CN102577020A - 双向电池电压转换器 - Google Patents

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Abstract

一种平衡交通工具电气系统中的电流的方法，所述交通工具电气系统具有：系统总线；第一电池；第一双向电池电压转换器，在第一电池与系统总线之间选择性地传递第一电流；第二电池；第二双向电池电压转换器，在第二电池与系统总线之间选择性地传递第二电流；以及控制器，控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器。所述方法包括感测第一电流和感测第二电流。控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器，使得第一电流和第二电流是向连接到系统总线的电负载供应的负载电流的相等部分。

Description

双向电池电压转换器
相关申请
本申请要求于2009年7月31日提交的美国临时专利申请号61/230,296以及于2010年3月19日提交的美国临时专利申请号61/315,759的优先权，其每个都通过引用而全文结合到本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于交通工具的电存储元件的控制系统，并且在一个特定实施例中涉及一种用于控制进入和离开电存储元件的功率的系统。
背景技术
大型交通工具（例如，半挂牵引车、卡车、公共汽车等等）通常用来运输人和货物。交通工具包括汲取电功率的各种部件，包括例如用于长途牵引车的卧车单元的供热、通风与空调（HVAC）系统。这些各种电部件的功率可以在交通工具处于操作时由交流发电机供应而在交通工具不处于操作时由诸如一个或多个电池的备选电源供应。
一般而言，来自诸如交流发电机的电源的电能被存储在交通工具的一个或多个电池中以在其他电源不可用时提供存储的电能以供稍后使用。在一些交通工具中，提供辅助电池组以向交通工具的电部件供应功率。这些辅助电池组往往以彼此并联关系电连接到该电源。
发明内容
在一个实施例中，本发明包括用于交通工具电气系统的双向电池电压转换器。双向电池电压转换器包括至少一个电池。每个电池与之关联了电源、电感器、四个开关以及连接到每个开关的路由电路（routing circuit），其中所述四个开关电耦合到电感器，其中开关中的两个还电耦合到电池而开关中的另两个电耦合到电源。路由电路控制每个开关的断开和闭合使得成对地断开或闭合开关。通过以限定的占空比交替地耦合电感器到电源然后是电池，路由电路使用电源对电感器充电然后把存储在电感器中的电荷传递至电池。在各种实施例中，电源是交通工具交流发电机。
在另一个实施例中，本发明包括一种对交通工具电气系统中的多个电池中的每个个别地充电的方法。该方法包括提供电耦合到每个个别电池的双向电池电压转换器。双向电池电压转换器可以包括与电感器相关联的电流传感器以及与电池相关联的电压传感器。该方法进一步包括感测（sense）每个电池的电压以及流入每个电池的电流并且调整双向电池电压转换器的占空比以调整向电池递送的电流和电压中的至少一个，以便给每个个别电池提供最优的充电。
在又一个实施例中，本发明包括一种管理对交通工具电气系统中的多个电池的再充电的方法。该方法包括提供：电子开关，电耦合到交通工具电气系统中的多个电池中的每个；以及电压传感器，用于感测连接到交通工具电气系统的电源的电压。该方法进一步包括闭合第一开关以连接多个电池中的第一个到交通工具电气系统并且在第一开关闭合时监视电源的电压。该方法还包括确定电压是否由于连接第一电池而降低到阈值电平以下并且如果这样的话则再断开第一开关以断开第一电池。该方法又进一步包括闭合与多个电池中的每个相关联的多个开关中的每个并且监视电压直到所有开关闭合并且所有电池连接到交通工具电气系统以进行再充电。
在又一个实施例中，本发明包括一种对交通工具电气系统中的多个电池中的每个个别地放电的方法。该方法包括提供电耦合到每个个别电池的双向电池电压转换器，其中双向电池电压转换器还包括与电感器相关联的电流传感器以及与电池相关联的电压传感器。该方法进一步包括感测每个电池的电压以及由每个电池提供的电流并且调整双向电池电压转换器的占空比以调整由电池递送的电流和电压中的至少一个，以便提供每个个别电池的最优的放电。
在又一个实施例中，本发明包括一种电隔离交通工具电气系统中的至少一个电池的方法。该方法包括提供电子开关，所述电子开关电耦合到交通工具电气系统中的多个电池中的每个。该方法进一步包括在多个电池的放电期间断开至少一个开关以电隔离多个电池中的至少一个以保持所隔离的电池内的电荷。
在又一个实施例中，本发明包括用于交通工具电气系统的双向多电池电压转换器。每个双向多电池电压转换器与多个电池相关联。提供控制电路以选择性地激励（energize）与多个电池之一相关联的继电器或电子开关，从而连接电池与双向多电池电压转换器。
在又一个实施例中，本发明提供一种给交通工具电气系统中的电池充电的方法。交通工具电气系统具有：系统总线；第一开关，选择性地连接第一电池与系统总线；第二开关，选择性地连接第二电池与系统总线；以及控制器，监视交通工具电气系统的电压并且可控地断开和闭合第一开关和第二开关。第一开关和第二开关被断开，从而将第一电池和第二电池与系统总线断开。第一开关闭合，从而连接第一电池与系统总线。响应于第一开关闭合，监视交通工具电气系统的电压。如果交通工具电气系统的电压越过阈值，断开第一开关。第二开关闭合，从而连接第二电池与系统总线。响应于第二开关闭合，监视交通工具电气系统的电压。如果交通工具电气系统的电压越过阈值，断开第二开关。
