专利名称：太阳能充电混合动力系统的制作方法
技术领域：
本发明总体涉及混合动力车辆，更具体地讲，提供了一种对包括高压(HV)牵引用 蓄电池的混合动力辆的电荷存储系统进行充电的充电系统和方法。
背景技术：
采用多个动力源的混合动力系统需要很小心地控制系统组件，以协调从动力源到 系统负载的动力传递。这些负载可以大幅度地剧烈改变，通常发生在预料不到的情况下，尤 其是在混合动力车辆中。使用燃料电池和电池组作为动力源来为车辆提供动力的混合系统 必须被严密地控制，以确保在各种情况下都有足够的备用动力，包括在长时间未使用的情 况下或仅电力驱动模式操作的情况下具有足够可用的动力以启动混合动力车辆。为了确保在混合动力车辆牵引用蓄电池组中有足够的能量以及保持电池的合适 的充电和放电，电池的荷电状态(S0C)被监控，并且控制充电和放电，从而使S0C保持在可 接受范围或“窗口”内。当S0C低时，可启用燃料电池来产生动力以对电池充电，从而将S0C 保持在期望的窗口内。通常，在混合动力车辆中，辅助电荷存储设备(例如电池)被用于启动引擎，而另 一个电荷存储设备(例如HV牵引用蓄电池)被单独使用或与内燃机一起使用，用来对车辆 提供动力。在长时间未使用的情况下，在只有HV牵引用蓄电池向车辆提供动力的仅电力驱 动操作过程中或者在HV牵引用蓄电池被重复使用的反复停止和启动操作过程中，HV牵引 用蓄电池会部分放电。结果，会损害车辆的性能。在现有技术中，已经提出了使用太阳能以及插电式电力系统来对车载电池进行再 充电。例如，在第4，327，316号美国专利中，由太阳能电池形成的可再充电辅助电池被 用于使用再充电电流设备对车辆电池进行充电。在长时间未使用或当需要反复停止车辆操 作时，使用充电系统来避免电池的放电。在第4，564，799号美国专利中，使用了双电池系统，其中，使用太阳能电池作为辅 助能量源来对辅助电池充电。使用辅助电池来启动电机(例如，用于点火设备)来改善车 辆的启动性能。在第4，581，572号美国专利中，使用了独立于车辆电池的太阳能电池来提高用于 对车辆电池再充电的AC(交流)发电机的输出。在第5，162，720号美国专利中，将诸如110V双插座的补充设备AC电源与转换器 一起使用来对辅助电池再充电。充电电流可以沿着从辅助电池到引擎电池的方向流动，以 减少为了启动车辆引擎而使引擎电池过于耗尽的风险。在第6，222，341号和6，452，361号美国专利中讨论了一种包括双电池系统的车 辆，其中，在车辆未使用期间或者当启动用电池需要额外充电时，备用电池与充电维持设备 一起被使用以产生对启动用电池相对低的充电率。由车辆交流发电机对备用电池进行充电
其他现有技术中的动力源通常通过利用太阳能或AC设备(utility)来对车辆原电池再充电。为了克服混合车辆电荷存储设备(例如，高压(HV)牵引用蓄电池)的损坏问题， 作为例子，在车辆长时间未使用或者在混合动力车辆的仅电力驱动操作过程中，提供避免 HV牵引用蓄电池出现不希望的耗尽的系统和方法是有利的。因此，本发明的目的在于提供这样一种系统和方法，例如，在混合动力车辆长时间 未使用或车辆的仅电力驱动模式的操作过程中，避免电荷存储设备(HV牵引用蓄电池)出 现不期望的耗尽。
发明内容
根据本发明的一方面，提供了一种系统和方法，设置有第一电荷存储设备，在太阳 能电荷在辅助电池中积聚到可用的荷电水平(例如，足以将LV电池中积聚的电荷传送到第 二电荷存储设备(例如，高压(HV)牵引用蓄电池)的荷电水平)的情况下，可以通过太阳 能来对第一电荷存储设备(例如，辅助低压(LV)电池)充电，所述电荷然后被用于启动车 辆，以及驱动用于对车辆提供动力的电机。此外，辅助电池中积聚的太阳能电荷还可被用于 对辅助车辆系统提供能量，或被用于对单独设备的操作或充电提供辅助能量。