專利名稱：太陽能充電混合動力系統的制作方法
技術領域：
本發明總體涉及混合動力車輛，更具體地講，提供了一種對包括高壓(HV)牽引用 蓄電池的混合動力輛的電荷存儲系統進行充電的充電系統和方法。
背景技術：
采用多個動力源的混合動力系統需要很小心地控制系統組件，以協調從動力源到 系統負載的動力傳遞。這些負載可以大幅度地劇烈改變，通常發生在預料不到的情況下，尤 其是在混合動力車輛中。使用燃料電池和電池組作為動力源來為車輛提供動力的混合系統 必須被嚴密地控制，以確保在各種情況下都有足夠的備用動力，包括在長時間未使用的情 況下或僅電力驅動模式操作的情況下具有足夠可用的動力以啟動混合動力車輛。為了確保在混合動力車輛牽引用蓄電池組中有足夠的能量以及保持電池的合適 的充電和放電，電池的荷電狀態(S0C)被監控，并且控制充電和放電，從而使S0C保持在可 接受范圍或“窗口”內。當S0C低時，可啟用燃料電池來產生動力以對電池充電，從而將S0C 保持在期望的窗口內。通常，在混合動力車輛中，輔助電荷存儲設備(例如電池)被用于啟動引擎，而另 一個電荷存儲設備(例如HV牽引用蓄電池)被單獨使用或與內燃機一起使用，用來對車輛 提供動力。在長時間未使用的情況下，在只有HV牽引用蓄電池向車輛提供動力的僅電力驅 動操作過程中或者在HV牽引用蓄電池被重復使用的反復停止和啟動操作過程中，HV牽引 用蓄電池會部分放電。結果，會損害車輛的性能。在現有技術中，已經提出了使用太陽能以及插電式電力系統來對車載電池進行再 充電。例如，在第4，327，316號美國專利中，由太陽能電池形成的可再充電輔助電池被 用于使用再充電電流設備對車輛電池進行充電。在長時間未使用或當需要反復停止車輛操 作時，使用充電系統來避免電池的放電。在第4，564，799號美國專利中，使用了雙電池系統，其中，使用太陽能電池作為輔 助能量源來對輔助電池充電。使用輔助電池來啟動電機(例如，用于點火設備)來改善車 輛的啟動性能。在第4，581，572號美國專利中，使用了獨立于車輛電池的太陽能電池來提高用于 對車輛電池再充電的AC(交流)發電機的輸出。在第5，162，720號美國專利中，將諸如110V雙插座的補充設備AC電源與轉換器 一起使用來對輔助電池再充電。充電電流可以沿著從輔助電池到引擎電池的方向流動，以 減少為了啟動車輛引擎而使引擎電池過于耗盡的風險。在第6，222，341號和6，452，361號美國專利中討論了一種包括雙電池系統的車 輛，其中，在車輛未使用期間或者當啟動用電池需要額外充電時，備用電池與充電維持設備 一起被使用以產生對啟動用電池相對低的充電率。由車輛交流發電機對備用電池進行充電
其他現有技術中的動力源通常通過利用太陽能或AC設備(utility)來對車輛原電池再充電。為了克服混合車輛電荷存儲設備(例如，高壓(HV)牽引用蓄電池)的損壞問題， 作為例子，在車輛長時間未使用或者在混合動力車輛的僅電力驅動操作過程中，提供避免 HV牽引用蓄電池出現不希望的耗盡的系統和方法是有利的。因此，本發明的目的在于提供這樣一種系統和方法，例如，在混合動力車輛長時間 未使用或車輛的僅電力驅動模式的操作過程中，避免電荷存儲設備(HV牽引用蓄電池)出 現不期望的耗盡。
發明內容
根據本發明的一方面，提供了一種系統和方法，設置有第一電荷存儲設備，在太陽 能電荷在輔助電池中積聚到可用的荷電水平(例如，足以將LV電池中積聚的電荷傳送到第 二電荷存儲設備(例如，高壓(HV)牽引用蓄電池)的荷電水平)的情況下，可以通過太陽 能來對第一電荷存儲設備(例如，輔助低壓(LV)電池)充電，所述電荷然后被用于啟動車 輛，以及驅動用于對車輛提供動力的電機。此外，輔助電池中積聚的太陽能電荷還可被用于 對輔助車輛系統提供能量，或被用于對單獨設備的操作或充電提供輔助能量。