在又一个实施例中，本发明提供一种与交通工具电气系统一起使用的控制器。该控制器具有电压输入端子、存储器以及微处理器。控制器可控地断开第一开关，从而将第一电池与系统总线断开；并且可控地断开第二开关，从而将第二电池与系统总线断开。控制器可控地闭合第一开关，从而连接第一电池与系统总线。响应于第一开关闭合，控制器接收在电压输入端子处交通工具电气系统的电压。控制器然后在微处理器中比较与交通工具电气系统的电压有关的值与来自存储器的阈值。控制器响应于交通工具电气系统的电压越过阈值而可控地断开第一开关。控制器可控地闭合第二开关，从而连接第二电池与系统总线。响应于第二开关闭合，控制器接收在电压输入端子处交通工具电气系统的电压。控制器然后在微处理器中比较与交通工具电气系统的电压有关的值与所述阈值，并且响应于交通工具电气系统的电压越过阈值而可控地断开第二开关。
在又一个实施例中，本发明提供一种交通工具电气系统，其包括：系统总线；第一电池；第一开关，选择性地连接第一电池到系统总线；第二电池；第二开关，选择性地连接第二电池到电气系统；以及控制器。控制器可控地断开第一开关和第二开关，从而使第一电池和第二电池与系统总线断开。控制器可控地闭合第一开关，从而连接第一电池与系统总线，并且响应于第一开关闭合而监视交通工具电气系统的电压。如果交通工具电气系统的电压越过阈值，控制器可控地断开第一开关。控制器可控地闭合第二开关，从而连接与第二开关相关联的第二电池与系统总线，并且响应于第二开关闭合而监视交通工具电气系统的电压。如果交通工具电气系统的电压越过阈值，控制器断开第二开关。
在又一个实施例中，本发明提供一种平衡交通工具电气系统中的电流的方法。交通工具电气系统包括：系统总线；第一电池；第一双向电池电压转换器，在第一电池与系统总线之间选择性地传递第一电流；第二电池；第二双向电池电压转换器，在第二电池与系统总线之间选择性地传递第二电流；以及控制器，控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器。感测第一电流并且把与第一电流有关的第一信号提供给控制器。第二电流以及与第二电流有关的第二信号被提供给控制器。控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器，使得第一电流和第二电流是向连接到系统总线的电负载供应的负载电流的相等部分。
在又一个实施例中，本发明提供一种用于向电负载供应电功率的交通工具电气系统。该系统包括：系统总线；第一电池；以及第一双向电池电压转换器，在第一电池与系统总线之间可控地传递第一电流。系统还包括：第二电池；以及第二双向电池电压转换器，在第二电池与系统总线之间可控地传递第二电流。控制器控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器，使得第一电流和第二电流是向连接到系统总线的电负载供应的负载电流的相等部分。
在又一个实施例中，本发明提供一种与交通工具电气系统一起使用的双向电池电压转换器。所述双向电池电压转换器包括：电感器；第一开关，选择性地耦合电感器到所述第一电池；第二开关，选择性地耦合电感器到所述第一电池；第三开关，选择性地耦合电感器到交通工具电气系统；以及第四开关，选择性地耦合电感器到交通工具电气系统。路由电路连接到第一、第二、第三和第四开关中的每个。路由电路可控地成对断开和闭合开关，使得电感器从交通工具电气系统和电池中的一个进行充电并且向交通工具电气系统和电池中的另一个放电。控制器控制路由电路以递送向连接的电负载供应的负载电流的一部分，该部分基于其他电流源的可用性。
在又一个实施例中，本发明提供用于交通工具的电气系统。该电气系统包括：系统总线；点火开关，选择所述电气系统的操作状态；以及原电池，连接到所述系统总线。第一辅助电池模块连接到所述系统总线。第一辅助电池模块包括：第一辅助电池；第二辅助电池；双向电池电压转换器；以及模块控制器，选择性地连接所述第一辅助电池和所述第二辅助电池中的一个到所述双向电池电压转换器。主系统控制器在以下模式之一中操作所述第一辅助电池模块：无效（null）模式，其中所述第一辅助电池和所述第二辅助电池从所述电气系统断开；充电模式，其中所述第一辅助电池和所述第二辅助电池中的一个经由所述双向电池电压转换器接收电流；以及放电模式，其中所述第一辅助电池和所述第二辅助电池中的一个经由所述双向电池电压转换器供应电流。
在又一个实施例中，本发明提供一种与交通工具电气系统一起使用的电池模块。电池模块包括：双向电池电压转换器；第一电池；以及第二电池。第一继电器选择性地连接第一电池到双向电池电压转换器。第二继电器选择性地连接第二电池到双向电池电压转换器。控制器选择性地激励第一继电器、选择性地激励第二继电器并且控制通过所述双向电池电压转换器的电流方向。
在又一个实施例中，本发明提供一种用于交通工具的电气系统。电气系统包括：系统总线；点火开关，选择所述电气系统的操作状态；原电池，连接到所述系统总线；第一辅助电池模块；以及第二辅助电池模块。第一辅助电池模块包括：第一辅助电池；第二辅助电池；第一双向电池电压转换器；以及第一模块控制器，选择性地连接所述第一辅助电池和所述第二辅助电池中的一个到所述双向电池电压转换器。第二辅助电池模块包括：第三辅助电池；第四辅助电池；第二双向电池电压转换器；以及第二模块控制器，选择性地连接所述第一辅助电池和所述第二辅助电池中的一个到所述双向电池电压转换器。主系统控制器操作所述第一辅助电池模块和所述第二辅助电池模块以优先考虑（prioritize）第一、第二、第三和第四辅助电池中的一个的再充电。
本发明的各种方面将通过考虑详细描述和附图而变成显而易见。
附图说明
图1是包括控制系统、多个电存储元件、电源以及供热、通风与空调（HVAC）系统的交通工具的示意图。
图2是包括双向电池电压转换器电路的交通工具电气系统的一部分的图。
图3是包括双向电池电压转换器电路的交通工具电气系统的一部分的图。
