輸送和存儲能量的系統技術方案

本申請描述了一種運行電動或者混合動力系統的方法，該方法包括連接到電動或混合傳動系的同步磁阻電動機。該方法包括：(i)確定電動機所需的扭矩需求和(ii)所述電動機的轉子的旋轉速度，并且響應于(i)確定的所述扭矩需求低于選定的扭矩需求閾值和(ii)所述轉子的速度低于選定的轉子速度閾值的其中至少一個將來自所述傳動系的動能存儲在所述電動機的轉子中。該方法還包括響應于以下至少一項：(i)確定的所述扭矩需求上升到選定的扭矩需求閾值以上和(ii)所述轉子的速度低于選定的轉子速度閾值而通過用電力為所述電動機提供動力以將能量輸送到所述傳動系來運行所述電動機。將能量輸送到所述傳動系來運行所述電動機。將能量輸送到所述傳動系來運行所述電動機。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】輸送和存儲能量的系統


[0001]本申請涉及電動機，尤其涉及一種用于從電動或混合傳動系輸送和存儲能量的系統和運行系統的方法，以及與這種系統一起使用的同步磁阻電動機，以及所述同步磁阻電動機的制造方法。

技術介紹

[0002]最大限度地降低生命周期擁有成本和生命周期對環境和健康的影響的壓力意味著材料和能源消耗的選擇是制造和運行機電系統(如車輛)的關鍵考慮因素。在個人移動領域，這見證了混合動力汽車的興起。
[0003]隨著監管機構和用戶對環保汽車的需求不斷增長，以及對碳排放的規定越來越嚴格，混合動力汽車越來越受歡迎。如本領域技術人員所知，混合動力汽車使用兩種或更多種不同動力源的組合來驅動車輛或者動力機械。在機動車輛領域，最常見的混合動力車是將內燃機(ICE)與一個或多個電動機相結合的混合動力電動汽車(HEV)。根據任何給定時間的電力需求，將內燃機和電動機之一或兩者結合來為車輛的輸出提供電力。
[0004]隨著電動機轉子的旋轉，在恒定邊界條件下，存儲在氣隙中的能量會發生變化。當被驅動時，這種能量的變化率因此定義了機器傳遞的功率。因此，機器傳遞的功率(P)與最大值和最小值之間的能量絕對變化有關，它定義了傳遞的扭矩(T)，以及這兩個值之間的變化率，這兩個值由旋轉速度(ω)定義。換句話說，這種能量的變化率因此定義了機器可以提供的扭矩(T)。因此，機器傳遞的功率(P)與傳遞該扭矩時的轉速(w)相關(參見下面的公式1)。
[0005]P＝T.ω
???
(1)
[0006]為汽車等應用設計功率密集型電動機的傳統方法是設計電動機以盡可能增加間隙中的磁通密度。這就是為什么傳統上使用永磁材料來提高氣隙磁通密度(β)的原因，因為氣隙能量密度是β2的函數(參見下面的公式2)。然而，高通量密度的一個缺點是磁通量的大變化會導致大量損耗——尤其是熱量的形式——來自定子齒中的渦流和磁滯。
[0007][0008]如前所述，可以通過增加扭矩或速度來增加傳遞的機器功率。正如所討論的，增加扭矩意味著更大的氣隙磁通密度。替代方案是提高速度。通過提高速度，每單位時間的線圈激活次數將增加。如果可以容納反電動勢，以更高的速度運行電動機通常會更有效，因為對于給定的功率，所需的扭矩隨速度下降。電流隨轉矩下降，電阻損耗隨電流下降的平方而減小。然而，隨著速度的增加，與繞組電感相關的電抗也會增加。其中：
[0009]XL＝2.π.f.L
????
(3)
[0010]其中f是以赫茲為單位的信號頻率，L是繞組電感。這種增加的電抗增加了繞組兩端的壓降，限制了電流進入定子繞組的能力。因此，需要減少繞組的匝數，這會增加電流或需要增加電壓。
[0011]已知的混合系統存在問題，因為這樣的系統可能經受高循環頻率和相關的高功率流和由例如再生制動和恢復引起的熱量產生，這可能加速電池健康的惡化，從而限制系統壽命。此外，如果將此類系統置于重復充電/放電循環中而幾乎沒有或沒有機會發生熱弛豫(即熱擴散)，則該問題可能會加劇。因此，需要能量來冷卻系統，否則該系統可用于推動車輛；從而限制范圍或需要更大的電池。
[0012]本申請在多個方面試圖解決這些問題。

