專利名稱：雙模電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及一種電池裝置和一種用于控制能量流的方法。
背景技術(shù)：
能量守恒和能量最佳使用是制造和運行現(xiàn)代車輛和機器主要考慮的問題。用戶對于效率以及以最低可能的成本獲得最大可能輸出的需求越來越高。在成本/輸出平衡方面的考慮包括財務因素和環(huán)境因素。另外，人們需要改善車輛和機器的動力和速度，同時需要提供舒適的和用戶友好的感覺。進一步，發(fā)動機、發(fā)動機和其他設備趨于變得更為緊湊和流線型。有很多已知的方法來處理上面所討論的平滑。舉例而言，隨著對于環(huán)境友好車輛的用戶需求增長以及在碳排放方面的規(guī)定越來越嚴格，混合動力車輛變得越來越流行。如 本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，混合動力車輛使用兩個或多個不同動力源的組合來驅(qū)動車輛或其他動力機器。在機動車輛領(lǐng)域，最常見的混合是混合動力電動車輛(HEV)，其將內(nèi)燃機(ICE)與一個或多個電動機相結(jié)合。取決于任意給定時刻的動力需求，可以米用ICE和電動機中的一個或兩個向車輛的輸出提供動力。連同電動機，提供化學能存儲系統(tǒng)，因此在不使用電動機來為車輛輸出提供動力期間，其能操作為發(fā)電機以在化學能存儲系統(tǒng)中產(chǎn)生并且存儲電荷以供后來使用。已知的化學能存儲系統(tǒng)可以由單一類型的化學單元組成，或者可以包括具有不同化學式表示的單元的任意組合。所有這樣的化學能存儲系統(tǒng)在本文特指為化學“電池”。已知的混合系統(tǒng)中存在問題，這是因為由例如在典型的車輛使用環(huán)節(jié)的再生制動和回收所導致的混合電池系統(tǒng)充電電平的高循環(huán)頻率以及與這些操作相關(guān)聯(lián)的高功率通量加速了電池狀況的劣化，由此限制了系統(tǒng)壽命。因此，傳統(tǒng)混合動力系統(tǒng)的電池通常受到限制。典型地，在已知的混合動力電動車輛的壽命期間，化學電池可能不得不更換兩次。進一步，電池循環(huán)可能受到保護控制系統(tǒng)的限制，該保護控制系統(tǒng)對混合系統(tǒng)中的電源分配和/或充電進行控制。這種保護限制的效果是削弱相應混合系統(tǒng)的CO2減排功效。用于優(yōu)化能量供應以及從所存儲的化學能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)矩(特別是在以ICE為動力的機動車輛中)的另一已知方法是渦輪增壓器和增壓器的使用。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會知道的，渦輪增壓器回收排氣能量以驅(qū)動壓縮機并且增加進口充氣壓力給發(fā)動機。增壓器設備使用引擎?zhèn)鬟f的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動壓縮機，以提高進口充氣壓力。然而，在實際利用中，這兩種設備都有相關(guān)聯(lián)的缺點。作為被動設備的渦輪增壓器僅在具有足夠的排氣流量來驅(qū)動升壓系統(tǒng)時才可操作。相比之下，增壓器是主動設備，因為其通常是曲柄傳動，并且因此不像渦輪增壓器那樣受到這些操作限制。然而，增壓器確實引入了引擎能量的寄生損耗，由此，從減少燃料消耗方面來說，減少了其整體功效。作為機動車輛應用的目標，用戶舒適度和感受的一個方面是由手自一體變速器車輛上的變速事件引起的“轉(zhuǎn)矩中斷”感覺。同時這種變速器類型是非常有效率的，變速期間的這種轉(zhuǎn)矩中斷感覺包括用戶的換擋舒適度和駕駛性能。根據(jù)已知的方法，在手自一體變速器的換擋中斷期間，電動機可以用于滿足轉(zhuǎn)矩要求，以改善用戶的駕駛平滑度。然而，為了向這樣的電動機提供動力，在車輛內(nèi)需要額外的能量供應，并且進一步，在電能和動能之間能量轉(zhuǎn)換階段，能量損耗不可避免。雙離合器和自動變速器限制了變速期間的轉(zhuǎn)矩中斷，然而，由于在向驅(qū)動系統(tǒng)提供動力時相關(guān)聯(lián)的損耗，與手自一體變速器相比，這些變速器類型較為昂貴和/或本質(zhì)上效率較低。如上文所討論的，為了最佳地平衡車輛或機器的成本和輸出，期望盡可能地利用可用的能量，并且阻止能量例如作為熱能而耗散。飛輪因為以動能形式來存儲能量而聞名，例如用于車輛中使用。利用飛輪來存儲能量是已知的，這些能量原本在車輛減速時被轉(zhuǎn)換成車輛制動系統(tǒng)中的熱量，所存儲的能量隨后被用于在需要時加速該車輛。然而，已知的飛輪的實現(xiàn)方式存在這樣一個問題如何在初始化階段和在其低能量點處，為飛輪充電。有可能使用電動機飛輪充電系統(tǒng)。然而，應當理解的是，這并不是理想的解決方式，因為其引入了車輛內(nèi)的電能存儲系統(tǒng)上的額外能 量需求，同時卻不能減少來自車輛的排氣能量損耗。因此，當前需要對車輛和其他機器中的能量使用進行優(yōu)化的裝置和方法，同時不損害對用戶而言的重要因素，比如舒適度、成本效率以及環(huán)境友好性。本申請在權(quán)利要求書中列出。由于電池裝置包括化學電池和機械電池兩者，機械電池包括飛輪，所以那些機械電池和化學電池的適當組合可以用于向公共負荷提供能量。通過并行的供應機械電池和化學電池，能量不需要在它們之間進行能量就可以供應給負荷。此外，單個控制器可以同時對機械電池和化學電池進行控制，以便根據(jù)瞬時運行要求來對它們的操作進行操縱和控制。由于機械電池和化學電池兩者都可以由系統(tǒng)進行再充電，所述系統(tǒng)包括在操作期間的其他時候由機械電池和化學電池向其供應能量的負荷，作為一個整體的系統(tǒng)的效率得以改善。從而確保與很多傳統(tǒng)系統(tǒng)中存在的來自負荷的能量被浪費或耗散的情況不同，來自負荷的能量得以利用并且存儲在機械電池和/或化學電池中以供將來使用。并且由于機械電池和化學電池被布置成相互再充電，因此在操作期間，能量可以從兩個電池中更為適合的一個電池提供給負荷，或者從負荷提供給兩個電池中的更為適合的一個電池，并且，如果這導致了兩個電池的不均衡或兩個電池次最優(yōu)充電，那么可以在不影響提供給負荷的能量或從負荷提供的能量的情況下，在兩個電池之間進行調(diào)整。此外，舉例而言，這實現(xiàn)了飛輪在操作期結(jié)束時停止，并且飛輪中的能量在化學電池中長期存儲，而不僅僅是被耗散。由于機械電池和化學電池可以用于向電動機供應能量，所以提供了本電池裝置的有用并且實際的應用。此外，可以在混合動力電動車輛中實現(xiàn)電動機，從而以有效的方式來使用該電池裝置，其具有包括降低排放在內(nèi)的各種優(yōu)勢。通過在具有電池裝置(包括機械電池和化學電池)的系統(tǒng)中實現(xiàn)能量流的適當控制，可以優(yōu)化相應系統(tǒng)的運行效率。控制方法可以考慮幾個因素，包括瞬時電池充電，系統(tǒng)負荷的功率需求，機械電池和/或化學電池的能量循環(huán)速度和最小充電閾值。因此提供一種智能的、靈活的并且有效的裝置和相應的控制方案。