图4是包括主交通工具系统电池和多个辅助电池的交通工具电气系统的一部分的图，其中所述辅助电池具有串联连接的双向电池电压转换器。
图5是包括主交通工具系统电池和多个辅助电池的交通工具电气系统的一部分的图，其中所述辅助电池具有串联连接的电子开关。
图6是包括双向多电池电压转换器电路的交通工具电气系统的一部分的图。
图7是包括双向多电池电压转换器电路的交通工具电气系统的一部分的图。
图8是包括主交通工具系统电池和多个辅助电池的交通工具电气系统的一部分的图，其中所述辅助电池具有串联连接的双向多电池电压转换器。
图9是双向多电池电压转换器电路模块的图。
图10是包括图9的双向多电池电压转换器电路模块的交通工具电气系统的一部分。
图11是根据图10的交通工具电气系统的一个方面的电池充电电压和电流的曲线图。
图12是图10的交通工具电气系统的一个方面在处于充电模式时的控制流程图。
图13是图10的交通工具电气系统的一个方面在处于无效模式时的控制流程图。
图14是图10的交通工具电气系统的一个方面在处于放电模式时的控制流程图。
具体实施方式
在详细解释本发明的任何构造之前，要理解本发明在其应用方面不限于在以下描述中阐述的或者在以下附图中图示的部件的布置和构造的细节。本发明能够有其他构造并且能够以各种方式实施或实践。此外，要理解，在本文中使用的短语和术语用于描述的目的而不应当视为限制。在本文中“包含”、“包括”或者“具有”以及其变型的使用意味着涵盖此后列举的项目及其等效物以及附加项目。另外，除非指出或者另外限制，“连接”和“耦合”不限于物理或机械的连接或耦合。
为了供应交通工具（包括大型交通工具，诸如用于拖拉挂车的单体卡车或半挂牵引车）的功率需要，多个电池往往被耦合在一起以递送更大的功率。在用于耦合多个电池的一个典型布置中，两个或更多电池被并联接线在一起直到总功率输出量（例如，在诸如12伏的给定电压下以峰值安培测量）足以供应交通工具的功率需要。在另一个普通布置中，诸如电池继电器的简单电子部件可以用来把若干电池电耦合在一起。然而，这些布置没有一个提供对每个电池的个别监视和控制，且因此这些布置对个别电池的充电和放电限制漠不关心。此外，两个或更多电池的接合可以创建大的瞬时电流，这是低效的并且可能对系统中的电子部件产生磨损。
已知的电池充电控制系统典型地通过把单个电源（例如，交通工具的交流发电机）连接到整个电池组而对整个并联连接的电池组进行充电。当这些电池具有相对大的充电接受容量（即，低内部电阻）时，电池的电流接受可以超过从电源供应的电流。另外，常规的控制系统控制供电电压以免受过电流充电条件，所述过电流充电条件可能对电池寿命是有害的。这样的系统往往不对电池提供适当的初始电流量，从而限制有效的电池寿命。
通过对整个电池组同时充电，常规的电池充电控制系统典型地要求该组中的每个电池具有相同的电特性，包括例如内部电阻、容差和架构。当来自每个电池的电流需求超过正给电池充电的电源的电流容量时，电源和电池中的一者或两者可能受损或者低效地操作。来自电池组的过量电流需求也可能提供对电池的不充分充电，从而降低电池的电存储容量和电池的循环能力中的至少一个。
因此，本发明的各种实施例提供用于管理对电池组内的个别电池的充电和放电的设备、系统和方法。本发明的各种其他实施例提供用于管理对电池组的电池子组的充电和放电的设备、系统和方法。
图1示出了体现本发明的示例性大型交通工具，即用于长途运输操作的交通工具10。所图示的交通工具10是可以用来把在货舱（例如，集装箱、挂车等等）中存储的货物运输到一个或多个目的地的半挂牵引车。还设想，本发明还可以体现在其他交通工具诸如单体卡车、货车、公共汽车、房车、轿车、摩托车、轮船、火车以及航空器及其他可能性中。在另外的构造中，本发明可以实施在其中采用多个电池的建筑物或其他装置中。
交通工具10包括框架15、车轮20、原动机25、燃料储存器30以及直流（“DC”）发电机或交流发电机35。车轮20可旋转地耦合到框架15以允许交通工具10的移动。交流发电机35耦合到原动机25，使得可以把由原动机25产生的机械能量转换成电能，即电力。原动机25可以是依靠柴油燃料、汽油或其他适当的材料运行的发动机。交流发电机35和原动机25协作以限定交通工具10的第一电源40。第一电源40具有在预定电压（例如，12伏）下基于来自交流发电机35的可用电功率的第一功率容量。
在某些构造中，原动机25可以是由内部或外部电源（例如，如在火车系统中的那样由电线或轨道或者如在电池供电的插入式电动交通工具中的那样通过存储电网功率）供电的电动机。在完全插入式电动交通工具（即不包括机载发动机以补充电池功率的交通工具）的后者情况下，可能存在特定电池组，其专用于存储电荷以在交通工具10的操作期间给原动机25供电。用于在交通工具的操作期间给原动机25供电的电池可以与用来在交通工具10不处于操作时给附件（例如，灯和HVAC）供电的辅助电池组分离。在其中原动机25是电动机的其他构造中，电动机可以由诸如发电机的机载电源供电，其中所述发电机如在混合电动交通工具中的那样依靠柴油燃料、汽油或其他适当的材料运行。在其中原动机25是电动机的情况下，用于给各种电池充电的功率可以来自正给电动机供电的相同源而不是交流发电机。在一些设计（例如，仅依靠电网或电池功率操作的电动交通工具）中，该交通工具可以不包括交流发电机。
原动机25耦合到框架15并且设置在与交通工具10的前端相邻的舱45中。原动机25与一个或多个车轮20连通以驱动交通工具10。原动机25可以处于“开启”状态和“关闭”状态。当原动机25处于“开启”状态时，它可以与车轮20接合。另外，当原动机25处于“开启”状态时，它可以给交通工具10的电气系统提供功率以对负载供电并对系统中的电池充电。当原动机25“开启”并且与车轮20接合时，可以驱动交通工具10。如果原动机25“开启”但是不与车轮20接合，则原动机25和交通工具10被说成正在空转（idling），尽管处于空转状态的原动机25仍然可以给交通工具10的电气系统提供功率。
