CN104943554B - 用于自主车辆的冗余电力 - Google Patents

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Abstract

一种系统，包括配置为给至少一个车辆子系统提供动力的第一电池和配置为给电动马达提供动力来推进车辆的第二电池。处理设备配置为检测从第一电池到至少一个车辆子系提供的不充分的电力水平和选择地分区第二电池来给至少一个车辆子系统提供动力。

Description

用于自主车辆的冗余电力
背景技术
自主车辆，也称为无人驾驶或机器人汽车，是自动化车辆，其中没有人类驾驶员。在输送人类乘客的自主车辆中，不需要人类驾驶员能将移动的车辆停下来，潜在故障的子系统——比如，例如，动力制动器，动力方向盘，机器人转向控制器，机器人制动控制器，机器人加速器控制器等——是必须减轻的风险。子系统故障的一个可能的原因是在混合动力自主车辆中的汽车用电池电源的损失，或劣化，其中这样的电力另外通常地将被适当地供应到该子系统。
发明内容
根据本发明，提供一种系统，包含：
第一电池，其配置为给至少一个车辆子系统提供动力；
第二电池，其配置为给电动马达提供动力来推进车辆；以及
处理设备，其配置为检测从第一电池提供到至少一个车辆子系统的不足电力水平和选择性地分区第二电池来给至少一个车辆子系统提供动力。
根据本发明的一个实施例，其中处理设备配置为命令第二电池来提供替代电压到至少一个车辆子系统。
根据本发明的一个实施例，其中替代电压是在电力水平处的输出，其近似等于第一电池的电力水平。
根据本发明的一个实施例，其中第二电池包括多个单元。
根据本发明的一个实施例，其中处理设备配置为通过选择性地连接至少一个子系统到与多个单元中的至少两个相关联的分接头来选择性地分区第二电池。
根据本发明的一个实施例，其中处理设备配置为通过选择性地连接串联的多个单元中的至少两个来选择性地分区第二电池。
根据本发明的一个实施例，其中处理设备配置为通过选择性地连接并联的多个单元中的至少两个来选择性地分区第二电池。
根据本发明的一个实施例，其中多个单元中的至少两个直接连接到至少一个子系统。
根据本发明的一个实施例，本发明的系统进一步包含继电器开关，其配置为连接多个单元中的至少一个到子系统，其中继电器开关配置为响应于来自处理设备的指令操作。
根据本发明的一个实施例，其中多个单元中的至少两个与电压分接头相关联，每个电压分接头配置为输出电力，其近似等于至少一个子系统的电力需求。
根据本发明的一个实施例，其中至少一个子系统包括计算机化的监视器，其配置为监控从第一电池提供到子系统的电力水平。
根据本发明的一个实施例，其中计算化的监视器的至少一个和处理设备配置为确定从第一电池提供到子系统的电力水平是否是不充分的。
根据本发明，提供一种系统，包含：
第一电池，其配置为给至少一个车辆子系统提供动力；
第二电池，其具有多个可重新配置的单元，其中第二电池配置为给电动马达提供动力来推进车辆；以及
处理设备，其配置为检测从第一电池提供到至少一个车辆子系统的不足电力水平和选择地分区第二电池来给至少一个车辆子系统提供动力，其中处理设备配置为命令第二电池来提供替代电压到至少一个车辆子系统。
根据本发明的一个实施例，其中替代电压是在电力水平处的输出，其近似等于第一电池的电力水平。
根据本发明的一个实施例，其中处理设备配置为通过选择性地连接至少一个车辆子系统到与多个单元中的至少两个相关联的分接头来选择性地分区第二电池。
根据本发明的一个实施例，其中处理设备配置为通过选择性地连接在串联配置和并联配置中的至少一个的多个单元中的至少两个来选择性地分区第二电池。
根据本发明的一个实施例，其中多个单元中的至少两个与电压分接头相关联，每个电压分接头配置为输出电力，其近似等于至少一个子系统的电力需求。
根据本发明，提供一种方法，包含：
监控从第一电池供应到至少一个车辆子系统的电力；
检测在预定阈值以下的到子系统的电力的损失；
确定第二电池是否可以供应充分的电力到至少一个车辆子系统，第二电池具有多个可重新配置的单元；以及
选择性地分区第二电池来供应充分的电力到至少一个车辆子系统。
根据本发明的一个实施例，其中选择性地分区第二电池包括选择性地连接串联配置和并联配置中的至少一个中的多个单元中的至少两个。
