用於受限空轉的交通工具的電池管理系統的製作方法

2023-05-01 11:35:46 3

專利名稱：用於受限空轉的交通工具的電池管理系統的製作方法
技術領域：
本技術領域涉及交通工具電功率存儲系統和相關的控制系統。問題的描述配有內燃引擎的機動交通工具的電氣系統包括:負載；用於產生電力的交流發電機；可再充電儲能電池系統；用於將電功率從交流發電機送至儲能電池和負載的配電布線；以及從儲能電池系統汲取功率以發動內燃引擎的電氣起動電機。控制系統可用於提供對負載、儲能電池、起動電機以及內燃引擎操作的控制。可使用多種開關、接觸器、直流(DC)-交流(AC)逆變器、DC/DC轉換器、不同種類的連接器(例如將存儲電池和負載互連的自鎖繼電器和開關)、以及諸如微控制器和控制域網(CAN)的電氣控制元件來實現控制功倉泛。在美國專利N0.7，336，002 (Kato等人)中指出交通工具儲能電池系統可在應用之間劃分並包括一種以上類型的電池。在一些交通工具上，儲能電池系統被劃分成兩組，其中的一組承受大多數交通工具負載，而其第二組被預留用以向起動電機提供功率。在該系統中，儲能電池系統的這兩個區域有時被稱為主/主要電池和輔助電池，或更直觀地被稱為底盤(支持多種系統負載)電池和發動電池。提供區分開的底盤電池和發動電池的原因之一是使電氣負載與源自起動電機操作的基本電壓變化隔離。另外，具有兩組電池提供了一些系統冗餘並在交通工具電氣負載的輔助操作期間用來使發動電池與底盤電池上的功率汲取相隔離。這通過將功率汲取僅限於底盤電池而提供了能夠在維持的電功率需求達一段時間之後起動交通工具的引擎的更大保障。不同組的電池可以是截然不同類型的。一種可能的配置是使用鉛酸電池作為底盤電池並使用鋰離子電池作為發動電池。可選擇表現出密切匹配的電荷分布接受能力的鉛酸和鋰離子電池，這簡化了對再充電的控制。然而，鋰離子電池一般對由於環境條件(尤其是低溫)所導致的在再充電期間的損壞更為敏感。對諸如商用卡車之類的交通工具的非勤務電功率需求近年來趨向於增加。交通工具乘務員艙可配有設施和照明以使非勤務駕駛員感到舒適。這些設備的輔助操作需要電功率。過去，駕駛員例行公事地允許交通工具引擎空轉以支持所需電功率的產生，然而維持的空轉是低效的、有噪聲的、造成汙染並且現在基本上是不合法的。結果，延長的交通工具空轉是法律限制的，並且當交通工具不處於運動時交通工具被周期地起動和停轉以產生和存儲電力以滿足功率需求。滿足這些運作需求比交通工具單純保持運行的情形對電池施加了更多壓力，並可能迫使電池再充電在低於理想狀態下發生。

發明內容
機動交通工具供電系統通過產生機械功率的內燃引擎工作，該內燃引擎耦合至發電機，該發電機產生電功率，該電功率施加於負載並施加於底盤電池和發動電池以供存儲。內燃引擎的起動電機主要從發動電池供能。提供底盤電池和發動電池之間的多狀態接觸器，該多狀態接觸器具有閉合狀態和斷開狀態，在閉合狀態下電功率可在底盤電池和發動電池之間流動，而在斷開狀態下中斷發動電池和底盤電池之間的電功率流動並中斷從發電機至發動電池的電功率流動。設置具有激活和非激活狀態的空轉開關。響應於空轉開關的狀態以使內燃引擎操作的控制器對發動電池和底盤電池中的至少一者的電池充電狀態作出響應，以使內燃引擎周期地起動和停轉從而維持最低電池充電狀態。多狀態接觸器可具有附加的限制閉合狀態，其中在底盤電池和發動電池之間的電功率流動是受到浪湧限制的。響應於底盤電池和發動電池之間的最低電壓差，功率流動通過多狀態連接器受到浪湧限制。
附圖簡沭

圖1是交通工具電功率廣生、存儲和分配系統的聞級不意圖。圖2是交通工具電功率產生、存儲和分配系統的示意圖。圖3是涉及對用於電池再充電的交通工具電功率產生的控制的流程圖。詳細描沭參見圖1，示出了交通功率電功率系統10的高級示意圖。交通工具電功率系統10包括:底盤電池12 ;發動電機13 ;以交流發電機20形式的連接以向底盤電池12和多種負載45提供電力的發電機，這些負載45代表安裝在交通工具上的除起動電機以外的電功率消耗裝置；內燃引擎/熱引擎14，它通過機械耦合器21連接至交流發電機20以向交流發電機提供機械功率；以及用於起動內燃引擎14的起動電機26，該起動電機26通過起動電機螺線管24連接至發動電池13。