电能储存以及电力管理系统的制作方法
【专利说明】电能储存以及电力管理系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求享有于2013年3月14日申请的美国临时申请61/786，003号的优先权，该申请整体通过引用结合于此。
【背景技术】
[0003]电动汽车行业持续地寻求具有增高的效率和功率密度的电驱动系统和成本有效的电能储存系统。长时间以来，人们相信诸如使用包括具有由薄膜软磁材料形成的磁芯的电磁体的定子和永久性超强磁体转子(例如钴稀土磁体和钕铁硼磁体)构造的电动机和/或发电机的电机有提供相比于传统电机高得多的效率和功率密度的潜力。然而，提供完全利用这些潜在效率的电驱动系统和成本有效的电能储存系统被证明是困难的。
[0004]用于电动汽车中的变速电机一般由使用来自电池组的电池组电压的控制器控制，所述电池组通常由多个电互连的电池组成。所述电池具有通常基于所使用的电池类型的操作电池电压，并且总电池组电压通常由电池组构造决定。电池组电压一般通过将单独的电池群串联地互连来增加从而获得想要的电池组电压，并且多群串联连接的电池一般并联连接以增加总电池组的载流容量。
[0005]很多电动汽车现在使用锂离子电池组，这是因为锂离子电池组具有较高的功率密度和反复再充电的能力。为了提供这种类型应用所需的性能特征，这些锂离子电池组通常被设计为在较高的电压和较高的电流下运行。高电压的使用可产生显著的安全问题，并且可能存在与包括大量的并联连接的电池群的电池组相关的显著的可靠性问题。然而，很多高性能电动机具有最佳的电压运行点，该运行点可以高于锂离子电池系统一般可用的电压运行点，因为锂离子电池组的尺寸和电压可能由于安全考虑而被限制。
【发明内容】
[0006]在一些方面，本公开提供了用于电能储存系统的电力管理系统和方法。所述电能储存系统包括多个电能储存模块，其中每个电能储存模块具有相关的电能储存模块运行电压。每个电能储存模块能够以与运行电压相关的不同的电流输出电力。所述电能储存系统包括多个电力调制电路，其中每个电力调制电路被电连接到电能储存模块中关联的那一个，由此允许关联的电能粗存模块与电能储存系统的其他电能储存模块电隔离。每个电力调制电路包括用于接收关联的电能储存模块的运行电压和电流、转换操作电压和电流以及在独立于相关的电能储存模块的电能储存模块运行电压的电压输出电力的布置。所述电能储存系统还包括总主控制器，其电连接到每个电能储存模块的每个电力调制电路以控制每个电能储存模块输出的电力并且由此控制总电能储存系统的电力输出。在一些方面，每个点鞒储存模块包括多个单独的电池，其中每个电池具有关联的电池运行电压。
[0007]在一些方面，单独的电池是锂离子电池。
[0008]在一些方面，组成能量储存系统的不同的电能储存模块的电池具有不同的能量储存特征。
[0009]在一些方面，组成能量储存系统的不同的电能储存模块的电池具有不同的锂离子化学结构和不同的能量储存密度。
[0010]在一些方面，组成每个电能储存模块的多个电池全部串联连接。
[0011]在一些方面，每个电力调制电路包括降压/增压变换器，其用于将与电能储存模块关联的运行电压转换为独立于并且可高于与电能储存模块关联的运行电压的电压。
[0012]在一些方面，电能储存系统的不同的电能储存模块具有从包括不同的运行电压和不同的能量、电感和电流容量的特征群中选择的不同的特征。
[0013]在一些方面，总主控制器是电动机控制器并且电能储存系统是用于包括具有多个转子极的转子的电动机的电能储存系统。
[0014]在一些方面，电动机是无刷式DC电动机/发电机。
[0015]在一些方面，总主控制器包括多个独立的控制器。每个独立的控制器电连接到相关的电力调制电路以独立地控制相关的电力调制电路和相关的电能储存模块。独立的电力调制电路配合以产生驱动电动机的单个驱动功能。
[0016]在一些方面，总主控制器包括多个独立的控制器，其中每个独立的控制器电连接到相关的电力调制电路以独立地控制相关的电力调制电路和相关的电能储存模块。电动机包括具有多个独立的定子模块的定子，其中每个独立的定子模块包括多个与转子极磁性互动的定子极。每个定子模块电连接到关联的独立的控制器并且由此电连接到关联的电力调制电路以及电能储存模块以形成多个电独立的子电动机，其每个能够相对于其他子电动机独立地运行。
[0017]在一些方面，每个定子模块包括一组线圈，其充电定子极。该组线圈具有一个或多个线圈子组，其中每个线圈子组与定子模块的不同的磁相以及组成每个串联电连接的线圈子组的所有线圈关联。