根据本发明的一个实施例，其中多个单元中的至少两个与电压分接头相关联，每个电压分接头配置为输出电力，其近似等于至少一个子系统的电力需求，并且其中选择性地分区第二电池包括选择性地连接多个单元中的至少两个到至少一个车辆子系统。
附图说明
图1描述了自主混合动力车辆的轮廓。
图2是可以在图1的车辆中使用的示例性系统的图解。
图3是具有矩阵的伏打电池的示例性分布的示意图，从矩阵中分区的子集可以用于备用电力的目的。
图4是用于图3的伏打电池的分布的分区和互连的计算设备的框图。
图5是通过车辆的一个或多个组件的操作实施的示例性过程的流程图。
具体实施方式
在本说明书中，在不同附图中的相同的附图标记指的是相同的实体。另外，每个附图的附图标记以与该附图的数字相同的数字开始。例如，图3具有在“300”范畴内的数字并且图4具有在“400”范畴内的数字，等。
概述地说，本发明的车辆和系统减轻了在运动中在自主和混合动力车辆中的潜在危险，该危险是为移动车辆的一个或多个子系统提供动力的汽车用电池的故障或劣化。在正常情况下，汽车用电池为多个这样的车辆子系统提供动力并且混合动力电池为电动马达提供动力从而提供扭矩来推进车辆。汽车用电池通常位于引擎盖下，而混合动力电池通常位于别的地方，例如在后座椅下或后座椅与行李箱之间。
本发明的车辆包括具有用于监控来自车辆子系统的信号和控制混合动力电池的处理设备的监视器。响应于代表从汽车用电池到子系统的电力的损失或减少的信号中的一个，处理设备指导混合动力电池来在从混合动力电池导电连接到故障的子系统的第一电压分接头上的第一电压水平处提供第一替代电压。第一替代电压和第一电力等同于通常通过汽车用电池供应到该子系统来满足该子系统的电力需求的电压和电力。
在接收代表电力的这样的损耗的信号的时候，计算机化的处理设备可以动态地重新分区和/或互连在混合动力电池中的各个伏打电池，如果需要的话。如果来自预先选择的单元的分区的电力输出不足用于通过故障子系统施加的备份要求，则这可能是需要的。混合动力电池因此提供在第一电压分接头上，或者，如果优选的，在从自混合动力电池也连接到故障系统的第二电压分接头上的第一替代电压，同时允许混合动力电池继续输出足够的电压来保持足够的扭矩从而移动车辆。
在一个可行的实施方式中，从选择的单元的分区到当前选择的混合动力电池的分接头的连接在计算机控制下动态地进行。连接内部进行到电池，并且响应于表示特定的故障子系统的信号，其中选择的分接头直接连接到特定的故障子系统。导电电力线直接从选择的分接头连接到故障子系统负载。在另一种可行的方法中，分接头被预连接到混合动力电池中的各自的单元分区和在导电电力线中的继电器开关可以关闭来允许替代电力应用到故障子系统负载。
图1描述了自主混合动力车辆——例如，典型的乘客汽车100的轮廓，其中上述的概念可以实施。汽车用电池101——典型地具有高电流强度起动容量的12伏铅酸电池——位于汽车的引擎盖下。来自这个电池的电力可以用来起动汽车的发动机。此外，这个电池101可以提供电力102到汽车100的子系统，比如机器人转向装置，机器人制动器，机器人加速装置(均未示出)，以及更熟悉的子系统：前灯，舱灯，空调，暖气装置，挡风玻璃刮水器，电动座椅，电动窗等(均未示出)。
因为汽车100可以是混合动力车辆，不仅车辆的运动可以来自它的内燃发动机(未示出)，而且也可以来自于相对大的(即，更高电压)混合动力电池103——其位于后座椅下/后和典型地延伸到行李箱下/中的区域。混合动力电池103——其可以由以串联和/或并联配置连接的电化学电池或伏打电池——比如若干镍金属氢化物(NiMH)电池——构成，可以提供高达300伏或更高的输出电压104。这个输出电压可以以足够高的电力来给电动马达(未示出)供给能量从而旋转轴(未示出)——其转动后车轮106导致车辆的平移运动。混合动力电池103可以用作电池101备用以提供替代电力给由于汽车电池电源的损失发生故障的车辆子系统。
图2是可以在图1的车辆中使用的示例性系统的框图。混合动力电池103在图2中被显示为具有矩阵或多个伏打电池201，它们可切换到各种串联，并联和串联/并联配置，如下面结合图3中详细说明的单元矩阵201进一步描述的那样。分区单元220(黑体轮廓线)是整个多个单元201的一个分区子集的示例。各种其它分区(未示出)可以遍及在默认配置中的单元矩阵201建立来达到每单元的分区组的各个输出电力水平来作为用于会具有不同的电压/电力要求的不同的子系统的备用。然而，因为汽车用电池——典型地提供12伏输出——对所有子系统提供动力，每个分区可以能够提供不同的最大电流，但都在相同输出电压电平(例如，12伏)。分区也可以动态地建立或通过监视器和控制下面讨论的单元之间和互连的开关的计算机化的处理设备218(有时下文仅称为“处理设备”)的操作来改变。