下面將結(jié)合附圖來描述根據(jù)本申請的實施例，其中
根據(jù)本裝置的實施例將參考以下附圖來描述圖I示出了已知的飛輪布置；圖2示出了用于向飛輪提供廢氣能量的可能配置；圖3示出了傳統(tǒng)渦輪增壓器設備的升壓和引擎負荷之間的關(guān)系；圖4示出了化學電池與飛輪電池并聯(lián)的雙模操作的可能布局；圖5示出了圖4的布置的示例性控制流；
圖6a示出了在負荷均衡或再生制動期間，圖4的布置的能量流；圖6b示出了在從電機到ICE的功率輔助期間，圖4的布置的能量流；圖6c示出了在插入式充電期間，圖4的布置的能量流；圖6d示出了在慢充電維持期間，圖4的布置的能量流；圖6e示出了在低功率飛輪功率維持和大功率電機操作期間，圖4的布置的能量流；圖7a示出了車輛速度和在混合動力車輛中單獨使用的化學電池的化學電池充電狀態(tài)之間的關(guān)系；圖7b示出了車輛速度和圖4的布置中的化學電池充電狀態(tài)之間的關(guān)系；圖8a示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的可能引擎配置；圖Sb示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的另一類似配置；圖Sc示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的又一類似配置；圖8d示出了飛輪轉(zhuǎn)矩填充的可能控制方案；圖9a示出了耦合到ICE的輔助飛輪設備的可能配置；圖9b示出了使用分裂路徑IVT布局的、耦合到ICE的輔助飛輪設備的可能配置；圖IOa示出了其中飛輪設備被耦合到主車輛離合器和變速器的ICE上游的布置；圖IOb示出了其中飛輪設備在變速器輸入端處耦合到ICE的布置；圖IOc示出了其中飛輪在變速器輸出端處耦接到ICE的布置；以及圖IOd示出了其中飛輪耦合到后軸系統(tǒng)的布置。概沭概括而言，提供一種裝置、方法和控制方案，以使用飛輪機械電池和化學電池來向公共負荷供應能量。負荷可以是電動機，例如，布置在混合動力電動車輛中的電動機。盡管任何適當?shù)呢摵煽梢跃哂型ㄟ^機械飛輪電池和化學電池的組合來向其供應的能量。取決于瞬時運行條件，特別是任意給定時刻負荷的功率需要，機械電池和化學電池的適當組合將用于能量供應。特別地，機械飛輪電池適合于高功率、高速能量循環(huán)。相反，化學電池更適合于低功率操作以及低速、長期充電或能量供應。與化學電池不同，飛輪電池不會因為高功率流或高循環(huán)頻率而顯著惡化。因此，在使用期間，在高功率、高循環(huán)頻率條件下，可以主要使用機械飛輪電池，以便減輕化學電池的負擔和減少化學電池隨時間的劣化。飛輪電池可以通過從飛輪在操作期間的其他時候被安排成向其供應能量的負荷回收的能量來進行充電。類似地，化學電池也可以由負荷來進行充電?？蛇x擇地或者另外地，機械電池和化學電池可以互相充電。此外，兩種電池都可以由其他外部源來進行充電。舉例而言，化學電池可以插上插頭以進行充電。在最初階段或操作期間的其他時候，可以使用任意適當?shù)哪茉?例如，廢氣能量)和/或使用來自車輛動カ傳動系統(tǒng)或傳動系的功率來對飛輪進行充電。提供一種控制器，以對負荷和化學電池以及機械電池之間的能量流進行控制和操縱?？刂破鲗ο到y(tǒng)效率進行優(yōu)化，最大可能的利用兩種電池類型的能量循環(huán)特性。優(yōu)選地，控制器主要選擇化學電池來在低功率、低循環(huán)頻率情形下使用，而主要選擇化學電池來高大功率、高循環(huán)頻率情形下使用?？刂破鬟€可以對系統(tǒng)施加其他限制，舉例而言，對操作進行控制，使得每個電池始終維持最小充電閾值。此外，如果可用的機械電池和化學電池不能滿足那時來自負荷的瞬時功率需要，那么，控制器可以在優(yōu)先將哪個能量供應給負荷這ー方面給予優(yōu)先權(quán)和/或可以從并聯(lián)的機械電池和化學電池提供在其中的車輛、引擎或設備內(nèi)的其他源提取能量。
具體實施例方式圖I示出了典型的現(xiàn)有飛輪布置。大體上圓形的中心金屬支架部I可以軸向地安裝在中心支架(例如，軸3)上。至少ー個復合環(huán)2被安裝在中心支架部I上。在圖I所示的飛輪中，復合環(huán)2是來自碳纖維纖維纏繞。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會知道的，并且如上文所討論的，諸如圖I中所示的飛輪設備可以用作機械電池來存儲動能，以供例如在機動車輛中使用。棑氣式飛輪圖2示出了用于向車輛中的飛輪提供能量以便進行存儲的可能布置。為了通過消除由空氣阻カ所引起的摩擦來優(yōu)化飛輪12的操作，系統(tǒng)10包括優(yōu)選地布置在真空裝置14中飛輪12。在真空裝置14外面，與飛輪12連接的是離合器16。所采用的離合器16可以是任何適當類型的簡單離合器，甚至是電磁離合器。為了向飛輪12提供能量并且初始驅(qū)動飛輪12，和/或在飛輪電池系統(tǒng)中充滿電，輸入18是經(jīng)由離合器16提供給飛輪12的。該輸入將廢氣能量從提供飛輪系統(tǒng)10的車輛的內(nèi)燃機引導至飛輪12，并且使得廢氣能量存儲在飛輪12中。該布置還包括用于廢氣的適當輸出20，使得到飛輪12的廢氣能量的供應可以被操縱和控制。應當理解的是，在車輛中所產(chǎn)生的廢氣的大部分通常被釋放到空氣中。從車輛中釋放廢氣，而不是重用廢氣，這浪費了廢氣中的能量。因此，車輛必須工作以便在其內(nèi)產(chǎn)生更多的可用能量，因此導致來自車輛的進ー步廢氣排放，由此產(chǎn)生潛在的環(huán)境問題。相比而言，本實施例利用廢氣的能量并且允許對廢氣的能量進行存儲，以供將來使用。可以提供用于回收廢氣能量并且將廢氣能量直接導向飛輪12的任何適當設備。舉例而言，可以采用特斯拉渦輪機設備(未示出)來將廢氣用作動カ代理并且從其回收廢氣能量。如本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的，特斯拉渦輪機(或者圓盤渦輪)是由固定在軸上并且通過墊圈或者其他適當裝置沿著該軸彼此軸向地隔開的兩個或多個圓盤元件組成。在使用中，特斯拉渦輪機中的氣體流或者液體流是放射狀的，以環(huán)形或螺旋形路徑運行。