当交通工具10将不操作达延长的时间段（例如，在整夜停止期间或者在加载或卸载货物期间）时，原动机25可以置于“关闭”状态并且交通工具10置于待机模式。在“关闭”状态中，原动机25不可用来向交通工具10的电气系统提供功率。因此，可能需要一个或多个电池以给交通工具10中的电负载供电。
参照图1，交通工具10还包括舱室50和以电气方式供电的供热、通风与空调（HVAC）系统55。HVAC系统55限定交通工具10的示例性电负载。交通工具10还可以包括其他电负载（例如，交通工具附件、灯、原动机25的起动电动机等等）。一般地，电负载具有涉及负载汲取（load draw）的功率特性，其对应于为充分地供电负载所需的电功率。另外，对交通工具10上的电池的充电构成另一种类型的负载。
舱室50支承在框架15上处于舱45后面并且包括限定空间65的壁60。在一些构造中，空间65可以划分成驾驶部分和卧铺部分。HVAC系统55耦合到交通工具10并且与舱室50连通以调节空间65。所图示的交通工具10包括单个HVAC系统55，该HVAC系统55与空间65相邻定位并且与空间65连通。在其他构造中，HVAC系统55可以位于交通工具中以调节卧铺部分。一般地，交通工具中的HVAC系统的数量至少部分地取决于在舱室中要调节的区域的大小和数量。
HVAC系统55的部件可以位于交通工具10上的几乎任何地方。在所图示的构造中，HVAC系统55包括位于舱室50中以调节空间65的蒸发器组件70和在舱室50的外侧上耦合到壁60之一以提供HVAC系统55中的致冷剂与周围环境之间的热交换的冷凝器组件75。在一些构造中，HVAC系统55的部件可以一起组装成单个整体包装。在其他构造中，HVAC系统55的每个部件可以与HVAC系统55的其他部件分离。
图1示出交通工具10还包括电存储系统80和与电存储系统80连通的充电控制系统85。电存储系统80与第一电源40电连通以在原动机25处于“开启”状态时接收电功率。除了或代替第一电源40，充电控制系统85还可以与第二电源90选择性地电连通以从第二电源90接收电功率。在所图示的构造中，第二电源90可以包括来自城市电网（还称作“岸电（shore power）”）、光伏装置、燃料电池、风力发电机或者其他功率源的功率。一般地，第二电源90具有基于在优选电压下来自电源的可用电功率的第二电功率容量。
电存储系统80还与交通工具的电负载（例如，HVAC系统55）电连通以基于负载汲取给电负载提供充分的功率。一般地，电存储系统80在充电阶段期间从第一电源40和第二电源90中的任一者或两者接收功率，而在放电阶段期间向交通工具10的负载（或多个负载）释放功率。充电阶段可以在第一和第二电源40、90中的任一者或两者正向交通工具10的电气系统输入功率时发生，而放电阶段可以在第一或第二电源40、90中的没有一个正向交通工具10的电气系统输入功率时发生。
电存储系统80包括：第一多个电存储元件（例如电池95）和第二多个电存储元件（例如电池100），用于在充电阶段期间存储来自第一电源40和/或来自第二电源90的电功率以及用于在放电阶段期间向电负载释放功率。当相应的电源40、90连接到电存储系统80时，第一电源40和第二电源90中的每个限定连接的电源。当相应的电源40、90从电存储系统80断开时，第一电源40和第二电源90中的每个限定断开的电源。第一电源40和第二电源90中的一者或两者可以连接到电存储系统80或者从电存储系统80断开。
在所图示的构造中，第一多个电池95包括交通工具10的现有电池，而第二多个电池100包括交通工具10的单独的附加电池。在其他构造中，第一多个电池95和第二多个电池100可以包括在交通工具10上作为除了现有的交通工具电池之外提供的单独的电池。
为了简化描述，在本文中描述的各种构造关注于对第二多个电池100中的每个进行充电。然而，所公开的电路和方法还可以用来对第一多个电池95中的每个进行充电。另外，用于对第二多个电池100中的每个进行充电的功率可以来自许多源，包括第一多个电池95、第一电源40、第二电源90或者连接到交通工具的这些和其他电源的各种组合中的一个或多个。
根据各种构造的交通工具电气系统包括第一多个电池95、第二多个电池100、一个或多个电负载（例如灯或HVAC系统55）以及交流发电机35中的一个或多个。另外，交通工具电气系统还可以包括第二电源90。如下面关于图2-10进一步描述的，交通工具电气系统还可以包括与第一或第二多个电池95、100中的一个或多个相关联的双向电池电压转换器200和电子开关210中的一者或两者。在每个实施例中，电气系统部件之间的共同连接可以一般称为电气系统或系统“总线”。
图2示出了包括双向电池电压转换器200构造的交通工具电气系统150的一部分的电路图。双向电池电压转换器200包括布置为由电感器L耦合的“H电桥”的四个开关A、B、C、D。在各种构造中，开关A、B、C、D是能够承载大量电流的电子控制开关，例如场效应晶体管（FET）开关诸如金属氧化物半导体FET（MOSFET）。典型地，开关成对地激活，例如开关A和D同时接通，或者开关B和C同时接通。当开关A和D接通时，电感器L从第一多个电池95（或者备选地，图1中示出的第一电源40或第二电源90）中的一个或多个进行充电。开关A和D随后关断并且开关B和C接通，从而允许把来自电感器L的存储能递送到第二多个电池100中的一个或多个。
