具有多個(gè)能量存儲(chǔ)裝置的能源系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】這里提供的是包括能量存儲(chǔ)裝置和超級(jí)電容器的系統(tǒng)，其中能量存儲(chǔ)裝置適于存儲(chǔ)和釋放能量。耦合到能量存儲(chǔ)裝置的第一開(kāi)關(guān)裝置適于選擇性地將能量存儲(chǔ)裝置連接到負(fù)載及斷開(kāi)能量存儲(chǔ)裝置與負(fù)載的連接，耦合到超級(jí)電容器的第二開(kāi)關(guān)裝置適于選擇性地將超級(jí)電容器連接到負(fù)載及斷開(kāi)超級(jí)電容器與負(fù)載的連接。電流傳感器適于感測(cè)負(fù)載處的電流消耗。第一開(kāi)關(guān)裝置適于當(dāng)負(fù)載處的電流消耗的變化率低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)被激活以將能量存儲(chǔ)裝置連接到負(fù)載，第二開(kāi)關(guān)裝置適于當(dāng)負(fù)載處的電流消耗的變化率大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)被激活以將超級(jí)電容器連接到負(fù)載。
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有多個(gè)能量存儲(chǔ)裝置的能源系統(tǒng)[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)是2011年3月16日提交的題為“用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/453，474、2011年7月16日提交的題為“具有集成的控制器的電荷和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/508，621、2011年4月21日提交的題為“用于車(chē)輛應(yīng)用的多電池系統(tǒng)”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/477.730以及2011年7月16日提交的題為“提高充電能力的不同電荷狀態(tài)電池”的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.61/508622的非臨時(shí)申請(qǐng)，上述臨時(shí)申請(qǐng)通過(guò)引用結(jié)合于此。
[0003]本專(zhuān)利申請(qǐng)總體上涉及下面的共同未決的專(zhuān)利申請(qǐng),這些專(zhuān)利申請(qǐng)于此結(jié)合到本申請(qǐng)中以供參考:于同一日期由Ou Mao等人提交的題為“具有帶不同電荷狀態(tài)的裝置的能源系統(tǒng)(Energy Source Systems Having Devices with Differential States of
Charge) ”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.__,于同一日期由Brian C.Sick等人提交的題為“用于
控制多個(gè)存儲(chǔ)裝置的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Controlling Multiple
Storage Devices) ”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)N0._,于同一日期由Perry Μ.Wyatt等人提交的
題為“具有電池和超級(jí)電容器的能源裝置和系統(tǒng)(Energy Source Devices and Systems
Having a Battery and An Ultracapacitor) ”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)N0._，以及于同一日期由
Junwei Jiang等人提交的題為“用于組合能源系統(tǒng)中過(guò)充電保護(hù)和充電平衡的系統(tǒng)和方法(Systems and Methods for Overcharge Protection and Charge Balance in CombinedEnergy Source Systems) ” 的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng) N0._。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例總體上涉及能夠?yàn)橄掠螒?yīng)用提供能量的能源系統(tǒng)。具體而言，當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例涉及用于車(chē)輛應(yīng)用的包括結(jié)合電池和超級(jí)電容器的裝置的能源系統(tǒng)。更具體地說(shuō)，當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例涉及在封裝體中的結(jié)合電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)，該系統(tǒng)滿(mǎn)足車(chē)輛負(fù)載的所有電需求，包括啟動(dòng)、照明和點(diǎn)火，該封裝體比傳統(tǒng)的車(chē)輛電池系統(tǒng)占據(jù)更小的空間并具有更輕的重量。
【背景技術(shù)】
[0005]這部分是為了提供權(quán)利要求書(shū)中所詳述的本發(fā)明的背景或環(huán)境。這里的描述可包括可能被尋求的構(gòu)思，但不必是先前已被想到或?qū)で蟮臉?gòu)思。因此，除非這里另有說(shuō)明，在這部分中所描述的內(nèi)容并不是本申請(qǐng)說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)的現(xiàn)有技術(shù)，并且并不承認(rèn)包括在這部分中的內(nèi)容為現(xiàn)有技術(shù)。
[0006]一般已知的是，提供典型的鉛酸電池來(lái)用于車(chē)輛中的啟動(dòng)、照明和點(diǎn)火(SLI)應(yīng)用。這類(lèi)鉛酸電池通常具有大約70Ah的容量和大約12V的電壓。這類(lèi)鉛酸電池的重量通常為大約21kg，能量密度通常為大約40Wh/kg。用于SLI應(yīng)用的這類(lèi)鉛酸電池的一個(gè)性能要求稱(chēng)為“冷起動(dòng)電流”，其在零下18°C時(shí)為大約700Ah。如此高的冷起動(dòng)電流要求是為了車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的目的，用于在幾秒鐘內(nèi)傳送，尤其是在冷天氣情況下。然而，為了滿(mǎn)足冷起動(dòng)電流要求，這類(lèi)已知的鉛酸電池的大小尺寸趨于占據(jù)相當(dāng)大的空間，并且顯著增加車(chē)輛平臺(tái)的重量。
[0007]傳統(tǒng)的電池系統(tǒng)的另一缺陷是充電接受能力弱的問(wèn)題。也就是說(shuō)，在某些情況下，電池可能不能處理高充電電流，這會(huì)對(duì)車(chē)輛的能量再生能力產(chǎn)生不良影響。因此，期望提供一種或多種先進(jìn)的能源系統(tǒng)，當(dāng)被封裝在較小且較輕的裝置中時(shí)，其能夠有效地滿(mǎn)足用于發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的冷起動(dòng)電流要求。另外，還期望提供一種或多種先進(jìn)的能源系統(tǒng)，其適合用于與車(chē)輛的啟停技術(shù)或部件相關(guān)的部件(例如，以允許在停車(chē)期間關(guān)閉車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)并且在駕駛者需要時(shí)重新啟動(dòng))，或者適合用于與車(chē)輛的輕度混合技術(shù)或部件相關(guān)的部件(例如，以提供馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的增加或幫助，使車(chē)輛達(dá)到巡航速度)，以及適合于電車(chē)應(yīng)用，并且電壓在大約10-400V的范圍內(nèi)，尤其是，在大約10-100V的范圍內(nèi)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個(gè)實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括適于存儲(chǔ)和釋放能量的能量存儲(chǔ)裝置以及超級(jí)電容器。該系統(tǒng)還包括:第一開(kāi)關(guān)裝置，耦合到能量存儲(chǔ)裝置并適于選擇性地將能量存儲(chǔ)裝置連接到負(fù)載及斷開(kāi)能量存儲(chǔ)裝置與負(fù)載的連接；以及第二開(kāi)關(guān)裝置，耦合到超級(jí)電容器并適于選擇性地將超級(jí)電容器連接到負(fù)載及斷開(kāi)超級(jí)電容器與負(fù)載的連接。該系統(tǒng)還包括適于感測(cè)負(fù)載處的電流消耗的電流傳感器。第一開(kāi)關(guān)裝置適于當(dāng)負(fù)載處的電流消耗的變化率低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)被激活以將能量存儲(chǔ)裝置連接到負(fù)載，而第二開(kāi)關(guān)裝置適于當(dāng)負(fù)載處的電流消耗的變化率大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)被激活以將超級(jí)電容器連接到負(fù)載。
[0009]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括:監(jiān)測(cè)與負(fù)載處出現(xiàn)的需求相對(duì)應(yīng)的參數(shù)；以及基于所監(jiān)測(cè)的參數(shù)隨時(shí)間的變化率，確定所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率是否大于或等于預(yù)設(shè)閾值。該方法還包括:當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率并不大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制第一開(kāi)關(guān)將電池耦合到負(fù)載。此外，該方法包括:當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制第二開(kāi)關(guān)將超級(jí)電容器耦合到負(fù)載。
