用于车辆的能量管理系统的制作方法

本申请要求2014年12月31日提交的美国临时申请序列号62/098,862的权益，该临时申请通过引用被全部结合于本文中。

技术领域

本实用新型的实施例一般涉及电动车辆。其他实施例涉及用于电动车辆的能量管理系统和方法。

背景技术：

电动车辆在本领域中是已知的，并且使用一个或多个电马达或牵引马达用于推进。(牵引马达是用于推进车辆的电马达)。通常，存储在车载能量存储单元例如电池组(battery)和超电容器中的电能被馈送到逆变器，其中直流(DC)被变换为交流(AC)，其然后被馈送到驱动车辆的车轮的多相(通常为3相)AC马达。设计电力推进并且通常用于城市包裹递送车辆(PDV)，城市公交车，和包含地下采矿车辆的材料运输车辆，其中排放还必须在这些车辆工作的环境的封闭的地下空间中保持在最小值。关于这个，具有电力推进的车辆，与利用内燃机的车辆相反，通常用来改善空气质量，增加产量，并且降低采矿工作的成本，加上在城市区域中公共运输和包裹递送的排放。

由于车载车辆的能量存储单元(例如电池组或超电容)通常需要工作在所指定温度范围上，所以在地下采矿电动车辆中的能量存储单元的热控制通常是有挑战性的。例如，如果温度太高，则电池组或其 他能量存储单元的寿命能够显著降低。另外，如果能量存储单元工作在显著升高的温度下，则这类热条件还可引起潜在的安全问题。

相反地，取决于特定电池组技术和化学组成，如果工作温度太低，则电池组的性能能够降级。或者，如果例如利用诸如钠金属卤化物化学电池组的高温电池组，则在工作温度范围低于250℃时电池组可不正常运行。另外，在工作温度范围的低端处工作能够引起低效率和降低的功率能力。同样地，在超过所规定的温度等级的升高温度下电池组的工作可缩短电池组的寿命，引起故障等等。

图1图示用于车辆的现有技术推进系统10。如在其中所示，系统包含单个能量存储单元12、逆变器14、至少一个马达16和用于控制来自能量存储单元12的电能的分配的控制单元18，如在下文中详细论述。存储单元12可以是具有本领域中已知的一种类型和化学组成的电池组，并且配置成存储来自外部功率站、来自起初来自外部功率源的所存储电力、来自车载发电机，或在车辆正减速或下坡上控制速度时捕获再生制动能量期间的电能。能量存储单元12配置成馈送所存储的电能(其中能量以特定电压下的DC电流的形式定义为用于所指定时间的功率(即Whr))到逆变器14，其中将其变换为交流电激励。从逆变器14，交流和电压电激励馈送到驱动在其上部署系统10的车辆20的车轮的马达16。然而，如将容易领会的，采用推进系统10用于推进车辆的所有功率和能量必须由单个能量存储单元12提供。

由于上述，存在对于减轻与电池组工作相关的热问题的用于电动车辆的能量管理系统和方法的需要。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种能量管理系统，其包含马达、电连接到马达的逆变器、电连接到逆变器的DC-DC变换器、通过DC-DC变换器电连接到逆变器的DC链路的第一能量存储单元、耦合到逆变器的第二能量存储单元以及控制单元。控制单元配置成依赖预定功率阈值来控 制从第一能量存储单元和第二能量存储单元到逆变器的电力的分配。

在另一个实施例中，提供一种管理电动车辆上电能的分配率的方法。方法包含以下步骤：响应于总的功率需求，控制第一能量存储单元以提供第一电能量到马达，第一电能量等于或小于预定功率阈值，并且控制第二能量存储单元以提供第二电能量到马达，第二电能量是总的功率需求和由第一能量存储单元提供给马达的第一电能量之间的差。

在另一个实施例中，提供一种管理来自能量存储单元的电能的分配的方法。方法包含以下步骤：根据第一功率划分参数控制来自能量存储单元的电池(cell)内第一化学组成的电能的放电率，在第一所确定特性，根据第二功率划分参数控制来自能量存储单元的电池内第一化学组成的电能的放电率，以及在第二所确定特性，根据第三功率划分参数控制来自电池内第二化学组成的电能的放电率。