根據本發明的重要的特征，可以從低壓(LV)電池(電荷存儲設備)向高壓(HV) 牽引用蓄電池(電荷存儲設備)提供充電，以使得在輔助LV電池中積聚的太陽能電荷被有 效而順暢地傳送到HV電池。根據本發明的另一特征，包括在LV電池中積聚的太陽能電荷的LV電池可以被選 擇性地與輔助車輛能量系統連接，從而為了各種目的以選擇的電壓(例如LV電池運行電壓 或其他電壓)提供能量，例如，為電阻加熱器提供能量以對擋風玻璃或太陽能收集板除霜， 或加熱車輛的內部，包括加熱座椅或方向盤，為冷卻系統提供能量，例如，排風扇/冷卻風 扇或電力空調，或對第三方設備(例如，移動電話、移動視頻系統等)提供能量或運行第三 方設備。根據本發明的另一方面，通過太陽能收集設備收集能量(電荷)，收集的電荷通過 能量電子電路(包括電壓轉換器)被傳送到LV電池，以將太陽能電荷積聚到可用水平，然 后從LV電池提供能量以對車輛高壓(HV)電池再充電，或者運行輔助能量系統，其中，響應 于感測到的車輛條件和/或感測到的電池荷電水平條件，由可編程控制器作出是否對電池 再充電或運行輔助能量系統的決定。通過對本發明的優選實施例的詳細描述，本發明的這些和其他實施例、多個方面 和特點將會更容易理解，將在下面結合附圖對所述優選實施例進行描述。
圖1是根據本發明實施例的車輛混合動力系統的一部分的框圖。圖2是操作控制器的示例性編程邏輯，示出了控制根據本發明實施例的車輛混合 動力系統內提供的動力的示例性電壓輸出判決邏輯。
具體實施例方式圖1示出了混合動力車輛中的電力源電路的一部分的框圖。參照圖1，混合動力車輛可以是任何包括高壓電荷存儲設備(例如(HV)電池12A)的混合動力車輛。HV電池 12A可以被用來對混合動力車輛中的電驅動電機(牽引電機)提供能量，并且可被用來提 供啟動引擎(例如，內燃機或柴油發動機)的能量。例如，高壓(HV)電池12A可工作在大 約200到大約400伏直流范圍內。應該理解的是，也可使用現有技術中的包括電容器和超 高電容器(ultra-capacitor)的其他電荷存儲設備來替代根據本發明的高壓(HV)電池或 低壓(LV)電池。混合動力車輛包括太陽能收集設備14，所述太陽能收集設備14可以是以任何傳 統方式附著并定位在車輛上的太陽能電池板，或者可以是結合在車輛的面向外面的部分 (例如，車輛主體或擋風玻璃)中的太陽能收集設備。例如，當暴露到太陽能能量下時，太陽 能收集設備(太陽能電池板)14收集電荷，然后，所述電荷通過傳統的布線方式，被傳送到 能量傳送電子電路(包括能量/電壓轉換器16A)，能量傳輸電子電路可以被連接到(例如， 有線連接21D)或結合在可編程充電控制器16B內。能量/電壓轉換器16A從太陽能電池 板接收輸入電壓，例如，通過輸入端18A和18B(正極端子和負極端子)接收輸入電壓。能 量/電壓轉換器16A還與充電控制器(16B)通信。能量/電壓轉換器16A根據預定的編程電壓(例如，通過輸出端20A和20B)輸 出電壓，其中，電壓輸出(例如，正極電壓)的端子之一(例如，20A)連接到被選擇的輸入 端(例如，A、B、C、D、E)，所述輸入端包括相對于能量/電壓轉換器16A并聯布線的輔助能 量電路(例如，C、D、E)或者HV電池⑷。包含在能量傳輸電子電路內的電力電路切換設 備22與充電控制器16B通信(例如，有線連接21C)，并且可被用于選擇性地使電壓輸出端 (例如，20A)連接到輸入端(例如，A、B C、D、E)之一。電路切換設備22可以是能夠由充電 控制器16B多路切換控制的傳統的繼電器切換設備。例如，切換設備22能夠使電壓轉換器 的輸出端(例如，20A)連接到LV電池12B (端子B)的輸入端，其中，能量/電壓轉換器的 電壓源是太陽能收集設備14。此外，切換設備可將端子B用作LV電池12B的輸出端，然后 通過將端子F與端子B連接將LV電池12B連接到能量/電壓轉換器16A的輸入端(例如， 20C)，其中，切換設備22另外將能量/電壓轉換器16A的輸出端連接到HV電池12A的輸入 端，或者連接到輔助能量系統12C、12D、12E的輸入端(8卩，端子(、0、幻之一。