[0010]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種系統(tǒng)包括:電池，該電池包括一個(gè)或多個(gè)彼此串聯(lián)耦合的電化學(xué)電芯；以及超級(jí)電容器。該系統(tǒng)還包括:第一開(kāi)關(guān)裝置，耦合到電池并適于選擇性地將電池連接到負(fù)載及斷開(kāi)電池與負(fù)載的連接；以及第二開(kāi)關(guān)裝置，耦合到超級(jí)電容器并適于選擇性地將超級(jí)電容器連接到負(fù)載及斷開(kāi)超級(jí)電容器與負(fù)載的連接。該系統(tǒng)還包括:直流-直流(DC-DC)整流器，適于將電池電耦合到超級(jí)電容器；以及感測(cè)系統(tǒng)，適于感測(cè)電池的操作參數(shù)、超級(jí)電容器的操作參數(shù)和負(fù)載參數(shù)。此外，該系統(tǒng)包括控制器，耦合到第一開(kāi)關(guān)裝置、第二開(kāi)關(guān)裝置和DC-DC整流器，并適于基于所感測(cè)到的操作參數(shù)和負(fù)載參數(shù)來(lái)確定電池、超級(jí)電容器、DC-DC整流器及負(fù)載之間的能量流動(dòng)，并且控制一開(kāi)關(guān)裝置、第二開(kāi)關(guān)裝置和DC-DC整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)所確定的能量流動(dòng)。
[0011]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括:檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)；以及基于接收到的輸入，確定電池中存儲(chǔ)的能量是否足以啟動(dòng)機(jī)電車(chē)輛的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。該方法還包括:當(dāng)電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，控制直流-直流(DC-DC)整流器將能量從電池轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容器。此外，該方法包括:控制耦合到超級(jí)電容器的開(kāi)關(guān)來(lái)將超級(jí)電容器電耦合到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以使得能量能夠從超級(jí)電容器流到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從而在電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。[0012]在另一個(gè)實(shí)施例中，一種控制器，其適于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)；并基于接收到的輸入，確定電池中存儲(chǔ)的能量是否足以啟動(dòng)機(jī)電車(chē)輛的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。該控制器還適于:當(dāng)電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，控制直流-直流(DC-DC)整流器將能量從電池轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容器。此外，該控制器適于控制耦合到超級(jí)電容器的開(kāi)關(guān)來(lái)將超級(jí)電容器電耦合到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以使得能量能夠從超級(jí)電容器流到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從而在電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]從下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述中，將更加全面地理解本發(fā)明，其中相似的參考標(biāo)記表示相似的元件，附圖中:
[0014]圖1示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有設(shè)置在殼體上的負(fù)端子和正端子的供電系統(tǒng)，殼體封裝能量存儲(chǔ)裝置和超級(jí)電容器；
[0015]圖2是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0016]圖3示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的可用來(lái)在具有兩個(gè)端子的殼體內(nèi)電耦合能量存儲(chǔ)裝置和超級(jí)電容器的電路的實(shí)施例；
[0017]圖4示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的可用于利用至少一個(gè)可變電阻裝置來(lái)電耦合能量存儲(chǔ)裝置和超級(jí)電容器的電路的實(shí)施例；
[0018]圖5示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的方法的實(shí)施例，該方法可通過(guò)控制器實(shí)施成利用所感測(cè)的反饋來(lái)智能控制多裝置系統(tǒng)的操作；
[0019]圖6示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的可用于在具有兩個(gè)端子的殼體內(nèi)電耦合能量存儲(chǔ)裝置、超級(jí)電容器和DC/DC整流器的電路的實(shí)施例；
[0020]圖7示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的安全啟動(dòng)方法的實(shí)施例，該方法可通過(guò)控制器實(shí)施成控制電池和超級(jí)電容器；
[0021]圖8是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第一實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0022]圖9是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第二實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0023]圖10是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第三實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0024]圖11是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第四實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0025]圖12是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第五實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0026]圖13是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第六實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0027]圖14是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第七實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0028]圖15是根據(jù)這里描述的系統(tǒng)的第八實(shí)施例的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器設(shè)計(jì)的示意圖；
[0029]圖16示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的包括不同電荷狀態(tài)(SOC)能量存儲(chǔ)裝置的能源系統(tǒng)，該能量存儲(chǔ)裝置具有將低SOC能量存儲(chǔ)裝置和高SOC能量存儲(chǔ)裝置封裝在單個(gè)外殼中的殼體；
[0030]圖17示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有不同電荷狀態(tài)的能量存儲(chǔ)裝置的電壓相對(duì)電荷狀態(tài)(SOC)曲線(xiàn)的實(shí)施例；
[0031]圖18示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有不同電荷狀態(tài)的能量存儲(chǔ)裝置的電壓相對(duì)電荷狀態(tài)(SOC)曲線(xiàn)的實(shí)施例；
[0032]圖19示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的通過(guò)將低電荷狀態(tài)(SOC)裝置和高SOC裝置結(jié)合到單個(gè)封裝體中可以獲得的功率容量?jī)?yōu)點(diǎn)；
[0033]圖20示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的通過(guò)將低電荷狀態(tài)(SOC)裝置和高SOC裝置結(jié)合到單個(gè)封裝體中可以獲得的功率容量?jī)?yōu)點(diǎn)；
[0034]圖21示出了內(nèi)部構(gòu)造成容納一個(gè)或多個(gè)電池或電芯以及一個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器的標(biāo)準(zhǔn)電池外殼的實(shí)施例；
[0035]圖22示出了電池外殼的實(shí)施例，該電池外殼所具有的尺寸和獨(dú)特的形狀可以與新組件和電路意圖替代的所需的電池的尺寸和形狀相符合；
[0036]圖23是具有用于提供全部或一部分車(chē)輛驅(qū)動(dòng)力的電池模塊或系統(tǒng)的車(chē)輛的實(shí)施例的透視圖；以及
[0037]圖24示出了以混合動(dòng)力電車(chē)的形式提供的圖23中所示的車(chē)輛的實(shí)施例的示意性剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]根據(jù)當(dāng)前所公開(kāi)的實(shí)施例，這里提供的是具有過(guò)充電保護(hù)和充電平衡能力的高級(jí)電池和超級(jí)電容器系統(tǒng)。在一些實(shí)施例中，可利用超級(jí)電容器的高功率放電能力來(lái)滿(mǎn)足車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的冷起動(dòng)電流要求，并且可利用較小、較輕的電池來(lái)為其他的車(chē)輛電氣應(yīng)用提供能量。根據(jù)所闡述任何實(shí)施例，車(chē)輛應(yīng)用可包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力、微混合動(dòng)力、啟停和電子車(chē)輛應(yīng)用中的一種或多種，并且可包括大約IOV至大約400V范圍內(nèi)尤其是大約IOV至大約100V范圍內(nèi)的電壓應(yīng)用。雖然在所闡述的實(shí)施例中以示例的方式僅描述了一定數(shù)量的電池類(lèi)型，但是任何其他各種電池類(lèi)型和化學(xué)組成均可適于與超級(jí)電容器一起使用，以用于為各種車(chē)輛應(yīng)用提供較小和/或較輕的電源。因此，本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變型。
