用于驱动车辆微混合系统的方法以及实施该方法的能量储存单元和混合系统

摘要

本发明的方法优选在包括电能储存单元(12)和电子控制单元(14)的微混合系统(1)中执行。该储存单元包括串联安装的多个基本单元。该方法的特征在于，其包括步骤：读取基本单元的基本电压；从读取的电压得到储存单元的状态信息；和在所述控制单元中考虑所述状态信息以限定微混合系统的优化驱动。本发明还涉及电能储存单元和带制动回收的微混合系统。

说明书

技术领域

本发明通常应用于汽车工业。

更具体地，本发明涉及用于驱动车辆的带制动回收(braking recovery)的微混合系统，该系统包括电能储存单元和电子控制单元，该电能储存单元包括串联安装的多个基本单元。

本发明还涉及用于实施该方法的带制动回收的微混合系统和电能储存单元。

背景技术

为了降低车辆的燃料消耗和由此减少车辆产生的污染，已知的是给车辆装备微混合系统，例如交流发电机-起动机，使得能够运行制动回收模式。

同样，上述类型的微混合系统包括可逆旋转电机、可逆AC-DC电压转换器、电能储存单元和可逆DC-DC转换器，这对根据本发明的机构是已知的。

电能储存单元由多个非常大电容的电容器形成，本领域技术人员已知该电容器为“超级电容器”、“超电容器”或“UCAP”。

由旋转电机回收的电能被储存在超级电容器中且然后被返回用于各种用途，特别是用于为耗电件供应大于电池电压的浮动DC电压。

考虑超级电容器实际上可用的名义电压水平，已知这些超级电容器串联安装以形成超级电容器组，其能支持上述带制动回收的微混合系统中通常存在的电压水平。

在该系统中，超级电容器的名义电压水平和电容值之间存在的不相称(disparity)引导发明人提供电子平衡电路。

这些电子平衡电路具有保护超级电容器避免过高充电电压的基本功能，该过高的充电电压能导致电容器组件的过早老化或电压冲击，以及保护超级电容器避免在超级电容器的端子处的可能的电压逆转(voltage inversion)，这种电压逆转可导致破坏性结果，包括对连接到超级电容器端子的电子电路的破坏。

由于这些平衡电路，实现了各超级电容器的充电电压之间的一定的均匀性(homogeneity)，从而便于电容器组件的运行。

由此，例如由于如果车辆在较长时期内不使用，平衡电路持续地确保超级电容器组的对称放电，理论上向下至0V。实际上，期望的是，超级电容器组总是保持平衡(特别是具有非常低的电压)，因为如果放电不正确地下降到非常低的水平(例如2V)，当车辆被重新起动时，由于严重的不平衡，对尽可能快地对超级电容器组充电的需求可具有破坏性后果。

平衡电路的引入由此允许在超级电容器组的可靠性和寿命方面的技术进步。

但是，当今希望提出一种新方案，一方面使得带制动回收的微混合系统中的电容器组件的寿命再被增加，另一方面作为带制动回收的微混合系统的主要部件的电容器组件可被更好地利用。

发明内容

根据第一方面，本发明的目的是提供一种用于驱动带制动回收的新型微混合系统的方法，其通过提供驱动的可能性使得该系统被更好地优化，其中考虑了电能储存单元的有效状态。

根据本发明的用于驱动带制动回收的微混合系统的方法在微混合系统中执行，该微混合系统包括电能储存单元和电子控制单元，该电能储存单元包括串联安装的多个基本单元，该方法包括读取基本单元的基本电压的步骤和通过被读取的基本电压得到电能储存单元的状态信息的步骤。

根据本发明，该状态信息包括健康状态数据，该健康状态数据包括电能储存单元中被最大充电的基本单元和被最小充电的基本单元之间的电压差，健康状态数据代表电能储存单元实现其在微混合系统中的功能的能力，且该方法包括在电子控制单元中考虑状态信息以限定微混合系统的优化驱动的步骤，该状态信息包括健康状态数据。

