切換的電池和電容器裝置及相關操作方法
2023-12-02 13:01:06
專利名稱：切換的電池和電容器裝置及相關操作方法
技術領域：
這裡描述的主題的實施例總體上涉及機動車中的電氣系統，更特別地，本主題的實施例涉及用於調整能量存儲元件如電池的充電狀態的系統和方法。
背景技術：
近年來，科技進步，以及不斷發展的對款式的品味，導致了在汽車設計中重大的變化。其中一個變化涉及汽車內各種電氣系統的複雜性和動力使用，特別是可替代燃料車輛， 如混合動力車輛、電動車輛和燃料電池車輛。許多電氣部件共享相同的直流(DC)電壓總線。DC電壓總線(可替代地稱為高電壓DC總線、動力總線、或電氣總線)配置為將DC動力從車輛內的一個或多個DC動力源傳送到車輛內許多其它的電氣部件，如功率逆變器、空氣壓縮機、功率轉換器、輔助動力模塊等等。燃料電池(或燃料電池堆)是一種DC動力源，其可以連接到DC電壓總線以將DC 動力提供給車輛內的其它電氣部件。由於燃料電池的內阻和/或歐姆損耗和其他操作特徵，重負載條件和/或車輛的啟動通常需要超過燃料電池能提供的動力。因此，電池(或可充電電池組)通常用來在重負載條件和/或啟動期間提供附加動力以及存儲來自車輛驅動單元的再生能量。然而，許多電池在操作期間不能適應燃料電池大的電壓擺動。一些現有技術中的系統利用雙向DC/DC轉換器逐步提高來自電池的電壓以匹配由燃料電池的電壓輸出支配的DC電壓總線電壓，或可替代地，在電池再充電期間逐步降低燃料電池電壓。DC/ DC轉換器相對較大、成本高並沉重，具有明顯的缺點。
發明內容
根據一個實施例，提供了一種車輛的電氣系統。該電氣系統包括電容元件；連結到電容元件的切換裝置，該切換裝置配置為連結在總線的軌和能量存儲元件之間；和連結到切換裝置和能量存儲元件的控制模塊。控制模塊配置為當能量源的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置使得能量存儲元件的電壓基本等於總線的軌的電壓。控制模塊還配置為當能量存儲元件的充電狀態大於較高的閾值時操作切換裝置以便將電容元件的電壓加到能量存儲元件的電壓上。控制模塊還配置為當能量存儲元件的充電狀態小於較低的閾值時操作切換裝置以便從能量存儲元件的電壓減去電容元件的電壓。在另一個實施例中，提供一種用於操作車輛內電氣系統的方法。該電氣系統包括連結到總線的燃料電池和通過連結到電容器的切換裝置連結到總線的電池。該方法包括 當電池的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置使得電池的電池電壓基本等於燃料電池的燃料電池電壓；當電池的充電狀態小於較低的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器；且當電池的充電狀態大於較高的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器。根據又一個實施例，提供一種電氣系統。該電氣系統包括包括正軌和負軌的總線；電池，其具有正端子和連結到總線負軌的負端子；和具有正端子和負端子的電容器。第一切換元件連結在電容器的正端子和總線正軌之間，第一切換元件配置為當第一切換元件關閉時允許電流從電容器的正端子到正軌。第二切換元件連結在電容器的負端子和總線正軌之間，第二切換元件配置為當第二切換元件關閉時允許電流從正軌到電容器的負端子。 第三切換元件連結在電容器的正端子和電池的正端子之間，第三切換元件配置為當第三切換元件關閉時允許電流從電容器的正端子到電池的正端子。第四切換元件連結在電容器的負端子和電池的正端子之間，第四切換元件配置為當第四切換元件關閉時允許電流從電池的正端子到電容器的負端子。本發明進一步涉及以下解決方案方案1 一種車輛的電氣系統，該電氣系統包括電容元件；連結到電容元件的切換裝置，該切換裝置配置為連結在總線的軌和能量存儲元件之間；和連結到切換裝置和能量存儲元件的控制模塊，其中，控制模塊配置為當能量源的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置使得能量存儲元件的電壓基本等於總線的軌的電壓；當能量存儲元件的充電狀態大於較高的閾值時操作切換裝置以便將電容元件的電壓加到能量存儲元件的電壓上；且當能量存儲元件的充電狀態小於較低的閾值時操作切換裝置以便從能量存儲元件的電壓減去電容元件的電壓。