[0039]適用于這里所描述的系統(tǒng)的一種類(lèi)型的電池技術(shù)是鋰離子技術(shù)。鋰離子電池技術(shù)提供高至大約200Wh/kg的相當(dāng)高的能量密度，其一般是鉛酸電池的能量密度的大約五倍。因此，在一些實(shí)施例中，使用鋰離子電池技術(shù)來(lái)代替用于車(chē)輛中SLI應(yīng)用的傳統(tǒng)的鉛酸電池，具有以下優(yōu)點(diǎn)，諸如(舉例而言，并不限于)消除有毒的鉛化合物、較輕的重量以及較小的空間需求。然而，通常認(rèn)為鋰離子技術(shù)自身的冷起動(dòng)性能限制了鋰離子技術(shù)在這樣的應(yīng)用中的使用。典型的鋰離子電池放電率在零下(_)18°C時(shí)通常為大約2C倍率，這里2C倍率表示對(duì)于70Ah電池而言大約140A的放電電流，這低于典型的鉛酸電池冷起動(dòng)性能(約IOC倍率)。[0040]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向附圖，圖1示出了具有殼體12的電源系統(tǒng)10，殼體12帶有負(fù)端子14和正端子18，負(fù)端子14連接到地16，正端子18能夠耦合到具體實(shí)施的車(chē)輛接頭20，例如開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)馬達(dá)等。如所示出的，能量存儲(chǔ)裝置22和超級(jí)電容器24設(shè)置在殼體12內(nèi)。也就是說(shuō)，具有兩個(gè)端子14和18的單個(gè)殼體12封裝能量存儲(chǔ)裝置22和超級(jí)電容器24。前述特征可使得電源系統(tǒng)10能夠具有這樣的尺寸:該尺寸使得系統(tǒng)10能夠被用于代替具有標(biāo)準(zhǔn)尺寸的各種電池裝置，例如標(biāo)準(zhǔn)12V電池。如此來(lái)說(shuō)，應(yīng)注意的是，殼體12以及端子14和18的構(gòu)造在大小、形狀和布置方面可容易地進(jìn)行各種具體實(shí)施的變型，如下面所更詳細(xì)討論的那樣。例如，在某些實(shí)施例中，系統(tǒng)可被設(shè)計(jì)使得殼體或外殼被構(gòu)造成允許對(duì)現(xiàn)有電池系統(tǒng)例如傳統(tǒng)的車(chē)輛電池進(jìn)行簡(jiǎn)單且直接的替換。這樣，外殼可遵照標(biāo)準(zhǔn)的尺寸和形狀系數(shù)，特別涉及外殼的長(zhǎng)度、寬度和高度，端子的布置，端子的構(gòu)造，用于將電池系統(tǒng)保持入位的特征的布置和尺寸，諸如此類(lèi)。如果希望，實(shí)際的外殼可以一定程度上小于這些傳統(tǒng)的形狀系數(shù)，并且可以使用適配器、墊片和類(lèi)似結(jié)構(gòu)來(lái)允許這樣的替換。這樣的適配器和結(jié)構(gòu)還可允許使用不規(guī)則的或者非標(biāo)準(zhǔn)形狀的外殼。在任一情況下，車(chē)輛或者系統(tǒng)被置入的其他應(yīng)用的支撐結(jié)構(gòu)和接口結(jié)構(gòu)與當(dāng)前結(jié)構(gòu)相比幾乎不需要進(jìn)行改變或者不需要進(jìn)行改變。[0041 ] 應(yīng)注意的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，“電荷”和“能量”之間在物理上以及整體分析方面均存在區(qū)別。通常來(lái)說(shuō)，電荷被存儲(chǔ)，而能量在使用期間轉(zhuǎn)換。然而，在本申請(qǐng)的文本中，這兩個(gè)詞經(jīng)常某種程度上可互換地使用。因此，有時(shí)提及“電荷存儲(chǔ)”或提及“電荷的流動(dòng)”，或者提及對(duì)“能量”的相似處理。這種用法不應(yīng)被解釋為技術(shù)不準(zhǔn)或限定，因?yàn)殡姵?、超?jí)電容器及其他裝置和部件按照一般說(shuō)法可以被說(shuō)成用作能量存儲(chǔ)裝置或電荷存儲(chǔ)裝置，并且有時(shí)用作其一或者兩者。
[0042]而且，如在所闡述的實(shí)施例中所示，殼體12還封裝控制器26，控制器26耦合到能量存儲(chǔ)裝置22和超級(jí)電容器24，并且可控制多裝置系統(tǒng)的操作。應(yīng)注意的是，圖1中所示的控制器26可以是任何適合應(yīng)用于多裝置系統(tǒng)的控制器。然而，在一些當(dāng)前可想到的實(shí)施例中，能量存儲(chǔ)裝置22和超級(jí)電容器24可以通過(guò)多裝置控制器來(lái)控制，諸如在題為“用于控制多存儲(chǔ)裝置的系統(tǒng)和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING MULTIPLE STORAGEDEVI CES) ”的共同未決的申請(qǐng)中描述的控制器。
[0043]進(jìn)一步地，應(yīng)指出的是，圖1中的能量存儲(chǔ)裝置22和超級(jí)電容器24僅僅是示意性的，在其他實(shí)施例中，每個(gè)裝置可包括一個(gè)或多個(gè)裝置。例如，大體參看圖2中所示的實(shí)施例，鋰離子技術(shù)與超級(jí)電容器組的結(jié)合可以提供改進(jìn)的車(chē)輛電源系統(tǒng)，這是由于高功率超級(jí)電容器能夠以高功率快速放電來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)(例如，在大約2或3秒內(nèi))。更具體地，圖2示出了設(shè)計(jì)成具有四個(gè)電芯30、32、34和36(每個(gè)容量大約為15Ah)的鋰離子電池28與由超級(jí)電容器40、42、44、46、48和50 (每個(gè)容量大約2000法拉、2.7VDC)構(gòu)成的組38相結(jié)合的一個(gè)實(shí)施例。在一個(gè)實(shí)施例中，每個(gè)鋰離子電池電芯(磷酸鐵鋰/石墨)的平均電壓為大約3.3V，因此，串聯(lián)的四個(gè)電芯組提供大約13.2V的電壓。串聯(lián)的六個(gè)超級(jí)電容器40、42、44、46、48和50提供大約12V的平均電壓。
[0044]另外，在需要冷起動(dòng)電流時(shí)，超級(jí)電容器組38能夠在大約零下㈠18°C的低溫在2秒內(nèi)提供大約2000A的最大電流，這通常認(rèn)為足以啟動(dòng)車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，與用于車(chē)輛啟動(dòng)、照明和點(diǎn)火(SLI)應(yīng)用的容量為大約70Ah的鉛酸電池的大約21kg的重量相比，這種四芯鋰離子電池和六超級(jí)電容器組的總重量為大約7kg。與鉛酸電池組(70Ah)在大約零下(-)18°C的低溫時(shí)最大功率大約5.6kff相比,這種鋰離子和超級(jí)電容器系統(tǒng)的最大功率達(dá)到大約46kW。
[0045]圖3和圖4示出了另外的封裝在具有兩個(gè)端子14和18的殼體12內(nèi)的可用來(lái)將能量存儲(chǔ)裝置22的實(shí)施例和超級(jí)電容器24的實(shí)施例電耦合的電路52和54的實(shí)施例。具體來(lái)說(shuō)，在所不出的實(shí)施例中，電池56和電容器58被稱(chēng)合到電流傳感器60,電容器58在某些實(shí)施例中可以是超級(jí)電容器。在圖3的實(shí)施例中，電池56經(jīng)由第一開(kāi)關(guān)62電耦合到正端子18，電容器58經(jīng)由第二開(kāi)關(guān)64電耦合到正端子18。然而，應(yīng)注意的是，圖3中示出的開(kāi)關(guān)62和64在其他實(shí)施例中可以是可變電阻裝置，其能夠例如在控制器26的指示下接入或斷開(kāi)相關(guān)聯(lián)的裝置。例如，在圖4的實(shí)施例中，第二開(kāi)關(guān)64是場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)66，該FET66能夠被控制成以可變的方式將電容器58連接或斷開(kāi)到出現(xiàn)在正端子18處的負(fù)載。另外，應(yīng)該注意的是，在其他實(shí)施例中，第一開(kāi)關(guān)62也可以是可變電阻裝置，諸如FET。
[0046]操作期間，電流傳感器60感測(cè)負(fù)載處出現(xiàn)的電流消耗，因此使得控制器26能夠基于感測(cè)到的電流水平來(lái)確定當(dāng)前負(fù)載的特性。例如，電流傳感器60可以感測(cè)到與附件消耗(accessory drain)相對(duì)應(yīng)的電流水平,或者電流傳感器60也可以感測(cè)到與動(dòng)力消耗(power draw)相對(duì)應(yīng)的電流水平。從而，控制器26可利用感測(cè)到的電流水平來(lái)確定電池56和電容器58中的哪一個(gè)應(yīng)例如通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)62、64而被激活。例如，如果在負(fù)載處檢測(cè)到來(lái)自車(chē)輛的附件消耗，則可以閉合開(kāi)關(guān)62，從而使得電池56來(lái)滿(mǎn)足附件需求。又例如，如果檢測(cè)到動(dòng)力消耗，諸如與內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)相關(guān)的消耗，則可以閉合開(kāi)關(guān)64，從而使得電容器58來(lái)滿(mǎn)足動(dòng)力消耗。此外，在一些實(shí)施例中，控制器可以控制FET66和耦合到電池56的FET，使得通過(guò)從裝置56和58輸送的功率來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載。因此，當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例可以提供對(duì)負(fù)載參數(shù)的感測(cè)以及對(duì)裝置56和58的智能控制，以滿(mǎn)足負(fù)載處出現(xiàn)的需求。
[0047]圖5示出了方法68的實(shí)施例，例如，該方法68可以通過(guò)例如控制器26實(shí)施成利用所感測(cè)到的反饋來(lái)智能控制多裝置系統(tǒng)的操作。一旦開(kāi)始操作(框70)，控制器26就例如從電流傳感器60接收電流消耗水平的初始值(框72)，然后在之后的時(shí)間點(diǎn)接收電流消耗的當(dāng)前值(框74)。在這個(gè)實(shí)施例中，方法68繼續(xù)查詢(xún)電流消耗相對(duì)于時(shí)間的變化率是否大于或等于預(yù)設(shè)的閾值(框76)。如果感測(cè)到的電流變化率達(dá)到或超過(guò)給定的閾值，則控制器26激活電容器58以滿(mǎn)足需求(框78)。例如，控制器可以利用開(kāi)關(guān)64將電容器58耦合到正端子18處出現(xiàn)的負(fù)載。然而，如果感測(cè)到的電流變化率低于預(yù)設(shè)的閾值，則電池56被激活以滿(mǎn)足負(fù)載處的需求(框80)。
