用于电力或混合动力车辆的能量存储系统

摘要

一种用于电动系统的电池负载调整系统，其中电池受到间歇高电流负载，该系统包括第一电池、第二电池以及耦合到电池的负载。该系统包括：无源存储设备；单向导通装置，其在串联电路中与无源存储设备耦合，并且被极化以引导电流从无源存储设备到负载，串联电路与电池并联耦合，使得当电池端电压小于无源存储设备上的电压时，无源存储设备提供电流到负载；以及电池切换电路，其以低电压并联排列或者高电压串联排列连接第一和第二电池。

说明书

技术领域

本发明通常涉及电力驱动系统，并且更具体地，涉及可以由混合动力(hybrid)或电力车辆利用的电池负载调整(leveling)系统。

背景技术

至少一种已知的车辆包括典型地为铅酸电池的电池，以提供用于车辆推进的电力。例如，图1是包括电力推进以及混合动力-电力车辆中使用的、传统的交流(AC)电力推进系统10的现有技术的车辆。电力推进系统包括至少一个如铅酸电池12的能量存储单元和直流(DC)接触器14，以从牵引换流器(inverter)16经由DC链路18电力地切断能量存储单元12。具体地，电池12连接到DC链路，该DC链路与如用于控制到AC发动机20的功率的牵引DC-AC换流器16的、受频率控制的换流器连接。

在操作车辆时，例如典型地在车辆加速期间或者当操作车辆向上爬坡时，通常要求电池在高电流水平处传输短功率脉冲。当高电流从传统的电池汲取时，电池端电压下降。因为控制电路还必须设计为在满电池电压处高效率地操作，也就是说，当车辆以恒定的速度模式汲取标称电流时，这种电压下降能够干扰车辆的正常操作，或者降低功率控制电路中的切换设备的效率。

一种用于减少在电力驱动系统电池上的高电流需求的影响的方法是，使用耦合到DC链路的辅助的无源能量存储设备，以在高电流状态期间提供额外功率。该方法的一个实现示于图2的现有技术中。具体地，图2描述能量存储系统30，其包括牵引电池32和超电容器34、以及相对低成本的超电容器电子接口36，该超电容器电子接口36允许超电容器34在车辆加速和当爬坡时的其它高功率需求期间与牵引电池32分享功率。

在操作期间，当已知车辆在低功率行驶条件下操作时，二极管40允许超电容器电压保持在比电池电压稍高的电压。高功率加速一完成，需求的来自能量存储系统的电流就显著下降，并且电池电压增加到标称电池电压或者可能更高的电压，而超电容器保持为大约紧接加速后的电压。此外，当车辆减速时，硅控整流器42是门控的，并且来自电发动机44和相关的牵引驱动46的再生能量最初给超电容器34充电，直到电压增加到二极管40导通的点，在该点处超电容器34和电池32都部分地再次充电。如此，已知的能量存储系统运行非常好，并且还在包括高尔夫车和小型用途车辆的低速电力车辆中的超电容器和牵引电池之间提供有效和低成本的接口。然而，在操作期间，存储在超电容器34中的能量总量由在最大电池电压加上跨二极管40的压降、与最小电池电压加上跨二极管40的压降之间的电压差的平方所限制。

因此，当车辆处于在重负载下加速和/或攀爬陡坡时，已知的能量存储系统对在扩展的时间段提供相对高的功率电平不太有效。此外，已知的能量系统包括电子接口，该电子接口可能对将超电容器输出电压与具有可接受的效率和合理的成本的牵引驱动所需要的电压电平相匹配不太有效。

发明内容

在一方面中，提供了一种用于电动系统的电池负载调整系统，其中电池受到间歇高电流负载。该系统包括第一电池、第二电池以及耦合到各电池的负载。系统还包括：无源存储设备；单向导通装置，其在串联电路中与无源存储设备耦合，并且被极化以引导电流从无源存储设备到负载，串联电路与电池以并联耦合，使得当电池端电压小于无源存储设备上的电压时，无源存储设备提供电流到负载；以及电池切换电路，其以低电压并联排列或者高电压串联排列连接第一和第二电池。