可利用多種類型的電池。例如，底盤電池12 —般包括1-4個鉛(Pb)酸汽車用電池。發動電池13可以是一種類型的鋰離子(Li離子)電池。底盤電池12和發動電池13有選擇地通過多狀態接觸器34彼此連接和斷開。例如，如果發動電池13由鋰離子電池構成，則低溫下對電池再充電相比在室溫下再充電可能縮短電池使用壽命。當多狀態接觸器34斷開時，發動電池13與交通工具充電系統、負載45和底盤電池12電隔絕。斷開狀態是多狀態接觸器34的默認狀態，並且其斷開狀態被確認為當電池溫度落在下限和上限之外時防止對鋰離子發動電池13的再充電。當多狀態接觸器34處於閉合狀態時，電功率可(在電路的容量約束內)自由地從底盤電池12流至發動電池13，或在一些情形下從發動電池13流至底盤電池12。這發生以允許發動電池13當其溫度落在預設邊界內時被再充電。多狀態接觸器34的第三狀態允許在電池之間流過有限的電流。若底盤電池12和發動電池13之間的電壓失配是諸如如果允許功率的自由流動將導致的電流浪湧，則使用第三狀態。控制系統11提供電功率系統10 (沿虛線)的操作控制。控制系統11包括諸如如下的組件:內燃引擎控制模塊32、本體控制器30和控制器域網(CAN)串行數據鏈路40。串行數據鏈路40 —般符合管理其物理層和軟體層的SAEJ1939標準，並提供控制器之間的雙向數據通信。本體控制器30可用於電壓感測或可使用更複雜的測量來確定底盤電池12或發動電池13的電池充電狀態(SOC)。內燃引擎控制模塊(ECM) 32監視內燃引擎14是否正在運行，並在串行數據鏈路40上提供由本體控制器30所讀取的內燃引擎狀態信號。ECM32可基於從本體控制器30接收的指令而切斷內燃引擎14，並通過在本體控制器30請求時將開始信號線22上的開始信號施加於起動電機螺線管24來發動內燃引擎14。本體控制器30被連接以接收內燃引擎狀態信號以及點火按鍵位置信號(例如輔助位置或運行位置)並監視空轉開關50的位置。空轉開關50允許內燃引擎14的有限持續時間的空轉操作，以對底盤電池12和發動電池13再充電而不發生並存的驅動器幹預。本體控制器30產生底盤電池12或發動電池13(如圖2所示)的充電狀態的估計。電池充電狀態估計通常基於諸如電池端對端電壓之類的充電狀態的代替表示。本體控制器30控制多狀態接觸器34的狀態。圖2更詳細地不出一種可能的交通工具電功率系統10。交通工具電氣負載被分成兩個組，這兩個組通過工作優先級被分類成強制性負載46和選擇性負載48。提供自鎖繼電器42、44，它們連接在底盤電池12和強制性/選擇性負載46、48之間，這使交通工具控制器獨立地卸載(shed)選擇性負載48或共同地卸載選擇性和強制性負載48、46，如電池功率管理例程78所規定的那樣(見圖3)。交通工具控制器可被理解為控制系統11的諸個組件的功能性合併，該控制系統11的諸個組件包括引擎控制模塊32和本體控制器30。由強制性和選擇性負載46、48所汲取的電流由相對於功率總線16而定位的霍爾效應電流傳感器38測得。用於對停放的交通工具上的電池進行充電的內燃引擎14的有限持續時間空轉操作可能發生在負載管理程序的更寬背景下，該負載管理程序監視在這些周期內發生的強制性和選擇性負載46、48的操作。功率總線16可由接觸器58和預充電電路60中斷，該接觸器58和預充電電路60位於發動電池13 (連接至功率總線16的一區段)和底盤電池12、交流發電機20之(連接至功率總線16另一區段)間。從效果上來說，與預充電電路60組合的接觸器58通過提供電池之間沒有連接的狀態、電池之間具有電流有限連接的狀態以及電池之間具有「完全」連接的狀態來實現底盤電池12和發動電池13之間的多狀態接觸器。一般來說，預充電電路60和接觸器58不被同時閉合，因為這一狀態與僅僅接觸器58的簡單閉合幾乎沒有區別。交通工具控制器31配有至底盤電池12的正極端的電壓感測線36以及至電池管理系統(BMS)64的連接，該電池管理系統(BMS)64配有鋰離子電池組並向交通工具控制器提供與發動電池13關聯的數據。BMS 64可向具有發動電池13的交通工具控制器提供電壓和充電狀態測量。