CN108012538A - 混合能量存储 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括第一能量存储设备；耦合到第一能量存储设备并经由来自第一能量存储设备的充电电流充电的第二能量存储设备；功率控制器，其具有处理器、耦合到处理器并且其上存储有充电电流指令的存储器、以及耦合到处理器并经由来自处理器的开关控制信号进行引导的转换器；以及经由其向系统的负载提供功率的输出端子。转换器被布置在第一能量存储设备和输出端子之间。转换器被布置在第一能量存储设备和第二能量存储设备之间并且被配置为根据开关控制信号控制充电电流的电平。充电电流指令由处理器执行，以使处理器生成开关控制信号，使得调节充电电流的电平。

Description

混合能量存储
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年5月6日提交的标题为“Efficient Hybrid Energy StorageSystem”、并且分配的序列号为No.62/157,740的美国临时申请的优先权，该申请的全部内容通过引用被明确地结合于此。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本发明是根据美国陆军/TACOM授予的合同编号W56HZV-04-2-0001在政府支持下进行的。政府对本发明具有一定的权利。
技术领域
本公开一般而言涉及能量存储。
背景技术
这个背景技术是为了一般地给出本公开的上下文的目的。当前命名的发明人的工作，就在这个背景部分中被描述的程度而言以及在提交时可能没有以其它方式被限定为现有技术的本描述的各方面，既没有明确地承认也没有暗示地承认作为针对本公开的现有技术。
混合动力和电动车辆在消费者中继续获得声望。这些车辆比以往提供更高的性能。这些车辆能够比其前辈在更远的距离上保持这种性能。许多车辆的改进都得益于电池技术的进步，无论是在能量存储方面还是在能量输送方面。然而，尽管取得了进步，但是车辆可行驶里程仍然是这类车辆开发商所面临的挑战。
在改善电动车辆性能的许多努力中，增加电池的能量密度是已导致开发电动和混合电动车辆中的各种次级类型电池的主要研究领域。铅酸、镍金属氢化物和锂离子电池的化学成分都已进行商业化检验。电动和混合电动车辆的电力要求使锂离子成为占主导的化学成分，主要是因为锂离子能够实现更高的功率密度。
然而，即使锂离子技术有进步，但仍然存在许多挑战。仍然期望解决电池的加速老化问题，尤其是在高功率应用下。例如，由于电池的充电速率的限制，因此由电池捕获的再生制动能量的量受到限制。另一个挑战涉及满足电动和混合动力车辆不断增加的功率要求的电池组的尺寸。还有的另一个挑战是锂离子电池相对于其它电池化学成分的较高成本。
发明内容
根据本公开的一个方面，系统包括第一能量存储设备；耦合到第一能量存储设备并经由来自第一能量存储设备的充电电流充电的第二能量存储设备；功率控制器，包括处理器、耦合到处理器并且其上存储有充电电流指令的存储器、以及耦合到处理器并经由来自处理器的开关控制信号进行引导的转换器；以及经由其向系统的负载提供功率的输出端子。转换器被布置在第一能量存储设备和输出端子之间。转换器被布置在第一能量存储设备和第二能量存储设备之间并且被配置为根据开关控制信号控制充电电流的电平。充电电流指令由处理器执行，以使处理器生成开关控制信号，使得调节充电电流的电平。
在另一方面，系统包括电池；耦合到电池、经由来自电池的充电电流充电、并且包括多个单元的超级电容器；功率控制器，包括处理器、耦合到处理器并且其上存储有充电电流指令的存储器、以及耦合到处理器并经由来自处理器的开关控制信号进行引导的转换器；以及具有其向系统的负载提供功率的输出端子，输出端子被电连接到超级电容器的端子。转换器被布置在电池和超级电容器之间并且被配置为根据开关控制信号控制充电电流的电平。充电电流指令由处理器执行，以使处理器生成开关控制信号，使得调节超级电容器的端子处的电压并向多个单元中的每个单元提供过充电保护。
在还有的另一方面，控制能量存储系统的方法包括获得表示多个能量存储系统参数的数据，该多个能量存储系统参数指示电池或超级电容器的操作条件，操作条件包括来自电池用于对超级电容器充电的充电电流的电平；用处理器实现生成对充电电流的设定点的控制程序，该控制程序采用表示多个能量存储系统参数的所获得的数据作为输入数据；以及用处理器生成用于布置在电池和超级电容器之间的能量存储系统的转换器接收充电电流的开关控制信号，该开关控制信号根据设定点生成。
联系上述方面中的任何一个方面(包括例如以上在发明内容中阐述的那些方面)，系统或方法可以替代地或附加地包括以下方面或特征中的一个或多个的任何组合。第二能量存储设备的端子电连接到输出端子。充电电流指令由处理器执行，以使处理器生成开关控制信号，使得调节第二能量存储设备的端电压。第二能量存储设备包括多个超级电容器单元。充电电流指令由处理器执行，以使处理器在多个超级电容器单元之间实现单元平衡。该多个超级电容器单元中的每个超级电容器单元由相应的单元电流充电。充电电流对应于多个超级电容器单元的相应单元电流之和。充电电流指令由处理器执行，以使处理器生成调节相应单元电流的开关控制信号，以相对于阈值单元电压来控制多个超级电容器单元中的每个超级电容器单元的相应单元电压。充电电流指令由处理器执行，以使处理器经由针对将第二能量存储设备的端电压维持在电压范围内的滞后控制程序来调节充电电流。充电电流指令由处理器执行，以使处理器经由针对为充电电流建立电流设定点的模型预测控制程序来调节充电电流。模型预测控制程序被配置为基于指示负载的操作的多个负载曲线参数来确定充电电流的设定点。多个负载曲线参数包括到下一个交叉点的车辆距离。模型预测控制程序被配置为基于指示第一能量存储设备和第二能量存储设备的操作条件的多个能量存储参数来确定充电电流的设定点。模型预测控制程序被配置为基于转换器的操作条件来确定充电电流的设定点。第二能量存储设备包括基于氮化钒的电极。转换器被配置为单向DC/DC转换器。转换器被配置为实现相移调制。该系统还包括耦合到输出端子以在第二能量存储设备中存储再生制动能量的车辆再生制动系统。第一能量存储设备和第二能量存储设备分别具有第一功率密度和第二功率密度以及第一能量密度和第二能量密度。第一能量密度高于第二能量密度。第二功率密度高于第一功率密度。实现控制程序包括确定多个能量存储系统参数中的相应能量存储系统参数是否超过阈值。生成开关控制信号包括如果相应能量存储系统参数超过阈值则中断充电电流。多个能量存储系统参数包括超级电容器的多个单元的相应单元电压，并且控制程序包括约束每个相应单元电压的滞后控制程序。实现控制程序包括基于输入数据生成设定点。控制程序包括被配置为确定设定点的模型预测控制程序。该方法还包括获得指示能量存储系统的负载的操作的负载曲线数据。模型预测控制程序将获得的负载曲线数据作为进一步的输入数据。实现控制程序包括访问其中存储用于模型预测控制程序的模型数据的存储器，并且基于获得的数据来调整模型数据。