在另一方面中，提供了一种电力车辆。该电力车辆包括：第一电池；第二电池；耦合到第一和第二电池的负载；第一和第二电池被配置以提供用于移动汽车的推进力；以及电池负载调整系统。该电池负载调整系统包括：无源存储设备；单向导通装置，其在串联电路中与无源存储设备耦合，并且被极化以引导电流从无源存储设备到负载，串联电路与第一和第二电池的至少一个并联耦合，使得当第一和第二电池的至少一个的端电压小于无源存储设备上的电压时，无源存储设备提供电流到负载；以及电池切换电路，其以低电压并联排列或者高电压串联排列连接第一和第二电池。

在另一方面中，提供了一种混合动力车辆。该混合动力车辆包括：第一电池；第二电池；耦合到第一和第二电池的负载；第一和第二电池被配置以提供用于移动汽车的推进力；以及电池负载调整系统。该电池负载调整系统包括：无源存储设备；单向导通装置，其在串联电路中与无源存储设备耦合，并且被极化以引导电流从无源存储设备到负载，串联电路与第一和第二电池的至少一个并联耦合，使得当第一和第二电池的至少一个的端电压小于无源存储设备上的电压时，无源存储设备提供电流到负载；以及电池切换电路，其以低电压并联排列或者高电压串联排列连接第一和第二电池。

在另一方面中，提供了一种为电动系统组装电池负载调整系统的方法，其中电池受到间歇高电流负载。该系统包括第一电池、第二电池以及耦合到第一和第二电池的负载。该方法包括：将单向导通装置在串联电路中与无源存储设备耦合，使得单向导通装置被极化以引导电流从所述无源存储设备到负载；将串联电路与第一和第二电池并联耦合，使得当电池端电压小于无源存储设备上的电压时，所述无源存储设备提供电流到负载；以及以低电压并联排列或者高电压串联排列利用到第一和第二电池的电池切换电路。

附图说明

图1是现有技术的电力推进系统；

图2是现有技术的能量存储系统；

图3是包括示范的电池切换电路的电池负载调整系统；

图4是示范的电池切换电路，其可以用于图3中示出的电池负载调整系统；

图5是示范的电池切换电路，其可以用于图3中示出的电池负载调整系统；

图6是示范的电池切换电路，其可以用于图3中示出的电池负载调整系统；

图7是示范的电池切换电路，其可以用于图3中示出的电池负载调整系统；以及

图8是操作期间图3中示出的系统的图解说明。

具体实施方式

图3说明了电池负载调整系统100。电池负载调整系统100包括利用其供应功率到负载106的第一电池102和第二电池104。负载106可以是交流电流(AC)或直流(DC)负载，如用于供电电力车辆的电力牵引发动机。电池负载调整系统100还包括电池切换电路110，该电池切换电路包括可操作来以低电压并联或者高电压串联排列分别连接第一和第二电池102和104的多个接触器。

电池切换电路110使第一电池102和第二电池104的正和负端能够连接到各个正总线112和负总线114。此处也称为正和负DC链路的正和负总线112和114将电池102和104耦合到功率电子电路116，该功率电子电路116可以包括开关调节器118，如用于提供交流电流到AC负载或AC发动机的DC到AC换流器，或用于提供直流电流到DC负载或DC发动机的DC斩波器或脉宽调制电路(未示出)。

更具体地，电池切换电路110包括耦合在第一电池102的正端和正总线112之间的第一接触器120、耦合在第一电池102的负端和第二电池104的负端之间的第二接触器122、以及耦合在第一电池102的正端和第二电池104的负端之间的第三接触器124。

为以低电压并联排列操作电池负载调整系统100，接触器120和122闭合以及接触器124开路，使得电池102和104分别以并联排列电耦合到总线112和114。可选择地，为以高电压串联排列操作电池负载调整系统100，接触器120和122开路以及接触器124闭合，使得电池102和104以串联排列分别地电耦合到总线112和114。

