專利名稱：向汽車電氣用戶設(shè)備供電的蓄能系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種向汽車電氣用戶設(shè)備供電的蓄能系統(tǒng)。
本發(fā)明可以應(yīng)用于汽車工業(yè)，并在汽車工業(yè)中產(chǎn)生良好的效果。下面僅結(jié)合示例，對本發(fā)明給予介紹。
背景技術(shù)：
目前，人們普遍認(rèn)為需要采取更有效的技術(shù)來解決私家汽車和公共客車所帶來的一些問題。尤其是，人們愈來愈將注意力集中在從根本上降低能源消耗，真正減少污染和噪聲輻射，特別是城市地區(qū)。所有這些問題都是人們普遍關(guān)心的。而且，目前汽車工業(yè)無不都在研究和開發(fā)能夠提供至少部分解決方案，減少對人類生存環(huán)境影響的汽車。
正因?yàn)槿绱耍惭b高效、低污染驅(qū)動系統(tǒng)的創(chuàng)新型汽車正在逐漸得到普遍使用。在這方面，人們特別感興趣的是開發(fā)了所謂的“混合”型汽車，即HEVs(HybridElectric Vehicles)。這類汽車型號多種多樣，它們集成了一種電力系統(tǒng)、可逆儲能系統(tǒng)和由電機(jī)與內(nèi)燃機(jī)組成的驅(qū)動系統(tǒng)；依據(jù)混合程度，依次分類為“輕度HEV(MildHEV)”、“中度HEV(Medium HEV)”和“完全HEV(Full HEV)”。
目前，最普遍使用的汽車是屬于最小混合或“輕度HEV”或者“輕度混合電力汽車”類。這類混合動力汽車，是在傳統(tǒng)型號的汽車上加裝了一種電力驅(qū)動裝置，可在非常短的距離上，或者特別是在短期應(yīng)用環(huán)境下使用。重要的是，甚至采用混合動力程度很低的汽車也能具有降低能耗，減少污染排放等優(yōu)點(diǎn)，特別是在城市地區(qū)行駛的車輛。
普通汽車通常都使用一個12伏鉛酸蓄電池，該蓄電池能夠提供400-800瓦的平均功率和1500-3500瓦的峰值功率(只有在起動發(fā)動機(jī)時才需要)。另一方面，“輕度HEV”裝備能夠提供2500-3500瓦的平均功率和8000-11000瓦的峰值功率(只有在起動發(fā)動機(jī)時才需要)的蓄電池(或蓄電池組)。
在“停止一起動”模式下，當(dāng)汽車是停止的或?qū)⒁Ｖ箷r(通常是由于交通原因，例如遇到紅燈或交叉路口需要讓行時)，內(nèi)燃機(jī)切斷，而當(dāng)司機(jī)踩下油門時，內(nèi)燃機(jī)則又起動了。在起動期間，汽車的電動起動機(jī)就消耗掉相當(dāng)大的電能，結(jié)果大大地增加了汽車蓄電池的壓力，減少了蓄電池的電荷。因此，在“停車—起動”模式下，由于內(nèi)燃機(jī)高頻率地啟動，特別是在城市交通環(huán)境下，汽車蓄電池的使用強(qiáng)度加大了。
同樣，在再生制動模式下，由于蓄電池不得不在很短的時間內(nèi)吸收大量的電能，從而對汽車蓄電池帶來很大的壓力。在再生制動模式下，汽車的減速通常會產(chǎn)生電能，該電能是存儲在汽車蓄電池內(nèi)，這樣就至少回收了部分動能。然而，這部分動能在普通汽車上，則會因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)制動系統(tǒng)，而以熱的形式被散發(fā)掉。
在汽車蓄電池中，控制當(dāng)內(nèi)燃機(jī)起動時急劇釋放瞬間過程中出現(xiàn)的功率和能量流，是一件需要慎重處理的事情，特別是當(dāng)蓄電池同時向其它幾個電氣設(shè)備供電時。事實(shí)上，考慮到此階段所需要的高瞬態(tài)功率，電氣設(shè)備同時工作時造成的電池能量下降，可嚴(yán)重地影響內(nèi)燃機(jī)的起動。
為了解決這些問題，人們提出了多種選擇方案。所有這些解決方案主要都是基于以蓄電池和超級電容相結(jié)合而組成的蓄能系統(tǒng)。在已知的這類蓄能系統(tǒng)中，能量流是通過預(yù)先設(shè)定的控制邏輯來控制的，該控制邏輯電路要求制作和使用特別的電子控制電路，因此，就使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，同時，增加了生產(chǎn)和日常維護(hù)的成本費(fèi)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種蓄能系統(tǒng)，為電動汽車電氣用戶設(shè)備提供動力，以便解決上述問題。該發(fā)明生產(chǎn)成本低，且容易生產(chǎn)，尤其在充電和放電瞬間，能有效地控制功率和/或能量流。
按照本發(fā)明，提供一種蓄能系統(tǒng)，向汽車電氣用戶設(shè)備提供動力。該蓄能系統(tǒng)包括蓄電池；與蓄電池接線端子并行連接的電容元件；在蓄電池和電容元件之間串行連接到蓄電池上的電感元件；蓄能系統(tǒng)，其特征在于在充電和放電瞬間，可以有效地調(diào)解蓄電池和電容元件之間的功率/能量流所測蓄電池電容量和所測電容元件電容量之比小于1；
