專利名稱：混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中使用插入式充電器的電池均衡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例總體上涉及一種用于對混合動(dòng)力電動(dòng)車輛的蓄 電池充電的電力供應(yīng)系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
混合動(dòng)力電動(dòng)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)包括多個(gè)動(dòng)力源，主要在公路速度不變時(shí)使用的內(nèi)燃機(jī)(internal combustion engine, ICE);用于給蓄電池充 電的電動(dòng)機(jī)；以及用于起動(dòng)車輛，即用于使車輛從停止?fàn)顟B(tài)加速的牽引電 機(jī)。通常，當(dāng)使用密封鉛酸電池時(shí)，恒壓充電法是為蓄電池組電池充電的 優(yōu)選方法。在恒壓方式下，電流受到電池內(nèi)阻的限制。當(dāng)電池在低電荷狀 態(tài)并且內(nèi)阻小時(shí)，突入電流(in-rush current)會(huì)很大并且能量可以很快地 充入電池。當(dāng)電池充好電時(shí)，會(huì)到達(dá)一個(gè)轉(zhuǎn)變點(diǎn)，此時(shí)電池內(nèi)阻突然升高， 并且在恒壓下，電池將接受的電流越來越少。這種自我調(diào)節(jié)作用能防止電 池過度充電，從而延長壽命。這種恒壓充電方式在均衡電壓下進(jìn)行，該均 衡電壓是能使電池處于高充電狀態(tài)(state of charge, SOC)的推薦電壓。轉(zhuǎn)換之后，需要低電流均衡充電使電池達(dá)到飽和，并確保將電池組的 各電池單元帶入接近相等的充電狀態(tài)。電池的多數(shù)充電和放電過程是在低于轉(zhuǎn)換點(diǎn)的大部分區(qū)域完成的。傳統(tǒng)的混合動(dòng)力電動(dòng)車輛的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)利用由內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī) 作為電池充電器進(jìn)行電池均衡?？刂凭獾倪^程是困難的，原因是電機(jī)一內(nèi)燃機(jī)聯(lián)合器的額定功率與精確執(zhí)行蓄電池過度充電/均衡所需的電池 功率之間的不匹配。行業(yè)中需要這樣的系統(tǒng)和方法，其在混合動(dòng)力電動(dòng)系統(tǒng)中利用除車載 能源外的能源為蓄電池提供均衡充電。需要這樣的系統(tǒng)和方法，其利用混 合動(dòng)力電動(dòng)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中定制的電池電力的限制，用插入式充電器為車 輛提高電池均衡。發(fā)明內(nèi)容一種在混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中儲(chǔ)蓄和供應(yīng)電力的供電系統(tǒng)，包括置于 車上的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)，其可驅(qū)動(dòng)地連接至車輪并產(chǎn)生交流電力；儲(chǔ)能裝置， 用來交替儲(chǔ)存和釋放電力；連接至電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置的轉(zhuǎn)換器，其 用于將電動(dòng)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置的直流電流， 以及將儲(chǔ)能裝置中儲(chǔ)存的直流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)诫妱?dòng)發(fā)電機(jī)的交流電流； 置于車外的交流電源，以及連接至上述電源和儲(chǔ)能裝置的充電器，其用于 從上述交流電源向儲(chǔ)能裝置供應(yīng)直流電力。插入式裝置和系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)包括有效的電池組精確均衡；內(nèi)燃機(jī)或公 用電力系統(tǒng)能源的可選擇性；以及對混合動(dòng)力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活，包括 充電器的大小、充電集成和電池充電布局。由該系統(tǒng)充電的蓄電池組電池很少均衡，可能每三到四個(gè)月。而儲(chǔ)電 系統(tǒng)僅使用一個(gè)蓄電池，不需要第二個(gè)電動(dòng)蓄電池，從而避免不必要的增 加系統(tǒng)和機(jī)車的重量，除非在蓄電池充電時(shí)需要。