CN108859791A - 使用参考超级电容器进行电量监测的牵引电池 - Google Patents

使用参考超级电容器进行电量监测的牵引电池 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种使用参考超级电容器进行电量监测的牵引电池。具有超级电容器的电容电路与牵引电池串联连接,以提供电流传感器,从而产生感测信号,所述感测信号在牵引电池的操作范围内是线性的。所述电容电路的线性响应相对于仅测量所述电池两端的电压而言是一种改进,所述电池两端的电压在一些范围(例如,20%至80%的荷电状态)内不是线性的。

Description

使用参考超级电容器进行电量监测的牵引电池
技术领域
本申请总体上涉及对牵引电池中的电量进行监测,并且更具体地涉及使用参考电容器进行牵引电池电量监测。
背景技术
使用电力作为动力的车辆需要向用户提供牵引电池中的电量,以例如计算可行驶里程。一种度量是牵引电池的荷电状态(SOC)。SOC可以是以库仑、安培小时或百分比为单位的电池电量的度量。SOC通常基于电流积分、电池单元电压或两者的组合来被确定。
发明内容
可通过将超级电容器与牵引电池、电池单元组或电池单元串联来辅助进行牵引电池的监测或感测。一种用于荷电状态监测的方法可包括:对具有与牵引电池串联连接的超级电容器的电容电路上的电压进行感测,以产生感测电压,并且使用所述感测电压来确定牵引电池容量。
一种用于车辆电池控制的方法可包括:由控制器根据由控制器从与牵引电池串联连接的电容电路的电容器两端的感测电压导出的牵引电池的容量对牵引电池进行充电和放电,使得所述感测电压在牵引电池的操作范围内的充电和放电期间随着电流线性地变化。
在示例实施例中,对电压进行感测的步骤包括感测在牵引电池的操作范围内线性的电压。
在示例实施例中,对电压进行感测的步骤包括感测在约20%至80%的荷电状态的范围内线性的电压。
在示例实施例中,对电压进行感测的步骤包括感测与牵引电池串联连接的并联连接的超级电容器两端的电压。
在示例实施例中,对电压进行感测的步骤包括感测在牵引电池的操作范围内线性的电压。
在示例实施例中,对电压进行感测的步骤包括感测在电池的荷电状态相对于电压的曲线的平坦区域附近是大致线性的电压。
如在此所描述的,一种车辆可包括执行用于感测牵引电池状态的任何方法的系统。所述车辆可包括牵引电池、与牵引电池串联的电容电路、连接到牵引电池和电容电路以驱动车轮的电动马达以及控制器,所述控制器感测电容电路上的电压并且使用所述感测电压来确定牵引电池容量。电容电路可包括超级电容器。
在示例实施例中,所述电容电路与所述牵引电池的电压容量匹配。
在示例实施例中,所述控制器感测所述电容电路两端的电压,并且所述电容电路两端的电压在所述牵引电池的操作范围内是线性的。
在示例实施例中,所述电容电路被配置为在所述牵引电池的20%至80%的荷电状态的范围内提供线性电压。
在示例实施例中,所述电容电路包括并联连接的超级电容器。
在示例实施例中,所述电容电路包括串联连接的超级电容器。
在示例实施例中,所述电容电路包括第一对两个串联连接的超级电容器和第二对两个串联连接的超级电容器,并且其中,所述第一对与所述第二对并联。
在示例实施例中,所述电容电路提供5000法拉的等效电路,并且其中,所述牵引电池是300伏特的锂离子电池。
在示例实施例中,所述控制器使用Q_BAT=f[V_CAP(I,t),α_0…α_n]来确定电量Q_BAT是所述电容电路两端的电压V_CAP的函数。
另一种用于荷电状态监测的方法可被用于车辆中。所述方法可包括:感测与牵引电池串联连接的电容电路上的电压,以产生在牵引电池的20%至80%的荷电状态的范围内线性的感测电压,并且使用所述感测电压来确定牵引电池容量。
在示例实施例中,对电压进行感测的步骤包括感测在牵引电池的整个操作范围内线性的电压。