所測蓄電池電容量和所測電感元件電感量之比小于1。


下面結(jié)合附圖，通過示例對本發(fā)明若干非限定性的實(shí)施例進(jìn)行了介紹圖1是混合機(jī)汽的傳動系中機(jī)械連接電機(jī)和內(nèi)燃機(jī)的四種可能方案；圖2是按照本發(fā)明具有蓄能系統(tǒng)的混合機(jī)車傳動系示意圖；圖3是熱起動期間在一個標(biāo)準(zhǔn)汽車蓄電池的接線端子處測量的電壓和電流的時間關(guān)系圖；圖4是圖3的詳圖；圖5和圖6是熱起動期間依據(jù)本發(fā)明的蓄能系統(tǒng)的電壓和電流時間圖表；圖7是冷起動期間在一個標(biāo)準(zhǔn)汽車蓄電池的接線端子處測得的電壓和電流的時間圖表；圖8和圖9是冷起動期間依據(jù)本發(fā)明的蓄能系統(tǒng)的電壓和電流時間圖表；圖10是再生制動期間一個標(biāo)準(zhǔn)汽車蓄電池接線端子處測得的電流的時間圖表；圖11和圖12是再生制動期間依據(jù)本發(fā)明的蓄能系統(tǒng)的電壓和電流時間圖表。
具體實(shí)施例方式
圖1中的序號1表示混合機(jī)車(圖中未示)的整個傳動系。傳動系1包括內(nèi)燃機(jī)2，該內(nèi)燃機(jī)2具有一個通過插入離合器5與變速箱4相連接的驅(qū)動軸3；變速箱4帶有通過離合器5的插入而與驅(qū)動軸3形成機(jī)械連接的輸入軸6，和機(jī)械連接到混合機(jī)車的驅(qū)動輪(圖中未示)的輸出軸7。傳動系1還包括既可作為電動機(jī)使用又可作為發(fā)電機(jī)使用的可逆電機(jī)8。
在不同的實(shí)施例中，可逆電機(jī)8可安裝在內(nèi)燃機(jī)2的驅(qū)動軸3上，在離合器5的上游(圖1a)；也有安裝在變速箱4的輸入軸6上，在離合器5的下游處(圖1b)，也有安裝在變速箱4的輸出軸7上(圖1c)，或連接到副軸9上，形成一個角度，與內(nèi)燃機(jī)2的驅(qū)動軸3構(gòu)成一個整體(圖1d)。
圖2是圖1d結(jié)構(gòu)的示例，在這個示例中，可逆電機(jī)8連接到副軸9上，形成一個角度，與內(nèi)燃機(jī)2的驅(qū)動軸3構(gòu)成一個整體。更具體地說，副軸9連接在內(nèi)燃機(jī)2的驅(qū)動軸上，與離合器5和變速箱4相對，并通過一個三角皮帶傳動機(jī)構(gòu)11與滑輪10相連接，皮帶傳動機(jī)構(gòu)同時將動能傳輸給輔助負(fù)載，而輔助負(fù)載是通過液壓動力轉(zhuǎn)向泵12和空調(diào)壓縮機(jī)13來確定。最好通過電磁離合器14將滑輪10連接到內(nèi)燃機(jī)2的驅(qū)動軸3。
可逆電機(jī)8是一個交流電機(jī)，它通過雙向電子變換器16與直流蓄能系統(tǒng)15電連接，從而使可逆電機(jī)8能夠作為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)工作。許多車上的直流電氣設(shè)備17(內(nèi)外照明設(shè)備、空調(diào)、收音機(jī)等)也都連接到蓄能系統(tǒng)15并由蓄能系統(tǒng)15直接供電。
重要的是，圖2的傳動系1的結(jié)構(gòu)，即使在內(nèi)燃機(jī)2關(guān)閉的情況下，借助電磁離合器14可使車上的所有功能維持工作(動力轉(zhuǎn)向、空調(diào)、電氣設(shè)備等)。因此，傳動系1能夠在“停止一起動”模式下工作；在這種模式下，在汽車停止不動或?qū)⒁Ｖ箷r，內(nèi)燃機(jī)2可以停車(一般都是在交通行駛車流擁堵情況下，諸如遇到紅燈或交通路口讓行時)，當(dāng)司機(jī)踩下油門時，內(nèi)燃機(jī)可以重新起動。
此外，電子變換器16是雙向的，圖2中的傳動系1可以在再生制動模式下工作，此時汽車的減速通常會產(chǎn)生電能，該電能便儲存在蓄能系統(tǒng)15中，從而至少可回收部分動能。然而，這部分動能在普通汽車上，則會因?yàn)椴捎脗鹘y(tǒng)制動系統(tǒng)，而以熱的形式被散發(fā)掉。
蓄能系統(tǒng)15包括帶有兩個外部接線端子19的箱體18。在外部接線端子19上，連接有蓄電池20(例如一個12伏的鉛酸電池)、與蓄電池20并聯(lián)的電容元件21和與蓄電池20端部串行連接的電感元件22，該電感元件22接在蓄電池20和電容元件21之間。
正如后面將要詳細(xì)介紹并通過測試結(jié)果驗(yàn)證的那樣，電感元件22在充電和放電瞬間，可以在蓄電池20和電容元件21之間進(jìn)行功率和能量流的差動分配，與此同時，仍不影響這兩個元件的互補(bǔ)特性。