應該理解的 是，能量/電壓轉換器16A可進行操作來控制HV電池12A的輸出電壓與HV電池12A的確 定的電壓輸入或者輔助能量系統之一的輸入相匹配。電壓輸出的其他端子(例如20B)以及與混合動力車輛電力系統相關的HV電池、 LV電池和輔助能量電路連接到地電位24。通過由切換設備22選擇輸入端(A、C、D、E)之 一與輸出電壓(例如，20A)連接，多個輔助能量電路(例如，12C、12D、12E)之一或HV電池 12A.LV電池12B可被用于通過能量/電壓轉換器16A以選擇的電壓提供能量。此外，LV電 池12B或HV電池12A可以通過來自能量/電壓轉換器16A的電壓被提供能量，其中，用于 能量/電壓轉換器16A的電壓源是太陽能電池板14或其他插電式能量源(未示出)。在優選實施例中，當電路切換設備22被連接到多個輔助能量電路(例如，12C、 12D、12E (端子C、D、E))之一或HV電池12A (端子A)時，來自能量/電壓轉換器16A的能 量以選擇的操作電壓從LV電池12B (通過將端子B連接到端子F)提供。當能量/電壓轉換器16A被連接到LV電池的輸入端(通過端子B，端子F懸空)時，用于能量/電壓轉換器 16A的能量源是太陽能收集設備(例如，太陽能電池板14)時，太陽能電荷被傳送到LV電池 12B，并在LV電池12B積聚。能量/電壓轉換器16A可以是傳統的雙向設備，其能夠將由能量源(例如，LV電 池或太陽能電荷收集器)提供的能量轉換為與系統負載(例如，HV電池、冷卻設備、電阻加 熱設備)的需求和其他輔助能量需求一致的電壓。具體地，能量/電壓轉換器16A將由能 量源(例如，LV電池或太陽能電荷收集器)提供的電壓和電流轉換為與系統負載需求匹配 的水平。此外，當能量/電壓轉換器的輸出端與LV電池的輸入端連接時，能量/電壓轉換 器將由太陽能收集設備收集的電荷轉換為能夠用于對LV電池充電的輸出電壓。例如，HV電池12A優選地被配備有傳統的荷電狀態(S0C)傳感器22A，所述荷電狀 態傳感器22A與充電控制器16B通信(例如，有線連接21A)，以將HV電池的S0C值提供給 充電控制器16B。電池中存儲的能量的相對量通常被稱為“荷電狀態”(S0C)，S卩，存儲的能 量的量被表示為電池組的總安培-小時容量。為了有效地充電和放電，電池(或其他電荷 存儲設備)可被保持在荷電范圍內，所述荷電范圍為足以滿足使用電池的能量系統的能量 需求的S0C窗口。如果充電控制器確定HV電池12A不是滿充電(例如，55% -60% )或者小于預定 荷電水平(在S0C窗口下方)，則充電控制器16B可以被預編程為通過由LV電池提供的能 量對HV電池再充電，例如，通過根據將電壓輸出端20A連接到HV電池輸入端A并將輸出電 壓設置為與HV電池的電壓相應的合適的充電電壓，(例如，從大約200到大約400伏直流 (DC))的電路切換設備22選擇輸入端A，來對HV電池再充電。當HV電池不需要能量時(S0C為滿充電或大于預編程的荷電水平)以及輔助能量 電路(例如，冷卻電路(例如，風扇)12C、加熱電路12D或輔助充電電路12E)不需要能量 時，電路切換設備22保持在能量/電壓轉換器輸出電壓20A通過端子B連接到LV電池12B 的狀態，其中，能量源是太陽能收集裝置，例如，太陽能電池板14，其中，LV電池12B收集太 陽能電荷到可用的電壓水平，例如，足以通過能量/電壓轉換器16A將LV電池12B連接到 HV電池12A (包括使用電路切換設備22來選擇端子A (用于HV電池的輸入端))來對HV電 池12A再充電的電壓水平。應該理解的是，LV電池和HV電池之一或兩者可以通過單獨的 插電式電壓源再充電，充電控制器16B可控制能量/電壓轉換器16A的輸出端20A來將太 陽能電荷從太陽能收集設備14而不是從LV電池提供到HV電池。