电池电动车辆能量存储系统和方法与流程

1.本技术涉及电动车辆领域，具体涉及电池电动车辆能量存储系统和方法。


背景技术：

2.电池电动车辆(bev)可以包括可充电能量存储系统(ress)，该系统包括至少一个高压(hv)dc电池模块，例如具有大约400伏的标称端电压。ress可包括多个dc电池模块。在车辆推进期间，可以并联配置多个hv dc电池模块。在充电期间，可以串联配置多个hv dc电池模块。hv dc电池模块主要服务于车辆推进系统部件，如牵引电机。某些高功率车辆附件载荷，例如电动空调压缩机或车厢加热器，可由hv dc电池模块提供服务。
3.bev可包括至少一个低压(lv)dc辅助电池，例如具有约12伏的标称端电压。lv dc辅助电池可以在显著低于hv dc电池模块电压的电压下为车辆载荷提供服务。这类车辆载荷可以包括例如车辆照明、信息娱乐、辅助电机、电阻或正温度系数的加热载荷，例如玻璃除霜器/除冰器或座椅加热器，以及控制电子设备。


技术实现要素：

4.在一个示例性实施例中，一种用于重新配置具有多个hv dc电池模块的能量存储系统的方法可以包括：预处理lv dc辅助电池，包括针对相应目标建立至少一个预定电池参数；在能量存储系统的重新配置期间，将lv dc辅助电池与所有hv dc电池模块隔离；以及在能量存储系统的重新配置期间，用lv dc电池为预定电载荷提供电力服务。
5.除了这里描述的一个或多个特征之外，能量存储系统的重新配置可以包括建立hv dc电池模块的串联布置。
6.除了这里描述的一个或多个特征之外，能量存储系统的重新配置可以包括建立hv dc电池模块的并联布置。
7.除了这里描述的一个或多个特征之外，能量存储系统的重新配置可以包括将lv dc辅助电池与hv dc电池模块之一隔离，并且随后将lv dc辅助电池联接到hv dc电池模块中的另一个。
8.除了这里描述的一个或多个特征之外，所述至少一个预定电池参数可以包括电池温度。
9.除了这里描述的一个或多个特征之外，所述至少一个预定电池参数可以包括电池荷电状态。
10.除了这里描述的一个或多个特征之外，预处理lv dc辅助电池可以包括使电流流过lv dc辅助电池。
11.在另一个示例性实施例中，一种用于操作具有多个hv dc电池模块的能量存储系统的方法，其可以包括：为可充电电池能量存储系统执行直流充电例程，该充电例程包括在充电例程期间从多种配置中选择性地重新配置所述可充电电池能量存储系统。在可充电电池能量存储系统的初始重新配置之前，电流可以流过lv dc辅助电池，以建立lv dc辅助电
池的预定放电准备状态。在可充电电池能量存储系统的任何重新配置期间，lv dc辅助电池可以与所有hv dc电池模块隔离，并为预定的电载荷提供电力服务。
12.除了这里描述的一个或多个特征之外，所述充电例程期间的多种配置可以包括hv dc电池模块的串联布置和hv dc电池模块的并联布置。重新配置可充电电池能量存储系统可以包括从hv dc电池模块的并联布置和串联布置之一切换到hv dc电池模块的并联布置和串联布置中的另一个。
13.除了这里描述的一个或多个特征之外，所述充电例程期间的多种配置可以包括hv dc电池模块的串联布置和hv dc电池模块的并联布置。重新配置可充电电池能量存储系统可以包括将lv dc辅助电池与hv dc电池模块中的一个分离，并联接至hv dc电池模块中的另一个，同时hv dc电池模块保持串联布置。
14.除了这里描述的一个或多个特征之外，使电流流过lv dc辅助电池以建立lv dc辅助电池的预定放电准备状态可以包括，在通过lv dc辅助电池的充电和放电电流之间交替。
15.除了这里描述的一个或多个特征之外，通过lv dc电池的放电电流可以包括服务于车辆附件载荷的放电电流。
16.除了这里描述的一个或多个特征之外，通过lv dc电池的放电电流可以包括为至少一个hv dc电池模块服务的放电电流。
17.在又一个示例性实施例中，电池电动车辆可以包括控制器；可充电推进电池能量存储系统，包括多个具有第一标称端电压的hv dc电池模块；可充电lv dc辅助电池，具有第二标称端电压；dc
