用于轻度混合动力系统的电池-超级电容器混合能量储存系统架构的制作方法

用于轻度混合动力系统的电池
‑
超级电容器混合能量储存系统架构
1.相关申请
2.本技术要求于2019年4月15日提交的标题为“用于轻度混合动力系统的电池
‑
超级电容器混合能量储存系统架构”的美国临时申请序列号62/833,823的优先权，该申请的全部内容明确以引用方式并入本文中。
3.政府支持条款
4.根据doe授权的de
‑
ee0007761，本发明是在政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
5.本公开总体上涉及混合能量储存系统架构，并且更具体地，涉及用于轻度混合动力系应用的hess架构，该hess架构采用电池和超级电容器专用的预充电电路和主接触器。


背景技术：

6.低压(例如，48伏)轻度混合动力系系统是商用车辆感兴趣的，因为它们是相对低成本的并提供合理水平的燃料节省从而得到有吸引力的投资回报。某些轻度混合动力系系统采用包括电池和超级电容器(“uc”)的混合能量储存系统(“hess”)。有时被称为超级电容器的uc是具有较低压限制的高容量电容器，高容量电容器填补了电解电容器和可再充电电池之间的空白。这样的uc可通过吸收快速电压和/或电流瞬变和非常快速地释放功率(但与通常具有更大数量级的能量储存容量的电池相比，以低能量释放功率)来减少hess的电池上的负载。uc基本上平滑了电池的循环过渡，因此可改善电池的热行为和寿命。uc可以可靠地支持发动机起动功能，但不能本身支持具有目标水平的再生能量回收的轻度混合功能。需要包括诸如锂离子电池这样的电池的能量储存系统来实现轻度混合价值。
7.对利用48v发动机起动器电机的兴趣和完全依赖于用于发动机起动的锂离子电池的感知风险造成一些制造商添加uc，由此配置hess。电池和uc的互连方面引入了成本与功能上的折衷，并可基于应用场景和设计要求进行优化。到目前为止，采用hess的动力系系统要么将操作灵活性限制于不足以满足中型或重型商用车辆应用的水平，要么要求使用添加的部件从而增加了满足所期望操作要求的hess的成本和复杂性。因此，低成本、高可靠、高性能的hess架构对于诸如用于商用车辆的轻度混合应用来说是需要的。


技术实现要素：

8.根据一个实施方式，本公开提供了一种轻度混合能量储存系统架构，所述轻度混合能量储存系统架构包括：电池；超级电容器，其与所述电池并联连接；无源电池预充电电路，其连接在所述电池的端子和dc总线之间；电池主接触器，其与所述电池预充电电路并联地连接在所述电池的端子和所述dc总线之间；无源超级电容器预充电电路，其连接在所述超级电容器的端子和所述dc总线之间；超级电容器主接触器，其与所述超级电容器预充电
电路并联地连接在所述超级电容器的端子和所述dc总线之间；以及控制模块，其被配置为独立地控制所述电池预充电电路、所述电池主接触器、所述超级电容器预充电电路和所述超级电容器主接触器的操作。在该实施方式的一方面，所述电池包括至少一个锂离子电池。在另一方面，所述无源电池预充电电路包括连接在所述电池的端子和预充电开关的输入端之间的电阻器，所述预充电开关的输出端连接到所述dc总线。在又一方面，所述无源超级电容器预充电电路包括连接在所述超级电容器的端子和预充电开关的输入端之间的电阻器，所述预充电开关的输出端连接到所述dc总线。在该实施方式的其他方面，所述电池的端子是正极端子并且所述超级电容器的端子是正极端子。另一方面还包括第一电压传感器，所述第一电压传感器被配置为将超级电容器电压测量值提供给所述控制模块。该方面的变形形式还包括第二电压传感器，所述第二电压传感器被配置为将dc总线电压测量值提供给所述控制模块。另一变形形式还包括第三电压传感器，所述第三电压传感器被配置为将电池电压测量值提供给所述控制模块。