典型地，BMS 64也提供電池溫度讀數。如果這種功能不可用，則可增設與發動電池13接觸並與交通工具控制器通信的熱敏電阻。發動電池13位於電池艙68內，並且電池艙68可設置在交通工具乘務員駕駛室內。將電池艙68設置在交通工具乘務員駕駛室內為發動電池13提供一種環境，這種環境提供對極端溫度瞬變的保護，防止暴露於道路危險和天氣情況並使發動電池周圍的溫度得到控制。為了降低底盤電池13過熱的機率，冷卻空氣或從交通工具外吸入的空氣可從交通工具加熱、通風和空氣調節(HVAC)系統72被引入到電池艙68環境，可被引導經由入口 74從HVAC系統72通過電池艙68並從排放出口 76至乘務員駕駛室。另外，底盤電池13可通過將經加熱的空氣從HVAC系統72引導入到電池艙68來保持溫暖。HVAC系統72設有與交通工具控制器通信的HVAC控制器。被引導通過HVAC系統72的空氣被稱為「經處理的空氣」。一些交通工具可提供電功率系統10至外部功率 源的連接。連接的方式取決於外部源的特徵。一種類型的功率，通常被稱為「岸電」，是家用或工業交流電功率，例如:100-120伏、60循環功率；或200-240伏，50循環功率。可提供逆變充電器66，它通過「岸電」連接接收公用事業幹線輸入功率並在功率總線16上產生適當電壓的直流輸出。逆變充電器66的輸出相對於接觸器58連接至功率總線16的交流發電機側。逆變充電器66也可將岸電傳遞至車載AC配電系統，並允許至替代功率源的連接。提供一種連接，這種連接允許控制和數據信號在交通工具控制器31和逆變充電器66之間進行通信。一旦從交通工具控制系統施加輸入或起動信號，電氣起動或發動電動機26從發動電池68汲取能量(也存在基於點火按鍵54位置和離合器位置感測開關52的替代性點火路徑)。起動信號被施加於起動繼電器56，該起動繼電器56進而使起動螺線管24成一直線地哨合於發動電動機26。參照圖3的流程圖描述了控制系統11通過電功率系統10關於底盤電池和發動電池12、13的再充電處理的操作。在交通工具停放期間，交通工具的內燃引擎14的連續操作不被鼓勵，但仍然對電功率具有持續的需求，交通工具可被設置在自動(持續時間受限制的)空轉模式，在這種模式下引擎根據需要起動並運行有限的時段以對底盤電池12再充電以及潛在地對發動電池13再充電。再充電例程可為發動電池13提供溫度保護以及防過多電流湧入的保護。從電池功耗管理例程(步驟78)執行進至步驟80以確定空轉開關50的位置。如果空轉開關50斷開，則溫度保護是唯一的問題。從步驟80沿「斷開」分支前進，確定交通工具點火按鍵位置是處於「導通」還是「斷開」。如果「斷開」，則接著在步驟84判斷岸電是否可用。如果沿該過程進展岸電不可用，則再充電無法進行並且例程退出回到電池管理例程78。如果在步驟82檢測到點火按鍵54處於導通但在步驟86確定引擎處於「斷開」並且岸電(步驟84)不可用或斷開，則獲得相同的結果。如果引擎在步驟86確定為導通或岸電為導通(在步驟84確定)，則該過程進至步驟88以對電池充電進行控制。接觸器58的默認狀態是斷開狀態並且預充電電路的默認狀態是非導電的。在步驟88從熱敏電阻62或BMS64判斷發動電池13的溫度是否高於允許充電的最小值並低於一安全限值。如果否，則步驟90確認接觸器58是斷開的並且預充電電路60是非導電(斷開) 的。接著檢查HVAC系統72的狀態。如果導通，則例程循環回到步驟88。如果斷開，則HVAC系統72被啟動(步驟94)以加熱或冷卻電池艙68，這是為了調節發動電池13的溫度以使其處於可供充電的溫度限值內。一旦電池艙68溫度落在預選限值內，則從步驟88遵循「是」分支至步驟96，在步驟96將底盤電池12的相對電壓(Vbp)與發動電池13(Vl1-1on)進行比較。如果電壓差超出最大允許的差，則預充電電路60被導通(接觸器58仍然斷開)(步驟100)。該過程循環，直到電壓差小於允許的差為止，此時執行步驟98以斷開預充電電路60並閉合接觸器58。該過程退出至電池管理例程78。回到判決步驟80，在檢測到「導通」空轉開關50之後的過程如下。空轉開關50隻有在內燃引擎14的默認狀態為「斷開」時導通。