附图说明

从参考附图阅读下面非限制实施例的描述将更好地理解本实用新型，附图中：

图1是具有单个能量存储单元的车辆的现有技术推进系统的示意图。

图2是根据本实用新型的实施例利用多个能量存储单元的能量管理系统的示意图。

图3是图示图2中能量存储单元的电路图。

图4是图示在换档(shift)操作期间电动车辆的示范性功率分布的示图。

图5是图示在电动车辆的所希望的放电范围上的示范性的能量存储温度分布的图。

图6是诸如图1所图示的那个的具有单个能量存储单元的车辆的推进系统的DC电压图。

图7是具有高温钠金属卤化物电池组的推进系统的DC电压图。

具体实施方式

以下将详细参考本实用新型的示范性实施例，本实用新型的示例在附图中图示。在任何可能的情况下，在整个附图中所使用的相同的参考数字表示相同或相似部分。尽管结合地下材料运输车辆描述和图示本实用新型的系统和方法，但是本实用新型的系统和方法通常可应用于电动车辆和其他电力机械。

如本文所使用的，“电连接”意味着所参考元件直接或间接地连接，使得电流可从一个流向另一个。连接可包含直接传导连接(即，无需中间电容、感应或有源元件)、感应连接、电容连接，和/或任何其他合适的电连接。可存在中间组件。

参考图2，图示根据本实用新型的实施例的能量管理系统100。如在其中所示，系统包含多个能量存储单元，其包含低侧能量存储单元110和高侧能量存储单元112，DC-DC变换器114，逆变器116和至少一个马达118。能量存储单元110、112可以是本领域中已知的任何类型的能量存储以及能够具有本领域中已知的任何技术和化学组成。在实施例中，DC-DC变换器114是双向升压变换器。低侧能量存储单元110通过DC-DC变换器114电耦合到逆变器116的DC链路，而高侧能量存储单元112直接耦合到逆变器116的DC链路。如将容易领会的，逆变器116将来自低侧能量存储单元110(经由变换器114)和来自高侧能量存储单元112的直流变换为交流，其馈送到马达118。马达118驱动在其上部署系统100的车辆122上的车轮，以便推进车辆122。如在其中所图示，系统100还包含控制单元120，其配置成控制电能的分配和利用，如以下详细论述的。

图3是图示图2的系统100的组件的互连，并且特别地，示出直接耦合到逆变器116DC链路的高侧能量存储单元112和通过DC-DC变换器114电耦合到逆变器116 DC链路的低侧能量存储单元110的 电路图。在实施例中，控制单元120根据存储在存储器中的控制算法来工作以提供在低侧能量存储单元110和高侧能量存储单元112之间的动态功率划分。特别地，控制单元120配置成依赖包含电荷状态、内电阻和终端电压的一个或多个电池组特性和/或依赖包含环境温度条件、车辆冷却系统参数以及车辆负载和工作周期持续时间中的变化的在其上部署系统100的车辆122的一个或多个车辆工作参数来控制来自低侧电池组110和高侧电池组112的电能分配。

在实施例中，控制单元120配置成依赖预定功率阈值来控制到逆变器116的能量分配。例如，在实施例中，可利用75kW的恒定、预设/预定功率阈值。在实施例中，在负载功率小于75kW阈值时，控制单元120可控制低侧能量存储单元110以供应电力来满足总的负载功率要求。对于负载功率大于预定阈值，在负载功率和阈值功率之间的差可通过高侧能量存储单元112供应。因此，控制单元120响应于车辆工作期间的功率需求而控制低侧能量存储单元110以供应电力达到预定阈值，并且控制高侧能量存储单元112以提供超过预定阈值量的补充功率以满足车辆122总的功率需求。如将容易领会的，通过划分在低侧能量存储单元110和高侧能量存储单元112之间的功率要求，因此避免由单个电池组尝试满足车辆的总功率需求所产生的热问题。