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dc切换器；电池断开模块，其包括多个可选择性地控制的开关，所述开关能够响应于来自所述控制器的控制信号而被配置，以在多种配置中选择性地切换所述可充电hv电池能量存储系统，所述多种配置包括所述hv dc电池模块的串联布置、所述hv dc电池模块的并联布置、通过dc
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dc切换器在所述hv dc电池模块和所述可充电lv dc辅助电池之间的联接布置、以及所述hv dc电池模块和所述可充电lv dc辅助电池之间的分离布置。所述控制器被配置为：使电流流过所述可充电lv dc辅助电池，以在所述可充电hv电池能量存储系统在所述多种配置之间进行切换之前，建立所述可充电lv dc辅助电池的预定放电准备状态；在所述可充电hv电池能量存储系统在所述多种配置之间进行切换期间，建立hv dc电池模块和所述可充电lv dc辅助电池之间的分离布置；以及，在所述可充电hv电池能量存储系统在所述多种配置之间进行切换之间，通过dc
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dc切换器建立hv dc电池模块和所述可充电lv dc辅助电池之间的联接布置。
18.除了这里描述的一个或多个特征之外，在可充电hv电池能量存储系统在多种配置之间的切换期间，可充电lv dc辅助电池服务于电载荷。
19.除了这里描述的一个或多个特征之外，控制器可以被配置为使电流流过可充电lv dc辅助电池，以在可充电hv电池能量存储系统在多种配置之间切换之前，建立可充电lv dc辅助电池的预定放电准备状态，其可以包括在通过可充电lv dc辅助电池的充电和放电电流之间进行交替。
20.除了这里描述的一个或多个特征之外，通过可充电lv dc辅助电池的充电和放电电流之间的交替可以包括，释放服务于车辆附件载荷的通过可充电lv dc辅助电池的电流。
21.除了这里描述的一个或多个特征之外，通过可充电lv dc辅助电池的充电和放电电流之间的交替可以包括，释放通过可充电lv dc辅助电池电流，用于服务至少一个hv dc
电池模块。
22.除了这里描述的一个或多个特征之外，在多种配置中选择性地切换可充电hv电池能量存储系统可以包括从hv dc电池模块的并联和串联布置之一切换到hv dc电池模块的并联和串联布置中的另一个。
23.除了本文所述的一个或多个特征之外，在多种配置中选择性地切换可充电hv电池能量存储系统可以包括将可充电lv dc辅助电池与hv dc电池模块中的一个分离，并联接至hv dc电池模块中的另一个，同时hv dc电池模块保持串联布置。
24.当结合附图时，根据以下详细描述，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
25.其他特征、优点和细节仅作为示例在以下详细描述中呈现，该详细描述参考附图，其中：
26.图1示出了根据本公开的示例性电池电动车辆；
27.图2示出了根据本发明的示例性12伏铅酸电池在各种载荷和温度/条件组合下的电池端电压图；
28.图3示出了根据本公开的示例性充电例程。
具体实施方式
29.以下描述本质上仅仅是示例性的，并不旨在限制本公开、其应用或使用。在所有附图中，相应的附图标记表示相似或相应的部件和特征。如本文所用，控制模块、模块、控制器、控制部、控制单元、电子控制单元、处理器和类似术语是指以下各项的一种或多种组合：一个或多个专用集成电路(asic)、电子电路、中央处理单元(优选为微处理器)和相关的存储器和存储装置(只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、电可编程只读存储器(eprom)、硬盘驱动器等))、或执行一个或多个软件或固件程序或例程的微控制器、组合逻辑电路、输入/输出电路和设备(i/o)、适当的信号调节和缓冲电路、高速时钟、模数(a/d)和数模(d/a)电路以及提供所述功能的其他组件。控制模块可以包括各种通信接口，包括点到点或离散线以及到网络的有线或无线接口，所述网络包括广域网和局域网、车辆控制器局域网以及厂内和服务相关网络。本公开中阐述的控制模块的功能可以在几个网络控制模块之间的分布式控制架构中执行。软件、固件、程序、指令、例程、代码、算法和类似术语表示任何控制器可执行的指令集，包括校准、数据结构和查找表。控制模块具有一组被执行来提供所述功能的控制例程。例程例如由中央处理单元执行，并且可操作来监控来自感测设备和其他网络控制模块的输入，并且执行控制和诊断例程来控制致动器的操作。在正在进行的发动机和车辆运行期间，可以定期执行例程。可选地，例程可以响应于事件的发生、软件调用或者经由用户界面输入或请求的需求而被执行。
