專利名稱：雙向電池電壓轉換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于交通工具的電存儲元件的控制系統，并且在一個特定實施例中涉及一種用于控制進入和離開電存儲元件的功率的系統。
背景技術：
大型交通工具(例如，半掛牽引車、卡車、公共汽車等等)通常用來運輸人和貨物。 交通工具包括汲取電功率的各種部件，包括例如用于長途牽引車的臥車單元的供熱、通風與空調(HVAC)系統。這些各種電部件的功率可以在交通工具處于操作時由交流發電機供應而在交通工具不處于操作時由諸如一個或多個電池的備選電源供應。一般而言，來自諸如交流發電機的電源的電能被存儲在交通工具的一個或多個電池中以在其他電源不可用時提供存儲的電能以供稍后使用。在一些交通工具中，提供輔助電池組以向交通工具的電部件供應功率。這些輔助電池組往往以彼此并聯關系電連接到該電源。
發明內容
在一個實施例中，本發明包括用于交通工具電氣系統的雙向電池電壓轉換器。雙向電池電壓轉換器包括至少一個電池。每個電池與之關聯了電源、電感器、四個開關以及連接到每個開關的路由電路(routing circuit)，其中所述四個開關電耦合到電感器，其中開關中的兩個還電耦合到電池而開關中的另兩個電耦合到電源。路由電路控制每個開關的斷開和閉合使得成對地斷開或閉合開關。通過以限定的占空比交替地耦合電感器到電源然后是電池，路由電路使用電源對電感器充電然后把存儲在電感器中的電荷傳遞至電池。在各種實施例中，電源是交通工具交流發電機。在另一個實施例中，本發明包括一種對交通工具電氣系統中的多個電池中的每個個別地充電的方法。該方法包括提供電耦合到每個個別電池的雙向電池電壓轉換器。雙向電池電壓轉換器可以包括與電感器相關聯的電流傳感器以及與電池相關聯的電壓傳感器。 該方法進一步包括感測(sense )每個電池的電壓以及流入每個電池的電流并且調整雙向電池電壓轉換器的占空比以調整向電池遞送的電流和電壓中的至少一個，以便給每個個別電池提供最優的充電。在又一個實施例中，本發明包括一種管理對交通工具電氣系統中的多個電池的再充電的方法。該方法包括提供電子開關，電耦合到交通工具電氣系統中的多個電池中的每個；以及電壓傳感器，用于感測連接到交通工具電氣系統的電源的電壓。該方法進一步包括閉合第一開關以連接多個電池中的第一個到交通工具電氣系統并且在第一開關閉合時監視電源的電壓。該方法還包括確定電壓是否由于連接第一電池而降低到閾值電平以下并且如果這樣的話則再斷開第一開關以斷開第一電池。該方法又進一步包括閉合與多個電池中的每個相關聯的多個開關中的每個并且監視電壓直到所有開關閉合并且所有電池連接到交通工具電氣系統以進行再充電。在又一個實施例中，本發明包括一種對交通工具電氣系統中的多個電池中的每個個別地放電的方法。該方法包括提供電耦合到每個個別電池的雙向電池電壓轉換器，其中雙向電池電壓轉換器還包括與電感器相關聯的電流傳感器以及與電池相關聯的電壓傳感器。該方法進一步包括感測每個電池的電壓以及由每個電池提供的電流并且調整雙向電池電壓轉換器的占空比以調整由電池遞送的電流和電壓中的至少一個，以便提供每個個別電池的最優的放電。在又一個實施例中，本發明包括一種電隔離交通工具電氣系統中的至少一個電池的方法。該方法包括提供電子開關，所述電子開關電耦合到交通工具電氣系統中的多個電池中的每個。該方法進一步包括在多個電池的放電期間斷開至少一個開關以電隔離多個電池中的至少一個以保持所隔離的電池內的電荷。在又一個實施例中，本發明包括用于交通工具電氣系統的雙向多電池電壓轉換器。每個雙向多電池電壓轉換器與多個電池相關聯。提供控制電路以選擇性地激勵 (energize)與多個電池之一相關聯的繼電器或電子開關，從而連接電池與雙向多電池電壓轉換器。在又一個實施例中，本發明提供一種給交通工具電氣系統中的電池充電的方法。 交通工具電氣系統具有系統總線；第一開關，選擇性地連接第一電池與系統總線；第二開關，選擇性地連接第二電池與系統總線；以及控制器，監視交通工具電氣系統的電壓并且可控地斷開和閉合第一開關和第二開關。第一開關和第二開關被斷開，從而將第一電池和第二電池與系統總線斷開。第一開關閉合，從而連接第一電池與系統總線。響應于第一開關閉合，監視交通工具電氣系統的電壓。如果交通工具電氣系統的電壓越過閾值，斷開第一開關。第二開關閉合，從而連接第二電池與系統總線。響應于第二開關閉合，監視交通工具電氣系統的電壓。如果交通工具電氣系統的電壓越過閾值，斷開第二開關。在又一個實施例中，本發明提供一種與交通工具電氣系統一起使用的控制器。該控制器具有電壓輸入端子、存儲器以及微處理器。控制器可控地斷開第一開關，從而將第一電池與系統總線斷開；并且可控地斷開第二開關，從而將第二電池與系統總線斷開。控制器可控地閉合第一開關，從而連接第一電池與系統總線。響應于第一開關閉合，控制器接收在電壓輸入端子處交通工具電氣系統的電壓。控制器然后在微處理器中比較與交通工具電氣系統的電壓有關的值與來自存儲器的閾值。控制器響應于交通工具電氣系統的電壓越過閾值而可控地斷開第一開關。控制器可控地閉合第二開關，從而連接第二電池與系統總線。 響應于第二開關閉合，控制器接收在電壓輸入端子處交通工具電氣系統的電壓。控制器然后在微處理器中比較與交通工具電氣系統的電壓有關的值與所述閾值，并且響應于交通工具電氣系統的電壓越過閾值而可控地斷開第二開關。在又一個實施例中，本發明提供一種交通工具電氣系統，其包括系統總線；第一電池；第一開關，選擇性地連接第一電池到系統總線；第二電池；第二開關，選擇性地連接第二電池到電氣系統；以及控制器。控制器可控地斷開第一開關和第二開關，從而使第一電池和第二電池與系統總線斷開。