附图说明
为了更全面地理解本公开，参考以下具体实施方式和附图，其中相似的标号可以用于识别图中相似的元件。
图1是根据一个示例的具有电池和负载之间的直接连接的主动混合动力能量存储系统的示意图。
图2是根据一个示例的具有超级电容器和负载之间的直接连接的主动混合动力能量存储系统的示意图。
图3是根据一个示例的能量存储设备的等效电路模型的示意图。
图4是根据另一个示例的能量存储设备的等效电路模型的示意图。
图5是根据一个示例的具有多个能量存储设备的能量存储系统的框图。
图6是根据一个示例的控制能量存储系统的方法的流程图。
图7是根据一个示例的图6的方法的控制程序的流程图。
所公开的设备、系统和方法可以呈现各种形式。在附图中示出了(并且在下文中描述了)特定示例，应当理解的是，本公开旨在是说明性的，并不旨在将本发明限制于本文所描述和图示的特定实施例。
具体实施方式
描述了具有多个能量存储设备的能量存储系统以及控制这些系统的方法。在一些情况下，使用了不同类型的能量存储设备。例如，能量存储系统除了包括电池之外还包括超级电容器(或超电容器)。能量存储系统可以是混合能量存储系统。例如，所公开的方法和系统支持较便宜的电池化学成分(诸如铅酸)与其它类型的存储设备(诸如超级电容器)的混合。
多个能量存储设备的能量密度和功率密度可以不同。例如，相对于具有高功率密度但是具有低能量密度的另一个能量存储设备，一个能量存储设备可以具有高能量密度但是具有低功率密度。一个能量存储设备的高功率密度对满足某些负载(例如，车辆电动机)的功率要求和适应充电场景(例如，再生制动)是有用的。另一个能量存储设备的高能量密度对支持负载在一段时间内(例如，车辆可行驶里程)的操作是有用的。
系统和方法可以被配置为或以其它方式涉及能量存储设备之间的单向充电。例如，能量存储系统可以具有单向功率转换器拓扑，其中功率转换器被配置为通过来自电池的电流对超级电容器或其它能量存储设备充电，但是不是反之亦然。在一些情况下，超级电容器然后跨负载连接，而功率转换器被布置在电池和负载之间。可以存在其它能量来源。在一些情况下，超级电容器也由发电机(例如，再生制动系统)充电。
可以调节由能量存储设备中的一个提供的充电电流。在一些情况下，功率控制器被配置为生成和/或以其它方式应用充电电流的设定点。恒定或以其它方式被调节的充电电流在例如最小化或减小能量存储设备上的应力方面是有用的。否则，一些能量存储设备(诸如电池)在涉及高功率负载的应用中将会不期望地被施以压力。给定在拓扑中提供充电电流的设备不直接连接到负载，充电电流的调节是可能的。
充电电流的设定点是恒定的或变化的。在后一种情况下，根据控制程序或策略更新设定点。在一些情况下，控制程序是模型预测控制程序。用于控制程序的模型可以包括(例如，指示存储设备和/或功率控制器的操作、条件和/或其它特性的)内部参数和与负载的操作/或其它特性相关联的外部参数两者，或经由这两种参数进行配置。
充电电流可以以替代或附加的方式来调节。在一些情况下，充电电流经由滞后控制程序来调节。滞后控制程序可以针对将例如超级电容器的端电压维持在电压范围内和/或将超级电容器的相应单元电压维持在电压范围内。在这种情况下，当端电压或其它电压或其它操作参数(例如，转换器操作温度)落在期望范围之外时，充电电流可以被切断。
针对调节充电电流和超级电容器端电压的控制程序可以包括针对约束各个单元电压的控制程序或被实现为与该控制程序结合。例如，控制程序可以包括或涉及单元平衡。因此，可以保护每个单独的单元避免达到过充电状态。例如，在其中超级电容器从再生制动吸收能量的车辆情况下，可以使用指示车辆的动能的数据来调节各个电池电压，使得在再生制动事件期间不超过阈值。
充电电流和能量存储拓扑的调节可以被组合以提供不同类型的能量存储设备的好处。充电电流的调节有效地计量了对高能量密度设备(例如电池)的要求。因此，施加在电池上的峰负载可以受到限制或以其它方式被控制。来自负载的任何高功率要求由跨负载连接的高功率密度设备(例如，超级电容器)来适应。从而增加了电池的寿命。
虽然下面结合电动和混合电动车辆进行描述，但是所公开的方法、设备和系统在各种各样的应用和使用场景中都是有用的。这些方法可以在许多功率/能量分配应用中实现。示例应用包括使用风力涡轮机或光伏单元的可再生能源发电、用于局部电网稳定的分布式能量存储、以及通用电源(UPS)/备用电源。本技术在与涉及高能量和高功率要求的各种应用结合时是有用的。
图1和图2绘出了具有多个能量存储设备的替代功率管理拓扑100、200的示例。在这些示例中，每个拓扑包括两个能量存储设备。在图1中，拓扑100包括能量存储设备102、104，其中存储有为负载106供电的能量。能量存储设备102是或者包括超级电容器(或超电容器)102。能量存储设备104是或者包括电池104。在图3中，拓扑200包括能量存储设备202、204，其中存储有为负载206供电的能量。在图2中，超级电容器和电池的位置被颠倒。能量存储设备202是或者包括电池202。能量存储设备204是或者包括超级电容器(或超电容器)204。
超级电容器102、204是电化学能量存储设备。超级电容器102、204非常适于补充用于负载均衡或不间断电源应用的电池。在比能量和比功率方面，超级电容器102、204填充常规电容器和电池之间的差距。超级电容器102、204可以是或者包括当前可用的、可以提供高达几秒脉冲的超级电容器。对于本文描述的某些拓扑，诸如拓扑200(图2)，超级电容器204高效地管理转换为更高能量密度的较长脉冲是有用的。拓扑200提供了提供这种更高能量密度的方式。
由于其电荷存储机制，超级电容器102、204与传统电容器相比具有非常高的电容。除了在双电层形成期间的电荷存储之外，电容的一部分可以是来自在电极表面附近发生的快速、可逆的氧化还原反应。超级电容器102、204提供比通常存储较少能量的电池104、202更高的功率。超级电容器102、204可以是或者包括使用非常高表面积的碳基活性材料的商业超级电容器。这些材料通常产生高达200F/g的比电容。
