CN103534135A - 用于组合能源系统中过充电保护和充电平衡的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是用于车辆的能源系统。一种用于车辆的能源系统包括电池，该电池具有多个电芯，彼此串联连接并且适于耦合到车辆的交流发电机。该用于车辆的能源系统还包括一个或多个超级电容器，彼此串联连接并且适于耦合到车辆的启动部件。电池和一个或多个超级电容器被以并联布置的方式相互耦合，电池电芯的组合电压与一个或多个超级电容器的组合电压大体匹配。

Description

用于组合能源系统中过充电保护和充电平衡的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请是2011年3月16日提交的题为“用于车辆应用的结合电池和超级电容器的系统”的美国临时专利申请No.61/453，474、2011年7月16日提交的题为“具有集成的控制器的电荷和能量存储系统”的美国临时专利申请No.61/508，621、2011年4月21日提交的题为“用于车辆应用的多电池系统”的美国临时专利申请No.61/477，730以及2011年7月16日提交的题为“提高充电能力的不同电荷状态电池”的美国临时专利申请No.61/508622的非临时申请，上述临时申请通过引用结合于此。
本专利申请总体上涉及下面的共同未决的专利申请，这些专利申请于此结合到本申请中以供参考：于同一日期由Ou Mao等人提交的题为“具有带不同电荷状态的装置的能源系统(Energy Source Systems Having Deviceswith Differential States of Charge)”的美国专利申请No.______，于同一日期由Brian C.Sick等人提交的题为“用于控制多个存储装置的系统和方法(Systems and Methods for Controlling Multiple StorageDevices)”的美国专利申请No.______，于同一日期由Perry M.Wyatt等人提交的题为“具有电池和超级电容器的能源装置和系统(Energy SourceDevices and Systems Having a Battery and An Ultracapacitor)”的美国专利申请No.______，以及于同一日期由ThomasM.Watson等人提交的题为“具有多个能量存储装置的能源系统(Energy Source System HavingMultiple Energy Storage Devices)”的美国专利申请No.______。
技术领域
当前公开的实施例总体上涉及能够为下游应用提供能量的能源系统。具体而言，当前公开的实施例涉及用于车辆应用的包括结合电池和超级电容器的装置的能源系统。更具体地说，当前公开的实施例涉及结合电池和超级电容器的系统，该系统包括过充电保护和组合系统中的电容器之间的充电平衡。
背景技术
这部分是为了提供权利要求书中所详述的本发明的背景或环境。这里的描述可包括可能被寻求的构思，但不必是先前已被想到或寻求的构思。因此，除非这里另有说明，在这部分中所描述的内容并不是本申请说明书和权利要求书的现有技术，并且并不承认包括在这部分中的内容为现有技术。
一般已知的是，提供典型的铅酸电池来用于车辆中的启动、照明和点火(SLI)应用。这类铅酸电池通常具有大约70Ah的容量和大约12V的电压。这类铅酸电池的重量通常为大约21kg，能量密度通常为大约40Wh/kg。用于SLI应用的这类铅酸电池的一个性能要求称为“冷起动电流”，其在零下18℃时为大约700Ah。如此高的冷起动电流要求是为了车辆发动机启动的目的，用于在几秒钟内传送，尤其是在冷天气情况下。然而，为了满足冷起动电流要求，这类已知的铅酸电池的大小尺寸趋于占据相当大的空间，并且显著增加车辆平台的重量。
传统的电池系统的另一缺陷是充电接受能力弱的问题。也就是说，在某些情况下，电池可能不能处理高充电电流，这会对车辆的能量再生能力产生不良影响。因此，期望提供一种或多种先进的能源系统，当被封装在较小且较轻的装置中时，其能够有效地满足用于发动机启动的冷起动电流要求。另外，还期望提供一种或多种先进的能源系统，其适合用于与车辆的启停技术或部件相关的部件(例如，以允许在停车期间关闭车辆发动机并且在驾驶者需要时重新启动)，或者适合用于与车辆的轻度混合技术或部件相关的部件(例如，以提供马达驱动的增加或帮助，使车辆达到巡航速度)，以及适合于电车应用，并且电压在大约10-400V的范围内，尤其是，在大约10-100V的范围内。
发明内容
在一个实施例中，一种用于车辆的能源系统包括电池，该电池具有多个电芯，多个电芯彼此串联连接并且适于耦合到车辆的交流发电机。该系统还包括一个或多个超级电容器，彼此串联连接并且适于耦合到车辆的启动部件和电再生部件。电池和一个或多个超级电容器被以并联布置的方式相互耦合，电池电芯的组合电压与一个或多个超级电容器的组合电压大体匹配。
在另一个实施例中，一种用于车辆的能源系统包括：电池，该电池具有彼此串联连接的多个电芯；以及彼此串联连接的多个超级电容器。电池电芯的组合电压以及一个或多个超级电容器的组合电压在大约36V和大约60V之间的范围内。
在又一个实施例中，一种用于车辆的能源系统包括电池，该电池包括多个电芯，多个电芯彼此串联连接并且适于耦合到车辆的交流发电机。该系统还包括一个或多个超级电容器，彼此串联连接并且适于耦合到车辆的启动部件。电池和一个或多个超级电容器以并联布置的方式相互耦合，电池电芯的组合电压以及一个或多个超级电容器的组合电压为大约48V。
附图说明
从下面结合附图的详细描述中，将更加全面地理解本发明，其中相似的参考标记表示相似的元件，附图中：
图1示出了根据一个实施例的具有设置在壳体上的负端子和正端子的供电系统，壳体封装能量存储装置和超级电容器；
图2是根据这里描述的系统的一个实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图3示出了根据一个实施例的可用来在具有两个端子的壳体内电耦合能量存储装置和超级电容器的电路的实施例；
图4示出了根据一个实施例的可用于利用至少一个可变电阻装置来电耦合能量存储装置和超级电容器的电路的实施例；
图5示出了根据一个实施例的方法的实施例，该方法可通过控制器实施成利用所感测的反馈来智能控制多装置系统的操作；
图6示出了根据一个实施例的可用于在具有两个端子的壳体内电耦合能量存储装置、超级电容器和DC/DC整流器的电路的实施例；
图7示出了根据一个实施例的安全启动方法的实施例，该方法可通过控制器实施成控制电池和超级电容器；
图8是根据这里描述的系统的第一实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图9是根据这里描述的系统的第二实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图10是根据这里描述的系统的第三实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图11是根据这里描述的系统的第四实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图12是根据这里描述的系统的第五实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图13是根据这里描述的系统的第六实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图14是根据这里描述的系统的第七实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图15是根据这里描述的系统的第八实施例的用于车辆应用的电池和超级电容器设计的示意图；
图16示出了根据一个实施例的包括不同电荷状态(SOC)能量存储装置的能源系统，该能量存储装置具有将低SOC能量存储装置和高SOC能量存储装置封装在单个外壳中的壳体；
图17示出了根据一个实施例的具有不同电荷状态的能量存储装置的电压相对电荷状态(SOC)曲线的实施例；
图18示出了根据一个实施例的具有不同电荷状态的能量存储装置的电压相对电荷状态(SOC)曲线的实施例；
图19示出了根据一个实施例的通过将低电荷状态(SOC)装置和高SOC装置结合到单个封装体中可以获得的功率容量优点；
图20示出了根据一个实施例的通过将低电荷状态(SOC)装置和高SOC装置结合到单个封装体中可以获得的功率容量优点；
