CN105142963B - 用于平衡混合动力车辆中的能量存储模块的荷电状态的***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于平衡混合动力车辆中的多个能量存储模块之间的荷电状态的***及方法。所述方法包括确定在所述多个能量存储模块中的单个能量存储模块的荷电状态，所述能量存储模块与混合动力电动车内的动力源操作式相连。在多个能量存储模块的子集的荷电状态处于相对于多个能量存储模块的其余能量存储模块而言的容差之外时，使用多个能量存储模块的子集来操作车辆。可使用该方法对能量存储模块进行充电或放电，以便于使能量存储模块的荷电状态均衡。

Description

用于平衡混合动力车辆中的能量存储模块的荷电状态的*** 及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求享有2013年3月15日提交的美国临时专利申请61/789526的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
背景技术
本发明大体上涉及用于混合动力电动车的能量存储***，且特别涉及用于平衡混合动力电动车中的能量存储***的荷电状态的***及方法。
在过去几年中，由于二氧化碳水平的增加以及油料供应的短缺，对全球气候变化的关注日益增加。结果，一些汽车制造商和消费者开始对具有低排放和较高燃料效率的汽车具有更大的兴趣。一个可行的选择是混合动力电动车(HEV)，其允许车辆由电动机、内燃机或二者的结合来驱动。
尽管多个特征对于HEV的整体设计是重要的，但是存储车辆能使用的能量的***是一项关键部件。在HEV中提供能量存储***以存储发电机产生的能量，以便混合动力***能在随后的一些时间使用这些能量。例如，所存储的能量可用于驱动电动机以独立地驱动汽车或辅助内燃机，因此降低汽油的消耗。
但是，能量存储***面临着许多设计难题。其中，在操作过程中的一个主要问题是：针对多组能量存储***中的单个电池包的荷电状态(SOC)，保持电池包之间适合的平衡。重要的是，容差单个电池包相对于彼此要保持在一定容差范围内的SOC。如果电池包之间的SOC的差值超过容差，那么车辆的电子部件就可能会遭到破坏。
迄今为止，现有技术中的***已经通过复杂的硬件和电路实现了电池包或电池单元平衡，但它具有多个缺点，例如缺乏效率、增加成本和增加故障的风险。另外，现有的***关注于电池包之间的电荷传递，这导致了因传递过程缺乏效率而产生的能量损失。
因此，需要在本领域中进行改进。
发明内容
这里所描述的***及方法解决了在上文中提及的多个问题和其他问题。根据一个方面，本发明提出了一种用于平衡混合动力车辆的多个能量存储模块的荷电状态的方法，其包括确定所述多个能量存储模块中的单个能量存储模块的荷电状态，该能量存储模块操作性地连接到混合动力电动车中的动力上，以及在能量存储模块的子集的荷电状态处于相对于所述多个能量存储模块的其余能量存储模块而言的容差之外时，使用多个能量存储模块的子集来操作混合动力车辆。本发明还提出了用于实施该方法的***。
通过详细描述和随之提供的附图，本发明的其他形式、目的、特征、方面、好处、优点和实施方案将变得清楚。
附图说明
图1显示了用于平衡根据一个实施方案的混合动力车辆中的电池包的***的一个实施例的示意图。
图2显示了用于平衡使用图1的***的混合动力车辆中的电池包的过程流程图。
图3显示了根据一个实施方案的能量存储模块与逆变器之间的高压连接以及能量存储模块与混合动力控制器之间的控制连接的示意框图。
图4显示了用于平衡使用图1的***的混合动力车辆中的电池包的过程流程图。
具体实施方式
出于更好地理解本发明的原理的目的，下面将参照在附图中所示的实施方案，并且使用详细的语言来对其进行描述。然而需要理解的是，本发明的范围并不因此而受到限制。如同与本发明相关的领域的技术人员所通常想到的那样，可以构思出对在此描述的实施方案的任何修改和进一步的改进，以及对此处所描述的本发明原理的进一步应用。这里非常详细地显示了本发明的一个实施方案，然而对于本领域的技术人员来说明显的是，为了简要起见，一些与本发明无关的特征可不显示出来。
图1显示了根据一个实施方案的混合动力***(hybrid system)100的示意图。图1中说明的混合动力***100适合用于商用卡车以及其他类型的车辆或运输***，但是可以设想混合动力***100的多个方面可结合到其他环境中。如所示，混合动力***100包括发动机102、混合动力模块(hybrid module)104、自动变速箱106和用于将动力从变速箱106传递到车轮110的传动系108。混合模块104中结合了通常称之为电机112的电机器，以及使发动机102与电机112及变速箱106操作性连接和断开的离合器114。
混合动力模块104设计成操作为自立式单元，即其通常能够独立于发动机102和变速箱106而工作。混合动力模块104包括底槽116，所述底槽用于存储和提供流体(例如燃油、润滑剂或其他流体)到混合动力模块104，以用于液压、润滑和冷却的目的。为了使流体循环，混合动力模块104包括机械泵118和电子(或电动)泵120。