电池103提供用于连接到子系统负载的输出电压分接头202-208。分接头也可以内部地连接到单元201(连接未示出)。分接头的一个可以连接到分区220的单元(连接未示出)。这些连接进一步针对图3在下面描述。分接头202显示通过导电线202-1连接到第一负荷209。分接头203也显示通过导电线203-1连接到第一负载209。分接头204显示通过导电线204-2连接到第二负载210。分接头205显示通过导电线205-4连接到第四负载212。分接头206和207未连接到负载。而且，分接头208显示通过导电线208-3连接到第三负载211。
每个子系统负载209-212(只有四个负载被描述是为了便于表述，但车辆的负载的任何合理数目可以通过图2的系统进行备份)可以通过如在正常情况下所示的汽车用电池输出102来提供动力。每个子系统负载209-212连接到它们各自的本地监视器213-216并且通过它们各自的本地监视器213-216来监控。监视器213-216通过汽车用电池101和如通过电力输入102和105所示的混合动力电池103来提供动力。如果有灾难性的汽车用电池101故障，则这可以确保这些监视器不会由于缺乏电力而发生故障。
本地监视器213-216的输出可以通过导电线217连接到混合动力电池处理设备218的输入。处理设备218的输出通过双向通信线219连接到电池103来提供指令，该指令用于动态地分区伏打电池矩阵201和用于内部地连接一个或多个分接头202-208到矩阵201来启用这些连接的分接头来提供电力输出到各种负载。计算机化的处理设备218可以通过汽车电池101和通过电力输入102和105所示的混合动力电池103提供动力来确保如果有灾难性的汽车用电池故障，则处理设备不会由于缺乏电力而发生故障。
在操作中，如果汽车用电池电源102发生故障例如，仅相对于第一负载209(其可能是关键的子系统，比如在自主车辆中的机器人转向装置)，则信号可以在线209-1上产生到本地监视器213的输入。那个信号可以是电压的损失，当汽车用电池电源102减小到低于阈值或变为零时，从基于汽车用电池电源102的一些以前的有限值到一些低的或零值。监视器213可以在线217上产生警报信号，该信号可以传递到混合动力电池监视器和处理设备218或通过混合动力电池监视器和处理设备218接收。监视器213-216可以每个与监视器和处理设备218的监控部分起到相同的作用，并且如果本地监视器213-216实施，则用于每个子系统的一个，在监视器和处理设备218中的监控功能不必使用，并且反之亦然。每个这样的监控设置代表不同的实施例。
处理设备218可以与专用的软件应用程序一起被编程，以使它能够分析单元201的互连的状态，并且然后在线219上提供适当的指令来将分接头202连接到在矩阵或网格201中的合适的伏打电池的分区组。那个分区组可以在与第一负载209的电压/电力需求兼容的分接头202上产生电压和电力。在本示例中，显示了另一个分接头203，其可以通过处理设备218选择来提供备用电力给第一负载209，而不是分接头202，前提是在处理设备218中的计算机操作确定在矩阵201中的单元的配置由分接头203的使用造成并且它的相关的单元分区将导致在矩阵201中的所有单元的更好的整体使用管理。
如果汽车电池电源102用于第二负载210发生故障，则它的替代电力可以通过分接头204——在来自处理设备218的指令下连接到矩阵201中的它的合适的分区的单元——提供。如果汽车用电池电源102用于第三负载211发生故障，则它的替代电力可以通过分接头208——在来自处理设备218的指令下连接到矩阵201中的它的合适的分区的单元——提供。如果汽车用电池电源102用于第四负载212发生故障，则它的替代电力可以通过分接头205——在来自处理设备218的指令下连接到矩阵201中的它的合适的分区的单元——提供。分接头205和第四负载212可以相对于分接头208和第三负载211交叉连接来说明在分接头和负载之间没有必要是均匀或线性相关；在矩阵201中连接的伏打电池的配置——如通过在处理设备218中的计算机的操作所确定的——可以使用交叉连接起作用。