图21示出了内部构造成容纳一个或多个电池或电芯以及一个或多个超级电容器的标准电池外壳的实施例；
图22示出了电池外壳的实施例，该电池外壳所具有的尺寸和独特的形状可以与新组件和电路意图替代的所需的电池的尺寸和形状相符合；
图23是具有用于提供全部或一部分车辆驱动力的电池模块或系统的车辆的实施例的透视图；以及
图24示出了以混合动力电车的形式提供的图23中所示的车辆的实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
根据当前所公开的实施例，这里提供的是具有过充电保护和充电平衡能力的高级电池和超级电容器系统。在一些实施例中，可利用超级电容器的高功率放电能力来满足车辆发动机启动的冷起动电流要求，并且可利用较小、较轻的电池来为其他的车辆电气应用提供能量。根据所阐述任何实施例，车辆应用可包括内燃发动机、混合动力、微混合动力、启停和电子车辆应用中的一种或多种，并且可包括大约10V至大约400V范围内尤其是大约10V至大约100V范围内的电压应用。虽然在所阐述的实施例中以示例的方式仅描述了一定数量的电池类型，但是任何其他各种电池类型和化学组成均可适于与超级电容器一起使用，以用于为各种车辆应用提供较小和/或较轻的电源。因此，本公开的范围意在包括所有这样的变型。
适用于这里所描述的系统的一种类型的电池技术是锂离子技术。锂离子电池技术提供高至大约200Wh/kg的相当高的能量密度，其一般是铅酸电池的能量密度的大约五倍。因此，在一些实施例中，使用锂离子电池技术来代替用于车辆中SLI应用的传统的铅酸电池，具有以下优点，诸如(举例而言，并不限于)消除有毒的铅化合物、较轻的重量以及较小的空间需求。然而，通常认为锂离子技术自身的冷起动性能限制了锂离子技术在这样的应用中的使用。典型的锂离子电池放电率在零下(-)18℃时通常为大约2C倍率，这里2C倍率表示对于70Ah电池而言大约140A的放电电流，这低于典型的铅酸电池冷起动性能(约10C倍率)。
现在转向附图，图1示出了具有壳体12的电源系统10，壳体12带有负端子14和正端子18，负端子14连接到地16，正端子18能够耦合到具体实施的车辆接头20，例如开关、启动马达等。如所示出的，能量存储装置22和超级电容器24设置在壳体12内。也就是说，具有两个端子14和18的单个壳体12封装能量存储装置22和超级电容器24。前述特征可使得电源系统10能够具有这样的尺寸：该尺寸使得系统10能够被用于代替具有标准尺寸的各种电池装置，例如标准12V电池。如此来说，应注意的是，壳体12以及端子14和18的构造在大小、形状和布置方面可容易地进行各种具体实施的变型，如下面所更详细讨论的那样。例如，在某些实施例中，系统可被设计使得壳体或外壳被构造成允许对现有电池系统例如传统的车辆电池进行简单且直接的替换。这样，外壳可遵照标准的尺寸和形状系数，特别涉及外壳的长度、宽度和高度，端子的布置，端子的构造，用于将电池系统保持入位的特征的布置和尺寸，诸如此类。如果希望，实际的外壳可以一定程度上小于这些传统的形状系数，并且可以使用适配器、垫片和类似结构来允许这样的替换。这样的适配器和结构还可允许使用不规则的或者非标准形状的外壳。在任一情况下，车辆或者系统被置入的其他应用的支撑结构和接口结构与当前结构相比几乎不需要进行改变或者不需要进行改变。
应注意的是，本领域技术人员明白，“电荷”和“能量”之间在物理上以及整体分析方面均存在区别。通常来说，电荷被存储，而能量在使用期间转换。然而，在本申请的文本中，这两个词经常某种程度上可互换地使用。因此，有时提及“电荷存储”或提及“电荷的流动”，或者提及对“能量”的相似处理。这种用法不应被解释为技术不准或限定，因为电池、超级电容器及其他装置和部件按照一般说法可以被说成用作能量存储装置或电荷存储装置，并且有时用作其一或者两者。
而且，如在所阐述的实施例中所示，壳体12还封装控制器26，控制器26耦合到能量存储装置22和超级电容器24，并且可控制多装置系统的操作。应注意的是，图1中所示的控制器26可以是任何适合应用于多装置系统的控制器。然而，在一些当前可想到的实施例中，能量存储装置22和超级电容器24可以通过多装置控制器来控制，诸如在题为“用于控制多存储装置的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLING MULTIPLESTORAGE DEVICES)”的共同未决的申请中描述的控制器。
进一步地，应指出的是，图1中的能量存储装置22和超级电容器24仅仅是示意性的，在其他实施例中，每个装置可包括一个或多个装置。例如，大体参看图2中所示的实施例，锂离子技术与超级电容器组的结合可以提供改进的车辆电源系统，这是由于高功率超级电容器能够以高功率快速放电来启动车辆发动机(例如，在大约2或3秒内)。更具体地，图2示出了设计成具有四个电芯30、32、34和36(每个容量大约为15Ah)的锂离子电池28与由超级电容器40、42、44、46、48和50(每个容量大约2000法拉、2.7VDC)构成的组38相结合的一个实施例。在一个实施例中，每个锂离子电池电芯(磷酸铁锂/石墨)的平均电压为大约3.3V，因此，串联的四个电芯组提供大约13.2V的电压。串联的六个超级电容器40、42、44、46、48和50提供大约12V的平均电压。
另外，在需要冷起动电流时，超级电容器组38能够在大约零下(-)18℃的低温在2秒内提供大约2000A的最大电流，这通常认为足以启动车辆发动机。此外，与用于车辆启动、照明和点火(SLI)应用的容量为大约70Ah的铅酸电池的大约21kg的重量相比，这种四芯锂离子电池和六超级电容器组的总重量为大约7kg。与铅酸电池组(70Ah)在大约零下(-)18℃的低温时最大功率大约5.6kW相比，这种锂离子和超级电容器系统的最大功率达到大约46kW。
图3和图4示出了另外的封装在具有两个端子14和18的壳体12内的可用来将能量存储装置22的实施例和超级电容器24的实施例电耦合的电路52和54的实施例。具体来说，在所示出的实施例中，电池56和电容器58被耦合到电流传感器60，电容器58在某些实施例中可以是超级电容器。在图3的实施例中，电池56经由第一开关62电耦合到正端子18，电容器58经由第二开关64电耦合到正端子18。然而，应注意的是，图3中示出的开关62和64在其他实施例中可以是可变电阻装置，其能够例如在控制器26的指示下接入或断开相关联的装置。例如，在图4的实施例中，第二开关64是场效应晶体管(FET)66，该FET66能够被控制成以可变的方式将电容器58连接或断开到出现在正端子18处的负载。另外，应该注意的是，在其他实施例中，第一开关62也可以是可变电阻装置，诸如FET。
操作期间，电流传感器60感测负载处出现的电流消耗，因此使得控制器26能够基于感测到的电流水平来确定当前负载的特性。例如，电流传感器60可以感测到与附件消耗(accessory drain)相对应的电流水平，或者电流传感器60也可以感测到与动力消耗(power draw)相对应的电流水平。从而，控制器26可利用感测到的电流水平来确定电池56和电容器58中的哪一个应例如通过闭合开关62、64而被激活。例如，如果在负载处检测到来自车辆的附件消耗，则可以闭合开关62，从而使得电池56来满足附件需求。又例如，如果检测到动力消耗，诸如与内燃发动机的启动相关的消耗，则可以闭合开关64，从而使得电容器58来满足动力消耗。此外，在一些实施例中，控制器可以控制FET66和耦合到电池56的FET，使得通过从装置56和58输送的功率来满足负载。因此，当前公开的实施例可以提供对负载参数的感测以及对装置56和58的智能控制，以满足负载处出现的需求。
图5示出了方法68的实施例，例如，该方法68可以通过例如控制器26实施成利用所感测到的反馈来智能控制多装置系统的操作。一旦开始操作(框70)，控制器26就例如从电流传感器60接收电流消耗水平的初始值(框72)，然后在之后的时间点接收电流消耗的当前值(框74)。在这个实施例中，方法68继续查询电流消耗相对于时间的变化率是否大于或等于预设的阈值(框76)。如果感测到的电流变化率达到或超过给定的阈值，则控制器26激活电容器58以满足需求(框78)。例如，控制器可以利用开关64将电容器58耦合到正端子18处出现的负载。然而，如果感测到的电流变化率低于预设的阈值，则电池56被激活以满足负载处的需求(框80)。