[0018]在一些方面，电动机向车辆提供电力。
[0019]在一些方面，电动机是直接驱动车轮电动机。
[0020]在一些方面，总主控制器施加可变驱动电压到电动机。
[0021]在一些方面，总主控制器施加可变驱动电压到电动机。
[0022]在一些方面，电动机是多相电动机并且总主控制器通过在相上脉宽调制施加到驱动电压并且改变施加到驱动电压的电压施加可变驱动电压和电流功能到电动机的每个相。
[0023]在一些方面，总主控制器以改变电动机速度、请求的电动机功率输出和效率、响应、寿命、平顺度以及最大可用电力的优化的方式来改变驱动电压和电流功能。
[0024]在一些方面，总主控制器随着电动机的速度的增加以及随着请求的电动机功率输出的增加通过使用预定的功能增加驱动电压。
[0025]在一些方面，总主控制器通过使用脉宽调制切换施加到电动机的驱动电压以控制提供到电动机的电能的量。总主控制器还以改变请求的电动机功率输出和电动机的速度的一个或多个的方式改变脉宽调制的切换速度。
[0026]在一些方面，总主控制器改变施加到电动机的脉宽调制的切换速度和驱动电压以优化电动机的效率、电动机的功率、电动机的热量、电动机的噪音、电动机的速度和转矩和电能储存系统的寿命的一个或多个。
[0027]在一些方面，每个电能储存模块的电力调制电路和总主控制器允许仅在总主控制器请求电能从给定的电能储存模块释放时电能从给定的电能储存模块释放。
[0028]在一些方面，每个电力调制电路包括至少一对电力端子，电能通过该电力端子从相关的电能储存模块释放。电力端子被关联于电能储存模块的电力调制电路控制以激活电力端子并且允许仅在总主控制器请求电能从电能储存模块释放时从电能储存模块释放电會K。
[0029]在一些方面，总主控制器包括多个独立的控制器。每个独立的控制器电连接到关联的电力调制电路以独立地控制相关的电力调制电路和相关的电能储存t吴块。电能储存系统包括至少一个具有相关的辅助电能储存模块运行电压的辅助电能储存模块以及将辅助电能储存模块与电能储存系统的其他电能储存模块电隔离的辅助电力调制电路。辅助电力调制电路包括接收辅助电能储存模块运行电压和辅助电能出粗模块的电流、转变运行电压和电流、并且输出独立于辅助电能储存模块的辅助电能储存模块运行电压的电压和电流。辅助电能储存模块电连接到与给定的一个电能储存模块相关的独立控制器并且被其控制。
[0030]在一些方面，每个电能储存模块包括模块壳体，其用于容纳电能储存模块和相关的电力调制电路。模块壳体包括一长段凸出的导热材料和用于密封一长段凸出的材料的端部的端帽。
[0031]在一些方面，所述端帽提供水密密封并且凸出的材料是具有包括被构造为附接到散热支撑部的散热表面和至少一个散热凸缘的横截面形状的凸出的铝。
[0032]在一些方面，本公开提供了电动机控制器和用于控制由具有电力运行电压的电源提供电力的可变电动机的方法。控制器包括电压变化布置，其接收来自电源的电力运行电压、转变运行电压并且输出施加到电动机并且独立于电源运行电压的可变驱动电压。控制器还包括切换布置，其通过脉宽调制切换并且施加可变电压到电动机以控制提供到电动机的电能的量。控制器改变脉宽调制的切换速度并且以改变请求的电动机功率输出和电动机速度的一个或多个的方式改变可变驱动电压。
[0033]在一些方面，控制器改变脉宽调制的切换速度并且改变施加到电动机的可变驱动电压以优化电动机的效率、电动机的功率、电动机的热量、电动机的噪音、电动机的速度和转矩以及电源的寿命的一个或多个。
[0034]在一些方面，控制器改变脉宽调制的切换速度并且随着电动机的速度的改变以及请求的电动机功率输出的改变通过使用预定的功能改变施加到电动机的可变驱动电压。
[0035]在一些方面，电源包括至少一个锂离子电池。
[0036]在一些方面，本公开包括用在电能储存系统中的电池组模块。电池组模块包括至少一个电池以及用于容纳电池的模块壳体。模块壳体包括一长段凸出的导热材料以及用于密封该段凸出的材料的端部的端帽。
[0037]在一些方面，端帽提供谁密密缝并且突出的材料是具有包括被构造为附接到散热支撑部的散热表面和至少一个散热凸缘的横截面形状的凸出的铝。
[0038]在一些方面，电池是锂离子电池。
[0039]在一些方面，电池全部串联连接。
[0040]在一些方面，电池电互连以提供电池组电压并且电池组还包括电源调制电路，其被构造为被外部控制器控制使得电池组电压不能从电池组的外侧进入，除非其被外部控制器命令。