技術實現思路

[0013]本申請的多個方面在獨立權利要求中陳述并且可選特征在從屬權利要求中陳述。本申請的多個方面可以彼此結合提供并且一個方面的特征可以應用于其它方面。
[0014]在目前的情況下，專利技術人已經認識到，通過以更高的旋轉速度和電壓運行，電動機可以主要以減小的電流在趨膚深度區域中運行。結果，可以使用具有更高電阻的材料，和/或，電動機可以在更高的溫度下運行，因為更高的電阻和/或溫度的影響被趨膚效應抵消了。結果，可以使用具有更高電阻率的(更便宜的)材料而不會影響電動機的效率。
[0015]此外，基于上述與功率、扭矩和轉速相關的方程式，如果電動機以更高的速度運行，對于相同的功率輸出，扭矩會減小。扭矩與通過定子繞組的電流成正比，因此以更高的速度運行電動機可以降低電流。減少電流可以減少I2R損耗，從而使電動機更有效地運行。此外，如果電流可以降低，那么(再次)可以使用具有更高電阻的(更便宜的)材料，而不會對電動機的效率產生不利影響。
[0016]專利技術人還認識到，通過使用電動機，例如在HEV中，具有非永磁場組件，例如具有非永磁體的轉子，例如同步磁阻或電感電動機，所述電動機本身的轉子可以用作飛輪以旋轉動能的形式儲存能量，從而回收可能以其它方式損失的能量，例如，作為熱量。否則，如果動能被吸收到電池中(通過將動能轉換為電能，然后通過將電能轉換為化學能)，如果這些組件沒有足夠的時間冷卻并且沒有足夠的熱梯度來允許冷卻，那么電力電子設備和電池(管理相關的電源/電流)將被加熱，隨著時間的推移可能會損壞這些組件。此外，因為熱量需要時間消散，由于能量以旋轉動能的形式儲存(而在能量被電池吸收之前)，相反，熱應力有時間消散。這反過來又有效地增加了傳熱的有效表面積。
[0017]因此，在本申請的第一方面，提供了一種用于向電動或混合傳動系輸送能量并存儲來自電動或混合傳動系的能量的系統，該系統包括：
[0018]一個同步磁阻電動機，可連接到所述傳動系；和
[0019]控制器，用于控制所述同步磁阻電動機的運行，以將從所述傳動系統接收的能量以動能的形式存儲在所述同步磁阻電動機的轉子中。
[0020]所述控制器用于控制所述同步磁阻電動機的運行以通過使用存儲在所述轉子中的動能將能量輸送到所述傳動系。例如，所述控制器可以用于確定所述系統所需的扭矩需求并且響應于所確定的扭矩需求達到選定的扭矩需求閾值來控制所述電動機的運行以使用存儲在所述轉子中的動能將能量輸送到所述傳動系。
[0021]所述控制器可以用于基于連接到所述控制器的傳感器來確定扭矩需求。例如，所述控制器可以用于接收指示系統要求的扭矩水平的傳感器信號，例如從所述電動機。例如，所述控制器可以用于從連接到油門/加速器踏板(和/或用于提供期望扭矩需求的指示的任
何其它裝置)的傳感器接收傳感器信號，例如由HEV的用戶操作。在一些示例中，所述控制器可以用于確定所述系統的扭矩需求并確定要傳遞的扭矩以滿足使用電動機和可選的另一個動力源(例如ICE)的需求。所述控制器可以用于基于連接到所述電動機的電池的充電狀態和/或存儲在所述飛輪中的動能的量的確定來確定使用所述電動機傳遞的扭矩。
[0022]在一些示例中，所述控制器用于測量作為時間的函數的扭矩需求以確定扭矩需求的變化率。所述控制器可以用于確定所述系統所需的扭矩需求的變化率，并響應于確定的扭矩需求變化率達到選定的扭矩需求變化率閾值而使用以下之一來控制所述電動機的運行以將能量輸送到所述傳動系：
[0023](i)所述轉子中儲存的動能；或者