為了有效地在放電瞬間(即蓄電池20提供電能時)和充電瞬間(即蓄電池20吸收電能時)調(diào)節(jié)蓄電池20和電容元件21之間的功率/能量流，所測蓄電池20容量(Ah)和所測電容元件21的電容量(F)之比小于1，且所測蓄電池20容量(Ah)和所測電感元件22的電感量(μH)之比小于1。
更具體地說，當(dāng)所測蓄電池20的容量(Ah)和所測電感元件22的電感量(μH)之比小于0.5，最好是小于0.25時，則可以實(shí)現(xiàn)充電和放電瞬間蓄電池20和電感元件21之間功率/能量流的最佳調(diào)節(jié)。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，首先確定了電容元件21的電容量，然后，電感元件22的電感量再根據(jù)電容元件21的電容量的函數(shù)來確定。電容元件21的電容量一般是按照這種原則確定，即電容元件21應(yīng)能儲存足夠的電能，從而在預(yù)先確定的放電瞬間初始時間間隔期間單獨(dú)向汽車電氣用戶設(shè)備(電氣設(shè)備17和作為電動機(jī)使用的可逆電機(jī)8)供電。
電容元件21的規(guī)格，應(yīng)滿足以下要求-電容元件21可承受的最大電流大于在該放電瞬間初始時間間隔期間電容元件21所要求的最大供電電流；-電容元件21可承受的最大電壓大于最大放電電壓；-電容元件21可提供的電能大于在放電瞬間初始時間間隔期間電氣用戶設(shè)備所需要的電能；-在所述放電瞬間初始時間間隔結(jié)束時，電容元件21接線端子處的電壓大于電氣用戶設(shè)備最小供應(yīng)電壓；因此，按照下述公式，電容元件21的規(guī)格如下ETRANS=12·C·(VNOM2-VMIN2)]]>式中ETRANS在放電瞬間初始時間間隔期間，電氣用戶設(shè)備所需要的電能；C電容元件21的總電容量；VNOM電容元件21接線端子處的額定靜止電壓；VMIN電氣用戶設(shè)備的最小電源電壓電容元件21的電容量規(guī)格也可以這樣確定，即在預(yù)先確定的充電瞬間初始時間間隔期間，可使電容元件21能夠吸收汽車電氣用戶設(shè)備所提供的能量(即在再生制動期間通過作為發(fā)電機(jī)使用的可逆電機(jī)8提供)。
在這種情況下，按照下列公式，電容元件21的規(guī)格可以是ETRANS=12·C·(VMAX2-VNOM2)]]>式中ETRANS在充電瞬間初始時間間隔期間電氣用戶設(shè)備所提供的能量；C電容元件21的總電容量；VNOM電容元件21接線端子處的額定靜止電壓；VMAX在充電瞬間初始時間間隔期間電容元件21接線端子處的最大充電電壓。
電感元件22的電感量可按照下列公式給出
L＝RT·τ式中L電感元件22的電感量；RT總電阻，等于蓄電池20內(nèi)部電阻RB和電感元件22電阻RL之和；τ蓄電池20和電感元件22所確定的串聯(lián)支路的時間常數(shù)，該時間常數(shù)范圍在放電瞬間預(yù)定初始時間間隔的1/3到1/5之間。
一般來講，蓄電池20和電感元件22所確定的串聯(lián)支路的時間常數(shù)，可以估算為放電瞬間預(yù)定初始時間間隔的1/4。
放電瞬間的初始時間間隔的長短，是以該放電瞬間蓄能系統(tǒng)15所需供電電流時間模式的函數(shù)和該放電瞬間蓄電池20所提供的最大供電電流的函數(shù)來確定的。具體地說，一個放電瞬間初始時間間隔的長短等于供電電流所必需的時間間隔，該供電電流是蓄能系統(tǒng)15在該放電瞬間所需要的，與該放電瞬間蓄電池20的預(yù)定最大電流相等。
在一個優(yōu)選實(shí)施例中，電容元件21至少包括一個由若干超級電容器元件組成的模組，例如“雙層電容器”，和平衡電路(圖中未詳細(xì)示出)。由于電容元件21自放電所造成的散能效果總的來講可以忽略不計(jì)(大約1Wh/日)，所以一般都不需要散能設(shè)備，但是，顯而易見，這種散能設(shè)備可以很容易地集成到蓄能系統(tǒng)15中。
在蓄能系統(tǒng)15正常工作期間，由于電容元件21的干預(yù)，放電或充電瞬間最初得到支撐；然而，一旦初始瞬間結(jié)束，蓄電池20就可以提供和吸收所涉及的電能。
已經(jīng)對上述蓄能系統(tǒng)15的使用進(jìn)行了若干次比較試驗(yàn)，下面簡要介紹其中一些試驗(yàn)的結(jié)果。
其中一些試驗(yàn)是在FIATPunto汽車上進(jìn)行的。該車使用的汽油內(nèi)燃機(jī)是直列式4缸發(fā)動機(jī)，1200cc。該車首先安裝了標(biāo)準(zhǔn)的44Ah電容量、12伏鉛酸蓄電池，隨后又安裝了上述的事宜規(guī)格的蓄能系統(tǒng)15。
首先，在標(biāo)準(zhǔn)蓄電池接線端子處進(jìn)行了電流和電壓的測量，記錄了熱起動和冷起動的能量吸收情況。接著，又對蓄能系統(tǒng)15接線端子19處的電流和電壓進(jìn)行了測量，記錄了熱起動和冷起動的能量吸收情況。