車外的第二蓄電池將會(huì) 增加成本，減弱系統(tǒng)充電的效率，以及使均衡問題加倍，原因是它必須定 期地充電。儲(chǔ)能裝置具有既可以用內(nèi)燃機(jī)來補(bǔ)充能源，也可以由車外的能源、比 如公用電力資源提供能源的靈活性。內(nèi)燃機(jī)可以持續(xù)工作并提供能量將負(fù)荷驅(qū)動(dòng)到一定的充電狀態(tài)，然后 由公用電力系統(tǒng)為蓄電池充電。利用可定制的電池電力的限制，可以用電動(dòng)機(jī)械/內(nèi)燃機(jī)將電池包帶至 高(約90%)充電狀態(tài)，然后可以用插入式充電器實(shí)現(xiàn)精確的過度充電和 均衡。獨(dú)立或組合交替使用電動(dòng)機(jī)械和內(nèi)燃機(jī)以及外部能源的動(dòng)力源，提供每種能源的費(fèi)用優(yōu)化方面控制的靈活性。例如，當(dāng)燃料的價(jià)格與外部能 源交流電流的電量費(fèi)用相比相對較低時(shí)，將使用內(nèi)燃機(jī)對儲(chǔ)能裝置進(jìn)行大電流充電(bulk charge), S卩，將電池包充電至高充電狀態(tài)，而且將利用外 部能源和充電器進(jìn)行均衡充電，即由高充電狀態(tài)變?yōu)樽畲?約100%)充 電狀態(tài)。當(dāng)燃料價(jià)格相對公用能源費(fèi)用較高時(shí)，將使用內(nèi)燃機(jī)對成比例地 低于高充電狀態(tài)的儲(chǔ)能裝置提供大電流充電，外部能源和充電器將用于對 成比例地高于低(約10%)充電狀態(tài)均衡充電。優(yōu)選實(shí)施例的適用范圍可從以下詳細(xì)說明、權(quán)利要求書和附圖中變得 顯而易見。應(yīng)該理解，說明書和特定的示例盡管說明了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施 例，但其僅作為示例給出。對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，所述實(shí)施例 和示例的各種變化和改變是顯而易見的。


對所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，結(jié)合附圖考慮時(shí)，上述以及其它優(yōu)點(diǎn)從以下對優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說明中將會(huì)變得顯而易見，其中 圖1為混合動(dòng)力電動(dòng)車輛電池動(dòng)力控制系統(tǒng)的示意圖； 圖2為圖1關(guān)于電池充電狀態(tài)和電池電力請求的轉(zhuǎn)換函數(shù)；以及 圖3為一示意圖，表示混合動(dòng)力燃料電池/儲(chǔ)能裝備系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
首先參照圖l，存儲(chǔ)在可訪問控制器12的電子存儲(chǔ)器中的分?jǐn)嗑€性轉(zhuǎn) 換函數(shù)10將車載蓄電池的充電狀態(tài)與電池產(chǎn)生的功率值、即電池電力請 求14關(guān)聯(lián)起來。電池電力判斷控制算法16接收輸入信號，這些信號代表 當(dāng)前電池電力請求14、當(dāng)前內(nèi)部參數(shù)(如SOC、電池溫度、內(nèi)阻、開路 電壓)18以及各種車輛輸入20，其包括加速踏板位置、制動(dòng)踏板位移、 變速桿或停車/倒車/空檔/駕駛/低速(Park/Reverse/Neutral/Drive/Low ， PRNDL)的位置、當(dāng)前車輛遠(yuǎn)程通信的使用程度以及驅(qū)動(dòng)器接口。算法16 產(chǎn)生信號作為其輸出，該信號代表判斷的所需電池電力22?；旌蟿?dòng)力電動(dòng)車輛混合及優(yōu)化算法24響應(yīng)車輛輸入信號20和判斷的所需電池電力22 輸入信號后，產(chǎn)生輸出命令信號26、 28，信號26和28用作電動(dòng)機(jī)械30 和內(nèi)燃機(jī)32的輸入，這些信號被用來利用這兩種能源30、 32為儲(chǔ)能裝置 如蓄電池優(yōu)化充電。電池電力請求14是一個(gè)不動(dòng)區(qū)分?jǐn)嗑€性函數(shù)，其包括四個(gè)點(diǎn)電池 電力飽和下限34，零點(diǎn)飽和下限35，零點(diǎn)飽和上限36，以及上位點(diǎn)電池 電力飽和上限37。圖2表示電池電力請求轉(zhuǎn)換函數(shù)10在所有變化(PLF A) 38之前和 在行駛工況(PLF B)40過程中電動(dòng)機(jī)/內(nèi)燃機(jī)為電池充電之后的一個(gè)實(shí)例。 在這種方式下，在使用電池充電器的行駛工況過程中，轉(zhuǎn)換函數(shù)的四個(gè)點(diǎn) 34—37所表示的變量范圍發(fā)生變化。