在示例实施例中,使用所述感测电压来确定牵引电池容量的步骤包括对对通过电容电路的电流进行积分。
在示例实施例中,确定牵引电池容量的步骤包括使电流循环通过电容电路中的多个超级电容器。
在示例实施例中,确定牵引电池容量的步骤包括使电流循环通过与牵引电池的电池单元串联连接的多个超级电容器。
根据本发明,提供一种车辆,所述车辆包括牵引电池和控制器,控制器根据由控制器从与牵引电池串联连接的电容电路的电容器两端的感测电压导出的牵引电池的容量对牵引电池进行充电和放电,使得所述感测电压在牵引电池的操作范围内的充电和放电期间随着电流线性地变化。
根据本发明的一个实施例,所述电容器是超级电容器。
根据本发明的一个实施例,所述电容器包括串联连接或并联连接的多个电容器。
根据本发明的一个实施例,所述电容器包括第一对两个串联连接的超级电容器和第二对两个串联连接的超级电容器,所述第一对两个串联连接的超级电容器与所述第二对两个串联连接的超级电容器并联。
根据本发明的一个实施例,所述牵引电池的容量由所述牵引电池的荷电状态限定。
根据本发明的一个实施例,所述操作范围与20%至80%的荷电状态范围对应。
根据本发明的一个实施例,所述电容电路与所述牵引电池的电压容量匹配。
附图说明
图1是具有电池组的示例混合动力电动车辆。
图2是包括电池单元以及电池单元监测和控制系统的电池组布置。
图3A至图3C是与电池单元串联的参考电容器的简化示意图。
图4示出了常规电压测量与用于电池监测的串联的超级电容器的曲线图。
图5是示出根据示例实施例的用于监测牵引电池的方法的流程图。
具体实施方式
根据需要,在此公开了本发明的详细实施例;然而,应当理解的是,所公开的实施例仅为本发明的示例,其可以以各种形式和替代形式来实现。附图不一定按比例绘制;一些特征可被夸大或最小化,以示出特定组件的细节。因此,在此公开的具体结构和功能细节不应被解释为限制,而仅作为用于教导本领域技术人员以多种形式利用本发明的代表性基础。
期望对牵引电池中的电量进行估计。一种技术是电流积分方法,所述电流积分方法的精确度由电流传感器的精确度确定。因此,精确的电流积分方法需要高精确度的电流传感器,这显著增加了车辆的成本和复杂性。另一种技术是基于电压的方法,但是这种技术在锂离子(Li-ion)电池的情况下受限于SOC相对于电压的曲线的平坦部分以及滞后或极化和非线性的存在。与该电池单元化学特性相关联的关于锂离子电池单元的SOC相对于电压的曲线的这些特性使得难以基于电压变化来准确地对SOC变化进行追踪。这种技术在SOC的中等范围内可能不如所需要的那么精确。然而,一些其它类型的电池和电容器不受该问题影响。因此,本公开使用一个或更多个电容器(或超级电容器)来测量牵引电池中的电量,这是因为电容器呈现作为电压(例如,来自牵引电池的电压)的函数的宽泛且可逆的电量的线性变化。在此处描述的一些实施例中,至少一个超级电容器与牵引电池电池单元(例如,锂离子电池单元)的阵列串联,以进行SOC监测。增加的串联电容器流过与牵引电池的电池单元相同的电流。因此,如电容器的电压变化所指示的,已循环通过电容器的电流被用于计算整个电池的电荷平衡。
图1示出了插入式混合动力电动车辆或电动车辆12,所述插入式混合动力电动车辆或电动车辆12可包括机械地连接到混合动力传动装置16的一个或更多个电机14。电机14能够作为马达或者发电机运行。对于混合动力车辆,传动装置16机械地连接到内燃发动机18。传动装置16还机械地连接到驱动轴20,驱动轴20机械地连接到车轮22。电机14可在发动机18开启或关闭时提供推进和减速能力。电机14还用作发电机,并且能够通过回收在摩擦制动系统中将通常作为热而损失掉的能量来提供燃料经济效益。在特定状况下,电机14还可通过允许发动机18以更高效的转速运转并且允许混合动力电动车辆12在发动机18关闭的情况下以电动模式运转来减少车辆排放。对于不包括内燃发动机18的电动车辆,可获得类似的优点。