還優選地，LV電池12B還配備有S0C傳感器22B，所述S0C傳感器22B與充電控制 器16B通信(例如，有線連接21B)。充電控制器16B可被預編程以確定在LV電池中是否有 足夠的電荷來完成HV電池的充電功能。如果LV電池中的電荷不足以對HV電池充電，則充 電控制器16B可被預編程為結合切換設備22來允許LV電池12B通過太陽能收集設備14 或插電式電荷源來進行再充電到預編程的荷電水平，并忽略其他能量需求。作為選擇，LV電 池可在特定情況下(例如車輛正在運行或者由車輛操縱者/乘客手動操作時)為輔助能量 電路提供能量。應該理解的是，與能量/電壓轉換器16A和LV電池12B協作的充電控制器16B可 以通過預編程指令或與專用電路(例如，升壓電路)結合來為HV電池12A提供能量，以控 制輸出(例如，通過能量/電壓轉換器從LV電池輸出)到HV電池的電壓，從而快速而安全地完成充電功能。例如，充電控制器16B與能量/電壓轉換器16A以及LV電池12B —起根 據HV電池的S0C以選擇的輸出電壓水平開始對HV電池充電，然后在充電過程中根據HV電 池的隨后的S0C跟隨預編程的電壓輸出水平。此外，應該理解的是，例如，當HV電池的S0C 太低，不足以啟動引擎時，升壓電路(boost circuit)和/或充電控制器可以由操縱者/乘 客(例如，來自車輛內)互動地手動操作，通過啟動升壓電路和/或充電控制器的手動操作 可以由操縱者/乘客立即完成，從而提供從LV電池到HV電池的緊急升壓(充電)(例如， 緊急充電和啟動)。應該理解的是，正常情況下，當HV電池的降到預定荷電水平之下時(包 括當車輛未運行時)，根據預編程充電控制器由充電控制器16B以及能量/電壓轉換器16A 和LV電池12B —起自動而有效地完成對HV電池的再充電。LV電荷存儲設備(例如，LV電池12B)可以是現有技術中通常被稱為12伏電池的 設備。應該理解的是，LV電池可根據S0C具有一定的輸出電壓范圍，例如，包括從9到大約 15伏。例如，在電荷源是太陽能電池板14和/或LV電池(通過能量/電壓轉換器)被連 接到輔助能量電路的情況下，充電控制器16B可以被預編程為以預定的電壓水平從能量/ 電壓轉換器提供選擇的輸出電壓。此外，根據由S0C傳感器22B確定的LV電池的S0C，為了 LV電池最有效的充電，充電控制器16B可以被預編程為控制能量/電壓轉換器16A，從太陽 能收集設備以選擇的電壓水平產生輸出電壓。例如，在能量源是太陽能電池板的情況下，可 以從能量/電壓轉換器16A輸出13. 7伏的直流電壓到LV電池12B，從而在LV電池內積聚 太陽能電荷，或從LV電池為輔助能量電路充電。應該理解的是，充電控制器16B可以被預編程為選擇性地將電荷從太陽能收集裝 置提供到LV電池或HV電池以積聚太陽能電荷，或者根據(包括通過車輛操縱者的手動操 作(例如，來自操縱者控制面板))基于判決邏輯樹的不同優先級，將能量(電荷)從LV電 池提供到HV電池或輔助能量電路。例如，判決邏輯樹可以被構造為對HV電池進行充電給 予高于所有其他能量需求的優先級(假設在LV電池中存在足夠的電荷)。可選地或者此 外，來自控制面板的車輛操縱者的手動交互可以操作預編程的指令。例如，在LV電池荷電水平降到預編程的低電荷值以下時，充電控制器可被預編程 為不理睬(忽略)來自LV電池的能量需求，直到LV電池通過太陽能收集設備和/或插電 式充電源被再充電到預定低電壓水平。當LV電池荷電水平高于預編程的低荷電水平時，可 存在荷電水平值的中間范圍，在這種情況下，可在特殊情況下(例如，車輛正在運行和/或 被車輛操縱者/乘客完成手動操作交互(例如，緊急情況HV充電以啟動車輛)時)滿足輔 助能量電池或者HV電池能量需求。當LV電池荷電水平高于荷電水平值的中間范圍時，可 將優先權給予對HV電池充電，如果需要的話，在不存在車輛操縱者/乘客的手動操作交互 (例如，緊急情況HV充電以啟動車輛)的情況下，可以將優先權第二位給予運行輔助能量需求。例如，參照圖2，示出了用于操作充電控制器16B以控制能量/電壓轉換器16A的 輸出電壓的預編程的判決邏輯。如果HV電池不是滿充電狀態，則(1)將輸出電壓連接到HV電池輸入端；(2)將輸出電壓設置到HV充電電壓；否則(1)將輸出電壓設置到LV輸出(例如，13. 7伏)；