这样，感测到的电流相对于时间的变化率可被用来确定利用装置56和58中的哪一个来满足负载的需求。应注意的是，虽然在示出的实施例中传感器是电流传感器，但是在其他实施例中，可以利用能够感测负载参数的任何合适的传感器或传感器组合。另外，任何合适的指标，不限于电流相对于时间的变化率，可以被用于确定激活哪个装置来满足负载处的需求。再者，在某些实施例中，可以利用各种阈值或查询来确定应由各个装置来满足哪部分负载。也就是说，在某些实施例中，控制器可利用其它逻辑来确定负载在装置之间的适当的共享分配。
图6示出了可用于将电池56和电容器58电耦合到正端子18处出现的负载的电路82的另一实施例。在这个实施例中，如前所述，开关62和64分别将电池56和电容器58耦合到正端子18。然而，如所示出的那样，电路82包括电耦合电池56和电容器58的直流-直流(DC/DC)整流器。此外，感测系统85包括能够在电路82的整个操作过程中分别测量电池电压、电容器电压和网络电压的电池电压传感器86、电容器电压传感器88和网络电压传感器90。
在电路82的操作过程中，感测系统85可被用来测量电路82中各个位置的电压电平，从而使得控制器26能够获得有关负载需求以及装置56和58中的每个能够提供的能量的量的信息。因此，基于从感测系统85接收到的信息，控制器26可以在任何给定的操作时间点根据装置56和58中每个可用的能量来控制开关62和64以及DC/DC整流器84以满足负载处的需求。此外，需指出的是，如前所述，开关62和64可以是可变装置，诸如FET，使得控制器能够根据需要接入和断开装置56和58中的每一个。
在一个实施例中，例如，图6中的电路82可以与控制器62一起被封装在壳体12内，并代替传统的车辆电池来使用。在这样的实施例中，电路82在控制器26的控制下被操作，当电池56的电压下降到不足以启动例如车辆内燃发动的电平之下时，所述电路82可以被用来降低或消除放置有装置10的车辆不能启动的可能性。这里需再次指出的是，如下面更加详细讨论的那样，可以针对欲使用装置10的车辆来对端子14和18的结构以及壳体12进行尺寸设计和构造。
图7示出了方法92的实施例，该方法92可以通过控制器26实施来确保根据装置56和58中可用的能量尽可能地启动结合有电路82的车辆。一旦开始操作(框94)，就检测启动车辆的操作员指令(框96)。例如，取决于具体的车辆类型，操作员可以在车辆控制台中插入并转动钥匙、按压按钮来启动车辆，诸如此类。在一些实施例中，电池56可以被指定作为主能量源，也就是说将被用作常规车辆启动事件。在这样的实施例中，在某些时候，电池电压可能太低而不能支持发动机启动事件，控制器26接收输入，该输入表示电池可用电压不足以满足操作员指令来启动车辆(框98)。
在这样的情况下，当前公开的实施例提供降低或防止电池损耗进而阻碍车辆被启动的可能性。更具体而言，方法92包括控制DC/DC整流器84以利用电池56中的可用电压来对电容器58充电的步骤(框100)。也就是说，虽然电池56中的电压可能不足以启动车辆，但是可用电压可足以对电容器58充电。一旦车辆在操作员第一次要求时未能启动，则操作员可能再次试图启动车辆，并且控制器26检测到这个指令(框102)。由于电容器58在第一次启动尝试与第二次启动尝试之间的时间间隔内被充电，所以电容器58可被用来启动车辆(框104)，从而满足操作员要求。这样，可以控制电路82来降低或防止当电池电压低时车辆不能启动的可能性，因此相对于可能利用电池代替多装置系统10的传统系统而言提供了优点。
图8-15示出了另外的包括电池、超级电容器、过充电保护电路和充电平衡电路的各种组合的电路的实施例。具体而言，图8示出了具有再充电能力的用于车辆应用的电池和超级电容器相结合的系统106的实施例。如图8所示的系统106包括电池108，电池108具有串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)C1、C2、…CX，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯108充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组114如图所示与电池108并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的各个超级电容器S1、S2、…SY，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供较短且较高的电流来启动车辆。选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器114的总电压与电池108中串联的电芯的总电压大体匹配。系统106还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许电池108在超级电容器114放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。
根据所示出的实施例，管理控制系统120包括与超级电容器114相关联的第一管理控制电路122和与电池108相关联的第二管理控制电路124。在操作期间，管理控制系统120操作为了给超级电容器114提供过充电保护和充电平衡。这样，应该注意的是，第一控制电路122和第二控制电路124可例如经由有线或无线连接彼此通信，以协调电池108和超级电容器114的操作。另外，在某些实施例中，管理控制系统120监测、控制、平衡电池108和超级电容器114。这样，在操作期间，管理控制系统120的功能可包括但不限于监测电池和超级电容器的参数(例如电压、温度、充电/放电状态、健康状态、电流等)、计算期望的参数(例如最大充电/放电电流、总能量输送、总操作时间等)、与系统部件进行通信(例如经由CAN总线、无线通信等)、提供保护功能(例如过电流、过充电/放电电压、过高/过低的温度等)、以及平衡以使能量存储系统起作用。
更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在电池108和超级电容器114之间的流动，以允许电流只在从电池108到超级电容器114的方向上流动。进一步地，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从电池108流向超级电容器114提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从电池108流到每个超级电容器(从S1至Sy)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达Sy。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自电池108的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组114中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
图9示出了根据当前公开的实施例的具有再充电能力的用于车辆应用的结合12V铅酸电池和超级电容器的系统128。如图9所示的系统128包括电池130，电池130具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为六个电芯C1、C2、C3、C4、C5和C6，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组132如图所示与电池130并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的六个单个的超级电容器S1、S2、S3、S4、S5和S6，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供相对较短且较高的电流来启动车辆。选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器132的总电压与电池130中串联的电芯的总电压大体匹配。根据图9的实施例，六个铅酸电芯每个具有大约2V的电压，从而电池的总电压为大约12V。另外，六个超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压(但可以在大约1V至2.8V的范围内)。因此，选择六个超级电容器使得总电压与铅酸电池的电压大致匹配。