圖3示出了該車在熱起動時標(biāo)準(zhǔn)蓄電池接線端子處所測量的電壓V和電流A的圖表。可以看出，在起動時，在不同的時間出現(xiàn)了兩個典型的階段起動瞬間階段和穩(wěn)態(tài)階段。
圖4示出了圖3圖表瞬間階段的詳細(xì)說明。參見圖4，內(nèi)燃機(jī)的起動是在大約750ms內(nèi)完成。通過觀察圖4中電壓和電流吸收圖形，能夠確定瞬間持續(xù)時間，在這個圖例中，瞬間持續(xù)時間是大約250ms。因此，表示內(nèi)燃機(jī)2起動的時間是總起動時間750ms，其中瞬間時間250ms，穩(wěn)態(tài)階段是500ms。
下面幾張表列出了根據(jù)圖4測量結(jié)果計(jì)算出的各個不同階段的功率和能量。

表1-放電瞬間0-250ms

表2-穩(wěn)態(tài)階段250-750ms

表3-總起動時間0-750ms如表1所示，在瞬間階段，相當(dāng)于工作的前250ms，蓄電池20所承受的最大電流等于357A。
為了使這種比較盡可能的具有代表性，測試汽車上的蓄能系統(tǒng)15包括與標(biāo)準(zhǔn)蓄電池相似的蓄電池20，即44Ah，12伏鉛酸電池。測試汽車上的蓄能系統(tǒng)15的電容元件21包括六個串行連接的超級電容器元件，例如“雙層電容器”，每個電容器2.5伏，因此，當(dāng)可逆電機(jī)8作為一個發(fā)電機(jī)以大約14伏的電壓工作時，它也可以在再生制動階段和再充電階段工作。
關(guān)于電容元件21的其它功能，確定電容元件21應(yīng)能夠支持放電瞬間(相當(dāng)于蓄電池工作時的前250ms)和內(nèi)燃機(jī)的整個起動階段(持續(xù)750ms)。在表1和表3所示的這兩個工作要求和測量結(jié)果的基礎(chǔ)上，電容元件21的特性如下

表4-電容元件21關(guān)于電容元件21自放電所造成的蓄能系統(tǒng)容量下降，可從12伏放電到9伏(在20小時內(nèi))的44Ah鉛酸蓄電池20，產(chǎn)生大約590Wh的能量。既然電容元件21自放電所散失掉的電能大約為1.0Wh/日，也就是，相對于蓄電池20的容量而言是可以忽略不計(jì)的，無需提供任何設(shè)備來平衡電容元件21的自放電。
如表2所示，在大約500ms的穩(wěn)態(tài)階段，電氣負(fù)載吸取了大約110A的平均電流。電感元件22的作用是，一旦電容元件21所支持的大概250ms的初始放電瞬間時間超過時，它必須能夠使蓄電池20仍能保持穩(wěn)態(tài)工作。假設(shè)由蓄電池20和電感元件22所組成的蓄能系統(tǒng)在等于大概四個時間常數(shù)的時間間隔之后到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)時，而且，假設(shè)瞬態(tài)時間是250ms時，所獲得的時間常數(shù)等于大約62ms(250/4)。
考慮到由蓄電池20和電感元件22所組成的系統(tǒng)的總電阻大約為16mohm，而且在給定的時間常數(shù)下，電感元件22的值是1.0mH；在這個情況下，蓄電池20將可以提供最大110A的電流，也關(guān)于電感元件22。另一方面，如表1所示，在標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置中，蓄電池20所提供的最大電流是大約360A。
下表5示出了電感元件22的特性值

表5-電感元件22如上所述，在起動內(nèi)燃機(jī)2時放電瞬間期間，蓄能系統(tǒng)15的性能如圖5和圖6所示，這兩張圖分別示出了電流圖形和電壓圖形。更具體地說，圖5示出了電流吸收的圖形，尤其是放電電流Ac、蓄電池電流Ab和電容元件21的電流Au。
最大放電電流等于約355A，最初是由電容元件21來支持，后者可提供280A的電流；在這個初始階段，蓄電池電流大約75A。在首次起動瞬間之后所發(fā)生的蓄電池最大電流大約120A，一旦起動完成，即回落到70A。在整個起動階段，電容元件21的電流反映了負(fù)載所引入的電流變化，與此同時，蓄電池20在起作用，它提供了一個更穩(wěn)定的、遞減電流，相當(dāng)于負(fù)載的持續(xù)部分。
在同一個放電瞬間，如果不提供電感元件22，那么最大蓄電池電流將大約是250A，而電容元件21的最大電流將會只有110A；在這個情況下，與依據(jù)本發(fā)明的蓄能系統(tǒng)15的30毫秒相比，蓄電池20將會在大約3ms的時間內(nèi)提供最大電流。蓄能系統(tǒng)15包括了一個安裝在電容元件21上游的電感元件22。此外，如果沒有電感元件22，蓄電池20在該時間的十分之一時間內(nèi)將會承受該電流2.2倍的瞬間電流。