[0048]這樣，感測(cè)到的電流相對(duì)于時(shí)間的變化率可被用來(lái)確定利用裝置56和58中的哪一個(gè)來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載的需求。應(yīng)注意的是，雖然在示出的實(shí)施例中傳感器是電流傳感器，但是在其他實(shí)施例中，可以利用能夠感測(cè)負(fù)載參數(shù)的任何合適的傳感器或傳感器組合。另外，任何合適的指標(biāo)，不限于電流相對(duì)于時(shí)間的變化率，可以被用于確定激活哪個(gè)裝置來(lái)滿(mǎn)足負(fù)載處的需求。再者，在某些實(shí)施例中，可以利用各種閾值或查詢(xún)來(lái)確定應(yīng)由各個(gè)裝置來(lái)滿(mǎn)足哪部分負(fù)載。也就是說(shuō)，在某些實(shí)施例中，控制器可利用其它邏輯來(lái)確定負(fù)載在裝置之間的適當(dāng)?shù)墓蚕矸峙洹?br> [0049]圖6不出了可用于將電池56和電容器58電I禹合到正端子18處出現(xiàn)的負(fù)載的電路82的另一實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，如前所述，開(kāi)關(guān)62和64分別將電池56和電容器58耦合到正端子18。然而，如所示出的那樣，電路82包括電耦合電池56和電容器58的直流-直流(DC/DC)整流器。此外，感測(cè)系統(tǒng)85包括能夠在電路82的整個(gè)操作過(guò)程中分別測(cè)量電池電壓、電容器電壓和網(wǎng)絡(luò)電壓的電池電壓傳感器86、電容器電壓傳感器88和網(wǎng)絡(luò)電壓傳感器90。
[0050]在電路82的操作過(guò)程中，感測(cè)系統(tǒng)85可被用來(lái)測(cè)量電路82中各個(gè)位置的電壓電平，從而使得控制器26能夠獲得有關(guān)負(fù)載需求以及裝置56和58中的每個(gè)能夠提供的能量的量的信息。因此，基于從感測(cè)系統(tǒng)85接收到的信息，控制器26可以在任何給定的操作時(shí)間點(diǎn)根據(jù)裝置56和58中每個(gè)可用的能量來(lái)控制開(kāi)關(guān)62和64以及DC/DC整流器84以滿(mǎn)足負(fù)載處的需求。此外，需指出的是，如前所述，開(kāi)關(guān)62和64可以是可變裝置，諸如FET，使得控制器能夠根據(jù)需要接入和斷開(kāi)裝置56和58中的每一個(gè)。
[0051]在一個(gè)實(shí)施例中，例如，圖6中的電路82可以與控制器62 —起被封裝在殼體12內(nèi)，并代替?zhèn)鹘y(tǒng)的車(chē)輛電池來(lái)使用。在這樣的實(shí)施例中，電路82在控制器26的控制下被操作，當(dāng)電池56的電壓下降到不足以啟動(dòng)例如車(chē)輛內(nèi)燃發(fā)動(dòng)的電平之下時(shí)，所述電路82可以被用來(lái)降低或消除放置有裝置10的車(chē)輛不能啟動(dòng)的可能性。這里需再次指出的是，如下面更加詳細(xì)討論的那樣，可以針對(duì)欲使用裝置10的車(chē)輛來(lái)對(duì)端子14和18的結(jié)構(gòu)以及殼體12進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)和構(gòu)造。
[0052]圖7示出了方法92的實(shí)施例，該方法92可以通過(guò)控制器26實(shí)施來(lái)確保根據(jù)裝置56和58中可用的能量盡可能地啟動(dòng)結(jié)合有電路82的車(chē)輛。一旦開(kāi)始操作(框94)，就檢測(cè)啟動(dòng)車(chē)輛的操作員指令(框96)。例如，取決于具體的車(chē)輛類(lèi)型，操作員可以在車(chē)輛控制臺(tái)中插入并轉(zhuǎn)動(dòng)鑰匙、按壓按鈕來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛，諸如此類(lèi)。在一些實(shí)施例中，電池56可以被指定作為主能量源，也就是說(shuō)將被用作常規(guī)車(chē)輛啟動(dòng)事件。在這樣的實(shí)施例中，在某些時(shí)候，電池電壓可能太低而不能支持發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)事件，控制器26接收輸入，該輸入表示電池可用電壓不足以滿(mǎn)足操作員指令來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛(框98)。
[0053]在這樣的情況下，當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例提供降低或防止電池?fù)p耗進(jìn)而阻礙車(chē)輛被啟動(dòng)的可能性。更具體而言，方法92包括控制DC/DC整流器84以利用電池56中的可用電壓來(lái)對(duì)電容器58充電的步驟(框100)。也就是說(shuō)，雖然電池56中的電壓可能不足以啟動(dòng)車(chē)輛，但是可用電壓可足以對(duì)電容器58充電。一旦車(chē)輛在操作員第一次要求時(shí)未能啟動(dòng),貝U操作員可能再次試圖啟動(dòng)車(chē)輛，并且控制器26檢測(cè)到這個(gè)指令(框102)。由于電容器58在第一次啟動(dòng)嘗試與第二次啟動(dòng)嘗試之間的時(shí)間間隔內(nèi)被充電，所以電容器58可被用來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛(框104)，從而滿(mǎn)足操作員要求。這樣，可以控制電路82來(lái)降低或防止當(dāng)電池電壓低時(shí)車(chē)輛不能啟動(dòng)的可能性，因此相對(duì)于可能利用電池代替多裝置系統(tǒng)10的傳統(tǒng)系統(tǒng)而言提供了優(yōu)點(diǎn)。
[0054]圖8-15示出了另外的包括電池、超級(jí)電容器、過(guò)充電保護(hù)電路和充電平衡電路的各種組合的電路的實(shí)施例。具體而言，圖8示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的電池和超級(jí)電容器相結(jié)合的系統(tǒng)106的實(shí)施例。如圖8所示的系統(tǒng)106包括電池108，電池108具有串聯(lián)連接的并且連接到端子T3(110)和Τ4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)C1、C2、...CX，端子T3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯108充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組114如圖所示與電池108并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的各個(gè)超級(jí)電容器S1、S2、...SY，端子Tl (116)和T2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器114的總電壓與電池108中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。系統(tǒng)106還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許電池108在超級(jí)電容器114放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。
[0055]根據(jù)所示出的實(shí)施例，管理控制系統(tǒng)120包括與超級(jí)電容器114相關(guān)聯(lián)的第一管理控制電路122和與電池108相關(guān)聯(lián)的第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作為了給超級(jí)電容器114提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。這樣，應(yīng)該注意的是，第一控制電路122和第二控制電路124可例如經(jīng)由有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接彼此通信，以協(xié)調(diào)電池108和超級(jí)電容器114的操作。另外，在某些實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120監(jiān)測(cè)、控制、平衡電池108和超級(jí)電容器114。這樣，在操作期間，管理控制系統(tǒng)120的功能可包括但不限于監(jiān)測(cè)電池和超級(jí)電容器的參數(shù)(例如電壓、溫度、充電/放電狀態(tài)、健康狀態(tài)、電流等)、計(jì)算期望的參數(shù)(例如最大充電/放電電流、總能量輸送、總操作時(shí)間等)、與系統(tǒng)部件進(jìn)行通信(例如經(jīng)由CAN總線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)通信等)、提供保護(hù)功能(例如過(guò)電流、過(guò)充電/放電電壓、過(guò)高/過(guò)低的溫度等)、以及平衡以使能量存儲(chǔ)系統(tǒng)起作用。