在一些示例中，超级电容器102、204是不对称超级电容器。这些不对称超级电容器可以由包括第一活性材料并具有第一操作窗口的第一电极形成。第一活性材料包括金属氮化物、金属氮氧化物、金属碳化物、金属碳氧化物、金属硼化物、金属氧硼化物和/或其组合。金属选自由元素周期表第III、IV、V、VI或VII族组成的组。不对称超级电容器还可以包括第二电极，第二电极包括第二活性材料并具有第二操作窗口。第一操作窗口和第二操作窗口可能重叠一些量。例如，基于电压，第一操作窗口和第二操作窗口可能重叠小于60％。超级电容器还可以包括布置在第一电极和第二电极之间的隔膜和水性电解质。在一些示例中，超级电容器由作为第一活性材料的氮化钒(VN)形成。更具体地，本文中的超级电容器可以是基于VN的水性伪电容器。合适的不对称超级电容器的示例在标题为“High PerformanceTransition Metal Carbide and Nitride and Boride Based AsymmetricSupercapacitors”的美国申请序列No.13/272,185中描述，该申请的全部公开通过引用被结合于此。
拓扑100、200两者都涉及有效功率管理。在每个有效拓扑中，可以使用一个或多个转换器来适应多个能量存储设备和负载。在这些示例中，在两个能量存储设备之间仅布置单个转换器。在图1中，转换器108被布置在超级电容器102和负载106之间。在图2中，转换器208被布置在电池202和负载206之间。
该拓扑中的转换器的数量表示例如效率和控制的权衡。具有两个转换器的拓扑允许对各种能量存储设备(例如，电池、超级电容器)和负载之间的功率流的更多(例如，完全)控制。与两个转换器相比，使用一个转换器更便宜、更易于控制、并导致更小的损耗。
图1图示了电池到负载的配置。在这种情况下，电池104跨负载106连接。在所示的示例中，电池104的端子电连接到负载106的端子。相反，超级电容器102不跨负载106连接。而是，超级电容器102向转换器108提供电流。
图2图示了超级电容器到负载的配置。在这种情况下，超级电容器204跨负载206连接。在所示的示例中，超级电容器204的端子电连接到负载206的端子。相反，电池202不跨负载206连接。而是，电池202向转换器208提供电流。
图1和图2的能量存储系统100、200具有两种操作模式：(i)存储模式，其中能量被存储在能量存储元件中的一个或多个中；和(ii)输送模式，其中能量由能量存储元件中的一个提供给所连接的负载。在图2的配置的一些车辆实现中，存储模式可以与其中来自车辆制动的能量被存储在超级电容器204中而不在电池202中的再生制动相关联。在这种情况下，电池202可以(附加地或单独地)对超级电容器204充电。这种充电可以在存储模式或者输送模式下的操作期间发生。在一些车辆实现中，输送模式可以包括在车辆的牵引操作期间将能量从超级电容器204输送到负载206。
在一些情况下(例如，在电池104、202中使用铅酸电池)，超级电容器102、204的内部电阻远小于电池104、202的内部电阻。因此，如图2所示的将超级电容器204直接连接到负载206增加了牵引效率。此外，与增加再生制动效率的电池104、202相比，超级电容器102、204可以经受高充电电流并且在充电期间更高效。
超级电容器204与电池202一起工作以向负载206提供能量(或功率)。在图2的示例中，超级电容器204被配置为提供主要功率输送功能。例如，在混合动力或电动车辆实现中，超级电容器204将功率供应给动力系统以满足车辆的牵引要求。在这些情况下，电池202与负载206保持隔离。超级电容器204也被定位成和以其它方式被配置为在存储操作期间捕获能量，例如，从车辆应用中的再生制动操作捕获能量。
在图2的示例中，电池202用于对超级电容器204充电。充电电流可以是恒定电流。如本文所述，恒定的充电电流提供了使电池202放电和对超级电容器204充电的更高效的方式。在这种情况下，要求来自电池202的功率可能比例如如果电池202直接为负载206供电低得多。较低的功率要求允许对较低功率密度要求的操作使用更便宜或更高能量密度的电池化学成分。在一些情况下，电池204在几乎稳定的状态条件下操作，这提高了电池寿命并且还有助于克服在低温下电池操作的缺点以提供高功率。
本文描述了多个计算上高效和有效的控制程序。控制程序可以降低或最小化能量供应系统内的功率转换器的数量。例如，在一些实现中，在系统的能量存储设备(例如，电池和超级电容器)之间仅部署一个DC-DC转换器，以便调节从一个设备(例如，电池)汲取的电流并且将电流汲取维持在期望水平(例如，恒定值)。在本文描述的一些配置中，功率转换器在能量(例如，电流)仅在能量存储设备之间的一个方向(例如，从电池到超级电容器)流动的意义上是单向的。这种转换器比双向转换器便宜。可以使用单向功率转换器是因为例如电池不需要对完全充电的超级电容器进行放电。此外，与各种电池化学成分相比，超级电容器具有低得多的内部电阻。因此，提高了在负载侧充电和放电期间的效率。
拓扑200(图2)的设计实际情况之一是超级电容器204处的端电压比电池(例如，电池202)的端电压变化更快(例如，快得多)。但是，在负载侧，大的电压窗口是不利的。因此，在一些配置中，可以使用负载206和超级电容器204之间的第二DC-DC转换器将电压调节到适于负载206的DC电压电平(例如，总线电压)。
在下面描述的示例中，通过使用适当的功率管理策略或程序，超级电容器侧的电压变化被限制到可接受的小范围。能量存储系统不需要依赖于第二转换器。功率管理程序通过控制由转换器208(图2)提供的电流(即，超级电容器充电速率)来避免第二DC/DC转换器。转换器电流被维持在更紧密的操作窗口内，以将超级电容器电压维持在更严格的电压范围内。
在一些情况下，功率管理程序基于系统的元件的一个或多个模型，包括例如，能量存储设备的模型、转换器的模型、以及负载的模型。例如，可以使用能量存储设备和负载的模型来预测对设备的要求以及响应于这种要求的设备的操作。
图3和图4是根据两个示例的对能量存储设备进行建模的电路图。每个电路图300、400为设备模型提供相应的框架。在一些情况下，可以使用相同的模型框架来表示系统中的每个能量存储设备。超级电容器(例如，图2的超级电容器204)和电池(例如，图2的电池202)的端电压使用等效电路。等效电路产生用于面向控制的程序的计算上高效的能量存储设备的模型。
图3示出了根据一个示例的等效电路模型300的示意图。电路模型300包括表示能量存储设备的单元的内部电阻的等效串联电阻Rs。电路模型300还包括捕获弛豫期间的电压行为的多个并联电阻器电容器(R-C)分支(或对)，R1-C1...Rn-Cn。考虑到用于充电的正电流和用于放电的负号，端电压由下式决定：
在等式(1)中，Vocv是开路电压(OCV)。能量存储设备的充电状态(SOC)根据以下状态方程由库仑(coulomb)计数确定：
其中Cnom是能量存储设备的标称容量。等式(1)中的第二项是欧姆电阻之间的电压降。第三项和最后一项是串联连接(例如，与电阻Rs串联)的并联R-C分支之间的电压降的总和。每个R-C对的电压动态被描述为：
其中Rj和Cj分别是等效电阻和电容。