30.参考图1，示例性的电池电动车辆(bev)8具有控制系统，该控制系统可以包括至少一个控制模块(cm)10，该控制模块可以是多个联网的控制模块和包括传感器、致动器和其他智能组件的其他网络节点中的一个，所有这些可以经由总线结构40通信联接，以执行控制功能和信息共享，包括在本地或以分布式方式执行控制例程。因此，总线结构40可以包括
诸如辅助电源模块(apm)12、低压载荷14、电池断开模块(bdm)16、高压载荷18和功率逆变器模块(pim)20的其他节点，所有这些都将在本文中进一步详细讨论。控制模块10可以包括处理器p和非暂时性存储器m。总线结构40可以是控制器局域网(can)或其他类似网络的一部分，如本领域普通技术人员所熟知的。一个示例性控制模块可包括推进系统控制模块，其主要执行与车辆动力总成功能相关的功能，包括控制车轮扭矩和充电。本领域普通技术人员认识到，多个其他控制模块可以是bev 8上的控制器网络的一部分，并且可以执行与各种其他车辆系统(例如，底盘、转向、制动、通信、信息娱乐等)相关的其他功能。
31.bev 8可以包括高压可充电能量存储系统(hv ress)24。hv ress 24可以包括若干个hv dc电池模块30。所有的hv dc电池模块30可以具有相等的设计端电压，例如标称400伏。在车辆推进操作期间，hv dc电池模块30可被并联配置，以向高压总线44提供hv端电压。hv dc电池模块30的数量可以针对特定应用定制；然而，应该理解的是，至少两个hv dc电池模块30将允许至少两个hv dc电池模块30的串联重新配置，以使得hv dc电池模块30能够通过非车载dc快速充电(dcfc)站28以标称端电压的大致两倍，例如标称800伏，对串联配置进行dc快速充电。dcfc站28还可以在hv dc电池模块30的设计端电压下，例如标称400伏，提供dc充电。dcfc站28通过充电端口(未单独示出)手动联接到车辆8。
32.高压总线(hv总线)44提供hv dc，例如400伏，以服务高压载荷18，包括bev 8车厢加热器和bev电动空调压缩机。高压总线44还向一个或多个pim 20提供hv dc，以向相应的电力牵引电机(m
e
)22提供多相交流电力。
33.bev 8可以包括低压可充电能量存储系统(lv ress)26。lv ress 26可以包括若干个lv dc辅助电池34。所有lv dc辅助电池34可以具有相等的设计端电压，例如标称12伏。在车辆推进操作期间，lv dc辅助电池34可被并联配置以向低压总线42提供低压端电压。lv dc辅助电池34的数量可以针对特定应用定制；然而，应该理解的是，至少一个lv dc辅助电池34将能够实现本文所述的某些基本功能。这里阐述的各种附加功能是通过若干个这样的lv dc辅助电池34实现的。
34.低压总线(lv总线)42提供lv dc，例如12伏，以服务于低压载荷14，包括bev 8照明、信息娱乐、辅助电机、电阻或ptc加热载荷，例如玻璃除霜器/除冰器或座椅加热器，以及控制电子设备。
35.bdu 16可以包括多个独立可控的机械开关或固态开关(接触器)，用于打开和关闭各种电路，以用于可控地联接和分离电子组件和电路，并且以受控的定时或顺序来这样做，以实现电子组件和电路之间的各种重新配置。bdu 16可被控制以选择性地将lv ress 26、hv ress 24、lv总线42、jv总线44、dcfc 28和apm 12彼此隔离。可以控制bdu 16来隔离hv ress24的单个hv dc电池模块30，或者隔离lv ress 26的单个lv dc辅助电池34。可以控制bdu 16将hv ress 24的一些或全部hv dc电池模块30配置为并联配置，或者将hv ress 24的一些或全部hv dc电池模块30配置成串联配置。