牵引电池或电池组24储存可由电机14使用的能量。车辆电池组24通常提供高电压DC输出。牵引电池24电连接到一个或更多个电力电子模块。一个或更多个接触器(未示出)可在断开时使牵引电池24与其它组件隔离,并且在闭合时使牵引电池24连接至其它组件。电力电子模块26还电连接到电机14,并且提供在牵引电池24与电机14之间双向传输电能的能力。例如,典型的牵引电池24可提供DC电压,而电机14可能需要三相AC电流以起作用。电力电子模块26可将DC电压转换成电机14所需的三相AC电流。在再生模式下,电力电子模块26可将来自充当发电机的电机14的三相AC电流转换为牵引电池24所需的DC电压。在此的描述同样适用于纯电动车辆。对于纯电动车辆,混合动力传动装置16可以是连接到电机14的齿轮箱,而发动机18可被省略(如前所述)。在本发明中,牵引电池24可包括与牵引电池24的电池单元串联连接的超级电容器。储存在牵引电池24内的电量可通过测量超级电容器两端的电压被确定。
牵引电池24除了提供用于推进的能量之外,牵引电池24还可为其它车辆电力系统提供能量。典型的系统可包括DC/DC转换器模块28,所述DC/DC转换器模块28将牵引电池24的高电压DC输出转换成与其它车辆负载兼容的低电压DC供电。其它高电压负载(诸如,压缩机和电车厢或组件加热器)可在不使用DC/DC转换器模块28的情况下直接连接到高电压。低电压系统可电连接到辅助电池30(例如,12V或24V电池)。
本公开的实施例可包括车辆(诸如,车辆12),所述车辆可以是混合动力车辆或增程式混合动力车辆,或者是电动车辆或插电式混合动力车辆,所述车辆中的牵引电池24可通过外部电源36再充电。外部电源36可连接到电插座。外部电源36可电连接到电动车辆供电设备(EVSE)38。EVSE 38可提供用于对电源36与车辆12之间的能量传输进行调节和管理的电路和控制。外部电源36可向EVSE 38提供DC电力或AC电力。EVSE 38可具有用于插入车辆12的充电端口34中的充电连接器40。充电端口34可以是被配置为将电力从EVSE 38传输到车辆12的任何类型的端口。充电端口34可以电连接到充电器或车载电力转换模块32。电力转换模块32可对从EVSE 38供应的电力进行调节,以向牵引电池24提供合适的电压电平和电流电平。电力转换模块32可与EVSE 38进行接口连接,以对车辆12的电力传输进行协调。EVSE连接器40可具有与充电端口34的相应凹入匹配的插脚。可选地,被描述为电连接的各种组件可使用无线感应耦合来传输电力。
图1中示出的各种组件可具有一个或更多个相关联的控制器,以对组件的操作进行控制和监测。控制器可经由串行总线(例如,控制器局域网(CAN))或经由分立导体进行通信。一个或更多个控制器也可以在不与一个或更多个其它控制器通信的情况下以独立的方式操作。例如,其中一个控制器可由电池能量控制模块(BECM)46来实现,以对各种充电功能和放电功能以及电池单元电荷平衡进行控制。BECM 46可设置在牵引电池组24内,并且可连接到一个或更多个传感器模块以感测超级电容器两端的电压。
车辆的牵引电池组可通过各种化学配方构成。典型的电池组化学成分包括铅酸、镍金属氢化物(NIMH)或锂离子(Li-Ion)。其它牵引电池化学成分也可被使用。图2示出了N个电池单元模块42的简单串联构造的典型的电池组24。然而,其它电池组可由串联连接、并联连接或它们的某种组合连接的任意数量的单独的电池单元组成。电池单元模块42包括电池单元以及与电池单元串联连接的一个或更多个电容性器件。如前所述,典型的系统可具有一个或更多个控制器(诸如,电池能量控制模块(BECM)46),所述一个或更多个控制器对电池组24的性能进行监测和控制。BECM 46可对若干电池组整体特性(例如,电池组电流48、电池组电压52和电池组温度54)进行监测。BECM 46还可使用在分别与电池单元串联连接的超级电容器两端测量的电压对SOC进行监测。BECM 46可具有非易失性存储器,使得当BECM46处于关闭状态时,数据可被保存。