图9的系统还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许铅酸电池130在六个超级电容器132放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。如前所述，在所示的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124。在操作期间，管理控制系统120操作以对超级电容器132提供过充电保护和充电平衡。更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在铅酸电池130和超级电容器132之间的流动，以允许电流只在从铅酸电池130到超级电容器132的方向上流动。
此外，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从铅酸电池130流向超级电容器132提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从铅酸电池130流到每个超级电容器(从S1至S6)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达S6。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自铅酸电池130的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组132中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
参照图10，根据当前公开的实施例，示出了具有再充电能力的用于车辆应用的结合13V锂离子(磷酸铁锂阴极/碳阳极)电池和超级电容器的系统150。如图10所示的系统150包括电池152，电池152具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为四个电芯C1-C4，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组132如图所示与电池152并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的六个单个的超级电容器S1、S2、S3、S4、S5和S6，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供较短且较高的电流来启动车辆。如前所述，选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器的总电压与电池中串联的电芯的总电压大体匹配。根据图10的实施例，四个锂离子电芯中的每个具有大约3.3V的电压，从而电池的总电压为大约13.2V。另外，六个超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压(但可以在大约1V至2.8V的范围内)。因此，选择六个超级电容器使得总电压与锂离子电池的电压大致匹配。
图10的系统还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许锂离子电池在六个超级电容器放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。在所示的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124，第一管理控制电路122和第二管理控制电路124协同操作以对超级电容器132提供过充电保护和充电平衡。更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在锂离子电池152和超级电容器132之间的流动，以允许电流只在从锂离子电池152到超级电容器132的方向上流动。
此外，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从锂离子电池152流向超级电容器132提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从锂离子电池152流到每个超级电容器(从S1至S6)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达S6。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自锂离子电池152的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组132中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
参照图11，根据示例性实施例，示出了具有再充电能力的用于车辆应用的结合13V锂离子(LiMn2O4阴极/Li4Ti5O12阳极)电池和超级电容器的系统154。如图11所示的系统包括电池156，电池156具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为六个电芯C1-C6，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组132如图所示与电池156并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的六个单个的超级电容器S1、S2、S3、S4、S5和S6，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供较短且较高的电流来启动车辆。选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器的总电压与电池中串联的电芯的总电压大体匹配。根据图11的实施例，六个锂离子电芯中的每个(具有LiMn2O4阴极和Li4Ti5O12阳极)具有大约2.2V的电压，从而电池156的总电压为大约13.2V。另外，六个超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压(但可以在大约1v至2.8V的范围内)。因此，选择六个超级电容器使得总电压与锂离子电池的电压大致匹配。
图11的系统还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许锂离子电池156在六个超级电容器132放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。在所示的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124，第一管理控制电路122和第二管理控制电路124协同操作以对超级电容器132提供过充电保护和充电平衡。更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在锂离子电池156和超级电容器132之间的流动，以允许电流只在从锂离子电池156到超级电容器132的方向上流动。
此外，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从锂离子电池156流向超级电容器132提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从锂离子电池156流到每个超级电容器(从S1至S6)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达S6。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自锂离子电池156的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组132中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
