yīng)的任何機械能量傳輸經(jīng)過逆變器124以便轉(zhuǎn)換成DC功率。轉(zhuǎn)換的電能可以經(jīng)過DC總線146，并接著傳輸?shù)铰?lián)接到輔助發(fā)電機150的第二逆變器124。輔助發(fā)電機150可將接收的電能轉(zhuǎn)換成用來在動態(tài)制動和滑觸模式過程中驅(qū)動發(fā)動機104的機械能。DC總線146還可被構(gòu)造成供應(yīng)轉(zhuǎn)換的DC功率到包括柵極冷卻系統(tǒng)114的任何一個或多個輔助裝置116。如之前的例子，驅(qū)動系統(tǒng)100可啟用獨立于減緩柵極112控制的柵極冷卻系統(tǒng)114的選擇性控制。替代地，任何一個或多個輔助裝置116 (例如混合系統(tǒng)132)也可將從中產(chǎn)生的任何能量朝著輔助發(fā)電機150連通。
[0034]在類似例子中，驅(qū)動系統(tǒng)100可被調(diào)整并配合到具有預(yù)先存在的電驅(qū)動構(gòu)型的機器102上，如例如圖5所示。如同之前的例子，圖5的機器102包括被構(gòu)造成經(jīng)由帶、液壓系統(tǒng)等供應(yīng)功率到寄生負(fù)載126并經(jīng)由機械聯(lián)接器128等供應(yīng)功率到發(fā)電機106的發(fā)動機104。機器102還可包括用于經(jīng)由機械聯(lián)接器128驅(qū)動一個或多個輪110的一個或多個馬達108。另外，機器102可支承減緩柵極112和具有逆變器124和用于主動冷卻減緩柵極112的吹風(fēng)機馬達148的柵極冷卻系統(tǒng)114。除了柵極冷卻系統(tǒng)114，輔助裝置116可包括加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)(HVAC)系統(tǒng)130、具有能量存儲裝置134和調(diào)節(jié)回路136的混合系統(tǒng)132、電池充電裝置138和任何其他電驅(qū)動泵或附件140。
[0035]與圖2和3的例子比較，圖5的驅(qū)動系統(tǒng)100可對應(yīng)于預(yù)先存在逆變器構(gòu)型或所示的逆變器回路118。此外，逆變器回路118可包括至少一個整流器122和逆變器124，兩者都被構(gòu)造成單向地從發(fā)電機106和/或滑觸線111朝著馬達108傳輸功率。逆變器回路118可另外電聯(lián)接到減緩柵極112，并被構(gòu)造成經(jīng)過其中消散任何過多能量。
[0036]由于圖5的逆變器回路118在動態(tài)制動或減緩模式過程中禁止馬達108產(chǎn)生的任何電能返回，輔助驅(qū)動器120可被構(gòu)造成如所示地重新引導(dǎo)任何這樣的能量回到發(fā)動機104。具體地，除了機械聯(lián)接到發(fā)電機發(fā)動機104和/或發(fā)電機106的DC馬達154之外，輔助驅(qū)動器120還可包括例如電聯(lián)接到逆變器回路118的降壓斬波器156的DC/DC轉(zhuǎn)換器。DC/DC轉(zhuǎn)換器156被構(gòu)造成將動態(tài)制動或減緩模式過程中通過滑觸驅(qū)動布置109供應(yīng)的任何電能在操作的滑觸模式過程中傳輸?shù)捷o助裝置116。電能可經(jīng)過DC總線146，并接著傳輸經(jīng)過接觸器158并供應(yīng)到DC馬達154。DC馬達154通過聯(lián)接器128連接到發(fā)電機106，并用來在動態(tài)制動和滑觸模式過程中驅(qū)動發(fā)動機104。DC總線146還可被構(gòu)造成供應(yīng)DC功率到包括柵極冷卻系統(tǒng)114的任何一個或多個輔助裝置116。如之前的例子，驅(qū)動系統(tǒng)100可啟用獨立于減緩柵極112控制的柵極冷卻系統(tǒng)114的選擇性控制。替代地，任何一個或多個輔助裝置116 (例如混合系統(tǒng)132)也可將從中產(chǎn)生的任何能量朝著輔助DC馬達154連通到發(fā)電機106。
