CN104471830A - 向具有双电能存储装置的混合动力车辆供电的系统和方法 - Google Patents

Abstract

根据本发明的方法用于设置有电力系统(1)和备用电力系统(5)的车辆中，其中电力系统包括电机/发电机(3)和具有第一名义电压的第一电能存储器(2)，备用电力系统包括具有低于第一名义电压的第二名义电压的第二电能存储器(6)。电力系统和备用系统通过其间的可逆的DC/DC转换器(9)而连接。根据本发明，流入第一存储器(2)的第一最优功率电流强度(I_ESS1)和流入第二存储器(6)的第二最优功率电流强度(I_ESS2)基于第一和第二电能存储器的工作参数而确定，以最小化由于热耗散引起的损耗。根据另一个特征，第一和第二最优功率电流强度(I_ESS1、I_ESS2)还基于可逆的DC/DC转换器输出而确定。

Description

向具有双电能存储装置的混合动力车辆供电的系统和方法

技术领域

本发明涉及一种用于向具有双电能存储装置的混合动力机动车辆提供电力的方法，以及一种用于向可实现这种方法的混合动力机动车辆提供电力的系统。

背景技术

具有热发动机的机动车辆通常包括车载电网络，该车载电网络包括电池和特别是起动器，其中电池通常是12V电池，并且设计为向多种设备提供电能，而起动器对于保证热发动机的起动是不可缺少的。在起动后，联接至热发动机的交流发电机负责对电池充电。

现今，电力的发展使得可以提供并控制单个可逆的多相旋转电机，这有利地替代了起动器和交流发电机。

在初始阶段，名字称为交流发电机-起动器的该机器基本上提供了实现了之前由交流发电机和起动器实现的功能的目的，并且此外，提供了制动能量回收的目的，或是提供热发动机以额外功率和转矩的目的。

为了通过增加交流发电机-起动器的工作电压而改善其性能并且提高功率，而同时维持能够使用设计用于12V或14V电源(特别是蓄电池)的其他标准设备的目的，已经开发了所谓的“14+X”或“微混”构架，该构架例如在专利申请FR2328576中描述。

因此该构架由电功率网络和电服务网络组成，其中电功率网络将所述交流发电机-起动器连接到电能储存元件，该电能储存元件以高于14V并且可高达48V的电压运行，并且其中电服务网络将所有其他的设备连接起来。在两个网络之间的电压水平的使用通过可逆的直流/直流(DC/DC)转换器来保证。

在第二阶段，生态学的考虑使得交流发电机-起动器的设计具有约8-10kW的功率，该功率足够在低速时驱动车辆，例如在城市环境中。

仅仅通过将电功率网络的电压提升到远高于常规蓄电池的名义电压12V并且通常提升到可高达最大60V的电压已经能够获得这种类型的功率水平，而持续具有紧凑的电机。

此外，具有高达120V的电压的功率网络可以在允许车辆被电机以全速驱动的构架(所谓的全混构架，相比于前述所谓的微混构架)中。

在现有技术的当前状态中，高压可逆直流/直流转换器的可靠性、发动机罩下的布置或成本的限制经常使得需要在电服务网络中保持使用常规的交流发电机。

由于相同的原因，并且也由于铅电池的特定的充放电特性，铅电池和服务网络提供的常规起动器经常持续是标准设备。

为了实现特别针对混合动力车辆的前述的功能，功率网络的存储元件基本上提供了显著的功率。

因此，存储元件受到严格的限制，并且通常使用锂离子电池。

这种类型的存储元件必须具有非常低的内阻，以防止在放电阶段期间的电压损失和在充电阶段期间的过电压，并且同时这种类型的存储元件必须具有足够为处于纯电动模式(称为零排放车辆“ZEV”)的运行阶段中提供能量的能量水平。

在可接受的成本下使用锂离子电池难以满足这些特性，并且当选择存储元件时增加了进一步的财务限制。

在制动能量回收阶段，存储的能量必须被引导至高压电池，并且如果可能的话被引导至低压电池。相反的，在扭矩辅助或ZEV阶段期间，能量必须从高压电池和/或从高压电池获得。