在本實施例中，去往離合器16和飛輪12的廢氣流可以通過改變特斯拉渦輪機的圓盤的軸向間隔來控制，以增加或減少每單位時間穿過其中并且輸入到離合器16的氣體容積。在圖2所示的布置中，沒有特斯拉渦輪機。作為替代，廢氣是經(jīng)由可變幾何尺寸渦輪增壓器(VGT) (17)被引導至離合器16和飛輪12。VGT和其他渦輪增壓器設備被廣泛用于從車輛回收廢氣并且利用其在發(fā)動機入口處提升壓力。然而，由于渦輪增壓器的直接驅(qū)動的性質(zhì)，渦輪增壓器不能利用或存儲來自提供給它的廢氣的能量。根據(jù)本實施例，作為對執(zhí)行其向引擎提供經(jīng)增壓的空氣的通常功能的替代，或者除了執(zhí)行其向引擎提供經(jīng)增壓的空氣的通常功能之外，可以有利地采用VGT，以經(jīng)由飛輪12來利用過量的廢氣能量，從而使得其中的能量可以被存儲以供將來使用。如圖2所示，在飛輪12和可變比率系統(tǒng)22之間提供離合器16。如下文所進ー步討論的，可變比率系統(tǒng)可以包括變速器裝置，比如連續(xù)可變傳輸(CVT)或無限可變傳輸(IVT)或者相當?shù)碾姍C裝置。圖2中的可變比率系統(tǒng)22通向車輛的動カ傳動系統(tǒng)，以使得飛輪裝置12機械地耦合到車輛的內(nèi)燃機(ICE)，從而提供機械混合驅(qū)動系統(tǒng)。然而，作為替代或者另外，飛輪12可以用于包括其他目的，包括直接驅(qū)動、為其他電池類型充電，和/或給除了動カ傳動系統(tǒng)之外的車輛輸出提供動力，同時仍然布置成由車輛的廢氣流來充電。如圖2所示的布置中，離合器應當能夠用于同步飛輪(12)輸入和渦輪元件。因此，其應當參與滑動狀態(tài)并且因此耗散少量的能量。輕質(zhì)低慣量干型單盤或者錐形離合器可以用作直接的解決方案。更多緊湊的解決方案包括機電粉末離合器，機電粉末離合器用于a/c壓縮機和增壓器上，但是通常具有相當?shù)偷乃俣确秶蛘弑Щ呻x合器設備，抱簧離合器設備(其為一個單向設備)將僅為飛輪提供扭曲，以便當發(fā)動機處于非“升壓”狀態(tài)時，防止渦輪機的任何阻カ損失。當被可變比率系統(tǒng)(22)同步時，渦輪機將以飛輪速度進行旋轉(zhuǎn)，并且因此可變進ロ幾何形狀可以用于基于運行條件(包括飛輪速度、排氣質(zhì)量流率以及排氣支管壓力)來優(yōu)化渦輪機效率。并且因此提供ー種機制，以便回收內(nèi)燃機廢氣能量并且對內(nèi)燃機廢氣能量進行存儲以供將來使用。為了發(fā)起充電或?qū)⑵涑錆M，根據(jù)本實施例的飛輪12不需要諸如電動機之類的任何額外能源，但是作為替代，通過利用在傳統(tǒng)車輛系統(tǒng)中浪費掉的現(xiàn)有廢氣能量，來提供飛輪系統(tǒng)的連續(xù)輔助充電。與渦輪增壓器不同，飛輪性能不受渦輪遲滯的限制。進一歩，飛輪12中的能量不需要立即使用，而是能夠進行存儲以便將來用于車輛中的各種應用，如進ー步根據(jù)下文的描述中將會明白的。然而，由于圖2中所示出的機制使用其中具有動能的廢氣流，并且提供該動能以便也作為動能存儲在飛輪中，因此由于能量類型之間的轉(zhuǎn)換所引起的損耗得以降低。飛輪輔助型渦輪增壓根據(jù)上述方面的一個實施例，飛輪12可以被置于在渦輪增壓器的廢氣門環(huán)(wastegate loop)中。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的，渦輪增壓器是ー種放置在車輛或發(fā)動機廢氣流中的被動設備，其目的是將廢氣能量導向壓縮機，以增加其中的壓力。然而，如果有過量的質(zhì)量流量通過渦輪機自身，那么將產(chǎn)生背壓(back pressure)，這個背壓增加了引擎的排氣支管壓カ超過最佳水平，由此使得發(fā)動機效率降低。為了避免這一點，渦輪增壓器具有廢氣門，以便從其釋放過量氣體，因此在不同的系統(tǒng)工作點上有助于優(yōu)化引擎升壓和 排氣支管壓カ兩者。在傳統(tǒng)的布置中，從渦輪增壓器廢氣門釋放的廢氣中的能量不被利用，而是隨著從車輛排放廢氣而被丟失。根據(jù)本方面，解決了廢氣能量的浪費問題。從渦輪增壓器的廢氣門排放的過量廢氣內(nèi)的能量被導向飛輪，以便向其提供輸入。立即地或者稍后，飛輪12可以用于輔助驅(qū)動渦輪增壓器的壓縮機。因此，通過組合使用渦輪增壓器和飛輪12，廢氣能量被智能地獲取并且利用以輔助增壓器的運行。這使得增壓器的工作更為有效，如根據(jù)圖3所能理解的。參看圖3，其示出了傳統(tǒng)增壓器的升壓-負荷關(guān)系。可以看出，渦輪增壓器僅在較小的引擎負荷范圍內(nèi)產(chǎn)生針對相關(guān)聯(lián)的內(nèi)燃機的最佳理想升壓。然而，使用飛輪12來驅(qū)動渦輪增壓器的壓縮機，并且結(jié)合渦輪增壓器渦輪機，以在較大的負荷范圍內(nèi)對升壓進行優(yōu)化，并且因此使圖3所示的曲線變得平坦。由此，實現(xiàn)改善的渦輪增壓器效率。飛輪輔助型增壓除了可操作以與渦輪增壓器一起使用以外，可以使用根據(jù)本實施例的飛輪以驅(qū)動車輛的增壓器設備。如上文所簡略討論的，已知的增壓設備通過使用引擎功率來工作，以驅(qū)動增壓器的壓縮機并且提升車輛中的充氣壓力。引擎功率的這種直接使用引起寄生損耗， 因此損害工作中的車輛的潛在效率。根據(jù)本方面，已經(jīng)認識到，飛輪設備可以用于驅(qū)動諸如增壓器之類的充氣升壓設備，以便在不需要直接從引擎中獲取功率的情況下提升引擎充氣壓力，從而避免通常與增壓器相關(guān)聯(lián)的寄生損耗。如上文所討論的，可以使用廢氣能量來對飛輪進行充電。或者，可以從車輛的動力傳動系統(tǒng)回收能量(例如，在再生制動或引擎負荷均衡期間)，并且存儲在輔助飛輪設備中以用于驅(qū)動增壓器。通過諸如變速器之類的任何適當機械聯(lián)動，可以從動力傳動系中回收能量，也在上文討論過。在操作中，增壓器被耦合到車輛的動カ傳動系統(tǒng)。飛輪充當增壓器的轉(zhuǎn)矩供應，因此允許存儲在飛輪中的能量經(jīng)由ICE間接地提供給動カ傳動系統(tǒng)。飛輪和增壓器之間使用的機械聯(lián)動可以包括如上文關(guān)于排氣驅(qū)動飛輪方面所討論的離合器。作為替代，可以使用超速離合器，當需要加速時，在傳統(tǒng)意義上直接使用渦輪機能量來驅(qū)動壓縮機，并且飛輪能量僅能在潤輪機空轉(zhuǎn)(即低引擎速度)時使用。這需要超越離合器(overrun clutch),超越離合器僅在ー個方向上進行驅(qū)動，例如抱簧離合器。這對于電磁飛輪配置特別有效，在電磁飛輪配置中，速度不需匹配，隨后，當渦輪機在高引擎速度下過升壓吋，飛輪經(jīng)由電氣路徑從渦輪機進行充電。飛輪也經(jīng)由電氣路徑以低引擎速度來驅(qū)動壓縮機。