专利名称：混合动力或电动机动车辆的电能储存装置及其电能管理方法
技术领域：
本发明涉及一种混合动力或电动机动车辆的电能储存装置及其电能管理方法。本 发明的目的特别在于综合改善一个这样的电能储存装置的成本、性能和寿命。
背景技术：
混合动力车包括一个热力发动机，其与一个电力牵引系统，比如电机共同使用。这 种类型的车辆运行的一般原理是或是仅令电机运转(纯电力模式)，此时车辆行驶的速度 低于一个阈值(例如设在60km/h左右)，特别是在城区中时，或是仅令热力发动机运转(热 力模式)，此时车辆行驶的速度高于阈值，在城区之外。当由电机牵引车辆时，它提取能量存储装置中的能量。在回收能量的阶段，特别是 车辆减速时，车辆的动能转化为电能被存储在电能储存装置内部。这些车辆包括一个车载电力系统，其包括一组车辆上的能量消耗元件，比如车灯， 收音机，雨刷和空调，它们连接到电能储存装置上以便获得运转所需的能量。人们知道电化学电偶蓄电池形式的电能储存装置，其借助于自身电极上的电化学 反应将能量从电能转化为化学能(反之亦可)。常见的氧化物类型的蓄电池有硫酸铅蓄电 池，金属镍氢蓄电池，锂离子蓄电池，聚合物锂蓄电池，或其它。在电化学电偶蓄电池中，我们又分为“能量型”蓄电池和“功率型”蓄电池两类。能 量型蓄电池的内部电阻比功率型蓄电池的高，输送同样的电量比功率型蓄电池要持续更长 的时间，反过来说，由于其内部电阻高，能量型蓄电池输送的功率比功率型蓄电池的少。蓄电池是能量型还是功率型是在制造时确定的。事实上，覆盖在蓄电池的电极上 的材料活性越强，它的蓄电能力越好，它的内部电阻越大，造成所输送的功率小。相反，覆盖 在蓄电池的电极上的材料活性越差，它的蓄电能力越弱，它的内部电阻越小，造成所输送的 功率高。但是，由于电化学蓄电池的内部电阻相当高，需要使用很多蓄电池才能满足车辆 对功率的需要，这就造成了蓄电池体积太大的问题。另外，我们了解的超级电容器(supercondensateur)，也称作超级电容，是由两个 浸入电解液的电极构成的，这两个电极被一个绝缘而有孔的(为了确保离子传导)组件分 割开。电荷聚集在电极处，从电的角度来看，电解液确保了补偿聚集的电荷。这些超级电容器能够在一个相对短的时段内传输较大的功率。相比于电化学电偶 蓄电池(“能量型”或“功率型”的)，超级电容器具有低蓄电能力但其效率和功率很高。
发明内容
本发明的原理在于将不同的蓄电技术结合起来以吸取它们各自的优点。这样在本发明中，我们使用一个第一电能存储元件和一个第二电能存储元件，两 者通过一个电耦合机构相耦合，该电耦合机构确保将该第一蓄电元件的电压转变成该第二蓄电元件的电压值，反之亦然。两个蓄电元件中的一个包含一个电化学电偶蓄电池，而另一 个包含一个超级电容器。本发明中，电化学电偶蓄电池能够将超级电容器维持在工作充电状态，也就是说 在该充电状态，超级电容器能够在车辆进入回收阶段时蓄积能量，或者在车辆进入用电工 作阶段时提供能量。为了这个目的，如果在回收能量阶段中，超级电容器的电压达到了某一与其充电 状态相应的电压，蓄电池通过合适的电流从超级电容器提取能量，使超级电容器的电压下 降，以便能够根据需要再蓄积能量。在一个车辆处于纯电牵引阶段的期间，超级电容器的电压达到了某一与其放电状 态相应的电压，蓄电池通过合适的电流向超级电容器提供能量，使超级电容器的电压上升， 以便能够根据需要仍向电机提供能量。本发明允许使用一个体积较小的电化学蓄电池，这也同时意味着减小蓄电池组的 重量、体积、电功率和蓄电量。另外，本发明允许低电流的数量，因之限制了蓄电装置的发 热。于是，本发明涉及一种混合动力或电动机动车辆的电能储存装置，其特征在于包 括-连接到一个电力牵引系统和/或一个车载电力系统的高压输电线，-连接到所述输电线的第一电能储存元件，其特征在于还包括-第二电能储存元件，通过电耦合机构连接到该输电线，该电耦合机构确保将该第 一电能储存元件的电压值转变为该第二电能储存元件的电压值，反之亦然，-该第二电能储存元件和该第一电能储存元件并联连接到该输电线上，-所述两个电能储存元件中的一个包括电化学电偶蓄电池，而所述两个蓄电元件 中的另一个包括超级电容器。