CN101743675A - 车辆混合能量系统 - Google Patents
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Abstract
一种适合于在具有电气化传动系统的车辆中使用的混合能量存储系统，包括第一能量存储模块和不同于第一能量存储模块的第二能量存储模块。第一能量存储模块与第二能量存储模块可具有不同的单元配置、单元化学成分、单元数量、控制器或其它特性。
Description
技术领域
本发明涉及能量存储系统。更特别而言，本发明涉及用于电动车辆和混合电动车辆的能量存储系统，特别是涉及一种适合于在具有完全或部分电气化传动系统的车辆以及诸如住宅电气的其它应用中使用的混合能量存储系统。
背景技术
为电动车辆或混合电动车辆的电气化传动系统设计电能存储系统带来了重大的挑战。主要是作为单一化学成分的铅酸、镍金属氢化物、锂等的现有车辆电能存储系统是不足的。比如在小型应用如消费电子装置中采用的其它电能存储技术可能会告知为电气化传动系统设计能量存储系统留下了许多问题未解决。对适合于例如消费电子装置的电池结构(即，化学成分、单元配置、构造、尺寸和形状)的提议可能不会作出调整来为车辆能量存储系统设计者提供解决方案。
包括车辆环境中的单元和模块鲁棒性、安全性、老化、寿命、热效应、材料/货架期、抗冲击性和抗振性以及一般适用性在内的设计问题全部开始发生作用。还存在系统规模的问题。消费电子装置中的负载要求可能在微安或毫安范围内，其中功率传递小于1瓦。电气化传动系统可能要求在300-400伏和显著更高的负载电流下有5-30千瓦小时范围内的功率传递。车辆环境亦是使系统经受极端温度、变化的温度范围、冲击和振动、当然还有碰撞的极端使用环境。包括初始安装和未来更换在内的费用也是要关心的。材料的选择和使用应该鉴于耐久性而进行，即，使用基本上丰富且可再使用的材料。
电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)或插入式混合电动车辆(PHEV)的典型能量存储/电池系统局限于单一化学成分和单元架构。为了满足车辆可能经历的多种多样的工作条件，设计者必然在选择电池系统时作出折衷。由此产生的缺点是并非最佳的能量传递、体积尺寸、重量和工作复杂性(单元的数量和配置、单元的正常和故障状态监视等)。
发明内容
根据这里描述的发明的实施例，用于纯电气化车辆(EV)或部分电气化车辆(如HEV)的电能存储方案能够通过提供多种活性化学成分的单元/电池、充分利用每种单独活性化学成分的各种优良性能来响应于多种多样的工作条件。不限制本发明的一般性并为了帮助理解本发明，使用以下术语。单个单元是能量存储装置的最小单位，包括正电极、负电极和电解质。正电极和负电极包含负责主反应的活性化学品以及用以提高总体单元性能的添加剂。电池/模块可包括并联或串联布置的一个或多个单元。通过不同的模块，混合电池系统可包含两种或更多种活性化学成分，以适应例如极高/极低温度、急剧加速或可变速度等。“模块”是指呈各种组装配置的串联/并联电池/单元所构成的子系统。不同的活性化学成分具有它们自己的最佳工作条件。
在本发明的示例实施例中，电混合功率源利用了两种不同活性化学成分的电池模块，每个电池模块可包括一个或多个单元。然而，本发明不只限于两种不同化学成分。电池模块中的单元可以是重量能量高并且内阻随时间的推移相对低和稳定的初级(不可再充电的)单元或次级(可再充电的)单元。这两个模块可通过充电控制电路串联或并联布置。充电控制电路监视车辆行驶条件所需的功率分布和工作温度，然后基于电池模块的电流、电压、能量和工作温度范围、以优化总体系统输出的方式来确定使哪个模块生效或者使这两个模块都生效。
本发明的实施例提供了在整个工作期间最大化行驶距离的可能性。当在低负荷状态下驱动电动车辆时，驱动电动机所需的电功率主要从电池组中较高能量的电池提供，以最大化行驶距离。当电动车辆的负荷增大而需要更大的功率时，使用较高功率的电池。
本发明的实施例还提供了最大化工作温度条件的可能性。当例如环境温度改变时，使用在该条件下具有优良性能的电池。