因為，根據(jù)本方面，飛輪是使用動カ傳動系統(tǒng)能量和/或廢氣來充電的，原本在傳統(tǒng)系統(tǒng)中浪費的能量被利用。通過利用原本浪費的能量，車輛的整體性能得以改善。特別地，在燃料消耗和車輛排放方面提供了性能上的益處。根據(jù)這個方面的輔助飛輪設備能夠用作增壓器的唯一能源或者可以用作對現(xiàn)有增壓器能源的擴充。舉例而言，其可以在低引擎速率下向增壓器提供功率提升，在這一點上，使用直接引擎功率并非是優(yōu)選的。因此，由于飛輪可操作以增強對增壓器的功率供應，增壓器可以向ICE中提供理想的進ロ壓力和質(zhì)量流量，而不考慮車輛的工作引擎速度，并且與那時由渦輪系統(tǒng)(如果存在的話)提供的任意質(zhì)量流量一致。換句話說，飛輪驅(qū)動的增壓器可以在車輛的引擎工作圖的任意點提供最佳的充電升壓。這對于諸如離開之類的駕駛操作而言是特別有優(yōu)勢的，這些駕駛操作得益于當引擎排氣質(zhì)量流量較低并且功率也較低(特別是在高增壓引擎中)時的瞬時短期能量浪涌(surge)。飛輪驅(qū)動的增壓器的另ー優(yōu)勢是其允許對引擎進行小型化，這是因為低排氣質(zhì)量流量事件(例如，上文所描述的離開)期間的引擎功率密度被提高。尺寸的減小使得摩擦力和泵送損失得以減小，由此改善了其效率。可以預期的是，通過在所有的條件下將進入引擎汽缸的質(zhì)量流量主動地控制為最佳的，與甚至沒有進行小型化的引擎相比而言，飛輪驅(qū)動的增壓器可以導致降低高達30%的燃料消耗。對引擎進行小型化因此將會增強這種潛在的燃料消耗優(yōu)勢，并且也滿足了從盡可能小的、緊湊的以及低成本的ICE來實現(xiàn)最大性能這樣ー種日益增長的消費趨勢。上文所描述的飛輪驅(qū)動的增壓器的優(yōu)勢是在柴油引擎中尤為突出，對于柴油引擎而言，與汽油引擎相比而言，在室(chamber)中通常具有更多的需要壓縮和膨脹的氣團。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，對于不同的引擎和引擎類型而言，理想的進ロ壓力不同，舉例 而言，理想的進ロ壓力可以從這樣的車輛的設計負荷圖得出。雙樽電池圖4示出了根據(jù)本申請的進一歩方面的另ー飛輪的可能布局。示出了機械飛輪能量存儲與插入式化學電池系統(tǒng)并聯(lián)使用的配置。包括飛輪的機械電池40可以用于例如處理再生制動能量回收，以作為使用化學電池42來執(zhí)行這種功能的替代。如上文所討論的，典型車輛使用環(huán)節(jié)期間的再生制動和回收傾向于需要針對混合動カ車輛或機器的電池系統(tǒng)充電電平的高功率和高頻循環(huán)。這種高頻循環(huán)對化學電池有顯著的的消極影響，損害了化學電池的健康并且限制整個系統(tǒng)的壽命。根據(jù)本方面的示例性實施例，機械飛輪電池40與化學電池42并聯(lián)工作，向電機46的功率電子44饋電，電機46反過來被布置成為向車輛的混合動カ傳動系統(tǒng)提供功率。圖4所示的布置不限于使用飛輪作為再生制動的主電池。飛輪電池40有利地用作車輛使用期間的任意快速或短期能量供應和/或回收的主電池，而化學電池42更適合于低充電速率，即較慢的、長期的能量供應和回收。從下文所討論的額外附圖將會理解，根據(jù)本方面的并聯(lián)化學電池42和機械電池40應當根據(jù)與任何其他電池布置相同的考慮來進行布置和操作。也就是說，必須單獨和綜合考慮兩種電池可用能量、功率和壽命。應當注意的是，圖4同時示出了其中兩種電池并聯(lián)布置的實施例，但是這兩種電池也可以串聯(lián)布置，其中，機械飛輪電池40位于化學電池42和引擎的變速器之間。通過共同使用機械飛輪電池40和化學電池42，有可能降低電機的電池電源的整體成本，這是因為與只使用化學電池而沒有機械電池支持的情況相比，對于給定的功率需求，需要較小的化學電池與機械電池一起使用?；蛘?，通過降低循環(huán)頻率和/或化學電池的峰值功率需求(或提供給化學電池的峰值功率)來増加現(xiàn)有電池的壽命，從而降低供電系統(tǒng)的壽命成本。參見圖5，可以理解示例性的控制方案。在第一步驟510處，在特定時刻，考慮功率是進入還是流出組合的化學和機械電池系統(tǒng)，如圖4中所示出的。如果，根據(jù)那時的車輛使用者需求和操作條件，功率是流出512電池系統(tǒng)以向電機46提供功率，那么隨后在步驟514處，考慮飛輪電池的充電狀態(tài)。如果發(fā)現(xiàn)飛輪電池的充電狀態(tài)為高516，那么將從飛輪電池40中使用能量來向電機46提供功率。如果，在另一方面，飛輪電池的充電狀態(tài)為低518，作為替代，將會使用來自化學電池42的能量。如果，如經(jīng)常出現(xiàn)的情況，在需要來自電池系統(tǒng)的功率輸出時，飛輪電池的充電狀態(tài)為中等，那么將在步驟522處考慮那時所需要的功率是高還是低。如果所需要的功率為高，那么將從飛輪電池中取走滿足需求的能量524。然而，如果所需要的功率為低，使得此后不需要顯著的再充電循環(huán)，那么將從化學電池中取走滿足功率需求能量的能量526。返回到控制步驟510，如果在步驟528處確定功率要進入電池系統(tǒng)，那么接下來要考慮的是這個輸入功率是在低循環(huán)功率下發(fā)生(例如，在插入式充電或者慢充電維持期間)還是在高循環(huán)負荷或功率下發(fā)生530 (例如，在再生制動或引擎負荷均衡期間)。對于低循環(huán)功率流入，能量將存儲在化學電池42中。然而，對于高循環(huán)負荷或功率而言，能量將被存儲在機械飛輪電池40中。通過這種方式，提供了控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)優(yōu)化了每種電池類型的能量存儲和回收循環(huán)特性，同時確保每個電池得以充分地充電以處理動態(tài)變化的引擎和車輛需求。圖6a至圖6e進ー步示出了上述示例性的控制邏輯。圖6a示出了負 荷均衡或再生制動期間的能量流，在此期間，能量在短的時間間隔內(nèi)被回收并且重用。如圖6a所示，之前以動能形式存在于車輛中的能量通過動カ傳送系統(tǒng)回收到飛輪電池，以避免化學電池充電的循環(huán)頻率，并且還有利地避免在兩種類型的能量之間進行轉(zhuǎn)換而導致的能量損耗。在圖6b中，電機用于提升來自混合動カ車輛中的ICE的動カ供應?；瘜W電池42和飛輪電池40是用于向電機提供能量以便滿足那時的車輛輸出需要。因此，將要理解的是，取決于給定時刻的能量需要和其他控制考慮，這兩種電池類型可以一起操作或者分開操作。在圖6c中，化學電池經(jīng)由插入方式進行充電?；瘜W電池存儲來自插入式市電電源電カ的長期電荷，以便后來使用。