根据本发明的重要的特征，可以从低压(LV)电池(电荷存储设备)向高压(HV) 牵引用蓄电池(电荷存储设备)提供充电，以使得在辅助LV电池中积聚的太阳能电荷被有 效而顺畅地传送到HV电池。根据本发明的另一特征，包括在LV电池中积聚的太阳能电荷的LV电池可以被选 择性地与辅助车辆能量系统连接，从而为了各种目的以选择的电压(例如LV电池运行电压 或其他电压)提供能量，例如，为电阻加热器提供能量以对挡风玻璃或太阳能收集板除霜， 或加热车辆的内部，包括加热座椅或方向盘，为冷却系统提供能量，例如，排风扇/冷却风 扇或电力空调，或对第三方设备(例如，移动电话、移动视频系统等)提供能量或运行第三 方设备。根据本发明的另一方面，通过太阳能收集设备收集能量(电荷)，收集的电荷通过 能量电子电路(包括电压转换器)被传送到LV电池，以将太阳能电荷积聚到可用水平，然 后从LV电池提供能量以对车辆高压(HV)电池再充电，或者运行辅助能量系统，其中，响应 于感测到的车辆条件和/或感测到的电池荷电水平条件，由可编程控制器作出是否对电池 再充电或运行辅助能量系统的决定。通过对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他实施例、多个方面 和特点将会更容易理解，将在下面结合附图对所述优选实施例进行描述。
图1是根据本发明实施例的车辆混合动力系统的一部分的框图。图2是操作控制器的示例性编程逻辑，示出了控制根据本发明实施例的车辆混合 动力系统内提供的动力的示例性电压输出判决逻辑。
具体实施例方式图1示出了混合动力车辆中的电力源电路的一部分的框图。参照图1，混合动力车辆可以是任何包括高压电荷存储设备(例如(HV)电池12A)的混合动力车辆。HV电池 12A可以被用来对混合动力车辆中的电驱动电机(牵引电机)提供能量，并且可被用来提 供启动引擎(例如，内燃机或柴油发动机)的能量。例如，高压(HV)电池12A可工作在大 约200到大约400伏直流范围内。应该理解的是，也可使用现有技术中的包括电容器和超 高电容器(ultra-capacitor)的其他电荷存储设备来替代根据本发明的高压(HV)电池或 低压(LV)电池。混合动力车辆包括太阳能收集设备14，所述太阳能收集设备14可以是以任何传 统方式附着并定位在车辆上的太阳能电池板，或者可以是结合在车辆的面向外面的部分 (例如，车辆主体或挡风玻璃)中的太阳能收集设备。例如，当暴露到太阳能能量下时，太阳 能收集设备(太阳能电池板)14收集电荷，然后，所述电荷通过传统的布线方式，被传送到 能量传送电子电路(包括能量/电压转换器16A)，能量传输电子电路可以被连接到(例如， 有线连接21D)或结合在可编程充电控制器16B内。能量/电压转换器16A从太阳能电池 板接收输入电压，例如，通过输入端18A和18B(正极端子和负极端子)接收输入电压。能 量/电压转换器16A还与充电控制器(16B)通信。能量/电压转换器16A根据预定的编程电压(例如，通过输出端20A和20B)输 出电压，其中，电压输出(例如，正极电压)的端子之一(例如，20A)连接到被选择的输入 端(例如，A、B、C、D、E)，所述输入端包括相对于能量/电压转换器16A并联布线的辅助能 量电路(例如，C、D、E)或者HV电池⑷。包含在能量传输电子电路内的电力电路切换设 备22与充电控制器16B通信(例如，有线连接21C)，并且可被用于选择性地使电压输出端 (例如，20A)连接到输入端(例如，A、B C、D、E)之一。电路切换设备22可以是能够由充电 控制器16B多路切换控制的传统的继电器切换设备。例如，切换设备22能够使电压转换器 的输出端(例如，20A)连接到LV电池12B (端子B)的输入端，其中，能量/电压转换器的 电压源是太阳能收集设备14。