在图2的拓扑200的一个示例实现中，电池202被建模为具有下表I中阐述的规格的铅酸电池。该规格可以对应于可从Valencia，CA的Amstron公司获得的AP-12220EV铅酸模块。电池容量通过在C/40的小电流速率下将电池从上限电压放电到其下限电压来测量。在100％的放电深度时，对该模块测得的实际容量为19.7Ah。与大多数铅酸电池相似，该模块在35％的放电深度(DOD)下操作。为了评估作为SOC的函数的OCV，将完全充电的电池以C/40的低电流放电2小时(这相当于5％的SOC的变化)，随后是3小时的弛豫期。然后重复该5％的脉冲弛豫，直到达到65％的充电状态。
每个弛豫期之后的电压是在对应SOC的OCV。根据该数据，为电池模型生成查找表作为OCV曲线。在一些情况下，电池模型是一阶模型。图4绘出了根据一个示例的一阶模型400，其中单个R-C分支被串联连接到串联电阻Rs。因此，要识别的模型400的参数是串联电阻Rs、电阻R1和电容C1。参数识别可以通过例如最小化在每个时刻测得的端电压和模拟的端电压之间的平方误差来实现。在一个示例中，使用了成本函数：
其中Vm和Vs分别是测得的端电压和模拟的端电压。
表I
铅酸电池规格
电压(V) 12
上限电压(V) 14.7
下限电压(V) 10.5(在C/20)
标称容量(Ah) 22
比功率(W/Kg) 180
比能量(Wh/Kg) 42
为图2的拓扑200的超级电容器204生成了另一个电路模型。在一个示例中，该电路模型基于可从Maxwell商业获得的超级电容器，BCAP3000圆柱形单元，其具有活性炭作为电极。超级电容器规格在表II中列出。超级电容器的每个单元包含非水电解质，从而允许2.7伏的最大额定电压。在这个示例中，这些单元中的6个被串联连接，以构建标称电压为16.2V的超级电容器模块。
与电池202一样，为超级电容器204参数化和以其它方式生成如图4绘出的一阶等效电路模型。RC对的开路电压、容量、串联电阻、电阻和电容是识别出的参数。通过在0.225A的低电流下将超级电容器从零充电到其最大标称电压来获得实际容量和OCV。然后以类似的电流速率将超级电容器放电到零，以获得用于放电的容量和OCV。由于低电流和小内部电阻，因此充电和放电OCV之间的差异小。脉冲弛豫实验用于识别串联电阻Rs、电阻R1和电容C1。如上所述，参数识别可以通过最小化在每个时刻测得的端电压和模拟的端电压之间的平方误差结合电池来执行。
表II
超级电容规格
电压(V) 2.7
标称容量(F) 3000
比功率(W/Kg) 5900
比能量(Wh/Kg) 6
上述模型可以被并入到表示能量存储设备是其部件的能量存储系统的系统模型中。该系统模型又可以包括能量存储系统耦合到的负载的表示。这些模型中的一个或多个然后可以在由处理器(诸如微控制器的处理器)实现的控制程序中使用或由该控制程序使用，以控制由例如电池202(图2)提供的充电电流。下面结合图5-7的示例提供关于控制程序的示例的进一步细节。下面结合滑板车描述控制程序的一个示例的实现。
所公开的系统的能量存储设备的规格、参数和其它特性可以与上述示例不同。例如，对于电池202(图2)，可以使用替代或附加类型的电池。对于超级电容器204(图2)，可以使用替代或附加类型的超级电容器。此外，所公开的系统不限于本文描述和/或建模的能量存储设备的类型。
图5图示了具有图2的配置的混合能量存储和输送系统500。系统500用于向负载502提供电力。负载502可以是或者包括无刷DC电动机，诸如用于车辆传动系统中的那些DC电动机。也可以向其它类型的电动机供电。在该示例中，负载502是包括向系统500返回能量的发电机的系统的一部分。在一些情况下，系统500被部署在存在负载和发电机的车辆上。系统500可以被部署在各种各样的应用中并且与各种类型的负载结合。
系统500包括彼此耦合的多个能量存储设备504、506。在该示例中，如下所述，能量存储设备504、506经由转换器主动耦合。在其它情况下，系统500的一些或全部存储设备可以或者主动或者被动地(例如，用二极管和/或经由直接并联连接)耦合。能量存储设备504、506可以以并联和/或串联配置的各种组合来耦合和布置，以满足系统500和/或负载502的电压和电流要求。在该示例中，能量存储设备504是或者包括电池504，诸如铅酸电池。电池504可以包括多个串联连接的单元，这些单元共同形成电池模块(例如，12伏、22安培小时模块)。超级电容器506的单元的数量、配置、电容和其它特性可以变化。例如，电池504的端电压可以不同。能量存储设备506是或者包括超级电容器506，诸如本文所述的超级电容器中的一个。在一个示例中，超级电容器506包括串联连接的超级电容器组(例如，6个500法拉单元)，它们共同形成大约16伏的模块。超级电容器506的单元的数量、配置、电容和其它特性可以变化。例如，可以包括更少或附加的单元。
系统500的能量存储设备被布置成使得超级电容器506经由由电池504提供的充电电流充电。在一些情况下，充电电流也沿相反的方向流动。例如，电池504可以由超级电容器506充电。
可以使用附加和/或替代类型的能量存储设备。例如，能量存储设备504、506中的一个或两者可以包括电池和电容器(例如，超级电容器)的组合。例如，能量存储设备504可以包括串联耦合的多个电池。
能量存储设备504、506可以在能量密度和/或功率密度方面不同。在图5的示例中，电池504的能量密度高于超级电容器506的能量密度，而超级电容器506的功率密度高于电池504的功率密度。能量密度和功率密度不同的程度可以变化。在其它情况下，能量存储设备504、506的能量密度和/或功率密度可以与所示示例相等、大致相等或相反。
能量存储设备504、506中的差异可以替代地或附加地涉及设备的内部电阻和/或充电接受率。在图5的示例中，超级电容器506具有比电池504更低的内部电阻和更高的充电接受率。内部电阻和充电接受率不同的程度可以变化。例如，在其它情况下，超级电容器506的充电接受率可能不会更高，但是尽管如此，超级电容器506也不会像电池504那样遭受由于高充电速率导致的劣化或其它不利影响。
系统500包括被配置为管理充电和功率输送的功率控制器508。功率控制器508包括被布置在电池504和超级电容器506之间的转换器510。转换器510被配置为控制来自电池504的充电电流的电平。为此，转换器510可以包括被选择性地激活以控制从电池504汲取并提供给超级电容器506的充电电流的一组开关(例如，MOSFET和/或其它晶体管开关)。