[0056]更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在電池108和超級(jí)電容器114之間的流動(dòng)，以允許電流只在從電池108到超級(jí)電容器114的方向上流動(dòng)。進(jìn)一步地，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從電池108流向超級(jí)電容器114提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從電池108流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至Sy),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)Sy。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自電池108的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組114中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0057]圖9示出了根據(jù)當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例的具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合12V鉛酸電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)128。如圖9所示的系統(tǒng)128包括電池130，電池130具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3 (110)和T4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為六個(gè)電芯C1、C2、C3、C4、C5和C6，端子T3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組132如圖所示與電池130并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的六個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器31、52、53、54、55和S6，端子Tl (116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供相對(duì)較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器132的總電壓與電池130中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖9的實(shí)施例，六個(gè)鉛酸電芯每個(gè)具有大約2V的電壓，從而電池的總電壓為大約12V。另外，六個(gè)超級(jí)電容器中的每個(gè)具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個(gè)超級(jí)電容器使得總電壓與鉛酸電池的電壓大致匹配。
[0058]圖9的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鉛酸電池130在六個(gè)超級(jí)電容器132放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。如前所述，在所示的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對(duì)超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鉛酸電池130和超級(jí)電容器132之間的流動(dòng)，以允許電流只在從鉛酸電池130到超級(jí)電容器132的方向上流動(dòng)。
[0059]此外，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從鉛酸電池130流向超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從鉛酸電池130流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)S6。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自鉛酸電池130的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組132中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0060]參照?qǐng)D10，根據(jù)當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例，示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合13V鋰離子(磷酸鐵鋰陰極/碳陽(yáng)極)電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)150。如圖10所示的系統(tǒng)150包括電池152，電池152具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3 (110)和T4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為四個(gè)電芯C1-C4，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組132如圖所示與電池152并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的六個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器31、52、53、54、55和36，端子11(116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。如前所述，選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖10的實(shí)施例，四個(gè)鋰離子電芯中的每個(gè)具有大約3.3V的電壓，從而電池的總電壓為大約13.2V。另外，六個(gè)超級(jí)電容器中的每個(gè)具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個(gè)超級(jí)電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0061]圖10的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池在六個(gè)超級(jí)電容器放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。在所示的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124，第一管理控制電路122和第二管理控制電路124協(xié)同操作以對(duì)超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池152和超級(jí)電容器132之間的流動(dòng)，以允許電流只在從鋰離子電池152到超級(jí)電容器132的方向上流動(dòng)。
[0062]此外，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從鋰離子電池152流向超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從鋰離子電池152流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)S6。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自鋰離子電池152的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組132中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0063]參照?qǐng)D11，根據(jù)示例性實(shí)施例，示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合13V鋰離子(LiMn2O4陰極/Li4Ti5O12陽(yáng)極)電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)154。如圖11所示的系統(tǒng)包括電池156，電池156具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3 (110)和Τ4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為六個(gè)電芯C1-C6，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組132如圖所示與電池156并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和T2(118)的六個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器31、52、53、54、55和56，端子11(116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖11的實(shí)施例，六個(gè)鋰離子電芯中的每個(gè)(具有LiMn2O4陰極和Li4Ti5O12陽(yáng)極)具有大約2.2V的電壓，從而電池156的總電壓為大約13.2V。另外，六個(gè)超級(jí)電容器中的每個(gè)具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個(gè)超級(jí)電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0064]圖11的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池156在六個(gè)超級(jí)電容器132放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。在所示的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124，第一管理控制電路122和第二管理控制電路124協(xié)同操作以對(duì)超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池156和超級(jí)電容器132之間的流動(dòng)，以允許電流只在從鋰離子電池156到超級(jí)電容器132的方向上流動(dòng)。