圖6示出了蓄電池電壓Vb和電容元件21接線端子處電壓Vu的圖形，同時也說明了電容元件21在支持放電瞬間時的最初電流分配情況。事實(shí)上，與標(biāo)準(zhǔn)蓄電池配置時3.4伏電壓相比，蓄電池電壓Vb經(jīng)歷了大約0.7伏(從12.4V到11.7V)的最大變化。蓄電池20的電壓也維持在比較穩(wěn)定的大約12伏電壓上，而電容元件21承受了所有變化。
正如圖3(標(biāo)準(zhǔn)蓄電池)和圖5(蓄能系統(tǒng)15)中的電流圖形所清楚展示的那樣，在瞬間階段相當(dāng)于工作的最初250ms標(biāo)準(zhǔn)蓄電池所承受的最大電流是357A；然而，當(dāng)蓄電池20置于蓄能系統(tǒng)15內(nèi)時，蓄電池20所承受的最大電流大約為110A。電容元件21和電感元件22的組合所產(chǎn)生的這種負(fù)載平衡效果使得高比能(Wh/kg)的蓄電池20得以應(yīng)用，而且在給定數(shù)量的電能情況下，可以使用比較輕的蓄電池20。鉛酸電池20的比能電平的提高是40％(更確切地說，電源蓄電池為25Wh/kg，電能蓄電池為3Wh/kg)。
另外，又進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)，模擬在內(nèi)燃機(jī)2冷起動時蓄能系統(tǒng)15的性能。人們知道，對于蓄電池20來講，由于所儲存容量的減少和內(nèi)燃機(jī)2增加的阻力(摩擦力和泵吸)，這是一個十分不利的條件。更具體地說，內(nèi)燃機(jī)2的實(shí)際起動是在變化周期的非發(fā)火起動階段之后，這種情況通常隨著溫度的下降而增加。
圖7示出了在冷起動內(nèi)燃機(jī)(在被空車擱置一個晚上后)時，標(biāo)準(zhǔn)蓄電池接線端子處測量的電量，即，沒有使用電容元件21和電感元件22。另外，在這種情況下，所測量的起動電流表示蓄能系統(tǒng)15所需要的放電電流。
圖8和圖9示出了在冷起動內(nèi)燃機(jī)(在被空車擱置一個晚上后)時，蓄能系統(tǒng)15的電壓和電流性能圖形。圖8示出了電流性能。更具體地說，通過提供240A的電流，蓄能系統(tǒng)15相當(dāng)于初始最大電流瞬間的情況，大約340A，與此同時，這個階段最大蓄電池電流Ab只有大約120A。
當(dāng)冷起動一個標(biāo)準(zhǔn)蓄電池時，平均蓄電池電流大約160A，最大峰值電流在230A至180A之間，峰峰幅度為80A。另一方面，在由電容元件21和電感元件22組成的蓄能系統(tǒng)15中，蓄電池峰值電流值在大約120A和100A之間，幅度在30至40A之間。
圖9所示的電壓特性也反映了與電容元件21和電感元件22結(jié)合在一起的蓄電池20是如何獨(dú)立承受小于標(biāo)準(zhǔn)蓄電池20的壓力。如圖9所示，蓄電池電壓Vb在11.4和11.8V之間，而一個標(biāo)準(zhǔn)蓄電池的電壓則達(dá)到了初始最低值8.8V，在工作結(jié)束時增加到小于10.5V。
傳動系1的圖2結(jié)構(gòu)提供了汽車正常使用期間向蓄能系統(tǒng)15再充電，其方式與普通的車載交流發(fā)動機(jī)一樣，另外，當(dāng)制動和/或減速時用于回收汽車產(chǎn)生的部分能量。在這些使用條件下，可逆電機(jī)軸處所獲得的機(jī)械能被轉(zhuǎn)換成電能，以提供給蓄能系統(tǒng)。這個再生階段提供了用于支持車載電氣系統(tǒng)和負(fù)載的動力，維持蓄能系統(tǒng)15的足夠電荷。
在PIAGGIOPorter電動汽車的減速和制動期間，又對電量進(jìn)行了測量。圖10示出了該電動汽車在減速時和再生制動期間所測定的再充電電流，尤其是在35km/h到零時的情況，平均減速為0.80m/s2(等于城市交通的正常行駛情況)。兩個階段都是分別在大約70A和150A的恒定電流時進(jìn)行的。應(yīng)該指出的是，在確定電感元件22的規(guī)格時，考慮了瞬間電流過載的情況，即超過110A和達(dá)到最大150A的情況。當(dāng)汽車減速和制動時對蓄能系統(tǒng)15的性能參照這些電流測量模式進(jìn)行了評定。
圖11示出了PIAGGIOPorter電動汽車減速和再生制動期間蓄能系統(tǒng)15的電流圖形；在上述兩種工作結(jié)束時在上升模式下，蓄電池電流Ab只達(dá)到最大生成電流值，在此時間內(nèi)，電容元件21的時間電流Au降到零。此外，生成的電流的任何變化都是在電容元件21的電流范圍內(nèi)，而蓄電池電流則保持穩(wěn)定。圖12示出了充電瞬間蓄電池電壓Vb和電容元件21的電壓Vu。在整個再生制動階段，蓄電池電壓保持在12和13伏之間，而電容元件21在工作結(jié)束時達(dá)到最大生成電壓14.3伏。生成電壓的任何變化僅是在電容元件21的電壓內(nèi)。