本发明的实施例还提供了这样的可能性：通过利用从总是产生恒定输出功率的高重量能量(Wh/kg)电池提供的电功率对高重量功率(W/kg)电池充电，从而延长混合电池系统的寿命、同时适应对从低负荷到高负荷的宽范围输出功率特性的要求。当负荷波动大时使用高功率电池的电功率来驱动车辆，而使用能够在长时间内维持恒定输出的高能量电池的电功率来驱动负荷波动小的辅助机器。这样，可延长可能的行驶距离并且可减小电功率系统的尺寸。此外，该电功率系统可响应于从低负荷到高负荷的宽范围输出功率要求，并且可改善驱动特性。
在下面对本发明的详细说明和附图中，描述本发明的众多优点和新颖特征。
附图说明
图1是包括电气化传动系统和关联的电能存储系统的车辆的示意图。
图2是根据本发明实施例的包括第一能量存储模块和第二能量存储模块的电能存储系统的示意图。
图3是能量存储模块的示意图，其图示了构成该能量存储模块的各个电池单元。
图4是能量存储模块的示意图，其图示了构成该能量存储模块的各个电池单元。
图5是能量存储模块的示意图，其图示了构成该能量存储模块的各个电池单元。
具体实施方式
通过放弃单一架构的存储系统而采用混合方法，可显著改善电动车辆(EV)、混合电动车辆(HEV)和插入式混合电动车辆(PHEV)应用的能量存储系统性能。混合能量存储系统可一般地理解为包含两种或更多种不同能量存储结构的系统。例如，混合能量存储系统可包含两种不同电池化学成分和对应的单元配置。通过优化混合能量存储系统，可减小总体尺寸、重量、单元数量和控制复杂度，并改善能量传递和系统寿命。能量存储系统具有多个模块。模块可包括具有比如单元配置、单元化学成分、控制件等特定特性的一组单元。将不同类型的模块相组合可允许在更宽范围的工作条件内改善能量传递。例如，一个模块对于短持续时间、高负荷条件可能是最优的，而另一个模块对于长持续时间、低负荷条件可能是最优的。合起来，该系统可更好地满足电气化传动系统的能量需求。
图1是包含电气化传动系统12(尤其是混合电气化传动系统)的车辆10的示意图。本发明的实施例可应用于包含完全电气化(EV)或部分电气化(HEV)传动系统(包括插入式电气化传动系统)的几乎任何车辆。仅以本发明实施例的一个可能的简单实施方式图示和描述了车辆10。应当理解，车辆10和电气化传动系统12的众多其它配置也是可能的。例如，42和44不限于安装在同一车厢中。它们可布置在不同的地点，使得目标电子装置如空调、直流电动机等可更容易接近它们。
电气化传动系统12包括耦合到变速传动机构15和牵引电动机16的内燃机14以通过推进轴20驱动车辆10的前轮18。传动机构15和牵引电动机16耦合到控制器22，控制器22响应于来自可由驾驶员接近的加速控制件24和制动控制件26的输入。尽管图1描绘了耦合到传动机构15的单个牵引电动机16，但是也可使用多个牵引电动机，例如，每个都与车轮18关联的电动机。如图1所示，可提供牵引电动机28来通过推进轴32驱动后轮30，牵引电动机28耦合到控制器22。电气化传动系统12的可替选配置可通过传动机构15和牵引电动机16提供后轮30的主驱动，通过变速传动机构和牵引电动机提供前轮18和后轮30的驱动以及前轮18和/或后轮30的各种组合驱动。
电能从混合能量存储系统40经由控制器22提供给牵引电动机16和牵引电动机28(如果提供的话)。根据本发明的实施例，混合能量存储系统40包括多个能量存储模块，图示了两个能量存储模块42和44。混合能量存储系统40可包含两个以上的能量存储模块。模块可以是具有单元配置、单元化学成分、控制件等特定特性的一组单元。
通过在由内燃机14驱动的发电模式下操作牵引电动机16，可向混合能量存储系统40提供电能。通过在再生制动模式下操作牵引电动机16和/或牵引电动机28，还可在车辆制动期间恢复能量并将能量传递给混合能量存储系统40。还可通过插入接口41、通过插入任选件向混合能量存储系统40提供能量。
在一个实施例中，混合能量存储系统40是包含第一电池系统部分或模块42以及第二电池系统或模块44的混合电池系统。第一模块42可具有第一电池架构，而第二模块44可具有不同于第一电池架构的第二电池架构。电池架构不同意味着电池系统的该部分所关联的单元配置、单元化学成分、单元数量、单元尺寸、单元耦合、控制电子装置和其它设计参数中的任何或全部可与对照对应一个或多个部分看到的相同参数不同。可优选地使电池组位于特定电子装置附近。因此，42和44可不必与40安装在同一车厢中。
