专利名称：用于优化能流控制的seg(智能能量网关)的制作方法
技术领域：
本发明涉及管理电子能流的方法和系统，例如但不限于可操作来通过减少用户成 本和/或排放的方式优化能量消耗的智能能量网关(smart energygateway) (SEG)。背景在现今的车辆中，热点话题是燃料消耗减少。公知的系统是当汽车辆在交通灯处 停止时停止引擎的停止和启动设备以及将制动机械能转换成电能的再生制动装置。然而， 使用都连接到单个电网(powernet)的单个交流发电机和单个能量存储元件(电池)，在汽 车中的发电和配电系统的简单性严重限制了优化能量消耗的可能性。根据本发明的一个非 限制性的方面，多个发电(即，太阳能板...)和存储元件(即，超电容器、次级电池...)用 于提供对管理并优化能流开放的大范围的选择。这可使用被优化来获得最佳能量使用效益 的完整的系统互连和控制来实现。附图的简要说明本发明在所附权利要求中被详细地指明。然而，通过结合附图参考下面的详细描 述，本发明的其它特征将变得更明显，且本发明将被最佳地理解，在附图中
图1示出根据本发明的一个非限制性方面的车辆的电子系统；图2示出根据本发明的一个非限制性方面的智能能量网关(SEG)的内部结构图；图3-7示意性示出根据本发明的一个非限制性方面的SEG的操作；以及图8示出根据本发明的一个非限制性方面的用于管理车辆内的能量分配的方法。详细描述如所要求的，这里公开了本发明的详细实施方式；然而，应理解，所公开的实施方 式仅仅是可体现在不同的和可选的形式中的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一 些特征可被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，这里公开的特定结构和功能细节 不应被解释为限制性的，而是仅仅作为教导本领域技术人员不同地使用本发明的代表性基 石出。图1示出根据本发明的一个非限制性方面的车辆的电子系统10。系统10配置有 多个能量产生元件、能量存储元件和用电设备或负载。图2示出根据本发明的一个非限制 性方面的智能能量网关(SEG) 12的内部结构图。它包括由根据控制器/监控器22的命令 (C1，C2. ... ,Cn)控制的一系列功率开关14、16、18、20，控制器/监控器22监控实际能流和 车辆状况并使用该信息来控制车辆中完整的能流。此外，该SEG 12合并智能与实时处理和 存储能力，以分析并评估车辆经历的典型(和不同)的驾驶特征。该信息可接着用于为燃 料消耗减少和CO2排放最小化而优化能量产生和流动。
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特别是，SEG 12可在需要产生功率的任何时间来计算任何发电源的最佳操作点， 决定在哪里储存能量(在短期或长期存储元件中)，并根据真实的驾驶状况和来自前面驾 驶周期的所分析的信息来安排负载的能量消耗。可选地，系统10可在不同电位多电压源/ 存储/消耗网络中在任何时间对任何实时驾驶状况提供流动的正确的电功率路径。图3示意性示出根据本发明的一个非限制性方面的SEG 12。SEG 12被示为使用 三种不同类型的能量媒介操作总是充当输入且只需要单向功率流的源(例如交流发电机 或太阳能电池)；可储存并输出能量的其它媒介，即，双向设备例如存储元件(电池或超电 容器)，以及连接有几个元件的电网(例如，一个或多个负载、铅酸电池和外部充电器)；以 及当操作时总是消耗能量的负载(例如灯或DC电机)。SEG 12的不同工作操作模式与车辆状态直接关联。图4-7示出通过在任何驾驶状 况选择电源的最适当的组合，使用SEG 12来有效地控制不同的源以向负载提供所要求的 电流的实例。为了简化附图，实例考虑使用两个源类型的输入(交流发电机和另一发电源 例如太阳能电池)、一个存储(双向)输入/输出(电池)和一个负载型输出来操作的SEG 12。