同样，可以控制bdu 16将lv ress 26的一些或全部lvdc辅助电池34配置成并联配置，或者将lv ress 26的一些或全部lv dc辅助电池34配置成串联配置。bdu 16可被控制以经由apm 12将lv ress 26的单个lvlv dc辅助电池34或其并联和串联组合联接到hv ress 24的单个hv dc电池模块30或其并联和串联组合。bdu 16可被控制以经由apm 12将lv ress 26的单独的lv dc辅助电池34彼此联接。可以控制bdu 16将dcfc 28联接到hv ress 24的单个hv dc电池模块30或它们的并联和串联组
合。bdu 16在图1中被示为图中的独立功能块；然而，在一些应用中，bdu 16的接触器可以集成到一个或多个可控单元中，或者在部件或子系统内在物理和功能上以不同方式分布，例如，在hv ress 24或lv ress 26硬件封装内，或者与单独的hv dc电池模块30或lv dc辅助电池34相关联。
36.apm 12可以是dc
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dc切换器，其功能是将hv dc电池模块30的设计端电压(例如标称400伏)降压至lv dc辅助电池34的设计端电压(例如标称12伏)。apm 12可以是双向dc
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dc切换器，其另外用于将lv dc辅助电池34的设计端电压(例如标称12伏)升高到hv dc电池模块30的设计端电压(例如标称400伏)。此外，apm 12可以是dc
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dc切换器，其附加地用于在lv dc辅助电池34之间穿梭充电。应当理解，apm 12可以可控地提供lv ress 26/lv总线42与hv ress 24/hv总线44的隔离。
37.在车辆没有联接到dcfc站28的bev 8运行期间，hv dc电池模块30可以并联配置并通过bdu 16联接到hv总线44。在hv ress 24的再充电期间，hv ress 24的hv dc电池模块30可以串联配置。例如，在能够以基本上两倍于单个hv dc电池模块30的标称端电压dcfc的系统中，并且进一步在具有仅包括两个hv dc电池模块30的hv ress 24的系统中，充电例程可以在大部分充电时间内串联配置两个hv dc电池模块30。在具有三个hv dc电池模块30的系统中，并且其中dcfc能力被限制为基本上是单个hv dc电池模块30的标称端电压的两倍，充电例程可以将三个hv dc电池模块30中的两个串联配置一段时间，而第三个备用，每个hv dc电池模块30旋转进入和退出串联配置。在具有四个hv dc电池模块30的系统中，充电例程可以配置成对的hv dc电池模块30串联，每对串联配置的hv dc电池模块30旋转进入和退出活性充电。应当理解，对于任何偶数个hv dc电池模块30，多个串联配置的hv dc电池模块30对本身可以并联配置，以基本上两倍于单个hv dc电池模块30的标称端电压充电。还应当理解，对于任何奇数个hv dc电池模块30，多个串联配置的hv dc电池模块30对本身可以并联配置，以基本上两倍于单个hv dc电池模块30的标称端电压充电，剩余的不成对的hv dc电池模块30备用，每个hv dc电池模块30旋转进入和脱离串联配置。hv dc电池模块30的这种处理可以推延至hv dc电池模块30的标称端电压的倍数的dcfc能力，hv dc电池模块30的串联配置与该倍数一致。充电例程还可以包括hv dc电池模块30的周期性并联配置，例如为了实现充电平衡目标。此外，在dcfc期间，hv dc电池模块30可被串联配置，apm 12可跨接hv dc电池模块30之一，以满足包括lv载荷14的lv总线42的dc要求。为了更好地保持串联配置的hv dc电池模块30之间的充电平衡，在这种充电例程期间，apm 12可以在hv dc电池模块30的不同模块之间周期性地重新配置。