图2将模块42和44描绘为组装实体，它们可通过导电带46电耦合以提供单个输出。模块42和44可根据期望应用的需要而串联或并联耦合。优选设计可通过系统综合分析来确定。
如图3所示，诸如模块42或模块44的模块可以是通过导电带50(其中一个被标出)耦合的各个单元48(其中一个被标出)的集合。如图所示，单元48具有圆柱体形状并且可以是任何适当的化学成分，如镍金属氢化物、锂等。然而，单元48可以是几乎任何化学成分，包括铅酸、无锂物质(lithium free)、银、锌和新兴化学成分，其中包括还未被理解或鉴定的化学成分，只要其以后能够被鉴定即可。锂离子(Li-ion)电池和镍金属氢化物(Ni-MH)电池是两种优选的系统，因为它们具有高的重量功率(150W/kg对85W/kg)和宽的工作环境温度(-40～65℃对-30～65℃)。单元48亦无需具有圆柱体形状，而是可具有棱镜形状或任何其它适当的形状。图5描绘了具有棱镜形状、通过带50′串联耦合的多个单元48′(其中一个被标出)。
替代单元48作为电池，单元48可以是几乎任何电能存储装置。因此，作为化学单元的替代物，单元48可以是电容器或能够存储电能的其它结构。可替选地，单元48可以是能量产生单元，如微燃料单元等。优选的替代物是高能存储/功率产生装置。
图3描绘了通过导电带50串联耦合成一串的单元48，其可分接于端子50a和50b。然而，单元48可并联耦合，或者并联和串联相组合地耦合。例如，图4图示了通过导电带50′并联耦合的单元48的多个组52。然后，单元48的多个组52可串联耦合并分接于端子50a和50b，或者相耦合以提供输出。图3～图5中的每一个都描绘了多个单元，在实践中，模块42和44都可具有比所描绘的显著更多的单元，并且每个模块可具有数打或甚至数百个单元。因此，在构成混合能量存储系统的单个模块内，各个单元可串联联接、并联联接、和/或串联和并联相组合地联接。单元组之间可串联联接然后并联联接。单元组之间也可并联联接然后串联联接。在每个存储模块内，各个单元以及相联接的单元的组的串联和并联耦合的所有组合是可能的。同样地，存储模块然后可串联联接、并联联接、和/或串联和并联相组合地联接，或者单独耦合到电气化传动系统12。
在能量存储系统12、模块42和44、最后是被组装以构成模块的组件如单元48的规格中，可采用众多参数。Cook等人在Journal of PowerSources 159(2006)758-780的POWER(power optimization for wirelessenergy requirements)：A MATLAB based algorithm for design of hybridenergy systems中描述了许多但不一定全部这样的参数，在此不再重复。参数可包括：功率分布、单元外形、单元体积、单元质量、容量衰减、寿命、能量、加权功率、体积能量、体积功率、加权体积功率、重量能量、加权重量能量和/或放电速率。优化过程可集中于或作用于这些参数中的一个或多个，包括单独考虑和结合其它参数考虑若干参数。例如，设计者可将质量、体积和表面积、工作温度、模块数量、循环次数、初级和/或次级单元化学成分中的一个或多个的目标值指定为优化参数。优选的优化参数包括电池的最少数量、电池系统的最低总质量、最高重量能量和最高重量功率。
适当的优化方法可以将形状因子(form factor)、能量和重量功率、寿命和环境条件考虑在内。可将各参数中的一个或多个设定为约束。例如，可约束功率分布、系统体积或系统质量，而优化其余的限定参数。根据本发明的实施例得到的系统可包括具有不同化学成分、单元布置和耦合(并联或串联)、控制电子装置(放大器、缓冲器、转换器等)、体积或质量的两个或更多模块，以实现系统工作所需的工作能量传递。如图1所示，模块42的体积大于模块44的体积，以说明模块42和模块44之间的至少一个区别。如上所述，模块42和44之间的其它区别可以并且很可能存在于模块42和44之间。