方案2 如方案1所述的電氣系統，其中電容元件具有第一端子和第二端子；並且切換裝置包括連結到電容元件的第一端子的第一節點；連結到電容元件的第二端子的第二節點；連結到總線的軌的第三節點；連結到能量存儲元件的第四節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一開關，第一開關配置為當第一開關關閉時允許電流從第一節點到第三節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一二極體，第一二極體配置為與第一開關反向並聯；連結在第二節點和第三節點之間的第二開關，第二開關配置為當第二開關關閉時允許電流從第三節點到第二節點；連結在第二節點和第三節點之間的第二二極體，第二二極體配置為與第二開關反向並聯；連結在第一節點和第四節點之間的第三開關，第三開關配置為當第三開關關閉時允許電流從第一節點到第四節點；連結在第一節點和第四節點之間的第三二極體，第三二極體配置為與第三開關反向並聯；連結在第二節點和第四節點之間的第四開關，第四開關配置為當第四開關關閉時允許電流從第四節點到第二節點；和連結在第二節點和第四節點之間的第四二極體，第四二極體配置為與第四開關反向並聯。方案3 如方案2所述的電氣系統，其中，控制模塊配置為當能量存儲元件的充電狀態小於或等於較低的閾值時開啟第一開關、第二開關、 第三開關和第四開關；且當能量存儲元件的充電狀態大於或等於較高的閾值時開啟第一開關、第二開關、 第三開關和第四開關。方案4 如方案2所述的電氣系統，其中，控制模塊配置為；當在第一操作模式下電容元件的電壓高於零並且能量存儲元件的充電狀態大於或等於較低的閾值時關閉第一開關和第四開關；且當在第二操作模式下電容元件的電壓大於零並且能量存儲元件的充電狀態小於或等於較高的閾值時關閉第二開關和第三開關。方案5 如方案1所述的電氣系統，其中電容元件包括具有第一端子和第二端子的非極化電容器；並且切換裝置包括連結到電容元件的第一端子和總線的軌的第一節點；連結到電容元件的第二端子和能量存儲元件的第二節點；第三節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一開關，第一開關配置為當第一開關關閉時允許電流從第一節點到第三節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一二極體，第一二極體配置為與第一開關反向並聯；連結在第二節點和第三節點之間的第二開關，第二開關配置為當第二開關關閉時允許電流從第二節點到第三節點；和連結在第二節點和第三節點之間的第二二極體，第二二極體配置為與第二開關反向並聯。方案6 如方案1所述的電氣系統，其中電容元件包括具有第一端子和第二端子的非極化電容器；並且切換裝置包括連結到電容元件的第一端子和總線的軌的第一節點；連結到電容元件的第二端子和能量存儲元件的第二節點；連結在第一節點和第二節點之間的繼電器，繼電器配置為允許在第一節點和第二節點之間有雙向電流。方案7 —種用於操作車輛內電氣系統的方法，該電氣系統包括連結到總線的燃料電池和通過連結到電容器的切換裝置連結到總線的電池，該方法包括當電池的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置使得電池的電池電壓基本等於燃料電池的燃料電池電壓；當電池的充電狀態小於或等於較低的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器；且當電池的充電狀態大於或等於較高的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器。方案8 如方案7所述的方法，其中，操作切換裝置使得電池電壓基本等於燃料電池電壓包括當電池的充電狀態在較低的閾值和較高的閾值之間時短路電容器。方案9 如方案8所述的方法，其中，操作切換裝置使得電池電壓基本等於燃料電池電壓進一步包括當電容器電壓大於零並且電池的充電狀態在較低的閾值和較高的閾值之間時，在短路電容器之前使電容器放電。