控制器可控地閉合第一開關，從而連接第一電池與系統總線，并且響應于第一開關閉合而監視交通工具電氣系統的電壓。如果交通工具電氣系統的電壓越過閾值，控制器可控地斷開第一開關。控制器可控地閉合第二開關，從而連接與第二開關相關聯的第二電池與系統總線，并且響應于第二開關閉合而監視交通工具電氣系統的電壓。如果交通工具電氣系統的電壓越過閾值，控制器斷開第二開關。在又一個實施例中，本發明提供一種平衡交通工具電氣系統中的電流的方法。交通工具電氣系統包括系統總線；第一電池；第一雙向電池電壓轉換器，在第一電池與系統總線之間選擇性地傳遞第一電流；第二電池；第二雙向電池電壓轉換器，在第二電池與系統總線之間選擇性地傳遞第二電流；以及控制器，控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器。感測第一電流并且把與第一電流有關的第一信號提供給控制器。第二電流以及與第二電流有關的第二信號被提供給控制器。控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器，使得第一電流和第二電流是向連接到系統總線的電負載供應的負載電流的相等部分。在又一個實施例中，本發明提供一種用于向電負載供應電功率的交通工具電氣系統。該系統包括系統總線；第一電池；以及第一雙向電池電壓轉換器，在第一電池與系統總線之間可控地傳遞第一電流。系統還包括第二電池；以及第二雙向電池電壓轉換器，在第二電池與系統總線之間可控地傳遞第二電流。控制器控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器，使得第一電流和第二電流是向連接到系統總線的電負載供應的負載電流的相等部分。在又一個實施例中，本發明提供一種與交通工具電氣系統一起使用的雙向電池電壓轉換器。所述雙向電池電壓轉換器包括電感器；第一開關，選擇性地耦合電感器到所述第一電池；第二開關，選擇性地耦合電感器到所述第一電池；第三開關，選擇性地耦合電感器到交通工具電氣系統；以及第四開關，選擇性地耦合電感器到交通工具電氣系統。路由電路連接到第一、第二、第三和第四開關中的每個。路由電路可控地成對斷開和閉合開關，使得電感器從交通工具電氣系統和電池中的一個進行充電并且向交通工具電氣系統和電池中的另一個放電。控制器控制路由電路以遞送向連接的電負載供應的負載電流的一部分， 該部分基于其他電流源的可用性。在又一個實施例中，本發明提供用于交通工具的電氣系統。該電氣系統包括系統總線；點火開關，選擇所述電氣系統的操作狀態；以及原電池，連接到所述系統總線。第一輔助電池模塊連接到所述系統總線。第一輔助電池模塊包括第一輔助電池；第二輔助電池；雙向電池電壓轉換器；以及模塊控制器，選擇性地連接所述第一輔助電池和所述第二輔助電池中的一個到所述雙向電池電壓轉換器。主系統控制器在以下模式之一中操作所述第一輔助電池模塊無效(Mll 1 )模式，其中所述第一輔助電池和所述第二輔助電池從所述電氣系統斷開；充電模式，其中所述第一輔助電池和所述第二輔助電池中的一個經由所述雙向電池電壓轉換器接收電流；以及放電模式，其中所述第一輔助電池和所述第二輔助電池中的一個經由所述雙向電池電壓轉換器供應電流。在又一個實施例中，本發明提供一種與交通工具電氣系統一起使用的電池模塊。 電池模塊包括雙向電池電壓轉換器；第一電池；以及第二電池。第一繼電器選擇性地連接第一電池到雙向電池電壓轉換器。第二繼電器選擇性地連接第二電池到雙向電池電壓轉換器。控制器選擇性地激勵第一繼電器、選擇性地激勵第二繼電器并且控制通過所述雙向電池電壓轉換器的電流方向。在又一個實施例中，本發明提供一種用于交通工具的電氣系統。電氣系統包括 系統總線；點火開關，選擇所述電氣系統的操作狀態；原電池，連接到所述系統總線；第一輔助電池模塊；以及第二輔助電池模塊。第一輔助電池模塊包括第一輔助電池；第二輔助電池；第一雙向電池電壓轉換器；以及第一模塊控制器，選擇性地連接所述第一輔助電池和所述第二輔助電池中的一個到所述雙向電池電壓轉換器。第二輔助電池模塊包括第三輔助電池；第四輔助電池；第二雙向電池電壓轉換器；以及第二模塊控制器，選擇性地連接所述第一輔助電池和所述第二輔助電池中的一個到所述雙向電池電壓轉換器。主系統控制器操作所述第一輔助電池模塊和所述第二輔助電池模塊以優先考慮(prioritize)第一、第二、第三和第四輔助電池中的一個的再充電。本發明的各種方面將通過考慮詳細描述和附圖而變成顯而易見。
圖1是包括控制系統、多個電存儲元件、電源以及供熱、通風與空調(HVAC)系統的交通工具的示意圖。圖2是包括雙向電池電壓轉換器電路的交通工具電氣系統的一部分的圖。圖3是包括雙向電池電壓轉換器電路的交通工具電氣系統的一部分的圖。圖4是包括主交通工具系統電池和多個輔助電池的交通工具電氣系統的一部分的圖，其中所述輔助電池具有串聯連接的雙向電池電壓轉換器。圖5是包括主交通工具系統電池和多個輔助電池的交通工具電氣系統的一部分的圖，其中所述輔助電池具有串聯連接的電子開關。圖6是包括雙向多電池電壓轉換器電路的交通工具電氣系統的一部分的圖。圖7是包括雙向多電池電壓轉換器電路的交通工具電氣系統的一部分的圖。圖8是包括主交通工具系統電池和多個輔助電池的交通工具電氣系統的一部分的圖，其中所述輔助電池具有串聯連接的雙向多電池電壓轉換器。圖9是雙向多電池電壓轉換器電路模塊的圖。圖10是包括圖9的雙向多電池電壓轉換器電路模塊的交通工具電氣系統的一部分。圖11是根據圖10的交通工具電氣系統的一個方面的電池充電電壓和電流的曲線圖。圖12是圖10的交通工具電氣系統的一個方面在處于充電模式時的控制流程圖。圖13是圖10的交通工具電氣系統的一個方面在處于無效模式時的控制流程圖。圖14是圖10的交通工具電氣系統的一個方面在處于放電模式時的控制流程圖。