参考图4，在换档操作期间，诸如图1所示的那个具有单个能量存储单元的地下材料运输电动车辆的示范性功率分布在150处的左侧上示出。如在其中所示，单个能量存储单元必须满足车辆的全功率需求。因为单个存储单元在整个完整换档中必须供应所有的功率，能量存储单元/电池组的工作温度对于完整换档时间的一部分可以是高的，从而导致潜在的寿命问题等等。如图4的右侧上所图示，具有图2和图3中所图示的系统100的车辆122的示范性功率分布在160处示出。如在其中所示，在车辆122总的功率需求可与用于图1中所示的单个能量存储单元的一样时，功率需求可在低侧能量存储单元110 和高侧能量单元112之间划分，使得通过单元110、112中的任何一个供应的电力峰值等级基本上小于如果采用单个能量存储单元的峰值等级。由于降低的峰值功率负载，每个电池组110、112的工作温度可减小，从而延长了电池组寿命并且增加了安全。也就是说，在图2和图3中所图示的双重能量存储配置中，功率要求能够被划分并且在多个，或如这个实施例中所描述，两个能量存储单元110、112之间动态控制，以便解决能量存储热问题。

图5示出了在电动材料处理器车辆的所希望的放电范围上的典型的能量存储温度分布170。如在其中所示，能量存储单元/电池组温度一致增加，但是具有不同的斜率。依赖包含电荷状态、电池温度、热质量、环境温度、能量存储冷却系统效率、化学组成成分以及负载功率和工作周期要求的电池组和相关联系统参数和特性，存在对应于温度上升率的不同的温度斜率172、174。例如，如果多个能量存储单元中的一个由包含两个不同化学组成的电池组电池例如高温钠金属卤化物电池组组成，存在两个温度上升率。在实施例中，动态控制算法能够通过控制单元120实现以最小化如上所述的在多能量配置中的相应能量存储单元或电池组的温度。

在另一个实施例中，控制单元120配置成根据具有用来解决电池组热问题的多个段控制策略的控制算法来工作。如将容易领会的，在负载分布的更高功率需求部分期间，相应电池组的温度上升率也是更高。在实施例中，在低侧电池组110的温度率更低时，与高侧能量存储单元/电池组112相比，控制单元120配置成提供来自低侧能量存储单元/电池组110的更多的电能。而且，控制单元120配置成在低侧电池组110的温度率更高时调节低侧电池组110的功率要求/功率阈值，并且然后控制高侧电池组以供应车辆122剩余功率要求的更长的一部分。这个具有多个段的控制策略能够在低侧电池组经历快速温度上升时维持低侧电池组110的更低的温度上升。

现在转到图6，示范性的DC电池组电压图200。对于诸如图1 所示的那个的具有单个能量存储单元的系统，如所示的DC电池组电压对应于DC链路电压。虚线202图示具有单个化学组成的电池组电池的放电的深度，而虚线204图示具有两个化学组成的电池组电池的放电的深度。如在其中所示，随着电池组的电荷状态降低，电池组的放电深度增加，并且DC链路电压也降低。对于具有单个化学组成的电池组，在电荷状态将或放电的深度增加时，电池组DC链路电压是平滑地单调降低，如由线202所表示。但是在具有两个或多个化学组成的电池组中不能发现平滑或一致降低的电压，因为不同的化学组成具有不同的开路电压。

如本文所使用的，具有两个或多个化学组成的电池组意味着如下电池组：在电池组的电池内具有两个或多个化学组成。特别地，与常规的电池组不同，具有两个或多个化学组成(例如，钠金属卤化物电池组)的电池组具有特征：在放电的初始部分期间，利用一个(第一)化学组成，并且在某个所设计的放电电容之后，利用第二化学组成。在使用电池内第一化学组成放电时，电池具有比在使用电池内第二化学组成更高的开路电压。这种在电池内的多个化学组成还给了钠金属卤化物电池独特的性质：电池故障期间，化学组成提供低阻抗或本质上“电短路”，其允许电流流经具有低阻抗的失效电池。在大多数其他电池组中，个别电池的故障通常在高阻抗或电“开路”中失效。