混合动力模块104内的电机112根据操作模式有时用作发电机，而在其他时候用作马达。当用作马达时，电机112使用交流电(AC)。当用作发电机时，电机112产生AC。逆变器132转换来自电机112的AC并将其提供给能量存储***134。在一个实施例中，电机112为由美国印第安纳州彭德尔顿的Remy International,Inc.生产的HVH410系列电机，但是可以设想的是，也可使用其他类型的电机。在所说明的实施例中，能量存储***134存储能量，并且将其作为直流电(DC)再提供出去。当混合动力模块104中的电机112用作马达时，逆变器132将DC电转换成AC，其又提供给电机112。
在所说明的实施例中，能量存储***134包括三个连接在一起(优选地为并联)的能量存储模块136，以向逆变器132提供高压电能。实质上，能量存储模块136为用于存储由电机112产生的能量和将能量快速提供回电机112的电化学电池。能量存储模块136、逆变器132和电机112通过图1所示的线示出的高压线及通过图3中的线350和线352进一步详细地示出的高压线而操作性地耦合在一起。虽然所说明的实施例显示了包括三个能量存储模块136的能量存储***134，但应当理解地是，能量存储***134可包括比所示的更多或更少的能量存储模块136。此外可以设想，能量存储***134可包括任何用于存储势能的***，例如通过化学方式、气动蓄能器、液压蓄能器、弹簧、储热***、飞轮、重力装置和电容器，这里仅举了几个例子。
高压线将能量存储***134连接到高压抽头138上。高压抽头138将高电压提供给连接于车辆的多种部件。包括一个或多个DC-DC转换器模块142的DC-DC转换***140将由能量存储***134提供的高压电能转换成较低压的电能，所述较低压的电能又提供给要求低电压的多种***和附件144。如图1所示，低压线将DC-DC转换器模块142连接于低压***和附件144。
混合***100结合了多个用于控制多种部件的操作的控制***。例如，发动机102具有发动机控制模块146，用于控制发动机102的多种操作特征，例如燃料喷射等。变速箱/混合动力控制模块(TCM/HCM)148取代了传统的变速箱控制模块，并且设计为控制变速箱106以及混合动力模块104的操作。变速箱/混合控制模块148和发动机控制模块146连同逆变器132、能量存储***134和DC-DC转换***140一起沿着如图1中描述的通信线路通信。能量存储模块136可包括用于与变速箱/混合动力控制模块148通信的能量存储模块控制器380(如图3所示)。在一个典型的实施方案中，变速箱/混合动力控制模块(transmission/hybrid control module)148和发动机控制模块146分别包括具有处理器、存储器和输入/输出连接器的计算机。此外，逆变器132、能量存储***134、DC-DC转换器***140和其他车辆子***也可包括具有类似的处理器、存储器和输入/输出连接器的计算机。
为了控制和监测混合动力***100的操作，混合动力***100包括界面150。界面150包括用于选择车辆是否处于驾驶、空挡、倒车等状态中的换档选择器152，以及包括混合动力***100的操作状态的多种指示器156(如检查变速箱、制动压力和空气压力的指示器，这里仅举了几个例子)的仪表板154。
图2显示了可用于混合动力***100中的通信***200的一个实施例的图。虽然显示了一个实施例，但是应当理解地是，在其他实施方案中通信***200可构造为与所显示的不同。通信***200构造为最小地影响车辆的控制***和电***。为了便于对现有的车辆设计进行改装，通信***200包括混合动力数据链路202，混合动力***100的大多数各种部件通过所述混合数据链路进行通信。特别是，混合数据链路202方便了在变速箱/混合动力控制模块148和换档选择器152、逆变器132、能量存储***134、低压***/附件144以及DC-DC转换模块142之间的通信。
在能量存储***134中，能量存储模块数据链路204方便了在多种能量存储模块控制器380之间的通信。但是，可以构思出在其他实施方案中，多种能量存储模块136可经混合动力数据链路202彼此通信。通过将混合动力数据链路202和能量存储模块数据链路204与用在车辆剩余部分中的数据链路分开，混合动力***100的控制/电部件可以容易地关联于车辆而影响最小。在所说明的实施例中，混合数据链路202和能量存储模块数据链路204均具有500比特/秒(kbps)的传输速率，但是可设想地是，在其他实施例中可以其他速率来传递数据。车辆的其他部件通过车辆数据链路206与变速箱/混合动力控制模块148通信。特别是，换档选择器152、发动机控制模块146、仪表板154、防抱死制动***208、整体控制器210、低压***/附件144和服务工具212连接于车辆数据链路206。例如，车辆数据链路206可为250k J1939型的数据链路、500k J1939型的数据链路、通用汽车LAN或PT-CAN型的数据链路，这里仅举了几个例子。所有这些类型的数据链路可为任意的形式，例如金属线、光纤、无线频率和/或其结合，这里仅举了几个例子。
在总体功能方面，变速箱/混合动力控制模块148接收来自能量存储***134和其中的多个能量存储模块136的功率限值、电容、有效电流、电压、温度、荷电状态、状态和风扇速度信息。变速箱/混合动力控制模块148又发出用于连接多个能量存储模块136的指令，以向逆变器132提供电压或由逆变器提供电压。变速箱/混合动力控制模块148从逆变器132接收多个输入，例如发动机/发电机的有效扭矩、扭矩限值、逆变器的电压电流和实际的扭矩速度。基于这些信息，变速箱/混合动力控制模块148控制扭矩速度和冷却***的泵130。变速箱/混合动力控制模块148也会从逆变器132接收高电压总线功率和消耗信息。变速箱/混合动力控制模块148也监测输入电压和电流以及输出电压和电流，连同DC-DC转换***140的单个DC-DC转换模块142的操作状态。变速箱/混合动力控制模块148也与发动机控制模块146通信和接收来自其的信息，并且作为响应而通过发动机控制模块146控制发动机102的扭矩和速度。