图4示出停车模式(引擎关闭)，其中车辆负载几乎不产生消耗且交流发电机关 闭。在这种情况下，如果源是可用的(例如，太阳能电池或栅格连接)，SEG 12向负载电 网(用于将电流传送到主动请求的负载的网络)提供电流，且如果源产生比负载电网所需 的功率更多的功率，则超额量可用于给存在于系统中的电池或多个电池再充电。图5示出 在停车模式期间的一种情况，其中负载电网除了负载以外还包括其它元件，例如存储元件 (电池、超电容器)或可用于给电池或多个电池再充电的发电机(例如外部充电器)。如果 负载电网没有能够充当源的元件，则该模式不是可能的。图6示出驾驶模式(引擎开启)，其中用于给负载供电的能量可由可用源的组合提 供。通常，到负载的能量将是从源#1(交流发电机)、源#2 (太阳能电池)和存储元件(电 池)流出的能量的和。根据车辆状态，每个源的能量效率变化。例如，在启动和低速时，交 流发电机具有低效率。因此，在这种情况下，给负载供电以使用来自一些可用源(在本例中 为电池和太阳能电池)的能量同时最小化从其它发电源(在本例中为交流发电机)提取的 能量可能更有效。SEG 12可确保电池(或多个电池)的荷电状态(Stateofcharge)(SOC) 保持在规定的最小值之上。在高速时，使用来自交流发电机的能量可能更有效，因为交流发 电机的效率非常高。根据每个发电源的效率图，SEG 12监控负载要求，并从每个源提取一部 分所请求的能量。如果由(纯粹的)源产生的能量高于所需要的负载(例如，典型情况是 当再生制动装置可用时)，额外产生的能量可用于给电池或多个电池再充电，如图7所示。本发明的一个非限制性的方面设想控制车辆内不同元件之间的能流。虽然本发明 没有被规定为限于能量设备的任何特定的组合，本发明设想其中车辆包括太阳能源、副产 品(byproduct)能源、交流发电机和无源(passive)能源的至少一个应用。太阳能源可操作来例如使用位于车辆的暴露给阳光的表面上的太阳能板而从太 阳能产生电能。副产品能源或多个能源可操作来从作为操作车辆的副产品产生的所谓的 “自由”能量产生电能，例如从排气的热量产生电能的热电发电机、从车辆振动产生电能的 发电机或从气流产生电能的涡轮机。发电机可操作来从燃料驱动的引擎，例如从用于推动 车辆的内燃机或燃料电池的操作，产生电能。无源能源可操作来存储电能并输出以前存储的电能，例如电池或超电容器。然而，本发明并没有被规定为限于管理在仅具有所提到的能量设备的车辆中能量 的分配。本发明充分设想在具有其它能源的车辆内的应用。一个额外的能源可为制动发电 机，其用于从再生制动装置产生电能，即，通过依赖于轮旋转来转动制动发电机。制动发电 机并不被认为是“自由”能源，即使它从车辆的操作产生能量，因为它在车辆上放置负载的 效率可被选择性地控制，而通过“自由”能源放置在车辆上的负载不能被选择性地控制，即， 在车辆上的振动、热和气流出现在所有的时间，且如果有车辆运动的任何额外的低效率，其 中产生电能的使用增加得最小。图8示出根据本发明的一个非限制性方面的用于管理车辆内的能量分配的方法 的流程图40。该方法可使用控制器或发出足以控制SEG或车辆内的其它设备的指令的其它 逻辑执行元件来执行，以便于实现完成本发明所设想的行动所必需的操作，用于管理能量 分配。块42涉及确定可从每个能源获得的电流量。可获得的电流的量可基于当前的车 辆操作状况，例如速度、负载、地形等。可对每个能源确定可获得的电流的量，以反映每个源 可提供的能量，假定车辆继续维持其当前操作状态。当车辆操作的状态改变时，例如，如果 由于云覆盖层的变化或增加的黑暗，较少的能量可用于太阳能源，如果车辆从城市改变到 高速公路驾驶，等等，则可获得的电流的量可动态地改变。可从每个源获得的电流量可随着 车辆操作状态的任何变化连续地和/或动态地更新，和/或它可按预定的时间间隔自动更 新。块44涉及确定每个源提供电流的成本。成本可基于每安培金额，例如每安培(或 所排放的C02ppm)美元。下面示出的表说明了示例性的基于货币的价格表，其用于至少部 分地基于作为车速的函数波动的电流容量，从多个源提供能量。