在一个可行的实施方式中，导电线202-1，203-1，204-2，205-4和208-3可以固定在适当位置，如图所示，并且一个或多个分接头202-208可以在来自处理设备218的指令下内部切换到电池103来与各种单元分区接触，因为可能需要提供备用电压/电力到其各自的负载。在另一实现方式中，分接头202-208可以每个永久地连接(未示出)到电池103内的矩阵201中的不同单元并且每个导电线202-1，203-1，204-2，205-4和208-3都包括开关(例如，继电器开关，未示出)，如果导电线的各自负载需要备用电力，则通过来自处理设备218的指令信号关闭开关。
图3是共同地包含在正常条件下混合动力车辆的产生扭矩的电池的伏打电池201的示例性分布，或矩阵的示意图。单元的矩阵，具有如图所示的极性，可以被看作为具有水平行和垂直列。在图3的左手边中，第一列单元从C11标记到CN1。在图3的右手边，最后一列单元是从C1N标记到CNN。在图3的顶行，顶行单元是从C11标记到C1N。在图3的底行，底行单元从CN1标记到CNN。在没有备用电力要求时，所有单元和单元的分区可以被利用来提供最大的电力输出到车载电动马达(未示出)用于扭矩产生的目的。
在由于子系统汽车用电池电源损失而发生故障的子系统条件下，图3成为单元的矩阵，分区子集可以从该矩阵被创建并用于备用电力的目的，条件是子集没有先前建立。子集通过计算机化的处理设备218的操作确定。每个单元具有正极和负极接线端子和计算机控制开关。例如，在图中的左上角，单元C11在其负极线中具有开关S11。另外，也有交叉开关，比如开关S1112——其潜在地连接C11和C12的负极性线等，来能够提供串联连接，并联连接和串联-并联连接以及提供在第一分区中的单元组与在不同的分区中从另一单元组的隔离。分区不必在形状上是正方形(如所描述的)或矩形，但可以是不规则形状。通过控制其开关打开和关闭，处理设备218可以配置多个伏打电池为各种分区，每个分区通过相关的输出分接头潜在地提供用于预期的子系统负载的合适的备用电压和电力电平。如果多个分区同时需要用于多个负载的电力备用，则可能有保持在混合动力电池中的不足的电力用于推进车辆，并且车辆会然后停止。
在一种可行的方法中，车辆100可以以“跛行回家”模式——在电池103的一些分区中跟随局部电力故障——操作。如果发生这种情况，则车辆100可以配置为优先进行需要得到车辆偏离道路的系统。可以以“跛行回家”模式给予更高优先级的系统可以包括转向系统和推进系统。在夜里，照明系统也可以给予更高的优先级。电力可以从非必需的系统中转移以致于这样的系统可以关闭。当在“跛行回家”模式下操作时，控制器218可以基于，例如，电池103的荷电状态，确定车辆100的行驶里程，和是否立即把车停靠到道路一侧，下一个出口，或另一种合适的位置。在以“跛行回家”模式操作时的车辆100可以进一步确定是否立即转换到操作为省电策略的非自主模式。
图4是包括在完成图3的伏打电池的分区和互连的处理设备218中的计算机的框图400。计算机400可以包括总线401，处理器402，存储器403，输入组件404和输出组件405。总线401包括许可在其它组件中通信的路径和计算机400的功能。处理器402可以包括处理器，微处理器或处理逻辑来解释和执行指令。存储器可以包括任何类型的动态或非易失性存储设备，其可以存储信息和指令，比如用于通过处理器401执行的、在专用软件应用程序中提供的那些。存储器403可以存储具有用于开关单元和/或分区多单元电池103为特定尺寸的软件指令；可选择地，分区都可以提供12伏输出，如通过汽车用电池提供的那样，但每个分区可以具有不同的电力电平(即，不同的电流可用性)，以通过不同的输出分接头适应不同的负载需求。
输入组件404在总线219上(中)从电池103中接收输入配置信息来知道单元分区和它们连接(如有的话)到输出分接头的当前的配置状态，以及知道在矩阵201之间和之中的其它互连。输入组件404还接收来自表明子系统的电力损失的线217的任何警报信号。响应于警报信号，输出组件405在线219上(外)输出指令到电池103，如果需要的话，来使当前的单元分区和/或它们的分接头连接，以及单元互连进行变化来许可电池103提供替代电力到需要的子系统负载。