参照图12，根据当前公开的实施例，示出了具有再充电能力的用于车辆应用的结合12V锂离子(LiMn3/2Ni1/2O4阴极/Li4Ti5O12阳极)电池和超级电容器的系统158。如图12所示的系统158包括电池160，电池160具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为四个电芯C1-C4，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组132如图所示与电池160并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的六个单个的超级电容器S1、S2、S3、S4、S5和S6，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供相对较短且较高的电流来启动车辆。选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器的总电压与电池中串联的电芯的总电压大体匹配。根据图12的实施例，四个锂离子电芯中的每个(具有LiMn3/2Ni1/2O4阴极和Li4Ti5O12阳极)具有大约3V的电压，从而电池156的总电压为大约12V。另外，六个超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压(但可以在大约1V至2.8V的范围内)。因此，选择六个超级电容器使得总电压与锂离子电池的电压大致匹配。
图12的系统还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许锂离子电池160在六个超级电容器放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。在所示的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124，第一管理控制电路122和第二管理控制电路124协同操作以对超级电容器132提供过充电保护和充电平衡。更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在锂离子电池160和超级电容器132之间的流动，以允许电流只在从锂离子电池160到超级电容器132的方向上流动。
此外，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从锂离子电池160流向超级电容器132提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从锂离子电池160流到每个超级电容器(从S1至S6)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达S6。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自锂离子电池160的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组132中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
参照图13，根据示例性实施例，示出了具有再充电能力的用于车辆应用的结合24v铅酸电池和超级电容器的系统162。如图13所示的系统包括电池164，电池164具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为十二个电芯C1-C12，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组166如图所示与电池并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的十二个单个的超级电容器S1-S12，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供较短且较高的电流来启动车辆。选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器的总电压与电池中串联的电芯的总电压大体匹配。根据图13的实施例，十二个铅酸电芯中的每个具有大约2V的电压，从而电池的总电压为大约24V。另外，十二个超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压(但可以在大约1V至2.8V的范围内)。因此，选择十二个超级电容器使得总电压与铅酸电池164的电压大致匹配。
图13的系统还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许铅酸电池164在十二个超级电容器放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。如前所述，在所示的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124。操作期间，管理控制系统120操作以对超级电容器132提供过充电保护和充电平衡。更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在铅酸电池164和超级电容器166之间的流动，以允许电流只在从铅酸电池164到超级电容器166的方向上流动。
进一步地，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从铅酸电池164流向超级电容器166提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从铅酸电池164流到每个超级电容器(从S1至S12)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达S12。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自铅酸电池164的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组166中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
参照图14，根据当前公开的实施例，示出了具有再充电能力的用于车辆应用的结合26V锂离子(磷酸铁锂/石墨)电池和超级电容器的系统170。如图14所示的系统170包括电池172，电池172具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为八个电芯C1-C8，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组166如图所示与电池172并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的十二个单个的超级电容器S1-S12，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供较短且较高的电流来启动车辆。选择超级电容器的数量以及超级电容器的容量以使超级电容器的总电压与电池中串联的电芯的总电压大体匹配。根据图14的实施例，八个锂离子电芯中的每个具有大约3.2V的电压，从而电池172的总电压为大约26V。另外，十二个超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压(但可以在大约1V至2.8V的范围内)。因此，选择十二个超级电容器使得总电压与锂离子电池的电压大致匹配。
图14的系统还包括管理控制系统120，该管理控制系统120允许锂离子电池172在十二个超级电容器166放电(例如发动机启动)之后对其快速再充电。如前所述，在所示的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124。在操作期间，管理控制系统120操作以对超级电容器166提供过充电保护和充电平衡。更具体来说，在操作期间，控制电路122和124控制能量在锂离子电池172和超级电容器166之间的流动，以允许电流只在从锂离子电池172到超级电容器166的方向上流动。
进一步地，第一控制电路122耦合到每个超级电容器，以随着电流从锂离子电池172流向超级电容器166提供过充电保护以及超级电容器之间的充电平衡。例如，在一些实施例中，控制电路122可控制电流流动使得：随着电流从锂离子电池172流到每个超级电容器(从S1至S12)，电流首先流向S1、接着流向S2、依此类推直至电流到达S12。以这种方式，当每个超级电容器达到其所需的电压电平时，来自锂离子电池172的电流将旁路掉达到所需电压电平的超级电容器，以与组166中的其他超级电容器相平衡。根据其他实施例，可以使用其他部件或装置来平衡超级电容器的充电；本公开的范围意在包括所有这样的变形。
