CN101170263B - 电气系统和提高超电容器性能的方法 - Google Patents

Abstract

使超电容器性能最大化的双模电压极限控制，选择性地提供电功率来对负载供以动力的可操作的电气系统包括：超电容器，其选择性地存储和释放电功率；以及控制模块，其根据所述超电容器的ON电源状态和OFF电源状态来确定运行率。该控制模块根据该运行率计算超电容器的电压极限，并根据该电压极限来调整超电容器的运行。

Description

电气系统和提高超电容器性能的方法

技术领域

本发明通常涉及能量存储装置，尤其是涉及达到超电容器能量存储装置的目标运行寿命。

背景技术

电动、燃料电池和混合动力车辆包含选择性地驱动车轮的(多个)电气驱动电动机。能量存储装置被提供来存储用于对(多个)电气驱动电动机供以电力的能量。诸如超电容器的能量存储装置可以被用来提供车辆运行期间可能需要的功率短脉冲群。例如，存储在超电容器中的能量可以被用于发动机的启动和停止运行、发动辅助和/或再生制动。

当实现超电容器时，重要的是确定该超电容器能量存储装置的剩余使用寿命。图1根据用于改变单元(cell)温度(T)的单元电压(V)示出了超电容器单元的瞬时预定寿命(Y)的示例性曲线。该示例性曲线包括在温度15℃、25℃、35℃、45℃、55℃和65℃时的Y。这些曲线能够根据以下关系式来表达：

Y(V，T)＝10^(aT+bV+c)             [1]

其中，a、b和c是常数。当Y(T，V)以年为单位表示，V以伏特为单位表示，T以℃为单位表示时，a＝-0.03333333，b＝-3.33333333和c＝10.1666666666为有效值。

虽然上述表达式在提供各种特定单元状况的预定寿命瞬态图时是有用的，但是它既不反映以运行历程的累计效应为基础的预测寿命，也不显示时变单元状况。此外，图1和其所代表的表达式都未定义为了达到所期望的运行寿命而用于限制超电容器电压的方法。因此，继续需要改进的装置和方法，用于尤其作为车辆用的能量存储装置优化超电容器电源的有效电压范围，而同时在改变使用运行间隔期间达到所期望的运行寿命。

发明内容

因此，本发明提供一种电气系统，可以操作该电气系统来选择性地提供电功率给负载供以电力。该电气系统包括选择性地存储和释放电功率的超电容器、以及根据超电容器的ON电源状态(power state)和OFF电源状态来确定运行率的控制模块。所述控制模块基于该运行率计算超电容器的电压极限并基于该电压极限来调整超电容器的运行。

在其他特征中，所述控制模块基于超电容器的目标平均寿命(Y_target)计算电压极限。根据超电容器的电源状态，该Y_target等于最小允许平均寿命(Y_operating)和最小必要平均寿命(Y_idle)中的一个。

在另一特征中，所述控制模块将临时比率计算为运行时间与总时间之比。如果运行率的前一值小于该临时比率，则设定该运行率等于该临时比率。

在另一特征中，所述控制模块将临时比率计算为运行时间与时间阈值之比。如果运行率的前一值小于该临时比率，则设定该运行率等于该临时比率。

在又一特征中，所述电气系统还包括响应于该超电容器的温度的温度传感器。基于该温度计算电压极限。

在又一特征中，所述控制模块确定超电容器的电源状态是否从ON状态转变为OFF状态，并且当所述电源状态从ON状态转变为OFF状态且所述总时间大于阈值时间时，将运行率计算为运行时间与总时间之比。

可以从以下所提供的详细说明中清楚本发明适用性的其他领域。应当理解的是，这些详细的说明和特定的例子虽然表明本发明的优选实施例，但是只是作为例示的目的，而不是对本发明范围的限制。

附图说明

从详细的说明和附图中将能更全面地理解本发明，其中：

图1为根据现有技术的以年为单位的超电容器瞬时预定寿命相对于以伏特为单位的单元电压的简化曲线，其中以℃为单位的温度作为参数；

图2为根据本发明的超电容器系统的简化电气示意框图；

图3为根据本发明的可替代的超电容器系统的简化电气示意框图；

图4为根据具有10％运行周期的耗用时间的、超电容器的预定寿命的图形；

图5为根据具有90％运行周期的耗用时间的、超电容器的预定寿命的图形；以及

图6为通过本发明的超电容器电压极限控制所执行的步骤的流程图。

具体实施方式

以下对优选实施例的描述实际上仅仅是示例性的，且决非是对本发明、其应用或使用的限制。为了清楚起见，在附图中使用相同的参考数字来标识类似的元件。正如这里所使用的那样，术语“模块”指的是专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的(共享的、专用的或组群的)处理器和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他适当元件。单词“空闲”或“空闲状态”或“空闲周期”或“OFF”在这里可互换使用以表示从超电容器提取不大的功率的状态或期间，且单词“运行”或“运行状态”或“运行周期”或“ON”可互换使用以表示正从超电容器提取相当大的功率。