这些电池很可能都具有高内阻，而这导致由热耗散产生的大量损失。

发明内容

在这些情况下，本发明的目的从而是确定用于控制具有一对高压和低压电池的电能的策略，并且从而趋于限制这些损失。

通常，本发明涉及用于向具有双电能存储装置的混合动力机动车辆提供电力的过程。

这种类型的方法其本身是已知的，该方法包括首先向车辆提供电功率网络，该电功率网络包括电机/发动机和具有第一名义电压的第一电能存储装置，并且其次向车辆提供电服务网络，该电服务网络包括具有第二名义电压的第二电能存储装置，其中该第二名义电压低于第一名义电压，电功率网络和电服务网络通过可逆的直流/直流转换器连接到彼此。

根据本发明的方法的区别特征在于：根据这些存储装置的工作参数，确定了在第一存储装置中流动的第一最优强度，以及确定了在第二存储装置中流动的第二最优强度，以诸如最小化由热耗散产生的损失。

这些第一和第二最优电流强度也根据可逆的直流/直流转换器的性能水平而有利地确定。

优选地，这些最优的第一和第二电流强度也根据在电功率网络的包括电机/发动机的分支中流通的工作强度而确定。

在根据本发明的用于向具有双电能存储装置的混合动力机动车辆提供电能的方法中，考虑在内的存储装置的工作参数优选地是锂离子电池和镍锌电池的电参数。

本发明还涉及一种可实现上述方法的用于向具有双电能存储装置的混合动力机动车辆提供电能的系统。

根据一种已知的构架，该系统首先包括电功率网络，该电功率网络包括电机/发电机和具有第一名义电压的第一电能存储装置，并且其次包括电服务网络，该电服务网络包括具有第二名义电压的第二电能存储装置，其中该第二名义电压低于该第一名义电压，电功率网络通过可逆的直流/直流转换器连接到电服务网络。

根据本发明的用于向具有双电能存储装置的混合动力机动车辆提供电能的系统的区别特征在于：其额外地包括电子控制单元，该电子控制单元根据第一和第二电能存储装置的工作参数而控制在可逆的直流/直流转换器中流通的设定电流强度。

该系统的第二电能存储装置高度有利地选择为具有：

——在名义容量20％到80％之间基本平坦的放电曲线；

——高于1000次的充放电循环；

——基本上99％或更高的电感应性能；

——在低温下高于480W/kg的能量密度。

电池优选的为镍锌电池。

本发明还涉及一种可被集成在如上所述的具有双电能存储装置的混合动力机动车辆的供电系统中的电子控制单元。

电子控制单元的区别特征在于：其包括电子存储器，该电子存储器包括代表第一和第二电能存储装置的工作参数的数据和代表根据本发明的方法的计算机代码。在本发明的内容中，混合动力机动车辆还有利地提供有如上所述的具有双电能存储装置的供电系统。