[0065]此外，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從鋰離子電池156流向超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從鋰離子電池156流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)S6。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自鋰離子電池156的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組132中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0066]參照?qǐng)D12，根據(jù)當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例，示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合12V鋰離子(LiMn3/2Ni1/204陰極/Li4Ti5O12陽(yáng)極)電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)158。如圖12所示的系統(tǒng)158包括電池160，電池160具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3(110)和Τ4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為四個(gè)電芯C1-C4，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組132如圖所示與電池160并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2 (118)的六個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器S1、S2、S3、S4、S5和S6，端子Tl (116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供相對(duì)較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖12的實(shí)施例，四個(gè)鋰離子電芯中的每個(gè)(具有LiMn372Nil72O4陰極和Li4Ti5O12陽(yáng)極)具有大約3V的電壓，從而電池156的總電壓為大約12V。另外，六個(gè)超級(jí)電容器中的每個(gè)具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇六個(gè)超級(jí)電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0067]圖12的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池160在六個(gè)超級(jí)電容器放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。在所示的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124，第一管理控制電路122和第二管理控制電路124協(xié)同操作以對(duì)超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池160和超級(jí)電容器132之間的流動(dòng)，以允許電流只在從鋰離子電池160到超級(jí)電容器132的方向上流動(dòng)。
[0068]此外，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從鋰離子電池160流向超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從鋰離子電池160流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至S6),電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)S6。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自鋰離子電池160的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組132中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0069]參照?qǐng)D13，根據(jù)示例性實(shí)施例，示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合24V鉛酸電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)162。如圖13所示的系統(tǒng)包括電池164，電池164具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子T3 (110)和T4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為十二個(gè)電芯C1-C12，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組166如圖所示與電池并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的十二個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器51-512，端子11(116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖13的實(shí)施例，十二個(gè)鉛酸電芯中的每個(gè)具有大約2V的電壓，從而電池的總電壓為大約24V。另外，十二個(gè)超級(jí)電容器中的每個(gè)具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇十二個(gè)超級(jí)電容器使得總電壓與鉛酸電池164的電壓大致匹配。
[0070]圖13的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鉛酸電池164在十二個(gè)超級(jí)電容器放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。如前所述，在所示的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對(duì)超級(jí)電容器132提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鉛酸電池164和超級(jí)電容器166之間的流動(dòng)，以允許電流只在從鉛酸電池164到超級(jí)電容器166的方向上流動(dòng)。
[0071]進(jìn)一步地，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從鉛酸電池164流向超級(jí)電容器166提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從鉛酸電池164流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至S12)，電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)S12。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自鉛酸電池164的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組166中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0072]參照?qǐng)D14，根據(jù)當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例，示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合26V鋰離子(磷酸鐵鋰/石墨)電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)170。如圖14所示的系統(tǒng)170包括電池172，電池172具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3 (110)和Τ4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為八個(gè)電芯C1-C8，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組166如圖所示與電池172并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和T2(118)的十二個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器S1-S12，端子Tl (116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。選擇超級(jí)電容器的數(shù)量以及超級(jí)電容器的容量以使超級(jí)電容器的總電壓與電池中串聯(lián)的電芯的總電壓大體匹配。根據(jù)圖14的實(shí)施例，八個(gè)鋰離子電芯中的每個(gè)具有大約3.2V的電壓，從而電池172的總電壓為大約26V。另外，十二個(gè)超級(jí)電容器中的每個(gè)具有大約1.9V的平均電壓(但可以在大約IV至2.8V的范圍內(nèi))。因此，選擇十二個(gè)超級(jí)電容器使得總電壓與鋰離子電池的電壓大致匹配。
[0073]圖14的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，該管理控制系統(tǒng)120允許鋰離子電池172在十二個(gè)超級(jí)電容器166放電(例如發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng))之后對(duì)其快速再充電。如前所述，在所示的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對(duì)超級(jí)電容器166提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡。更具體來(lái)說(shuō)，在操作期間，控制電路122和124控制能量在鋰離子電池172和超級(jí)電容器166之間的流動(dòng)，以允許電流只在從鋰離子電池172到超級(jí)電容器166的方向上流動(dòng)。
[0074]進(jìn)一步地，第一控制電路122耦合到每個(gè)超級(jí)電容器，以隨著電流從鋰離子電池172流向超級(jí)電容器166提供過(guò)充電保護(hù)以及超級(jí)電容器之間的充電平衡。例如，在一些實(shí)施例中，控制電路122可控制電流流動(dòng)使得:隨著電流從鋰離子電池172流到每個(gè)超級(jí)電容器(從SI至S12)，電流首先流向S1、接著流向S2、依此類(lèi)推直至電流到達(dá)S12。以這種方式，當(dāng)每個(gè)超級(jí)電容器達(dá)到其所需的電壓電平時(shí)，來(lái)自鋰離子電池172的電流將旁路掉達(dá)到所需電壓電平的超級(jí)電容器，以與組166中的其他超級(jí)電容器相平衡。根據(jù)其他實(shí)施例，可以使用其他部件或裝置來(lái)平衡超級(jí)電容器的充電；本公開(kāi)的范圍意在包括所有這樣的變形。
[0075]參照?qǐng)D15，根據(jù)當(dāng)前公開(kāi)的實(shí)施例，示出了具有再充電能力的用于車(chē)輛應(yīng)用的結(jié)合48V電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)174。如圖15所示的系統(tǒng)174包括電池176，電池176具有彼此串聯(lián)連接的并且連接到端子Τ3 (110)和Τ4(112)的多個(gè)電芯(或電池單元)，示出為電芯C1-CY，端子Τ3(110)和Τ4(112)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的交流發(fā)電機(jī)，用于維持對(duì)電池電芯充電(以及為車(chē)輛的其他電負(fù)載提供電源)。超級(jí)電容器組178如圖所示與電池176并聯(lián)連接，并具有相互串聯(lián)連接的且連接到端子Tl (116)和Τ2(118)的十二個(gè)單個(gè)的超級(jí)電容器31-5乂，端子11(116)和Τ2(118)連接到車(chē)輛電氣系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)部分，用于提供較短且較高的電流來(lái)啟動(dòng)車(chē)輛。