在该实施方式的另一方面，所述控制模块还被配置为：通过闭合所述无源电池预充电电路的电池预充电开关以对所述dc总线进行预充电，对所述超级电容器的电压近似为零作出响应；在对所述dc总线进行预充电之后，启动发动机起动器以起动发动机；以及在启动所述发动机起动器之后，闭合所述无源超级电容器预充电电路的超级电容器预充电开关，以对所述超级电容器进行充电。在该方面的变形形式中，所述控制模块还被配置为：关闭所述发动机；以及在关闭所述发动机之后，打开所述超级电容器预充电开关和所述超级电容器主接触器，以隔离所述超级电容器。在另一变形形式中，所述控制模块还被配置为：通过闭合所述超级电容器预充电开关并闭合所述超级电容器主接触器，之后闭合所述电池预充电开关，对所述电压超过预定阈值电压作出响应。在又一变形形式中，所述控制模块还被配置为：通过闭合所述超级电容器预充电开关、闭合所述超级电容器主接触器并大致同时地闭合所述电池预充电开关，对所述电压高于预定阈值电压作出响应。
9.在另一实施方式中，本公开提供了一种用于控制轻度混合系统中的发动机的方法，所述方法包括：感测超级电容器的电压；通过闭合连接在电池的端子和dc总线之间的无源电池预充电电路的电池预充电开关以对所述dc总线进行预充电，对所述电压近似为零作出响应，其中，所述dc总线联接到发动机起动器；在对所述dc总线进行预充电之后，启动所述发动机起动器以起动所述发动机；以及在启动所述发动机起动器之后，闭合连接在所述超级电容器的端子和所述dc总线之间的无源超级电容器预充电电路的超级电容器预充电开关，以对所述超级电容器进行充电。该实施方式的一方面还包括：关闭所述发动机；以及在关闭所述发动机之后，打开所述超级电容器预充电开关和与所述无源超级电容器预充电电路并联连接的主接触器，以隔离所述超级电容器。另一方面还包括：通过闭合所述超级电容器预充电开关并闭合与所述无源超级电容器预充电电路并联连接的主接触器，之后闭合所述电池预充电开关，对所述电压高于预定阈值电压作出响应。又一方面还包括：通过闭合所述超级电容器预充电开关、闭合与所述无源超级电容器预充电电路并联连接的主接触器并大致同时地闭合所述电池预充电开关，对所述电压高于预定阈值电压作出响应。
附图说明
10.通过参考以下结合附图对本发明的实施方式的描述，本公开的以上提到的和其他
的特征和优点及其实现方式将变得更清楚并且本发明本身将被更好地理解，其中:
11.图1是现有技术的hess架构的示意图；
12.图2是另一现有技术的hess架构的示意图；
13.图3是另一现有技术的hess架构的示意图；
14.图4是另一现有技术的hess架构的示意图；
15.图5是根据本公开的一个实施方式的hess架构的示意图；以及
16.图6是例示了相对于某些性能属性对各种hess架构进行比较的表。
17.贯穿多个视图，对应的附图标记指示对应的部分。本文中阐述的示例例示了本公开的示例性实施方式，并且这种示例将不被解释为以任何方式限制本公开的范围。
具体实施方式
18.出于促进对本公开原理的理解的目的，现在，参考以下描述的附图中例示的实施方式。本文中公开的示例性实施方式并非旨在是排他性的或者将本公开限于以下详细描述中公开的精确形式。相反，选择和描述这些示例性实施方式，使得本领域的其他技术人员可利用他们的教导。
19.术语“联接”、“被联接”及其变形形式用于既包括其中两个或更多个部件直接物理接触的布置，又包括其中两个或更多个部件彼此不直接接触的布置(例如，部件经由至少第三部件“联接”)，但仍然彼此协作或交互。此外，术语“联接”、“被联接”及其变形形式是指本领域中已知的用于机器零件的任何连接，包括但不限于用螺栓、螺钉、螺纹、磁体、电磁体、粘合剂、摩擦夹、焊缝、卡扣、夹子等进行的连接。
20.在整个本公开和权利要求书中，参考各种部件或特征使用诸如第一和第二这样的数字术语。这样的使用并不旨在表示部件或特征的排序。更确切地，使用数字术语来辅助读者识别被参考的部件或特征，不应该狭义地解释为提供部件或特征的特定顺序。
21.本领域的普通技术人员将认识到，所提供的实施方式可以硬件、软件、固件和/或其组合来实现。根据实施方式的编程代码可以诸如c、c 、html、xtml、java或任何其他可行的高级编程语言或高级编程语言与低级编程语言的组合这样的任何可行的编程语言来实现。