此外，切换设备可将端子B用作LV电池12B的输出端，然后 通过将端子F与端子B连接将LV电池12B连接到能量/电压转换器16A的输入端(例如， 20C)，其中，切换设备22另外将能量/电压转换器16A的输出端连接到HV电池12A的输入 端，或者连接到辅助能量系统12C、12D、12E的输入端(8卩，端子(、0、幻之一。应该理解的 是，能量/电压转换器16A可进行操作来控制HV电池12A的输出电压与HV电池12A的确 定的电压输入或者辅助能量系统之一的输入相匹配。电压输出的其他端子(例如20B)以及与混合动力车辆电力系统相关的HV电池、 LV电池和辅助能量电路连接到地电位24。通过由切换设备22选择输入端(A、C、D、E)之 一与输出电压(例如，20A)连接，多个辅助能量电路(例如，12C、12D、12E)之一或HV电池 12A.LV电池12B可被用于通过能量/电压转换器16A以选择的电压提供能量。此外，LV电 池12B或HV电池12A可以通过来自能量/电压转换器16A的电压被提供能量，其中，用于 能量/电压转换器16A的电压源是太阳能电池板14或其他插电式能量源(未示出)。在优选实施例中，当电路切换设备22被连接到多个辅助能量电路(例如，12C、 12D、12E (端子C、D、E))之一或HV电池12A (端子A)时，来自能量/电压转换器16A的能 量以选择的操作电压从LV电池12B (通过将端子B连接到端子F)提供。当能量/电压转换器16A被连接到LV电池的输入端(通过端子B，端子F悬空)时，用于能量/电压转换器 16A的能量源是太阳能收集设备(例如，太阳能电池板14)时，太阳能电荷被传送到LV电池 12B，并在LV电池12B积聚。能量/电压转换器16A可以是传统的双向设备，其能够将由能量源(例如，LV电 池或太阳能电荷收集器)提供的能量转换为与系统负载(例如，HV电池、冷却设备、电阻加 热设备)的需求和其他辅助能量需求一致的电压。具体地，能量/电压转换器16A将由能 量源(例如，LV电池或太阳能电荷收集器)提供的电压和电流转换为与系统负载需求匹配 的水平。此外，当能量/电压转换器的输出端与LV电池的输入端连接时，能量/电压转换 器将由太阳能收集设备收集的电荷转换为能够用于对LV电池充电的输出电压。例如，HV电池12A优选地被配备有传统的荷电状态(S0C)传感器22A，所述荷电状 态传感器22A与充电控制器16B通信(例如，有线连接21A)，以将HV电池的S0C值提供给 充电控制器16B。电池中存储的能量的相对量通常被称为“荷电状态”(S0C)，S卩，存储的能 量的量被表示为电池组的总安培-小时容量。为了有效地充电和放电，电池(或其他电荷 存储设备)可被保持在荷电范围内，所述荷电范围为足以满足使用电池的能量系统的能量 需求的S0C窗口。如果充电控制器确定HV电池12A不是满充电(例如，55% -60% )或者小于预定 荷电水平(在S0C窗口下方)，则充电控制器16B可以被预编程为通过由LV电池提供的能 量对HV电池再充电，例如，通过根据将电压输出端20A连接到HV电池输入端A并将输出电 压设置为与HV电池的电压相应的合适的充电电压，(例如，从大约200到大约400伏直流 (DC))的电路切换设备22选择输入端A，来对HV电池再充电。当HV电池不需要能量时(S0C为满充电或大于预编程的荷电水平)以及辅助能量 电路(例如，冷却电路(例如，风扇)12C、加热电路12D或辅助充电电路12E)不需要能量 时，电路切换设备22保持在能量/电压转换器输出电压20A通过端子B连接到LV电池12B 的状态，其中，能量源是太阳能收集装置，例如，太阳能电池板14，其中，LV电池12B收集太 阳能电荷到可用的电压水平，例如，足以通过能量/电压转换器16A将LV电池12B连接到 HV电池12A (包括使用电路切换设备22来选择端子A (用于HV电池的输入端))来对HV电 池12A再充电的电压水平。