每个源提供电流的成本可基于源产生可用能量的成本。该成本可根据车辆的操作 变化。从交流发电机提供能量的成本例如可基于由燃料驱动的引擎操作交流发电机所消耗 的燃料的量。交流发电机将燃料转换成能量的效率可根据所产生的能量的量和引擎的操作 状况而变化。从副产品源提供能量的成本可被认为是零，因为该能量不可控制地产生，而不有意增加对车辆的要求，虽然像在太阳能源的情况中一样，这可能间断地(不完全可靠)依 赖于不可控制的事实。代替在给定的时间点产生能量的成本，成本也可基于以前引起的产生能量的成 本。无源能源例如只能够提供所储存的能量。至少为了块44的目的，以前引起的给无源能 源充电的成本可用作随后提供能量的成本。给无源能源充电的成本可随着时间的过去保持 在存储器中。因为无源能源可使用不同量的能量被周期性地充电和放电，成本可被确定为 用于预定数量的充电事件的平均值。预定数量的充电事件可基于用于实现无源能源的当前 SOC的以前的充电事件的数量。也可根据相应能源的操作设置，以不同的价格计算每个源提供可用电流的成本。 例如，可从每个源获得的电流量可指示可从其汲取或提供的所有电流，同时维持安全操作 标准。至少在这个意义上，电流的量表示可被提供的电流的最大量。在一些情况下，一个或 多个源可能能够在不同的容量水平处操作时更有效地提供电流。交流发电机例如能够在当 前车辆操作状况的最大操作容量之下操作时以较低的成本提供电流。块44可包括根据价格来确定提供可用电流的成本，该价格根据源的操作状况而 变化。根据源是否在当前车辆操作状况的最大操作容量处或之下操作，成本可包括不同的 值。在地形相关系统的情况下，成本可根据车辆是否可能进行城市或高速公路驾驶而被类 似地计算。可从被输入到全球定位系统(GPS)的旅行地图、或从根据过去的驾驶经验例如 表示驾驶员在一天中的当前时间工作所采取的一般路线的历史数据做出的推断，来确定地 形。甚至此外，每当装置可用于预测未来的车辆状态时，如同基于GPS或历史车辆使用数据 的所述导航辅助设备一样，其中系统可能知道例如长的下坡路正接近(不远的未来)，该信 息可用于提高在当前时间的能量使用优化，例如从电池获得额外的能量(在允许的阈值之 下)，因为在短时间内系统将能够给它再充电。表示提供该电流量的成本的值可由用户输入，例如由输入驱动燃料驱动的引擎的 燃料成本的用户、和/或通过在添加燃料到车辆的加燃料操作期间从燃料源发送到车辆的 无线消息。成本也可基于对车辆性能中的某些折衷的预先分配的值。从再生制动元件提供 能量例如导致车辆的增加的拖延和车辆性能的降低，即，车轮上的负载增加，以换取产生能 量。为了计算提供因而产生的能量的成本，可分配给这些和其它事件一个值。块46涉及确定一个或多个车辆负载所要求的电流。所要求的电流可基于任何车 辆设备(在这种背景下指负载)的电子操作需要。所要求的电流可基于对当前车辆操作状 况的所有负载的累积总数，且如果没有目前要求的电流，负载可能为在未来要求的电流，例 如以维持关键的车辆操作能力，如再启动、警报通电等。包括在电流要求确定中的一些车辆 负载可表示正确地操作信息娱乐化系统、加热系统、冷却系统、照明系统和安全系统所需的 电流。在一些情况下，车辆中的一些设备可在作为能源和负载之间变动。无源能源例如 可为这样的设备，取决于其S0C。在需要无源能源支持车辆再启动的情况下，例如源可能需 要最小S0C，以便执行再启动。SOC可用作阈值，以决定无源能源是否能够提供电流或需要 无源能源以要求电流。阈值可根据无源能源的使用年限、温度和与满足其期望操作有关的其它因素而变 化。在SOC高于阈值的情况下，无源能源可被认为有高达阈值的可用电流。在SOC低于阈值的情况下，例如如果必须汲取超过阈值的电流以支持不能被其它能源充分支持的关键操 作，则无源能源可被认为是至少高达阈值的负载。块48涉及识别用于提供所要求的电流的一个或多个计划表(schedule)。计划表 可基于提供足以满足电流的总要求量的至少一个能源的不同组合。每个计划表可为在不同 水平处从一个或多个源提供的预定的电流。下面示出的表说明了当车辆以10MPH行进时对 5A的所要求的电流的可能的计划表(粗体)。 计划表#1 (7. 5Ai$l. 75)