[0037]驅(qū)動系統(tǒng)100以及機器102的總體控制可以通過機器102的控制器200管理，如圖6所示?？刂破?00可采取一個或多個處理器、微型處理器、微型控制器、電子控制模塊(ECM)、電子控制單元(ECU)或用于電子控制驅(qū)動系統(tǒng)100和/或機器102的功能的任何其他適當(dāng)裝置?？刂破?00可被構(gòu)造成根據(jù)預(yù)定算法或成組指令操作，以便基于機器102的多種操作條件控制驅(qū)動系統(tǒng)100。這種算法或成組指令可被讀取到控制器200的機載存儲器或預(yù)先編程到可以通過控制器200訪問的存儲介質(zhì)或存儲器(例如軟盤、硬盤、光學(xué)介質(zhì)、隨機訪問存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)或本領(lǐng)域通常使用的任何其他適當(dāng)?shù)挠嬎銠C可讀存儲介質(zhì)上)。
[0038]如圖6所示，控制器200可以與發(fā)動機104、發(fā)電機106、逆變器回路118、輔助驅(qū)動器120、滑觸驅(qū)動布置109、減緩柵極112、柵極冷卻系統(tǒng)114等電連通?？刂破?00還可聯(lián)接到機器102的多種其他部件、系統(tǒng)或子系統(tǒng)。通過這種連接，控制器200可接收有關(guān)驅(qū)動系統(tǒng)100和機器102的當(dāng)前操作參數(shù)的數(shù)據(jù)作為輸入信號。輸入信號可通過例如與每個部件相關(guān)的多個傳感器提供。響應(yīng)于這種輸入，控制器200可執(zhí)行所需確定并傳輸對應(yīng)于需要執(zhí)行的動作的任何輸出信號。輸出信號可以是傳輸?shù)嚼缗c相關(guān)部件相關(guān)的晶體管或致動器的多種致動器或電子裝置的集成指令?？刂破?00還可電聯(lián)接到機器102的可以與逆變器回路118、輔助驅(qū)動器120、滑觸驅(qū)動布置109、減緩柵極112、柵極冷卻系統(tǒng)114等相關(guān)的任何其他部件或裝置。
[0039]在機器102的操作過程中，控制器200可接收來自輸入節(jié)點202的減緩指令。在輸入節(jié)點202處提供的減緩指令可響應(yīng)于機器102的操作者的手動控制器的移位來產(chǎn)生。減緩指令可替代地是通過控制器200或機器的監(jiān)視或操控機器102的速度的另一控制器(例如調(diào)速器或限速器)產(chǎn)生的指令信號?？刂破?00可根據(jù)控制系統(tǒng)或其中操作的算法來接收并解釋減緩指令。控制系統(tǒng)可確定所指令的減緩大小，例如能量或功率單位。根據(jù)這種數(shù)據(jù)，控制器200可確定能量消散的程度并因此響應(yīng)。在例如具有兩個減緩柵極112的例子中，控制器200可確定第一、第二或兩個減緩柵極112是否應(yīng)該提供減緩能量消散的幫助。替代地，減緩能量的一部分可被引導(dǎo)返回到滑觸線111以有助于能量消散。這種確定或計算可基于多種機器操作參數(shù)。該參數(shù)可包括當(dāng)前速度、有效載荷、加速率、希望速度、傾斜、減緩機器102的指令變化速度等，其可以經(jīng)由一個或多個附加輸入節(jié)點204輸入到控制器200。