参照图15，根据当前公开的实施例，示出了具有再充电能力的用于车辆应用的结合48V电池和超级电容器的系统174。如图15所示的系统174包括电池176，电池176具有彼此串联连接的并且连接到端子T3(110)和T4(112)的多个电芯(或电池单元)，示出为电芯C1-CY，端子T3(110)和T4(112)连接到车辆电气系统的交流发电机，用于维持对电池电芯充电(以及为车辆的其他电负载提供电源)。超级电容器组178如图所示与电池176并联连接，并具有相互串联连接的且连接到端子T1(116)和T2(118)的十二个单个的超级电容器S1-SX，端子T1(116)和T2(118)连接到车辆电气系统的发动机启动部分，用于提供较短且较高的电流来启动车辆。
在一个实施例中，电池176可以是包括电芯C1-C24的铅酸电池，超级电容器组178可以包括大约十六个和大约三十个之间的超级电容器。在另一实施例中，电池176可以是包括电芯C1-C16且具有含锰酸锂正极材料的锂离子电池，超级电容器组178可以包括大约十六个和大约三十个之间的超级电容器。进一步地，在另一实施例中，电池176可以是包括电芯C1-C13且含有磷酸铁锂正极材料的锂离子电池，超级电容器组178可以包括大约十六个和大约三十个之间的超级电容器。更进一步地，在又一实施例中，电池176可以是包括电芯C1-C16且具有含磷酸铁锂正极材料的锂离子电池，超级电容器组178可以包括大约十二个和大约二十四个之间的超级电容器，而且超级电容器可以是混合电容器，具有嵌锂电极且包括含石墨负电极。
图15的系统还包括管理控制系统120，以允许电流只在从电池176到超级电容器178的方向上流动。如前所述，在所描述的实施例中，管理控制系统120包括第一管理控制电路122和第二管理控制电路124。在操作期间，管理控制系统120操作以对超级电容器178提供过充电保护和充电平衡，如上面针对图8-14所详细描述。
与结合电池和超级电容器的系统相关的管理控制系统的上述特征相对于现有系统可提供各种优点。例如，在某些实施例中，高能量密度电池和电压在大约24V至大约120V范围内的高功率超级电容器的组合可以为各种类型的车辆应用例如微混合动力和轻度混合动力提供益处，以提高燃油效率并降低这类车辆的二氧化碳排放。如上面所指出的，提供在前述电压范围内的结合电池和超级电容器的系统可带来各种优点。
更具体来说，在某些情况下，可通过低温冷起动电流(与功率相关的要求)以及为与能量相关的要求的车辆电负载(例如灯光、电子器件、底盘电气化等)来确定用于SLI的铅酸电池的尺寸。一些当前的铅酸电池可具有大约40Wh/kg的能量密度、大约70Ah的容量以及大约12V的电压。相应地，这类电池在零下18℃通常可提供大约700Ah的冷起动电流。在一些情况下，可能期望提高能源系统所能提供的能量和功率密度。例如，一些轻度混合动力车辆以并行的构造方式配备有马达/发电机，允许当车辆滑行、制动或停车时关闭发动机，但能快速重新启动。因此，这种需求可能要求在这类轻度混合动力车辆中的能量存储装置具有比非混合动力车辆或电子SLI车辆更高的功率和能量输出。
此外，通过提供电压在从大约24V到大约120V的范围内的电池和超级电容器组合系统，可以实现各种益处。也就是说，通过将各种类型的电池和超级电容器结合到单个系统中，与每个技术类型相关联的优点可以在单个装置中得以实现。在某些实施例中，锂离子电池技术可提供高至大约200Wh/kg的能量密度(其可以为传统铅酸电池的大约5倍)。然而，一些锂离子电池在零下18℃可能具有大约2C的放电率，这低于铅酸电池冷起动性能(例如，大约10C)。另外，超级电容器或混合超级电容器在室温可展示大约10kW/kg的高功率密度(或者在大约零下30℃具有高达大约1kW/kg的功率密度)。当前公开的组合能源系统的实施例可将这些电池类型中的一种或多种的优点与超级电容器的优点结合到单个装置中。更进一步地，通过提供在大约24V至大约120V范围内的系统，在高功率输出时可降低电阻热损失，从而相对于单装置系统和设置在低电压范围内的系统提供额外的优点。
为了便于向后兼容、改装、电池替换、物理支撑以及电连接，当前能想到的是，本公开中讨论的电池和超级电容器以及电池超级电容器控制电路组合可以被一起物理地封装在外壳中，该外壳具有适于传统电池封装的形状系数。也就是说，可以采用壳体或外壳来容纳电池和超级电容器，在期望的地方，这里讨论的控制电路的类型和传统的铅酸或其他电池类型相似或相同。外壳在某些方面可与传统外壳有所区别，或者被不同地着色或做标记以清楚地表示出替代品包括这些内部部件，然而，可以想到的是，例如在车辆应用中，诸如用于防止和固定装置的物理尺寸以及端子的位置和尺寸等特征可以与它们所替代的传统电池相同或者充分相似，以使得这样的替代对现有的支撑或布线几乎没有或者没有改变。
图21示出了内部构造成容纳一个或多个电池248或电芯以及一个或多个超级电容器250的示例性标准电池外壳246。也可选地，外壳可包括支撑在一个或多个电路板上的控制电路252和调节电路等。外壳的物理尺寸可符合现有的用于具体电池类型和新电池所欲替代的应用的标准。特别地，如图21所示，外壳具有与所选标准电池的尺寸大致相同的高度254、宽度256和深度258。在这个例子中，电池端子260位于顶部位置，并偏离电池中心线。图22示出了另一示例性电池外壳262，该电池外壳262所具有的尺寸和独特的形状可以与新组件和电路意图替代的所需的电池的尺寸和形状相符合。在这个例子中，如参考标记264所示，端子可以位于外壳的顶部，或者正面。而且，标准形状系数包括装配或固定特征，例如压紧装置等，大致如图21和22中参考标记N30所示。
本领域技术人员明白，某些工业标准已被制定，用于构造多种应用的电池的物理封装。例如，国际电池委员会(BCI)是为车辆电池制定特定标准的商业协会。已由BCI规定多个电池类组和尺寸。下面的列表提供了其中的一些例子：
Figure BPA0000180593610000201
Figure BPA0000180593610000211
小客车和轻型商用车电池6V(3芯)
Figure BPA0000180593610000212
重型商用车电池12V(6芯)
Figure BPA0000180593610000221
电车电池6V(3芯)
Figure BPA0000180593610000222
需指出的是，这个列表并非穷尽的，也可使用其他形状系数。这些形状系数可能由于以下因素而具有多种变化：额定电压、容量、应用、物理装配要求(这可能因不同的原始设备制造商而不同)、端子类型和构造、国家或地区等。例如，端子可放置在顶部、前部、侧部或者位置组合。压紧边架和特征可随着不同的外壳而类似地变化。
内部电池、超级电容器和任何包括的电路的特定形状和物理构造可适应于特定外壳内可用的内部空间和布局。可以想到的是，定位和固定结构、隔离结构、互连等将被适配在外壳内或者在组装期间放置在外壳内，以将电池、超级电容器和任何相关的电路定位和保持在位置中，并且将这些部件根据它们正确的电路功能的需要来相互连接在一起。可以设计出这样的结构的许多变形，并且在本领域技术人员的能力之内考虑它们的特定构造，而无需过度的实验。
还需指出的是，特定的电池、超级电容器和任何包括的电路可以是任何期望的类型、等级、尺寸等，诸如上面所描述。当前能想到的是，所设置的电池系统可以不同，但在多数或者绝大多数情况下，电池系统允许对现有传统电池进行改造，诸如铅酸电池、玻璃棉电池等。对于原始设备制造商，诸如车辆制造商，新的电池系统可以作为原始设备安装在传统的电池的位置中，对支撑结构和电连接的位置或物理构造几乎没有或者没有变动。因此，电池系统可以与传统的内燃发动机、混合动力车辆、电车等相结合地使用。此外，电池系统可用于非车辆应用，诸如家用或建筑能源存储、能量产生系统(例如风力发电机或发动机驱动型发电机)等。
还需指出的是，在某些实施方式中，系统外壳可以制造得稍微小于现有电池的标准尺寸，各种适配器、垫片等可以用来更紧密地与现有装配结构相合。这样的适配器和相似硬件可以以单独售卖的或者与电池系统一起售卖的成套工具来获得，并且可以设计成允许电池系统安装于特定型号或家族的车辆中。如上面所指出的，这样的适配器和硬件也可允许使用不规则或者非标准形状的外壳。这些适配器中的某些示出于图22中，并笼统由“A”表示。这些可安装在外壳的侧部、底部、顶部或者一般来说外壳上的可以不直接与期望的装配位置或结构相一致的任何位置。与BCI电池标准、技术规范和更换有关的其他信息在BCI电池技术手册(BCI Battery Technical Manual)和BCI电池更换数据手册(BCI Battery Replacement Data Book)中可以获得，这两个手册均可从伊利诺伊州芝加哥的BCI获得。