根据本发明的方法，如上简述，被优选地应用在带制动回收的微混合系统中，其中电能储存单元是超级电容器组。但是，根据本发明的方法可被用于其中的电能储存单元由电池单元构成的系统中。

根据具体实施例，根据本发明的方法还可包括一个或多个下面的特征：

-状态信息包括源自(stem from)被最大充电的基本单元的最大基本电压；

-状态信息包括源自被最小充电的基本单元的最小基本电压；

-状态信息包括电能储存单元中的温度测量值；

-状态信息包括差动电容数据，表示基本单元之间的电容中的最大变化；

-该方法还包括步骤：在电能储存单元中，在预定长度的时间上测量穿过基本单元的预定电流，且在该预定长度的时间结束时，基于被读取的基本电压之间检测到的最大电压差且基于该预定长度的时间上的电流测量值得到差动电容数据；

-状态信息包括差动寄生电阻数据，表示基本单元之间的寄生电阻中的最大变化；

-该方法还包括步骤：基于当没有显著电流在电能储存单元中循环时被读取的基本电压，得到基本单元之间的第一最大电压差，在预定的短长度时间上向电能储存单元中注入预定电流，基于在电流注入期间读取的基本电压得到基本单元之间的第二最大电压差，基于电压中的第一和第二变差之间的差异且基于短持续时间的电流的强度水平得到差动寄生电阻数据。

根据第二方面，本发明涉及电能储存单元，其能实施上面简述的根据本发明的方法。

根据优选实施例，电能储存单元包括多个超级电容器元件和电子装置，该多个超级电容器元件形成串联安装的基本单元。

特别地，根据本发明的电能储存单元还包括附加装置，其使得该电能储存单元能实施上面简述的根据本发明的方法。

根据另外的特征，这些附加装置包括电子电路，其能产生至少一个信号，该至少一个信号传输所述状态信息中的至少一项，该信号用于被传输到电控单元。

根据第三方面，本发明还涉及通过包含在上面简述的电能储存单元中的电子电路产生的传输信号。

根据第一特定实施例，根据本发明的信号包括有用信息分量和相差分量，该有用信息分量传送至少一项状态信息，该相差分量能使得可以检测信号传输载体中的电连续性失效和/或抵消在系统的至少一个连接器中的接触腐蚀的作用被抵消。

根据第二特定实施例，根据本发明的信号为脉冲宽度调整(PWM)类型。

根据其它方面，本发明还涉及带制动回收的微混合系统，其包括使得该系统能实施上面简述的本发明方法的装置，且涉及装备有这种系统的车辆。

如上简述的电能储存单元被有利地整合在根据本发明的带制动回收的微混合系统中。

此外，根据本发明的微混合系统可包括一个或多个下述特征：

-至少一个电子控制单元，能处理通过实施上面简述的方法得到的状态信息；

-除了电能储存单元和电子控制单元，该系统还包括旋转电机、AC-DC电压转换器和DC-DC电压转换器；

-电子控制单元被至少部分地包括在AC-DC电压转换器和/或DC-DC电压转换器中。

通过参考所附附图阅读下面多个具体实施例的说明，本发明的其它优点和特征将变得更加明显。在附图中：

附图说明

图1是根据本发明的带制动回收的微混合系统的具体实施例的总框图；

图2是包含在图1的系统中的电容式电能储存单元的简化示意图。

具体实施方式

参考图1，现在描述根据本发明的带制动回收的微混合系统1的具体实施例。

如图1所示，在该具体实施例中，根据本发明的微混合系统1主要包括旋转电机10、可逆AC-DC电压转换器11、电容式电能储存单元12、DC-DC电压转换器13和微控制器14。