例如,BECM 46可包括用于控制各种电池功能(诸如,电池单元电荷平衡和电池热调节)的硬件和/或软件。如本领域普通技术人员通常理解的,电荷平衡对于某些电池化学成分可能比对于其它电池化学成分而言更重要,但是电荷平衡被执行以通过对被充电到期望的阈值水平以上的电池单元进行放电以及对具有低于期望的阈值水平的电量的电池单元进行充电来对每个电池单元的单独的电量进行平衡。如下面更详细描述的,BECM 46可包括用于提供SOC计算或剩余可行驶距离计算的PTC组件,所述SOC计算或剩余可行驶距离计算可基于在电池单元模块中的串联连接的超级电容器两端的感测电压。
BECM 46除了对电池组整体特性进行监测之外,BECM 46还可对电池单元水平特性(诸如,电池组24中的超级电容器两端的电压和/或单独或成组的电池单元的电压)进行监测和/或控制。例如,除了测量超级电容器两端的电压之外,还可测量每个电池单元的端电压、电流和温度。BECM 46可包括用于测量电池组24的N个电池单元模块42中的每个电池单元模块42的端子两端的电压的电压监测电路或传感器模块44。电压监测电路44可由电阻器和电容器的网络实现,所述电阻器和电容器的网络被配置为提供对在电池单元或串联连接的超级电容器处测量的电压信号进行的适当的缩放和滤波。电压监测电路44还可提供隔离,使得高电压将不会损坏BECM 46内的其它电路。
图3A至图3C示出了用于与牵引电池的电池单元320以及开关330串联连接的超级电容器310的示意性电路300A至示意性电路300C,所述开关330选择性地将电池单元320连接到外部电路以输出高电压HVOUT 325,从而驱动电机14或对电池单元进行充电。电池单元320提供高电压以向电机14供应电能,从而向车辆提供动力。超级电容器310与电池单元320串联连接。这里,超级电容器310被示出为连接到电池单元负极端子和负极开关。超级电容器310两端的电压VCAP由感测电路感测,所述感测电路向BECM 46提供信号,所述BECM 46可确定电压VCAP。VCAP被用于确定电池单元中的电量(例如,SOC)。电压VCAP在牵引电池的电池单元320的操作范围内基本上是线性的。整个电池或电池单元320的组(模块或阵列)可具有串联连接的超级电容器310。
图3B和图3C将超级电容器310的电容示出为包括电容电路的N个超级电容器的等效电容。电容电路提供电容,并因此提供电压VCAP。电路300B具有并联连接的多个超级电容器311、312和313。并联连接的N个超级电容器的等效电容是单独的电容的总和。如果单独的电容器无法与牵引电池或牵引电池的电池单元的电压匹配,则可串联连接多于一个的电容器以与牵引电池的电压范围匹配。电路300C具有串联连接的多个超级电容器314、315和316。串联连接的N个超级电容器的等效电容是单独的电容的倒数的总和。为了与特定电池电量容量和电压规格匹配,可使用并联连接和串联连接的超级电容器的组合(例如,电路300B和电路300C中示出的电容电路的组合)。在示例实施例中,两组两个串联连接的超级电容器被并联连接。这样的电容电路配置可利用并联连接来与牵引电池的容量匹配,并且所述串联连接允许电容电路在牵引电池或电池单元的操作范围内处于电容电路的线性范围内。
本公开的实施例利用与牵引电池串联连接的超级电容器的电容的特性。与锂离子电池单元相比,电容器的电压作为电容器的电量Q的函数而线性地变化:
VcAP=C-1Q
其中,C为电容(法拉)。电容器电压VCAP与电流的积分有关:
因此,当电容器与电池中的锂离子电池单元组合时,电容器的电压的变化为已经在整个电池中循环的电流的函数。因此,电池电量可被表示为Vcap和其它参数的一般函数:
QBAT=f[VCAP(I,t),α0…αn]