22.现在参照图1，示出了现有技术的无源hess架构10。架构10是电信行业中使用的某些架构的示例，其具有uc与诸如锂离子电池这样的电池的直接并联组合。总体上，架构10包括与串联连接的碳
‑
碳uc 14并联连接的电池12。并联组合连接到降压升压转换器16，降压升压转换器16将dc总线电压输出到与电机20连接的电机驱动器18。在该示例中，uc 14(当被适当确定大小时)供应传输期间所需的突发功率的主要部分(因为其等效串联电阻非常低)，而电池12提供基本上所有的备用功率和储用功率。在架构10中不使用预充电电路，因为它使用了降压升压转换器16。因此，架构10相对复杂且昂贵。
23.图2描绘了具有都与监控模块(“scm”)30通信的uc组24、锂离子电池组26和降压升压转换器28的有源并联连接hess架构22。同样，使用降压升压转换器导致复杂度和成本增加。图3描绘了被配置为双向dc/dc转换器的另一现有技术的hess架构32，该架构具有连接到第一降压升压转换器36的电池34、连接在第一降压升压转换器36和第二降压升压转换器40之间的多个uc 38，第二降压升压转换器40的输出连接到驱动电机44的电机驱动器42。图
4还描绘了被配置为双向dc/dc转换器的现有技术的hess架构46，该架构具有连接到第一转换器50的电池48和连接到第二转换器54的多个uc 52。转换器50、54的正极端子和负极端子连接在一起，以形成提供给驱动电机58的电机驱动器56的dc总线。图3和图4的配置也相对复杂且昂贵。
24.现在参照图5，示出了根据本公开的用于轻度混合动力系应用的混合能量储存系统(“hess”)架构。架构100总体上包括电池102、超级电容器(“uc”)104、dc/dc转换器106、低压电池108、起动器110、电池管理系统(“bms”)112和监控模块(“scm”)114。由于bms 112和scm 114的某些功能可由装置中任一者或二者来执行，因此装置可简称为“控制模块”。架构100还包括与电池102的正极端子联接的主接触器116以及在主接触器116的两端并联连接的预充电电路118。类似地，主接触器120联接到uc 104的正极端子，并且预充电电路122在主接触器120的两端并联连接。预充电电路118包括电阻器124，电阻器124的一侧连接到电池102的正极端子而另一侧连接到预充电开关126的输入端。预充电开关126的输出端连接到主接触器116的输出端，这两个输出端都连接到dc总线的正极端子128。类似地，预充电电路122包括电阻器130，电阻器130的一侧连接到uc 104的正极端子而另一侧连接到预充电开关132的输入端。预充电开关132的输出端连接到主接触器120的输出端，这两个输出端都连接到dc总线的正极端子128。电池102的负极端子和uc 104的负极端子连接到dc总线的负极端子134。如所示出的，dc/dc转换器106连接在正极端子128和负极端子134之间，并被配置为向电池108提供低压(例如，12伏)电力。类似地，起动器110连接在正极端子128和负极端子134之间。正极端子128和负极端子134进而连接到由架构100供电的各种负载。
25.电压传感器136被描绘为联接到电池102的正极端子。电压传感器136可按配置为测量电池102的电压的各种方式中的任一种来实现。电压传感器136将电池电压测量值提供给bms 112。bms 112进而将电池电压测量值提供给scm 114。类似地，电压传感器138被描绘为联接到uc 104的正极端子。电压传感器138也可按配置为测量uc 104的电压的各种方式中的任一种来实现。电压传感器138将uc电压测量值提供给scm 114。另一电压传感器140被描绘为联接到dc总线的正极端子128。电压传感器140也可按配置为测量正极端子128处的电压的各种方式中的任一种来实现。电压传感器140将dc总线电压测量值提供给scm 114。如本文中进一步描述的，scm 114连接到主接触器116、预充电电路118、主接触器120和预充电电路122，如图5中的虚线所指示的。总体上，scm 114使用来自电压传感器136、138和140的电压测量值来控制主接触器116、预充电电路118、主接触器120和预充电电路122的操作。