微混合系统1连接到车辆的车载双电压电网，该电压电网能提供低的DC电压Vb和高的浮动DC电压Vb+X。

低的DC电压Vb通常是来自为车辆装备的铅酸电池2的12V电压。优选地，该电压Vb可被用于为车辆中需要相对稳定电压水平的耗电件供电，例如照明装置和信号装置。

在该具体实施例中，DC电压Vb+X例如在12V和60V之间变化且可在电容式能量储存单元12的端子处获得，该单元的电压充电具体依赖于旋转电机10的制动回收操作。

Vb+X电压可被优先使用且优先用于给接受可变电压的耗电件供电，例如防冻设备。但是在特定应用中，Vb+X电压还可通过专用DC-DC电压转换器(未示出)被用于给需要稳定DC电压的耗电件供电，例如以12V运行的汽车收音机。而且，在特定应用中，Vb+X电压还可用于为以起动机或马达模式运行的旋转电机10提供高于12V的电压。

如图1所示，旋转电机10通过连接件101机械地联接到车辆的热力发动机MT。这里，电机10是交流发电机-起动机类型的三相电机，除了起动机和交流发电机操作模式，其还能以制动回收模式和扭矩辅助模式运行。在扭矩辅助模式中，除了由热力发动机MT提供的扭矩，电机10也为车辆的牵引提供额外的机械扭矩。

AC/DC转换器11是可逆装置，当该旋转电机10必须以马达/起动机模式运行时，AC/DC转换器使得电机10能被提供三相AC电压，该三相AC电压从电容式能量储存单元12的端子处存在的DC电压获得，当旋转电机10必须以交流发电机模式运行时，AC/DC转换器使得由电机10提供的三相电压能被整流为整流DC电压的形式。该整流DC电压为电容式能量储存单元12充电，且通过DC-DC电压转换器13给电池2充电。

电容式能量储存单元12在这里主要由装备有适当电子电路的超级电容器组组成。为了方便，该电容式能量储存单元12在本说明书的其它部分中被称为“超级电容器组”。

超级电容器组12在下文中参考图2详细说明，且在该实施例中，包括串联安装的十个超级电容器元件C1至C10。

当旋转电机10以制动回收模式或以交流发电机模式运行时，超级电容器组12在由AC-DC电压转换器11提供的DC电压充电时，使得电能被储存。储存在超级电容器组12中的能量可被返回到Vb+X电压电网以便为各种耗电件供电，且在特定情况下，通过DC-DC电压转换器13为Vb电压电网供电，例如在电机10不提供功率和电池2不能响应Vb电压电网上的峰值电流需要时。此外，如上面指出的，可以使用超级电容器组12中储存的能量用于以电压Vb+X(大大高于传统的12V)起动热力发动机或辅助后者的扭矩，由此使得旋转电机10提供大型热力发动机的情况下所需的高机械扭矩。

DC-DC电压转换器13是可逆装置，且在一方面允许能量传输到Vb电压电网以给耗电件供电和给电池2充电，另一方面允许沿相反方向传输基于来自电池2的12V电压的能量，以在必要时为超级电容器组12充电和为AC-DC电压转换器11供电，当旋转电机10用作马达/起动机时。

微控制器14基于表示微混合系统1的内部状态和车辆状态的信息来管理微混合系统1的操作。驱动策略的模型在微控制器14中实施，以指挥微混合系统1。状态信息和指令可在微混合系统1的各功能元件和微控制器14之间通过信号交换链进行交换。在图1中示出了在微控制器14和元件10、11、12和13之间的信息交换链L1、L2、L3和L4。

仍如图1所示，例如CAN类型的数据通讯总线3还被设置用于车辆的微混合系统1和一个或多个电子控制单元(ECU)4之间的数据交换。例如制动踏板或加速踏板上的压力这样的信息可由此被ECU单元4通过数据通讯总线3而传输到微混合系统1。