如果LV電池小于預定荷電水平(滿充電)，則將輸出電壓連接到LV電池輸入端；否則
如果內部溫度小于感測到的內部車輛溫度，則將輸出電壓連接到電阻加熱器；否則將輸出電壓連接到冷卻系統；結束。因此，在圖2中示出的示例性判決邏輯樹中，對HV電池充電具有最高優先級，對LV 電池再充電具有次一級的最高優先級，運行輔助能量系統(例如，加熱或冷卻車輛)具有基 于感測到的車輛條件的又次一級的最高優先級。應該理解的是，可以提供上面所討論的其 他判決樹。因此，已經描述了混合動力車輛充電/輔助能量系統以及方法，所述系統和方法 對輔助電荷存儲設備(例如，LV電池)提供太陽能充電，所述輔助電荷存儲設備隨后可被 用于在混合動力車輛的運行啟動之前或同時確保第二電荷存儲設備(例如，HV牽引用蓄電 池)被滿充電，因此，確保始終可以獲得足夠的能量來啟動混合動力車輛。本發明還提供了 另外的優點，即，輔助LV電池可被用于對輔助能量系統提供能量，而不需要再關心LV電池 是否被放電到影響混合動力車輛的啟動和驅動。盡管在附圖中示出并進行描述的實施例是當前優選的，但是，應該理解的是，這些 實施例僅僅是作為例子而提供的。本發明不限于特定實施例，而是包括對于本領域普通技 術人員通常所能想到的各種修改、組合和置換，這些修改、組合和置換仍然落入權利要求的 保護范圍內。
權利要求
一種太陽能供能混合動力系統，包括太陽能電荷收集器，用于收集太陽能電荷；電荷存儲系統，包括用于接收并存儲來自太陽能電荷收集器的電荷的至少第一電荷存儲設備；其中，所述電荷存儲系統還包括可選擇性地連接到至少第二電荷存儲設備的能量電子電路，所述能量電子電路用于以可選擇的電壓水平將所存儲的電荷傳送到所述至少第二電荷存儲設備。
2.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述能量電子電路還可選擇 性地以可選擇的電壓水平連接到至少一個能量系統，從而為所述至少一個能量系統提供能量。
3.如權利要求2所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述至少一個能量系統是從 由冷卻系統、通風系統、加熱系統、除霜系統和輔助能量提供系統組成的組中選擇的。
4.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述能量電子電路包括電壓 轉換器。
5.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述太陽能電荷收集器通過 所述能量電子電路可選擇性地連接到所述至少第一電荷存儲設備。
6.如權利要求5所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述至少第一電荷存儲設備 用于以第一預定的電壓水平從所述太陽能電荷收集器接收電荷，從而在所述第一電荷存儲 設備中積聚到預定荷電水平。
7.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，當確定至少第一電荷存儲設 備已經積聚到第一預定荷電水平時，所述至少第一電荷存儲設備傳送所存儲的電荷。