其中,α0…αn为实验确定的非理想参数(例如,自放电、温度校正等)。例如,与锂离子电池单元电压监测相比,使用与牵引电池的电池单元串联的超级电容器受益于如图4所示的电容器的电压相对于电量的曲线的可逆性、线性度和快速响应。
图4示出了常规电压401和在如在此所描述的超级电容器处测量的电压402的曲线图400。常规电压401被显示在左侧坐标上,并且可在牵引电池处被测量(例如,VBAT)。牵引电池可以是300伏特的锂离子电池。如在图4的示例中所示出的,常规电压在约20%SOC与80%SOC之间(这里被示出为约1.0安培小时到约4.0安培小时)是相对平坦的。在示例中,SOC范围可以是在此描述的范围的+/-1%或+/-2%。范围可处于25%SOC至75%SOC之间或者17.5%SOC至82.5%SOC之间。电池组电压在曲线图401的平坦区域(plateau region)上仅仅从约250伏特变化到约270伏特。其它电池在电量与电量相关的电池端子处的电压之间可具有平坦的响应区域。常规电压变化不足以精确地指示该范围内的SOC。对于被感测的电容器,它具有5000法拉的值。被感测的电容器可以是单个电容器(例如,电池模块配置300A)、并联的多个电容器、串联的多个电容器或组合配置的多个电容器(例如,电池模块配置300B、300C或300B和300C的组合)。被感测的电容器的电压402在整个范围内(特别是在1.0安培小时到约4.0安培小时的范围或者在20%SOC至80%SOC的范围内)基本上是线性的。由于牵引电池容量通过放电和充电而变化,所以电容器电压的这种线性行为是可逆的。因此,电压402可被用于计算在牵引电池的SOC或安培小时容量的整个范围内的SOC,并且具有更高的分辨率。在示例实施例中,使用当前描述的方法和系统允许确定SOC,而无需牵引电池电压的高分辨率测量(例如,12位或更高)以沿着常规电压401的平坦部分进行区分。在此描述的示例可通过在电池电压(例如,电池组电压)平坦的区域中使用超级电容器或适当大小的电容电路来提供非平坦响应。
在在此描述的一些实施例中,出于监测电池电量或SOC的目的,一个或更多个超级电容器与牵引电池阵列中的电池单元串联连接。流过串联连接的电容器和电池单元的电流在电池的所有组件中都是相同的。例如,5000法拉的参考超级电容器上的电压Vcap从0伏特上升到2.7伏特指示Q=C*V=5000F*2.7V=13500C(或3.75安培小时)的电荷已经循环流过整个串联阵列。因此,包含参考电容器的整个电池的电量的变化可被建立为相同电容器两端的电压(Vcap)的变化的函数。更具体地说,电池能量控制模块可将整个电池组的容量计算为Cpack=f[Vcap(I,t),a0...an],其中,Vcap=I*t/C,ai为考虑到系统的非理想性的实验确定的参数。除了固有地指示实际积分电量值(即,电量Q或“安培小时”)的参考电容器电压之外,这可类似于电流积分方法。为了实现,参考电容器的大小可被确定为在与电池单元的电量/电压范围匹配的电量/电压范围上操作。针对该目的,可以以串联/并联配置使用多个电容器来获得特定电容值。例如,本系统和方法可基于超级电容器的线性和可逆的行为以及超级电容器的达到完全充电/放电状态的一般能力(其可以提供比锂离子电池单元略宽的电压范围上的缩放)来提高电量监视精确度。增加的电容器在提供电池电量参考的同时,不会显著地改变电池组的充电/放电平坦部分特性,这是因为它仅占总电池电压和总电池电量的一小部分。类似地,来自超级电容器的电压显著地小于来自牵引电池的电压,例如,Vcap<<Vpack。在示例中,来自超级电容器的电压贡献比来自牵引电池的电压贡献小约两个数量级。此外,超级电容器是低成本组件,所述组件还增加了电池的电量容量。