在一些情况下，转换器510是或者包括相移调制(PSM)DC/DC转换器。例如，可以使用全桥PSM DC/DC转换器，其中在桥列之间引入相位以使得顶部开关和底部开关之间的导通时间的重叠。PSM转换器可以使用固定占空比(例如，大约50％)。沿着每列的PWM延迟的这种操作可能导致(i)开关(例如，MOSFET设备)的输出电容与变压器的漏感谐振，以及(ii)在下一个打开周期之前MOSFET电压的振荡为零。这样做，转换器510能够实现零电压切换(ZVS)，其几乎不存在接通切换损耗。这实现了效率的显著提高，从而使得能够在更高频率下操作，并且使得可能使用更小的磁性部件。可以使用其它类型的DC-DC转换器，包括例如，脉宽调制(PWM)转换器。
在图5的示例中，转换器510被布置在电池504和负载502之间。在一些情况下，功率控制器508被配置为以单向方式提供能量和电流,即，从电池504对超级电容器506充电。在其它情况下，功率控制器508是双向的，使得电流可以向电池504流回。在这种情况下，超级电容器506可以能够对电池504充电。
功率控制器508包括被配置为生成引导转换器510的开关控制信号的处理器512。转换器510被配置为根据开关控制信号来控制充电电流的电平。在图5的示例中，处理器512是功率控制器508的微控制器514的一部分。在一些情况下，处理器512和微控制器514被配置用于32位处理。处理器512和微控制器514的配置和其它特性可以变化。例如，处理器512可以被配置为处理16位数据。
功率控制器508实现功率管理控制策略。控制策略针对通过控制由电池504提供的充电电流来管理系统500的多个不同的操作参数或特性。在一些情况下，控制策略被配置为，给定关于例如能量存储设备504、506、转换器510和/或负载502的状态的各种操作参数，增加(例如，最大化)系统500的效率。因此能够实现能量存储设备504、506的高效操作。替代地或附加地，控制策略被配置为减少(例如，最小化)否则可能由于高功率要求而导致的对电池504的压力，诸如电动和混合电动车辆应用存在的那些压力。保护电池504的健康提高了电池504的寿命。替代地或附加地，控制策略被配置为防止或以其它方式解决超级电容器506处的过电压状况。控制策略可以被配置为解决系统500的附加或替代方面。
在图5的示例中，控制策略结合其中超级电容器506而不是电池504跨负载502连接的系统500的拓扑来实现。负载502被连接(例如，电连接)到经由其向负载502提供电力的系统500的输出端子515。在这个示例中，输出端子515对应于超级电容器506的输出端子。因此，超级电容器506的端子被电连接到负载502的端子。在这种拓扑中，超级电容器506负责支持负载502的操作(例如，车辆牵引)。在一些情况下，超级电容器506还负责捕获任何生成的能量(例如，在再生制动期间产生的能量)，这些能量否则将在摩擦制动中以热的形式被浪费掉。因此，例如，图5所示的负载502可以被认为包括(例如，经由切换连接到其包括)耦合到输出端子515以在超级电容器506中存储再生制动能量的车辆再生制动系统。
相反，电池504与系统500的输出端子515电隔离。如图5所示，转换器510被布置在电池504和输出端子507之一之间。因此电池504可以被认为与负载502电隔离或解耦合。不是直接向负载502提供电力，而是电池504用作对超级电容器506充电。
电池504可以被单独地和独立地从负载侧的任何充电进行充电。例如，电池504可以仅经由单独的充电电路充电，例如，当系统500被插入到电源(例如，电力设施)时。可替代地，电池504经由来自负载侧的电流被充电，诸如在超级电容器506的放电期间和/或在发电(例如，再生制动)期间。
从电池504汲取的充电电流由功率控制器508调节。充电电流可以根据设定点、阈值(例如，限制)和/或其它控制参数进行调节。功率控制器508经由DC/DC转换器510强制控制参数。例如，功率控制器508控制充电电流以将超级电容器端电压维持在上限和下限内。可以基于例如超级电容器506和/或负载502的各种特性来选择限制。在一个示例中，充电电流被限制或以其它方式被调节为允许在混合动力或电动车辆操作期间将再生制动能量存储在超级电容器506中，同时对牵引电动机的要求维持合适的供电。
功率控制器508可以被配置为通过实施控制程序来建立和维持由电池504提供的充电电流的电平。微控制器514和/或功率控制器508包括耦合到其上存储有控制指令的处理器512的存储器516。控制指令可以是或者包括充电电流指令集。可以提供其它指令或指令集，包括例如，针对超级电容器单元平衡的指令。处理器512执行控制指令使得处理器512生成要提供给转换器510以调节充电电流和以其它方式实现功率管理控制策略的开关控制信号。
存储器516可以包括一个或多个计算机可读存储器和/或存储设备，诸如闪存。存储器516可以与处理器512集成到任何期望的程度。例如，处理器512和存储器516可以经由单个集成电路(IC)芯片来提供。存储器516中的一些或全部可以在处理器512的外部。例如，微控制器514可以包括耦合到处理器512以增强与其集成的板上存储器的分立闪存IC芯片。
在一些情况下，处理器512执行充电电流指令，以使得处理器512经由模型预测控制程序调节充电电流。模型预测控制程序针对建立或以其它方式确定充电电流的设定点。在图5的示例中，指示由模型预测控制程序使用的模型的数据被存储在数据库518或存储器516的其它数据存储库中。模型数据可以代表系统500的任何一个或多个部件或方面，包括例如，能量存储设备504、506、转换器510和负载502。
模型预测控制程序可以根据以上结合图3和图4描述的能量存储设备的模型的一个或多个相应实例进行配置，例如，在这个示例中，电池504和超级电容器506。因此，模型可以基于指示电池504和超级电容器506的操作条件的多个能量存储参数。模型数据不限于与上述能量存储设备模型相关的参数。因此，模型预测控制程序可以实现识别电池健康和/或超级电容器健康的控制策略。
模型可以代表系统500的各种其它参数。例如，可以将指示负载操作的多个负载曲线参数并入到模型中。模型还可以包括指示转换器510的操作状况的一个或多个参数，诸如转换器510的操作温度。
系统500包括多个传感器520，以捕获要被应用到、并入或以其它方式被模型并且因此被模型预测控制程序利用的数据。在图5的示例中，传感器520包括电流传感器、温度传感器和电压感测元件。电流传感器可以沿着例如承载从电池504到转换器510的充电电流的线路以及承载从转换器510到超级电容器506的电流的线路进行布置。可以包括附加的或替代的电流传感器。例如，可以感测负载502和超级电容器506之间的电流的电平。可以在转换器510内布置其它传感器。温度传感器可以被布置在系统500的各个部件内、各个部件处或者各个部件中，包括例如，电池504、超级电容器506和转换器510。电压感测元件可以用于接入系统500的多个节点处的电压，包括例如，电池504和超级电容器506的端子，以及电池504和超级电容器506的各个单元。