具體實施例方式在詳細解釋本發明的任何構造之前，要理解本發明在其應用方面不限于在以下描述中闡述的或者在以下附圖中圖示的部件的布置和構造的細節。本發明能夠有其他構造并且能夠以各種方式實施或實踐。此外，要理解，在本文中使用的短語和術語用于描述的目的而不應當視為限制。在本文中“包含”、“包括”或者“具有”以及其變型的使用意味著涵蓋此后列舉的項目及其等效物以及附加項目。另外，除非指出或者另外限制，“連接”和“耦合” 不限于物理或機械的連接或耦合。為了供應交通工具(包括大型交通工具，諸如用于拖拉掛車的單體卡車或半掛牽引車)的功率需要，多個電池往往被耦合在一起以遞送更大的功率。在用于耦合多個電池的一個典型布置中，兩個或更多電池被并聯接線在一起直到總功率輸出量(例如，在諸如12 伏的給定電壓下以峰值安培測量)足以供應交通工具的功率需要。在另一個普通布置中，諸如電池繼電器的簡單電子部件可以用來把若干電池電耦合在一起。然而，這些布置沒有一個提供對每個電池的個別監視和控制，且因此這些布置對個別電池的充電和放電限制漠不關心。此外，兩個或更多電池的接合可以創建大的瞬時電流，這是低效的并且可能對系統中的電子部件產生磨損。已知的電池充電控制系統典型地通過把單個電源(例如，交通工具的交流發電機) 連接到整個電池組而對整個并聯連接的電池組進行充電。當這些電池具有相對大的充電接受容量(即，低內部電阻)時，電池的電流接受可以超過從電源供應的電流。另外，常規的控制系統控制供電電壓以免受過電流充電條件，所述過電流充電條件可能對電池壽命是有害的。這樣的系統往往不對電池提供適當的初始電流量，從而限制有效的電池壽命。通過對整個電池組同時充電，常規的電池充電控制系統典型地要求該組中的每個電池具有相同的電特性，包括例如內部電阻、容差和架構。當來自每個電池的電流需求超過正給電池充電的電源的電流容量時，電源和電池中的一者或兩者可能受損或者低效地操作。來自電池組的過量電流需求也可能提供對電池的不充分充電，從而降低電池的電存儲容量和電池的循環能力中的至少一個。因此，本發明的各種實施例提供用于管理對電池組內的個別電池的充電和放電的設備、系統和方法。本發明的各種其他實施例提供用于管理對電池組的電池子組的充電和放電的設備、系統和方法。圖1示出了體現本發明的示例性大型交通工具，即用于長途運輸操作的交通工具 10。所圖示的交通工具10是可以用來把在貨艙(例如，集裝箱、掛車等等)中存儲的貨物運輸到一個或多個目的地的半掛牽引車。還設想，本發明還可以體現在其他交通工具諸如單體卡車、貨車、公共汽車、房車、轎車、摩托車、輪船、火車以及航空器及其他可能性中。在另外的構造中，本發明可以實施在其中采用多個電池的建筑物或其他裝置中。交通工具10包括框架15、車輪20、原動機25、燃料儲存器30以及直流(“DC”)發電機或交流發電機35。車輪20可旋轉地耦合到框架15以允許交通工具10的移動。交流發電機35耦合到原動機25，使得可以把由原動機25產生的機械能量轉換成電能，即電力。 原動機25可以是依靠柴油燃料、汽油或其他適當的材料運行的發動機。交流發電機35和原動機25協作以限定交通工具10的第一電源40。第一電源40具有在預定電壓(例如，12 伏)下基于來自交流發電機35的可用電功率的第一功率容量。在某些構造中，原動機25可以是由內部或外部電源(例如，如在火車系統中的那樣由電線或軌道或者如在電池供電的插入式電動交通工具中的那樣通過存儲電網功率)供電的電動機。在完全插入式電動交通工具(即不包括機載發動機以補充電池功率的交通工具)的后者情況下，可能存在特定電池組，其專用于存儲電荷以在交通工具10的操作期間給原動機25供電。用于在交通工具的操作期間給原動機25供電的電池可以與用來在交通工具10不處于操作時給附件(例如，燈和HVAC)供電的輔助電池組分離。在其中原動機25是電動機的其他構造中，電動機可以由諸如發電機的機載電源供電，其中所述發電機如在混合電動交通工具中的那樣依靠柴油燃料、汽油或其他適當的材料運行。在其中原動機25是電動機的情況下，用于給各種電池充電的功率可以來自正給電動機供電的相同源而不是交流發電機。在一些設計(例如，僅依靠電網或電池功率操作的電動交通工具)中，該交通工具可以不包括交流發電機。原動機25耦合到框架15并且設置在與交通工具10的前端相鄰的艙45中。原動機25與一個或多個車輪20連通以驅動交通工具10。原動機25可以處于“開啟”狀態和 “關閉”狀態。當原動機25處于“開啟”狀態時，它可以與車輪20接合。另外，當原動機25 處于“開啟”狀態時，它可以給交通工具10的電氣系統提供功率以對負載供電并對系統中的電池充電。當原動機25 “開啟”并且與車輪20接合時，可以驅動交通工具10。如果原動機25 “開啟”但是不與車輪20接合，則原動機25和交通工具10被說成正在空轉(idling)， 盡管處于空轉狀態的原動機25仍然可以給交通工具10的電氣系統提供功率。當交通工具10將不操作達延長的時間段(例如，在整夜停止期間或者在加載或卸載貨物期間)時，原動機25可以置于“關閉”狀態并且交通工具10置于待機模式。在“關閉”狀態中，原動機25不可用來向交通工具10的電氣系統提供功率。因此，可能需要一個或多個電池以給交通工具10中的電負載供電。參照圖1，交通工具10還包括艙室50和以電氣方式供電的供熱、通風與空調 (HVAC)系統55。HVAC系統55限定交通工具10的示例性電負載。交通工具10還可以包括其他電負載(例如，交通工具附件、燈、原動機25的起動電動機等等)。一般地，電負載具有涉及負載汲取(load draw)的功率特性，其對應于為充分地供電負載所需的電功率。另外， 對交通工具10上的電池的充電構成另一種類型的負載。