[0040]圖7示意說明這種控制器200操作驅(qū)動系統(tǒng)100所采用的示例性方法。在初始步驟，控制器200可確定機器102的當(dāng)前操作模式。例如，基于節(jié)點202、204處的輸入信號，控制器200可確定機器102是否處于推進模式、動態(tài)制動模式或減緩模式、空閑模式、滑觸模式或機器102上可用的任何其他操作模式?；诠?jié)點202、204處的輸入信號，控制器200還可確定操作模式是否變化。具體地，控制器200可基于例如當(dāng)前速度、有效載荷、加速率、機器傾斜、希望速度、減緩機器102的指令變化速度等來確定當(dāng)前模式和/或下一個操作模式。在推進模式，驅(qū)動系統(tǒng)100可被構(gòu)造成至少自動地將來自發(fā)電機106和/或滑觸驅(qū)動布置109的功率以及通過輔助裝置116供應(yīng)的任何功率引導(dǎo)到馬達108以驅(qū)動輪110。此夕卜，驅(qū)動系統(tǒng)100可允許功率從發(fā)電機106或滑觸驅(qū)動布置109到輔助裝置116的任何連通，并且如果適用的話，從輔助裝置116到發(fā)電機106或返回滑觸線111的任何連通。在滑觸附接模式，驅(qū)動系統(tǒng)100可被構(gòu)造成至少自動地將來自滑觸驅(qū)動布置109的功率以及通過輔助裝置116供應(yīng)的任何功率引導(dǎo)到馬達108以驅(qū)動輪100，并引導(dǎo)到發(fā)電機106以至少部分驅(qū)動發(fā)動機104并允許發(fā)動機104停機或停止到發(fā)動機104的燃料供應(yīng)。在動態(tài)制動或減緩模式，驅(qū)動系統(tǒng)100可被構(gòu)造成至少自動地將馬達108產(chǎn)生的功率引導(dǎo)到發(fā)電機106或滑觸線111，以便至少部分驅(qū)動發(fā)動機104并允許發(fā)動機104停機或停止到發(fā)動機104的燃料供應(yīng)，或者將能量的一部分經(jīng)過滑觸驅(qū)動布置109引導(dǎo)返回到滑觸線111，以便在中央分站(未示出)存儲。驅(qū)動系統(tǒng)100可進一步將來自發(fā)電機106的功率引導(dǎo)到輔助裝置116。在任選的空閑模式中，驅(qū)動系統(tǒng)100可自動地允許發(fā)電機106和輔助裝置116之間的任何功率連通。在這種空閑模式過程中，混合系統(tǒng)132可存儲足夠的充量以允許發(fā)動機104停機或停止燃料噴射，并且進一步，允許輔助裝置116在沒有來自發(fā)電機106或滑觸驅(qū)動布置109的任何功率的情況下操作。以此方式，輔助裝置116可提供足夠功率以旋轉(zhuǎn)發(fā)動機104并驅(qū)動發(fā)動機104的寄生負(fù)載126，在轉(zhuǎn)換到推進模式時快速旋轉(zhuǎn)發(fā)動機104，或者甚至從靜止不動來起動發(fā)動機104，這都沒有任何燃料消耗。
[0041]圖8示意說明以滑觸推進模式操作的機器102。如果提供給控制器200的參數(shù)組合例如指示希望的速度大于當(dāng)前檢測速度和/或機器102在礦區(qū)運輸?shù)缆飞霞铀倩蜷_始爬升或開始下降，并指示致動與滑觸線111的連接，則滑觸推進模式可以是希望的。在滑觸推進模式過程中，滑觸驅(qū)動布置109可用作主要驅(qū)動功率源，并允許發(fā)動機104減小功率并停止燃料消耗。來自滑觸線111的電能通過受電弓113引導(dǎo)到滑觸倉115，并接著自動經(jīng)過逆變器回路118以驅(qū)動一個或多個馬達108和輪110。在滑觸推進模式過程中，輔助驅(qū)動器120允許發(fā)電機106和輔助裝置116之間的雙向連通。例如，來自滑觸線111的電能可經(jīng)過輔助驅(qū)動器120，以便轉(zhuǎn)換成DC功率并傳輸?shù)酵ㄟ^輔助裝置116共用的DC總線146。來自滑觸線111的電能還可引導(dǎo)到發(fā)電機106，并用作馬達以便通過帶、聯(lián)接器或其他連接裝置轉(zhuǎn)動發(fā)動機，從而操作輔助裝置116。替代地，通過例如混合系統(tǒng)132的任何替代能量源產(chǎn)生的能量可供應(yīng)功率經(jīng)過DC總線146和發(fā)電機106，以輔助發(fā)動機104或發(fā)送回到滑觸線111從而存儲。因此，流過輔助驅(qū)動器120的功率的方向可取決于驅(qū)動系統(tǒng)110的臨時需要和/或能力。減緩柵極112和柵極冷卻系統(tǒng)114可在推進模式過程中停用，但是可繼續(xù)操作柵極冷卻系統(tǒng)114以防止過量。