在圖6d中，可以看出，能量可以從機械電池40提供給化學電池42。圖6d示出了慢充電維持，其中，從車輛輪胎和動カ傳動系統(tǒng)回收的高功率能量被導向飛輪電池40，并且其后，來自所回收的飛輪能量的低功率電荷被提供給化學電池42以便以化學形式長期存儲。通過這種方式，流入化學電池42中的電流被最小化，轉(zhuǎn)而，在化學電池42中轉(zhuǎn)化成熱的功率損耗也最小化?；瘜W電池中的功率損耗的減少提高了系統(tǒng)效率并且減少了對電池結(jié)構(gòu)有害的熱老化效應的影響，如下文進ー步所討論的。最后，圖6e示出了電機46的高功率作業(yè)的能量流?；瘜W電池42 (其用于以化學形式長期存儲能量)對飛輪40進行充電，以使得飛輪40能夠在短期內(nèi)為大功率應用提供能量。如上文所述的，與化學電池相比而言，來自飛輪電池的用于大功率應用的能量供應的效率較高，以使得在需要來自飛輪電池的高功率輸出時，優(yōu)選地，単獨使用飛輪電池來向電機提供能量。圖7a和7b分別示出了針對單獨工作的傳統(tǒng)化學電池和與飛輪電池一起雙模工作的化學電池，與車輛速度相比而言，化學電池的典型電池充電周期。從這些圖中可以看出，通過在ー些時段期間(例如，快速加速或快速減速)使用來自飛輪電池的能量，由此可以避免化學電池中高功率流和充電的高循環(huán)頻率，從而在化學電池中實現(xiàn)了更好的充電穩(wěn)定性。通過進一歩的示例的方式，根據(jù)單獨使用化學電池(例如，按照圖4所示的配置)的傳動車輛，經(jīng)由電動機/發(fā)電機到化學電池的再生制動期間，能量“往返(roundtrip) ”(車輪到電池到車輪)的效率預期在50%和63%之間。相比之下，使用機械飛輪電池而不是化學電池作為能量存儲源的相同再生制動例程的效率預期達到84%左右。因此，雙模配置(例如，圖4所示)使得化學電池的長期益處得以保持，并且同時，通過并聯(lián)使用飛輪機械電池，引入了新的并且有優(yōu)勢的效率效應。機械飛輪能量存儲設備本質(zhì)上適合短期能量存儲，并且在其能夠傳遞或接收的功率上沒有基本限制。因此，通過優(yōu)選地僅將機械系統(tǒng)用于短期能量存儲，本方面利用了機械系統(tǒng)的長處。盡管可以預期的是，在特殊情況下，飛輪電池可以幫助化學電池實現(xiàn)長期存儲能量的目的。在又ー優(yōu)勢中，具有化學電池的雙模中的飛輪的使用避免流入和流出化學電池的高功率流，由此阻止了化學電池中出現(xiàn)過度的溫度升高。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，化學電池中的一段時間內(nèi)的溫度升高將導致化學電池損壞。此外，化學電池的內(nèi)部溫度的升高將導致系統(tǒng)效率下降，這是因為子組件中的歐姆損耗(Ohmic losses)隨著阻抗的增加而増大，而阻抗的増加與電池溫度的升高相應。與傳統(tǒng)的僅有化學電池布置相比，整體的機械電池/化學電池雙模布置具有延長的預期壽命。這里所討論的雙模機械/化學電池操作不限于在傳統(tǒng)混合動カ引擎或電動車輛中使用。而是，本申請的原則可以更加廣泛的應用于其他車輛機械和設備(包括電梯和起重機)。
_5] 飛輪轉(zhuǎn)矩填充系統(tǒng)根據(jù)另一方面，在由手自一體變速器車輛上的變速事件導致的“轉(zhuǎn)矩中斷”期間，根據(jù)本實施例的飛輪可以用于“填充”(fill_in)車輛上的輸出動カ傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩。如從下文的描述將會理解的，本文的填充布局以及相關(guān)聯(lián)的控制方法通過以下方式來解決“轉(zhuǎn)矩中斷”感覺(這對于ー些用戶來說是ー個問題)在變速事件期間使用飛輪能量來驅(qū)動或制動變速器輸出以至少減小或潛在地消除用戶的轉(zhuǎn)矩中斷感覺。圖8a示出了使用所存儲的飛輪能量來提供轉(zhuǎn)矩填充的可能布局。飛輪電動機80 通過適當?shù)母綦x耦合81連接到變速器82。接下來，變速器82機械耦合到其變速器86的下游的內(nèi)燃機84的輸出，因此飛輪80和引擎84都可以為車輛的最終傳動88提供能量。假設飛輪具有恒定的慣性，由飛輪提供或者飛輪收進的功率與飛輪的角加速度(即飛輪速度的變化率)成比例。因此，由飛輪80傳遞的轉(zhuǎn)矩的變化率，經(jīng)由變速器82，與飛輪的角速度成反比，并且因此與變速器82上的比例變化率成反比。然而，可以預期的是，單獨變速器82上的控制比率不能提供足夠的控制分辨能力，以便實現(xiàn)根據(jù)本方面所需要的有效飛輪轉(zhuǎn)矩填充。如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了的，多數(shù)變速器被設計成控制其上的速度比率，而本質(zhì)上不是設計用于轉(zhuǎn)矩控制。對于僅速度可以控制的變速器而言，在短時間內(nèi)単獨實用變速器來控制轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生了潛在的問題，這是因為變速器元件的內(nèi)部打滑以及可能的變速器的常規(guī)機制的反應延遲。因此，為了提供對通過飛輪80傳遞給動カ傳動系統(tǒng)或取自動カ傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩的足夠控制，在變速器82和其與動カ傳動系統(tǒng)88的最終機械耦合點87之間提供調(diào)節(jié)耦合裝置89。包括適當?shù)刂糜谌鐖D8a所示的比例鏈(ratio train)中的調(diào)節(jié)稱合89的使用，實現(xiàn)了增強的轉(zhuǎn)矩控制，而這不可能通過單獨使用變速器82來實現(xiàn)。圖8a所示的配置可以使用變速器82速度控制來保持離合器上的一致但是有限的滑動，以便使滑動損耗最小化，但是確保飛輪80和最終動カ傳動系統(tǒng)88之間的轉(zhuǎn)矩方向一致。這使得轉(zhuǎn)矩控制分辨能力例如在O到IOONm的范圍內(nèi)，但是在一個緊湊的和高性價比的封裝中。根據(jù)本方面的包括變速器82和調(diào)節(jié)耦合89的轉(zhuǎn)矩控制裝置提供了小于100毫秒范圍內(nèi)的快速響應，因此實現(xiàn)了在需要時(特別是，在變速事件期間)，向動カ傳動系統(tǒng)88提供轉(zhuǎn)矩填充的飛輪80在的即時反應。圖8a所示的布置使得能量損耗最小化，并且因此確保根據(jù)車輛隨著時間的需要，飛輪80中所存儲的多數(shù)能量最終轉(zhuǎn)換為有效的轉(zhuǎn)矩填充。