更详细参考图2，现在详细描述作为电能储存单元的超级电容器组12和其与微控制器14的信号交换链L3。

如图2所示，该实施例中的超级电容器组12主要包括串联安装的十个超级电容器元件C1至C10，以及电子电路120。这些超级电容器元件C1至C10形成串联安装的且包括在组12中的相同数量的基本单元(elementarycell)。

整合在电路120中的平衡电路由此被设置用于平衡超级电容器元件的端电压且由此防止超过可导致这些元件损坏或提前老化的电压。用于超级电容器元件单元的平衡电路是本领域技术人员已知的且在本申请中将不描述。

根据本发明，通过该实施例，电路120还包括接口和测量电路1201，该测量电路1201能产生表示健康的信号和用于驱动组12的信号，即信号DeltaV、Vmax、Vmin和Temp，它们将在下面的段落中详细说明。

信号DeltaV、Vmax、Vmin和Temp通过由信号传输载体1214建立的链L3而被传输到微控制器14。信号DeltaV、Vmax、Vmin和Temp使得微控制器14能以优化的方式管理超级电容器组12。

从下文可更加清楚，信号DeltaV携带涉及超级电容器组12的健康状态的信息。信号Vmax、Vmin和Temp依次携带涉及超级电容器组12的电气状态的数据且便于该超级电容器组的驱动。

根据本发明，读取每个超级电容器元件C1-C10的端子处存在的基本电压，且基于存在于超级电容器元件之间的电压中的相差，获得关于健康状态的信息，也就是说，表示超级电容器组实现其在微混合系统中的功能的能力(capacity)的数据。关于组12的健康状态的该信息被信号DeltaV携带，该信号表示被最大充电的超级电容器元件和被最小充电的超级电容器元件之间的电压差。例如，在图2中，C2元件的端子处存在电压Vmax，是被最大充电的超级电容器元件，而C9元件的端子处存在电压Vmin，是被最小充电的超级电容器元件。

根据本发明的机构进行的测试显示，超级电容器元件变得越旧，它们的电性能中的差异越大，特别是漏失电流值和电容值。在超级电容器组的寿命结束时，这些差异最终使其难于使用，或者甚至不能使用。

信号DeltaV允许微控制器14：

-测量超级电容器元件之间的漏失电流中的差异、内阻和电容的变化；

-能够告知车辆系统超级电容器组即将出现故障或处于故障的状态中；和

-以优化的方式决定超级电容器组在其寿命期间的使用方式，已知在其寿命结束时超级电容器组的性能的退化可被减慢，同时调节微混合系统的驱动策略以延长超级电容器组的寿命。

信号Vmax允许微控制器14知道最大充电(图2的例子中的C2)的超级电容器元件的端子处存在的电压水平。知道该Vmax数值，微控制器14可影响超级电容器组的充电电压的最大水平，以不冒险导致超级电容器组的其中一个元件上的破坏性过载或导致它们中的一个或多个提前老化。只要超级电容器组处于“良好健康状态”，该信息的使用就不是至关重要的，因为DeltaV差异较微弱，但是随着超级电容器组老化其会逐渐变得重要。

信号Vmax还使得微控制器14通过确定两个信号Vmax和DeltaV信号之间的差从而能准确知道最小充电的超级电容器元件的端子处存在的电压水平。该信息在强放电阶段期间尤其有用。实际上，在这些阶段期间，在起初没有被很强充电的超级电容器元件的端子处期望不产生负电压，因为这会导致相关元件的提前老化或测量电子器件的退化。

信号Vmin使得微控制器14能知道被最小充电的超级电容器元件(图2的例子中的C9)的端子处存在的电压水平。由信号Vmin携带的信息与通过执行Vmax-DeltaV的减法操作所获得的信息一样(duplicate)。但是，信号Vmin可以使得对其它两个信号DeltaV和Vmax的有效性执行一致性检验，且在故障的情况下，一个将被另一个补偿。