速度(MPH)1020太阳能.5Α@$0.5Α (Ci)y $0副产品1Λ@$01.1Α@$0交流发电机2Α@$12Α@$.54Λ@$1.54Α@$16Α@$1.756Α@$1.25Ν/Α8Α@$1.5无源3Α@$费用3Α@$费用计划表#2 (5. 5Ai$l. 5)计划表#1将导致能源被控制为以每安培$1. 75提供总共7. 5A。计划表#2将导 致能源被控制为以每安培$1. 5提供总共5. 5A。在每个计划表中，电流量超过所要求的量。 计划表可使用所提到的值的任何数量的组合被标识，且不需要总是导致额外的电流。额外电流计划表被示为仅仅展示对于无源能源充电的机会和随后的成本。假定采取5A来满足电流要求，计划表#1导致2. 5A可用于给无源能源充电，而计 划表#2导致.5A是可用的。虽然计划表#1更昂贵，但它可能更可靠，取决于电池的当前 S0C，即，如果电池稍微低于阈值，给电池充电可能是合乎需要的。在每个计划表内，从每个 源汲取的电流可被定向地控制到具体的车辆负载。在需要给一个无源能源充电的情况下， 来自副产品源和/或太阳能源的电流可被引导到电池，以便更多的关键负载可由交流发电 机供电。这可能是有益的，因为由于可变的天气情况，太阳能可能较不可靠。在希望最低成本解决方案的情况下，可选择计划表#2，因为它导致最低的总成本。 当然，例如如果交流发电机被控制来提供3. 5A，其它组合可被安排来进一步降低成本。计 划表#1和#2不包括无源能源作为电流提供源的部分。在无源能源SOC接近于阈值的情况 下，和/或在给无源能源充电的成本太高而不能保证其在当前车辆操作状况下的放电的情 况下，这可被完成来节省无源能源的操作。块50涉及根据在块中确定的两个计划表之一管理电流的分配。这可例如包括根 据具有最低成本的计划表(计划表#2)，基于成本来管理能量分配。此外，根据车辆优先级 和安全策略，一些负载可能甚至被断开或部分地供电，以便优先考虑电池的充电(考虑优 先级以确保足够的能量来在不远的未来启动引擎)。当然，任何数量的其它度量可用于选择在管理能量分配中使用的计划表。例如，不 是根据货币结构选择计划表，其中从一个源或另一个提供能量的利益基于货币值，可根据 排放成本估计来实现类似的控制策略，其中价值或成本根据在产生能量中生成的CO2排放 的数量来设置。可选择具有最低排放成本的计划表，即，产生最少数量的排放的计划表。可选地，在与货币成本评估的协作中可使用排放成本估计，以管理能量分布。例 如，在多个计划表有相同的货币成本或大致相同的成本(例如，在彼此的5-15%内)的情 况下，可选择具有较低排放成本的计划表。也可根据排放成本阈值合并排放和货币成本评 估，以便当选择具有最低货币成本的计划表时，只考虑具有低于某个阈值的排放成本的计 划表。为了促进所设想的基于排放的评估系统，一个或多个排放传感器可被包括并用于 感测燃料消耗源(引擎、燃料电池等)的排放，同时产生电能。在无源元件的情况下，提供 能量的排放成本可基于以前在给源充电中产生的排放。如上所证实的，本发明的一个非限制性方面涉及可操作来充分控制车辆内的能流 的设备，例如智能能量网关(SEG)。例如，SEG可控制不同的电压和在配电系统的不同部件 (例如，发电机和源、存储系统、用电设备或其它适当的部件)之间的一个或多个电流。如上所证实的，本发明的一个非限制性方面实现可合并多个发电源和多个存储元 件的优化系统。可选地，本发明能够支持下列能力中的一个或多个■电源可具有不同的功率和电压/电流变化范围；■电源可分别地或同时将功率发送到负载；■从任何源/存储元件流到任何负载/存储元件的电流应总是可控制的；建立适 当的能流路径和转换策略以将多个源合并在一条单个电网线中；■根据车辆状况对能量效率选择适当的源/存储供电配置；■最大化对“非自由”能量(即，从燃料消耗获得的能量)的效率转换；