在操作中，包括在調(diào)節(jié)耦合89中的離合器可以引導和控制來自飛輪80的制動轉(zhuǎn)矩和加速轉(zhuǎn)矩。也就是說，如果飛輪側(cè)元件的速度低于動カ傳動系統(tǒng)側(cè)元件的速度，那么制動轉(zhuǎn)矩將由離合器動作產(chǎn)生。相反地，如果飛輪側(cè)元件的速度大于動力傳動系統(tǒng)側(cè)元件的速度，那么加速轉(zhuǎn)矩將由離合器動作產(chǎn)生。應當理解的是，離合器上的滑動的幅度將增加能量在離合器中耗散的程度。然而，根據(jù)本實施例，在離合器設備的操作期間，在離合器設備中承受最小的能量損耗，從而提供滑動限制以及變速器控制。與単獨的比率變速器車輛上的典型起步離合器(launchclutch)相比，這允許對調(diào)節(jié)耦合89內(nèi)的離合器單元進行小型化。根據(jù)本實施例的調(diào)節(jié)耦合89中所使用的離合器可以是任何適當?shù)仡愋?，包括電磁離合器、被動冷卻干型離合器 単元、具有機械致動設備的被動冷卻密封濕型離合器単元、具有內(nèi)部被動泵設備的濕型離合器盤，或者多盤離合器。關(guān)于圖8a的布置以及進一歩關(guān)于圖Sb和Sc，可以理解飛輪轉(zhuǎn)矩填充的控制策略，圖8a_8c還示出了根據(jù)本方面的適當配置?？刂七壿嫲ㄔ诮o定的變速操作期間引擎功率是開還是關(guān)的考慮，也需要考慮該換擋是換高速檔還是換低速檔。對于“上電”換高速檔，飛輪80需要向動カ傳動系統(tǒng)88加速轉(zhuǎn)矩。這使得變速期間的車輛車輪處的轉(zhuǎn)矩變化遍布整個換擋，而不折衷換擋時間或者車輛速度。因此，所提供的優(yōu)點優(yōu)于傳統(tǒng)動カ換擋變速器，傳統(tǒng)動力換擋變速器必須在速度改變之前，在第一轉(zhuǎn)矩階段期間，在車輪處實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩變化，因此導致用戶的中斷感覺。通過示例性示例的方式，圖8d示出了根據(jù)本方面的飛輪轉(zhuǎn)矩填充系統(tǒng)的可能控制流。所使用的飛輪可以是任何適當容量。舉例而言，飛輪電動機80可以具有400KJ的容量，并且所使用的變速器82可以是具有120KW容量的CVT。在這樣的布置中，飛輪可以在4秒時間內(nèi)向動カ傳動系統(tǒng)提供100KW。然而，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解的，典型的變速僅花費約四分之一秒。因此，在任意給定的變速期間并不是飛輪中的所有能量都需要被耗散和/或在變速開始和/或變速結(jié)束吋，飛輪轉(zhuǎn)矩供應和引擎轉(zhuǎn)矩供應之間可以重疊。如圖8d所示，在示例性的控制流中，在步驟810處，用戶首先啟動齒輪變速，通常使用離合器踏板或其他車內(nèi)離合器控制裝置。在步驟820處，然后在齒輪變速期間，CVT產(chǎn)生流來從飛輪向動カ傳動系統(tǒng)傳遞功率。一旦該功率傳遞到位，在步驟820處，在引擎中發(fā)生齒輪變速。一旦齒輪變速完成，在步驟840處，引擎繼續(xù)功率傳遞的責任，并且同時或者其后，在步驟850處，中斷來自飛輪和CVT的功率傳遞。在步驟840和850處，在來自飛輪的能量傳遞返回到引擎的轉(zhuǎn)換期間，發(fā)動機可以超速運行(overrun)，以便在飛輪上充滿電，以備后續(xù)使用。對于上電換低速擋而言，考慮的問題和控制流是類似的。其中，傳統(tǒng)動力換擋變速器必須在速度已經(jīng)改變之后，在轉(zhuǎn)矩階段中，在車輪處實現(xiàn)轉(zhuǎn)矩變化。然而，通過在上電換低速擋期間使用飛輪80來向制動轉(zhuǎn)矩做出貢獻，換擋期間車輪處的轉(zhuǎn)矩變化可以散布于整個換擋，而不對換擋時間或速度進行折衷。此外，制動能量被收集在飛輪中，以便根據(jù)上文所討論的換高速擋情形后來返回。在使用如圖8a到圖Sc所示的配置的斷電換低速擋或換高速擋期間，車輛輪胎處的轉(zhuǎn)矩變化可以散布于整個下滑時期，因此確保平滑的下滑行為，而不會有換擋感覺。有利地，因為填充飛輪設備能夠回收動能，取決于車輛的驅(qū)動模式，主引擎變速器可以在進行進一歩操作之前等待正轉(zhuǎn)矩。因此，根據(jù)本方面的飛輪配置和控制方法提供了一種在變速事件期間控制所傳遞的轉(zhuǎn)矩的方法，以便在變速期間為用戶提供改善的換擋舒適度。飛輪填充系統(tǒng)提供了ー種能量存儲和回收的有效方式，因為在飛輪和動力傳動系統(tǒng)之間的能量保持為動能形式，因此阻止通常與車輛和機器中的能量轉(zhuǎn)換相關(guān)聯(lián)的能量損耗。由于，根據(jù)本方面，不需要在能量類型之間進行轉(zhuǎn)換，因此提高了效率。因此，在整個系統(tǒng)中，有更多的能量可用，使得潛在地，不需要為轉(zhuǎn)矩填充提供額外的能量源。由于，飛輪被布置成在需要時向動カ傳動系統(tǒng)提供能量，并且在車輛使用循環(huán)期間的其他點處從動カ傳動系統(tǒng)中回收能量，其使用已經(jīng)存在于車輛中的能量，因此不需要能源以提供其轉(zhuǎn)矩 填充功能。與諸如需要額外能源或者至少需要能量轉(zhuǎn)換階段以向動カ傳動系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)矩的電動機填充系統(tǒng)相比而言，這提供了顯著的優(yōu)勢?？梢灶A期的是，具有足夠尺寸的輔助飛輪設備的電控手自一體化變速器將實現(xiàn)本文所討論的轉(zhuǎn)矩填充和與混合布置相關(guān)聯(lián)的額外能效效益。對于類似的車輛和引擎運行條件來說，與使用雙離合變速器相比而言，這將減少20%左右的燃料消耗。此外，使用與飛輪轉(zhuǎn)矩填充相結(jié)合的手自一體變速器并不比使用雙離合變速器的成本高。可以對飛輪和相關(guān)聯(lián)的變速器以及耦合(如果需要的話)進行改裝以適應現(xiàn)有的手自一體變速器，由此改善其效率并且以簡單且相對低成本的方式在變速事件期間提供改善的用戶舒適度。這里所描述的用于現(xiàn)有系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)矩填充目的的改裝飛輪的整體影響是非常低的，這是因為這樣做不需要對系統(tǒng)進行重大的重新設計。因此，本方面可以潛在的用于現(xiàn)有車輛以及未來車輛設計。變諫器和設備配置選擇應當理解的是，變速器類型的選擇以及針對上述飛輪方面的設備布線或配置選擇不限于本文所持別描述或示出的。而是，對于特定的車輛、引擎、機器或其他裝置，根據(jù)需要達到的要求，可以實施任意適當?shù)脑O備選擇和布局。