用于车辆的设置有双电压存储组合件的电功率系统的制作方法

本发明涉及一种用于车辆的设置有双电压存储组合件的电功率系统。

背景技术：

到如今多年来，市场一直要求车辆设置有以48伏供电的电功率系统。与12伏电源相比，48伏电源具有许多优势，并且允许制造商能够显著改善混合动力车辆或设置有启动和停止系统的车辆(特别是与制动能量回收相关)的性能，以及尤其是显著降低由车载电负载所吸收的电流，从而同时提高电效率。事实上，多年来我们在汽车中使用电负载的情况有所增加，这种电负载消耗大功率，特别是在低温下，因此，当它们用12伏电压供电时，肯定会吸收高电流。在相同的供电功率下，在车载系统中循环的高吸收电流会导致技术复杂化(例如，您可能需要具有更大截面的电缆或具有更大尺寸的更强大的电动执行器)，并且因此增加要承担的费用。

因此，以48伏供电的电功率系统在以高吸收功率为特征的所有那些装置(诸如像电加热器、液体泵、冷却风扇、空调系统、高保真系统、导航仪、显示器等)的供电方面具有优势。因此，提出不同的解决方案，其中以48伏供电的辅助电功率系统(通常是锂离子电池)辅助以12伏供电的传统电功率系统。分别以12伏和48伏供电的两个电功率系统以并联配置相互连接；在以12伏和48伏供电的两个电功率系统的两个存储系统之间插入电子功率转换器，通常是dc/dc转换器，其允许能量在优先方向上在两个存储系统之间传输，特别是从48伏电功率系统朝向12伏电功率系统传输，但也存在其中dc/dc转换器可以在两个方向上传输能量的一些情况。

双电压电源架构(即12伏和48伏)允许制造商拥有更大的电能，既可以最大限度地降低低效率并提高车辆的性能，另外还允许制造商使用截面减小且耗散较小的电缆从而具有更好的效率。

然而，在一定数量的可用功率甚至过高的情况下，具有12伏和48伏双电压的电源架构(其中分别以12伏和48伏供电的两个电源系统并联布置)导致所占用的空间和要承担的费用显著增加。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于车辆的具有双电压存储组合件的电功率系统，所述系统没有现有技术的缺点，并且特别容易且廉价地制造。

根据本发明，提供根据所附权利要求的一种用于车辆的具有双电压存储组合件的电功率系统。

附图说明

现在将参考附图描述本发明，附图示出本发明的非限制性实施例，其中：

-图1是包括根据本发明的设置有双电压存储组合件的电功率系统的车辆的示意图；

-图2是在图1的电功率系统中包括多个电化学电池单元的存储系统的示意图；

-图3是图1的电功率系统的示意图；

-图4是示出用于平衡图1的电功率系统的两个存储系统的充电状态的策略的框图。

具体实施方式

在图1中，附图标记1总体上表示设有四个车轮(两个前轮2和两个后驱动轮3)的道路车辆，其接收来自内燃发动机4的扭矩。车辆1包括电功率系统5，其在图3中详细示出并且又设置有由一系列电化学电池单元组成的电化学能量存储系统6。

存储系统6优选地是可再充电的铅电池，其包括多个电化学电池单元c，它们彼此电连接(特别是六个电化学电池单元c)，以便构建12伏的存储系统。

存储系统6为照明系统和内燃发动机4的起动以及另外的辅助负载提供电能，另外的辅助负载总体上用附图标记8表示。存储系统6与辅助电气负载8并联布置，辅助电气负载8由具有12伏的电源的存储系统6供电。

优选地，存储系统6与冷发动机起动模块9并联布置；冷发动机起动模块9设计成即使在相当低的温度下也能以有限的持续时间提供高功率一段时间。

冷发动机起动模块9还可用于自动停止/启动起动。备选地，在自动停止/启动起动的情况下，可以使用可逆电机12，其将在下文中更详细地描述。

电功率系统5还设置有36伏存储系统10。36伏存储系统10优选地是可再充电锂离子电池并且包括多个电化学电池单元单元，它们彼此连接。根据优选实施例，36伏存储系统10包括多个电化学电池单元c，它们以并联或串联/并联配置交替布置，以便构建36伏存储系统10。36伏存储系统10与12伏存储系统6并联布置。

由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置形成的组合件11总体上向以48伏供电的多个电负载提供供电所需的电能，该多个电负载以附图标记13表示。例如，由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置形成的组合件11设计成提供给空调系统供电、以加热内部附件(诸如像加热的后窗和座椅)所需的电能，并且给通常需要高电源电流的所有电负载供电。因此，由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置形成的组合件11与由48伏电源供电的电负载13并联布置。