电池负载调整系统100还包括串联耦合在电池102和104的输出之间的主接触器130、和功率电子电路116和预充电电路132。电池负载调整系统100还包括如例如超电容器的无源存储设备140，其与如例如二极管的单向导通装置142、限流开关144、第一电阻器146、第二电阻器148、以及半导体开关150串联布线，该半导体开关150例如但不限于硅控整流器、双极晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和门关断晶闸管(GTO)...。能量存储系统控制器160响应于由操作者产生的扼流(throttle)或制动指令，在控制链路上提供控制信号到功率电子电路118。如此处使用的超电容器包括多个串联连接的电容器单元，其中每个超电容器单元具有大于100法拉的电容。在示范实施例中，此处描述的超电容器具有大于每单元1000法拉的单元电容。

如此，电池负载调整系统100以高电压串联排列或者低电压并联排列可操作。例如，在低牵引驱动发动机速度下，电池切换电路110配置在低电压并联模式中，即接触器120和122都闭合以及接触器124开路。如此，电池102和104分别并联地耦合到总线112和114。几乎同时，例如超电容器的无源存储设备140最初开始经由限流开关144预充电。更具体地，假定足够的时间，电阻器146允许超电容器140充电到电池端电压的二极管压降范围内的最大值，即以串联或并联配置排列的电池102和104的组合电压。替代地，特别是在混合动力车辆中，驱动系统最初能对单独的电池能量存储起作用，并且超电容器140能够使用在发动机106的操作期间的再生功率或者车辆的动能来在车辆减速期间预充电，作为经由换流器118通过SCR 150和限流电阻器148的发电机。利用预充电电路132给包括在如图2中示出的牵引驱动系统118中的DC链路滤波电容器充电，因而减少了在主DC接触器130上的瞬间电流应力。

具体地，限流开关144对电流幅值敏感，并且被选择在低电流处具有相对低的阻值，而在高电流处具有高阻值。因此，当负载106正汲取标称电流量时，电池102和104通过限流开关144相对低的阻抗提供充电电流给无源存储设备140，而在开关144的电阻中不散失过度的功率。然而，如果能量存储设备140已经深度放电，使得其电压显著小于标称的组合电池电压，那么通过限流开关144汲取的增加的电流将引起开关144转换到被选择为显著高于固定电阻器146的电阻的相对高的阻值状态。

因此，超电容器或无源能量存储设备144将通过电阻146由电流再次充电。优选地，根据电池条件选择电阻146的欧姆值，以提供在大约30到60秒钟内将给电容器144再次充电的电流水平。由于如将由快速车辆加速造成的在负载106中汲取的强电流，其中负载106包括AC或DC电力发动机，因此限流装置144通过阻止在系统经历高功率脉冲负载之后立刻从电池102和104进行超电容器140的高电流再充电，提供改进的负载调整。选择限流开关144的设计，使得当超电容器140充电电流随超电容器上增加的电压指数地下降时，开关不振荡。

此外，在一个实施例中，能量存储系统控制器(ECSS)可以是这样的处理器，其利用来自多个相对低成本的电压传感器162和耦合到接触器120、122和124的传统的接触器驱动器电路的反馈信号，以便于分别操作接触器120、122和124。如此，当车辆以相对低的速度操作时，假设牵引驱动花费大多数的时间以相对低的速度操作，如同典型的用于利用传输车辆应用的即停即行(stop and go)驱动，并联的接触器120和122被配置为“标称闭合”。能量存储系统控制器160中的逻辑还提供足够的顺序的“锁定”和适当的时间延迟，使得“并联的”模式接触器120和122能够在“串联的”模式接触器124闭合之前开路，反之亦然。

更具体地，当车辆在再生模式中操作时，例如在例如轻制动期间，配置电池负载调整系统100使得主接触器130在基于操作者输入制动命令的电平的中等的再生能量捕获的时段期间，在最初处于“并联模式”后开路。

另外，当在相对低的功率并联模式中操作电池时，SCR 150被选通“开”，其允许电流流经限流电阻器148以给超电容器140充电，因而允许超电容器140上的电压显著增加到超过电池电压，从而与图2中说明的已知配置相比，提供了增加的能量存储级别。假定超电容器140上的电压小于在“串联模式”中的标称电压的预定的阈值电压，那么主接触器130保持开路，以允许存储在超电容器140中的一部分能量在下一次加速事件期间被利用。在并联电池排列(即102和104并联地排列)和超电容器140之间的电压差在预定的电压电平范围内的点，ECSS 160发出命令闭合主接触器130。类似地，在轻再生能量捕获处的操作期间，ESSC确保主接触器130保持闭合，以便于增加机械接触器的寿命。附加控制细节将参照图8描述。