8.如權利要求7所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述至少第二電荷存儲設備 用于接收所存儲的電荷，直到確定所述至少第二電荷存儲設備已經被充電到第二預定荷電 水平。
9.如權利要求1所述的太陽供能混合動力系統，還包括與所述能量電子電路通信的可 編程控制器，所述可編程控制器用于控制所述能量電子電路以選擇的電壓水平輸出電壓。
10.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述能量電子電路包括電路 切換設備，用于選擇性地將所述至少第一電荷存儲設備的輸出端連接到所述至少第二電荷 存儲設備和至少一個能量系統中的一個的輸入端。
11.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述能量電子電路還包括操 作器控制設備，用于選擇性地將所述至少第一電荷存儲設備的輸出端連接到所述至少第二 電荷存儲設備的輸入端，以傳送所存儲的電荷。
12.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述至少第一電荷存儲設備 和所述至少第二電荷存儲設備包括各自的荷電狀態傳感器，用于感測所述至少第一電荷存 儲設備和所述至少第二電荷存儲設備的各自的荷電狀態。
13.如權利要求12所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述各個荷電狀態傳感器 與可編程控制器通信。
14.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述至少第一電荷存儲設備 和所述至少第二電荷存儲設備是從電池和電容器構成的組中選擇的。
15.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述至少第一電荷存儲設備 和所述至少第二電荷存儲設備中的至少一個包括直流電池。
16.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述第一電荷存儲設備以比 所述第二電荷存儲設備低的直流電壓運行。
17.如權利要求1所述的太陽能供能混合動力系統，其中，所述第二電荷存儲設備的運 行電壓在200伏到400伏直流電壓范圍內。
18.一種用于操作太陽能供能混合動力系統的方法，包括收集太陽能電荷；以預定電壓水平將所述太陽能電荷提供給第一電荷存儲設備，以在所述第一電荷存儲 設備積聚到第一預定荷電水平；當確定所述第一電荷存儲設備已經積聚到所述第一預定荷電水平時，選擇性地將電荷 從所述第一電荷存儲設備提供給第二電荷存儲設備。
19.如權利要求18所述的方法，還包括通過選擇性地將能量從所述第一電荷存儲設 備提供到多個輔助能量系統中的一個，選擇性地運行所述多個能量系統中的一個。
20.如權利要求19所述的方法，其中，所述多個能量系統是從由冷卻系統、通風系統、 加熱系統、除霜系統和輔助能量提供系統組成的組中選擇的。
21.如權利要求20所述的方法，其中，根據基于判決邏輯的優先級，由可編程控制器確 定所述選擇性地提供電荷和選擇性地提供能量的操作。
全文摘要
一種太陽能供能混合動力系統，所述系統包括太陽能電荷收集器；電荷存儲系統，包括用于接收并存儲來自太陽能電荷收集器的電荷的至少第一電荷存儲設備；其中，所述電荷存儲系統還包括可選擇性地連接到至少第二電荷存儲設備的能量電子電路，所述能量電子電路用于以可選擇的電壓水平將所存儲的電荷傳送到所述至少第二電荷存儲設備。
文檔編號H02N6/00GK101802399SQ200880106598
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月16日 優先權日2007年10月9日
發明者唐納德·查爾斯·弗蘭克斯, 羅伯特·杰伊·勞奇 申請人:福特全球技術公司