信号Temp使得微控制器14能够知道超级电容器组的温度。这使得微控制器14能实时调整用于管理电压的策略，以便以尽可能好的方式保持超级电容器组的健康，该超级电容器组通常容忍不良的过高温度(老化或破坏)。例如，操作电压可由此在高电压的情况下被降低。

根据本发明，使用适当的电子装置在超级电容器组12中产生信号DeltaV、Vmax、Vmin和Temp。信号Vmax和Vmin例如可通过包括在电路1201中的电压比较电路(未示出)获得。信号DeltaV和Temp例如可通过也包括在电路1201中的减法电路和用于测量温度的电路(未示出)获得。

在这里所述的具体实施例中，组包括串联安装的多个超级电容器，超级电容器元件中的仅一个的误操作或故障相对于整个超级电容器组不是必然会被检测到的，因为存在一种风险，即该故障或误操作将被其它超级电容器元件的良好性能掩盖。

根据本发明，除了使用上述信号DeltaV、Vmax和Vmin来传递与超级电容器组12有关的简单的驱动和健康数据，还可以使用这些信号来测量超级电容器元件之间的电容水平的变化和串联等效寄生电阻(series equivalentparasitic resistance)的值的变化。这使得多个超级电容器元件中的仅一个元件的电化学性能的退化被监视，这通过总体测量是不可能的。

超级电容器元件之间的差动电容(differential capacitance)的测量：

为了执行差动电容的测量，测量图1所示的在超级电容器组12中循环的电流I。为电流I确定的强度例如约为20A。

微控制器14测量信号DeltaV在一段长度的时间T上的电压变化，且可由此利用方程式得到超级电容器元件之间的电容值中的最大差异，其中，DeltaC是差动电容测量值。

根据所执行的差动电容测量，微控制器14建立超级电容器组12的部分内部电气模型且可由此预测超级电容器组的性能，以优化其使用。

超级电容器元件之间的差动串联寄生电阻的测量：

为了执行差动串联寄生电阻的测量，微控制器14指挥DeltaV的两个相继测量。

在超级电容器组12中没有任何显著电流循环的情况下执行第一测量，且可以获得用于DeltaV₁的第一值。

在超级电容器组12中循环有强幅度电流I的情况下执行第二测量，且可以获得第二值DeltaV₂。例如，为电流I确定的强度大约为200A。电流I在较短的持续时间t内被注入超级电容器组12，在该持续时间结束时DeltaV₂值被测量。为了检测电压中的充分增加，电流I的强数值是优选的，以在超级电容器元件的端子上执行测量。但是，被注入的电流I必须具有较短的持续时间，以最小化电压增加中的由于超级电容器元件的充电引起的分量，以有助于(benefit)该同一元件的串联电阻引起的分量。

差动串联寄生电阻的值然后由微控制器14通过计算DeltaV₁和DeltaV₂之间的差和通过把该差除以注入到超级电容器组12中的电流I的值而被计算。

超级电容器元件或它们在组12内的电力连接器的寄生电阻之间的任意异常不平衡可由此被检测，且由此推导出超级电容器元件中的仅一个或多个上的可预测的故障威胁、或故障的发生。

现在描述与本发明相适的把DeltaV、Vmax、Vmin和Temp数据从超级电容器组12传递到微处理器14的方法的三个例子。

给定要被传输的信息的性质和重要的电容值(对于每个超级电容器元件典型地为2000法拉第)，约数百赫兹的带宽对于信号DeltaV、Vmax、Vmin和Temp是合适的。这有利于这些信号在超级电容器组12和微控制器14之间的传输，因为在该波段中信号容易实现对传导或辐射类型的电磁干扰(EMI)的最大抵抗。超级电容器组12和微控制器14之间的功率类型的共模电压的影响也是如此。