[0024](ii)為所述同步磁阻電動機供電的電力。
[0025]在一些示例中，所述控制器可以用于基于所確定的扭矩需求和/或所確定的扭矩需求的變化率，從存儲在所述轉子中的動能和為所述本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】1.一種用于向電動或混合傳動系輸送能量和存儲來自電動或混合傳動系的能量的系統，該系統包括：一同步磁阻電動機，可連接到所述傳動系；和一控制器，用于控制所述同步磁阻電動機的運行，以將從所述傳動系接收的能量以動能的形式存儲在所述同步磁阻電動機的轉子中。2.根據權利要求1所述的系統，其特征在于，所述控制器用于控制所述同步磁阻電動機的運行以通過使用存儲在所述轉子中的動能將能量輸送到所述傳動系。3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于，所述控制器用于確定所述系統所需的扭矩需求并響應于所確定的扭矩需求達到選定的扭矩需求閾值以使用存儲在所述轉子中的動能來控制所述電動機的運行以將能量輸送到所述傳動系。4.根據權利要求2或3所述的系統，其特征在于，所述控制器用于確定系統所需的扭矩需求的變化率并響應于確定的扭矩需求變化率達到選定的扭矩需求變化率閾值而使用以下之一來控制所述電動機的運行以將能量輸送到所述傳動系：(i)所述轉子中儲存的動能；或者(ii)為所述同步磁阻電動機供電的電力。5.根據權利要求2、3或4所述的系統，其特征在于，所述控制器用于確定系統所需的扭矩需求，并響應于所述扭矩需求低于選定的扭矩需求閾值而控制所述電動機的運行以將來自所述傳動系的動能儲存在所述電動機的轉子中。6.如前述權利要求中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器用于基于所述轉子的旋轉速度和/或所述系統的所確定的扭矩需求來確定是否以以下至少一種方式運行所述系統：(i)第一運行模式，可運行以通過電力為所述電動機提供動力來向所述傳動系輸送能量；(ii)第二運行模式，可運行以通過使用存儲在所述轉子中的動能向所述傳動系輸送能量；(iii)第三運行模式，可運行以將從所述傳動系接收的能量存儲為動能；和(iv)第四運行模式，可運行以將所述轉子中的動能轉換為電能。7.根據權利要求6所述的系統，其特征在于，所述控制器用于響應于以下至少一項以在所述第四運行模式下運行所述系統：(i)所述轉子的速度達到選定的最大速度閾值和(ii)所確定的扭矩需求低于最小扭矩需求閾值并持續超過選定的時間間隔的時長。8.根據權利要求6或7所述的系統，其特征在于，所述系統還包括連接到所述電動機的電池，其中所述控制器用于在所述第四運行模式下運行所述系統以基于條件(i)所述電池的充電狀態，(ii)所述轉子的速度和可選的(iii)所述電動機所需的扭矩需求，來控制從所述電動機到所述電池的能量流動。9.根據權利要求6至8中任一項所述的系統，其特征在于，當所述轉子的速度低于選定的轉子速度閾值時，所述控制器用于以所述第一運行模式運行所述系統。10.根據權利要求6至9中任一項所述的系統，其特征在于，當所述轉子的速度高于選定的轉子速度閾值時，所述控制器用于以所述第二運行模式運行所述系統。11.根據權利要求6至10中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器用于響應于所