38.不管充电例程的细节如何，可以认识到，hv dc电池模块30和apm的配置可发生周期性变化。这种重新配置可能需要暂时但显著的切换时间，其中lv ress 26的lv dc辅助电池34或apm与hv dc电池模块30隔离或分离。因此，在进行这些切换期间，lv dc辅助电池34必须为lv总线42的载荷14服务，其通常由apm处理。由于控制模块是lv总线42上的载荷，包括管理包括充电例程和重新配置控制的ress控制的控制模块10，期望lv dc辅助电池34能够通过这种重新配置切换来服务lv载荷14。
39.图2示出了示例性12伏铅酸电池在各种载荷和温度/条件组合下的电池端电压图。图2仅代表根据本公开内容的用于说明某些效果和益处的某些示例性条件。例如，标记为“热”的电池温度可对应于对电池性能优选的最小目标温度，标记为“冷”的电池温度可对应
于使用中可能遇到的最小温度条件。同样，标记为“新”的电池寿命可对应于新的、未循环的电池，标记为“旧”的电池寿命可对应于由例如其原始容量的80％确定的接近其使用寿命的电池。例如，众所周知，典型的铅酸电池可以在30℃下提供基本上100％的可用容量，而相同的铅酸电池在
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30℃下可以中等放电速率提供基本上50％的可用容量。此外，随着温度的下降，电池端电压也会下降。非常低的温度可能导致不可接受的低端电压。众所周知，由于腐蚀、脱落和硫酸盐化等原因，电池老化或循环也会影响电池性能。因此，旧电池的端电压也可能比新电池的端电压低。这些趋势在图2中电池端电压的图示中得到理解。
40.例如，当铅酸电池的端电压基本上高于10伏时，根据本公开，铅酸电池可被认为适合用于服务于低压载荷。因此，从图2中电池端电压的图示可以理解，线203区分了线上方的可接受端电压和线下方的不可接受端电压。因此，在相应的温度/条件组合下，对应于线203之上的端电压的低压载荷被认为是可由电池服务的，而对应于线203之下的端电压的低压载荷被认为是不可由电池服务的。线201通常描绘了在重新配置切换期间的最大峰值lv载荷。这种最大可服务峰值lv载荷可以是任意的，或者可以是控制系统允许的设计最大值，例如通过在重新配置切换期间的主动载荷管理。无论如何，它旨在代表bev的实际预期lv载荷，而不是任意衰减的载荷。应当理解，除了冷/旧组合之外，最大峰值lv载荷201可以由所有电池温度/条件组合充分服务。因此，可以理解，根据本公开，通过对电池的温度进行操纵，即使是旧电池也可以被调节以在重新配置切换期间充分地服务lv载荷。
41.因此，可能希望在重新配置切换之前预处理lv ress 26的lv dc辅助电池34中的至少一个，以确保在这种重新配置切换期间lv ress 26可以单独充分地服务lv载荷14。本文中关于预处理的进一步参考将针对单个lv dc辅助电池34，但是本领域技术人员将理解，多个这样的lv dc辅助电池34可以根据本公开的特定应用进行类似地预处理。虽然温度是在此使用的与lv ress 26充分服务于lv载荷14的重新配置切换的能力相关的度量，但是其他度量也可以类似地相关。此外，附加的参数在lv ress 26的lv dc辅助电池34的预处理中可能是有用的，例如荷电状态(soc)。因此，lv ress 26的lv dc辅助电池34的预处理可包括以下一个或多个：确保最低温度条件，以及确保最低soc，以在初始重新配置切换的预期中建立预定的放电准备状态。
42.lv ress 26的lv dc辅助电池34的预处理优选包括使电流流过lv dc电池34。lv dc辅助电池34的内阻因此可以为lv dc辅助电池34的电阻加热提供便利的机制。典型的铅酸电池的热容量基本上为500至700焦耳/千克/摄氏度，内阻基本上为5至50mω。在15ah电池(基本上为6千克)中，温度从大约
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30℃到0℃的示例性升高需要大约90kj到大约12.6kj的能量。大致192安培的电流将提供大致约185至约1850瓦的功率和大致约6至约60秒的加热时间。