所建議的規(guī)格被開發(fā)用于在這里僅通過例子的方式描述的應(yīng)用。因此，人們知道除了上述的情況以外，可在設(shè)計(jì)系統(tǒng)用途中，根據(jù)變化情況，確定系統(tǒng)各個部件的規(guī)格，但同時還要符合所介紹的工作原理。這些變化對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是很顯然的。
從上述說明中可以很清楚地看到，在蓄能系統(tǒng)15中，蓄電池20和電容元件21工作方式不同，采用互補(bǔ)的方式工作，從而增強(qiáng)蓄能系統(tǒng)15整體的效能和可靠性；這種彼此不同且又互補(bǔ)的工作方式，實(shí)際上是通過電容元件21上游的電感元件22來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，放電或充電瞬間所產(chǎn)生的峰值功率主要靠電容元件21來保持，不論其自己的電荷狀態(tài)和/或蓄電池20的電荷狀態(tài)如何。為此，蓄能系統(tǒng)15提供了最大可使用功率，即使在老化和/或部分電荷狀態(tài)引起蓄電池20性能下降的情況下，也是如此。
更具體來講，瞬態(tài)期間蓄電池20和電容元件21的不同、互補(bǔ)工作方式增加了蓄電池20的工作壽命，就能量密度而言，一般來講，對承受高功率使用和頻率充電和放電峰值的各種蓄電池來講，大大降低了蓄電池20性能的損失。此外，在瞬態(tài)期間蓄電池所提供和吸收的峰值功率比較低，這是由于電容元件21的干預(yù)，這樣，減少了蓄電池20所承受的壓力，延長了蓄電池20的工作壽命。
換句話說，蓄電池20、電容元件21和電感元件22的結(jié)合，可以提供充電和放電瞬間高效能量轉(zhuǎn)換，大大減少了蓄電池20吸收或提供的峰值電流，從而減少了蓄電池20的焦耳效應(yīng)損失，提高了給定儲存或提取電荷的蓄電池20的容量。
重要的是，在充電或放電瞬間，蓄電池20和電容元件21的差動、互補(bǔ)響應(yīng)可解決冷啟動內(nèi)燃機(jī)2時所遇到的以及蓄電池20電容量下降時所引起的各種問題。也就是說，啟動瞬間實(shí)際上是由電容元件21來支持的，隨著溫度的降低，內(nèi)部電阻的增加也就很低，因此，也同時提高了臨界冷使用條件下蓄能系統(tǒng)15的可靠性。
需要提及的另一個重要方面是，所提出的蓄能系統(tǒng)15不需要配備用來調(diào)節(jié)能量流的電子接口部件，因此，生產(chǎn)成本低。事實(shí)上，蓄能系統(tǒng)15包含了專有的被動電氣部件，因此本身的可靠性比較高。
最后，倘若具有電容元件21和電感元件22的負(fù)載平衡效果，蓄電池20的規(guī)格可以達(dá)到高比能特性，這樣就可在更寬的電池荷電狀態(tài)(state-of-charge，SOC)范圍內(nèi)使用。因此，對于給定數(shù)量的可用電能來講，可以使用規(guī)格較小、成本低的蓄電池20。
一般來講，任何類型的蓄電池20與超級電容器的結(jié)合，同重量相等但只包括一個蓄電池20的蓄能系統(tǒng)15相比，可以使比能水平Wh/kg和峰值功率密度W/wg翻一番。更具體地來講，與超級電容器相結(jié)合的鉛酸電池可以最大限度地提高頻繁充電/放電條件下蓄電池的工作壽命。
重要的是，蓄能系統(tǒng)15可以安裝在一個與標(biāo)準(zhǔn)蓄電池相同外形和尺寸的箱體18內(nèi)，因此，可以用來替代傳統(tǒng)的蓄電池，甚至可以以成套修配用零部件的形式提供。
上面所介紹的蓄能系統(tǒng)15是基于“輕度混合動力汽車”類別汽車，但是，就其諸多優(yōu)點(diǎn)而言，很顯然，它也可以很方便地應(yīng)用于其它類型的車輛。例如，蓄能系統(tǒng)15可以用在頻繁啟動—停止工作、具有重要連續(xù)工作輔助功能的機(jī)械和設(shè)備上，從而產(chǎn)生良好的效果。
權(quán)利要求
1.一種用于向汽車電氣用戶設(shè)備提供動力的蓄能系統(tǒng)(15)，該蓄能系統(tǒng)(15)包括蓄電池(20)；與所述蓄電池(20)接線端子并行連接的電容元件(21)；在所述蓄電池(20)和所述電容元件(21)之間串行連接到所述蓄電池(20)上的電感元件(22)；所述蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于在充電和放電瞬間，可以有效地調(diào)解所述蓄電池(20)和所述電容元件(21)之間的功率/能量流；所測蓄電池(20)容量(Ah)和所測電容元件(21)電容量(F)之比小于1；和所測蓄電池(20)容量(Ah)和所測電感元件(22)電感量(μH)之比小于1。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所測蓄電池(20)容量(Ah)和所測電感元件(22)電感量(μH)之比低于0.5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所測蓄電池(20)容量(Ah)和所測電感元件(22)電感量(μH)之比低于0.25。