方案10 如方案7所述的方法，其中當電池的充電狀態小於或等於較低的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器包括從電池電壓減去電容器電壓；且當電池的充電狀態大於或等於較高的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器包括將電容器電壓加到電池電壓上。方案11 一種電氣系統，包括包括正軌和負軌的總線；電池，其具有正電池端子並具有連結到負軌的負電池端子；具有正電容器端子和負電容器端子的電容元件；連結在正電容器端子和正軌之間的第一切換元件，第一切換元件配置為當關閉時允許電流從正電容器端子到正軌；連結在負電容器端子和正軌之間的第二切換元件，第二切換元件配置為當關閉時允許電流從正軌到負電容器端子；連結在正電容器端子和正電池端子之間的第三切換元件，第三切換元件配置為當關閉時允許電流從正電容器端子到正電池端子；和連結在負電容器端子和正電池端子之間的第四切換元件，第四切換元件配置為當關閉時允許電流從正電池端子到負電容器端子。方案12 如方案11所述的電氣系統，進一步包括連結在正電容器端子和正軌之間的第一二極體，第一二極體配置為允許電流從正軌到正電容器端子；連結在負電容器端子和正軌之間的第二二極體，第二二極體配置為允許電流從負電容器端子到正軌；連結在正電容器端子和正電池端子之間的第三二極體，第三二極體配置為允許電流從正電池端子到正電容器端子；和連結在負電容器端子和正電池端子之間的第四二極體，第四二極體配置為允許電流從負電容器端子到正電池端子。
方案13 如方案11所述的電氣系統，進一步包括燃料電池，該燃料電池具有連結到總線的正軌的正燃料電池端子和連結到總線的負軌的負燃料電池端子。方案14 如方案13所述的電氣系統，電容元件在正電容器端子和負電容器端子之間具有電容器電壓，其中，電氣系統進一步包括連結到電池和電容元件的控制模塊，其中， 控制模塊配置為當電容元件電壓等於零且電池充電狀態在預定範圍內時使用第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件和第四切換元件中的至少一個來短路電容元件。方案15 如方案14所述的電氣系統，進一步包括連結在正電容器端子和總線正軌之間的第一二極體，第一二極體配置為允許電流從正軌到正電容器端子；連結在負電容器端子和總線正軌之間的第二二極體，第二二極體配置為允許電流從負電容器端子到正軌；連結在正電容器端子和正電池端子之間的第三二極體，第三二極體配置為允許電流從正電池端子到正電容器端子；和連結在負電容器端子和正電池端子之間的第四二極體，第四二極體配置為允許電流從負電容器端子到正電池端子。方案16 如方案15所述的電氣系統，其中，控制模塊連結到第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件和第四切換元件，控制模塊配置為當電池充電狀態不在預定範圍內時開啟第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件和第四切換元件。方案17 如方案14所述的電氣系統，控制模塊連結到第一切換元件、第二切換元件、第三切換元件和第四切換元件，其中，響應於操作模式的變化，控制模塊配置為當電池的充電狀態大於較低的閾值時通過關閉第一切換元件和第四切換元件使電容元件放電；且當電池的充電狀態小於較高的閾值時通過關閉第二切換元件和第三切換元件使電容元件放電。方案18 如方案13所述的電氣系統，其中，電池的開路電壓小於燃料電池的開路電壓，且大於滿負載時燃料電池的電壓。方案19 如方案13所述的電氣系統，其中，電容元件包括超級電容器。方案20 如方案13所述的電氣系統，進一步包括連結到總線的電氣驅動單元，電氣驅動單元配置為在第一操作模式下從總線接收電流；且在第二操作模式下向總線提供電流。本發明內容部分以簡化的形式介紹了概念的選擇，這些概念在以下詳細的說明中將進一步描述。本發明內容部分不旨在確定所要求保護主題的關鍵特徵或必要特徵，也不是用來幫助確定所要求保護的主題的範圍。
當結合以下附圖通過參考詳細說明書和權利要求書時，可以得到對本主題的更完整的理解，其中在所有附圖中相同的附圖標記表示相似的元件。圖1是根據一個實施例適合用在車輛中的電氣系統的示意圖2是根據另一個實施例適合用在車輛中的電氣系統的示意圖；和圖3是根據一個實施例適合用於圖1的電氣系統的電池充電狀態(SOC)管理過程的流程圖。