[0076]在一個(gè)實(shí)施例中，電池176可以是包括電芯C1-C24的鉛酸電池，超級(jí)電容器組178可以包括大約十六個(gè)和大約三十個(gè)之間的超級(jí)電容器。在另一實(shí)施例中，電池176可以是包括電芯C1-C16且具有含錳酸鋰正極材料的鋰離子電池，超級(jí)電容器組178可以包括大約十六個(gè)和大約三十個(gè)之間的超級(jí)電容器。進(jìn)一步地，在另一實(shí)施例中，電池176可以是包括電芯C1-C13且含有磷酸鐵鋰正極材料的鋰離子電池，超級(jí)電容器組178可以包括大約十六個(gè)和大約三十個(gè)之間的超級(jí)電容器。更進(jìn)一步地，在又一實(shí)施例中，電池176可以是包括電芯C1-C16且具有含磷酸鐵鋰正極材料的鋰離子電池，超級(jí)電容器組178可以包括大約十二個(gè)和大約二十四個(gè)之間的超級(jí)電容器，而且超級(jí)電容器可以是混合電容器，具有嵌鋰電極且包括含石墨負(fù)電極。[0077]圖15的系統(tǒng)還包括管理控制系統(tǒng)120，以允許電流只在從電池176到超級(jí)電容器178的方向上流動(dòng)。如前所述，在所描述的實(shí)施例中，管理控制系統(tǒng)120包括第一管理控制電路122和第二管理控制電路124。在操作期間，管理控制系統(tǒng)120操作以對(duì)超級(jí)電容器178提供過(guò)充電保護(hù)和充電平衡，如上面針對(duì)圖8-14所詳細(xì)描述。
[0078]與結(jié)合電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)相關(guān)的管理控制系統(tǒng)的上述特征相對(duì)于現(xiàn)有系統(tǒng)可提供各種優(yōu)點(diǎn)。例如，在某些實(shí)施例中，高能量密度電池和電壓在大約24V至大約120V范圍內(nèi)的高功率超級(jí)電容器的組合可以為各種類(lèi)型的車(chē)輛應(yīng)用例如微混合動(dòng)力和輕度混合動(dòng)力提供益處，以提高燃油效率并降低這類(lèi)車(chē)輛的二氧化碳排放。如上面所指出的，提供在前述電壓范圍內(nèi)的結(jié)合電池和超級(jí)電容器的系統(tǒng)可帶來(lái)各種優(yōu)點(diǎn)。
[0079]更具體來(lái)說(shuō)，在某些情況下，可通過(guò)低溫冷起動(dòng)電流(與功率相關(guān)的要求)以及為與能量相關(guān)的要求的車(chē)輛電負(fù)載(例如燈光、電子器件、底盤(pán)電氣化等)來(lái)確定用于SLI的鉛酸電池的尺寸。一些當(dāng)前的鉛酸電池可具有大約40Wh/kg的能量密度、大約70Ah的容量以及大約12V的電壓。相應(yīng)地，這類(lèi)電池在零下18°C通?？商峁┐蠹s700Ah的冷起動(dòng)電流。在一些情況下，可能期望提高能源系統(tǒng)所能提供的能量和功率密度。例如，一些輕度混合動(dòng)力車(chē)輛以并行的構(gòu)造方式配備有馬達(dá)/發(fā)電機(jī)，允許當(dāng)車(chē)輛滑行、制動(dòng)或停車(chē)時(shí)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，但能快速重新啟動(dòng)。因此，這種需求可能要求在這類(lèi)輕度混合動(dòng)力車(chē)輛中的能量存儲(chǔ)裝置具有比非混合動(dòng)力車(chē)輛或電子SLI車(chē)輛更高的功率和能量輸出。
[0080]此外，通過(guò)提供電壓在從大約24V到大約120V的范圍內(nèi)的電池和超級(jí)電容器組合系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)各種益處。也就是說(shuō)，通過(guò)將各種類(lèi)型的電池和超級(jí)電容器結(jié)合到單個(gè)系統(tǒng)中，與每個(gè)技術(shù)類(lèi)型相關(guān)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)可以在單個(gè)裝置中得以實(shí)現(xiàn)。在某些實(shí)施例中，鋰離子電池技術(shù)可提供高至大約200Wh/kg的能量密度(其可以為傳統(tǒng)鉛酸電池的大約5倍)。然而，一些鋰離子電池在零下18°C可能具有大約2C的放電率，這低于鉛酸電池冷起動(dòng)性能(例如，大約10C)。另外，超級(jí)電容器或混合超級(jí)電容器在室溫可展示大約10kW/kg的高功率密度(或者在大約零下30°C具有高達(dá)大約lkW/kg的功率密度)。當(dāng)前公開(kāi)的組合能源系統(tǒng)的實(shí)施例可將這些電池類(lèi)型中的一種或多種的優(yōu)點(diǎn)與超級(jí)電容器的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到單個(gè)裝置中。更進(jìn)一步地，通過(guò)提供在大約24V至大約120V范圍內(nèi)的系統(tǒng)，在高功率輸出時(shí)可降低電阻熱損失，從而相對(duì)于單裝置系統(tǒng)和設(shè)置在低電壓范圍內(nèi)的系統(tǒng)提供額外的優(yōu)點(diǎn)。
[0081]為了便于向后兼容、改裝、電池替換、物理支撐以及電連接，當(dāng)前能想到的是，本公開(kāi)中討論的電池和超級(jí)電容器以及電池超級(jí)電容器控制電路組合可以被一起物理地封裝在外殼中，該外殼具有適于傳統(tǒng)電池封裝的形狀系數(shù)。也就是說(shuō)，可以采用殼體或外殼來(lái)容納電池和超級(jí)電容器，在期望的地方，這里討論的控制電路的類(lèi)型和傳統(tǒng)的鉛酸或其他電池類(lèi)型相似或相同。外殼在某些方面可與傳統(tǒng)外殼有所區(qū)別，或者被不同地著色或做標(biāo)記以清楚地表示出替代品包括這些內(nèi)部部件，然而，可以想到的是，例如在車(chē)輛應(yīng)用中，諸如用于防止和固定裝置的物理尺寸以及端子的位置和尺寸等特征可以與它們所替代的傳統(tǒng)電池相同或者充分相似，以使得這樣的替代對(duì)現(xiàn)有的支撐或布線(xiàn)幾乎沒(méi)有或者沒(méi)有改變。
[0082]圖21示出了內(nèi)部構(gòu)造成容納一個(gè)或多個(gè)電池248或電芯以及一個(gè)或多個(gè)超級(jí)電容器250的不例性標(biāo)準(zhǔn)電池外殼246。也可選地,外殼可包括支撐在一個(gè)或多個(gè)電路板上的控制電路252和調(diào)節(jié)電路等。外殼的物理尺寸可符合現(xiàn)有的用于具體電池類(lèi)型和新電池所欲替代的應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。特別地，如圖21所示，外殼具有與所選標(biāo)準(zhǔn)電池的尺寸大致相同的高度254、寬度256和深度258。在這個(gè)例子中，電池端子260位于頂部位置，并偏離電池中心線(xiàn)。圖22示出了另一示例性電池外殼262，該電池外殼262所具有的尺寸和獨(dú)特的形狀可以與新組件和電路意圖替代的所需的電池的尺寸和形狀相符合。在這個(gè)例子中，如參考標(biāo)記264所示，端子可以位于外殼的頂部，或者正面。而且，標(biāo)準(zhǔn)形狀系數(shù)包括裝配或固定特征，例如壓緊裝置等，大致如圖21和22中參考標(biāo)記N30所示。
[0083]本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，某些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已被制定，用于構(gòu)造多種應(yīng)用的電池的物理封裝。例如，國(guó)際電池委員會(huì)(BCI)是為車(chē)輛電池制定特定標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)協(xié)會(huì)。已由BCI規(guī)
定多個(gè)電池類(lèi)組和尺寸。下面的列表提供了其中的一些例子:
[0084]
【權(quán)利要求】
1.一種能源系統(tǒng)，包括: 能量存儲(chǔ)裝置，構(gòu)造成存儲(chǔ)和釋放能量； 超級(jí)電容器； 第一開(kāi)關(guān)裝置，耦合到所述能量存儲(chǔ)裝置并構(gòu)造成選擇性地將所述能量存儲(chǔ)裝置連接到負(fù)載及斷開(kāi)所述能量存儲(chǔ)裝置與所述負(fù)載的連接； 第二開(kāi)關(guān)裝置，耦合到所述超級(jí)電容器并構(gòu)造成選擇性地將所述超級(jí)電容器連接到所述負(fù)載及斷開(kāi)所述超級(jí)電容器與所述負(fù)載的連接；以及 電流傳感器，構(gòu)造成感測(cè)所述負(fù)載處的電流消耗，其中，所述第一開(kāi)關(guān)裝置構(gòu)造成當(dāng)所述負(fù)載處的電流消耗的變化率低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)被激活以將所述能量存儲(chǔ)裝置連接到所述負(fù)載，所述第二開(kāi)關(guān)裝置被構(gòu)造成當(dāng)所述負(fù)載處的電流消耗的變化率大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)被激活以將所述超級(jí)電容器連接到所述負(fù)載。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第一開(kāi)關(guān)裝置包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管被構(gòu)造成以變化的方式將所述能量存儲(chǔ)裝置連接到所述負(fù)載以及斷開(kāi)所述能量存儲(chǔ)裝置與所述負(fù)載的連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述第二開(kāi)關(guān)裝置包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管被構(gòu)造成以變化的方式將所述超級(jí)電容器連接到所述負(fù)載以及斷開(kāi)所述超級(jí)電容器與所述負(fù)載的連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的所述系統(tǒng)，包括控制器，該控制器耦合到所述第一開(kāi)關(guān)裝置、所述第二開(kāi)關(guān)裝置和所述電流傳感器，并且被構(gòu)造成基于所述電流傳感器檢測(cè)到的電流消耗的變化率來(lái)控制所述第一開(kāi)關(guān)裝置和所述第二開(kāi)關(guān)裝置的操作。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述負(fù)載包括啟動(dòng)、照明或點(diǎn)火負(fù)載。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述負(fù)載包括與一個(gè)或多個(gè)啟停操作部件相關(guān)聯(lián)的消耗。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述負(fù)載包括與微混合操作部件相關(guān)聯(lián)的消耗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述預(yù)設(shè)閾值包括足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的電流水平。