由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置形成的组合件11在道路车辆是设置有包括可逆电机12(即可以作为吸收电能并产生机械扭矩的电动马达又可以作为吸收机械能并产生电能的发电机或交流发电机工作)的混合驱动运动系统的电动和热混合动力驱动道路车辆的情况下发现有利的应用，该可逆电机12机械连接到变速器以便将扭矩传递到后驱动轮3或前轮2。由可逆电机12实现的主要技术功能涉及作为电动马达的操作，以通过在驱动(特别是在加速和低转速(rpm)时)期间输送扭矩来辅助内燃发动机4，涉及作为扭矩发生器的操作，仅在电驱动模式下的操作，以及在再生制动中作为发电机或交流发电机的操作。

可逆电机12在内部包括逆变器(或电子功率转换器)，逆变器在作为电动马达操作期间吸收电能并产生机械扭矩，逆变器插入在可逆电机12和由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置形成的组合件11之间。

dc/dc转换器是并联连接两个存储系统6、10的充电容量的装置(相反，从电压的角度来看，它们串联布置)。

根据优选的变型，dc/dc转换器包括在通常用术语bms(电池管理系统)表示的用于管理存储系统6、10的设备14中。在这种情况下，如您在图3中可以更好地看到的那样，用于管理存储系统6、10的bms设备14并联连接到由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置形成的组合件11。

其中dc/dc转换器包括在bms设备14内的变型是特别有利的，因为其导致组件件数量的减少，这显著影响成本和总尺寸。当dc/dc转换器包括在bms设备14内时，您可以使用共用的冷却系统和共用的外壳，您可以使用相同的电连接器，并且此外，bms设备14的功能可以通过dc/dc转换器的主要微控制器来执行。

根据另一变型(此处未示出)，可逆电机12在内部还包括dc/dc转换器；在这种配置中，可逆电机12提供作为输出的双电压，并且更准确地是朝向12伏存储系统6提供第一调节的电压以及朝向36伏存储系统10提供第二调节的电压，通过其电荷可从可逆电机12传输到两个存储系统6、10，以及在内燃发动机4的正常运行期间可以供应由车辆1的电路所要求的电流。

最后，根据另一变型(此处未示出)，dc/dc转换器是独立的；换言之，dc/dc转换器既不包括在用于管理存储系统6、10的bms设备14中，也不包括在可逆电机12中。

用于管理存储系统6、10的bms设备14与由12伏存储系统6与36伏存储系统10串联布置构成的组合件11并联连接，用于管理存储系统6、10的bms设备14提供对充电状态(soc)和两个存储系统6和10的健康状态(soh)的估计。

具体地，根据图4，两个存储系统6和10中的每一个连接到bms设备14。bms设备14配置为确定存储系统6的用soc6表示的充电状态(soc)和存储系统10的用soc10表示的充电状态(soc)。更详细地，bms设备14配置为获取(检测)两个存储系统6和10的电压和电流值，以分别确定存储系统6的充电状态soc6和存储系统10的充电状态soc10。电功率系统5还包括控制单元cu，其接收存储系统6的充电状态soc6和存储系统10的充电状态soc10的值作为输入，并对它们进行比较；实际上，控制单元cu被设计成通过存储系统10的充电状态soc10与存储系统6的充电状态soc6之间的差来计算用socerr表示的充电状态的误差值。将充电状态的误差值socerr作为输入发送到控制器pi，其优选地是比例积分控制器(其已知且未详细描述)。控制器pi设计成将存储系统6的充电状态soc6与存储系统10的充电状态soc10之间的差设置为零，并使存储系统11保持平衡，即将存储系统10与存储系统6之间的充电状态的误差值socerr设置为零。

在充电状态的误差值socerr接近零的情况下，控制单元cu设计成控制dc/dc转换器，使得它提供一对电压vp和vs作为输出，电压vp和vs是如此的以至于相应的电流ip和is等于零，并且在两个存储系统6和10之间没有能量传递，两个存储系统6和10基本平衡。

相反，在充电状态的误差值socerr与零显著不同的情况下，控制单元cu设计成控制dc/dc转换器，使得它提供一对电压vp和vs作为输出，电压vp和vs是如此的以至于相应的电流ip和is不等于零(除零之外)并且在两个存储系统6和10之间存在能量传递。具体地，控制单元cu设计成控制dc/dc转换器，以便将存储系统6的充电状态soc6与存储系统10的充电状态soc10之间的差设置为零(即，将充电状态的误差值socerr设置为零)，以便在两个存储系统6和10之间重新建立平衡；具体地，通过将能量从存储系统6传输到存储系统10(在充电状态的误差值socerr小于零的情况下)以及反之亦然将能量从存储系统10传输到存储系统6(在充电状态的误差值socerr大于零的情况下)，将存储系统6的充电状态soc6与存储系统10的充电状态soc10之间的差设置为零。