在一些构造中，开关A、B、C、D由脉冲宽度调制（PWM）控制300（图2）操作。例如，PWM控制300的输出OUT-Q和OUT-Q’可以使用路由电路310而选择性地连接到开关A、B、C、D。路由电路310包括两个复用器（multiplexer）320a、320b，它们具有作为输入的PWM控制300的OUT-Q线和OUT-Q’线以及来自数据接口330的模式选择输入。在图2中示出的构造中，OUT-Q线连接到复用器320a的输入I1和复用器320b的输入I2，而OUT-Q’线连接到复用器320a的输入I2和复用器320b的输入I1。复用器320a、320b的输入然后连接到开关A、B、C、D。
在图2中示出的构造中，复用器320a连接到开关A和D而复用器320b连接到开关B和C。此外在图2中示出的构造中，路由电路310由数据接口330控制，该数据接口330改变复用器320a、320b中的每个的模式以便把相应复用器320a、320b的S1输入或S2输入路由到开关A、B、C、D。数据接口330包括输入/输出（I/O）线，其连接到诸如图4中示出的集中控制系统340。控制系统340可以附连到交通工具10作为独立的单元或者作为交通工具10的计算机控制系统的一部分。
因此，使用图2中示出的双向电池电压转换器200电路，放出二进制信号（例如，在低值和高值诸如0和1伏之间切换的电压信号）的单个控制线（即，来自数据接口330的“模式”线）可以用来改变开关A、B、C、D的位置以便把电感器L链接到第一多个电池95或者第二多个电池100。不过，控制开关A、B、C、D的断开和闭合状态的其他方法也是可能的。
根据电感器L的放电和充电的次序，第一多个电池95可以用来对第二多个电池100充电，或者第二多个电池100可以用来对第一多个电池95充电。另外，替代第一多个电池100，来自第一电源40或第二电源90的功率可以用来对电感器L充电并因此向第二多个电池提供功率。电感器L的充电和放电典型地以循环（cyclic）的方式执行，以便无论哪个或哪些电池正在接收能量均向其提供正在进行的电能源。电感器L经历重复的充电和放电循环，这在各种构造中以高达50kHz或者更高的速度发生，其中电容器Cin和Cout有助于建立电荷和平滑电压信号。使用图2中示出的双向电池电压转换器200，电感器L可以向小于、等于或大于连接到电感器L的源电压的一个或多个电池递送输出电压。来自电感器L的输出电压是基于开关A、B、C、D的占空比，即它是基于与每个循环开关B和C闭合和连接到电感器L多少时间相比每个循环开关A和D闭合和连接到电感器L多少时间以及循环的长度。
在图2-5中示出的构造中，双向电池电压转换器200或电子开关210或者两者的使用允许第二多个电池100中的每个与交通工具电气系统150个别地连接或断开以进行充电或隔离。图3中示出的电路包括电流感测（Isense）和电压感测（Vsense）能力。在图3中示出的构造中，电流感测由与电感器L串联的电流感测电阻器R提供。电流感测电阻器R的输出馈送到PWM控制。在其他构造中，电流感测可以由霍尔效应传感器提供。电压感测（Vsense）由从“输出/输入”到PWM控制的线提供。图3的构造还包括数据接口330和PWM控制300上的电压设置（voltage set）（Vset）和电流设置（Iset）控制以允许设置用于对连接到电路的特定电池（例如，第二多个电池100之一）充电和放电的特定电压和电流电平。
图4示出了根据本发明的构造的交通工具电气系统150的图，其中第二多个电池100使用双向电池电压转换器200而耦合到交通工具的电气系统。尽管图4示出了三个电池100a-c，但是可以使用任何数目。第二多个电池100a-c中的每个可以个别地由交通工具电气系统150充电，例如由交通工具交流发电机35和第一多个电池95至少之一中的一者或两者充电。图2和3中示出的双向电池电压转换器200的各个元件包括开关A、B、C、D、电感器L、电容器Cin和Cout、路由电路310、PWM控制300以及数据接口330,可以分布在图4的双向电池电压转换器200a-200c单元和控制系统340单元之间。一个非限制性示例是PWM控制300、路由电路310以及数据接口330可以容纳在与控制系统340相同的单元中。
在各种构造中，基于电池的放电状态，充电应用于第二多个电池100中的每个。例如，供应固定电流以快速再充电至部分充电点的“容积（bulk）”充电级（charging stage）可以与相对耗尽的电池一起使用，而其中在供应变化的电流电平时保持电压恒定的“吸收”级可以用来完成充电。最后，“浮动（float）”充电级（其测量电池电压并且根据需要对电池再充电以把电池保持在预定的电压范围内），可以用来在延长的时间段内维持电池充电。其他电池充电级是可能的并且涵盖在本发明内。使用多级充电方法诸如上面描述的充电方法一般是对电池再充电的最快速方式同时维持了最大电池寿命。
把多个电池并联地硬接线成单个操作单元的缺点是所有电池被同时充电。在某些条件下（例如如果一个或多个电池已变成完全耗尽或者如果交通工具电气系统的负载大），所有电池的再充电可能从交通工具交流发电机35汲取太多功率使得交流发电机35不能向连接的电负载提供足够的功率。
因此在一种构造中，第二多个电池100中的每个在再充电阶段期间单独地连接到交通工具电气系统以便防止通过交通工具电气系统150从交流发电机35汲取太多电流。在一种构造中，第二多个电池100中的每个可以使用电子开关210（图5）耦合到交通工具电气系统。然而在参考电子开关210的使用的这种和其他构造中，第二多个电池100中的每个可以使用双向电池电压转换器200（图4）而不是电子开关210而耦合到交通工具电气系统10。双向电池电压转换器200可以例如通过使开关A、B、C、D的断开和闭合状态不交替或者通过包括所有开关A、B、C、D断开所处的模式而作为开关操作。
在各种构造中，电子开关210由控制系统340控制，该控制系统340还监视交通工具电气系统150的电压。使特定电子开关210断开使与之关联的电池隔离。因此当交流发电机35正在操作时（例如如果原动机25处于“开启”状态），它为连接的负载160提供充电电流，其中在一些构造中负载160可以包括第一多个电池95中的一个或多个，只要这些正被充电。