根据一个实施例，所述连接到该输电线的第一电能储存元件包括超级电容器，所 述第二电能储存元件包括电化学电偶蓄电池。根据一个实施例，所述第一电能储存元件包括一个输送80到150伏电压的电流的 超级电容器，该超级电容器能够提供功率为15到35KW的电能。根据一个实施例，所述第二电能储存元件包括一个输送12到60伏电压的电流的 电化学电偶蓄电池，该电化学电偶蓄电池的蓄电能力是2到20兆焦耳。根据一个实施例，所述电耦合机构是一个可逆直流-直流(DC/DC)变流器，功率为 1 至Ij 5KW。本发明还涉及一种混合动力或电动机动车辆，其装配有根据本发明的电能储存装 置电能储存装置，其特征在于包括-一个通过一第二电耦合机构连接到高压输电线上的车载电力系统，和-一个通过交流/直流变流器连接到该高压输电线上的电力牵引系统。根据一个实施例，该变流器能够承受80到150伏的电压，其功率大约为40KW，而该 直流-直流变流器承受的功率大约在IKW的水平。本发明还另涉及一种在根据本发明的混合动力或电动机动车辆中管理电能的方法，其特征在于，在一个纯粹的电牵引阶段，电力牵引系统在超级电容器的两端提取能量以 确保牵引车辆，电能通过电耦合机构从蓄电池向所述超级电容器输送，以补偿提取的能量。根据一种实施方式，在一个回收能量的阶段，该超级电容器蓄积来自该电力牵引 系统的能量，电能通过所述电耦合机构从所述超级电容器输送给蓄电池，以减少该超级电 容器的充电。根据一种实施方式，在回收能量的阶段结束后(或在纯电牵引的阶段结束后)，该 超级电容器处于被充了电的状态(或处于被放电的状态)，那么实施——优选是在一个纯 粹的热力发动机牵引的阶段——从该超级电容器向该蓄电池的(或从该蓄电池向该超级电 容器的)能量输送，以使该超级电容器的充电电压是这样的，当车辆进入到回收能量的阶 段时，该超级电容器能够蓄积来自该电力牵引系统的电能；或者当车辆在电力模式下工作 时，向该电力牵引系统提供能量。
阅读以下说明并参阅附图可以更好地理解本发明，所示附图仅为说明之用而绝非 用于限制本发明，图中-图1根据本发明的电能储存装置的基本原理的示意图；-图2根据本发明的电能储存装置的一个优选实施方式的示意图，该电能储存装 置连接到一个电力牵引系统和一个车载电力系统上。-图3蓄电元件两端的电压、这些元件之间的功率交换和一辆装配有图2所示电 能储存装置的混合动力车辆的电机功率的时态图。以上附图中同一元件有同一附图标记。
具体实施例方式图1展示了一种电能存储装置1，其包括高压直流输电线2，连接到一个车辆的电 力牵引系统，比如电机，和/或所述车辆的一个车载电力系统。一个第一蓄电元件3连接到该输电线2上。一个第二蓄电元件4通过一个电耦合 机构5连接到输电线2。该第二蓄电元件4通过电耦合机构5，以与第一元件3并联的方式， 连接到输电线2。耦合机构5是一个可逆直流/直流变流器，确保将该第一蓄电元件3的电压值转 变为与该第二蓄电元件4的电压值相适应，反之亦然。在本发明的一个实施方式中，将一个具有较小内部电阻的蓄电元件3或4和一个 具有较大电容量的蓄电元件3或4结合起来同时使用，具有较小内部电阻的蓄电元件可以 是例如超级电容器，而具有较大电容量的蓄电元件可以是例如能量型或功率型的电化学蓄 电池。这种配合可以在最佳期间对车辆输电线的高的功率需求做出反应。作为一种变型，蓄电元件3和4中的一个采用功率型蓄电池的形式，而另一个采用 能量型蓄电池的形式。图2展示了本发明的电能储存装置1的一个优选实施例。根据这个实施例，第一蓄电元件3包括一个输送80到150伏电压的电流的超级电 容器，该超级电容器能够提供功率为15到35KW的电能。