根据优选的变型，控制单元cu设计成控制dc/dc转换器，以便在针对特定需求请求不同控制动作的情况下旁路绕过控制器pi(在图4中用ext表示)。换言之，控制单元cu设计成在针对特定需求请求不同控制动作的情况下忽略充电状态的误差值socerr。例如，可能发生充电状态的误差值socerr接近零(这意味着应该控制dc/dc转换器以便提供一对电压vp和vs作为输出，vp和vs是如此的以至于相应的电流ip和is等于零并且在两个存储系统6和10之间没有能量传输)，但是然而必须控制dc/dc转换器以便将能量从存储器系统10传输到存储系统6以便处理由存储系统6对能量的强烈吸收。

用于管理存储系统6、10的bms设备14设计成通过无源或有源元件执行36伏存储系统10的电化学电池单元c的平衡，所述无源或有源元件并联布置在每个单独的电化学电池单元c上。电荷平衡功能旨在将电化学电池单元c的一部分电荷朝向优选地在附近紧邻放置的不同电化学电池单元c转移，或者旨在通过电阻型的无源元件耗散电化学电池单元c的电荷的一部分。

对于每个单个电化学电池单元c，可以使用多个参考参数，这些参数由bms设备14使用来管理存储系统6、10，以便监控存储系统6、10的正确操作，从而控制和管理以48伏供电的多个电负载13的电功率供应。

具体地，用于管理存储系统6、10的bms设备14在36伏存储系统10的单个电化学电池单元c的端部处设置有电压测量，利用流动通过所述电化学电池单元c电流和利用所述电化学电池单元c的温度。对于12伏存储系统6，用于管理存储系统6、10的bms设备14在端部处设置有电压测量，利用流动通过它的电流，并且优选地利用温度。如上所述，在端部处的电压测量值、两个存储系统6、10的电流和温度值用于估计两个存储系统6、10的充电状态soc并确定两个存储系统6、10的健康状态soh的可靠的估计。

基于每个单个存储系统6、10的充电状态soc，基于每个单个存储系统6、10的健康状态soh以及基于存储系统10和存储系统6的每个单个电化学电池单元c的参考参数，用于管理存储系统6、10的bms设备14控制dc/dc转换器，以便将存储系统6的充电状态soc相对于存储系统10的充电状态soc保持平衡。

更准确地，由dc/dc转换器实现的功能是将36伏存储系统10的电荷转移到12伏存储系统6的功能，以及反之亦然，这取决于两个存储系统6、10的充电状态并且取决于来自可逆电机12的流向存储系统6、10的相对充电或放电电流或者取决于来自两个存储系统6、10的流向以12或48伏供电的相对负载的相对充电或放电电流，以便保持两个存储系统6、10的充电状态相对于彼此保持平衡。

在图3中，附图标记14表示由在内部包括dc/dc转换器的bms设备14构成的组合件。i8和i13分别表示以48伏供电的辅助电负载8和负载13的输入电流(根据惯例，当电流i8和i13进入以48伏电压供电的辅助电负载8和电负载13时，它们应该是正的)。显然，由于以48伏供电的辅助电负载8和电负载13仅仅是耗散负载，因此电流i8和i13大于零。

ip和is分别表示存储系统10(其连接到dc/dc转换器的初级侧)和存储系统6(其连接到dc/dc转换器的次级侧)的输出电流(根据惯例，当电流ip和is离开存储系统10和存储系统6时，它们应该是正的)。最后，i10和i6分别表示存储系统10和存储系统6的输入电流(根据惯例，当电流i10和i6分别进入存储系统10和存储系统6的正极时，它们应该是正的)。

参考图3，可以出现下面列出的状况。

在电流ip和is等于零的情况下，没有能量从存储系统10传输到存储系统6，以及反之亦然。其中电流ip和is等于零的情况是相当常见的，并且电流ip和is等于零的情况表示其中由bms设备14构成的组合件没有输入电流也没有输出电流的情况，其中bms设备14在内部包括dc/dc转换器。

在这种状况下，由在内部包括dc/dc转换器的bms设备14构成的组合件基本上与存储系统10和存储系统6两者隔离，与以48伏供电的辅助电负载8和电负载13两者隔离。在这种状况下，辅助电负载8仅由存储系统6供电，以及类似地，以48伏供电的电负载13由组合件11专门供电，组合件11由存储系统6和存储系统10构成。

在电流ip和is大于零的情况下，存在从存储系统10到存储系统6的能量传递。在这种情况下，可逆电机12可以作为吸收机械能并产生电能的发电机工作，或作为吸收电能和产生机械能的电动马达工作，或者它既不能产生电能也不能吸收电能。辅助电负载8通过dc/dc转换器由存储系统6和存储系统10供电；而以48伏供电的电负载13通过由存储系统10与存储系统6串联构成的组合件供电，所述存储系统10和存储系统6协作以便取决于电流ip和is以差分方式向以48伏供电的电负载13供电。