在一种构造中，控制系统340初始使每个电子开关210断开（即禁用/断开）以便防止电流进入或离开相应第二多个电池100中的每个。控制系统340然后一次一个地闭合（即启用/连接）每个开关210，从而使第二多个电池100中的每个与交通工具电气系统150并联连接。每当闭合电子开关210之一并且连接附加电池时，控制系统340监视交通工具电气系统150的电压（V-IN；参见图5）。如果特定电池的连接造成交通工具电气系统150的电压越过阈值，则与特定电池相关联的电子开关210被断开以便使电池从交通工具电气系统150断开。在一个示例中，可能在电压降到预定值以下（例如在12伏系统中在7伏以下）时越过该阈值。过量的电压降可以指示交流发电机35或其他电源已过载。在其他构造中，低电压值可以是基于与起始或标称值的电压差。在另其他构造中，低电压值可以确定为起始或标称值的百分比或比率。
一旦每个电子开关210被测试并且使之处于断开或闭合状态，则（例如由于当闭合开关时系统电压降得太低）使之断开的任何其余的开关210被再测试。每个其余的断开开关210被一次一个地闭合，并且交通工具电气系统150的电压然后由控制系统340测量以确定电压是否太低，如上面所讨论的。这个规程被重复，直到所有开关210被闭合。
在一些构造中，交通工具电气系统150的电压被连续监视并且如果电压下降（例如如果诸如HVAC系统55的附加电负载被添加到交通工具电气系统150），则一个或多个电子开关210可以被断开直到电压增加到可接受值。在交流发电机35正在操作时，连接到交通工具电气系统150的电负载160可能由于诸如如下的因素而改变：一个或多个电池变得足够充电使得它从交流发电机35汲取较少功率；或者在使用消耗功率的装置诸如灯或HVAC系统55时的变化。
把多个电池并联地硬接线成单个操作单元的另一个可能的缺点是在每个电池内的电属性中可能存在略微不平衡。这些不平衡可能导致其他问题，包括由每个电池递送的电流的大方差、减少的电池寿命、以及由于在交通工具电气系统150中存在一个或多个有缺陷的电池所致的所有连接的电池的可能劣化。
因此，系统的各种构造包括对由第二多个电池100中的每个向交通工具电气系统150供应的电流进行平衡的方法。该方法可以使用诸如图4中示出的系统的系统来实施，其中第二多个电池100中的每个使用诸如图3中示出的电路的双向电池电压转换器200电路而连接到交通工具电气系统150。
如上面所讨论的，在某些构造中双向电池电压转换器200包括数据接口330，其进而交换来自控制系统340（图3和图4）的命令。控制系统340监视每个双向电池电压转换器200的电压（Vsense）和电流（Isense）条件。在各种构造中，控制系统340然后向每个双向电池电压转换器200发出命令以利用参数进行操作，使得第二多个电池100中的每个向连接的电负载160递送供应的累计总电流的成比例量。在其中每个电池具有相同的标称特性的情况下，则把适当的命令发送到每个双向电池电压转换器200使得第二多个电池100中的每个向连接的电负载160递送等量的电流。例如，如果由第一电池递送的电流量大于由任一其他电池供应的电流（例如由于第一电池具有较低内部电阻或者充电多于其它电池），则与第一电池相关联的双向电池电压转换器200的占空比可以被调整以减少由第一电池递送的电流量。
在某些构造中，第二多个电池100中的每个的电压电平被监视并且与第二多个电池100中的给定电池相关联的双向电池电压转换器200被禁用，条件是该电池被太深度地放电，例如如果该电池的端子电压降到预定值以下（例如在额定为12伏的电池上在10.5伏以下）。如果这倘若发生，则连接到其余功能电池的每个双向电池电压转换器200的参数将因此由控制系统340调整（例如通过更改双向电池电压转换器200的占空比）以便向连接的电负载160供应成比例的电流量。
把多个电池并联地硬接线成单个操作单元的再一个可能的缺点是当原动机25被关断并且交流发电机35不再给交通工具电气系统150提供功率时所有电池被同时放电。因此在供应交通工具10的电负载要求的一段时间之后，所有电池可能变成放电，可能没有留下电池功率可用于关键负载诸如给起动电动机供电以再起动交通工具10。
因此，在各种构造中系统包括在第二多个电池100中的一个或多个中维持最小充电电平的方法。在一种构造中，第二多个电池100中的一个或多个具有与之串联连接的电子开关210，使得当断开开关210时使电池与交通工具电气系统150隔离（图5）。如上面所讨论的，双向电池电压转换器200还可以起到电子开关的作用。
图6、7和8图示了根据本发明的交通工具电气系统150的另其他构造。在这些构造中，多个电池与双向多电池电压转换器350相关联。在图6、7和8的图示构造中，三个电池100与每个双向多电池电压转换器350相关联，尽管在其他构造中较少电池或较多电池可以与每个转换器相关联。
在图6中图示的构造中，双向多电池电压转换器350以与图2中图示的和上面描述的双向电池电压转换器200基本上类似的方式运行。然而不同于图2的构造，电子开关360提供在MOSFET开关C和关联的电池100之间。电子开关360通过选择性地激励或去激励与每个电池相关联的继电器而选择性地连接在一个或多个个别电池之间。继电器用来在多个单独的辅助电池100之间进行开关。
电子开关360由数据接口330的输出控制进行控制。输出控制的信号控制电子开关360以根据充电状态和其他因素来选择哪个电池100要充电、放电或隔离。
在图7中示出的构造中，电流感测由与电感器L串联的电流感测电阻器R提供。电流感测电阻器R的输出馈送到PWM控制。在其他构造中，霍尔效应传感器可以替代电流感测电阻器R。电压感测信号（Vsense）由从“输出/输入”到PWM控制的线提供。Vsense还可以由从“输入/输出”到PWM控制的线提供。图7的构造还包括数据接口330和PWM控制300上的电压设置（Vset）和电流设置（Iset）控制以允许设置用于对连接到电路的特定电池（例如，第二多个电池100之一）充电和放电的特定电压和电流电平。