第二蓄电元件4包括一个输送12到60伏电压的电流的电化学电偶蓄电池，该电 化学电偶蓄电池的蓄电能力是2到20MJ(兆焦耳)，在某些实施例中，该蓄电能力可能达到 60 至Ij 100MJ。电耦合机构5是一个可逆直流-直流(DC/DC)变流器，功率为1到5KW。另外，一个牵引系统7，比如电机，通过电耦合机构8连接到输电线2上，电耦合机 构8采用一个交流-直流(AC/DC)变流器。该变流器8能够接受80到150V的电压，其功 率大约为40KW。当电机7以发电机模式工作时，电耦合机构8以整流器模式工作，以将发电 机7发出的交流电整流为直流电输向输电线2。当机器7以电动机模式工作时，机构8以换 流器模式工作，以将输电线2上的直流电压转换为输送到电动机7的三相上的三相交流电。再有，车辆的车载电力系统的输电线9通过一个直流/直流变压器10连接到传输 线2上，该变流器10的功率为IKW左右。我们所说的车载电力系统包括一组车辆的耗能电 子元件，与输电线9串联或并联。这些耗能电子元件特别是如车灯，收音机，空调和雨刷等。 变流器10能够将车载电力系统的可观察到的电压值转变为与传输线2上可观察到的电压 值相一致，反之亦然。车载电力系统的电压维持在12V左右。 本发明的电能储存装置1还包括一个控制单元(图中未示)，能够指挥电能储存装 置1的不同元件3，4和5，以实施本发明的电能管理方法，如图3的时态图所示。更确切地说，图3表示的是，当根据本发明的混合动力车工作在11-15这些不同 的阶段时，图2所示的电能储存装置1的超级电容器3和蓄电池4的两端分别具有的电压 UCAP和VBAT、超级电容器3和蓄电池4之间的功率交换PDC/DC和电机7的功率PMEL随时 间而变化的图线。当能量从蓄电池4向超级电容器3输送时，我们将功率交换PDC/DC视为正，而当 能量从超级电容器3向蓄电池4输送时，我们视功率交换PDC/DC为负。当电机7以电动机模式工作时，功率PMEL为正，当用电机器7以发电机模式工作 时，功率PMEL为负。在工作阶段11，当电机7以电动机模式工作时(功率PMEL为正)，电机7从超级 电容器7的两端提取能量以确保车辆的牵引，导致超级电容器3的两端的电压UCAP降低。 另外，电能从蓄电池4向超级电容器3输送(PDC/DC为正)，以补偿提取的电能，致使蓄电 池4的两端的电压VBAT也降低。在阶段11结束时，超级电容器3具有与其放电状态对应 的电压Vd。对于一辆混合动力车来说，该阶段11中可以与热力发动机牵引阶段相结合(助 力模式)。在工作阶段12，当车辆在热力发动机牵引模式时，超级电容器3和蓄电池4没有启 用。蓄电池未加载，电压为Vtl，接近没有电流时的电压。超级电容器3的两端的电压UCAP 大致上保持不变。在工作阶段13，当车辆在热力发动机牵引模式时，电能输送是从蓄电池4朝向超 级电容器3的，电流从蓄电池4通过变流器5放向超级电容器3。这个能量输送的目的是将 超级电容器3的电压从Vd上升到Vf，以使超级电容器3能够在车辆进入以后的的电力牵 引阶段时，能够向电机7提供电能，或者，当车辆进入回收能量阶段时，蓄积来自电机7的能 量。换句话说，在该阶段13，超级电容器3的电压得以提升，以使其保持最佳工作状态。在回收能量的减速工作阶段14，车辆速度减慢且将电机7当作发电机使用(PMEL为负)，以将车辆的动能转化为电能。于是超级电容器3蓄积来自电机7的能量，导致其两 端的电压UCAP增加。在该阶段14结束时，超级电容器3具有与其充电完毕的状态对应的 电压Vc。可能但并非必须通过变流器5将超级电容器3的电能输送到蓄电池4以减缓超级 电容器3的充电(PDC/DC为负)。 在运转阶段15，当车辆在热力发动机牵引模式时，电能输送是从超级电容器3朝 向蓄电池4的(PDC/DC为负)，电流从超级电容器3通过变流器5放向蓄电池4，以将超级 电容器3的电压从Vc降低到Vf ’，以使超级电容器3能够在车辆下次减速时再次回收能量， 或者在车辆进入一个电力牵引阶段时，向电机7提供能量。换句话说，在该阶段15，如同在 前面的阶段13 —样，改变超级电容器3的电压，以使其达到最佳运转状态。在一个实施例 中，电压Vf和Vf ’可以大致相等。
权利要求