现在参照图2和3，分别示出了电气系统20和40的简化电气示意框图。所述电气系统20和40在2004年7月14日所提交的序列号为10/891,474的美国专利申请中有详细描述，所述美国专利申请的公开在这里被清楚地结合。具体参照图2，电气系统20确定超电容器的预定寿命。更明确地，电气系统20包括一个或多个超电容器C1...Ci...Cn、和测量在每个电容器C-i两端的电压Vi和每个电容器Ci的温度Ti的电容器状态传感器22-1...22-i...22-n。

为了便于说明，根据省略了辅助标识“i”的有代表性的电容器C和有代表性的状态传感器22来描述该装置。每个状态传感器22都包括隔离差分放大器和带有跨接在电容器C两端的差分电压输入端24的电平移位器或隔离器23。电平移位放大器或隔离器27具有被耦合至温度传感器25的输入端26，该温度传感器与电容器C热耦合以便测量其温度。隔离器23在导线或总线28上的输出端以及隔离器27在导线或总线29上的输出端被耦合至测量系统32的I/O 30上。根据来自隔离器23、27的输出信号的性质，I/O 30可以是模拟数字转换器(A/D)和/或数字转换器或信号转换器。

所述测量系统32另外还包括程序存储器34、临时工作存储器(RAM)35、非易失性存储器(NV-MEM)36、处理器(CPU)37和定时器38，其彼此耦合并经由总线31被耦合至I/O 30。本发明的超电容器电压极限控制由处理器37执行。所述NV-MEM 36被用于临时存储各种变量或参数的中间值。输出总线或链路33使所述电气系统20能够将其对电容器C1...Ci...Cn的状态估计的结果和预测寿命和/或任何所期望的中间值传递给一个或多个显示器、报警功能和/或其他总的或管理性的车辆功能。提供输入链路39，以便能从例如点火开关(未示出)或其他车辆或电源控制装置接收电源恢复或断电信号。

具体参照图3，示出电气系统40的框图。该电气系统40类似于图2的电气系统20。电气系统20和40的区别在于，电气系统20使用多个电容状态传感器22来单独地测量各个电容器C1...C-n的状态。电气系统40包括一个单个电容状态传感器，其测量串联电容器C1...C-n的共同状态，并把组合数据报告给测量系统32’。该状态传感器类似于状态传感器22，并且状态传感器的元件43-49在操作上等效于状态传感器22的元件23-29。测量系统32’的元件类似于所述测量系统32的那些元件。

对随后涉及电气系统20、40的操作的讨论适用于这两种装置的任一种。为了方便说明，假设使用图2的电气系统20且仅考虑单个单元。本领域的技术人员根据这里的描述应当理解：在使用所述电气系统20、电气系统40或这二者组合的装置的情况下还可以考虑多个单元。

正如在序列号为10/891,474的美国专利申请中详细描述的那样，超电容的预定寿命(Y_proj)根据以下等式来确定：

Y_proi＝Y_exp/{∑[t_s/Y(V(t_n)，T(t_n))]+∑(Δt/Y_off)}    [2]

等式2描述了运行状况(也即终端电压(V)和温度(T))和在超电容器的当前预定寿命上的运行状态周期。在运行时间间隔(也即电源为ON)期间，超电容器的状态如所愿望的那样每t_s秒被采样，因此采样间隔的数量n＝1，2，3...N是总的运行时间的量度，且t_n是n和t_s的乘积。