这些少量的基本说明将使得相比于现有技术，由用于向混合动力机动车辆提供冗余电力的系统和方法而提供的优势对于本领域的技术人员是显而易见的。

在下面的说明书和附图中提供有本发明的详细的说明。应当注意到这些附图仅仅用于图解说明书中的文本，并且不以任何方式构成对本发明范围的限制。

附图说明

图1是根据本发明的具有双电能存储装置的混合动力机动车辆的供电系统的电路图。

图2a、2b和2c是在本发明的优选模式中实现为第二电能存储装置的镍锌电池的工作参数。

具体实施方式

在现有技术中所谓的微混构架中已知的混合动力机动车辆的供电系统的特性的提示，关联于图1，将使得能够很好地理解由本发明作出的贡献。

图1示意性地示出了包括第一电能存储装置2和电机/发电机3的第一电功率网络1。

一般地，该电机/发电机3是包括具有励磁绕组的转子和具有相绕组的定子的三相机器。

当电机/发动机3处于电机模式中，励磁电路向转子提供励磁电流，而用作逆变器的直流/交流转换器4从第一电能存储装置2向定子的相绕组提供功率。

当电机/发动机3处于发动机模式中，直流/交流转换器4用作同步整流器，并且励磁电路控制第一电能存储装置2的充电电压。

图1示意性地示出了电服务网络5，电服务网络5包括永久连接的第二电能存储装置6和根据需要激活的起动器7或其他电设备8。

根据现有技术，第二存储装置6通常是向起动器7供电的标准蓄电池，该起动器7在进入接触时也是标准的。

电能存储元件2常常是具有低(或中)容量和高的第一名义电压(例如48V)的锂离子电池。

如在图1中清楚地示出的，电功率网络1和电服务网络5连接至彼此。

电功率网络1可向电服务网络5供电并给铅电池6充电，而电服务网络5可相反地为功率网络1提供电能，例如当锂电池2放电时。

通常类型的具有48V的第一名义电压的锂离子电池2的限制放电电压大约是35V，并且其最大电压大约是60V。

在具有第二名义电压12V的铅电池6的端子处的电压在当其放电时的约11V和当其充电时的约14V之间变化。

可逆的直流/直流转换器9从而保证在两个电网络1、5之间的电压的适应。

该转换器9通常是具有开关半导体的转换器9，其和两个电池2、6安装至“共用质量体”。

从而，在包括与交流/直流转换器4串联的电机/发动机3的电功率网络1的分支中流通的工作强度I_inv在第一电能存储装置2中的第一强度I_EES1和用于经由可逆的直流/直流转换器9向第二电能存储装置6提供第二强度I_EES2的电源强度I^HV _DC/DC之间分配。

这些在功率网络1和服务网络5的不同电气元件中流通(特别是在存储装置2、6中流通的)的不同的强度通过热耗散产生损耗，根据本发明的方法趋于通过控制在其在两个网络1、5之间的分配而最小化该损耗。

参考图1，总的耗散功率可通过下列方程确定：

$I_{\mathrm{inv}}=I_{\mathrm{ESS}1}+I_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}^{\mathrm{HV}}$

其中

I_inv：可逆AC/DC转换器4的工作强度

I_ESS1：将被优化的第一电能存储装置2中的第一强度

在DC/DC转换器9的输入处的电源强度

$V_{\mathrm{ESS}1}\·I_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}^{\mathrm{HV}}=\mathrm{\η}\·V_{\mathrm{ESS}2}{\·I}_{\mathrm{ESS}2}$

其中

V_ESS1：第一电能存储装置2的第一工作电压

η:可逆AC/DC转换器9的性能

V_ESS2：第二电能存储装置6的第二工作电压

I_ESS2：将被优化的第二电能存储装置6中的第二强度

然后使用下面的方程：

$R=R_{\mathrm{ESS}1}\·I_{\mathrm{ESS}1}^2+(1-\mathrm{\η})\·V_{\mathrm{ESS}2}\·I_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}^{\mathrm{HV}}+r_{\mathrm{ESS}2}\·I_{\mathrm{ESS}2}^2$

其中：

P＝系统中的总损耗

R_ESS1：第一电能存储装置2的第一内阻

r_ESS1：第二电能存储装置6的第二内阻

或：

$P=R_{\mathrm{ESS}1}\·{(I_{\mathrm{inv}}-I_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}^{\mathrm{HB}})}^2+(1-\mathrm{\η})\·V_{\mathrm{ESS}2}\·I_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}^{\mathrm{HV}}+r_{\mathrm{ESS}2}\·{\left(\frac{V_{\mathrm{ESS}1}\·I_{\mathrm{DC}/\mathrm{DC}}^{\mathrm{HV}}}{\mathrm{\η}\·V_{\mathrm{ESS}2}}\right)}^2$

功率从而简单地表示为的函数。该函数必须被分流，以尝试获得最小的损耗和相应的调节强度I。

该最小损失在dP/dl＝0时获得，即

$I=\frac{1}{2}\left[\frac{{2R}_{\mathrm{ESS}1}\·I_{\mathrm{inv}}-(1-\mathrm{\η})V_{\mathrm{ESS}2}}{R_{\mathrm{ESS}1}+r_{\mathrm{ESS}2}^2\·{\mathrm{\η}}^2\·\frac{V_{\mathrm{ESS}1}^1}{V_{\mathrm{ESS}2}^2}}\right]$

第一和第二最优强度I_ESS1、I_ESS2分别在第一和第二电能存储装置2、6中流通，即，这些最小化由热耗散产生的损耗的强度从而是：

I_ESS1＝I_inv-1

$I_{\mathrm{ESS}2}=\frac{V_{\mathrm{ES}1}\·I}{\mathrm{\η}\·V_{\mathrm{ESS}2}}$

下面的示例给出了将根据本发明的方法应用到常规微混类型的构架中，其包括功率网络1中的由高压锂离子电池构成的第一电能存储装置2，以及在服务网络5中由低压铅电池构成的第二电能存储装置6。