43.通常，放电电流可能优于充电电流，因为在导致不可接受的高的端电压和电池内部相关的有害位置反应之前，充电电流的幅度可能更有限。然而，应当理解，单独的放电电流可能导致不期望的低电池soc，这可能导致电池容量不足以在重新配置切换期内为lv载荷14服务，或者电池损坏深度放电水平。因此，应当理解，放电电流和充电电流都可以流过电池，以实现lc dc辅助电池34的温度目标和soc目标。放电电流可以通过lv载荷14耗散，例如在此之前阐述的那些。当需要由这种载荷实现的功能时，这种放电可能是优选的。例如，在dcfc期间，可能希望加热车辆座椅或加热车辆玻璃以除霜/除冰。然而，应当理解，耗散的
电流可能代表浪费的能量。因此，还应当理解，流过lv dc辅助电池34的放电电流可以被重新捕获到hv ress 24的hv dc电池模块30中，进入lv ress 26的其他lv dc辅助电池34中，或者进入诸如电容器的其他电存储设备中。
44.图3示出了用于bev 8的hv ress 24的示例性充电例程300。该例程可以表示存储在非暂时性存储器中并由图1中的控制模块10的处理器执行的指令集。例程300开始于301。在303处，确定是否要实施充电。例如，可以确定充电条件，包括充电端口与充电站28的成功连接以及操作员或自动的批准。一旦允许充电，在307处确定是否要对hv ress 24进行重新配置。例如，如果dcfc可通过充电站28获得，则可能需要hv dc电池模块30从并联到串联的初始重新配置。在需要重新配置的情况下，在309处确定lv ress 26是否准备好。换句话说，lv dc辅助电池34是否处于放电准备的可接受状态，以在期望的重新配置切换期间服务于预期的lv载荷。这可以包括温度、soc和本文前面讨论的其他确定。在lv dc辅助电池34不处于可接受的放电准备状态的情况下，在315处实施预处理lv dc辅助电池34的步骤，包括例如使电流流过lv dc辅助电池34以实现温度变化和soc变化。从这里开始，在309处重新评估lv ress 26准备状态，并且重复准备状态确定309和预处理315的过程，直到准备状态被确定。在lv dc辅助电池34处于309处所确定的可接受的放电准备状态的情况下，在313处实现对hv ress 24的重新配置。在313处的重新配置可包括多个子步骤和功能，包括例如，从lv dc辅助电池34分离或隔离lv ress 26和服务lv低压，分离或隔离hv ress 24，从如前所述的多种配置中重新配置hv dc电池模块30，以及重新配置apm与串联连接的hv dc电池模块30的联接。在313处重新配置之后，在311处确定充电是否完成。如果充电完成，则例程在317处退出。在充电未完成的情况下，根据充电例程在305继续充电。在305处的继续充电在307处重新考虑是否需要重新配置的决定。在主动充电期间，307处的决定可以另外包括，例如，确定是否重新配置apm以联接到替代的hv dc电池模块30，确定是否出于充电平衡的原因重新配置，以及确定是否将hv dc电池模块30重新配置成并联布置以结束充电例程。在最终重新配置之后，该最终重新配置在结束充电例程之前或在配置内正在进行的充电期间，在307处的决定转到311，以确定充电例程是继续305还是结束317。
45.除非明确描述为“直接的”，否则当在上述公开中描述第一和第二元件之间的关系时，该关系可以是在第一和第二元件之间不存在其他介入元件的直接关系，也可以是在第一和第二元件之间存在一个或多个介入元件(在空间上或功能上)的间接关系。
46.应当理解，方法中的一个或多个步骤可以以不同的顺序(或同时)执行，而不改变本公开的原理。此外，尽管每个实施例在上面被描述为具有某些特征，但是关于本公开的任何实施例描述的那些特征中的任何一个或多个可以在任何其他实施例中实现和/或与任何其他实施例的特征相结合，即使该结合没有被明确描述。换句话说，所描述的实施例不是相互排斥的，并且一个或多个实施例彼此的置换仍在本公开的范围内。
47.虽然已经参考示例性实施例描述了上述公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应本公开的教导。因此，本公开的意图不限于所公开的特定实施例，而是将包括落入其范围内的所有实施例。