现在参照图4，根据具有10％运行周期的耗用时间示出了示例性超电容器的预定寿命。依据以年为单位的预测寿命与以小时为单位的耗用时间的关系曲线绘制出预定寿命和瞬时预期寿命。预定寿命基本上是瞬时预期寿命的时间加权输出Y(T，V)。最初当处于空闲模式时，超电容器的预定寿命和瞬时预期寿命二者均处在其最高水平上。然而，当该超电容器被切换到运行模式时，瞬时预期寿命因较高的平均运行电压或温度或这二者而急剧减少。当超电容器从空闲模式切换到运行模式时，预定寿命根据等式2减少。相反，当超电容器从运行模式切换到空闲模式时，预定寿命根据等式2增加。预定寿命在运行期间的急剧下降以及随后在空闲模式中部分恢复的趋势随时间的推移得到缓和。随着时间的继续，预定寿命收敛于目标设计寿命。

现在参照图5，根据具有90％运行周期的耗用时间示出超电容器的预定寿命。在该图中的轴类似于图4的轴。瞬时预期寿命的特征不同于与10％运行周期相关联的特征。当超电容器运行时间的90％时，对于空闲运行和使用运行这二者的瞬时预期寿命相对于在图4中的关系的瞬时预期寿命而言被提升。根据等式2，预定寿命跟踪瞬时预期寿命。图4和5说明：尽管使用状况不同，通过根据运行状态和使用运行周期来控制瞬时预期寿命能够达到相同的平均寿命。

对于固定电容，增加超电容器的运行电压范围将增加其能量存储，但会暂时减少该装置的预期寿命。相反，可以降低超电容器的最大电压来增加该装置的瞬时预期寿命。但是，由于所述最大电压被降低，所以对于具有固定电容的系统而言，通过超电容器所存储的能量也被降低。该能量关系可以由以下等式来表征：

$w_c=\frac{1}{2}*C*V^2---\left[3\right]$

其中w_c是以焦耳为单位的所存储的能量，C是电容以及V是电压。最大系统能量需求和系统运行电压限定了最小所需要的电容和系统成本。由于超电容具有运行和非运行周期两者，所以本发明的超电容器电压极限控制提供在比当只有一个连续或单个运行模式的情况下所允许的更高电压下暂时运行的机会。因此，电容和系统成本能够被最小化。处于降低的电压(即：增加的平均寿命)时的非运行周期能被用于减轻较高运行电压(即：减少的平均寿命)的所不希望有的效应。

超电容器的使用运行在预算子(pre-operator)的基础上不同。因此，期望运行周期(∑t_s)和空闲周期(∑Δt)以及∑t_s与∑Δt之比或这两个周期的累积和将从算子到算子而不同。本发明的超电容器电压极限控制通过根据运行和空闲周期设立独立的目标寿命和单元电压极限来提供性能好处。其他的好处通过根据运行周期与空闲周期之比调整与状态相关的电压极限来实现。只要实施基于这些参数的反馈的适当的控制方法，就能在不损害系统的使用寿命的情况下获得所述性能好处。

根据以下关系式，本发明的超电容器电压极限控制提供运行周期(∑t_s)对空闲周期(∑Δt)和运行周期(∑t_s)之和的比率(α)：

α＝∑t_s/(∑t_s+∑Δt)            [4]

从而α代表运行的小数部分。因此，值(1-α)代表与未使用或空闲周期相关联的小数部分。利用α和关于当前运行状况的信息，能够确定适当的最大设定点超电容器单元电压极限(V_limit)。如果可以满足超电容器的最小设计寿命目标，那么V_limit就是可被允许的电压。

根据以下关系式，Y_proj被定义成α的函数：

Y_proj＝Y_exp/{α*Y_exp/Y_operating+(1-α)*Y_exp/Y_idle}    [5]

或者

Y_proj＝1/{α/Y_operating+(1-α)/Y_idle}                 [6]

和

1/Y_proj＝α/Y_operating+(1-α)/Y_idle                  [7]

通过假定独立变量是Y_operating，则相关变量是Y_idle。通过重新整理等式7得出以下关系式：

Y_idle＝[(1-α)/α]*Y_operating/{[Y_operating/(α*Y_proj)]-1    [8]

对于0＜α＜1；和

Y_idle＝Y_operating＝设计寿命                                 [9]

对于α＝1或α＝0

如果针对所述时间部分运行，则Y_proj为目标设计寿命，Y_operating为最小允许平均寿命，并且Y_idle为针对所述时间部分的最小必要平均寿命。

超电容器电压极限控制将该超电容器的最大电压限制为V_limit，以在运行周期期间提供最小值Y(V，T)＞Y_operating，并且限制该超电容器的最大电压以确保在空闲周期期间Y(V，T)＞Y_idle。根据以下关系式确定V_limit：

V_limit＝[c+aT-log(Y_target)]/-b                              [10]