具體實施例方式以下詳細的說明書本質上僅僅是說明性的而不意圖限制本主題的實施例或這些實施例的應用和使用。如這裡所用，詞語「示例性」意味著「作為例子，例證或說明」。這裡被描述為「示例性」的任何實施例不是必須解釋為與其它實施例相比為優選的或有利的。此外，這裡沒有任何意圖要受到出現在前面的技術領域、背景技術、發明內容或以下具體說明中的任何明示或暗示的理論的限制。這裡可能會描述關於功能和/或邏輯塊部件的技術和科技，參考可由各種計算部件或設備執行的操作、處理任務和功能的象徵性表示。應該認識到，附圖中所示的各種塊部件可以通過任何數量的配置為執行指定功能的硬體、軟體、和/或固件部件來實現。例如， 系統或部件的實施例可以使用各種集成電路部件，例如，存儲元件、數位訊號處理元件、邏輯元件、查詢表等等，其在一個或多個微處理器或其它控制設備的控制下可執行多種功能。如這裡所用的，「節點」表示任意內部或外部參考點、連接點、交叉點、信號線、傳導元件等等，給定的信號、邏輯電平、電壓、數據模式、電流或數量存在於該處。此外，兩個或更多個節點可以通過一個物理元件實現(以及兩個或更多個信號可以是多路的、已調製的或者有區別的，即使在共同的節點接收或輸出)。以下說明提到元件或節點或特徵被「連接(connected) 」或「連結(coupled) 」在一起。如這裡所用，除非另有明確的聲明，否則「連接」表示一個元件/節點/特徵直接與另一個元件/節點/特徵結合(或直接通信)，而不是必須機械地結合。同樣，除非另有明確的說明，否則「連結」表示一個元件/節點/特徵直接或間接與另一個元件/節點/特徵結合(或直接或間接通信)，而不是必須機械地結合。因此，儘管附圖可能描述了元件的一種示例性布置，但另外介於中間的元件、裝置、特徵或部件可以在所描述的主題的實施例中出現。此外，僅僅為參考的目的，某些術語也可以用在以下說明中，因此不旨在作為限制。表示結構的術語「第一」、「第二」和其他這種數字術語不意味著順序或次序，除非通過上下文清楚指出。為了簡短的目的，涉及模擬電路設計、發信號、感測、基於電晶體的切換、電能量和 /或動力轉換、和系統的其它功能性方面(以及系統的獨立操作部件)的傳統技術可以不在這裡詳細描述。此外，包含在這裡的各種圖中所示的連接線意圖表示在各種元件之間的示例性功能關係和/或物理連結。應該注意的是，許多替代或額外的功能關係或物理連接可以出現在本主題的實施例中。這裡討論的技術和概念總體上涉及用於將能量存儲元件如電池(或其它合適的能量存儲元件)連結到DC電壓總線而無需DC/DC轉換器的系統和方法。切換裝置連結到電容元件，如超級電容器，其可插入電池和DC電壓總線之間。切換裝置以這樣一種方式操作以便允許電池在電氣系統操作期間提供附加動力(或電流)和/或接收充電電流，而同時保證電池的充電狀態(SOC)維持在預定範圍內，也就是說，在較低的SOC限值和較高的 SOC限值之間。在這點上，如下更詳細的描述，切換裝置以這樣一種方式操作以便當電池的SOC不在預定範圍內時在電池和DC電壓總線之間電串聯地插入電容元件，並有效地改變電容器的極性以便電池的開路電壓和電容器電壓的組合基本等於DC總線電壓。圖1示出了適合用於例如燃料電池車輛和/或混合動力車輛的車輛150的電氣系統100的示例性實施例。電氣系統100包括而不限於燃料電池102、能量存儲元件104、電容元件106、切換裝置108和電氣負載110。電氣系統100的各種元件連結到總線112，其在這裡可以稱為DC電壓總線、動力總線、共用(共享)總線或電氣總線。在示例性實施例中， 電氣系統100進一步包括控制模塊114，其適合地配置為支持電氣系統100的操作，如以下更詳細的描述。可以理解的是，圖1是為了說明的目的的電氣系統100的簡化示圖，而不以任何方式試圖限制這裡所描述的本主題的範圍或應用。在示例性實施例中，總線112包括連結到燃料電池102的正端子120的正軌116 和連結到燃料電池102的負端子122的負軌118，以在正軌116和負軌118之間以如下所述的傳統方式建立電勢差。在這點上，總線電壓(例如，在正軌116和負軌118之間的電勢) 等於跨燃料電池102的端子120、122的電壓(由Vrc表示並在這裡可替換地稱為燃料電池電壓)並基於流向/流出電氣負載110的電流(ij量波動，電氣負載110連結到總線112 的兩個軌116、118。