艙室50支承在框架15上處于艙45后面并且包括限定空間65的壁60。在一些構造中，空間65可以劃分成駕駛部分和臥鋪部分。HVAC系統55耦合到交通工具10并且與艙室50連通以調節空間65。所圖示的交通工具10包括單個HVAC系統55，該HVAC系統 55與空間65相鄰定位并且與空間65連通。在其他構造中，HVAC系統55可以位于交通工具中以調節臥鋪部分。一般地，交通工具中的HVAC系統的數量至少部分地取決于在艙室中要調節的區域的大小和數量。HVAC系統55的部件可以位于交通工具10上的幾乎任何地方。在所圖示的構造中，HVAC系統55包括位于艙室50中以調節空間65的蒸發器組件70和在艙室50的外側上耦合到壁60之一以提供HVAC系統55中的致冷劑與周圍環境之間的熱交換的冷凝器組件75。在一些構造中，HVAC系統55的部件可以一起組裝成單個整體包裝。在其他構造中， HVAC系統55的每個部件可以與HVAC系統55的其他部件分離。圖1示出交通工具10還包括電存儲系統80和與電存儲系統80連通的充電控制系統85。電存儲系統80與第一電源40電連通以在原動機25處于“開啟”狀態時接收電功率。除了或代替第一電源40，充電控制系統85還可以與第二電源90選擇性地電連通以從第二電源90接收電功率。在所圖示的構造中，第二電源90可以包括來自城市電網(還稱作“岸電(shore power)”)、光伏裝置、燃料電池、風力發電機或者其他功率源的功率。一般地， 第二電源90具有基于在優選電壓下來自電源的可用電功率的第二電功率容量。電存儲系統80還與交通工具的電負載(例如，HVAC系統55)電連通以基于負載汲取給電負載提供充分的功率。一般地，電存儲系統80在充電階段期間從第一電源40和第二電源90中的任一者或兩者接收功率，而在放電階段期間向交通工具10的負載(或多個負載)釋放功率。充電階段可以在第一和第二電源40、90中的任一者或兩者正向交通工具10 的電氣系統輸入功率時發生，而放電階段可以在第一或第二電源40、90中的沒有一個正向交通工具10的電氣系統輸入功率時發生。電存儲系統80包括第一多個電存儲元件(例如電池95)和第二多個電存儲元件 (例如電池100)，用于在充電階段期間存儲來自第一電源40和/或來自第二電源90的電功率以及用于在放電階段期間向電負載釋放功率。當相應的電源40、90連接到電存儲系統80 時，第一電源40和第二電源90中的每個限定連接的電源。當相應的電源40、90從電存儲系統80斷開時，第一電源40和第二電源90中的每個限定斷開的電源。第一電源40和第二電源90中的一者或兩者可以連接到電存儲系統80或者從電存儲系統80斷開。在所圖示的構造中，第一多個電池95包括交通工具10的現有電池，而第二多個電池100包括交通工具10的單獨的附加電池。在其他構造中，第一多個電池95和第二多個電池100可以包括在交通工具10上作為除了現有的交通工具電池之外提供的單獨的電池。為了簡化描述，在本文中描述的各種構造關注于對第二多個電池100中的每個進行充電。然而，所公開的電路和方法還可以用來對第一多個電池95中的每個進行充電。另外，用于對第二多個電池100中的每個進行充電的功率可以來自許多源，包括第一多個電池95、第一電源40、第二電源90或者連接到交通工具的這些和其他電源的各種組合中的一個或多個。根據各種構造的交通工具電氣系統包括第一多個電池95、第二多個電池100、一個或多個電負載(例如燈或HVAC系統55)以及交流發電機35中的一個或多個。另外，交通工具電氣系統還可以包括第二電源90。如下面關于圖2-10進一步描述的，交通工具電氣系統還可以包括與第一或第二多個電池95、100中的一個或多個相關聯的雙向電池電壓轉換器200和電子開關210中的一者或兩者。在每個實施例中，電氣系統部件之間的共同連接可以一般稱為電氣系統或系統“總線”。圖2示出了包括雙向電池電壓轉換器200構造的交通工具電氣系統150的一部分的電路圖。雙向電池電壓轉換器200包括布置為由電感器L耦合的“H電橋”的四個開關A、
B、C、D。在各種構造中，開關A、B、C、D是能夠承載大量電流的電子控制開關，例如場效應晶體管(FET)開關諸如金屬氧化物半導體FET (M0SFET)。典型地，開關成對地激活，例如開關 A和D同時接通，或者開關B和C同時接通。當開關A和D接通時，電感器L從第一多個電池95 (或者備選地，圖1中示出的第一電源40或第二電源90)中的一個或多個進行充電。 開關A和D隨后關斷并且開關B和C接通，從而允許把來自電感器L的存儲能遞送到第二多個電池100中的一個或多個。在一些構造中，開關A、B、C、D由脈沖寬度調制(PWM)控制300 (圖2)操作。例如， PWM控制300的輸出OUT-Q和0UT-Q’可以使用路由電路310而選擇性地連接到開關A、B、
C、D0路由電路310包括兩個復用器(multiplexer)320a、320b，它們具有作為輸入的PWM控制300的OUT-Q線和0UT-Q’線以及來自數據接口 330的模式選擇輸入。在圖2中示出的構造中，OUT-Q線連接到復用器320a的輸入Il和復用器320b的輸入12，而0UT-Q，線連接到復用器320a的輸入12和復用器320b的輸入II。復用器320a、320b的輸入然后連接到開關A、B、C、D。在圖2中示出的構造中，復用器320a連接到開關A和D而復用器320b連接到開關B和C。此外在圖2中示出的構造中，路由電路310由數據接口 330控制，該數據接口 330 改變復用器320a、320b中的每個的模式以便把相應復用器320a、320b的Sl輸入或S2輸入路由到開關A、B、C、D。數據接口 330包括輸入/輸出(I/O)線，其連接到諸如圖4中示出的集中控制系統340。