电压信号的传输：

在该第一传输方法中，DeltaV、Vmax、Vmin和Temp数据通过电压水平以模拟方式传输，该电压水平具有有用数据分量和相差分量。相差分量对应于信号中的电压相差，其使得可以检测例如由于不连续的电缆或退化的信号传输载体导致的电连续性失效。而且，电压相差使得几毫安的电流能够被迫通过连接器，由此避免接触(磨损)腐蚀效应。

例如，在具体实施例中，DeltaV、Vmax、Vmin和Temp数据可通过如下定义的电压信号V1、V2、V3和V4传输：

V1＝5.DeltaV+1V，

V2＝Vmax+1V，

V3＝Vmin+1V，

V4＝Temp+1V。

+1V的电压相差被引入到所有信号中。在信号V1中，G＝5的增益由此被施加到DeltaV，特别是在有用的信号(DeltaV)上，最小化了超级电容器组12和微控制器14之间的共模噪音的影响，DeltaV的值典型地小于100mV。考虑到Vmax、Vmin和Temp的数量级，没有增益被引入到信号V2、V3和V4中。Vmax和Vmin典型地分别具有约2.7V和约1.4V的数量级，而温度数据Temp的等级是适用于温度测量电子器件(NTC传感器、PTC传感器、铂探针或其它温度传感器)的等级。

电流信号的传输：

在第二传输方法中，DeltaV、Vmax、Vmin和Temp数据通过电流水平以模拟方式传输，该电流水平具有有用数据分量和相差分量。相差分量对应于信号中的电流相差，其使得可以检测例如由于不连续的电缆或退化的信号传输载体导致的电连续性失效。而且，电流相差使得弱电流被迫通过连接器，由此避免接触(磨损)腐蚀效应。

例如，在一个具体实施例中，DeltaV、Vmax、Vmin和Temp数据可通过如下定义的电流信号I1、I2、I3和I4传输：

I1＝DeltaV/200Ω+1mA，

I2＝Vmax/1kΩ+1mA，

I3＝Vmin/1kΩ+1mA，

I4＝Temp/1kΩ+1mA。

引入到I1中的200Ω的电阻值造成5mA/V的电压不平衡。1mA的电流相差通常足以消除(clean)标准接触。

应注意，通常DeltaV不平衡＞1V会导致超级电容器组实际上不可用。由此可以将最大电流值I1限制到相对较低水平，使得可以有效地确保输入-输出的保护。

对于I2、I3和I4，考虑到Vmax、Vmin和Temp的数量级，1KΩ电阻值的引入已被证明是令人满意的。

脉冲宽度调制(PWM)信号的传输：

在第三传输方法中，有用的DeltaV、Vmax、Vmin和Temp数据由脉冲宽度调制载波传送。该有用数据由此被包含在被传输信号的占空比的值中。但是应注意，基于模拟值的准确和模式化(modular)占空比的产生通常要求使用微控制器。这意味着，要被实施的该方法需要在超级电容器组12的电子电路120中利用微控制器。另一方面，脉冲宽度调制PWM提供对于电磁干扰的优异抵抗的优点。

当然，本发明不限于这里通过举例描述的具体实施例。本领域技术人员可根据相关应用实现各种替换实施例。因此，以举例的方式，在特定替换例中，信号DeltaV、Vmax、Vmin和Temp可由组12以数字形式产生，用于以例如实时-多路的形式传输到微控制器14。模拟信号的用于在相同信号传输载体上传输的实时-多路也可被用于特定应用中。

而且，对于本领域技术人员清楚的是，通过微控制器14实现的处理功能涉及根据本发明的方法的实施，可完全或部分在混合系统中的其它微控制器或微处理器(例如通常整合在AC-DC电压转换器11和DC-DC电压转换器13中)中或者在车辆的微处理器或微控制器中执行。在另一替换例中，由微控制器14实现的处理功能涉及根据本发明的方法的实施，也可完全或部分在超级电容器组的电子电路120中执行。