图8示出了与图4中图示的双向多电池电压转换器类似的双向多电池电压转换器350的布置。代替具有与一个双向电池电压转换器200相关联的一个电池100，多个电池100与每个双向多电池电压转换器350相关联。
图9-10图示了本发明的又一实施例。在这种构造中，与图6-8的双向多电池电压转换器类似的双向多电池电压转换器350结合到“智能充电模块”或SCM 370中。SCM 370是双向DC-DC转换器的构造，其可以在主电源（例如交流发电机）和两个单独的辅助电池100a、b中的任一个之间传递能量。在其他构造中，SCM可以被配置成在不止两个辅助电池之间进行开关。
如图9中示出的，微控制器380可操作用于选择性地激励或去激励第一继电器390a和第二继电器390b。在其他构造中，其它电子开关装置可以替代继电器390a和390b。在图示的构造中，继电器390a与电池100a相关联，而继电器390b与电池100b相关联。当任一继电器被激励时，关联的电池通过闭合继电器而电耦合到双向电池电压转换器。微控制器380起到与图7和8中的电子开关360的功能类似的开关功能。微控制器380被配置成使得任一继电器可以被选择性地激励，但是两个继电器不能同时激励。在一些构造中，微控制器还可以结合其它构造的脉冲宽度调制300和数据接口330功能。
图10图示了结合多个SCM 370的交通工具电气系统410。交通工具电气系统410具有点火开关420、起动器430、多个交通工具电池95、以及用于外部120 VAC岸电440的连接。提供逆变器450和插座460以用于供应外部120 VAC负载。当原动机正在操作时，诸如当交通工具在马路上或空转时，交流发电机35向电气系统提供功率。
提供全电HVAC单元470，其可以在原动机25停止并且岸电不可用时由SCM 370供电。HVAC单元470结合主控制器480、压缩器组件490以及蒸发器风扇510。人机接口520向HVAC单元470提供用户输入以控制如温度和风扇速度这样的功能。
每个SCM 370和关联的电池100a、b对结合到功率管理单元530中。在所图示的交通工具电气系统410中，提供两个功率管理单元530。
SCM 370可以在三个状态之一中操作。当处于充电模式时，SCM 370将使用交通工具电池95和交流发电机35作为电源对电池100a、b进行充电。当处于放电模式时，SCM 370将把功率从电池100a、b递送到交通工具电气系统410和关联的负载，包括HVAC单元470。SCM 370还可以在无效模式中操作，其中将不存在在辅助电池100a、b与交通工具电气系统410的其余部分之间流动的电流。
SCM 370模式可以由HVAC单元470的主控制器480确定。当闭合交通工具点火开关420时，主控制器480将SCM 370切换至充电模式。当交通工具点火开关断开时，主控制器将SCM切换至放电模式。外部输入，诸如到人机接口520的用户输入，也可以手动地选择无效、充电或放电模式。
另外，SCM 370在处于充电模式时用作三级充电器。在图11中示出了典型三级充电器的轮廓。在容积级540中，充电电流近似恒定而充电电压上升。在吸收级550中，充电电流降低而充电电压保持在恒定的升高电平。在浮动级560中，充电电压和电流二者均保持恒定。
图12是图示处于充电模式的主控制器480和SCM 370的电池选择逻辑的流程图。主控制器480在点火开关420闭合时进入充电模式。设立SCM 370以首先激励继电器390a，从而连接电池100a。在一些实施例中，主控制器480可以结合跟踪每个电池的使用数据的存储器模块。如果主控制器480确定电池100a与电池100b相比太频繁地接收充电优先级，则主控制器480可以超控（override）SCM 370并且选择电池100b首先进行充电。
在某些实施例中，主控制器480可以另外编程有快速再充电功能。在这些实施例中，一个SCM 370的单个电池100a或100b可以通过去激励与其他电池100相关联的所有其他继电器390而被优先充电。在一些实施例中，主控制器480可以优先考虑给具有最低充电状态的电池100（即最需要充电的电池）充电。备选地，主控制器480可以优先考虑给具有最高充电状态的电池100（即可以在最短时间段中完全充电的电池）充电。
在电池100a充电了一时段之后，SCM 370确定充电的状态。如果电池被完全充电，则SCM将去激励继电器390a并且激励继电器390b，从而连接电池100b进行充电。即使电池未被完全充电，主控制器480可以基于诸如平衡充电状态的其他准则而开关至对电池100b充电。迭代过程继续直到两个电池均被完全充电。
图13是图示进入无效模式的流程图。当选择无效模式时，主控制器480发信号通知SCM以去激励与两个电池100a和100b相关联的继电器390a和390b。
图14是图示处于放电模式的主控制器480和SCM 370的电池选择逻辑的流程图。主控制器480在点火开关420断开时进入放电模式。设立SCM 370以首先激励继电器390a，从而连接电池100a以首先放电。如果主控制器480确定电池100a与电池100b相比具有更长的放电历史，则主控制器480可以超控SCM 370并且选择电池100b首先进行充电。
在电池100a放电了一时段之后，SCM 370确定充电的状态。如果电池被完全放电，则SCM将去激励继电器390a并且激励继电器390b，从而连接电池100b进行放电。即使电池100a未被完全放电，主控制器480可以基于其他准则（诸如平衡充电状态或者通过防止深度放电而最大化电池寿命）而开关至对电池100b充电。迭代过程继续直到两个电池均被完全放电或者主控制器返回至充电或无效模式。