还可以提供多个传感器522以捕获或以其它方式提供指示或以其它方式与负载502相关的数据。传感器522可以经由负载电子器件524提供，负载电子器件524可以包括多个部件，诸如在系统500外部的处理器526。在车辆示例中，处理器526可以包括动力系统控制器，或者可以是动力系统控制器的部件。数据可以代表的负载参数的示例包括车辆速度、车辆重量、到下一个交叉点的距离、驾驶员命令加速度和/或驾驶员命令制动。可以使用这些和/或其它负载参数的任何组合来对负载502建模。负载502的模型可以被并入到系统模型中或以其它方式与系统模型集成。
使用传感器和指示负载、存储设备和其它模型参数的其它数据可以帮助模型预测控制程序确定期望的(例如，最佳)充电电流电平。在一个示例中，传感器数据被应用到查找表、决策树或指示提供期望电平作为输出的模型的其它数据结构。期望的电平又可以用作设定点或其它控制参数，以在将来的有限时间区间产生更能量高效的操作。充电电流可以由控制程序的一个或多个其它方面进一步约束，包括例如能量存储设备或其单个单元的最大和最小安全操作电压。
传感器和指示系统500的其它数据的一个或多个方面也可以用于更新模型本身。在这种情况下，传感器数据用于调整数据存储库518中的查找表、决策树或其它模型数据。例如，可以使用指示车辆权重的数据来修改模型的决策树。还可以更新模型以考虑能量存储设备中的一个或多个的老化。可以使用各种参数，包括例如电池和/或超级电容器的内部电阻(例如，如由等效电路方程(1)中的参数Rs特征化的，电容器的存储容量Cnom、电池的存储容量、或等效电路模型中的任何其它RC对)。可替代地或附加地，可以经由超级电容器和/或电池单元的感测温度更新模型，并对充电的状态和放电的深度进行估计。
在涉及全桥PSM和其它转换器的一些示例中，功率控制器508可以经由充电电流指令被配置为使用两个单输入/单输出(SISO)控制回路来控制转换器510。第一回路针对管理每PWM循环的开关电流。第二个回路针对相对于设定点调节电池输入电流。可替代地，在其它情况下，可以实现更少的或附加的控制回路。
(一个或多个)充电电流控制回路可以结合其它控制程序来实现。例如，(一个或多个)充电电流控制回路可以被针对单元平衡、过流保护、过电压保护和/或过温保护的程序覆盖或以其它方式受到影响。
在一些情况下，由处理器512执行充电电流和/或其它控制指令，以使得处理器512生成开关控制信号，从而调节超级电容器506的端电压。端电压调节可以是上述充电电流控制的附加或替代。但是，在一些情况下，由处理器512执行充电电流指令，以使处理器512经由针对将超级电容器506的端电压维持在电压范围内的滞后控制程序来调节充电电流。电压范围可以通过一对电压阈值来定义。在其它示例中，功率控制器508确定超电容器506的电压设定点。可以使用另一个模型预测控制程序来生成电压设定点。
在一些情况下，电压调节是在逐个单元的基础上实现的。因此，充电电流指令可以使处理器512生成开关控制信号，使得多个单元的相应单元电压被单独调节。以这种方式，充电电流被控制，以解决各个单元电压。因此，在一些情况下，电压调节被配置为防止对串联连接的超级电容器串中的任何相应的单元过充电。
充电电流和/或其它控制指令还可以使处理器512在超级电容器506的单元之间实现单元平衡。单元平衡可以用于解决可能由于自放电速率的差异而引起的各个超级电容器单元电压的任何不平衡。为此以及其它原因，微控制器514、处理器512和/或功率控制器508可以向布置在超级电容器506内或耦合到超级电容器506的一个或多个开关提供控制信号。控制信号可以针对汲取或以其它方式使一个或多个超级电容器单元的累积电荷平衡。
由微控制器514实现的控制程序可以与上述适应超级电容器506或布置在负载侧的能量存储设备的其它元件的配置的示例不同。例如，在其中超级电容器506被配置为使得每个超级电容器单元由相应的单元电流充电的一个示例中，充电电流指令可以使处理器512生成单独地调节相应的单元电流的开关控制信号。例如，可以对每个单元实现滞后控制程序。这种逐单元控制可以用于避免、最小化或以其它方式减少经由单元平衡浪费的能量。在这种情况下，系统500可以被配置为向功率控制器508提供每个相应单元的单元电压电平的指示。转换器510然后可以被配置为基于单元电压电平为每个单元生成相应的单元充电电流。
上述控制程序可以结合仅具有针对调节从电池504汲取的电流的单个DC-DC转换器510的拓扑来实现。控制程序可以，但不必，被配置为保持电流恒定(例如，经由设定点控制)。如上所述，转换器510可以，但不必，是单向的。在涉及(一个或多个)双向转换器的情况下，功率控制器508可以生成附加的开关控制信号。双向转换器在其中超级电容器506附加地用于对电池504充电以捕获超过超级电容器506能够存储的能量的附加能量(例如，来自制动)的配置中是有用的。
在一些情况下，负载电子器件524由处理器512访问以获得模型或其它数据。例如，负载电子器件524可以包括其中存储数据日志、查找表或其它数据结构的存储器和/或其它数据存储设备。替代地或附加地，可以访问负载电子器件524以获得指示关于负载502的参数的数据。在这些和其它情况下，系统500可以包括负载电子器件524的一个或多个部件。处理器526和负载电子器件524的任何其它部件(例如，存储器)因此可以被认为是处理器512的一部分或微控制器514的其它对应部件。
图6描绘了控制诸如图5的系统500的能量存储系统的方法600。方法600可以在系统500的操作期间由处理器512(图5)来实现。例如，经由存储在存储器516(图5)中的控制指令的执行来配置处理器512，以使处理器512实现方法600。方法600可以以附加的和/或替代的方式来实现。例如，方法600可以由远程处理器(诸如与负载电子器件524(图5)的处理器512和/或处理器526(图5)通信的处理器)来实现。
方法600包括其中获得表示多个能量存储系统参数的数据的动作602。参数的性质可以变化。在一些情况下，动作602包括其中获得负载曲线数据的动作604。负载曲线数据指示负载的操作或其它特性。如上所述，在车辆示例中，负载曲线数据可以指示诸如车辆重量、速度、车辆驾驶员命令加速度等的参数。
替代地或附加地，动作602包括其中获得指示系统的电池或超级电容器的操作条件的数据的动作606。操作条件之一是来自电池用于对超级电容器充电的充电电流的电平。参数也可以指示其它操作条件，诸如端电压电平、操作温度和其它电流电平。
可以在动作608中获得任何数量的其它参数的数据。在图6的示例中，动作608涉及获得指示各种内部和/或外部参数的数据。内部参数与能量存储系统的部件有关。例如，可以获得指示转换器的操作温度的数据。外部参数与无论如何可能影响系统和/或负载的操作的能量存储系统外部的方面有关。在一个示例中，获得指示环境温度的数据。