26.应该理解，一些超级电容器可包括内部电压传感器和通信电路。如果这种超级电容器用作uc 104，则电压传感器138将是不必要的并可被省略。另外，在某些实施方式中，可取消电压传感器140，并可以使用例如dc/dc转换器106或电池108或另一功率转换器/逆变器(图5中未示出)中已存在的电压传感器。此外，超级电容器预充电功能可在scm 114外部在本地控制器内实现，该本地控制器在监控级别上与scm 114通信(例如，响应于连接/断开命令并报告状态)。
27.应该理解，在替代实施方式中，uc 104可直接连接到dc总线的正极端子128(即，将省略主接触器120和预充电电路122)。然而，在这样的实施方式中，将必须等待由电池102对uc 104进行预充电，这例如在发动机起动时出现。在起动时uc 104处于0伏或接近0伏的情形下，电池102进行的预充电会花费许多分钟(例如，20至30分钟)。发动机起动时的该延迟
与架构100的开发期间考虑的设计考虑不一致。架构100被设计为在数秒而非数分钟内提供dc总线预充电和发动机起动功能。
28.在操作中，架构100的scm 114被配置为独立地控制预充电电路118、122和主接触器116、120以实现所期望的性能。例如，在发动机起动时uc 104处于或接近0伏的情形下(如电压传感器138向scm 114提供的uc电压测量值所指示的)，scm 114可以闭合仅预充电开关126(使uc 104与dc总线断开)或闭合预充电开关126和132二者。以这种方式，电池102可快速地对dc总线进行充电，同时推迟uc 104的预充电，uc 104的预充电可能花费了更长的时间段。因此，包括起动器110的连接到dc总线的所有负载可被快速使用(例如，在1或2秒内)。应该理解，如果预充电电路122和主接触器120不存在，则在操作与uc 104并联的任何电容性负载之前，将需要显著的延迟。该延迟将对应于uc 104充电所需的时间。可用电压阈值对scm 114进行编程，以用于确定何时闭合和打开预充电开关126、132和主接触器116、120。
29.还应该从前面进一步理解的是，当发动机关闭时，uc 104和dc总线可以保持非零电压。dc总线不需要断电(因此不需要这样的电路)，因为轻度混合系统是相对低压系统(例如，48伏)，而没有高压安全问题。为了安全起见，可简单地通过bms 112或scam 114断开主接触器116来断开电池102。当命令发动机起动时，bms 112或scm 114可使用传感器138或以其他方式感测uc 104的电压，并且如果感测到的电压高于预定阈值电压(例如，43伏)，bms 112或scm 114可闭合主接触器116并且dc总线可快速达到所期望的操作电压，因为uc 104在发动机关闭期间将dc总线保持在较高的非零电压。
30.架构100还被配置为应对uc 104随时间推移的电压泄漏。已知的是，如果uc 104与dc总线在延长的时间段内保持连接，则uc 104的电压将由于泄漏而缓慢下降。因此，架构100许可scm 114通过在发动机关闭时打开开关132和主接触器120来隔离uc 104，由此在进一步延长的时间段内保持uc 104的操作电压。在下一次发动机起动后，scm 114可在将电池102连接到dc总线之前或在连接电池102的同时，将uc 104连接到dc总线(通过闭合预充电开关132接着闭合主接触器120)。另选地，电池102可首先连接到dc总线，以确保所有预充电电流都被提供给dc总线，从而使得能够快速使用起动器110，而非将预充电电流中的一些用于uc 104的充电。在这种情形下，scm 114将把uc 104保持在断开配置，以使用电池102提供的高电力来支持发动机起动。然而，应该理解，在冷起动条件下，因为在非常冷的天气中由诸如电池102这样的锂离子电池提供的起动电流可能不足，所以scm 114可能必须在起动时连接电池102与uc 104二者。在任何情况下，架构100所支持的dc总线预充电过程与替代系统相比是快速的。