[0042]圖9示意說明以動態(tài)制動或減緩模式操作的機器102。如果提供給控制器200的參數(shù)組合例如指示希望速度小于當(dāng)前檢測速度和/或機器102要減速，則動態(tài)制動模式可以是希望的。在動態(tài)制動模式過程中，一個或多個輪110和馬達108可用作主要功率源。此外，輪110的轉(zhuǎn)動可使一個或多個馬達108轉(zhuǎn)動并造成馬達108供應(yīng)例如AC功率形式的電能。由于逆變器回路118是雙向的，逆變器回路118可接收通過馬達108提供的電能并將AC功率轉(zhuǎn)換成DC。DC功率可接著發(fā)送回到滑觸線111或被調(diào)節(jié)，并轉(zhuǎn)換回到AC功率，并供應(yīng)到發(fā)電機106。逆變器回路118可進一步將DC功率施加到減緩柵極112或斬波器和/或接觸器回路154，以便通過輔助裝置116使用，或者發(fā)送到減緩柵極112，從而以熱量的形式消散。供應(yīng)到發(fā)電機106的功率可用來機械驅(qū)動發(fā)動機104，在操作的動態(tài)制動模式過程中臨時消除燃料的使用。供應(yīng)到發(fā)電機106的功率可進一步用來經(jīng)由輔助驅(qū)動器120將能量供應(yīng)到輔助裝置116。特別是，輔助驅(qū)動器120可將提供給發(fā)電機106、DC馬達154或附加繞組144的AC功率轉(zhuǎn)換成經(jīng)過DC總線146的DC功率。DC功率來可用來為附接到DC總線146的輔助裝置116供能。尤其是，DC功率可用來為柵極冷卻系統(tǒng)114或吹風(fēng)機逆變器和吹風(fēng)機馬達148供應(yīng)功率，以冷卻減緩柵極112。以此方式，到柵極冷卻系統(tǒng)114的功率可獨立于減緩柵極112控制。這允許經(jīng)由輔助驅(qū)動器120根據(jù)需要在任何其他操作模式過程中接近柵極冷卻特征。由于柵極冷卻系統(tǒng)114的控制不局限于減緩模式，減緩柵極112即使在離開減緩模式之后也可冷卻，從而例如使通常與減緩柵極112的電阻元件和/或絕緣體相關(guān)的溫度過量條件最小化。
[0043]在進一步變型中，機器102可以任選的空閑模式操作，如圖10示意所示。如果提供給控制器200的參數(shù)組合例如指示希望和當(dāng)前速度是零和/或指示沒有希望的加速或減速，則空閑模式可以是希望的。在空閑模式，發(fā)動機104可以供應(yīng)足夠燃料以保持怠速。任選地，一旦能量存儲裝置134被完全充量，控制器200可自動使得發(fā)動機停機，以保存燃料，并同時能量存儲裝置134供應(yīng)的功率可用來保持怠速。由于在空閑模式過程中輪110沒有運動，逆變器回路118和減緩柵極112可被臨時停用。在具有安裝其上的混合系統(tǒng)132的機器102中，功率可通過能量存儲裝置134初始供應(yīng)，以例如操作電池充電裝置138以及電泵和附件140。如果能量存儲裝置134的充電達到預(yù)設(shè)最小閾值，控制器200可啟用輔助驅(qū)動器120的逆變器124，以供應(yīng)功率到發(fā)電機106，并喚醒發(fā)動機104從而起動。在發(fā)動機104怠速的同時，輔助驅(qū)動器120的逆變器124可開始從發(fā)電機106抽吸功率或使用滑觸驅(qū)動布置來為發(fā)電機106供能，從而操作電泵和附件140，并也為能量存儲裝置134重新充電。