假定串联配置的电池和超电容器的标称电压处于相同电压等级，如图2中所示的现有技术相比，示于图3中的电池负载调整系统100允许超电容器内的增加的能量存储级别。此外，电池负载调整系统100提供相对低成本的实现，其提供来自DC链路的牵引电池的部分去耦合，并且因而增加总驱动系统效率。

图4是包括电池切换电路210的系统200。系统200除了电池切换电路210之外，基本上类似于电池负载调整系统100。在示范的实施例中，电路210是允许主接触器130(示于图3中)消失的串联/并联电路。电路210包括每个都是常开接触器的第一接触器212、第二接触器214、第三接触器216和第四接触器218。

具体地，接触器212和218串联耦合，以便于减少跨各个接触器的电压。可选择地，电路210包括单独的接触器，该单独的接触器包括足够电压等级，使得接触器212或218中的至少之一可以消失，并且该简化可以包括在该实施例中。在示范的实施例中，电路210还包括机械互锁215，以便于在其中ESSC逻辑、在选通驱动器命令上的电噪声和/或接触焊点阻止各组接触器之一开路的远程情况下，阻止串联和并联接触器同时闭合，。

更具体地，第一和第四接触器212和218串联耦合在第一电池102的正端和第二电池104的负端之间，第二接触器214耦合在第一电池102的正端和正总线112之间，以及第三接触器216耦合在第一电池102的负端和第二电池104的负端之间。

系统200还包括第一预充电电路230、第二预充电电路232和第三预充电电路234，其用于给位于DC-AC换流器118内的DC链路滤波电容器进行预充电(与图3中的预充电电路132类似的功能)，因而在分别闭合接触器212、214、216和218时，减少了在瞬间操作期间接触器和DC链路滤波电容器上的电流应力。第四预充电电路134是可选的电路，其允许超电容器140在与以前讨论的限流开关和电阻146相比更短的时间中从电池系统预充电。

为以低电压并联排列操作系统200，机械互锁214位于第一位置，使得接触器212和218开路以及使得接触器214和216闭合。如此，电池102和104并联耦合以提供功率到总线112。为以高电压串联排列操作系统200，机械互锁214位于第二位置，使得接触器212和218闭合以及使得接触器214和216开路。如此，电池102和104串联耦合到总线112。

此外，预充电电路230、232和234用于给位于电发动机牵引驱动或DC负载内的DC链路电容器C_dc(示于图2上)预充电。本实施例的控制与图3中示出的电池负载调整系统100的控制类似，并且将在此后进行讨论。

图5说明包括电池切换电路310的系统300。系统300除了电池切换电路310之外，基本上类似于电池负载调整系统100。在示范的实施例中，并联的接触器214和216(示于图4中)分别由二极管312和314替代。

在加速或以相对恒定的速度操作和发动机低速操作期间，串联接触器120开路，并且电池102和104经由二极管312和314以并联方式配置。如此，加速或以接近恒定的速度操作需要的功率通过电池102和104与超电容器140的组合而提供到电力发动机驱动或负载106，如图3和4所示。可选择地，在车辆减速期间，再生功率通过二极管312和314被阻止流入电池102和104，因而再生能量在超电容器140中被捕获。如此，超电容器140的电压作为流经SCR 150和限流电阻器148的再生电流的函数几乎线性地增加。对高电平再生功率，即车辆在长的下坡道上操作期间，超电容器140上的电压将显著增加。随着超电容器电压增加到串联配置的设计的电池电压的预定电压内，接触器120闭合，并且现在将再生功率施加到(以串联配置安排的)电池102和104以及超电容器140。

图6是包括电池切换电路410的系统400。系统400除了电池切换电路410之外，基本上类似于系统300。在示范的实施例中，断电器(electricaldisconnect)的功能(即示于图5中的串联接触器120)分别使用背对背SCR 412和414来实现。可选择地，电路410至少包括两个熔断器430和432，以便于分别限制来自电池102和104的电流。