控制系統340可以附連到交通工具10作為獨立的單元或者作為交通工具10的計算機控制系統的一部分。因此，使用圖2中示出的雙向電池電壓轉換器200電路，放出二進制信號(例如，在低值和高值諸如0和1伏之間切換的電壓信號)的單個控制線(S卩，來自數據接口 330的“模式”線)可以用來改變開關A、B、C、D的位置以便把電感器L鏈接到第一多個電池95或者第二多個電池100。不過，控制開關A、B、C、D的斷開和閉合狀態的其他方法也是可能的。根據電感器L的放電和充電的次序，第一多個電池95可以用來對第二多個電池 100充電，或者第二多個電池100可以用來對第一多個電池95充電。另外，替代第一多個電池100，來自第一電源40或第二電源90的功率可以用來對電感器L充電并因此向第二多個電池提供功率。電感器L的充電和放電典型地以循環(cyclic)的方式執行，以便無論哪個或哪些電池正在接收能量均向其提供正在進行的電能源。電感器L經歷重復的充電和放電循環，這在各種構造中以高達50kHz或者更高的速度發生，其中電容器Cin和C。ut有助于建立電荷和平滑電壓信號。使用圖2中示出的雙向電池電壓轉換器200，電感器L可以向小于、等于或大于連接到電感器L的源電壓的一個或多個電池遞送輸出電壓。來自電感器 L的輸出電壓是基于開關A、B、C、D的占空比，即它是基于與每個循環開關B和C閉合和連接到電感器L多少時間相比每個循環開關A和D閉合和連接到電感器L多少時間以及循環的長度。在圖2-5中示出的構造中，雙向電池電壓轉換器200或電子開關210或者兩者的使用允許第二多個電池100中的每個與交通工具電氣系統150個別地連接或斷開以進行充電或隔離。圖3中示出的電路包括電流感測(Ismse)和電壓感測(Vsmse)能力。在圖3中示出的構造中，電流感測由與電感器L串聯的電流感測電阻器R提供。電流感測電阻器R 的輸出饋送到PWM控制。在其他構造中，電流感測可以由霍爾效應傳感器提供。電壓感測 (Vsense)由從“輸出/輸入”到PWM控制的線提供。圖3的構造還包括數據接口 330和PWM 控制300上的電壓設置(voltage set) (Vset)和電流設置(Iset)控制以允許設置用于對連接到電路的特定電池(例如，第二多個電池100之一)充電和放電的特定電壓和電流電平。圖4示出了根據本發明的構造的交通工具電氣系統150的圖，其中第二多個電池 100使用雙向電池電壓轉換器200而耦合到交通工具的電氣系統。盡管圖4示出了三個電池lOOa-c，但是可以使用任何數目。第二多個電池IOOa-C中的每個可以個別地由交通工具電氣系統150充電，例如由交通工具交流發電機35和第一多個電池95至少之一中的一者或兩者充電。圖2和3中示出的雙向電池電壓轉換器200的各個元件包括開關A、B、C、D、 電感器L、電容器Cin和C。ut、路由電路310、P麗控制300以及數據接口 330，可以分布在圖4的雙向電池電壓轉換器200a-200c單元和控制系統340單元之間。一個非限制性示例是 PWM控制300、路由電路310以及數據接口 330可以容納在與控制系統340相同的單元中。在各種構造中，基于電池的放電狀態，充電應用于第二多個電池100中的每個。例如，供應固定電流以快速再充電至部分充電點的“容積(bulk)”充電級(charging stage) 可以與相對耗盡的電池一起使用，而其中在供應變化的電流電平時保持電壓恒定的“吸收” 級可以用來完成充電。最后，“浮動(float)”充電級(其測量電池電壓并且根據需要對電池再充電以把電池保持在預定的電壓范圍內)，可以用來在延長的時間段內維持電池充電。其他電池充電級是可能的并且涵蓋在本發明內。使用多級充電方法諸如上面描述的充電方法一般是對電池再充電的最快速方式同時維持了最大電池壽命。把多個電池并聯地硬接線成單個操作單元的缺點是所有電池被同時充電。在某些條件下(例如如果一個或多個電池已變成完全耗盡或者如果交通工具電氣系統的負載大)， 所有電池的再充電可能從交通工具交流發電機35汲取太多功率使得交流發電機35不能向連接的電負載提供足夠的功率。因此在一種構造中，第二多個電池100中的每個在再充電階段期間單獨地連接到交通工具電氣系統以便防止通過交通工具電氣系統150從交流發電機35汲取太多電流。在一種構造中，第二多個電池100中的每個可以使用電子開關210 (圖5)耦合到交通工具電氣系統。然而在參考電子開關210的使用的這種和其他構造中，第二多個電池100中的每個可以使用雙向電池電壓轉換器200 (圖4)而不是電子開關210而耦合到交通工具電氣系統10。雙向電池電壓轉換器200可以例如通過使開關A、B、C、D的斷開和閉合狀態不交替或者通過包括所有開關A、B、C、D斷開所處的模式而作為開關操作。在各種構造中，電子開關210由控制系統340控制，該控制系統340還監視交通工具電氣系統150的電壓。使特定電子開關210斷開使與之關聯的電池隔離。因此當交流發電機35正在操作時(例如如果原動機25處于“開啟”狀態)，它為連接的負載160提供充電電流，其中在一些構造中負載160可以包括第一多個電池95中的一個或多個，只要這些正被充電。在一種構造中，控制系統340初始使每個電子開關210斷開(即禁用/斷開)以便防止電流進入或離開相應第二多個電池100中的每個。控制系統340然后一次一個地閉合 (即啟用/連接)每個開關210，從而使第二多個電池100中的每個與交通工具電氣系統150 并聯連接。每當閉合電子開關210之一并且連接附加電池時，控制系統340監視交通工具電氣系統150的電壓(V-IN ；參見圖5)。如果特定電池的連接造成交通工具電氣系統150 的電壓越過閾值，則與特定電池相關聯的電子開關210被斷開以便使電池從交通工具電氣系統150斷開。在一個示例中，可能在電壓降到預定值以下(例如在12伏系統中在7伏以下)時越過該閾值。過量的電壓降可以指示交流發電機35或其他電源已過載。在其他構造中，低電壓值可以是基于與起始或標稱值的電壓差。在另其他構造中，低電壓值可以確定為起始或標稱值的百分比或比率。一旦每個電子開關210被測試并且使之處于斷開或閉合狀態，則(例如由于當閉合開關時系統電壓降得太低)使之斷開的任何其余的開關210被再測試。每個其余的斷開開關210被一次一個地閉合，并且交通工具電氣系統150的電壓然后由控制系統340測量以確定電壓是否太低，如上面所討論的。這個規程被重復，直到所有開關210被閉合。