该关系式从上述等式1中得出。系数a、b和c的示例性值分别包括-0.03333333，-3.33333333和10.16666666。Y_target在运行周期期间等于Y_operating，且在空闲周期期间等于Y_idle。

现在参照图6，详细描述超电容器电压极限控制所执行的步骤。在步骤600中，控制通过t_s使t_n增量。在步骤602中，控制确定电源状态(PS)是否为ON。如果PS为ON，那么控制在步骤604中继续。如果PS不为ON，那么控制在步骤606中继续。在步骤604中，控制确定超电容器温度(T)。在步骤608中，控制确定ON时间(t_ON)为运行时间(t_RUN)与t_n之和，以及确定累积时间(t_ALL)为OFF时间(t_OFF)与t_ON之和。

在步骤610中，控制确定PS是否从ON转换为OFF。如果PS没有从ON转换为OFF，则控制在步骤612中继续。如果PS从ON转换为OFF，则控制在步骤614中继续。在步骤612中，控制确定t_ALL是否大于阈值时间极限(t_LIM)。如果t_ALL大于t_LIM，则控制在步骤616中继续。如果t_ALL不大于t_LIM，则控制在步骤618中继续。在步骤616中，控制设定临时比率(α_TEMP)等于t_ON与t_ALL之比。在步骤618中，控制设定α_TEMP等于t_ON与t_LIM之比。在步骤620中，控制确定α_TEMP是否大于α。如果α_TEMP大于α，则控制在步骤622中通过设定α等于α_TEMP来更新α，并且控制在步骤624中继续。如果α_TEMP不大于α，则控制在步骤624中继续。

在步骤614中，控制设定PS等于OFF。在步骤626中，控制确定t_ALL是否大于或等于t_LIM。如果t_ALL不大于或不等于t_LIM，则控制在步骤630中继续。如果t_ALL大于或等于t_LIM，则控制在步骤628中设定α等于t_ON与t_ALL之比，并且使t_ON与t_OFF复位。在步骤630中，控制存储运行时间(t_ALL＝t_ON)、t_OFF和比率数据，并设定t_n等于零。

在步骤624中，控制根据以下关系式基于Y_thr、α和偏移量(k_OFFSET)来计算Y_operating：

Y_operating＝αY_thr+k_OFFSET    [11]

k_OFFSET提供用于保持空闲寿命目标并从而使单元设定点电压保持在可管理范围内的一种手段，且Y_thr是系统设计寿命。在步骤632中，控制确定Y_operating是否大于Y_thr。如果Y_operating大于Y_thr，则控制在步骤634中继续。如果Y_operating不大于Y_thr，则控制在步骤636中继续。在步骤634中，控制设定Y_operating等于Y_thr，并在步骤638中继续。在步骤636中，控制确定Y_operating是否小于最小阈值(Y_thrmin)。如果Y_operating小于Y_thrmin，则控制在步骤640中设定Y_operating等于Y_thrmin，并在步骤638中继续。如果Y_operating不小于Y_thrmin，则控制在步骤638中继续。

在步骤638中，控制确定PS是否为ON。如果PS不为ON，则控制在步骤642中继续。如果PS为ON，则控制在步骤644中继续。在步骤642中，控制根据上述等式8基于α、Y_operating和Y_proj计算Y_idle，且控制在步骤644中继续。在步骤644中，控制根据上述等式10确定V_lim，且控制结束。运行所述电气系统20、40，以将超电容器的电压限制为V_lim，以便在运行周期期间提供大于Y_operating的最小寿命，并在空闲周期期间提供大于Y_idle的寿命。

在步骤606中，控制确定PS是否从OFF转变为ON。如果PS没有从OFF转变为ON，则控制结束。如果PS从OFF转变为ON，则控制在步骤646中设定PS等于ON。在步骤648中，控制从存储器重新得到t_OFF、t_RUN、α和V_lim。在步骤650中，控制设定t_OFF等于t_OFF与t_n之和。在步骤652中，控制设定t_n等于零且控制结束。

本领域的技术人员现在能够从前面的描述中理解到：本发明的这些概况教导能够以各种形式来实现。因此，虽然已经结合本发明的特定例子对本发明进行了说明，但是不应如此限制本发明的真实范围，原因在于基于对附图、说明书及以下的权利要求书的研究，其他修改对于专业技术人员而言是显而易见的。

Claims (23)