图3显示了从逆变器132到能量存储模块136的高电压动力连接的另外的示意图。如所示出的那样，能量存储模块136与并联的高压线350和352相连。在能量存储模块136内，高电压接触器360和362连接在高电压电池364和高压线350及352之间。接触器360和362构造为遵照单个能量存储模块控制器380的指令而连接或断开电池364和逆变器132，所述单个能量存储模块控制器380随后通过混合动力数据链路202与变速箱/混合动力控制模块148进行通信。
图4显示了用于平衡根据一个实施方案的能量存储模块136的荷电状态(SOC)的过程。该过程可通过软件控制而使用***100已有的硬件来实施。该过程也不需要单个能量存储模块136之间的直接的能量传递，从而可避免现有技术中的***所存在的传递损失。该过程从起点400开始，其中，主能量存储模块370内的主能量存储控制器390确定至少一个能量存储模块136相对于其余能量存储模块136具有超过预定的容差的荷电状态的差值(步骤402)。主能量存储模块控制器390与其他能量存储模块控制器380通信，并由此得知其他能量存储模块136的SOC。应理解的是，这种“确定”可基于能量存储模块136之间的差值，每个能量存储模块136和预定的SOC的值之间的差值，或任何其他用于确定能量存储模块136具有不同的荷电状态的方法来进行。
在步骤404中，主能量存储模块控制器390使具有最远离容差的SOC的选定的能量存储模块136(边远模块outlying module)上的接触器360和362闭合，并同时保持其余能量存储模块136内的接触器360和362断开。在其他的实施方案中，可选择具有在期望的容差或阈值之外的荷电状态的多个能量存储模块136，并可同时闭合它们的接触器。
在步骤406中，主能量存储模块控制器390向变速箱/混合动力控制模块148传达所选定的能量存储模块136已准备好进行放电(或充电)，以便使其处于相对于其余能量存储模块的SOC而言的的容差内。
在步骤408中，变速箱/混合动力控制模块148操作多个车辆部件以对所选定的能量存储模块136进行放电(例如驱动车辆、操作车辆附件等)或充电(例如通过再生制动)，直到其达到处于其余的能量存储模块136的容差内的SOC。在一些实施方案中，可在车辆处于操作状态下，使用所选定的能量存储模块控制器380、主能量存储模块控制器390或变速箱/混合动力控制模块148来监测荷电状态，以确保车辆仅以这种方式运行必要的时间。
在步骤410中，选定的能量存储模块136的SOC达到第二个能量存储模块136的SOC，其中，第二个能量存储模块的荷电状态也在其余模块的容差之外(假设初始时发现超过两个模块具有容差之外的SOC)。此时，闭合在第二个能量存储模块136上的接触器360和362，且过程返回到步骤404，其中所选定的两个能量存储模块同时放电(或充电)，直到达到所需的SOC。重复该过程，直到已确定所有的能量存储模块136均具有在期望的容差内的SOC，并且在其余能量存储模块中的接触器已闭合(步骤412)，该过程在步骤414结束。
应理解的是，上述***和方法可用于具有多个能量存储模块的车辆能量存储***及其他非车辆能量存储***中。
尽管已经在附图和前文描述中详细说明和描述了本发明，但是这应被认为是说明性的且相应地是非限制性的，应理解地是，仅显示和描述了优选的实施方案，并且属于由接下来的权利要求所限定的本发明的精神内的改动、等效物和改进均要求得到保护。这里，引用在本说明书中的所有公开、专利和专利申请以引用方式而结合入本发明，就像每个单独的公开、专利或专利申请均特别和单独地通过引用和说明其全部而结合入本发明。

Claims (44)

1.用于使用控制器来平衡混合动力车辆中的多个能量存储模块的荷电状态的方法，包括：
确定对应所述多个能量存储模块中的单个能量存储模块的荷电状态差值，所述能量存储模块具有开关设备，所述开关设备构造成将单个能量存储模块选择性地电连接到混合动力车辆中的电动发电机上，其中荷电状态差值对应于单个能量存储模块的荷电状态之间的差值；以及
确定多个能量存储模块的第一能量存储模块中的至少一个和第二能量存储模块中的至少一个，其中第一能量存储模块具有大于预定容差的对应的荷电状态差值；
利用控制器使用于电连接到电动发电机上的第一能量存储模块的开关设备闭合；
利用控制器使用于电连接到电动发电机上的第二能量存储模块的开关设备闭合；以及
通过使第一能量存储模块放电并且使第二能量存储模块不放电而向电动发电机供电；
其中，能量存储模块控制器与混合动力控制器操作式地通信，以发出所述能量存储模块已经准备好进行充电或放电的信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述第一能量存储模块来供电，直到所述第一能量存储模块的荷电状态处于相对于其余能量存储模块而言的所述容差之内。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