1.混合动力或电动机动车辆的电能储存装置(1)，其特征在于包括-连接到一个电力牵引系统(7)和/或一个车载电力系统的高压输电线0)，-连接到所述输电线O)的第一电能储存元件(3)，其特征在于还包括-第二电能储存元件，通过一个电耦合机构(5)连接到该输电线O)，该电耦合机构 (5)确保将该第一电能储存元件C3)的电压值转变为该第二电能储存元件(4)的电压值，反 之亦然，-该第二电能储存元件(4)和该第一电能储存元件(3)并联连接到该输电线(2)上，-所述两个电能储存元件(3，4)中的一个包括电化学电偶蓄电池，而所述两个电能储 存元件(3，4)中的另一个包括超级电容器。
2.根据权利要求1所述的电能储存装置，其特征在于，所述连接到该输送线的第一电 能储存元件C3)包括超级电容器，所述第二电能储存元件(4)包括电化学电偶蓄电池。
3.根据权利要求2所述的电能储存装置，其特征在于，所述第一电能储存元件C3)包括 输送80到150伏电压的电流的超级电容器，该超级电容器能够提供功率为15到35KW的电 能。
4.根据权利要求2或3所述的电能储存装置，其特征在于，所述第二电能储存元件(4) 包括输送12到60伏电压的电流的电化学电偶蓄电池，该电化学电偶蓄电池的蓄电能力是 2到20兆焦耳。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的电能储存装置，其特征在于，所述电耦合机构 (5)是可逆直流-直流(DC/DC)变流器，功率为1到5KW。
6.混合动力或电动机动车辆，装配有根据以上权利要求中的任一项所述的电能储存装 置，其特征在于包括-通过第二电耦合机构(10)连接到高压输电线(2)上的车载电力系统，和-通过交流/直流变流器(8)连接到该高压输电线( 上的电力牵引系统(7)。
7.根据权利要求6所述的混合动力或电动机动车辆，其特征在于，该变流器(8)能够接 受80到150伏的电压，其功率大约为40KW，而该直流-直流变流器(10)承受的功率大约在 IKff的水平。
8.根据权利要求6或7所限定的混合动力或电动机动车辆中的电能的管理方法，其特 征在于，在一个纯粹的电牵引的阶段，电力牵引系统(7)在超级电容器C3)的两端提取能量 以确保牵引车辆，电能通过电耦合机构( 从蓄电池(4)向所述超级电容器C3)输送，以补 偿提取的能量。
9.根据权利要求8所述的电能的管理方法，其特征在于，在回收能量的阶段，该超级电 容器⑶蓄积来自该电力牵引系统(7)的能量，电能通过所述电耦合机构(5)从所述超级 电容器C3)输送给所述蓄电池G)，以减少该超级电容器(3)的充电。
10.根据权利要求8或9所述的电能的管理方法，其特征在于，在回收能量的阶段结束 后(或在纯粹电牵引的阶段结束后)，该超级电容器处于被充电的状态(或处于被放电的 状态)，那么实施——优选是在一个纯粹的热力发动机牵引的阶段——从该超级电容器(3) 向该蓄电池的(或从该蓄电池向该超级电容器(3)的)能量输送，以使该超级电 容器(3)的充电电压(Vf，Vf’ )是这样的，当车辆进入到补回收能量的阶段时，该超级电容器(3)能够蓄积来自该电力牵引系统(7)的电能；或者当车辆在电力模式下工作时，向该电 力牵引系统(7)提供能量。
全文摘要
本发明主要涉及一种混合动力或电动机动车辆的电能存储装置(1)，其包括连接到一个电力牵引系统(7)和/或一个车载电力系统的高压输电线(2)，和一个连接到所述输电线(2)的第一电能储存元件(3)。根据本发明，一个第二电能储存元件(4)通过一个电耦合机构(5)和第一电能储存元件(3)并联连接到输电线(2)上。两个电能储存元件(3，4)中的一个包括一个电化学电偶蓄电池，而两个电能储存元件(3，4)中的另一个包括一个超级电容器。
文档编号B60W10/06GK102083665SQ200980126157
公开日2011年6月1日 申请日期2009年7月3日 优先权日2008年7月4日
发明者G·谢鲁夫里耶 申请人:标致·雪铁龙汽车公司