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于首先確定所述電容元件(21)的電容量，然后，所述電感元件(22)的電感量作為所述電容元件(21)的電容量的函數(shù)來確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的電容量應(yīng)能使所述電容元件(21)儲存足夠的能量以在放電瞬間預(yù)先確定的初始時間間隔期間獨(dú)立地向汽車電氣用戶設(shè)備供電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的規(guī)格應(yīng)滿足以下要求-在所述放電瞬間的初始時間間隔期間，所述電容元件(21)可承受的最大電流大于所述電容元件(21)的最大供電電流；-所述電容元件(21)可承受的最大電壓大于最大充電電壓；-在所述放電瞬間初始時間間隔期間，所述電容元件(21)能夠提供的能量大于電氣用戶設(shè)備所要求的能量；-在所述放電瞬間初始時間間隔結(jié)束時，所述電容元件(21)接線端子處的電壓大于電氣用戶設(shè)備的最小電源電壓；
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的規(guī)格可按照下述公式確定ETRANS=12·C·(VNOM2-VMIN2)]]>式中ETRANS在所述放電瞬間初始時間間隔期間，電氣用戶設(shè)備所需要的能量；C 所述電容元件(21)的總電容量；VNOM所述電容元件(21)接線端子處的額定靜止電壓；VMIN電氣用戶設(shè)備的最小電源電壓。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的電容量規(guī)格應(yīng)在充電瞬間的預(yù)先確定初始時間間隔期間能使所述電容元件(21)吸收汽車的電氣用戶設(shè)備所提供的能量。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的規(guī)格按照下式確定ETRANS=12·C·(VMAX2-VNOM2)]]>式中ETRANS在所述充電瞬間的初始時間間隔期間，電氣用戶設(shè)備所提供的能量；C 所述電容元件(21)的總電容量；VNOM所述電容元件(21)接線端子處的額定靜止電壓；VMAX在所述充電瞬間初始時間間隔期間，所述電容元件(21)接線端子處的最大充電電壓。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電感元件(22)的電感量可按下式給出L＝RT·τ式中L 所述電感元件(22)的電感量；RT等于所述蓄電池(20)內(nèi)部電阻RB和所述電感元件(22)電阻RL之和的總電阻；τ 所述蓄電池(20)和電感元件(22)所確定的串聯(lián)支路的時間常數(shù)，該時間常數(shù)范圍在放電瞬間預(yù)定初始時間間隔的1/3和1/5之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述蓄電池(20)和所述電感元件(22)所確定的串聯(lián)支路的時間常數(shù)等于放電瞬間預(yù)定初始時間間隔的1/4。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于一個放電瞬間的初始時間間隔的長短是該放電瞬間所述蓄能系統(tǒng)(15)需提供的供電電流的時間模式的函數(shù)和該放電瞬間所述蓄電池(20)所提供的期望最大供電電流的函數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于放電瞬間的初始時間間隔的長短等于在該放電瞬間所述蓄能系統(tǒng)(15)需提供的供電電流所必需的時間間隔，與該放電瞬間所述蓄電池(20)所提供的期望最大電流相等。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)包括由若干超級電容器元件組成的模塊。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述超級電容器屬于“雙層電容器”類型。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)包括平衡電路。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于包括箱體(18)，用來安裝所述蓄電池(20)、所述電感元件(22)和所述電容元件(21)，并包含用于與汽車電氣系統(tǒng)連接的接線端子(19)。