其中获得指示参数的数据的方式可以随数据的性质而变化。在一些情况下，传感器(例如，电流传感器)被布置在系统内以捕获数据(例如，电压或电流电平)。在其它情况下，可以访问存储器来获得数据。在还有的其它情况下，可以经由接收发送到系统的消息或其它数据传输来获得数据。
在动作610中，处理器实现一个或多个控制程序以生成用于充电电流的设定点。控制程序采用在动作602-608中获得的数据作为输入数据。如上所述，处理器可以是或者包括系统的功率控制器的处理器。
在图6的示例中，动作610包括在动作612中实现滞后控制程序、在动作614中实现模型预测控制程序、以及在动作616中应用充电电流的设定点。控制程序可以利用不同的参数数据。例如，滞后控制程序可以确定端电压和/或操作温度是否落在范围之内或之外(例如，超过阈值)。如果是，那么滞后控制程序可以中断充电电流。充电电流可以保持关闭，直到参数通过另一个阈值或返回到期望的范围。滞后控制程序可以覆盖由另一个控制程序(诸如动作614的模型预测控制程序)生成的控制信号。在一些情况下，应用滞后控制程序来约束超级电容器的每个单元的电压。替代地或附加地，约束超级电容器的总端电压。
在图6的示例中，实现模型预测控制程序以生成充电电流的设定点。设定点根据能量存储系统和/或负载的模型来确定。可以在动作614之前或期间访问或以其它方式获得指示模型的数据。在这些情况下，设定点基于在动作602中获得的输入数据。例如，输入数据可以应用到查找表或决策树，用于计算其它参数，和/或以其它方式应用到模型。
充电电流设定点可以在动作616中应用。设定点的应用可以包括实现一个或多个控制回路。(一个或多个)控制回路可以涉及处理来自功率转换器和/或系统的其它部件的反馈数据。在图6的示例中，动作616还包括根据模型预测控制程序的输出调整设定点。也可以进行其它调整。例如，可以根据例如在动作602中获得的输入数据来调整指示模型的数据。
在动作618中生成用于功率控制器的转换器的开关控制信号。开关控制信号根据设定点生成。转换器可以包括对开关控制信号响应的一组晶体管。如上所述，转换器被布置在能量存储设备(例如，电池和超级电容器)之间以接收充电电流。
动作618可以包括在某些情况下在动作620中中断充电，诸如当控制程序中的一个指示过电压或过温状况时。可以实现任何数量的基于设定点的控制策略的附加覆盖。
动作618还可以包括动作622，其中为诸如超级电容器的能量存储设备之一实现单元平衡。在一些情况下，经由针对存储设备内的开关的单独的控制信令(例如，开关控制信令)来实现单元平衡。可替代地或附加地，经由转换器内的切换来实现单元平衡。例如，当充电电流是或者包括超级电容器的每个相应单元的各个组成充电电流的组合时，转换器中的切换可以解决单元平衡。
图7描绘了根据其中实现模型预测控制程序的一个示例的方法700。方法700可以被实现为图6的方法600或另一个方法的一部分。方法700可以从判定框702开始，以确定是否满足一个或多个约束。如果不满足约束，则控制传递到方框704，其中中断充电。约束可以是另一个控制程序(例如，滞后控制程序)的一部分。(一个或多个)约束可以涉及能量存储系统的单元电压、端电压和/或其它参数。如果满足约束，则控制传递到方框706，方框706针对生成充电电流的设定点。在这个示例中，设定点生成包括访问其中存储模型数据的存储器(动作708)、将指示系统和/或负载的输入数据应用到模型(动作710)、以及至少在一些情况下，根据输入数据调整模型数据(动作712)。然后，模型(无论是否被调整)可以用于生成设定点。然后，控制程序可以在动作714中继续，其中生成的设定点与测得的充电电流的电平进行比较。
示例–滑板车
本文公开的混合存储和输送系统(例如，图5的系统500)在示例电动滑板应用中进行测试，其中滑板具有表III中列出的参数。这些参数和该测试在本文中仅仅作为示例给出。可以使用其它类型的车辆或负载来检查所公开的方法和系统的控制技术的效率、性能和其它方面。滑板具有48伏的动力系统。使用12伏设置(其意味着使用模拟的纽约市驾驶循环，从滑板中提取的功率)的混合能量控制器按比例缩小了4倍。
使用来自St.Louis，MO的Bitrode公司的动态电池循环仪模型FTV1从超级电容器汲取负载电流。循环仪被编程为模拟电动滑板的电动机电流。负载使用车辆驾驶循环进行模拟，尤其是包括频繁的停车和行进序列的纽约市驾驶循环。驾驶循环长1.18英里并且背对背堆叠以构建用于可行驶里程研究的负载曲线。
表III
滑板规格
车辆+乘客质量(Kg) 108+70
曳引系数 0.75
额区面积(m2) 0.6
滚动阻力 0.0007
空气密度(Kg/m3) 1.125
车轮半径(m) 0.21
模拟包括测试独立电池以评估电池驱动的动力系统的可行驶里程。制动时再生的量被认为是零。这是由于铅酸电池的高内部电阻，其导致热和物理应力从而导致较短的电池寿命。在这个示例中使用的模块的最大允许充电电流为6.6安培(A)，其远小于75A的峰再生电流。独立电池的可行驶里程和均方根误差(RMSE)结果在表IV中示出。在其中电池的SOC达到65％的点处，模拟停止并且计算可行驶里程。这是因为文献中推荐的并且在模块的参数化和建模中考虑的35％的放电深度(DOD)。
表IV
独立电池的结果
以英里为单位的可行驶里程(Km) RMSE(mV)
11.19(18) 41
相反，在本技术的混合配置中，超级电容器负责提供所请求的负载的总量。在这种情况下，由于超级电容器因其低的内部电阻能够以高速率进行充电，因此从制动功率再生是可能的。模拟结果与以0、10％和20％再生速率的三个实验测量值进行比较。根据上述功率管理策略，除非超级电容器的SOC变为等于1，否则电池始终提供5.5A的恒定电流。这从电池电流曲线确定。超级电容器组SOC在100％和94％之间变化。这个狭窄且高的操作范围是超级电容器更高效操作的地方。这种功率管理策略的另一个特征是，在小电压范围内操作避免了通常在超级电容器和电动机之间存在不利于转换器效率的大操作电压窗口的缺点。混合设置的0％再生的可行驶里程的值和电池与超级电容器的端电压的RMS误差值被总结在表V中。
表V
具有0％再生的混合设置的可行驶里程和RMSE结果
以英里为单位的可行驶里程(Km) 9.9(15.93)
RMSE电池(mV) 27
RMSE超级电容器(mV) 37
在0％再生的情况下，混合电池-超级电容器的可行驶里程比独立电池情况小11.5％。原因是DC/DC转换器的效率，其降低了动力系统的总效率。将具有较低内部电阻的超级电容器连接到负载以及通过允许电池仅提供恒定量的电流来使电池弛豫不能补偿转换器的损耗。当转换器在操作中时，对0％再生情况下的实验期间，转换器的效率平均为86％。