应该理解的是，LV电池和HV电池之一或两者可以通过单独的 插电式电压源再充电，充电控制器16B可控制能量/电压转换器16A的输出端20A来将太 阳能电荷从太阳能收集设备14而不是从LV电池提供到HV电池。还优选地，LV电池12B还配备有S0C传感器22B，所述S0C传感器22B与充电控制 器16B通信(例如，有线连接21B)。充电控制器16B可被预编程以确定在LV电池中是否有 足够的电荷来完成HV电池的充电功能。如果LV电池中的电荷不足以对HV电池充电，则充 电控制器16B可被预编程为结合切换设备22来允许LV电池12B通过太阳能收集设备14 或插电式电荷源来进行再充电到预编程的荷电水平，并忽略其他能量需求。作为选择，LV电 池可在特定情况下(例如车辆正在运行或者由车辆操纵者/乘客手动操作时)为辅助能量 电路提供能量。应该理解的是，与能量/电压转换器16A和LV电池12B协作的充电控制器16B可 以通过预编程指令或与专用电路(例如，升压电路)结合来为HV电池12A提供能量，以控 制输出(例如，通过能量/电压转换器从LV电池输出)到HV电池的电压，从而快速而安全地完成充电功能。例如，充电控制器16B与能量/电压转换器16A以及LV电池12B —起根 据HV电池的S0C以选择的输出电压水平开始对HV电池充电，然后在充电过程中根据HV电 池的随后的S0C跟随预编程的电压输出水平。此外，应该理解的是，例如，当HV电池的S0C 太低，不足以启动引擎时，升压电路(boost circuit)和/或充电控制器可以由操纵者/乘 客(例如，来自车辆内)互动地手动操作，通过启动升压电路和/或充电控制器的手动操作 可以由操纵者/乘客立即完成，从而提供从LV电池到HV电池的紧急升压(充电)(例如， 紧急充电和启动)。应该理解的是，正常情况下，当HV电池的降到预定荷电水平之下时(包 括当车辆未运行时)，根据预编程充电控制器由充电控制器16B以及能量/电压转换器16A 和LV电池12B —起自动而有效地完成对HV电池的再充电。LV电荷存储设备(例如，LV电池12B)可以是现有技术中通常被称为12伏电池的 设备。应该理解的是，LV电池可根据S0C具有一定的输出电压范围，例如，包括从9到大约 15伏。例如，在电荷源是太阳能电池板14和/或LV电池(通过能量/电压转换器)被连 接到辅助能量电路的情况下，充电控制器16B可以被预编程为以预定的电压水平从能量/ 电压转换器提供选择的输出电压。此外，根据由S0C传感器22B确定的LV电池的S0C，为了 LV电池最有效的充电，充电控制器16B可以被预编程为控制能量/电压转换器16A，从太阳 能收集设备以选择的电压水平产生输出电压。例如，在能量源是太阳能电池板的情况下，可 以从能量/电压转换器16A输出13. 7伏的直流电压到LV电池12B，从而在LV电池内积聚 太阳能电荷，或从LV电池为辅助能量电路充电。应该理解的是，充电控制器16B可以被预编程为选择性地将电荷从太阳能收集装 置提供到LV电池或HV电池以积聚太阳能电荷，或者根据(包括通过车辆操纵者的手动操 作(例如，来自操纵者控制面板))基于判决逻辑树的不同优先级，将能量(电荷)从LV电 池提供到HV电池或辅助能量电路。例如，判决逻辑树可以被构造为对HV电池进行充电给 予高于所有其他能量需求的优先级(假设在LV电池中存在足够的电荷)。可选地或者此 外，来自控制面板的车辆操纵者的手动交互可以操作预编程的指令。例如，在LV电池荷电水平降到预编程的低电荷值以下时，充电控制器可被预编程 为不理睬(忽略)来自LV电池的能量需求，直到LV电池通过太阳能收集设备和/或插电 式充电源被再充电到预定低电压水平。当LV电池荷电水平高于预编程的低荷电水平时，可 存在荷电水平值的中间范围，在这种情况下，可在特殊情况下(例如，车辆正在运行和/或 被车辆操纵者/乘客完成手动操作交互(例如，紧急情况HV充电以启动车辆)时)满足辅 助能量电池或者HV电池能量需求。当LV电池荷电水平高于荷电水平值的中间范围时，可 将优先权给予对HV电池充电，如果需要的话，在不存在车辆操纵者/乘客的手动操作交互 (例如，紧急情况HV充电以启动车辆)的情况下，可以将优先权第二位给予运行辅助能量需求。例如，参照图2，示出了用于操作充电控制器16B以控制能量/电压转换器16A的 输出电压的预编程的判决逻辑。如果HV电池不是满充电状态，则(1)将输出电压连接到HV电池输入端；(2)将输出电压设置到HV充电电压；否则(1)将输出电压设置到LV输出(例如，13. 7伏)；