为了说明模块42和44之间的其它可能的区别，作为具体的非限制性例子并且再次参照图1，模块42可以是N1个单元48的集合，其中每个单元具有镍金属氢化物(Ni-MH)化学成分。模块44可具有锂离子(Li-ion)化学成分，其利用了N2个单元。值N1和N2可相同或不同。每个部分可针对各个功率和/或性能需求来优化，或可替选地，优化为一起工作以提供优于单一架构的性能的优良总体性能。例如，与用于车辆10的传统电池系统相比，混合电池系统12可表现出质量和体积的减小，同时满足电气化传动系统的能量需求。传统上，只使用单一电池化学成分。因此，设计者受到所选电池的特性如能量/重量功率、极限电压和电流的限制。因使用本发明提出的混合电池系统而导致的减小的原因是：基于每个电池系统的功率特性分别选择能量源，而不是只选择单一电化学成分。与单一系统相比，较高重量能量电池系统将显著减小总质量和体积。高重量功率电池系统将被用于偶尔的高功率工作条件。
表1图示了所提出的电动车辆电池组的能量需求、质量和体积，该质量和体积考虑到了使用基于约6800个氧化钴锂(LiCoO2)单元类型18650的单一单元结构的传统设计方法。使用包含两个模块的混合能量存储系统，可实现将近46％的质量减小。第一模块可包括约2,005个磷酸铁锂(LiFePO4)圆柱形单元类型18650，第二模块可包括约4,780个氧化锰锂(LiMn2O4)单元类型18650。与原始系统需求相比，所得到的混合能量总质量是290kg，总体积是115L，单元总数是6,785。此外，该混合电池组的估计寿命几乎是传统设计的寿命的两倍，然而，传统设计的费用是28,000美元，而混合电池系统的设计费用是58,000美元。
| 电压 | 375.0 |
| 峰值功率(W/kg) | 444.44 |
| 体积(L) | 116 |
| 质量(kg) | 450.0 |
表1：电气化传动系统需求
提供上述例子来说明根据本发明实施例的混合能量存储系统的优点，上述例子不应视为对本发明构成限制。可以设想满足所述系统的需求或满足不同系统的需求的许多其它例子。
尽管关于可与故障保护装置结合使用的安装组件的几个优选实施例描述了本发明，但是应理解本发明不限于这样的装置。可结合任何数量的装置和结构采用本发明的概念。而且，尽管将各种实施例的特征结合起来示出和描述，但是也可单独实施所述特征，每个这样的单独实施也落入本发明的范围内。
尽管本公开容许各种修改和替换形式，但是特定实施例作为例子在附图和这里描述的实施例中示出。然而，应该理解，本公开不意在将本发明限制于所描述的具体形式，相反，本发明意在涵盖由所附权利要求书限定的所有修改、替代物和等价物。
应当理解，除非在本专利中使用句子“如在这里使用的，术语‘__’由此被限定为意指...”或类似的句子来明确限定术语，否则并非意在将该术语的意思明确地或隐含地限制为超出其平常的或普通的意思，并且该术语不应解释为被限制在基于本专利的任何部分中进行的任何陈述(除权利要求书的语言以外)的范围内。本专利末尾的权利要求书中叙述的任何术语在本专利中以与单个意思一致的方式加以引用，从这方面来说，这样做只是为了清楚起见，以免读者疑惑，并且并非意在将该权利要求术语通过隐含或其它方式限制于该单个意思。除非通过叙述词语“装置”和功能而不叙述任何结构来限定权利要求要素，否则并非意在基于35U.S.C.§112第六段来解释任何权利要求要素的范围。
Claims (19)
1.一种能够在具有部分或完全电气化传动系统的车辆中使用的混合能量存储系统，所述混合能量存储系统包括：
第一能量存储模块和第二能量存储模块，所述第一能量存储模块不同于所述第二能量存储模块，所述模块包括一个单元或具有比如单元配置、单元化学成分、控制件等共同特定特性的一组单元，所述系统包含两个不同的模块，从而使所述系统包括不同的电化学成分、配置、控制件等。
2.根据权利要求1所述的混合能量系统，其中所述第一能量模块包含由第一组活性材料制成的电池，且所述第二能量模块包含由第二组活性材料制成的电池。
3.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述第一能量存储模块能与所述第二能量存储模块耦合以提供耦合到所述电气化传动系统的单个输出。