常見地，當交通工具被停放並且底盤電池12上的電功率需求被期望時使用空轉開關50。在步驟102，檢查電池的充電狀態。如果底盤電池12和發動電池13的充電狀態滿足或超出一最小限值，過程執行沿「是」分支返回到電池功率管理例程78。如前所述，可使用充電狀態的代替表示，例如由Vbat指示的端對端電壓。如果充電的電池狀態不滿足最小閾值，指示需要再充電，則從判決步驟102開始沿「否」分支進至步驟104，在步驟104確認功率不在底盤電池12和交流發電機20之間被傳導至發動電池13。接觸器58的默認斷開狀態在步驟104得以確認。接著，在步驟106，信號線22變高以開始引擎發動(步驟106)。在步驟108對自維持引擎14的操作進行監視，該監視過程遵循從步驟108開始的「斷開」分支通過步驟110、112循環回歸以保持引擎發動。步驟110、112實現一超時進程，該超時進程限定將引擎發動保持多長時間(或更準確地說，使引擎發動多少次)。如果發動失敗，則提供中止規定(步驟112)以向交通工具操作者提供建議。一旦引擎14運行，「導通」分支從步驟108開始遵循「導通」分支至步驟114，步驟114確定底盤電池12電壓和發動電池13電壓足夠接近以允許這些電池之間無阻礙的功率流動。從步驟114開始，過程可遵循「否」路徑，它指示超出無阻礙功率流動的極限的電壓差。在步驟116，預充電電路60被導通，這允許有限的電流一般從功率總線16的底盤電池12側流至功率總線的發動電池13側。維持這種狀態，直到電壓差足夠地減小以使接觸器58閉合以允許不受阻礙的功率流過為止，如從步驟114開始沿「是」分支至步驟118那樣給出，步驟118指示預充電電路60被截止或「斷開」且接觸器58閉合。一旦底盤電池和發動電池12、13被完全充電(如步驟120所確定的)，引擎14被斷開(步驟124)。在步驟120的「否」分支循環回歸被省去，但要理解這是固有的。一旦引擎14斷開，過程返回到電池管理78。 在系統中建立滯後的意義在於，發起充電的充電電平的狀態小於將引擎14停機所需的充電狀態。
權利要求
1.一種機動交通工具電氣供電系統,包括 引擎，用於產生機械能； 發電機，機械地耦合至所述引起以接收機械能用於產生電功率； 底盤電池，連接以從所述發電機接收電功率； 起動電機，用於發動所述引擎； 發動電池，用於響應於起動信號向所述起動電機提供電功率； 多狀態連接器，位於所述底盤電池和所述發動電池之間，所述多狀態連接器具有閉合狀態和斷開狀態，在所述閉合狀態下電功率可在所述底盤電池和所述發動電池之間流動，而在所述斷開狀態下中斷從所述底盤電池和發電機至所述發動電池的電功率流動； 空轉使能開關，具有激活和非激活狀態； 用於確定所述發動電池和所述底盤電池中的至少一者的電池充電狀態的裝置；以及控制器，，對所述空轉使能開關處於其活動狀態和所述確定的電池充電狀態作出響應以控制所述引擎的周期性起動和停轉。
2.如權利要求I所述的機動交通工具電氣供電系統，其特徵在於，還包括 所述多狀態接觸器具有限制閉合狀態，在所述限制閉合狀態中在所述底盤電池和所述發動電池之間的電功率流動是浪湧限制的。
3.如權利要求2所述的機動交通工具電氣供電系統，其特徵在於，所述多狀態連接器還包括 接觸器，連接在所述底盤電池和所述發動電池之間；以及 預充電電路，與所述底盤電池和所述發動電池之間的接觸器並聯，所述接觸器是斷開的而所述預充電電路是活動的以響應所述底盤電池和所述發動電池之間的電壓差而在所述底盤電池和所述發動電池之間提供浪湧限制的電功率流動。
4.如權利要求2所述的機動交通工具電氣供電系統，其特徵在於，還包括 逆變器，允許連接至外部電功率源；以及 來自所述逆變器的輸出，被連接至所述底盤電池。
5.如權利要求2所述的機動交通工具電氣供電系統，其特徵在於，還包括 用於所述發動電池的溫度感測元件；以及 響應於所述發動電池的溫度測量用於設定所述多狀態連接器的狀態的裝置。
6.如權利要求4所述的機動交通工具電氣供電系統，其特徵在於，還包括 用於所述發動電池的電池艙； 加熱、通風和空氣調節系統以及所述電池艙的出口 ；以及 響應於所述溫度測量用於激活所述加熱、通風和冷卻系統以控制所述電池艙內的溫度的裝置。