图5示出了用于确定牵引电池中的电量(例如,荷电状态)的方法500。在501,测量电容电路两端的电能。电容电路与牵引电池串联连接。电容电路包括至少一个超级电容器,并且能够按照电池控制模块(例如,BECM)的要求在电容电路两端承载由牵引电池提供的电压。电容电路两端的电压与电量Q成线性函数关系。电容电路具有与电流积分(以安培小时为单位)有关的电压。在502,电池电量通过在电容电路两端感测的信号被确定。当电容电路与牵引电池的电池单元串联时,电容器的电压的变化是已经循环通过全部电池单元的电流的函数。一旦电池电量被确定,则牵引电池24的各种充电和放电安排可由例如BECM 46开发和执行。如果电池电量超过最大阈值,则BECM 46可防止牵引电池24的进一步充电(利用由电机14捕获的再生能量的进一步充电等),直到电池电量下降到另一阈值以下时为止。如果电池电量下降到最小阈值以下,则BECM 46可防止牵引电池24的进一步放电(用于给电机供电的进一步放电等),直到电池电量超过另一阈值时为止。取决于电池电量的电量分布也可被相应地调整等。电容器的电压对电池电量进行监测,并且受益于相对于电池的电量的可逆性、线性度和快速响应。
针对电池电量监测的目的,本公开描述了使用在牵引电池的电池单元(例如,锂离子电池单元)阵列中串联连接的一个或更多个超级电容器。为了与锂离子电池单元兼容,多于一个的电容器可以以组合的串联配置/并联配置被连接,以形成一个“等效”电容器。当多个超级电容器被操作为单个电容器时,等效电容器是电源电路看到的电容器。增加的超级电容器或等效电容器两端的电压指示通过整个阵列的电流积分电量。超级电容器是电能储存器件,所述电能储存器件起到与电流传感器类似的作用,但是却具有在牵引电池的电压范围上的线性操作范围,并且特别是在20%至80%的SOC范围内或者通常在电池SOC相对于电压的曲线的平坦区域附近。
本公开描述了一种超级电容器,所述超级电容器可以是具有比典型电容器高得多的电容值的高容量电容器。超级电容器可以是能够在牵引电池的电池单元的高电压下操作的电容器。在示例中,超级电容器既不是电解电容器也不是可再充电电池。超级电容器可每单位体积或每单位质量比电解电容器多储存10至100倍的能量,可比电池更快地接受和输送电量,并且可比可充电电池容许更多的充电和放电循环。超级电容器可提供许多快速充电/放电循环,而不是长期紧凑型能量储存(如在电动车辆中使用的)。超级电容器可使用静电双层电容和电化学伪电容,这两者都有助于用电容器的总电容来替代传统的固体电介质层。如在此描述的一些示例中所使用的超级电容器可以以法拉为单位被评级,所述超级电容器比电解电容器高几千倍。
用于感测电池容量的本系统和方法可被缩放为用于提供比车辆牵引电池大或比车辆牵引电池小的电力的系统(例如,移动电子装置)。电容器串联连接到移动电子装置的电池。由于超级电容器与牵引电池相关,所以电容器的大小可被确定为使得电容器与移动装置电池具有类似的关系。
虽然以上描述了示例性实施例,但是这些实施例并不意在描述了本发明的所有可能形式。更确切地,说明书中使用的词语为描述性词语而非限制性词语,并且应理解的是,可在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种改变。此外,各个实现的实施例的特征可被组合以形成本发明的进一步的实施例。

Claims (14)

1.一种用于车辆电池控制的方法,包括:
由控制器根据牵引电池的容量对牵引电池进行充电和放电,使得与牵引电池串联连接的电容电路的电容器两端的感测电压在牵引电池的操作范围内的充电和放电期间随着电流线性地变化,其中,所述牵引电池的容量由控制器从所述感测电压导出。
2.如权利要求1所述的方法,其中,所述牵引电池的容量由所述牵引电池的荷电状态限定。
3.如权利要求2所述的方法,其中,所述电容器是超级电容器。
4.如权利要求1所述的方法,其中,所述电容器包括串联或并联连接的多个电容器。
5.如权利要求1所述的方法,其中,所述操作范围与所述牵引电池的荷电状态相对于电压的曲线的平坦区域对应。
6.如权利要求1至5中的任一项所述的方法,其中,所述操作范围与20%至80%的荷电状态范围对应。
7.一种车辆,包括:
牵引电池;