在操作期间，当车辆加速或向上爬相对陡峭的山道并且需要附加功率时，SCR 414被激活，使得第一电池102和第二电池104分别以串联排列放置在总线112和114之间。另外，熔断器432便于限制到总线112的电流。

当车辆操作其中需要较少功率的模式时，SCR 412和SCR 414被去激活，使得第一电池102和第二电池104分别以串联排列放置在总线112和114之间。具体地，来自第一电池102的电流通过二极管422和熔断器430流到第一总线112，以及来自第二电池104的电流通过二极管426和熔断器432流到总线112，流到功率负载106。

可选择地，当车辆在相当陡峭的下降坡道下行时，配置车辆以用再生模式操作。具体地，SCR 412被激活，并且SCR 414被去激活，使得电流从总线112流经熔断器432，经电池104，经SCR 412，经第一电池102，经熔断器430，以完成到总线114的电路，因此便于给以串联排列连接的第一电池102和第二电池104充电。二极管422和426限制了电流流到并联排列的第一和第二电池。

图7是包括电池切换电路510的系统500。系统500除了电池切换电路510之外，基本上类似于系统400。在示范的实施例中，电路510还包括第一接触器540和第二接触器542。在示范的实施例中，断电器的功能(即示于图5中的串联接触器120)利用背对背SCR 512和514来分别实现。可选择地，电路510至少包括两个熔断器530和532，以便于分别限制来自电池102和104的电流。电路510还包括第一接触器540和第二接触器542，以便于允许电隔离，并且也便于在电池温度低以及处于“冷冻状态”时阻止流经电池102和104的泄漏电流。当电池的操作温度小于大约140摄氏度时，如此处使用的，电池在冷冻状态下操作。

在示范的实施例中，电池102和104使用每个被配置以在高于260摄氏度的温度操作的氯化钠镍电池或硫化钠电池中的至少之一来实现。在示范的实施例中，氯化钠镍电池和硫化钠电池每个具有高比能(高于大约100瓦/小时每千克)。此外，电池是相对廉价的，并且可以利用如例如空气或水冷的周围空气条件来有效地冷却。

在另一个实施例中，电池102和104使用燃料电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池、聚合物锂电池、镍镉电池和铅酸电池来实现。此外，尽管系统500说明只位于各自的电池102和104的一侧的接触器540和542，但是应该理解，接触器可以耦合到每个各自的电池102和104的两端，以提供对有害的漏电流的进一步防护，因此也包括在本实施例中。

在例如陡峭下山坡道中操作车辆的第一操作模式中，当车辆将达到相对高的再生功率电平和/或操作长距离使得串联连接的电池上的电压达到几乎最大限制时，在电力发动机牵引驱动内安装的过电压保护算法(未示于上述实施例中)逐渐减少再生功率的电平而保持DC链路电压(即总线112电压)处于可接受的限制中。随着此情况发生，车辆操作者将感觉到电动制动扭矩减少，并且将通过进一步下压制动踏板来补偿，因而随着电制动功率减少，有效增加了机械的制动功率。

在操作期间，系统500利用指示发动机106速度和扭矩、超电容器电压、以及电池电压的反馈来操作系统500。此外，如果可能，系统500利用存储在超电容器140内的能量以补充车辆操作。例如，在重型车辆加速期间，电池102和104以串联排列放置，超电容器140电压被充到几乎电池电压的二极管电压降内，并且电池102和104以及超电容器140共享主要基于开路电压和电池102和104和超电容器140的相关的内部电阻的初始功率。可选择地，在低速操作期间，电池102和104以并联排列安排，并且再生能量捕获允许超电容器140上的电压增加到(并联配置的)电池电压之上的电平。在此情况下，下一次加速使用从超电容器140存储的能量，直到超电容器电压大约等于电池电压。