如果LV电池小于预定荷电水平(满充电)，则将输出电压连接到LV电池输入端；否则
如果内部温度小于感测到的内部车辆温度，则将输出电压连接到电阻加热器；否则将输出电压连接到冷却系统；结束。因此，在图2中示出的示例性判决逻辑树中，对HV电池充电具有最高优先级，对LV 电池再充电具有次一级的最高优先级，运行辅助能量系统(例如，加热或冷却车辆)具有基 于感测到的车辆条件的又次一级的最高优先级。应该理解的是，可以提供上面所讨论的其 他判决树。因此，已经描述了混合动力车辆充电/辅助能量系统以及方法，所述系统和方法 对辅助电荷存储设备(例如，LV电池)提供太阳能充电，所述辅助电荷存储设备随后可被 用于在混合动力车辆的运行启动之前或同时确保第二电荷存储设备(例如，HV牵引用蓄电 池)被满充电，因此，确保始终可以获得足够的能量来启动混合动力车辆。本发明还提供了 另外的优点，即，辅助LV电池可被用于对辅助能量系统提供能量，而不需要再关心LV电池 是否被放电到影响混合动力车辆的启动和驱动。尽管在附图中示出并进行描述的实施例是当前优选的，但是，应该理解的是，这些 实施例仅仅是作为例子而提供的。本发明不限于特定实施例，而是包括对于本领域普通技 术人员通常所能想到的各种修改、组合和置换，这些修改、组合和置换仍然落入权利要求的 保护范围内。
权利要求
一种太阳能供能混合动力系统，包括太阳能电荷收集器，用于收集太阳能电荷；电荷存储系统，包括用于接收并存储来自太阳能电荷收集器的电荷的至少第一电荷存储设备；其中，所述电荷存储系统还包括可选择性地连接到至少第二电荷存储设备的能量电子电路，所述能量电子电路用于以可选择的电压水平将所存储的电荷传送到所述至少第二电荷存储设备。
2.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述能量电子电路还可选择 性地以可选择的电压水平连接到至少一个能量系统，从而为所述至少一个能量系统提供能量。
3.如权利要求2所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述至少一个能量系统是从 由冷却系统、通风系统、加热系统、除霜系统和辅助能量提供系统组成的组中选择的。
4.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述能量电子电路包括电压 转换器。
5.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述太阳能电荷收集器通过 所述能量电子电路可选择性地连接到所述至少第一电荷存储设备。
6.如权利要求5所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述至少第一电荷存储设备 用于以第一预定的电压水平从所述太阳能电荷收集器接收电荷，从而在所述第一电荷存储 设备中积聚到预定荷电水平。
7.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，当确定至少第一电荷存储设 备已经积聚到第一预定荷电水平时，所述至少第一电荷存储设备传送所存储的电荷。