31.图6提供了在许多属性或功能要求方面对各种不同架构进行比较的表。第一列列出了属性或功能要求。第二列示出了如图5中描绘的本公开的架构100的评级。其余的列示出了各种其他现有技术架构的评级。如所示出的，与诸如图1至图4中描绘的有源hess架构这样的较高成本的有源hess架构相比，架构100的成本属于中等。唯电池能量储存系统表现为是低成本的，但这样的系统不适于商用车辆的轻度混合动力系应用。与其他架构(除了唯电池系统)相比，架构100在组装复杂度和控制复杂度方面的评级低。架构还提供了隔离uc 104的能力以减少泄漏并不再需要对uc 104进行预充电，如本文中所述。其他架构提供了如所示出的该特征，但要么成本更高，要么复杂度更高，或二者兼有。架构100还提供了非常快速的dc总线预充电以及发动机起动的高可靠性，这部分是因为隔离uc104的能力。
32.从前述应该清楚的是，根据本公开的架构100被设计为部分地因不再需要专用dc总线放电电路来提供低组件数，这造成成本低且可靠性高。代替专用放电电路(例如，电阻器)，本公开的实施方式利用了已是整个轻度混合系统的一部分的功率逆变器和dc/dc转换器所支持的有源放电机制。
33.虽然本发明已被描述为具有示例性设计，但可在本公开的精神和范围内进一步修改本发明。本技术因此旨在涵盖使用其大体原理的本发明的任何变形形式、使用形式或改变形式。另外，本技术旨在涵盖相对于本发明所属领域和落入随附权利要求书的限制内的已知实践或惯例内的本公开的这些偏离。
34.此外，本文中包含的各种图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或物理联接。应该注意，在实际系统中可存在许多替代或附加的功能关系或物理连接。然而，益处、优点、问题的解决方案以及会造成发生任何益处、优点或解决方案或变得更加显著的任何要素将不被解释为是关键、需要或必要的特征或元件。因此，范围仅受所附权利要求的限制，其中对单数形式的元件的引用并非旨在表示“一个且仅一个”，除非明确地如此陈述，而是“一个或多个”。
35.此外，在权利要求书中使用类似于“a、b或c中的至少一个”的短语的情况下，意图是将该短语解释为意指在实施方式中可存在单单a，在实施方式中可存在单单b，在实施方式中可存在单单c，或者在单个实施方式中可存在元件a、b或c的任何组合；例如，a和b、a和c、b和c或a和b和c。
36.本文中提供了系统、方法和设备。在本文中的具体实施方式中，对“一个实施方式”、“实施方式”、“示例实施方式”等的引用指示所描述的实施方式可包括特定特征、结构或特性，但是每个实施方式可不一定包括特定的特征、结构或特性。此外，这些短语不一定是指同一实施方式。另外，当结合实施方式描述特定特征、结构或特性时，提出在本领域技术人员的常识内实现与其他实施方式(无论是否明确描述)结合的有本公开益处的这种特征、结构或特性。在阅读说明书之后，相关领域的技术人员将明白如何在替代实施方式中实现本公开。
37.此外，不管本公开中的元件、组件或方法步骤是否在权利要求书中明确地叙述，元件、组件或方法步骤都不旨在贡献于公众。本文中的任何权利要求要素都不应根据35u.s.c.
§
112(f)的规定来解释，除非使用短语“用于...的装置”来明确叙述该要素。如本文中使用的，术语“包括”、“包含”或其任何其他变形形式旨在涵盖非排他性包含物，使得包括一系列要素的处理、方法、制品或设备并不仅仅包括这些元件，而是可包括未明确列出或此处理、方法、制品或设备固有的其他要素。