进一步参考图6，在具有两个或多个化学组成的电池组中，在电池组电池从第一化学组成转换到第二化学组成时，DC电池组电压转换为更低的电压等级，如206处所示。由于具有带有电池内两个化学组成的单个能量存储单元12的图1的系统，具有更高开路电压的化学组成将开始放电，并且然后具有更低开路电压的化学组成将放电。因此，在电池组放电到某个电荷状态值之后，放电电压将显著降低到更低的等级。通过控制单元120实现的多个段动态控制策略能够依赖一组功率划分参数在DC链路电压中延迟这种向下跃迁。除了这个益处，使用图2和图3中所描述的电路概念对DC链路电压的控制的附 加益处在于多个段控制策略倾向于维持DC链路电压在比简单固定的功率划分阈值更高的等级。另外，更高的DC链路电压将降低来自系统中包含电池组、一个或多个功率电子逆变器和一个或多个电马达的若干其他组件的功率和能量损耗，因此增加了系统效率，其最终导致每电荷的增加范围并且因此增加产量。

在一个实施例中，依赖电池组内第一和第二化学组成的所确定的特性来控制来自电池组的以及特别地来自电池组的第一和第二化学组成的电能的放电。所确定的特性可包含第一化学组成的电荷状态和/或放电的深度，以及第二化学组成的电荷状态和/或放电的深度。

图7示出按照本实用新型的实施例的多个化学组成电池组，并且特别地，具有三段动态控制策略的高温钠金属卤化物电池组的DC电压图300，三段动态控制策略包含三个功率划分参数和两个电荷状态的划分参数，从而导致热和电压条件以维持电池组电池在合适的工作温度范围内。包含三个功率划分参数的三段在302、304和306处图示，以及两个电荷状态划分参数在308、310处的图示。作为示例，利用在其电池内使用两个不同的化学组成的高比能电池组，即低侧电池组。关键参数包含三个功率划分参数以及两个电荷状态划分参数，其中放电的深度等于1减去电荷状态。如图7所图示，三个功率划分参数中的两个用于控制第一化学组成放电，在302和304处示出，以及第三个功率划分参数用于控制第二化学组成放电，在306处示出。在电池组放电到某个电荷状态时，两个电荷状态的划分参数用于将功率划分参数从一个切换到另一个，如在308和310处所图示。在实施例中，这些参数能够被定制并且能够用来动态控制功率划分，其将改善电池组的热条件。这种通过在增加的DC链路电压处工作的多个段动态控制策略的显著益处是要防止电池组电池内的高温，降低在一个或多个功率电子逆变器中的损耗，和降低在马达中的损耗，从而改善系统效率。

如将容易领会的，本实用新型的系统和方法提供用于增加的电池 组寿命，作为解决电池组热问题、增加的峰值功率性能以及增加的工作时间和产量的结果。另外，通过降低电池组工作温度，本实用新型的系统比常规系统更安全。而且，通过经由动态控制策略解决电池组热问题，排除电池组冷却系统的保险设计并且限制温度上升的热绝缘的重新设计不再是必需的。

结合上述内容，通过控制单元实现的多个段控制策略允许电动材料运输车辆在整个换挡或任务中连续工作而不需要任何停止或特定冷却的要求。如上论述，这提供更长持续时间的换挡，因此导致增加的产量，来自电推进电池组系统的可用能量中的增加，在其他系统组件例如电马达和牵引逆变器中所降低的能量损耗，以及改善的电马达峰值功率性能，作为更长工作时间上DC链路电压等级的增加等级的结果。

因此，本文所描述的系统和方法提供用于在电动车辆上的能量管理。在一个实施例中，能量管理系统包含马达，电连接到马达的逆变器，电连接到逆变器的DC-DC变换器，通过DC-DC变换器电连接到逆变器的DC链路的第一能量存储单元，耦合到逆变器的第二能量存储单元，以及控制单元。控制单元配置成依赖预定功率阈值来控制从第一能量存储单元和第二能量存储单元到逆变器的电力的分配。

在实施例中，控制单元配置成控制第一能量存储单元以提供第一功率量，其中第一功率量小于或等于功率阈值。控制单元配置成控制第二能量存储单元以提供第二功率量，第二功率量是所需功率的总量与功率阈值之间的差。