9.一種用于控制能源系統(tǒng)的方法，包括: 監(jiān)測(cè)與負(fù)載處出現(xiàn)的需求相對(duì)應(yīng)的參數(shù)； 基于所監(jiān)測(cè)的參數(shù)隨時(shí)間的變化率，確定所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率是否大于或等于預(yù)設(shè)閾值； 當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率并不大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制第一開(kāi)關(guān)將電池耦合到負(fù)載；以及 當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率大于或等于預(yù)設(shè)閾值時(shí)，控制第二開(kāi)關(guān)將超級(jí)電容器耦合到負(fù)載。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述參數(shù)包括負(fù)載處出現(xiàn)的需求的電流水平。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括監(jiān)測(cè)從所述電池能獲得的電壓和從所述超級(jí)電容器能獲得的電壓。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，包括:當(dāng)所監(jiān)測(cè)的參數(shù)的變化率并不大于或等于預(yù)設(shè)閾值并且所監(jiān)測(cè)的來(lái)自所述電池的電壓小于當(dāng)前需求時(shí)，控制所述第二開(kāi)關(guān)將所述超級(jí)電容器耦合到所述負(fù)載。
13.一種能源系統(tǒng)，包括: 電池，該電池包括一個(gè)或多個(gè)彼此串聯(lián)耦合的電化學(xué)電芯； 超級(jí)電容器； 第一開(kāi)關(guān)裝置，耦合到所述電池并構(gòu)造成選擇性地將所述電池連接到負(fù)載及斷開(kāi)所述電池與所述負(fù)載的連接； 第二開(kāi)關(guān)裝置，耦合到超級(jí)電容器并構(gòu)造成選擇性地將所述超級(jí)電容器連接到所述負(fù)載及斷開(kāi)所述超級(jí)電容器與所述負(fù)載的連接； 直流-直流(DC-DC)整流器，構(gòu)造成將所述電池電耦合到所述超級(jí)電容器； 感測(cè)系統(tǒng)，構(gòu)造成感測(cè)所述電池的操作參數(shù)、所述超級(jí)電容器的操作參數(shù)和負(fù)載參數(shù)；以及 控制器，耦合到所述第一開(kāi)關(guān)裝置、所述第二開(kāi)關(guān)裝置和所述DC-DC整流器，并構(gòu)造成基于所感測(cè)到的操作參數(shù)和負(fù)載參數(shù)來(lái)確定所述電池、所述超級(jí)電容器、所述DC-DC整流器及所述負(fù)載之間的能量流動(dòng)，并且控制所述一開(kāi)關(guān)裝置、所述第二開(kāi)關(guān)裝置和所述DC-DC整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)所確定的能量流動(dòng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述負(fù)載包括來(lái)自機(jī)電車(chē)輛的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)負(fù)載。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所`述的系統(tǒng)，其中，所述控制器被構(gòu)造成:當(dāng)所述電池的操作參數(shù)表明所述電池沒(méi)有足夠的存儲(chǔ)能量來(lái)滿(mǎn)足所述啟動(dòng)負(fù)荷時(shí)，控制所述DC-DC整流器將能量從所述電池轉(zhuǎn)移到所述超級(jí)電容器。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述控制器進(jìn)一步被構(gòu)造成控制所述第二開(kāi)關(guān)裝置將所述超級(jí)電容器耦合到所述負(fù)載，以滿(mǎn)足所述啟動(dòng)負(fù)荷。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述第一開(kāi)關(guān)裝置包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管被構(gòu)造成以變化的方式將所述電池連接到所述負(fù)載以及斷開(kāi)所述電池與所述負(fù)載的連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述第二開(kāi)關(guān)裝置包括場(chǎng)效應(yīng)晶體管，該場(chǎng)效應(yīng)晶體管被構(gòu)造成以變化的方式將所述超級(jí)電容器連接到所述負(fù)載以及斷開(kāi)所述超級(jí)電容器與所述負(fù)載的連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述電池包括鉛酸電池。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述電池包括鎳氫電池。
21.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述電池包括鎳鋅電池。
22.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其中，所述電池的操作參數(shù)包括電池電壓，所述超級(jí)電容器的操作參數(shù)包括超級(jí)電容器電壓，所述負(fù)載參數(shù)包括負(fù)載電壓。
23.一種用于控制能源系統(tǒng)的方法，包括: 檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)； 基于接收到的輸入，確定電池中存儲(chǔ)的能量是否足以啟動(dòng)機(jī)電車(chē)輛的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，控制直流-直流(DC-DC)整流器將能量從電池轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容器；以及 控制耦合到超級(jí)電容器的開(kāi)關(guān)來(lái)將超級(jí)電容器電耦合到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以使得能量能夠從超級(jí)電容器流到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從而在電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述電池包括鉛酸電池。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述電池包括鋰離子電池。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述電池包括鎳氫電池。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中，所述電池包括鎳鋅電池。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，包括:當(dāng)電池中存儲(chǔ)的能量足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，控制耦合到電池的第二開(kāi)關(guān)將電池電耦合到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以使得能量能夠從電池流到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從而啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
29.一種用于具有多個(gè)能量存儲(chǔ)裝置的能源系統(tǒng)的控制器，被構(gòu)造成: 檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)； 基于接收到的輸入，確定電池中存儲(chǔ)的能量是否足以啟動(dòng)機(jī)電車(chē)輛的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)； 當(dāng)電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，控制直流-直流(DC-DC)整流器將能量從電池轉(zhuǎn)移到超級(jí)電容器；以及 控制耦合到超級(jí)電容器的開(kāi)關(guān)來(lái)將超級(jí)電容器電耦合到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以使得能量能夠從超級(jí)電容器流到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從而在電池中存儲(chǔ)的能量不足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的控制器，被構(gòu)造成:當(dāng)電池中存儲(chǔ)的能量足以啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，控制耦合到電池的第二開(kāi)關(guān)將電池電耦合到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，以使得能量能夠從電池流到內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)，從而啟動(dòng)內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。
【文檔編號(hào)】B60L11/18GK103534134SQ201280023858
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2012年3月16日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月16日
【發(fā)明者】托馬斯·M.·沃森, 蔣軍偉, 佩里·M.·懷亞特 申請(qǐng)人:約翰遜控制技術(shù)公司