4.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述第一能量存储模块具有第一单元配置，且所述第二能量存储模块具有第二单元配置，所述第一单元配置不同于所述第二单元配置，所述单元配置是指单元的形状因子和容量。
5.根据权利要求5所述的混合能量存储系统，其中所述第一单元化学成分和所述第二单元化学成分选自于包括镍金属氢化物(Ni-MH)和锂离子的组。
6.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述第一能量存储模块包括第一多个电池单元，且所述第二能量存储模块包括第二多个电池单元，所述第二多个电池单元在配置和数量上不同于所述第一多个电池单元。
7.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述第一能量存储模块包括多个电池，且所述第二能量存储模块包括多个电容器。
8.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述混合能量存储系统具有目标参数，所述第一能量存储模块和所述第二能量存储模块是基于所述目标参数而优化的。
9.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述目标参数包括：功率分布、单元外形、单元体积、单元质量、容量衰减、寿命、能量、加权功率、体积能量、体积功率、加权体积功率、重量能量、加权重量能量或放电速率。
10.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述目标参数包括用户指定的参数。
11.根据权利要求1所述的混合能量存储系统，其中所述用户指定的参数包括：质量、体积和表面积、工作温度、模块数量、循环次数、初级和/或次级单元化学成分和形状。
12.一种具有至少部分电气化的传动系统的车辆，包括：
被耦合以驱动至少一个轮子的牵引电动机；
耦合到所述牵引电动机的控制器；
耦合到所述控制器的加速控制件和制动控制件；以及
混合能量存储系统，其具有耦合到所述控制器的至少两个电功率输出。
13.根据权利要求12所述的车辆，其中所述混合能量存储系统具有用于例如当所述车辆以恒定的速度或小于约30英里/每小时的速度行驶时的较低要求工作条件的第一功率输出，第二功率输出能用于例如在所述车辆加速或减速的情况下的高负荷或高频率负荷条件。
14.根据权利要求12所述的车辆，其中所述混合能量存储系统包括第一能量存储模块和第二能量存储模块，所述第一能量存储模块不同于所述第二能量存储模块，且所述第一和第二能量存储模块耦合到所述电气化传动系统。
15.根据权利要求12所述的车辆，其中所述存储模块能耦合到控制器。
16.一种向车辆的电气化传动系统提供电力的方法，所述方法包括：
提供混合能量存储系统模块，所述混合能量存储系统具有用于较低要求工作条件的第一功率输出和用于高负荷或高频率负荷条件的第二功率输出；
将所述混合能量存储系统模块耦合到控制器；以及
将电能从所述混合能量存储模块经由所述控制器传递给所述电气化传动系统。
17.一种设计具有电气化传动系统的车辆内的功率系统的方法，包括：
确定所述车辆的第一工作特性和所述车辆的第二工作特性，其中所述第一工作特性不同于所述第二工作特性；
确认针对所述第一工作特性优化的第一能量存储系统和针对所述第二工作特性优化的第二能量存储系统；以及
将所述第一能量存储系统与所述第二能量存储系统耦合以构成混合能量存储系统；以及
在所述车辆内设置所述混合能量存储系统。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述第一能量存储系统和所述第二能量存储系统中的每一个包括具有特定特性的一组电池，且确认所述第一能量存储系统和所述第二能量存储系统包括确认所述第一能量存储系统和所述第二能量存储系统中的每一个的特定单元特性。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述特定单元特性选自于包括单元配置、单元化学成分和控制件的组。
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