在一些構造中，交通工具電氣系統150的電壓被連續監視并且如果電壓下降(例如如果諸如HVAC系統55的附加電負載被添加到交通工具電氣系統150)，則一個或多個電子開關210可以被斷開直到電壓增加到可接受值。在交流發電機35正在操作時，連接到交通工具電氣系統150的電負載160可能由于諸如如下的因素而改變一個或多個電池變得足夠充電使得它從交流發電機35汲取較少功率；或者在使用消耗功率的裝置諸如燈或 HVAC系統55時的變化。把多個電池并聯地硬接線成單個操作單元的另一個可能的缺點是在每個電池內的電屬性中可能存在略微不平衡。這些不平衡可能導致其他問題，包括由每個電池遞送的電流的大方差、減少的電池壽命、以及由于在交通工具電氣系統150中存在一個或多個有缺陷的電池所致的所有連接的電池的可能劣化。因此，系統的各種構造包括對由第二多個電池100中的每個向交通工具電氣系統 150供應的電流進行平衡的方法。該方法可以使用諸如圖4中示出的系統的系統來實施，其中第二多個電池100中的每個使用諸如圖3中示出的電路的雙向電池電壓轉換器200電路而連接到交通工具電氣系統150。如上面所討論的，在某些構造中雙向電池電壓轉換器200包括數據接口 330，其進而交換來自控制系統340 (圖3和圖4)的命令。控制系統340監視每個雙向電池電壓轉換器200的電壓(Vsense)和電流(Isense)條件。在各種構造中，控制系統340然后向每個雙向電池電壓轉換器200發出命令以利用參數進行操作，使得第二多個電池100中的每個向連接的電負載160遞送供應的累計總電流的成比例量。在其中每個電池具有相同的標稱特性的情況下，則把適當的命令發送到每個雙向電池電壓轉換器200使得第二多個電池100中的每個向連接的電負載160遞送等量的電流。例如，如果由第一電池遞送的電流量大于由任一其他電池供應的電流(例如由于第一電池具有較低內部電阻或者充電多于其它電池)，則與第一電池相關聯的雙向電池電壓轉換器200的占空比可以被調整以減少由第一電池遞送的電流量。在某些構造中，第二多個電池100中的每個的電壓電平被監視并且與第二多個電池100中的給定電池相關聯的雙向電池電壓轉換器200被禁用，條件是該電池被太深度地放電，例如如果該電池的端子電壓降到預定值以下(例如在額定為12伏的電池上在10. 5伏以下)。如果這倘若發生，則連接到其余功能電池的每個雙向電池電壓轉換器200的參數將因此由控制系統340調整(例如通過更改雙向電池電壓轉換器200的占空比)以便向連接的電負載160供應成比例的電流量。把多個電池并聯地硬接線成單個操作單元的再一個可能的缺點是當原動機25被關斷并且交流發電機35不再給交通工具電氣系統150提供功率時所有電池被同時放電。因此在供應交通工具10的電負載要求的一段時間之后，所有電池可能變成放電，可能沒有留下電池功率可用于關鍵負載諸如給起動電動機供電以再起動交通工具10。因此，在各種構造中系統包括在第二多個電池100中的一個或多個中維持最小充電電平的方法。在一種構造中，第二多個電池100中的一個或多個具有與之串聯連接的電子開關210，使得當斷開開關210時使電池與交通工具電氣系統150隔離(圖5)。如上面所討論的，雙向電池電壓轉換器200還可以起到電子開關的作用。圖6、7和8圖示了根據本發明的交通工具電氣系統150的另其他構造。在這些構造中，多個電池與雙向多電池電壓轉換器350相關聯。在圖6、7和8的圖示構造中，三個電池100與每個雙向多電池電壓轉換器350相關聯，盡管在其他構造中較少電池或較多電池可以與每個轉換器相關聯。在圖6中圖示的構造中，雙向多電池電壓轉換器350以與圖2中圖示的和上面描述的雙向電池電壓轉換器200基本上類似的方式運行。然而不同于圖2的構造，電子開關 360提供在MOSFET開關C和關聯的電池100之間。電子開關360通過選擇性地激勵或去激勵與每個電池相關聯的繼電器而選擇性地連接在一個或多個個別電池之間。繼電器用來在多個單獨的輔助電池100之間進行開關。電子開關360由數據接口 330的輸出控制進行控制。輸出控制的信號控制電子開關360以根據充電狀態和其他因素來選擇哪個電池100要充電、放電或隔離。在圖7中示出的構造中，電流感測由與電感器L串聯的電流感測電阻器R提供。 電流感測電阻器R的輸出饋送到PWM控制。在其他構造中，霍爾效應傳感器可以替代電流感測電阻器R。電壓感測信號(Vsmse)由從“輸出/輸入”到PWM控制的線提供。Vsmse還可以由從“輸入/輸出，，到PWM控制的線提供。圖7的構造還包括數據接口 330和PWM控制 300上的電壓設置(Vsrt)和電流設置(Isrt)控制以允許設置用于對連接到電路的特定電池 (例如，第二多個電池100之一)充電和放電的特定電壓和電流電平。圖8示出了與圖4中圖示的雙向多電池電壓轉換器類似的雙向多電池電壓轉換器 350的布置。代替具有與一個雙向電池電壓轉換器200相關聯的一個電池100，多個電池 100與每個雙向多電池電壓轉換器350相關聯。圖9-10圖示了本發明的又一實施例。