图8是控制示于图3-7中的系统的方法的图解说明。在示范的实施例中，初始的发动机速度显示为大约0rpm并且超电容器被预充电到基本上具有并联配置的电池的电池电压。如所示，初始地施加接近恒定的扭矩，发动机速度增加并且功率由并联配置的电池和超电容器提供。当扭矩突然下降到额定(即车辆和/或驱动处于行驶模式)的大约30％时，电池电压陡峭地增加，而由于限流开关或预充电电路，超电容器缓慢地增加。然而，在再生制动期间，能量被施加到超电容器，并且电压增加是再生制动电流的大约线性函数。对该实例，在再生制动模式期间的超电容器电压没有达到电压阈值，其中能量存储系统控制器命令电池以串联模式配置。如此在下一次加速期间，加速驱动和/或车辆的所有能量最初从超电容器供应。当超电容器电压达到并联配置的电池的阈值电压时，然后功率由电池和超电容器平滑地转变和供应。

在发动机速度的大约50％和以上的点，超电容器电压增加。增加超电容器上的电压的准确方法是特定的实施例和应用的功能。通常，电容器从配置为串联配置的电池预充电(示于图3-7中)，或者通过包括再生制动的另一个来源预充电。在超电容器电压低于电池电压的阶段期间，电池提供所有的功率。在例如混合动力车辆中，发动机功率加上以再生模式配置驱动的组合，与传统的使用单独电池的预充电电路相比，能够用来减少给超电容器再次充电的时间。可以想象的是，在大多数时间里驱动将在低速度操作，因而在满功率期间该特定转变的频率最小。交替控制技术要具有自动的、计算机控制的、在高速公路模式的操作类型期间的算法，其中驱动例行地在高速度和功率范围中操作，控制将作用于串联配置的电池。只有在预定的条件之后，也就是说，当驱动在低速度操作中再次操作给定的时间长度或距离时，自动的控制将在下一次车辆静止时切换电池回到并联配置。

尽管，图8说明当发动机速度为大约50％时系统将电池从并联排列切换到串联排列，但是应理解的是，此处描述的系统将利用从系统接收的多个输入，包括但不限于车辆速度、发动机扭矩、发动机速度以及其它输入，来将电池从并联模式重新配置为串联模式。如此，图8是示范的实施例，并且应该理解的是，电池可以在发动机速度的50％以上时从并联切换到串联，或者在发动机速度的50％以下时从串联到并联。

此处描述的是可以用于电力和/或混合动力车辆的多个能量存储系统，其为加速要求高功率，为爬长的坡道要求高能量。如此处使用的混合动力车辆代表利用电力发动机和热引擎组合以提供给车辆的推进力的车辆。此外，如此处使用的，电力车辆代表包括发动机和多个电池的车辆，其中电池提供操作车辆的推进力。

该系统包括高比功率的超电容器和具有高比能量的高能量可重充电电池。超电容器被缩放，以提供用于在即停即行市区驱动期间的初始加速和减速、以及用于在超车策咯期间的短功率脉冲的足够功率。此外，相对低成本的超电容器电子接口允许在特定时间期间从超电容器去耦合电池，因而利用在再生能量捕获期间的更高百分比的超电容器理想存储能量。该存储的能量在未来的加速期间使用，因而保存了燃料并且增加了范围。此处描述的系统还允许牵引驱动的输入电压的适当匹配，以有效地用于低速的市区和高速的高速公路驱动的操作。

如此，此处描述的系统便于提供低成本的、不需要相对昂贵的DC-DC转换器的超电容器/电池接口装置。该系统健壮、可靠，并且提供电池切换事件之间的平滑转变。固态电池切换电路、接触器(如果使用)不具有高的瞬变电流应力。系统控制基于简单的电压、发动机速度反馈传感器和/或扭矩命令信号。与已知的接口技术相比，超电容器接口提供了增加的能量存储的利用。低速的市区驱动类型可以主要使用超电容器来运行，因而提高了电池寿命。高比功率超电容器元件展示高的双向(round-trip)效率。超电容器基本上位于DC链路上以便于消除DC-DC转换器损耗。超电容器和电池的组合提供了可以在长的上山和下山坡道期间利用的、用于高速和低速的操作的足够能量存储。此外，与高速高功率操作相比，特别是当DC链路在额定电压的大约50％处操作时的发动机低速操作期间，系统还提供改进的总系统双向效率，即超电容器、电池和/或牵引驱动。

尽管本发明已经在各种具体实施例方面进行了描述，但是本领域的技术人员将理解，本发明能够用在该权利要求的精神和范围内的修改来实践。