还需指出的是，在根据当前公开的实施例的能源装置中可以设置和使用这里未描述的各种其他电路。例如，在某些实施例中，能源系统10可包括多个电池组，如在2011年4月21日提交的题为“用于车辆应用的多电池系统(Multiple Battery System for Vehicle Applications)”的美国临时专利申请No.61/477730中所详细描述。例如，在一个实施例中，能源系统10可包括构造成向车辆的发动机启动系统提供电功率的第一电池组和构造成向车辆的至少一个电气系统提供电功率的第二电池组。此外，例如，电池组可由合适的控制器诸如控制器26来控制，并且取决于不同的具体实施参数，除了这里公开的电池和/或超级电容器系统之外或者代替这里公开的电池和/或超级电容器系统，可以设置电池组。
更进一步地，如图16的实施例所示，能源系统180包括不同电荷状态(SOC)的能量存储装置182，该能量存储装置182具有将低SOC能量存储装置186和高SOC能量存储装置188封装在单个外壳中的壳体184。在某些实施例中，能量存储装置可以是能够存储能量和/或电荷的装置的任意组合。例如，在一些实施例中，能量存储装置可以包括但不限于电容器、超级电容器、耦合到或容纳在能量存储装置内的电容性电极、电化学存储装置(例如，锂基电池、镍基电池、铅基电池等)、燃料电池、或者任何其他合适的能够存储能量的材料或装置。
如图16所示，低SOC装置186包括耦合到地192的负端子190和耦合到装置输出端194的正端子193。类似地，高SOC装置188包括耦合到地198的负端子196和耦合到装置输出端194的正端子200。通过将较低SOC装置186与较高SOC装置188结合在壳体184中，不同SOC装置182的充电接受能力和充电率与单SOC装置相比均可得以改善，这在下面更加详细地描述。
需指出的是，低SOC装置186和高SOC装置可以是相对于彼此具有不同电荷状态的任何合适的装置。例如，在一个实施例中，低SOC装置可以是以大约30％SOC操作电池类型，而高SOC装置可以是以大约80％SOC操作的电池类型。在一些实施例中，低SOC装置和/或高SOC装置可以是锂离子电池、超级电容器、铅酸电池或者前述装置的任何组合或子组合。
图17中示出了两个这样的示例性装置的电压相对SOC的曲线图202的例子。如图所示，曲线图202包括电压轴线204和SOC百分比轴线206。曲线图202还包括与低SOC装置186的操作状况相对应的曲线208以及与高SOC装置188的操作状况相对应的曲线210。需指出的是，曲线208和210之间的区别可归因于例如电池类型之间的操作区别。例如，在一个实施例中，曲线208和210可对应于两个不同的锂离子电池，每个锂离子电池具有由于不同的电池化学成分、阳极材料、阴极材料或任何其他电池参数而导致的不同电压。
作为另一例子，图18示出了具有不同电池化学成分的两个示例性装置的电压相对SOC的曲线图212。具体而言，曲线图212包括与低SOC装置186的操作状况相对应的曲线214以及与高SOC装置188的操作状况相对应的曲线216。在这个实施例中，低SOC装置可以例如为锂离子电池，而高SOC装置可以例如为铅酸电池。这里再次指出，曲线214和216之间的区别可归因于例如装置186和188之间的电池化学成分不同。
在操作期间，与单SOC系统相比，或者与其中单SOC装置被放大成较大尺寸和容量的系统相比，低SOC装置186和高SOC装置188的结合可以提供各种性能优点。例如，在某些实施例中，低SOC装置186可以被以比高SOC装置188更高的速率来充电，因此带来优点，例如，在车辆的再生制动期间，此时，低SOC装置186的高功率充电和充电接受能力可与高SOC装置188的相对低的充电接受能力相抵。相应地，与在捕获制动期间的再生能量方面具有相同性能的单SOC装置相比，可以提供较小的总壳体182来容纳不同的SOC装置。前述特征可以例如在一个实施例中来实现，在该实施例中，锂离子电池和铅酸电池被结合到单个不同SOC装置中。
通过考虑图19和图20中示出的曲线图218和220，可更好地理解不同SOC装置182的这些和其他优点。具体来说，图19中示出的曲线图218包括充电功率容量轴线221和电压轴线222。曲线图218还包括主电池曲线224、辅助电池曲线226、增加尺寸的电池曲线228以及不同SOC组合曲线230。如图19所示，相对于单SOC装置的容量和增大的尺寸，在虚线的较大尺寸曲线228与不同SOC组合曲线230之间可见的距离232描述了在充电功率容量方面的优点，该优点可通过将低SOC装置186和高SOC装置188结合在壳体182中来获得。这里再次指出，可以看到，将装置186和188结合到壳体184中可以获得各种优点，比如当装置182接近充满时充电能力的提高。
图20中示出的曲线图220包括电功率容量轴线221和SOC轴线234。曲线图220还包括主电池曲线236、辅助电池曲线238、增加尺寸的电池曲线240以及不同SOC组合曲线242。如图20所示，相对于单SOC装置的容量和增大的尺寸，在虚线的较大尺寸曲线240与不同SOC组合曲线242之间可见的距离244描述了在充电功率容量方面的优点，该优点可通过将低SOC装置186和高SOC装置188结合在壳体182中来获得。在这里再次指出，可以看到，将装置186和188结合到壳体184中可以获得各种优点。
根据各种实施例，结合电池和超级电容器的系统被提供给各种各样的车辆应用来使用，以提供许多优点。超级电容器的并联构造提供了必要的短持续时间和对满足车辆的冷起动电流要求所必须的高容量放电。另外，该系统允许使用各种电池技术，用于存储和供应车辆的其他电负载所需的电能并且使得电气系统的电压电平在发动机启动期间稳定，这降低了许多传统车辆电池和电气系统所强加的重量和尺寸限制。另外，该系统允许利用超级电容器的高功率充电率来在制动和停车期间恢复能量(例如再生制动)。此外，如上面所指出的，电池和超级电容器可以包括合适的管理系统来监测参数，包括温度、电流和电压，以防止它们深度充放电。因此，本公开的范围意在包括所有这样的变形。
这里提供的各种结合电池和超级电容器的系统能够适应性地改变和扩展以适合各种各样的应用，包括起/停、微混及电车应用，并且适合于各种各样的电压要求。例如，在一个实施例中，如图23所示，以汽车(例如小客车)形式的车辆270具有电池模块或系统272，用于为车辆270提供全部或一部分驱动力。在一些实施例中，车辆270可以是电动车(EV)、混合电动车(HEV)、插电式混合电动车(PHEV)、或者使用电力驱动的任何其他类型的车辆(统称为“电动车”)。另外，虽然在图23中示出为小客车，但是车辆270的类型可以被具体地实施，因此，可以和在其他实施例中不同，所有这些均落入本公开的范围内。例如，车辆270可以是卡车、公共汽车、工业车辆、摩托车、休旅车、船或者可从将电力用作其全部或一部分驱动力中受益的任何其他类型的车辆。
进一步地，虽然电池模块272在图23中示出为位于车辆270的行李箱中或者位于车辆270的后部，但是根据其他示例性实施例，电池模块272的位置可以改变。例如，电池模块272的位置可以基于车辆270内的可用空间、车辆270的期望的重量平衡、用于电池系统的其他部件(例如电池管理系统、排气口或冷却装置等)的位置、以及各种其他具体实施考虑因素来选择。
图24示出了根据当前公开的实施例的以HEV形式提供的车辆270的示意性剖视图。在所示的实施例中，电池模块或系统272朝向邻近燃料箱274的车辆270的后部设置。然而，在其他实施例中，电池模块272可以紧邻燃料箱274设置、或者可以设置在车辆270后部的单独的隔间中(例如行李箱)、或者可以设置在车辆270中的其他地方。设置内燃发动机276以供HEV有时利用汽油动力来驱动车辆270。还设置电动马达278、动力分配装置280和发电机282作为车辆驱动系统的一部分。这样的HEV可以只通过电池系统272、只通过发动机276、或者既通过电池系统272又通过发动机276来提供动力或驱动。需指出的是，根据其他实施例，可以使用其他类型的车辆和车辆电气系统的构造，而且图24中的示意性图示不应认为是对本申请中描述的主题的范围的限制。事实上，根据各种其他实施例，在其他特征之中，电池模块或系统272的尺寸、形状和位置，车辆270的类型，车辆技术的类型(例如EV、HEV、PHEV等)，以及电池化学成分可与所示出或描述的有所不同。
根据一实施例，电池模块或系统272用于封装或容纳电化学电芯或电池，将电化学电芯彼此连接和/或连接到车辆电气系统的其他部件，并且调节电化学电芯和电池系统272的其他特征。例如，电池模块或系统272可包括用于监测和控制系统的电性能的特征、用于管理系统的热行为的特征、用于对流体(例如，可能从电池电芯中排出的气体)进行围堵和/或导流的特征、以及用于电池模块或系统的其他方面的特征。