能量存儲元件104的負端子1 連結到負軌118且能量存儲元件104 的正端子1 連結到切換裝置108。切換裝置108連結到正軌116以便能量存儲元件104 的正端子1 通過切換裝置108連結到總線112的正軌116。切換裝置108連結到電容元件106且控制模塊114配置為操作切換裝置108以便電容元件106可選擇地電串聯地插入電池104的正端子124和總線112的正軌116之間。在示例性實施例中，電氣系統100配置為總線112包括高電壓總線。可以理解的是，這裡使用的短語「高電壓」通常表示大於60伏特DC (或30伏特AC)的電壓水平或額定電壓。在這點上，在示例性實施例中，燃料電池102被實現為一個或多個燃料電池(例如燃料電池堆)，這一個或多個燃料電池電串聯地布置和/或配置以便總線112可以具有從大約200伏特到400伏特的標稱電壓範圍。例如，獨立的燃料電池可以具有大約1伏特的空載電壓(idle voltage)，其中燃料電池102包括大約400個電串聯配置的獨立的燃料電池以提供大約400伏特的開路電壓。然而，由於內阻和/或歐姆損失，跨燃料電池102的端子120、122的電壓隨著由燃料電池102提供的電流的增加而降低，也就是說，燃料電池電壓 (Vfc)和燃料電池102提供的電流反向相關。例如，當燃料電池102提供它能提供的最大電流量時(例如，在全額定負載下)，具有大約400伏特開路電壓的燃料電池102可具有大約 200伏特的跨端子120、122的電壓。在示例性實施例中，能量存儲元件104被實現為可再充電電池(或可再充電電池組)。因此，為了方便，但是沒有限制，能量存儲元件104在這裡可以可替代地稱為電池。以如上在燃料電池102的背景下所描述的相似方式，跨電池104的端子124、126的電壓(由Vb 表示並可替代地在這裡稱為電池電壓)隨著由電池104提供的電流的增加而降低，相反地， 跨電池104的端子124、126的電壓隨著電池104的充電電流的增加(例如，進入電池104的正端子124的電流)而增加。在示例性實施例中，電池104的開路電壓大於在全額定負載下的燃料電池102的電壓，但是小於燃料電池102的開路電壓。例如，在燃料電池102具有大約400伏特的開路電壓和全負載下大約200伏特的電壓的示例性實施例中，電池104具有大約300伏特DC的標稱開路電壓。如下更詳細的描述，在示例性實施例中，在電氣系統100操作期間，切換裝置108操作以便電池104或者提供額外動力給電氣負載110直到達到較低的SOC限值，或者從電氣負載110接收或存儲再生能量(或充電電流)(例如，iL 0)，控制模塊114可以確定電氣系統100處於能量傳輸模式。為了釋放由電容器106存儲的能量和向負載110提供額外的電流，控制模塊114通過關閉(或轉向ON)第一切換元件140和第四切換元件146同時保持第二切換元件142和第三切換元件144處於開啟(或OFF)狀態來操作切換裝置108。當第一切換元件140和第四切換元件146關閉時， 電容器106和電池104配置為電串聯在總線112的軌116、118之間。這樣，組合的電容器電壓(Vc)和電池電壓(Vb)與總線電壓和/或燃料電池電壓(Vrc)匹配。換句話說，電容器電壓(Ve)和電池電壓(Vb)的總和基本等於燃料電池電壓(Vrc)，若忽略穿過切換元件140、 146的電壓降。當電容器電壓釋放時，電池電壓(Vb)和燃料電池電壓(Vrc)波動以保持到負載110的期望電流。相反，當電流沒有流向負載110(例如，、0)時，控制模塊114監測電池104的SOC同時電池104放電並向電氣負載110提供電流。當電池104的SOC小於或等於較低的SOC閾值時，控制模塊114開啟切換元件140、142、144、146，從而允許電池104通過二極體145和二極體143對電容器106充電。在這點上，電流從電池104的正端子IM 流經二極體145到電容器106的正端子128，從而增加對電容器106充電的跨端子1觀、130 的電壓。從電池電壓有效地減去電容器電壓(或將電容器電壓加到燃料電池電壓上)，以便燃料電池電壓和電容器電壓的總和基本等於電池104的開路電壓。當電池104的電壓返回到電池104的開路電壓時，電池104停止向電氣負載110提供電流，從而保持其S0C。以這種方式，通過開啟切換元件140、142、144、146操作切換裝置108防止了對電池104放電到較低的SOC限值之下。