图5是通过本发明的实施例的操作实施的描述的方法的流程图。过程开始于询问框501：混合动力车辆100(图1)的所有子系统在来自汽车用电池101的正常电力102下是可操作的？如果“是”，则不需要来自混合动力电池103的帮助且过程返回到“开始”来重新开始框501的询问。但是，如果“不是”，则算法过程移动到框502。在其中，作出关于哪一个子系统(即，在图2中第一负载209至第四负载212)由于来自汽车用电池101的输出电力102的故障/劣化需要备用电力的确定。如前述所指出的那样，子系统的数目不限于四个。
在作出确定后，算法过程移动到另一个询问框503，其询问：故障的子系统在单元分区的现有配置和电池的互连单元中接收来自混合动力电池103的充足的备用电力？如果“是”，则过程返回到“开始”来重新开始框501的询问。例如，参照图2，如果到第一负载209的汽车电力故障，引起信号在线217上被发送到处理设备218，其相应地，通过其计算机的操作作出确定：通过输入组件404从矩阵201中接收的信息披露了伏打电池的当前配置是合适的，并适当地连接到分接头202或203来提供足够的备用电力到第一负载209，那么没有指令需要通过线219靠处理设备218发出，并且过程返回到“开始”以重新开始框501的询问。
但是，如果“否”，则算法过程移动到框504。在其中，当前的单元配置和分区可以重新排列和/或从单元到连接到发生故障的子系统的混合动力电池的输出电压分接头的连接可以改变，以提供足够的备用电力到故障的子系统。在上述示例中，如果到第一负载209的汽车用电源发生故障，引起信号在线217上被发送到处理设备218，其相应地，通过其计算机的操作作出确定：通过输入组件404从矩阵201中接收的信息披露了伏打电池的当前配置是不合适的，并不能适当地连接到分接头202或203来提供足够的备用电力到第一负载209，那么框504的过程需要计算机400通过输出线219从输出405发送适当的指令到电池103来重新配置单元矩阵和/或分区来完成到第一负载209的必要的备用电力。
在本说明书中，参照了附图，各种优选实施例已经被描述。然而，显而易见的是，各种修改和改变可以对其进行，并且额外的实施例可以被实施，而不脱离如在下面的权利要求中阐述的本发明的更广泛的范围。本发明因此不能被解释为局限于特定的实施例并且本说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

Claims (10)

1.一种用于车辆的系统，包含：
第一电池，其配置为给至少一个车辆子系统提供动力；
具有多个分区的第二电池，其配置为给电动马达提供动力来推进车辆，多个分区中的每一个与特定电压相关联；以及
由第一电池和第二电池二者提供动力的处理设备，其配置为检测从第一电池提供到至少一个车辆子系统不足电力水平和选择性地将来自第二电池的多个分区中的一个的动力提供给至少一个车辆子系统。
2.根据权利要求1所述的系统，其中处理设备配置为命令第二电池来提供替代电压到至少一个车辆子系统。
3.根据权利要求2所述的系统，其中替代电压是在电力水平处的输出，其近似等于第一电池的电力水平。
4.根据权利要求1所述的系统，其中第二电池包括多个单元。
5.根据权利要求4所述的系统，其中处理设备配置为通过选择性地连接至少一个子系统到与多个单元中的至少两个相关联的分接头来选择性地分区第二电池。
6.一种用于车辆的系统，包含：
第一电池，其配置为给至少一个车辆子系统提供动力；
第二电池，其具有多个分区，其中第二电池配置为给电动马达提供动力来推进车辆，多个分区中的每一个与特定电压相关联；以及
由第一电池和第二电池二者提供动力的处理设备，其配置为检测从第一电池提供到至少一个车辆子系统的不足电力水平和选择地将来自第二电池的多个分区中的一个的动力提供给至少一个车辆子系统，其中处理设备配置为命令第二电池来提供替代电压到至少一个车辆子系统。
7.根据权利要求6所述的系统，其中替代电压是在电力水平处的输出，其近似等于第一电池的电力水平。
8.根据权利要求6所述的系统，其中处理设备配置为通过选择性地连接至少一个车辆子系统到与多个单元中的至少两个相关联的分接头来选择性地分区第二电池。
9.根据权利要求6所述的系统，其中处理设备配置为通过选择性地连接串联配置和并联配置中的至少一个的多个单元中的至少两个来选择性地分区第二电池。
10.根据权利要求6所述的系统，其中多个单元中的至少两个与电压分接头相关联，每个电压分接头配置为输出电力，其近似等于至少一个子系统的电力需求。
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