■能够合并控制算法，例如用于发电元件如光伏或热电发电阵列的最大功率点跟 踪(MPPT)。根据本发明的一个非限制性的方面，多个发电(即，太阳能板...)和存储元件 (即，超电容器、次级电池...)用于提供对管理并优化能流开放的大范围的选择。这可使用 被优化来获得最佳能量使用效益的完整的系统互连和控制来实现。如所要求的，这里公开了本发明的详细实施方式；然而，应理解，所公开的实施方 式仅仅是可体现在不同的和可选的形式中的本发明的示例。附图不一定按比例绘制；一些 特征可被放大或最小化以显示特定部件的细节。因此，这里公开的具体结构和功能细节不 应被解释为限制性的，而是仅仅作为权利要求的代表性基础和/或作为教导本领域技术人 员不同地使用本发明的代表性基础。可合并各种实现的实施方式的特征来形成本发明的另 外的实施方式。
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权利要求
一种用于管理车辆内电能的分配的控制器，所述车辆具有可操作来从太阳能产生电能的太阳能源、可操作来从车辆的操作产生的“自由”能量产生电能的副产品能源、可操作来从燃料驱动的引擎的操作产生电能的交流发电机、以及可操作来存储电能并输出以前存储的电能的至少一个无源能源，所述控制器可操作来基于当前车辆操作状况，确定可从所述太阳能源、所述副产品能源、所述交流发电机和所述无源能源中的每个获得的电流量；确定对于所述当前车辆操作状况而从所述太阳能源、所述副产品能源、所述交流发电机和所述无源能源中的每个提供所述电流量的成本；对于所述当前车辆操作状况确定一个或多个电流消耗车辆系统的电流要求；识别满足所述电流要求的至少两个计划表，每个计划表包括提供可从其获得的所述电流量的至少一部分的所述太阳能源、所述副产品能源、所述交流发电机和所述无源能源中的至少一个的不同组合；以及基于对于所述太阳能源、所述副产品能源、所述交流发电机和所述无源能源中的每个所确定的提供电流的成本，根据具有最低成本的所述至少两个计划表之一来管理电流的分配。
2.如权利要求1所述的控制器，该控制器还可操作来根据由所述燃料驱动的引擎所使 用的产生所述电流量的燃料的成本，确定从所述交流发电机提供所述电流量的成本。
3.如权利要求2所述的控制器，该控制器还可操作来响应于用户输入而从包含在所述 车辆中的用户接口所产生的信号确定所述燃料的成本。
4.如权利要求2所述的控制器，该控制器还可操作来从无线消息确定所述燃料的成 本，所述无线消息从用于填充所述车辆的燃料箱的燃料源提供，所述燃料驱动的引擎所使 用的所述燃料从所述燃料箱获得。
5.如权利要求1所述的控制器，该控制器还可操作来根据以前累积的给所述无源能源 充电的成本，确定从所述无源能源提供所述电流量的成本。
6.如权利要求5所述的控制器，该控制器还可操作来在每次电流被提供给所述无源能 源作为充电事件的部分之后，更新从所述无源能源提供所述电流量的成本，所更新的成本 等于预定数量的充电事件的平均成本。
7.如权利要求6所述的控制器，该控制器还可操作来将充电事件的所述预定数量设置 为等于所进行的以前的充电事件的数量，以获得所述无源能源的当前荷电状态(SOC)。
8.如权利要求1所述的控制器，该控制器还可操作来将从所述太阳能源提供所述电流 量的成本确定为零，而不考虑可从所述太阳能源获得的所述电流量。
9.如权利要求1所述的控制器，该控制器还可操作来每当所述无源能源的荷电状态 (SOC)低于预定阈值且可获得比其它车辆系统所要求的电流更多的电流时，确定所要包括 的所述无源能源为需要电流车辆系统之一、以及所述电流要求的至少一部分。