SCM 370和/或主控制器480可以利用附加电池开关准则（诸如电流限制）进行编程。电流限制点保护辅助电池免受过量放电速率并且促进辅助电池之间的电流共享。
因此，本发明提供一种新的且有用的控制系统（用于交通工具的电存储元件），其包括用于控制进入和离开电存储元件的功率的系统。

Claims (18)

1. 一种平衡交通工具电气系统中的电流的方法，所述交通工具电气系统包括：系统总线；第一电池；第一双向电池电压转换器，在第一电池与系统总线之间选择性地传递第一电流；第二电池；第二双向电池电压转换器，在第二电池与系统总线之间选择性地传递第二电流；以及控制器，控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器，所述方法包括：
感测第一电流；
把与第一电流有关的第一信号提供给控制器；
感测第二电流；
把与第二电流有关的第二信号提供给控制器；以及
控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器，使得第一电流和第二电流是向连接到系统总线的电负载供应的负载电流的相等部分。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一双向电池电压转换器包括：电感器；第一开关，耦合到所述第一电池；第二开关，耦合到所述第一电池；第三开关，耦合到系统总线；第四开关，耦合到系统总线；以及路由电路，连接到第一、第二、第三和第四开关中的每个，所述方法进一步包括由控制器控制路由电路以成对断开和闭合第一、第二、第三和第四开关中的每个开关，从而从交通工具电气系统和第一电池中的一个对电感器充电并且使电感器向交通工具电气系统和第一电池中的另一个放电。
3. 根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
感测第一电池的第一电压；以及
调整双向电池电压转换器的占空比以调整由第一电池递送的第一电流和电压中的至少一个，以便提供第一电池的最优放电。
4. 根据权利要求3所述的方法，进一步包括调整第一双向电池电压转换器的占空比以在第一电流大于第二电流时减少第一电流。
5. 根据权利要求3所述的方法，进一步包括：
如果第一电池的端子电压越过阈值，则禁用第一电池；
调整第二双向电池电压转换器的占空比以使得负载电流继续被供应。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值是基于与起始值的电压差。
7. 根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值是基于与标称值的电压差。
8. 根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值是基于交通工具电气系统的电压与起始电压的比率。
9. 根据权利要求5所述的方法，其中所述阈值是基于交通工具电气系统的电压与标称电压的比率。
10. 一种用于向电负载供应电功率的交通工具电气系统，所述系统包括：
系统总线，
第一电池；
第一双向电池电压转换器，在第一电池与系统总线之间可控地传递第一电流；
第二电池；
第二双向电池电压转换器，在第二电池与系统总线之间可控地传递第二电流；以及
控制器，用于控制第一双向电池电压转换器和第二双向电池电压转换器，使得第一电流和第二电流是向连接到系统总线的电负载供应的负载电流的相等部分。
11. 根据权利要求10所述的交通工具电气系统，其中所述第一双向电池电压转换器包括：
电感器
第一开关，选择性地连接电感器到所述第一电池；
第二开关，选择性地连接电感器到所述第一电池；
第三开关，选择性地连接电感器到系统总线；
第四开关，选择性地连接电感器到系统总线；
路由电路，由控制器控制，成对断开和闭合第一、第二、第三和第四开关以从交通工具电气系统和电池中的一个对电感器充电并且使电感器向交通工具电气系统和第一电池中的另一个放电。
12. 根据权利要求11所述的交通工具电气系统，其中所述第一开关是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
13. 根据权利要求11所述的交通工具电气系统，其中所述路由电路包括脉冲宽度调制器。
14. 根据权利要求10所述的交通工具电气系统，其中所述第一电池能够通过更改第一电池电压转换器和第二电池电压转换器中的至少一个的占空比来对第二电池充电。
15. 一种与交通工具电气系统一起使用的双向电池电压转换器，包括：
电感器；
第一开关，选择性地耦合电感器到所述第一电池；
第二开关，选择性地耦合电感器到所述第一电池；
第三开关，选择性地耦合电感器到交通工具电气系统；
第四开关，选择性地耦合电感器到交通工具电气系统；
路由电路，连接到第一、第二、第三和第四开关中的每个，所述路由电路可控地成对断开和闭合开关，使得电感器从交通工具电气系统和电池中的一个进行充电并且向交通工具电气系统和电池中的另一个放电；以及
控制器，控制路由电路以递送向连接的电负载供应的负载电流的一部分，该部分基于其他电流源的可用性。
16. 根据权利要求15所述的双向电池电压转换器，其中所述第一开关是金属氧化物半导体场效应变换器（MOSFET）。
17. 根据权利要求15所述的双向电池电压转换器，其中所述路由电路包括脉冲宽度调制器。
18. 根据权利要求17所述的双向电池电压转换器，其中所述控制器感测第一电池的电压，感测由第一电池提供的电流并且调整脉冲宽度调制器的占空比以调整由第一电池递送的电流和电压中的至少一个。
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