對所示實(shí)例來說，用于改變電池電力 請求轉(zhuǎn)換函數(shù)38系統(tǒng)向右移到轉(zhuǎn)換函數(shù)40的位置，從而使車輛在再充電 之前保持在較高的充電狀態(tài)。圖3示意性表示混合動(dòng)力電動(dòng)均衡系統(tǒng)50的構(gòu)造。兩個(gè)車載動(dòng)力源 包括內(nèi)燃機(jī)32和電動(dòng)機(jī)械30，其可以為起動(dòng)一發(fā)電機(jī)或者電動(dòng)一發(fā)電機(jī)。 電動(dòng)機(jī)械30通過串聯(lián)和/或并聯(lián)驅(qū)動(dòng)連接方式可驅(qū)動(dòng)地連接至車輪60。 當(dāng)內(nèi)燃機(jī)32在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行時(shí)，其可以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)械30，其也可以 驅(qū)動(dòng)車輪60。電動(dòng)機(jī)械30可以在起動(dòng)模式下運(yùn)行，以起動(dòng)內(nèi)燃機(jī)32，也 可以在電動(dòng)模式下驅(qū)動(dòng)車輪60，還可以在發(fā)電機(jī)模式下為儲(chǔ)能裝置56充 電。在發(fā)電機(jī)模式下，電動(dòng)機(jī)械30可以被車輪、內(nèi)燃機(jī)32、或其組合驅(qū) 動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)32或者由機(jī)械接口 58可驅(qū)動(dòng)地連接到電動(dòng)機(jī)械30。機(jī)械接口 58可以是機(jī)動(dòng)車的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的一部分或者離合器，其能夠交替嚙合或 分離。電動(dòng)機(jī)械30的輸出通過電接口 62連接到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換器64。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換器64將電動(dòng)機(jī)械30產(chǎn)生的交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流，該 直流電流通過線路68供應(yīng)到儲(chǔ)能裝置56，電動(dòng)轉(zhuǎn)換器還可以將來自儲(chǔ)能 裝置的直流電流轉(zhuǎn)換成交流電流，該交流電流通過線路68供應(yīng)到電動(dòng)機(jī) 械62。儲(chǔ)能裝置56可以是蓄電池、電池包、電容器、或者蓄電池和電容器 的組合。當(dāng)儲(chǔ)能裝置56包含電池包時(shí)，這些電池包可能以組72、 73、 74、 75的形式排列，這些組以任意組合互相連接，包括串聯(lián)、并聯(lián)、以及串聯(lián)—并聯(lián)連接。高壓(high voltage, HV)充電器70和儲(chǔ)能裝置56可以使用兩個(gè)不 同的電接口76、 78，因此當(dāng)儲(chǔ)能裝置56充電時(shí)，如果需要，其可以分割。 這種方式中，高壓充電器70的電流可以在組成儲(chǔ)能裝置56的電池組72 —75組中分配或分割。高壓充電器70可以安裝在車上，在此情況下，其 可以與轉(zhuǎn)換器64結(jié)合在一起或者作為與轉(zhuǎn)換器分離的單元?？蛇x擇地， 高壓充電器70也可以安裝在車外。另外，來自車外能源76如公用電力系統(tǒng)的動(dòng)力通過線路78電連接到 高壓充電器70。外部能源可以向充電器70提供單相或三相交流電流。充 電器70將來自能源76的交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流，直流電流通過線路72、 74供應(yīng)到儲(chǔ)能裝置56。高壓充電器可以在重新平衡的量值上提供能量， 即再充滿儲(chǔ)能裝置56。重新平衡充電有時(shí)被稱為均衡充電。對于圖2所示的實(shí)例來說，用于將電池電力請求轉(zhuǎn)換曲線38變得右 移的方法使機(jī)車在再充電之前保持高充電狀態(tài)。高充電狀態(tài)提供運(yùn)行的靈 活性，例如可使充電器70的容量變小，或者使儲(chǔ)能裝置56實(shí)現(xiàn)均衡充電 所需的周期變短。交替使用內(nèi)燃機(jī)32和外部能源76能源，提供每種能源的費(fèi)用優(yōu)化方 面控制的靈活性。例如，當(dāng)汽油或者柴油燃料的價(jià)格與外部能源交流電流 的電量費(fèi)用相比相對較低時(shí)，控制器12單獨(dú)地或者組合控制電動(dòng)機(jī)械30 和內(nèi)燃機(jī)32，對儲(chǔ)能裝置56大電流充電，S卩，將電池包充電至高(約90 % )充電狀態(tài)，而且控制器利用外部交流電流能源76和充電器70提供均 衡充電，即由高充電狀態(tài)變?yōu)樽畲?