[0041]在一些方面，电池组模块被构造为用于电能储存系统中，该系统具有多个电池组模块并且电力调制电路被构造为允许电池组模块失效并且与系统电隔离。
[0042]在一些方面，电池组模块包括多个并联连接的电池群，每个并联连接的群包括至少一个电池，并且并联连接的电池群串联电连接到另一个群。
[0043]在一些方面，电池组模块包括电池平衡布置，其电连接到并联连接的电池群的每个，使得从电池组模块获得的能量可以从并联连接的电池群的子组获得。
[0044]在一些方面，电池平衡布置从并联连接的电池群获得能量，使得电池组模块在电池组模块的使用期间从并联连接的电池群的子组向电连接到电池组模块的电装置或者其他外部电负荷提供能量，由此在电池组模块的使用期间提供用于电池组模块的电池平衡功會K。
【附图说明】
[0045]图1是用于根据本公开的内容的电驱动系统和能量储存系统的电力管理系统的示意性例示。
[0046]图2是根据本公开的内容的电驱动系统的示意性例示。
[0047]图3是图2的电机的横截面视图。
[0048]图4是图2的电机的定子区段的立体图。
[0049]图5是用于提供图4的定子区段的定子磁芯的平面图。
[0050]图6是图4的定子区段的两个定子磁芯的平面图。
[0051]图7是根据本公开的内容的电驱动系统的另一个是实力的示意性例示。
[0052]图8是与根据本公开的内容关联的辅助电能储存模块和电能储存模块的示意性例示。
[0053]图9是图8的电能储存模块的模块壳体的横截面视图。
[0054]图10是例示了根据本公开的内容的控制其方法的步骤的流程图。
[0055]图11是根据本公开的示例性电机的单相的单个磁循环的图，其中y轴表示电压，X轴表示时间。
[0056]在附图中相似的附图标记表示相似的元件。
【具体实施方式】
[0057]本公开的内容大体关于电能储存系统、电驱动系统、控制器和电力管理系统。本公开的内容还涉及控制比如用于电动车辆中的电池组的较大的电池系统的布置和方法。本公开的内容还包括电互连和控制包括诸如由电能储存系统供电的电动机和/或发电机的电机的电驱动系统和电能储存系统的部件的布置和方法。
[0058]参见图1，用于根据本公开的内容的电能储存系统102的通用的总电力管理系统100将被描述。电能储存系统102包括多个电能储存模块104，其中每个电能储存模块104具有关联的电能储存t旲块运彳丁电压VI。在图1例不的实施例中，电能储存系统102包括八个电能储存模块104，它们分别由附图标记Vla至Vlf表示。虽然电能储存系统102被描述为具有六个模块，但这不是规定。替代地，所述电能储存系统可包括任何想要的数量的模块。
[0059]电能储存系统102还包括多个电力调制电路106。在图1例示的实施例中，电能储存系统102包括六个电力调制电路106，它们通过附图标记106a至106f表示。每个电力调制电路106a_f电连接到电能储存模块104a_f中关联的一个以允许每个关联的电能储存模块104与电能储存系统102的其他电能储存模块电隔离开。根据本公开的内容，电力调制电路106a_f可被纳入图1例示的电能储存模块104a_f的部分。如下文将详细描述的，这可向能量储存系统提供显著的安全优势。替代地，电力调制电路可作为分立的部件提供，这些部件可电连接到所述电能储存模块而不是被包括为所述模块的集成的部分。
[0060]如下文将详细描述的，每个电力调制电路106a_f包括相应的输出布置108a_f，其用于接收来自关联的电能储存模块的电能储存模块运行电压Vla-f和电流、转换所述运行电压和电流以及输出独立于电能储存模块运行电压Vla-f的输出电压V2和电流。电能储存系统102还包括总主控制器110，其电连接到电力调制电路106a-f的每个。在此实施例中，多对电导体111 (通过附图表及Illa到Illf表示)被分别用于在控制器110和电力调制电路106a-f之间传输电力。控制器110被构造为通过使用互连控制器110和电力调制电路106a-f的通信总线112来控制电力调制电路106的运行。通信总线112可以是任意想要类型的通信总线，比如，但不限于，CAN总线。通过这种构造，控制器110可控制来自每个电能储存模块的电力输出，并且从而控制总电能储存系统102的电力输出。通信总线112还可用于通信作为能量储存管理系统的部分的电能储存模块的每个的状况。
[0061]根据本公开的一些方面，每个电能储存模块104可包括一个或多个用于储存电能的电能储存部件113。在优选