確定的扭矩需求達到或超過選定的扭矩需求閾值而在所述第一運行模式中運行所述系統，并且響應于所確定的扭矩需求低于選定的扭矩需求閾值而在所述第二運行模式中運行所述系統。12.根據權利要求6至11中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器用于響應于所述系統的扭矩需求下降到選定閾值以下而以所述第三運行模式運行所述系統。13.根據權利要求6至12中任一項所述的系統，其特征在于，所述控制器用于響應于指示減速超過選定的減速率閾值的扭矩需求率以所述第三運行模式運行所述系統。14.根據權利要求6至13中任一項所述的系統，其特征在于，在所述第三運行模式中，所述控制器用于運行系統以將所述轉子從所述電動機由電力供電時所述轉子運行的速度加速到飛輪速度以用于以動能的形式存儲能量。15.根據權利要求14所述的系統，其特征在于，所述系統包括連接在所述傳動系和所述轉子之間的的變速器，例如，無級變速器，并且其中所述控制器用于控制所述電動機的運行以運行所述系統來加速所述轉子，包括所述控制器用于控制所述變速器的運行以控制所述傳動系和所述轉子之間的能量供應。16.一種運行包括連接到電動或混合動力傳動系的同步磁阻電動機的電動或混合動力系統的方法，該方法包括：確定(i)所述電動機所需的扭矩需求和(ii)所述電動機的轉子的旋轉速度；響應于(i)確定的所述扭矩需求低于選定的扭矩需求閾值和(ii)所述轉子的速度低于選定的轉子速度閾值中的至少一個，將來自所述傳動系的動能儲存在所述電動機的轉子中；和響應于(i)確定的所述扭矩需求上升到選定的扭矩需求閾值以上和(ii)所述轉子的速度低于一選定的轉子速度閾值，中的至少一個而通過向所述電動機供電的方式運行所述電動機以將能量傳輸到所述傳動系。17.根據權利要求16所述的方法，還包括響應于(i)所述扭矩需求上升到一選定的扭矩需求閾值，和(ii)所述電動機的轉子的速度低于選定的轉子速度閾值，為所述電動機供電而將能量輸送到所述傳動系。18.根據權利要求16或17所述的方法，還包括：當所述轉子的速度高于選定的速度閾值時，運行所述系統以通過使用存儲在所述轉子中的動能向所述傳動系輸送能量。19.根據權利要求16至18中任一項所述的方法，還包括：響應(i)所述轉子的速度達到選定的最大速度閾值和(ii)確定的所述扭矩需求保持在選定的最小扭矩需求閾值以下并持續大于選定的時間間隔的時長中的至少一個來運行所述系統以將所述轉子中的動能轉換為電能。20.根據權利要求16至19中任一項所述的方法，還包括確定所述系統所需的扭矩需求的變化率并且響應于確定的扭矩需求變化率達到選定的扭矩需求變化率閾值，而使用以下之一來控制所述電動機的運行以將能量輸送到所述傳動系：(i)所述轉子中儲存的動能；或者(ii)為所述同步磁阻電動機供電的電力。21.一種用于同步磁阻電動機的轉子，包括非永磁體和由磁通引導支撐件支撐的多個
磁通引導件，其中所述多個磁通引導件用于優先引導磁通量流過。22.根據權利要求21所述的轉子，其特征在于，所述多個磁通引導件包括由沿徑向分層的磁性材料層形成的多個至少部分嵌套的磁通引導件。23.根據權利要求22所述的轉子，其特征在于，形成所述磁通引導件的所述磁性材料層連接在一起...

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷蒙德，
申請(專利權)人：里卡多英國有限公司，
類型：發明
國別省市：