第一和第二存储装置2、6的工作参数在放电时如下：

R_ESS1＝35mΩ

r_ESS2＝5mΩ

V_Ess1＝48V

V_ESS2＝14V

I_inv＝250A

η＝0.95

根据这些工作参数，该计算示出了调节电流强度I＝95A，并且从而在锂离子电池2中流通的第一最优强度是250A-95A＝155A，通过应用前述方程得来。

从而可以总结出通过根据本发明的方法确定的用于控制能量以防止损失的最优策略，该策略包括由从锂离子电池2处获得155A，剩余的电流借助于可逆的DC/DC转换器9而从铅电池6处获得。

这还顺便意味着转换器9的“理想”功率必须是4.5KW(95A×48V)。

然而，在充电的情况下，具有强电流的铅电池的充电效率相对较低，并且其内阻快速增大，这导致系统整体的热释放和低性能。

由热耗散产生的损耗的前述的计算从而建议铅电池应当被电服务网络5中的另一种类型的第二电能存储装置6所替代。

优选地，该第二电能存储装置6是具有有利的工作参数的镍锌电池，如在图2a、2b和2c中清楚地示出的，所述有利的工作参数即为：

——在放电电流从名义容量的0.2倍(实线10的曲线)到名义容量的10倍(虚线12的曲线)的宽范围内，在名义容量的20％到80％之间基本平坦的放电曲线(图2a)；

——大于约1000次的限制12的充放电循环次数(在名义容量的约20％处)，其中1000此对应于最佳的铅电池的寿命(图2c)；

——对于25％(实线13的曲线)到55％(点线14的曲线)之间的工作温度，大致99％或更高的电感应性能(图2c)；

——在低温下高于480W/kg的功率密度。

下列表1例如借由在市场上可获得的蓄电池模型和镍锌模型之间的比较而建立：

表1

参数	铅电池	镍锌电池
			形状因素	平行六面体	平行六面体
名义电压	12V	12.8V
			名义容量	60Ah	40Ah
总能量	720Wh	512Wh
			能量密度	35Wh/kg	69Wh/kg
净重	20.6kg	7.4kg

上述的用于向具有双电能存储装置2、6的混合动力机动车辆提供电力的方法通过控制在功率网络1和服务网络5之间的能量传递的电子控制单元15而实现。

该电子控制单元15使得可以最小化在车辆的供电中由热耗散产生的损耗，通过将可逆的DC/DC转换器9设置在基于第一和第二电能存储装置2、6的工作参数而进行的计算所得来的工作点。

在给出的示例中，该工作点是95A48V。该工作点是从调节电流强度的计算得来，作为特别是锂离子电池2和铅电池6的第一和第二内阻的函数。

为了进行这些计算，电子控制单元15以已知的方式包括与电子存储器相关联的微控制器。

应当意识到本发明不被上述优选实施例简单地限制。

类似的描述可以涉及不同于所具体说明的电机/发动机和电能存储装置2、6的类型。

特别地，第一电能存储装置可以替代于锂离子电池而采用具有“斑马(Zebra)”类型(钠、镍、氯化物)的熔盐的高温电池，或者如果所需的能量水平较低，可以采用EDLC类型(双电层电容的缩写)的超级电容。

类似地，虽然第二电能存储装置6的最优类型是镍锌电池，替代地NiMH电池也是有利的。

电机/发电机3也可以替代于励磁机器，而为具有永磁体的机器或混合类型的机器。在功率网络的其他变型中，电机/发电机3是无需逆变器4的直流机器。

本发明从而合并所有可能的变型实施例，只要这些变型在由下列权利要求限定的内容的范围内。

Claims (10)