應該認識到，在實際中，電池104可以繼續放電直到電容器106完全充電，也就是說，當電容器電壓(Vc)等於電池104的開路電壓和總線電壓和/或燃料電池電壓(Vrc)之間的差值。在這種情況中，較低的SOC閾值可以相應地調節以考慮到額外的放電，以便保持電池104的期望SOC擺動(或較低的SOC限值)。相反，當電氣系統100處於再生模式(例如，時，控制模塊114監測電池 104的充電狀態而燃料電池102和/或電氣負載110向電池104提供充電電流。當電池104 的SOC大於或等於較高的SOC閾值時，控制模塊114開啟切換元件140、142、144、146，從而允許電池104通過二極體141和二極體147對電容器106充電。在再生模式中，電流從總線112的正軌116穿過二極體141到電容器106的正端子128，從而增加跨電容器106的端子128、130的電壓(或對電容器106充電)。當電氣負載110和/或燃料電池102對電容器106充電時，電池104的電壓返回其開路電壓。電容器電壓有效地加到電池電壓(或從燃料電池電壓減去)，以便電池104的開路電壓和電容器電壓的總和等於燃料電池電壓和/ 或總線電壓。以這種方式，通過開啟切換元件140、142、144、146來操作切換裝置108防止了電池104充電到較高的SOC限值之上。如上所述，應該認識到，在實際中，電池104可繼續充電直到電容器106完全充電，在這種情況下，較高的SOC閾值可相應地調節以考慮到額外的充電，以便保持電池104的期望的SOC擺動。對於圖2的實施例，為了保持電池204的SOC在較低的SOC限值以上，當電池204 的SOC到達較低的SOC閾值時控制模塊214通過開啟(或轉向OFF)第一切換元件240和關閉(或轉向ON)第二切換元件242來操作切換裝置208。在這點上，在能量傳輸模式下電池204的SOC將到達較低的SOC閾值，其中電容器206電串聯地連接到總線212的正軌 216和電池204的正端子2M之間。在能量傳輸模式下，電流從電池204的正端子2M流向電容器206的端子230，從而增加從電容器206的端子230到端子228的電壓(例如，Vc <0)。因此，電池204對電容器206充電，使得電容器電壓有效地從電池電壓減去(或加到燃料電池電壓上)。這樣，燃料電池電壓和電容器電壓的總和基本等於電池204的開路電壓。這允許跨電池204的端子224、226的電壓返回電池204的開路電壓並防止對電池204 充電和/或放電到較低的SOC限值之下。相反，為了保持電池204的SOC在較高的SOC限值之下，當電池204的SOC達到較高的SOC閾值時控制模塊214通過開啟(或轉向OFF)第二切換元件242和關閉(或轉向 ON)第一切換元件240來操作切換裝置208。在這點上，在再生模式下電池204的SOC將達到較高的SOC閾值，其中電容器206電串聯地連接到總線212的正軌216和電池204的正端子2M之間。在再生模式下，電流從總線212的正軌216流向電容器206的端子228，從而增加從電容器206的端子228到端子230的電壓。由於電氣負載210和/或燃料電池202 對電容器206充電，電池204的電壓返回到其開路電壓。電容器電壓有效地加到電池電壓 (或從燃料電池電壓減去)，以便電池204的開路電壓和電容器電壓的總和等於燃料電池電壓和/或總線電壓。以這種方式，電池SOC管理過程300防止對電池204充電到較高的SOC 限值之上。在切換裝置208包括在節點232、234之間的繼電器的實施例中，控制模塊214 開啟(或轉向OFF)繼電器以便根據需要將電容器電壓加到電池電壓和/或從電池電壓減去。在示例性實施例中，電池SOC管理過程300通過確定是否存在操作模式的變化， 例如，從能量傳輸模式到再生模式或反之(任務314)，來繼續。當操作模式變化時，通過任務302、304、306、308、210、212和214定義的迴路在電氣系統100的整個操作中根據期望進行重複。每當電容器電壓大於零並且電池104、204的SOC處於較低的和較高的SOC限值內，電容器106、206以如前所述相似的方式放電(任務302、304)。應該認識到，這通過保證任何由電容器106、206存儲的能量在每次操作模式變化時均得到利用，來提高電氣系統 100,200的效率。