[0044]工業(yè)實用性
[0045]示例性越野卡車通常使用在礦區(qū)、建造地點和采礦場。越野卡車具有100噸或更多的有效載荷能力，并在完全承載時以40英里每小時或更大的速度行駛。
[0046]這種作業(yè)卡車或機器必須能夠越過陡峭斜坡并在多種不同環(huán)境下操作。在這種條件下，這些機器通常長時間地進入操作的滑觸推進模式和動態(tài)制動或減緩模式。共同的興趣在于減小或消除這種滑觸推進和動態(tài)制動模式過程中消耗的燃料量，并有效利用牽引馬達產(chǎn)生的功率，而沒有不利影響總體機器性能。這里公開的系統(tǒng)和方法允許電驅(qū)動機器的驅(qū)動系統(tǒng)完全消除滑觸推進和動態(tài)制動模式過程中的燃料消耗，并同時將再生功率供應(yīng)到機器子系統(tǒng)和附件。本發(fā)明的系統(tǒng)和方法還允許至少柵極冷卻系統(tǒng)的單獨控制，以使減緩柵極的過熱最小化，而不考慮操作模式。
[0047]從以上描述，將理解到雖然出于說明目的僅僅給出一些例子，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員從以上描述中將明白多種替代和改型。這些和其他替代可以認(rèn)為是等同的，并在本發(fā)明和權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種電驅(qū)動機器(102),包括: 發(fā)動機(104)； 發(fā)電機(106)，其操作地聯(lián)接到發(fā)動機(104)； 馬達(108)，其操作地聯(lián)接到一個或多個驅(qū)動輪； 逆變器回路(118)，其聯(lián)接到發(fā)電機(106)和馬達(108)中的每個； 滑觸驅(qū)動布置(109)，其聯(lián)接到逆變器回路(118)； 輔助DC總線(146)，其連接到多個輔助裝置； 輔助驅(qū)動器(120)，其連接到發(fā)電機(106)和輔助裝置中的每個，輔助驅(qū)動器(120)能夠在滑觸推進模式 和動態(tài)制動模式過程中將功率傳輸?shù)捷o助DC總線(146)； 逆變器回路(118)和輔助驅(qū)動器(120)之一能夠在滑觸推進模式中將來自滑觸驅(qū)動布置(109)的功率自動連通到馬達(108)和輔助裝置(116)，并且在動態(tài)制動模式中將來自馬達(108)的功率自動連通到發(fā)電機(106)和滑觸驅(qū)動布置(109)，以便在滑觸推進模式和動態(tài)制動模式過程中消除燃料消耗； 減緩柵極(112)，其聯(lián)接到逆變器回路(118);以及 柵極冷卻系統(tǒng)(114)，其聯(lián)接到輔助DC總線(146)，并能夠選擇性地冷卻減緩柵極(112)，柵極冷卻系統(tǒng)(114)的控制獨立于減緩柵極(112)的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動機器(102)，其中，輔助驅(qū)動器(120)包括至少一個輔助發(fā)電機(150)、繞組組件(144)和使得發(fā)電機(106)和DC總線(146)之間雙向電連通的雙向逆變器(142)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電驅(qū)動機器(102)，還包括混合系統(tǒng)(132)、能量儲存裝置(134)、充量裝置(138)和聯(lián)接到DC總線(146)的加熱、通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)HVAC系統(tǒng)(130)中的一個或多個。