1.选择性地提供电功率来对负载供以电力的可操作的电气系统，包括：

超电容器，其选择性地存储和释放电功率；以及

控制模块，其根据所述超电容器的运行状态和空闲状态来确定运行率，根据所述运行率计算所述超电容器的电压极限，并根据所述电压极限来调整所述超电容器的运行。

2.权利要求1的电气系统，其中所述控制模块基于目标平均寿命Y_target来计算所述电压极限。

3.权利要求2的电气系统，其中所述Y_target在所述超电容器的运行周期期间等于最小允许平均寿命Y_operating和在所述超电容器的空闲周期期间等于最小必要平均寿命Y_idle。

4.权利要求1的电气系统，其中所述控制模块将临时比率计算为运行时间与总时间之比，其中如果所述运行率的原先值小于所述临时比率，则设定所述运行率等于所述临时比率。

5.权利要求1的电气系统，其中所述控制模块将临时比率计算为运行时间与时间阈值之比，其中如果所述运行率的原先值小于所述临时比率，则设定所述运行率等于所述临时比率。

6.权利要求1的电气系统，还包括响应于所述超电容器温度的温度传感器，其中基于所述温度计算所述电压极限。

7.权利要求1的电气系统，其中所述控制模块确定所述超电容器的电源状态是否从所述运行状态转变为所述空闲状态，并且当所述电源状态从所述运行状态转变为所述空闲状态且所述总时间大于阈值时间时，将所述运行率计算为运行时间与总时间之比。

8.增加超电容器的运行电压范围和能量存储容量的方法，包括：

基于所述超电容器的运行周期和非运行周期确定运行率；

基于所述运行率计算所述超电容器的电压极限；以及

基于所述电压极限来调整所述超电容器的运行。

9.权利要求8的方法，其中基于目标平均寿命Y_target确定所述电压极限。

10.权利要求9的方法，其中所述Y_target在所述超电容器的运行周期期间等于最小允许平均寿命Y_operating和在所述超电容器的空闲周期期间等于最小必要平均寿命Y_idle。

11.权利要求8的方法，还包括：将临时比率计算为运行时间与总时间之比，其中如果所述运行率的原先值小于所述临时比率，则设定所述运行率等于所述临时比率。

12.权利要求8的方法，还包括：将临时比率计算为运行时间与时间阈值之比，其中如果所述运行率的原先值小于所述临时比率，则设定所述运行率等于所述临时比率。

13.权利要求8的方法，还包括：监控所述超电容器的温度，其中基于所述温度计算所述电压极限。

14.权利要求8的方法，还包括：

确定所述超电容器的电源状态是否从运行状态转变为空闲状态；以及

当所述电源状态从所述运行状态转变为所述空闲状态且所述总时间大于阈值时间时，将所述运行率计算为运行时间与总时间之比。

15.增加超电容器的运行电压范围和能量存储容量的方法，包括：

确定所述超电容器的电源状态是否为运行状态和空闲状态中的一个；

基于所述电源状态计算所述超电容器的运行率；

基于所述运行率计算所述超电容器的电压极限；以及

基于所述电压极限来调整所述超电容器的运行。

16.权利要求15的方法，其中基于目标平均寿命Y_target确定所述电压极限。

17.权利要求16的方法，其中所述Y_target在所述超电容器的运行周期期间等于最小允许平均寿命Y_operating和在所述超电容器的空闲周期期间等于最小必要平均寿命Y_idle。

18.权利要求17的方法，其中当所述电源状态为运行时，Y_target等于Y_operating，且当所述电源状态为空闲时，Y_target等于Y_idle。

19.权利要求8的方法，还包括：确定所述电源状态是否从所述运行状态转变为所述空闲状态。

20.权利要求19的方法，还包括：当所述电源状态没有从所述运行状态转变为所述空闲状态时，将临时比率计算为运行时间与总时间之比，其中如果所述运行率的原先值小于所述临时比率，则设定所述运行率等于所述临时比率。

21.权利要求19的方法，还包括：当所述电源状态没有从所述运行状态转变为所述空闲状态时，将临时比率计算为在运行时间与时间阈值之比，其中如果所述运行率的原先值小于所述临时比率，则设定所述运行率等于所述临时比率。

22.权利要求19的方法，还包括：当所述电源状态从所述运行状态转变为所述空闲状态且所述总时间大于阈值时间时，将所述运行率计算为运行时间与总时间之比。

23.权利要求15的方法，还包括：监控所述超电容器的温度，其中基于所述温度计算所述电压极限。

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