例如，如果電氣系統100、200開始時處在能量傳輸模式，則燃料電池102、 202和電池104、204將向電氣負載110、210提供電流直到達到電池104、204較低的SOC閾值(任務306,308,310)。在達到較低的SOC閾值後，控制模塊114,214操作切換裝置108、 208以對電容器106、206充電，從而允許電池電壓返回開路電壓並防止電池104、204的進一步放電(任務31幻。當電氣系統100、200變化到再生模式時(例如，再生制動)，控制模塊114、214操作切換裝置108、208以對電容器106、206放電並向電池104、204提供額外的充電電流直到電容器完全放電(任務302、304、306、314)。在電容器106、206放電之後，控制模塊114、214操作切換裝置108、208以短路電容器106、206並對電池104、204充電直到達到較高的SOC閾值(任務308、310)。一旦達到較高的SOC閾值，控制模塊114、214操作切換裝置108、208以對電容器106、206充電，從而允許電池電壓返回到開路電壓並防止電池104、204的進一步充電(任務31幻。當電氣系統100、200變化到能量傳輸模式時，控制模塊114、214操作切換裝置108、208以對電容器106、206放電並對電氣負載110、210提供額外的電流直到電容器106、206完全放電(任務302、304、306、314)。在使電容器106、206 放電之後，控制模塊114、214操作切換裝置108、208以短路電容器106、206並對電池104、 204放電直到達到較低的SOC閾值，如上所述(任務308,310)。由任務302、304、306、308、 210,212和214定義的迴路可以在電氣系統的整個操作中根據期望進行重複。做一簡要地總結上述系統和/或方法的優點是，本電氣系統在高峰負載條件下能提供期望的電流和/或動力同時限制電池的SOC擺動，從而改善電池的可靠性和/或壽命。此外，上述系統和/或方法允許電池連結到總線而無需DC/DC升壓轉換器同時保持限制電池SOC擺動的能力。此外，電池電壓可選擇為在燃料電池堆的空載電壓(或開路電池電壓)和燃料電池堆的滿負載電壓之間的任意電壓，並與傳統的電池/電容器配置相比由於降低的動力和/或能量操縱需求而允許使用較小的電容器106、206。儘管前述詳細的說明中出現了至少一個示例性實施例，但應該認識到，存在大量的變型。還應該認識到，這裡所述的示例性實施例不以任何方式試圖限制所要求保護的主題的範圍、應用或配置。相反，前述的詳細說明為本領域技術人員提供了便利的路線圖，用以實施所述實施例。可以理解的是，在不脫離權利要求所定義的範圍(其包括在提交本專利申請時已知的同等物和可預知的同等物)的情況下，可以對元件的功能和布置進行各種變化。
權利要求
1.一種車輛的電氣系統，該電氣系統包括 電容元件；連結到電容元件的切換裝置，該切換裝置配置為連結在總線的軌和能量存儲元件之間；和連結到切換裝置和能量存儲元件的控制模塊，其中，控制模塊配置為 當能量源的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置使得能量存儲元件的電壓基本等於總線的軌的電壓；當能量存儲元件的充電狀態大於較高的閾值時操作切換裝置以便將電容元件的電壓加到能量存儲元件的電壓上；且當能量存儲元件的充電狀態小於較低的閾值時操作切換裝置以便從能量存儲元件的電壓減去電容元件的電壓。
2.如權利要求1所述的電氣系統，其中 電容元件具有第一端子和第二端子；並且切換裝置包括連結到電容元件的第一端子的第一節點； 連結到電容元件的第二端子的第二節點； 連結到總線的軌的第三節點； 連結到能量存儲元件的第四節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一開關，第一開關配置為當第一開關關閉時允許電流從第一節點到第三節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一二極體，第一二極體配置為與第一開關反向並聯；連結在第二節點和第三節點之間的第二開關，第二開關配置為當第二開關關閉時允許電流從第三節點到第二節點；連結在第二節點和第三節點之間的第二二極體，第二二極體配置為與第二開關反向並聯；連結在第一節點和第四節點之間的第三開關，第三開關配置為當第三開關關閉時允許電流從第一節點到第四節點；連結在第一節點和第四節點之間的第三二極體，第三二極體配置為與第三開關反向並聯；連結在第二節點和第四節點之間的第四開關，第四開關配置為當第四開關關閉時允許電流從第四節點到第二節點；和連結在第二節點和第四節點之間的第四二極體，第四二極體配置為與第四開關反向並聯。