18.一種用于向汽車電氣用戶設(shè)備提供動力的蓄能系統(tǒng)(15)，該蓄能系統(tǒng)(15)包括蓄電池(20)；與蓄電池(20)并行連接的電容元件(21)；在所述蓄電池(20)和所述電容元件(21)之間串行連接到所述蓄電池(20)上的電感元件(22)；所述蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于在充電和放電瞬間，有效地調(diào)解所述蓄電池(20)和所述電容元件(21)之間的功率/能量流；所述電容元件(21)的電容量應(yīng)能使所述電容元件(21)儲存足夠的能量以在放電瞬間預(yù)先確定的初始時間間隔期間單獨(dú)向汽車電氣用戶設(shè)備供電；所述電感元件(22)的電感量可按下式給出L＝RT·τ式中L 所述電感元件(22)的電感量；RT等于所述蓄電池(20)內(nèi)部電阻RB和所述電感元件(22)電阻RL之和的總電阻；τ 所述蓄電池(20)和所述電感元件(22)所確定的串聯(lián)支路的時間常數(shù)，該時間常數(shù)范圍在放電瞬間預(yù)定初始時間間隔的1/3和1/5之間。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述蓄電池(20)和所述電感元件(22)所確定的串聯(lián)支路的時間常數(shù)等于放電瞬間預(yù)定初始時間間隔的1/4。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于放電瞬間的初始時間間隔的長短是該放電瞬間蓄能系統(tǒng)(15)需提供的供電電流的時間模式的函數(shù)和該放電瞬間所述蓄電池(20)提供的期望最大供電電流的函數(shù)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于放電瞬間初始時間間隔的長短等于在該放電瞬所述蓄能系統(tǒng)(15)需提供的供電電流所必需的時間間隔，與該放電瞬間所述蓄電池(20)提供的期望最大電流相等。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的規(guī)格應(yīng)滿足以下要求-在放電瞬間初始時間間隔期間，所述電容元件(21)可承受的最大電流大于所述電容元件(21)需提供的最大供電電流；-在所述放電瞬間初始時間間隔期間，所述電容元件(21)能夠提供的能量大于電氣用戶設(shè)備需提供的能量；-在所述放電瞬間初始時間間隔結(jié)束時，所述電容元件(21)接線端子處的電壓大于電氣用戶設(shè)備最小電源電壓。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的規(guī)格可按照下述公式確定ETRANS=12·C·(VNOM2-VMIN2)]]>式中ETRANS在所述放電瞬間初始時間間隔期間，電氣用戶設(shè)備所需要的能量；C 所述電容元件(21)的總電容量；VNOM所述電容元件(21)接線端子處的額定靜止電壓；VMIN所述電氣用戶設(shè)備最小供電電壓。
24.根據(jù)權(quán)利要求18所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的電容量規(guī)格應(yīng)在充電瞬間預(yù)先確定初始時間間隔期間，能使所述電容元件(21)吸收汽車電氣用戶設(shè)備所提供的能量。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的蓄能系統(tǒng)(15)，其特征在于所述電容元件(21)的電容量可按下式確定ETRANS=12·C·(VNOM2-VMIN2)]]>式中ETRANS在所述充電瞬間初始時間間隔期間，電氣用戶設(shè)備所提供的能量；C 所述電容元件(21)的總電容量；VNOM所述電容元件(21)接線端子處的額定靜止電壓；VMAX在所述充電瞬間初始時間間隔期間，所述電容元件(21)接線端子處的最大充電電壓。
全文摘要
一種用于向汽車電氣用戶設(shè)備提供動力的蓄能系統(tǒng)(15)，該蓄能系統(tǒng)(15)包括蓄電池(20)、與所述蓄電池(20)接線端子并行連接的電容元件(21)、在所述蓄電池(20)和所述電容元件(21)之間串行連接到所述蓄電池(20)上的電感元件(22)；在充電和放電瞬間，有效地調(diào)解所述蓄電池(20)和所述電容元件(21)之間的功率/能量流；所測蓄電池(20)容量(Ah)和所測電容元件(21)電容量(F)之比小于1；所測蓄電池(20)容量(Ah)和所測電感元件(22)電感量(μH)之比小于1。
文檔編號H01M10/44GK1866663SQ20061007850
公開日2006年11月22日 申請日期2006年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月2日
發(fā)明者安格羅·普薩蒂, 邁克爾·帕內(nèi)斯 申請人:麥格奈蒂·瑪瑞麗-力特恩有限公司, 意大利國立新環(huán)境技術(shù)能源事務(wù)局