約100%)充電狀態(tài)。當(dāng)車輛燃料價(jià) 格相對交流電流能源76的電量費(fèi)用較高時(shí)，控制器12控制電動(dòng)機(jī)械30 和內(nèi)燃機(jī)32，使內(nèi)燃機(jī)32和/或電動(dòng)機(jī)械30用來給相應(yīng)地低于高(約90 %)充電狀態(tài)的儲(chǔ)能裝置56提供大電流充電，外部能源76和充電器70用于相應(yīng)的高于最后的低(約10%)充電狀態(tài)的均衡充電。根據(jù)專利法的規(guī)定，對優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說明。然而，應(yīng)該指出的 是，除了具體圖示和說明的實(shí)施方式之外，替換性的實(shí)施方式也可實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種在混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中儲(chǔ)存和供應(yīng)電力的供電系統(tǒng)，包含位于車上的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)，其可驅(qū)動(dòng)地連接至車輪并產(chǎn)生交流電力；儲(chǔ)能裝置，用于交替存儲(chǔ)和釋放電力；連接至電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置的轉(zhuǎn)換器，其用于將電動(dòng)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置的直流電流，以及將存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中的直流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)诫妱?dòng)-發(fā)電機(jī)的交流電流；位于車外的交流電源；以及充電器，其連接至所述電源和儲(chǔ)能裝置，用于從所述交流電源向儲(chǔ)能裝置供應(yīng)直流電力。
2. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的交流電源為公用 電力系統(tǒng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的交流電源提供的 能量相對于電動(dòng)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的能量來說，是高壓能量。
4. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)在 發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行，系統(tǒng)還包含驅(qū)動(dòng)性連接至電動(dòng)-發(fā)電機(jī)的內(nèi)燃機(jī)，其 用于在發(fā)電機(jī)模式下驅(qū)動(dòng)電動(dòng)-發(fā)電機(jī)。
5. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)被 車輪驅(qū)動(dòng)時(shí)在發(fā)電機(jī)模式下運(yùn)行。
6. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的儲(chǔ)能裝置包括多 組電池包，系統(tǒng)還包含多個(gè)連接電池包和充電器的電接口。
7. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的充電器和轉(zhuǎn)換器 整合形成一個(gè)單元。
8. 如權(quán)利要求1所述的供電系統(tǒng)，其特征在于所述的充電器和轉(zhuǎn)換器 形成分立的單元。
9. 一種在具有驅(qū)動(dòng)輪的混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中儲(chǔ)存和供應(yīng)電力的供電系統(tǒng)，包含位于車上的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)，其可驅(qū)動(dòng)地連接至車輪并產(chǎn)生交流電力； 儲(chǔ)能裝置，用于交替存儲(chǔ)和釋放電力；連接至電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置的轉(zhuǎn)換器，其用于將電動(dòng)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生 