在這種構造中，與圖6-8的雙向多電池電壓轉換器類似的雙向多電池電壓轉換器350結合到“智能充電模塊”或SCM 370中。SCM 370 是雙向DC-DC轉換器的構造，其可以在主電源(例如交流發電機)和兩個單獨的輔助電池 100a、b中的任一個之間傳遞能量。在其他構造中，SCM可以被配置成在不止兩個輔助電池之間進行開關。如圖9中示出的，微控制器380可操作用于選擇性地激勵或去激勵第一繼電器 390a和第二繼電器390b。在其他構造中，其它電子開關裝置可以替代繼電器390a和390b。 在圖示的構造中，繼電器390a與電池IOOa相關聯，而繼電器390b與電池IOOb相關聯。當任一繼電器被激勵時，關聯的電池通過閉合繼電器而電耦合到雙向電池電壓轉換器。微控制器380起到與圖7和8中的電子開關360的功能類似的開關功能。微控制器380被配置成使得任一繼電器可以被選擇性地激勵，但是兩個繼電器不能同時激勵。在一些構造中，微控制器還可以結合其它構造的脈沖寬度調制300和數據接口 330功能。圖10圖示了結合多個SCM 370的交通工具電氣系統410。交通工具電氣系統410 具有點火開關420、起動器430、多個交通工具電池95、以及用于外部120 VAC岸電440的連接。提供逆變器450和插座460以用于供應外部120 VAC負載。當原動機正在操作時，諸如當交通工具在馬路上或空轉時，交流發電機35向電氣系統提供功率。提供全電HVAC單元470，其可以在原動機25停止并且岸電不可用時由SCM 370供電。HVAC單元470結合主控制器480、壓縮器組件490以及蒸發器風扇510。人機接口 520 向HVAC單元470提供用戶輸入以控制如溫度和風扇速度這樣的功能。每個SCM 370和關聯的電池100a、b對結合到功率管理單元530中。在所圖示的交通工具電氣系統410中，提供兩個功率管理單元530。SCM 370可以在三個狀態之一中操作。當處于充電模式時，SCM 370將使用交通工具電池95和交流發電機35作為電源對電池100a、b進行充電。當處于放電模式時，SCM 370將把功率從電池100a、b遞送到交通工具電氣系統410和關聯的負載，包括HVAC單元 470。SCM 370還可以在無效模式中操作，其中將不存在在輔助電池100a、b與交通工具電氣系統410的其余部分之間流動的電流。SCM 370模式可以由HVAC單元470的主控制器480確定。當閉合交通工具點火開關420時，主控制器480將SCM 370切換至充電模式。當交通工具點火開關斷開時，主控制器將SCM切換至放電模式。外部輸入，諸如到人機接口 520的用戶輸入，也可以手動地選擇無效、充電或放電模式。另外，SCM 370在處于充電模式時用作三級充電器。在圖11中示出了典型三級充電器的輪廓。在容積級540中，充電電流近似恒定而充電電壓上升。在吸收級550中，充電電流降低而充電電壓保持在恒定的升高電平。在浮動級560中，充電電壓和電流二者均保持恒定。圖12是圖示處于充電模式的主控制器480和SCM 370的電池選擇邏輯的流程圖。 主控制器480在點火開關420閉合時進入充電模式。設立SCM 370以首先激勵繼電器390a， 從而連接電池100a。在一些實施例中，主控制器480可以結合跟蹤每個電池的使用數據的存儲器模塊。如果主控制器480確定電池IOOa與電池IOOb相比太頻繁地接收充電優先級， 則主控制器480可以超控(override) SCM 370并且選擇電池IOOb首先進行充電。在某些實施例中，主控制器480可以另外編程有快速再充電功能。在這些實施例中，一個SCM 370的單個電池IOOa或IOOb可以通過去激勵與其他電池100相關聯的所有其他繼電器390而被優先充電。在一些實施例中，主控制器480可以優先考慮給具有最低充電狀態的電池100 (即最需要充電的電池)充電。備選地，主控制器480可以優先考慮給具有最高充電狀態的電池100 (即可以在最短時間段中完全充電的電池)充電。在電池IOOa充電了一時段之后，SCM 370確定充電的狀態。如果電池被完全充電，則SCM將去激勵繼電器390a并且激勵繼電器390b，從而連接電池IOOb進行充電。即使電池未被完全充電，主控制器480可以基于諸如平衡充電狀態的其他準則而開關至對電池 IOOb充電。迭代過程繼續直到兩個電池均被完全充電。圖13是圖示進入無效模式的流程圖。當選擇無效模式時，主控制器480發信號通知SCM以去激勵與兩個電池IOOa和IOOb相關聯的繼電器390a和390b。圖14是圖示處于放電模式的主控制器480和SCM 370的電池選擇邏輯的流程圖。 主控制器480在點火開關420斷開時進入放電模式。設立SCM 370以首先激勵繼電器390a， 從而連接電池IOOa以首先放電。如果主控制器480確定電池IOOa與電池IOOb相比具有更長的放電歷史，則主控制器480可以超控SCM 370并且選擇電池IOOb首先進行充電。在電池IOOa放電了一時段之后，SCM 370確定充電的狀態。如果電池被完全放電， 則SCM將去激勵繼電器390a并且激勵繼電器390b，從而連接電池IOOb進行放電。即使電池IOOa未被完全放電，主控制器480可以基于其他準則(諸如平衡充電狀態或者通過防止深度放電而最大化電池壽命)而開關至對電池IOOb充電。迭代過程繼續直到兩個電池均被完全放電或者主控制器返回至充電或無效模式。
SCM 370和/或主控制器480可以利用附加電池開關準則(諸如電流限制)進行編程。電流限制點保護輔助電池免受過量放電速率并且促進輔助電池之間的電流共享。因此，本發明提供一種新的且有用的控制系統(用于交通工具的電存儲元件)，其包括用于控制進入和離開電存儲元件的功率的系統。