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的驅(qū)動系統(tǒng)(100)，其中，輔助驅(qū)動器(120)包括電聯(lián)接到輔助裝置的至少一個馬達(108)，輔助驅(qū)動器(120)在滑觸模式過程中將電功率傳輸?shù)紻C總線(146)，輔助裝置(116)能夠在動態(tài)制動模式過程中從DC總線(146)抽吸電功率，并反過來驅(qū)動發(fā)動機(104)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的驅(qū)動系統(tǒng)(100)，其中，輔助驅(qū)動器(120)包括使得滑觸驅(qū)動布置(109)和DC總線(146)之間電連通的DC/DC轉(zhuǎn)換器，并經(jīng)過接觸器從DC總線(146)為DC馬達(152)供能，從而為發(fā)電機(106)供能，并反過來驅(qū)動發(fā)動機(104)。
6.一種用于在具有聯(lián)接到發(fā)電機(106)的發(fā)動機(104)、操作地聯(lián)接到驅(qū)動輪的馬達(108)和輔助裝置的電驅(qū)動機器(102)的滑觸推進和動態(tài)制動過程中消除燃料消耗的方法，該方法包括如下步驟: 提供與發(fā)電機(106)和馬達(108)之間的電連通的逆變器回路(118)； 提供與發(fā)電機(106)和輔助裝置之間的電機械連通的輔助驅(qū)動器(120)； 確定電驅(qū)動機器(102)的操作的當(dāng)前模式； 如果操作的當(dāng)前模式是滑觸模式，在滑觸推進模式中經(jīng)過逆變器回路(118)和輔助驅(qū)動器(120)中的至少一個將電功率從滑觸驅(qū)動布置(109)自動引導(dǎo)到馬達(108);以及如果操作的當(dāng)前模式是動態(tài)制動模式，在動態(tài)制動模式中經(jīng)過逆變器回路(118)和輔助驅(qū)動器(120)中的至少一個將電-機械功率從馬達(108)自動引導(dǎo)到發(fā)動機(104)和滑觸驅(qū)動布置(109)之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，輔助驅(qū)動器(120)包括輔助發(fā)電機(150)、繞組組件(144)和聯(lián)接到發(fā)電機(106)和輔助裝置中的每個的DC馬達(152)中的至少一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，逆變器回路(118)包括逆變器，其能夠?qū)㈦姽β蕪幕|驅(qū)動布置(109)自動連通到馬達(108)，以便在滑觸模式過程中驅(qū)動驅(qū)動輪，并且在動態(tài)制動模式過程中，將電功率從馬達(108)自動連通到發(fā)電機(106)和滑觸驅(qū)動布置(109)之一，以便將功率傳輸?shù)桨l(fā)動機(104)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，逆變器回路(118)電聯(lián)接到減緩柵極(112)，并且輔助驅(qū)動器(120)與柵極冷卻系統(tǒng)(114)電連通，柵極控制系統(tǒng)(114)的控制獨立于減緩柵極(112)的控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，還包括如果操作的當(dāng)前模式是空閑模式經(jīng)由發(fā)電機(106)只在輔助裝置(116)和發(fā)動機(104)之間自動連通功率的步驟。
【文檔編號】B60W20/00GK103974864SQ201280060663
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月8日
【發(fā)明者】M·亨德里克森, E·魯斯, D·吉爾默 申請人:卡特彼勒公司