10.如权利要求9所述的控制器，该控制器还可操作来将所述预定阈值确定为所述无 源能源的使用年限、所述无源能源的温度、和来自所述无源能源的再次启动所述燃料驱动 的引擎所需的电流量中的至少一个的函数。
11.如权利要求1所述的控制器，该控制器还可操作来基于所述车辆的预期驾驶地形， 根据与具有所述最低成本的所述计划表不同的所述至少两个计划表之一来管理电流的分配。
12.如权利要求11所述的控制器，该控制器还可操作来以所述车辆所使用的全球定位 系统(GPS)导航，以确定所述车辆的所述预期驾驶地形。
13.如权利要求12所述的控制器，该控制器还可操作来至少部分地基于所述GPS来确 定所述车辆是进行高速公路驾驶还是城市驾驶，所述控制器可操作来只在所述车辆进行城 市驾驶的情况下根据与具有所述最低成本的所述计划表不同的所述至少两个计划表之一 来管理电流的分配。
14.一种用于管理车辆内电能的分配的控制器，所述车辆具有多个能源和多个负载，所 述多个负载由来自所述多个能源的能量供电，所述控制器可操作来确定可从所述多个能源的每个获得的电流量； 确定从所述多个能源的每个提供所述电流量的排放成本； 确定对每个将被供电的负载的电流要求；产生满足所述电流要求的至少两个计划表，每个计划表包括提供可从每个能源获得的 所述电流量的至少一部分的所述多个能源中的至少一个的不同组合；以及基于提供为所述多个能源的每个所确定的电流的所述排放成本根据具有最低排放成 本的所述至少两个计划表之一来管理电流的分配。
15.如权利要求14所述的控制器，该控制器还可操作来产生至少一个计划表，其中所 述将被供电的负载中的至少一个需要被断开，以便优先考虑给所述多个源中的一个充电。
16.如权利要求14所述的控制器，该控制器还可操作来根据所述车辆的预期驾驶地形 产生至少一个计划表。
17.如权利要求14所述的控制器，该控制器还可操作来根据历史驾驶模式，为被识别 为当前驾驶所述车辆的驾驶员产生至少一个计划表。
18.一种用在车辆中的智能能量网关(SEG)，所述车辆具有多个能源和多个负载，所述 智能能量网关包括多个功率开关，该多个功率开关由命令控制以在所述多个能源和所述多个负载之间控 制所述车辆中的能流；以及控制器，该控制器可操作来(i)确定可从所述多个能源中的每个获得的电流量；( )确定从所述多个能源中的每个提供所述电流量的成本；(iii)确定对每个将被供电的负载的电流要求；(iv)产生满足所述电流要求的多个计划表，每个计划表包括提供可从每个能源获得的 所述电流量的至少一部分的所述多个能源中的至少一个的不同组合；以及(ν)根据具有最低成本的所述多个计划表之一来控制所述多个功率开关。
19.如权利要求18所述的智能能量网关，其中所述控制器还可操作来 (i)确定从所述多个能源中的每个提供所述电流量的排放成本；( )在所述多个计划表中的至少两个具有大致相同的成本的情况下，根据具有最低排 放成本的至少两个计划表之一来管理电流的分配。
20.如权利要求18所述的智能能量网关，其中所述控制器还可操作来将零成本分配给 所述多个源中的至少一个。
全文摘要
一种用于优化能流控制的智能能量网关(SEG)，其可操作来以可选地减少用户成本和/或排放的方式优化能量消耗。SEG可包括控制器，控制器可操作来根据一个或多个能量分配计划表，管理包括在车辆内的一个或多个源和一个或多个负载之间的能量分配，所述能量分配计划表例如但不限于根据货币和/或基于排放的评估度量加权的能量分配计划表。
文档编号B60R16/02GK101905678SQ20101019470
公开日2010年12月8日 申请日期2010年6月7日 优先权日2009年6月8日
发明者乔斯·加布里埃尔·费尔南德斯, 伊格纳西奥·艾瓦雷兹·特龙科索, 安东尼·费雷·法布雷加斯 申请人:李尔公司