确定所述第一能量存储模块的荷电状态是否已经达到与所述第二能量存储模块大体上相等的水平；以及
使用所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块来操作所述车辆。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，使用所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块来操作所述混合动力车辆，直到所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块的荷电状态处于相对于其余能量存储模块而言的所述容差之内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述车辆操作使至少第一能量存储模块至少部分地放电。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述车辆操作使用存储在至少第一能量存储模块中的能量来协助推进所述车辆。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述车辆操作使第一能量存储模块至少部分地充电。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述车辆操作包括使用在再生制动期间收集的能量来对至少第一能量存储模块进行充电。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在已经使用第一能量存储模块来操作所述车辆后，确定单个能量存储模块的荷电状态；
验证第一能量存储模块的荷电状态是否处于所述容差之内；以及
使用第一能量存储模块以及至少一个额外的能量存储模块来操作所述车辆。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，作为对添加替换的能量存储模块到所述车辆中的响应，自动地执行所述方法。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合动力控制器执行所述车辆操作。
12.根据前述权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，其中使第一和第二能量存储模块的开关设备闭合包括将在第一和第二能量存储模块的至少一个中的车辆动力源和电池之间的至少一个高电压接触器断开或闭合。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在所述能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较低时，执行所述闭合。
14.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将在至少一个其余能量存储模块中的电动发电机和电池之间至少一个高电压接触器断开。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，在第一能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较低时，执行所述断开。
16.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将在能量存储模块的至少一个中的电动发电机和电池之间的至少一个高电压接触器断开。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，在能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较高时，执行所述断开。
18.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将在至少一个其余能量存储模块内的电动发电机与电池之间的至少一个高电压接触器闭合。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，在能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较高时，执行所述闭合。
20.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述至少一个高电压接触器位于第一能量存储模块内。
21.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述车辆动力源为逆变器。
22.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述车辆动力源为电机。
23.用于平衡混合动力车辆中的能量存储模块的荷电状态的***，包括：
多个能量存储模块，所述能量存储模块适于存储电能及向混合动力电动车提供电能，所述能量存储模块包括能量存储模块控制器；
车辆动力源，所述车辆动力源与所述能量存储模块操作式相连；以及
混合动力控制器，所述混合动力控制器与所述能量存储模块操作式相连；
其中，所述混合动力控制器构造为确定对应所述多个能量存储模块中的单个能量存储模块的荷电状态差值，其中荷电状态差值表示对应于单个能量存储模块的荷电状态之间的差值；
确定多个能量存储模块的至少一个第一能量存储模块和至少一个第二能量存储模块，其中第一能量存储模块具有大于预定容差的对应的荷电状态差值；