變速器設備的功能是將飛輪的速度與機械耦合點的速度相匹配，在該機械耦合點，飛輪耦合到ICE或其他輸出裝置的輸出。有效地，變速器是功率變換器。也就是說，在上述飛輪實施例中的功率正比于角速度乘以轉(zhuǎn)矩。所使用的變速器或其他功率變換器的功能為將其一側(cè)的大轉(zhuǎn)矩和低速度變換成功率變換器另ー側(cè)的小轉(zhuǎn)矩和高速度。機械耦合點的選擇和變速器設計兩者都對根據(jù)本文所描述方面的飛輪輔助的系統(tǒng)的功能有影響。針對其中使用變速器的那些方面中的變速器選擇包括帶式連續(xù)可變變速器(CVT)、牽引型CVT、機械分裂路徑無限可變變速器(IVT)，電分裂路徑IVT，靜液壓CVT/IVT以及ー個或多個電動機。當然，系統(tǒng)甚至是空氣驅(qū)動的。圖9a示出了例如可以用于轉(zhuǎn)矩填充目的可能飛輪和變速器布局。優(yōu)選地，飛輪90布置在真空裝置92中。飛輪90通過任意適當?shù)鸟詈戏绞竭B接到耦合離合器94。耦合離合器94在飛輪90和變速器設備96之間提供連接。變速器設備96繼而機械地耦合到內(nèi)燃機97和變速器99之間的車輛的變速器輸入端。圖9b示出了包括分裂路徑IVT的替代布局。再次，優(yōu)選地，飛輪90提供在真空裝置92中，并且與耦合離合器94連接，耦合離合器94轉(zhuǎn)而連接到變速器。這種布置中所使用的變速器設備包括周轉(zhuǎn)圓級96和直列牽引變速器98。通過包括IVT變速器系統(tǒng)，改善了飛輪輔助的引擎的潛在功能，從而在低速下提供増加的回收范圍并且實現(xiàn)起步加速。可以看出，與圖9a中所示出的變速器設備機械地耦合到ICE 97的輸出端的布置不同，在圖9b中，變速器設備耦合在變速器99的輸出端。如上文提到的，機械耦合點的這個選擇可以影響飛輪輔助的系統(tǒng)的功能和相關(guān)聯(lián)優(yōu)勢。圖IOa到圖IOb進ー步示出了根據(jù)目前所描述方面的用于飛輪輔助的潛在耦合配
置選擇。 在圖IOa中，輔助飛輪設備100耦合到ICE 102，主車輛離合器104和傳輸106的上游。這種耦合配置提供一個優(yōu)勢，這個優(yōu)勢在于，為了將飛輪速度和其與ICE 102的耦合點處的速度相匹配，ICE102和飛輪100之間的變速器設備上所需要的比率范圍相對較窄。也就是說，由于相對于車輪而言，引擎以較高的速度旋轉(zhuǎn)，飛輪和引擎之間的比率差小于飛輪和車輪之間的比率差。此外，飛輪和ICE之間的轉(zhuǎn)變所需要大的、有力的齒輪已經(jīng)存在于變速器中，但是不存在于較低的下游。圖IOa中的布置通過使用變速器的轉(zhuǎn)矩優(yōu)勢進一歩降低了變速器轉(zhuǎn)矩。然而，因為飛輪耦合在離合器104的上游，所以必須閉合離合器104才能在車輛動カ傳動系統(tǒng)108中回收和重用來自飛輪100的能量。因此，來自飛輪100回收能量可被變速中斷。此外，在這個布置中，需要動カ換擋變速器，以便使用用于機械能量存儲的飛輪設備100來實現(xiàn)連續(xù)驅(qū)動和再生制動。圖IOb示出了類似于圖9a所示的替代耦合配置，其中，飛輪100耦合到離合器104和變速器106之間的變速器輸入端。與圖IOa中的布置一祥，IOb中的配置提供了改善的可用范圍，這是因為ICE 102和飛輪100之間的兼容變速器比率。并且，其還實現(xiàn)變速箱轉(zhuǎn)矩的降低。然而，在變速期間仍然需要解耦，以便變速操作期間的來自飛輪100能量回收和/
或重用。圖IOc示出了另ー種可能的耦合配置，其中，飛輪100耦合在變速器輸出端。這種布置是有益的，因為來自飛輪100的能量回收不會被變速所中斷。此外，僅飛輪模式是可能的，其中，飛輪100是唯一的能源，并且能量不來自于ICE 102，只要主離合器104打開，這就是可能的。然而，與圖IOa和IOb的配置相比而言，圖IOc中的配置降低了整體操作范圍，并且其也需要在變速器輸出端處增加耦合轉(zhuǎn)矩。圖IOd示出ー種后軸系統(tǒng)，其中，飛輪100提供在車輛的引擎102和后車輪109之間。與圖IOc所示出的布置一祥，這種配置是有益的，因為來自飛輪的能量回收不會被變速所中斷，并且只要主離合器打開，僅飛輪模式就是可能的。此外，飛輪100可以用于四輪驅(qū)動輔助或者部分時間四輪驅(qū)動功能。因此，飛輪100可以在多祥化針對不同行車條件下的車輛的適合性方面提供輔助。然而，與圖IOc所示的配置一祥，與圖IOa和IOb所示的配置相比而言，圖IOd中的配置降低了整體操作范圍并且需要在變速器輸出端增加耦合轉(zhuǎn)矩。如上文所討論的適當配置中的飛輪的進ー步使用在于起步支持。取決于車輛類型和發(fā)動機負荷圖，飛輪可以是用于起步的唯一轉(zhuǎn)矩供應，或者可以與引擎轉(zhuǎn)矩供應一起使用。舉例而言，對于諸如交通隊列情形中的相對較小的車輛，以固定間隔緩慢前行，飛輪足以為車輛起步提供扭矩，以便于毎次緩慢前行?；蛘撸瑢τ谳^大的車輛或較小車輛的較長距離或較高速度移動，飛輪可以與引擎能力的一部分一起使用，例如使用4個可用汽缸中的兩個引擎汽缸?？梢詫嵤┮环N適當?shù)目刂撇呗?，使得考慮到車輛因素和潛在的環(huán)境因素(例如，特定區(qū)域中排放限制)，在任意給定時刻，使用飛輪和引擎轉(zhuǎn)矩供應的最佳組合。根據(jù)目前所描述方面的特定變速器和耦合配置的適合性的另一因素是運行期間飛輪自身的速度。在任意給定時刻，飛輪內(nèi)所存儲的動能與其速度的平方直接成比例(Εα ω2)。因此，舉例而言，如果所存儲的能量的一半從高速飛輪中提取的，那么與從低速飛輪中取出一半能量相比，這將導致高速飛輪的速度下降的百分比較小。結(jié)果是，較快的飛輪有助于降低用于將飛輪耦合到ICE的變速器設備的所需要的比率范圍。變型 需要理解的是，本文所描述的飛輪方面不是互斥的，而是可以通過任何適當?shù)慕M合在車輛、機器或其他裝置中實現(xiàn)。舉例而言，引擎布局可以包括相對較小的飛輪以用于以下中的任ー個或全部驅(qū)動增壓器、為化學電池充電、和提供輔助能量供應或回收，在車輛啟動或停止事件期間提供除了由主電源所提供的之外的輔助能量供應或回收。同樣的引擎配置還可以包括相對較大的飛輪，以用于車輛輪胎的直接和/或混合驅(qū)動。對于上述方面中的任意方面，有可能對飛輪進行配置，以使得在關(guān)閉車輛或設備時，飛輪停止運轉(zhuǎn)，并且通過這樣做，對化學或其他長期電池存儲裝置進行充電。取決于需要滿足的特定要求或需要遵守的限制條件，飛輪可以在制造期間包括在引擎或機器中，或者通過各種不同配置，在制造后，對飛輪進行改裝以適應現(xiàn)有引擎或機器。因此，本文提供了多個方面，在每個方面中，在引擎、車輛、機器或裝置中實現(xiàn)飛輪，以便有利地使用其中的可用能量，并且使用其以改善整體性能和輸出。