的交流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置的直流電流，以及將存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中 的直流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)诫妱?dòng)-發(fā)電機(jī)的交流電流；位于車外的交流電源；充電器，其連接至所述電源和儲(chǔ)能裝置，用于從所述電源提供直流電 力給儲(chǔ)能裝置；以及控制器，其接收代表儲(chǔ)能裝置的當(dāng)前充電狀態(tài)的輸入，其中所述的控 制器利用儲(chǔ)能裝置的充電狀態(tài)確定儲(chǔ)能裝置當(dāng)前能放電或充電的電力值， 當(dāng)該儲(chǔ)能裝置當(dāng)前能放電或充電的電力值低于參考值時(shí)，導(dǎo)致電動(dòng)-發(fā)電 機(jī)和內(nèi)燃機(jī)向儲(chǔ)能裝置提供大電流充電。
10. 如權(quán)利要求9所述的供電系統(tǒng)，其特征在于還包含內(nèi)燃機(jī)；其中所述的控制器利用電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)為電池包充電，達(dá)到相對高 的充電狀態(tài)。
11. 如權(quán)利要求9所述的供電系統(tǒng)，其特征在于還包含內(nèi)燃機(jī)；其中在儲(chǔ)能裝置當(dāng)前能放電或充電的電力值高于參考值時(shí)，所述的控制器 阻止電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)對儲(chǔ)能裝置大電流充電。
12. —種在混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中運(yùn)行用于存儲(chǔ)和供應(yīng)電力的供電系統(tǒng) 的方法，該混合動(dòng)力電動(dòng)車輛具有位于車上并且產(chǎn)生交流電力的電動(dòng)-發(fā) 電機(jī)、交替存儲(chǔ)和釋放電力的儲(chǔ)能裝置、連接至電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置 的轉(zhuǎn)換器、位于車外的交流電源和連接至所述電源和儲(chǔ)能裝置的充電器， 該方法包含下列步驟(a) 用電動(dòng)-發(fā)電機(jī)在相對低壓下產(chǎn)生交流電流；(b) 用轉(zhuǎn)換器將電動(dòng)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流；(C)通過從轉(zhuǎn)換器向儲(chǔ)能裝置傳輸直流電流為儲(chǔ)能裝置提供大電流充電；以及(d)用高壓交流電源和充電器為儲(chǔ)能裝置提供均衡充電。 13.如權(quán)利要求12所述的方法，還包含下列步驟 重復(fù)確定儲(chǔ)能裝置當(dāng)前能放電的電力值；以及當(dāng)儲(chǔ)能裝置當(dāng)前能放電的電力值低于參考值時(shí)，利用電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和 轉(zhuǎn)換器為儲(chǔ)能裝置提供大電流充電；以及當(dāng)儲(chǔ)能裝置當(dāng)前能放電的電力值高于參考值時(shí)，阻止電動(dòng)-發(fā)電機(jī)對 儲(chǔ)能裝置大電流充電。
全文摘要
一種在混合動(dòng)力電動(dòng)車輛中儲(chǔ)存和供應(yīng)電力的供電系統(tǒng)，包括位于車上的電動(dòng)-發(fā)電機(jī)，其可驅(qū)動(dòng)地連接至車輪并產(chǎn)生交流電力，用于交替存儲(chǔ)和釋放電力的儲(chǔ)能裝置，連接至電動(dòng)-發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能裝置的轉(zhuǎn)換器，其用于將電動(dòng)-發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)絻?chǔ)能裝置的直流電流，以及將存儲(chǔ)在儲(chǔ)能裝置中的直流電流轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)诫妱?dòng)-發(fā)電機(jī)的交流電流，位于車外的交流電源，以及充電器，其連接至所述電源和儲(chǔ)能裝置，用于從所述交流電源向儲(chǔ)能裝置供應(yīng)直流電力。
文檔編號H02J7/14GK101227099SQ20081000185
公開日2008年7月23日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月12日
發(fā)明者凱瑞·E·格蘭, 明·L·庫昂, 法扎爾·U·賽義德, 溫卡塔帕斯·拉居·納爾帕 申請人:福特全球技術(shù)公司