7.—種電氣供電系統,包括 內燃引擎； 交流發電機，機械地耦合至所述內燃引擎以產生電力； 電氣起動電機，機械地耦合至所述內燃引擎以發動所述內燃引起使其起動； 底盤電池，電氣地連接於所述交流發電機； 發動電池；接觸器，連接在所述底盤電池和所述發動電池之間； 預充電電路，連接在所述底盤電池和所述發動電池之間，其允許所述底盤電池和所述發動電路之間有限的電流流動； 多個電氣負載，連接以獨立於所述接觸器或所述預充電電路的導電狀態而從所述底盤電池和交流發電機供能；以及 電氣起動電機，連接以獨立於所述接觸器或所述預充電電路的導電狀態而從所述發動電池供能。
8.如權利要求7所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 控制器，用於設定所述接觸器和所述預充電電路的工作狀態。
9.如權利要求8所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 用於所述發動電池的溫度傳感器，所述溫度傳感器連接以向所述控制器提供發動電池溫度測量；以及 所述控制器響應於落在一預定限值外的溫度測量而將所述接觸器和所述預充電電路設定在非導電工作狀態。
10.如權利要求8所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 產生所述發動電池和所述底盤電池中的至少一者的充電狀態測量的裝置； 所述控制器響應於所述充電狀態測量而設定所述接觸器和所述預充電電路中的一者的導電工作狀態。
11.如權利要求10所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 所述控制器進一步響應於指示所述發動電池和所述底盤電池中的一個或多個的放電狀態的所述充電狀態測量而起動所述發動電機的操作，直到所述內燃引擎開始運行為止。
12.如權利要求11所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 所述控制器進一步響應於與所述內燃引擎運行同時出現的所述底盤電池和所述發動電池之間超出允許的差的電位差而將所述預充電電路設定在導電工作狀態並將所述接觸器設定在斷開工作狀態，直到所述電位差落在所述允許的差以下為止並隨後將所述接觸器設定在閉合工作狀態。
13.如權利要求8所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 逆變充電器，允許連接至岸電源； 來自逆變充電器的輸出，被連接至所述底盤電池，其允許所述岸電源取決於所述預充電電路和所述接觸器的工作狀態而與所述發動電池隔絕。
14.如權利要求12所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 多個負載，選擇性地連接至所述底盤電池。
15.如權利要求9所述的電氣供電系統，其特徵在於，還包括 加熱、通風和空氣調節系統，包括將經處理的空氣傳遞至所述發動電池周圍的環境的裝置；以及 所述控制器響應於落在所述預定限值以外的溫度測量而使所述加熱、通風和空氣調節系統將經處理的空氣傳遞至所述環境以使關聯於所述發動電池的溫度測量落在所述預定限值內。
全文摘要
一種交通工具電功率系統包括發電機，該發電機產生功率以施加於負載並施加於底盤和電池以供儲能。引擎的起動電動機主要由電池供能。電池之間的接觸器具有閉合狀態和斷開狀態，在閉合狀態下功率可在電池之間流動，而在斷開狀態下中斷電池和底盤電池之間的功率流動和從發電機至發動電池的功率流動。控制器允許引擎的周期的停轉和開始響應於至少一個電池的電池充電狀態，以運作內燃引擎以保持在最小電池充電狀態。接觸器可具有限制閉合的狀態，其中電池之間的功率流動是浪湧限制的。響應於電池之間的電壓差，對流過連接器的功率流動進行浪湧限制。
文檔編號H02J7/00GK103238260SQ201080070476
公開日2013年8月7日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者P·K·巴居瑞, J·雅各布 申請人:萬國卡車智慧財產權有限公司