不需要額外的能源來運行飛輪或?qū)︼w輪進行充電，而是，已經(jīng)認識到，根據(jù)本方面，可以使用適當?shù)娘w輪布置來有益地獲取、存儲和重用傳統(tǒng)系統(tǒng)中耗散的能量。此外，可以對本文的飛輪布置進行適當?shù)夭僮骱涂刂疲员阃ㄟ^直接并且能源高效的方式來滿足隨著時間變化的運行條件和用戶需求。本方面認識到，在車輛或機器中，能量通常以動能的形式回收，并且因此，通過使用飛輪以動能形式存儲能量，由于能量轉(zhuǎn)換階段帶來的能量損耗得以減少或者避免。飛輪可以在擴展的時間段內(nèi)以動能形式存儲能量，此外，根據(jù)隨著時間的條件(例如，在引擎關(guān)閉期間)，飛輪可以用來以動能形式或其他形式向其他能量存儲設備提供能量。本文所描述的飛輪方面通過用戶友好的、高性價比的、小型的并且環(huán)境友好的方式實現(xiàn)了增強的效率和性能，從而與現(xiàn)有布置相比，提供了實質(zhì)性的優(yōu)勢。它們可以實現(xiàn)在任意適當?shù)能囕v、引擎、機器或裝置中，以便以ー種之前通過使用現(xiàn)有技術(shù)布置不可能實現(xiàn)的方式來提高其輸出性能和滿足用戶需求。
權(quán)利要求
1.一種電池裝置，包括機械電池(40)和化學電池(42)，所述機械電池(40)包括飛輪，其中，所述機械電池(40)和所述化學電池(42)被布置成在使用時向公共負荷供應能量。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池裝置，其中，所述機械電池(40)被布置成與所述化學電池(42)并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池裝置，其中，所述機械電池(40)被布置成串聯(lián)在所述化學電池(42)和車輛變速器之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的電池裝置，進一步包括控制器(44)，其用于控制所述電池裝置中的能量流。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的電池裝置，其中，所述機械電池(40)和所述化學電池(42)是通過使用從包括所述公共負荷的系統(tǒng)的操作回收的能量可再充電的。
6.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的電池裝置，其中，所述機械電池(40)和所述化學電池(42)可相互再充電。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6中任一項所述的電池裝置，其中，所述機械電池(40)和所述化學電池(42)向其供應能量的所述公共負荷是電機(46)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電池裝置，其中，所述電機(46)包括以下中的任一個中電動車輛(EV)，所述電動車輛包括增程式電動車輛(REEV);以及混合動力電動車輛(HEV)，所述混合動力電動車輛包括并聯(lián)式混合動力電動車輛或插入式混合動力電動車輛。
9.一種車輛、引擎或機器，其包括權(quán)利要求I至8種任一項所述的電池裝置。
10.一種用于向包括負荷的系統(tǒng)供應能量的方法，所述方法包括使用電池裝置來向所述系統(tǒng)供應所述能量，所述電池裝置包括化學電池(42)和機械電池(40)，所述機械電池(40)包括飛輪，其中，所供應的化學電池能量和機械電池能量的組合是根據(jù)瞬時運行條件來選擇的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，進一步包括以下步驟使用從所述系統(tǒng)的操作中回收的能量來對所述機械電池(40)和所述化學電池(42)中的至少一個進行再充電。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，進一步包括以下步驟使用所述機械電池(40)來對所述化學電池(42)進行再充電，或者反之亦然。
13.根據(jù)權(quán)利要求10至12種任一項所述的方法，其中，所述瞬時運行條件包括以下中的任何一個系統(tǒng)負荷大小、相對或絕對電池充電、相對或絕對電池容量、所需的能量供應速率，所需的能量供應量以及所需的能量類型。
14.一種用于控制系統(tǒng)中的能量流的方法，所述系統(tǒng)包括電池裝置(40、42)和負荷(46)，所述電池裝置包括化學電池(42)和機械電池(40)，所述機械電池(40)包括飛輪，所述方法包括根據(jù)瞬時運行條件來考慮能量是應從所述負荷流入所述電池裝置還是應從所述電池裝置流出到所述負荷，并且之后，根據(jù)所述瞬時運行條件，對所述機械電池(40)和所述化學電池(42)的最佳組合進行再充電，或者從所述機械電池(40)和所述化學電池(42)的最佳組合提取能量。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，選擇機械和化學電池操作的最佳組合包括 考慮所述機械電池(40)中的所述飛輪的瞬時充電狀態(tài)和/或所述化學電池(40)的瞬時充電狀態(tài)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的方法，其中，選擇機械和化學電池操作的最佳組合包括考慮所述負荷的瞬時功率需求。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的方法，其中，選擇機械和化學電池操作的最佳組合包括考慮所述系統(tǒng)中的瞬時能量循環(huán)速度。
18.根據(jù)權(quán)利要求14至17中任一項所述的方法，進一步包括以下步驟在所述系統(tǒng)的操作期間，維持所述機械電池和/或所述化學電池中的最小充電電平。
19.根據(jù)權(quán)利要求14至18中任一項所述的方法，進一步包括在系統(tǒng)操作期結(jié)束時，使能量從所述機械電池流出到所述化學電池中，以便存儲在其中。
20.一種裝置方法或控制方案，其實質(zhì)上如本文所描述的或者如附圖中所示出的。
全文摘要
本申請?zhí)峁┝艘环N電池裝置，所述電池裝置包括機械電池，所述機械電池包括飛輪。所述電池裝置進一步包括化學電池，其中，在使用中，所述機械電池和所述化學電池被布置成向公共負荷供應能量。
文檔編號B60K6/20GK102686431SQ201080056615
公開日2012年9月19日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月20日
發(fā)明者A·F·阿特金斯 申請人:里卡多英國有限公司