在实施例中，系统部署在地下材料运输车辆上。

在实施例中，第一能量存储单元和第二能量存储单元中的至少一个是钠金属卤化物电池组。

在实施例中，控制单元配置成依赖包含电荷状态、内电阻和终端电压的一个或多个能量存储单元特性来控制来自第一能量存储单元和第二能量存储单元的电力的分配。

在实施例中，控制单元配置成依赖第一能量存储单元的温度上升率来调节功率阈值。在实施例中，控制单元配置成在第一能量存储单元的温度上升率超过预定温度上升率时降低功率阈值。

在实施例中，控制单元配置成响应于第一能量存储单元的所检测到的电荷状态来调节功率阈值。

在另一个实施例中，提供一种用于管理电动车辆上电能的分配的方法。方法包含以下步骤，响应于总的功率需求，控制第一能量存储单元以向马达提供第一电能量，第一电能量等于或小于预定功率阈值，并且控制第二能量存储单元以向马达提供第二电能量，第二电能量是总的功率需求和由第一能量存储单元提供给马达的第一电能量的差值。

方法还包含响应于第一能量存储单元的所检测到的温度上升率来调节预定功率阈值的步骤。

在实施例中，电动车辆是地下材料运输车辆。

在实施例中，第一能量存储单元和第二能量存储单元中的至少一个是钠金属卤化物电池组。

在实施例中，方法还可包含响应于第一能量存储单元的所检测到的电荷状态来调节预定功率阈值的步骤。在实施例中，调节预定功率阈值包含在第一能量存储单元的温度上升率超过速率阈值时降低阈值量。

在另一个实施例中，提供一种管理来自能量存储单元的电能的分配的方法。方法包含以下步骤：根据第一功率划分参数来控制来自能量存储单元的电池内的第一化学组成的电能的放电，在第一特性，根据第二功率划分参数来控制来自能量存储单元的电池内的第一化学组成的电能的放电，以及在第二特性，根据第三功率划分参数来控制来自电池内第二化学组成的电能的放电。

在实施例中，第一特性是电池内第一化学组成的第一确定电荷状态。在实施例中，第二特性是电池内第一化学组成的第二确定电荷状 态。

在实施例中，第一特性是电池内第一化学组成的第一所确定放电的深度。在实施例中，第二特性是电池内第一化学组成的第二所确定放电的深度。

要理解，上面的描述意图是说明性的，而非限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可彼此结合使用。另外，在不脱离其范围的情况下可做出许多修改以使特定环境或材料适应本实用新型的教导。尽管本文所描述的材料的尺寸和类型旨在定义本实用新型的参数，但是它们从未限制并且是示范性的实施例。在回顾上面描述时许多其他实施例对于本领域技术人员是显而易见的。因此，应参考所附权利要求书连同这样的权利要求书所被赋予的等同物的全部范围来确定本实用新型的范围。而且，在下面权利要求书中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“上面的”、“下面的”、“底部”、“顶部”等等仅仅用做标记，并且不意图对它们的对象强加数字的或位置的要求。此外，下面的权利要求书的限制没有以方法加功能形式来书写并且不意图基于美国35号成文法第112条(35 U.S.C.§112)第6段来解释，除非并且直到这类权利要求限制确切地使用后面是缺乏进一步结构的功能陈述的短语“用于...的部件”。

本书面描述使用包含最佳模式的示例来公开本实用新型的若干实施例，并且还使本领域的普通技术人员中的一个能够实施本实用新型的实施例，包含制作和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开的可取得专利的范围由权利要求书限定，并且可包含本领域的普通技术人员中的一个想到的其他示例。如果这类其他示例具有没有不同于权利要求书的文字语言的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的无实质差异的等效结构元件，则预期它们处于权利要求书的范围之内。

如本文所使用的，以单数所陈述并且使用词“一”或“一个”所进行的元件或步骤应当理解为没有排除元件或步骤的复数，除非这种 排除被明确规定。此外，本实用新型的“一个实施例”的提及不意图解释为排除了也包含所陈述的特征的附加实施例的存在。而且，除非明确相反地规定，“包括”、“包含”或“具有”具有特定性质的一个元件或多个部件的实施例可包含不具有那个性质的附加这类元件。由于可在用于车辆的能量管理系统和方法中做出某些变化而不脱离本文所涉及的本实用新型的精神和范围，意图是附图中所示的或上面描述的主题将仅仅解释为本文图示实用新型构思的示例并且将不理解为限制本实用新型。