3.如權利要求2所述的電氣系統，其中，控制模塊配置為當能量存儲元件的充電狀態小於或等於較低的閾值時開啟第一開關、第二開關、第三開關和第四開關；且當能量存儲元件的充電狀態大於或等於較高的閾值時開啟第一開關、第二開關、第三開關和第四開關。
4.如權利要求2所述的電氣系統，其中，控制模塊配置為；當在第一操作模式下電容元件的電壓高於零並且能量存儲元件的充電狀態大於或等於較低的閾值時關閉第一開關和第四開關；且當在第二操作模式下電容元件的電壓大於零並且能量存儲元件的充電狀態小於或等於較高的閾值時關閉第二開關和第三開關。
5.如權利要求1所述的電氣系統，其中電容元件包括具有第一端子和第二端子的非極化電容器；並且切換裝置包括連結到電容元件的第一端子和總線的軌的第一節點； 連結到電容元件的第二端子和能量存儲元件的第二節點； 第三節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一開關，第一開關配置為當第一開關關閉時允許電流從第一節點到第三節點；連結在第一節點和第三節點之間的第一二極體，第一二極體配置為與第一開關反向並聯；連結在第二節點和第三節點之間的第二開關，第二開關配置為當第二開關關閉時允許電流從第二節點到第三節點；和連結在第二節點和第三節點之間的第二二極體，第二二極體配置為與第二開關反向並聯。
6.如權利要求1所述的電氣系統，其中電容元件包括具有第一端子和第二端子的非極化電容器；並且切換裝置包括連結到電容元件的第一端子和總線的軌的第一節點； 連結到電容元件的第二端子和能量存儲元件的第二節點；連結在第一節點和第二節點之間的繼電器，繼電器配置為允許在第一節點和第二節點之間有雙向電流。
7.一種用於操作車輛內電氣系統的方法，該電氣系統包括連結到總線的燃料電池和通過連結到電容器的切換裝置連結到總線的電池，該方法包括當電池的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置使得電池的電池電壓基本等於燃料電池的燃料電池電壓；當電池的充電狀態小於或等於較低的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器；且當電池的充電狀態大於或等於較高的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器。
8.如權利要求7所述的方法，其中，操作切換裝置使得電池電壓基本等於燃料電池電壓包括當電池的充電狀態在較低的閾值和較高的閾值之間時短路電容器。
9.如權利要求8所述的方法，其中，操作切換裝置使得電池電壓基本等於燃料電池電壓進一步包括當電容器電壓大於零並且電池的充電狀態在較低的閾值和較高的閾值之間時，在短路電容器之前使電容器放電。
10.如權利要求7所述的方法，其中當電池的充電狀態小於或等於較低的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器包括從電池電壓減去電容器電壓；且當電池的充電狀態大於或等於較高的閾值時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器包括將電容器電壓加到電池電壓上。
全文摘要
本發明涉及切換的電池和電容器裝置及相關操作方法。具體提供了用於調節電池充電狀態的系統和方法。示例性的電氣系統包括連結到總線的燃料電池和通過連結到電容器的切換裝置連結到總線的電池。用於操作該電氣系統的示例性方法包括當電池的充電狀態大於較低的閾值且小於較高的閾值時操作切換裝置以便電池的電壓基本等於燃料電池的電壓；以及，當電池的充電狀態不在較低的閾值和較高的閾值之間時操作切換裝置以便在電池和總線之間電串聯地連結電容器。
文檔編號H02J17/00GK102431464SQ201110305360
公開日2012年5月2日 申請日期2011年8月24日 優先權日2010年8月24日
發明者P·基利安, S·利恩坎普, S·賴澤 申請人:通用汽車環球科技運作有限責任公司