權利要求
1.一種平衡交通工具電氣系統中的電流的方法，所述交通工具電氣系統包括系統總線；第一電池；第一雙向電池電壓轉換器，在第一電池與系統總線之間選擇性地傳遞第一電流；第二電池；第二雙向電池電壓轉換器，在第二電池與系統總線之間選擇性地傳遞第二電流；以及控制器，控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器，所述方法包括感測第一電流；把與第一電流有關的第一信號提供給控制器；感測第二電流；把與第二電流有關的第二信號提供給控制器；以及控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器，使得第一電流和第二電流是向連接到系統總線的電負載供應的負載電流的相等部分。
2.根據權利要求1所述的方法，其中所述第一雙向電池電壓轉換器包括電感器；第一開關，耦合到所述第一電池；第二開關，耦合到所述第一電池；第三開關，耦合到系統總線；第四開關，耦合到系統總線；以及路由電路，連接到第一、第二、第三和第四開關中的每個，所述方法進一步包括由控制器控制路由電路以成對斷開和閉合第一、第二、第三和第四開關中的每個開關，從而從交通工具電氣系統和第一電池中的一個對電感器充電并且使電感器向交通工具電氣系統和第一電池中的另一個放電。
3.根據權利要求1所述的方法，進一步包括感測第一電池的第一電壓；以及調整雙向電池電壓轉換器的占空比以調整由第一電池遞送的第一電流和電壓中的至少一個，以便提供第一電池的最優放電。
4.根據權利要求3所述的方法，進一步包括調整第一雙向電池電壓轉換器的占空比以在第一電流大于第二電流時減少第一電流。
5.根據權利要求3所述的方法，進一步包括如果第一電池的端子電壓越過閾值，則禁用第一電池；調整第二雙向電池電壓轉換器的占空比以使得負載電流繼續被供應。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述閾值是基于與起始值的電壓差。
7.根據權利要求5所述的方法，其中所述閾值是基于與標稱值的電壓差。
8.根據權利要求5所述的方法，其中所述閾值是基于交通工具電氣系統的電壓與起始電壓的比率。
9.根據權利要求5所述的方法，其中所述閾值是基于交通工具電氣系統的電壓與標稱電壓的比率。
10.一種用于向電負載供應電功率的交通工具電氣系統，所述系統包括系統總線，第一電池；第一雙向電池電壓轉換器，在第一電池與系統總線之間可控地傳遞第一電流；第二電池；第二雙向電池電壓轉換器，在第二電池與系統總線之間可控地傳遞第二電流；以及控制器，用于控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器，使得第一電流和第二電流是向連接到系統總線的電負載供應的負載電流的相等部分。
11.根據權利要求10所述的交通工具電氣系統，其中所述第一雙向電池電壓轉換器包括電感器第一開關，選擇性地連接電感器到所述第一電池； 第二開關，選擇性地連接電感器到所述第一電池； 第三開關，選擇性地連接電感器到系統總線； 第四開關，選擇性地連接電感器到系統總線；路由電路，由控制器控制，成對斷開和閉合第一、第二、第三和第四開關以從交通工具電氣系統和電池中的一個對電感器充電并且使電感器向交通工具電氣系統和第一電池中的另一個放電。
12.根據權利要求11所述的交通工具電氣系統，其中所述第一開關是金屬氧化物半導體場效應晶體管(M0SFET)。
13.根據權利要求11所述的交通工具電氣系統，其中所述路由電路包括脈沖寬度調制器。
14.根據權利要求10所述的交通工具電氣系統，其中所述第一電池能夠通過更改第一電池電壓轉換器和第二電池電壓轉換器中的至少一個的占空比來對第二電池充電。
15.一種與交通工具電氣系統一起使用的雙向電池電壓轉換器，包括 電感器；第一開關，選擇性地耦合電感器到所述第一電池； 第二開關，選擇性地耦合電感器到所述第一電池； 第三開關，選擇性地耦合電感器到交通工具電氣系統； 第四開關，選擇性地耦合電感器到交通工具電氣系統；路由電路，連接到第一、第二、第三和第四開關中的每個，所述路由電路可控地成對斷開和閉合開關，使得電感器從交通工具電氣系統和電池中的一個進行充電并且向交通工具電氣系統和電池中的另一個放電；以及控制器，控制路由電路以遞送向連接的電負載供應的負載電流的一部分，該部分基于其他電流源的可用性。
16.根據權利要求15所述的雙向電池電壓轉換器，其中所述第一開關是金屬氧化物半導體場效應變換器(M0SFET)。
17.根據權利要求15所述的雙向電池電壓轉換器，其中所述路由電路包括脈沖寬度調制器。
18.根據權利要求17所述的雙向電池電壓轉換器，其中所述控制器感測第一電池的電壓，感測由第一電池提供的電流并且調整脈沖寬度調制器的占空比以調整由第一電池遞送的電流和電壓中的至少一個。
全文摘要
一種平衡交通工具電氣系統中的電流的方法，所述交通工具電氣系統具有系統總線；第一電池；第一雙向電池電壓轉換器，在第一電池與系統總線之間選擇性地傳遞第一電流；第二電池；第二雙向電池電壓轉換器，在第二電池與系統總線之間選擇性地傳遞第二電流；以及控制器，控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器。所述方法包括感測第一電流和感測第二電流。控制第一雙向電池電壓轉換器和第二雙向電池電壓轉換器，使得第一電流和第二電流是向連接到系統總線的電負載供應的負載電流的相等部分。
文檔編號H02J7/34GK102577020SQ201080044009
公開日2012年7月11日 申請日期2010年7月29日 優先權日2009年7月31日
發明者L.J.布拉貝克 申請人:熱之王公司