命令对应第一能量存储模块的开关设备使得电动发电机电连接到第一能量存储模块上；
命令对应第二能量存储模块的开关设备使得电动发电机从第二能量存储模块上电断开；
其中，能量存储模块控制器与混合动力控制器操作式地通信，以发出能量存储模块已经准备好进行充电或放电的信号。
24.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为使用第一能量存储模块来操作所述混合动力车辆，直到所述第一能量存储模块的荷电状态处于相对于其余能量存储模块而言的所述容差之内。
25.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为：
确定第一能量存储模块的荷电状态是否已经达到与第二能量存储模块中的至少一个大体上相等的水平；并且
使用所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块来操作所述车辆。
26.根据权利要求25所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为使用所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块来操作所述混合动力车辆，直到所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块的荷电状态处于相对于其余能量存储模块而言的所述容差之内。
27.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述车辆操作使第一能量存储模块至少部分地放电。
28.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述车辆操作使用存储在能量存储模块中的能量来协助推进所述车辆。
29.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述车辆操作使能量存储模块的至少一个至少部分地充电。
30.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述车辆操作包括使用在再生制动期间收集到的能量来对能量存储模块的至少一个进行充电。
31.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为：
在已经使用第一能量存储模块来操作所述车辆后，确定单个能量存储模块的荷电状态；
验证所述能量存储模块的荷电状态是否处于所述容差之内；并且
使用第一能量存储模块以及至少一个额外的能量存储模块来操作所述车辆。
32.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为作为对添加替换的能量存储模块到所述车辆中的响应而执行所述车辆操作。
33.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器执行所述车辆操作。
34.根据权利要求24或25所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为：
将在能量存储模块的至少一个中的车辆动力源与电池之间的至少一个高电压接触器闭合。
35.根据权利要求34所述的***，其特征在于，在能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较低时，执行所述闭合。
36.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为：
将在至少一个其余能量存储模块中的车辆动力源与电池之间的至少一个高电压接触器断开。
37.根据权利要求36所述的***，其特征在于，在能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较低时，执行所述断开。
38.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为：
将在能量存储模块的至少一个中的车辆动力源和电池之间的至少一个高电压接触器断开。
39.根据权利要求38所述的***，其特征在于，在能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较大时，执行所述断开。
40.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述混合动力控制器还构造为：
将在至少一个其余能量存储模块中的车辆动力源与电池之间的至少一个高电压接触器闭合。
41.根据权利要求40所述的***，其特征在于，在能量存储模块的至少一个的SOC相对于其余能量存储模块而言较高时，执行所述闭合。
42.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述至少一个高电压接触器位于能量存储模块的至少一个内。
43.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述车辆动力源是逆变器。
44.根据权利要求23所述的***，其特征在于，所述车辆动力源是电机。
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