通过由在内部包括dc/dc转换器的bms设备14构成的组合件连接到dc/dc转换器的初级侧的存储系统10为由存储系统6和辅助电负载8构成的并联器供电。可能出现以下状况：

-存储系统6的输入电流i6大于零，并且连接到dc/dc转换器的初级侧的存储系统10为辅助电负载8供电，并且同时对存储系统6充电；或者

-存储系统6的输入电流i6等于零，并且连接到dc/dc转换器的初级侧的存储系统10仅为辅助电负载8供电(存储系统6基本上是隔离的)；或者

-存储系统6的输入电流i6小于零，并且连接到dc/dc转换器的初级侧的存储系统10和连接到dc/dc转换器的次级侧的存储系统6两者共同给辅助电负载8供电。

在电流ip和is小于零的情况下，存在从存储系统6到存储系统10的能量传递。其中电流ip和is小于零的情况表示非常不利且能量效率低的状况。出于该原因，存在试图避免这种操作模式的趋势，但是，在对来自以48伏供电的电负载13存在高功率需求的情况下这种操作模式是必要的，并且由存储系统10与存储系统6串联构成的组合件提供最大可用功率。

基本上，电功率系统5包括：以12伏为负载供电的12伏存储系统6；由12伏存储系统6和36伏存储系统10构成的组合件11，其以48伏为电负载13供电；电功率系统5还包括借助于dc/dc转换器在两个存储系统6、10之间传输电荷，以便尽可能保持两个存储系统6、10的充电状态平衡。

根据优选的变型，电功率系统5没有设置通常在传统电功率系统中使用的用于对12伏存储系统6充电的交流发电机。12伏存储系统6通过dc/dc转换器由可逆电机12或由36伏存储系统10充电。我们想指出的是没有交流发电机的该实施例允许制造商显著降低电功率系统5的成本。

相反，根据另一变型，电功率系统5设置有用于对12伏存储系统6充电的交流发电机16，其与12伏存储系统6并联布置。根据可彼此替代的实施例，交流发电机16可以是独立的或包括在冷发动机起动模块9中，在这种情况下，冷发动机起动模块9是也可用作发电机的可逆电机。

从两个存储系统6、10的容量(以wh或ah表示)的角度进行尺寸调整，以便最小化组合件11的总成本并且基于以下参数，诸如两个存储系统6、10的内部电阻，两个存储系统6、10之间的电压比，由与12伏存储系统6和48伏存储组合件11并联连接的负载8、9、12、13吸收的平均和最大电流。

根据优选的变型，取决于锂电池和铅电池的当前成本，为了在给定相同性能的情况下最小化组合件11的总成本，两个存储系统6、10的以ah表示的容量之间的比率范围为从4到8。

此外，在需要负电压的情况下，36伏存储系统10可用作用于特殊电负载的为36伏电压的附加电源；实际上，与36伏存储系统10的负极相比，12伏存储系统6的负极具有负电压。

根据用于工业车辆的典型的另一实施例，存储系统6包括十二个电化学电池单元c以形成24伏存储系统。电功率系统5还设置有24伏存储系统10，其通过可再充电锂离子电池获得并且包括多个电化学电池单元c，这些电化学电池单元c彼此连接并且交替地以串联或者串联/并联布置。

上述并且设置有用于管理存储系统6、10的设备14的电功率系统5具有一些优势。实际上，所述电功率系统5制造简单且便宜，并且用于管理存储系统6、10的设备14需要小的计算能力。同时，电功率系统5实现具有为12伏和48伏双电压的电功率供应架构，但是与其中12伏存储系统6与48伏存储系统并联布置的具有为12伏和48伏双电压的电功率供应架构相比，电功率系统5尺寸小且特别经济。进一步的优势在于下述事实，即电功率系统5不会导致冷发动机起动问题，因为您可以使用12伏存储系统6和36伏存储系统10两者。此外，上述电功率系统5的dc/dc转换器通常具有比传统电功率系统(2.5-3.5kwatt)更有限的功率(1.5-2kwatt)，在传统电功率系统中12伏和48伏存储系统并联布置，并且12伏存储系统由48伏存储系统专门充电。在上述电功率系统5中，12伏存储系统6由36伏存储系统10通过dc/dc转换器和由可逆电机12以48伏充电，效率更高(实际上，dc/dc转换器的效率通常更高，因为输入/输出电压之间的比率是12/36而不是12/48，电流通常更多地包含在内并且电子设备具有更低的电阻)，并且dc/dc转换器的成本显著降低，dc/dc转换器可以通过使用标准的低成本印刷电路板的技术获得。