控制器,对牵引电池进行操作控制,并且执行如权利要求1至6中的任一项所述的方法。
8.一种车辆,包括:
牵引电池;
电容电路,与牵引电池串联,使得电容电路的电压随着牵引电池电流线性地变化;
电动马达,连接到牵引电池和电容电路,以驱动车轮;
控制器,根据由控制器从所述电压导出的牵引电池的容量对牵引电池进行充电和放电。
9.如权利要求8所述的车辆,其中,所述电容电路与所述牵引电池的电压容量匹配。
10.如权利要求9所述的车辆,其中,所述电容电路包括并联连接的超级电容器。
11.如权利要求9所述的车辆,其中,所述电容电路包括串联连接的超级电容器。
12.如权利要求11所述的车辆,其中,所述电容电路包括第一对两个串联连接的超级电容器和第二对两个串联连接的超级电容器,并且其中,所述第一对与所述第二对并联。
13.如权利要求12所述的车辆,其中,所述电容电路提供5000法拉的等效电路,并且其中,所述牵引电池是300伏特的锂离子电池。
14.如权利要求8至13中的任一项所述的车辆,其中,所述电压在与牵引电池的20%至80%的荷电状态对应的范围内随着牵引电池电流线性地变化。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT201600105858A1 (it) * 2016-10-20 2018-04-20 Magneti Marelli Spa Impianto elettrico provvisto di un assieme di accumulo a doppia tensione per un veicolo
JP7168912B2 (ja) * 2019-02-05 2022-11-10 マツダ株式会社 車両電源システム
JP7168913B2 (ja) * 2019-02-05 2022-11-10 マツダ株式会社 車両電源システム
JP7397572B2 (ja) * 2019-02-05 2023-12-13 マツダ株式会社 車両電源システム
JP7254270B2 (ja) * 2019-06-03 2023-04-10 マツダ株式会社 車両駆動装置
JP7144466B2 (ja) * 2020-01-28 2022-09-29 矢崎総業株式会社 電池制御ユニットおよび電池システム
US20230213593A1 (en) * 2021-12-30 2023-07-06 Sustainable Energy Technologies, Inc. Supercapacitor to electrochemical hybrid system with supercapacitor testing capability

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW419592B (en) 1998-03-31 2001-01-21 Hitachi Maxell Current accumulating value detecting apparatus, current detecting apparatus and the battery set used
JP2005137054A (ja) * 2003-10-28 2005-05-26 Nec Tokin Corp 電源回路
CN102204004B (zh) 2008-11-21 2013-11-20 本田技研工业株式会社 充电控制装置
JP5499011B2 (ja) 2011-11-17 2014-05-21 富士重工業株式会社 車外環境認識装置および車外環境認識方法
JP5906224B2 (ja) 2013-09-27 2016-04-20 富士重工業株式会社 車外環境認識装置

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