为了补偿转换器的损耗，在实验中利用了在10％和20％再生下运行的混合设置的配置。表VI总结了10％和20％再生测试的可行驶里程结果。
结果显示，20％的再生速率导致总可行驶里程提高10％。更高的再生量导致甚至更好的可行驶里程。在较重车辆平台中可用的再生量较高，并且这种设计可能导致在这种应用中甚至更好的可行驶里程扩展。
表VI
使用不同再生速率的混合能量系统的可行驶里程
再生(％) 以英里为单位的可行驶里程(Km)
0 9.9(15.93)
10 10.7(17.22)
20 12.4(19.96)
示例测试和前述描述显示，使用超级电容器混合电池可以显著地增加车辆或其它能量负载系统的可行驶里程。
在一个方面，描述了用于包括单向功率转换器以通过降低峰电池电流来提供更高的功率能力和可行驶里程扩展的电池-超级电容器混合的系统和方法。根据示例，能量存储系统包括存储供电元件，存储供电元件包括由电池单元形成的一个或多个电池；包括一个或多个超级电容器的可再充电供电元件；以及以单向方式耦合到存储供电元件并被配置为从存储供电元件接收能量的功率控制器，功率控制器还被配置为将接收到的电压或电流转换为充电电流或单元平衡电流并且被配置为向可再充电供电元件提供充电电流或单元平衡电流。可再充电供电元件被配置为向耦合到能量存储系统的负载提供能量或功率。可再充电供电元件和功率控制器中的一个或两者被配置为保护可再充电供电元件的一个或多个超级电容器免受过电压、欠压和/或过温条件的影响。
结合上述方面中的任何一个(包括例如以上具体实施方式中所阐述的那些)，系统或方法可以替代地或附加地包括以下方面或特征中的一个或多个的任何组合。超级电容器是不对称超级电容器。不对称超级电容器包括形成不对称超级电容器的电极的氮化钒(VN)、早期过渡氮化物、碳化物、硼化物或其组合。功率控制器包括一个或多个直流-直流(DC/DC)转换器。DC/DC转换器被配置为单向地接收用于响应于控制信号对可再充电供电元件的一个或多个超级电容器充电的电流，并且被配置为对一个或多个超级电容器充电，以便调节可再充电供电元件的端电压。车辆再生制动控制系统接口耦合到可再充电供电元件，以提供来自车辆再生制动控制系统的能量，用于在存储模式期间将该能量存储在可再充电供电元件中。牵引电动机控制系统接口耦合到可再充电供电元件，以在输送模式期间从可再充电供电元件接收能量。功率控制器实现滞后控制程序，以将可再充电供电元件的端电压维持在两个电压或能量阈值之间。可再充电供电元件直接连接到负载。功率控制器实现模型预测控制程序，其在每个时刻提供可再充电供电元件的端电压的电压设定点，或可再充电供电元件的充电电流的设定点。模型预测控制算法使用车辆速度、重量、到下一个交叉点的距离、驾驶员命令加速度和/或驾驶员命令制动来确定期望的(例如，最佳)电压或电流电平。电压电平在将来的有限时间区间内产生更高能量高效的操作。电压电平受能量存储系统的最大和最小安全操作电压的约束。
虽然已经参考仅仅旨在是说明性的而不是对本发明限制的特定示例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对所公开的实施例进行改变、添加和/或者删除。
给出前面的描述仅仅是为了理解的清晰，并且不应该从中理解为不必要的限制，因为在本发明的范围内的修改对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。

Claims (16)

1.一种系统，包括：
第一能量存储设备；
第二能量存储设备，耦合到第一能量存储设备并且经由来自第一能量存储设备的充电电流充电；
功率控制器，包括处理器、耦合到处理器并且其上存储有充电电流指令的存储器、以及耦合到处理器并且经由来自处理器的开关控制信号引导的转换器；以及
输出端子，经由其向系统的负载提供功率，其中转换器被布置在第一能量存储设备和输出端子之间；
其中转换器被布置在第一能量存储设备和第二能量存储设备之间并且被配置为根据开关控制信号来控制充电电流的电平，以及
其中充电电流指令由处理器执行，以使处理器生成开关控制信号，使得调节充电电流的电平。
2.如权利要求1所述的系统，其中第二能量存储设备的端子被电连接到输出端子。
3.如权利要求1所述的系统，其中充电电流指令由处理器执行以使处理器生成开关控制信号，使得调节第二能量存储设备的端电压。
4.如权利要求1所述的系统，其中：
第二能量存储设备包括多个超级电容器单元；以及
充电电流指令由处理器执行以使处理器在所述多个超级电容器单元之间实现单元平衡。
5.如权利要求4所述的系统，其中：
所述多个超级电容器单元中的每个超级电容器单元由相应的单元电流充电；
充电电流对应于所述多个超级电容器单元的各个单元电流的和；以及
由处理器执行充电电流指令，使得处理器生成开关控制信号，从而调节相应单元电流以相对于阈值单元电压来控制所述多个超级电容器单元中的每个超级电容器单元的相应单元电压。
6.如权利要求1所述的系统，其中充电电流指令由处理器执行，以使处理器经由针对将第二能量存储设备的端电压维持在电压范围内的滞后控制程序来调节充电电流。
7.如权利要求1所述的系统，其中充电电流指令由处理器执行，以使处理器经由针对建立充电电流的电流设定点的模型预测控制程序来调节充电电流。
8.如权利要求7所述的系统，其中所述模型预测控制程序被配置为基于指示负载的操作的多个负载曲线参数来确定充电电流的设定点。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述多个负载曲线参数包括到下一个交叉点的车辆距离。
10.如权利要求7所述的系统，其中所述模型预测控制程序被配置为基于指示第一能量存储设备和第二能量存储设备的操作条件的多个能量存储参数来确定充电电流的设定点。
11.如权利要求7所述的系统，其中所述模型预测控制程序被配置为基于转换器的操作条件来确定充电电流的设定点。
12.如权利要求1所述的系统，其中第二能量存储设备包括基于氮化钒的电极。
13.如权利要求1所述的系统，其中所述转换器被配置为单向DC/DC转换器。
14.如权利要求1所述的系统，其中所述转换器被配置为实现相移调制。
15.如权利要求1所述的系统，还包括耦合到输出端子以将再生制动能量存储在第二能量存储设备中的车辆再生制动系统。
16.如权利要求1所述的系统，其中：
第一能量存储设备和第二能量存储设备分别具有第一功率密度和第二功率密度以及第一能量密度和第二能量密度；
第一能量密度高于第二能量密度；以及
第二功率密度高于第一功率密度。
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