这里再一次地，还需指出的是，本技术还适用于不使用或有时使用电能来驱动的车辆中能量的存储和使用。例如，这样的车辆可包括用于驱动的传统的内燃发动机，或者包括可利用再生制动但不直接使用所得到的能量来驱动的车辆。而且，本技术在某些使用情况下在任何车辆中都可以是特别有利的。例如，在所谓的启停应用中，车辆发动机或原动机在某些时刻(例如，当停在十字路口时)可以关闭，每次重新启动导致对启动能量的需求。最后，需指出的是，本技术对于车辆和非车辆的任何范围内的情况都可以是有利的，诸如对于驱动附件、电负载等。
如这里所使用的，用语“大约”、“约”、“实质上”以及类似用语意在具有与本发明主题所属技术领域的普通技术人员所公知和接受的用法相一致的广义含义。阅读本公开的本领域技术人员应理解的是，这些用语意在允许对所描述和要求保护的某些特征进行说明，而不将这些特征的范围限制于所提供的精确数值范围。因此，这些用语应被理解为表示对所描述和要求保护的主题的非实质性的或者不重要的修改和变型都应认为在如所附权利要求书所详述的本发明的范围内。
应指出的是，这里用来描述各个实施例的用语“示例性”意在表示这样的实施例是可能的例子、代表、和/或可能实施例的例证(并且这样的用语并不是为了暗示这样的实施例是特别必要的或者最佳的例子)。
如这里所使用的用语“耦合”、“连接”等指的是两个构件彼此直接或间接地相结合。这种结合可以是固定的(例如永久的)或者活动的(例如可拆装的或可松开的)。这种结合可以利用两个构件或者利用两个构件和任何附加的中间构件来实现，其中附加的中间构件彼此一体地形成为单个整体，或者与两个构件一体地形成为单个整体，或者两个构件与任何附加的中间构件被彼此接在一起。
应指出的是，根据其他示例性实施例，各个元件的方位可不同，并且这种的变化也被本公开所包括。
还需着重指出的是，在各个示例性实施例中所示出的用于车辆应用的结合电池和超级电容器的系统的构造和布置只是说明性的。虽然本公开中只详细描述了本发明的一些实施例，但是阅读了本公开的本领域技术人员将容易地想到：在实质上不脱离这里公开的主题的新颖的教导和优点的情况下，许多修改是可能的(例如，电池化学成分和材料的变化、数量和容量的变化、超级电容器尺寸和容量的选择等)。例如，电池技术可包括锂离子、铅酸、镍氢、镍锌或其他电池技术中的任一种或多种。此外，可以通过其他合适的电子元件来实现对超级电容器的充电平衡。因此，如所附权利要求书中所限定的本发明的范围意在包括所有这样的修改。根据可选实施例，任何工艺或方法步骤的顺序或次序可以改变或者重新排序。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对各个示例性实施例的设计、操作条件和布置进行其他替换、修改、改变和省略。

Claims (27)

1.一种用于车辆的能源系统，包括：
电池，该电池包括多个电芯，所述多个电芯彼此串联连接并且构造成耦合到车辆的交流发电机；以及
一个或多个超级电容器，彼此串联连接并且被构造成耦合到车辆的启动部件，其中所述电池和所述一个或多个超级电容器被以并联布置的方式相互耦合，其中电池电芯的组合电压与一个或多个超级电容器的组合电压大体匹配。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，电池电芯的组合电压和超级电容器的组合电压在大约36V和大约60V之间。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，电池电芯的组合电压和超级电容器的组合电压为大约48V。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池包括铅酸电池。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池包括镍氢电池。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池包括镍锌电池。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电池包括锂离子电池。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超级电容器包括双层电容器。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超级电容器包括混合电容器，该混合电容器具有碳基锂离子相互作用负极材料或Li4Ti5O12基负极材料。
10.根据权利要求1所述的系统，包括控制系统，该控制系统构造成监测所述电池和所述一个或多个超级电容器的操作，并控制电荷从所述电池流到所述一个或多个超级电容器。
11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述控制系统包括耦合到所述电池的第一管理控制电路和耦合到所述一个或多个超级电容器的第二管理控制电路。
12.根据权利要求1所述的系统，其中，所述超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压和在大约1.0V至2.8V范围内的实际电压。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述车辆是内燃车辆、混合动力车辆、微混合动力车辆、启停车辆或电动车辆之一。
14.一种用于车辆的能源系统，包括：
电池，该电池具有彼此串联连接的多个电芯；以及
多个超级电容器，所述多个超级电容器彼此串联连接，其中电池电芯的组合电压以及一个或多个超级电容器的组合电压在大约36V和大约60V之间的范围内。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述电池被构造成耦合到车辆的交流发电机，所述多个超级电容器被构造成耦合到车辆的启动部件。
16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述电池包括铅酸电池、镍氢电池、镍锌电池或锂离子电池。
17.根据权利要求14所述的系统，其中，所述车辆是内燃车辆、混合动力车辆、微混合动力车辆、启停车辆或电动车辆之一。
18.根据权利要求14所述的系统，包括电池管理控制电路，该电池管理控制电路构造成监测多个电池电芯中的每一个，并控制电荷从电池流到一个或多个超级电容器。
19.根据权利要求14所述的系统，包括超级电容器管理控制电路，该超级电容器管理控制电路构造成监测每个超级电容器，并控制来自所述电池的电流流动，从而通过引导电流从所述电池流到每个超级电容器来平衡所述多个超级电容器之间的充电。
20.根据权利要求14所述的系统，其中，所述超级电容器中的每个具有大约1.9V的平均电压和在大约1.0V至2.8V范围内的实际电压。
21.一种用于车辆的能源系统，包括：
电池，该电池包括多个电芯，所述多个电芯彼此串联连接并且构造成耦合到车辆的交流发电机；以及
一个或多个超级电容器，彼此串联连接并且构造成耦合到车辆的启动部件，其中所述电池和所述一个或多个超级电容器以并联布置的方式相互耦合，其中电池电芯的组合电压以及一个或多个超级电容器的组合电压为大约48V。
22.根据权利要求21所述的系统，其中，所述电池包括铅酸电池，该铅酸电池包括24个串联连接的电芯。
23.根据权利要求21所述的系统，其中，所述电池包括锂离子电池，该锂离子电池包括16个电芯，每个电芯具有含LiFePO4的正极材料。
24.根据权利要求21所述的系统，其中，所述电池包括锂离子电池，该锂离子电池包括13个电芯，每个电芯具有含LiMn2O4的正极材料。
25.根据权利要求21所述的系统，其中，所述一个或多个超级电容器包括一个或多个具有锂嵌入电极的混合超级电容器。
26.根据权利要求21所述的系统，其中，所述车辆是内燃车辆、混合动力车辆、微混合动力车辆、启停车辆或电动车辆之一。
27.一种机电系统，包括：
车辆；以及
设置在车辆内的能源系统，其中所述能源系统包括：
电池，该电池包括多个电芯，所述多个电芯彼此串联连接并且构造成耦合到车辆的交流发电机；以及
一个或多个超级电容器，彼此串联连接并且被构造成耦合到车辆的启动部件，其中所述电池和所述一个或多个超级电容器被以并联布置的方式相互耦合，其中电池电芯的组合电压与一个或多个超级电容器的组合电压大体匹配。
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