8.如权利要求7所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述至少第二电荷存储设备 用于接收所存储的电荷，直到确定所述至少第二电荷存储设备已经被充电到第二预定荷电 水平。
9.如权利要求1所述的太阳供能混合动力系统，还包括与所述能量电子电路通信的可 编程控制器，所述可编程控制器用于控制所述能量电子电路以选择的电压水平输出电压。
10.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述能量电子电路包括电路 切换设备，用于选择性地将所述至少第一电荷存储设备的输出端连接到所述至少第二电荷 存储设备和至少一个能量系统中的一个的输入端。
11.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述能量电子电路还包括操 作器控制设备，用于选择性地将所述至少第一电荷存储设备的输出端连接到所述至少第二 电荷存储设备的输入端，以传送所存储的电荷。
12.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述至少第一电荷存储设备 和所述至少第二电荷存储设备包括各自的荷电状态传感器，用于感测所述至少第一电荷存 储设备和所述至少第二电荷存储设备的各自的荷电状态。
13.如权利要求12所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述各个荷电状态传感器 与可编程控制器通信。
14.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述至少第一电荷存储设备 和所述至少第二电荷存储设备是从电池和电容器构成的组中选择的。
15.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述至少第一电荷存储设备 和所述至少第二电荷存储设备中的至少一个包括直流电池。
16.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述第一电荷存储设备以比 所述第二电荷存储设备低的直流电压运行。
17.如权利要求1所述的太阳能供能混合动力系统，其中，所述第二电荷存储设备的运 行电压在200伏到400伏直流电压范围内。
18.一种用于操作太阳能供能混合动力系统的方法，包括收集太阳能电荷；以预定电压水平将所述太阳能电荷提供给第一电荷存储设备，以在所述第一电荷存储 设备积聚到第一预定荷电水平；当确定所述第一电荷存储设备已经积聚到所述第一预定荷电水平时，选择性地将电荷 从所述第一电荷存储设备提供给第二电荷存储设备。
19.如权利要求18所述的方法，还包括通过选择性地将能量从所述第一电荷存储设 备提供到多个辅助能量系统中的一个，选择性地运行所述多个能量系统中的一个。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述多个能量系统是从由冷却系统、通风系统、 加热系统、除霜系统和辅助能量提供系统组成的组中选择的。
21.如权利要求20所述的方法，其中，根据基于判决逻辑的优先级，由可编程控制器确 定所述选择性地提供电荷和选择性地提供能量的操作。
全文摘要
一种太阳能供能混合动力系统，所述系统包括太阳能电荷收集器；电荷存储系统，包括用于接收并存储来自太阳能电荷收集器的电荷的至少第一电荷存储设备；其中，所述电荷存储系统还包括可选择性地连接到至少第二电荷存储设备的能量电子电路，所述能量电子电路用于以可选择的电压水平将所存储的电荷传送到所述至少第二电荷存储设备。
文档编号H02N6/00GK101802399SQ200880106598
公开日2010年8月11日 申请日期2008年9月16日 优先权日2007年10月9日
发明者唐纳德·查尔斯·弗兰克斯, 罗伯特·杰伊·劳奇 申请人:福特全球技术公司