1.一种用于向具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆提供电能的方法，这种类型的方法包括首先向所述车辆提供电功率网络(1)，所述电功率网络包括电机/发动机(3)和具有第一名义电压的第一电能存储装置(2)，并且其次向所述车辆提供电服务网络(5)，所述电服务网络(5)包括具有第二名义电压的第二电能存储装置(6)，其中所述第二名义电压低于所述第一名义电压，所述电功率网络(1)和所述电服务网络(5)通过可逆的直流/直流转换器(9)连接到彼此，其特征在于：根据所述第一和第二电能存储装置(2、6)的工作参数，确定在所述第一存储装置(2)中流动的第一最优强度(I_ESS1)，并确定在所述第二存储装置(6)中流动的第二最优强度(I_ESS2)，以诸如最小化由热耗散产生的损耗。

2.根据权利要求1所述的用于向具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆提供电能的方法，其特征在于：所述第一和第二最优强度(I_ESS1、I_ESS2)也根据所述可逆的直流/直流转换器(9)的性能水平而确定。

3.根据权利要求2所述的用于向具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆提供电能的方法，其特征在于，所述最优的第一和第二电流强度(I_ESS1、I_ESS2)还根据在所述电功率网络(1)的包括所述电机/发动机(3)的分支中流通的工作强度(I_inv)而确定。

4.根据权利要求3所述的用于向具有双电能存储装置(3、6)的混合动力机动车辆提供电能的方法，其特征在于：所述第一和第二最优电流强度(I_ESS1、I_ESS2)还由以下方程确定：

I_ESS1＝I_inv-I

$I_{\mathrm{ESS}2}=\frac{V_{\mathrm{ESS}1.}I}{\mathrm{\η}.V_{\mathrm{ESS}2}}$

其中I是由下列表达式提供的调节强度：

$I=\frac{1}{2}\left[\frac{2R_{\mathrm{ESS}1}.I_{\mathrm{inv}}-(1-\mathrm{\η})V_{\mathrm{ESS}2}}{R_{\mathrm{ESS}1}+r_{\mathrm{ESS}2}^2.{\mathrm{\η}}^2.\frac{V_{\mathrm{ESS}1}^2}{V_{\mathrm{ESS}2}^2}}\right]$

其中：

R_ESS1是所述第一电能存储装置(2)的第一内阻

R_ESS2是所述第二电能存储装置(5)的第二内阻

I_inv是所述工作强度

η是所述性能

V_ESS1是所述第一电能存储装置(2)的第一工作电压

V_ESS2是所述第二电能存储装置(6)的第二工作电压

5.根据权利要求1-4的任意一项所述的用于向具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆提供电能的方法，其特征在于所述工作参数是锂离子电池和镍锌电池的电参数。

6.可实现根据权利要求1-5的任意一项所述的方法的、用于向具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆提供电能的系统，这种类型的系统首先包括电功率网络(1)，所述电功率网络包括电机/发动机(3)和具有第一名义电压的第一电能存储装置(2)，并且这种类型的系统其次包括电服务网络(5)，所述电服务网络(5)包括具有第二名义电压的第二电能存储装置(6)，其中所述第二名义电压低于所述第一名义电压，所述电功率网络(1)通过可逆的直流/直流转换器(9)而连接到所述电服务网络(5)，其特征在于所述系统还包括电子控制单元(15)，所述电子控制单元根据所述第一和第二电能存储装置(2、6)的工作参数而控制在所述可逆的直流/直流转换器(9)中流通的调节强度。

7.根据权利要求6所述的用于向具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆提供电能的系统，其特征在于所述第二电能存储装置(6)具有：

——在名义容量20％到80％之间基本平坦的放电曲线(10、11)；

——高于1000次的充放电循环(12)；

——基本上99％或更高(13、14)的电感应性能；

——在低温下高于480W/kg的功率密度。

8.根据权利要求7所述的用于向具有双电能存储装置(2、7)的混合动力机动车辆提供电能的系统，其特征在于所述第二电能存储装置(6)是镍锌电池。

9.电子控制单元(15)，所述电子控制单元可被集成进根据权利要求6-8的任意一项所述的具有双电能存储装置(2、6)的混合动力机动车辆的供电系统中，其特征在于：所述电子控制单元包括电子存储器，所述电子存储器包括代表所述第一和第二电能存储装置(2、6)的工作参数的数据和代表根据权利要求1-5的任意一项所述的方法的计算机代码。

10.混合动力机动车辆，包括根据权利要求6-8的任意一项所述的具有双电能存储装置(2、6)的供电系统。